JP2009013040A - 異物除去方法および結晶成長方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 坩堝内で貯留される融液の表面に浮遊する異物を、容易にしかも確実に除去する異物除去方法を提供する。
【解決手段】 シリコン原料を坩堝５内で融解させてシリコン融液３を貯留する融解工程と、シリコン融液３の表面に浮遊する異物６をシリコン融液３表面の中心部に集めて、異物６周辺のシリコン融液３表面の一部を固化させて異物固化物を形成する固化物形成工程と、固化物形成工程で形成される異物固化物を回収する固化物回収工程とを含む異物除去方法とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、結晶を成長させる原料となる固体原料を融解させた融液の表面に浮遊する異物を除去する異物除去方法に関する。また融液から結晶体を成長させる結晶成長方法に関する。

シリコン単結晶体を成長させる方法には種々の方法があるが、そのひとつにチョクラルスキ（ＣＺ）法が挙げられる。チョクラルスキ法によってシリコン単結晶体を成長させる場合、まず固体原料であるシリコン原料を坩堝内で融解し、坩堝内にシリコン融液が貯留される。そのあと坩堝内に貯留されたシリコン融液に種結晶を浸し、坩堝および種結晶を回転させながら、徐々に種結晶を引上げることによって結晶を成長させてシリコン単結晶体を製造する。

坩堝内に貯留されるシリコン融液の表面に、シリコン原料とは異なる成分で形成される異物が浮遊することがある。この異物が成長途中の結晶体に取込まれると、異物に起因して転位が発生する。このように成長する結晶体が有転位化すると、無転位結晶の結晶体が少なくなり、製品歩留りが低下する。そのためシリコン融液の表面に浮遊する異物を除去して、結晶体を成長させる方法が提案されている。

図８は、第１の従来技術における異物除去方法を説明する図である。第１の従来技術では、結晶を成長させるシリコン融液３が貯留される坩堝５は、筐体状に形成されるメインチャンバ１３内に配置される。メインチャンバ１３の上壁面には、アルゴンガスなどの不活性ガスを坩堝５内に貯留されるシリコン融液３に向けて噴出する気体噴出部１１が形成される。第１の従来技術によってシリコン融液３の表面に浮遊する異物６を除去して、シリコン単結晶体を成長させる場合、まず気体噴出部１１からシリコン融液３の表面に向かう方向Ｄに向けてアルゴンガスを噴出し、シリコン融液３の表面を揺らす。このときシリコン融液３の表面に浮遊する異物６は、シリコン融液３の揺れによって坩堝５の内壁面に向けて移動し、坩堝５の内壁面に付着する。このように異物６を坩堝５の内壁面に付着させた状態で、チョクラルスキ法によってシリコン単結晶体を成長させる。

また特許文献１には、第２の従来技術である前処理工程と本工程とに分割して、シリコン単結晶体を成長させる結晶成長方法が開示されている。図９は、第２の従来技術における異物除去方法を説明する図である。第２の従来技術では、結晶を成長させるシリコン融液３が貯留される坩堝５は、筐体状に形成されるチャンバ（不図示）内に配置され、チャンバ内にはアルゴンガスが充填される。第２の従来技術では、図９（ａ）に示すように、まず前処理工程において、異物６が浮遊するシリコン融液３に、種結晶１を浸してシリコン単結晶７を成長させる。このとき成長したシリコン単結晶７に異物６が取込まれる。次に異物６が取込まれたシリコン単結晶７を回収したあと、チョクラルスキ法によって本工程であるシリコン単結晶体を成長させる。

特開平７−３３０４８２号公報

このように第１の従来技術および特許文献１に開示される第２の従来技術によって、シリコン融液３の表面に浮遊する異物６を除去して、結晶体を成長させることができる。しかしながら第１の従来技術では、坩堝５の内壁面に付着させた異物６が、再びシリコン融液３に戻る場合があり、異物６を除去することが不十分である。

また第２の従来技術では、図９（ｂ）に示すように、チャンバ内に充填されるアルゴンガスは、坩堝５内に貯留されるシリコン融液３の表面の中心部から外側に向かう方向Ｅに流れる。そのためシリコン融液３の表面に浮遊する異物６をシリコン融液３の表面の中心部に集めることが困難であり、異物６は坩堝５の内壁面付近に浮遊する。

したがって前処理工程において、シリコン融液３に種結晶１を浸して成長させたシリコン単結晶７に異物６を取込むためには、シリコン単結晶７を坩堝５の内壁面付近まで成長させなければならず、時間がかかる。また坩堝５の内径分の大きさまで成長したシリコン単結晶７を引上げるのは、シリコン単結晶７と坩堝５の内壁面との摩擦があるため、困難である。

したがって本発明の目的は、坩堝内で貯留される融液の表面に浮遊する異物を、容易にしかも確実に除去する異物除去方法を提供することである。また坩堝内で貯留される融液から結晶体を成長させる結晶成長方法を提供することである。

本発明は、結晶を成長させる原料となる固体原料を融解させた融液の表面に浮遊する、固体原料とは異なる成分で形成される異物を除去する方法であって、
固体原料を坩堝内で融解させて融液を貯留する融解工程と、
坩堝内で貯留される融液の表面に浮遊する前記異物を融液表面の中心部に集めて、異物周辺の融液表面の一部を固化させて、異物を取込んだ異物固化物を形成する固化物形成工程と、
前記固化物形成工程で形成される異物固化物を回収する固化物回収工程とを含んで構成されることを特徴とする異物除去方法である。

また本発明は、前記融解工程では、坩堝を回転させて固体原料を坩堝内で融解させて、
前記固化物形成工程では、坩堝が回転する坩堝回転数を融解工程よりも上げて、坩堝内で貯留する融液の温度を融解工程での融液の温度よりも下げることを特徴とする。

また本発明は、前記固化物回収工程では、種結晶を固化物形成工程で形成される異物固化物に種結晶と異物固化物とが一体化するように接触させて、種結晶を引上げて、異物固化物を回収することを特徴とする。

また本発明は、前記固化物形成工程では、坩堝を回転させて異物固化物を形成して、
前記固化物回収工程では、坩堝が回転する坩堝回転数を固化物形成工程よりも下げた状態で、種結晶を固化物形成工程で形成される異物固化物に種結晶と異物固化物とが一体化するように接触させて、種結晶を引上げて、異物固化物を回収することを特徴とする。

また本発明は、固化物形成工程のあと固化物回収工程を行い、これらの工程を繰返し複数回行うことを特徴とする。

また本発明は、前記固化物回収工程では、回転させていない種結晶を固化物形成工程で形成される異物固化物に種結晶と異物固化物とが一体化するように接触させて、種結晶を引上げて、異物固化物を回収することを特徴とする。

また本発明は、結晶を成長させる原料となる固体原料の融液から結晶体を成長させる結晶成長方法であって、
固体原料を坩堝内で融解させて融液を貯留する融解工程と、
坩堝内で貯留される前記融液の表面に浮遊する前記固体原料とは異なる成分で形成される異物を融液表面の中心部に集めて、異物周辺の融液表面の一部を固化させて、異物を取込んだ異物固化物を形成する固化物形成工程と、
前記固化物形成工程で形成される異物固化物を回収する固化物回収工程と、
前記異物固化物が除去された融液から結晶体を成長させる結晶成長工程とを含んで構成されることを特徴とする結晶成長方法である。

本発明によれば、結晶体を成長させる場合、まず固体原料を坩堝内で融解させて融液を貯留する。次に融液表面に浮遊する異物を融液表面の中心部に集めて、異物周辺の融液表面の一部を固化させて、異物を取込んだ異物固化物を形成し、その異物固化物を回収する。融液表面に浮遊する異物を融液表面の中心部に集めて、異物を取込んだ異物固化物を形成するので、比較的短時間で異物固化物を形成することができる。また異物固化物は、融液表面の中心部に集められる異物を取込んで形成される固化物なので、坩堝の内壁面と接触しない状態で、融液表面の中心部付近に浮遊する。そのため異物固化物を回収するとき、異物固化物と坩堝の内壁面との間に摩擦がない状態で異物固化物を回収することができ、融液表面に浮遊する異物を容易に除去することができる。

また本発明によれば、異物を取込んだ異物固化物を形成するときの坩堝回転数を、坩堝内で固体原料を融解させて融液を貯留するときの坩堝回転数よりも上げる。そのため融液表面に浮遊する異物と、融液とに働く遠心力の違いによって、異物を融液表面の中心部に集めることができる。また異物を取込んだ異物固化物を形成するとき、坩堝内で貯留する融液の温度を、坩堝内で固体原料を融解させて融液を貯留するときの融液温度よりも下げる。そのため異物周辺の融液表面の一部をさらに短時間で固化させることができる。

また本発明によれば、種結晶を異物を取込んだ異物固化物に種結晶と異物固化物とが一体化するように接触させて、種結晶を引上げる。そのため種結晶を引上げるとともに異物固化物を回収することができる。

また本発明によれば、異物を取込んだ異物固化物を回収するとき、まず坩堝回転数を、異物固化物を形成するときの坩堝回転数よりも下げる。これによって異物を取込んだ異物固化物に働いていた遠心力が低下するので、異物固化物を融液表面の中心部に集めることができる。次に種結晶と異物固化物とが一体化するように、種結晶を異物固化物に接触させて、種結晶を引上げる。これによって種結晶を引上げるとともに、異物固化物と坩堝の内壁面との間に摩擦がない状態で異物固化物を回収することができる。

また本発明によれば、融液表面に浮遊する異物を融液表面の中心部に集めて異物を取込んだ異物固化物を形成する固化物形成工程のあと、異物を取込んだ異物固化物を回収する固化物回収工程を行い、これらの工程を繰返し複数回行う。そのため融液表面に浮遊する異物が多くても、除去されないまま残留する異物が融液表面に浮遊することを防止することができる。

また本発明によれば、異物を取込んだ異物固化物を回収するとき、回転させていない種結晶を異物固化物に種結晶と異物固化物とが一体化するように接触させて、一度融液に浸し、種結晶を引上げる。回転させていない種結晶を異物固化物に接触させるので、異物固化物に過剰な力がかからない状態で種結晶を異物固化物に接触させることができ、異物固化物の形を崩さずに種結晶と異物固化物とを一体化することができる。そのため回収されないまま残留する異物固化物が融液表面に浮遊することを防止することができる。

また本発明によれば、結晶を成長させる原料となる固体原料の融液から結晶体を成長させる場合、まず固体原料を坩堝内で融解させて融液を貯留する。次に坩堝内で貯留される融液の表面に浮遊する異物を融液表面の中心部に集めて、異物周辺の融液表面の一部を固化させて、異物を取込んだ異物固化物を形成する。そのあと異物固化物を回収して、異物固化物が除去された融液から結晶体を成長させる。そのため融液表面に浮遊する異物が成長途中の結晶体に取込まれるのを防止することができ、異物に起因して結晶体に転位が発生するのを防止することができる。したがって無転位結晶の結晶体を多く製造することができ、結晶体の製品歩留りを向上することができる。

図１は、本発明の実施の第１形態である異物除去方法を示す断面図である。実施の第１形態である異物除去方法は、固体原料を融解させた融液の表面に浮遊する異物を除去する方法である。異物除去方法は、詳細は後述するが、固体原料を坩堝内で融解させて融液を貯留する融解工程と、異物を取込んだ異物固化物を形成する固化物形成工程と、異物固化物を回収する固化物回収工程とを含んで構成される。

図２は、融液から結晶体を成長させる結晶成長装置２０の構成を示す断面図である。結晶成長装置２０は、たとえばシリコンなどの半導体の結晶を成長させて、結晶体を製造する装置である。本実施の形態では、結晶成長装置２０は、固体原料であるシリコン原料を融解させて作成したシリコン融液３からシリコン単結晶体を製造する。

結晶成長装置２０は、メインチャンバ１３と、アッパーチャンバ１４と、ゲートバルブ１２とを含んで構成される。メインチャンバ１３は、筐体状に形成され、メインチャンバ１３内では、シリコン融液３からシリコン単結晶体を成長させる。メインチャンバ１３には、結晶引上げ口１３ａと、気体排気口１６と、気体噴出部１１とが形成される。結晶引上げ口１３ａは、メインチャンバ１３内で成長させるシリコン単結晶体を引上げる開口であり、メインチャンバ１３の上壁面に形成される。気体排気口１６は、メインチャンバ１３内に存在する気体がメインチャンバ１３外に排気される開口であり、排気手段（不図示）が接続され、メインチャンバ１３の下壁面に形成される。気体噴出部１１は、アルゴンガスなどの不活性ガスを坩堝５内に貯留されるシリコン融液３に向けて噴出する部位であり、メインチャンバ１３の上壁面に形成される。

またメインチャンバ１３の内部には、坩堝５と、加熱手段８と断熱材９とが配置される。坩堝５は、石英から成る内坩堝５ａと、グラファイトから成る外坩堝５ｂとを含んで構成され、固体原料であるシリコン原料が融解されたシリコン融液３を貯留する部材である。内坩堝５ａおよび外坩堝５ｂは、円筒状に形成され、上面から鉛直方向下方に向けて円柱状の凹所が形成される。外坩堝５ｂは、内坩堝５ａを覆うように配置され、外坩堝５ｂの内壁面と内坩堝５ａの外壁面とは接している。坩堝５の内側（内坩堝５ａの内側）の半径は、０．１７７８ｍ（７インチ）以上０．２７９４ｍ（１１インチ）以下に設定され、本実施の形態では、０．２２８６ｍ（９インチ）である。また外坩堝５ｂの下壁面には、外坩堝５ｂの下壁面から鉛直方向下方に延びる坩堝回転軸１０が固定される。坩堝５は、予め定める回転数で、坩堝回転軸１０まわりに回転される。

断熱材９は、坩堝５の周囲を囲むように設けられ、坩堝５および加熱手段８からの放熱を抑制するための部材である。本実施の形態では、断熱材９は、グラファイト製である。加熱手段８は、坩堝５を加熱してシリコン原料を融解し、シリコン融液３を作成するための手段である。加熱手段８は、坩堝５の周囲を囲むように設けられる。加熱手段８は、発熱部材を含んで構成され、発熱部材に電流を流すことによって坩堝５を加熱する。本実施の形態では、発熱部材は、グラファイト製である。加熱手段８は、ヒーターパワーを投入することによって、ヒーター温度が予め定める範囲になるように構成される。ヒーターパワーＰと、ヒーター温度Ｔとは、Ｐ＝α×Ｔ（αは定数）に示される比例関係であり、ヒーターパワーを上げればヒーター温度が上昇し、それにともなって坩堝５内で貯留されるシリコン融液３の温度も上昇する。本実施の形態では、ヒーターパワーを１２０ｋＷに設定したとき、ヒーター温度が１５２０℃以上１６００℃以下の範囲となり、ヒーターパワーを９２ｋＷに設定したとき、ヒーター温度が１４２０℃以上１４６０℃以下の範囲になる。

アッパーチャンバ１４は、筐体状に形成され、メインチャンバ１３内で成長させたシリコン単結晶体を収容する。アッパーチャンバ１４には、気体供給口１５が形成される。気体供給口１５は、アルゴンガスなどの不活性ガスが気体供給手段（不図示）によってアッパーチャンバ１４内に供給される開口であり、アッパーチャンバ１４の側壁面に形成される。気体供給口１５から供給されるアルゴンガスは、結晶引上げ口１３ａを介してメインチャンバ１３内に流入し、メインチャンバ１３に形成される気体排気口１６からメインチャンバ１３外に排気される。本実施の形態では、アルゴンガスは、ガス流量が６０Ｌ／ｍｉｎとなるように、気体供給口１５から供給される。

アッパーチャンバ１４は、メインチャンバ１３の鉛直方向上方に配置され、結晶引上げ口１３ａを介して、メインチャンバ１３と接続される。またアッパーチャンバ１４の鉛直方向上方には、結晶引上げ手段（不図示）が配置され、アッパーチャンバ１４の内部には、結晶引上げ手段によって回転、昇降するワイヤ２が配置される。結晶引上げ手段は、ワイヤ２を介して、ワイヤ２の先端に接続される種結晶１を引上げてシリコン単結晶体を成長させる。

ゲートバルブ１２は、メインチャンバ１３とアッパーチャンバ１４とを仕切る開閉可能なバルブである。ゲートバルブ１２は、メインチャンバ１３に設けられる結晶引上げ口１３ａを開閉するように形成される。

図３は、シリコン融液３の表面に浮遊する異物を取込んで異物固化物を形成する様子を示す上面図である。また図４は、融解工程、固化物形成工程、固化物回収工程および結晶成長工程における、坩堝回転数およびヒーター温度の変化を示すグラフである。

（融解工程）
融解工程は、シリコン原料を坩堝５内で融解させてシリコン融液３を貯留する工程である。融解工程における設定時間は、シリコン原料が坩堝５内で完全に融解される時間として設定される。融解工程における坩堝回転数は、図４に示すように、坩堝５内でのシリコン融液３の温度均一性を考慮して、たとえば１ｒｐｍ以上３ｒｐｍ以下に設定される。このとき坩堝５に貯留されるシリコン融液３は、坩堝５の内壁面近傍（坩堝内側半径：０．１７７８ｍ以上０．２７９４ｍ以下）において、下記式（１）で導かれる周速度０．０１８６ｍ／ｓ以上０．０８７８ｍ／ｓ以下で回転する。
Ｖ＝２×ｒ×π×Ｎ÷６０ …（１）

［式中、Ｖは周速度（ｍ／ｓ）、ｒは回転半径である坩堝５の内側半径（ｍ）、πは円周率、Ｎは坩堝回転数（ｒｐｍ）をそれぞれ示す。］

また融解工程におけるヒーター温度は、図４に示すように、シリコン原料の融解速度を考慮して、たとえば１５２０℃以上１６００℃以下に設定される。

このようにしてシリコン原料を坩堝５が回転された状態で融解させて、シリコン融液３を坩堝５内に貯留するとき、図３（ａ）に示すように、シリコン融液３の表面に、シリコン原料とは異なる成分で形成される異物６が浮遊する場合がある。ここで異物６とは、シリコン原料に含有される不純物や、坩堝５がシリコン原料によって傷つくことで発生する坩堝破片などである。また石英から成る内坩堝５ａが加熱されることによって発生する一酸化珪素（ＳｉＯ）ガスが冷却されて形成される一酸化珪素析出物も異物６として挙げられる。

（固化物形成工程）
固化物形成工程は、シリコン融液３表面に浮遊する異物６をシリコン融液３表面の中心部に集めた状態で、異物６を取込んだ異物固化物４を形成する工程である。固化物形成工程における設定時間は、異物６を取込んだ異物固化物４が形成される時間として設定される。固化物形成工程における坩堝回転数は、融解工程における坩堝回転数に対して、５倍以上２０倍以下となるように設定する。本実施の形態では、固化物形成工程における坩堝回転数は、図４に示すように、異物６の量、種類、大きさによって異なるが、たとえば１５ｒｐｍ以上２０ｒｐｍ以下に設定される。このとき坩堝５に貯留されるシリコン融液３は、坩堝５の内壁面近傍において、周速度０．２７９３ｍ／ｓ以上０．５８５２ｍ／ｓ以下で回転する。

固化物形成工程において、坩堝５が高速回転することで与えられる遠心力によって、シリコン融液３表面に浮遊する異物６がどの方向に向かって移動するかは、異物６の密度と関係がある。異物６の密度σがシリコン融液３の密度ρより小さい（σ＜ρ）場合、異物６は、シリコン融液３表面上をシリコン融液３表面の中心部に向かって移動する。異物の密度σがシリコン融液３の密度ρより大きい（σ＞ρ）場合、異物は、シリコン融液３表面上を中心部から外側に向かって移動する。また異物の密度σがシリコン融液３の密度ρと同じ（σ＝ρ）場合、異物は、シリコン融液３表面上を静止する。

たとえば二酸化珪素から成る坩堝破片のような異物６の密度は、２．２ｇ／ｃｍ^３であり、シリコン融液３の密度２．５６ｇ／ｃｍ^３より小さいので、このような異物６は、シリコン融液３表面の中心部に向かって移動する。またシリコン融液３より大きい、または同じ密度である異物は、坩堝５が高速回転する固化物形成工程では、シリコン融液３表面の中心部に集まらない。しかしながら、詳細は後述するが、シリコン融液３より大きい、または同じ密度である異物は、坩堝５の回転数を極端に下げて、異物に働いていた遠心力を急激に低下させる固化物回収工程において、シリコン融液３表面の中心部に集まる。

このように固化物形成工程における坩堝回転数を融解工程における坩堝回転数よりも上げることにより、シリコン融液３表面に浮遊する異物６と、シリコン融液３とに働く遠心力の違いによって、異物６をシリコン融液３表面の中心部に集めることができる。異物６がシリコン融液３表面の中心部に集まると、シリコン融液３の熱対流が崩れ、シリコン融液３表面の中心部の融液温度が下がる。このようにシリコン融液３表面の融液温度が下がると、図３（ｂ）に示すように、異物６が核となって異物６周辺のシリコン融液３表面の一部が固化し、シリコン融液３表面の中心から外側に向かって固化が拡がり、異物６を取込んだ異物固化物４が形成される。

また固化物形成工程におけるヒーター温度は、融解工程におけるヒーター温度よりも下げることが好ましい。これによって異物６周辺のシリコン融液３表面の一部をさらに短時間で固化させることができる。本実施の形態では、固化物形成工程におけるヒーター温度は、図４に示すように、異物６の量、種類、大きさによって異なるが、たとえば１４２０℃以上１４６０℃以下に設定される。固化物形成工程におけるヒーター温度が１４２０℃未満になると、シリコン融液３表面が全面にわたって固化することがあり、ヒーター温度が１４６０℃を超えると、異物６周辺のシリコン融液３表面の一部を短時間で固化させる効果が低下する。

以上のようにシリコン融液３表面に浮遊する異物６をシリコン融液３表面の中心部に集めて、異物６を取込んだ異物固化物４を形成するので、比較的短時間で異物固化物４を形成することができる。また異物固化物４は、シリコン融液３表面の中心部に集められる異物６を取込んで形成される固化物なので、坩堝５の内壁面と接触しない状態で、シリコン融液３表面の中心部付近に浮遊する。また異物固化物４は、シリコン融液３表面の中心部に集まる異物６を取込んで形成されるので、シリコン融液３を必要以上に消費して固化物を形成することを防止できる。そのためシリコン単結晶体を成長させる原料となるシリコン融液３が、異物固化物４として、無駄に廃棄されるのを低減することができる。

（固化物回収工程）
固化物回収工程は、固化物形成工程で形成される異物固化物４を回収する工程である。固化物回収工程における設定時間は、異物固化物４を回収して、シリコン融液３表面から異物固化物４を除去する時間として設定される。固化物回収工程における坩堝回転数は、固化物形成工程における坩堝回転数に対して、０．０５倍以上０．２０倍以下となるように設定する。このように坩堝回転数を極端に下げることによって、異物固化物４に働いていた遠心力が急激に低下するので、異物固化物４をシリコン融液３表面の中心部に集めることができる。またシリコン融液３より大きい、または同じ密度であり、固化物形成工程においてシリコン融液３表面の中心部に集まらない異物も、異物に働いていた遠心力が急激に低下するので、シリコン融液３表面の中心部に集まり、異物固化物４に取込まれる。

本実施の形態では、固化物回収工程における坩堝回転数は、図４に示すように、異物６の量、種類、大きさによって異なるが、たとえば１ｒｐｍ以上３ｒｐｍ以下に設定され、融解工程における坩堝回転数と同じである。坩堝回転数が１ｒｐｍ未満になると、坩堝５内でのシリコン融液３の温度均一性が崩れることになり、坩堝回転数が３ｒｐｍを超えると、異物固化物４をシリコン融液３表面の中心部に集める効果が低下する。

また固化物回収工程におけるヒーター温度は、図４に示すように、たとえば１４２０℃以上１４６０℃以下に設定される。

図５は、異物固化物４を回収する方法を示す断面図である。異物固化物４を回収する方法は、特に限定されないが、たとえば図５（ａ）に示すように、ワイヤ２の先端に設けられたシードホルダ２ａに接続される種結晶１を異物固化物４に接触させた状態で、種結晶１をシリコン融液３に浸すことによって、異物固化物４を種結晶１と一体化することができる。このようにして種結晶１と一体化した異物固化物４は、種結晶１を徐々に引上げることによって回収することができる。このとき固化物形成工程で形成される異物固化物４は、シリコン融液３表面の中心部付近に浮遊するので、異物固化物４と坩堝５の内壁面との間に摩擦がない状態で異物固化物４を回収することができ、シリコン融液３表面に浮遊する異物６を容易に除去することができる。

また図５（ｂ）に示すように、種結晶１の代わりに回収板状体１９を用いることもできる。回収板状体１９は、シリコンから成り、異物固化物４と接触する部位が板形状に形成される。ワイヤ２の先端に設けられたシードホルダ２ａに回収板状体１９を接続し、回収板状体１９を異物固化物４に接触させた状態で、回収板状体１９をシリコン融液３に浸す。このようにして異物固化物４を回収板状体１９と一体化させる。回収板状体１９と一体化した異物固化物４は、回収板状体１９を徐々に引上げることによって回収することができる。回収板状体１９は、異物固化物４と接触する部位が板形状であるので、種結晶１と比較して、異物固化物４と接触する面積が大きい。そのため回収板状体１９は、大きな異物固化物４であっても、効率よく確実に一体化して、異物固化物４を回収することができる。

図３（ｃ）には、シリコン融液３の表面に浮遊する炭化珪素異物１７を取込んで異物固化物４を形成する様子を示す。炭化珪素異物１７は、グラファイトから成る、外坩堝５ｂ、外坩堝５ｂの周囲に配置される断熱材９および発熱部材に起因する炭素と、シリコンとが反応して形成される炭化珪素（ＳｉＣ）で構成される異物である。この炭化珪素異物１７は、特許文献１に開示される第２の従来技術のような、シリコン融液３に種結晶１を浸して成長させたシリコン単結晶７には接着せず、炭化珪素異物１７をシリコン単結晶７に取込んで除去することが困難である。

本実施の形態では、シリコン融液３表面に浮遊する炭化珪素異物１７を除去するとき、固化物形成工程における坩堝回転数を融解工程における坩堝回転数よりも上げ、固化物回収工程における坩堝回転数を固化物形成工程よりも下げる。これによって炭化珪素異物１７は、シリコン融液３表面の中心部に集まる。このとき炭化珪素異物１７が核となって、炭化珪素異物１７周辺のシリコン融液３表面の一部が固化し、炭化珪素異物１７を取込んだ異物固化物４が形成して、異物固化物４がシリコン融液３表面の中心部付近に浮遊する。このようにして形成した炭化珪素異物１７を取込んだ異物固化物４は、種結晶１を異物固化物４に接触させた状態で、種結晶１をシリコン融液３に浸すことによって、種結晶１と一体化することができる。このようにして種結晶１と一体化した炭化珪素異物１７を取込んだ異物固化物４は、種結晶１を徐々に引上げることによって回収することができる。

（結晶成長工程）
結晶成長工程は、異物固化物４が除去されたシリコン融液３からシリコン単結晶体を成長させる工程である。結晶成長工程における設定時間は、シリコン単結晶体を成長させて、シリコン単結晶体を取出すまでの時間として設定される。結晶成長工程における坩堝回転数は、図４に示すように、たとえば８ｒｐｍ以上１２ｒｐｍ以下に設定される。このとき坩堝５に貯留されるシリコン融液３は、坩堝５の内壁面近傍において、周速度０．１４９０ｍ／ｓ以上０．３５１１ｍ／ｓ以下で回転する。また結晶成長工程におけるヒーター温度は、図４に示すように、たとえば１４６０℃以上１５００℃以下に設定される。このように坩堝回転数およびヒーター温度を設定した状態で、シリコン融液３に種結晶１を浸し、徐々に種結晶１を引上げることによってシリコン単結晶体を成長させる。

図６は、結晶成長装置２０における結晶成長方法を示すフローチャートである。結晶成長装置２０における結晶成長方法を、前述の図１に示した実施の第１形態である異物除去方法を用いながら、以下に説明する。まずステップｓ０では、重量が６０ｋｇのシリコン原料およびドーパントを坩堝５内に充填する。次にゲートバルブ１２を開放した状態で、排気手段によって、メインチャンバ１３およびアッパーチャンバ１４内の圧力が５Ｐａになるまで真空排気し、メインチャンバ１３およびアッパーチャンバ１４内に存在する気体を、メインチャンバ１３に設けられる気体排気口１６を介して排気する。そのあとアルゴンガスを気体供給手段によって、ガス流量６０Ｌ／ｍｉｎで、アッパーチャンバ１４に設けられる気体供給口１５から供給する。このようにしてメインチャンバ１３およびアッパーチャンバ１４内にアルゴンガスを充填した状態でステップｓ１に進み、シリコン単結晶体の製造を開始する。

ステップｓ１では、図１（ａ）に示すように、坩堝５を坩堝回転軸１０まわりに、坩堝回転数が１ｒｐｍとなるように回転させる。またヒーターパワーを１２０ｋＷとし、ヒーター温度が１５２０℃以上１６００℃以下となるように設定して、坩堝５を加熱する。加熱された坩堝５から伝導する熱によって、坩堝５内に充填されたシリコン原料が融解して、シリコン融液３が坩堝５内に貯留される。このとき坩堝５内に貯留されるシリコン融液３の表面に、異物６が浮遊する。

次にステップｓ２では、図１（ｂ）に示すように、ヒーターパワーを１２０ｋＷから９２ｋＷに下げて、ヒーター温度が１４２０℃以上１４６０以下となるように設定し、坩堝回転数を１ｒｐｍから１８ｒｐｍに上げる。このときシリコン融液３の表面に浮遊する異物６は、シリコン融液３表面の中心部に集まる。また異物６が核となって異物６周辺のシリコン融液３表面の一部が固化し、異物６を取込んだ異物固化物４が形成して、異物固化物４がシリコン融液３表面の中心部付近に浮遊する。

次にステップｓ３では、異物固化物４が坩堝５の内壁面と接触しないように、異物固化物４がシリコン融液３表面に対して５０％程度まで拡がった時点で、坩堝回転数を１８ｒｐｍから１ｒｐｍに下げる。このように坩堝回転数を急激に下げることによって、異物固化物４をさらにシリコン融液３表面の中心部に集めることができる。

次にステップｓ４では、図１（ｃ）に示すように、結晶引上げ手段によって、ワイヤ２を介してワイヤ２の先端に接続される種結晶１を鉛直方向下方Ｂ方向に下降させ、種結晶１を異物固化物４に接触させた状態で、種結晶１をシリコン融液３に３秒間浸す。このようにして種結晶１と異物固化物４とが一体化する。次に図１（ｄ）に示すように、種結晶１を徐々に鉛直方向上方Ｃ方向に引上げる。種結晶１と一体化した異物固化物４は、坩堝５の内壁面に接触せず、異物固化物４と坩堝５の内壁面との間に摩擦がない状態で引上げられる。

このとき種結晶１を回転させないで異物固化物４に接触させることが好ましい。これによって異物固化物４に過剰な力がかからない状態で種結晶１を異物固化物４に接触させることができ、異物固化物４の形を崩さずに種結晶１と異物固化物４とを一体化することができる。そのため回収されないまま残留する異物固化物４がシリコン融液３表面に浮遊することを防止することができる。

次に種結晶１の引上げを一旦停止して、種結晶１と一体化した異物固化物４をメインチャンバ１３内で２０分間程度待機させて、異物固化物４を冷却する。そのあと種結晶１の引上げを再開して、異物固化物４がアッパーチャンバ１４内に格納された時点で、ゲートバルブ１２を閉鎖してアッパーチャンバ１４を密閉する。このように異物固化物４が格納されたアッパーチャンバ１４内にアルゴンガスを、ガス流量６０Ｌ／ｍｉｎで、アッパーチャンバ１４に設けられる気体供給口１５から供給する。アッパーチャンバ１４内の圧力が大気圧となった時点で、異物固化物４をアッパーチャンバ１４から取出す。

次にステップｓ５では、シリコン単結晶体を成長させる。シリコン単結晶体を成長させるとき、まず新しい種結晶１をワイヤ２の先端に取付けて、アッパーチャンバ１４を密閉した状態で、アッパーチャンバ１４内をアルゴンガスで置換する。このときメインチャンバ１３内に配置される坩堝５は、坩堝５内に異物６が除去されたシリコン融液３を貯留した状態で、坩堝回転軸１０まわりに、坩堝回転数が１０ｒｐｍで回転している。またヒーター温度は、１４８０℃に設定される。

次にゲートバルブ１２を開放した状態で、結晶引上げ手段によって、ワイヤ２を介してワイヤ２の先端に接続される種結晶１を回転数８ｒｐｍで回転させながら鉛直方向下方に下降させ、種結晶１をシリコン融液３に浸す。そのあと種結晶１を、結晶引上げ手段によって、徐々に鉛直方向上方に引上げて、シリコン単結晶体を成長させる。このようにしてシリコン単結晶体を成長させて、ステップｓ６に進む。

ステップｓ６では、終了するか否かを判断し、予め定められる終了条件を満足すると、ステップｓ７に進み、シリコン単結晶体の製造を終了する。終了条件は、成長させたシリコン単結晶体を取出すと、終了条件を満足する。シリコン単結晶体を取出すとき、ゲートバルブ１２を閉鎖してアッパーチャンバ１４を密閉した状態で、アルゴンガスを気体供給手段によって、ガス流量６０Ｌ／ｍｉｎで、アッパーチャンバ１４に設けられる気体供給口１５から供給する。アッパーチャンバ１４内の圧力が大気圧となった時点で、シリコン単結晶体をアッパーチャンバ１４から取出す。またステップｓ６において、終了条件を満足しない場合には、ステップｓ１に戻り、シリコン単結晶体の製造を繰返す。

以上のように、シリコン融液３表面の中心部に浮遊した異物固化物４に種結晶１を接触させて、種結晶１を引上げる。そのため種結晶１を引上げるとともに、異物固化物４と坩堝５の内壁面との間に摩擦がない状態で異物固化物４を回収することができる。

また本実施形態の結晶成長方法によれば、シリコン融液３の表面に浮遊する異物６が成長途中のシリコン単結晶体に取込まれるのを防止することができ、異物６に起因してシリコン単結晶体に転位が発生するのを防止することができる。したがって無転位結晶のシリコン単結晶体を多く製造することができ、シリコン単結晶体の製品歩留りを向上することができる。

図７は、本発明の実施の第２形態である、異物除去を繰返し複数回行う異物除去方法を示す断面図である。実施の第２形態では、シリコン融液３表面に浮遊する異物６をシリコン融液３表面の中心部に集めて、異物６を取込んだ異物固化物４を形成する固化物形成工程のあと、異物６を取込んだ異物固化物４を回収する固化物回収工程を行い、これらの工程を繰返し複数回行う以外は、前述した実施の第１形態における異物除去方法と同様である。実施の第２形態における異物除去方法では、まず図７（ａ）に示すように、実施の第１形態と同様に、シリコン融液３表面の中心部に浮遊させた異物固化物４が一体化された種結晶１を、徐々に鉛直方向上方Ｃ方向に引上げる。

次に図７（ｂ）に示すように、種結晶１の引上げを一旦停止して、坩堝回転数を１ｒｐｍから１８ｒｐｍに上げる。このとき除去されないまま残留する異物６は、シリコン融液３表面の中心部に集まる。また異物６が核となって異物６周辺のシリコン融液３表面の一部が固化し、異物６を取込んだ異物固化物１８が形成して、異物固化物１８がシリコン融液３表面の中心部付近に浮遊する。次に坩堝回転数を１８ｒｐｍから１ｒｐｍに下げて、異物固化物１８をさらにシリコン融液３表面の中心部に集める。

次に図７（ｃ）に示すように、種結晶１と一体化した異物固化物４を鉛直方向下方Ｂ方向に下降させ、異物固化物４を異物固化物１８に接触させた状態で、異物固化物４をシリコン融液３に３秒間浸す。このとき異物固化物４と異物固化物１８とが一体化する。

次に図７（ｄ）に示すように、異物固化物４，１８が一体化した種結晶１を徐々に鉛直方向上方Ｃ方向に引上げる。ここで除去されないまま残留する異物６がシリコン融液３の表面に浮遊している場合、固化物形成工程および固化物回収工程を繰返す。

次に種結晶１の引上げを一旦停止して、種結晶１と一体化した異物固化物４，１８をメインチャンバ１３内で２０分間程度待機させて、異物固化物４，１８を冷却する。そのあと種結晶１の引上げを再開して、異物固化物４，１８がアッパーチャンバ１４内に格納された時点で、ゲートバルブ１２を閉鎖してアッパーチャンバ１４を密閉する。このように異物固化物４，１８が格納されたアッパーチャンバ１４内にアルゴンガスを、ガス流量６０Ｌ／ｍｉｎで、アッパーチャンバ１４に設けられる気体供給口１５から供給する。アッパーチャンバ１４内の圧力が大気圧となった時点で、異物固化物４，１８をアッパーチャンバ１４から取出す。

このように本実施の第２形態によれば、シリコン融液３表面に浮遊する異物６をシリコン融液３表面の中心部に集めて、異物６を取込んだ異物固化物を形成する固化物形成工程のあと、異物６を取込んだ異物固化物を回収する固化物回収工程を行い、これらの工程を繰返し複数回行う。そのためシリコン融液３表面に浮遊する異物６が多くても、除去されないまま残留する異物６がシリコン融液３表面に浮遊することを防止することができる。

以上のような本実施の形態は、発明の例示に過ぎず、発明の範囲内において構成を変更することができる。たとえば坩堝５内でシリコン単結晶体を成長させる例を示した。しかしながら本発明は、これに限定するものではなく、坩堝５内で成長させる結晶としてシリコン多結晶体などを挙げることができる。またシリコンからなる結晶以外に、ゲルマニウムなどの元素半導体、ガリウム砒素などの化合物半導体を材料とする結晶が挙げられる。また成長させた結晶体は、たとえば光電変換素子の材料として用いることができる。光電変換素子としては、光を電気エネルギに変換する太陽電池やフォトダイオードなどを挙げることができ、電気エネルギを光に変換する発光ダイオードや半導体レーザなどを挙げることができる。

本発明の実施の第１形態である異物除去方法を示す断面図である。 融液から結晶体を成長させる結晶成長装置２０の構成を示す断面図である。 シリコン融液３の表面に浮遊する異物を取込んで異物固化物を形成する様子を示す上面図である。 融解工程、固化物形成工程、固化物回収工程および結晶成長工程における、坩堝回転数およびヒーター温度の変化を示すグラフである。 異物固化物４を回収する方法を示す断面図である。 結晶成長装置２０における結晶成長方法を示すフローチャートである。 本発明の実施の第２形態である、異物除去を繰返し複数回行う異物除去方法を示す断面図である。 第１の従来技術における異物除去方法を説明する図である。 第２の従来技術における異物除去方法を説明する図である。

符号の説明

１ 種結晶
２ ワイヤ
３ シリコン融液
４，１８ 異物固化物
５ 坩堝
６ 異物
７ シリコン単結晶
８ 加熱手段
９ 断熱材
１０ 坩堝回転軸
１１ 気体噴出部
１２ ゲートバルブ
１３ メインチャンバ
１４ アッパーチャンバ
１５ 気体供給口
１６ 気体排気口
１７ 炭化珪素異物
２０ 結晶成長装置

Claims (7)

1. 結晶を成長させる原料となる固体原料を融解させた融液の表面に浮遊する、固体原料とは異なる成分で形成される異物を除去する方法であって、
   固体原料を坩堝内で融解させて融液を貯留する融解工程と、
   坩堝内で貯留される融液の表面に浮遊する前記異物を融液表面の中心部に集めて、異物周辺の融液表面の一部を固化させて、異物を取込んだ異物固化物を形成する固化物形成工程と、
   前記固化物形成工程で形成される異物固化物を回収する固化物回収工程とを含んで構成されることを特徴とする異物除去方法。
2. 前記融解工程では、坩堝を回転させて固体原料を坩堝内で融解させて、
   前記固化物形成工程では、坩堝が回転する坩堝回転数を融解工程よりも上げて、坩堝内で貯留する融液の温度を融解工程での融液の温度よりも下げることを特徴とする請求項１に記載の異物除去方法。
3. 前記固化物回収工程では、種結晶を固化物形成工程で形成される異物固化物に種結晶と異物固化物とが一体化するように接触させて、種結晶を引上げて、異物固化物を回収することを特徴とする請求項１または２に記載の異物除去方法。
4. 前記固化物形成工程では、坩堝を回転させて異物固化物を形成して、
   前記固化物回収工程では、坩堝が回転する坩堝回転数を固化物形成工程よりも下げた状態で、種結晶を固化物形成工程で形成される異物固化物に種結晶と異物固化物とが一体化するように接触させて、種結晶を引上げて、異物固化物を回収することを特徴とする請求項３に記載の異物除去方法。
5. 固化物形成工程のあと固化物回収工程を行い、これらの工程を繰返し複数回行うことを特徴とする請求項１〜４のいずれか１つに記載の異物除去方法。
6. 前記固化物回収工程では、回転させていない種結晶を固化物形成工程で形成される異物固化物に種結晶と異物固化物とが一体化するように接触させて、種結晶を引上げて、異物固化物を回収することを特徴とする請求項３〜５のいずれか１つに記載の異物除去方法。
7. 結晶を成長させる原料となる固体原料の融液から結晶体を成長させる結晶成長方法であって、
   固体原料を坩堝内で融解させて融液を貯留する融解工程と、
   坩堝内で貯留される前記融液の表面に浮遊する前記固体原料とは異なる成分で形成される異物を融液表面の中心部に集めて、異物周辺の融液表面の一部を固化させて、異物を取込んだ異物固化物を形成する固化物形成工程と、
   前記固化物形成工程で形成される異物固化物を回収する固化物回収工程と、
   前記異物固化物が除去された融液から結晶体を成長させる結晶成長工程とを含んで構成されることを特徴とする結晶成長方法。

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