JP2021127275A - Single crystal growth device, single crystal growth method, and single crystal - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、半導体製造の技術分野に関し、より具体的には、半導体材料となるシリコンの単結晶成長装置、単結晶成長方法および単結晶に関するものである。 The present invention relates to the technical field of semiconductor manufacturing, and more specifically to a single crystal growth apparatus, a single crystal growth method, and a single crystal of silicon as a semiconductor material.
単結晶の成長装置および単結晶成長方法において、半導体シリコンウエーハの材料や、シリコン単結晶型太陽電池の材料ウエーハとなる材料単結晶の製造には、一般的にCZ法(チョクラルスキー法)や磁場を印加したMCZ法が用いられてきた。 In the single crystal growth apparatus and single crystal growth method, the CZ method (Czochralski method) is generally used for the production of materials for semiconductor silicon wafers and material single crystals that serve as material wafers for silicon single crystal solar cells. The MCZ method in which a magnetic field is applied has been used.
CZ法、MCZ法は、ともにシリコンの多結晶原料を石英ルツボ内に充填し、不活性ガスとしてアルゴンガスを用いた減圧雰囲気中でヒータに電力を供給し、保護用のカーボンルツボの中に多結晶原料を充填した石英ルツボをセットして回転させながら、ルツボの外側からカーボンヒータを用いて加熱溶融し、原料多結晶を完全に融液にした後、引き上げ軸に吊るした種結晶をこの融液表面に浸し、温度調整しながら種結晶を回転させつつ上方に引き上げる結晶成長方法である。多結晶シリコンの溶解方法の従来技術の一つとして例えば以下に掲げる特許文献1を挙げることができる。 In both the CZ method and the MCZ method, a polycrystalline raw material of silicon is filled in a quartz turret, power is supplied to the heater in a reduced pressure atmosphere using argon gas as an inert gas, and a large amount is provided in the protective carbon rug. While setting and rotating a quartz crucible filled with crystal raw materials, heat and melt it from the outside of the ruts using a carbon heater to completely melt the raw material polycrystalline, and then melt the seed crystals suspended on the pull-up shaft. This is a crystal growth method in which the seed crystal is immersed in the liquid surface and pulled upward while rotating the seed crystal while adjusting the temperature. As one of the prior arts of a method for melting polycrystalline silicon, for example, Patent Document 1 listed below can be mentioned.
特許文献1には、段落(0012)において、発明の更に別の目的として、ルツボ内にカットロッドを装填する場合にあってもルツボ内の原料をブリッジが生じることなく効率よく溶解することができる多結晶シリコンの溶解方法を提供することが記載されている。また、段落(0015)においてルツボ内に初期装填された多結晶シリコンを溶解した後、そのルツボ内に上方から新たに多結晶シ リコンを追加し溶解する追加チャージの利点が記載され、ルツボ内で原料のブリッジが生じるため、初期装填される多結晶シリコンの量を低減し、追加チャージを行うことが記載されている。該特許文献1では、段落(0019)において、ルツボ内に初期装填するシリコン原料としては、棒状の多結晶シリコン、即ちカットロッドを含むものが好ましいと記載されている。また、カットロッドは熱伝導性がよいので、カットロッドを装填した状態での原料溶解に該発明を適用すると、第2の加熱手段によるルツぼ底からの加熱によってカットロッドが優先的に溶解し、ルツボ中心部での温度が上昇することにより、全体としての溶解時間が非常に短くなることが記載されている。 In paragraph (0012), as yet another object of the invention, Patent Document 1 can efficiently dissolve the raw material in the crucible without forming a bridge even when the cut rod is loaded in the crucible. It is described to provide a method for melting polycrystalline silicon. Further, in paragraph (0015), the advantage of the additional charge of melting the polycrystalline silicon initially loaded in the crucible and then adding a new polycrystalline silicon in the crucible from above to dissolve it is described. It is stated that the amount of polycrystalline silicon initially loaded is reduced and additional charging is performed because of the bridging of the raw material. In the patent document 1, it is described in paragraph (0019) that as the silicon raw material to be initially loaded in the crucible, rod-shaped polycrystalline silicon, that is, one containing a cut rod is preferable. Further, since the cut rod has good thermal conductivity, when the present invention is applied to melting the raw material in a state where the cut rod is loaded, the cut rod is preferentially melted by heating from the bottom of the rubbish by the second heating means. , It is described that the melting time as a whole becomes very short due to the increase in the temperature at the center of the rutsubo.
ここで、上記を整理すると、初期装填する多結晶シリコン量を下げ、追加チャージを行うことで、ブリッジが生じるリスクを低減している。更に、熱伝導性がよい棒状の多結晶シリコンを使用することで、嵩比重をふやし、ブリッジが生じるリスクを低減することを推奨している。また、第2の加熱手段によるルツボ底からの加熱とその供給電力比率を適正化することで、溶解時間を低減することが記載されている。
すなわち、熱伝導性がよい棒状の多結晶シリコンを使用と、これによる嵩比重の増加、追加チャージによる初期チャージ量の低減によるブリッジが生じるリスクを低減することが企図されている。
Here, to summarize the above, the risk of bridging is reduced by reducing the amount of polycrystalline silicon to be initially loaded and performing additional charging. Furthermore, it is recommended to use rod-shaped polycrystalline silicon with good thermal conductivity to increase the bulk specific density and reduce the risk of bridging. Further, it is described that the melting time is reduced by heating from the bottom of the crucible by the second heating means and optimizing the power supply ratio thereof.
That is, it is intended to use rod-shaped polycrystalline silicon having good thermal conductivity, thereby reducing the risk of bridging due to an increase in bulk specific density and a decrease in the initial charge amount due to additional charging.
しかしながら、本来、初期チャージをルツボの開口部上端よりも山状に盛り上げてチャージしても溶解後の溶融レベルは、ルツボの開口部よりも深さ方向で70%にも満たない低位置になるため、チャージ効率が悪い。山状に盛り上げてチャージするとそもそも溶解中にブリッジがかかった状態となり、一旦ブリッジがかかってしまうと溶解に難儀するとともに、ブリッジが溶解できたとしても同時に塊状原料シリコンが落下する際に液はねや、液はねによるルツボ 壁面への原料シリコンの溶着、原料シリコン同士の溶着などが生じるという不具合があった。 However, originally, even if the initial charge is raised in a mountain shape from the upper end of the crucible opening and charged, the melting level after melting is lower than the crucible opening by less than 70% in the depth direction. Therefore, the charging efficiency is poor. If it is raised in a mountain shape and charged, it will be in a state where the bridge is applied during melting, and once the bridge is applied, it will be difficult to dissolve, and even if the bridge can be dissolved, the liquid will splash when the bulk raw material silicon falls at the same time. In addition, there was a problem that the raw material silicon was welded to the wall surface of the rutsubo due to liquid splashing, and the raw material silicon was welded to each other.
前述のように、従来技術におけるブリッジ対策は、初期チャージ量を下げ、追加チャージをしなければ、ブリッジを回避出来なかった。さらに特許文献1に記述されるようにヒータ電力配分などを調整する必要があった。
一方、従来、種結晶を安定して成長させるためにルツボの回転には緩やかな始動と等速での円滑な動きが要求されてきた。
As described above, the bridge countermeasure in the prior art could not avoid the bridge unless the initial charge amount was lowered and the additional charge was applied. Further, it is necessary to adjust the heater power distribution and the like as described in Patent Document 1.
On the other hand, conventionally, in order to grow a seed crystal stably, a gentle start and a smooth movement at a constant speed have been required for the rotation of the crucible.
ルツボ内の原料単結晶の融解工程に連続して種結晶の成長工程に移行するため、ルツボを回転させるための駆動機構として種結晶の安定成長を重視したものが原料単結晶の融解工程にもそのまま使用される。 Since the process of melting the raw material single crystal in the rutsubo is followed by the process of growing the seed crystal, the driving mechanism for rotating the rutsubo that emphasizes the stable growth of the seed crystal is also used in the process of melting the raw material single crystal. It is used as it is.
しかしながら、原料結晶は粒子状にはなっておらず、塊片の集合となっているため、ルツボの回転駆動によっても一様には撹拌されず、各塊片の溶融態様も不均一である。このため、ルツボの内壁面近傍の原料多結晶がルツボ内壁に固着してしまうことがある。さらには、このルツボ内壁に固着した塊片に他の塊片が次々と固着して融液面との間に空隙を作ってブリッジ状に連結してしまうこともある(図2参照)。このような状況に至るとヒータによる加熱温度をさらに上昇させる必要が生じて処理効率が低下することに加え、融液面から相当程度離隔した塊片が突然融液へ落下する事態が生じると、液跳ねが生じてフロー管などの炉内部品に付着し、単結晶成長装置の寿命を短縮させることになる。最悪の場合、炉内部品表面に付着したシリコン融液が成長中の単結晶上に落下して不良品を製造してしまうおそれもある。 However, since the raw material crystal is not in the form of particles and is an aggregate of agglomerates, it is not uniformly agitated by the rotational drive of the crucible, and the melting mode of each agglomerate is also non-uniform. Therefore, the raw material polycrystalline near the inner wall surface of the crucible may stick to the inner wall surface of the crucible. Further, other lumps may be fixed one after another to the lumps fixed to the inner wall of the crucible, forming a gap between the lumps and the melting surface and connecting them in a bridge shape (see FIG. 2). In such a situation, it becomes necessary to further raise the heating temperature by the heater, which lowers the processing efficiency. In addition, when a lump that is considerably separated from the melt surface suddenly falls into the melt, The liquid splashes and adheres to the in-furnace parts such as the flow pipe, shortening the life of the single crystal growth apparatus. In the worst case, the silicon melt adhering to the surface of the parts in the furnace may fall on the growing single crystal and produce a defective product.
本発明は、従来技術における上記課題に鑑みてなされたものであり、ルツボ内の原料単結晶を高い効率で安全確実に融解することを可能にする単結晶成長装置、単結晶成長方法および、これらの装置・方法により製造される単結晶を提供することを主な目的とする。 The present invention has been made in view of the above problems in the prior art, and is a single crystal growth apparatus, a single crystal growth method, and a single crystal growth method capable of melting a raw material single crystal in a rutsubo with high efficiency and safety and reliability. The main purpose is to provide a single crystal produced by the above-mentioned equipment and method.
本発明の第1の態様によれば、単結晶成長装置が提供され、
前記装置は、ルツボを回転させる回転機構と、前記ルツボを加熱するヒータとを含む結晶成長炉を備え、
前記ルツボは、シリコン(ケイ素)の融液および該融液の原料の少なくともいずれかを収容し、
前記回転機構は、前記ルツボの断続回転が可能であるように構成される。
According to the first aspect of the present invention, a single crystal growth apparatus is provided.
The apparatus includes a crystal growth furnace including a rotating mechanism for rotating the crucible and a heater for heating the crucible.
The crucible contains at least one of a silicon melt and a raw material for the melt.
The rotation mechanism is configured to allow intermittent rotation of the crucible.
また、本発明の第2の態様によれば、単結晶成長炉を用いた単結晶成長方法が提供され、前記方法は、
シリコン(ケイ素)原料を収容するルツボを断続的に回転させながら該ルツボを加熱して前記原料を溶融する工程と、
種結晶を吊下して前記原料の溶融により得られたルツボ内の融液に浸漬し、前記ルツボを回転させながら前記種結晶を引き上げることにより前記種結晶を成長させる工程と、
を備える。
Further, according to the second aspect of the present invention, a single crystal growth method using a single crystal growth furnace is provided, and the method is described.
A step of heating the crucible while intermittently rotating a crucible containing a silicon raw material to melt the raw material.
A step of suspending a seed crystal, immersing it in a melt in a crucible obtained by melting the raw material, and pulling up the seed crystal while rotating the crucible to grow the seed crystal.
To be equipped.
また、本発明の第3の態様によれば、上述した単結晶成長方法により得られた単結晶が提供される。 Further, according to the third aspect of the present invention, the single crystal obtained by the above-mentioned single crystal growth method is provided.
また、本発明の第4の態様によれば、
原材料の溶解時間を短縮することによりルツボの融液への溶解量を低減し、ルツボからの軽元素、重金属の融液への取り込みを低減することを特徴とする単結晶成長方法が提供される。
Further, according to the fourth aspect of the present invention.
Provided is a single crystal growth method characterized by reducing the amount of crucible dissolved in a melt by shortening the dissolution time of raw materials and reducing the uptake of light elements and heavy metals from the crucible into the solution. ..
また、本発明の第5の態様によれば、
原材料の溶解時間を短縮することによりルツボ の融液への溶解量を低減し、ルツボからの軽元素、重金属の溶融への取り込みを低減することを特徴とする単結晶成長装置が提供される。
Further, according to the fifth aspect of the present invention.
Provided is a single crystal growth apparatus characterized by reducing the amount of crucible dissolved in a solution by shortening the dissolution time of raw materials and reducing the uptake of light elements and heavy metals from the crucible into melting.
さらに、また、本発明の第6の態様によれば、
原材料の溶解時間を短縮することによりルツボの融液への溶解量を低減し、ルツボからの軽元素、重金属の取り込みが低減した溶融で形成されたことを特徴とする単結晶が提供される。
Furthermore, according to the sixth aspect of the present invention.
Provided is a single crystal characterized by being formed by melting in which the amount of the crucible dissolved in the melt is reduced by shortening the dissolution time of the raw material and the uptake of light elements and heavy metals from the crucible is reduced.
本発明の一態様による単結晶成長装置によれば、ルツボの断続回転が可能であるように構成される回転機構を備えるので、ルツボ内で原料を溶融する際にルツボの断続回転により原料に振動が与えられ、該振動により原料がルツボの底面または融液内へ振り落とされる。これにより、ルツボ内の原料を高い効率で安全確実に融解することが可能になる。 According to the single crystal growth apparatus according to one aspect of the present invention, since the rotation mechanism configured to enable the intermittent rotation of the crucible is provided, the raw material vibrates due to the intermittent rotation of the crucible when the raw material is melted in the crucible. Is given, and the raw material is shaken off to the bottom surface of the crucible or into the melt by the vibration. This makes it possible to safely and reliably melt the raw materials in the crucible with high efficiency.
また、本発明の他の一態様による単結晶成長方法によれば、断続的に回転させながらルツボを加熱するので、断続回転により原料に与えられる振動により原料がルツボの底面または融液内へ振り落とされる。同時に溶融レベルが増加し、原料シリコンが溶融に浸かるため、熱伝導が良く、溶解時間を短縮することに繋がる。未溶解原料シリコンは、順次スムーズに溶融内部に浸かるため、溶解時間が加速的に短縮される。これにより、ルツボ内の原料を高い効率で安全確実に融解することが可能になる。
本発明のさらに他の一態様によれば、上記単結晶成長方法を使用するので、高品質の単結晶を高い効率で確実に提供することができる。
Further, according to the single crystal growth method according to another aspect of the present invention, since the crucible is heated while being rotated intermittently, the raw material is shaken into the bottom surface of the crucible or the melt by the vibration applied to the raw material by the intermittent rotation. Be dropped. At the same time, the melting level increases and the raw material silicon is immersed in the melting, so that heat conduction is good and the melting time is shortened. Since the undissolved raw material silicon is sequentially and smoothly immersed in the molten interior, the melting time is accelerated. This makes it possible to safely and reliably melt the raw materials in the crucible with high efficiency.
According to still another aspect of the present invention, since the above single crystal growth method is used, a high quality single crystal can be reliably provided with high efficiency.
以下、本発明の実施の形態のいくつかについて図面を参照しながら説明する。図面において同一または対応する要素・部材には同一の参照符号を付し、その重複説明は適宜省略する。また、図中の各部材の形状・サイズについては、説明を容易にするため、適宜拡大・縮小・省略するために現実の縮尺・比率とは合致していない場合がある。また、図面の説明においても、紙面の上下方向に即してそれぞれ「上」「下」の用語を便宜的に用いるために、重力加速度の方向と一致しない場合がある点に留意されたい。また、「実質的に」の用語は、測定誤差をも含む趣旨で使用される。 Hereinafter, some embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings. The same or corresponding elements / members are designated by the same reference numerals in the drawings, and duplicate description thereof will be omitted as appropriate. In addition, the shape and size of each member in the drawing may not match the actual scale and ratio in order to be appropriately enlarged / reduced / omitted in order to facilitate explanation. Also, in the explanation of the drawings, it should be noted that the terms "upper" and "lower" may not match the direction of gravitational acceleration because the terms "upper" and "lower" are used for convenience in the vertical direction of the paper. In addition, the term "substantially" is used to the effect that measurement error is also included.
また、以下で使用される第1、第2等のような用語は、同一又は相応する構成要素を区別するための識別記号に過ぎず、同一又は相応する構成要素が、第1、第2等の用語によって限定されるものではない。 In addition, terms such as the first, second, etc. used below are merely identification symbols for distinguishing the same or corresponding components, and the same or corresponding components are the first, second, etc. It is not limited by the terminology of.
また、結合とは、各構成要素間の接触関係において、各構成要素間に物理的に直接接触される場合だけを意味するのではなく、他の構成が各構成要素間に介在され、その他の構成に構成要素がそれぞれ接触されている場合まで含む概念である。 Further, the connection does not mean only the case where each component is physically directly contacted with each other in the contact relationship between the components, but other components are interposed between the components and other components are intervened. It is a concept that includes the case where each component is in contact with the structure.
(1)単結晶成長装置
図1は、本発明の実施の一形態による単結晶成長装置の概略構成を示す模式図の一例である。同図に示す単結晶成長装置100は、ヒータ10と回転機構20とを含んでルツボ8を設置可能な単結晶成長炉1を備える。単結晶成長炉1の頂部近傍には観察窓WD10,WD20が設けられている。なお、図1において、内部構造を平易に示すため、単結晶成長炉1の外観はその概略形状だけが破線で示されている。
(1) Single Crystal Growth Device FIG. 1 is an example of a schematic diagram showing a schematic configuration of a single crystal growth device according to an embodiment of the present invention. The single
単結晶成長装置100はさらに、ヒータ電源5と、温度センサ11と、変換部21と、温度表示部3と、カメラ32と、信号処理部62と、炉内温度センサ42と、制御部4とを含む。カメラ32は、観察窓WD20の近傍に設置され、観察窓WD20を介してルツボ8その他の炉内部品を撮像し、アナログの像信号を出力する。カメラ32は本実施形態において例えば特許請求の範囲に記載の「撮像素子」に対応し、アナログの像信号は例えば「第1信号」に対応する。
カメラ32は信号処理部62に接続され、信号処理部62によりアナログの画像信号がディジタル信号に変換される。
The single
The
温度センサ11は、観察窓WD10の近傍に配設される。温度センサ11は、ルツボ8の内壁から底面中央もしくは原料多結晶の中央まで、または単結晶成長中は単結晶の側面まで走査可能となるように取り付けられ、対象物からの光量を検出する。温度センサ11は変換部21に接続される。変換部21は、温度センサ11からの光量情報を電気信号に変換して温度表示部3へ供給して温度を表示させるほか、制御部4へも該電気信号を送る。本実施形態において、温度センサ11および変換部21は、例えば特許請求の範囲に規定する「温度センサ」に対応し、光量情報が変換された電気信号は例えば「第2信号」に対応する。
The
制御部4は、変換部21、信号処理部62、温度表示部3およびヒータ電源5に接続され、変換部21から信号の入力を受けてこれを処理し、処理結果を温度表示部3に表示させる他、処理結果に従って指令信号を生成してヒータ電源5に供給し、ヒータ10に供給される電力量により炉内の温度を調整する。制御部4はまた、回転機構20および図示しない昇降機構に接続され、後に詳述する単結晶成長方法に従って制御信号を生成してこれらの機構に供給し、ルツボ8の回転および単結晶の引上速度を制御する。ルツボ8の回転制御の具体的方法については後に詳述する。
The control unit 4 is connected to a
制御部4には記憶装置MRが接続され、該記憶装置MRには、設定温度の上限値や各種閾値など、後述する実施形態の単結晶成長方法に使用するデータテーブルが格納される。 A storage device MR is connected to the control unit 4, and a data table used for the single crystal growth method of the embodiment described later, such as an upper limit value of a set temperature and various threshold values, is stored in the storage device MR.
単結晶成長炉1の底部には垂直の方向に延設されるようにルツボ支持軸52が枢着され、このルツボ支持軸52により、ルツボ8が支持されるとともに、後に詳述する回転機構20によるルツボ支持軸52の回転により、ルツボ8が回転する。ルツボ支持軸52はまた、図示しないルツボ昇降機構にも連結され、結晶成長に伴って融液面レベルが低下するので、その分だけ当該ルツボ支持軸52を介してルツボ8を自動的に上昇させ、これにより、常に融液面の位置(高さ)を一定位置(高さ)に保つようになっている。本実施形態において、ルツボ支持軸52は例えば特許請求の範囲に規定する「支持部」に対応する。
ヒータ10は、ルツボ8と単結晶成長炉1の内壁面との間に設置され、ヒータ電源5から電力を供給されて炉内の空間とルツボ8を介して融液Lを加熱する。
炉内温度センサ42は、ヒータ10の近傍領域に設けられ、ヒータ10近傍の温度を測定して測定信号を制御部4に送る。
A
The
The
ヒータ電源5には、図示しない電力制御装置が含まれ、この電力制御装置により交流電源が、サイリスタやIGBTなどの整流素子を介して直流に変換される可変電源となっている。ヒータ電源5は、入力電圧信号を調整する機能を有し、例えば入力電圧信号0〜5Vで出力電力を0〜最大電力に調整する。制御部4は、この電力制御装置への入力信号に加減する信号として制御信号を生成して送ることで、単結晶成長炉1のヒータ10に加える電力を調整することができる。
The heater power supply 5 includes a power control device (not shown), which is a variable power supply in which an AC power supply is converted into a direct current via a rectifying element such as a thyristor or an IGBT. The heater power supply 5 has a function of adjusting an input voltage signal, and for example, the output power is adjusted to 0 to the maximum power with an input voltage signal of 0 to 5 V. The control unit 4 can adjust the power applied to the
単結晶成長炉1内の温度は、炉内温度センサ42により測定されて測定信号が制御部4に送られる。制御部4は、炉内温度センサ42からの測定信号に基づいて設定温度を調整する。例えば、単結晶成長の工程においては単結晶形状を制御するために炉内温度を常に一定にすることもできる他、温度設定値を任意に増加減することもできる。この一方、ルツボ8内で融液Lを得るために原料多結晶を融解させる工程では、後に詳述するように、原料の融解態様に応じて、温度設定値を適宜変更することができる。
The temperature inside the single crystal growth furnace 1 is measured by the
ルツボ8は、例えば石英(二酸化ケイ素)で形成され、シリコン融液Lを収容する。本実施形態において、ルツボ8として、その底面および側面を黒鉛ルツボで覆った平底型または、半球型底の2重構造を採用することができる。この黒鉛ルツボは、ヒータ10からの加熱による石英坩堝の変形を保護する目的を有する。ここで、ルツボ8を構成する石英ルツボは、例えば、少なくともその内壁に溌液加工がなされることにより溌液性を有するシリカガラスが内壁に形成された溌液ルツボを用いることが好ましい。その場合は、単結晶成長の工程において界面が濡れ性を持った通常の石英ルツボよりも溌液性を持った内面を持つルツボの方が、接触核が大きくなり、ルツボ側からの結晶成長を抑えることができる。このため、従来の単結晶成長においてルツボからの結晶成長が成長中の単結晶と繋がって単結晶が落下するという現象を回避することができる。
The
回転機構20は、図示しないモータなどの回転駆動手段を含み、ルツボ支持軸52に連結されるとともに、制御部4に接続され、制御部4から制御信号の供給を受けて、ルツボ支持軸52を回転駆動し、これを介してルツボ8を回転させる。回転機構20は、本実施形態において特徴的な構成要素であり、断続回転モードと定速安定回転モードとの2つのモードが切替可能であるように構成される。
The
定速安定回転モードとは、原料単結晶の融解が完了して単結晶成長の工程に移行した後に主に採用される機能であり、従来の技術で採用されてきた回転駆動と実質的に同一の方式である。 The constant-speed stable rotation mode is a function mainly adopted after the melting of the raw material single crystal is completed and the process shifts to the single crystal growth process, and is substantially the same as the rotation drive adopted in the conventional technology. This is the method of.
一方、断続回転モードは原料単結晶の融解工程において採用される駆動方式であり、ルツボ支持軸52を中心としてルツボ8を時計回りまたは反時計回りに断続的に回転させる。
以下、上述した単結晶成長装置100を用いた単結晶の成長方法について、本発明に係る単結晶成長方法の実施の一形態として説明する。
On the other hand, the intermittent rotation mode is a drive method adopted in the melting step of the raw material single crystal, and the
Hereinafter, the method for growing a single crystal using the above-mentioned single
(2)単結晶成長方法
(A)原料多結晶溶融工程
(i)回転機構による断続回転
図2には、原料多結晶が投入されたルツボ8が、断続回転モードでの回転機構20により、例えば時計回り(以下、適宜「正回転」と称する。)CW1〜CW4に断続的に回転し、または反時計回り(以下、適宜「逆回転」と称する。)CC4〜CC1に断続的に回転する様子が示されている。この回転方向は任意に組み合わせることが可能で、一定時間正回転した後に一定時間逆回転してもよいし、この逆であってもよい。また、例えばCW1→CC1→CW2→CC2→CW3→CC3→CW4→CC4のように正回転と逆回転とを交互に行ってもよいし、他のいかなる組み合わせも選択可能である。本実施形態において時計回りはおよび反時計回りは、例えば特許請求の範囲の規定する第1回転方向および第2回転方向、または、第2回転方向および第1回転方向に対応する。
(2) Single crystal growth method (A) Raw material polycrystalline melting step (i) Intermittent rotation by a rotation mechanism In FIG. 2, the
また、各回転動作における回転角や回転速度も任意に選択することができる。さらに、各回転動作間の時間間隔も自由に設定することができる。このような断続回転により、ルツボ8に投入された原料多結晶の塊片をルツボ8の底面または融液Lに振り落とし、従来技術に比較して短時間で攪拌することが容易になる。
In addition, the rotation angle and rotation speed in each rotation operation can be arbitrarily selected. Further, the time interval between each rotation operation can be freely set. By such intermittent rotation, the lumps of the raw material polycrystalline charged into the
回転機構20はさらに、攪拌の効率をより一層高めるため、急速始動および急速停止を実行することも可能である。急速始動および急速停止の加速度および減速度も、ルツボ8の経口、重量、回転機構20に設けられる回転駆動機構のトルクなどに応じて自由に設定することができる。このような急速始動および急速停止により、原料多結晶が振動してさらに底面・融液への振り落としを容易にする。そして、振り落された原料多結晶は溶融レベルを押し上げ、さらに上部の原料多結晶に伝熱するため、溶解速度を早めることができる。
The
急速始動および急速停止の動作は、1回のみに限らず反復することも勿論可能であり、これにより、例えば図2に例示されているように、ルツボの一壁面に原料多結晶の塊片が固着し、さらにこのルツボ内壁に固着した塊片に他の塊片が次々と固着して対向するルツボ内壁に至るまで固着し、融液面との間に空隙を作ってブリッジ状に連結するような場合であっても原料多結晶を適宜に振り落として短時間で効率よく融解することができる。 Of course, the rapid start and rapid stop operations can be repeated, not only once, so that, as illustrated in FIG. 2, for example, a block of raw material polycrystalline is formed on one wall surface of the crucible. It is fixed, and other lumps are fixed one after another to the lumps stuck to the inner wall of the crucible and are fixed to the inner wall of the opposite crucible, forming a gap between the melt surface and connecting in a bridge shape. Even in such a case, the raw material polycrystalline can be appropriately shaken off and melted efficiently in a short time.
このような断続回転、並びに急速始動および急速停止は、例えば回転駆動手段として、パルス電力に同期して動作するステッピングモータなどを用い、制御部4において、所望の回転角、回転間隔、回転方向、加速度・減速度が得られるように制御信号を生成して供給することにより実施可能である。 For such intermittent rotation, rapid start and rapid stop, for example, a stepping motor or the like that operates in synchronization with pulse power is used as a rotation driving means, and the control unit 4 uses a desired rotation angle, rotation interval, rotation direction, and so on. It can be implemented by generating and supplying a control signal so that acceleration / deceleration can be obtained.
前述したとおり、従来、ルツボの回転は等速での円滑な連続駆動が必須と考えられてきた。このことは種結晶の融液へのディッピング以降での成長工程においては確かに適切なのであるが、結晶成長の準備工程である原料多結晶の溶融工程においては原料攪拌の効率の点で非常に劣っており、溶融を促進するためにはヒータ温度を高める方法しか採用されず、熱効率においても問題があるうえ、前述した通り、融液面から相当程度離隔した塊片が突然落下する事態が生じると、液跳ねの発生により炉内部品が汚染する問題の他、炉内部品に付着したシリコンが成長中の単結晶上に落下して不良品を製造するおそれもあった。
本実施形態によれば、回転機構20によるルツボ8の断続回転により、高い効率で原料多結晶を短時間で融解し、融液を安全に取得することができる。
As described above, conventionally, it has been considered that smooth continuous driving at a constant speed is indispensable for the rotation of the crucible. This is certainly appropriate in the growth process after dipping the seed crystal into the melt, but it is very inferior in terms of the efficiency of raw material stirring in the raw material polycrystalline melting process, which is the preparatory process for crystal growth. In order to promote melting, only the method of raising the heater temperature is adopted, and there is a problem in thermal efficiency. As mentioned above, when a lump piece separated from the melt surface suddenly falls. In addition to the problem that the internal parts are contaminated due to the occurrence of liquid splashing, there is a risk that the silicon adhering to the internal parts may fall onto the growing single crystal and produce a defective product.
According to the present embodiment, the intermittent rotation of the
(ii)温度制御と回転制御
原料多結晶の溶融工程においては、原料多結晶の各塊片の溶融態様はバラバラであり、決して一様にはならない。したがって、融液Lの温度は、各塊片が融液Lに浸漬することにより溶融レベルが上昇するので、ルツボ 8の初期位置はヒータ温度の高温部がルツボ 8の底部に位置するように調整するが、溶解が進むにつれ、溶融レベルが上昇するので、これに合わせてルツボ 8の位置を順次下げて行く必要がある。この溶融レベルの上昇速度は従来の上昇速度よりも速くなるため、ルツボ8の位置を下げる速度も相対的に速くなる。従って、ルツボ8の位置を下げる速度についてプログラム制御されているが、当然にルツボ8の位置を下げる速度も溶解速度に比例して速く設定できる。
(Ii) Temperature control and rotation control In the melting step of the raw material polycrystalline, the melting mode of each block of the raw material polycrystalline is different and never uniform. Therefore, the temperature of the melt L is adjusted so that the high temperature portion of the heater temperature is located at the bottom of the
本実施形態の単結晶成長装置100では、温度センサ11により融液面およびその近傍領域(原料表面)での温度を測定するので、制御部4により、温度センサ11からの出力信号を処理して時間経過に従った温度変化を監視し、測定により得られた温度を所定の閾値と比較することにより、制御信号を生成してヒータ電源5へ供給することで適切な温度管理を実現することができる。
In the single
図3に、原料多結晶の溶融工程における融液Lの温度を時間経過ともに示したグラフの一例を模式的に示す。温度センサ11は溶解工程において、ルツボ8の回転に伴い、温度センサ11の温度測定位置はルツボ8の円周上の各部を計測しており、グラフ中、温度が上昇している箇所は溶融面や溶融に近い高温部を表し、温度の低い部分は、未溶解多結晶の部分を示している。ルツボ8の回転に伴い、ルツボ内の円周方向の温度分布が測定できる。さらに溶解が進むと融液に浮いている未溶解多結晶部が徐々に少なくなり、高温部(溶融部)の溶融表面部分が広がり、高温で一定温度部分が多く計測されるようになり、未溶解多結晶部がセンサ直下を通過するときだけ高温一定温度から急激に温度が下がり、また溶融部になると一定の高温部になる。一定の高温部になるのは、シリコンの溶解温度である1420℃近傍になっていることを表しており、未溶解多結晶が溶融内に残っていることを示す。
ここで未溶解多結晶が、完全に溶解すると図4で示す溶融温度の上昇に繋がるため、溶融温度(TL1からTL2)への上昇を可能な限り抑える必要がある。
そこで、溶解時のヒータ電力を予めわかっている温度設定工程の温度(種結晶が溶融に馴染み、溶け落ちることがなく、また、種結晶が成長することもない温度)の時のヒータへの供給電力値に下げる。即ち、溶解完了時に溶解電力が最終的に1450℃を超え、石英ルツボを溶解する温度域まで昇温しないようにすることが、石英ルツボの溶解を最小化することに繋がる。
FIG. 3 schematically shows an example of a graph showing the temperature of the melt L in the melting step of the raw material polycrystalline with the passage of time. In the melting process, the
Here, when the undissolved polycrystal is completely dissolved, it leads to an increase in the melting temperature shown in FIG. 4, so it is necessary to suppress the increase in the melting temperature (TL1 to TL2) as much as possible.
Therefore, the heater power at the time of melting is supplied to the heater at the temperature of the temperature setting process in which the power is known in advance (the temperature at which the seed crystal is familiar with the melting and does not melt down, and the seed crystal does not grow). Reduce to power value. That is, preventing the melting power from finally exceeding 1450 ° C. and raising the temperature to the temperature range in which the quartz crucible is melted at the completion of melting leads to minimizing the melting of the quartz crucible.
本実施形態では、例えば図3に示すように温度の上限値Tを設定した上で、ヒータ10により加熱しながらルツボ8に対して断続回転を行い、例えば検出温度が上限値T(シリコン の溶融温度である1420℃近傍)に達した時点(例えば図3の符号P1)でルツボ 内の溶融部分が出来ていることを検知し、
次に回転が進むにつれ(例えば図3の符号B1を検知した時点で)急速始動および急速停止を行って振動を惹起し、これにより、原料多結晶を揺らす。この振動により、ルツボ8の壁面に摩擦力で落下が生じなかった塊片が液面に振り落とされる。このような急速始動および急速停止の間隔および回数は、ルツボ8のサイズや原料多結晶塊片のサイズなどに応じて適宜選択することができる。
上限値Tとしては、例えば結晶成長に適する温度1420℃などを設定すればよい。
In the present embodiment, for example, after setting the upper limit value T of the temperature as shown in FIG. 3, intermittent rotation is performed with respect to the
Next, as the rotation progresses (for example, when the reference numeral B1 in FIG. 3 is detected), a rapid start and a rapid stop are performed to induce vibration, thereby shaking the raw material polycrystal. Due to this vibration, the lumps that did not fall on the wall surface of the
As the upper limit value T, for example, a temperature of 1420 ° C. suitable for crystal growth may be set.
また、例えば図3で符号B1に示すように、下降していた温度が上昇に転じた時点で急速始動および急速停止を止めて断続回転に戻しても良い。なお、溶融工程でのデフォルト状態としては断続回転に限ることなく通常の連続回転としてもよい。
このような加熱量増大→回転駆動の急速始動および急速停止の工程は融液面の温度が安定するまで(例えば図4のTL1部分参照)継続される。
Further, for example, as shown by reference numeral B1 in FIG. 3, the rapid start and rapid stop may be stopped and the rotation may be returned to the intermittent rotation when the temperature that had been falling starts to rise. The default state in the melting step is not limited to intermittent rotation, but may be normal continuous rotation.
The steps of increasing the amount of heating → rapid start and rapid stop of the rotary drive are continued until the temperature of the melt surface stabilizes (see, for example, the TL1 portion in FIG. 4).
また、例えば、カメラ32によりルツボ内8の原料多結晶を撮像し、得られた像信号を制御部4により解析することにより、ルツボ8の回転方向における各塊片の位置と、(ルツボ8の底面または)融液Lの液面までの距離(高さ)を算出することができる。得られた位置情報および距離(高さ)情報に基づいて断続回転における回転角度、回転速度並びに加速度および減速度などの設定を適宜変更すればよい。
Further, for example, the raw material polycrystal in the
また、温度センサ11により各塊片の表面温度を測定することができるので、この温度測定データと各塊片の位置データとを組み合わせれば、各塊片の溶融度合いに応じた温度分布マップを作成するができ、このマップから原料多結晶の溶解部分と未溶解部分とを特定することできる。したがって、特定された未溶解部分を振り落としのメインターゲットにして断続回転の回転方向、回転間隔、回転角度、回転速度並びに加速度および減速度などを設定すれば、より効率良く融液を得ることができる。原料の溶解時間を低減することは、ルツボ壁の溶解量を低減することに繋がり、これによって、溶融融液へのルツボからの軽元素や重金属の取り込み低減を図ることができる。
この軽元素や重金属の取り込み低減を図った溶融融液から形成された単結晶は、重金属低減によりライフタイム特性の改善や、軽元素として、酸素やルツボ製造時の炭素混入を低減できるため、高品質の単結晶が得られる。
Further, since the surface temperature of each block can be measured by the
The single crystal formed from the molten melt that reduces the uptake of light elements and heavy metals is high because it can improve the lifetime characteristics by reducing the heavy metals and reduce carbon contamination during the production of oxygen and crucible as light elements. A quality single crystal is obtained.
(iii)溶融工程の終了タイミング検出
本実施形態の単結晶成長装置100によれば、炉内を撮像するカメラ32から出力される像信号を処理することにより溶融工程の終了タイミングを予測することもできる。
(Iii) Detection of End Timing of Melting Process According to the single
より具体的には、先ず、カメラ32により、ルツボ内の原料多結晶を撮像し、カメラ32からの出力信号を制御部4により処理することで、原料多結晶のすべてが溶融するまでに必要な時間を予測することができる。ここで、カメラ32からの出力信号は、例えば特許請求の範囲に規定される第2信号に対応する。
More specifically, first, the
ほとんど全ての原料多結晶が融解すると、例えば図4のグラフの略左半分に示すように、融液温度が安定する。そして、最後の原料多結晶が融解すると、例えば図4のグラフの略右半分に示すように、融液温度がその直後に急上昇することが知られている。したがって、制御部4によるデータ処理により、時間―温度のグラフを監視し、例えば微分演算により温度グラフの接線を求め、その傾きを予め準備した閾値と比較し、傾きの値がこの閾値を上回る時を溶融工程の終了とみなすことができる。既に全原料溶融までの予測時間は求められているため、この予測時間の終焉近傍段階で融液温度が安定し始めたタイミングでから演算および閾値比較を行えばよい。なお、閾値のデータは実績値に応じて適宜変更可能である。 When almost all the raw material polycrystals are melted, the melt temperature stabilizes, for example, as shown in the substantially left half of the graph of FIG. Then, when the last raw material polycrystal is melted, for example, as shown in the substantially right half of the graph of FIG. 4, it is known that the melt temperature rises sharply immediately after that. Therefore, when the time-temperature graph is monitored by data processing by the control unit 4, the tangent line of the temperature graph is obtained by, for example, differential calculation, the slope is compared with the prepared threshold, and the slope value exceeds this threshold. Can be regarded as the end of the melting process. Since the predicted time until the melting of all the raw materials has already been obtained, the calculation and the threshold comparison may be performed from the timing when the melt temperature starts to stabilize near the end of the predicted time. The threshold data can be changed as appropriate according to the actual value.
(B)種結晶のディッピングおよび成長工程
原料多結晶の溶融工程が終了して単結晶成長の工程に移行すると、単結晶成長装置100の頂部からシードチャック6が吊下され、その先端に種結晶が取り付けられ、図示しない昇降機構により融液Lに浸(ディッピング)される。シードチャックはまた、図示しない他の回転機構に連結されて、所定方向(図1のAR1参照)に種結晶を回転させる。この工程においては、ツルボに連結された回転機構20は、制御部4からの指令信号により定速安定回転モードに切り替わり、円滑な等速回転を行うように回転駆動される。
その後は既知の方法で種結晶の成長を続け、径を拡大させて肩部を形成した後に、直胴部およびテイル部の形成の後に引き上げることにより、単結晶が得られる。
(B) Seed Crystal Dipping and Growth Step When the melting step of the raw material polycrystalline is completed and the process shifts to the single crystal growth step, the seed chuck 6 is suspended from the top of the single
After that, the seed crystal is continuously grown by a known method, the diameter is expanded to form the shoulder portion, and then the straight body portion and the tail portion are formed and then pulled up to obtain a single crystal.
上述した実施形態の単結晶成長装置100によれば、ルツボの断続回転を可能にする回転機構20を備えるので、原料多結晶の溶融工程において、原料に振動を与えてルツボ底面または融液L内へ振り落とすので、ルツボ内の原料単結晶を効率良く融解することが可能になる。急速始動および急速停止を伴って断続回転を行う場合には、原料単結晶の融解効率がさらに高まる上、液跳ねによる炉内部品の汚染も防止されるので、安全かつ確実に融液を取得することができる。また、ルツボへの初期装填する多結晶シリコン量を少なくしたり、追加チャージの手間を低減したりすることができる。
According to the single
同様に、上述した実施形態による単結晶成長方法によれば、原料多結晶の溶融工程において、断続的に回転させながらルツボを加熱するので、断続回転による振動により原料がルツボの底面または融液内へ振り落とされる。これにより、ルツボ内の原料単結晶を効率良く融解することができる。断続回転において、急速始動および急速停止を行う場合には、原料単結晶の融解効率がさらに高まる上、液跳ねによる炉内部品の汚染も防止されるので、安全かつ確実に融液を取得することができる。原料の溶解時間を低減することは、ルツボ内壁(ひいてはルツボ底面)からのルツボ組成物の溶融融液への溶解量を低減することに繋がり、これによって、融液へのルツボからの軽元素や重金属の取り込み低減を図ることができる。 Similarly, according to the single crystal growth method according to the above-described embodiment, in the melting step of the raw material polycrystalline, the crucible is heated while being rotated intermittently, so that the raw material is placed on the bottom surface of the crucible or in the melt due to the vibration caused by the intermittent rotation. Be shaken off. As a result, the raw material single crystal in the crucible can be efficiently melted. When rapid start and rapid stop are performed in intermittent rotation, the melting efficiency of the raw material single crystal is further increased, and contamination of the internal parts of the furnace due to liquid splashing is prevented, so that the melt should be obtained safely and reliably. Can be done. Reducing the dissolution time of the raw material leads to a reduction in the amount of the crucible composition dissolved in the melt melt from the inner wall of the crucible (and thus the bottom surface of the crucible). It is possible to reduce the uptake of heavy metals.
さらに、上記実施形態による単結晶成長方法を用いることにより、単結晶の成長工程中に、液跳ねにより炉内部品に融液が付着することもないので、炉内部品から単結晶へ融液が液垂れすることもない。このように、本実施形態によれば、高い効率で、安全かつ確実に高品質の単結晶を提供することができる。
また、原料溶解時間の低減によりルツボ組成物の軽元素や重金属の取り込み低減を図った溶融融液から形成された単結晶は、重金属低減によりライフタイム特性の改善や、軽元素として、酸素やルツボ製造時の炭素混入を低減できるため、高品質の単結晶が得られる。
Further, by using the single crystal growth method according to the above embodiment, the melt does not adhere to the in-core parts due to liquid splashing during the single crystal growth step, so that the melt can be transferred from the in-core parts to the single crystal. There is no dripping. As described above, according to the present embodiment, it is possible to provide a high quality single crystal with high efficiency, safely and surely.
In addition, single crystals formed from molten melts that reduce the uptake of light elements and heavy metals in the crucible composition by reducing the dissolution time of the raw materials have improved lifetime characteristics by reducing the heavy metals, and oxygen and crucibles can be used as light elements. Since carbon contamination during production can be reduced, a high quality single crystal can be obtained.
以上、添付の図面を参照しながら本発明の実施の形態を説明したが、これらは発明の容易な理解のためになされたものであり、これらをもって本発明の特許請求の範囲を限定するものではない。 The embodiments of the present invention have been described above with reference to the accompanying drawings, but these are for the sake of easy understanding of the invention and do not limit the scope of claims of the present invention. No.
例えば、上記実施形態では、制御部4によりルツボの回転制御とビータ温度の設定制御を可能にしたが、これに限ることなく、温度センサから得られる温度データおよびカメラから得られる原料多結晶の像を観察しながらマニュアルで制御する自体は可能である。 For example, in the above embodiment, the control unit 4 enables the rotation control of the rutsubo and the setting control of the beater temperature, but the temperature data obtained from the temperature sensor and the image of the raw material polycrystalline obtained from the camera are not limited to this. It is possible to control manually while observing.
当業者であれば、本発明の範囲及び趣旨から逸脱しない範囲で、種々の変更を加えて本発明を実現でき、例えば、一つの実施例の特徴を別の実施例に組み込むことで、もう一つの実施例を得ることができる。当業者は、特許請求の範囲を逸脱することなく本発明の趣旨に沿って様々な変更、同等な置換、又は改良などを行うことができる。 A person skilled in the art can realize the present invention by making various changes without departing from the scope and purpose of the present invention. For example, by incorporating the features of one embodiment into another embodiment, another Two embodiments can be obtained. Those skilled in the art can make various changes, equivalent substitutions, improvements, etc. in accordance with the gist of the present invention without departing from the scope of claims.
1 単結晶成長炉
4 制御部
8 ルツボ
10 ヒータ
11 温度センサ
20 回転機構
21 変換部
32 カメラ
52 ルツボ支持軸
100 単結晶成長装置
CC1〜CC4
CW1〜CW4
L 融液
1 Single crystal growth furnace 4
CW1 to CW4
L melt
Claims (20)
前記ルツボを加熱するヒータと、
を含む結晶成長炉を備え、
前記ルツボは、シリコン(ケイ素)の融液および該融液の原料の少なくともいずれかを収容し、
前記回転機構は、前記ルツボの断続回転が可能であるように構成される、
単結晶成長装置。 A rotation mechanism that rotates the crucible,
A heater that heats the crucible and
Equipped with a crystal growth furnace including
The crucible contains at least one of a silicon melt and a raw material for the melt.
The rotation mechanism is configured to allow intermittent rotation of the crucible.
Single crystal growth device.
前記第1信号に基づいて前記回転機構による前記ルツボの回転を制御するとともに前記ヒータへの電力を制御する制御部と、
をさらに備えることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか一項に記載の単結晶成長装置。 An image sensor that captures the crucible and outputs the first signal,
A control unit that controls the rotation of the crucible by the rotation mechanism and controls the electric power to the heater based on the first signal.
The single crystal growth apparatus according to any one of claims 1 to 4, further comprising.
前記制御部は、前記第1信号の処理により前記原料の溶融時間を予測し、前記第2信号の処理により、溶融の完了を判定することを特徴とする請求項5に記載の単結晶成長装置。 A temperature sensor that measures the temperature of the melt and outputs a second signal is further provided.
The single crystal growth apparatus according to claim 5, wherein the control unit predicts the melting time of the raw material by processing the first signal, and determines the completion of melting by processing the second signal. ..
種結晶を吊下して前記原料の溶融により得られたルツボ内の融液に浸漬し、前記ルツボを回転させながら前記種結晶を引き上げることにより前記種結晶を成長させる工程と、
を備える、
単結晶成長方法。 In a single crystal growth method using a single crystal growth furnace, a step of heating the crucible while intermittently rotating a crucible containing a silicon (silicon) raw material to melt the raw material, and a step of melting the raw material.
A step of suspending a seed crystal, immersing it in a melt in a crucible obtained by melting the raw material, and pulling up the seed crystal while rotating the crucible to grow the seed crystal.
To prepare
Single crystal growth method.
前記第1信号に基づいて前記ルツボの回転を制御する工程と、
前記第1信号に基づいて前記ルツボの加熱温度の設定を変更する工程と、
をさらに備えることを特徴とする請求項9乃至12のいずれか一項に記載の単結晶成長方法。 The process of imaging the crucible and acquiring the first signal,
A step of controlling the rotation of the crucible based on the first signal, and
A step of changing the setting of the heating temperature of the crucible based on the first signal, and
The single crystal growth method according to any one of claims 9 to 12, further comprising.
前記第1信号および前記第2信号を処理し、前記原料の溶融時間を予測し、前記原料の融解の完了を判定する工程と、
をさらに備えることを特徴とする請求項13または14に記載の単結晶成長方法。 The step of measuring the temperature of the melt and acquiring the second signal, and
A step of processing the first signal and the second signal, predicting the melting time of the raw material, and determining the completion of melting of the raw material.
The single crystal growth method according to claim 13 or 14, further comprising.
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