TWI785889B - 矽單結晶的氧濃度推定方法、矽單結晶的製造方法及矽單結晶製造裝置 - Google Patents

矽單結晶的氧濃度推定方法、矽單結晶的製造方法及矽單結晶製造裝置 Download PDF

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Abstract

[課題]提供能夠防止矽單結晶的氧濃度的二極化以製造相同品質的矽單結晶的矽單結晶的氧濃度推定方法、矽單結晶的製造方法及矽單結晶製造裝置。 [解決手段]根據本發明之矽單結晶的氧濃度推定方法，係在對石英坩堝內的矽熔液施加橫磁場的同時提拉矽單結晶時，測量熔液面的高度（間隙）（S21），並由熔液面的高度（間隙）的微小變動推定矽單結晶的氧濃度（S22~S26）。

Description

矽單結晶的氧濃度推定方法、矽單結晶的製造方法及矽單結晶製造裝置
本發明是有關於藉由柴可斯基（Czochralski）法（CZ法）製造的矽單結晶的氧濃度推定方法。此外，本發明是有關於使用這樣的氧濃度推定方法的矽單結晶的製造方法及矽單結晶製造裝置，特別是有關於在對熔液施加磁場的同時提拉單結晶的MCZ法（Magnetic field applied Czochralski method）。
已知作為利用CZ法之矽單結晶的製造方法的MCZ法。MCZ法係藉由在對石英坩鍋內的矽熔液施加磁場的同時提拉單結晶以抑制熔液對流的方法。藉由抑制熔液對流，能夠壓抑石英坩堝與熔液的反應，能夠抑制溶入矽熔液中的氧的量以將矽單結晶的氧濃度壓抑得較低。
作為磁場的施加方法，儘管已知幾個方法，施加水平磁場的HMCZ法（Horizontal MCZ method）的實用化正在進行。在HMCZ法中，由於施加了與石英坩鍋的側壁垂直的磁場，有效抑制了坩堝的側壁附近的熔液對流，來自坩堝的氧的溶出量減少。另一方面，由於在熔液表面的對流抑制效果較小且沒有抑制來自熔液表面的氧（矽氧化物）的蒸發，能夠降低熔液中的氧濃度。因此，能夠生長低氧濃度的單結晶。
有關於HMCZ法，例如在專利文獻1中已記載：在矽單結晶的頸（neck）步驟及肩部形成步驟的至少一個，測量在成為熱區（hot zone）形狀的非面對稱構造的位置之矽熔液的表面溫度，且由這個表面溫度推定矽單結晶中的氧濃度的方法。
此外，在專利文獻2中已記載：在熱遮蔽體的下端與矽熔液的表面之間流動的惰性氣體相對於包含結晶提拉軸以及水平磁場的施加方向的平面是非對稱的，且形成相對於結晶提拉軸非旋轉對稱的流動分布，在無磁場下維持非面對稱且非旋轉對稱的惰性氣體的流動分布，直到石英坩堝內的矽原料全部熔融。 [先前技術文獻] [專利文獻]
[專利文獻1]日本專利特開2019－151499號公報 [專利文獻2]日本專利特開2019－151503號公報
[發明所欲解決的問題]
近年，在利用施加水平磁場的柴可斯基法之矽單結晶的提拉中，即使使用同一提拉裝置並在同一提拉條件下提拉矽單結晶，提拉的矽單結晶的品質也不會相同，特別是已知矽單結晶中的氧濃度會二極化。
僅管記載於專利文獻1及2的技術解決了這樣的問題，但期望也可以藉由其他的方法解決。
因此，本發明的目的是提供能夠防止矽單結晶的氧濃度的二極化以製造相同品質的矽單結晶之矽單結晶的氧濃度推定方法、矽單結晶的製造方法及矽單結晶製造裝置。 [用以解決問題的手段]
為了解決上述問題，根據本發明之矽單結晶的氧濃度推定方法，其特徵在於：在對石英坩堝內的矽熔液施加橫磁場的同時提拉矽單結晶時，測量前述矽熔液的熔液面的高度，並由前述熔液面的高度的微小變動推定前述矽單結晶的氧濃度。
根據本發明，能夠推定矽單結晶的氧濃度為相對高的值或相對低的值的哪一個，即能夠推定矽單結晶的氧濃度的二極化的方向。因此，能夠根據這個氧濃度的推定結果控制結晶生長條件以控制在結晶成長方向之矽單結晶的氧濃度的變動。
根據本發明之矽單結晶的氧濃度推定方法，優選為以50秒以下的抽樣（sampling）週期週期性地測量前述熔液面的高度，抽樣週期更優選為10秒以下。藉此，能夠捕捉矽熔液的對流模式的差異導致的熔液面的微小變動，能夠從熔液面的微小變動推定氧濃度的二極化的方向。儘管抽樣週期越小越能夠捕捉熔液面的微小變動，由於數據量會變得龐大，抽樣週期優選為1秒以上。
在本發明中，前述熔液面的高度的測量值的解析力優選為0.1mm以下。藉此，能夠正確地捕捉矽熔液地對流模式的差異導致的熔液面的微小變動，能夠由熔液面的微小變動推定氧濃度的二極化的方向。矽熔液的對流模式的差異導致的熔液面的微小變動以50秒以下的短週期上下變動，其變動量小且標準差的值為1mm以下。此外，藉由固定熔液面上的測量範圍以測量熔液面的高度位置，能夠把握熔液面的微小變動。換句話說，微小變動是指：在以50秒以下的抽樣週期測量熔液面的高度時，熔液面的高度的標準差為1mm以下的上下變動。
根據本發明之矽單結晶的氧濃度推定方法，優選為由過去的矽單結晶的提拉實際數據確定熔液面的高度的微小變動與氧濃度的二極化的方向的相關關係，並根據前述相關關係推定前述矽單結晶的氧濃度。藉此，能夠提高矽單結晶的氧濃度的二極化的方向的推定精度。
根據本發明之矽單結晶的氧濃度推定方法，優選為由過去的矽單結晶的提拉實際數據確定可以見到氧濃度的二極化的結晶部分，並以生長這個結晶部分的期間作為測量前述熔液面的高度的抽樣期間以進行設定。藉此，能夠提高矽單結晶的氧濃度的二極化的方向的推定精度。
根據本發明之矽單結晶的氧濃度推定方法，優選為由在從前述矽單結晶的主體（body）部的上端到下方一定的範圍內測量之前述熔液面的高度的微小變動推定前述矽單結晶的氧濃度。藉此，能夠在早期推測氧濃度的二極化的方向以抑制矽單結晶的氧濃度的變動，並得到在結晶軸方向的氧濃度分布均一的單結晶。
在掌握前述熔液面的微小變動時，優選為以配置於前述矽熔液的上方的熱遮蔽體的下端作為基準，測量前述熔液面的高度位置。也就是，優選為藉由測量配置於前述矽熔液的上方的熱遮蔽體與前述熔液面之間的間隙（以下，有時表示為GAP），掌握前述熔液面的高度的微小變動。能夠由所測量的間隙的值的變動正確地測量熔液面的微小變動。因此，能夠提高矽單結晶的氧濃度的推定精度。
此外，根據本發明之矽單結晶的製造方法，包含在對石英坩堝內的矽熔液施加橫磁場的同時提拉矽單結晶之矽單結晶的製造步驟；前述矽單結晶的製造步驟係藉由上述根據本發明之矽單結晶的氧濃度推定方法以推定前述矽單結晶的氧濃度，並調整結晶生長條件以使前述矽單結晶的氧濃度的推定值接近目標值。
再者，根據本發明之矽單結晶製造裝置具備：結晶提拉爐；石英坩堝，在前述結晶提拉爐內支持矽熔液；坩堝旋轉機構，旋轉及昇降驅動前述石英坩堝；磁場產生裝置，對前述矽熔液施加橫磁場；結晶提拉機構，從前述矽熔液提拉矽單結晶；熔液面測量手段，週期性地測量前述矽熔液的熔液面的高度；和控制部，控制結晶生長條件，前述控制部係由前述熔液面的高度的微小變動的行為推定前述矽單結晶的氧濃度，並調整前述結晶生長條件以使前述矽單結晶的氧濃度的推定值接近目標值。
根據本發明，能夠由熔液面的微小變動推定矽單結晶的氧濃度為相對高的值或相對低的值的哪一個。因此，能夠根據這個氧濃度的推定結果控制結晶生長條件以抑制在結晶成長方向之矽單結晶的氧濃度的變動。
前述結晶生長條件優選為前述石英坩鍋的旋轉速度、供給到結晶提拉爐內的惰性氣體的流量、以及前述結晶提拉爐內的壓力的至少一個。藉此，能夠抑制矽單結晶的氧濃度的變動。 [發明的效果]
根據本發明，能夠提供能夠防止矽單結晶的氧濃度的二極化以製造相同品質的矽單結晶之矽單結晶的氧濃度推定方法、矽單結晶的製造方法及矽單結晶製造裝置。
[用以實施發明之形態]
以下，參照所附圖式的同時，詳細說明本發明的優選的實施的形態。
第1圖所示為根據本發明的實施的形態之矽單結晶製造裝置的構成的示意側面剖面圖。
如第1圖所示，矽單結晶製造裝置1具備：構成結晶提拉爐的腔室10、在腔室10內保持矽熔液2的石英坩堝11、保持石英坩堝11的石墨坩堝12、支持石墨坩堝12的旋轉軸13、旋轉及昇降驅動旋轉軸13的軸驅動機構14、配置於石墨坩堝12的周圍的加熱器15、加熱器15的外側之沿著腔室10的內面配置的絕熱材16、配置於石英坩堝11的上方的熱遮蔽體17、石英坩堝11的上方之與旋轉軸13同軸配置的提拉線18、和配置於腔室10的上方的線捲取機構19。
腔室10係由主腔室10a、和連結到主腔室10a的上部開口之細長圓筒狀的拉腔室（pull chamber）10b所構成，石英坩堝11、石墨坩堝12、加熱器15及熱遮蔽體17係設置於主腔體10a內。在拉腔室10b設有用於將Ar氣等的惰性氣體（排淨氣體（purge gas））、摻質氣體等導入腔室10內的氣體導入口10c，在主腔室10a的下部設有用於排出腔室10內的氣氛的氣體排出口10d。
石英坩堝11係具有圓筒狀的側壁部與彎曲的底部之石英玻璃製的容器。石墨坩堝12為了維持因為加熱而軟化的石英坩堝11的形狀，緊密接觸石英坩堝11的外表面並包覆石英坩堝11來保持。石英坩堝11及石墨坩堝12在腔室10內構成支持矽熔液之雙重構造的坩堝。
石墨坩堝12被固定在旋轉軸13的上端部，旋轉軸13的下端部貫通腔室10的底部以連接到設置於腔室10的外側的軸驅動機構14。旋轉軸13及軸驅動機構14構成驅動石英坩堝11及石墨坩堝12的旋轉及昇降的坩堝旋轉機構。
加熱器15在熔化填充於石英坩堝11內的矽原料以生成矽熔液2的同時，用於維持矽熔液2的熔融狀態。加熱器15是碳製的電阻加熱式加熱器，設置為包圍石墨坩堝12內的石英坩堝11。再者，在加熱器15的外側設置絕熱材16以包圍加熱器15，藉此提高腔室10內的保溫性。
熱遮蔽體17抑制矽熔液2的溫度變動並在結晶成長界面附近形成適當的熱區的同時，被設置以用於防止來自加熱器15及石英坩堝11的輻射熱導致之矽單結晶3的加熱。熱遮蔽體17係覆蓋矽單結晶3的提拉路徑以外之矽熔液2的上方的區域之石墨製的構件，具有例如開口尺寸從下端往上端變大的逆圓錐台形狀。
熱遮蔽體17的下端的開口17a的直徑比矽單結晶3的直徑更大，藉此確保矽單結晶3的提拉路徑。由於熱遮蔽體17的開口17a的直徑比石英坩堝11的口徑更小，且熱遮蔽體17的下端部位於石英坩堝11的內側，即使將石英坩堝11的邊緣上端上昇到比熱遮蔽體17的下端更上方，熱遮蔽體17也不會與石英坩堝11干涉。
儘管石英坩堝11內的熔液量隨著矽單結晶3的成長而減少，藉由上昇石英坩堝11以使熱遮蔽體17的下端與熔液面2s之間的間隙GA固定，在抑制矽熔液2的溫度變動的同時，使在熔液面2s的附近流動的氣體的流速固定且能夠控制來自矽熔液2的摻質的蒸發量。因此，能夠使矽單結晶3的提拉軸方向的結晶缺陷分布、氧濃度分布、電阻率分布等的穩定性提高。
在石英坩堝11的上方，設有矽單結晶3的提拉軸之提拉線18、和捲起提拉線18的線捲取機構19。線捲取機構19與提拉線18共同具有使矽單結晶3旋轉的功能。線捲取機構19係配置於拉腔室10b的上方，提拉線18從線捲取機構19通過拉腔室10b內並往下方延伸，提拉線18的前端部到達主腔室10a的內部空間。第1圖顯示了生長途中的矽單結晶3被吊設於提拉線18的狀態。在矽單結晶3的提拉時，藉由在分別使石英坩堝11與矽單結晶3旋轉的同時逐漸提拉提拉線18以使矽單結晶3成長。如此一來，提拉線18及線捲取機構19構成從矽熔液2提拉矽單結晶3的結晶提拉機構。
在主腔室10a的上部設有用於觀察內部的觀察窗10e，且能夠從觀察窗10e觀察矽單結晶3的生長狀況。在觀察窗10e的外側設置有照相機（camera）20。在單結晶提拉步驟中，照相機20由斜上方攝影從觀察窗10e透過熱遮蔽體17的開口17a可見的矽單結晶3與矽熔液2的邊界。來自照相機20的攝影影像係在影像處理部21進行處理，處理結果係在控制部22用於結晶生長條件的控制。
矽單結晶製造裝置1具備對石英坩堝11內的矽熔液2施加橫磁場（水平磁場）的磁場產生裝置30。磁場產生裝置30具備夾住主腔室10a以對向配置之一對電磁線圈31A、31B。電磁線圈31A、31B根據來自控制部22的指示運作，且控制磁場強度。磁場產生裝置30產生的水平磁場的中心位置（磁場中心位置）是指連結對向配置的電磁鐵圈31A、31B的中心之水平方向的線（磁場中心線）的高度方向的位置。根據水平磁場方式，能夠有效地抑制矽熔液2的對流。
在矽單結晶3的提拉步驟中，在使晶種降下以浸漬於矽熔液2後，在使晶種及石英坩堝11分別旋轉的同時，藉由使晶種緩慢上昇，使大致圓柱狀的矽單結晶3成長於晶種的下方。此時，矽單結晶3的直徑係由其提拉速度、加熱器15的功率等來控制。此外，藉由對矽熔液2施加水平磁場，壓抑了垂直於磁力線的方向的熔液對流。
第2圖所示為根據本發明的實施的形態之矽單結晶的製造步驟的流程圖。此外，第3圖所示為矽單結晶鑄錠的形狀的示意剖面圖。
如第2圖所示，在根據本實施的形態之矽單結晶的製造中，具有：藉由以加熱器15加熱並熔化石英坩堝11內的矽原料以生成矽熔液2的原料熔化步驟S11；使附著在提拉線18的前端部的晶種降下並觸液於矽熔液2的觸液步驟S12；和在維持與矽熔液2的接觸狀態的同時逐漸提拉晶種以生長單結晶的結晶提拉步驟S13。
結晶提拉步驟S13具有：為了無差排化而形成結晶直徑被擠壓變細的頸部3a之頸縮步驟S14；形成結晶直徑逐漸變大的肩部3b之肩部生長步驟S15；形成結晶直徑維持在規定的直徑（例如320mm）的主體部3c之主體部生長步驟S16；和形成結晶直徑逐漸變小的尾部3d之尾部生長步驟S17，在尾部生長步驟S17的結束時，從矽熔液2切離矽單結晶3。如此一來，如第3圖所示，完成了具有頸部3a、肩部3b、主體部3c及尾部3d的矽單結晶鑄碇3I。
磁場施加步驟S18與結晶提拉步驟S13並行實施。磁場施加步驟S18在從觸液步驟S12的開始時到主體部生長步驟S16結束的期間對石英坩堝11內的矽熔液2施加橫磁場（水平磁場）。藉此，能夠抑制矽熔液2的對流以抑制從石英坩堝11到矽熔液2的氧的溶入。此外，能夠抑制熔液面2s的波紋以使結晶提拉步驟穩定。
在結晶提拉步驟S13中，由照相機20的攝影影像得到熔液面2s的高度位置及矽單結晶3的直徑，特別是以熔液面2s的高度位置作為熱遮蔽體17的下端與熔液面2s之間的間隙GA來得到。結晶直徑及間隙係根據配合結晶成長階段所預定的輪廓以進行回饋控制。照相機20及影像處理部21構成週期性地測量矽熔液2的熔液面2s的高度的熔液面測量手段。
在主體部生長步驟S16中，以非常短的抽樣週期精密地測量，並由微小的間隙變動推定矽單結晶的氧濃度。接著根據氧濃度的推定結果調整結晶生長條件。具體而言，調整結晶生長條件以在氧濃度的推定值變得比目標值高時使氧濃度變低，且在氧濃度的推定值變得比目標值低時使氧濃度變高。結晶生長條件是石英坩堝的旋轉速度、Ar氣流量、爐內壓的至少一個。
接著，詳細說明矽單結晶中的氧濃度的推定方法。
第4圖所示為使用同一矽單結晶裝置以在同一條件下生長複數根矽單結晶的氧濃度分布的圖表，橫軸顯示結晶長（相對值）、縱軸顯示氧濃度（×10 17atoms/cm 3）。另外，結晶長（相對值）係顯示在以主體部的開始位置為0%且以主體部的結束位置為100%時的矽單結晶的成長方向之相對位置。
如第4圖所示，在矽單結晶的結晶成長方向之氧濃度分布可以分為在主體部的前半（在此是從主體部的上端（0%）到40%的範圍）之氧濃度較高的情況與較低的情況。儘管上述矽單結晶3中的氧濃度二極化的根本原因並不清楚，但認為石英坩堝11內的熔液對流MC有影響。也就是，如第5(a)及5(b)圖所示，由石英坩堝11內的熔液對流MC從水平磁場HZ的行進方向看是右旋（順時針旋轉）的滾動流動（參照第5(a)圖）還是左旋（逆時針旋轉）的滾動流動（參照第5(b)圖），推測為分為氧濃度較高的情況與較低的情況。在熔液對流MC右旋/左旋的時候，不清楚矽單結晶3中的氧濃度為高/低的哪一個。
重大的問題是，雖然使用同一矽單結晶製造裝置1以在同一生長條件下生長矽單結晶3，但氧濃度的二極化並非唯一由熔液對流MC是右旋還是左旋決定，而是因為對流模式的差異。因此，矽單結晶3中的氧濃度無法在其整個長度上保持在規格內，矽單結晶3的製造良率惡化。
第6圖所示為矽單結晶的氧濃度與微小的間隙變動的測量值的關係的圖表，橫軸顯示微小的間隙變動(GAP變動)，縱軸顯示在二極化的區域之矽單結晶的氧濃度。特別是，橫軸顯示在主體部的結晶長為0~100mm的範圍內之間隙測量值的標準差σ(mm)，縱軸顯示在主體部的結晶長在200~600mm的範圍內之氧濃度的平均值(×1017atoms/cm3)。
如第6圖所示，矽單結晶中的氧濃度二極化，氧濃度較低時微小的間隙變動σ較大，氧濃度較高時微小的間隙變動σ較小。也就是，微小的間隙變動與矽單結晶的氧濃度之間有很強的相關。
第7(a)及7(b)圖所示為微小的間隙變動與氧濃度的關係的圖表，橫軸顯示結晶長(相對值)，左縱軸顯示間隙變動σ(mm)，右縱軸顯示氧濃度(×1017atoms/cm3)。此外，第7(a)圖顯示矽單結晶的氧濃度變高的情況，第7(b)圖顯示矽單結晶的氧濃度變低的情況。
如第7(a)圖所示，在間隙變動較小的情況下，在主體部的結晶長為60%以下的範圍可見到氧濃度變高的傾向。另一方面，可以理解間隙變動較小且穩定。
另一方面，如第7(b)圖所示，在間隙變動較大的情況下，在主體部的結晶長為40%以下的範圍可見到氧濃度變低的傾向。另一方面，有關間隙變動，可以理解間隙變動σ在主體部的結晶長為40%以下的範圍逐漸變大。
如上所述，間隙變動與氧濃度之間有一定的相關。於是，有關本實施形態，在主體部生長步驟中測量間隙變動，根據上述間隙變動推定矽單結晶的氧濃度的二極化的方向，且根據上述推定結果調整結晶生長條件，藉此抑制氧濃度的二極化以穩定結晶品質。
間隙變動變大的現象不一定是在矽單結晶中的氧濃度變低時發生，也可能在矽單結晶中的氧濃度變高時發生，間隙變動的行為與氧濃度的二極化的關係因矽單結晶製造裝置而異。此外，氧濃度的二極化現象不一定是在主體部生長步驟的開始後立即發生，也可能是在主體部的成長進行一定程度後發生，因矽單結晶製造裝置而異。因此，間隙變動的行為與氧濃度的二極化的方向（間隙變動較高時變成氧濃度較高的模式/較低的模式的哪一個）的關係及氧濃度推定用的間隙測量值的抽樣期間（氧濃度推定期間）需要根據過去的複數根矽單結晶的提拉實際數據以設定各個矽單結晶製造裝置。
第8圖為說明矽單結晶的氧濃度推定方法的流程圖。
如第8圖所示，在氧濃度的推定中，在預先設定的氧濃度推定期間，以指定的抽樣週期測量以熱遮蔽體作為基準的熔液面的高度之間隙（步驟S21）。
氧濃度推定期間係在主體部生長步驟中設定的氧濃度推定用的間隙測量值的抽樣期間，且係從過去的提拉結果所得到。舉例而言，在某矽單結晶製造裝置中，由於氧濃度在主體部的生長開始後立刻有二極化的傾向，將主體部的結晶長為0~100mm的結晶部分的生長時間設定為間隙測量值的抽樣期間。此外在別的矽單結晶製造裝置中，由於氧濃度在主體部的成長進行一定程度時有二極化的傾向，將主體部的結晶長為300~400mm的結晶部分的生長時間設定為間隙測量值的抽樣期間。
間隙測量值的抽樣週期被設定為50秒以下的非常短的週期。抽樣週期優選為10秒以下。通常，即使是在配合矽熔液的消耗所導致的熔液面的降低而使坩堝上升以維持液面位置恆定的液面位置控制中也需要測量間隙，但不需要以這麼短的抽樣週期進行測量，最短也有1~數分鐘。但是，在將間隙測量值用於氧濃度的推定時，需要使間隙的抽樣週期非常短，藉此能夠捕捉伴隨熔液對流的變化之熔液面的高度的局部的微小變動。
間隙測量值的解析力為1mm以下，優選為0.1mm以下。如此一來，藉由將間隙測量值的解析力設為1mm以下，能夠正確地捕捉伴隨熔液對流的變化之熔液面的高度的局部的微小變動。
接著，計算作為顯示在氧濃度推定期間（抽樣期間）中測量的間隙的變動的大小的指標的標準差σ（步驟S22）。間隙變動並非限定於標準差，例如也可以作為瞬時值與移動平均值的偏差來求出，此時的移動平均的步數優選為10以上。
接著，將間隙變動σ與閾值σth比較（步驟S23），在間隙變動σ為閾值σth以上的情況（σ≥σth）下，推定氧濃度變得相對較低（步驟S24Y、S25），在間隙變動σ小於閾值σth的情況（σ＜σth）下，推定氧濃度變得相對較高（步驟S24N、S26）。
如上所述，間隙變動的行為與氧濃度的二極化的方向的關係因各個矽單結晶製造裝置1而異，例如儘管在某裝置中間隙變動σ為閾值σth以上的時候氧濃度變得相對較低，但在別的裝置中可能間隙變動σ為閾值σth以上的時候氧濃度變得相對較高。只要是在相同的矽單結晶製造裝置中，上述傾向幾乎不改變。因此，對各個矽單結晶製造裝置預先確定間隙變動與氧濃度的二極化的方向的相關關係，且需要根據這個相關關係推定氧濃度的二極化的方向。
接著，根據氧濃度的推定結果以調整結晶生長條件（步驟S27）。作為結晶生長條件，可以列舉出：石英坩堝的旋轉速度、供給到腔室10（結晶提拉爐）內的惰性氣體的流量、腔室10內的壓力等。舉例而言，能夠藉由增加石英坩鍋的旋轉速度以增加氧濃度，相反地能夠藉由降低旋轉速度以降低氧濃度。
如以上所說明，根據本實施形態之矽單結晶的製造方法，由於在矽單結晶的主體部生長開始時以指定的抽樣週期測量間隙，且由間隙的變動的大小推定矽單結晶的氧濃度的二極化的方向，能夠根據推定結果來控制結晶生長條件以使在矽單結晶的結晶成長方向之氧濃度的變化較小。
以上，說明了本發明的優選實施形態，但本發明並非限定於上述的實施形態，在未脫離本發明的主旨的範圍下能夠有各種的變更，且這些也當然包含在本發明的範圍內。
舉例而言，在上述實施形態中，以照相機測量熱遮蔽體與熔液面之間的間隙，且由間隙變動的行為推定矽單結晶中的氧濃度，但本發明並非限定於這樣的方法，可以採用能夠監測熔液面並測量在熔液面的局部之微小的高度變動的多種方法，且能夠由熔液面的局部的高度變動的行為推定氧濃度。
（實施例1） 以HMCZ法進行直徑約310mm的矽單結晶的提拉。在結晶提拉步驟中，以從矽單結晶的主體部的開始位置到100mm的位置的結晶長度方向的範圍作為評價矽單結晶的氧濃度的二極化的方向的氧模式評價區域，監測氧模式評價區域內的間隙變動，求出作為間隙變動的指標之標準差σ。另外，熱遮蔽體與熔液面之間的間隙可以在熱遮蔽體的下端整個圓周上測量，但間隙變動的標準差σ的計算係使用熱遮蔽體的下端的一部分的局部的間隙的測量值，而不是在熱遮蔽體的下端整個圓周測量。
將間隙變動的閾值設為σth=0.15，從過去的矽單結晶的提拉實際數據（POR）推定為間隙變動比閾值小（σ＜0.15）的情況為高氧模式、間隙變動為閾值以上（σ≥0.15）的情況為低氧模式，對於各個模式調整結晶生長條件（Ar流量．爐內壓）以使氧濃度成為目標值（12×10 17atoms/cm 3）。
由於在結晶生長開始時不知道是哪一個氧模式，設定以成為高氧模式為前提的氧濃度調整參數（Ar流量．爐內壓）。由於在主體部的結晶長L=100mm的時候σ<0.15，判斷為「高氧模式」，維持結晶成長開始時的氧濃度調整參數(Ar流量．爐內壓)的設定，繼續主體部生長步驟。
評價了如此提拉的根據實施例1之矽單結晶鑄錠的氧濃度的結晶成長方向的分布。其結果顯示於第9圖。
第9圖為將根據實施例1之矽單結晶中的氧濃度分布與間隙變動一起顯示的圖表，橫軸顯示結晶長(相對值)，左縱軸顯示間隙變動σ(mm)，右縱軸顯示氧濃度(atoms/cm3)。在第9圖中，8點的四角形的圖是顯示根據氧模式的推定結果以調整結晶生長條件的根據實施例1之矽單結晶的氧濃度分布。另一方面，多個菱形的圖是顯示沒進行氧濃度的推定及結晶生長條件的調整的根據比較例(過去)之矽單結晶的氧濃度分布(二極化分布)。再者，其下方的非常劇烈的折線圖是顯示根據實施例1之矽單結晶的生長步驟中測量的間隙變動的變化。
從第9圖可明確看出，根據實施例1之矽單結晶的氧濃度分布比比較例更接近目標值(在此為12×1017atoms/cm3)。
(實施例2)
在與實施例1同一結晶提拉裝置及結晶提拉條件下進行矽單結晶的提拉。由於在結晶生長開始時不知道是哪一個氧模式，設定以成為高氧模式為前提的氧濃度調整參數(Ar流量．爐內壓)。由於在主體部的結晶長L=100mm的時候σ
Figure 110142373-A0305-02-0016-1
0.15，判斷為「低氧模式」，將氧濃度調整參數(Ar流量．爐內壓)的設定變更為低氧濃度用的調整參數，並繼續主體部生長步驟。
第10圖為將根據實施例2之矽單結晶中的氧濃度分布與間隙變動一起顯示的圖表，橫軸顯示結晶長(相對值)，左縱軸顯示間隙變動σ(mm)，右縱軸顯示氧濃度(atoms/cm3)。在第10圖中，9點的四角形的圖是顯示根據氧模式的推定結果以調整結晶生長條件的根據實施例2之矽單結晶的氧濃度分布。另一方面，多個菱形的圖是顯示沒進行氧濃度的推定及結晶生長條件的調整的根據比較例（過去）之矽單結晶的氧濃度分布（二極化分布）。再者，其下方的非常劇烈的折線圖是顯示根據實施例2之矽單結晶的生長步驟中測量的間隙變動的變化。
從第10圖可明確看出，根據實施例2之矽單結晶的氧濃度分布比比較例更接近目標值（在此為12×10 17atoms/cm 3）。
如以上所述，由從主體部的開始位置到結晶長100mm的範圍內測量之間隙變動的行為事前預測氧濃度的高低，且在進行了結晶生長條件的調諧的情況下，能夠使矽單結晶中的氧濃度接近目標值。如此藉由間隙變動的監測以推定之後的氧濃度的行為，藉此能夠精度良好地控制矽單結晶中的氧濃度。
1:矽單結晶製造裝置 2:矽熔液 2s:熔液面 3:矽單結晶 3I:矽單結晶鑄錠 3a:頸部 3b:肩部 3c:主體部 3d:尾部 10:腔室 10a:主腔室 10b:拉腔室 10c:氣體導入口 10d:氣體排出口 10e:觀察窗 11:石英坩堝 12:石墨坩堝 13:旋轉軸 14:軸驅動機構 15:加熱器 16:絕熱材 17:熱遮蔽體 17a:熱遮蔽體的開口 18:線 19:線捲取機構 20:照相機 21:影像處理部 22:控制部 30:磁場產生裝置 31A,31B:電磁線圈 GA:間隙 HZ:水平磁場 MC:熔液對流 S21,S22,S23,S24N,S24Y,S25,S26,S27,S28:步驟
第1圖所示為根據本發明的實施的形態之矽單結晶製造裝置的構成的示意側面剖面圖。 第2圖所示為根據本發明的實施的形態之矽單結晶的製造步驟的流程圖。 第3圖所示為矽單結晶鑄錠的形狀的示意剖面圖。 第4圖所示為使用同一矽單結晶製造裝置並在同一條件下生長的複數根矽單結晶的氧濃度分布的圖表。 第5(a)及5(b)圖為用於說明施加有水平磁場的坩堝內的矽熔液的對流的圖，第5(a)圖顯示右旋（順時針旋轉）的滾動流動，第5(b)圖顯示左旋（逆時針旋轉）的滾動流動。 第6圖所示為矽單結晶的氧濃度與間隙變動（GAP變動）的關係的圖表。 第7(a)及7(b)圖所示為間隙變動（GAP變動）與氧濃度的關係的圖表，第7(a)圖顯示矽單結晶的氧濃度變高的情況，第7(b)圖顯示矽單結晶的氧濃度變低的情況。 第8圖為說明矽單結晶的氧濃度推定方法的流程圖。 第9圖為將根據實施例1之矽單結晶中的氧濃度分布與間隙變動一起顯示的圖表。 第10圖為將根據實施例2之矽單結晶中的氧濃度分布與間隙變動一起顯示的圖表。
S21,S22,S23,S24N,S24Y,S25,S26,S27,S28:步驟

Claims (9)

  1. 一種矽單結晶的氧濃度推定方法，其特徵在於：在對石英坩堝內的矽熔液施加橫磁場的同時提拉矽單結晶時，測量前述矽熔液的熔液面的高度，並由前述熔液面的高度的微小變動推定前述矽單結晶的氧濃度，前述微小變動是在以50秒以下的抽樣週期測量熔液面的高度時，標準差為1mm以下的上下變動。
  2. 如請求項1之矽單結晶的氧濃度推定方法，其中以50秒以下的抽樣週期週期性地測量前述熔液面的高度。
  3. 如請求項1或2之矽單結晶的氧濃度推定方法，其中前述熔液面的高度的測量值的解析力為0.1mm以下。
  4. 如請求項1或2之矽單結晶的氧濃度推定方法，其中由過去的矽單結晶的提拉實際數據確定熔液面的高度的微小變動與氧濃度的二極化的方向的相關關係，並根據前述相關關係推定前述矽單結晶的氧濃度。
  5. 如請求項1或2之矽單結晶的氧濃度推定方法，其中由過去的矽單結晶的提拉實際數據確定可以見到氧濃度的二極化的結晶部分，並以生長該結晶部分的期間作為測量前述熔液面的高度的抽樣期間以進行設定。
  6. 如請求項1或2之矽單結晶的氧濃度推定方法，其中由在從前述矽單結晶的主體部的上端到下方一定的範圍內測量之前述熔液面的高度的微小變動推定前述矽單結晶的氧濃度。
  7. 如請求項1或2之矽單結晶的氧濃度推定方法，其中藉由測量配置於前述矽熔液的上方的熱遮蔽體與前述熔液面之間的間隙，掌握前述熔液面的高度的微小變動。
  8. 一種矽單結晶的製造方法，其為在對石英坩堝內的矽熔液施加 橫磁場的同時提拉矽單結晶之矽單結晶的製造方法，其特徵在於：藉由請求項1~7中任一項之矽單結晶的氧濃度推定方法以推定前述矽單結晶的氧濃度，並調整結晶生長條件以使前述矽單結晶的氧濃度的推定值接近目標值，前述結晶生長條件為前述石英坩鍋的旋轉速度、供給到結晶提拉爐內的惰性氣體的流量、以及前述結晶提拉爐內的壓力的至少一個。
  9. 一種矽單結晶製造裝置，其特徵在於：具備：結晶提拉爐；石英坩堝，在前述結晶提拉爐內支持矽熔液；坩堝旋轉機構，旋轉及昇降驅動前述石英坩堝；磁場產生裝置，對前述矽熔液施加橫磁場；結晶提拉機構，從前述矽熔液提拉矽單結晶；熔液面測量手段，週期性地測量前述矽熔液的熔液面的高度；和控制部，控制結晶生長條件，其中前述控制部係由前述熔液面的高度的微小變動推定前述矽單結晶的氧濃度，並調整前述結晶生長條件以使前述矽單結晶的氧濃度的推定值接近目標值，前述微小變動是在以50秒以下的抽樣週期測量熔液面的高度時，標準差為1mm以下的上下變動，前述結晶生長條件為前述石英坩鍋的旋轉速度、供給到結晶提拉爐內的惰性氣體的流量、以及前述結晶提拉爐內的壓力的至少一個。
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