JP5868286B2 - 多結晶シリコン棒の選択方法、多結晶シリコン塊の製造方法、及び、単結晶シリコンの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は単結晶シリコン製造用原料として用いられる多結晶シリコン棒の選択方法に関し、より具体的には、単結晶シリコンを安定的に製造するために好適な多結晶シリコン棒を選択する方法に関する。

半導体デバイス等の製造に不可欠な単結晶シリコンは、ＣＺ法やＦＺ法により結晶育成され、その際の原料として多結晶シリコン棒や多結晶シリコン塊が用いられる。このような多結晶シリコン材料は多くの場合、シーメンス法により製造される（特許文献１等参照）。シーメンス法とは、トリクロロシランやモノシラン等のシラン原料ガスを加熱されたシリコン芯線に接触させることにより、該シリコン芯線の表面に多結晶シリコンをＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）法により気相成長（析出）させる方法である。

例えば、ＣＺ法で単結晶シリコンを結晶育成する際には、石英ルツボ内に多結晶シリコン塊をチャージし、これを加熱溶融させたシリコン融液に種結晶を漬けて転位線を消滅させ、無転位化させた後に所定の直径となるまで徐々に径拡大させて結晶の引上げが行われる。このとき、シリコン融液中に未溶融の多結晶シリコンが残存していると、この未溶融多結晶片が対流により固液界面近傍を漂い、転位発生を誘発して結晶線を消失させてしまう原因となる。

また、特許文献２には、多結晶シリコンロッド（多結晶シリコン棒）をシーメンス法で製造する工程中に該ロッド中で針状結晶が析出することがあり、かかる多結晶シリコン棒を用いてＦＺ法による単結晶シリコン育成を行うと、上述の不均質な微細構造によって個々の晶子がその大きさに相応して均一には溶融せず、不溶融の晶子が固体粒子として溶融帯域をとおって単結晶ロッドへと通り抜けて未溶融粒子として単結晶の凝固面に組み込まれ、これにより欠陥形成が引き起こされる旨が報告されているが、ＦＺ法による単結晶化では１回のＦＺ操作により単結晶が得られる生産性の高い多結晶シリコンが求められている。

この問題に対し、特許文献２では、多結晶シリコン棒の長軸方向に対して垂直に切り出された試料面を研磨乃至ポリシングし、エッチング後に組織の微結晶を光学顕微鏡下でも視認できる程度にコントラストを高めて針状結晶のサイズとその面積割合を測定し、その測定結果に基づいてＦＺ単結晶シリコン育成用原料としての良否を判断する手法を提案している。

特公昭３７−１８８６１号公報 特開２００８−２８５４０３号公報

しかし、特許文献２に開示の手法のような光学顕微鏡下での視認による良否判断は、観察試料面のエッチングの程度や評価担当者の観察技量等に依存して結果に差が生じ易いことに加え、定量性や再現性にも乏しい。このため、単結晶シリコンの製造歩留まりを高める観点からは良否判断の基準を高めに設定しておく必要があり、結果として、多結晶シリコン棒の不良品率は高くなってしまう。

また、本発明者らが検討したところによれば、特許文献２に開示の手法では良品と判定された多結晶シリコン棒を用いた場合であっても、ＦＺ法による単結晶シリコンロッドの育成工程で転位が発生し結晶線が消失することがあることも判明した。

さらに、ＣＺ法による単結晶シリコンの結晶成長においても、原料として用いられる多結晶シリコン塊の結晶配向度が高い場合には、石英ルツボ内のシリコン融液中を不溶融の晶子が漂い、これが固液界面に達して結晶線を消失させる可能性がある。

従って、単結晶シリコンを高い歩留まりで安定的に製造するためには、単結晶シリコン製造用原料として好適な多結晶シリコンを高い定量性と再現性で選別する技術が求められる。

本発明は、このような問題に鑑みてなされたもので、その目的とするところは、単結晶シリコン製造用原料として好適な多結晶シリコンを高い定量性と再現性で選別し、単結晶シリコンの安定的製造に寄与する技術を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明に係る多結晶シリコン棒の選択方法は、単結晶シリコン製造用原料として用いる多結晶シリコン棒を選択するための方法であって、前記多結晶シリコン棒は化学成長法による析出で育成されたものであり、前記多結晶シリコン棒の径方向に垂直な断面を主面とする板状試料を採取し、１１００℃以下の温度Ｔ（℃）で前記板状試料の熱拡散率α（Ｔ）を測定し、該熱拡散率α（Ｔ）と標準試料の熱拡散率α_R（Ｔ）との比（α（Ｔ）／α_R（Ｔ））を求め、該熱拡散率の比（α（Ｔ）／α_R（Ｔ））に基づいて単結晶シリコン製造用の多結晶シリコン棒を選択する、ことを特徴とする。

好ましくは、前記標準試料は＜１００＞面を主面とする単結晶シリコン板状試料である。

この場合、第１の態様では、前記熱拡散率α（Ｔ）が下式（１）を満足する多結晶シリコン棒を単結晶シリコン製造用原料として選択する。
α（Ｔ）／α_R（Ｔ）≧０．１０×１０^-3Ｔ＋０．８０ （１）

第２の態様では、前記測定温度Ｔが２５℃であり、前記熱拡散率α（２５℃）が下式（２）を満足する多結晶シリコン棒を単結晶シリコン製造用原料として選択する。
α（２５℃）／α_R（２５℃）≧０．８０ （２）

第３の態様では、前記測定温度Ｔが９００℃であり、前記熱拡散率α（９００℃）が下式（３）を満足する多結晶シリコン棒を単結晶シリコン製造用原料として選択する。
α（９００℃）／α_R（９００℃）≧０．９０ （３）

第４の態様では、前記測定温度Ｔが１０００℃であり、前記熱拡散率α（１０００℃）が下式（４）を満足する多結晶シリコン棒を単結晶シリコン製造用原料として選択する。
α（１０００℃）／α_R（１０００℃）≧０．９１ （４）

本発明に係る多結晶シリコン塊の製造方法は、上述の方法により選択された多結晶シリコン棒を破砕する工程を備えている。

また、本発明に係る単結晶シリコンの製造方法では、上述の方法により選択された多結晶シリコン棒をシリコン原料として用いたり、上述の方法により得られた多結晶シリコン塊を原料として用いる。

本発明の方法により選択した多結晶シリコン棒ないしこれを粉砕して得られた多結晶シリコン塊を原料として用いることにより、ＦＺ法およびＣＺ法の何れにおいても単結晶シリコンの育成工程において結晶線消失が起きにくくなり、安定して単結晶シリコンを得ることができる。

１回のＦＺ処理で単結晶化に成功した多結晶シリコン棒より得た板状試料の熱拡散率α（Ｔ）と標準試料として用いる＜１００＞面を主面とする単結晶シリコン板状試料の熱拡散率α_R（Ｔ）との比（α（Ｔ）／α_R（Ｔ））を測定温度に対してプロットした図である。 化学気相法で析出させて育成された多結晶シリコン棒からの、熱拡散率測定用の板状試料の採取例について説明するための図である。 化学気相法で析出させて育成された多結晶シリコン棒からの、熱拡散率測定用の板状試料の採取例について説明するための図である。

以下に、図面を参照して本発明に係る多結晶シリコン棒の選択方法について説明する。なお、以降においては、本発明の方法により選択された多結晶シリコン棒をＦＺ法による単結晶シリコンの製造に用いる場合を例に説明するが、選択された多結晶シリコン棒を破砕して結晶配向性の低い多結晶シリコン塊を得、これをＣＺ法による単結晶シリコンの製造用原料として用いるようにしてもよいことは言うまでもない。

本発明に係る単結晶シリコン製造用原料用多結晶シリコン棒の選択方法では、化学成長法による析出で育成された多結晶シリコン棒から、当該多結晶シリコン棒の径方向に垂直な断面を主面とする板状試料を採取して、この板状試料の熱拡散率α（Ｔ）を測定する。そして、この熱拡散率α（Ｔ）を、標準試料の熱拡散率α_R（Ｔ）と比較して、熱拡散率の比（α（Ｔ）／α_R（Ｔ））に基づいて単結晶シリコン製造用の原料として好適な多結晶シリコン棒を選択する。

熱拡散率の測定は、定常法に限らず、パルス加熱法や周期加熱法あるいは熱線法といった非定常法でもよいが、測定の容易性と精度において優れるパルス加熱法（フラッシュ加熱法）を用いることが好ましい。

パルス加熱法では、測定対象試料を板状（一般的には円盤状）とし、以下のような手順で熱拡散率を測定する。

まず、板状試料を装置に固定し、この板状試料の表面にパルス光（通常はレーザパルス）を照射して瞬間的に加熱する。この加熱により、板状試料の表面から裏面にかけて熱が伝わり、裏面の温度が上昇することとなるが、この裏面温度の変化の様子を観測することで熱拡散率α（Ｔ）が算出される。なお、熱拡散率の測定温度は、装置内に設置された電気炉からの加熱により、任意に設定することができる。

本発明では、測定結果の再現性を高める目的で、算出された熱拡散率α（Ｔ）を、標準試料の熱拡散率α_R（Ｔ）で規格化する。具体的には、熱拡散率α（Ｔ）と熱拡散率α_R（Ｔ）との比（α（Ｔ）／α_R（Ｔ））を求める。

なお、規格化のための標準試料としては単結晶シリコンが好ましく、特に、＜１００＞面を主面とする単結晶シリコン板状試料が好ましい。

このような測定は、原理的には、シリコン結晶の溶融温度未満の温度であれば可能である。しかし、本発明者らの検討によれば、α（Ｔ）／α_R（Ｔ）の値は、測定温度が高くなるにつれて、測定対象である試料間での差が小さくなる傾向が認められる。つまり、１本の多結晶シリコン棒から得られた複数の試料間でのα（Ｔ）／α_R（Ｔ）値の差が小さくなるだけではなく、本来は結晶粒状態が異なるはずの多結晶シリコン棒から得られた試料間でのα（Ｔ）／α_R（Ｔ）値の差も小さくなる傾向があり、このような場合には単結晶シリコン製造用原料として好適な多結晶シリコン棒の選択(選別)が難しくなる。

そこで、本発明者らは、好適な測定温度の範囲を明らかにする目的で、結晶粒状態が異なる複数の多結晶シリコン棒を準備し、それぞれの多結晶シリコン棒から径方向に垂直な断面を主面とする板状試料を採取し、これら板状試料の熱拡散率を、２５±０．５℃、９００±１℃、１０００±１℃、１１００±１℃の各温度で行って各温度での熱拡散率の比（α（Ｔ）／α_R（Ｔ））を求めると共に、これら多結晶シリコン棒のＦＺ法による単結晶化を行って結晶線消失の有無を調べた。

その結果、熱拡散率と１回のＦＺ操作での結晶線消失の有無との間には関連性が認められ、１回のＦＺ操作により単結晶化に成功した多結晶シリコン棒（結晶線消失無し）は、成功しなかった多結晶シリコン棒（結晶線消失有り）よりも、熱拡散率が大きい傾向にあることが判明した。つまり、１１００℃以下の測定温度であれば、熱拡散率の比（α（Ｔ）／α_R（Ｔ））に基づいて単結晶シリコン製造用の原料として好適な多結晶シリコン棒を選択し得るとの知見を得た。このような理由により、本発明では、熱拡散率測定の測定温度は１１００℃以下としている。

具体的には、熱拡散率α（Ｔ）が、α（Ｔ）／α_R（Ｔ）≧０．１０×１０^-3Ｔ＋０．８０を満足する多結晶シリコン棒を単結晶シリコン製造用原料として選択する。

図１は、１回のＦＺ処理で単結晶化に成功した多結晶シリコン棒より得た板状試料の熱拡散率α（Ｔ）と標準試料として用いる＜１００＞面を主面とする単結晶シリコン板状試料の熱拡散率α_R（Ｔ）との比（α（Ｔ）／α_R（Ｔ））の最低値を測定温度に対してプロットした図である。

この結果から、１次の相関関係として、上式α（Ｔ）／α_R（Ｔ）≧０．１０×１０^-3Ｔ＋０．８０が得られ、その相関係数Ｒ²は０．９９９７と極めて高い直線性をもつ。従って、上式を判別式として用いれば、１１００℃以下の任意の温度で行われた熱拡散率測定の結果に基づき、単結晶シリコン製造用原料として好適な多結晶シリコン棒の選択が可能となる。

なお、上式α（Ｔ）／α_R（Ｔ）≧０．１０×１０^-3Ｔ＋０．８０は、＜１００＞面を主面とする単結晶シリコン板状試料を標準試料として用いた場合の判別式である。

また、１１００℃未満の測定温度であれば、１つの多結晶シリコン棒から得られる複数の試料間の熱拡散率の差を考慮しても、単結晶化成功率の高い多結晶シリコン棒と単結晶化成功率の比較的低い多結晶シリコン棒を区別するための基準値を設定し得ることが推定された。このような理由により、本発明では、熱拡散率測定の測定温度が２５℃、９００℃、１０００℃のそれぞれについて、単結晶シリコン製造用の原料として好適な多結晶シリコン棒を選択するための基準値（熱拡散率の比の値）を設定している。

具体的には、測定温度Ｔが２５℃の場合には、熱拡散率α（２５℃）が、α（２５℃）／α_R（２５℃）≧０．８０を満足する多結晶シリコン棒を単結晶シリコン製造用原料として選択する。

また、測定温度Ｔが９００℃の場合には、熱拡散率α（９００℃）がα（９００℃）／α_R（９００℃）≧０．９０を満足する多結晶シリコン棒を単結晶シリコン製造用原料として選択する。

さらに、測定温度Ｔが１０００℃の場合には、熱拡散率α（１０００℃）がα（１０００℃）／α_R（１０００℃）≧０．９１を満足する多結晶シリコン棒を単結晶シリコン製造用原料として選択する。

なお、上記の多結晶シリコン棒を選択するための基準値（熱拡散率の比の値）は何れも、＜１００＞面を主面とする単結晶シリコン板状試料を標準試料として用いた場合の値である。

本発明の多結晶シリコン棒の選択方法では、熱拡散率を測定するため、多結晶シリコン棒より板状試料を採取する。板状試料は、熱拡散率測定に適するものである限り特別な制限はないが、多結晶シリコン棒は、径方向に結晶粒が成長している場合が多い。これは、多結晶シリコン棒製造時に、シリコン芯線表面でＣＶＤ反応が進行することで径拡大するためである。そこで、板状試料の採取位置による測定値のばらつきを抑制するために、多結晶シリコン棒の径方向に垂直な断面を主面とする板状試験試料を用いることが好ましい。

図２Ａおよび図２Ｂは、化学気相法（シーメンス法）で析出させて育成された多結晶シリコン棒１０からの、熱拡散率測定用の板状試料２０の採取例について説明するための図である。図中、符号１で示したものは、表面に多結晶シリコンを析出させてシリコン棒とするためのシリコン芯線である。なお、この例では、多結晶シリコン棒１０の結晶状態（配向や粒径等）の径方向依存性の有無を確認すべく３つの部位（ＣＴＲ：シリコン芯線１に近い部位、ＥＤＧ：多結晶シリコン棒１０の側面に近い部位、Ｒ／２：ＣＴＲとＥＧＤの中間の部位）から板状試料２０を採取しているが、このような部位からの採取に限定されるものではない。

図２Ａで例示した多結晶シリコン棒１０の直径は概ね１２０ｍｍであり、この多結晶シリコン棒１０の側面側からシリコン芯線１側に至る３つの部位（ＣＴＲ：シリコン芯線１に近い部位、ＥＤＧ：多結晶シリコン棒１０の側面に近い部位、Ｒ／２：ＣＴＲとＥＧＤの中間の部位）から、直径が概ね２０ｍｍで長さが概ね６０ｍｍのロッド１１をくり抜く。この図に示した例では、ロッド１１は、多結晶シリコン棒１０の径方向に垂直な断面を底面とする柱状試料となる。

そして、図２Ｂに図示したように、これらのロッド１１の長軸方向に垂直な断面を主面とする板状試料２０を概ね２ｍｍの厚みでスライスして採取する。従って、この場合、板状試料２０は、多結晶シリコン棒１０の径方向に垂直な断面を主面とするように採取されることになる。

なお、ロッド１１を採取する部位や直径は上記例に限定する必要はなく、多結晶シリコン棒１０全体の性状を合理的に推定可能であり熱拡散率の測定に支障がない限り、どの部位から採取してもよく、直径も適当に定めればよい。多結晶シリコン棒１０の直径やくり抜くロッド１１の直径、或いは、くり抜くロッド１１の長さ等を考慮して定めればよい。また、板状試料２０についても、ロッド１１の適当な部位から採取すればよい。

なお、板状試料２０は、多結晶シリコン棒１０の長軸方向に垂直な断面を主面とするように採取してもよい。例えば、多結晶シリコン棒１０の長軸方向と垂直な主面をもつ概ね２ｍｍの厚みの板状試料をスライスにより採取し、この板状試料のシリコン芯線１に近い部位（ＣＴＲ）、多結晶シリコン棒１０の側面に近い部位（ＥＤＧ）、ＣＴＲとＥＧＤの中間の部位（Ｒ／２）から、直径が概ね２０ｍｍの板状試料２０を採取するようにしてもよい。

採取した板状試料２０は、熱拡散率測定に先立ち、研磨により表面の平坦性を高めておくことが好ましい。シリコン結晶の研磨には種々の方法が知られており、いずれの方法を用いても良いが、例えば振動研磨装置を用いることができる。

異なる析出条件下で化学成長法で育成された多結晶シリコン棒（Ａ〜Ｄ）を４本準備した。これらの多結晶シリコン棒のそれぞれにつき、図２Ａおよび図２Ｂで示した採取方法で、厚みが約２ｍｍで直径が約２０ｍｍの板状試料（２０_CTR、２０_EDG、２０_R/2）を得た。

これらの板状試料のそれぞれの熱拡散率を、２５±０．５℃、９００±１℃、１０００±１℃、１１００±１℃の各温度で測定した。また、標準試料としての＜１００＞面を主面とする単結晶シリコン板状試料についても、同条件で熱拡散率測定を行った。熱拡散率の測定は、非定常法であるレーザフラッシュ法で行い、条件は表１に示したとおりである。

なお、標準試料としての＜１００＞面を主面とする単結晶シリコン板状試料は、
ＦＺ法にて育成された単結晶シリコンインゴット（直径１２ｍｍ×長さ１７０ｃｍ）から、輪切りにより厚さ２ｍｍで採取した。

標準試料（＜１００＞面を主面とする単結晶シリコン板状試料）の熱拡散率α_R（Ｔ）を１．００とした場合の規格化された板状試料の熱拡散率α（Ｔ）、すなわち熱拡散率の比α（Ｔ）／α_R（Ｔ）を表２に纏めた。

さらに、これら多結晶シリコン棒Ａ〜ＤのＦＺ法による単結晶化を行って結晶線消失の有無を調べた。表２には、ＦＺ操作１回における結晶線の消失の有無も示した。

表２に纏めた結果から、測定温度２５℃におけるα（２５℃）／α_R（２５℃）の値が０．８０以上の多結晶シリコン棒Ａ及びＢは、結晶線が消失することなく１回のＦＺ処理で単結晶化に成功している。

また、測定温度９００℃におけるα（９００℃）／α_R（９００℃）の値が０．９０以上の多結晶シリコン棒Ａ及びＢは、結晶線が消失することなく１回のＦＺ処理で単結晶化に成功している。

さらに、測定温度１０００℃におけるα（１０００℃）／α_R（１０００℃）の値が０．９１以上の多結晶シリコン棒Ａ及びＢは、結晶線が消失することなく１回のＦＺ処理で単結晶化に成功している。

なお、測定温度１１００℃におけるα（１１００℃）／α_R（１１００℃）の値が０．９２以上の多結晶シリコン棒Ａ及びＢは、結晶線が消失することなく１回のＦＺ処理で単結晶化に成功しているが、一部のα（１１００℃）／α_R（１１００℃）の値が０．９２以上である多結晶シリコン棒Ｃについては結晶線の消失が認められ１回のＦＺ処理での単結晶化に失敗している。

図１は、表２に示した熱拡散率のうち、１回のＦＺ処理で単結晶化に成功した多結晶シリコン棒Ａ及びＢから採取された６つの板状試料のなかの最も低い規格化熱拡散率（２５℃：０．８０、９００℃：０．９０、１０００℃：０．９１、１１００℃：０．９２）を、測定温度に対してプロットしたものである。なお、ここでは、測定温度との相関を見るため、１１００℃での最低値である０．９２も考慮している。

本発明は、単結晶シリコン製造用原料として好適な多結晶シリコンを高い定量性と再現性で選別し、単結晶シリコンの安定的製造に寄与する技術を提供する。

１ シリコン芯線
１０ 多結晶シリコン棒
１１ ロッド
２０ 板状試料

Claims (7)

1. 単結晶シリコン製造用原料として用いる多結晶シリコン棒を選択するための方法であって、
   前記多結晶シリコン棒は化学成長法による析出で育成されたものであり、前記多結晶シリコン棒の径方向に垂直な断面を主面とする板状試料を採取し、１１００℃以下の温度Ｔ（℃）で前記板状試料の熱拡散率α（Ｔ）を測定し、該熱拡散率α（Ｔ）と＜１００＞面を主面とする単結晶シリコン板状試料である標準試料の熱拡散率α_R（Ｔ）との比（α（Ｔ）／α_R（Ｔ））を求め、該熱拡散率の比（α（Ｔ）／α_R（Ｔ））が下式（１）を満足する多結晶シリコン棒を単結晶シリコン製造用原料として選択する、ことを特徴とする多結晶シリコン棒の選択方法。
   α（Ｔ）／α _R （Ｔ）≧０．１０×１０ ^-3 Ｔ＋０．８０ （１）
2. 前記測定温度Ｔが２５℃であり、前記熱拡散率α（２５℃）が下式（２）を満足する多結晶シリコン棒を単結晶シリコン製造用原料として選択する、請求項１に記載の多結晶シリコン棒の選択方法。
   α（２５℃）／α_R（２５℃）≧０．８０ （２）
3. 前記測定温度Ｔが９００℃であり、前記熱拡散率α（９００℃）が下式（３）を満足する多結晶シリコン棒を単結晶シリコン製造用原料として選択する、請求項１に記載の多結晶シリコン棒の選択方法。
   α（９００℃）／α_R（９００℃）≧０．９０ （３）
4. 前記測定温度Ｔが１０００℃であり、前記熱拡散率α（１０００℃）が下式（４）を満足する多結晶シリコン棒を単結晶シリコン製造用原料として選択する、請求項１に記載の多結晶シリコン棒の選択方法。
   α（１０００℃）／α_R（１０００℃）≧０．９１ （４）
5. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法により選択された多結晶シリコン棒を破砕する工程を備えている多結晶シリコン塊の製造方法。
6. 請求項１乃至４の何れか１項に記載の方法により選択された多結晶シリコン棒をシリコン原料として用いる単結晶シリコンの製造方法。
7. 請求項５に記載の方法により得られた多結晶シリコン塊を原料として用いる単結晶シリコンの製造方法。