JP6365674B2 - 単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ ｍｅｔｈｏｄ、以下、ＣＺ法ともいう）によるシリコン単結晶の製造に際して、シリコン単結晶中の酸素濃度制御並びに、酸素誘起積層欠陥（Ｏｘｉｄａｔｉｏｎ−ｉｎｄｕｃｅｄ Ｓｔａｃｋｉｎｇ Ｆａｕｌｔ、以下、ＯＳＦともいう）に代表される結晶欠陥の発生を防止するための製造方法に関するものである。

単結晶の製造方法として、ルツボ内の原料融液から結晶を成長させつつ引上げるＣＺ法が広く行なわれている。このＣＺ法のシリコン単結晶の製造に際してアルゴンの流量、炉内圧力、融液面と炉内構造物の下端部との距離（以下、湯面間隔ともいう）を調整して、結晶中の酸素濃度制御並びにＯＳＦなどの結晶欠陥を低減している。

例えば、特許文献１には、引上装置にセンサーを追加し、種結晶の高さ位置を基準として、融液面を所定の位置に調節する方法が提案されている。また、特許文献２には、融液面に向けて光を投射し、融液面からの反射光を検知して湯面間隔を調節する方法が提案されている。

また、特許文献３には、直接融液に位置測定装置を接触させて湯面間隔を調節する方法が示されている。また、特許文献４には、輻射防止筒下部の写像を検知して輻射防止筒を上下移動させて湯面間隔を調節する方法が提案されている。また、特許文献５には、融液面上方に配置した基準反射体と融液面との相対距離を測定する方法が提案されている。

特公平５−５９８７６号公報 特開平６−９２７８４号公報 特開平７−３３０４８４号公報 特開平７−２７７８７９号公報 特開２００７−２９０９０６号公報

しかしながら、特許文献１の方法では、炉内構造物が変更されない場合、湯面間隔を所定の距離に再現性よく調節することができるが、一方で、炉内構造物を構成する部品を交換した場合には、その製作寸法誤差や嵌め合い誤差により、湯面間隔の再現性が低下してしまい、結晶欠陥を低減する効果が失われてしまうという問題がある。

これに対し、炉内構造物の下端部の位置を精度良く配置する為には、部品個々の製作寸法精度を良くすることや、嵌め合い誤差が生じ難い形状に変更すること、熱膨張の特性バラツキに対しては、特性バラツキ範囲の限定等を行うことが考えられる。しかしながら、対象となる部品が多数となり、且つ、すべての部品に対して実施する必要があり、部品の製作コストが高価となってしまうという問題がある。

また、特許文献２では、レーザー投光部や受光部、さらにはレーザー光通過部など光学系が複雑になり、測定精度を上げる為には高価な光学系が必要となってしまう。

また、特許文献３の方法では、位置測定装置を融液面に接触させることによって、長さが変化してしまうため、繰り返し精度が悪いという問題がある。
また、特許文献４では、輻射防止筒上下移動機構が必要となり装置が高価になる。さらに、固体のシリコン原料を溶融する過程で発生する融液の飛び跳ねが、輻射防止筒の下面に付着し写像が変化することにより、融液位置の測定が正確に実施できなくなる。

また、特許文献５でも、固体のシリコン原料を溶融する過程で発生する融液の飛び跳ねが、反射体に付着し鏡像が変化することにより、融液位置の測定が正確に実施できなくなるという問題がある。
このように、炉内に局部的に精度を要求する箇所を設けた場合、この部分が機能しなくなる事象が発生することを防ぐことができず、適当な解決手段が望まれていた。

本発明は上記のような問題に鑑みてなされたもので、炉内に局部的に精度を要求する箇所を設けず、且つ炉内構造物を構成する部品が交換された場合でも湯面間隔を所定の距離に調整することができる単結晶の製造方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するために、本発明によれば、チョクラルスキー法によりルツボ内の原料融液からワイヤーで単結晶を引上げて育成する際に、前記原料融液の融液面と、該融液面上に配置される炉内構造物の下端部との間隔を所定の距離に調整して、単結晶を育成する単結晶の製造方法であって、
前記融液面上の炉内構造物をプルチャンバーに設置した状態で、前記融液面上の所定の高さにある、基準高さ位置から前記炉内構造物の下端部までの距離を測定し、該測定した距離と、予め設定した前記基準高さ位置から前記炉内構造物の下端部までの距離との差である下端部位置誤差を求め、該下端部位置誤差と、前記基準高さ位置から融液面位置までの距離を加算することによって、前記融液面から前記基準高さ位置までの目標距離を求め、前記融液面の初期位置から前記基準高さ位置までの距離を前記目標距離になるようにすることによって、前記間隔を所定の距離に調整することを特徴とする単結晶の製造方法を提供する。

このようにすることで、炉内に局部的に精度を要求する箇所を設けず、且つ炉内構造物を構成する部品が交換された場合でも、湯面間隔を所定の距離に調整することができる。その結果、単結晶を製造した際に、結晶欠陥を低減することができる。

このとき、前記目標距離を求める際に、前記下端部までの距離を測定した前記融液面上の炉内構造物が、熱膨張によって変化する長さを推定し、予め前記基準高さ位置から前記炉内構造物の下端部までの距離を設定する時に、予め定めた前記炉内構造物の熱膨張基準長さと、前記推定した長さとの差である熱膨張誤差を求め、該熱膨張誤差と、前記下端部位置誤差と、前記基準高さ位置から前記融液面位置までの距離をそれぞれ加算することによって、前記目標距離を求めることが好ましい。

このようにすることで、炉内構造物が熱膨張によって変化した場合であっても、湯面間隔を所定の距離に調整することがより確実にできる。

本発明の単結晶の製造方法であれば、炉内に局部的に精度を要求する箇所を設けず、且つ炉内構造物を構成する部品が交換された場合でも、湯面間隔を所定の距離に調整することができる。その結果、結晶欠陥を低減することができる。

本発明で用いることができる単結晶製造装置の一例を示した概略図である。 本発明で用いることができる単結晶製造装置における距離を測定する箇所或いは、予め距離を定める箇所について示した概略図である。 実施例における単結晶製造装置を用いて、湯面間隔を測定する方法の一例を示した概略図である。 実施例１および比較例１における湯面間隔の目標値との誤差の結果を示した図である。 実施例２および比較例２における湯面間隔の目標値との誤差の結果を示した図である。 実施例３と比較例３における結晶欠陥密度バラツキの結果を示す図である。

以下、本発明について図を参照して詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
まず、本発明の単結晶の製造方法で用いることができる単結晶製造装置について説明する。図１に示すように、シリコン単結晶製造装置１はメインチャンバー２と、それに連通するプルチャンバー３を有している。

メインチャンバー２には、ルツボ４、ルツボ４を保持するルツボ保持軸５、ルツボ４の外周に設けられるヒーター６が配置されている。そして、ルツボ４内に充填した原料多結晶をヒーター６によって加熱することで溶融し、原料融液７としている。
そして、原料融液７の融液面７ａの上方にはルツボ保持軸５と同軸上に、種結晶８を保持する為の種結晶ホルダー８ａ及び、種結晶ホルダー８ａを引き上げる為のワイヤー９が設けられている。

また、プルチャンバー３には炉内構造物１０が設けられており、融液面７ａと炉内構造物１０の下端部との間は、湯面間隔１１が空いている。

また、ルツボ保持軸５は、ルツボ４を回転及び昇降させる為のルツボ駆動部（不図示）を有している。また、ワイヤー９は、種結晶ホルダー８ａを巻き上げ、巻き下げ及び回転させる為のワイヤー駆動部１２を有している。

ルツボ駆動部及びワイヤー駆動部１２の動作は、制御部１３が各駆動部に指令信号を出力することで上下回転動を制御することができる。また、制御部１３にはセンサー１３ａが電気的に接続されている。

次に、本発明の単結晶の育成方法について記載する。
まず、融液面７ａの初期位置の調整に先立ち、炉内構造物１０を組み立て、プルチャンバー３に設置しておく。この状態で、融液面７ａ上の所定の高さにある、基準高さ位置１４から炉内構造物１０の下端部までの距離Ｍ（図２参照）を測定して求める。

基準高さ位置１４から炉内構造物１０の下端部までの距離Ｍの測定には、専用の長さ測定器や、或いは下記に示すような測定方法などを適宜用いることができる。

例えば、ワイヤー駆動部１２及びセンサー１３ａを用いる場合について説明する。
まず、炉内構造物１０の下端部を平坦な板で塞いで平坦面を形成する。次に、ワイヤー駆動部１２により種結晶８を巻き下げていく。そして、種結晶８の下端がセンサー１３ａによって検出された位置から、種結晶８の下端が、炉内構造物１０の下端に形成した平坦部に達するまでワイヤー駆動部１２によりワイヤー９を巻き下げた位置までの距離を測定する。この測定された距離を、基準高さ位置１４から炉内構造物１０の下端部までの距離Ｍとすることができる。

そして、下記の式（１）から、測定により求めた炉内構造物１０の下端部までの距離Ｍと、予め設定した基準高さ位置１４から炉内構造物１０の下端部までの基準の距離Ｌ（図２参照）との差である下端部位置誤差Ｇを求める。
Ｇ＝Ｍ−Ｌ ・・・ 式（１）
このとき、基準高さ位置１４から炉内構造物１０の下端部までの基準の距離Ｌは、一つの装置において常に同一の値を使用することが好ましい。便宜的には装置と炉内部材の設計基準寸法を設定することが容易である。

さらに、下記の式（２）のように、基準高さ位置１４から融液面位置までの距離Ｈ（図２参照）に、上記のようにして得られた下端部位置誤差Ｇを加算することによって、融液面７ａから基準高さ位置１４までの目標距離Ｐを得る。
Ｐ＝Ｈ＋Ｇ ・・・ 式（２）
このとき、基準高さ位置１４から融液面位置までの距離Ｈは、所望の結晶品質を得るために適切な値に設定した湯面間隔に基準距離Ｌを加えた値に、結晶引上げ時において種付けより結晶直胴部にかけての工程で湯面位置移動距離と湯面位置変化距離を加えて求めた値を設定することができる。また、一つの装置において、基準高さ位置１４から融液面位置までの距離Ｈの値は常に同一の値を使用することが好ましい。

そして、融液面７ａの初期位置を、式（２）によって得られた目標距離Ｐになるようにすることによって、湯面間隔１１を所定の距離に調整する。

このようにすることで、炉内に局部的に精度を要求する箇所を設けず、且つ炉内構造物を構成する部品が交換された場合でも湯面間隔を所定の距離に調整することができる。

このとき、結晶引上げ中に炉内の温度が高温になることによって、炉内構造物１０の長さが熱膨張により変化することを考慮して、以下のようにして、目標距離Ｐの決定をすることがより好ましい。

まず、プルチャンバー３に設置する炉内構造物１０の各部品の素材の線熱膨張係数を予め測定しておく。そして、結晶引上げ中の炉内構造物部１０の各部品の温度を予め実測する、或いは数値計算シミュレーション等により各部品の温度を求めておく。
そして、炉内構造物１０の各部品の温度と、測定により求めた炉内構造物１０の各部品の素材の線熱膨張係数を用いて、結晶引上げ中に炉内構造物１０が熱膨張によって変化する長さである、熱膨張推定長さＥ（図２参照）を推定する。

なお、予め基準高さ位置から炉内構造物１０の下端部までの距離を設定するときに、予め炉内構造物１０の熱膨張基準長さＦ（図２参照）を定めておく。
このとき、熱膨張基準長さＦは、複数の炉内構造物１０の素材の線熱膨張係数を測定し、その平均の値を用いて求め、実測あるいは数値計算シミュレーション等により求めた各部品の温度を用いて求めた結晶引上げ中に炉内構造物１０が熱膨張によって変化する長さとすることができる。熱膨張基準長さＦと各部品の温度は一つの装置において、この値は常に同一の値を使用することが好ましい。

そして、下記に示す式（３）のようにして、熱膨張推定長さＥと熱膨張基準長さＦとの差である熱膨張誤差Ｄを求める。
Ｄ＝Ｅ−Ｆ ・・・ 式（３）

そして、下記に示す式（４）のように熱膨張誤差Ｄと、上述の下端部位置誤差Ｇと、基準高さ位置１４から融液面７ａまでの距離Ｈをそれぞれ加算することで、炉内構造物１０の熱膨張の誤差を考慮した場合の基準高さ位置１４から融液面７ａまでの目標距離Ｐを求めることができる。
Ｐ＝Ｈ＋Ｇ＋Ｄ ・・・ 式（４）

このようにすることで、炉内構造物が熱膨張の誤差を有した場合であっても、湯面間隔を所定の距離に調整することがより確実にできる。

このようにして、湯面間隔１１を所定の距離に調整した後、ワイヤー駆動部１２によりワイヤー９を巻き下げて、種結晶ホルダー８ａに保持される種結晶８の先端を融液面７ａに接触させる。その後、ルツボ保持軸５及びワイヤー９をそれぞれ所定の回転方向及び回転速度にて回転させながらワイヤー９を所定の速度で巻き上げ、種結晶８を引き上げることで、種結晶８の下にシリコン単結晶が得られる。

このようにして、単結晶の製造を行えば、炉内に局部的に精度を要求する箇所を設けず、且つ炉内構造物を構成する部品が交換された場合でも湯面間隔を所定の距離に調整することができるので、所望の引上速度、温度分布とすることができ、引上げられた単結晶の結晶欠陥を低減することができる。

以下、本発明の実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。

（実施例１）
図３に示すように、湯面間隔１１を測定するために、単結晶製造装置１のメインチャンバー２内に、融液面を模した測定治具１５を装着した。測定治具１５上には突起物１６が配置されている。

突起物１６はルツボ保持軸５を介して電源１７の一方の出力端子が接続され、炉内構造物１０には電源１７の他方の出力端子が接続されている。そして、突起物１６と炉内構造物１０の下端部が接触したときに流れる電流を検出することで、突起物１６と炉内構造物１０の下端部の接触を電気的に検出することが可能となっている。

まず、炉内構造物１０をプルチャンバー３に配置した状態で、基準高さ位置１４から炉内構造物１０の下端部までの距離Ｍ（図２参照）を測定により求めた。そして、前記の式（１）及び式（２）により、基準高さ位置１４から融液面までの目標距離Ｐ（図２参照）を求めた。そして、該求めた目標距離Ｐとなるように、測定治具１５の初期位置の調整を行った。

その後、測定治具１５をルツボ保持軸５によって上昇させ、突起部１６と炉内構造物１０の下端部との接触を電気的に検出した時点での測定治具１５の位置を測定した。そして、該測定した位置から、測定治具１５の初期位置の調整を行った位置までの距離に、突起部１６の高さを加えた値を測定し、この値をすなわち、融液面と炉内構造物１０の下端部との湯面間隔１１の距離とした。

続いて、炉内構造物１０を構成する複数の部材のうち、５個の部材を交換した後、上記と同様にして基準高さ位置１４から炉内構造物１０の下端部までの距離Ｍを測定し、補正目標距離を導出し、融液面７ａの初期位置の調整を行った。湯面間隔の測定データが１０個になるまで、この操作を繰り返し行い、このときの測定結果を表１に示した。

なお、基準高さ位置１４から炉内構造物１０の下端部までの基準の距離Ｌ（図２参照）は９６０．７ｍｍ、基準高さ位置１４から融液面７ａまでの距離Ｈ（図２参照）は９９０．７０ｍｍ、融液面７ａと炉内構造物１０の湯面間隔１１の目標は３０ｍｍと予め設定した。

（比較例１）
基準高さ位置１４から炉内構造物１０の下端部までの測定及び、測定結果に基づいた融液面７ａの初期位置の調整を行わなかった以外は、実施例１と同じ炉内構造物１０の部品を用いて、湯面間隔１１の測定を１０回行った。このときの測定結果を表２に示した。

表１、表２に示したように、実施例１は、比較例１に比べて、湯面間隔１１の誤差の値が小さくなっていることが分かる。

この実施例１、比較例１の目標設定した湯面間隔１１に対する誤差を、比較例１の最大と最小の区間を１としたときの比で、図４に示した。

図４に示すように、実施例１は、比較例１に比べて湯面間隔１１のズレが１０分の１以下に安定していることが分かる。

（実施例２）
予め融液面７ａ上に配置される炉内構造物１０を構成する各素材の線熱膨張係数を測定した。そして、結晶引上げ中の炉内構造物１０の各部品の温度を数値計算シミュレーションにより求めておいた。このようにして求めた炉内構造物１０の各部品の温度と、測定により求めた炉内構造物１０の各部品の素材の線熱膨張係数を用いて、プルチャンバー３に組み立てた状態の炉内構造物１０が、結晶引上げ中に熱膨張によって変化する熱膨張推定長さＥ（図２参照）を推定した。

なお、実施例１と同様に基準高さ位置１４から炉内構造物１０の下端部までの基準の距離Ｌは９６０．７ｍｍ、基準高さ位置１４から融液面７ａまでの距離Ｈは９９０．７０ｍｍ、融液面７ａと炉内構造物１０の湯面間隔１１の目標は３０ｍｍと予め設定した。そして、この時に、炉内構造物１０の熱膨張基準長さＦ（図２参照）を１．４４ｍｍと予め定めた

そして、上記式（３）により、熱膨張推定長さＥと、予め定めた熱膨張基準長さＦとの差を算出し、熱膨張誤差Ｄを求めた。

その後、実施例１と同様に、プルチャンバー３に炉内構造物１０を配置し、基準高さ位置１４から炉内構造物１０の下端部までの距離Ｍを測定して求めた。
そして、ここでは、式（４）により炉内構造物１０の熱膨張の誤差を考慮した場合の融液面７ａの目標距離Ｐを求めた。そして、目標距離Ｐになるように融液面７ａの初期位置を調整した。

その後、ヒーターにより炉内を加熱して、結晶引上げ中と同じ温度条件にした状態で、湯面間隔１１を実施例１と同じようにして測定した。

その後、実施例１と同様に炉内構造物１０を構成する複数の部材のうち、５個の部材を交換した。そして、再度上記操作を繰り返し、炉内構造物１０の熱膨張の誤差を考慮した場合の融液面７ａの目標距離Ｐを導出し、目標距離Ｐになるように融液面７ａの初期位置を調整し、湯面間隔１１の測定を行った。測定データを３個得るまで、この操作を繰り返し行い、このときの測定結果を表３に示した。

表３に示したように、実施例２では目標設定した湯面間隔１１に対する誤差を、±０．１ｍｍ以内にすることができた。

（比較例２）
炉内構造物１０を構成する各素材の線熱膨張係数の測定や、基準高さ位置１４から炉内構造物１０の下端部までの距離Ｍの測定を行わず、当然、式（３）及び式（４）による融液面７ａの初期位置の調整も行わなかったこと以外は、実施例２と同様にして、実施例２と同じ炉内構造物１０の部品を用いて、ヒーターにより炉内を加熱した状態で、湯面間隔１１の測定を３回行った。このときの測定結果を表４に示した。

表４に示したように、比較例２では、目標設定した湯面間隔１１に対する誤差の値が実施例２に比べて大きい値であった。

これらの実施例２、比較例２の測定結果を、目標設定した湯面間隔１１に対する誤差を比較例２の最大と最小の区間を１とした比で、図５に示した。

図５に示したように、実施例２では、比較例２に比べ融液面７ａの初期位置の調整後の湯面間隔１１のズレは従来の１０分の１以内であった。

（実施例３）
実施例２と同じようにして湯面間隔を調整した後、ワイヤー駆動部１２によりワイヤー９を巻き下げて、種結晶ホルダー８ａに保持される種結晶８の先端を融液面７ａに接触させ、その後、ルツボ保持軸及びワイヤーをそれぞれ所定の回転方向及び回転速度にて回転させながらワイヤー９を所定の速度で巻き上げ、種結晶８を引き上げ、シリコン単結晶を育成した。
その後、実施例２と同様に炉内構造物１０の部品を交換し、湯面間隔を調整し、シリコン単結晶を育成した。この操作を複数回行い、複数本のシリコン単結晶を得た。

そして、育成した単結晶の結晶欠陥密度を測定した、このときの結晶欠陥密度バラツキを、後述する比較例３における結晶欠陥密度バラツキを１としたときの比で図６に示した。

実施例２の結果から分かるように、本発明では、炉内構造物１０の下端部と融液面７ａの間隔を所定の距離に対して±０．１ｍｍ以内の誤差で調整することができる。
そのため、実施例３のように、その後に、単結晶の育成を行った場合に、図６に示すように、結晶欠陥密度バラツキの比が比較例３と比べて、３分の１程度小さくなっていることが分かる。このように、結晶欠陥品質レベルを安定させることができた。

（比較例３）
融液面７ａの初期位置の調整を、特許文献１と特許文献５の方法を組み合わせて行った以外は、実施例３と同様にして複数本のシリコン単結晶を製造した。そして、得られたシリコン単結晶の結晶欠陥密度を測定した。

特許文献５に示される方法によると、反射像を元にした湯面間隔の測定値は±１ｍｍ以内のバラツキが見られ、特許文献１と特許文献５の方法を組み合わせて実施しても融液面の初期位置を調整しても±１ｍｍ以内の誤差が発生する。その結果、図６に示したように、実施例３に比べて結晶欠陥密度のバラツキが悪かった。

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

Claims (2)

1. チョクラルスキー法によりルツボ内の原料融液からワイヤーで単結晶を引上げて育成する際に、前記原料融液の融液面と、該融液面上に配置される炉内構造物の下端部との間隔を所定の距離に調整して、単結晶を育成する単結晶の製造方法であって、
   前記融液面上の炉内構造物をプルチャンバーに設置した状態で、前記融液面上であり、前記プルチャンバー内の所定の高さにある、基準高さ位置から前記炉内構造物の下端部までの距離を、前記炉内構造物の下端部を平坦な板で塞いで平坦面を形成し、前記ワイヤーの先端に位置する種結晶ホルダーに保持した種結晶をワイヤー駆動部により巻き下げて前記種結晶を降下させ、前記種結晶が前記基準高さ位置から前記平坦面に達するまでの距離により測定し、該測定した距離と、予め設定した前記基準高さ位置から前記炉内構造物の下端部までの距離との差である下端部位置誤差を求め、該下端部位置誤差と、前記基準高さ位置から融液面位置までの距離を加算することによって、前記融液面から前記基準高さ位置までの目標距離を求め、前記融液面の初期位置から前記基準高さ位置までの距離を前記目標距離になるようにすることによって、前記間隔を所定の距離に調整することを特徴とする単結晶の製造方法。
2. 前記目標距離を求める際に、前記下端部までの距離を測定した前記融液面上の炉内構造物が、熱膨張によって変化する長さを推定し、予め前記基準高さ位置から前記炉内構造物の下端部までの距離を設定する時に、予め定めた前記炉内構造物の熱膨張基準長さと、前記推定した長さとの差である熱膨張誤差を求め、該熱膨張誤差と、前記下端部位置誤差と、前記基準高さ位置から前記融液面位置までの距離をそれぞれ加算することによって、前記目標距離を求めることを特徴とする請求項１に記載の単結晶の製造方法。

Images