JP5974974B2 - シリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、石英ルツボ内のシリコン融液に水平磁場を印加しつつ、シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げる水平磁場印加チョクラルスキー法（Ｈｏｒｉｚｏｎｔａｌ Ｍａｇｎｅｔｉｃ ｆｉｅｌｄ ａｐｐｌｉｅｄ Ｃｚｏｃｈｒａｌｓｋｉ Ｍｅｔｈｏｄ：以下ＨＭＣＺ法とする）によるシリコン単結晶の製造方法に関する。

半導体基板に用いられるシリコン単結晶を製造する方法には種々の方法があるが、そのなかでも回転引き上げ法として広く採用されているものにＣＺ法がある。
さらに、シリコン単結晶の低酸素濃度化や大口径結晶を容易に製造することなどを目的に、水平磁場を印加しながらＣＺ法でシリコン単結晶を引き上げるＨＭＣＺ法が広く知られている。

図７にＨＭＣＺ法によりシリコン単結晶を製造する装置１１５を示す。メインチャンバー１０１のほぼ中央に、黒鉛サセプタ１０５に保持された石英ルツボ１０４を設け、この黒鉛サセプタ１０５の底部中央を、回転および上下動自在の支持軸１１０で下方から支持する。
石英ルツボ１０４の中に原料の多結晶シリコンを充填し、これを、保温筒１０７で囲まれた抵抗加熱ヒーター（以下、ヒーターともいう）１０６により加熱・溶融してシリコン融液１０３とする。シリコン融液１０３の上方には一般的にパージチューブや輻射シールド、ヒートキャップ等と呼ばれる熱遮蔽体１１１が設置される。
メインチャンバー１０１の天井中央には開口部１１２を有し、これに接続したサブチャンバー１１３の中を通って、先端に種結晶１１４を保持した回転および上下動自在の引上げ軸１０９を設ける。

単結晶引上げに際しては、磁場印加装置１０８によりシリコン融液１０３に水平磁場を印加しつつ、引上げ軸１０９を降下させ、種結晶１１４をシリコン融液１０３に浸漬した後、引上げ軸１０９及び石英ルツボ１０４を回転させながら種結晶１１４を引き上げることにより、その下に棒状のシリコン単結晶１０２を成長させることができる。

一般的に、ＨＭＣＺ法によりシリコン単結晶を引き上げる場合、融液の熱対流が抑制されることにより、石英ルツボからのＳｉＯ溶解量及び融液対流によってＳｉＯが結晶成長界面に運ばれる量が抑制されるため、低酸素濃度のシリコン単結晶が得られるとされており、印加する水平磁場の磁束密度が大きいほどその効果は大きくなるということが知られている。

ここで、ＨＭＣＺ法における結晶中酸素濃度の制御に関しては、従来の磁場印加の無い通常ＣＺ法とは異なる挙動を示すことがあり、低酸素濃度かつ成長軸方向に酸素濃度が安定したシリコン単結晶を得ることが難しい。
特許文献１においては、中性子照射用のＨＭＣＺ低酸素濃度シリコン単結晶に関して、不活性ガス流量と炉内圧力の変化による酸素濃度の挙動が通常ＣＺ法とは真逆であり、不活性ガス流量を炉内圧力で除した値を比流速と定義し、これを１．０以下とすることで低酸素濃度の単結晶が得られることを示しているが、こうしたＨＭＣＺ法における特異な酸素濃度挙動の原因を解明するには至っていない。

特開２００４−１９６５６９号公報

Ｊｏｕｒｎａｌ ｏｆ Ｃｒｙｓｔａｌ Ｇｒｏｗｔｈ ３１８（２０１１）２９８−３０３

上記のような問題点に鑑み、本発明者はＨＭＣＺ法における酸素濃度について調査を行った。
以下に、本発明者の調査によるＨＭＣＺ法における特異な酸素濃度挙動の例を示す。なお、酸素濃度は結晶中心部におけるものである。
＜ケース１＞
図８にＨＭＣＺ法にて結晶回転数（ＳＲ）を変化させた際のシリコン単結晶の酸素濃度を示す。
磁場を印加しない通常のＣＺ法では結晶回転の増加による結晶中心部の酸素濃度の変化は無く、結晶周辺部の酸素濃度が上昇して面内均一性が改善されるというのが従来知見であるが、ＨＭＣＺ法では結晶回転を増加させると、ある回転速度から結晶中心酸素濃度が上昇する現象や、成長後半部で急激に高酸素濃度化するなど成長軸方向に不安定な挙動を示した。

＜ケース２＞
図９にＨＭＣＺ法にて融液直上に設置された熱遮蔽体の下端部分と融液との間隔ｄ’（図７参照）を変化させた際に得られたシリコン単結晶の酸素濃度を示す。
前記間隔ｄ’を小さくするほど結晶冷却を強化することができ、高速成長による生産性の向上を図ることが出来るが、間隔ｄ’を５０ｍｍ未満とした際に急激に結晶全長に亘って高酸素濃度化するという特異な現象が見られ、かつ成長軸方向に不安定な挙動を示すという、従来知見には無い現象が生じていた。

＜ケース３＞
図１０にＨＭＣＺ法にてメインチャンバーの炉内圧を変化させた際のシリコン単結晶の酸素濃度を示す。
ガス流速が増加する低炉内圧条件下では高酸素濃度化し、ガス流速が低下する高炉内圧条件下では低酸素濃度化するという、ＣＺ法による従来知見とは異なる結果であった。

また、結晶中に酸素が取り込まれる現象は以下のように説明される。
石英ルツボから溶解したＳｉＯの大部分はシリコン融液の自由表面から蒸発し、炉内に導入された不活性ガスによって炉外へと排出されるが、溶解したＳｉＯのわずかはシリコン融液の融液対流によって結晶成長界面へと運ばれ、偏析現象を伴いながら、製造するシリコン単結晶中へと取り込まれる。すなわち、結晶中の酸素濃度に影響する主な物理現象は、石英ルツボからの溶解、融液からの蒸発、融液対流、成長界面での偏析現象であり、ＨＭＣＺ法による特異な酸素濃度挙動は、水平磁場による対流抑制により顕在化した現象に起因すると考えるのが妥当である。

ここで、自然対流は融液の温度差に起因する浮力により生じる対流である。通常、結晶成長中は融液表面には結晶があり、かつ自由表面から輻射により熱エネルギーが放散されているため、融液表面は融液中部や底部に比べると低い温度となり、浮力による対流が生じる。融液中部・底部より周辺部を経て融液表面へと浮き上がり、表面周辺部から結晶のある表面中央へと流れ、中央付近で対向する流れと衝突して下方へと沈む流れである。この対流は融液表面を経てＳｉＯの蒸発を伴うことにより、比較的低酸素濃度の融液対流となる。

一方、強制対流は結晶回転により生じる融液対流と、石英ルツボ回転により生じる融液対流がある。結晶回転による融液対流は中部・底部から結晶成長界面へと巻き上げるような結晶成長界面の下方で前記自然対流とは対向する流れとなる。この融液対流はＳｉＯの蒸発を伴わないため、比較的高酸素濃度の融液対流となる。石英ルツボ回転による融液対流は石英ルツボと融液の界面近傍に生じる強制対流で従来より結晶中の酸素濃度に影響していることが知られており、酸素濃度制御に用いられている。

まず＜ケース１＞の結果について考察する。
通常のＣＺ法では自然対流が強いため、結晶成長界面の下方で自然対流と対向する結晶回転による融液対流を増加させても結晶中心部の酸素濃度は変化しない。しかしながら、ＨＭＣＺ法では水平磁場の印加により自然対流が抑制されているため、成長界面の下方では相対的に結晶回転による融液対流が強くなっており、結晶回転を速くすることで結晶回転による高酸素濃度の融液対流が支配的となって結晶成長界面へと到達するようになり、結晶の急激な高酸素濃度化をもたらすということを示唆している。小口径の結晶では問題になりにくく、結晶回転による融液対流がより大きくなる大口径の結晶でこの現象が顕在化しやすいことも、なんら矛盾していない。

また、＜ケース３＞の結果について考察する。
実際の操業データや総合伝熱解析ソフトによるシミュレーションより、炉内圧力の変更に伴う変化はガス流速のみであり、ヒーター電力、結晶成長界面温度勾配、融液温度分布にはほとんど影響を与えない、つまり、炉内の熱分布には影響していないことを示している。すなわちこの現象は、石英ルツボからのＳｉＯ溶解や熱分布の変化に伴う対流の変化に起因するものではなく、またその振る舞いから融液表面からのＳｉＯ蒸発に起因するものではないことは明白である。このことから、ガス流が融液対流強度に直接影響を与えているという推定が可能であり、ＨＭＣＺ法では水平磁場により自然対流を抑制しているので、ガス流速が大きい条件下においては、融液表面で自然対流と対向するガス流が、自然対流の流れを抑制するように作用し、相対的に結晶回転による融液対流が支配的となることで高酸素濃度化すると考えられる。
また、＜ケース２＞においても同様であり、間隔ｄ’を小さくすることで融液表面のガス流速が増加したことが原因と考えられる。

なお、非特許文献１によると、太陽電池用途として用いられるシリコン多結晶インゴットの製造過程において、Ａｒガス流が融液対流に与える影響が記載されている。そしてＡｒガス流速を増加させると、融液表面の自然対流と対向するＡｒガス流が自然対流を抑制するように作用することが報告されており、先述の推定の妥当性をより確立させる内容となっている。ただし、非特許文献１にはＨＭＣＺ法の酸素挙動に関する記述は無い。

本発明は、上記のような結晶中の酸素濃度挙動に関する問題点に鑑みてなされたものであって、ＨＭＣＺ法によって、結晶の成長軸方向において酸素濃度が安定した低酸素濃度のシリコン単結晶を製造することができる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に、本発明は、メインチャンバー内に石英ルツボを配設し、該石英ルツボを挟んで対向配備した磁場印加装置によって、石英ルツボ内に収容したシリコン融液に水平磁場を印加しつつ、シリコン融液からシリコン単結晶を引上げて製造するシリコン単結晶の製造方法であって、前記メインチャンバー内に導入されるガスの流れを整えるためのガス整流筒を前記引上げるシリコン単結晶を囲繞するようにシリコン融液面の上方に配設するとともに、該ガス整流筒のシリコン融液面側に遮熱部材を配設し、かつ、前記遮熱部材の最内径部分の最下端部と、前記シリコン融液面において前記最下端部から垂直位置にあたる部分からなる断面積Ｓを通過するガスの流速ｖ（ｍ／ｓ）と、前記引上げるシリコン単結晶の結晶回転数Ｒ（ｒｐｍ）とが、ｖ≦−０．１２Ｒ＋１．５２の関係式を満たすように、前記ガスの流速ｖおよび前記結晶回転数Ｒを制御しつつシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法を提供する。

本発明者は、前述した特異な酸素濃度挙動の現象に影響を与える主な原因は、自然対流の強度、結晶回転による融液対流の強度、融液表面上のガス流速であることを見出した。図６にこの関係を簡単に示す。図６（Ａ）にガス流速が適切な場合を示し、図６（Ｂ）にガス流速が不適切な場合を示す。図６（Ａ）ではガス流速が適切に制御されており自然対流が支配的な条件であり、図６（Ｂ）ではガス流速が不適切であるため結晶回転による強制対流が支配的となる条件である。

自然対流の強度は引上げ機構造やＨＺ構造から決まる炉内熱分布、及び磁場強度、磁場位置等により決まるが、結晶回転による強制対流の強度は結晶径の他、結晶回転数（結晶回転速度）で決まる。また酸素濃度挙動が不安定化するかどうかはガス流速と密接な関係を有する。
そこで、本発明のＨＭＣＺ法による製造方法のように、上記ガス整流筒および遮熱部材を配設するとともに、上記関係式を満たすように、メインチャンバー内に導入されるガスの流速ｖおよび前記結晶回転数Ｒを制御しつつシリコン単結晶を製造すれば、結晶成長軸方向において安定した酸素濃度を有する低酸素濃度のシリコン単結晶を製造することが可能である。従来では特異な酸素濃度挙動の現象が顕在化し得るような磁場強度、磁場位置、結晶径の条件であったとしても、本発明であれば上記のような高品質のシリコン単結晶を得ることが可能になる。

このとき、前記遮熱部材の最内径部分の最下端部と、前記シリコン融液面において前記最下端部から垂直位置にあたる部分からなる断面積Ｓを通過するガスの流速ｖの制御を、前記ガスの流量、前記メインチャンバーの炉内圧、前記遮熱部材の最下端部と前記シリコン融液面との間隔ｄ、前記遮熱部材の最下端部と前記遮熱部材の最内径部分の最下端部の垂直方向高さの差分ｈのいずれか１つ以上を調整することにより行うことができる。
このようにすれば、上記ガスの流速ｖの制御を簡便に行うことができる。

前記遮熱部材の最内径部分の最下端部と、前記シリコン融液面において前記最下端部から垂直位置にあたる部分からなる断面積Ｓを通過するガスの流速ｖを制御するとき、
前記ガスの流量を５０〜３００ｌ／ｍｉｎに調整し、前記メインチャンバーの炉内圧を１００〜３００ｈＰａに調整し、前記遮熱部材の最下端部と前記シリコン融液面との間隔ｄを１０〜５０ｍｍに調整し、前記遮熱部材の最下端部と前記遮熱部材の最内径部分の最下端部の垂直方向高さの差分ｈを０〜１５０ｍｍに調整することができる。

このようにガス流量を５０ｌ／ｍｉｎ以上に調整することで、ＳｉＯの排出不足による操業性の悪化をより防ぐことができる。また、ガスによる熱伝達が減少することで結晶冷却効率が低下してしまい、その冷却効率の低下のために引上速度が低下するのをより防ぐことができる。
またガス流量を３００ｌ／ｍｉｎ以下に調整することで、流量が高すぎることでＳｉＯ等の異物がシリコン融液表面に落下するなどして操業性が低下するのをより防ぐことができる。

また、炉内圧を１００ｈＰａ以上に調整することで、ガス流速の増加により酸素濃度の制御が不安定になるのをより防ぐことができる。
一方炉内圧を３００ｈＰａ以下に調整することで、ＳｉＯの排出不足による操業性の悪化をより防ぐことができる。

さらに、上記間隔ｄを１０〜５０ｍｍのような比較的狭い範囲とすることで、結晶冷却効率が上昇し、引上速度を上げることができ、生産性を向上させることができる。

さらに、上記差分ｈを調整することで前記遮熱部材の形状を、図２（Ａ）に示すように内側下端部をテーパー状としたり、図２（Ｂ）に示すように水平のものとしたりできる。テーパー形状の方が結晶近傍のシリコン融液面上のガス流速を低下させることができ、結晶中の酸素濃度を安定化させやすいが、テーパー面は前記シリコン融液からの輻射熱を反射して結晶を温めるように作用するため、結晶冷却効率を低下させ、引上速度の低速化に伴う生産性の低下を招くため、上記差分ｈは０〜１５０ｍｍの範囲で調整するのが好ましい。

また、前記印加する水平磁場の中心磁場強度を２０００Ｇ以上に制御し、かつ、前記シリコン融液の深さをＬとしたとき、前記シリコン単結晶の引上げを開始するときの水平磁場中心の垂直方向における位置を、シリコン融液面から、Ｌ／４から３Ｌ／４までの深さに制御することができる。

このような範囲に水平磁場の中心磁場強度や水平磁場中心の位置を制御することで、効率的にシリコン融液の融液対流を抑制することができ、より確実に低酸素濃度のシリコン単結晶を製造することができる。

また、前記引上げるシリコン単結晶を直径が３００ｍｍ以上のものとし、かつ、直胴部において、コーン部から２０ｃｍ以降の部位の酸素濃度を狙い値に対して±０．８ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）以内に制御することができる。
酸素濃度をこのような範囲内に制御すれば、成長軸方向において十分に安定した、より高品質の大口径シリコン単結晶を得ることができる。

以上のように、本発明によれば、結晶成長軸方向において安定した酸素濃度を有する低酸素濃度のシリコン単結晶を製造することができる。

本発明を実施可能なシリコン単結晶製造装置の一例を示す概略図である。 遮熱部材の形状例を示す概略図である。 結晶回転数、ガス流速、酸素濃度の安定性の関係を示すグラフである。 シリコン単結晶中の成長軸方向における酸素濃度分布を示すグラフである。（Ａ）遮熱部材の最下端部と遮熱部材の最内径部分の最下端部の垂直方向高さの差分ｈ＝６０の場合であり、（Ｂ）ｈ＝０の場合である。 実施例および比較例における結晶成長軸方向における酸素濃度分布の例を示すグラフである。 ガス流速、自然対流、強制対流の関係を示す説明図である。（Ａ）ガス流速が適切な場合であり、（Ｂ）ガス流速が不適切な場合である。 従来のシリコン単結晶製造装置の一例を示す概略図である。 ＨＭＣＺ法にて結晶回転を変化させた際のシリコン単結晶の酸素濃度の一例を示すグラフである。 ＨＭＣＺ法にてシリコン融液直上に設置された熱遮蔽体の下端部とシリコン融液面との間隔を変化させた際に得られたシリコン単結晶の酸素濃度の一例を示すグラフである。 ＨＭＣＺ法にてメインチャンバーの炉内圧を変化させた際のシリコン単結晶の酸素濃度の一例を示すグラフである。

以下、本発明について、実施態様の一例として、図を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
図１に本発明のシリコン単結晶の製造方法を実施可能なシリコン単結晶製造装置の一例を示す。
シリコン単結晶製造装置１５においては、メインチャンバー１のほぼ中央に、黒鉛サセプタ５に保持された石英ルツボ４が設けられており、この黒鉛サセプタ５の底部中央が、回転および上下動自在の支持軸１０で下方から支持されている。
石英ルツボ４の中には原料の多結晶シリコンが充填されており、保温筒７で囲まれた抵抗加熱ヒーター（以下、ヒーターともいう）６により加熱・溶融してシリコン融液３となっている。

また、メインチャンバー１の天井中央には開口部１２を有し、これに接続したサブチャンバー１３の中を通って、先端に種結晶１４を保持した回転および上下動自在の引上げ軸９（ワイヤ等）が設けられている。なお、該引上げ軸９には不図示の引上げ機構および回転機構が備えられており、種結晶１４および育成されたシリコン単結晶２を引上げ速度を自在に変更して引上げたり、結晶回転数（結晶回転速度）を自在に変更して回転させることができる。

また、サブチャンバー１３には、操業中に、サブチャンバー１３を通してメインチャンバー１内に不活性ガス等を導入するための不図示のガス導入口が設けられている。一方でメインチャンバー１には導入されたガスを炉内から排出するための不図示のガス排出口が設けられている。ガス流量は適宜変更することができ、それにより、メインチャンバー１の炉内圧を変更できるようになっている。

また、メインチャンバー１の周囲には、石英ルツボ４を挟んで対向するように磁場印加装置８が配備されている。該磁場印加装置８によって石英ルツボ４内のシリコン融液３に水平磁場を印加することが可能である。

さらに、石英ルツボ４内のシリコン融液３の上方には熱遮蔽体１１が設置されている。該熱遮蔽体１１は、メインチャンバー１内に導入されるガスの流れを整えるための円筒形状のガス整流筒１６と、該ガス整流筒１６のシリコン融液面側に配設されたリング状の遮熱部材１７からなっている。これらのガス整流筒１６や遮熱部材１７については特に限定されず、例えば従来と同様のものを用いることができる。

ここで、遮熱部材１７について詳述する。
前述したように、遮熱部材１７の形状例としては、図２のようにシリコン融液面側において内側がテーパ形状になっているものや、水平になっているものとすることができる。
また、遮熱部材１７の配設位置に関しても特に限定されない。
遮熱部材１７の形状や配設位置は適宜決定することができ、それによって、前述した関係式（ｖ≦−０．１２Ｒ＋１．５２）が満たされるように、遮熱部材の最下端部とシリコン融液面との間隔ｄや、遮熱部材の最下端部と遮熱部材の最内径部分の最下端部の垂直方向高さの差分ｈを適切に調整することが可能になっている。

次に、本発明のシリコン単結晶製造方法について説明する。
石英ルツボ内に充填した多結晶シリコンをヒーター６で加熱・溶融してシリコン融液３を得る。そして、メインチャンバー１内に不活性ガス（Ａｒなど）を導入しつつ、また磁場印加装置８によりシリコン融液３に水平磁場を印加しつつ、引上げ軸９を降下させ、種結晶１４をシリコン融液３に浸漬した後、引上げ軸９及び石英ルツボ４を回転させながら種結晶１４を引き上げることにより、その下に棒状のシリコン単結晶２を成長させる。

このシリコン単結晶２の育成の際、本発明では上記関係式（ｖ≦−０．１２Ｒ＋１．５２）を満たすように、ガスの流速ｖ（ｍ／ｓ）とシリコン単結晶２の結晶回転数Ｒ（ｒｐｍ）を制御しつつ行う。
この制御について以下に詳述する。
ＨＭＣＺ法に関して本発明者が従来問題となっていた結晶成長軸方向の特異な酸素濃度挙動について鋭意調査を行ったところ、育成するシリコン単結晶の結晶回転数や、メインチャンバー内に導入され、遮熱部材の最内径部分の最下端部と、シリコン融液面において前記最下端部から垂直位置にあたる部分からなる断面積Ｓを通過するガスの流速が大きく影響していることが分かった。

図３は、上記結晶回転数Ｒとガス流速ｖを様々に変化させて、実際にシリコン単結晶を引上げたときの、成長軸方向における酸素濃度の安定性を調査した結果である。図３のグラフ中、酸素濃度に関して、狙い値のように低濃度になり、かつ、成長軸方向においてばらつきが抑制されて安定している場合を○印で示している。より具体的には、図３に示す例は、直径３００ｍｍのシリコン単結晶を引上げた場合であり、酸素濃度の安定性に関しては、直胴部において、コーン部から２０ｃｍ以降（シリコン単結晶長さ２０ｃｍ以上）の部位の酸素濃度を狙い値に対して±０．８ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）以内に制御できたものを合格品とし、○印で示している。
一方、狙いよりも高濃度であったり、成長軸方向においてばらつきが大きい場合を×印で示している。
図３から分かるように、上記関係式（ｖ≦−０．１２Ｒ＋１．５２）を満たす場合に高品質のシリコン単結晶が得られている。
本発明では上記関係式を満たすような制御のもとでシリコン単結晶を製造するので、上記のような成長軸方向に安定した酸素濃度分布を有する低酸素濃度のシリコン単結晶を得ることができる。

なお、ガス流速ｖは以下のようにして算出することができる（特開平６−２７１３８４号公報参照）。
図１において、リング状の遮熱部材の最内径部の最下端部１８における半径をｒとすると、該最下端部１８から垂直下のシリコン融液面の部分２０までの距離はｄ＋ｈであることから、最下端部１８とシリコン融液面の部分２０で囲まれる断面積Ｓは数式１により求められる。

また、一般に、常圧におけるガスの圧力Ｐ、体積Ｖと減圧状態における圧力Ｐ’、体積Ｖ’との関係は数式２で示されるが、これを減圧状態における体積Ｖ’を求める数式３に変形する。

前記数式３で示した体積Ｖ’を１秒間に断面積Ｓを通過するガス体積（ｍ^３／ｓ）として断面積Ｓ（ｍ^２）で除することにより、ガス流速ｖ（ｍ／ｓ）を求めることが出来る。これにより得られる式を数式４として示す。

ここで圧力の単位をｈＰａとし、サブチャンバーから流入する不活性ガスの流量の単位（Ｌ／ｍｉｎ）を先述の体積Ｖの単位（ｍ^３／ｓ）に換算すると、数式５となる。なお、数式５における、ｒ、ｄ、ｈの単位は（ｍ）である。

また、結晶回転数Ｒの制御は、引上げ軸の回転制御により調整することができる。
一方、ガス流速ｖの制御は、例えばサブチャンバー内に導入するガス流量や、メインチャンバーの炉内圧、さらには遮熱部材の最下端部とシリコン融液面との間隔ｄ、遮熱部材の最下端部と遮熱部材の最内径部分の最下端部の垂直方向高さの差分ｈのいずれか１つ以上を調整することにより行うことができる。これらを調整することで、簡便にガス流速ｖを制御することが可能である。

ここで、上記断面積Ｓに関して、遮熱部材の最内径部分の最下端部を基準とする理由について説明する。
図２（Ａ）に示す形状の遮熱部材は差分ｈ＞０とすることで内側下端部がテーパー形状となっており、図２（Ｂ）に示すｈ＝０とした水平のものよりも断面積Ｓが大きく、すなわち、同じガス流量、炉内圧、間隔ｄであっても図２（Ａ）の方が結晶近傍のシリコン融液面のガス流速を抑制することができている。
図４にｈのみを変化させた場合のシリコン単結晶の酸素濃度を示す。（Ａ）はｈ＝６０ｍｍとした場合のグラフ、（Ｂ）はｈ＝０ｍｍとした場合のグラフである。（Ａ）では低酸素濃度で軸方向に安定した酸素濃度のシリコン単結晶が得られたのに対し、（Ｂ）では高酸素濃度で軸方向に不安定な酸素濃度となった。この結果は、最も断面積が小さくなる（すなわちシリコン融液面上で最もガス流速が大きくなる）結晶近傍のシリコン融液面のガス流速が酸素濃度の安定性に大きく影響していることを示しており、断面積Ｓを遮熱部材の最内径部分の最下端部に規定することの妥当性を証明するものである。

またこのとき特にはガスの流量を５０〜３００ｌ／ｍｉｎに調整するのが好ましい。
ガス流量を５０ｌ／ｍｉｎ以上に調整することで、ＳｉＯの排出不足による操業性の悪化をより防ぐことができる。また、結晶の冷却効率の低下を防ぎ、結晶の引上速度が低下するのをより防ぐことができる。
またガス流量を３００ｌ／ｍｉｎ以下に調整することで、流量が高すぎることでＳｉＯ等の異物がシリコン融液表面に落下するなどして操業性が低下するのをより防ぐことができる。

また、メインチャンバーの炉内圧を１００〜３００ｈＰａに調整するのが好ましい。
炉内圧を１００ｈＰａ以上に調整することで、ガス流速の増加により酸素濃度の制御が不安定になるのをより防ぐことができる。
一方炉内圧を３００ｈＰａ以下に調整することで、ＳｉＯの排出不足による操業性の悪化をより防ぐことができる。

さらには、遮熱部材の最下端部とシリコン融液面との間隔ｄを１０〜５０ｍｍに調整するのが好ましい。
このような比較的狭い範囲とすることで、結晶冷却効率が上昇し、引上速度を上げることができ、生産性を向上させることができる。

さらに、遮熱部材の最下端部と遮熱部材の最内径部分の最下端部の垂直方向高さの差分ｈを０〜１５０ｍｍの範囲で調整することが好ましい。
テーパー形状の方が結晶近傍のシリコン融液面上のガス流速を低下させることができ、結晶中の酸素濃度を安定化させやすいが、テーパー面による輻射熱の反射により結晶が温められ、結晶冷却効率を低下に伴う生産性の低下を招くためである。

また、特には、印加する水平磁場の中心磁場強度を２０００Ｇ以上に制御するのが好ましい。さらには、シリコン融液の深さをＬとしたとき、シリコン単結晶の引上げを開始するときの水平磁場中心の垂直方向における位置を、シリコン融液面から、Ｌ／４から３Ｌ／４までの深さに制御するのが好ましい。
印加する水平磁場の条件は特に限定されないものの、このように制御することで、効率的な融液対流の抑制を図ることができ、より確実に低酸素濃度のシリコン単結晶を製造することができる。このような低酸素濃度化（例えば１３ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）以下）を図る場合、従来では酸素濃度が不安定化したが、本発明では上記関係式を満たしながらシリコン単結晶を製造するので、従来と異なり、成長軸方向における酸素濃度の安定化も同時に図ることができる。

なお、引上げるシリコン単結晶の直径等も特に限定されず、所望の直径を有するものを製造することができる。結晶回転による融液対流が大きくなり、酸素濃度の不安定化が顕在化しやすくなる、３００ｍｍ以上の直径を有するような大口径のものを製造する場合に本発明は特に有効である。
また、酸素濃度の安定性の基準は特に限定されないが、例えば、図３の場合のように、コーン部から２０ｃｍ以降（シリコン単結晶長さ２０ｃｍ以降）の部位において、狙い値に対して±０．８ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）以内におさまるのを基準とすることができる。このような基準を達成することができれば、酸素濃度分布に関して十分に高品質なものといえる。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例）
図１に示した装置を用い、本発明によりシリコン単結晶を製造した。
３８０ｋｇの多結晶シリコンを直径８１ｃｍの石英ルツボにチャージし、多結晶シリコンを溶解した。磁場印加装置によって水平磁場を中心磁場強度が０．２〜０．４Ｔ（２０００〜４０００Ｇ）となるように適宜印加し、シリコン融液の熟成工程を経て、＜００１＞面を有する種結晶をシリコン融液に浸した。このときのメインチャンバーに導入するＡｒ流量は２００ｌ／ｍｉｎ、メインチャンバー内の圧力は排気管に抵抗を設けることにより５０ｈＰａに調整した。そして、ネッキング後に所望の直径３００ｍｍまで拡径させた。その後、製品部である定径の比抵抗が１０Ω・ｃｍに調整されたボロンドープの直径３００ｍｍのシリコン単結晶を育成した。

なお、間隔ｄの値を３０ｍｍとなるように遮熱部材を配設し、炉内圧力（１００〜２００ｈＰａ）、ガス流量（１００〜２５０ｌ／ｍｉｎ）、差分ｈ（０〜１００ｍｍ）及び結晶回転数（６〜１０ｒｐｍ）を変化させることにより、製品部の成長条件を、断面積Ｓを通過するＡｒのガス流速ｖ（ｍ／ｓ）と結晶回転数Ｒ（ｒｐｍ）との関係が関係式（ｖ≦−０．１２Ｒ＋１．５２）を満たすような範囲内で制御しながら７本のシリコン単結晶を育成した。

そして育成した結晶中の酸素濃度を測定して、結晶回転数、ガス流速、酸素濃度の安定性の関係を調査したところ、図３の○印と同様の結果が得られた。
また、例として、図３において長丸で囲った部分の２つの○印のケースについて、成長軸方向における酸素濃度分布を図５に示す。図５に示すように、酸素濃度は狙い値（１２ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ））に沿っており、成長軸方向において安定して分布していることが分かる。

（比較例）
図７に示した装置を用い、従来法でシリコン単結晶を製造した。
コーン部までは実施例と同様の条件とし、製品部の成長条件は実施例とは異なるようにしてシリコン単結晶の製造を行った。
具体的には、間隔ｄの値を３０ｍｍとなるように遮熱部材を配設し、炉内圧力（８０〜１２０ｈＰａ）、ガス流量（１００〜２５０ｌ／ｍｉｎ）、差分ｈ（０〜６０ｍｍ）及び結晶回転数（６〜１０ｒｐｍ）を実施例とは異なる成長条件で、７本のシリコン単結晶を育成した。

なお、比較例の成長条件では、関係式（ｖ≦−０．１２Ｒ＋１．５２）を満たさない範囲（すなわち、ｖ＞−０．１２Ｒ＋１．５２）でシリコン単結晶を育成した。

そして育成した結晶中の酸素濃度を測定して、結晶回転数、ガス流速、酸素濃度の安定性の関係を調査したところ、図３の×印と同様の結果が得られた。
また、例として、図３において長丸で囲った部分の２つの×印のケースについて、成長軸方向における酸素濃度分布を図５に示す。図５に示すように、酸素濃度は狙い値（１２ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ））よりも比較的高濃度であったり、成長軸方向において、中盤〜後半部に急激に高濃度になってしまい、安定性を欠いていた。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

１…メインチャンバー、 ２…シリコン単結晶、 ３…シリコン融液、
４…石英ルツボ、 ５…黒鉛サセプタ、 ６…抵抗加熱ヒーター、
７…保温筒、 ８…磁場印加装置、 ９…引上げ軸、
１０…支持軸、 １１…熱遮蔽体、 １２…開口部、 １３…サブチャンバー、
１４…種結晶、 １５…シリコン単結晶製造装置、 １６…ガス整流筒、
１７…遮熱部材、 １８…遮熱部材の最内径部分の最下端部、
１９…シリコン融液面、
２０…遮熱部材の最内径部分の最下端部から垂直下のシリコン融液面の部分。

Claims (4)

1. メインチャンバー内に石英ルツボを配設し、該石英ルツボを挟んで対向配備した磁場印加装置によって、石英ルツボ内に収容したシリコン融液に水平磁場を印加しつつ、シリコン融液からシリコン単結晶を引上げて製造するシリコン単結晶の製造方法であって、
   前記引上げるシリコン単結晶を直径が３００ｍｍ以上のものとし、
   前記メインチャンバー内に導入されるガスの流れを整えるためのガス整流筒を前記引上げるシリコン単結晶を囲繞するようにシリコン融液面の上方に配設するとともに、該ガス整流筒のシリコン融液面側に遮熱部材を配設し、かつ、
   前記遮熱部材の最内径部分の最下端部と、前記シリコン融液面において前記最下端部から垂直位置にあたる部分からなる断面積Ｓを通過するガスの流速ｖ（ｍ／ｓ）と、前記引上げるシリコン単結晶の結晶回転数Ｒ（ｒｐｍ）とが、ｖ≦−０．１２Ｒ＋１．５２の関係式を満たすように、前記ガスの流速ｖおよび前記結晶回転数Ｒを制御しつつシリコン単結晶を製造することで、直胴部において、コーン部から２０ｃｍ以降の部位の酸素濃度を狙い値に対して±０．８ｐｐｍａ（ＪＥＩＤＡ）以内に制御することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
2. 前記遮熱部材の最内径部分の最下端部と、前記シリコン融液面において前記最下端部から垂直位置にあたる部分からなる断面積Ｓを通過するガスの流速ｖの制御を、前記ガスの流量、前記メインチャンバーの炉内圧、前記遮熱部材の最下端部と前記シリコン融液面との間隔ｄ、前記遮熱部材の最下端部と前記遮熱部材の最内径部分の最下端部の垂直方向高さの差分ｈのいずれか１つ以上を調整することにより行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶の製造方法。
3. 前記遮熱部材の最内径部分の最下端部と、前記シリコン融液面において前記最下端部から垂直位置にあたる部分からなる断面積Ｓを通過するガスの流速ｖを制御するとき、
   前記ガスの流量を５０〜３００ｌ／ｍｉｎに調整し、前記メインチャンバーの炉内圧を１００〜３００ｈＰａに調整し、前記遮熱部材の最下端部と前記シリコン融液面との間隔ｄを１０〜５０ｍｍに調整し、前記遮熱部材の最下端部と前記遮熱部材の最内径部分の最下端部の垂直方向高さの差分ｈを０〜１５０ｍｍに調整することを特徴とする請求項２に記載のシリコン単結晶の製造方法。
4. 前記印加する水平磁場の中心磁場強度を２０００Ｇ以上に制御し、かつ、
   前記シリコン融液の深さをＬとしたとき、前記シリコン単結晶の引上げを開始するときの水平磁場中心の垂直方向における位置を、シリコン融液面から、Ｌ／４から３Ｌ／４までの深さに制御することを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶の製造方法。

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