JP5272247B2 - Ｃｚ法における多結晶シリコン原料の溶解方法 - Google Patents

Description

本発明は、ＣＺ法により単結晶シリコンを製造する際に、その製造原料となる多結晶シリコンを坩堝内に充填・溶解して、シリコンの融液を生成する多結晶シリコンの溶解方法に関する。

半導体集積回路の基本材料であるシリコン単結晶の製造方法の一つとして、坩堝内の原料融液から円柱状の単結晶を引き上げるチョクラルスキー法（以下ＣＺ法という）が用いられている。ＣＺ法においては、単結晶製造装置のチャンバ内に設置した坩堝に原料である多結晶を充填し、前記坩堝の外周に設けたヒータによって原料を加熱溶解した上、シードチャックに取り付けた種子結晶を融液に浸漬し、シードチャック及び坩堝を同方向または逆方向に回転しつつシードチャックを引き上げて単結晶を成長させる。ここで、坩堝において初期装填された原料の溶解は初期メルトと呼ばれており、またその初期メルトによって生成された原料融液に原料を供給する操作は追加チャージと呼ばれている。ＣＺ法において、坩堝には主に塊状多結晶シリコンが初期充填される。しかし、そのような充填はその後のシリコン単結晶インゴットの製造において問題を生じる。例えば、全装填量の荷重下に、塊の縁が坩堝の壁を、特に坩堝の底で引っ掻いたり掘ったりし、その結果坩堝の損傷を生じたり、坩堝の粒子がシリコンメルト中に浮遊または懸濁することになる。これらの不純物は、単結晶中の有転位化の可能性を顕著に増加させ、単結晶生産歩留まりを悪化させる。さらに溶融が進むにつれて、塊状多結晶シリコン材料が移動したり、塊状多結晶シリコンの下部分が溶融する一方、メルトより上にある未溶融の塊状多結晶シリコンが膨張し坩堝の壁面に噛み込んで「ハンガー（ｈａｎｇａｒ）」または、メルトより上の坩堝の壁面の両側に跨る「ブリッジ（ｂｒｉｄｇｅ）」を形成することになる。このように、装填材料が移動する、またはハンガーあるいはブリッジが崩壊するときに、シリコンの融液を跳ね返したり、坩堝に機械的応力ダメージを与えることになる。またハンガーが形成されている坩堝の上部において坩堝が加熱により軟化すると、ハンガーの荷重により坩堝の上部が内側に倒れこむことになる。

図５に従来技術に係るＣＺ法に係る製造装置の模式図を示す。上述の問題を解決するため特許文献１においては、ＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する際にその製造原料として使用される多結晶シリコンを坩堝内に溶解する多結晶シリコンの溶解方法において、支持軸１２０の上に載置される坩堝１１０（石英坩堝１１１、黒鉛坩堝１１２）の周囲を加熱するサイドヒータ１３０と、坩堝１１０の底部を加熱するボトムヒータ１４０とを配設し、サイドヒータ１３０への供給電力をボトムヒータ１４０への供給電力よりも大きくした状態で、坩堝１１０内に初期装填された多結晶シリコン１５０（塊粒原料１５１、カットロッド１５２）を溶解した後、その坩堝内に上方から新たに多結晶シリコン１５０を追加し溶解する際には、坩堝１１０を上昇させるととともに、サイドヒータ１３０への供給電極を増大させ、ボトムヒータ１４０への供給電力を０とした状態でその溶解を行う方法及び装置が開示されている。このように２種類のヒータを併用することにより、溶解時間を短縮させてブリッジの発生を抑制している。また同様の方法については特許文献２、特許文献３、特許文献４にも開示されている。

特許第４１５１０９６号公報 特許第３８５６８７３号公報 特開平９−３２８３９１号公報 特開平６−１４４９８６号公報

しかし、特許文献１等に開示されているように、多結晶シリコン１５０を溶解するときにサイドヒータ１３０とボトムヒータ１４０のパワーバランスの調整を行うのみではブリッジ等の発生を完全に抑制することは困難であること、またブリッジが形成できなかった場合でも坩堝の内壁に溶け残りが残留してしまうことを本願発明者は見出した。またサイドヒータ１３０及びボトムヒータ１４０を共に用いるためコストが掛かるとともに、サイドヒータ１３０及びボトムヒータ１４０を溶解工程に伴って制御する必要があり、別途制御装置を必要とし、また製造プロセスが煩雑になるため作業効率が低下するといった問題がある。

そこで本発明は上記問題点に着目し、ＣＺ法の装置の改造や複雑な炉内のヒートバランス調整を行うことなく、簡便にかつ安全・効率的に多結晶シリコンの溶解を行うＣＺ法における多結晶シリコン原料の溶解方法を提供することを目的とする。

上記目的を達成するため、本発明に係るＣＺ法における多結晶シリコン原料の溶解方法は、第１には、ＣＺ法で用いられる坩堝内に単結晶シリコンの原料となる多結晶シリコンの塊で充填した第１層を形成し、前記第１層の上に前記多結晶シリコンの塊で充填した第２層を積層し、前記第１層の高さは、多結晶シリコン原料を全溶解後の融液の液面の高さより低く形成し、前記第２層の外周は、前記坩堝の内側の側面と離間して形成する態様で溶解させることを特徴とする。

第２には、前記第１層領域内を高さ位置のピークとする加熱分布となるように前記坩堝を加熱することを特徴とする。

第３には、前記坩堝の底面を加熱することを特徴とする。
第４には、前記第２層は、前記坩堝の上端よりも高く積み上げることを特徴とする。

第５には、前記第２層が溶解したのち前記多結晶シリコンを前記坩堝内に追加充填することを特徴とする。

本発明に係るＣＺ法における多結晶シリコン原料の溶解方法によれば、第１には、第１層は坩堝の壁面（内面）には接触するものの、多結晶シリコン原料が全て溶解して形成されるシリコンの融液の液面より低い高さを有するため、第１層は全て溶解し、多結晶シリコンの塊が壁面に噛み込んだりブリッジを形成することはなく、また第２層は加熱により膨張するものの、第２層の外周と坩堝の内側の側面（壁面）とは離間して形成されているため、第２層が坩堝の壁面に接触することはなく、壁面に噛み込んだりブリッジを形成することはない。したがって多結晶シリコンの塊が壁面に噛み込むことにより坩堝の材料が削り出されシリコンの融液に混入することを防止できる。そして、ブリッジの形成を防止するので充填した多結晶シリコンの塊を確実にシリコンの融液にすることができる。さらにブリッジが形成されたのちブリッジの一部がシリコンの融液に落下して坩堝を破損したり、落下の際にシリコンの融液が飛沫となって坩堝の上部にある冶具等に付着し、単結晶シリコンの成長時にその飛沫が再び坩堝内に落下して単結晶シリコンに転位が発生する問題を解消することができる。このように、ＣＺ法の製造装置の改造や坩堝が置かれた炉内のヒートバランス調整を行うことなく簡便にかつ安全・効率的に多結晶シリコンを溶解することができる。

第２には、前記坩堝の加熱において、前記第１層領域内を高さ位置のピークとする加熱分布を与えることにより、前記坩堝の上端の温度が低く抑えられるため前記坩堝の上端の温度による軟化を防止して、前記坩堝の上端が前記坩堝の内側に倒れこむことを防止することができる。また坩堝の加熱は、前記下部の高さ位置にヒータの発熱中心が来るように坩堝の高さを調整して行われるが、この場合、ヒータより坩堝の上端が高くなるので、ヒータ等からの汚染物のシリコンの融液への混入を抑制することができる。

第３には、前記坩堝の底面を加熱することにより、多結晶シリコンの融液の中心付近の多結晶シリコンの溶け残りを防止することができ、特に坩堝の直径が大きいほどその効果は顕著となる。

第４には、前記第２層は、前記坩堝の上端よりも高く積み上げることにより、充填される多結晶シリコンの塊が増加されシリコンの融液の容積が大きくなるため、大きな寸法の単結晶シリコンを形成することができる。

第５には、前記第２層が溶解したのち多結晶シリコンを前記坩堝内に追加充填することにより、シリコンの融液の容積がさらに大きくなるため、より大きな寸法の単結晶シリコンを形成することができる。

本実施形態にかかるＣＺ法における製造装置の模式図である。 本実施形態に係る石英坩堝の部分詳細図である。 本実施形態に係る初期メルトの手順を示す模式図である。 本実施形態に係る初期メルト及び追加チャージの手順を示す模式図である。 従来技術に係るＣＺ法に係る製造装置の模式図である。

以下、本発明を図に示した実施形態を用いて詳細に説明する。但し、この実施形態に記載される構成要素、種類、組み合わせ、形状、その相対配置などは特定的な記載がない限り、この発明の範囲をそれのみに限定する主旨ではなく単なる説明例に過ぎない。

本実施形態に係るＣＺ法における多結晶シリコンの溶解方法は、初期メルトを形成する方法であって、ＣＺ法で用いられる坩堝１２内に単結晶シリコンの原料となる多結晶シリコンの塊２４ａで充填した第１層２６を形成し、前記第１層２６の上に前記多結晶シリコンの塊２４ｂで充填した第２層２８を積層し、前記第１層２６の高さは、多結晶シリコン原料を全溶解後に形成される融液３０の液面３０ａの高さより低く形成し、前記第２層２８の外周２８ａは、前記坩堝１２の内側の側面１４ａと離間して形成するとともに、前記坩堝１２の下部から加熱して前記第１層２６を溶解させ、前記第２層２８を溶解させるものであり、その後追加チャージを行うものである。図１に示すように、上記方法を具現化するＣＺ法によるシリコン単結晶の製造装置１０は、メインチャンバ（不図示）内に設置され多結晶シリコンの塊２４が充填される坩堝１２、サイドヒータ２０、ボトムヒータ２２を有する。

坩堝１２は内側に石英坩堝１４と外側に黒鉛坩堝１６から構成される。この坩堝１２はペディスタルと呼ばれる支持軸１８の上に載置されている。支持軸１８は中心軸回りに回転駆動されるとともに軸方向に昇降駆動され、これらの駆動により坩堝１２の回転及び昇降が可能となっている。坩堝１２を構成する石英坩堝１４は、主にアーク溶融法によって製造されている。この方法は、カーボン製の回転モールドの内表面に石英粉を一定厚さに堆積して石英粉成形体を形成し、モールドの内側上方に設置した電極のアーク放電によって石英粉を加熱溶融してガラス化し、石英ガラスによる坩堝を製造している。

坩堝１２の周囲には、サイドヒータ２０が設けられている。サイドヒータ２０の高さ方向の寸法は坩堝１２の高さ方向の寸法より大きく設計されている。サイドヒータ２０は主に黒鉛ヒータにより構成されるが、温度のピークがサイドヒータ２０の高さ方向の中央となる温度分布を有するように設計されている。ここでサイドヒータ２０の位置は不変であるが、上述の支持軸１８の昇降駆動により坩堝１２はサイドヒータ２０との相対位置を変更し、坩堝１２の温度分布を変更することができる。なお、サイドヒータ２０の温度のピークがサイドヒータ２０の高さ方向の中央であることに限定されるものでなく、サイドヒータ２０を上下方向に移動させることで坩堝１２との相対関係を変えて坩堝１２の温度分布を変更することや、複数で構成されたサイドヒータを用いて坩堝１２の温度分布を変更してもよい。また、坩堝１２の下方にボトムヒータ２２を設けてもよい。この場合、ボトムヒータ２２は坩堝１２の外径とほぼ同じ外径の円盤型の形状を有し、ボトムヒータ２２の中心部を支持軸１８が貫通し、その位置は支持軸１８の昇降駆動に関わらず不変となるようにすると良い。ボトムヒータ２２を設けることにより多結晶シリコンの融液の中心位置での多結晶シリコンの溶け残りを防止することができ、特に坩堝１２の直径が大きい場合はその効果が顕著となる。

初期メルトに際しては、単結晶シリコンの原料である多結晶シリコンの塊２４を初期充填する。多結晶シリコンの形状としては、棒状のシリコン原料を適宜（例えば重量を５ｋｇ程度のもの）ロッド状に分断したもの、棒状のシリコン原料を破砕したものでサイズが５０ｍｍ〜１００ｍｍ程度のナゲット（チャンク）状としたもの、棒状のシリコン原料を破砕したものでサイズが１０〜３０ｍｍ程度の小片チップ状としたもの、直径数ｍｍの粒状のものがあり、時には不良となった単結晶シリコンそのものを原料として投入する場合もあるが、本実施形態では、初期充填においてナゲット状の多結晶シリコンの塊２４を用いる。

初期充填はナゲット状の多結晶シリコンの塊２４を用いるが、初期充填は坩堝内に単結晶シリコンの原料となる多結晶シリコンの塊２４ａで充填した第１層２６を形成し、第１層２６の上に多結晶シリコンの塊２４ｂで充填した第２層２８を積層する。そして第１層２６の高さｈ１は、初期充填の原料全てを溶解して形成される融液３０（図２参照）の液面３０ａの高さｈ２より低く形成し、第２層２８の外周２８ａは、石英坩堝１４の内側の側面１４ａ（壁面）と離間して形成される。上述の融液の高さｈ２は第１層２６の高さｈ１及び充填率、第２層の高さ、第２層２８の外周２８ａが構成する直径、第２層２８の充填率に依存する。本実施形態において第２層２８は石英坩堝の内側の側面１４ａに触れない構成となっているので石英坩堝１４の容積を基準とする嵩密度は小さくなるが、第２層２８を石英坩堝１４の上端１４ｂよりも高く積み上げることにより、第２層２８の石英坩堝１４の上端１４ｂより高く積み上げた分が石英坩堝１４内に存在すると考えた場合の換算嵩密度を高めることができるので従来と同様、充分な容積の融液を形成することができる。さらに本実施形態においては、初期メルトの後、小片チップ状の多結晶シリコンを融液３０に充填することにより高さｈ２より高い位置（高さｈ３）に液面３０ａをもつ大容積の融液３０を形成することができる。

図２に石英坩堝の部分詳細図を示す。石英坩堝１４の内壁の一定の厚み方向で一様に溶解させて石英坩堝１４内部に留まっている気泡１４ｃを排出して厚さ数ｍｍ程度の無気泡層１４ｄを形成している。これにより気泡が破裂して石英坩堝１４の破片が融液３０に混入し、その後の結晶成長において前記破片が結晶に転位を形成する等の悪影響を防止できる。

図２に示すように、第１層２６及び第２層２８が溶解して形成される融液３０の液面３０ａ、石英坩堝１２の内側の側面１４ａと、不活性雰囲気ガス（例えばアルゴンガス）、が接する３重点３２は石英坩堝１４の局所溶存量が最も多くなりやすい部分であるが、初期充填において３重点３２には第１層２６を構成する多結晶シリコンの塊２４ａが当接することはないので、多結晶シリコンが石英坩堝１４に傷等のダメージを与えることはなく、その後製造される単結晶シリコンを形成する際に、傷等が原因により結晶中に転位を形成する虞を低減することができる。

図３（ａ）〜（ｄ）に初期メルトの手順を、図３（ｅ）に坩堝の高さ位置の時間変位をそれぞれ示す。図３（ａ）は多結晶シリコン原料の溶解の初期工程を示している。まず、図３（ａ）に示すように、坩堝１２の下部１２ａ、すなわち第１層２６領域内にサイドヒータ２０の温度分布のピークが来るように支持軸１８を昇降駆動させ、ナゲット状の多結晶シリコンの塊２４ａで石英坩堝１４の内壁を傷つけないように第１層２６を形成し、第１層の上に石英坩堝１４の内壁に多結晶シリコンの塊２４ｂが触れないように第２層２８を形成する。次に図３（ｂ）に示すように支持軸１８を回転駆動させつつサイドヒータ２０を図３（ｅ）の破線に示すような電力を与えて稼動させ第１層２６を溶解させることにより上述の初期工程が終了する。なお図３（ｅ）において「工程（ａ）、（ｂ）」とは、それぞれ図３（ａ）、図３（ｂ）に係る工程を示す。

次に、図３（ｃ）に示すように、坩堝の高さ方向の温度分布のピークが図３（ａ）及び図３（ｂ）の場合より高い位置に来るように支持軸１８を下降させて坩堝の高さ位置を下げる。そして図３（ｃ）に示すように第１層２６が溶解することにより溶解した第１層２６に第２層２８が沈み込んで浸漬していくとともに、浸漬した部分が溶解することにより第２層２８は溶解される。そして、図３（ｄ）に示すように、第１層２６及び第２層２８の溶解が完了すると、融液３０の液面３０ａの高さがｈ２となり初期メルトが完了し、引き上げ工程に進む。

図４（ａ）〜（ｆ）に初期メルト及び追加チャージの手順を、図４（ｇ）に坩堝の高さ位置の時間変位を、それぞれ示す。

図４（ａ）、（ｂ）は多結晶シリコン原料の溶解の初期工程を示している。まず、図４（ａ）に示すように、坩堝１２の下部１２ａ、すなわち第１層２６領域内にサイドヒータ２０の温度分布のピークが来るように支持軸１８を昇降駆動させ、ナゲット状の多結晶シリコンの塊２４ａで石英坩堝１４の内壁を傷つけないように第１層２６を形成し、第１層の上に石英坩堝１４の内壁に多結晶シリコンの塊２４ｂが触れないように第２層２８を形成する。すなわち図３（ａ）に示す第１層２６及び第２層２８を再現する。次に図４（ｂ）に示すように支持軸１８を回転駆動させつつサイドヒータ２０を図４（ｇ）の破線に示すような電力を与えて稼動させ第１層２６を溶解させることにより上述の初期工程が終了する。なお図４（ｇ）において「工程（ａ）、（ｂ）」とは、それぞれ図４（ａ）、図４（ｂ）に係る工程を示す。

次に、図４（ｃ）及び図４（ｇ）に示すように、坩堝の高さ方向の温度分布のピークが図４（ａ）及び図４（ｂ）の場合より高い位置に来るように支持軸１８を下降させて坩堝の高さ位置を下げる。そして図４（ｃ）に示すように第１層２６が溶解することにより溶解した第１層２６に第２層２８が沈み込んで浸漬していくとともに、浸漬した部分が溶解することにより第２層２８は溶解される。次に図４（ｄ）、（ｅ）に示すように、第１層２６及び第２層２８の溶解が完了、またはほぼ完了した時点で上述の小片チップ３４により追加チャージを行う。

追加チャージはチャンバ（不図示）内に挿入され小片チップ３４を詰め込んだ原料供給管３６を用いて坩堝１２内に投入される。投入の際は融液飛沫の跳ね上がりを抑制するため、小片チップ３４を徐徐に坩堝１２に供給するか、融液３０の液面３０ａに未だ溶け残っている第１層２６及び第２層２８の上に供給することが望ましい。また追加チャージの他の方法として、単結晶シリコンを引き上げるワイヤ（不図示）を用いて坩堝１２上に吊り下げたロッド状の多結晶シリコン（不図示）を徐徐に下降させ、坩堝１２内の融液に浸漬させる方法がある。そして図４（ｆ）に示すように全ての多結晶シリコンが溶解することにより、液面３０ａの高さがｈ３（＞ｈ２＞ｈ１）となる融液３０が形成され、次の単結晶の引き上げ工程を行うことができる。

なお図４（ｂ）以降においてサイドヒータ２０を稼動させているが、ボトムヒータ２２を同時に稼動させてもよい。これにより多結晶シリコンの融液３０の中心付近での溶け残りを防止することができ、特に坩堝１２の直径が大きい場合はその効果が顕著となる。また図４（ｆ）に示すように、シリコンの融液３０の形成中における坩堝の高さ位置の変更は、融液３０が完成する時間の少なくとも４分の１に相当する時間の経過以降に行うことが望ましい。なお本実施形態においては換算嵩密度を０．１２ｇ／ｃｍ^３以上となるように第１層２６及び第２層２８を形成すると、追加チャージを複数回行うことなくシリコン単結晶の成長に必要な容積のシリコンの融液３０が形成できることを本願発明者は突き止めている。

以上述べたように、本実施形態に係るＣＺ法における多結晶シリコン原料の溶解方法によれば、第１には、第１層２６は坩堝１２の壁面（内面）には接触するものの、所定の原料全てが溶解して形成されるシリコンの融液３０の液面３０ａより低い高さを有するため、第１層２６は全て溶解し、多結晶シリコンの塊２４ａが壁面に噛み込んだりブリッジを形成することはなく、また第２層２８は加熱により膨張するものの、第２層２８の外周２８ａと坩堝１２の内側の側面１４ａ（壁面）とは離間して形成されているため、第２層２８が坩堝１２の壁面に接触することはなく、壁面に噛み込んだりブリッジを形成することはない。したがって多結晶シリコンの塊２４が壁面に噛み込むことにより坩堝の材料が削り出されシリコンの融液３０に混入することを防止できる。そして、ブリッジの形成を防止するので充填した多結晶シリコンの塊２４を確実にシリコンの融液３０にすることができる。さらにブリッジが形成されたのちブリッジの一部がシリコンの融液３０に落下して坩堝を破損したり、落下の際にシリコンの融液３０が飛沫となって坩堝１２の上部にある冶具等に付着し、単結晶シリコンの成長時にその飛沫が再び坩堝１２内に落下して単結晶シリコンに転位が発生する問題を解消することができる。このように、ＣＺ法の製造装置１０の改造や坩堝１２が置かれた炉内のヒートバランス調整を行うことなく簡便にかつ安全・効率的に多結晶シリコンを溶解することができる。

第２には、前記坩堝１２の加熱において、前記下部１２ａの高さ位置、すなわち第１層２６領域内を高さ位置のピークとする加熱分布を与えることにより、前記坩堝１２の上端１４ｂの温度が低く抑えられるため前記坩堝の上端１４ｂの温度による軟化を防止して、前記坩堝１２の上端１４ａが前記坩堝１２の内側に倒れこむことを防止することができる。また坩堝１２の加熱は、前記下部１２ａの高さ位置にヒータ（サイドヒータ２０）の発熱中心（温度分布のピーク）が来るように坩堝の高さを調整して行われるが、この場合、ヒータより坩堝１２の上端１４ａが高くなるので、ヒータ等からの汚染物のシリコンの融液３０への混入を抑制することができる。

第３には、前記坩堝１２の底面をボトムヒータ２２を用いて加熱することにより、多結晶シリコンの融液３０の中心付近の多結晶シリコンの溶け残りを防止することができ、特に坩堝１２の直径が大きいほどその効果は顕著となる。

第４には、前記第２層２８は、前記坩堝１２の上端１４ｂよりも高く積み上げることにより、充填される多結晶シリコンの塊２４が増加されシリコンの融液３０の容積が大きくなるため、大きな寸法の単結晶シリコンを形成することができる。

第５には、前記第２層２８が溶解したのち多結晶シリコンを前記坩堝１２内に追加充填することにより、シリコンの融液３０の容積がさらに大きくなるため、より大きな寸法の単結晶シリコンを形成することができる。

簡易な構成で坩堝にダメージを与えることなく多結晶シリコンによる融液が形成可能なＣＺ法における多結晶シリコン原料の溶解方法として利用できる。

１０………製造装置、１２………坩堝、１４………石英坩堝、１６………黒鉛坩堝、１８………支持軸、２０………サイドヒータ、２２………ボトムヒータ、２４………塊、２６………第１層、２８………第２層、３０………融液、３２………３重点、３４………小片チップ、３６………原料供給管、１１０………坩堝、１１１………石英坩堝、１１２………黒鉛坩堝、１２０………支持軸、１３０………サイドヒータ、１４０………ボトムヒータ、１５０………多結晶シリコン、１５１………塊状原料、１５２………カットロッド。

Claims (4)

1. ＣＺ法で用いられる坩堝内に単結晶シリコンの原料となる多結晶シリコンの塊で充填した第１層を形成し、前記第１層の上に前記多結晶シリコンの塊で充填した第２層を積層し、
   前記第１層の高さは、多結晶シリコン原料を全溶解後の融液の液面の高さより低く形成し、
   前記第２層の外周は、前記坩堝の内側の側面と離間して形成する態様で溶解させるものとし、
   前記第１層領域内を高さ位置をピークとする加熱分布となるように前記坩堝を加熱することを特徴とする請求項１に記載のＣＺ法における多結晶シリコン原料の溶解方法。
2. 前記坩堝の底面を加熱することを特徴とする請求項１に記載のＣＺ法における多結晶シリコン原料の溶解方法。
3. 前記第２層は、前記坩堝の上端よりも高く積み上げることを特徴とする請求項１または２に記載のＣＺ法における多結晶シリコン原料の溶解方法。
4. 前記第２層が溶解したのち前記多結晶シリコンを前記坩堝内に追加充填することを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載のＣＺ法における多結晶シリコン原料の溶解方法。
   

Images