JP4702266B2 - 単結晶の引上げ方法 - Google Patents

Description

本発明は、原料融液を収容したルツボよりチョクラルスキー法により単結晶を育成する際の、単結晶の引上げ方法に関する。

チョクラルスキー法（ＣＺ法）により単結晶を製造する際には、例えば図１に示すような単結晶製造装置を用いて製造される。この単結晶製造装置は、例えばシリコンのような原料多結晶を溶融するための部材や、単結晶化したシリコンを引上げる機構などを有している。単結晶の育成はメインチャンバー１内で行われる。メインチャンバー１の天井部からは上に伸びる引上げチャンバー１０が連接されており、この上部に育成単結晶２を引上げる機構（不図示）が設けられている。

メインチャンバー１内には、溶融された原料融液３を収容する石英ルツボ４とその石英ルツボ４を支持する黒鉛ルツボ５が設けられ、これらのルツボ４、５は駆動機構（不図示）によって回転昇降自在に支持されている。このルツボ４，５の駆動機構は、育成単結晶２の引上げに伴う融液３の液面低下に対し、液面低下分だけ上昇させるようにしている。

そして、ルツボ４，５を囲繞するように、原料を溶融させる加熱ヒーター６が配置されている。この加熱ヒーター６の外側には、加熱ヒーター６からの熱がメインチャンバー１に直接輻射されるのを防止するために断熱部材７がその周囲を取り囲むように設けられている。

また、メインチャンバー１の内部には、引上げチャンバー１０の上部に設けられたガス導入口からアルゴンガス等の不活性ガスが導入される。導入された不活性ガスは引上げ中の育成単結晶２とこれを囲繞するように配置された整流筒８との間を通過し、整流筒８の下部と融液面９との間を通過し、メインチャンバー１下部に設けられたガス流出口（不図示）から排出される。

上記のような単結晶製造装置を用いて単結晶を製造する工程として、単結晶成長工程がある。一般に、単結晶成長工程には、種付け工程、絞り工程、コーン工程（拡径工程）、直胴工程、テイル工程と呼ばれる工程がある。この中で、直胴工程とは、目的とする直径で単結晶を円筒状に成長させる工程であり、次いでテイル工程において、直胴工程で円筒状に成長させた単結晶を徐々に細くし、ついには融液から切離し単結晶成長を完了させる。

上記直胴工程および上記テイル工程中に、引上げ中の育成単結晶がスリップ等の発生によって有転位化することがある。この有転位化の頻度が高くなり、単結晶成長の成功確率
が低くなると、操業時間が長引き、生産性が低下するという問題がある。
このように単結晶製造の生産性、歩留りの低下を招く育成単結晶の有転位化の原因としてはシリコン酸化物やカーボン等の固体粒、及び過冷却により原料融液中に発生する育成単結晶の成長界面以外で発生、成長した固化物の結晶成長界面への付着等が挙げられる。

特に近年では、育成する単結晶が大口径化しており、そのため、単結晶の引上げ炉が大型化し、従来の小型炉と比べて育成単結晶の成長界面以外での固化物の発生が顕著になってきている。更に、該固化物は、融液中の主にルツボ内壁から固化領域を拡大していき、ついには育成単結晶とルツボを連結してしまうなどして、単結晶の落下、延いては引き上げ装置を損傷させる恐れがある。

このような問題に対し、上記固化物の発生率を低下させる方法として、融液表面とその直上に位置する円環状の構造物、例えば上記整流筒や熱遮蔽筒等の下端との距離（以下、ＤＰＭと呼ぶ）を小さくすることにより、ルツボ内の半径方向の温度勾配が大きくなり、該固化物が発生しにくくなることが知られている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、ＤＰＭを小さくすると、上記ルツボ内の半径方向の温度勾配が大きくなるため、結晶欠陥を誘発してしまい、単結晶の品質が低下してしまう。このため、ＤＰＭは上記直胴工程によって育成される直胴部の品質によって決められることが多く、概して、品質優先で設定されている。

このように、ＤＰＭは結晶欠陥を制御する上でも重要であり、結晶品質と固化物の発生率の低減を両立させることは困難である。

また、特にテイル工程では、一般的に直胴工程と比較して、ＤＰＭが大きくなる場合が多く、そのため融液中に過冷却部が生じ易く、直胴工程よりも固化物が発生し易い。すなわち、直胴工程においては固化物が発生しにくいＤＰＭであっても、テイル工程時の固化物発生防止には不十分であった。

特開２００４−６７４５２号公報

本発明は、このような問題に鑑みてなされたものであり、チョクラルスキー法により単結晶を育成する単結晶引上げ法において、育成単結晶引上げ中の特にテイル工程で発生する育成単結晶の成長界面以外の固化物の発生を抑制し、大型で高品質な単結晶を高い生産性と高歩留りで製造できる方法を提供することを目的とする。

前記目的を達成するため、本発明では、少なくとも、種結晶をルツボ内の融液に接触させた後、拡径部を形成する拡径工程と、直胴部を育成する直胴工程と、テイル部を形成するテイル工程とを備え、かつ育成単結晶を囲繞するように円環状の構造物を融液表面上方に配置し、該構造物の下端と融液表面との距離を制御しつつ前記育成単結晶を引上げる、チョクラルスキー法により単結晶を育成する単結晶引上げ方法において、前記テイル工程中の前記構造物下端と融液表面との距離を、前記直胴工程中の前記構造物下端と融液表面との距離より小さくなるように制御して前記育成単結晶を引上げることを特徴とする単結晶引上げ方法を提供する（請求項１）。

このようなチョクラルスキー法により単結晶を育成する単結晶引上げ方法において、上記テイル工程中のＤＰＭを、上記直胴工程中のＤＰＭよりも小さくなるように制御しつつ、育成単結晶を引き上げることにより、テイル工程でのルツボ内の融液の半径方向の温度勾配を大きくすることができるため、テイル工程中に発生し易い育成単結晶の成長界面以外の固化物の発生を抑制することができる。そのため、該固化物付着による育成単結晶の有転位化を防止することができ、生産性の向上を図ることができる。また、該直胴工程では、ＤＰＭを品質重視に設定することができるので、高品質の単結晶を製造することができる。

この場合、前記テイル工程中の前記構造物下端と融液表面との距離を、前記構造物を下方へ移動させるか、又は前記単結晶と前記ルツボを上方へ移動させるか、若しくは両者を組み合わせることにより、前記直胴工程中の融液表面と前記構造物下端との距離より小さくすることができる。（請求項２）。

このように、上記テイル工程中のＤＰＭを上記直胴工程中のＤＰＭより小さくするのに、上記ルツボと上記単結晶を同時に上方へ移動させることにより行うのは、該ルツボのみを上昇させると、成長中の単結晶が融液中に潜ってしまい、再溶融が生じて転位を誘発してしまうためである。すなわち、単結晶の引上げ速度もルツボ上昇速度の増加分を加算して増加させることで、ルツボと単結晶の相対速度を維持するのである。
また、該ＤＰＭの調整は、上記構造物を下方へ移動させても良いし、該ルツボと単結晶を同時に上方へ移動させることと組み合わせて行っても良い。

更に、前記構造物は整流筒又は熱遮蔽筒とすることが好ましく（請求項３）、又前記引上げる単結晶はシリコンとすることが望ましい（請求項４）。

このように、チョクラルスキー法で用いる単結晶製造装置では、育成単結晶を囲繞するようにガス整流筒又は熱遮蔽筒を配置することで、ヒーターや原料融液からの輻射をカットする効果があり、育成単結晶を効率的に冷却することができるので、結晶成長速度の高速化が図れる。
また、引上げる単結晶がシリコンであれば、最も広く用いられており、上記テイル工程中における育成単結晶の成長界面以外に発生する固化物の対策は特に必要であり、本発明が有効である。

本発明に係るチョクラルスキー法により単結晶を育成する単結晶引上げ方法に従えば、テイル工程中に育成単結晶の成長界面以外で発生する固化物の発生率を低下させることができるので、該固化物に起因する単結晶の有転位化を防止することができ、歩留り向上に資することができる。また、固化物発生を抑制するために直胴工程のＤＰＭを変更する必要はないので、所望の品質を有する直胴を育成することができるので、品質も向上する。

チョクラルスキー法で、例えばシリコンのような単結晶を製造すると、一般的に、絞り、コーン（拡径部）、直胴、テイルを持つ単結晶が得られる。このうち、製品として利用されるのは直胴部だけである。また、製品として利用されない部位の中で最も育成に原料と時間がかかるのはテイル部である。単結晶にテイル部を形成させるテイル工程では、直胴工程で円筒状に成長させた単結晶を、転位を誘発することなく徐々に細くし、最終的には下向きの凸型の円錐状として融液から切り離し、単結晶成長を完了させる工程である。

上記テイル工程中に単結晶が有転位化すると、テイル部に転位が入るのみならず、その時の単結晶の直径と同じ長さ程度のスリップ転位が既に成長した単結晶部分にも伝播する。そのため、テイル工程において発生した転位の部位とその時の単結晶の直径に応じて、直胴部にもスリップが伝播する場合があり、単結晶の生産性、歩留りの著しい低下が問題となっている。
その上、上記単結晶引上げ中に発生する育成単結晶の成長界面以外の固化物（以下、固化物と呼ぶ）は、融液中で、主としてルツボ内壁から固化領域を拡大していき、ついには育成単結晶とルツボを連結してしまうなどして、単結晶の落下、延いては引上げ装置の損傷を招く恐れもある。

前述したように、固化物の発生率を低下させる方法として、融液表面９と整流筒８下端との距離１２（以下、ＤＰＭと呼ぶ）を小さくすることにより、固化発生を抑えられることが知られている。しかし、ＤＰＭを固化発生の抑制を優先して設定すれば、直胴部の結晶欠陥を十分に制御することができなくなるので、従来、ＤＰＭは求める単結晶の品質、すなわち直胴部の品質によって決められている。ここで、「固化物の発生率」とは、単結晶の引上げ回数のうち、育成する単結晶の成長界面以外で固化物が発生した単結晶の引上げ回数の割合である。

また、テイル部では直胴部のような直径制御が不用となるので、テイル工程中は融液面を一定にする必要はなく、テイル工程中はルツボの上昇を停止させてテイルを形成するのが一般的である。このため、テイル工程では直胴工程と比べて、ＤＰＭは大きくなる。その結果、テイル工程中では融液中に過冷却部が生じ易く、固化物が発生し易い状況にあった。換言すると、直胴工程においては固化発生しにくいＤＰＭであっても、テイル工程における固化発生抑制には不十分であった。

そこで、本発明者らは、直胴工程のＤＰＭは、その必要とされる直胴部の結晶品質から決定し、固化物が発生し易い上記テイル工程中では、例えばルツボ４，５及び育成単結晶２を上方に移動させ、直胴工程のＤＰＭよりも小さくすることで、該テイル工程中における固化物の発生率を低下させることができることを見出し、本発明を完成させた（本発明における単結晶製造の工程を示すフローチャート図４参照）。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら具体的に説明するが、本発明はこれらの記載によって限定されるものではない。
図５は、本発明で用いた単結晶製造装置の概略構成図である。

図５に示すように、この単結晶製造装置は、例えばシリコンのような原料多結晶を溶融するための部材や、単結晶化したシリコンを引き上げる機構などを有しており、これらは原則として従来のものと同じである。メインチャンバー１の天井部からは上に伸びる引上げチャンバー１０が連接されており、この上部に育成単結晶２を引上げる機構が設けられている（不図示）。

メインチャンバー１内には、溶融された原料融液３を収容する石英ルツボ４とその石英ルツボ４を支持する黒鉛ルツボ５が設けられ、これらのルツボ４、５は駆動機構１４によって回転昇降自在に支持されている。通常は、このルツボ４，５の駆動機構１４は、育成単結晶２の引上げに伴う融液３の液面低下に対し、液面低下分だけ上昇させるようにしている。本発明においては、上記テイル工程のＤＰＭを上記直胴工程のＤＰＭよりも小さくする目的でも使用される。

そして、ルツボ４，５を囲繞するように、原料を溶融させる加熱ヒーター６が配置されている。この加熱ヒーター６の外側には、加熱ヒーター６からの熱がメインチャンバー１に直接輻射されるのを防止するために断熱部材７がその周囲を取り囲むように設けられている。

また、メインチャンバー１の内部には、引上げチャンバー１０の上部に設けられたガス導入口からアルゴンガス等の不活性ガスが導入される。導入された不活性ガスは引上げ中の育成単結晶２と整流筒８との間を通過し、整流筒８の下部と融液面９との間を通過し、メインチャンバー１下部に設けられたガス流出口（不図示）から排出される。そして、本発明で用いられる単結晶製造装置では、整流筒昇降機構１３を具備しているのが好ましい。これにより整流筒８を上下動させることができ、ＤＰＭを簡単に変更制御することができる。

本発明に係る、上記単結晶製造装置を用いるシリコン単結晶の育成では、上記テイル工程におけるＤＰＭは、上記ルツボ駆動機構１４あるいは整流筒昇降機構１３によって制御される。
該テイル工程において、ＤＰＭが小さければ小さい程、固化物の発生率は小さくなる。しかし、あまり該ＤＰＭを小さくし過ぎると、適切な単結晶引上げ条件でなくなり、有転位化し易くなり、構造物下端が融液表面に接触する場合もある。従って、該ＤＰＭは、固化物の発生率が十分に低く、かつ該単結晶に有転位化等の発生が問題にならないよう適切な操業条件となるように設定する必要がある。具体的には、上記直胴工程の時のＤＰＭにもよるが、該直胴工程の時のＤＰＭと比べて、２０ｍｍ程度以内で小さい距離に変更すれば、固化物の発生率低減と適切な操業条件との両立が容易である。

上記テイル工程の際のＤＰＭを上記直胴工程の時のＤＰＭよりも小さくするのは、該テイル工程に入った前半に済ませておく方が、それだけ固化物の発生率が低下できるので好ましい。
しかし、テイル工程のあまりに早い時期にＤＰＭを直胴工程時のＤＰＭよりも小さくしてしまうと、直胴部の品質に影響を与える場合があるので、テイル工程前半の途中、具体的には、例えば、テイル工程開始後１時間程度にてＤＰＭの変更を開始すれば良い。

上記テイル工程中のＤＰＭを上記直胴工程の時のＤＰＭよりも小さくする時のルツボ４、５および育成単結晶２の移動速度は、速過ぎると急激な温度勾配の上昇による上記テイル部の形状変化を修正することが難しいので、該テイル部の形状の修正ができる程度の速さとするのが好ましい。

テイル工程のＤＰＭを直胴工程のＤＰＭより小さくする方法は、上記のようにテイル部の育成において、テイル形成に伴う融液面の降下分より大きくルツボ駆動機構１４によりルツボを上昇させることによって、融液表面を上昇させることで行うことができる。また、上記整流筒昇降機構１３を用いて、整流筒８をテイル工程中に下降させることによっても、ＤＰＭを小さくすることができる。

このように、チョクラルスキー法により高品質の単結晶を製造する際の、該単結晶の成長工程において、直胴工程の時は品質を優先したＤＰＭとし、テイル工程の時のＤＰＭは該直胴工程の時のＤＰＭよりも小さくすることにより、単結晶の有転位化の要因である固化物の発生を効果的に抑制することができる。従って、大型で高品質な単結晶を、高い生産性、高歩留りで製造することことができる。

なお、上記では育成単結晶を囲繞するように配置される円環状の構造物として整流筒を例示したが、本発明はこれに限定されるものではない。融液表面上方に育成される単結晶を囲むように配置される円環状の構造物であり、その下端と融液面との距離が制御されるものであれば、整流筒、熱遮蔽筒等、その名称に拘泥するものではない。

以下、本発明の実施例を示して更に具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に限定されるものではない。なお、図２は従来のテイル工程中における結晶引上げ速度とルツボ押上げ速度を示し、図３は本発明に係るテイル工程中における結晶引上げ速度とルツボ押上げ速度を示している。
チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を育成する単結晶引上げ法において、上記図５と同様の単結晶製造装置を用いた。本実施例では、融液表面９の直上の構造物として整流筒８を用いた。

上記シリコン単結晶を育成する際、上記テイル工程を開始６０分後から、９０分かけてルツボ４、５および育成単結晶２を２０ｍｍ上方へ移動させ（図３参照）、上記引上げ法を実施したところ、固化発生は見られなかった。但し、テイル部の形状が悪くなった（実施例１）。

次に、上記テイル工程における加熱ヒーター６による加熱レシピを変更し、修正を加え、その他の条件は実施例１と同様に行って上記シリコン単結晶を上記引上げ法により作製したところ、従来と同じ程度の良好なテイル部の形状となった。また、本製造方法を繰り返し行い、固化物の発生率を調べたところ、固化物の発生率は５％以下と極めて良好な値となった（実施例２）。

また、上記テイル工程において、ＤＰＭを変化させずに（図２参照）、高品質結晶を製造する条件で上記シリコン単結晶を製造したところ、該テイル工程中における固化物の発生率は、６０％と非常に高いものであった（比較例１）。

このように、本実施例の結果からも判るように、上記チョクラルスキー法により単結晶を育成する単結晶引上げ法において、上記テイル工程中のＤＰＭを、上記直胴工程中のＤＰＭよりも小さくすることで、効果的に該テイル工程中の固化発生を抑制することができることが明らかとなった。
本実施例では、該テイル工程中のＤＰＭを変更するのに、ルツボ４、５および育成単結晶２を同時に上方へ移動させたが、整流筒８を下方へ移動させるか、もしくは両者を組み合わせることにより行っても良い。

なお、本発明は、上記実施の形態に限定されるものではない。上記実施の形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するいかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

単結晶の製造装置を示した概略図である。 従来のテイル工程中における結晶引上げ速度とルツボ押上げ速度を示したグラフである（比較例）。 本発明に係るテイル工程中における結晶引上げ速度とルツボ押上げ速度を示したグラフである（実施例）。 本発明の工程図である。 本発明で用いた単結晶製造装置の概略図である。

符号の説明

１…メインチャンバー、 ２…育成単結晶、 ３…原料融液、 ４…石英ルツボ、 ５…黒鉛ルツボ、 ６…加熱ヒーター、 ７…断熱部材、 ８…整流筒、 ９…融液表面、 １０…引上げチャンバー、 １２…融液表面９と整流筒８の下端との距離（ＤＰＭ）、 １３…整流筒昇降機構、 １４…ルツボ駆動機構。

Claims (4)

1. 少なくとも、種結晶をルツボ内の融液に接触させた後、拡径部を形成する拡径工程と、直胴部を育成する直胴工程と、テイル部を形成するテイル工程とを備え、かつ育成単結晶を囲繞するように円環状の構造物を融液表面上方に配置し、該構造物の下端と融液表面との距離を制御しつつ前記育成単結晶を引上げる、チョクラルスキー法により単結晶を育成する単結晶引上げ方法において、前記テイル工程中の前記構造物下端と融液表面との距離を、前記直胴工程中の前記構造物下端と融液表面との距離より小さくなるように制御して前記育成単結晶を引上げることを特徴とする単結晶引上げ方法。
2. 前記テイル工程中の前記構造物下端と融液表面との距離を、前記構造物を下方へ移動させるか、又は前記単結晶と前記ルツボを上方へ移動させるか、若しくは両者を組み合わせることにより、前記直胴工程中の融液表面と前記構造物下端との距離より小さくすることを特徴とする請求項１に記載の単結晶の引上げ方法。
3. 前記構造物を整流筒又は熱遮蔽筒とすることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の単結晶の引上げ方法。
4. 前記引上げる単結晶をシリコンとすることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載の単結晶の引上げ方法。
   

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