JPH10279391A

JPH10279391A - シリコン単結晶育成方法

Info

Publication number: JPH10279391A
Application number: JP7990097A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Morita; 洋森田
Original assignee: Sumitomo Sitix Corp
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1997-03-31
Filing date: 1997-03-31
Publication date: 1998-10-20

Abstract

(57)【要約】【課題】シリコン単結晶の内質の改善と溶解時間の短
縮。【解決手段】磁場を印加したシリコン溶融液の表面に種
結晶を接触させてそれを上方に引き上げながら凝固させ
るシリコン単結晶の育成方法であって、坩堝13に充填し
たシリコン原料３に磁場強度が変動する磁場を印加しな
がら溶融する単結晶育成方法。【効果】原料溶解中の坩堝内の熱対流が促進されるの
で、溶解時間が短くなり、有転位欠陥の少ないシリコン
単結晶が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】この発明は、溶融液に磁場を
印加しながらシリコン単結晶を引き上げ育成する方法に
関し、詳しくは溶解時間が短縮でき、高品質の単結晶を
育成することができる方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】シリコン単結晶は、通常、石英坩堝にシ
リコン原料を充填し、発熱体によって高温に加熱してシ
リコン溶融液を作成し、溶融液表面の温度を調節した
後、種結晶を用い結晶成長を開始し、坩堝内の溶融液を
単結晶化させて製造される。単結晶化させる方法とし
て、溶融液面に種結晶を接触させ、それを上方に引き上
げながら凝固させる方法（ＣＺ法と呼ばれている）と、
溶融液に磁場を印加しながら上方に引き上げる方法（Ｍ
ＣＺ法と呼ばれている）が用いられている。

【０００３】引き上げ中のシリコン単結晶には、不純物
元素、ドーパント、異物などの偏析による有転位欠陥が
発生し、製品の歩留を低下させる。

【０００４】引き上げ中に有転位欠陥が発生する原因
は、石英坩堝から溶出したシリカ（SiO₂）が溶融液のシ
リコン(Si)と反応(SiO₂→SiO＋Ｏ)してSiOとＯに分解す
る。SiOとＯとは、溶融液表面から蒸発し、ほとんどは
アルゴンガスに取り込まれて排出される。しかし、一部
のSiOとＯは、溶融液表面の上部の坩堝側壁や引き上げ
治具などに付着し、SiO₂等の異物となって溶融液に落下
する。また、石英坩堝の溶損に伴い、石英坩堝表面のク
リストバライト相などへの変質および剥離が生じ、この
剥離片なども融液中の異物となる。こられの異物は、単
結晶育成界面に混入すると有転位欠陥となる。

【０００５】これらの有転位欠陥の発生を防止するに
は、石英坩堝から酸素の溶出量を軽減させることであ
り、このためには石英坩堝の温度または石英坩堝壁面近
傍の対流を抑制してシリコン溶融液中の酸素濃度を調節
する方法が行われている。

【０００６】石英坩堝壁面近傍の対流を抑制する方法と
して、前述の溶融液に磁場を印加しながら上方に引き上
げる方法がある。

【０００７】図３は、水平磁場を印加しながら引き上げ
凝固させるシリコン単結晶の製造装置の一例を示す縦断
面図である。図において、符号１はシリコンを溶解する
石英坩堝、２はシリコン溶融液の流れを制御するための
電磁石である。７はシリコン単結晶12の引き上げ雰囲気
を減圧するチャンバーであり、チャンバーの内部には溶
融坩堝13が配置され、坩堝の外側にはこれを囲んで誘導
加熱コイルなどで構成された加熱用ヒーター5 が、更に
その外側に断熱材で円筒状に構成された保温筒6 が配設
されている。

【０００８】溶融坩堝内にはヒーターにより溶融された
結晶育成用原料、つまりシリコンの溶融液11が収容され
ている。その溶融液の表面に引き上げワイヤ8 の先端に
取り付けた種結晶9 の下端を接触させ、この種結晶を上
方に引き上げることによって、その下端に溶融液が凝固
したシリコン単結晶12を成長させていく。

【０００９】単結晶の引き上げにおいては、溶融坩堝は
回転軸10によって、またシリコン単結晶は引き上げワイ
ヤの上部に設けた回転機構（図示せず）によってお互い
に反対方向に回転させられる。溶融坩堝は二重構造であ
り、内側が石英製の容器1 （以下、これを「石英坩堝」
という）、外側がカーボン製の容器4 （以下、これを
「カーボン坩堝」という）から構成されている。減圧チ
ャンバー内は、約 10 torr に減圧され、ガス供給口か
らアルゴンガスを供給し、シリコン溶融液の表面から発
生するSiO ガスおよびカーボン坩堝やヒーターから発生
するCOガスなどをガス排出口から排出する。

【００１０】電磁石２によって溶融液に水平磁場（図３
において破線矢印で示す）を印加すると、坩堝側壁部近
傍の上昇対流および中央部の下降流（同図、実線矢印で
示す）が抑制され、坩堝側壁部からシリカの溶出を低減
できる。この理由は、前述したように溶融液中の酸素
（Ｏ）は、石英坩堝のSiO₂が溶出することにより発生す
る。酸素は、溶融液の表面から蒸発するので溶融液中の
酸素濃度は低下する。したがって、溶融液中の酸素は飽
和状態になることはないので、石英坩堝（シリカ）の溶
出によって補給される。しかし、磁場を印加すると坩堝
側壁部に平行する対流が抑制され、坩堝界面の境界層の
厚さが増し、境界層中の酸素濃度が高くなって石英坩堝
（シリカ）の溶出を低減することができる。

【００１１】図４は、単結晶育成中の溶融液に静磁場を
印加したとき抑制される対流を示す図であり、(a)は水
平磁場を印加したときの図、(b) は垂直磁場を印加した
ときの図、(c)はカプス磁場を印加したときの図であ
る。図において、実線で示す矢印は抑制される対流の方
向を、破線で示す矢印は磁場の方向を示す。

【００１２】図4(a)に示すように水平磁場を印加した場
合には、坩堝側壁部の上昇対流が抑制され、坩堝側壁部
からのシリカの溶出を低減させる。図4(b)に示す垂直磁
場を印加した場合には、坩堝底部の対流が抑制され、坩
堝底部からのシリカの溶出を低減させる。図4(c)に示す
カプス磁場を印加した場合には、坩堝側壁部および底部
の対流が抑制され、坩堝側壁部および底部からのシリカ
の溶出を低減させる。

【００１３】溶融液の流れ（対流）を抑制する磁場印加
方法については、特公平2-12920号公報、特開昭62-7028
6号公報、特開平1-282185号公報、および特開平7-26777
6号公報などがあげられる。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】上述の磁場印加によっ
て溶融液の対流を制御する方法は、いずれも単結晶の育
成中（引き上げ中）に行われ、それなりの効果が得られ
ている。しかし、実操業では未だ単結晶の引き上げ中に
有転位欠陥の発生が起こり、引き上げの中断、歩留まり
の低下を余儀なくされている。

【００１５】本発明の目的は、シリコン原料の溶解時間
を短縮し、高品質のシリコン単結晶を育成する方法を提
供することにある。

【００１６】

【課題を解決するための手段】本発明者は、単結晶育成
中の有転位欠陥の原因となる石英坩堝の溶損および変質
は、シリコン原料溶解時に著しく進行する、したがっ
て、有転位欠陥を低減するには溶解時間を短縮すること
によって解決できることを確認し、本発明を完成した。

【００１７】本発明の要旨は、下記に示す単結晶育成方
法にある（図１参照）。

【００１８】シリコン溶融液に磁場を印加し、溶融液の
表面に種結晶を接触させて上方に引き上げながら凝固さ
せるシリコン単結晶の育成方法であって、石英坩堝1に
充填したシリコン原料3に磁場強度を変化させた磁場を
印加しながら溶解する単結晶育成方法。

【００１９】ここで「磁場強度を変化させた磁場」と
は、電磁コイルの電流を周期的に変動させてつくられる
時間的に変化する磁場であり、溶融液の流れを促進する
磁場である。

【００２０】図２は、本発明の実施例に使用した磁場強
度を変化させた磁場を示す図であり、(a)は0.10テスラ
から0.20テスラの間を６分間隔で直線的に変動させる磁
場を示す図、(b)は0.05テスラから0.15テスラの間を10
分間隔で直線的に変動させる磁場を示す図、(c)は-0.05
テスラから0.05テスラの間を10分間隔で曲線的に変動さ
せる磁場を示す図である。

【００２１】

【発明の実施の形態】本発明の方法は、シリコン原料を
溶解中に磁場強度を変化させた磁場（以下、これを単に
「振動磁場」と記載する）を印加することに特徴があ
る。

【００２２】本発明者は、前述したようにシリコン原料
を溶解するとき、石英坩堝の溶損および変質が著しく進
行することを確認した。

【００２３】図５は、シリコン原料の溶解から単結晶の
育成中における坩堝内部温度の時間変化を示す図であ
る。ヒーターからの入熱量は、原料の一部が溶解を開始
するまで漸増し、溶解が始まってから完全に溶融するま
でほぼ一定値で推移し、完全に溶融すると原料溶解に要
する潜熱（斜線部）を必要としないので入熱量は低下す
る。その低下した入熱量で、単結晶育成のために溶融液
の温度を安定化させ、引き上げを開始する。坩堝内部温
度は、熱電対によって測定した。

【００２４】図５から、発明者は単結晶の育成中よりも
原料の溶解中の方が石英坩堝の温度は高くなっており、
原料の溶解中の方が石英坩堝の溶損および変質が著しく
進行することを確認した。そして、融液を攪拌すること
によりこの時間を短縮できると考えた。

【００２５】図１は、水平磁場を印加しながらシリコン
原料を溶解する本発明の方法を実施するための単結晶製
造装置の一例を示す図である。図において、符号１は石
英坩堝、２は電磁石コイル、３はシリコン原料である。

【００２６】石英坩堝1にシリコン原料3を充填し、加熱
用ヒーター5で原料を溶解する。電磁石コイル2に電流を
投入する時期は、溶解の最初から投入してもよく、一部
のシリコン原料の溶融が始まったときから投入してもよ
い。

【００２７】磁場を印加しない場合には、坩堝の側壁部
および底部近傍の対流のため、側壁部および底部からシ
リカの溶出が起こる。しかし、振動磁場を印加してシリ
コン原料を溶解すると、坩堝の底部と側壁部に接する融
液の流れが促進され、高温の溶融液が未溶解原料に循環
され、原料の溶解を促進する。高温の溶融液が未溶解原
料に速く循環されると、原料の溶解時間が短くなる。溶
解時間を短縮できれば、坩堝からのシリカ、異物および
気泡などの溶出量が低減し、有転位欠陥の発生が減少す
る。

【００２８】

【実施例】

（実施例１）図１に示す水平磁場を印加できるシリコン
単結晶製造装置を用い、図2(a)に示すような振動磁場を
印加して70 kgの多結晶シリコンを溶解し、溶融液に水
平静磁場を印加しながら単結晶の引き上げ試験を行っ
た。

【００２９】試験条件を下記に示す。

【００３０】単結晶の目標抵抗率：10 Ω・cm 石英坩堝：内径16インチ(406 mm)、高さ350mm、坩堝の回転速度：２ rpm（溶解中、育成中ともに同
じ）、加熱のヒーター電力：溶解時90 kW、育成時約70kW、原料溶解時の振動磁場：図2(a)に示すように、0.1テス
ラから0.2テスラまでを３分間で増加させ、その後３分
間で0.1テスラまで減少させる振動磁場。

【００３１】引き上げ時の磁場印加の磁場強度：0.04テ
スラ、単結晶の引き上げ直径：６インチ、単結晶の引き上げ長さ：1300 mm、単結晶の引き上げ速度：1.0 mm/min、単結晶の回転速度：15 rpm 単結晶の引き上げ本数：６本。

【００３２】比較例として磁場を印加せずに溶解する方
法も同様の条件で行った。

【００３３】評価は、原料の溶解に要した時間および得
られた単結晶に転位欠陥の存在する本数で比較した。

【００３４】原料の溶解中に磁場を印加すると、溶解に
要した時間は７時間20分であり、単結晶に転位欠陥の存
在するものは６本中０本であった。しかし、磁場を印加
しない場合は、溶解に要した時間は８時間12分であり、
６本中２本に転位欠陥が存在した。

【００３５】（実施例２）シリコン原料溶解時の振動磁
場のパターンを変化させ、その他の条件は実施例１と同
様として試験を行った。

【００３６】振動磁場のパターンは、次のように２通り
について行った。

【００３７】(1)0.05テスラから0.15テスラまでを５分
間で直線的に増加させ、その後５分間で0.05テスラまで
直線的に減少させる振動磁場（図2(b)参照）。

【００３８】(2)−0.05テスラから＋0.05テスラまでを
５分間で正弦曲線的に増加させ、その後５分間で-0.05
テスラまで正弦曲線的に減少させる振動磁場（図２(c)
参照）。

【００３９】溶解に要した時間は(1)の場合７時間10
分、(2)の場合７時間05分であり、単結晶に転位欠陥の
存在するものはいずれも０本であった。

【００４０】（実施例３）図4(b)に示すような垂直磁
場、図4(c)に示すようなカプス磁場を、それぞれ図2(a)
に示す振動磁場を印加して70 kgの多結晶シリコンを溶
解し、実施例１と同様に単結晶の引き上げ試験を行っ
た。

【００４１】溶解に要した時間は、それぞれ７時間10分
および７時間であり、いずれの単結晶にも転位欠陥の存
在するものは０本であった。

【００４２】

【発明の効果】本発明の方法により振動磁場（磁場強度
を時間とともに変化させた磁場）を印加してシリコン原
料を溶解すれば、溶解時間が短縮され、坩堝から溶融液
中に溶出するシリカ量を抑制して、有転位欠陥の発生を
防止することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】水平磁場を印加しながらシリコン原料を溶解す
る本発明の方法を実施するための単結晶製造装置の一例
を示す図である。

【図２】本発明の実施例に使用した磁場強度を変化させ
た磁場を示す図であり、(a)は0.10テスラから0.20テス
ラの間を６分間隔で直線的に変動させる磁場を示す図、
(b)は0.05テスラから0.15テスラの間を10分間隔で直線
的に変動させる磁場を示す図、(c)は-0.05テスラから0.
05テスラの間を10分間隔で曲線的に変動させる磁場を示
す図である。

【図３】水平磁場を印加しながら、引き上げ凝固させる
シリコン単結晶の製造装置の一例を示す縦断面図であ
る。

【図４】磁場を印加して引き上げる方法でシリコン単結
晶を育成中に生ずる溶融液の流れが抑制される対流を示
す図であり、(a)は水平磁場を印加したときの図、
（ｂ）は垂直磁場を印加したときの図、（ｃ）はカプス
磁場を印加したときの図である。

【図５】シリコン原料の溶解から単結晶の育成中におけ
るヒーター入熱量の時間経過を示す図である。

【符号の説明】

１．石英坩堝２．電磁石コイル３．シリコン原料４．カーボン坩堝５．加熱用ヒーター６．保温筒７．減圧チャンバー８．引き上げワイヤ９．種結晶 10．回転軸 11．溶融液 12．シリコン単結晶 13．溶融坩堝 13．シリコン溶融液 14．ガス供給口 15．ガス排出口 16.坩堝側壁

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】シリコン溶融液に磁場を印加し、その溶融
液の表面に種結晶を接触させて上方に引き上げ凝固させ
るシリコン単結晶の育成方法であって、坩堝に充填した
シリコン原料に磁場強度を変化させた磁場を印加しなが
ら溶解することを特徴とする単結晶育成方法。