CN108291328B

CN108291328B - 单晶硅的制造方法

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Publication number: CN108291328B
Application number: CN201680068989.7A
Authority: CN
Inventors: 金大基
Original assignee: Sumco Corp
Current assignee: Sumco Corp
Priority date: 2015-11-26
Filing date: 2016-10-05
Publication date: 2020-11-17
Anticipated expiration: 2036-10-05
Also published as: DE112016005411T5; TWI622671B; KR20180072777A; KR102056661B1; TW201726985A; US20180355508A1; DE112016005411B4; JP2017095323A; US10711368B2; JP6515791B2; WO2017090325A1; CN108291328A

Abstract

本发明的单晶硅的制造方法具备：熔解工序，通过由加热部加热容纳有硅的石英坩埚来熔解硅；浸渍工序，使籽晶与石英坩埚内的硅熔体接触；及提拉工序，通过提拉籽晶来生长单晶硅，提拉工序中，在加热部的电力消耗量达到10000kwh以上之后开始形成单晶硅的直体部，并生长单晶硅整体。

Description

单晶硅的制造方法

技术区域

本发明涉及一种单晶硅的制造方法。

背景技术

以往，作为制造单晶硅的方法，已知有施加磁场的MCZ(施加磁场的切克劳斯基)法或不施加磁场的CZ(切克劳斯基)法。这种MCZ法或CZ法中，存在有时在直体部产生位错的问题，为了解决这个问题而进行了研究(例如，参考专利文献1、2)。

关于CZ法的专利文献1的装置中，使热辐射体相对于热屏蔽体升降，使其位于石英坩埚的上端，由此抑制硅熔体的热量的发散，并且有效地通过石英坩埚将热量传达到硅熔体，能够以较少的电力将硅熔体加热到规定温度。并且，能够使石英坩埚内的侧部上端为止的温度均匀，防止在石英坩埚的上端内周面附着硅熔体，能够抑制位错。

关于MCZ法的专利文献2的方法中，在多晶硅的熔解工序之后，在生长单晶硅的提拉工序之前，进行对硅熔体施加磁场并放置的工序，以及之后停止施加磁场并放置的工序。由此，通过对硅熔体进行施加了磁场的放置，在石英坩埚表面形成方石英，并通过接下来进行的停止了磁场的施加的放置，适度地溶解方石英，由此能够抑制位错。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平11-255577号公报

专利文献2：日本特开2012-82121号公报

然而，专利文献1的装置中，因为设置热辐射体，所以存在需要设计变更单晶提拉装置的问题。

并且，在专利文献2的方法中，存在无法应用于CZ法的问题。

发明内容

本发明的目的在于提供一种单晶硅的制造方法，能够以具有通用性且简单的方法来减少位错的产生。

用于解决技术问题的方案

本发明人反复进行深入研究的结果，发现加热石英坩埚的加热部的电力消耗量达到规定值(给予石英坩埚的能量为3.6×10¹⁷kJ)以上之后，开始形成单晶硅的直体部，由此能够减少在直体部的位错的产生，进而完成了本发明。

本发明的单晶硅的制造方法具备：熔解工序，通过由加热部加热容纳有硅的石英坩埚来熔解所述硅；浸渍工序，使籽晶与所述石英坩埚内的硅熔体接触；及提拉工序，通过提拉所述籽晶来生长单晶硅，所述提拉工序中，在所述加热部的电力消耗量达到10000kwh以上之后开始形成所述单晶硅的直体部，并生长所述单晶硅整体。

优选在本发明的单晶硅的制造方法中，具备：在所述浸渍工序与所述提拉工序之间进行的暂时生长工序及回熔工序，所述暂时生长工序中，通过提拉与所述硅熔体接触的所述籽晶来生长单晶硅的一部分，所述回熔工序中，将所述暂时生长工序中生长的单晶硅熔到所述硅熔体中。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式所涉及的单晶提拉装置的结构的示意图。

图2是所述一实施方式及本发明的实施例1中的单晶硅的制造方法的说明图。

图3是本发明的变形例及实施例2中的单晶硅的制造方法的说明图。

图4是本发明的比较例中的单晶硅的制造方法的说明图。

图5是所述比较例中的位错产生时的电力消耗量的频数分布。

具体实施方式

[实施方式]

以下，参考附图来说明本发明的一实施方式。

〔单晶提拉装置的结构〕

如图1所示，单晶提拉装置1是在CZ法中使用的装置，具备提拉装置主体2及控制部3。

提拉装置主体2具备腔室21、配置在该腔室21内的中心部的坩埚22、作为将热量放射到该坩埚22并加热的加热部的加热器23、隔热筒24、提拉线25、热屏蔽体26。

腔室21的上部设置有将Ar气体等惰性气体导入腔室21内的气体导入口21A。腔室21的下部设置有通过未图示的真空泵的驱动来排出腔室21内的气体的气体排出口21B。

通过控制部3的控制使惰性气体以规定的气体流量从腔室21上部的气体导入口21A导入腔室21内。然后，导入的气体从腔室21下部的气体排出口21B排出，由此形成惰性气体从腔室21内的上方朝向下方流动的结构。

腔室21内的压力(炉内压)设为能够通过控制部3控制。

坩埚22是熔解作为硅晶圆的原料的多晶硅来作为硅熔体M的容器。坩埚22被能够以规定的速度旋转并升降的支承轴27所支承。坩埚22具备有底圆筒形状的石英坩埚221及收纳该石英坩埚221的石墨坩埚222。另外，作为石英坩埚221及石墨坩埚222，能够使用以下的规格。

石英坩埚

·外径：32英寸

·材质：天然石英或合成石英

·厚度：13mm～35mm

石墨坩埚

·内径：32英寸(能够容纳石英坩埚的尺寸)

·材质：各向同性石墨或碳-碳复合材料(C/C复合材料)

加热器23配置于坩埚22的外侧，加热坩埚22来熔解坩埚22内的硅。

隔热筒24以包围坩埚22及加热器23的周围的方式配置。

提拉线25的一端连接到配置在坩埚22上方的未图示的提拉驱动部，另一端安装籽晶SC。提拉线25通过由控制部3对提拉驱动部进行控制，以规定的速度升降，并且以该提拉线25的轴为中心进行旋转。

热屏蔽体26阻挡从加热器23朝向上方放射的辐射热。

控制部3根据储存于存储器31内的控制程序以及作业人员的设定输入等，控制腔室21内的气体流量或炉内压、基于加热器23的腔室21内的加热温度、坩埚22或单晶硅SM的转速、籽晶SC的升降时间等，制造出单晶硅SM。

〔单晶硅的制造方法〕

接着，对单晶硅SM的制造方法进行说明。

图2是本实施方式中的单晶硅SM的制造方法的说明图，纵轴表示供给到加热器23的电力，横轴表示加热器23的电力消耗量。

另外，本实施方式中，肩部是与籽晶SC连续且直径逐渐增加的区域，直体部是与肩部连续且直径大致均匀的区域，尾部是与直体部的下端连续且直径逐渐降低到零的区域。

首先，单晶提拉装置1的控制部3如图2所示，从加热器23的电力消耗量为0的状态开始供给对加热器23的电力，在电力消耗量达到Wa(kWh)(Wa＜10000)为止的期间，加热容纳有多晶硅材料及掺杂剂的坩埚22而使它们熔解，生成掺杂剂添加熔体MD(熔解工序)。该熔解工序中，控制部3以规定的流量从气体导入口21A向腔室21内导入Ar气体，并且对腔室21内进行减压，将腔室21内维持在减压下的惰性气氛中。

之后，当电力消耗量达到Wa时，控制部3减少供给到加热器23的电力，使提拉线25下降，由此使籽晶SC与掺杂剂添加熔体MD接触(浸渍工序)。

然后，控制部3一边使坩埚22及提拉线25向规定的方向旋转，一边提拉提拉线25，由此生长单晶硅SM的一部分(暂时生长工序)。另外，该暂时生长工序中，可以生长单晶硅SM的肩部的一部分或整体，除了肩部整体以外还可以生长直体部的一部分或整体。

接着，暂时生长工序结束，当电力消耗量达到Wb(kWh)(Wb＜10000)时，控制部3将供给到加热器23的电力增加到与熔解工序几乎相同的量，使提拉线25下降，由此将暂时生长工序中生长的单晶硅SM熔到掺杂剂添加熔体MD中(回熔工序)。

然后，回熔工序结束，当电力消耗量达到Wc(kWh)(Wc＜10000)时，则控制部3将供给到加热器23的电力减少到与暂时生长工序几乎相同的量之后，进行与暂时生长工序相同的控制，生长单晶硅SM整体(提拉工序)。

该提拉工序中，进行肩部形成工序直至电力消耗量达到Wd(kWh)(10000＜Wd＜12000)，之后进行直体部形成工序及尾部形成工序直至电力消耗量达到Wf(kWh)(10000＜Wf)。即，提拉工序中，在加热器23的电力消耗量为10000kwh以上且12000kwh以下的状态下开始形成单晶硅SM的直体部，并生长单晶硅SM整体。

通过以上的工序，制造出减少在直体部产生位错的单晶硅SM。

[实施方式的作用效果]

上述实施方式中，不需要如专利文献1的装置那样设置热辐射体，当加热器23的电力消耗量达到10000kwh以上时，才开始形成直体部，利用这种简单的方法能够抑制位错的产生。并且，如后述，也能够将上述制造方法应用于MCZ法，因此能够提供具有通用性的单晶硅SM的制造方法。

尤其，通过加热器23的电力消耗量在12000kwh以下的状态下开始形成直体部，能够抑制单晶硅SM的制造时间变长且生产率下降。

[其他实施方式]

另外，本发明并不只限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种改良以及设计的变更等，另外，本发明在实施时的具体顺序及结构等在能够达成本发明的目的的范围内也可以设为其他结构等。

例如，也可以使用如图3所示的单晶硅SM的制造方法。

该制造方法中，控制部3在加热器23的电力消耗量从0达到Wa为止的期间，进行与上述实施方式相同的熔解工序，之后在不改变电力供给量而电力消耗量达到Wg(kWh)(Wg＜10000)为止的期间，以使掺杂剂添加熔体MD熔解的状态进行放置(放置工序)。

接着，控制部3减少供给到加热器23的电力，进行与上述实施方式相同的浸渍工序之后，不进行暂时生长工序及回熔工序，而生长单晶硅SM整体(提拉工序)。

该提拉工序中，进行肩部形成工序直至电力消耗量达到Wh(kWh)(10000＜Wh＜12000)，之后进行直体部形成工序及尾部形成工序直至电力消耗量达到Wi(kWh)(10000＜Wi)。

即使在这种制造方法中，提拉工序中也在加热器23的电力消耗量为10000kwh以上且12000kwh以下的状态下开始形成单晶硅SM的直体部，并生长单晶硅SM整体，因此能够减少在直体部的位错的产生，且抑制生产率下降。

图2所示的单晶硅的制造方法中，可以将暂时生长工序及回熔工序各自进行2次以上。

图3所示的单晶硅的制造方法中，可以进行放置工序直至电力消耗量达到10000kwh以上。

图3所示的单晶硅的制造方法中，在浸渍工序之后可以将暂时生长工序及回熔工序各自进行1次以上。

图3所示的单晶硅的制造方法中，也可以进行回熔模拟工序来取代放置工序。回熔模拟工序是指一边与图2所示的电力消耗量从Wa(kWh)达到Wc(kWh)为止的期间同样地控制供给到加热器23的电力，一边使籽晶SC以不接触掺杂剂添加熔体MD的状态进行放置的工序。

图2、图3所示的单晶硅的制造方法中，可以在加热器23的电力消耗量超过12000kwh之后开始形成单晶硅SM的直体部。

石英坩埚221、石墨坩埚222的规格只要是在能够达成本发明的效果的范围内，也可以是上述规格以外。

也可以将本发明的单晶硅的制造方法应用于施加磁场的MCZ法。在该情况下，如图1中双点划线所示，在腔室21的外侧配置隔着坩埚22相对置的一对电磁线圈28，以水平方向的横磁场抑制硅熔体M的自然对流即可。

实施例

接着，通过实施例更详细地说明本发明。本发明并不限定于这些例子。

根据以下所示的比较例及实施例1、2的单晶硅的制造方法，制造单晶硅，并且分析开始形成直体部时的加热器23的电力消耗量及位错的产生状况之间的关系。比较例及实施例1、2中，使用图1所示的单晶提拉装置1，制造出直径为300mm、直体部的氧浓度在13.0×10¹⁷atoms/cm³以上的p+单晶硅。

首先，对比较例的单晶硅的制造方法进行说明。

比较例的制造方法中，如图4所示，在加热器23的电力消耗量从0达到W a为止的期间，进行与上述实施方式相同的熔解工序。之后，立刻减少供给到加热器23的电力，进行与上述实施方式相同的浸渍工序，不进行暂时生长工序及回熔工序，而生长单晶硅整体(提拉工序)。

该提拉工序中，进行肩部形成工序直至电力消耗量达到Wj(kWh)(Wj＜10000)，之后进行直体部形成工序及尾部形成工序直至电力消耗量达到Wk(kW h)(10000＜Wk)。

即，在比较例中，加热器23的电力消耗量在小于10000kwh的状态下开始形成直体部。

然后，使用比较例的制造方法，一边观察在直体部有无产生位错，一边制造出多个单晶硅。以下的表1中示出位错的产生状况。并且，图5中示出在位错产生时的加热器23的电力消耗量的频数分布。

另外，表1的“ALL DF率”表示所有的单晶硅中，在直体部没有产生位错的单晶硅的比例，并根据以下式(1)计算。

AD(％)＝B1/B2×100……(1)

AD：ALL DF率

B1：在直体部没有产生位错的单晶硅的总数

B2：制造出的单晶硅的总数

[表1]

	ALL DF率	样本数
			比较例	0％	42
实施例1	70％	10
			实施例2	100％	1

如表1所示，比较例中，ALL DF率为0％，能够确认到在所有的单晶硅的直体部都产生了位错。

并且，如图5所示，在电力消耗量在7000kWh以上且小于10000kWh的范围内，能够确认到在直体部集中产生了位错。

本发明人将在上述范围内集中产生位错的理由推测为如下。

作为用于制造氧浓度高的单晶硅的一种方法，可以举出促进氧从石英坩埚221溶入硅熔体(掺杂剂添加熔体)。该促进溶入的方法中，石英坩埚221的内表面的反应被促进，其内表面的状态从非晶态变化成棕色环、再结晶化。石英坩埚221的内表面存在多个组织，因此由该变化的过程中组织间的热膨胀差使得内表面的石英片剥离。认为若该石英片被吸入单晶硅，则会产生局部的应力，而容易产生位错。

另一方面，石英坩埚221的反应与氧浓度、加热温度及加热时间相关，石英坩埚221的加热温度及加热时间与加热器23(加热部)的电力消耗量相关。

从以上可推定，当加热器23的电力消耗量在7000kWh以上且小于10000kWh的范围内，容易因为石英坩埚221的反应而产生石英片的剥离，该石英片被吸入直体部，使得集中产生位错。

因此，本发明人设定了如下假设，即，若在加热器23的电力消耗量达到10000kWh以上之后才开始形成直体部，则在直体部形成开始之前石英片剥离，并在开始之后石英片的剥离得到抑制，因此石英片被吸入直体部的概率降低，能够减少位错的产生。为了验证这个假设，进行了以下的实施例1、2的实验。

作为实施例1，使用了图2所示的实施方式的制造方法，而作为实施例2，使用了图3所示的变形例的制造方法，与比较例同样地一边观察在直体部有无产生位错一边制造出单晶硅。

如上述表1所示，实施例1、实施例2的ALL DF率为70％、100％，能够确认到相对于比较例能够减少位错的产生。另外，实施例1中产生位错时的电力消耗量为约17000kWh、约19000kWh、约20000kWh。

从以上内容能够确认到上述的假设是正确的，通过加热器23的电力消耗量达到10000kWh以上之后才开始形成直体部，能够减少在直体部的位错的产生。

附图标记说明

23-加热器(加热部)，221-石英坩埚，M-硅熔体，SC-籽晶，SM-单晶硅。

Claims

1.一种单晶硅的制造方法，其特征在于，具备：

熔解工序，通过由加热部加热容纳有硅的石英坩埚来熔解所述硅；

浸渍工序，使籽晶与所述石英坩埚内的硅熔体接触；及

提拉工序，通过提拉所述籽晶来生长单晶硅，

所述提拉工序中，在所述加热部的电力消耗量达到10000kwh以上之后开始形成所述单晶硅的直体部，使得在直体部形成开始之前石英片剥离，在开始之后抑制石英片的剥离，并生长所述单晶硅整体。

2.根据权利要求1所述的单晶硅的制造方法，其特征在于，具备：

在所述浸渍工序与所述提拉工序之间进行的暂时生长工序及回熔工序，

所述暂时生长工序中，通过提拉与所述硅熔体接触的所述籽晶来生长单晶硅的一部分，

所述回熔工序中，将在所述暂时生长工序中生长的单晶硅熔到所述硅熔体中。