CN110004491B

CN110004491B - 硅单晶的制造方法

Info

Publication number: CN110004491B
Application number: CN201811548364.8A
Authority: CN
Inventors: 铃木优作
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2017-12-19
Filing date: 2018-12-18
Publication date: 2022-02-11
Anticipated expiration: 2038-12-18
Also published as: CN110004491A; JP6954088B2; JP2019108248A

Abstract

硅单晶的制造方法，其中，通过在向熔融带域吹附掺杂气体的同时控制电阻率的FZ法，培育硅单晶，所述方法实施下述步骤：步骤(S1)，利用规定的培育装置而获取硅单晶的培育实际数据；步骤(S2)，基于培育实际数据，演算硅单晶的电阻率的实际值与硅单晶的掺杂气体吸收率的关系；步骤(S3)，基于电阻率的实际值和掺杂气体吸收率的关系，由使用同一培育装置制造的硅单晶的电阻率的目标值，演算掺杂气体供给量；和，步骤(S4)，在利用演算的掺杂气体供给量而吹附掺杂气体的同时，控制培育的硅单晶的电阻率。

Description

硅单晶的制造方法

技术领域

本发明涉及硅单晶的制造方法。

背景技术

FZ(Floating Zone，浮区)法使高电阻率的多晶原材料熔融，向其熔融带域中吹附包含磷(PH₃)、硼(B₂H₆)等的掺杂气体，控制电阻率，由此培育硅单晶。为了控制硅单晶的电阻率，需要在考虑到热场的各种各样条件的同时，进行培育控制。

因此，文献1(日本特开2015-101521号公报)中，公开了下述技术：在利用FZ法的硅单晶的制造方法中，在培育硅单晶的过程中测定颈部直径、熔融直径、区域长度、晶体温度、上轴速度等对电阻率造成影响的多个参数，同时培育硅单晶的技术。

然而，在前述文献1中记载的技术中，必须在培育硅单晶的过程中进行各种各样参数的测定，通过多变量分析来分析测定结果，基于分析结果而调整下一次培育中的掺杂剂供给量。因此，必须进行各种各样参数的测定、多变量分析等复杂的处理，存在导致FZ法中的培育条件的设定复杂化的课题。

发明内容

本发明的目的在于，在利用FZ法的硅单晶的培育中，提供一种硅单晶的制造方法，其在对硅单晶赋予期望的电阻率时，不进行复杂的处理，也能够恰当地求出掺杂气体的供给量。

本发明的硅单晶的制造方法中，通过在向熔融带域吹附掺杂气体的同时控制电阻率的FZ(Floating Zone，浮区)法，培育硅单晶，所述方法的特征在于，实施下述步骤：第1步骤，利用规定的培育装置而获取硅单晶的培育实际数据；第2步骤，基于获取的前述硅单晶的培育实际数据，演算前述硅单晶的电阻率的实际值与前述硅单晶的掺杂气体吸收率的关系；第3步骤，基于演算的电阻率的实际值和掺杂气体吸收率的关系，由使用同一培育装置制造的硅单晶的电阻率的目标值，演算掺杂气体供给量；和，第4步骤，在利用演算的掺杂气体供给量而吹附掺杂气体的同时，控制培育的硅单晶的电阻率。

根据该发明，通过第1步骤获取硅单晶的培育实际数据，通过第2步骤演算硅单晶的电阻率的实际值与硅单晶的掺杂气体吸收率的关系。并且，通过第3步骤，演算与电阻率的目标值对应的掺杂气体供给量，通过第4步骤，在利用演算的掺杂气体供给量吹附掺杂气体的同时，控制培育的硅单晶的电阻率，从而能够培育硅单晶。

因此，由于考虑了与目标电阻值的变化对应的掺杂气体吸收率，从而设定掺杂气体供给量，因此能够减少电阻率的目标值与培育的硅单晶的电阻率的偏差。

本发明中，前述第2步骤中的硅单晶的电阻率的实际值与掺杂气体吸收率的关系优选成为比例关系。

例如，如果硅单晶的电阻率的实际值与掺杂气体吸收率的关系为比例关系，则在下一硅单晶的培育时，能够按照该比例关系，根据下一硅单晶的培育中的电阻率的目标值而简单地求出掺杂气体供给量。

本发明中，前述第1步骤中，优选获取同一培育装置的前一次培育实际数据。

根据该发明，使用前一次培育实际数据而求出电阻率的实测值与掺杂气体供给量的关系，因此能够根据临近的培育实际数据求出掺杂气体供给量，能够培育电阻率更接近电阻率的目标值的硅单晶。

本发明的硅单晶的制造方法中，通过在向熔融带域吹附掺杂气体的同时控制电阻率的FZ(Floating Zone，浮区)法，使用同一培育装置而培育硅单晶，所述方法的特征在于，实施下述步骤：根据前一次硅单晶制造中的硅单晶的培育实际数据和前述硅单晶的电阻率的实际值演算前一次硅单晶制造中的前述硅单晶的掺杂气体吸收率的步骤；和，在这一次培育的硅单晶的电阻率的目标值比前一次硅单晶的电阻率的实测值更大时，使用比前一次硅单晶的掺杂气体吸收率更小的掺杂气体吸收率，在这一次培育的硅单晶的电阻率比前一次硅单晶的电阻率的实测值更小时，使用比前一次硅单晶的掺杂气体吸收率更大的掺杂气体吸收率，从而控制这一次培育的硅单晶的电阻率的步骤。

通过这样的本发明，也能够实现与前述相同的作用和效果。

本发明中，前述硅单晶的培育实际数据优选至少包含前述硅单晶的目标直径、电阻率、晶体输送速度、掺杂气体流量、和掺杂气体浓度。

这些数据是在控制培育中的硅单晶的电阻率方面造成较大影响的数据，因此能够高精度地控制培育中的硅单晶的电阻率。

附图说明

图1是表示本发明的实施方式所涉及的硅单晶的培育装置的结构的示意图。

图2是表示前述实施方式中的硅单晶的制造方法的流程图。

图3是表示前述实施方式中的硅单晶的电阻率与掺杂气体吸收率的关系的图。

图4是表示实施例和比较例的电阻率的目标值的准确率的图。

具体实施方式

[1]硅单晶的培育装置1的整体结构

图1中，示出本发明的实施方式所涉及的硅单晶的培育装置1的示意图。该硅单晶的培育装置1是利用FZ(Floating Zone，浮区)法由多晶硅原料2培育硅单晶3的装置。硅单晶的培育装置1具备晶体保持工具4、高频电感加热线圈5、保温筒6、气体掺杂装置7、原材料保持工具8、和产品单晶重量保持工具9。

晶体保持工具4是保持硅单晶3的前端部分的构件，在上部固定籽晶，在硅单晶3的培育的同时，向下方下拉。产品单晶重量保持工具9与硅单晶3的肩部接触，保持硅单晶3的重量。

原材料保持工具8由环状体构成，夹持多晶硅原料2的上端的主体部。

高频电感加热线圈5由环状体构成，省略图示，但其与高频电源连接，通过高频电感加热而将多晶硅原料2熔融，形成硅的熔融带域3A。

保温筒6由包围培育的硅单晶3的周围的环状体构成。保温筒6控制熔融带域3A固化的过程中的硅单晶3的温度。

气体掺杂装置7具备掺杂气体喷嘴71、气瓶72、流量控制阀73、和控制器74。

掺杂气体喷嘴71的前端在硅的熔融带域3A的附近突出，向熔融带域3A吹附掺杂气体。

气瓶72中，在高压状态下容纳掺杂气体。硅单晶3的掺杂剂可以使用例如作为n型掺杂剂的磷(PH₃)、作为p型掺杂剂的硼(B₂H₆)等。此外，作为掺杂气体，可以使用包含这些掺杂剂的氩气、氮气等不活性气体。

流量控制阀73是控制容纳于气瓶72中的掺杂气体的流量的阀，基于来自控制器74的控制指令，控制从掺杂气体喷嘴71喷出的掺杂气体的流量。

这样的硅单晶的培育装置1中，将多晶硅原料2的上端用原材料保持工具8保持，通过在炉内固定的高频电感加热线圈5，将多晶硅原料2的下端熔融。使硅的熔融带域3A与在晶体保持工具4上固定的籽晶接触，向下方下拉，同时以达到期望直体直径的方式增加直径并且使熔液凝固，达到直体直径后，以维持该直体直径的方式使熔液凝固，从而制造硅单晶3。此时，通过同时使多晶硅原料2向下方移动，连续地使多晶硅原料2的下端熔融，供给单晶化所需量的熔液。

晶体在生长一定程度时，通过产品单晶重量保持工具9保持。

这样的硅单晶3的培育过程中，经由掺杂气体喷嘴71，向形成的熔融带域3A吹附掺杂气体，由此在硅单晶3中并入掺杂剂。

[2]硅单晶的制造方法

接着，基于图2所示的流程图，说明根据本实施方式所述的硅单晶3的制造方法。

[2-1]培育实际数据的获取(步骤S1：第1步骤)

首先，获取硅单晶3的培育实际数据。培育实际数据只要是同一培育装置1中的过去的培育实际数据则能够采用，最优选采用前一次或者2~3次前的培育时的培育实际数据。其理由在于，如果是前一次或者2~3次前的实际数据，则培育装置内的构件的劣化、构件的相对位置关系等随时间变化的要素的影响少。

作为获取的培育实际数据，可以举出例如多晶硅原料2的原材料电阻率(Ω・cm)、培育的硅单晶3的目标直径(mm)、测定的电阻率(Ω・cm)、硅单晶3的晶体输送速度(mm/min)、掺杂气体流量(cm³/min)、掺杂气体浓度(ppm)。

[2-2]电阻率与掺杂气体吸收率的关系的演算(步骤S2：第2步骤)

获取硅单晶3的培育实际数据后，由培育实际数据演算同一培育装置1中的硅单晶3的电阻率与硅单晶3的掺杂气体吸收率的关系。在此，掺杂气体吸收率是指算出吸收多少掺杂剂气体的值，是在下一次硅单晶3的培育时，决定用于设定电阻率的目标值的掺杂量时使用的指标。

具体而言，掺杂气体量f(x)能够使用掺杂气体吸收率α，如下所述求出。

求出基于硅单晶3的目标电阻率而算出的硅单晶3的杂质浓度Cs、和与原材料长度位置x对应的杂质浓度Cp(x)之差Cs-Cp(x)，将该差Cs-Cp(x)设定为根据原材料长度位置x而应当通过气体掺杂法供给的杂质浓度Cg(x)时，将硅单晶3的直径设为Ds(mm)、晶体输送速度设为Vc、掺杂气体浓度设为n、硅单晶3的掺杂气体吸收率设为α时，能够通过下述式(1)求出。应予说明，A为常数。

。

针对规定的培育装置1，基于获取的培育实际数据，研究硅单晶3的电阻率与掺杂气体吸收率的关系时，如图3所示那样，电阻率与掺杂气体吸收率为比例关系，确认到如果电阻率变大，则掺杂气体吸收率随其降低。即，必须根据电阻率而算出该硅单晶3的掺杂气体吸收率。测定结果示于表1。

图3的比例关系将电阻率设为x、掺杂气体吸收率设为y时，为下述式(2)所示。

y=-0.0324x+72.165・・・(2)。

应予说明，式(2)是针对规定的培育装置1的结果，但即使针对其他培育装置进行测定，式(2)的系数值不同，但均为负斜率的比例关系。

[表1]

电阻率（Ω·cm）	掺杂气体吸收率（%）
		15	71.679
100	68.925
		170	66.657

[2-3]根据电阻率的目标值进行的掺杂气体供给量的演算(步骤S3：第3步骤)

使用第2步骤中演算得到的掺杂气体吸收率，演算第3步骤中的掺杂气体供给量。应予说明，利用FZ法的硅单晶3的培育中，以生产少量的其他品种为前提。

因此，培育的硅单晶3的电阻率的目标值每个批次不同，成为原料的多晶硅原料2的原材料电阻率也每个批次不同。

具体而言，由硅单晶3的电阻率的目标值减去多晶硅原料2的原材料电阻率，从而演算所需的掺杂量。

演算出所需的掺杂量后，根据硅单晶3的晶体输送速度、目标直径，求出每单位时间制造的硅单晶的体积，算出每单位时间的所需掺杂量。

并且，利用图3所示的比例关系，求出与电阻率的目标值对应的掺杂气体吸收率，根据前述式(1)算出所需掺杂气体流量。

[2-4]硅单晶的培育(步骤S4：第4步骤)

演算出掺杂气体流量的指示值后，操作控制器74，将气体掺杂装置7的流量控制阀73的指示值设定为演算的指示值。

接着，打开高频电感加热线圈5的开关，例如设定为目标直径155(mm)、晶体输送速度2.5(mm/min)、掺杂气体浓度30(ppm)、掺杂气体流量13.0(cm³/min)，开始多晶硅原料2的熔融，进行硅单晶3的培育。

[3]实施方式的效果

根据这样的本实施方式，具有以下那样的效果。

通过第1步骤S1，获取硅单晶3的培育实际数据，通过第2步骤S2，演算硅单晶3的电阻率的实际值与硅单晶3的掺杂气体吸收率的关系。并且，通过第3步骤S3，演算与电阻率的目标值对应的掺杂气体供给量，通过第4步骤S4，在利用演算的掺杂气体供给量吹附掺杂气体的同时，控制硅单晶3的电阻率，从而能够培育硅单晶3。

因此，由于考虑了与电阻率的目标值的变化对应的掺杂气体吸收率，从而设定掺杂气体供给量，因此能够减少电阻率的目标值与培育的硅单晶3的实际电阻率的偏差。

硅单晶3的电阻率的实际值与掺杂气体吸收率的关系如图3所示那样，为负斜率的比例关系。因此，在下一硅单晶3的培育时，能够按照该比例关系，根据下一硅单晶3的培育中的电阻率的目标值而简单地求出掺杂气体供给量。

使用前一次培育实际数据而求出电阻率的实测值与掺杂气体供给量的关系，因此能够根据临近的培育实际数据求出掺杂气体供给量。因此，能够培育电阻率更接近电阻率的目标值的硅单晶3。

作为培育实际数据，至少获取硅单晶3的目标直径、电阻率、晶体输送速度、掺杂气体流量、和掺杂气体浓度。由此，能够获取在控制培育中的硅单晶3的电阻率方面造成较大影响的数据，因此能够高精度地控制培育中的硅单晶的电阻率。

实施例

如前述实施方式中说明那样，由第1步骤中的培育实际数据，在第2步骤中演算测定电阻率与掺杂气体吸收率的关系，在第3步骤中，由演算的掺杂气体吸收率，设定下一次培育中的掺杂气体流量，将上述方案(实施例)与不考虑前一次掺杂气体吸收率而设为恒定的情况进行比较(比较例)。应予说明，实施例和比较例的不同仅为掺杂气体流量，其他加工条件相同。

具体的比较方法针对电阻率的目标值，将培育的硅单晶3的电阻率的实际值是否产生某种程度的偏差作为准确率的偏差进行评价。即，准确率用以下的式(3)给出。

[准确率的偏差]=([实际值]-[目标值])/[目标值]×100(%)・・・(3)。

结果示于图4。如图4所示那样，可以确认实施例的准确率的偏差少，电阻率的目标值与培育的硅单晶3的实际值几乎没有偏差。

Claims

1.硅单晶的制造方法，其中，通过在向熔融带域吹附掺杂气体的同时控制电阻率的浮区法，培育硅单晶，所述方法的特征在于，实施下述步骤：

第1步骤，利用规定的培育装置而获取硅单晶的培育实际数据；

第2步骤，基于获取的所述硅单晶的培育实际数据，演算所述硅单晶的电阻率的实际值与所述硅单晶的掺杂气体吸收率的关系，其中硅单晶的电阻率的实际值与掺杂气体吸收率的关系成为相对于掺杂气体供给量独立、掺杂气体吸收率随着电阻率变大而降低的比例关系；

第3步骤，基于演算的电阻率的实际值和掺杂气体吸收率的关系，由使用同一培育装置制造的硅单晶的电阻率的目标值，演算掺杂气体供给量；和

第4步骤，在利用演算的掺杂气体供给量而吹附掺杂气体的同时，控制培育的硅单晶的电阻率。

2.根据权利要求1所述的硅单晶的制造方法，其特征在于，

所述第1步骤中，获取同一培育装置中的前一次培育实际数据。

3.硅单晶的制造方法，其中，通过在向熔融带域吹附掺杂气体的同时控制电阻率的浮区法，使用同一培育装置而培育硅单晶，所述方法的特征在于，实施下述步骤：

根据前一次硅单晶制造中的硅单晶的培育实际数据和所述硅单晶的电阻率的实际值演算前一次硅单晶制造中的所述硅单晶的掺杂气体吸收率的步骤，其中硅单晶的电阻率的实际值与掺杂气体吸收率的关系成为相对于掺杂气体供给量独立、掺杂气体吸收率随着电阻率变大而降低的比例关系；和

在这一次培育的硅单晶的电阻率的目标值比前一次硅单晶的电阻率的实测值更大时，使用比前一次硅单晶的掺杂气体吸收率更小的掺杂气体吸收率，在这一次培育的硅单晶的电阻率比前一次硅单晶的电阻率的实测值更小时，使用比前一次硅单晶的掺杂气体吸收率更大的掺杂气体吸收率，从而控制这一次培育的硅单晶的电阻率的步骤。

4.根据权利要求1至3中任一项所述的硅单晶的制造方法，其特征在于，

所述硅单晶的培育实际数据至少包含所述硅单晶的目标直径、电阻率、晶体输送速度、掺杂气体流量、和掺杂气体浓度。