JP2017039629A - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】マルチプリング法においてシリコン単結晶のピンホール不良を防止しつつ、２本目以降のシリコン単結晶中のカーボン濃度を低減する。
【解決手段】チャンバー１０内の石英ルツボ１２内に充填されたシリコン原料をヒータ１５で加熱して融解する工程と、石英ルツボ１２内のシリコン融液３からシリコン単結晶２を引き上げる工程とを繰り返することにより、同一の石英ルツボ１２を用いて複数本のシリコン単結晶２を製造する。２本目以降のシリコン単結晶２を引き上げるために石英ルツボ１２内に追加供給されたシリコン原料を融解する際のチャンバー１０内の炉内圧は、１本目のシリコン単結晶２を引き上げるために石英ルツボ１２内に供給されたシリコン原料を融解する際のチャンバー１０の炉内圧よりも高く設定される。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によるシリコン単結晶の製造方法に関し、特に、同一の石英ルツボを用いて複数本のシリコン単結晶を連続的に製造する、いわゆるマルチプリング法に関するものである。

ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法としてマルチプリング法が知られている（例えば、特許文献１参照）。マルチプリング法では、シリコン単結晶を引き上げた後、同一の石英ルツボ内にシリコン原料を追加供給して融解し、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い、このような原料供給工程と単結晶引き上げ工程を繰り返すことにより、一つの石英ルツボから複数本のシリコン単結晶を製造する。マルチプリング法によれば、シリコン単結晶一本当たりの石英ルツボの原価コストを低減することが可能である。またチャンバーを解体して石英ルツボを交換する頻度を低減できるため、操業効率を向上させることが可能である。

ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、石英ルツボ内に多結晶シリコンなどのシリコン原料を充填し、チャンバー内でシリコン原料を加熱して融解する。次に、引き上げ軸の下端に取り付けられた種結晶を石英ルツボの上方から降下させてシリコン融液に浸漬し、種結晶および石英ルツボを所定の方向に回転させながら種結晶を徐々に上昇させることにより、種結晶の下方に単結晶を成長させる。

シリコン単結晶の育成中、チャンバー内は減圧状態に維持される。シリコン融液には石英ルツボから溶出した酸素が過飽和に含まれているが、チャンバー内の気圧（炉内圧）が高いとガス流速が遅くなるため、蒸発したＳｉＯが大量にチャンバー内に付着し、このチャンバー内に付着したＳｉＯ粉がシリコン融液中に落下することで有転位化の原因となる。しかし、炉内圧を低くした場合には発生ガスを効率よく炉外へ排出させることができ、有転位化の発生を抑えることができる。

ＳｉＯの蒸発やピンホールの発生に起因する単結晶の有転位化の問題を解決するため、特許文献２には、原料溶解工程における炉内圧を６５〜４００ｍｂａｒとし、単結晶引き上げ工程における炉内圧をそれよりも低く且つ９５ｍｂａｒ以下とする炉内圧の制御方法が記載されている。また特許文献３には、原料溶解工程の前半における炉内圧を高圧（６０〜４００ｍｂａｒ）とし、原料溶解工程の後半における炉内圧を低圧（６０ｍｂａｒ以下）とする炉内圧の制御方法が記載されている。さらに、特許文献４には、原料融解時の炉内圧を６０ｈＰａ以下の低圧にすることにより、融液中に溶け込んだガスの揮発を促進させてシリコン単結晶のピンホール不良を防止する方法が記載されている。

特開２０１０−１８５０６号公報 特開２０００−１６９２８７号公報 特開２００２−３６２９９６号公報 特開２０００−１５９５９６号公報

上記のように、マルチプリング法はシリコン単結晶の製造効率やコスト面で非常に有利である。マルチプリング法においても、原料融解時の炉内圧を低くすることによりシリコン単結晶のピンホール不良を防止する方法は有効である。

しかしながら、チャンバー内にはカーボン製のヒータをはじめ様々なカーボン製の部材があり、単結晶育成工程中の高温下でこれらが消耗することによりＣＯガスが発生しているため、マルチプリング法では引き上げ本数が増えるほどシリコン融液のカーボン汚染が進み、シリコン単結晶中のカーボン濃度が高くなるという問題がある。すなわち、２本目以降のシリコン単結晶の引き上げではＣＯガスが未溶融のシリコン原料に付着し、融解中のシリコン融液に溶け込み、育成中のシリコン単結晶に取り込まれるため、２本目以降のシリコン単結晶中の炭素濃度は１本目よりも高くなる。このような現象は、シリコン単結晶のピンホール不良を防止するために原料融解時の炉内圧を低くした場合に特に問題となる。

したがって、本発明の目的は、マルチプリング法においてシリコン単結晶のピンホール不良を防止しつつ、２本目以降のシリコン単結晶中のカーボン濃度を低減することが可能なシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、チャンバー内の石英ルツボ内に充填されたシリコン原料をヒータで加熱して融解する工程と、前記石英ルツボ内のシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる工程とを繰り返すことにより、同一の石英ルツボを用いて複数本のシリコン単結晶を製造する方法であって、１本目のシリコン単結晶の引き上げに用いられる前記石英ルツボ内に供給されたシリコン原料を融解する第１の原料融解工程と、２本目以降のシリコン単結晶の引き上げに用いられる前記石英ルツボ内に追加供給されたシリコン原料を融解する第２の原料融解工程とを備え、前記第１の原料融解工程では前記チャンバー内を第１の炉内圧に設定し、前記第２の原料融解工程では前記チャンバー内を前記第１の炉内圧よりも高い第２の炉内圧に設定することを特徴とする。

本発明によれば、シリコン単結晶のピンホール不良を防止しつつ、２本目以降のシリコン単結晶を引き上げるために追加供給されたシリコン原料（リチャージ原料）を融解して生成されるシリコン融液中のカーボン濃度の上昇を抑制することができる。したがって、カーボン濃度が低い高品質なシリコン単結晶を製造することができる。

本発明において、前記第２の炉内圧は、前記第１の炉内圧よりも４０Ｔｏｒｒ以上高いことが好ましく、前記第１の炉内圧の２倍以上であることもまた好ましい。このように、第２の炉内圧が第１の炉内圧よりも高い場合には、シリコン融液中のカーボン濃度の上昇を十分に抑えることができ、育成されるシリコン単結晶中のカーボン濃度を抑制することができる。

本発明において、前記第１の原料融解工程では前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を第１の流量に設定し、前記第２の原料融解工程では前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を前記第１の流量よりも少ない第２の流量に設定することが好ましい。この場合において、前記不活性ガスはアルゴンガスであることが好ましく、前記第２の流量は前記第１の流量よりも５０Ｌ／ｍｉｎ以上少ないことが好ましい。第２の流量を第１の流量よりも少なくすることにより、第２の炉内圧を安定的に制御することができる。また、不活性ガスがチャンバー内に多く流入することによりシリコン原料が冷えて原料の融解が長期化し、生産性が低下することを防止することができる。

このように、本発明によれば、マルチプリング法においてシリコン単結晶のピンホール不良を防止しつつ、２本目以降のシリコン単結晶中のカーボン濃度を低減することが可能なシリコン単結晶の製造方法を提供することができる。

本発明の実施の形態によるシリコン単結晶引き上げ装置の構成を示す縦断面図である。 本発明の実施の形態によるシリコン単結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶引き上げ装置の構成を示す縦断面図である。

図１に示すように、シリコン単結晶引き上げ装置１は、チャンバー１０と、チャンバー１０の内面に沿って配置された断熱材１１と、チャンバー１０内の中心部に配置された石英ルツボ１２と、石英ルツボ１２を支持するカーボン製のサセプタ１３と、サセプタ１３を昇降可能に支持する回転支持軸１４と、サセプタ１３の周囲に配置されたヒータ１５と、サセプタ１３の上方に配置された略逆円錐台形状の熱遮蔽体１６と、サセプタ１３の上方であって回転支持軸１４と同軸上に配置された単結晶引き上げ用ワイヤー１７と、チャンバー１０の上方に配置されたワイヤー巻き取り機構１８とを備えている。

チャンバー１０は、メインチャンバー１０Ａと、メインチャンバー１０Ａの上部開口に連結された細長い円筒状のプルチャンバー１０Ｂとで構成されており、上述の石英ルツボ１２、サセプタ１３、回転支持軸１４、ヒータ１５及び熱遮蔽体１６はメインチャンバー１０Ａ内に設けられている。ヒータ１５は、石英ルツボ１２内に充填されたシリコン原料を融解してシリコン融液を生成するために用いられる。ヒータ１５はカーボン製の抵抗加熱式ヒータであり、サセプタ１３内の石英ルツボ１２を取り囲むように設けられている。

熱遮蔽体１６はカーボン製であり、シリコン融液３の上方において育成中のシリコン単結晶２を取り囲むように設けられている。ワイヤー巻き取り機構１８はプルチャンバー１０Ｂの上方に配置されており、ワイヤー１７はワイヤー巻き取り機構１８からプルチャンバー１０Ｂ内を通って下方に延びており、ワイヤー１７の先端部はメインチャンバー１０Ａの内部空間まで達している。図１には、育成途中のシリコン単結晶２がワイヤー１７に吊設された状態が示されている。

以上の構成において、シリコン単結晶の製造では、シリコン原料が充填された石英ルツボ１２をサセプタ１３内にセットし、ワイヤー１７の先端部に種結晶を取り付ける。次に石英ルツボ１２内のシリコン原料をヒータ１５で加熱してシリコン融液３を生成する。

シリコン単結晶の引き上げ工程では、種結晶を降下させてシリコン融液３に浸漬した後、種結晶及び石英ルツボ１２をそれぞれ回転さながら、種結晶をゆっくり上昇させることにより、種結晶の下方に略円柱状のシリコン単結晶２を成長させる。その際、シリコン単結晶２の直径は、その引き上げ速度やヒータ１５のパワーを制御することにより制御される。

プルチャンバー１０Ｂの上部には、チャンバー１０内にアルゴンガスを導入するためのガス吸気口１９Ａが設けられており、メインチャンバー１０Ａの底部には、チャンバー１０内のアルゴンガスを排気するためのガス排気口１９Ｂが設けられている。アルゴンガスはガス吸気口１９Ａからチャンバー１０内に導入され、その導入量はバタフライバルブ２０Ａにより制御される。また密閉されたチャンバー１０内のアルゴンガスはガス排気口１９Ｂからチャンバーの外部へ排気されるので、チャンバー１０内のＳｉＯガスやＣＯガスを回収してチャンバー１０内を清浄に保つことが可能となる。ガス排気口１９Ｂに接続された配管の途中にはバタフライバルブ２０Ｂ及び真空ポンプ２１が設置されており、真空ポンプ２１でチャンバー１０内のアルゴンガスを吸引しながらバタフライバルブ２０Ｂでその流量を制御することでチャンバー１０内は一定の減圧状態に保たれている。

図２は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶の製造方法を説明するためのフローチャートである。

図２に示すように、マルチプリング法における１本目のシリコン単結晶の育成では、石英ルツボ１２内に初期チャージとして充填された多結晶シリコンなどの固体のシリコン原料（初期チャージ原料）を融解してシリコン融液３を生成する（ステップＳ１）。このとき、チャンバー１０内の炉内圧Ｐ_１（第１の炉内圧）は例えば４０Ｔｏｒｒに設定され、またチャンバー１０内に供給するアルゴンガスの流量Ｆ_１（第１の流量）は例えば２５０Ｌ／ｍｉｎに設定される。

その後、シリコン融液３から１本目のシリコン単結晶２を引き上げる（ステップＳ２）。単結晶引き上げ工程中の炉内圧は、原料融解工程中の炉内圧（Ｐ_１）よりも低いことが好ましい。

続いて、２本目のシリコン単結晶２の育成では、石英ルツボ１２内にシリコン原料を追加供給して融解し、シリコン融液３を生成する（ステップＳ３）。このとき、チャンバー１０内の炉内圧Ｐ_２（第２の炉内圧）は、１本目のシリコン単結晶の育成するための初期チャージ原料の融解時における炉内圧Ｐ_１よりも高く設定される。またチャンバー１０内に供給されるアルゴンガスの流量Ｆ_２（第２の流量）は、１本目のシリコン単結晶を育成するための初期チャージ原料の融解時におけるアルゴンガスの流量Ｆ_１よりも少なく設定される。具体的には、チャンバー１０内の炉内圧Ｐ_２は８０Ｔｏｒｒ以上に設定され、アルゴンガスの流量Ｆ_２は２００Ｌ／ｍｉｎ以下に設定される。このように、炉内圧Ｐ_２は、炉内圧Ｐ_１よりも４０Ｔｏｒｒ以上高いことが好ましく、あるいは炉内圧Ｐ_１の２倍以上であることが好ましい。また流量Ｆ_２は、流量Ｆ_１よりも５０Ｌ／ｍｉｎ以上少ないことが好ましい。

その後、シリコン融液３から２本目のシリコン単結晶２を引き上げる（ステップＳ４）。上記のように、単結晶引き上げ工程中の炉内圧は、原料融解工程中の炉内圧（Ｐ_２）よりも低いことが好ましい。

２本目のシリコン単結晶を引き上げるために追加供給されたシリコン原料（リチャージ原料）を融解する際の炉内圧Ｐ_２を１本目のときの炉内圧Ｐ_１よりも高くする理由は、チャンバー１０内に存在するＣＯガスがシリコン融液３に溶け込み、これによりシリコン単結晶中のカーボン濃度が高くなることを防止するためである。チャンバー１０内にはカーボン製のヒータ１５、熱遮蔽体１６、サセプタ１３等の消耗に起因するＣＯガスが発生しており、このＣＯガスが固体のリチャージ原料に付着し、その融解時にシリコン融液中に溶け込み、シリコン融液中のカーボン濃度が上昇する。しかし、リチャージ原料の融解工程中の炉内圧を高くした場合には、ＣＯガスの融液面への拡散が抑えられるので、ＣＯガスがシリコン融液中に取り込まれることを抑制することができる。したがって、シリコン融液から育成されるシリコン単結晶中のカーボン濃度の上昇を抑えることができる。

一方、１本目のシリコン単結晶を引き上げるために供給されたシリコン原料（初期チャージ原料）の融解工程（第１の原料融解工程）において炉内圧Ｐ_１を低くする理由は、シリコン単結晶のピンホール不良を防止するためである。ピンホール不良とは、原料融解時に石英ルツボ１２の底部に付着しているガスが底部から離脱してシリコン融液中を浮上し、育成中のシリコン単結晶に取り込まれることによって発生する。原料融解時の炉内圧が高いとシリコン融液中の気泡が放出されにくくなるため、その後の単結晶引き上げ工程中に気泡が放出される可能性が高くなり、ピンホール不良が増加する。そのため、初期チャージ原料の融解時には炉内圧を低くすることが好ましい。

リチャージ原料の追加供給時には石英ルツボ１２内にシリコン融液が残っている状態であるため、石英ルツボ１２の底部に気泡は発生しない。よって、リチャージ原料の融解工程（第２の原料融解工程）において炉内圧を高くしてもピンホール不良が発生することはない。逆に、リチャージ原料融解時の炉内圧が低いとチャンバー内のＣＯガスがシリコン融液に溶け込み易くなり、シリコン融液中のカーボン濃度が高くなる。よって、本実施形態によるマルチプリング法ではリチャージ原料の融解時のみ炉内圧を高くし、初期チャージ原料の融解時には炉内圧を低くする炉内圧の制御が行われる。

また上記のように、追加チャージ原料の融解工程におけるアルゴンガスの流量Ｆ_２は、初期チャージ原料の融解工程におけるアルゴンガスの流量Ｆ_１よりも少なく設定される。初期チャージ原料の融解工程におけるアルゴンガスの流量Ｆ_１を高く維持したままで炉内圧をＰ_２に変更した場合には、アルゴンガス流量を制御するバタフライバルブ２０Ａ，２０Ｂの制御性が悪化し、炉内圧が安定しない場合がある。また、チャンバー１０内でアルゴンガスの流れが速くなることで渦流が発生し、これによりＣＯガスの融液面への拡散が進行するおそれがある。さらにまた、アルゴンガスがチャンバー１０内に多く流入することによりシリコン原料が冷え、原料融解工程が長期化し、生産性も低下するという問題がある。しかしアルゴンガス流量Ｆ_２をこのように少なくすることで炉内圧を安定させることができ、ＣＯガスの融液面への拡散を抑えることができ、生産性を向上させることができる。

３本目以降のシリコン単結晶の育成も２本目と同様に原料融解工程（第２の原料融解工程；２本目以降の溶解工程の総称である）と単結晶引き上げ工程を繰り返せばよい。すなわち、３本目以降のシリコン単結晶の育成でも、リチャージ原料融解時の炉内圧（Ｐ_３）を初期チャージ原料融解時の炉内圧（Ｐ_１）よりも高くし、アルゴンガス流量（Ｆ_３）を初期チャージ原料融解時のアルゴンガス流量（Ｆ_１）よりも低くする。この場合、シリコン単結晶の引き上げ本数の増加に合わせてリチャージ原料融解時の炉内圧を徐々に高くしてもよい（Ｐ_１＜Ｐ_２＜Ｐ_３・・・＜Ｐ_ｎ）。

以上説明したように、本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法は、２本目以降のシリコン単結晶を引き上げるために追加供給されたシリコン原料（リチャージ原料）を融解する際の炉内圧を、１本目のシリコン単結晶を引き上げるために供給されたシリコン原料（初期チャージ原料）を原料融解する際の炉内圧よりも高くするので、シリコン融液中のカーボン濃度の上昇を抑制することができる。したがって、カーボン濃度が低い高品質なシリコン単結晶を製造することができる。

以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。

例えば、上記実施形態ではチャンバー１０内に供給する不活性ガスとしてアルゴンガスを挙げているが、その他の不活性ガスを用いてもよい。

１ シリコン単結晶引き上げ委装置
２ シリコン単結晶
３ シリコン融液
１０ チャンバー
１０Ａ メインチャンバー
１０Ｂ プルチャンバー
１１ 断熱材
１２ 石英ルツボ
１３ サセプタ
１４ 回転支持軸
１５ ヒータ
１６ 熱遮蔽体
１７ ワイヤー
１８ ワイヤー巻き取り機構
１９Ａ ガス吸気口
１９Ｂ ガス排気口
２０Ａ，２０Ｂ バタフライバルブ
２１ 真空ポンプ
Ｆ_１，Ｆ_２ アルゴンガス流量
Ｐ_１，Ｐ_２ 炉内圧

Claims (6)

1. チャンバー内の石英ルツボ内に充填されたシリコン原料をヒータで加熱して融解する工程と、前記石英ルツボ内のシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる工程とを繰り返すことにより、同一の石英ルツボを用いて複数本のシリコン単結晶を製造する方法であって、
   １本目のシリコン単結晶の引き上げに用いられる前記石英ルツボ内に供給されたシリコン原料を融解する第１の原料融解工程と、
   ２本目以降のシリコン単結晶の引き上げに用いられる前記石英ルツボ内に追加供給されたシリコン原料を融解する第２の原料融解工程とを備え、
   前記第１の原料融解工程では前記チャンバー内を第１の炉内圧に設定し、
   前記第２の原料融解工程では前記チャンバー内を前記第１の炉内圧よりも高い第２の炉内圧に設定することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 前記第２の炉内圧は、前記第１の炉内圧よりも４０Ｔｏｒｒ以上高い、請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。
3. 前記第２の炉内圧は、前記第１の炉内圧の２倍以上である、請求項１または２に記載のシリコン単結晶の製造方法。
4. 前記第１の原料融解工程では前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を第１の流量に設定し、
   前記第２の原料融解工程では前記チャンバー内に供給する不活性ガスの流量を前記第１の流量よりも少ない第２の流量に設定する、請求項１ないし３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
5. 前記第２の流量は、前記第１の流量よりも５０Ｌ／ｍｉｎ以上少ない、請求項４に記載のシリコン単結晶の製造方法。
6. 前記不活性ガスがアルゴンガスである、請求項４または５に記載のシリコン単結晶の製造方法。

Images