JP5978724B2 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する方法に関し、より詳しくは、シリコン原料の溶解工程または再溶解工程で生じやすい石英ルツボ内壁の溶損の状態を評価するとともに、当該溶損を低減させるシリコン単結晶の製造方法に関する。

シリコン単結晶を製造する方法として、溶融したシリコンに種結晶を浸漬させて引き上げることにより、種結晶の下端に単結晶を成長させるチョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）が広く採用されている。シリコン原料の溶解には、石英ルツボが使用される。

原料の溶解は石英ルツボを高温にした状態で行われるので、石英ルツボの内壁の溶損は避けることができない。例えば、非特許文献１には、直径６ｍｍの石英棒を溶融石英（メルト）中に浸漬し、気液固の三相の接点である３重点での溶損速度を縦軸に、浸漬（反応）時間を横軸にとって、メルト温度別の石英の溶損速度が示されている。石英の溶損は、メルト温度が高いほど進行し易いことが明示されている。

この石英ルツボ内壁の溶損が軽微であればシリコン単結晶の育成に影響を及ぼすことはないが、引き上げる結晶の大型化に伴い、石英ルツボの内壁の溶損が進行し易くなり、単結晶化が阻害されるということが問題となっていた。従来は、溶解の促進をはかるため石英ルツボを高温にした状態で原料を溶解していたことによるものである。結晶の引き上げ中に単結晶化が阻害され、有転位化が生じると単結晶歩留りが悪化するので、解決が急がれる問題であるが、特許文献等にはこの問題に対する解決策は見あたらない。

一方、この問題に関連して、引き上げ中におけるシリコン単結晶の有転位化を防止する対策を講じた場合の効果を定量的に判定する指標がないことが、対策を講じる上での課題としてあげられる。例えば、石英ルツボ内表面の熱負荷を抑制してルツボ内壁の溶損を抑えるという対策を講じたとして、その効果を、総合伝熱解析による引き上げ炉内の温度分布の変化あるいは単結晶歩留りの変化によって推定しようとしても、シリコン原料の形状や原料とルツボとの接触度合いの変動など、他の外乱要因による変化も含まれるので、ルツボ内壁の溶損改善効果の確認が困難であった。

Ｍａｔｅｒｉａｌｓ Ｔｒａｎｓａｃｔｉｏｎｓ，ＪＩＭ，ｖｏｌ．４１，Ｎｏ．５（２０００）ｐ６３９〜６４５

本発明は、このような実状に鑑みてなされたものであり、石英ルツボ内表面の熱負荷を抑制してルツボ内壁の溶損を抑える対策を講じるとともに、石英ルツボ内表面の評価方法を確立し、この評価方法により前記熱負荷抑制対策の効果を評価することができるシリコン単結晶の製造方法の提供を目的とする。

上記の課題を解決するために、本発明者らは、先ず、石英ルツボ内表面の評価方法について検討した。その結果、単結晶の引き上げが終了して底部に固化した残存シリコン融液（シリコンメルト残）が存在しているルツボを対象とし、そのシリコンメルト残の最上端位置の直上部位におけるガラス剥離痕等の個数を計測して剥離密度（個／ｃｍ²）を求め、これを指標として用いることにより、石英ルツボ内表面の状態（溶損の程度、それに伴う単結晶化阻害の程度）を定量的に評価することが可能であることを確認した。

一方、石英ルツボ内表面の熱負荷を抑制する対策について検討した結果、石英ルツボ底の中心を低温化することにより剥離密度を低下させ、有転位化を抑制し得ることが判明した。また、石英ルツボ底中心の低温化対策としては、シリコン原料の溶解をメインヒーターのみで行うこと、石英ルツボを最下限位置に配置すること、および引き上げシリコン単結晶の周囲に配設した熱遮蔽体を最上限位置に配置すること、が有効であることを確認した。

さらに、ＣＺ法による引き上げ工程においては、引き上げの途中で有転位化が生じていることが判明した場合、この有転位化インゴットを再び融液へ戻して溶解する再溶解工程を組み入れるが、その際にも、ルツボ底中心の低温化対策を講じることがきわめて有効であることを知見した。

本発明は、このような検討結果に基づきなされたもので、下記のシリコン単結晶の製造方法を要旨とする。

すなわち、シリコン原料を石英ルツボ内で溶解する溶解工程で得られたシリコン融液から、ＣＺ法による引き上げ工程を経てシリコン単結晶を製造する方法であって、溶解工程において、石英ルツボ底部を低温に維持して原料の溶解を行い、あらかじめ定めた石英ルツボ内表面評価の管理基準を満たす操業を行うことを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。
ここで言う「石英ルツボ底部」とは、石英ルツボ底中心およびその近傍（具体的には、ルツボの底面から側面にかけて曲率半径Ｒが最も小さくなる部位よりも底面側）を指す。

本発明のシリコン単結晶の製造方法において、ＣＺ法による引き上げ工程が、引き上げ途中のインゴットを再溶解する再溶解工程を含む場合には、溶解工程に加え、当該再溶解工程においても、前記石英ルツボ底部を低温に維持して溶解を行うこととする実施形態を採ることが望ましい。

本発明のシリコン単結晶の製造方法において、石英ルツボ底部を低温に維持するために、溶解工程、または溶解および再溶解の両工程において、下記（ａ）、（ｂ）および（ｃ）のうちのいずれか一以上を実施する実施形態を採ることが望ましい。
（ａ）シリコン原料または引き上げ途中のインゴットの溶解をメインヒーターのみでの加熱により行う。
（ｂ）石英ルツボを最下限位置に配置する。
（ｃ）引き上げ途中のシリコン単結晶の周囲に単結晶引き上げ軸と同軸に配設した熱遮蔽体を最上限位置に配置する。

本発明のシリコン単結晶の製造方法において、石英ルツボ内表面評価の方法として、ルツボ内表面の任意の範囲における内壁の溶損に伴うガラス部分の剥離痕の個数を計測し、その個数を計測の対象範囲の面積で除した剥離密度を指標として用いる方法を採用する。これにより、石英ルツボ内表面の状態（溶損の程度、それに伴う単結晶化阻害の程度）を定量的に評価することが可能である。
前記の「剥離痕」とは、石英ルツボ内壁表面近傍の気泡を覆う薄いガラス部分や、ルツボ内壁の一部が変質して生じた結晶質部分がルツボ内壁から剥離した痕跡をいう。多くはガラス部分の剥離痕であることから、「ガラス剥離痕」ともいう。

前記ルツボ表面の任意の範囲を、単結晶の引き上げが終了した後にルツボ内に残存するシリコン融液（シリコンメルト残）の最上端の任意の位置から上方５ｃｍまでの長さ、および当該任意の位置から周方向に５ｃｍの長さを隣接する２辺とする四角形で囲まれる範囲とする実施形態を採ることが望ましい。

本発明のシリコン単結晶の製造方法において、石英ルツボ内表面評価の管理基準を、あらかじめ設定した剥離密度以下とすれば、引き上げ途中のシリコン単結晶の有転位化を抑制して所定長さの単結晶が得られる単結晶収率が大きく改善される。

本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、石英ルツボ内表面の評価を行うとともに、当該ルツボ内表面の熱負荷を低く抑えて、あらかじめ定めた石英ルツボ内表面評価の管理基準を満たす操業を行い、結晶の引き上げ中における有転位化を抑制することができる。これにより、単結晶歩留りを向上させることができる。

石英ルツボ底部を低温に維持する手段を説明するための断面図で、（ａ）はシリコン原料の溶解にメインヒーターのみを使用する場合、（ｂ）は石英ルツボを最下限位置に配置し、熱遮蔽体を最上限位置に配置する場合を示す図である。 ＣＺ法による引き上げの概略工程（再溶解工程を含む場合）を示す図である。 石英ルツボ内表面における剥離痕の計測対象範囲を模式的に例示する図である。 石英ルツボ内表面の熱負荷抑制対策を施した場合のシミュレーションによる検討結果で、（ａ）はルツボ底部中心の温度の変化を示す図、（ｂ）は石英ルツボの縦断面図である。 熱負荷抑制対策を施した場合の石英ルツボ内表面における高さ方向部位別の剥離密度を、熱負荷抑制対策を施さなかった場合と対比して例示する図である。 メインヒーターの電力比率、石英ルツボの配置位置、または熱遮蔽体の配置位置と石英ルツボ底部中心の温度との関係を示す図である。 実施例の結果で、石英ルツボ内表面の剥離密度と単結晶収率の関係を示す図である。

本発明のシリコン単結晶の製造方法は、前記のとおりで、シリコン原料を石英ルツボ内で溶解する溶解工程で得られたシリコン融液から、ＣＺ法による引き上げ工程を経てシリコン単結晶を製造することを前提としている。

本発明の製造方法は、この溶解工程において、石英ルツボ底部を低温に維持して原料の溶解を行い、あらかじめ定めた石英ルツボ内表面評価の管理基準を満たす操業を行うシリコン単結晶の製造方法である。

前記の「石英ルツボ底部を低温に維持」の「低温」とは、原料溶解時に、あらかじめ定めた石英ルツボ内表面評価の管理基準を満たす程度の低温をいう。

溶解工程で、前記石英ルツボ底部を低温に維持する操業を行うのは、通常、原料の溶解時にヒーターへの印加電力を大きくし、石英ルツボを高温状態にするので、ルツボ内壁の溶損が進行し易いからである。石英ルツボ内表面の熱負荷を抑制してルツボ内表面全体の温度を低下させ、ルツボ内壁の溶損の進行を緩和することにより結晶引き上げ中における単結晶化の阻害、有転位化を抑制することができる。

ここで、特に、低温に維持する部位を石英ルツボ底部とするのは、熱解析による計算でルツボ底部の中心近傍が最も高温になること、熱負荷の管理対象部位として、高温に曝されかつ融液との接触時間（溶損に係る時間）が最も長くなるルツボ底部が最適と考えられることによるものである。

後述する実施例１では、石英ルツボ内表面の熱負荷を抑制するための手段（改善）を講じた場合、石英ルツボ底部中心の温度が低下することが示されている。このことは、逆に、石英ルツボ底部（の中心）の温度を低く維持することによってルツボ内表面の熱負荷が抑制されることを示すものである。

石英ルツボ底部を低温に維持するための手段について特に限定はないが、例えば、後述するように、メインヒーターのみを使用して原料を溶解する方式、石英ルツボの配置位置を低下させる方式などが効果的である。

本発明の製造方法では、さらに、原料溶解に際して、あらかじめ定めた石英ルツボ内表面評価の管理基準を満たす操業を行う。ここで、「石英ルツボ内表面評価の管理基準」とは、引き上げ中の単結晶の有転位化を抑制するために、石英ルツボ内表面が満たすべき基準である。石英ルツボ内表面評価の具体的な方法について限定はしないが、例えば、後述する石英ルツボ内表面の剥離密度を指標として用いる方法が適用できる。

実際に石英ルツボ内表面評価の管理基準を満たす操業を行うに際しては、通常は内表面の評価を行いつつ操業することはできないので、単結晶の有転位化の発生比率と石英ルツボ内表面評価レベルの関係を把握しておき、石英ルツボ底部を低温に維持したときのルツボ内表面評価レベルに関する操業実績を勘案して、あらかじめ満たすべき基準として定めた評価レベル（管理基準）が満たされるように（言い換えれば、管理基準が満たされるような対策を講じて）操業することになる。

操業データが蓄積され、石英ルツボ底部の低温化と石英ルツボ内表面評価レベルの関係がより正確に把握されるに伴い、石英ルツボ底部の低温化対策を講じた場合の効果の予測が可能となるので、操業データに基づいて石英ルツボ内表面評価の管理基準を満たす操業を行うことが可能となる。

本発明のシリコン単結晶の製造方法において、ＣＺ法による引き上げ工程が、引き上げ途中のインゴットを再溶解する再溶解工程を含む場合には、溶解工程に加え、当該再溶解工程においても、石英ルツボ底部を低温に維持して溶解を行う。

図２は、ＣＺ法による引き上げの概略工程（再溶解工程を含む場合）を示す図で、（ａ）は工程図、（ｂ）は同工程の一部を模式的に示す図である。図２（ａ）において、「ＮＥＣＫ（ネック）工程」は種結晶の先端をシリコン融液に接触、溶融させ細く絞る工程、「肩工程」は結晶径を徐々に増大させて肩を形成させる工程、「直胴工程」は定径の単結晶を引き上げる工程である。「再溶解工程」は、引き上げの途中で有転位化が生じていることが判明した場合に、この有転位化インゴットを再び融液へ戻して溶解する工程である。再溶解工程で得られたシリコン融液から、再度、「ネック工程」、「肩工程」、「直胴工程」を経て、径を徐々に小さくし（テール工程）、終端部が融液から切り離される（ＥＮＤ工程）。

図２（ｂ）には、「直胴工程」と「再溶解工程」におけるインゴットの移動方向を矢印で示している。「再溶解工程」では、インゴット１０を、石英ルツボ５に収容されているシリコン融液４へ再び戻し、溶解する。

図２に示すように、引き上げ工程に再溶解工程が含まれる場合、溶解工程に加え、当該再溶解工程においても、石英ルツボ底部を低温に維持して溶解を行うのは、溶解工程の場合と同様に、ヒーターへの印加電力が大きくルツボへの熱負荷が大きいからである。

本発明のシリコン単結晶の製造方法においては、前記のように、石英ルツボ底部を低温に維持するために、溶解工程、または溶解および再溶解の両工程において、下記（ａ）、（ｂ）および（ｃ）のうちのいずれか一以上を実施する実施形態を採ることが望ましい。
（ａ）シリコン原料の溶解をメインヒーターのみでの加熱により行う。
（ｂ）石英ルツボを最下限位置に配置する。
（ｃ）引き上げ途中のシリコン単結晶の周囲に単結晶引き上げ軸と同軸に配設した熱遮蔽体を最上限位置に配置する。

図１は、石英ルツボ底部を低温に維持する手段を説明するための断面図で、（ａ）はシリコン原料の溶解にメインヒーターのみを使用する場合、（ｂ）は石英ルツボを最下限位置に配置し、熱遮蔽体を最上限位置に配置する場合を示す図である。図示するように、引き上げ装置のチャンバー１の底部中央を貫通して垂直に昇降および回転可能な支持軸２が設けられ、その上端部にグラファイトサセプタ３が固定され、シリコン融液４を収容した石英ルツボ５がサセプタ３内に保持されている。グラファイトサセプタ３の周囲にメインヒーター６が設けられ、その外側に断熱材７が取り付けられている。石英ルツボ５の下方にはサブヒーター８が、上方には熱遮蔽体９が配置されている。

図１（ａ）では、石英ルツボ５および熱遮蔽体９の配置位置は通常の位置である。この場合は、サブヒーター８には通電せず、原料の溶解はメインヒーター６のみでの加熱によって行われる。この場合、後述する実施例３に示すように、サブヒーター６および図示していない他の補助ヒーターを併用する場合に比べて、石英ルツボ内表面の底中心温度を低く維持することができる。

図１（ｂ）では、支持軸２を降下させる（下向きの白抜き矢印で表示）ことにより石英ルツボ５を最下限位置に配置するとともに、熱遮蔽体９を最上限位置に配置している（上向きの白抜き矢印で表示）。原料の溶解はメインヒーター６のみ、または、さらにサブヒーター６、図示していないその他の補助ヒーターを併用して行われる。石英ルツボ５の最下限位置への配置、熱遮蔽体９の最上限位置への配置によっても、通常位置に配置した場合に比べて、石英ルツボ内表面の底中心温度を低く維持することができる。

前記（ａ）、（ｂ）および（ｃ）の石英ルツボ底部の低温化対策は、後述する実施例３に示すように、いずれか一の対策を単独で実施しても石英ルツボ内表面の底中心温度を低下させることができるが、効果をより一層高めるためには、いずれか二の対策、または全ての対策を併用することが望ましい。

本発明のシリコン単結晶の製造方法においては、石英ルツボ内表面評価の方法として、ルツボ表面の任意の範囲における内壁の溶損に伴うガラス部分の剥離痕の個数を計測し、その個数を計測の対象範囲の面積で除した剥離密度を指標として用いる方法を採用することによって、石英ルツボ内表面の状態（溶損の程度、それに伴う有転位化の程度）を定量的に評価することが可能である。

ルツボ内壁の溶損により単結晶化が阻害される理由としては、次の１）〜３）が一般に考えられている。
１）石英ルツボ内壁表面近傍の気泡を覆う薄いガラス部分が剥離し、結晶に到達して（取り込まれ）有転位化を生ずる。
２）前記気泡内のガスがシリコン融液中に放たれ、浮遊して結晶に到達し有転位化を生ずる。
３）石英ルツボ内壁の一部は結晶質に変質するが、周囲のガラス質よりも溶解速度が遅いため結晶質部分が取り残され、ルツボ内壁から剥離し、結晶に到達して有転位化を生ずる。

すなわち、石英ルツボ内壁から剥離したガラス部分や結晶質部分が結晶に取り込まれ、有転位化を生ずると考えられることから、計測の対象とする範囲（面積）を定めてその範囲内のガラス部分（一部結晶質部分を含む）の剥離痕の個数を計測し、計測対象範囲の面積で除して求めた剥離密度（個／ｃｍ²）を石英ルツボ内表面評価の指標として用いる。剥離密度が小さければ、ガラス部分や結晶質部分の剥離量が少なかったことを意味するので、ガラス部分や結晶質部分が結晶に取り込まれ難く、引き上げ途中の単結晶の有転位化は抑制されていたとみることができる。

剥離痕の計測は、目視観察により迅速に行うことができる。

剥離痕の計測対象範囲は、石英ルツボ内の原料溶解時に溶損を受ける部分のうちの任意の部位に定めればよい。その面積や計測対象範囲の数も任意である。ただ、通常は、剥離痕の計測を各引き上げチャージについて継続して行い、原料溶解の操業条件と剥離密度および有転位化の関係を操業データとして蓄積し、以後の操業に活用することになるので、剥離痕の計測対象範囲は、特定の部位および面積とすることが望ましい。

このような観点から、剥離痕の計測対象範囲を、単結晶の引き上げが終了した後にルツボ内に残存するシリコン融液（シリコンメルト残）の最上端の任意の位置から上方５ｃｍまでの長さ、および当該任意の位置から周方向に５ｃｍの長さを隣接する２辺とする四角形で囲まれる範囲とする実施形態を採ることが望ましい。

図３は、石英ルツボ内表面における剥離痕の計測対象範囲を例示する図である。同図には、石英ルツボ５を中心軸に沿って２分割した一方の右半部を模式的に示している。この実施形態では、符合Ｌｍを付したラインは、シリコンメルト残の最上端に相当する部分である。この最上端の任意の位置ｐからるつぼ５の内表面に沿って上方５ｃｍまでの長さを一辺ａとし、当該任意の位置ｐから周方向に５ｃｍの長さを辺ａに隣接する辺ｂとする四角形で囲まれる範囲Ｓを剥離痕の計測対象範囲とする。この剥離痕の計測対象範囲Ｓは、ラインＬｍから上方５ｃｍまでの長さの範囲（図中にハッチングを施した帯状の範囲）内のいずれの部位に定めてもよい。

剥離痕の計測対象範囲をこのように定めれば、シリコンメルト残の最上端は引き上げバッチによる若干の違いはあってもほぼ一定しているので、剥離痕の計測対象範囲が変わることによる影響を排除した操業データ（原料溶解の操業条件と剥離密度および有転位化の関係）を得ることができる。

本発明のシリコン単結晶の製造方法において、石英ルツボ内表面評価方法として剥離密度を指標として用いる方法を採用した場合、石英ルツボ内表面評価の管理基準を、あらかじめ設定した剥離密度以下とすれば、引き上げ途中のシリコン単結晶の有転位化を効果的に抑制して所定長さの単結晶が得られる単結晶収率を大きく改善することができる。

ここでは、剥離密度の具体的な数値は特に限定しない。剥離密度をあらかじめ設定するにあたり、後述する実施例に示す剥離密度と単結晶収率改善値の相関関係などを活用することになるが、剥離密度と単結晶収率改善値の関係に基づいて剥離密度を設定する場合であれば、設定した剥離密度に応じて単結晶収率が改善され、その分コスト削減に寄与するからである。例えば、後述する図７を参照すると、剥離密度：０．４７以下とすれば、引き上げ途中のシリコン単結晶の有転位化を効果的に抑制して所定長さの単結晶が得られる単結晶収率を大きく改善することができる。また、剥離密度を比較的高い０．７５個／ｃｍ²と設定した場合であっても、０．５％の単結晶収率改善値が得られ、その分コスト削減に寄与することができる。

更に、剥離痕を毎バッチ測定すれば、引き上げ装置内部の部材（カーボン部材）の劣化等による温度分布の変化も剥離密度の変化として捉えることができ、歩留りが悪化する前に引上げ条件の変更や部材の交換等の対策を採ることが可能となる。

以上述べた本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、石英ルツボ内表面の評価を行うとともに、溶解工程、または溶解および再溶解の両工程において、当該ルツボ内表面の熱負荷を低く抑えることにより、あらかじめ定めた石英ルツボ内表面評価の管理基準を満たす操業を行うことができる。これにより、結晶の引き上げ中における有転位化を抑制することができ、単結晶歩留りを向上させることができる。

（実施例１）
石英ルツボ内表面の熱負荷を抑制するために、前記の（ａ）メインヒーターのみによる原料溶解、（ｂ）石英ルツボを最下限位置に配置、および（ｃ）熱遮蔽体を最上限位置に配置、の全ての改善を施して原料溶解した場合（実施例）、並びにそれらの改善をせずに原料溶解した場合（従来例）について総合伝熱解析を行い、石英ルツボ底部中心の温度を比較した。

図４は、石英ルツボ内表面の熱負荷抑制対策を施した場合のシミュレーションによる検討結果で、（ａ）はルツボ底部中心の温度の変化を示す図、（ｂ）は石英ルツボの縦断面図である。図４（ａ）において、石英ルツボ底部中心温度は、従来例のときの温度を基準（０℃）として、それに対する温度差により表示している。図４（ｂ）に示すように、石英ルツボ５の底面から側面にかけて曲率半径Ｒが最も小さくなる部位（図中の▲印を付した部位）よりも底面側が石英ルツボ底部であり、その中心が石英ルツボ底部中心（図中の●印を付した部位）である。

図４（ａ）に示すように、ヒーター電源をＯＮにした後、石英ルツボ底部中心の温度は時間の経過とともに上昇して定常温度に達するが、実施例では従来例に比べて温度が低く、石英ルツボ内表面の熱負荷が軽減されていることがわかる。

（実施例２）
実施例１に示した（ａ）〜（ｃ）の全ての改善を施して原料溶解し、シリコン単結晶の引き上げを行った場合（実施例）、およびそれらの改善をせずに原料溶解し、引き上げを行った場合（従来例）について、引き上げ終了後の石英ルツボ内表面の高さ方向部位別に剥離密度を求めた。

図５は、熱負荷抑制対策を施した場合の石英ルツボ内表面における高さ方向部位別の剥離密度を、熱負荷抑制対策を施さなかった場合と対比して例示する図である。図５において、横軸は石英ルツボ底部の中心を原点（ＢＣ０）として、原点からルツボの上端（ＢＣ１０）へ向けての距離を表す。例えば、ＢＣ１とは石英ルツボ底部の中心（原点）から上部の任意の剥離密度測定部位であることを表しており、この測定部位から上部に一定間隔で剥離密度の測定を行った。なお、図５に示したＢＣ1〜ＢＣ３はルツボ底部に該当する。

図５に示したように、ルツボの側部においては、従来例でガラス分等の剥離がみられたが、実施例では剥離は生じなかった。ルツボ底部（ＢＣ１〜ＢＣ３）においては、実施例でも剥離が生じたが、剥離密度は、従来例と比較して約１／３以下であった。すなわち、石英ルツボ底部を低温に維持して原料の溶解を行うことにより、剥離密度を低く抑えることができ、引き上げ単結晶の有転位化を抑制することができた。

（実施例３）
石英ルツボ内表面の熱負荷に及ぼすメインヒーターの電力使用比率、石英ルツボの配置位置、および熱遮蔽体の配置位置の影響をそれぞれ個別に把握するために、メインヒーターの電力使用比率、石英ルツボの配置位置、または熱遮蔽体の配置位置をそれぞれ単独で変化させて原料溶解した場合について総合伝熱解析を行い、石英ルツボ底部中心の温度を比較した。

図６は、メインヒーターの電力使用比率、石英ルツボの配置位置、または熱遮蔽体の配置位置と石英ルツボ底部中心の温度との関係を示す図で、（ａ）はメインヒーターの電力使用比率、（ｂ）は石英ルツボの配置位置、（ｃ）は熱遮蔽体の配置位置についての解析結果である。

図６（ａ）は、石英ルツボの配置位置を最下限位置、熱遮蔽体の配置位置を最上限位置として、メインヒーターの電力使用比率を変化させた場合の解析結果である。縦軸の石英ルツボ底中心温度は、メインヒーターの電力使用比率が０．６９のときの温度を基準（０℃）として、それに対する温度差により表示している。図６（ａ）から明らかなように、メインヒーターの電力使用比率が上がるほど石英ルツボ底部中心の温度が低下し、メインヒーターのみを使用した場合、ルツボ底部中心温度は最も低くなる。

図６（ｂ）は、メインヒーターの電力使用比率を０．６９、熱遮蔽体の配置位置を最上限位置とし、石英ルツボの配置位置を変化させた場合の結果である。図１に示すように、横軸の０％は、石英ルツボの配置位置がルツボ昇降範囲の最下限位置（ＣＰ−Ｌ）にある場合、１００％は、石英ルツボの配置位置が、鉛直上方にあるメインヒーター上端と石英ルツボを保持するグラファイトサセプタ３の上端とが同じ高さレベルにある場合（ＣＰ−Ｈ）とした。石英ルツボ底中心温度は、ルツボ位置８０％での温度を基準（０℃）として、それに対する温度差により表示している。図６（ｂ）から明らかなように、ルツボの配置位置が鉛直下方向になる程ルツボ底部中心温度は低下する。

図６（ｃ）は、メインヒーターの電力使用比率を０．６９、石英ルツボの配置位置を最下限位置とし、熱遮蔽体の配置位置を変化させた場合の結果である。図１に示すように、横軸の０％は、熱遮蔽体がその昇降範囲の最下限位置（ＳＰ−Ｌ）にある場合、１００％は、熱遮蔽体が鉛直上方の最上限位置（ＳＰ−Ｈ）にある場合とした。石英ルツボ底中心温度は、熱遮蔽体が最下限位置にあるときの温度を基準（０℃）として、それに対する温度差により表示している。図中に示したＰ１〜Ｐ３はそれぞれ熱遮蔽体位置を表す。図６（ｃ）から明らかなように、熱遮蔽体の配置位置が鉛直上方向になる程ルツボ底部中心温度は低くなる。
これらの検討の結果、メインヒーターの電力使用比率、石英ルツボの配置位置、および熱遮蔽体の配置位置は、石英ルツボ内表面の熱負荷に対してそれぞれ独立に作用することがわかる。

（実施例４）
溶解工程において実施例１に示した（ａ）〜（ｃ）の全ての改善を施して原料溶解し、再溶解工程では前記改善を実施せずにシリコン単結晶の引き上げを行った場合（製造条件Ｂ）、ならびに、溶解工程および再溶解工程において（ａ）〜（ｃ）の全ての改善を施し、シリコン単結晶の引き上げを行った場合（製造条件Ｃ）について、引き上げ終了後の石英ルツボ内表面の剥離密度を求め、単結晶収率に及ぼす影響を調査した。

図７は、石英ルツボ内表面の剥離密度と単結晶収率の関係を示す図である。図７において、「ベース条件」とは、溶解工程および再溶解工程のいずれにおいても前記の（ａ）〜（ｃ）の改善を施さずに引き上げを行った場合である。図の縦軸は、ベース条件で引き上げを行った場合の単結晶収率を基準（０％）として表示した製造条件Ｂおよび製造条件Ｃにおける単結晶収率の改善値（ベース条件での単結晶収率との差（％））である。なお、製造条件Ｂ、製造条件Ｃおよびベース条件での溶解〜引き上げ数（ｎ数）はそれぞれ５１、１１７および１０であり、図７では、それぞれにおける調査結果を平均値で表示した。

石英ルツボ内表面の剥離密度の計測においては、単結晶の引き上げが終了した後、シリコンメルト残の最上端に相当する部分の直上部位における任意の５ｃｍ×５ｃｍの範囲を計測対象範囲とし、目視観察により剥離痕を計測し、剥離密度を求めた。

図７に示した結果から、溶解工程で石英ルツボ底部を低温に維持する改善を施して原料溶解した場合（製造条件Ｂおよび製造条件Ｃ）、単結晶収率は、ベース条件での収率に比べて大きく改善された。特に、溶解工程および再溶解工程においてルツボ底部の低温化対策を講じた場合（製造条件Ｃ）は、単結晶収率の改善幅の増大は顕著であった。

本発明のシリコン単結晶の製造方法によれば、石英ルツボ内表面の評価を行うとともに、ルツボ内表面の熱負荷を低く抑えて、単結晶収率を高め、単結晶歩留りを向上させることができる。したがって、本発明は、シリコンウェーハならびに半導体デバイスの製造において広く利用することができる。

１：チャンバー、 ２：支持軸、 ３：グラファイトサセプタ、
４：シリコン融液、 ５：石英ルツボ、 ６：メインヒーター、 ７：断熱材、
８：サブヒーター、 ９：熱遮蔽部体、 １０：インゴット

Claims (5)

1. シリコン原料を石英ルツボ内で溶解する溶解工程で得られたシリコン融液から、チョクラルスキー法による引き上げ工程を経てシリコン単結晶を製造する方法であって、
   溶解工程において、石英ルツボ底部を低温に維持して原料の溶解を行い、
   あらかじめ定めた石英ルツボ内表面評価の管理基準を満たす操業を行い、
   前記石英ルツボ内表面評価の方法として、ルツボ内表面の任意の範囲における内壁の溶損に伴うガラス部分の剥離痕の個数を計測し、その個数を計測の対象範囲の面積で除した剥離密度を指標として用いる方法を採用することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 前記チョクラルスキー法による引き上げ工程が、引き上げ途中のインゴットを再溶解する再溶解工程を含む場合には、溶解工程に加え、当該再溶解工程においても、前記石英ルツボ底部を低温に維持して溶解を行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。
3. 石英ルツボ底部を低温に維持するために、溶解工程、または溶解および再溶解の両工程において、下記（ａ）、（ｂ）および（ｃ）のうちのいずれか一以上を実施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の製造方法。
   （ａ）シリコン原料または引き上げ途中のインゴットの溶解をメインヒーターのみでの加熱により行う。
   （ｂ）石英ルツボを最下限位置に配置する。
   （ｃ）引き上げ途中のシリコン単結晶の周囲に単結晶引き上げ軸と同軸に配設した熱遮蔽体を最上限位置に配置する。
4. 前記ルツボ表面の任意の範囲を、単結晶の引き上げが終了した後にルツボ内に残存するシリコン融液の最上端の任意の位置から上方５ｃｍまでの長さ、および当該任意の位置から周方向に５ｃｍの長さを隣接する２辺とする四角形で囲まれる範囲とすることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法。
5. 前記石英ルツボ内表面評価の管理基準を、あらかじめ設定した剥離密度以下とする請求項１〜４のいずれかに記載のシリコン単結晶の製造方法。
   

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