JP2015221732A - 石英ガラスルツボ - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン単結晶引上げの際、十分な耐熱強度を有し、かつ、ルツボ内表面の剥離が防止され、シリコン単結晶引上げの歩留向上を図ることができる石英ガラスルツボを提供する。
【解決手段】下凸湾曲状の底部１と円筒状の側壁部３との間にアール状のコーナー部３を有する２層構造のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボにおいて、内層４は、Ｎａ，Ｋ及びＬｉの各含有量が０．０１ｗｔｐｐｍ未満である高純度石英粉により形成され、かつ、気泡を含まない透明石英ガラスからなり、外層５は、コーナー部３の少なくとも、アール状の上端からアール状の上端と下端の中間点までの範囲が、前記高純度石英粉により形成された高純度石英部６であり、コーナー部３の高純度石英部６以外の部分、底部１及び側壁部２が、気泡を含む不透明石英ガラスからなる構成とする。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）によりシリコン単結晶を引上げる際に用いられる、シリコン原料融液を収容するための石英ガラスルツボに関する。

シリコン等の半導体単結晶は、主に、チョクラルスキー（ＣＺ）法により製造されている。このＣＺ法によるシリコン単結晶の製造は、シリコン単結晶の種結晶を、多結晶シリコンを溶融したシリコン原料融液に着液させて、回転させながら徐々に引き上げていき、シリコン単結晶インゴットを成長させることにより行われる。
上記方法において、シリコン原料融液を収容する容器としては、石英ガラスルツボが用いられ、該石英ガラスルツボは、シリコン単結晶引上げ時には、カーボンルツボに嵌め込むようにセットされて、ルツボ外周からヒータ加熱される。

従来の石英ガラスルツボは、例えば、特許文献１に記載されているような、天然石英粉原料を用いた多気泡石英ガラス層からなる外層と、高純度合成シリカ粉を用いた透明シリカガラス層からなる内層とを備えた２層構造のものが一般的である。
内層の透明シリカガラス層は、高純度合成シリカ粉原料により形成されるため、引上げられるシリコン単結晶に対する不純物汚染を抑制することができる。一方、外層の多気泡石英ガラス層は、天然石英粉原料により形成され、前記透明石英ガラス層に比べて、シリカ純度は低いものの、耐熱性に優れているという特徴を有している。

また、特許文献２には、ルツボの熱伝導率を向上させる観点から、底壁を実質的に気泡が内在しない透明ガラス層によって形成することが記載されているが、該底壁の強度や耐久性が懸念される。

特開平８−１６９７９８号公報 特開平６−３２９４９３号公報

ところで、上記のような従来の石英ガラスルツボは、通常、高温加熱下での使用後、ルツボ内表面に、石英ガラスの結晶化に起因する褐色のリング状のクリストバライト、いわゆるブラウンモールド（ブラウンリング又はブラウンマークとも言う。）の生成が見られる。このブラウンモールドは、生成したクリストバライトの結晶核が加熱により徐々に成長して拡大したものであり、ルツボ内表面の荒れや剥離を引き起こす。その結果、シリコン原料融液中に剥離した１０〜１００μｍ程度のサイズの微結晶片等が混入してシリコン単結晶に転位が発生し、シリコン単結晶の歩留の低下を招くこととなる。

特に、ルツボ底部と円筒状の側壁部との間の曲率の大きいコーナー部において、ルツボ内表面の剥離が生じやすいことが判明した。さらに、これは、前記コーナー部の外層に用いられた天然石英粉原料に含まれる不純物が、内層、さらにルツボ内表面にまで拡散することに起因し、ヒータによる加熱、シリコン原料融液の対流等がある一定の条件となった際に生じることが判明した。

したがって、ルツボ内表面から剥離した微結晶片等のシリコン単結晶への混入を防止するために、前記コーナー部において、ルツボの構成材料からルツボ内表面に拡散する不純物を低減させることが求められる。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボであって、十分な耐熱強度を有し、かつ、ルツボ内表面の剥離が防止され、シリコン単結晶引上げの歩留向上を図ることができる石英ガラスルツボを提供することを目的とするものである。

本発明に係る石英ガラスルツボは、下凸湾曲状の底部と円筒状の側壁部との間にアール状のコーナー部を有し、内層及び外層を備えた２層構造のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボであって、前記内層は、Ｎａ，Ｋ及びＬｉの各含有量が０．０１ｗｔｐｐｍ未満である高純度石英粉により形成され、かつ、気泡を含まない透明石英ガラスからなり、前記外層は、前記コーナー部の少なくとも、アール状の上端からアール状の上端と下端の中間点までの範囲が、前記高純度石英粉により形成された高純度石英部であり、前記コーナー部の前記高純度石英部以外の部分、前記底部及び前記側壁部が、気泡を含む不透明石英ガラスからなることを特徴とする。
このような構成によれば、十分な耐熱強度を維持しつつ、ルツボ内表面の剥離の防止が図られたシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボが得られる。

前記高純度石英部は、ルツボの中心を通る鉛直方向断面において、ルツボの厚さ方向に対して、平行又はルツボ外面に向かって広がるように形成されていることが好ましい。

前記高純度石英部は、ルツボ外周のヒータからの熱拡散の効率化の観点から、気泡を含む不透明石英ガラスからなることが好ましい。

本発明に係る石英ガラスルツボによれば、十分な耐熱強度を維持しつつ、ルツボ内表面の剥離を防止し、シリコン単結晶への該ルツボの構成原料に起因する不純物の混入を抑制することができる。
したがって、本発明に係る石英ガラスルツボは、シリコン単結晶引上げの歩留向上に寄与し得るものである。

本発明に係る石英ガラスルツボの模式的な断面図である。 図１の石英ガラスルツボのコーナー部周辺の拡大断面図である。 本発明に係る他の態様の石英ガラスルツボのコーナー部周辺の拡大断面図である。

以下、本発明について、図面を参照して、詳細に説明する。
図１に、本発明に係る石英ガラスルツボの断面図を示す。図１に示す石英ガラスルツボは、下凸湾曲状の底部１と円筒状の側壁部２との間にアール状のコーナー部３を有する断面がＵ字状の形状からなる。この石英ガラスルツボは、内層４と外層５とを備えた２層構造である。
そして、内層４は、高純度石英粉により形成された透明石英ガラスからなり、外層５は、コーナー部３の少なくとも一部が、前記高純度石英粉により形成された高純度石英部６であり、コーナー部３の高純度石英部６以外の部分、底部１及び側壁部２が、不透明石英ガラスからなる。

図２に、図１の石英ガラスルツボのコーナー部３周辺の拡大図を示す。図２に示すように、高純度石英部６の範囲は、コーナー部３のうち、少なくとも、アール状の上端Ａからアール状の上端Ａと下端Ｂの中間点Ｍまでの範囲とする。
この上端Ａ〜中間点Ｍの範囲が、ブラウンモールドに起因するルツボの内表面の剥離が最も生じやすい箇所であるため、少なくともこの範囲を含むように高純度石英部６を形成する。
このように、コーナー部３の所定の範囲を内層及び外層とも高純度石英粉により形成することにより、ルツボ内表面の剥離が防止され、シリコン単結晶への該ルツボの構成原料に起因する不純物の混入を抑制することができる。

コーナー部３の中間点Ｍ〜下端Ｂの範囲までをも高純度石英部６としてもよい。コーナー部３の範囲内であれば、ルツボの強度等に及ぼす影響はほとんどないため、差し支えない。
なお、高純度石英部６を形成する上で、コーナー部３と側壁部２との境界、また、コーナー部３と底部１との境界は必ずしも厳密ではなく、±２ｃｍ程度の幅を考慮してよい。

図２は、図１に対応する高純度石英部６の形態を示すものである。図３に、高純度石英部６の他の形態を示す。
ルツボの中心を通る鉛直方向断面における高純度石英部６の形状は、図２に示すように、ルツボの厚さ方向に対して平行に形成することが好ましい。あるいはまた、図３に示すように、ルツボの厚さ方向に対して、ルツボ外面に向かって広がるように形成することが好ましい。
本発明に係る石英ガラスルツボは、通常、後述するようなアーク溶融法により製造するため、高純度石英部６は、ルツボの厚さ方向に対して上記のような形状となるように構成すれば、製造時において原料粉の供給や成形も容易となり、また、強度の点においても問題なく形成することができる。

内層４は、高純度石英粉により形成され、かつ、気泡を含まない透明石英ガラスにより構成する。
ルツボの構成材料に起因する単結晶シリコンの不純物汚染やシリコン原料融液の湯面振動の抑制等の観点から、ルツボの内層４は、全体を高純度透明石英ガラスとすることが好ましい。

本発明において用いる高純度石英粉は、Ｎａ，Ｋ及びＬｉの各含有量が０．０１ｗｔｐｐｍのものとする。
石英粉原料に含まれる不純物のうち、特に、Ｎａ，Ｋ又はＬｉが石英ガラス中で拡散しやすく、ブラウンモールドの生成、さらに、ルツボ内表面の荒れや剥離に大きな影響を及ぼす。このため、これらの不純物をほとんど含まないことが好ましい。

前記高純度石英粉は、合成石英粉末でも、天然石英粉末を合成石英粉末と同等レベルまで高純度化したものであってもよい。合成石英粉末としては、例えば、シリコンアルコキシドの加水分解等により合成されたものを用いることができ、また、天然石英粉末としては、例えば、水晶等の天然石英原料を用いることができる。

外層５のコーナー部３の高純度石英部６以外の部分、底部１及び側壁部２は、不透明石英ガラスにより構成し、また、通常の天然石英粉原料を用いて形成されることが好ましい。
底部１や側壁部２の外層に高純度石英粉を用いると、高純度石英粉は粘性が低いため、耐熱強度が低下し、高温での使用時に、座屈変形等が生じ、ルツボ内のシリコン原料融液の保持や安定したシリコン単結晶引上げが困難となるおそれがある。

高純度石英部６は、気泡を含む不透明石英ガラスであっても、あるいはまた、内層と同様に、気泡を含まない透明石英ガラスであってもよい。
ルツボ外周のヒータからの熱拡散を考慮した場合は、気泡を含む不透明石英ガラスであることが好ましい。このような構成とすることにより、ルツボ内のシリコン原料融液への伝熱を均一にすることができる。

内層４及び外層５を含むルツボ全体の厚さは、ルツボの強度や重量等を考慮して、５〜３０ｍｍ程度であることが好ましい。通常は１５ｍｍ程度とする。
また、外層５の厚さは、特に限定されるものではないが、同様の観点から、３〜２８ｍｍ程度であることが好ましい。

上記のような本発明に係る石英ガラスルツボは、従来の製造方法を用いて製造することができる。一般的には、回転モールド法及びアーク溶融法により製造される。以下に、具体的な製造方法の一例を説明するが、本発明に係る石英ガラスルツボの製造方法は、これに限定されるものではない。
まず、ルツボの中心軸周りに回転するルツボ成形用型内に、底部と側壁部には天然石英原料粉を、また、コーナー部には高純度石英粉を供給し、遠心力及び機械的押圧によって、外層を成形する。なお、外層の厚さ及び形状は、合成シリカ原料粉の量及び機械的押圧の程度を適宜調節することにより制御することができる。
次いで、前記型内の外層の成形体の内表面全体に高純度石英原料粉を供給し、遠心力及び機械的押圧によって、前記外層の成形体の内側に内層を成形する。
そして、上記のようにして得られた２層構造のルツボ成形体を、アーク溶融法により全体をガラス化し、外層が気泡を含む不透明石英ガラスであり、内層が気泡を含まない透明石英ガラスにより構成された石英ガラスルツボが得られる。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
回転モールド法及びアーク溶融法により、外径８００ｍｍ、高さ５００ｍｍの図３に示すような構造の石英ガラスルツボを製造した。このルツボの内層の厚さは２ｍｍ、外層の厚さは２５ｍｍとした。

［比較例１］
上記実施例１において、高純度石英部６を形成せずに、ルツボ全体が内層４と外層５の２層構造からなる石英ガラスルツボを製造した。

上記実施例及び比較例において製造した各石英ガラスルツボを、カーボンルツボに嵌め込んでセットし、ルツボ外周からヒータ加熱して、ルツボ内で約３５０ｋｇのシリコン原料を溶融させ、ＣＺ法により、直径１２インチのシリコン単結晶の引上げを行った。
シリコン単結晶引上げ後のルツボの変形、ルツボ内表面の状態の観察、また、引上げられたシリコン単結晶の単結晶化率の評価を行った。

その結果、実施例１のルツボは、変形は生じず、ルツボ内表面の剥離も見られず、引上げられたシリコン単結晶の単結晶化率も９５％超と良好であった。
一方、従来の２層構造のルツボ（比較例１）は、変形は生じなかったものの、ルツボコーナー部の内表面に剥離が見られ、引上げられたシリコン単結晶の単結晶化率も８０％であった。

１ 底部
２ 側壁部
３ コーナー部
４ 内層
５ 外層
６ 高純度石英部

Claims (3)

1. 下凸湾曲状の底部と円筒状の側壁部との間にアール状のコーナー部を有し、内層及び外層を備えた２層構造のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボであって、
   前記内層は、Ｎａ，Ｋ及びＬｉの各含有量が０．０１ｗｔｐｐｍ未満である高純度石英粉により形成され、かつ、気泡を含まない透明石英ガラスからなり、
   前記外層は、前記コーナー部の少なくとも、アール状の上端からアール状の上端と下端の中間点までの範囲が、前記高純度石英粉により形成された高純度石英部であり、前記コーナー部の前記高純度石英部以外の部分、前記底部及び前記側壁部が、気泡を含む不透明石英ガラスからなることを特徴とする石英ガラスルツボ。
2. 前記高純度石英部は、ルツボの中心を通る鉛直方向断面において、ルツボの厚さ方向に対して、平行又はルツボ外面に向かって広がるように形成されていることを特徴とする請求項１記載の石英ガラスルツボ。
3. 前記高純度石英部が、気泡を含む不透明石英ガラスからなることを特徴とする請求項１又は２に記載の石英ガラスルツボ。

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