JP6162867B2 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン単結晶の製造方法に関する。

シリコン単結晶の製造にはシリカガラスルツボを用いたチョクラルスキー法（ＣＺ法）が採用されている。具体的には、シリカガラスルツボの内部にシリコン多結晶原料を熔融したシリコン融液を貯留し、シリコン単結晶の種結晶を接触させ、回転させながら徐々に引き上げ、シリコン単結晶の種結晶を核として成長させてシリコン単結晶を製造する。

シリコン単結晶引き上げに用いるルツボには、円筒状の側壁部と、湾曲した底部と、前記側壁部と前記底部を連結し且つ前記底部よりも曲率が大きいコーナー部を備えるものがある。このようなルツボを用いて引き上げを行う場合、シリコン融液の液面が側壁部に位置している間は、液面の低下速度はゆっくりで且つ一定となるので有転移化が起こりにくい。しかし、シリコン融液の液面が側壁部とコーナー部の境界に到達し、そこからさらに低下すると液面の低下速度が大きくなり且つその速度が不規則になる。そのようになるのは、コーナー部は大きな曲率を有しているので液面が低下すると伴ってその面積が急速に縮小することと、コーナー部は、その形状のバラツキが比較的大きくなりやすい部位であり、そのため１つ１つのルツボでコーナー部の形状が厳密には異なっていることが要因である。

特許文献１においては、コーナー部での有転移化を防ぐために、シリコン融液の液面がコーナー部に到達する前にシリコン単結晶の直胴部の成長を終了させている。

ＷＯ２００９／１０４５３２号公報

しかし、特許文献１の方法は、シリコン単結晶の直胴部の長さを犠牲にしているという問題があるので、シリコン単結晶の直胴部の長さを犠牲することなく有転移化を防ぐ技術が望まれている。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、シリカガラスルツボのコーナー部においてもシリコン単結晶の引き上げを適切に行うことを可能にするシリコン単結晶の製造方法を提供するものである。

本発明によれば、円筒状の側壁部と、湾曲した底部と、前記側壁部と前記底部を連結し且つ前記底部よりも曲率が大きいコーナー部を備えるシリカガラスルツボ内に保持されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる工程を備え、前記シリコン融液の液面が前記コーナー部に到達した後の前記シリコン単結晶の引き上げ条件が、前記シリカガラスルツボの内表面の三次元形状に基づいて決定され、前記内表面の表面粗さの三次元分布は、前記シリカガラスルツボの内表面に沿って非接触で内部測距部を移動させ、移動経路上の複数の測定点において、内部測距部から前記シリカガラスルツボの内表面に対して斜め方向にレーザー光を照射し、前記レーザー光の反射光をレーザー変位計で測定して２つのピークが観測されるように前記内部測距部と前記内表面との距離や前記レーザー光の出射方向を変化させて、前記２つのピークのうちの前記内表面側のピークの位置によって、内部測距部と前記内表面の間の内表面距離を測定し、各測定点の三次元座標と、前記内表面距離を関連付けることによって、前記シリカガラスルツボの内表面の三次元形状を求める工程を備える方法によって決定される、シリコン単結晶の製造方法が提供される。

上記の通り、シリコン融液の液面がコーナー部に到達した後に引き上げでは有転移化が非常に起こりやすいため、従来技術のように液面がコーナー部に到達する前に引き上げを終了させてしまうか、又は熟練した作業者が勘に従って引き上げ速度を調節して有転移化を防いでいるのが現状である。前者の場合、シリコン融液の無駄が発生してシリコン単結晶の製造コスト上昇に繋がり、後者の場合、引き上げ工程の自動化の妨げになり、人件費の上昇に繋がり、やはり製造コストの上昇に繋がる。

そこで、本発明者らは、従来とは発想を転換し、予めルツボの内表面の３次元形状を測定しておくことによって、コーナー部での液面の下降速度を高精度に予測し、その予測内容に基づいてシリコン単結晶の引き上げ速度などの引き上げ条件を決定することを可能にし、それによって有転移化を防ぎ且つ引き上げの自動化を可能にするという発明を完成させた。
本発明は、外径２８インチ以上の大型ルツボや、４０インチ以上の超大型ルツボにおいて特に利点がある。なぜなら、このようなルツボにおいては、引き上げに失敗した場合の損失が非常に大きいので、引き上げ条件の最適設定の重要性が特に高いからである。

全てのルツボの内表面形状が設計図通りになるのであれば、ルツボの内表面の三次元形状は設計図面を見るだけで特定することができるが、実際には、シリカガラスルツボの内表面形状は、ルツボ毎に異なるので、１つ１つのルツボについてルツボの内表面の三次元形状を特定することが必須である。

本発明者らは、通常の三次元レーザースキャナを用いて、内表面の三次元形状を特定しようとしたが、ルツボが透明体であるので、測定はうまくいかなかった。ルツボ内表面に光を照射して画像を取得し、その画像を解析する方法も試してみたが、この方法では、画像の解析に非常に長い時間がかかるため、ルツボの内表面全体の三次元形状の測定には到底使えるものではなかった。

このような状況において、本発明者らは、ルツボの内表面に対して斜め方向からレーザー光を照射したところ、ルツボ内表面からの反射光（内表面反射光）の検出が可能であり、この反射光に基づいて内部測距部と内表面の間の内表面距離が測定可能であることを見出した。

また、ルツボの内表面に沿った複数の測定点において測定が行われるが、各測定点での内部測距部の座標と内表面距離を関連付けることによって、各測定点に対応するルツボ内表面座標が得られる。

そして、ルツボの内表面に沿って、例えば２ｍｍ間隔のメッシュ状に多数の測定点を配置して測定を行うことによって、メッシュ状の内表面座標が得られ、これによって、ルツボの内表面の三次元形状を求めることができる。
この方法が優れているのは、画像解析による方法に比べて、データのサンプリングレートが格段に大きいことであり、予備実験によると、直径１ｍのルツボで１０万点の測定をする場合であっても、１０分程度で内表面全体の三次元形状の測定を終えることができた。

以下、本発明の種々の実施形態を例示する。以下の実施形態は、互いに組み合わせ可能である。

好ましくは、内部測距部からのレーザー光は、前記内表面に対して３０〜６０度の入射角で照射される。

好ましくは、内部測距部は、内部測距部を三次元的に移動させることができるように構成された内部ロボットアームに固定され、前記シリカガラスルツボは、内部ロボットアームを覆うように配置される。

図１（ａ）〜（ｃ）は、それぞれ、シリカガラスルツボ内に保持されたシリコン融液からシリコン単結晶の引き上げを行う工程を示す。 図２は、シリカガラスルツボの三次元形状測定方法の説明図である。 図３は、図２の内部測距部及びその近傍のシリカガラスルツボの拡大図である。 図４は、図２の内部測距部の測定結果を示す。 図５は、図２の外部測距部の測定結果を示す。

以下、図１〜図５を用いて、本発明の一実施形態のシリコン単結晶の製造方法を説明する。

＜１．シリカガラスルツボ＞
本発明の一実施形態のシリコン単結晶の製造方法で使用されるシリカガラスルツボ１１は、一例では、回転モールドの内表面に平均粒径３００μｍ程度のシリカ粉を堆積させてシリカ粉層を形成するシリカ粉層形成工程と、モールド側からシリカ粉層を減圧しながら、シリカ粉層をアーク熔融させることによってシリカガラス層を形成するアーク熔融工程を備える（この方法を「回転モールド法」と称する）方法によって製造される。

アーク熔融工程の初期にはシリカ粉層を強く減圧することによって気泡を除去して透明シリカガラス層（以下、「透明層」と称する。）１３を形成し、その後、減圧を弱くすることによって気泡が残留した気泡含有シリカガラス層（以下、「気泡含有層」と称する。）１５を形成することによって、内表面側に透明層１３を有し、外表面側に気泡含有層１５を有する二層構造のシリカガラスルツボを形成することができる。

ルツボの製造に使用されるシリカ粉には、天然石英を粉砕して製造される天然シリカ粉や化学合成によって製造される合成シリカ粉があるが、特に天然シリカ粉は、天然物を原料としているので、物性・形状・サイズがばらつきやすい。物性・形状・サイズが変化すると、シリカ粉の熔融状態が変化するので、同じ条件でアーク熔融を行っても、製造されるルツボの内表面形状がばらついてしまう。従って、内表面形状は、一つ一つのルツボについて測定する必要がある。

シリカガラスルツボ１１は、円筒状の側壁部１１ａと、湾曲した底部１１ｃと、側壁部１１ａと底部１１ｃを連結し且つ底部１１ｃよりも曲率が大きいコーナー部１１ｂを備える。本発明において、コーナー部１１ｂとは、側壁部１１ａと底部１１ｃを連接する部分で、コーナー部の曲線の接線がシリカガラスルツボの側壁部１１ａと重なる点から、底部１１ｃと共通接線を有する点までの部分のことを意味する。言い換えると、シリカガラスルツボ１１の側壁部１１ａが曲がり始める点が側壁部１１ａとコーナー部１１ｂの境界である。さらに、ルツボの底の曲率が一定の部分が底部１１ｃであり、ルツボの底の中心からの距離が増したときに曲率が変化し始める点が底部１１ｃとコーナー部１１ｂとの境界である。

＜２．多結晶シリコンの充填及び熔融＞
シリコン単結晶の引き上げ時には、ルツボ１１内に多結晶シリコンを充填し、この状態でルツボ１の周囲に配置されたカーボンヒーターで多結晶シリコンを加熱して熔融させて、図１（ａ）に示すように、シリコン融液２３を得る。

シリコン融液２３の体積は、多結晶シリコン２１の質量によって定まるので、シリコン融液２３の液面２３ａの初期の高さ位置Ｈ０は、多結晶シリコン２１の質量とルツボ１１の内表面の三次元形状によって決まる。本発明によれば、後述する方法によって、ルツボ１１の内表面の三次元形状が定まるので、ルツボ１１の任意の高さ位置までの容積が特定され、従って、シリコン融液２３液面２３ａの初期の高さ位置Ｈ０が決定される。

シリコン融液２３の液面２３ａの初期の高さ位置Ｈ０が決定された後は、図１（ａ）に示すように、種結晶２４の先端を高さ位置Ｈ０まで下降させてシリコン融液２３に接触させ、その後、ゆっくりと引き上げることによって、シリコン単結晶２５の引き上げを行う。

図１（ｂ）に示すように、シリコン単結晶２５の直胴部（直径が一定の部位）を引き上げているときに、液面２３ａがルツボ１１の側壁部１１ａに位置している場合には、一定の速度で引き上げると液面２３ａの降下速度Ｖはほぼ一定になるので、引き上げの制御は容易である。

しかし、図１（ｃ）に示すように、液面２３ａがルツボ１１のコーナー部１１ｂに到達すると、液面２３ａの下降に伴ってその面積が急激に縮小するので、液面２３ａの降下速度Ｖが急激に大きくなる。降下速度Ｖは、コーナー部１１ｂの内表面形状に依存しているが、この内表面形状がルツボ毎に若干異なっているので、降下速度Ｖがどのように変化するのかを事前に把握することは困難であり、引き上げの自動化の妨げになっていた。

本実施形態では、後述する方法によって、ルツボの内表面の三次元形状を正確に測定するので、コーナー部１１ｂの内表面形状が事前に分かり、従って、降下速度Ｖがどのように変化するのかを正確に予測することができるので、その予測に基づいて、シリコン単結晶２５の引き上げ速度等の引き上げ条件を決定することにより、コーナー部１１ｂにおいても有転移化を防止し且つ引き上げを自動化することが可能である。

＜３．ルツボの内表面の三次元形状の測定方法＞
以下、図２〜図５を用いて、ルツボの内表面の三次元形状の測定方法について説明する。本実施形態では、レーザー変位計などからなる内部測距部１７をルツボ内表面に沿って非接触で移動させ、移動経路上の複数の測定点において、ルツボ内表面に対してレーザー光を斜め方向に照射し、その反射光を検出することによって、ルツボの内表面の三次元形状を測定する。以下、詳細に説明する。また、内表面形状を測定する際に、透明層１３と気泡含有層１５の界面の三次元形状も同時に測定することができ、また、内部測距部１９を用いることによってルツボの外表面の三次元形状も測定することができるので、これらの点についても合わせて説明する。

＜３−１．シリカガラスルツボの設置、内部ロボットアーム、内部測距部＞
測定対象であるシリカガラスルツボ１１は、開口部が下向きになるように回転可能な回転台９上に載置されている。ルツボ１１に覆われる位置に設けられた基台１上には、内部ロボットアーム５が設置されている。内部ロボットアーム５は、複数のアーム５ａと、これらのアーム５ａを回転可能に支持する複数のジョイント５ｂと、本体部５ｃを備える。本体部５ｃには図示しない外部端子が設けられており、外部とのデータ交換が可能になっている。内部ロボットアーム５の先端にはルツボ１１の内表面形状の測定を行う内部測距部１７が設けられている。内部測距部１７は、ルツボ１１の内表面に対してレーザー光を照射し、内表面からの反射光を検出することによって内部測距部１７からルツボ１１の内表面までの距離を測定する。本体部５ｃ内には、ジョイント５ｂ及び内部測距部１７の制御を行う制御部が設けられている。制御部は、本体部５ｃ設けられたプログラム又は外部入力信号に基づいてジョイント５ｂを回転させてアーム５を動かすことによって、内部測距部１７を任意の三次元位置に移動させる。具体的には、内部測距部１７をルツボ内表面に沿って非接触で移動させる。従って、制御部には、ルツボ内表面の大まかな形状データを与え、そのデータに従って、内部測距部１７の位置を移動させる。より具体的には、例えば、図２（ａ）に示すようなルツボ１１の開口部近傍に近い位置から測定を開始し、図２（ｂ）に示すように、ルツボ１１の底部１１ｃに向かって内部測距部１７を移動させ、移動経路上の複数の測定点において測定を行う。測定間隔は、例えば、１〜５ｍｍであり、例えば２ｍｍである。測定は、予め内部測距部１７内に記憶されたタイミングで行うか、又は外部トリガに従って行う。測定結果は、内部測距部１７内の記憶部に格納されて、測定終了後にまとめて本体部５ｃに送られるか、又は測定の度に、逐次本体部５ｃに送られるようにする。内部測距部１７は、本体部５ｃとは別に設けられた制御部によって制御するように構成してもよい。

ルツボの開口部から底部１１ｃまでの測定が終わると、回転台９を少し回転させ、同様の測定行う。この測定は、底部１１ｃから開口部に向かって行ってもよい。回転台９の回転角は、精度と測定時間との考慮して決定されるが、例えば、２〜１０度である。回転角が大きすぎると測定精度が十分でなく、小さすぎると測定時間が掛かりすぎる。回転台９の回転は、内蔵プログラム又は外部入力信号に基づいて制御される。回転台９の回転角は、ロータリーエンコーダ等によって検出可能である。回転台９の回転は、内部測距部１７及び後述する外部測距部１９の移動と連動してすることが好ましく、これによって、内部測距部１７及び外部測距部１９の３次元座標の算出が容易になる。

後述するが、内部測距部１７は、内部測距部１７から内表面までの距離（内表面距離）、及び内部測距部１７から透明層１３と気泡含有層１５の界面までの距離（界面距離）の両方を測定することができる。ジョイント５ｂの角度はジョイント５ｂに設けられたロータリーエンコーダ等によって既知であるので、各測定点での内部測距部１７の位置の三次元座標及び方向が既知になるので、内表面距離及び界面距離が求まれば、内表面での三次元座標、及び界面での三次元座標が既知となる。そして、ルツボ１１の開口部から底部１１ｃまでの測定が、ルツボ１１の全周に渡って行われるので、ルツボ１１の内表面の三次元形状、及び界面の三次元形状が既知になる。また、内表面と界面の間の距離が既知になるので、透明層１３の厚さも既知になり、透明層の厚さの三次元分布が求められる。

＜３−２．外部ロボットアーム、外部測距部＞
ルツボ１１の外部に設けられた基台３上には、外部ロボットアーム７が設置されている。外部ロボットアーム７は、複数のアーム７ａと、これらのアームを回転可能に支持する複数のジョイント７ｂと、本体部７ｃを備える。本体部７ｃには図示しない外部端子が設けられており、外部とのデータ交換が可能になっている。外部ロボットアーム７の先端にはルツボ１１の外表面形状の測定を行う外部測距部１９が設けられている。外部測距部１９は、ルツボ１１の外表面に対してレーザー光を照射し、外表面からの反射光を検出することによって外部測距部１９からルツボ１１の外表面までの距離を測定する。本体部７ｃ内には、ジョイント７ｂ及び外部測距部１９の制御を行う制御部が設けられている。制御部は、本体部７ｃ設けられたプログラム又は外部入力信号に基づいてジョイント７ｂを回転させてアーム７を動かすことによって、外部測距部１９を任意の三次元位置に移動させる。具体的には、外部測距部１９をルツボ外表面に沿って非接触で移動させる。従って、制御部には、ルツボ外表面の大まかな形状データを与え、そのデータに従って、外部測距部１９の位置を移動させる。より具体的には、例えば、図２（ａ）に示すようなルツボ１１の開口部近傍に近い位置から測定を開始し、図２（ｂ）に示すように、ルツボ１１の底部１１ｃに向かって外部測距部１９を移動させ、移動経路上の複数の測定点において測定を行う。測定間隔は、例えば、１〜５ｍｍであり、例えば２ｍｍである。測定は、予め外部測距部１９内に記憶されたタイミングで行うか、又は外部トリガに従って行う。測定結果は、外部測距分１９内の記憶部に格納されて、測定終了後にまとめて本体部７ｃに送られるか、又は測定の度に、逐次本体部７ｃに送られるようにする。外部測距部１９は、本体部７ｃとは別に設けられた制御部によって制御するように構成してもよい。

内部測距部１７と外部測距部１９は、同期させて移動させてもよいが、内表面形状の測定と外表面形状の測定は独立して行われるので、必ずしも同期させる必要はない。

外部測距部１９は、外部測距部１９から外表面までの距離（外表面距離）を測定することができる。ジョイント７ｂの角度はジョイント７ｂに設けられたロータリーエンコーダ等によって既知であるので、外部測距部１９の位置の三次元座標及び方向が既知になるので、外表面距離が求まれば、外表面での三次元座標が既知となる。そして、ルツボ１１の開口部から底部１１ｃまでの測定が、ルツボ１１の全周に渡って行われるので、ルツボ１１の外表面の三次元形状が既知になる。
以上より、ルツボの内表面及び外表面の三次元形状が既知になるので、ルツボの壁厚の三次元分布が求められる。

＜３−３．距離測定の詳細＞
次に、図３を用いて、内部測距部１７及び外部測距部１９による距離測定の詳細を説明する。
図３に示すように、内部測距部１７は、ルツボ１１の内表面側（透明層１３側）に配置され、外部測距部１９は、ルツボ１１の外表面側（気泡含有層１５側）に配置される。内部測距部１７は、出射部１７ａ及び検出部１７ｂを備える。外部測距部１９は、出射部１９ａ及び検出部１９ｂを備える。また、内部測距部１７及び外部測距部１９は、図示しない制御部及び外部端子を備える。出射部１７ａ及び１９ａは、レーザー光を出射するものであり、例えば、半導体レーザーを備えるものである。出射されるレーザー光の波長は、特に限定されないが、例えば、波長６００〜７００ｎｍの赤色レーザー光である。検出部１７ｂ及び１９ｂは、例えばＣＣＤで構成され、光が当たった位置に基づいて三角測量法の原理に基づいてターゲットまでの距離が決定される。

内部測距部１７の出射部１７ａから出射されたレーザー光は、一部が内表面（透明層１３の表面）で反射し、一部が透明層１３と気泡含有層１５の界面で反射し、これらの反射光（内表面反射光、界面反射光）が検出部１７ｂに当たって検出される。図３から明らかなように、内表面反射光と界面反射光は、検出部１７ｂの異なる位置に当たっており、この位置の違いによって、内部測距部１７から内表面までの距離（内表面距離）及び界面までの距離（界面距離）がそれぞれ決定される。好適な入射角θは、内表面の状態、透明層１３の厚さ、気泡含有層１５の状態等によって、変化しうるが例えば３０〜６０度である。

図４は、市販のレーザー変位計を用いて測定された実際の測定結果を示す。図４に示すように、２つのピークが観察されており、内表面側のピークが内表面反射光によるピークであり、外表面側のピークが界面反射光によるピークに対応する。このように、透明層１３と気泡含有層１５の界面からの反射光によるピークもクリアに検出されている。従来は、このような方法で界面の特定がなされたことがなく、この結果は非常に斬新である。

内部測距部１７から内表面までの距離が遠すぎる場合や、内表面又は界面が局所的に傾いている場合には、２つのピークが観測されない場合がある。その場合には、内部測距部１７を内表面に近づけたり、内部測距部１７の傾けてレーザー光の出射方向を変化させて、２つのピークが観測される位置及び角度を探索することが好ましい。また、２つのピークが同時に観測されなくても、ある位置及び角度において内表面反射光によるピークを観測し、別の位置及び角度において界面反射光によるピークを観測するようにしてもよい。また、内部測距部１７が内表面に接触することを避けるために、最大近接位置を設定しておいて、ピークが観測されない場合でも、その位置よりも内表面に近づけないようにすることが好ましい。
また、透明層１３中に独立した気泡が存在する場合、この気泡からの反射光を内部測距部１７が検出してしまい、透明層１３と気泡含有層１５の界面を適切に検出できない場合がある。従って、ある測定点Ａで測定された界面の位置が前後の測定点で測定された界面の位置から大きく（所定の基準値を超えて）ずれている場合には、測定点Ａでのデータを除外してもよい。また、その場合、測定点Ａからわずかにずれた位置で再度測定を行って、得られたデータを採用してもよい。

また、外部測距部１９の出射部１９ａから出射されたレーザー光は、外表面（気泡含有層１５）の表面で反射し、その反射光（外表面反射光）が検出部１９ｂに当たって検出され、検出部１９ｂ上での検出位置に基づいて外部測距部１９と外表面の間の距離が決定される。図５は、市販のレーザー変位計を用いて測定された実際の測定結果を示す。図５に示すように、１つのピークのみが観察される。ピークが観測されない場合には、外部測距部１９を内表面に近づけたり、外部測距部１９の傾けてレーザー光の出射方向を変化させて、ピークが観測される位置及び角度を探索することが好ましい。

Claims (2)

1. 円筒状の側壁部と、湾曲した底部と、前記側壁部と前記底部とを連結し且つ前記底部よりも曲率が大きいコーナー部とを備えるシリカガラスルツボ内に保持されたシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる工程を備え、
   前記シリカガラスルツボの内表面の三次元分布は、
   前記内表面に沿って非接触で内部測距部を移動させ、
   移動経路上の複数の測定点において、前記内部測距部から前記内表面に対して斜め方向にレーザー光を照射し、前記内表面からの内表面反射光を検出することによって、前記内部測距部と前記内表面との間の内表面距離を測定し、
   各測定点の三次元座標と、前記内表面距離とを関連付けることによって、前記内表面の三次元形状を求める工程を備える方法によって決定され、
   前記シリコン融液の液面が前記側壁部に位置している場合の前記シリコン単結晶の引き上げ速度は一定であり、
   前記液面が前記コーナー部に到達した後の前記シリコン単結晶の引き上げ速度は、前記三次元形状に基づき決定される前記シリカガラスルツボに囲まれた空間の水平方向の断面積および前記液面の下降速度に基づいて決定される、シリコン単結晶の製造方法。
2. 前記シリカガラスルツボの外径は２８インチ以上である、請求項１記載のシリコン単結晶の製造方法。