JP2009132567A - 石英ガラスルツボ - Google Patents

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Abstract

【課題】シリコン融液からの引き上げによるシリコン単結晶の製造において、単結晶引上げ時におけるルツボ気泡の膨張による影響を極力抑制し、高い単結晶化率を達成することができる石英ガラスルツボを提供する。
【解決手段】引上げ相当温度下において、内表面側気泡の膨張率Ｘが、初期段階の膨張率Ｘ１に対し、初期段階経過後の膨張率Ｘ２が１／３以下であり、または、外表面側気泡の膨張率Ｙが、初期段階の膨張率Ｙ１に対して、初期段階経過後の膨張率Ｙ２が１／２以下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上げに用いる石英ガラスルツボであって、引上げ時の高温下でのルツボ気泡の膨張率を制御した石英ガラスルツボに関する。より詳しくは、本発明は、引上げ時の高温下での気泡について、初期膨張率に対し、初期後の膨張率を低減することによって、引上げにおけるルツボ気泡の膨張による影響を極力抑制し、高い単結晶化率を達成することができる石英ガラスルツボに関する。
シリコン単結晶は、シリコン融液から引き上げる方法によって主に製造されている。この方法は、石英ガラスルツボに原料の多結晶シリコンを充填して溶解し、このシリコン融液に種結晶を浸し、徐々に引き上げることによって単結晶化し、棒状のシリコン単結晶を製造する方法である。
この引上げ過程において、ルツボ内表面にブラウンリングと称される褐色のクリストバライトの環状結晶が生じ、シリコン融液に接触しているルツボ内表面に拡大することがある。このブラウンリング下の気泡が膨張すると、ブラウンリングの一部が剥離してシリコン融液に混入し、この破片によってシリコン単結晶のシリコン融液に接する部分が多結晶化し、単結晶の歩留まりを大幅に低下する問題を引き起こす。
そこで、ブラウンリングを抑制した石英ガラスルツボが知られている。例えば、特開２００５−２３１９８６号公報（特許文献１）には、ルツボ内面の透明ガラス層の平均アルミニウム濃度と平均ＯＨ基濃度を一定範囲に制限することによってブラウンリングを低減した石英ガラスルツボが開示されている。また、特開２００５−３２０２４１号公報（特許文献２）には、初期湯面から一定範囲のブラウンリング数を残湯面から一定範囲のブラウンリング数より多くなるようにして、初期湯面より下側の湯面振動を抑制した石英ガラスルツボが開示されている。このように、ブラウンリングの発生を抑制した石英ガラスルツボが知られているが、ブラウンリングを確実に抑制するのは難しい。また、ルツボの内部気泡の膨張率が大きいとルツボの強度が低下して変形し、単結晶化率が低下する問題を引き起こす。
特開２００５−２３１９８６号公報 特開２００５−３２０２４１号公報
本発明は、石英ガラスルツボのブラウンリング発生について、従来の上記問題を解決したものであり、ブラウンリングの剥離を生じる気泡の膨張速度を、シリコン単結晶引上げ開始前の段階と、引上げ段階とで異なるようにし、引上げ中の気泡膨張を抑制してブラウンリングの剥離を生じ難くし、またルツボの強度低下を抑制し、シリコン単結晶の歩留まりを高めた石英ガラスルツボを提供する。
本発明は、以下に示す構成によって上記課題を解決した石英ガラスルツボに関する。
〔１〕シリコン単結晶引上げに用いる石英ガラスルツボであって、引上げ相当温度下において、内表面透明層に含まれる気泡（内表面側気泡と云う）の膨張率Ｘが、初期段階の膨張率Ｘ１に対し、初期段階経過後の膨張率Ｘ２が１／３以下であることを特徴とする石英ガラスルツボ。
〔２〕シリコン単結晶引上げに用いる石英ガラスルツボであって、引上げ相当温度下において、内表面透明層の外側からルツボ外表面の範囲に含まれる気泡（外表面側気泡と云う）の膨張率Ｙが、初期段階の膨張率Ｙ１に対して、初期段階経過後の膨張率Ｙ２が１／２以下であることを特徴とする石英ガラスルツボ。
〔３〕引上げ相当温度下が、石英ガラスルツボを、室温から引上げ相当温度の１４００℃〜１５５０℃まで５時間〜２５時間で昇温し、不活性ガス雰囲気下で保持したときの温度である上記[１]または上記[２]に記載する石英ガラスルツボ。
〔４〕引上げ相当温度下での初期段階の膨張率が該温度下での保持開始から２０時間までの膨張率であり、初期段階経過後の膨張率が２０時間後から１００時間までの膨張率である上記[１]〜上記[３]の何れかに記載する石英ガラスルツボ。
〔５〕初期段階の膨張率が引上げ工程のシリコン溶融からネッキング工程終了までの段階の膨張率であり、初期段階経過後の膨張率がネッキング工程終了から引上げ終了までの膨張率である上記[１]〜上記[３]の何れかに記載する石英ガラスルツボ。
〔６〕内表面側気泡がルツボ内表面から２mm以内の層厚に含まれる気泡であり、外表面側気泡が内表面深さ２mmからルツボ外表面までの範囲に含まれる気泡である上記[１]〜上記[５]の何れかに記載する石英ガラスルツボ。
本発明の石英ガラスルツボは、引上げ相当温度下における内表面側気泡の膨張率Ｘが、初期段階の膨張率Ｘ１に対し、初期段階経過後の膨張率Ｘ２が１／３以下であるので、ルツボ内表面の気泡の膨張が初期段階において進み、初期段階後には気泡の膨張が抑制される。従って、初期段階経過後はルツボ内表面のブラウンリングの剥離が生じ難くなる。
また、本発明の石英ガラスルツボは、引上げ相当温度下における外表面側気泡の膨張率Ｙが、初期段階の膨張率Ｙ１に対して、初期段階経過後の膨張率Ｙ２が１／２以下であるので、初期段階後には気泡の膨張が抑制される。従って、引上げ継続中にルツボの強度低下が小さく、高温下での形状保持に優れており、シリコン融液が安定であるので、シリコン単結晶の歩留まりが向上する。
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、シリコン単結晶引上げに用いる石英ガラスルツボであり、引上げ相当温度下において、内表面側気泡の膨張率Ｘが、初期段階の膨張率Ｘ１に対し、初期段階経過後の膨張率Ｘ２が１／３以下であることを特徴とし、また、外表面側気泡の膨張率Ｙが、初期段階の膨張率Ｙ１に対して、初期段階経過後の膨張率Ｙ２が１／２以下であることを特徴とする石英ガラスルツボである。
シリコン単結晶の引上げは、例えば、石英ガラスルツボに原料の多結晶シリコン塊を入れ、不活性ガス雰囲気、例えば１０torr〜２００torrのアルゴンガス雰囲気に保持し、室温から引上げ温度の１４００℃〜１５５０℃まで、５時間〜２５時間で昇温し、この温度に１０時間保持して多結晶シリコン塊を溶融し、シリコン融液を形成する。このシリコン融液に種結晶（シリコン単結晶）を浸し（ネッキング工程）、ルツボを回転しながら種結晶を徐々に引上げ、種結晶を核にしてシリコン単結晶を成長させる。
本発明の石英ガラスルツボは、上記引上げ温度に相当する高温下（引上げ相当温度下と云う）において、内表面側気泡の膨張率Ｘが、初期段階の膨張率Ｘ１に対し、初期段階経過後の膨張率Ｘ２が１／３以下であり（Ｘ２／Ｘ１≦１／３）、外表面側気泡の膨張率Ｙが、初期段階の膨張率Ｙ１に対し、初期段階経過後の膨張率Ｙ２が１／２以下である（Ｙ２／Ｙ１≦１／２）。
上記初期段階は、例えば、原料の多結晶シリコン塊の溶融からネッキング工程終了までの段階であり、具体的には、例えば、引上げ相当温度下での保持開始から２０時間までの段階である。また、初期段階経過後の段階は、例えば、ネッキング工程終了後から引上げ終了までの段階であり、具体的には、例えば、引上げ相当温度下での保持開始２０時間経過後から１００時間までの段階である。
従って、本発明の石英ガラスルツボは、引上げ工程のシリコン溶融からネッキング工程終了までの内表面側気泡の膨張率Ｘ１に対して、ネッキング工程終了後から引上げ終了までの内表面側気泡の膨張率Ｘ２が小さく、Ｘ１の１／３以下である。従って、ルツボ内表面の気泡の膨張が初期段階において進み、初期段階後には気泡の膨張が抑制される。このため、初期段階経過後はルツボ内表面のブラウンリングの剥離が生じ難くなる。
また、本発明の石英ガラスルツボは、引上げ工程のシリコン溶融からネッキング工程終了までの外表面側気泡の膨張率Ｙ１に対して、ネッキング工程終了後から引上げ終了までの外表面側気泡の膨張率Ｙ２が小さく、Ｙ１の１／２以下である。従って、引上げ継続中にルツボの強度低下が小さく、シリコン融液が安定であるので、シリコン単結晶の歩留まりが向上する。
初期段階の膨張率（Ｘ１、Ｙ１）は、例えば、引上げ相当温度下での保持開始から２０時間までの平均膨張率を用いることができる。また、初期段階経過後の膨張率（Ｘ２、Ｙ２）は、例えば、引上げ相当温度下での保持開始２０時間経過後から１００時間までの平均膨張率を用いることができる。また、ルツボ内表面の透明層に含まれる気泡は、顕微鏡観察によってルツボ内表面から２mm以内の層厚に含まれる気泡であれば良い。
気泡の膨張率は、例えば、使用前のルツボ内表面を顕微鏡観察して透明層の単位面積（例えば１cm2）に含まれる気泡について、その合計面積(気泡量)Ｓ１を測定する。次に、上記初期段階のルツボ内表面を顕微鏡観察して透明層の単位面積に含まれる気泡の合計面積（気泡量）Ｓ２を測定する。Ｓ１に対するＳ２の比によって初期段階の膨張率（Ｘ１，Ｙ１）を定めることができる（Ｘ１，Ｙ１＝Ｓ２／Ｓ１）。同様に、上記初期段階経過後のルツボ内表面を顕微鏡観察して透明層の単位面積に含まれる気泡の合計面積（気泡量）Ｓ３を測定する。Ｓ１に対するＳ３の比によって初期段階経過後の膨張率（Ｘ２，Ｙ２）を定めることができる（Ｘ２，Ｙ２＝Ｓ３／Ｓ１）。
ルツボ内表面の透明層に含まれる気泡の気泡量については、ベースパターンマッチング法を利用することができる。この方法は、予め顕微鏡観察した画像の気泡について、気泡の輪郭情報に基づくベースパターンを設定しておき、このベースパターンに一致するものを選択し、そのマッチング率から気泡量を測定する。気泡輪郭情報には、気泡の輪郭形状データなどの情報が含まれており、気泡サイズを考慮したマッチング率（ベースパターンに一致する数）によって算出した合計気泡面積から気泡量が測定される。
上記ベースパターンマッチング法は、ルツボ内表面から０.３mm以内の範囲（極表面と云う）に含まれる気泡の測定に適している。従来の測定方法は、表面剥離に対する影響が少ない深い位置の気泡まで観察対象になり、これは焦点が外れるため黒点になるものまで含み、測定精度が低下する。一方、上記ベースパターンマッチング法はこのような欠点がなく、表面剥離に対する影響が大きい極表面の気泡量を精度良く測定できる利点がある。また、ベースパターンマッチング法はマッチング率と云う一つの処理情報によって気泡量を測定できるので、処理時間が短く、迅速に測定結果を得ることができる。
一般に、ルツボの気泡は、気泡内ガス圧と引上げ雰囲気圧の圧力差によって膨張が生じ、表面張力による収縮が均衡するまで膨張が進む。本発明の石英ガラスルツボは、気泡の膨張が初期段階で進み、ブラウンリングがルツボ内表面に広がる前に気泡が膨張するので、ブラウンリングがルツボ内表面に拡大しても気泡の膨張は小さく、従って、ブランリングの剥離が生じ難くなる。この結果、シリコン単結晶の歩留りが向上する。
以下、本発明の実施例を比較例と共に示す。
〔試験Ａ〕
石英ガラスルツボ（口径３２インチ）について、室温(２０℃)から１４００℃まで５時間で昇温し、この温度に所定時間保持した。ルツボ内表面の透明層（内表面から２mm深さ）に含まれる気泡（内表面側気泡）について、保持開始から２０時間までの膨張率Ｘ１と、２０時間経過後から１００時間までの膨張率Ｘ２とを測定した。Ｘ１／Ｘ２比を表１に示した。また、ルツボ外表面側に含まれる気泡（内表面の２mm深さから外表面までの範囲に含まれる気泡：外表面側気泡）について、保持開始から２０時間までの膨張率Ｙ１と、２０時間経過後から１００時間までの膨張率Ｙ２とを測定した。Ｙ１／Ｙ２比を表１に示した。
〔試験Ｂ〕
試験Ａと同様の石英ガラスルツボを用い、これに多結晶シリコン塊を入れ、３０torrのアルゴンガス雰囲気に保持し、室温(２０℃)から１４００℃まで３時間で昇温し、この温度に所定時間保持して上記シリコン塊を溶融し、シリコン融液を形成した。このシリコン融液に種結晶を浸し（ネッキング工程）、ルツボを回転しながら徐々に引上げてシリコン単結晶を成長させた。
ルツボ内表面の透明層（内表面から２mm深さ）に含まれる気泡（内表面側気泡）について、シリコン溶融からネッキング工程終了までの膨張率Ｘ１と、ネッキング工程終了後から引上げ終了までの膨張率Ｘ２とを測定した。Ｘ１／Ｘ２比を表１に示した。また、ルツボ外表面側に含まれる気泡（内表面の２mm深さから外表面までの範囲に含まれる気泡：外表面側気泡）について、シリコン溶融からネッキング工程終了までの膨張率Ｙ１と、ネッキング工程終了後から引上げ終了までの膨張率Ｙ２とを測定した。Ｙ１／Ｙ２比を表１に示した。また、単結晶の歩留まりを表１に示した。
表１に示すように、試料Ａ１〜試料Ａ５のルツボ（実施例）は、試験Ａの気泡膨張率と試験Ｂの気泡膨張率が本発明の範囲内であり、単結晶の歩留まりが高い。一方、試料Ｂ１〜Ｂ４のルツボ（比較例）では、試験Ａの一部および試験Ｂの気泡膨張率が本発明の範囲から外れており、単結晶の歩留まり低い。
Figure 2009132567

Claims (6)

  1. シリコン単結晶引上げに用いる石英ガラスルツボであって、引上げ相当温度下において、内表面透明層に含まれる気泡（内表面側気泡と云う）の膨張率Ｘが、初期段階の膨張率Ｘ１に対し、初期段階経過後の膨張率Ｘ２が１／３以下であることを特徴とする石英ガラスルツボ。
  2. シリコン単結晶引上げに用いる石英ガラスルツボであって、引上げ相当温度下において、内表面透明層の外側からルツボ外表面の範囲に含まれる気泡（外表面側気泡と云う）の膨張率Ｙが、初期段階の膨張率Ｙ１に対して、初期段階経過後の膨張率Ｙ２が１／２以下であることを特徴とする石英ガラスルツボ。
  3. 引上げ相当温度下が、石英ガラスルツボを、室温から引上げ相当温度の１４００℃〜１５５０℃まで５時間〜２５時間で昇温し、不活性ガス雰囲気下で保持したときの温度である請求項１または請求項２に記載する石英ガラスルツボ。
  4. 引上げ相当温度下での初期段階の膨張率が該温度下での保持開始から２０時間までの膨張率であり、初期段階経過後の膨張率が２０時間後から１００時間までの膨張率である請求項１〜請求項３の何れかに記載する石英ガラスルツボ。
  5. 初期段階の膨張率が引上げ工程のシリコン溶融からネッキング工程終了までの段階の膨張率であり、初期段階経過後の膨張率がネッキング工程終了から引上げ終了までの膨張率である請求項１〜請求項３の何れかに記載する石英ガラスルツボ。
  6. 内表面側気泡がルツボ内表面から２mm以内の層厚に含まれる気泡であり、外表面側気泡が内表面深さ２mmからルツボ外表面までの範囲に含まれる気泡である請求項１〜請求項５の何れかに記載する石英ガラスルツボ。
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