JP6973366B2

JP6973366B2 - 単結晶シリコンインゴットの製造方法及びシリコン単結晶引上げ装置

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Publication number: JP6973366B2
Application number: JP2018237663A
Authority: JP
Inventors: 渉杉村; 英城坂本
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Filing date: 2018-12-19
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Description

本発明は、単結晶シリコンインゴットの製造方法及びシリコン単結晶引上げ装置に関する。

半導体デバイスの基板として使用されるシリコンウェーハは、シリコン単結晶のインゴットを薄くスライスし、平面研削（ラッピング）工程、エッチング工程および鏡面研磨（ポリッシング）工程を経て最終洗浄することにより製造される。そして、３００ｍｍ以上の大口径のシリコン単結晶は、チョクラルスキー（Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ，ＣＺ）法により製造するのが一般的である。

図４は、ＣＺ法により単結晶シリコンインゴットを製造する従来のシリコン単結晶引上げ装置４００を示している。シリコン単結晶引上げ装置４００は、その外郭をチャンバ１０で構成され、その中心部にルツボ１６が配置される。ルツボ１６は二重構造を有しており、内側の石英ルツボ１６Ａと、外側の黒鉛ルツボ１６Ｂとから構成され、シャフト駆動機構２０により回転および昇降が可能なシャフト１８の上端部に固定される。

ルツボ１６の外側には、ルツボ１６を囲むように抵抗加熱式の筒状ヒータ２４が配設され、その外側には、チャンバ１０の内側面に沿って断熱体２６が配設される。また、ルツボ１６の上方には、種結晶Ｓを保持するシードチャック２８を下端で保持する引上げワイヤ３０がシャフト１８と同軸上に配置され、ワイヤ昇降機構３２が、引上げワイヤ３０をシャフト１８と逆方向または同一方向に所定の速度で回転させつつ昇降させる。

チャンバ１０内には、ルツボ１６の上方で育成中の単結晶シリコンインゴットＩを囲むように筒状の熱遮蔽体２２が配置される。この熱遮蔽体２２は、育成中のインゴットＩに対する、ルツボ１６内のシリコン融液Ｍやヒータ２４やルツボ１６の側壁からの高温の輻射熱の入射量を調整したり、結晶成長界面近傍の熱の拡散量を調整するものであり、単結晶シリコンインゴットＩの中心部および外周部の引上げ軸Ｘ方向の温度勾配を制御する役割を担っている。

チャンバ１０の上部には、Ａｒガスなどの不活性ガスをチャンバ１０内に導入するガス導入口１２が設けられる。また、チャンバ１０の底部には、図示しない真空ポンプの駆動によりチャンバ１０内の気体を吸引して排出するガス排出口１４が設けられる。ガス導入口１２からチャンバ１０内に導入された不活性ガスは、育成中の単結晶シリコンインゴットＩと熱遮蔽体２２との間を下降し、熱遮蔽体２２の下端とシリコン融液Ｍの液面との隙間を流れた後、熱遮蔽体２２の外側、さらにはルツボ１６の外側に向けて流れ、その後ルツボ１６の外側を下降してガス排出口１４から排出される。

このシリコン単結晶引上げ装置４００を用いて、チャンバ１０内を減圧下のＡｒガス雰囲気に維持した状態で、ルツボ１６内に充填した多結晶シリコンなどのシリコン原料をヒータ２４の加熱により溶融させ、シリコン融液Ｍを形成する。次いで、ワイヤ昇降機構３２によって引上げワイヤ３０を下降させて、種結晶Ｓをシリコン融液Ｍに着液し、ルツボ１６および引上げワイヤ３０を所定の方向に回転させながら、引上げワイヤ３０を上方に引き上げ、種結晶Ｓの下方にインゴットＩを育成する。なお、インゴットＩの育成が進行するにつれて、シリコン融液Ｍの量は減少するが、ルツボ１６を上昇させて、融液面のレベルを維持する。

チャンバ１０の上部の開口部３４にはＣＣＤカメラ３６が設けられる。ＣＣＤカメラ３６は、結晶Ｉと融液Ｍとの境界部近傍を撮像する。結晶と融液との境界部に形成されるメニスカスは、結晶および融液よりも高輝度で撮像されるため、画像中のメニスカスは、リング状の高輝度帯（以下、「フュージョンリング」と称する。）として顕在化する。このフュージョンリングの間隔を結晶直径と認識して、この結晶直径が所望の一定値となるように、結晶引上げ速度と融液温度を制御する。

このようなシリコン単結晶引上げ装置を用いた単結晶シリコンインゴットの製造においては、チャンバ内でＣＯガスが発生することが知られている。その原因の一つとして、シリコン融液から発生したＳｉＯガスと、チャンバ内に存在する黒鉛材（例えば、筒状ヒータ）との反応により、ＣＯガスが発生することが挙げられる。このチャンバ内ＣＯガスの濃度を測定する技術として、特許文献１がある。

特許文献１には、「チョクラルスキー法により原料を加熱溶融した原料融液から単結晶を引き上げる単結晶の製造方法であって、前記原料を石英ルツボに収容し、該石英ルツボに収容された原料を加熱溶融しながら原料溶融中に排出される排ガスに含まれる一酸化炭素濃度を測定し、測定された原料溶融中における排ガスに含まれる一酸化炭素濃度測定結果に基づき、原料の溶融が完了したと判定し、その後、前記原料融液から単結晶を引き上げることを特徴とする単結晶の製造方法（請求項６）」が記載されている。

特開２０１７−１１４７０９号公報

本発明者らは、従来のシリコン単結晶引上げ装置で製造された単結晶シリコンインゴット中には、その育成過程においてカーボンが混入し、その結果、当該インゴットから作製したシリコンウェーハのカーボン濃度が意図せず高くなってしまうという課題に着目した。シリコンウェーハ中のカーボン濃度が高くなると、デバイス熱処理工程中にキラー欠陥と呼ばれる電気的に活性なカーボン起因の欠陥が発生し、ウェーハのライフタイムを低下させてしまう問題が生じる。また、高濃度のカーボンは酸素析出物の形成を促進させるため、仮に酸素析出物がデバイスの表面に存在した場合はリーク不良が生じ、歩留まり低下の原因となる。このように、単結晶シリコンインゴット中へのカーボンのコンタミは、半導体デバイスの作製工程において悪影響を及ぼす。そのため、単結晶シリコンインゴット中の炭素濃度はデバイスの種類に応じて規格で厳しく制限される。

結晶中のカーボン濃度が上昇する理由は、チャンバ内で発生したＣＯガスがシリコン融液に取り込まれることであると考えられる。特許文献１では、原料溶融工程において原料が全て溶融する時にチャンバ内のガス中のＣＯガス濃度が最大となることに着目して、ＣＯガス濃度を測定し、この測定値に基づいて原料溶融工程の終了（メルト完了）を判定している。しかしながら、特許文献１では、メルト完了の正確な検知によって、プロセスタイムを短縮化することと石英ルツボの変形を防止することに着目しているに過ぎず、ＣＯガスのシリコン融液への取り込みや、これに起因する結晶中のカーボン濃度の上昇については、何ら着目していない。

上記課題に鑑み、本発明は、カーボン濃度が低い単結晶シリコンインゴットを高い歩留まりで製造することが可能な単結晶シリコンインゴットの製造方法及びシリコン単結晶引上げ装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決すべく本発明者らは、チャンバ内ガス中のＣＯガス濃度をモニターすることに代えて、ＣＯガス発生レート（単位時間当たりのＣＯガス発生量）をモニターすることを着想した。すなわち、ＣＯガスのシリコン融液への取り込み量は、単位時間当たりのＣＯガスの発生量と正の相関があるものと考えられる。一方で、ＣＯガス濃度は、単位時間当たりのＣＯガス発生量が同じであっても、チャンバ内の不活性ガスの流量が大きい場合には小さくなり、チャンバ内の不活性ガスの流量が小さい場合には大きくなる。実際、原料溶融工程と結晶育成工程では不活性ガスの流量は異なるし、結晶育成工程中においても不活性ガスの流量は変動する。このため、ＣＯガス濃度は、ＣＯガスのシリコン融液への取り込み量を評価する指標としてモニターするのには適切ではない。本発明者らは、チャンバ内のＣＯガス濃度を測定し、この測定値に、チャンバ内の不活性ガス流量を乗ずることでＣＯガス発生レートを算出し、このＣＯガス発生レートをモニターすることで、ＣＯガスのシリコン融液への取り込み量、ひいては結晶中のカーボン濃度を適切に評価できることを見出した。

本発明は、上記の知見に基づいて完成されたものであり、その要旨構成は以下のとおりである。
（１）不活性ガスを導入するガス導入口を上部に有し、前記不活性ガスを含む炉内ガスを排出するガス排出口を底部に有するチャンバと、
前記チャンバ内に位置するルツボと、
前記チャンバ内で前記ルツボを囲うように位置する筒状のヒータと、
を有するシリコン単結晶引上げ装置を用いて行う単結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
前記チャンバ内を減圧下で前記不活性ガスの雰囲気に維持しつつ、前記ルツボ内に投入したシリコン原料を前記ヒータにより加熱、溶融させて前記ルツボ内にシリコン融液を形成する原料溶融工程と、
引き続き、前記チャンバ内を減圧下で前記不活性ガスの雰囲気に維持しつつ、前記シリコン融液を前記ヒータにより加熱、維持して、前記シリコン融液から単結晶シリコンインゴットを引き上げる結晶育成工程と、
を有し、前記原料溶融工程及び前記結晶育成工程において、
前記炉内ガスを採取し、
前記採取したガス中のＣＯガス濃度をガス分析装置により間欠的に測定し、
測定したＣＯガス濃度に、前記チャンバ内に供給する不活性ガスの流量を乗ずることにより、ＣＯガス発生レートを算出し、
算出した前記ＣＯガス発生レートをモニターすることを特徴とする単結晶シリコンインゴットの製造方法。

（２）前記原料溶融工程におけるＣＯガス発生レートの最大値をＡ（ｍｏｌ／ｈ）、前記結晶育成工程中の直胴工程におけるＣＯガス発生レートの最大値をＢ（ｍｏｌ／ｈ）として、前記原料溶融工程及び前記結晶育成工程は、Ａ／Ｂ≦１０を満たす条件下で行う、上記（１）に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。

（３）前記炉内ガスの採取は、前記ガス排出口から延びる排気配管を介して行う、上記（１）又は（２）に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。

（４）前記炉内ガスは、前記ルツボの上方に前記単結晶シリコンインゴットを囲むように設けられた筒状の熱遮蔽体と、前記ルツボとの間の空間から採取する、上記（１）〜（３）のいずれか一項に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。

（５）前記ガス分析装置が四重極型質量分析装置である、上記（１）〜（４）のいずれか一項に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。

（６）不活性ガスを導入するガス導入口を上部に有し、前記不活性ガスを含む炉内ガスを排出するガス排出口を底部に有するチャンバと、
前記チャンバ内に位置し、シリコン融液を収容するルツボと、
前記ルツボの上方に、前記シリコン融液から引き上げられる単結晶シリコンインゴットを囲むように設けられた筒状の熱遮蔽体と、
前記チャンバ内で前記ルツボを囲うように位置し、前記シリコン融液を加熱する筒状のヒータと、
前記ガス排出口から延びる排気配管と、
前記排気配管に接続され、前記チャンバ内を減圧するとともに、前記炉内ガスを前記排気配管へと吸引するメインポンプと、
前記排気配管に設けられ、前記チャンバ内を減圧する際に開となるメインバルブと、
前記排気配管の前記メインバルブよりも上流の部位、及び、前記熱遮蔽体と前記ルツボとの間の空間、の一方又は両方に設けられたガス採取口と、
前記ガス採取口から延び、前記排気配管の前記メインバルブより下流の部位に連結されるサブ配管と、
前記サブ配管に設けられ、前記炉内ガスを前記サブ配管へと吸引するサブポンプと、
前記サブ配管の前記サブポンプより上流に設けられ、前記サブ配管に吸引されたガス中のＣＯガス濃度を間欠的に測定するガス分析装置と、
前記サブ配管の前記ガス分析装置より上流に設けられ、前記ガス分析装置に供給するガスの流量を調整する流量調整バルブと、
前記サブ配管の前記流量調整バルブより上流に設けられ、前記サブ配管に吸引されたガス中のＳｉＯ粉を除去するフィルタと、
前記サブ配管の前記ガス採取口の近傍に設けられ、前記炉内ガスを前記サブ配管へと吸引する際に開となる取り込みバルブと、
を有し、さらに、
前記ガス分析装置により測定したＣＯガス濃度に、前記チャンバ内に供給する不活性ガスの流量を乗ずることにより、ＣＯガス発生レートを算出する演算部と、
算出した前記ＣＯガス発生レートを出力する出力装置と、
を有することを特徴とするシリコン単結晶引上げ装置。

（７）前記ガス採取口が、前記排気配管の前記メインバルブよりも上流の部位に設けられた、上記（６）に記載のシリコン単結晶引上げ装置。

（８）前記ガス採取口が、前記熱遮蔽体と前記ルツボとの間の空間に位置する、上記（６）又は（７）に記載のシリコン単結晶引上げ装置。

（９）前記ガス分析装置が四重極型質量分析装置である、上記（６）〜（８）のいずれか一項に記載のシリコン単結晶引上げ装置。

本発明の単結晶シリコンインゴットの製造方法及びシリコン単結晶引上げ装置によれば、カーボン濃度が低い単結晶シリコンインゴットを高い歩留まりで製造することが可能である。

本発明の第１の実施形態によるシリコン単結晶引上げ装置１００の構成を模式的に示す、引上げ軸Ｘに沿った断面図である。本発明の第２の実施形態によるシリコン単結晶引上げ装置２００の構成を模式的に示す、引上げ軸Ｘに沿った断面図である。本発明の第３の実施形態によるシリコン単結晶引上げ装置３００の構成を模式的に示す、引上げ軸Ｘに沿った断面図である。従来のシリコン単結晶引上げ装置４００の構成を模式的に示す、引上げ軸Ｘに沿った断面図である。Ｎｏ．１における、原料溶融工程及び結晶育成工程中のＣＯガス発生レートの推移を示すグラフである。チャンバ内から採取したガス中のＳｉＯ粉末の粒度分布を示すグラフである。

（シリコン単結晶引上げ装置）
図１〜３を参照して、本発明の実施形態によるシリコン単結晶引上げ装置１００，２００，３００に共通する基本的構成について説明する。なお、これらの共通する基本的構成については、図１〜３において同一の符号を付している。

シリコン単結晶引上げ装置１００，２００，３００は、チャンバ１０、ルツボ１６、シャフト１８、シャフト駆動機構２０、筒状の熱遮蔽体２２、筒状のヒータ２４、筒状の断熱体２６、シードチャック２８、引上げワイヤ３０、ワイヤ昇降機構３２、ＣＣＤカメラ３６、排気配管４０、およびメインポンプ４２を有する。

チャンバ１０の上部には、Ａｒガスなどの不活性ガスをチャンバ１０内に導入するガス導入口１２が設けられる。また、チャンバ１０の底部には、メインポンプ４２（真空ポンプ）の駆動によりチャンバ１０内の気体（以下、「炉内ガス」と称する。）を吸引して排出するガス排出口１４が設けられる。

ルツボ１６は、チャンバ１０の中心部に配置され、シリコン融液Ｍを収容する。ルツボ１６は、石英ルツボ１６Ａと黒鉛ルツボ１６Ｂの二重構造を有する。石英ルツボ１６Ａは、シリコン融液Ｍを内面で直接支持する。黒鉛ルツボ１６Ｂは、石英ルツボ１６Ａの外側で石英ルツボ１６Ａを支持する。図１〜３に示すように、石英ルツボ１６Ａの上端は黒鉛ルツボ１６Ｂの上端よりも高くなっており、すなわち、石英ルツボ１６Ａの上端部は黒鉛ルツボ１６Ｂの上端から突出している。

シャフト１８は、チャンバ１０の底部を鉛直方向に貫通して、ルツボ１６を上端で支持する。そして、シャフト駆動機構２０は、シャフト１８を介してルツボ１６を回転させつつ昇降させる。

熱遮蔽体２２は、ルツボ１６の上方に、シリコン融液Ｍから引き上げられる単結晶シリコンインゴットＩを囲むように設けられる。具体的には、熱遮蔽体２２は、逆円錐台形状のシールド本体２２Ａと、このシールド本体２２Ａの下端部から引上げ軸Ｘ側（内側）に向かって水平方向に延設された内側フランジ部２２Ｂと、シールド本体２２Ａの上端部からチャンバ側（外側）に向かって水平方向に延設された外側フランジ部２２Ｃとを有し、外側フランジ部２２Ｃは断熱体２６に固定されている。熱遮蔽体２２の機能は背景技術の欄において説明したとおりである。

筒状のヒータ２４は、チャンバ１０内でルツボ１６を囲うように位置する。ヒータ２４は、カーボンを素材とする抵抗加熱式ヒータであり、ルツボ１６内に投入されるシリコン原料を溶融してシリコン融液Ｍを形成し、さらに、形成したシリコン融液Ｍを維持するための加熱を行う。

筒状の断熱体２６は、熱遮蔽体２２の上端よりも下方で、チャンバ１０の内側面に沿って設けられる。本実施形態では、さらに、チャンバ内の底部にも断熱体が配置される。これらの断熱体を構成する断熱材は特に限定されないが、例えばカーボン、アルミナ、及びジルコニアを挙げることができる。断熱体２６は、チャンバ１０内の特に熱遮蔽体２２よりも下方の領域に保熱効果を付与し、ルツボ１６内のシリコン融液Ｍを維持しやすくする機能を有する。断熱体２６の厚さは、特に限定されず、従来と同等の一般的な厚さとすることができ、直径３００ｍｍの結晶を育成する引上げ装置においては３０〜９０ｍｍ程度、直径４５０ｍｍの結晶を育成する引上げ装置においては４５〜１００ｍｍ程度とすることができる。

ルツボ１６の上方には、種結晶Ｓを保持するシードチャック２８を下端で保持する引上げワイヤ３０がシャフト１８と同軸上に配置され、ワイヤ昇降機構３２が、引上げワイヤ３０をシャフト１８と逆方向または同一方向に所定の速度で回転させつつ昇降させる。

チャンバ１０の上部の開口部３４にはＣＣＤカメラ３６が設けられる。ＣＣＤカメラ３６は、結晶Ｉと融液Ｍとの境界部近傍を撮像する。得られる画像中のフュージョンリングの間隔を結晶直径として、この結晶直径が所望の一定値となるように、結晶引上げ速度と融液温度を制御する。

排気配管４０は、ガス排出口１４から延びる。メインポンプ４２は、例えばドライポンプ等の真空ポンプとすることができ、排気配管４０に接続され、チャンバ１０内を５〜１００Ｔｏｒｒ程度に減圧するとともに、炉内ガスを排気配管４０へと吸引する役割を果たす。メインバルブ４４は、排気配管４０に設けられ、チャンバ１０内の圧力を常圧および減圧に切り替える役割を果たす。すなわち、チャンバ１０内を大気開放する際や、チャンバ１０内の構造物を設置・交換する際など、チャンバ１０内が常圧となる時には、メインバルブ４４は閉となる。一方、原料溶融工程および結晶育成工程を含むチャンバ１０内が減圧となる時には、メインバルブ４４は開となる。

ここで、原料溶融工程および結晶育成工程では、チャンバ１０内でＣＯガスが発生する。その第１の原因は、以下のとおりである。すなわち、ルツボ１６内のシリコン融液Ｍからは、シリコン融液Ｍが石英ルツボ１６Ａ内面と反応することでＳｉＯガスが発生する。ＳｉＯガスは、不活性ガスの流れに乗ってヒータ２４に到達し、以下の反応式に示すように、ヒータの素材であるカーボンとの反応によりＣＯガスが発生する。
ＳｉＯ（ｇ）＋２Ｃ（ｓ） → ＣＯ（ｇ）＋ＳｉＣ（ｓ）
なお、副生成物として生成するＳｉＣはヒータ２４の表面に析出する。

第２の原因は、以下のとおりである。すなわち、互いに接触する石英ルツボ１６Ａと黒鉛ルツボ１６Ｂとが反応することにより、ＣＯガスが発生する。
ＳｉＯ₂（ｓ）＋３Ｃ（ｓ） → ２ＣＯ（ｇ）＋ＳｉＣ（ｓ）
なお、副生成物として生成するＳｉＣは、石英ルツボ１６Ａの外周面と黒鉛ルツボ１６Ｂの内周面との間に析出する。

本発明の各実施形態は、上記のようにしてチャンバ１０内に発生したＣＯガスに関して、その単位時間当たりの発生量（すなわち、ＣＯガス発生レート）をモニターするものである。以下、そのための装置構成を説明する。

［第１の実施形態］
図１を参照して、本実施形態では、排気配管４０のメインバルブ４４よりも上流の部位から分岐して、メインバルブ４４よりも下流の部位に連結されたサブ配管５２を有する。すなわち、ガス採取口４６は、排気配管４０のメインバルブ４４よりも上流の部位に設けられる。サブ配管５２には、その上流から順に、取り込みバルブ５４、フィルタ５８、流量調整バルブ６０、ガス分析装置６２、及びサブポンプ６４が取り付けられている。なお、本明細書において、排気配管４０及びサブ配管５２の「上流」及び「下流」とは、各配管内を通過するガスの流れに関するものとする。

サブポンプ６４は、サブ配管５２に設けられ、炉内ガス（厳密には、排気配管に吸引されたガス）を、ガス採取口４６を介してサブ配管５２へと吸引する。サブポンプ６４は、例えばロータリーポンプとターボ分子ポンプを組み合わせた真空ポンプ装置により構成することができる。既述のとおり、チャンバ１０内は５〜１００Ｔｏｒｒ程度の減圧雰囲気であり、この減圧雰囲気からサブ配管５２にガスを吸引するためには、より低い減圧雰囲気をサブ配管５２内に作る必要がある。この観点から、サブポンプ６４の駆動により、サブ配管５２内の圧力（フィルタ５８よりも上流の箇所）を１Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましい。

ガス分析装置６２は、サブ配管５２のサブポンプ６４より上流に設けられ、サブ配管に吸引されたガス中のＣＯガス濃度を間欠的に測定する。ガス分析装置６２としては、四重極型質量分析装置及びガスクロマトグラフィー装置を挙げることができる。四重極型質量分析装置の場合、ＣＯガス濃度の測定間隔は１秒程度と短い。一方、現在市販されているガスクロマトグラフィー装置の場合、ＣＯガス濃度の測定間隔は最短でも１５分程度である。よって、本実施形態では、四重極型質量分析装置を用いることが好ましい。

流量調整バルブ６０は、サブ配管５２のガス分析装置６２より上流に設けられ、開閉度の調整により、ガス分析装置６２に供給するガスの流量を調整する役割を果たす。これにより、適当な流量の炉内ガスをガス分析装置６２に供給することができる。ガス分析装置６２に供給するガスの流量は４×１０^-1〜４×１０^-4Ｐａ・Ｌ／分とすることが好ましい。

フィルタ５８は、サブ配管５２の流量調整バルブ６０より上流に設けられ、サブ配管５２に吸引されたガス中のＳｉＯ粉を除去する役割を果たす。当該ガス中には、シリコン融液Ｍから発生するＳｉＯガスが冷却されて、固化して形成されるＳｉＯ粉が含まれる。図６に、一般的なチャンバ内から採取したガス中のＳｉＯ粉末の粒度分布を示すグラフを示す。図６に示すように、ＳｉＯ粉の一般的な平均粒径は１３μｍ程度であり、一般的な最小粒径は１μｍである。よって、本実施形態では、粒径１μｍ以上の粒子を９９質量％以上除去できる、ナノメートルオーダーのメッシュサイズを有するガスフィルタを用いることが好ましい。このようなガスフィルタとしては、日本インテグリス株式会社製ウェハーガードＩＩＳＦインラインガスフィルター、日本精線株式会社ＮＡＳＣｌｅａｎプロセスガスライン用小流量フィルター等を挙げることができる。フィルタ５８が流量調整バルブ６０より上流に設けられることにより、ＳｉＯ粉に起因する流量調整バルブ６０の開閉不具合が回避され、また、ＳｉＯ粉がガス分析装置６２内に混入することも回避される。

取り込みバルブ５４は、サブ配管５２のガス採取口４６の近傍に設けられ、炉内ガスをサブ配管５２へと吸引する際に開となる。本実施形態では、原料溶融工程および結晶育成工程中に常にＣＯガス濃度の測定及びＣＯガス発生レートのモニターを行うので、取り込みバルブ５４は常に開となる。これにより、排気配管に吸引されたガスは、その一部がサブ配管５２に取り込まれる。

演算部６６は、ガス分析装置６２により測定したＣＯガス濃度に、チャンバ１０内に供給する不活性ガスの流量を乗ずることにより、ＣＯガス発生レートを算出する。演算部６６は、一般的な中央演算処理装置（ＣＰＵ）やマイクロ処理ユニット（ＭＰＵ）により構成することができる。なお、チャンバ１０内に供給する不活性ガスの流量としては、ガス流量設定値を用いればよい。

出力装置６８は、演算部６６により算出されたＣＯガス発生レートを出力する。出力装置６８は、一般的なディスプレイ、プロジェクタ、プリンタ、スピーカー等により構成することができる。

本実施形態では、上記の構成により、炉内ガスのＣＯガス濃度に代えて、炉内ガスのＣＯガス発生レートを、リアルタイムでモニターすることができる。このように、その場（in-situ）でＣＯガス発生レートをモニターすることで、ＣＯガスのシリコン融液への取り込み量、ひいては結晶中のカーボン濃度を適切に評価できる。

［第２の実施形態］
図２を参照して、本実施形態では、ガス採取口４８が、熱遮蔽体２２とルツボ１６との間の空間に位置するものである。すなわち、チャンバ１０の上部からサンプリング管５０を垂らして、その先端のガス採取口４８を、熱遮蔽体２２とルツボ１６との間の空間に位置させる。サンプリング管５０は、チャンバ１０の外部でサブ配管５２と連結する。取り込みバルブ５６は、サブ配管５２の上流側先端の近傍に設けられる。

第１の実施形態では、排気配管５２を介して炉内ガスを採取するのに対して、本実施形態は、熱遮蔽体２２とルツボ１６との間の空間から炉内ガスを採取するものである。サブ配管５２に設置されたフィルタ５８、流量調整バルブ６０、ガス分析装置６２、及びサブポンプ６４、並びに演算部６６及び出力装置６８については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態では、炉内ガスを石英ルツボの上縁から直接採取する。そのため、石英ルツボとカーボンルツボとの反応で生成するＣＯガスを直接採取することができる。その結果、ＣＯガス発生レートをより高精度にモニターすることができる。

［第３の実施形態］
図３を参照して、本実施形態は、第１の実施形態の構成と第２の実施形態の構成とを組み合わせたものである。すなわち、炉内ガスの採取は、排気配管５２を介して行い、かつ、熱遮蔽体２２とルツボ１６との間の空間からも行う。

本実施形態では、サブ配管５２は、第１サブ配管５２Ｂ、第２サブ配管５２Ｃ、及び第３サブ配管５２Ｄからなる。第１サブ配管５２Ｂは、排気配管４０のメインバルブ４４よりも上流の部位から分岐する。第２サブ配管５２Ｃは、サンプリング管５０の上端と連結し、チャンバの上部から延在する。第３サブ配管５２Ｄは、第１サブ配管５２Ｂと第２サブ配管５２Ｃとが合流してなる。サンプリング管５０及び取り込みバルブについては、第２の実施形態と同様である。サブ配管５２Ｃに設置されたフィルタ５８、流量調整バルブ６０、ガス分析装置６２、及びサブポンプ６４、並びに演算部６６及び出力装置６８については、第１の実施形態と同様であるため、説明を省略する。

本実施形態では、取り込みバルブ５４と取り込みバルブ５６とを適当なタイミングで切り替えてＣＯガス濃度を測定することで、ＣＯガス発生の位置依存性を確認することができる。具体的には、各々の位置で測定したＣＯ濃度の差分をとることで、石英ルツボと黒鉛ルツボとの反応で発生するＣＯガス濃度と、ＳｉＯガスと黒鉛との反応で発生するＣＯガス濃度とを切り分けられる。

（単結晶シリコンインゴットの製造方法）
本発明の実施形態による単結晶シリコンインゴットの製造方法は、上記で説明したシリコン単結晶引上げ装置１００，２００，３００を用いて好適に実施することができる。そこで、図１〜３を参照しつつ、本発明の一実施形態による単結晶シリコンインゴットの製造方法を説明する。まず、ルツボ１６内に多結晶シリコンナゲットなどのシリコン原料を充填し、メインバルブ４４が開の状態でメインポンプ４２を駆動してチャンバ１０内を減圧下でＡｒガス等の不活性ガス雰囲気に維持する。この時、ルツボ１６は、シリコン原料が熱遮蔽体２２に接触しないようにチャンバ１０内の下方に位置する。その後、ルツボ１６内のシリコン原料をヒータ２４で加熱し溶融し、シリコン融液Ｍを形成する。その後、ルツボ１６を引き上げ開始位置まで上昇させる。本明細書において「原料溶融工程」は、ヒータ２４による加熱を開始した時点から、ルツボの上昇が完了した時点までの期間と定義する。原料溶融工程において、不活性ガスの流量は１０〜４００Ｌ／分とすることが好ましい。

次いで、ワイヤ昇降機構３２によって引上げワイヤ３０を下降させて、種結晶Ｓをシリコン融液Ｍに着液する。その後、ルツボ１６および引上げワイヤ３０を所定の方向に回転させながら、引上げワイヤ３０を上方に引き上げ、種結晶Ｓの下方にインゴットＩを育成する。なお、インゴットＩの育成が進行するにつれて、シリコン融液Ｍの量は減少するが、ルツボ１６を上昇させて、融液面のレベルを維持する。本明細書において「結晶育成工程」は、引上げワイヤ３０の下降を開始した時点から、インゴットＩの育成（引上げワイヤ３０の上昇）が完了した時点までの期間と定義する。

結晶育成工程では、まず単結晶を無転位化するためダッシュ法によるシード絞り（ネッキング）を行い、ネック部Ｉ_nを形成する。次に、必要な直径のインゴットを得るためにショルダー部Ｉ_sを育成し、シリコン単結晶が所望の直径になったところで直径を一定にして直胴部Ｉ_bを育成する。直胴部Ｉ_bを所定の長さまで育成した後、無転位の状態で単結晶をシリコン融液Ｍから切り離すためにテール絞り（テール部の形成）を行なう。本明細書において、直胴部Ｉ_bの育成期間を「直胴工程」と称する。

結晶育成工程において、不活性ガスの流量は５０〜３００Ｌ／分とすることが好ましい。なお、結晶育成工程において、不可性ガスの流量は、上記範囲内で経時的に増減（変動）させている。

本実施形態では、原料溶融工程及び結晶育成工程において、以下の工程を行うことを特徴とする。まず、炉内ガスを採取する。この工程は、図１〜３に示すように、ガス採取口４６及びガス採取口４８の一方又は両方から、炉内ガスをサブ配管５２へと吸引することにより行う。

次に、採取したガス中のＣＯガス濃度をガス分析装置６２により間欠的に測定する。そして、演算部６６が、測定したＣＯガス濃度に、チャンバ１０内に供給する不活性ガスの流量を乗ずることにより、ＣＯガス発生レートを算出する。そして、出力装置６８が、算出したＣＯガス発生レートを出力する。本実施形態では、炉内ガスのＣＯガス濃度に代えて、炉内ガスのＣＯガス発生レートを、リアルタイムでモニターすることができる。このように、その場（in-situ）でＣＯガス発生レートをモニターすることで、ＣＯガスのシリコン融液への取り込み量、ひいては結晶中のカーボン濃度を適切に評価できる。なお、既述のとおり、チャンバ１０内に供給する不活性ガスの流量は、原料溶融工程と結晶育成工程とで異なり、また、結晶育成工程中においても変動するが、モニター時のガス流量設定値を用いればよい。

本実施形態では、原料溶融工程におけるＣＯガス発生レートの最大値をＡ（ｍｏｌ／ｈ）、結晶育成工程中の直胴工程におけるＣＯガス発生レートの最大値をＢ（ｍｏｌ／ｈ）として、原料溶融工程及び結晶育成工程は、Ａ／Ｂ≦１０を満たす条件下で行うことが好ましい。Ａ／Ｂ≦１０を満たす条件下では、結晶固化率が０．７５以下の全部位においてカーボン濃度（Ｃｓ）が２×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下となる単結晶シリコンインゴットを製造することができる。すなわち、カーボン濃度が低い単結晶シリコンインゴットを高い歩留まりで製造することができる。なお、結晶固化率（％）は、引上げ中の結晶質量／原料の仕込み質量の百分率で定義される。なお、原料溶融工程のうち最初の１０時間は、チャンバ内パーツからの脱ガスが原因でＣＯガス発生レートが安定しない。そこで、本明細書では、原料溶融工程のうち初期の１０時間を除いた期間の最大値をＡとして採用する。

Ａ／Ｂの値は、主に原料溶融工程におけるヒータ２４の電力量を制御することにより調整することができる。一般的に、結晶育成工程においては、シリコン融液Ｍを維持するために必要なヒータ２４の電力量は自ずと所定範囲の値に決定され、当該特定の電力量でヒータを駆動してシリコン融液Ｍを維持する。そのため、結晶育成工程におけるＣＯガス発生レートは、比較的低く、かつ安定している（大きな変動がない）。これに対して、原料溶融工程では、シリコン原料を溶融させるために大きな電力量でヒータ２４を駆動する必要があり、ＣＯガス発生レートは、比較的高く、かつ安定しない（大きく変動する）。特に、原料溶融工程の終期（メルト完了時）に、ＣＯガス発生レートが大きくなる傾向がある。そこで、原料溶融工程におけるヒータ２４の電力量を制御してＣＯガス発生レートの最大値Ａを抑制することで、Ａ／Ｂ≦１０を実現することができる。ただし、ＡやＢの値は、ヒータ２４の電力量によって一義的に決まるものではなく、チャンバ１０内の断熱性（すなわち、チャンバの構造、断熱体の量や配置）にも依存するものである。

Ａ／Ｂは１以上とすることが好ましい。Ａ／Ｂを１未満にすると、シリコン融液が固化してしまい、結晶育成が成立しないおそれがあるからである。

（実験例１）
図１に示す構成のシリコン単結晶引上げ装置を用いて、表１に示す４水準で単結晶シリコンインゴットの製造を行った。各水準とも、シリコン原料のチャージ量は３２０ｋｇ、インゴットの直径は３００ｍｍ、直胴長は１８００ｍｍ、育成速度は１．０ｍｍ／分、原料溶融工程においてチャンバ内に供給するＡｒガスの流量は１００Ｌ／分とした。粒径１μｍ以上の粒子を９９質量％以上除去できる、ナノメートルオーダーのメッシュサイズを有するガスフィルタを用いた。原料溶融工程及び結晶育成工程でのヒータ電力量は、表１に示す値とした。

ガス分析装置としては四重極型質量分析装置を用いて、原料溶融工程及び結晶育成工程の全過程で、ＣＯガス発生レートをモニターした。原料溶融工程におけるＣＯガス発生レートの最大値Ａ及び直胴工程におけるＣＯガス発生レートの最大値Ｂを、表１に示す。また、全水準を代表して、水準Ｎｏ．１でモニターしたＣＯガス発生レートの推移を、図５に示す。

各水準において、表１に示す「低カーボン結晶歩留まり」を以下の手順で求めた。まず、各水準で製造した単結晶シリコンインゴットの直胴部から切り出し、加工して多数枚のシリコンウェーハを製造した。各ウェーハの中心１点において、ＦＴ−ＩＲ装置を用いて、シリコンの結晶位置に置換されたカーボンの濃度（Ｃｓ濃度）を測定した。育成した結晶長を分母に、Ｃｓ≦２×１０¹⁵ａｔｏｍｓ／ｃｍ³以下を満たす結晶長を分子にとって結晶歩留まりを求め、「低カーボン結晶歩留まり」とした。結果を表１に示す。

表１から明らかなとおり、Ａ／Ｂ≦１０を満たす条件下で行った水準Ｎｏ．１〜４では、低カーボン結晶歩留まりが７５％以上と高位であったのに対し、Ａ／Ｂ＝１１の条件下で行った水準Ｎｏ．５では、低カーボン結晶歩留まりが２５％と著しく低下した。

（実験例２）
ガスフィルタの性能や有無に依存して、サブ配管（具体的には、流量調整バルブや、流量調整バルブとガス分析装置との間）が詰まらずにＣＯガス発生レートのモニターが連続して可能な時間を計測した。単結晶シリコンインゴットの製造条件は、フィルタ以外は実験例１と同様とした。

水準１として、実験例１と同様に、粒径１μｍ以上の粒子を９９質量％以上除去できる、ナノメートルオーダーのメッシュサイズを有するガスフィルタを用いた。この水準１では、連続して１００時間以上、ＣＯガス発生レートのモニターが可能であった。

水準２として、粒径１０μｍ以上の粒子を９９質量％以上除去できるメッシュサイズを有するガスフィルタを用いた。この水準２では、連続して７０時間、ＣＯガス発生レートのモニターを行ったところでサブ配管が詰まり、モニター不可となった。

水準３として、ガスフィルタを用いなかった。この水準２では、連続して２０時間、ＣＯガス発生レートのモニターを行ったところでサブ配管が詰まり、モニター不可となった。

１００，２００，３００シリコン単結晶引上げ装置
１０チャンバ
１２ガス導入口
１４ガス排出口
１６ルツボ
１６Ａ石英ルツボ
１６Ｂ黒鉛ルツボ
１８シャフト
２０シャフト駆動機構
２２熱遮蔽体
２２Ａシールド本体
２２Ｂ内側フランジ部
２２Ｃ外側フランジ部
２４ヒータ
２６断熱体
２８シードチャック
３０引上げワイヤ
３２ワイヤ昇降機構
３４開口部
３６ＣＣＤカメラ
４０排気配管
４２メインポンプ
４４メインバルブ
４６ガス採取口（排気配管）
４８ガス採取口（チャンバ内）
５０サンプリング管（チャンバ内）
５２サブ配管
５２Ａサブ配管終端
５４取り込みバルブ
５６取り込みバルブ
５８フィルタ
６０流量調整バルブ
６２ガス分析装置
６４サブポンプ
６６演算部
６８出力装置
Ｓ種結晶
Ｍシリコン融液
Ｉ単結晶シリコンインゴット
Ｉ_n ネック部
Ｉ_s ショルダー部
Ｉ_b 直胴部
Ｘ引上げ軸

Claims

不活性ガスを導入するガス導入口を上部に有し、前記不活性ガスを含む炉内ガスを排出するガス排出口を底部に有するチャンバと、
前記チャンバ内に位置するルツボと、
前記チャンバ内で前記ルツボを囲うように位置する筒状のヒータと、
を有するシリコン単結晶引上げ装置を用いて行う単結晶シリコンインゴットの製造方法であって、
前記チャンバ内を減圧下で前記不活性ガスの雰囲気に維持しつつ、前記ルツボ内に投入したシリコン原料を前記ヒータにより加熱、溶融させて前記ルツボ内にシリコン融液を形成する原料溶融工程と、
引き続き、前記チャンバ内を減圧下で前記不活性ガスの雰囲気に維持しつつ、前記シリコン融液を前記ヒータにより加熱、維持して、前記シリコン融液から単結晶シリコンインゴットを引き上げる結晶育成工程と、
を有し、前記原料溶融工程及び前記結晶育成工程において、
前記炉内ガスを採取し、
前記採取したガス中のＣＯガス濃度をガス分析装置により間欠的に測定し、
測定したＣＯガス濃度に、前記チャンバ内に供給する不活性ガスの流量を乗ずることにより、ＣＯガス発生レートを算出し、
算出した前記ＣＯガス発生レートをモニターすることを特徴とする単結晶シリコンインゴットの製造方法。
前記原料溶融工程におけるＣＯガス発生レートの最大値をＡ（ｍｏｌ／ｈ）、前記結晶育成工程中の直胴工程におけるＣＯガス発生レートの最大値をＢ（ｍｏｌ／ｈ）として、前記原料溶融工程及び前記結晶育成工程は、Ａ／Ｂ≦１０を満たす条件下で行う、請求項１に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。
前記炉内ガスの採取は、前記ガス排出口から延びる排気配管を介して行う、請求項１又は２に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。
前記炉内ガスは、前記ルツボの上方に前記単結晶シリコンインゴットを囲むように設けられた筒状の熱遮蔽体と、前記ルツボとの間の空間から採取する、請求項１〜３のいずれか一項に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。
前記ガス分析装置が四重極型質量分析装置である、請求項１〜４のいずれか一項に記載の単結晶シリコンインゴットの製造方法。
不活性ガスを導入するガス導入口を上部に有し、前記不活性ガスを含む炉内ガスを排出するガス排出口を底部に有するチャンバと、
前記チャンバ内に位置し、シリコン融液を収容するルツボと、
前記ルツボの上方に、前記シリコン融液から引き上げられる単結晶シリコンインゴットを囲むように設けられた筒状の熱遮蔽体と、
前記チャンバ内で前記ルツボを囲うように位置し、前記シリコン融液を加熱する筒状のヒータと、
前記ガス排出口から延びる排気配管と、
前記排気配管に接続され、前記チャンバ内を減圧するとともに、前記炉内ガスを前記排気配管へと吸引するメインポンプと、
前記排気配管に設けられ、前記チャンバ内を減圧する際に開となるメインバルブと、
前記排気配管の前記メインバルブよりも上流の部位、及び、前記熱遮蔽体と前記ルツボとの間の空間、の一方又は両方に設けられたガス採取口と、
前記ガス採取口から延び、前記排気配管の前記メインバルブより下流の部位に連結されるサブ配管と、
前記サブ配管に設けられ、前記炉内ガスを前記サブ配管へと吸引するサブポンプと、
前記サブ配管の前記サブポンプより上流に設けられ、前記サブ配管に吸引されたガス中のＣＯガス濃度を間欠的に測定するガス分析装置と、
前記サブ配管の前記ガス分析装置より上流に設けられ、前記ガス分析装置に供給するガスの流量を調整する流量調整バルブと、
前記サブ配管の前記流量調整バルブより上流に設けられ、前記サブ配管に吸引されたガス中のＳｉＯ粉を除去するフィルタと、
前記サブ配管の前記ガス採取口の近傍に設けられ、前記炉内ガスを前記サブ配管へと吸引する際に開となる取り込みバルブと、
を有し、さらに、
前記ガス分析装置により測定したＣＯガス濃度に、前記チャンバ内に供給する不活性ガスの流量を乗ずることにより、ＣＯガス発生レートを算出する演算部と、
算出した前記ＣＯガス発生レートを出力する出力装置と、
を有することを特徴とするシリコン単結晶引上げ装置。
前記ガス採取口が、前記排気配管の前記メインバルブよりも上流の部位に設けられた、請求項６に記載のシリコン単結晶引上げ装置。
前記ガス採取口が、前記熱遮蔽体と前記ルツボとの間の空間に位置する、請求項６又は７に記載のシリコン単結晶引上げ装置。
前記ガス分析装置が四重極型質量分析装置である、請求項６〜８のいずれか一項に記載のシリコン単結晶引上げ装置。