JP2709644B2 - シリコン単結晶製造用石英るつぼの製造方法 - Google Patents

シリコン単結晶製造用石英るつぼの製造方法

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芳延 島
健治 荒木
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Description

【発明の詳細な説明】 [産業上の利用分野] 本発明は、チョクラルスキー法による大口径シリコン
単結晶の製造装置に関するものである。
[従来の技術] LSI分野ではシリコン単結晶に要求される口径は年々
大きくなっている。今日、最新鋭デバイスでは直径6イ
ンチの結晶が使われている。将来10インチあるいはそれ
以上の直径の結晶、例えば12インチ径の結晶が必要にな
るだろうといわれている。
大口径シリコン単結晶の製造法として知られているチ
ョクラルスキー法(CZ法)では結晶成長とともにるつぼ
中の融液量が減少する。したがって結晶成長とともに結
晶中のドーパント濃度が上昇し、酸素濃度が低下する。
即ち結晶の性質がその成長方向に変動する。LSIの高密
度化と共にシリコン単結晶に要求される品質が年々厳し
くなるのでこの問題は解決されねばならない。
この問題を解決する手段として、通常CZ法の石英るつ
ぼ内をシリコン融液の貫通孔を有する円筒状の石英製仕
切りで仕切り、この仕切りの外側に原料シリコンを連続
的に供給しながら、内側で円柱状のシリコン単結晶を育
成する方法が古くから知られており、多くの特許が開示
されている(特公昭40−10184号公報、特開昭62−24188
9号公報、特開昭63−319287号公報、特開昭64−76992号
公報、特開平1−96087号公報)。
しかし、これらの発明においては、使用する石英るつ
ぼや仕切部材の材質については言及されていない。
一方通常のCZ法用の石英るつぼについては、最近るつ
ぼ材質とシリコン単結晶の単結晶化率に関するいくつか
の発明が開示されている(特開平1−148782号公報、特
開平1−148783号公報、特開平1−157427号公報、特開
平1−157428号公報)。これら発明は石英るつぼの内壁
に気泡の無い層を形成することで単結晶の歩留を向上し
ようとしたものである。
[発明が解決しようとする課題] 現状の石英るつぼ材料中には鉄等の半導体プロセスに
取って汚染元素である金属元素が5〜10ppm程度含まれ
ており、時間とともに融液中に溶け出し濃度が増大す
る。幸い融液中の金属元素が単結晶中に取り込まれる比
率はきわめて小さく問題になっていないが、今後LSIの
高集積化が進んだ場合単結晶中の金属元素に対する仕様
がより厳しくなることが予想される。
通常CZ法の石英るつぼ内をシリコン融液の貫通孔を有
する円筒状の石英製仕切りで仕切り、この仕切りの外側
に原料シリコンを連続的に供給しながら、内側で円柱状
のシリコン単結晶を育成する方法においては、連続的に
原料を供給しながら単結晶を成長できるので通常のCZ法
に比較して1バッチ当たりより多くの、または長い結晶
を成長することができる。しかしその結果操業時間は長
くなる。また原料を連続的に供給するタイプのCZ法で
は、るつぼ構造が複雑なため通常のCZ法と比較してシリ
コン融液と接する石英ガラスの面積が2倍近くになる。
長時間操業と接触面積の増大の結果として、通常の石
英るつぼ材料を使用した、原料を連続的に供給するタイ
プのCZ法では、操業の最後の時点に於けるシリコン融液
中の金属元素不純物は通常のCZ法よりも多くなる。
本発明は、かかる事情に鑑みなされたもので、石英る
つぼ内をシリコン融液の貫通孔を有する石英製仕切りで
仕切り、この仕切りの外側に原料シリコンを連続的に供
給しながら、内側で長時間にわたり円柱状のシリコン単
結晶を育成する場合、シリコン融液中の金属元素の濃度
を抑制することができるるつぼと、るつぼ内の仕切りの
製造方法を提供することを目的とする。
[課題を解決するための手段] 上記目的を達成するため、本発明のシリコン単結晶製
造用の二重構造石英るつぼの製造方法は、少なくとも内
壁面が金属元素Fe、Cu、Na、K、Liの含有量の合計が0.
5ppm以下で、厚さ0.5mm乃至3mm以下の石英ガラス層から
なる石英るつぼを成型する第1工程と、上記第1工程と
同様にして得られたるつぼ型仕切りの外表面に高純度石
英ガラス粉末を用いたアーク放電もしくはプラズマ放電
により金属元素Fe、Cu、Na、K、Liの含有量の合計が0.
5ppm以下で、厚さ0.5mm乃至3mm以下の石英ガラス層を形
成する第2工程を有し、且つ、上記るつぼ形仕切りを、
そのまま、もしくはその椀状の底部を切断して円筒状仕
切りに成形した後、上記の石英るつぼの内底面に該円筒
状仕切りの端面を接着配置する第3工程とを有すること
を特徴とするシリコン単結晶製造用の二重構造石英るつ
ぼの製造方法である。
さらに、本発明の仕切りの製造方法は、垂直軸のまわ
りに回転可能な黒鉛製の中空型の中にあらかじめ石英ガ
ラス粉末の予備形成体を作成し、内側から加熱して溶融
付着させる、るつぼ型の石英製仕切りを製造する方法で
あって、最初に前記高純度石英ガラス粉末の予備形成体
を、次いで、通常の石英ガラス粉末の予備形成体を、最
後に前記高純度石英ガラス粉末の予備形成体を、順次形
成した後、内側から加熱して溶融することを特徴とす
る。
上記、3層の予備形成体は、1層づつ溶融、付着させ
てもよい。また上記のるつぼ形の仕切りの底部を切断し
て円筒形の仕切りを製造することができる。
[作用] 仕切りを有する2重構造のるつぼは、シリコン融液と
接する面積が通常のCZ法のるつぼと比較して約2倍であ
る。さらに原料溶解部の液温は原料を溶解するため高温
にせざるを得ない。
従って、単位時間に融液中に溶け出す石英ガラスの量
は3倍あるいはそれ以上となる。結晶成長時間の長時間
化(通常のCZ法の2〜4倍)を考慮すると、単結晶の最
後の部分が通常のCZ法の単結晶の初めの部分と同程度の
金属元素の含有量であるためには、シリコン融液と接す
る石英中の金属元素の含有量は10分の1以下である必要
がある。
本発明で石英るつぼのシリコン融液と接する部分の金
属元素の含有量を0.5ppm以下としたのは、上記のことを
配慮したものである。金属元素としてFe,Cu,Na,K,Liが
重要なのは、これらの元素が半導体素子の動作特性の劣
化や歩留りの低下を招くものだからである。半導体素子
の特性上は金属元素の含有量は低いほど望ましい。しか
し不必要に低くすることは工業的には望ましくない。高
純度化に際し、大きなコスト上昇を招くことの無い不純
物の下限は0.005ppmである。高純度石英層の厚みの下限
を0.5mmとしたのは、シリコン融液による石英ガラスの
侵食速度が0.3〜0.5mm/24時間程度であるので、最低操
業時間を24時間とした場合の侵食される石英層の厚みが
0.5mmと見積もられるからである。また、高純度石英層
の厚みの上限を3mmとしたのは、最長操業日数を6日と
した場合の侵食される石英層の厚みが3mmと見積もられ
るからである。
[実施例] 第1図は本発明の実施例を示したものである。図にお
いて、1は石英るつぼ本体、10は石英製るつぼ形仕切り
の椀状の底部を切断してなる円筒形の仕切りである。仕
切り10は石英るつぼ本体1の中に同心的に設置されてい
る。仕切り10はあらかじめ石英るつぼ本体1に溶着され
ている。前記石英るつぼ内に投入されたシリコン原料を
溶解する際に、前記仕切りを石英るつぼ本体1に溶着し
てもよい。4は仕切りに開けられた小孔で、シリコン単
結晶5の育成中にこの小孔を通してシリコン融液6が仕
切り外側から内側へ供給される。
石英るつぼ本体1は通常の耐熱性石英ガラスを材料と
したるつぼ部材2と、金属元素Fe,Cu,Na,KおよびLiの含
有量の合計が0.5ppm以下の高純度石英ガラスを材料とす
る内側の表面層3からなっている。また、仕切り10は、
中心部の通常の耐熱性石英ガラスを材料とした仕切り部
材11と、前記高純度石英ガラスを材料とする内、外の表
面層12、13とから構成されている。仕切り形状は第2図
に示すようなるつぼ型の仕切り20でも良い。
第2図で、21は、中心部の通常の耐熱性石英ガラスを
材料とした仕切り部材、22、23はそれぞれ前記高純度石
英ガラスを材料とする内、外の表面層で、1乃至6は第
1図と同様である。
第1図または第2図に示するつぼを用いてにシリコン
単結晶を製造するとき、シリコン融液に接触する部分は
すべて、高純度石英の表面層が覆われているので、シリ
コン融液の不純物濃度は十分抑制される。したがって、
原料の連続供給により、長時間にわたって連続して単結
晶を育成を行った場合においても、製造された単結晶の
品質は満足できるものが得られる。
第3図は第2図に示す本実施例のるつぼ形の仕切り20
を製造する方法に用いた仕切り製造装置の縦断面図であ
る。30はアーク放電装置で、31は電源、32は石英ガラス
粉末の供給装置、33は石英ガラス粉末、34は電極、35は
電極間に発生するアークである。また、36は中心軸の回
りに回転可能な黒鉛製の鋳型である。
以上のように構成された仕切りの製造装置の作用につ
いて説明する。通常の石英ガラス粉末33を石英ガラス粉
末供給装置32を通して、電極34の間に発生させたアーク
35により溶融して、回転している鋳型36の内側に溶着さ
せて、仕切り部材21を形成する。次いで、前記高純度石
英の粉末を上記と同様にアークで溶融させて、前記るつ
ぼ部材の内面に溶融、付着させて、内面の表面層22が形
成される。こうして、内面の高純度の石英ガラスの表面
層を有するるつぼ形仕切りが製造される。第3図に示す
装置においては、石英ガラス粉末を溶融する装置として
アーク放電装置を用いたが、プラズマ放電装置を用いる
こともできる。次に第4図を参照しながら、仕切り部材
21の外面に表面層23を形成する方法について説明する。
第4図は本実施例のるつぼ形仕切り20を製造する方法
において、仕切り部材21の外面に高純度石英ガラスの表
面層23を形成する方法に用いた仕切り製造装置の縦断面
図である。
40はプラズマ溶射装置で、41は電源、42は陽極、43は
陰極、44はプラズマガス、45は高純度石英ガラス粉末、
46は溶融された高純度石英である。また、47は中心軸の
回りに回転可能な仕切り保持具である。
以上のように構成された仕切り20の製造装置の作用に
ついて説明する。プラズマガス44が陰極43と陽極42の間
の加速されてプラズマジェットになる。前記プラズマジ
ェットに高純度石英ガラス粉末が供給され、前記プラズ
マジェットにより溶融されて、仕切り部材21の外表面に
融着される。前記仕切り部材は仕切り保持具47により回
転されているので、前記回転軸の方向を変えることによ
り、前記溶融された石英は前記外表面に一様に融着さ
れ、高純度石英ガラスの表面層を形成する。前記溶融さ
れた石英は、前述のアーク放電により生成してもよい。
また、第4図で説明した方法によれば、円筒形の仕切り
部材の外表面に高純度石英ガラスの表面層を形成するこ
ともできる。
粉末を溶融する装置として、上記実施例ではプラズマ
放電装置を使用したが、アーク放電装置を用いることも
できる。
以上のようにして、内、外面に高純度石英の表面層を
有するるつぼ形の仕切り20を製造することができる。
また、るつぼ形の仕切り20を製造する別の方法とし
て、次のような方法を用いてもよい。第3図の装置を用
いて、前記粉末供給装置から高純度の石英ガラスの粉末
を回転する鋳型に吹き付け、次いで、通常の石英ガラス
粉末を吹きつけ、最後に前記高純度石英ガラスの粉末を
吹き付けて、高純度/通常/高純度の3層の石英ガラス
を形成する。その後、鋳型内をヒーターにより溶融し
て、るつぼ形仕切りを製造する。
さらに、第3図の装置を用いて、上記3層、すなわ
ち、仕切り部材21と内外の表面層22、23に対応してそれ
ぞれ通常の石英ガラス粉末、高純度石英ガラス粉末を鋳
型内にプラズマ放電または、アーク放電で溶融して鋳型
内に溶着させる方法がある。
上記るつぼ形の仕切り20の底部を切断して、円筒形の
仕切り10を製造することができる。
[発明の効果] 本発明によれば、単結晶を育成するシリコン融液のる
つぼにおいて、るつぼ本体およびるつぼ内の仕切りがシ
リコン融液と接する表面に、高純度石英ガラスの表面層
を設けたので、シリコン融液との接触面積が大きく、ま
た、長時間にわたる育成時間にかかわらず、融液中の金
属不純物の含有量を低減し、安定した品質のシリコン単
結晶を得ることができる。
また、本発明の仕切りの製造方法によれば、アークま
たはプラズマで高純度石英粉末を仕切りの内、外面に加
熱して溶着するので、内、外面に高純度石英の表面層を
有する仕切りを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
第1図は本実施例の円筒形仕切りを有するるつぼの縦断
面図、第2図は本実施例のるつぼ形仕切りを有するるつ
ぼの縦断面図、第3図は鋳型により本実施例のるつぼ形
仕切りを製造する方法の説明図、第4図はるつぼ形仕切
りの外表面に高純度石英ガラスの表面層を形成する方法
の説明図である。 1……るつぼ本体、2……るつぼ部材、4……小孔、5
……シリコン単結晶、6……シリコン融液、 10……円筒形仕切り、11,21……仕切り部材、3,12……
内表面層、13,23……外表面層、 20……るつぼ形仕切り、30……アーク放電装置、31……
電源、32……石英ガラス粉末の供給装置、33……石英ガ
ラス粉末、34……電極、 35……アーク、36……鋳型、40……プラズマ溶射装置、
41……電源、42……陽極、43……陰極、44……プラズマ
ガス、45……高純度石英粉末、46……溶融された高純度
石英、47……仕切り保持具。
フロントページの続き (56)参考文献 特開 平1−82526(JP,A) 特開 平1−192789(JP,A) 特開 平2−83295(JP,A) 特開 平1−148718(JP,A) 特開 昭63−233092(JP,A) 特開 昭61−266389(JP,A) 特公 昭59−32426(JP,B2)

Claims (1)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】回転可能な黒鉛製の鋳型を用いて、厚さ0.
    5mm乃至3mmの内表面層が金属Feを含むその他Cu、Na、
    K、Liの合計含有量が0.5ppm以下の高純度石英ガラス層
    により形成された、通常の石英ガラスを材料とする石英
    るつぼを製造する第1工程と、回転可能な黒鉛製の鋳型
    を用いて、厚さ0.5mm乃至3mmの内外表面層を金属Feを含
    むその他Cu、Na、K、Liの合計含有量が0.5ppm以下の高
    純度石英ガラス層により形成した、通常の石英ガラスを
    材料とする石英るつぼ型仕切りを製造する第2工程と、
    上記石英るつぼ型仕切りの椀状の底部を切断して石英円
    筒状仕切りに成形した後、前記石英るつぼの内底面に該
    石英円筒状仕切りの切断面を接着配置する第3工程を有
    することを特徴とするシリコン単結晶製造用石英るつぼ
    の製造方法。
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