(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶の育成炉内においてルツボに収容したシリコン融液から、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げるようにしたシリコン単結晶の製造装置において、
内部に前記ルツボが配置される育成炉本体と、
該育成炉本体内において、シリコン融液より引き上げられたシリコン単結晶を囲繞するように配置された結晶冷却筒と、
前記結晶冷却筒の下端部内周面に沿って、前記シリコン融液より引き上げられたシリコン単結晶の外周面に向けて突出する形態で設けられる黒鉛製の内周断熱材とを有し、
該内周断熱材は、自身の内側壁面と、引き上げられたシリコン単結晶の定径部外周面との距離が２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下となるように配置され、かつ前記シリコン単結晶の軸線方向においてその全体が、該シリコン単結晶の中心温度が１０００℃以上１２５０℃以下となる区間内に位置するように配置されていることを特徴とするシリコン単結晶の製造装置。
【請求項２】
前記結晶冷却筒の少なくとも前記下端部が黒鉛製とされ、前記内周断熱材は該黒鉛製の結晶冷却筒下端部よりも気孔率の高い炭素材にて構成されていることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項３】
前記内周断熱材の上端面は、内周縁側が低くなる傾斜面とされていることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項４】
前記傾斜面の水平面とのなす角度が３０°〜７０°とされていることを特徴とする請求項３記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項５】
前記内周断熱材の、前記結晶冷却筒の内側に露出する表面を黒鉛材で被覆したことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項６】
前記黒鉛材の表面を、熱分解炭素あるいは炭化珪素でさらに被覆したことを特徴とする請求項５に記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項７】
前記結晶冷却筒は黒鉛製であり、かつ、前記内周断熱材の形成されていない内周面が、熱分解炭素あるいは炭化珪素で被覆されたものであることを特徴とする請求項１ないし６のいずれか１項に記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項８】
前記熱分解炭素あるいは前記炭化珪素で形成された被膜における鉄（Fe）濃度が、０．０５ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項６または７に記載のシリコン単結晶の製造装置。
【請求項９】
請求項１ないし８のいずれか１項に記載のシリコン単結晶の製造装置を用い、前記ルツボに収容したシリコン融液から、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げて製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明が属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法と称する）によるシリコン単結晶の製造装置及びそれを用いたシリコン単結晶の製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体素子の高集積化や大型化により、半導体素子を構成する電子回路は微細化の一途をたどっている。このため、半導体素子形成の基板とされるシリコンウエーハへの高品質化の要求は高まる一方であり、これを満足するためシリコン単結晶の育成においても様々な対策が検討されている。特に、シリコンウエーハの材料として最も多く用いられているのがＣＺ法によって製造されたシリコン単結晶であり、結晶を育成する際に結晶内部に形成される結晶欠陥が、ウエーハ表面層に素子を構成した場合の特性に大きく影響することから、単結晶育成時に結晶内部に形成される結晶欠陥を低密度に抑えた引上方法が要望されている。
【０００３】
例えば、特開平１１−７９８８９号公報には、シリコン単結晶の育成時に結晶内に取り込まれる欠陥が存在しない、あるいは存在しても極低密度であるシリコン単結晶を育成する技術が開示されている。ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成では、引上速度や結晶の冷却条件等により結晶内部に取り込まれるグローンイン欠陥（Grown−in  Defect）と呼ばれる結晶成長時の熱履歴に起因する結晶欠陥に違いがあることがわかってきた。
【０００４】
シリコン単結晶の引上速度が比較的速い急冷の状態で単結晶を育成した場合には、単結晶育成時に結晶内部でシリコン原子に不足が生じ、シリコン格子点に空孔となる部分が発生する。この空孔が単結晶の冷却時に凝集し、単結晶をウエーハに加工した際にウエーハ表面に凹部あるいは穴のような形となって現れ、空孔（ボイド、穴）起因のグローンイン欠陥が優勢なシリコン単結晶となる。このような空孔型の点欠陥をベイカンシー（Vacancy：以下、Ｖとも略記する）と呼び、ベイカンシーが凝集して生じる点欠陥が優勢となるシリコン単結晶内部の領域を、Ｖ領域と呼んでいる。また、ベイカンシーに起因するグローンイン欠陥としては、ＦＰＤ（Flow  Pattern  Defects）、ＣＯＰ（Crystal  Originated  Particle）及びＬＳＴＤ（Laser  Scattering  Tomography  Defects）等があり、シリコン単結晶をウエーハに加工した時に、ウエーハ表面に八面体のボイド状の点欠陥等として観察される。
【０００５】
これに対し、シリコン単結晶の引上速度を極力抑え、育成結晶を徐冷しながら引き上げた場合には、今度はシリコン単結晶の格子間に余分に存在するシリコン原子、すなわちインタースティシアル−シリコン（Interstitial−Si：以下、Ｉとも略記する）と呼ばれる点欠陥が優勢なシリコン単結晶が得られる。このようなシリコン単結晶の内部は、転位ループ起因と考えられるＬ／Ｄ（Large  Dislocation：格子間転位ループの略号であり、ＬＳＰＤやＬＦＰＤ等の結晶欠陥の総称）と呼ばれている格子間型シリコン欠陥が低密度に存在するようになり、単結晶をウエーハ基板に加工して表層に半導体素子を形成した場合には、これら欠陥により電流リーク等の重大な不良を起こす原因にもなる。該インタースティシアル−シリコンが優勢となる結晶内部の領域を、Ｉ領域と呼んでいる。
【０００６】
そして、これらベイカンシーが優勢となるＶ領域や、インタースティシアル−シリコンが優勢であるＩ領域以外の中間の領域となる育成条件でシリコン単結晶を引き上げれば、シリコン原子間に原子の不足や余分な原子の存在しない、あるいは存在しても僅かであるニュートラル（Neutral、以下、Ｎと略記することがある）な状態でシリコン単結晶を育成することができる。このようなニュートラルな状態にある結晶内部の領域を、Ｎ領域と呼ぶ。
【０００７】
なお、シリコン単結晶の内部に形成されるＮ領域と前述のＶ領域との間には、ＯＳＦ（Oxidation  Induced  Stacking  Fault、酸化誘起積層欠陥）と称される酸素起因の欠陥、あるいはその核が高密度に存在する領域があり、単結晶をウエーハ基板に加工した時にこの領域がリング状となって観察されることから、このＯＳＦあるいはＯＳＦとなる核が存在する領域を、ＯＳＦリングあるいはＯＳＦリング域と呼んでいる。
【０００８】
上述の特開平１１−７９８８９号公報では、結晶内部のグローンイン欠陥を極低密度に保って高品質のシリコン単結晶を得るために、単結晶の温度雰囲気を調整することにより、シリコン単結晶の内部に生ずるＯＳＦリングが結晶中心で閉じた、結晶全体がＮ領域となるような条件でシリコン単結晶を育成するようにしている。しかし、この特開平１１−７９８８９号公報に示されているような、単結晶全体あるいはその殆どをＮ領域と成して結晶成長を行う方法では、所望の結晶成長雰囲気を形成するために、シリコン融液面の上方に複雑な構造物を配置したり、あるいは単結晶の成長速度を０．５ｍｍ／ｍｉｎ程度以下の極めて低速に保つ必要がある。従って、結晶欠陥の少ない高品質な単結晶が得られるという利点はあるものの、装置構造が複雑で汎用性に欠けたり、結晶の生産性が低い等、生産効率の点では問題が多い。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
通常の製造装置でＮ領域となるように結晶引上げを行なうには、引き上げられた結晶の冷却雰囲気が所望の値となるように調整し、結晶の引上速度を０．４ｍｍ／ｍｉｎ程度の低速に保って結晶育成を行っている。これは、一般的なシリコン単結晶引上速度が１．０ｍｍ／ｍｉｎ程度であることを考えれば、著しく生産性の劣った製造方法である。この引上速度を高めるための方法として、製造装置の上部に断熱特性を強化した構造物を配置し、結晶欠陥の低い単結晶を得るのに適した温度雰囲気に調整して結晶生産を行なう方法も検討されている。しかし、このような方法では、育成炉内の上部構造が複雑となり、装置のメンテナンスや汎用性を考えた場合に、作業効率を落とし生産性が低下したり、装置コストが割高になる等の問題が残されていた。また、結晶の成長速度を高めて、結晶欠陥の無いあるいは少ない高品質結晶を育成するには、更に結晶成長界面に近い部分での、単結晶の冷却効果を大きく保つ必要があることから、新たな装置構造の工夫が必要とされていた。
【００１０】
特に、直径が２００ｍｍφを超えるような大型の結晶では、その熱容量も大きくなることから装置を簡素化するとともに、いかに適切に育成結晶を冷却するかが課題とされている。この場合、得られるシリコン単結晶の特性に影響を及ぼす結晶欠陥の発生量が、育成結晶のどの温度域で積極的な冷却促進を行なうかにも極めて密接に関わっている。しかしながら、従来、この観点における課題解決と、装置構造の簡略化との両方を視野に入れた技術的な検討はなされてこなかった。
【００１１】
本発明は、上述した問題点に鑑みて成されたものであり、結晶欠陥の無いあるいは極めて少ない高品質のシリコン単結晶を育成するにあたり、シリコン融液から引き上げられた単結晶を適切かつ効率よく冷却して引上速度の向上を図るとともに、製造装置の構造を簡素なものとし、取り扱いが容易で汎用性の高い単結晶の製造装置、及びそれを用いた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。
【００１２】
【課題を解決するための手段及び作用・効果】
本発明のシリコン単結晶製造装置は、シリコン単結晶の育成炉内においてルツボに収容したシリコン融液から、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げるようにしたシリコン単結晶の製造装置において、
内部にルツボが配置される育成炉本体と、
該育成炉本体内において、シリコン融液より引き上げられたシリコン単結晶を囲繞するように配置された結晶冷却筒と、
結晶冷却筒の下端部内周面に沿って、シリコン融液より引き上げられたシリコン単結晶の外周面に向けて突出する形態で設けられる炭素製の内周断熱材とを有し、
該内周断熱材が、シリコン単結晶の軸線方向においてその全体が、該シリコン単結晶の中心温度が１０００℃以上１２５０℃以下となる区間内に位置するように配置されていることを特徴とする。
【００１３】
また、本発明のシリコン単結晶の製造方法は、上記のシリコン単結晶の製造装置を用い、ルツボに収容したシリコン融液から、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げて製造することを特徴とする。
【００１４】
シリコン融液から単結晶を成長させる際に、結晶の成長速度を高めるためには、加熱ヒータやシリコン融液から単結晶への輻射熱を極力遮蔽して、育成結晶を効率的に冷却する必要がある。この理由から、シリコン単結晶の製造装置においては、育成結晶を取り囲むようにシリコン融液直上に結晶冷却筒を配設して、結晶からの輻射熱を除去すると同時に、加熱ヒータやシリコン融液からの輻射熱が結晶にあたらないように工夫することが有効である。しかし、シリコン融液面近くの結晶成長界面付近では、シリコン融液からの輻射熱を効率よく遮蔽することが難しく、特に欠陥を抑制した高品質結晶の育成では、結晶の冷却速度を精度よく所望の値に保つ必要があることから、結晶の成長速度を高めることが難しかった。
【００１５】
これに対し本発明の装置では、結晶冷却筒の下端部内周面に沿って、シリコン融液より引き上げられたシリコン単結晶の外周面に向けて突出する形態で、耐熱温度が高く断熱特性に優れた炭素製の内周断熱材を配置することにより、加熱ヒータやシリコン融液面からもたらされる輻射熱を遮蔽して、結晶高温部の冷却効率を高めることができる。また、このような位置に内周断熱材を配置することで、該位置での冷却筒と育成された単結晶との隙間が狭く保たれるため、シリコン融液側からの該隙間を介した輻射あるいは対流による熱伝達を抑制できるので、シリコン融液面から上方に離れた位置での結晶の冷却効果を高めることもできる。
【００１６】
結晶冷却筒は、冷却効率を高めるとともに耐熱性と機械構造的な強度を確保するために、少なくとも内周断熱材が設けられる下端部を黒鉛製とすることが望ましい。この場合、内周断熱材は該黒鉛製の結晶冷却筒下端部よりも気孔率の高い炭素材にて構成することが、断熱効果を高める上で望ましい。
【００１７】
そして、本発明では、上記内周断熱材が、シリコン単結晶の軸線方向においてその全体が、該シリコン単結晶の中心温度が１０００℃以上１２５０℃以下となる区間内に配置されていることがもう一つの大きな特徴である。具体的には、図３に示すように、内周断熱材（１５）の下縁（下端面）がシリコン単結晶の、空孔凝集による欠陥成長が始まると推定される１２５０℃よりも低い第一温度Ｔ１となる位置にあり、また、内周断熱材１５の上縁（上端面）がシリコン単結晶内の、欠陥成長が比較的不活発となる１０００℃よりも高い第二温度Ｔ２となる位置にあるようにする。なお、結晶冷却筒１３の下端部１３ａが内周断熱材１５の下端側に回りこんで配置されている場合は、該下端部１３ａは内周断熱材１５に属さないものとみなす。さらに、内周断熱材１５の上端側が結晶冷却筒１３と同材質の被覆材にて覆われている場合（図５（ａ）等）は、被覆材は内周断熱材１５に属さないものとみなす。
【００１８】
これにより、シリコン単結晶の電気的特性に悪影響を及ぼす欠陥形成を確実に抑制しつつ、成長速度を高めることが可能となる。この理由は、以下の通りである。ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成においては経験的に、おおむね結晶温度が１２５０℃程度まで低下すると、空格子点や格子間シリコン原子が、グローンイン欠陥核となるための凝集を開始し、１０００℃〜１０５０℃付近で欠陥成長が収束に向かうものと推定されている。図４の（ａ）に示すように、この１０００℃〜１２５０℃の温度区間に、欠陥の成長が顕著となると考えられる温度区間τが存在する。そして、高品質のシリコン単結晶を得るには、上記温度区間τにシリコン単結晶が長時間留まらないよう、該温度区間τを通過するときの冷却速度を適度に大きくして、結晶中での欠陥成長を抑制することが重要である。
【００１９】
例えば、図４（ａ）において破線Ｂで示すように、温度区間τでの冷却速度が小さい場合、（ｃ）に示すように、系の温度が高いために、空孔が個々の欠陥核に急速に凝集して大きく成長し、シリコン単結晶の電気的特性に悪影響を及ぼす欠陥（以下、「悪質な欠陥」といい、本明細書にて単に「欠陥」という場合は、この「悪質な欠陥」を意味する）の個数は増加してしまう。しかし、１０００℃〜１２５０℃の温度区間に対応する位置に内周断熱材を配置することで、図４（ａ）の実線Ａで示すように上記温度区間τでの冷却速度を大きくできる。この場合、（ｂ）に示すように、過冷度が大きくなるために欠陥核Ｎの発生個数は多くなるが、系の温度が低下しているので、個々の欠陥核への空孔の凝集が抑えられ、欠陥の成長速度は小さくなる。従って、前記した悪質な欠陥の個数が減少し、高品質のシリコン単結晶が得られるものと考えられる。また、このような結晶冷却を行なうことによって結晶高温部での冷却が加速され、結晶成長速度も速めることができるようになる。
【００２０】
なお、内周断熱材の上縁位置が、シリコン単結晶の中心温度が１０００℃以下となる区間にまで上側に延長された場合、その延長区間では内周断熱材の保温材としての働きが顕著となり、そのため１０００℃〜１０５０℃近傍の、欠陥の成長が収束に向かう温度域での温度勾配が緩やかとなる。その結果、欠陥が活発に形成される温度区間において、シリコン単結晶は徐冷され、欠陥への空孔の凝集が継続し、欠陥サイズが粗大化するので、例えばデバイス化の際にその電気的特性の低下を招くことにつながる。他方、内周断熱材の下縁位置が、シリコン単結晶の中心温度が１２５０℃以上となる区間まで下側に延長された場合、内周断熱材の冷却効果により単結晶の径方向の温度分布が不均一となり、結晶内部に転位ループ起因と考えられる格子間型の欠陥が生じやすくなる。いずれの場合も、単結晶の軸断面において全面がＮ領域化した高品質の結晶を得る上では不利に作用する。
【００２１】
なお、上記効果を高めるために、内周断熱材の上縁位置はシリコン単結晶の中心温度が１０００℃以上１０５０℃以下となる区間内に位置し、同じく下縁位置はシリコン単結晶の中心温度が１１５０℃以上１２５０℃以下となる区間内に位置していることが望ましい。内周断熱材の軸方向寸法が短くなりすぎて、例えば上縁位置が、シリコン単結晶の中心温度が１０５０℃より高い区間に位置するか、あるいは下縁位置が、シリコン単結晶の中心温度が１１５０℃より低い区間に位置するようになると、欠陥形成が顕著となる温度区間τの全体を十分な冷却速度で冷却できなくなり、本発明の前記した効果の達成が困難となる。
【００２２】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の実施の形態を、添付図面を参照しながら、ＣＺ法を用いたシリコン単結晶の育成例を挙げて説明するが、本発明はこれらのみに限定されるものではない。図１は、本発明のシリコン単結晶の製造方法を実施するための、シリコン単結晶製造装置の一実施形態を示す概略断面図である。図１に示されるシリコン単結晶製造装置５０は、育成炉本体１と上部育成炉２から構成される。育成炉本体１の内部には、シリコン融液４を収容した石英製ルツボ５と、この石英製ルツボ５を保持し保護するために、黒鉛製ルツボ６が石英製ルツボ５の外側に配置されている。
【００２３】
そして、黒鉛製ルツボ６の外周には、石英製ルツボ５に収容された原料である多結晶シリコンを加熱し、溶融してシリコン融液４とするための黒鉛製の加熱ヒータ７が置かれている。シリコン単結晶の育成時には、電極から加熱ヒータに電力が供給され発熱し、多結晶シリコンを融解した後に、シリコン融液４の温度を所望の値に保持してシリコン単結晶３の成長を図るものである。
【００２４】
加熱ヒータ７と育成炉本体１の炉壁との間には、金属製の炉壁を保護し育成炉本体１の内部を効率的に保温するために炭素製の炉内断熱材８が置かれている。更に、育成炉本体１は、加熱ヒータ７からの輻射熱により、シリコン単結晶育成時に炉壁が必要以上に高温に加熱されることを防止する目的で、炉壁を二重構造とし、炉壁の隙間に冷却水を流して強制冷却を行いながらシリコン単結晶の育成を行なうような構造とされているものである。
【００２５】
一方、育成炉本体１の略中央に配置された黒鉛製ルツボ６は、底部を黒鉛製のルツボ支持軸１９によって支持されており、ルツボ支持軸１９の下端部に取り付けられた図示しないルツボ軸駆動機構によって、上下動及び回転動自在とされているものである。これによって単結晶育成時にシリコン融液４の液面を一定位置に保持したり、単結晶育成時にルツボ５，６を所望の方向や速さで回転させることができるようになっている。
【００２６】
装置内にて使用する炭素製の部材は、ルツボ６、加熱ヒータ７、後述のルツボ支持軸１９あるいは結晶冷却筒１３など、機械構造的な強度の求められる部分は緻密な黒鉛にて構成され、他方、上記の炉内断熱材８や、内周断熱材１５など、断熱性が要求される部材は、該黒鉛製の構造部材よりも気孔率の高い炭素材（以下、断熱性炭素材という）にて構成する。具体的には、炭素焼結体などの多孔質炭素材、あるいは繊維質炭素材、例えば炭素繊維をプリプレグ状あるいは不織布状に成型したものを採用することができる。
【００２７】
次に、シリコン単結晶３の育成時には、シリコン融液４から蒸発するＳｉＯ（一酸化珪素）等の酸化物が、育成炉の炉壁や炉内断熱材等の炉内部材に付着するのを防止するため、アルゴンガス等の不活性ガスを育成炉に流通しながら結晶成長を行なう必要がある。このため、育成炉本体１の底部には、不活性ガスを炉外へ排気するための排ガス管９と、育成炉内部の圧力を調整するための図示しない圧力制御装置が備えられており、シリコン単結晶の育成時には、この圧力制御装置によって炉内の圧力が所望の値に調整される。
【００２８】
一方、育成炉本体１の天井部には、シリコン融液４から引き上げられたシリコン単結晶３を収容し取出すための上部育成炉２が連通して設置されている。単結晶育成時にはこの上部育成炉２内でシリコン単結晶３を放冷し、取出し可能な温度となるまで結晶温度が低下したら、上部育成炉２の図示しないドアを開けてシリコン単結晶３を育成炉の外部へと移動させる。
【００２９】
育成炉本体２の天井部からは、シリコン融液４から引き上げられた単結晶３を囲繞するように結晶冷却筒１３がシリコン融液面に向かって配置され、その先端部の外周面には、シリコン融液４や加熱ヒータ７の輻射熱を効率的に反射してシリコン融液面を保温するための黒鉛製の断熱リング１４が取り付けられている（該断熱リング１４は省略してもよい）。シリコン単結晶３の育成時には、この結晶冷却筒１３によりシリコン単結晶３からの輻射熱が効率的に奪われることで、結晶成長速度を高めることができる。また、この結晶冷却筒１３には、上部育成炉２より冷却筒内部を伝ってシリコン融液面に下流する不活性ガスの整流作用もあり、融液面から放出される不純物を滞りなく炉外へ排出させるための役目も果たしている。なお、図２に示すように、結晶冷却筒１３の上部に、冷却媒体の流通により、強制的に結晶からの輻射熱を炉外へと排出する強制冷却筒１１を設け、冷却効果を更に高めることも可能である。結晶冷却筒１３は、伝熱性を高めるために、少なくとも下端部、本実施形態においてはその全体が黒鉛製とされている（ただし、強制冷却筒１１等との接続部をなす上端部を金属製としてもよい）。また、後述の内周断熱材１５等をなす断熱性炭素材よりも緻密なものが使用される。
【００３０】
図１に戻り、上部育成炉２には、育成炉の内部に不活性ガスを導入するためのガス導入管１０が備えられており、結晶成長作業の工程に合わせてガス導入管１０より育成炉へ不活性ガスが導入される。シリコン単結晶３の育成時には、この上部育成炉２から導入された不活性ガスが、結晶冷却筒１３の内部を下流しシリコン融液面を伝って育成炉本体１の底部にある排ガス管９から炉外へと排出される。これによって、シリコン融液から蒸発するＳｉＯ等の蒸発物を炉外へと除去している。
【００３１】
また、上部育成炉２の上方には、シリコン融液４からシリコン単結晶３を引き上げるための、ワイヤー１８を巻き出しあるいは巻き取る、図示しないワイヤー巻取り機構が備えられている。このワイヤー巻取り機構から巻き出された引上げワイヤー１８の先端部には種結晶ホルダー１８ａが取り付けられており、この種結晶ボルダー１８ａに種結晶１７を係止して、その先端をシリコン融液４の表面に接融し引き上げることによって、該種結晶１７の下方にシリコン単結晶３が育成される。
【００３２】
次に、図１あるいは図２に示すシリコン単結晶製造装置５０は、結晶冷却筒１３の下端部内周面に沿って、シリコン融液より引き上げられたシリコン単結晶３の外周面に向けて突出する形態で設けられる炭素製の内周断熱材１５を有している。内周断熱材１５は、前述の断熱性炭素材にて構成される。すでに図３を用いて説明した通り、該内周断熱材１５は、シリコン単結晶３の軸線Ｏの方向において該シリコン単結晶３の中心温度が１０００℃以上１２５０℃以下となる区間内に配置されている。このことによる作用・効果は既に説明済みである。
【００３３】
なお、図１に示すように、結晶冷却筒１３は、結晶の冷却効果を得るばかりではなく、育成された単結晶３の上方から結晶に沿って冷却筒１３内を流れる不活性ガスの整流を行なう作用もある。好ましくは、この整流作用を妨げないように、図５（ａ）に示すように、内周断熱材１５の上端面１５ａは、内周縁側が低くなる傾斜面とされているのがよい（ここでは、後述の黒鉛材１３ｂにより覆われているが、これは内周断熱材１５に属さないものとみなす）。このような傾斜を内周断熱材に設けることにより、冷却筒１３の内部を流れるアルゴン（Ａｒ）ガス等の不活性ガスを乱すことなく、スムーズに上方からシリコン融液面に向かって流すことができる。これにより、シリコン融液面から蒸発するＳｉＯ等の蒸発物を、滞りなく不活性ガスにより育成炉外部へと排出し、結晶に転位をもたらす可能性がある酸化物が、炉壁や炉内配置された部材等に付着することを防ぐことが可能とされる。なお、図５（ａ）では、内周断熱材１５の上端面１５ａに続く形で直立形態の内側壁面１５ｃを形成しているが、（ｂ）に示すように、内周断熱材１５を三角状断面とし、上端面１５ａを内周断熱材１５の下端部に至る傾斜面とすることもできる。
【００３４】
上記上端面１５ａの水平面とのなす角度（以下、傾斜角という）θは３０°〜７０°の範囲となるようにするのが好適である。傾斜角θが３０°以下の場合には、結晶冷却筒１３の上方から下流する不活性ガスが内周断熱材１５の上端面１５ａに当たり、流れが乱される可能性もあるし、反対に７０°以上の傾斜を付けた場合には、内周断熱材１５が冷却筒の上方に向けて延長され、適切な結晶冷却雰囲気を形成し難くなったり、内周断熱材が大型化するので、取り扱いが不便となる。なお、上端面１５ａは、図６に示すように曲面状に形成することも可能である。この場合の傾斜角度θは、内周断熱材１５の軸線を含む断面において、曲面状の上端面１５ａの上縁及び下縁とを結ぶ直線と水平面とのなす角度として定義する。
【００３５】
また、図５において、内周断熱材１５は、自身の内側壁面１５ｃと、引き上げられたシリコン単結晶３の定径部外周面３ｃとの距離ｄが２０ｍｍ以上５０ｍｍ以下となるように配置されているのが好ましい。距離ｄが５０ｍｍを超えると、内周断熱材１５の厚みが小さくなりすぎて断熱効果が弱まると同時に、シリコン融液面からの輻射熱が内周断熱材１５とシリコン単結晶３の隙間から直接結晶高温部に当たり、効果的に結晶を冷却することができなくなる。他方、距離ｄが２０ｍｍ以下になると、輻射熱の遮蔽効果は高まるものの、冷却筒の内部を流れる不活性ガスの流通路が狭められることになるので、結晶成長界面付近での不活性ガスの線速が高まり、結晶成長を阻害する可能性もある。なお、内周断熱材１５の半径方向における最大厚みは、該内周断熱材１５が十分な熱容量ひいては引き上げられるシリコン単結晶３に対する冷却能が十分に確保できるように、適宜、例えば４０ｍｍ以上に確保することが望ましい。また、この厚みの上限値は、シリコン単結晶３の定径部外周面３ｃとの距離ｄを２０ｍｍ以上確保できる範囲内にて適宜定まるものである。
【００３６】
次に、断熱性炭素材で構成された内周断熱材１５は、高い熱遮蔽効果を持つものであるが、脆く形が不安定で所望の形状に加工するのが難しく、更には、繊維状であるため、シリコン融液からの蒸発物が表面に付着し易い等の問題もある。これを補う方法として、図５（ａ）に示すように、内周断熱材１５の、結晶冷却筒の内側に露出する表面を黒鉛材１３ｂ（内周断熱材よりは緻密なもの）で被覆することが有効である。これにより、内周断熱材１５の取り扱いを容易にし作業性の向上も図ることができるし、ＳｉＯ等のシリコン融液からの蒸発物が、内周断熱材１５の繊維状の本体部分に付着するのを防止できる。また、該本体部分が崩れてシリコン融液に落下することも無くなるので、スリップ転位をもたらすなど結晶の成長を妨げたり、品質に影響を与えることも抑制できる。
【００３７】
そして、より好ましくは、上記の黒鉛材１３ｂの表面を、熱分解炭素あるいは炭化珪素でさらに被覆しておくのがよい。熱分解炭素あるいは炭化珪素で被覆した黒鉛材１３ｂを用いることによって、シリコン融液から蒸発したシリコンが黒鉛材１３ｂ表層付近に浸透し、炭化珪素が生成されることを抑制することができる。これにより、黒鉛材１３ｂの耐久性向上を図ることができる。また、炭化珪素生成に伴う黒鉛材１３ｂのヒビや亀裂等の発生がもたらす、黒鉛の原料融液への落下を防ぐ効果もあり、その結果、安定した結晶成長が達成できるものとなる。さらに、熱分解炭素あるいは炭化珪素で形成された被膜における鉄（Fe）濃度が、０．０５ｐｐｍ以下となるように、被膜を施すことにより、結晶に近接する内周断熱材１５または結晶冷却筒１３内周面から育成単結晶にもたらす鉄（Fe）汚染を確実に防止することができる。これにより、育成したシリコン単結晶をシリコンウエーハに加工した際に重金属、特に鉄（Fe）の汚染によって生じるキャリアライフタイムの低下が抑えられる。なお、被膜の鉄（Fe）濃度については、ＩＣＰ（Inductively  Coupled  Plasma）発光分析法により測定されるものである。また、結晶冷却筒１３を黒鉛製とする場合、その内周断熱材の形成されていない内周面１３ｊを、熱分解炭素あるいは炭化珪素で被覆しておけばより望ましい。
【００３８】
なお、内周断熱材１５を結晶冷却筒１３の先端に取り付けるためには、図７（ａ）に示すように、互いに重ねあわされた内周断熱材１５と結晶冷却筒１３の壁部とを、ボルト（もちろん、黒鉛等、必要な耐熱性を持った材料で構成する）等の締結部材３０で締結・固定する方法を例示できる。また、（ｂ）に示すように、結晶冷却筒１３の本体部にＬ字状に一体化された下端部１３ａに内周断熱材１５を乗せるのみの構造としてもよい。さらに、図７（ｃ）に示すように、内周断熱材１５（を覆う黒鉛材）側に形成された雄ねじ部１５ｍを、結晶冷却筒１３の内周面下端部に形成された雌ねじ部１３ｆに螺合させて固定する方法も可能である。
【００３９】
以下、装置５０を用いたシリコン単結晶の製造工程について、図１により説明する。まず、育成炉本体１の内部に置かれた石英製ルツボ６に多結晶シリコン塊を充填し、炉内をアルゴンガス等の不活性ガスで置換し満たした後、育成炉本体１の加熱ヒータ７を発熱させてシリコンの融点である１４２０℃以上に多結晶シリコンを加熱し、シリコン融液４とする。この時、育成炉の内部は、シリコン融液から蒸発するＳｉＯ等の蒸発物が低温度の炉内構造物に析出付着しないよう、不活性ガスを常時流しながら５００ｈＰａ程度以下の低圧に保って、蒸発物の炉外排出を促しつつ多結晶シリコンの融解を図る。これはシリコン単結晶３の育成に移行した時も継続され、単結晶育成中は不活性ガスを育成炉に流しながら低圧の状態に保って操業が行われる。
【００４０】
石英製ルツボ５に収容された全ての多結晶シリコンが溶解したら、シリコン融液４の温度を単結晶成長に適した温度に調整し、ワイヤー１８を巻き出して種結晶１７の先端部を融液表面に着液させる。そして、上部育成炉２から結晶冷却筒１３を伝って下流する不活性ガスの量と炉内圧力を育成条件に合わせ、黒鉛製ルツボ６と種結晶１７とを互いに反対方向に回転させながら、所望の速さでワイヤー１８を徐々に巻き上げることによって、種結晶１７の下方にシリコン単結晶３を成長させる。
【００４１】
種結晶１７の下方に所定径を有するシリコン単結晶３を形成するには、まず種結晶１７をシリコン融液４に着液させた時の熱衝撃によって生じたスリップ転位を除去するために、一旦、結晶径を細くして絞り部を作ることによってスリップ転位を除去する。絞り部の形成後は、所定の径となるまで径拡大を行い所望の径となったところで径拡大を止め、所望とする一定直径でシリコン単結晶３の育成を行なう。
【００４２】
一定径を持った定径部を所望長さ引き上げたならば、シリコン単結晶３をシリコン融液４から切り離した時に生じる温度変化によってスリップ転位がもたらされないよう、徐々に結晶径を小さくして縮径部を形成した後、シリコン単結晶３を融液から切り離し、静かにシリコン単結晶３を上部育成炉２まで巻き上げ常温付近まで冷却して育成を終える。
【００４３】
【実施例】
以下、本発明の効果を確認するために、以下の実験を行なった。
（実施例１：実験１）
本発明の装置を用いてシリコン単結晶を育成する際に、ＯＳＦリング域が閉じてＮ領域となるよう単結晶の引上げを行なうには、どのような製造条件で育成を行なえば適切なものであるかを確認するために、図１に示される装置５０を用いて引上速度を種々に変化させながらシリコン単結晶の育成を行った。
【００４４】
まず、口径が６０ｃｍの石英製ルツボに多結晶シリコンを１００ｋｇ入れて加熱溶融し、結晶軸方向が＜１００＞の種結晶をシリコン融液に着液させて直径２００ｍｍの単結晶を育成した。この際、内周断熱材すなわち冷却筒とシリコン融液面の隙間を５０ｍｍとして、引き上げられるシリコン単結晶の中心温度が、結晶冷却筒１３の下端位置で約１２５０℃、そこから上方１０ｃｍの位置で約１０００℃となるように（いずれもシミュレーションによる）、内周断熱材１５を配置して結晶育成を行った。この時、結晶と内周断熱材１５の隙間が３０ｍｍ程度になるように内周断熱材１５の厚みを調整して配置した。
【００４５】
シリコン単結晶の引上条件は、引上速度を結晶の定径部前半で０．７ｍｍ／ｍｉｎとして、徐々に引上速度を低下させていって定径部後半の尾部近くでは０．３ｍｍ／ｍｉｎとなるように漸減させた。その他、ルツボ回転数や炉内に流す不活性ガスの量等の育成条件は、シリコン単結晶に取り込まれる酸素濃度が１９〜２０ｐｐｍａ（ＡＳＴＭ（１９７９年）：Ｆ−１２１規定の測定値）となるように調整しながら育成を行った。
【００４６】
育成後の単結晶は、拡径部と縮径部を取り除いた後に定径部の先端から１０ｃｍ毎に切断し、結晶中心から縦割りにするとともに、ＯＳＦリング域が消えてＮ領域に達する引上速度を調べた。なお欠陥の識別は以下のようにして行なった。まず、単結晶定径部を約１０ｃｍ間隔で切断し、引上軸中心から縦割りにして厚さ２ｍｍ前後の長方形をしたウエーハ状の測定サンプルを作成した。この測定サンプルに、窒素雰囲気中で６００℃×２ｈｒ＋８００℃×４ｈｒ、そして、更に酸素雰囲気下で１０００℃×１６ｈｒの熱処理を施した後に、測定サンプル表面の酸化膜を薬液で除去し、Ｘ線トポグラフにより表面の欠陥を測定した。結果は、図８に示す通りである。これによると、引上速度が０．５１ｍｍ／ｍｉｎまで低下した部位でＯＳＦリング域が消え、引上速度が０．４８ｍｍ／ｍｉｎとなったところまでＮ領域となっていることがわかった。
【００４７】
（実施例１：実験２）
実験１と同じく石英製ルツボに多結晶原料１００ｋｇを仕込み融解して、同直径、同方位を有するシリコン単結晶を育成した。この時の単結晶を得るための操業条件は、単結晶定径部１０ｃｍ以降の定径部で、引上速度を０．４８〜０．５１ｍｍ／ｍｉｎの範囲に入るように調整した以外は試験１と同じ操業条件を採用し、酸素濃度や抵抗率は略同等になるように調整しながら結晶成長を行った。得られた単結晶の定径部先端から１０ｃｍを除いた部位から、シリコンウエーハ状の評価サンプルを作成するとともに、以下のようにして欠陥評価を行なった。
Ｖ領域における結晶欠陥の評価を行うため、Ｃモードでの酸化膜耐圧測定を行った（発明例）。なお、Ｃモード酸化膜耐圧の測定条件は次の通りである。
１）酸化膜厚：  ２５ｎｍ    ２）測定電極：  リンドープ・ポリシリコン
３）電極面積：  ８ｍｍ２     ４）判定電流：  １ｍＡ／ｃｍ２
５）良否判定：  ８ＭＶ／ｃｍ以上の耐圧を示したものを良品と判定。
この結果、略１００％の良品率を得られることがわかった。
【００４８】
つぎに、Ｉ領域において観察される結晶欠陥Ｌ／Ｄの評価を行うため、前記評価サンプルを弗酸と硝酸の混合液でエッチングし表面の加工歪みを取り除き、続いてＫ２Ｃｒ２Ｏ７と弗酸と水の混合液でさらにセコ−エッチング（Secco  etching）を施した後、前記評価サンプルの表面のＬ／Ｄに起因したピットを観察した。しかしながら、Ｌ／Ｄに起因した欠陥は観察されなかった。
Ｖ及びＩ領域における前記欠陥評価の結果より、結晶全域にわたって欠陥の極めて少ないＮ領域の単結晶が育成されたことを確認した。
【００４９】
一方、比較のため、シリコン単結晶製造装置の冷却筒先端部にある内周断熱材１５を取り除いた以外は、図１に示す製造装置と同じものを用いて、発明例と同じ条件で引上速度を調整しながら、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を育成し、同様にＣモード酸化膜耐圧を測定した（比較例Ａ）。さらに、内周断熱材１５を、上縁位置でシリコン単結晶の中心温度が約８００℃となるように低温部まで延長した装置（比較例Ｂ）、逆に下縁位置でシリコン単結晶の中心温度が約１３５０℃となるように高温部まで延長した装置（比較例Ｃ）においても結晶育成を行った。その結果、Ｃモード酸化膜耐圧測定では、比較例Ａ及びＢでは良品率が５０〜７０％程度の値に留まり、比較例Ｃでは１００％に近い値となった。しかし、比較例Ｃから得られた単結晶において、Ｉ領域で観察される結晶欠陥Ｌ／Ｄの評価を行った結果、ウエーハ表面に低密度のＬ／Ｄに起因したビットが観察された。
【００５０】
また、比較例Ａで使用した装置により、実施例品と同程度の品質持つ単結晶、即ち全域がＮ領域となる単結晶を製造するには、どのような製造条件を用いれば好ましいかを、実験１と同様の引上速度の漸減実験を行って確認した。その結果、Ｎ領域となる引上速度域は、０．４４〜０．４６ｍｍ／ｍｉｎとかなり小さくなっていることがわかった。なお、図９に、発明例（実線）と比較例（破線）との適正引上速度の相違を視覚化して示している。
【００５１】
（実施例２：実験１）
図２に示す強制冷却機構をもった冷却筒を有するシリコン単結晶製造装置を用いて、実施例１の実験１と同じように多結晶シリコン１００ｋｇを石英製ルツボに仕込み、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を製造し、ＯＳＦリング域が消滅し低欠陥領域であるＮ領域となる領域で単結晶を引き上げるための、引上条件の確認実験を行った。この際、内周断熱材すなわち冷却筒とシリコン融液面の隙間を５０ｍｍとして、引き上げられるシリコン単結晶の中心温度が、結晶冷却筒１３の下端位置で約１２５０℃、そこから上方１５ｃｍの位置で約１０００℃となるように（いずれもシミュレーションによる）、内周断熱材１５を配置して結晶育成を行った。この時、結晶と内周断熱材１５の隙間が３０ｍｍ程度になるように内周断熱材１５の厚みを調整して配置した。また、その他の酸素濃度等の結晶品質は、実施例１と略同等になるように操業条件を調整して、単結晶を育成している。
【００５２】
このシリコン単結晶に、実施例１の実験１と同様にして、ＯＳＦリング域とＮ領域となる部位の確認を行ったところ、図２の製造装置では、引上速度を０．５７〜０．５４ｍｍ／ｍｉｎの範囲となるように単結晶育成を行なえば、欠陥密度の低い酸化膜耐圧特性に優れたシリコンウエーハを得られることが判った。
【００５３】
（実施例２：実験２）
そして、図２の製造装置により、引き上げるシリコン単結晶の定径部先端から約１０ｃｍの位置で引上速度が０．５４〜０．５７ｍｍ／ｍｉｎの範囲となるように調整しながら、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を育成した（発明例）。この単結晶の、定径部先端の約１０ｃｍを除いた部位から、実施例１の実験２と同様にシリコンウエーハを作製し、同じ条件でＣモード酸化膜耐圧を測定したところ、良品率は１００％に近い値となった。さらに、Ｉ領域で観察される結晶欠陥Ｌ／Ｄの評価を行った結果、Ｌ／Ｄに起因したビットは確認されず、結晶全域にわたって欠陥が抑制された高品質結晶が得られたことを確認した。
【００５４】
一方、比較のため、シリコン単結晶製造装置の冷却筒先端部にある内周断熱材を取り除いた以外は、図２に示す製造装置と同じものを用いて、発明例と同じ条件で引上速度を調整しながら、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を育成し、同様にＣモード酸化膜耐圧を測定した（比較例Ｄ）。さらに、内周断熱材１５を、上縁位置でシリコン単結晶の中心温度が約８００℃となるように低温部まで延長した装置（比較例Ｅ）、逆に下縁位置でシリコン単結晶の中心温度が約１３５０℃となるように高温部まで延長した装置（比較例Ｆ）においても結晶育成を行った。その結果、Ｃモード酸化膜耐圧測定より、比較例Ｄ及びＥでは良品率が５０〜７０％前後の低い値を示し、比較例Ｆでは概ね１００％となった。しかし、比較例Ｆで製造したシリコン単結晶において、Ｉ領域で観察される結晶欠陥Ｌ／Ｄの評価を行った結果、ウエーハ表面に低密度のＬ／Ｄに起因したビットが観察された。
【００５５】
また、比較例Ｃで使用した装置により、実施例品と同程度の品質を持つ単結晶を製造するには、どのような製造条件を用いれば好ましいかを、実験１と同様の引上速度の漸減実験を行って確認したところ、高品質であるＮ領域となる引上速度域は、０．４９〜０．５２ｍｍ／ｍｉｎと小さくなっていることがわかった。
【００５６】
なお、本発明は上述した実施の形態に限定されるものではない。上述の実施の形態は単なる例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様の効果を奏するものはいかなるものであっても、本発明の技術的範囲に包含されることは勿論である。例えば、本発明のシリコン単結晶の製造方法を、シリコン融液に磁場を印加することなくシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げるＣＺ法を例に挙げて説明したが、単結晶製造装置の育成炉の外側に磁石を配置して、シリコン融液に磁場を印加しながらシリコン単結晶の育成を図るＭＣＺ法によるシリコン単結晶の製造においても、同様の効果が得られることは言うまでもない。
【００５７】
また、上記実施の形態においては、直径が２００ｍｍのシリコン単結晶を育成する場合を例に挙げて説明したが、本発明はこれに限定されるものではなく、直径が２００〜４００ｍｍ、あるはそれ以上の直径を有するシリコン単結晶の育成にも適用可能であり、より有効に作用し得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のシリコン単結晶の製造装置の一例を示す全体模式図。
【図２】図１の製造装置の変形例を示す全体模式図。
【図３】内周断熱材の作用説明図。
【図４】内周断熱材が欠陥形成に及ぼす影響を概念的に説明する図。
【図５】内周断熱材の第一及び第二の変形例を示す拡大断面図。
【図６】同じく第三の変形例を示す拡大断面図。
【図７】結晶冷却筒への内周断熱材の取付構造をいくつか例示して示す模式図。
【図８】実施例１の実験１により得られたシリコン単結晶の引上速度プロファイル及び欠陥分布測定結果を示す図。
【図９】実施例１の実験２における発明例と比較例との適正引上速度の相違を視覚化して示す図。
【符号の説明】
１  育成炉本体
４  シリコン融液
５  石英製ルツボ
６  黒鉛製ルツボ
１３  結晶冷却筒
１５  内周断熱材
５０  シリコン単結晶製造装置
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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