TW201940756A - 矽單結晶的氧濃度推測方法及矽單結晶的製造方法 - Google Patents

Abstract

[課題]提供可高精確度地推測矽單結晶中之氧濃度的矽單結晶的氧濃度推測方法。
[解決手段]在矽單結晶的氧濃度推測方法中，藉由拉引裝置拉引矽單結晶，其中拉引裝置具有相對於包含拉引裝置之結晶拉引軸及水平磁場之施加方向的面係非面對稱構造的熱區域形狀，並在矽單結晶的頸部步驟及肩部形成步驟其中至少一者中，實施量測熱區域形狀之非面對稱構造之位置處的矽融液之表面溫度的步驟S3以及基於所量測之矽融液之表面溫度及預先準備的矽融液之表面溫度與矽單結晶中之氧濃度的關係來推測所拉引之矽單結晶之直體部中的氧濃度的步驟S5。

Description

矽單結晶的氧濃度推測方法及矽單結晶的製造方法

本發明係關於矽單結晶的氧濃度推測方法及矽單結晶的製造方法。

對於矽單結晶之製造，使用稱作丘克拉斯基法（Czochralski method，以下稱作CZ法）的方法。例如，在減壓惰性氣體(Ar)大氣中，用阻抗加熱器等加熱手段來熔融石英坩堝內所容納的原料多結晶矽。將晶種(seed)浸漬於熔融後接近熔點的矽融液表面（矽融液接觸步驟），調節液溫至晶種與矽融液親和的程度，為了除去親和之晶種內的錯位，在將晶種往上方拉引的同時進行直徑5ｍｍ左右的晶種直徑縮小（頸部(neck)步驟）。

在進行晶種直徑縮小之頸部步驟之後，調節液溫及拉引速度並同時以圓錐狀擴大結晶直徑至產品直徑（肩部形成步驟）。當結晶直徑達到製品直徑之後，以垂直方向育成作為製品之部分達一定長度（直體部形成步驟），然後以圓錐狀縮減結晶直徑（尾部步驟），直徑變成足夠小的時候自融液切離而結束。在這樣的CZ法中，希望能推測拉引時的矽單結晶溫度分布並製造良好品質的矽單結晶。

為此，專利文獻1揭示一種技術，其測量2種類以上的矽融液之中心軸方向溫度分布，以使變更加熱條件而量測到的2種類以上的中心軸方向溫度分布與透過包含各加熱條件之三維對流的總合傳熱分析所得的矽融液之中心軸方向溫度分布一致的方式調整亂流參數，以根據總合傳熱分析來推測矽單結晶之溫度。
〔先前技術文獻〕
〔專利文獻〕

〔專利文獻1〕日本特開2016-98147號公報

〔發明所欲解決之課題〕

然而，即使藉由上述專利文獻1所記載之技術以根據總合傳熱分析來推測矽單結晶之溫度，但由於實際進行矽單結晶拉引時有數個對流樣式，因此會有無法提高推測精確度的問題。

本發明之目的在於提供可掌握矽融液內之對流樣式並可高精確度地推測矽單結晶中之氧濃度的矽單結晶的氧濃度推測方法及矽單結晶的製造方法。
〔解決課題之手段〕

本發明之矽單結晶的氧濃度推測方法係施加水平磁場至石英坩堝內之矽融液並推測從該矽融液拉引之矽單結晶內的氧濃度的矽單結晶的氧濃度推測方法，其特徵在於：該矽單結晶藉由拉引裝置拉引，該拉引裝置具有相對於包含該拉引裝置之結晶拉引軸及該水平磁場之施加方向的面係非面對稱構造的熱區域形狀；在該矽單結晶的頸部步驟及肩部形成步驟其中至少一者中實施：量測該熱區域形狀之非面對稱構造之位置處的該矽融液之表面溫度的步驟；以及基於所量測之該矽融液之表面溫度以及預先準備的該矽融液之表面溫度與該矽單結晶中之氧濃度的關係，推測所拉引之矽單結晶之直體部中的氧濃度的步驟。

矽單結晶的拉引中，在矽融液內產生石英坩堝底部與矽融液表面之間的對流。在沒有施加水平磁場的狀態下，從石英坩堝上方看，此對流沿著石英坩堝之旋轉方向順時針或逆時針旋轉。若在此狀態下施加水平磁場，順時針或逆時針的旋轉受到拘束，石英坩堝底部與矽融液表面之間的對流固定至順時針或逆時針的旋轉。具有相對於包含拉引裝置之結晶拉引軸及水平磁場之施加方向的平面係非面對稱構造的熱區域形狀的拉引裝置中，若在矽融液表面之惰性氣體流速低的位置上惰性氣體之流動與對流之旋轉方向反向，則相反地在惰性氣體流速高的位置上惰性氣體之流動與對流之旋轉方向同向。

因此，若在惰性氣體流速高的位置上惰性氣體之流動與對流之旋轉方向同向，由於矽融液內的對流增速，促進底部氧濃度高之部分的攪拌，所拉引之矽單結晶中的氧濃度變高。另一方面，若在非面對稱構造之熱區域形狀中矽融液表面之惰性氣體流速高的位置上惰性氣體之流動與對流之旋轉方向反向，由於惰性氣體在抵消對流旋轉速度之方向上流動，矽融液難以攪拌，矽單結晶中的氧濃度變低。

從以上所述，由於藉由量測惰性氣體流速低之位置處的矽融液表面溫度可得知矽融液矽內對流的旋轉方向，基於預先準備的矽融液表面溫度與矽單結晶中之氧濃度的關係，可高精確度地推測所拉引之矽單結晶中的氧濃度。

本發明中，可考慮該熱區域形狀之非面對稱構造在配置為與該矽融液之表面間隔開的熱遮蔽體的一部分上形成切口部。根據此發明，由於藉由僅在熱遮蔽體之一部分上形成切口部即可形成矽融液表面之惰性氣體流速低的部分，可容易地形成熱區域形狀之非面對稱構造。此外，若熱區域形狀之非面對稱構造係藉由切口部形成，由於藉由從外部目視可掌握惰性氣體流速低的位置，可容易地進行矽融液表面溫度的量測。

本發明中，可考慮該熱區域形狀之非面對稱構造變更配置為與該矽融液之表面間隔開的熱遮蔽體的一部分的高度。在此，熱遮蔽體之液面高度的變更可藉由加厚熱遮蔽體之一部分的垂直尺寸、設置階差來進行。根據此發明，由於藉由僅加厚熱遮蔽體之一部分的垂直尺寸即可形成惰性氣體流速低的部分，可容易地形成熱區域形狀之非面對稱構造。

本發明之矽單結晶的製造方法係施加水平磁場至石英坩堝內之矽融液並從該矽融液拉引矽單結晶的矽單結晶的製造方法，其特徵在於進行：實施上述任一矽單結晶的氧濃度推測方法；以及基於所推測之該矽單結晶之氧濃度，調整構成該拉引裝置的石英坩堝之旋轉數、惰性氣體的流量、及爐內壓力其中至少一者，以進行該矽單結晶的拉引。根據此發明，亦可享受與上述作用及效果同樣的作用及效果。

以下基於圖式說明本發明的實施型態。
〔1〕第1實施型態
圖1及圖2表示可適用根據本發明第1實施型態之矽單結晶10之製造方法的矽單結晶之拉引裝置1的構造的一例的示意圖。拉引裝置1是根據丘克拉斯基法拉引矽單結晶10的裝置，包括構成外形的腔室2及配置於腔室2之中心部的坩堝3。坩堝3是由內側的石英坩堝3A及外側的石墨坩堝3B所構成的雙重構造，固定於可旋轉及升降之支撐軸4的上端部。

在坩堝3之外側設有包圍坩堝3的阻抗加熱式之加熱器5，在此加熱器之外側沿著腔室2之內面設有隔熱材6。在坩堝3之上方設有與支撐軸4同軸地依相反方向或相同方向以預定速度旋轉的線材等的結晶拉引軸7。晶種8係安裝至此結晶拉引軸7之下端。

熱遮蔽體12，對於育成中之矽單結晶10遮蔽來自坩堝3內之矽融液9、加熱器5、坩堝3之側壁的高溫輻射熱的同時，對於作為結晶成長面之固液界面附近亦發揮抑制熱向外部擴散、控制單結晶中心部及單結晶外圍部的拉引軸方向之溫度梯度的作用。此外，熱遮蔽體12亦具備藉由從爐上方導入惰性氣體而將來自矽融液9之蒸發物向爐外排氣的整流筒之功能。

在腔室2之上部設有將氬氣氣體（以下稱作Ar氣體）等惰性氣體導入至腔室2內的氣體導入口13。在腔室2之下部設有藉由圖未示出之真空幫浦驅動而將腔室2內之氣體吸引排出的排氣口14。從氣體導入口13導入至腔室2內的惰性氣體，在育成中之矽單結晶10與熱遮蔽體12之間下降並經過熱遮蔽體12之下端與矽融液9之液面之間的間隙後，流向熱遮蔽體12之外側及進一步坩堝3之外側，其後在坩堝3之外側下降並從排氣口14排出。

將水平磁場施加至拉引裝置1。水平磁場之磁力線在圖1中係垂直於紙面之方向。為了使熱區域形狀相對於包含水平磁場磁力線之施加方向及結晶拉引軸7的平面S係非面對稱構造，熱遮蔽體12在熱遮蔽體12左側下端部形成切口部121。此外，如圖1所示，在腔室2上部切口部121的正上方，配置輻射溫度計15，並如圖2所示，可不接觸地量測切口部121附近之量測點P處的矽溶液9之表面溫度。

從氣體導入口13供給的Ar氣體供給至矽融液9的表面，沿著液面流向石英坩堝3A的外側。此時，流經切口部121之部分的Ar氣體的流速隨著因切口部121間隙變大而變低。另一方面，沒有形成切口部之部分的Ar氣體的流速隨著維持在間隙小之狀態而高。

使用此種拉引裝置1來製造矽單結晶10的時候，在腔室2內維持於減壓下之惰性氣體大氣的狀態下，藉由加熱器5之加熱來熔融填充於坩堝3中的多結晶矽等固體原料，形成矽融液9。當在坩堝3內形成矽融液9時，下降結晶拉引軸7以將晶種8浸漬於矽融液9中，以預定方向旋轉坩堝3及結晶拉引軸7的同時將結晶拉引軸7緩緩地拉引，藉此育成與晶種8相連之矽單結晶10。

〔2〕本發明之先前技術
本發明人已知，即使使用相同的拉引裝置1、以相同的拉引條件進行拉引，仍有所拉引之矽單結晶10的氧濃度高的情況及氧濃度低的情況。習知上為了消除此現象，雖然可選擇性地調查拉引條件，但沒有發現確實的解決方法。

然後，進行調查的時候，本發明人發現，將固體之多晶矽原料投入石英坩堝3Ａ中並溶解後，在施加水平磁場並拉引矽單結晶10的步驟中，有以水平磁場之磁力線為軸從石英坩堝3A底部向矽融液9表面旋轉的對流。此對流的旋轉方向有逆時針是優勢之情況及逆時針不是優勢之情況的2種對流樣式。

發明人推測此種現象的發生是因為以下機制。首先，如圖3(A)所示，在不施加水平磁場、不旋轉石英坩堝3A的狀態下，由於在石英坩堝3A外圍附近加熱矽融液9，產生從矽融液9底部向表面的上升方向之對流。上升之矽融液9在矽融液9表面冷卻，並在石英坩堝3A中心處返回石英坩堝3A底部，產生下降方向之對流。

在產生外圍部分上升、中央部分下降之對流的狀態下，由於熱對流導致之不穩定性，下降流之位置會無秩序地移動並偏離中心。當在圖3(A)之狀態下施加水平磁場時，從石英坩堝3A上方觀察時的下降流之旋轉緩緩地受到拘束，並如圖3(B)所示，拘束至最遠離水平磁場中心磁力線的位置。

當繼續此狀態並加大水平磁場強度時，如圖3(C)所示，下降流右側與左側的上升方向對流的大小改變，若是圖3(C)，則下降流左側的上升方向對流是優勢。最後，如圖3(D)所示，下降流右側的上升方向對流消失，變成左側是上升方向之對流，右側是下降方向之對流，成為順時針的對流。另一方面，若圖3(A)最初下降流之位置以石英坩堝3A旋轉方向移動180度相位，則下降流拘束至與圖3(C)相差180度相位的左側位置，成為逆時針的對流。

因此，本發明人推測，此順時針、逆時針之對流與拉引裝置1爐內環境之非軸對稱構造的組合是矽單晶體10之氧濃度產生差異的原因。從以上所述，本發明人認為，可藉由量測矽融液9液面的表面溫度來掌握矽融液9內部的對流方向，並可從拉引裝置1爐內環境之非面對稱構造，高精確度地推測矽單結晶10的氧濃度。

〔3〕矽單結晶的氧濃度推測方法
圖4表示矽融液9之對流旋轉方向與拉引裝置1之非面對稱之熱區域形狀的關係。如上所述，在拉引裝置1之熱遮蔽體12的一側形成切口部121。意即，拉引裝置1相對於包含結晶拉引軸7及水平磁場施加方向的平面S具有非面對稱之熱區域形狀，而非面對稱之熱區域形狀係藉由切口部121實現。輻射溫度計15，如圖4(A)及圖4(B)所示，量測切口部121所形成之部分附近的矽融液9表面溫度。

溶解固體之多晶矽後，在施加磁場並拉引矽單結晶10的步驟中，當將形成切口部121之熱遮蔽體12設置於矽單結晶10附近時，由於切口部121爐內的氣體流量變得不均勻。氬氣氣體在熱遮蔽體12的切口部121處流量增加且流速加快。矽單結晶10拉引中的矽融液9之表層部，由於來自該表層的氧蒸發，而被認為成為低氧濃度區域9A。

圖4(A)的情況中，矽融液9之對流為順時針，而相對於低氧濃度區域9A靠近矽單結晶10之流動，流量及流速大的氬氣流因切口部121變成反向，因此，矽單結晶10難以攝取低氧濃度區域9A，成為高氧濃度。另一方面，圖4(B)的情況中，矽融液9之滯留為逆時針，而相對於低氧濃度區域9A靠近矽單結晶之流動，流量及流速大的氬氣流因切口部121變成順向，因此，矽單結晶10容易攝取低氧濃度區域9A，成為低氧濃度。

在矽單結晶10的頸部(neck)步驟中，因矽融液9之對流為順時針、逆時針的不同，以輻射溫度計15量測的矽融液9表面溫度，如圖5所示，確認會產生明顯的差異。圖5中的符號4A為圖4(A)之順時針情況，而圖5中的符號4B為圖4(B)之逆時針情況。藉此，確認透過量測矽融液9表面溫度可辨別矽融液9之對流是順時針或逆時針。

接著，從頸部步驟中所量測到之矽融液9表面溫度拉引的矽單結晶10的直體部的氧濃度係以FTIR(Fourier Transform Infrared Spectroscopy)量測，如圖6所示，確認在直體部的氧濃度會產生差異。圖6中的符號5A為圖4(A)之順時針情況，而圖6中的符號5B為圖4(B)之逆時針情況。

因此，若利用圖5及圖6的關係，在頸部步驟中，確認透過量測矽融液9表面溫度可高精確度地推測所拉引之矽單結晶10的直體部的氧濃度。另外，本實施型態中，雖然在頸部步驟中量測矽融液9表面溫度，但本發明不限定於此。例如，亦可在矽單結晶10之肩部形成步驟中量測切口部121附近的矽融液9表面溫度。簡而言之，只要可藉由輻射溫度計15量測切口部121附近的矽融液9表面溫度，即可適用本發明。

〔4〕矽單結晶的製造方法
接著基於圖7所示的流程圖說明本實施型態的矽單結晶的製造方法。在上述矽單結晶的拉引裝置1中，將晶種8浸漬於矽融液9，以開始矽單結晶10的拉引（步驟S1）。晶種8與矽融液9親和之後將晶種8往上方拉引的同時進行晶種直徑縮小，開始頸部步驟（步驟S2）。

頸部步驟開始的同時，藉由輻射溫度計15進行熱遮蔽體12之切口部121附近的矽融液9表面溫度的量測（步驟S3）。矽融液9表面溫度的量測在頸部步驟中持續實施，直到頸部步驟結束（步驟S4）。當矽融液9的溫度量測結束時，基於預先準備的圖5及圖6的圖，推測矽單結晶10中的氧濃度（步驟S5）。

推測拉引之矽單結晶10中的氧濃度後，以使氧濃度在製品規格內的方式，調整矽單結晶10之直體部的拉引條件（步驟S6）。具體而言，拉引條件係藉由調整坩堝3的旋轉數、氬氣流量、爐內壓力來進行。當拉引條件的調整結束時，進行矽單結晶10之直體部的拉引（步驟S7）。

〔5〕第1實施型態的作用及效果
根據此種實施型態，藉由以輻射溫度計15量測矽融液9之表面溫度，可推測所拉引之矽單結晶10的氧濃度。意即，矽單結晶10的拉引開始後，在頸部步驟、肩部形成步驟期間進行溫度量測，可高精確度地推測所拉引之矽單結晶10的氧濃度。因此，在矽單結晶10之直體部的拉引之前調整拉引條件，可進行氧濃度在製品規格內的單結晶10的拉引。由於矽單結晶之拉引裝置1的非面對稱之熱區域形狀係藉由在熱遮蔽體12形成切口部121來實現，以輻射溫度計15量測矽融液9表面溫度的溫度量測位置變得容易看到，可容易地進行矽融液9表面的溫度量測。

〔6〕第2實施型態
接著說明本發明的第2實施型態。另外，以下說明中，對於已說明過的部分等，標示相同符號而省略其說明。在上述第1實施型態中，矽單結晶之拉引裝置1的非面對稱之熱區域形狀係藉由在熱遮蔽體12形成切口部121來進行。相對於此，在本實施型態中，如圖8所示，差異在於藉由將熱遮蔽體12之下部的一部分變更成加厚部122來實現矽單結晶之拉引裝置1A的非面對稱之熱區域形狀。

在加厚部122，加厚部122下端與矽融液9液面之間的間隔比熱遮蔽體12的其他部分來得小。當此部分的間隔變小時，沒有形成加厚部122的相對側的氬氣之流量及流速會增加，且其流動反向於矽融液9表面之低氧濃度區域9A靠近矽單結晶10的方向，矽單結晶10難以攝取低氧濃度區域9A，成為高氧濃度。因此，藉由這樣的本實施型態，亦可享受與上述作用及效果同樣的作用及效果。
〔實施例〕

接著說明本發明的實施例。另外，本發明並非限定於實施例。藉由根據第1實施型態的矽單結晶之拉引裝置1，進行3條矽單結晶10的拉引。頸部步驟中，用放射溫度計15量測切口部121附近的矽融液9表面溫度，其結果顯示於圖9。如圖9所示，對於實驗例A，頸部步驟期間，矽融液9表面溫度顯示出高的值。另一方面，對於實驗例B及實驗例C，頸部步驟期間，矽融液9表面溫度顯示出低的值。

實驗例A推測為如圖4(A)所示，矽融液9之對流是順時針，矽單結晶10的氧濃度高。另一方面，實驗例B、實驗例C推測為如圖4(B)所示，矽融液9之對流是逆時針，矽單結晶10的氧濃度低。在此，對於實驗例B，如圖10所示，將其爐內壓設定為比實驗例A、實驗例C高以進行拉引。此外，對於實驗例B，如圖11所示，將其坩堝旋轉數設定為比實驗例A、實驗例C高以進行拉引。

量測所拉引之矽單結晶10的氧濃度，其結果顯示於圖12。實驗例A，如推測，其氧濃度為高。實驗例C，如推測，其氧濃度為低。實驗例B，藉由調整爐內壓、坩堝旋轉數，確認其氧濃度比實驗例C之情況提高。

從以上所述，在非面對稱構造的矽單結晶之拉引裝置1中，藉由用輻射溫度計15量測切口部121附近的矽融液9之表面溫度，確認可推測所拉引之矽單結晶10的氧濃度。此外，推測後，藉由調整爐內壓、坩堝旋轉數等拉引條件，確認可調整所拉引之矽單結晶10的氧濃度。

1‧‧‧拉引裝置

1A‧‧‧拉引裝置

2‧‧‧腔室

3‧‧‧坩堝

3A‧‧‧石英坩堝

3B‧‧‧石墨坩堝

4‧‧‧支撐軸

4A‧‧‧圖4(A)之順時針情況

4B‧‧‧圖4(B)之逆時針情況

5‧‧‧加熱器

5A‧‧‧圖4(A)之順時針情況

5B‧‧‧圖4(B)之逆時針情況

6‧‧‧隔熱材

7‧‧‧結晶拉引軸

8‧‧‧晶種

9‧‧‧矽融液

9A‧‧‧低氧濃度區域

10‧‧‧矽單結晶

12‧‧‧熱遮蔽體

13‧‧‧氣體導入口

14‧‧‧排氣口

15‧‧‧輻射溫度計

121‧‧‧切口部

122‧‧‧加厚部

P‧‧‧量測點

S‧‧‧包含結晶拉引軸及水平磁場施加方向的平面

S1‧‧‧步驟

S2‧‧‧步驟

S3‧‧‧步驟

S4‧‧‧步驟

S5‧‧‧步驟

S6‧‧‧步驟

S7‧‧‧步驟

〔圖1〕係表示根據本發明第1實施型態的具有非面對稱之熱區域(hot zone)形狀的拉引裝置的構造的示意圖；

〔圖2〕係表示上述實施型態的具有非面對稱之熱區域形狀的拉引裝置的構造的示意俯視圖；

〔圖3〕係表示上述實施型態的矽融液之對流變化的示意圖；

〔圖4〕係表示上述實施型態的具有非面對稱之熱區域形狀的拉引裝置中的氬氣流動的示意圖；

〔圖5〕係表示上述實施型態的頸部長度與矽融液溫度之關係的示意圖；

〔圖6〕係表示上述實施型態的矽單結晶之直體長度與氧濃度之關係的示意圖；

〔圖7〕係表示上述實施型態的矽單結晶的氧濃度推測方法的流程圖；

〔圖8〕係表示根據本發明第2實施型態的具有非面對稱之熱區域形狀的拉引裝置的構造的示意圖；

〔圖9〕係表示本發明之實施例及比較例的頸部長度與矽融液表面溫度之關係的示意圖；

〔圖10〕係表示本發明之實施例及比較例的拉引條件之調整方法的圖；

〔圖11〕係表示本發明之實施例及比較例的拉引條件之調整方法的圖；及

〔圖12〕係表示本發明之實施例及比較例的矽單結晶之直體長度與氧濃度之關係的圖。

Claims (4)

1. 一種矽單結晶的氧濃度推測方法，其施加水平磁場至石英坩堝內之矽融液並推測從該矽融液拉引之矽單結晶內的氧濃度，該矽單結晶的氧濃度推測方法之特徵在於： 該矽單結晶藉由拉引裝置拉引，該拉引裝置具有相對於包含該拉引裝置之結晶拉引軸及該水平磁場之施加方向的面係非面對稱構造的熱區域形狀；及 在該矽單結晶的頸部步驟及肩部形成步驟其中至少一者中，實施： 量測該熱區域形狀之非面對稱構造之位置處的該矽融液之表面溫度的步驟；以及 基於所量測之該矽融液之表面溫度以及預先準備的該矽融液之表面溫度與該矽單結晶中之氧濃度的關係，推測所拉引之矽單結晶之直體部中的氧濃度的步驟。
2. 如申請專利範圍第1項之矽單結晶的氧濃度推測方法，其中該熱區域形狀之非面對稱構造在配置為與該矽融液之表面間隔開的熱遮蔽體的一部分上形成切口部。
3. 如申請專利範圍第1項之矽單結晶的氧濃度推測方法，其中該熱區域形狀之非面對稱構造變更配置為與該矽融液之表面間隔開的熱遮蔽體的一部分的高度。
4. 一種矽單結晶的製造方法，其施加水平磁場至石英坩堝內之矽融液並從該矽融液拉引矽單結晶，該矽單結晶的製造方法之特徵在於進行： 實施如申請專利範圍第1至3項其中任一項之矽單結晶的氧濃度推測方法；以及 基於所推測之該矽單結晶之氧濃度，調整構成該拉引裝置的石英坩堝之旋轉數、惰性氣體的流量、及爐內壓力其中至少一者，以進行該矽單結晶的拉引。