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LSI基板材料である引き上げ法シリコン(CZ-Si)結晶成長技術は、現在、生産現場における長年の試行錯誤と経験に基づいた膨大なノウハウによって支えられている。しかし、複雑多様化する今後の結晶製造の操作環境に柔軟に対応するためには、CZ-Si結晶成長系をより化学的な観点から見直す必要がある。本研究では、実験と数値解析の両手法を駆使して、CZ-Si結晶成長系を高温熱化学反応と熱・物質移動現象の観点から定量的に解明することを目的とし、CZ-Si結晶成長系における酸素の移動現象、および高濃度B添加Si結晶成長における転位の挙動について検討した。
(1)CZシリコン結晶育成中の酸素移動に関する各移動プロセス(石英(SiO_2)からの溶解、融液中の対流・拡散、融液表面からの蒸発)を解明するべく、ドロップ法による実験方法を確立し、その特徴を定量的に検証した。ドロップ法を用いて石英からの溶解速度を測定し、従来報告されている値と比べた結果、一桁以上も大きい正確な値を得た。また、実験では実現できないような非常に小さなドロップや非常に速い蒸発速度を持つ実験条件に合わせた数値解析を行った結果、ドロップ法の実験条件では蒸発プロセスが律速していることが分かった。
(2)Si融液表面における酸素の移動速度の数値解析に不可欠なSiOガス蒸気圧の精密測定方法を開発した。この方法により測定したSiO蒸気圧の温度依存性は、従来の熱化学データから理論的に計算した特性に近いことを確認し、実用的なデータとして有用であることを提案した。
(3)Bを高濃度に添加した融液からの結晶成長で、成長界面(Si融液-Si結晶界面)における転位の挙動解析を行い、種子づけ時の種子結晶側の熱ショック転位、および成長結晶側に発生するミスフィット転位の抑制条件を明らかにした。これにより、従来無転位結晶成長に不可欠であった「ネッキング法」によらない無転位結晶成長技術を確立した。
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