JP2009249253A - Method for manufacturing silicon single crystal - Google Patents

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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for manufacturing a silicon single crystal, which copes with such a situation that a silicon raw material for a semiconductor is insufficient. <P>SOLUTION: After pulling a silicon single crystal 4, a solidified silicon 3b of a melt 3a remaining in a crucible 1 is obtained. The obtained solidified silicon 3b is charged into the crucible 1 in place of a portion of a silicon raw material 8. Then, the silicon single crystal 4 is pulled from a silicon melt 3 obtained by melting the solidified silicon 3b and the silicon raw material 8. The blending ratio of the solidified silicon 3b is calculated based on the solidification rate at the time when pulling in single crystal growth for obtaining solidified silicon 3b is finished. <P>COPYRIGHT: (C)2010,JPO&INPIT

Description

本発明は、チョクラルスキー法(以下、「CZ法」という)によりシリコン単結晶を製造する方法に関し、特に、単結晶引き上げ後にルツボ内に残存する融液の凝固物を用いるシリコン単結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a silicon single crystal by the Czochralski method (hereinafter referred to as “CZ method”), and in particular, production of a silicon single crystal using a solidified melt that remains in a crucible after pulling the single crystal. Regarding the method.

半導体基板の素材となるシリコン単結晶を製造するには種々の方法があるが、その中でもCZ法が広く採用されている。   There are various methods for producing a silicon single crystal as a material for a semiconductor substrate. Among them, the CZ method is widely adopted.

図1は、CZ法によるシリコン単結晶の引き上げを実施するのに適した単結晶引き上げ装置の要部構成を模式的に示す図である。単結晶引き上げ装置は、その外郭を図示しないチャンバで構成され、その中心部にルツボ1が配置されている。ルツボ1は二重構造になっており、有底円筒状をなす内側の石英ルツボ1aと、外側の黒鉛ルツボ1bとから構成される。   FIG. 1 is a diagram schematically showing a main configuration of a single crystal pulling apparatus suitable for pulling a silicon single crystal by the CZ method. The single crystal pulling apparatus is configured with a chamber (not shown) in its outer shell, and a crucible 1 is disposed at the center thereof. The crucible 1 has a double structure, and is composed of an inner quartz crucible 1a having a bottomed cylindrical shape and an outer graphite crucible 1b.

ルツボ1は、回転および昇降が可能な支持軸6の上端部に固定されている。ルツボ1の外側には、ルツボ1を取り囲むように抵抗加熱式のヒータ2が配設されている。ルツボ1の上方には、支持軸6と同一軸上で逆方向または同一方向に所定の速度で回転するワイヤなどの引き上げ軸5が配設されており、引き上げ軸5の下端には種結晶7が取り付けられている。   The crucible 1 is fixed to the upper end of a support shaft 6 that can rotate and move up and down. A resistance heating type heater 2 is disposed outside the crucible 1 so as to surround the crucible 1. Above the crucible 1, a pulling shaft 5 such as a wire rotating on the same axis as the support shaft 6 in the reverse direction or in the same direction at a predetermined speed is disposed. Is attached.

このような単結晶引き上げ装置を用いて半導体用のシリコン単結晶の引き上げを行う際には、その製造に慣用される多結晶のシリコン原料をルツボ1内に投入し、減圧下の不活性ガス雰囲気中でヒータ2による加熱により、そのシリコン原料をルツボ1内で溶融させる。その後、ルツボ1内に形成されたシリコン融液3の表面に、引き上げ軸5の下端に保持された種結晶7を浸漬し、ルツボ1および引き上げ軸5を回転させながら、引き上げ軸5を徐々に引き上げる。これにより、種結晶7の下方にシリコン単結晶4が育成される。   When pulling up a silicon single crystal for semiconductors using such a single crystal pulling apparatus, a polycrystalline silicon raw material commonly used in the manufacture thereof is put into the crucible 1 and an inert gas atmosphere under reduced pressure. The silicon raw material is melted in the crucible 1 by heating with the heater 2. Thereafter, the seed crystal 7 held at the lower end of the pulling shaft 5 is immersed in the surface of the silicon melt 3 formed in the crucible 1 and the pulling shaft 5 is gradually moved while rotating the crucible 1 and the pulling shaft 5. Pull up. Thereby, the silicon single crystal 4 is grown below the seed crystal 7.

そして、引き上げられたシリコン単結晶4から切断処理によって発生する端材は、それ自体が高純度であることから、半導体用のシリコン原料として再利用されている(例えば、特許文献1参照)。その端材は、製品として取り扱われる直胴部の上下に形成されたショルダー部とテール部、並びに、直胴部に含まれる部分であるが、スリップ転位や酸化誘起積層欠陥(OSF)などが著しい結晶欠陥部、および抵抗率や酸素濃度などが規格を満足しない規格外れ部が相当する。   And the end material generated by the cutting process from the pulled silicon single crystal 4 has high purity, and is reused as a silicon raw material for semiconductors (see, for example, Patent Document 1). The end material is a shoulder part and a tail part formed above and below a straight body part handled as a product, and a part included in the straight body part. However, slip dislocation, oxidation-induced stacking fault (OSF), etc. are remarkable. A crystal defect portion and a non-standard portion where the resistivity, oxygen concentration, etc. do not satisfy the standard correspond.

一方、シリコン単結晶を引き上げた後に石英ルツボの底に残存するシリコン融液(以下、「残存融液」ともいう)は、廃棄されるか、または、凝固物(以下、「シリコン凝固物」ともいう)にして太陽電池用のシリコン原料に転用されている。この転用に際しては、太陽電池にとって有害な不純物である付着石英片をシリコン凝固物から取り除く必要があり、これを実現するために、例えば、特許文献2には、石英が付着したシリコン凝固物を、回転式粉砕機を用いて所定の条件で粉砕した後、石英の多い粒度の小さい部分を篩い分けや比重分離により除去する石英除去方法が提案されている。   On the other hand, the silicon melt remaining at the bottom of the quartz crucible after pulling up the silicon single crystal (hereinafter also referred to as “residual melt”) is discarded or solidified (hereinafter referred to as “silicon solidified material”). It is diverted to silicon raw materials for solar cells. In this diversion, it is necessary to remove the adhered quartz pieces, which are impurities harmful to the solar cell, from the silicon coagulated material. To realize this, for example, Patent Document 2 discloses a silicon coagulated material to which quartz is adhered, There has been proposed a quartz removal method in which a portion having a large particle size and having a small particle size is removed by sieving or specific gravity separation after pulverization under a predetermined condition using a rotary pulverizer.

太陽電池用のシリコン原料としては、シリコン凝固物の他に、不純物濃度が高く半導体用のシリコン原料として要求される純度を満たさないものも使用される。これは、太陽電池用のシリコン単結晶の品質規格が半導体用のシリコン単結晶のそれに比べて大幅に緩く、シリコン原料中の不純物濃度が多少高くても支障がないことによるものである。   As a silicon raw material for solar cells, in addition to a silicon solidified material, a material that has a high impurity concentration and does not satisfy the purity required as a silicon raw material for semiconductors is used. This is because the quality standard of the silicon single crystal for solar cells is significantly looser than that of the silicon single crystal for semiconductor, and there is no problem even if the impurity concentration in the silicon raw material is somewhat high.

特開2005−112669号公報JP 2005-112669 A 特開2002−37617号公報JP 2002-37617 A

ところで、半導体用のシリコン単結晶の製造に用いられる多結晶のシリコン原料は、近年、急激に需要が増大している太陽電池用のシリコン原料との取り合いなどから、市場において慢性的に不足気味の状況にある。このため、半導体用のシリコン原料が不足するおそれがあり、この事態に対し、上記したシリコン単結晶の端材の再利用だけでは十分対応できない。   By the way, polycrystalline silicon raw materials used in the production of silicon single crystals for semiconductors are in a chronic shortage in the market due to factors such as the rapid increase in demand for silicon raw materials for solar cells in recent years. Is in the situation. For this reason, there is a possibility that the silicon raw material for the semiconductor may be insufficient, and it is not possible to sufficiently cope with this situation only by reusing the above-mentioned silicon single crystal end material.

このような状況下において、廃棄されたり、太陽電池用のシリコン原料に転用されていた上記のシリコン凝固物を、半導体用のシリコン原料として再利用することができれば、半導体用のシリコン原料が不足する事態への対応を図れる。しかし、シリコン凝固物を、太陽電池用のシリコン原料として用いる場合と同様に、無造作に、半導体用のシリコン原料として用いると、以下に示す問題が起こる。シリコン単結晶において、金属などの不純物濃度が極端に上昇するだけなく、カーボン濃度やライフタイム値が上昇し、品質規格を満たさない部位が発生する。さらに、不純物濃度の著しく高いシリコン単結晶が後工程に流れると、特にウェーハ加工工程などにおいてはその工程を含むライン全体が汚染され、ウェーハラインや工場全体に汚染が拡大するおそれがある。   Under such circumstances, if the above-mentioned silicon solidified material that has been discarded or diverted into a silicon raw material for solar cells can be reused as a silicon raw material for semiconductors, there will be a shortage of silicon raw materials for semiconductors. Respond to the situation. However, as in the case of using the silicon coagulated material as a silicon raw material for solar cells, the following problems occur when the silicon solid material is used as a silicon raw material for semiconductors. In a silicon single crystal, not only the concentration of impurities such as metals increases extremely, but also the carbon concentration and lifetime value increase, and a portion that does not satisfy the quality standard is generated. Furthermore, when a silicon single crystal having a remarkably high impurity concentration flows into a subsequent process, especially in a wafer processing process, the entire line including the process may be contaminated, and the contamination may be spread to the wafer line or the entire factory.

本発明は、上記の問題に鑑みてなされたものであり、半導体用のシリコン原料が不足する事態に対応できるシリコン単結晶の製造方法を提供することを目的とする。   The present invention has been made in view of the above problems, and an object of the present invention is to provide a method for producing a silicon single crystal that can cope with a situation where a silicon raw material for a semiconductor is insufficient.

本発明者は、上記目的を達成するために、シリコン単結晶の育成状況を詳細に検討し、シリコン単結晶を引き上げた後にルツボ内に残存する結晶化されなかった残存融液に基づくシリコン凝固物に着目した。   In order to achieve the above object, the present inventor has studied in detail the growth status of a silicon single crystal, and a silicon solidified product based on an uncrystallized residual melt remaining in the crucible after pulling up the silicon single crystal. Focused on.

すなわち、CZ法によるシリコン単結晶の育成時、引き上げ前のシリコン融液中に含まれる不純物は、固相のシリコン単結晶と液相のシリコン融液とに振り分けられるが、不純物元素の偏析という現象に起因して、シリコン単結晶中の不純物濃度がシリコン融液中の不純物濃度よりもはるかに低くなる。   That is, when a silicon single crystal is grown by the CZ method, impurities contained in the silicon melt before pulling are distributed to the solid phase silicon single crystal and the liquid phase silicon melt. As a result, the impurity concentration in the silicon single crystal is much lower than the impurity concentration in the silicon melt.

これは、固相であるシリコン単結晶における不純物の溶解度が、液相であるシリコン融液における不純物の溶解度よりも低いことによる。その比である「固相中の溶解度/液相中の溶解度」は、偏析係数と称され、不純物濃度が小さいときは一定となり、不純物元素ごとに固有のものである。   This is because the solubility of impurities in a silicon single crystal that is a solid phase is lower than the solubility of impurities in a silicon melt that is a liquid phase. The ratio “solubility in the solid phase / solubility in the liquid phase” is referred to as a segregation coefficient, which is constant when the impurity concentration is small, and is unique to each impurity element.

例えば、不純物として、銅(Cu)、アルミニウム(Al)およびカーボン(Cs)を例に取ると、それぞれの偏析係数は、銅が4×10-4、アルミニウムが2×10-3、およびカーボンが7×10-2である。銅は、引き上げ装置の一部に使用されている元素であり、アルミニウムは、石英ルツボに不純物として含まれている元素である。また、カーボンは、石英ルツボを保持する黒鉛ルツボや、ルツボの周囲に配設されたヒータ等といった引き上げ装置内のホットゾーンの部品として使用されている。これらの元素はいずれも不純物としてシリコン単結晶中に混入し易く、その中でも引き上げ装置内の多くの部品に使用されているカーボンは、特に混入し易い。 For example, taking copper (Cu), aluminum (Al), and carbon (Cs) as impurities, the segregation coefficients are 4 × 10 −4 for copper, 2 × 10 −3 for aluminum, and carbon for carbon. 7 × 10 −2 . Copper is an element used in a part of the pulling apparatus, and aluminum is an element contained as an impurity in the quartz crucible. Carbon is also used as a hot zone component in a lifting device such as a graphite crucible for holding a quartz crucible, a heater disposed around the crucible, and the like. All of these elements are easily mixed as impurities into the silicon single crystal, and among them, carbon used in many parts in the pulling apparatus is particularly easily mixed.

図2は、シリコン単結晶の育成における固化率と単結晶中の不純物濃度の関係を示す図である。同図に示す関係は、不純物を銅、アルミニウム、カーボンとし、固化率gのときのシリコン単結晶(固相)中の不純物濃度〔C〕Sを与える公知の下記(1)式に従って示している。図2中、縦軸はシリコン単結晶中の不純物濃度を示し、横軸は固化率を示す。「固化率」とは、シリコン単結晶を引き上げる前のルツボ内のシリコン融液量に対するシリコン単結晶の質量比での比率である。
〔C〕S=k0〔C〕0(1−g)k0-1 ・・・(1)
FIG. 2 is a diagram showing the relationship between the solidification rate in the growth of a silicon single crystal and the impurity concentration in the single crystal. The relationship shown in the figure is shown in accordance with a well-known formula (1) below that gives impurities concentration [C] S in a silicon single crystal (solid phase) when copper, aluminum, and carbon are used as impurities and the solidification rate is g. . In FIG. 2, the vertical axis indicates the impurity concentration in the silicon single crystal, and the horizontal axis indicates the solidification rate. The “solidification rate” is a ratio of the mass ratio of the silicon single crystal to the amount of silicon melt in the crucible before pulling up the silicon single crystal.
[C] S = k 0 [C] 0 (1-g) k0-1 (1)

上記(1)式から固化率の変化に対応したシリコン単結晶中の不純物濃度が得られる。同式において、k0は、各不純物の偏析係数であり、〔C〕0は、固化が始まる前のシリコン融液(液相)中の不純物の初期濃度である。図2では、不純物である銅、アルミニウムおよびカーボンの初期濃度〔C〕0をいずれも1×1015atoms/cm3としたときの状態を示している。 From the above equation (1), the impurity concentration in the silicon single crystal corresponding to the change in the solidification rate can be obtained. In the equation, k 0 is the segregation coefficient of each impurity, and [C] 0 is the initial concentration of the impurity in the silicon melt (liquid phase) before solidification starts. FIG. 2 shows a state where the initial concentrations [C] 0 of copper, aluminum, and carbon as impurities are all set to 1 × 10 15 atoms / cm 3 .

図2から明らかなように、固相であるシリコン単結晶中における各不純物の濃度は、シリコン融液中の各不純物の初期濃度(1×1015atoms/cm3)に比べて著しく低い。また、銅、アルミニウムおよびカーボンのいずれについても、不純物濃度は、シリコン単結晶のトップ側(固化率が0に近い側)では低く、固化率の上昇に伴って徐々に高くなり、ボトム側(固化率が1.0に近い側)では急激に高くなっている。 As is apparent from FIG. 2, the concentration of each impurity in the silicon single crystal as a solid phase is significantly lower than the initial concentration (1 × 10 15 atoms / cm 3 ) of each impurity in the silicon melt. In addition, for all of copper, aluminum, and carbon, the impurity concentration is low on the top side of the silicon single crystal (the solidification rate is close to 0), and gradually increases as the solidification rate increases, and the bottom side (solidification). On the side where the rate is close to 1.0), it increases rapidly.

このような不純物元素の偏析により、シリコン単結晶を引き上げた後にあっては、その引き上げ終了時点での固化率gに基づき、前記(1)式からシリコン単結晶中の不純物濃度〔C〕Sを算出することができる。さらに、このシリコン単結晶中の不純物濃度〔C〕Sから公知の下記(2)式に従って、そのときのルツボ内の残存融液中の不純物濃度〔C〕Lを算出することができる。
〔C〕L=〔C〕S/k0=〔C〕0(1−g)k0-1 ・・・(2)
After the silicon single crystal is pulled by such segregation of impurity elements, the impurity concentration [C] S in the silicon single crystal is calculated from the above equation (1) based on the solidification rate g at the end of the pulling. Can be calculated. Furthermore, the impurity concentration [C] L in the residual melt in the crucible at that time can be calculated from the impurity concentration [C] S in the silicon single crystal according to the following known formula (2).
[C] L = [C] S / k 0 = [C] 0 (1-g) k0-1 (2)

ルツボ内の残存融液は、その後に凝固してシリコン凝固物となる。このシリコン凝固物中の不純物濃度は、残存融液中の不純物濃度〔C〕Lと一致し、結局、上記(2)式からシリコン単結晶の引き上げ終了時点での固化率gに基づいて算出することができる。したがって、上記(2)式から明らかなように、シリコン凝固物中の不純物濃度は、単結晶引き上げ終了時点での固化率が大きいほど高くなり、そのときの固化率から算出することができる。 The residual melt in the crucible is then solidified to a silicon solid. The impurity concentration in the silicon coagulum coincides with the impurity concentration [C] L in the residual melt, and is calculated based on the solidification rate g at the end of the pulling of the silicon single crystal from the above formula (2). be able to. Therefore, as is clear from the above equation (2), the impurity concentration in the silicon solidified product increases as the solidification rate at the end of single crystal pulling increases, and can be calculated from the solidification rate at that time.

そして、シリコン凝固物中の不純物の濃度が明らかであるため、シリコン凝固物をシリコン原料の一部として用いてシリコン単結晶を育成するにあたり、適正な不純物濃度のシリコン融液となるようなシリコン凝固物の配合率を設定することができる。   Since the concentration of impurities in the silicon solidified material is clear, the silicon solidified material can be used as a silicon melt with an appropriate impurity concentration in growing a silicon single crystal using the silicon solidified material as a part of the silicon raw material. The compounding ratio of the product can be set.

本発明は、このような技術思想に基づくものであり、CZ法によりシリコン単結晶を製造する方法であって、シリコン単結晶を引き上げた後にルツボ内に残存する融液の凝固物とシリコン原料をルツボ内に仕込んで溶融し、この融液からシリコン単結晶を引き上げることを特徴とするものである。   The present invention is based on such a technical idea, and is a method for producing a silicon single crystal by the CZ method, wherein the melt solidified material and the silicon raw material remaining in the crucible after the silicon single crystal is pulled up are used. The crucible is charged in a crucible and melted, and the silicon single crystal is pulled up from the melt.

ここで、シリコン単結晶の引き上げ終了時の固化率に基づいて、前記凝固物の配合率を算出し、算出した配合率を上限として前記凝固物を仕込むことが好ましい。また、前記凝固物と前記シリコン原料を溶融させた融液からの前記シリコン単結晶の引き上げを複数回に亘り繰り返すことができる。   Here, it is preferable to calculate the blending rate of the solidified product based on the solidification rate at the end of the pulling of the silicon single crystal, and to charge the solidified product with the calculated blending rate as the upper limit. Further, the pulling of the silicon single crystal from the melt obtained by melting the solidified material and the silicon raw material can be repeated a plurality of times.

本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、CZ法によるシリコン単結晶の引き上げ後にルツボ内に残存する融液の凝固物をシリコン原料の一部として再利用するため、シリコン原料の使用量を低減することができ、その結果、半導体用のシリコン原料が不足する事態に対応することが可能になる。   According to the method for producing a silicon single crystal of the present invention, the melt solidified material remaining in the crucible after the silicon single crystal is pulled by the CZ method is reused as a part of the silicon material. As a result, it becomes possible to cope with a situation where the silicon raw material for semiconductor is insufficient.

以下に、本発明の半導体用のシリコン単結晶の製造方法について、その一実施形態を詳述する。本実施形態でのシリコン単結晶の製造方法は、シリコン単結晶を引き上げた後にルツボ内に残存する融液の凝固物とシリコン原料とを所定の配合率でルツボ内に仕込んで溶融し、この融液からシリコン単結晶を引き上げることを特徴としている。   Hereinafter, an embodiment of the method for producing a silicon single crystal for semiconductor of the present invention will be described in detail. The method for producing a silicon single crystal according to the present embodiment is prepared by charging a melt solidified material remaining in the crucible and the silicon raw material into the crucible at a predetermined blending ratio after the silicon single crystal is pulled up. It is characterized by pulling up the silicon single crystal from the liquid.

簡単な例でいえば、CZ法によるシリコン単結晶の引き上げを2回行うこととし、1回目の引き上げの際は、半導体用のシリコン単結晶の製造に慣用される多結晶のシリコン原料を用いて単結晶の引き上げを行い、これにより残存融液の凝固物を得た後、2回目の引き上げの際は、その凝固物をシリコン原料の一部に用いて単結晶の引き上げを行う。   In a simple example, the silicon single crystal is pulled twice by the CZ method, and the first pulling is performed using a polycrystalline silicon raw material commonly used for the production of silicon single crystals for semiconductors. After the single crystal is pulled up to obtain a solidified product of the remaining melt, the single crystal is pulled up using the solidified product as a part of the silicon raw material in the second pulling up.

図3は、本発明の一実施形態であるシリコン単結晶の製造方法における工程を模式的に示す図である。同図(a)に示すように、ルツボ1内に、半導体用のシリコン単結晶の製造に慣用される多結晶のシリコン原料8を所定量投入し、ヒータにより加熱する。これにより、同図(b)に示すように、シリコン原料8を溶融させたシリコン融液3が得られる。   FIG. 3 is a diagram schematically showing steps in a method for producing a silicon single crystal according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1A, a predetermined amount of polycrystalline silicon raw material 8 commonly used in the production of semiconductor silicon single crystals is put into a crucible 1 and heated by a heater. As a result, a silicon melt 3 in which the silicon raw material 8 is melted is obtained as shown in FIG.

続いて、同図(c)に示すように、ルツボ1内のシリコン融液3の表面に種結晶7を浸漬し、通常の製造条件に従って上方に引き上げる。これにより、同図(d)に示すように、種結晶7の下方にシリコン単結晶4が育成される。シリコン単結晶4を引き上げた後のルツボ1内には、残存融液(シリコン融液)3aが残存している。この残存融液3aは、凝固してシリコン凝固物3bになる(同図(e)参照)。   Subsequently, as shown in FIG. 3C, the seed crystal 7 is immersed in the surface of the silicon melt 3 in the crucible 1 and pulled upward according to normal manufacturing conditions. Thereby, the silicon single crystal 4 is grown below the seed crystal 7 as shown in FIG. Residual melt (silicon melt) 3a remains in the crucible 1 after pulling up the silicon single crystal 4. The remaining melt 3a is solidified to become a silicon solid 3b (see FIG. 5E).

次いで、同図(e)に示すように、ルツボ1内のシリコン凝固物3bを取り出す。このとき、シリコン凝固物3bには、ルツボ1(石英ルツボ)から剥離した石英片が多く付着しており、シリコン凝固物3bを再利用するにあたり、石英片を除去する必要がある。そのために、シリコン凝固物3bを洗浄する。この洗浄には、例えば、石英片が付着したシリコン凝固物3bをフッ酸に浸漬して石英片を溶解し、さらにフッ硝酸でエッチングを施して表面に付着している汚染物を取り除き、最後に純水洗浄を行う方法が好適である。これにより、シリコン凝固物3bから石英片が完全に除去される。   Next, as shown in FIG. 5E, the silicon solidified product 3b in the crucible 1 is taken out. At this time, a lot of quartz pieces peeled off from the crucible 1 (quartz crucible) are attached to the silicon solidified product 3b, and it is necessary to remove the quartz pieces in order to reuse the silicon solidified product 3b. For this purpose, the silicon solidified product 3b is washed. For this cleaning, for example, the silicon coagulated material 3b with the quartz piece adhered is immersed in hydrofluoric acid to dissolve the quartz piece, and further etched with hydrofluoric acid to remove contaminants attached to the surface. A method of performing pure water cleaning is preferred. Thereby, the quartz piece is completely removed from the silicon solidified product 3b.

さらに、シリコン凝固物3bを再利用するにあたり、溶融し易い塊状に破砕することができる。こうして、半導体用のシリコン原料8の一部を代替するシリコン凝固物3bが得られる。   Furthermore, when the silicon solidified material 3b is reused, it can be crushed into a mass that can be easily melted. In this way, a silicon solidified product 3b that replaces a part of the silicon raw material 8 for semiconductor is obtained.

次に、同図(f)に示すように、ルツボ1内に、不純物の極めて少ない高純度のシリコン原料8と、シリコン凝固物3bを所定の配合率で仕込み、ヒータにより加熱する。これにより、同図(g)に示すように、シリコン原料8とシリコン凝固物3bとを溶融させたシリコン融液3が得られる。   Next, as shown in FIG. 5F, the high-purity silicon raw material 8 with very few impurities and the silicon coagulated material 3b are charged in the crucible 1 at a predetermined blending ratio and heated by a heater. As a result, as shown in FIG. 5G, a silicon melt 3 in which the silicon raw material 8 and the silicon solidified product 3b are melted is obtained.

続いて、同図(h)に示すように、前記同図(c)に示す工程と同様の製造条件に従って、ルツボ1内のシリコン融液3に種結晶7を浸漬し上方に引き上げる。これにより、同図(i)に示すように、前記の同図(d)に示す工程と同様、種結晶7の下方にシリコン単結晶4が育成される。   Subsequently, as shown in FIG. 6H, the seed crystal 7 is immersed in the silicon melt 3 in the crucible 1 and pulled upward in accordance with the same manufacturing conditions as in the step shown in FIG. As a result, as shown in FIG. 6I, the silicon single crystal 4 is grown below the seed crystal 7 as in the step shown in FIG.

そして、同図(i)に示す工程でも、ルツボ1内には、残存融液3aが残存しているため、この残存融液3aのシリコン凝固物3bを、前記の同図(e)に示す工程を経て洗浄、場合によっては破砕し、さらに前記の同図(f)〜(i)に示す工程を経ることにより、シリコン単結晶4を育成することができる。すなわち、前記の同図(e)〜(i)に示す工程は複数回に亘り繰り返すことができる。   Even in the step shown in FIG. 6 (i), since the residual melt 3a remains in the crucible 1, the silicon solidified product 3b of the residual melt 3a is shown in FIG. The silicon single crystal 4 can be grown by performing the steps shown in (f) to (i) of FIG. That is, the steps shown in FIGS. 5E to 5I can be repeated a plurality of times.

このようなシリコン単結晶の製造方法によれば、シリコン単結晶を引き上げた後のルツボ内に残存する融液の凝固物をシリコン原料の一部として再利用するため、半導体用のシリコン原料の使用量を低減することができる。その結果、半導体用のシリコン原料が不足する事態に対応することが可能になる。   According to such a method for producing a silicon single crystal, the melt solidified material remaining in the crucible after pulling up the silicon single crystal is reused as a part of the silicon material. The amount can be reduced. As a result, it becomes possible to cope with a situation where the silicon raw material for semiconductor is insufficient.

ここで、品質上で問題のないシリコン単結晶を得るためには、ルツボ内に仕込むシリコン凝固物とシリコン原料の配合率を如何にするかが重要である。シリコン凝固物は、これを得るためのシリコン単結晶の育成でシリコン単結晶中に取り込まれなかった不純物を含有しているため、シリコン単結晶の育成の際、シリコン凝固物を多く仕込み過ぎると、育成した単結晶中の不純物の濃度が規格を外れる場合があるからである。   Here, in order to obtain a silicon single crystal having no problem in quality, it is important to determine the mixing ratio of the silicon solidified material and the silicon raw material charged in the crucible. Since the silicon solidified product contains impurities that were not taken into the silicon single crystal in the growth of the silicon single crystal to obtain this, if too much silicon solidified material is charged when growing the silicon single crystal, This is because the concentration of impurities in the grown single crystal may be out of specification.

このため、本実施形態では、固化率を重点管理し、以下の手法に従ってルツボ内に仕込むシリコン凝固物とシリコン原料の配合率を設定する。先ず、シリコン単結晶の引き上げ終了時の固化率gから、前記(2)式に基づき、残存融液すなわちシリコン凝固物中の不純物の濃度〔C〕Lを算出する。 For this reason, in this embodiment, the solidification rate is preferentially managed, and the blending ratio of the silicon solidified material and the silicon raw material charged in the crucible is set according to the following method. First, from the solidification rate g at the end of pulling of the silicon single crystal, the concentration [C] L of the impurity in the residual melt, that is, the silicon coagulum, is calculated based on the equation (2).

さらに、このシリコン凝固物をシリコン原料の一部に用いて溶融させたときのシリコン融液中の不純物濃度が、単結晶育成の際に採用する初期シリコン融液中の不純物の初期濃度〔C〕0に合致するように、シリコン凝固物中の不純物の濃度〔C〕Lから、ルツボ内に仕込むシリコン凝固物の配合率を算出する。そして、シリコン原料とともに、その算出した配合率を上限としてシリコン凝固物をルツボ内に仕込み、これらを溶融させたシリコン融液から単結晶の引き上げを行う。これにより、規格を満足する不純物濃度のシリコン単結晶を育成することができる。 Further, the impurity concentration in the silicon melt when the silicon solidified material is melted using a part of the silicon raw material is the initial concentration [C] of the impurity in the initial silicon melt employed in the single crystal growth. From the concentration [C] L of impurities in the silicon coagulum, the blending ratio of the silicon coagulum charged in the crucible is calculated so as to match 0 . Then, together with the silicon raw material, the silicon solidified material is charged into the crucible with the calculated blending ratio as the upper limit, and the single crystal is pulled up from the silicon melt obtained by melting these. Thereby, a silicon single crystal having an impurity concentration that satisfies the standard can be grown.

例えば、前記図1を参照し、不純物の中でも偏析係数が最も大きいカーボンについて考察する。単結晶を引き上げる前の初期シリコン融液中のカーボンの初期濃度〔C〕0を1×1015atoms/cm3とし、このシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げて固化率gが0.9の時点で引き上げを終了した場合、シリコン単結晶中のカーボンの濃度〔C〕Sは、前記(1)式に基づき5.96×1014atoms/cm3となり、残存融液すなわちシリコン凝固物中のカーボンの濃度〔C〕Lは、前記(2)式に基づき8.51×1015atoms/cm3となる。 For example, with reference to FIG. 1, the carbon having the largest segregation coefficient among the impurities will be considered. The initial concentration [C] 0 of carbon in the initial silicon melt before pulling up the single crystal is set to 1 × 10 15 atoms / cm 3, and the solidification rate g is 0.9 by pulling up the silicon single crystal from the silicon melt. When the pulling is finished at the time, the carbon concentration [C] S in the silicon single crystal becomes 5.96 × 10 14 atoms / cm 3 based on the formula (1), and the residual melt, that is, in the silicon solidified material, The carbon concentration [C] L is 8.51 × 10 15 atoms / cm 3 based on the equation (2).

このシリコン凝固物をシリコン原料の一部に用いて、初期シリコン融液中のカーボンの初期濃度〔C〕0が1×1015atoms/cm3となるシリコン凝固物の配合率は、1×1015/8.51×1015=0.118(11.8%)となる。したがって、シリコン原料とともにルツボ内に仕込むシリコン凝固物を11.8%以下とすれば、これらを溶融して得られる初期シリコン融液中のカーボンの初期濃度〔C〕0を1×1015atoms/cm3以下に保証できる。その結果、このシリコン融液から引き上げたシリコン単結晶は、品質上で問題のないものとなる。 Using this silicon coagulum as part of the silicon raw material, the compounding ratio of the silicon coagulum at which the initial concentration [C] 0 of carbon in the initial silicon melt is 1 × 10 15 atoms / cm 3 is 1 × 10 15 / 8.51 × 10 15 = 0.118 (11.8%). Therefore, if the silicon solidified material charged in the crucible together with the silicon raw material is 11.8% or less, the initial concentration [C] 0 of carbon in the initial silicon melt obtained by melting these is 1 × 10 15 atoms / Can be guaranteed to be cm 3 or less. As a result, the silicon single crystal pulled from the silicon melt has no problem in quality.

図4は、シリコン凝固物中の不純物濃度とシリコン凝固物の配合率との関係の一例を示す図である。同図に示す関係は、不純物を銅、アルミニウム、カーボンとし、初期シリコン融液中の不純物の初期濃度が1×1015atoms/cm3となるのに要するシリコン凝固物の配合率を示している。同図に示すように、シリコン凝固物中の不純物濃度とシリコン凝固物の配合率との関係は、いずれの不純物元素に関しても概ね同じになる。同図から、シリコン凝固物中の不純物濃度が明らかであれば、そのシリコン凝固物の配合率を設定することができる。 FIG. 4 is a diagram showing an example of the relationship between the impurity concentration in the silicon coagulum and the compounding ratio of the silicon coagulum. The relationship shown in the figure shows the blending ratio of silicon coagulum required for the impurities to be copper, aluminum, and carbon and the initial concentration of impurities in the initial silicon melt to be 1 × 10 15 atoms / cm 3 . . As shown in the figure, the relationship between the impurity concentration in the silicon coagulum and the blending ratio of the silicon coagulum is substantially the same for any impurity element. From this figure, if the impurity concentration in the silicon solidified substance is clear, the blending ratio of the silicon solidified substance can be set.

ただし、シリコン凝固物を得るための単結晶の育成において、初期シリコン融液中の各不純物の初期濃度が一律であるとした場合、理論上、シリコン凝固物中の各不純物の濃度は、偏析係数の小さい元素から順に、すなわち銅、アルミニウム、カーボンの順に、微小ではあるが低くなる。したがって、偏析係数の最も小さい不純物元素、すなわち銅の濃度を管理してシリコン凝固物の配合率を設定すれば、そのシリコン凝固物をシリコン原料の一部に用いたシリコン融液は、他の不純物元素、すなわちアルミニウム、カーボンについても十分に濃度が抑えられる。   However, if the initial concentration of each impurity in the initial silicon melt is uniform in the growth of a single crystal to obtain a silicon solidified product, the concentration of each impurity in the silicon solidified product is theoretically the segregation coefficient. In order from the smallest element, that is, in the order of copper, aluminum, and carbon, the value is small but lower. Therefore, if the impurity element with the smallest segregation coefficient, that is, the concentration of copper is controlled and the compounding ratio of silicon coagulum is set, the silicon melt using the silicon coagulum as a part of the silicon raw material will contain other impurities. The concentration of elements, that is, aluminum and carbon is also sufficiently suppressed.

ところで、実際には、シリコン凝固物を得るための単結晶の育成において、初期シリコン融液中の各不純物の初期濃度は一律ではなく、カーボンの濃度が他の不純物元素の濃度よりも高い状態になる。カーボンは、引き上げ装置内の多くの部品に使用されており、シリコン融液に混入し易いからである。このため、実際の運用では、カーボンの濃度を管理してシリコン凝固物の配合率を設定することが好ましい。   By the way, in actuality, in the growth of a single crystal to obtain a silicon solidified product, the initial concentration of each impurity in the initial silicon melt is not uniform, and the carbon concentration is higher than the concentration of other impurity elements. Become. This is because carbon is used in many parts in the pulling device and is easily mixed into the silicon melt. For this reason, in actual operation, it is preferable to set the blending ratio of silicon coagulum by managing the concentration of carbon.

図5は、シリコン凝固物が得られた単結晶引き上げ終了時点での固化率とシリコン凝固物の配合率との関係の一例を示す図である。同図に示す関係は、不純物を銅、アルミニウム、カーボンとし、初期シリコン融液中の不純物の初期濃度が1×1015atoms/cm3となるのに要する実運用上のシリコン凝固物の配合率を示している。不純物元素の偏析により、単結晶の引き上げ終了時点での固化率が大きくなるほど、シリコン凝固物中の不純物の濃度が高くなり、実際には、固化率が0.9の時点で、カーボン、アルミニウム、銅の濃度は、それぞれ、1×1016、1×1013、1×1011atoms/cm3程度のレベルとなる。すなわち、固化率が同じシリコン凝固物であっても、不純物のうちのカーボンの濃度は最も高くなる。 FIG. 5 is a diagram showing an example of the relationship between the solidification rate at the end of pulling of the single crystal from which the silicon solidified product was obtained and the blending rate of the silicon solidified product. The relationship shown in the figure is that the ratio of silicon coagulum in practical operation required for the impurity to be copper, aluminum, and carbon and the initial concentration of the impurity in the initial silicon melt to be 1 × 10 15 atoms / cm 3. Is shown. As the solidification rate at the end of the pulling of the single crystal increases due to segregation of the impurity elements, the concentration of impurities in the silicon solidified material increases, and actually, when the solidification rate is 0.9, carbon, aluminum, The concentrations of copper are about 1 × 10 16 , 1 × 10 13 , and 1 × 10 11 atoms / cm 3 , respectively. That is, even in the case of silicon solidified products having the same solidification rate, the concentration of carbon among impurities becomes the highest.

このため、図5に示すように、単結晶の引き上げ終了時点での固化率が大きくなるほど、シリコン凝固物の配合率を減少させて設定する必要があるが、特に、不純物元素の中でもカーボンに着目してシリコン凝固物の配合率を設定することが好ましい。カーボン以外の不純物元素に着目してシリコン凝固物の配合率を設定すると、そのシリコン凝固物をシリコン原料の一部に用いたシリコン融液は、カーボンの濃度が過剰になるからである。   For this reason, as shown in FIG. 5, it is necessary to set the reduction rate of the silicon solidified compound as the solidification rate at the end of the pulling of the single crystal increases. Thus, it is preferable to set the blending ratio of the silicon coagulum. This is because if the compounding ratio of the silicon coagulated material is set by paying attention to impurity elements other than carbon, the silicon melt using the silicon coagulated material as a part of the silicon raw material has an excessive carbon concentration.

いずれにしても、単結晶の引き上げ終了時点での固化率から、適正なシリコン凝固物の配合率を設定でき、このシリコン凝固物をシリコン原料の一部として用いたシリコン融液から品質上で問題のないシリコン単結晶を育成することができる。   In any case, from the solidification rate at the end of pulling of the single crystal, it is possible to set an appropriate blending rate of silicon coagulum, and there is a quality problem from the silicon melt using this silicon coagulum as part of the silicon raw material. It is possible to grow a silicon single crystal without any defects.

本発明のシリコン単結晶の製造方法による効果を確認するため、以下の試験を行った。本実施例の試験では、内径22インチのルツボを使用し、先ず、これに多結晶のシリコン原料を総重量で140kg仕込み、加熱溶融して得られたシリコン融液からシリコン単結晶の引き上げを行った。これを3バッチ行い、それぞれにおいて、ルツボ内の残存融液に基づくシリコン凝固物を作製した。このとき、バッチごとに単結晶引き上げ終了時点での固化率からシリコン凝固物中の不純物濃度を算出し、さらに、これらの不純物濃度を加重平均し、この加重平均値から3バッチ分のシリコン凝固物の配合率の上限値を算出した。この3バッチ分のシリコン凝固物の配合率の上限値は、35%であった。   In order to confirm the effect of the method for producing a silicon single crystal of the present invention, the following test was conducted. In the test of this example, a crucible having an inner diameter of 22 inches was used. First, a polycrystalline silicon raw material was charged in a total weight of 140 kg, and the silicon single crystal was pulled up from the silicon melt obtained by heating and melting. It was. This was performed in three batches, and in each case, a silicon coagulated material based on the residual melt in the crucible was produced. At this time, the impurity concentration in the silicon coagulum is calculated from the solidification rate at the end of single crystal pulling for each batch, and these impurity concentrations are weighted and averaged, and three batches of silicon coagulum are obtained from this weighted average value. The upper limit of the blending ratio was calculated. The upper limit of the blending ratio of the three batches of silicon coagulum was 35%.

次に、ルツボ内に、多結晶のシリコン原料とともに、上記3バッチ分のシリコン凝固物を28%の配合率で仕込み、加熱溶融後、このシリコン融液から引き上げを行って、直径200mmのシリコン単結晶を育成した。その際、装置内の温度分布や引き上げ速度を調整し、赤外線散乱体欠陥(COP:Crystal Originated Particle)や転位クラスターなどのgrown−in欠陥が存在しない無欠陥結晶領域が形成される育成条件で引き上げを行った。   Next, together with the polycrystalline silicon raw material, the three batches of silicon solidified material are mixed in a crucible at a blending ratio of 28%. After heating and melting, the silicon melt is pulled up to obtain a silicon single piece having a diameter of 200 mm. Crystals were grown. At that time, the temperature distribution in the apparatus and the pulling speed are adjusted, and pulling is performed under a growth condition in which a defect-free crystal region in which no grown-in defects such as infrared scatterer defects (COPs) and dislocation clusters exist is formed. Went.

得られたシリコン単結晶からサンプルウェーハを採取して品質評価を実施した。具体的には、サンプルウェーハの酸素濃度、比抵抗、OSF密度、LPD(Light Point Defect)密度、およびBMD(Bulk Micro Defect:析出欠陥)密度を評価した。なお、比較のため、慣用される多結晶のシリコン原料を全量用いた場合(通常原料)についても同様の評価を行った。   A sample wafer was sampled from the obtained silicon single crystal and evaluated for quality. Specifically, the oxygen concentration, specific resistance, OSF density, LPD (Light Point Defect) density, and BMD (Bulk Micro Defect) density of the sample wafer were evaluated. For comparison, the same evaluation was performed for the case where all the conventional polycrystalline silicon raw materials were used (normal raw materials).

品質評価は、以下の方法によって行った。
酸素濃度:ASTM F121−1979に規定される赤外吸収法に準拠し、フーリエ変換型赤外分光光度計(FTIR:Fouerier Transform Infrared Spectrometer)を用いて測定した。
Quality evaluation was performed by the following method.
Oxygen concentration: Based on the infrared absorption method prescribed | regulated to ASTMF121-1979, it measured using the Fourier transform type | mold infrared spectrophotometer (FTIR: Fourier Transform Infrared Spectrometer).

比抵抗:シリコンウェーハに対してドナーキラー熱処理(650℃×30分)を施した後、比抵抗測定器(四深針接触方式)により測定した。   Specific resistance: After a donor killer heat treatment (650 ° C. × 30 minutes) was performed on the silicon wafer, the specific resistance was measured by a specific resistance measuring device (four deep needle contact method).

OSF密度:シリコンウェーハを湿潤酸素(Wet−O2)雰囲気中で1140℃×2時間の熱処理を行った後、ウェーハ表面をエッチングしてウェーハ表面のOSF密度を光学顕微鏡で測定した。 OSF density: The silicon wafer was heat-treated at 1140 ° C. for 2 hours in a wet oxygen (Wet-O 2 ) atmosphere, then the wafer surface was etched, and the OSF density on the wafer surface was measured with an optical microscope.

LPD密度:ウェーハ表面を、光散乱式パーティクルカウンタ(KLA−Tencor社製SP1)を用いて、ウェーハ表面に存在する200μmサイズ以上のLPD、および300μmサイズ以上のLPDの個数をカウントした。   LPD density: The number of LPDs having a size of 200 μm or more and LPDs having a size of 300 μm or more present on the wafer surface was counted using a light scattering particle counter (SP1 manufactured by KLA-Tencor) on the wafer surface.

BMD密度:シリコンウェーハに対して780℃×3時間、更に1000℃×16時間の熱処理を行った後、ウェーハを劈開して、その断面を2μmエッチングするライトエッチングを行った後、その断面におけるBMDの個数を光学顕微鏡でカウントした。   BMD density: After performing heat treatment on a silicon wafer at 780 ° C. for 3 hours and further at 1000 ° C. for 16 hours, the wafer was cleaved, and light etching was performed to etch the cross section by 2 μm, and then BMD in the cross section Was counted with an optical microscope.

下記の表1に評価結果を示す。   The evaluation results are shown in Table 1 below.

Figure 2009249253
Figure 2009249253

表1の結果から、得られたシリコン単結晶から採取したサンプルウェーハの品質は、シリコン原料の一部に残存融液に基づくシリコン凝固物を使用しても、通常原料を使用した場合と差がなかった。   From the results of Table 1, the quality of the sample wafer collected from the obtained silicon single crystal is different from the case of using the normal raw material even if the silicon solid based on the residual melt is used as a part of the silicon raw material. There wasn't.

本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、シリコン単結晶の引き上げ後にルツボ内に残存する融液の凝固物をシリコン原料の一部として再利用するため、シリコン原料の使用量を低減することができ、その結果、半導体用のシリコン原料が不足する事態に対応することが可能になる。よって、本発明は、CZ法によるシリコン単結晶の製造に極めて有用な技術である。   According to the method for producing a silicon single crystal of the present invention, the melt solidified material remaining in the crucible after the silicon single crystal is pulled up is reused as part of the silicon material, so that the amount of silicon material used can be reduced. As a result, it becomes possible to cope with a situation where silicon raw materials for semiconductors are insufficient. Therefore, the present invention is an extremely useful technique for producing a silicon single crystal by the CZ method.

CZ法によるシリコン単結晶の引き上げを実施するのに適した単結晶引き上げ装置の要部構成を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the principal part structure of the single crystal pulling apparatus suitable for implementing the pulling of the silicon single crystal by CZ method. シリコン単結晶の育成における固化率と単結晶中の不純物濃度の関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the solidification rate in the growth of a silicon single crystal, and the impurity concentration in a single crystal. 本発明の一実施形態であるシリコン単結晶の製造方法における工程を模式的に示す図である。It is a figure which shows typically the process in the manufacturing method of the silicon single crystal which is one Embodiment of this invention. シリコン凝固物中の不純物濃度とシリコン凝固物の配合率との関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the impurity concentration in a silicon solidified material, and the compounding ratio of a silicon solidified material. シリコン凝固物が得られた単結晶引き上げ終了時点での固化率とシリコン凝固物の配合率との関係の一例を示す図である。It is a figure which shows an example of the relationship between the solidification rate at the time of completion | finish of a single crystal pulling with which the silicon solidified material was obtained, and the compounding rate of a silicon solidified material.

符号の説明Explanation of symbols

1 ルツボ
1a 石英ルツボ
1b 黒鉛ルツボ
2 ヒータ
3 原料融液
3a 残存融液
3b 凝固物
4 窒素ドープシリコン単結晶
5 引き上げ軸
6 支持軸
7 種結晶
8 シリコン原料
9 高純度の窒素ドーパント用原料
10 破砕物
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Crucible 1a Quartz crucible 1b Graphite crucible 2 Heater 3 Raw material melt 3a Remaining melt 3b Solidified material 4 Nitrogen dope silicon single crystal 5 Lifting shaft 6 Support shaft 7 Seed crystal 8 Silicon material 9 High purity nitrogen dopant material 10 Crushed material

Claims (3)

チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する方法であって、
シリコン単結晶を引き上げた後にルツボ内に残存する融液の凝固物とシリコン原料をルツボ内に仕込んで溶融し、この融液からシリコン単結晶を引き上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
A method for producing a silicon single crystal by the Czochralski method,
A method for producing a silicon single crystal, comprising: melting and solidifying a melt solidified in a crucible and a silicon raw material in a crucible after the silicon single crystal is pulled up; and pulling the silicon single crystal from the melt.
シリコン単結晶の引き上げ終了時の固化率に基づいて、前記凝固物の配合率を算出し、算出した配合率を上限として前記凝固物を仕込むことを特徴とする請求項1に記載のシリコン単結晶の製造方法。   2. The silicon single crystal according to claim 1, wherein a blending ratio of the solidified substance is calculated based on a solidification ratio at the end of pulling of the silicon single crystal, and the solidified substance is charged with the calculated blending ratio as an upper limit. Manufacturing method. 前記凝固物と前記シリコン原料を溶融させた融液からの前記シリコン単結晶の引き上げを複数回に亘り繰り返すことを特徴とする請求項1または2に記載のシリコン単結晶の製造方法。   3. The method for producing a silicon single crystal according to claim 1, wherein the pulling of the silicon single crystal from a melt obtained by melting the solidified material and the silicon raw material is repeated a plurality of times.
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