JP2023042297A - Crucible protection sheet and manufacturing method of silicon single crystal using the same - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チョクラルスキー法(CZ法)によるシリコン単結晶の引き上げに用いられるルツボ保護シート及びこれを用いたシリコン単結晶の製造方法に関する。 TECHNICAL FIELD The present invention relates to a crucible protection sheet used for pulling a silicon single crystal by the Czochralski method (CZ method) and a method for producing a silicon single crystal using the crucible protection sheet.
半導体デバイスの基板材料となるシリコン単結晶の多くはCZ法により製造されている。CZ法ではルツボ内に収容されたシリコン融液に種結晶を浸漬し、種結晶及びルツボを回転させながら種結晶を徐々に上昇させることにより、種結晶の下端に単結晶を成長させる。CZ法によれば直径300mm以上の大口径シリコン単結晶を高い歩留りで製造することが可能である。 Most of the silicon single crystals used as substrate materials for semiconductor devices are manufactured by the CZ method. In the CZ method, a seed crystal is immersed in a silicon melt contained in a crucible, and the seed crystal and the crucible are rotated while the seed crystal is gradually raised to grow a single crystal at the lower end of the seed crystal. According to the CZ method, large-diameter silicon single crystals with a diameter of 300 mm or more can be produced with a high yield.
CZ法においてシリコン融液を収容するルツボは、内側を石英ルツボとし、外側を黒鉛製の支持ルツボとする二重構造であり、石英ルツボは支持ルツボに収容された状態で引き上げ炉内に設置される。例えば、特許文献1には、炭素繊維強化炭素複合素材(カーボンコンポジット)製の支持ルツボが記載されている。
In the CZ method, the crucible containing the silicon melt has a double structure with a quartz crucible on the inside and a supporting crucible made of graphite on the outside. be. For example,
石英ルツボはガラス製であり割れや欠けが生じやすいので、支持ルツボに収容する際の取扱いには十分な注意が必要である。また石英ルツボから発生するSiOガス等がカーボン製の支持ルツボと反応して支持ルツボのSiC化や減肉等が発生するという問題もある。 Since the quartz crucible is made of glass and is easily cracked or chipped, sufficient care must be taken when handling it in the supporting crucible. Moreover, there is also a problem that SiO gas or the like generated from the quartz crucible reacts with the supporting crucible made of carbon, causing the supporting crucible to become SiC or thin.
このような問題に対処するため、石英ルツボと支持ルツボとの間にカーボン製の保護シートを介在させることが行われている(例えば、特許文献1参照)。カーボンコンポジット製の成型体である支持ルツボは高価であるためその消耗をできるだけ抑えることが好ましく、カーボンシートを介在させた場合には支持ルツボと石英ルツボとの反応を抑えて支持ルツボの寿命を延ばすことができる。また、支持ルツボ内に石英ルツボを設置する際に石英ルツボに対する衝撃を緩衝することができ、また支持ルツボから石英ルツボを取り出しやすくすることもできる。 In order to deal with such problems, a protective sheet made of carbon is interposed between the quartz crucible and the supporting crucible (see, for example, Patent Document 1). Since the support crucible, which is a molded body made of carbon composite, is expensive, it is preferable to suppress its consumption as much as possible, and when a carbon sheet is interposed, the reaction between the support crucible and the quartz crucible is suppressed to extend the life of the support crucible. be able to. In addition, it is possible to absorb the impact on the quartz crucible when the quartz crucible is set in the supporting crucible, and it is also possible to easily take out the quartz crucible from the supporting crucible.
シリコン単結晶引き上げ用ルツボ保護シートに関し、例えば特許文献2には、膨張黒鉛からなり、面方向の熱伝導率が120W/(m・K)であり、厚さ方向から34.3MPaの加圧力で加圧圧縮したときの圧縮率が20%以上であるルツボ保護シートが記載されている。また、特許文献3には、膨張黒鉛からなり、総灰分が100massppm以下であり、混入している複数の不純物のうち、特定元素の重量割合が3massppm以下であるルツボ保護シートが記載されている。特許文献4には、ガス透過率が1.0×10-4cm2/s以下であり、かさ密度が0.5~1.6Mg/m3の黒鉛膨張シートからなるルツボ保護シートが記載されている。
Regarding a crucible protective sheet for pulling a silicon single crystal, for example, in
近年は結晶引き上げ技術の向上によりいわゆるマルチ引き上げ工程を実施する機会が多くなっている。マルチ引き上げでは、1回の引き上げバッチで複数本のシリコン単結晶を引き上げるため、結晶引き上げ時間が非常に長く、ヒータ通電時間が500時間を超えることもある。このように結晶引き上げ時間が非常に長くなると、炉内部品にかかる熱負荷が非常に大きくなり、結晶引き上げの途中でルツボ保護シートが完全に消耗し、これにより支持ルツボの消耗が進むだけでなく、シリコン単結晶中の酸素濃度が急激に低下して所望の酸素濃度スペックを満たさなくなるという問題がある。近年では、要求される酸素濃度スペック(製造仕様)の上下限の幅が狭くなる傾向があり、酸素濃度スペック(製造仕様)の上下限の幅が3×1017atoms/cm3以下(ASTM F-121(1979))という非常に狭いスペックが要求される場合があることから、酸素濃度のスペック外れの問題が顕著である。 In recent years, due to improvements in crystal pulling technology, there have been many opportunities to implement a so-called multi-pulling process. In the multi-pulling, since a plurality of silicon single crystals are pulled in one pulling batch, the crystal pulling time is very long, and the heater power-on time sometimes exceeds 500 hours. If the crystal pulling time is very long, the heat load on the parts in the furnace becomes very large, and the crucible protection sheet is completely worn out during crystal pulling, which not only accelerates the wear of the supporting crucible, but also , there is a problem that the oxygen concentration in the silicon single crystal drops rapidly and the desired oxygen concentration specification cannot be satisfied. In recent years, there is a tendency for the upper and lower limits of the required oxygen concentration specifications (manufacturing specifications) to become narrower, and the width of the upper and lower limits of the oxygen concentration specifications (manufacturing specifications) is 3×10 17 atoms/cm 3 or less (ASTM F -121 (1979)), a very narrow specification is sometimes required, so the problem of oxygen concentration being out of specification is remarkable.
なお、スペック(製造仕様)とは、シリコン単結晶の製造前に客先仕様に基づいて予め設定される単結晶の品質に関わる仕様のことであり、シリコン単結晶を製造するにあたって、シリコン単結晶の品質として許容される範囲を言う。酸素濃度スペックとはシリコン単結晶の酸素濃度に関する許容範囲であり、一般的に、酸素濃度スペックは、その上限値と下限値が定められ、その範囲内の酸素濃度になるようにシリコン単結晶が製造される。その範囲内の酸素濃度の単結晶部分は合格品であり、他の品質条件を満たせば、その後の加工によりウェーハ製品となり出荷されるが、その範囲外の酸素濃度の単結晶部分は不合格品でありウェーハ製品とならない。 The specifications (manufacturing specifications) refer to the specifications related to the quality of the single crystal, which are set in advance based on the customer's specifications before manufacturing the silicon single crystal. It refers to the acceptable range of quality. The oxygen concentration specification is the allowable range for the oxygen concentration of the silicon single crystal. Generally, the oxygen concentration specification has upper and lower limits, and the silicon single crystal is adjusted so that the oxygen concentration falls within that range. manufactured. Single crystals with an oxygen concentration within that range are accepted products, and if other quality conditions are met, wafer products are shipped after subsequent processing, but single crystals with an oxygen concentration outside that range are rejected products. and does not constitute a wafer product.
上述の酸素濃度のスペック外れの問題は、従来でもマルチ引き上げの1本目及び2本目では生じることがなく、3本目を引き上げたときに初めて生じる問題であり、ヒータ通電時間が500時間以上と極めて長時間に及ぶことで分かってきた新たな課題である。また、上記問題は、酸素濃度スペック(製造仕様)の上下限の幅が3×1017atoms/cm3以下のシリコン単結晶を製造する場合に生じる問題であり、狭い酸素濃度スペックが要求されることで顕著になった課題である。 The above-mentioned problem of the oxygen concentration being out of specification does not occur in the first and second multi-pulling operations, but occurs only when the third pull-up occurs. This is a new problem that has become apparent over time. In addition, the above problem is a problem that occurs when manufacturing a silicon single crystal having an oxygen concentration specification (manufacturing specification) with an upper and lower limit of 3×10 17 atoms/cm 3 or less, and a narrow oxygen concentration specification is required. This is a problem that has become conspicuous.
したがって、本発明の目的は、マルチ引き上げなどの長時間の結晶引き上げに使用しても消耗しにくいルツボ保護シートを提供することにある。また、本発明はそのようなルツボ保護シートを用いたシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。 SUMMARY OF THE INVENTION Accordingly, an object of the present invention is to provide a crucible protective sheet that is less likely to be worn out even when used for long-term crystal pulling such as multi-pulling. Another object of the present invention is to provide a method for producing a silicon single crystal using such a crucible protective sheet.
本願発明者らは、上記課題を解決するため鋭意研究を重ねた結果、ルツボ保護シートの消耗は結晶引き上げ工程中に発生する一酸化シリコンガスとの化学反応によって生じるため、シート中にガスが浸透しにくいほど消耗を防止でき、これによりルツボ保護シートの寿命を長くすることができることを見出した。 The inventors of the present application have made intensive studies to solve the above problems, and found that the consumption of the crucible protective sheet is caused by a chemical reaction with silicon monoxide gas generated during the crystal pulling process, so that the gas penetrates into the sheet. It has been found that consumption can be prevented to the extent that it is difficult to remove the crucible, thereby prolonging the life of the crucible protective sheet.
本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明によるルツボ保護シートは、1回の引き上げバッチでシリコン原料を加熱するヒータの通電時間が500時間以上となるCZ法によるシリコン単結晶の引き上げに用いられ、石英ルツボとカーボン製の支持ルツボとの間に敷設されるカーボン製のルツボ保護シートであって、容積が2000cc且つ通気口の開口面積が490mm2である測定タンクを用意し、当該測定タンク内を200Pa以下に減圧した状態で前記通気口を前記ルツボ保護シートの一方の主面側に接続し、前記ルツボ保護シートの他方の主面側を大気開放したとき、当該大気開放を開始してから30分経過時の前記測定タンク内の圧力変化量が104.9Pa以下となるものであることを特徴とする。 The present invention is based on such technical knowledge, and the crucible protection sheet according to the present invention is a silicon single crystal produced by the CZ method, in which a heater for heating the silicon raw material is energized for 500 hours or more in one pulling batch. A measurement tank is prepared, which is a carbon crucible protection sheet used for pulling up and laid between the quartz crucible and the carbon support crucible, and has a volume of 2000 cc and a vent opening area of 490 mm 2 . , when the pressure in the measurement tank is reduced to 200 Pa or less, the ventilation port is connected to one main surface side of the crucible protection sheet, and the other main surface side of the crucible protection sheet is exposed to the atmosphere; The amount of pressure change in the measurement tank is 104.9 Pa or less 30 minutes after the start of the measurement.
本発明によれば、ヒータ通電時間が500時間以上となるマルチ引き上げなどの長時間の結晶引き上げ工程に使用しても完全に消耗しにくいルツボ保護シートを提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a crucible protective sheet that is completely resistant to wear even when used in a long-time crystal pulling process such as multi-pulling, in which the heater energization time is 500 hours or longer.
本発明において、「引き上げバッチ」とは、CZ法によるシリコン単結晶の一連の製造工程を一括りに表現したものであり、シリコン原料が入った石英ルツボを引き上げ装置内にセットする工程から始まり、中間工程の原料融解工程と結晶引き上げ工程を経て、単結晶の製造後に引き上げ装置内を大気開放できるように引き上げ装置内を冷却する冷却工程までの一連の工程を意味している。マルチ引き上げの場合は、中間工程である原料融解工程と結晶引き上げ工程を複数回行うことになる。 In the present invention, the "pulling batch" collectively expresses a series of manufacturing steps of a silicon single crystal by the CZ method, starting with the step of setting a quartz crucible containing a silicon raw material in a pulling device, It means a series of steps from the raw material melting step and the crystal pulling step, which are intermediate steps, to the cooling step of cooling the inside of the pulling device so that the inside of the pulling device can be opened to the atmosphere after the production of the single crystal. In the case of multi-pulling, the raw material melting step and the crystal pulling step, which are intermediate steps, are performed multiple times.
本発明において、前記圧力変化量は53.5Pa以下であることが好ましい。これにより、シリコン単結晶中の酸素濃度のスペック外れを回避することができる。 In the present invention, the pressure change amount is preferably 53.5 Pa or less. This makes it possible to prevent the oxygen concentration in the silicon single crystal from being out of specification.
本発明において、前記ルツボ保護シートの厚さは0.3~0.8mmが好ましく、0.4~0.6mmが特に好ましい。ルツボ保護シートが0.3mmよりも薄くなると結晶引き上げ途中でシートが消滅して支持ルツボが劣化する確率が非常に高くなるからであり、また0.8mmを超えると柔軟性が低下して支持ルツボ内への敷設が困難となるからである。 In the present invention, the thickness of the crucible protection sheet is preferably 0.3 to 0.8 mm, particularly preferably 0.4 to 0.6 mm. This is because if the thickness of the crucible protection sheet is thinner than 0.3 mm, the sheet will disappear during crystal pulling, resulting in deterioration of the supporting crucible. This is because it becomes difficult to lay the cable inside.
本発明において、引き上げバッチ終了後の前記ルツボ保護シートの残存率は80%以上であることが好ましい。ここで、残存率(%)=(使用後のシート重量/使用前のシート重量)×100として定義される。ルツボ保護シートの残存率が80%以上であれば、シリコン単結晶の酸素濃度がスペック外れとなる確率を大幅に低減できる。 In the present invention, it is preferable that the residual ratio of the crucible protective sheet after the completion of the pulling batch is 80% or more. Here, it is defined as residual rate (%)=(seat weight after use/seat weight before use)×100. If the residual ratio of the crucible protective sheet is 80% or more, it is possible to greatly reduce the probability that the oxygen concentration of the silicon single crystal will be out of specification.
本発明によるルツボ保護シートは、1回の引き上げバッチで3本以上のシリコン単結晶を引き上げるマルチ引き上げに用いられることが好ましく、3本目のシリコン単結晶の直胴部(定径部)の全長に対する、結晶長60%以降の部位から切り出したシリコンウェーハの酸素濃度がスペック外れとなる部位の長さの割合(Oi外れ率)は10%以下であることが好ましい。本発明によれば、ルツボ保護シートに起因するシリコン単結晶の酸素濃度のスペック外れを防止することができる。 The crucible protection sheet according to the present invention is preferably used for multi-pulling in which three or more silicon single crystals are pulled in one pulling batch. It is preferable that the ratio of the length of the portion where the oxygen concentration of the silicon wafer cut out from the portion having a crystal length of 60% or more is out of specification (Oi deviation rate) is 10% or less. According to the present invention, it is possible to prevent the oxygen concentration of the silicon single crystal from falling out of specification due to the crucible protection sheet.
本発明において、前記シリコン単結晶の酸素濃度スペック(製造仕様)の上下限の幅は3×1017atoms/cm3(ASTM F-121(1979))以下であることが好ましい。近年、シリコン単結晶に要求される酸素濃度スペックの上下限の幅は狭くなる傾向にある。本発明によるルツボ保護シートは、このような酸素濃度スペックを満たすシリコン単結晶の製造に好適である。 In the present invention, the upper and lower limits of the oxygen concentration specification (manufacturing specification) of the silicon single crystal are preferably 3×10 17 atoms/cm 3 (ASTM F-121(1979)) or less. In recent years, the upper and lower limits of oxygen concentration specifications required for silicon single crystals tend to narrow. The crucible protective sheet according to the present invention is suitable for producing silicon single crystals satisfying such oxygen concentration specifications.
本発明において、前記シリコン単結晶の直径は300mm以上であることが好ましい。シリコン単結晶の直径が300mm以上の場合、一般的に1回の引き上げバッチが長時間になり、シリコン原料を加熱するヒータの通電時間も長時間となるため、本発明によるルツボ保護シートが有効である。 In the present invention, the silicon single crystal preferably has a diameter of 300 mm or more. When the diameter of the silicon single crystal is 300 mm or more, the crucible protection sheet according to the present invention is effective because one pulling batch generally takes a long time and the energization time of the heater for heating the silicon raw material also takes a long time. be.
さらにまた、本発明は、1回の引き上げバッチでシリコン原料を加熱するヒータの通電時間が500時間以上となるCZ法によるシリコン単結晶の製造方法であって、石英ルツボとカーボン製の支持ルツボとの間にカーボン製のルツボ保護シートを敷設した状態でシリコン単結晶の引き上げを行い、前記ルツボ保護シートは、容積が2000cc且つ通気口の開口面積が490mm2である測定タンクを用意し、当該測定タンク内を200Pa以下に減圧した状態で前記通気口を前記ルツボ保護シートの一方の主面側に接続し、前記ルツボ保護シートの他方の主面側を大気開放したとき、当該大気開放を開始してから30分経過時の前記測定タンク内の圧力変化量が104.9Pa以下となるものであることを特徴とする。 Furthermore, the present invention provides a method for producing a silicon single crystal by the CZ method in which a heater for heating a silicon raw material is energized for 500 hours or more in one pulling batch, comprising a quartz crucible and a support crucible made of carbon. A silicon single crystal is pulled up with a crucible protective sheet made of carbon laid between the crucible protective sheets . When the pressure in the tank is reduced to 200 Pa or less, the ventilation port is connected to one main surface of the crucible protection sheet, and the other main surface of the crucible protection sheet is opened to the atmosphere, the opening to the atmosphere is started. The amount of pressure change in the measurement tank after 30 minutes have passed since the measurement is 104.9 Pa or less.
本発明において、前記圧力変化量は53.5Pa以下であることが好ましい。これにより、シリコン単結晶中の酸素濃度のスペック外れを回避することができる。 In the present invention, the pressure change amount is preferably 53.5 Pa or less. This makes it possible to prevent the oxygen concentration in the silicon single crystal from being out of specification.
本発明は、1回の引き上げバッチで3本以上のシリコン単結晶を引き上げることが好ましい。本発明によれば、そのような長時間の結晶引き上げ工程に使用してもルツボ保護シートが完全に消耗しにくいので、支持ルツボの劣化を防止できるだけでなく、シリコン単結晶中の酸素濃度のスペック外れを防止することができる。 In the present invention, it is preferable to pull three or more silicon single crystals in one pulling batch. According to the present invention, the crucible protection sheet is not completely worn out even when used in such a long-time crystal pulling process, so that not only can deterioration of the supporting crucible be prevented, but also the oxygen concentration specification in the silicon single crystal can be achieved. It is possible to prevent detachment.
本発明において、前記シリコン単結晶の酸素濃度スペック(製造仕様)の上下限の幅は3×1017atoms/cm3(ASTM F-121(1979))以下であることが好ましい。近年、シリコン単結晶に要求される酸素濃度スペックの上下限の幅は狭くなる傾向にある。本発明によるルツボ保護シートは、このような酸素濃度スペックを満たすシリコン単結晶の製造に好適である。 In the present invention, the upper and lower limits of the oxygen concentration specification (manufacturing specification) of the silicon single crystal are preferably 3×10 17 atoms/cm 3 (ASTM F-121(1979)) or less. In recent years, the upper and lower limits of oxygen concentration specifications required for silicon single crystals tend to narrow. The crucible protective sheet according to the present invention is suitable for producing silicon single crystals satisfying such oxygen concentration specifications.
本発明によれば、マルチ引き上げなどの長時間の結晶引き上げに使用しても消耗しにくいルツボ保護シートを提供することができる。また、本発明によれば、そのようなルツボ保護シートを用いたシリコン単結晶の製造方法を提供することができる。 According to the present invention, it is possible to provide a crucible protective sheet that is less likely to be worn out even when used for long-term crystal pulling such as multi-pulling. Moreover, according to the present invention, it is possible to provide a method for producing a silicon single crystal using such a crucible protection sheet.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。 Preferred embodiments of the present invention will now be described in detail with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶の製造方法を説明するための図であって、単結晶製造装置の構成を示す略側面断面図である。 FIG. 1 is a diagram for explaining a method for manufacturing a silicon single crystal according to an embodiment of the present invention, and is a schematic side cross-sectional view showing the configuration of a single crystal manufacturing apparatus.
図1に示すように、単結晶製造装置1は、水冷式のチャンバー10と、チャンバー10内においてシリコン融液2を保持する石英ルツボ11と、石英ルツボ11を支持する支持ルツボ12と、支持ルツボ12を支持する回転シャフト13と、回転シャフト13を回転及び昇降駆動するシャフト駆動機構14と、支持ルツボ12の周囲に配置されたヒータ15と、ヒータ15の外側であってチャンバー10の内面に沿って配置された断熱材16と、シリコン融液2の上方に配置された熱遮蔽体17と、石英ルツボ11の上方であって回転シャフト13と同軸上に配置された引き上げワイヤー18と、チャンバー10の上方に配置されたワイヤー巻き取り機構19とを備えている。
As shown in FIG. 1, a single
チャンバー10は、メインチャンバー10aと、メインチャンバー10aの上部開口に連結された細長い円筒状のプルチャンバー10bとで構成されており、石英ルツボ11、支持ルツボ12、ヒータ15及び熱遮蔽体17はメインチャンバー10a内に設けられている。プルチャンバー10bにはチャンバー10内にアルゴンガス等の不活性ガス(パージガス)やドーパントガスを導入するためのガス導入口10cが設けられており、メインチャンバー10aの下部にはチャンバー10内の雰囲気ガスを排気するためのガス排気口10dが設けられている。また、メインチャンバー10aの上部には覗き窓10eが設けられており、シリコン単結晶3の育成状況を覗き窓10eから観察可能である。
The
石英ルツボ11は、有底円筒状のシリカガラス製の容器である。支持ルツボ12は、有底円筒状のカーボンコンポジット製の容器であり、加熱によって軟化した石英ルツボ11の形状が維持されるように石英ルツボ11を支持する。石英ルツボ11及び支持ルツボ12はチャンバー10内においてシリコン融液を支持する二重構造のルツボ20を構成している。さらに、石英ルツボ11と支持ルツボ12との間にはルツボ保護シート21が設けられている。
The
支持ルツボ12は回転シャフト13の上端部に固定されており、回転シャフト13の下端部はチャンバー10の底部を貫通してチャンバー10の外側に設けられたシャフト駆動機構14に接続されている。支持ルツボ12、回転シャフト13及びシャフト駆動機構14は石英ルツボ11の回転機構及び昇降機構を構成している。
The
ヒータ15は、石英ルツボ11内に充填されたシリコン原料を融解してシリコン融液2を生成すると共に、シリコン融液2を加熱してその溶融状態を維持するために用いられる。ヒータ15は単一の部材で構成されていてもよく、独立に出力制御が可能な複数の部材の組み合わせであってもよい。ヒータ15は例えば抵抗加熱式ヒータであり、支持ルツボ12内の石英ルツボ11を取り囲むように設けられている。さらにヒータ15の外側には断熱材16がヒータ15を取り囲むように設けられており、これによりチャンバー10内の保温性が高められている。
The
熱遮蔽体17は、シリコン融液2の温度変動を抑制して結晶成長界面近傍に適切なホットゾーンを形成すると共に、ヒータ15及び石英ルツボ11からの輻射熱によるシリコン単結晶3の加熱を防止するために設けられている。熱遮蔽体17は略円筒状の黒鉛製の部材であり、シリコン単結晶3の引き上げ経路を除いたシリコン融液2の上方の領域を覆うように設けられている。
The
ルツボ保護シート21は、CZ法によるシリコン単結晶の製造に用いられ、石英ルツボ11とカーボン製の支持ルツボ12との間に敷設した状態で用いられる。そのため、ルツボ保護シート21は1500℃以上の融点を持つ素材で構成される必要があり、ルツボ保護シート21に低融点の素材、例えば樹脂を用いることはできない。
The
図2は、二重構造のルツボ20の略分解図であって、ルツボ保護シート21の説明図である。
FIG. 2 is a schematic exploded view of the double-structured
図2に示すように、ルツボ20は石英ルツボ11と支持ルツボ12の組み合わせからなり、石英ルツボ11と支持ルツボ12との間にはルツボ保護シート21が設けられている。石英ルツボ11は、略円筒状の側壁部11aと、緩やかに湾曲した底部11bと、側壁部11aと底部11bとの間に設けられたコーナー部11cを有している。支持ルツボ12もまた、略円筒状の側壁部12aと、緩やかに湾曲した底部12bと、側壁部12aと底部12bとの間に設けられたコーナー部12cを有している。
As shown in FIG. 2 , the
ルツボ保護シート21は、石英ルツボ11の割れや欠けを防止すると共に支持ルツボ12の内面との密着性を高めるための緩衝材として機能する。また、ルツボ保護シート21は、支持ルツボ12の消耗を抑える保護シートとしても機能する。図2のルツボ保護シート21は、支持ルツボ12の内面形状に合わせて変形した状態である。
The
石英ルツボ11が支持ルツボ12の内面に直接接触していると、支持ルツボ12が石英ルツボ11と反応して徐々に減肉していき、支持ルツボ12の寿命が短くなるが、両者の間にルツボ保護シート21を介在させている場合には支持ルツボ12の代わりにルツボ保護シート21が石英ルツボ11と反応するので、支持ルツボ12の消耗を抑えてその寿命を延ばすことができる。
If the
このように、ルツボ保護シート21もルツボ20の構成要素であり、支持ルツボ12と共に石英ルツボ11を支持する石英ルツボ支持容器23を構成するものである。支持ルツボ12が繰り返し使用されるのに対し、ルツボ保護シート21は石英ルツボ11と共に引き上げバッチごとに交換され、新品が使用される。石英ルツボ11と支持ルツボ12との間に適切な厚さのルツボ保護シート21を介在させることにより、石英ルツボ11と支持ルツボ12とのルツボ保護シート21を介した密着性を高めることができる。
As described above, the
ルツボ保護シート21は可撓性を有するカーボン製のシートであり、膨張黒鉛シートからなることが好ましい。また、シートの厚さは0.3~0.8mmが好ましく、0.4~0.6mmが特に好ましい。シートが0.3mmよりも薄い場合には結晶引き上げ途中でシートが消滅して支持ルツボ12が劣化する確率が非常に高くなるからであり、またシートが0.8mmよりも厚くなると柔軟性が低下して支持ルツボ12内への敷設が難しくなるからである。
The
本実施形態によるルツボ保護シート21のガス透過率は非常に低く、シートの一方の主面側から真空引きを開始してから30分経過時の圧力変化量が104.9Pa以下である。ここで、圧力変化量とは、ルツボ保護シートへのガスの通りにくさを示す指標である。圧力変化量が大きければシート中にガスが浸透して反応が進みやすい。逆に、圧力変化量が小さければシート中にガスが浸透しにくいため、シートの化学反応を抑えて耐久性を高めることができる。
The
図3は、ルツボ保護シート21の圧力変化量の測定方法を示す模式図である。
FIG. 3 is a schematic diagram showing a method of measuring the amount of pressure change of the
図3に示すように、ルツボ保護シート21の圧力変化量の測定では、数百Pa程度まで減圧された測定タンク30の通気口31をルツボ保護シート21で封止した状態で通気口31を大気開放し、30分経過時の測定タンク30内の圧力変化量を測定する。測定開始時の測定タンク30内の圧力をP1とし、測定開始から30分経過時の測定タンク30内の圧力をP2するとき、圧力変化量ΔP=P2-P1として求められる。圧力変化量の測定テストを開始する直前(大気開放直前)における減圧された測定タンク30内の真空度は200Pa以下(つまり、P1≦200Pa)であることが好ましい。
As shown in FIG. 3, in the measurement of the amount of pressure change in the
ルツボ保護シート21は石英ルツボ11との化学反応によって徐々に消耗する。単結晶引き上げ工程中、ルツボ保護シート21は石英ルツボ11との接触面で一次反応し、一酸化シリコンと一酸化炭素が発生する(C+SiO2=SiO(g)+CO(g))。この一酸化シリコンガスがルツボ保護シート21の内部に浸透すると、ルツボ保護シート21が一酸化シリコンガスと二次反応し、炭化ケイ素と一酸化炭素が発生する(SiO+2C=SiC+CO)。ルツボ保護シート21の内部で炭化ケイ素が発生すると、これが石英ルツボ11と反応してルツボ保護シート21の消耗がさらに進むことになる(SiC+2SiO2(石英ルツボ)=3SiO(g)+CO(g))。
The
そのため、ルツボ保護シート21の内部にガスが浸透しやすい場合、ルツボ保護シート21が消耗しやすく、長時間の使用に耐えることができない。しかし、ルツボ保護シート21の内部にガスが浸透しにくい場合には、上述の二次反応を抑制してルツボ保護シート21の耐久性を向上させることができる。
Therefore, when the gas easily penetrates into the
本実施形態によるルツボ保護シート21は、直径300mm以上の大口径シリコン単結晶の引き上げに用いることが好ましい。そのような大口径シリコン単結晶の引き上げではルツボ20にかかる熱負荷が非常に大きく、本実施形態によるルツボ保護シート21の効果が顕著だからである。さらに、本実施形態によるルツボ保護シート21はマルチ引き上げに用いられることが好ましい。マルチ引き上げの場合、結晶引き上げ時間が非常に長く、例えば2本引き上げの場合には300時間以上、3本引き上げの場合には450時間以上を要し、本実施形態によるルツボ保護シート21の効果が顕著だからである。
The
マルチ引き上げに使用する場合、3本のシリコン単結晶を延引無しで引き上げた後(引き上げバッチ終了後)のルツボ保護シート21の残存率が80%以上であることが好ましい。そのためには、ルツボ保護シート21の圧力変化量が104.9Pa以下であることが必要である。これにより、シリコン単結晶の後半部(特に結晶長60%以降)から切り出したシリコンウェーハの酸素濃度が所定のスペック(例えば、酸素濃度の上下限の幅が3×1017atoms/cm3(ASTM F-121(1979))以下)から外れる部位の直胴部(定径部)全長に対する割合(Oi外れ率)を10%以下に抑えることができる。
When used for multi-pulling, it is preferable that the residual ratio of the crucible
ルツボ保護シート21の圧力変化量は104.9Pa以下が好ましく、53.5Pa以下がさらに好ましい。ルツボ保護シート21の圧力変化量が104.9Pa以下であれば、Oi外れ率を10%以下にすることができる。また、ルツボ保護シート21の圧力変化量が53.5Pa以下であれば、Oi外れ率を10%以下にすることができる。
The pressure change amount of the
例えば、従来のルツボ保護シートを3本のマルチ引き上げに用いた場合でも、1本目と2本目のシリコン単結晶は所望の酸素濃度スペックを満たし、3本目のシリコン単結晶だけが所望の酸素濃度スペックを満たさないものであった。1本目あるいは2本目のようにルツボ保護シートの使用が比較的短時間である場合には、シリコン単結晶中の酸素濃度は大きく変化しないが、3本目のようにルツボ保護シートの使用が500時間以上の長時間に及ぶ場合には、シリコン単結晶の引き上げの後半でルツボ保護シートが著しく劣化し、これによりシリコン単結晶中の酸素濃度が急激に低下して所望の酸素濃度スペックから外れる確率が高くなる。 For example, even when a conventional crucible protection sheet is used for three multi-pulling, the first and second silicon single crystals satisfy the desired oxygen concentration specifications, and only the third silicon single crystal satisfies the desired oxygen concentration specifications. was not satisfied. When the crucible protection sheet is used for a relatively short period of time as in the first or second case, the oxygen concentration in the silicon single crystal does not change significantly. In the case of the above long time, the crucible protective sheet deteriorates significantly in the latter half of the pulling of the silicon single crystal, and as a result, the oxygen concentration in the silicon single crystal drops rapidly and there is a probability that the oxygen concentration will deviate from the desired oxygen concentration specification. get higher
しかし、本実施形態によるルツボ保護シート21を用いた場合、3本目のシリコン単結晶中の酸素濃度を所望の酸素濃度スペック内に収めることができ、シリコン単結晶の歩留りを高めることができる。
However, when the
以上説明したように、本実施形態によるルツボ保護シート21は、圧力変化量が104.9Pa以下であるため、結晶引き上げ時間(ヒータ通電時間)が500時間以上となるマルチ引き上げなどの長時間の結晶引き上げ工程に耐えることができる。したがって、シリコン単結晶中の酸素濃度の安定化を図ることができる。
As described above, the
本発明は、上記実施の形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能であり、それらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。 The present invention is not limited to the above embodiments, and various modifications can be made without departing from the scope of the present invention, which are also included in the scope of the present invention. Needless to say.
物性が異なる複数枚のルツボ保護シートのサンプル#1~#6を用意し、各シートサンプルの厚さと圧力変化量をそれぞれ測定した。
A plurality of crucible protective
図4は、ルツボ保護シートの圧力変化量の測定系を示す模式図である。図示のように、シートサンプルの圧力変化量の測定系は、シートサンプルTPに取り付けられる測定タンク30と、測定タンク30内を減圧する真空ポンプ33と、測定タンク30内の圧力を計測するマノメータ34(圧力計)とを備えている。シートサンプルTPの一定範囲内の厚み方向に大気流路が形成され、それ以外の領域を密閉状態にし、シートサンプルTPの一方の主面側には測定タンク30の通気口31を接続し、他方の主面側は大気開放状態とする。さらに測定タンク30の通気口31には真空ポンプ33とマノメータ34を並列接続する。
FIG. 4 is a schematic diagram showing a measurement system for the amount of pressure change of the crucible protection sheet. As shown, the system for measuring the amount of pressure change in the sheet sample includes a
シートサンプルTPの密閉状態は、その両面をアクリル板35で覆い、さらにシートサンプルTPの外周面をシリコンボンド36で封止し、この積層体を二枚の金属板38で挟圧保持することにより実現した。積層体と金属板38との間にはゴムパッキン37(Oリング)を設けた。圧力変化量の測定には、容積が2000cc、タンクの通気口31の開口直径がΦ25mm(開口面積490mm2)の測定タンク30を使用した。
The sealed state of the sheet sample TP is obtained by covering both sides with an
次に、シートサンプルTPの圧力変化量を実際に測定するため、測定タンク30内を真空ポンプ33にて200Pa以下に減圧した後、真空ポンプ33側のバルブを閉じて、また通気口31側のバルブを開いて、測定タンク30内の圧力の測定を開始した。マノメータ34は測定開始時の測定タンク30の圧力P1と測定開始から30分経過時の測定タンク30の圧力P2をそれぞれ測定し、圧力変化量ΔP=P2-P1を求めた。その結果を表1に示す。
Next, in order to actually measure the amount of pressure change in the sheet sample TP, after reducing the pressure in the
圧力変化量ΔPが小さいということは、シートの中をガスが通りにくいことを示している。上記のように、カーボンシートと石英ルツボとの反応でSiOガスとCOガスが発生し、さらにSiOガスとカーボンシートがもう一度反応してSiCガスが発生する。カーボンシートと石英ルツボとの最初の反応を防ぐことはできないが、SiOガスとカーボンシートの再反応は、カーボンシートの中にガスが入らないことで防ぐことができる。 The fact that the pressure change amount ΔP is small indicates that it is difficult for the gas to pass through the sheet. As described above, the reaction between the carbon sheet and the quartz crucible generates SiO gas and CO gas, and the SiO gas and the carbon sheet react again to generate SiC gas. Although the initial reaction between the carbon sheet and the quartz crucible cannot be prevented, re-reaction between the SiO gas and the carbon sheet can be prevented by preventing the gas from entering the carbon sheet.
シートサンプルTPのガス透過性が高い場合、大気開放された他方の主面側の大気はシートサンプルTPを通過して測定タンク30内に向かうので測定タンク30内の圧力は上昇し、圧力変化量は大きくなる。一方、シートサンプルTPのガス透過性が低い場合、大気開放された他方の主面側の大気はシートサンプルを通過できないので、測定タンク30内の圧力は上昇せず、圧力変化量は小さくなる。
When the gas permeability of the sheet sample TP is high, the atmosphere on the other main surface side that is open to the atmosphere passes through the sheet sample TP and goes into the
次に、シートサンプル#1~#5を使用して300mmウェーハ用シリコン単結晶のマルチ引き上げを行い、引き上げ工程終了後にルツボ保護シートの残存率を評価した。残存率は、ルツボ保護シートの重量比を百分率で表したものであり、(3本のマルチ引き上げ終了後のシート重量)/(初期シート重量)×100である。
Next, using
図5は、ルツボ保護シートのサンプル#2、#5及び#6の圧力変化量と残存率との関係を示すグラフである。図示のように、シートサンプル#2の残存率は5%、シートサンプル#6の残存率は80%、シートサンプル#5の残存率は105%であった。シートサンプル#5の残存率が100%を超えているのは、シートサンプル#5の一部が一酸化シリコンガスと反応して炭化ケイ素化したためと思われる。
FIG. 5 is a graph showing the relationship between the amount of change in pressure and the survival rate of crucible protection
次に、ルツボ保護シートのサンプル#1、#5及び#6を使用してシリコン単結晶のマルチ引き上げを行い、各マルチ引き上げ工程で得られた3本目のシリコン単結晶の酸素濃度を評価した。特に、結晶長60%以降の部位からウェーハを切り出して各ウェーハの酸素濃度(ASTM F-121(1979))を求めて、そのウェーハが所定の酸素濃度スペックを満たすか否かを評価した。結晶長は相対値であり、結晶の直胴部開始位置を0%、直胴部終了位置を100%として、百分率で表示した。
Next, multi-pulling of silicon single crystals was performed using crucible protection
図6は、シートサンプル#1,#5,#6用いて育成されたシリコン単結晶の長手方向の位置(結晶長)とシリコン単結晶中の酸素濃度との関係を示すグラフである。図示のように、比較例によるシートサンプル#1を使用した場合、結晶長60%以降で酸素濃度が10×1017atoms/cm3以下となるウェーハが多数得られた。しかし、実施例によるシートサンプル#5、#6を使用した場合、そのような酸素濃度の低下は見られなかった。
FIG. 6 is a graph showing the relationship between the longitudinal position (crystal length) of the silicon single crystal grown using the
図7は、シートサンプル#1,#5,#6用いて育成されたシリコン単結晶の結晶長60%以降でのOi外れ率を示すグラフである。図示のように、圧力変化量が143.8Paであるシートサンプル#1(比較例)ではOi外れ率が約30%と高い確率となったのに対し、圧力変化量が104.9Paであるシートサンプル#6(実施例)ではOi外れ率が約7.5%となり、10%を下回る良好な結果となった。また圧力変化量が53.5Paであるシートサンプル#5(実施例)ではOi外れ率が0%となり、理想的な結果となった。
FIG. 7 is a graph showing the Oi deviation rate of silicon single crystals grown using
1 単結晶製造装置
2 シリコン融液
3 シリコン単結晶
10 チャンバー
10a メインチャンバー
10b プルチャンバー
10c ガス導入口
10d ガス排気口
10e 覗き窓
11 石英ルツボ
11a 側壁部
11b 底部
11c コーナー部
12 支持ルツボ
12a 側壁部
12b 底部
12c コーナー部
12 石英ルツボ
13 回転シャフト
14 シャフト駆動機構
15 ヒータ
16 断熱材
17 熱遮蔽体
18 ワイヤー
19 ワイヤー巻き取り機構
20 ルツボ
21 ルツボ保護シート
23 石英ルツボ支持容器
30 測定タンク
31 通気口
33 真空ポンプ
34 マノメータ
35 アクリル板
36 シリコンボンド
37 ゴムパッキン(Oリング)
38 金属板
TP シートサンプル
1 single
38 metal plate TP sheet sample
Claims (11)
容積が2000cc且つ通気口の開口面積が490mm2である測定タンクを用意し、当該測定タンク内を200Pa以下に減圧した状態で前記通気口を前記ルツボ保護シートの一方の主面側に接続し、前記ルツボ保護シートの他方の主面側を大気開放したとき、当該大気開放を開始してから30分経過時の前記測定タンク内の圧力変化量が104.9Pa以下となるものであることを特徴とするルツボ保護シート。 Used for pulling a silicon single crystal by the CZ method in which the heater power supply time for heating the silicon raw material is 500 hours or more in one pulling batch, and is laid between the quartz crucible and the carbon support crucible. A crucible protection sheet of
Prepare a measurement tank having a volume of 2000 cc and an opening area of a vent of 490 mm 2 , and connect the vent to one main surface side of the crucible protection sheet while reducing the pressure in the measurement tank to 200 Pa or less, When the other main surface side of the crucible protection sheet is exposed to the atmosphere, the amount of pressure change in the measurement tank after 30 minutes from the start of the opening to the atmosphere is 104.9 Pa or less. crucible protection sheet.
石英ルツボとカーボン製の支持ルツボとの間にカーボン製のルツボ保護シートを敷設した状態でシリコン単結晶の引き上げを行い、
前記ルツボ保護シートは、容積が2000cc且つ通気口の開口面積が490mm2である測定タンクを用意し、当該測定タンク内を200Pa以下に減圧した状態で前記通気口を前記ルツボ保護シートの一方の主面側に接続し、前記ルツボ保護シートの他方の主面側を大気開放したとき、当該大気開放を開始してから30分経過時の前記測定タンク内の圧力変化量が104.9Pa以下となるものであることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。 A method for producing a silicon single crystal by a CZ method in which a heater for heating a silicon raw material is energized for 500 hours or more in one pulling batch,
A silicon single crystal is pulled up with a carbon crucible protection sheet laid between the quartz crucible and the carbon support crucible,
For the crucible protection sheet, a measurement tank having a volume of 2000 cc and an opening area of a vent opening of 490 mm 2 is prepared. When the crucible protection sheet is connected to the surface side and the other main surface side of the crucible protection sheet is exposed to the atmosphere, the amount of pressure change in the measurement tank 30 minutes after the start of the opening to the atmosphere is 104.9 Pa or less. A method for producing a silicon single crystal, characterized by:
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