JP2005306708A - Quartz crucible - Google Patents

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弘行 渡部
Keiko Sanpei
桂子 三瓶
Hisahide Hashimoto
尚英 橋本
Chikaaki Ko
新明 黄
Satoshi Uda
聡 宇田
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To prevent exfoliation of crystal chips from the inner surface of a quartz crucible during use in order to improve the yield of a silicon single crystal. <P>SOLUTION: The number of brown marks causing exfoliation is reduced by forming a layer, which is highly reactive with a silicon melt in comparison with its inner layer, within a layer of 150 μm from the surface of the quartz crucible so as to make the erosion speed higher than the formation speed of a crystal nucleus. Concretely, the inner surface layer highly reactive with the silicon melt is formed from synthetic quartz glass or natural quartz glass containing alkali metals such as lithium, sodium or potassium and alkaline earth metals such as beryllium, magnesium, calcium, strontium or barium in an amount of ≤100 ppm. <P>COPYRIGHT: (C)2006,JPO&NCIPI

Description

本発明は、シリコン単結晶の引き上げに使用する長時間使用しても単結晶化の歩留まりが良い石英ルツボに関するものである。   The present invention relates to a quartz crucible having a high yield of single crystallization even when used for a long time for pulling up a silicon single crystal.

石英ルツボはシリコン融液と接触する唯一の部材としてシリコン単結晶の歩留まりや品質を決定する重要な部材である。単結晶の歩留まりは石英ルツボから混入するSiO2片がシリコン単結晶端に付着して有転位化することにより悪化する。これは石英ガラスの使用温度領域において、β−クリストバライトという結晶が安定であり、シリコン融液との接触によって、容易にブラウンマークと呼ばれるβ−クリストバライトに相転移する。このβ−クリストバライトは周囲のガラスとの構造の差から剥離を起こすことが知られている。 The quartz crucible is an important member that determines the yield and quality of a silicon single crystal as the only member in contact with the silicon melt. The yield of the single crystal is deteriorated when SiO 2 pieces mixed from the quartz crucible adhere to the edge of the silicon single crystal and become dislocations. This is because a crystal called β-cristobalite is stable in the use temperature range of quartz glass, and easily undergoes phase transition to β-cristobalite called a brown mark by contact with a silicon melt. This β-cristobalite is known to cause peeling due to the difference in structure with the surrounding glass.

この結晶化はシリコン融液と接触する石英ルツボ表面で起こるが、気泡のように界面エネルギーの小さいところでも起きる。そこで、この気泡のように生起するβ−クリストバライトの結晶化を抑制するための方策として減圧法と呼ばれる方法が提案されている(特許文献1−2)。この方法はモールドの外側よりポンプで吸引し、脱ガスを行いながら熔融する。これにより石英ルツボ内面には気泡の少ない透明層が形成される。   This crystallization occurs on the surface of the quartz crucible that is in contact with the silicon melt, but also occurs where the interface energy is small, such as bubbles. Therefore, a method called a decompression method has been proposed as a measure for suppressing crystallization of β-cristobalite that occurs like bubbles (Patent Document 1-2). In this method, suction is performed with a pump from the outside of the mold, and melting is performed while degassing. Thereby, a transparent layer with few bubbles is formed on the inner surface of the quartz crucible.

また、熔融中に原料シリカを上部より投入し、透明層を形成する方法も提示されている(特許文献3)。これは従来酸水素炎により透明石英ガラスをつくる、いわゆるベルヌーイ法と同じ原理である。すなわちターゲットと呼ばれる石英ガラス表面の粘度を下げ、その表面に石英粒子を分散させ熔融することにより脱ガスを行いながら気泡のない石英ガラスを製造するものである。この透明層は気泡の破裂による結晶化を抑制するために有効である。   Moreover, the method of throwing in raw material silica from the upper part during melting and forming a transparent layer is also proposed (Patent Document 3). This is the same principle as the so-called Bernoulli method in which transparent quartz glass is conventionally produced by an oxyhydrogen flame. That is, quartz glass without bubbles is produced while degassing by lowering the viscosity of the quartz glass surface called a target, and dispersing and melting quartz particles on the surface. This transparent layer is effective for suppressing crystallization due to bursting of bubbles.

結晶化を抑制するためにはアルカリやアルカリ土類金属を低減させることも効果があるとされている(特許文献4)。   In order to suppress crystallization, it is said that reducing alkali and alkaline earth metal is also effective (Patent Document 4).

しかしながら、以上のいずれの方法によっても高品質なシリコン単結晶を得ることは難しい。   However, it is difficult to obtain a high-quality silicon single crystal by any of the above methods.

さらに合成ルツボを用いることの提案もなされている(特許文献5)。この方法によれば合成石英ガラスはシリカマトリックスが大きく、不規則であるため、結晶化しにくく、長時間使用できる。しかしながら合成ルツボはシリカマトリックスが大きいためにシリコン融液と反応しやすく、ひどい場合は、液面を振動させてしまう。当然酸素も多くシリコン単結晶中に含むことになり、品質に影響を与えることがあった。特に太陽電池用シリコン単結晶の引き上げにおいては、シリコンインゴット中の酸素濃度が高くなり、ライフタイムを低下させるという不具合があった。   Further, it has been proposed to use a synthetic crucible (Patent Document 5). According to this method, synthetic quartz glass has a large silica matrix and is irregular, so it is difficult to crystallize and can be used for a long time. However, since the synthetic crucible has a large silica matrix, it easily reacts with the silicon melt, and in a severe case, the liquid level is vibrated. Naturally, a large amount of oxygen is contained in the silicon single crystal, which may affect the quality. In particular, in pulling up a silicon single crystal for solar cells, there is a problem in that the oxygen concentration in the silicon ingot increases and the lifetime decreases.

一方、上記のような検討や試みとは反対に、不均一な結晶化は問題であるが、全部均一に結晶化させれば、剥離は起きないという観点から、石英ルツボ内表面に炭酸バリウムを塗布したルツボが提案されている(特許文献6−7)。バリウムはアルカリ土類金属に属し、石英ガラスを結晶化させる不純物となり、この塗布により石英ルツボ表面はシリコン単結晶引き上げ時の昇温中に結晶化することになる。しかしながらこの方法では、かなりの濃度のバリウムを表面に塗布するために、シリコン融液に大量に混入することになると考えられる。この点については、バリウムの偏析係数が小さいためにシリコン単結晶に混入するバリウムは極少であると説明されている。   On the other hand, in contrast to the above-described studies and trials, non-uniform crystallization is a problem, but from the viewpoint that exfoliation does not occur if all are crystallized uniformly, barium carbonate is applied to the inner surface of the quartz crucible. An applied crucible has been proposed (Patent Documents 6-7). Barium belongs to an alkaline earth metal and becomes an impurity for crystallizing quartz glass. By this coating, the surface of the quartz crucible is crystallized during the temperature rise during the pulling of the silicon single crystal. However, in this method, it is considered that a large amount of barium is applied to the surface, so that the silicon melt is mixed in a large amount. In this regard, it is described that the amount of barium mixed into the silicon single crystal is very small because the segregation coefficient of barium is small.

だが、本発明者によって、このバリウムコーティングルツボを使用する場合、引き上げ条件によって、バリウムの濃度や塗布厚みを変えなければいけないことが確認されている。これは適度に結晶化速度を制御しないといけないことを示しているが、例えば、16インチで5インチのシリコン単結晶を引き上げる場合と32インチで12インチの単結晶を引き上げる場合では、初期にかる温度が100℃以上も異なる。当然、アレニウスの式からも明らかなように結晶化速度は温度に大きく影響を受ける。表面を結晶化させるには低温では、ある程度の濃度のバリウムが必要であるし、高温使用では低い濃度で結晶化が進。   However, the present inventors have confirmed that when using this barium-coated crucible, the barium concentration and coating thickness must be changed depending on the pulling conditions. This indicates that the crystallization speed must be controlled moderately. For example, when pulling up a silicon single crystal of 16 inches by 5 inches and when pulling up a single crystal of 12 inches by 32 inches, it takes an initial stage. The temperature is different by 100 ° C. or more. Naturally, as is clear from the Arrhenius equation, the crystallization rate is greatly influenced by temperature. In order to crystallize the surface, a certain level of barium is required at low temperatures, and crystallization progresses at low concentrations when used at high temperatures.

また、最近、バリウムを内表面にコーティングした石英ルツボについては大口径のインゴットを引き上げる場合に、単結晶化歩留まりを向上させるためにはかなりバリウム濃度を制御する必要があることがわかってきた。すなわち大口径のルツボにおいてはルツボ自体の温度分布もかなりあるため、濃度分布をつけて結晶化速度を制御しないと単結晶歩留まりは上がらないのである。   Recently, it has been found that for a quartz crucible coated with barium on its inner surface, the barium concentration must be controlled considerably in order to improve the single crystallization yield when a large-diameter ingot is pulled up. That is, in a large-diameter crucible, since the temperature distribution of the crucible itself is considerable, the single crystal yield cannot be increased unless the crystallization rate is controlled by adding a concentration distribution.

そして、シリコン融液中に結晶促進剤を添加する方法も知られている(特許文献8)。これによればポリシリコンが融解した後にシリコン融液中に加えたバリウムが石英ルツボ内表面と反応し、ルツボ表面を結晶化させる。先に述べた方法(特許文献6−7)ではシリコン融解前に石英ルツボ表面を結晶化させるものであるのに対し、この方法ではシリコン融解後に石英ルツボ表面を結晶化させる。しかしながら、この方法はシリコン融解温度が非常に高い場合には有効であるが、小口径ルツボのように低い温度で使用させる場合は、逆に結晶化速度が遅く、不均一に結晶化が起こり、剥離現象を起こすので、単結晶化率の低下を引き起こす。   And the method of adding a crystal accelerator in a silicon melt is also known (patent document 8). According to this, barium added to the silicon melt after the polysilicon is melted reacts with the inner surface of the quartz crucible to crystallize the crucible surface. In the method described above (Patent Documents 6-7), the surface of the quartz crucible is crystallized before the silicon is melted, whereas in this method, the surface of the quartz crucible is crystallized after the silicon is melted. However, this method is effective when the silicon melting temperature is very high, but when it is used at a low temperature such as a small-diameter crucible, the crystallization speed is slow and crystallization occurs unevenly. Since the peeling phenomenon occurs, the single crystallization rate is lowered.

結晶化促進剤を利用する方法については、石英ガラスルツボの内表面の厚さ1mm以内に結晶化促進剤としてのバリウム等の2a族元素または3b族元素含有の塗布層または固溶層を形成する方法(特許文献9)がすでに提案されており、これをさらに発展させた方法として、結晶化促進剤を50〜200ppmの濃度で、0.2〜1.2mmの内表面層にドープする方法も提示されている(特許文献10−11)。この提案では、バリウムを内表面にドープすることによって、シリコン融解前に表面を結晶化させる方法とアルミニウムやチタンを内表面にドープすることによって、結晶化を抑制する方法が一緒に提案されている。しかしながら、前者において、石英ルツボ内表面にバリウムを50〜200ppm含有させても、シリコン融解前に石英ルツボ内表面が均一に結晶化するということはない。大口径ルツボにおいては昇温時間が長く、融解温度も高いため結晶化するが、小口径ルツボにおいては、バリウムを50〜200ppm含有させても結晶化しないことが多い。これに対し、前記の特許文献6−7に記載の方法はかなり高濃度であるため、小口径石英ルツボでも確実に内面は結晶化する。アルミニウムやチタンを50〜200ppm含有する0.2〜1.2mmの内表面層をもつ石英ルツボについては、アルミニウムやチタンにより結晶化速度を抑制できることは基本的にありえないという疑問がある。逆にアルミニウムを添加すると粘度が下がり、結晶化を促進する。アルミニウムはシリコンに混入するとシリコン単結晶に取り込まれて、シリコン単結晶の抵抗値を著しく低下させる。チタンはシリコンと同様にシリカネットワークに入り、結晶化には無関係の元素となるので、結晶化を遅くさせることはできない。   As for the method using a crystallization accelerator, a coating layer or a solid solution layer containing a group 2a element or a group 3b element such as barium as a crystallization accelerator is formed within a thickness of 1 mm on the inner surface of the quartz glass crucible. A method (Patent Document 9) has already been proposed, and as a method developed further, a method of doping an inner surface layer of 0.2 to 1.2 mm with a crystallization accelerator at a concentration of 50 to 200 ppm is also available. (Patent Document 10-11). In this proposal, a method of crystallizing the surface before silicon melting by doping barium on the inner surface and a method of suppressing crystallization by doping aluminum or titanium on the inner surface are proposed together. . However, in the former case, even if 50 to 200 ppm of barium is contained in the inner surface of the quartz crucible, the inner surface of the quartz crucible is not uniformly crystallized before the silicon is melted. Large diameter crucibles crystallize because the temperature rise time is long and the melting temperature is high, but small diameter crucibles often do not crystallize even when containing 50 to 200 ppm of barium. On the other hand, since the method described in Patent Documents 6-7 has a considerably high concentration, the inner surface is surely crystallized even with a small-diameter quartz crucible. Regarding a quartz crucible having an inner surface layer of 0.2 to 1.2 mm containing 50 to 200 ppm of aluminum or titanium, there is a question that the crystallization rate can basically be suppressed by aluminum or titanium. Conversely, when aluminum is added, the viscosity decreases and crystallization is promoted. When aluminum is mixed into silicon, it is taken into the silicon single crystal, and the resistance value of the silicon single crystal is significantly reduced. Since titanium enters the silica network like silicon and becomes an element unrelated to crystallization, crystallization cannot be slowed down.

これまで以上のように様々な観点からの検討と試みがなされてきているが、高品質シリコン単結晶を高い歩留りで形成することには必ずしも成功していない。   As described above, examinations and attempts have been made from various viewpoints, but high quality silicon single crystals have not necessarily been successfully formed at a high yield.

石英ルツボの内表面を結晶化させる方法はこれまでの技術のなかでは有望視されているものの、大口径のシリコンインゴットを引き上げた場合において、結晶促進剤の濃度、分布を制御することが非常に難しいという問題がある。また、合成石英ガラスなどの結晶化しにくくする方法を採用した場合には、液面振動の問題やコストの問題がある。
米国特許第4416680号明細書 米国特許第4632686号明細書 特開1−148718号公報 特開平3−17817号公報 特開2002−154894号公報 米国特許第5976247号公報 特許第3054362号公報 米国特許第6461427号明細書 特許第3100836号公報 米国特許第6641663号明細書 特開2003−956783号公報
Although the method of crystallizing the inner surface of a quartz crucible has been considered promising among the conventional techniques, it is very important to control the concentration and distribution of the crystal accelerator when a large-diameter silicon ingot is pulled up. There is a problem that it is difficult. In addition, when a method of making it difficult to crystallize, such as synthetic quartz glass, there is a problem of liquid level vibration and a problem of cost.
U.S. Pat. No. 4,416,680 US Pat. No. 4,632,686 Japanese Patent Laid-Open No. 1-148818 JP-A-3-17817 JP 2002-154894 A US Pat. No. 5,976,247 Japanese Patent No. 3054362 US Pat. No. 6,461,427 Japanese Patent No. 3100836 US Pat. No. 6,641,663 Japanese Patent Laid-Open No. 2003-956783

本発明は、上記のとおりの背景から、従来の問題点を解消し、単結晶化歩留まりを低下させる石英ルツボ内表面からの結晶片の剥離を抑制し、長時間使用しても単結晶化の歩留りの良好な、シリコン単結晶引き上げ用の新しい石英ルツボを提供することを課題としている。   The present invention, based on the background as described above, eliminates conventional problems, suppresses the separation of crystal pieces from the inner surface of the quartz crucible, which lowers the yield of single crystallization, and enables single crystallization even when used for a long time. It is an object to provide a new quartz crucible for pulling a silicon single crystal with a good yield.

本発明は、第1には、長時間使用においてもシリコン単結晶歩留まりを向上させるため、石英ルツボの表面より150μm以内の層に、それよりも内側層よりシリコン融液との反応性が高い層を形成してなるシリコン単結晶引き上げ用石英ルツボであることを特徴としている。そして第2には、シリコン融液との反応性が高い層は、その厚みが石英ルツボ表面より50μm以内であることを、第3には、シリコン融液との反応性が高い内面層は合成石英ガラスであること、あるいはリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属およびベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ土類金属を100ppm以下で含む天然石英ガラスであることを特徴としている。   In the present invention, first, in order to improve the yield of a silicon single crystal even when used for a long time, a layer within 150 μm from the surface of the quartz crucible and a layer having a higher reactivity with the silicon melt than the inner layer. It is characterized by being a quartz crucible for pulling up a silicon single crystal. Second, the layer having high reactivity with the silicon melt has a thickness within 50 μm from the surface of the quartz crucible, and third, the inner layer having high reactivity with the silicon melt is synthesized. It is characterized by being quartz glass or natural quartz glass containing alkali metals such as lithium, sodium and potassium and alkaline earth metals such as beryllium, magnesium, calcium, strontium and barium at 100 ppm or less.

また、本発明は、上記の石英ルツボにおいて、第4には、その内表面より50μm以内の層は、アルカリ土類金属の1種以上を30〜80ppm範囲で含む天然石英ガラスの層であることを、第5には、天然石英ガラスの層がアルカリ土類金属としてバリウムを40〜60ppmの範囲で含むことを特徴としている。   According to the present invention, in the above-described quartz crucible, fourthly, the layer within 50 μm from the inner surface is a layer of natural quartz glass containing one or more alkaline earth metals in a range of 30 to 80 ppm. Fifth, the natural quartz glass layer is characterized by containing barium as an alkaline earth metal in the range of 40 to 60 ppm.

以上のような特徴は、本発明者の鋭意検討により得られた以下のような知見に基づいている。   The features as described above are based on the following findings obtained by the intensive studies of the present inventors.

すなわち、まず、石英ルツボ表面より剥離するクリストバライト片はシリコン融液との接触した直後にルツボ内表面に生成する。この結晶核の数は時間が過ぎても変わることはあまりない。この結晶核の原因は石英ガラス中の不純物や構造に起因していると推定されるが、明確な原因は不明である。そして、この結晶核はシリコン融液と接触している間に成長するが、同時にシリコン融液との反応により、溶解するために、目視で見るとブラウンマークと呼ばれるリング状の模様となる。ブラウンマークは数が多くなると時間とともに成長し、中心の核の部分が剥離を始め、この結晶片がシリコン単結晶端に付着すると、そこで多結晶化し単結晶の歩留まりを低下することになる。   That is, first, the cristobalite piece peeled off from the surface of the quartz crucible is generated on the inner surface of the crucible immediately after contact with the silicon melt. The number of crystal nuclei does not change much over time. The cause of this crystal nucleus is presumed to be due to the impurities and structure in the quartz glass, but the clear cause is unknown. These crystal nuclei grow while in contact with the silicon melt. At the same time, the crystal nuclei are dissolved by reaction with the silicon melt, so that a ring-like pattern called a brown mark is formed by visual observation. When the number of brown marks increases, the number of the brown core grows with time. The central nucleus begins to peel off, and when this crystal piece adheres to the end of the silicon single crystal, it is polycrystallized to reduce the yield of the single crystal.

本発明者らはこの現象を鋭意研究した結果、石英ルツボ表面がシリコン融液と反応しやすい場合はルツボ表面が溶解し、ブラウンマークの数が減少することを見出し、さらに生成したブラウンマークの中心に剥離が起こらないことを知見して、本発明を完成させた。   As a result of intensive studies on this phenomenon, the present inventors have found that when the surface of the quartz crucible easily reacts with the silicon melt, the surface of the crucible is dissolved, and the number of brown marks is reduced. The present invention was completed by knowing that no peeling occurred.

上記のとおりの本発明の石英ルツボによれば、石英ルツボ内表面からの従来のような結晶片の剥離を抑制し、長時間使用しても引き上げによるシリコン単結晶化の歩留りを良好とすることができる。すなわち、石英ルツボの表面より150μm以内、さらに好適には50μm以内の層に、それより内側層よりシリコン融液との反応性が高い層を形成することによって、結晶核の生成より溶損速度を速くして、剥離の原因となるブラウンマークの個数を減少させることができる。具体的には、シリコン融液との反応性が高い内面層は合成石英ガラスであること、あるいはリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属およびベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ土類金属を100ppm以下含む天然石英ガラスであることである。この石英ルツボはルツボ表面に生成するブラウンマークの個数が極端に少なく、かつブラウンマークの内面が滑らかであるため、シリコン単結晶化歩留まりが大幅に改善できる。   According to the quartz crucible of the present invention as described above, it is possible to suppress the exfoliation of crystal pieces from the inner surface of the quartz crucible and to improve the yield of silicon single crystallization by pulling up even after long use. Can do. That is, by forming a layer having a higher reactivity with the silicon melt than the inner layer in a layer within 150 μm from the surface of the quartz crucible, and more preferably within 50 μm, the rate of erosion is reduced rather than the generation of crystal nuclei. The number of brown marks that cause peeling can be reduced by increasing the speed. Specifically, the inner surface layer having high reactivity with the silicon melt is synthetic quartz glass, or alkali metals such as lithium, sodium, and potassium, and alkaline earth metals such as beryllium, magnesium, calcium, strontium, and barium. Is natural quartz glass containing 100 ppm or less. In this quartz crucible, the number of brown marks generated on the surface of the crucible is extremely small, and the inner surface of the brown mark is smooth, so that the silicon single crystallization yield can be greatly improved.

本発明においては、上記のとおり、石英ルツボ内表面の極薄い層、内表面より150μm以内の厚みの層を、それより内側の層よりシリコン融液と反応しやすくする。この層は合成石英ガラスや、あるいはリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属およびベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ土類金属を100ppm以下で含む天然石英ガラス等であることが好ましい。   In the present invention, as described above, the ultrathin layer on the inner surface of the quartz crucible and the layer having a thickness of 150 μm or less from the inner surface are more easily reacted with the silicon melt than the inner layer. This layer is preferably synthetic quartz glass or natural quartz glass containing alkali metal such as lithium, sodium and potassium and alkaline earth metal such as beryllium, magnesium, calcium, strontium and barium at 100 ppm or less.

合成石英ガラスは構造が不規則で、Si−Oの多員環が多いため、シリコン融液との反応速度が速い。そのため、内表面の150μm層は短時間で溶解する。そのときに、シリコン融液との接触で発生したルツボ内表面の結晶核は溶解して消滅するのである。   Synthetic quartz glass has an irregular structure and a large number of Si-O multi-membered rings, so that the reaction rate with the silicon melt is high. Therefore, the 150 μm layer on the inner surface dissolves in a short time. At that time, the crystal nuclei on the inner surface of the crucible generated by contact with the silicon melt dissolve and disappear.

シリカネットワークに入り込む元素はすべて石英ガラスの粘度を低下させるため、シリコン融液との反応速度を速くすることができる。すなわちリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属およびベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ土類金属であっても同様の効果がある。   All the elements that enter the silica network reduce the viscosity of the quartz glass, so that the reaction rate with the silicon melt can be increased. That is, the same effect can be obtained even with alkali metals such as lithium, sodium and potassium and alkaline earth metals such as beryllium, magnesium, calcium, strontium and barium.

シリコン融液との反応速度が速い層の厚みを150μm以内としたことは、150μmを超えると、リチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属およびベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ土類金属を含む天然石英ガラスの場合、逆に結晶核の生成速度が溶損速度を上回り、結晶核が多くなるからである。また合成石英ガラスの場合は、液面振動が止まらなくなり、結晶種をネッキングすることができなくなるからである。層の厚みが大きいほど結晶化が進むことを考慮すると、シリコン融液との反応性の高い層の厚みは、50μm以内であることが好適である。その下限については本発明の目的、そして所要の効果を実現するための厚みとして、その形成の観点からも、たとえば5μm以上のように適宜に定めることができる。   When the thickness of the layer having a high reaction speed with the silicon melt is within 150 μm, the thickness exceeds 150 μm. When the thickness exceeds 150 μm, alkali metals such as lithium, sodium and potassium and alkaline earth metals such as beryllium, magnesium, calcium, strontium and barium This is because, in the case of natural quartz glass containing, the generation rate of crystal nuclei exceeds the melting rate and the number of crystal nuclei increases. Further, in the case of synthetic quartz glass, the liquid surface vibration cannot be stopped and the crystal seed cannot be necked. Considering that crystallization progresses as the thickness of the layer increases, the thickness of the layer having high reactivity with the silicon melt is preferably within 50 μm. The lower limit can be appropriately determined as a thickness for realizing the object of the present invention and a desired effect, for example, 5 μm or more from the viewpoint of formation.

シリコン融液との反応速度が速い層をリチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属およびベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ土類金属を含む天然石英ガラスとした場合、その濃度はそれぞれの結晶化速度に差によって、濃度を変える必要がある。いずれの場合も、本発明においては100ppm以下とすることが望ましい。さらには、リチウム、ナトリウム、カリウムというアルカリ金属の場合は、40ppm以下、さらには10ppm以下とすることが望ましい。ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ土類金属の場合は、上記の層の厚みを50μm以内とし、30〜80ppmの範囲とすることが好適に考慮される。さらにアルカリ土類金属がバリウムやストロンチウムの場合には、40〜60ppmの範囲、特に50ppm未満とすることが望ましい。   When the layer having a high reaction rate with the silicon melt is a natural quartz glass containing an alkali metal such as lithium, sodium or potassium and an alkaline earth metal such as beryllium, magnesium, calcium, strontium or barium, the concentration of each layer It is necessary to change the concentration depending on the difference in crystallization speed. In either case, it is desirable that the concentration be 100 ppm or less in the present invention. Furthermore, in the case of alkali metals such as lithium, sodium, and potassium, it is desirable that the content be 40 ppm or less, and further 10 ppm or less. In the case of alkaline earth metals such as beryllium, magnesium, calcium, strontium, and barium, it is preferably considered that the thickness of the above layer is within 50 μm and is in the range of 30-80 ppm. Further, when the alkaline earth metal is barium or strontium, the range of 40 to 60 ppm, particularly less than 50 ppm is desirable.

これらの含有量が多い場合には、前記のブラウンマークによる失透が多く、クリストバライト(結晶)に覆われることになる。これは、含有量が少ない範囲では結晶化速度が遅く、層の溶解が進み、結晶核(ブラウンリングの中心)が消失し、一方、含有量が多いと、結晶化度が速く、溶解する前に結晶化し、結晶化することでさらに溶解度が下がるためである。そして、結晶化が進むと、剥離による不具合が大きくなる。   When these contents are large, the devitrification due to the brown mark is large and cristobalite (crystal) is covered. This is because when the content is low, the crystallization rate is slow, the dissolution of the layer proceeds, and the crystal nucleus (Brown ring center) disappears. On the other hand, when the content is high, the crystallinity is fast and before dissolution. This is because the solubility is further lowered by crystallization. And, as crystallization progresses, defects due to peeling increase.

添加するアルカリ土類金属としてのバリウムは、特に本発明においての作用効果が顕著である。   Barium as an alkaline earth metal to be added has particularly remarkable effects in the present invention.

OH基も石英ガラスの粘度を低下させるため、シリコン融液との反応速度を速めるが、水素原子の拡散速度が速く、ルツボ表面層のみに固定させることは難しいため、ルツボ内表面層の溶解が大きくなるので好ましくない。   The OH group also lowers the viscosity of quartz glass, so the reaction rate with the silicon melt is increased. However, since the diffusion rate of hydrogen atoms is fast and it is difficult to fix only to the crucible surface layer, the inner surface layer of the crucible is dissolved. Since it becomes large, it is not preferable.

石英ルツボ内表面の150μm以下の層に合成石英ガラス層を形成する方法やアルカリ金属、アルカリ土類金属を含有する層を形成させる方法は、従来既知の方法で行うことができる。   A method of forming a synthetic quartz glass layer on a layer of 150 μm or less on the inner surface of the quartz crucible or a method of forming a layer containing an alkali metal or alkaline earth metal can be performed by a conventionally known method.

たとえば、熔融前に回転するモールドの中に最初に天然石英粉を成形し、表面に合成粉やアルカリ金属、アルカリ土類金属を含有する天然石英粉を成形して溶融すればよい。また、熔融中に合成粉やアルカリ金属、アルカリ土類金属を含有する石英粉を散布してもよい。   For example, natural quartz powder is first formed in a rotating mold before melting, and natural quartz powder containing synthetic powder, alkali metal, or alkaline earth metal is formed on the surface and melted. Moreover, you may sprinkle the quartz powder containing synthetic powder, an alkali metal, and an alkaline-earth metal during melting.

そこで次に実施例を説明する。もちろん本発明はこの実施例に限定されるものではない。   An embodiment will be described next. Of course, the present invention is not limited to this embodiment.

<実施例1>
回転する内径574mmの黒鉛モールドに米国ユニミン社製IOTA−4を22kg投入し、内表面に均一に60gの合成石英粉を成形した。2.0インチ黒鉛電極に80〜100Vの電圧を印加し、2,000〜2,500Aの電流を流した。20分後、熔融を終了し、既知の工程で、22インチの所定の石英ルツボを製作した。このルツボ内表面には、合成石英粉からの反応性ガラス層が50μmの厚みで形成されている。
<実施例2>
回転する内径574mmの黒鉛モールドに米国ユニミン社製IOTA−4を22kg投入し、内表面に均一にバリウムを40ppm含有する60gの天然石英粉を成形した。2.0インチ黒鉛電極に80〜100Vの電圧を印加し、2,000〜2,500Aの電流を流した。20分後、熔融を終了し、既知の工程で、22インチの所定の石英ルツボを製作した。ルツボの内表面には、40ppmのバリウムを含有する天然石英ガラス層が50μmの厚みで形成されている。
<比較例1>
回転する内径574mmのモールドに米国ユニミン社製IOTA−4を22kg投入し、2.0インチ黒鉛電極に80〜100Vの電圧を印加し、2,000〜2,500Aの電流を流した。熔融開始より20分後、熔融を終了し、ルツボを取り出した。
<実施例3>
実施例1から2のルツボと比較例1のルツボにポリシリコン100kgを投入し、8インチのシリコン単結晶を引き上げた。40時間後、引き上げたシリコン単結晶を再溶解し、再度8インチのシリコンを引き上げた。それを繰り返し、合計3本、120時間の引き上げを行った。その単結晶化率を表1に示した。なおこの単結晶化歩留まりは多結晶シリコンの投入重量に対する値ではなく、予定収量を100%としたときの値である。すなわち、この場合は1本目を70kg、2本目を65kg、3本目を80kgとしたときの、単結晶重量比である。
<Example 1>
Into a rotating graphite mold with an inner diameter of 574 mm, 22 kg of IOTA-4 manufactured by Unimin Co., Ltd. was charged, and 60 g of synthetic quartz powder was uniformly formed on the inner surface. A voltage of 80 to 100 V was applied to a 2.0 inch graphite electrode, and a current of 2,000 to 2,500 A was passed. After 20 minutes, melting was finished, and a predetermined quartz crucible of 22 inches was manufactured by a known process. On the inner surface of the crucible, a reactive glass layer made of synthetic quartz powder is formed with a thickness of 50 μm.
<Example 2>
Into a rotating graphite mold having an inner diameter of 574 mm, 22 kg of IOTA-4 manufactured by Unimin Co., Ltd. was charged, and 60 g of natural quartz powder containing 40 ppm of barium uniformly was formed on the inner surface. A voltage of 80 to 100 V was applied to a 2.0 inch graphite electrode, and a current of 2,000 to 2,500 A was passed. After 20 minutes, melting was finished, and a predetermined quartz crucible of 22 inches was manufactured by a known process. On the inner surface of the crucible, a natural quartz glass layer containing 40 ppm of barium is formed with a thickness of 50 μm.
<Comparative Example 1>
22 kg of IOTA-4 manufactured by Unimin Co., Ltd. was put into a rotating mold having an inner diameter of 574 mm, a voltage of 80 to 100 V was applied to a 2.0 inch graphite electrode, and a current of 2,000 to 2,500 A was passed. 20 minutes after the start of melting, the melting was terminated and the crucible was taken out.
<Example 3>
100 kg of polysilicon was put into the crucibles of Examples 1 and 2 and the crucible of Comparative Example 1, and the 8-inch silicon single crystal was pulled up. After 40 hours, the pulled silicon single crystal was redissolved, and 8 inches of silicon was pulled again. This was repeated, and a total of 3 wires were raised for 120 hours. The single crystallization ratio is shown in Table 1. This single crystallization yield is not a value relative to the input weight of polycrystalline silicon but a value when the planned yield is 100%. That is, in this case, the single crystal weight ratio is 70 kg for the first, 65 kg for the second, and 80 kg for the third.

表1の結果において、実施例1および実施例2の石英ルツボは、単結晶率に優れていることがわかる。比較例1の石英ルツボの単結晶化率は2本目から単結晶化歩留まりが極端に悪くなっている。
<実施例4>
実施例3と同様に実施例2と比較例1のルツボにポリシリコン100kgを投入し、8インチのシリコン単結晶を引き上げた。40時間後、冷却して石英ルツボ表面を観察し、表面粗さを測定した。このブラウンマークの個数と表面粗さ結果を図1と図2に示した。なお、図2には白色結晶表面の顕微鏡写真も示した。
From the results in Table 1, it can be seen that the quartz crucibles of Example 1 and Example 2 are excellent in single crystal ratio. The single crystallization rate of the quartz crucible of Comparative Example 1 is extremely worse from the second.
<Example 4>
In the same manner as in Example 3, 100 kg of polysilicon was put into the crucibles of Example 2 and Comparative Example 1, and an 8-inch silicon single crystal was pulled up. After 40 hours, the quartz crucible surface was cooled and the surface roughness was measured. The number of brown marks and the surface roughness results are shown in FIGS. FIG. 2 also shows a micrograph of the surface of the white crystal.

ルツボ内表面のブラウンマークの個数は実施例2のほうが比較例1に比較して極端に減少していることがわかる。また表面粗さ結果をみても実施例2の石英ルツボ表面は滑らかであり、剥離が起きていないことがわかるのに対し、比較例1のルツボの表面ははっきりと剥離している跡がわかる。
<実施例5>
実施例2と同様にしてバリウム含有天然石英ガラス層を形成した。この場合の、バリウム濃度、層厚みとブラウンマーク(BR)個数との関係について評価した。その結果を表2、表3に示した。
It can be seen that the number of brown marks on the inner surface of the crucible is extremely reduced in Example 2 as compared with Comparative Example 1. Also, from the surface roughness results, it can be seen that the surface of the quartz crucible of Example 2 is smooth and no peeling occurs, whereas the surface of the crucible of Comparative Example 1 clearly shows a peeling.
<Example 5>
A barium-containing natural quartz glass layer was formed in the same manner as in Example 2. In this case, the relationship between the barium concentration, the layer thickness, and the number of brown marks (BR) was evaluated. The results are shown in Tables 2 and 3.

この表2および表3の結果からは、バリウムを用いる場合、バリウム濃度が30ppm〜50ppm未満、層厚みが50μm以下において最良の結果が得られることがわかる。 From the results of Tables 2 and 3, it is understood that when barium is used, the best results are obtained when the barium concentration is 30 ppm to less than 50 ppm and the layer thickness is 50 μm or less.

また、BR個数を10以下に抑えるとの観点からは、バリウム濃度10〜100ppm、層厚み150μm以下が望ましいことがわかる。   Further, from the viewpoint of suppressing the number of BR to 10 or less, it can be seen that a barium concentration of 10 to 100 ppm and a layer thickness of 150 μm or less are desirable.

なお、図3には、層厚み50μmの場合の、バリウム濃度40ppm(A)、100ppm(B)、200ppm(C)の白色結晶表面の顕微鏡写真を示した。   FIG. 3 shows micrographs of the surface of white crystals with barium concentrations of 40 ppm (A), 100 ppm (B), and 200 ppm (C) when the layer thickness is 50 μm.

半導体または太陽電池等の素子として使用されるシリコン基板の基となるシリコン単結晶インゴットを作製する際に、単結晶歩留まりが極めて高く、製造コストが安価なシリコン単結晶引上げ用石英ルツボを提供できる。   A quartz crucible for pulling a silicon single crystal, which has a very high single crystal yield and low manufacturing cost, can be provided when a silicon single crystal ingot serving as a base of a silicon substrate used as an element such as a semiconductor or a solar cell is manufactured.

実施例2と比較例1で作製された石英ルツボのブラウンマークの個数に関する比較図である。It is a comparison figure regarding the number of the brown marks of the quartz crucible produced in Example 2 and Comparative Example 1. 実施例2と比較例1で作製された石英ルツボの内表面の粗さに関する比較図と顕微鏡写真である。It is the comparison figure and microscope picture regarding the roughness of the inner surface of the quartz crucible produced in Example 2 and Comparative Example 1. 実施例5での例を示した顕微鏡写真である。6 is a photomicrograph showing an example in Example 5.

Claims (5)

石英ルツボの表面より150μm以内の層に、それよりも内側層よりシリコン融液との反応性が高い層を形成してなるシリコン単結晶引き上げ用石英ルツボ。   A quartz crucible for pulling a silicon single crystal formed by forming a layer having a higher reactivity with a silicon melt than an inner layer in a layer within 150 μm from the surface of the quartz crucible. シリコン融液との反応性が高い層は、その厚みが石英ルツボ表面より50μm以内である請求項1のシリコン単結晶引き上げ用石英ルツボ。   The quartz crucible for pulling a silicon single crystal according to claim 1, wherein the layer having high reactivity with the silicon melt has a thickness within 50 μm from the surface of the quartz crucible. シリコン融液との反応性が高い内面層は合成石英ガラスであること、あるいは、リチウム、ナトリウム、カリウムなどのアルカリ金属およびベリリウム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、バリウムなどのアルカリ土類金属の1種以上を100ppm以下で含む天然石英ガラスであることを特徴とする請求項1または2のシリコン単結晶引き上げ用石英ルツボ。   The inner surface layer having high reactivity with the silicon melt is synthetic quartz glass, or one or more alkali metals such as lithium, sodium and potassium and alkaline earth metals such as beryllium, magnesium, calcium, strontium and barium. A quartz crucible for pulling a silicon single crystal according to claim 1 or 2, wherein the quartz crucible is natural quartz glass containing 100 ppm or less. 石英ルツボ表面より50μm以内の層は、アルカリ土類金属の1種以上を30〜80ppm範囲で含む天然石英ガラスの層である請求項3のシリコン単結晶引き上げ用石英ルツボ。   4. The quartz crucible for pulling up a silicon single crystal according to claim 3, wherein the layer within 50 [mu] m from the surface of the quartz crucible is a layer of natural quartz glass containing at least one alkaline earth metal in a range of 30 to 80 ppm. 天然石英ガラスの層がアルカリ土類金属としてバリウムを40〜60ppmの範囲で含む請求項4のシリコン単結晶引き上げ用石英ルツボ。   The quartz crucible for pulling up a silicon single crystal according to claim 4, wherein the natural quartz glass layer contains barium in the range of 40 to 60 ppm as an alkaline earth metal.
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