单晶硅的氧浓度推断方法及单晶硅的制造方法与流程

本发明涉及一种单晶硅的氧浓度推断方法及单晶硅的制造方法。

背景技术：

在单晶硅的制造中使用被称为提拉法(以下，也称为cz法)的方法。例如，在减压惰性(ar)气体环境中，使用电阻加热加热器等加热机构来熔融容纳在石英坩埚内的原料多晶硅。

将籽晶(晶种)浸渍于熔融后接近熔点的硅熔液表面(晶种熔液接触工序)，调节液温至籽晶与硅熔液融合的程度，在融合后，为了去除籽晶内的位错，在将籽晶向上方提拉的同时进行直径5mm左右的晶种压榨(颈部工序)。

在进行晶种压榨的颈部工序之后，调节液温及提拉速度的同时以圆锥状将晶体直径扩大直至成为产品直径(肩部形成工序)。当晶体直径达到产品直径之后，使成为产品的部分向铅垂方向生长恒定长度(直体部形成工序)，然后以圆锥状缩小晶体直径(尾部工序)，在直径变足够小的时候从熔液切开而结束工序。

在这种cz法中，希望推断提拉时的单晶硅的温度分布并制造品质优良的单晶硅。

因此，专利文献1中公开了一种如下技术，即，测量2种类以上的硅熔液的中心轴方向的温度分布，以使改变加热条件而测量到的2种类以上的中心轴方向的温度分布与通过包含各加热条件的三维对流的综合传热分析所得的硅熔液的中心轴方向的温度分布一致的方式调整乱流参数，在这基础上，通过综合传热分析推断单晶硅的温度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开2016-98147号公报

技术实现要素：

发明所要解决的技术问题

然而，即使通过上述专利文献1所记载的技术并根据综合传热分析来推断单晶硅的温度，但由于实际进行单晶硅的提拉时有几个对流模式，因此有无法提高推断准确度的问题。

本发明的目的在于提供一种能够掌握硅熔液内的对流模式并能够以高准确度推断单晶硅中的氧浓度的单晶硅的氧浓度推断方法及单晶硅的制造方法。

用于解决技术问题的方案

本发明的单晶硅的氧浓度推断方法是推断向石英坩埚内的硅熔液施加水平磁场并从所述硅熔液提拉的单晶硅内的氧浓度的单晶硅的氧浓度推断方法，其特征在于，通过提拉装置提拉所述单晶硅，所述提拉装置具有相对于包含晶体提拉轴及所述水平磁场的施加方向的面为非面对称的结构的热区形状，在所述单晶硅的颈部工序及肩部形成工序中的至少任一个工序中实施：测量所述热区形状的非面对称结构的位置处的所述硅熔液的表面温度的工序；以及根据所测量的所述硅熔液的表面温度以及预先准备的所述硅熔液的表面温度与所述单晶硅中的氧浓度的关系，推断所提拉的单晶硅的直体部中的氧浓度的工序。

在单晶硅的提拉中，在硅熔液内产生石英坩埚底部与硅熔液表面之间的对流。在没有施加水平磁场的状态下，当从石英坩埚上方观察时，该对流沿着石英坩埚的旋转方向以右旋转或左旋转旋转。若在该状态下施加水平磁场，则右旋转或左旋转的旋转受限制，石英坩埚底部与硅熔液表面之间的对流被固定为右旋转或左旋转的旋转。

在具有相对于包含提拉装置的晶体提拉轴及水平磁场的施加方向的平面为非面对称的结构的热区形状的提拉装置中，若在硅熔液表面的不活泼气体的流速低的位置上不活泼气体的流动方向与对流的旋转方向相反，则相反地在不活泼气体的流速高的位置上不活泼气体的流动方向成为与对流的旋转方向相同。

因此，若在不活泼气体的流速高的位置上不活泼气体的流动方向与对流的旋转方向相同，则由于硅熔液内的对流加速，因此促进底部的氧浓度高的部分的搅拌，所提拉的单晶硅中的氧浓度变高。

另一方面，若在非面对称结构的热区形状中的硅熔液表面的不活泼气体的流速高的位置上不活泼气体的流动方向与对流的旋转方向相反，则由于不活泼气体在抵消对流的旋转速度的方向上流动，因此变得难以搅拌硅熔液，单晶硅中的氧浓度变低。

根据以上内容，通过测量不活泼气体的流速低的位置处的硅熔液的表面温度可知硅熔液内的对流的旋转方向，因此根据预先准备的硅熔液的表面温度与单晶硅中的氧浓度的关系，能够以高准确度推断所提拉的单晶硅中的氧浓度。

本发明中，可考虑在所述热区形状的非面对称结构中，在配置为与所述硅熔液的表面间隔开的热屏蔽体的一部分上形成切口部。

根据本发明，由于仅通过在热屏蔽体的一部分上形成切口部能够形成硅熔液表面的不活泼气体的流速低的部分，能够容易形成热区形状的非面对称结构。

并且，若能够通过切口部形成热区形状的非面对称结构，则能够从外部用肉眼掌握不活泼气体的流速低的位置，因此能够容易进行硅熔液表面温度的测量。

本发明中，可考虑所述热区形状的非面对称结构改变配置为与所述硅熔液的表面间隔开的热屏蔽体的一部分的液面高度。

在此，能够通过加厚热屏蔽体的一部分的上下尺寸或设置高低差来改变热屏蔽体的液面高度。

根据本发明，由于通过仅加厚热屏蔽体的一部分的上下尺寸即可形成不活泼气体的流速低的部分，能够容易形成热区形状的非面对称结构。

本发明的单晶硅的制造方法是向石英坩埚内的硅熔液施加水平磁场并从所述硅熔液提拉单晶硅的单晶硅制造方法，其特征在于：实施上述任一个单晶硅的氧浓度推断方法，根据所推断的所述单晶硅的氧浓度，调整构成所述提拉装置的石英坩埚的旋转数、不活泼气体的流量及炉内压力中的至少任一个而进行所述单晶硅的提拉。

根据本发明，也能够享受与上述作用及效果相同的作用及效果。

附图说明

图1是表示本发明的第1实施方式所涉及的具有非面对称的热区形状的提拉装置的结构的示意图。

图2是表示所述实施方式的具有非面对称的热区形状的提拉装置的结构的示意平面图。

图3是表示所述实施方式的硅熔液的对流变化的示意图。

图4是表示所述实施方式的具有非面对称的热区形状的提拉装置中的氩气流动的示意图。

图5是表示所述实施方式的颈部长度与硅熔液温度的关系的图表。

图6是表示所述实施方式的单晶硅的直体长度与氧浓度的关系的图表。

图7是表示所述实施方式的单晶硅的氧浓度推断方法的流程图。

图8是表示本发明的第2实施方式所涉及的具有非面对称的热区形状的提拉装置的结构的示意图。

图9是表示本发明的实施例及比较例的颈部长度与硅熔液表面温度的关系的图表。

图10是表示本发明的实施例及比较例的提拉条件的调整方法的图表。

图11是表示本发明的实施例及比较例的提拉条件的调整方法的图表。

图12是表示本发明的实施例及比较例的单晶硅的直体长度与氧浓度的关系的图表。

具体实施方式

以下，根据附图对本发明的实施方式进行说明。

[1]第1实施方式

图1及图2中示出如下示意图，表示能够应用本发明的第1实施方式所涉及的单晶硅10的制造方法的单晶硅的提拉装置1的结构的一例。提拉装置1是利用提拉法提拉单晶硅10的装置，具备构成外周的腔室2以及配置在腔室2中心部的坩埚3。

坩埚3是由内侧的石英坩埚3a与外侧的石墨坩埚3b构成的双层结构，被固定在能够旋转及升降的支承轴4的上端部。

在坩埚3的外侧设置有包围坩埚3的电阻加热式加热器5，在其外侧沿着腔室2的内表面设置有隔热材料6。

在坩埚3的上方，在与支承轴4相同的轴上设置有向相反的方向或相同方向以规定的速度旋转的线材等晶体提拉轴7。该晶体提拉轴7的下端安装有籽晶8。

热屏蔽体12对于生长中的单晶硅10隔绝来自坩埚3内的硅熔液9、加热器5、坩埚3的侧壁的高温辐射热的同时，对于晶体生长界面的固液界面附近，抑制向外部的热扩散，担当控制单晶中心部及单晶外周部的提拉轴方向的温度梯度的作用。

并且，热屏蔽体12还发挥如下整流筒的作用，即，利用从炉上方导入的不活泼气体将来自硅熔液9的蒸发物排至炉外。

在腔室2的上部设有将氩气(以下，也称为ar气体)等不活泼气体导入至腔室2内的气体导入口13。在腔室2的下部设有通过驱动未图示的真空泵抽吸腔室2内的气体并将其排出的排气口14。

从气体导入口13导入至腔室2内的不活泼气体，在生长中的单晶硅10与热屏蔽体12之间下降并经过热屏蔽体12的下端与硅熔液9的液面之间的间隙后，流向热屏蔽体12的外侧，进一步地流向坩埚3的外侧，然后在坩埚3的外侧下降并从排气口14排出。

将水平磁场施加至提拉装置1。在图1中，水平磁场的磁力线是纸面正交方向。为了使热区形状相对于包含水平磁场的磁力线的施加方向及晶体提拉轴7的平面s为非面对称结构，在左侧的热屏蔽体12下端部形成切口部121。

并且，如图1所示，在腔室2的上部的切口部121的正上方，配置辐射温度计15，并如图2所示，能够以非接触的方式测量切口部121附近的测量点p中的硅熔液9的表面温度。

从气体导入口13供给的ar气体被供给至硅熔液9的表面，沿着液面流向石英坩埚3a的外侧。此时，流经切口部121的部分的ar气体的流速随着因切口部121导致间隙变大而变慢。另一方面，没有形成切口部的部分的ar气体的流速随着维持间隙小的状态而变快。

在使用这种提拉装置1制造单晶硅10的时候，在使腔室2内维持减压下的不活泼气体环境的状态下，通过加热器5的加热熔融填充于坩埚3中的多晶硅等固体原料，从而形成硅熔液9。

当在坩埚3内形成硅熔液9时，使晶体提拉轴7下降而将籽晶8浸渍于硅熔液9中，向规定方向旋转坩埚3及晶体提拉轴7的同时缓慢地提拉晶体提拉轴7，由此培育出与籽晶8相连的单晶硅10。

[2]实现本发明的背景

本发明的发明人知道，即使使用相同的提拉装置1，以相同的提拉条件进行提拉，也有被提拉的单晶硅10的氧浓度高的情况与氧浓度低的情况。以往，为了消除这种情况，重点调查了提拉条件等，但没找到牢固的解决方法。

然后，在进行调查的过程中，本发明的发明人发现，在将固体的多晶硅原料投入石英坩埚3a中并使其融化后，施加水平磁场并提拉单晶硅10的工序中，有以水平磁场的磁力线为轴从石英坩埚3a底部向硅熔液9表面旋转的对流。该对流的旋转方向有左旋转占优势的情况及左旋转占优势的情况这2种对流模式。

本发明的发明人推断为这种现象是由于以下的机制而发生的。

首先，如图3(a)所示，在不施加水平磁场，不旋转石英坩埚3a的状态下，由于在石英坩埚3a的外周附近加热硅熔液9，因此产生从硅熔液9的底部朝向表面的上升方向的对流。上升的硅熔液9在硅熔液9的表面被冷却，在石英坩埚3a的中心回到石英坩埚3a的底部，产生下降方向的对流。

在产生在外周部分上升、在中央部分下降的对流的状态下，由热对流引起的不稳定性使下降流的位置无秩序地移动而从中心偏离。

若在图3(a)的状态下施加水平磁场，则从石英坩埚3a的上方观察时的下降流的旋转慢慢地受限制，如图3(b)所示，被限制在从水平磁场中心的磁力线位置最偏离的位置。

若持续该状态而增大水平磁场的强度，则如图3(c)所示，下降流的右侧与左侧中的上升方向的对流强度发生变化，当为图3(c)时，下降流左侧的上升方向的对流占优势。

最后，如图3(d)所示，下降流右侧的上升方向的对流消失，左侧成为上升方向的对流，右侧成为下降方向的对流，并成为右旋转的对流。

另一方面，若使图3(a)的最初下降流位置向石英坩埚3a的旋转方向偏离180度相位，则下降流被限制在与图3(c)相位偏离180度的左侧位置，成为左旋转的对流。

因此，本发明的发明人推测，该右旋转、左旋转的对流与提拉装置1的炉内环境的非轴对称结构的组合是单晶硅10的氧浓度产生差异的原因。

根据以上内容，本发明的发明人认为，能够通过测量硅熔液9液面的表面温度来掌握硅熔液9内部的对流方向，并能够从提拉装置1的炉内环境的非面对称结构，以高准确度推断单晶硅10的氧浓度。

[3]单晶硅的氧浓度推断方法

图4中示出硅熔液9的对流的旋转方向与提拉装置1的非面对称的热区形状的关系。如上所述，在提拉装置1的热屏蔽体12的一侧形成有切口部121。即，提拉装置1具有相对于包含晶体提拉轴7及水平磁场的施加方向的平面s为非面对称的热区形状，而非面对称的热区形状是通过切口部121实现。

如图4(a)及图4(b)所示，辐射温度计15测量形成有切口部121的部分附近的硅熔液9的表面温度。

在融化固体的多晶硅后，施加磁场并提拉单晶硅10的工序中，若将形成有切口部121的热屏蔽体12设置于单晶硅10附近，则因切口部121而导致炉内的气体流量变不均匀。在热屏蔽体12的切口部121处，氩气的流量增加且流速加快。

认为单晶硅10的提拉过程中的硅熔液9的表层部因来自该表层的氧蒸发而成为低氧浓度区域9a。

在图4(a)的情况中，硅熔液9的对流为右旋转，相对于低氧浓度区域9a靠近单晶硅10的流动，流量及流速大的氩气流因切口部121而逆行，因此，单晶硅10变难以吸收低氧浓度区域9a，而成为高氧浓度。

另一方面，在图4(b)的情况中，硅熔液9的对流为左旋转，相对于低氧浓度区域9a靠近单晶硅的流动，流量及流速大的氩气流因切口部121变成顺方向，因此，单晶硅10变容易吸收低氧浓度区域9a，而成为低氧浓度。

确认到在单晶硅10的颈部(neck)工序中，由于硅熔液9的对流方向(右旋转或左旋转)的不同，用辐射温度计15测量的硅熔液9的表面温度如图5所示那样会产生明显的差异。图5中的附图标记4a为图4(a)的右旋转的情况，而图5中的附图标记4b为图4(b)的左旋转情况。由此，确认到通过测量硅熔液9的表面温度能够辨别硅熔液9的对流是右旋转或左旋转。

接着，根据在颈部工序中所测量到的硅熔液9的表面温度以ftir(fouriertransforminfraredspectroscopy，傅立叶变换红外分光光度计)测量所提拉的单晶硅10的直体部的氧浓度，如图6所示，确认到在直体部产生氧浓度差异。图6中的附图标记5a为图4(a)的右旋转情况，而图6中的附图标记5b为图4(b)的左旋转情况。

因此，确认到若利用图5及图6的关系，则在颈部工序中，通过测量硅熔液9的表面温度能够以高准确度推断所提拉的单晶硅10的直体部的氧浓度。另外，在本实施方式中，虽然在颈部工序中测量硅熔液9的表面温度，但本发明不限定于此。例如，也可以在单晶硅10的肩部形成工序中测量切口部121附近的硅熔液9的表面温度。总而言之，只要能够用辐射温度计15测量切口部121附近的硅熔液9的表面温度，则能够应用本发明。

[4]单晶硅的制造方法

接着，根据图7所示的流程图对本实施方式中的单晶硅的制造方法进行说明。

在上述单晶硅的提拉装置1中，将籽晶8浸渍于硅熔液9，而开始单晶硅10的提拉(工序s1)。

在籽晶8与硅熔液9融合之后将籽晶8向上方提拉的同时进行晶种压榨，开始进行颈部工序(工序s2)。

在开始进行颈部工序的同时，用辐射温度计15测量热所蔽体12的切口部121附近的硅熔液9的表面温度(工序s3)。

硅熔液9的表面温度的测量在颈部工序中持续实施，直到颈部工序结束为止(工序s4)。

当硅熔液9的温度测量结束时，根据预先准备的图5及图6的图表，推断单晶硅10中的氧浓度(工序s5)。

在推断提拉的单晶硅10中的氧浓度后，以使氧浓度落在产品规格内的方式，调整单晶硅10的直体部的提拉条件(工序s6)。具体而言，提拉条件的调整是通过调整坩埚3的旋转数、氩气流量、炉内压力来进行的。

当提拉条件的调整结束时，进行单晶硅10的直体部的提拉(工序s7)。

[5]第1实施方式的作用及效果

根据这种实施方式，通过用辐射温度计15测量硅熔液9的表面温度，能够推断所提拉的单晶硅10的氧浓度。即，在单晶硅10的提拉开始后，在颈部工序、肩部形成工序期间进行温度测量，能够以高准确度推断所提拉的单晶硅10的氧浓度。

因此，在单晶硅10的直体部的提拉之前调整提拉条件而能够进行氧浓度落在产品规格内的单晶硅10的提拉。

由于单晶硅的提拉装置1的非面对称的热区形状是通过在热屏蔽体12形成切口部121来实现，因此变得容易观察用辐射温度计15进行的硅熔液9的表面温度的测量位置，能够容易进行硅熔液9表面的温度测量。

[6]第2实施方式

接着，对本发明的第2实施方式进行说明。另外，在以下的说明中，对已经说明的部分等标注相同的附图标记并省略其说明。

在上述第1实施方式中，单晶硅的提拉装置1的非面对称的热区形状是通过在热屏蔽体12形成切口部121来进行。

相对于此，在本实施方式中，如图8所示，不同点在于通过将热屏蔽体12的下部的一部分改成壁厚部122来实现单晶硅的提拉装置1a的非面对称的热区形状。

在壁厚部122中，壁厚部122下端与硅熔液9液面之间的间隔比热屏蔽体12的其他部分小。若缩小该部分的间隔，则没有形成壁厚部122的相反的一侧的氩气的流量及流速会增加，成为与硅熔液9表面的低氧浓度区域9a靠近单晶硅10的方向相反的流动，单晶硅10难以吸收低氧浓度区域9a，而成为高氧浓度。

因此，通过这种本实施方式，也能够享受与上述作用及效果相同的作用及效果。

实施例

接着，对本发明的实施例进行说明。另外，本发明不限定于实施例。

通过第1实施方式所涉及的单晶硅的提拉装置1提拉了3条单晶硅10。在颈部工序中，用辐射温度计15测量切口部121附近的硅熔液9的表面温度，其结果成为示于图9中的结果。

如图9所示，在实验例a中，在颈部工序期间，硅熔液9的表面温度显示出高值。另一方面，在实验例b及实验例c中，在颈部工序期间，硅熔液9的表面温度显示出低值。

在实验例a中，如图4(a)所示，硅熔液9的对流是右旋转，推断单晶硅10的氧浓度变高。

另一方面，在实验例b、实验例c中，如图4(b)所示，硅熔液9的对流是左旋转，推断单晶硅10的氧浓度变低。在此，在实验例b中，如图10所示，将炉内压设定为比实验例a、实验例c高而进行了提拉。并且，在实验例b中，如图11所示，还将坩埚旋转数设定为比实验例a、实验例c高而进行了提拉。

测量了所提拉的单晶硅10的氧浓度，其结果成为示于图12中的结果。

实验例a如推断那样氧浓度变高。实验例c如推断那样氧浓度变低。

确认到实验例b通过调整炉内压、坩埚旋转数，相较于实验例c氧浓度上升。

根据以上内容，确认到在非面对称结构的单晶硅的提拉装置1中，通过用辐射温度计15测量切口部121附近的硅熔液9的表面温度，能够推断所提拉的单晶硅10的氧浓度。

并且，确认到在进行推断后，通过调整炉内压、坩埚旋转数等提拉条件，能够调整所提拉的单晶硅10的氧浓度。

附图标记说明

1-提拉装置，1a-提拉装置，2-腔室，3-坩埚，3a-石英坩埚，3b-石墨坩埚，4-支承轴，5-加热器，6-隔热材料，7-晶体提拉轴，8-籽晶，9-硅熔液，10-单晶硅，12-热屏蔽体，13-气体导入口，14-排气口，15-辐射温度计，121-切口部，122-壁厚部，p-测量点，s-包含晶体提拉轴及水平磁场的施加方向的面。

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