JP2007284324A - Manufacturing device and manufacturing method for semiconductor single crystal - Google Patents

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JP2007284324A JP2006116929A JP2006116929A JP2007284324A JP 2007284324 A JP2007284324 A JP 2007284324A JP 2006116929 A JP2006116929 A JP 2006116929A JP 2006116929 A JP2006116929 A JP 2006116929A JP 2007284324 A JP2007284324 A JP 2007284324A
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Manabu Nishimoto
学 西元
Naoki Ono
直樹 小野
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a manufacturing device and a manufacturing method for a semiconductor single crystal by which a silicon single crystal having a desired defect region or a desired defect-free region can be easily manufactured in high yield. <P>SOLUTION: The manufacturing device for a semiconductor single crystal is equipped with: a heat treatment furnace 10 to heat treat a silicon single crystal pulled by using a single crystal pulling device which grows the silicon single crystal while pulling from a silicon melt housed in a crucible; and a control means 11 to control the temperature in the heat treatment furnace 10. The control means 11 carries out first control of controlling the heat treatment furnace 10 rendering the silicon single crystal into a defect reset temperature, and a second control of controlling a temperature gradient in a first direction in the heat treatment furnace with respect to a heat treatment time so as to impart a temperature hysteresis to the silicon single crystal upon growing the silicon single crystal having a desired defect region or defect-free region from the silicon melt. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、半導体単結晶の製造装置及び製造方法に関し、特に、結晶直径が所望となるように育成し、その後、結晶中の欠陥制御を単結晶成長後に行うことができる技術に関するものである。   The present invention relates to a semiconductor single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method, and more particularly, to a technique capable of growing a crystal diameter to a desired value and then performing defect control in the crystal after the single crystal growth.

シリコン単結晶を成長させる方法にFZ法やチョクラルスキー法(CZ法)と呼ばれる方法がある。CZ法によって育成されたシリコン単結晶中にはGrown−in欠陥と呼ばれる欠陥が結晶育成時に形成され、結晶育成後に得られたシリコン単結晶を評価した場合に検出される。   As a method for growing a silicon single crystal, there are methods called an FZ method and a Czochralski method (CZ method). In the silicon single crystal grown by the CZ method, a defect called a Grown-in defect is formed during crystal growth, and is detected when the silicon single crystal obtained after the crystal growth is evaluated.

図4は、引上げ速度を徐々に低下させながら成長させたシリコン単結晶の縦断面における欠陥分布図である。図4に示すように、R-OSF(Ring - Oxidation induced Stacking Fault)が現われる領域は、引上げ速度を小さくしていくと結晶の外周側から内側に収縮していく。また、R−OSFよりも高速で引き上げられた結晶と低速で引き上げられた結晶とでは、結晶育成後に観察されるGrown−in欠陥が異なる。高速引上げ結晶では、COP(crystal originated particle)あるいはFPD(flow pattern defect)ともよばれるボイド欠陥(空孔型欠陥)が検出される。低速引上げ結晶では、転位を伴う格子間Siの凝集体が発生し、格子間Si欠陥(転位クラスター欠陥)が検出される。また、R−OSFと格子間Si欠陥領域との間には、Grown−in欠陥が検出されない無欠陥領域がある。
シリコン単結晶中のボイド欠陥は、ウエハの初期の酸化膜耐圧特性の劣化因子である。また、シリコン単結晶中の格子間Si欠陥もデバイス特性を劣化させる。そのため、シリコン単結晶の品質特性上、無欠陥領域での結晶育成が望まれる。
FIG. 4 is a defect distribution diagram in a longitudinal section of a silicon single crystal grown while gradually decreasing the pulling rate. As shown in FIG. 4, the region where R-OSF (Ring-Oxidation induced Stacking Fault) appears shrinks inward from the outer peripheral side of the crystal as the pulling rate is reduced. Further, a grown-in defect observed after crystal growth differs between a crystal pulled at a higher speed than the R-OSF and a crystal pulled at a lower speed. In the high-speed pulled crystal, a void defect (a void type defect) called COP (crystal originated particle) or FPD (flow pattern defect) is detected. In the slow pulling crystal, interstitial Si aggregates accompanied by dislocations are generated, and interstitial Si defects (dislocation cluster defects) are detected. Further, there is a defect-free region in which no grown-in defect is detected between the R-OSF and the interstitial Si defect region.
The void defect in the silicon single crystal is a deterioration factor of the initial oxide film breakdown voltage characteristic of the wafer. In addition, interstitial Si defects in the silicon single crystal also degrade device characteristics. Therefore, crystal growth in a defect-free region is desired because of the quality characteristics of the silicon single crystal.

これらのGrown−in欠陥は、シリコン単結晶を成長させるときの引上げ速度V(mm/min)と固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配G(℃/mm)との比であるV/G(mm/℃・min)値により、その導入量が決定されると考えられている。
V/G値の意味するところは、引上げ速度に従う空孔の移流と温度勾配に従う格子間Siの拡散とのバランスを示している。すなわち、V/G値が大きい場合、空孔の引上速度に従う移流が温度勾配に従う格子間Siの拡散を上回り、空孔濃度が高くなる。シリコン単結晶の引き上げの進行に伴う温度低下により空孔過飽和となると空孔型欠陥が発生する。逆に、V/G値が小さい場合、空孔の引上げ速度に従う移流が温度勾配に従う格子間Siの拡散を下回り、格子間Si濃度が相対的に高くなる。さらにシリコン単結晶の引き上げの進行に伴う温度低下により格子間Si過飽和となり格子間Si欠陥が発生する。
These Grown-in defects are the ratio of the pulling rate V (mm / min) when growing a silicon single crystal to the crystal temperature gradient G (° C./mm) in the pulling axis direction near the solid-liquid interface. The amount of introduction is considered to be determined by the G (mm 2 / ° C./min) value.
The meaning of the V / G value indicates the balance between the advection of vacancies according to the pulling rate and the diffusion of interstitial Si according to the temperature gradient. That is, when the V / G value is large, the advection according to the vacancy pulling speed exceeds the diffusion of interstitial Si according to the temperature gradient, and the vacancy concentration becomes high. Vacancy-type defects occur when vacancy supersaturation occurs due to a temperature drop accompanying the progress of pulling of the silicon single crystal. On the contrary, when the V / G value is small, the advection according to the vacancy pulling speed is lower than the diffusion of the interstitial Si according to the temperature gradient, and the interstitial Si concentration becomes relatively high. Furthermore, interstitial Si supersaturation occurs due to the temperature drop accompanying the progress of pulling of the silicon single crystal, and interstitial Si defects are generated.

すなわち、V/G値を所定の値で一定に制御しながらシリコン単結晶の育成を行うことにより、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を製造することが可能となる。このため、従来から、シリコン単結晶の径方向の全面が無欠陥領域となるように引上げることのできる引上げ速度のマージンが常に所定値以上となるように、単結晶の引上げ中に成長軸方向で引上げ条件を変更する製造方法が提案されている(例えば、特許文献1参照)。
特開2005−15296号公報
That is, it is possible to manufacture a silicon single crystal having a desired defect region or a desired defect-free region by growing the silicon single crystal while keeping the V / G value constant at a predetermined value. For this reason, conventionally, the growth axis direction during the pulling of the single crystal is such that the pulling speed margin that can be pulled so that the entire surface in the radial direction of the silicon single crystal becomes a defect-free region is always greater than or equal to a predetermined value. Has proposed a manufacturing method for changing the pulling condition (see, for example, Patent Document 1).
JP 2005-15296 A

しかしながら、上述した従来の技術では、シリコン単結晶の径方向の全面が無欠陥領域となるシリコン単結晶を製造するためにV/G値が所定の値で一定となるように制御しながら単結晶の育成を行うので、以下に示す問題があり、製造歩留まりが低かった。   However, in the above-described conventional technology, in order to manufacture a silicon single crystal in which the entire surface in the radial direction of the silicon single crystal is a defect-free region, the single crystal is controlled while controlling the V / G value to be constant at a predetermined value. Therefore, there are problems shown below, and the production yield is low.

1.引き上げ速度はV/G値として結晶欠陥の状態を左右するパラメータとしての側面と、これ以外に、単結晶引き上げ時における結晶径方向寸法(結晶直径)の制御パラメータでもある。したがって、シリコン単結晶の直径を制御するために、引上速度を変化させる必要があり、V/G値が無欠陥となる範囲から外れてしまう場合があった。
2.シリコン単結晶の育成時において、シリコン単結晶のショルダー形成から直胴部形成に移行する際に、結晶温度勾配Gと引上げ速度Vの急激な変化が生じ、結晶温度勾配Gおよび引上げ速度Vが安定するまでにかなりのプロセス進行を余儀なくされ、直胴部のTOP側は無欠陥結晶とすることが困難であった。そのため、引き上げた直胴部のうち、かなりの部分が所望の品質を有する製品にできないという問題があった。
3.結晶面内全域において無欠陥化するには、V/G値を面内均一にする必要があるため結晶温度勾配Gを結晶面内均一にする必要がある。ところが、シリコン単結晶の引上げ進行に伴って炉内の熱的環境が変化するので、シリコン単結晶の引上げ中、面内結晶温度勾配を常に均一にすることは極めて困難である。すなわち、結晶引き上げにおける制御パラメータをなるべく減らし、製造効率の高い単結晶の製造方法が求められていた。
4.ホットゾーンの断熱材の劣化やチャンバー内壁面の輻射率の変化等により、シリコン単結晶を引上げる度に、わずかではあるが熱的環境が変化し、結晶温度勾配Gが変化する。このため、元々、狭いV/G値の範囲でしか無欠陥とはならないので、以前と全く同じプロセス条件で結晶を製造しても、無欠陥結晶とならないことがしばしばあった。つまり、収率が悪くなる可能性があり、これらを改善したいという要求があった。
1. The pulling speed is a control parameter for the dimension in the crystal diameter direction (crystal diameter) at the time of pulling the single crystal, in addition to the side surface as a parameter that determines the state of crystal defects as the V / G value. Therefore, in order to control the diameter of the silicon single crystal, it is necessary to change the pulling speed, and the V / G value may deviate from the range where there is no defect.
2. During the growth of the silicon single crystal, when the transition from the shoulder formation of the silicon single crystal to the formation of the straight body portion, a sudden change in the crystal temperature gradient G and the pulling rate V occurs, and the crystal temperature gradient G and the pulling rate V are stable. Until then, the process had to proceed considerably, and it was difficult to make defect-free crystals on the TOP side of the straight body. For this reason, there is a problem that a considerable part of the raised straight body portion cannot be a product having a desired quality.
3. In order to eliminate defects throughout the entire crystal plane, it is necessary to make the V / G value uniform in the plane. Therefore, it is necessary to make the crystal temperature gradient G uniform in the crystal plane. However, since the thermal environment in the furnace changes as the silicon single crystal is pulled up, it is extremely difficult to always make the in-plane crystal temperature gradient uniform during the pulling of the silicon single crystal. That is, there has been a demand for a method for producing a single crystal with high production efficiency by reducing the control parameters for crystal pulling as much as possible.
4). Each time the silicon single crystal is pulled up due to deterioration of the heat insulating material in the hot zone or change in the emissivity of the inner wall surface of the chamber, the thermal environment changes slightly and the crystal temperature gradient G changes. For this reason, since it originally became defect-free only in a narrow V / G value range, even if a crystal was produced under exactly the same process conditions as before, it was often not a defect-free crystal. That is, there is a possibility that the yield may be deteriorated, and there is a demand for improving these.

本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであり、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶などの半導体単結晶を容易に歩留まりよく製造できる半導体単結晶の製造装置及び製造方法を実現することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above circumstances, and a semiconductor single crystal manufacturing apparatus and manufacturing capable of easily manufacturing a semiconductor single crystal such as a silicon single crystal having a desired defect region or a desired defect-free region with a high yield. The aim is to realize the method.

本発明者は、上記課題を解決するために、鋭意研究を重ね、以下に示すように、製造時におけるV/G値の制御を容易にし、歩留まりを向上させる半導体用単結晶の製造方法を発明した。
具体的には、本願発明の半導体単結晶製造装置においては、半導体単結晶内部におけるGrown−in欠陥制御をおこなうための半導体単結晶の製造装置であって、
前記単結晶内部におけるGrown−in欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するリセット加熱手段と、
前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Grown−in欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与する熱履歴再付与手段と、
を有することにより上記課題を解決した。
本発明においては、前記リセット加熱手段と前記熱履歴再付与手段とが同一の加熱手段とされ、
この加熱手段を制御して、前記熱履歴リセット温度から連続して前記半導体単結晶を降温させる際に、前記単結晶内部におけるGrown−in欠陥状態に影響を与える所望の熱履歴を再付与するように熱処理温度と降温速度を制御する制御手段が設けられてなることが好ましい。
本発明は、前記半導体単結晶中のGrown−in欠陥制御を行うための熱処理炉と、
前記熱処理炉を過熱する前記加熱手段と、
前記加熱手段により前記熱処理炉内の温度を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記単結晶内部におけるGrown−in欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するように前記熱処理炉内の温度を制御する熱履歴リセット制御と、
前記熱履歴リセット制御後に、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記単結晶の温度勾配と降温速度とを制御する熱履歴再付与制御とを行うことが好ましい。
本発明は、前記半導体単結晶中のGrown−in欠陥に寄与する結晶状態制御を行うための熱処理炉と、
前記熱処理炉を過熱する前記加熱手段と、
前記加熱手段により前記熱処理炉内の温度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記単結晶内部におけるGrown−in欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するように前記熱処理炉の温度を制御する熱履歴リセット制御と、
前記熱履歴リセット制御後に、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記熱処理炉内の第1方向の温度勾配と降温速度とを制御する熱履歴再付与制御とを行うことが好ましい。
本発明は、前記熱処理炉内における前記温度勾配と前記降温速度とが、単結晶引上げ装置を用いて半導体単結晶を引き上げる場合における固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配G(℃/mm)と引上げ速度V(mm/min)とに対応して、これらの比であるV/G(mm/℃min)値が所定の範囲となるようにして熱履歴を再付与することが好ましい。
本発明は、前記熱処理炉が、前記半導体単結晶を軸方向に分割して得られた半導体単結晶インゴットに熱履歴リセット及び再付与の熱処理を行うものであることが好ましい。
本発明は、前記熱処理炉が、複数の前記半導体単結晶インゴットを同時に支持して熱履歴リセットおよび再付与可能とされてなることが好ましい。
本発明の半導体単結晶の製造方法は、半導体単結晶内部におけるGrown−in欠陥制御をおこなうための半導体単結晶の製造方法であって、
前記単結晶内部におけるGrown−in欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するリセット加熱工程と、
前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Grown−in欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与する熱履歴再付与工程と、
を有することにより上記課題を解決した。
本発明は、前記リセット加熱工程と前記熱履歴再付与工程とが連続しておこなわれることが好ましい。
本発明は、前記熱履歴再付与工程において、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記単結晶の温度勾配と降温速度とを制御することが好ましい。
本発明は、前記熱履歴再付与工程において、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Grown−in欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、熱処理炉内の第1方向の温度勾配と降温速度とを制御することが好ましい。
本発明は、前記温度勾配と前記降温速度とが、単結晶引上げ装置を用いて半導体単結晶を引き上げる場合における引上げ速度V(mm/min)と固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配G(℃/mm)とに対応して、これらの比であるV/G(mm/℃min)値が所定の範囲となるようにして熱履歴を再付与することが好ましい。
本発明は、前記リセット加熱工程の前に、前記半導体単結晶を軸方向に分離して半導体単結晶インゴットとするスライス工程を有することが好ましい。
本発明は、前記リセット加熱工程および熱処理再付与工程を、複数の前記単結晶インゴットに同時に行うことができる
In order to solve the above problems, the present inventor has intensively studied and, as will be described below, invented a method for producing a semiconductor single crystal that facilitates the control of the V / G value during production and improves the yield. did.
Specifically, in the semiconductor single crystal manufacturing apparatus of the present invention, a semiconductor single crystal manufacturing apparatus for controlling Grown-in defect inside the semiconductor single crystal,
Reset heating means for heating and maintaining the single crystal at a thermal history reset temperature for resetting a thermal history at the time of crystal production that affects a Grown-in defect state inside the single crystal;
A thermal history reapplying means for lowering the single crystal from the thermal history reset temperature and reapplying a thermal history that makes the grown-in defect state a desired state;
By solving this problem, the above-mentioned problems were solved.
In the present invention, the reset heating means and the heat history re-applying means are the same heating means,
When the semiconductor single crystal is continuously cooled from the thermal history reset temperature by controlling this heating means, a desired thermal history that affects the grown-in defect state inside the single crystal is reapplied. It is preferable that a control means for controlling the heat treatment temperature and the temperature lowering rate is provided.
The present invention relates to a heat treatment furnace for performing Grown-in defect control in the semiconductor single crystal,
The heating means for overheating the heat treatment furnace;
Control means for controlling the temperature in the heat treatment furnace by the heating means,
The control means controls the temperature in the heat treatment furnace so that the single crystal is heated and maintained at a thermal history reset temperature for resetting a thermal history at the time of crystal production that affects a grown-in defect state inside the single crystal. Heat history reset control,
After the thermal history reset control, the temperature gradient and the temperature lowering rate of the single crystal are controlled so that the single crystal is lowered from the thermal history reset temperature to re-apply a thermal history that makes the crystal state a desired state. It is preferable to perform heat history re-assignment control.
The present invention relates to a heat treatment furnace for performing crystal state control that contributes to Grown-in defects in the semiconductor single crystal,
The heating means for overheating the heat treatment furnace;
Control means for controlling the temperature in the heat treatment furnace by the heating means,
The control means controls the temperature of the heat treatment furnace so that the single crystal is heated and maintained at a thermal history reset temperature for resetting a thermal history at the time of crystal production that affects a grown-in defect state inside the single crystal. Thermal history reset control,
After the thermal history reset control, a temperature gradient in a first direction in the heat treatment furnace is provided so as to re-apply a thermal history that lowers the single crystal from the thermal history reset temperature and makes the crystal state a desired state. It is preferable to perform heat history reapplying control for controlling the temperature drop rate.
In the present invention, the temperature gradient in the heat treatment furnace and the temperature drop rate are such that the crystal temperature gradient G in the pulling axis direction in the vicinity of the solid-liquid interface when the semiconductor single crystal is pulled using a single crystal pulling apparatus (° C./mm ) And the pulling speed V (mm / min), it is preferable to re-apply the heat history so that the ratio V / G (mm 2 / ° C. min) is within a predetermined range. .
In the present invention, it is preferable that the heat treatment furnace performs heat history resetting and re-applying heat treatment on a semiconductor single crystal ingot obtained by dividing the semiconductor single crystal in the axial direction.
In the present invention, it is preferable that the heat treatment furnace supports a plurality of the semiconductor single crystal ingots at the same time so that the thermal history can be reset and reapplied.
The method for producing a semiconductor single crystal according to the present invention is a method for producing a semiconductor single crystal for controlling a Grown-in defect inside the semiconductor single crystal,
A reset heating step of heating and maintaining the single crystal at a thermal history reset temperature for resetting a thermal history at the time of crystal production that affects a grown-in defect state inside the single crystal;
A thermal history reapplying step of lowering the single crystal from the thermal history reset temperature to reapply a thermal history that makes the Grown-in defect state a desired state;
By solving this problem, the above-mentioned problems were solved.
In the present invention, it is preferable that the reset heating process and the thermal history re-applying process are continuously performed.
In the thermal history re-applying step, the present invention provides a temperature gradient of the single crystal so as to re-apply a thermal history that lowers the single crystal from the thermal history reset temperature and makes the crystalline state a desired state. It is preferable to control the cooling rate.
In the heat history reapplying step, the present invention provides a heat history re-applying process in which the single crystal is lowered from the heat history reset temperature to reapply a heat history that makes the grown-in defect state a desired state. It is preferable to control the temperature gradient in the first direction and the cooling rate.
In the present invention, the temperature gradient and the temperature lowering rate are the same as the pulling rate V (mm / min) when pulling up the semiconductor single crystal using a single crystal pulling apparatus and the crystal temperature gradient G in the pulling axis direction near the solid-liquid interface. Corresponding to (° C./mm), it is preferable to re-apply the thermal history so that the V / G (mm 2 / ° C. min) value as a ratio thereof falls within a predetermined range.
The present invention preferably includes a slicing step of separating the semiconductor single crystal in the axial direction into a semiconductor single crystal ingot before the reset heating step.
In the present invention, the reset heating step and the heat treatment re-application step can be simultaneously performed on the plurality of single crystal ingots.

本発明の半導体単結晶の製造方法においては、CZ法やFZ法もしくはその他の方法において所望の径寸法として製造した半導体単結晶に対して、半導体単結晶内部におけるGrown−in欠陥制御をおこなうための半導体単結晶の製造方法であって、CZ法による引き上げ等による単結晶の製造後に、半導体の融点付近の温度にて維持することで、前記単結晶内部におけるGrown−in欠陥に寄与する結晶状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するリセット加熱工程と、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与する熱履歴再付与工程と、を有することにより、以下に示すように望ましい結晶状態を実現させることができる。
すなわち、本発明の半導体単結晶の製造方法では、CZ法の引き上げ等における結晶製造時に、単結晶中のGrown−in欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴、つまり、シリコン単結晶でいえば、空孔、格子間シリコンの分布状態や、それぞれの拡散速度、対消滅状態などを気にせずに、例えば、もっとも生産効率が高くなるように、径寸法を設定した引き上げ速度によって単結晶を引き上げることができる。そして引き上げ後、引き上げ時(製造時)に単結晶に付与された熱履歴を、リセット加熱工程として、熱履歴リセット温度、つまり、融点付近に単結晶を加熱して維持する等の手法で、シリコン単結晶でいえば、空孔、格子間シリコンの分布状態やボイド欠陥、酸素析出物等といったGrown−in欠陥をリセット、すなわち、CZ法において、いわば、融液に近い固化したのみの状態とでもいう、なにも結晶状態が決まっていない状態にまで戻す。さらに、熱履歴再付与工程として、CZ法において引き上げ時にもっとも好ましいとされる熱履歴を単結晶に与えるような温度状態を再現すること、具体的には、熱履歴リセット温度から所定の状態で単結晶を降温させることによって、単結晶中のGrown−in欠陥に寄与する結晶状態に影響を与える熱履歴を最も好ましい状態として、CZ法における引き上げ速度等を気にすることなく、この熱履歴再付与工程のみで、例えば、空孔と格子間シリコンとの分布状態など、望ましい結晶状態を実現させることができるものである。これにより、従来、引き上げ速度などの条件を極めて狭い範囲に制御することを強いられていた欠陥フリーのシリコン単結晶等を容易に、高い製造効率で製造することが可能となる。 このように、本発明では、半導体単結晶内部におけるGrown−in欠陥状態の制御をおこなうための半導体単結晶の製造装置であって、前記熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するリセット加熱手段と、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与する熱履歴再付与手段と、を有する半導体単結晶の製造装置により上記製造方法を実現したものである。
In the method for producing a semiconductor single crystal according to the present invention, for controlling a grown-in defect inside the semiconductor single crystal with respect to the semiconductor single crystal produced with a desired diameter by the CZ method, the FZ method, or other methods. A method for manufacturing a semiconductor single crystal, which is maintained at a temperature near the melting point of the semiconductor after the single crystal is manufactured by pulling up by the CZ method, etc., so that the crystal state contributes to the grown-in defects inside the single crystal. A reset heating step of heating and maintaining the single crystal at a thermal history reset temperature for resetting the thermal history at the time of producing the crystal to affect, and lowering the single crystal from the thermal history reset temperature to bring the crystal state into a desired state A heat history reapplying step for reapplying a heat history to achieve a desirable crystal state as shown below. Can.
That is, in the method for producing a semiconductor single crystal according to the present invention, the heat history at the time of crystal production that affects the grown-in defect state in the single crystal, that is, the silicon single crystal can be obtained at the time of crystal production by pulling up the CZ method. For example, without worrying about the distribution of vacancies and interstitial silicon, the diffusion rate of each, and the state of pair annihilation, for example, a single crystal can be formed at a pulling rate with a diameter set so that the production efficiency is the highest. Can be raised. Then, after the pulling, the thermal history applied to the single crystal at the time of pulling (manufacturing) is used as a reset heating process by a method such as heating history of the single crystal near the melting point reset temperature, that is, near the melting point. Speaking of a single crystal, the grown-in defects such as vacancy, interstitial silicon distribution, void defects, oxygen precipitates, etc. are reset, that is, in the CZ method, so to speak, the solidified state close to the melt. That is, it returns to a state in which no crystal state is determined. Furthermore, as the heat history re-applying step, the temperature state that gives the single crystal the most preferable heat history at the time of pulling in the CZ method is reproduced. By lowering the temperature of the crystal, the thermal history that affects the crystal state contributing to the grown-in defects in the single crystal is made the most preferable state, and this thermal history is reapplied without worrying about the pulling rate in the CZ method. A desired crystal state, such as a distribution state of vacancies and interstitial silicon, can be realized only by the process. As a result, it becomes possible to easily manufacture defect-free silicon single crystals and the like that have been conventionally required to control conditions such as the pulling speed within an extremely narrow range with high production efficiency. Thus, in the present invention, a semiconductor single crystal manufacturing apparatus for controlling a grown-in defect state inside a semiconductor single crystal, the reset heating means for heating and maintaining the single crystal at the thermal history reset temperature And a thermal history reapplying means for reapplying a thermal history that lowers the single crystal from the thermal history reset temperature to bring the crystalline state into a desired state. It has been realized.

本発明においては、前記リセット加熱手段と前記熱履歴再付与手段とが同一の加熱手段とされ、この加熱手段を制御して、前記熱履歴リセット温度から連続して前記半導体単結晶を降温させる際に、前記単結晶内部におけるGrown−in欠陥に対して所望の熱履歴を再付与するように熱処理温度と降温速度を制御する制御手段が設けられてなることにより、前記リセット加熱工程と前記熱履歴再付与工程とが連続しておこなわれることができる。これにより、引き上げによって製造される単結晶における温度状態とは関係なく単結晶内部のGrown−in欠陥状態を自由に設定することが可能となるため、欠陥フリーの単結晶など、所望の状態の単結晶を容易に、高歩留まりで製造することが可能となる。ここで、引き上げによって製造される単結晶における温度状態とは、引き上げ炉内で最も高温なのが融液であり、固液界面を経て、引き上げ単結晶の高さ位置が上に向かうほど(融液から離れるほど)温度が低下する状態をトータルで含む温度状態、および、このような温度状態の位置関係を意味しているが、本願発明は、これらを気にせずに、単結晶内の熱履歴を制御し再付与することができるものである。   In the present invention, the reset heating unit and the thermal history re-applying unit are the same heating unit, and when the semiconductor single crystal is cooled continuously from the thermal history reset temperature by controlling the heating unit. Provided with a control means for controlling a heat treatment temperature and a temperature lowering rate so as to re-apply a desired thermal history to the grown-in defects inside the single crystal, thereby the reset heating step and the thermal history. The re-application process can be performed continuously. As a result, it is possible to freely set the Grown-in defect state inside the single crystal regardless of the temperature state in the single crystal manufactured by pulling, and thus a single crystal in a desired state such as a defect-free single crystal can be set. Crystals can be easily manufactured at a high yield. Here, the temperature state in the single crystal produced by pulling is that the highest temperature in the pulling furnace is the melt, and the height position of the pulling single crystal goes upward through the solid-liquid interface (melt This means a temperature state that includes a state in which the temperature decreases as the distance from the object increases, and the positional relationship of such a temperature state, but the present invention does not care about these, and the thermal history in the single crystal. Can be controlled and reassigned.

本発明は、前記熱履歴再付与工程において、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Grown−in欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記単結晶の温度勾配と降温速度とを制御することにより、例えば、引き上げ炉内における温度状態とは異なり、単結晶の径方向に温度勾配を形成しつつ単結晶全体を降温する等の手段を採ることができる。このように結晶軸方向に温度勾配を与える以外に、径方向に温度勾配を与えて無欠陥結晶化させることも可能であるし、結晶軸に対して斜めの温度勾配等、他の方向も可能であり、任意の方向に温度勾配を形成しつつ単結晶全体を降温することが可能である。
さらに、直径寸法と軸方向寸法がほぼ等しいような、径方向と軸方向との両方向で温度変化に対する熱履歴がなるべく等しく設定可能な形状になるように単結晶を処理し、そのまま単結晶外部から冷却することで点対称に近い状態に温度勾配を形成しつつ降温する手段を採ることができる。
さらに、この際、単結晶の形状として、軸方向と径方向のみならず、重心付近を中心としてこの点から表面までの寸法が、ほぼ全ての方向においてなるべく寸法差が小さくなるように単結晶を処理すること、すなわち、なるべく球に近い形状とする、あるいは、同一体積でなるべく表面積が小さくなる形状とすることで、そのまま単結晶外部から冷却した際に点対称の状態に温度勾配を形成しつつ降温し、単結晶内部のGrow−in欠陥状態分布等を点対称とすることも可能である。
これにより、融液とホットゾーンの関係等の温度状態位置に対する規制を気にすることなく、より多彩なGrown−in欠陥状態の制御をおこなうことが可能となる。この際、引き上げ時のV/Gの値に対応するように単結晶中の温度勾配および降温速度を決定することが重要である。
According to the present invention, in the thermal history reapplying step, the single crystal is reapplied so that the single crystal is lowered from the thermal history reset temperature to reapply a thermal history that makes the Grown-in defect state a desired state. By controlling the temperature gradient and the temperature lowering rate, for example, unlike the temperature state in the pulling furnace, it is possible to take measures such as lowering the temperature of the entire single crystal while forming a temperature gradient in the radial direction of the single crystal. . In addition to providing a temperature gradient in the crystal axis direction in this way, it is possible to crystallize defect-free by giving a temperature gradient in the radial direction, and other directions such as a temperature gradient oblique to the crystal axis are also possible. It is possible to lower the temperature of the entire single crystal while forming a temperature gradient in an arbitrary direction.
Furthermore, the single crystal is processed so that the heat history with respect to the temperature change can be set as equal as possible in both the radial direction and the axial direction so that the diameter dimension and the axial dimension are substantially equal, and as it is from the outside of the single crystal. By cooling, it is possible to adopt means for lowering the temperature while forming a temperature gradient in a state close to point symmetry.
Further, at this time, the single crystal is shaped so that the difference from the point to the surface centering around the center of gravity as well as the axial direction and the radial direction is as small as possible in almost all directions. By processing, that is, making the shape as close to a sphere as possible, or making the surface area as small as possible with the same volume, while forming a temperature gradient in a point-symmetric state when cooled from the outside of the single crystal as it is It is also possible to lower the temperature and make the Grow-in defect state distribution inside the single crystal symmetric.
As a result, it is possible to control various types of grown-in defect states without worrying about restrictions on the temperature state position such as the relationship between the melt and the hot zone. At this time, it is important to determine the temperature gradient and the cooling rate in the single crystal so as to correspond to the value of V / G at the time of pulling.

本発明は、前記熱履歴再付与工程において、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、熱処理炉内の第1方向の温度勾配と降温速度とを制御することにより、例えば、第1方向を鉛直上向きとして、引き上げ炉内における温度状態を再現して単結晶に熱履歴を再付与することができる。これにより、これまで蓄積された膨大な引き上げ時のデータを利用して、単結晶に上述した所望の熱履歴を付与することができる。つまり、言うなれば、熱履歴再付与工程において、所望のCZ法における引き上げにおける熱履歴状態を単結晶における熱履歴として再現することを主目的として、引き上げ炉内の温度状態を再現した温度勾配と、その温度勾配中で単結晶を移動する状態に等しくなるよう降温することとによって熱履歴を再付与することで、融液の状態とそれに続く引き上げ・冷却の状態とを再現し、そのなかで、好ましい結晶状態となるように、熱履歴を再付与するものである。これにより、実際に単結晶を成長させる際の引き上げ速度とは関係なく、純粋にGrown−in欠陥状態のみを考えてV/Gの値を決定することができるため、径寸法等は実際の引き上げ時に、Grown−in欠陥状態は熱履歴再付与工程において考慮すればよくなり、作業性が向上するとともに、所望のGrown−in欠陥状態の単結晶を製造することが容易になる。
なお、本発明において、第1方向とは、上述した鉛直上向きに限定されるものではなく、例えば、第1方向を径方向あるいは斜め方向としてもよく、特に限定されない。
In the heat history reapplying step, the present invention provides a first direction in the heat treatment furnace so as to reapply a heat history that lowers the single crystal from the heat history reset temperature and makes the crystal state a desired state. By controlling the temperature gradient and the temperature lowering rate, the thermal history can be reapplied to the single crystal by reproducing the temperature state in the pulling furnace, for example, with the first direction being vertically upward. Thereby, the above-mentioned desired thermal history can be given to the single crystal by using the enormous pulling data accumulated so far. That is, in other words, in the thermal history reapplying step, a temperature gradient that reproduces the temperature state in the pulling furnace with the main purpose of reproducing the thermal history state in the pulling in the desired CZ method as the thermal history in the single crystal; By re-applying the thermal history by lowering the temperature to be equal to the state of moving the single crystal in the temperature gradient, the melt state and the subsequent pulling / cooling state are reproduced. The thermal history is reapplied so as to obtain a preferable crystal state. This makes it possible to determine the value of V / G purely considering only the Grown-in defect state regardless of the pulling speed when the single crystal is actually grown. Sometimes, the grown-in defect state only needs to be taken into account in the thermal history re-applying process, so that workability is improved and a single crystal having a desired grown-in defect state can be easily manufactured.
In the present invention, the first direction is not limited to the above-described vertical upward direction. For example, the first direction may be a radial direction or an oblique direction, and is not particularly limited.

本発明は、前記温度勾配と前記降温速度とが、単結晶引上げ装置を用いて半導体単結晶を引き上げる場合における引上げ速度Vと固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Gとに対応して、これらの比であるV/G値が所定の範囲となるようにして熱履歴を再付与すること、例えば、前記熱履歴再付与工程において、V/G値を結晶が無欠陥状態となる0.18〜0.24mm/(min℃)と容易にすることができる。これにより、引き上げにおける条件制御を気にすることなく欠陥フリーの内部状態であるシリコン単結晶を実現することが可能となる。 According to the present invention, the temperature gradient and the temperature drop rate correspond to the pulling rate V and the crystal temperature gradient G in the pulling axis direction near the solid-liquid interface when pulling up the semiconductor single crystal using a single crystal pulling apparatus. The thermal history is reapplied so that the V / G value as a ratio thereof falls within a predetermined range. For example, in the thermal history reapplying step, the V / G value is changed to 0 so that the crystal is in a defect free state. 18 to 0.24 mm 2 / (min ° C.). This makes it possible to realize a silicon single crystal that is in a defect-free internal state without worrying about condition control during pulling.

より、具体的には、本発明の半導体製造装置は、前記半導体単結晶中のGrown−in欠陥に寄与する結晶状態制御を行うための熱処理炉と、前記熱処理炉を過熱する前記加熱手段と、前記加熱手段により前記熱処理炉内の温度を制御する制御手段とを備え、結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するように前記熱処理炉の温度を制御する熱履歴リセット制御と、前記熱履歴リセット制御後に、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Grown−in欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記熱処理炉内の第1方向の温度勾配と降温速度とを制御する熱履歴再付与制御とを行うことができる。
この際、これまで収拾された引き上げ時における様々なデータを活用するためには、半導体原料を融解するルツボ、および、引き上げ時に結晶を冷却してゆくホットゾーンに類似して、リセット加熱手段、および熱履歴再付与手段の傾斜加熱手段とを配置して、結晶引き上げ速度を制御する引き上げ側の速度、および、ルツボの上昇速度に類似して、単結晶を熱処理する加熱手段を配することが好ましい。すなわち、ルツボのように筒状とされるリセット加熱手段と、この上方に連続してホットゾーン内で冷却するように徐々に降温する温度勾配を形成するように熱履歴再付与手段としての両方の機能を有するヒータが柱状(筒状)に設けられて加熱手段とされ、これらを前記リセット加熱制御および熱履歴再付与制御する制御手段が設けられることができる。この場合、制御手段は、単結晶がリセット加熱手段としてのヒータの内部で所定時間加熱されるようにした後、例えば上下方向に形成された温度勾配を維持した状態で熱履歴再付与手段としてのヒータ中で降温させることで、熱履歴のリセットおよび再付与をおこなうことになる。
なお、温度勾配の形成は上方が高温のほうが形成しやすいため、実際の引き上げ機とは上下逆さまのように、上側が高く下側が低温に加熱手段を制御することもできる。
さらに、加熱手段の温度勾配の降温する方向は引き上げ炉内の上方に模して温度勾配が形成すればよく、装置構成自体は、上下方向、あるいは水平方向等、降温方向にはこだわらないものである。
More specifically, the semiconductor manufacturing apparatus of the present invention includes a heat treatment furnace for controlling a crystal state contributing to a grown-in defect in the semiconductor single crystal, and the heating means for overheating the heat treatment furnace, Control means for controlling the temperature in the heat treatment furnace by the heating means, and controlling the temperature of the heat treatment furnace so that the single crystal is heated and maintained at a heat history reset temperature for resetting a heat history during crystal production. Heat treatment reset control, and after the heat history reset control, the heat treatment furnace is configured to re-apply a heat history that lowers the single crystal from the heat history reset temperature and sets the grown-in defect state to a desired state. Heat history re-applying control for controlling the temperature gradient in the first direction and the cooling rate can be performed.
At this time, in order to utilize various data collected during the pulling up so far, a reset heating means similar to a crucible for melting the semiconductor raw material and a hot zone for cooling the crystal during the pulling, and It is preferable to arrange a heating means for heat-treating the single crystal in a manner similar to the speed on the pulling side for controlling the crystal pulling speed and the rising speed of the crucible by arranging the gradient heating means of the heat history reapplying means. . That is, both the reset heating means that is cylindrical like a crucible, and the heat history re-applying means so as to form a temperature gradient that gradually decreases so as to cool continuously in the hot zone above this A heater having a function may be provided in a columnar shape (cylindrical shape) to serve as a heating unit, and a control unit may be provided that controls the reset heating control and heat history reapplying control. In this case, after the single crystal is heated for a predetermined time inside the heater as the reset heating means, the control means is used as the heat history reapplying means, for example, while maintaining the temperature gradient formed in the vertical direction. By lowering the temperature in the heater, the thermal history is reset and reapplied.
In addition, since formation of a temperature gradient is easier to form when the upper part is hot, the heating means can be controlled so that the upper side is higher and the lower side is lower than the actual lifting machine.
Furthermore, the temperature gradient of the heating means may be lowered in the direction of the temperature inside the pulling furnace, and the apparatus configuration itself does not stick to the cooling direction such as the vertical direction or the horizontal direction. is there.

また、本発明においては、温度勾配の形成及び所定の降温速度での降温が可能であれば加熱手段の構成は問わないものであり、例えば、シリコン融点から1300℃まで急冷する等の熱処理をおこなう場合には、冷却可能な手段を用いること、具体的には温度交換機等を採用することも可能である。
さらに、円筒状(筒状)のヒータのみならず、さらに加えて、単結晶の上下に、この単結晶径方向に位置する径方向ヒータを設けることも可能である。具体的には、枚葉式のランプ加熱炉等で使用されるハロゲンランプ等の加熱手段を用いることもできる。
In the present invention, the structure of the heating means is not limited as long as a temperature gradient can be formed and the temperature can be decreased at a predetermined temperature decrease rate. For example, heat treatment such as rapid cooling from the silicon melting point to 1300 ° C. is performed. In some cases, it is possible to use a coolable means, specifically a temperature exchanger or the like.
Furthermore, it is possible to provide not only a cylindrical (cylindrical) heater but also a radial heater positioned above and below the single crystal in the single crystal radial direction. Specifically, a heating means such as a halogen lamp used in a single-wafer type lamp heating furnace or the like can be used.

本発明の製造方法においては、前記リセット加熱工程の前に、前記単結晶を軸方向に分離して単結晶インゴットとするスライス工程を有することによって、熱履歴リセット加熱工程と熱履歴再付与工程との両工程において、引き上げ等によって得られた単結晶を軸方向に分離して所望の高さとした単結晶インゴットに対して、リセット加熱、熱履歴再付与をおこなうことができる。これにより、リセット加熱工程において、熱履歴をリセットするために、融点付近にまで加熱した際に、結晶が自重で変形することを最小限に抑え、熱履歴のリセットに必要な時間加熱可能とすることができる。
また、前記熱処理炉が、前記半導体単結晶を軸方向に分割して得られた単結晶インゴットを載置し前記熱履歴リセット温度に加熱しても前記単結晶インゴットを支持可能な支持部を備えてなることにより、上記の製造方法をおこなうことができる。具体的には、単結晶インゴットを載置する載置皿等を有する構成とすることができる。
In the manufacturing method of the present invention, before the reset heating step, by having a slicing step of separating the single crystal in the axial direction into a single crystal ingot, a heat history reset heating step and a heat history re-applying step, In both the steps, reset heating and re-application of thermal history can be performed on a single crystal ingot in which the single crystal obtained by pulling or the like is separated in the axial direction to have a desired height. As a result, in order to reset the heat history in the reset heating process, the crystal is prevented from being deformed by its own weight when heated to the vicinity of the melting point, and can be heated for the time necessary for resetting the heat history. be able to.
Further, the heat treatment furnace includes a support portion that can support the single crystal ingot even when the single crystal ingot obtained by dividing the semiconductor single crystal in the axial direction is placed and heated to the thermal history reset temperature. Thus, the above manufacturing method can be performed. Specifically, it can be set as the structure which has a mounting tray etc. which mounts a single crystal ingot.

本発明の製造方法は、前記リセット加熱工程および熱処理再付与工程を、複数の前記単結晶インゴットに同時に行ってもよく、これにより、引き上げ時の単結晶における軸方向寸法に対して、分割された単結晶インゴットを同時に複数処理して、作業性を向上することが可能となる。
ここで、本発明は、前記熱処理炉が、複数の前記単結晶インゴットを同時に支持可能とされてなることにより、上記の製造方法が可能となる。具体的には、熱処理炉に設けられた支持手段がその温度勾配方向に複数の支持部を有する構成や、一つの支持部に複数の単結晶インゴットを同時に載置できる構成、あるいはこれらの組み合わせからなる構成とすることが可能である。
In the manufacturing method of the present invention, the reset heating step and the heat treatment re-applying step may be performed simultaneously on the plurality of single crystal ingots, thereby being divided with respect to the axial dimension of the single crystal at the time of pulling. A plurality of single crystal ingots can be processed simultaneously to improve workability.
Here, according to the present invention, the heat treatment furnace can support the plurality of single crystal ingots at the same time, whereby the manufacturing method described above is possible. Specifically, the support means provided in the heat treatment furnace has a structure having a plurality of support parts in the temperature gradient direction, a structure in which a plurality of single crystal ingots can be simultaneously placed on one support part, or a combination thereof. It is possible to adopt a configuration as follows.

また、シリコン単結晶の引き上げ時にシリコン単結晶中のGrown−in欠陥の制御を考慮せずにシリコン単結晶の引き上げを行い、シリコン単結晶の引き上げが終了した後に、シリコン単結晶中の欠陥の制御を行うための熱履歴リセットおよび再付与用熱処理とを行うことで、従来のシリコン単結晶の引き上げ時よりGrown−in欠陥制御、すなわちV/G値の制御を容易にすることができる。   Further, when the silicon single crystal is pulled, the silicon single crystal is pulled without considering the control of the grown-in defects in the silicon single crystal, and after the pulling of the silicon single crystal is finished, the defect control in the silicon single crystal is controlled. By performing the thermal history reset and the re-applying heat treatment for performing the above, it is possible to facilitate the grown-in defect control, that is, the control of the V / G value, compared with the conventional pulling of the silicon single crystal.

すなわち、シリコン単結晶の引き上げ時には、シリコン単結晶中のGrown−in欠陥状態制御に関して考慮するパラメータを低減し、単結晶製造効率を向上させるとともに所望のGrown−in欠陥状態を有する単結晶を容易に得ることが可能となる。また、従来引き上げ時に制御していたパラメータである、シリコン単結晶の直径、シリコン融液からの熱、酸素濃度の制御などついては、上述したリセット加熱工程および熱履歴再付与工程などの熱履歴再付与に関する熱処理時に考慮する必要がほとんどない。そのため、V/G値の制御を阻害する要因が少なくなることにより、V/G値の制御を容易にできるので、従来の技術と比較して、シリコン単結晶の熱履歴再付与に関する熱処理において、断熱材の劣化やチャンバー内壁面の輻射率の変化等、装置の経時変化やバッチごとの条件変化がシリコン単結晶の品質に与える影響を低減することができる。その結果、所望の結晶品質を維持した状態で歩留まりを大幅に向上させることができる。   That is, when pulling up a silicon single crystal, the parameters to be considered for controlling the grown-in defect state in the silicon single crystal are reduced, the single crystal manufacturing efficiency is improved and a single crystal having a desired grown-in defect state can be easily obtained. Can be obtained. In addition, regarding the control of the diameter of the silicon single crystal, the heat from the silicon melt, the oxygen concentration, etc., which have been controlled at the time of the conventional pulling, the heat history reapplying such as the reset heating process and the heat history reapplying process described above There is almost no need to consider during heat treatment. Therefore, since the factor that inhibits the control of the V / G value is reduced, the control of the V / G value can be facilitated. Therefore, compared with the conventional technique, It is possible to reduce the influence of the time-dependent change of the apparatus and the change of conditions for each batch on the quality of the silicon single crystal, such as deterioration of the heat insulating material and change of the emissivity of the inner wall surface of the chamber. As a result, the yield can be greatly improved while maintaining the desired crystal quality.

また、本発明者は、シリコン単結晶の引き上げ後の熱処理については、以下に示すようにすればよいことを見出した。シリコン単結晶中にボイド欠陥が発生するか、格子間Si欠陥が発生するかあるいは無欠陥となるのかは、シリコン単結晶を成長させるときの引上げにより、シリコン単結晶の下から上へ移動する空孔濃度と拡散に従って下から上へ移動する格子間Si濃度のバランスにより決定される。従って、引き上げ後のシリコン単結晶に、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶をシリコン融液から成長させるときの温度履歴を与えて、空孔と格子間Siの移動現象を熱履歴に関する熱処理として再現することにより、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を得ることができる。   Further, the present inventor has found that the heat treatment after pulling the silicon single crystal may be performed as follows. Whether a void defect, an interstitial Si defect, or no defect occurs in a silicon single crystal is determined by the fact that the silicon single crystal is pulled up when the silicon single crystal is pulled up. It is determined by the balance of interstitial Si concentration that moves from bottom to top according to the pore concentration and diffusion. Therefore, the silicon single crystal after pulling is given a temperature history when a silicon single crystal having a desired defect region or a desired defect-free region is grown from a silicon melt, and the movement phenomenon of vacancies and interstitial Si is observed. By reproducing as a heat treatment relating to the thermal history, a silicon single crystal having a desired defect region or a desired defect-free region can be obtained.

シリコン単結晶の引き上げ時において、固液界面で凝固したシリコン単結晶の温度は、結晶引き上げに伴って低下していく。シリコン単結晶の温度低下過程における空孔および格子間Siの挙動については、次のように理解される。
空孔および格子間Siは、シリコン単結晶を引き上げる際に取り込まれる。シリコン単結晶の上部の部位を引き上げる際に固液界面で取り込まれた空孔濃度と格子間Si濃度とでは、空孔濃度の方が高い。その高い空孔濃度の部位は、シリコン単結晶の引き上げに伴って上昇していく。一方、拡散現象としては、空孔と格子間Siとでは、格子間Si拡散速度が空孔のそれを上回る。格子間Siは、拡散により温度の高いところから低いところへ移動するため、結晶の下から上へ上昇する。なお、固液界面で凝固したシリコン単結晶中では、引き上げに伴って温度が低下していく過程において、空孔と格子間Siとの対消滅反応が生じるが、同数消滅のため空孔と格子間Siの濃度差には無関係である。
At the time of pulling up the silicon single crystal, the temperature of the silicon single crystal solidified at the solid-liquid interface decreases as the crystal is pulled up. The behavior of vacancies and interstitial Si in the process of lowering the temperature of a silicon single crystal is understood as follows.
The vacancies and interstitial Si are taken in when pulling up the silicon single crystal. The vacancy concentration is higher in the vacancy concentration and interstitial Si concentration taken in at the solid-liquid interface when the upper portion of the silicon single crystal is pulled up. The high vacancy concentration part rises as the silicon single crystal is pulled up. On the other hand, as a diffusion phenomenon, between the vacancies and the interstitial Si, the interstitial Si diffusion rate exceeds that of the vacancies. Since interstitial Si moves from a high temperature to a low temperature due to diffusion, it rises from the bottom to the top of the crystal. In the silicon single crystal solidified at the solid-liquid interface, the pair annihilation reaction between the vacancies and interstitial Si occurs in the process of the temperature decreasing with the pulling. It is irrelevant to the difference in Si concentration.

さらに、本発明者は、鋭意研究を重ね、シリコン単結晶中にボイド欠陥が発生するか、格子間Si欠陥が発生するかあるいは無欠陥となるのかは、概ね1250℃での空孔濃度と格子間Si濃度の差で決定されることを見出した。すなわち、概ね1250℃での空孔濃度よりも格子間Si濃度が低い場合にはボイド欠陥が発生し、空孔濃度よりも格子間Si濃度が高い場合には格子間Si欠陥が発生し、空孔濃度と格子間Si濃度とがほぼ等しくなる場合には無欠陥となる。   Furthermore, the present inventor has conducted extensive research and determines whether a void defect, an interstitial Si defect, or no defect occurs in a silicon single crystal. It was found to be determined by the difference in the Si concentration. That is, when the interstitial Si concentration is lower than the vacancy concentration at about 1250 ° C., void defects are generated, and when the interstitial Si concentration is higher than the vacancy concentration, interstitial Si defects are generated. When the hole concentration and the interstitial Si concentration are substantially equal, no defect is present.

このため、本発明のシリコン単結晶の製造装置は、ルツボに収容されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げながら成長させる単結晶引上げ装置を用いて引き上げた前記シリコン単結晶に熱処理を行うための熱処理炉と、前記熱処理炉内の温度を制御する制御手段とを備え、前記制御手段は、前記シリコン単結晶が欠陥リセット温度(熱履歴リセット温度)となるように前記熱処理炉内の加熱手段を制御する第1制御(リセット加熱制御)と、前記第1制御後に、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を前記シリコン融液から成長させるときの温度履歴を前記シリコン単結晶に与えるように、熱処理時間に対する前記熱処理炉内の第1方向の温度勾配を制御する第2制御(熱履歴再付与制御)とを行うこともできる。   For this reason, the silicon single crystal manufacturing apparatus of the present invention is for performing heat treatment on the silicon single crystal pulled using a single crystal pulling apparatus that grows the silicon single crystal while pulling it from the silicon melt contained in the crucible. A heat treatment furnace, and a control means for controlling the temperature in the heat treatment furnace, the control means comprising a heating means in the heat treatment furnace so that the silicon single crystal has a defect reset temperature (thermal history reset temperature). A first control to be controlled (reset heating control), and a temperature history when a silicon single crystal having a desired defect region or a desired defect-free region is grown from the silicon melt after the first control. And performing a second control (thermal history reapplying control) for controlling the temperature gradient in the first direction in the heat treatment furnace with respect to the heat treatment time. It can be.

また、本発明のシリコン単結晶の製造方法は、ルツボに収容されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げながら成長させる単結晶成長工程と、前記単結晶成長工程において育成された前記シリコン単結晶を熱処理炉で熱処理する熱処理工程(Grown−in欠陥に影響を与える熱履歴リセット及び再付与工程)とを備え、前記熱処理工程は、前記シリコン単結晶を欠陥リセット温度となるように加熱する加熱工程(リセット加熱工程)と、熱処理時間に対する前記熱処理炉内の第1方向の温度勾配を制御することにより、前記加熱工程後の前記シリコン単結晶に、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を前記シリコン融液から成長させるときの温度履歴を与える温度制御工程(熱履歴再付与工程)とを備えたことを特徴とする。   The method for producing a silicon single crystal according to the present invention includes a single crystal growth step for growing a silicon single crystal from a silicon melt contained in a crucible while pulling the silicon single crystal grown in the single crystal growth step. A heat treatment step (heat history reset and reapplying step affecting Grown-in defects) that heat-treats in a heat treatment furnace, and the heat treatment step heats the silicon single crystal to a defect reset temperature ( Silicon having a desired defect region or a desired defect-free region in the silicon single crystal after the heating step by controlling a temperature gradient in a first direction in the heat treatment furnace with respect to a heat treatment time and a reset heating step) A temperature control step (thermal history re-applying step) that gives a temperature history when growing a single crystal from the silicon melt Characterized in that was.

なお、本発明において「欠陥リセット温度(熱履歴リセット温度)」とは、単結晶成長工程において育成されたシリコン単結晶の形状を保ちつつ、シリコン単結晶に内在している酸素析出物やボイド等の二次欠陥(Grown-in欠陥)が消去され、さらに空孔量と格子間Si量とのリバランスが可能とされる温度のことをいい、具体的には、1320℃〜溶融温度未満の温度のことを意味し、より好ましくは1350℃〜溶融温度未満とされる。ここで、このリセット温度との関係で、リセット加熱時間が決められ、リセット温度が高い場合には、リセット加熱時間は短時間ですみ、リセットか温度が低い場合には、リセット加熱時間が長くなる。具体的には、1400℃、10分以上、1350℃、30分以上とされることが好ましい。   In the present invention, “defect reset temperature (thermal history reset temperature)” refers to oxygen precipitates, voids, etc. inherent in the silicon single crystal while maintaining the shape of the silicon single crystal grown in the single crystal growth step. This refers to the temperature at which secondary defects (Grown-in defects) are erased and the rebalance between the amount of vacancies and the amount of interstitial Si is possible, specifically 1320 ° C. to less than the melting temperature It means temperature, and more preferably 1350 ° C. to less than the melting temperature. Here, the reset heating time is determined in relation to the reset temperature. When the reset temperature is high, the reset heating time is short, and when the reset temperature is low, the reset heating time is long. . Specifically, the temperature is preferably 1400 ° C., 10 minutes or more, 1350 ° C., 30 minutes or more.

本発明によれば、シリコン単結晶を引き上げる単結晶成長工程と、単結晶成長工程において育成されたシリコン単結晶に熱処理を行うための熱処理工程(リセット加熱工程および熱履歴再付与工程)とを、それぞれ独立したV/G値の制御範囲で行うことができる。そのため、従来のシリコン単結晶の引き上げ時より結晶欠陥状態を決定する指標であるV/G値の制御が容易である。
すなわち、単結晶成長工程においては、上述したように、シリコン単結晶中の欠陥について考慮せずに済むので、引き上げ時においては結晶欠陥状態の制御を行うために必要なV/G値の範囲外で行うことが出来る。そのため、容易にシリコン単結晶の直径が所定の範囲内となるようにシリコン単結晶を成長させることができる。また、熱処理工程においては、上述したように、シリコン単結晶の直径、シリコン融液からの熱、不純物による汚染、酸素濃度等のパラメータ制御について、熱処理時には除外してGrown−in欠陥の制御のみを重点的に考慮することができるため、容易に所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶となる最適なV/G値の制御範囲で熱処理を行うことができる。よって、所望のGrown−in欠陥状態の単結晶において製造効率を向上して歩留まりを向上させることができる。
According to the present invention, a single crystal growth step for pulling up the silicon single crystal, and a heat treatment step (reset heating step and thermal history re-applying step) for performing heat treatment on the silicon single crystal grown in the single crystal growth step, Each can be performed within a control range of independent V / G values. Therefore, it is easy to control the V / G value, which is an index for determining the crystal defect state, when the conventional silicon single crystal is pulled up.
That is, in the single crystal growth process, as described above, it is not necessary to consider the defects in the silicon single crystal, so that the V / G value outside the range required for controlling the crystal defect state at the time of pulling is out. Can be done. Therefore, the silicon single crystal can be easily grown so that the diameter of the silicon single crystal is within a predetermined range. In the heat treatment process, as described above, parameter control such as the diameter of the silicon single crystal, heat from the silicon melt, contamination by impurities, oxygen concentration, etc. is excluded during the heat treatment and only the control of the grown-in defect is performed. Therefore, the heat treatment can be easily performed within a control range of an optimum V / G value that makes a silicon single crystal having a desired defect region or a desired defect-free region. Therefore, the manufacturing efficiency can be improved and the yield can be improved in a single crystal in a desired Grown-in defect state.

また、本発明の単結晶成長工程においては、V/G値の制御範囲を拡大でき、容易にV/G値の制御範囲でシリコン単結晶を成長させることができるので、例えば、シリコン単結晶の直径が所定の範囲内となる最大の引き上げ速度でシリコン単結晶を成長させた場合、従来の技術と比較して、非常に高速でシリコン単結晶の直径が所定の範囲内となるシリコン単結晶を成長させることができる。
また、本発明の熱処理時には、シリコン単結晶を移動させる必要がなく、シリコン単結晶を固定した状態で熱処理を行うことができるので、熱処理時間に対する熱処理炉内の第1方向の温度勾配を制御することのみにより、容易にV/G値の制御ができるようになる。したがって、引き上げ、あるいは、単結晶を移動する速度をパラメータとして制御するものに比べて、制御を容易におこなうことができる。
Further, in the single crystal growth step of the present invention, the control range of the V / G value can be expanded, and the silicon single crystal can be easily grown in the control range of the V / G value. When a silicon single crystal is grown at the maximum pulling speed with a diameter within a predetermined range, a silicon single crystal with a silicon single crystal with a diameter within a predetermined range is much faster than the conventional technology. Can be grown.
Further, in the heat treatment according to the present invention, it is not necessary to move the silicon single crystal, and the heat treatment can be performed with the silicon single crystal fixed. Therefore, the temperature gradient in the first direction in the heat treatment furnace with respect to the heat treatment time is controlled. Thus, the V / G value can be easily controlled. Therefore, the control can be easily performed as compared with the case where the pulling speed or the moving speed of the single crystal is controlled as a parameter.

また、本発明のシリコン単結晶の製造装置および製造方法では、温度履歴を、前記単結晶引上げ装置を用いて前記シリコン単結晶を引き上げた場合の引上げ速度Vと固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Gとの比であるV/G値を所定の範囲とした場合と同じにすることができる。
このようなシリコン単結晶の製造装置および製造方法とすることで、所望の状態を有する欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を容易に製造可能な装置となる。
Further, in the silicon single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method of the present invention, the temperature history is measured in the pulling axis direction near the solid-liquid interface with the pulling speed V when the silicon single crystal is pulled using the single crystal pulling apparatus. The V / G value, which is the ratio with the crystal temperature gradient G, can be made the same as when it is in a predetermined range.
By using such a silicon single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method, an apparatus capable of easily manufacturing a silicon single crystal having a defect region having a desired state or a desired defect-free region is obtained.

また、本発明のシリコン単結晶の製造装置および製造方法では、熱処理炉が、前記シリコン単結晶をスライスして得られたシリコン単結晶インゴットを載置する支持部を有し、この支持部に載置した単結晶インゴットに熱処理を行うものとすることができる。
このようなシリコン単結晶の製造装置および製造方法とすることで、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶インゴットを容易に製造できる。また、熱処理工程における温度制御がより一層容易となる。さらに、熱処理炉には引き上げに必要な磁場印加装置、炉内圧、熱輻射等を制御する大型の部分がなくてもよいので、熱処理炉としては引き上げ装置に比べて装置の小型化が可能となる。
In the silicon single crystal manufacturing apparatus and method of the present invention, the heat treatment furnace has a support portion on which the silicon single crystal ingot obtained by slicing the silicon single crystal is placed, and is mounted on the support portion. The placed single crystal ingot can be heat treated.
By using such a silicon single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method, a silicon single crystal ingot having a desired defect region or a desired defect-free region can be easily manufactured. Moreover, temperature control in the heat treatment process is further facilitated. Furthermore, since the heat treatment furnace does not have to have a large portion for controlling the magnetic field application device, furnace pressure, thermal radiation, etc. necessary for pulling up, the heat treatment furnace can be downsized compared to the pulling device. .

また、本発明のシリコン単結晶の製造方法では、前記シリコン単結晶を降温する速度および温度勾配を、引き上げ時の速度をV、固液界面付近の温度勾配をGとしたとき、V/G値に対応する値を0.18〜0.24mm/(min℃)とすることができる。
このようなシリコン単結晶の製造方法とすることで、シリコン単結晶を空孔起因の欠陥および格子間シリコン起因の欠陥のない状態とすることができる。
Further, in the method for producing a silicon single crystal according to the present invention, when the speed and temperature gradient for lowering the silicon single crystal are V, the pulling speed is V, and the temperature gradient near the solid-liquid interface is G, the V / G value. Can be set to 0.18 to 0.24 mm 2 / (min ° C.).
By adopting such a silicon single crystal manufacturing method, the silicon single crystal can be brought into a state free from defects due to vacancies and defects due to interstitial silicon.

本発明によれば、所望のGrown−in欠陥状態を有する半導体単結晶を容易に歩留まりよく製造できる。     According to the present invention, a semiconductor single crystal having a desired Grown-in defect state can be easily manufactured with a high yield.

以下、図面を参照して本発明の第一実施形態による半導体単結晶の製造装置および製造方法について詳細に説明する。図1は、本発明において使用するシリコン単結晶引上げ装置の一例を示した概略断面図である。
図1において符号4はルツボを示している。ルツボ4は、有底円筒状の石英製の内層保持容器4aと、内層保持容器4aの外側に嵌合された同じく有底円筒状の黒鉛製の外層保持容器4bとから構成されている。ルツボ4は、所定の速度で回転する支持軸7に支持されている。ルツボ4の外側には、ヒータ6が同心円筒状に配設されている。ルツボ4内には、ヒータ6により溶融されたシリコン融液5が充填されており、ルツボ4の中心軸には引き上げ棒あるいはワイヤー等からなる引き上げ軸3が配設されている。ルツボ4の上側には、ガス流れ整流筒9等が設けられ、ホットゾーンを形成している。この引き上げ軸3の先にはシ−ドチャック2および種結晶1aが取り付けられている。
Hereinafter, a semiconductor single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method according to a first embodiment of the present invention will be described in detail with reference to the drawings. FIG. 1 is a schematic sectional view showing an example of a silicon single crystal pulling apparatus used in the present invention.
In FIG. 1, reference numeral 4 denotes a crucible. The crucible 4 includes a bottomed cylindrical quartz inner layer holding container 4a and a similarly bottomed cylindrical graphite outer layer holding container 4b fitted to the outside of the inner layer holding container 4a. The crucible 4 is supported by a support shaft 7 that rotates at a predetermined speed. A heater 6 is disposed concentrically outside the crucible 4. The crucible 4 is filled with a silicon melt 5 melted by a heater 6, and a pulling shaft 3 made of a pulling rod or a wire is disposed on the central axis of the crucible 4. On the upper side of the crucible 4, a gas flow rectifying cylinder 9 and the like are provided to form a hot zone. A seed chuck 2 and a seed crystal 1a are attached to the tip of the pulling shaft 3.

図2は、本発明を構成する熱処理炉と制御手段の一例を示した概略断面図である。図2において符号10はシリコン単結晶インゴット17に熱処理を行うための熱処理炉を示し、符号11は熱処理炉10内の温度を制御する制御手段を示す。
熱処理炉10内には、制御手段11に配線15を介して接続された円筒状のヒータ(加熱手段)14が配置され、円筒状のヒータ14の中心部にはシリコン単結晶インゴット17が配置可能とされている。熱処理炉10内は、後述する加熱工程において、制御手段11により、シリコン単結晶インゴット17の温度が1320℃〜溶融温度未満の欠陥リセット温度(熱履歴リセット温度)に均一に保持されるように制御可能とされている。また、熱処理炉10内は、後述する温度制御工程において、所望のGrown−in欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶をシリコン融液から成長させる引き上げ時と等しい温度履歴をシリコン単結晶インゴット17に与えるように、熱処理時間に対する下が高く上が低い上下方向の温度勾配を形成するように制御可能とされている。
FIG. 2 is a schematic sectional view showing an example of a heat treatment furnace and control means constituting the present invention. In FIG. 2, reference numeral 10 denotes a heat treatment furnace for performing heat treatment on the silicon single crystal ingot 17, and reference numeral 11 denotes control means for controlling the temperature in the heat treatment furnace 10.
In the heat treatment furnace 10, a cylindrical heater (heating means) 14 connected to the control means 11 via the wiring 15 is disposed, and a silicon single crystal ingot 17 can be disposed in the center of the cylindrical heater 14. It is said that. The inside of the heat treatment furnace 10 is controlled by the control means 11 so that the temperature of the silicon single crystal ingot 17 is uniformly maintained at a defect reset temperature (heat history reset temperature) of 1320 ° C. to less than the melting temperature in the heating process described later. It is possible. Further, in the heat treatment furnace 10, a temperature history equal to that at the time of pulling up a silicon single crystal having a desired grown-in defect region or a desired defect-free region from a silicon melt is obtained in a temperature control step described later. As given to the ingot 17, it is possible to control so as to form a temperature gradient in the vertical direction that is high and low in the heat treatment time.

制御手段11は、シリコン単結晶インゴット17を1320℃〜シリコン融点温度未満の欠陥リセット温度となるように熱処理炉10を制御する第1制御(熱履歴リセット制御)と、第1制御後に、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶をシリコン融液から成長させるときの温度履歴をシリコン単結晶インゴット17に与えるように、熱処理時間に対する熱処理炉10内の上下方向の温度勾配および降温速度を制御する第2制御(熱履歴再付与制御)とを行うものである。
制御手段11としては、その機能として、上記の第1制御と第2制御を実現するためのプログラムを、該制御手段に備わる記憶装置(メモリ)からロードしてCPU(中央処理装置)が実行することによりその機能が実現されるものとする。具体的には、例えば、単結晶引上げ装置を用いてシリコン単結晶を引き上げた場合のV/G値を制御する際に用いる従来の制御装置によって、ルツボ4等におけるシリコン融液5温度制御、および引き上げ速度やホットゾーンの温度状態の制御に対応した状態で、これら第1制御と第2制御をおこなう制御手段として使用することができる。
The control means 11 includes a first control (thermal history reset control) that controls the heat treatment furnace 10 so that the silicon single crystal ingot 17 has a defect reset temperature of 1320 ° C. to less than the silicon melting point temperature, and a desired control after the first control. The temperature gradient in the vertical direction and the temperature drop in the heat treatment furnace 10 with respect to the heat treatment time so as to give the silicon single crystal ingot 17 a temperature history when a silicon single crystal having a defect region or a desired defect-free region is grown from the silicon melt. The second control (heat history reapplying control) for controlling the speed is performed.
As a function of the control means 11, a program for realizing the first control and the second control is loaded from a storage device (memory) provided in the control means and executed by a CPU (central processing unit). It is assumed that this function is realized. Specifically, for example, the temperature of the silicon melt 5 in the crucible 4 or the like is controlled by a conventional control device used for controlling the V / G value when the silicon single crystal is pulled using a single crystal pulling device, and In a state corresponding to the control of the pulling speed and the temperature state of the hot zone, it can be used as a control means for performing the first control and the second control.

次に、本発明の第一実施形態のシリコン単結晶の製造方法について説明する。
(単結晶成長工程)
まず、図1に示す単結晶引上げ装置を用い、種結晶1aをルツボ4に収容されたシリコン融液5の表面に接触させて、支持軸7と同一軸心で同方向または逆方向に所定の速度で回転させながら、引き上げ軸3を引き上げていくことにより、シリコン融液が凝固して形成されるシリコン単結晶1を成長させる。
シリコン単結晶1を成長させる際には、まず、シリコン単結晶1を無転位化するためにシ−ドしぼりを行なってネック部1bを形成し、その後ボディとして必要な直径を得るためにショルダ−1cを育成する。シリコン単結晶1が求める直径になったところで肩変えを行ない、直径が一定状態の直胴部1dを育成する。直胴部1dを求める長さまで育成した後、さらに直胴部1d中を無転位の状態で融液から切り離すためにテイルしぼりを行なう。そして、融液からシリコン単結晶1が離れたら、所定の条件でシリコン単結晶1を炉外に取り出し、冷却する。冷却後、シリコン単結晶1をスライスしてシリコン単結晶インゴット17とする。
このとき、シリコン単結晶1の引き上げ速度としては、単結晶状態が維持できてかつ所望の径寸法が維持できる最も速い引き上げ速度とすることができ、Grown−in欠陥を考慮した引き上げ速度に制約されることがない。
Next, a method for manufacturing a silicon single crystal according to the first embodiment of the present invention will be described.
(Single crystal growth process)
First, the seed crystal 1a is brought into contact with the surface of the silicon melt 5 accommodated in the crucible 4 using the single crystal pulling apparatus shown in FIG. The silicon single crystal 1 formed by solidifying the silicon melt is grown by pulling up the pulling shaft 3 while rotating at a speed.
When the silicon single crystal 1 is grown, first, seeding is performed to make the silicon single crystal 1 dislocation-free to form the neck portion 1b, and then a shoulder is used to obtain a necessary diameter as a body. Grow 1c. When the silicon single crystal 1 reaches the required diameter, the shoulder is changed to grow the straight body 1d having a constant diameter. After growing up to the required length of the straight body portion 1d, tail squeezing is performed to separate the inside of the straight body portion 1d from the melt in a dislocation-free state. When the silicon single crystal 1 is separated from the melt, the silicon single crystal 1 is taken out of the furnace under a predetermined condition and cooled. After cooling, the silicon single crystal 1 is sliced into a silicon single crystal ingot 17.
At this time, the pulling speed of the silicon single crystal 1 can be the fastest pulling speed at which the single crystal state can be maintained and the desired diameter can be maintained, and is limited by the pulling speed in consideration of Grown-in defects. There is nothing to do.

ここでのシリコン単結晶インゴット17の大きさは、直径が110〜460mm程度、厚み(高さ)が500mm以下とされ、この上限値を超えると熱処理炉が大型になるので好ましくない。
径の大きいインゴット17の場合、後述の熱処理工程においてインゴット17の径方向に温度分布が出来やすくなり、狙いの降温速度の速い場合、その温度分布の均一化が難しいため、好ましくない。より詳細には、径が大きく、降温速度が速いと、結晶内部が高温のまま取り残されやすくなり、径方向に温度分布が出やすくなる。温度分布の均一化を達成するためには、インゴットをゆっくり冷やす必要があり、インゴットの降温速度を低速にせざるを得なくなり生産性が低下する。そのため、Φ300mm結晶インゴットにおいては300mm以下、Φ200結晶インゴットにおいては400mm以下にするのがより好ましい。
The size of the silicon single crystal ingot 17 here is about 110 to 460 mm in diameter and 500 mm or less in thickness (height). If this upper limit is exceeded, the heat treatment furnace becomes large, which is not preferable.
In the case of the ingot 17 having a large diameter, a temperature distribution is easily formed in the radial direction of the ingot 17 in a heat treatment process described later, and when the target temperature drop rate is fast, it is difficult to make the temperature distribution uniform, which is not preferable. More specifically, when the diameter is large and the temperature decreasing rate is high, the inside of the crystal is easily left at a high temperature, and the temperature distribution is likely to be generated in the radial direction. In order to achieve a uniform temperature distribution, it is necessary to cool the ingot slowly, and the temperature drop rate of the ingot must be reduced, resulting in lower productivity. Therefore, it is more preferable that the diameter is 300 mm or less for a Φ300 mm crystal ingot and 400 mm or less for a Φ200 crystal ingot.

(熱処理工程)
次に、図2に示す熱処理炉と制御手段とを用いて、単結晶成長工程において形成されたシリコン単結晶インゴット17中のGrown−in欠陥分布状態のコントロールをおこなうための熱履歴をリセット及び再付与するための制御を行うための熱処理工程を行う。
まず、図2に示すように、シリコン単結晶インゴット17をヒータ14の中心位置に結晶成長軸が熱処理炉10の中心軸方向(上下方向)となるとともにヒータ14の中心軸と同位置となるように載置し、制御手段11によってヒータ14を制御する(第1制御)ことにより、熱処理炉10の内部がシリコン融点温度程度となるようにするとともに、シリコン単結晶インゴット17の温度が1320℃〜溶融温度未満の欠陥リセット温度となるように加熱させる(リセット加熱工程)。このリセット加熱工程により、引き上げ工程においてインゴット17に与えられている熱履歴をリセットして、これにより、シリコン単結晶インゴット17に内在している酸素析出物やボイド等の二次欠陥(Grown-in欠陥)が消去される。続いて、制御手段11により、ヒータ14を制御して熱処理時間に対する熱処理炉10内の上下方向の温度勾配と降温速度を制御する(第2制御)して、ヒータ(熱処理再付与手段)14内に上下方向上側が低くなるように所定の温度勾配を形成するとともに、形成した温度勾配を維持した状態でインゴット17を降温することにより、加熱工程後のシリコン単結晶インゴット17に、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を前記シリコン融液から成長させる際の熱履歴と等しい状態の熱履歴を再付与する(熱履歴再付与工程)。
(Heat treatment process)
Next, using the heat treatment furnace and the control means shown in FIG. 2, the thermal history for controlling the grown-in defect distribution state in the silicon single crystal ingot 17 formed in the single crystal growth step is reset and regenerated. A heat treatment step for performing control for imparting is performed.
First, as shown in FIG. 2, the silicon single crystal ingot 17 is placed at the center position of the heater 14 so that the crystal growth axis is in the center axis direction (vertical direction) of the heat treatment furnace 10 and at the same position as the center axis of the heater 14. And the control means 11 controls the heater 14 (first control) so that the inside of the heat treatment furnace 10 becomes about the silicon melting point temperature, and the temperature of the silicon single crystal ingot 17 is 1320 ° C. Heating is performed so that the defect reset temperature is lower than the melting temperature (reset heating step). By this reset heating process, the thermal history applied to the ingot 17 in the pulling process is reset, whereby secondary defects (Grown-in such as oxygen precipitates and voids existing in the silicon single crystal ingot 17 are reset. Defect) is erased. Subsequently, the control means 11 controls the heater 14 to control the temperature gradient and the temperature drop rate in the vertical direction in the heat treatment furnace 10 with respect to the heat treatment time (second control), and in the heater (heat treatment reapplying means) 14. A predetermined temperature gradient is formed so that the upper side in the vertical direction becomes lower, and the ingot 17 is cooled in a state in which the formed temperature gradient is maintained, whereby a desired defect region is formed in the silicon single crystal ingot 17 after the heating process. Alternatively, a thermal history in a state equal to the thermal history when a silicon single crystal having a desired defect-free region is grown from the silicon melt is reapplied (thermal history reapplying step).

ここで、例えば、シリコン単結晶インゴット17を無欠陥化する場合、温度制御工程における温度履歴が、単結晶引上げ装置を用いてシリコン単結晶を引き上げた場合の引上げ速度Vと固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Gとの比であるV/G値を0.18〜0.24mm/(min℃)とした場合と同じとなるように、制御手段11により第2制御を行う。このことにより、シリコン単結晶インゴット17は、熱処理炉10内での温度制御工程において、格子間Si濃度と空孔濃度がほぼ等しくなるように調整され、無欠陥化される。 Here, for example, when the silicon single crystal ingot 17 is made defect-free, the temperature history in the temperature control step is the pulling speed V when pulling up the silicon single crystal using the single crystal pulling device and pulling up near the solid-liquid interface. The second control is performed by the control means 11 so that the V / G value, which is the ratio with the crystal temperature gradient G in the axial direction, is the same as when the value is 0.18 to 0.24 mm 2 / (min ° C.). As a result, the silicon single crystal ingot 17 is adjusted so that the interstitial Si concentration and the vacancy concentration are substantially equal in the temperature control step in the heat treatment furnace 10, thereby eliminating defects.

また、例えば、ボイド欠陥を有するシリコン単結晶インゴット17の場合、温度制御工程における温度履歴が、単結晶引上げ装置を用いてシリコン単結晶を引き上げた場合の引上げ速度Vと固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Gとの比であるV/G値が0.24mm/(min℃)を超える場合と同じとなるように、制御手段11により第2制御を行う。このことにより、シリコン単結晶インゴット17は、熱処理炉10内での温度制御工程において、空孔濃度よりも格子間Si濃度が低くなるように調整され、ボイド欠陥を有するものとされる。 Further, for example, in the case of the silicon single crystal ingot 17 having void defects, the temperature history in the temperature control step is the pulling speed V when the silicon single crystal is pulled using a single crystal pulling device and the pulling axis near the solid-liquid interface. The second control is performed by the control means 11 so that the V / G value, which is the ratio with the crystal temperature gradient G in the direction, exceeds 0.24 mm 2 / (min ° C.). Thus, the silicon single crystal ingot 17 is adjusted so that the interstitial Si concentration is lower than the vacancy concentration in the temperature control step in the heat treatment furnace 10 and has void defects.

また、例えば、格子間Si欠陥を有するシリコン単結晶インゴット17の場合、温度制御工程における温度履歴が、単結晶引上げ装置を用いてシリコン単結晶を引き上げた場合の引上げ速度Vと固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Gとの比であるV/G値が0.18未満mm/(min℃)である場合と同じとなるように、制御手段11により第2制御を行う。このことにより、シリコン単結晶インゴット17は、熱処理炉10内での温度制御工程において、空孔濃度よりも格子間Si濃度が高くなるように調整され、格子間Si欠陥を有するものとされる。 Further, for example, in the case of the silicon single crystal ingot 17 having interstitial Si defects, the temperature history in the temperature control step is the pulling speed V when the silicon single crystal is pulled using a single crystal pulling device and the vicinity of the solid-liquid interface. The second control is performed by the control means 11 so that the V / G value, which is the ratio to the crystal temperature gradient G in the pulling axis direction, is the same as when V / G is less than 0.18 mm 2 / (min ° C.). Thus, the silicon single crystal ingot 17 is adjusted so that the interstitial Si concentration is higher than the vacancy concentration in the temperature control step in the heat treatment furnace 10, and has an interstitial Si defect.

このようにして得られたシリコン単結晶インゴット17は、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するものであり、これを加工することにより、種々のデバイスの基板材料として用いられるウゥーハを得ることができる。
なお、上記のように、本発明の熱処理前段階としての引き上げ工程において、シリコン単結晶1の引き上げ速度としては、単結晶状態が維持できてかつ所望の径寸法が維持できる最も速い引き上げ速度とすることができ、Grown−in欠陥を考慮した引き上げ速度に制約されることがなく、また、熱履歴リセット及び熱履歴再付与工程においては、単結晶径寸法あるいは引き上げ炉内に形成される温度勾配等に制約されることがなく、それぞれ単結晶外形形成とGrown−in欠陥分布とを別々の工程で制御することが可能となるため、従来の引き上げ時にこれら2つのファクターを同時に制御する製法に比べて、結晶欠陥状態および外形の制御を容易におこなうことができる。さらに、ヒータ14の出力を制御手段11によって制御するだけでよく、インゴット17の移動速度等のパラメータを制御する必要がないため、容易に所望の温度状態(熱履歴リセット温度、温度勾配、降温速度)を実現することが可能となる。したがって、これまで、制御することが難しかったGrown−in欠陥フリーの単結晶等を容易に製造することが可能となり、所望の単結晶を歩留まりよく製造することが可能となる。
また、本実施形態においては、ヒータ14を上下方向に軸線を有する円筒形としたため上下方向に温度勾配を形成したが、これに限るものではなく、任意の方向に降温する温度勾配を形成して熱履歴をリセットおよび、再付与することも可能である。
The silicon single crystal ingot 17 obtained in this way has a desired defect region or a desired defect-free region. By processing this, a woofer used as a substrate material for various devices can be obtained. Can do.
As described above, in the pulling process as the pre-heat treatment stage of the present invention, the pulling speed of the silicon single crystal 1 is the fastest pulling speed at which the single crystal state can be maintained and the desired diameter can be maintained. In the thermal history reset and thermal history re-applying process, the single crystal diameter or the temperature gradient formed in the pulling furnace is not limited. Therefore, it is possible to control the single crystal outer shape formation and the grown-in defect distribution in separate processes, respectively, so that compared with the conventional manufacturing method in which these two factors are simultaneously controlled at the time of pulling up. The crystal defect state and the outer shape can be easily controlled. Furthermore, since it is only necessary to control the output of the heater 14 by the control means 11 and it is not necessary to control parameters such as the moving speed of the ingot 17, the desired temperature state (thermal history reset temperature, temperature gradient, temperature drop rate) can be easily obtained. ) Can be realized. Therefore, it is possible to easily produce a grown-in defect-free single crystal that has been difficult to control until now, and to produce a desired single crystal with a high yield.
In this embodiment, the heater 14 has a cylindrical shape having an axis in the vertical direction, and thus a temperature gradient is formed in the vertical direction. However, the present invention is not limited to this, and a temperature gradient that drops in any direction is formed. It is also possible to reset and re-apply the thermal history.

次に、本発明の第二実施形態による単結晶単結晶の製造装置および製造方法について説明する。第二実施形態においては、第一実施形態と同様に、図1に示す単結晶引上げ装置を用いることができる。図3は、本発明を構成する熱処理炉の他の例を示した概略断面図である。なお、第二実施形態において、第一実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図3に示す熱処理炉と制御手段とが図2と異なるのは、熱処理炉10内に、制御手段11に配線13を介して接続され、シリコン単結晶インゴット17を上方から加熱するヒータ18と、制御手段11に配線13を介して接続され、シリコン単結晶インゴット17を下方から加熱するヒータ19とが配置されている点である。
Next, a single crystal single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method according to a second embodiment of the present invention will be described. In the second embodiment, the single crystal pulling apparatus shown in FIG. 1 can be used as in the first embodiment. FIG. 3 is a schematic sectional view showing another example of a heat treatment furnace constituting the present invention. In the second embodiment, description of the same parts as those in the first embodiment will be omitted, and only different parts will be described.
The heat treatment furnace and the control means shown in FIG. 3 are different from those in FIG. 2 in that the heater 18 is connected to the control means 11 via the wiring 13 in the heat treatment furnace 10 and heats the silicon single crystal ingot 17 from above. A heater 19 connected to the control means 11 via the wiring 13 and for heating the silicon single crystal ingot 17 from below is disposed.

次に、本発明の第二実施形態のシリコン単結晶の製造方法について説明する。
本発明の第二実施形態においては、加熱工程は、図3に示すように、シリコン単結晶インゴット17をヒータ14の中心部に載置し、制御手段11によって、ヒータ14、18、19を制御する(第1制御)ことにより、シリコン単結晶インゴット17を側面、上面、下面から加熱させて、シリコン単結晶インゴット17の温度が1350℃〜溶融温度未満の欠陥リセット温度となるようにする。続いて、制御手段11により、ヒータ14、18、19を制御して熱処温度に対する熱処理炉10内の上下方向の温度勾配および降温速度をより精密に制御する(第2制御)ことにより、リセット加熱工程後のシリコン単結晶インゴット17に、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶を前記シリコン融液から成長させる熱履歴と等しい熱履歴を与え(熱履歴再付与工程)、所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶インゴット17を製造する。
Next, a method for manufacturing a silicon single crystal according to the second embodiment of the present invention will be described.
In the second embodiment of the present invention, in the heating step, as shown in FIG. 3, the silicon single crystal ingot 17 is placed at the center of the heater 14, and the heaters 14, 18, 19 are controlled by the control means 11. By doing (first control), the silicon single crystal ingot 17 is heated from the side surface, the upper surface, and the lower surface so that the temperature of the silicon single crystal ingot 17 becomes a defect reset temperature of 1350 ° C. to less than the melting temperature. Subsequently, the control means 11 controls the heaters 14, 18, 19 to control the temperature gradient in the vertical direction in the heat treatment furnace 10 with respect to the heat treatment temperature and the temperature drop rate more precisely (second control), thereby resetting. A thermal history equal to a thermal history for growing a silicon single crystal having a desired defect region or a desired defect-free region from the silicon melt is given to the silicon single crystal ingot 17 after the heating step (thermal history reapplying step), A silicon single crystal ingot 17 having a desired defect region or a desired defect-free region is manufactured.

なお、上述した実施形態においては、熱処理炉10内は、下が高く上が低い上下方向の温度勾配を形成するように制御可能とされているものとしたが、上が高く下が低い上下方向の温度勾配を形成するように制御可能とされているものとしてもよい。この場合、温度制御が容易となる。さらに、熱処理炉10内は、左右方向の温度勾配を形成するように制御可能とされているものとしてもよく、熱処理炉10内での温度勾配の方向は特に限定されない。
また、ヒータ12,18、19は、それぞれ一体であるように図示したが、これらは、より精密な温度状態制御を実現可能とするために複数に分割されてそれぞれが制御手段11により出力制御可能なものとすることも可能である。
In the embodiment described above, the inside of the heat treatment furnace 10 can be controlled so as to form a temperature gradient in the vertical direction where the bottom is high and the top is low, but the vertical direction where the top is high and the bottom is low. The temperature gradient may be controlled so as to form the following temperature gradient. In this case, temperature control becomes easy. Further, the inside of the heat treatment furnace 10 may be controlled so as to form a temperature gradient in the left-right direction, and the direction of the temperature gradient in the heat treatment furnace 10 is not particularly limited.
Further, the heaters 12, 18, and 19 are illustrated as being integral with each other, but these are divided into a plurality of parts so that more precise temperature state control can be realized, and each can be output-controlled by the control means 11. It is also possible to make it.

さらに、本実施形態のように、インゴット17を上下左右全体から包み込むようにヒータ(加熱手段)14,18,19を設け、これらを制御して、インゴット17の径方向に温度勾配を形成することで、引き上げ時の温度勾配、降温速度等とは異なる熱処理として熱履歴を再付与することが可能となる。あるいは、ネック部1bとボトムを切断しない状態で径寸法と同程度の直胴部1cを形成した単結晶のように、なるべく球に近い形状のように径寸法と軸寸法を設定する、すなわち、比表面積が小さく、熱放射が全表面で等しい形に近い形状として、これを上記の熱処理炉10内部に位置し、この球形に近い単結晶を、炉内がほぼ均一な温度状態として降温することにより、単結晶中心部から表面へ放射状の温度勾配を形成して熱履歴を再付与することが可能となる。
また、熱処理炉と制御手段とは、上述した実施形態に示すように、別体とすることができるが、熱処理炉と制御手段とは一体化されていてもよい。
Further, as in the present embodiment, heaters (heating means) 14, 18, and 19 are provided so as to wrap the ingot 17 from the entire top, bottom, left and right, and these are controlled to form a temperature gradient in the radial direction of the ingot 17. Thus, it is possible to re-apply the thermal history as a heat treatment different from the temperature gradient at the time of pulling up, the temperature lowering rate, and the like. Alternatively, the diameter dimension and the axial dimension are set so as to be as close to a sphere as possible, like a single crystal in which the straight body part 1c of the same size as the diameter dimension is formed without cutting the neck part 1b and the bottom, that is, A shape having a small specific surface area and a shape close to the same shape of heat radiation on the entire surface is located inside the heat treatment furnace 10 and the single crystal close to the spherical shape is cooled in a substantially uniform temperature state in the furnace. Thus, it is possible to form a radial temperature gradient from the center of the single crystal to the surface and reapply the thermal history.
Further, as shown in the above-described embodiment, the heat treatment furnace and the control means can be separated, but the heat treatment furnace and the control means may be integrated.

次に、本発明の第三実施形態による半導体単結晶の製造装置および製造方法について説明する。図5,6は、本発明を構成する熱処理炉の他の例を示した概略断面図である。なお、本実施形態において、第一、第二実施形態と同一の部分については説明を省略し、異なる部分のみ説明する。
図5に示す熱処理炉が図2に示す熱処理炉と異なるのは、熱処理炉10に支持手段16が設けられ、支持軸に支持された複数の載置皿16a、16cを備え、複数のシリコン単結晶インゴット17を同時に支持するものである点である。載置皿16cは、支持体16dにより載置皿16aに固定されている。載置皿16aと載置皿16cとは、それぞれ上下方向に異なる位置として、かつ、それぞれの載置皿16a、16cに載置されたシリコン単結晶インゴット17、17がシリコン単結晶インゴット17の径方向に対して同位置となるように設けられている。
Next, a semiconductor single crystal manufacturing apparatus and manufacturing method according to a third embodiment of the present invention will be described. 5 and 6 are schematic sectional views showing other examples of the heat treatment furnace constituting the present invention. In addition, in this embodiment, description is abbreviate | omitted about the part same as 1st, 2nd embodiment, and only a different part is demonstrated.
The heat treatment furnace shown in FIG. 5 is different from the heat treatment furnace shown in FIG. 2 in that a support means 16 is provided in the heat treatment furnace 10 and a plurality of mounting plates 16a and 16c supported by a support shaft. The crystal ingot 17 is supported at the same time. The mounting tray 16c is fixed to the mounting tray 16a by a support 16d. The mounting tray 16a and the mounting tray 16c are positioned at different positions in the vertical direction, and the silicon single crystal ingots 17 and 17 mounted on the mounting trays 16a and 16c are the diameters of the silicon single crystal ingot 17, respectively. It is provided so that it may become the same position with respect to a direction.

図5に示す熱処理炉10において、シリコン単結晶インゴット17、17は、支持手段16により、加熱手段12内で複数のシリコン単結晶インゴット17、17の中心とヒータ14の中心とをシリコン単結晶インゴット17の径方向に対して同位置とした状態で支持されるとともに、シリコン単結晶インゴット17、17の中心とヒータ14の中心とを同じとした状態で、熱処理炉10内を上下方向に昇降可能とされている。
これにより、複数のインゴット17を同時に処理可能となるとともに、インゴット17が上下方向、すなわち温度勾配の方向に熱処理炉10内において移動可能となるため、ヒータ14,18,19による温度勾配・降温速度の制御に加えて、支持手段16の上下移動によって、インゴット17の温度状態制御をより精密におこなうことが可能となる。
また、インゴット17を回転させながら前記熱処理させることは温度分布の周方向の均一化が図られ好ましい。
In the heat treatment furnace 10 shown in FIG. 5, the silicon single crystal ingots 17 and 17 are supported by the supporting means 16 so that the center of the plurality of silicon single crystal ingots 17 and 17 and the center of the heater 14 are centered within the heating means 12. 17 is supported in the same position with respect to the radial direction of 17 and can be moved up and down in the heat treatment furnace 10 with the center of the silicon single crystal ingots 17 and 17 and the center of the heater 14 being the same. It is said that.
As a result, a plurality of ingots 17 can be processed simultaneously, and the ingot 17 can be moved in the heat treatment furnace 10 in the vertical direction, that is, in the direction of the temperature gradient. In addition to the above control, the temperature state of the ingot 17 can be more precisely controlled by the vertical movement of the support means 16.
Further, the heat treatment while rotating the ingot 17 is preferable because the temperature distribution is made uniform in the circumferential direction.

さらに、図6に示す熱処理炉が図2に示す熱処理炉と異なるのは、熱処理炉10に支持手段16が設けられ、支持軸に支持された複数の載置皿16aを備え、複数のシリコン単結晶インゴット17を同時に支持するものである点である。載置皿16aには、それぞれ左右方向に異なる位置としてかつシリコン単結晶インゴット17、17がヒータ14の中心軸に対して対象な位置となるように載置されている。
図6に示す熱処理炉10において、シリコン単結晶インゴット17、17は、支持手段16により、加熱手段12の中心軸に対称な位置に複数のシリコン単結晶インゴット17、17支持されるとともに、載置皿16aが熱処理炉10内を上下方向に昇降可能とされている。
これにより、複数のインゴット17を同時に処理可能となるとともに、インゴット17が上下方向、すなわち温度勾配の方向に熱処理炉10内において移動可能となるため、ヒータ14,18,19による温度勾配・降温速度の制御に加えて、支持手段16の上下移動によって、インゴット17の温度状態制御をより精密におこなうことが可能となる。
Further, the heat treatment furnace shown in FIG. 6 is different from the heat treatment furnace shown in FIG. 2 in that the heat treatment furnace 10 is provided with support means 16 and includes a plurality of mounting dishes 16a supported by a support shaft, and a plurality of silicon single pieces. The crystal ingot 17 is supported at the same time. On the mounting tray 16 a, the silicon single crystal ingots 17 and 17 are placed at different positions in the left-right direction so as to be a target position with respect to the central axis of the heater 14.
In the heat treatment furnace 10 shown in FIG. 6, the silicon single crystal ingots 17 and 17 are supported by the support means 16 at positions symmetrical to the central axis of the heating means 12 and mounted. The dish 16a can be moved up and down in the heat treatment furnace 10 in the vertical direction.
As a result, a plurality of ingots 17 can be processed simultaneously, and the ingot 17 can be moved in the heat treatment furnace 10 in the vertical direction, that is, in the direction of the temperature gradient. In addition to the above control, the temperature state of the ingot 17 can be more precisely controlled by the vertical movement of the support means 16.

(実験例1)
(単結晶成長工程)
まず、図1に示す単結晶引上げ装置を用い、種結晶1aをルツボ4に収容されたシリコン融液5の表面に接触させて、支持軸7と同一軸心で所定の速度で回転させながら、引き上げ軸3を引き上げていくことによりシリコン単結晶を成長させた。
このときの、引き上げ条件は、引き上げ速度1.0mm/min、引き上げ径寸法213mm、直胴部長さ1000mm、V/Gの値0.33mm/℃minとされている。
その後、得られたシリコン単結晶をスライスしてΦ210mm×100mmのシリコン単結晶インゴットとした。シリコン単結晶インゴットと同じシリコン単結晶をスライスすることにより得られたサンプルのFDPを以下に示す方法により調べた。すなわち、サンプルをフッ硝酸液で表面を侵食させてミラー状にした後、セコエッチング液(純水+フッ酸+重クロム酸カリウムの配合液)中に垂直に無攪拌で浸し、光学顕微鏡で観察する方法によって検出した。その結果、FDPが検出された。
(Experimental example 1)
(Single crystal growth process)
First, using the single crystal pulling apparatus shown in FIG. 1, the seed crystal 1a is brought into contact with the surface of the silicon melt 5 accommodated in the crucible 4 and rotated at a predetermined speed on the same axis as the support shaft 7, A silicon single crystal was grown by pulling up the pulling shaft 3.
The pulling conditions at this time are a pulling speed of 1.0 mm / min, a pulling diameter of 213 mm, a straight body length of 1000 mm, and a V / G value of 0.33 mm 2 / ° C. min.
Thereafter, the obtained silicon single crystal was sliced to obtain a silicon single crystal ingot of Φ210 mm × 100 mm. The FDP of a sample obtained by slicing the same silicon single crystal as the silicon single crystal ingot was examined by the following method. That is, the surface of the sample was eroded with a fluorinated nitric acid solution to form a mirror, and then immersed in a Secco etching solution (pure water + hydrofluoric acid + potassium dichromate solution) vertically without stirring and observed with an optical microscope. Detected by the method. As a result, FDP was detected.

(熱処理工程)
次に、図2に示す熱処理炉と制御手段を用いて、シリコン単結晶インゴット中の欠陥の制御を行うための熱処理工程を行った。まず、シリコン単結晶インゴットを熱処理炉10内のヒータ14の中心部に載置し、制御手段11によってヒータ14を制御する(第1制御)ことにより1,400℃、5時間の欠陥リセット温度に加熱した(加熱工程)。その後、制御手段11によりヒータ14を制御(第2制御)して、熱処理時間に対する熱処理炉10内の上下方向の温度勾配により、シリコン単結晶インゴット内部の上下方向に2℃/mmの温度勾配が形成され、表1に示す上昇速度(mm/min)で500℃以下になるまで上方へと移動させたときの温度履歴を加熱工程後のシリコン単結晶インゴットに与え(温度制御工程)た。その後、シリコン単結晶インゴット17を熱処理炉10から取出し、評価した。その結果を表1に示す。
(Heat treatment process)
Next, a heat treatment step for controlling defects in the silicon single crystal ingot was performed using the heat treatment furnace and the control means shown in FIG. First, a silicon single crystal ingot is placed at the center of the heater 14 in the heat treatment furnace 10, and the heater 14 is controlled by the control means 11 (first control), so that the defect reset temperature is 1,400 ° C. for 5 hours. Heated (heating step). Thereafter, the heater 14 is controlled by the control means 11 (second control), and the temperature gradient of 2 ° C./mm in the vertical direction inside the silicon single crystal ingot is caused by the temperature gradient in the vertical direction in the heat treatment furnace 10 with respect to the heat treatment time. The temperature history of the formed silicon single crystal ingot after the heating step was given to the silicon single crystal ingot after the heating step (temperature control step) at a rising speed (mm / min) shown in Table 1 until it reached 500 ° C. or lower. Thereafter, the silicon single crystal ingot 17 was taken out of the heat treatment furnace 10 and evaluated. The results are shown in Table 1.

Figure 2007284324
Figure 2007284324

(実験例2)
(単結晶成長工程)
まず、図1に示す単結晶引上げ装置を用い、種結晶1aをルツボ4に収容されたシリコン融液5の表面に接触させて、支持軸7と同一軸心で所定の速度で回転させながら、引き上げ軸3を引き上げていくことによりシリコン単結晶を成長させた。
このときの、引き上げ条件は、引き上げ速度0.3mm/min、引き上げ径寸法213mm、直胴部長さ1000mm、V/Gの値0.10mm/℃minとされている。
その後、得られたシリコン単結晶をスライスしてΦ210mm×100mmのシリコン単結晶インゴットとした。シリコン単結晶インゴットと同じシリコン単結晶をスライスすることにより得られたサンプルの格子間Si欠陥を実験例1におけるFDPの検出方法と同様の方法により調べた。その結果、格子間Si欠陥が検出された。
(熱処理工程)
次に、実験例1と同様にして熱処理工程を行った。その結果を表1に示す実験例1と同じ結果となった。
(Experimental example 2)
(Single crystal growth process)
First, using the single crystal pulling apparatus shown in FIG. 1, the seed crystal 1a is brought into contact with the surface of the silicon melt 5 accommodated in the crucible 4 and rotated at a predetermined speed on the same axis as the support shaft 7, A silicon single crystal was grown by pulling up the pulling shaft 3.
The pulling conditions at this time are a pulling speed of 0.3 mm / min, a pulling diameter of 213 mm, a straight body length of 1000 mm, and a V / G value of 0.10 mm 2 / ° C. min.
Thereafter, the obtained silicon single crystal was sliced to obtain a silicon single crystal ingot of Φ210 mm × 100 mm. The interstitial Si defects of the sample obtained by slicing the same silicon single crystal as the silicon single crystal ingot were examined by the same method as the FDP detection method in Experimental Example 1. As a result, interstitial Si defects were detected.
(Heat treatment process)
Next, a heat treatment step was performed in the same manner as in Experimental Example 1. The result was the same as Experimental Example 1 shown in Table 1.

表1に示すように、上昇速度が0.3(mm/min)以下の場合には格子間Si欠陥、上昇速度が0.4(mm/min)の場合には無欠陥、上昇速度が0.5(mm/min)以上の場合には、ボイド欠陥を有するものが得られた。このことより、FDPが検出されたシリコン単結晶から得られたシリコン単結晶インゴットであっても、格子間Si欠陥が検出されたシリコン単結晶から得られたシリコン単結晶インゴットであっても同様に、本発明の熱処理工程を行うことにより所望の欠陥領域あるいは所望の無欠陥領域を有するシリコン単結晶インゴットが製造できることが確認できた。   As shown in Table 1, when the ascent rate is 0.3 (mm / min) or less, there are interstitial Si defects, and when the ascent rate is 0.4 (mm / min), there are no defects and the ascent rate is 0. In the case of .5 (mm / min) or more, one having a void defect was obtained. Accordingly, even a silicon single crystal ingot obtained from a silicon single crystal in which FDP is detected or a silicon single crystal ingot obtained from a silicon single crystal in which interstitial Si defects are detected is similarly applied. It was confirmed that a silicon single crystal ingot having a desired defect region or a desired defect-free region can be produced by performing the heat treatment step of the present invention.

本発明において使用する単結晶引上げ装置の一例を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed an example of the single crystal pulling apparatus used in this invention. 本発明を構成する熱処理炉の一例を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed an example of the heat processing furnace which comprises this invention. 本発明を構成する熱処理炉の他の例を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed the other example of the heat processing furnace which comprises this invention. 引上げ速度を徐々に低下させながら成長させた単結晶の縦断面における欠陥分布図である。It is a defect distribution map in the longitudinal section of a single crystal grown while gradually reducing the pulling rate. 本発明を構成する熱処理炉の別の例を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed another example of the heat processing furnace which comprises this invention. 本発明を構成する熱処理炉の別の例を示した概略断面図である。It is the schematic sectional drawing which showed another example of the heat processing furnace which comprises this invention.

符号の説明Explanation of symbols

1a:種結晶、2:シ−ドチャック、3:引き上げ軸、4:ルツボ、4a:内層保持容器、4b:外層保持容器、5:シリコン融液、6:ヒータ、7:支持軸、9:ガス流れ整流筒、10:熱処理炉、11:制御手段、13:配線、14:ヒータ、15:配線、17:シリコン単結晶インゴット、18:ヒータ、19:ヒータ。

1a: seed crystal, 2: seed chuck, 3: lifting shaft, 4: crucible, 4a: inner layer holding container, 4b: outer layer holding container, 5: silicon melt, 6: heater, 7: support shaft, 9: gas Flow rectifier, 10: heat treatment furnace, 11: control means, 13: wiring, 14: heater, 15: wiring, 17: silicon single crystal ingot, 18: heater, 19: heater.

Claims (14)

半導体単結晶内部におけるGrown−in欠陥制御をおこなうための半導体単結晶の製造装置であって、
前記単結晶内部におけるGrown−in欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するリセット加熱手段と、
前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Grown−in欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与する熱履歴再付与手段と、
を有することを特徴とする半導体単結晶の製造装置。
An apparatus for manufacturing a semiconductor single crystal for controlling a Grown-in defect inside a semiconductor single crystal,
Reset heating means for heating and maintaining the single crystal at a thermal history reset temperature for resetting a thermal history at the time of crystal production that affects a Grown-in defect state inside the single crystal;
A thermal history reapplying means for lowering the single crystal from the thermal history reset temperature and reapplying a thermal history that makes the grown-in defect state a desired state;
An apparatus for producing a semiconductor single crystal, comprising:
前記リセット加熱手段と前記熱履歴再付与手段とが同一の加熱手段とされ、
この加熱手段を制御して、前記熱履歴リセット温度から連続して前記半導体単結晶を降温させる際に、前記単結晶内部におけるGrown−in欠陥状態に影響を与える所望の熱履歴を再付与するように熱処理温度と降温速度を制御する制御手段が設けられてなることを特徴とする請求項1記載の半導体単結晶の製造装置。
The reset heating means and the heat history re-applying means are the same heating means,
When the semiconductor single crystal is continuously cooled from the thermal history reset temperature by controlling this heating means, a desired thermal history that affects the grown-in defect state inside the single crystal is reapplied. 2. The apparatus for producing a semiconductor single crystal according to claim 1, further comprising control means for controlling a heat treatment temperature and a temperature lowering rate.
前記半導体単結晶中のGrown−in欠陥制御を行うための熱処理炉と、
前記熱処理炉を過熱する前記加熱手段と、
前記加熱手段により前記熱処理炉内の温度を制御する制御手段と、を備え、
前記制御手段は、前記単結晶内部におけるGrown−in欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するように前記熱処理炉内の温度を制御する熱履歴リセット制御と、
前記熱履歴リセット制御後に、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Grown−in欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記単結晶の温度勾配と降温速度とを制御する熱履歴再付与制御とを行うことを特徴とする請求項2記載の半導体単結晶の製造装置。
A heat treatment furnace for controlling Grown-in defects in the semiconductor single crystal;
The heating means for overheating the heat treatment furnace;
Control means for controlling the temperature in the heat treatment furnace by the heating means,
The control means controls the temperature in the heat treatment furnace so that the single crystal is heated and maintained at a thermal history reset temperature for resetting a thermal history at the time of crystal production that affects a grown-in defect state inside the single crystal. Heat history reset control,
After the thermal history reset control, the temperature gradient and rate of temperature decrease of the single crystal so that the single crystal is lowered from the thermal history reset temperature to re-apply the thermal history that makes the grown-in defect state a desired state. The apparatus for producing a semiconductor single crystal according to claim 2, wherein thermal history reapplying control is performed to control
前記半導体単結晶中のGrown−in欠陥に寄与する結晶状態制御を行うための熱処理炉と、
前記熱処理炉を過熱する前記加熱手段と、
前記加熱手段により前記熱処理炉内の温度を制御する制御手段とを備え、
前記制御手段は、前記単結晶内部におけるGrown−in欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するように前記熱処理炉の温度を制御する熱履歴リセット制御と、
前記熱履歴リセット制御後に、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Grown−in欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記熱処理炉内の第1方向の温度勾配と降温速度とを制御する熱履歴再付与制御とを行うことを特徴とする請求項2記載の半導体単結晶の製造装置。
A heat treatment furnace for controlling crystal state contributing to Grown-in defects in the semiconductor single crystal;
The heating means for overheating the heat treatment furnace;
Control means for controlling the temperature in the heat treatment furnace by the heating means,
The control means controls the temperature of the heat treatment furnace so that the single crystal is heated and maintained at a thermal history reset temperature for resetting a thermal history at the time of crystal production that affects a grown-in defect state inside the single crystal. Thermal history reset control,
After the thermal history reset control, the single crystal is lowered from the thermal history reset temperature to reapply a thermal history that makes the grown-in defect state a desired state. The apparatus for producing a semiconductor single crystal according to claim 2, wherein thermal history reapplying control for controlling a temperature gradient and a temperature drop rate is performed.
前記熱処理炉内における前記温度勾配と前記降温速度とが、単結晶引上げ装置を用いて半導体単結晶を引き上げる場合における固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Gと引上げ速度Vとに対応して、これらの比であるV/G値が所定の範囲となるようにして熱履歴を再付与することを特徴とする請求項3および請求項4に記載の半導体単結晶の製造装置。   The temperature gradient and the temperature drop rate in the heat treatment furnace correspond to the crystal temperature gradient G and the pulling rate V in the pulling axis direction near the solid-liquid interface when pulling up the semiconductor single crystal using a single crystal pulling apparatus. The apparatus for producing a semiconductor single crystal according to claim 3 or 4, wherein a thermal history is reapplied so that a V / G value as a ratio thereof falls within a predetermined range. 前記熱処理炉が、前記半導体単結晶を軸方向に分割して得られた半導体単結晶インゴットに熱履歴リセット及び再付与の熱処理を行うものであることを特徴とする請求項3から5のいずれかに記載の半導体単結晶の製造装置。   6. The heat treatment furnace according to claim 3, wherein the heat treatment furnace performs heat history resetting and re-applying heat treatment on a semiconductor single crystal ingot obtained by dividing the semiconductor single crystal in an axial direction. An apparatus for producing a semiconductor single crystal according to 1. 前記熱処理炉が、複数の前記半導体単結晶インゴットを同時に支持して熱履歴リセットおよび再付与可能とされてなることを特徴とする請求項6に記載の半導体単結晶の製造装置。   The apparatus for manufacturing a semiconductor single crystal according to claim 6, wherein the heat treatment furnace is configured to simultaneously support a plurality of the semiconductor single crystal ingots so that a thermal history can be reset and reapplied. 半導体単結晶内部におけるGrown−in欠陥制御をおこなうための半導体単結晶の製造方法であって、
前記単結晶内部におけるGrown−in欠陥状態に影響を与える結晶製造時の熱履歴をリセットする熱履歴リセット温度に前記単結晶を加熱維持するリセット加熱工程と、
前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Grown−in欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与する熱履歴再付与工程と、
を有することを特徴とする半導体単結晶の製造方法。
A method for producing a semiconductor single crystal for controlling a Grown-in defect inside the semiconductor single crystal,
A reset heating step of heating and maintaining the single crystal at a thermal history reset temperature for resetting a thermal history at the time of crystal production that affects a grown-in defect state inside the single crystal;
A thermal history reapplying step of lowering the single crystal from the thermal history reset temperature to reapply a thermal history that makes the Grown-in defect state a desired state;
A method for producing a semiconductor single crystal, comprising:
前記リセット加熱工程と前記熱履歴再付与工程とが連続しておこなわれることを特徴とする請求項8記載の半導体単結晶の製造方法。   The method for producing a semiconductor single crystal according to claim 8, wherein the reset heating step and the thermal history reapplying step are continuously performed. 前記熱履歴再付与工程において、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記結晶状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、前記単結晶の温度勾配と降温速度とを制御することを特徴とする請求項9記載の半導体単結晶の製造方法。   In the thermal history reapplying step, a temperature gradient and a temperature lowering rate of the single crystal are reapplied so as to reapply a thermal history that lowers the single crystal from the heat history reset temperature and makes the crystal state a desired state. The method for producing a semiconductor single crystal according to claim 9, wherein the method is controlled. 前記熱履歴再付与工程において、前記単結晶を前記熱履歴リセット温度から降温して前記Grown−in欠陥状態を所望の状態とする熱履歴を再付与するように、熱処理炉内の第1方向の温度勾配と降温速度とを制御することを特徴とする請求項9記載の半導体単結晶の製造方法。   In the heat history reapplying step, the single crystal is lowered from the heat history reset temperature to reapply a heat history that makes the grown-in defect state a desired state. The method for producing a semiconductor single crystal according to claim 9, wherein the temperature gradient and the temperature lowering rate are controlled. 前記温度勾配と前記降温速度とが、単結晶引上げ装置を用いて半導体単結晶を引き上げる場合における引上げ速度Vと固液界面近傍の引上げ軸方向の結晶温度勾配Gとに対応して、これらの比であるV/G値が所定の範囲となるようにして熱履歴を再付与することを特徴とする請求項10および請求項11に記載の半導体単結晶の製造方法。   The temperature gradient and the temperature lowering rate correspond to the pulling rate V and the crystal temperature gradient G in the pulling axis direction in the vicinity of the solid-liquid interface when pulling up the semiconductor single crystal using the single crystal pulling apparatus. The method for producing a semiconductor single crystal according to claim 10 or 11, wherein the thermal history is reapplied so that the V / G value is within a predetermined range. 前記リセット加熱工程の前に、前記半導体単結晶を軸方向に分離して半導体単結晶インゴットとするスライス工程を有することを特徴とする請求項8から請求項12のいずれかに記載の半導体単結晶の製造方法。   The semiconductor single crystal according to any one of claims 8 to 12, further comprising a slicing step of separating the semiconductor single crystal in an axial direction to form a semiconductor single crystal ingot before the reset heating step. Manufacturing method. 前記リセット加熱工程および熱処理再付与工程を、複数の前記単結晶インゴットに同時に行うことを特徴とする請求項8から請求項12に記載の半導体単結晶の製造方法。

The method for producing a semiconductor single crystal according to claim 8, wherein the reset heating step and the heat treatment re-applying step are simultaneously performed on the plurality of single crystal ingots.

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