JP2015127287A - 石英ガラスルツボ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】高温下での変形が抑制された石英ガラスルツボ及びその製造方法を提供する。
【解決手段】石英ガラスルツボ１は、上端に開口部を有する円筒状の直胴部１０ａと、直胴部１０ａの下端に形成されたコーナー部１０ｃと、コーナー部１０ｃを介して直胴部１０ａに接続された底部１０ｂとを有している。また、石英ガラスルツボ１は、ルツボの外層を構成する気泡を内包する不透明層１１と、ルツボの内層を構成する気泡が除去された透明層１２とを備えている。不透明層１１は、外表面Ｓｏから内表面Ｓｉに向かって気泡の平均直径が徐々に小さくなる気泡分布を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、石英ガラスルツボ及びその製造方法に関し、特に、シリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ及びその製造方法に関する。

チョクラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶の製造では石英ガラスルツボが用いられている。ＣＺ法では、シリコン原料を石英ガラスルツボに入れて加熱溶融し、このシリコン融液に種結晶を浸漬し、ルツボを回転させながら種結晶を徐々に引き上げて単結晶を成長させる。半導体デバイス用の高品質なシリコン単結晶を低コストで製造するためには、一回の引き上げ工程での単結晶収率を高めることが必要であり、そのためには長時間の操業中に変形することのない形状が安定したルツボが必要となる。

ルツボの変形では、ルツボの直胴部がシリコン融液側に倒れ込む、いわゆる内倒れが特に問題となる。シリコン融液の液面近くのインゴットの周囲には、いわゆるホットゾーンと呼ばれる熱遮蔽板が設けられているが、ルツボの直胴部が内倒れした場合、この内倒れした部分が熱遮蔽板に接触してしまうおそれがある。単結晶引き上げ中においてルツボは回転しているので、ルツボの直胴部は回転しながら熱遮蔽板に接触することになり、ルツボのさらなる変形、熱遮蔽板の破損、ルツボ片がシリコン融液に混入することによる製造歩留まりの低下等の不具合が発生する。

高温下でのルツボの変形を防止するため、ルツボ外層のＡｌ濃度を高めて高粘性にする方法が知られている（特許文献１参照）。また、ルツボの直胴部の向きを外開きにして内倒れを防止する方法も知られている（特許文献２参照）。さらに、ルツボの外層部の気泡のサイズを従来よりも大きく且つ高密度とすることで、シリコン原料を溶融する際にルツボの肉厚を大きく膨張させて機械的強度を増大させる方法も知られている（特許文献３参照）。

特開２０００−２４７７７８号公報 国際公開第２００９／０９９０８４号パンフレット 特開２００７−８７４６号公報

しかしながら、Ａｌはシリコン単結晶に対する不純物であり、Ａｌ濃度を高めるにしてもおのずと限界があり、ルツボの変形を十分に抑制することはできない。また、外開き構造のルツボは内倒れこそ抑制できるものの、ルツボ底部とサセプタとの密着性が十分でなく座屈や沈み込みが発生しやすい。

したがって、本発明の目的は、高温下での変形を抑制することが可能な石英ガラスルツボ及びその製造方法を提供することにある。

上記課題を解決するため、本発明による石英ガラスルツボは、上端に開口部を有する円筒状の直胴部と、前記直胴部の下端に形成されたコーナー部と、前記コーナー部を介して前記直胴部に接続された底部とを有する石英ガラスルツボであって、ルツボの外表面側に設けられた気泡を内包する不透明層と、ルツボの内表面側に設けられた気泡が除去された透明層とを備え、少なくとも前記直胴部における前記不透明層は、前記外表面から前記内表面に向かって気泡の平均直径が徐々に小さくなる気泡分布を有することを特徴とする。

本発明によれば、不透明層内の気泡のサイズが外側から内側に向かって徐々に小さくなることから、優れた靭性を持たせることができ、高温下での内倒れ等の変形を抑制することができる。

本発明において、前記直胴部及び前記コーナー部における前記不透明層が、前記外表面から前記内表面に向かって気泡の平均直径が徐々に小さくなる気泡分布を有することが好ましい。この構成によれば、ルツボの変形をさらに抑制することができる。

本発明において、前記不透明層の厚さ方向の中点よりも前記外表面側に位置する外側領域内における気泡の平均直径は０．３〜０．５ｍｍであり、前記中点よりも前記内表面側に位置する内側領域内における気泡の平均直径は０．１〜０．３ｍｍであって前記外側領域内における気泡の平均直径よりも小さいことが好ましい。この構成によれば、外表面から内表面までの厚さ方向にかけて適切なサイズの気泡分布させることができる。したがって、高温加熱時のルツボの変形を抑制することができる。

また、本発明による石英ガラスルツボの製造方法は、上端に開口部を有する円筒状の直胴部と、前記直胴部の下端に形成されたコーナー部と、前記コーナー部を介して前記直胴部に接続された底部とを有する石英ガラスルツボの製造方法であって、前記石英ガラスルツボの外形に合わせた形状を有するモールドを回転させながらその内表面に石英粉を堆積させる工程と、前記石英粉の堆積層をアーク溶融によりガラス化するとともに、前記モールドに設けられた通気孔から脱気することにより、ルツボの外表面側に設けられた気泡を内包する不透明層と、ルツボの内表面側に設けられた気泡が除去された透明層とを有する石英ガラスルツボを形成する工程とを備え、前記石英粉を堆積させる工程は、前記モールドの表面に第１の平均粒径を有する第１の天然石英粉を堆積させる工程と、前記第１の天然石英粉の堆積層の表面に前記第１の平均粒径よりも小さい第２の平均粒径を有する第２の天然石英粉を堆積させる工程と、前記第２の天然石英粉の堆積層の表面に前記第２の平均粒径よりも小さい第３の平均粒径を有する第３の天然石英粉を堆積させる工程を含み、前記不透明層は、前記外表面から前記内表面に向かって気泡の平均直径が徐々に小さくなる気泡分布を有することを特徴とする。

本発明によれば、不透明層内の気泡の平均直径がルツボの外表面から内表面に向かって徐々に小さくなる気泡分布を有し、これにより優れた靭性を持った石英ガラスルツボを製造することができる。

本発明において、前記第１の平均粒径は２００〜４００μｍであり、前記第２の平均粒径は１００〜２００μｍであり、前記第３の平均粒径は５０〜１５０μｍであることが好ましい。各石英粉の粒径がこのような数値範囲内にある場合には、気泡の平均直径がルツボの外表面から内表面に向かって徐々に小さくなる気泡分布を有する石英ガラスルツボの製造歩留まりを高めることができる。

本発明によれば、不透明層の厚さ方向に対する気泡の直径分布に勾配を持たせているので、高温時の変形を抑制することができる。

図１は、本発明の第１の実施の形態による石英ガラスルツボの構造を示す略側面断面図である。 図２は、石英ガラスルツボ１の製造方法について説明するための模式図である。

以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。

図１は、本発明の第１の実施の形態による石英ガラスルツボの構造を示す略側面断面図であり、（ａ）はルツボ全体の構成図、（ｂ）は（ａ）におけるＢ部の部分拡大図である。

図１（ａ）に示すように、本実施形態による石英ガラスルツボ１は、上端に開口部１０ｄを有する円筒状の直胴部１０ａと、直胴部１０ａの下端に形成された底部１０ｂとを有している。直胴部１０ａと底部１０ｂとの間にはコーナー部１０ｃが設けられている。

直胴部１０ａはコーナー部１０ｃの上端から真っ直ぐ上方に延びているが、完全に垂直でなくてもよく、上方に向かって徐々に広がるように傾斜した外開き形状であってもよい。また、直胴部１０ａは直線的であってもよく、緩やかに湾曲していてもよい。底部１０ｂは湾曲面からなる丸底であるが、平坦面からなる平底であってもよい。直胴部１０ａと底部１０ｂとを連結するコーナー部１０ｃの曲率（第２の曲率）は、底部１０ｂの曲率（第１の曲率）よりも大きい。

開口部１０ｄの直径（口径）は３２インチ（約８００ｍｍ）以上であることが好ましい。このような大口径のルツボは直径３００ｍｍ以上の大口径シリコン単結晶インゴットの引き上げに用いられ、長時間の引き上げ工程中に変形しにくいことが強く求められるからである。ルツボの肉厚Ｈは１０ｍｍ以上であることが好ましく、１３ｍｍ以上であることがより好ましい。通常、口径３２インチ（約８００ｍｍ）以上の大型ルツボの肉厚Ｈは１０ｍｍ以上、４０インチ（約１０００ｍｍ）以上の大型ルツボの肉厚Ｈは１３ｍｍ以上であり、これらの大型で大容量のルツボにはシリコン融液の圧力によって変形することがない十分な厚さが必要だからである。

石英ガラスルツボ１は二層構造であって、外層を構成する不透明層１１と、内層を構成する透明層１２とを備えている。不透明層１１及び透明層１２は共にルツボの直胴部１０ａから底部１０ｂにわたるルツボ全体に設けられている。

不透明層１１は、多数の微小な気泡を内包することにより白濁して見える石英ガラス層である。不透明層１１は、シリコン単結晶の引き上げ時においてルツボの外周に配置されたヒータからの熱をルツボ内のシリコン融液に均一に伝達する役割を果たす。不透明層１１は、透明層１２に比べて熱容量が大きいことから、シリコン融液の温度を安定的に制御することができる。

不透明層１１の気泡含有率は透明層１２の気泡含有率よりも大きく、その機能を発揮できる限りにおいて特に限定されないが、０．１％よりも大きく５．０％以下であることが好ましい。不透明層１１の気泡含有率が０．１％以下では不透明層１１の機能を発揮できず、保温性が不十分となるからである。また、不透明層１１の気泡含有率が５．０％を超える場合には気泡の膨張に起因してルツボが変形する可能性が高く、単結晶化率が低下するおそれがあるからであり、さらに伝熱性が不十分となるからである。不透明層１１の気泡含有率は、１．０％以上４．０％以下であることが特に好ましい。１．０％以上４．０％以下であれば、ルツボの変形をさらに防止することができ、また伝熱性をさらに高めることができる。

なお石英ガラスの気泡含有率は、比重測定により求めることができる。ルツボから単位体積（１ｃｍ^３）の石英ガラス片を切り出し、その質量をＡとし、気泡を含まない石英ガラスの比重Ｂ＝２．２１ｇ／ｃｍ^３とするとき、気泡含有率Ｐ（％）は、Ｐ＝（１−Ａ／Ｂ）×１００となる。

不透明層１１は天然石英からなることが好ましい。天然石英とは、天然水晶、ケイ石等の天然質原料を意味する。一般に天然石英は合成石英に比べて金属不純物の濃度が高く、ＯＨ基の濃度が低い。例えば、天然石英に含まれるＡｌの含有量は１ｐｐｍ以上、アルカリ金属（Ｎａ，Ｋ及びＬｉ）の含有量はそれぞれ０．０５ｐｐｍ以上、ＯＨ基の含有量は６０ｐｐｍ未満である。なお天然石英か否かは複数の要素から総合的に判断することができる。天然石英は合成石英に比べて高温における粘性が高いことから、ルツボ全体の耐熱強度を高めることができる。また天然石英は合成石英に比べて安価であり、コスト面でも有利である。

透明層１２は、一見して透明に見える程度まで気泡が除去された石英ガラス層である。透明層１２によれば、ルツボ内表面からの石英小片の剥離を防止することができ、シリコン単結晶収率を高めることができる。透明層１２は、少なくとも気泡が原因で単結晶収率が低下しない程度の気泡含有率及び気泡サイズであればよく、特に限定されるものではないが、気泡含有率が０．１％以下であり、気泡の平均直径が１００μｍ以下であることをいう。

不透明層１１から透明層１２への気泡含有率の変化は比較的急峻であり、透明層１２の気泡含有率が増加し始めた位置からルツボの外表面側に向かって数十μｍ程度進んだところでほぼ不透明層１１の気泡含有率に達する。したがって、肉眼では不透明層１１と透明層１２との境界は明確である。

透明層１２は合成石英からなることが好ましい。合成石英とは、例えばケイ素アルコキシドの加水分解により合成されたシリカ原料を意味する。一般に合成石英は天然石英に比べて金属不純物の濃度が低く、ＯＨ基の濃度が高い。例えば、合成石英に含まれる各金属不純物の含有量は０．０５ｐｐｍ未満であり、ＯＨ基の含有量は３０ｐｐｍ以上である。ただし、Ａｌ等の金属不純物が添加された合成石英も知られていることから、合成石英か否かを一つの要素から判断することは難しいが、複数の要素から総合的に判断することができる。このように、合成石英は天然石英と比べて不純物が少ないことから、ルツボからシリコン融液中へ溶出する不純物の増加を防止することができ、シリコン単結晶化率を高めることができる。

透明層１２の厚さＨ_２は０．５ｍｍ以上であることが好ましい。透明層１２が０．５ｍｍよりも薄い場合には、シリコン単結晶の引き上げ中に透明層１２が溶損して不透明層１１が露出するおそれがあるからである。不透明層１１の厚さＨ_１は、ルツボの肉厚Ｈから透明層１２の厚さＨ_２を差し引いた値であるため、ルツボの肉厚Ｈが一定であるとき透明層１２を厚くすれば不透明層１１は薄くなり、透明層１２を薄くすれば不透明層１１は厚くなる。

図１（ｂ）に示すように、不透明層１１中の気泡の平均直径は、ルツボの外表面Ｓｏから内表面Ｓｉに向かって徐々に小さくなる分布を有している。不透明層１１をその厚さ方向の中点よりも外表面Ｓｏ側の領域（外側領域）１１ａと内表面Ｓｉ側の領域（内側領域）１１ｂとに分けるとき、外側領域１１ａ内の気泡の平均直径は０．３〜０．５ｍｍであり、内側領域１１ｂ内の気泡の平均直径は０．１〜０．３ｍｍであることが好ましい。このような気泡分布によれば、ルツボの外表面Ｓｏから内表面Ｓｉまでの肉厚方向の適切な位置に適切なサイズの気泡を内包させることができ、これにより高温加熱時のルツボの変形を抑制することができる。

不透明層１１中の気泡の平均直径の分布は、ルツボの外表面Ｓｏから内表面Ｓｉに向かって徐々に小さくなることが好ましい。気泡の平均直径がある位置で急激に変わる場合、その位置で亀裂が発生しやすく、ルツボが変形する可能性が高い。しかし、平均直径が徐々に変化させて気泡の熱膨張の不均一性をできるだけ抑えることにより、そのような不具合を抑えることができる。

上記のような不透明層１１中の気泡分布は、直胴部１０ａから底部１０ｂまでのルツボ全体に対して適用されていてもよいが、直胴部１０ａとコーナー部１０ｃに適用されていることが好ましく、直胴部１０ａだけに適用されていてもよい。すなわち、ルツボの底部１０ｂにおいては気泡の平均直径が不透明層１１の厚さ方向に対してほぼ均一に分布していてもよい。少なくともルツボの直胴部１０ａに対して上記のような不透明層１１の気泡の直径分布が適用されていれば、高温加熱時のルツボの変形を抑制することが可能である。

上記のような不透明層１１中の気泡の直径分布は、その製造時に用いる石英粉の平均粒径を調整することにより実現することができる。すなわち、気泡の平均直径を大きくしたい外側領域には平均粒径が大きな石英粉を用い、気泡の平均粒径を小さくしたい内側領域では平均粒径が小さな石英粉を用いる。このように平均粒径が異なる複数種類の石英粉をモールド内に堆積させた後、これをアーク溶融すると共に、ルツボの外表面側から吸引して脱気することにより、気泡の直径分布がその厚さ方向に勾配をもつ不透明層と、気泡が除去された透明層とを有する石英ガラスルツボが完成する。こうして製造されたルツボは上記のように高温下でも靱性が高いので、ルツボの内倒れを抑制することができる。

図２は、石英ガラスルツボ１の製造方法について説明するための模式図である。

本実施形態による石英ガラスルツボ１は回転モールド法によって製造することができる。回転モールド法では、一定速度で回転しているグラファイトモールド２１の内表面に石英粉２０を所定の厚さにて堆積させる。モールド２１は回転しているので、モールド２１内に充填された石英粉２０は遠心力によって内壁面に張り付いたまま一定の位置に留まり、その形状が維持される。

石英粉２０としては、平均粒径が異なる２種類の天然石英粉２０ａ，２０ｂと合成石英粉２０ｃからなる３種類の石英粉を用いることが好ましい。すなわち、まず平均粒径が相対的に大きな天然石英粉（第１の天然石英粉）２０ａをモールド２１の内表面に所定の厚さにて堆積させ、次いで第１の天然石英粉２０ａの堆積層の内表面に平均粒径が相対的に小さな天然石英粉（第２の天然石英粉）２０ｂを所定の厚さにて堆積させる。さらに、第２の天然石英粉２０ｂの堆積層の内表面に合成石英粉２０ｃを所定の厚さにて堆積させる。

ここで、第１の天然石英粉２０ａの平均粒径は２００〜４００μｍであることが好ましく、第２の天然石英粉２０ｂの平均粒径は１００〜２００μｍであることが好ましく、合成石英粉２０ｃの平均粒径は５０〜１５０μｍであることが好ましい。また、石英粉２０の堆積層全体に対する合成石英粉２０ｃの堆積層の厚さの比は０．１〜０．２であることが好ましく、第１の天然石英粉２０ａの堆積層と第２の天然石英粉２０ｂの堆積層の厚さの比は６：４から４：６までの範囲内であることが好ましい。したがって、例えば平均粒径が４００μｍの第１の天然石英粉２０ａを５ｍｍ堆積し、平均粒径が２００μｍの第２の天然石英粉２０ｂを５ｍｍ堆積し、平均粒径が１００μｍの合成石英粉２０ｃを２ｍｍ堆積すればよい。

不透明層１１中の気泡の直径分布の勾配をルツボの直胴部１０ａだけに適用する場合には、直胴部１０ａの全体と直胴部１０ａに連結するコーナー部１０ｃの一部に対してのみ３種類の石英粉を用い、残りのコーナー部１０ｃと底部１０ｂに対しては第１及び第２の天然石英粉２０ａ，２０ｂのどちらか一方と合成石英粉２０ｃからなる２種類の石英粉を用いればよい。

その後、モールド２１内にアーク電極２２を設置し、石英粉２０の堆積層の内側からアーク放電を行い、石英粉を１７００℃以上に加熱してアーク溶融する（ステップＳ１３）。加熱時間、加熱温度等の具体的条件は原料やルツボのサイズなどの条件を考慮して適宜定められる。

また、この加熱と同時にモールド２１側から減圧し、モールド２１に設けた通気孔２３を通じて溶融石英内の気体を外側に吸引し、通気孔２３を通じて外部に排出することにより、ルツボ内表面近傍の気泡を部分的に除去し、実質的に気泡のない透明層１２を形成する。その後、すべての通気孔２３の吸引力を弱め（又は停止し）、さらに加熱を続けて気泡を残留させることにより、多数の微小な気泡を含む不透明層１１を形成する。以上により、多数の気泡を含む天然石英ガラスからなる不透明層１１と、気泡が除去された合成石英ガラスからなる透明層１２とを有する石英ガラスルツボ１が完成する。

以上説明したように、本実施形態による石英ガラスルツボの製造方法は、平均粒径が異なる３種類の石英粉を用いて石英ガラスルツボを回転モールド法により製造するので、不透明層１１中の気泡の直径分布に勾配を持たせることができる。したがって、シリコン単結晶引き上げ中の高温下において変形しにくい石英ガラスルツボを製造することができる。

１ 石英ガラスルツボ
１０ａ 直胴部
１０ｂ 底部
１０ｃ コーナー部
１０ｄ 開口部
１１ 不透明層
１１ａ 不透明層の外側領域
１１ｂ 不透明層の内側領域
１２ 透明層
２０ 石英粉
２０ａ 第１の天然石英粉
２０ｂ 第２の天然石英粉
２０ｃ 合成石英粉
２１ モールド
２２ アーク電極
２３ 通気孔
Ｓｉ ルツボの内表面
Ｓｏ ルツボの外表面

Claims (5)

1. 上端に開口部を有する円筒状の直胴部と、前記直胴部の下端に形成されたコーナー部と、前記コーナー部を介して前記直胴部に接続された底部とを有する石英ガラスルツボであって、
   ルツボの外表面側に設けられた気泡を内包する不透明層と、ルツボの内表面側に設けられた気泡が除去された透明層とを備え、
   少なくとも前記直胴部における前記不透明層は、前記外表面から前記内表面に向かって気泡の平均直径が徐々に小さくなる気泡分布を有することを特徴とする石英ガラスルツボ。
2. 前記直胴部及び前記コーナー部における前記不透明層が、前記外表面から前記内表面に向かって気泡の平均直径が徐々に小さくなる気泡分布を有する、請求項１に記載の石英ガラスルツボ。
3. 前記不透明層の厚さ方向の中点よりも前記外表面側に位置する外側領域内における気泡の平均直径は０．３〜０．５ｍｍであり、前記中点よりも前記内表面側に位置する内側領域内における気泡の平均直径は０．１〜０．３ｍｍであって前記外側領域内における気泡の平均直径よりも小さい、請求項１又は２に記載の石英ガラスルツボ。
4. 上端に開口部を有する円筒状の直胴部と、前記直胴部の下端に形成されたコーナー部と、前記コーナー部を介して前記直胴部に接続された底部とを有する石英ガラスルツボの製造方法であって、
   前記石英ガラスルツボの外形に合わせた形状を有するモールドを回転させながらその内表面に石英粉を堆積させる工程と、
   前記石英粉の堆積層をアーク溶融によりガラス化するとともに、前記モールドに設けられた通気孔から脱気することにより、ルツボの外表面側に設けられた気泡を内包する不透明層と、ルツボの内表面側に設けられた気泡が除去された透明層とを有する石英ガラスルツボを形成する工程とを備え、
   前記石英粉を堆積させる工程は、
   前記モールドの表面に第１の平均粒径を有する第１の天然石英粉を堆積させる工程と、前記第１の天然石英粉の堆積層の表面に前記第１の平均粒径よりも小さい第２の平均粒径を有する第２の天然石英粉を堆積させる工程と、前記第２の天然石英粉の堆積層の表面に前記第２の平均粒径よりも小さい第３の平均粒径を有する第３の天然石英粉を堆積させる工程を含み、
   前記不透明層は、前記外表面から前記内表面に向かって気泡の平均直径が徐々に小さくなる気泡分布を有することを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
5. 前記第１の平均粒径は２００〜４００μｍであり、前記第２の平均粒径は１００〜２００μｍであり、前記第３の平均粒径は５０〜１５０μｍである、請求項４に記載の石英ガラスルツボの製造方法。

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