JP2021098629A - Single crystal growth method and single crystal growth apparatus - Google Patents

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Abstract

To increase a manufacturing yield of a large-diameter silicon single crystal with no crystal defect by enhancing a PvPi margin.SOLUTION: A single crystal growth method for growing a silicon single crystal composed of a shoulder part, a body part and a tail part by a Czochralski method includes: a lifting step P4A for lifting the body part of the silicon single crystal; and a cooling body pulling up and down step P4B for changing a distance between a lower edge of the cooling body and a liquid surface of a silicon melt by pulling up and down the cooling body, the cooling body being installed so as to surround the silicon single crystal and enhancing cooling of the silicon single crystal from an outer peripheral side of the silicon single crystal.SELECTED DRAWING: Figure 4

Description

本発明は、チョクラルスキー法により単結晶を育成する単結晶育成方法および単結晶育成装置に関する。 The present invention relates to a single crystal growing method and a single crystal growing device for growing a single crystal by the Czochralski method.

シリコン単結晶などの単結晶の製造方法として、チョクラルスキー法(以下、CZ法という。)と呼ばれる方法が知られている。CZ法では、ルツボ内のシリコン融液の液面に種結晶を着液させ、種結晶を上方に引き上げることにより単結晶の製造が行われる。 As a method for producing a single crystal such as a silicon single crystal, a method called the Czochralski method (hereinafter referred to as CZ method) is known. In the CZ method, a single crystal is produced by landing a seed crystal on the liquid surface of a silicon melt in a crucible and pulling the seed crystal upward.

CZ法により製造されるシリコン単結晶に含まれる結晶欠陥の種類や分布は、シリコン単結晶の成長速度(引き上げ速度)Vと、融点から1300℃までの結晶成長界面近傍における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配Gとの比V/Gに依存することが知られている。
V/Gが大きい場合には空孔が過剰となり、その凝集体であるボイド欠陥が発生する。ボイド欠陥は一般的にCOP(Crystal Originated Particle)と称される結晶欠陥である。一方、V/Gが小さい場合には格子間シリコン原子が過剰となり、その凝集体を起因とした転位クラスターが発生する。したがって、COPや転位クラスターを含まない単結晶を製造するためには、V/Gを厳密に制御しなければならない。現在では、結晶引き上げ速度Vを制御することによって、COPや転位クラスターを含まない300mmウェーハ用のシリコン単結晶が量産されている。
The types and distribution of crystal defects contained in the silicon single crystal produced by the CZ method are the growth rate (pulling rate) V of the silicon single crystal and the inside of the crystal in the pulling axial direction near the crystal growth interface from the melting point to 1300 ° C. It is known that it depends on the ratio V / G with the temperature gradient G.
When the V / G is large, the pores become excessive, and void defects, which are aggregates thereof, occur. Void defects are crystal defects generally called COP (Crystal Originated Particle). On the other hand, when V / G is small, interstitial silicon atoms become excessive, and dislocation clusters due to the aggregates are generated. Therefore, in order to produce a single crystal that does not contain COP or dislocation clusters, V / G must be strictly controlled. At present, silicon single crystals for 300 mm wafers that do not contain COP or dislocation clusters are mass-produced by controlling the crystal pulling speed V.

しかしながら、V/Gを制御して引き上げられたシリコン単結晶から切り出されたCOP及び転位クラスターを含まないシリコンウェーハであっても、その全面は必ずしも均質ではなく、熱処理された場合の挙動が異なる複数の領域を含んでいる。例えば、COPが発生する領域と転位クラスターが発生する領域との間には、V/Gが大きいほうから順に、OSF領域、Pv領域、Pi領域の三つの領域が存在する。 However, even a silicon wafer that does not contain COP and dislocation clusters cut out from a silicon single crystal that has been pulled up by controlling V / G, the entire surface is not always homogeneous, and the behavior when heat-treated is different. Contains the area of. For example, between the region where COP is generated and the region where dislocation clusters are generated, there are three regions, an OSF region, a Pv region, and a Pi region, in descending order of V / G.

OSF領域とは、as−grown状態でOSF核を含んでおり、1000〜1200℃の高温下で1〜10時間の熱酸化処理した場合にOSF(Oxidation induced Stacking Fault:酸化誘起積層欠陥)が発生する領域である。Pv領域とは、as−grown状態で酸素析出核を含んでおり、低温及び高温の2段階の熱処理を施した場合に酸素析出物が発生しやすい領域である。Pi領域とは、as−grown状態で酸素析出核をほとんど含んでおらず、熱処理を施しても酸素析出物が発生しにくい領域である。 The OSF region contains OSF nuclei in an as-grown state, and OSF (Oxidation induced Stacking Fault) occurs when thermal oxidation treatment is performed at a high temperature of 1000 to 1200 ° C. for 1 to 10 hours. Area to do. The Pv region contains oxygen-precipitated nuclei in an as-grown state, and is a region in which oxygen precipitates are likely to be generated when two-step heat treatment of low temperature and high temperature is performed. The Pi region is a region in which oxygen precipitate nuclei are hardly contained in the as-grown state, and oxygen precipitates are unlikely to be generated even after heat treatment.

結晶欠陥が少ないシリコン単結晶を製造する方法として、例えば特許文献1には、シリコン結晶を囲むように設置した冷却部とその上方に加熱部を有する製造装置を用い、結晶凝固温度から結晶温度1300℃までの冷却勾配2℃/mm以上とし、その後結晶温度が1200℃以上凝固温度以下での保持領域が200mm以上となる条件での結晶引き上げを行うことが記載されている。特許文献1に記載のシリコン単結晶の製造方法によれば、COP欠陥又は転位欠陥が著しく少なく、酸化膜耐圧特性、PN接合リーク電流特性などのデバイス特性に優れたCZシリコン単結晶を製造することが可能である。 As a method for producing a silicon single crystal having few crystal defects, for example, in Patent Document 1, a manufacturing apparatus having a cooling unit installed so as to surround the silicon crystal and a heating unit above the cooling unit is used, and the crystal temperature is changed from the crystal solidification temperature to the crystal temperature of 1300. It is described that the cooling gradient up to ° C. is 2 ° C./mm or more, and then the crystal is pulled up under the condition that the holding region at the crystal temperature of 1200 ° C. or higher and the solidification temperature or lower is 200 mm or higher. According to the method for producing a silicon single crystal described in Patent Document 1, a CZ silicon single crystal having extremely few COP defects or dislocation defects and excellent device characteristics such as oxide film pressure resistance characteristics and PN junction leak current characteristics can be produced. Is possible.

また特許文献2には、インゴットが成長している間に、インゴットにおける真性点欠陥の凝集が起こる温度T(例えば1050℃)よりも低い温度にインゴットのどの部分も冷却しないようにインゴットの温度を調整することにより、凝集真性点欠陥を実質的に有さない単結晶シリコンインゴットを成長させることが記載されている。この方法では、凝集反応が生じる温度Tより高い温度に単結晶が滞在する時間を十分に与えて、格子間シリコン原子及び空孔を対消滅させるか、あるいは外方拡散させることで、少なくとも定直径部分が凝集真性点欠陥を実質的に有さない単結晶シリコンインゴットを成長させる。 Further, Patent Document 2, while the ingot is grown, any portion temperature of the ingot so as not to cool aggregation occurs temperature T A (eg 1050 ° C.) of the ingot to a temperature lower than the intrinsic point defects in the ingot It is described that by adjusting the above, a single crystal silicon ingot having substantially no aggregation intrinsic point defect is grown. In this way, giving time to the single crystal stay to a temperature higher than the temperature T A of agglutination results in a sufficiently either by annihilation of interstitial silicon atoms and vacancies, or by causing out-diffuse, at least a constant It grows a single crystal silicon ingot whose diametrical portion is substantially free of agglutinating intrinsic point defects.

特開平11−43396号公報Japanese Unexamined Patent Publication No. 11-433396 特表2003−517412号公報Special Table 2003-517412

ところで、結晶直径は、大径化の一途を辿っているが、径が大きくなるに従って結晶外周部に比べて結晶中心部が冷えにくくなり、引き上げ軸方向の結晶内温度勾配Gが小さくなるとともに、引き上げ軸方向と直交するシリコン単結晶の断面内の前記温度勾配Gの分布が不均一になりやすい。これにより、引き上げ軸方向と直交するシリコン単結晶の断面内の全面をPv領域又はPi領域にすることができるV/Gの許容幅が非常に狭くなり、結晶引き上げ速度Vの制御が急激に難しくなるという問題がある。 By the way, the crystal diameter is steadily increasing, but as the diameter increases, the central portion of the crystal becomes harder to cool than the outer peripheral portion of the crystal, the temperature gradient G in the crystal in the pulling axial direction becomes smaller, and the temperature gradient G in the crystal becomes smaller. The distribution of the temperature gradient G in the cross section of the silicon single crystal orthogonal to the pulling axis direction tends to be non-uniform. As a result, the permissible width of V / G that can make the entire surface of the cross section of the silicon single crystal orthogonal to the pulling axis direction into the Pv region or the Pi region becomes very narrow, and it is rapidly difficult to control the crystal pulling speed V. There is a problem of becoming.

したがって、本発明の目的は、引き上げ軸方向と直交するシリコン単結晶の断面内の全面をPv領域又はPi領域にすることができる結晶引き上げ速度Vの許容幅(以下、「PvPiマージン」という)を拡大してCOPおよび転位クラスターを含まない直径300mm以上の大口径シリコン単結晶の製造歩留まりを高め、これによりCOPおよび転位クラスターを含まない直径300mm以上の大径シリコンウェーハの生産性を向上させることが可能な単結晶育成方法および単結晶育成装置を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to obtain an allowable width of a crystal pulling speed V (hereinafter, referred to as "PvPi margin") capable of forming the entire surface of a silicon single crystal orthogonal to the pulling axis direction into a Pv region or a Pi region. It can be expanded to increase the production yield of large-diameter silicon single crystals having a diameter of 300 mm or more that do not contain COP and dislocation clusters, thereby improving the productivity of large-diameter silicon wafers that do not contain COP and dislocation clusters and have a diameter of 300 mm or more. It is an object of the present invention to provide a possible single crystal growth method and a single crystal growth apparatus.

なお、本発明はCOPおよび転位クラスターを含まない直径300mm以上の大口径シリコン単結晶の製造に好適であるが、直径300mm未満の比較的小径のシリコン単結晶の製造であっても、COPおよび転位クラスターを含まないシリコン単結晶の製造歩留まりを高める効果がある。以下、COPおよび転位クラスターを含まないシリコン単結晶を無欠陥のシリコン単結晶、COPおよび転位クラスターを含まないシリコンウェーハを無欠陥ウェーハと称す。 The present invention is suitable for producing a large-diameter silicon single crystal having a diameter of 300 mm or more, which does not contain COP and dislocation clusters, but COP and dislocation even in the production of a relatively small-diameter silicon single crystal having a diameter of less than 300 mm. It has the effect of increasing the production yield of silicon single crystals that do not contain clusters. Hereinafter, a silicon single crystal containing no COP and dislocation clusters will be referred to as a defect-free silicon single crystal, and a silicon wafer not containing COP and dislocation clusters will be referred to as a defect-free wafer.

本発明の単結晶育成方法は、チョクラルスキー法により、ショルダー部、ボディ部、およびテール部からなるシリコン単結晶を育成する単結晶育成方法であって、前記シリコン単結晶の前記ボディ部を引き上げる引き上げ工程と、前記引き上げ工程の実行中に、前記シリコン単結晶を囲繞するように設置され、前記シリコン単結晶の外周側から前記シリコン単結晶の冷却を促進させる冷却体を昇降させて、前記冷却体の下端とシリコン融液の液面との距離を変化させる冷却体昇降工程を有することを特徴とする。 The single crystal growing method of the present invention is a single crystal growing method for growing a silicon single crystal composed of a shoulder portion, a body portion, and a tail portion by a Czochralski method, and pulls up the body portion of the silicon single crystal. During the pulling step and the execution of the pulling step, a cooling body installed so as to surround the silicon single crystal and promoting cooling of the silicon single crystal is moved up and down from the outer peripheral side of the silicon single crystal to cool the silicon single crystal. It is characterized by having a cooling body elevating step for changing the distance between the lower end of the body and the liquid level of the silicon melt.

前記冷却体昇降工程において、前記冷却体を、前記ボディ部の引き上げ開始時(ボディ部開始位置)における位置から降下させることが好ましい。 In the cooling body elevating step, it is preferable to lower the cooling body from the position at the start of pulling up the body portion (body portion starting position).

前記冷却体昇降工程において、前記冷却体を、前記ボディ部の引き上げ開始時における位置から降下させた後、上昇させることが好ましい。 In the cooling body elevating step, it is preferable that the cooling body is lowered from the position at the start of pulling up the body portion and then raised.

上記単結晶育成方法において、前記引き上げ工程では、前記ボディ部を、トップ領域とミドル領域とボトム領域との三つの領域の順に引き上げ、前記冷却体昇降工程では、前記ミドル領域の引き上げ中における前記距離が、前記ボディ部の引き上げ開始時における前記距離と、前記ボディ部の引き上げ終了時(予め設定されたボディ部終了位置)における前記距離よりも小さくなるように、前記冷却体を昇降させることが好ましい。 In the single crystal growing method, in the pulling step, the body portion is pulled up in the order of three regions of a top region, a middle region, and a bottom region, and in the cooling body raising / lowering step, the distance during pulling up of the middle region. However, it is preferable to raise and lower the cooling body so as to be smaller than the distance at the start of pulling up the body portion and the distance at the end of pulling up the body portion (preset position of the end of the body portion). ..

上記単結晶育成方法において、前記冷却体昇降工程では、前記ボディ部の引き上げ率20%〜30%で前記冷却体を降下させ、前記ボディ部の引き上げ率70%〜90%で前記冷却体を上昇させることが好ましい。
ここで、前記ボディ部の引き上げ率とは、単結晶の製造にあたって、予め設定されたボディ部の長さを100%として、ボディ部の開始位置を0%として定義される、結晶長手方向の位置である。通常、装置上のトラブルなく、単結晶の有転位化もなく、正常に単結晶の育成が行われた場合、育成されたボディ部の長さは予め設定されたボディ部の長さと同じになる。
In the single crystal growing method, in the cooling body elevating step, the cooling body is lowered at a pulling rate of 20% to 30% of the body portion, and the cooling body is raised at a pulling rate of 70% to 90% of the body portion. It is preferable to let it.
Here, the pull-up rate of the body portion is defined as a position in the crystal longitudinal direction defined as a preset length of the body portion as 100% and a start position of the body portion as 0% in the production of a single crystal. Is. Normally, when the single crystal is normally grown without any trouble on the device and without dislocation of the single crystal, the length of the grown body portion becomes the same as the preset length of the body portion. ..

本発明の単結晶育成装置は、チョクラルスキー法により、ショルダー部、ボディ部、およびテール部からなるシリコン単結晶を育成する単結晶育成装置であって、シリコン融液を保持するルツボと、前記シリコン単結晶を囲繞するように設置され、昇降可能であり、外周側から前記シリコン単結晶の冷却を促進させる冷却体と、少なくとも前記冷却体を制御する制御装置と、を備え、前記制御装置は、前記冷却体を昇降させて、前記冷却体の下端と前記シリコン融液の液面との距離を変化させる冷却体制御部を有することを特徴とする。 The single crystal growing device of the present invention is a single crystal growing device that grows a silicon single crystal composed of a shoulder portion, a body portion, and a tail portion by a Czochralski method, and includes a rutsubo that holds a silicon melt and the above. The control device includes a cooling body that is installed so as to surround the silicon single crystal and can be raised and lowered to promote cooling of the silicon single crystal from the outer peripheral side, and at least a control device that controls the cooling body. It is characterized by having a cooling body control unit that raises and lowers the cooling body to change the distance between the lower end of the cooling body and the liquid level of the silicon melt.

上記単結晶育成装置において、前記ボディ部をトップ領域とミドル領域とボトム領域との三つの領域の順に引き上げるとすると、前記冷却体制御部は、前記ミドル領域の引き上げ中における前記冷却体と前記シリコン融液の液面との距離が、前記ボディ部の引き上げ開始時における前記距離と、前記ボディ部の引き上げ終了時における前記距離よりも小さくなるように、前記冷却体を昇降させるように前記冷却体を制御することが好ましい。 In the single crystal growing apparatus, assuming that the body portion is pulled up in the order of three regions of a top region, a middle region, and a bottom region, the cooling body control unit uses the cooling body and the silicon while pulling up the middle region. The cooling body is moved up and down so that the distance of the melt from the liquid surface is smaller than the distance at the start of pulling up the body portion and the distance at the end of pulling up the body portion. It is preferable to control.

上記単結晶育成装置において、育成される前記シリコン単結晶の直径をDとすると、前記冷却体制御部は、前記冷却体の最も高い位置と最も低い位置との差Hdが、0.1×D<Hdを満たすように前記冷却体を昇降させるように構成されていることが好ましい。 Assuming that the diameter of the silicon single crystal to be grown in the single crystal growing device is D, the cooling body control unit has a difference Hd between the highest position and the lowest position of the cooling body of 0.1 × D. <It is preferable that the cooling body is configured to move up and down so as to satisfy Hd.

上記単結晶育成装置において、前記冷却体制御部は、前記ボディ部の引き上げ率20%〜30%で前記冷却体を降下させ、前記ボディ部の引き上げ率70%〜90%で前記冷却体を上昇させるように前記冷却体を昇降させることが好ましい。 In the single crystal growing apparatus, the cooling body control unit lowers the cooling body at a pulling rate of 20% to 30% of the body portion, and raises the cooling body at a pulling rate of 70% to 90% of the body portion. It is preferable to raise and lower the cooling body so as to cause the cooling.

上記単結晶育成装置において、前記冷却体は上下方向に2分割されており、下方の冷却体のみを昇降させることが好ましい。 In the single crystal growing apparatus, the cooling body is divided into two in the vertical direction, and it is preferable to raise and lower only the lower cooling body.

本発明の実施形態に係る単結晶育成装置の概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of the single crystal growth apparatus which concerns on embodiment of this invention. 育成されるシリコン単結晶周辺の単結晶育成装置の拡大断面図である。It is an enlarged cross-sectional view of the single crystal growth apparatus around the silicon single crystal to be grown. V/Gと結晶欠陥の種類および分布との一般的な関係を示す図である。It is a figure which shows the general relationship between V / G and the type and distribution of a crystal defect. 本発明の実施形態に係る単結晶育成方法の工程を示すフローチャートである。It is a flowchart which shows the process of the single crystal growth method which concerns on embodiment of this invention. 比較例におけるボディ部の引き上げ率と第2冷却体とシリコン融液の液面との距離との関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the relationship between the pull-up rate of the body part in the comparative example, and the distance between the 2nd cooling body and the liquid level of a silicon melt. 実施例におけるボディ部の引き上げ率と第2冷却体とシリコン融液の液面との距離との関係を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating the relationship between the pull-up rate of the body part in an Example, and the distance between the 2nd cooling body and the liquid level of a silicon melt.

以下に添付図面を参照しながら、本発明の好適な実施形態について詳細に説明する。
〔単結晶育成装置〕
図1は、本発明の実施形態に係る単結晶育成装置1の概略断面図である。
単結晶育成装置1は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶Sを引き上げ、育成を行う装置である。図1に示されるように、単結晶育成装置1は、外郭を構成する水冷式のチャンバ2と、チャンバ2の中心部に配置されるルツボ3と、ルツボ3を支持する回転シャフト4と、回転シャフト4を回転及び昇降させるシャフト駆動機構5と、ヒーター6と、ルツボ3の上方に配置された熱遮蔽体7と、制御装置8と、を備える。
また、単結晶育成装置1は、育成されるシリコン単結晶Sを囲繞するように設置され、シリコン単結晶Sの外周側からシリコン単結晶Sの冷却を促進するための円筒形状の冷却体12(水冷体)を備える。
Preferred embodiments of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
[Single crystal growing device]
FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of the single crystal growing apparatus 1 according to the embodiment of the present invention.
The single crystal growing device 1 is a device that pulls up and grows a silicon single crystal S by the Czochralski method. As shown in FIG. 1, the single crystal growing device 1 has a water-cooled chamber 2 constituting an outer shell, a crucible 3 arranged in the center of the chamber 2, a rotating shaft 4 for supporting the crucible 3, and rotation. It includes a shaft drive mechanism 5 for rotating and raising and lowering the shaft 4, a heater 6, a heat shield 7 arranged above the crucible 3, and a control device 8.
Further, the single crystal growing device 1 is installed so as to surround the silicon single crystal S to be grown, and is a cylindrical cooling body 12 (for promoting cooling of the silicon single crystal S from the outer peripheral side of the silicon single crystal S). Water-cooled body).

チャンバ2は、メインチャンバ10と、メインチャンバ10の上部開口10Aに連結された円筒形状のプルチャンバ11とから構成されている。ルツボ3、ヒーター6、熱遮蔽体7、及び冷却体12は、メインチャンバ10内に配置されている。 The chamber 2 is composed of a main chamber 10 and a cylindrical pull chamber 11 connected to an upper opening 10A of the main chamber 10. The crucible 3, the heater 6, the heat shield 7, and the cooler 12 are arranged in the main chamber 10.

ルツボ3は、鉛直方向上方から見て円形をなし、シリコン融液Mが貯留される容器である。ルツボ3は、内側の石英ルツボ3Aと、外側の黒鉛ルツボ3Bとから構成される二重構造である。ルツボ3は、回転および昇降が可能で鉛直方向に延びる回転シャフト4の上端部に固定されている。回転シャフト4の下端部は、チャンバ2の底部を貫通してチャンバ2の外側に設けられたシャフト駆動機構5に接続されている。 The crucible 3 is a container that has a circular shape when viewed from above in the vertical direction and stores the silicon melt M. The crucible 3 has a double structure composed of an inner quartz crucible 3A and an outer graphite crucible 3B. The crucible 3 is fixed to the upper end of a rotating shaft 4 that can rotate and move up and down and extends in the vertical direction. The lower end of the rotating shaft 4 penetrates the bottom of the chamber 2 and is connected to a shaft drive mechanism 5 provided on the outside of the chamber 2.

ヒーター6は、ルツボ3内のシリコン融液Mを加熱する加熱装置である。ヒーター6は、円筒形状をなし、ルツボ3の外周側に配置されている。ヒーター6は、抵抗加熱式の所謂カーボンヒーターである。ヒーター6の外側には、チャンバ2の内面に沿って断熱材9が設けられている。 The heater 6 is a heating device that heats the silicon melt M in the crucible 3. The heater 6 has a cylindrical shape and is arranged on the outer peripheral side of the crucible 3. The heater 6 is a resistance heating type so-called carbon heater. A heat insulating material 9 is provided on the outside of the heater 6 along the inner surface of the chamber 2.

ルツボ3の上方には、シリコン単結晶の引き上げ軸であるワイヤー16と、ワイヤー16を巻き取るワイヤー巻き取り機構17が設けられている。ワイヤー巻き取り機構17はワイヤー16とともにシリコン単結晶Sを回転させる機能を有している。
ワイヤー巻き取り機構17は制御装置8によって制御される。ワイヤー巻き取り機構17はプルチャンバ11の上方に配置されている。ワイヤー16は、ワイヤー巻き取り機構17からプルチャンバ11内を通って下方に延びており、ワイヤー16の先端部はメインチャンバ10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Sがワイヤー16に吊設された状態が示されている。シリコン単結晶Sの引き上げ時にはルツボ3とシリコン単結晶Sとをそれぞれ回転させながらワイヤー16を徐々に引き上げることによりシリコン単結晶Sを成長させる。
Above the crucible 3, a wire 16 which is a pulling shaft of a silicon single crystal and a wire winding mechanism 17 for winding the wire 16 are provided. The wire winding mechanism 17 has a function of rotating the silicon single crystal S together with the wire 16.
The wire winding mechanism 17 is controlled by the control device 8. The wire winding mechanism 17 is arranged above the pull chamber 11. The wire 16 extends downward from the wire winding mechanism 17 through the inside of the pull chamber 11, and the tip end portion of the wire 16 reaches the internal space of the main chamber 10.
FIG. 1 shows a state in which the silicon single crystal S being grown is suspended from the wire 16. When the silicon single crystal S is pulled up, the silicon single crystal S is grown by gradually pulling up the wire 16 while rotating the crucible 3 and the silicon single crystal S, respectively.

熱遮蔽体7は、筒状をなし、ルツボ3内のシリコン融液Mの上方で育成中のシリコン単結晶Sを囲む。
熱遮蔽体7は、シリコン融液Mの温度変動を抑制して結晶成長界面近傍に適切な熱環境を形成するとともに、ヒーター6およびルツボ3からの輻射熱によるシリコン単結晶Sの加熱を防止するために設けられている。熱遮蔽体7は略円筒状の黒鉛製の部材であり、シリコン単結晶Sの引き上げ経路を除いたシリコン融液Mの上方の領域を覆うように設けられている。
The heat shield 7 has a tubular shape and surrounds the silicon single crystal S being grown above the silicon melt M in the crucible 3.
The heat shield 7 suppresses the temperature fluctuation of the silicon melt M to form an appropriate thermal environment near the crystal growth interface, and prevents the silicon single crystal S from being heated by the radiant heat from the heater 6 and the rutsubo 3. It is provided in. The heat shield 7 is a member made of graphite having a substantially cylindrical shape, and is provided so as to cover the region above the silicon melt M excluding the pulling path of the silicon single crystal S.

プルチャンバ11には、ガス導入口14が設けられている。ガス導入口14は、アルゴンガスなどの不活性ガスをチャンバ2内に導入する。メインチャンバ10の下部には、排気口15が設けられている。排気口15は、図示しない真空ポンプの駆動により、チャンバ2内の気体を吸引して排出する。ガス導入口14からチャンバ2内に導入された不活性ガスは、育成中のシリコン単結晶Sと熱遮蔽体7との間を下降する。次いで、不活性ガスは、熱遮蔽体7の下端とシリコン融液Mの液面との隙間を経た後、熱遮蔽体7の外側、さらにルツボ3の外側に向けて流れる。その後、不活性ガスは、ルツボ3の外側を下降し、排気口15から排出される。 The pull chamber 11 is provided with a gas introduction port 14. The gas introduction port 14 introduces an inert gas such as argon gas into the chamber 2. An exhaust port 15 is provided in the lower part of the main chamber 10. The exhaust port 15 sucks and discharges the gas in the chamber 2 by driving a vacuum pump (not shown). The inert gas introduced into the chamber 2 from the gas introduction port 14 descends between the growing silicon single crystal S and the heat shield 7. Next, the inert gas passes through the gap between the lower end of the heat shield 7 and the liquid surface of the silicon melt M, and then flows toward the outside of the heat shield 7 and further toward the outside of the crucible 3. After that, the inert gas descends outside the crucible 3 and is discharged from the exhaust port 15.

冷却体12は、内部に流通される水などの冷却液により、シリコン単結晶Sを強制的に冷却する。冷却体12は、例えば、銅などの熱伝導性の良好な金属からなり、内面側は吸熱効率を上げるため、黒色処理を施し、さらに外面側についてはクロームメッキ処理を施すことができる。 The cooling body 12 forcibly cools the silicon single crystal S with a cooling liquid such as water flowing inside. The cooling body 12 is made of a metal having good thermal conductivity such as copper, and the inner surface side can be blackened and the outer surface side can be chrome-plated in order to increase the endothermic efficiency.

冷却体12は、育成中のシリコン単結晶Sの冷却を促進することで、単結晶中心部および単結晶外周部の引き上げ軸方向の結晶内温度勾配Gを制御する役割を担う。冷却体12はシリコン単結晶Sの外周部から熱を奪うため、シリコン単結晶Sと冷却体12が正対する部位は、シリコン単結晶Sの外周部はシリコン単結晶Sの中心部よりも冷却体12の影響を強く受ける。一方、シリコン単結晶Sと冷却体12が正対しない部位は、シリコン単結晶Sの中心部はシリコン単結晶Sの外周部よりも冷却体12の影響を相対的に強く受ける。そのため、冷却体12を結晶成長界面近傍から遠ざけたり近づけたりすることにより、結晶成長界面近傍における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配Gの結晶内半径方向分布を変化させることができる。 The cooling body 12 plays a role of controlling the temperature gradient G in the crystal in the pulling axial direction of the central portion of the single crystal and the outer peripheral portion of the single crystal by promoting the cooling of the silicon single crystal S during growth. Since the cooling body 12 takes heat from the outer peripheral portion of the silicon single crystal S, the outer peripheral portion of the silicon single crystal S faces the silicon single crystal S and the cooling body 12 in the outer peripheral portion of the silicon single crystal S rather than the central portion of the silicon single crystal S. Strongly influenced by 12. On the other hand, in the portion where the silicon single crystal S and the cooling body 12 do not face each other, the central portion of the silicon single crystal S is relatively more affected by the cooling body 12 than the outer peripheral portion of the silicon single crystal S. Therefore, by moving the cooling body 12 away from or closer to the crystal growth interface, it is possible to change the intracrystal radial distribution of the intracrystal temperature gradient G in the pulling axis direction in the vicinity of the crystal growth interface.

冷却体12は、シリコン単結晶Sの引き上げ経路を取り囲むように、育成されるシリコン単結晶Sの外周側に配置される。
冷却体12は、メインチャンバ10の上部開口10Aに接続された第1冷却体12Aと、第1冷却体12Aの下方に配置され、昇降可能な第2冷却体12Bとから構成されている。すなわち、本実施形態の冷却体12は上下方向に2分割されており、下方の第2冷却体12Bのみを昇降させる構成となっている。
The cooling body 12 is arranged on the outer peripheral side of the silicon single crystal S to be grown so as to surround the pulling path of the silicon single crystal S.
The cooling body 12 is composed of a first cooling body 12A connected to the upper opening 10A of the main chamber 10 and a second cooling body 12B arranged below the first cooling body 12A and capable of raising and lowering. That is, the cooling body 12 of the present embodiment is divided into two in the vertical direction, and only the lower second cooling body 12B is moved up and down.

冷却体12を上下方向に2分割して、下方の第2冷却体12Bのみを昇降させる構成にすることにより、昇降荷重能力の低い昇降機構(例えば、モーターの小さな昇降機構)でも第2冷却体12Bを昇降させることができるので昇降機構をコンパクトにすることができる。また、下方の第2冷却体12Bは、シリコン単結晶内の結晶欠陥の種類や分布に強く影響を与える、融点から1300℃までの結晶成長界面の近くに配置される。そのため、第2冷却体12Bのみを昇降させて、結晶成長界面から遠ざけたり近づけたりすることは、引き上げ軸方向と直交するシリコン単結晶の断面内(結晶内半径方向)の前記温度勾配Gの分布を制御し、前記断面内(結晶内半径方向)の欠陥分布を制御する上で効率的である。
育成されるシリコン単結晶Sと冷却体12との間隔は小さいことが好ましく、シリコン単結晶Sの直径のマージンを考慮して適切に決定される。
By dividing the cooling body 12 into two in the vertical direction and raising and lowering only the lower second cooling body 12B, even a lifting mechanism having a low lifting load capacity (for example, a small lifting mechanism of a motor) can raise and lower the second cooling body. Since 12B can be raised and lowered, the raising and lowering mechanism can be made compact. Further, the lower second cooling body 12B is arranged near the crystal growth interface from the melting point to 1300 ° C., which strongly affects the type and distribution of crystal defects in the silicon single crystal. Therefore, moving only the second cooling body 12B up and down to move it away from or closer to the crystal growth interface is the distribution of the temperature gradient G within the cross section (intra-crystal radial direction) of the silicon single crystal orthogonal to the pull-up axis direction. It is efficient in controlling the defect distribution in the cross section (radial direction in the crystal).
The distance between the grown silicon single crystal S and the cooling body 12 is preferably small, and is appropriately determined in consideration of the diameter margin of the silicon single crystal S.

図2は、育成されるシリコン単結晶S周辺の拡大断面図である。図2に示されるように、単結晶育成装置1によって育成されるシリコン単結晶Sの直径をD、第1冷却体12Aおよび第2冷却体12Bの内径をIDとすると、第1冷却体12Aおよび第2冷却体12Bは、内径IDが1.05×D以上1.3×D以下となるように形成されている。例えば、育成されるシリコン単結晶Sの直径Dを310mmとし、冷却体12の内径IDを350mmとすることができる。なお、第1冷却体12Aと第2冷却体12Bの内径は同一とする必要はない。 FIG. 2 is an enlarged cross-sectional view of the periphery of the grown silicon single crystal S. As shown in FIG. 2, assuming that the diameter of the silicon single crystal S grown by the single crystal growing device 1 is D and the inner diameters of the first cooling body 12A and the second cooling body 12B are IDs, the first cooling body 12A and The second cooling body 12B is formed so that the inner diameter ID is 1.05 × D or more and 1.3 × D or less. For example, the diameter D of the grown silicon single crystal S can be 310 mm, and the inner diameter ID of the cooling body 12 can be 350 mm. The inner diameters of the first cooling body 12A and the second cooling body 12B do not have to be the same.

第2冷却体12Bは、図示しない昇降機構により、上下方向に移動可能である。第2冷却体12Bの昇降機構は、制御装置8の冷却体制御部8Aによって制御される。
第2冷却体12Bは、可能な限り第1冷却体12Aに近づく位置(上端)と、可能な限りシリコン融液Mの液面MAに近づく位置(下端)との間で昇降が可能である。第2冷却体12Bを昇降させることによって、シリコン単結晶Sにおける冷却を促進させる部位を変更することができる。
第2冷却体12B用の昇降機構は、例えば、ラックとピニオンとモータからなる機構や、直動シリンダ等から構成することができる。
The second cooling body 12B can be moved in the vertical direction by an elevating mechanism (not shown). The elevating mechanism of the second cooling body 12B is controlled by the cooling body control unit 8A of the control device 8.
The second cooling body 12B can move up and down between a position as close as possible to the first cooling body 12A (upper end) and a position as close as possible to the liquid level MA of the silicon melt M (lower end). By raising and lowering the second cooling body 12B, the portion of the silicon single crystal S that promotes cooling can be changed.
The elevating mechanism for the second cooling body 12B can be composed of, for example, a mechanism including a rack, a pinion, and a motor, a linear motion cylinder, and the like.

制御装置8は、シリコン融液Mの液面MAと熱遮蔽体7の下端との間の距離G1(ギャップ)が一定になるようにシャフト駆動機構5を制御してルツボ3を上昇させる。すなわち、シリコン単結晶Sの成長に伴い、ルツボ3内のシリコン融液Mの量が減少しても距離G1は一定に保たれる。
これにより、シリコン融液Mの温度変動を抑制するとともに、液面MA近傍を流れる不活性ガスの流速を一定にしてシリコン融液Mからのドーパントの蒸発量を制御することができる。したがって、シリコン単結晶Sの引き上げ軸方向の結晶欠陥分布、酸素濃度分布、抵抗率分布等の安定性を向上させることができる。
The control device 8 controls the shaft drive mechanism 5 so that the distance G1 (gap) between the liquid level MA of the silicon melt M and the lower end of the heat shield 7 is constant, and raises the crucible 3. That is, the distance G1 is kept constant even if the amount of the silicon melt M in the crucible 3 decreases as the silicon single crystal S grows.
As a result, it is possible to suppress the temperature fluctuation of the silicon melt M and control the evaporation amount of the dopant from the silicon melt M by keeping the flow velocity of the inert gas flowing near the liquid surface MA constant. Therefore, it is possible to improve the stability of the crystal defect distribution, the oxygen concentration distribution, the resistivity distribution, etc. in the pull-up axial direction of the silicon single crystal S.

第1冷却体12Aの高さをH1とすると、第1冷却体12Aは、0.9×D<H1<1.5×Dとなるように形成されている。同様に、第2冷却体12Bの高さをH2とすると、第2冷却体12Bは、0.9×D<H2<1.5×Dとなるように形成されている。
第2冷却体12Bの高さH2は、第1冷却体12Aの高さH1よりも小さくすることが好ましい。
また、第1冷却体12Aおよび第2冷却体12Bは、第2冷却体12Bの上下方向のストロークをSTとすると、2×G1<ST<4×G1となるように形成されていることが好ましい。換言すれば、第1冷却体12Aおよび第2冷却体12Bは、第2冷却体12Bが最も高い位置にある場合、第2冷却体12Bの下端と液面MAとの距離が、2×G1より大きく4×G1より小さくなるように形成されている。
Assuming that the height of the first cooling body 12A is H1, the first cooling body 12A is formed so that 0.9 × D <H1 <1.5 × D. Similarly, assuming that the height of the second cooling body 12B is H2, the second cooling body 12B is formed so that 0.9 × D <H2 <1.5 × D.
The height H2 of the second cooling body 12B is preferably smaller than the height H1 of the first cooling body 12A.
Further, the first cooling body 12A and the second cooling body 12B are preferably formed so that 2 × G1 <ST <4 × G1 when the vertical stroke of the second cooling body 12B is ST. .. In other words, in the first cooling body 12A and the second cooling body 12B, when the second cooling body 12B is at the highest position, the distance between the lower end of the second cooling body 12B and the liquid level MA is less than 2 × G1. It is formed so as to be larger than 4 × G1.

具体的には、ギャップG1を80mmとし、育成されるシリコン単結晶Sの直径を310mmとする場合、第1冷却体12Aと第2冷却体12Bの高さは、350mm程度とすることが好ましく、第1冷却体12Aと第2冷却体12Bの内径は、350mm程度とすることが好ましく、第2冷却体12BのストロークSTは、200mm程度とすることが好ましい。 Specifically, when the gap G1 is 80 mm and the diameter of the grown silicon single crystal S is 310 mm, the heights of the first cooling body 12A and the second cooling body 12B are preferably about 350 mm. The inner diameters of the first cooling body 12A and the second cooling body 12B are preferably about 350 mm, and the stroke ST of the second cooling body 12B is preferably about 200 mm.

〔結晶引き上げ速度Vと結晶内温度勾配Gとの比V/Gと結晶品質との関係〕
次に、結晶引き上げ速度Vと結晶内温度勾配Gとの比V/Gと結晶品質との関係について説明する。
シリコン単結晶Sに含まれる結晶欠陥の種類や分布は、結晶引き上げ速度Vと結晶内温度勾配Gとの比V/Gに依存するため、シリコン単結晶S中の結晶品質を制御するためにはV/Gを制御する必要がある。
[Relationship between the ratio V / G of the crystal pulling speed V and the temperature gradient G in the crystal and the crystal quality]
Next, the relationship between the ratio V / G of the crystal pulling speed V and the temperature gradient G in the crystal and the crystal quality will be described.
Since the type and distribution of crystal defects contained in the silicon single crystal S depend on the ratio V / G of the crystal pulling rate V and the intra-crystal temperature gradient G, it is necessary to control the crystal quality in the silicon single crystal S. It is necessary to control V / G.

図3は、シリコン単結晶Sの縦断面図であり、V/Gと結晶欠陥の種類及び分布との一般的な関係を示す図である。
図3に示すように、V/Gが大きい場合には空孔が過剰となり、空孔の凝集体であるボイド欠陥(COP)が発生する。一方、V/Gが小さい場合には格子間シリコン原子が過剰となり、格子間シリコンの凝集体を起因とした転位クラスターが発生する。さらに、COPが発生する領域と転位クラスターが発生する領域との間には、V/Gが大きいほうから順に、OSF領域、Pv領域、Pi領域の三つの領域が存在する。シリコン単結晶が無欠陥結晶であると言うためには、引き上げ軸方向と直交するシリコン単結晶の断面内の全面が無欠陥領域であることが必要である。ここで「無欠陥領域」とは、Grown−in欠陥のCOPおよび転位クラスターを含まない領域のことをいう。また、無欠陥結晶のうち、評価熱処理後にOSFリングが発生せず、Pv領域又はPi領域のみで構成される単結晶は、より完全な無欠陥結晶とされる。本発明は、無欠陥結晶の製造だけでなく、Pv領域又はPi領域のみで構成される、より完全な無欠陥結晶の製造にも有効である。
FIG. 3 is a vertical cross-sectional view of the silicon single crystal S, showing a general relationship between V / G and the type and distribution of crystal defects.
As shown in FIG. 3, when the V / G is large, the pores become excessive, and void defects (COP), which are aggregates of the pores, occur. On the other hand, when the V / G is small, the interstitial silicon atoms become excessive, and dislocation clusters due to the aggregates of interstitial silicon are generated. Further, between the region where COP is generated and the region where dislocation clusters are generated, there are three regions, an OSF region, a Pv region, and a Pi region, in descending order of V / G. In order to say that the silicon single crystal is a defect-free crystal, it is necessary that the entire cross section of the silicon single crystal orthogonal to the pulling axis direction is a defect-free region. Here, the “defect-free region” refers to a region that does not contain the COP and dislocation clusters of the Green-in defect. Further, among the defect-free crystals, a single crystal in which the OSF ring is not generated after the evaluation heat treatment and is composed of only the Pv region or the Pi region is regarded as a more complete defect-free crystal. The present invention is effective not only for producing a defect-free crystal but also for producing a more complete defect-free crystal composed of only a Pv region or a Pi region.

結晶引き上げ速度Vを制御して無欠陥結晶を高い歩留まりで育成するためには、PvPiマージン(引き上げ速度マージン)を指標として、PvPiマージンをできるだけ広くするように、引き上げ中の単結晶を取り巻く熱環境を制御することが好ましい。
ここでPvPiマージンとは、広義には、シリコン単結晶S中の任意の領域をPv領域又はPi領域とすることができる結晶引き上げ速度Vの許容幅のことを言うが、狭義には、引き上げ軸方向と直交するシリコン単結晶の断面内のPvPiマージンの最小値(PvPi面内マージン)のことを言う。通常、結晶内温度勾配Gは大きく変化しないため、PvPiマージンは図3におけるPv−OSF境界からPi−転位クラスター境界までのV/Gの幅の広さにほぼ比例する。
In order to control the crystal pulling speed V and grow a defect-free crystal with a high yield, the thermal environment surrounding the single crystal being pulled so as to make the PvPi margin as wide as possible using the PvPi margin (pulling speed margin) as an index. It is preferable to control.
Here, the PvPi margin means a permissible range of the crystal pulling speed V in which an arbitrary region in the silicon single crystal S can be a Pv region or a Pi region in a broad sense, but in a narrow sense, a pulling shaft. It refers to the minimum value (PvPi in-plane margin) of the PvPi margin in the cross section of the silicon single crystal orthogonal to the direction. Normally, the intra-crystal temperature gradient G does not change significantly, so the PvPi margin is substantially proportional to the width of V / G from the Pv-OSF boundary to the Pi-dislocation cluster boundary in FIG.

シリコン単結晶Sの直径制御は主に引き上げ速度Vを調整することにより行われ、直径変動を抑えるために結晶引き上げ速度Vを適宜変化させており、結晶引き上げ工程中は0.015mm/min程度の速度変動が生じている。すなわち、引き上げ速度Vの変動を完全になくすことはできないため、0.015mm/min程度の速度変動を許容する引き上げ速度マージンが必要となる。 The diameter of the silicon single crystal S is mainly controlled by adjusting the pulling speed V, and the crystal pulling speed V is appropriately changed in order to suppress the diameter fluctuation, and is about 0.015 mm / min during the crystal pulling process. Speed fluctuations are occurring. That is, since the fluctuation of the pulling speed V cannot be completely eliminated, a pulling speed margin that allows a speed fluctuation of about 0.015 mm / min is required.

PvPiマージンの広さは、融点近傍の温度勾配以外にも、600±200℃の温度域の滞在時間の影響を受け、当該温度域の滞在時間が短いほどPvPiマージンは広くなる。そこで本実施形態においては、シリコン単結晶Sを急冷して600±200℃の温度域の滞在時間を短くするとともに、融点近傍における引き上げ軸方向の結晶内温度勾配Gの分布を均一化して、PvPi面内マージンを拡大させて、無欠陥結晶の製造歩留まりの向上を図る。 The width of the PvPi margin is affected by the staying time in the temperature range of 600 ± 200 ° C. in addition to the temperature gradient near the melting point, and the shorter the staying time in the temperature range, the wider the PvPi margin. Therefore, in the present embodiment, the silicon single crystal S is rapidly cooled to shorten the residence time in the temperature range of 600 ± 200 ° C., and the distribution of the temperature gradient G in the crystal in the pulling axial direction near the melting point is made uniform to make PvPi. The in-plane margin will be expanded to improve the manufacturing yield of defect-free crystals.

シリコン融液Mから引き上げられたシリコン単結晶Sは、シリコン融液Mの液面MAから遠ざかるほど温度が低下して冷却され、その冷却過程で600±200℃の温度域を通過するが、このときシリコン単結晶Sが600±200℃の温度域を素早く通過することにより、空孔の凝集を抑えてPvPiマージンを広げることができる。600±200℃の温度域の滞在時間がどのくらい短ければPvPiマージンがどのくらい広くなるかは、空孔及び格子間シリコンの拡散・対消滅を解析する点欠陥数値解析から求めることができる。このように、PvPiマージンが広くなれば、結晶引き上げ速度Vの制御も容易となることから、無欠陥結晶を安定的に育成することが可能となる。 The temperature of the silicon single crystal S pulled up from the silicon melt M decreases as the distance from the liquid level MA of the silicon melt M decreases, and the silicon single crystal S passes through the temperature range of 600 ± 200 ° C. in the cooling process. When the silicon single crystal S quickly passes through the temperature range of 600 ± 200 ° C., the aggregation of pores can be suppressed and the PvPi margin can be widened. How short the staying time in the temperature range of 600 ± 200 ° C. and how wide the PvPi margin is can be obtained from the point defect numerical analysis for analyzing the diffusion / pair annihilation of pores and interstitial silicon. As described above, if the PvPi margin is widened, the crystal pulling speed V can be easily controlled, so that defect-free crystals can be stably grown.

〔実施形態の効果〕
本実施形態の単結晶育成装置1は、第1冷却体12Aによって、600±200℃の温度域の滞在時間を短くする。さらに、第2冷却体12Bを移動させて結晶を取り巻く炉内熱環境、特に、結晶成長界面近傍の熱環境を最適化することにより、引き上げ軸方向と直交するシリコン単結晶の断面内の前記結晶内温度勾配Gの分布を均一化して、PvPiマージンを拡大させることができ、無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることができる。
[Effect of Embodiment]
In the single crystal growing apparatus 1 of the present embodiment, the staying time in the temperature range of 600 ± 200 ° C. is shortened by the first cooling body 12A. Further, by moving the second cooling body 12B to optimize the thermal environment in the furnace surrounding the crystal, particularly the thermal environment near the crystal growth interface, the crystal in the cross section of the silicon single crystal orthogonal to the pulling axis direction. The distribution of the internal temperature gradient G can be made uniform, the PvPi margin can be expanded, and the production yield of defect-free crystals can be increased.

なお、第2冷却体12Bの移動によって結晶成長界面近傍の熱環境が変化すると、結晶成長界面の形状も変化するため、第2冷却体12Bの移動が前記結晶内温度勾配Gの分布に与える影響は複雑である。そのため、前記結晶内温度勾配Gを均一化するには、実験あるいが数値シミュレーションといった手段が有効である。
以下、具体的な第2冷却体12Bの制御方法を含む単結晶育成方法について説明する。
When the thermal environment near the crystal growth interface changes due to the movement of the second cooling body 12B, the shape of the crystal growth interface also changes, so that the movement of the second cooling body 12B affects the distribution of the temperature gradient G in the crystal. Is complicated. Therefore, in order to make the temperature gradient G in the crystal uniform, a means such as an experiment or a numerical simulation is effective.
Hereinafter, a single crystal growth method including a specific control method for the second cooling body 12B will be described.

図4は、本実施形態による単結晶育成方法を示すフローチャートである。また、図5および図6は、シリコン単結晶Sのボディ部の引き上げ率と第2冷却体12Bの位置との関係を説明するための模式図である。
ここで、ボディ部の引き上げ率とは、単結晶の製造にあたって、予め設定されたボディ部の長さを100%として、ボディ部の開始位置を0%として定義される、結晶長手方向の位置である。通常、装置上のトラブルなく、単結晶の有転位化もなく、正常に単結晶の育成が行われた場合、育成されたボディ部の長さは予め設定されたボディ部の長さと同じになる。
FIG. 4 is a flowchart showing a single crystal growing method according to the present embodiment. Further, FIGS. 5 and 6 are schematic views for explaining the relationship between the pulling rate of the body portion of the silicon single crystal S and the position of the second cooling body 12B.
Here, the pull-up rate of the body portion is defined as a position in the crystal longitudinal direction defined as a preset length of the body portion as 100% and a start position of the body portion as 0% in the production of a single crystal. is there. Normally, when the single crystal is normally grown without any trouble on the device and without dislocation of the single crystal, the length of the grown body portion becomes the same as the preset length of the body portion. ..

図4に示すように、本実施形態の単結晶育成方法は、ルツボ3内のシリコン原料をヒーター6で加熱して融解することによりシリコン融液Mを生成する原料融解工程P1と、ワイヤー16の先端部に取り付けられた種結晶を降下させてシリコン融液Mに着液させる着液工程P2と、シリコン融液Mとの接触状態を維持しながら種結晶を徐々に引き上げて単結晶を育成する引き上げ工程(P3〜P5)とを有している。 As shown in FIG. 4, in the single crystal growing method of the present embodiment, the raw material melting step P1 for producing the silicon melt M by heating the silicon raw material in the rutsubo 3 with the heater 6 and melting the silicon raw material, and the wire 16 A single crystal is grown by gradually pulling up the seed crystal while maintaining the contact state between the liquid landing step P2 in which the seed crystal attached to the tip is lowered and landed on the silicon melt M and the silicon melt M. It has a pulling step (P3 to P5).

引き上げ工程では、結晶成長と共に結晶直径が徐々に増加した拡径部であるショルダー部S1を形成するショルダー部引き上げ工程P3と、300mm以上の規定の結晶直径に維持された定径部であるボディ部S2を形成するボディ部引き上げ工程P4Aと、結晶成長と共に結晶直径が徐々に減少した減径部であるテール部S3を形成するテール部引き上げ工程P5とが順に実施される。
また、本実施形態の単結晶育成方法は、ボディ部引き上げ工程P4Aの実行中に、第2冷却体12Bを昇降させて、第2冷却体12Bの下端とシリコン融液Mの液面MAとの距離を変化させる冷却体昇降工程P4Bを有する。
In the pulling step, the shoulder part pulling step P3 for forming the shoulder part S1 which is a diameter-expanded part whose crystal diameter gradually increases as the crystal grows, and the body part which is a constant diameter part maintained at a specified crystal diameter of 300 mm or more. The body portion pulling step P4A for forming S2 and the tail portion pulling step P5 for forming the tail portion S3, which is a reduced diameter portion whose crystal diameter gradually decreases with crystal growth, are sequentially carried out.
Further, in the single crystal growing method of the present embodiment, the second cooling body 12B is raised and lowered during the execution of the body portion pulling step P4A, and the lower end of the second cooling body 12B and the liquid level MA of the silicon melt M are brought into contact with each other. It has a cooling body elevating step P4B that changes the distance.

本発明では、ボディ部S2について、図5および図6に示されるように、ボディ部S2の上方から順に、トップ領域R1(引き上げ率0%〜33%)、ミドル領域R2(引き上げ率33%〜67%)およびボトム領域R3(引き上げ率67%〜100%)の三つの領域を定義する。三つの領域は、ボディ部S2を略均等に3分割する。ボディ部引き上げ工程P4Aでは、ボディ部S2をトップ領域R1、ミドル領域R2、ボトム領域R3の順に引き上げる。 In the present invention, as shown in FIGS. 5 and 6, the body portion S2 has a top region R1 (pull-up rate 0% to 33%) and a middle region R2 (pull-up rate 33% to 33%) in this order from above the body portion S2. Three regions are defined: 67%) and bottom region R3 (raising rate 67% to 100%). The three regions divide the body portion S2 into three substantially evenly. In the body portion pulling step P4A, the body portion S2 is pulled up in the order of the top region R1, the middle region R2, and the bottom region R3.

上述したように、本実施形態の単結晶育成方法では、第2冷却体12Bを上下方向に移動させる。具体的には、制御装置8の冷却体制御部8Aは、ミドル領域R2の引き上げ中における距離G2が、ボディ部S2の引き上げ開始時(ボディ部S2の引き上げ率0%、図5、図6参照)における距離G2と、ボディ部S2の引き上げ終了時(ボディ部S2の引き上げ率100%)における距離G2よりも小さくなるように、第2冷却体12Bを昇降させる。距離G2は、第2冷却体12Bの下端とシリコン融液Mの液面MAとの距離である。
すなわち、本実施形態の単結晶育成方法では、ボディ部S2の引き上げ中において、一時的に第2冷却体12Bをシリコン融液Mの液面MA(シリコン単結晶Sとシリコン融液Mとの間の固液界面)に近づける。
As described above, in the single crystal growing method of the present embodiment, the second cooling body 12B is moved in the vertical direction. Specifically, in the cooling body control unit 8A of the control device 8, the distance G2 during the pulling up of the middle region R2 is at the start of pulling up the body portion S2 (the pulling rate of the body portion S2 is 0%, see FIGS. 5 and 6). ), The second cooling body 12B is moved up and down so as to be smaller than the distance G2 at the end of pulling up the body portion S2 (the pulling rate of the body portion S2 is 100%). The distance G2 is the distance between the lower end of the second cooling body 12B and the liquid level MA of the silicon melt M.
That is, in the single crystal growing method of the present embodiment, the second cooling body 12B is temporarily placed between the liquid level MA of the silicon melt M (between the silicon single crystal S and the silicon melt M) while the body portion S2 is being pulled up. Close to the solid-liquid interface).

また、制御装置8の冷却体制御部8Aは、第2冷却体12Bの最も高い位置と最も低い位置との差Hdが、0.1×D<Hdを満たすように第2冷却体12Bを昇降させる。 Further, the cooling body control unit 8A of the control device 8 raises and lowers the second cooling body 12B so that the difference Hd between the highest position and the lowest position of the second cooling body 12B satisfies 0.1 × D <Hd. Let me.

次に、図5および図6に示す模式図を用いて、第2冷却体12Bの昇降制御の詳細を説明する。図5には比較例を示し、図6には実施例を示す。図5に示す比較例は、第2冷却体12Bの下端とシリコン融液Mの液面MAとの距離G2(図2参照)を一定とし、図6に示す実施例は、距離G2を変化させている。 Next, the details of the elevating control of the second cooling body 12B will be described with reference to the schematic views shown in FIGS. 5 and 6. FIG. 5 shows a comparative example, and FIG. 6 shows an embodiment. In the comparative example shown in FIG. 5, the distance G2 (see FIG. 2) between the lower end of the second cooling body 12B and the liquid level MA of the silicon melt M is constant, and in the embodiment shown in FIG. 6, the distance G2 is changed. ing.

図5および図6において、上段には、シリコン単結晶Sの縦断面図であり、V/Gと結晶欠陥の種類及び分布との関係を説明する図を、トップ領域R1、ミドル領域R2およびボトム領域R3のそれぞれについて示している。
下段には、第2冷却体12Bの位置を説明するグラフを示している。グラフにおいて、横軸は、ボディ部S2の引き上げ率であり、縦軸は、第2冷却体12Bの下端とシリコン融液Mの液面MAとの距離G2である。
In FIGS. 5 and 6, the upper part is a vertical cross-sectional view of the silicon single crystal S, and a diagram explaining the relationship between V / G and the type and distribution of crystal defects is shown in the top region R1, the middle region R2, and the bottom. Each of the regions R3 is shown.
The lower part shows a graph explaining the position of the second cooling body 12B. In the graph, the horizontal axis is the pull-up rate of the body portion S2, and the vertical axis is the distance G2 between the lower end of the second cooling body 12B and the liquid level MA of the silicon melt M.

図5に示すように、距離G2を一定にする場合、結晶欠陥の面内分布を一定に維持することができない。すなわち、シリコン単結晶Sのボディ部S2のトップ領域R1、ミドル領域R2、ボトム領域R3において、結晶欠陥の面内分布が異なり、ボディ部S2のミドル領域R2では所望のPvPiマージンを確保することができるが、ボディ部S2のトップ領域R1とボトム領域R3では所望のPvPiマージンを確保することができない。 As shown in FIG. 5, when the distance G2 is constant, the in-plane distribution of crystal defects cannot be maintained constant. That is, the in-plane distribution of crystal defects is different in the top region R1, middle region R2, and bottom region R3 of the body portion S2 of the silicon single crystal S, and a desired PvPi margin can be secured in the middle region R2 of the body portion S2. However, a desired PvPi margin cannot be secured in the top region R1 and the bottom region R3 of the body portion S2.

図5のトップ領域R1のOSF域および転位クラスター域の間にあるPvPi域は、結晶中心部に比べて結晶外周部においてV/Gの高い方向にずれている。そのため、ミドル領域R2と同じような欠陥分布とし所望のPvPiマージンを確保するには、第2冷却体12Bを上下に昇降させて、引き上げ軸方向と直交するシリコン単結晶の断面内の前記結晶内温度勾配Gの分布を均一化する必要がある。 The PvPi region between the OSF region and the dislocation cluster region of the top region R1 in FIG. 5 is displaced in the higher V / G direction at the outer peripheral portion of the crystal than at the central portion of the crystal. Therefore, in order to obtain a defect distribution similar to that of the middle region R2 and secure a desired PvPi margin, the second cooling body 12B is moved up and down in the crystal in the cross section of the silicon single crystal orthogonal to the pulling axial direction. It is necessary to make the distribution of the temperature gradient G uniform.

これに対し、本実施形態のシリコン単結晶Sの引き上げ方法では、図6に示されるように、距離G2が変化するように第2冷却体12Bを昇降させる。
具体的には、図5に示す従来例のトップ領域R1におけるPvPi域をミドル領域R2と同じような分布とし、所望のPvPiマージンを確保するために、結晶中心部の冷却を緩和するように第2冷却体12Bを上昇させて結晶成長界面から遠ざける。また、従来例のボトム領域R3におけるPvPi域をミドル領域R2と同じような分布とするために、結晶中心部の冷却を緩和するように第2冷却体12Bを上昇させて結晶成長界面から遠ざける。
On the other hand, in the method of pulling up the silicon single crystal S of the present embodiment, as shown in FIG. 6, the second cooling body 12B is moved up and down so that the distance G2 changes.
Specifically, the PvPi region in the top region R1 of the conventional example shown in FIG. 5 has a distribution similar to that of the middle region R2, and the cooling of the crystal center portion is relaxed in order to secure a desired PvPi margin. 2 The cooling body 12B is raised to move it away from the crystal growth interface. Further, in order to make the PvPi region in the bottom region R3 of the conventional example similar to that in the middle region R2, the second cooling body 12B is raised so as to relax the cooling of the crystal center portion and kept away from the crystal growth interface.

すなわち、制御装置8の冷却体制御部8Aは、ミドル領域R2の引き上げ中に第2冷却体12Bが最も液面MAに近づくように、第2冷却体12Bを制御する。
更に詳しくは、本実施形態の冷却体制御部8Aは、ボディ部S2の引き上げ開始時(ボディ部開始位置)からトップ領域R1の引き上げ中は、距離G2が約220mmとなるように第2冷却体12Bを制御する。
That is, the cooling body control unit 8A of the control device 8 controls the second cooling body 12B so that the second cooling body 12B comes closest to the liquid level MA while the middle region R2 is being pulled up.
More specifically, the cooling body control unit 8A of the present embodiment has a second cooling body so that the distance G2 is about 220 mm from the start of pulling up the body portion S2 (starting position of the body portion) to the pulling up of the top region R1. Control 12B.

次いで、ボディ部S2を約20%引き上げたタイミングで、ボディ部S2の引き上げ開始時における位置(距離G2=220mm)から距離G2が212mmとなるように第2冷却体12Bを降下させる。
その後、ミドル領域R2では距離G2を212mmに保ち、ボディ部S2を約80%引き上げたタイミングで、距離G2が252mmとなるように第2冷却体12Bを上昇させる。その後、ボディ部S2の引き上げ終了時まで、距離G2を252mmに保つ。
Next, at the timing when the body portion S2 is pulled up by about 20%, the second cooling body 12B is lowered so that the distance G2 becomes 212 mm from the position (distance G2 = 220 mm) at the start of pulling up the body portion S2.
After that, in the middle region R2, the distance G2 is kept at 212 mm, and at the timing when the body portion S2 is raised by about 80%, the second cooling body 12B is raised so that the distance G2 becomes 252 mm. After that, the distance G2 is kept at 252 mm until the end of pulling up the body portion S2.

第2冷却体12Bを降下させるタイミングは、引き上げ率20%〜30%(20%以上30%以下)であることが好ましい。第2冷却体12Bを上昇させるタイミングは、引き上げ率70%〜90%(70%以上90%以下)であることが好ましい。 The timing for lowering the second cooling body 12B is preferably a pull-up rate of 20% to 30% (20% or more and 30% or less). The timing for raising the second cooling body 12B is preferably a pulling rate of 70% to 90% (70% or more and 90% or less).

このように、第2冷却体12Bを制御することにより、結晶内温度勾配Gが最適化され、図6の上段のシリコン単結晶Sの縦断面図に示されるようにボディ部S2のトップ領域R1からボトム領域R3まで結晶欠陥の面内分布を一定に維持して無欠陥結晶の製造歩留まりを高めることが可能となる。 By controlling the second cooling body 12B in this way, the temperature gradient G in the crystal is optimized, and as shown in the vertical cross-sectional view of the silicon single crystal S in the upper part of FIG. 6, the top region R1 of the body portion S2 It is possible to maintain a constant in-plane distribution of crystal defects from to the bottom region R3 and increase the production yield of defect-free crystals.

また、冷却体12が上下方向に2分割されており、下方の第2冷却体12Bのみを昇降させる構成となっていることによって、昇降装置をコンパクト化することができる。 Further, the cooling body 12 is divided into two in the vertical direction, and only the lower second cooling body 12B is moved up and down, so that the lifting device can be made compact.

なお、上記の第2冷却体12Bの制御方法は一例であって、ミドル領域R2の引き上げ中における距離G2が、ボディ部S2の引き上げ開始時における距離G2と、ボディ部S2の引き上げ終了時における距離G2よりも小さくなるように、第2冷却体12Bを昇降させれば、これに限ることはない。例えば、引き上げ開始時の距離G2が引き上げ終了時の距離G2よりも大きくてよい。 The control method of the second cooling body 12B is an example, and the distance G2 during the pulling up of the middle region R2 is the distance G2 at the start of pulling up the body portion S2 and the distance at the end of pulling up the body portion S2. It is not limited to this if the second cooling body 12B is moved up and down so as to be smaller than G2. For example, the distance G2 at the start of pulling may be larger than the distance G2 at the end of pulling.

また、どの程度、冷却体を昇降させるかについては、図5あるいは図6の上部に示すような欠陥分布と距離G2との関係、あるいはPvPiマージンと距離G2との関係を、結晶の長手方向(結晶引き上げ率0%〜100%)にわたって把握し、その関係に基づいて決定することができる。また、図5あるいは図6の上部に示すような欠陥分布と距離G2との関係、あるいはPvPiマージンと距離G2との関係の把握にあたっては、距離G2を様々に変化させた、単結晶引き上げ実験あるいは計算機による欠陥シミュレーションにより把握できる。 Regarding how much the cooling body is raised and lowered, the relationship between the defect distribution and the distance G2 as shown in the upper part of FIG. 5 or FIG. 6, or the relationship between the PvPi margin and the distance G2 is determined in the longitudinal direction of the crystal ( It can be grasped over a crystal pulling rate of 0% to 100%) and determined based on the relationship. Further, in grasping the relationship between the defect distribution and the distance G2 as shown in the upper part of FIG. 5 or FIG. 6, or the relationship between the PvPi margin and the distance G2, a single crystal pulling experiment in which the distance G2 was variously changed or It can be grasped by defect simulation by computer.

また、上記実施形態では、冷却体12が上下方向に2分割されているが、単一の冷却体12を昇降させる構成としてもよい。
その場合、冷却体12の昇降範囲の下限は、冷却体12の下端が熱遮蔽体7の下端と同じ高さである位置とすることができ、冷却体12の昇降範囲の上限は、冷却体12の下端がメインチャンバ10の上部開口10Aと同じ高さである位置とすることができる。
冷却体12の下端が熱遮蔽体7の下端よりも下側に位置すると、シリコン融液Mの液面MAと熱遮蔽体7の下端との間の距離G1(ギャップ)を変化させることと同じ効果が生じるので、無欠陥単結晶の製造を却って困難にする。冷却体12の下端が上部開口10Aよりも上側に位置すると、冷却体12がプルチャンバ11内に格納されることになり冷却体12を昇降する効果が得られない。
Further, in the above embodiment, the cooling body 12 is divided into two in the vertical direction, but a single cooling body 12 may be moved up and down.
In that case, the lower limit of the elevating range of the cooling body 12 can be set to a position where the lower end of the cooling body 12 is at the same height as the lower end of the heat shield 7, and the upper limit of the elevating range of the cooling body 12 is the cooling body. The lower end of the 12 can be positioned at the same height as the upper opening 10A of the main chamber 10.
When the lower end of the cooling body 12 is located below the lower end of the heat shield 7, it is the same as changing the distance G1 (gap) between the liquid level MA of the silicon melt M and the lower end of the heat shield 7. Since the effect is produced, the production of a defect-free single crystal is rather difficult. When the lower end of the cooling body 12 is located above the upper opening 10A, the cooling body 12 is stored in the pull chamber 11, and the effect of raising and lowering the cooling body 12 cannot be obtained.

1…引き上げ装置、2…チャンバ、3…ルツボ、4…回転シャフト、5…シャフト駆動機構、6…ヒーター、7…熱遮蔽体、8…制御装置、12…冷却体、S…シリコン単結晶、S2…ボディ部。 1 ... Lifting device, 2 ... Chamber, 3 ... Crucible, 4 ... Rotating shaft, 5 ... Shaft drive mechanism, 6 ... Heater, 7 ... Heat shield, 8 ... Control device, 12 ... Cooler, S ... Silicon single crystal, S2 ... Body part.

Claims (10)

チョクラルスキー法により、ショルダー部、ボディ部、およびテール部からなるシリコン単結晶を育成する単結晶育成方法であって、
前記シリコン単結晶の前記ボディ部を引き上げる引き上げ工程と、
前記引き上げ工程の実行中に、前記シリコン単結晶を囲繞するように設置され、前記シリコン単結晶の外周側から前記シリコン単結晶の冷却を促進させる冷却体を昇降させて、前記冷却体の下端とシリコン融液の液面との距離を変化させる冷却体昇降工程を有することを特徴とする単結晶育成方法。
A single crystal growing method for growing a silicon single crystal consisting of a shoulder portion, a body portion, and a tail portion by the Czochralski method.
A pulling step of pulling up the body portion of the silicon single crystal and
During the execution of the pulling step, a cooling body installed so as to surround the silicon single crystal and promoting cooling of the silicon single crystal is moved up and down from the outer peripheral side of the silicon single crystal to the lower end of the cooling body. A single crystal growing method characterized by having a cooling body elevating step for changing the distance of a silicon melt from the liquid surface.
前記冷却体昇降工程において、
前記冷却体を、前記ボディ部の引き上げ開始時における位置から降下させることを特徴とする請求項1に記載の単結晶育成方法。
In the cooling body elevating step
The single crystal growing method according to claim 1, wherein the cooling body is lowered from the position at the start of pulling up the body portion.
前記冷却体昇降工程において、
前記冷却体を、前記ボディ部の引き上げ開始時における位置から降下させた後、上昇させることを特徴とする請求項2に記載の単結晶育成方法。
In the cooling body elevating step
The single crystal growing method according to claim 2, wherein the cooling body is lowered from the position at the start of pulling up the body portion and then raised.
前記引き上げ工程では、前記ボディ部を、トップ領域とミドル領域とボトム領域との三つの領域の順に引き上げ、
前記冷却体昇降工程では、前記ミドル領域の引き上げ中における前記距離が、前記ボディ部の引き上げ開始時における前記距離と、前記ボディ部の引き上げ終了時における前記距離よりも小さくなるように、前記冷却体を昇降させることを特徴とする請求項3に記載の単結晶育成方法。
In the pulling step, the body portion is pulled up in the order of three regions, a top region, a middle region, and a bottom region.
In the cooling body elevating step, the cooling body is set so that the distance during the pulling up of the middle region is smaller than the distance at the start of pulling up the body portion and the distance at the end of pulling up the body portion. The single crystal growing method according to claim 3, wherein the single crystal is raised and lowered.
前記冷却体昇降工程では、前記ボディ部の引き上げ率20%〜30%で前記冷却体を降下させ、前記ボディ部の引き上げ率70%〜90%で前記冷却体を上昇させることを特徴とする請求項4に記載の単結晶育成方法。 In the cooling body elevating step, the cooling body is lowered at a pulling rate of 20% to 30% of the body portion, and the cooling body is raised at a pulling rate of 70% to 90% of the body portion. Item 4. The single crystal growing method according to Item 4. チョクラルスキー法により、ショルダー部、ボディ部、およびテール部からなるシリコン単結晶を育成する単結晶育成装置であって、
シリコン融液を保持するルツボと、
前記シリコン単結晶を囲繞するように設置され、昇降可能であり、外周側から前記シリコン単結晶の冷却を促進させる冷却体と、
少なくとも前記冷却体を制御する制御装置と、を備え、
前記制御装置は、前記冷却体を昇降させて、前記冷却体の下端と前記シリコン融液の液面との距離を変化させる冷却体制御部を有することを特徴とする単結晶育成装置。
A single crystal growing device that grows a silicon single crystal consisting of a shoulder part, a body part, and a tail part by the Czochralski method.
A crucible that holds the silicone melt,
A cooling body that is installed so as to surround the silicon single crystal, can be raised and lowered, and promotes cooling of the silicon single crystal from the outer peripheral side.
A control device for controlling at least the cooling body is provided.
The control device is a single crystal growing device having a cooling body control unit that raises and lowers the cooling body to change the distance between the lower end of the cooling body and the liquid level of the silicon melt.
前記ボディ部をトップ領域とミドル領域とボトム領域との三つの領域の順に引き上げるとすると、
前記冷却体制御部は、前記ミドル領域の引き上げ中における前記冷却体と前記シリコン融液の液面との距離が、前記ボディ部の引き上げ開始時における前記距離と、前記ボディ部の引き上げ終了時における前記距離よりも小さくなるように、前記冷却体を昇降させるように前記冷却体を制御することを特徴とする請求項6に記載の単結晶育成装置。
Assuming that the body portion is pulled up in the order of three regions, a top region, a middle region, and a bottom region,
In the cooling body control unit, the distance between the cooling body and the liquid level of the silicon melt during the pulling up of the middle region is the distance at the start of pulling up the body portion and the distance at the end of pulling up the body portion. The single crystal growing apparatus according to claim 6, wherein the cooling body is controlled so as to move the cooling body up and down so as to be smaller than the distance.
育成される前記シリコン単結晶の直径をDとすると、前記冷却体制御部は、前記冷却体の最も高い位置と最も低い位置との差Hdが、0.1×D<Hdを満たすように前記冷却体を昇降させるように構成されていることを特徴とする請求項7に記載の単結晶育成装置。 Assuming that the diameter of the silicon single crystal to be grown is D, the cooling body control unit performs the cooling body control unit so that the difference Hd between the highest position and the lowest position of the cooling body satisfies 0.1 × D <Hd. The single crystal growing apparatus according to claim 7, wherein the cooling body is configured to move up and down. 前記冷却体制御部は、前記ボディ部の引き上げ率20%〜30%で前記冷却体を降下させ、前記ボディ部の引き上げ率70%〜90%で前記冷却体を上昇させるように前記冷却体を昇降させることを特徴とする請求項7または請求項8に記載の単結晶育成装置。 The cooling body control unit lowers the cooling body at a pulling rate of 20% to 30% of the body portion, and raises the cooling body at a pulling rate of 70% to 90% of the body portion. The single crystal growing apparatus according to claim 7 or 8, wherein the single crystal growing apparatus is moved up and down. 前記冷却体は上下方向に2分割されており、下方の冷却体のみを昇降させることを特徴とする請求項6から請求項9のいずれか一項に記載の単結晶育成装置。 The single crystal growing apparatus according to any one of claims 6 to 9, wherein the cooling body is divided into two in the vertical direction, and only the lower cooling body is moved up and down.
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