JPS59479B2 - 結晶体部生長装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 本発明は溶融物から結晶体部を成長させるための装置に
係わり、特に溶融物から比較的大直径の結晶体部を成長
させるための新規なルツボおよびダイス装置に係わる。

溶融物から結晶体部を成長させるシステムは種種なもの
が開発されている。

本発明は縁部画成膜送り成長法（ｅｄｇｅ −ｄｅｆ
１ｎｅｄ ＋ ｆ ｉｌｍ −ｆｅｄ。

ｇｒｏｗｔｈ ｔｅｃｈｎｉｑｕｅ 、 ＥＦＧ方法
として知られている）により溶融物から結晶体部を成長
させる装置の改良に関する。

ＥＦＧ方法の詳細は、１９７１年７月６日付のハロルド
、Ｅ、ラベル、Ｊｒ 、の米国特許第３５９１３４８号
「結晶材料の成長方法」、および１９７２年８月２９日
付のハロルド、Ｅ、ラベル、Ｊｒ、等の米国特許第３６
８７６３３号「溶融物から結晶体部を成長させるための
装置」に記述されている。

ＥＦＧ方法において結晶体部の形状は、毛細管形成部材
（適切な名称がないのでダイスと称される）の端部の外
側または端縁形状によって決定される。

この方法の利点は、例えば円形の管のような所要な形状
の体部を最も単純な種形状、すなわち小さな直径の円形
の種結晶から作れることである。

この方法における種結晶上の結晶体部の成長は、成長し
ていく体部とダイスの端部表面の間に挟まれた供給材料
の液体膜から生ずる。

この膜内の液体は適当な溶融物槽から、ダイス部材の１
個ないし複数個の毛細管を通して連続的に供給される。

ＥＦＧ方法によって単結晶体部としてこれまでに成長さ
せた材料としては、アルファーアルミナ（サファイア）
、スピネル、金縁玉、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチ
ウム、イツトリウム・アルミニウム・ガーネット、およ
びケイ素がある。

ＥＦＧ方法における重要な条件は、ルツボとダイス部材
の材料組成が操作温度に充分耐え、そして溶融物と反応
しないことである。

またダイス部材は溶融物により湿潤できなければならず
、そしてダイスおよびルツボは溶融物に溶けない材料で
作られなければならない。

例えば単結晶アルミナ体部を成長させるのに使われるダ
イスおよびルツボはモリブデンまたはタングステンから
作られるが、単結晶ケイ素体部を生長させる場合のダイ
スは一般的に黒鉛で作られ、そしてルツボは一般的に黒
鉛または石英で作られる。

しかしモリブデンとタングステンは僅少ではあるが溶融
アルミナに溶解するので、結晶成長方法が中断せずに長
時間続行されれば、それだけダイスやルツボの材料は溶
融物内に溶けて結晶成長方法に影響を及ぼす。

同様な溶融の問題が溶融ケイ素と接触する黒鉛や石英の
ダイスの場合にも伴なう。

またルツボやダイスの材料内に不純物があれば、これも
その材料から溶出して、成長していく結晶内に溶は込ん
でいく。

そこで本発明の目的は、溶融物から結晶体部を成長させ
るための改良された装置を提供することである。

本発明の他の目的は、ルツボやダイスの材料の溶融物へ
の溶解率と量が従来のルツボ−ダイス組立体のそれより
低くされた、ＥＦＧ方法により溶融物から結晶体部を成
長させるための新規なダイスおよびルツボを提供するこ
とである。

ルツボとダイスの両方または一方の材料の溶解の問題を
改良しようとする試みは、１９７６年４月２７日付きの
ハロルド、Ｅ、ラベル、Ｊｒ、の米国特許第３９５３１
７４号「溶融物から結晶体部を成長させるための装置」
に記載されている。

この特許においてラベルは、ルツボ側壁内に形成される
空洞の中にダイスが設置されるごとき新規なルツボ−ダ
イス組立体を提供している。

ラベルはその明細書において、ルツボやダイスの材料が
溶融物中に溶解する問題点を、当時知られていたＥＦＧ
システムにおいてルツボ壁の内面がダイス部材より高温
であるという事実により温度に関する現象としてとらえ
ている。

その結果ルツボ材料がルツボ壁から溶出して単により低
温なダイス部材の面上に析出するとしている。

そこで米国特許第３９５３１７４号においてラベルはそ
の問題の解決策として、ルツボ側壁の空洞内にダイス部
材を設置することを提案している。

本発明は、溶融物へのルツボやダイスの材料の溶解率が
また、ルツボおよびダイスと溶融物との間の界面の面積
に関連し且つルツボとダイスを形成する材料の体積にも
関連するという認識にもとづいている。

そこで本発明は、前記のような諸口的を達するべく新規
なルツボ及びダイス装置を提供する。

この装置は次のような三重の効界、すなわちけ）ルツボ
およびダイスと溶融物との界面の面積を小さくすること
、（２）ルツボとダイスを形成する材料の体積を小さく
すること、および（３）ルツボとダイスを実質的に同じ
温度に効果的に維持すること、の三重効果を有する。

簡単にいうと本発明は、ルツボがまたダイスの一体部分
を形成するようなルツボおよびダイスを提供する。

本発明は２つの基本的な実施態様を有する。

その１つの基本的実施態様において、ルツボおよびダイ
スは単一の部材として構成され、ここでダイスはルツボ
と一体に作られる。

ルツボを形成する部材は底壁と管状の側壁を有し、底壁
及び側壁は溶融物を収容する内部空間を構成する。

ダイスは、その側壁の上端部に作られる環状空洞によっ
て形成され、そこで１つないし複数個の毛細管通路が該
側壁内に設けられ、そしてこの各通路の一方の端部は該
内部空間に通じ、他方の端部は該空洞に通じる。

本発明の他の基本的且つ好適な実施態様において、ルツ
ボおよびダイスは相互に協働する２つの個別な部材で構
成される。

第１のルツボ部材は、内部空間を構成する底壁と管状側
壁を有する。

このルツボ部材の内部に、これの側壁から一定距離だけ
離れて第２のダイス構成ライナ一部材が支持され、こう
してルツボ部材側壁はダイスの外側部分を形成し、また
第２ライナ一部材はダイスの内側部分を形成し、そして
それらルツボ部材とライナ一部材の間の空間によって毛
細管通路が作られるのである。

本発明のその他の目的と長所は添付図面と関連して以下
に続ける詳細な説明から、より明らか？こなろう。

本発明によるルツボおよびダイス組立体は種々な形状の
単結晶体部を作るのに利用できよう。

しかしここに図示した実施例は特に、ある特定の結晶格
子の形に凝固するような、適当に溶融した任意の１つの
材料から比較的大きな直径の円筒形管を作るのに適した
ものである。

その結晶構造を作る材料を適当に選択することにより、
本発明によるこのルツボおよびダイス組立体を使って、
例えば、アルミナ、チタン酸バリウム、ニオブ酸リチウ
ム、イツトリウム・アルミニウム・ガーネット、または
ケイ素の結晶体部を成長させることができる。

本発明はまたその他、共晶組成物のような材料を成長さ
せるのに利用できる。

便宜上、以下の説明において本発明のルツボ−ダイス組
立体は、ケイ素の比較的大きな直径の実質的に単結晶の
管を成長させるものとするが、本発明がこれにのみ限定
されるものでないことはいうまでもない。

第１図は典型的な従来のケイ素管を成長させるルツボ−
ダイス組立体を示す。

この図示の組立体は、モリブデンまたは黒鉛製の円筒形
熱感器２０を備える。

この熱感器は頂端部が開いており、そして底壁２２と円
筒形側壁２４を備える。

熱感器２０の内部に石英または黒鉛の円筒形ルツボ２６
が嵌装される。

このルツボも頂端部が開かれ、そして底壁２８と側壁３
０を備え、そしてこれら壁が、結晶を成長させる材料、
例えばケイ素の溶融物を収容する内部空間を構成する。

熱感器とルツボは、例えば米国特許第３５９１３４８号
の第１図に示されているような、適当な結晶成長炉の中
に装着される。

ルツボ２６内に、２つの同心的な円筒形のグラファイト
のスリーブ３６と３８で構成されるダイス組立体３４が
設置される。

このダイス組立体は図示していない適当な装置によって
ルツボ内に支持される。

スリーブ３６とこれの内側の管またはスリーブ３８の間
に毛細管部分の間隙３９を形成するため、スリーブ３６
の内径はスリーブ３８の外径より大きくされる。

ここでスリーブまたは管３６と３８は、例えば１９７２
年８月２９日付のハロルド、Ｅ、ラベル、Ｊｒ、とチア
ールズ、Ｊ。

クロナンの米国特許第３６８７６３３４の第２図に示さ
れている小径のワイヤまたはロンドのような複数個のス
ペーサによって、相互に同心的に隔置するように維持さ
れ、そしてそれら２つの管に設けた孔に通される１つま
たはそれ以上のピン４０によって固定される。

この第１図に示したような型式のルツボ−ダイス組立体
、およびその他いろいろな型式のルツボ−ダイス組立体
の詳細が米国特許第３６８７６３３号に記述されている
。

第２図は本発明によるルツボおよびダイスの１つの形状
を示す。

図示していないが、第２図に示すようなルツボ−ダイス
組立体が周知の結晶成長炉内に設置されることは理解さ
れるべきである。

第２図の装置はモリブデンまたは黒鉛製の熱感器４４、
および全体的に４６で示すルツボ−ダイス組立体を備え
る。

熱感器４４はこれの頂端部が開かれており、そして底壁
５０と円筒形側壁５２を備える。

空洞５４の用途は後の説明から明らかになろう。

ルツボ−ダイス組立体４６は熱感器４４の内部に装着さ
れる。

このルツボ−ダイス組立体４６は基本的に２つの別々な
部材５６と６２を備える。

これら部材は適当な名称がないので、ルツボ部材および
ライナ一部材と称することにする。

しかしこの後の説明からも理解されるであろうが、ルツ
ボ部材５６はまた、ライナ一部材を伴なって初めて完成
するＥＦＧダイスの主要な部分を成している。

ルツボ部材は従来の型式と同じで、その頂端部が開いて
おり、そして底壁５８と円筒形側壁６０を備える。

ルツボ部材５６は黒鉛で、熱感器４４内に静合する寸法
に作られる。

ルツボ部材５６内にダイス構成ライナ一部材６２が装着
される。

この部材６２は同じく黒鉛で、円筒形スリーブまたは管
の形に作られる。

このスリーブ６２の外径は、ルツボ部材５６の内径より
小さく、これら両部材の間に毛細管の寸法の間隙６４を
形成するような寸法とされる。

スリーブ６２は複数個のスペーサ６３（第３図、第４図
参照）によってルツボ側壁６０から同心的に隔置される
。

スペーサ６３は好適にはダイス部材６２の外壁面に溝を
切削加工して作られるリブにより形成されよう。

このルツボとダイスは、ルツボ側壁６０とスリーブ６２
に設けた適当な孔に打込まれる複数個のリベットまたは
ピン６５によって相互に同心的に維持される。

ルツボ側壁６０の上端部とスリーブ６２の上端部は毛細
管の間隙６４の頂点から傾斜が付けられ、これによって
作られる傾斜面７６と毛細管の間隙６４の交点に１対の
平行な端縁面７４が形成される。

これら端縁面７４は相互に実質的に平らであり、そして
熱感器４４の上端部より上方へ延在する。

面７４は図示のようにナイフ・エツジにしてもよく、あ
るいはまた破線７５で示すようにダイス上端部を截頭し
て多少の幅をもたせるようにしてもよい。

第２図に示すように、ルツボ５６とライナ一部材６２が
、これらの上端縁面７４が平らになるようにして組立て
られたとき、そのライナ一部材すなわちスリーブ６２の
底部がルツボ底壁５８から隔置するように、ルツボ側壁
６０はスリーブ６２より長く作られる。

当該技術者には直ぐ解かるように、その隔置により作ら
れる間隙から、溶融物は毛細管の間隙６４に入っていく
のである。

あるいは変化形として、間隙６４に溶融物を流すための
１つまたは複数個の細長い孔をスリーブ６２の下端部に
備えるようにしてもよい。

不可欠というわけではないが、ピン６５に隣接した熱感
器側壁５２の内面にメクラ孔または空所５４を備えるの
が好適である。

これら孔５４の寸法はピン６５の個所で漏出する溶融物
を充分に収納できるものでなければならない。

加工と組立てを容易にするため、空所５４はルツボ側壁
５２の内周面に延在する環状の細長い孔の形にしてもよ
いＯ 当該技術者には理解されようが、上記のような構成によ
って、ルツボ５６はライナ一部材６２との組合せにより
、間隙６４の形の毛細管開口とダイス構成端縁面７４を
有するＥＦＧダイスを形成する。

このダイスによって内外径が制御された単結晶ケイ素管
の成長を行わせることができる。

第２図に示すように、このルツボおよびダイスには、そ
のダイス部材６２の上端部近くの内壁面にフランジ７７
が備えられる。

このフランジは熱遮蔽および溶融物カバー（図示せず）
を周知のように支持する。

第２図のような構成のダイスおよびルツボ組立体は第１
図に示した従来のそれに較べて多くの長所を備える。

その１つは従来のダイス−ルツボ組立体より部品の数が
少ないことである。

本発明の他の長所はルツボ５６の側壁がダイスの一体部
分を成すことである。

これによって毛細管孔内の溶融物は実質的にルツボの温
度と同じに保たれる。

従ってルツボ材料が溶融物に溶け、そしてその溶解した
材料が毛細管孔内で析出する可能性は低くなる。

本発明のさらに別の長所は、ルツボとダイス材料の体積
、および溶融物−ルツボ界面、また溶融物−ダイス界面
の面積が従来のダイス−ルツボ組立体に較べ小さいこと
である。

従ってそれだけ潜在的な不純物の量および潜在的な汚染
源は小さくなる。

例えば第１図に示すような従来型式のダイス−ルツボ組
立体では、３つの主要な部品とほぼ同一な面積の６つの
界面があり、これらは潜在的に溶融物汚染源になってい
る。

他方、本発明の第２図のような構造のダイス−ルツボ組
立体は主要部品は２つ、そして潜在汚染性界面は４つし
かもたない。

組立体の全部品を可及的に薄く作れば、その材料の体積
に関しても第２図の組立体か第１図の従来のものより相
当に小さくできることは理解されよう。

また当該技術者に明らかなように、本発明の別の長所は
ダイス温度の制御をより良く行えることである。

第５図ないし第７図は本発明による他の形のダイスおよ
びルツボを示す。

第５図と第６図のルツボおよびダイス構造は、ルツボと
ダイスの両方の機能をもつ単一な黒鉛部材８０で構成さ
れる。

この部材８０は頂部が開き、そして底壁８２と円筒形側
壁８４を有する直立の円筒である。

側壁８４は支持熱感器５２内に静合する外径と、そして
完全に嵌合した状態で熱感器５２の頂部から多少突出す
る高さを有する。

ルツボ側壁８４の頂端面の全周に亘って毛細管の環状空
洞または細長い孔８６が形成され、そしてその頂端部は
毛細管の細長い孔８６の頂点から両側に傾斜が付けられ
、その傾斜面９２と毛細管の細長い孔８６の交点に１対
の平行な端縁面９０が形成される（第６図参照）。

第６図でよく解かるように、複数個の細長い孔９４が円
筒形側壁８４の内面に形成される。

各細長い孔９４は壁８４の下端縁から、環状の細長い孔
８６と交わる個所まで延在する。

細長Ｇ婢Ｌ９４の幅、すなわち第６図で水平方向の寸法
は、溶融物を環状の細長い孔８６まで毛細管現象作用に
より上昇させるよう、毛細管寸法にされる。

細長い孔９４の断面は必らずしも矩形でなくともよく、
その他の例えば台形のようにしてもよい。

周知のようにして円形の熱遮蔽および溶融物カバー（図
示せず）を支持するためのフランジ９６が側壁８４の内
面の上端部近くに設けられる。

第５図と第６図のルツボ−ダイス構造は、これを作る部
品の数を１個まで減らせるという長所をもつ。

さらにこの構造ではダイスとルツボの溶融物に触れる汚
染界面の面積、およびダイスとルツボの材料の体積が従
来のダイス−ルツボ組立体に比較してさらに小さくされ
る。

第７図のルツボおよびダイスは、そのルツボが端部の開
いた黒鉛円筒９７の形をとるということ以外は、第５図
と第６図に示したルツボおよびダイスと同様なものであ
る。

ルツボ９７は、円形底部１００および円筒形側壁１０２
を有する石英容器９８内に嵌められる。

この容器９８はこれ自体、モリブデンの熱感器５２内に
収容される。

ルツボ９７、容器９８、および熱感器５２は第７図に示
すように静合組立てされるような寸法に作られる。

ルツボ９７と容器９８は相互に静合する。

第７図のルツボ−ダイス構造ではその主要部品の数が第
５図と第６図のそれより多くなるが、その黒鉛ルツボ９
７の底部が石英壁で閉じられるところに利点がある。

石英中の不純物が溶融ケイ素によって浸出される率は、
同じ条件における黒鉛からの不純物浸出率より相当に低
いからである。

従って成長していく結晶中に入る不純物の量はより少な
くなる。

次の実例は本発明の好適な実施態様を示す。

実例 第２図ないし第４図に示したようなルツボ−ダイス組立
体が以下のような仕様で作られる。

内径約７６．２ｍｍ（３，０インチ）、側壁６０の厚さ
約１．５２４ｍｍ（０，０６０インチ）、内部の深さ約
３８．１ｍｍ（１，５インチ）の黒鉛のルツボ５６が、
第２図に示すごとく、モリブデンの熱感器４４内に圧入
される。

外径約７５．４３８ｍｍ（２，９７０インチ）（ただし
スペーサ６３の個所以外、この個所の外径は約７６．１
７４６ｍｍ（２，９９９インチ）である）、壁厚的２．
２８６ｉｉ（０，０９０インチ）（ただしスペーサ６３
の個所の壁厚は約２．９９７ｉｔ（０，１１８インチ）
の黒鉛の円筒形スリーブ６２がルツボ５６内に圧入され
、黒鉛のピン６５により所定個所に固定される。

ルツボ５６とスリーブ６２の頂端面は第２図に示すごと
く傾斜が付けられる。

こうして作られたルツボ−ダイスに実質的に純粋なケイ
素が入れられ、そして、雨上端縁面７４の間から延出し
且つ細長い孔６４内あ溶融物につながっている溶融物の
膜からＥＦＧ法に従って管を引抜くことにより、単結晶
のケイ素管を成長させることがで入る。

ルツボ内の溶融ケイ素はこれの溶融点より約３０℃高い
温度に保たれ、そしてダイスの上端部の温度は上記溶融
点より約２０°Ｃ高い温度に保持される。

結晶の成長が一度始まると、引抜き速度は毎分当り約４
３．１８ｍｍ（１，ツイツチ）に維持される。

結晶成長は、ルツボ５６内の実質的に全てのケイ素が無
くなるまで続行される。

図面における熱感器５２は、ルツボ−ダイス組立体がＲ
Ｆ加熱炉内で使用されるものである場合以外は、本発明
にとって重要なものではない。

結晶体部を成長させる溶融物を作り維持するためルツボ
を加熱するのに電気抵抗加熱器が利用される場合には、
熱感器は使われない。

しかし電気抵抗加熱が行われる場合でも、ルツボを支持
するという目的だけのために熱感器５２のような部材は
用いられる。

この場合その部材は熱感性でない、例えば石英のような
材料で作られよう。

いうまでもなくルツボを炉内に支持する部材としては、
その他種々なものが可能である。

また、ここで使われる「実質的に単結晶」という用語に
は、単一結晶、あるいは縦方向に一緒に成長するが、比
較的小さな角度（すなわち約４°以下）の結晶粒界で分
離された二結晶、三結晶をも含まれることは理解される
べきである。

【図面の簡単な説明】

第１図は溶融物から管状結晶体部を成長させる従来の一
般的なルツボおよびダイス組立体の断面側立面図、第２
図は熱感器内に置かれた本発明によるルツボおよびダイ
スの１実施例の断面側立面図、第３図は第２図のルツボ
−ダイス組立体の部分詳細断面図、第４図は第２図のル
ツボ−ダイス組立体の頂面図、第５図は熱感器内に置か
れた本発明のルツボおよびダイスの第２実施例の断面側
立面図、第６図は第５図のルツボおよびダイスの拡大し
た断面側立面図、第７図は熱感器内に置かれた本発明の
ルツボおよびダイスの第３実施例の断面側立面図である
。 ２０・・・・・・熱感器、２６・・・・・・ルツボ、３
２・・・・・・溶融物、３４・・・・・・ダイス組立体
、３９・・・・・・毛細間隙、４４．５２・・・・・・
熱感器、４６・・・・・・ルツボ−ダイス組立体、５６
・・・・・・ルツボ、６２・・・・・・ダイス構成スリ
ーブ、６３・・・・・・スペーサ、６４・・・・・・毛
細管間隙、６５・・・・・・ピン、７４・・・・・・ダ
イス端縁面、７６・・・・・・傾斜面、８０・・・・・
・ルツボ−ダイス部材、８６・・・・・・毛細管の細長
い孔、９０・・・・・・ダイス端縁面、９２・・・・・
・傾斜面、９４・・・・・・細長い孔、９７・・・・・
・ルツボ円筒、９８・・・・・・石英容器。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １ ルツボから液体一固体成長界面へと毛細管ダイスに
   よって送られる溶融物から所要形状の結晶体部を成長さ
   せるシステムで用いられる装置において、前記装置はル
   ツボと毛細管ダイスの組合せを有し、（１）該ダイスの
   少くとも一部はルツボと一体部分であり、そして（２）
   該ルツボは該ダイスの基本部分であり、前記ルツボは（
   ａ）ルツボの上部は開き、（ｂ）ルツボの底部は閉じ、
   そして（ｃ）溶融物を収容する内部空間を形成する側壁
   を有し、（ｄ）前記ルツボの側壁は前記ダイスの少くと
   も１つの端縁面をなす上端を有し、（ｊｉ）前記ルツボ
   の側壁は少くとも１つの毛細管空間の１つの境界面を形
   成し、該毛細管空間の一方の端部は前記内部空間を通じ
   かつ他方の端部は前記上端に達している装置。 ２、特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記ル
   ツボおよびダイスが実質的に単一部材として構成され、
   そして少くとも１つの毛細管寸法の通路が該ルツボの側
   壁内に形成されている装置。 ３ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、ルツボ
   側壁の上端部内に形成され且つ少くとも１つの通路と通
   じる空洞を有する装置。 ４ 特許請求の範囲第３項記載の装置において、前記ル
   ツボ側壁が実質的に円筒形であり、そして前記空洞が該
   ルツボ側壁の円周囲に沿って延在する装置。 ５ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、ルツボ
   およびダイスを収容する熱感器をさらに有する装置。 ６ 特許請求の範囲第２項記載の装置において、前記通
   路がルツボ側壁に形成される複数の細長い小孔を備える
   装置。 γ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記ル
   ツボが端部の開いた円筒であり、そしてルツボの底端部
   を閉じるためのライナーを有する装置。 ８ シリコン結晶体を成長させるシステムで用いられる
   特許請求の範囲第７項記載の装置において、前記ルツボ
   およびダイスが黒鉛で作られ、また前記ライナーが石英
   で作られる装置。 ９ 特許請求の範囲第１項記載の装置において、前記ル
   ツボの内部にかつ前記ルツボと間隔を置いて支持された
   ダイス構成ライナ一部材を有し、前記ルツボと前記ダイ
   ス構成ライナ一部材はけ）前記ルツボと前記ダイス構成
   ライナ一部材との間の少くとも１つの毛細管通路と、（
   ２）前記所要形状に対応する端面形状を形成している装
   置。 １０特許請求の範囲第９項記載の装置において、前記ル
   ツボと前記ダイス構成ライナ一部材は相互に同心的であ
   る装置。 １１ 特許請求の範囲第９項記載の装置において、前記
   ダイス構成ライナ一部材と前記ルツボは鋭い端縁面を有
   する装置。