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JP2004083389A - Silicon single crystal and method for producing the same - Google Patents

Silicon single crystal and method for producing the same Download PDF

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Publication number
JP2004083389A
JP2004083389A JP2003059314A JP2003059314A JP2004083389A JP 2004083389 A JP2004083389 A JP 2004083389A JP 2003059314 A JP2003059314 A JP 2003059314A JP 2003059314 A JP2003059314 A JP 2003059314A JP 2004083389 A JP2004083389 A JP 2004083389A
Authority
JP
Japan
Prior art keywords
single crystal
silicon single
crystal
disk
annular concave
Prior art date
Legal status (The legal status is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the status listed.)
Pending
Application number
JP2003059314A
Other languages
Japanese (ja)
Inventor
Atsushi Nakao
中尾 淳
Fumitaka Nishibori
西堀 史高
Yasuki Ikeuchi
池内 康喜
Kazuhiko Kajima
鹿島 一日児
Current Assignee (The listed assignees may be inaccurate. Google has not performed a legal analysis and makes no representation or warranty as to the accuracy of the list.)
Coorstek KK
Original Assignee
Toshiba Ceramics Co Ltd
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Toshiba Ceramics Co Ltd filed Critical Toshiba Ceramics Co Ltd
Priority to JP2003059314A priority Critical patent/JP2004083389A/en
Publication of JP2004083389A publication Critical patent/JP2004083389A/en
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a silicon single crystal and a method for producing the same in which even a large-diameter silicon single crystal can be separated without dislocation without harmful effect on crystal characteristics in a short time. <P>SOLUTION: The silicon single crystal produced by Czochralski method has a tail end surface in which an annular recessed part is formed along the periphery thereof; a disk raised section is concentrically formed inside the annular recessed part; and a protruding liquid droplet section is formed during separation facing downward at the center of the disk raised section. The silicon single crystal also has an inclined portion at the periphery of the tail end surface in which an annular recessed part is formed in the inner side thereof; a disk raised section is concentrically formed inside the annular recessed part; and a protruding liquid droplet section is formed during separation facing downward at the center of the disk raised section. <P>COPYRIGHT: (C)2004,JPO

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
この発明は、シリコン単結晶と、CZ法(チョクラルスキー法)によりシリコン単結晶を製造する方法に関するものである。
【0002】
更に、この発明は、CZ法によりシリコン単結晶を製造する際に、そのテイル工程を短縮または省略する製造方法に関するものである。
【0003】
【従来の技術】
半導体デバイスの素材として用いられるシリコン単結晶の製造には、CZ引上げ法が多く採用されている。この方法では、まず石英ルツボ内に融解した原料融液にシリコンの種結晶を浸漬する。次に、石英ルツボと種結晶を同方向または逆方向に回転させながら種結晶を引上げることによって、その下方にシリコン単結晶を育成する。これらは、通常、ネック、ショルダー、ボディー、テイルの各工程からなる。
【0004】
ネック工程では、種結晶を原料融液に浸漬させたときの熱衝撃によって生じた転位を除去するために結晶径が小さく絞られる。ショルダー工程では、結晶径が目標径まで広げられる。ボディー工程では結晶を目標径で維持しつつ育成が続行される。これによって円柱状の直胴部が形成される。最後のテイル工程では、結晶径を徐々に絞っていき、融液から切り離す。これによって、直胴部の下方に逆円錐状のテイル部が形成される。テイル工程は、結晶が融液から切り離される際に発生するスリップバック(ほぼ結晶直径の分だけ上方に伸びること)を防ぐために実施される。
【0005】
シリコン単結晶のうち、ネック、クラウン、ショルダー、テイルの各部は、それらの結晶径が所定以下であることや一定でないことから製品として利用されない。そのように製品として使用されない部位の内で最も作製に原料と時間がかかるのは、テイル部である。テイル工程は結晶の径を徐々に絞っていくことから、結晶径が安定せず、ヒーターパワーや引上げ速度の制御が困難である。
【0006】
また、近年、シリコン単結晶の大口径化により、そのテイル作製には長時間を要する傾向にある。
【0007】
シリコン単結晶を無転位のまま切り離してテイル工程を短縮または省略する方法は、特許文献1、特許文献2、特許文献3などで報告されている。いずれも、シリコン単結晶の切り離し端面は、下向きの凸形状が好ましいとされている。
【0008】
しかし、近年のシリコン単結晶の大口径化により、シリコン単結晶の切り離し端面を完全に下向きに凸形状にすることは困難である。小口径シリコン単結晶の場合、その単結晶の中心部と外周部の温度差が小さいため、引き上げ速度を切り離し直前に落とすなどの操作をすることによって、切り離し端面を下向きに凸形状にできるが、引上げ単結晶の直径が300mm以上ともなると、単結晶の中心部と外周部の温度差が大きくなり、相対的に温度の低い外周部が温度の高い中心部よりも速く固化し切り離し端面が上向きに凹形状になりやすい。
【0009】
【特許文献1】
特開平9−208376号
【0010】
【特許文献2】
特開平9−208379号
【0011】
【特許文献3】
特開平11−335197号
特許文献3においては、その対策として、引上げているシリコン単結晶を一度融液に沈み込ませ、単結晶の外周部を溶解する方法があげられている。しかし、この従来方法では、一度固化した結晶を溶解することになるので、有転位化の原因になる可能性が高い。また、切り離し直前の引上げ速度の減速や、沈み込ませによる単結晶の外周部の溶解を行うと、結晶径が大きくなるに伴い製造に多くの時問を要してしまう。その場合、融液から引上げ単結晶への熱流動が特性へ悪影響を及ぼしてしまう。
【0012】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、大口径のシリコン単結晶においても、短時間でしかも結晶特性に悪影響をせず無転位のまま切り離すことが可能である、シリコン単結晶とその製造方法を提供することである。
【0013】
【課題を解決するための手段】
本発明の解決手段を例示すると、次のとおりである。
【0014】
(1) チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結晶において、シリコン単結晶のテイル端面は、外周部に沿って円環状の凹部が形成されており、その円環状の凹部の内側に同心に円盤状の凸部が形成されており、その円盤状の凸部の中心に、切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成されていることを特徴とするシリコン単結晶。
【0015】
(2) チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結晶において、シリコン単結晶のテイル端面は、単結晶外周部に傾斜部を有しており、その傾斜部の内側に円環状の凹部が形成されており、その円環状の凹部の内側に同心に円盤状の凸部が形成されており、その円盤の凸部の中心に切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成されていることを特徴とするシリコン単結晶。
【0016】
(3) 円環状の凹部の最上部から、液滴部を除いた円盤状の凸部の最下部までの高低差は20mm以下であることを特徴とする請求項1〜2のいずれか1項に記載のシリコン単結晶。
【0017】
(4) 円盤状の凸部の直径が円環状の凹部の幅よりも大きいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のシリコン単結晶。
【0018】
(5) シリコン単結晶をチョクラルスキー法により製造する方法であって、原料融液からシリコン単結晶を切り離す際に、その直前に引き上げ速度を0.2mm/min.以下に落とし、しかるのちに、切り離し速度を200mm/min.以上とすることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のシリコン単結晶の製造方法。
【0019】
晶の製造方法。
【0020】
【発明の実施の態様】
本発明の第一の実施態様においては、チョクラルスキー(CZ)法により製造されるシリコン単結晶の端面を改良するにあたり、シリコン単結晶のテイル端面は、外周部に沿って円環状の凹部が上方にくぼんだ形で形成され、その円環状の凹部の内側に同心に連続して円盤状の凸部が下方にふくらむ形で形成される。その円盤状の凸部の中心に、切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成される。
【0021】
上記、円盤状の凸部の直径が円環状の凹部の幅よりも大きいことが好ましい。
また、円環状の凹部の最上面(最高の部位)から、液滴部を除いた円盤状の凸部の最下面(最低の部位)までの高低差が20mm以下であることが好ましい。
上記、本発明の製造方法としては、シリコン単結晶を切り離す際に、その直前に引上げ速度を0.2mm/min.以下に落とし、切り離し速度を200mm/min.以上として、無転位とする。とくに、引上げ速度を落とした状態での引上げ時間を30分以下にする。
【0022】
通常、無転位シリコン単結晶を引上げ中に切り離すと転位が発生してしまう。その要因としては、図1のように切り離し時に固体結晶に引っ張られる形で融液が持ち上げられ、その融液部が外周部より固化し、最後に中心部が固化するため、そのときの発生する体積膨張が周囲の固体部分を圧迫して転位を引き起こしてしまう。そのため、転位の発生を防ぐには切り離し時に、結晶によって持ち上げられる融液を少量に抑える必要がある。図1のように固液界面が大きく上に凸の場合、融液は周囲の融液面よりも持ち上がっているため、この状態で高速で切り離すと多量の融液が結晶に張り付いてしまう。そこで、切り離し直前に引上げ速度を落とすことで固液界面を下げ、図2のように切り離し時に持ち上げられる融液の量を少なくすることができる。そして、そのときできる融液の薄い膜は固体結晶から切り離し端面に向かい固化し、体積膨張による固体結晶への圧迫は起こらず転位は発生しない。
【0023】
本発明のもう一つの特徴は、チョクラルスキー(CZ)法により製造されるシリコン単結晶の端面の形状を改良することである。好ましくは、シリコン単結晶のテイル端面の外周部に傾斜部を有しており、その傾斜部の内側に円環状の凹部が形成されており、その円環状の凹部の内側に同心に円盤状の凸部が形成されており、その円盤状の凸部の中心に、切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成されている。そのため、シリコン単結晶の端面の形状の最外周部が上方に傾斜した形状として切り離すことになる。
【0024】
また、上記、円盤状の凸部の直径が円環状の凹部の幅よりも大きいことが好ましい。また、円環状の凹部の最上面(最高の部位)から、液滴部を除いた円盤状の凸部の最下面(最低の部分)までの高低差が20mm以下であることが望ましい。
【0025】
また、上記、本発明の製造方法としては、シリコン単結晶を切り離す際に、その直前に引上げ速度を0.2mm/min.以下に落とした状態の引き上げ時間を30分以上として、切り離し速度を200mm/min.以上とする。そのようにすることで容易に上記形状の結晶を引き上げることができる。
【0026】
なお、このように外周部に傾斜部を設けることにより、すなわち、単結晶の内側に径を食い込ませることによって、単結晶切り離し時に持ち上げられる融液の固化の流れを均一な方向にスムーズにかつ一方的することができ、無転位の結晶が得やすくなる。逆に、この時点で径が広がってしまうと、外周のくぼみを境に結晶径方向で外から内への流れと、内から外への流れが出来やすくなり、固化の進行が切り離し端面で複雑となって転位が発生しやすくなると考えられる。このため、外周部を内側に傾斜させることが望ましい。
【0027】
特許文献4には、CZ法による半導体単結晶の製造において、テール形成を省略してもボディにおける転位の発生を防止することができるような半導体単結晶の製造方法として、単結晶8のボディ育成が終了した直後に引き上げ速度を上げて(実施例では500mm/min)融液2から単結晶8を切り離し、その後、引き上げ速度を制御して任意の温度領域を徐冷し、具体的には、切り離し端面8aの近傍の、融点〜1000℃間における冷却速度が35℃/分以下となるように冷却するか、又は、切り離し端面8aの近傍の温度が1250℃〜1000℃となる範囲内で30分以上保持することが記載されている。
【0028】
【特許文献4】
特開平9−309791号(図1)
しかしながら、この特許文献4の先行技術は、単結晶のボディ育成が終了した直後に引き上げ速度を上げて(実施例では500mm/min)融液から単結晶を切り離すことを特徴としているため、上述した現象(切り離し時に固体結晶に引っ張られる形で融液が持ち上げられる)により、端部の持ち上げられた融液量にバラツキが生じ、結果、この先行技術に示されているような切り離し端面が凹状又は凹凸状の単結晶インゴットを効率よく得ることは難しい。
【0029】
そこで、本発明は、原料融液からシリコン単結晶を切り離す際に、ヒーター電力を調節しながら引上げ速度0.2mm/min.以下に低下させたのちに切り離し時の速度を200mm/min.以上に上げて切り離すことで、容易にテイル部を形成できる。より好ましくは、引上げ速度0.2mm/min.以下に低下させた時の継続時間を15分以下とすることが望ましい。 さらに、結晶切り離しの際にはその径を減少傾向にし、図2および図3のように結晶底部の外周を内側に傾斜させる形状にすることによって、結晶をよりスムーズに融液から切り離すことができる。この時の製造方法としては、原料融液からシリコン単結晶を切り離す際に、ヒーター電力を調節しながら引上げ速度0.2mm/min.以下に低下させた時点での継続時間を30分以上として、のちに切り離し時の速度を200mm/min.以上に上げることを特徴としている。このとき、図3のように切り離し端面の最外周部から中央突起先端までの長さd1は、切り離し時に保持する距離d2(切り離し端面の最外周部から原料融液表面までの距離)の1/2とするのが好ましい。引上げ結晶の固化は、融液から切り離された瞬間に結晶側から切り離し端面に向かって開始されるため、切り離しは瞬時に行う必要がある。d1がd2の1/2より大きいの場合、切り離しを行っても原料融液の表面張力により引上げ結晶と原料融液が繋がったままの状態になり、瞬時に切り離すことができない。そのため、原料融液からの熱が固化した部位に達して再融解してしまい、その後切り離されたとしても、固化の流れが固体結晶から切り離し端面ではなくなり有転位化してしまう。
【0030】
【実施例】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【0031】
図4は、本発明によるシリコン単結晶のテイル端部の中心における縦断面形状の一例を示す。
【0032】
図4において、20は、チョクラルスキー(CZ)法により製造されたシリコン単結晶のテイル端部を示している。そのシリコン単結晶のテイル端部20は、外周部に沿って円環状の凹部21が形成されており、その円環状の凹部21の内側に同心に連続して円盤状の凸部22が形成されており、その円盤状の凸部22の中心に、切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部23が形成されている。
シリコン単結晶のテイル端部の直径Rが286〜325mmのとき、円環状の凹部21の深さaは、10mm以下(好ましくは1〜6mm)であり、円盤状の凸部22の高さb(液滴部23を除く)は15mm以下(好ましくは6〜8mm)である。凹部21の最上部(最も深い部位)から、液滴部23を除いた円盤状の凸部22の最下部(最も高い部位)までの高低差cは20mm以下である。
【0033】
円盤状の凸部23の直径rは、円環状の凹部21の幅wよりも大きい。たとえば、その直径rは、160〜180mmで、幅wは、65〜85mmであって、rとwの差(r−w)は、75〜115mmとするのが好ましい。
【0034】
図5は、本発明の実施形態に関わる単結晶製造方法を実施するための結晶育成装置の模式断面図である。
【0035】
図5において、メインチャンバー1内にはルツボ3が設置されている。ルツボ3は内側の石英ルツボ3aと外側の黒鉛ルツボ3bを組み合わせた二重構造である。
【0036】
支持軸4は石英ルツボ3aの回転及び昇降を行う。ルツボ3の外側にはヒーター5が配置され、ヒーター5の外側には断熱材6がメインチャンバー1の内側に沿って配置されている。そして、石英ルツボ3aの内側(育成結晶7の外側)には引上げ速度の向上や結晶欠陥の発生の抑制に効果のある輻射シールド8が吊り下げられている。
【0037】
一方、引上げ軸9はプルチャンバー2内で垂下し、その下端に種結晶を保持する。支持軸4でルツボ3の回転及び昇降を行う。ルツボ3の外周に設けたヒーター5を作動させる。さらに、種結晶の下端を別のヒーターによって加熱する。
【0038】
本発明の好ましい実施形態による単結晶育成方法では、まず炉のメインチャンバー1内を所定の雰囲気にした状態で、ルツボ3内に原料融液10を形成する。次いで、種結晶を原料融液10に浸漬する。そして、引上げ軸9を回転させながら、その種結晶を引上げることにより、種結晶の下方にシリコン単結晶7を育成する。このとき、ルツボ3は、引上げ軸9と同方向または逆方向に回転駆動され、かつ、原料融液10の液面が一定に維持されるように育成の進行に伴って上方に駆動される。
【0039】
育成結晶7の引上げは、ネック部、ショルダー部、ボディー部、テイル部の順で行われる。これにより、ネック部の下方にショルダー部が形成され、引き続きその下方に円柱状のボディー部の育成が開始される。
【0040】
以上のようにボディー部の育成工程を行った後、一旦単結晶の引上げ速度を0.2mm/min.以下に落とし、ヒーター5のパワーを調節しながら結晶径を一定に(この状態の維持は例えば15分以内)保ったあと、シリコン単結晶7を原料融液10から切り離す。
【0041】
または、所定の径までテイル部を作製し、上記と同様の操作を行い、シリコン単結晶7を切り離す。
【0042】
そのときの切り離し速度は200mm/min.以上が望ましい。この場合、シリコン単結晶7は、融液10より滑らかに切り離され、その固液界面の形状は、図4のcの距離が20mm以下でほぼM字型または逆W字型になり、無転位のまま切り離される。
【0043】
また、この場合シリコンの固体結晶の切り離し端面には、融液の薄い膜が形成され、固体結晶側より切り離し端面に向かい固化し、体積膨脹による固体結晶への圧迫は起こらず転位は発生しない。
【0044】
とくに、大口径シリコン単結晶の場合、図4のcの距離を20mm以下にして、液滴部23が1つの場合、融液10は単結晶20の外周部の上方への窪みの部分(つまり凹部21)から中心へ滑らかに無転位のまま切り離される。cの距離が20mmを超えると、表面張力によって融液10の液面から盛り上がった部分が、切り離し時に跳ね返りとなって単結晶のテイル端部20に付着し、単結晶20が有転位化しやすくなってしまう。
【0045】
実施例1
直径400mmのシリコン単結晶の引上げを図2の装置を使用して実施した。シリコン単結晶のテイル部20を直径300mmまで絞り、引上げ速度を一旦0.4mm/min.から0.15mm/min.に落とし、15分後に、切り離し速度500mm/min.で切り離した。
【0046】
図6は、その無転位切り離し端面付近のX線トポグラフ像を示す。
【0047】
図6からもわかるように、切り離されたシリコン単結晶は無転位であることが確認できる。
【0048】
大口径シリコン単結晶の場合、その外周部が速く固化するが、cの距離を20mm以下にして、切り離し端面をほぼM字型または逆W字型にすることによって、融液10からの結晶7の切り離しは、外周部から内周部へと滑らかに行われ、最後に中心にできる液滴部23によって無転位のまま切り離される。
【0049】
実施例2
直径400mmシリコン単結晶の引上げにおいて、そのテールを直径300mmまで絞り、引上げ速度を一旦0.15mm/min.に落として30分後に切り離し速度500mm/min.で切り離した。切り離し保持距離は50mmで、切り離し端面の最外周部から中央突起先端までの長さは8mmである。
【0050】
図7はその無転位切り離し端面付近のX線トポグラフ像を示す。
【0051】
図7からもわかるように、切り離されたシリコン単結晶は無転位である。切り離し時にシリコン固体結晶の持ち上げる融液を少量に抑え薄い膜を形成することによって、融液部を固体結晶側より切り離し端面に向かい固化させることができ、無転位単結晶を得ることができる。
【0052】
【発明の効果】
本発明によれば、大口径シリコン単結晶の引上げにおいても、そのテイル工程を短縮または省略することができ、歩留を向上させることができると共に、単結晶製造工程の作業負担を軽減することが可能である。
【図面の簡単な説明】
【図1】体積膨脹による有転位化模式図。
【図2】無転位切り離し模式図。
【図3】切り離し模式図。
【図4】本発明の単結晶製造方法により製造されたシリコン単結晶のテイル端部の模式図。
【図5】本発明の単結晶製造方法を実施するための結晶育成装置の模式断面図。
【図6】本発明の単結晶製造方法により製造されたシリコン単結晶の無転位切り離し端面付近のX線トポグラフである。2つのグラフを組合せて1つの端面を示している。
【図7】無転位切り離し端面付近のX線ポトグラフ像を示す。端面の約半分が示されている。液滴部23を中心として対称形になっている。
【符号の説明】
1 メインチャンバー
2 プルチャンバー
3 ルツボ
4 支持軸
5 ヒーター
6 断熱材
7 育成結晶
8 輻射シールド
9 引上げ軸
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a silicon single crystal and a method for producing a silicon single crystal by a CZ method (Czochralski method).
[0002]
Further, the present invention relates to a manufacturing method for shortening or omitting the tail step when manufacturing a silicon single crystal by the CZ method.
[0003]
[Prior art]
In manufacturing a silicon single crystal used as a material of a semiconductor device, a CZ pulling method is often used. In this method, first, a silicon seed crystal is immersed in a raw material melt melted in a quartz crucible. Next, the silicon single crystal is grown under the quartz crucible and the seed crystal by pulling the seed crystal while rotating the seed crystal in the same direction or in the opposite direction. These usually consist of steps of neck, shoulder, body and tail.
[0004]
In the neck step, the crystal diameter is narrowed down to remove dislocations caused by thermal shock when the seed crystal is immersed in the raw material melt. In the shoulder process, the crystal diameter is expanded to a target diameter. In the body process, the growth is continued while maintaining the crystal at the target diameter. As a result, a cylindrical straight body is formed. In the last tail step, the crystal diameter is gradually reduced, and separated from the melt. Thus, an inverted conical tail portion is formed below the straight body portion. The tailing step is performed in order to prevent slipback (extending substantially upward by the crystal diameter) that occurs when the crystal is separated from the melt.
[0005]
Of the silicon single crystal, the neck, crown, shoulder, and tail are not used as products because their crystal diameters are less than a predetermined value or are not constant. It is the tail portion that takes the longest time to produce and among the parts that are not used as a product. Since the diameter of the crystal is gradually reduced in the tail step, the crystal diameter is not stable, and it is difficult to control the heater power and the pulling speed.
[0006]
Further, in recent years, due to an increase in diameter of a silicon single crystal, it tends to take a long time to prepare the tail.
[0007]
Methods for shortening or omitting the tail step by separating a silicon single crystal without dislocations are reported in Patent Documents 1, 2 and 3, and the like. In any case, it is considered that the cut end face of the silicon single crystal preferably has a downward convex shape.
[0008]
However, due to the recent increase in the diameter of the silicon single crystal, it is difficult to make the cut end face of the silicon single crystal completely convex downward. In the case of a small-diameter silicon single crystal, since the temperature difference between the central portion and the outer peripheral portion of the single crystal is small, by performing an operation such as dropping the pulling speed immediately before disconnection, the separated end surface can be made to have a downwardly convex shape, When the diameter of the pulled single crystal is 300 mm or more, the temperature difference between the central portion and the outer peripheral portion of the single crystal increases, and the outer peripheral portion having a relatively low temperature solidifies faster than the central portion having a higher temperature, and the cut end faces upward. It tends to be concave.
[0009]
[Patent Document 1]
JP-A-9-208376 [0010]
[Patent Document 2]
JP-A-9-208379
[Patent Document 3]
Japanese Patent Application Laid-Open No. H11-335197 discloses a method in which a silicon single crystal being pulled is once submerged in a melt to dissolve the outer peripheral portion of the single crystal. However, in this conventional method, once solidified crystals are dissolved, there is a high possibility of causing dislocations. In addition, if the pulling speed is reduced immediately before the separation and the outer peripheral portion of the single crystal is melted by sinking, the production takes a lot of time as the crystal diameter increases. In that case, the heat flow from the melt to the pulled single crystal adversely affects the characteristics.
[0012]
[Problems to be solved by the invention]
SUMMARY OF THE INVENTION An object of the present invention is to provide a silicon single crystal and a method for producing the same, which can be separated from a large-diameter silicon single crystal without dislocation in a short time without adversely affecting the crystal characteristics. .
[0013]
[Means for Solving the Problems]
An example of the solution of the present invention is as follows.
[0014]
(1) In a silicon single crystal manufactured by the Czochralski method, an annular concave portion is formed along an outer peripheral portion of a tail end surface of the silicon single crystal, and a disk is concentrically formed inside the annular concave portion. A silicon single crystal characterized by having a convex shape formed thereon, and a protruding droplet portion formed downward at the time of separation at the center of the disk-shaped convex portion.
[0015]
(2) In the silicon single crystal manufactured by the Czochralski method, the tail end face of the silicon single crystal has a slope at the outer periphery of the single crystal, and an annular concave portion is formed inside the slope. A disc-shaped convex portion is formed concentrically inside the annular concave portion, and a protruding droplet portion formed downward at the time of separation is formed at the center of the convex portion of the disk. A silicon single crystal characterized by the following.
[0016]
(3) The height difference from the uppermost part of the annular concave part to the lowermost part of the disk-shaped convex part excluding the liquid droplet part is 20 mm or less. The silicon single crystal according to 1.
[0017]
(4) The silicon single crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein a diameter of the disk-shaped convex portion is larger than a width of the annular concave portion.
[0018]
(5) A method for producing a silicon single crystal by the Czochralski method, wherein when the silicon single crystal is separated from the raw material melt, the pulling speed is set to 0.2 mm / min. Below, and then the cutting speed is set to 200 mm / min. The method for producing a silicon single crystal according to claim 1, wherein:
[0019]
Method for manufacturing crystals.
[0020]
DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS
In the first embodiment of the present invention, in improving the end face of the silicon single crystal manufactured by the Czochralski (CZ) method, the tail end face of the silicon single crystal has an annular concave portion along the outer peripheral portion. It is formed in an upwardly concave shape, and a disc-shaped convex portion is formed concentrically and continuously inside the annular concave portion so as to bulge downward. At the center of the disk-shaped projection, a projection-shaped droplet portion formed downward at the time of separation is formed.
[0021]
It is preferable that the diameter of the disk-shaped protrusion is larger than the width of the annular recess.
The height difference from the uppermost surface (highest portion) of the annular concave portion to the lowermost surface (lowest portion) of the disk-shaped convex portion excluding the droplet portion is preferably 20 mm or less.
As described above, according to the manufacturing method of the present invention, when the silicon single crystal is cut, the pulling speed is set to 0.2 mm / min. Below, and the cutting speed is 200 mm / min. As described above, it is assumed that there is no dislocation. In particular, the pulling time with the pulling speed reduced is set to 30 minutes or less.
[0022]
Normally, dislocations occur when a dislocation-free silicon single crystal is separated during pulling. As a cause, as shown in FIG. 1, the melt is lifted by being pulled by the solid crystal at the time of separation, and the melt portion solidifies from the outer peripheral portion, and finally the central portion solidifies, so that the melt occurs at that time. The volume expansion compresses the surrounding solid part and causes dislocation. Therefore, in order to prevent the occurrence of dislocations, it is necessary to suppress the amount of the melt lifted by the crystal at the time of separation. When the solid-liquid interface is largely convex upward as shown in FIG. 1, the melt is lifted up from the surrounding melt surface, and if it is cut at high speed in this state, a large amount of the melt will stick to the crystal. Therefore, by lowering the pulling speed just before the separation, the solid-liquid interface can be lowered, and the amount of the melt lifted at the time of the separation can be reduced as shown in FIG. Then, the thin film of the melt formed at that time is separated from the solid crystal and solidified toward the end face, and no pressure is applied to the solid crystal due to volume expansion, and no dislocation occurs.
[0023]
Another feature of the present invention is to improve the shape of the end face of a silicon single crystal manufactured by the Czochralski (CZ) method. Preferably, an inclined portion is provided on the outer peripheral portion of the tail end surface of the silicon single crystal, an annular concave portion is formed inside the inclined portion, and a disk-shaped concentric portion is formed inside the annular concave portion. A convex portion is formed, and a protruding droplet portion formed downward at the time of separation is formed at the center of the disk-shaped convex portion. Therefore, the outermost peripheral portion of the shape of the end face of the silicon single crystal is cut off as a shape inclined upward.
[0024]
Further, it is preferable that the diameter of the disk-shaped projection is larger than the width of the annular recess. Further, it is desirable that the height difference from the uppermost surface (highest portion) of the annular concave portion to the lowermost surface (lowest portion) of the disk-shaped convex portion excluding the droplet portion is 20 mm or less.
[0025]
In the above-described manufacturing method of the present invention, when the silicon single crystal is cut off, the pulling speed is set to 0.2 mm / min. The lifting speed in the state of being dropped below is 30 minutes or more, and the separation speed is 200 mm / min. Above. By doing so, the crystal having the above shape can be easily pulled up.
[0026]
By providing the inclined portion in the outer peripheral portion in this way, that is, by making the diameter go into the inside of the single crystal, the flow of solidification of the melt lifted at the time of cutting off the single crystal can be smoothly and uniformly performed in a uniform direction. And dislocation-free crystals can be easily obtained. Conversely, if the diameter increases at this point, the flow from the outside to the inside in the crystal diameter direction and the flow from the inside to the outside in the crystal diameter direction at the boundary of the outer periphery are likely to occur, and the progress of solidification is cut off and the end face becomes complicated It is considered that dislocation is likely to occur. Therefore, it is desirable to incline the outer peripheral portion inward.
[0027]
Patent Document 4 discloses a method of manufacturing a semiconductor single crystal by the CZ method, which is capable of preventing generation of dislocations in the body even if tail formation is omitted. Immediately after the completion of the process, the single crystal 8 is separated from the melt 2 by increasing the pulling speed (500 mm / min in the example), and thereafter, the pulling speed is controlled to gradually cool an arbitrary temperature region. The cooling is performed so that the cooling rate between the melting point and 1000 ° C. in the vicinity of the cut-off end face 8a is 35 ° C./min or less, or the cooling rate is 30 ° C. It is stated to hold for more than a minute.
[0028]
[Patent Document 4]
JP-A-9-307971 (FIG. 1)
However, the prior art of Patent Document 4 is characterized in that the single crystal is separated from the melt by raising the pulling speed (500 mm / min in the example) immediately after the growth of the single crystal body is completed. The phenomenon (the melt is lifted in the form of being pulled by the solid crystal at the time of separation) causes a variation in the amount of the lifted melt at the ends, and as a result, the separation end face is concave or concave as shown in this prior art. It is difficult to efficiently obtain an uneven single crystal ingot.
[0029]
Thus, the present invention provides a method for separating a silicon single crystal from a raw material melt, while adjusting the heater power and increasing the pulling rate to 0.2 mm / min. The speed at the time of separation after being lowered to 200 mm / min. The tail portion can be easily formed by raising and separating as described above. More preferably, the pulling speed is 0.2 mm / min. It is desirable that the continuation time when the temperature is reduced to 15 minutes or less is 15 minutes or less. Further, the crystal can be more smoothly separated from the melt by making the diameter of the crystal tend to decrease when the crystal is separated and making the outer periphery of the crystal bottom inwardly inclined as shown in FIGS. . As a manufacturing method at this time, when the silicon single crystal is separated from the raw material melt, the pulling rate is 0.2 mm / min. The continuation time at the time when the temperature was lowered to 30 minutes or less was set to 30 minutes or more, and the speed at the time of separation was set to 200 mm / min. It is characterized by the above. At this time, as shown in FIG. 3, the length d1 from the outermost periphery of the cut end face to the tip of the central projection is 1/1 / distance d2 (the distance from the outermost periphery of the cut end face to the surface of the raw material melt) held at the time of separation. It is preferably 2. Since the solidification of the pulled crystal is started from the crystal side toward the cut end face at the moment of separation from the melt, the cut needs to be performed instantaneously. When d1 is larger than 1/2 of d2, the pulled crystal remains connected to the raw material melt due to the surface tension of the raw material melt even when the separation is performed, and the separation cannot be performed instantaneously. For this reason, even if the heat from the raw material melt reaches the solidified portion and is re-melted, and then separated, the solidification flow is not separated from the solid crystal but at the end face and dislocations occur.
[0030]
【Example】
Hereinafter, embodiments of the present invention will be described with reference to the drawings.
[0031]
FIG. 4 shows an example of a longitudinal sectional shape at the center of the tail end of the silicon single crystal according to the present invention.
[0032]
In FIG. 4, reference numeral 20 denotes a tail end of a silicon single crystal manufactured by the Czochralski (CZ) method. At the tail end portion 20 of the silicon single crystal, an annular concave portion 21 is formed along the outer peripheral portion, and a disk-shaped convex portion 22 is formed concentrically and continuously inside the annular concave portion 21. At the center of the disc-shaped convex portion 22, a protruding droplet portion 23 formed downward at the time of separation is formed.
When the diameter R of the tail end of the silicon single crystal is 286 to 325 mm, the depth a of the annular concave portion 21 is 10 mm or less (preferably 1 to 6 mm), and the height b of the disk-shaped convex portion 22 is b. (Excluding the droplet portion 23) is 15 mm or less (preferably 6 to 8 mm). The height difference c from the uppermost portion (the deepest portion) of the concave portion 21 to the lowermost portion (the highest portion) of the disk-shaped convex portion 22 excluding the droplet portion 23 is 20 mm or less.
[0033]
The diameter r of the disk-shaped projection 23 is larger than the width w of the annular recess 21. For example, the diameter r is preferably 160 to 180 mm, the width w is 65 to 85 mm, and the difference (r−w) between r and w is preferably 75 to 115 mm.
[0034]
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a crystal growing apparatus for performing the single crystal manufacturing method according to the embodiment of the present invention.
[0035]
In FIG. 5, a crucible 3 is installed in a main chamber 1. The crucible 3 has a double structure in which an inner quartz crucible 3a and an outer graphite crucible 3b are combined.
[0036]
The support shaft 4 rotates and moves up and down the quartz crucible 3a. A heater 5 is arranged outside the crucible 3, and a heat insulating material 6 is arranged outside the heater 5 along the inside of the main chamber 1. Inside the quartz crucible 3a (outside the grown crystal 7), a radiation shield 8 that is effective for improving the pulling speed and suppressing generation of crystal defects is suspended.
[0037]
On the other hand, the pulling shaft 9 hangs down in the pull chamber 2 and holds the seed crystal at its lower end. The support shaft 4 rotates and moves the crucible 3 up and down. The heater 5 provided on the outer periphery of the crucible 3 is operated. Further, the lower end of the seed crystal is heated by another heater.
[0038]
In the method for growing a single crystal according to a preferred embodiment of the present invention, first, a raw material melt 10 is formed in a crucible 3 with the inside of a main chamber 1 of a furnace kept in a predetermined atmosphere. Next, the seed crystal is immersed in the raw material melt 10. Then, while rotating the pulling shaft 9, the seed crystal is pulled to grow the silicon single crystal 7 below the seed crystal. At this time, the crucible 3 is driven to rotate in the same direction as the pulling shaft 9 or in the opposite direction, and is driven upward as the growth proceeds so that the liquid level of the raw material melt 10 is kept constant.
[0039]
The growing crystal 7 is pulled in the order of a neck, a shoulder, a body, and a tail. As a result, a shoulder portion is formed below the neck portion, and the growth of the cylindrical body portion is started below the shoulder portion.
[0040]
After performing the body part growing process as described above, the pulling speed of the single crystal is once increased to 0.2 mm / min. After the temperature is lowered and the crystal diameter is kept constant (for example, maintained in this state within 15 minutes) while adjusting the power of the heater 5, the silicon single crystal 7 is cut off from the raw material melt 10.
[0041]
Alternatively, a tail portion is formed to a predetermined diameter, and the same operation as above is performed to cut off the silicon single crystal 7.
[0042]
The separation speed at that time was 200 mm / min. The above is desirable. In this case, the silicon single crystal 7 is separated more smoothly than the melt 10, and the shape of the solid-liquid interface becomes substantially M-shaped or inverted W-shaped when the distance c in FIG. It is separated as it is.
[0043]
Further, in this case, a thin film of the melt is formed on the cut end face of the silicon solid crystal, solidifies from the solid crystal side toward the cut end face, and no pressure is applied to the solid crystal due to volume expansion, and no dislocation occurs.
[0044]
In particular, in the case of a large-diameter silicon single crystal, the distance of c in FIG. 4 is set to 20 mm or less, and when there is one droplet portion 23, the melt 10 is depressed above the outer periphery of the single crystal 20 (that is, It is cut off smoothly from the concave portion 21) to the center without dislocation. If the distance c exceeds 20 mm, the portion raised from the liquid surface of the melt 10 due to surface tension rebounds at the time of separation and adheres to the tail end portion 20 of the single crystal, and the single crystal 20 is liable to be dislocated. Would.
[0045]
Example 1
The pulling of a silicon single crystal having a diameter of 400 mm was performed using the apparatus shown in FIG. The tail portion 20 of the silicon single crystal was squeezed to a diameter of 300 mm, and the pulling speed was once set to 0.4 mm / min. From 0.15 mm / min. And after 15 minutes, a cutting speed of 500 mm / min. And separated.
[0046]
FIG. 6 shows an X-ray topographic image near the dislocation-free separated end face.
[0047]
As can be seen from FIG. 6, it can be confirmed that the separated silicon single crystal has no dislocation.
[0048]
In the case of a large-diameter silicon single crystal, its outer peripheral portion solidifies quickly, but by setting the distance c to 20 mm or less and making the cut end face substantially M-shaped or inverted W-shaped, the crystal 7 Is smoothly performed from the outer peripheral portion to the inner peripheral portion, and is finally separated without dislocation by the droplet portion 23 formed at the center.
[0049]
Example 2
In pulling a silicon single crystal having a diameter of 400 mm, the tail is squeezed to a diameter of 300 mm, and the pulling speed is once set to 0.15 mm / min. And after 30 minutes, a cutting speed of 500 mm / min. And separated. The separation holding distance is 50 mm, and the length from the outermost peripheral portion of the separation end surface to the tip of the central projection is 8 mm.
[0050]
FIG. 7 shows an X-ray topographic image near the dislocation-free separated end face.
[0051]
As can be seen from FIG. 7, the separated silicon single crystal has no dislocation. By forming a thin film by suppressing the melt raised by the silicon solid crystal to a small amount at the time of cutting, the melt portion can be solidified from the solid crystal side to the cut end face, and a dislocation-free single crystal can be obtained.
[0052]
【The invention's effect】
According to the present invention, in pulling a large-diameter silicon single crystal, the tail step can be shortened or omitted, the yield can be improved, and the work load of the single crystal manufacturing step can be reduced. It is possible.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram showing dislocations caused by volume expansion.
FIG. 2 is a schematic diagram of dislocation-free separation.
FIG. 3 is a schematic view of the separation.
FIG. 4 is a schematic view of a tail end portion of a silicon single crystal manufactured by the single crystal manufacturing method of the present invention.
FIG. 5 is a schematic cross-sectional view of a crystal growing apparatus for carrying out the method for producing a single crystal of the present invention.
FIG. 6 is an X-ray topograph near a dislocation-free cut end face of a silicon single crystal manufactured by the single crystal manufacturing method of the present invention. One end face is shown by combining two graphs.
FIG. 7 shows an X-ray photograph image near a dislocation-free cut end face. About half of the end face is shown. It is symmetrical about the droplet part 23.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Main chamber 2 Pull chamber 3 Crucible 4 Support shaft 5 Heater 6 Insulation material 7 Growth crystal 8 Radiation shield 9 Pulling shaft

Claims (5)

チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結晶において、シリコン単結晶のテイル端面は、外周部に沿って円環状の凹部が形成されており、その円環状の凹部の内側に同心に円盤状の凸部が形成されており、その円盤状の凸部の中心に、切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成されていることを特徴とするシリコン単結晶。In a silicon single crystal manufactured by the Czochralski method, an annular concave portion is formed on the tail end surface of the silicon single crystal along an outer peripheral portion, and a disk-shaped convex concentrically is formed inside the annular concave portion. A silicon single crystal, characterized in that a single droplet is formed at the center of the disk-shaped projection, and a projection-shaped droplet formed downward at the time of separation is formed. チョクラルスキー法により製造されたシリコン単結晶において、シリコン単結晶のテイル端面は、単結晶外周部に傾斜部を有しており、その傾斜部の内側に円環状の凹部が形成されており、その円環状の凹部の内側に同心に円盤状の凸部が形成されており、その円盤の凸部の中心に切り離し時に下向きにできた突起状の液滴部が形成されていることを特徴とするシリコン単結晶。In a silicon single crystal manufactured by the Czochralski method, the tail end face of the silicon single crystal has a slope at the outer periphery of the single crystal, and an annular concave portion is formed inside the slope. A disc-shaped convex portion is formed concentrically inside the annular concave portion, and a protruding droplet portion formed downward at the time of separation at the center of the convex portion of the disc is formed. Silicon single crystal. 円環状の凹部の最上部から、液滴部を除いた円盤状の凸部の最下部までの高低差は20mm以下であることを特徴とする請求項1〜2のいずれか1項に記載のシリコン単結晶。The height difference from the uppermost part of the annular concave part to the lowermost part of the disk-shaped convex part excluding the liquid drop part is 20 mm or less, The characteristic according to any one of claims 1 to 2 characterized by things. Silicon single crystal. 円盤状の凸部の直径が円環状の凹部の幅よりも大きいことを特徴とする請求項1〜3のいずれか1項に記載のシリコン単結晶。The silicon single crystal according to any one of claims 1 to 3, wherein a diameter of the disk-shaped convex portion is larger than a width of the annular concave portion. シリコン単結晶をチョクラルスキー法により製造する方法であって、原料融液からシリコン単結晶を切り離す際に、その直前に引き上げ速度を0.2mm/min.以下に落とし、しかるのちに、切り離し速度を200mm/min.以上とすることを特徴とする、請求項1〜4のいずれか1項に記載のシリコン単結晶の製造方法。A method for producing a silicon single crystal by the Czochralski method, wherein when a silicon single crystal is separated from a raw material melt, a pulling speed is set to 0.2 mm / min. Below, and then the cutting speed is set to 200 mm / min. The method for producing a silicon single crystal according to claim 1, wherein:
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* Cited by examiner, † Cited by third party
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