JP4926361B2 - シリコン単結晶育成における水素ガス供給方法 - Google Patents
シリコン単結晶育成における水素ガス供給方法 Download PDFInfo
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素をドープしたシリコン単結晶を育成する際の水素ガス供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウェーハの素材であるシリコン単結晶の製造方法として代表的なものは、ＣＺ法と呼ばれる回転引上げ法である。ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、周知のとおり、石英ルツボ内に形成したシリコン融液に種結晶を浸漬し、ルツボ及び種結晶を回転させながら種結晶を引上げることにより、種結晶の下方にシリコン単結晶を育成する。
【０００３】
このようなＣＺ引上げにおける炉内雰囲気としては、従来より不活性ガス（主にＡｒガス）が使用されてきた。これは、シリコン融液、炉部材及び結晶との種々の化学反応を抑制し、副生成物として発生する不純物の混入を回避するためである。更に、多量にガス供給を行うことで生じる炉内のガス流れを利用して、金属汚染を回避することもでき、引上げ結晶の高品質化を実現できる。
【０００４】
この炉内雰囲気に関し、最近になって、微量の水素ガスを混合することの有効性が報告され始めた（例えば特許文献１〜特許文献４）。この技術によると、結晶中に導入されたGrown-in欠陥、特に空孔欠陥に水素が作用することにより、シリコン融液への窒素ドープと同様に空孔欠陥の縮小や消滅が可能になるとされている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６１−１７８４９５号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１１−１８９４９５号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開２０００−２８１４９１号公報
【０００８】
【特許文献４】
特開２００１−３３５３９６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＣＺ引上げにおける水素ドープ技術では、混合ガス中における水素ガス濃度は、これまでは爆発危険防止等の観点から、最高で３ｖｏｌ％に制限されている。ちなみに、空気中の水素ガスの燃焼下限は４ｖｏｌ％である。
【００１０】
しかしながら、このような制限下では、水素ガス混合の際の許容濃度範囲が狭く、操業での作業性が悪い。加えて、本発明者らによる実験にれば、３ｖｏｌ％以下の水素ガス濃度の場合、顕著な水素の効果が得られないことが確認されている。
【００１１】
本発明の目的は、安全性を確保しつつ高濃度の水素ガス混合を可能にする水素ガス供給方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するめに、本発明者らは水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際の爆発危険性について詳細に検討した。その結果、以下の結論に到達した。
【００１３】
引上げ炉内に供給する不活性ガスに水素ガスを混合すること自体は、危険でない。混合ガス中の水素ガス濃度が５０％に達しても、不活性ガスと水素ガスのみならば、爆発の危険はない。危険なのは、引上げ炉では大気リークの危険があることである。即ち、引上げ炉内は操業中、所定の真空度に維持される。このため、炉内への大気リークの危険がつきまとう。大気リークが起きると、炉内に空気が侵入し、これによる酸素の侵入により、爆発が生じるのである。
【００１４】
より詳しく説明すると、大気リークが発生すると、炉内の雰囲気が大気に徐々に近づいていく。この過程の途中で爆発が生じるわけで、大気リークの発生と同時に爆発が起きるわけではない。つまり、水素ガスの初期濃度が高いことは、直ちに爆発の危険を意味するわけではない。ここに、水素ガス濃度を上げ得る第１の余地がある。
【００１５】
また、爆発は単なる燃焼と、より激しい燃焼である爆ごうとに分類される。爆ごうでは雰囲気ガスが急激に大きく膨脹するが、燃焼ではその膨脹度は数倍以下と小さい。本発明者らによる計算によると、ＣＺ引上げでは、炉内は所定の真空度に減圧されているため、炉内で燃焼が起きてもその炉内圧力は大気圧を超えない。このため、引上げ炉内のルツボが破壊されるような設備破損事故には至らない。しかし、爆ごうが起きると炉内圧力は大気圧を超え、設備破壊といった大事故を招く。このため、爆ごうを回避することは不可欠であるが、燃焼までも回避する必要はない。ここに、水素ガス濃度を上げ得る第２の余地がある。
【００１６】
本発明は、かかる着想を基礎にして完成されたものであり、本発明のシリコン単結晶育成における水素ガス供給方法は、水素を含む不活性雰囲気として減圧された単結晶引上げ炉内でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、前記単結晶引上げ炉内における水素ガス濃度を４体積％以上、下記のＳ１ 点で表される濃度未満として前記単結晶引上げ炉への大気リーク時の危険を防止することを特徴とする。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の三角線図において、
水素ガスと酸素ガスの体積比を示す辺ＡＢ上での爆ごう範囲をＬ１ 〜 Ｌ１′ とし、酸素ガスと不活性ガスの体積比を示す辺ＢＣ上での空気に対応する組成比を空気組成Ｄとするとき、この空気組成Ｄと頂点Ａを結ぶ直線ＤＡ上での爆ごう範囲をＭ１ 〜Ｍ１′ とし、直線Ｌ１Ｍ１と直線Ｌ１′Ｍ１′が交差する交点を爆ごうに対する混合ガスの希釈限界Ｋ１ とし、また、Ｍ １ は爆ごう下限値であって１８．３％とし、Ｍ １ ′は爆ごう上限値であって２７％とするとともに、前記空気組成Ｄから前記希釈限界Ｋ１ へ向かう直線が、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡと交差する点Ｓ１ で表される水素ガス濃度。
本発明のシリコン単結晶育成における水素ガス供給方法は、前記水素ガス濃度を下記のＳ２ 点で表される水素ガス濃度以上とすることができる。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の前記三角線図において、
水素ガスと酸素ガスの体積比を示す辺ＡＢ上での燃焼範囲をＬ２ 〜 Ｌ２′ とし、前記空気組成Ｄと頂点Ａを結ぶ直線ＤＡ上での燃焼範囲をＭ２ 〜Ｍ２′ とするとき、直線Ｌ２ Ｍ２ と直線Ｌ２′ Ｍ２′ が交差する交点を燃焼に対する混合ガスの希釈限界をＫ２ とし、また、Ｍ ２ は燃焼下限値であって４％とし、Ｍ ２ ′は燃焼上限値であって７５％とするとともに、前記空気組成Ｄから前記希釈限界Ｋ２ へ向かう直線が、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡと交差する点Ｓ２ で表される水素ガス濃度。
本発明は、前記水素ガス濃度範囲の所定の値とされる操業点Ｓで単結晶引上げ操業中において、
雰囲気ガス中の酸素濃度の上昇を検知し、その酸素濃度が下記のＳ０ 点における酸素ガス濃度に至るまでに警報を発することができる。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の前記三角線図において、
前記空気組成Ｄと、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡ上での前記操業点Ｓとを結ぶ直線ＤＳが、燃焼領域の上限を表す直線Ｌ２′ Ｋ２ と交差する点Ｓ０ における酸素ガス濃度。
本発明は、前記雰囲気ガス中の酸素濃度が、前記Ｓ０ 点における酸素ガス濃度Ｏ０ の０．１〜０．２５倍に達したときに警報を発することが可能である。
本発明は、前記水素ガス濃度を下記のＳ２ 点で表される水素ガス濃度未満とすることができる。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の前記三角線図において、
水素ガスと酸素ガスの体積比を示す辺ＡＢ上での燃焼範囲をＬ２ 〜 Ｌ２′ とし、前記空気組成Ｄと頂点Ａを結ぶ直線ＤＡ上での燃焼範囲をＭ２ 〜Ｍ２′ とするとき、直線Ｌ２ Ｍ２ と直線Ｌ２′ Ｍ２′ が交差する交点を燃焼に対する混合ガスの希釈限界をＫ２ とし、また、Ｍ ２ は燃焼下限値であって４％とし、Ｍ ２ ′は燃焼上限値であって７５％とするとともに、前記空気組成Ｄから前記希釈限界Ｋ２ へ向かう直線が、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡと交差する点Ｓ２ で表される水素ガス濃度。
本発明のシリコン単結晶育成における水素ガス供給方法は、水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、単結晶引上げ炉内に水素ガスを下記のＳ１ 点で表される水素ガス濃度未満で供給することを特徴とする。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の三角線図において、爆ごうに対する混合ガスの希釈限界をＫ１ とし、酸素ガスと不活性ガスの体積比を示す辺ＢＣ上での空気組成をＤとするとき、ＤからＫ１ へ向かう直線が、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡと交差する点Ｓ１ で表される水素ガス濃度。
【００１７】
本発明の水素ガス供給方法においては、爆ごうに対する混合ガスの希釈限界Ｋ1 は、例えば下記の交点で表すことができる。
記
水素ガスと酸素ガスの体積比を示す辺ＡＢ上での爆ごう範囲をＬ1 〜Ｌ1 ′、酸素ガスと不活性ガスの体積比を示す辺ＢＣ上での空気組成Ｄと頂点Ａを結ぶ直線ＤＡ上での爆ごう範囲をＭ1 〜Ｍ1 ′とするとき、直線Ｌ1 Ｍ1 と直線Ｌ1 ′Ｍ1 ′が交差する交点。
【００１８】
本発明の水素ガス供給方法では、辺ＣＡ上のＳ1 点を第１の臨界点として、これ未満の水素濃度範囲で操業が行われるが、より厳密には、下記する辺ＣＡ上のＳ2 点を第２の臨界点として、これ以上の水素濃度範囲、即ちＳ1 〜Ｓ2 で行う操業と、これ未満の水素濃度範囲、即ちＳ2 〜で行う操業とに分類される。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の三角線図において、燃焼に対する混合ガスの希釈限界をＫ2 とし、酸素ガスと不活性ガスの体積比を示す辺ＢＣ上での空気組成をＤとするとき、ＤからＫ2 へ向かう直線が、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡと交差する点Ｓ2 で表される水素ガス濃度。
【００１９】
ここで、燃焼に対する混合ガスの希釈限界Ｋ2 は、例えば下記の交点で表すことができる。
記
水素ガスと酸素ガスの体積比を示す辺ＡＢ上での燃焼範囲をＬ2 〜Ｌ2 ′、酸素ガスと不活性ガスの体積比を示す辺ＢＣ上での空気組成Ｄと頂点Ａを結ぶ直線ＤＡ上での燃焼範囲をＭ2 〜Ｍ2 ′とするとき、直線Ｌ2 Ｍ2 と直線Ｌ2 ′Ｍ2 ′が交差する交点。
【００２０】
後で詳しく説明するが、辺ＣＡ上のＳ1 〜Ｓ2 （Ｓ1 は含まず）における操業では、大気リークが発生した場合、燃焼は生じるが、爆ごうは生じない。Ｓ2 〜（Ｓ2 は含まず）における操業では、大気リークが発生した場合、爆ごうも燃焼も生じない。
【００２１】
前者の操業、即ち操業点Ｓが辺ＣＡ上のＳ1 〜Ｓ2 （Ｓ1 は含まず）に存在する場合、下記のＳ0 点における酸素ガス濃度に至るまでに警報を発することことが好ましい。より具体的には、雰囲気ガス中の酸素濃度が下記の酸素ガス濃度の０．１〜０．２５倍に達した時点で警報を発することが好ましい。これにより、前者の操業で避けられない燃焼の発生を未然に検知することが可能になる。
記
酸素ガスと不活性ガスの体積比を示す辺ＢＣ上での空気組成Ｄと、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡ上での操業点Ｓとを結ぶ直線ＤＳが、燃焼領域の上限を表す直線Ｌ2 ′Ｋ2 と交差する点Ｓ0 における酸素ガス濃度。
【００２２】
水素ガス濃度の下限については、０超であればよく、特に限定しないが、水素混合効果を高める点からは３ｖｏｌ％超が好ましく、５％以上が特に好ましい。ちなみに、Ｓ2 点で表される水素ガス濃度は１０％である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１はＣＺ引上げ炉の概略構成図、図２は水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の三角線図である。
【００２４】
ＣＺ引上げ炉は、図１に示すように、炉体として、円筒形状のメインチャンバ１と、その上に重ねられた小径のプルチャンバ２とを備えている。
【００２５】
メインチャンバ１内には、ルツボ３が中心部に位置して配置されている。ルツボ３は内側の石英ルツボを外側の黒鉛ルツボで保持した二重構造であり、ペディスタルと呼ばれる支持軸４の上に受け皿５を介して支持されている。支持軸４は、ルツボ３の昇降及び回転のために、メインチャンバ１の下方に配置された駆動機構により、軸方向及び周方向に駆動される。
【００２６】
ルツボ３の外側には環状のヒータ６が配置されており、その更に外側には断熱材７がメインチャンバ１の内面に沿って配置されている。
【００２７】
メインチャンバ１上のプルチャンバ２内には、引上げ軸としてのワイヤ８が垂らされ、メインチャンバ１内に達している。ワイヤ８は、プルチャンバ２の上に設けられた駆動機構９により、巻き上げ及び回転を行う。
【００２８】
操業では、まず、ルツボ３内にシリコンの原料融液１０を形成する。ワイヤ８の下端部に装着した種結晶１１を原料融液１０に漬ける。ルツボ３及びワイヤ８を回転させながら、ワイヤ８を巻き上げることにより、種結晶１１の下方にシリコンの単結晶１２を育成する。
【００２９】
このとき、炉体内を所定の真空度に減圧し、この状態で、炉体内に、不活性ガスとしてのＡｒと水素の混合ガスを上から下に流通させる。このガス流通のために、プルチャンバ２の上部にガス供給口１３が設けられ、メインチャンバ１の下部には、真空排気ポンプに接続されたガス排出口１４が設けられている。
【００３０】
ガス排出口１４に繋がるガス排出管には、排ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサー１５が設けられており、その酸素濃度測定値より炉内雰囲気ガス中の酸素ガス濃度が認識され。また、その酸素濃度測定値に応じて警報を発するシステム（図示せず）が構築されている。
【００３１】
本実施形態では、この炉体内に供給する混合ガスの組成、即ち水素ガス濃度が重要である。水素ガスは、炉体外で不活性ガスと混合して炉体内に供給する他、別ルートで炉体内に独立して供給して、炉体内の不活性ガスに混合することもできる。
【００３２】
以下に、炉内雰囲気中の水素ガス濃度の設定方法を、図２に示す三角線図により詳細に説明する。なお、以下の説明で％は特にことわりのない限りｖｏｌ％である。
【００３３】
図２に示す三角線図は、水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとしている３成分系の三角線図である。不活性ガスは、ＣＺ引上げで多用されるＡｒガスとしており、空気中の不活性ガスである窒素ガス、或いはヘリウムガスで代用することもできる。
【００３４】
頂点Ａ，Ｂ，Ｃは水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスがそれぞれ１００％の純成分を表す。辺ＡＢは、水素ガスと酸素ガスの混合物における組成比を表し、数字はこの混合物中の水素ガス濃度である。同様に、辺ＢＣは、酸素ガスとＡｒガスの混合物における組成比を表し、数字はこの混合物中の酸素ガス濃度である。辺ＣＡは、Ａｒガスと水素ガスの混合物における組成比を表し、数字はこの混合物中のＡｒガス濃度である。
【００３５】
空気は基本的に酸素ガスと窒素ガス（不活性ガス）の混合物であるので、その組成は辺ＢＣ上のＤ点で表される。また、直線ＤＡは、空気と水素ガスの混合物における組成比を表しており、空気に水素ガスを混合していくと、酸素ガスと窒素ガス（不活性ガス）は、所定の混合比を維持しつつ、合計含有比を低下させ、最終的に純水素ガスとなる。
【００３６】
水素ガスと酸素ガスの混合物における組成比を表す辺ＡＢ上で、水素ガス濃度を０％（純酸素ガス）から徐々に大きくしていく場合を想定すると、Ｌ２ からＬ２′ までが燃焼範囲となり、そのなかの特にＬ１ からＬ １ ′ までが爆ごう範囲となる。これらの水素濃度限界値は既知であり、燃焼下限値Ｌ２ は４％、燃焼上限値Ｌ２′ は９５．８％、爆ごう下限値Ｌ１ は１８．３％、爆ごう上限値Ｌ２′は５９％である。
【００３７】
同様に、空気と水素ガスの混合物における組成比を表す直線ＤＡ上で、水素ガス濃度を０％（空気のみ）から徐々に大きくしていく場合を想定すると、Ｍ2 からＭ2 ′までが燃焼範囲となり、そのなかの特にＭ1 からＭ1 ′までが爆ごう範囲となる。これらの水素濃度限界値は実験により正確に求めることができ、燃焼下限値Ｍ2 は４％、燃焼上限値Ｍ2 ′は７５％、爆ごう下限値Ｍ1 は１８．３％、爆ごう上限値Ｍ2 ′は２７％程度である。
【００３８】
ここで、直線Ｌ2 Ｍ2 と直線Ｌ2 ′Ｍ2 ′は先で交わり、その交点Ｋ2 は３成分系での混合ガスの燃焼に対する希釈限界となる。また、直線Ｌ1 Ｍ1 と直線Ｌ1 ′Ｍ1 ′は先で交わり、その交点Ｋ1 は３成分系での混合ガスの爆ごうに対する希釈限界となる。そして、三角形Ｌ2 Ｋ2 Ｌ2 ′の内側が当該３成分系混合ガスにおける燃焼領域となり、更にその内側に形成される三角形Ｌ1 Ｋ1 Ｌ1 ′の内側が当該３成分系混合ガスにおける爆ごう領域となる。
【００３９】
Ａｒガスと水素ガスの混合物における組成比を表す辺ＣＡは、ＣＺ引上げ炉に供給するＡｒと水素の混合ガスの組成比に対応する。この辺ＣＡは、三角形Ｌ1 Ｋ1 Ｌ1 ′で表される爆ごう領域にも、三角形Ｌ2 Ｋ2 Ｌ2 ′で表される燃焼領域にも入らないので、Ａｒと水素の混合ガスは、それ自体は爆発の危険性がない。しかし、大気リークにより空気が減圧下の炉内に侵入すると、混合ガス中の水素ガス濃度によっては爆発の危険性が生じる。
【００４０】
具体的に説明すると、今、引上げ炉内を満たすＡｒと水素の混合ガス中の水素ガス濃度が、Ｓ3 で示す５０％の場合に、大気リークが発生したとすると、炉内雰囲気は、直線Ｓ3 Ｄ上をＳ3 からＤへ移動する。途中Ｎ2 ′で燃焼領域に侵入し、Ｎ1 ′で爆ごう領域に入る。更にリークが進み、空気組成に近づくと、Ｎ1 で爆ごう領域から退出し、Ｎ2 で燃焼領域から出る。即ち、炉内雰囲気が水素５０％の混合ガスの場合は大気リークにより爆ごうを避けられない。
【００４１】
これに対し、辺ＢＣ上の大気組成Ｄから３成分系混合ガスの爆ごうに対する希釈限界Ｋ1 に至る直線が辺ＣＡと交差する交点をＳ1 とし、引上げ炉内を満たすＡｒと水素の混合ガス中の水素ガス濃度がこのＳ1 の場合に大気リークが発生したとすると、炉内雰囲気は、直線Ｓ1 Ｄ上をＳ1 からＤへ移動することになる。このとき、燃焼領域は通過するが、爆ごう領域は希釈限界Ｋ1 をかすめるだけとなる。したがって、炉内の混合ガスにおける水素ガス濃度がこのＳ1 未満であれば、仮に大気リークが生じても爆ごうに至ることはない。
【００４２】
この交点Ｓ1 で表される水素ガス濃度の上限値は３０％以上であり、従来考えられている３％より格段に高い。
【００４３】
かくして、本発明の水素ガス供給方法によれば、設備破壊の危険がある爆ごうを回避しつつ、３％を超える高濃度の水素ガス混合が可能になり、これにより、操業の自由度を高めると共に、欠陥抑制などの水素混合による効果を十分に発揮させることが可能になる。
【００４４】
また、辺ＢＣ上の大気組成Ｄから３成分系混合ガスの燃焼に対する希釈限界Ｋ2 に至る直線が辺ＣＡと交差する交点をＳ2 とし、炉内の混合ガスにおける水素ガス濃度をこのＳ2 未満とすれば、燃焼さえも防止することができる。ちなみに、交点Ｓ2 で表される水素ガス濃度の上限値は１０％である。
【００４５】
実操業上、比較的好ましい水素ガス濃度は、Ｓ2 未満、Ｓ1 以上の範囲内である。この範囲内であれば、相当に高い水素ガス濃度を維持しつつ、大気リークによる事故の危険性を、燃焼のみに抑制することができる。燃焼の場合、炉内は大気圧を超えることはなく、ルツボ破壊を始めとする設備破壊に至る危険がないことは前述したとおりである。
【００４６】
水素ガス濃度がＳ2 からＳ1 までのＳ点で操業を行う場合について更に詳しく説明する。この操業で大気リークが発生した場合、炉内雰囲気は、直線ＳＤ上をＳ点からＤ点へ移動することになり、途中Ｓ0 点より燃焼領域に入る。Ｓ0 点を通る直線ＣＡに平行な直線が直線ＢＣと交差する点をＯ0 とすると、Ｏ0 点はＳ0 点における酸素濃度を表す。即ち、操業中に大気リークが発生すると、炉内雰囲気ガス中の酸素ガス濃度は辺ＢＣ上をＣ点からＢ点へ移動し、途中Ｏ0 点より燃焼領域に入る。このため、操業中に雰囲気ガス中の酸素濃度を測定し、その酸素濃度測定値の上昇を検知すれば大気リークを検知でき、酸素濃度測定値がＯ0 点で表される酸素濃度に到達する前に警報を発するようにすれば、燃焼が始まる前に大気リークを検知できる。
【００４７】
この場合、実際の操業では大気リーク時の対処時間などを考慮することが重要である。この観点から、実操業上は、Ｏ0 点で表される酸素濃度に安全率として０．１〜０．２５を乗じた値の酸素濃度が検知されたときに警報を出すことが望まれる。安全率が０．１未満の場合は感度が上がり過ぎ、誤検出が問題になる。０．２５を超える場合は大気リークに対する対処時間が不足すると共に、酸素センサーの測定誤差による誤動作が問題になる。
【００４８】
なお、図２に示した三角線図は便宜上、常温、大気圧下のものであるが、減圧された操業炉内では燃焼、爆ごうは抑制される傾向となるので、図２に示した三角線図中で爆ごう、燃焼を回避できれば、炉内の高温雰囲気を考慮しても、実操業での爆ごう、燃焼を回避できる。炉内操業条件を考慮した三角線図の使用が可能なことは言うまでもない。
【００４９】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の水素ガス供給方法は、水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、水素ガス濃度を大気リークによる爆ごうを回避できる限界値以下に抑制することにより、安全を維持しつつ、その濃度を従来より高濃度にできる。これにより、操業の自由度を広げ、且つ、水素の混合による欠陥抑制等の効果を飛躍的に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＺ引上げ炉の概略構成図である。
【図２】水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の三角線図である。
【符号の説明】
１ メインチャンバ
２ プルチャンバ
３ ルツボ
４ 支持軸
６ ヒータ
８ ワイヤ
１０ 原料融液
１１ 種結晶
１２ 単結晶
１３ ガス供給口
１４ ガス排出口
１５ 酸素センサー
【発明の属する技術分野】
本発明は、水素をドープしたシリコン単結晶を育成する際の水素ガス供給方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
シリコンウェーハの素材であるシリコン単結晶の製造方法として代表的なものは、ＣＺ法と呼ばれる回転引上げ法である。ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造では、周知のとおり、石英ルツボ内に形成したシリコン融液に種結晶を浸漬し、ルツボ及び種結晶を回転させながら種結晶を引上げることにより、種結晶の下方にシリコン単結晶を育成する。
【０００３】
このようなＣＺ引上げにおける炉内雰囲気としては、従来より不活性ガス（主にＡｒガス）が使用されてきた。これは、シリコン融液、炉部材及び結晶との種々の化学反応を抑制し、副生成物として発生する不純物の混入を回避するためである。更に、多量にガス供給を行うことで生じる炉内のガス流れを利用して、金属汚染を回避することもでき、引上げ結晶の高品質化を実現できる。
【０００４】
この炉内雰囲気に関し、最近になって、微量の水素ガスを混合することの有効性が報告され始めた（例えば特許文献１〜特許文献４）。この技術によると、結晶中に導入されたGrown-in欠陥、特に空孔欠陥に水素が作用することにより、シリコン融液への窒素ドープと同様に空孔欠陥の縮小や消滅が可能になるとされている。
【０００５】
【特許文献１】
特開昭６１−１７８４９５号公報
【０００６】
【特許文献２】
特開平１１−１８９４９５号公報
【０００７】
【特許文献３】
特開２０００−２８１４９１号公報
【０００８】
【特許文献４】
特開２００１−３３５３９６号公報
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
このようなＣＺ引上げにおける水素ドープ技術では、混合ガス中における水素ガス濃度は、これまでは爆発危険防止等の観点から、最高で３ｖｏｌ％に制限されている。ちなみに、空気中の水素ガスの燃焼下限は４ｖｏｌ％である。
【００１０】
しかしながら、このような制限下では、水素ガス混合の際の許容濃度範囲が狭く、操業での作業性が悪い。加えて、本発明者らによる実験にれば、３ｖｏｌ％以下の水素ガス濃度の場合、顕著な水素の効果が得られないことが確認されている。
【００１１】
本発明の目的は、安全性を確保しつつ高濃度の水素ガス混合を可能にする水素ガス供給方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するめに、本発明者らは水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際の爆発危険性について詳細に検討した。その結果、以下の結論に到達した。
【００１３】
引上げ炉内に供給する不活性ガスに水素ガスを混合すること自体は、危険でない。混合ガス中の水素ガス濃度が５０％に達しても、不活性ガスと水素ガスのみならば、爆発の危険はない。危険なのは、引上げ炉では大気リークの危険があることである。即ち、引上げ炉内は操業中、所定の真空度に維持される。このため、炉内への大気リークの危険がつきまとう。大気リークが起きると、炉内に空気が侵入し、これによる酸素の侵入により、爆発が生じるのである。
【００１４】
より詳しく説明すると、大気リークが発生すると、炉内の雰囲気が大気に徐々に近づいていく。この過程の途中で爆発が生じるわけで、大気リークの発生と同時に爆発が起きるわけではない。つまり、水素ガスの初期濃度が高いことは、直ちに爆発の危険を意味するわけではない。ここに、水素ガス濃度を上げ得る第１の余地がある。
【００１５】
また、爆発は単なる燃焼と、より激しい燃焼である爆ごうとに分類される。爆ごうでは雰囲気ガスが急激に大きく膨脹するが、燃焼ではその膨脹度は数倍以下と小さい。本発明者らによる計算によると、ＣＺ引上げでは、炉内は所定の真空度に減圧されているため、炉内で燃焼が起きてもその炉内圧力は大気圧を超えない。このため、引上げ炉内のルツボが破壊されるような設備破損事故には至らない。しかし、爆ごうが起きると炉内圧力は大気圧を超え、設備破壊といった大事故を招く。このため、爆ごうを回避することは不可欠であるが、燃焼までも回避する必要はない。ここに、水素ガス濃度を上げ得る第２の余地がある。
【００１６】
本発明は、かかる着想を基礎にして完成されたものであり、本発明のシリコン単結晶育成における水素ガス供給方法は、水素を含む不活性雰囲気として減圧された単結晶引上げ炉内でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、前記単結晶引上げ炉内における水素ガス濃度を４体積％以上、下記のＳ１ 点で表される濃度未満として前記単結晶引上げ炉への大気リーク時の危険を防止することを特徴とする。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の三角線図において、
水素ガスと酸素ガスの体積比を示す辺ＡＢ上での爆ごう範囲をＬ１ 〜 Ｌ１′ とし、酸素ガスと不活性ガスの体積比を示す辺ＢＣ上での空気に対応する組成比を空気組成Ｄとするとき、この空気組成Ｄと頂点Ａを結ぶ直線ＤＡ上での爆ごう範囲をＭ１ 〜Ｍ１′ とし、直線Ｌ１Ｍ１と直線Ｌ１′Ｍ１′が交差する交点を爆ごうに対する混合ガスの希釈限界Ｋ１ とし、また、Ｍ １ は爆ごう下限値であって１８．３％とし、Ｍ １ ′は爆ごう上限値であって２７％とするとともに、前記空気組成Ｄから前記希釈限界Ｋ１ へ向かう直線が、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡと交差する点Ｓ１ で表される水素ガス濃度。
本発明のシリコン単結晶育成における水素ガス供給方法は、前記水素ガス濃度を下記のＳ２ 点で表される水素ガス濃度以上とすることができる。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の前記三角線図において、
水素ガスと酸素ガスの体積比を示す辺ＡＢ上での燃焼範囲をＬ２ 〜 Ｌ２′ とし、前記空気組成Ｄと頂点Ａを結ぶ直線ＤＡ上での燃焼範囲をＭ２ 〜Ｍ２′ とするとき、直線Ｌ２ Ｍ２ と直線Ｌ２′ Ｍ２′ が交差する交点を燃焼に対する混合ガスの希釈限界をＫ２ とし、また、Ｍ ２ は燃焼下限値であって４％とし、Ｍ ２ ′は燃焼上限値であって７５％とするとともに、前記空気組成Ｄから前記希釈限界Ｋ２ へ向かう直線が、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡと交差する点Ｓ２ で表される水素ガス濃度。
本発明は、前記水素ガス濃度範囲の所定の値とされる操業点Ｓで単結晶引上げ操業中において、
雰囲気ガス中の酸素濃度の上昇を検知し、その酸素濃度が下記のＳ０ 点における酸素ガス濃度に至るまでに警報を発することができる。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の前記三角線図において、
前記空気組成Ｄと、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡ上での前記操業点Ｓとを結ぶ直線ＤＳが、燃焼領域の上限を表す直線Ｌ２′ Ｋ２ と交差する点Ｓ０ における酸素ガス濃度。
本発明は、前記雰囲気ガス中の酸素濃度が、前記Ｓ０ 点における酸素ガス濃度Ｏ０ の０．１〜０．２５倍に達したときに警報を発することが可能である。
本発明は、前記水素ガス濃度を下記のＳ２ 点で表される水素ガス濃度未満とすることができる。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の前記三角線図において、
水素ガスと酸素ガスの体積比を示す辺ＡＢ上での燃焼範囲をＬ２ 〜 Ｌ２′ とし、前記空気組成Ｄと頂点Ａを結ぶ直線ＤＡ上での燃焼範囲をＭ２ 〜Ｍ２′ とするとき、直線Ｌ２ Ｍ２ と直線Ｌ２′ Ｍ２′ が交差する交点を燃焼に対する混合ガスの希釈限界をＫ２ とし、また、Ｍ ２ は燃焼下限値であって４％とし、Ｍ ２ ′は燃焼上限値であって７５％とするとともに、前記空気組成Ｄから前記希釈限界Ｋ２ へ向かう直線が、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡと交差する点Ｓ２ で表される水素ガス濃度。
本発明のシリコン単結晶育成における水素ガス供給方法は、水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、単結晶引上げ炉内に水素ガスを下記のＳ１ 点で表される水素ガス濃度未満で供給することを特徴とする。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の三角線図において、爆ごうに対する混合ガスの希釈限界をＫ１ とし、酸素ガスと不活性ガスの体積比を示す辺ＢＣ上での空気組成をＤとするとき、ＤからＫ１ へ向かう直線が、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡと交差する点Ｓ１ で表される水素ガス濃度。
【００１７】
本発明の水素ガス供給方法においては、爆ごうに対する混合ガスの希釈限界Ｋ1 は、例えば下記の交点で表すことができる。
記
水素ガスと酸素ガスの体積比を示す辺ＡＢ上での爆ごう範囲をＬ1 〜Ｌ1 ′、酸素ガスと不活性ガスの体積比を示す辺ＢＣ上での空気組成Ｄと頂点Ａを結ぶ直線ＤＡ上での爆ごう範囲をＭ1 〜Ｍ1 ′とするとき、直線Ｌ1 Ｍ1 と直線Ｌ1 ′Ｍ1 ′が交差する交点。
【００１８】
本発明の水素ガス供給方法では、辺ＣＡ上のＳ1 点を第１の臨界点として、これ未満の水素濃度範囲で操業が行われるが、より厳密には、下記する辺ＣＡ上のＳ2 点を第２の臨界点として、これ以上の水素濃度範囲、即ちＳ1 〜Ｓ2 で行う操業と、これ未満の水素濃度範囲、即ちＳ2 〜で行う操業とに分類される。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の三角線図において、燃焼に対する混合ガスの希釈限界をＫ2 とし、酸素ガスと不活性ガスの体積比を示す辺ＢＣ上での空気組成をＤとするとき、ＤからＫ2 へ向かう直線が、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡと交差する点Ｓ2 で表される水素ガス濃度。
【００１９】
ここで、燃焼に対する混合ガスの希釈限界Ｋ2 は、例えば下記の交点で表すことができる。
記
水素ガスと酸素ガスの体積比を示す辺ＡＢ上での燃焼範囲をＬ2 〜Ｌ2 ′、酸素ガスと不活性ガスの体積比を示す辺ＢＣ上での空気組成Ｄと頂点Ａを結ぶ直線ＤＡ上での燃焼範囲をＭ2 〜Ｍ2 ′とするとき、直線Ｌ2 Ｍ2 と直線Ｌ2 ′Ｍ2 ′が交差する交点。
【００２０】
後で詳しく説明するが、辺ＣＡ上のＳ1 〜Ｓ2 （Ｓ1 は含まず）における操業では、大気リークが発生した場合、燃焼は生じるが、爆ごうは生じない。Ｓ2 〜（Ｓ2 は含まず）における操業では、大気リークが発生した場合、爆ごうも燃焼も生じない。
【００２１】
前者の操業、即ち操業点Ｓが辺ＣＡ上のＳ1 〜Ｓ2 （Ｓ1 は含まず）に存在する場合、下記のＳ0 点における酸素ガス濃度に至るまでに警報を発することことが好ましい。より具体的には、雰囲気ガス中の酸素濃度が下記の酸素ガス濃度の０．１〜０．２５倍に達した時点で警報を発することが好ましい。これにより、前者の操業で避けられない燃焼の発生を未然に検知することが可能になる。
記
酸素ガスと不活性ガスの体積比を示す辺ＢＣ上での空気組成Ｄと、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡ上での操業点Ｓとを結ぶ直線ＤＳが、燃焼領域の上限を表す直線Ｌ2 ′Ｋ2 と交差する点Ｓ0 における酸素ガス濃度。
【００２２】
水素ガス濃度の下限については、０超であればよく、特に限定しないが、水素混合効果を高める点からは３ｖｏｌ％超が好ましく、５％以上が特に好ましい。ちなみに、Ｓ2 点で表される水素ガス濃度は１０％である。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１はＣＺ引上げ炉の概略構成図、図２は水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の三角線図である。
【００２４】
ＣＺ引上げ炉は、図１に示すように、炉体として、円筒形状のメインチャンバ１と、その上に重ねられた小径のプルチャンバ２とを備えている。
【００２５】
メインチャンバ１内には、ルツボ３が中心部に位置して配置されている。ルツボ３は内側の石英ルツボを外側の黒鉛ルツボで保持した二重構造であり、ペディスタルと呼ばれる支持軸４の上に受け皿５を介して支持されている。支持軸４は、ルツボ３の昇降及び回転のために、メインチャンバ１の下方に配置された駆動機構により、軸方向及び周方向に駆動される。
【００２６】
ルツボ３の外側には環状のヒータ６が配置されており、その更に外側には断熱材７がメインチャンバ１の内面に沿って配置されている。
【００２７】
メインチャンバ１上のプルチャンバ２内には、引上げ軸としてのワイヤ８が垂らされ、メインチャンバ１内に達している。ワイヤ８は、プルチャンバ２の上に設けられた駆動機構９により、巻き上げ及び回転を行う。
【００２８】
操業では、まず、ルツボ３内にシリコンの原料融液１０を形成する。ワイヤ８の下端部に装着した種結晶１１を原料融液１０に漬ける。ルツボ３及びワイヤ８を回転させながら、ワイヤ８を巻き上げることにより、種結晶１１の下方にシリコンの単結晶１２を育成する。
【００２９】
このとき、炉体内を所定の真空度に減圧し、この状態で、炉体内に、不活性ガスとしてのＡｒと水素の混合ガスを上から下に流通させる。このガス流通のために、プルチャンバ２の上部にガス供給口１３が設けられ、メインチャンバ１の下部には、真空排気ポンプに接続されたガス排出口１４が設けられている。
【００３０】
ガス排出口１４に繋がるガス排出管には、排ガス中の酸素濃度を測定する酸素センサー１５が設けられており、その酸素濃度測定値より炉内雰囲気ガス中の酸素ガス濃度が認識され。また、その酸素濃度測定値に応じて警報を発するシステム（図示せず）が構築されている。
【００３１】
本実施形態では、この炉体内に供給する混合ガスの組成、即ち水素ガス濃度が重要である。水素ガスは、炉体外で不活性ガスと混合して炉体内に供給する他、別ルートで炉体内に独立して供給して、炉体内の不活性ガスに混合することもできる。
【００３２】
以下に、炉内雰囲気中の水素ガス濃度の設定方法を、図２に示す三角線図により詳細に説明する。なお、以下の説明で％は特にことわりのない限りｖｏｌ％である。
【００３３】
図２に示す三角線図は、水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとしている３成分系の三角線図である。不活性ガスは、ＣＺ引上げで多用されるＡｒガスとしており、空気中の不活性ガスである窒素ガス、或いはヘリウムガスで代用することもできる。
【００３４】
頂点Ａ，Ｂ，Ｃは水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスがそれぞれ１００％の純成分を表す。辺ＡＢは、水素ガスと酸素ガスの混合物における組成比を表し、数字はこの混合物中の水素ガス濃度である。同様に、辺ＢＣは、酸素ガスとＡｒガスの混合物における組成比を表し、数字はこの混合物中の酸素ガス濃度である。辺ＣＡは、Ａｒガスと水素ガスの混合物における組成比を表し、数字はこの混合物中のＡｒガス濃度である。
【００３５】
空気は基本的に酸素ガスと窒素ガス（不活性ガス）の混合物であるので、その組成は辺ＢＣ上のＤ点で表される。また、直線ＤＡは、空気と水素ガスの混合物における組成比を表しており、空気に水素ガスを混合していくと、酸素ガスと窒素ガス（不活性ガス）は、所定の混合比を維持しつつ、合計含有比を低下させ、最終的に純水素ガスとなる。
【００３６】
水素ガスと酸素ガスの混合物における組成比を表す辺ＡＢ上で、水素ガス濃度を０％（純酸素ガス）から徐々に大きくしていく場合を想定すると、Ｌ２ からＬ２′ までが燃焼範囲となり、そのなかの特にＬ１ からＬ １ ′ までが爆ごう範囲となる。これらの水素濃度限界値は既知であり、燃焼下限値Ｌ２ は４％、燃焼上限値Ｌ２′ は９５．８％、爆ごう下限値Ｌ１ は１８．３％、爆ごう上限値Ｌ２′は５９％である。
【００３７】
同様に、空気と水素ガスの混合物における組成比を表す直線ＤＡ上で、水素ガス濃度を０％（空気のみ）から徐々に大きくしていく場合を想定すると、Ｍ2 からＭ2 ′までが燃焼範囲となり、そのなかの特にＭ1 からＭ1 ′までが爆ごう範囲となる。これらの水素濃度限界値は実験により正確に求めることができ、燃焼下限値Ｍ2 は４％、燃焼上限値Ｍ2 ′は７５％、爆ごう下限値Ｍ1 は１８．３％、爆ごう上限値Ｍ2 ′は２７％程度である。
【００３８】
ここで、直線Ｌ2 Ｍ2 と直線Ｌ2 ′Ｍ2 ′は先で交わり、その交点Ｋ2 は３成分系での混合ガスの燃焼に対する希釈限界となる。また、直線Ｌ1 Ｍ1 と直線Ｌ1 ′Ｍ1 ′は先で交わり、その交点Ｋ1 は３成分系での混合ガスの爆ごうに対する希釈限界となる。そして、三角形Ｌ2 Ｋ2 Ｌ2 ′の内側が当該３成分系混合ガスにおける燃焼領域となり、更にその内側に形成される三角形Ｌ1 Ｋ1 Ｌ1 ′の内側が当該３成分系混合ガスにおける爆ごう領域となる。
【００３９】
Ａｒガスと水素ガスの混合物における組成比を表す辺ＣＡは、ＣＺ引上げ炉に供給するＡｒと水素の混合ガスの組成比に対応する。この辺ＣＡは、三角形Ｌ1 Ｋ1 Ｌ1 ′で表される爆ごう領域にも、三角形Ｌ2 Ｋ2 Ｌ2 ′で表される燃焼領域にも入らないので、Ａｒと水素の混合ガスは、それ自体は爆発の危険性がない。しかし、大気リークにより空気が減圧下の炉内に侵入すると、混合ガス中の水素ガス濃度によっては爆発の危険性が生じる。
【００４０】
具体的に説明すると、今、引上げ炉内を満たすＡｒと水素の混合ガス中の水素ガス濃度が、Ｓ3 で示す５０％の場合に、大気リークが発生したとすると、炉内雰囲気は、直線Ｓ3 Ｄ上をＳ3 からＤへ移動する。途中Ｎ2 ′で燃焼領域に侵入し、Ｎ1 ′で爆ごう領域に入る。更にリークが進み、空気組成に近づくと、Ｎ1 で爆ごう領域から退出し、Ｎ2 で燃焼領域から出る。即ち、炉内雰囲気が水素５０％の混合ガスの場合は大気リークにより爆ごうを避けられない。
【００４１】
これに対し、辺ＢＣ上の大気組成Ｄから３成分系混合ガスの爆ごうに対する希釈限界Ｋ1 に至る直線が辺ＣＡと交差する交点をＳ1 とし、引上げ炉内を満たすＡｒと水素の混合ガス中の水素ガス濃度がこのＳ1 の場合に大気リークが発生したとすると、炉内雰囲気は、直線Ｓ1 Ｄ上をＳ1 からＤへ移動することになる。このとき、燃焼領域は通過するが、爆ごう領域は希釈限界Ｋ1 をかすめるだけとなる。したがって、炉内の混合ガスにおける水素ガス濃度がこのＳ1 未満であれば、仮に大気リークが生じても爆ごうに至ることはない。
【００４２】
この交点Ｓ1 で表される水素ガス濃度の上限値は３０％以上であり、従来考えられている３％より格段に高い。
【００４３】
かくして、本発明の水素ガス供給方法によれば、設備破壊の危険がある爆ごうを回避しつつ、３％を超える高濃度の水素ガス混合が可能になり、これにより、操業の自由度を高めると共に、欠陥抑制などの水素混合による効果を十分に発揮させることが可能になる。
【００４４】
また、辺ＢＣ上の大気組成Ｄから３成分系混合ガスの燃焼に対する希釈限界Ｋ2 に至る直線が辺ＣＡと交差する交点をＳ2 とし、炉内の混合ガスにおける水素ガス濃度をこのＳ2 未満とすれば、燃焼さえも防止することができる。ちなみに、交点Ｓ2 で表される水素ガス濃度の上限値は１０％である。
【００４５】
実操業上、比較的好ましい水素ガス濃度は、Ｓ2 未満、Ｓ1 以上の範囲内である。この範囲内であれば、相当に高い水素ガス濃度を維持しつつ、大気リークによる事故の危険性を、燃焼のみに抑制することができる。燃焼の場合、炉内は大気圧を超えることはなく、ルツボ破壊を始めとする設備破壊に至る危険がないことは前述したとおりである。
【００４６】
水素ガス濃度がＳ2 からＳ1 までのＳ点で操業を行う場合について更に詳しく説明する。この操業で大気リークが発生した場合、炉内雰囲気は、直線ＳＤ上をＳ点からＤ点へ移動することになり、途中Ｓ0 点より燃焼領域に入る。Ｓ0 点を通る直線ＣＡに平行な直線が直線ＢＣと交差する点をＯ0 とすると、Ｏ0 点はＳ0 点における酸素濃度を表す。即ち、操業中に大気リークが発生すると、炉内雰囲気ガス中の酸素ガス濃度は辺ＢＣ上をＣ点からＢ点へ移動し、途中Ｏ0 点より燃焼領域に入る。このため、操業中に雰囲気ガス中の酸素濃度を測定し、その酸素濃度測定値の上昇を検知すれば大気リークを検知でき、酸素濃度測定値がＯ0 点で表される酸素濃度に到達する前に警報を発するようにすれば、燃焼が始まる前に大気リークを検知できる。
【００４７】
この場合、実際の操業では大気リーク時の対処時間などを考慮することが重要である。この観点から、実操業上は、Ｏ0 点で表される酸素濃度に安全率として０．１〜０．２５を乗じた値の酸素濃度が検知されたときに警報を出すことが望まれる。安全率が０．１未満の場合は感度が上がり過ぎ、誤検出が問題になる。０．２５を超える場合は大気リークに対する対処時間が不足すると共に、酸素センサーの測定誤差による誤動作が問題になる。
【００４８】
なお、図２に示した三角線図は便宜上、常温、大気圧下のものであるが、減圧された操業炉内では燃焼、爆ごうは抑制される傾向となるので、図２に示した三角線図中で爆ごう、燃焼を回避できれば、炉内の高温雰囲気を考慮しても、実操業での爆ごう、燃焼を回避できる。炉内操業条件を考慮した三角線図の使用が可能なことは言うまでもない。
【００４９】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の水素ガス供給方法は、水素を含む不活性雰囲気中でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、水素ガス濃度を大気リークによる爆ごうを回避できる限界値以下に抑制することにより、安全を維持しつつ、その濃度を従来より高濃度にできる。これにより、操業の自由度を広げ、且つ、水素の混合による欠陥抑制等の効果を飛躍的に高めることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】ＣＺ引上げ炉の概略構成図である。
【図２】水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の三角線図である。
【符号の説明】
１ メインチャンバ
２ プルチャンバ
３ ルツボ
４ 支持軸
６ ヒータ
８ ワイヤ
１０ 原料融液
１１ 種結晶
１２ 単結晶
１３ ガス供給口
１４ ガス排出口
１５ 酸素センサー
Claims (5)
- 水素を含む不活性雰囲気として減圧された単結晶引上げ炉内でＣＺ法によりシリコン単結晶を育成する際に、前記単結晶引上げ炉内における水素ガス濃度を４体積％以上、下記のＳ１ 点で表される濃度未満として前記単結晶引上げ炉への大気リーク時の危険を防止することを特徴とするシリコン単結晶育成における水素ガス供給方法。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の三角線図において、
水素ガスと酸素ガスの体積比を示す辺ＡＢ上での爆ごう範囲をＬ１ 〜 Ｌ１′ とし、酸素ガスと不活性ガスの体積比を示す辺ＢＣ上での空気に対応する組成比を空気組成Ｄとするとき、この空気組成Ｄと頂点Ａを結ぶ直線ＤＡ上での爆ごう範囲をＭ１ 〜Ｍ１′ とし、直線Ｌ１Ｍ１と直線Ｌ１′Ｍ１′が交差する交点を爆ごうに対する混合ガスの希釈限界Ｋ１ とし、また、Ｍ １ は爆ごう下限値であって１８．３％とし、Ｍ １ ′は爆ごう上限値であって２７％とするとともに、前記空気組成Ｄから前記希釈限界Ｋ１ へ向かう直線が、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡと交差する点Ｓ１ で表される水素ガス濃度。 - 前記水素ガス濃度を下記のＳ２ 点で表される水素ガス濃度以上とすることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶育成における水素ガス供給方法。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の前記三角線図において、
水素ガスと酸素ガスの体積比を示す辺ＡＢ上での燃焼範囲をＬ２ 〜 Ｌ２′とし、前記空気組成Ｄと頂点Ａを結ぶ直線ＤＡ上での燃焼範囲をＭ２ 〜Ｍ２′ とするとき、直線Ｌ２ Ｍ２ と直線Ｌ２′ Ｍ２′が交差する交点を燃焼に対する混合ガスの希釈限界をＫ２ とし、また、Ｍ ２ は燃焼下限値であって４％とし、Ｍ ２ ′は燃焼上限値であって７５％とするとともに、前記空気組成Ｄから前記希釈限界Ｋ２ へ向かう直線が、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡと交差する点Ｓ２ で表される水素ガス濃度。 - 前記水素ガス濃度の所定の値とされる操業点Ｓで単結晶引上げ操業中において、
雰囲気ガス中の酸素濃度の上昇を検知し、その酸素濃度が下記のＳ０ 点における酸素ガス濃度に至るまでに警報を発することを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン単結晶育成における水素ガス供給方法。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の前記三角線図において、
前記空気組成Ｄと、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡ上での前記操業点Ｓとを結ぶ直線ＤＳが、燃焼領域の上限を表す直線Ｌ２′ Ｋ２ と交差する点Ｓ０ における酸素ガス濃度。 - 前記雰囲気ガス中の酸素濃度が、前記Ｓ０ 点における酸素ガス濃度Ｏ０ の０．１〜０．２５倍に達したときに警報を発することを特徴とする請求項３に記載のシリコン単結晶育成における水素ガス供給方法。
- 前記水素ガス濃度を下記のＳ２ 点で表される水素ガス濃度未満とすることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶育成における水素ガス供給方法。
記
水素ガス、酸素ガス及び不活性ガスを頂点Ａ，Ｂ，Ｃとする３成分系の前記三角線図において、
水素ガスと酸素ガスの体積比を示す辺ＡＢ上での燃焼範囲をＬ２ 〜 Ｌ２′ とし、前記空気組成Ｄと頂点Ａを結ぶ直線ＤＡ上での燃焼範囲をＭ２ 〜Ｍ２′ とするとき、直線Ｌ２ Ｍ２ と直線Ｌ２′ Ｍ２′ が交差する交点を燃焼に対する混合ガスの希釈限界をＫ２ とし、また、Ｍ ２ は燃焼下限値であって４％とし、Ｍ ２ ′は燃焼上限値であって７５％とするとともに、前記空気組成Ｄから前記希釈限界Ｋ２ へ向かう直線が、不活性ガスと水素ガスの体積比を示す辺ＣＡと交差する点Ｓ２ で表される水素ガス濃度。
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