JP2006347804A - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】石英坩堝を使用するチョクラルスキ法によるシリコン単結晶の製造方法において、結晶径の変更、初期原料融液量の増減等の影響を受けることなく、酸素濃度分布の均一なシリコン単結晶を歩留まり良く製造できるようにする。
【解決手段】石英坩堝の回転数（Ω）、坩堝の温度（Ｔ）、およびシリコン融液が坩堝の内壁と接触する面積と雰囲気ガスと接触する面積との比（β）の３つのパラメータの相関に基づいて、育成中のシリコン結晶中の酸素濃度を予測し、その予測濃度を目標濃度に一致させるべく、回転数（Ω）と温度（Ｔ）の少なくとも１つを制御するようにした。温度（Ｔ）と比（β）とを、石英のシリコン融液に対する溶解エネルギ（Ｅ）を用いた関数１／β×Ｅｘｐ（−E／T）として関連させることによって、シリコン単結晶中の酸素濃度を調整する。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョクラルスキ法（以下、ＣＺ法と記す。）によるシリコン単結晶製造技術に関する。

シリコンウェーハ中の酸素は、デバイス作成工程中にウェーハに取り込まれた汚染原子を捕獲してデバイス特性を向上させる作用（イントリンジックゲッタリング作用）をする。このためシリコン単結晶中の酸素濃度は結晶定径部全域で所定範囲内に保たなければならない。

シリコン単結晶中に取り込まれる酸素の起源は石英製坩堝のシリコン融液に浸かっている部分の表面からである。その際、酸素はシリコン融液を通して結晶中に取り込まれるが、従来のＣＺ法においては、結晶の引上げ方向に対し酸素濃度が不均一になるという問題があった。その理由は、（１）結晶育成中に坩堝中の融液が減少することによる石英坩堝と融液との接触面積の変化、（２）引上げ中の炉内熱環境変化による坩堝の温度変化による坩堝からの酸素の溶出量の変化、（３）融液の流動状態の変化による酸素の結晶への輸送効率の変化、によるものと考えられているが、これら３つの要因を定量的に裏付ける実験事実は報告されておらず、これら３つの要因の結晶濃度に対する寄与は依然不明瞭である。一方で、現実のシリコン単結晶の製造においては、結晶中の酸素濃度に関して、結晶育成中に、結晶の固化率や育成長さに応じて、坩堝の回転数、炉内の圧力、雰囲気ガスの流量の調整、静磁場の印加等や、これらのうち幾つかのパラメータ（以下、操業パラメータと記す。）を組み合わせて調整する方法が提案されている（特許文献１、特許文献２、特許文献３、特許文献４）。

操業パラメータを調整することで、結晶中の酸素濃度を調整することは可能である。しかし、これを行うためには相当数の結晶引上げ行い、結晶中の酸素濃度データと操業パラメータの変化の実績との相関を探り、育成中の操業パラメータの調整手順を確定する作業が必要となる。ところが、結晶の品質基準が変更となった場合や、結晶製造炉を変更する場合、炉内の断熱材、ヒータ等の部材構成を変更した場合、原料融液量を増した場合、またこれらの変更が無い場合においても、炉体の老朽化や、炉内部材の劣化等による熱環境の変化により炉内の温度環境の変化があった場合等においては、特許文献３に示されているように、部品劣化要因、品種変更要因等に対する煩雑な操業パラメータの調整手順を再々度行う作業が必要となる。
また、近年のシリコン単結晶の８インチサイズから１２インチサイズへの大型化やこれに伴う炉の大型化により、シリコン単結晶の酸素濃度調整のために要する結晶引上げコストと時間は級数的に増加しており、従来の試行錯誤的な方法では新たな品種基準への対応や、操業環境の変化に対する適用性が著しく悪い。
特開平５−２６２５９３号公報 特開平６−１７２０８１号公報 特開平９−１５７０８５号公報 特開平１０−１６７８８１号公報

本発明は、上述した従来の技術の問題点に着目してなされたもので、その目的は、新たな品質基準の適用や、操業環境の変化、プロセスのスケールアップ等に柔軟に対応して、酸素濃度分布の均一なシリコン単結晶を得ることができる製造方法を提供することにある。

上記目的を達成するために、請求項１の発明は、石英坩堝を使用するＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法において、坩堝の回転数（Ω）、坩堝の温度（Ｔ）、およびシリコン融液が坩堝の内壁と接触する面積と雰囲気ガスと接触する面積との比（β）の３つのパラメータの相関に基づいて、育成中のシリコン結晶中の酸素濃度を予測し、その予測濃度を目標濃度に一致させるべく、前記回転数（Ω）と前記温度（Ｔ）の少なくとも１つを制御するようにしたことを特徴としている。

また、請求項２記載の発明は、請求項１の製造方法において、前記温度（Ｔ）と前記比（β）とを、石英のシリコン融液に対する溶解エネルギ（Ｅ）を用いた関数１／β×Ｅｘｐ（−E／T）として関連させることによって、シリコン単結晶中の酸素濃度を調整することを特徴としている。

また、請求項３記載の発明は、請求項１または２記載の製造方法において、前記比（β）と前記温度（Ｔ）の変化に応じて前記回転数（Ω）を制御することを特徴としている。

また、請求項４記載の発明は、請求項１または２記載の製造方法において、前記回転数（Ω）と前記比（β）の変化に応じて、前記坩堝を加熱するヒータへの供給電力を調節することを特徴としている。

また、謎求項５記載の発明は、請求項１または２記載の製造方法において、前記回転数（Ω）と前記比（β）の変化に応じて、前記坩堝と前記坩堝を加熱するヒータの相対位置を調節することを特徴としている。

また、請求項６記載の発明は、請求項１または２記載の製造方法において、前記回転数（Ω）と前記比（β）の変化に応じて、シリコン単結晶の育成速度を調節することを特徴としている。

本発明では、石英坩堝を使用してＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する上での数ある制御可能なプロセスパラメータのうち、３つのパラメータ（Ｔ、β、Ω）が、結晶中の酸素濃度を決定する主要因であり、かつ部品劣化要因、品種変更要因に依存しないパラメータであるとする。

１）Ｔ：坩堝の温度
２）β：接触面積比
＝（シリコン融液が雰囲気ガスと接触する面積）／（シリコン融液が石英坩堝と接触する面積）
３）Ω：坩堝の回転数
１番目のパラメータである坩堝の温度Ｔは、石英坩堝がシリコン融液の液面と接触する部分の平均温度であり、この温度Ｔによって石英坩堝の表面から溶出する酸素量が決まる。実際の坩堝の温度は、場所による高低分布があると考えられるが、シリコン融液の対流による熱伝達によって坩堝の内面温度の均一化が図られるため測温場所の影響をあまり受けない。従ってこの温度は、坩堝回転軸上で石英坩堝直下に設けた温度センサ（熱電対や黒体温度計等）で測定されるような１点での測定値で代用できると考える（特開昭５６−１２５２９６号公報、特開平６−２９８５９３号公報、等参照）。

２番目のパラメータである接触面積比βは、シリコン融液が雰囲気ガスと接触する面積を、シリコン融液が石英坩堝と接触する面積で除した値であり、この値は結晶引上げ中での酸素の輸送収支量を決めるために必要な指標である。この値βは、使用する石英坩堝の内壁面の幾何形状と、結晶引上げ中の融液の体積とを基にして幾何学的に算出できる。ここで結晶引上げ中の融液量は、充填したシリコン原料重量から引上げた結晶の重量を差し引いた値、もしくは、引上げ開始前から坩堝回転軸にかかる荷重変化をシリコン融液の体積に換算して算出することができる。式の分母側の、融液が雰囲気ガスと接触する面積は、引上げ中の該当する融液量での融液面の面積から引上げ中の結晶の断面積を差し引いた値となる。なお、接触面積比βは、従来の酸素濃度調整方法で探られている制御パラメータである、結晶固化率（特許文献１参照）、結晶引上げ長さ（特許文献４参照）とは、物理的に意味が異なるパラメータである。

３番目のパラメータである坩堝回転数Ωは、石英坩堝が回転することによって融液が坩堝表面と接する界面に形成される流動境界層の厚みを決めるパラメータである。流動境界層の厚みの変化は坩堝の表面から融液に輸送される酸素の移動速度の変化となる。したがって、Ωは結晶引上げ中での酸素の輸送収支量を決めるために必須の指標であると考えられる。このΩの値は坩堝回転軸に設置したエンコーダ等によって実測できる。

本発明では、結晶育成中での上記３つの制御パラメータの値によって、そのとき結晶成長界面において結晶に取り込まれる酸素濃度が決まると考え、各パラメータと結晶中の酸素濃度は以下の関係式（１）で結び付けられると考える。

Ｏ_Ｐ（Ω，Ｔ，β）＝Ａ×Ｆ（Ω）×Ｇ（Ｔ）×Ｈ（β）＋Ｂ ・・・式（１）
ここで、Ａは換算定数、Ｂは定数、Ｆ、ＧおよびＨはそれぞれ、坩堝回転数Ω、坩堝温度Ｔ、接触面積比βの関数である。関数Ｆ、Ｇ、ＨのΩ、Ｔ、βに関する特性は，例えば以下のように各変数のべき乗に夫々定数ｆ、ｇ、ｈを付与した形で与える。
Ｆ（Ω）＝Ω_０．５＋ｆ
Ｇ（Ｔ）＝Ｔ＋ｇ ・・・式（２）
Ｈ（β）＝β^−１＋ｈ
上記式（１）、式（２）に実際の結晶育成中での各操業パラメータΩ、Ｔ、βを与えることで、結晶育成中の結晶中の酸素濃度Ｏ_Ｐを推定できる。
また、式（２）において、関数Ｇ（Ｔ）は、シリコン融液中に石英坩堝が溶解する速度に比例していると考えられるから、石英のシリコンに対する溶解エネルギをＥとして、以下のように表現することが理にかなっている。

Ｇ（Ｔ）＝Ｅｘｐ（−Ｅ／Ｔ） ・・・（３）
更に、関数Ｈ（β）も、ｈ＝０とおくと、酸素濃度が面積比βに反比例するとする単純な形式となる。
このとき、Ｈ（β）とＧ（Ｔ）の積をとった関数Ｉ（β，Ｔ）は、次のような形になる。

Ｉ（β，Ｔ）＝１／βＥｘｐ（−Ｅ／Ｔ） ・・・（４）
この関数Ｉ（β，Ｔ）は、干川、平田の境界層モデルによる融液中の酸素濃度を見積った式（日本結晶成長学会誌Vol15.2（1988）.P.215），式（１４））において、融液の石英坩堝の表面に接する部分の酸素濃度ＣＳが融液の自由表面での酸素濃度Ｃａが大きく（Ｃａ＞Ｃｓ）、かつ、融液の石英坩堝の表面に対する酸素濃度の境界層の厚さと、自由表面に対する酸素濃度境界層の厚さの比であるαが接触面積比βより十分小さい（α＜＜β）としたときの近似式に対応している。つまり、融液中の酸素濃度を近似的に示すこの関数を使用した、次の式（５）を使用することで、より精度の高い結晶中の酸素濃度を推定できると考えられる。
Ｏ_Ｐ（Ω，Ｔ，β）＝Ａ×Ｆ（Ω）×１／β×Ｅｘｐ（−Ｅ／Ｔ）＋Ｂ
・・・式（５）
次に、式（１）もしくは式（５）で推定した結晶酸素濃度Ｏ_Ｐが酸素濃度の品質規定値Ｏ_ｔと異なる場合には、次の式（６）が成り立つように、結晶育成中に適宜、坩堝回転数Ωと坩堝温度Ｔを変更する対応をとる。
｜Ｏ_Ｐ（Ω，Ｔ，β）−Ｏ_ｔ（β）｜≦Δ ・・・式（６）
ここで△は、当該結晶育成部の酸素濃度の許容幅であり、結晶の品質仕様より決める。

上記のように、３つのパラメータを、式（１）もしくは式（５）と式（６）に従って結晶育成中に制御することで、常に結晶の酸素濃度を品質仕様範囲に収めることができるようになる。

ここで、坩堝回転数は直接炉の操作盤から機械的に変更可能であるが、坩堝温度は炉の操作盤から直接設定できない問題がある。これに対しては、以下に列挙した幾つかの方法で、各制御パラメータの変更を行い、引上げ中の結晶の径が所定の径に維持されるようにヒータ電力を調整することで、坩堝温度を間接的に制御する。
１）坩堝を加熱するヒータ類の電力を調整する。たとえば、坩堝側面を加熱するヒータ（主ヒータ）と坩堝底部を加熱するヒータ（補助ヒータ）の２種類のものが装着されている場合には、坩堝の温度を上昇させるために補助ヒータに供給する電力を上昇させると同時に、その加熱で引上げ中の結晶径の減少が起こらないように主ヒータへの供給電力を減量調整する。
２）坩堝とヒータの相対位置を調整する。これは坩堝を上下に移動させてもよいし、主ヒータを直接移動させる機構を用いてもよい（特開平０６−２１９８８７号公報参照）。
３）結晶の育成速度を調整する。これは、結晶育成速度の変化に応じて結晶育成界面での凝固による発熱量が増減するために、結晶径を保持するためのヒータからの加熱量を増減させる必要から成されるもので、これに応じて所要ヒータの加熱電力を変化させることで間接的に坩堝温度を増減させることができる。
４）坩堝回転数を変化させる。これは、坩堝の回転数の増加により融液の回転モーメントが増すことで融液自身の対流が抑制され融液中の熱伝達が悪くなることを利用するものである。坩堝の回転数を増すと、融液から結晶への熱伝達が悪くなり結晶径を保持するためのヒータからの加熱量を増化させる必要があり、これに応じて所要ヒータの加熱電力を増加させることになり、間接的に坩堝温度を上昇させることができる。ただし、坩堝回転数は坩堝温度だけに依存するのではなく、先に述べたように流動境界層の厚みとも関連して酸素濃度に影響していることも考慮しなくてはならない。

本発明にかかる製造方法によれば、結晶径の変更、初期原料融液量の増減等の影響を受けることなく、酸素濃度分布の均一なシリコン単結晶を歩留まり良く製造することができる。

以下、本発明を実施するための最良の形態について説明する。

図１は本発明の製造方法でシリコン単結晶を製造する際に用いる製造装置の形態例を示す模式図である。

この製造装置１は、引上炉２と、引上炉２の底部中央を貫通して設けられた坩堝軸３と、坩堝軸３の上端部に設置された石英坩堝４と、石英坩堝４とその周辺を周囲から加熱する環状の主ヒータ５と、坩堝軸３を取り巻く環状の補助ヒータ６と、坩堝軸３を昇降及び回転させる坩堝支持軸駆動機構７と、種結晶８を保持するシードチャック９と、シードチャック９を吊支する引上ワイヤ１０と、引上ワイヤ１０を巻取るワイヤ巻取り機構１１と、制御装置１２と、を備えている。１３は育成中のシリコン単結晶、１４は石英坩堝４内のシリコン融液である。シリコン単結晶１３は、結晶成長速度に合わせて引上ワイヤ１０が徐々に巻取られることにより、シリコン融液から引上げられる。

坩堝支持軸駆動機構６は、坩堝回転サーボモータ７ａと坩堝昇降サーボモータ７ｂとを備えている。ワイヤ巻取り機構１１は、ワイヤ巻上げサーボモータ１１ａとロードセル１１ｂとを備えている。

また、引上炉２内には、石英坩堝４の温度を計測するための熱電対（または黒体温度計）１５と、引上炉２内の輻射の温度（ヒータ温度）を計測するための輻射温度計１６とが設けられている。熱電対１５は石英坩堝４の外面に接して設けられている。輻射温度計１６は主ヒータ５および補助ヒータ６の周囲に設けられている。

主ヒータ５および補助ヒータ６には、それぞれの電源５ａ、６ａから電力が供給されるようになっている。

制御装置１２には、熱伝対１５による温度計測値と、ロードセル１１ｂによる重量計測値と、坩堝回転サーボモータ７ａの回転数とが入力される。制御装置１２は、これらの入力値に基づいて、坩堝回転サーボモータ７ａ、坩堝昇降サーボモータ７ｂ、主ヒータ電源５ａ、補助ヒータ電源６ａ、ワイヤ巻上げサーボモータ１１ａ、等を駆動する。

図２はシリコン単結晶の引上げ中における各種操業パラメータの制御手順を示すフロー図である。制御装置１２はこの図に示すフローに従って、単結晶の定径部の育成開始端から終端に至るまでの間の坩堝回転数、結晶引上げ速度、ヒータ電力等の各操業パラメータを制御する。

制御装置１２は、具体的には以下の処理を行う。

まず、ロードセル１１ｂによる重量計測値を読み込み、蒸発面積および接触面積の計算を経て、接触面積比βを計算する（Ｓ１１〜Ｓ１５）。また、坩堝回転サーボモータ７ａの回転数（坩堝回転数）Ωを読み込む（Ｓ２１、Ｓ２２）。また、熱電対（坩堝底部温度計）１５による温度計測値（坩堝温度）Ｔを読み込む（Ｓ３１、Ｓ３２）。

つぎに、ステップＳ１５、Ｓ２２およびＳ３２で得られた接触面積比β、坩堝回転数Ωおよび坩堝温度Ｔを用いて酸素濃度推定値Ｏ_Ｐ（Ω，Ｔ，β）を計算する（Ｓ４１）。ここでの計算には、式（１）または式（５）を用いる。

ステップＳ４１で算出した酸素濃度推定値Ｏ_Ｐ（Ω，Ｔ，β）と酸素濃度の品質規定値Ｏ_ｔとの比較を行う（Ｓ４２）。

つぎに、ステップＳ４２による比較結果に基づいて、制御手法を選択する（Ｓ４３）。

そして、ステップＳ４３で選択した制御手法により、坩堝回転サーボモータ７ａの制御（Ｓ５１、Ｓ５２）、ワイヤ巻上げサーボモータ１１ａの制御（Ｓ６１、Ｓ６２）、坩堝昇降サーボモータ７ｂの制御（Ｓ７１、Ｓ７２）、ヒータ電源５ａ、１８Ｓの制御（Ｓ８１、Ｓ８２）、等を行う。

以下。本発明の比較例と実施例とを示す。

［比較例１］
本発明の比較例として、結晶育成中に、坩堝回転数、結晶育成速度、ヒータと坩堝位置の関係、各ヒータの電力配分等の制御パラメータを変更しなかった場合の結晶育成の例について説明する。図３は、直径２８インチサイズの石英坩堝に２００ｋｇの多結晶シリコンを装填して溶解させた後、直径１２インチの単結晶を育成したときの、接触面積比βと坩堝温度Ｔおよび、育成した結晶中の酸素濃度の測定値との関係を、育成中の融液重量の変化に対して表したものである。ここで坩堝温度Ｔは定径部上端育成時での坩堝温度に対する差で表している。

結晶の定径部の酸素濃度は育成の上端から徐々に低下し、坩堝内残湯が減少した定径部末端近くでやや酸素濃度は増加したものの酸素濃度の変化幅は大きく、定径部全長の平均値の２０％にもおよんだ。これは結晶引上げ中盤までは接触面積比βの減少が大きいため、坩堝後半では坩堝温度の増加による影響がでているためと考えられる。結晶中の酸素濃度を均一とするためには接触面積比βの変化と坩堝温度Ｔを適宜変更する制御が必要であることがわかる。

［実施例１］
この実施例１は請求項１および３に対応するものである。

比較例１と同じ炉と炉内部材構成での１２インチ結晶の育成において、結晶中の酸素濃度を一様に８．０×１０Ｅ^１７（ａｔｏｍ／ｃｍ^３）とするために、結晶育成中に坩堝回転数の変更によって坩堝温度を制御した。具体的には、単結晶の引き上げ初期に坩堝回転数を低回転に保ち、育成後半に向かって坩堝回転数を図２に示したフローチャートに従って増加、減少させた。ここで、酸素濃度の制御式（１）に用いた、関数Ｆ、Ｇ、Ｈはそれぞれ以下の形とし、
Ｆ（Ω）＝Ω^０．５
Ｇ（Ｔ）＝Ｔ＋ｇ （７）
Ｈ（β）＝β^−１
定数Ａ、Ｂおよびgは、実施例１での操業条件と実際に得られた結晶の酸素濃度とから最小二乗法によって決定した。

図４に、このときの坩堝回転数Ωと坩堝温度Ｔの変化を示す。ここで坩堝回転数Ωは比較例１での回転数の値に対するパーセンテージ、坩堝温度Ｔは比較例１の定径部上端育成時での坩堝温度に対する差で表している。

この実施例１において坩堝温度Ｔは、比較例１の坩堝回転数を図４に示した接触面積比βの減少を補うように上昇させることができており、結果として、定径部全長にわたって酸素濃度の目標値である８．０×１０Ｅ^１７（ａｔｏｍ／ｃｍ^３）からのずれが４％以内となっている結晶を得ることができた。

［実施例２］
この実施例２は請求項２および３に対応するものである。

この実施例２では、比較例１と同じ炉とホットゾンーン構成での１２インチ結晶の育成において、結晶中の酸素濃度を一様に８．０×１０Ｅ^１７（ａｔｏｍ／ｃｍ^３）とするために、実施例１と同様に結晶育成中に坩堝回転数Ωの変更によって坩堝温度Ｔを制御した。具体的には、単結晶の引き上げ初期に坩堝回転数Ωを低回転に保ち、育成後半に向かって図２に示したフローチャートに従って増加、減少させた。ここで、酸素濃度の推定式（５）に用いた関数ＦとＩはそれぞれ以下の形とした。

Ｆ（Ω）＝Ω^０．５
Ｉ（Ｔ）＝１／β×Ｅｘｐ（−Ｅ／Ｔ）
また、Ｅの値は公知文献（T.Carberg,J.Electrochem.Soc.,vol.133 No.9,P.1940）に示されている値に近い２４０００（Ｋ）とし、定数ＡとＢは実施例１での操業条件と実際に得られた結晶の酸素濃度とから最小二乗法によって決定した。このときの最小二乗法の誤差は、実施例１で求めたときの約半分となり、この式を使用した方が近似の精度が良かった。

図５に、このときの坩堝回転数Ωと坩堝温度Ｔの変化を示す。ここで坩堝回転数Ωは比較例１での回転数値に対するパーセンテージ、坩堝温度Ｔは比較例１の定径部上端育成時での坩堝温度に対する差で表わしている。

この実施例２においても、坩堝温度Ｔは、比較例１の坩堝回転数Ωを、接触面積比βの減少を補うように上昇させることができた。結果として、定径部全長にわたって酸素濃度の目標値である８．０×１０Ｅ^１７（ａｔｏｍ／ｃｍ^３）からのずれが２％以下で、実施例１よりも均一性の良い結晶を得ることができた。

［実施例３］
この実施例３は請求項４に対応するものである。

この実施例３では、結晶育成初期は実施例２と全く同じパターンで坩堝回転数Ωの変更を行い、育成の途中から坩堝回転数Ωを比較例１と同じ回転数に固定し、それ以降の坩堝温度Ｔの変更を補助ヒータ６への供給電力を調整することにより実施した。また、ここでは、酸素濃度の推定式として式（５）を用い、実施例２で使用したのと同じ関数ＦとＩを、定数値Ａ、Ｂ、Ｅについても実施例２で使用したものと同じ値を与えて使用した。

図６に、このときの各操業パラメータ（坩堝回転数Ω、補助ヒータ１８Ｓへの供給電力（Ｐｏｗｅｒ））と坩堝温度Tの変化を示す。ここで坩堝回転数Ωおよび補助ヒータ１８Ｓへの供給電力は比較例１での値に対するパーセンテージ、坩堝温度Ｔは比較例１の定径部上端育成時での温度に対する差で示している。

この実施例３においても坩堝温度Ｔは、接触面積比βの減少を補うように上昇させることができ、結果として、定径部全長にわたって酸素濃度の目標値である８．０×１０Ｅ^１７（ａｔｏｍ／ｃｍ^３）からのずれが ２％以下の結晶を得ることができた。

［実施例４］
この実施例４は請求項５に対応するものである。

この実施例４では、結晶育成初期は実施例２と全く同じパターンで坩堝回転数Ωの変更を行い、育成の途中から坩堝回転数Ωを比較例１と同じ回転数に固定し、それ以降の坩堝温度Ｔの変更を主ヒータ５と液面の相対位置を坩堝軸昇降サーボモータ７ｂによって変更させることにより行った。また、ここでは、酸素濃度の推定式として式（５）を用い、実施例２で使用したのと同じ関数ＦとＩを、定数値Ａ、Ｂ、Ｅについても実施例２で使用したものと同じ値を与えて使用した。

図７に、この時の各操業パラメータ（坩堝回転数Ω、坩堝位置Ｓｔｅｐ）、と坩堝温度Ｔの変化を示す。ここで坩堝回転数Ωは比較例１での値に対するパーセンテージ、坩堝位置Ｓｔｅｐは比較例１に対する坩堝昇降サーボモータ７ｂの移動ステップ数、坩堝温度Ｔは比較例１の定径部上端での温度に対する差で示している。この実施例４においても、坩堝温度Ｔを接触面積比βの減少を補うように上昇させることができ、結果として、定径部全長にわたって酸素濃度の目標値である８．０×１０Ｅ^１７（ａｔｏｍ／ｃｍ^３）からのずれが２％以下の結晶を得ることができた。

［実施例５］
この実施例５は請求項６に対応するものである。

この実施例５では、結晶育成初期は実施例２と全く同じパターンで坩堝回転数Ωの変更を行い、育成の途中から坩堝回転数Ωを比較例１と同じ回転数に固定し、それ以降の坩堝温度Ｔの変更を結晶の育成速度を変更させることにより実施した。また、ここでは、酸素濃度の推定式として式（５）を用い、実施例２で使用したのと同じ関数ＦとＩを、定数値Ａ、Ｂ、Ｅについても実施例２で使用したものと同じ値を与えて使用した。

図８に、この時の各操業パラメータ（坩堝回転数Ω、結晶育成速度）と坩堝温度Ｔの変化を示す。ここで坩堝回転数Ωおよび育成速度は比較例１での値に対するパーセンテージ、坩堝温度Ｔは比較例１の定型部上端での温度に対する差で示している。この実施例５においても、坩堝温度Ｔを、接触面積比βの減少を補うように上昇させることができ、結果として、定径部全長にわたって酸素濃度の目標値である８．０×１０Ｅ^１７（ａｔｏｍ／ｃｍ^３）からのずれが２％以下の結晶を得ることができた。

［実施例６］
この実施例６では、実施例３で得られた結晶酸素濃度が８．０×１０Ｅ^１７（ａｔｏｍ／ｃｍ^３）であったのに対し、これよりも高い酸素濃度９．０×１０Ｅ^１７（ａｔｏｍ／ｃｍ^３）の結晶を得ることを目的とした。すなわち、ここでは坩堝回転数Ωの変更を実施例３と同じ坩堝回転数の条件の下で、坩堝からの酸素溶出をより促進させるため実施例２よりも坩堝温度Ｔが高くなるように、補助ヒータ６への供給電力を変化させた。また、ここでは、酸素濃度の推定式として式（５）を用い、実施例２で使用したのと同じ関数ＦとＩを、定数値Ａ、Ｂ、Ｅについても実施例２で使用したものと同じ値を与えて使用した。

図９に、このときの各操業パラメータ（坩堝回転数Ω、補助ヒータ６への供給電力（Ｐｏｗｅｒ））と坩堝温度Ｔの変化を示す。ここで、坩堝回転数Ωおよび補助ヒータ６への供給電力は比較例１での値に対するパーセンテージ、坩堝温度Ｔは比較例１の定型部上端での温度に対する差で示している。この実施例６においても坩堝温度Ｔは接触面積比βの減少を補うように上昇させることができ、結果として、定径部全長にわたって酸素濃度の目標値である９．０×１０Ｅ^１７（ａｔｏｍ／ｃｍ^３）からのずれが２％以下の結晶を得ることができた。

［実施例７］
この実施例７では、実施例３で得られた結晶酸素濃度が８．０×１０Ｅ^１７（ａｔｏｍ／ｃｍ^３）であったのに対し、これよりも低い７．０×１０Ｅ^１７（ａｔｏｍ／ｃｍ^３）の酸素濃度の結晶を得ることを目的とした。すなわち、ここでは坩堝回転数Ωの変更を実施例３と全く同じ坩堝回転数条件の下で、石英坩堝４からの酸素溶出をより抑制させるため実施例２よりも坩堝温度Ｔが低くなるように、補助ヒータ６ａへの供給電力を変化させた。また、ここでは、酸素濃度の推定式として式（５）を用い、実施例２で使用したのと同じ関数ＦとＩを、定数値Ａ、Ｂ、Ｅについても実施例２で使用したものと同じ値を与えて使用した。

図１０に、このときの各操業パラメータ（坩堝回転数Ω、補助ヒータ６への供給電力（Ｐｏｗｅｒ））と坩堝温度Ｔの変化を示す。ここで、坩堝回転数Ωおよび補助ヒータ１８Ｓの電力は比較例１での値に対するパーセンテージ、坩堝温度Ｔは比較例１の定径部上端での温度に対する差で示している。この実施例７においても坩堝温度Ｔは接触面積比βの減少を補うように上昇させることができ、結果として、定径部全長にわたって酸素濃度の目標値である７．０×１０Ｅ^１７（ａｔｏｍ／ｃｍ^３）からのずれが２％以下の結晶を得ることができた。

以上説明したように、本発明の製造方法では、シリコン単結晶の軸方向酸素濃度の分布が坩堝の回転数、坩堝温度、シリコン融液の石英坩堝４との接触面積、雰囲気ガスとの接触面積に左右される点に着目し、坩堝温度Ｔを制御するパラメータとして坩堝回転数、ヒータの加熱温度、結晶の引上げ速度のいずれか、あるいはそれらを組み合わせて用いるようにした。この製造方法によれば、シリコン単結晶の軸方向における酸素濃度分布を均一にすることができ、シリコン単結晶の製造歩留りが向上する。また、従来の方法のように結晶長や、融液の固化率、引上げ中の融液量を制御指針に用いるのではなく、接触面積比βを制御指針に用いるため、結晶径の変更、初期原料融液量の増減等があっても影響を受けないという利点を有する。

本発明の製造方法でシリコン単結晶を製造する際に用いる製造装置の形態例を示す模式図 シリコン単結晶の引上げ中における各種操業パラメータの制御手順を示すフロー図 比較例の操業パラメータ値（Ｔ、β）とシリコン単結晶中の酸素濃度（Ｏ）の関係を示す図 実施例１の操業パラメータ値（Ｔ、Ω）とシリコン単結晶中の酸素濃度（Ｏ）の関係を示す図 実施例２の操業パラメータ値（Ｔ、Ω）とシリコン単結晶中の酸素濃度（Ｏ）の関係を示す図 実施例３の操業パラメータ値（Ｔ、Ω、Ｐｏｗｅｒ）とシリコン単結晶中の酸素濃度（Ｏ）の関係を示す図 実施例４の操業パラメータ値（Ｔ、Ω、Ｐｏｓｉｔｉｏｎ）とシリコン単結晶中の酸素濃度（Ｏ）の関係を示す図 実施例５の操業パラメータ値（Ｔ、Ω、Ｖ）とシリコン単結晶中の酸素濃度（Ｏ）の関係を示す図 実施例６の操業パラメータ値（Ｔ、Ω、Ｐｏｗｅｒ）とシリコン単結晶中の酸素濃度（Ｏ）の関係を示す図 実施例６の操業パラメータ値（Ｔ、Ω、Ｐｏｗｅｒ）とシリコン単結晶中の酸素濃度（Ｏ）の関係を示す図

符号の説明

１ 製造装置
２ 引上炉
３ 坩堝軸
４ 石英坩堝
５ 主ヒータ
５ａ 主ヒータ電源
６ 補助ヒータ
６ａ 補助ヒータ電源
７ 坩堝支持軸駆動機構
７ａ 坩堝回転サーボモータ
７ｂ 坩堝昇降サーボモータ
８ 種結晶
９ シードチャック
１０ 引上ワイヤ
１１ ワイヤ巻取り機構
１１ａ ワイヤ巻上げサーボモータ
１１ｂ ロードセル
１２ 制御装置
１３ シリコン単結晶
１４ シリコン融液
１５ 熱電対
１６ 輻射温度計

Claims (6)

1. 石英坩堝を使用するチョクラルスキ法によるシリコン単結晶の製造方法において、
   坩堝の回転数（Ω）、坩堝の温度（Ｔ）、およびシリコン融液が坩堝の内壁と接触する面積と雰囲気ガスと接触する面積との比（β）の３つのパラメータの相関に基づいて、育成中のシリコン単結晶中の酸素濃度を予測し、その予測濃度を目標濃度に一致させるべく、前記回転数（Ω）と前記温度（Ｔ）の少なくとも１つを制御することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 前記温度（Ｔ）と前記比（β）とを、石英のシリコン融液に対する溶解エネルギ（Ｅ）を用いた関数
   １／β×Ｅｘｐ（−E／T）
   として関連させることによって、シリコン単結晶中の酸素濃度を調整することを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶の製造方法。
3. 前記比（β）と前記温度（Ｔ）の変化に応じて前記回転数（Ω）を制御することを特徴とする請求項１または２記載のシリコン単結晶の製造方法。
4. 前記回転数（Ω）と前記比（β）の変化に応じて、前記坩堝を加熱するヒータへの供給電力を調節することを特徴とする請求項１または２記載のシリコン単結晶の製造方法。
5. 前記回転数（Ω）と前記比（β）の変化に応じて、前記坩堝と前記坩堝を加熱するヒータの相対位置を調節することを特徴とする請求項１または２記載のシリコン単結晶の製造方法。
6. 前記回転数（Ω）と前記比（β）の変化に応じて、シリコン単結晶の育成速度を調節することを特徴とする請求項１または２記載のシリコン単結晶の製造方法。