JP2008222539A - 単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】ルツボ内に異物が落下したとしても、この異物を除去することによって単結晶の有転位化を防止し、単結晶の生産性を向上させ、製造コストを低減することを可能とする単結晶の製造方法を提供する。
【解決手段】チョクラルスキー（ＣＺ）法による単結晶の製造方法であって、ルツボ１０１に充填した原料を溶融し原料融液１０５とする工程と、原料融液１０５から単結晶１５０を引上げる工程を有し、単結晶１５０を引上げる工程において、原料融液１０５表面の、ルツボ１０１中心からルツボ１０１外周に向かう不活性ガスの流速を、４ｍ／秒以上１２ｍ／秒以下とすることを特徴とする単結晶の製造方法。
【選択図】図１

Description

本発明は、単結晶の製造方法に関し、特にチョクラルスキー（ＣＺ）法による単結晶の製造方法に関する。

単結晶、例えばシリコン単結晶の製造方法として、いわゆるチョクラルスキー法（ＣＺ）法が知られている。この方法では、チャンバ内に設置されたルツボに原料塊を収容し、ヒータを高温加熱してルツボ内の原料を融液とする。そして、原料融液面に種結晶を着液させ、引上げられる種結晶の下方に所望の直径と品質とを有するシリコン単結晶を育成する。

ＣＺ法で単結晶を育成する場合、育成中に単結晶が有転位化してしまう現象が生じる場合がある。単結晶育成初期における有転位化では、単結晶を再溶融することで、再び無転位の単結晶育成を試みることができる。しかしながら、この場合には単結晶再溶融による時間ロスや電力費・人件費増大等が製造コストの上昇を招くため好ましくない。さらに、育成後期に有転位化が発生した場合には、再溶融すると上記の製造コストの上昇が甚大になる。このため、単結晶を最溶融しないで有転位化したまま育成を続行することもありえる。この場合には、当然、有転位化した部分は製品として出荷することは不能となる。したがって、可能な限り単結晶の有転位化を防止し、単結晶を無転位のまま安定して育成する製造方法が切望されている。

単結晶の有転位化の原因としては、幾つかの要因が考えられる。例えば、単結晶の内部温度差に起因する熱応力や、ルツボ内の原料融液中の異物の存在等である。原料融液中に存在する異物は、ルツボへの原料充填時に混入したものや、石英ルツボ内面が劣化して剥離したもの、あるいは、単結晶製造装置内部の周辺部材から混入したもの、あるいは、原料融液表面から蒸発によって発生したまま排除されずに残留したもの等が考えられる。
熱応力に起因して結晶構造が乱れる結果生じる有転位化については、単結晶の製造条件、特に熱環境の最適化を図ることにより対策が進められている。
また、異物に起因する有転位化を防止するためにも様々な技術が提案されている。例えば、特許文献１では、輻射シールドの周囲に断熱材を設けることにより、原料融液表面から蒸発によって発生するＳｉＯ異物を、ルツボに混入しない位置に付着させる技術が開示されている。また、特許文献２には、単結晶製造装置のチャンバ内の圧力を適正化することにより輻射シールドや石英ルツボに起因する異物の発生を防止する技術が開示されている。
特開平５−２９４７８４号公報 特許３７８７４５２号公報

もっとも、従来提案されている異物に起因する有転位化を防止する技術は、異物の発生や、異物のルツボ内への落下を抑制することに主眼が置かれている。しかしながら、異物の発生や、異物のルツボ内への落下を完全に抑制することは困難である。そして、異物に起因する有転位化がいったん生ずると、再溶融をおこなったとしても、同一の異物に起因して再度有転位化が生ずるおそれが高い。

本発明は、上記事情を考慮してなされたもので、その目的とするところは、ルツボ内に異物が落下したとしても、この異物を除去することによって単結晶の有転位化を防止し、単結晶の生産性を向上させ、製造コストを低減することを可能とする単結晶の製造方法を提供することにある。

本発明の第１の態様の単結晶の製造方法は、チョクラルスキー（ＣＺ）法による単結晶の製造方法であって、ルツボに充填した原料を溶融し原料融液とする工程と、前記原料融液から単結晶を引上げる工程を有し、前記単結晶を引上げる工程において、前記原料融液表面の、前記ルツボ中心から前記ルツボ外周に向かう不活性ガスの流速を、４ｍ／秒以上１２ｍ／秒以下とすることを特徴とする。

また、本発明の第２の態様の単結晶の製造方法は、チョクラルスキー（ＣＺ）法による単結晶の製造方法であって、ルツボに充填した原料を溶融し原料融液とする工程と、前記原料融液から単結晶を引上げる工程を有し、前記原料を溶融し原料融液とする工程と、前記単結晶を引上げる工程との間に、前記原料融液表面に不活性ガスを流す工程が設けられ、前記不活性ガスを流す工程において、前記原料融液表面の、前記ルツボ中心から前記ルツボ外周に向かう前記不活性ガスの流速を、８ｍ／秒以上１２ｍ／秒以下とすることを特徴とする

ここで、前記第２の態様の単結晶の製造方法において、前記不活性ガスを流す工程における、前記原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さが、前記単結晶を引上げる工程における、前記原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さよりも、高くなるように前記ルツボの回転数を制御することが望ましい。

ここで、前記第２の態様の単結晶の製造方法において、前記不活性ガスを流す工程における、前記原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さが、前記単結晶を引上げる工程における、前記原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さよりも、２ｍｍ以上高くなるように前記ルツボの回転数を制御することが望ましい。

また、本発明の第３の態様の単結晶の製造方法は、チョクラルスキー（ＣＺ）法による単結晶の製造方法であって、ルツボに充填した原料を溶融し原料融液とする工程と、前記原料融液から単結晶を引上げる工程を有し、前記単結晶が有転位化した場合に、前記単結晶を再溶融する工程と、前記再溶融が完了した時点で、前記再溶融後の原料融液表面に不活性ガスを流す工程と、前記不活性ガスを流す工程の後に、前記再溶融後の原料融液から単結晶を引上げる工程が設けられ、前記不活性ガスを流す工程において、前記再溶融後の原料融液表面の、前記ルツボ中心から前記ルツボ外周に向かう前記不活性ガスの流速を、８ｍ／秒以上１２ｍ／秒以下とすることを特徴とする。

ここで、前記第３の態様の単結晶の製造方法において、前記不活性ガスを流す工程における、前記再溶融後の原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さが、前記再溶融後の原料融液から単結晶を引上げる工程における、前記再溶融後の原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さよりも、高くなるように前記ルツボの回転数を制御することが望ましい。

さらに、前記第３の態様の単結晶の製造方法において、前記不活性ガスを流す工程における、前記再溶融後の原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さが、前記再溶融後の原料融液から単結晶を引上げる工程における、前記再溶融後の原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さよりも、２ｍｍ以上高くなるように前記ルツボの回転数を制御することが望ましい。

本発明によれば、ルツボ内に異物が落下したとしても、この異物を除去することによって単結晶の有転位化を防止し、単結晶の生産性を向上させ、製造コストを低減することを可能とする単結晶の製造方法を提供することが可能になる。

発明者らは、鋭意検討を続けた結果、単結晶育成工程において、単結晶製造装置内を流れる不活性ガスのガス流れ条件を最適化することで、原料融液中に存在する異物の中で、特に原料融液表面に浮遊する異物の除去が可能となることを見出し、この知見に基づいて本発明を完成させるに至った。
以下、本発明に係る単結晶の製造方法についての実施の形態につき、単結晶としてシリコンを製造する場合を例にして、添付図面に基づき説明する。

[第１の実施の形態]
本実施の形態のシリコン単結晶の製造方法は、ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であり、単結晶を引上げる工程中に、ルツボ内の原料融液表面を流れる不活性ガスの、ルツボ中心からルツボ外周に向かう流速を４ｍ／秒以上１２ｍ／秒以下とすることを特徴とする。

以下、図１ないし図４を用いて、本実施の形態のシリコン単結晶の製造方法について説明する。

最初に、図１をもちいて、本実施の形態で用いられうるシリコン単結晶製造装置の構成の一態様について簡単に説明する。
図１には、本実施の形態で用いられうるシリコン単結晶製造装置の模式的縦断面が示されている。
図１に示すシリコン単結晶製造装置１００は、原料となる固形状多結晶シリコンが充填されるルツボ１０１、１０３、固形状多結晶シリコンを加熱、溶融しシリコン融液１０５とするための主ヒータ１０７、および、下部ヒータ１０９がチャンバ１１１内に格納されている。そして、チャンバ１１１上部には、育成されたシリコン単結晶１５０を引上げる引上げ機構１４１が設けられている。
チャンバ１１１の上部に取り付けられた引上げ機構１４１からは引上げ用のワイヤ１２９が巻き出されており、その先端には、種結晶を取り付けるための種ホルダ（図示せず）が接続されている。

なお、上記ルツボ１０１、１０３は、内側にシリコン融液１０５を直接収容する石英ルツボ１０１と、石英ルツボ１０１を外側で支持するためのカーボンルツボ１０３とから構成されている。ルツボ１０１、１０３は、シリコン単結晶製造装置の下部に取り付けられた回転駆動機能（図示せず）によって回転昇降自在なルツボシャフト１１３によって支持されている。
ルツボ１０１、１０３を取り囲むように主ヒータ１０７および、下部ヒータ１０９が配置されており、主ヒータ１０７の外側には、主ヒータ１０７からの熱がチャンバ１１１に直接輻射されるのを防止するための第１の保温材１１５、第２の保温材１１７が主ヒータ１０７の周囲を取り囲むように設けられている。加えて、シリコン融液１０５やルツボ１０１、１０３からの熱がチャンバ１１１に直接輻射されるのを防止するための第３の保温材１１９、第４の保温材１２１が設けられている。そして、シリコン融液１０５やルツボ１０１、１０３からの熱が引上げシリコン単結晶１５０の冷却を阻害しないように輻射シールド１２５が、シリコン融液１０５、ルツボ１０１、１０３とシリコン単結晶１５０間に設けられている。なお、保温材１１５、１１７の材質については、特に保温性に優れているものを使用することが望ましく、通常成形断熱材が用いられている。保温材１１９、１２１の材質については、例えば、成形断熱材、カーボン、あるいはカーボンの表面を炭化ケイ素で被覆したものが用いられている。輻射シールド１２５については、輻射熱を調整する役目を果たしているので、例えば、モリブデン、タングステン、タンタル等の金属や、カーボン、カーボンの表面を炭化ケイ素で被覆したもの及びこれらの内側に成形断熱材を設置したものが用いられる。

なお、チャンバ１１１は、ステンレス等の耐熱性、熱伝導性に優れた金属により形成されており、冷却管（図示せず）を通して水冷されている。
さらに、チャンバ１１１上部にはゲートバルブ（図示せず）を介して、シリコン融液１０５から引上げられたシリコン単結晶１５０を保持して取り出すためのサブチャンバ１２７が設けられている。また、サブチャンバ上端は天板１４７により封鎖されており、引上げられたシリコン単結晶１５０を取り出し可能にするサブチャンバ１２７の蓋（図示せず）がサブチャンバ上方側面に設けられている。

そして、単結晶製造装置１００には、チャンバ１１１に不活性ガスを供給する供給パイプ５０１、および、チャンバ１１１内に供給された不活性ガスを排出する排出パイプ５０５が設けられている。この供給パイプ５０１は、一端がサブチャンバ１２７の側面に接続され、他端が不活性ガスを貯留するタンク（図示せず）に接続されている。そして、この供給パイプには、不活性ガスの流量を調整する第１の流量調整弁５０２が設けられている。また、排出パイプ５０５は、一端がチャンバ１１１の下面に接続され、他端が真空ポンプ（図示せず）に接続されている。そして、排出パイプ５０５には、不活性ガスの排出量を調整する第２の流量調整弁５０６が設けられている。

次に、上記単結晶製造装置１００を用いた本実施の形態のシリコン単結晶の製造方法について、具体的に説明する。

まず、図２に示すように、石英ルツボ１０１の内部に固形状多結晶シリコン原料１５５を投入しておく。そして、シリコン単結晶製造装置１００は、ゲートバルブ１３５（図示せず）を開き、サブチャンバ１２７の上方側面に設けられた蓋（図示せず）を閉じた状態にしておく。

次に、チャンバ１１１およびサブチャンバ１２７の内部を不活性ガスで置換した後、供給パイプ５０１から、例えばアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを流した状態で低圧に保つ。その後、ヒータ１０７，１０９を加熱することにより、予め石英ルツボ１０１の内部に投入されている固形状多結晶シリコン原料１５５溶融し、シリコン融液とする。

次に、図３に示すように、ゲートバルブ１３５を閉め、チャンバ１１１とサブチャンバ１２７とを遮断する。これにより、チャンバ１１１内を不活性雰囲気に保持しシリコン融液１０５の酸化を防止した状態で、サブチャンバ１２７を常圧に戻す。その後、サブチャンバ１２７の蓋（図示せず）を開き、ワイヤ１２９の下端に種結晶１３１を吊り下げる。ワイヤ１２９の下端に種結晶１３１を吊り下げた後、サブチャンバ１２７の蓋（図示せず）を閉じ、サブチャンバ１２７を密閉する。
その後、サブチャンバ１２７を減圧し、サブチャンバ１２７内部をアルゴンガス等の不活性雰囲気で満たす。次に、ゲートバルブ１３５を開き、チャンバ１１１とサブチャンバ１２７を連通する。この状態で、種結晶１３１はシリコン融液１０５の真上に位置するため、シリコン融液１０５の輻射熱により予熱される。

次に、図１に示すように、引上げ装置１４１を駆動し、ワイヤ１２９下端に吊り下げられた種結晶１３１を降下させ、種結晶１３１の少なくとも一部をシリコン融液１０５に浸す。そして、種結晶１３１を引上げながら、いったん結晶径を細めたネック部１５２を形成し、転位が抜けた後に所望の結晶径まで広げ、下方に徐々にシリコン単結晶１５０を成長する。

ここで、単結晶１５０を引上げる際に、第１の流量調整弁５０２を開き、供給パイプ５０１を介して貯留タンク（図示せず）から、例えば、アルゴンガス等の不活性ガスをチャンバ１１１内へ供給する。そして、チャンバ１１１内へ供給された不活性ガスは、シリコン単結晶１５０側面と輻射シールド１２５の間を通って、下降し、ルツボ内のシリコン融液１０５表面を、ルツボ中心からルツボ外周に向かって流れる。そして、不活性ガスは、石英ルツボ１０３壁と輻射シールド１２５の間を通って、排出パイプ５０５からチャンバ１１１外へ排出される。
このとき、シリコン融液１０５表面をルツボ中心から前記ルツボ外周に向かって流れる不活性ガスの流速を４ｍ／秒以上１２ｍ／秒以下となるように制御し維持することが本実施の形態の最大の特徴である。
なお、不活性ガスの流速の制御および維持は、不活性ガス供給量・排出量の第１、第２の流量調整弁５０２、５０６による調整、チャンバ１１１内部の圧力の調整、輻射シールド１２５とシリコン融液１０５表面の距離の調整等で行うことが可能である。

シリコン融液表面の不活性ガスの流速を上げていくと、シリコン融液表層に、不活性ガス流に押されて、石英ルツボ中心領域から、石英ルツボ内壁方向へ向かう対流が生じる。シリコン融液表面に浮遊する異物が存在していると、異物はこの対流によってシリコン融液表面外周部へ追いやられ、石英ルツボ中心部の単結晶育成領域へ近づくことが出来ない。これによって、シリコン融液表面に浮遊する異物が育成中の単結晶に付着することによるシリコン単結晶の有転位化の発生を防止できる。
なお、ここでシリコン融液表面の不活性ガスの流速とは、上記シリコン融液表層の対流に直接影響を与えうる表面近傍の不活性ガスの流速をいう。例えば、シリコン融液表層の対流に直接影響を与えない輻射シールド下端の不活性ガスの流速は、シリコン融液表面の不活性ガスの流速の範囲には入らない。

このとき、シリコン融液表面を通過する不活性ガスの流速が遅すぎると、シリコン融液表面に浮遊する異物を効果的に除去することが出来ない。したがって、上記のように不活性ガスの流速は４ｍ／秒以上であることが望ましい。また、不活性ガスの流速が速すぎると、シリコン融液の対流を、シリコン単結晶の不純物・酸素濃度等の規格を満足させるために制御することが困難となる。また流速の速すぎる不活性ガスがシリコン融液表面を激しく振動させるようになり、単結晶育成を困難にしてしまう場合もある。したがって、上記のように、不活性ガスの流速は１２ｍ／秒以下であることが望ましい。
そして、単結晶育成をさらに安定化させるためには、不活性ガスの流速は８ｍ／秒以下であることがより望ましい。

その後、やはり、上記不活性ガスの流速を保ちながら、シリコン単結晶１５０が成長するに従い、所定速度でワイヤ１２９を引上げることにより、所望の直径および長さを有するシリコン単結晶１５０を引上げる。

そして、成長したシリコン単結晶１５０を、図４に示すようにサブチャンバ１２７まで上昇させる。そして、ゲートバルブ１３５を閉じ、チャンバ１１１とサブチャンバ１２７とを遮断する。この後、チャンバ１１１内を不活性雰囲気に保持し、シリコン融液１０５の酸化を防止した状態で、サブチャンバ１２７を常圧に戻す。その後、サブチャンバ１２７の蓋を開き、シリコン単結晶１５０を取り出す。このようにして、シリコン単結晶１５０の製造工程が終了する。

本実施の形態により、例えチャンバ内で異物が発生し、シリコン融液中に落下した場合であっても、シリコン融液表面に浮遊する異物を効果的に排除して単結晶を育成することにより有転位化率を低減させることが出来る。よって、単結晶の生産性を向上させ、製造コストを低減することを可能とする単結晶の製造方法を提供することが可能になる。

[第２の実施の形態]
本実施の形態のシリコン単結晶の製造方法は、ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法であり、ルツボに充填した原料を溶融し原料融液とする工程と、原料融液から単結晶を引上げる工程との間に、原料融液表面に不活性ガスを流す工程を設け、この不活性ガスを流す工程の際に、ルツボ内の原料融液表面を流れる不活性ガスの、ルツボ中心からルツボ外周に向かう流速を、８ｍ／秒以上１２ｍ／秒以下とすることを特徴とする。

以下、図１ないし図５を用いて、本実施の形態のシリコン単結晶の製造方法について説明する。
なお、本実施の形態で用いられる単結晶製造装置は、第１の実施の形態と同様であるので、記述を省略する。
また、石英ルツボの内部に固形状多結晶シリコン原料を投入し、このシリコン原料を溶融してシリコン融液とするまでは図１および図２を用いて説明した第１の実施の形態と同様である。

次に、図５に示すように、シリコン原料が溶融した状態で、第１の流量調整弁５０２を開き、供給パイプ５０１を介して貯留タンク（図示せず）から、例えば、アルゴンガス等の不活性ガスをチャンバ１１１内へ供給する。そして、チャンバ１１１内へ供給された不活性ガスは、輻射シールド１２５の内側を通って、下降し、石英ルツボ１０１内のシリコン融液１０５表面を、石英ルツボ１０１中心から外周に向かって流れる。そして、不活性ガスは、石英ルツボ１０１壁と輻射シールド１２５の間を通って、排出パイプ５０５からチャンバ１１１外へ排出される。
このとき、シリコン融液１０５表面を石英ルツボ１０１中心から外周に向かって流れる不活性ガスの流速を、８ｍ／秒以上１２ｍ／秒以下に制御し一定時間維持することが本実施の形態の最大の特徴である。
なお、不活性ガスの流速の制御および維持は、不活性ガス供給量・排出量の第１、第２の流量調整弁５０２、５０６による調整、チャンバ１１１内部の圧力の調整、輻射シールド１２５とシリコン融液１０５表面の距離の調整等で行うことが可能であることは第１の実施の形態と同様である。

その後、図３に示すように、種結晶１３１を吊り下げ、図１に示すように、種結晶１３１を引上げながら、シリコン単結晶１５０を成長させる点については、第１の実施の形態と同様である。
ただし、不活性ガスの流速については、第１の実施の形態とは異なり、２ｍ／秒程度になるように設定されている。
そして、成長したシリコン単結晶１５０を、図４に示すように上昇させ、取り出すことによって、シリコン単結晶１５０の製造工程が終了する。

第１の実施の形態では、単結晶引上げ中の不活性ガスの流速を増加させることにより、シリコン融液表面に浮遊する異物を効果的に排除するシリコン単結晶の製造方法を説明した。もっとも、所望の単結晶品質を実現する上で、引き上げ条件によっては、単結晶引上げ中の不活性ガスの流速を増加させることが困難な場合がある。
本実施の形態においては、単結晶引上げ中の、不活性ガスの流速は、異物除去効果を考慮せず、その他の単結晶品質を実現するために最適化する。
そして、シリコン原料溶融後、単結晶引上げに先立ち、シリコン融液表面に対し流速の速い不活性ガスを流すことで、シリコン融液表面の異物を除去する。すなわち、流速の速い不活性ガスを融液表面に流すことにより、シリコン融液表面に浮遊している異物が融液表面外周部へ強く追いやられ、その結果石英ルツボ内壁へ付着し捕獲される。一度、石英ルツボ内壁に付着した異物は石英ルツボ内表面から剥離し難く、浮遊異物の再発生を抑制することが出来る。このようにして、シリコン融液表面に浮遊する異物を無くしてから、その後の単結晶引上げを開始することで、浮遊異物起因の有転位化を抑制することが可能となる。

なお、本実施の形態において、単結晶引上げ時の前に、原料融液表面に８ｍ／秒以上１２ｍ／秒以下の不活性ガスを流すことで、シリコン融液表面の、少なくとも外周部の浮遊異物は、石英ルツボ内壁に付着・捕獲されることが期待される。もっとも、不活性ガスの流速が、８ｍ／秒より遅くなると、浮遊異物を石英ルツボ内壁まで十分押しやることが出来ない可能性があり好ましくない。また、１２ｍ／秒より早くすると、シリコン融液表面を流れる高速の不活性ガスによってシリコン融液表面が激しく振動してしまい、その結果、石英ルツボ内壁とシリコン融液表面との接触箇所も激しく上下に変動するようになる。このようになると、一度石英ルツボ内壁に付着・捕獲された浮遊異物が、石英ルツボ内壁とシリコン融液表面との接触箇所の上下振動の際に再び石英ルツボ内壁から解離してしまうことがあり、浮遊異物の除去効果が十分に発揮されなくなってしまうため好ましくない。

[第３の実施の形態]
本実施の形態のシリコン単結晶製造方法は、いったん有転位化したシリコン単結晶を再溶融した場合に、本発明を適用する以外は第２の実施の形態と同様であるので記述を省略する。

引上げたシリコン単結晶が有転位化した場合、その有転位化の原因がシリコン融液中の浮遊異物であったとする。この場合、再溶融した後に単結晶の引上げを行ったとしても、再度同一の異物を原因として、有転位化の発生するおそれが高い。
そこで、本実施の形態においては、有転位化したシリコン単結晶を再溶融した後に、第２の実施の形態で、図５を用いて説明したように不活性ガスを流す工程を設けることを特徴とする。その後、再溶融したシリコン融液から、やはり第２の実施の形態と同様にシリコン単結晶引上げを続行する。

本実施の形態によれば、シリコン融液中の浮遊異物に起因して有転位化した場合の再溶融後の引上げであっても、有転位化の原因となった浮遊異物を効果的に除去し、引上げ単結晶の有転位化を防止することが可能となる。

[第４の実施の形態]
本実施の形態のシリコン単結晶製造方法は、流速を上げた不活性ガスを流す工程において、原料融液表面がルツボ内壁に接する部分の高さが、単結晶を引上げる工程における、原料融液表面がルツボ内壁に接する部分の高さよりも高くなるように、ルツボの回転数を制御する以外は第２の実施の形態と同様であるので記述を省略する。

石英ルツボ内に、シリコン融液が存在する状態でルツボ回転数を上昇させていくと、石英ルツボ回転数に追従するようにシリコン融液も回転を始める。その結果、シリコン融液に遠心力が発生し、シリコン融液表面形状が傾斜を有するようになる。すなわち、シリコン融液表面外周部にいくほど、シリコン融液表面が高くなるような傾斜を生ずる。シリコン融液表面の傾斜は、石英ルツボの回転数を高速化するほど促進される傾向がある。この現象を利用して、浮遊異物の除去効果をあげる点が本実施の形態の最大の特徴となる。

本実施の形態においては、第２の実施の形態で説明した図５に示すシリコン単結晶引上げ工程の前の不活性ガス供給工程において、石英ルツボの回転を、図１に示すシリコン単結晶引上げ工程のときに予定される回転数より高速化する。そして、図１に示すシリコン単結晶引上げ工程のときよりも、シリコン融液表面が石英ルツボ内壁に接する部分の高さが高くなるように制御する。これにより、石英ルツボ内壁面にシリコン融液中の浮遊異物を付着・捕獲させる。
その後、石英ルツボの回転数を落とし、第２の実施の形態で図３、図１、図５で説明したようにシリコン単結晶１５０を引上げる。

ここで、本実施の形態では、シリコン単結晶引上げの際の、シリコン融液表面が石英ルツボ内壁に接する部分の高さが、シリコン単結晶１５０引上げ工程の前の不活性ガス供給工程よりも低くなっている。シリコン単結晶１５０の引上げに伴いシリコン融液は消費され、当然、シリコン融液表面が石英ルツボ内壁に接する部分の高さは下がっていく。このため、シリコン単結晶１５０引上げの間、シリコン融液表面が石英ルツボ内壁に接する部分の位置は下がる一方である。したがって、シリコン単結晶１５０引上げ中、シリコン融液表面は、石英ルツボ内壁に付着・捕獲された浮遊異物に接触することはないため、異物が石英ルツボ内壁から剥離して再び浮遊異物となることはない。したがって、本実施の形態により、浮遊異物の剥離・再発生による有転位化の可能性を撲滅することが可能となる。よって、浮遊異物による有転位化率をさらに減少させることが可能となる。

なお、本実施の形態において、流速を上げた不活性ガスを流す工程と、単結晶を引上げる工程との、原料融液表面がルツボ内壁に接する部分の高さの差を２ｍｍ以上となることが望ましい。なぜなら、石英ルツボ内壁とシリコン融液の濡れ性や結晶育成条件等によってシリコン融液と石英ルツボ内壁との接触位置が時間的に僅かに変動するため、マージンを確保する観点からである。
また、本実施の形態においては、上記第２の実施の形態に、原料融液表面がルツボ内壁に接する部分の高さの制御を付加する方法について、記載したが、上記第３の実施の形態に、同様の制御を適用することによっても、第３の実施の形態の作用・効果に加えて、本実施の形態と同様の作用・効果を得ることが可能である。

以上、具体例を参照しつつ本発明の実施の形態について説明した。実施の形態の説明においては、単結晶製造装置、単結晶の製造装方法等で、本発明の説明に直接必要としない部分等については記載を省略したが、必要とされる単結晶製造装置、単結晶の製造装方法等に関わる要素を適宜選択して用いることができる。
例えば、実施の形態においてはシリコン単結晶を例に説明したが、育成される単結晶は必ずしもシリコン単結晶に限られることなく、例えば、ゲルマニウム（Ｇｅ）、インジウムリン（ＩｎＰ）、その他の単結晶であってもかまわない。
また、実施の形態においては、不活性ガスとしてアルゴンガスを例に説明したが、不活性ガスは必ずしもアルゴンガスに限られることはなく、ヘリウムガス、クリプトンガス、その他の不活性ガスを適用することも可能である。
その他、本発明の要素を具備し、当業者が適宜設計変更しうる全ての単結晶の製造方法は、本発明の範囲に包含される。

以下、本発明の実施例について説明するが、これらによって本発明が限定されるものではない。

（実施例１）
上記第１の実施の形態で説明したシリコン単結晶の製造方法を用いて、直径φ２００ｍｍのシリコン単結晶育成を行った。石英ルツボに投入する固形状多結晶シリコンは１５０ｋｇとした。
そして、不活性ガスであるアルゴンガスの装置供給量、チャンバ内部圧力、輻射シールドとシリコン融液表面の距離を調整して、単結晶引上げ工程中のシリコン融液表面の、ルツボ中心からルツボ外周に向かうアルゴンガスの流速を変化させた。それぞれの条件で計１０回のシリコン単結晶引上げを行い、無転位化率を調べた。
ここで、無転位化率とは、無転位のままシリコン単結晶育成が完了した場合は１００％とする。そして、シリコン単結晶育成中に有転位化した場合には、シリコン単結晶の無転位部分長（＝育成したシリコン結晶から有転位部分と転位の波及部分を除外した完全な無転位結晶部分の長さ）を、無転位化率１００％時の単結晶長（引上げ予定単結晶長）で除算し、百分率で表した数値をいう。結果を表１に示す。表１の無転位化率の数値は、１０回の平均値を示している。

表１から明らかなように、ガス流速を速くしていくにつれて無転位化率が上昇する傾向が見られる。そして、４ｍ／秒以上では、ほぼ一定となった。無転位化率が１００％に達しないのは、浮遊異物以外の有転位化要因が関与しているためと考えられる。

（実施例２）
上記第２の実施の形態で説明したシリコン単結晶の製造方法を用いて、シリコン単結晶育成を行った。使用したシリコン単結晶製造装置は実施例１と同様とした。
石英ルツボ内の固形状多結晶シリコンを溶融してシリコン融液とした後に、シリコン単結晶を引上げる工程の前に、不活性ガスであるアルゴンガスを供給し、その状態で５分間保持し、その後、アルゴン流量を、２ｍ／秒に下げた状態で、シリコン単結晶の引上げ工程を行った。
なお、シリコン単結晶を引上げる工程の前に、不活性ガスを流した際、シリコン融液表面と石英ルツボ内壁との接触位置は、後のシリコン単結晶引上げ工程における接触位置と同程度になるように、石英ルツボの回転数を制御した。
そして、アルゴンガスの装置供給量、チャンバ内部圧力、輻射シールドとシリコン融液表面の距離を調整して、シリコン単結晶を引上げる工程の前の、ルツボ中心からルツボ外周に向かうアルゴンガスの流速を変化させた。それぞれの条件で計１０回のシリコン単結晶引上げを行い、無転位化率を調べた。結果を表２に示す。

表２から明らかなように、単結晶引上げ工程の、ガス流速を速くしていくにつれて無転位化率が上昇する傾向が見られる。そして、８ｍ／秒未満では無転位化率が低下していく傾向がある。これは、アルゴンガスの流速が不十分であった為、浮遊異物が石英ルツボ内壁に完全に付着・捕獲されず、シリコン融液表面に残留してしまったことによると推測される。もっとも、シリコン単結晶の引上げ工程のアルゴンガス流速の３倍以上、すなわち、６ｍ/秒以上の領域では、実施例１の２ｍ／秒の条件と比較すると、本実施例の場合の有転位化防止効果が有意に認められると判断できる。

（実施例３）
上記第４の実施の形態で説明したシリコン単結晶の製造方法を用いて、シリコン単結晶育成を行った。使用したシリコン単結晶製造装置は実施例１と同様とした。
石英ルツボ内の固形状多結晶シリコンを溶融してシリコン融液とした後に、単結晶引上げ工程前に不活性ガスであるアルゴンガスを供給し、その状態で５分間保持した。このとき、シリコン融液表面と石英ルツボ内壁との接触位置を、後のシリコン単結晶引上げ工程における接触位置よりも２ｍｍ上昇するように、石英ルツボの回転数を制御した。その他の条件は、実施例２と同様とした。
そして、実施例２と同様、アルゴンガスの流速を変化させた。それぞれの条件で計１０回のシリコン単結晶引上げを行い、無転位化率を調べた。結果を表３に示す。

表３と表２の比較から明らかなように、実施例２に加えて、種結晶の浸漬前の、シリコン融液表面と石英ルツボ内壁との接触位置を、単結晶引上げ工程における接触位置よりも２ｍｍ上昇させることにより、実施例２より無転位化率が改善した。

第１の実施の形態のシリコン単結晶の製造方法を説明する模式的縦断面図。 第１の実施の形態のシリコン単結晶の製造方法を説明する模式的縦断面図。 第１の実施の形態のシリコン単結晶の製造方法を説明する模式的縦断面図。 第１の実施の形態のシリコン単結晶の製造方法を説明する模式的縦断面図。 第２の実施の形態のシリコン単結晶の製造方法を説明する模式的縦断面図。

符号の説明

１０１ 石英ルツボ
１０５ シリコン融液
１１１ チャンバ
１２７ サブチャンバ
１２９ ワイヤ
１３１ 種結晶
１３５ ゲートバルブ
１４１ 引上げ機構
１５０ シリコン単結晶
１５５ 固形状多結晶シリコン原料
５０１ 供給バルブ
５０２ 第１の流量調整弁
５０５ 排出バルブ
５０６ 第２の流量調整弁

Claims (7)

1. チョクラルスキー（ＣＺ）法による単結晶の製造方法であって、
   ルツボに充填した原料を溶融し原料融液とする工程と、
   前記原料融液から単結晶を引上げる工程を有し、
   前記単結晶を引上げる工程において、前記原料融液表面の、前記ルツボ中心から前記ルツボ外周に向かう不活性ガスの流速を、４ｍ／秒以上１２ｍ／秒以下とすることを特徴とする単結晶の製造方法。
2. チョクラルスキー（ＣＺ）法による単結晶の製造方法であって、
   ルツボに充填した原料を溶融し原料融液とする工程と、
   前記原料融液から単結晶を引上げる工程を有し、
   前記原料を溶融し原料融液とする工程と、前記単結晶を引上げる工程との間に、前記原料融液表面に不活性ガスを流す工程が設けられ、
   前記不活性ガスを流す工程において、前記原料融液表面の、前記ルツボ中心から前記ルツボ外周に向かう前記不活性ガスの流速を、８ｍ／秒以上１２ｍ／秒以下とすることを特徴とする単結晶の製造方法。
3. 前記不活性ガスを流す工程における、前記原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さが、
   前記単結晶を引上げる工程における、前記原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さよりも、高くなるように前記ルツボの回転数を制御することを特徴とする請求項２記載の単結晶の製造方法。
4. 前記不活性ガスを流す工程における、前記原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さが、
   前記単結晶を引上げる工程における、前記原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さよりも、２ｍｍ以上高くなるように前記ルツボの回転数を制御することを特徴とする請求項３記載の単結晶の製造方法。
5. チョクラルスキー（ＣＺ）法による単結晶の製造方法であって、
   ルツボに充填した原料を溶融し原料融液とする工程と、
   前記原料融液から単結晶を引上げる工程を有し、
   前記単結晶が有転位化した場合に、
   前記単結晶を再溶融する工程と、
   前記再溶融が完了した時点で、前記再溶融後の原料融液表面に不活性ガスを流す工程と、
   前記不活性ガスを流す工程の後に、前記再溶融後の原料融液から単結晶を引上げる工程が設けられ、
   前記不活性ガスを流す工程において、前記再溶融後の原料融液表面の、前記ルツボ中心から前記ルツボ外周に向かう前記不活性ガスの流速を、８ｍ／秒以上１２ｍ／秒以下とすることを特徴とする単結晶の製造方法。
6. 前記不活性ガスを流す工程における、前記再溶融後の原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さが、
   前記再溶融後の原料融液から単結晶を引上げる工程における、前記再溶融後の原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さよりも、高くなるように前記ルツボの回転数を制御することを特徴とする請求項５記載の単結晶の製造方法。
7. 前記不活性ガスを流す工程における、前記再溶融後の原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さが、
   前記再溶融後の原料融液から単結晶を引上げる工程における、前記再溶融後の原料融液表面が前記ルツボ内壁に接する部分の高さよりも、２ｍｍ以上高くなるように前記ルツボの回転数を制御することを特徴とする請求項６記載の単結晶の製造方法。

Images