JP2009292684A - Silicon single crystal production method and production apparatus therefore - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、チョクラルスキー法(以下、「CZ法」という)に用いられるシリコン単結晶の製造方法およびシリコン単結晶の製造装置に関し、さらに詳しくは、引き上げられる単結晶の直径に拘わらず、大口径のシリコン単結晶を引き上げる場合であっても、安定した単結晶の引上げが可能で、良好な結晶品質を確保することができるシリコン単結晶の製造方法およびこれに用いる製造装置に関するものである。 The present invention relates to a silicon single crystal manufacturing method and a silicon single crystal manufacturing apparatus used in the Czochralski method (hereinafter referred to as “CZ method”), and more specifically, regardless of the diameter of the single crystal to be pulled up. The present invention relates to a silicon single crystal manufacturing method and a manufacturing apparatus used therefor, which are capable of stably pulling a single crystal even when pulling up a silicon single crystal having a diameter and ensuring good crystal quality.
現在、半導体デバイス製造における主要な基板材料としてシリコン単結晶が用いられており、この製造方法としてCZ法が広く採用されている。CZ法によってシリコン単結晶を育成させる場合、多結晶のシリコン原料を石英ルツボ内に投入し、ヒータの加熱作用によりその中で溶融させる。シリコン原料を完全に溶融させた後、これを結晶原料として種結晶をシリコン融液に浸しシリコン単結晶を引上げていく。 Currently, a silicon single crystal is used as a main substrate material in semiconductor device manufacturing, and the CZ method is widely adopted as this manufacturing method. When a silicon single crystal is grown by the CZ method, a polycrystalline silicon raw material is put into a quartz crucible and melted therein by the heating action of a heater. After the silicon raw material is completely melted, the seed crystal is immersed in a silicon melt using this as a crystal raw material to pull up the silicon single crystal.
CZ法により引き上げられるシリコン単結晶の引上げ速度や品質は、育成中の結晶温度に依存する。特に、単結晶の成長軸方向の温度勾配は、単結晶中のGrown−in欠陥の発生に影響を及ぼすことから、単結晶の全域に亘って均一であることが望ましい。一方、この成長軸方向の温度勾配は、単結晶が融液から受ける輻射熱に大きな影響を受けることから、これを制御するため、通常、CZ法による製造装置では、育成中の単結晶を囲繞するように熱遮蔽体が配置される。 The pulling speed and quality of a silicon single crystal pulled by the CZ method depend on the crystal temperature during growth. In particular, since the temperature gradient in the growth axis direction of the single crystal affects the generation of grown-in defects in the single crystal, it is desirable that the temperature gradient be uniform over the entire area of the single crystal. On the other hand, the temperature gradient in the growth axis direction is greatly influenced by the radiant heat received from the melt by the single crystal. Therefore, in order to control this, the CZ method manufacturing apparatus usually surrounds the growing single crystal. Thus, a heat shield is arranged.
例えば、特許文献1には、上下が開放されかつ下方に向うに従って直径が次第に小さくなる筒状の金属製遮蔽部材に、螺旋状の冷却水管からなる冷却手段を付設してシリコン単結晶を強制冷却することにより、シリコン単結晶の引上げ速度を大きくすることができる単結晶成長装置が示されている。 For example, in Patent Document 1, cooling is made of a helical cooling water pipe to a cylindrical metal shielding member whose diameter is gradually reduced as it is opened downward and downward, and forcibly cooling the silicon single crystal. By doing so, a single crystal growth apparatus capable of increasing the pulling rate of the silicon single crystal is shown.
また、特許文献2号公報には、中間チャンバと加熱チャンバとの間にドーナツ型の水冷チャンバが設けられ、この水冷チャンバに熱伝導率及び熱輻射率の良好な第1スクリーンを単結晶の周囲に配置することにより、単結晶の冷却速度を大きくできるシリコン単結晶の製造装置が示されている。
Further, in
したがって、特許文献1、2で提案の装置では、育成中の単結晶の温度勾配を全域に亘って均一に確保できるとともに、単結晶の歩留まりを低下させずに、単結晶の引上げ速度を大きくすることができる。
Therefore, in the apparatus proposed in
さらに引き上げられるシリコン単結晶の不純物として、結晶中にはボロン、リンなどのドーパントや、引上げ中に石英るつぼ壁より融液中に溶出、混入する酸素が含有される。これら結晶中に含有される不純物は、シリコン単結晶より切出されるウェーハの品質に大きく影響を及ぼすことから適切に制御されなければならない。特に、ウェーハの面内不純物分布を均一にするために、シリコン単結晶中の半径方向の不純物濃度分布を均一にすることが必要になる。 Further, as impurities of the silicon single crystal to be pulled up, the crystal contains dopants such as boron and phosphorus, and oxygen that is eluted and mixed into the melt from the quartz crucible wall during pulling. Impurities contained in these crystals have a great influence on the quality of a wafer cut out from a silicon single crystal and must be appropriately controlled. In particular, in order to make the in-plane impurity distribution of the wafer uniform, it is necessary to make the impurity concentration distribution in the radial direction in the silicon single crystal uniform.
通常、石英ルツボに収容される融液は、ルツボ外周からヒータで加熱されるので、ルツボの側壁近傍では上昇し、その中心部では下降する自然対流が生じる。このため、不純物の濃度分布を均一にするには、これらの対流を有効に制御する必要がある。 Usually, the melt contained in the quartz crucible is heated by the heater from the outer periphery of the crucible, so that natural convection that rises in the vicinity of the side wall of the crucible and descends in the center thereof is generated. Therefore, in order to make the impurity concentration distribution uniform, it is necessary to effectively control these convections.
このシリコン融液の対流を制御するために、石英ルツボと同軸に一対の励磁コイルを配置し、石英ルツボ内の融液に一対の励磁コイルから発生する横方向の静磁場を印加することが行われる(例えば、特許文献3参照)。横磁場を印加することによりシリコン融液の対流を制御し、不純物の濃度分布を均一にするとともに、シリコン単結晶とシリコン融液との固液界面の形状を制御し、その引上げを安定化させることができる。
近年の半導体デバイスの高集積化、低コスト化および生産性の向上等に対応して、ウェーハも大口径化が要請されており、直径300mm以上で、例えば400mm〜450mmウェーハに対応できる、大口径のシリコン単結晶の製造技術の開発が急務になっている。大口径のシリコン単結晶を製造するのに必要な技術として、石英ルツボの大容量化やシリコン原料の充填量アップが大きな課題となる。 In response to the recent high integration, low cost, and improved productivity of semiconductor devices, wafers are also required to have a large diameter, with a diameter of 300 mm or more, for example, a large diameter that can accommodate 400 mm to 450 mm wafers. There is an urgent need for the development of silicon single crystal manufacturing technology. As technologies necessary for producing a large-diameter silicon single crystal, increasing the capacity of the quartz crucible and increasing the filling amount of the silicon raw material are major issues.
大口径のシリコン単結晶の製造技術に関連して、石英ルツボの大容量化を図るため、大型ルツボの製作が必須となる。育成する結晶と石英ルツボの径の比は、経験則より1:3程度であるが、経済性を考慮し、非特許文献1では、単結晶の直径と石英ルツボとの関係をこれまでの推移と今後採用されるであろう予想サイズについて報告している。 In connection with the technology for producing large-diameter silicon single crystals, it is essential to produce large crucibles in order to increase the capacity of quartz crucibles. The ratio of the diameter of the crystal to be grown and the diameter of the quartz crucible is about 1: 3 based on empirical rules. However, considering the economy, Non-Patent Document 1 shows the transition of the relationship between the diameter of the single crystal and the quartz crucible so far. And the expected size that will be adopted in the future.
これによれば、直径300mmの単結晶に対しては32インチ(813mm)、直径400mmの単結晶に対しては36インチ(914mm)〜40(1016mm)、直径450mmの単結晶に対しては46インチ(1168mm)〜50(1270mm)の石英ルツボが用いられることが予測されている。 According to this, 32 inches (813 mm) for a 300 mm diameter single crystal, 36 inches (914 mm) to 40 (1016 mm) for a 400 mm diameter single crystal, and 46 for a 450 mm diameter single crystal. It is anticipated that quartz crucibles of inches (1168 mm) to 50 (1270 mm) will be used.
ところが、大口径のシリコン単結晶を製造するに際し、大型石英ルツボを導入すると、それにともない製造装置を構成する熱遮蔽体、ヒータ、励磁コイルなどの各部材が大型になり、且つ重量が増大することになる。 However, when manufacturing a large-diameter silicon single crystal, if a large-sized quartz crucible is introduced, each member such as a heat shield, a heater, and an exciting coil constituting the manufacturing apparatus becomes large and weight increases. become.
さらに、引き上げられる単結晶の直径を300mm以上と大口径になると、単結晶の固液界面に発生する熱応力が大きくなるとともに、結晶成長に及ぼす外乱要因も増加する。このため、育成中の温度勾配が確保するのが難しく、単結晶の有転位化が発生し易くなり、安定した単結晶の引上げが行えなくなることが予測される。 Further, when the diameter of the pulled single crystal is as large as 300 mm or more, the thermal stress generated at the solid-liquid interface of the single crystal increases, and the disturbance factors affecting the crystal growth also increase. For this reason, it is difficult to secure a temperature gradient during the growth, and it is predicted that dislocation of the single crystal is likely to occur, and it is impossible to pull the single crystal stably.
本発明は、このような問題点に鑑みなされたものであり、引き上げられる単結晶の直径に拘わらず、大口径のシリコン単結晶を引き上げる場合であっても、安定した単結晶の引上げが可能で、良好な結晶品質を確保することができるシリコン単結晶の製造方法およびこれに用いる製造装置を提供することを目的としている。 The present invention has been made in view of such problems, and it is possible to pull a single crystal stably even when pulling a large-diameter silicon single crystal regardless of the diameter of the single crystal to be pulled. Another object of the present invention is to provide a method for producing a silicon single crystal capable of ensuring good crystal quality and a production apparatus used therefor.
単結晶の製造装置を構成するヒータ、励磁コイルなどの寸法は、石英ルツボに応じて設計される。このため、引上げられる単結晶の大口径化にともない、従来の経験則に基づいて育成する結晶と石英ルツボの径の比から、製造装置を構成する各部材を設計すると、結晶面内における品質バラツキが大きくなったり、引上げが不安定になり、引上げ効率が著しく低下する。 The dimensions of the heater, the excitation coil, etc. constituting the single crystal manufacturing apparatus are designed according to the quartz crucible. For this reason, when each member constituting the manufacturing apparatus is designed from the ratio of the diameter of the crystal to be grown based on the conventional rule of thumb and the diameter of the quartz crucible as the diameter of the single crystal to be pulled is increased, the quality variation in the crystal plane is determined. Becomes larger, the pulling becomes unstable, and the pulling efficiency is remarkably lowered.
また、製造装置の内部が、装置を構成する部材の表面から発生した重金属粉やカーボン粉等の汚染物質によって汚染されていると、育成されたシリコン単結晶の表面もこの汚染物質によって汚染される。汚染されたシリコン単結晶から得られたウェーハは、再結合ライフタイム(以下、「ライフタイム」という)の低下を引き起こすなど、品質上の問題がある。シリコン単結晶への汚染物質による影響は、熱遮蔽体が一因になっている。 In addition, if the inside of the manufacturing apparatus is contaminated with contaminants such as heavy metal powder and carbon powder generated from the surfaces of the members constituting the apparatus, the surface of the grown silicon single crystal is also contaminated with this contaminant. . A wafer obtained from a contaminated silicon single crystal has quality problems such as a reduction in recombination lifetime (hereinafter referred to as “lifetime”). The influence of contaminants on the silicon single crystal is partly due to the heat shield.
本発明者は、引き上げられる単結晶の直径に拘わらず、安定した単結晶の引上げが可能になり、良好な結晶品質を確保することができるように、種々の検討を加えた結果、単結晶の直径寸法に対し、熱遮蔽体の直径、石英ルツボの内径、およびヒータの内径等の各部材の寸法範囲を設定するのが有効であることを知見した。 The present inventor has made various studies so that a stable single crystal can be pulled up regardless of the diameter of the single crystal to be pulled up, and good crystal quality can be secured. It has been found that it is effective to set the size range of each member such as the diameter of the heat shield, the inner diameter of the quartz crucible, and the inner diameter of the heater with respect to the diameter dimension.
本発明は、このような知見に基づいてなされたものであり、下記(1)〜(3)のシリコン単結晶の製造方法およびこれに用いる製造装置を要旨としている。
(1)CZ法を用いて、結晶原料をヒータにより溶融したのち加熱しつつ、石英ルツボに収容された融液から引上げられる単結晶を熱遮蔽体で囲繞し、前記単結晶を凝固させながらシリコン単結晶を製造する方法であって、前記単結晶の直径をD(mm)とし、前記熱遮蔽体の下端開口径をFd(mm)、前記石英ルツボの内径をCd(mm)、および前記ヒータの内径をHd(mm)とした場合に、下記(1)〜(3)式を満足することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法である。
The present invention has been made on the basis of such knowledge, and the gist of the following methods (1) to (3) is a silicon single crystal manufacturing method and a manufacturing apparatus used therefor.
(1) Using the CZ method, the crystal raw material is melted with a heater and then heated, and the single crystal pulled from the melt contained in the quartz crucible is surrounded by a heat shield, and the single crystal is solidified while being solidified. A method of manufacturing a single crystal, wherein the diameter of the single crystal is D (mm), the lower end opening diameter of the heat shield is Fd (mm), the inner diameter of the quartz crucible is Cd (mm), and the heater When the inner diameter of Hd is Hd (mm), the following formulas (1) to (3) are satisfied.
1.1×D ≦ Fd ≦ 1.9×D ・・・ (1)
1.9×D ≦ Cd ≦ 3.5×D ・・・ (2)
2.3×D ≦ Hd ≦ 4.2×D ・・・ (3)
1.1 × D ≦ Fd ≦ 1.9 × D (1)
1.9 × D ≦ Cd ≦ 3.5 × D (2)
2.3 × D ≦ Hd ≦ 4.2 × D (3)
(2)CZ法に適用され、結晶原料から融液を形成し高温に保持するヒータと、形成された融液を収容する石英ルツボと、石英ルツボに収容された融液から引上げられる単結晶を囲繞する熱遮蔽体とを具備してシリコン単結晶を製造する装置であって、引き上げられる単結晶の直径D(mm)に対し、前記熱遮蔽体の下端開口径Fd(mm)、前記石英ルツボの内径Cd(mm)、および前記ヒータの内径Hd(mm)が、それぞれ上記(1)〜(3)式の関係で構成されていることを特徴とするシリコン単結晶の製造装置である。 (2) Applied to the CZ method, a heater that forms a melt from a crystal raw material and maintains it at a high temperature, a quartz crucible that contains the formed melt, and a single crystal that is pulled from the melt contained in the quartz crucible. An apparatus for manufacturing a silicon single crystal having a surrounding heat shield, wherein the lower end opening diameter Fd (mm) of the heat shield and the quartz crucible with respect to the diameter D (mm) of the single crystal to be pulled up The silicon single crystal manufacturing apparatus is characterized in that the inner diameter Cd (mm) of the heater and the inner diameter Hd (mm) of the heater are respectively configured by the relationships of the above formulas (1) to (3).
(3)上記(1)および(2)において、さらに、前記石英ルツボに収容された融液に対して水平方向に磁場を印加する場合には、同軸に配置された励磁コイルのボア径をMdとし、下記(4)式を満足するのが望ましい。また、引き上げられるシリコン単結晶の直径が300mm以上の大口径である場合に適用するのが最適である。
4.4×D ≦ Md ≦ 7.0×D ・・・ (4)
(3) In (1) and (2) above, when a magnetic field is applied in the horizontal direction to the melt contained in the quartz crucible, the bore diameter of the excitation coil arranged coaxially is set to Md. And satisfying the following expression (4). Moreover, it is optimal to apply when the diameter of the silicon single crystal to be pulled is a large diameter of 300 mm or more.
4.4 × D ≦ Md ≦ 7.0 × D (4)
本発明のシリコン単結晶の製造方法および製造装置によれば、引き上げられる単結晶の直径に拘わらず、大口径のシリコン単結晶を引き上げる場合であっても、熱効率や引上げ速度が確保でき安定した単結晶の引上げが可能であると同時に、ライフタイムや面内バラツキが良好な結晶品質を確保することができる。 According to the method and apparatus for producing a silicon single crystal of the present invention, it is possible to ensure the thermal efficiency and the pulling speed even when pulling a large-diameter silicon single crystal regardless of the diameter of the single crystal to be pulled. The crystal can be pulled, and at the same time, the crystal quality with good lifetime and in-plane variation can be ensured.
本発明の内容を、シリコン単結晶の製造装置に適用した実施形態に基づいて説明する。
図1は、本発明のシリコン単結晶の製造装置を示す正面断面図である。シリコン単結晶の製造装置は、チャンバ1と、このチャンバ1内に設けられてシリコン単結晶の原料となる融液2を収容する石英ルツボ3と、融液2を加熱するヒータ4と、保温材5と、ルツボ駆動手段6が設けられている。さらに、チャンバ1の外側に磁場印加手段として励磁コイル7を設け、チャンバ1に水平磁場を印加することができる。
The contents of the present invention will be described based on an embodiment applied to a silicon single crystal manufacturing apparatus.
FIG. 1 is a front sectional view showing an apparatus for producing a silicon single crystal according to the present invention. The silicon single crystal manufacturing apparatus includes a chamber 1, a
石英ルツボ3は、上方が開放された略円筒形の胴部と、この胴部の下方を閉塞する底部とからなり、その外面は黒鉛サセプタ(ルツボ支持体)8により支持されている。石英ルツボ3の下面は黒鉛サセプタ8を介して支軸9の上端に固定され、この支軸9の下部はルツボ駆動手段6に接続される。
The
石英ルツボ3の外側周囲に黒鉛サセプタ8を介してヒータ4が設けられている。ヒータ4は、例えば石英ルツボ3を取り巻くように同軸で円筒形に形成され、石英ルツボ3を加熱する。また、ヒータ4とチャンバ1との間にはヒータ4を取り囲む筒状の保温材5が設けられている。
A
石英ルツボ3の上方には、同軸円状に逆円錐台形状の熱遮蔽体10が配設されており、熱遮蔽体10の下端部は融液2表面の上方近傍に配置されている。図1に示す製造装置を用いてシリコン単結晶11を引き上げる場合に、ヒータ4で加熱された石英ルツボ3が放射する放射熱が熱遮蔽体10により遮断され、単結晶11の成長軸方向に所定の温度勾配が形成される。
Above the
励磁コイル7は、製造装置の外郭を形成するチャンバ1を取り囲むように、リング状のケースにマグネットコイルを立体状に組み込まれた水平磁場マグネットからなる。このような励磁コイル7は、ヒータ4、保温材5、チャンバ1を介して石英ルツボ3に収容された融液2に横磁場を与えることができる。
The
ルツボ駆動手段6は、石英ルツボ3を回転させる回転用モータ(図示せず)と、石英ルツボ3を昇降させる昇降用モータ(図示せず)とを有し、これらのモータにより石英ルツボ3が所定方向に回転し得るとともに、上下方向に移動可能に構成される。特に、昇降用モータは、種結晶12の引上げとともに低下するシリコン融液2の液面を所定位置に維持するため、減少するシリコン融液2の液面位置に応じて石英ルツボ3を上昇させるように構成されている。
The crucible driving means 6 includes a rotation motor (not shown) for rotating the
チャンバ1の上方にはチャンバ1より小径の円筒状のケーシング13が設けられる。このケーシング13の上端部には水平状態で旋回可能に引上げヘッド14が設けられ、引上げヘッド14からはワイヤケーブル15が石英ルツボ3の回転中心と同軸に張設される。ワイヤケーブル15の下端には融液2に浸してシリコン単結晶11を引上げるための種結晶12が取付けられる。
A
本発明の製造方法は、前記図1に示すシリコン単結晶の製造装置に適用され、引き上げられる単結晶の直径寸法に対し、熱遮蔽体10の下端開口径、石英ルツボ3の内径、およびヒータ4の内径、さらに磁場印加する場合に、励磁コイル7のボア径の寸法範囲を設定することを特徴とする。
The manufacturing method of the present invention is applied to the silicon single crystal manufacturing apparatus shown in FIG. 1, and the lower end opening diameter of the
図2は、本発明で規定する単結晶の直径寸法に対する各部材の寸法範囲を説明する図である。同図において、引き上げられる単結晶11の直径をD(mm)、熱遮蔽体10の下端開口径をFd(mm)、石英ルツボ3の内径をCd(mm)、ヒータ4の内径をHd(mm)、さらに、励磁コイル7のボア径をMdで示している。
FIG. 2 is a diagram for explaining the dimension range of each member with respect to the diameter dimension of the single crystal defined in the present invention. In the figure, the diameter of the
本発明の製造方法では、熱遮蔽体の下端開口径Fdは1.1×D〜1.9×Dの範囲にする必要がある(1.1×D ≦ Fd ≦ 1.9×D)。前述の通り、シリコン単結晶が熱遮蔽体から重金属等の汚染物質によって汚染されていると、得られたウェーハはライフタイムの低下を引き起こすことになる。このため、Fdが1.1×D未満であると、シリコン単結晶が熱遮蔽体から汚染されるおそれが強く、ライフタイムの低下が予測される。 In the manufacturing method of the present invention, the lower end opening diameter Fd of the heat shield needs to be in the range of 1.1 × D to 1.9 × D (1.1 × D ≦ Fd ≦ 1.9 × D). As described above, when the silicon single crystal is contaminated by a contaminant such as heavy metal from the heat shield, the obtained wafer causes a reduction in lifetime. For this reason, when Fd is less than 1.1 × D, there is a strong possibility that the silicon single crystal is contaminated from the heat shield, and a reduction in lifetime is predicted.
一方、熱遮蔽体は、シリコン単結晶を引き上げる場合に、ヒータで加熱された石英ルツボからの放射熱を遮蔽し、成長軸方向の温度勾配を確保し引上げ速度を向上させることができるが、Fdが1.9×Dを超えるようになると、熱遮蔽体による放射熱の遮蔽効果を発揮できなくなる。 On the other hand, when the silicon single crystal is pulled up, the heat shield shields the radiant heat from the quartz crucible heated by the heater and can secure a temperature gradient in the growth axis direction and improve the pulling speed. If it exceeds 1.9 × D, the effect of shielding the radiant heat by the heat shield cannot be exhibited.
本発明の製造方法では、石英ルツボの内径Cdを1.9×D〜3.5×Dにする必要がある(1.9×D ≦ Cd ≦ 3.5×D)。Cdが1.9×D未満になると、固液界面での面内温度勾配分布の関係上、結晶成長中に石英ルツボ内壁から再結晶化し易くなり、結晶成長出ができなくなる。 In the manufacturing method of the present invention, the inner diameter Cd of the quartz crucible needs to be 1.9 × D to 3.5 × D (1.9 × D ≦ Cd ≦ 3.5 × D). When Cd is less than 1.9 × D, it becomes easy to recrystallize from the inner wall of the quartz crucible during crystal growth due to the in-plane temperature gradient distribution at the solid-liquid interface, and crystal growth cannot be performed.
一方、Cdが3.5×Dを超えるようになると、大型石英ルツボの製造にともなって、製造コストが急増すると同時に、重量が増大することから作業性や取り扱い性が大幅に低下することになる。 On the other hand, when Cd exceeds 3.5 × D, the manufacturing cost increases rapidly as the large quartz crucible is manufactured, and at the same time, the weight increases, so that workability and handling are greatly reduced. .
石英ルツボの内径Cdが引き上げられる単結晶の直径Dに対し小さくなると、面内分布が揺らぎやすくなり、惹いてはデバイス工程においてデバイス特性および収率に影響を及ぼすおそれがある。これらを回避するために、石英ルツボの内径Cdの下限を3.0×Dを超えて管理するのが望ましい。 If the inner diameter Cd of the quartz crucible becomes smaller than the diameter D of the single crystal to be pulled up, the in-plane distribution is likely to fluctuate, which may affect the device characteristics and yield in the device process. In order to avoid these, it is desirable to manage the lower limit of the inner diameter Cd of the quartz crucible beyond 3.0 × D.
本発明の製造方法では、ヒータの内径Hdを2.3×D〜4.2×Dの範囲内で設計する必要がある(2.3×D ≦ Hd ≦ 4.2×D)。Hdが2.3×D未満になると、ヒータパワーの変動が大きくなり、結晶界面における熱応力の変化や熱的な外乱が激しくなることから、シリコン単結晶を安定して引き上げることが難しくなる。 In the manufacturing method of the present invention, it is necessary to design the inner diameter Hd of the heater within a range of 2.3 × D to 4.2 × D (2.3 × D ≦ Hd ≦ 4.2 × D). If Hd is less than 2.3 × D, the heater power fluctuates greatly, and the change of thermal stress and thermal disturbance at the crystal interface become severe, making it difficult to pull the silicon single crystal stably.
一方、Hdが4.2×Dを超えるようになると、相対的に石英ルツボ内の融液とヒータとの間隔が増加することから、融液温度の昇温・降温の制御にタイムラグが生じ易くなる。このため、単結晶の引上げ作業における効率化が阻害される。 On the other hand, when Hd exceeds 4.2 × D, the distance between the melt in the quartz crucible and the heater relatively increases, so that a time lag is likely to occur in the temperature control of the melt temperature. Become. For this reason, the efficiency in the pulling operation of the single crystal is hindered.
本発明の製造方法では、必要に応じて、石英ルツボに収容された融液に対して水平方向に磁場を印加することができる。この場合には、励磁コイルのボア径Mdを4.4×D〜7.0×Dの範囲で制御するのが望ましい(4.4×D ≦ Md ≦ 7.0×D)。 In the production method of the present invention, a magnetic field can be applied in the horizontal direction to the melt contained in the quartz crucible as necessary. In this case, it is desirable to control the bore diameter Md of the exciting coil in the range of 4.4 × D to 7.0 × D (4.4 × D ≦ Md ≦ 7.0 × D).
Mdの下限を4.4×Dとするのは、製造装置のチャンバを取り囲むように配置されることによる設計上の限界値であり、Mdの上限を7.0とするのは、これを超えて大型になると、著しく製造コストが上昇することによる。通常、横磁場を印加する場合には、磁場強度を0.1T〜0.7Tにするのが望ましい。 The lower limit of Md is set to 4.4 × D, which is a design limit value by being arranged so as to surround the chamber of the manufacturing apparatus, and the upper limit of Md is set to 7.0. The larger the size, the higher the manufacturing cost. Usually, when a transverse magnetic field is applied, it is desirable that the magnetic field strength be 0.1T to 0.7T.
本発明の効果を確認するため、前記図1に示す製造装置を用い、直径が300mmのシリコン単結晶の引上げを実施例1、2に分けて実施した。実施例のうち発明例では、36インチ(914mm)〜40インチ(1016mm)の石英ルツボを使用することとし、これに相当するホットゾーンを構成した。しかし、実施例と対比する比較例の特性を確認するため、使用する石英ルツボの寸法範囲をさらに変動させた。 In order to confirm the effect of the present invention, pulling of a silicon single crystal having a diameter of 300 mm was divided into Examples 1 and 2 using the manufacturing apparatus shown in FIG. Of the examples, in the invention example, a quartz crucible of 36 inches (914 mm) to 40 inches (1016 mm) was used, and a hot zone corresponding to this was configured. However, in order to confirm the characteristics of the comparative example compared with the examples, the size range of the quartz crucible used was further varied.
さらに、300mm直径の単結晶は、実操業時には外径削り代を考慮し301mm乃至315mmで引上げを行っており、基準となる単結晶の直径Dは実操業時における引上げ直径とした。
(実施例1)
Furthermore, the single crystal having a diameter of 300 mm was pulled up by 301 mm to 315 mm in consideration of the outer diameter cutting allowance at the time of actual operation, and the diameter D of the reference single crystal was taken as the diameter at the time of actual operation.
(Example 1)
熱遮蔽体の下端開口径が単結晶の品質や引上げ状況に及ぼす影響を確認するため、36インチ(914mm)の石英ルツボを用い直径が300mmのシリコン単結晶を引上げた。このときの熱遮蔽体の下端開口径Fdと単結晶の直径Dとの比(Fd/D)を1.05〜2.2の範囲で変化させ、このときの引上げ状況を観察するともに、マイクロ波PCD法によりライフタイム測定を行った。このときの評価結果を表1に示す。 In order to confirm the effect of the opening diameter of the lower end of the heat shield on the quality and pulling condition of the single crystal, a silicon single crystal having a diameter of 300 mm was pulled using a 36 inch (914 mm) quartz crucible. At this time, the ratio (Fd / D) of the lower end opening diameter Fd of the heat shield and the diameter D of the single crystal was changed in the range of 1.05 to 2.2, and the pulling condition at this time was observed, Lifetime was measured by the wave PCD method. The evaluation results at this time are shown in Table 1.
表1から明らかなように、比較例1では重金属やカーボン汚染が発生し、ライフタイムの劣化が著しかった。また、有転位化しやすく単結晶化が困難であった。一方、結晶が変形して引上げが困難となった。一方、発明例1、2では結晶の変形等がなく良好な引上げ状況であり、採取したサンプルのライフタイムも良好であった。
(実施例2)
As is clear from Table 1, heavy metal and carbon contamination occurred in Comparative Example 1, and the lifetime was significantly deteriorated. In addition, it was easy to dislocation, and single crystallization was difficult. On the other hand, the crystal was deformed and it was difficult to pull it up. On the other hand, in Invention Examples 1 and 2, the crystal was not deformed and the like was in a good pulling state, and the lifetime of the collected sample was also good.
(Example 2)
石英ルツボの内径およびヒータの内径が単結晶の品質や引上げ状況に及ぼす影響を確認するため、熱遮蔽体の下端開口径Fdと単結晶の直径Dとの比(Fd/D)を1.7として直径が300mmのシリコン単結晶を引上げた。このときの石英ルツボの内径Cdと単結晶の直径Dとの比(Cd/D)を1.8〜3.8の範囲で変化させると同時に、ヒータの内径Hdと単結晶の直径Dとの比(Hd/D)を2.2〜4.5の範囲で変化させた。 In order to confirm the influence of the inner diameter of the quartz crucible and the inner diameter of the heater on the quality and pulling condition of the single crystal, the ratio (Fd / D) of the lower end opening diameter Fd of the heat shield to the single crystal diameter D is 1.7. As a result, a silicon single crystal having a diameter of 300 mm was pulled up. At this time, the ratio (Cd / D) between the inner diameter Cd of the quartz crucible and the diameter D of the single crystal is changed in the range of 1.8 to 3.8, and at the same time, the inner diameter Hd of the heater and the diameter D of the single crystal The ratio (Hd / D) was varied in the range of 2.2 to 4.5.
さらに、必要に応じて融液に対し横磁場を印加したが、このときの磁場強度は0.5Tとした。その後、引上げ条件毎に引上げ状況を観察するともに、酸素濃度およびドーパント濃度の面内分布を測定した。このときの評価結果を表2に示す。 Furthermore, a transverse magnetic field was applied to the melt as necessary, and the magnetic field strength at this time was 0.5T. Thereafter, the pulling condition was observed for each pulling condition, and the in-plane distribution of oxygen concentration and dopant concentration was measured. The evaluation results at this time are shown in Table 2.
比較例3では、結晶成長中に石英ルツボ内壁から再結晶化しやすく、安定した結晶成長が困難であった。また、比較例4では、ヒータパワーの変動が大きくなり、結晶界面における熱応力や外乱が激しくなり安定して引き上げることできなかった。 In Comparative Example 3, it was easy to recrystallize from the inner wall of the quartz crucible during crystal growth, and stable crystal growth was difficult. In Comparative Example 4, the heater power fluctuated greatly, and the thermal stress and disturbance at the crystal interface became intense, and could not be pulled up stably.
一方、比較例5では、石英ルツボが大型化し(例えば、45インチ〜46インチ)、重量の増大にともなって作業性や取り扱い性が著しく低下した。さらに、比較例6では、引上げ過程での融液温度の昇温・降温の制御が難しく、融液の温度変動が大きくなり、引上げ作業における効率化が阻害された。 On the other hand, in Comparative Example 5, the size of the quartz crucible was increased (for example, 45 inches to 46 inches), and workability and handleability were remarkably deteriorated as the weight increased. Further, in Comparative Example 6, it was difficult to control the temperature rise / fall of the melt temperature in the pulling process, the temperature fluctuation of the melt increased, and the efficiency in the pulling work was hindered.
上述の比較例に対し、発明例3〜7は、いずれも安定した引上げが可能であり、採取したサンプルの酸素濃度や抵抗率の面内分布も良好であった。特に、発明例5、7では融液に対し横磁場を印加したが、一層、安定した引上げ状況であった。 In contrast to the comparative example described above, Invention Examples 3 to 7 were all capable of stable pulling, and the collected samples had good in-plane distribution of oxygen concentration and resistivity. In particular, in Examples 5 and 7, a transverse magnetic field was applied to the melt, but the situation was even more stable.
本発明のシリコン単結晶の製造方法および製造装置によれば、引き上げられる単結晶の直径に拘わらず、大口径のシリコン単結晶を引き上げる場合であっても、熱効率や引上げ速度が確保でき安定した単結晶の引上げが可能であると同時に、ライフタイムや面内バラツキが良好な結晶品質を確保することができる。 According to the method and apparatus for producing a silicon single crystal of the present invention, it is possible to ensure the thermal efficiency and the pulling speed even when pulling a large-diameter silicon single crystal regardless of the diameter of the single crystal to be pulled. The crystal can be pulled, and at the same time, the crystal quality with good lifetime and in-plane variation can be ensured.
これにより、大口径のシリコン単結晶を引き上げる場合であっても、高い製造効率が確保でき、同時に得られるシリコン単結晶の品質を安定させることができることから、直径が300mm以上のシリコン単結晶の引上げに際し好適に利用することができる。 As a result, even when pulling up a large-diameter silicon single crystal, high production efficiency can be secured, and the quality of the obtained silicon single crystal can be stabilized at the same time. In this case, it can be suitably used.
1:チャンバ、 2:融液
3:石英ルツボ、 4:ヒータ
5:保温材、 6:ルツボ駆動手段
7:励磁コイル、 8:黒鉛サセプタ
9:支軸、 10:熱遮蔽体
11:シリコン単結晶、 12:種結晶
13:ケーシング、 14:引上げヘッド
15:ワイヤケーブル
1: chamber, 2: melt 3: quartz crucible, 4: heater 5: heat insulating material, 6: crucible driving means 7: excitation coil, 8: graphite susceptor 9: spindle, 10: heat shield 11: silicon single crystal 12: Seed crystal 13: Casing 14: Pulling head 15: Wire cable
Claims (6)
前記単結晶の直径をD(mm)とし、前記熱遮蔽体の下端開口径をFd(mm)、前記石英ルツボの内径をCd(mm)、および前記ヒータの内径をHd(mm)とした場合に、下記(1)〜(3)式を満足することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
1.1×D ≦ Fd ≦ 1.9×D ・・・ (1)
1.9×D ≦ Cd ≦ 3.5×D ・・・ (2)
2.3×D ≦ Hd ≦ 4.2×D ・・・ (3) Using the Czochralski method, the crystal material is melted with a heater and then heated, while the single crystal pulled from the melt contained in the quartz crucible is surrounded by a heat shield, and the single crystal is solidified while solidifying the single crystal. A method for producing a crystal comprising:
When the diameter of the single crystal is D (mm), the lower end opening diameter of the heat shield is Fd (mm), the inner diameter of the quartz crucible is Cd (mm), and the inner diameter of the heater is Hd (mm) And a method for producing a silicon single crystal, which satisfies the following formulas (1) to (3):
1.1 × D ≦ Fd ≦ 1.9 × D (1)
1.9 × D ≦ Cd ≦ 3.5 × D (2)
2.3 × D ≦ Hd ≦ 4.2 × D (3)
4.4×D ≦ Md ≦ 7.0×D ・・・ (4) Further, when a magnetic field is applied in the horizontal direction to the melt contained in the quartz crucible, the bore diameter of the exciting coil arranged coaxially is Md, and the following expression (4) is satisfied. The method for producing a silicon single crystal according to claim 1.
4.4 × D ≦ Md ≦ 7.0 × D (4)
引き上げられる単結晶の直径D(mm)に対し、前記熱遮蔽体の下端開口径Fd(mm)、前記石英ルツボの内径Cd(mm)、および前記ヒータの内径Hd(mm)が、それぞれ下記(1)〜(3)式の関係で構成されていることを特徴とするシリコン単結晶の製造装置。
1.1×D ≦ Fd ≦ 1.9×D ・・・ (1)
1.9×D ≦ Cd ≦ 3.5×D ・・・ (2)
2.3×D ≦ Hd ≦ 4.2×D ・・・ (3) Applied to the Czochralski method, encloses a heater that forms a melt from a crystal raw material and keeps it at a high temperature, a quartz crucible that contains the formed melt, and a single crystal that is pulled from the melt contained in the quartz crucible An apparatus for producing a silicon single crystal comprising a heat shield
With respect to the diameter D (mm) of the single crystal to be pulled up, the lower end opening diameter Fd (mm) of the heat shield, the inner diameter Cd (mm) of the quartz crucible, and the inner diameter Hd (mm) of the heater are as follows ( An apparatus for producing a silicon single crystal, characterized in that it is configured according to the relationships of formulas (1) to (3).
1.1 × D ≦ Fd ≦ 1.9 × D (1)
1.9 × D ≦ Cd ≦ 3.5 × D (2)
2.3 × D ≦ Hd ≦ 4.2 × D (3)
4.4×D ≦ Md ≦ 7.0×D ・・・ (4) Further, an exciting coil for applying a magnetic field in the horizontal direction to the melt contained in the quartz crucible is arranged coaxially, and the bore diameter Md of the exciting coil is as follows with respect to the diameter D (mm) of the single crystal to be pulled up. The apparatus for producing a silicon single crystal according to claim 1, wherein the apparatus is configured according to the relationship of the formula (4).
4.4 × D ≦ Md ≦ 7.0 × D (4)
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