WO2022124259A1 - シリコン単結晶の酸素濃度推定方法、シリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶製造装置 - Google Patents

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silicon single
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crystal
melt
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一平 下崎
啓一 高梨
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株式会社Sumco
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    • G01N27/72—Investigating or analysing materials by the use of electric, electrochemical, or magnetic means by investigating magnetic variables
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    • C30B30/00—Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions
    • C30B30/04—Production of single crystals or homogeneous polycrystalline material with defined structure characterised by the action of electric or magnetic fields, wave energy or other specific physical conditions using magnetic fields

Definitions

  • the present invention relates to a method for estimating the oxygen concentration of a silicon single crystal produced by the Czochralski method (CZ method). Further, the present invention relates to a method for producing a silicon single crystal and a silicon single crystal production apparatus using such an oxygen concentration estimation method, and in particular, the MCZ method (Magnetic field applied) for pulling up the single crystal while applying a magnetic field to the melt. Czochralski method).
  • CZ method Czochralski method
  • the MCZ method is known as a method for producing a silicon single crystal by the CZ method.
  • the MCZ method is a method of suppressing melt convection by pulling up a single crystal while applying a magnetic field to the silicon melt in a quartz crucible. By suppressing the melt convection, the reaction between the quartz crucible and the melt can be suppressed, the amount of oxygen dissolved in the silicon melt can be suppressed, and the oxygen concentration of the silicon single crystal can be kept low.
  • the HMCZ method Horizontal MCZ method for applying a horizontal magnetic field
  • the HMCZ method since a magnetic field orthogonal to the side wall of the quartz crucible is applied, the melt convection in the vicinity of the side wall of the crucible is effectively suppressed, and the amount of oxygen dissolved from the crucible is reduced.
  • the effect of suppressing convection on the surface of the melt is small, and the evaporation of oxygen (silicon oxide) from the surface of the melt is not suppressed, so that the oxygen concentration in the melt can be reduced. Therefore, it is possible to grow a single crystal having a low oxygen concentration.
  • the surface temperature of the silicon melt at a position having a non-plane symmetric structure of a hot zone shape is measured.
  • a method of estimating the oxygen concentration in a silicon single crystal from this surface temperature is described.
  • the inert gas flowing between the lower end of the heat shield and the surface of the silicon melt is asymmetric with respect to the plane including the crystal pulling axis and the application direction of the horizontal magnetic field, and is crystallized.
  • a flow distribution that is non-rotationally symmetric with respect to the pulling axis is formed, and the flow distribution of the inert gas that is non-plane symmetric and non-rotationally symmetric is maintained without a magnetic field until all the silicon raw materials in the quartz rut are melted.
  • Patent Documents 1 and 2 solve such problems, but it is desired that they can also be solved by other methods.
  • an object of the present invention is a method for estimating the oxygen concentration of a silicon single crystal and a method for producing a silicon single crystal, which can prevent the polarization of the oxygen concentration of the silicon single crystal and produce a silicon single crystal of the same quality. And to provide a silicon single crystal manufacturing apparatus.
  • the melt surface of the silicon melt is raised. It is characterized in that the height is measured and the oxygen concentration of the silicon single crystal is estimated from a minute fluctuation in the height of the melt surface.
  • the present invention it is possible to estimate whether the oxygen concentration of the silicon single crystal is a relatively high value or a relatively low value, that is, the direction of polarization of the oxygen concentration of the silicon single crystal. .. Therefore, by controlling the crystal growth conditions based on the estimation result of the oxygen concentration, it is possible to suppress the fluctuation of the oxygen concentration of the silicon single crystal in the crystal growth direction.
  • the method for estimating the oxygen concentration of a silicon single crystal it is preferable to periodically measure the height of the melt surface with a sampling cycle of 50 seconds or less, and it is more preferable that the sampling cycle is 10 seconds or less. This makes it possible to capture minute fluctuations in the melt surface due to differences in the convection modes of the silicon melt, and to estimate the direction of oxygen concentration polarization from the minute fluctuations in the melt surface.
  • the smaller the sampling period the clearer the minute fluctuations in the melt surface can be captured, but the amount of data becomes enormous, so it is preferably 1 second or longer.
  • the resolution of the measured value of the height of the melt surface is preferably 0.1 mm or less.
  • minute fluctuations in the melt surface due to the difference in the convection mode of the silicon melt can be accurately captured, and the direction of oxygen concentration polarization can be estimated from the minute fluctuations in the melt surface.
  • the minute fluctuation of the melt surface due to the difference in the convection mode of the silicon melt fluctuates up and down in a short cycle of 50 seconds or less, and the fluctuation amount is small and the standard deviation value is 1 mm or less.
  • the minute fluctuation means a vertical fluctuation in which the standard deviation of the height of the melt surface is 1 mm or less when the height of the melt surface is measured with a sampling cycle of 50 seconds or less.
  • the correlation between the minute fluctuation of the height of the melt surface and the direction of the polarization of the oxygen concentration is specified from the past data of pulling up the silicon single crystal, and the above-mentioned It is preferable to estimate the oxygen concentration of the silicon single crystal based on the correlation. This makes it possible to improve the estimation accuracy of the direction of polarization of the oxygen concentration of the silicon single crystal.
  • a crystal portion in which polarization of the oxygen concentration is observed is specified from the past data of pulling up the silicon single crystal, and the period during which the crystal portion is grown is described as described above. It is preferable to set it as a sampling period for measuring the height of the liquid level. This makes it possible to improve the estimation accuracy of the direction of polarization of the oxygen concentration of the silicon single crystal.
  • the oxygen concentration of the silicon single crystal is measured from a minute fluctuation in the height of the melt surface measured downward from the upper end of the body portion of the silicon single crystal within a certain range. It is preferable to estimate. As a result, the direction of polarization of the oxygen concentration can be estimated at an early stage, the fluctuation of the oxygen concentration of the silicon single crystal can be suppressed, and the single crystal having a uniform oxygen concentration distribution in the crystal axis direction can be obtained.
  • the height position of the melt surface In grasping the minute fluctuation of the melt surface, it is preferable to measure the height position of the melt surface with reference to the lower end of the heat shield arranged above the silicon melt. That is, by measuring the gap between the heat shield arranged above the silicon melt and the melt surface (hereinafter, may be referred to as GAP), the height of the melt surface is increased. It is preferable to grasp minute fluctuations. It is possible to accurately measure minute fluctuations in the melt surface from the fluctuations in the measured gap value. Therefore, the accuracy of estimating the oxygen concentration of the silicon single crystal can be improved.
  • the method for producing a silicon single crystal according to the present invention includes a process for producing a silicon single crystal that pulls up the silicon single crystal while applying a transverse magnetic field to the silicon melt in the quartz pot, and the process for producing the silicon single crystal is described in the process for producing the silicon single crystal.
  • the oxygen concentration of the silicon single crystal is estimated by the above-mentioned method for estimating the oxygen concentration of the silicon single crystal according to the present invention, and the crystal growth conditions are adjusted so that the estimated value of the oxygen concentration of the silicon single crystal approaches the target value. It is a feature.
  • the silicon single crystal manufacturing apparatus includes a crystal pulling furnace, a quartz rut that supports the silicon melt in the crystal pulling furnace, a rutsubo rotation mechanism that rotates and elevates the quartz rut, and the silicon.
  • a magnetic field generator that applies a transverse magnetic field to the melt, a crystal pulling mechanism that pulls a silicon single crystal from the silicon melt, and a melt level measuring means that periodically measures the height of the melt surface of the silicon melt.
  • a control unit that controls the crystal growth conditions, the control unit estimates the oxygen concentration of the silicon single crystal from the behavior of minute fluctuations in the height of the melt surface, and the oxygen concentration of the silicon single crystal. It is characterized in that the crystal growth condition is adjusted so that the estimated value of is close to the target value.
  • the present invention it is possible to estimate whether the oxygen concentration of a silicon single crystal is a relatively high value or a relatively low value from a minute fluctuation of the melt surface. Therefore, by controlling the crystal growth conditions based on the estimation result of the oxygen concentration, it is possible to suppress the fluctuation of the oxygen concentration of the silicon single crystal in the crystal growth direction.
  • the crystal growth condition is preferably at least one of the rotation speed of the quartz crucible, the flow rate of the inert gas supplied into the crystal pulling furnace, and the pressure in the crystal pulling furnace. This makes it possible to suppress fluctuations in the oxygen concentration of the silicon single crystal.
  • a method for estimating the oxygen concentration of a silicon single crystal a method for producing a silicon single crystal, and silicon, which can prevent polarization of the oxygen concentration of the silicon single crystal and produce a silicon single crystal of the same quality.
  • a single crystal manufacturing apparatus can be provided.
  • FIG. 1 is a schematic side sectional view showing a configuration of a silicon single crystal manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a manufacturing process of a silicon single crystal according to an embodiment of the present invention.
  • FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the shape of a silicon single crystal ingot.
  • FIG. 4 is a graph showing the oxygen concentration distribution of a plurality of silicon single crystals grown under the same conditions using the same silicon single crystal manufacturing apparatus.
  • 5 (a) and 5 (b) are diagrams for explaining convection of the silicon melt in the crucible to which a horizontal magnetic field is applied, and FIG. 5 (a) is a clockwise (clockwise) roll flow. , FIG.
  • FIG. 5B shows a counterclockwise (counterclockwise) roll flow, respectively.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the oxygen concentration of a silicon single crystal and the gap fluctuation (GAP fluctuation).
  • 7 (a) and 7 (b) are graphs showing the relationship between gap fluctuation (GAP fluctuation) and oxygen concentration, where (a) is when the oxygen concentration of a silicon single crystal is high and (b) is silicon. The cases where the oxygen concentration of the single crystal is low are shown respectively.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method for estimating the oxygen concentration of a silicon single crystal.
  • FIG. 9 is a graph showing the oxygen concentration distribution in the silicon single crystal according to Example 1 together with the gap variation.
  • FIG. 10 is a graph showing the oxygen concentration distribution in the silicon single crystal according to Example 2 together with the gap variation.
  • FIG. 1 is a schematic side sectional view showing a configuration of a silicon single crystal manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention.
  • the silicon single crystal manufacturing apparatus 1 includes a chamber 10 constituting a crystal pulling furnace, a quartz crucible 11 for holding a silicon melt 2 in the chamber 10, and a graphite crucible 12 for holding a quartz crucible 11.
  • a rotary shaft 13 that supports the graphite crucible 12, a shaft drive mechanism 14 that rotates and drives the rotary shaft 13 up and down, a heater 15 arranged around the graphite crucible 12, and a chamber 10 outside the heater 15.
  • a heat insulating material 16 arranged along the inner surface of the quartz crucible, a heat shield 17 arranged above the quartz crucible 11, a pulling wire 18 above the quartz crucible 11 coaxially arranged with the rotating shaft 13, and a chamber. It is provided with a wire winding mechanism 19 arranged above the 10.
  • the chamber 10 is composed of a main chamber 10a and an elongated cylindrical pull chamber 10b connected to the upper opening of the main chamber 10a, and the quartz crucible 11, the graphite crucible 12, the heater 15 and the heat shield 17 are the main chambers 10. It is provided in the chamber 10a.
  • the pull chamber 10b is provided with a gas introduction port 10c for introducing an inert gas (purge gas) such as Ar gas or a dopant gas in the chamber 10, and an atmosphere gas in the chamber 10 is provided below the main chamber 10a.
  • a gas discharge port 10d for discharging the gas is provided.
  • the quartz crucible 11 is a quartz glass container having a cylindrical side wall portion and a curved bottom portion.
  • the graphite crucible 12 is held in close contact with the outer surface of the quartz crucible 11 so as to wrap the quartz crucible 11.
  • the quartz crucible 11 and the graphite crucible 12 form a double-structured crucible that supports the silicon melt in the chamber 10.
  • the graphite crucible 12 is fixed to the upper end of the rotary shaft 13, and the lower end of the rotary shaft 13 penetrates the bottom of the chamber 10 and is connected to the shaft drive mechanism 14 provided on the outside of the chamber 10.
  • the rotary shaft 13 and the shaft drive mechanism 14 constitute a crucible rotation mechanism for rotating and raising and lowering the quartz crucible 11 and the graphite crucible 12.
  • the heater 15 is used to melt the silicon raw material filled in the quartz crucible 11 to generate the silicon melt 2 and to maintain the molten state of the silicon melt 2.
  • the heater 15 is a carbon resistance heating type heater, and is provided so as to surround the quartz crucible 11 in the graphite crucible 12. Further, a heat insulating material 16 is provided on the outside of the heater 15 so as to surround the heater 15, thereby enhancing the heat retention in the chamber 10.
  • the heat shield 17 suppresses the temperature fluctuation of the silicon melt 2 to form an appropriate hot zone in the vicinity of the crystal growth interface, and prevents the silicon single crystal 3 from being heated by the radiant heat from the heater 15 and the quartz pot 11. It is provided for the purpose.
  • the heat shield 17 is a graphite member that covers the upper region of the silicon melt 2 excluding the pulling path of the silicon single crystal 3, and has an inverted conical trapezoidal shape in which the opening size increases from the lower end to the upper end, for example. Have.
  • the diameter of the opening 17a at the lower end of the heat shield 17 is larger than the diameter of the silicon single crystal 3, whereby the pulling path of the silicon single crystal 3 is secured. Since the diameter of the opening 17a of the heat shield 17 is smaller than the diameter of the quartz rutsubo 11 and the lower end of the heat shield 17 is located inside the quartz rutsubo 11, the upper end of the rim of the quartz rutsubo 11 is the lower end of the heat shield 17. The heat shield 17 does not interfere with the quartz rut 11 even if it is raised above.
  • the quartz rut 11 is raised so that the gap GA between the lower end of the heat shield 17 and the melt surface 2s becomes constant.
  • the temperature fluctuation of the silicon melt 2 can be suppressed, and the flow rate of the gas flowing in the vicinity of the melt surface 2s can be kept constant to control the evaporation amount of the dopant from the silicon melt 2. Therefore, it is possible to improve the stability of the crystal defect distribution, the oxygen concentration distribution, the resistivity distribution, etc. in the pulling axis direction of the silicon single crystal 3.
  • FIG. 1 shows a state in which the silicon single crystal 3 in the process of growing is suspended from the pulling wire 18.
  • the silicon single crystal 3 When pulling up the silicon single crystal 3, the silicon single crystal 3 is grown by gradually pulling up the pulling wire 18 while rotating the quartz rut pot 11 and the silicon single crystal 3, respectively.
  • the pulling wire 18 and the wire winding mechanism 19 constitute a crystal pulling mechanism for pulling the silicon single crystal 3 from the silicon melt 2.
  • a viewing window 10e for observing the inside is provided in the upper part of the main chamber 10a, and the growing state of the silicon single crystal 3 can be observed from the viewing window 10e.
  • a camera 20 is installed outside the viewing window 10e. During the single crystal pulling step, the camera 20 photographs the boundary portion between the silicon single crystal 3 and the silicon melt 2 which can be seen from the viewing window 10e through the opening 17a of the heat shield 17 from diagonally above.
  • the image captured by the camera 20 is processed by the image processing unit 21, and the processing result is used by the control unit 22 to control the crystal growth conditions.
  • the silicon single crystal manufacturing apparatus 1 includes a magnetic field generator 30 that applies a transverse magnetic field (horizontal magnetic field) to the silicon melt 2 in the quartz rut pot 11.
  • the magnetic field generator 30 includes a pair of electromagnet coils 31A and 31B arranged so as to face each other with the main chamber 10a interposed therebetween.
  • the electromagnet coils 31A and 31B operate according to the instruction from the control unit 22, and the magnetic field strength is controlled.
  • the center position of the horizontal magnetic field (magnetic field center position) generated by the magnetic field generator 30 is the position in the height direction of the horizontal line (magnetic field center line) connecting the centers of the electromagnet coils 31A and 31B arranged opposite to each other. That means. According to the horizontal magnetic field method, the convection of the silicon melt 2 can be effectively suppressed.
  • the seed crystal is lowered and immersed in the silicon melt 2, and then the seed crystal and the quartz rutbo 11 are rotated and the seed crystal is slowly raised to the lower part of the seed crystal.
  • a substantially columnar silicon single crystal 3 is grown.
  • the diameter of the silicon single crystal 3 is controlled by controlling the pulling speed thereof and the power of the heater 15. Further, by applying a horizontal magnetic field to the silicon melt 2, the convection of the melt in the direction orthogonal to the magnetic force line is suppressed.
  • FIG. 2 is a flowchart showing a manufacturing process of a silicon single crystal according to an embodiment of the present invention. Further, FIG. 3 is a schematic cross-sectional view showing the shape of the silicon single crystal ingot.
  • the raw material melting step S11 for producing the silicon melt 2 by heating and melting the silicon raw material in the quartz rut pot 11 with the heater 15
  • the seed crystal attached to the tip of the pulling wire 18 is lowered to land on the silicon melt 2, and the seed crystal is gradually pulled up while maintaining the contact state with the silicon melt 2. It has a crystal pulling step S13 for growing crystals.
  • the crystal pulling step S13 includes a necking step S14 for forming a neck portion 3a whose crystal diameter is narrowed down for non-disordering, and a shoulder portion growing step S15 for forming a shoulder portion 3b whose crystal diameter is gradually increased. It has a body portion growing step S16 for forming a body portion 3c in which the crystal diameter is maintained at a specified diameter (for example, 320 mm), and a tail portion growing step S17 for forming a tail portion 3d in which the crystal diameter is gradually reduced. At the end of the tail portion growing step S17, the silicon single crystal 3 is separated from the silicon melt 2. In this way, as shown in FIG. 3, a silicon single crystal ingot 3I having a neck portion 3a, a shoulder portion 3b, a body portion 3c, and a tail portion 3d is completed.
  • the magnetic field application step S18 is carried out in parallel with the crystal pulling step S13.
  • a transverse magnetic field horizontal magnetic field
  • a transverse magnetic field horizontal magnetic field
  • the height position of the melt surface 2s and the diameter of the silicon single crystal 3 are obtained from the image taken by the camera 20, and in particular, the height position of the melt surface 2s is the lower end of the heat shield 17 and the melt. It is obtained as a gap GA with the surface 2s.
  • the crystal diameter and gap are feedback-controlled according to a predetermined profile according to the crystal growth stage.
  • the camera 20 and the image processing unit 21 constitute a melt level measuring means for periodically measuring the height of the melt surface 2s of the silicon melt 2.
  • the gap is precisely measured in a very short sampling cycle, and the oxygen concentration of the silicon single crystal is estimated from the minute gap fluctuation. Then, the crystal growth conditions are adjusted based on the estimation result of the oxygen concentration. Specifically, when the estimated oxygen concentration is higher than the target value, the oxygen concentration is lower, and when the estimated oxygen concentration is lower than the target value, the oxygen concentration is higher. Adjust the crystal growth conditions.
  • the crystal growth condition is at least one of the rotation speed of the quartz crucible, the Ar gas flow rate, and the furnace pressure.
  • FIG. 4 is a graph showing the oxygen concentration distribution of a plurality of silicon single crystals grown under the same conditions using the same silicon single crystal manufacturing apparatus, in which the horizontal axis is the crystal length (relative value) and the vertical axis is the vertical axis. Indicates the oxygen concentration ( ⁇ 10 17 atoms / cm 3 ), respectively.
  • the crystal length (relative value) indicates the relative position in the growth direction of the silicon single crystal when the start position of the body portion is 0% and the end position of the body portion is 100%.
  • the oxygen concentration distribution in the crystal growth direction of the silicon single crystal is low when the oxygen concentration is high in the first half of the body portion (here, the range from the upper end (0%) to 40% of the body portion). Divided into cases.
  • the root cause of the polarization of the oxygen concentration in the silicon single crystal 3 is not clear, it is considered that the melt convection MC in the quartz crucible 11 has an influence. That is, as shown in FIGS. 5 (a) and 5 (b), the melt convection MC in the quartz rut pot 11 is a right-handed (clockwise) roll flow (clockwise) when viewed from the traveling direction of the horizontal magnetic field HZ (FIG. 5 (a)).
  • the big problem is whether the melt convection MC turns clockwise or counterclockwise even though the silicon single crystal 3 is grown under the same growing conditions using the same silicon single crystal manufacturing apparatus 1. It is not uniquely determined, and the oxygen concentration is polarized depending on the difference in convection mode. As a result, the oxygen concentration in the silicon single crystal 3 cannot be kept within the standard over the entire length thereof, and the production yield of the silicon single crystal 3 deteriorates.
  • FIG. 6 is a graph showing the relationship between the oxygen concentration of a silicon single crystal and the measured value of a minute gap fluctuation.
  • the horizontal axis is a minute gap fluctuation (GAP fluctuation), and the vertical axis is a silicon single in a polarized region. It shows the oxygen concentration of the crystal.
  • the horizontal axis is the standard deviation ⁇ (mm) of the gap measurement value in the range where the crystal length of the body part is in the range of 0 to 100 mm
  • the vertical axis is the average value of the oxygen concentration in the range of the crystal length of the body part in the range of 200 to 600 mm. ( ⁇ 10 17 atoms / cm 3 ) are shown respectively.
  • the oxygen concentration in the silicon single crystal is polarized, and when the oxygen concentration is low, the minute gap fluctuation ⁇ is large, and when the oxygen concentration is high, the minute gap fluctuation ⁇ is small. That is, there is a strong correlation between minute gap fluctuations and the oxygen concentration of silicon single crystals.
  • FIG. 7 (a) and 7 (b) are graphs showing the relationship between minute gap fluctuations and oxygen concentration, where the horizontal axis is the crystal length (relative value), the left vertical axis is the gap fluctuation ⁇ (mm), and the right.
  • the vertical axis shows the oxygen concentration (atoms / cm 3 ). Further, FIG. 7A shows a case where the oxygen concentration of the silicon single crystal is high, and FIG. 7B shows a case where the oxygen concentration of the silicon single crystal is low.
  • the gap fluctuation when the gap fluctuation is small, the oxygen concentration tends to increase in the range where the crystal length of the body portion is 60% or less. On the other hand, it can be seen that the gap fluctuation is small and stable.
  • the gap fluctuation is measured during the body portion growing step, the direction of polarization of the oxygen concentration of the silicon single crystal is estimated based on this gap fluctuation, and the crystal growing is based on this estimation result.
  • the polarization of oxygen concentration is suppressed and the crystal quality is stabilized.
  • the phenomenon that the gap fluctuation becomes large does not necessarily occur when the oxygen concentration in the silicon single crystal becomes low, but it may occur when the oxygen concentration in the silicon single crystal becomes high.
  • the relationship with the polarization of oxygen concentration differs for each silicon single crystal manufacturing device. Further, the phenomenon of oxygen concentration polarization does not always occur immediately after the start of the body portion growing process, but may occur after the growth of the body portion has progressed to some extent, and is different for each silicon single crystal manufacturing apparatus. Therefore, the relationship between the behavior of the gap fluctuation and the direction of the polarization of the oxygen concentration (whether the mode has a high oxygen concentration or the mode with a low oxygen concentration when the gap fluctuation is high) and the sampling of the gap measurement value for estimating the oxygen concentration.
  • the period (oxygen concentration estimation period) needs to be set for each silicon single crystal manufacturing apparatus based on the past actual data of pulling up a plurality of silicon single crystals.
  • FIG. 8 is a flowchart illustrating a method for estimating the oxygen concentration of a silicon single crystal.
  • the gap which is the height of the melt surface with respect to the heat shield, is measured in a predetermined sampling cycle in the preset oxygen concentration estimation period (step S21). ).
  • the oxygen concentration estimation period is a sampling period of the gap measurement value for oxygen concentration estimation set during the body part growing process, and is obtained from the past raising results.
  • the oxygen concentration tends to be polarized immediately after the start of growth of the body portion, so the growth period of the crystal portion having a crystal length of 0 to 100 mm in the body portion is sampled as a gap measurement value. Set to the period.
  • the oxygen concentration tends to be polarized when the growth of the body part has progressed to some extent, so the gap measurement value is the growth period of the crystal part with a crystal length of 300 to 400 mm in the body part. Set to the sampling period of.
  • the sampling cycle of the gap measurement value is set to a very short cycle of 50 seconds or less.
  • the sampling period is preferably 10 seconds or less. Normally, it is necessary to measure the gap even in the liquid level position control that raises the crucible to keep the liquid level constant in accordance with the decrease in the melt level due to the consumption of the silicon melt, but with such a short sampling cycle. There is no need to measure, it is only one to several minutes at the shortest. However, when the gap measurement is used to estimate the oxygen concentration, the gap sampling period must be very short, which causes local microvariations in the height of the melt surface with changes in melt convection. Can be captured.
  • the resolution of the gap measurement value is 1 mm or less, preferably 0.1 mm or less.
  • the standard deviation ⁇ which is an index indicating the magnitude of the fluctuation of the gap measured during the oxygen concentration estimation period (sampling period), is calculated (step S22).
  • the gap fluctuation is not limited to the standard deviation, and may be obtained, for example, as a deviation between the instantaneous value and the moving average value.
  • the number of steps of the moving average is preferably 10 or more.
  • the gap fluctuation ⁇ is compared with the threshold value ⁇ th (step S23), and when the gap fluctuation ⁇ is equal to or greater than the threshold value ⁇ th ( ⁇ ⁇ ⁇ th), it is estimated that the oxygen concentration is relatively low (step S24Y, In S25), when the gap fluctuation ⁇ is less than the threshold value ⁇ th ( ⁇ ⁇ th), it is estimated that the oxygen concentration is relatively high (steps S24N, S26).
  • the relationship between the behavior of the gap fluctuation and the direction of the polarization of the oxygen concentration differs for each silicon single crystal manufacturing apparatus 1.
  • the oxygen concentration is relative when the gap fluctuation ⁇ is equal to or higher than the threshold value ⁇ th.
  • the oxygen concentration may be relatively high when the gap fluctuation ⁇ is equal to or higher than the threshold ⁇ th.
  • the tendency is almost the same. Therefore, it is necessary to specify in advance the correlation between the gap fluctuation and the direction of oxygen concentration polarization for each silicon single crystal manufacturing apparatus, and to estimate the direction of oxygen concentration polarization based on this correlation.
  • the crystal growth conditions are adjusted based on the estimation result of the oxygen concentration (step S27).
  • the crystal growth conditions include the rotation speed of the quartz pot, the flow rate of the inert gas supplied into the chamber 10 (crystal pulling furnace), the pressure in the chamber 10, and the like.
  • the oxygen concentration can be increased by increasing the rotation speed of the quartz crucible, and conversely, the oxygen concentration can be decreased by decreasing the rotation speed.
  • the gap is measured at a predetermined sampling cycle at the start of growing the body portion of the silicon single crystal, and the oxygen concentration of the silicon single crystal is determined from the magnitude of the fluctuation of the gap. Since the direction of polarization is estimated, it is possible to control the crystal growth conditions based on the estimation result and reduce the variation in the oxygen concentration in the crystal growth direction of the silicon single crystal.
  • the gap between the heat shield and the melt surface is measured by a camera, and the oxygen concentration in the silicon single crystal is estimated from the behavior of the gap fluctuation. It is possible to adopt various methods that can monitor the melt surface and measure minute local height fluctuations of the melt surface, and from the behavior of the local height fluctuation of the melt surface. The oxygen concentration can be estimated.
  • Example 1 A silicon single crystal having a diameter of about 310 mm was pulled up by the HMCZ method.
  • the range in the crystal longitudinal direction from the start position of the body portion of the silicon single crystal to the position of 100 mm is set as an oxygen mode evaluation region for evaluating the direction of polarization of the oxygen concentration of the silicon single crystal, and the oxygen mode is set.
  • the gap fluctuation in the evaluation area was monitored, and the standard deviation ⁇ , which is an index of the gap fluctuation, was obtained.
  • the gap between the heat shield and the melt surface can be measured over the entire circumference of the lower end of the heat shield, but the standard deviation ⁇ of the gap fluctuation is calculated over the entire circumference of the lower end of the heat shield. Instead, the measured values of some local gaps at the lower end of the heat shield were used.
  • the high oxygen mode is set when the gap fluctuation is smaller than the threshold ( ⁇ ⁇ 0.15), and the hypoxic mode is set when the gap fluctuation is equal to or higher than the threshold ( ⁇ ⁇ 0.15).
  • the crystal growth conditions Ar flow rate / The pressure inside the furnace) was adjusted.
  • the oxygen concentration adjustment parameters (Ar flow rate / furnace pressure) were set on the assumption that the high oxygen mode would be used. Since ⁇ ⁇ 0.15 when the crystal length L of the body part was 100 mm, it was judged that the "high oxygen mode” was set, and the oxygen concentration adjustment parameters (Ar flow rate / furnace pressure) were set at the start of crystal growth. It was maintained as it was, and the body part training process was continued.
  • FIG. 9 is a graph showing the oxygen concentration distribution in the silicon single crystal according to Example 1 together with the gap fluctuation.
  • the horizontal axis is the crystal length (relative value)
  • the left vertical axis is the gap fluctuation ⁇ (mm)
  • the right vertical axis is Indicates the oxygen concentration (atoms / cm 3 ), respectively.
  • the eight-point square plot shows the oxygen concentration distribution of the silicon single crystal according to Example 1 in which the crystal growth conditions are adjusted based on the estimation result of the oxygen mode.
  • many diamond-shaped plots show the oxygen concentration distribution (polarization distribution) of the silicon single crystal according to the comparative example (conventional) in which the oxygen concentration was not estimated and the crystal growth conditions were not adjusted.
  • a very steep line graph below it shows the change in gap variation measured during the silicon single crystal growing process according to the examples.
  • the oxygen concentration distribution of the silicon single crystal according to Example 1 was closer to the target value (here, 12 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 ) than that of the comparative example.
  • Example 2 The silicon single crystal was pulled up under the same crystal pulling device and crystal pulling conditions as in Example 1. Since it is not known which oxygen mode will be used at the start of crystal growth, the oxygen concentration adjustment parameters (Ar flow rate / furnace pressure) are set on the premise that the high oxygen mode will be used. Since ⁇ ⁇ 0.15 when the crystal length L of the body part was 100 mm, it was judged that the “low oxygen mode” was set, and the oxygen concentration adjustment parameters (Ar flow rate / furnace pressure) were set for the low oxygen concentration. The adjustment parameter was changed to, and the body part training process was continued.
  • the oxygen concentration adjustment parameters Ar flow rate / furnace pressure
  • FIG. 10 is a graph showing the oxygen concentration distribution in the silicon single crystal according to Example 2 together with the gap fluctuation.
  • the horizontal axis is the crystal length (relative value)
  • the left vertical axis is the gap fluctuation ⁇ (mm)
  • the right vertical axis is Indicates the oxygen concentration (atoms / cm 3 ), respectively.
  • the nine-point square plot shows the oxygen concentration distribution of the silicon single crystal according to Example 2 in which the crystal growth conditions are adjusted based on the estimation result of the oxygen mode.
  • many diamond-shaped plots show the oxygen concentration distribution (polarization distribution) of the silicon single crystal according to the comparative example (conventional) in which the oxygen concentration was not estimated and the crystal growth conditions were not adjusted.
  • a very steep line graph below it shows the change in gap variation measured during the silicon single crystal growing step according to Example 2.
  • the oxygen concentration distribution of the silicon single crystal according to Example 2 was closer to the target value (here, 12 ⁇ 10 17 atoms / cm 3 ) than that of the comparative example.
  • the silicon single crystal As described above, when the oxygen concentration is predicted in advance from the behavior of the gap fluctuation measured within the range from the start position of the body part to the crystal length of 100 mm and the crystal growth conditions are tuned, the silicon single crystal The oxygen concentration inside was able to approach the target value. By estimating the subsequent behavior of the oxygen concentration by monitoring the gap fluctuation in this way, the oxygen concentration in the silicon single crystal can be controlled accurately.

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Abstract

【課題】シリコン単結晶の酸素濃度の二極化を防止して同じ品質のシリコン単結晶を製造することが可能なシリコン単結晶の酸素濃度推定方法、シリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶製造装置を提供する。 【解決手段】本発明によるシリコン単結晶の酸素濃度推定方法は、石英ルツボ内のシリコン融液に横磁場を印加しながらシリコン単結晶を引き上げる際、融液面の高さ（ギャップ）を計測し（Ｓ２１）、融液面の高さ（ギャップ）の微小変動からシリコン単結晶の酸素濃度を推定する（Ｓ２２～Ｓ２６）。

Description

シリコン単結晶の酸素濃度推定方法、シリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶製造装置
　本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によって製造されるシリコン単結晶の酸素濃度推定方法に関する。また、本発明は、そのような酸素濃度推定方法を用いたシリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶製造装置に関し、特に、融液に磁場を印加しながら単結晶を引き上げるＭＣＺ法（Magnetic field applied Czochralski method）に関する。
　ＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法としてＭＣＺ法が知られている。ＭＣＺ法は、石英ルツボ内のシリコン融液に磁場を印加しながら単結晶を引き上げることにより融液対流を抑制する方法である。融液対流を抑制することにより、石英ルツボと融液の反応を抑えることができ、シリコン融液中に溶け込む酸素の量を抑制してシリコン単結晶の酸素濃度を低く抑えることができる。
　磁場の印加方法としては幾つかの方法が知られているが、水平磁場を印加するＨＭＣＺ法（Horizontal MCZ method）の実用化が進んでいる。ＨＭＣＺ法では石英ルツボの側壁と直交する磁場を印加するので、ルツボの側壁近傍の融液対流が効果的に抑制されて、ルツボからの酸素の溶け出し量が減少する。一方、融液表面での対流抑制効果が小さく、融液表面からの酸素（シリコン酸化物）の蒸発が抑制されないため、融液中の酸素濃度を低減できる。したがって、低酸素濃度の単結晶を育成することができる。
　ＨＭＣＺ法に関し、例えば特許文献１には、シリコン単結晶のネック工程及び肩部形成工程の少なくともいずれかにおいて、ホットゾーン形状の非面対称構造となる位置におけるシリコン融液の表面温度を計測し、この表面温度からシリコン単結晶中の酸素濃度を推定する方法が記載されている。
　また、特許文献２には、熱遮蔽体の下端とシリコン融液の表面との間を流れる不活性ガスが、結晶引き上げ軸及び水平磁場の印加方向を含む平面に対して非対称であり、且つ結晶引き上げ軸に対して非回転対称となる流動分布を形成し、非面対称かつ非回転対称な不活性ガスの流動分布を、石英ルツボ内のシリコン原料がすべて溶融するまで、無磁場で維持することが記載されている。
特開２０１９－１５１４９９号公報 特開２０１９－１５１５０３号公報
　近年、水平磁場を印加したチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引き上げにおいては、同一の引き上げ装置を用いて同一の引き上げ条件下でシリコン単結晶を引き上げても、引き上げられたシリコン単結晶の品質が同じにならず、特にシリコン単結晶中の酸素濃度が二極化することが知られるようになった。
　特許文献１及び２に記載された技術は、このような課題を解決するものであるが、他の方法によっても解決できることが望まれている。
　したがって、本発明の目的は、シリコン単結晶の酸素濃度の二極化を防止して同じ品質のシリコン単結晶を製造することが可能なシリコン単結晶の酸素濃度推定方法、シリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶製造装置を提供することにある。
　上記課題を解決するため、本発明によるシリコン単結晶の酸素濃度推定方法は、石英ルツボ内のシリコン融液に横磁場を印加しながらシリコン単結晶を引き上げる際、前記シリコン融液の融液面の高さを計測し、前記融液面の高さの微小変動から前記シリコン単結晶の酸素濃度を推定することを特徴とする。
　本発明によれば、シリコン単結晶の酸素濃度が相対的に高い値又は相対的に低い値のどちらになるのか、すなわち、シリコン単結晶の酸素濃度の二極化の方向を推定することができる。したがって、この酸素濃度の推定結果に基づいて結晶育成条件を制御することにより結晶成長方向におけるシリコン単結晶の酸素濃度の変動を抑制することができる。
　本発明によるシリコン単結晶の酸素濃度推定方法は、前記融液面の高さを５０秒以下のサンプリング周期で周期的に計測することが好ましく、サンプリング周期が１０秒以下であることがさらに好ましい。これにより、シリコン融液の対流モードの違いによる融液面の微小変動を捉えることができ、融液面の微小変動から酸素濃度の二極化の方向を推定することができる。サンプリング周期を小さくするほど融液面の微小変動を明確に捉えることができるが、データ量が膨大になるため１秒以上とすることが好ましい。
　本発明において、前記融液面の高さの計測値の分解能は０．１ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、シリコン融液の対流モードの違いによる融液面の微小変動を正確に捉えることができ、融液面の微小変動から酸素濃度の二極化の方向を推定することができる。シリコン融液の対流モードの違いによる融液面の微小な変動は、５０秒以下の短い周期で上下に変動し、その変動量は小さく標準偏差の値で１ｍｍ以下である。また、融液面上の計測範囲を定めて融液面の高さ位置を計測することにより、融液面の微小な変動を把握することができる。言い換えると、微小変動とは、５０秒以下のサンプリング周期で融液面の高さを計測した場合、融液面の高さの標準偏差が１ｍｍ以下の上下変動をいう。
　本発明によるシリコン単結晶の酸素濃度推定方法は、過去のシリコン単結晶の引き上げ実績データから融液面の高さの微小変動と酸素濃度の二極化の方向との相関関係を特定し、前記相関関係に基づいて前記シリコン単結晶の酸素濃度を推定することが好ましい。これにより、シリコン単結晶の酸素濃度の二極化の方向の推定精度を高めることができる。
　本発明によるシリコン単結晶の酸素濃度推定方法は、過去のシリコン単結晶の引き上げ実績データから酸素濃度の二極化が見られる結晶部分を特定し、当該結晶部分を育成している期間を前記融液面の高さを計測するサンプリング期間として設定することが好ましい。これにより、シリコン単結晶の酸素濃度の二極化の方向の推定精度を高めることができる。
　本発明によるシリコン単結晶の酸素濃度推定方法は、前記シリコン単結晶のボディー部の上端から下方に一定の範囲内で計測した前記融液面の高さの微小変動から前記シリコン単結晶の酸素濃度を推定することが好ましい。これにより、酸素濃度の二極化の方向を早期に推測してシリコン単結晶の酸素濃度の変動を抑制し、結晶軸方向に酸素濃度分布が均一な単結晶とすることができる。
　前記融液面の微小な変動を把握するにあたっては、前記シリコン融液の上方に配置された熱遮蔽体の下端を基準として、前記融液面の高さ位置を計測することが好ましい。すなわち、前記シリコン融液の上方に配置された熱遮蔽体と前記融液面との間のギャップ（以下、GAPと表記することがある）を計測することにより、前記融液面の高さの微小変動を把握することが好ましい。計測されたギャップの値の変動から融液面の微小な変動を正確に計測することができる。したがって、シリコン単結晶の酸素濃度の推定精度を高めることができる。
　また、本発明によるシリコン単結晶の製造方法は、石英ルツボ内のシリコン融液に横磁場を印加しながらシリコン単結晶を引き上げるシリコン単結晶の製造工程を含み、前記シリコン単結晶の製造工程は、上述した本発明によるシリコン単結晶の酸素濃度推定方法により前記シリコン単結晶の酸素濃度を推定し、前記シリコン単結晶の酸素濃度の推定値が目標値に近づくように結晶育成条件を調整することを特徴とする。
　さらにまた、本発明によるシリコン単結晶製造装置は、結晶引き上げ炉と、前記結晶引き上げ炉内でシリコン融液を支持する石英ルツボと、前記石英ルツボを回転及び昇降駆動するルツボ回転機構と、前記シリコン融液に横磁場を印加する磁場発生装置と、前記シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる結晶引き上げ機構と、前記シリコン融液の融液面の高さを周期的に計測する融液面計測手段と、結晶育成条件を制御する制御部とを備え、前記制御部は、前記融液面の高さの微小変動の挙動から前記シリコン単結晶の酸素濃度を推定し、前記シリコン単結晶の酸素濃度の推定値が目標値に近づくように前記結晶育成条件を調整することを特徴とする。
　本発明によれば、シリコン単結晶の酸素濃度が相対的に高い値又は相対的に低い値のどちらになるのかを融液面の微小な変動から推定することができる。したがって、この酸素濃度の推定結果に基づいて結晶育成条件を制御することにより結晶成長方向におけるシリコン単結晶の酸素濃度の変動を抑制することができる。
　前記結晶育成条件は、前記石英ルツボの回転速度、結晶引き上げ炉内に供給する不活性ガスの流量、及び前記結晶引き上げ炉内の圧力の少なくとも一つであることが好ましい。これにより、シリコン単結晶の酸素濃度の変動を抑制することができる。
　本発明によれば、シリコン単結晶の酸素濃度の二極化を防止して同じ品質のシリコン単結晶を製造することが可能なシリコン単結晶の酸素濃度推定方法、シリコン単結晶の製造方法及びシリコン単結晶製造装置を提供することができる。
図１は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶製造装置の構成を示す略側面断面図である。 図２は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶の製造工程を示すフローチャートである。 図３は、シリコン単結晶インゴットの形状を示す略断面図である。 図４は、同一のシリコン単結晶製造装置を用いて同一条件下で育成された複数本のシリコン単結晶の酸素濃度分布を示すグラフである。 図５（ａ）及び（ｂ）は、水平磁場が印加されたルツボ内のシリコン融液の対流を説明するための図であって、図５（ａ）は右回り（時計回り）のロール流、図５（ｂ）は左回り（反時計回り）のロール流をそれぞれ示している。 図６は、シリコン単結晶の酸素濃度とギャップ変動（GAP変動）との関係を示すグラフである。 図７（ａ）及び（ｂ）は、ギャップ変動（GAP変動）と酸素濃度との関係を示すグラフであって、（ａ）はシリコン単結晶の酸素濃度が高くなる場合、（ｂ）はシリコン単結晶の酸素濃度が低くなる場合をそれぞれ示している。 図８は、シリコン単結晶の酸素濃度推定方法を説明するフローチャートである。 図９は、実施例１によるシリコン単結晶中の酸素濃度分布をギャップ変動と共に示すグラフである。 図１０は、実施例２によるシリコン単結晶中の酸素濃度分布をギャップ変動と共に示すグラフである。
　以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
　図１は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶製造装置の構成を示す略側面断面図である。
　図１に示すように、シリコン単結晶製造装置１は、結晶引き上げ炉を構成するチャンバー１０と、チャンバー１０内においてシリコン融液２を保持する石英ルツボ１１と、石英ルツボ１１を保持する黒鉛ルツボ１２と、黒鉛ルツボ１２を支持する回転シャフト１３と、回転シャフト１３を回転及び昇降駆動するシャフト駆動機構１４と、黒鉛ルツボ１２の周囲に配置されたヒーター１５と、ヒーター１５の外側であってチャンバー１０の内面に沿って配置された断熱材１６と、石英ルツボ１１の上方に配置された熱遮蔽体１７と、石英ルツボ１１の上方であって回転シャフト１３と同軸配置された引き上げワイヤー１８と、チャンバー１０の上方に配置されたワイヤー巻き取り機構１９とを備えている。
　チャンバー１０は、メインチャンバー１０ａと、メインチャンバー１０ａの上部開口に連結された細長い円筒状のプルチャンバー１０ｂとで構成されており、石英ルツボ１１、黒鉛ルツボ１２、ヒーター１５及び熱遮蔽体１７はメインチャンバー１０ａ内に設けられている。プルチャンバー１０ｂにはチャンバー１０内にＡｒガス等の不活性ガス（パージガス）やドーパントガスを導入するためのガス導入口１０ｃが設けられており、メインチャンバー１０ａの下部にはチャンバー１０内の雰囲気ガスを排出するためのガス排出口１０ｄが設けられている。
　石英ルツボ１１は、円筒状の側壁部と湾曲した底部とを有する石英ガラス製の容器である。黒鉛ルツボ１２は、加熱によって軟化した石英ルツボ１１の形状を維持するため、石英ルツボ１１の外表面に密着して石英ルツボ１１を包むように保持する。石英ルツボ１１及び黒鉛ルツボ１２はチャンバー１０内においてシリコン融液を支持する二重構造のルツボを構成している。
　黒鉛ルツボ１２は回転シャフト１３の上端部に固定されており、回転シャフト１３の下端部はチャンバー１０の底部を貫通してチャンバー１０の外側に設けられたシャフト駆動機構１４に接続されている。回転シャフト１３及びシャフト駆動機構１４は石英ルツボ１１及び黒鉛ルツボ１２の回転及び昇降駆動するルツボ回転機構を構成している。
　ヒーター１５は、石英ルツボ１１内に充填されたシリコン原料を融解してシリコン融液２を生成すると共に、シリコン融液２の溶融状態を維持するために用いられる。ヒーター１５はカーボン製の抵抗加熱式ヒーターであり、黒鉛ルツボ１２内の石英ルツボ１１を取り囲むように設けられている。さらにヒーター１５の外側には断熱材１６がヒーター１５を取り囲むように設けられており、これによりチャンバー１０内の保温性が高められている。
　熱遮蔽体１７は、シリコン融液２の温度変動を抑制して結晶成長界面近傍に適切なホットゾーンを形成すると共に、ヒーター１５及び石英ルツボ１１からの輻射熱によるシリコン単結晶３の加熱を防止するために設けられている。熱遮蔽体１７は、シリコン単結晶３の引き上げ経路を除いたシリコン融液２の上方の領域を覆う黒鉛製の部材であり、例えば下端から上端に向かって開口サイズが大きくなる逆円錐台形状を有している。
　熱遮蔽体１７の下端の開口１７ａの直径はシリコン単結晶３の直径よりも大きく、これによりシリコン単結晶３の引き上げ経路が確保されている。熱遮蔽体１７の開口１７ａの直径は石英ルツボ１１の口径よりも小さく、熱遮蔽体１７の下端部は石英ルツボ１１の内側に位置するので、石英ルツボ１１のリム上端を熱遮蔽体１７の下端よりも上方まで上昇させても熱遮蔽体１７が石英ルツボ１１と干渉することはない。
　シリコン単結晶３の成長と共に石英ルツボ１１内の融液量は減少するが、熱遮蔽体１７の下端と融液面２ｓの間のギャップＧＡが一定になるように石英ルツボ１１を上昇させることにより、シリコン融液２の温度変動を抑制すると共に、融液面２ｓの近傍を流れるガスの流速を一定にしてシリコン融液２からのドーパントの蒸発量を制御することができる。したがって、シリコン単結晶３の引き上げ軸方向の結晶欠陥分布、酸素濃度分布、抵抗率分布等の安定性を向上させることができる。
　石英ルツボ１１の上方には、シリコン単結晶３の引き上げ軸である引き上げワイヤー１８と、引き上げワイヤー１８を巻き取るワイヤー巻き取り機構１９が設けられている。ワイヤー巻き取り機構１９は引き上げワイヤー１８と共にシリコン単結晶３を回転させる機能を有している。ワイヤー巻き取り機構１９はプルチャンバー１０ｂの上方に配置されており、引き上げワイヤー１８はワイヤー巻き取り機構１９からプルチャンバー１０ｂ内を通って下方に延びており、引き上げワイヤー１８の先端部はメインチャンバー１０ａの内部空間まで達している。図１は育成途中のシリコン単結晶３が引き上げワイヤー１８に吊設された状態を示している。シリコン単結晶３の引き上げ時には石英ルツボ１１とシリコン単結晶３とをそれぞれ回転させながら引き上げワイヤー１８を徐々に引き上げることによりシリコン単結晶３を成長させる。このように、引き上げワイヤー１８及びワイヤー巻き取り機構１９は、シリコン融液２からシリコン単結晶３を引き上げる結晶引き上げ機構を構成している。
　メインチャンバー１０ａの上部には内部を観察するための覗き窓１０ｅが設けられており、覗き窓１０ｅからシリコン単結晶３の育成状況を観察可能である。覗き窓１０ｅの外側にはカメラ２０が設置されている。単結晶引き上げ工程中、カメラ２０は覗き窓１０ｅから熱遮蔽体１７の開口１７ａを通して見えるシリコン単結晶３とシリコン融液２との境界部を斜め上方から撮影する。カメラ２０による撮影画像は画像処理部２１で処理され、処理結果は制御部２２において結晶育成条件の制御に用いられる。
　シリコン単結晶製造装置１は、石英ルツボ１１内のシリコン融液２に横磁場（水平磁場）を印加する磁場発生装置３０を備えている。磁場発生装置３０は、メインチャンバー１０ａを挟んで対向配置された一対の電磁石コイル３１Ａ，３１Ｂとを備えている。電磁石コイル３１Ａ，３１Ｂは制御部２２からの指示に従って動作し、磁場強度が制御される。磁場発生装置３０が発生させる水平磁場の中心位置（磁場中心位置）は、対向配置された電磁石コイル３１Ａ，３１Ｂの中心どうしを結んだ水平方向の線（磁場中心線）の高さ方向の位置のことをいう。水平磁場方式によればシリコン融液２の対流を効果的に抑制することができる。
　シリコン単結晶３の引き上げ工程では、種結晶を降下させてシリコン融液２に浸漬した後、種結晶及び石英ルツボ１１をそれぞれ回転させながら、種結晶をゆっくり上昇させることにより、種結晶の下方に略円柱状のシリコン単結晶３を成長させる。その際、シリコン単結晶３の直径は、その引き上げ速度やヒーター１５のパワーを制御することにより制御される。また、シリコン融液２に水平磁場を印加することで磁力線に直交する方向の融液対流が抑えられる。
　図２は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶の製造工程を示すフローチャートである。また、図３は、シリコン単結晶インゴットの形状を示す略断面図である。
　図２に示すように、本実施の形態によるシリコン単結晶の製造では、石英ルツボ１１内のシリコン原料をヒーター１５で加熱して融解することによりシリコン融液２を生成する原料融解工程Ｓ１１と、引き上げワイヤー１８の先端部に取り付けられた種結晶を降下させてシリコン融液２に着液させる着液工程Ｓ１２と、シリコン融液２との接触状態を維持しながら種結晶を徐々に引き上げて単結晶を育成する結晶引き上げ工程Ｓ１３とを有する。
　結晶引き上げ工程Ｓ１３は、無転位化のために結晶直径が細く絞られたネック部３ａを形成するネッキング工程Ｓ１４と、結晶直径が徐々に大きくなったショルダー部３ｂを形成するショルダー部育成工程Ｓ１５と、結晶直径が規定の直径（例えば３２０ｍｍ）に維持されたボディー部３ｃを形成するボディー部育成工程Ｓ１６と、結晶直径が徐々に小さくなったテイル部３ｄを形成するテイル部育成工程Ｓ１７を有し、テイル部育成工程Ｓ１７の終了時にはシリコン単結晶３がシリコン融液２から切り離される。こうして、図３に示すように、ネック部３ａ、ショルダー部３ｂ、ボディー部３ｃ及びテイル部３ｄを有するシリコン単結晶インゴット３Ｉが完成する。
　結晶引き上げ工程Ｓ１３と平行して磁場印加工程Ｓ１８が実施される。磁場印加工程Ｓ１８は、着液工程Ｓ１２の開始時からボディー部育成工程Ｓ１６が終了するまでの期間において、石英ルツボ１１内のシリコン融液２に横磁場（水平磁場）を印加する。これにより、シリコン融液２の対流を抑制して石英ルツボ１１からシリコン融液２への酸素の溶け込みを抑制することができる。また、融液面２ｓの波立ちを抑制して結晶引き上げ工程の安定化を図ることができる。
　結晶引き上げ工程Ｓ１３では、カメラ２０の撮影画像から融液面２ｓの高さ位置及びシリコン単結晶３の直径が求められ、特に融液面２ｓの高さ位置は熱遮蔽体１７の下端と融液面２ｓとの間のギャップＧＡとして求められる。結晶直径及びギャップは結晶成長段階に合わせて予め定められたプロファイルに従ってフィードバック制御される。カメラ２０及び画像処理部２１は、シリコン融液２の融液面２ｓの高さを周期的に計測する融液面計測手段を構成している。
　ボディー部育成工程Ｓ１６では、非常に短いサンプリング周期でギャップを精密に計測し、微小なギャップ変動からシリコン単結晶の酸素濃度を推定する。そして酸素濃度の推定結果に基づいて結晶育成条件を調整する。具体的には、酸素濃度の推定値が目標値よりも高くなる場合には酸素濃度が低くなるように、また酸素濃度の推定値が目標値よりも低くなる場合には酸素濃度が高くなるように結晶育成条件を調整する。結晶育成条件は、石英ルツボの回転速度、Ａｒガス流量、炉内圧の少なくとも一つである。
　次に、シリコン単結晶中の酸素濃度の推定方法について詳細に説明する。
　図４は、同一のシリコン単結晶製造装置を用いて同一条件下で育成された複数本のシリコン単結晶の酸素濃度分布を示すグラフであって、横軸は結晶長（相対値）、縦軸は酸素濃度（×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）をそれぞれ示している。なお、結晶長（相対値）は、ボディー部の開始位置を０％とし、ボディー部の終了位置を１００％としたときの、シリコン単結晶の成長方向における相対的な位置を示すものである。
　図４に示すように、シリコン単結晶の結晶成長方向における酸素濃度分布は、ボディー部の前半（ここではボディー部の上端（０％）から４０％までの範囲）において酸素濃度が高い場合と低い場合に分かれる。このようにシリコン単結晶３中の酸素濃度が二極化する根本的な原因は明らかではないが、石英ルツボ１１内の融液対流ＭＣが影響していると考えられている。すなわち、図５（ａ）及び（ｂ）に示すように、石英ルツボ１１内の融液対流ＭＣが水平磁場ＨＺの進行方向から見て右回り（時計回り）のロール流（図５（ａ）参照）になるのか、それとも左回り（反時計回り）のロール流（図５（ｂ）参照）になるのかで、酸素濃度が高い場合と低い場合に分かれると推測されている。融液対流ＭＣが右回り／左回りのときにシリコン単結晶３中の酸素濃度が高／低のどちらになるかは明らかではない。
　大きな問題は、同一のシリコン単結晶製造装置１を使用して同一の育成条件下でシリコン単結晶３を育成したにもかかわらず、融液対流ＭＣが右回りになるのか左回りになるのかが一意に定まらず、対流モードの違いによって酸素濃度が二極化することである。これにより、シリコン単結晶３中の酸素濃度をその全長に亘って規格内に収めることができなくなり、シリコン単結晶３の製造歩留まりが悪化する。
　図６は、シリコン単結晶の酸素濃度と微小なギャップ変動の計測値との関係を示すグラフであり、横軸は微小なギャップ変動（GAP変動）、縦軸は二極化する領域におけるシリコン単結晶の酸素濃度を示している。特に、横軸はボディー部の結晶長が０～１００ｍｍの範囲内におけるギャップ計測値の標準偏差σ（ｍｍ）、縦軸はボディー部の結晶長が２００～６００ｍｍの範囲内における酸素濃度の平均値（×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）をそれぞれ示している。
　図６に示すように、シリコン単結晶中の酸素濃度は二極化しており、酸素濃度が低いときには微小なギャップ変動σが大きく、酸素濃度が高いときには微小なギャップ変動σが小さい。すなわち、微小なギャップ変動とシリコン単結晶の酸素濃度との間には強い相関がある。
　図７（ａ）及び（ｂ）は、微小なギャップ変動と酸素濃度との関係を示すグラフであって、横軸は結晶長（相対値）、左縦軸はギャップ変動σ（ｍｍ）、右縦軸は酸素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）をそれぞれ示している。また、図７（ａ）はシリコン単結晶の酸素濃度が高くなる場合、図７（ｂ）はシリコン単結晶の酸素濃度が低くなる場合をそれぞれ示している。
　図７（ａ）に示すように、ギャップ変動が小さい場合には、ボディー部の結晶長が６０％以下の範囲において酸素濃度が高くなる傾向が見られる。一方、ギャップ変動は小さくかつ安定していることが分かる。
　一方、図７（ｂ）に示すように、ギャップ変動が大きい場合には、ボディー部の結晶長が４０％以下の範囲において酸素濃度が低くなる傾向が見られる。一方、ギャップ変動についてはボディー部の結晶長が４０％以下の範囲においてギャップ変動σが大きくなっていることが分かる。
　以上のように、ギャップ変動と酸素濃度との間には一定の相関がある。そこで、本実施形態においては、ボディー部育成工程中にギャップ変動を計測し、このギャップ変動に基づいてシリコン単結晶の酸素濃度の二極化の方向を推定し、この推定結果に基づいて結晶育成条件を調整することにより酸素濃度の二極化を抑制して結晶品質の安定化を図るものである。
　ギャップ変動が大きくなる現象は、必ずしもシリコン単結晶中の酸素濃度が低くなるときに発生するわけではなく、シリコン単結晶中の酸素濃度が高くなるときに発生することもあり、ギャップ変動の挙動と酸素濃度の二極化との関係はシリコン単結晶製造装置ごとに異なる。また、酸素濃度の二極化現象は、必ずしもボディー部育成工程の開始直後から発生するわけではなく、ボディー部の成長がある程度進んだ後に発生することもあり、シリコン単結晶製造装置ごとに異なる。したがって、ギャップ変動の挙動と酸素濃度の二極化の方向（ギャップ変動が高いとき酸素濃度が高いモード／低いモード、のどちらになるか）との関係及び酸素濃度推定用のギャップ計測値のサンプリング期間（酸素濃度推定期間）は、過去の複数本のシリコン単結晶の引き上げ実績データに基づいてシリコン単結晶製造装置ごとに設定する必要がある。
　図８は、シリコン単結晶の酸素濃度推定方法を説明するフローチャートである。
　図８に示すように、酸素濃度の推定では、予め設定された酸素濃度推定期間において、熱遮蔽体を基準とした融液面の高さであるギャップを所定のサンプリング周期で計測する（ステップＳ２１）。
　酸素濃度推定期間は、ボディー部育成工程中に設定された酸素濃度推定用のギャップ計測値のサンプリング期間であり、過去の引き上げ実績から求められる。例えば、あるシリコン単結晶製造装置では、ボディー部の育成開始直後から酸素濃度が二極化する傾向があるので、ボディー部の結晶長が０～１００ｍｍの結晶部分の育成期間をギャップ計測値のサンプリング期間に設定する。また別のシリコン単結晶製造装置では、ボディー部の成長がある程度進んだところで酸素濃度が二極化する傾向があるので、ボディー部の結晶長が３００～４００ｍｍの結晶部分の育成期間をギャップ計測値のサンプリング期間に設定する。
　ギャップ計測値のサンプリング周期は５０秒以下の非常に短い周期に設定される。サンプリング周期は１０秒以下であることが好ましい。通常、シリコン融液の消費による融液面の低下に合わせてルツボを上昇させて液面位置を一定に維持する液面位置制御でもギャップを計測する必要があるが、これほどまで短いサンプリング周期で計測する必要はなく、短くても１～数分である。しかし、ギャップ計測値を酸素濃度の推定に用いる場合には、ギャップのサンプリング周期を非常に短くする必要があり、これにより融液対流の変化に伴う融液面の高さの局所的な微小変動を捉えることができる。
　ギャップ計測値の分解能は１ｍｍ以下であり、０．１ｍｍ以下であることが好ましい。このように、ギャップ計測値の分解能を１ｍｍ以下にすることにより、融液対流の変化に伴う融液面な高さの局所的な微小変動を正確に捉えることができる。
　次に、酸素濃度推定期間（サンプリング期間）中に計測したギャップの変動の大きさを示す指標である標準偏差σを算出する（ステップＳ２２）。ギャップ変動は標準偏差に限定されず、例えば瞬時値と移動平均値との偏差として求めてもよく、この場合の移動平均の歩数は１０以上であることが好ましい。
　次に、ギャップ変動σを閾値σthと比較し（ステップＳ２３）、ギャップ変動σが閾値σth以上となる場合（σ≧σth）には酸素濃度が相対的に低くなるものと推定し（ステップＳ２４Ｙ，Ｓ２５）、ギャップ変動σが閾値σth未満となる場合（σ＜σth）には酸素濃度が相対的に高くなるものと推定する（ステップＳ２４Ｎ，Ｓ２６）。
　上記のように、ギャップ変動の挙動と酸素濃度の二極化の方向との関係はシリコン単結晶製造装置１ごとに異なり、例えばある装置ではギャップ変動σが閾値σth以上のときに酸素濃度が相対的に低くなるが、別の装置ではギャップ変動σが閾値σth以上のときに酸素濃度が相対的に高くなることがある。同じシリコン単結晶製造装置であれば、その傾向はほとんど変わらない。そのため、シリコン単結晶製造装置ごとにギャップ変動と酸素濃度の二極化の方向との相関関係を予め特定し、この相関関係に基づいて酸素濃度の二極化の方向を推定する必要がある。
　次に、酸素濃度の推定結果に基づいて結晶育成条件を調整する（ステップＳ２７）。結晶育成条件としては、石英ルツボの回転速度、チャンバー１０（結晶引き上げ炉）内に供給する不活性ガスの流量、チャンバー１０内の圧力などを挙げることができる。例えば、石英ルツボの回転速度を増加させることにより酸素濃度を増加させることができ、逆に回転速度を低下させることにより酸素濃度を低下させることができる。
　以上説明したように、本実施形態によるシリコン単結晶の製造方法は、シリコン単結晶のボディー部育成開始時にギャップを所定のサンプリング周期で計測し、ギャップの変動の大きさからシリコン単結晶の酸素濃度の二極化の方向を推定するので、推定結果に基づいて結晶育成条件を制御してシリコン単結晶の結晶成長方向における酸素濃度のばらつきを小さくすることができる。
　以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
　例えば、上記実施形態においては、熱遮蔽体と融液面との間のギャップをカメラで計測し、ギャップ変動の挙動からシリコン単結晶中の酸素濃度を推定しているが、本発明はこのような方法に限定されず、融液面をモニタリングして融液面の局所における微小な高さ変動を計測できる様々な方法を採用することができ、融液面の局所の高さ変動の挙動から酸素濃度を推定することができる。
（実施例１）
　直径約３１０ｍｍのシリコン単結晶の引き上げをＨＭＣＺ法により行った。結晶引き上げ工程では、シリコン単結晶のボディー部の開始位置から１００ｍｍの位置までの結晶長手方向の範囲を、シリコン単結晶の酸素濃度の二極化の方向を評価する酸素モード評価領域とし、酸素モード評価領域内のギャップ変動をモニタリングし、ギャップ変動の指標である標準偏差σを求めた。なお、熱遮蔽体と融液面との間のギャップは、熱遮蔽体の下端全周にわたって計測することができるが、ギャップ変動の標準偏差σの算出には、熱遮蔽体の下端全周でなく、熱遮蔽体の下端の一部の局所的なギャップの計測値を用いた。
　ギャップ変動の閾値σth＝０．１５とし、ギャップ変動が閾値よりも小さい（σ＜０．１５）の場合に高酸素モード、閾値以上（σ≧０．１５）の場合に低酸素モードになるものと過去のシリコン単結晶の引き上げ実績データ（ＰＯＲ）から推定して、それぞれのモードに対して酸素濃度が目標値（１２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）になるように結晶育成条件（Ａｒ流量・炉内圧）を調整した。
　結晶育成開始時にはどちらの酸素モードになるか分からないため、高酸素モードになることを前提とした酸素濃度調整パラメータ（Ａｒ流量・炉内圧）を設定した。ボディー部の結晶長Ｌ＝１００ｍｍとなった時点ではσ＜０．１５であったため、「高酸素モード」になると判断し、酸素濃度調整パラメータ（Ａｒ流量・炉内圧）の設定を結晶成長開始時のまま維持し、ボディー部育成工程を継続した。
　こうして引き上げられた実施例１によるシリコン単結晶インゴットの酸素濃度の結晶成長方向の分布を評価した。その結果を図９に示す。
　図９は、実施例１によるシリコン単結晶中の酸素濃度分布をギャップ変動と共に示すグラフであって、横軸は結晶長（相対値）、左縦軸はギャップ変動σ（ｍｍ）、右縦軸は酸素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）をそれぞれ示している。図９において、８点の四角のプロットは、酸素モードの推定結果に基づいて結晶育成条件を調整した実施例１によるシリコン単結晶の酸素濃度分布を示している。一方、多数のひし形のプロットは、酸素濃度の推定及び結晶育成条件の調整を行わなかった比較例（従来）によるシリコン単結晶の酸素濃度分布（二極化分布）を示している。さらに、その下の非常に急峻な折れ線グラフは、実施例によるシリコン単結晶の育成工程中に計測されたギャップ変動の変化を示している。
　図９から明らかなように、実施例１によるシリコン単結晶の酸素濃度分布は、比較例よりも目標値（ここでは１２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に近くなった。
（実施例２）
　実施例１と同一の結晶引き上げ装置及び結晶引き上げ条件下でシリコン単結晶の引き上げを行った。結晶育成開始時にはどちらの酸素モードになるか分からないため、高酸素モードになることを前提とした酸素濃度調整パラメータ（Ａｒ流量・炉内圧）を設定した。ボディー部の結晶長Ｌ＝１００ｍｍとなった時点ではσ≧０．１５であったため、「低酸素モード」になると判断し、酸素濃度調整パラメータ（Ａｒ流量・炉内圧）の設定を低酸素濃度用の調整パラメータに変更し、ボディー部育成工程を継続した。
　図１０は、実施例２によるシリコン単結晶中の酸素濃度分布をギャップ変動と共に示すグラフであって、横軸は結晶長（相対値）、左縦軸はギャップ変動σ（ｍｍ）、右縦軸は酸素濃度（ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）をそれぞれ示している。図１０において、９点の四角のプロットは、酸素モードの推定結果に基づいて結晶育成条件を調整した実施例２によるシリコン単結晶の酸素濃度分布を示している。一方、多数のひし形のプロットは、酸素濃度の推定及び結晶育成条件の調整を行わなかった比較例（従来）によるシリコン単結晶の酸素濃度分布（二極化分布）を示している。さらに、その下の非常に急峻な折れ線グラフは、実施例２によるシリコン単結晶の育成工程中に計測されたギャップ変動の変化を示している。
　図１０から明らかなように、実施例２によるシリコン単結晶の酸素濃度分布は、比較例よりも目標値（ここでは１２×１０１７ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）に近くなった。
　以上のように、ボディー部の開始位置から結晶長１００ｍｍまでの範囲内で計測したギャップ変動の挙動から酸素濃度の高低を事前に予測し、結晶育成条件のチューニング行った場合には、シリコン単結晶中の酸素濃度を目標値に近づけることができた。このようにギャップ変動のモニタリングによりその後の酸素濃度の挙動を推定することにより、シリコン単結晶中の酸素濃度を精度よく制御することができる。
１　　シリコン単結晶製造装置
２　　シリコン融液
２ｓ　　融液面
３　　シリコン単結晶
３Ｉ　　シリコン単結晶インゴット
３ａ　　ネック部
３ｂ　　ショルダー部
３ｃ　　ボディー部
３ｄ　　テイル部
１０　　チャンバー
１０ａ　　メインチャンバー
１０ｂ　　プルチャンバー
１０ｃ　　ガス導入口
１０ｄ　　ガス排出口
１０ｅ　　覗き窓
１１　　石英ルツボ
１２　　黒鉛ルツボ
１３　　回転シャフト
１４　　シャフト駆動機構
１５　　ヒーター
１６　　断熱材
１７　　熱遮蔽体
１７ａ　　熱遮蔽体の開口
１８　　ワイヤー
１９　　ワイヤー巻き取り機構
２０　　カメラ
２１　　画像処理部
２２　　制御部
３０　　磁場発生装置
３１Ａ，３１Ｂ　　電磁石コイル
ＧＡ　　ギャップ
ＨＺ　　水平磁場
ＭＣ　　融液対流

Claims (11)

  1. 　石英ルツボ内のシリコン融液に横磁場を印加しながらシリコン単結晶を引き上げる際、前記シリコン融液の融液面の高さを計測し、前記融液面の高さの微小変動から前記シリコン単結晶の酸素濃度を推定することを特徴とするシリコン単結晶の酸素濃度推定方法。
  2. 　前記融液面の高さを５０秒以下のサンプリング周期で周期的に計測する、請求項１に記載のシリコン単結晶の酸素濃度推定方法。
  3. 　前記融液面の高さの計測値の分解能が０．１ｍｍ以下である、請求項１又は２に記載のシリコン単結晶の酸素濃度推定方法。
  4. 　過去のシリコン単結晶の引き上げ実績データから融液面の高さの微小変動と酸素濃度の二極化の方向との相関関係を特定し、前記相関関係に基づいて前記シリコン単結晶の酸素濃度を推定する、請求項１乃至３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の酸素濃度推定方法。
  5. 　過去のシリコン単結晶の引き上げ実績データから酸素濃度の二極化が見られる結晶部分を特定し、当該結晶部分を育成している期間を前記融液面の高さを計測するサンプリング期間として設定する、請求項１乃至４のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の酸素濃度推定方法。
  6. 　前記シリコン単結晶のボディー部の上端から下方に一定の範囲内で計測した前記融液面の高さの微小変動から前記シリコン単結晶の酸素濃度を推定する、請求項１乃至５のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の酸素濃度推定方法。
  7. 　前記シリコン融液の上方に配置された熱遮蔽体と前記融液面との間のギャップを計測することにより、前記融液面の高さの微小変動を把握する、請求項１乃至６のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の酸素濃度推定方法。
  8. 　石英ルツボ内のシリコン融液に横磁場を印加しなが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、
    　請求項１乃至７のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の酸素濃度推定方法により前記シリコン単結晶の酸素濃度を推定し、
    　前記シリコン単結晶の酸素濃度の推定値が目標値に近づくように結晶育成条件を調整することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
  9. 　前記結晶育成条件は、前記石英ルツボの回転速度、結晶引き上げ炉内に供給する不活性ガスの流量、及び前記結晶引き上げ炉内の圧力の少なくとも一つである、請求項８に記載のシリコン単結晶の製造方法。
  10. 　結晶引き上げ炉と、
    　前記結晶引き上げ炉内でシリコン融液を支持する石英ルツボと、
    　前記石英ルツボを回転及び昇降駆動するルツボ回転機構と、
    　前記シリコン融液に横磁場を印加する磁場発生装置と、
    　前記シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる結晶引き上げ機構と、
    　前記シリコン融液の融液面の高さを周期的に計測する融液面計測手段と、
    　結晶育成条件を制御する制御部とを備え、
    　前記制御部は、
    　前記融液面の高さの微小変動から前記シリコン単結晶の酸素濃度を推定し、
    　前記シリコン単結晶の酸素濃度の推定値が目標値に近づくように前記結晶育成条件を調整することを特徴とするシリコン単結晶製造装置。
  11. 　前記結晶育成条件は、前記石英ルツボの回転速度、前記結晶引き上げ炉内に供給する不活性ガスの流量、及び前記結晶引き上げ炉内の圧力の少なくとも一つである、請求項１０に記載のシリコン単結晶製造装置。
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