JP6826536B2 - シリコン単結晶インゴットの引上げ装置およびシリコン単結晶インゴットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＺ法（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ Ｍｅｔｈｏｄ）によるシリコン単結晶インゴットの引上げ装置、詳しくは、長尺のシリコン単結晶インゴットを、酸素析出物の生成を抑制して製造するための前記引上げ装置に関する。また本発明は、該引上げ装置を用いたシリコン単結晶インゴットの製造方法に関する。

メモリやＣＰＵなど半導体デバイス用基板及び太陽電池用基板等として、シリコン単結晶体からなるウェハが用いられる。こうしたシリコンウェハは、シリコン単結晶インゴットを薄板状にスライスして得られる。シリコン単結晶インゴットは、ルツボに収容されたシリコン原料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接触させ引上げ成長させる、所謂、ＣＺ法により製造するのが主流である。

図３に、ＣＺ法による単結晶引上げ装置の代表的態様を示す。図３において、メインチャンバ１内には、シリコン融液２が収容される坩堝３と該坩堝３を環囲する溶融ヒーター４とが下部に設置されている。また、当該メインチャンバ１の内空上方からは、先端に種結晶５を備えた単結晶引上げ軸６が、該種結晶５がメインチャンバ１内の前記坩堝３に収容されたシリコン融液２面に接触できる長さまで上下動可能に垂下されている。こうした構造の引上げ装置では、坩堝３に、多結晶シリコン小片を充填した後、溶融ヒーター４により該シリコン原料を融点以上に加熱して融液化し、次いで、前記単結晶引上げ軸６を下降させ、その先端に設けられた種結晶５を、上記シリコン融液２面に接触させる。この種結晶５のシリコン融液面への接触後、当該種結晶５をゆっくり引上げると、その下方にシリコンが凝固し結晶成長し、これがメインチャンバ１内を上方に移動する過程で冷却されて、シリコン単結晶インゴット８が製造できる。

こうしたシリコン単結晶インゴットの引上げ装置では、前記冷却されたシリコン単結晶インゴット８（以下、単にインゴットともいう）の装置外への取り出しのために、メインチャンバ１の天井壁９中央部から上方に、長筒形状のプルチャンバ１０が連設されている。ここでプルチャンバ１０の径は、メインチャンバ１の径よりも小さい。以下では径を小さい方の部材を「縮径された」部材と記載することがある。また、プルチャンバ１０は、天井壁の上部中央からほぼ垂直に上方に設けられている。プルチャンバ１０の下方には、メインチャンバ１の内空と、該プルチャンバ１０の内空とを遮断するためのゲートバルブ１１が設けられている。メインチャンバ１の上部空間で冷却されたシリコン単結晶インゴット８は、続けてこのプルチャンバ１０内まで引上げられる。該ゲートバルブ１１が閉じられることで、メインチャンバ１から隔離してインゴットをプルチャンバ内に収容する。そうして、該プルチャンバ１０のゲートバルブ１１より上方の一部を開くことにより、前記インゴット８を装置外に取り出すことができる。

シリコン単結晶インゴットを半導体デバイス用基板及び太陽電池用基板等の用途として使用しようとすると、内部に酸素析出物が少ないことが求められる。即ち、酸素析出物は、結晶欠陥の原因になり、半導体デバイス用基板用途であれば接合リーク等を生じさせる。他方、太陽電池用基板用途であれば少数キャリアバルクライフタイム（以下、単にライフタイムともいう）を低下させ変換効率に悪影響を与える。

而して、ＣＺ法によるシリコン単結晶の引上げにおいて、酸素析出物は、高温状態で坩堝の材質（石英）から溶け込んだ酸素原子が、シリコン結晶中に取り込まれ、冷却過程で、固溶限を超えて析出するものであり、その生成を完全に抑制することは困難である。しかし、坩堝中より引上げるインゴットの冷却条件を工夫することにより、その析出量をかなりに低減できることが知られている。すなわち、７００〜６００℃の温度域が酸素析出物の生成に大きく影響することから、この温度域は急冷し、その滞在時間をできるだけ短くすることが有効とされている（特許文献１〜２等を参照）。特にインゴット上部は、融液量が多い状態から引上げるため、坩堝とシリコン融液との接触面積が大きく、そのため、より多くの酸素原子が取り込まれる。したがって、７００〜６００℃の滞在時間が同じ場合でも、インゴットの上部ほど酸素析出物が多く生成される。そのため、インゴット上部において、この急冷効果は特に高いとされている。

こうした特定の温度履歴を実現するために、前記構造のシリコン単結晶引上げ装置に対して、メインチャンバ内の上方空間に、断熱材や温度制御装置を、引上げられるインゴットを環囲する態様で設け、精密な温度制御を可能にすることが提案されている（特許文献１〜２等を参照）。斯様にメインチャンバの上方空間に、断熱材や温度制御装置を設けた場合、引上げられるシリコン単結晶インゴットの温度制御は、その上方が、該メインチャンバの天井壁に到達するまで精密に行うことが可能であり、前記インゴットの引上げ当初から７００℃までの徐冷を良好に実施できる。そして、インゴットの引上げ終了後、インゴット全体をプルチャンバ内に引上げて冷却することで、前記７００〜６００℃の温度域での急冷も施すことができる。

特許第３００６６６９号 特開平１１−９２２７４号公報

ところで、通常のシリコン単結晶引上げ装置では、メインチャンバ内において、坩堝の上端から天井壁までの間隔は長くても１００ｃｍ程度である。こうしたメインチャンバ内で、引上げるインゴットに対して、前記プルチャンバ内で急冷を施そうとすると、インゴットの長さも、前記坩堝の上端から天井壁までの間隔内に納めなければならない制約があった。それは、インゴットの長さを、前記坩堝の上端から天井壁までの間隔に比較して過剰に長くすると、インゴットの直胴部上部が、まだインゴットの引上げ操作途中で、メインチャンバの天井壁までの内空間を通過し前記プルチャンバ内に入り込むことが避けられないからである。而して、プルチャンバ内は、インゴットの引上げ操作途中において、メインチャンバからの熱が相当に伝わる。このため、プルチャンバ内の温度も高くなる。したがって、プルチャンバの中で前記インゴットの温度を７００℃程度まで低下したとしても、それ以降の前記７００〜６００℃の温度域の急冷をプルチャンバ内で実行することが困難であった。このため、従来の引上げ装置では、インゴットの長さが制限され、長尺のインゴットを得ることは困難であった。

また近年、インゴットの引上げ速度を上げることなどを目的として、坩堝上部にインゴットを環囲する円筒形状の遮蔽板（熱遮蔽装置、輻射シールド）を設置することが提案されている。遮蔽板により、溶融ヒーターやシリコン融液からの輻射熱を遮ることによって、固液界面付近のインゴットの冷却性を高め、温度勾配を大きく取ることが行われている。しかし、斯様に遮蔽板を取り付けると、既に引上げられたインゴットの直胴部上部の冷却性も高くなる。この結果、インゴットの温度が７００℃付近まで低下しやすくなる。短めのインゴットを引き上げる場合であっても、メインチャンバの天井が低めであったり、引上げ速度が速いと、引上げ途中でインゴットの直胴部上部がプルチャンバ内に進入する。引上げ途中には、メインチャンバとプルチャンバとは完全には熱的に遮断されていないため、プルチャンバは坩堝からの輻射熱に曝される。輻射熱は坩堝からの距離が離れるにつれて、徐々に弱くなる。このため、プルチャンバに進入しているインゴットは、極めて緩やかに冷却されることになり、７００〜６００℃の温度域の急冷が実行し難い問題が顕著化することがあった。

こうした状況であるにも関わらず、従来の引上げ装置では、プルチャンバ内には、インゴットの引上げ操作途中において、７００℃付近に低下したインゴットの進入部を、温度が該値を下回らないようにするだけの保温性がなかった。これらから前記インゴットが長尺になると、その直胴部上部まで、酸素析出物の析出量を良好に抑えて製造することが困難であった。

半導体デバイス用途及び太陽電池用途の何れにおいても、シリコン単結晶体の需要は増しており、その生産性向上の要求は極めて高い。従って、一度の引上げ操作での生産量を高めるべく、インゴットの長尺化が望まれている。こうした長尺インゴットの製造において、その上端部まで含めて、前記酸素析出物の生成を、より高度且つ均一に低減でき、良好なライフタイム（ＬＴ）の単結晶を簡易に製造することが大きな課題であった。

本発明者等は、上記課題に鑑み、ＣＺ法によるシリコン単結晶インゴットの引上げ、特に長尺化インゴットの引上げにおいて、その急冷制御を精密に行い、酸素析出物量を高度に低減できる装置を開発すべく鋭意検討を続けてきた。その結果、プルチャンバ内に、インゴットの加熱用アフターヒーターを設けることで、上記の課題が解決できることを見出し、本発明を完成するに至った。

即ち、本発明に係るシリコン単結晶インゴットの引上げ装置は、シリコン融液が収容される坩堝と該坩堝を環囲する溶融ヒーターとが下部に設置されたメインチャンバと、該メインチャンバの天井壁中央部から上方に連設された、シリコン単結晶インゴットの引上げ収容用の長筒状プルチャンバとを備えてなり、前記プルチャンバの内空上方から、下部先端に種結晶を取り付け可能な単結晶引上げ軸が、上下動可能に垂下されてなる構造のチョクラルスキー法によるシリコン単結晶インゴットの引上げ装置において、上記プルチャンバ内に、アフターヒーターが周設されてなることを特徴とする。

上記シリコン単結晶インゴットの引上げ装置において、前記プルチャンバにおける下方域には、プルチャンバの内空を遮蔽可能なゲートバルブが設けられてなり、アフターヒーターは、該ゲートバルブとメインチャンバの天井壁との間の区間に設けられてなるのが好ましい態様である。

また、上記プルチャンバの下方域に、プルチャンバの内空を遮蔽可能なゲートバルブが設けられたシリコン単結晶インゴットの引上げ装置において、アフターヒーターは、該ゲートバルブより上方に設けられているのも好ましい態様である。

さらに、こうしたシリコン単結晶インゴットの引上げ装置において、引上げるシリコン単結晶インゴットの直胴部の長さは１１０〜２５０ｃｍの長尺であり、シリコン単結晶インゴットの引上げ開始時のメインチャンバ内において、坩堝の上端と天井壁最上部との高低差Ｈが、上記シリコン単結晶インゴットの直胴部の長さの１０〜１１０％であることが好ましい。

さらに、本発明に係るシリコン単結晶インゴットの製造方法は、上記シリコン単結晶インゴットの引上げ装置を用い、坩堝に収容されるシリコン融液からシリコン単結晶インゴットの引上げた後冷却する工程を含み、シリコン単結晶インゴットの全長を、インゴットの引上げ操作途中において、インゴットの直胴部上部がプルチャンバ内に進入する長さとし、このインゴット直胴部上部の温度を、インゴットの引上げ操作が終わるまでは、７００℃を下回らないように、プルチャンバ内に周設されるアフターヒーターにより加熱し温度保持し、次いで、インゴットの引上げ操作終了後は該アフターヒーターによる加熱を停止し、７００〜６００℃の温度域を急冷する。

このシリコン単結晶インゴットの製造方法においては、シリコン単結晶インゴットのテイル部引上げ終了後、アフターヒーターによる加熱を停止し、インゴット全体をプルチャンバ内に引上げて、該インゴット全体に対して、前記７００〜６００℃の温度域の急冷を施すのが好ましい態様である。

本発明のシリコン単結晶インゴットの引上げ装置によれば、インゴットの上部に対して冷却をより精密に高効率に施すことができる。即ち、メインチャンバ内におけるインゴットの引上げを、そのままプルチャンバ内にまで継続した場合において、該プルチャンバ内に、進入してくるインゴットを環囲する態様でアフターヒーターが設けられているため、当該インゴットの進入部分を、インゴットの引上げ操作が終わるまでは、７００℃を下回らないように加熱し、緩やかに温度低下させる等して温度保持することができる。

そして、メインチャンバ内において、シリコン単結晶インゴットのテイル部の引上げが終了すれば、アフターヒーターによる加熱を停止し、インゴット全体をプルチャンバ内に引上げて、該インゴット全体に対して急冷を施すことで、その直胴部上部まで酸素析出物の析出が少ないシリコン単結晶インゴットを効率的に製造することが可能になる。

このため、インゴットの引上げ操作途中において、インゴットの直胴部上部がプルチャンバ内に進入する長尺の場合においても、前記酸素析出物の生成が抑制される温度履歴での冷却を実現でき、極めて有意義である。

図１は、本発明のシリコン単結晶インゴットの引上げ装置の代表的態様を示す概略図である。 図２は、本発明のシリコン単結晶インゴットの引上げ装置の別の態様を示す概略図である。 図３は、従来のＣＺ法によるシリコン単結晶インゴットの引上げ装置の代表的態様を示す概略図である。

本発明の装置は、ＣＺ法による、シリコン単結晶インゴットを引上げ装置に関する。引上げ装置の基本的構造として前述の図３に示した構造を備えている。即ち、シリコン融液２が収容される坩堝３と該坩堝を環囲する溶融ヒーター４とが下部に設置されたメインチャンバ１と、該メインチャンバ１の天井壁９中央部から上方に連設された、シリコン単結晶インゴットの引上げ収容用のプルチャンバ１０とを備えてなり、前記プルチャンバ１０の内空上方から、下部先端に種結晶５を取り付け可能な単結晶引上げ軸６が、上下動可能に垂下されてなる構造を備える。単結晶引上げ軸６は、先端に取り付けられた種結晶を、坩堝３に収容されたシリコン融液２面に接触できるように上下動する。

インゴットの引上げ速度は、一般に０．７〜２．５ｍｍ／分であり、特には０．９〜１．５ｍｍ／分であるのが好適である。

ここで、メインチャンバ１には、前記坩堝３と該坩堝を環囲する溶融ヒーター４とが設置され、該坩堝３からインゴットを引上げる炉室として機能する。通常、メインチャンバ１はトップチャンバ、胴体チャンバ及びベースチャンバから構成され、胴体チャンバの上方開口部をトップチャンバが覆い、下方開口部をベースチャンバが塞ぐ構造をしている。トップチャンバはメインチャンバ１の天井壁を構成し、その上部中央部には開口部が設けられ、開口部には上方のほぼ垂直方向に向けてプルチャンバ１０が連設される。また、上記プルチャンバ１０は、メインチャンバ１の天井壁に連設し、シリコン単結晶インゴット８が引上げ終了時に納められる上方空間を形成する。プルチャンバ１０には、この上方空間を、メインチャンバ１内と遮断するためにゲートバルブ１１が設けられ、また該ゲートバルブ１１を設置するためにその下方に介在される、メインチャンバ１への連結区域１３が含まれる。プルチャンバ１０の内径は引上げるインゴットの直径により決まるが、メインチャンバ１の内径の８０％以下、より好ましくは５０％以下に縮径されて設けられていることが好ましい。

上記引上げ装置において、坩堝３は昇降可能であることが好ましく、シリコン単結晶インゴットの引上げ開始時には下方の位置にあり、引上げ開始後、坩堝３中のインゴットの長さが長くなり、坩堝３中のシリコン融液２の液量が少なくなるにつれて該坩堝３を上昇させて、坩堝中のシリコン融液面からメインチャンバ天井壁までの間隔を一定に保って運転するのが一般的である。また、坩堝３の上方空間には、熱遮蔽装置１５が設けられていても良い。

本発明の引上げ装置の最大の特徴は、図１に示すように、前記プルチャンバ１０内に、引上げられて進入してくるシリコン単結晶インゴット８の上方を加熱するアフターヒーター１２が周設されていることにある。この構成により、前述したようにシリコン単結晶インゴットの引上げ操作中において、プルチャンバ内に引上げられたシリコン単結晶インゴットの直胴部上部を、インゴットの引上げ操作が終わるまでは、７００℃を下回らないように加熱し、温度保持することが可能になる。

アフターヒーター１２としては、抵抗加熱器や高周波加熱器等の、従来、溶融ヒーター４として使用されているものと同様のものが制限なく用いることができる。ヒーター温度は、一般に、７００〜１１００℃から採択されるが、シリコン単結晶インゴットの直胴部上部の温度が確実に７００℃を下回らないようにするためには、７５０〜１１００℃が好ましい。

アフターヒーター１２の設置位置は、プルチャンバ１０内の垂直方向の何れかの箇所に、該プルチャンバ１０の水平方向において、シリコン単結晶インゴット８の全周にわたってまたは間断的に環囲するように設ければ良い。全周にわたって設ける場合、プルチャンバの上下方向に一定幅で設けるために、ヒーター線をらせん状に上下方向に巻いたり、波状・ジクザグ状に屈曲させて周設するのが好ましい。なお、アフターヒーター１２とプルチャンバ１０の内壁の間には断熱材１４を設けるのが好ましい。

メインチャンバ１内を通過しプルチャンバ１０に進入した高温を保った状態のインゴット上部をインゴットの引上げ操作中は７００℃を下回らないように徐冷や温度保持するめに、アフターヒーター１２は、該プルチャンバ１０内の下方域に設けるのが好ましい。具体的には、ゲートバルブ１１とメインチャンバ１の天井壁９との間、すなわち、プルチャンバ１０におけるメインチャンバ１への連結区域１３に設けるのが適当である。また、アフターヒーター１２を、プルチャンバ１０におけるメインチャンバ１への連結区域１３に設ける態様の場合、装置の全高が高くなることが避けられない。このため、図２に示すように、必要によりゲートバルブ１１におけるＯリングの焼き付け防止処置等を施した上で、アフターヒーター１２を、前記ゲートバルブ１１より上方に設け、装置の全高を低く抑えるのは、より好ましい態様である。

設置するアフターヒーター１２の垂直方向の長さは、シリコン単結晶インゴット８に対して加熱保温作用を施したい長さに応じて、インゴットの引上げ速度や、プルチャンバ内のインゴットの温度状態を考慮して適宜に決定すれば良いが、一般には２０〜２００ｃｍ、より好適には４０〜１６０ｃｍである。インゴット温度をより高度に制御するためにアフターヒーターは上下方向に複数個設けても良い。

本発明において引上げ装置には、前記プルチャンバ１０内にアフターヒーター１２を設けるだけでなく、メインチャンバ１内を引上げられているシリコン単結晶インゴット８の受ける温度履歴を所望のものに制御するため、その坩堝３より上方空間に、断熱材や他のアフターヒーターを設けても良い。

本発明の引上げ装置により、製造するシリコン単結晶インゴットの直胴部の長さは、特に制限は無く一般には６０ｃｍ以上である。本発明の装置によれば、インゴットの引上げ操作途中において、アフターヒーターを備えたプルチャンバ内にインゴットの直胴部上部が進入する。このため、メインチャンバ内では所望の温度履歴での冷却が物理的に難しくなる場合でも、プルチャンバ内で温度制御できるため、所望の温度履歴を実現できる。

具体的には、目的とするインゴットの直胴部の長さは、通常の上限よりも長めの１００ｃｍ以上、より好適には１１０〜２５０ｃｍの長尺とするのが、生産性向上の観点から望ましい。この場合、シリコン単結晶インゴットの引上げ開始時において、メインチャンバ内の坩堝の上端と天井壁最上部との高低差Ｈは、シリコン単結晶インゴットの引上げ開始時のメインチャンバ内において、目的とするシリコン単結晶インゴットの直胴部の長さの１０〜１１０％とすることが好ましく、さらには２０〜８０％であるのがより好ましい。図１に示すように、坩堝の上端とは、坩堝の側壁の最高点を意味し、天井壁の最上部とは、トップチャンバの中央部に設けられた開口部の下端を意味する。高低差Ｈが小さすぎると、メインチャンバ内の上部空間が狭くなる。この結果、坩堝からの輻射熱がプルチャンバに影響し、プルチャンバの温度制御が難しくなることがある。また、坩堝や直胴部からの輻射熱が連結区域やゲートバルブの設置個所に及ぶと、連結区域やゲートバルブに付属しているＯリングの耐久性を損なうことがある。さらには、上部空間が狭いが故に、直胴部が長いインゴットの製造に対応させるためには、プルチャンバ１０内のアフターヒーター１２が設置された部分を長くする必要があり、装置の全高を低くする観点での設備的なメリットはあまりない。一方、高低差Ｈが大き過ぎるとメインチャンバの全高が高くなり、設備費が高価になる。また、製造されるインゴットの口径は、１５〜３０ｃｍが好ましく、特に２０〜２５ｃｍであるのがより好ましい。

本発明の引上げ装置によれば、シリコン単結晶インゴットの製造において、前述のような温度履歴による冷却が可能になる。すなわち、プルチャンバ内にアフターヒータを備えることで、インゴットの引上げ操作が終わるまでは、プルチャンバに進入したインゴットが７００℃を下回らないように温度保持できる。具体的には、本発明の引上げ装置を用いて、メインチャンバにおける溶融ヒーターの設置状態や、坩堝より上方の保温構造、さらにはインゴットの引上げ速度等を適宜に組合せて調整して、所望の履歴を効率的に実現すれば良い。特に、メインチャンバ中の坩堝の上部に、引上げられるインゴットを環囲する円筒形状の遮蔽板（熱遮蔽装置、輻射シールド）が設けられた場合、インゴットの直胴部上部において、引上げ操作中に７００℃よりも温度低下し易くなることがあるが、本発明の引上げ装置によれば、上記温度保持の効果がより顕著に発揮され、所望の温度履歴を簡便に実現できる。

前述のとおり、インゴットの冷却は、７００〜６００℃の温度域で急冷することが必要である。引上げ当初（１４００℃程度）から７００℃に至るまでの高温度域および６００℃未満の低温度域は特に制限なく冷却すれば良い。一般には、０．０１〜２０℃／分の冷却速度であり、好ましくは０．１〜１５℃／分の冷却速度である。この高温度域の冷却は、インゴットが７００℃を下回らない温度まで冷却することが好ましい。この過程では、インゴットの温度が実質的に一定に保持される保温区間を設けても良い。

上記高温域の冷却の後、続く７００〜６００℃の温度域を急冷することで酸素析出物の生成を抑制できる。本発明では、この温度域は好ましくは３〜２０℃／分、さらに好ましくは５℃／分以上、特に好ましくは５〜１５℃／分の速度で冷却する。なお、装置やインゴットに対する負荷を考慮して、急冷速度を１５℃／分以上としてもよく、２０℃／分以上としても良い。ただし、冷却速度が速すぎると、装置の劣化が早くなり、またインゴットにクラックが発生することがある。本発明の引上げ装置によれば、前記プルチャンバ内にアフターヒーターが設けられているため、引上げ操作の途中で、インゴットの直胴部上部が該プルチャンバ内に進入しても、アフターヒータを作動させることで、プルチャンバへの進入部分の温度を７００℃以上に維持できる。

インゴットの急冷は、シリコン単結晶インゴットテイル部の引上げ終了後、アフターヒーターによる加熱を停止し、インゴット全体をプルチャンバ内に引上げて、ゲートバルブを閉じて、メインチャンバからインゴットを隔離し、輻射熱等を遮ることで実施するのが好ましい。これによりインゴットの直胴部上部に至るまで、その全体を急冷することができ、直胴部上部まで酸素析出物の析出が少ないシリコン単結晶インゴットを効率的に製造することが可能になる。

本発明では、７００℃〜６００℃の温度域を急冷することを特徴としている。急冷する温度域は、７００℃〜６００℃を包含すれば良い。したがって、たとえば７５０℃〜５５０℃の温度域を急冷する態様であってもよく、８００℃〜５００℃の温度域を急冷する態様であっても良い。また、急冷中の冷却速度は一定である必要はないが、少なくとも７００℃〜６００℃の温度域での平均の冷却速度が５℃／分以上であることが好ましい。７００℃〜６００℃以外の温度域での冷却速度は上記のとおり特に限定はされない。６００℃未満の低温度域では、放冷であってもよく、強制冷却であってもよい。

このプルチャンバ内でのインゴットの急冷に際しては、プルチャンバ内に不活性ガスを供給することで、対流熱伝達を促進させて冷却効率を高めて実施するのも良好な態様である。

なお、本発明において、こうしたインゴットの冷却における該インゴットの温度は、後述する実施例で実施するような、インゴットの中心部にＲ熱電対を埋入させて測定して確認した値である。インゴットの直胴部上部の温度は、直胴部上端から下方へ２ｃｍの位置で測定する。すなわち、本発明の引上げ装置を使用する際には、予め熱電対を埋入したインゴットを用いて、種々の温度条件で引上げ操作を行う模擬実験によって、インゴットの温度を確認した上で、上記した所定の要件を満足する条件で、実際の単結晶育成および引上げを行うことが好ましい。

こうしたシリコン単結晶インゴットの製造に供するシリコン原料は、通常、多結晶シリコンが使用される。多結晶シリコンとしては、流動床法、冶金法、亜鉛還元法、溶融析出法等の如何なる方法で製造したものも使用可能であるが、好適にはシーメンス法により製造されたものである。シリコン単結晶インゴットの導電型は、ｎ型であってもｐ型であっても良いが、ｎ型の方がライフタイム（ＬＴ）に優れるものが得やすい等の理由から好ましい。ドープする不純物としては、例えば、ｎ型ドーパントとしてはリン（Ｐ）、砒素（Ａｓ）、アンチモン（Ｓｂ）が例示され、ｐ型ドーパントとしてはボロン（Ｂ）、アルミニウム（Ａｌ）、ガリウム（Ｇａ）、インジウム（Ｉｎ）が考えられる。

以上の概説から、本発明を他の側面では、以下の要旨を含むことが理解できる。
（１）シリコン融液が収容される坩堝と該坩堝を環囲する溶融ヒーターとが下部に設置されたメインチャンバと、該メインチャンバの天井壁中央部から上方に、縮径された態様で長筒状に垂設されたシリコン単結晶インゴットの引上げ収容用のプルチャンバとを備えてなり、前記プルチャンバの内空上方から、先端に種結晶を備えた単結晶引上げ軸が、該種結晶がメインチャンバ内の前記坩堝に収容されたシリコン融液面に接触できる長さまで上下動可能に垂下されてなる構造の、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶インゴットの引上げ装置において、上記プルチャンバ内に、引上げられて進入してくるシリコン単結晶インゴットを加熱するアフターヒーターが周設されてなることを特徴とするシリコン単結晶インゴットの引上げ装置。
（２）前記プルチャンバにおける下方域に、プルチャンバの内空を遮蔽可能なゲートバルブが設けられてなり、アフターヒーターは、該ゲートバルブとメインチャンバの天井壁との間の区間に設けられてなる、（１）記載のシリコン単結晶インゴットの引上げ装置。
（３）前記プルチャンバにおける下方域に、プルチャンバの内空を遮蔽可能なゲートバルブが設けられてなり、アフターヒーターは、該ゲートバルブより上方に設けられてなる、（１）記載のシリコン単結晶インゴットの引上げ装置。
（４）引上げるシリコン単結晶インゴットの直胴部の長さが１１０〜２５０ｃｍの長尺であり、
シリコン単結晶インゴットの引上げ開始時のメインチャンバ内において、坩堝の上端から天井壁までの間隔が、上記シリコン単結晶インゴットの直胴部の長さの１０〜１１０％である、（１）〜（３）のいずれか一項に記載のシリコン単結晶インゴットの引上げ装置。
（５）上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の引上げ装置を用い、坩堝に収容されるシリコン融液からシリコン単結晶インゴットの引上げた後冷却する前記インゴットの製造方法であって、シリコン単結晶インゴットの全長を、インゴットの引上げ操作途中において、インゴットの直胴部上部がプルチャンバ内に進入する長さとし、このインゴット直胴部上部の冷却を、インゴットの引上げ操作が終わるまでは、７００℃を下回らないように、プルチャンバ内に周設されるアフターヒーターにより加熱し温度保持する態様とし、次いで、インゴットの引上げ操作終了後は該アフターヒーターによる加熱を停止し、７００〜６００℃の温度域を急冷する態様とすることを特徴とするシリコン単結晶インゴットの製造方法。
（６）上記（５）記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法において、シリコン単結晶インゴットのテイル部引上げ終了後、アフターヒーターによる加熱を停止し、インゴット全体をプルチャンバ内に引上げて、該インゴット全体に対して、前記７００〜６００℃の温度域の急冷を施す前記シリコン単結晶インゴットの製造方法。
（７）インゴット直胴部上部に対する、前記７００〜６００℃の温度域の急冷が、５℃／分以上の冷却速度である請求項５または（６）に記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法。
（８）引上げるシリコン単結晶インゴットの直胴部の長さが１１０〜２５０ｃｍの長尺であり、使用するシリコン単結晶インゴットの引上げ装置が、インゴットの引上げ開始時のメインチャンバ内において、坩堝の上端から天井壁までの間隔が、上記シリコン単結晶インゴットの直胴部の長さの１０〜１１０％の長さである、請求項５〜７のいずれか一項に記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法。

以下に本発明の実施例をあげてさらに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。尚、実施例および比較例において、得られたシリコン単結晶インゴットの物性評価は、次の方法により測定した。
１）シリコン単結晶インゴットの直胴部上部から切り出したウェハのライフタイム（ＬＴ）測定
各実施例で製造されたシリコン単結晶インゴットの直胴部（直径２０ｃｍ）に対して、直胴部の上端部２ｃｍ下方の位置及び直胴部の上端部から２０ｃｍ下方の位置から、水平方向に厚さ２．５ｍｍの輪切りサンプルを切り出した。そのサンプルをフッ酸、硝酸、酢酸の混合液でエッチングして、切断時に発生した両面のダメージ層を除去した。その後、両面をヨウ素パッシベーションして、μ-ＰＣＤ法によるＬＴ測定装置（SEMILAB 社製 「WT-2000」）を使用して、ライフタイムを測定した。ライフタイムの測定は微小の範囲であるため、直径２０ｃｍの範囲について４ｍｍ間隔でサンプル全面の合計１９０３点のデータを取得した。輪切りサンプルの面内のライフタイム値はこれら１９０３点のデータの平均値をもって代表値とした。

実施例１
図１に示した引上げ装置を用いてシリコン単結晶インゴットの製造を実施した。この引上げ装置において、プルチャンバ１０の全長（その上端からメインチャンバ１の天井壁９に至るまでの長さ）は５１０ｃｍであり、このうち引上げ終了時にインゴットが収容される、ゲートバルブ１１より上方の長さは３５０ｃｍであり、この領域の内径は３８ｃｍであった。また、ゲートバルブ１１の下方に介在される、メインチャンバ１との連結区域１３の長さは１６０ｃｍであった。

プルチャンバ１０において、上記ゲートバルブ１１の下方に介在される、メインチャンバ１への連結区域１３は、前記ゲートバルブ１１より上方の内径よりも拡径されており、アフターヒーター１２は、この拡径部分に設置されている。アフターヒーター１２は、内径３８ｃｍ×長さ１２０ｃｍの黒鉛製の円筒形状の抵抗加熱ヒーターであり、プルチャンバ―１０の内壁に沿って周設されている。

なお、このアフターヒーター１２とプルチャンバ１０の内壁との間には断熱材１４が設けられていた。

メインチャンバ１内に設置される坩堝３は石英製で直径は２４インチ（６１ｃｍ）であり、これに高純度多結晶シリコン原料１５０ｋｇ及び、これら高純度多結晶シリコンが溶融した際に、そのシリコン融液２中に７４ｐｐｂａのリンが溶解した状態となるようにｎ型シリコンドーパントを調整して収容した。

メインチャンバ１内を真空ポンプで数ｋＰａまで減圧し、黒鉛製の溶融ヒーター４に電力を投入し溶融ヒーター４を１４５０℃に加熱して、Ａｒ雰囲気にて該多結晶シリコンを加熱溶融した。先端に、主面方位がＳｉ＜１００＞であるシリコン種結晶５が設けられた単結晶引上げ軸６を降下させ、該シリコン種結晶５を上記シリコン融液２の液面に接触させて、固液界面が結晶成長する温度になるように溶融ヒーター４を調整した後、０．９ｍｍ／分の引上げ速度で単結晶体の引上げを開始し、直胴部が直径８インチ（２０ｃｍ）、長さが１８０ｃｍ、トップ部の長さ１０ｃｍ、テイル部長さ２０ｃｍであり、結晶成長方位が＜１００＞のｎ型シリコン単結晶インゴットを引上げた。

なお、引上げ開始後、坩堝３中のシリコン融液２の液量が少なくなるに応じて、坩堝中のシリコン融液面からメインチャンバ天井壁までの間隔を一定に保つため、該坩堝３を上昇させた。引上げ開始時において、坩堝３の上端とメインチャンバ１の天井壁最上部との高低差（Ｈ）は７０ｃｍであった。

引上げられたシリコン単結晶インゴットの冷却は、融液面からプルチャンバ内に進入する位置までは、その直胴部上部において０．１〜２．７℃／分の冷却速度で実施した。引上げるインゴットは、前記の如くに長さ２１０ｃｍの長尺であるため、８５ｃｍ以上に引上げた際に、直胴部上部がプルチャンバ１０内に進入した。

このプルチャンバ１０内に進入した直胴部上部が連結区域１３にさしかかる３０ｃｍ前からアフターヒーター１２に電力を投入した。プルチャンバ内に進入した直胴部上部の温度が７５０℃付近に低下した後はこれより温度が下回らないように保温した。なお、上記アフターヒーター１２の加熱温度は、ヒーター近傍に挿入したＫ熱電対により把握し、アフターヒーターの温度調整をした。

インゴットの引上げを終えた後、インゴットのテイルを融液から切り離し、それと同時にシリコン単結晶インゴットを５０ｃｍ／分の速度で上昇させた。

インゴットのテイル部下端がゲートバルブより上方に達した後、ゲートバルブを閉めてメインチャンバからの輻射熱を遮ってインゴットを急冷させた。この際、Ａｒを大気圧まで導入することで対流熱伝達を促進させてインゴットの急冷効率を向上させた。これにより上記急冷において、後述するようにインゴット直胴部上部における７００〜６００℃の温度域の冷却速度は、８℃／分であった。

以上の操作の後、ゲートバルブ１１より上方のプルチャンバを開放して前記インゴット８を装置外に取り出した。このシリコン単結晶インゴットについて、前記１）の方法に従って、切り出した直胴部上部から切り出したウェハのライフタイム（ＬＴ）を測定した。結果を表１に示したが、良好なＬＴの値を有していた。

なお、上記シリコン単結晶の引上げ操作における、直胴部上部の温度履歴を確認するために、下記実験を別に実施した。即ち、単結晶引上げ軸６の先端に備えられる種結晶５に対し、測温用の太い種結晶を取りつけ、下方に５ｃｍ突き出るようにアルミナ管に入ったＲ熱電対を取りつける以外、前述と同じ方法によりシリコン単結晶インゴットの引上げを実施した。引上げられるシリコン単結晶インゴットにおいて、上記Ｒ熱電対は、インゴット中心部の直胴開始から２ｃｍの位置に埋入していた。

引上げ操作中において、該Ｒ熱電対の温度を１分間隔でデータ取得することにより、インゴットの直胴部上端部から２ｃｍ下方の中心の温度変化を確認した。前記インゴットの徐冷工程において、Ｒ熱電対の位置が固化してから１６時間後にプルチャンバ―に進入し、その時点での温度は７６９℃であった（前述のとおり引上げの開始当初からこの温度に低下するまでの冷却速度は０．１〜２．７℃／分であった）。プルチャンバ―進入後は７５０℃±１０℃で保持され、７００℃を実質下回ることがないよう保温されていた。また、インゴットの引上げ終了後のプルチャンバ内でのインゴットの急冷工程において、直胴部上部の７００〜６００℃の温度域の滞在時間は１２分であり、冷却速度は８℃／分であった。

比較例１
引上げ装置として、図３に示した、プルチャンバ１０内にアフターヒーター１２が設けられていないものを使用して、シリコン単結晶インゴットの製造を実施した。

実施例１と同様の条件で引上げを実施した。インゴットを８５ｃｍ以上に引上げた際に、直胴部上部がプルチャンバ１０内に進入したが、プルチャンバ１０内にはアフターヒーター１２が設けられていないため、そのまま６００℃まで直胴部上部の冷却が継続され、７００〜６００℃までの滞在時間は２１３分であり、冷却速度は０．５℃／分であり急冷が行えなかった。

以上の結果、得られたシリコン単結晶インゴットについて、前記１）の方法に従って、切り出した直胴部上部から切り出したウェハのライフタイム（ＬＴ）を測定したところ、表１のように値は低かった。

実施例２
引上げ装置として図２に示した態様のものを使用してシリコン単結晶インゴットの製造を実施した。この引上げ装置は、プルチャンバ１０において、アフターヒーター１２が、ゲートバルブ１１より上方に設けられており、ゲートバルブ１１の下方に介在される、メインチャンバ１への連結区域１３が２０ｃｍと短いため、装置の全高を低く抑えられていた。

プルチャンバ１０の全長（その上端からメインチャンバ１の天井壁９に至るまでの長さ）は３８０ｃｍであり、このうち引上げ終了時にインゴットが収容される、ゲートバルブ１１より上方の長さは３４５ｃｍであった。アフターヒーター１２は、内径３８ｃｍ×長さ７０ｃｍの黒鉛製の円筒形状の抵抗加熱ヒーターを鉛直方向に２個配置し、プルチャンバ１０の内壁に沿って間断する態様で周設されている。この２個のアフターヒーターはそれぞれ独立して温度制御ができる。

なお、このアフターヒーター１２とプルチャンバ１０の内壁との間には断熱材１４が設けられていた。引上げ中のインゴットの側面の温度を読み取り、それをアフターヒーターの温度制御に反映させるために、垂直方向に２０ｃｍ間隔でのぞき窓を設け、放射温度計を設置した。アフターヒーター加熱中に表面が剥き出しのゲートバルブのＯリングの焼損を防ぐために、加熱中はステンレス製の水冷リングでＯリングを覆う構造とした。

坩堝３に収容する高純度多結晶シリコン原料の量を１８０ｋｇに変更し、引上げるシリコン単結晶インゴットのサイズが、直径８インチ（２０ｃｍ）、直胴部の長さが２２０ｃｍ、トップ部の長さ１０ｃｍ、テイル部長さ２０ｃｍに、実施例１とは製造条件を変更した。引上げ開始時において、坩堝３の上端とメインチャンバ１の天井壁最上部との高低差（Ｈ）は７５ｃｍであった。

引上げられたシリコン単結晶インゴットは、前記の如くに直胴部の長さが２２０ｃｍの長尺であるため、８５ｃｍ以上に引上げた際に、直胴部上部がプルチャンバ１０内に進入した。結晶成長の引上げ中において、プルチャンバ内に進入した直胴部上部が、常に７００℃を上回るようにアフターヒーターを加熱した。テイルを融液から切り離した後、アフターヒーターの加熱を停止し、それと同時にシリコン単結晶インゴットを５０ｃｍ／分の速度で上昇させて、ゲートバルブを閉めてメインチャンバからの輻射熱を遮ってインゴットを急冷させた。この急冷において、直胴部上部の７００〜６００℃の温度域の滞在時間は１１分であり、冷却速度は９℃／分であった。

以上の結果、得られたシリコン単結晶インゴットについて、前記１）の方法に従って、切り出した直胴部上部から切り出したウェハのライフタイム（ＬＴ）を測定した。結果を表１に示したが、良好なＬＴの値を有していた。

１；メインチャンバ
２；シリコン融液
３；坩堝
４；溶融ヒーター
５；種結晶
６；単結晶引上げ軸
７；断熱材（メインチャンバ）
８；シリコン単結晶インゴット
９；天井壁
１０；プルチャンバ
１１；ゲートバルブ
１２；アフターヒーター
１３；ゲートバルブとメインチャンバとの連結区域
１４；断熱材（プルチャンバ）
１５；熱遮蔽装置

Claims (7)

1. シリコン融液が収容される坩堝と該坩堝を環囲する溶融ヒーターとが下部に設置されたメインチャンバと、
   該メインチャンバの天井壁中央部から上方に連設された、シリコン単結晶インゴットの引上げ収容用の長筒状プルチャンバとを備えてなり、
   前記プルチャンバの内空上方から、下部先端に種結晶を取り付け可能な単結晶引上げ軸が、上下動可能に垂下されてなる構造の、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶インゴットの引上げ装置において、
   上記プルチャンバの内径は、メインチャンバの内径の５０％以下に縮径され、該プルチャンバ内に、垂直方向の長さが４０〜１６０ｃｍのアフターヒーターが、シリコン単結晶インゴットの全周を環囲するように周設されてなり、
   前記プルチャンバにおける下方域に、プルチャンバの内空を遮蔽可能なゲートバルブが設けられてなり、該ゲートバルブとメインチャンバの天井壁との間の区間の内径は、ゲートバルブよりも上方の内径よりも拡径されてなり、
   前記アフターヒーターは、該ゲートバルブとメインチャンバの天井壁との間の前記拡径された区間に設けられてなり、
   引上げるシリコン単結晶インゴットの直胴部の長さが１８０〜２５０ｃｍの長尺であり、シリコン単結晶インゴットの引上げ開始時のメインチャンバ内において、坩堝の上端と天井壁最上部との高低差が、上記シリコン単結晶インゴットの直胴部の長さの１０〜１１０％である、
   シリコン単結晶インゴットの引上げ装置。
2. 前記プルチャンバ内に不活性ガスを供給できる、請求項１に記載のシリコン単結晶インゴットの引上げ装置。
3. 請求項１または２に記載の引上げ装置を用い、坩堝に収容されるシリコン融液からシリコン単結晶インゴットの引上げた後冷却するシリコン単結晶インゴットの製造方法であって、
   シリコン単結晶インゴットの全長を、インゴットの引上げ操作途中において、インゴットの直胴部上部がプルチャンバ内に進入する長さとし、
   このインゴット直胴部上部の温度を、インゴットの引上げ操作が終わるまでは、７００℃を下回らないように、プルチャンバ内に周設されるアフターヒーターにより加熱して温度保持し、
   次いで、インゴットの引上げ操作終了後は該アフターヒーターによる加熱を停止し、７００〜６００℃の温度域を急冷するシリコン単結晶インゴットの製造方法。
4. 請求項３記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法において、シリコン単結晶インゴットのテイル部引上げ終了後、アフターヒーターによる加熱を停止し、インゴット全体をプルチャンバ内に引上げて、該インゴット全体に対して、前記７００〜６００℃の温度域の急冷を施す前記シリコン単結晶インゴットの製造方法。
5. インゴット直胴部上部に対する、前記７００〜６００℃の温度域の急冷が、５℃／分以上の冷却速度である請求項３または請求項４に記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法。
6. 引上げるシリコン単結晶インゴットの直胴部の長さが１８０〜２５０ｃｍの長尺であり、使用するシリコン単結晶インゴットの引上げ装置が、インゴットの引上げ開始時のメインチャンバ内において、坩堝の上端と天井壁最上部との高低差が、上記シリコン単結晶インゴットの直胴部の長さの１０〜１１０％である、請求項３〜５のいずれか一項に記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法。
7. 前記７００〜６００℃の温度域の急冷を、前記プルチャンバ内に不活性ガスを供給しながら行う、請求項３〜６のいずれか一項に記載のシリコン単結晶インゴットの製造方法。

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