JP2016193809A - シリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ - Google Patents

Abstract

【課題】シリコン単結晶インゴットを引き上げる際に、石英ガラスルツボにおける透明層中の気泡が単結晶インゴット内に取り込まれることがない、石英ガラスルツボを提供する。
【解決手段】
円筒状のストレート部と、コーナー部と、底部とからなり、外層側に不透明層が形成され、内層側に透明層が形成された層構造を有する石英ガラスルツボであって、前記コーナー部における不透明層の厚さが、不透明層及び透明層の合計厚さの２５％以上８０％以下であり、前記ストレート部及び底部における不透明層の厚さが、不透明層及び透明層の合計厚さの１０％以上２５％未満であり、かつ、前記コーナー部における不透明層の厚さが、前記ストレート部及び底部における不透明層の厚さよりも大きいことを特徴とする石英ガラスルツボ。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げる際に用いられる、原料シリコン融液を収容するための石英ガラスルツボに関する。

シリコン単結晶の育成に関し、チョクラルスキー法（以下「ＣＺ法」という。）が広く用いられている。この方法は、ルツボ内に収容された原料シリコン融液の表面に種結晶を接触させ、ルツボを回転させるとともに、この種結晶を反対方向に回転させながら上方へ引き上げることによって、種結晶の下端に単結晶を形成していくものである。

従来から、このシリコン単結晶を製造するためのルツボとして、石英ガラスルツボが用いられている。この石英ガラスルツボは二層構造であって、外側が不透明な石英ガラス層、内側が透明な石英ガラス層で形成される。外側の不透明層は、多数の気泡を含み、合成シリカガラスに比べて純度は低いが耐熱性に優れた天然シリカガラスにより形成され、内側の透明層は、気泡をほとんど含んでおらず、天然シリカ質原料又は合成シリカ質原料により形成される。

例えば、特許文献１には、天然石英ガラスによって形成された外面層と、合成石英ガラスによって形成された内面層とを備え、直胴部及び底部の内面層がコーナー部の内面層よりも薄く形成された石英ガラスルツボが開示されている。

特許文献２には、壁体の内表面側部分が透明ガラス層からなり、壁体の外表面側部分が不透明ガラス層からなり、ルツボ全体の赤外線透過率を一定範囲に調整した石英ガラスルツボが開示されている。特許文献２では、石英ルツボ湾曲部の平均赤外線透過率を他の部分よりも大きくするため、湾曲部の不透明層を薄く形成している。

特許文献３には、壁体の内表面側部分が透明ガラス層からなり、壁体の外表面側部分が不透明ガラス層からなり、壁体の湾曲部における透明ガラス層が、他の壁体部分の透明ガラス層よりも厚く形成され、同部の不透明ガラス層が、他の部分よりも薄く形成され、かつ、透明ガラス層及び不透明ガラス層の合計厚さが壁体全体に渡って均一である石英ガラスルツボが開示されている。

国際公開第２００９／０９９０８４号 特開平９−１５７０８２号公報 特開平８−３０１６９３号公報

ところで、シリコン単結晶の引き上げにおいては、石英ガラスルツボの品質がこの単結晶に大きな影響を与える。原料シリコン融液と接する石英ガラスルツボの内側層の表面付近に気泡が存在すると、シリコン単結晶の引き上げ中に該気泡が熱膨張してシリコン融液中に放出され、シリコン融液の対流によって、シリコン単結晶の引き上げ界面に到達し、シリコン単結晶内に取り込まれてしまうことがある。気泡が取り込まれると、引き上げられたシリコン単結晶インゴットをスライスし、研磨してウェーハに加工する際に、気泡のあった箇所がエアポケット（以下単に「ＡＰ」ともいう。）と呼ばれる数μｍ〜数ｍｍの球状欠陥として出現し、その箇所は半導体素子を形成できないといった不具合が発生する。エアポケットが出現しない場合でも、リーク電流が発生する原因となり、結果として、シリコン単結晶のＤＦ率（単結晶化率）が低下する。

現在、半導体素子の高精細化の影響で、球径φが２００μｍ未満のＡＰの発生も抑制する要求が高まっている。シリコン融液中に混入した２００μｍ未満の気泡は、その上昇速度が３ｃｍ／ｓｅｃ未満（理論式から計算）と遅いため、シリコン融液の対流が強くなると、その影響を受けて、単結晶インゴット中のＡＰの発生率を上昇させる可能性がある。

しかしながら、上記した特許文献１〜３に記載のルツボはいずれも、コーナー部における不透明層が透明層より薄くなっているため、赤外線等の透過率が高く、ヒーターの輻射熱を受けやすい形状をしている。このため、コーナー部の内表面温度が、底部や直胴部の内表面温度に比べて高くなり、シリコン融液に温度ムラが生じて対流が起こり、シリコン単結晶中に気泡が混入して、引き上げられる単結晶インゴットのＤＦ率の低下を招くという課題があった。
本発明は、シリコン単結晶インゴットを引き上げる際に、石英ガラスルツボにおける透明層中の気泡が単結晶インゴット内に取り込まれることがない、石英ガラスルツボを提供することを目的とする。

本発明の石英ガラスルツボは、円筒状のストレート部と、コーナー部と、底部とからなり、外層側に不透明層が形成され、内層側に透明層が形成された層構造を有し、前記コーナー部における不透明層の厚さが、不透明層及び透明層の合計厚さの２５％以上８０％以下であり、前記ストレート部及び底部における不透明層の厚さが、不透明層及び透明層の合計厚さの１０％以上２５％未満であり、かつ、前記コーナー部における不透明層の厚さが、前記ストレート部及び底部における不透明層の厚さよりも大きいことを特徴とする。
前記コーナー部における不透明層の厚さは、不透明層及び透明層の合計厚さの２５％以上５０％以下であることが好ましく、２５％以上３０％以下であることがより好ましい。

本発明の石英ガラスルツボは、コーナー部における不透明層が、ストレート部及び底部における不透明層に比べて厚い。このため、本発明の石英ガラスルツボを用いれば、シリコン単結晶インゴットを引き上げる際、ストレート部、コーナー部及び底部の各部における内表面温度の温度差が小さくなり、温度ムラによるシリコン融液の対流が抑制される。したがって、本発明によれば、シリコン単結晶インゴットを引き上げる際に、透明層から放出された気泡がシリコン単結晶に混入することがなく、エアポケット（ＡＰ）を含まないシリコン単結晶インゴットを製造することができる。

図１は、本発明の石英ガラスルツボの概略断面図である。 図２は、本発明の石英ガラスルツボのストレート部、コーナー部及び底部の拡大断面図である。 図３は、本発明の石英ガラスルツボにおけるシリコン融液の対流の様子を示す図である。 図４は、実施例１及び比較例１における、石英ガラスルツボのストレート部、底部、コーナー部及びのそれぞれの中心部の不透明層の厚さを表す散布図である。 図５は、実施例１及び比較例１における、シリコン単結晶インゴットのエアポケット（ＡＰ）発生率を表す図である。

以下、本発明について、図面を参照しながら詳細に説明する。
図１に、本発明の石英ガラスルツボ１０の断面図を示す。石英ガラスルツボ１０は、上方から、円筒状のストレート部２と、コーナー部３と、底部１とからなり、断面がＵ字状の形状を有する。そして、その外層側に不透明層４が形成され、内層側に透明層５が形成された層構造を有する。図２は、ストレート部２、コーナー部３及び底部１の拡大断面図である。

不透明層は、シリカガラス中に多数の気泡（好ましくは、２０個／ｍｍ³以上）を含み、みかけ上、白濁した状態のシリカガラス層であり、純度は低いものの、耐熱性に優れた水晶等の天然シリカ原料により形成される。
透明層は、シリカガラス中に気泡をほとんど含まず（好ましくは、２個／ｍｍ³以下）、実質的に透明であるシリカガラス層であり、シリコンアルコキシドの加水分解等により得られる高純度の合成シリカ原料か、磁選処理や純化処理により不純物を除去した、高純度の天然シリカ原料により形成される。このような材料で形成されるため、不透明層は、透明層に比べて断熱性に優れる。

コーナー部３における不透明層４の厚さ３ａｔは、不透明層４及び透明層５の厚さ３ａｔ，３ｂｔを合計した厚さ（３ａｔ＋３ｂｔ）の２５％以上８０％以下であり、その他の部分、すなわち、ストレート部２及び底部１における不透明層４の厚さ２ａｔ，１ａｔは、不透明層４及び透明層５の合計厚さ（１ａｔ+１ｂｔ，２ａｔ+２ｂｔ，３ａｔ+３ｂｔ）の１０％以上２５％以下であり、かつ、前記コーナー部３の不透明層４の厚さ３ａｔは、前記ストレート部３及び底部１の不透明層４の厚さ２ａｔ，１ａｔよりも大きい。

ここで、不透明層４及び透明層５の合計厚さ（１ａｔ+１ｂｔ，２ａｔ+２ｂｔ，３ａｔ+３ｂｔ）は、石英ガラスルツボの肉厚を指す。石英ガラスルツボの肉厚は、厳密にいえば、製造過程において、各部位でわずかな差異を生じることもあるが、本発明では、ストレート部２の肉厚（２ａｔ＋２ｂｔ）、コーナー部３の肉厚（３ａｔ＋３ｂｔ）、及び底部１（１ａｔ＋１ｂｔ）の肉厚は同一であるとして説明する。不透明層及び透明層の合計厚さ（１ａｔ+１ｂｔ，２ａｔ+２ｂｔ，３ａｔ+３ｂｔ）を、以下「肉厚」ともいう。

コーナー部３における不透明層４の厚さ３ａｔが肉厚の２５％未満であると、不透明層による耐熱効果が充分でないために、ヒーターの輻射熱により、石英ガラスルツボにおけるコーナー部付近のシリコン融液の温度が高くなり、図３に示すような、コーナー部付近のシリコン融液の対流が大きくなる。その結果、石英ガラスルツボの内側層の表面から放出された気泡や石英小片がシリコン融液の対流によって固液界面に到達し、単結晶インゴットに取り込まれることによりＡＰや転位が発生し、ＤＦ率が低下する恐れがある。
一方、コーナー部３における不透明層４の厚さ３ａｔが、肉厚の８０％を超えると、透明層５が過度に薄いために、加熱により不透明層中の気泡が膨張し、シリコン融液中に気泡が放出されやすくなり、前記したようなシリコン単結晶インゴットの品質の低下を招く恐れがある。また、透明層の厚さ３ｂｔが薄いため、不透明層に含まれる不純物が短時間で透明層中を拡散し、透明層内表面の溶出にともないシリコン融液に取り込まれ、引き上げたシリコン単結晶インゴットの特性を変化させてしまう恐れがある。

本発明では、肉厚に対するコーナー部における不透明層の厚さ３ａｔを２５％以上８０％以下とすることにより、コーナー部付近のシリコン融液の対流が小さくなり、結果的に底部中心部からコーナー部を通って融液界面に向かって上昇する対流が小さくなることで、シリコン単結晶中のＡＰの発生量を抑制することができる。
不透明層に含まれる不純物が短時間で透明層中を拡散し、透明層内表面の溶出にともないシリコン融液に取り込まれる恐れ、および引き上げ時の熱により不透明層中の気泡が膨張し、肉厚が増加することによるシリコンインゴット品質低下の影響を小さくするため、より好ましくは、肉厚に対するコーナー部における不透明層の厚さ３ａｔを２５％以上５０％以下、更に好ましくは、肉厚に対するコーナー部における不透明層の厚さ３ａｔを２５％以上３０％以下とする。

また、コーナー部３における不透明層４の厚さ３ａｔが、肉厚の２５％以上８０％以下であるとき、ストレート部２及び底部１における不透明層４の厚さ２ａｔ，１ａｔは、肉厚の１０％以上２５％以下である。ストレート部２及び底部１における不透明層４の厚さ２ａｔ，１ａｔが２５％を超えると、引き上げ時の熱により不透明層中の気泡が膨張し、肉厚が増加するため、メルトライン位置が変動してシリコンインゴットの転移を引き起こす場合がある。一方、ストレート部２及び底部１における不透明層の厚さ２ａｔ，１ａｔが、肉厚の１０％未満であると、不透明層４が過度に薄いために、気泡の熱膨張による不透明層の厚さの増大量も少なくなり、シリコン単結晶の引き上げ時に、石英ガラスルツボとこれを保持するカーボンルツボとの馴染みが悪くなる。この結果、シリコン融液の温度が安定せず、シリコン単結晶引き上げ時にメルトバックが起きたり、石英ガラスルツボとカーボンルツボとの隙間に、石英ガラスルツボとカーボンルツボとの反応により発生したガスが溜まって、石英ガラスルツボが変形することがある。

不透明層４及び透明層５の合計の厚さ（１ａｔ+１ｂｔ，２ａｔ+２ｂｔ，３ａｔ+３ｂｔ）、すなわち、石英ガラスルツボの肉厚は、具体的には、１０〜２５ｍｍである。石英ガラスルツボの肉厚が前記範囲を超えると、自重による沈み込み変形が発生する場合がある。一方、石英ガラスルツボの肉厚が前記範囲未満であると、使用時の熱環境により粘性が低下し、口元の倒れこみ変形が発生する場合がある。

コーナー部３における不透明層４の厚さ３ａｔは、好ましくは４〜８ｍｍ、より好ましくは、５〜７ｍｍである。不透明層の厚さが前記範囲内であると、ヒーターの輻射熱を理想的に制御できるため、好ましい。
ストレート部２及び底部１における不透明層４の厚さ２ａｔ，１ａｔは、好ましくは１〜５ｍｍ、より好ましくは２〜４ｍｍである。不透明層の厚さが前記範囲内であると、ヒーターの輻射熱を理想的に制御できるため、好ましい。

石英ガラスルツボの肉厚や、コーナー部３、ストレート部２及び底部１の厚さ３ａｔ，２ａｔ，１ａｔは、接触式変位センサ、非接触式変位センサ、及びマイクロスコープを使って測定する。

上記のような本発明の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。以下に、具体的な製造方法の一例を示すが、本発明の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、石英ガラスルツボの中心軸周りに回転するルツボ成形用型内に、天然シリカ原料粉を供給し、遠心力及び機械的押圧によって、前記型の内表面に、外層成形体を形成する。次いで、前記型内に、合成シリカ原料粉を供給して、外層成形体の内側の表面全体を合成シリカ原料粉で覆い、アーク放電により溶融後、冷却し、所定厚さの透明層を形成する。最後に、４９％フッ化水素酸で５分間、シャワーリング洗浄を行い、純水で洗浄後に、乾燥処理することにより、石英ガラスルツボを製造する。

コーナー部３における不透明層４（外側層）を透明層５（内側層）よりも厚く形成する方法として、以下の（ア）〜（ウ）がある。
（ア）透明層層形成時のルツボ成形用型の回転数を、従来品の回転数に比べて少なくする。ただし、不透明層形成時及び透明層形成時の回転時間は同一であるものとする。
具体的には、不透明層層溶融時のルツボ成形用型の回転数を４０〜８０ｒｐｍとするとき、透明層溶融時のルツボ成形用型の回転数を、好ましくは４０〜８０ｒｐｍ、より好ましくは５０〜７５ｒｐｍとする。
（イ）不透明層層形成時の天然シリカ原料の溶融時間を、外側層上に均一な厚さの内側層を形成させた場合の溶融時間に比べて長くする。
具体的には、不透明層形成時の溶融時間を４〜１３分とするとき、透明層層形成時の溶融時間を、好ましくは１０〜１８分、より好ましくは１３〜１５分とする。
コーナー部における不透明層４（外側層）を透明層５（内側層）よりも厚く形成するには、上記（ア）〜（ウ）のうち、少なくともいずれか１つ実施すればよく、２つ実施してもよいし、（ア）〜（ウ）のすべてを実施してもよい。

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］
上記の実施の形態において説明した方法と同様の製造方法により、外径７０９ｍｍ、高さ４１２ｍｍ、肉厚が１６ｍｍであり、コーナー部における不透明層の厚さが８．３ｍｍであり、ストレート部及び底部の不透明層の厚さが２．９ｍｍである石英ガラスルツボを製造した。
得られた石英ガラスルツボの底部中心部、コーナー部中心部及びストレート部中心部を、接触式変位センサ、非接触式変位センサ、及びマイクロスコープを使って、それぞれ１４箇所で測定したときの不透明層の厚さを求めた。
石英ガラスルツボの肉厚に対する底部中心部、コーナー部中心部及びストレート部中心部の厚さ平均の比率（％）を図４及び表１に示す。

さらに、この石英ガラスルツボを用いて、約２５０ｋｇの原料シリコンを溶融させ、ＣＺ法により、直径２８インチのシリコン単結晶インゴットの引き上げを行った。
得られたシリコン単結晶インゴットについて、Ｘ線による画像解析装置を使って径（φ）が２００μｍ超、１５０μｍを超え２００μｍ以下、１００μｍを超え１５０μｍ以下、及び５０μｍを超え１００μ以下のエアポケット（ＡＰ）の発生率をそれぞれ求めた。
結果を図５及び表２に示す。

［比較例１］
実施例１において、コーナー部における不透明層の厚さを４．１ｍｍとし、ストレート部及び底部の不透明層の厚さを２．９ｍｍとしたこと以外は、実施例１と同様にして、石英ガラスルツボを製造した。
得られた石英ガラスルツボの底部中心部、コーナー部中心部及びストレート部中心部を、接触式変位センサ、非接触式変位センサ、及びマイクロスコープを使って、それぞれ２３０箇所で測定したときの不透明層の厚さを求めた。
結果を図４及び表１に示す。

さらに、実施例１と同様にして、直径２８インチのシリコン単結晶インゴットの引き上げを行い、該シリコン単結晶インゴットについて、径（φ）が２００μｍ超、１５０μｍを超え２００μｍ以下、１００μｍを超え１５０μｍ以下、及び５０μｍを超え１００μ以下のＡＰの発生率をそれぞれ求めた。
結果を図５及び表２に示す。

実施例１と比較例１とを比較すると、底部中心部及びストレート部中心部では、不透明層の厚さ平均があまり変わらないのに対して、コーナー部中心部では、実施例１の石英ガラスルツボの不透明層の厚さ平均が、比較例１の石英ガラスルツボの不透明層の厚さ平均よりも大きいことがわかる。

図５及び表２より、実施例１では、比較例１に比べて、ＡＰ発生率が平均２３．９〜４３．８％減少していることがわかる。

１ 底部
１ａ 底部中心部
１ａｔ 底部における不透明層の厚さ
１ｂｔ 底部における透明層の厚さ
２ ストレート部
２ａｔ ストレート部における不透明層の厚さ
２ｂｔ ストレート部における透明層の厚さ
３ コーナー部
３ａｔ コーナー部における不透明層の厚さ
３ｂｔ コーナー部における透明層の厚さ
４ 不透明層
５ 透明層
６ シリコン単結晶インゴット
Ｌ 原料シリコン融液
１０ 石英ガラスルツボ

Claims (3)

1. 円筒状のストレート部と、コーナー部と、底部とからなり、外層側に不透明層が形成され、内層側に透明層が形成された層構造を有する石英ガラスルツボであって、
   前記コーナー部における不透明層の厚さが、不透明層及び透明層の合計厚さの２５％以上８０％以下であり、
   前記ストレート部及び底部における不透明層の厚さが、不透明層及び透明層の合計厚さの１０％以上２５％未満であり、かつ、
   前記コーナー部における不透明層の厚さが、前記ストレート部及び底部における不透明層の厚さよりも大きいことを特徴とする石英ガラスルツボ。
2. 前記コーナー部における不透明層の厚さが、不透明層及び透明層の合計厚さの２５％以上５０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の石英ガラスルツボ。
3. 前記コーナー部における不透明層の厚さが、不透明層及び透明層の合計厚さの２５％以上３０％以下であることを特徴とする請求項１に記載の石英ガラスルツボ。

Images