硅单晶的制造装置以及制造方法与流程

本发明涉及硅单晶的制造装置以及制造方法。

背景技术：

作为硅单晶的制造方法，公知有悬浮区熔法。

悬浮区熔法指的是下述方法：利用感应加热线圈加热由多晶硅构成的原料棒的一部分，形成熔融带区域，一边利用表面张力支承熔融带区域，一边使分别位于熔融带区域的上方以及下方的原料棒以及硅单晶向下方移动，从而使硅单晶逐渐生长。

作为使用这样的悬浮法的硅单晶制造装置的感应加热线圈，公知有形成为下表面的外缘位于比该下表面的内缘靠下侧的位置的形状的感应加热线圈（例如，参照文献1：日本特开2013-177254号公报）。

然而，如果利用文献1那样的装置使硅单晶生长，则存在下述可能：掺杂剂没有被充分地导入外周部，外周部的电阻率比中心部的电阻率高，硅单晶的与中心轴线正交的截面中的电阻率分布的均匀性恶化。

技术实现要素：

本发明的目的在于提供一种能够提高硅单晶的与中心轴线正交的截面中的电阻率分布的均匀性的硅单晶的制造装置以及制造方法。

本发明的发明人通过反复深入研究，获得了以下见解。

如图6所示，在硅单晶sm的生长中，从熔融带区域m中的双点划线所示的外周部m1至感应加热线圈41的下表面412的最短距离d1比从其它部分至下表面412的最短距离短。因此，外周部m1比其内侧的部分高温，上下方向的温度梯度也比该内侧的部分大。并且，因该温度梯度导致产生较强的对流c10。此外，除了对流c10之外还产生与熔融带区域m的温度分布对应的对流c。

如果在外周部m1产生较强的对流c10，则外周部m1中的掺杂气体的扩散边境层变薄，导入外周部m1的掺杂气体量减少。推测其结果是，外周部m1的电阻率变高，电阻率分布的均匀性变差。

本发明的发明人基于以上见解完成了本发明。

即，硅单晶的制造装置是使用悬浮区熔法的硅单晶的制造装置，其特征在于，具备：感应加热线圈，其具有使加热硅原料材料而获得的熔融带区域凝固而进行硅单晶的生长的功能，前述感应加热线圈形成为大致圆环状的、下表面的外缘位于比该下表面的内缘靠下侧的位置的形状；掺杂气体吹送机构，其向前述熔融带区域吹送掺杂气体；以及冷却气体吹送机构，其向前述熔融带区域中的比前述掺杂气体的供给位置靠下方的外周部吹送冷却气体。

本发明的硅单晶的制造方法是使用悬浮区熔法的硅单晶的制造方法，其的特征在于，使用感应加热线圈，前述感应加热线圈具有使加热硅原料材料而获得的熔融带区域凝固而进行硅单晶的生长的功能，形成为大致圆环状的、下表面的外缘位于比该下表面的内缘靠下侧的位置的形状；向前述熔融带区域吹送掺杂气体，并且向前述熔融带区域中的比前述掺杂气体的供给位置靠下方的外周部吹送冷却气体，在冷却前述外周部的同时使前述硅单晶生长。

根据本发明，向熔融带区域中的比掺杂气体的供给位置靠下方的外周部吹送冷却气体而冷却该外周部，从而能够使该外周部中的上下方向的温度梯度小于图6所示的结构。因此，该外周部的对流变弱（外周部停滞），掺杂气体的扩散边界层变厚，导入外周部的掺杂气体量增加。其结果是，外周部的电阻率变低，能够提高电阻率分布的均匀性。

优选的是，在本发明的硅单晶的制造装置中，前述感应加热线圈具有从前述大致圆环状的内缘至外缘设置的狭缝，前述冷却气体吹送机构配置成能够向位于下述范围的前述熔融带区域的外周部吹送前述冷却气体，在以连结前述感应加热线圈的中心与前述狭缝的前述外缘侧的端部的假想线为基准的情况下，所述范围是俯视观察时的与前述假想线所成的角度为135°以上225°以下的范围。

优选的是，在本发明的硅单晶的制造方法中，前述感应加热线圈具有从前述大致圆环状的内缘至外缘设置的狭缝，前述制造方法向位于下述范围的前述熔融带区域的外周部吹送前述冷却气体，在以连结前述感应加热线圈的中心与前述狭缝的前述外缘侧的端部的假想线为基准的情况下，所述范围是俯视观察时的与前述假想线所成的角度为135°以上225°以下的范围。

感应加热线圈所带来的熔融带区域的温度中的位于狭缝下方的部分最高。因此，即使向外周部中的位于狭缝下方的部分吹送冷却气体，也存在不能够冷却该外周部、不能够提高电阻率分布的均匀性的可能。

对此，在本发明中，通过向位于俯视观察时的与假想线所成的角度为135°以上225°以下的范围的熔融带区域的外周部，即，相对于感应加热线圈的中心与狭缝相反的一侧的部分且温度比狭缝下方低的部分吹送冷却气体，从而能够冷却外周部，能够提高电阻率分布的均匀性。

优选的是，在本发明的硅单晶的制造装置中，前述冷却气体吹送机构配置成能够向位于下述范围的前述熔融带区域的外周部吹送前述冷却气体，所述范围是与前述假想线所成的角度为175°以上185°以下的范围。

优选的是，在本发明的硅单晶的制造方法中，向位于与前述假想线所成的角度为175°以上185°以下的范围的前述熔融带区域的外周部吹送前述冷却气体。

根据本发明，通过向最大程度远离狭缝的部分且温度最低的部分吹送冷却气体，从而能够有效地冷却外周部，能够进一步提高电阻率分布的均匀性。

优选的是，在本发明的硅单晶的制造装置中，前述冷却气体吹送机构配置成能够向前述硅单晶的固液界面的外缘和比该外缘靠上方5mm的位置之间吹送前述冷却气体。

优选的是，在本发明的硅单晶的制造方法中，向与前述硅单晶的固液界面的外缘和比该外缘靠上方5mm的位置之间吹送前述冷却气体。

在向比固液界面的外缘靠下方的位置吹送冷却气体的情况下，由于几乎不存在直接吹送于熔融带区域的外周部的冷却气体，因此存在不能够冷却外周部的可能。此外，在向从固液界面的外缘向上方远离超过5mm的位置吹送冷却气体的情况下，存在不能够向外周部吹送适当的量的冷却气体、不能够冷却外周部的可能。

对此，根据本发明，通过向上述范围吹送冷却气体，能够有效地冷却外周部，能够提高电阻率分布的均匀性。

优选的是，在本发明的硅单晶的制造装置中，具备高度调整机构，前述高度调整机构调整前述冷却气体吹送机构的吹送位置的高度。

如果使用一个感应加热线圈制造多个硅单晶，则感应加热线圈劣化而加热能力下降。如果加热能力劣化，则熔融带区域变薄，固液界面上升，因此存在向比固液界面靠下方的位置吹送冷却气体、不能够冷却外周部的可能。

对此，在本发明中，能够根据感应加热线圈的劣化，将冷却气体吹送机构的吹送位置的高度调整为能够向外周部直接吹送冷却气体的位置，能够提高电阻率分布的均匀性。

优选的是，在本发明的硅单晶的制造方法中，从吹送前述冷却气体的冷却气体喷嘴的末端与前述外周部之间的距离为5mm以上15mm以下的位置，以500cc/min以上1000cc/min以下的流速吹送前述冷却气体。

根据本发明，在冷却气体喷嘴的末端与外周部之间的距离为5mm以上10mm以下的位置以小于500cc/min的流速吹送冷却气体的情况下，由于冷却气体量少，所以存在不能够充分地冷却外周部的可能。此外，在上述位置处以超过1000cc/min的流速吹送冷却气体的情况下，存在外周部中的冷却气体的吹送部分因骤冷而固化、硅单晶的形状崩塌的可能。

对此，在本发明中，通过在上述位置处以500cc/min以上1000cc/min以下的流速吹送冷却气体，能够充分地冷却外周部，能够提高电阻率分布的均匀性，并且能够抑制硅单晶的形状崩塌。

附图说明

图1是表示本发明的一实施方式所涉及的硅单晶的制造装置的示意图。

图2是冷却气体喷嘴相对于感应加热线圈的配置位置的说明图。

图3是表示熔融带区域中的对流的产生状况的示意图。

图4是表示本发明的实施例所涉及的实验1中的冷却气体喷嘴的配置位置与硅单晶的电阻率分布之间的关系的图表。

图5（a）是表示前述实施例所涉及的实验2中的冷却气体的吹送的有无与硅单晶的电阻率分布之间的关系的图表，表示吹送冷却气体的情况。

图5（b）是表示前述实施例所涉及的实验2中的冷却气体的吹送的有无与硅单晶的电阻率分布之间的关系的图表，表示不吹送冷却气体的情况。

图6是本发明的课题的说明图。

具体实施方式

［实施方式］

以下，参照附图对本发明的一实施方式进行说明。

〔硅单晶的制造装置的结构〕

如图1所示，硅单晶的制造装置1是使用悬浮区熔法（fz法）制造硅单晶sm的装置，具备上轴2、下轴3、加热机构4、单晶保持件5、掺杂气体吹送机构6、冷却气体吹送机构7、高度调整机构8以及室9。

上轴2将硅原料材料sl支承为能够旋转以及能够升降。

下轴3将籽晶sc支承为能够旋转以及能够升降。

加热机构4具备感应加热线圈41、高频电源42以及线圈冷却机构43。

感应加热线圈41具有使加热硅原料材料sl而获得的熔融带区域m凝固而进行硅单晶sm的生长的功能。

如图2所示，感应加热线圈41借助以铜或者银为主要成分的材料形成为在俯视观察时具有狭缝411的大致c字状。此外，如图3所示，感应加热线圈41的下表面412以其外缘位于比内缘靠下侧的位置的方式倾斜。感应加热线圈41的上表面413的外缘和内缘位于相同的高度。另外，上表面既可以以外缘位于比内缘靠上侧的位置的方式倾斜，也可以与下表面412平行。在感应加热线圈41的外周面中的c字状的两端侧（狭缝411附近）的位置设置有一对电源端子414。

高频电源42经由与电源端子414连接的导线421向感应加热线圈41流过高频电流fc。

线圈冷却机构43具备冷却水供给机构431，该冷却水供给机构431经由冷却水供给管432向感应加热线圈41的中空部415供给冷却水w，从而冷却感应加热线圈41，将该用于冷却的冷却水w从冷却水排出管433排出。

单晶保持件5支承伴随生长的进展而大型化的硅单晶sm。

掺杂气体吹送机构6构成为具备配置在感应加热线圈41的上表面413上的掺杂气体喷嘴61、与该掺杂气体喷嘴61的端部连接的掺杂气体瓶62、以及对从掺杂气体瓶62供给的掺杂气体的气体流量进行控制的掺杂气体流量控制机构63，掺杂气体吹送机构6能够经由掺杂气体喷嘴61向熔融带区域m吹送掺杂气体。

作为掺杂气体能够例示磷化氢、乙硼烷。

冷却气体吹送机构7向熔融带区域m中的比掺杂气体的气体供给位置靠下方的外周部吹送冷却气体。作为冷却气体能够例示氩气、氦气、氩气基中的磷化氢气体。

冷却气体吹送机构7具备配置于比感应加热线圈41的下表面412靠下侧的位置的冷却气体喷嘴71、与该冷却气体喷嘴71的端部连接的冷却气体瓶72、以及对从冷却气体瓶72供给的冷却气体的流量进行控制的冷却气体流量控制机构73。

优选的是，冷却气体喷嘴71如图2所示，配置成能够向位于下述范围或位置的熔融带区域m的外周部m1吹送冷却气体，在以连结感应加热线圈41的中心与狭缝411的外缘侧的端部的假想线l为基准（0°）的情况下，所述范围或位置优选是俯视观察时的假想线l与该冷却气体喷嘴71的中心轴线71c所成的角度（以下，称作“冷却位置角度”）θ为135°以上225°以下的范围，更加优选是θ为175°以上185°以下的范围，进一步优选是θ为180°的位置。在本实施方式中，冷却气体喷嘴71配置于图2中用实线表示的位置，向与冷却位置角度θ为180°的位置对应的外周部m1吹送冷却气体。

如图3所示，冷却气体喷嘴71以能够向硅单晶sm的固液界面sm1的外缘sm11和位于比该外缘sm11靠上方5mm的位置之间（图3所示的吹送范围高度d2为0mm以上5mm以下的范围）吹送冷却气体的方式配置。

冷却气体喷嘴71以能够从冷却气体喷嘴71的末端与熔融带区域m外周部的喷嘴分离距离d3为5mm以上15mm以下的位置以500cc/min以上1000cc/min以下的流速吹送冷却气体的方式配置。

如果喷嘴分离距离d3小于5mm，则存在下述可能：因冷却气体向熔融带区域m表面的作用导致熔融带区域m振动，熔液因吹送溢出的不良、骤冷而固化从而硅单晶sm崩塌。此外，如果喷嘴分离距离d3大于15mm，则熔融带区域m的冷却效果变小，硅单晶sm的电阻率分布的均匀化的提高的效果变小。

优选冷却气体喷嘴71的内径为1mm以上3mm以下。关于冷却气体喷嘴71的材质，如果以不与感应加热线圈41接触的方式使用，则优选为不锈钢，如果存在接触的可能性，则优选为至少可能与感应加热线圈41接触的部分是石英。

高度调整机构8调整冷却气体喷嘴71的吹送位置的高度。作为高度调整机构8能够例示使上部固定有冷却气体喷嘴71的该高度调整机构8升降这样的结构。在这种情况下，优选的是，冷却气体喷嘴71中的比利用高度调整机构8支承的部分靠冷却气体流量控制机构73侧的部分为柔性。

室9至少收容上轴2、下轴3、感应加热线圈41、单晶保持件5、掺杂气体喷嘴61以及冷却气体喷嘴71的一部分以及高度调整机构8。

〔硅单晶的制造方法〕

接下来，对使用上述的制造装置1的硅单晶sm的制造方法进行说明。

首先，如图1所示，将硅原料材料sl固定于室9内的上轴2，并且将籽晶sc（单晶）固定于下轴3。硅原料材料sl既可以是精炼甲硅烷等硅原料而获得的高纯度多晶硅，也可以是单晶硅。

此外，使用高度调整机构8，调整冷却气体喷嘴71的高度位置，使得吹送范围高度d2为0mm以上5mm以下的范围。优选参考之前不久的制造的批次中的外缘sm11的位置进行该高度位置调整。此外，高度位置的确认既可以使用相机的拍摄图像进行，也可以通过目视进行。

接下来，向室9内供给氩气，并且向感应加热线圈41流过高频电流fc，同时使冷却水在感应加热线圈41的中空部415中循环，利用感应加热线圈41使硅原料材料sl熔融，在该硅原料材料sl的下部形成熔融带区域m。然后，使熔融带区域m与籽晶sc接触，形成缩径的颈部从而实现无错位化。然后，在使上轴2和下轴3朝向相同方向或者相反方向旋转、同时感应加热线圈41的位置固定的状态下，利用掺杂气体吹送机构6向熔融带区域m吹送掺杂气体，同时使硅原料材料sl以及硅单晶sm下降，使熔融带区域m从硅原料材料sl的下端移动至上端，从而使硅单晶sm在籽晶sc上生长。

在上述的硅单晶sm的生长中，冷却气体吹送机构7向熔融带区域m中的比掺杂气体的供给位置靠下方的外周部m1吹送冷却气体，冷却该外周部m1。

借助该冷却，外周部m1中的上下方向的温度梯度比图6所示的情况小，如图3所示，在该外周部m1产生比对流c10弱的对流c1（在图3中，通过利用比图6的对流c10细的线图示对流c1，而表示对流c1比对流c10弱）。其结果是，掺杂气体的扩散边界层变厚，导入外周部m1的掺杂气体量增加。由于该导入的掺杂气体量的增加，外周部m1的电阻率变低，硅单晶sm的电阻率分布的均匀性提高。

此外，如图2所示，冷却气体吹送机构7从冷却位置角度θ为180°的位置朝向外周部m1吹送冷却气体。

在感应加热线圈41中的夹着狭缝411的两侧部分中，与其它部分不同，因相向电流fc1导致电流密度较高，因此与其它部分相比该部分的磁通密度最强。因此，外周部m1中的狭缝411的下方，也就是位于假想线l的下方的部分的温度最高。另一方面，外周部ｍ1中的相对于感应加热线圈41的中心与狭缝411相反的一侧的部分的下方，也就是位于冷却位置角度θ为180°的位置的下方的部分的温度最低。

在本实施方式中，通过向外周部m1中的温度最低的部分吹送冷却气体，而能够有效地冷却外周部m1，从而进一步提高电阻率分布的均匀性。

此外，冷却气体吹送机构7向固液界面sm1的外缘sm11和比外缘sm11靠上方3mm的位置之间吹送冷却气体。由此，能够向熔融带区域m的外周部m1直接吹送适当的量的冷却气体，从而能够有效地冷却外周部m1，进一步提高电阻率分布的均匀性。

而且，优选的是，冷却气体吹送机构7以500cc/min以上1000cc/min以下的流速将冷却气体朝向外周部m1吹送。

借助该流速控制，抑制如流速小于500cc/min的情况那样，因冷却气体量的不足导致不能够充分地冷却外周部m1的不良，抑制如流速超过1000cc/min的情况那样，因伴随外周部m1的骤冷的固化而导致硅单晶sm的形状崩塌的不良。

［变形例］

另外，本发明并不仅限定于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种改良以及设计的变更等。

例如，也可以通过使感应加热线圈41朝向上方移动，使熔融带区域m朝向硅原料材料sl的上端移动。

实施例

接下来，通过实施例以及比较例更加详细地说明本发明，但是本发明并不被这些例子所限定。

［实验1：关于冷却气体喷嘴的配置位置与硅单晶的电阻率分布之间的关系］

〔实验例1〕

首先，在图1所示的硅单晶的制造装置1中，将内径为1mm的冷却气体喷嘴71配置于冷却位置角度θ为115°、吹送范围高度d2为3mm、喷嘴分离距离d3为10mm的位置。并且，一边向熔融带区域m吹送掺杂气体、同时向外周部m1中的比掺杂气体的吹送位置靠下方的位置吹送流速为800cc/min的冷却气体，一边使直径为150mm的硅单晶sm生长。作为掺杂气体使用磷化氢，将硅单晶sm的目标电阻率设为50ω・cm。

按照上述条件制造一个硅单晶sm，从该硅单晶sm切出十张晶圆。并且，评价各晶圆中的面内电阻率的偏差。

作为偏差的评价指标，使用rrg（radialresistivitygradient，径向电阻率梯度）。rrg指的是用百分率表示在穿过晶圆的中心的直线上的多个位置测定的电阻率的最大值和最小值的差除以最小值所得的值。也就是说，如果将电阻率的最大值设为ρmax，将最小值设为ρmin，则rrg用下述式（1）表示。

rrg=（ρmax-ρmin）/ρmin×100（%）…（1）

并且，将全部晶圆中的rrg的平均值作为实验例1的rrg求出。

〔实验例2至6〕

除了将冷却位置角度θ在实验例2中设为154.5°，在实验例3中设为180°，在实验例4中设为205.5°，在实验例5中设为245°，在实验例6中设为270°以外，按照与实验例1相同的条件制造硅单晶sm，基于与实验例1相同张数的晶圆中的rrg的评价结果求出实验例2至6的rrg。

〔评价〕

在图4中表示实验例1至6的冷却位置角度与rrg之间的关系。

如图4所示，能够确认，冷却位置角度θ为180°的实验例3的rrg最小。实验例3的rrg最小的理由能够如以下那样推测。

外周部m1中的相对于感应加热线圈41的中心与狭缝411相反的一侧的部分的下方与其它部分相比温度最低。通过向该温度最低的部分吹送冷却气体，能够有效地冷却外周部m1，与实验例1、2、4至6相比，能够最大程度减弱对流c1。由此，能够推测：掺杂气体的扩散边界层变厚，导入外周部m1的掺杂气体量增加，电阻率分布的均匀性提高（rrg变小）。

此外，能够确认：随着冷却气体喷嘴71的配置位置从冷却位置角度θ为180°的位置沿着感应加热线圈41的周向靠近狭缝411，rrg变大。其理由能够如以下那样推测。

随着将冷却气体喷嘴71的配置位置从实验例3的位置沿着感应加热线圈41的周向靠近狭缝411的下方，外周部m1的温度变高，伴随于此，不能够有效地冷却外周部m1，对流c1也逐渐变强。其结果是，能够推测：随着靠近狭缝411的下方，导入外周部m1的掺杂气体量增加，电阻率分布的均匀性下降（rrg变大）。

另外，根据上述那样的电阻率分布变化的推测结果，能够推测：随着将冷却气体喷嘴71的配置位置从冷却位置角度θ为90°的位置靠近冷却位置角度θ为0°的位置，或者随着从270°的位置靠近360°（0°）的位置，rrg逐渐变大。

此外，能够推测：即使在冷却位置角度θ为0°的位置，由于感应加热线圈41的电流密度较高所以温度较高，冷却气体的吹送所带来的熔融带区域m的冷却效果变小，但是由于借助冷却气体冷却外周部m1，因此与不吹送冷却气体的情况相比，rrg变低电阻率分布的均匀性提高。

［实验2：关于冷却气体的吹送的有无和硅单晶的电阻率分布之间的关系］

〔实验例7〕

按照与实验1的实验例3相同的条件制造一个硅单晶sm，从该硅单晶sm切出十张晶圆。并且，在各晶圆中的穿过晶圆的中心的直线上的多个位置测定电阻率，评价面内电阻率的偏差。其结果在图5（a）中示出。

另外，图5（a）的纵轴（deviationfromtheaverageresistivity，与平均电阻率的偏差）将晶圆的所有测定点的电阻率的平均值设为0，表示各测定点从平均值偏差多少，基于以下的式（1）算出。

各测定点/所有测定点的平均值x100（%）…（1）

此外，图5（a）的横轴（position，位置）表示电阻率的测定位置，“center”表示晶圆的中心，“e5”表示距晶圆的外缘5mm的内侧的位置。

〔实验例8〕

除了没有将冷却气体向熔融带区域m的外周部m1吹送以外，按照与实验例7相同的条件制造一个硅单晶sm。并且，以与实验例7相同的方式对从各硅单晶sm切出的十张晶圆的电阻率进行测定，评价面内电阻率的偏差。其结果在图5（b）中示出。

〔评价〕

能够确认：如果比较图5（a）、图5（b）中用附图标记f表示的晶圆外周部的电阻率，则在从冷却位置角度θ为180°的位置对外周部m1进行吹送的实验例7中，外周部的电阻率与晶圆中心部的电阻率几乎相同，但是在不吹送冷却气体的实验例8中，外周部的电阻率比晶圆中心部的电阻率高大约10%。

据此能够确认：在向熔融带区域m的外周部m1吹送冷却气体的同时制造硅单晶sm，从而与不吹送冷却气体的情况相比，外周部的电阻率变低，能够提高电阻率分布的均匀性。