JP2013139352A - 内表面にミクロンレベルの波面のあるシリカガラスルツボ - Google Patents

Abstract

【課題】容易な方法で製造が可能であり、且つ湯面振動が抑制可能なシリカガラスルツボを提供する。
【解決手段】鉛直方向に延びる略円筒形の直胴部と、湾曲した底部と、上記直胴部と上記底部をなめらかに接続するコーナー部とを有するシリカガラスルツボであって、上記ルツボの内表面は、微細凹凸構造を有する、シリカガラスルツボである。
【選択図】図６

Description

本発明は、内表面にミクロンレベルの波面のあるシリカガラスルツボに関する。

チョコラルスキー法によるシリコン単結晶引き上げにおいては、シリコンの融液に着液させた種結晶を引き上げることで、単結晶の引き上げが可能になる。まず、所望の直径になるまで、この種結晶の中心に結晶化を拡げ(肩作り)る。次に、胴体引き上げを行うことで棒状の単結晶を引き上げる。最後に底部を絞り込むことで、単結晶を引き上げる。この引き上げの際に、シリコン融液の湯面が周期的に振動する現象がみられる。湯面振動が発生すると種結晶を湯面への着液が困難になる。また、引き上げ中にシリコンが多結晶化する問題も生じる。この原因として、引き上げ温度の上昇や雰囲気圧の低下などによってシリコン融液とシリカガラスの反応が活発化してＳｉＯが発生することによって振動すると考えられている。

近年は、大口径シリコンインゴットの需要が高まってきていることから、大口径シリカガラスルツボへの需要も高まってきている。大口径シリカガラスルツボは、ヒーターからシリコン融液の中心部までの距離が長くなり、引き上げ時のシリコン融液における温度上昇が避けられないでいる。しかしながら、引き上げ時の温度上昇に伴いシリコン融液の湯面の振動が激しくなり、抑制する必要が生じている。シリコン単結晶の単結晶化率を向上させるためには、シリコンの融液に発生する湯面振動を抑制させる必要がある。

例えば、特許文献１には、不透明層と透明層を有する石英ルツボの内表面上に、第１の成分のシリカ砂によるガラス表面を形成し、その後、第２の成分のシリカ砂によってガラスを点在して融着させ、かつＲ〜Ｂ部の内表面に合成石英砂により形成されたガラスを形成させたルツボが提供されている。

特開２００４−２５０３０４公報

しかしながら、上記特許文献１においては、第２の成分のシリカ砂を均一に点在させたルツボを製造することが困難であるということと、そして製造工程が複雑でコスト高であるという問題があった。

本発明は、このような事情に鑑み、容易な方法で製造が可能であり、且つ湯面振動が抑制可能なシリカガラスルツボを提供するものである。

上記課題を解決するために、本発明は次のようなシリカガラスルツボを提供する。即ち、鉛直方向に延びる略円筒形の直胴部と、湾曲した底部と、上記直胴部と上記底部をなめらかに接続するコーナー部とを有するシリカガラスルツボであって、上記ルツボの内表面は、微細凹凸構造を有する、シリカガラスルツボ提供される。

本発明者らは、ルツボ内表面の微細構造と湯面振動との関係を分析していた。直胴部の縁からコーナー部方向に、微細凹凸構造を有する波面が内面層の表面上に形成されたシリカガラスルツボは、シリコン単結晶の引き上げ時にシリコン融液の湯面振動を抑制することを見出し本発明は完成した。

図１は、合成シリカ粉を原料とした内面層１１上を対物レンズ１０が走査する様子を表した模式図である。 図２は、ルツボ内における対物レンズ１０の走査方向を例示した模式図である。 図３は、波面が形成されていないシリカガラスルツボの内表面における、共焦点レーザー顕微鏡による表面写真である。 図４は、波面が形成されているシリカガラスルツボの内表面における、共焦点レーザー顕微鏡による表面写真である。 図５は、共焦点レーザー顕微鏡を用いて作成した、波面が形成されているシリカガラスルツボの内表面における３次元画像である。 図６は、図５のＡ−Ｂ付近を拡大した３次元画像である。 図７は、図６の地点ＡからＢまでの内面層の高さを測定した。基準点（Ｚ＝０）は、内面層の高さがＺ＝０から２μｍ以内に収まるように設定した。 図８は、波面が形成されている内表面を２次元的に走査して反射の強度から波面とそのピッチを測定した結果である。

本発明の実施形態のシリカガラスルツボは、鉛直方向に延びる略円筒形の直胴部と、湾曲した底部と、上記直胴部と上記底部をなめらかに接続するコーナー部とを有するシリカガラスルツボであって、上記ルツボの内表面は、微細凹凸構造を有する。以下、各構成要素について詳細に説明する。

１ シリカガラスルツボ
シリカガラスルツボ１２は、図２に示す通り、鉛直方向に延びる略円筒形の直胴部１５と、湾曲した底部１６と、上記直胴部と上記底部とをなめらかに接続するコーナー部１７とを有する。

シリカガラスルツボ１２は、図２に示す通り、合成シリカ粉を原料とした内面層１１と天然シリカ粉を原料とした外面層１４とを有する。合成シリカ粉を原料とした内面層１１は、シリコン融液と接触する内面層であり、化学合成されたシリカ（二酸化シリコン）を熔融させたものを固化させて形成させるガラス層である。化学合成されたシリカは、不純物濃度が非常に低いため、合成シリカ粉を原料とした内面層１１を有するシリカガラスルツボは、シリコン融液への不純物の混入を低減することができる。シリカの化学合成の方法は、特に限定されないが、四塩化珪素（ＳｉＣｌ_４）の気相酸化（乾式合成法）や、シリコンアルコキシド（Ｓｉ（ＯＲ）_４）の加水分解（ゾル・ゲル法）が挙げられる。天然シリカ粉を原料とした外面層１４は、α―石英を主成分とする天然鉱物を粉砕して粉状にすることによって製造される天然シリカ粉を熔融して形成されるガラス層である。

上記外面層には、最外面層側に気泡含有層を有してもよい。気泡含有層は、例えば、内部に含まれる気泡含有率が０．２％以上１％以下、かつ上記気泡の平均直径が２０μｍ以上２００μｍ以下であるという特性をもつ層である。一方、シリカガラスルツボの内表面から気泡含有層までは実質的に気泡を含まない透明層である。

２ シリカガラスルツボの内表面
本実施形態におけるシリカガラスルツボは、合成シリカ粉を原料とした内面層１１の表面に微細凹凸構造を有する波面を備える。

上記微細凹凸構造の形状は、溝状の谷が尾根と尾根の間に挟まれた構造になっていることが好ましく、上記溝は、実質的に、上記直胴部の円周方向に延びていることが好ましい。上記尾根と尾根の平均間隔は、好ましくは５〜１００μｍであり、さらに好ましくは２０〜６０μｍである。上記平均間隔は、具体的には例えば、５，１０，２０，３０，４０，５０，６０，７０，８０，９０，１００μｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。上記微細凹凸構造は、中心線平均粗さRaが０．０２〜０．５μｍであることが好ましく、０．０５〜０．２μｍであることがさらに好ましい。この中心線平均粗さRaは、具体的には例えば０．０２，０．０５，０．１，０．１５，０．２，０．２５，０．３，０．３５，０．４，０．４５，０．５μｍであり、ここで例示した数値の何れか２つの間の範囲内であってもよい。
ルツボの内表面に微細な凹凸構造が設けられている場合、シリコン融液が突沸するのを防いで湯面振動を抑制するのみならず、シリコン融液とルツボ内表面の接触面積が大きくなることによって両者間の摩擦抵抗が増すことによっても湯面振動が抑制される。さらに、この微細凹凸構造が溝状の谷が尾根と尾根の間に挟まれた構造になっていて、この溝が円周方向に延びている場合には、シリコン融液とルツボ内表面の間の接触抵抗が特に大きくなって、湯面振動が特に効果的に抑制される。
また、ルツボ内表面とシリコン融液との反応によってルツボ内表面を熔融することによってシリコン融液中に酸素が供給され、この酸素がシリコン単結晶に混入してゲッタリングサイトの形成に利用されるが、本実施形態のルツボではシリコン融液とルツボ内表面の接触面積が大きくなるため、ルツボ内表面とシリコン融液との反応が生じやすくなり、シリコン融液中に効率的に酸素を供給することができ、酸素不足に起因する問題を防ぐことができる。
微細凹凸構造は、湯面振動防止の観点からは、ルツボの直胴部に設けられていることが好ましい。また、酸素供給の観点からは、ルツボの全体に（特にシリコン単結晶引き上げ時に初期液面よりも低い位置に）設けられていることが好ましい。

上記微細凹凸構造は、内表面に照射した光の反射光を受ける受光装置を備える光学的検出手段を用いて非接触的に測定することが可能である。

この光学的検出手段における照射光の発光手段は、内蔵されたものでもよく、また外部の発光手段を利用するものでもよい。また、光学的検出手段は、シリカガラスルツボの内表面に沿って回動操作できるものを用いることが好ましい。照射光としては、可視光、紫外線及び赤外線のほか、X線もしくはレーザー光などを利用でき、内表面の微細凹凸構造を検出できるものであればいずれを採用してもよい。受光装置は、照射光の種類に応じて選択されるが、例えば受光レンズ及び映像部を含む光学カメラを用いることができる。内表面の微細凹凸構造を検出するためには、集光点で生じる光のみを受光することが好ましい。集光点で生じる光のみを受光するためには、受光装置に含まれる光検出器の手前にピンホールを備えることが好ましい。

測定方法としては、図１に示す通り、光学的検出手段の対物レンズ１０をルツボ１２の内面層１１に非接触的に配置し、走査方向１３に向かって走査することで、微細凹凸構造が測定される。他の走査方式としては、サンプル走査方式とレーザー走査方式とがある。サンプル走査方式は、サンプルを載せたステージをＸＹ方向に駆動させて二次元像を取得する方式である。レーザー走査方式は、レーザーをＸＹ方向に当てることで、サンプル上を二次元走査する方式である。いずれの走査方式を採用してもよい。

集光点を走査して二次元像を取得し、肉厚方向にも走査することで立体的な微細凹凸構造の画像を取得することが可能になる。取得された画像からは、波面の方向性を確認することができる。内面層を走査する方向としては、直胴部の鉛直方向１８又は水平方向１９に走査してもよい。また、ルツボの内面層の一部だけを走査してしてもよい。例えば、種結晶が着液する湯面位置周辺を重点的に走査してもよい。

また、集光点を二次元的に走査して、反射の強度から波面を測定し、そのピッチを数値化することも可能である。走査時間を短縮することができる点で好ましい。

３ シリカガラスルツボの製造方法
本実施形態のシリカガラスルツボ１２は、（１）シリカガラスルツボの外形を規定する碗状の内表面を有するモールドを回転させながら、その内部の底部及び側面上に天然シリカ粉を所定の厚さに堆積させ、その後、合成シリカ粉を所定厚さに堆積させることによってシリカ粉層を形成し、（２）このシリカ粉層をアーク放電によって熔融させた後に冷却することによって、製造することができる。

シリカ粉の熔融は、回転モールドの内表面での最高到達温度が２０００〜２６００℃になるように行うことが好ましい。最高到達温度が２０００℃よりも低いとシリカガラスの構造中あるいはシリカガラス中に気泡として残存するガスが抜け切れず、シリコン単結晶中の引き上げ中に、ルツボが激しく膨張する。また、最高到達温度が２６００℃よりも高
いとシリカガラスの粘度が低下して形状崩れが発生するからである。

アーク熔融は、例えば、交流３相（Ｒ相、Ｓ相、Ｔ相）のアーク放電によって実施される。従って、交流３相の場合は、３本の炭素電極を使用してアーク放電を発生させることでシリカ粉層が熔融する。アーク熔融は、上記炭素電極の先端がモールド開口部よりも上方に位置する地点でアーク放電を開始する。これにより、モールド開口部近傍におけるシリカ粉層が優先して熔融される。その後、炭素電極を降下させモールド直胴部、コーナー部及び底部のシリカ粉層を熔融させる。炭素電極を降下させる際に、段階的に降下させることで内面層の表面に波面を形成させることが可能になる。また、炭素電極を振動させることでも波面を形成させることが可能である。

４ シリコンインゴットの製造方法
シリコンインゴットは、（１）本実施形態のシリカガラスルツボ１２内でポリシリコンを熔融させてシリコン融液を生成し、（２）シリコン種結晶の端部を上記シリコン融液中に浸けた状態で上記種結晶を回転させながら引き上げることによって製造することができる。シリコン単結晶の形状は、上側から円柱状のシリコン種結晶、その下に円錐状のシリコン単結晶、上部円錐底面と同じ径を持つ円柱状のシリコン単結晶、頂点が下向きである円錐状のシリコン単結晶からなる。

シリコンインゴットの引き上げは、通常、１４５０〜１５００℃程度で行われる。引き上げ初期は、特に湯面振動が発生し易い。本実施形態におけるシリカガラスルツボ１２は、内面層１１の表面に微細凹凸構造を有する波面が形成されているため、湯面振動の発生を抑制することができる。

１ シリカガラスルツボの製造
実施例及び比較例においては、回転モールド法に基づいて、シリカガラスルツボを製造した。モールド口径は、32インチ(81.3cm)、モールド内表面に堆積したシリカ粉層の平均厚さは15mm、3相交流電流3本電極によりアーク放電を行った。アーク熔融工程の通電時間は90分、出力2500kVA、通電開始から10分間はシリカ粉層の真空引きを行った。

実施例１のシリカガラスルツボは、アーク熔融中に炭素電極を段階的に降下させることで製造した。一方、比較例１のシリカガラスルツボは、アーク熔融中に炭素電極を連続的に降下させることで製造した。

２ 表面構造
実施例１及び比較例１のシリカガラスルツボにおいて、内面層を共焦点レーザー顕微鏡を用いて観察した。走査方向は、シリカガラスルツボの縁から鉛直方向に走査した。走査面は、３ｃｍ×３ｃｍの使用前シリカガラスルツボである。

図３は、比較例１の内面層における共焦点レーザー顕微鏡による表面写真である。図３の通り、従来のシリカガラスルツボの内表面には、波面は観察されず不均一な歪み構造が観察された。

図４は、実施例１の内面層における共焦点レーザー顕微鏡による表面写真である。図４の通り、実施例１のシリカガラスルツボの内表面には、波面が形成されていた。

更に詳細な解析を行うために、実施例１の内表面の３次元画像を共焦点レーザー顕微鏡を用いて取得した。図５は、取得した３次元画像である。図５中の地点Ａ及びＢ付近を拡大した３次元画像が図６である。図６の通り、地点ＡとＢに直交する様に波面が形成されていた。

図７は、地点ＡからＢまでの内面層の高さを測定した。基準点（Ｚ＝０）は、内面層の高さがＺ＝０から２μｍ以内に収まるように設定した。その結果、複数の微細凹凸構造が検出された。

図８は、実施例１の内表面を二次元的に走査して、反射の強度から波面を測定し、そのピッチを測定した。微細凹凸構造のピッチ、約３５μｍであることが明らかとなった。

３ 湯面振動
実施例１と比較例１のシリカガラスルツボを用いて湯面振動の有無を測定した。比較例１のシリカガラスルツボにおいては、湯面振動の発生が確認された。一方、実施例１のシリカガラスルツボにおいては湯面振動の抑制が確認された。

Claims (4)

1. 鉛直方向に延びる略円筒形の直胴部と、湾曲した底部と、前記直胴部と前記底部をなめらかに接続するコーナー部とを有するシリカガラスルツボであって、
   前記ルツボの内表面は、微細凹凸構造を有する、シリカガラスルツボ。
2. 前記微細凹凸構造は、溝状の谷が尾根と尾根の間に挟まれた構造になっており、前記尾根と尾根の平均間隔は、５〜１００μｍである、請求項１に記載のルツボ。
3. 前記溝は、実質的に、前記直胴部の円周方向に延びる、請求項２に記載のルツボ。
4. 前記微細凹凸構造は、中心線平均粗さRaが０．０２〜０．５μｍである、請求項１〜３の何れか１つに記載のルツボ。