JP6162848B2 - 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。

ＣＺ法を実施するに際しては、初期液面の検出が重要であり、従来は、種結晶の先端がシリコン融液に接触したときの電気的導通を検出することによって初期液面の検出を行なってきた。例えば、特許文献１に記載されているように、先端の尖った種結晶を用いる場合、種結晶の先端がシリコン融液に接触するとすぐに熔けてしまうため、液面の正確な検出が困難である。

特許文献１では、先端の尖った種結晶以外に別の結晶片を準備し、この結晶片がシリコン融液に接触したときの電気的導通を検出することによって初期液面の検出を行なっているが、この方法だと装置構成が複雑になってしまう。

特開２００５−９７０５０号公報

また、先端の尖っていない種結晶を用いた場合でも、シリコン融液に接触したときにわずかに熔解することは避けられず、初期液面を正確に検出することは非常に困難である。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、初期液面を高精度に特定して、高精度なシリコン単結晶の引き上げ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、内表面側に透明シリカガラス層を有し、前記透明シリカガラス層よりも外表面側に気泡含有シリカガラス層を有するシリカガラスルツボ内に多結晶シリコンを充填し、前記多結晶シリコンを熔融させ、前記熔融によって得られたシリコン融液に種結晶を接触させた後に前記種結晶を引き上げる工程を備え、種結晶の引き上げ速度は、前記多結晶シリコンの質量と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、前記内表面の三次元形状は、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、前記内表面からの内表面反射光を検出することによって、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と、シリカガラスルツボの内表面の三次元形状に基づいてシリコン融液の初期液面を特定の位置にするように多結晶シリコンの質量を調整する、シリコン単結晶の製造方法が提供される。

シリコン単結晶の引き上げは、種結晶をシリコン融液に接触させるところから始まるので、種結晶を接触させる前の初期液面を特定することは極めて重要なプロセスである。しかし、従来技術で説明したように、種結晶とシリコン融液との電気的導通に基づいて初期液面を正確に特定することは困難である。

そこで、本発明者らは、従来とは発想を転換し、多結晶シリコンの質量とルツボの内表面の三次元形状に基づいて初期液面を特定するという発明を完成させた。

多結晶シリコンの質量が定まれば、その密度からシリコン融液の体積が特定される。そして、ルツボの内表面の三次元形状が定まれば、ルツボの任意の高さ位置までの容積が特定されるので、シリコン融液の高さ位置（すなわち初期液面）が決定される。
本発明の利点の１つは、多結晶シリコンを熔融させる前の段階でシリコン融液の初期液面が決定されることである。従って、例えば、シリコン融液の初期液面を特定の位置にするために、多結晶シリコンの質量を適宜調節することができ、シリコン融液の初期液面位置のバラツキを低減することができる。
また、内表面の三次元形状に基づいて、シリコン単結晶の引き上げ条件（引き上げ速度等）を決定することができるという利点もある。
また、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、初期液面を含む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、前記シリカガラスルツボの外表面に沿って外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、外部測距部からシリカガラスルツボの外表面に対してレーザー光を照射し、前記外表面からの外表面反射光を検出スルことによって、外部測距部と前記外表面の間の外表面距離を測定し、各測定点の三次元座標と、外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外表面の三次元形状を求める工程をさらに備える。

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）及び（ｂ）は、それぞれ、シリカガラスルツボに多結晶シリコンを充填した状態、及び多結晶シリコンを熔融させた状態を示す。 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、曲率が比較的大きいコーナー部１１ｂと、上面に開口した縁部を有する円筒状の側壁部１１ａと、直線または曲率が比較的小さい曲線からなるすり鉢状の底部１１ｃを有する。本発明において、コーナー部とは、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、図１（ａ）に示すように、ルツボ１１内に多結晶シリコン２１を充填し、この状態でルツボ１１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（ｂ）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の高さ位置Ｈ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の高さ位置Ｈが決定される。
シリコン融液２３の初期液面の高さ位置Ｈが決定された後は、種結晶の先端を高さ位置Ｈ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、シリコン単結晶を製造することができる。

＜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 (1)

1. 内表面側に透明シリカガラス層を有し、前記透明シリカガラス層よりも外表面側に気泡含有シリカガラス層を有するシリカガラスルツボ内に多結晶シリコンを充填し、
   前記多結晶シリコンを熔融させ、
   前記熔融によって得られたシリコン融液に種結晶を接触させた後に前記種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と、
   前記シリカガラスルツボの前記内表面の三次元形状に基づいてシリコン融液の初期液面を特定の位置にするように前記多結晶シリコンの質量を調整する、シリコン単結晶の製造方法。