JP4428038B2 - シリコン単結晶の製造システム及びシリコン単結晶の製造方法並びにシリコン単結晶 - Google Patents
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Description
このN領域は、通常は成長速度を下げた時に成長軸を含む面内において、成長軸方向に対して斜めに存在するため、単結晶を成長軸方向に垂直に切断した面内では一部分にしか存在しなかった。このN領域について、ボロンコフ理論(例えば非特許文献1参照)では、引上げ速度(V)と結晶固液界面軸方向温度勾配(G)の比であるV/Gというパラメータが点欠陥のトータルな濃度を決定すると唱えている。面内で引上げ速度は一定のはずであるが、面内でGが分布を持つために、例えば、ある引上げ速度では中心がV領域でN領域を挟んで周辺でI領域となるような結晶しか得られなかった。
従って、N領域等の低欠陥結晶の製造条件の設計において、直胴部全長にわたり再現性よく所望の結晶品質となり、しかも作業負担が少ない単結晶製造システムが望まれていた。
このように、前記製造条件を自動的に算出するための計算式を修正する手段と、前記自動的に算出した製造条件をチェックする手段およびその製造条件を修正する手段とを備えるものであれば、炉内環境等の経時変化にもきめ細かく対応できるので、製造条件の設定精度を高いものとすることでき、さらに不適切な製造条件の設定を防ぐことができるので、単結晶の直胴部全長にわたり低欠陥等の目標とする品質の結晶を、安定して高歩留まりで製造する条件を設計できるものとなる。
製造条件と結晶品質との関係については、引上げ速度、炉内温度パターン及びヒーター温度は上記のOSF、FPD、LSTD、COP、LSEPD、LFPD等の結晶欠陥の密度等に影響を及ぼし、結晶直径、ルツボ回転数、種結晶回転数及び炉内圧力は結晶内の酸素濃度に影響を及ぼすことが判っている。従って、これらの製造条件における設定と実績データ及び結晶品質における目標規格と実績データがこれらの1項目以上からなるものであれば、結晶品質の目標規格を達成する製造条件の設計のための高い精度のデータ解析が容易にできるようになる。
このように、バッチ終了を確認するキー操作を行なうことにより、少なくともシリコン単結晶の製造バッチ番号をキーとしてデータを抽出するものであれば、目標規格に対する品質実績データを引上げ装置毎や製造バッチ毎に解析することによって、引上げ装置固有の特徴や炉内環境の経時変化の傾向を正確に把握することができ、より高い精度の製造条件の設計ができるものとなる。
上記ですでに説明したように、引上げ装置の違いにより結晶品質に装置差が生じる場合があるので、正確な製造条件を算出するためには、前記製造条件を自動的に算出する手段が、同一引上げ装置で連続して同じ品質のシリコン単結晶を引上げる場合において、次バッチのシリコン単結晶の製造に適用する製造条件を算出するものであれば、そのように連続するバッチの製造条件は差異がわずかであるので、より正確な製造条件を安定して算出するものとできるし、そのように算出した製造条件に修正を加えれば、さらに正確な製造条件の設計ができるものとなる。
このように、自動的に算出された製造条件に基づき少なくとも1回製造されたシリコン単結晶の品質データの変化量に基づいて計算式の係数を修正するものであれば、精度の高い製造条件の設計ができるものとなる。
すなわち、前述のように、次バッチの製造条件は計算式により自動的に算出されるが、こうして算出された製造条件を用いて次バッチの製造を行い、製造された単結晶の品質が目標規格にならなかった場合に、さらにその次のバッチの結晶品質が目標規格になるように、計算式の係数を最適な値に修正してから、修正した計算式によりその次のバッチの製造条件が算出されるのが好ましい。
本発明の製造条件の設計は、例えばデータベースに取り込まれた同一引上げ装置の結晶欠陥及び酸素濃度の結果から、次バッチの引上げ速度、結晶直径、ルツボ回転数、種結晶回転数、炉内温度パターン、ヒーター温度、炉内圧力のうち1項目以上を設定することであって、ある程度目標とする結晶品質が得られている状況下では、次バッチの製造条件として算出される条件は、通常は前バッチの製造条件と大きく違うものではないから、算出された製造条件が大きく変動するような場合は何らかのミスにより不適当な製造条件となっている可能性がある。
そこで、このように、前記自動的に算出した製造条件をチェックする手段が、予め各製造条件について許容する変動量の範囲を設定しておき、前バッチのシリコン単結晶の製造に適用した各製造条件に対する、前記自動的に算出した次バッチのシリコン単結晶の製造に適用する各製造条件の変動量が、前記設定した範囲を越えたときに、自動的に警告するものであれば、人為的ミス等による不適切な製造条件の設計を確実に防止することができる。
このように、引上げ装置毎の特性や過去の実績のデータの傾向などに基づいて、算出された製造条件を修正するものであれば、さらに精度の高い製造条件とすることができる。
このように、前記の製造システムでシリコン単結晶を製造すれば、製造条件の設計に係る作業負担の大幅な軽減と設計時間の短縮が実現でき、かつ、単結晶直胴部全長にわたり目標とする低欠陥等の品質の結晶を安定して製造することができる。
このように、規格のマージンが狭く、製造条件を継続して設計するのが困難なN領域単結晶であっても、製造条件の設計に係る作業負担の大幅な軽減と設計時間の短縮が実現でき、かつ、単結晶直胴部全長にわたりN領域結晶を安定して製造することができる。
このように、前記製造条件を自動的に算出した後、前記製造条件を自動的に算出するための計算式を修正し、前記自動的に算出した製造条件をチェックし、その製造条件を修正すれば、製造条件の設定精度を高くでき、炉内環境等の経時変化にもきめ細かく対応できるし、さらに不適切な製造条件の設定を防ぐことができるので、単結晶の直胴部全長にわたり低欠陥等の目標とする品質の結晶を安定して高歩留まりで製造することができる。
このように、これらの製造条件における設定と実績データ及び結晶品質における目標規格と実績データをこれらの1項目以上とすれば、これらの製造条件と結晶品質との関係を考慮した精度の高いデータ解析により、結晶品質の目標規格を達成するシリコン単結晶を容易に製造できる。
このように、データ処理をする際に、バッチ終了を確認するキー操作を行なうことにより、少なくともシリコン単結晶の製造バッチ番号をキーとしてデータを抽出すれば、目標規格に対する品質実績データを引上げ装置毎や製造バッチ毎に解析することによって、引上げ装置固有の特徴や炉内環境の経時変化の傾向を正確に把握できるので、目標規格の結晶品質を持つシリコン単結晶をより高い精度で製造することができる。
上記ですでに説明したように、引上げ装置の違いにより結晶品質に装置差が生じる場合があるので、正確な製造条件を算出するためには、製造条件を自動的に算出する際に、同一引上げ装置で連続して同じ品質のシリコン単結晶を引上げる場合において、次バッチのシリコン単結晶の製造に適用する製造条件を算出すれば、そのように連続するバッチの製造条件は差異がわずかであるので、より正確な製造条件を安定して算出することができるし、そのように算出した製造条件に修正を加えれば、さらに正確な製造条件でシリコン単結晶を製造できる。
このように、計算式を修正する際に、自動的に算出された製造条件に基づき少なくとも1回製造されたシリコン単結晶の品質データの変化量に基づいて計算式の係数を修正すれば、その修正された計算式で算出された精度の高い製造条件設計に基づいてシリコン単結晶が高い精度で製造できる。
このように、自動的に算出した製造条件をチェックする際に、予め各製造条件について許容する変動量の範囲を設定しておき、前バッチのシリコン単結晶の製造に適用した各製造条件に対する、前記自動的に算出した次バッチのシリコン単結晶の製造に適用する各製造条件の変動量が、前記設定した範囲を越えたときに、自動的に警告すれば、人為的ミス等による不適切な製造条件の設計が確実に防止され、より確実に高歩留まりでシリコン単結晶を製造できる。
このように、自動的に算出した製造条件を修正する際に、引上げ装置毎の特性や過去の実績のデータの傾向などに基づいて、算出された製造条件を修正すれば、さらに精度の高い製造条件に基づいてシリコン単結晶を高い精度で製造することができる。
このように、前記の製造方法で製造されたシリコン単結晶は、製造条件の設計に係る作業負担の大幅な軽減と設計時間の短縮がなされた生産性の高いものであり、かつ、単結晶直胴部全長にわたり低欠陥等の目標とする品質を有する高品質なものであり、かつ安定して製造された製造歩留まりの高いものである。
このように、継続して製造するのが困難なN領域単結晶であっても、製造条件の設計に係る作業負担の大幅な軽減と設計時間の短縮がなされた生産性の高いものであり、かつ、単結晶直胴部全長にわたりN領域となる高品質なものであり、かつ安定して製造された製造歩留まりの高いものである。
さらに前記製造条件を自動的に算出するための計算式を修正する手段と、前記自動的に算出した製造条件をチェックする手段およびそれを修正する手段とを備えることにより、製造条件の設定精度をより高いものとすることでき、炉内環境等の経時変化にもきめ細かく対応できるし、さらに不適切な製造条件の設定を防ぐことができる。従って、単結晶の直胴部全長にわたりN領域等の目標とする品質の結晶を、高歩留まりで製造する条件が設計できる。
まず、初期条件として予め結晶品質の目標規格を満たすように設計された製造条件を用いて、CZ法によりシリコン単結晶(1バッチ目)を製造する(F1)。製造された単結晶を、結晶品質を確認するため所定の位置で切断し、そこから結晶品質測定用サンプルを作製して、ユーザーの要求する品質項目の測定を行う。
また、前述の単結晶を製造したときの製造条件の設定データと操業実績データについても、引上げ装置から電子計算機等により自動的にデータベースに取り込むかまたは上記操業実績データをデータベースに直接入力する。この場合、製造条件についての各データは引上げ速度、引上げ単結晶直径、ルツボ回転数、種結晶回転数、炉内温度パターン、ヒーター温度、炉内圧力のうち1項目以上のデータを取り込むものとする。
さらに、ユーザー等の要求により設定された結晶品質の目標規格のデータを、仕様書から電子計算機等により自動的にデータデースに取り込むかまたは直接データベースに入力する。このとき、データベースに取り込む品質項目は上記品質実績データの品質項目と同一とする(F2)。
例えば、品質項目が酸素濃度で製造条件の項目がルツボ回転数の場合で説明する。ルツボ回転数と酸素濃度が比例し、ルツボ回転数1rpmが酸素濃度に与える影響量を1ppmaとした計算式で製造条件を設計する場合、このときの計算式の係数は1ppma/rpmとなる。そして、前バッチの酸素濃度実績が目標酸素濃度より1ppma高かったとすると、次バッチのルツボ回転数はこの計算式により自動的に算出され、前バッチよりも1rpm低く設計される。
また、このように算出された製造条件を、同一の引上げ装置で製造される次バッチの製造条件に適用すれば、より正確に製造条件を設計できる。
次いで、製造した単結晶に対して品質測定を行い、前のバッチと同様にして各データの取り込み(F2)、突合せ(F3)を行なうことができる。
上記の例で説明すれば、上記の計算式に従い、ルツボ回転数を前バッチよりも1rpm低く設計して次バッチ結晶製造を行った結果、目標酸素濃度より1ppma下がりすぎてしまった場合、さらにその次のバッチ(3バッチ目)の製造条件の設計に使用する計算式の係数は2ppma/rpmに修正され、その次のバッチ(3バッチ目)の製造条件は前バッチ(2バッチ目)よりルツボ回転数が0.5rpm高めに設計される。このように、係数の修正は、一度算出された製造条件に基づいて少なくとも一回製造されたシリコン単結晶の品質実績データに基づいて修正することもできるが、このような修正のための製造を実際に行なわず、過去の製造で蓄積された実績データの傾向等に基づいて自動的に係数を修正してもよい。このような修正を行うことで、炉内環境の経時変化の対応も適切に行うことができるようになる。
(実施例1)
N領域単結晶が製造可能なHZを備えたCZ引上げ装置を用いて、シリコン融液150kgを収容した口径が600mmのルツボから、直径200mmで直胴部全長がN領域となるように、0.88〜0.50mm/minの引き上げ速度に制御してシリコン単結晶を引上げた。そして、本発明である引上げ速度、結晶直径、炉内温度パターンの設定と実績データ及びOSF密度、FPD密度、LSEPD密度の結晶欠陥の目標規格と実績データをコンピュータに自動でデータベースに取り込み、これらのデータをリンクさせてグラフを作成した。その結果、直胴部の一部でOSFリングが発生していた。そして、次バッチの操業条件の設計では、OSF発生を抑えるため、コンピュータにより自動的に引上げ速度が0.01mm/min低速化され、それに伴って炉内温度パターンは若干高めに補正された。
このとき、製造条件の設計に要した時間はわずか3分で、作業者は、コンピュータ上の「バッチの終了」というボタンを押すキー操作を行うのみで、自動的に製造条件を設計することができた。そして、製造条件の変更内容はコンピュータに接続されたプリンタにより自動的に印刷され、適切な補正が行われていることを確認した。そして、この後上記製造条件で次バッチの結晶製造を行ったところ、ほぼ目的とするN領域の結晶品質となった。
引上げ装置10台でそれぞれ10本づつ連続したバッチで本発明である上記実施例1と同じ作業を繰り返し行った。その結果、製造条件の設計の際にデータの入力ミスは発生せず、全ての結晶において直胴部全長をN領域結晶とすることができた。
通常の単結晶を製造するときのHZを備えたCZ引上げ装置を用いて、シリコン融液150kgを収容した口径が600mmのルツボから、直径200mmで直胴長さ120cmのシリコン単結晶を、酸素濃度14ppma(JEIDA)を目標規格として育成した。
育成した単結晶の酸素濃度を測定したところ、直胴部の肩部から20cm〜60cmにかけて目標酸素濃度より1ppma高い結果となった。そこで、前バッチと当バッチとの酸素濃度の変動から、次バッチの酸素濃度に対するルツボ回転数の計算式の係数は1ppma/rpmと求められ、次バッチの製造条件は、直胴部の肩部から20cm〜60cmにかけてルツボ回転数が前バッチより1rpm低めに設計された。次にこの製造条件を用いてシリコン単結晶を育成した結果、逆に直胴部の肩部から20cm〜60cmにかけて目標酸素濃度より1ppma低い結果となった。
そこで、その次のバッチの酸素濃度に対するルツボ回転数の計算式の係数は2ppma/1rpmに修正され、その次のバッチの製造条件は、直胴部の肩部から20cm〜60cmにかけてルツボ回転数が前バッチより0.5rpm高めに設計された。そして、このルツボ回転数が補正された製造条件を用いて、その次バッチの製造を行ったところ、直胴部全長にわたり、略14ppmaとなり、目標規格を達成した。
実施例1と同じ引上げ装置を用いて、シリコン融液150kgを収容した口径が600mmのルツボから、直径200mmで直胴部全長がN領域となるように、0.88〜0.50mm/minの引き上げ速度に制御してシリコン単結晶を引上げた。そして、引上げ速度、結晶直径、温度パターンの設定及び実績データとOSF密度、FPD密度、LSEPD密度の結晶欠陥の目標規格および実績データをデータベースから手作業でダウンロードした。そして、表計算ソフトにて、これらの製造条件の設定と実績及び結晶品質の目標規格と実績のデータをリンクさせるようなグラフを手作業で作成した。その結果、結晶品質については結晶全長にわたりOSFリングが発生し、引上げ速度は結晶全長にわたり設定よりも高めとなっており、炉内温度パターンは全体的に設定より低めとなっていた。そこで、炉内温度パターンを手入力により修正し、次バッチの製造を行ったところ、ほぼ目標とする結晶品質となった。このとき、これらのデータ解析及び次バッチ製造条件の設計に要した時間は約3時間であった。
引上げ装置10台でそれぞれ10本づつ連続したバッチで上記比較例1と同じ作業を繰り返し行った。その結果、製造条件の設計の際に、手作業によるデータの入力にミスが1件発生し、この結晶は全長にわたりLSEPDが発生した。
例えば、製造条件の自動算出後、製造条件のチェック、及び製造条件の微調整等の修正を行なった後、次バッチの製造を行うことが好ましいが、これらの製造条件のチェック、修正は必須ではなく、省略することもできる。
3…データ処理手段、 4…製造条件自動算出手段、 5…計算式修正手段、
6…製造条件チェック手段、 7…製造条件修正手段、
10…シリコン単結晶製造システム。
Claims (15)
- チョクラルスキー法を用いた引上げ装置によって製造されるシリコン単結晶の結晶品質を目標規格内にしてN領域単結晶を引上げるために、品質特性に影響する複数の製造条件を設計する製造システムであって、少なくとも、製造条件における設定と実績のデータとして引上げ速度、炉内温度パターン、ヒーター温度のうち1項目以上からなるもの及び結晶品質における目標規格と実績のデータとしてOSF、FPD、LSTD、COP、LSEPD、LFPDのうち1項目以上からなるものをデータベースに取り込む手段と、前記取り込まれた製造条件における設定と実績及び結晶品質における目標規格と実績のデータを突き合わせてデータ処理する手段と、前記実績データに基づいて、同一引上げ装置で連続してシリコン単結晶を引上げる場合において、次バッチのシリコン単結晶の製造に適用する製造条件を自動的に算出する手段とを具備していることを特徴とするシリコン単結晶の製造システム。
- 請求項1に記載されたシリコン単結晶の製造システムであって、さらに前記製造条件を自動的に算出するための計算式を修正する手段と、前記自動的に算出した製造条件をチェックする手段と、前記自動的に算出した製造条件を修正する手段とを具備していることを特徴とするシリコン単結晶の製造システム。
- 前記製造条件における設定と実績のデータは、さらに、引上げ単結晶直径、ルツボ回転数、種結晶回転数、炉内圧力のうち1項目以上からなるものであり、かつ結晶品質における目標規格と実績のデータは、さらに、酸素濃度からなるものであることを特徴とする請求項1または請求項2に記載されたシリコン単結晶の製造システム。
- 前記データ処理する手段は、バッチ終了を確認するキー操作を行なうことにより、少なくともシリコン単結晶の製造バッチ番号をキーとしてデータを抽出するものであることを特徴とする請求項1乃至請求項3にいずれか1項に記載されたシリコン単結晶の製造システム。
- 前記計算式を修正する手段は、前記自動的に算出された製造条件に基づき少なくとも1回製造されたシリコン単結晶の品質データの変化量に基づいて前記計算式の係数を修正するものであることを特徴とする請求項2乃至請求項4のいずれか1項に記載されたシリコン単結晶の製造システム。
- 前記自動的に算出した製造条件をチェックする手段は、予め各製造条件について許容する変動量の範囲を設定しておき、前バッチのシリコン単結晶の製造に適用した各製造条件に対する、前記自動的に算出した次バッチのシリコン単結晶の製造に適用する各製造条件の変動量が、前記設定した範囲を越えたときに、自動的に警告するものであることを特徴とする請求項2乃至請求項5のいずれか1項に記載されたシリコン単結晶の製造システム。
- 前記自動的に算出した製造条件を修正する手段は、前記引上げ装置の特性及び/又は前記実績のデータに基づいて前記製造条件を修正するものであることを特徴とする請求項2乃至請求項6のいずれか1項に記載されたシリコン単結晶の製造システム。
- 請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載されたシリコン単結晶製造システムによりシリコン単結晶としてN領域単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
- チョクラルスキー法によりN領域単結晶であるシリコン単結晶を製造する方法であって、少なくとも、製造条件における設定と実績のデータとして引上げ速度、炉内温度パターン、ヒーター温度のうち1項目以上を、及び、結晶品質における目標規格と実績のデータとしてOSF、FPD、LSTD、COP、LSEPD、LFPDのうち1項目以上を、データベースに取り込み、前記取り込まれた製造条件における設定と実績及び結晶品質における目標規格と実績のデータを突き合わせてデータ処理し、前記実績データに基づいて、同一引上げ装置で連続してシリコン単結晶を引上げる場合において、次バッチのシリコン単結晶の製造に適用する製造条件を自動的に算出することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
- 請求項9に記載されたシリコン単結晶の製造方法であって、前記製造条件を自動的に算出した後、前記製造条件を自動的に算出するための計算式を修正し、前記自動的に算出した製造条件をチェックし、前記自動的に算出した製造条件を修正することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
- 前記製造条件における設定と実績のデータを、さらに、引上げ単結晶直径、ルツボ回転数、種結晶回転数、炉内圧力のうち1項目以上とし、かつ結晶品質における目標規格と実績のデータを、さらに、酸素濃度とすることを特徴とする請求項9または請求項10に記載されたシリコン単結晶の製造方法。
- 前記データ処理をする際に、バッチ終了を確認するキー操作を行なうことにより、少なくともシリコン単結晶の製造バッチ番号をキーとしてデータを抽出することを特徴とする請求項9乃至請求項11のいずれか1項に記載されたシリコン単結晶の製造方法。
- 前記計算式を修正する際に、前記自動的に算出された製造条件に基づき少なくとも1回製造されたシリコン単結晶の品質データの変化量に基づいて前記計算式の係数を修正することを特徴とする請求項10乃至請求項12のいずれか1項に記載されたシリコン単結晶の製造方法。
- 前記自動的に算出した製造条件をチェックする際に、予め各製造条件について許容する変動量の範囲を設定しておき、前バッチのシリコン単結晶の製造に適用した各製造条件に対する、前記自動的に算出した次バッチのシリコン単結晶の製造に適用する各製造条件の変動量が、前記設定した範囲を越えたときに、自動的に警告することを特徴とする請求項10乃至請求項13のいずれか1項に記載されたシリコン単結晶の製造方法。
- 前記自動的に算出した製造条件を修正する際に、前記引上げ装置の特性及び/又は前記実績のデータに基づいて前記製造条件を修正することを特徴とする請求項10乃至請求項14のいずれか1項に記載されたシリコン単結晶の製造方法。
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