CN111742086A - 原料供给方法及单晶硅的制造方法 - Google Patents

Abstract

一种原料供给方法，其具备：固化工序，使硅熔液的表面固化；投入工序，将固体原料投入到固化工序中所形成的固化部分；及融解工序，熔解固化部分及固体原料，投入工序在对硅熔液施加超过0T且0.05T以下的横磁场的状态下投入固体原料。

Description

原料供给方法及单晶硅的制造方法

技术领域

本发明涉及一种原料供给方法及单晶硅的制造方法。

背景技术

以往，已知有一种在利用CZ(提拉)法制造单晶硅时，将固体的硅原料填充到坩埚内的硅熔液中的方法(例如参考专利文献1)。

在该专利文献1的方法中，降低加热器的加热电力，由此使坩埚内的余液的整个表面固化之后，将硅的固体原料再填充到该固化部分上。如此，通过将固体原料再填充到固化部分上，能够抑制在将固体原料直接再填充到余液中时硅熔液飞溅之类的不良情况。

另一方面，已知有对硅熔液施加水平方向的磁场的MCZ(磁场施加提拉)法作为单晶硅的制造方法。MCZ法能够减缓硅熔液的对流速度，因此能够抑制坩埚的内表面的恶化。其结果，通过MCZ法能够抑制伴随坩埚的内表面的恶化的粒子的发生，可以抑制位错化的发生。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本再公表WO2002/068732号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，在MCZ法中，有时也会进行多重提拉法，在该多重提拉法中在提拉单晶硅之后再填充固体原料，提拉下一个单晶硅。而且，在该情况下，为了抑制再填充时的硅熔液的飞溅，考虑如专利文献1的方法使余液的整个表面固化。进一步地，为了抑制再填充时的坩埚内表面的恶化，考虑在再填充时施加与单晶硅提拉时相同的强度的磁场。

但是，采用上述的结构时，有时导致坩埚破损。并且，即使坩埚没有破损，也会有位错化率增加的情况。

本发明的目的在于提供一种原料供给方法及单晶硅的制造方法，其能够抑制再填充时的坩埚的破损和单晶硅的位错化。

用于解决技术问题的方案

本发明人反复进行深入研究的结果，得到以下的见解。

相较于未施加横磁场的情况，当对硅熔液施加超过0.05T的横磁场时，硅熔液的对流的流速变慢。由于硅熔液的温度是通过由对流产生的搅拌效果来维持，因此若对流变慢则搅拌效果变小，位于距离加热器最远的坩埚中央的部分的温度变得比其他部分低。在该状态下，若将固体原料投入到固化部分上，则固化部分的温度因与固体原料的接触而下降，因此硅熔液的固化变得更容易进行，使得固化部分中央向下方突出。

其结果，有可能固化部分中的下表面中央的突出部分到达坩埚内壁的底面而造成坩埚破损。并且，即使坩埚未破损，也有可能上述突出部分伤害到坩埚的底面而产生粒子，而该粒子造成单晶硅的位错化率增加。

本发明人根据以上的见解而完成了本发明。

即，本发明的原料供给方法是在一边对硅熔液施加水平方向的横磁场，一边利用提拉法提拉单晶硅时，将硅的固体原料再填充到坩埚内的硅熔液中的原料供给方法，所述原料供给方法的特征在于具备：固化工序，使所述硅熔液的表面固化；投入工序，将所述固体原料投入到所述固化工序中所形成的固化部分；及融解工序，熔解所述固化部分及所述固体原料，所述投入工序在对所述硅熔液施加超过0T且0.05T以下的所述横磁场的状态下投入所述固体原料。

在如本发明的超过0T且0.05T以下的磁场强度的情况下，相较于施加超过0.05T的横磁场(例如与提拉单晶硅时相同的横磁场)的情况，硅熔液的对流流速变快，因此通过硅熔液的搅拌效果能够抑制位于坩埚中央的部分的温度变得比其他部分低。因此，即使固化部分的温度因与固体原料的接触而下降，固化部分中央的向下方的固化的进行也得到抑制，能够抑制坩埚的破损及单晶硅的位错化。并且，相较于无磁场的情况，能够减缓硅熔液的对流速度，能够抑制坩埚的内表面的恶化。其结果，能够抑制伴随坩埚的内表面的恶化的粒子的发生，能够抑制位错化的发生。

本发明的原料供给方法中，优选所述固化工序是在对所述硅熔液施加超过0T且0.05T以下的所述横磁场的状态下，使所述硅熔液的表面固化。

根据本发明，在固化工序中，也能够通过搅拌效果抑制硅熔液中位于坩埚中央的部分的温度变得比其他部分低。因此，在固化原料的投入之前，也能够抑制固化部分中央的向下方的固化的进行，能够更加降低发生坩埚的破损及单晶硅的位错化的可能性。

本发明的原料供给方法中，优选在所述固体原料的投入结束之后，对所述硅熔液施加超过0.05T的所述横磁场。

固体原料刚开始接触到固化部分时，固化部分的温度变化最大，但其后，在进一步投入固体原料的期间，虽然温度变化小，但固化部分的温度下降。

根据本发明，在投入所有的固体原料的期间，能够通过搅拌效果抑制硅熔液中位于坩埚中央的部分的温度变得比其他部分低的情况，能够进一步降低发生坩埚的破损及单晶硅的位错化的可能性。

本发明的原料供给方法中，优选所述投入工序在所述融解工序开始之后投入所述固体原料。

根据本发明，在将固化原料投入之前，通过实施融解工序使硅熔液的温度上升，因此能够抑制固化部分的温度因与固体原料的接触而降低。因此，能够更加抑制固化部分中央的向下方的固化的进行，并且能够进一步降低发生坩埚的破损及单晶硅的位错化的可能性。

在本发明的原料供给方法中，优选重复进行所述固化工序、所述投入工序及所述融解工序，在第2次之后的所述固化工序开始前，在将从上方观察在刚刚进行的所述融解工序的执行中未熔的岛状部分时的最大外形尺寸设为D1，并将坩埚的内径设为D2时，在成为满足以下式(1)的状态之后，施加超过0T且0.05T以下的所述横磁场。

D1/D2≤0.38……(1)

在融解工序中，由固化部分及固体原料构成的岛状部分是从靠近坩埚的外缘侧及与硅熔液接触的下表面侧开始缓慢熔化。因此，能够推定为在固化部分的下表面中央形成有突出部分的情况下，从上方观察时的岛状部分的最大外形尺寸越小，岛状部分中的下表面中央的突出部分越短。

根据本发明，在变成岛状部分的最大外形尺寸D1满足上述式(1)的状态且岛状部分的突出部分变得够短之后，施加超过0T且0.05T以下的横磁场，因此还能够减小在其后的投入工序开始前的固化部分下表面中央的突出量。因此，即使固化部分的温度因其与固体原料的接触而下降，并且在固化部分下表面形成有突出部分，也能够缩短其长度，能够降低突出部分和坩埚接触的可能性。

本发明的单晶硅的制造方法是使用提拉法的单晶硅的制造方法，其特征在于具备：提拉工序，一边对硅熔液施加水平方向的横磁场，一边提拉单晶硅；以及再填充工序，使用上述的原料供给方法，将硅的固体原料再填充到所述硅熔液中。

根据本发明，由于能够抑制再填充时的坩埚的破损及单晶硅的位错化，因此能够提高单晶硅的生产率及品质。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式所涉及的单晶提拉装置的结构的示意图。

图2A为本发明的原料供给方法(再填充工序)的说明图。

图2B为本发明的原料供给方法(再填充工序)的说明图。

图2C为本发明的原料供给方法(再填充工序)的说明图。

图3是表示本发明的原料供给方法的时序图。

具体实施方式

[实施方式]

以下，参考附图对本发明的一实施方式进行说明。

〔单晶提拉装置的结构〕

如图1所示，单晶提拉装置1是用于CZ法(提拉法)的装置，其具备：腔室11、配置于该腔室11内的中心部的坩埚12、加热该坩埚12的加热器13、隔热筒14、作为提拉部的提拉缆绳15、热所蔽体16及磁场施加部17。

在腔室11的上部设置了将Ar气体等不活泼气体导入到腔室11内的气体导入口11A。在腔室11的下部设置了通过真空泵(未图示)的驱动而将腔室11内的气体排出的气体排气口11B。

腔室11内的压力(炉内压)能够通过控制部(未图示)进行控制。

坩埚12收容作为硅晶片的原料的多晶硅的固体原料S(参考图2B)。坩埚12由能够以规定速度旋转及升降的支承轴18所支承。

加热器13配置在坩埚12的周围。加热器13将坩埚12内的固体原料S融解成硅熔液M。另外，也可以将从下侧加热坩埚12的底部加热器设置在坩埚12的下部。

隔热筒14配置成包围坩埚12及加热器13。

提拉缆绳15的一端与配置于坩埚12上方的提拉驱动部(未图示)连接，在另一端安装有籽晶SC。提拉缆绳15通过提拉驱动部(未图示)的控制，以规定的速度升降，并且以该提拉缆绳15的轴为中心进行旋转。

热屏蔽体16阻断从加热器13向上方放射的辐射热。

磁场施加部17具备一对电磁线圈171。一对电磁线圈171设置为在腔室11的外侧夹住坩埚12而相对向。磁场施加部17对硅熔液M施加以箭头Y表示的水平方向的横磁场。

〔单晶硅的制造方法〕

接着，对单晶硅SM的制造方法进行说明。

另外，关于单晶硅SM，外周磨削后的直体部的直径可以为200mm、300mm、450mm或其他大小。并且，在硅熔液M中可以添加电阻率调整用的掺杂剂，也可以不添加。

首先，在坩埚12中填充硅的固体原料S。固体原料S的填充是使用块管(Chunktube)方式进行，但可以使用原料给料方式，也可以使用切棒方式。

在规定量的固体原料S被填充于坩埚12之后，单晶提拉装置1控制加热器13的功率而加热坩埚12，由此使固体原料S融解，生成硅熔液M(初期熔液生成工序)。

然后，单晶提拉装置1在减压下的不活泼环境中，在将加热器13的电力值设为P2(kw)的状态下，对硅熔液M施加强度超过0.05T的G2T的横磁场，同时使坩埚12一边旋转一边上升，同时提拉单晶硅SM(提拉工序)。如此，施加超过0.05T的横磁场而减缓硅熔液M的对流速度，由此抑制坩埚12的内表面的恶化。其结果，可抑制由粒子引起的单晶硅SM的位错化的发生。另外，G2值优选为超过0.05T且0.5T以下。在0.0ST以下的情况下，无法充分地抑制硅熔液M的对流，单晶硅SM的品质有下降的可能性。例如，有面内的氧浓度及电阻分布的均匀性恶化的可能性。另一方面，0.5T为提拉单晶硅SM时所施加的磁场强度的上限水准。掌握到即使以0.5T施加横磁场，单晶硅SM的品质也不会有问题。

如图2A所示，在提拉工序后，坩埚12内成为硅熔液M已变少的状态。因此，单晶提拉装置1将固体原料S再填充到坩埚12内的硅熔液M中(原料供给方法、再填充工序)。如图3所示，再填充工序具备：1次准备工序、至少1次固化工序、和固化工序相同次数的投入工序及和固化工序相同次数的融解工序。

准备工序在提拉工序结束后的时间点T1停止施加横磁场。即，将横磁场强度从超过0.05T的G2T降低到超过0T且0.05T以下的G1T。

紧接着准备工序之后进行的第1次的固化工序在时间点T2将加热器13的电力值从P2(kW)降低到P1(kW)。此时，由于横磁场强度为G1T，因此相较于施加G2T的情况，硅熔液M的对流流速变快，硅熔液M的温度降低得到抑制。但是，通过控制加热器13的电力值抑制硅熔液M的温度降低的效果大于通过控制横磁场强度抑制温度降低的效果，因此，如在图2A中用双点划线所示，硅熔液M的整个表面固化而形成固化部分M1。

如图3所示，在固化部分M1形成之后的时间点T3，单晶提拉装置1进行第1次的融解工序。第1次的融解工序首先在将横磁场强度维持为G1T的状态下，将加热器13的电力值从P1(kW)提高到P2(kW)。通过控制该电力值抑制固化部分M1变厚。

然后，在至少固化部分M1覆盖了硅熔液M的整个表面的时间点T4，单晶提拉装置1进行第1次的投入工序。第1次的投入工序在将横磁场强度维持为G1T，将加热器13的电力值维持为P2(kW)的状态下，如图2B所示，将固体原料S投入到固化部分M1上。在块管方式中使用的原料供给装置5使填充了固体原料S的被称为块管的圆筒状的石英管51下降到固化部分M1上之后，使安装在石英管51的下端开口部的底盖52移动到下方，打开石英管51的下端开口部，由此将固体原料S投入固化部分M1。

在施加了超过0.05T的横磁场的状态下将固体原料S投入的情况下，由于硅熔液M的对流流速变慢，因此硅熔液M的搅拌效果变小，位于坩埚12中央的部分的温度变得比其他部分低。因此，由于与固体原料S的接触，固化部分M1的中央的温度变得比其他部分容易降低，该中央部分进行固化。其结果，如图2B中用双点划线所示，形成从固化部分M1的下表面中央向下方大幅度地突出的突出部分M19。

在本实施方式中，由于投入固体原料S时的横磁场强度为0.05T以下的G1T，因此硅熔液M的对流速度变快，可得到硅熔液M的搅拌效果。通过该搅拌效果，能够抑制位于坩埚12中央的部分的温度降低，能够抑制由于与固体原料S的接触而造成固化部分M1的中央的温度降低。其结果，抑制该中央部分的固化的进行，如图2B中用实线所示，形成比突出部分M19短的突出部分M11。并且，由于G1T超过0T，因此相较于0T的情况，能够抑制伴随坩埚12的内表面的恶化的粒子的发生，可抑制位错化的发生。

然后，在固体原料S的投入结束后的时间点T5，单晶提拉装置1在将加热器13的电力值维持为P2(kW)的状态下，将横磁场强度提高到G2T。

在将加热器的电力值维持为P2(kW)的期间，由固化部分M1及固体原料S构成的岛状部分M2从外缘侧及下表面侧缓慢地继续熔化。而且，如图2C所示，在将从上方观察岛状部分M2时的最大外形尺寸设为D1、将坩埚12的内径设为D2时，在成为满足以下式(1)的状态的时间点T6，单晶提拉装置1将横磁场强度降低到G1T。关于岛状部分M2的大小，可以由工作人员从腔室11的观察窗(未图示)用肉眼进行确认，也可以根据通过摄影机构得到的腔室11内的摄影结果来进行确认。

D1/D2≤0.38……(1)

另外，最大外形尺寸是指，在岛状部分M2的外缘上的不同的2点间的长度成为最长的位置测定时的尺寸。

然后，在时间点T7～T8进行和第1次固化工序相同的第2次固化工序，在时间点T8之后进行和第1次融解工序相同的第2次融解工序，在时间点T9～T10进行和第1次投入工序相同的第2次投入工序。

而且，根据需要进行第3次之后的固化工序、投入工序及融解工序，在硅熔液M达到所期望的量之后进行提拉工序。

[实施方式的作用效果]

根据上述实施方式，在时间点T4、T9，在将横磁场强度设为超过0T且0.05T以下的G1T而可得到硅熔液M的搅拌效果的状态下，投入固体原料S。因此，相较于施加超过0.05T的横磁场时所形成的突出部分M19，能够缩短突出部分M11。因此，能够降低突出部分M11到达坩埚12的内壁的底面的可能性，能够抑制坩埚12破损或单晶硅SM的位错化率增加的可能性。并且，相较于G1T为0T的情况，能够抑制由从坩埚12产生的粒子引起的位错化。

在时间点T2～T3、T7～T8进行的固化工序中，也将横磁场强度设为G1T。因此，在固体原料S的投入前，通过硅熔液M的搅拌效果，能够抑制固化部分M1的中央部分中的向下方的固化的进行，能够更加缩短突出部分M11。因此，能够更加抑制坩埚12的破损及单晶硅SM的位错化率的增加。

在从固化工序转移到融解工序后的时间点T4、T9，开始投入固体原料S。如此，通过融解工序使硅熔液M的温度上升之后，再投入固体原料S，由此能够抑制由于与固体原料S的接触而造成固化部分M1的温度降低，能够进一步缩短突出部分M11。

在固体原料S的投入结束后的时间点T5、T10，将横磁场的强度设为超过0.05T的强度。如此，在投入所有固体原料S的期间，使得可得到硅熔液M的搅拌效果，由此能够进一步抑制固化部分M1的中央部分中的向下方的固化的进行，能够进一步缩短突出部分M11。

在融解工序中，在成为岛状部分M2的最大外形尺寸D1满足上述式(1)的状态后，将横磁场强度设为G1T。当满足式(1)时，可以认为岛状部分M2的突出部分已经够短了，因此即使由于与固体原料S的接触而造成固化部分M1的温度下降、在固化部分M1的下表面形成了突出部分M11，也能够缩短其长度。

[变形例]

另外，本发明并不仅限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种改进及设计变更等。

例如，只要至少在通过投入工序固化部分M1和固体原料S刚开始接触的时刻(时间点T4、T9)横磁场强度成为G1T即可，也可以在除在投入工序中固化部分M1和固体原料S刚开始接触的时刻之外的时间点、准备工序、固化工序、融解工序当中的至少任一个时间点，横磁场强度超过0.05T。固化部分M1的温度降低在刚开始和固体原料S接触时最大，因此，若在固化部分M1和固体原料S刚开始接触的时刻，可抑制硅熔液M中位于坩埚12的中央的部分的温度降低，则相较于横磁场强度超过0.05T的情况，能够缩短突出部分M11。

在进行固化工序的期间，可以进行投入工序。

再填充工序中所设定的超过0.05T的横磁场强度，在进行提拉工序时可以强也可以弱。

再填充工序中所设定的0.05T以下的横磁场强度也可以超过G1T。

也可以不确认岛状部分M2的大小而在融解工序开始之后经过规定时间后，将横磁场强度设为G1T。

可以在第1次之后的融解工序后进行提拉工序。

附图标记说明

12-坩埚，M-硅熔液，M1-固化部分，M2-岛状部分，S-固体原料，SM-单晶硅。

Claims (6)

1.一种原料供给方法，在一边对硅熔液施加水平方向的横磁场，一边利用提拉法提拉单晶硅时，将硅的固体原料再填充到坩埚内的硅熔液中，所述原料供给方法的特征在于，具备：

固化工序，使所述硅熔液的表面固化；

投入工序，将所述固体原料投入到所述固化工序中所形成的固化部分；及

融解工序，熔解所述固化部分及所述固体原料，

所述投入工序在对所述硅熔液施加超过0T且0.05T以下的所述横磁场的状态下投入所述固体原料。

2.根据权利要求1所述的原料供给方法，其特征在于，

在所述固化工序中，在对所述硅熔液施加超过0T且0.05T以下的所述横磁场的状态下，使所述硅熔液的表面固化。

3.根据权利要求1或2所述的原料供给方法，其特征在于，

在所述固体原料的投入结束后，对所述硅熔液施加超过0.05T的所述横磁场。

4.根据权利要求1～3中任一项所述的原料供给方法，其特征在于，

所述投入工序在所述融解工序开始之后投入所述固体原料。

5.根据权利要求1～4中任一项所述的原料供给方法，其特征在于，

重复进行所述固化工序、所述投入工序及所述融解工序，

在第2次之后的所述固化工序开始前，当将从上方观察在刚刚进行的所述融解工序的执行中未熔的岛状部分时的最大外形尺寸设为D1，并且将坩埚的内径设为D2时，在成为满足以下式(1)的状态之后，施加超过0T且0.05T以下的所述横磁场，

D1/D2≤0.38……(1)。

6.一种单晶硅的制造方法，使用提拉法，所述单晶硅的制造方法的特征在于，具备：

提拉工序，一边对硅熔液施加水平方向的横磁场，一边提拉单晶硅；及

再填充工序，使用权利要求1～5中任一项所述的原料供给方法，将硅的固体原料再填充到所述硅熔液中。

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