JP2014058414A - Method for producing silicon single crystal for evaluation - Google Patents

Abstract

PROBLEM TO BE SOLVED: To provide a method for producing a silicon single crystal by a Czochralski process (CZ process) that may grow a dislocation-free silicon single crystal for evaluation having no crystal defect, when growing the silicon single crystal for evaluating the quality of high-purity polycrystalline silicon used for a semiconductor and a solar cell.SOLUTION: A method for producing a silicon single crystal for evaluation by a CZ process comprises the steps for melting a polycrystalline silicon to be evaluated in a crucible, immersing a seed crystal consisting of a dislocation-free silicon single crystal in the silicon melt, and then pulling up the seed crystal without necking to grow a straight body of the dislocation-free silicon single crystal, in which a temperature profile of the silicon melt charged in the crucible for heating it in a direction along a liquid surface is a temperature that is constant in a region being the center of the crucible and being equivalent to a diameter for pulling up the silicon single crystal and increases from the center toward an outer edge of the crucible.

Description

本発明は、評価用シリコン単結晶の製造方法に関する。   The present invention relates to a method for producing a silicon single crystal for evaluation.

半導体や太陽電池に用いられる高純度多結晶シリコンの製造法として、従来からシーメンス法が知られている。また最近、亜鉛還元法による低コストの多結晶シリコンも製造されはじめている。   The Siemens method is conventionally known as a method for producing high-purity polycrystalline silicon used for semiconductors and solar cells. Recently, low-cost polycrystalline silicon using a zinc reduction method has begun to be produced.

半導体や太陽電池に用いられる高純度シリコンには高品質であること、具体的には不純物の含有量が少ないことが要求される。特に不純物の含有量が極めて少ない多結晶シリコンの品質は、化学分析などの直接的な検査が困難であり、通常は製造炉から取り出された多結晶シリコンの製品の一部をサンプリングし、これを浮遊帯域溶融法（ＦＺ法）やチョクラルスキー法（ＣＺ法）により単結晶化して、その比抵抗および／またはライフタイムを測定することにより、不純物濃度を評価している。   High-purity silicon used for semiconductors and solar cells is required to have high quality, specifically, a low impurity content. In particular, the quality of polycrystalline silicon, which has a very low impurity content, is difficult to directly inspect, such as chemical analysis, and usually samples a portion of the polycrystalline silicon product taken from the manufacturing furnace. Impurity concentration is evaluated by making a single crystal by floating zone melting method (FZ method) or Czochralski method (CZ method) and measuring its specific resistance and / or lifetime.

現在、半導体用のシリコン単結晶は直径が２００〜３００ｍｍ以上の大口径が主流であり、大半は抵抗加熱を熱源とし、坩堝全体を一様に加熱するＣＺ法、すなわち坩堝に装入したシリコン融液から種結晶を接触させて引き上げることにより製造されており、その製造法は確立されている。   Currently, silicon single crystals for semiconductors have a large diameter of 200 to 300 mm or more. Most of them use resistance heating as a heat source and heat the entire crucible uniformly, that is, silicon melt charged in the crucible. It is manufactured by bringing the seed crystal into contact with the liquid and pulling it up, and its manufacturing method has been established.

一方、多結晶シリコンの評価用のシリコン単結晶は、直径が最低１０ｍｍ以上好ましくは１５ｍｍ以上あれば十分であり、この様な小口径シリコン単結晶を通常用いられている、上述した大口径のシリコン単結晶を得る方法、すなわち坩堝全体を一様に加熱するＣＺ法で育成する場合、シリコンの種結晶を融液に接触させる際に生じる熱応力により結晶内に転位が生じることがあり、これを防ぐために、後述するように、基本的には大口径シリコン単結晶と同じように温度や引上げ速度の条件を細かく調整して無転位の単結晶を育成するようにしている。   On the other hand, a silicon single crystal for evaluation of polycrystalline silicon is sufficient if it has a diameter of at least 10 mm or more, preferably 15 mm or more. Such a small-diameter silicon single crystal is usually used. When growing by the method of obtaining a single crystal, that is, the CZ method in which the entire crucible is uniformly heated, dislocation may occur in the crystal due to thermal stress generated when the silicon seed crystal is brought into contact with the melt. In order to prevent this, as will be described later, basically, dislocation-free single crystals are grown by finely adjusting temperature and pulling speed conditions in the same manner as large-diameter silicon single crystals.

なお、引き上げた単結晶に転位が存在すると、転位部の欠陥により結晶評価項目の一つである少数キャリアのライフタイムが減少することになり、原料である多結晶シリコンのこの観点からの評価ができなくなる。そのため、評価用単結晶は無転位の結晶であることが要求される。   If dislocations exist in the pulled single crystal, the lifetime of minority carriers, which is one of the crystal evaluation items, decreases due to defects in the dislocations. become unable. Therefore, the evaluation single crystal is required to be a dislocation-free crystal.

従来、直径２０ｍｍ程度の評価用シリコン単結晶をＣＺ法で育成する場合、加熱用熱源として通常、坩堝（または坩堝サセプタ）の周囲に抵抗加熱用ヒータを配置し、坩堝の加熱がおこなわれている。   Conventionally, when a silicon single crystal for evaluation having a diameter of about 20 mm is grown by the CZ method, a resistance heater is usually arranged around the crucible (or crucible susceptor) as a heating heat source, and the crucible is heated. .

ここで、このような抵抗加熱を用いたＣＺ法の装置構成を図４に示す。
引上げ炉（ＣＺ炉）３０において、断熱材３９で覆われた坩堝サセプタ３３に保持された石英坩堝３１内に塊状、粒状、粉状などの多結晶シリコンを装填し、これを抵抗加熱による加熱手段である抵抗加熱ヒータ３２によりシリコンの融点１４１０度以上に加熱して溶融する。坩堝サセプタ３３は、例えば黒鉛坩堝であり、図示しない回転手段により回転自在に支持される回転軸３７にて支持されている。また、引上げ機構３５にて上下方向に移動可能に支持されたＳＵＳ製の引上げ用ロッド３６の先端に、シリコンの種子結晶をつけておく。
シリコン融液３４の表面に、この種子結晶を接触（種付け）させ、結晶を成長させた後、坩堝サセプタ３３を回転させつつ、引上げ機構３５により引上げ用ロッド３６を徐々に引上げることにより、成長した結晶３８を引き上げる。 Here, FIG. 4 shows an apparatus configuration of the CZ method using such resistance heating.
In the pulling furnace (CZ furnace) 30, a quartz crucible 31 held by a crucible susceptor 33 covered with a heat insulating material 39 is loaded with polycrystalline silicon such as lump, granule or powder, and this is heated by resistance heating. The resistance heater 32 is heated to a melting point of silicon of 1410 ° C. or more to melt. The crucible susceptor 33 is a graphite crucible, for example, and is supported by a rotating shaft 37 that is rotatably supported by a rotating means (not shown). Also, a silicon seed crystal is attached to the tip of a SUS pulling rod 36 supported by the pulling mechanism 35 so as to be movable in the vertical direction.
The seed crystal is brought into contact (seeding) with the surface of the silicon melt 34 to grow the crystal, and then the growth is performed by gradually pulling the pulling rod 36 by the pulling mechanism 35 while rotating the crucible susceptor 33. The crystal 38 is pulled up.

種子付け後に一旦種子結晶の径よりも細く絞り込んだネック部を作るネッキング工程を施す。このネッキング工程によって種子付け時の熱ショックにより種子結晶中に発生した転位が成長結晶へと引き継がれることが防止され、無転位結晶を育成することができる。   After seeding, a necking process is performed to create a neck portion that is narrowed once to be narrower than the diameter of the seed crystal. By this necking step, dislocation generated in the seed crystal due to heat shock at the time of seeding is prevented from being transferred to the grown crystal, and a dislocation-free crystal can be grown.

また、この熟練を要するネッキング工程を省略するための方法として、熱ショックを低減させるため種子結晶の先端部を尖った形状に加工して無転位結晶を育成する方法（特許文献１）や、格子不整合によるミスフィット転位を消滅させるため、種子結晶および／またはシリコン融液にＮ（窒素）やＢ（ボロン）を所定量ドーピングして無転位結晶を育成する方法（特許文献２、特許文献３）が知られている。   Further, as a method for omitting the skillful necking step, a method of growing a dislocation-free crystal by processing the tip of the seed crystal into a sharp shape to reduce heat shock (Patent Document 1), a lattice In order to eliminate misfit dislocations due to mismatching, a seed crystal and / or silicon melt is doped with a predetermined amount of N (nitrogen) or B (boron) to grow a dislocation-free crystal (Patent Documents 2 and 3) )It has been known.

ネッキング工程を経た種子結晶はその後、回転させつつ徐々に引き上げて肩部を形成し、さらに坩堝内の結晶成長、融液減少などに伴う炉内熱環境の変化に応じて引上げ速度および加熱温度を細かく調整しながら所定長さの円筒状の直胴部（一定の直径）を形成した後、テール部を形成して融液から切り離す。   The seed crystal that has undergone the necking process is then gradually lifted while rotating to form a shoulder, and the pulling rate and heating temperature are adjusted according to changes in the thermal environment in the furnace accompanying crystal growth in the crucible, decrease in melt, etc. A cylindrical straight body portion (constant diameter) having a predetermined length is formed with fine adjustment, and then a tail portion is formed and separated from the melt.

特開平１１−６０３７９号公報Japanese Patent Laid-Open No. 11-60379 特開２０００−１２８６９１号公報JP 2000-128691 A 特開２００１−２４０４９３号公報Japanese Patent Laid-Open No. 2001-240493

上記のような抵抗加熱手段を有するＣＺ炉の坩堝内シリコン融液の液面方向における温度プロファイルの典型的な例を、図５に示す。
図５に示すように融液表面温度は坩堝中心部３１ｃから坩堝端部３１ｅまでほぼ同温度であり、温度分布はフラットである温度曲線Ｔ２を有するプロファイルを示す。
このような温度分布の場合、ネック部から単結晶成長させる過程の肩部の形成において、結晶は成長するにしたがって、自然に広がっていくため、肩部の形成は比較的容易である。しかし、単結晶が所望の径に達した後の直胴部の形成を始めるときには、引き上げ速度をそのままにしておくと、結晶化が急速に進み結晶径が継続して広がり続ける。そのため、急激に引上げ速度を上げるとともに、温度を急激に上げなければ直胴部の形成が困難になる。更にその後の直胴部育成を含めて厳密で細かな温度管理および引上げ速度の管理が必要であり、製造条件の調整に熟練した技術が必要である。 FIG. 5 shows a typical example of the temperature profile in the liquid surface direction of the silicon melt in the crucible of the CZ furnace having the resistance heating means as described above.
As shown in FIG. 5, the melt surface temperature is substantially the same temperature from the crucible center part 31c to the crucible end part 31e, and the temperature distribution shows a profile having a flat temperature curve T2.
In the case of such a temperature distribution, in the formation of the shoulder portion in the process of growing a single crystal from the neck portion, since the crystal naturally expands as it grows, the formation of the shoulder portion is relatively easy. However, when starting to form the straight body after the single crystal reaches the desired diameter, if the pulling speed is kept as it is, crystallization proceeds rapidly and the crystal diameter continues to expand. For this reason, it is difficult to form the straight body portion unless the pulling speed is rapidly increased and the temperature is not rapidly increased. Furthermore, it is necessary to strictly control the temperature and the pulling speed, including the subsequent growth of the straight body portion, and requires a skillful technique for adjusting the manufacturing conditions.

また、評価用シリコン単結晶の評価結果はできるだけ早く正確に多結晶シリコンの製造工程にフィードバックして、多結晶シリコンの製造条件の変更および調整に活用させる必要がある。即ち評価用シリコン単結晶はその目的からして、製造条件をできるだけシンプルにして、安価に、迅速に、失敗なく、また熟練を要することなく育成することが求められている。   The evaluation result of the silicon single crystal for evaluation needs to be fed back to the polycrystalline silicon manufacturing process as quickly and accurately as possible, and used for changing and adjusting the manufacturing conditions of the polycrystalline silicon. That is, for the purpose, the silicon single crystal for evaluation is required to be grown as simple as possible, inexpensively, quickly, without failure, and without skill.

本発明は、半導体や太陽電池に用いられる高純度多結晶シリコンの品質を評価するためのシリコン単結晶の育成において、ネッキング工程を省略したシンプルな製造条件であっても確実に、結晶欠陥のない無転位の評価用シリコン単結晶を育成できるようなＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法を提供することを目的とする。   In the growth of a silicon single crystal for evaluating the quality of high-purity polycrystalline silicon used for semiconductors and solar cells, the present invention is surely free from crystal defects even under simple manufacturing conditions in which the necking process is omitted. An object of the present invention is to provide a method for producing a silicon single crystal by the CZ method so that a silicon single crystal for dislocation-free evaluation can be grown.

本発明は、以下のとおりである。
（１）チョクラルスキー法によって評価用シリコン単結晶を製造する方法において、
評価対象となる多結晶シリコンを坩堝の中で溶融させ、無転位シリコン単結晶からなる種子結晶を当該溶融させたシリコン融液に浸し、その後ネッキングを行わずに、種子結晶を引き上げて無転位シリコン単結晶の直胴部を育成する工程を含み、
前記坩堝を加熱するための、当該坩堝に装入されるシリコン融液の液面方向における温度プロファイルが、当該坩堝の中心部であって、シリコン単結晶を引き上げる径に相当する領域においては一定の温度であり、かつ、当該中心部から外側の坩堝端部に向かって高くなることを特徴とする評価用シリコン単結晶の製造方法。
（２）（１）記載の製造方法において、前記坩堝の加熱は、シリコン融液の液面近傍の坩堝の側面にて行うことを特徴とする製造方法。
（３）（１）または（２）記載の製造方法において、前記坩堝の加熱は、坩堝の周囲に配置したコイルによる誘導加熱にて行うことを特徴とする製造方法。
（４）（１）〜（３）のいずれかに記載の製造方法において、前記評価用シリコン単結晶の直胴部が、直径１０〜５０ｍｍの円筒状であることを特徴とする製造方法。 The present invention is as follows.
(1) In a method for producing a silicon single crystal for evaluation by the Czochralski method,
Polycrystalline silicon to be evaluated is melted in a crucible, a seed crystal made of dislocation-free silicon single crystal is immersed in the melted silicon melt, and then the seed crystal is pulled up and transferred without dislocation. Including a step of growing a straight body of a single crystal,
The temperature profile in the liquid surface direction of the silicon melt charged in the crucible for heating the crucible is constant in the central portion of the crucible and corresponding to the diameter of pulling up the silicon single crystal. A method for producing a silicon single crystal for evaluation, which is a temperature and increases from the center toward the outer crucible end.
(2) The manufacturing method according to (1), wherein the crucible is heated on a side surface of the crucible near the liquid surface of the silicon melt.
(3) The manufacturing method according to (1) or (2), wherein the crucible is heated by induction heating using a coil arranged around the crucible.
(4) The manufacturing method according to any one of (1) to (3), wherein the straight body portion of the silicon single crystal for evaluation is cylindrical with a diameter of 10 to 50 mm.

本発明によれば、従来において有効な単結晶形成手段であったネッキング工程を省略したシンプルな製造条件であっても確実に、結晶欠陥のない無転位の評価用シリコン単結晶を育成できる。   According to the present invention, dislocation-free evaluation silicon single crystals having no crystal defects can be reliably grown even under simple manufacturing conditions in which the necking step, which has been an effective single crystal forming means in the past, is omitted.

本実施形態を実行する装置の構成例を示す模式図である。It is a schematic diagram which shows the structural example of the apparatus which performs this embodiment. 図１の構成において、坩堝を加熱する際の融液液面方向の温度プロファイルの一例を示す図である。In the structure of FIG. 1, it is a figure which shows an example of the temperature profile of the melt surface direction at the time of heating a crucible. 実施例１における多結晶シリコンの融液表面の温度と、坩堝１内の中心からの距離との関係を示す図である。FIG. 3 is a diagram showing the relationship between the temperature of the melt surface of polycrystalline silicon in Example 1 and the distance from the center in the crucible 1. 通常のシリコン単結晶を製造するチョクラルスキー法による装置構成を示す模式である。It is a model which shows the apparatus structure by the Czochralski method which manufactures a normal silicon single crystal. 図３の構成において、坩堝を加熱する際の融液液面方向の温度プロファイルの一例を示す図である。In the structure of FIG. 3, it is a figure which shows an example of the temperature profile of the melt surface direction at the time of heating a crucible. 比較例１における多結晶シリコンの融液表面の温度と、坩堝１内の中心からの距離との関係を示す図である。6 is a diagram showing the relationship between the temperature of the melt surface of polycrystalline silicon in Comparative Example 1 and the distance from the center in the crucible 1. FIG.

以下、本発明について説明する。
図１は、この実施形態を実行する装置の構成例を示す模式図である。
図１の引上げ炉（ＣＺ炉）１０において、坩堝１に塊状、粒状、粉状などの多結晶シリコンが溶融したシリコン融液が装填される。この坩堝１は、坩堝サセプタ３に固定支持されている。さらに、坩堝サセプタ３は断熱材９に覆われて配設されており、底面に設けられたサセプタ支持部材を介して回転軸７に回転自在に支持されている。
また、ＣＺ炉１０の外周面に沿うように、加熱手段として誘導加熱コイル２が巻き付けられるように配設されている。
ＣＺ炉１０の上面には、ロッド６を引き上げる引上げ機構５が配設されていて、ロッド６は上下方向に移動可能に支持されている。このロッド６の先端には、シリコン単結晶の種子結晶が取り付けられている。 The present invention will be described below.
FIG. 1 is a schematic diagram showing a configuration example of an apparatus that executes this embodiment.
In the pulling furnace (CZ furnace) 10 of FIG. 1, a crucible 1 is loaded with a silicon melt in which polycrystalline silicon such as lump, granule or powder is melted. This crucible 1 is fixedly supported by a crucible susceptor 3. Further, the crucible susceptor 3 is disposed so as to be covered with a heat insulating material 9, and is rotatably supported on the rotary shaft 7 via a susceptor support member provided on the bottom surface.
Moreover, it arrange | positions so that the induction heating coil 2 may be wound around the outer peripheral surface of the CZ furnace 10 as a heating means.
A pulling mechanism 5 for pulling up the rod 6 is disposed on the upper surface of the CZ furnace 10, and the rod 6 is supported so as to be movable in the vertical direction. A silicon single crystal seed crystal is attached to the tip of the rod 6.

図１によれば、ロッド６の先端に取り付けられた種子結晶を、シリコン融液４の液面に接触させ種付けし、坩堝サセプタ３を回転させながらロッド６を引き上げることにより、種子結晶の先で成長したシリコン単結晶８が引き上げられる。   According to FIG. 1, the seed crystal attached to the tip of the rod 6 is brought into contact with the surface of the silicon melt 4 and seeded, and the rod 6 is pulled up while the crucible susceptor 3 is rotated. The grown silicon single crystal 8 is pulled up.

ここで、本発明の実施形態は、チョクラルスキー法によって評価用シリコン単結晶を育成する方法である。
より詳細には、評価対象となる多結晶シリコンを坩堝１の中で溶融させ、無転位シリコン単結晶からなる種子結晶を当該溶融させたシリコン融液４に浸し、その後ネッキングを行わずに、種子結晶を引き上げて無転位シリコン単結晶８の直胴部を育成する工程を含む。 Here, the embodiment of the present invention is a method of growing a silicon single crystal for evaluation by the Czochralski method.
More specifically, polycrystalline silicon to be evaluated is melted in the crucible 1, seed crystals composed of dislocation-free silicon single crystals are immersed in the molten silicon melt 4, and then seeding is performed without necking. A step of raising the crystal and growing a straight body portion of the dislocation-free silicon single crystal 8.

ここで、本実施形態の実現には、坩堝１の加熱方法が重要である。
図２は、坩堝１の加熱の際のシリコン融液４の液面方向の温度プロファイルの一例を示す図である。
図２に示した温度プロファイルを構成する温度曲線Ｔ１によれば、シリコン融液４の液面方向における温度は坩堝中心部１ｃにおいて一定の温度、例えば温度差が±５℃程度の範囲内である。また、坩堝中心部１ｃから外側の坩堝端部１ｅに向かって温度が高くなっている。坩堝中心部１ｃと坩堝端部１ｅとの間の温度差は、例えば２０℃以上、好ましくは５０℃以上である。また、温度プロファイルにおいて一定の温度の領域である坩堝中心部１ｃの大きさは、シリコン単結晶８を引き上げる径に相当する領域がカバーされていれば、特に問題はなく、例えば坩堝の中心から半径の５０％の距離だけ離れた範囲の内側の大きさである。 Here, the method of heating the crucible 1 is important for realizing the present embodiment.
FIG. 2 is a diagram showing an example of a temperature profile in the liquid surface direction of the silicon melt 4 when the crucible 1 is heated.
According to the temperature curve T1 constituting the temperature profile shown in FIG. 2, the temperature in the liquid surface direction of the silicon melt 4 is a constant temperature in the crucible center portion 1c, for example, the temperature difference is in the range of about ± 5 ° C. . Further, the temperature increases from the crucible center portion 1c toward the outer crucible end portion 1e. The temperature difference between the crucible center portion 1c and the crucible end portion 1e is, for example, 20 ° C. or higher, preferably 50 ° C. or higher. In addition, the size of the crucible central portion 1c, which is a constant temperature region in the temperature profile, is not particularly problematic as long as the region corresponding to the diameter for pulling up the silicon single crystal 8 is covered. Is the size inside the range separated by 50% of the distance.

また、坩堝１の加熱であるが、坩堝全体を一様に温める必要はなく、坩堝１の側面であってシリコン融液の液面近傍を有効に温めればよい。   Moreover, although it is heating of the crucible 1, it is not necessary to heat the whole crucible uniformly, What is necessary is just to warm the side of the crucible 1 and the liquid surface vicinity of a silicon melt effectively.

このような温度分布を有する炉内熱環境においては、ロッド６によるシリコン単結晶の引上げ速度を一定としても、種子結晶の接触面からのシリコン単結晶成長の立ち上がり部分である肩部が比較的短時間で形成され、またシリコン単結晶の直胴部の成長に関しても、従来において要求されていた温度や引上げ速度の細かな調整をすることなく容易に形成できる。また、このように、単結晶成長の条件調整のための変更を細かく頻繁に行うことを要しないため、育成結晶への欠陥の導入を極めて少なくすることができ、かつ、操業監視や運転操作が必要最低限で済ませることができる。
さらに、理由は不明であるが、本実施形態のシリコン単結晶育成においては、従来において、熟練を要していたネッキング操作を行なわなくても、ほぼ１００％、転位や微小欠陥のない単結晶が得られることが確認されている。 In the in-furnace thermal environment having such a temperature distribution, even if the pulling speed of the silicon single crystal by the rod 6 is constant, the shoulder which is the rising portion of the silicon single crystal growth from the contact surface of the seed crystal is relatively short. The growth of the straight body portion of the silicon single crystal can be easily performed without fine adjustment of the temperature and the pulling speed that have been conventionally required. In addition, since it is not necessary to make detailed and frequent changes for adjusting the conditions of single crystal growth in this way, the introduction of defects into the grown crystal can be extremely reduced, and operation monitoring and operation can be performed. It can be done with the minimum necessary.
Furthermore, although the reason is unknown, in the silicon single crystal growth of the present embodiment, almost 100% of single crystals without dislocations or micro defects are conventionally obtained without performing a necking operation that requires skill. It has been confirmed that it can be obtained.

また、評価用シリコン単結晶は、上記のような引上げ炉で育成された単結晶インゴットをウェハに加工し検査に供するための必要最低限の直径があれば十分である。即ち直径はあまり大きくても意味はなく、最大５０ｍｍもあれば十分である。このような観点から、評価用シリコン単結晶の直胴部の直径は、１０ｍｍ以上、好ましくは１５ｍｍ以上および５０ｍｍ以下であり、通常は２０ｍｍ前後である。また、評価用シリコン単結晶の直胴部の長さは、円筒状の直胴部分が３０ｍｍ〜１００ｍｍ程度であればよい。   In addition, the silicon single crystal for evaluation need only have a minimum diameter required for processing a single crystal ingot grown in the pulling furnace as described above into a wafer for inspection. That is, even if the diameter is too large, there is no meaning, and a maximum of 50 mm is sufficient. From such a viewpoint, the diameter of the straight body portion of the silicon single crystal for evaluation is 10 mm or more, preferably 15 mm or more and 50 mm or less, and is usually around 20 mm. Further, the length of the straight body portion of the silicon single crystal for evaluation may be about 30 mm to 100 mm in the cylindrical straight body portion.

以下、図１の装置を参照して説明する。
坩堝１は、例えば石英製であってもよく、その内径は、育成するシリコン単結晶８の約２倍程度あればよい。坩堝１を保持する坩堝サセプタは、熱伝導性に優れる黒鉛製であってもよい。
また、前述のように、坩堝１および坩堝サセプタ３の上部、側面、および下部の周囲には断熱材９が配置されており、坩堝サセプタ３および引上げ結晶（シリコン単結晶８）から放射される輻射熱を遮断している。 Hereinafter, description will be made with reference to the apparatus of FIG.
The crucible 1 may be made of quartz, for example, and the inner diameter of the crucible 1 may be about twice that of the silicon single crystal 8 to be grown. The crucible susceptor that holds the crucible 1 may be made of graphite having excellent thermal conductivity.
Further, as described above, the heat insulating material 9 is disposed around the upper part, the side face, and the lower part of the crucible 1 and the crucible susceptor 3, and the radiant heat radiated from the crucible susceptor 3 and the pulled crystal (silicon single crystal 8). Is shut off.

また、引上げ機構５は、ロッド６を通じて結晶回転および結晶引上げ機能を発揮する。なお、引上げ機構５により結晶回転の動作が行われるときには、この結晶回転に合わせて、坩堝サセプタ３を回転可能に支持する回転軸７も一緒に回転するように設計されている。また、ロッド６の先端にはチャックを介して種子結晶が取り付けられている。この種子結晶は４×４ｍｍ〜６×６ｍｍの断面四角形の角棒または直径が同程度の大きさの丸棒であり、別に作成した無転位のシリコン単結晶から切り出し、棒状に加工したものを使用する。   The pulling mechanism 5 exhibits crystal rotation and crystal pulling functions through the rod 6. When the crystal rotating operation is performed by the pulling mechanism 5, the rotating shaft 7 that rotatably supports the crucible susceptor 3 is designed to rotate together with the crystal rotation. A seed crystal is attached to the tip of the rod 6 via a chuck. This seed crystal is a square bar with a square cross section of 4 × 4 mm to 6 × 6 mm or a round bar with the same diameter, and is cut from a dislocation-free silicon single crystal prepared separately and processed into a rod shape. To do.

坩堝１に装填する多結晶シリコンは、シーメンス法あるいは亜鉛還元法で製造された高純度多結晶シリコンであり、ＣＺ炉１０の外部側面に配置した誘導加熱コイル２に高周波電流を印加することにより、坩堝サセプタ３に誘導電流が生じ、この誘導電流により坩堝サセプタ３自体が発熱して多結晶シリコンを融解する。   The polycrystalline silicon loaded in the crucible 1 is high-purity polycrystalline silicon manufactured by the Siemens method or the zinc reduction method, and by applying a high-frequency current to the induction heating coil 2 arranged on the outer side surface of the CZ furnace 10, An induced current is generated in the crucible susceptor 3, and the induced current causes the crucible susceptor 3 itself to generate heat to melt the polycrystalline silicon.

シリコン融液４の温度が定常状態になったとき、ロッド６の先端に取り付けた種子結晶の先端を接触させ、種子付けを行なう。その後、ネッキングを行なうことなく、高周波電流値を一定のまま引上げ速度を徐々に上げながらシリコン単結晶の肩部の形成を行なう。肩部下部が所定径（通常２０ｍｍ前後）に達したら、単結晶の引上げ速度および誘導加熱コイル２に印加する高周波電流値を一定にして直胴部の形成を行なう。育成結晶が所定の長さ（通常は直胴部の長さ３０〜１００ｍｍ）になったら、テール部の形成をした後育成結晶を融液４から切り離し、そのままＣＺ炉１０の中で所定温度まで冷却する。尚、直胴部形成のときは、状況に応じて高周波電流低減速度（加熱温度低減速度に対応する）を直胴部形成から切り離しまで１段階（一定速度値）あるいは複数段階（２段階あるいは３段階と高周波電流低減速度を変化させる）に設定して行なってもよい。
こうして、育成を終えたシリコン単結晶インゴットをＣＺ炉１０から取り出し、インゴットの上部と下部を切り落とし、側面を切削加工して円筒状にした後、インゴット各部からウェハを切り出し作成して検査・評価工程に供する。 When the temperature of the silicon melt 4 reaches a steady state, the seed crystal attached to the tip of the rod 6 is brought into contact with the tip of the seed crystal 6 for seeding. Thereafter, the shoulder portion of the silicon single crystal is formed while gradually increasing the pulling rate while keeping the high-frequency current value constant without performing necking. When the lower shoulder portion reaches a predetermined diameter (usually around 20 mm), the straight body portion is formed with the single crystal pulling speed and the high-frequency current value applied to the induction heating coil 2 constant. When the grown crystal reaches a predetermined length (usually, the length of the straight body portion is 30 to 100 mm), after the tail portion is formed, the grown crystal is separated from the melt 4 and is directly maintained in the CZ furnace 10 to a predetermined temperature. Cooling. When forming the straight body portion, the high-frequency current reduction rate (corresponding to the heating temperature reduction rate) is changed from one step (constant speed value) to multiple steps (two steps or three steps) from the formation of the straight body portion to separation. The step and the high-frequency current reduction speed may be changed).
Thus, the grown silicon single crystal ingot is taken out from the CZ furnace 10, the upper and lower portions of the ingot are cut off, the side surfaces are cut into a cylindrical shape, and then the wafer is cut out from each part of the ingot for inspection / evaluation process. To serve.

本実施形態によれば、半導体や太陽電池に用いられる高純度多結晶シリコンの品質を評価するためのシリコン単結晶の製造において、ネッキング工程を省略し、できるだけシンプルな製造条件で、安価に、迅速に、失敗なく、また熟練を要することなく、結晶欠陥のない無転位の評価用シリコン単結晶を製造できるようなＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法を提供することが可能となった。   According to the present embodiment, in the production of a silicon single crystal for evaluating the quality of high-purity polycrystalline silicon used for semiconductors and solar cells, the necking process is omitted, and it is possible to quickly and inexpensively with as simple a production condition as possible. In addition, it has become possible to provide a method for producing a silicon single crystal by the CZ method that can produce a dislocation-free evaluation silicon single crystal without crystal defects without failure or skill.

以下に、本発明について、実施例を用いて詳細に説明するが、本発明はこれら実施例に限定されることはない。   Hereinafter, the present invention will be described in detail using examples, but the present invention is not limited to these examples.

（実施例１）
図１に示すような誘導加熱手段を有する引上げ炉を用いて評価用シリコン単結晶の引上げを行った。
内径４０ｍｍの石英製の坩堝１に亜鉛還元法で製造した粉粒状の高純度多結晶シリコンを５０ｇ装填した。引上げ炉（ＣＺ炉）１０の外部側面に配置した誘導加熱コイル２に８０〜１２０Ａの高周波電流を印加し多結晶シリコンを融解した。このときの多結晶シリコンの融液表面の温度と、坩堝１内の中心からの距離との関係を図３に示す。高周波電流を１００Ａ印加したまま、融液表面に断面５×５ｍｍ、長さ８４ｍｍの角棒状種子結晶先端を接触させ、種子付けをした後、ネッキングを行なうことなく、引上げ機構５の動作により種子結晶を１０ｒｐｍの回転速度で且つ引上げ速度を０．５、０．７、１．０ｍｍ／分と徐々に変えながら引き上げ、結晶径が２０ｍｍになるまで約１０分かけて円錐形の肩部を形成した。 Example 1
The silicon single crystal for evaluation was pulled using a pulling furnace having induction heating means as shown in FIG.
A quartz crucible 1 having an inner diameter of 40 mm was charged with 50 g of granular high-purity polycrystalline silicon produced by a zinc reduction method. A high frequency current of 80 to 120 A was applied to the induction heating coil 2 disposed on the outer side surface of the pulling furnace (CZ furnace) 10 to melt the polycrystalline silicon. The relationship between the temperature of the melt surface of the polycrystalline silicon at this time and the distance from the center in the crucible 1 is shown in FIG. With the high frequency current applied at 100 A, the tip of the square bar-shaped seed crystal having a cross section of 5 × 5 mm and a length of 84 mm is brought into contact with the melt surface, seeded, and then seeded by the operation of the pulling mechanism 5 without necking. Was gradually increased to 0.5, 0.7, and 1.0 mm / min at a rotational speed of 10 rpm, and a conical shoulder was formed over about 10 minutes until the crystal diameter reached 20 mm. .

次いで引上げ速度を１．０ｍｍ／分と一定に保持したまま、１５分経過までは高周波電流を−０．０５Ａ／分の一定速度で低減し、それから５０分経過までは−０．０２５Ａ／分の一定速度で低減して、直胴部を形成した。その後テール部を形成してシリコン単結晶を融液から切り離した。育成したシリコン単結晶の直胴部の長さは５０ｍｍであった。   Next, while keeping the pulling rate constant at 1.0 mm / min, the high-frequency current is reduced at a constant rate of −0.05 A / min until 15 minutes, and then −0.025 A / min until 50 minutes. A straight body was formed by reducing at a constant speed. Thereafter, a tail portion was formed to separate the silicon single crystal from the melt. The length of the straight body portion of the grown silicon single crystal was 50 mm.

表１に、肩部形成が終わった後、直胴部形成開始から終了までの経過時間、結晶引上げ速度、高周波印加電流、直胴部（直胴部）の長さ、直胴部の直径の関係を示す。
表１から明らかなように、直胴部の直径は結晶上下を除き直胴部全体にわたって、２１．０ｍｍと均一であった。 Table 1 shows the elapsed time from the start to the end of the formation of the straight body part, the crystal pulling speed, the high frequency applied current, the length of the straight body part (straight body part), the diameter of the straight body part. Show the relationship.
As is apparent from Table 1, the diameter of the straight body portion was uniform at 21.0 mm over the entire straight body portion except for the top and bottom of the crystal.

また、育成した単結晶インゴットから検査用のウェハを切り出し、インゴットの上部、中間部、下部に相当する部分のライフタイムをマイクロ波光導電減衰法で測定し結晶欠陥を評価したところ、ライフタイムは１０００μｓｅｃ以上であり、結晶中心部のライフタイムが欠陥により低くなることはなく、結晶欠陥のない無転位の単結晶であることが確認された。   In addition, a wafer for inspection was cut out from the grown single crystal ingot, and the lifetime corresponding to the upper, middle, and lower portions of the ingot was measured by the microwave photoconductive decay method to evaluate crystal defects. The lifetime was 1000 μsec. As described above, it was confirmed that the lifetime of the center portion of the crystal was not lowered by the defect, and it was a dislocation-free single crystal having no crystal defect.

（比較例１）
図４に示すような、抵抗加熱手段を有する引上げ炉を用いて評価用シリコン単結晶の引上げを行った。
加熱手段が誘導加熱コイル２ではなく、抵抗加熱ヒータ３２とした以外は実施例１と全く同様の条件（種子結晶、多結晶シリコン装填量）で単結晶の引上げを行った。このときの多結晶シリコンの融液表面の温度と、坩堝１内の中心からの距離との関係を図６に示す。
実施例１と同様に結晶肩部の形成をした後、直胴部の直径が２０．０ｍｍと一定になるように、電流を１００Ａから徐々に増加しながら引上げ速度を１．０〜１．４ｍｍ／分の間でこまめに調整しながら、結晶育成を行なった。 (Comparative Example 1)
The silicon single crystal for evaluation was pulled using a pulling furnace having resistance heating means as shown in FIG.
The single crystal was pulled under exactly the same conditions (seed crystal and polycrystalline silicon loading) as in Example 1 except that the heating means was not the induction heating coil 2 but the resistance heater 32. The relationship between the temperature of the melt surface of the polycrystalline silicon at this time and the distance from the center in the crucible 1 is shown in FIG.
After the formation of the crystal shoulder in the same manner as in Example 1, the pulling speed was increased from 1.0 to 1.4 mm while gradually increasing the current from 100 A so that the diameter of the straight body portion was constant at 20.0 mm. Crystal growth was carried out with frequent adjustments per minute.

表２に、肩部形成が終わった後、直胴部形成開始から終了までの経過時間、結晶引上げ速度、高周波印加電流、直胴部の長さ、直胴部の直径の関係を示す。
表２から明らかなように、直胴部育成中、直胴部の直径が一定になるように、引上げ速度と電流をこまめに調整したにもかかわらず、直胴部の直径は一定ではなく２０〜２４．５ｍｍの範囲で変動した。 Table 2 shows the relationship between the elapsed time from the start to the end of the formation of the straight body part, the crystal pulling speed, the high-frequency applied current, the length of the straight body part, and the diameter of the straight body part after the formation of the shoulder part.
As is apparent from Table 2, the diameter of the straight body portion is not constant during the straight body portion growth, although the pulling speed and current are frequently adjusted so that the diameter of the straight body portion is constant. It fluctuated in the range of ˜24.5 mm.

育成した単結晶インゴットから検査用のウェハを切り出し、インゴットの上部、中間部、下部に相当する部分のライフタイムを測定し結晶欠陥を評価したところ、ウェハの中心部のライフタイムが周辺部に比べて低く、種子付け部分から伝播したと考えられる転位が中心部の一部にあり、結晶欠陥が多い結晶であることが確認された。   A wafer for inspection was cut out from the grown single crystal ingot, and the lifetime of the parts corresponding to the upper, middle, and lower parts of the ingot was measured to evaluate the crystal defects. It was confirmed that the dislocation was considered to be propagated from the seeding part in a part of the central part, and the crystal had many crystal defects.

１・・・坩堝
１ｃ・・坩堝中心部
１ｅ・・坩堝端部
２・・・誘導加熱コイル
３・・・坩堝サセプタ
４・・・シリコン融液
５・・・引上げ機構
６・・・ロッド
７・・・回転軸
８・・・シリコン単結晶
９・・・断熱材
１０・・・ＣＺ炉
３０・・・ＣＺ炉
３１・・・坩堝
３１ｃ・・坩堝中心部
３１ｅ・・坩堝端部
３２・・・抵抗加熱ヒータ
３３・・・坩堝サセプタ
３４・・・シリコン融液
３５・・・引上げ機構
３６・・・ロッド
３７・・・回転軸
３８・・・シリコン単結晶
３９・・・断熱材 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Crucible 1c ... Crucible center part 1e ... Crucible end part 2 ... Induction heating coil 3 ... Crucible susceptor 4 ... Silicone melt 5 ... Pulling mechanism 6 ... Rod 7 ... · rotary shaft 8 ... silicon single crystal 9 ... heat insulating material 10 ... CZ furnace 30 ... CZ furnace 31 ... crucible 31c ... crucible center 31e ... crucible end 32 ... Resistance heater 33 ... Crucible susceptor 34 ... Silicon melt 35 ... Pulling mechanism 36 ... Rod 37 ... Rotating shaft 38 ... Silicon single crystal 39 ... Insulating material

Claims (4)

チョクラルスキー法によって評価用シリコン単結晶を製造する方法において、
評価対象となる多結晶シリコンを坩堝の中で溶融させ、無転位シリコン単結晶からなる種子結晶を当該溶融させたシリコン融液に浸し、その後ネッキングを行わずに、種子結晶を引き上げて無転位シリコン単結晶の直胴部を育成する工程を含み、
前記坩堝を加熱するための、当該坩堝に装入されるシリコン融液の液面における温度プロファイルが、
当該坩堝の中心部であって、シリコン単結晶を引き上げる径に相当する領域においては一定の温度であり、
かつ、当該中心部から外側の坩堝端部に向かって高くなることを特徴とする評価用シリコン単結晶の製造方法。 In the method for producing a silicon single crystal for evaluation by the Czochralski method,
Polycrystalline silicon to be evaluated is melted in a crucible, a seed crystal made of dislocation-free silicon single crystal is immersed in the melted silicon melt, and then the seed crystal is pulled up and transferred without dislocation. Including a step of growing a straight body of a single crystal,
The temperature profile at the liquid level of the silicon melt charged in the crucible for heating the crucible,
In the center of the crucible, in a region corresponding to the diameter of pulling up the silicon single crystal, the temperature is constant,
And the manufacturing method of the silicon single crystal for evaluation characterized by becoming high toward the outer crucible edge part from the said center part. 請求項１記載の製造方法において、前記坩堝の加熱は、シリコン融液の液面近傍の坩堝の側面にて行うことを特徴とする製造方法。   The manufacturing method according to claim 1, wherein the crucible is heated on a side surface of the crucible in the vicinity of the liquid surface of the silicon melt. 請求項１または２記載の製造方法において、前記坩堝の加熱は、坩堝の周囲に配置したコイルによる誘導加熱にて行うことを特徴とする製造方法。   3. The manufacturing method according to claim 1, wherein the crucible is heated by induction heating using a coil disposed around the crucible. 請求項１〜３のいずれか一項に記載の製造方法において、前記評価用シリコン単結晶の直胴部が、直径１０〜５０ｍｍの円筒状であることを特徴とする製造方法。   The manufacturing method as described in any one of Claims 1-3 WHEREIN: The straight body part of the said silicon single crystal for evaluation is a cylindrical shape with a diameter of 10-50 mm, The manufacturing method characterized by the above-mentioned.

Images