JP2000109391A - 石英るつぼ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】長時間にわたる使用において、シリコン融液へ
の不純物混入や結晶質シリカの混入をできるだけ少なく
した、大径のシリコン単結晶引き上げに適する石英るつ
ぼの提供。 【解決手段】 (1)シリコン融液と接する内層部が合成石
英ガラス、外層部が溶融石英ガラスからなる石英るつぼ
で、内層部と外層部との間に気泡量の多い半透明石英ガ
ラスの境界部が存在する構造の石英るつぼ。(2)内層部
または外層部の石英ガラスの気泡体積率がいずれも0.01
％以下であり、境界部の半透明石英ガラスの気泡体積率
が0.1％以上である上記(1)の石英るつぼ。(3)るつぼの
内層部の厚さが1mm以上、境界層部の厚さがるつぼ壁の
全厚さの1/10以上である上記(1)または(2)の石英るつ
ぼ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体の基板材料
に使用されるシリコン単結晶の製造において、融液から
単結晶を凝固引き上げ成長させる際に用いられる石英る
つぼに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体の基板材料としてのシリコン単結
晶は、ほとんどがチョクラルスキー法（ＣＺ法）によっ
て製造される。この方法は、減圧下で雰囲気を管理され
たチャンバー内にて、原料の多結晶高純度シリコンを石
英るつぼ内で加熱溶融し、このシリコンの融液面に種結
晶を浸した後、徐々に引き上げ種結晶を元にして固化さ
せ単結晶を育成製造するものである。

【０００３】単結晶の引き上げ育成中、石英るつぼは、
すこしづつ侵食されシリコン融液中に溶け込んでゆく。
石英の溶け込みによりシリコン融液中の酸素分が増加す
るが、その多くはＳｉＯとなって融液表面から気化し排
除される。しかし、るつぼの石英中に含まれる不純物
は、融液中に混入し単結晶に取り込まれると、その単結
晶から採取される基板材料としてのシリコンウェーハの
品質を低下させる。近年の半導体デバイスの小型化や高
集積度化にともない、その素材であるシリコンウェーハ
の品質に対する要求は、ますます厳しくなってきてお
り、この単結晶の引き上げに用いられる石英るつぼも、
より高純度のものが求められている。

【０００４】従来の天然石英を原料とする溶融石英ガラ
スは、不純物除去のための精製に限界があり、このよう
な高純度化には対応できなくなっている。これに対し、
精製したＳｉ原料からゾルゲル法や気相法などにより人
工的に合成された合成石英ガラスは、溶融石英ガラスよ
りもはるかに高純度のものとすることができる。しかし
ながら、この合成石英ガラスは、一般に溶融石英ガラス
に比べて、高温における粘性が低くて変形を起こしやす
く、その上高価である。

【０００５】合成石英ガラスの耐熱性が低いのは、ＯＨ
基が多く含有されているためとされている。これに対す
るＯＨ基の少ない合成石英ガラスるつぼの製造方法とし
て、例えば、特開平8-40735号公報に開示された発明
は、一旦得られた合成石英ガラス部材を粉砕し、それを
原料としてるつぼを溶融成型しており、また、特開平8-
48532号公報では、シラン化合物の直接火炎法による合
成ガラスを粉砕して得た合成ガラス粉を原料として、真
空中でるつぼを溶融成形する方法を提示している。しか
しながら、一度成型された合成石英ガラスを粉砕するこ
とは、工数がかかり、粉砕の過程での不純物混入のおそ
れもあり、またシラン化合物は一般的に高価であって、
いずれにしてもコストの大幅な増大は避けられない。

【０００６】この合成石英ガラスの難点に対処するた
め、溶融石英ガラスのるつぼ内面のシリコン融液と接す
る側に、合成石英ガラス層をライニングないしは貼り付
けた、２層構成のるつぼが用いられている。耐熱性を溶
融石英ガラスの層に受け持たせ、シリコン融液と接する
側は高純度の合成石英ガラス層とするもので、るつぼの
高温での強度や形状を維持しつつ不純物の混入を抑える
ことができる。ことに、るつぼが大型化しても高温での
耐熱性を保持でき、石英るつぼはシリコン単結晶を１ヶ
製造する毎に通常はとりかえられるので、高価な合成石
英ガラスの使用を１単結晶の育成に耐えられるだけの厚
さの範囲にに限定することができる。これをさらに改良
して、例えば特開昭56-17996号公報に開示された発明の
ように、内壁の合成石英ガラスの表面を非結晶化したも
の、あるいは特開平1-261293号公報開示の発明の内層厚
さを規制したもの、特開平6-279167号公報に提示の発明
の内層部の形状を工夫したもの、などが提案されてい
る。

【０００７】しかし、近年のシリコンウェーハの直径増
大の要求により、単結晶の径が大きくなってくると、一
度に使用するシリコン融液の液量が増大し、るつぼが大
型化するとともに、使用時間が長くなり、るつぼ壁がシ
リコン融液に接する時間も長くなってくる。その上、る
つぼ内の融液が減少すると原料のシリコン多結晶を供給
し、再び単結晶引き上げを継続するマルチ引き上げ法
や、別のるつぼでシリコン融液を作っておき、これを供
給しながら引き上げを継続する連続充填引き上げ方法な
どが開発され、るつぼの継続使用時間が増大する方向に
ある。このようにるつぼの使用時間が増してくると、従
来目立たなかった問題が表面化してくる。

【０００８】まず、外層の溶融石英ガラス中の不純物
が、内層の合成石英ガラス内を拡散してシリコン融液に
混入してくる問題がある。これはるつぼをすべて合成石
英とすればよいが、前述のような難点がある。

【０００９】次に石英ガラス中に含まれる気泡の問題が
ある。これには２つあって、一つは内層の合成石英ガラ
ス中に含まれるもので、大気圧下でアーク溶融にて作ら
れたときに残留した気泡が、単結晶引き上げ中にるつぼ
内層内で膨張し、るつぼ内表面の凹凸を生じたり、破裂
したりして結晶質シリカを融液中に混入させる。結晶質
シリカの混入は、単結晶の転位発生の原因になりやす
い。これに対し、特開平5-124889号公報、または特開平
7-330358号公報に示された発明では、るつぼ成形後水素
を含む雰囲気中にて高温に保持することにより、内層の
透明石英ガラス中の気泡を除去している。

【００１０】その他に、外層の溶融石英ガラスの外側
は、石英るつぼを収容している黒鉛るつぼからの輻射伝
熱を均熱化する目的もあって、気泡を多く残した半透明
石英ガラスとなっているが、このように多く気泡を含む
と、長時間の高温加熱によりガラスが膨張してくる。外
側は黒鉛るつぼに拘束されているので、これは石英るつ
ぼ内側面の変形を引き起こし、これもまたシリコン融液
面を揺らせ、るつぼ表面の結晶質シリカを融液中に混入
させる結果となる。上記発明の水素中での高温処理は、
この外層の溶融石英ガラスの膨張までは抑止できないよ
うである。

【００１１】不純物混入は、シリコン単結晶から採られ
るシリコンウェーハの品質を低下させ、結晶質シリカの
混入は、引き上げ中シリコン単結晶の転位欠陥発生の原
因となり、良品ウェーハの収率を低下させる。したがっ
て石英るつぼとしては、このような問題発生を極力抑止
しなければならない。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、るつ
ぼに起因する転位などの欠陥の発生や不純物混入などに
よるシリコン単結晶の良品率低下を抑止するため、長時
間にわたる使用において、シリコン融液への不純物混入
や結晶質シリカの混入をできるだけ少なくした、大径の
シリコン単結晶引き上げに適する石英るつぼの提供にあ
る。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、外側を溶
融石英ガラスとし内層に合成石英ガラスを用いた２層構
造るつぼについて、長時間使用時の耐久性を向上させる
べく種々検討をおこなった。その際、るつぼ性能向上の
評価は、引き上げたシリコン単結晶から得られたウェー
ハの良品採取率から判断した。

【００１４】まず、溶融石英ガラスの膨張は、気泡をで
きるだけ少なくすれば防止できる。そこで、るつぼ外層
の溶融石英ガラスを透明にし、気泡体積率を低下させた
つぼにより、シリコン単結晶育成をおこなった結果、る
つぼ壁の膨張は抑止できたがウェーハ良品の収率が低下
する傾向があった。理由は転位発生傾向の増加と、不純
物混入であった。その原因を調べると、一つには半透明
石英には、その外側にある黒鉛るつぼからの輻射熱を均
熱化する効果があるが、それが失われると融液に乱流を
生じ、これが結晶質シリカの混入を引き起こして単結晶
の転位発生の傾向を大きくするように思われた。不純物
の増加は、溶融石英ガラス中に含まれている元素が内層
の合成石英ガラス中を拡散し、融液中へ混入したものと
推定された。

【００１５】このように、２層構造のるつぼを透明化す
ることにより問題点が生じてくるので、すべてを透明と
するのではなく、るつぼ壁の厚さ方向の一部に半透明部
を残すことを考えた。そこで、内側の合成石英ガラス層
と外側の溶融石英ガラス層との境界に、その半透明のす
なわち気泡の多い層を形成させ、シリコン単結晶の育成
に適用してみたところ、るつぼ壁の膨張が抑止され、黒
鉛るつぼの輻射熱を均一化できる範囲のあることがわか
った。しかもこの気泡の多い層を存在させることによ
り、不純物元素の混入も低減できることが明らかになっ
たのである。不純物元素の混入低減は、気泡の存在によ
り、元素の拡散経路が減少したためではないかと思われ
る。

【００１６】気泡の多い半透明石英ガラス境界部の厚さ
は、薄すぎると効果はなく、厚くなりすぎるとるつぼ壁
の膨張が顕著になり、適度の厚さがある。また、内層部
の合成石英ガラスの厚さは、厚くすれば不純物の融液へ
の混入は低減できる。しかし、るつぼ壁の全厚は一定値
とすることが好ましいので、合成石英ガラス層を厚くす
ると、溶融石英ガラス層が薄くなって、高温でのるつぼ
強度低下の不安があり、その上コストも上昇する。そこ
で使用中の融液による侵食量と、境界部の存在による不
純物混入抑止効果を調査し、合成石英ガラス層の厚さの
限界を選定した。このようにして完成させた本発明の要
旨は次のとおりである。

【００１７】(1)シリコン融液と接する内層部が合成石
英ガラス、外層部が溶融石英ガラスからなる石英るつぼ
であって、内層部と外層部との間に気泡量の多い半透明
石英ガラスの境界部が存在することを特徴とするシリコ
ン単結晶引き上げ用石英るつぼ。

【００１８】(2)内層部または外層部の石英ガラスの気
泡体積率がいずれも0.01％以下であり、境界部の半透明
石英ガラスの気泡体積率が0.1％以上であることを特徴
とする上記(1)の石英るつぼ。

【００１９】(3)るつぼの内層部の厚さが1mm以上、境界
層部の厚さがるつぼ壁の全厚さの1/10以上であることを
特徴とする上記(1)または(2)の石英るつぼ。

【００２０】

【発明の実施の形態】るつぼの石英ガラスの気泡は、使
用中のガラスの膨張または気泡破裂による融液中へのシ
リカの混入を生じさせ、シリコン単結晶の転位発生の原
因となるので、少なければ少ないほどよい。その影響を
無視できる程度にとどめるには、気泡の体積率を多くて
も0.01％以下とする必要がある。このため、内層部の石
英ガラス、または外層部の溶融石英ガラスの気泡体積率
は0.01％以下とする。

【００２１】境界部の石英ガラスは、外層部に溶融石英
ガラスを用いたときの不純物の拡散防止と、黒鉛るつぼ
の輻射熱の均熱化の効果を目的に、気泡体積率を0.1％
以上にしなければならない。0.1％を下回る場合は十分
な効果が得られなくなる。ただし、気泡体積率は大きく
しすぎると、融着不十分で強度不足になるので、1.0％
までとするのが望ましい。この境界部の石英ガラスは、
合成石英、溶融石英、あるいは両石英が混合したものの
いずれであっても、気泡体積率大きければ十分効果が発
揮されるが、不純物混入をより少なくするためには、合
成石英ガラスであることが望ましい。

【００２２】るつぼ内層部の合成石英ガラスの厚さは、
外層部の溶融石英ガラスからの不純物拡散を配慮する必
要がないので、使用期間中シリコン融液による浸食に耐
えるだけの分あればよい。通常の使用において、融液と
接する合成石英ガラス面の浸食深さは1mm未満なので、
内層部の厚さを1mm以上とする。ただし必要以上に厚く
しても高価な合成石英を無駄に使用することになるの
で、2mm程度までとするのが好ましい。

【００２３】気泡体積率を大きくした境界部の厚さは、
るつぼの全壁厚ｔの1／10以上必要で、これよりも薄く
なるとその効果が得られなくなる。しかし厚くなりすぎ
ると使用中のるつぼ壁厚さ増加の悪影響が現れるので、
るつぼの全壁厚の1／3以下とするのが望ましい。

【００２４】なお、以上の内層部を合成石英ガラス、内
層部を溶融石英ガラス、境界部を気泡体積率の大きい石
英ガラスとする構造は、るつぼ全体でもよく、使用時の
シリコン融液が接する部分のみに限定してあってもよ
い。例えば、るつぼ壁の上方の部分は、すべて溶融石英
で構成させ、シリコン融液と接し不純物混入の危険性の
ある下方のみ上記３層構造とするるつぼとしてもよい。

【００２５】本発明の内層部が合成石英ガラス層、外層
部が溶融石英ガラス層で、内外層の境界部が気泡体積率
の高い半透明石英ガラスである構造の石英るつぼの製造
方法は、これと同一構造のるつぼが得られるものであれ
ば、とくには限定しない。以下本発明の実施の形態を具
体例にて説明するが、その場合のるつぼの作製は、例え
ば次のようにしている。

【００２６】通常おこなわれている回転溶融法にて、ガ
ス透過性のある中空型を用い、回転する型内にまず外層
部となる溶融石英ガラスの原料粉末を装入し、次いで内
層部となる合成石英ガラスの粉末を充填する。中空型の
外周部より排気しつつ、アーク放電により型内部の内層
部側から溶融していく。この場合、他の条件が同一であ
れば、排気による減圧度が大きいほど溶融した部分の気
泡体積率が低下する。内層部が所定の厚さになってか
ら、排気を中断し、大気を導入して減圧度の小さい状態
で溶融を続け、境界部の気泡体積率の高い半透明ガラス
層を形成させる。境界部が所要厚さになってから、再び
十分に排気しつつ外層部を溶融形成させ、るつぼを完成
する。

【００２７】表１に示すように、内層部、境界部および
外層部の厚さと、気泡体積率のそれぞれの異なる22イン
チ（外径560mm、高さ360mm）のるつぼを１〜１０の試番
の10種、上記の方法で作製した。各試番とも６個づつ同
一条件にて石英るつぼを作製し、１個を各層の気泡分布
の測定のため破壊し、５個をシリコン単結晶引き上げの
評価に供した。

【００２８】シリコン単結晶の引き上げの際の単結晶径
は8インチ、るつぼへの融液装荷量は120kgであり、るつ
ぼの使用時間は約50時間であった。得られた単結晶より
ウェーハを採取して評価を行い、明らかにるつぼに起因
していると判断される不良品のみを計上し、単結晶の良
品率を求めた。なお、良品率の劣る試番のるつぼは使用
個数を減らしているが、各試番について、少なくとも１
個は試用した。

【００２９】表１に示した測定値は、いずれもるつぼの
直胴下部のコーナー部直上の位置におけるものであり、
各試番の代表的な結果である。気泡の分布は、るつぼ壁
に垂直に幅5mm、厚さ1mmの試験片を切り出し、試験片の
厚さ方向の光学顕微鏡観察により測定した。使用前後の
各層の厚さは、超音波精密厚さ計を用いて測定し、内層
部の不純物は、るつぼ内表面から深さ0.5mmまでの領域
の石英ガラスについて分析した。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１の結果から明らかなように、試番９は
内層部に気泡体積率の低い合成石英ガラスを用いた２層
構造のものであるが、外層に気泡体積率の高い溶融石英
ガラスを用いたので、使用後のるつぼ壁厚増加が大き
く、シリコン単結晶の良品率が低下している。これは単
結晶に転位の発生が認められた。試番７は内層部も外層
部も気泡率を十分低くしてあり、るつぼ壁厚の増加はな
いが、内層の不純物が増加している。この場合単結晶か
ら採ったウェーハの酸化膜耐圧特性の劣るものが多く発
生した。試番８や試番１０は、融液と接する合成石英ガ
ラスの気泡体積率が大きく、単結晶に転位を発生させ
た。また、試番４〜試番６は、いずれも気泡率の高い境
界部があり、内層部、外層部とも気泡体積率が十分低い
ものであるが、試番４は内層部の厚さが不十分、試番５
は境界部の厚さがやや厚すぎ、試番６は境界部が逆に薄
すぎる。これらは、単結晶の良品率が大きく改善されて
いるが、必ずしも十分ではない。

【００３２】以上の試番のものに比較し、試番１〜３
は、本発明で規定する範囲の気泡体積率の十分低い内層
部と外層部との間に適正な厚さと気泡率を有する境界部
を持つ構造の石英るつぼであり、シリコン単結晶の良品
率が極めて良好である。

【００３３】

【発明の効果】本発明による、境界部を有する２層構造
の石英るつぼは、大寸化するシリコン単結晶の製造にお
いて、高温長時間の使用中、十分安定して不純物の混入
を抑止し、無転位の単結晶を引き上げることを可能に
し、しかも低コストである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 4G014 AH08 4G077 AA10 BA04 CF10 PD08 5F053 AA12 BB04 BB13 DD01 FF04 GG01 LL10 RR13 RR20

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】シリコン融液と接する内層部が合成石英ガ
   ラス、外層部が溶融石英ガラスからなる石英るつぼであ
   って、内層部と外層部との間に気泡量の多い半透明石英
   ガラスの境界部が存在することを特徴とするシリコン単
   結晶引き上げ用石英るつぼ。
2. 【請求項２】内層部または外層部の石英ガラスの気泡体
   積率がいずれも0.01％以下であり、境界部の半透明石英
   ガラスの気泡体積率が0.1％以上であることを特徴とす
   る請求項１に記載の石英るつぼ。
3. 【請求項３】るつぼの内層部の厚さが1mm以上、境界部
   の厚さがるつぼ壁の全厚さの1/10以上であることを特徴
   とする請求項１または２の石英るつぼ。