(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
育成する単結晶の軸方向における比抵抗及び／または酸素濃度の範囲からなる内部品質の条件により複数の品種を決定する品種決定工程と、
育成する単結晶の狙い品質を設定し、その操業条件を決定する操業条件決定工程と、
育成される単結晶の軸方向の品質分布を過去の操業実績から推定する品質分布推定工程と、
決定された前記複数の品種ごとの前記内部品質と推定された前記品質分布とから、単結晶において各品種の採取が可能な軸方向範囲を決定する採取可能範囲決定工程と、
この採取可能範囲から前記品種ごとに振り分けるために単結晶の軸方向における切断位置を決定する切断位置決定工程と、
前記操業条件でＣＺ法により単結晶を育成する単結晶育成工程と、育成された単結晶を前記切断位置で切断して前記複数品種の製品とする切断工程と、
前記切断工程後に、切断位置での単結晶内部品質を測定し、そのデータを推定する品質分布にフィードバックするフィードバック工程と、を有し、
前記フィードバック工程において、前記切断位置での単結晶内部品質分布実測データを用いて単位回数の引き上げごとに各引き上げ炉の、前記単結晶の軸方向の品質分布を更新し、更新された品質分布に基づいて、前記切断位置決定工程において前記切断位置を設定するとともに、特定品種の単結晶を製造するべく複数の引き上げ炉で単結晶の育成を行う際に、各引き上げ炉で育成する単結晶に対して総合的な振り分けが行えるように、前記品種決定工程と前記操業条件決定工程と前記品質分布推定工程と前記フィードバック工程とをそれぞれの引き上げ炉に対しておこなうことを特徴とする結晶生産方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体デバイスの素材として使用されるシリコン等の単結晶を、ＣＺ法により工業的に製造する結晶生産方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの素材として使用されるシリコン単結晶は、工業的には主にＣＺ法により製造される。ＣＺ法とは、周知の如く、石英坩堝内に収容されたシリコンの原料融液に種結晶を漬け、種結晶及び石英坩堝を逆方向に回転させながら種結晶を引き上げることにより、種結晶の下にシリコンの単結晶を育成する方法である。
【０００３】
ところで、シリコン単結晶の品質としては、比抵抗及び酸素濃度が重要である。このため、ユーザー側からのこれら特性に対する要望は非常に細かく且つ厳しいものになっており、このため、メーカー側で製造する製品の種類は非常に多岐に及んでいる。そして、メーカー側では、受注状況に応じ、要求品質を満足する品種（狙い品種）の製品を、複数の引き上げ炉を使用して工業的に製造している。これが単結晶の基本的な量産状況である。
【０００４】
しかしながら、ユーザー側が要求する品質の製品を経済的に製造することは、非常に困難な技術である。なぜなら、育成された１本の単結晶のなかで要求品質を満たす部分が少なく、その要求品質を満たさない多くの部分がロス（経済価値の少ない溶解原料）として処理されため、製品採取における歩留りが非常に低いからである。
【０００５】
すなわち、ＣＺ法を用いたシリコン単結晶の製造では、図１（ａ）又は図１（ｂ）に示すように、引き上げの進行に伴うドーピング元素の偏析により、育成された単結晶の比抵抗が引き上げ軸方向において変化する。また、引き上げの進行に伴う融液量の減少等により、単結晶の酸素濃度も引き上げ軸方向において変化する。これらのため、比抵抗及び酸素濃度の両方について要求品質を満足する部分（狙い品種の部分）は非常に少なく、通常は５０％前後である。
【０００６】
この問題を解決するために、引き上げ中に坩堝回転等を制御して、酸素濃度分布を結晶軸方向で均一化することが行われている。すなわち、１本の単結晶において、要求品質を満足する部分（狙い品種の部分）をできるだけ長くしようするわけである。
【０００７】
また、マルチプリングと呼ばれる方法も考えられている。これは、坩堝内の融液を全量引き上げず、半分程度を残して引き上げを終了し、新しい原料を追加して再び引き上げを開始し、これを繰り返す方法である。すなわち、坩堝内に原料を追加しながら引き上げを繰り返す方法である。この方法によると、ボトム側にロスが生じ始める段階で引き上げが打ち切られるので、ボトム側のロスが少なくなり、その結果として製品採取における歩留りが向上する。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、これらの対策には次のような問題がある。
【０００９】
酸素濃度分布を結晶軸方向で均一化する方法では、均一化できる範囲が狭いため、この方法によって得られるロスの減少は僅かである。しかも、往々にして無理な操作を伴うため、有転位化等の二次的な弊害が問題になる。
【００１０】
また、マルチプリングでは、坩堝を繰り返し使用するために、使用中に坩堝破損事故が発生するおそれがある。加えて、重金属の偏析が生じる。これらのため、引き上げ回数が制限され、期待するほどの効果は得られていないのが現状である。特に、大チャージを必要とする大径の単結晶の引き上げでは、坩堝の破損事故や重金属の偏析が大きな問題となるので、単結晶の大径化には対応できないという制約がある。
【００１１】
本発明の目的は、無理な操作や坩堝の繰り返し使用を行わずとも、製品採取における歩留りを大幅に向上させることができる結晶生産方法を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
ところで、ＣＺ法による単結晶の量産では、前述したように、同一品種の製品を製造するために複数の引き上げ炉を使用するが、各炉で育成された単結晶の軸方向の品質分布、とりわけ酸素濃度分布は、図１（ａ）（ｂ）に示すように、大きく異なるものとなる。これは部品の劣化、炉体特性の僅かな違い、計器の狂いなどが原因であるが、その原因はともかく、各炉で同一特性の製品を引き上げようとしても、引き上げられる単結晶の軸方向の酸素濃度分布は大きく異なるものとなる。このため、単結晶からの製品採取位置は各炉で異なり、同時に、要求品質を満たさなかったロスについても、酸素濃度分布が異なるものとなる。
【００１３】
一方、ユーザーが要求する製品特性は非常に細分化しており、このために、メーカーで製造する製品の種類が多岐に及ぶことは前述した通りである。そして、比抵抗や酸素濃度についての要求品質は、細かく別れているものの重複する部分も多い。このため、複数の炉で同じ品種の製品を製造した場合、各炉で生じるロスからは他の品質の製品を効率よく採取することが可能となる。即ち、各炉の酸素濃度に及ぼす影響が同じで、各炉で引き上げた単結晶の酸素濃度分布が同じになるならば、それぞれのロスから採取される製品の品種は限られるが、その酸素濃度分布が比較的大きくばらつくため、各ロスからは多種多様な製品が殆ど余りなく採取されるのである。
【００１４】
本発明の単結晶製造方法は、かかる知見に基づいて開発されたもので、育成する単結晶の軸方向における比抵抗及び／または酸素濃度の範囲からなる内部品質の条件により複数の品種を決定する品種決定工程と、
育成する単結晶の狙い品質を設定し、その操業条件を決定する操業条件決定工程と、
育成される単結晶の軸方向の品質分布を過去の操業実績から推定する品質分布推定工程と、
決定された前記複数の品種ごとの前記内部品質と推定された前記品質分布とから、単結晶において各品種の採取が可能な軸方向範囲を決定する採取可能範囲決定工程と、
この採取可能範囲から前記品種ごとに振り分けるために単結晶の軸方向における切断位置を決定する切断位置決定工程と、
前記操業条件でＣＺ法により単結晶を育成する単結晶育成工程と、育成された単結晶を前記切断位置で切断して前記複数品種の製品とする切断工程と、
前記切断工程後に、切断位置での単結晶内部品質を測定し、そのデータを推定する品質分布にフィードバックするフィードバック工程と、を有し、
前記フィードバック工程において、前記切断位置での単結晶内部品質分布実測データを用いて単位回数の引き上げごとに各引き上げ炉の、前記単結晶の軸方向の品質分布を更新し、更新された品質分布に基づいて、前記切断位置決定工程において前記切断位置を設定するとともに、特定品種の単結晶を製造するべく複数の引き上げ炉で単結晶の育成を行う際に、各引き上げ炉で育成する単結晶に対して総合的な振り分けが行えるように、前記品種決定工程と前記操業条件決定工程と前記品質分布推定工程と前記フィードバック工程とをそれぞれの引き上げ炉に対しておこなうことを特徴とする。
本発明は、ＣＺ法により単結晶を育成すると共に、育成される単結晶の軸方向の品質分布を過去の操業実績から推定し、推定された品質分布、受注した製品の品質仕様、量及び優先順位に基づいて、前記単結晶を複数品種の製品に振り分けることを構成上の特徴点とする。
【００１５】
好ましくは、狙い品種を設定する。具体的には、特定品種の単結晶を製造するべく複数の引き上げ炉で単結晶の育成を行うと共に、複数の引き上げ炉で育成される単結晶の軸方向の品質分布を過去の操業実績から推定し、推定された品質分布に基づいて特定品種の製品を採取すると共に、受注した他の製品の品質仕様、量及び優先順位に基づいて、残った部分から他の品種の製品を採取する。
【００１６】
更に好ましくは、複数の引き上げ炉において結晶軸方向の酸素濃度分布特性を把握しておき、その特性から予測される単結晶の酸素濃度分布に基づいて特定品種の製品部分を決定し、残った部分において他品種の製品部分を決定する。
【００１７】
更に好ましくは、単結晶の酸素濃度分布の実測データを用いて、単位回数の引き上げごとに各引き上げ炉の酸素濃度分布特性を更新する。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。
【００１９】
本発明の実施形態に係る結晶生産方法では、図２に示すように、その生産管理がコンピュータ１０により行われる。コンピュータ１０はホストコンピュータ２０と接続されており、ホストコンピュータ２０との間で情報の授受を行い、図３の処理を行うことにより、最終的に単結晶の切断位置を指示する。その指示情報は、複数の処理端末３０，３０・・に伝送される。
【００２０】
ホストコンピュータ２０から受け入れる情報としては、受注状況、製品仕掛かり状況、品質実績、操業データ、製品仕様等がある。また、ホストコンピュータ２０へ転送する情報としては、単結晶切断位置情報、品質サンプル抜き取り情報、引き当て指示情報等がある。
【００２１】
また、ホストコンピュータ２０から受け入れた操業に必要な各種情報や、酸素濃度分布等のコンピュータ１０内で生成した情報、操業処理実績データ等を格納するために、コンピュータ１０はデータベースを備えている。
【００２２】
管理者は、受注した製品の品質仕様、量及び希望納期をコンピュータ１０に逐次入力する。操業では、現在の受注状況から優先順位の最も高い品種を決め、これを狙い品種として、その品種の受注量を満たすべく複数の引き上げ炉で結晶育成を行う。そして管理者は、その狙い品種を製造するための各炉における操業条件をコンピュータ１０に入力し、製品の振り分けを指示する。そうすると、コンピュータ１０は、ホストコンピュータ２０から必要な情報を取り出し、図３に示された３のプログラム、即ち優先順位データ生成、酸素濃度テーブル生成及び結晶生産システムを実行する。
【００２３】
優先順位データ生成では、製品の希望納期及び育成の難易度等から優先順位が決定される。決定された優先順位はコンピュータ１０のデータベースに格納される。
【００２４】
酸素濃度テーブル作成では、各炉で育成される単結晶の内部品質として酸素濃度分布が推定される。以下にこの工程を詳細に説明する。なお、製品の内部品質としては比抵抗及び酸素濃度が重要であるが、説明の便宜上、管理が最も困難な酸素濃度についてのみ詳細な説明を行う。
【００２５】
ホストコンピュータ２０には、各炉における過去の操業実績（操業条件及び酸素濃度分布等）が格納されている。狙い品種を製造するための各炉の操業条件が入力されると、コンピュータ１０は、各炉ごとに、操業条件に対応する操業実績をホストコンピュータ２０から受け入れてデータベースに格納する。次いで、その操業実績を用いて酸素濃度分布特性（酸素濃度分布推定用のテーブル）を作成し、作成した各炉の酸素濃度分布特性（酸素濃度分布推定用のテーブル）を用いて、育成される単結晶の軸方向の酸素濃度分布を推定する。
【００２６】
具体的には、品質実績データと引き上げ実績データとから、炉別・酸素スペック別にそれぞれ１０バッチ分の酸素スペック、酸素実績、仕様部品サイズ、仕込み量を編集した中間データを生成する。中間データから、炉別・酸素スペック別に酸素実績データの平均値をとり、単結晶の軸方向に並べ代えて、テーブルデータとして登録する。登録された酸素濃度テーブルを運用して、酸素濃度分布を例えば１ｍｍごとに推定する。作成された酸素濃度テーブルの一例を表１に示し、そのテーブルから推定された酸素濃度分布を図４（ａ）に示す。
【００２７】
【表１】
0004776745.tif 000002
【００２８】
結晶生産システムでは、推定された内部品質分布と、決定された優先順位とを用いて製品の振り分けが行われる。
【００２９】
即ち、今、コンピュータ１０に記憶されている製品の品質仕様を表２とし、推定された酸素濃度分布を図４（ａ）とすると、振り分けは次のようにして実行される。
【００３０】
【表２】
0004776745.tif 000003
【００３１】
品種Ａは所定の酸素濃度を指定された主品種（狙い品種）で、優先度の最も高いものである。品種ａ，ｂ，ｃ，ｄ・・・はそれぞれ所定の酸素濃度を指定された副品種で、主品種Ａに比べて優先度が順に小さいものである。
【００３２】
製品の振り分けでは、コンピュータ１０は先ず、図４（ｂ）に示すように、受注した製品の品質仕様（酸素濃度分布）と推定された酸素濃度範囲とから、単結晶において製品化が可能な範囲を決定する。狙い品種である品種Ａは、単結晶のトップ近傍から中間部にかけて採取可能である。優先順位が第２位の品種ａは、酸素濃度が高く、単結晶のトップ部から採取可能である。優先順位が第３，５位の品種ｂ，ｄは、酸素濃度が比較的低く、単結晶の中間部からボトム近傍にかけて採取可能であり、特に品種ｂは酸素濃度のレンジが狭く品質仕様の厳しい品種である。優先順位が第４位の品種ｃは、酸素濃度が最も低く、単結晶のボトム部近傍から採取可能である。優先順位が第６位の品種ｅは、酸素濃度のレンジが広く、単結晶のほぼ全長から採取可能である。
【００３３】
製品化の可能な範囲が決定されると、図４（ｃ−１）に示すように、受注量を考慮しつつ優先順位から製品の最終的な振り分けを行う。即ち、狙い品種である品種Ａは、採取可能位置の全部に振り当てる。優先順位が第２位の品種ａは、品種Ａとの重複部分を避けて単結晶のトップ部に振り当てる。優先順位が第３位の品種ｂは、残りの部分に優先的に振り当てる。続けて、優先順位が第４，５，６位の品種ｃ，ｄ，ｅは、残りの部分に順に優先的に振り当てる。
【００３４】
品種ｅの受注量が多い場合は、図４（ｃ−２）に示すように、品種ｃの一部を品種ｅに置き換える。また、品種ｄの受注量が多い場合は、図４（ｃ−３）に示すように、品種ｃの一部を品種ｄに置き換える。
【００３５】
かくして、単結晶の全体から製品が受注状況に応じて余すことなく採取され、単結晶から製品を採取するときの歩留りが飛躍的に向上し、且つ受注に対する過不足も生じない。
【００３６】
加えて、各炉では品種Ａを狙って単結晶を育成するものの、それらの酸素濃度分布は同じではないので、ある炉では採取できない製品も他の炉では採取できることになり、各炉で育成される単結晶に対して総合的な振り分けを行うことにより、実際の操業でも、受注に対する過不足を生じることなく、単結晶から製品が殆ど余すことなく採取される。
【００３７】
各炉で単結晶が育成されると、決定された振り分けに従って、単結晶を切断する。また、切断位置で単結晶の酸素濃度を測定し、そのデータをコンピュータ１０にフィードバックする。
【００３８】
各炉における酸素濃度分布特性（酸素濃度分布推定用のテーブル）は、厳密には１本の単結晶を育成するごとに変化する。このために、最新の実測データをコンピュータ１０にフィードバックする。コンピュータ１０は、常に最近の所定数のデータ（例えば最新から１０個のデータ）を用いて酸素濃度分布特性（酸素濃度分布推定用のテーブル）を作成する。これにより、各炉で育成される単結晶の酸素濃度分布が高精度に推定される。
【００３９】
【発明の効果】
以上に説明した通り、本発明の結晶生産方法は、ＣＺ法により単結晶を育成すると共に、育成される単結晶の軸方向の品質分布を過去の操業実績から推定し、推定された品質分布、受注した製品の品質仕様、量及び優先順位に基づいて、前記単結晶を複数品種の製品に振り分けることにより、ロス（非製品部分）の発生を効果的に抑制する。このため、単結晶から製品を採取するときの歩留りを大幅に改善することができる。しかも、操業では無理な操作を必要としないので、有転位化等による歩留り低下を回避することができる。更に、マルチプリングの場合のような坩堝の繰り返し使用を必要とないので、その繰り返し使用に伴う坩堝破損等の問題も解決することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】単結晶の比抵抗分布及び酸素濃度分布を模式的に示す図表である。
【図２】本発明の実施形態でのハードウエアを示す装置構成図である。
【図３】本発明の実施形態でのソフトウエアを示すフローチャートである。
【図４】製品の振り分けを説明するための概念図である。
【符号の説明】
１０  コンピュータ
２０  ホストコンピュータ
３０  情報端末
【図１】
0004776745.tif 000004
【図２】
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【図３】
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【図４】
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