JP7021626B2 - 原料供給方法およびシリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、原料供給方法およびシリコン単結晶の製造方法に関する。

従来、ＣＺ（チョクラルスキー）法により複数のシリコン単結晶を連続して製造するに際し、２本目以降のシリコン単結晶を製造するための固形原料を坩堝内のシリコン融液にリチャージする方法が知られている（例えば、特許文献１参照）。
この特許文献１の方法は、固形原料をシリコン融液に投下する前に、シリコン融液の表面を固化させる工程を備えている。当該固化させる工程は、シリコン融液の全表面の８０％に相当する領域が固化するまでの時間と坩堝の内径とが、所定の関係を満たすように、坩堝を加熱するヒータのパワーを設定している。

特開２００７－２４６３５６号公報

しかしながら、特許文献１のような方法では、シリコン融液の表面の固化が想定以上に進んでしまい、例えば固形原料を投下したときに当該固化部分が沈むことによって、石英坩堝を破損してしまうおそれがある。また、シリコン融液の表面の固化が想定以上に進まず、固化工程の時間が長くなるおそれがある。

本発明の目的は、石英坩堝を破損することなくチャージを適切に行える原料供給方法およびシリコン単結晶の製造方法を提供することにある。

本発明の原料供給方法は、チョクラルスキー法により１個の石英坩堝を用いてシリコン単結晶を製造するに際し、固形原料を前記石英坩堝内のシリコン融液にチャージする原料供給方法であって、前記石英坩堝を加熱するヒータのパワーを調整して、前記シリコン融液の表面を固化する固化工程と、前記表面の固化部分に前記固形原料を投下する投下工程と、前記固化部分および前記固形原料を融解する融解工程とを備え、前記固化工程は、従前のシリコン単結晶の製造時において、種結晶を前記シリコン融液に着液させる着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーの値に基づいて、当該固化工程のヒータのパワーを調整することを特徴とする。
なお、「種結晶を前記シリコン融液に着液させる工程を実施したときの前記ヒータのパワー」とは、種結晶を着液後かつ引き上げる直前（例えば引き上げる１秒前）のパワーを意味するものであり、着液後、引き上げ前にパワーの調整を行った場合には、調整後のパワーを意味する。

本発明の原料供給方法において、前記投下工程は、従前のシリコン単結晶の製造時における着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーの値に基づいて、当該投下工程のヒータのパワーを調整することが好ましい。

本発明の原料供給方法において、前記融解工程は、従前のシリコン単結晶の製造時における着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーの値に基づいて、当該融解工程のヒータのパワーを調整することが好ましい。

本発明の原料供給方法において、前記固化工程は、前記着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーが着液工程基準値よりも大きい場合、前記固化工程のヒータのパワーを固化工程基準値よりも大きくすることが好ましい。

本発明の原料供給方法において、前記固化工程は、前記着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーが着液工程基準値よりも小さい場合、前記固化工程のヒータのパワーを固化工程基準値よりも小さくすることが好ましい。

本発明の原料供給方法において、前記固化工程は、以下の式（１）に基づいて、前記ヒータのパワーを調整することが好ましい。
Ａ＝Ｂ－α×（Ｃ－Ｄ） … （１）
Ａ：調整後のヒータのパワー
Ｂ：固化工程基準値
Ｃ：着液工程基準値
Ｄ：前記着液工程を実施したときのヒータのパワー
α：調整用パラメータ
なお、固化工程基準値Ｂとは、シリコン融液表面の固化速度が目標値となるようなヒータのパワーの値である。また、着液工程基準値Ｃとは、シリコン融液表面の固化速度が目標値となる単結晶引き上げ装置における「種結晶をシリコン融液に着液させる工程を実施したときのヒータのパワー」であり、種結晶を着液後かつ引き上げる直前（例えば引き上げる１秒前）のパワーを意味するものである。着液後、引き上げ前にヒータパワーの調整を行った場合には、調整後のヒータパワーを意味する。すなわち、着液工程基準値Ｃは、固化速度が目標値となる単結晶引き上げ装置における着液工程を実施したときのヒータのパワーＤに相当し、固化速度が目標値となる単結晶引き上げ装置においては、（Ｄ―Ｃ）＝０となる。
また、調整用パラメータαは、１に近い正の値である。具体的には、０＜α≦２の範囲内の値とすることができる。この調整用パラメータαを用いることにより、単結晶引き上げ装置毎の特性に応じたパワー調整をすることができる。

本発明の原料供給方法において、前記固化工程、前記投下工程、および、前記融解工程は、それぞれ２回以上の同じ回数だけ繰り返して実施され、前記固化工程基準値は、当該繰り返しの回数が増えるほど小さい値に設定されていることが好ましい。

本発明シリコン単結晶の製造方法は、チョクラルスキー法により１個の石英坩堝を用いて複数のシリコン単結晶を連続して製造するシリコン単結晶の製造方法であって、種結晶をシリコン融液に着液させる着液工程と、前記種結晶を引き上げてシリコン単結晶を育成する育成工程と、２本目以降のシリコン単結晶を製造するための固形原料を石英坩堝内のシリコン融液にリチャージするに際し、上述の原料供給方法を行うリチャージ工程とを備え、前記リチャージ工程における前記固化工程は、同じ石英坩堝を用いたいずれかのシリコン単結晶の製造時において前記着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーの値に基づいて、当該固化工程のヒータのパワーを調整することを特徴とする。

本発明のシリコン単結晶の製造方法において、固形原料が収容された石英坩堝を加熱して、シリコン融液を生成する初期融液生成工程と、上述の原料供給方法を用いて、固形原料を前記石英坩堝内のシリコン融液に追加チャージする追加チャージ工程とを備え、前記追加チャージ工程における前記固化工程は、他の石英坩堝を用いた直前のシリコン単結晶の製造時において前記着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーの値に基づいて、当該固化工程のヒータのパワーを調整することが好ましい。

本発明のシリコン単結晶の製造方法は、チョクラルスキー法により１個の石英坩堝を用いて１本のシリコン単結晶を製造するシリコン単結晶の製造方法であって、固形原料が収容された石英坩堝を加熱して、シリコン融液を生成する初期融液生成工程と、上述の原料供給方法を用いて、固形原料を前記石英坩堝内のシリコン融液に追加チャージする追加チャージ工程と、種結晶をシリコン融液に着液させる着液工程と、前記種結晶を引き上げてシリコン単結晶を育成する育成工程とを備え、前記追加チャージ工程における前記固化工程は、他の石英坩堝を用いた直前のシリコン単結晶の製造時において前記着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーの値に基づいて、当該固化工程のヒータのパワーを調整することを特徴とする。

本発明のシリコン単結晶の製造方法において、前記着液工程と前記育成工程との間に、前記シリコン融液の温度が所定温度となるように前記ヒータのパワーを調整する着液パワー調整工程を備えていることが好ましい。

以上の本発明によれば、石英坩堝を破損することなくチャージを適切に行える原料供給方法およびシリコン単結晶の製造方法を提供できる。

本発明の関連技術および一実施形態に係る単結晶引き上げ装置の模式図。 前記関連技術におけるシリコン単結晶の製造方法のフローチャート。 前記関連技術および第１実施形態におけるリチャージ並びに第２実施形態における追加チャージの様子を示す模式図であり、（Ａ）は固化工程を示し、（Ｂ）は投下工程を示す。 本発明を導くために行った実験の結果であって、種結晶の着液時のヒータパワーの調整値とシリコン融液の固化速度との関係を示すグラフ。 前記第１実施形態におけるシリコン単結晶の製造方法のフローチャート。 前記第２実施形態におけるシリコン単結晶の製造方法のフローチャート。 本発明の実施例における比較例１および実施例１の固化速度のばらつきを示すグラフ。 前記実施例における比較例２および実施例２の固化速度のばらつきを示すグラフ。

［本発明の関連技術］
まず、本発明の関連技術を図面に基づいて説明する。
〔単結晶引き上げ装置の構成〕
図１に示すように、単結晶引き上げ装置１は、ＣＺ法（Czochralski法）に用いられる装置であって、引き上げ装置本体２と、メモリ３と、制御部４とを備えている。
引き上げ装置本体２は、チャンバ２１と、このチャンバ２１内に配置された坩堝２２と、この坩堝２２を加熱するヒータ２３と、引き上げ部２４と、熱遮蔽体２５と、断熱材２６と、坩堝駆動部２７とを備えている。
なお、単結晶引き上げ装置１は、二点鎖線で示すように、ＭＣＺ（Magnetic field applied Czochralski）法に用いられる装置であって、チャンバ２１の外側において坩堝２２を挟んで配置された一対の電磁コイル２８を有していてもよい。

チャンバ２１は、メインチャンバ２１１と、このメインチャンバ２１１の上部にゲートバルブ２１２を介して接続されたプルチャンバ２１３とを備えている。プルチャンバ２１３には、Ａｒガスなどの不活性ガスをメインチャンバ２１１内に導入するガス導入口２１Ａが設けられている。メインチャンバ２１１の下部には、当該メインチャンバ２１１内の気体を排出するガス排気口２１Ｂが設けられている。

坩堝２２は、固形原料Ｓ（図３（Ｂ）参照）を融解してシリコン融液Ｍとするものである。坩堝２２は、石英坩堝２２１と、この石英坩堝２２１を収容する黒鉛坩堝２２２とを備えている。石英坩堝２２１は、１本あるいは複数のシリコン単結晶ＳＭを育成するごとに交換される。一方、黒鉛坩堝２２２は、シリコン単結晶ＳＭを１本製造するごとには交換されず、石英坩堝２２１を適切に支持できなくなったと考えられた時点で交換される。

ヒータ２３は、坩堝２２の周囲に配置されており、坩堝２２内のシリコンを融解する。なお、坩堝２２の下方に、二点鎖線で示すようなボトムヒータ２３１をさらに設けてもよい。
引き上げ部２４は、一端に種結晶ＳＣが取り付けられるケーブル２４１と、このケーブル２４１を昇降および回転させる引き上げ駆動部２４２とを備えている。
熱遮蔽体２５は、シリコン単結晶ＳＭを囲むように設けられ、ヒータ２３から上方に向かって放射される輻射熱を遮断する。
坩堝駆動部２７は、黒鉛坩堝２２２を下方から支持する支持軸２７１を備え、坩堝２２を所定の速度で回転および昇降させる。
なお、単結晶引き上げ装置１におけるホットゾーンは、チャンバ２１、坩堝２２、ヒータ２３、ケーブル２４１、熱遮蔽体２５、断熱材２６、支持軸２７１、シリコン融液Ｍ、シリコン単結晶ＳＭなどである。

メモリ３は、チャンバ２１内のガス流量や炉内圧、ヒータ２３に投入する電力、坩堝２２やシリコン単結晶ＳＭの回転数など、シリコン単結晶ＳＭの製造に必要な各種情報を記憶している。
制御部４は、メモリ３に記憶された各種情報や、作業者の操作に基づいて、シリコン単結晶ＳＭを製造する。

〔シリコン単結晶の製造方法〕
次に、マルチ引き上げ法によるシリコン単結晶ＳＭの製造方法について説明する。マルチ引き上げ法とは、１個の石英坩堝２２１を用いて複数のシリコン単結晶ＳＭを連続して製造する方法のことである。
まず、図２に示すように、坩堝２２に収容されたシリコン融液Ｍに種結晶ＳＣを着液する（ステップＳ１：着液工程）。
次に、制御部４は、種結晶ＳＣを引き上げてシリコン単結晶ＳＭを育成する（ステップＳ２：育成工程）。この育成工程は、種結晶ＳＣを引き上げるとともに、坩堝２２を回転させつつ上昇させる工程（引き上げ工程）と、シリコン単結晶ＳＭのテール部をシリコン融液Ｍから切り離す工程（切り離し工程）と、シリコン融液Ｍから切り離されたシリコン単結晶ＳＭを引き上げながら冷却する工程（冷却工程）と、冷却されたシリコン単結晶ＳＭがプルチャンバ２１３に収容されたらゲートバルブ２１２を閉塞する工程（閉塞工程）と、プルチャンバ２１３からシリコン単結晶ＳＭを取り出す工程（取り出し工程）とを備えている。

育成工程の終了後あるいは実施中に、制御部４は、次のシリコン単結晶ＳＭの育成を行うか否かを判断する（ステップＳ３）。
このステップＳ３において、制御部４は、事前に設定された本数のシリコン単結晶ＳＭの育成が終了し、次の育成を行わないと判断した場合、処理を終了する。一方、ステップＳ３において、事前に設定された本数のシリコン単結晶ＳＭの育成が終了しておらず、次の育成を行うと判断した場合、制御部４は、ヒータ２３のパワーを予め設定された固化工程基準値に設定し、シリコン融液Ｍの表面を固化させる（ステップＳ４：固化工程）。この固化工程によって、図３（Ａ）に示すように、シリコン融液Ｍの表面全体が固化して、固化部分Ｍ１が形成される。固化速度の目標値としては、これまでの実験の結果、１４ｍｍ／ｍｉｎ以上２０ｍｍ／ｍｉｎ以下の値を例示でき、好ましい値として１７ｍｍ／ｍｉｎを挙げることができる。

その後、制御部４は、図３（Ａ）に実線で示すように、適切な直径および厚さの固化部分Ｍ１が形成されると、図３（Ｂ）に示すように、固化部分Ｍ１上に固形原料Ｓを投下する（ステップＳ５：投下工程）。この投下工程では、制御部４は、ヒータ２３のパワーを固化工程基準値よりも大きい投下工程基準値に設定して固化を抑制した後、原料供給装置５を用いてチャンク管方式で固形原料Ｓを投下する。原料供給装置５は、固形原料Ｓを充填したチャンク管と称される円筒状の石英管５１を、固化部分Ｍ１上まで下降させた後、石英管５１の下端開口部に装着されている底蓋５２を下方に移動させ、石英管５１の下端開口部を開くことにより、固化部分Ｍ１に固形原料Ｓを投下する。
なお、固化工程から投下工程への移行は、作業者による目視確認結果や撮影手段の撮影結果に基づいて行ってもよい。

この後、固形原料Ｓの投下が終了すると、ヒータ２３のパワーを投下工程基準値と同じ融解工程基準値に設定して、すなわちパワーを維持したまま、固形原料Ｓを融解する工程（ステップＳ６：融解工程）に移行する。
次に、制御部４は、固形原料Ｓの融解が終了すると、リチャージを終了するか否かを判断する（ステップＳ７）。
このステップＳ７において、制御部４は、事前に設定された回数の投下工程が実施され、リチャージを終了すると判断した場合、ステップＳ１に戻り、次のシリコン単結晶ＳＭの製造を開始する。
一方、ステップＳ５において、事前に設定された回数の投下工程が実施されておらず、リチャージを継続すると判断した場合、ステップＳ４に戻る。
以上の処理によって、複数のシリコン単結晶ＳＭが連続して製造される。

［本発明を導くに至った経緯］
本発明者は鋭意研究を重ねた結果、以下の知見を得た。
単結晶引き上げ装置１の保温性は、ホットゾーンの構成要素の形状や配置の公差あるいは劣化などによって異なる場合がある。ホットゾーンの構成要素としては、チャンバ２１、坩堝２２、ヒータ２３、ケーブル２４１、熱遮蔽体２５、断熱材２６、支持軸２７１、シリコン融液Ｍ、シリコン単結晶ＳＭなどが例示できる。
本発明者は、このような単結晶引き上げ装置１の保温性の変化によって、シリコン融液Ｍ表面の固化の進行状態も変わってしまい、予期しない石英坩堝２２１の破損が発生したり、固化工程の時間が長くなる可能性があると推定した。
そこで、以下の実験を行った。

まず、上述の単結晶引き上げ装置１を用い、ヒータ２３のパワーを着液工程基準値に設定してから、種結晶ＳＣをシリコン融液Ｍに着液した。着液工程基準値としては、例えば、過去に実施した着液工程におけるパワーの平均値が例示できるが、他の基準で設定した値であってもよい。例えば、着液工程基準値として、後述する図４に示すような「種結晶ＳＣの着液時のヒータパワーの調整値」と「シリコン融液Ｍの固化速度」との関係（近似線Ｌ）を把握しておき、固化速度が目標値となる場合の種結晶ＳＣの着液時のヒータパワーを用いることができる。
そして、種結晶ＳＣ着液後の状態に基づいて、ヒータ２３のパワーを調整した。この調整では、単結晶引き上げ装置１の保温性が低いためシリコン融液Ｍの温度が想定以上に低くなり、成長が早く進んでしまいそうな場合、パワーを大きくした。一方、単結晶引き上げ装置１の保温性が高いためシリコン融液Ｍの温度が想定以上に高くなり、種結晶ＳＣがシリコン融液Ｍ内で溶けてしまいそうな場合、パワーを小さくした。さらに、単結晶引き上げ装置１の保温性が所定範囲内であり、育成工程が適切に行えそうな場合、パワーを維持した。
その後、図２に示すステップＳ３，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７の処理を行い複数のシリコン単結晶ＳＭを製造し、１本目のシリコン単結晶ＳＭ製造後の固化工程（以下、「１回目の固化工程」という場合がある）における固化速度を確認した。

この後、異なる単結晶引き上げ装置１で同様の実験を行い、着液時におけるパワーの調整値と、１回目の固化工程における固化速度との関係を確認した。全実験において、１回目の固化、投下工程、融解工程における固化、投下、融解工程基準値を同じ値に設定した。
着液時のパワーの調整値とシリコン融液Ｍの固化速度との関係を図４に示す。図４の横軸は、着液工程基準値を基準にしたパワーの調整値の比率を示す。

図４の近似線Ｌで示すように、着液時のパワーの調整値が大きくなるほど、シリコン融液Ｍの固化速度が速くなることが確認できた。この結果は、着液時のパワーの調整値が大きく、単結晶引き上げ装置１の保温性が低い場合には、固化工程における固化速度が速くなり、パワーの調整値が小さく、単結晶引き上げ装置１の保温性が高い場合には、固化速度が遅くなることを表していると考えられる。

以上のことから、着液時のヒータ２３のパワー調整によって単結晶引き上げ装置１の保温性を推定でき、この推定結果に基づいて、固化、投下、融解工程時のヒータ２３のパワーを調整することで、シリコン融液Ｍ表面の固化を適切に行うことができ、リチャージを適切に行えると考えられる。
例えば、着液時のパワーが着液工程基準値よりも大きい場合には、固化、投下、融解工程時のパワーを固化、投下、融解工程基準値よりも大きくする。
固化工程時のパワーを固化工程基準値よりも大きくすることで、固化速度を遅くすることができ、固化速度が速すぎることによる不具合、例えば固化が想定以上に進んでしまい、石英坩堝２２１を破損してしまうという不具合を抑制できると考えられる。
また、投下工程時のパワーを投下工程基準値よりも大きくすることで、固形原料Ｓを投下したときの固化部分Ｍ１の温度低下を抑制することができ、固化部分Ｍ１が大きくなったり厚くなったりしてしまい、石英坩堝２２１を破損してしまうという不具合を抑制できると考えられる。
さらに、融解工程時のパワーを融解工程基準値よりも大きくすることで、融解工程完了時の融液温度を高温化することができ、次の原料を投入する際の固化速度を目標値（例えば１４ｍｍ／ｍｉｎ以上）に調整することができる。

一方、着液時のパワーが着液工程基準値よりも小さい場合には、固化、投下、融解工程時のパワーを固化、投下、融解工程基準値よりも小さくする。固化工程時のパワーを固化工程基準値よりも小さくすることで、固化速度を速くすることができ、固化速度が遅すぎることによる不具合、例えば固化が想定以上に進まず、固化工程の時間が長くなるという不具合を抑制できると考えられる。
また、投下工程時のパワーを投下工程基準値よりも小さくすることで、固化部分Ｍ１の融解速度を遅くすることができ、固形原料Ｓが直接シリコン融液Ｍに投下されることを抑制でき、当該シリコン融液Ｍが飛散することを抑制できると考えられる。
さらに、融解工程時のパワーを融解工程基準値よりも小さくすることで、融解工程完了時の融液温度を低温化することができ、次の原料を投入する際の固化速度を目標値（例えば２０ｍｍ／ｍｉｎ以下）に調整することができる。

［第１実施形態］
次に、本発明の第１実施形態に係るマルチ引上げ法によるシリコン単結晶ＳＭの製造方法について説明する。第１実施形態および後述する第２実施形態で説明する製造方法において、シリコン単結晶ＳＭは、円筒研削後の直胴部の直径が２００ｍｍ、３００ｍｍ、４５０ｍｍあるいは他の大きさであってもよい。また、抵抗率調整用のドーパントをシリコン融液Ｍに添加してもよいし、しなくてもよい。
なお、第１実施形態では、図２に示す上記関連技術の製造方法と異なる工程を詳細に説明し、同じ工程については同じ符号を付し、説明を簡略にする。また、以下の工程のうち、ステップＳ１２，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ７が本発明の原料供給方法を用いたリチャージ工程に該当する。

まず、図５に示すように、シリコン融液Ｍに種結晶ＳＣを着液する（ステップＳ１：着液工程）。この着液工程では、制御部４は、ヒータ２３のパワーを着液工程基準値に設定してから、種結晶ＳＣをシリコン融液Ｍに着液する。

この後、制御部４は、育成工程を適切に行うために、種結晶ＳＣ着液後の状態に基づいて、ヒータ２３のパワーを調整する（ステップＳ１１：着液パワー調整工程）。この着液パワー調整工程では、上述の本発明を導くに至った経緯で説明したように、種結晶ＳＣの状態に基づいて、単結晶引き上げ装置１の保温性が低い場合、パワーを大きくし、保温性が高い場合、パワーを小さくし、保温性が所定範囲内の場合、パワーを維持する。この調整によって、引き上げ工程直前のシリコン融液Ｍの温度を所定温度にすることができる。

次に、制御部４は、種結晶ＳＣを引き上げてシリコン単結晶ＳＭを育成し（ステップＳ２：育成工程）、育成工程の終了後あるいは実施中に、制御部４は、次のシリコン単結晶ＳＭの育成を行うか否かを判断する（ステップＳ３）。
このステップＳ３において、制御部４は、次の育成を行わないと判断した場合、処理を終了し、次の育成を行うと判断した場合、同じ石英坩堝２２１を用いてシリコン単結晶ＳＭを育成したときの着液時のヒータ２３のパワーに基づいて、ヒータ２３のパワーを設定する（ステップＳ１２：着液時パワーに基づく固化パワー、投下パワー、融解パワー設定工程）。
この固化パワー、投下パワー、融解パワー設定工程では、制御部４は、調整用パラメータαを１とした下式（１）に基づいて、設定後のヒータ２３のパワーＡ（ｋＷ）を算出する。
Ａ＝Ｂ－α×（Ｃ－Ｄ）
＝Ｂ－１×（Ｃ－Ｄ） … （１）
Ｂ：固化、投下、融解工程基準値（ｋＷ）
Ｃ：着液工程基準値（ｋＷ）
Ｄ：着液パワー調整工程における調整後のヒータ２３のパワー（ｋＷ）

このとき、制御部４は、以下の表１に示す固化、投入、融解工程基準値をそれぞれ式（１）のＢに代入して、固化工程、投下工程、融解工程のそれぞれのパワーＡを算出する。表１の固化工程基準値は、シリコン融液Ｍの表面を固化させるために、投下工程基準値および融解工程基準値であるパワーＰ（ｋＷ）よりも小さい値（例えば、投下回数が１回目のときの固化工程基準値Ｂは、パワーＰの０．５倍）に設定されている。また、固化工程基準値Ｂは、固化工程から融解工程に至る工程の繰り返し回数が増えるほど、小さくなるように設定されている。また、パワーＰは、単結晶引き上げ装置１の保温性により異なるため、前記固化速度目標値である１４ｍｍ／ｍｉｎ以上２０ｍｍ／ｍｉｎ以下の値になるよう調整を行う。例えばある構造の単結晶引き上げ装置１に対して調整後のパワーＰが１００ｋＷだった場合、投下回数１回目の固化工程基準値Ｂは５０ｋＷ、投下、融解工程基準値Ｂは１００ｋＷとなる。
式（１）に基づき得られるパワーＡは、単結晶引き上げ装置１の保温性が低く、着液パワー調整工程における調整後のヒータ２３のパワーＤが着液工程基準値Ｃよりも大きい場合、固化、投下、融解工程基準値Ｂよりも大きくなり、単結晶引き上げ装置１の保温性が高い場合、固化、投下、融解工程基準値Ｂよりも小さくなる。

この後、制御部４は、ヒータ２３のパワーを固化工程基準値に基づきステップＳ１２で設定されたパワーＡに調整し、シリコン融液Ｍの表面を固化させる（ステップＳ４：固化工程）ことによって、図３（Ａ）に示すように、シリコン融液Ｍに固化部分Ｍ１を形成する。
このとき、単結晶引き上げ装置１の保温性が低く、固化速度が速くなりやすい条件の場合でも、固化工程基準値Ｂよりも大きいパワーＡで固化工程を行うため、固化速度が速くなりすぎることを抑制できる。したがって、図３（Ａ）に二点鎖線で示すように、固化部分Ｍ１が厚くなりすぎる前に、後述する投入工程に容易に移行することができる。その結果、厚くなった固化部分Ｍ１が固形原料Ｓの投下によって沈んでしまい、石英坩堝２２１を破損したり傷つけたりすることを抑制できる。
一方、単結晶引き上げ装置１の保温性が高く、固化速度が遅くなりやすい条件の場合でも、固化工程基準値Ｂよりも小さいパワーＡで固化工程を行うため、固化速度が遅くなりすぎることを抑制できる。したがって、固化工程の時間が長くなりすぎることを抑制できる。

その後、制御部４は、適切な直径および厚さの固化部分Ｍ１が形成されると、ヒータ２３のパワーを投下工程基準値に基づきステップＳ１２で設定されたパワーＡに調整し、固化部分Ｍ１上に固形原料Ｓを投下する（ステップＳ５：投下工程）。
このとき、単結晶引き上げ装置１の保温性が低く、固形原料を投下したときの固化部分の温度が低下しやすい条件の場合でも、投下工程基準値Ｂよりも大きいパワーＡで投下工程を行うため、固化部分Ｍ１が大きくなったり厚くなったりしてしまい、石英坩堝２２１を破損したり傷つけたりすることを抑制できる。
一方、単結晶引き上げ装置１の保温性が高く、固化部分Ｍ１が融解しやすい条件の場合でも、投下工程基準値Ｂよりも小さいパワーＡで投下工程を行うため、固化部分Ｍ１の融解に伴い固形原料Ｓが直接シリコン融液Ｍに投下されることを抑制でき、シリコン融液Ｍが飛散することを抑制できる。
なお、固化工程から投下工程への移行は、作業者による目視確認結果や撮影手段の撮影結果に基づいて行ってもよいが、式（１）に基づくパワーＡの設定によって、単結晶引き上げ装置１の保温性に関係なく、固化工程におけるシリコン融液Ｍの温度のばらつきが小さくなり、固化部分Ｍ１が所望の厚さになるまでの時間のばらつきも小さくなるため、固化工程開始から予め設定された時間の経過後に行ってもよい。

この後、固形原料Ｓの投下が終了すると、ヒータ２３のパワーを融解工程基準値に基づきステップＳ１２で設定されたパワーＡに調整し、すなわち、ヒータ２３のパワーを維持したまま、固形原料Ｓを融解する工程（ステップＳ６：融解工程）に移行する。
このとき、単結晶引き上げ装置１の保温性が低く、固化部分Ｍ１が融解しにくい条件の場合でも、融解工程基準値Ｂよりも大きいパワーＡで融解工程を行うため、融解工程の時間が長くなるという不具合を抑制できる。さらに、融解工程完了時の融液温度を高温化することができ、次の原料を投入する際の固化速度を目標値（例えば１４ｍｍ／ｍｉｎ以上）に調整することができる。
一方、単結晶引き上げ装置１の保温性が高く、固化部分Ｍ１が融解しやすい条件の場合でも、融解工程基準値Ｂよりも小さいパワーＡで融解工程を行うため、融解工程完了時の融液温度を低温化することができ、次の原料を投入する際の固化速度を目標値（例えば２０ｍｍ／ｍｉｎ以下）に調整することができる。

次に、制御部４は、固形原料Ｓの融解が終了すると、リチャージを終了するか否かを判断し（ステップＳ７）、事前に設定された回数、本実施形態では４回の投下工程が実施され、リチャージを終了すると判断した場合、ステップＳ１に戻り、次のシリコン単結晶ＳＭの製造を開始する。
一方、ステップＳ７において、リチャージを継続すると判断した場合、ステップＳ１２に戻り、固化工程、投下工程、融解工程のヒータ２３のパワーＡを設定する。２回目以降のステップＳ１２の処理において、制御部４は、表１の設定に基づいて、固化工程から融解工程に至る工程の繰り返し回数に応じた固化、投下、融解工程基準値Ｂを式（１）に代入し、パワーＡを設定する。

ここで、固化工程基準値は、表１に示すように、固化工程から融解工程に至る工程の繰り返し回数が増えるほど小さくなることが好ましい。当該繰り返し回数に関係なく固化工程基準値を同じ値にすると、繰り返し回数が増えるほど、シリコン融液Ｍが増えて坩堝２２の保温性が高くなり。その結果、式（１）に基づき得られるパワーが適切なパワーよりも大きくなり、固化速度が遅すぎることによる不具合が発生するおそれがある。本実施形態のように、繰り返し回数が増えるほど固化工程基準値を小さくすることで、式（１）に基づき得られたパワーを適切なパワーとほぼ同じにすることができ、固化速度が遅すぎることによる不具合を抑制できる。

なお、２回目以降のステップＳ１２の処理において、式（１）に代入するヒータ２３のパワーＤとして、常に１本目のシリコン単結晶ＳＭ製造時における着液パワー調整工程で得られた値を用いてもよいし、直前や２本前あるいは３本前のシリコン単結晶ＳＭ製造時（例えば、５本目のシリコン単結晶ＳＭ製造においては４本目または３本目あるいは２本目のシリコン単結晶ＳＭ製造時）における着液パワー調整工程で得られた値を用いてもよい。石英坩堝２２１を交換しなければ、シリコン単結晶ＳＭの連続生産中、単結晶引き上げ装置１の保温性はほとんど変化しないため、常に１本目のシリコン単結晶ＳＭ製造時の値を用いれば、容易にステップＳ１２の処理を行うことができる。

［第１実施形態の作用効果］
上記第１実施形態によれば、同じ石英坩堝２２１を用いてシリコン単結晶ＳＭを育成したときの着液時のヒータ２３のパワー調整値によって、単結晶引き上げ装置１の保温性を推定でき、この推定結果に基づいて、固化工程時のヒータ２３のパワーを調整することで、シリコン融液Ｍ表面の固化を適切に行うことができ、石英坩堝２２１を破損してしまうという不具合や、固化工程の時間が長くなるという不具合を抑制できる。
また、式（１）に各値を代入するだけの簡単な方法で、固化時のパワーを設定することができる。

［第２実施形態］
次に、本発明の第２実施形態に係るシングル引上げ法によるシリコン単結晶ＳＭの製造方法について説明する。シングル引き上げ法とは、１個の石英坩堝２２１を用いて１本のシリコン単結晶ＳＭを製造する方法のことである。
なお、第２実施形態では、図５に示す第１実施形態の製造方法と異なる工程を詳細に説明し、同じ工程については同じ符号を付し、説明を簡略にする。また、以下の工程のうち、ステップＳ２２，Ｓ４，Ｓ５，Ｓ６，Ｓ２３が本発明の原料供給方法を用いた追加チャージ工程に該当する。

まず、図６に示すように、固形原料Ｓが収容された坩堝２２を加熱して、シリコン融液Ｍを生成する（ステップＳ２１：初期融液生成工程）。
この後、制御部４は、他の石英坩堝２２１を用いて直前にシリコン単結晶ＳＭを育成したときの着液時のヒータ２３のパワーに基づいて、ヒータ２３のパワーを設定する（ステップＳ２２：着液時パワーに基づく固化パワー、投下パワー、融解パワー設定工程）。
この固化パワー、投下パワー、融解パワー設定工程では、制御部４は、上述の式（１）に基づいて、設定後のヒータ２３のパワーＡ（ｋＷ）を算出する。

このとき、制御部４は、上述の表１に示す固化、投下、融解工程基準値を式（１）のＢにそれぞれ代入して、固化工程、投下工程、融解工程のそれぞれのパワーＡを算出する。制御部４は、式（１）に代入するヒータ２３のパワーＤとして、他の石英坩堝２２１を用いた直前のシリコン単結晶ＳＭ育成時における、後述する着液パワー調整工程で得られた値を用いる。
なお、表１における投下回数や、固化、投下、融解工程基準値は、第１実施形態と全て同じであってもよいし、少なくとも１つが異なっていてもよい。しかし、固化工程基準値は、固化工程から融解工程に至る工程の繰り返し回数が増えるほど、小さくなるように設定されていることが好ましい。このような固化工程基準値の設定によって、式（１）に基づき得られたパワーを適切なパワーとほぼ同じにすることができ、固化速度が遅すぎることによる不具合を抑制できる。

この後、制御部４は、ヒータ２３のパワーをステップＳ２２で設定されたパワーＡに調整し、シリコン融液Ｍの表面を固化させる（ステップＳ４：固化工程）。このようなヒータ２３のパワー設定によって、単結晶引き上げ装置１の保温性に関係なく、石英坩堝２２１を破損したり傷つけたり、固化工程の時間が長くなりすぎることを抑制できる。
その後、制御部４は、固化部分Ｍ１上に固形原料Ｓを投下し（ステップＳ５：投下工程）、固形原料Ｓを融解する（ステップＳ６：融解工程）。この投下工程および融解工程では、制御部４は、ヒータ２３のパワーをステップＳ２２で設定されたパワーＡに設定する。

次に、制御部４は、固形原料Ｓの融解が終了すると、追加チャージを終了するか否かを判断し（ステップＳ２３）、事前に設定された回数の投下工程が実施されておらず、追加チャージを継続すると判断した場合、ステップＳ２２に戻り、固化工程のヒータ２３のパワーＡを設定する。２回目以降のステップＳ２２の処理において、制御部４は、表１の設定に基づいて、固化工程から融解工程に至る工程の繰り返し回数に応じた固化、投下、融解工程基準値Ｂを式（１）に代入し、パワーＡを設定する。
一方、ステップＳ２３において、追加チャージを終了すると判断した場合、シリコン単結晶ＳＭの製造を開始する。

制御部４は、ヒータ２３のパワーを着液工程基準値に設定してから、シリコン融液Ｍに種結晶ＳＣを着液し（ステップＳ１：着液工程）、育成工程を適切に行うために、種結晶ＳＣ着液後の状態に基づいて、ヒータ２３のパワーを調整する（ステップＳ１１：着液パワー調整工程）。その後、制御部４は、種結晶ＳＣを引き上げてシリコン単結晶ＳＭを育成して（ステップＳ２：育成工程）、処理を終了する。

［第２実施形態の作用効果］
上記第２実施形態によれば、石英坩堝２２１の交換前後における単結晶引き上げ装置１の保温性はほとんど変化しないため、異なる石英坩堝２２１を用いて直前にシリコン単結晶ＳＭを育成したときの着液時のヒータ２３のパワー調整値によって、単結晶引き上げ装置１の保温性を推定でき、この推定結果に基づいて、固化工程時のヒータ２３のパワーを調整することで、シリコン融液Ｍ表面の固化を適切に行うことができ、石英坩堝２２１を破損してしまうという不具合や、固化工程の時間が長くなるという不具合を抑制できる。

［変形例］
なお、本発明は上記実施形態にのみ限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲内において種々の改良ならびに設計の変更などが可能である。

例えば、図１に二点鎖線で示すように、ヒータ２３に代えて、上下に並ぶ複数の分割ヒータ２３２を用いてもよい。２つの分割ヒータ２３２を用いる場合、制御部４は、固化パワー、投下パワー、融解パワー設定工程において、調整用パラメータαを０．５とした下式（２）に基づいて、各分割ヒータ２３２のパワーＡ１（ｋＷ）を算出することが好ましく、上記実施形態と同様に、固化工程基準値Ｂ１を固化工程から融解工程に至る工程の繰り返し回数が増えるほど小さくしてもよい。
Ａ１＝Ｂ１－α×（Ｃ１－Ｄ１）
＝Ｂ１－０．５×（Ｃ１－Ｄ１） … （２）
Ｂ１：固化、投下、融解工程基準値（ｋＷ）
Ｃ１：着液工程基準値（ｋＷ）
Ｄ１：着液パワー調整工程における調整後の分割ヒータ２３２のパワー（ｋＷ）

引き上げ工程直前のシリコン融液Ｍの温度を所定温度にするためのヒータ２３のパワーを、例えば従前の製造条件に基づき予め推定できる場合には、ステップＳ１１の処理を行わなくてもよい。
投下工程および融解工程のうち少なくとも一方の工程において、式（１），（２）を用いた着液時パワーに基づくパワー設定工程を行わずに、投下、融解工程基準値にパワーを設定してもよい。
ＭＣＺ法の単結晶引き上げ装置１を用いる場合には、着液工程、引き上げ工程、融解工程においてシリコン融液Ｍに磁場を印加して、固化工程、投下工程において磁場を印加しないようにすればよい。
第１実施形態の１本目のシリコン単結晶ＳＭの製造時に、第２実施形態の追加チャージを行ってもよい。

次に、本発明を実施例および比較例により更に詳細に説明するが、本発明はこれらの例によってなんら限定されるものではない。

＜比較例１＞
図１に実線で示すヒータ２３を有し、円筒研削後の直胴部の直径が３００ｍｍのシリコン単結晶ＳＭを製造するための単結晶引き上げ装置１を準備した。
この単結晶引き上げ装置１を用いて、図５に示す上記実施形態のマルチ引き上げ法のうち、ステップＳ１，Ｓ１１，Ｓ２，Ｓ３の処理を行った後、着液時パワーに基づく固化パワー、投下パワー、融解パワー設定工程（ステップＳ１２）を行うことなく、固化工程（ステップＳ４）以降の処理を行い、複数のシリコン単結晶ＳＭを製造し、１回目の固化工程におけるシリコン融液Ｍの固化速度を確認した。この比較例１では、固化、投下、融解工程時のヒータ２３のパワーとして、表１に示す固化、投下、融解工程基準値を用いた。
その後、同じ単結晶引き上げ装置１の石英坩堝２２１を交換して同様の実験を行い、合計５０回の実験を行った。

＜実施例１＞
比較例１と同じ単結晶引き上げ装置１を用い、上記実施形態のマルチ引き上げ法のうち、ステップＳ１，Ｓ１１，Ｓ２，Ｓ３の処理を行った後、さらに、着液時パワーに基づく固化パワー、投下パワー、融解パワー設定工程（ステップＳ１２）を行い、式（１）に基づきヒータ２３のパワーを算出した。そして、この算出したパワーで固化工程（ステップＳ４）、投下工程（ステップＳ５）、融解工程（ステップＳ６）を行い、さらにステップＳ７以降の処理を行うことで複数のシリコン単結晶ＳＭを製造し、１回目の固化工程におけるシリコン融液Ｍの固化速度を確認した。この実施例１では、式（１）に代入する固化、投下、融解工程基準値として、表１に示す値を用いた。
その後、同じ単結晶引き上げ装置１の石英坩堝２２１を交換して同様の実験を行い、合計３４回の実験結果を得た。

＜比較例２＞
図１に二点鎖線で示す分割ヒータ２３２を有し、円筒研削後の直胴部の直径が３００ｍｍのシリコン単結晶ＳＭを製造するための単結晶引き上げ装置１を準備した。
この単結晶引き上げ装置１を用いて、比較例１と同様の処理を実施し、１回目の固化工程におけるシリコン融液Ｍの固化速度を確認した。この比較例２では、固化工程時の分割ヒータ２３２のパワーとして、表１に示す固化工程基準値と同様に、固化工程から融解工程に至る工程の繰り返し回数が増えるほど、小さくなるように設定された値を用いた。また、投下工程および融解工程時の分割ヒータ２３２のパワーとして、表１に示す投下、融解工程基準値と同様に、固化工程から融解工程に至る工程の繰り返し回数に関係なく同じ値であり、かつ、固化工程基準値よりも大きい値を用いた。
その後、同じ単結晶引き上げ装置１の石英坩堝２２１を交換して同様の実験を行い、合計１６回の実験を行った。

＜実施例２＞
比較例２と同じ単結晶引き上げ装置１を用い、実施例１と同様の処理を実施し、１回目の固化工程におけるシリコン融液Ｍの固化速度を確認した。なお、実施例２では、着液時パワーに基づく固化パワー、投下パワー、融解パワー設定工程において、式（２）に基づき分割ヒータ２３２のパワーを算出した。この実施例２では、式（２）に代入する固化、投下、融解工程基準値として、比較例２の各基準値と同じ値を用いた。
その後、同じ単結晶引き上げ装置１の石英坩堝２２１を交換して同様の実験を行い、合計１２回の実験結果を得た。

＜評価＞
比較例１および実施例１の固化速度を図７に示し、比較例２および実施例２の固化速度を図８に示す。
図７および図８に示すように、実施例１，２の固化速度のばらつきは、比較例１，２のそれよりも小さくなることが確認できた。このことから、着液時パワーに基づく固化パワー設定工程を行うことで、シリコン融液Ｍ表面の固化速度のばらつきを抑制できることが確認できた。
特に、固化速度が速くなる方へのばらつきが抑制されており、固化が想定以上に進んでしまい、石英坩堝２２１を破損してしまうという不具合を抑制できることが確認できた。

２３…ヒータ、２２１…石英坩堝、２３２…分割ヒータ（ヒータ）、Ｍ…シリコン融液、Ｓ…固形原料、ＳＣ…種結晶、ＳＭ…シリコン単結晶。

Claims (11)

1. チョクラルスキー法により１個の石英坩堝を用いてシリコン単結晶を製造するに際し、固形原料を前記石英坩堝内のシリコン融液にチャージする原料供給方法であって、
   前記石英坩堝を加熱するヒータのパワーを調整して、前記シリコン融液の表面を固化する固化工程と、
   前記表面の固化部分に前記固形原料を投下する投下工程と、
   前記固化部分および前記固形原料を融解する融解工程とを備え、
   前記固化工程は、予め求めた、種結晶を前記シリコン融液に着液させる着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーの調整値と前記シリコン融液の固化速度との関係から得られる前記固化速度が目標値となる場合の前記着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーである着液工程基準値に基づいて、当該固化工程のヒータのパワーを調整することを特徴とする原料供給方法。
2. 請求項１に記載の原料供給方法において、
   前記投下工程は、前記着液工程基準値に基づいて、当該投下工程のヒータのパワーを調整することを特徴とする原料供給方法。
3. 請求項１または請求項２に記載の原料供給方法において、
   前記融解工程は、前記着液工程基準値に基づいて、当該融解工程のヒータのパワーを調整することを特徴とする原料供給方法。
4. 請求項１に記載の原料供給方法において、
   前記固化工程は、前記着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーが前記着液工程基準値よりも大きい場合、前記固化工程のヒータのパワーを固化工程基準値よりも大きくすることを特徴とする原料供給方法。
5. 請求項１または請求項４に記載の原料供給方法において、
   前記固化工程は、前記着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーが前記着液工程基準値よりも小さい場合、前記固化工程のヒータのパワーを固化工程基準値よりも小さくすることを特徴とする原料供給方法。
6. 請求項１に記載の原料供給方法において、
   前記固化工程は、以下の式（１）に基づいて、前記ヒータのパワーを調整することを特徴とする原料供給方法。
   Ａ＝Ｂ－α×（Ｃ－Ｄ） … （１）
   Ａ：調整後のヒータのパワー
   Ｂ：固化工程基準値
   Ｃ：前記着液工程基準値
   Ｄ：前記着液工程を実施したときのヒータのパワー
   α：調整用パラメータ
7. 請求項６に記載の原料供給方法において、
   前記固化工程、前記投下工程、および、前記融解工程は、それぞれ２回以上の同じ回数だけ繰り返して実施され、
   前記固化工程基準値は、当該繰り返しの回数が増えるほど小さい値に設定されていることを特徴とする原料供給方法。
8. チョクラルスキー法により１個の石英坩堝を用いて複数のシリコン単結晶を連続して製造するシリコン単結晶の製造方法であって、
   種結晶をシリコン融液に着液させる着液工程と、
   前記種結晶を引き上げてシリコン単結晶を育成する育成工程と、
   ２本目以降のシリコン単結晶を製造するための固形原料を石英坩堝内のシリコン融液にリチャージするに際し、請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の原料供給方法を行うリチャージ工程とを備え、
   前記リチャージ工程における前記固化工程は、同じ石英坩堝を用いたいずれかのシリコン単結晶の製造時において前記着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーの値に基づいて、当該固化工程のヒータのパワーを調整することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
9. 請求項８に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
   固形原料が収容された石英坩堝を加熱して、シリコン融液を生成する初期融液生成工程と、
   請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の原料供給方法を用いて、固形原料を前記石英坩堝内のシリコン融液に追加チャージする追加チャージ工程とを備え、
   前記追加チャージ工程における前記固化工程は、他の石英坩堝を用いた直前のシリコン単結晶の製造時において前記着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーの値に基づいて、当該固化工程のヒータのパワーを調整することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
10. チョクラルスキー法により１個の石英坩堝を用いて１本のシリコン単結晶を製造するシリコン単結晶の製造方法であって、
    固形原料が収容された石英坩堝を加熱して、シリコン融液を生成する初期融液生成工程と、
    請求項１から請求項７のいずれか一項に記載の原料供給方法を用いて、固形原料を前記石英坩堝内のシリコン融液に追加チャージする追加チャージ工程と、
    種結晶をシリコン融液に着液させる着液工程と、
    前記種結晶を引き上げてシリコン単結晶を育成する育成工程とを備え、
    前記追加チャージ工程における前記固化工程は、他の石英坩堝を用いた直前のシリコン単結晶の製造時において前記着液工程を実施したときの前記ヒータのパワーの値に基づいて、当該固化工程のヒータのパワーを調整することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
11. 請求項８から請求項１０のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法において、
    前記着液工程と前記育成工程との間に、前記シリコン融液の温度が所定温度となるように前記ヒータのパワーを調整する着液パワー調整工程を備えていることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

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