急冷と徐冷の熱シールドを使った融液からの切り離しによるSi CZ結晶成長中の欠陥分布の観察

摘要

Si結晶の酸素析出によって導入された積層欠陥のリング状分布（R-OSF）は空孔（Vs）リッチな領域と格子間原子（Is）リッチな領域の境界（Vs/Is境界）に沿って形成されると考えられていた(注：しかし、現在この境界はその欠陥分布の配置からVsとIsが再結合（Rc）したほとんど欠陥のないバンド状の領域（Rc領域）とのVs/Rc境界と見做されている)。このR-OSFバンドの形成位置の結果から、R-OSFバンドの形成はVoronkovによるVs/Isの境界を決定するcriterion v/Gi=ξによって決まると考えられてきた。ここでvは成長速度、Giは成長界面での結晶の温度勾配である。そのため、通常R-OSFバンドの形成は成長界面近く(<10mm)の条件で決定されると考えられてきた。また、このR-OSFの形成条件はSi結晶の欠陥分布を拡散モデルでsimulationするための各欠陥の拡散係数、熱平衡濃度等の重要なパラメータを決めるフィッティング条件となっている。しかし、従来のR-OSFの観察は尾部コーンまで形成され、結晶が十分焼鈍された通常の生産と類似した最終的な状態でR-OSFバンドやVs/Is(Rc)境界を観察していた。特に、R-OSFの形成が欠陥分布のどのような時間変化を経て形成されるかを詳細に観察した結果はほとんど知られていない。今回、我々は1）結晶内の温度分布が異なる二つの炉内構成（急冷と徐冷シールド）と、引上げ速度を結晶長に比例して1.4から0.5mm/分まで減少させる引上げの漸減成長法による結晶を成長途中で切り離し、急冷することで結晶内の欠陥分布を凍結させ、また。結晶長だけを変えた同一の成長条件と2）の条件を組み合わせることで各3本の結晶を引上げた。また各残り1本は尾部コーンまで成長し、切り離し結晶の分布と比較し、欠陥分布の時間発展を詳細に調べた。その結果, Vs/Is境界は、成長している間成長界面からほぼ一定濃度で導入されるVsリッチな領域を引上げ中に成長界面から少し離れた外周近くで発生したトーラス状のIsリッチ領域が時間とともに再結合を繰り返しながら拡大するため時間とともに変化ことを見いだした。この再結合は、結晶内の位置から結晶中心付近で1000℃近くの低温まで続き再結合が終了したとき, はじめて最終的なVs/Is境界が形成されることが分かった。また、Vs/Is境界は両シールドで形成されるが、Isリッチな領域の発生は急冷シールドの方が80分以上速かった。またR-OSFバンドは急冷シールドでは発生するが徐冷シールドでは発生しないことが示された。両シールドでVs/Is境界は形成されるが、R-OSFリングは急冷シールドだけで発生するという結果は、VoronkovのcriterionでR-OSFバンドの形成が決定されるという考えの再検討が必要であることを示している。また、筆者らは、成長界面の平衡濃度はVsリッチであるとする従来の仮定に対して、引上げを停止した界面では再結合領域のようなVsが検出できない領域が存在できることを実験的に示した[4]。さらに白井らは結晶成長によるmass transferを考慮した解析の結果、FEMAGの結晶内の温度分布のsimulationに使われているDupretら[5]の結果と異なり成長界面近くの温度勾配が引き上げ速度に反比例して増大することを示した[6]。これらの結果は基本的に結晶内の温度分布に基づく熱応力を考慮する必要があることを示しているように思われる。