JP2018043902A - 石英ガラスルツボの気泡消滅方法及び石英ガラスルツボ - Google Patents

Abstract

【課題】透明石英ガラスからなる内層を有する石英ガラスルツボにおいて、局所的に前記内層内の気泡を縮小または除去することで、シリコン単結晶引上げ時にルツボ内に保持したシリコン溶融液内への気泡の発生を抑制し、更には結晶中のエアポケット発生率を低下させ、シリコン単結晶の歩留まりを向上させる石英ガラスルツボの気泡消滅方法及び石英ガラスルツボの提供。【解決手段】回転モールド法により製造され、内層に石英ガラスからなる透明３層を有する石英ガラスルツボ１において、例えばアーム３１を駆動し、ルツボ内周面２の全体、或いは任意の部位に対し酸水素バーナ３０により、表面温度が２０００℃以上２５００℃以下となるよう加熱処理を施す工程を含む気泡消滅方法、及び前記気泡消滅方法により得られる、透明内層３の内周面から所定の深さまでの領域が無気泡領域となり、内周面側における気泡存在率が従来よりも大幅に低い石英ガラスルツボ１。【選択図】図２

Description

本発明は、石英ガラスルツボの気泡消滅方法及び石英ガラスルツボに関し、特に局所的に内部の気泡を縮小または除去することのできる石英ガラスルツボの気泡消滅方法及び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（ＣＺ法）が広く用いられている。この方法は、石英ガラスルツボ内に形成されたシリコン溶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。

ところで、石英ガラスルツボは、一般的には、図２に示すように、その内層が透明石英ガラスからなり（透明層）、外層が多数の気泡を含むことにより不透明な石英ガラス（不透明層）からなる２層構造となっている。
この石英ガラスルツボに起因するシリコン単結晶の歩留まり低下の原因としては、エアポケット（ピンホールともいう）が結晶中に存在することがあげられる。これは、主にルツボ中に含まれるＡｒ（アルゴン）が、加熱されることによりルツボ内表面に付着、または浮き出て、シリコン溶融液内に気泡として発生し、引き上げるシリコン単結晶との固液界面からシリコン単結晶に取り込まれることにより生じるものである。

さらに前記エアポケットは、シリコン単結晶をスライスして作製されるシリコンウエハのデバイス特性を低下させるものとなる。特に、近年の半導体ウエハの薄肉化や高集積化にともなって問題視されており、ウエハの歩留まり低下の原因の一つとなっている。

前記課題に対し、特許文献１においては、原料溶解を高圧で行い、且つ引上げ時の炉内圧力を原料溶解時の炉内圧力よりも低い圧力にすることにより気泡及び不純物に起因する単結晶の有転位化の問題を解決する方法が提案されている。
また、特許文献２においては、ルツボに振動を与えることによりルツボ内表面に付着した気泡を減少させてからシリコン単結晶の育成を開始する方法が提案されている。

特開２０００−１６９２８７号公報 特開２００７−２１０８０３号公報

しかしながら、気泡に起因する空洞欠陥のない高品質なシリコン単結晶を製造するためには、特許文献１、２に開示される発明のようなルツボ内での気泡の発生を防止するための環境や気泡を除去するための工程だけでは十分ではなく、ルツボそのものが気泡を発生しにくい性質とすることが求められている。

本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、透明石英ガラスからなる内層を有する石英ガラスルツボにおいて、局所的に前記内層内の気泡を縮小または除去することで、ルツボ内に保持したシリコン溶融液内への気泡の発生を抑制し、更にはシリコン結晶中のエアポケット発生率を低下させ、シリコン単結晶の歩留まりを向上させることのできる石英ガラスルツボの気泡消滅方法及び石英ガラスルツボを提供することを目的とする。

前記課題を解決するためになされた本発明に係る石英ガラスルツボの気泡消滅方法は、内層に石英ガラスからなる透明層を有する石英ガラスルツボの気泡消滅方法であって、前記石英ガラスルツボの内周面に対し、表面温度が２０００℃以上２５００℃以下となるよう加熱処理を施す工程を含むことに特徴を有する。
尚、前記石英ガラスルツボの内周面に対し加熱処理を施す工程において、該内周面の全面に対し加熱処理を施すことが望ましい。或いは、該内周面に対し局所的に加熱処理を施すようにしてもよい。
また、前記石英ガラスルツボの内周面に対し加熱処理を施す工程において、酸水素バーナを用いて加熱処理を行うことが望ましい。

このような方法によれば、気泡が残存する石英ルツボの透明層（内層）に対し、好ましくは酸水素バーナにより２０００℃以上２５００℃以下の高温となるまで熱処理を行うことにより、透明層の内周面側に残存していた気泡が縮小或いは消滅する。
このようにして得られた石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶引上げを行うことにより、結晶中のエアポケット発生率が大きく低下し、引き上げられるシリコン単結晶の歩留まりを向上することができる。

また、前記課題を解決するためになされた本発明に係る石英ガラスルツボは、内層に石英ガラスからなる透明層を有する石英ガラスルツボであって、前記内層において、ルツボ内周面側が扁平状であり、ルツボ外周面側が球状である気泡を含むことに特徴を有する。
尚、前記内層において、ルツボ内周面から０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下の深さまでの領域に無気泡領域が形成され、前記無気泡領域よりも外側に前記気泡が形成されていることが望ましい。
このように内層においてルツボ内周面側に扁平状の気泡を有することによって、無気泡層が厚くなるとともに、シリコン融液との反応により内表面から消耗し気泡が解放した際に石英ガラスの破片が生じ難くなる。
また、ルツボ内周面側に無気泡領域が形成されることによって、シリコン単結晶引上げ工程における結晶中のエアポケット発生率が大きく低下し、引き上げられるシリコン単結晶の歩留まりを向上することができる。

本発明によれば、透明石英ガラスからなる内層を有する石英ガラスルツボにおいて、局所的に前記内層内の気泡を縮小または除去することで、ルツボ内に形成したシリコン溶融液内への気泡の発生を抑制し、更には結晶中のエアポケット発生率を低下させ、シリコン単結晶の歩留まりを向上させることのできる石英ガラスルツボの気泡消滅方法及び石英ガラスルツボを提供することができる。

図１は、本発明に係る石英ガラスルツボの気泡消滅方法が適用可能な石英ガラスルツボを製造するルツボ製造装置の一例を模式的に示す断面図である。 図２は、図１のルツボ製造装置により製造された石英ガラスルツボの断面図である。 図３は、図１のルツボ製造装置による石英ガラスルツボの製造の流れに続く本発明に係る気泡消滅方法の流れを示すフローである。 図４は、本発明の実施例に用いた石英ガラス片の斜視図である。 図５（ａ）、図５（ｂ）は、本発明の実施例の結果を示す気泡の写真である。

以下、本発明に係る石英ガラスルツボの気泡消滅方法及び石英ガラスルツボの実施形態について図面に基づき説明する。図１は、本発明に係る石英ガラスルツボの気泡消滅方法が適用可能な石英ガラスルツボを製造するルツボ製造装置の一例を模式的に示す断面図である。また、図２は、図１のルツボ製造装置により製造された石英ガラスルツボの断面図である。

図１に示すルツボ製造装置１００は、断面Ｕ字状の原料粉成形体外層２６及び原料粉成形体内層２７を保持するモールド１３と、このモールド１３と協働して空間１４を形成するように配置したガス不透過性の保持体１５とが配置されており、この保持体１５の下部には、保持体１５を回転可能に支持する回転軸１６が接続されている。前記回転軸１６は、図示しない回転駆動装置に接続されており、石英ガラスルツボの製造時に保持体１５、モールド１３、原料粉成形体外層２６及び原料粉成形体内層２７を回転させるようになっている。

前記モールド１３は、その厚さ方向に複数の貫通孔を穿設しその内側に微細気孔径のセラミックス多孔質体を配置した金型、もしくはそれ自身、三次元網目状の開気孔を有する高純化処理した多孔質カーボン型などの通気孔部を有するガス透過性部材で構成されている。

また、回転軸１６の内部は、前記空間１４に連通する通気口１７が形成されており、この通気口１７に減圧装置１９が接続され、この減圧装置１９によって、モールド１３と保持体１５間の空間１４内を所定圧に減圧できるようになっている。

また、前記モールド１３の上方には、モールド１３内周面に天然原料石英ガラス粉を供給する天然原料石英ガラス供給ノズル２８と、合成原料石英ガラス粉を供給する合成原料石英ガラス供給ノズル２９とが設けられている。さらに、前記モールド１３の上方には、アーク放電電極２０が配置されており、図示しない電源装置によって供給される電流によりアーク放電し、原料粉成形体外層２６及び原料粉成形体内層２７を加熱するようになっている。

また、アーク放電電極２０の周辺部に吹き付け部が駆動式となっている不活性ガス供給装置４０が装備されており、アーク放電時に稼働し、不活性ガスとして例えばＡｒガスを吹き付けることで、酸素の混入を抑制するようになっている。また、モールド１３の上部には、冷却ガス供給管２４が配置され、石英ルツボ製作終了時に、高温の石英ルツボを冷却できるようになっている。
さらに、アーク放電電極２０の周辺部には、成型したルツボの内表面の所望位置に対し、アーム３１によって移動し局所的に加熱可能な酸水素バーナ３０が配置されている。

この石英ルツボ製造装置１００を用いて石英ガラスルツボを形成するには、減圧装置１９を稼働させ、モールド１３と保持体１５間の空間１４内を減圧状態とし、次に不活性ガス供給装置４０よりＡｒガスを供給し、モールド１３内をＡｒ雰囲気とする。

続いて図示しない回転駆動装置を稼働してモールド１３を所定速度で回転させる。
そして、回転するモールド１３の内周面に対し、天然原料石英ガラス供給ノズル２８より天然原料石英ガラス粉を供給する。このとき供給された天然原料石英ガラス粉は、減圧された空間１４側からの吸着力、及びモールド１３の回転による遠心力によって、モールド１３の内周面に押圧され、断面Ｕ字状に固められ、原料粉成形体外層２６が形成される（図３のステップＳ１）。

さらに回転するモールド１３の内周面側において、原料粉成形体外層２６の内周面に対し、合成原料石英ガラス供給ノズル２９より合成原料石英ガラス粉を供給する。このとき供給された合成原料石英ガラス粉は、主にモールド１３の回転による遠心力によって原料分成形体外層２６の内周面に押圧され、断面Ｕ字状に固められ、原料分成形体内層２７が形成される（図３のステップＳ２）。
このようにして、原料粉成形体外層２６と原料粉成形体内層２７の２層が積層される。

また、図示しない電源装置から供給されている電力によりアーク放電電極２０間にアーク放電を行い、透明層を形成するために原料粉成形体２７の内周面側から溶融する（図３のステップＳ３）。
尚、本工程において、不活性ガス供給装置４０によるＡｒガスの吹き付けは少なくともアーク放電の間は継続してなされることが望ましい。そのようにしなかった場合には、透明層内面に酸素が非架橋酸素として残留し、当該ルツボ使用時に気泡の膨張及び破裂が発生し、単結晶化率が低下するためである。

所定時間の間、原料粉成形体内層２７が溶融されて透明内層（図３の透明層３）が形成された後、継続してアーク放電を行い、原料粉成形体外層２６を溶融する（図３のステップＳ４）。この原料粉成形体外層２６に対するアーク放電溶解を所定時間行うことにより、気泡を多数含む不透明外層（図２の不透明層５）が形成される。

また、前記アーク溶融工程が終了すると、アーク通電を停止し、冷却ガス供給管２４から冷却ガス（例えば窒素ガス）をルツボ内面に大量に吹き付けて内面を急冷し、石英ガラスルツボ１が形成される（図３のステップＳ５）。
このようにして形成された石英ガラスルツボ１は、図２に示すように、その内周面２側に透明層（内層）３を有し、外周面４側に不透明層（外層）５を有する２層で形成される。不透明層（外層）５は、多数の気泡が存在し、前記透明層に比較して光透過性が低い層である。

ここで石英ガラスルツボ１の透明層３には、多少の気泡が残存するため、本実施の形態においては、さらに透明層３に対する気泡消滅処理を実施する。
具体的には、図２に示すように例えばアーム３１を駆動し、ルツボ内周面２の全体、或いは任意の部位に対し酸水素バーナ３０により、その表面温度が２０００℃以上２５００℃以下の範囲となるまで加熱処理を施す（図３のステップＳ６）。尚、任意の部位に対し局所的に加熱処理を行う場合、内面観察（目視もしくはマイクロスコープを用いて観察）時に気泡を確認し、その気泡部分を中心として加熱部位を特定する。
これにより加熱された部位に存在していた気泡は、ルツボ内表面から所定の深さ０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下までの領域内では略消滅し、無気泡領域が形成される。
これは、前記無気泡領域に存在していた気泡が、無気泡領域よりも外側（深い領域）に存在する気泡に吸収され消滅するためである。尚、この吸収の途中で加熱処理が停止された場合には、吸収される気泡の形状は細長い円錐状になって残るが、気泡の体積は縮小された状態となる。

また、前記無気泡領域の気泡を吸収した気泡は、その加熱された側（ルツボ内周面側）が扁平状となり、反対側（ルツボ外周面側）が球状の状態となる。加熱された側（ルツボ内周面側）が扁平状となることで、内部に保持したシリコン融液との反応により前記無気泡領域が消耗し気泡が解放されることになったとしても石英ガラスの破片が生じ難くなる。
このようにして透明内層３においては、その内周面から所定の深さまでの領域が無気泡領域となり、内周面側における気泡存在率が従来よりも大幅に低い石英ガラスルツボ１が得られる。

以上のように、本実施の形態によれば、気泡が残存する石英ガラスルツボ１の透明層３（内層）の内周面側に対し酸水素バーナ３０により２０００℃以上２５００℃以下の高温となるまで熱処理が行われ、それにより透明層３の内周面側に残存していた気泡が縮小或いは消滅する。
このように気泡消滅処理を施して得られた石英ガラスルツボ１を用いてシリコン単結晶引上げを行うことにより、結晶中のエアポケット発生率が大きく低下し、引き上げられるシリコン単結晶の歩留まりを向上することができる。

尚、前記実施の形態にあっては、気泡消滅処理を施す石英ガラスルツボ１を２層構造として説明したが、本発明にあっては、その形態に限定されるものではなく、１層であっても、或いは３層以上であっても、本発明に係る石英ガラスルツボの気泡消滅方法を適用することができる。

本発明に係る石英ガラスルツボの気泡消滅方法について、実施例に基づきさらに説明する。
［実施例１］
実施例１では、図４に模式的に示すように表層から３ｍｍ以内に気泡が残存している石英ガラス片（幅５０ｍｍ×高さ８０ｍｍ×厚さ４ｍｍ）を実験サンプルとして、酸水素バーナにより加熱処理を行った。具体的には、サンプルの表面全体を弱い炎で２００℃に保温した後、サンプルの下端から上端まで４ｍｍ／ｓの速度でバーナの炎を移動させながら加熱し、表面温度が２０００℃以上となったところで加熱停止した。この加熱時間は約２０秒であった。

実施例１の結果として、図５（ａ）に、加熱処理後の石英ガラス片の断面における複数の気泡の写真を示す。
図５（ａ）に示すように、加熱面から所定の深さ０．７ｍｍまでの領域（無気泡領域）からは気泡が略消滅した。前記無気泡領域の境界に存在する気泡にあっては、加熱された側が扁平状となり、反対側（外側）が球状となった。
また、図５（ａ）の状態から、さらに酸水素バーナによる加熱（２０００℃以上）を行い、図５（ａ）に破線で囲む（２つの気泡からなる）キノコ状の気泡の変化を観察した。その結果、図５（ｂ）に示すように、無気泡領域に存在していた細長い円錐状の気泡（キノコの柄に相当）が、より外側にある（キノコの傘に相当）気泡に吸収され、消滅したことを確認した。

［実施例２］
実施例２では、本実施の形態に示した石英ガラスルツボの気泡消滅方法に沿って酸水素バーナにより石英ガラスルツボの内周面を２０００℃以上２５００℃以下の範囲となるように加熱処理し、透明層における気泡の存在率を測定した。
その結果、石英ガラスルツボの透明層における気泡の数に対し、気泡の数が８０％程度減少した。

以上の結果より、本発明に係る石英ガラスルツボの気泡消滅方法によれば、ルツボ内層である透明層の気泡を減少させて、エアポケットの発生率を低減し、引き上げるシリコン単結晶の歩留まりを向上することができることを確認した。

１ 石英ガラスルツボ
２ 内周面
３ 透明層
４ 外周面
５ 不透明層
３０ 酸水素バーナ

Claims (6)

1. 内層に石英ガラスからなる透明層を有する石英ガラスルツボの気泡消滅方法であって、
   前記石英ガラスルツボの内周面に対し、表面温度が２０００℃以上２５００℃以下となるよう加熱処理を施す工程を含むことを特徴とする石英ガラスルツボの気泡消滅方法。
2. 前記石英ガラスルツボの内周面に対し加熱処理を施す工程において、
   該内周面の全面に対し加熱処理を施すことを特徴とする請求項１に記載された石英ガラスルツボの気泡消滅方法。
3. 前記石英ガラスルツボの内周面に対し加熱処理を施す工程において、
   該内周面に対し局所的に加熱処理を施すことを特徴とする請求項１に記載された石英ガラスルツボの気泡消滅方法。
4. 前記石英ガラスルツボの内周面に対し加熱処理を施す工程において、
   酸水素バーナを用いて加熱処理を行うことを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された石英ガラスルツボの気泡消滅方法。
5. 内層に石英ガラスからなる透明層を有する石英ガラスルツボであって、
   前記内層において、ルツボ内周面側が扁平状であり、ルツボ外周面側が球状である気泡を含むことを特徴とする石英ガラスルツボ。
6. 前記内層において、ルツボ内周面から０．５ｍｍ以上１ｍｍ以下の深さまでの領域に無気泡領域が形成され、前記無気泡領域よりも外側に前記気泡が形成されていることを特徴とする請求項５に記載された石英ガラスルツボ。