JP2009084114A - シリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボとその製造方法 - Google Patents

シリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボとその製造方法 Download PDF

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Abstract

【課題】結晶化促進剤を用いずに、使用時の高温下でもルツボの変形を生じ難く、かつ製造が容易な石英ガラスルツボを提供する。
【解決手段】シリコン単結晶の引き上げに用いる石英ガラスルツボであって、外面層が気泡含有石英ガラス層によって形成されており、内面層が肉眼で気泡が観察されない石英ガラス層によって形成されており、外面層の表面に未溶融ないし半溶融の石英層（半溶融石英層と略称する）を有し、該半溶融石英層の中心線平均粗さ(Ｒａ)が５０μm〜２００μmであることを特徴とし、好ましくは、半溶融石英層の層厚が０.５〜２.０mmである石英ガラスルツボ。
【選択図】なし

Description

本発明は、シリコン単結晶の引き上げに用いる石英ガラス（シリカガラス）ルツボであって、引き上げ時において、高温下の強度が大きく、外面剥離が少ない石英ガラスルツボに関する。
単結晶シリコンの引き上げにはシリコン融液を入れる石英ガラスルツボが用いられる。この石英ガラスルツボの内面部分（内面層）はシリコン融液が接触するので実質的に気泡を含有しない透明ガラス層によって形成されており、外面部分（外面層）は外部輻射の熱を分散してモールド内側に均一に伝達するため、多数の気泡を含む気泡含有層によって形成されている。
上記石英ガラスルツボの製造方法として、従来、回転モールド法が知られている。この製造方法は、回転モールドの内表面に堆積した石英粉をモールド空間側から加熱してガラス化することによってルツボを製造する方法であり、該加熱溶融の際にモールド側から石英粉堆積層内の空気を吸引して減圧し、ガラス層内の気泡を除去する真空引きを行うことによって、実質的に気泡を含有しない透明ガラス層からなる内面層を形成している（特許文献１、２）。
最近、ルツボの大型化に伴い、引き上げ中のルツボ温度が高くなる傾向がある。ルツボの温度が上昇するとガラスの粘度が低下し、使用中にルツボが変形する虞がある。この対策として、ガラスの結晶化促進剤を表面に塗布し、あるいは含有させ、高温下でルツボを形成しているガラスを結晶化して強度を高めることが知られている。
例えば、特開平８−２９３２号公報には、石英ガラスルツボの内面層表面に結晶化促進剤（アルカリ金属、アルカリ土類金属など）を塗布し、または内面層に結晶化促進剤を含有させ、使用時に結晶化促進剤を核としてルツボ内面層を早期に結晶化させることが記載されている。また、特開平１１−１９９３７０号公報には、透明ガラスからなる内面層の下側に結晶化促進剤を含む層を形成し、結晶化促進剤がシリコン融液に接触するのを防止した石英ガラス層が記載されている。さらに、特開２００３−９５６７８号公報には、ルツボ内面層と共に外面層に結晶化促進剤を付着させ、ルツボ内表面と寸法安定性を高めることが記載されている。
特開昭５６−１４９３３３号公報 特開平０１−１４８７８２号公報 特開平８−２９３２号公報 特開平１１−１９９３７０号公報 特開２００３−９５６７８号公報
ルツボ内表面に結晶化促進剤を塗布したものは、結晶化促進剤がシリコン融液と接触して混入し、シリコン単結晶の不純物濃度を高める懸念があり、一方、結晶化促進剤をルツボ外表面に塗布したものは、引き上げ時にルツボが装着されるカーボン製容器に結晶化促進剤が接触した状態であるので、高温下でカーボンと結晶化促進剤が反応し、生成したガスによってシリコン単結晶の品位が低下する場合がある。また、ルツボのガラス層内部に結晶化促進剤を含有させるには、ルツボの製造時に石英粉に結晶化促進剤を混入させるなどの手段が必要であり、ルツボの製造が面倒になる。
本発明は、従来の石英ガラスルツボにおける上記問題を解決したものであり、結晶化促進剤を用いずに、使用時の高温下でもルツボの変形を生じ難く、かつ製造が容易な石英ガラスルツボを提供する。
本発明は、以下の[１]〜[４]に示す構成を有することによって上記課題を解決した石英ガラスルツボとその製造方法に関する。
〔１〕シリコン単結晶の引き上げに用いる石英ガラスルツボであって、外面層が気泡含有石英ガラス層によって形成されており、内面層が肉眼で気泡が観察されない石英ガラス層によって形成されており、外面層の表面に未溶融ないし半溶融の石英層（半溶融石英層と略称する）を有し、該半溶融石英層の中心線平均粗さ(Ｒａ)が５０μm〜２００μmであることを特徴とする石英ガラスルツボ。
〔２〕半溶融石英層の層厚が０.５〜２.０mmである上記[１]に記載する石英ガラスルツボ。
〔３〕ルツボの直胴部において上記半溶融石英層を有し、該直胴部の半溶融石英層の中心線平均粗さ(Ｒａ)が５０μm〜２００μmであって、層厚が０.５〜２.０mmである上記[１]に記載する石英ガラスルツボ。
〔４〕回転モールド法に従って、回転モールドの内表面に堆積した石英粉をモールド空間側から加熱しガラス化してガラスルツボを形成し、冷却後にモールドから上記ガラスルツボを取り出し、外表面の未溶融ないし半溶融石英粉からなる半溶融石英層をホーニング処理する際に、該半溶融石英層の中心線平均粗さ(Ｒａ)が５０μm〜２００μmになるように処理することを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
本発明の石英ガラスルツボは、外面層の表面に存在している半溶融石英層の中心線平均粗さ(Ｒａ)を５０μm〜２００μmに調整することによって、ルツボ使用時の高温下で外面層表面が結晶化しやすい状態にしているので、高温下でルツボが変形し難く、シリコン単結晶の引き上げにおいて、高い単結晶化率を得ることができる。
また、本発明の石英ガラスルツボは、回転モールド法による製造方法において、冷却後にガラスルツボをモールドから取り出してルツボ外表面をホーニング処理する際に、外表面が上記表面粗さになるように処理すればよく、従来の製造方法を大幅に変更することなく、容易に製造することができる。
以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。
本発明の石英ガラスルツボは、シリコン単結晶の引き上げに用いる石英ガラスルツボであって、外面層が気泡含有石英ガラス層によって形成されており、内面層が肉眼で気泡が観察されない石英ガラス層によって形成されており、外面層の表面に未溶融ないし半溶融の石英層（未溶融および半溶融を含めて半溶融石英層と略称する）を有し、該半溶融石英層の中心線平均粗さ(Ｒａ)が５０μm〜２００μmであることを特徴とする石英ガラスルツボである。半溶融石英層の層厚は０.５〜２.０mmが好ましい。
シリコン単結晶に引き上げに用いる石英ガラスルツボは、シリコン融液に接触するルツボ内面層が肉眼で気泡が観察されない石英ガラス層によって形成されており、一方、ルツボ外面層は外部加熱が均一になるように気泡含有石英ガラス層によって形成されている。本発明の石英ガラスルツボは、上記内面層および上記外面層を有し、外面層の状態を制御することによって外面層の表面を結晶化しやすくし、高温下でルツボが変形し難くしたものである。
本発明者等の研究によれば、外面層が気泡含有石英ガラス層によって形成されている石英ガラスルツボは、シリコン単結晶引き上げ時の高温下において、外表面が結晶化する程度は外面層の表面状態に応じて異なり、ルツボ外表面に未溶融石英層が存在しているものは、ルツボ外表面に半溶融石英層が存在せずにシリカガラス面であるものよりも結晶化しやすいと云う知見が得られた。
具体的には、ルツボ外表面が以下の状態(Ａ)〜(Ｄ)であるときには、(Ｄ)よりも(Ｃ)、(Ｃ)よりも(Ｂ)、(Ｂ)よりも(Ａ)の順に結晶化しやすく、ルツボ外表面が結晶化しやすい順序はＡ＞Ｂ＞Ｃ＞Ｄである。
(Ａ) 外表面に半溶融石英層(層厚０.５〜２.０mm)が存在し、該半溶融石英層表面の中心線平均粗さ(Ra)が５０μm〜２００μmであるもの。
(Ｂ) 外表面に半溶融石英層(層厚０.５〜２.０mm)が存在し、該半溶融石英層表面の中心線平均粗さ(Ra)が５０μm未満であるもの。
(Ｃ)外表面に半溶融石英層が存在しないシリカガラス面であり、該ガラス面の中心線平均粗さRaが５０μm〜２００μmであるもの。
(Ｄ) 外表面に半溶融石英層が存在しないシリカガラス面であり、該ガラス面の中心線平均粗さRaが５０μm未満であるもの。
本発明の石英ガラスルツボは、上記知見に基づき、外面層（気泡含有石英ガラス層）の表面に未溶融ないし半溶融の石英層（未溶融および半溶融の石英層を含めて半溶融石英層と略称する）が存在し、該半溶融石英層表面の粗さが、中心線平均粗さ(Ｒａ)で５０μm〜２００μmである石英ガラスルツボである。
本発明の石英ガラスルツボにおいて、半溶融石英層の層厚が０.５mmより薄いと結晶化を促進する効果が十分ではない。一方、半溶融石英層の層厚が２.０mmを上回ると、外面剥離が多くなる傾向があり、ルツボの強度が逆に低下する。
本発明の石英ガラスルツボにおいて、半溶融石英層の表面粗さが、中心線平均粗さ(Ｒａ)で５０μm未満であると結晶化促進効果が低い。一方、上記表面粗さが２００μmを上回ると結晶化促進効果が低い。
本発明の石英ガラスルツボはルツボ外表面が結晶化しやすい。結晶化によってガラスが軟化し難くなり、ルツボの強度が向上するので、使用時の高温下でルツボが変形し難くなる。このため、シリコン単結晶の引き上げにおいて、単結晶化率が向上する。
本発明の石英ガラスルツボは、少なくともルツボの直胴部において上記半溶融石英層が存在し、該直胴部の半溶融石英層の中心線平均粗さ(Ｒａ)が５０μm〜２００μmであって、層厚が０.５〜２.０mmであるものが好ましい。ルツボ直胴部が結晶化しやすいものはルツボが変形し難くなる。
また、本発明の石英ガラスルツボは、回転モールド法による製造方法において、冷却後にガラスルツボをモールドから取り出してルツボ外表面をホーニング処理する際に、外表面が上記表面粗さになるようにホーニング処理することによって製造することができる。このため、従来の製造方法を大幅に変更することなく、容易に製造することができる。ホーニング処理はサンドブラスト処理や高圧水の噴射処理などを用いることができる。
〔実施例１〜３、比較例１〜３〕
以下、本発明を実施例によって具体的に示す。また実施例と共に比較例と共に示す。
回転モールド法に従って、表１に示す石英ガラスルツボ（口径３２インチ、外面気泡含有層１２mm、内面透明ガラス層２mm）を製造した。この石英ガラスルツボを使用してシリコン単結晶の引き上げを行った。使用後のルツボについて、外面結晶層の層厚、外面状態、シリコン単結晶の単結晶化率を表１に示した。なお、ルツボ外面の中心線平均粗さは、触針式表面粗さ測定器を用い、規格（JIS 0651-1976）に従って測定した。また、半溶融石英層および結晶化層の層厚はルツボ断面の顕微鏡写真に基づいて測定した。
表１に示すように、本発明の実施例１〜３は何れも外面層の表面が結晶化し、十分な結晶層の厚みを有する。また外面層の表面剥離が少ない。従って、シリコン単結晶の引き上げにおいて、８０％〜９０％の高い結晶化率が得られる。一方、比較例１は外面層の表面に半溶融石英層が無いので、外面層表面の結晶化層は極めて薄く、このため高温下でルツボが変形し易いので単結晶化率が低い。比較例２は外面層の表面に半溶融石英層が存在するが、半溶融石英層が厚過ぎるので外面剥離が多く、単結晶化率が低い。さらに、比較例３は外面層の表面に半溶融石英層が無くシリカガラス面であるので、その表面粗さを大きくしても、結晶化層は極めて薄く、ルツボが変形し易く、外面剥離も多いので、単結晶化率が最も低い。
Figure 2009084114

Claims (4)

  1. シリコン単結晶の引き上げに用いる石英ガラスルツボであって、外面層が気泡含有石英ガラス層によって形成されており、内面層が肉眼で気泡が観察されない石英ガラス層によって形成されており、外面層の表面に未溶融ないし半溶融の石英層（未溶融および半溶融を含めて半溶融石英層と略称する）を有し、該半溶融石英層の中心線平均粗さ(Ｒａ)が５０μm〜２００μmであることを特徴とする石英ガラスルツボ。
  2. 半溶融石英層の層厚が０.５〜２.０mmである請求項１に記載する石英ガラスルツボ。
  3. ルツボの直胴部において上記半溶融石英層を有し、該直胴部の半溶融石英層の中心線平均粗さ(Ｒａ)が５０μm〜２００μmであって、層厚が０.５〜２.０mmである請求項１に記載する石英ガラスルツボ。
  4. 回転モールド法に従って、回転モールドの内表面に堆積した石英粉をモールド空間側から加熱しガラス化してガラスルツボを形成し、冷却後にモールドから上記ガラスルツボを取り出し、外表面の未溶融ないし半溶融石英粉からなる半溶融石英層をホーニング処理する際に、該半溶融石英層の中心線平均粗さ(Ｒａ)が５０μm〜２００μmになるように処理することを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
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