JP2016056026A - シリコン単結晶製造方法及びシリコン単結晶 - Google Patents

Abstract

【課題】チャンバ内で発生したＳｉＯの黒鉛ルツボ、ヒータへの接触を抑制すると共に、黒鉛ルツボ、ヒータから発生したＣＯの融液側に戻るバックディフュージョンを抑制したシリコン単結晶製造方法及びシリコン単結晶の提供。
【解決手段】原料溶融時からシリコン単結晶Ｃの引き上げ開始時まで、黒鉛ルツボ３ｂの上端位置が、ヒータ４の上端から上方に５〜９５ｍｍになるように制御され、かつ、原料溶融時からシリコン単結晶Ｃの引き上げ終了時まで、第１の排気流路Ｘ１における輻射シールド１１下端と融液Ｍの表面との隙間の排気断面積Ｓ１が、内筒５と外筒８とによって形成される第３の排気流路Ｘ３の排気断面積Ｓ３未満となるように、ルツボ３位置が制御される。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン単結晶製造方法及びシリコン単結晶に関し、特に、チョクラルスキー（Czochralski；以下、ＣＺと略称する）法により製造されるシリコン単結晶製造方法及びシリコン単結晶に関する。

シリコン単結晶インゴットの製造方法には、ＣＺ法とＦＺ（Floating Zone）法とがあり、ＦＺ法により製造されたシリコン単結晶（以下、ＦＺシリコン結晶と略称する）は酸素濃度が非常に低く、酸素析出核が成長しにくいことから、ＩＧＢＴ用シリコン基板には、従来、ＦＺシリコン結晶が用いられていた。
一方、ＣＺ法においては、原料を石英ルツボに充填するため、石英ルツボからの酸素の混入が非常に多く、ＦＺシリコン結晶と同等レベルまで酸素濃度を低減させることは困難であり、キャリアの再結合中心となる酸素析出核の成長が促進されやすく、キャリアのライフタイムが短いことから、高耐圧向けのＩＧＢＴ用シリコン基板には不向きであった。

しかしながら、シリコン単結晶中における酸素析出核の形成は、主に炭素不純物に起因しており、形成された酸素析出核の成長は、結晶中の酸素濃度の影響を受ける。したがって、ＣＺシリコン結晶は、酸素濃度の低減には限界があることから、ＩＧＢＴ用とするためには、結晶中の炭素濃度を１．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下にまで低減し、酸素析出核の形成自体を抑制することが求められる。

結晶中の炭素濃度は、原料の炭素濃度を低減することにより、低減可能であると考えられるが、偏析の影響により、シリコン単結晶の引き上げの進行とともに炭素濃度が増加し、結晶全長で炭素濃度を１．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下に抑制することは難しく、このような低炭素濃度の原料を得るためには非常にコストがかかる。

一方、結晶中の炭素濃度は、炉内のヒータ、黒鉛ルツボ等の高温炭素部材から原料融液中に混入するＣＯの汚染速度（混入量）と、原料融液からのＣＯの蒸発速度（蒸発量）を制御することによって低減できることが知られている。なお、前記高温炭素部材からのＣＯの発生は、原料融液から蒸発するＳｉＯのＳｉＯ(gas)＋２Ｃ(solid)→ＣＯ(gas)＋ＳｉＣ(solid)の反応によるものである。
即ち、炉内のヒータ、黒鉛ルツボ等の高温炭素部材から原料融液中に混入するＣＯの混入量を極力を少なくする、一方、原料融液からのＣＯの蒸発量を極力多くすることによって、シリコン単結晶中の炭素濃度を低減することができる。

ところで、従来のＣＺ法を用いた半導体単結晶製造装置においては、シリコン単結晶中の炭素濃度の低減を目的としたものではないが、炉内で発生したＳｉＯ，ＣＯを炉外に排出する際に、ＳｉＯが黒鉛ルツボやヒータに接触し、黒鉛ルツボやヒータがＳｉＣ化するのを回避するために、特許文献１に記載するように内筒と外筒から構成された排気流路を設けた半導体単結晶製造装置、あるいは特許文献２に示すように排気管を設けた半導体単結晶製造装置が提案されている。

まず、特許文献１に示された半導体単結晶製造装置について、図８に基づいて説明する。図８に示すように、この半導体単結晶製造装置２０は、シリコン単結晶の原料を溶融するルツボ２１と、このルツボ２１の周囲にあってルツボ内の原料を加熱するヒータ２２と、ルツボ２１の上方に設けられ、単結晶引き上げ領域を取り巻き、遮熱する輻射スクリーン２３と、溶融した原料に種子結晶Ｐを浸漬して単結晶Ｃを引き上げる引き上げ機構（図示せず）とを備えている。
また、前記ヒータ２２の外周面に近接して内筒２４を設けると共に、前記ヒータ２２を取り巻くように外筒２５を配置し、チャンバ２０ａの上部から導入されたパージ用不活性ガスが、前記輻射スクリーン２３から流入し、内筒２４と外筒２５との隙間を流下し、チャンバ２０ａの底部２０ｂから排出するように構成されている。尚、前記外筒２５の外周面には断熱筒２６が配置されている。

しかしながら、特許文献１に記載された半導体単結晶製造装置２０にあっては、ヒータ２２で発生した熱は、内筒２４で遮断され、外筒２５の温度が著しく低くなるため、炉内で発生したＳｉＯが外筒２５に付着、凝縮し、内筒２４、外筒２５間の排気流路は、堆積によって目詰まりを起こすという弊害があった。

これを解決するものとして、特許文献２において半導体単結晶製造装置が提案されている。この特許文献２に示された半導体単結晶製造装置について、図９に基づいて説明する。図９に示すように、この半導体単結晶製造装置３０には、前記ヒータ３１の外側にあって、前記ヒータ３１の周方向に沿って、複数の排気管３２が設けられている。この排気管３２は、ヒータ３１の上端を覆うように形成された円環板状の排気管固定リング３３に固定されている。

また、排気管固定リング３３の外周は、外筒３４に固着されており、排気管固定リング３３の中央の孔には、ルツボ３５が配置されている。このルツボ３５は、黒鉛ルツボ３５ａと石英ルツボ３５ｂから構成されている。
また、ルツボ３５の上方に設けられ、単結晶引き上げ領域を取り巻き、遮熱する輻射スクリーン３７と、前記輻射スクリーン３７が内周部に取り付けられ、外周部が前記外筒３４に取り付けられた蓋板３８とを備えている。また、前記外筒３４の外周面には、断熱材３９が配置されている。

そして、単結晶の引上げの際には、チャンバ３６の上部から不活性ガス（Ａｒガス）がチャンバ３６内に導入され、前記不活性ガスは、図９に矢印で示すように、単結晶Ｃの外周面に流下し、輻射スクリーン３７の下端と融液Ｍとの隙間を通過する。その後、石英るつぼ３５ｂの内面に沿って上昇し、蓋板３８、排気管固定リング３３、外筒３４によって囲まれた空間Ａに導入され、排気管３２内を流下し、排気口３２ａを経て、チャンバ３６の外へ排出される。

特開平７−２２３８９４号 特開２００６−１６９０１０号

ところで、前記したように、シリコン単結晶中の炭素濃度を低減するためには、ヒータ、黒鉛ルツボ等の高温炭素部材から原料融液中に混入するＣＯの混入量を極力を少なくすることが必要であり、具体的には、炉内で発生したＳｉＯと黒鉛ルツボ、ヒータとの接触を抑制すると共に、前記黒鉛ルツボ、ヒータから発生したＣＯがパージ用不活性ガスによる移流や拡散の影響によって、融液側に戻るバックディフュージョンを抑制する必要がある。
これに対して、前記した特許文献１、２記載の装置は、炉内で発生したＳｉＯ，ＣＯを炉外に排出する際に、ＳｉＯが黒鉛ルツボやヒータに接触し、黒鉛ルツボやヒータがＳｉＣ化するのを回避するためになされたものであり、黒鉛ルツボやヒータから発生するＣＯが不活性ガスによる移流や拡散の影響により融液側に戻るバックディフュージョンの抑制については、考慮されていなかった。

特に、特許文献１記載の装置にあっては、炉内で発生したＳｉＯが外筒に付着、凝縮し、内筒と外筒間の排気流路が堆積によって目詰まりを起こすという弊害があり、低炭素のシリコン単結晶製造装置には適さないという技術的課題があった。

また、特許文献２記載の装置にあっては、炉内で発生したＳｉＯ，ＣＯは蓋板、排気管固定リング、外筒によって囲まれた空間に導入され、空間に比べてコンダクタンスの小さな排気管内を流下するように構成されている。そのため、炉内で発生したＳｉＯ，ＣＯは、蓋板、排気管固定リング、外筒によって囲まれた空間内に滞留し，融液側に戻るバックディフュージョンを抑制することができず、低炭素のシリコン単結晶製造には適さないという技術的課題があった。

本発明者らは、結晶中の炭素濃度を低減するために、炉内のヒータ、黒鉛ルツボから原料融液中に混入するＣＯを制御する点に着目した。
具体的には、炉内で発生したＳｉＯとヒータ、黒鉛ルツボとの接触を抑制し、ヒータ、黒鉛ルツボから発生するＣＯを低減すること、及びヒータ、黒鉛ルツボから発生したＣＯが融液側に戻るバックディフュージョンを抑制することに着目して、鋭意研究した。

この研究に際し、特許文献２記載の装置のように、蓋板、排気管固定リング、外筒によって囲まれた空間から排気管を用いて排気するのは、炉内で発生したＳｉＯ，ＣＯが前記空間内に滞留し，融液側に戻るバックディフュージョンを抑制することが困難であるため、特許文献１記載の装置のような、内筒と外筒間の排気流路から排気する装置を前提に、最適なシリコン単結晶製造法を研究した。
そして、原料溶融時から単結晶引き上げ時まで、一の特定の排気流路の排気断面積を特定の範囲になし、かつ原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、他の特定の排気流路の排気断面積を特定の範囲になすことにより、チャンバ内で発生したＳｉＯの黒鉛ルツボ、ヒータへの接触を抑制でき、また黒鉛ルツボ、ヒータから発生したＣＯが原料融液中に混入するＣＯの混入量を抑制できることを知見し、本発明を想到したものである。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、チャンバ内で発生したＳｉＯの黒鉛ルツボ、ヒータへの接触を抑制すると共に、前記黒鉛ルツボ、ヒータから発生したＣＯの融液側に戻るバックディフュージョンを抑制したシリコン単結晶製造方法及びシリコン単結晶を提供することを目的とする。

上記技術的課題を解決するためになされ本発明にかかるシリコン単結晶製造方法は、不活性ガスを供給する供給口を備えた円筒形状のチャンバと、前記チャンバ内に設けられた、内側が石英ガラスルツボ、外側が黒鉛ルツボで構成されたルツボと、前記ルツボの高さを昇降する昇降部と、前記昇降部を制御する制御部と、前記ルツボに装填された原料シリコンを溶融するカーボンヒータと、前記カーボンヒータの外周囲に設けられた内筒と、前記内筒の外周囲に設けられた外筒と、前記内筒の上端部に内方に延設された第１の保温板と、前記外筒の上端部に内方に延設された第２の保温板と、前記ルツボの上方且つ近傍に設けられた、シリコン単結晶の周囲を包囲するよう上部と下部に開口が形成された輻射シールドと、前記輻射シールドとルツボの内周面によって形成される第１の排気流路と、第１の保温板と第２の保温板に形成される第２の排気流路と、内筒と外筒とによって形成される第３の排気流路から構成される排気流路とを備えたシリコン単結晶の製造装置を用いたシリコン単結晶製造方法であって、原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ開始時まで、黒鉛ルツボの上端位置が、前記ヒータの上端から上方に５ｍｍ以上、９５ｍｍ以下になるように制御され、かつ、原料溶融完了時からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、前記第１の排気流路における輻射シールド下端と融液の表面との隙間の排気断面積が、内筒と外筒とによって形成される第３の排気流路の排気断面積未満となるように、ルツボ位置が制御されることを特徴としている。

このように、原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ開始時まで、黒鉛ルツボの上端位置が、前記ヒータの上端から上方に５ｍｍ以上、９５ｍｍ以下になるように制御される。即ち、前記ルツボの上端部が不活性ガスの流れに対して遮蔽機能を有し、チャンバ内で発生したＳｉＯの黒鉛ルツボ、ヒータへの接触が抑制され、ＣＯの発生が抑止される。また、前記ルツボの上端部の遮蔽機能によって、前記黒鉛ルツボ、ヒータから発生したＣＯの融液側に戻るバックディフュージョンを抑制することができる。

また、原料溶融完了時からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、前記第１の排気流路における輻射シールド下端と融液の表面との隙間の排気断面積が、内筒と外筒とによって形成される第３の排気流路の排気断面積未満となるように、ルツボ位置が制御される。
輻射シールド下端と融液の表面との隙間の排気断面積を小さくすることにより、融液の表面の流速を大きくでき、融液からのＣＯの蒸発量を大きくすることができる。また、内筒と外筒とによって形成される第３の排気流路の排気断面積を大きくすることにより、第３の排気流路のコンダクタンスを大きくすることができ、円滑な排気の流れを実現でき、目詰まりも抑制することができる。
このように、原料溶融完了時からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、輻射シールド下端と融液の表面との隙間の排気断面積が、第３の排気流路の排気断面積未満となるように、ルツボ位置を制御することによって、融液からのＣＯの蒸発量を大きくでき、また前記黒鉛ルツボ、ヒータから発生したＣＯのバックディフュージョンを抑制することができる。その結果、低炭素濃度のシリコン単結晶を製造することができる。

ここで、前記シリコン単結晶の引き上げ開始からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、前記輻射シールドと黒鉛ルツボ上端に形成される流路のうち断面積が最も小さい断面積が、輻射シールド下端と融液の表面との隙間の排気断面積以上の面積になるように、黒鉛ルツボの上端位置が制御されることが望ましい。
輻射シールド１１と黒鉛ルツボ上端の流路の排気断面積が、第１の排気流路の入り口の断面積未満の場合には、輻射シールドと黒鉛ルツボ上端の流路のコンダクタンスが小さくなり、排気抵抗が大きくなる。その結果、不活性ガスによる移流や拡散の影響を受け、前記黒鉛ルツボ、ヒータから発生したＣＯの融液側に戻るバックディフュージョンを抑制することができないという弊害が生じるため、好ましくない。

また、前記第１の保温板と第２の保温板によって形成される第２の排気流路の排気断面積が、内筒と外筒とによって形成される第３の排気流路の排気断面積よりも大きく形成されていることが望ましい。
このように、第２の排気流路の排気断面積が、第３の排気流路の排気断面積よりも大きく形成されているため、ＳｉＯ，ＣＯを円滑に排気することができる。また、輻射シールドや第２の保温板へのＳｉＯの付着を防止することができ、その結果として結晶の有転位化を抑制することができる。

また、前記外筒の外周囲に断熱材が設けられ、更に前記内筒は二重筒に形成され、その内部には断熱材が設けられていることが望ましい。
このように、前記外筒の外周囲に断熱材が設けられ、更に前記内筒は二重筒に形成され、その内部には断熱材が設けられているため、ヒータの電力を低減することができる。
一方、前記内筒の断熱材によって放熱を緩和するものであるが、内筒と外筒の断熱材の肉厚を調整することで、第３の排気流路内の温度を所定温度以上に維持することができ、ＳｉＯによる目詰まりを抑制することができる。

また、前記シリコン単結晶製造方法によってシリコン単結晶を製造することにより、低炭素濃度のシリコン単結晶を得ることができる。

本発明によれば、チャンバ内で発生したＳｉＯの黒鉛ルツボ、ヒータへの接触を抑制すると共に、前記黒鉛ルツボ、ヒータから発生したＣＯの融液側に戻るバックディフュージョンを抑制したシリコン単結晶製造方法を得ることができる。また前記シリコン単結晶製造方法によって、低炭素濃度のシリコン単結晶を得ることができる。

図１は、本発明を実施するシリコン単結晶の製造装置の概略断面図である。 図２は、図１に示すシリコン単結晶の製造装置のＩ−Ｉ断面図である。 図３は、図１に示すシリコン単結晶の製造装置の要部断面図である。 図４は、図１に示すシリコン単結晶の製造装置の要部断面図である。 図５は、実施例１，２，３にかかるシリコン単結晶の炭素濃度を示すグラフである。 図６は、実施例２，４，５，６にかかるシリコン単結晶の炭素濃度を示すグラフである。 図７は、比較例１，３，４にかかるシリコン単結晶の炭素濃度を示すグラフである。 図８は、従来のシリコン単結晶の製造装置の概略断面図である。 図９は、従来の他のシリコン単結晶の製造装置を示す図であって、（ａ）は概略断面図、（ｂ）は（ａ）のＩＩ−ＩＩ断面図である。

以下、本発明に用いられるシリコン単結晶の製造装置について図１乃至図４に基づいて説明する。
この製造装置１は、円筒形状のチャンバ（炉体）２と、チャンバ２内に設けられたルツボ３と、ルツボ３に装填された原料シリコンを溶融するカーボンヒータ４とを有している。尚、ルツボ３は、内側が石英ガラスルツボ３ａ、外側が黒鉛ルツボ３ｂで構成されている。また、製造装置１は、原料融液には、横磁場を印加するＭＣＺ法（Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ ＣＺ法）を用いた製造装置である。図中、横磁場を印加する手段については、公知のものが用いられるため、省略している。

また、チャンバ２内において、カーボンヒータ４の外周囲には内筒５が設けられている。この内筒５は円筒状に形成され、その上端部に内方に延設された第１の保温板６が設けられている。また、前記内筒５は二重筒に形成され、その内部には断熱材７が設けられている。
また、前記内筒５及び前記第１の保温板６は、前記カーボンヒータ４の外周面及び上面を覆うように配置されている。このように、カーボンヒータ４の外周面及び上面が覆われるため、チャンバ２内で発生したＳｉＯ，ＣＯを炉外に排出する際に、ＳｉＯのヒータ４への接触が抑制される。

また、チャンバ２内において、内筒５の外周囲には外筒８が設けられている。前記外筒８は円筒状に形成され、その上端部に内方に延設された第２の保温板９が設けられている。前記第１の保温板６と第２の保温板９との間に第２の排気流路Ｘ２が形成され、内筒５と外筒８との間に第３の排気流路Ｘ３が形成される。前記外筒８の外周囲には断熱材１０が設けられている。

前記断熱材７は内筒５からの放熱を緩和するものであり、前記断熱材１０は外筒８からの放熱を緩和するものであり、前記第３の排気流路Ｘ３を所定の温度に維持することができ、カーボンヒータ４の出力の低減を図ることができる。
尚、前記断熱材７の肉厚（径方向の厚さ寸法）を厚くすると、前記内筒５と前記外筒８との間に形成される第３の排気流路Ｘ３の温度が低下する虞があるため、断熱材１０の肉厚（径方向の厚さ寸法）に比べて、薄く形成される。この断熱材７、１０の肉厚は、第３の排気流路Ｘ３の温度が１３００Ｋ以上を維持することができるような厚さに設定するのが、望ましい。前記第３の排気流路Ｘ３内の温度が１３００Ｋ以上を維持することにより、ＳｉＯによる目詰まりを抑制することができる。

また、前記第２の保温板９の内周端には、育成中の単結晶Ｃにカーボンヒータ４等からの余計な輻射熱を与えないようにするための輻射シールド１１が設けられている。
前記輻射シールド１１は、ルツボ３の上方且つ近傍には、単結晶Ｃの周囲を包囲するよう上部と下部が開口形成され、上部から下部に行くにしたがって、開口の面積が徐々に小さくなるようにテーパ面が形成されている。
この輻射シールド１１が設けられることにより、上方からルツボ３内に供給されたパージ用不活性ガス（Ａｒガス）Ｇは、輻射シールド１１と融液Ｍとの隙間（第１の排気流路Ｘ１）を通って、図１に矢印で示す流路に沿って流れ、ルツボ外に排気されるようになされている。

尚、図示しないが、チャンバ２の上方には、単結晶Ｃを引上げる引上げ機構が設けられている。この引上げ機構は、モータ駆動される巻取り機構と、この巻取り機構に巻き上げられる引上げワイヤ１２とにより構成される。そして、ワイヤ１２の先端に種結晶Ｐが取り付けられ、単結晶Ｃを育成しながら引上げるようになされている。また、シリコン単結晶の製造装置１は、ルツボ３を回転させるモータと、ルツボ３の高さを制御する昇降装置と、前記モータ、前記昇降装置を制御する制御装置を備え、ルツボ３を回転させると共に、ルツボ３の高さを上昇させながら、単結晶Ｃを育成するように構成されている。

また、チャンバ２の上部にはガス供給口２ａが設けられ、不活性ガスであるＡｒガスがチャンバ２内に供給されるように構成されている。また、チャンバ２の底面には、複数の排気口２ｂが設けられ、この排気口２ｂには排気手段としての排気ポンプ（図示せず）が接続されている。
したがって、ガス供給口２ａからチャンバ２内に供給されたＡｒガスＧは、排気ポンプによって、前記第１の排気流路Ｘ１、前記第２の排気流路Ｘ２、前記第３の排気流路Ｘ３を通って、外部に排出される。

次に、第１の排気流路Ｘ１、前記第２の排気流路Ｘ２、前記第３の排気流路Ｘ３によって構成される排気流路について詳述する。
図１に示すように、第１の排気流路Ｘ１の入口にあたる、輻射シールド１１下端と融液Ｍの表面との隙間（入口部）Ｘ１ａは、ルツボ３の全周囲に形成されている。このように、前記入口部）Ｘ１ａは、ルツボ３の全周に形成されているため、融液Ｍの表面から蒸発したＣＯを炉内に滞留させることなく排気することができる。

また、輻射シールド１１下端と融液Ｍの表面との隙間（入口部）Ｘ１ａの断面積（ガスの流れに直交する排気断面積）をＳ１とした場合、排気断面積Ｓ１が小さいほど、ルツボ３の外径方向へのＡｒガスＧの流速が速くなり、融液Ｍの表面からのＣＯの蒸発量を増大させることができると共に、黒鉛ルツボ３ｂ、カーボンヒータ４から発生したＣＯがＡｒガスによる移流や拡散の影響によって、融液Ｍ側に戻るバックディフュージョンを抑制することができる。
一方、排気断面積Ｓ１が小さ過ぎると、融液表面に揺れが生じ、また融液表面と輻射シールド１１とが接触する虞があるため、好ましくない。
一般的に、シリコン単結晶製造装置にあっては、チャンバ２内圧が、１０ｔｏｒｒ以上１００ｔｏｒｒ以下とされ、チャンバ２内に導入されるＡｒガスの流量が、５０Ｌ／ｍｉｎ以上１５０Ｌ／ｍｉｎ以下とされるため、前記排気断面積Ｓ１は、２πｒ×Ｇａｐｍｍ^２以上に形成されるのが望ましい。ここで、ｒ＝Ｃ_Ｄ×１．１５、Ｇａｐ：輻射シールド下端から融液までの高さ、ｒ：輻射シールド開口径、Ｃ_Ｄ：シリコン単結晶径

また、第１の保温板６と第２の保温板９によって形成される第２の排気流路Ｘ２の断面積Ｓ２とし、内筒５と外筒８とによって形成される排気流路Ｘ３の断面積Ｓ３とし、石英ルツボ３ｂの内径をＤとした場合に、１＜Ｓ３／Ｓ１＜Ｄ／３０、Ｓ３＜Ｓ２の関係を有するように構成されている。
尚、Ｓ１は、輻射シールド１１下端と融液Ｍ表面とで形成される第１の排気流路Ｘ１の入り口Ｘ１ａの断面積であるため、原料の溶融完了時から単結晶引き上げ終了まで、ルツボの上昇を制御することによって変化する。一方、Ｓ２、Ｓ３、Ｄは、製造装置において予め設定された値である。

第３の排気流路Ｘ３の排気断面積Ｓ３が第１の排気流路Ｘ１の排気断面積Ｓ１より小さい場合には、第３の排気流路Ｘ３の排気抵抗が大きくなり、チャンバ２内で発生したＳｉＯ，ＣＯが第２の排気流路Ｘ２内に滞留し，融液Ｍ側に戻るバックディフュージョンを起こす虞があるため、好ましくない。
また、排気流路Ｘ３の排気断面積Ｓ３が小さくなるため、目詰まりが生じる虞がある。そのため、１＜Ｓ３／Ｓ１であることが好ましい。
尚、Ｓ３／Ｓ１がＤ／３０を超える場合には、外筒８の外周面に配置される断熱材１０の肉厚が薄くなり、放熱効果が大きく、チャンバ２内で発生したＳｉＯが外筒８に付着、凝縮し、排気流路Ｘ３が目詰まりを起こす虞があり、好ましくない。

したがって、原材料を溶融する工程から単結晶Ｃを育成しながら引上げが終了するまで、輻射シールド１１下端と溶融液面とで形成される排気断面積Ｓ１が、排気断面積Ｓ３よりも小さい状態を維持しつつ、シリコン単結晶の引き上げがなされるように、ルツボの上昇が制御される。

また、第１の保温板６と第２の保温板９によって形成される第２の排気流路Ｘ２の排気断面積Ｓ２（ガスの流れに直交する、第１の保温板６の内周端部と第２の保温板９との間の断面積）は、第３の排気流路Ｘ３の排気断面積Ｓ３よりも大きく形成され、Ｓ３＜Ｓ２の関係を有するように構成されている。
このとき、前記排気断面積Ｓ２が排気断面積Ｓ３よりも小さい場合には、第２の排気流路Ｘ２が第３の排気流路Ｘ３よりも早期に目詰まりする虞があり、好ましくない。
また、第２の保温板９にＳｉＯが付着するため、好ましくない。

また、図３に示すように、原料溶融時から引き上げ開始時までは、黒鉛ルツボ３ｂの上端と前記カーボンヒータ４の上端との距離寸法Ｙ１が５ｍｍ以上、９５ｍｍ以下になるように制御される（配置される）。
黒鉛ルツボ３ｂの上端と前記ヒータ４の上端との距離寸法Ｙ１が５ｍｍ未満（カーボンヒータ４の上端と黒鉛ルツボ３ｂの上端が同一の高さ位置、あるいはカーボンヒータ４の上端より黒鉛ルツボ３ｂの上端が低い場合）の場合には、ルツボの上端部の遮蔽機能が低減する、もしくは、前記カーボンヒータ４が第２の排気流路Ｘ２内に露出する。
そのため、カーボンヒータ４からのＣＯが第２の排気流路Ｘ２内に拡散し、ヒータ４から原料融液中に混入するＣＯの混入量が増大する虞があるため、好ましくない。

また、黒鉛ルツボ３ｂの上端と前記ヒータ４の上端との距離寸法Ｙ１が９５ｍｍ超の場合には、石英ルツボ３ａの上端が低温化し、原料融液から蒸発したＳｉＯが付着し、歩留まり悪化の原因となるため、好ましくない。
なお、黒鉛ルツボ３ｂの上端は、第１の保温板６の上端よりも高くなるように制御される（配置される）ことが、より好ましい。

また、ヒータ４の上端から第１の保温板６の上端の高さは、２０ｍｍ以上３０ｍｍ以下であることが好ましい。２０ｍｍ未満ではヒータ４と第１の保温板６との間にスパークが生じる虞があり、３０ｍｍ超えではヒータ４と内筒５との間にガスが流れ込む虞があるため、好ましくない。

更に、シリコン単結晶の引き上げ開始からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、輻射シールド１１と黒鉛ルツボ上端の流路の排気断面積（輻射シールド１１と黒鉛ルツボ上端に形成される流路のうち断面積が最も小さい断面積）Ｓ１ｂが、排気流路Ｘ１の入り口Ｘ１ａの断面積Ｓ１よりも大きくなるように、ルツボの高さ（ルツボの上昇）が制御される。 即ち、Ｓ１≦Ｓ１ｂの関係を保つように、ルツボの高さ（ルツボの上昇）が制御される。

ここで、輻射シールド１１と黒鉛ルツボ上端の流路の排気断面積Ｓ１ｂが、排気流路Ｘ１の入り口Ｘ１ａの断面積Ｓ１よりも小さい場合には、輻射シールド１１と黒鉛ルツボ上端の流路のコンダクタンスが小さくなり、排気抵抗が大きくなるため、バックディフュージョンが生じる虞があり、好ましくない。

また、シリコン単結晶の引き上げ開始からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、Ｓ１≦Ｓ１ｂの関係を保つように、ルツボの高さが制御され、黒鉛ルツボ３ｂの上端は、前記カーボンヒータ４の上端との距離寸法Ｙ１が５ｍｍ以上の位置に配置される。
この黒鉛ルツボの上端（ルツボの上部）は遮蔽板として機能するため、チャンバ内で発生したＳｉＯの黒鉛ルツボ、ヒータへの接触が抑制され、ＣＯの発生が抑止される。
また、黒鉛ルツボの上端（ルツボの上部）が、不活性ガスによる移流や拡散の影響を抑制するため、前記黒鉛ルツボ、ヒータから発生したＣＯの融液側に戻るバックディフュージョンを抑制することができる。

また、図４に示すように、カーボンヒータ４内径Ｚ１、第１の保温板６の内径Ｚ２、ルツボ３（黒鉛ルツボ３ｂ）の外径Ｚ３が、Ｚ３＋０．０２×Ｚ３≦Ｚ２≦Ｚ１の関係を有している。
カーボンヒータ４内径Ｚ１が、第１の保温板６の内径Ｚ２より小さく形成されている場合には、チャンバ２内で発生したＳｉＯがカーボンヒータ４側に流れ込み、カーボンヒータ４からＣＯが発生するため好ましくない。
また、第１の保温板６の内径Ｚ２が、Ｚ３＋０．０２×Ｚ３未満である場合には、引き上げ完了後に、黒鉛ルツボ３ｂが開いた際にカーボンヒータ４と接触し、破損する虞があるため、好ましくない。

更に、第１の保温板６の内径Ｚ２と、ルツボ３（黒鉛ルツボ３ｂ）の外径Ｚ３との差が、２０ｍｍ以下であることが好ましい。このＺ２とＺ３の差が２０ｍｍを越えると、チャンバ２内で発生したＳｉＯがカーボンヒータ４側に流れ込み、カーボンヒータ４からＣＯが発生するため好ましくない。

続いて、このような単結晶引上装置１を用いた単結晶Ｃの製造方法について説明する。
原料シリコンの溶融工程においては、最初にルツボ３に原料シリコンが装填されると共に、排気ポンプを駆動し、チャンバ２内にＡｒガスＧの第１の排気流路Ｘ１、第２の排気流路Ｘ２、第３の排気流路Ｘ３を形成する。一方、ヒータ制御部を作動させてカーボンヒータ４を加熱し、ルツボ３の原料シリコンの溶融作業を開始する。

この原料溶融時から引き上げ開始時までは、黒鉛ルツボ３ｂの上端と前記ヒータ４の上端との距離寸法Ｙ１が５ｍｍを以上、９５ｍｍ以下になるように、ルツボの高さ位置が、昇降部を制御する制御部によって制御される。
そして、シリコン融液Ｍが生成されると、単結晶引上げ作業が開始される。引き上げ開始後から引き上げ終了まで、輻射シールド１１下端と融液Ｍの液面との隙間（入口部）Ｘ１ａの排気断面積（ガスの流れに直交する排気断面積）Ｓ１が、内筒５と外筒８とによって形成される排気流路Ｘ３の排気断面積Ｓ３未満となるように、ルツボ高さ位置が制御される。

尚、排気断面積Ｓ１は、Ｓ１＝２πｒ×Ｇａｐ ｍｍ^２以上になるようにルツボ高さ位置が制御される。また、単結晶引上げ作業が開始された後は、ルツボの上昇に伴い、黒鉛ルツボ３ｂの上端と前記ヒータ４の上端との距離寸法Ｙ１は１００ｍｍ以上になされる。
また、原料溶融完了時から引き上げ開始終了までは、前記したように、輻射シールド１１と黒鉛ルツボ上端の流路の排気断面積Ｓ１ｂが、排気流路Ｘ１の入り口Ｘ１ａの断面積Ｓ１よりも大きくなるように、ルツボの高さが制御される。

以上のように本発明に係る実施の形態によれば、原料溶融時から引き上げ開始時までは、黒鉛ルツボ３ｂの上端と前記ヒータ４の上端との距離寸法Ｙ１が５ｍｍ以上、９５ｍｍ以下になるように、ルツボの高さ位置が制御されるため、チャンバ内で発生したＳｉＯの黒鉛ルツボ、ヒータへの接触が抑制され、ＣＯの発生が抑止される。また、不活性ガスによる移流や拡散の影響を抑制でき、前記黒鉛ルツボ、ヒータから発生したＣＯの融液側に戻るバックディフュージョンを抑制することができる。

また、原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、前記第１の排気流路における輻射シールド下端と融液の表面との隙間の排気断面積が、内筒と外筒とによって形成される第３の排気流路の排気断面積未満となるように、ルツボ位置が制御されるため、円滑な排気の流れを実現でき、目詰まりも抑制することができる。即ち、不活性ガスによる移流や拡散の影響を抑制でき、前記黒鉛ルツボ、カーボンヒータから発生したＣＯの融液側に戻るバックディフュージョンを抑制することができる。
したがって、本発明にかかるシリコン単結晶製造方法によれば、炭素濃度が低く高品質のシリコン単結晶を安定して得ることができる。

本発明に係る単結晶引上装置及び単結晶の製造方法について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に示した構成の単結晶引上装置を用い、実際に実験を行うことにより、その効果を検証した。

（実施例１）
原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ開始時まで、黒鉛ルツボの上端位置が、前記ヒータの上端から上方に５ｍｍになるように制御され、その際、チャンバの内圧は、１５ｔｏｒｒ、チャンバ内に導入されるＡｒガスの流量は、１４０Ｌ／ｍｉｎとし、かつ、原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、前記第１の排気流路における輻射シールド下端と融液の表面との隙間の排気断面積Ｓ１が、内筒と外筒とによって形成される 第３の排気流路の排気断面積Ｓ３未満となるように、ルツボ位置を制御した。
また、シリコン単結晶の引き上げ開始時からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、輻射シールドと黒鉛ルツボ上端に形成される流路のうち断面積が最も小さい断面積Ｓ１ｂが、輻射シールド下端と融液の表面との隙間の排気断面積Ｓ１以上の面積になるように、黒鉛ルツボの上端位置を制御した。実験の条件を表１に示す。尚、表１に示した条件以外の単結晶の引上げ条件は一般的になされている条件とし、実施例２〜実施例６、比較例１〜比較例４においても同一条件とした。
そして、得られたシリコン単結晶の炭素濃度を測定した。炭素濃度測定においては、フォトルミネッセンス（ＰＬ）法を用いた（S. Nakagawa, K. Kashima, M. Tajima, Proceedings of the Forum on the Science and Technology of Silicon Materials 2010 (2010) 326 参照）。その結果を図５に示す。

（実施例２）
原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ開始時まで、黒鉛ルツボの上端位置を、前記ヒータの上端から上方に５０ｍｍになるように制御する以外は、表１に示すように実施例１と同じ条件で、実験を行った。そして、得られたシリコン単結晶の炭素濃度を測定した。その結果を図５に示す。

（実施例３）
原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ開始時まで、黒鉛ルツボの上端位置を、前記ヒータの上端から上方に９５ｍｍになるように制御する以外は、表１に示すように実施例１と同じ条件で実験を行った。そして、得られたシリコン単結晶の炭素濃度を測定した。その結果を図５に示す。

（実施例４）
原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ開始時まで、チャンバ内に導入されるＡｒガスの流量を１００Ｌ／ｍｉｎになるように制御する以外は、表１に示すように実施例２と同じ条件で実験を行った。そして、得られたシリコン単結晶の炭素濃度を測定した。その結果を図６に示す。

（実施例５）
原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ開始時まで、チャンバ内に導入されるＡｒガスの流量を、５５Ｌ／ｍｉｎになるように制御する以外は、表１に示すように実施例２と同じ条件で実験を行った。そして、得られたシリコン単結晶の炭素濃度を測定した。その結果を図６示す。

（実施例６）
原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ開始時まで、チャンバの内圧を、９５ｔｏｒｒに制御する以外は、表１に示すように実施例２と同じ条件で実験を行った。そして、得られたシリコン単結晶の炭素濃度を測定した。その結果を図６に示す。

（比較例１）
原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ開始時まで、黒鉛ルツボの上端位置を、前記ヒータの上端から下方に５ｍｍになるように制御する以外は、表１に示すように実施例１と同じ条件で実験を行った。そして、得られたシリコン単結晶の炭素濃度を測定した。その結果を図７に示す。

（比較例２）
原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ開始時まで、黒鉛ルツボの上端位置を、前記ヒータの上端から上方に１０５ｍｍになるように制御する以外は、表１に示すように実施例１と同じ条件で実験を行った。また、比較例２では、石英ルツボの上端が低温化し、原料融液から蒸発したＳｉＯが付着し、歩留まり悪化したため、炭素濃度の測定を行うことができなかった。

（比較例３）
原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、前記第１の排気流路における輻射シールド下端と融液の表面との隙間の排気断面積Ｓ１が、内筒と外筒とによって形成される第３の排気流路の排気断面積Ｓ３以上となるように、ルツボ位置を制御する以外は、表１に示すように実施例１と同じ条件で実験を行った。そして、得られたシリコン単結晶の炭素濃度を測定した。その結果を図７に示す。

（比較例４）
原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ開始時まで、黒鉛ルツボの上端位置を、前記ヒータの上端から上方に９５ｍｍになるように制御し、かつ、原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、前記第１の排気流路における輻射シールド下端と融液の表面との隙間の排気断面積Ｓ１が、内筒と外筒とによって形成される第３の排気流路の排気断面積Ｓ３以上となるように、ルツボ位置を制御する以外は、表１に示すように実施例１と同じ条件で実験を行った。そして、得られたシリコン単結晶の炭素濃度を測定した。その結果を図７に示す。

実施例１〜３で得られた結晶は、図５に示すように、いずれも固化率９０％までの結晶直胴部において、炭素濃度が１．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の低炭素濃度のシリコン単結晶が得られた。尚、いずれの結晶においても、固化率１０％における炭素濃度が低く、固化率１０％以降で炭素濃度の僅かな減少がみられた。これは、原料の溶融時および引き上げ時において、ＣＯの発生が抑制されただけでなく、融液からＣＯが蒸発し、その蒸発したＣＯを円滑に炉外に排出できたためだと考えられる。

また、図６に示すように、実施例４〜６において得られた結晶は、いずれも固化率９０％までの結晶直胴部において、炭素濃度が１．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３以下の低炭素濃度のシリコン単結晶が得られた。

一方、図７に示すように、比較例１、３、４では、固化率９０％までの結晶直胴部において、炭素濃度が１．０×１０^１４ａｔｏｍｓ／ｃｍ^３を超え、目的とする低炭素濃度のシリコン単結晶が得られなかった。また比較例２では、石英ルツボの上端が低温化し、原料融液から蒸発したＳｉＯが付着し、歩留まり悪化するものであった。

１ シリコン単結晶製造装置
２ チャンバ
３ ルツボ
３ａ 石英ルツボ
３ｂ 黒鉛ルツボ
４ カーボンヒータ
５ 内筒
６ 第１の保温板
７ 断熱材
８ 外筒
９ 第２の保温板
１０ 断熱材
１１ 輻射シールド
Ｃ シリコン単結晶
Ｐ 種結晶
Ｘ１ 第１の排気流路
Ｘ２ 第２の排気流路
Ｘ３ 第３の排気流路

Claims (5)

1. 不活性ガスを供給する供給口を備えた円筒形状のチャンバと、
   前記チャンバ内に設けられた、内側が石英ガラスルツボ、外側が黒鉛ルツボで構成されたルツボと、
   前記ルツボの高さを昇降する昇降部と、
   前記昇降部を制御する制御部と、
   前記ルツボに装填された原料シリコンを溶融するカーボンヒータと、
   前記カーボンヒータの外周囲に設けられた内筒と、
   前記内筒の外周囲に設けられた外筒と、
   前記内筒の上端部に内方に延設された第１の保温板と、
   前記外筒の上端部に内方に延設された第２の保温板と、
   前記ルツボの上方且つ近傍に設けられた、シリコン単結晶の周囲を包囲するよう上部と下部に開口が形成された輻射シールドと、
   前記輻射シールドとルツボの内周面によって形成される第１の排気流路と、第１の保温板と第２の保温板に形成される第２の排気流路と、内筒と外筒とによって形成される第３の排気流路から構成される排気流路とを備えたシリコン単結晶の製造装置を用いたシリコン単結晶製造方法であって、
   原料溶融時からシリコン単結晶の引き上げ開始時まで、黒鉛ルツボの上端位置が、前記ヒータの上端から上方に５ｍｍ以上、９５ｍｍ以下になるように制御され、
   かつ、原料溶融完了時からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、前記第１の排気流路における輻射シールド下端と融液の表面との隙間の排気断面積が、内筒と外筒とによって形成される第３の排気流路の排気断面積未満となるように、ルツボ位置が制御されることを特徴とするシリコン単結晶製造方法。
2. 前記シリコン単結晶の引き上げ開始からシリコン単結晶の引き上げ終了時まで、
   前記輻射シールドと黒鉛ルツボ上端に形成される流路のうち断面積が最も小さい断面積が、輻射シールド下端と融液の表面との隙間の排気断面積以上の面積になるように、黒鉛ルツボの上端位置が制御されることを特徴とするシリコン単結晶製造方法。
3. 前記第１の保温板と第２の保温板によって形成される第２の排気流路の排気断面積が、内筒と外筒とによって形成される第３の排気流路の排気断面積よりも大きく形成されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたシリコン単結晶製造方法。
4. 前記外筒の外周囲に断熱材が設けられ、
   更に前記内筒は二重筒に形成され、その内部には断熱材が設けられていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載されたシリコン単結晶製造方法。
5. 前記請求項１乃至請求項４のいずれかのシリコン単結晶製造方法によって製造されたことを特徴とするシリコン単結晶。

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