DE112009003583B4

DE112009003583B4 - Einkristallherstellungsverfahren

Info

Publication number: DE112009003583B4
Application number: DE112009003583.3T
Authority: DE
Inventors: Suguru Matsumoto; Susumu Sonokawa; Toshiharu Uesugi; Takashi Mori
Original assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Handotai Co Ltd
Priority date: 2008-12-04
Filing date: 2009-10-19
Publication date: 2020-04-02
Anticipated expiration: 2029-10-20
Also published as: JP2010132498A; US9200380B2; JP5304206B2; DE112009003583T5; WO2010064356A1; KR20110099221A; KR101611439B1; US20110214605A1

Abstract

Silizium-Einkristallherstellungsverfahren zur Herstellung eines Einkristalls auf der Grundlage eines ein horizontales Magnetfeld anlegenden CZ-Verfahrens zum Ziehen des Einkristalls, während ein horizontales Magnetfeld an eine in einem Quarztiegel aufgenommene Silizium-Rohstoffschmelze mittels einer Magnetfeld-Anlegungseinrichtung angelegt ist, umfassend: Messen einer Mittelposition des durch die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung erzeugten Magnetfelds, und Versetzen der gemessenen Mittelposition des Magnetfelds von einem Ziehelement, das als Drehachse des Einkristalls dient, in horizontaler Richtung innerhalb eines Bereichs von 2 bis 14 mm während der Herstellung des Einkristalls, oder vor der Herstellung des Einkristalls und während der Herstellung des Einkristalls.

Description

TECHNISCHES GEBIET
Die vorliegende Erfindung betrifft ein Silizium-Einkristallherstellungsverfahren auf der Grundlage eines ein horizontalen Magnetfeld anlegendes CZ-Verfahrens (das nachfolgend als „HMCZ-Verfahren bezeichnet ist) zum Hochziehen eines Einkristalls aus einer Silizium-Rohstoffschmelze, während ein horizontales Magnetfeld an die Silizium-Rohstoffschmelze in einem Tiegel mittels einer Magnetfeld-Anlegungseinrichtung angelegt ist.
STAND DER TECHNIK
Die Tatsache, dass das HMCZ-Verfahren in verschiedenen Punkten einem regulären CZ-Verfahren (einem Czochralski-Verfahren) überlegen ist, ist hinreichend bekannt. Eine Vorrichtung, die zur Durchführung dieses HMCZ-Verfahrens verwendet wird, wird durch die Verbesserung einer Vorrichtung erhalten, die das reguläre CZ-Verfahren übernimmt und einen Aufbau aufweist, bei dem eine Magnetfeld-Anlegungseinrichtung zur Anlegung eines Magnetfelds koaxial auf der Außenseite einer Heizeinrichtung zum Erwärmen eines Quarztiegels so angeordnet ist, dass diese sich gegenüber liegen, wobei der Quarztiegel zwischen ihnen angeordnet ist.
7 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für eine Herstellungsvorrichtung zeigt, die bei der Durchführung eines Silizium-Einkristallherstellungsverfahrens auf der Grundlage des herkömmlichen HMCZ-Verfahrens verwendet wird.
Diese Herstellungsvorrichtung besteht aus einer Silizium-Einkristallzieheinrichtung 70 und einer Magnetfeld-Anlegungseinrichtung 71, die auf der Außenseite der Zieheinrichtung 70 angeordnet ist. Die Zieheinrichtung 70 umfasst eine hohlzylindrische Kammer 80, und ein Tiegel ist an einem zentralen Teil dieser Kammer 80 angeordnet. Dieser Tiegel hat einen doppelten Aufbau, und er besteht aus einem inneren Quarzhaltebehälter mit einer mit Boden versehenen zylindrischen Form (der nachfolgend einfach als „Quarztiegel 75a“ bezeichnet wird) und einem äußeren Graphithaltebehälter, der die Außenseite des Quarztiegels 75a halten kann und gleichermaßen eine mit Boden versehene zylindrischen Form besitzt (ein „Graphittiegel 75b“).
Diese Tiegel sind derart an einem oberen Endabschnitt einer Haltewelle 76 angebracht, dass ihre Drehung und Aufwärts- sowie Abwärtsbewegung ermöglicht ist, und eine Heizeinrichtung 78 vom Widerstandsheiz-Typ ist weitgehend konzentrisch auf der Außenseite des Tiegels angeordnet. Darüber hinaus ist ein wärmeisolierendes Material 79 konzentrisch an einem Außenumfang der Heizeinrichtung 78 angeordnet. Weiter wird ein in den Tiegel eingefüllter Siliziumrohstoff mit einem vorbestimmten Gewicht durch die Heizeinrichtung 78 zu einer Silizium-Rohstoffschmelze 72 geschmolzen.
Ein Ziehdraht (oder eine Ziehwelle, wobei beide Elemente nachfolgend allgemein als „Ziehelement 77“ bezeichnet werden), der sich auf derselben Achse wie die Haltewelle 76 in entgegengesetzter Richtung oder in derselben Richtung mit vorbestimmter Geschwindigkeit dreht, ist auf einer Mittelachse des mit der Silizium-Rohstoffschmelze 72 gefüllten Tiegels angeordnet, und ein Impfkristall 74 ist an einem unteren Ende des Ziehelements 77 gehalten.
Bei einer solchen Herstellungsvorrichtung wird der Silizium-Rohstoff in den Quarztiegel gegeben, der Silizium-Rohstoff wird in einer Inertgasatmosphäre unter verringertem Druck mittels der Heizeinrichtung 78 geschmolzen, die um den Tiegel herum angeordnet ist; dann wird der Impfkristall 74, der am unteren Ende des Ziehelements 77 gehalten ist, in die Schmelzoberfläche eingetaucht und das Ziehelement 77 wird nach oben gezogen, während der Tiegel und das Ziehelement 77 gedreht werden, wodurch das Wachsen eines Silizium-Einkristalls 73 an einer unteren Endfläche des Impfkristalls 74 erfolgt. Weiter wird beim Züchten des Silizium-Einkristalls 73 ein horizontales Magnetfeld an die Silizium-Rohstoffschmelze 72 mittels der Magnetfeld-Anlegungseinrichtung 71 angelegt, die koaxial derart angeordnet ist, dass sie der Silizium-Rohstoffschmelze 72 zugewandt und der Quarztiegel 75a dazwischen aufgenommen ist.
Wenn wie vorstehend beschrieben ein Einkristall aus der Silizium-Rohstoffschmelze im Quarztiegel gemäß dem HMCZ-Verfahren hochgezogen wird, ist es möglich, da die Wärmekonvektion der Schmelze unterdrückt werden kann und eine Temperaturschwankung in der Nähe des Schmelzflüssigkeitspegels (eine Temperatur an der Grenzfläche fest/flüssig des gezogenen Einkristalls) mit der Zeit reduziert wird, Vorteile dahingehend zu erhalten, dass die Erzeugung einer Verlagerung oder eines Fehlers unterdrückt wird und dass ein Silizium-Einkristall mit gleichförmiger und niedriger Sauerstoffkonzentration leicht erzielt werden kann. Da außerdem die Erzeugung einer Verlagerung oder eines Fehlers unterdrückt wird, kann selbst ein Einkristall mit einem großen Durchmesser ohne weiteres hergestellt werden. Da die Konvektion unterdrückt wird, ist es daher auch möglich, einen Vorteil dahingehend zu erzielen, dass die Tiegelwand kaum zersetzt wird.
Bei der Einkristallherstellungsvorrichtung, die das herkömmliche HMCZ-Verfahren anwendet, ist die Mittelachse der Spule so angeordnet, dass sie mit der Schmelzoberfläche im Quarztiegel zusammenfällt, wodurch die Konvektion in der Nähe des Schmelzflüssigkeitspegels unterdrückt und die Wärmekonvektion in einem Bereich unterhalb der Positionen nahe des Schmelzflüssigkeitspegels gebildet wird. Bei dieser Vorrichtung wird die Wärmeübertragung auf eine Grenzschicht zwischen dem Einkristall, der hochgezogen wird, und der Schmelze erhöht, kann der Temperaturunterschied zwischen dem Tiegelrand und der Grenzschicht verringert werden, wird die Schmelze, die in dem Bereich unterhalb der Positionen in der Nähe der Schmelzoberfläche ausreichend bewegt ist, der Grenzschicht zugeführt und ist es daher möglich, Vorteile dahingehend zu erhalten, dass der Einkristall mit gleichförmigen Merkmalen im Vergleich zu einer Vorrichtung, bei der das reguläre CZ-Verfahren angewendet wird, erhalten werden kann und dass ein Riss im Tiegel aufgrund von Wärmespannungen vermieden werden kann.
Hier gibt es dadurch, dass der Durchmesser des Einkristalls in den letzten Jahren ansteigt, einen Bedarf an einem großen Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von 300 mm oder mehr. Bei diesem Bedarf muss ein Silizium-Rohstoff mit einem Gewicht von 300 kg oder mehr in einem großen Quarztiegel mit einem Durchmesser von 800 mm oder mehr geschmolzen werden, um einen Silizium-Einkristall zu züchten. Es ist ein HMCZ-Verfahren zum Steuern der Konvektion der Schmelze beim Züchten des Silizium-Einkristalls aus einer solchen großenvolumigen Silizium-Rohstoffschmelze vorgeschlagen worden (siehe z.B. Patentdokument 1). Darüber hinaus wird im Hinblick auf die Steuerung der interstitiellen Sauerstoffkonzentration eines Silizium-Einkristalls, der auf der Grundlage des HMCZ-Verfahrens gezüchtet wird, eine Vorrichtung, bei der ein Krümmungsradius eines anzulegenden Magnetfelds spezifiziert wird (siehe z.B. Patentdokument 2), oder ein Verfahren zum Einstellen einer relativen Position einer Magnetfeld-Anlegungsvorrichtung und eines Tiegels in der vertikalen Richtung offenbart (siehe z.B. Patentdokumente 3 und 4).
Wenn allerdings das vorstehend beschriebene Verfahren oder die vorstehend beschriebene Vorrichtung zum Züchten des Silizium-Einkristalls verwendet wird, ist es schwierig, den Durchmesser des Einkristalls oder die Sauerstoffkonzentration in dem Einkristall in der Wachstumsrichtung zu steuern, und der Durchmesser oder die Sauerstoffkonzentration schwanken, wodurch ein Problem dahingehend auftritt, dass der Silizium-Einkristall nicht in Übereinstimmung mit dem erforderlichen Qualitätsstandard hergestellt werden kann, so dass das Ausbeuteverhältnis des Silizium-Einkristalls reduziert wird. Weiter taucht auch ein Problem dahingehend auf, dass die Qualität des hergestellten Einkristalls abhängig von der jeweiligen Herstellungsvorrichtung stark variiert.
JP 2000-264 771 A offenbart ein CZ-Verfahren zum Ziehen von Einkristallen, bei dem ein horizontales Magnetfeld an die Schmelze angelegt wird. Jedoch beschreibt das Dokument nicht, wie die Mittelposition des Magnetfelds während der Herstellung des Einkristalls versetzt werden soll.
US 4,592,895 A beschreibt CZ-Vorrichtungen bei denen ein horizontales Magnetfeld auf die Siliziumschmelze angelegt wird. Hierbei wird ein Bewegungsmechanismus für den Magneten lediglich bei der Demontage und Inspektion, jedoch nicht bei der Kristallherstellung verwendet.
REFERENZLISTE
PATENTLITERATUR

Patentdokument 1: ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer. JP H08-239292 A
Patentdokument 2: ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer JP S62-256791 A
Patentdokument 3: ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer JP H08-333191 A
Patentdokument 4: ungeprüfte japanische Patentanmeldung mit der Veröffentlichungsnummer JP H09-188590 A

OFFENBARUNG DER ERFINDUNG
Im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme besteht eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung darin, ein Silizium-Einkristallherstellungsverfahren zur Verfügung zu stellen, mit denen ein Einkristall hergestellt werden kann, während Schwankungen im Hinblick auf den Durchmesser und die Sauerstoffkonzentration ohne eine Änderung aufgrund der Merkmale der Vorrichtung vermieden werden.
Um diese Aufgabe zu lösen, wird gemäß der vorliegenden Erfindung ein Silizium-Einkristallherstellungsverfahren gemäß der Ansprüche 1-3 zur Herstellung eines Einkristalls auf der Grundlage eines ein horizontales Magnetfeld anlegenden CZ-Verfahrens zum Ziehen des Einkristalls, während ein horizontales Magnetfeld an eine in einem Quarztiegel aufgenommene Silizium-Rohstoffschmelze mittels einer Magnetfeld-Anlegungseinrichtung angelegt ist, umfassend: Messen einer Mittelposition des durch die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung erzeugten Magnetfelds, und Versetzen der gemessenen Mittelposition des Magnetfelds von einem Ziehelement, das als Drehachse des Einkristalls dient, in horizontaler Richtung innerhalb eines Bereichs von 2 bis 14 mm während der Herstellung des Einkristalls, oder vor der Herstellung des Einkristalls und während der Herstellung des Einkristalls.
Wenn die gemessene Mittelposition des Magnetfelds von dem Ziehelement versetzt wird, ändert sich die Verteilung der Magnetfeldintensität oder die Richtung des Magnetfelds; ein inhomogenes Feld einer Temperaturverteilung in der Siliziumschmelze wird auch geändert und so kann der Einfluss einer periodischen Temperaturschwankung auf das Züchten des Einkristalls verringert werden, wodurch das inhomogene Temperaturfeld, das von der Mitte versetzt ist, reduziert wird, da es dazu neigt, durch die Konvektion der Schmelze beeinflusst zu werden. Wenn weiter ein solcher Versatzbereich erfindungsgemäß auf 2 bis 14 mm eingestellt wird, kann eine Schwankung des Durchmessers des Einkristalls wirksam unterdrückt werden, während eine Schwankung der Sauerstoffkonzentration so weit unterdrückt wird, dass sie in einen zulässigen Bereich fällt. Da gemäß der vorliegenden Erfindung die Mittelposition des Magnetfelds zuvor in Übereinstimmung mit jeder Vorrichtung gemessen wird und die Herstellung auf der Grundlage dieser Messung, wie vorstehend beschrieben, durchgeführt wird, tritt außerdem eine Änderung der Qualität des hergestellten Einkristalls aufgrund einer Änderung der Kenngrößen zwischen den Vorrichtungen kaum auf.
Wie vorstehend beschrieben kann gemäß dem Herstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung der qualitativ hochwertige Silizium-Einkristall, bei dem Schwankungen im Hinblick auf den Durchmesser und die Sauerstoffkonzentration in der Wachstumsrichtung unterdrückt werden, mit einem guten Ausbeuteverhältnis hergestellt werden.
Dabei ist es bevorzugt, die gemessene Mittelposition des Magnetfelds vom Ziehelement, das als Drehachse des Einkristalls dient, in horizontaler Richtung in einem Verhältnis von 1 mm oder weniger pro 10 cm Ziehlänge des Einkristalls während der Herstellung des Einkristalls zu versetzen.
Wenn der Versatz in einem solchen Verhältnis realisiert wird, beeinflusst die Bewegung der Magnetfeldverteilung kaum nachteilig den Einkristall, der hochgezogen wird, und es kann ein Einkristall mit höherer Qualität hergestellt werden.
Gemäß der vorliegenden Erfindung kann eine Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung verwendet werden, die so aufgebaut ist, dass ein Einkristall auf der Grundlage eines ein horizontales Magnetfeld anlegendes CZ-Verfahrens zum Ziehen des Einkristalls hergestellt wird, während ein horizontales Magnetfeld an eine in einem Quarztiegel aufgenommene Silizium-Rohstoffschmelze mittels einer Magnetfeld-Anlegungseinrichtung angelegt ist, wobei die Vorrichtung zumindest umfasst: den Quarztiegel, der so aufgebaut ist, dass er die Silizium-Rohstoffschmelze aufnimmt; ein Ziehelement, das so aufgebaut ist, dass es unter Drehung einen Impfkristall zieht, der in die Silizium-Rohstoffschmelze eingetaucht und gezogen wird, während der Einkristall an einer unteren Endfläche desselben wachsen gelassen wird; und die Magnetfeld-Anlegungungseinrichtung, die koaxial so angebracht ist, dass sie dem Quarztiegel zugewandt ist, der dazwischen angeordnet ist, um das horizontale Magnetfeld an die Silizium-Rohstoffschmelze anzulegen, wobei die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung einen Bewegungsmechanismus aufweist und eine Mittelposition des mittels der Magnetfeld-Anlegungsvorrichtung erzeugten Magnetfelds von dem Ziehelement in horizontaler Richtung innerhalb des Bereichs von 2 bis 14 mm durch den Bewegungsmechanismus vor der Herstellung eines Einkristalls und/oder während der Herstellung des Einkristalls versetzt wird.
Mit einer solchen Herstellungsvorrichtung kann, da der Bewegungsmechanismus enthalten ist, die Magnetfeld-Anlegungsvorrichtung relativ leicht bewegt werden, und die Magnetfeldmitte kann ohne Weiteres sogar vor der Herstellung des Einkristalls oder während der Herstellung des Einkristalls versetzt werden. Darüber hinaus kann, wenn die gemessene Mittelposition des Magnetfelds von dem Ziehelement versetzt wird, da eine Verteilung einer Magnetfeldintensität oder eine Richtung des Magnetfelds geändert wird und ein inhomogenes Feld der Temperaturverteilung in der Siliziumschmelze auch variiert wird, ein Einfluss auf den wachsenden Einkristall durch eine periodische Temperaturschwankung gemildert werden, und das inhomogene Temperaturfeld, das von der Mitte versetzt ist, wird verringert, weil es leicht durch die Konvektion der Schmelze beeinflusst werden kann. Wenn weiter der Versatzbereich auf 2 bis 14 mm eingestellt wird, kann eine Schwankung im Hinblick auf den Durchmesser des Einkristalls wirksam unterdrückt werden, während eine Schwankung der Sauerstoffkonzentration so unterdrückt wird, dass sie in einen zulässigen Bereich fällt. Außerdem kann mit einer solchen Herstellungsvorrichtung, da die Mittelposition des Magnetfelds vorher gemessen und die Magnetfeldmitte zum Beispiel während der Herstellung versetzt werden kann, der Einkristall hergestellt werden, während die Magnetfeld-Anlegungsvorrichtung sogar während des Wachstums in eine optimale Position bewegt wird.
Mit einer solchen Herstellungsvorrichtung kann, wie vorstehend beschrieben, der qualitativ hochwertige Silizium-Einkristall, bei dem Schwankungen im Hinblick auf den Durchmesser und die Sauerstoffkonzentration in der Wachstumsrichtung kaum beobachtet werden, mit einem guten Ausbeuteverhältnis hergestellt werden.
Dabei ist es bevorzugt, den Bewegungsmechanismus zu verwenden, um die Mittelposition des durch die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung erzeugten Magnetfelds von dem Ziehelement in der horizontalen Richtung in einem Verhältnis von 1 mm oder weniger pro 10 cm Ziehlänge des Einkristalls zu versetzen.
Wenn der Versatz mit einem solchen Verhältnis realisiert wird, beeinflusst die Bewegung der Magnetfeldverteilung kaum nachteilig den Einkristall, der hochgezogen wird, und es kann ein Einkristall mit höherer Qualität hergestellt werden.
Gemäß dem Silizium-Einkristallherstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann, wie vorstehend beschrieben, ein qualitativ hochwertiger Silizium-Einkristall, bei dem der Durchmesser und die Sauerstoffkonzentration in der Wachstumsrichtung kaum schwanken, mit einem guten Ausbeuteverhältnis hergestellt werden.
Figurenliste

1 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für eine Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung zeigt;
2 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für einen Bewegungsmechanismus einer Magnetfeld-Anlegungseinrichtung in der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung zeigt;
3 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen einer Stelle einer Magnetfeldmittelposition in der X-Richtung (einer Links-Rechts-Richtung) von einem Ziehelement, eine Änderung des Durchmessers eines Einkristalls und eine Änderung der Sauerstoffkonzentration desselben zeigt;
4 ist eine graphische Darstellung, die das Verhältnis zwischen einer Stelle der Magnetfeldmittelposition in der Y-Richtung (einer Vorn-Hinten-Richtung) von dem Ziehelement, eine Änderung des Durchmessers des Einkristalls und eine Änderung der Sauerstoffkonzentration desselben zeigt;
5 zeigt erläuternde Ansichten zur Erläuterung eines Verfahrens zum Messen einer Mittelposition eines Magnetfelds, das von der Magnetfeld-Anlegungseinrichtung erzeugt wird ((A) ist eine perspektivische Ansicht und (B) ist eine Seitenansicht);
6 ist eine schematische Ansicht, die den Bereich zeigt, in dem eine Magnetfeldmitte von einer Ziehachse des Einkristalls versetzt wird;
7 ist eine schematische Ansicht, die eine herkömmliche Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung zeigt; und
8 zeigt graphische Darstellungen, die eine Schwankung im Hinblick auf den Durchmesser eines Einkristalls, eine Änderung der Sauerstoffkonzentration und eine Mittelposition eines Magnetfelds vom Ziehelement für jedes der Beispiele 1 und 2 und das Vergleichsbeispiel zeigt.

BESTE(S) VERFAHREN ZUR DURCHFÜHRUNG DER ERFINDUNG
Bei herkömmlichen Beispielen besteht bei der Herstellung eines Silizium-Einkristalls auf der Grundlage des HMCZ-Verfahrens ein Problem dahingehend, dass der Durchmesser oder die Sauerstoffkonzentration in der Wachstumsrichtung eines Einkristalls schwankt, und weiter besteht ein Problem dahingehend, dass eine Änderung je nach Vorrichtung unterschiedlich ist.
Die vorliegenden Erfinder haben wie nachfolgend beschrieben im Hinblick auf die vorstehend beschriebenen Probleme Untersuchungen durchgeführt.
Zur Herstellung eines Silizium-Einkristalls, der unter Verwendung der Magnetfeld-Anlegungseinrichtung hergestellt wurde, wurde, da eine periodische Schwankung im Hinblick auf den Durchmesser des Einkristalls je nach Vorrichtung unterschiedlich war, die Mitte eines Magnetfeld, das tatsächlich von einer Magnetfeld-Anlegungseinrichtung erzeugt wurde, für die Untersuchung gemessen.
Im Ergebnis der Messung wurde festgestellt, dass eine periodische Schwankung im Hinblick auf den Durchmesser bei einer Vorrichtung stark ist, die an einer Stelle angebracht ist, an der eine Magnetfeldmittelposition weitgehend mit der Drehachse einer Siliziumschmelze übereinstimmt (der Ziehachse des Einkristalls), während eine Schwankung im Hinblick auf den Durchmesser bei einer Vorrichtung gering ist, die an einer Stelle angebracht ist, an der dieselbe nicht mit der Drehachse übereinstimmt.
Bei herkömmlichen Beispielen wird die Vorrichtung derart angebracht, dass die Magnetfeldmittelposition mit der Ziehachse des Einkristalls übereinstimmt. Weiter werden als Verfahren zum Erzielen dieser Übereinstimmung zum Beispiel die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung, ein Tiegel und andere Bauteile derart angebracht, dass die Magnetfeldmittelposition mit der Ziehachse des Einkristalls durch Einstellen des Positionsverhältnisses zwischen diesen Einrichtungen übereinstimmt. Allerdings hat sich gezeigt, dass die Schwankung im Hinblick auf den Durchmesser tatsächlich gering ist, wenn diese Positionen voneinander abweichen.
Es ist in Betracht zu ziehen, dass die periodische Schwankung im Hinblick auf den Durchmesser aufgrund von nicht einheitlichen Merkmalen der in einer Schmelze erzeugten Temperatur auftritt. Obwohl ein Magnetfeld grundsätzlich zum Zweck des Unterdrückens einer Wärmekonvektion der Schmelze angelegt wird, kann in Betracht gezogen werden, dass eine Verteilung der einmal erzeugten Temperatur dazu neigt, aufgrund der Unterdrückung der Wärmekonvektion ungleichförmig zu werden.
Es wurde daher festgestellt, dass sich die Verteilung einer Magnetfeldintensität oder die Richtung des Magnetfelds ändert und ein inhomogenes Feld in der Temperaturverteilung auch gleichzeitig von der Mitte abweicht, wenn die Ziehachse und die Magnetfeldmittelposition voneinander versetzt werden und nicht aneinander angeglichen werden, wie bei den herkömmlichen Beispielen, ein Einfluss der periodischen Temperaturschwankung auf einen wachsenden Kristall reduziert werden kann und das inhomogene Temperaturfeld, das selbst von der Mitte versetzt ist, auch durch Zwangskonvektion auf der Grundlage der Tiegeldrehung oder Kristalldrehung abgemildert werden kann.
Da die Sauerstoffkonzentration des wachsenden Einkristalls aufgrund einer ungleichmäßigen Temperaturverteilung schwanken kann, kann weiter diese Schwankung der Sauerstoffkonzentration dadurch aufgelöst werden, dass die Ziehachse von der Magnetfeldmittelposition versetzt wird. Allerdings hat sich im Gegensatz dazu gezeigt, dass die Schwankung der Sauerstoffkonzentration steigt, wenn die Mittelposition des Magnetfelds zu weit versetzt wird.
Die vorliegenden Erfinder haben die Ziehachse von der Magnetfeldmittelposition um 0 bis 20 mm nach links und rechts (in X-Richtung) und vor und zurück (in Y-Richtung) versetzt, wenn die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung von der Vorderseite aus gesehen wird, und sie haben den Durchmesser und die Sauerstoffkonzentration jeweils in der Wachstumsanfangsphase (an der Oberseite), der mittleren Wachstumsphase (in der Mitte) und der späteren Wachstumsphase (an der Unterseite) eines geraden Hauptteils eines zu züchtenden Einkristalls geprüft. 3 (bei Versatz in der X-Richtung) und 4 (bei Versatz in der Y-Richtung) zeigen Messergebnisse.
Wie in 3 und 4 gezeigt ist, wird eine Schwankung im Hinblick auf den Durchmesser wirksam durch einen Versatz um 2 mm oder mehr unterdrückt; allerdings erhöht sich die Änderung der Sauerstoffkonzentration, wenn die Versatzstrecke 14 mm übersteigt, und die Änderung übersteigt in manchen Fällen den zulässigen Bereich.
Auf der Grundlage der oben beschriebenen Untersuchung wurde festgestellt, dass eine Schwankung im Hinblick auf den Durchmesser und eine Schwankung der Sauerstoffkonzentration so unterdrückt werden können, dass sie in die zulässigen Bereiche fallen, indem die Mittelposition eines Magnetfelds und die Ziehachse des Einkristalls im Bereich von 2 mm bis 14 mm versetzt werden.
Weiterhin haben die vorliegenden Erfinder auch festgestellt, dass eine Mittelposition eines Magnetfelds, die tatsächlich durch die Einrichtung erzeugt wird, vorher gemessen und für eine genaue Einstellung in den oben beschriebenen Bereichen eingestellt werden muss, und dass ein Unterschied zwischen den Vorrichtungen auf diese Weise vermieden werden kann.
Obwohl das Silizium-Einkristallherstellungsverfahren und eine solche Herstellungsvorrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung nun nachfolgend ausführlich als Ausführungsform mit Bezug auf die Zeichnungen beschrieben werden, ist die vorliegende Erfindung nicht darauf beschränkt.
1 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für eine Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung zeigt. 2 ist eine schematische Ansicht, die ein Beispiel für einen Bewegungsmechanismus in einer Magnetfeld-Anlegungseinrichtung gemäß der vorliegenden Erfindung zeigt. 6 ist eine schematische Ansicht, die den Bereich von 2 bis 14 mm um eine Ziehachse für einen Einkristall zeigt.
Wie in 1 veranschaulicht ist, besteht eine Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung 1 aus einer Silizium-Einkristallzieheinrichtung 21 und einer Magnetfeld-Anlegungseinrichtung 20, die koaxial auf einer Außenseite der Zieheinrichtung so angeordnet ist, dass sie einem Quarztiegel zugewandt ist, der dazwischen angeordnet ist, um ein horizontales Magnetfeld an die Siliziumrohstoffschmelze anzulegen.
Die Zieheinrichtung 21 weist eine hohlzylindrische Kammer 11 auf, und ein Tiegel ist an einem zentralen Teil davon angeordnet. Dieser Tiegel hat einen doppelten Aufbau, und er besteht aus einem inneren Quarz-Haltebehälter mit einer mit Boden versehenen zylindrischen Form (der nachfolgend einfach als „Quarztiegel 15a“ bezeichnet wird), und einen äußeren Graphit-Haltebehälter (einem „Graphittiegel 15b“), der so angepasst ist, dass er die Außenseite des Quarztiegels 15a hält und gleichermaßen eine zylindrische Bodenform hat.
Diese Tiegel sind an einem oberen Endabschnitt einer Haltewelle 16 derart angebracht, dass eine Drehung und Bewegungen nach oben/unten möglich sind, und eine Heizeinrichtung 18 vom Widerstandsheiztyp ist weitgehend konzentrisch auf der Außenseite des Tiegels angeordnet. Weiterhin ist ein wärmeisolierendes Material 19 konzentrisch am Umfang der Außenseite der Heizeinrichtung 18 angeordnet. Außerdem wird ein Siliziumrohstoff mit einem vorbestimmten Gewicht, der in den Tiegel gegeben wurde, durch die Heizeinrichtung 18 in eine Silizium-Rohstoffschmelze 12 verwandelt.
Ein Ziehdraht (oder eine Ziehwelle, wobei beide Elemente nachfolgend generell als „Ziehelement 17“ bezeichnet werden), der sich in entgegengesetzter Richtung oder in derselben Richtung auf derselben Achse wie die Haltewelle 16 mit einer vorbestimmten Geschwindigkeit dreht, ist an einer Mittelachse des mit der Silizium-Rohstoffschmelze 12 gefüllten Tiegels angeordnet, und ein Impfkristall 14 ist an einem unteren Ende des Ziehelements 17 gehalten. Außerdem wird ein Silizium-Einkristall 13 an einer unteren Endfläche des Impfkristalls 14 gebildet.
Da die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung 20, die auf der Außenseite der Zieheinrichtung 21 angeordnet ist, einen Bewegungsmechanismus 22 aufweist, kann weiter, wie beispielsweise in 1 gezeigt ist, bei der Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung 20 in eine Querrichtung und eine Vorn-Hinten-Richtung bewegt werden.
Als Bewegungsmechanismus 20 sind zum Beispiel, wie in 2 gezeigt ist, Kugelumlaufspindeln 24 an einem Antriebsmotor 23a für eine Links-Rechts-Bewegung (2(B)) und einem Antriebsmotor 23b für eine Vorn-Hinten-Bewegung ( 2(C)) angeordnet, Kuppelstangen 25 sind an den Kugelumlaufspindeln 24 angebracht, diese Bauteile sind an einem Magnetfelderzeugungselement 30 und einem unteren Rahmen 26 angebracht, und die Antriebsmotoren 23a und b werden durch eine Steuereinrichtung 27 betrieben, wie in 2(A) gezeigt, um die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung 20 auf einer LM-Führung 29, die sich in der X-Richtung und der Y-Richtung bewegen kann, um eine vorbestimmte Strecke zu bewegen.
Da bei herkömmlichen Beispielen das Ziehelement so angeordnet ist, dass es mit einer Mittelposition eines Magnetfelds zur Herstellung eines Einkristalls zusammenfällt, kann das bloße Einstellen eines Positionsverhältnisses zwischen den Einrichtungen und deren örtliche Fixierung bei der Erstinstallation ausreichen, so dass ein Bewegungsmechanismus wie bei der vorliegenden Erfindung nicht erforderlich ist. Da bei der hier beschriebenen Herstellungsvorrichtung allerdings eine Einstellung vor der Herstellung des Einkristalls einfach durchzuführen ist und die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung insbesondere während der Herstellung des Einkristalls bewegt werden kann, dient die beschriebene Herstellungsvorrichtung bevorzugt zur Verwendung bei dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung.
Die oben beschriebene Herstellungsvorrichtung kann verwendet werden, um das Silizium-Einkristallherstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchzuführen, das dadurch gekennzeichnet ist, dass eine Mittelposition eines mittels der Magnetfeld-Anlegungseinrichtung 20 erzeugten Magnetfelds gemessen wird und die gemessene Mittelposition des Magnetfelds von dem Ziehelement 17, das als Drehachse des Einkristalls 13 dient, in horizontaler Richtung innerhalb des Bereichs von 2 bis 14 mm vor der Herstellung des Einkristalls und/oder während der Herstellung des Einkristalls versetzt wird.
Es ist zu beachten, dass, da der Versatzbereich der horizontalen Richtung entspricht, dieser Bereich nicht auf die Richtung nach vorn, hinten, links und rechts beschränkt ist, und der Versatz in einem kreisringförmigen Bereich ausgeführt werden kann, bei dem es sich um den abgeschatteten Bereich um das Ziehelement 17 handelt, wie in 6 gezeigt ist.
Wenn wie oben beschrieben die gemessene Mittelposition des Magnetfelds vom Ziehelement versetzt wird, kann, da die Verteilung einer Magnetfeldintensität oder die Richtung der Magnetfeldänderung und ein inhomogenes Feld einer Temperaturverteilung in der Siliziumschmelze auch versetzt wird, der Einfluss einer periodischen Temperaturschwankung auf den wachsenden Einkristall abgemildert werden, und das inhomogene Temperaturfeld, das von der Mitte versetzt ist, neigt dazu, durch die Konvektion der Schmelze beeinflusst und daher verringert zu werden. Weiterhin ermöglicht die Einstellung eines solchen Versatzbereichs auf 2 bis 14 mm das wirksame Unterdrücken einer Schwankung im Hinblick auf den Durchmesser des Einkristalls, während die Schwankung der Sauerstoffkonzentration in einem zulässigen Bereich gehalten wird. Da in der vorliegenden Erfindung die Mittelposition des Magnetfelds außerdem vorher in Übereinstimmung mit jeder Vorrichtung gemessen wird und die Herstellung auf der Grundlage der gemessenen Position wie vorstehend beschrieben durchgeführt wird, tritt ein Unterschied im Hinblick auf die Qualität der Einkristalle, die durch die jeweiligen Vorrichtungen hergestellt werden, kaum auf.
Obwohl bei dem Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung ein Verfahren zum Messen der Mittelposition des durch die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung 20 erzeugten Magnetfelds nicht besonders beschränkt ist, gibt es zum Beispiel ein Messverfahren, bei dem eine Aluminiumplatte verwendet wird und ein Sensor auf der Aluminiumplatte bewegt wird.
5 sind eine perspektivische Ansicht (A) und eine Seitenansicht (B), die schematisch ein Verfahren zum Messen der Mittelposition eines Magnetfelds gemäß der vorliegenden Erfindung zeigen. Zum Beispiel wird eine Position des Ziehelements 17 als Mitte bestimmt, eine Magnetfeldmessvorrichtung (eine Aluminiumplatte) 28, die einen Messabstand von 50 mm hat (eine quadratische Vorrichtung von 90 cm, in der Öffnungen in gleichen Abständen von 50 mm ausgebildet sind, so dass ein Magnetfeldmesskopf (ein Sensor) eingestellt werden kann) wird angebracht, ein Magnetfeld wird mittels der Magnetfeld-Anlegungseinrichtung 20 angelegt, eine Links-Rechts-Richtung wird als X-Achse festgelegt und eine Vorn-Hinten-Richtung wird als Y-Achse bestimmt, wenn die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung 20 von der Vorderseite aus gesehen wird, und die Intensität des Magnetfelds wird an jedem Punkt mit einem Gaussmesser gemessen. Weiter wird eine Kurve zweiter Ordnung aus dem Messergebnis berechnet, indem Kennlinien verwendet werden, bei denen eine Magnetfeldverteilung eine Parabel beschreibt, die in der Mitte der X-Achse am niedrigsten ist und in der Mitte der Y-Achse am höchsten ist, wodurch sich eine Mittelposition des Magnetfelds ableiten lässt.
Darüber hinaus wird die so gemessene Mittelposition des Magnetfelds von dem Ziehelement 17 im Bereich von 2 bis 14 mm versetzt. Als Zeitsteuerung für diesen Versatz kann die Mittelposition zuvor in einer vorbestimmten Versatzposition vor der Herstellung des Einkristalls bestimmt werden, um die Herstellung durchzuführen, sie kann während der Herstellung des Einkristalls versetzt werden oder sie kann vor der Herstellung versetzt und weiter in geeigneter Weise während der Herstellung versetzt werden. Außerdem ist es bevorzugt, zuvor eine Position zu bestätigen, die zum Unterdrücken einer Schwankung im Hinblick auf den Durchmesser oder einer Schwankung der Sauerstoffkonzentration in Übereinstimmung mit jeder verwendeten Vorrichtung wirksam ist.
Wenn insbesondere die Mittelposition des Magnetfelds beträchtlich versetzt wird, unterliegt die Änderung der Sauerstoffkonzentration des zu züchtenden Einkristalls einer starken Schwankung, und zwar ist die Schwankung der Sauerstoffkonzentration in einer anfänglichen Wachstumsphase gering und in einer späteren Wachstumsphase stark. Daher kann ein Einkristall mit höherer Qualität zum Beispiel durch einen leichten Versatz (5 mm) der Mittelposition in der anfänglichen Wachstumsphase, einen starken Versatz (14 mm) derselben in einer mittleren Wachstumsphase zur Unterdrückung einer Durchmesserschwankung und wieder einen leichten Versatz (5 mm) derselben in einer späteren Wachstumsphase hergestellt werden.
Obwohl dabei die Geschwindigkeit (z.B. eine Bewegungsrate der Magnetfeld-Anlegungseinrichtung) für den Versatz der gemessenen Mittelposition des Magnetfelds vom Ziehelement, das als Drehachse für den Einkristall dient, in horizontaler Richtung nicht besonders beschränkt ist, ist ein Versatz in einem Verhältnis von 1 mm oder weniger pro 10 cm Ziehlänge des Einkristalls bevorzugt.
Wenn der Versatz mit einem solchen Verhältnis durchgeführt wird, wird der Einkristall, der gezogen wird, kaum nachteilig durch die Bewegung der Magnetfeldverteilung beeinflusst, und es kann ein Einkristall mit höherer Qualität hergestellt werden.
Gemäß dem Silizium-Einkristallherstellungsverfahren der vorliegenden Erfindung kann, wie oben beschrieben, der Silizium-Einkristall mit höherer Qualität, bei dem Schwankungen des Durchmessers und der Sauerstoffkonzentration in der Wachstumsrichtung kaum beobachtet werden, mit einem guten Ausbeuteverhältnis hergestellt werden.
Es ist zu beachten, dass beim Durchführen des Silizium-Einkristallherstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung die zu verwendende Vorrichtung nicht besonders beschränkt ist, und mit herkömmlichen Vorrichtungen außer der hier beschriebenen Silizium-Einkristallherstellungsvorrichtung kann gleichermaßen das Herstellungsverfahren gemäß der vorliegenden Erfindung durchgeführt werden, zum Beispiel durch Bewegen der Magnetfeld-Anlegungseinrichtung in eine vorbestimmte Versatzposition and erneutes Fixieren der Magnetfeld-Anlegungseinrichtung vor der Herstellung eines Einkristalls.
Obwohl die vorliegende Erfindung nun auf der Grundlage von Beispielen und einem Vergleichsbeispiel näher beschrieben wird, ist die vorliegende Erfindung nicht auf diese Beispiele beschränkt.
(Beispiel 1)
Die in 1 gezeigte Herstellungsvorrichtung wurde verwendet, um einen Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von 8 Zoll (200 mm) aus einer Siliziumschmelze von 200 kg herzustellen. Die Intensität eines aus der Magnetfeld-Anlegungseinrichtung erzeugten Magnetfelds wurde auf 4000 Gauss (0,4 T) eingestellt.
Dabei wurde eine Mittelposition des von der Magnetfeld-Anlegungseinrichtung erzeugten Magnetfelds vorher wie vorstehend beschrieben gemessen. Zusätzlich dazu wurde zum Einstellen der Bewegungsbedingungen für die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung eine Mittelposition des Magnetfelds in einer anfänglichen Phase nach der Anbringung der Einrichtung vorher gemessen, und die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung wurde im Bereich von 2 bis 14 mm bewegt, um eine Versatzposition zu bestätigen, die zur Unterdrückung einer Schwankung im Hinblick auf den Durchmesser und einer Schwankung der Sauerstoffkonzentration wirksam ist.
Dann wurden die gemessene Magnetfeldmitte und ein Ziehelement von einem Zustand versetzt, in dem sie vor der Herstellung des Einkristalls 5 mm in der X-Richtung (nach links und rechts), dann 14 mm in einer mittleren Wachstumsphase in einem Verhältnis von 1 mm pro 10 cm Ziehlänge des Einkristalls versetzt wurden, und die Versatzstrecke in einer späteren Wachstumsphase wieder auf 5 mm zurückgeführt wurde, um den Einkristall herzustellen. Eine Skala wurde auf einen Bewegungsmechanismus angelegt, und die Herstellung erfolgte unter gleichzeitiger Bestätigung, ob sich die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung gemäß den festgelegten Bedingungen bewegte.
Weiter wurde ein Einkristall auf dieselbe Weise wie in der obigen Beschreibung hergestellt, mit der Ausnahme, dass als Versatzrichtung die Y-Richtung (nach vorn und hinten) festgelegt wurde.
(Beispiel 2)
Die in 1 gezeigte Vorrichtung wurde verwendet, um einen Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von 8 Zoll (200 mm) aus einer Siliziumschmelze von 200 kg herzustellen. Die Intensität des von einer Magnetfeld-Anlegungseinrichtung erzeugten Magnetfelds wurde auf 4000 Gauss (0,4 T) eingestellt.
Dabei wurde eine Mittelposition des von einer Magnetfeld-Anlegungseinrichtung erzeugten Magnetfelds vorher gemessen, wie vorstehend beschrieben. Außerdem wurden die gemessene Magnetmitte und ein Ziehelement auf einen Zustand festgelegt, in dem sie vor der Herstellung eines Einkristalls 5 mm in der X-Richtung (nach links und rechts) versetzt wurden, um den Einkristall herzustellen.
Weiter wurde ein Einkristall auf dieselbe Weise wie in der obigen Beschreibung hergestellt, mit der Ausnahme, dass als Versatzrichtung die Y-Richtung (nach vorn und hinten) festgelegt wurde.
(Vergleichsbeispiel)
Eine herkömmliche Herstellungsvorrichtung wurde verwendet, um einen Silizium-Einkristall mit einem Durchmesser von 8 Zoll (200 mm) aus einer Siliziumschmelze von 200 kg herzustellen. Die Intensität eines von einer Magnetfeld-Anlegungseinrichtung erzeugten Magnetfelds wurde auf 4000 Gauss (0,4 T) eingestellt. Dieses Einkristallherstellungsverfahren wurde zweimal durchgeführt.
Dabei wurden bei der Magnetfeld-Anlegungseinrichtung wie bei herkömmlichen Beispielen jeweilige Einrichtungen einzeln bei zweimaliger Herstellung derart angebracht, dass die Mitte des Magnetfelds mit einem Ziehelement durch Einstellen eines Positionsverhältnisses zwischen den Einrichtungen zusammenfallen kann, um so jeden Einkristall herzustellen. Dabei wurde bei der ersten Herstellung als Ergebnis des Messens der Mitte des tatsächlich erzeugten Magnetfels und einer Position des Ziehelements in der X-Richtung und der Y-Richtung ein Versatz von ungefähr 0,5 mm in der X-Richtung festgestellt und bei der zweiten Herstellung trat ein Versatz von ungefähr 1 mm in der Y-Richtung auf.
8 zeigt die Ergebnisse der Messung einer Schwankung des Durchmessers und einer Sauerstoffkonzentration in dem Silizium-Einkristall, der jeweils im Beispiel 1 und 2 und im Vergleichsbeispiel hergestellt wurde.
Wie aus der 8 ersichtlich ist, ermöglicht die Übernahme des Herstellungsverfahrens gemäß der vorliegenden Erfindung die wirksame Unterdrückung der Schwankung im Hinblick auf den Durchmesser in der Wachstumsrichtung des Einkristalls, so dass diese in den Zielbereich von +1 mm fällt, und ermöglicht auch die Unterdrückung der Schwankung im Hinblick auf die Sauerstoffkonzentration, so dass diese in den zulässigen Bereich fällt.
Es ist zu beachten, dass die vorliegende Erfindung nicht auf die vorstehende Ausführungsform beschränkt ist. Bei der vorstehenden Ausführungsform handelt es sich nur eine Veranschaulichung, und alle Beispiele, die weitgehend dieselben Konfigurationen haben und dieselben Funktionen und Wirkungen wie das in den Ansprüchen der vorliegenden Erfindung beschriebene technische Konzept ausüben, sind vom technischen Umfang der vorliegen Erfindung erfasst.

Claims

Silizium-Einkristallherstellungsverfahren zur Herstellung eines Einkristalls auf der Grundlage eines ein horizontales Magnetfeld anlegenden CZ-Verfahrens zum Ziehen des Einkristalls, während ein horizontales Magnetfeld an eine in einem Quarztiegel aufgenommene Silizium-Rohstoffschmelze mittels einer Magnetfeld-Anlegungseinrichtung angelegt ist, umfassend: Messen einer Mittelposition des durch die Magnetfeld-Anlegungseinrichtung erzeugten Magnetfelds, und Versetzen der gemessenen Mittelposition des Magnetfelds von einem Ziehelement, das als Drehachse des Einkristalls dient, in horizontaler Richtung innerhalb eines Bereichs von 2 bis 14 mm während der Herstellung des Einkristalls, oder vor der Herstellung des Einkristalls und während der Herstellung des Einkristalls.
Silizium-Einkristallherstellungsverfahren nach Anspruch 1, wobei die gemessene Mittelposition des Magnetfelds vom Ziehelement, das als Drehachse des Einkristalls dient, in horizontaler Richtung in einem Verhältnis von 1 mm oder weniger pro 10 cm Ziehlänge des Einkristalls während der Herstellung des Einkristalls versetzt wird.
Silizium-Einkristallherstellungsverfahren nach Anspruch 1 oder 2, wobei der Versatz in der mittleren Wachstumsphase des Einkristalls stark ist und der Versatz in der anfänglichen Wachstumsphase des Einkristalls und in der späteren Wachstumsphase des Einkristalls leicht ist, wenn die gemessene Mittelposition des Magnetfeldes von dem Ziehelement, das als Drehachse für den Einkristall dient, in horizontaler Richtung in einem Bereich von 2 bis 14 mm während der Herstellung des Einkristalls versetzt wird.