CN112074628B - 单晶硅的制造方法及单晶硅的提拉装置 - Google Patents

Abstract

一种单晶硅的制造方法，使不活泼气体在腔室内流过，并且对石英坩埚内的硅熔液施加水平磁场，从而提拉单晶硅，在所述单晶硅的制造方法中实施：在热屏蔽体的下端部及石英坩埚内的硅熔液表面之间流过的不活泼气体流中，形成相对于包含提拉装置的晶体提拉轴以及水平磁场的施加方向的平面为非面对称，并且相对于晶体提拉轴为非旋转对称的流动分布的工序(S1)；直到石英坩埚内的硅原料完全熔化为止，在无磁场下维持所形成的非面对称且非旋转对称的流动分布的工序(S2)；以及在硅原料完全熔化之后，施加水平磁场而开始提拉单晶硅的工序(S3)。

Description

单晶硅的制造方法及单晶硅的提拉装置

技术领域

本发明涉及一种单晶硅的制造方法及单晶硅的提拉装置。

背景技术

以往，提出了在利用提拉法进行的单晶硅的提拉中，在提拉过程中施加水 平磁场时，屏蔽一部分磁场而使磁力线密度不均匀，或相对于石英坩埚的旋转 中心偏离单晶硅的晶体提拉轴，从而进行单晶硅的提拉的技术(例如，参考专 利文献1)。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2004-196655号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

然而，近年来所获知的是，在施加水平磁场的利用提拉法进行的单晶硅的 提拉中，即使使用相同的提拉装置且以相同的提拉条件提拉单晶硅，所提拉的 单晶硅品质，特别是单晶硅中的氧浓度也发生两极分化。

但是，在所述专利文献1中记载的技术中，由于完全没有发现会产生这种 问题，因此以所述专利文献1中记载的技术无法解决两极分化的问题。

本发明的目的在于提供一种通过防止单晶硅的氧浓度发生两极分化而能够 制造相同品质的单晶硅的单晶硅的制造方法及单晶硅的提拉装置。

用于解决技术问题的方案

本发明的单晶硅的制造方法是使用具备腔室、在所述腔室内配置的石英坩 埚及覆盖所述石英坩埚上部的热屏蔽体的提拉装置，使不活泼气体在所述腔室 内流过且对所述石英坩埚内的硅熔液施加水平磁场，从而提拉单晶硅的单晶硅 的制造方法，所述单晶硅的制造方法的特征在于实施以下的工序：在所述热屏 蔽体的下端部以及所述石英坩埚内的硅熔液表面之间流过的所述不活泼气体流 中，形成相对于包含所述提拉装置的晶体提拉轴以及所述水平磁场的施加方向 的平面为非面对称且相对于所述晶体提拉轴为非旋转对称的流动分布的工序； 直到所述石英坩埚内的硅原料完全熔化为止，在无磁场下维持所形成的非面对 称且非旋转对称的流动分布的工序；以及在所述硅原料完全熔化之后，施加所 述水平磁场而开始提拉所述单晶硅的工序。

在热屏蔽体下端以及硅熔液表面之间的不活泼气体流中，形成非面对称且 非旋转对称的流动分布，由此以水平磁场方向为中心能够将硅熔液内的对流控 制成右旋转或左旋转。因此，通过维持该状态，能够判定硅熔液内的对流是左 旋转或右旋转。而且，通过在该状态下施加水平磁场，能够固定硅熔液的对流 而进行单晶硅的提拉。因此，不会使所提拉的单晶硅的氧浓度产生两极分化而 能够进行稳定品质的单晶硅的提拉。

本发明中，优选在开始提拉所述单晶硅的工序之后，直到结束所述单晶硅 的提拉为止，实施不将所述水平磁场的强度降低至恒定值以下而进行所述单晶 硅的提拉的工序。

若直到结束所述单晶硅的提拉为止，不将水平磁场的强度降低至恒定值以 下，则能够在不限制硅熔液内部的对流的状态下进行单晶硅的提拉。因此，在 使硅熔液内部的对流维持一定的状态的情况下，进行单晶硅的提拉，能够提拉 不产生两极分化的品质稳定的单晶硅。

本发明的提拉装置是实施上述单晶硅的制造方法的单晶硅的提拉装置，其 特征在于，构成所述提拉装置的所述热屏蔽体是相对于包含所述晶体提拉轴以 及磁场施加方向的面为非面对称且相对于所述晶体提拉轴为非旋转对称的结 构。

将热屏蔽板形成为相对于包含晶体提拉轴以及磁场施加方向的平面为非面 对称且相对于晶体提拉轴为非旋转对称的结构，由此能够将非面对称且相对于 晶体提拉轴非旋转对称的部分与其以外的部分中的不活泼气体的流动分布形成 为非面对称且相对于晶体提拉轴非旋转对称。因此，仅通过改变提拉装置的结 构能够实施本发明的单晶硅的制造方法。

本发明中可考虑所述提拉装置具备排出所述不活泼气体的排气口，所述排 气口的形状以所述晶体提拉轴为中心形成为非对称结构。

通过将排气口的形状以晶体提拉轴为中心形成为非对称结构，能够将热屏 蔽体下端及硅熔液表面之间的不活泼气体流的流动分布形成为非面对称且非旋 转对称。因此，通过此也能够以简化的结构实施本发明的单晶硅的制造方法。

附图说明

图1是用于说明实现本发明的背景的示意图。

图2是本发明的第1实施方式的单晶硅的提拉装置的示意剖视图。

图3是所述实施方式的提拉装置的示意平面图。

图4是表示本发明的单晶硅的制造方法的流程图。

图5是表示本发明的第2实施方式的单晶硅的提拉装置的热屏蔽体的结构 的示意平面图。

图6是本发明的第3实施方式的单晶硅的提拉装置的示意剖视图。

图7是本发明的第4实施方式的单晶硅的提拉装置的示意剖视图。

图8是表示本发明的实验例中的切口形成位置的示意平面图。

图9是表示本发明的实验例中的排气口位置的示意平面图。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

[1]实现本发明的背景

本发明的发明人知道，即使使用相同的提拉装置，以相同的提拉条件进行 提拉，也有所提拉的单晶硅的氧浓度高的情况与氧浓度低的情况。以往，为了 消除这种情况，重点调查了提拉条件等，但没找到牢固的解决方法。

然后，在进行调查的过程中，本发明的发明人发现，如图1所示，当在石 英坩埚3A中投入固体的多晶硅原料，在其熔化后，施加水平磁场而提拉单晶硅 10的工序中，以水平磁场的磁力线为轴存在从石英坩埚3A的底部朝向硅熔液 的表面旋转的对流。该对流的旋转方向存在左旋转占优势的情况以及右旋转占 优势的情况这2个对流模式。

本发明的发明人推测为这种现象是由于以下的机制而发生的。

首先，如图1(A)所示，在不施加水平磁场，不旋转石英坩埚3A的状态 下，由于在石英坩埚3A的外周附近加热硅熔液9，因此产生从硅熔液9的底部 朝向表面的上升方向的对流。上升的硅熔液9在硅熔液9的表面被冷却，在石 英坩埚3A的中心回到石英坩埚3A的底部，产生下降方向的对流。

在产生在外周部分上升、在中央部分下降的对流的状态下，由图1(A)的 热对流引起的不稳定性使下降流的位置无秩序地移动而从中心偏离。

若在图1(A)的状态下施加水平磁场，则从石英坩埚3A的上方观察时的 下降流的旋转慢慢地受限制，如图1(B)所示，被限制在从水平磁场中心的磁 力线位置偏离的位置。

若持续该状态而增大水平磁场的强度，则如图1(C)所示，下降流的右侧 与左侧中的上升方向的对流强度发生变化，当为图1(C)时，下降流左侧的上 升方向的对流占优势。

最后，如图1(D)所示，下降流右侧的上升方向的对流消失，左侧成为上 升方向的对流，右侧成为下降方向的对流，并成为右旋转的对流。

另一方面，若使图1(A)的最初下降流位置向石英坩埚3A的旋转方向偏 离180度相位，则下降流被限制在与图1(C)相位偏离180度的左侧位置，成 为左旋转的对流。

从石英坩埚熔出的氧气，通过熔液对流被运输至生长中的固液界面，从而 被吸入到单晶硅中。在此，若提拉装置内的热环境完全地轴对称且工艺条件相 同，则与右旋涡及左旋涡无关地，被吸入到晶体内的氧气量变相同。

可是实际上，炉结构物的形状是非轴对称，或即使例如在设计上是轴对 称，因由各部件的设置位置偏离等引起的热环境的不均匀性，以右旋涡与左旋 涡运输的氧通量不同。

其结果，在右旋涡及左旋涡下生长出氧浓度不同的单晶硅。尽管是通过相 同的提拉装置在相同的工艺条件下生长，但由于对流模式的差异生长出氧浓度 不同的晶体，因此对氧控制性造成不良影响，大幅度地降低晶体的良率。

因此，在晶体生长之前将2个对流模式中的某一个作为目标对流模式，边 保持其状态边进行晶体生长即可。

以辐射温度计确认提拉中的对流模式举动的结果明确得知，在施加磁场时 决定对流模式，一旦决定的对流模式只要不中断磁场就不会转换为另一个对流 模式，持续至单晶硅的尾部最后为止。因此，只要在施加磁场时能够以某些方 法选择对流模式，则其后的提拉中的模式完全被固定，晶体品质也成为与该模 式相应的品质。

根据以上见解，本发明的发明人特意在提拉装置上预先形成非对称结构， 使通过非对称结构产生的硅熔液表面的不活泼气体流的分布(流动分布)具有 偏向，由此将单晶硅中的氧浓度控制为恒定。

[2]第1实施方式

图2及图3中示出如下示意图，表示能够应用本发明的第1实施方式所涉 及的单晶硅10的制造方法的单晶硅的提拉装置1的结构的一例。提拉装置1 是利用提拉法提拉单晶硅10的装置，具备构成外围的腔室2以及配置在腔室2 中心部的坩埚3。

坩埚3是由内侧的石英坩埚3A与外侧的石墨坩埚3B构成的两层结构，被 固定在能够旋转及升降的支承轴4的上端部。

在坩埚3的外侧设置有包围坩埚3的电阻加热式加热器5，在其外侧沿着 腔室2的内表面设置有隔热材料6。

坩埚3的上方，在与支承轴4相同的轴上设置有向相反的方向或相同方向 以规定的速度旋转的线材等晶体提拉轴7。在该晶体提拉轴7的下端安装有籽 晶8。

热屏蔽体12对于生长中的单晶硅10隔绝来自坩埚3内的硅熔液9、加热 器5、坩埚3的侧壁的高温辐射热的同时，对于晶体生长界面的固液界面附 近，抑制向外部的热扩散，担当控制单晶中心部及单晶外周部的提拉轴方向的 温度梯度的作用。

并且，热屏蔽体12还发挥如下整流筒的作用，即，利用从炉上方导入的 不活泼气体将来自硅熔液9的蒸发物排至炉外。

在腔室2的上部设置有气体导入口13，将氩气(以下，也称为Ar气)等不 活泼气体导入到腔室2内。在腔室2的下部设置有排气口14，通过驱动未图示 的真空泵抽吸腔室2内的气体并将其排出。

从气体导入口13导入至腔室2内的不活泼气体在生长中的单晶硅10与热 屏蔽体12之间下降，经过热屏蔽体12的下端与硅熔液9的液面之间的间隙 后，向热屏蔽体12的外侧，进而向坩埚3的外侧流动，然后在坩埚3的外侧 下降，从排气口14排出。

对提拉装置1施加水平磁场。在图2中，水平磁场的磁力线流向纸面正交 方向。如图3所示，在热屏蔽体12上形成有切口部121，相对于包含晶体提拉 轴7以及水平磁场的施加方向的面S为非面对称且相对于晶体提拉轴7为非旋 转对称的结构。即，通过在热屏蔽体12上形成切口部121，在热屏蔽体12的 下端部及石英坩埚3A内的硅熔液9表面之间流过的不活泼气体流中，能够形成 非面对称且相对于晶体提拉轴7非旋转对称的流动分布。

并且，如图2所示，腔室2上部的切口部121的正上方配置辐射温度计 15，如图3所示，能够以非接触的方式测量切口部121附近的测量点P中的硅 熔液9的表面温度。

从气体导入口13供给的Ar气体被供给至硅熔液9的表面，沿着液面流往 石英坩埚3A的外侧。此时，在Ar气体所流过的切口部121的部分，对应由于切 口部121而间隙变大的量，产生较多量的Ar气体流，流量变得比其它部分多。 另一方面，关于未形成切口部的部分的Ar气体流量，随着维持间隙小的状态而 减少。

根据图4所示的流程图，对利用这种提拉装置1制造单晶硅10时的单晶 硅的制造方法进行说明。

首先，在无磁场的状态下使单晶硅10的对流产生，旋转石英坩埚3A，由 此使上下方向的对流围绕晶体提拉轴7旋转(工序S1：图1(A)的状态)。

维持该状态直到所有硅原料熔化为止(工序S2)。

在所有硅原料熔化之后，施加水平磁场，限制对流的变动，如图2所示， 使硅熔液9内的左旋转的对流对位于切口部121的形成位置，开始提拉单晶硅 10(工序S3：图1(D)的状态)。

在单晶硅10的生长中，维持水平磁场强度，至少维持0.2T以上，持续提 拉单晶硅10的直筒部(工序S4)。

若进行单晶硅10的提拉至尾部，则停止施加水平磁场，结束提拉(工序 S5)。

根据这种本实施方式，有以下的效果。

在热屏蔽体12的下端及硅熔液9的表面之间的Ar气体流中，形成以包含 晶体提拉轴7以及水平磁场的施加方向的平面为中心非面对称且以晶体提拉轴 7为中心非旋转对称的流动分布，由此以水平磁场的方向为中心能够将硅熔液9内的对流控制成右旋转或左旋转。因此，通过维持该状态能够判定硅熔液9 内的对流是左旋转还是右旋转。而且，通过在该状态下施加水平磁场，能够固 定硅熔液的对流而进行单晶硅的提拉。因此，不会使所提拉的单晶硅的氧浓度 产生两极分化，能够进行单晶硅的提拉。

直到单晶硅10的提拉结束，只要将水平磁场强度降低至恒定值以下，则 能够在限制硅熔液10内部的对流的状态下进行单晶硅10的提拉。因此，在使 硅熔液内部的对流维持一定的状态的情况下，进行单晶硅的提拉，能够提拉不 会产生两极分化的单晶硅。

将热屏蔽体12形成为相对于包含晶体提拉轴7以及磁场施加方向的面为 非面对称且相对于晶体提拉轴7为非旋转对称的结构，由此能够将非面对称的 部分与其以外的部分中的Ar气体的流动分布形成为非面对称且相对于晶体提拉 轴7非旋转对称。因此，仅通过改变提拉装置1的结构，就能够实施本发明的 单晶硅的制造方法。

并且，本发明并不限于此，例如，也可以通过部分改变硅熔液9表面与热 屏蔽体下端的距离，将Ar气体的流动分布形成为相对于包含晶体提拉轴7以及 水平磁场的施加方向的面为非面对称且以晶体提拉轴7为中心为非旋转对称。

由此，在硅熔液9表面与热屏蔽体下端的距离变大的部分中，Ar气体的流 量增加，而变小的部分中，Ar气体的流量减少，因此能够实现与上述第1实施 方式相同的作用及效果。

[3]第2实施方式

接着，对本发明的第2实施方式进行说明。另外，在以下说明中，对与已 说明的部分相同的部分标注相同的附图标记并省略其说明。

在上述第1实施方式中，通过在热屏蔽体12形成切口部121，将热屏蔽体 12形成为相对于包含晶体提拉轴7以及水平磁场的施加方向的面S为非面对称 且以晶体提拉轴7为中心为非旋转对称的结构。

相对于此，如图5所示，本实施方式中的非面对称结构的不同点在于，拉 通热屏蔽体16的单晶硅的孔161形成为偏心椭圆状。关于孔161，与第1实施 方式相同地，相对于包含水平磁场的施加方向与晶体提拉轴7的面，左侧区域 的面积变大，并且呈相对于晶体提拉轴7为非旋转对称的形状。

根据这种本实施方式，也能够实现与上述第1实施方式相同的作用及效 果。

[4]第3实施方式

在上述第1实施方式中，将热屏蔽体12形成为相对于包含水平磁场的施 加方向与晶体提拉轴的面为非面对称。

相对于此，在第3实施方式中，如图6所示，不同点在于在提拉装置1A的 腔室2下部，相对于包含晶体提拉轴7与水平磁场的施加方向的面，对称地设 置有2个排气口17A、17B，但排气口17B的排气面积大于排气口17A的排气面 积。

由此，由于能够增加来自排气口17B的排气量，因此Ar气体的流动分布形 成为相对于包含晶体提拉轴7与水平磁场的施加方向的面为非面对称且相对于 以晶体提拉轴7为中心为非旋转对称。因此，能够享受与上述第1实施方式相 同的作用及效果。

[5]第4实施方式

在上述第3实施方式中，在提拉装置1A的腔室2下部设置2处的排气口 17A。

相对于此，在第4实施方式中，如图7所示，不同点在于在提拉装置1B的 腔室2下部的一侧1处设置排气口18。

通过只从一侧的排气口18进行排气，设置排气口18侧的Ar气体的排气量 增加，其相反侧的Ar气体的排气量减少。

根据这种本实施方式，Ar气体的流动分布也形成为相对于包含晶体提拉轴 7以及水平磁场的施加方向的面为非面对称且以晶体提拉轴7为中心为非旋转 对称。因此，能够享受与上述第1实施方式相同的作用及效果。

实施例

接着，对本发明的实施例进行说明。另外，本发明并不限于实施例。

[实施例1]

在32英寸的石英坩埚3A内填充硅原料400kg，使其完全熔化。然后，为 了使硅熔液9表面与热屏蔽体12下端间的距离成为30mm，沿铅直方向上下移 动石英坩埚保持台，停止旋转坩埚，将Ar流量设定为150L/min。在该状态下保 持1小时后施加磁场，确认了施加水平磁场后的对流模式是右旋涡或左旋涡。

在改变热屏蔽体12的形状与设置位置的多个条件下，进行了各10次试 验。条件A是轴对称形状的热屏蔽体。条件B是对条件A的热屏蔽体12加上切口 形状，如图8所示，将切口部121的位置设置为与水平磁场的施加方向相同的 方向。关于条件C、条件D，当切口位置朝向水平磁场的施加方向时，将条件B 的热屏蔽体分别设置为左侧90度、右侧90度。关于条件E、条件F，如图8所 示，当朝向水平磁场的施加方向时，分别设置为左侧45度、左侧135度。表1 中示出条件A到条件F的左旋涡、模拟漩涡的发生率。

[表1]

	左旋涡的概率	右旋涡的概率
			条件A	50％	50％
条件B	50％	50％
			条件C	100％	0％
条件D	0	100％
			条件E	90％	10％
条件F	90％	10％

在条件A及条件B系下，左旋涡与右旋涡以各半的概率发生，实质上无规则 地发生某一个对流模式。即，在以往条件的条件A以及面对称形状的条件B下未 能控制对流模式。

相对于此，在条件C下100％为左旋涡模式，进而在条件D下100％为右旋涡 模式。在条件E及条件F下以90％的高概率为左旋涡。即，确认到通过对热屏蔽 体12提供如切口部121的非面对称且非旋转对称的形状，能够自由地选择左 旋涡模式与右旋涡模式。并且，确认到非面对称性越高成为目标对流模式的概 率越高。

[实施例2]

接着，在具备实施例1的条件A中使用的热屏蔽体12的炉中，利用与实施 例1相同的方法，改变存在于炉体侧壁的多个排气口14的形状、位置及个数 而进行了试验。实施本试验的炉体中，在图9所示的炉体壁的4处安装有圆筒 状的“排气口1”到“排气口4”。如表2所示，改变了各个排气口14的内 径。另外，表中的“0”是指已去除排气口14。

[表2]

单位：mm

	排气口1	排气口2	排气口3	排气口4
					条件A	20	20	20	20
条件G	10	20	20	20
					条件H	20	10	20	20
条件I	20	20	10	20
					条件J	20	20	20	10
条件K	20	0	0	0
					条件L	0	0	20	0

条件A中，4处都是直径20mm，与实施例1的条件A相同。条件G、条件H、 条件I及条件J中，分别仅将“排气口1”、“排气口2”、“排气口3”、“排 气口4”的直径设为10mm，减少了排气量。条件K及条件L中，分别只留下“排 气口1”、“排气口3”，去除了其以外的3个排气口14。表3中示出各个条 件中的左旋涡、右旋涡的发生率。

[表3]

	左旋涡的概率	右旋涡的概率
			条件A	50％	50％
条件G	60％	40％
			条件H	50％	50％
条件I	40％	60％
			条件J	50％	50％
条件K	0％	100％
			条件L	100％	0％

在条件A、条件H及条件J中，左旋涡与右旋涡以各半的概率发生，实质上 无规则地发生某一个对流模式。即，在以往条件的条件A以及面对称形状的条 件H及条件J下未能控制对流模式。

相对于此，条件G中虽然是一点点但左旋涡的发生率高，条件I中右旋涡的 发生率高。而且，条件K中是100％右旋涡。条件L中是100％左旋涡。即，确认 到通过将排气结构设为非轴对称，将在热屏蔽体与硅熔液之间流过的Ar流速设 为非轴对称，也能够自由地选择左旋涡模式与右旋涡模式。

附图标记说明

1-提拉装置，1A-提拉装置，1B-提拉装置，2-腔室，3-坩埚，3A-石英坩 埚，3B-石墨坩埚，4-支承轴，5-加热器，6-隔热材料，7-晶体提拉轴，8-籽 晶，9-硅熔液，10-单晶硅，12-热屏蔽体，13-气体导入口，14-排气口，15- 辐射温度计，16-热屏蔽体，17A-排气口，17B-排气口，18-排气口，121-切口 部，161-孔，P-测量点，S-包含晶体提拉轴以及水平磁场的施加方向的面， S1-工序，S2-工序，S3-工序，S4-工序，S5-工序。

Claims (4)

1.一种单晶硅的制造方法，使用具备腔室、在所述腔室内配置的石英坩埚及覆盖所述石英坩埚上部的热屏蔽体的提拉装置，使不活泼气体在所述腔室内流过且对所述石英坩埚内的硅熔液施加水平磁场，从而提拉单晶硅，所述单晶硅的制造方法的特征在于实施：

在所述热屏蔽体的下端部以及所述石英坩埚内的硅熔液表面之间流过的所述不活泼气体流中，形成相对于包含所述提拉装置的晶体提拉轴以及所述水平磁场的施加方向的平面为非面对称且相对于所述晶体提拉轴为非旋转对称的流动分布的工序；

直到所述石英坩埚内的硅原料完全熔化为止，在无磁场下维持所形成的非面对称且非旋转对称的流动分布的工序；以及

在所述硅原料完全熔化之后，施加所述水平磁场而开始提拉所述单晶硅的工序。

2.根据权利要求1所述的单晶硅的制造方法，其特征在于实施：

在开始提拉所述单晶硅的工序之后，直到结束所述单晶硅的提拉为止，实施不将所述水平磁场的强度降低至恒定值以下而进行所述单晶硅的提拉的工序。

3.一种单晶硅的提拉装置，实施权利要求1或2所述的单晶硅的制造方法，所述单晶硅的提拉装置的特征在于，

构成所述提拉装置的所述热屏蔽体是相对于包含所述晶体提拉轴以及磁场施加方向的平面为非面对称且相对于所述晶体提拉轴为非旋转对称的结构。

4.一种单晶硅的提拉装置，实施权利要求1或2所述的单晶硅的制造方法，所述单晶硅的提拉装置的特征在于，

所述提拉装置具备排出所述不活泼气体的排气口，

所述排气口的形状以所述晶体提拉轴为中心形成为非对称结构。

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