技術 シリコン単結晶の製造方法及び製造装置

0001

本発明は、シリコン単結晶の製造方法及び製造装置に関するものである。

0002

チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造装置において、シリコン融液の表面の上方に、それぞれ温度制御が可能な同心円状の多段のサブヒータを設け、シリコン単結晶を製造する際は、多段のサブヒータによってシリコン融液の表面を加熱する一方で、メインヒータの温度を下げることにより坩堝内壁の温度を下げ、これによりシリコン単結晶中の酸素濃度を低減するものが知られている（特許文献１）。

0003

特開平５−２９４７８２号公報

0004

しかしながら、上記従来技術では酸素濃度は低減できても、シリコン単結晶の引き上げ速度の制御性（ばらつき）は改善できない。

0005

本発明が解決しようとする課題は、シリコン単結晶の引き上げ速度の制御性およびロバスト性を高めることができるシリコン単結晶の製造方法、シリコン単結晶の製造装置、引上げ速度の制御性又はロバスト性の評価方法及びシリコン単結晶製造装置の設計方法を提供することである。

0006

第１の観点による発明は、チョクラルスキー法により坩堝に収容したシリコン融液からシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の製造方法において、
育成中のシリコン単結晶の最外周とシリコン融液との接点であるメニスカス部の温度をＡ（Ｋ）、前記育成中のシリコン単結晶の前記メニスカス部を起点とする前記シリコン融液の半径外側方向への距離をＬ（ｍｍ）、前記距離Ｌの位置における前記シリコン融液の自由表面の温度をＢ（Ｋ）とした場合に、Ｇｓ（Ｋ／ｍｍ）＝（Ｂ−Ａ）／Ｌで定義されるシリコン融液の自由表面上の温度勾配Ｇｓが、前記距離Ｌの増加に伴い単調減少となる製造条件にて、前記シリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の製造方法によって上記課題を解決する。ここで、単調減少とは、極値を持たずに減少することをいい、距離Ｌの増加に伴い、温度勾配Ｇｓが増加することなく減少することをいう。

0007

特に限定されないが、上記第１の観点による発明において、前記距離Ｌに対する前記温度勾配Ｇｓのプロファイルは、変曲点（変曲点とは、曲率の符号が変化する点をいう。）を示さないことが望ましい。

0008

第２の観点による発明は、チャンバと、
前記チャンバ内に設けられ、シリコン融液が収容される石英製の坩堝と、
前記石英製の坩堝の外周面を保護する黒鉛製の坩堝と、
前記チャンバ内の前記坩堝の周囲に設けられたヒータと、
前記チャンバ内の前記坩堝の上部に設けられ、育成中のシリコン単結晶を覆う筒状の熱遮蔽部材と、
前記チャンバ内の前記ヒータの周囲に設けられた保温筒と、を備え、
チョクラルスキー法により、坩堝に収容したシリコン融液からシリコン単結晶を育成するシリコン単結晶の製造装置において、
育成中のシリコン単結晶の最外周とシリコン融液との接点であるメニスカス部の温度をＡ（Ｋ）、前記育成中のシリコン単結晶の前記メニスカス部を起点とする前記シリコン融液の半径外側方向への距離をＬ（ｍｍ）、前記距離Ｌの位置における前記シリコン融液の自由表面の温度をＢ（Ｋ）とした場合に、Ｇｓ（Ｋ／ｍｍ）＝（Ｂ−Ａ）／Ｌで定義されるシリコン融液の自由表面上の温度勾配Ｇｓが、前記距離Ｌの増加に伴い単調減少となる特性を備えるシリコン単結晶の製造装置により、上記課題を解決する。

0009

上記第２の観点による発明において、前記温度勾配Ｇｓが前記距離Ｌの増加に伴い単調減少となるように、少なくとも前記チャンバ、前記石英製の坩堝、前記黒鉛製の坩堝、前記ヒータ、前記熱遮蔽部材及び前記保温筒の形状、寸法、配置関係、材質及びこれらに起因する熱特性を設定してもよい。

0010

また、上記第２の観点による発明において、前記温度勾配Ｇｓが前記距離Ｌの増加に伴い単調減少となるように、前記熱遮蔽部材の下端の開口径と、前記熱遮蔽部材の下端とシリコン融液面との距離を設定してもよい。

0011

第３の観点による発明は、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法における引上げ速度の制御性又はロバスト性を評価する方法において、
育成中のシリコン単結晶の最外周とシリコン融液との接点であるメニスカス部の温度をＡ（Ｋ）、前記育成中のシリコン単結晶の前記メニスカス部を起点とする前記シリコン融液の半径外側方向への距離をＬ（ｍｍ）、前記距離Ｌの位置における前記シリコン融液の自由表面の温度をＢ（Ｋ）とした場合に、Ｇｓ（Ｋ／ｍｍ）＝（Ｂ−Ａ）／Ｌで定義されるシリコン融液の自由表面上の温度勾配Ｇｓが、前記距離Ｌの増加に伴い単調減少となるか否かを判定し、単調減少である場合は、前記引上げ速度の制御性又はロバスト性が良いと評価することにより、上記課題を解決する。

0012

第４の観点による発明は、第３の観点による引上げ速度の制御性又はロバスト性を評価する方法により、前記引上げ速度の制御性又はロバスト性が良いと評価されたシリコン単結晶の製造装置により、上記課題を解決する。

0013

第５の観点による発明は、第４の観点によるシリコン単結晶の製造装置を用いてシリコン単結晶を製造する方法により、上記課題を解決する。

0014

第６の観点による発明は、チャンバと、
前記チャンバ内に設けられ、シリコン融液が収容される石英製の坩堝と、
前記石英製の坩堝の外周面を保護する黒鉛製の坩堝と、
前記チャンバ内の前記坩堝の周囲に設けられたヒータと、
前記チャンバ内の前記坩堝の上部に設けられ、育成中のシリコン単結晶を覆う筒状の熱遮蔽部材と、
前記チャンバ内の前記ヒータの周囲に設けられた保温筒と、を備え、
チョクラルスキー法によるシリコン単結晶製造装置のホットゾーンの設計方法において、
育成中のシリコン単結晶の最外周とシリコン融液との接点であるメニスカス部の温度をＡ（Ｋ）、前記育成中のシリコン単結晶の前記メニスカス部を起点とする前記シリコン融液の半径外側方向への距離をＬ（ｍｍ）、前記距離Ｌの位置における前記シリコン融液の自由表面の温度をＢ（Ｋ）とした場合に、Ｇｓ（Ｋ／ｍｍ）＝（Ｂ−Ａ）／Ｌで定義されるシリコン融液の自由表面上の温度勾配Ｇｓが、前記距離Ｌの増加に伴い単調減少となるように、前記ホットゾーンを構成する少なくとも一の部材の形状、寸法、配置関係、材質及びこれらに起因する熱特性を設計することにより、上記課題を解決する。

0015

本発明では、シリコン融液の自由表面上の温度勾配Ｇｓが、距離Ｌの増加に伴い単調減少となる製造条件を設定し、当該製造条件にてシリコン単結晶を育成すると、シリコン融液の自由表面の対流が安定するものと推察されるので、シリコン単結晶の引き上げ速度の制御性およびロバスト性を高めることができる。

0016

本発明のシリコン単結晶の製造装置の一実施の形態を示す断面図である。
図１のホットゾーンＨＺを拡大して示す半断面図である。
図１のホットゾーンＨＺの条件が相違するシリコン単結晶の製造装置の実施例と比較例を用いて測定した距離Ｌとシリコン融液の自由表面Ｂの温度との関係を示すグラフである。
図３の実施例及び比較例の距離Ｌと温度勾配Ｇｓとの関係を示すグラフである。

0017

以下、本発明の一実施の形態を図面に基づいて説明する。図１は、本発明の一実施の形態であるシリコン単結晶の製造装置を示す断面図である。図１に示すシリコン単結晶の製造装置１は、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法も適用される。図示するシリコン単結晶の製造装置１は、円筒状の第１チャンバ１１と、同じく円筒状の第２チャンバ１２とを備え、これらは気密に接続されている。

0018

第１チャンバ１１の内部には、シリコン融液Ｍを収容する石英製の坩堝２１と、この石英製の坩堝２１を保護する黒鉛製の坩堝２２とが、支持軸２３で支持されるとともに、駆動機構２４によって回転及び昇降が可能とされている。また、石英製の坩堝２１と黒鉛製の坩堝２２とを取り囲むように、環状のヒータ２５と、同じく環状の、断熱材からなる保温筒２６が配置されている。なお、黒鉛製の坩堝２２は、炭素繊維強化炭素複合材（carbon fiber reinforced-carbon matrix-composite）から構成してもよい。また、石英製の坩堝２１の下方にヒータを追加してもよい。

0019

第１チャンバ１１の内部であって、石英製の坩堝２１の上部には、円筒状の熱遮蔽部材２７が設けられている。熱遮蔽部材２７は、モリブデン、タングステンなどの耐火金属又はカーボンからなり、シリコン融液Ｍからシリコン単結晶Ｃへの放射を遮断するとともに、第１チャンバ１１内を流れるガスを整流する。熱遮蔽部材２７は、保温筒２６にブラケット２８を用いて固定されている。この熱遮蔽部材２７の下端に、シリコン融液Ｍの液面と対向するように遮熱部を設け、シリコン融液Ｍの表面からの輻射をカットするとともにシリコン融液Ｍの表面を保温するようにしてもよい。

0020

第１チャンバ１１の上部に接続された第２チャンバ１２は、育成したシリコン単結晶Ｃを収容し、これを取り出すためのチャンバである。第２チャンバ１２の上部には、シリコン単結晶をワイヤ３１で回転させながら引上げる引上げ機構３２が設けられている。引上げ機構３２から垂下されたワイヤ３１の下端のチャックには種結晶Ｓが装着される。第１チャンバ１１の上部に設けられたガス導入口１３から、アルゴンガス等の不活性ガスが導入される。この不活性ガスは、引上げ中のシリコン単結晶Ｃと熱遮蔽部材２７との間を通過した後、熱遮蔽部材２７の下端とシリコン融液Ｍの融液面との間を通過し、さらに石英製の坩堝２１の上端へ立ち上がった後、ガス排出口１４から排出される。

0021

第１チャンバ１１（非磁気シールド材からなる）の外側には、第１チャンバ１１を取り囲むように、石英製の坩堝２１内の融液Ｍに磁場を与える磁場発生装置４１が配置されている。磁場発生装置４１は、石英製の坩堝２１に向けて、水平磁場を生じさせるものであり、電磁コイルで構成されている。磁場発生装置４１は、石英製の坩堝２１内の融液Ｍに生じた熱対流を制御することで、結晶成長を安定させ、結晶成長方向における不純物分布のミクロなバラツキを抑制する。特に大口径のシリコン単結晶を製造する場合にはその効果が大きい。なお、必要に応じて縦磁場又はカスプ磁場を発生させる磁場発生装置としてもよいし、必要に応じて磁場発生装置４１を使用しなくてもよい。

0022

本実施形態のシリコン単結晶の製造装置１を用いて、ＣＺ法によりシリコン単結晶を育成するには、まず、石英製の坩堝２１内に、多結晶シリコンや必要に応じてドーパントからなるシリコン原料を充填し、ガス導入口１３から不活性ガスを導入しガス排出口１４から排出しながら、ヒータ２５を作動して石英製の坩堝２１内でシリコン原料を融解し、シリコン融液Ｍとする。続いて、磁場発生装置４１を作動して石英製の坩堝２１への水平磁場の印加を開始しつつ、シリコン融液Ｍの温度を引き上げ開始温度となるように調温する。シリコン融液Ｍの温度と磁場強度が安定したら、駆動機構２４によって石英製の坩堝２１を所定速度で回転させ、ワイヤ３１に装着された種結晶Ｓをシリコン融液Ｍに浸漬する。そして、ワイヤ３１も所定速度で回転させながら静かに引上げて種絞りを形成した後、所望の直径まで拡径し、略円柱形状の直胴部を有するシリコン単結晶Ｃを成長させる。

0023

シリコン単結晶Ｃの引き上げにともない石英製の坩堝２１の液面が下がり、磁場発生装置４１から石英製の坩堝２１へ水平磁場を印加を含めてホットゾーンＨＺの条件が変動する。この液面の変動を抑制するため、シリコン単結晶Ｃの引き上げ中における融液Ｍの液面の鉛直方向の高さは、駆動機構２４によって一定となるように制御される。この駆動機構２４の制御は、例えば、石英製の坩堝２１の位置、ＣＣＤカメラなどで測定したシリコン融液Ｍの液面の位置、シリコン単結晶Ｃの引上げ長さ等の情報に応じて実行され、これにより石英製の坩堝２１の上下方向の位置が駆動機構２４によって移動する。

0024

ホットゾーンＨＺとは、シリコン単結晶の育成中にヒータ２５からの熱によって高温となる領域をいい、ホットゾーンＨＺの条件とは、第１チャンバ１１、石英製の坩堝２１、黒鉛製の２２、支持軸２３、ヒータ２５、保温筒２６、熱遮蔽部材２７、シリコン融液Ｍ、シリコン単結晶Ｃなどの形状、寸法、配置関係、材質及びこれらに起因する各種熱特性をいう。図２は、ホットゾーンＨＺの要部を拡大して示す半断面図である。ホットゾーンＨＺの条件としての、第１チャンバ１１、石英製の坩堝２１、黒鉛製の２２、支持軸２３、ヒータ２５、保温筒２６、熱遮蔽部材２７、シリコン融液Ｍ、シリコン単結晶Ｃなどの形状、寸法、配置関係、材質及びこれらに起因する各種熱特性の一例を挙げると、図２に示す、熱遮蔽部材２７の下端の開口径Ｄ（直径又は半径）と、熱遮蔽部材２７の下端とシリコン融液面ＦＳとの距離Ｇａが挙げられる。

0025

ここで、実際のシリコン単結晶製造装置について、Ｄ（直径）＝Ｄ１ｍｍ，Ｇａ＝Ｇａ１ｍｍに設定した実施例に係る製造装置を用いてｎ＝１５６本のシリコン単結晶を引上げる一方、Ｄ（直径）＝Ｄ１＋６０ｍｍ，Ｇａ＝Ｇａ１＋１５ｍｍに設定した比較例に係る製造装置を用いてｎ＝８１本のシリコン単結晶を引上げた。そして、これら実施例及び比較例における引上げ速度Ｖの速度実績値の移動平均のばらつき（ｍｍ／ｍｉｎ）を測定したところ、下記表１のとおりであった。なお、表１の速度実績値の移動平均のばらつきは、（１）まず、１分毎に採取した結晶育成速度の瞬時値を、結晶育成方向の５０ｍｍ区間で平均化処理することにより移動平均速度を算出し、（２）次に、１分毎に結晶育成速度の設定値と前記移動平均速度の差異を求め、引き上げられたシリコン単結晶１本分の製品取得領域全長について、その差異の平均値（シリコン単結晶１本分の平均値）を求め、（３）最後に、このようにして得られるシリコン単結晶１本分の平均値を、引き上げられたシリコン単結晶の全数（実施例の場合はシリコン単結晶１５６本、比較例の場合はシリコン単結晶８１本）のそれぞれについて求めた後、全数分の平均値（実施例の場合はシリコン単結晶１５６本の平均値、比較例の場合はシリコン単結晶８１本の平均値）を求めて、これを表1の“速度実績値の移動平均のばらつき”とした。
この結果によれば、ＣＺ法によりＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を存在させない無欠陥領域によるシリコン単結晶の製造制御法による引上速度の制御性を比較すると、表１に示すとおり、比較例は実施例に比べて１．８６倍も悪化することとなった。

0026

0027

そこで、Ｄ（直径）＝Ｄ１ｍｍ，Ｇａ＝Ｇａ１ｍｍに設定した実施例に係る製造装置と、Ｄ（直径）＝Ｄ１＋６０ｍｍ，Ｇａ＝Ｇａ１＋１５ｍｍに設定した比較例に係る製造装置について、その他のホットゾーンＨＺの条件である、第１チャンバ１１、石英製の坩堝２１、黒鉛製の２２、支持軸２３、ヒータ２５、保温筒２６、熱遮蔽部材２７、シリコン融液Ｍ、シリコン単結晶Ｃなどの形状、寸法、配置関係、材質及びこれらに起因する各種熱特性を実施例と比較例とで同じ条件に設定し、電子計算機上でＣｒｙｓＭＡＳ（Fraunhofer Institute社製総合伝熱解析シミュレーションソフトウェア）による３００ｍｍシリコン単結晶の製造シミュレーションを実施した。なお、ＣｒｙｓＭＡＳを用いたシミュレーション解析においては、坩堝内の融液の対流は考慮せず、二次元軸対称モデル（三次元モデルでもよいが本例ではより簡易な二次元モデルを用いた。）による伝熱解析シミュレーションを実施した。この場合のシミュレーションにおいては、例えば特許第４０４８６６０号公報に記載のように、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によりＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を存在させない無欠陥領域のシリコン単結晶を製造する方法の範囲内で実施した。すなわち、引上げ軸方向の結晶中心部の温度勾配をＧｃ、結晶外周部の温度勾配をＧｅとしたとき、Ｇｃ／Ｇｅが、Ｔ＞１３６０℃の範囲では、Ｇｃ／Ｇｅ＝−０．００７Ｔ＋１０．６２、１２３０℃≦Ｔ≦１３０℃の範囲では、Ｇｃ／Ｇｅ≧１．０を満足する製造条件でシリコン単結晶を製造する。

0028

ここで、図２に示すように、育成中のシリコン単結晶Ｃの最外周とシリコン融液Ｍとの接点であるメニスカス部Ｐ１の温度をＡ（Ｋ）、育成中のシリコン単結晶Ｃを起点（具体的にはメニスカス部Ｐ１を起点）とするシリコン融液Ｍの半径外側方向（Ｐ３は自由表面ＦＳと石英製の坩堝２１の内壁面との接点）への距離をＬ（ｍｍ）、距離Ｌの位置Ｐ２におけるシリコン融液の自由表面ＦＳの温度をＢ（Ｋ）とした場合における、距離Ｌとシリコン融液の自由表面Ｂの温度との関係をＣｒｙｓＭＡＳにより解析した。この結果を図３に示す。この図３のシミュレーション結果によれば、実施例及び比較例ともに、シリコン融液Ｍの半径外側方向に向かって単調に温度上昇しており、比較例の方が外周部の温度が高いので、シリコン融液Ｍの自由表面ＦＳの対流はより安定するようにも思える。

0029

しかしながら、図３に示す結果と表１に示す結果とを整合させるべく、本発明者らは、Ｇｓ（Ｋ／ｍｍ）＝（Ｂ−Ａ）／Ｌで定義されるシリコン融液Ｍの自由表面ＦＳ上の温度勾配Ｇｓを演算したところ、図４に示す結果となった。すなわち、実施例は距離Ｌが大きくなるにしたがい温度勾配Ｇｓが単調減少し、温度プロファイルは変曲点を示さない。これに対して、比較例は、図３では明らかではないが、図４に示すように、距離Ｌが大きくなると温度勾配Ｇｓが一旦急激に減少したのち緩やかに上昇し、再び緩やかに減少する。すなわち、温度プロファイルは、メニスカス部Ｐ１の近傍において下に凸の極値を示す。このように定義された温度勾配Ｇｓと距離Ｌとの関係のプロファイルを求めると、図３に示す温度と距離との関係のプロファイルでは見出せなかったシリコン融液Ｍの自由表面ＦＳの対流の安定性が明確になった。すなわち、図４の実施例に示すように距離Ｌが大きくなるにしたがい温度勾配Ｇｓが単調減少するということは、シリコン融液Ｍの自由表面ＦＳの対流が安定しているものと推察される。したがって、引上げ速度が大きくばらつかない。これに対して、図４の比較例に示すように距離Ｌが大きくなるにしたがい温度勾配Ｇｓのプロファイルが変曲点を示すということは、シリコン融液Ｍの自由表面ＦＳの対流に停滞部分が生じているものと推察される。したがって、引上げ速度が大きくばらつく結果となる。

0030

以上のように、Ｇｓ（Ｋ／ｍｍ）＝（Ｂ−Ａ）／Ｌで定義されるシリコン融液の自由表面上の温度勾配Ｇｓが、距離Ｌの増加に伴い単調減少となる製造条件、特にホットゾーンＨＺの条件を設定し、当該製造条件にてシリコン単結晶を育成すると、シリコン単結晶の引き上げ速度の制御性およびロバスト性を高めることができる。その結果、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によりＧｒｏｗｎ−ｉｎ欠陥を存在させない無欠陥領域によるシリコン単結晶を比較的容易に製造することができる。

0031

なお、上述した実施形態の熱遮蔽部材２７の下端の開口径Ｄ（直径又は半径）と、熱遮蔽部材２７の下端とシリコン融液面ＦＳとの距離Ｇａの設定条件は、ホットゾーンＨＺの熱特性の一例であって、この他にも少なくとも第１チャンバ１１、石英製の坩堝２１、黒鉛製の坩堝２２、ヒータ２５、熱遮蔽部材２７及び保温筒２６の形状、寸法、配置関係、材質及びこれらに起因する熱特性を適正値に設定することで、同様に、シリコン融液の自由表面上の温度勾配Ｇｓが、距離Ｌの増加に伴い単調減少となる製造条件を得ることができる。具体的な方法としては、上述したＣｒｙｓＭＡＳのシミュレーションソフトウェアを用い、電子計算機上でホットゾーンＨＺを構成する部品の形状、寸法、配置関係、材質を種々に変更すれば、温度勾配Ｇｓが距離Ｌの増加に伴い単調減少となる条件を容易に得ることができる。

0032

１…シリコン単結晶の製造装置
１１…第１チャンバ
１２…第２チャンバ
１３…ガス導入口
１４…ガス排出口
２１…石英製の坩堝
２２…黒鉛製の坩堝
２３…支持軸
２４…駆動機構
２５…ヒータ
２６…保温筒
２７…熱遮蔽部材
２８…ブラケット
３１…ワイヤ
３２…引上げ機構
４１…磁場発生装置
Ｍ…シリコン融液
Ｃ…シリコン単結晶
Ｓ…種結晶
ＨＺ…ホットゾーン