JP7342847B2 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents
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Description
このような無欠陥領域シリコン単結晶の成長速度Vの制御には、1/1000mm/min単位の高精度な制御が要求される。ここで、単結晶の成長速度は、引き上げ軸の引き上げ速度(実引き上げ速度)と、単結晶の引き上げに伴う石英ルツボ中のシリコン融液の融液面降下速度(融液面位置変化速度)の和である。
前記シリコン単結晶の引き上げ中の重量及び直径を逐次測定し、
該測定した引き上げ中のシリコン単結晶の重量及び直径から得た任意の単位時間当たりの前記引き上げ中のシリコン単結晶の重量変化量及び平均直径と、シリコンの密度から、前記引き上げ中のシリコン単結晶の実成長速度を逐次算出し、
該算出した実成長速度と前記シリコン単結晶の目標成長速度との差を逐次算出し、
該算出した実成長速度と目標成長速度との差で、前記シリコン単結晶を前記ワイヤで引き上げる引き上げ速度を補正しながら引き上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法を提供する。
前記引き上げ中のシリコン単結晶の直径を、1つ以上の直径測定用カメラを用いて測定することができる。
図2の引き上げ装置1は、中空円筒状のチャンバー2で外観を構成し、そのチャンバー2は下部円筒をなすメインチャンバー(炉)2aと、メインチャンバー2aに連接固定された上部円筒をなすプルチャンバー2bとから構成される。
メインチャンバー2a内には、原料(ここではシリコン原料)を溶融しシリコン単結晶3を育成するホットゾーンを有しており、その中心部には、昇降および回転が可能な支持軸4の上に原料を充填する石英ルツボ5aと、その外側を保持する黒鉛ルツボ5bの二重構造からなるルツボ5が配設され、ルツボ5の外側にはヒーター6が同心円状に配設されている。そして、ヒーター6の外側には保温筒7が同心円状に配設され、またその下方で装置底部には保温板8が配設されている。
また、円筒形状のパージチューブ13が引き上げ中のシリコン単結晶3を囲繞するようにシリコン融液14の表面の上方に配設されている。またパージチューブ13は、メインチャンバー2aの天井部からシリコン融液面に向かって延伸するように設けられている。さらに、パージチューブ13のシリコン融液面側にはリング状のカラー15が設けられている。
なお、直径測定用カメラ17は、特開2013-170097等にも開示されているように、例えば、引き上げ中のシリコン単結晶3の直径の両端に向かって、各々平行に予め間隔を決めて設置した2台のCCDカメラとすることができる。このようなものであれば、各々のカメラが直径の片側ずつの位置を検出する為、融液面位置が変化しても直径の測定値への影響を受けず、より正確に直径を測定可能である。
なお、引き上げるシリコン単結晶としては特に限定されないが、ここでは、径方向全面が無欠陥領域である無欠陥領域シリコン単結晶とすることができる。
所望のシリコン単結晶を得るため、目標成長速度を定め、例えば該目標成長速度通りに目標引き上げ速度を設定し、その通りの引き上げ速度で単結晶を引き上げても、前述したような影響(ワイヤの伸び縮みによる影響や、実融液面降下速度の変化の影響など)により、実成長速度が目標成長速度と不一致になる場合がある。そこで、実成長速度と目標成長速度との差で引き上げ速度を補正しつつ引き上げることで、実成長速度を目標成長速度に一致させるよう修正することができる。それにより、所望のシリコン単結晶を得ることができる。この具体的な工程について詳述する。
図1は本発明のシリコン単結晶の製造方法の一例を示すフロー図である。
なお、本発明のシリコン単結晶の製造方法は、CZ法またはMCZ法のいずれにも適用可能である。
まず、チャンバー2内に配置したルツボ5内のシリコン融液14に種結晶10を接触させ、ワイヤ巻き取り装置12によりワイヤ9を巻き取りシリコン単結晶3を引き上げる。
シリコン単結晶3の実成長速度Vr、単結晶の引き上げ中に測定した単位時間T当たりの重量変化量(増加量)ΔW、平均直径DAと、シリコンの密度ρは、以下の関係式が成り立つ。
Vr×T×π×(DA/2)2×ρ=ΔW
これを実成長速度Vrについて解くと以下の式となる。
Vr=ΔW/{π×(DA/2)2×ρ×T} (1)
ΔW=ΔW1+ΔW2+ΔW3+・・・・+ΔWT/x (2)
DA=(D1+D2+D3+・・・・+DT/x)/(T/x) (3)
例えば、x=1分、T=10分とし、0-1分、1-2分、2-3分、…8-9分、9-10分の重量変化量をΔW1、ΔW2、ΔW3、…ΔW9、ΔW10とし、1分、2分、3分、…9分、10分の直径をD1、D2、D3、…D9、D10とした場合、T=10分当たりの重量変化量ΔWと平均直径DAは、
ΔW=ΔW1+ΔW2+ΔW3+…+ΔW9+ΔW10
DA=(D1+D2+D3+…+D9+D10)/(10/1)
により算出することができる。
なお、単位時間当たりのシリコン単結晶の重量変化量ΔWおよび平均直径DAを測定値から算出することができればよく、上記算出方法に限定されるものではない。
ΔV=Vr-Vs (4)
ここで、目標成長速度Vsは、シリコン単結晶に無欠陥領域が得られる成長速度マージン内の任意の速度とすることができる。無欠陥領域が得られる成長速度マージンは、使用される引き上げ装置、ホットゾーン、引き上げ条件等に影響される為、使用する引き上げ装置、ホットゾーン、引き上げ条件で成長速度を何水準かに振ったシリコン単結晶の引き上げ実験を行い、予め無欠陥領域が得られる成長速度マージンを求めておくことが望ましい。
補正した引き上げ速度で引き上げた場合のシリコン単結晶の実成長速度Vr’は、以下の式で求めることができる。
Vr’=Vr-ΔV (5)
このようにして、引き上げ速度VをΔVで補正しながら引き上げることで、補正後の実成長速度Vr’を目標成長速度Vsに逐次一致させることができる。その結果、所望のシリコン単結晶を得られ、歩留りを向上することができる。
図2に示す引き上げ装置1を用い、以下の条件により、シリコン単結晶が長手方向に無欠陥領域となる目標成長速度Vsを目標引き上げ速度に設定し、本発明の製造方法によりシリコン単結晶の引き上げを行った(図1の工程1)。
結晶径:直径約300mm
製法:中心磁場4000GのMCZ法(磁場印加装置を炉外に配設)
HZ:ルツボ径32インチ(約81cm)
その結果、図5に示すように、シリコン単結晶の無欠陥領域19を狙った長手方向のほぼ全域で、無欠陥領域シリコン単結晶が得られた。
引き上げ速度VをΔVで補正しなかったこと以外は、実施例と同じ条件でシリコン単結晶の引き上げを行った。
その結果、図7に示すように、シリコン単結晶の無欠陥領域19を狙った長手方向の部位の内、引き上げ初期の約35%の部位で欠陥の発生(欠陥発生領域20)が見られた。すなわち、実施例に比べて無欠陥領域シリコン単結晶の収率が低く、歩留まりが低かった。
2b…プルチャンバー、 3…シリコン単結晶、 4…支持軸、 5…ルツボ、
5a…石英ルツボ、 5b…黒鉛ルツボ、 6…ヒーター、 7…保温筒、
8…保温板、 9…ワイヤ、 10…種結晶、 11…種ホルダ、
12…ワイヤ巻き取り装置、 13…パージチューブ、 14…シリコン融液、
15…カラー、 16…ロードセル重量測定器、 17…直径測定用カメラ、
18…演算器、 19…無欠陥領域、 20…欠陥発生領域。
Claims (4)
- 引き上げ軸にワイヤを使用した引き上げ装置を用い、チョクラルスキー法または磁場印加チョクラルスキー法により、チャンバー内に配置したルツボ内のシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶の製造方法であって、
前記シリコン単結晶の引き上げ中の重量及び直径を逐次測定し、
該測定した引き上げ中のシリコン単結晶の重量及び直径から得た任意の単位時間当たりの前記引き上げ中のシリコン単結晶の重量変化量及び平均直径と、シリコンの密度から、前記引き上げ中のシリコン単結晶の実成長速度を逐次算出し、
該算出した実成長速度と前記シリコン単結晶の目標成長速度との差を逐次算出し、
該算出した実成長速度と目標成長速度との差で、前記シリコン単結晶を前記ワイヤで引き上げる引き上げ速度を補正しながら引き上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。 - 前記引き上げ中のシリコン単結晶の重量を、前記ワイヤを巻き取るワイヤ巻き取り装置に設置されたロードセル重量測定器を用いて測定し、かつ、
前記引き上げ中のシリコン単結晶の直径を、1つ以上の直径測定用カメラを用いて測定する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。 - 前記引き上げ中のシリコン単結晶の実成長速度を、演算器を用いて算出することを特徴とする請求項1または請求項2に記載のシリコン単結晶の製造方法。
- 前記引き上げるシリコン単結晶を無欠陥領域シリコン単結晶とすることを特徴とする請求項1から請求項3のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
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