JP5040846B2 - Silicon single crystal growth method and temperature estimation method - Google Patents

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Description

本発明は、シリコン単結晶の育成方法および温度推定方法に関するものである。   The present invention relates to a silicon single crystal growth method and a temperature estimation method.

チョクラルスキー法にてシリコン単結晶を育成する場合に、熱的環境、すなわち種々の部位の温度条件が製品品質に大きく影響する。しかし、シリコン融液の内部温度分布や引上げ途中のシリコンインゴッドの内部温度分布など、温度測定が不可能な部位がある。このため、総合伝熱解析プログラムを用いて測定不可能な部位を含む種々の部位の温度を推定し、これを育成条件にフィードバックすることが提案されている(特許文献1)。 When a silicon single crystal is grown by the Czochralski method, the thermal environment, that is, the temperature conditions of various parts greatly affects the product quality. However, there are sites where temperature measurement is impossible, such as the internal temperature distribution of the silicon melt and the internal temperature distribution of the silicon ingot being pulled up. For this reason, it has been proposed to estimate the temperature of various parts including a part that cannot be measured using a comprehensive heat transfer analysis program and to feed it back to the growth conditions (Patent Document 1).

なお、総合伝熱解析プログラムとしては、UCL(University of Catholic Louvain)にて開発された総合伝熱解析プログラムFEMAG(参照文献:Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 33 (1990) 1849)や、MIT (Massachusetts Institute of Technology) にて開発されたITCM(参照文献:Int. J. Numerical Methods in Engineering, Vol. 30 (1990) 133)が知られている。 In addition, as a comprehensive heat transfer analysis program, a comprehensive heat transfer analysis program FEMAG (Reference: Int. J. Heat Mass Transfer, Vol. 33 (1990) 1849) developed by UCL (University of Catholic Louvain), ITCM (Reference: Int. J. Numerical Methods in Engineering, Vol. 30 (1990) 133) developed by MIT (Massachusetts Institute of Technology) is known.

特開2001−302385号公報JP 2001-302385 A

しかしながら、従来の温度測定方法では、引上げ装置を構成する各種部材のパラメータとして文献に開示された値を代入してシミュレーションを実行していたため、推定温度が不正確であるという問題があった。 However, the conventional temperature measurement method has a problem that the estimated temperature is inaccurate because the simulation is executed by substituting values disclosed in the literature as parameters of various members constituting the pulling device.

本発明が解決しようとする課題は、推定すべき部位の温度を正確に検出できる温度推定方法および正確な推定温度に基づいて育成できるシリコン単結晶の育成方法を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a temperature estimation method capable of accurately detecting the temperature of a site to be estimated and a silicon single crystal growth method capable of growing based on the accurate estimated temperature.

第1の発明に係るシリコン単結晶の育成方法は、チャンバに収容された坩堝にシリコンを貯留し、当該シリコンを加熱してシリコン融液とし、当該シリコン融液に種結晶を浸漬して回転させながら引き上げることにより、前記種結晶からシリコン単結晶を引き上げて育成する方法であって、整流体の断熱材の熱伝導率の最適値と前記チャンバ内壁の輻射率の最適値とを、前記育成中のシリコン単結晶の実温度を測定することにより求め、前記最適値を総合伝熱解析プログラムに代入し、前記総合伝熱解析プログラムを実行して育成中のシリコン結晶温度を推定し、推定されたシリコン結晶温度に基づいて育成中のシリコン単結晶の冷却条件を制御することを特徴とする。   In the method for growing a silicon single crystal according to the first invention, silicon is stored in a crucible housed in a chamber, the silicon is heated to form a silicon melt, and a seed crystal is immersed in the silicon melt and rotated. The silicon single crystal is pulled up and grown from the seed crystal while pulling up, and the optimum value of the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier and the optimum value of the emissivity of the inner wall of the chamber are being grown. It was obtained by measuring the actual temperature of the silicon single crystal, and the optimum value was substituted into the overall heat transfer analysis program, and the overall heat transfer analysis program was executed to estimate the temperature of the growing silicon crystal. The cooling condition of the growing silicon single crystal is controlled based on the silicon crystal temperature.

第2の発明に係るシリコン単結晶の温度推定方法は、チャンバに収容された坩堝にシリコンを貯留し、当該シリコンを加熱してシリコン融液とし、当該シリコン融液に種結晶を浸漬して回転させながら引き上げることにより、前記種結晶からシリコン単結晶を引き上げて育成するシリコン単結晶育成工程における、前記シリコン単結晶の温度を推定する方法であって、整流体の断熱材の熱伝導率の最適値と前記チャンバ内壁の輻射率の最適値とを前記育成中のシリコン単結晶の実温度を測定することにより求め、前記最適値を総合伝熱解析プログラムに代入し、前記総合伝熱解析プログラムを実行して育成中のシリコン結晶温度を推定することを特徴とする。   In the temperature estimation method for a silicon single crystal according to the second invention, silicon is stored in a crucible housed in a chamber, the silicon is heated to form a silicon melt, and the seed crystal is immersed in the silicon melt and rotated. The temperature of the silicon single crystal is estimated in the silicon single crystal growth step in which the silicon single crystal is pulled up and grown from the seed crystal, and the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier is optimized. Value and the optimum value of the emissivity of the inner wall of the chamber are obtained by measuring the actual temperature of the growing silicon single crystal, and the optimum value is substituted into a comprehensive heat transfer analysis program. It is characterized by estimating the temperature of the silicon crystal during growth.

上記発明によれば、総合伝熱解析プログラムの複数のパラメータのうちシリコン単結晶の推定温度に影響が大きい2つのパラメータ、すなわち整流体の断熱材の熱伝導率とチャンバ内壁の輻射率についてはそれぞれ、育成中のシリコン単結晶の実温度を測定することによりその最適値を求め、この最適値をプログラムに代入するので、推定すべき部位の温度を正確に検出することができ、また正確な推定温度に基づいてシリコン単結晶を育成することができる。   According to the above invention, two parameters having a large influence on the estimated temperature of the silicon single crystal among the plurality of parameters of the comprehensive heat transfer analysis program, namely, the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier and the emissivity of the inner wall of the chamber, respectively. The optimum value is obtained by measuring the actual temperature of the growing silicon single crystal, and this optimum value is substituted into the program, so that the temperature at the site to be estimated can be detected accurately, and accurate estimation is possible. A silicon single crystal can be grown based on the temperature.

以下、上記発明の実施形態を図面に基づいて説明する。   Hereinafter, embodiments of the invention will be described with reference to the drawings.

《基本的方法》
図1は、本実施形態に係るシリコン単結晶の育成方法及びシリコン単結晶の温度推定方法で用いられる引上げ装置1の一例を示す縦断面図である。本例の引上げ装置1は、同図に示すように、メインチャンバ11内に石英製坩堝12が設けられ、この石英製坩堝12は黒鉛製サセプタ13を介して回転自在な下軸14に取り付けられている。
<Basic method>
FIG. 1 is a longitudinal sectional view showing an example of a pulling apparatus 1 used in the silicon single crystal growth method and the silicon single crystal temperature estimation method according to this embodiment. As shown in the figure, the pulling apparatus 1 of this example is provided with a quartz crucible 12 in a main chamber 11, and this quartz crucible 12 is attached to a rotatable lower shaft 14 via a graphite susceptor 13. ing.

石英製坩堝12の周囲には、石英製坩堝12内のシリコン融液20の温度を制御するための円筒状のヒータ15が配置され、このヒータ15とメインチャンバ11との間には円筒状の保温筒16が設けられている。   A cylindrical heater 15 for controlling the temperature of the silicon melt 20 in the quartz crucible 12 is disposed around the quartz crucible 12, and a cylindrical heater is interposed between the heater 15 and the main chamber 11. A heat insulating cylinder 16 is provided.

保温筒16は、石英製坩堝12の周囲(ホットゾーン)に配置される保温筒16aと、石英製坩堝12の下部(ホットゾーンの下部)に配置される保温筒16bとを有し、断熱材の表面を黒鉛でコーティングしたものである。   The heat insulation cylinder 16 includes a heat insulation cylinder 16a disposed around the quartz crucible 12 (hot zone) and a heat insulation cylinder 16b disposed below the quartz crucible 12 (lower part of the hot zone). The surface of is coated with graphite.

保温筒16の上面には環状の支持部材17が取り付けられ、この支持部材17に整流体18の係止部18aを載せることにより整流体18がチャンバ11内に固定される。整流体18は断熱材の表面を黒鉛でコーティングしたものである。   An annular support member 17 is attached to the upper surface of the heat insulating cylinder 16, and the rectifying body 18 is fixed in the chamber 11 by placing a locking portion 18 a of the rectifying body 18 on the support member 17. The rectifier 18 has a heat insulating material coated with graphite.

なお、符号19は育成中の単結晶を冷却するためのプルチャンバ、符号20はシリコン融液、符号21は育成中のシリコン単結晶、符号22は種結晶、符号23は引上げ軸である。引上げ軸23は、プルチャンバ19を通してメインチャンバ11に対し回転可能及び昇降可能に設けられ、引上げ軸23の下端に装着された種結晶22をシリコン融液20に浸漬したのち、種結晶22及び石英製坩堝12をそれぞれ所定方向に回転させかつ上昇させることにより、種結晶22の下端からシリコン単結晶21が引き上げられることになる。   Reference numeral 19 denotes a pull chamber for cooling the growing single crystal, reference numeral 20 denotes a silicon melt, reference numeral 21 denotes a growing silicon single crystal, reference numeral 22 denotes a seed crystal, and reference numeral 23 denotes a pulling shaft. The pulling shaft 23 is provided so as to be rotatable and movable up and down with respect to the main chamber 11 through the pull chamber 19, and after immersing the seed crystal 22 attached to the lower end of the pulling shaft 23 in the silicon melt 20, the seed crystal 22 and the quartz product are made. By rotating and raising the crucible 12 in a predetermined direction, the silicon single crystal 21 is pulled up from the lower end of the seed crystal 22.

メインチャンバ11内にはアルゴンガス等の不活性ガスが流通し、この不活性ガスはプルチャンバ19の側壁に接続されたガス供給パイプ24からプルチャンバ19内に導入され、メインチャンバ11の下壁に接続されたガス排出パイプ25からメインチャンバ11外に排出される。このとき、メインチャンバ11内のシリコン単結晶21の外周に設けられた整流体18により、ヒータ15の福射熱の照射が遮られるとともに、上述した不活性ガスが整流される。   An inert gas such as argon gas circulates in the main chamber 11, and this inert gas is introduced into the pull chamber 19 from the gas supply pipe 24 connected to the side wall of the pull chamber 19 and connected to the lower wall of the main chamber 11. The gas exhaust pipe 25 is discharged out of the main chamber 11. At this time, the rectifier 18 provided on the outer periphery of the silicon single crystal 21 in the main chamber 11 blocks the irradiation of the radiant heat of the heater 15 and rectifies the inert gas described above.

なお、シリコン融液20に磁場を印加しながらシリコン単結晶21を引上げる
ように構成することもできる。
The silicon single crystal 21 may be pulled up while applying a magnetic field to the silicon melt 20.

以上のように構成された引上げ装置1を用いてシリコン単結晶を引上げて育成する場合に、既述したUCLの総合伝熱解析プログラムFEMAGや、MITの総合伝熱解析プログラムITCMを用いてシリコン単結晶の温度を推定し、これを引上げ条件にフィードバックする。   When a silicon single crystal is pulled and grown using the pulling apparatus 1 configured as described above, the silicon single crystal is grown using the UCL comprehensive heat transfer analysis program FEMAG or the MIT comprehensive heat transfer analysis program ITCM. Estimate the temperature of the crystal and feed it back to the pulling condition.

ここで、従来、総合伝熱解析プログラムのチューニングパラメータとして使用されている引上げ装置1の熱的物性の文献値は表1及び表2のとおりである。   Here, the literature values of the thermal properties of the pulling device 1 conventionally used as tuning parameters of the comprehensive heat transfer analysis program are as shown in Tables 1 and 2.

Figure 0005040846
Figure 0005040846

Figure 0005040846
これらの熱伝導率と輻射率の文献値を総合伝熱解析プログラムに代入し、育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度勾配等の変化率を演算した。
Figure 0005040846
The literature values of these thermal conductivity and emissivity were substituted into the comprehensive heat transfer analysis program, and the rate of change such as temperature gradient on the central axis of the growing silicon single crystal was calculated.

図2は、表2に示す各物性の輻射率を下限値から上限値の範囲にある一定値に維持するとともに、表1に示す各物性の熱伝導率の一つを下限値から上限値まで変化させ、残りの物性の熱伝導率は下限値から上限値の範囲にある一定値に維持したときの、結晶温度が1100℃近傍の育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度勾配(1423K〜1323K)の変化率を演算した結果である。   FIG. 2 maintains the radiation rate of each physical property shown in Table 2 at a constant value in the range from the lower limit value to the upper limit value, and changes one of the thermal conductivities of each physical property shown in Table 1 from the lower limit value to the upper limit value. The temperature gradient (1423K) on the central axis of the growing silicon single crystal when the crystal temperature is around 1100 ° C. when the thermal conductivity of the remaining physical properties is maintained at a constant value in the range from the lower limit value to the upper limit value. It is the result of calculating the change rate of ˜1323K).

たとえば、シリコン(固体)の熱伝導率以外の熱伝導率の値は表1に示す文献値の範囲内の一定の値を代入し、同様に輻射率の値は表2に示す文献値の範囲内の一定値を代入する。そして、シリコン(固体)の熱伝導率を下限値である18.99W/mKから上限値である27.2W/mKまでの範囲の値を所定間隔で代入してプログラムを実行し、1100℃の近傍における育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度の推定値を求める。求められた推定値の一点を変化率算出の基準値とし、残りの推定値の変化率を求める。   For example, a value of thermal conductivity other than the thermal conductivity of silicon (solid) is substituted with a constant value within the range of the literature values shown in Table 1, and similarly, the value of emissivity is the range of the literature values shown in Table 2. Substitute a constant value. And the program is executed by substituting the value of the thermal conductivity of silicon (solid) from the lower limit value of 18.99 W / mK to the upper limit value of 27.2 W / mK at predetermined intervals, Estimate the temperature on the central axis of the growing silicon single crystal in the vicinity. One point of the obtained estimated value is used as a reference value for calculating the rate of change, and the rate of change of the remaining estimated value is obtained.

このようにして求められた図2の結果によれば、整流体18の断熱材の熱伝導率の値が、1100℃近傍における育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度の推定値に強く影響し、続いてシリコン(固体)21の熱伝導率の値が影響する。その他のシリコン(液体)20、石英製坩堝12、黒鉛製サセプタ13、保温筒16a,16bの断熱材の各熱伝導率の値は、下限値から上限値まで変動したとしても、育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度の推定値には大きく影響しないことが判る。   According to the result of FIG. 2 obtained in this way, the value of the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier 18 is strong against the estimated value of the temperature on the central axis of the growing silicon single crystal in the vicinity of 1100 ° C. In turn, the value of the thermal conductivity of the silicon (solid) 21 affects. Even if the thermal conductivity values of the other silicon (liquid) 20, the quartz crucible 12, the graphite susceptor 13, and the heat insulating cylinders 16a and 16b vary from the lower limit value to the upper limit value, the silicon being grown It can be seen that the estimated value of the temperature on the central axis of the single crystal has no significant effect.

同様に、図3は、表1に示す各物性の熱伝導率を下限値から上限値の範囲にある一定値に維持するとともに、表2に示す各物性の輻射率の一つを下限値から上限値まで変化させ、残りの物性の輻射率は下限値から上限値の範囲にある一定値に維持したときの、結晶温度が1100℃近傍における育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度勾配(1423K〜1323K)の変化率を演算した結果である。   Similarly, FIG. 3 shows that the thermal conductivity of each physical property shown in Table 1 is maintained at a constant value in the range from the lower limit value to the upper limit value, and one of the emissivity of each physical property shown in Table 2 is changed from the lower limit value. The temperature gradient on the central axis of the growing silicon single crystal when the crystal temperature is around 1100 ° C. when the emissivity of the remaining physical properties is changed to the upper limit value and maintained at a constant value in the range of the lower limit value to the upper limit value It is the result of calculating the change rate of (1423K to 1323K).

図3に示す結果によれば、チャンバ11の内壁の輻射率の値が、1100℃における育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度の推定値に最も影響し、続いてシリコン(固体)21の輻射率の値が影響する。その他のシリコン(液体)20、石英製坩堝12、黒鉛製サセプタ13、保温筒16a,16bや整流体18の断熱材の各輻射率は、育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度の推定値には大きく影響しないことが判る。   According to the result shown in FIG. 3, the value of the emissivity of the inner wall of the chamber 11 has the most influence on the estimated value of the temperature on the central axis of the growing silicon single crystal at 1100 ° C., and subsequently the silicon (solid) 21 The value of emissivity is affected. The emissivities of the other silicon (liquid) 20, quartz crucible 12, graphite susceptor 13, heat insulation cylinders 16 a and 16 b and rectifier 18 are estimated from the temperature on the central axis of the growing silicon single crystal. It can be seen that the value is not greatly affected.

図4は、図2の例において結晶温度を900℃近傍とさらに低温領域における熱伝導率の影響、すなわち結晶の温度勾配(1223K〜1123K)の変化率を演算した結果である。結晶温度が900℃の低温領域においても、1100℃近傍と同様に、整流体18の断熱材の熱伝導率の値が育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度の推定値に強く影響し、続いてシリコン(固体)21の熱伝導率の値が影響することが判る。   FIG. 4 is a result of calculating the influence of the thermal conductivity in the example of FIG. 2 in the vicinity of 900 ° C. and the lower temperature region, that is, the change rate of the temperature gradient of the crystal (1223K to 1123K). Even in the low temperature region where the crystal temperature is 900 ° C., similarly to the vicinity of 1100 ° C., the thermal conductivity value of the heat insulating material of the rectifier 18 strongly affects the estimated value of the temperature on the central axis of the growing silicon single crystal. Subsequently, it can be seen that the value of the thermal conductivity of the silicon (solid) 21 is affected.

図5は、図3の例において結晶温度を900℃近傍とさらに低温領域における輻射率の影響、すなわち結晶の温度勾配(1223K〜1123K)の変化率を演算した結果である。結晶温度が900℃の低温領域においても、1100℃近傍と同様に、チャンバ11の内壁の輻射率の値が育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度の推定値に強く影響し、続いてシリコン(固体)21の輻射率の値が影響することが判る。   FIG. 5 is a result of calculating the influence of the radiation rate in the vicinity of 900 ° C. and lower temperature in the example of FIG. 3, that is, the change rate of the temperature gradient (1223K to 1123K) of the crystal. Even in the low temperature region where the crystal temperature is 900 ° C., similarly to the vicinity of 1100 ° C., the value of the emissivity of the inner wall of the chamber 11 strongly affects the estimated value of the temperature on the central axis of the growing silicon single crystal. It can be seen that the emissivity value of the silicon (solid) 21 is affected.

図6は、図2の例において固液界面近傍における熱伝導率の影響、すなわち結晶の温度勾配(シリコン融点1685K〜1650K)の変化率を演算した結果であって、シリコン結晶の中心軸上における影響を演算した結果である。   FIG. 6 shows the result of calculating the influence of the thermal conductivity in the vicinity of the solid-liquid interface in the example of FIG. 2, that is, the rate of change of the temperature gradient of the crystal (silicon melting point: 1685K to 1650K), on the central axis of the silicon crystal. It is the result of calculating the influence.

図6の結果によれば、固液界面近傍・結晶中心軸上においては、シリコン(固体)21の熱伝導率の値が育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度の推定値に最も影響し、続いて整流体18の断熱材の熱伝導率の値が影響する。その他のシリコン(液体)20、石英製坩堝12、黒鉛製サセプタ13、保温筒16a,16bの断熱材の各熱伝導率の値は、下限値から上限値まで変動したとしても、育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度の推定値には大きく影響しないことが判る。   According to the results of FIG. 6, in the vicinity of the solid-liquid interface and on the crystal central axis, the value of the thermal conductivity of silicon (solid) 21 has the most influence on the estimated value of the temperature on the central axis of the growing silicon single crystal. Subsequently, the value of the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier 18 is affected. Even if the thermal conductivity values of the other silicon (liquid) 20, the quartz crucible 12, the graphite susceptor 13, and the heat insulating cylinders 16a and 16b vary from the lower limit value to the upper limit value, the silicon being grown It can be seen that the estimated value of the temperature on the central axis of the single crystal has no significant effect.

図7は、図3の例において固液界面近傍における輻射率の影響、すなわち結晶の温度勾配(シリコン融点1685K〜1650K)の変化率を演算した結果であって、シリコン結晶の中心軸上における影響を演算した結果である。   FIG. 7 is a result of calculating the influence of the emissivity in the vicinity of the solid-liquid interface in the example of FIG. 3, that is, the change rate of the temperature gradient of the crystal (silicon melting point 1685K to 1650K), and the influence on the central axis of the silicon crystal. Is the result of computing.

図7に示す結果によれば、チャンバ11の内壁の輻射率の値が育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度の推定値に影響するが、その他のシリコン(固体)21、シリコン(液体)20、石英製坩堝12、黒鉛製サセプタ13、保温筒16a,16bや整流体18の断熱材の各輻射率は、育成中のシリコン単結晶の中心軸上の温度の推定値には大きく影響しないことが判る。   According to the result shown in FIG. 7, the value of the emissivity of the inner wall of the chamber 11 affects the estimated value of the temperature on the central axis of the growing silicon single crystal, but other silicon (solid) 21, silicon (liquid 20) The respective emissivities of the quartz crucible 12, the graphite susceptor 13, the heat insulating cylinders 16a and 16b, and the heat insulating material of the rectifier 18 greatly affect the estimated value of the temperature on the central axis of the growing silicon single crystal. I understand that I don't.

図8は、図6の例において固液界面近傍における熱伝導率の影響であって、シリコン結晶の側部における結晶の温度勾配(シリコン融点1685K〜1650K)の変化率を演算した結果である。   FIG. 8 shows the influence of the thermal conductivity in the vicinity of the solid-liquid interface in the example of FIG. 6, and is the result of calculating the change rate of the temperature gradient of the crystal (silicon melting point: 1685K to 1650K) at the side of the silicon crystal.

図8の結果によれば、固液界面近傍・結晶側部においては、整流体18の断熱材の熱伝導率の値が育成中のシリコン単結晶の側部の温度の推定値に最も影響し、続いて保温筒16a,16bの熱伝導率の値が影響する。その他のシリコン(固体)21、シリコン(液体)20、石英製坩堝12、黒鉛製サセプタ13の各熱伝導率の値は、下限値から上限値まで変動したとしても、育成中のシリコン単結晶の側部の温度の推定値には大きく影響しないことが判る。   According to the result of FIG. 8, in the vicinity of the solid-liquid interface and the crystal side, the thermal conductivity value of the heat insulating material of the rectifier 18 has the most influence on the estimated temperature of the side of the growing silicon single crystal. Subsequently, the thermal conductivity values of the heat insulating cylinders 16a and 16b are affected. The thermal conductivity values of other silicon (solid) 21, silicon (liquid) 20, quartz crucible 12, and graphite susceptor 13 vary from the lower limit value to the upper limit value. It can be seen that there is no significant effect on the estimated side temperature.

図9は、図3の例において固液界面近傍における輻射率の影響であって、シリコン結晶の側部における結晶の温度勾配(シリコン融点1685K〜1650K)の変化率を演算した結果である。   FIG. 9 shows the influence of the emissivity in the vicinity of the solid-liquid interface in the example of FIG. 3, and is the result of calculating the change rate of the temperature gradient (silicon melting point 1685K to 1650K) of the side of the silicon crystal.

図9に示す結果によれば、チャンバ11の内壁の輻射率の値とシリコン(固体)21の輻射率の値とシリコン(液体)20の輻射率の値が、育成中のシリコン単結晶の側部の温度の推定値に最も影響するが、その他の石英製坩堝12、黒鉛製サセプタ13、保温筒16a,16bや整流体18の断熱材の各輻射率は、育成中のシリコン単結晶の側部の温度の推定値には大きく影響しないことが判る。   According to the results shown in FIG. 9, the value of the emissivity of the inner wall of the chamber 11, the value of the emissivity of silicon (solid) 21 and the value of the emissivity of silicon (liquid) 20 are as follows. The radiation rate of the heat insulating material of the other quartz crucible 12, graphite susceptor 13, thermal insulation cylinders 16a and 16b and rectifier 18 is the side of the growing silicon single crystal. It can be seen that there is no significant effect on the estimated temperature of the part.

以上の結果から、次の事項が知見された。   From the above results, the following matters were found.

図2〜図5の結果から明らかなように、育成中のシリコン単結晶の温度が1100℃〜900℃といった冷却領域においては、シリコン単結晶の中心軸上の温度勾配の変化率は、整流体18の断熱材の熱伝導率の値とチャンバ11の内壁の輻射率の値が強く影響し、次いでシリコン(固体)21の熱伝導率の値とシリコン(固体)21の輻射率の値が有意的に影響する。逆にその他の部材の熱伝導率や輻射率は、表1及び表2に示す一般的な文献値を代入しても温度推定値に及ぼす影響は少ない。   As is apparent from the results of FIGS. 2 to 5, in the cooling region where the temperature of the growing silicon single crystal is 1100 ° C. to 900 ° C., the rate of change of the temperature gradient on the central axis of the silicon single crystal is The heat conductivity value of the heat insulating material 18 and the emissivity value of the inner wall of the chamber 11 are strongly influenced, and then the heat conductivity value of the silicon (solid) 21 and the emissivity value of the silicon (solid) 21 are significant. Influences. Conversely, the thermal conductivity and emissivity of other members have little influence on the estimated temperature value even if the general literature values shown in Tables 1 and 2 are substituted.

したがって、シリコン単結晶を引き上げて育成する際に、総合伝熱解析プログラムで冷却中の結晶温度を推定するにあたっては、整流体18の断熱材の熱伝導率の値とチャンバ11の内壁の輻射率の値をどのような最適値とするかが肝要であり、逆にその他のパラメータは一般的な文献値を用いることができる。   Therefore, when the silicon single crystal is pulled and grown, the thermal conductivity value of the heat insulating material of the rectifier 18 and the emissivity of the inner wall of the chamber 11 are used to estimate the crystal temperature during cooling by the comprehensive heat transfer analysis program. It is important to determine the optimum value of, and conversely, general literature values can be used for other parameters.

そして、育成中のシリコン単結晶の温度を、整流体18の断熱材の熱伝導率の最適値とチャンバ11の内壁の輻射率の最適値とを用いて推定し、当該推定値に基づいてシリコン単結晶の冷却条件を制御すれば、目標とする理想的な温度履歴で育成することができる。   Then, the temperature of the growing silicon single crystal is estimated using the optimum value of the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier 18 and the optimum value of the emissivity of the inner wall of the chamber 11, and silicon based on the estimated value. If the cooling condition of the single crystal is controlled, it can be grown with a target ideal temperature history.

また、図6〜図9の結果から明らかなように、固液界面近傍におけるシリコン単結晶の温度(結晶中心軸上又は側部)は、上述した整流体18の断熱材の熱伝導率の値とチャンバ11の内壁の輻射率の値以外に、シリコン(固体)21の熱伝導率の値とシリコン(固体)21の輻射率の値と、シリコン(液体)20の輻射率の値が有意的に影響する。逆にその他の部材の熱伝導率や輻射率は、表1及び表2に示す一般的な文献値を代入しても温度推定値に及ぼす影響は少ない。   6 to 9, the temperature of the silicon single crystal in the vicinity of the solid-liquid interface (on the crystal central axis or on the side portion) is the value of the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier 18 described above. In addition to the emissivity value of the inner wall of the chamber 11, the thermal conductivity value of the silicon (solid) 21, the emissivity value of the silicon (solid) 21, and the emissivity value of the silicon (liquid) 20 are significant. Affects. Conversely, the thermal conductivity and emissivity of other members have little influence on the estimated temperature value even if the general literature values shown in Tables 1 and 2 are substituted.

したがって、シリコン単結晶を引き上げて育成する際に、総合伝熱解析プログラムで固液界面近傍の結晶温度を推定するにあたっては、整流体18の断熱材の熱伝導率の値、チャンバ11の内壁の輻射率の値、シリコン(固体)21の熱伝導率の値、シリコン(固体)21の輻射率の値、シリコン(液体)20の輻射率の値をどのような最適値とするかが肝要であり、逆にその他のパラメータは一般的な文献値を用いることができる。   Therefore, when the silicon single crystal is pulled up and grown, in estimating the crystal temperature in the vicinity of the solid-liquid interface with the comprehensive heat transfer analysis program, the value of the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier 18, the inner wall of the chamber 11 It is important to determine the optimum values for the emissivity value, the thermal conductivity value of silicon (solid) 21, the emissivity value of silicon (solid) 21, and the emissivity value of silicon (liquid) 20. On the other hand, for other parameters, general literature values can be used.

そして、育成中のシリコン単結晶の固液界面近傍の温度を、整流体18の断熱材の熱伝導率の最適値と、チャンバ11の内壁の輻射率の最適値と、シリコン(固体)21の熱伝導率の最適値と、シリコン(固体)21の輻射率の最適値と、シリコン(液体)20の輻射率の最適値とを用いて推定し、当該推定値に基づいてシリコン単結晶の引上げ速度条件を制御すれば、目標とする理想的な温度履歴で育成することができる。   Then, the temperature in the vicinity of the solid-liquid interface of the silicon single crystal being grown is set to the optimum value of the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier 18, the optimum value of the emissivity of the inner wall of the chamber 11, and the silicon (solid) 21 The optimum value of the thermal conductivity, the optimum value of the emissivity of the silicon (solid) 21 and the optimum value of the emissivity of the silicon (liquid) 20 are estimated, and the silicon single crystal is pulled up based on the estimated value. By controlling the speed condition, it is possible to grow with a target ideal temperature history.

ところで、上述した重要なパラメータである、整流体18の断熱材の熱伝導率、チャンバ11の内壁の輻射率、シリコン(固体)21の熱伝導率、シリコン(固体)21の輻射率、シリコン(液体)20の輻射率の実測値は測定が困難である。しかしながら、育成中のシリコン単結晶の実温度からこれらの最適値を求めることは可能である。   By the way, the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier 18, the emissivity of the inner wall of the chamber 11, the thermal conductivity of silicon (solid) 21, the emissivity of silicon (solid) 21, silicon ( The actual value of the emissivity of the liquid 20 is difficult to measure. However, it is possible to obtain these optimum values from the actual temperature of the growing silicon single crystal.

すなわち、特定の引上げ装置を用意し、ホットゾーンの熱的環境条件が異なる3種類の条件A,B,Cにて結晶径200mmのシリコン単結晶を引き上げて育成した。なお、シリコン原料の初期チャージ量は80kgとした。引上げ条件Aは、引上げ速度1.0mm/min,結晶回転数3rpm,坩堝回転数10rpm、引上げ条件Bは、引上げ速度0.3mm/min,結晶回転数8rpm,坩堝回転数6rpm、引上げ条件Cは、引上げ速度0.45mm/min,結晶回転数5rpm,坩堝回転数15rpmとした。   That is, a specific pulling apparatus was prepared, and a silicon single crystal having a crystal diameter of 200 mm was pulled and grown under three kinds of conditions A, B, and C having different thermal environmental conditions in the hot zone. The initial charge amount of the silicon raw material was 80 kg. Pulling condition A is pulling speed 1.0 mm / min, crystal rotation speed 3 rpm, crucible rotation speed 10 rpm, pulling condition B is pulling speed 0.3 mm / min, crystal rotation speed 8 rpm, crucible rotation speed 6 rpm, pulling condition C is The pulling speed was 0.45 mm / min, the crystal rotation speed was 5 rpm, and the crucible rotation speed was 15 rpm.

各条件A,B,Cの引上げ開始前に、育成中のシリコン単結晶の実温度が測定できるように温度センサ(熱電対)をセットし、引上げ途中のシリコン単結晶の実際の温度を測定した。そしてこの3つの条件A,B,Cそれぞれのシリコン単結晶の実温度から、当該引上げ装置の整流体18の断熱材の熱伝導率、チャンバ11の内壁の輻射率、シリコン(固体)21の熱伝導率、シリコン(固体)21及びシリコン(液体)20の輻射率の、それぞれの最適値を求めた。なお、最適値を求めるにあたっては公知の最適化ソフトウェアを用いることができる。   Before starting the pulling of each condition A, B, and C, a temperature sensor (thermocouple) was set so that the actual temperature of the growing silicon single crystal could be measured, and the actual temperature of the silicon single crystal being pulled was measured. . Then, from the actual temperatures of the silicon single crystals under the three conditions A, B, and C, the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier 18 of the pulling device, the emissivity of the inner wall of the chamber 11, and the heat of the silicon (solid) 21 The optimum values of the conductivity and the emissivities of silicon (solid) 21 and silicon (liquid) 20 were determined. In obtaining the optimum value, known optimization software can be used.

実施例として、求められた整流体18の断熱材の熱伝導率、チャンバ11の内壁の輻射率、シリコン(固体)21の熱伝導率、シリコン(固体)21及びシリコン(液体)20の輻射率のそれぞれの最適値を、総合伝熱解析プログラムに代入し、育成中の結晶温度を推定した。   As an example, the obtained thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier 18, the emissivity of the inner wall of the chamber 11, the thermal conductivity of silicon (solid) 21, and the emissivities of silicon (solid) 21 and silicon (liquid) 20 Each optimum value of was substituted into a comprehensive heat transfer analysis program to estimate the crystal temperature during growth.

また比較例として、上記の整流体18の断熱材の熱伝導率、チャンバ11の内壁の輻射率、シリコン(固体)21の熱伝導率、シリコン(固体)21及びシリコン(液体)20の輻射率の値について、従来どおり表1及び表2に記載された文献値の適宜値を、同じ総合伝熱解析プログラムに代入し、同様に育成中の結晶温度を推定した。   Further, as a comparative example, the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier 18, the emissivity of the inner wall of the chamber 11, the thermal conductivity of silicon (solid) 21, and the emissivities of silicon (solid) 21 and silicon (liquid) 20 As in the past, appropriate values of literature values described in Table 1 and Table 2 were substituted into the same comprehensive heat transfer analysis program as before, and the crystal temperature during growth was similarly estimated.

これらの結果を、上記熱電対による結晶温度の実測値とともに図10A,図10B及び図10Cに示す。同図に示すとおり、本実施例は、いずれも比較例に比べて実測値に合致している。   These results are shown in FIG. 10A, FIG. 10B, and FIG. 10C together with the actually measured value of the crystal temperature by the thermocouple. As shown in the figure, all of the present examples match the measured values compared to the comparative example.

また、同じ引上げ装置と、上記により求められた整流体18の断熱材の熱伝導率、チャンバ11の内壁の輻射率、シリコン(固体)21の熱伝導率、シリコン(固体)21及びシリコン(液体)20の輻射率のそれぞれの最適値を、総合伝熱解析プログラムに代入し、上記条件A,B,Cとは異なる熱的環境条件D(引上げ速度0.7mm/min,結晶回転数5rpm,坩堝回転数10rpm)における育成中の結晶温度を推定した。比較例として、上記比較例と同じ文献値を総合伝熱解析プログラムに代入し、同様に育成中の結晶温度を推定した。また、条件Dにより実際にシリコン単結晶を育成し、その際に育成中の結晶にセットした熱電対により結晶温度を実測した。これらの結果を図10Dに示す。   Further, the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier 18 obtained as described above, the emissivity of the inner wall of the chamber 11, the thermal conductivity of the silicon (solid) 21, the silicon (solid) 21 and the silicon (liquid) ) Substituting the respective optimal values of the emissivity of 20 into the comprehensive heat transfer analysis program, thermal environment conditions D (pulling speed 0.7 mm / min, crystal rotation speed 5 rpm, different from the above conditions A, B, C) The crystal temperature during growth at a crucible rotation speed of 10 rpm was estimated. As a comparative example, the same literature values as in the comparative example were substituted into the comprehensive heat transfer analysis program, and the crystal temperature during growth was similarly estimated. In addition, a silicon single crystal was actually grown under the condition D, and the crystal temperature was measured by a thermocouple set to the crystal being grown at that time. These results are shown in FIG. 10D.

同図に示すとおり、条件A,B,C以外の熱的環境条件においても本実施例による温度の推定値は比較例に比べて実測値に合致することが判る。   As shown in the figure, it can be seen that the estimated value of the temperature according to the present example also matches the actually measured value in comparison with the comparative example even in the thermal environmental conditions other than the conditions A, B, and C.

《応用例》
上述した本実施形態の温度推定方法及びシリコン単結晶の育成方法は、たとえば以下に示す特定のシリコン単結晶の育成方法に応用することができる。
《Application example》
The temperature estimation method and silicon single crystal growth method of the present embodiment described above can be applied to, for example, the following specific silicon single crystal growth method.

以下に説明するシリコン単結晶は、チョクラルスキー法(CZ法)により育成されたシリコン単結晶であって、育成中にシリコン単結晶が破裂することなく、特に直径450mm程度の大口径の、グローイン欠陥の無いシリコンウェーハを作製可能な直胴部を有するシリコン単結晶を育成する方法である。   The silicon single crystal described below is a silicon single crystal grown by the Czochralski method (CZ method). The silicon single crystal does not rupture during the growth, and has a particularly large diameter of about 450 mm. This is a method for growing a silicon single crystal having a straight body part capable of producing a silicon wafer having no defect.

まず、この種のシリコンウェーハの必要性・有用性について説明すると、半導体材料のシリコンウェーハの素材である棒状のシリコン単結晶を製造する方法として、CZ法によるシリコン単結晶の育成方法が広く採用されている。   First, the necessity and usefulness of this type of silicon wafer will be explained. As a method for producing a rod-shaped silicon single crystal that is a material of a semiconductor silicon wafer, a method of growing a silicon single crystal by the CZ method is widely adopted. ing.

また近年では、シリコン単結晶をスライスして得られたシリコンウェーハ表面に観察される結晶起因のパーティクル(Crystal Originated Particle。以下、COPともいう。)や、転位クラスタといったグローイン欠陥のないシリコン単結晶を効率良く育成するために、シリコン融液の表面から所定のギャップをあけた上方であって育成中のシリコン単結晶の周囲を囲繰する熱遮蔽体(整流体)を備えるとともに、この熱遮蔽体の内側でその単結晶の周囲を囲繰する水冷体を備えた引上げ装置も提案されている。   Further, in recent years, a silicon single crystal free from glow-in defects such as crystal-origin particles (hereinafter also referred to as COP) and dislocation clusters observed on the surface of a silicon wafer obtained by slicing a silicon single crystal. In order to grow efficiently, a heat shield (rectifier) surrounding the periphery of the growing silicon single crystal is provided above the surface of the silicon melt with a predetermined gap, and the heat shield A pulling device having a water-cooled body that surrounds the periphery of the single crystal is also proposed.

ところで、シリコン単結晶を引上げて成長させる際には、シリコン単結晶とシリコン融液との固液界面で点欠陥(原子空孔、格子間シリコン)がシリコン単結晶中に取込まれ、単結晶の冷却過程で種々のグローイン欠陥が形成される。シリコン単結晶がシリコン融液から引上げられながら滞在する時間により、シリコン単結晶に発生する欠陥のサイズ及び密度が決まる。同一のシリコン単結晶の引上げ装置において、シリコン単結晶の引上げ速度Vを低下させていくと、点欠陥の
取込まれる濃度が変化し、空孔が過剰であった領域から、空孔と格子間シリコンの濃度が釣り合った領域に変化し、更に格子間シリコンが過剰な領域に変化することが知られている(例えば、特開2000−327486号公報の段落0062及び図4参照)。
By the way, when a silicon single crystal is pulled and grown, point defects (atomic vacancies, interstitial silicon) are taken into the silicon single crystal at the solid-liquid interface between the silicon single crystal and the silicon melt, and the single crystal Various glow-in defects are formed during the cooling process. The size and density of defects generated in the silicon single crystal are determined by the time that the silicon single crystal stays while being pulled from the silicon melt. In the same silicon single crystal pulling device, when the pulling speed V of the silicon single crystal is decreased, the concentration of point defects is changed, and from the region where the vacancies are excessive, the vacancy and the lattice It is known that the silicon concentration changes to a balanced region, and further, the interstitial silicon changes to an excessive region (see, for example, paragraph 0062 and FIG. 4 of Japanese Patent Laid-Open No. 2000-327486).

一方、シリコン単結晶中に存在する格子間酸素(Oi)は、熱処理により酸素析出核を経て酸素析出物を形成し、この酸素析出物は半導体デバイス製造過程で汚染のおそれのある金属不純物を捕獲するゲッタリングサイトとなる。金属不純物が半導体デバイスの動作領域に存在すると、半導体デバイスの電気特性の劣化を引起こすため、この金属不純物を捕獲する上記ゲッタリングサイトは有用である。近年、シリコン単結晶の大口径化が推進され、直径300mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶が既に製造されており、また直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶が製造されようとしている(たとえば、『先端LSIが要求するウェーハ技術の現状』最新シリコンデバイスと結晶技術、発行:リアライズ理工センター/リアライズAT株式会社、著者:スーパーシリコン研究所 林信行、発行日:2005年12月29日、第3章「結晶技術」、1.5 「450mm径を想定した結晶技術課題」(第243頁及び第244頁))。   On the other hand, interstitial oxygen (Oi) present in the silicon single crystal forms oxygen precipitates through oxygen precipitation nuclei by heat treatment, and these oxygen precipitates capture metal impurities that may be contaminated in the semiconductor device manufacturing process. Become a gettering site. When metal impurities are present in the operating region of a semiconductor device, the electrical characteristics of the semiconductor device are deteriorated. Therefore, the gettering site for capturing the metal impurities is useful. In recent years, an increase in the diameter of a silicon single crystal has been promoted, a silicon single crystal for a silicon wafer having a diameter of 300 mm has already been manufactured, and a silicon single crystal for a silicon wafer having a diameter of 450 mm is being manufactured (for example, “ Current Status of Wafer Technology Required by LSI ”Latest Silicon Device and Crystal Technology, Publisher: Realize Science Center / Realize AT Corporation, Author: Super Silicon Laboratory Nobuyuki Hayashi, Issue Date: December 29, 2005, Chapter 3“ Crystal technology ”, 1.5“ Crystal technology subject assuming 450 mm diameter ”(pages 243 and 244)).

上記のように、直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶のように、引上げる直胴部の直径が大きくなれば、シリコン単結晶のみならずシリコン単結晶の引上げ装置も大型化し、熱容量が増大して、シリコン単結晶中の温度勾配(G)が小さくなり、シリコン単結晶が徐冷化されることになる。そして、シリコン単結晶が引上げられながらグローイン欠陥の発生する温度領域に滞在する時間が長くなり、欠陥[COP、OSF (酸化誘起積層欠陥:Oxidation Induced Stacking Fault)核、酸素析出物等]サイズの粗大化が起こる。これらの欠陥が粗大化すると、ポリッシュドウェーハでは、COPによる大きなくぼみが悪影響を及ぼし、エピタキシャル層を成長させるシリコンウェーハや熱処理ウェーハとしても、そのCOPのくぼみやOSF核の表面に存在する欠陥を消失させることが困難になり、ウェーハ表面に、くぼみや積層欠陥が形成されてしまう。   As described above, if the diameter of the straight body to be pulled up is increased, as in the case of a silicon single crystal for a silicon wafer having a diameter of 450 mm, not only the silicon single crystal but also the silicon single crystal pulling device is enlarged and the heat capacity is increased. Thus, the temperature gradient (G) in the silicon single crystal is reduced, and the silicon single crystal is gradually cooled. Then, the time for staying in the temperature region where the glow-in defect occurs while the silicon single crystal is pulled up becomes longer, and the size of the defect [COP, OSF (Oxidation Induced Stacking Fault) nucleus, oxygen precipitate, etc.) is coarse. Happens. When these defects become coarse, large indentations due to COP have an adverse effect on polished wafers, and even if silicon wafers or heat-treated wafers are used to grow epitaxial layers, the COP indentations and defects present on the surface of OSF nuclei disappear. This makes it difficult to form dents and stacking faults on the wafer surface.

これを防ぐために、シリコン単結晶の引上げ速度を大きくすることが考えられるけれども、引上げ速度の増大に伴ってシリコンの凝固潜熱が増加することが問題になる。前述のように、シリコン単結晶中の温度勾配(G)が小さくなっているため、発生する潜熱の放逸が進まず、熱収支の均衡を確保するためにシリコン単結晶及びシリコン融液の固液界面が上側に大きく凸となる形状になってしまう。その結果、引上げ中のシリコン単結晶に大きな熱応力が発生し、シリコン単結晶の引上げ中の温度での限界強度を上回ることになり、引上げ中のシリコン単結晶の破壊が生じるおそれがある。   In order to prevent this, it is conceivable to increase the pulling rate of the silicon single crystal. However, there is a problem that the latent heat of solidification of silicon increases as the pulling rate increases. As described above, since the temperature gradient (G) in the silicon single crystal is small, the dissipation of the generated latent heat does not progress, and the solid state of the silicon single crystal and the silicon melt is secured in order to ensure the balance of the heat balance. The liquid interface becomes a shape that is largely convex upward. As a result, a large thermal stress is generated in the silicon single crystal being pulled, which exceeds the limit strength at the temperature during the pulling of the silicon single crystal, and the silicon single crystal being pulled may be broken.

そこで、シリコン単結晶の徐冷化を防ぐため、引上げ中のシリコン単結晶の熱環境を急冷する構成に変更することも考えられる。そのためには、シリコン原料を貯留する坩堝の高さ等を小さくすることが必要である。   Therefore, in order to prevent slow cooling of the silicon single crystal, it is conceivable to change the thermal environment of the silicon single crystal being pulled up to a configuration that rapidly cools. For this purpose, it is necessary to reduce the height of the crucible for storing the silicon raw material.

坩堝の高さを変更した場合のシリコン単結晶の温度分布を検証すると、坩堝の高さを低くすることで、直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶の引上げ中の温度分布を、直径300mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶の引上げ中の温度分布とほぼ同等にすることが可能であるけれども、この場合、坩堝に貯留できるシリコン融液の量が制限されてしまう。   When verifying the temperature distribution of the silicon single crystal when the height of the crucible was changed, the temperature distribution during the pulling of the silicon single crystal for a 450 mm diameter silicon wafer was reduced by reducing the height of the crucible. Although the temperature distribution during the pulling of the silicon single crystal can be made substantially equal, in this case, the amount of silicon melt that can be stored in the crucible is limited.

一方、引上げるシリコン単結晶の直胴部の直径が大きくなれば、ショルダ部及びテイル部の各寸法や各重量も増大する。そのため、同一形状の坩堝を使用して得られた同一量のシリコン融液からシリコン単結晶を引上げたときの歩留まりは、直胴部の直径の増大に伴って低下する。   On the other hand, as the diameter of the straight body portion of the silicon single crystal to be pulled up increases, the dimensions and weights of the shoulder portion and tail portion also increase. Therefore, the yield when pulling up the silicon single crystal from the same amount of silicon melt obtained using the crucible of the same shape decreases as the diameter of the straight body portion increases.

たとえば、単結晶の歩留まり(任意単位)として0.6を得ようとする場合、直径300mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶の初期原料量に対して直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶の初期原料量はその3倍以上必要である。また、直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶の引上げる場合において、直径300mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶とほぼ同等の温度分布を得るために必要な、坩堝の直径に対する坩堝の高さの比が0. 5以下となる条件を満たすには、坩堝の直径が極めて大きくなってしまい現実性がない。   For example, when obtaining 0.6 as the yield (arbitrary unit) of the single crystal, the initial raw material amount of the silicon single crystal for the 450 mm diameter silicon wafer with respect to the initial raw material amount of the silicon single crystal for the 300 mm diameter silicon wafer. Is more than three times that. Also, when pulling up a silicon single crystal for a 450 mm diameter silicon wafer, the ratio of the crucible height to the crucible diameter required to obtain a temperature distribution substantially equivalent to that of a silicon single crystal for a 300 mm diameter silicon wafer is 0. In order to satisfy the condition of 5 or less, the diameter of the crucible becomes extremely large, which is not realistic.

また直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶では、直径300mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶より直径が大きくなり、径方向での温度差が大きくなるため、シリコン単結晶内の温度分布によっては熱応力が大きくなって、結晶割れや有転位化が発生し易くなる。そのため、シリコン単結晶を過度に急冷することが困難であるため、シリコン単結晶の軸方向温度勾配が小さくなり、単結晶の各温度領域を通過する時間が長くなって、単結晶中に生成される結晶欠陥のサイズが大きくなる問題点がある。   In addition, a silicon single crystal for a silicon wafer having a diameter of 450 mm has a diameter larger than that of a silicon single crystal for a silicon wafer having a diameter of 300 mm, and a temperature difference in the radial direction becomes large. It becomes large and crystal cracks and dislocations are likely to occur. For this reason, it is difficult to cool the silicon single crystal excessively, so that the temperature gradient in the axial direction of the silicon single crystal is reduced, and the time for passing through each temperature region of the single crystal is increased, so that it is generated in the single crystal. There is a problem in that the size of crystal defects increases.

そこで、引上げ速度が高めである通常の空孔優勢領域でシリコン単結晶を引上げると、先ずCOPが発生するけれども、そのCOP(Void)サイズが大きくなり過ぎて、ウェーハ表面でのCOPによる穴が大きくなり、半導体デバイス製作時に不具合が生じる。一方、引上げ速度を低めにして転位クラスタを発生させると、半導体デバイスに悪影響を与える。   Therefore, when a silicon single crystal is pulled in a normal vacancy dominant region where the pulling rate is high, COP is generated first, but its COP (Void) size becomes too large, and a hole due to COP on the wafer surface is formed. It becomes larger and causes problems when manufacturing semiconductor devices. On the other hand, when dislocation clusters are generated at a lower pulling rate, the semiconductor device is adversely affected.

そこで、本実施形態では、チャンバに収容された坩堝にシリコン融液を貯留し、このシリコン融液に種結晶を浸漬して回転させながら引上げることにより、種結晶から無転位のシリコン単結晶を引上げて育成する。   Therefore, in this embodiment, a silicon melt is stored in a crucible housed in a chamber, and a seed crystal is immersed in the silicon melt and pulled up while being rotated, so that a dislocation-free silicon single crystal is obtained from the seed crystal. Raise and train.

その特徴は、シリコン単結晶が直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶であり、育成中のシリコン単結晶中心部における融点から1350℃までの軸方向温度勾配をGcとし、育成中のシリコン単結晶外周部における融点から1350℃までの軸方向温度勾配をGeとするとき、比Gc/Geが1.2〜1.3となるように上記育成中のシリコン単結晶の外周部を冷却し、育成中のシリコン単結晶の外周面を囲む熱遮蔽体(整流体)の下端とシリコン融液の表面との間のギャップを40〜100mmに設定し、シリコン単結晶内での格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在する領域を[I]とし、空孔型点欠陥の凝集体が存在する領域を[V]とし、格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域を[P]とするとき、シリコン単結晶がパーフェクト領域[P]からなるように比V/Gcを一定に制御することにより、シリコン単結晶中にCOP及び転位クラスタを発生させないようにし、シリコン単結晶の引上げ速度を制御することにより、シリコン単結晶とシリコン融液との固液界面上であってシリコン単結晶の中心部での熱応力を50MPa以下とするところにある。   The feature is that the silicon single crystal is a silicon single crystal for a 450 mm diameter silicon wafer, and Gc is an axial temperature gradient from the melting point to 1350 ° C. at the center of the growing silicon single crystal, and the outer periphery of the growing silicon single crystal When the axial temperature gradient from the melting point to 1350 ° C. is Ge, the outer peripheral portion of the growing silicon single crystal is cooled so that the ratio Gc / Ge is 1.2 to 1.3. The gap between the lower end of the heat shield (rectifier) surrounding the outer peripheral surface of the silicon single crystal and the surface of the silicon melt is set to 40 to 100 mm, and the interstitial silicon type point defects in the silicon single crystal are set. The region where the agglomerates are present is [I], the region where the agglomerates of vacancy-type point defects are present [V], and there are agglomerates of interstitial silicon-type point defects and agglomerates of vacancy-type point defects. Do not perfect When the first region is [P], the ratio V / Gc is controlled to be constant so that the silicon single crystal consists of the perfect region [P], thereby preventing COP and dislocation clusters from being generated in the silicon single crystal. By controlling the pulling rate of the silicon single crystal, the thermal stress at the center of the silicon single crystal on the solid-liquid interface between the silicon single crystal and the silicon melt is 50 MPa or less.

この方法によれば、育成中にシリコン単結晶が破裂することなく、無転位であってグローイン欠陥の無い高品質の直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶を得ることができる。また引上げ速度Vと軸方向温度勾配Gcとの比であるV/Gcを調整して、空孔過剰で赤外散乱欠陥(COP)やOSFリングを発生する領域と、格子間シリコン過剰で転位クラスタを発生する領域との中間に位置する無欠陥領域を成長させる条件で直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶を引上げ、このシリコン単結晶から作製したシリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を成長させると、このエピタキシャル層への欠陥導入を抑制できるので、欠陥密度の小さいエピタキシャルウェーハを得ることができる。   According to this method, it is possible to obtain a high-quality silicon single crystal for a 450 mm diameter silicon wafer having no dislocation and no glow-in defect, without the silicon single crystal being ruptured during growth. Further, by adjusting V / Gc, which is the ratio of the pulling speed V and the axial temperature gradient Gc, a region where infrared scattering defects (COP) and OSF rings are generated due to excessive vacancies, and dislocation clusters due to excessive interstitial silicon When a silicon single crystal for a silicon wafer having a diameter of 450 mm is pulled under conditions for growing a defect-free region located in the middle of the region that generates GaN, an epitaxial layer is grown on the surface of the silicon wafer made from this silicon single crystal. Since the introduction of defects into the epitaxial layer can be suppressed, an epitaxial wafer with a low defect density can be obtained.

またこれに代わる特徴は、シリコン単結晶が直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶であり、育成中のシリコン単結晶中心部における融点から1350℃までの軸方向温度勾配をGcとし、育成中のシリコン単結晶外周部における融点から1350℃までの軸方向温度勾配をGeとするとき、比Gc/Geが1.2〜1.3となるように上記育成中のシリコン単結晶の外周部を冷却し、育成中のシリコン単結晶の外周面を囲む熱遮蔽体(整流体)の下端とシリコン融液の表面との間のギャップを40〜100mmに設定し、シリコン単結晶内での格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在する領域を[I]とし、空孔型点欠陥の凝集体が存在する領域を[V]とし、格子間シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域を[P]とするとき、シリコン単結晶がパーフェクト領域[P]からなるように比V/Gcを一定に制御することにより、シリコン単結晶中にCOP及び転位クラスタを発生させないようにし、シリコン単結晶の引上げ速度を制御することにより、育成中のシリコン単結晶外周部であって温度1000℃の位置での熱応力を37MPa以下とするところにある。   An alternative feature is that the silicon single crystal is a silicon single crystal for a 450 mm diameter silicon wafer, and Gc is the temperature gradient in the axial direction from the melting point to 1350 ° C. at the center of the growing silicon single crystal. When the axial temperature gradient from the melting point to 1350 ° C. in the outer periphery of the single crystal is Ge, the outer periphery of the growing silicon single crystal is cooled so that the ratio Gc / Ge is 1.2 to 1.3. The gap between the lower end of the heat shield (rectifier) surrounding the outer peripheral surface of the growing silicon single crystal and the surface of the silicon melt is set to 40 to 100 mm, and the interstitial silicon type in the silicon single crystal The region where the point defect agglomerates exist is [I], and the region where the vacancy point defect agglomerates exist is [V]. There are no aggregates If the perfect region is [P], the ratio V / Gc is controlled to be constant so that the silicon single crystal is composed of the perfect region [P], so that COP and dislocation clusters are not generated in the silicon single crystal. By controlling the pulling rate of the silicon single crystal, the thermal stress at the temperature of 1000 ° C. in the outer periphery of the growing silicon single crystal is 37 MPa or less.

この方法によれば、育成途中から有転位化したシリコン単結晶であっても、シリコン単結晶にクラックが発生することなく、グローイン欠陥の無い比較的高品質の直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶を得ることができる。また上記方法と同様に、引上げ速度Vと軸方向温度勾配Gcとの比であるV/Gcを調整して、空孔過剰で赤外散乱欠陥(COP)やOSFリングを発生する領域と、格子間シリコン過剰で転位クラスタを発生する領域との中間に位置する無欠陥領域を成長させる条件で直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶を引上げ、このシリコン単結晶から作製したシリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を成長させると、このエピタキシャル層への欠陥導入を抑制できるので、欠陥密度の小さいエピタキシャルウェーハを得ることができる。   According to this method, a silicon single crystal for a relatively high quality 450 mm diameter silicon wafer having no glow-in defect without causing cracks in the silicon single crystal even if it is a dislocation silicon single crystal during the growth. Can be obtained. Similarly to the above method, V / Gc, which is the ratio between the pulling speed V and the axial temperature gradient Gc, is adjusted to generate an infrared scattering defect (COP) or OSF ring due to excess vacancies, A silicon single crystal for a silicon wafer having a diameter of 450 mm is pulled under the condition of growing a defect-free region located in the middle of the region where dislocation clusters are generated due to excess silicon, and an epitaxial layer is formed on the surface of the silicon wafer produced from this silicon single crystal. Since the introduction of defects into the epitaxial layer can be suppressed, an epitaxial wafer with a low defect density can be obtained.

このような無欠陥領域を有するシリコン単結晶は、図1に示す引上げ装置により製造することができる。   A silicon single crystal having such a defect-free region can be manufactured by a pulling apparatus shown in FIG.

ただし、上記実施形態では詳細条件を省略したが、シリコン融液20に以下の条件で横磁場を印加することが好ましい。この横磁場は、同一のコイル直径を有する第1及び第2コイルを、坩堝12の外周面から水平方向に所定の間隔をあけた外側方に、坩堝12を中心として互いに対向するように配設し、これらのコイルにそれぞれ同一向きの電流を流すことにより発生させる。また、この横磁場の磁場強度は、シリコン融液20表面と坩堝12の中心軸との交点で測定され、その磁場強度が0.25〜0.45テスラ、好ましくは0.30〜0.40テスラとなるように、第1及び第2コイルに流れる電流が制御される。上記磁場強度を0.25〜0.40テスラの範囲に限定したのは、0.25テスラ未満では融液流れを抑制する効果が薄れ単結晶の直径の制御性が乱れることがあり、また酸素濃度等の結晶品質も一定範囲に制御することが困難となり、0.45テスラを超えると磁場強度が強いため、漏れ磁場が大きくなって、単結晶引上げ装置や環境に悪影響を与えたり磁場印加装置の設備コストが高くなったりするからである。   However, although detailed conditions are omitted in the above embodiment, it is preferable to apply a transverse magnetic field to the silicon melt 20 under the following conditions. The transverse magnetic field is arranged so that the first and second coils having the same coil diameter are opposed to each other around the crucible 12 on the outer side at a predetermined interval in the horizontal direction from the outer peripheral surface of the crucible 12. These currents are generated by flowing currents in the same direction through these coils. The magnetic field strength of this transverse magnetic field is measured at the intersection of the surface of the silicon melt 20 and the central axis of the crucible 12, and the magnetic field strength is 0.25 to 0.45 Tesla, preferably 0.30 to 0.40. The current flowing through the first and second coils is controlled so as to be Tesla. The reason why the magnetic field intensity is limited to the range of 0.25 to 0.40 Tesla is that if it is less than 0.25 Tesla, the effect of suppressing the melt flow is weakened and the controllability of the diameter of the single crystal may be disturbed. It becomes difficult to control the crystal quality such as the concentration within a certain range, and if it exceeds 0.45 Tesla, the magnetic field strength is strong, so the leakage magnetic field becomes large, which has a negative effect on the single crystal pulling device and the environment, or the magnetic field applying device This is because the cost of the equipment becomes high.

次に本例のシリコン単結晶の育成方法を説明する。   Next, a method for growing the silicon single crystal of this example will be described.

上記装置により育成されるシリコン単結晶21の直径を例えば458mmに設定する。   The diameter of the silicon single crystal 21 grown by the above apparatus is set to 458 mm, for example.

また上記シリコン単結晶21とシリコン融液20表面との問のギャップGを40〜100mm、好ましくは60〜90mmに設定する。ここで、ギャップGを40〜100mmの範囲に限定したのは、40mm未満では後述するGcの値が大きくなって引上げ速度を上げることはできるけれども、後述する比Gc/Geが所定の範囲よりも小さくなって無欠陥領域がウェーハ全面に広がった領域が得られず、OSFリングが収縮・消滅する前に、転位クラスタが外周から発生してしまうからである。また、Gが100mmを超えるとGcの値が小さくなって引上げ速度が低下し、比Gc/Geが所定の範囲よりも大きくなって無欠陥領域がウェーハ全面に広がった領域が得られず、OSFリングが収縮・消滅する前に、転位クラスタが中心から発生してしまうからである。   The gap G between the silicon single crystal 21 and the surface of the silicon melt 20 is set to 40 to 100 mm, preferably 60 to 90 mm. Here, the gap G is limited to the range of 40 to 100 mm because, if it is less than 40 mm, the value of Gc described later increases and the pulling speed can be increased, but the ratio Gc / Ge described later is higher than the predetermined range. This is because a region where the defect-free region is reduced and the entire surface of the wafer is not obtained is obtained, and dislocation clusters are generated from the outer periphery before the OSF ring contracts and disappears. On the other hand, when G exceeds 100 mm, the value of Gc decreases and the pulling speed decreases, and the ratio Gc / Ge is larger than a predetermined range, and a region where the defect-free region spreads over the entire wafer surface cannot be obtained. This is because dislocation clusters are generated from the center before the ring contracts and disappears.

また、育成中のシリコン単結晶21中心部における融点から1350℃までの軸方向温度勾配をGcとし、育成中のシリコン単結晶21外周部における融点から1350℃までの軸方向温度勾配をGeとするとき、比Gc/Geが1.2〜1.3、好ましくは1.21〜1.29となるように上記育成中のシリコン単結晶21の外周部を冷却する。ここで、比Gc/Geを1.2〜1.3の範囲に限定したのは、1.2未満ではギャップGが小さめである場合と同様に、無欠陥領域がウェーハ全面に広がった領域が得られず、OSFリングが収縮・消滅する前に、転位クラスタが外周から発生してしまい、1.3を超えるとギャップGが大きめである場合と同様に、無欠陥領域がウェーハ全面に広がった領域が得られず、OSFリングが収縮・消滅する前に、転位クラスタが中心から発生してしまうからである。   Further, an axial temperature gradient from the melting point to 1350 ° C. at the center of the growing silicon single crystal 21 is Gc, and an axial temperature gradient from the melting point to 1350 ° C. at the outer periphery of the growing silicon single crystal 21 is Ge. At this time, the outer peripheral portion of the growing silicon single crystal 21 is cooled so that the ratio Gc / Ge is 1.2 to 1.3, preferably 1.21 to 1.29. Here, the ratio Gc / Ge is limited to the range of 1.2 to 1.3. When the ratio Gc / Ge is less than 1.2, the area where the defect-free area spreads over the entire wafer surface is the same as when the gap G is small. Before the OSF ring contracts and disappears, dislocation clusters are generated from the outer periphery, and when 1.3 is exceeded, the defect-free region spreads over the entire wafer surface as in the case where the gap G is larger. This is because a region is not obtained, and dislocation clusters are generated from the center before the OSF ring contracts and disappears.

またシリコン単結晶21内での格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在する領域を[I]とし、空孔型点欠陥の凝集体が存在する領域を[V]とし、格子問シリコン型点欠陥の凝集体及び空孔型点欠陥の凝集体が存在しないパーフェクト領域を[P]とするとき、シリコン単結晶21がパーフェクト領域[P]からなるように比V/Gcを一定に制御することにより、シリコン単結晶21中にCOP及び転位クラスタを発生させないようにする。   Also, the region where the interstitial silicon type point defect aggregates exist in the silicon single crystal 21 is [I], the region where the hole type point defect aggregates exist is [V], and the lattice silicon type point The ratio V / Gc is controlled to be constant so that the silicon single crystal 21 is composed of the perfect region [P], where [P] is a perfect region where no defect aggregates and no vacancy-type point defect aggregates exist. Thus, COP and dislocation clusters are prevented from being generated in the silicon single crystal 21.

更にシリコン単結晶21の引上げ速度Vを制御することにより、シリコン単結晶21とシリコン融液20との固液界面上であってシリコン単結晶21の中心部での熱応力を50MPa以下、好ましくは48MPa以下とする。ここで、固液界面上であってシリコン単結晶21の中心部での熱応力を50MPa以下に限定したのは、50MPaを超えると直径450mmシリコンウェーハ用の無転位のシリコン単結晶21が熱応力により引上げ中に破裂するおそれがあるからである。このため直径450mmシリコンウェーハ用の無転位のシリコン単結晶21の引上げ速度は0.77mm/分以下、好ましくは0.75mm/分以下に設定される。   Furthermore, by controlling the pulling rate V of the silicon single crystal 21, the thermal stress at the center of the silicon single crystal 21 on the solid-liquid interface between the silicon single crystal 21 and the silicon melt 20 is preferably 50 MPa or less, preferably 48 MPa or less. Here, the thermal stress at the central portion of the silicon single crystal 21 on the solid-liquid interface is limited to 50 MPa or less. When the thermal stress exceeds 50 MPa, the dislocation-free silicon single crystal 21 for a silicon wafer having a diameter of 450 mm is thermally stressed. This is because there is a risk of bursting during pulling. For this reason, the pulling speed of the dislocation-free silicon single crystal 21 for a silicon wafer having a diameter of 450 mm is set to 0.77 mm / min or less, preferably 0.75 mm / min or less.

なお、引上げ途中でシリコン単結晶が有転位化した直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶の場合には、育成中のシリコン単結晶21外周部であって温度1000℃の位置での熱応力を37MPa以下、好ましくは36MPa以下とする。ここで、育成中のシリコン単結晶21外周部であって温度1000℃の位置での熱応力を37MPa以下に限定したのは、37MPaを越えると有転位化した直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン結晶にクラックが発生するおそれがあるからである。このため有転位化した直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶21の引上げ速度は、外径36インチの坩堝12を用いた場合には0.75mm/分以下、好ましくは0.74mm/分以下に設定され、外径40インチの坩堝12を用いた場合には0.52mm/分以下、好ましくは0.51mm/分以下に設定される。   In the case of a silicon single crystal for a 450 mm diameter silicon wafer in which the silicon single crystal is dislocated during pulling, the thermal stress at the temperature of 1000 ° C. is 37 MPa on the outer periphery of the growing silicon single crystal 21. Hereinafter, it is preferably 36 MPa or less. Here, the reason why the thermal stress at the outer peripheral portion of the growing silicon single crystal 21 at a temperature of 1000 ° C. is limited to 37 MPa or less is that the silicon crystal for a 450 mm diameter silicon wafer having a dislocation when exceeding 37 MPa is used. This is because cracks may occur. For this reason, the pulling rate of the silicon single crystal 21 for the 450 mm diameter silicon wafer having a dislocation is 0.75 mm / min or less, preferably 0.74 mm / min or less when the crucible 12 having an outer diameter of 36 inches is used. When the crucible 12 having an outer diameter of 40 inches is used, it is set to 0.52 mm / min or less, preferably 0.51 mm / min or less.

なお、シリコン単結晶が有転位化したか否かは晶癖線が消失したか否かにより判断できる。即ち、引上げ中の無転位である(100)面シリコン単結晶の外周面には、晶癖線が引上げ方向に90度毎に出現するけれども、シリコン単結晶が有転位化すると、上記晶癖練が消えるため、シリコン単結晶の晶癖線が消えた部分は有転位化したと判断できる。   Note that whether or not the silicon single crystal has undergone dislocation can be determined by whether or not the crystal habit line has disappeared. That is, although the crystal habit line appears every 90 degrees in the pulling direction on the outer peripheral surface of the (100) plane silicon single crystal that is dislocation-free during pulling, when the silicon single crystal becomes dislocation, Since this disappears, it can be determined that the part where the crystal habit line of the silicon single crystal disappeared is dislocation.

このように構成されたシリコン単結晶21の育成方法では、育成中にシリコン単結晶21が破裂することなく、無転位であってグローイン欠陥の無い高品質の直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶21を得ることができる。またシリコン単結晶21の引上げ速度Vとシリコン単結晶21中心部における融点から1350℃までの軸方向温度勾配Gcとの比であるV/Gcを調整して、空孔過剰で赤外散乱欠陥(COP)やOSFリングを発生する領域(シリコン単結晶21内での空孔型点欠陥の凝集体が存在する領域[V])と、格子間シリコン過剰で転位クラスタを発生する領域(シリコン単結晶21内での格子間シリコン型点欠陥の凝集体が存在する領域[I])との中間に位置する無欠陥領域[P]を成長させる条件で直径450mmシリコンウェーハ用のシリコン単結晶21を引上げる。また、このシリコン単結晶21から作製したシリコンウェーハの表面にエピタキシャル層を成長させると、このエピタキシャル層への欠陥導入を抑制できるので、欠陥密度の小さいエピタキシャルウェーハを得ることができる。   In the method for growing the silicon single crystal 21 configured as described above, the silicon single crystal 21 for a high-quality 450 mm diameter silicon wafer having no dislocation and no grow-in defect is generated without the silicon single crystal 21 being ruptured during the growth. Can be obtained. Further, by adjusting V / Gc, which is the ratio between the pulling rate V of the silicon single crystal 21 and the axial temperature gradient Gc from the melting point to 1350 ° C. at the center of the silicon single crystal 21, infrared scattering defects ( COP) or OSF ring region (region [V] where agglomerates of vacancy-type point defects exist in the silicon single crystal 21) and a region where dislocation clusters are generated due to excessive interstitial silicon (silicon single crystal) The silicon single crystal 21 for a silicon wafer having a diameter of 450 mm is pulled under the condition of growing a defect-free region [P] located in the middle of the region [I]) in which an aggregate of interstitial silicon type point defects exists in the region 21. increase. In addition, when an epitaxial layer is grown on the surface of a silicon wafer produced from the silicon single crystal 21, introduction of defects into the epitaxial layer can be suppressed, so that an epitaxial wafer with a low defect density can be obtained.

発明の実施形態に係る引上げ装置を示す断面図である。It is sectional drawing which shows the pulling apparatus which concerns on embodiment of invention. 総合伝熱解析プログラムによる温度推定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature estimation result by a comprehensive heat-transfer analysis program. 総合伝熱解析プログラムによる温度推定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature estimation result by a comprehensive heat-transfer analysis program. 総合伝熱解析プログラムによる温度推定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature estimation result by a comprehensive heat-transfer analysis program. 総合伝熱解析プログラムによる温度推定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature estimation result by a comprehensive heat-transfer analysis program. 総合伝熱解析プログラムによる温度推定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature estimation result by a comprehensive heat-transfer analysis program. 総合伝熱解析プログラムによる温度推定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature estimation result by a comprehensive heat-transfer analysis program. 総合伝熱解析プログラムによる温度推定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature estimation result by a comprehensive heat-transfer analysis program. 総合伝熱解析プログラムによる温度推定結果を示すグラフである。It is a graph which shows the temperature estimation result by a comprehensive heat-transfer analysis program. 実施形態に係る温度推定方法の検証結果を示すグラフである。It is a graph which shows the verification result of the temperature estimation method which concerns on embodiment. 実施形態に係る温度推定方法の検証結果を示すグラフである。It is a graph which shows the verification result of the temperature estimation method which concerns on embodiment. 実施形態に係る温度推定方法の検証結果を示すグラフである。It is a graph which shows the verification result of the temperature estimation method which concerns on embodiment. 実施形態に係る温度推定方法の検証結果を示すグラフである。It is a graph which shows the verification result of the temperature estimation method which concerns on embodiment.

符号の説明Explanation of symbols

1…引上げ装置
11…メインチャンバ
12…坩堝
13…サセプタ
15…ヒータ
16…保温筒
18…整流体(熱遮蔽体)
19…プルチャンバ
20…シリコン融液
21…シリコン結晶
22…種結晶
G…ギャップ
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Pull-up apparatus 11 ... Main chamber 12 ... Crucible 13 ... Susceptor 15 ... Heater 16 ... Insulation cylinder 18 ... Rectifier (heat shield)
19 ... Pull chamber 20 ... Silicon melt 21 ... Silicon crystal 22 ... Seed crystal G ... Gap

Claims (15)

チャンバに収容された坩堝にシリコンを貯留し、当該シリコンを加熱してシリコン融液とし、当該シリコン融液に種結晶を浸漬して回転させながら引き上げることにより、前記種結晶からシリコン単結晶を引き上げて育成する方法であって、
前記育成中のシリコン単結晶の周囲に配置される整流体の断熱材の熱伝導率の最適値と前記チャンバ内壁の輻射率の最適値とを、前記育成中のシリコン単結晶の実温度を測定することにより求め、
前記最適値を総合伝熱解析プログラムに代入し、
前記総合伝熱解析プログラムを実行して育成中のシリコン結晶温度を推定し、
推定されたシリコン結晶温度に基づいて育成中のシリコン単結晶の冷却条件を制御することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
Silicon is stored in a crucible housed in a chamber, and the silicon is heated to form a silicon melt. The silicon single crystal is pulled up from the seed crystal by pulling up the seed crystal by immersing and rotating it in the silicon melt. A method of nurturing
Measure the actual temperature of the growing silicon single crystal using the optimum value of the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier disposed around the growing silicon single crystal and the optimum value of the emissivity of the inner wall of the chamber To find
Substituting the optimum value into the comprehensive heat transfer analysis program,
Run the comprehensive heat transfer analysis program to estimate the silicon crystal temperature during growth,
A method for growing a silicon single crystal, comprising controlling a cooling condition of the silicon single crystal being grown based on an estimated silicon crystal temperature.
請求項1に記載のシリコン単結晶の育成方法において、
前記整流体の断熱材の熱伝導率は温度依存特性を有し、
当該温度依存特性に基づく熱伝導率の最適値を前記総合伝熱解析プログラムに代入することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
The method for growing a silicon single crystal according to claim 1,
The thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier has a temperature-dependent characteristic,
A method for growing a silicon single crystal, wherein an optimum value of thermal conductivity based on the temperature-dependent characteristic is substituted into the comprehensive heat transfer analysis program.
請求項2に記載のシリコン単結晶の育成方法において、
前記整流体の断熱材の熱伝導率は、1500℃〜600℃の温度範囲において1.2〜0.1(W/mK)の温度依存特性を有することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
The method for growing a silicon single crystal according to claim 2,
The method for growing a silicon single crystal, wherein the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier has a temperature-dependent characteristic of 1.2 to 0.1 (W / mK) in a temperature range of 1500 ° C. to 600 ° C. .
請求項1に記載のシリコン単結晶の育成方法において、
前記チャンバ内に設けられた保温筒の断熱材の熱伝導率の最適値を前記育成中のシリコン単結晶の実温度を測定することにより求め、
前記最適値を総合伝熱解析プログラムに代入し、
前記総合伝熱解析プログラムを実行して前記シリコンの加熱能力を推定することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
The method for growing a silicon single crystal according to claim 1,
The optimum value of the thermal conductivity of the heat insulating material of the heat insulating cylinder provided in the chamber is determined by measuring the actual temperature of the growing silicon single crystal,
Substituting the optimum value into the comprehensive heat transfer analysis program,
A method for growing a silicon single crystal, comprising: executing the comprehensive heat transfer analysis program to estimate a heating capability of the silicon.
請求項1に記載のシリコン単結晶の育成方法において、
シリコンの熱伝導率の最適値及びシリコンの輻射率の最適値を前記育成中のシリコン単結晶の実温度を測定することにより求め、
前記最適値を総合伝熱解析プログラムに代入し、
前記総合伝熱解析プログラムを実行して固液界面領域における前記シリコンの温度分布を推定し、
推定された温度分布に基づいて、育成中のシリコン単結晶の引上げ速度を制御することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
The method for growing a silicon single crystal according to claim 1,
The optimum value of the thermal conductivity of silicon and the optimum value of the emissivity of silicon are determined by measuring the actual temperature of the growing silicon single crystal,
Substituting the optimum value into the comprehensive heat transfer analysis program,
Run the comprehensive heat transfer analysis program to estimate the temperature distribution of the silicon in the solid-liquid interface region,
A method for growing a silicon single crystal, wherein the pulling rate of the silicon single crystal being grown is controlled based on the estimated temperature distribution.
請求項5に記載のシリコン単結晶の育成方法において、
前記育成中のシリコン単結晶中心部における融点から1350℃までの軸方向温度勾配Gcと、前記育成中のシリコン単結晶外周部における融点から1350℃までの軸方向温度勾配Geを前記総合伝熱解析プログラムにより推定し、
当該推定された温度勾配Gc,Geの比Gc/Geが1.2〜1.3となるように、前記育成中のシリコン単結晶の外周部を冷却することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
The method for growing a silicon single crystal according to claim 5,
The total heat transfer analysis is performed using the axial temperature gradient Gc from the melting point to 1350 ° C. at the center of the growing silicon single crystal and the axial temperature gradient Ge from the melting point to 1350 ° C. at the outer periphery of the growing silicon single crystal. Estimated by the program,
Growing a silicon single crystal characterized by cooling the outer periphery of the silicon single crystal being grown so that the estimated temperature gradient Gc / Ge ratio Gc / Ge is 1.2 to 1.3 Method.
請求項6に記載のシリコン単結晶の育成方法において、
前記シリコン単結晶と前記シリコン融液との固液界面上であって前記シリコン単結晶の中心部における熱応力を前記総合伝熱解析プログラムにより推定し、
当該推定された熱応力が50MPa以下となるように前記シリコン単結晶の引上げ速度を制御することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
The method for growing a silicon single crystal according to claim 6,
The thermal stress at the center of the silicon single crystal on the solid-liquid interface between the silicon single crystal and the silicon melt is estimated by the comprehensive heat transfer analysis program,
A method for growing a silicon single crystal, wherein the pulling rate of the silicon single crystal is controlled so that the estimated thermal stress is 50 MPa or less.
請求項6に記載のシリコン単結晶の育成方法において、
前記育成中のシリコン単結晶外周部であって温度1000℃の位置における熱応力を前記総合伝熱解析プログラムにより推定し、
当該推定された熱応力が37MPa以下となるように前記シリコン単結晶の引上げ速度を制御することを特徴とするシリコン単結晶の育成方法。
The method for growing a silicon single crystal according to claim 6,
Estimating the thermal stress at a temperature of 1000 ° C. at the outer peripheral portion of the silicon single crystal being grown by the comprehensive heat transfer analysis program,
A method for growing a silicon single crystal, wherein the pulling rate of the silicon single crystal is controlled so that the estimated thermal stress is 37 MPa or less.
チャンバに収容された坩堝にシリコンを貯留し、当該シリコンを加熱してシリコン融液とし、当該シリコン融液に種結晶を浸漬して回転させながら引き上げることにより、前記種結晶からシリコン単結晶を引き上げて育成するシリコン単結晶育成工程における、前記シリコン単結晶の温度を推定する方法であって、
前記育成中のシリコン単結晶の周囲に配置される整流体の断熱材の熱伝導率の最適値と前記チャンバ内壁の輻射率の最適値とを、前記育成中のシリコン単結晶の実温度を測定することにより求め、
前記最適値を総合伝熱解析プログラムに代入し、
前記総合伝熱解析プログラムを実行して育成中のシリコン結晶温度を推定することを特徴とするシリコン単結晶の温度推定方法。
Silicon is stored in a crucible housed in a chamber, and the silicon is heated to form a silicon melt. The silicon single crystal is pulled up from the seed crystal by pulling up the seed crystal by immersing and rotating it in the silicon melt. A method for estimating the temperature of the silicon single crystal in the step of growing the silicon single crystal,
Measure the actual temperature of the growing silicon single crystal using the optimum value of the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier disposed around the growing silicon single crystal and the optimum value of the emissivity of the inner wall of the chamber To find
Substituting the optimum value into the comprehensive heat transfer analysis program,
A method for estimating a temperature of a silicon single crystal, wherein the comprehensive heat transfer analysis program is executed to estimate a silicon crystal temperature during growth.
請求項9に記載のシリコン単結晶の温度推定方法において、
前記整流体の断熱材の熱伝導率は温度依存特性を有し、
当該温度依存特性に基づく熱伝導率の最適値を前記総合伝熱解析プログラムに代入することを特徴とするシリコン単結晶の温度推定方法。
The temperature estimation method for a silicon single crystal according to claim 9,
The thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier has a temperature-dependent characteristic,
A method for estimating a temperature of a silicon single crystal, wherein an optimum value of thermal conductivity based on the temperature-dependent characteristic is substituted into the comprehensive heat transfer analysis program.
請求項10に記載のシリコン単結晶の温度推定方法において、
前記整流体の断熱材の熱伝導率は、1500℃〜600℃の温度範囲において1.2〜0.4の温度依存特性を有することを特徴とするシリコン単結晶の温度推定方法。
In the temperature estimation method of the silicon single crystal according to claim 10,
The method for estimating a temperature of a silicon single crystal, wherein the thermal conductivity of the heat insulating material of the rectifier has a temperature-dependent characteristic of 1.2 to 0.4 in a temperature range of 1500 to 600 ° C.
請求項9に記載のシリコン単結晶の温度推定方法において、
シリコンの熱伝導率の最適値及びシリコンの輻射率の最適値を前記育成中のシリコン単結晶の実温度を測定することにより求め、
前記最適値を総合伝熱解析プログラムに代入し、
前記総合伝熱解析プログラムを実行して固液界面領域における前記シリコンの温度分布を推定することを特徴とするシリコン単結晶の温度推定方法。
The temperature estimation method for a silicon single crystal according to claim 9,
The optimum value of the thermal conductivity of silicon and the optimum value of the emissivity of silicon are determined by measuring the actual temperature of the growing silicon single crystal,
Substituting the optimum value into the comprehensive heat transfer analysis program,
A temperature estimation method for a silicon single crystal, wherein the silicon heat distribution analysis program is executed to estimate a temperature distribution of the silicon in a solid-liquid interface region.
請求項12に記載のシリコン単結晶の温度推定方法において、
前記育成中のシリコン単結晶中心部における軸方向の温度勾配Gcと、前記育成中のシリコン単結晶外周部における軸方向の温度勾配Geを推定することを特徴とするシリコン単結晶の温度推定方法。
In the temperature estimation method of the silicon single crystal according to claim 12,
A method for estimating a temperature of a silicon single crystal, comprising: estimating an axial temperature gradient Gc at a center portion of the growing silicon single crystal and an axial temperature gradient Ge at an outer peripheral portion of the growing silicon single crystal.
請求項13に記載のシリコン単結晶の温度推定方法において、
前記シリコン単結晶と前記シリコン融液との固液界面上であって前記シリコン単結晶の中心部における熱応力を推定することを特徴とするシリコン単結晶の温度推定方法。
The temperature estimation method for a silicon single crystal according to claim 13,
A method for estimating a temperature of a silicon single crystal, comprising: estimating a thermal stress at a central portion of the silicon single crystal on a solid-liquid interface between the silicon single crystal and the silicon melt.
請求項13に記載のシリコン単結晶の温度推定方法において、
前記育成中のシリコン単結晶外周部であって所定温度の位置における熱応力を推定することを特徴とするシリコン単結晶の温度推定方法。
The temperature estimation method for a silicon single crystal according to claim 13,
A method for estimating a temperature of a silicon single crystal, wherein thermal stress is estimated at a predetermined temperature position on the outer periphery of the growing silicon single crystal.
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