阅读说明：本技术 单晶硅的制造方法、整流部件及单晶提拉装置 (method for producing single crystal silicon, rectifying member, and single crystal pulling apparatus ) 是由 小川福生 鸣嶋康人 前川浩一 川上泰史 于 2017-11-14 设计创作，主要内容包括：在本发明的单晶硅的制造方法中,在热屏蔽体(28)的下方配置具备包围单晶硅(SM)的圆环板状主体部(29A)的整流部件,在单晶硅(SM)的培育中,将腔室内部的压力控制为20kPa以上,保持使整流部件与掺杂剂添加熔液(MD)隔开的状态,将不活泼气体(G)导入到单晶硅(SM)与热屏蔽体(28)之间,将不活泼气体(G)分离为第1流通气体(G1)和第2流通气体(G2)。(In the method for manufacturing silicon single crystal, a rectifying member having an annular plate-like body portion (29A) surrounding silicon single crystal (SM) is disposed below a heat shield (28), the pressure inside a chamber is controlled to 20kPa or more during the growth of the silicon single crystal (SM), the rectifying member is kept in a state of being separated from a dopant addition Melt (MD), an inert gas (G) is introduced between the silicon single crystal (SM) and the heat shield (28), and the inert gas (G) is separated into a 1 st flow gas (G1) and a 2 nd flow gas (G2).)

单晶硅的制造方法、整流部件及单晶提拉装置

技术领域

本发明涉及一种单晶硅的制造方法、整流部件及单晶提拉装置。

背景技术

以往，已知有一种利用提拉(CZ)法制造单晶硅的方法(例如参考专利文献1)。

专利文献1的单晶提拉装置具备：管状体，在同轴上包围单晶硅；及气体整流部件，设置于该管状体的下端，并具有朝下方扩展的截头圆锥状表面。在管状体与气体整流部件的结合部附近设置有开口部。气体整流部件的内径设成比管状体的内径小。

在将锑(Sb)作为掺杂剂而制造单晶硅时，在100mbar(约10kPa)的减压下，使朝下方的不活泼气体的大部分从开口部沿气体整流部件的截头圆锥状表面流动，减少经由管状体内部而到达熔体表面的晶体固化部附近的不活泼气体，由此抑制SiO或Sb₂O₃的蒸发，提高晶体硅中的氧浓度。

现有技术文献

专利文献

专利文献1：日本特开平5-238883号公报

发明内容

发明所要解决的技术问题

在专利文献1的方法中，掺杂剂蒸发的减少效果并不充分。

本发明的目的在于提供一种能够减少掺杂剂的蒸发的单晶硅的制造方法、整流部件及单晶提拉装置。

用于解决技术问题的方案

本发明的单晶硅的制造方法使用了单晶提拉装置，该单晶提拉装置具备：坩埚；坩埚驱动部，使所述坩埚升降及旋转；加热部，加热所述坩埚而生成在硅熔液中添加有掺杂剂的掺杂剂添加熔液；提拉部，在使籽晶与所述掺杂剂添加熔液接触之后进行提拉，由此培育单晶硅；筒状热屏蔽体，在所述坩埚的上方以包围所述单晶硅的方式设置；腔室，容纳所述坩埚、所述加热部及所述热屏蔽体；及导入部，设置于所述腔室的上部，并将不活泼气体导入到所述腔室内部，所述单晶硅的制造方法的特征在于，在所述热屏蔽体的下方配置具备包围所述单晶硅的圆环板状主体部的整流部件，在所述单晶硅的培育中，将所述腔室内部的压力控制为20kPa以上，并且在保持使所述整流部件与所述掺杂剂添加熔液隔开的状态的同时，从上方将所述不活泼气体导入到所述单晶硅与所述热屏蔽体之间，将该不活泼气体分离为：第1流通气体，沿所述热屏蔽体与所述整流部件之间的第1流路而远离所述单晶硅；及第2流通气体，沿所述整流部件与所述掺杂剂添加熔液表面之间的第2流路而远离所述单晶硅。

根据本发明，将腔室内部的压力控制成比以往更高的压力即20kPa以上，由此在腔室内部挥发的掺杂剂的分压下降，并能够减少掺杂剂从掺杂剂添加熔液表面蒸发。并且，通过整流部件将不活泼气体分离为在热屏蔽体与整流部件之间流动的第1流通气体、及在整流部件与掺杂剂添加熔液表面之间流动的第2流通气体，由此第2流通气体的流量减少，因此能够减少掺杂剂从掺杂剂添加熔液表面蒸发。

本发明的单晶硅的制造方法优选配置所述主体部的内径比所述热屏蔽体的下端的内径更小的所述整流部件，从而形成位于所述主体部的比所述热屏蔽体的下端更靠内侧的位置的气体接收部，并将所述不活泼气体分离为：所述第1流通气体，沿所述气体接收部的上表面被引导到所述第1流路；及所述第2流通气体，通过比所述气体接收部更靠所述单晶硅侧并被引导到所述第2流路。

根据本发明，通过形成位于主体部的比热屏蔽体的下端更靠内侧的位置的气体接收部，能够增加第1流通气体的流量。其结果，减少第2流通气体的流量，因此能够进一步减少掺杂剂从掺杂剂添加熔液表面蒸发。

本发明的单晶硅的制造方法优选在保持所述第1流路的高度比所述第2流路的高度高的状态的同时，培育所述单晶硅。

根据本发明，通过保持第1流路的高度比第2流路的高度高的状态，能够增加第1流通气体的流量。其结果，减少第2流通气体的流量，因此能够进一步减少掺杂剂从掺杂剂添加熔液表面蒸发。

本发明的单晶硅的制造方法优选配置具备从所述主体部的外缘向斜上方外侧延伸的延伸部的所述整流部件，从而将所述第1流通气体引导到所述斜上方外侧。

根据本发明，能够通过延伸部使第1流通气体远离掺杂剂添加熔液表面附近，并能够减少流过掺杂剂添加熔液表面的不活泼气体。其结果，能够进一步减少掺杂剂从掺杂剂添加熔液表面蒸发。并且，在视为整流部件整体的情况下，其外侧向上方折弯，因此即使因进行单晶硅的培育而掺杂剂添加熔液减少，整流部件外侧的延伸部也不会与圆底等朝向底部缩径的底部形状坩埚的内表面接触，而能够持续进行提拉。

本发明的单晶硅的制造方法优选以使所述延伸部的上端位于比所述热屏蔽体的下端更靠上侧的位置的方式配置所述整流部件，从而通过所述延伸部抑制来自所述掺杂剂添加熔液、所述坩埚及所述加热部中的至少1个的辐射热经由所述第1流路而到达所述单晶硅。

根据本发明，延伸部的上端位于比热屏蔽体的下端更靠上侧的位置，由此能够抑制来自掺杂剂添加熔液、坩埚及加热部中的至少1个的辐射热经由热屏蔽体的下端与整流部件的主体部之间的第1流路而到达单晶硅。其结果，能够增大单晶硅的提拉方向的温度梯度。

本发明的单晶硅的制造方法优选配置在内部设置有隔热材料的所述整流部件，从而通过所述隔热材料抑制来自所述掺杂剂添加熔液、所述坩埚及所述加热部中的至少1个的辐射热到达所述单晶硅。

根据本发明，在整流部件内部设置有隔热材料，由此能够有效地抑制来自掺杂剂添加熔液、坩埚及加热部中的至少1个的辐射热到达单晶硅。

本发明的整流部件安装于单晶提拉装置，所述单晶提拉装置具备：坩埚；坩埚驱动部，使所述坩埚升降及旋转；加热部，加热所述坩埚而生成在硅熔液中添加有掺杂剂的掺杂剂添加熔液；提拉部，在使籽晶与所述掺杂剂添加熔液接触之后进行提拉，由此培育单晶硅；筒状热屏蔽体，在所述坩埚的上方以包围所述单晶硅的方式设置；腔室，容纳所述坩埚、所述加热部及所述热屏蔽体；及导入部，设置于所述腔室的上部，并将不活泼气体导入到所述腔室内部，所述整流部件的特征在于，具备：主体部，在所述热屏蔽体的下方形成为包围所述单晶硅的圆环板状，并在与所述热屏蔽体之间形成第1流路，并且在与所述掺杂剂添加熔液表面之间形成第2流路；及延伸部，从所述主体部的外缘向斜上方外侧延伸。

并且，本发明的整流部件优选在所述主体部及所述延伸部中的至少一方的内部设置有隔热材料。

本发明的单晶提拉装置的特征在于，具备：坩埚；坩埚驱动部，使所述坩埚升降及旋转；加热部，加热所述坩埚而生成在硅熔液中添加有掺杂剂的掺杂剂添加熔液；提拉部，在使籽晶与所述掺杂剂添加熔液接触之后进行提拉，由此培育单晶硅；筒状热屏蔽体，在所述坩埚的上方以包围所述单晶硅的方式设置；腔室，容纳所述坩埚、所述加热部及所述热屏蔽体；导入部，设置于所述腔室的上部，并将不活泼气体导入到所述腔室内部；及上述整流部件，设置于所述热屏蔽体的下方。

附图说明

图1是本发明的一实施方式所涉及的单晶提拉装置的剖视图。

图2是所述单晶提拉装置的整流部件的放大剖视图。

图3是掺杂剂添加熔液减少时的坩埚底部中的整流部件附近的放大剖视图。

图4是表示整流部件不具备延伸部的情况下的掺杂剂添加熔液表面附近的不活泼气体的流动的说明图。

图5是表示本发明的实施例中的实验1的整流部件的有无以及腔室内部压力与掺杂剂蒸发量的关系的图表。

图6是表示本发明的实施例中的实验2的整流部件的有无与电阻率的关系的曲线图。

图7是表示本发明的实施例中的实验3的整流部件的形状与掺杂剂蒸发量及单晶硅的提拉方向的温度梯度比率的关系的图表。

具体实施方式

[实施方式]

以下，作为本发明的一实施方式，参考图1至图3对基于CZ法的单晶硅SM的制造方法进行说明。

首先，对单晶硅SM的制造方法中所使用的单晶提拉装置1的结构进行说明。

如图1所示，单晶提拉装置1具备腔室21、配置于该腔室21内部的坩埚22、坩埚驱动部23、加热部24、隔热筒25、提拉部26、整流筒27、热屏蔽体28及整流部件29。

在腔室21的上部具备将Ar气体等不活泼气体导入到腔室21内部的导入部21A。在腔室21的下部设置有通过未图示的真空泵的驱动而排出腔室21内部的气体的排气口21B。

不活泼气体以规定的气体量从导入部21A导入到腔室21内部。然后，被导入的不活泼气体从腔室21下部的排气口21B排出，由此成为不活泼气体从腔室21内部的上方朝下方流动的结构。

坩埚22是熔解单晶硅SM的原料即多晶硅并设为硅熔液M的坩埚。

坩埚驱动部23使坩埚22以规定的速度升降的同时，以连接于坩埚22的下端的支承轴23A为中心以规定的速度旋转。

加热部24配置于坩埚22的外侧，通过加热坩埚22而生成在硅熔液M中添加有掺杂剂的掺杂剂添加熔液MD。

隔热筒25以包围坩埚22及加热部24的周围的方式配置。

提拉部26具备提拉驱动部26A和一端连接于提拉驱动部26A的提拉缆绳26B。提拉驱动部26A使提拉缆绳26B以规定的速度升降及旋转。在提拉缆绳26B的另一端安装有保持籽晶的籽晶夹持器26C或未图示的掺杂装置。掺杂装置用于使掺杂剂掺杂于坩埚22内的硅熔液M中而生成掺杂剂添加熔液MD。

整流筒27设置成包围单晶硅SM的圆筒状，并朝下方引导从上方流动的不活泼气体。

热屏蔽体28在坩埚22的上方形成为包围整流筒27的下部及单晶硅SM的圆锥台筒状，其下端连结于整流筒27的下端。热屏蔽体28阻断从加热部24朝上方辐射的辐射热。

整流部件29具备：主体部29A，形成为圆环板状；延伸部29B，从主体部29A的外缘向斜上方外侧延伸；及突起部29C，从主体部29A的内缘向上方突出。主体部29A的内径D2设成比热屏蔽体28的下端的内径D1更小。在主体部29A及延伸部29B的内部设置有隔热材料29D。

整流部件29配置成经由支承材料30而与热屏蔽体28的下方隔开，而且包围单晶硅SM。并且，支承材料30为棒状形状，并以在单晶硅SM的周向上大致成为等间隔的方式在2～4个部位连接热屏蔽体28和整流部件29。整流部件29和热屏蔽体28以它们的中心一致的方式配置，由此在比热屏蔽体28的下端更靠内侧的位置形成有圆环状的气体接收部29E。在此，气体接收部29E是主体部29A的内侧区域的一部分，是指从主体部29A的内周面到用图2的虚线来表示的整流筒27的内表面的延长线与主体部29A上表面的交线为止的区域。并且，整流部件29的主体部29A的上表面、延伸部29B的上表面分别以与热屏蔽体28的底面28A、热屏蔽体28的外周侧面28B平行的方式配置，由此在它们之间形成有第1流路R1。并且，在整流部件29与掺杂剂添加熔液MD表面之间形成有第2流路R2。而且，整流部件29以使延伸部29B的上端位于比热屏蔽体28的底面28A更靠上侧的位置的方式配置。

接着，对单晶硅SM的制造方法进行说明。

另外，在本实施方式中，例示出制造直体部的设定直径为200mm的单晶硅SM的情况，但也可以制造150mm、300mm、450mm等其他设定直径的单晶硅SM。

在掺杂剂为砷的情况下，电阻率优选设为1.2mΩ·cm以上且5.0mΩ·cm以下，在掺杂剂为红磷的情况下，优选设为0.5mΩ·cm以上且2.0mΩ·cm以下，在掺杂剂为锑的情况下，优选设为10mΩ·cm以上且30mΩ·cm以下。

首先，在单晶提拉装置1中设定对单晶硅SM要求的品质，例如电阻率、用于满足氧浓度的提拉条件即不活泼气体的流量、腔室21内部的压力、坩埚22或单晶硅SM的转速、加热部24的加热条件等。

接着，根据设定值来控制加热部24，加热坩埚22，由此使该坩埚22内的多晶硅(硅原料)及掺杂剂熔解，生成掺杂剂添加熔液MD。之后，从导入部21A以规定的流量将不活泼气体导入到腔室21内部，并且将腔室21内部的压力保持在20kPa以上。该腔室21内部的压力优选设为80kPa以下。

接着，通过使提拉缆绳26B下降而将籽晶浸渍于掺杂剂添加熔液MD中，并一边使坩埚22及提拉缆绳26B向规定的方向旋转，一边提拉单晶硅SM，从而进行培育。

在单晶硅SM的培育中，如图2所示，朝下方流动的不活泼气体G通过整流部件29而分离为第1流通气体G1和第2流通气体G2。

此时，不活泼气体G通过气体接收部29E而被引导到第1流路R1，第1流通气体G1的流量增加，因此能够减少第2流通气体G2的流量。如此，将腔室21内部的压力设为比以往更高的压力即20kPa以上，从而降低掺杂剂的分压，并且减少第2流通气体G2的流量，由此能够减少掺杂剂的蒸发。

并且，为了保持第1流路R1的高度H1比第2流路R2的高度H2高的状态，与掺杂剂添加熔液MD的液面下降的速度对应地控制坩埚22的上升速度。因此，第1流通气体G1的流量增加，并能够减少第2流通气体G2的流量。

第1流通气体G1被延伸部29B进而向斜上方外侧引导，变得难以流到用图2的虚线包围的掺杂剂添加熔液MD表面附近区域P。因此能够减少掺杂剂的蒸发。如上所述，通过控制掺杂剂的蒸发而能够制造所希望的电阻率的单晶硅SM。

并且，在视为整流部件29整体的情况下，由于其外侧向上方折弯，因此如图3所示，即使因进行单晶硅SM的培育而掺杂剂添加熔液MD减少，整流部件29的外侧的延伸部29B不会与圆底等朝向底部缩径的底形状坩埚22的内表面接触，而能够持续进行提拉。

而且，由于延伸部29B的上端位于比热屏蔽体28的底面28A更靠上侧的位置，因此能够通过延伸部29B抑制来自掺杂剂添加熔液MD、坩埚22及加热部24中的至少1个的辐射热经由第1流路R1而到达单晶硅SM，并能够增大单晶硅SM的提拉方向的温度梯度。而且，通过整流部件29内部的隔热材料29D能够更有效地阻断上述辐射热，因此能够进一步增大单晶硅SM的提拉方向的温度梯度。

[变形例]

另外，本发明并不仅限于上述实施方式，在不脱离本发明的主旨的范围内能够进行各种改进和设计的变更等，此外，实施本发明时的具体的顺序及结构等，在能够实现本发明的目的的范围内可以设为其他结构等。

例如即使不设置整流筒27，只要将腔室21内部的压力控制为20kPa以上，则与上述实施方式同样地，能够减少掺杂剂的蒸发而制造单晶硅SM。

并且，主体部29A的内径D2可以与热屏蔽体28的下端的内径D1相同，也可以比内径D1大。第1流路R1的高度H1可以与第2流路R2的高度H2相同，也可以比高度H2低。

而且，如图4所示，也可以在整流部件29上不设置延伸部29B。在设置延伸部29B的情况下，主体部29A或延伸部29B也可以不设置成与热屏蔽体28的底面28A、热屏蔽体28的外周侧面28B平行，延伸部29B的上端可以设为与热屏蔽体28的下端相同的高度、或者比热屏蔽体28的下端低的高度，也可以在内部不设置隔热材料29D。

实施例

接着，通过实施例进行更详细的说明，但本发明不受这些例子的任何限定。

[实验1：整流部件的有无以及腔室内部的压力与掺杂剂蒸发量的关系调查]

〔实验例1〕

关于图1所示的单晶提拉装置1，准备了只有在不设置整流部件29这一点不同的单晶提拉装置。另外，将热屏蔽体28的下端的内径D1设为280mm。

然后，将腔室21内部的压力设为80kPa，在以下制造条件下制造具有以下特性的单晶硅SM，并测定出此时的掺杂剂的蒸发量。

根据此时的单晶硅SM的电阻率而计算掺入到单晶硅SM中的掺杂剂浓度，根据该掺入的掺杂剂浓度，算出了来自掺杂剂添加熔液MD的蒸发量。单晶硅SM的电阻率相对于期望值越高，如此算出的蒸发量越多。

<制造条件>

不活泼气体的流量：150L/min

热屏蔽体28的下端与掺杂剂添加熔液MD表面的距离(制造时恒定)：10mm

<单晶硅的特性>

掺杂剂：红磷

电阻率：0.6mΩ·cm以上且1.2mΩ·cm以下

直体部的直径：200mm

〔实验例2〕

准备了在实验例1中使用的单晶提拉装置上设置了如图1所示的整流部件29的单晶提拉装置1。如下设定了该单晶提拉装置1的各部的结构。

<单晶提拉装置各部的结构>

整流部件29的主体部29A的内径D2：250mm

第1流路R1的高度H1：10mm

气体接收部29E的宽度：15mm

然后，将腔室21内部的压力设为10kPa，在以下制造条件下制造出具有与实验例1相同的特性的单晶硅，并测定出此时的掺杂剂的蒸发量。

<制造条件>

不活泼气体的流量：150L/min

第2流路R2的高度H2(制造时恒定)：12.5mm

〔实验例3～5〕

除了将腔室21内部的压力分别设为20kPa(实验例3)、40kPa(实验例4)、80kPa(实验例5)以外，在与实验例2相同的结构及条件下制造出具有与实验例1相同的特性的单晶硅，并测定出此时的掺杂剂的蒸发量。

〔评价〕

图5中示出将实验例1的掺杂剂蒸发量设为100％的情况下的实验例2～5的掺杂剂蒸发量比率。

若比较实验例1与实验例2，则可知：通过设置整流部件29而减少掺杂剂蒸发量，但其减少量并不充分。

若比较实验例2～5，则可知：在实验例3中，与实验例2相比，能够更加大幅减少掺杂剂蒸发量，根据实验例4、5的结果，腔室21内部的压力变得越大，越大幅减少掺杂剂蒸发量。

由以上内容可知，在单晶提拉装置1中设置整流部件29，并在单晶硅的培育中将腔室21内部的压力控制为20kPa以上(80kPa以下)，由此能够减少掺杂剂的蒸发。

[实验2：整流部件的有无与电阻率的关系调查]

在与实验例1和实验例5相同的条件下制造单晶硅，并测定出所述直体部中的各固化率的电阻率。图6中示出测定结果。另外，直体部的上端的固化率为0％，下端的固化率为100％。

能够确认到：与实验例1相比，实验例5的电阻率整体上降低。可以认为其理由在于，如实验1中已说明，与实验例1相比，实验例5更加减少了掺杂剂的蒸发。

[实验3：整流部件的形状与掺杂剂蒸发量及单晶硅的提拉方向的温度梯度比率的关系调查]

〔实验例6〕

准备了单晶提拉装置，其除了设置有仅由图4所示的主体部29A构成的整流部件以代替图1所示整流部件29以外，与实验例5相同。而且，在与实验例5相同的结构及条件下制造出具有与实验例5相同的特性的单晶硅，并测定出此时的掺杂剂的蒸发量。并且，检查了单晶硅中的提拉方向的温度梯度。

〔评价〕

在与实验例5相同的条件下制造单晶硅，并检查了掺杂剂蒸发量及单晶硅中的提拉方向的温度梯度。

图7中分别示出将实验例6的掺杂剂蒸发量设为100％的情况下的实验例5的掺杂剂蒸发量比率(条形图)、及将实验例6的温度梯度设为100％的情况下的实验例5的温度梯度比率(曲线图)。另外，当求出温度梯度比率时，通过热传导分析软件(模拟)而求出单晶硅SM的轴心上的、从掺杂剂添加熔液MD与单晶硅SM的边界面起算的距离与温度的关系，并将其斜率设为温度梯度。

实验例5的掺杂剂蒸发量减少为实验例6的约70％。由此可知，通过在整流部件29中设置延伸部29B，能够向斜上方外侧引导第1流通气体G1，并能够减少掺杂剂的蒸发。

并且，实验例5的温度梯度增加为实验例6的约110％。由此可知，通过在整流部件29中设置延伸部29B，能够抑制来自掺杂剂添加熔液MD、坩埚22及加热部24中的至少1个的辐射热经由第1流路R1而到达单晶硅。

附图标记说明

1-单晶提拉装置，21-腔室，22-坩埚，23-坩埚驱动部，24-加热部，25-隔热筒，26-提拉部，27-整流筒，28-热屏蔽体，29-整流部件，SM-单晶硅。