TW201937012A - 矽單結晶的製造方法及矽單結晶的拉引裝置 - Google Patents

Abstract

在密室內流動惰性氣體，並對石英坩鍋內的矽融流施加水平磁場，提拉矽單結晶的矽單結晶的製造方法，實施：熱遮蔽體的下端部及石英坩鍋內的矽融流表面之間流過的惰性氣體流中，形成對於包含拉引裝置的結晶拉引軸以及水平磁場的施加方向的平面是非面對稱，且對於結晶拉引軸是非旋轉對稱的流動分布之步驟(S1)；直到石英坩鍋內的矽原料完全熔化為止，以無磁場維持形成的非面對稱且非旋轉對稱的流動分布之步驟(S2)；以及矽原料完全熔化後，施加水平磁場，開始提拉矽單結晶之步驟(S3)。

Description

矽單結晶的製造方法及矽單結晶的拉引裝置

本發明係關於矽單結晶的製造方法及矽單結晶的拉引裝置。

以往，提出的技術，係在根據切克勞斯基(CZOCHRALSKI)法的提拉矽單結晶中，在提拉時施加水平磁場之際，遮蔽一部分的磁場，使磁力線不均勻之類，對於石英坩鍋的旋轉中心，偏離矽單結晶的結晶拉引軸，實行矽單結晶的提拉(例如，參照專利文件1)。
[先行技術文件]
[專利文件]

[專利文件1]專利公開第2004-196655號公報

[發明所欲解決的課題]

可是，近年來，根據施加水平磁場的切克勞斯基(CZOCHRALSKI)法的提拉矽單結晶中，使用相同的拉引裝置，即使以相同的拉引條件提拉矽單結晶，提拉的矽單結晶品質，特別是矽單結晶中的氧濃度也兩極化是眾所周知的。
但是，上述專利文件1中記載的技術，因為完全沒辨識關於這樣的課題產生，以上述專利文件1中記載的技術不能解決兩極化的課題。

本發明的目的，在於提供防止矽單結晶的氧濃度兩極化，可以製造相同品質的矽單結晶之矽單結晶的製造方法及矽單結晶的拉引裝置。
[用以解決課題的手段]

本發明的矽單結晶的製造方法，係使用包括密室、上述密室內配置的石英坩鍋及覆蓋上述石英坩鍋上部的熱遮蔽體的拉引裝置，在上述密室內流動惰性氣體，且對上述石英坩鍋內的矽融流施加水平磁場，提拉矽單結晶的矽單結晶的製造方法，其特徵在於實施以下的步驟：上述熱遮蔽體的下端部以及上述石英坩鍋內的矽融流表面之間流過的上述惰性氣體流中，形成對於包含上述拉引裝置的結晶拉引軸以及上述水平磁場的施加方向的平面是非面對稱，且對於上述結晶拉引軸是非旋轉對稱的流動分布之步驟；直到上述石英坩鍋內的矽原料完全熔化為止，以無磁場維持形成的非面對稱且非旋轉對稱的流動分布之步驟；以及上述矽原料完全熔化後，施加上述水平磁場，開始提拉上述矽單結晶之步驟。

熱遮蔽體下端以及矽融流表面之間的惰性氣體流中，由於形成非面對稱且非旋轉對稱的流動分布，可以控制矽融流內的對流以水平磁場方向為中心右旋轉或左旋轉。因此，藉由維持此狀態，可以判定矽融流內的對流是左旋轉或右旋轉。於是，藉由在此狀態下施加水平磁場，固定矽融流的對流，可以實行拉提矽單結晶。因此，不會使拉提的矽單結晶的氧濃度產生兩極化，可以實行穩定品質的矽單結晶拉提。

本發明中，在開始拉提上述矽單結晶的步驟後，直到結束上述矽單結晶的拉提為止，最好實施不降低上述水平磁場的強度至一定值以下，實行上述矽單結晶的拉提之步驟。
直到結束上述矽單結晶的拉提為止，只要不降低水平磁場的強度至一定值以下，就可以在不限制矽融流內部的對流的狀態下實行矽單結晶的拉提。因此，就這樣維持矽融流內部的對流一定的狀態下，實行矽單結晶的拉提，可以提拉不產生兩極化的品質穩定的矽單結晶。

本發明的拉引裝置，係實施上述矽單結晶的製造方法之矽單結晶的拉引裝置，其特徵在於：構成上述拉引裝置的上述熱遮蔽體，對於包含上述結晶拉引軸以及磁場施加方向的面是非面對稱，且對於上述結晶拉引軸是非旋轉對稱構造。
對於包含結晶拉引軸以及磁場施加方向的平面，由於形成熱遮蔽體為非面對稱，且對於結晶拉引軸為非旋轉對稱構造，非面對稱且對於結晶拉引軸為非旋轉對稱的部分與除此以外的部分中的惰性氣體流動分布，可以形成非面對稱，且對於結晶拉引軸為非旋轉對稱。因此，只要改變拉引裝置的構造，就可以實施本發明的矽單結晶的製造方法。

本發明中，上述拉引裝置，包括排出上述惰性氣體的排氣口，上述排氣口的形狀，可以考慮以上述結晶拉引軸為中心形成非對稱構造。
藉由以上述結晶拉引軸為中心形成排氣口的形狀為非旋轉對稱構造，熱遮蔽體下端及矽融流表面之間的惰性氣體流的流動分布，可以形成非面對稱且非旋轉對稱。因此，藉此也可以以簡樸的構造實施本發明的矽單結晶的製造方法。

以下，根據圖面說明本發明的實施形態。
[1]達到本發明的背景
本發明者們知道，即使使用相同的拉引裝置，以相同的拉引條件實行提拉，也有可能提拉的矽單結晶的氧濃度高的情況與氧濃度低的情況。以往，為了將此消除，重點調查拉引條件，但沒找到牢固的解決方法。

之後，進行調查中，本發明者們，如第1圖所示，在石英坩鍋3A中投入固體的矽原料，熔化後，施加水平磁場提拉矽單結晶10的步驟中，見識到以水平磁場的磁力線為軸具有從石英坩鍋3A的底部往矽融流表面旋轉的對流。其對流的旋轉方向，係左旋轉成為優勢時與左旋轉成為優勢時的2個對流圖案。

如此現象的發生，本發明者們，推測是由於以下的機制所引起的。
首先，如第1(A)圖所示，不施加水平磁場，不旋轉石英坩鍋3A的狀態下，因為在石英坩鍋3A的外周近旁加熱矽融流9，產生從矽融流9的底部往表面的上升方向的對流。上升的矽融流9，在矽融流9的表面冷卻，在石英坩鍋3A的中心回到石英坩鍋3A的底部，產生下降方向的對流。

產生在外周部分上升、在中央部分下降的對流的狀態下，第1(A)圖由於熱對流的不穩定性下降流的位置無秩序移動，從中心偏離。
第1(A)圖的狀態下，施加水平磁場時，從石英坩鍋3A的上方看時的下降流旋轉慢慢受限制，如第1(B)圖所示，受限於遠離水平磁場中心的磁力線位置的位置。

繼續此狀態增大水平磁場的強度時，如第1(C)圖所示，下降流的右側與左側中的上升方向的對流大小變化，第1(C)圖的話，下降流左側的上升方向的對流成為優勢。
最後，如第1(D)圖所示，下降流右側的上升方向的對流消失，成為左側是上升方向的對流，右側是下降方向的對流，並成為右旋轉的對流。
另一方面，使第1(A)圖的最初下降流位置往石英坩鍋3A的旋轉方向偏離180度相位的話，下降流限制在與第1(C)圖相位偏離180度的左側位置，成為左旋轉的對流。

從石英坩鍋熔出的氧，以融流對流運輸至生長中固液界面，被取入結晶內。在此，拉引裝置內的熱環境是完全軸對稱，且製程條件相同的話，無關右旋渦左旋渦，取入結晶內的氧氣量相等。
可是實際上，爐構造物的形狀是非軸對稱，或即使例如設計上軸對稱，因為起因於各構件的設置位置偏離等的熱環境不均勻性，以右旋渦與左旋渦運輸的氧通量不同。

結果，右旋渦左旋渦中生長氧濃度不同的矽單結晶。儘管相同的拉引裝置中以相同的製造條件生長，因為根據對流模式差異生長氧濃度不同的結晶，給氧控制性帶來惡劣影響，結晶的良率大為降低。
因此，結晶生長前有2個對流模式，其中之一作為目標對流模式，邊保持其狀態邊進行結晶生長即可。

以放射溫度計確認提拉中的對流模式舉動的結果，在施加磁場時決定對流模式，一旦決定的對流模式只要不中斷磁場就不會往另一方向遷移，繼續直到矽單結晶的尾部最後是很明確的。因此，施加磁場時可以以某些方法選擇對流模式的話，之後的提拉中的模式完全固定，結晶品質也依照其模式。
根據以上的見解，本發明者們打算在拉引裝置內先形成非對稱構造，由於使根據非對稱構造產生的矽融流表面的惰性氣體流的分布(流動分布)具有偏向，控制使矽單結晶中的氧濃度成為一定。

[2]第一實施形態
第2及3圖中，顯示模式圖，表示可以應用本發明第一實施形態的矽單結晶10的製造方法之矽單結晶的拉引裝置1的構造的一例。拉引裝置1，係根據切克勞斯基(CZOCHRALSKI)法提拉矽單結晶10的裝置，包括構成外圍的密室2以及配置在密室2中心部的坩鍋3。
坩鍋3，係內側的石英坩鍋3A與外側的石墨坩鍋3B構成的兩層構造，固定至可旋轉及升降的支持軸4的上端部。

坩鍋3的外側，設置圍繞坩鍋3的電阻加熱式的加熱器5，其外側沿著密室2的內面設置斷熱材6。
坩鍋3的上方，與支持軸4同軸上設置往逆方向或相同方向以既定速度旋轉的金屬線等的結晶拉引軸7。此結晶拉引軸7的下端安裝晶種8。

熱遮蔽體12，對於生長中的矽單結晶10，遮斷來自坩鍋3內的矽融流9、加熱器5、坩鍋3的側壁的高溫輻射熱的同時，對於結晶生長界面的固液界面近旁，抑制對外部的熱擴散，擔任控制單結晶中心部及單結晶外周部的拉引軸方向的溫度斜度的角色。
又，熱遮蔽體12，由於從爐上方導入來自矽融流9的蒸發物的惰性氣體，也有作為排氣至爐外的整流筒的機能。

密室2的上部，設置氣體導入口13，用以導入氬氣(以下，也稱Ar氣)等的惰性氣體至密室2內。密室2的下部，設置排氣口14，利用未圖示的真空泵的驅動，吸引密室2內的氣體排出。
從氣體導入口13導入密室2的惰性氣體，在生長中的矽單結晶10與熱遮蔽體12之間下降，經過熱遮蔽體12的下端與矽融流9的液面的間隙後，往熱遮蔽體12的外側，更往坩鍋3的外側流動，之後降下坩鍋3的外側，從排氣口14排出。

對拉引裝置1，施加水平磁場。水平磁場的磁力線，在第2圖中，流向紙面直交方向。熱遮蔽體12中，如第3圖所示，形成切口部121，對於包含結晶拉引軸7以及水平磁場的施加方向的面S成為非面對稱，且對於結晶拉引軸7成為非旋轉對稱構造。即，由於熱遮蔽體12中形成切口部121，熱遮蔽體12的下端部及石英坩鍋3A內的矽融流9表面之間流過的惰性氣體流中，可以形成非面對稱，且對於結晶拉引軸7是非旋轉對稱的流動分布。
又，如第2圖所示，密室2的上部的切口部121的正上方，配置放射溫度計15，如第3圖所示，可以以非接觸測量切口部121近旁的測量點P中的矽融流9的表面溫度。

從氣體導入口13供給的Ar氣體，供給至矽融流9的表面，沿著液面流往石英坩鍋3A的外側。在此之際，流過切口部121的部分的Ar氣體流速，由於切口部121間隙變大的部分，產生多量的Ar氣體流，變得比其它部分流量大。另一方面，未形成切口部的部分的Ar氣體流量，維持間隙小的狀態的部分，變小。

關於利用如此的拉引裝置1製造矽單結晶10時的矽單結晶的製造方法，根據第4圖所示的流程圖說明。
首先，無磁場的狀態下藉由使矽單結晶10產生對流，旋轉石英坩鍋3A，使上下方向的對流在結晶拉引軸7周圍旋轉(步驟S1：第1(A)圖的狀態)。
維持此狀態直到全部的矽原料熔化為止(步驟S2)。

全部的矽原料熔化後，施加水平磁場。限制對流的變動，如第2圖所示，使矽融流9內的左旋轉對流配合切口部121的形成位置，開始提拉矽單結晶10(步驟S3：第1(D)圖的狀態)。
矽單結晶10的生長中，維持水平磁場強度不變，至少0.2T(特士拉)以上，繼續提拉矽單結晶10的直筒部(步驟S4)。
提拉矽單結晶10達到尾部的話，停止施加水平磁場，結束提拉(步驟S5)。

根據這樣的本實施形態，有以下的效果。
在熱遮蔽體12的下端及矽融流9的表面之間的Ar氣體流內，由於以包含結晶拉引軸7以及水平磁場的施加方向的平面為中心形成非面對稱，且以結晶拉引軸7為中心形成非旋轉對稱的流動分布，可以控制矽融流9內的對流以水平磁場的方向為中心右旋轉或左旋轉。因此，藉由維持此狀態，可以判定矽融流9內的對流左旋轉或右旋轉。於是，藉由在此狀態下施加水平磁場，固定矽融流的對流，可以實行提拉矽單結晶。因此，不會使提拉的矽單結晶的氧濃度產生兩極化，可以實行提拉矽單結晶。

直到矽單結晶10的提拉結束，只要下降水平磁場強度至一定值以下的話，就可以在限制融流矽融液10內部對流的狀態下實行提拉矽單結晶10。因此，維持矽融流內部的對流一定的狀態不變，實行提拉矽單結晶，可以提拉不會產生兩極化的矽單結晶。
由於形成的熱遮蔽體12，對於包含結晶拉引軸7以及水平磁場的施加方向的面為非面對稱，且對於結晶軸7為非旋轉對稱構造，成為非面對稱的部分與此外的部分中的Ar氣體的流動分布，可以形成非面對稱且對於結晶拉引軸7非旋轉對稱。因此，只要改變拉引裝置1的構造，就可以實施本發明的矽單結晶的製造方法。

又，本發明不限於此，例如，也可以藉由部分改變矽融流9表面與熱遮蔽體下端的距離，形成Ar氣體的流動分布，對於包含結晶拉引軸7以及水平磁場的施加方向的面為非面對稱，且以結晶拉引軸7為中心為非旋轉對稱。
因此，因為矽融流9表面與熱遮蔽體下端的距離變大的部分中，Ar氣體的流量變大，變小的部分中，Ar氣體的流量變小，可以達到與上述第1實施形態同樣的作用及效果。

[3]第二實施形態
其次，說明關於本發明的第二實施形態。又，以下的說明中，關於已經說明的部分與相同的部分，附上相同的符號省略說明。
上述第一實施形態中，由於在熱遮蔽體12形成切口部121，對於包含結晶拉引軸7以及水平磁場的施加方向的面S，形成熱遮蔽體12為非面對稱，且以結晶拉引軸7為中心為非旋轉對稱的構造。

相對於此，本實施形態中的非面對稱構造，不同點如第5圖所示，拉通熱遮蔽體16的矽單結晶之孔161形成偏心橢圓狀。孔161，與第一實施形態相同，對於包含水平磁場的施加方向與結晶拉引軸7的面，左側區域的面積變大，且對於結晶拉引軸7具有非旋轉對稱形狀。
根據這樣的本實施形態，也可以達到與上述第一實施形態同樣的作用及效果。

[4]第三實施形態
上述第一實施形態中，對於包含水平磁場的施加方向與結晶拉引軸7的面，熱遮蔽體12形成非面對稱。
相對於此，第三實施形中，不同點如第6圖所示，拉引裝置1A的密室2下部，對於包含結晶拉引軸7與水平磁場施加方向的面，對稱設置2個排氣口17A、17B，比起排氣口17A的排氣面積，排氣口17B的面積較大。

藉此，因為可以增大來自排氣口17B的排氣量，Ar氣體的流動分布，對於包含結晶拉引軸7與水平磁場施加方向的面，成為非面對稱，且對於以結晶拉引軸7為中心成為非旋轉對稱。因此，可以享受與上述第一實施形態相同的作用及效果。

[5]第四實施形態
上述第三實施形態中，拉引裝置1A的密室2下部，設置2處的排氣口17A。
相對於此，第四實施形中，不同點如第7圖所示，拉引裝置1B密室2下部的單側1處，設置排氣口18。

由於只有進行來自單側的排氣口18的排氣，設置排氣口18側的Ar氣體的排氣量變大，其相反側的Ar氣體的排氣量變小。
根據這樣的本實施形態，Ar氣體的流動分布，也對於包含結晶拉引軸7以及水平磁場施加方向的面成為非面對稱，且以結晶拉引軸7為中心成為非旋轉對稱。因此，可以享受與上述第一實施形態同樣的作用及效果。
[實施例]

說明關於本發明實施例。又，本發明不限於實施例。
[實施例1]
32英吋的石英坩鍋3A內，填充矽原料400kg(公斤)，使完全熔化。之後，為了使矽融流9表面與熱遮蔽體12下端間的距離成為30mm(毫米)，鉛直方向上下移動石英坩鍋保持台，停止坩鍋旋轉，設定Ar流量為150L/min(升/分)。其狀態下保持1小時後施加磁場，確認施加水平磁場後的對流模式是右旋渦或左旋渦。

改變熱遮蔽體12形狀與設置位置的複數條件下，試行各10次。條件A是軸對稱形狀的熱遮蔽體。條件B係條件A的熱遮蔽體12加上切口形狀，如第8圖所示，切口部121的位置設置為與水平磁場的施加方向相同的方向。條件C、條件D，係條件B的熱遮蔽體，當切口位置朝向水平磁場的施加方向時，分別設置為左側90度、右側90度。條件E、條件F，如第8圖所示，當朝向水平磁場的施加方向時，分別設置為左側45度、左側135度。表1顯示條件A到條件F中的左旋渦、模擬渦的發生率。

[表1]

根據條件A及條件B，左旋渦與右旋渦以各半的機率發生，哪個對流模式發生是實質隨機。即，根據習知條件的條件A以及面對稱形狀的條件B不能控制對流模式 。
相對於此，根據條件C是100%左旋渦模式，又根據條件D是 100%右旋渦模式。根據條件E及條件F，以90%的高機率成為左旋渦。即，藉由提供熱遮蔽體12像切口部121的非面對稱且非旋轉對稱形狀，確認可以自由選擇左旋渦模式與右旋渦模式。又，確認非面對稱性越高成為目標對流模式的機率越高。

[實施例2]
其次，備置實施例1的條件A使用的熱遮蔽體12的爐中，利用與實施例1相同的方法，改變存在於爐體側壁的複數排氣口14的形狀、位置、個數進行試驗。實施本試驗的爐體中，在第9圖所示的爐體壁的4處安裝圓筒狀的[排氣口1]到[排氣口4]。如表2所示，改變各個排氣口14的內徑。又，表中的”零”意味除去排氣口14。

[表2]
單位：mm(毫米)

條件A是4處都是直徑20mm，與實施例1的條件A相同。條件G、條件H、條件I、條件J分別只有[排氣口1]、[排氣口2]、[排氣口3]、[排氣口4]直徑10mm，縮小排氣量。條件K、條件L，分別只剩下[排氣口1]、 [排氣口3]，除去此外的3個排氣口14。表3中顯示各個條件中的左旋渦、右旋渦的發生率。

[表3]

根據條件A、條件H、條件J，左旋渦與右旋渦以各半的機率發生，哪個對流模式發生是實質隨機。即，根據習知條件的條件A以及面對稱形狀的條件H、條件J不能控制對流模式 。
相對於此，根據條件G是稍微左旋渦的發生率高，根據條件I是右旋渦的發生率高。又，根據條件K是100%右旋渦。根據條件L是100%左旋渦。即，藉由使排氣構造為非軸對稱，使熱遮蔽體與矽融流間流過的Ar流速成為非軸對稱，也可以自由選擇左旋渦模式與右旋渦模式。

1‧‧‧拉引裝置

1A‧‧‧拉引裝置

1B‧‧‧拉引裝置

2‧‧‧密室

3‧‧‧坩鍋

3A‧‧‧石英坩鍋

3B‧‧‧石墨坩鍋

4‧‧‧支持軸

5‧‧‧加熱器

6‧‧‧斷熱材

7‧‧‧結晶拉引軸

8‧‧‧晶種

9‧‧‧矽融流

10‧‧‧矽單結晶

12‧‧‧熱遮蔽體

13‧‧‧氣體導入口

14‧‧‧排氣口

15‧‧‧放射溫度計

16‧‧‧熱遮蔽體

17A、17B‧‧‧排氣口

18‧‧‧排氣口

121‧‧‧切口部

161‧‧‧孔

P‧‧‧測量點

S‧‧‧包含結晶拉引軸以及水平磁場施加方向的面

S1、S2~S3、S4、S5‧‧‧步驟

[第1圖]係用以說明達到本發明的背景的模式圖；

[第2圖]係本發明的第一實施形態的矽單結晶的拉引裝置的模式剖面圖；

[第3圖]係上述實施形態的拉引裝置的模式平面圖；

[第4圖]係顯示本發明的矽單結晶的製造方法的流程圖；

[第5圖] 係顯示本發明的第二實施形態的矽單結晶的拉引裝置的熱遮蔽體構造的模式平面圖；

[第6圖] 係本發明的第三實施形態的矽單結晶的拉引裝置的模式剖面圖；

[第7圖] 係本發明的第四實施形態的矽單結晶的拉引裝置的模式剖面圖；

[第8圖]係顯示本發明實驗例中的切口形成位置的模式平面圖；以及

[第9圖] 係顯示本發明實驗例中的排氣口位置的模式平面圖。

Claims (4)

1. 一種矽單結晶的製造方法，使用包括密室、上述密室內配置的石英坩鍋及覆蓋上述石英坩鍋上部的熱遮蔽體的拉引裝置，在上述密室內流動惰性氣體，且對上述石英坩鍋內的矽融流施加水平磁場，提拉矽單結晶的矽單結晶的製造方法，其特徵在於實施： 上述熱遮蔽體的下端部以及上述石英坩鍋內的矽融流表面之間流過的上述惰性氣體流中，形成對於包含上述拉引裝置的結晶拉引軸以及上述水平磁場的施加方向的平面是非面對稱，且對於上述結晶拉引軸是非旋轉對稱的流動分布之步驟； 直到上述石英坩鍋內的矽原料完全熔化為止，以無磁場維持形成的非面對稱且非旋轉對稱的流動分布之步驟；以及 上述矽原料完全熔化後，施加上述水平磁場，開始提拉上述矽單結晶之步驟。
2. 如申請專利範圍第1項所述的矽單結晶的製造方法，其特徵在於： 在開始拉提上述矽單結晶的步驟後，直到結束上述矽單結晶的拉提為止，實施不降低上述水平磁場的強度至一定值以下，實行上述矽單結晶的拉提之步驟。
3. 一種矽單結晶的拉引裝置，實施申請專利範圍第1或2項所述的矽單結晶的製造方法，其特徵在於： 構成上述拉引裝置的上述熱遮蔽體，對於包含上述結晶拉引軸以及磁場施加方向的面是非面對稱，且對於上述結晶拉引軸是非旋轉對稱構造。
4. 一種矽單結晶的拉引裝置，實施申請專利範圍第1或2項所述的矽單結晶的製造方法，其特徵在於： 上述拉引裝置，包括排出上述惰性氣體的排氣口； 上述排氣口的形狀，以上述結晶拉引軸為中心形成非對稱構造。