(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2022-03-29
(45)【発行日】2022-04-06
(54)【発明の名称】シリコン単結晶の製造方法
(51)【国際特許分類】
C30B 29/06 20060101AFI20220330BHJP
【ＦＩ】
C30B29/06 502Z
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2018007053
(22)【出願日】2018-01-19
(65)【公開番号】P2019123656
(43)【公開日】2019-07-25
【審査請求日】2020-11-10
【前置審査】
(73)【特許権者】
【識別番号】312007423
【氏名又は名称】グローバルウェーハズ・ジャパン株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100101878
【弁理士】
【氏名又は名称】木下 茂
(74)【代理人】
【識別番号】100187506
【弁理士】
【氏名又は名称】澤田 優子
(72)【発明者】
【氏名】松村 尚
(72)【発明者】
【氏名】坪田 寛之
(72)【発明者】
【氏名】永井 勇太
(72)【発明者】
【氏名】安部 吉亮
【審査官】神▲崎▼ 賢一
(56)【参考文献】
【文献】特開２０１０－１５５７６２（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開平０３－０８３８８７（ＪＰ，Ａ）
【文献】特開２０１５－０１７０１９（ＪＰ，Ａ）
【文献】特表２０００－５０３６２３（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ３０Ｂ ２９／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
チョクラルスキー法により育成されるシリコン単結晶の製造方法であって、ルツボにシリコン原料を装填するステップと、
ルツボ内のシリコン原料を溶融する初期段階において、シリコン原料を全溶融するために必要な出力の１５％以上５０％以下の範囲のヒータ出力であるシリコン原料が溶融しない低出力の状態を、予め設定された３時間以上２０時間以下の間、保持するステップと、
前記低出力の状態を３時間以上２０時間以下の間保持した後に、前記ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力に切り替えて、シリコン原料を溶融し、シリコン融液を形成するステップと、
前記シリコン融液が形成された前記ルツボからシリコン単結晶を引き上げるステップと、
を含み、
前記ルツボ内のシリコン原料を溶融する初期段階において、シリコン原料を全溶融するために必要な出力の１５％以上５０％以下の範囲のヒータ出力であるシリコン原料が溶融しない低出力の状態を、予め設定された３時間以上２０時間以下の間、保持するステップにおいて、
炉内のＣＯガス量を検出し、ＣＯガス濃度がピーク値から減少に転じ、前記ピーク時の濃度から３０％以上減少した後、
前記ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力に切り替えて、シリコン融液を形成するステップを実行することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【請求項2】
前記ルツボ内のシリコン原料を溶融する初期段階において、シリコン原料を全溶融するために必要な出力の１５％以上５０％以下の範囲のヒータ出力であるシリコン原料が溶融しない低出力の状態を、予め設定された３時間以上２０時間以下の間、保持するステップにおいて、炉内の不活性ガスの流量を２００Ｌ／ｍｉｎ以上４００Ｌ／ｍｉｎ以下とすることを特徴とする請求項１に記載されたシリコン単結晶の製造方法。
【請求項3】
前記ルツボにシリコン原料を装填するステップにおいて、前記ルツボに装填されるシリコン原料の重量は、１本のシリコン単結晶を育成するのに必要なシリコン原料全体量の３０％以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたシリコン単結晶の製造方法。
【請求項4】
前記シリコン原料を全溶融するために必要な出力の１５％以上５０％以下の範囲のヒータ出力であるシリコン原料が溶融しない低出力の状態を、予め設定された３時間以上２０時間以下の間、保持するステップの後に、前記ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力に切り替えて、前記シリコン原料を前記ルツボに追加投入するステップが実行されることを特徴とする請求項３に記載されたシリコン単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、シリコン単結晶の製造方法に関し、特にチョクラルスキー法によりルツボから引き上げられるシリコン単結晶において、炭素濃度をより低減することのできるシリコン単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
チョクラルスキー法により引き上げられるシリコン単結晶の育成中において、炭素が結晶中に多く取り込まれると、結晶欠陥が導入されやすくなる。そのため、従来からできるかぎり炭素が結晶中に取り込まれないよう工夫しながら結晶育成が行われている。
シリコン単結晶に取り込まれる炭素は、シリコン原料由来の含有炭素及び表面付着物に由来し、それらがシリコン融液に溶け込むことで育成する結晶中に取り込まれる。
シリコン単結晶に取り込まれる炭素は、シリコン原料由来の含有炭素及び表面付着物に由来し、それらがシリコン融液に溶け込むことで育成する結晶中に取り込まれる。
【0003】
また、引上装置におけるヒータ、ルツボ、断熱材等の炭素を原材料とする部材（以下、炭素製部材と呼ぶ）に由来する場合もある。
即ち、シリコン原料を溶融中に、ルツボ内のシリコン融液からＳｉＯガスが蒸発し、ＳｉＯが炭素製部材（Ｃ）と反応してＣＯガスを発生する。このＣＯガスがシリコン融液中に溶け込むことにより育成する結晶中に炭素が取り込まれる。
即ち、シリコン原料を溶融中に、ルツボ内のシリコン融液からＳｉＯガスが蒸発し、ＳｉＯが炭素製部材（Ｃ）と反応してＣＯガスを発生する。このＣＯガスがシリコン融液中に溶け込むことにより育成する結晶中に炭素が取り込まれる。
【0004】
従来、結晶中の炭素濃度を低減するための技術として、例えば特許文献１には、多結晶シリコン原料を不活性ガス雰囲気下で３５０℃～６００℃に加熱し、シリコン原料表面の有機物を気化させてクリーニングする方法が開示されている。
【0005】
また、特許文献２には、多結晶シリコン原料を５～６０ｍｂａｒの炉内圧で溶融し、１００ｍｂａｒ≧の炉内圧でシリコン単結晶の引き上げを行う方法が開示されている。この方法によれば、原料溶融中の炉内圧を５～６０ｍｂａｒとすることにより炭素製部材から発生するＣＯガスのシリコン融液中への混入を抑制し、炭素濃度を低減することができる。
【0006】
また、特許文献３には、高温の炭素製部材からのＣＯガスの発生量を低減するために、ヒータや黒鉛ルツボ等の炭素製部材の表面に、ＳｉＣ等のコーティングを施す方法が開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0007】
【文献】特許第５６１５９４６号公報
【文献】特許第２６３５４５６号公報
【文献】特開平７－８９７８９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0008】
ところで、特許文献１～３に開示された方法を用いることにより、シリコン単結晶中の炭素濃度を低減することができるが、炭素濃度をより低減したシリコン単結晶を求める要求を満足させるものではなかった。
そのため、シリコン単結晶中の炭素濃度をより低減するため、発明者らは鋭意研究を重ねた。その結果、炉内加熱中において、炭素製部材の表面から多量のＣＯガス、ＣＯ２ガスが発生することを知見した。原因は定かではないが、原因としては、例えば、炉内に残存する空気中の水分（Ｈ２Ｏ）と炭素製部材（Ｃ）との反応により発生すると推察される。
特に、ＣＯ２ガスに比べて、ＣＯガスは比較的低温（２５０℃～７５０℃）でより多く発生するため、溶解される前のシリコン原料と反応し、シリコン原料の表面に、ＳｉＣ結合を有する膜を形成し、その膜がシリコン融液に溶融されることにより、結晶中の炭素濃度が高くなることを知見し、本発明を想到したものである。
そのため、シリコン単結晶中の炭素濃度をより低減するため、発明者らは鋭意研究を重ねた。その結果、炉内加熱中において、炭素製部材の表面から多量のＣＯガス、ＣＯ２ガスが発生することを知見した。原因は定かではないが、原因としては、例えば、炉内に残存する空気中の水分（Ｈ２Ｏ）と炭素製部材（Ｃ）との反応により発生すると推察される。
特に、ＣＯ２ガスに比べて、ＣＯガスは比較的低温（２５０℃～７５０℃）でより多く発生するため、溶解される前のシリコン原料と反応し、シリコン原料の表面に、ＳｉＣ結合を有する膜を形成し、その膜がシリコン融液に溶融されることにより、結晶中の炭素濃度が高くなることを知見し、本発明を想到したものである。
【0009】
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、チョクラルスキー法により引き上げられるシリコン単結晶中の炭素濃度をより低減させることができるシリコン単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0010】
前記課題を解決するためになされた、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法は、チョクラルスキー法により育成されるシリコン単結晶の製造方法であって、ルツボにシリコン原料を装填するステップと、ルツボ内のシリコン原料を溶融する初期段階において、ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力の１５％以上５０％以下とし、かつ、３時間以上２０時間以下保持するステップと、前記ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力とし、シリコン原料を溶融し、シリコン融液を形成するステップと、シリコン融液が形成された前記ルツボからシリコン単結晶を引き上げるステップと、 を含むことを特徴としている。
【0011】
尚、前記ルツボにシリコン原料を溶融する初期段階において、ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力の１５％以上５０％以下とし、かつ、３時間以上２０時間保持するステップにおいて、炉内のＣＯガス量を検出し、ＣＯガス濃度がピーク値から減少に転じ、前記ピーク時の濃度から３０％以上減少した後、前記ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力とし、シリコン融液を形成するステップを実行することが望ましい。
【0012】
また、前記ルツボにシリコン原料を溶融する初期段階において、ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力の１５％以上５０％以下とし、かつ、３時間以上２０時間保持するステップにおいて、炉内の不活性ガスの流量を２００Ｌ／ｍｉｎ以上４００Ｌ／ｍｉｎ以下とすることが望ましい。
【0013】
また、前記ルツボにシリコン原料を装填するステップにおいて、前記ルツボに装填されるシリコン原料の重量は、シリコン原料を追加投入後の最終的な重量に対し、３０％以下であることが望ましい。
【0014】
また、前記ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力の１５％以上５０％以下とし、かつ、３時間以上２０時間以下保持するステップの後であって、前記ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力とし、前記シリコン原料を前記ルツボに追加投入するステップが実行されることが望ましい。
【0015】
このような方法によれば、炭素製部材から発生するＣＯガスとシリコン原料表面との反応が抑制され、シリコン原料表面におけるＳｉＣ結合を有する膜の形成を抑制することができる。即ち、前記ＳｉＣがシリコン融液に取り入れられることを原因とする炭素濃度の上昇を抑制することができる。
また、炭素製部材からＣＯガスを出しきることで、ＣＯガスがシリコン融液に混入することによる炭素濃度の上昇を抑制することができる。
また、炭素製部材からＣＯガスを出しきることで、ＣＯガスがシリコン融液に混入することによる炭素濃度の上昇を抑制することができる。
【発明の効果】
【0016】
本発明によれば、チョクラルスキー法により引き上げられるシリコン単結晶中の炭素濃度をより低減させることができるシリコン単結晶の製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0017】
【発明を実施するための形態】
【0018】
以下、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法について説明する。
本発明のシリコン単結晶の製造方法は、チョクラルスキー法によりルツボから引き上げられるシリコン単結晶において、従来課題を解決しつつ、結晶中の炭素濃度をより低減するための方法である。
本発明のシリコン単結晶の製造方法は、チョクラルスキー法によりルツボから引き上げられるシリコン単結晶において、従来課題を解決しつつ、結晶中の炭素濃度をより低減するための方法である。
【0019】
図１は、本発明に係るシリコン単結晶の製造方法を実施可能な単結晶引上装置の構成を示す断面図である。この単結晶引上装置１は、円筒形状のメインチャンバ２ａの上にプルチャンバ２ｂを重ねて形成された炉体２と、炉体２内に収容されたルツボ３と、ルツボ３に装填されたシリコン原料Ｍを溶融するヒータ４とを有している。尚、ルツボ３は二重構造であり、内側が石英ガラスルツボ３ａ、外側が黒鉛ルツボ３ｂで構成されている。
また、ヒータ４の周囲には、ヒータ４の熱を効果的にルツボ３に与えるために、メインチャンバ２ａの内壁に沿って保温部材１３が設けられている。
また、ヒータ４の周囲には、ヒータ４の熱を効果的にルツボ３に与えるために、メインチャンバ２ａの内壁に沿って保温部材１３が設けられている。
【0020】
また、炉体２の上方には、シリコン単結晶（図示せず）を引き上げる引上機構５が設けられ、この引上機構５は、モータ駆動される巻き取り機構５ａと、この巻き取り機構５ａによって巻き上げられる引上ワイヤ５ｂ（一部のみ図示）とにより構成される。この引上ワイヤ５ｂの先端に種結晶（図示せず）が取り付けられ、単結晶を育成しながら引き上げるようになっている。
【0021】
また、図１に示すようにプルチャンバ２ｂの上部には、不活性ガスであるＡｒガスを炉体２内に供給するためのガス供給口１５が設けられている。
このガス供給口１５には、バルブ１６を介してＡｒガス供給源１７が接続されており、バルブ１６が開かれるとＡｒガスがプルチャンバ２ｂ上部からルツボ３内に供給されるようになされている。
このガス供給口１５には、バルブ１６を介してＡｒガス供給源１７が接続されており、バルブ１６が開かれるとＡｒガスがプルチャンバ２ｂ上部からルツボ３内に供給されるようになされている。
【0022】
また、メインチャンバ２ａの底面には、複数の排気口１８が設けられ、この排気口１８には排気手段としての排気ポンプ１９が接続されている。
この構成において、排気ポンプ１９が駆動し、前記バルブ１６が開かれることにより、ガス供給口１５からＡｒガスが炉体２内に供給され、ガス流を形成して排気口１８から排気されるようになされている。
尚、ガス供給口１５からのガス流量の調整は、バルブ１６の開閉度及び排気ポンプ１９の吸引速度を制御することによってなされる。
この構成において、排気ポンプ１９が駆動し、前記バルブ１６が開かれることにより、ガス供給口１５からＡｒガスが炉体２内に供給され、ガス流を形成して排気口１８から排気されるようになされている。
尚、ガス供給口１５からのガス流量の調整は、バルブ１６の開閉度及び排気ポンプ１９の吸引速度を制御することによってなされる。
【0023】
また、メインチャンバ２ａ内において、ルツボ３の上方かつ近傍には、シリコン単結晶の周囲を包囲するよう上部と下部が開口形成され、育成中の単結晶にヒータ４等からの余計な輻射熱を与えないようにするための輻射シールド６が設けられている。
この輻射シールド６は、外側が水平環状部６ａ、内側が傾斜環状部６ｂにより形成され、傾斜環状部６ｂは図示するように中心方向下方に向け直線状に傾斜している。尚、この輻射シールド６は、図示しない昇降機構により上下移動可能に設けられている。
この輻射シールド６は、外側が水平環状部６ａ、内側が傾斜環状部６ｂにより形成され、傾斜環状部６ｂは図示するように中心方向下方に向け直線状に傾斜している。尚、この輻射シールド６は、図示しない昇降機構により上下移動可能に設けられている。
【0024】
また、単結晶引上装置１は、図示するようにシリコン原料の加熱温度を制御するヒータ４への供給電力量を制御するヒータ制御部９と、石英ガラスルツボ３を回転させるモータ１０と、モータ１０の回転数を制御するモータ制御部１０ａとを備えている。
また、石英ガラスルツボ３の高さを制御する昇降装置１１と、昇降装置１１を制御する昇降制御部１１ａと、成長結晶の引上速度と回転数とを制御するワイヤリール回転装置制御部１２とを備えている。
また、石英ガラスルツボ３の高さを制御する昇降装置１１と、昇降装置１１を制御する昇降制御部１１ａと、成長結晶の引上速度と回転数とを制御するワイヤリール回転装置制御部１２とを備えている。
【0025】
さらには、メインチャンバ２ａ上部に、気体取出管２ａ１を介して、炉体２内に存在するＣＯガス量を検出するためのガス分析装置７が接続されている。
また、この単結晶引上装置１は、単結晶引き上げの制御を行うためのプログラムを記憶した記憶装置８ａと、前記プログラムを実行するための演算制御装置であるＣＰＵ８ｂとを有するコンピュータ８を備えている。
前記各制御部９、１０ａ、１１ａ、１２及びガス分析装置７は、前記ＣＰＵ８ｂに接続されている。
また、この単結晶引上装置１は、単結晶引き上げの制御を行うためのプログラムを記憶した記憶装置８ａと、前記プログラムを実行するための演算制御装置であるＣＰＵ８ｂとを有するコンピュータ８を備えている。
前記各制御部９、１０ａ、１１ａ、１２及びガス分析装置７は、前記ＣＰＵ８ｂに接続されている。
【0026】
続いて、図１に示す単結晶引上装置１によりシリコン単結晶を製造する方法について説明する。
先ず、ルツボ３内に初期投入量として所定量のシリコン原料Ｍを装填する（図２のステップＳ１）。この初期投入量は、１本のシリコン単結晶を育成するのに必要なシリコン原料全体量の３０％以下とされる。これは、後述するようにルツボ加熱の初期段階において炉内にＣＯガスが発生するため、それによるシリコン原料Ｍへの汚染を極力少なくするためである。
先ず、ルツボ３内に初期投入量として所定量のシリコン原料Ｍを装填する（図２のステップＳ１）。この初期投入量は、１本のシリコン単結晶を育成するのに必要なシリコン原料全体量の３０％以下とされる。これは、後述するようにルツボ加熱の初期段階において炉内にＣＯガスが発生するため、それによるシリコン原料Ｍへの汚染を極力少なくするためである。
【0027】
次いで、バルブ１６を閉じたまま排気ポンプ１９を起動させ、炉内の空気が排気口１８から炉外に排出される。その後バルブ１６を開けＡｒガスを流す、その時のＡｒガス流量は２００Ｌ／ｍｉｎ以上４００Ｌ／ｍｉｎ以下の流量で形成される。バルブ１６の開閉作業を複数回繰り返し炉内の真空度を上昇させる。
これにより、炉内の空気が炉外に排気され、炉内雰囲気中の水分（Ｈ２Ｏ）及び炭素製部材の水分（Ｈ２Ｏ）の除去がなされる。
これにより、炉内の空気が炉外に排気され、炉内雰囲気中の水分（Ｈ２Ｏ）及び炭素製部材の水分（Ｈ２Ｏ）の除去がなされる。
【0028】
次いで、コンピュータ８の記憶装置８ａに記憶されたプログラムに基づき、ＣＰＵ８ｂの指令によりヒータ制御部９を作動させてヒータ４を昇温させ、ルツボ３を加熱してシリコン原料Ｍの溶融作業が開始される（図２のステップＳ３）。
この溶融作業開始から所定時間の間、ヒータ４の出力（Ｗ）は、シリコン原料Ｍを全溶解させるのに必要なヒータ出力（１００％）に対して、１５％以上５０％以下の範囲のヒータ出力とされる。この低いヒータ出力ではシリコン原料Ｍは溶融しないが、比較的低温（２５０℃以上７５０℃以下の範囲含む）で加熱されることによって、炉内の炭素製部材（ヒータ４、ルツボ３、保温部材１３等）からＣＯガスが発生し、これが排気される（Ａｒガスに置換される）。
この溶融作業開始から所定時間の間、ヒータ４の出力（Ｗ）は、シリコン原料Ｍを全溶解させるのに必要なヒータ出力（１００％）に対して、１５％以上５０％以下の範囲のヒータ出力とされる。この低いヒータ出力ではシリコン原料Ｍは溶融しないが、比較的低温（２５０℃以上７５０℃以下の範囲含む）で加熱されることによって、炉内の炭素製部材（ヒータ４、ルツボ３、保温部材１３等）からＣＯガスが発生し、これが排気される（Ａｒガスに置換される）。
【0029】
このヒータ４の低出力の状態は、予め設定された３時間以上２０時間以下の間、保持される（図２の標準モードの場合）。これにより、炉内の炭素製部材からＣＯガスが発生しても、シリコン原料Ｍの温度を低温に維持することが可能であるため、ＣＯガスとシリコン原料Ｍの表面での反応を抑制することができる。
【0030】
尚、この初期段階のヒータ出力が、シリコン原料Ｍを全溶解させるためのヒータ出力に対し１５％未満の場合、炉内の炭素製部材の温度が上昇せず、ＣＯガスが完全に放出されないため、好ましくない。一方、ヒータ出力が、シリコン原料Ｍを全溶解させるためのヒータ出力に対し５０％より高い場合、炉内の炭素製部材の温度が上昇する前に、シリコン原料Ｍの温度が上昇し、ＣＯガスとシリコン原料Ｍの表面反応が促進され、シリコン融液の炭素濃度が増加するため、好ましくない。
【0031】
また、前記図２のステップＳ３のように、３時間以上２０時間以下の間、ヒータ出力を低く抑えることによって、炉内の炭素製部材から発生するＣＯガスを、炉外へ排気することができる。
尚、ヒータ出力を低く保持する時間が３時間未満の場合、炉内の炭素製部材からのＣＯガスの排出が不完全となるため、好ましくない。また、２０時間以上の場合には、それ以上の効果が望めないため、好ましくない。
尚、ヒータ出力を低く保持する時間が３時間未満の場合、炉内の炭素製部材からのＣＯガスの排出が不完全となるため、好ましくない。また、２０時間以上の場合には、それ以上の効果が望めないため、好ましくない。
【0032】
また、前記のように炉内のＡｒガス流量は２００Ｌ／ｍｉｎ以上４００Ｌ／ｍｉｎ以下である。シリコン原料ＭとＣＯガスとの反応を抑制するためには、できるだけ炉内に導入するＡｒガス流量は多いほうが好ましい。
しかしながら、流量が２００Ｌ／ｍｉｎ未満では、ＣＯガスの排出効果が小さいため、好ましくない。一方、流量が４００Ｌ／ｍｉｎ以上の場合は、ＣＯガスの排出効果が飽和し、大量のＡｒガスを排出するポンプの負荷が大きく、ポンプが停止するトラブルが発生しやすくなる。また、Ａｒガスの流量が多いと、コストが高くなるため、好ましくない。
しかしながら、流量が２００Ｌ／ｍｉｎ未満では、ＣＯガスの排出効果が小さいため、好ましくない。一方、流量が４００Ｌ／ｍｉｎ以上の場合は、ＣＯガスの排出効果が飽和し、大量のＡｒガスを排出するポンプの負荷が大きく、ポンプが停止するトラブルが発生しやすくなる。また、Ａｒガスの流量が多いと、コストが高くなるため、好ましくない。
【0033】
ステップＳ３の後、ＣＰＵ８ｂの指令によりヒータ制御部９を制御し、ヒータ４の出力（Ｗ）を、シリコン原料Ｍを全溶解させるのに必要なヒータ出力に切り替える（図２のステップＳ４）。
これにより、ルツボ３内のシリコン原料Ｍが全て溶融される。シリコン原料Ｍが溶融され、生成されたシリコン融液からはＳｉＯガスが発生し、炉内の炭素部材（ヒータ４、ルツボ３、保温部材１３等）との反応でＣＯガスが発生するが、ガス流れの経路的にシリコン原料Ｍよりも排気ポンプ１９側の下流側での発生であるため影響は少ないものとなる。
これにより、ルツボ３内のシリコン原料Ｍが全て溶融される。シリコン原料Ｍが溶融され、生成されたシリコン融液からはＳｉＯガスが発生し、炉内の炭素部材（ヒータ４、ルツボ３、保温部材１３等）との反応でＣＯガスが発生するが、ガス流れの経路的にシリコン原料Ｍよりも排気ポンプ１９側の下流側での発生であるため影響は少ないものとなる。
【0034】
尚、前記ステップＳ３では、ヒータ出力を低く抑える時間を予め設定された３時間以上２０時間以上としたが、より製造効率を向上させためには、図１に示すガス分析装置７（例えば、四重極型質量分析計）を利用すればよい（図２の高効率モードの場合）。
即ち、ステップＳ２の後、ヒータ４の出力（Ｗ）は、シリコン原料Ｍを全溶解させるのに必要なヒータ出力（１００％）に対して、１５％以上５０％以下の範囲のヒータ出力とされる（図２のステップＳ６）。
即ち、ステップＳ２の後、ヒータ４の出力（Ｗ）は、シリコン原料Ｍを全溶解させるのに必要なヒータ出力（１００％）に対して、１５％以上５０％以下の範囲のヒータ出力とされる（図２のステップＳ６）。
【0035】
ＣＰＵ８ｂは、ガス分析装置７の分析結果に基づいて炉内のＣＯガス量を監視し、ＣＯガスの量がステップＳ３の加熱工程により増加し、減少に転じた後、ＣＯガス量ピーク値の濃度の３０％以上減少した時点を検出する（図２のステップＳ７）。
尚、ＣＯガス量ピーク値の濃度の３０％以上減少した時点としたのは、ＣＯガス量が増加から減少に転じた後、再びＣＯガス量が約２０％程度増加する場合があること、また分析のばらつき等を考慮したためである。
前記ステップＳ７の条件が満たされると、ＣＰＵ８ｂはヒータ制御部９を制御し、ヒータ４の出力（Ｗ）を、シリコン原料Ｍを全溶解させるのに必要なヒータ出力に切り替える（図２のステップＳ４）。
このようにすることで、ステップＳ３の保持時間を予め決められた３時間以上２０時間以下の時間に設定する必要がなく適切な保持時間となるため、無駄な加熱時間が無くなり製造効率を向上させることができる。
尚、ＣＯガス量ピーク値の濃度の３０％以上減少した時点としたのは、ＣＯガス量が増加から減少に転じた後、再びＣＯガス量が約２０％程度増加する場合があること、また分析のばらつき等を考慮したためである。
前記ステップＳ７の条件が満たされると、ＣＰＵ８ｂはヒータ制御部９を制御し、ヒータ４の出力（Ｗ）を、シリコン原料Ｍを全溶解させるのに必要なヒータ出力に切り替える（図２のステップＳ４）。
このようにすることで、ステップＳ３の保持時間を予め決められた３時間以上２０時間以下の時間に設定する必要がなく適切な保持時間となるため、無駄な加熱時間が無くなり製造効率を向上させることができる。
【0036】
このシリコン原料Ｍの初期装填重量は、前記したように最終的な装填重量に対して、３０％以下である。
このように、シリコン原料Ｍの充填量を少なくすることにより、シリコン原料表面に形成されるＳｉＣ結合を有する膜の形成を抑制することができ、シリコン融液の炭素濃度の増加を抑制することができる。
このように、シリコン原料Ｍの充填量を少なくすることにより、シリコン原料表面に形成されるＳｉＣ結合を有する膜の形成を抑制することができ、シリコン融液の炭素濃度の増加を抑制することができる。
【0037】
また、炉内の炭素製部材からのＣＯガスの放出が完了してから、全てのシリコン原料Ｍを追加投入するほうが炭素汚染量を減少させることができる。
そのため、シリコン原料Ｍを追加投入するタイミングは、シリコン原料ＭとＣＯガスとの反応を減少させるために、前記ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力の１５％以上５０％以下とし、かつ、３時間以上２０時間以下保持するステップ（Ｓ３，Ｓ７）の後であって、前記ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力とし、シリコン原料を溶融し、シリコン融液を形成するステップ（Ｓ４）の前に、前記シリコン原料を前記ルツボに追加投入するステップが実行されることが望ましい。
そのため、シリコン原料Ｍを追加投入するタイミングは、シリコン原料ＭとＣＯガスとの反応を減少させるために、前記ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力の１５％以上５０％以下とし、かつ、３時間以上２０時間以下保持するステップ（Ｓ３，Ｓ７）の後であって、前記ヒータ出力を、シリコン原料を全溶融するために必要な出力とし、シリコン原料を溶融し、シリコン融液を形成するステップ（Ｓ４）の前に、前記シリコン原料を前記ルツボに追加投入するステップが実行されることが望ましい。
【0038】
前記ルツボ３において、全てのシリコン原料Ｍが溶融され、シリコン融液が形成されると、単結晶引上工程に移行する（図２のステップＳ５）。
即ち、ＣＰＵ８ｂの指令により昇降装置制御部１１ａと、ワイヤリール回転装置制御部１２とが作動し、回転するルツボ３の高さ位置が調整されるとともに、巻き取り機構５ａが作動してワイヤ５ｂが降ろされる。
即ち、ＣＰＵ８ｂの指令により昇降装置制御部１１ａと、ワイヤリール回転装置制御部１２とが作動し、回転するルツボ３の高さ位置が調整されるとともに、巻き取り機構５ａが作動してワイヤ５ｂが降ろされる。
【0039】
そして、ワイヤ５ｂの先端に取り付けられた種結晶がシリコン融液に接触され、種結晶の先端部を溶解し、ヒータ出力により温度調整した後にネッキングが行われてネック部（直径３～６ｍｍ、長さ１００～４００ｍｍ）が形成される。
しかる後、ＣＰＵ８ｂの指令によりヒータ４への電力供給や、単結晶引上速度（通常、毎分数ミリの速度）などをパラメータとして引き上げ条件が調整され、直胴部直径まで結晶径を拡げるクラウン工程、製品となる単結晶を育成する直胴工程、直胴工程後の単結晶直径を縮径するテール部工程の単結晶引上工程が順に行われる。
しかる後、ＣＰＵ８ｂの指令によりヒータ４への電力供給や、単結晶引上速度（通常、毎分数ミリの速度）などをパラメータとして引き上げ条件が調整され、直胴部直径まで結晶径を拡げるクラウン工程、製品となる単結晶を育成する直胴工程、直胴工程後の単結晶直径を縮径するテール部工程の単結晶引上工程が順に行われる。
【0040】
以上のように本発明に係る実施の形態によれば、ルツボ３にシリコン原料Ｍを溶融する初期段階において、ヒータ４出力を、シリコン原料Ｍを全溶解させるのに必要なヒータ出力の１５以上５０％以下とし、炉内の炭素製部材から発生するＣＯガスを放出させ、排気した後、ヒータ出力を上昇させ、ルツボ３内にシリコン融液を形成するようにした。
これにより、炭素製部材から発生するＣＯガスとシリコン原料表面の反応が抑制され、シリコン原料Ｍ表面におけるＳｉＣ結合を有する膜の形成を抑制することができる。即ち、前記ＳｉＣ結合を有する膜がシリコン融液に取り入れられることを原因とする、シリコン融液中の炭素濃度の上昇を抑制することができる。
これにより、炭素製部材から発生するＣＯガスとシリコン原料表面の反応が抑制され、シリコン原料Ｍ表面におけるＳｉＣ結合を有する膜の形成を抑制することができる。即ち、前記ＳｉＣ結合を有する膜がシリコン融液に取り入れられることを原因とする、シリコン融液中の炭素濃度の上昇を抑制することができる。
【0041】
また、前記実施の形態においては、炉内に導入する不活性ガスをＡｒガスとしたが、本発明にあっては、それに限定されることなく、例えばＨｅ（ヘリウム）ガスのような他の不活性ガスでもよい。
【実施例】
【0042】
本発明に係るシリコン単結晶の製造方法について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に基づき以下の実験を行った。
【0043】
（実験１）
実験１では、炉内において炭素製部材から発生するＣＯガス量について検証した。
サンプルとしては、炉内において使用されているものを用いた。サンプル１は１０×１０×５ｍｍの断熱材とし、サンプル２は１０×１０×５ｍｍのＣＩＰ材とした。
炉内を昇温速度１０℃／ｍｉｎで１０００℃まで加熱し、大気圧で、Ｈｅガスを流量５０ｍＬ／ｍｉｎ流した。
そして、炉内に発生するガスの重量を、ＴＰＤ－ＭＳ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ－Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて分析した。その結果を図３に示す。
尚、サンプル１の結果を図３（ａ）のグラフに示し、サンプル２の結果を図３（ｂ）のグラフに示す。図３（ａ）、（ｂ）のグラフにおいて、縦軸は炭素製部材から発生した脱ガスの重量（μｇ）であり、横軸は炉内温度（℃）である。
実験１では、炉内において炭素製部材から発生するＣＯガス量について検証した。
サンプルとしては、炉内において使用されているものを用いた。サンプル１は１０×１０×５ｍｍの断熱材とし、サンプル２は１０×１０×５ｍｍのＣＩＰ材とした。
炉内を昇温速度１０℃／ｍｉｎで１０００℃まで加熱し、大気圧で、Ｈｅガスを流量５０ｍＬ／ｍｉｎ流した。
そして、炉内に発生するガスの重量を、ＴＰＤ－ＭＳ（Ｔｅｍｐｅｒａｔｕｒｅ Ｐｒｏｇｒａｍｍｅｄ Ｄｅｓｏｒｐｔｉｏｎ－Ｍａｓｓ Ｓｐｅｃｔｒｏｍｅｔｒｙ）を用いて分析した。その結果を図３に示す。
尚、サンプル１の結果を図３（ａ）のグラフに示し、サンプル２の結果を図３（ｂ）のグラフに示す。図３（ａ）、（ｂ）のグラフにおいて、縦軸は炭素製部材から発生した脱ガスの重量（μｇ）であり、横軸は炉内温度（℃）である。
【0044】
これらのグラフに示されるように、サンプル１、２ともに炉内温度が２５０℃～７５０℃においてＣＯガスの発生量が多いことを確認した。即ち、図３（ａ）（ｂ）から明らかなようにＣＯ２ガスよりもＣＯガスの脱ガス重量が大きく、ＣＯガスがシリコン単結晶中の炭素濃度に与える影響が大きいことを確認した。
【0045】
一般的に、シリコン原料を溶融し、シリコン融液とする場合、炉内の最高温度は１８００℃程度が必要である。通常、炉内は温度分布が存在し、発熱源である図１のヒータ周辺が最も高温になる。ヒータ出力をシリコン原料が全溶解するために必要な出力に一気に上昇させた場合、ヒータ周辺およびルツボ内の原料シリコンは高温状態となるが、ヒータから離れて設置された炭素製部材は低温状態である。ヒータから離れて設置された炭素製部材が２５０～７５０℃になった時点では、シリコン原料はかなりの高温となり、発生したＣＯガスとの反応が促進される。
そのため、本発明では、ヒータ出力を、ヒータから離れた炭素製部材の温度を２５０～７５０℃に維持可能なヒータ出力とし、３時間以上２０時間以下維持することした。この炭素製部材の温度を２５０～７５０℃に維持可能なヒータ出力は、シリコン原料を全溶融するために必要なヒータ出力の１５％以上５０％以下に相当する。
そのため、本発明では、ヒータ出力を、ヒータから離れた炭素製部材の温度を２５０～７５０℃に維持可能なヒータ出力とし、３時間以上２０時間以下維持することした。この炭素製部材の温度を２５０～７５０℃に維持可能なヒータ出力は、シリコン原料を全溶融するために必要なヒータ出力の１５％以上５０％以下に相当する。
【0046】
（実験２）
実験２では、３２インチの石英ルツボに初期投入量として１００ｋｇのシリコン原料を装填し、原料溶融工程の初期のヒータ出力保持時間と、炉内のＡｒ流量とを表１に示す条件とし、原料溶融を実施した。
実験２では、３２インチの石英ルツボに初期投入量として１００ｋｇのシリコン原料を装填し、原料溶融工程の初期のヒータ出力保持時間と、炉内のＡｒ流量とを表１に示す条件とし、原料溶融を実施した。
【0047】
原料溶融工程初期において、所定の保持時間経過後に２７０ｋｇのシリコン原料を追加し、ヒータ出力を上昇させて全シリコン原料を溶融し、シリコン融液として直径３００ｍｍの結晶の引き上げを行った。
そして、引き上げた結晶の固化率８５％の位置の炭素濃度をＦＴ－ＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）で測定した。各実施例の条件、及び結果を表１に示す。
そして、引き上げた結晶の固化率８５％の位置の炭素濃度をＦＴ－ＩＲ（フーリエ変換赤外分光光度計）で測定した。各実施例の条件、及び結果を表１に示す。
【0048】
【表1】
【0049】
表１に示すように、実施例１～実施例６では、炭素濃度が１．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３以下の低い値が得られ、本発明の有効性を確認できた。
一方、比較例１では、炭素濃度が１．７×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３と高い値となった。これは、ヒータ出力が１０％と低く、炉内の炭素製部材の温度が上昇せず、ＣＯガスが完全に放出されなかったためと考えられる。
また、比較例２では、炭素濃度が２．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３と高い値となった。これは、ヒータ出力が６０％と高く、炉内の炭素製部材の温度が上昇する前に、シリコン原料の温度が上昇し、シリコン原料表面とＣＯガスとの反応が促進され、シリコン融液の炭素濃度が増加したものと考えられる。
一方、比較例１では、炭素濃度が１．７×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３と高い値となった。これは、ヒータ出力が１０％と低く、炉内の炭素製部材の温度が上昇せず、ＣＯガスが完全に放出されなかったためと考えられる。
また、比較例２では、炭素濃度が２．０×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３と高い値となった。これは、ヒータ出力が６０％と高く、炉内の炭素製部材の温度が上昇する前に、シリコン原料の温度が上昇し、シリコン原料表面とＣＯガスとの反応が促進され、シリコン融液の炭素濃度が増加したものと考えられる。
【0050】
また、比較例３では、炭素濃度が１．５×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３と高い値となった。これは、初期ヒータ出力の保持時間が２時間と短すぎ、ＣＯガスの排出が不完全となったためと考えられる。
また、比較例４では、炭素濃度が１．８×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３と高い値となった。これは、Ａｒ流量が１００Ｌ／ｍｉｎと少なすぎ、ＣＯガスの排出効果が小さいために、炉内でのＣＯガスの反応により炭素濃度が増加したものと考えられる。
また、比較例４では、炭素濃度が１．８×１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３と高い値となった。これは、Ａｒ流量が１００Ｌ／ｍｉｎと少なすぎ、ＣＯガスの排出効果が小さいために、炉内でのＣＯガスの反応により炭素濃度が増加したものと考えられる。
【0051】
（実験３）
実験３では、本実施の形態のように、ルツボ加熱初期段階でのヒータ出力の制御が効果を有するか否かについて検証した。
実施例７、８では、φ１５０ｍｍ結晶を育成するために必要なシリコン原料を溶解する際のヒータ出力（１００ｋＷ）に対しヒータ出力を３０ｋＷとし、３時間、その状態を保持した後、ヒータ出力を１００ｋＷとしてシリコン融液を形成した。
実施例７では、炉内のＡｒ流量を１５０Ｌ／ｍｉｎとし、実施例８では１２０Ｌ／ｍｉｎとした。
実験３では、本実施の形態のように、ルツボ加熱初期段階でのヒータ出力の制御が効果を有するか否かについて検証した。
実施例７、８では、φ１５０ｍｍ結晶を育成するために必要なシリコン原料を溶解する際のヒータ出力（１００ｋＷ）に対しヒータ出力を３０ｋＷとし、３時間、その状態を保持した後、ヒータ出力を１００ｋＷとしてシリコン融液を形成した。
実施例７では、炉内のＡｒ流量を１５０Ｌ／ｍｉｎとし、実施例８では１２０Ｌ／ｍｉｎとした。
【0052】
比較例５、６として、従来のようにヒータ出力をルツボ加熱開始時から１００ｋＷとしシリコン融液を形成した。比較例５では、炉内のＡｒ流量を１５０Ｌ／ｍｉｎとし、比較例６では１２０Ｌ／ｍｉｎとした。
その他の条件は、実施例７、８、比較例５、６において同一条件とした。
その他の条件は、実施例７、８、比較例５、６において同一条件とした。
【0053】
実施例７、８、及び比較例５、６の結果を図４のグラフに示す。図４のグラフにおいて、横軸に示す実施例７、８、比較例５、６の条件毎に、縦軸に炭素濃度（１０１５ａｔｏｍｓ／ｃｍ３）を試行毎にプロットした。
このグラフに示すように、加熱初期段階でのヒータ出力を低く保持することにより、結晶中の炭素濃度が従来よりも大きく低減（約５８％）できることを確認できた。
このグラフに示すように、加熱初期段階でのヒータ出力を低く保持することにより、結晶中の炭素濃度が従来よりも大きく低減（約５８％）できることを確認できた。
【0054】
以上の実施例の結果より、本発明によれば、従来よりも結晶中の炭素濃度を大幅に低減できることを確認した。
【符号の説明】
【0055】
１ 単結晶引上装置
２ 炉体
３ ルツボ
４ ヒータ
５ 引上機構
７ ガス分析装置
８ コンピュータ
８ａ 記憶装置
８ｂ ＣＰＵ
９ ヒータ制御部
１０ ルツボ回転機構
２ 炉体
３ ルツボ
４ ヒータ
５ 引上機構
７ ガス分析装置
８ コンピュータ
８ａ 記憶装置
８ｂ ＣＰＵ
９ ヒータ制御部
１０ ルツボ回転機構
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】