JP7184029B2 - 単結晶シリコンインゴットの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ，ＣＺ）法による単結晶シリコンインゴットの製造方法に関し、特に、同一の石英ルツボを用いて複数本の単結晶シリコンインゴットを連続的に製造する、いわゆるマルチプリング法に関するものである。

単結晶シリコンインゴットの代表的な製造方法として、チョクラルスキー法（ＣＺ法）を挙げることができる。ＣＺ法による単結晶シリコンインゴットの製造では、石英ルツボ内に多結晶シリコンなどのシリコン原料を充填し、チャンバ内でシリコン原料を加熱し溶融させてシリコン融液とする。次に、種結晶を石英ルツボ内のシリコン融液に接触させて、種結晶及び石英ルツボを所定の方向に回転させながら種結晶を徐々に上昇させることにより、種結晶の下方に単結晶シリコンインゴットを育成する。

このＣＺ法の応用として、マルチプリング法が知られている。マルチプリング法では、１本目の単結晶シリコンインゴットを引き上げた後、同一の石英ルツボ内にシリコン原料を追加供給して溶融させ、得られたシリコン融液から２本目の単結晶シリコンインゴットの引き上げを行う。このような原料供給工程と引上げ工程とを繰り返すことにより、一つの石英ルツボから複数本の単結晶シリコンインゴットを製造する。マルチプリング法によれば、インゴット１本当たりの石英ルツボの原価コストを低減することができる。また、チャンバを解体して石英ルツボを交換する頻度を低減できるため、操業効率を向上させることができる。

特許文献１には、マルチプリング法によって２本以上の単結晶シリコンインゴットを引き上げる際に、固液界面における温度勾配Ｇに対する引上げ速度Ｖの比Ｖ／Ｇを適正に制御することによって、２本以上の単結晶シリコンインゴットが各々所望の結晶品質を有するようにすることが記載されている。また、特許文献１には、各回の引上げを、磁場を印加しながら行うことによって、ルツボ内のシリコン融液の対流を制御し、シリコン融液の対流が安定していて結晶成長界面形状が良好な状態で単結晶を育成することができることが記載されている。

特開２００５－１８７２４４号公報

しかしながら、マルチプリング法を用いたＣＺ法においては、同一の石英ルツボを使い続けるため、石英ルツボの内表面の荒れに起因する単結晶の有転位化の問題がある。すなわち、使用前の石英ルツボは、全体的に二酸化ケイ素（ＳｉＯ₂）のアモルファス構造を有するものの、単結晶の育成の過程で、石英ルツボの内表面には、高温のシリコン融液に晒されることによってクリストバライトと呼ばれる結晶化層が局所的に生成する。クリストバライトは石英ルツボの内表面から剥がれ易く、シリコン融液に対して難溶性である。そのため、単結晶の育成中に、石英ルツボ内表面に生成したクリストバライトが一部剥離してシリコン融液へ導入されると、育成中の単結晶シリコンインゴットの固液界面に到達し、単結晶の有転位化を引き起こす。単結晶シリコンインゴットの転位が発生した部分は製品にできないため、歩留まりが低下する。

特許文献１では、マルチプリング法を用いたＣＺ法において、空孔（Ｖａｃａｎｃｙ）が優勢なＶ領域、格子間シリコン（Ｉｎｔｅｒｓｔｉｔｉａｌ Ｓｉｌｉｃｏｎ）が優勢なＩ領域、及びその中間に位置する無欠陥領域Ｎ（Ｎｅｕｔｒａｌ）領域といった結晶品質を制御することに着目している。しかしながら、石英ルツボの内表面の荒れに起因する単結晶の有転位化の問題には全く着目しておらず、この問題は解消されていなかった。

上記課題に鑑み、本発明は、マルチプリング法を用いたＣＺ法において、石英ルツボの内表面の荒れを抑制することで、単結晶シリコンインゴットの有転位化を抑制し、以って歩留まりを向上することが可能な、単結晶シリコンインゴットの製造方法を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく、本発明者は鋭意研究を進め、以下の知見を得た。すなわち、マルチプリング法で複数回の引上げを行った後の石英ルツボの内表面を評価したところ、内表面の荒れた領域（クリストバライト化した領域及びクリストバライトが剥離して凹んだ領域）の割合は、石英ルツボの上端面から離れるほど大きくなっていた。つまり、石英ルツボの内表面のうち、上端近傍の領域よりもルツボ底部に近い領域ほど荒れた領域の割合が大きいことが判明した。これは、石英ルツボの底部付近の内表面は、毎回の引上げ後に残留したシリコン融液に常に晒されているためであると思われる。

そこで本発明者は、単結晶の育成（毎回の引上げ）中ではなく、毎回の引上げ後に残留したシリコン融液の状態を制御することによって、石英ルツボの底部付近の内表面における荒れを抑制したいとの着想を得た。具体的には、本発明者は、引き上げた単結晶シリコンインゴットをシリコン融液から切り離した後、石英ルツボ内に残留した前記シリコン融液に磁場を印加して残留したシリコン融液の対流を抑制することによって、石英ルツボの内表面とシリコン融液との反応を抑制することができることを見出した。さらに好ましくは、単結晶シリコンインゴットをシリコン融液から切り離した後、石英ルツボの回転速度を低めに設定してシリコン融液の対流を抑制することによって、石英ルツボの内表面とシリコン融液との反応をさらに抑制することができることを見出した。

上記知見に基づき完成した本発明の要旨構成は以下のとおりである。
（１）メインチャンバ内に位置する石英ルツボ内にシリコン原料を充填する工程と、前記シリコン原料を加熱し溶融させて、前記石英ルツボ内にシリコン融液を形成する工程と、前記シリコン融液から単結晶シリコンインゴットを引き上げる工程と、前記単結晶シリコンインゴットを前記シリコン融液から切り離して、前記メインチャンバ内を上昇させて、前記メインチャンバの上方のプルチャンバに収容する工程と、前記プルチャンバから前記単結晶シリコンインゴットを取り出す工程と、をくり返し行うことにより、同一の石英ルツボを用いて複数本の単結晶シリコンインゴットを引き上げるＣＺ法による単結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
前記単結晶シリコンインゴットを前記シリコン融液から切り離した後、前記石英ルツボ内に残留する前記シリコン融液に磁場を印加する磁場印加工程を備えることを特徴とする単結晶シリコンインゴットの製造方法。

（２）前記単結晶シリコンインゴットを前記シリコン融液から切り離した後、前記プルチャンバに収容するまでの期間では、少なくとも前記磁場印加工程を実施する、上記（１）に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。

（３）前記磁場は、前記シリコン融液に対して水平の磁場分布を形成する水平磁場、又は、前記シリコン融液に対してカスプ型の磁場分布を形成するカスプ磁場のいずれかである、上記（１）又は（２）に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。

（４）前記磁場は、前記シリコン融液に対して水平の磁場分布を形成する水平磁場であり、その磁場強度が１０００Ｇ以上５０００Ｇ以下である、上記（３）に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。

（５）前記磁場は、前記シリコン融液に対してカスプ型の磁場分布を形成するカスプ磁場であり、その磁場強度が３００Ｇ以上１５００Ｇ以下である、上記（３）に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。

（６）前記単結晶シリコンインゴットを前記シリコン融液から切り離した後において、前記石英ルツボの回転速度を０．５ｒｐｍ以上２．０ｒｐｍ以下とする、上記（１）～（５）のいずれか一項に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。

本発明の単結晶シリコンインゴットの製造方法によれば、マルチプリング法を用いたＣＺ法において、石英ルツボの内表面の荒れを抑制することで、単結晶シリコンインゴットの有転位化を抑制し、以って歩留まりを向上することができる。

本発明の一実施形態において用いられるシリコン単結晶引上げ装置１００の構成を模式的に示す、引上げ軸Ｘに沿った断面図である。 （Ａ）～（Ｈ）は、マルチプリング法の各工程を模式的に示す断面図である。 本発明の一実施形態における単結晶シリコンインゴットの製造方法を示すフローチャートである。 実施例における面荒れ率を示すグラフである。

（シリコン単結晶引上げ装置）
まず、図１を参照して、本発明の一実施形態において用いられるシリコン単結晶引上げ装置１００の構成について説明する。

シリコン単結晶引上げ装置１００は、メインチャンバ１０、プルチャンバ１１、ルツボ１６、シャフト１８、シャフト駆動機構２０、筒状の熱遮蔽体２２、筒状のヒータ２４、筒状の断熱体２６、シードチャック２８、引上げワイヤ３０、ワイヤ昇降機構３２、及び一対の電磁石３４を有する。

メインチャンバ１０は、内部にルツボ１６が収容される有底円筒形状のチャンバである。プルチャンバ１１は、メインチャンバ１０と同一の中心軸を有し、メインチャンバ１０の上方に設けられる、メインチャンバ１０よりも小径の円筒形状のチャンバである。メインチャンバ１０とプルチャンバ１１との間にはゲートバルブ１２が設けられ、このゲートバルブ１２の開閉により、メインチャンバ１０及びプルチャンバ１１内の空間は、互いに連通・遮断される。プルチャンバ１１の上部には、Ａｒガスなどの不活性ガスをメインチャンバ１０内に導入するガス導入口１３が設けられる。また、メインチャンバ１０の底部には、図示しない真空ポンプの駆動によりメインチャンバ１０内の気体を吸引して排出するガス排出口１４が設けられる。

ルツボ１６は、メインチャンバ１０の中心部に配置され、シリコン融液Ｍを収容する。ルツボ１６は、石英ルツボ１６Ａと黒鉛ルツボ１６Ｂの二重構造を有する。石英ルツボ１６Ａは、シリコン融液Ｍを内面で直接支持する。黒鉛ルツボ１６Ｂは、石英ルツボ１６Ａの外側で石英ルツボ１６Ａを支持する。図１に示すように、石英ルツボ１６Ａの上端は黒鉛ルツボ１６Ｂの上端よりも高くなっており、すなわち、石英ルツボ１６Ａの上端部は黒鉛ルツボ１６Ｂの上端から突出している。

シャフト１８は、メインチャンバ１０の底部を鉛直方向に貫通して、ルツボ１６を上端で支持する。そして、シャフト駆動機構２０は、シャフト１８を介してルツボ１６を回転させつつ昇降させる。

熱遮蔽体２２は、ルツボ１６の上方に、シリコン融液Ｍから引き上げられる単結晶シリコンインゴットＩを囲むように設けられる。具体的には、熱遮蔽体２２は、逆円錐台形状のシールド本体２２Ａと、このシールド本体２２Ａの下端部から引上げ軸Ｘ側（内側）に向かって水平方向に延設された内側フランジ部２２Ｂと、シールド本体２２Ａの上端部からチャンバ側（外側）に向かって水平方向に延設された外側フランジ部２２Ｃとを有し、外側フランジ部２２Ｃは断熱体２６に固定されている。この熱遮蔽体２２は、育成中のインゴットＩに対する、シリコン融液Ｍ、ヒータ２４、及びルツボ１６の側壁からの高温の輻射熱の入射量を調整したり、結晶成長界面近傍の熱の拡散量を調整するものであり、単結晶シリコンインゴットＩの中心部および外周部における引上げ軸Ｘ方向の温度勾配を制御する役割を担っている。

筒状のヒータ２４は、メインチャンバ１０内でルツボ１６を囲うように位置する。ヒータ２４は、カーボンを素材とする抵抗加熱式ヒータであり、ルツボ１６内に投入されるシリコン原料を溶融してシリコン融液Ｍを形成し、さらに、形成したシリコン融液Ｍを維持するための加熱を行う。

筒状の断熱体２６は、熱遮蔽体２２の上端よりも下方で、ヒータ２４の外周面とは離間して、メインチャンバ１０の内側面に沿って設けられる。断熱体２６は、チャンバ１０内の特に熱遮蔽体２２よりも下方の領域に保熱効果を付与し、ルツボ１６内のシリコン融液Ｍを維持しやすくする機能を有する。

ルツボ１６の上方には、種結晶Ｓを保持するシードチャック２８を下端で保持する引上げワイヤ３０がシャフト１８と同軸上に配置され、ワイヤ昇降機構３２が、引上げワイヤ３０をシャフト１８と逆方向または同一方向に所定の速度で回転させつつ昇降させる。

一対の電磁石３４は、メインチャンバ１０の外側でルツボ１６を包含する高さ範囲に、引上げ軸Ｘに対して左右対称に位置する。この一対の電磁石３４のコイルに電流を流すことによって、シリコン融液Ｍに対して水平の磁場分布を形成する水平磁場を発生させることができる。なお、磁場強度はコイルに流す電流の大きさによって制御できる。

図１では、水平磁場を発生させる一対の電磁石３４を示したが、これに代えて、シリコン融液Ｍに対してカスプ型の磁場分布を形成するカスプ磁場を発生させる電磁石を配置してもよい。カスプ磁場を発生させる電磁石の配置は、定法による。

（マルチプリング法による単結晶シリコンインゴットの製造方法）
本発明の一実施形態による単結晶シリコンインゴットの製造方法は、上記で説明したシリコン単結晶引上げ装置１００を用いて好適に実施することができる。ここで、図２及び図３を参照しつつ、本発明の一実施形態による単結晶シリコンインゴットの製造方法を説明する。

［ステップＳ１：原料充填工程］
まず、図２（Ａ）に示すように、メインチャンバ１０内に位置する石英ルツボ１６Ａ内に多結晶シリコンナゲットなどのシリコン原料Ｎを充填する。この時、ゲートバルブ１２は開となり、メインチャンバ１０及びプルチャンバ１１内は減圧下でＡｒガス等の不活性ガス雰囲気に維持される。また、ルツボ１６は、シリコン原料が熱遮蔽体２２に接触しないようにメインチャンバ１０内の下方に位置する。

［ステップＳ２：原料溶融工程］
次に、図２（Ｂ）に示すように、ルツボ１６内のシリコン原料をヒータ２４で加熱し溶融させて、石英ルツボ１６Ａ内にシリコン融液Ｍを形成する。その後、ルツボ１６を引き上げ開始位置まで上昇させる。この「原料溶融工程」は、ヒータ２４による加熱を開始した時点から、ルツボの上昇が完了した時点までの期間と定義する。

［ステップＳ３：着液工程］
次いで、ワイヤ昇降機構３２によって引上げワイヤ３０を下降させて、種結晶Ｓをシリコン融液Ｍに着液する。

［ステップＳ４～Ｓ７：結晶育成工程］
次に、図２（Ｃ）に示すように、シリコン融液Ｍから単結晶シリコンインゴットＩを引き上げる。具体的には、ルツボ１６および引上げワイヤ３０を所定の方向に回転させながら、引上げワイヤ３０を上方に引き上げ、種結晶Ｓの下方に単結晶シリコンインゴットＩを育成する。なお、インゴットＩの育成が進行するにつれて、シリコン融液Ｍの量は減少するが、ルツボ１６を上昇させて、融液面のレベルを維持する。本明細書において「結晶育成工程」は、引上げワイヤ３０の上昇を開始した時点から、インゴットＩの育成が完了した時点（インゴットＩをシリコン融液Ｍから切り離す時点）までの期間と定義する。

結晶育成工程では、まず単結晶を無転位化するためダッシュ法によるシード絞り（ネッキング）を行い、ネック部Ｉ_nを形成する（ステップＳ４）。次に、必要な直径のインゴットを得るためにショルダー部Ｉ_sを育成し（ステップＳ５）、シリコン単結晶が所望の直径になったところで直径を一定にしてボディ部Ｉ_bを育成する（ステップＳ６）。直胴部Ｉ_bを所定の長さまで育成した後、無転位の状態で単結晶をシリコン融液Ｍから切り離すためにテール絞りを行い、テール部Ｉ_tを形成する（ステップＳ７）。

［ステップＳ８：メインチャンバ内でのインゴット上昇工程］
次に、図２（Ｄ）に示すように、引き上げた単結晶シリコンインゴットＩをシリコン融液Ｍから切り離して、メインチャンバ１０内を上昇させて、メインチャンバ１０の上方のプルチャンバ１１に収容する。本明細書において、「メインチャンバ内でのインゴット上昇工程」は、単結晶シリコンインゴットＩをシリコン融液Ｍから切り離した時点から、単結晶シリコンインゴットＩの全体がプルチャンバ１１内に移動し、ゲートバルブ１２が閉になった時点までの期間と定義する。当該工程での引上げ速度は、求められる結晶の品質特性に応じて適宜決定される。

［ステップＳ９：プルチャンバ内での冷却工程］
次に、単結晶シリコンインゴットＩは、ゲートバルブ１２が閉となったプルチャンバ１１内で、好ましくは５００℃以下の取出し温度になるまで放置され、冷却される。

［ステップＳ１０：インゴット取出し工程］
次に、冷却した単結晶シリコンインゴットＩをプルチャンバ１１内から取り出す。具体的には、ゲートバルブ１２は閉としたまま、プルチャンバ１１が昇降旋回して、インゴットＩがプルチャンバ１１内を加工し、搬送台車に積載される。以上の工程を経て、１本の単結晶シリコンインゴットＩが製造される。

［ステップＳ１１：マルチプリング法による引上げ］
本実施形態は、同一の石英ルツボ１６Ａを用いて複数本の単結晶シリコンインゴットＩを引き上げるマルチプリング法に関する。そのため、１本目の単結晶シリコンインゴットＩを取り出した後は、次の引上げを行うべく、再びステップＳ１に戻り、図２（Ｅ），（Ｆ），（Ｇ），（Ｈ）に示すように、再びステップＳ１～Ｓ１０までの工程を行い、２本目の単結晶シリコンインゴットＩを製造する。これをくり返すことによって、ｎ本の単結晶シリコンインゴットＩを製造する。ｎは特に限定されない。ステップＳ１１で次の引上げを行わない場合には、同一の石英ルツボ１６Ａによる操業を終了し、ルツボの交換を行う。

なお、本実施形態では、１回目から（ｎ－１）回目の結晶育成工程（Ｓ４～Ｓ７）が終了した後、次回の結晶育成工程を行うために必要となる新たなシリコン原料の充填工程（Ｓ１）を行うまでの間、石英ルツボ１６Ａ内のシリコン融液Ｍを維持する必要がある。よって、１回目から（ｎ－１）回目のメインチャンバ内でのインゴット上昇工程（Ｓ８）、プルチャンバ内での冷却工程（Ｓ９）、及びインゴット取出し工程（Ｓ１０）では、ヒータ２４を停止することなく、シリコン融液Ｍの加熱を継続する。さらに、２回目からｎ回目の原料充填工程（Ｓ１）でも、ヒータ２４を停止することなく、シリコン融液Ｍの加熱を継続する。

［磁場の印加］
本実施形態では、原料溶融工程Ｓ２の終了後、一対の電磁石３４のコイルに電流を流して、シリコン融液Ｍに水平磁場を印加することが好ましい。この状態で、着液工程Ｓ３から結晶育成工程Ｓ４～Ｓ７までを行うことにより、単結晶の育成中にシリコン融液Ｍの熱対流が抑制され、融液表面近傍温度（結晶成長固液界面の温度）の経時変動が低減されるので、転位や欠陥の発生が抑制された単結晶シリコンインゴットを容易に得ることができる。結晶育成工程における水平磁場の強度は、特に限定されないが、磁場中心が通るルツボ中心位置での測定値で２０００Ｇ以上５０００Ｇ以下とすることが好ましい。結晶育成工程における水平磁場の強度が２０００Ｇ未満の場合、固液界面近傍のシリコン融液Ｍの対流を制御することが困難となり、５０００Ｇ超えの磁場は磁場発生装置の制約上、発生させることが困難である。

［インゴット切り離し後の磁場印加工程］
さらに本実施形態では、単結晶シリコンインゴットＩをシリコン融液Ｍから切り離した後、石英ルツボ１６Ａ内に残留したシリコン融液Ｍに水平磁場を印加する磁場印加工程を行うことが肝要である。すなわち、メインチャンバ内でのインゴット上昇工程（Ｓ８）、プルチャンバ内での冷却工程（Ｓ９）、及びインゴット取出し工程（Ｓ１０）の間のいずれかの期間で、当該磁場印加工程を行う。具体的には、磁場中心が残留したシリコン融液Ｍにかかるように水平磁場を印加する。これにより、残留したシリコン融液Ｍの対流を抑制し、石英ルツボ１６Ａの内表面とシリコン融液Ｍとの反応を抑制することができ、石英ルツボの内表面の荒れを抑制することができる。その結果、次の結晶育成工程で製造される単結晶シリコンインゴットＩの有転位化を抑制することができ、以って歩留まりを向上することができる。

石英ルツボの内表面の荒れを抑制する効果をより十分に得る観点から、単結晶シリコンインゴットＩをシリコン融液Ｍから切り離した後、プルチャンバ１１に収容するまでの期間、すなわち、メインチャンバ内でのインゴット上昇工程（Ｓ８）では、少なくとも磁場印加工程を実施することが好ましい。この場合、結晶育成工程（Ｓ４～Ｓ７）で印加している水平磁場を切ることなく、引き続きメインチャンバ内でのインゴット上昇工程（Ｓ８）でも水平磁場を印加すればよい。

プルチャンバ内での冷却工程（Ｓ９）での水平磁場の印加有無は特に限定されないが、石英ルツボの内表面の荒れを抑制する効果をより十分に得る観点からは、当該工程でも水平磁場を印加することが好ましい。

インゴット取出し工程（Ｓ１０）での水平磁場の印加有無は特に限定されない。石英ルツボの内表面の荒れを抑制する効果をより十分に得たい場合には、当該工程でも水平磁場を印加することができる。ただし、当該工程ではメインチャンバ１０の近傍に搬送台車を位置させることから、作業の安全性を考慮して、当該工程では水平磁場の印加を行わないことが好ましい。

磁場印加工程における水平磁場の強度は、特に限定されないが、石英ルツボの内表面の荒れを抑制する効果を十分に得る観点から、磁場中心が通るルツボ中心位置での測定値で１０００Ｇ以上とすることが好ましく、２０００Ｇ以上とすることがより好ましい。また、磁場発生装置の制約上、磁場印加工程における水平磁場の強度は、磁場中心が通るルツボ中心位置での測定値で５０００Ｇ以下とすることが好ましい。

以上では、水平磁場を印加する場合について説明したが、着液工程Ｓ３から結晶育成工程Ｓ４～Ｓ７までと、メインチャンバ内でのインゴット上昇工程（Ｓ８）、プルチャンバ内での冷却工程（Ｓ９）、及びインゴット取出し工程（Ｓ１０）の間のいずれかの期間で行う磁場印加工程で印加する磁場は、水平磁場に代えて、シリコン融液Ｍに対してカスプ型の磁場分布を形成するカスプ磁場であってもよい。

すなわち、原料溶融工程Ｓ２の終了後、シリコン融液Ｍにカスプ磁場を印加してもよい。この状態で、着液工程Ｓ３から結晶育成工程Ｓ４～Ｓ７までを行うことにより、単結晶の育成中にシリコン融液Ｍの熱対流が抑制され、融液表面近傍温度（結晶成長固液界面の温度）の経時変動が低減されるので、転位や欠陥の発生が抑制された単結晶シリコンインゴットを容易に得ることができる。結晶育成工程におけるカスプ磁場の強度は、特に限定されないが、ルツボ壁を横切る位置での測定値で３００Ｇ以上１５００Ｇ以下とすることが好ましい。結晶育成工程におけるカスプ磁場の強度が３００Ｇ未満の場合、固液界面近傍のシリコン融液Ｍの対流を制御することが困難となり、１５００Ｇ超えの磁場は磁場発生装置の制約上、発生させることが困難である。

さらに、単結晶シリコンインゴットＩをシリコン融液Ｍから切り離した後、石英ルツボ１６Ａ内に残留したシリコン融液Ｍにカスプ磁場を印加する磁場印加工程を行うことが肝要である。すなわち、メインチャンバ内でのインゴット上昇工程（Ｓ８）、プルチャンバ内での冷却工程（Ｓ９）、及びインゴット取出し工程（Ｓ１０）の間のいずれかの期間で、当該磁場印加工程を行う。これにより、残留したシリコン融液Ｍの対流を抑制し、石英ルツボ１６Ａの内表面とシリコン融液Ｍとの反応を抑制することができ、石英ルツボの内表面の荒れを抑制することができる。その結果、次の結晶育成工程で製造される単結晶シリコンインゴットＩの有転位化を抑制することができ、以って歩留まりを向上することができる。ステップＳ８、Ｓ９、及びＳ１０の各々における磁場印加の有無については、水平磁場の場合と同様である。

磁場印加工程におけるカスプ磁場の強度は、特に限定されないが、石英ルツボの内表面の荒れを抑制する効果を十分に得る観点から、ルツボ壁を横切る位置での測定値で３００Ｇ以上とすることが好ましい。また、磁場発生装置の制約上、冷却工程におけるカスプ磁場の強度は、ルツボ壁を横切る位置での測定値で１５００Ｇ以下とすることが好ましい。

なお、同一の石英ルツボ１６Ａを用いてｎ本の単結晶シリコンインゴットＩを製造し、その後ルツボを交換する場合には、１回目から（ｎ－１）回目のステップＳ８、Ｓ９、及びＳ１０のうちのいずれかの期間内において磁場印加工程を行えばよいく、ｎ回目のステップＳ８以降においては必ずしも磁場の印加を行う必要はない。磁場印加工程は、当該磁場印加工程の次の結晶育成工程における有転位化を抑制することが目的であり、ｎ回目のステップＳ８の次には、同一の石英ルツボによる結晶育成工程は存在しないからである。

［ルツボの回転］
単結晶シリコンインゴットＩをシリコン融液Ｍから切り離した後において、ルツボの回転速度は、結晶育成工程より低くすることが好ましく、０．５ｒｐｍ以上２．０ｒｐｍ以下にすることが好ましい。ルツボの回転速度を２．０ｒｐｍ以下とすることによって、残留したシリコン融液Ｍの対流を抑制し、石英ルツボ１６Ａの内表面とシリコン融液Ｍとの反応を抑制することができ、石英ルツボの内表面の荒れを抑制することができる。その結果、次の結晶育成工程で製造される単結晶シリコンインゴットＩの有転位化を抑制することができ、以って歩留まりを向上することができる。ルツボの回転速度が０．５ｒｐｍ未満の場合、石英ルツボ１６Ａへのヒータ２４からの熱負荷が均一になり難く、次回の引上げにおいて安定した結晶成長が困難となる。

石英ルツボの内表面の荒れを抑制する効果をより十分に得る観点から、単結晶シリコンインゴットＩをシリコン融液Ｍから切り離した後、プルチャンバ１１に収容するまでの期間、すなわち、メインチャンバ内でのインゴット上昇工程（Ｓ８）では、少なくとも上記のとおり、ルツボの回転速度を０．５ｒｐｍ以上２．０ｒｐｍ以下にすることが好ましい。

プルチャンバ内での冷却工程（Ｓ９）におけるルツボの回転速度は特に限定されないが、石英ルツボの内表面の荒れを抑制する効果をより十分に得る観点からは、当該工程でもルツボの回転速度を０．５ｒｐｍ以上２．０ｒｐｍ以下にすることが好ましい。

インゴット取出し工程（Ｓ１０）におけるルツボの回転速度は特に限定されないが、石英ルツボの内表面の荒れを抑制する効果をより十分に得る観点からは、当該工程でもルツボの回転速度を０．５ｒｐｍ以上２．０ｒｐｍ以下にすることが好ましい。

同一の石英ルツボ１６Ａを用いてｎ本の単結晶シリコンインゴットＩを製造し、その後ルツボを交換する場合には、１回目から（ｎ－１）回目のステップＳ８、Ｓ９、及びＳ１０のうちのいずれかの期間内において上記のようにルツボの回転速度を設定すればよく、ｎ回目のステップＳ８以降においては、ルツボの回転速度は特に限定されない。上記のとおりルツボの回転速度を設定するのは、次の結晶育成工程における有転位化を抑制することが目的であり、ｎ回目のステップＳ８の次には、同一の石英ルツボによる結晶育成工程は存在しないからである。

図１に示す構成のシリコン単結晶引上げ装置を用いて、図３に示す原料充填工程Ｓ１からインゴット取出し工程Ｓ１０までを２回くり返すマルチプリング法による単結晶シリコンインゴットの製造を行った。

まず、石英ルツボ内にシリコン原料（多結晶シリコン塊）を充填し、これを加熱し溶融させて所定量のシリコン融液を形成した。その後、シリコン融液に水平磁場を印加して、着液工程から結晶育成工程を行い、単結晶引き上げ率が８０％になった時点で単結晶シリコンインゴットをシリコン融液から切り離し、１本目の単結晶シリコンインゴット（直径２００ｍｍ）を製造した。その際、磁場中心が通るルツボ中心位置での水平磁場の強度は３０００Ｇとし、ルツボの回転速度は５．０ｒｐｍとした。

１本目の単結晶シリコンインゴットをシリコン融液から切り離した後、メインチャンバ内を上昇させて、プルチャンバに収容した。このインゴット上昇工程の期間中、石英ルツボ内に残留したシリコン融液に、磁場中心が通るルツボ中心位置での水平磁場強度が表１に示すとおりとなるように、水平磁場を印加した。すなわち、比較例では、単結晶シリコンインゴットをシリコン融液から切り離した時点で水平磁場の印加を停止し、発明例１～５では、結晶育成工程に引き続きインゴット上昇工程においても、残留したシリコン融液に水平磁場を印加し、メインバルブが閉となった時点で水平磁場の印加を停止した。その後、プルチャンバ内で単結晶シリコンインゴットを３５０℃以下まで冷却した後、プルチャンバ内から取り出した。また、インゴット上昇工程以降において、比較例及び発明例５においては、表１に示すように結晶育成工程におけるルツボの回転速度５．０ｒｐｍを維持してルツボの回転を継続し、発明例１～４においては、表１に示すようにルツボの回転速度を結晶育成工程のそれよりも低く設定してルツボの回転を継続した。

続いて、１本目の単結晶シリコンインゴットの育成時と同量のシリコン融液量となるように石英ルツボ内にシリコン原料を追加充填し、これを加熱し溶融させてシリコン融液を形成した。その後、ルツボの回転速度は５．０ｒｐｍに設定し、シリコン融液に水平磁場を印加して、着液工程から結晶育成工程を行い、２本目の単結晶シリコンインゴット（直径２００ｍｍ）を製造した。その際、磁場中心が通るルツボ中心位置での水平磁場の強度は３０００Ｇとした。

２本目の単結晶シリコンインゴットを切り離した後は、磁場の印加を停止して、図３のステップＳ８以降を行い、２本目の単結晶シリコンインゴットをプルチャンバ内から取り出した。

（面荒れ率の評価）
上記工程の後、チャンバ内から石英ルツボを回収し、内表面を上端面からルツボ底部に向かって縦方向に順次観察し、上端面からの距離と面荒れ率との関係を求めた。ここで、上端面からの距離が５０ｍｍの位置における「面荒れ率」は、上端面からの距離が５０ｍｍの位置を中心として、縦５０ｍｍ（上端面からの距離２５～７５ｍｍ）×横５０ｍｍの領域を観察し、当該領域の面積に対する、クリストバライト化した領域及びクリストバライトが剥離して凹んだ領域の合計の面積の比率として定義される。上端面からの距離が１００ｍｍ、１５０ｍｍ、２００ｍｍ、２５０ｍｍ、３００ｍｍの位置における面荒れ率も、これと同様に定義される。各水準における上端面からの距離と面荒れ率との関係を図４に示し、上端面から３００ｍｍでの面荒れ率は表１にも記載した。

図４及び表１に示すように、メインチャンバ内でのインゴット上昇工程で磁場を印加した発明例１～５においては、当該工程で磁場を印加しなかった比較例よりも、面荒れ率が低減していた。特に、当該工程において、水平磁場強度を２０００Ｇ以上とし、かつ、ルツボ回転速度を０．５ｒｐｍ以上２．０ｒｐｍ以下に設定した発明例２～４においては、面荒れ率を顕著に低減することができた。

本発明の単結晶シリコンインゴットの製造方法によれば、マルチプリング法を用いたＣＺ法において、石英ルツボの内表面の荒れを抑制することで、単結晶シリコンインゴットの有転位化を抑制し、以って歩留まりを向上することができる。

１００ シリコン単結晶引上げ装置
１０ メインチャンバ
１１ プルチャンバ
１２ ゲートバルブ
１３ ガス導入口
１４ ガス排出口
１６ ルツボ
１６Ａ 石英ルツボ
１６Ｂ 黒鉛ルツボ
１８ シャフト
２０ シャフト駆動機構
２２ 熱遮蔽体
２２Ａ シールド本体
２２Ｂ 内側フランジ部
２２Ｃ 外側フランジ部
２４ ヒータ
２６ 断熱体
２８ シードチャック
３０ 引上げワイヤ
３２ ワイヤ昇降機構
３４ 電磁石
Ｓ 種結晶
Ｎ シリコン原料
Ｍ シリコン融液
Ｉ 単結晶シリコンインゴット
Ｉ_n ネック部
Ｉ_s ショルダー部
Ｉ_b ボディ部
Ｉ_t テール部
Ｘ 引上げ軸

Claims (6)

1. メインチャンバ内に位置する石英ルツボ内にシリコン原料を充填する工程と、前記シリコン原料を加熱し溶融させて、前記石英ルツボ内にシリコン融液を形成する工程と、前記シリコン融液から単結晶シリコンインゴットを引き上げる工程と、前記単結晶シリコンインゴットを前記シリコン融液から切り離して、前記メインチャンバ内を上昇させて、前記メインチャンバの上方のプルチャンバに収容する工程と、前記プルチャンバから前記単結晶シリコンインゴットを取り出す工程と、をくり返し行うことにより、同一の石英ルツボを用いて複数本の単結晶シリコンインゴットを引き上げるＣＺ法による単結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
   前記単結晶シリコンインゴットを前記シリコン融液から切り離した後、前記石英ルツボ内に残留する前記シリコン融液に磁場を印加する磁場印加工程を備えることを特徴とする単結晶シリコンインゴットの製造方法。
2. 前記単結晶シリコンインゴットを前記シリコン融液から切り離した後、前記プルチャンバに収容するまでの期間では、少なくとも前記磁場印加工程を実施する、請求項１に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。
3. 前記磁場は、前記シリコン融液に対して水平の磁場分布を形成する水平磁場、又は、前記シリコン融液に対してカスプ型の磁場分布を形成するカスプ磁場のいずれかである、請求項１又は２に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。
4. 前記磁場は、前記シリコン融液に対して水平の磁場分布を形成する水平磁場であり、その磁場強度が１０００Ｇ以上５０００Ｇ以下である、請求項３に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。
5. 前記磁場は、前記シリコン融液に対してカスプ型の磁場分布を形成するカスプ磁場であり、その磁場強度が３００Ｇ以上１５００Ｇ以下である、請求項３に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。
6. 前記単結晶シリコンインゴットを前記シリコン融液から切り離した後において、前記石英ルツボの回転速度を０．５ｒｐｍ以上２．０ｒｐｍ以下とする、請求項１～５のいずれか一項に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。

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