シリコン原料の再利用方法
【課題】直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットの引上げ中に、シリコン原料融液を保持する石英ルツボの使用時間が予め設定された耐用時間を経過し、かつ、その時点で引上げ中のシリコン単結晶が有転位化している場合であっても、該シリコン単結晶インゴットにおけるクラックや割れの発生を抑制することができ、石英ルツボ内に残存したシリコン原料融液を半導体デバイス用に、安全かつ効率的に再利用する方法を提供する。
【解決手段】直胴部の最大直径が２１０〜２６０ｍｍの第２のシリコン単結晶インゴットＩｇ２の引上げに変更して、石英ルツボ１４ａに残存しているシリコン原料融液を第２のシリコン単結晶インゴットＩｇ２として回収し、直径８インチ以下のシリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして、又は、シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用する。
【解決手段】直胴部の最大直径が２１０〜２６０ｍｍの第２のシリコン単結晶インゴットＩｇ２の引上げに変更して、石英ルツボ１４ａに残存しているシリコン原料融液を第２のシリコン単結晶インゴットＩｇ２として回収し、直径８インチ以下のシリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして、又は、シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大口径の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法ともいう）によるシリコン単結晶インゴットの引上げにおいて、石英ルツボ内に残存するシリコン原料融液を、半導体デバイス用として再利用するシリコン原料の再利用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するシリコン単結晶インゴットは、炉体内で、ＣＺ法により、石英ルツボに保持されたシリコン原料融液に種結晶を着液させて引上げ、結晶径約３〜５ｍｍのネック部を育成した後、目的とする結晶径まで拡径するクラウン部及び目的とする結晶径を維持する直胴部を育成し、最後に、目的とする結晶径から縮径するテール部等を育成してシリコン原料融液から切り離して冷却することにより製造することができる。
【０００３】
近年、半導体デバイスの微細化に伴い、シリコン単結晶インゴットの引上げ時に発生するボイド欠陥を可能な限り小さくすることが要求されている。このボイド欠陥を小さくするためには、シリコン単結晶インゴットの引上げ時における１１００℃付近のボイド欠陥成長温度帯の冷却速度を高めることが必要である。このような冷却速度を高める方法の一つとして、炉体内に強制冷却用の冷却体を設置する技術が一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、前記冷却速度を高めると、シリコン単結晶インゴットの内部の熱応力が増加するため、引上げ中にクラックや割れ（以下、併せて、クラック等という）が発生する場合がある。特に、近年のシリコンウェーハの大口径化（直径１２インチ以上）に伴い、ＣＺ法により引上げるシリコン単結晶インゴットも大口径化しているため、引上げ中のシリコン単結晶インゴットの半径方向の温度差が大きくなり、シリコン単結晶インゴットの内部の熱応力がさらに増加し、クラック等が一層発生しやすいという問題が生じていた。
【０００５】
このようなＣＺ法により育成する大口径のシリコン単結晶インゴットの割れ発生を有効に抑制するために、有転位化が生じた位置からの多結晶部分の長さを所定長さ以下として、シリコン原料融液から切り離す方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２３９２９１号公報
【特許文献２】特開２００６−２１３５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、大口径のシリコン単結晶インゴットの引上げ中に結晶が有転位化し、当該有転位化した状態で引上げを継続した場合には、大口径のシリコン単結晶インゴットは重量が大きく、かつ、有転位化した部分に残留応力が集中するため、引上げ中にクラック等が発生する場合がある。また、引上げ中に結晶が割れた場合には、割れた結晶がシリコン原料融液に落下し、石英ルツボからシリコン原料融液が漏出する大事故が発生する場合もある。
【０００８】
また、引上げ中にクラック等の発生を防止することができたとしても、引上げたシリコン単結晶インゴットに有転位化した部分が存在する場合には、この有転位化した部分に残留応力が集中しているため、シリコン単結晶引上装置からの回収作業時や、シリコン単結晶インゴットの運搬時、外周研削時あるいはブロック切断時等に、シリコン単結晶インゴットにクラック等が発生する場合があった。また、有転位化した部分は、半導体デバイス用として使用できないという問題もあった。
このため、引上げ中、シリコン単結晶インゴットが有転位化した場合は、少なくとも有転位化した部分を再溶解（メルトバック）させて、無転位のシリコン単結晶（直胴部）が得られるまで繰り返し再引上げを行う必要があった。
【０００９】
また、特許文献２に記載の方法のように、シリコン単結晶インゴットの引上げを途中で中止すると、石英ルツボ内にはシリコン原料融液が多く残存することとなる。例えば、多く残存したシリコン原料融液を、石英ルツボ内に保持された状態で冷却固化させると、石英ルツボ内壁面から溶出した不純物や炉内雰囲気に起因する不純物を多く取り込んでしまうため、シリコンが高純度であることが要求される半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用することが難しい。また、シリコン原料融液は、冷却固化時に膨張するため、その残存量が多いと、膨張に伴う応力によって固化途中で石英ルツボが割れ、未固化のシリコン原料融液が漏出する大事故が発生する場合もある。
【００１０】
さらに、石英ルツボは、シリコンの融点以上の高温下で使用されているため、例えば、複数回のメルトバックにより引上げ時間（石英ルツボの使用時間）が長時間になると、石英ルツボが劣化して破損し、同様に、シリコン原料融液が漏出する大事故が発生する場合もある。
したがって、このような事態を回避するため、石英ルツボは、使用時間が制限され、予め所定の耐用時間が設定されている。
【００１１】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットの引上げ中に、シリコン原料融液を保持する石英ルツボの使用時間が予め設定された耐用時間を経過し、かつ、その時点で引上げ中のシリコン単結晶が有転位化している場合であっても、当該シリコン単結晶インゴットにおけるクラックや割れの発生を抑制することができ、石英ルツボ内に残存したシリコン原料融液を半導体デバイス用に、安全かつ効率的に再利用することができるシリコン原料の再利用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】
【００１２】
本発明に係るシリコン原料の再利用方法は、ＣＺ法により、ネック部、クラウン部及び直胴部を育成し、直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するための第１のシリコン単結晶インゴットを引上げる第１の引上げ中に、シリコン原料融液を保持する石英ルツボの使用時間が予め設定された耐用時間を経過し、かつ、その時点で前記第１の引上げ中のシリコン単結晶が有転位化している場合、前記第１の引上げを、直胴部の最大結晶径が２１０ｍｍ以上２６０ｍｍ以下の第２のシリコン単結晶インゴットを引上げる第２の引上げに変更して、前記石英ルツボに残存しているシリコン原料融液を第２のシリコン単結晶インゴットとして回収し、前記第２のシリコン単結晶インゴットを、直径８インチ以下の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして、又は、半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用することを特徴とする。
【００１３】
前記第１の引上げから前記第２の引上げへの変更は、下記（１）〜（３）のいずれかの工程を選択して行うことが好ましい。
（１）前記第１の引上げがシリコン単結晶のネック部育成時、又は、最大結晶径が２６０ｍｍ以下のクラウン部育成時である場合は、前記最大結晶径を縮径させることなく、前記第２の引上げに変更する。
（２）前記第１の引上げがシリコン単結晶の最大結晶径が２６０ｍｍを超えるクラウン部育成時、又は、直胴部育成時であって直胴部の長さが３００ｍｍ未満である場合は、前記シリコン単結晶をネック部まで溶解させた後、前記ネック部から前記第２の引上げを行う。
（３）前記第１の引上げがシリコン単結晶の直胴部育成時であって直胴部の長さが３００ｍｍ以上である場合は、前記第１の引上げ中のシリコン単結晶をシリコン原料融液から切り離して冷却し、回収した後、新たに前記第２の引上げを行う。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るシリコン原料の再利用方法によれば、直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するシリコン単結晶インゴットの引上げ中に、シリコン原料融液を保持する石英ルツボの使用時間が予め設定された耐用時間を経過し、かつ、その時点で引上げ中のシリコン単結晶が有転位化している場合であっても、当該シリコン単結晶インゴットにおけるクラックや割れの発生を抑制することができ、石英ルツボ内に残存したシリコン原料融液を半導体デバイス用に、安全かつ効率的に再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る方法によりシリコン単結晶インゴットを引上げる各段階を示した概念図である。
【図２】第１の引上げから第２の引上げに変更する際の具体的な工程を説明するための概念図である。
【図３】本発明に係る方法を実施するためのシリコン単結晶インゴットの製造装置の一例を模式的に示した概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るシリコン原料の再利用方法について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１に、本発明に係る方法によりシリコン単結晶インゴットを引上げる各段階を示す。本発明に係るシリコン原料の再利用方法においては、まず、図１（ａ）に示すように、ＣＺ法により、シードチャック３２に保持された種結晶（図示せず）からネック部ＮK、クラウン部ＩｇC及び直胴部ＩｇBを育成し、直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するための第１のシリコン単結晶インゴットＩｇ１（直胴部ＩｇBの最大結晶径ＣH1（直径１２インチの半導体デバイス用シリコンウェーハを製造する場合は、例えば、３０５ｍｍ以上３２０ｍｍ以下））を引上げる。
この第１の引上げ中に、シリコン原料融液１６を保持する石英ルツボ１４ａの使用時間が予め設定された耐用時間を経過し（例えば、引上げ中のシリコン単結晶Ｉｇ１に転位６０が発生したため（図１（ａ））、メルトバックを行って有転位化した部分を含むネック部までをシリコン原料融液１６に溶解させ（図１（ｂ））、その後、再引上げを行ったが同様に転位６０が発生したため（図１（ｃ））、再度、メルトバックを行う（図１（ｂ））というように、メルトバックと再引上げを繰り返し行う場合等）、かつ、その時点で前記第１のシリコン単結晶Ｉｇ１が有転位化している場合（例えば、図１（ｃ）に示すような状態である場合）には、前記第１の引上げを、直胴部ＩｇBの最大結晶径ＣH2が２１０ｍｍ以上２６０ｍｍ以下の第２のシリコン単結晶インゴットＩｇ２を引上げる第２の引上げに変更する（図１（ｄ））。
そして、前記石英ルツボ１４ａに残存しているシリコン原料融液１６を第２のシリコン単結晶インゴットＩｇ２として回収し、この第２のシリコン単結晶インゴットＩｇ２を直径８インチ以下の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして、又は、半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として、状況に応じて選択して再利用する。
【００１７】
上記のような方法によれば、直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するための第１のシリコン単結晶インゴットの引上げ中に、シリコン原料融液を保持する石英ルツボの使用時間が予め設定された耐用時間を経過し、かつ、その時点で前記第１の引上げ中のシリコン単結晶インゴットが有転位化している場合であっても、当該第１のシリコン単結晶インゴットにおけるクラックや割れの発生を抑制することができ、石英ルツボ内に残存したシリコン原料融液を半導体デバイス用に、安全かつ効率的に再利用することができる。
【００１８】
すなわち、メルトバック等を繰り返し、石英ルツボの使用時間が予め設定された耐用時間を経過してしまった時点で、前記第１の引上げ中のシリコン単結晶が有転位化している場合には、前記第１の引上げから前記第２の引上げに変更することで、前記第１のシリコン単結晶インゴットのクラック等の発生を抑制することができる。
また、前記第２のシリコン単結晶インゴットは、前記第１のシリコン単結晶より小径であるため、前記第２の引上げ中に単結晶が有転位化し、この有転位化した状態で引上げを継続したとしても、内部の熱応力が低いため、クラック等の発生を抑制して引上げることができる。
また、前記第２のシリコン単結晶インゴットは、石英ルツボ内に保持された状態で冷却固化した結晶ではなく、シリコン単結晶インゴットとして引上げて回収したものであるため、高純度のシリコンである。したがって、前記第２のシリコン単結晶インゴットを半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用することができる。
【００１９】
さらに、第２のシリコン単結晶インゴットは、第１のシリコン単結晶インゴットを引上げる大型の装置構成で引上げることになるため、第１のシリコン単結晶インゴットより結晶径方向の温度勾配が小さい環境下で引上げることができる。したがって、前記第１のシリコン単結晶インゴットよりも有転位化を抑制することができる。
そのため、前記第２のシリコン単結晶インゴットを、直径８インチ以下の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして再利用することも可能である。また、前記第２のシリコン単結晶インゴットが有転位化している場合には、半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用すればよい。
すなわち、前記第２のシリコン単結晶インゴットの有転位化の有無によって、直径８インチ以下の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして再利用するか、半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用するかを選択すればよい。
【００２０】
前記第２のシリコン単結晶インゴットは、直胴部の最大結晶径ＣH2が２１０ｍｍ以上２６０ｍｍ以下であることが好ましい。
これにより、第２のシリコン単結晶インゴットにクラック等が発生することなく、石英ルツボに残存しているシリコン原料融液を効率よく第２のシリコン単結晶インゴットして回収することができる。
【００２１】
前記最大結晶径ＣH2が２６０ｍｍを超える場合には、結晶径方向の温度勾配が大きくなるため、結晶が有転位化した場合に、クラック等が生じない程度にまで内部の熱応力を低下させることが難しい。
一方、前記最大結晶径ＣH2が２１０ｍｍ未満である場合には、残存するシリコン原料融液が多いと、引上げ作業（種結晶準備、ネック部−クラウン部−直胴部育成、融液切り離し、冷却及び回収）を何回も行う必要があり、生産性が低下するため好ましくない。さらに、予め設定された石英ルツボの耐用時間が経過した後に行うため、引上げ作業を何回も行うのは適切ではない。
【００２２】
なお、石英ルツボの耐用時間が経過した時点で、第１のシリコン単結晶が有転位化している場合、石英ルツボ内に残存しているシリコン原料融液を回収するために、第１のシリコン単結晶インゴットの引上げを継続することは、有転位化した部分が存在するため引上げ中にクラック等が発生する可能性が高く、また、引上げ中にクラック等の発生が防止できたとしても、シリコン単結晶引上装置からの回収作業時等にクラック等が発生する可能性が高いため好ましくない。
【００２３】
前記石英ルツボの耐用時間は、複数回の基礎試験やシミュレーションにより決定又は算出された石英ルツボ最大使用可能時間の平均時間ＢaveT（石英ルツボが破損する平均時間）に、前記第２の引上げに変更するまでの準備時間αT、前記第２のシリコン単結晶インゴットを引上げる時間Ｉｇ２T及び前記基礎試験やシミュレーションにより決定又は算出された石英ルツボ最大使用可能時間の最大バラツキ時間σTを減算（ＢaveT−αT−Ｉｇ２T−σT）した値とすることが好ましい。
このように定めることにより、高い確率で石英ルツボの破損によるシリコン原料融液の漏出を防止することができる。
【００２４】
前記第２のシリコン単結晶インゴットは、直径８インチの半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして再利用することが好ましい。
前記第２のシリコン単結晶インゴットを直径８インチ未満（例えば、５インチや６インチ）の半導体デバイス用シリコンウェーハに再利用する場合には、外周研削等の加工により除去される結晶部分が多くなり、また、このように除去された結晶部分は、加工時に結晶内に金属不純物等が多く拡散する場合があるため、シリコン原料を効率的に再利用できるとは言えない。
【００２５】
前記第１の引上げから前記第２の引上げへの変更は、下記（１）〜（３）のいずれかの工程を選択して行うことが好ましい。
（１）前記第１の引上げがシリコン単結晶のネック部育成時、又は、最大結晶径が２６０ｍｍ以下のクラウン部育成時である場合は、前記最大結晶径を縮径させることなく、前記第２の引上げに変更する。
（２）前記第１の引上げがシリコン単結晶の最大結晶径が２６０ｍｍを超えるクラウン部育成時、又は、直胴部育成時であって直胴部の長さが３００ｍｍ未満である場合は、前記シリコン単結晶をネック部まで溶解させた後、前記ネック部から前記第２の引上げを行う。
（３）前記第１の引上げがシリコン単結晶の直胴部育成時であって直胴部の長さが３００ｍｍ以上である場合は、前記第１の引上げ中のシリコン単結晶をシリコン原料融液から切り離して冷却し、回収した後、新たに前記第２の引上げを行う。
【００２６】
前記第１の引上げから第２の引上げに変更する際の上記（１）〜（３）の工程を、図２に基づいて具体的に説明する。
前記（１）の場合、すなわち、図２に示す範囲Ａの育成中に石英ルツボの耐用時間が経過し、かつ、結晶が有転位化している場合は、前記シリコン単結晶の結晶径を縮径させることなく、前記第２の引上げに変更する。これにより、有転位化位置における残留応力が抑制され、そのまま引上げを継続しても、結晶にクラック等が発生するのを抑制することができる。
一方、前記シリコン単結晶の結晶径を縮径させてから前記第２のシリコン単結晶インゴットを引上げると、その縮径させた部分に応力が集中するため、その部分からクラック等が発生しやすくなるため好ましくない。
【００２７】
前記（２）の場合、すなわち、図２に示す範囲Ｂの育成中に石英ルツボの耐用時間が経過し、結晶が有転位化している場合は、前記シリコン単結晶をネック部ＮKまで溶解させた後、前記ネック部ＮKから第２のシリコン単結晶インゴットを引上げる。これにより、第２のシリコン単結晶インゴットのクラック等の発生を抑制することができる。
一方、前記ネック部ＮKまで溶解させずに、前記第２の引上げを開始すると、第２のシリコン単結晶インゴットの引上げ開始位置における転位密度が高くなり、引上げる第２のシリコン単結晶インゴットが多結晶化しやすくなるとともに、当該開始位置における残留応力が大きくなり、その位置からクラック等が発生する場合があるため好ましくない。
【００２８】
また、前記（２）の範囲Ｂを直胴部の長さ３００ｍｍ未満までとし、前記（３）の範囲Ｃを直胴部の長さ３００ｍｍ以上としたのは、第１のシリコン単結晶インゴットが有転位化した場合は、有転位化した位置からネック部ＮK方向に２５０ｍｍ程度まで転位が伸長しやすく、また、それに伴って第１のシリコン単結晶インゴットの切断時にクラック等が生じやすいためである。このため、直胴部の長さ３００ｍｍ未満の部分（範囲Ｂ）を育成中の場合は、半導体デバイス用シリコンウェーハを採取することが困難となるため、前記第１のシリコン単結晶インゴットの引上げを継続せず、一度ネック部ＮKまで溶解させた後、再度ネック部ＮKから第２のシリコン単結晶インゴットの引上げを行うことが好ましい。
【００２９】
前記（３）の場合、すなわち、図２に示す範囲Ｃの育成中に石英ルツボの耐用時間が経過し、結晶が有転位化している場合は、引上げ中の第１のシリコン単結晶インゴットをシリコン原料融液から切り離して冷却し回収した後、新たに、種結晶を準備し、第２のシリコン単結晶インゴットを引上げる。これにより、第１のシリコン単結晶インゴットのクラック等の発生を防止することができ、かつ、第１のシリコン単結晶インゴットから良品の直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを採取することができる。
【００３０】
図３に、上述した本発明に係るシリコン原料の再利用方法を実施するためのシリコン単結晶インゴットの製造装置の一例を示す。図３に示す製造装置におけるシリコン単結晶引上装置１０は、炉体１２と、炉体１２内に配置され、シリコン原料（主にポリシリコン）を保持するルツボ１４と、ルツボ１４の外周囲に設けられ、ルツボ１４を加熱し、ルツボ１４内に保持されたシリコン原料を溶融してシリコン原料融液１６とするヒータ１８と、シリコン原料融液１６の上方に配置され、ＣＺ法によりシリコン原料融液１６から引上げたシリコン単結晶インゴットＩｇへの輻射熱を遮断する円筒形状の熱遮蔽体２０とを備えている。
【００３１】
ルツボ１４は、シリコン原料融液１６を保持する石英ルツボ１４ａと、石英ルツボ１４ａを収容するカーボンルツボ１４ｂとを備えている。
ヒータ１８の外周囲には第１保温部材２２が設けられ、第１保温部材２２の上部には、ヒータ１８と一定の間隔を有して第２保温部材２４が設けられている。
熱遮蔽体２０の上方には、熱遮蔽体２０の内周側、熱遮蔽体２０とシリコン原料融液１６との間を通って、ルツボ１４の下方に位置する排出口２６から炉体１２外に排出されるキャリアガスＧ１（例えば、アルゴンガス）を供給するキャリアガス供給口２８が設けられている。
また、炉体１２内には、シリコン単結晶インゴットＩｇを育成するために用いられる種結晶（図示せず）を保持するシードチャック３２が取り付けられた引上げ用ワイヤ３４が、ルツボ１４の上方に設けられている。引上げ用ワイヤ３４は、炉体１２外に設けられた回転昇降自在なワイヤ回転昇降機構３６に取り付けられている。
【００３２】
ルツボ１４は、炉体１２の底部を貫通し、炉体１２外に設けられたルツボ回転昇降機構３８によって回転昇降可能なルツボ回転軸４０に取付けられている。
熱遮蔽体２０は、第２保温部材２４の上面に取付けられた熱遮蔽体支持部材４２によりルツボ１４の上方に保持されている。
キャリアガス供給口２８には、例えば、バタフライ弁４３を介して、炉体１２内にキャリアガスＧ１を供給するキャリアガス供給部４４が接続されている。排出口２６には、例えば、バタフライ弁４６を介して、熱遮蔽体２０の内周側、熱遮蔽体２０とシリコン原料融液１６との間を通ったキャリアガスＧ１を排出するキャリアガス排出部４８が接続されている。例えば、バタフライ４３を調整することで炉体１２内に供給するキャリアガスＧ１の供給量を、バタフライ弁４６を調整することで炉体１２内から排出する排出ガス（シリコン原料融液１６から発生したＳｉＯxガス等も含む）の排出量をそれぞれ制御する。
【００３３】
また、熱遮蔽体２０の内側には、１１００℃付近のボイド欠陥成長温度帯の冷却速度を高めることを目的とする冷却体５０が設けられている。冷却体５０は保持手段（図示せず）により炉体１２内に保持され、また、冷却手段（図示せず）により適時冷却媒体が供給・循環されている。
さらに、炉体１２の炉体上部１２ａには、開閉手段（図示せず）が設けられており、シリコン原料融液１６から引上げたシリコン単結晶インゴットＩｇを、炉体上部１２ａ内で一定時間保持して冷却させた後、前記開閉手段により開閉させて炉体１２内から回収する。
【００３４】
本発明に係るシリコン原料の再利用方法は、図３に示すような熱遮蔽体２０の内側に強制冷却用の冷却体５０を備えるシリコン単結晶引上装置を用いて引上げを行う場合であっても、引上げるシリコン単結晶インゴットにおけるクラックや割れの発生を抑制することができ、石英ルツボ内に残存したシリコン原料融液を半導体デバイス用に、安全かつ効率的に再利用することができる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明を実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［試験１］
１２インチの半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットを引上げる装置構成（石英ルツボの内径８００ｍｍ、深さ４５０ｍｍ等）とした図３に示すシリコン単結晶引上装置１０を用いて、引上げ速度を０．８〜１．０ｍｍ／ｍｉｎとし、直胴部の最大結晶径を２１０ｍｍ、２６０ｍｍ、２８０ｍｍ、３１０ｍｍ（実施例１、２及び比較例１、２）と変化させて、直胴部の長さが６００ｍｍであるシリコン単結晶インゴットを各々１０本引上げた。この際、各引上げとも、引上げ途中に故意に結晶を有転位化させて、その後、メルトバック及び再引上げを行わずに有転位化させた状態で引上げを継続した。
得られたシリコン単結晶インゴットに対し、クラックや割れ（破断を含む）を目視にて検査し、１０本中のクラック等の発生率（％）を評価した。
その結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
【００３７】
表１に示した結果から分かるように、引上げるシリコン単結晶インゴットの直胴部の最大結晶径が２６０ｍｍ以下（実施例１、２）の場合は、２６０ｍｍを超える場合（比較例１、２）よりもクラック等の発生率が大きく低下することが認められた。
【００３８】
［試験２］
１２インチの半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットを引上げる装置構成（石英ルツボの内径８００ｍｍ、深さ４５０ｍｍ等）とした図３に示すシリコン単結晶引上装置１０を用いて、引上げ速度を１．０〜１．２ｍｍ／ｍｉｎとし、直胴部の最大結晶径が３１０ｍｍの第１のシリコン単結晶インゴットを引上げ中、直胴部の最大結晶径が２６０ｍｍの第２のシリコン単結晶インゴットを引上げる第２の引上げに変更して、引上げ速度を０．８〜１．０ｍｍ／ｍｉｎとして、直胴部の長さが８００ｍｍの第２のシリコン単結晶インゴットを引上げた。
この際、第２の引上げに変更するタイミング及びその時の対応手段（工程）を下記の実施例及び比較例に示す条件に変化させて、各々第２のシリコン単結晶インゴットを引上げた。
【００３９】
（実施例３）
第１のシリコン単結晶のネック部ＮK引上げ中（図２の範囲Ａの場合）に、第２の引上げに変更。
（実施例４）
第１のシリコン単結晶のクラウン部ＩｇC引上げ中であって最大結晶径が２６０ｍｍの時点（図２の範囲Ａの場合）に、結晶径を縮径させることなく、第２の引上げに変更。
（比較例３）
第１のシリコン単結晶のクラウン部ＩｇC引上げ中であって最大結晶径が２６０ｍｍの時点（図２の範囲Ａの場合）に、結晶径を１０ｍｍ縮径させた後、第２の引上げに変更。
（実施例５）
第１のシリコン単結晶のクラウン部ＩｇC引上げ中であって最大結晶径が３００ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）で、一度、ネック部ＮKまで溶解させた後、第２の引上げに変更。
（比較例４）
第１のシリコン単結晶のクラウン部ＩｇC引上げ中であって最大結晶径が３００ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）に、一度、最大結晶径が２６０ｍｍのクラウン部ＩｇCまで溶解させた後、第２の引上げに変更。
（比較例５）
第１のシリコン単結晶のクラウン部ＩｇC引上げ中であって最大結晶径が３００ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）に、一度、最大結晶径が２００ｍｍのクラウン部ＩｇCまで溶解させた後、第２の引上げに変更。
（実施例６）
第１のシリコン単結晶の直胴部ＩｇB引上げ中であって直胴部の長さが２５０ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）に、一度、ネック部ＮKまで溶解させた後、第２の引上げに変更。
（比較例６）
第１のシリコン単結晶の直胴部ＩｇB引上げ中であって直胴部の長さが２５０ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）に、一度、最大結晶径が２６０ｍｍであるクラウン部ＩｇCまで溶解させた後、第２の引上げに変更。
（比較例７）
第１のシリコン単結晶の直胴部ＩｇB引上げ中であって直胴部の長さが２５０ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）に、一度、最大結晶径が２００ｍｍであるクラウン部ＩｇCまで溶解させた後、第２の引上げに変更。
（実施例７）
第１のシリコン単結晶の直胴部ＩｇB引上げ中であって直胴部の長さが３００ｍｍの時点（図２の範囲Ｃの場合）に、故意に転位を発生させた後、テール部を長さ５０ｍｍ形成し、第１のシリコン単結晶インゴットをシリコン原料融液から切り離して冷却し、回収した後、第２の引上げに変更。
（比較例８）
第１のシリコン単結晶の直胴部ＩｇB引上げ中であって直胴部の長さが２５０ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）に、故意に転位を発生させた後、テール部を長さ５０ｍｍ形成し、第１のシリコン単結晶インゴットをシリコン原料融液から切り離して冷却し、回収した後、第２の引上げに変更。
（比較例９）
第１のシリコン単結晶の直胴部ＩｇB引上げ中であって直胴部の長さが３００ｍｍの時点（図２の範囲Ｃの場合）に、故意に転位を発生させた後、さらに、直胴部を長さ５０ｍｍ（合計３５０ｍｍ）引上げてテール部を長さ５０ｍｍ形成し、第１のシリコン単結晶インゴットをシリコン原料融液から切り離して冷却し、回収した後、第２の引上げに変更。
【００４０】
得られたシリコン単結晶インゴットに対し、クラックや割れ（破断を含む）を目視にて検査し、クラック等の発生の有無を評価した。この結果を表２に示す。
また、実施例７及び比較例８、９において、引上げた第１のシリコン単結晶インゴットの良品率（直胴部の全体の長さに対して、良品の半導体デバイス用シリコンウェーハが得られる（転位が発生していない）直胴部の長さの比率）を、Ｘ線トポグラフィにより評価した。この結果を表３に示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
【表３】
【００４３】
表２に示した結果から分かるように、耐用時間が経過した際、シリコン単結晶の育成位置が図２の範囲Ａの場合は実施例３、４に示す対応手段（工程）、前記位置が図２の範囲Ｂの場合は実施例５、６、比較例６に示す対応手段（工程）、前記位置が図２の範囲Ｃの場合は実施例７に示す対応手段（工程）を採ることにより、クラック等が発生しないことが認められた。
また、表３に示した結果から分かるように、比較例６に示す対応手段（工程）では、第１のシリコン単結晶インゴットを良品として得られなかった。これに対して、実施例７においては、たとえ、その時点で有転位化している場合であっても、第１のシリコン単結晶インゴットを良品として得られることが認められた。
なお、有転位化している場合に、さらに引上げを継続すると（比較例９）、クラックのみならず、割れも発生し、第１のシリコン単結晶インゴットの良品率も低下した。これは、有転位化している部分が大きくなったため、残留応力が大きくなり、クラック及び割れ発生時に有転位化した位置からネック部方向に向かってクラック及び割れが伸長してしまうためである。
【符号の説明】
【００４４】
Ｉｇ１ 第１のシリコン単結晶（インゴット）
Ｉｇ２ 第２のシリコン単結晶（インゴット）
１４ａ 石英ルツボ
１６ シリコン原料融液
６０ 転位
【技術分野】
【０００１】
本発明は、大口径の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するチョクラルスキー法（以下、ＣＺ法ともいう）によるシリコン単結晶インゴットの引上げにおいて、石英ルツボ内に残存するシリコン原料融液を、半導体デバイス用として再利用するシリコン原料の再利用方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するシリコン単結晶インゴットは、炉体内で、ＣＺ法により、石英ルツボに保持されたシリコン原料融液に種結晶を着液させて引上げ、結晶径約３〜５ｍｍのネック部を育成した後、目的とする結晶径まで拡径するクラウン部及び目的とする結晶径を維持する直胴部を育成し、最後に、目的とする結晶径から縮径するテール部等を育成してシリコン原料融液から切り離して冷却することにより製造することができる。
【０００３】
近年、半導体デバイスの微細化に伴い、シリコン単結晶インゴットの引上げ時に発生するボイド欠陥を可能な限り小さくすることが要求されている。このボイド欠陥を小さくするためには、シリコン単結晶インゴットの引上げ時における１１００℃付近のボイド欠陥成長温度帯の冷却速度を高めることが必要である。このような冷却速度を高める方法の一つとして、炉体内に強制冷却用の冷却体を設置する技術が一般的に知られている（例えば、特許文献１参照）。
【０００４】
しかしながら、前記冷却速度を高めると、シリコン単結晶インゴットの内部の熱応力が増加するため、引上げ中にクラックや割れ（以下、併せて、クラック等という）が発生する場合がある。特に、近年のシリコンウェーハの大口径化（直径１２インチ以上）に伴い、ＣＺ法により引上げるシリコン単結晶インゴットも大口径化しているため、引上げ中のシリコン単結晶インゴットの半径方向の温度差が大きくなり、シリコン単結晶インゴットの内部の熱応力がさらに増加し、クラック等が一層発生しやすいという問題が生じていた。
【０００５】
このようなＣＺ法により育成する大口径のシリコン単結晶インゴットの割れ発生を有効に抑制するために、有転位化が生じた位置からの多結晶部分の長さを所定長さ以下として、シリコン原料融液から切り離す方法が提案されている（例えば、特許文献２参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開平８−２３９２９１号公報
【特許文献２】特開２００６−２１３５８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、大口径のシリコン単結晶インゴットの引上げ中に結晶が有転位化し、当該有転位化した状態で引上げを継続した場合には、大口径のシリコン単結晶インゴットは重量が大きく、かつ、有転位化した部分に残留応力が集中するため、引上げ中にクラック等が発生する場合がある。また、引上げ中に結晶が割れた場合には、割れた結晶がシリコン原料融液に落下し、石英ルツボからシリコン原料融液が漏出する大事故が発生する場合もある。
【０００８】
また、引上げ中にクラック等の発生を防止することができたとしても、引上げたシリコン単結晶インゴットに有転位化した部分が存在する場合には、この有転位化した部分に残留応力が集中しているため、シリコン単結晶引上装置からの回収作業時や、シリコン単結晶インゴットの運搬時、外周研削時あるいはブロック切断時等に、シリコン単結晶インゴットにクラック等が発生する場合があった。また、有転位化した部分は、半導体デバイス用として使用できないという問題もあった。
このため、引上げ中、シリコン単結晶インゴットが有転位化した場合は、少なくとも有転位化した部分を再溶解（メルトバック）させて、無転位のシリコン単結晶（直胴部）が得られるまで繰り返し再引上げを行う必要があった。
【０００９】
また、特許文献２に記載の方法のように、シリコン単結晶インゴットの引上げを途中で中止すると、石英ルツボ内にはシリコン原料融液が多く残存することとなる。例えば、多く残存したシリコン原料融液を、石英ルツボ内に保持された状態で冷却固化させると、石英ルツボ内壁面から溶出した不純物や炉内雰囲気に起因する不純物を多く取り込んでしまうため、シリコンが高純度であることが要求される半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用することが難しい。また、シリコン原料融液は、冷却固化時に膨張するため、その残存量が多いと、膨張に伴う応力によって固化途中で石英ルツボが割れ、未固化のシリコン原料融液が漏出する大事故が発生する場合もある。
【００１０】
さらに、石英ルツボは、シリコンの融点以上の高温下で使用されているため、例えば、複数回のメルトバックにより引上げ時間（石英ルツボの使用時間）が長時間になると、石英ルツボが劣化して破損し、同様に、シリコン原料融液が漏出する大事故が発生する場合もある。
したがって、このような事態を回避するため、石英ルツボは、使用時間が制限され、予め所定の耐用時間が設定されている。
【００１１】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットの引上げ中に、シリコン原料融液を保持する石英ルツボの使用時間が予め設定された耐用時間を経過し、かつ、その時点で引上げ中のシリコン単結晶が有転位化している場合であっても、当該シリコン単結晶インゴットにおけるクラックや割れの発生を抑制することができ、石英ルツボ内に残存したシリコン原料融液を半導体デバイス用に、安全かつ効率的に再利用することができるシリコン原料の再利用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】
【００１２】
本発明に係るシリコン原料の再利用方法は、ＣＺ法により、ネック部、クラウン部及び直胴部を育成し、直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するための第１のシリコン単結晶インゴットを引上げる第１の引上げ中に、シリコン原料融液を保持する石英ルツボの使用時間が予め設定された耐用時間を経過し、かつ、その時点で前記第１の引上げ中のシリコン単結晶が有転位化している場合、前記第１の引上げを、直胴部の最大結晶径が２１０ｍｍ以上２６０ｍｍ以下の第２のシリコン単結晶インゴットを引上げる第２の引上げに変更して、前記石英ルツボに残存しているシリコン原料融液を第２のシリコン単結晶インゴットとして回収し、前記第２のシリコン単結晶インゴットを、直径８インチ以下の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして、又は、半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用することを特徴とする。
【００１３】
前記第１の引上げから前記第２の引上げへの変更は、下記（１）〜（３）のいずれかの工程を選択して行うことが好ましい。
（１）前記第１の引上げがシリコン単結晶のネック部育成時、又は、最大結晶径が２６０ｍｍ以下のクラウン部育成時である場合は、前記最大結晶径を縮径させることなく、前記第２の引上げに変更する。
（２）前記第１の引上げがシリコン単結晶の最大結晶径が２６０ｍｍを超えるクラウン部育成時、又は、直胴部育成時であって直胴部の長さが３００ｍｍ未満である場合は、前記シリコン単結晶をネック部まで溶解させた後、前記ネック部から前記第２の引上げを行う。
（３）前記第１の引上げがシリコン単結晶の直胴部育成時であって直胴部の長さが３００ｍｍ以上である場合は、前記第１の引上げ中のシリコン単結晶をシリコン原料融液から切り離して冷却し、回収した後、新たに前記第２の引上げを行う。
【発明の効果】
【００１４】
本発明に係るシリコン原料の再利用方法によれば、直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するシリコン単結晶インゴットの引上げ中に、シリコン原料融液を保持する石英ルツボの使用時間が予め設定された耐用時間を経過し、かつ、その時点で引上げ中のシリコン単結晶が有転位化している場合であっても、当該シリコン単結晶インゴットにおけるクラックや割れの発生を抑制することができ、石英ルツボ内に残存したシリコン原料融液を半導体デバイス用に、安全かつ効率的に再利用することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１５】
【図１】本発明に係る方法によりシリコン単結晶インゴットを引上げる各段階を示した概念図である。
【図２】第１の引上げから第２の引上げに変更する際の具体的な工程を説明するための概念図である。
【図３】本発明に係る方法を実施するためのシリコン単結晶インゴットの製造装置の一例を模式的に示した概念図である。
【発明を実施するための形態】
【００１６】
以下、本発明に係るシリコン原料の再利用方法について、添付図面を参照して詳細に説明する。
図１に、本発明に係る方法によりシリコン単結晶インゴットを引上げる各段階を示す。本発明に係るシリコン原料の再利用方法においては、まず、図１（ａ）に示すように、ＣＺ法により、シードチャック３２に保持された種結晶（図示せず）からネック部ＮK、クラウン部ＩｇC及び直胴部ＩｇBを育成し、直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するための第１のシリコン単結晶インゴットＩｇ１（直胴部ＩｇBの最大結晶径ＣH1（直径１２インチの半導体デバイス用シリコンウェーハを製造する場合は、例えば、３０５ｍｍ以上３２０ｍｍ以下））を引上げる。
この第１の引上げ中に、シリコン原料融液１６を保持する石英ルツボ１４ａの使用時間が予め設定された耐用時間を経過し（例えば、引上げ中のシリコン単結晶Ｉｇ１に転位６０が発生したため（図１（ａ））、メルトバックを行って有転位化した部分を含むネック部までをシリコン原料融液１６に溶解させ（図１（ｂ））、その後、再引上げを行ったが同様に転位６０が発生したため（図１（ｃ））、再度、メルトバックを行う（図１（ｂ））というように、メルトバックと再引上げを繰り返し行う場合等）、かつ、その時点で前記第１のシリコン単結晶Ｉｇ１が有転位化している場合（例えば、図１（ｃ）に示すような状態である場合）には、前記第１の引上げを、直胴部ＩｇBの最大結晶径ＣH2が２１０ｍｍ以上２６０ｍｍ以下の第２のシリコン単結晶インゴットＩｇ２を引上げる第２の引上げに変更する（図１（ｄ））。
そして、前記石英ルツボ１４ａに残存しているシリコン原料融液１６を第２のシリコン単結晶インゴットＩｇ２として回収し、この第２のシリコン単結晶インゴットＩｇ２を直径８インチ以下の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして、又は、半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として、状況に応じて選択して再利用する。
【００１７】
上記のような方法によれば、直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するための第１のシリコン単結晶インゴットの引上げ中に、シリコン原料融液を保持する石英ルツボの使用時間が予め設定された耐用時間を経過し、かつ、その時点で前記第１の引上げ中のシリコン単結晶インゴットが有転位化している場合であっても、当該第１のシリコン単結晶インゴットにおけるクラックや割れの発生を抑制することができ、石英ルツボ内に残存したシリコン原料融液を半導体デバイス用に、安全かつ効率的に再利用することができる。
【００１８】
すなわち、メルトバック等を繰り返し、石英ルツボの使用時間が予め設定された耐用時間を経過してしまった時点で、前記第１の引上げ中のシリコン単結晶が有転位化している場合には、前記第１の引上げから前記第２の引上げに変更することで、前記第１のシリコン単結晶インゴットのクラック等の発生を抑制することができる。
また、前記第２のシリコン単結晶インゴットは、前記第１のシリコン単結晶より小径であるため、前記第２の引上げ中に単結晶が有転位化し、この有転位化した状態で引上げを継続したとしても、内部の熱応力が低いため、クラック等の発生を抑制して引上げることができる。
また、前記第２のシリコン単結晶インゴットは、石英ルツボ内に保持された状態で冷却固化した結晶ではなく、シリコン単結晶インゴットとして引上げて回収したものであるため、高純度のシリコンである。したがって、前記第２のシリコン単結晶インゴットを半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用することができる。
【００１９】
さらに、第２のシリコン単結晶インゴットは、第１のシリコン単結晶インゴットを引上げる大型の装置構成で引上げることになるため、第１のシリコン単結晶インゴットより結晶径方向の温度勾配が小さい環境下で引上げることができる。したがって、前記第１のシリコン単結晶インゴットよりも有転位化を抑制することができる。
そのため、前記第２のシリコン単結晶インゴットを、直径８インチ以下の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして再利用することも可能である。また、前記第２のシリコン単結晶インゴットが有転位化している場合には、半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用すればよい。
すなわち、前記第２のシリコン単結晶インゴットの有転位化の有無によって、直径８インチ以下の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして再利用するか、半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用するかを選択すればよい。
【００２０】
前記第２のシリコン単結晶インゴットは、直胴部の最大結晶径ＣH2が２１０ｍｍ以上２６０ｍｍ以下であることが好ましい。
これにより、第２のシリコン単結晶インゴットにクラック等が発生することなく、石英ルツボに残存しているシリコン原料融液を効率よく第２のシリコン単結晶インゴットして回収することができる。
【００２１】
前記最大結晶径ＣH2が２６０ｍｍを超える場合には、結晶径方向の温度勾配が大きくなるため、結晶が有転位化した場合に、クラック等が生じない程度にまで内部の熱応力を低下させることが難しい。
一方、前記最大結晶径ＣH2が２１０ｍｍ未満である場合には、残存するシリコン原料融液が多いと、引上げ作業（種結晶準備、ネック部−クラウン部−直胴部育成、融液切り離し、冷却及び回収）を何回も行う必要があり、生産性が低下するため好ましくない。さらに、予め設定された石英ルツボの耐用時間が経過した後に行うため、引上げ作業を何回も行うのは適切ではない。
【００２２】
なお、石英ルツボの耐用時間が経過した時点で、第１のシリコン単結晶が有転位化している場合、石英ルツボ内に残存しているシリコン原料融液を回収するために、第１のシリコン単結晶インゴットの引上げを継続することは、有転位化した部分が存在するため引上げ中にクラック等が発生する可能性が高く、また、引上げ中にクラック等の発生が防止できたとしても、シリコン単結晶引上装置からの回収作業時等にクラック等が発生する可能性が高いため好ましくない。
【００２３】
前記石英ルツボの耐用時間は、複数回の基礎試験やシミュレーションにより決定又は算出された石英ルツボ最大使用可能時間の平均時間ＢaveT（石英ルツボが破損する平均時間）に、前記第２の引上げに変更するまでの準備時間αT、前記第２のシリコン単結晶インゴットを引上げる時間Ｉｇ２T及び前記基礎試験やシミュレーションにより決定又は算出された石英ルツボ最大使用可能時間の最大バラツキ時間σTを減算（ＢaveT−αT−Ｉｇ２T−σT）した値とすることが好ましい。
このように定めることにより、高い確率で石英ルツボの破損によるシリコン原料融液の漏出を防止することができる。
【００２４】
前記第２のシリコン単結晶インゴットは、直径８インチの半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして再利用することが好ましい。
前記第２のシリコン単結晶インゴットを直径８インチ未満（例えば、５インチや６インチ）の半導体デバイス用シリコンウェーハに再利用する場合には、外周研削等の加工により除去される結晶部分が多くなり、また、このように除去された結晶部分は、加工時に結晶内に金属不純物等が多く拡散する場合があるため、シリコン原料を効率的に再利用できるとは言えない。
【００２５】
前記第１の引上げから前記第２の引上げへの変更は、下記（１）〜（３）のいずれかの工程を選択して行うことが好ましい。
（１）前記第１の引上げがシリコン単結晶のネック部育成時、又は、最大結晶径が２６０ｍｍ以下のクラウン部育成時である場合は、前記最大結晶径を縮径させることなく、前記第２の引上げに変更する。
（２）前記第１の引上げがシリコン単結晶の最大結晶径が２６０ｍｍを超えるクラウン部育成時、又は、直胴部育成時であって直胴部の長さが３００ｍｍ未満である場合は、前記シリコン単結晶をネック部まで溶解させた後、前記ネック部から前記第２の引上げを行う。
（３）前記第１の引上げがシリコン単結晶の直胴部育成時であって直胴部の長さが３００ｍｍ以上である場合は、前記第１の引上げ中のシリコン単結晶をシリコン原料融液から切り離して冷却し、回収した後、新たに前記第２の引上げを行う。
【００２６】
前記第１の引上げから第２の引上げに変更する際の上記（１）〜（３）の工程を、図２に基づいて具体的に説明する。
前記（１）の場合、すなわち、図２に示す範囲Ａの育成中に石英ルツボの耐用時間が経過し、かつ、結晶が有転位化している場合は、前記シリコン単結晶の結晶径を縮径させることなく、前記第２の引上げに変更する。これにより、有転位化位置における残留応力が抑制され、そのまま引上げを継続しても、結晶にクラック等が発生するのを抑制することができる。
一方、前記シリコン単結晶の結晶径を縮径させてから前記第２のシリコン単結晶インゴットを引上げると、その縮径させた部分に応力が集中するため、その部分からクラック等が発生しやすくなるため好ましくない。
【００２７】
前記（２）の場合、すなわち、図２に示す範囲Ｂの育成中に石英ルツボの耐用時間が経過し、結晶が有転位化している場合は、前記シリコン単結晶をネック部ＮKまで溶解させた後、前記ネック部ＮKから第２のシリコン単結晶インゴットを引上げる。これにより、第２のシリコン単結晶インゴットのクラック等の発生を抑制することができる。
一方、前記ネック部ＮKまで溶解させずに、前記第２の引上げを開始すると、第２のシリコン単結晶インゴットの引上げ開始位置における転位密度が高くなり、引上げる第２のシリコン単結晶インゴットが多結晶化しやすくなるとともに、当該開始位置における残留応力が大きくなり、その位置からクラック等が発生する場合があるため好ましくない。
【００２８】
また、前記（２）の範囲Ｂを直胴部の長さ３００ｍｍ未満までとし、前記（３）の範囲Ｃを直胴部の長さ３００ｍｍ以上としたのは、第１のシリコン単結晶インゴットが有転位化した場合は、有転位化した位置からネック部ＮK方向に２５０ｍｍ程度まで転位が伸長しやすく、また、それに伴って第１のシリコン単結晶インゴットの切断時にクラック等が生じやすいためである。このため、直胴部の長さ３００ｍｍ未満の部分（範囲Ｂ）を育成中の場合は、半導体デバイス用シリコンウェーハを採取することが困難となるため、前記第１のシリコン単結晶インゴットの引上げを継続せず、一度ネック部ＮKまで溶解させた後、再度ネック部ＮKから第２のシリコン単結晶インゴットの引上げを行うことが好ましい。
【００２９】
前記（３）の場合、すなわち、図２に示す範囲Ｃの育成中に石英ルツボの耐用時間が経過し、結晶が有転位化している場合は、引上げ中の第１のシリコン単結晶インゴットをシリコン原料融液から切り離して冷却し回収した後、新たに、種結晶を準備し、第２のシリコン単結晶インゴットを引上げる。これにより、第１のシリコン単結晶インゴットのクラック等の発生を防止することができ、かつ、第１のシリコン単結晶インゴットから良品の直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを採取することができる。
【００３０】
図３に、上述した本発明に係るシリコン原料の再利用方法を実施するためのシリコン単結晶インゴットの製造装置の一例を示す。図３に示す製造装置におけるシリコン単結晶引上装置１０は、炉体１２と、炉体１２内に配置され、シリコン原料（主にポリシリコン）を保持するルツボ１４と、ルツボ１４の外周囲に設けられ、ルツボ１４を加熱し、ルツボ１４内に保持されたシリコン原料を溶融してシリコン原料融液１６とするヒータ１８と、シリコン原料融液１６の上方に配置され、ＣＺ法によりシリコン原料融液１６から引上げたシリコン単結晶インゴットＩｇへの輻射熱を遮断する円筒形状の熱遮蔽体２０とを備えている。
【００３１】
ルツボ１４は、シリコン原料融液１６を保持する石英ルツボ１４ａと、石英ルツボ１４ａを収容するカーボンルツボ１４ｂとを備えている。
ヒータ１８の外周囲には第１保温部材２２が設けられ、第１保温部材２２の上部には、ヒータ１８と一定の間隔を有して第２保温部材２４が設けられている。
熱遮蔽体２０の上方には、熱遮蔽体２０の内周側、熱遮蔽体２０とシリコン原料融液１６との間を通って、ルツボ１４の下方に位置する排出口２６から炉体１２外に排出されるキャリアガスＧ１（例えば、アルゴンガス）を供給するキャリアガス供給口２８が設けられている。
また、炉体１２内には、シリコン単結晶インゴットＩｇを育成するために用いられる種結晶（図示せず）を保持するシードチャック３２が取り付けられた引上げ用ワイヤ３４が、ルツボ１４の上方に設けられている。引上げ用ワイヤ３４は、炉体１２外に設けられた回転昇降自在なワイヤ回転昇降機構３６に取り付けられている。
【００３２】
ルツボ１４は、炉体１２の底部を貫通し、炉体１２外に設けられたルツボ回転昇降機構３８によって回転昇降可能なルツボ回転軸４０に取付けられている。
熱遮蔽体２０は、第２保温部材２４の上面に取付けられた熱遮蔽体支持部材４２によりルツボ１４の上方に保持されている。
キャリアガス供給口２８には、例えば、バタフライ弁４３を介して、炉体１２内にキャリアガスＧ１を供給するキャリアガス供給部４４が接続されている。排出口２６には、例えば、バタフライ弁４６を介して、熱遮蔽体２０の内周側、熱遮蔽体２０とシリコン原料融液１６との間を通ったキャリアガスＧ１を排出するキャリアガス排出部４８が接続されている。例えば、バタフライ４３を調整することで炉体１２内に供給するキャリアガスＧ１の供給量を、バタフライ弁４６を調整することで炉体１２内から排出する排出ガス（シリコン原料融液１６から発生したＳｉＯxガス等も含む）の排出量をそれぞれ制御する。
【００３３】
また、熱遮蔽体２０の内側には、１１００℃付近のボイド欠陥成長温度帯の冷却速度を高めることを目的とする冷却体５０が設けられている。冷却体５０は保持手段（図示せず）により炉体１２内に保持され、また、冷却手段（図示せず）により適時冷却媒体が供給・循環されている。
さらに、炉体１２の炉体上部１２ａには、開閉手段（図示せず）が設けられており、シリコン原料融液１６から引上げたシリコン単結晶インゴットＩｇを、炉体上部１２ａ内で一定時間保持して冷却させた後、前記開閉手段により開閉させて炉体１２内から回収する。
【００３４】
本発明に係るシリコン原料の再利用方法は、図３に示すような熱遮蔽体２０の内側に強制冷却用の冷却体５０を備えるシリコン単結晶引上装置を用いて引上げを行う場合であっても、引上げるシリコン単結晶インゴットにおけるクラックや割れの発生を抑制することができ、石英ルツボ内に残存したシリコン原料融液を半導体デバイス用に、安全かつ効率的に再利用することができる。
【実施例】
【００３５】
以下、本発明を実施例に基づき、さらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［試験１］
１２インチの半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットを引上げる装置構成（石英ルツボの内径８００ｍｍ、深さ４５０ｍｍ等）とした図３に示すシリコン単結晶引上装置１０を用いて、引上げ速度を０．８〜１．０ｍｍ／ｍｉｎとし、直胴部の最大結晶径を２１０ｍｍ、２６０ｍｍ、２８０ｍｍ、３１０ｍｍ（実施例１、２及び比較例１、２）と変化させて、直胴部の長さが６００ｍｍであるシリコン単結晶インゴットを各々１０本引上げた。この際、各引上げとも、引上げ途中に故意に結晶を有転位化させて、その後、メルトバック及び再引上げを行わずに有転位化させた状態で引上げを継続した。
得られたシリコン単結晶インゴットに対し、クラックや割れ（破断を含む）を目視にて検査し、１０本中のクラック等の発生率（％）を評価した。
その結果を表１に示す。
【００３６】
【表１】
【００３７】
表１に示した結果から分かるように、引上げるシリコン単結晶インゴットの直胴部の最大結晶径が２６０ｍｍ以下（実施例１、２）の場合は、２６０ｍｍを超える場合（比較例１、２）よりもクラック等の発生率が大きく低下することが認められた。
【００３８】
［試験２］
１２インチの半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットを引上げる装置構成（石英ルツボの内径８００ｍｍ、深さ４５０ｍｍ等）とした図３に示すシリコン単結晶引上装置１０を用いて、引上げ速度を１．０〜１．２ｍｍ／ｍｉｎとし、直胴部の最大結晶径が３１０ｍｍの第１のシリコン単結晶インゴットを引上げ中、直胴部の最大結晶径が２６０ｍｍの第２のシリコン単結晶インゴットを引上げる第２の引上げに変更して、引上げ速度を０．８〜１．０ｍｍ／ｍｉｎとして、直胴部の長さが８００ｍｍの第２のシリコン単結晶インゴットを引上げた。
この際、第２の引上げに変更するタイミング及びその時の対応手段（工程）を下記の実施例及び比較例に示す条件に変化させて、各々第２のシリコン単結晶インゴットを引上げた。
【００３９】
（実施例３）
第１のシリコン単結晶のネック部ＮK引上げ中（図２の範囲Ａの場合）に、第２の引上げに変更。
（実施例４）
第１のシリコン単結晶のクラウン部ＩｇC引上げ中であって最大結晶径が２６０ｍｍの時点（図２の範囲Ａの場合）に、結晶径を縮径させることなく、第２の引上げに変更。
（比較例３）
第１のシリコン単結晶のクラウン部ＩｇC引上げ中であって最大結晶径が２６０ｍｍの時点（図２の範囲Ａの場合）に、結晶径を１０ｍｍ縮径させた後、第２の引上げに変更。
（実施例５）
第１のシリコン単結晶のクラウン部ＩｇC引上げ中であって最大結晶径が３００ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）で、一度、ネック部ＮKまで溶解させた後、第２の引上げに変更。
（比較例４）
第１のシリコン単結晶のクラウン部ＩｇC引上げ中であって最大結晶径が３００ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）に、一度、最大結晶径が２６０ｍｍのクラウン部ＩｇCまで溶解させた後、第２の引上げに変更。
（比較例５）
第１のシリコン単結晶のクラウン部ＩｇC引上げ中であって最大結晶径が３００ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）に、一度、最大結晶径が２００ｍｍのクラウン部ＩｇCまで溶解させた後、第２の引上げに変更。
（実施例６）
第１のシリコン単結晶の直胴部ＩｇB引上げ中であって直胴部の長さが２５０ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）に、一度、ネック部ＮKまで溶解させた後、第２の引上げに変更。
（比較例６）
第１のシリコン単結晶の直胴部ＩｇB引上げ中であって直胴部の長さが２５０ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）に、一度、最大結晶径が２６０ｍｍであるクラウン部ＩｇCまで溶解させた後、第２の引上げに変更。
（比較例７）
第１のシリコン単結晶の直胴部ＩｇB引上げ中であって直胴部の長さが２５０ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）に、一度、最大結晶径が２００ｍｍであるクラウン部ＩｇCまで溶解させた後、第２の引上げに変更。
（実施例７）
第１のシリコン単結晶の直胴部ＩｇB引上げ中であって直胴部の長さが３００ｍｍの時点（図２の範囲Ｃの場合）に、故意に転位を発生させた後、テール部を長さ５０ｍｍ形成し、第１のシリコン単結晶インゴットをシリコン原料融液から切り離して冷却し、回収した後、第２の引上げに変更。
（比較例８）
第１のシリコン単結晶の直胴部ＩｇB引上げ中であって直胴部の長さが２５０ｍｍの時点（図２の範囲Ｂの場合）に、故意に転位を発生させた後、テール部を長さ５０ｍｍ形成し、第１のシリコン単結晶インゴットをシリコン原料融液から切り離して冷却し、回収した後、第２の引上げに変更。
（比較例９）
第１のシリコン単結晶の直胴部ＩｇB引上げ中であって直胴部の長さが３００ｍｍの時点（図２の範囲Ｃの場合）に、故意に転位を発生させた後、さらに、直胴部を長さ５０ｍｍ（合計３５０ｍｍ）引上げてテール部を長さ５０ｍｍ形成し、第１のシリコン単結晶インゴットをシリコン原料融液から切り離して冷却し、回収した後、第２の引上げに変更。
【００４０】
得られたシリコン単結晶インゴットに対し、クラックや割れ（破断を含む）を目視にて検査し、クラック等の発生の有無を評価した。この結果を表２に示す。
また、実施例７及び比較例８、９において、引上げた第１のシリコン単結晶インゴットの良品率（直胴部の全体の長さに対して、良品の半導体デバイス用シリコンウェーハが得られる（転位が発生していない）直胴部の長さの比率）を、Ｘ線トポグラフィにより評価した。この結果を表３に示す。
【００４１】
【表２】
【００４２】
【表３】
【００４３】
表２に示した結果から分かるように、耐用時間が経過した際、シリコン単結晶の育成位置が図２の範囲Ａの場合は実施例３、４に示す対応手段（工程）、前記位置が図２の範囲Ｂの場合は実施例５、６、比較例６に示す対応手段（工程）、前記位置が図２の範囲Ｃの場合は実施例７に示す対応手段（工程）を採ることにより、クラック等が発生しないことが認められた。
また、表３に示した結果から分かるように、比較例６に示す対応手段（工程）では、第１のシリコン単結晶インゴットを良品として得られなかった。これに対して、実施例７においては、たとえ、その時点で有転位化している場合であっても、第１のシリコン単結晶インゴットを良品として得られることが認められた。
なお、有転位化している場合に、さらに引上げを継続すると（比較例９）、クラックのみならず、割れも発生し、第１のシリコン単結晶インゴットの良品率も低下した。これは、有転位化している部分が大きくなったため、残留応力が大きくなり、クラック及び割れ発生時に有転位化した位置からネック部方向に向かってクラック及び割れが伸長してしまうためである。
【符号の説明】
【００４４】
Ｉｇ１ 第１のシリコン単結晶（インゴット）
Ｉｇ２ 第２のシリコン単結晶（インゴット）
１４ａ 石英ルツボ
１６ シリコン原料融液
６０ 転位
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法により、ネック部、クラウン部及び直胴部を育成し、直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するための第１のシリコン単結晶インゴットを引上げる第１の引上げ中に、シリコン原料融液を保持する石英ルツボの使用時間が予め設定された耐用時間を経過し、かつ、その時点で前記第１の引上げ中のシリコン単結晶が有転位化している場合、
前記第１の引上げを、直胴部の最大結晶径が２１０ｍｍ以上２６０ｍｍ以下の第２のシリコン単結晶インゴットを引上げる第２の引上げに変更して、前記石英ルツボに残存しているシリコン原料融液を第２のシリコン単結晶インゴットとして回収し、
前記第２のシリコン単結晶インゴットを、直径８インチ以下の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして、又は、半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用することを特徴とするシリコン原料の再利用方法。
【請求項２】
前記第１の引上げから前記第２の引上げへの変更は、下記（１）〜（３）のいずれかの工程を選択して行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン原料の再利用方法。
（１）前記第１の引上げがシリコン単結晶のネック部育成時、又は、最大結晶径が２６０ｍｍ以下のクラウン部育成時である場合は、前記最大結晶径を縮径させることなく、前記第２の引上げに変更する。
（２）前記第１の引上げがシリコン単結晶の最大結晶径が２６０ｍｍを超えるクラウン部育成時、又は、直胴部育成時であって直胴部の長さが３００ｍｍ未満である場合は、前記シリコン単結晶をネック部まで溶解させた後、前記ネック部から前記第２の引上げを行う。
（３）前記第１の引上げがシリコン単結晶の直胴部育成時であって直胴部の長さが３００ｍｍ以上である場合は、前記第１の引上げ中のシリコン単結晶をシリコン原料融液から切り離して冷却し、回収した後、新たに前記第２の引上げを行う。
【請求項１】
チョクラルスキー法により、ネック部、クラウン部及び直胴部を育成し、直径１２インチ以上の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するための第１のシリコン単結晶インゴットを引上げる第１の引上げ中に、シリコン原料融液を保持する石英ルツボの使用時間が予め設定された耐用時間を経過し、かつ、その時点で前記第１の引上げ中のシリコン単結晶が有転位化している場合、
前記第１の引上げを、直胴部の最大結晶径が２１０ｍｍ以上２６０ｍｍ以下の第２のシリコン単結晶インゴットを引上げる第２の引上げに変更して、前記石英ルツボに残存しているシリコン原料融液を第２のシリコン単結晶インゴットとして回収し、
前記第２のシリコン単結晶インゴットを、直径８インチ以下の半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン単結晶インゴットとして、又は、半導体デバイス用シリコンウェーハを製造するためのシリコン原料として再利用することを特徴とするシリコン原料の再利用方法。
【請求項２】
前記第１の引上げから前記第２の引上げへの変更は、下記（１）〜（３）のいずれかの工程を選択して行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン原料の再利用方法。
（１）前記第１の引上げがシリコン単結晶のネック部育成時、又は、最大結晶径が２６０ｍｍ以下のクラウン部育成時である場合は、前記最大結晶径を縮径させることなく、前記第２の引上げに変更する。
（２）前記第１の引上げがシリコン単結晶の最大結晶径が２６０ｍｍを超えるクラウン部育成時、又は、直胴部育成時であって直胴部の長さが３００ｍｍ未満である場合は、前記シリコン単結晶をネック部まで溶解させた後、前記ネック部から前記第２の引上げを行う。
（３）前記第１の引上げがシリコン単結晶の直胴部育成時であって直胴部の長さが３００ｍｍ以上である場合は、前記第１の引上げ中のシリコン単結晶をシリコン原料融液から切り離して冷却し、回収した後、新たに前記第２の引上げを行う。
【図１】
【図２】
【図３】
【図２】
【図３】
【公開番号】特開２０１２−１２６６０１（Ｐ２０１２−１２６６０１Ａ）
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１０−２７９２８２（Ｐ２０１０−２７９２８２）
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年７月５日（２０１２．７．５）
【国際特許分類】
【出願日】平成２２年１２月１５日（２０１０．１２．１５）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
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