JP3215992B2 - シリコン単結晶引上げ用石英ルツボ - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は半導体等に使用するシリ
コン単結晶を溶融シリコンから引き上げる際に使用され
るシリコン単結晶引上げ用の石英ルツボに関する。

【０００２】

【従来の技術とその課題】半導体用シリコン単結晶は、
従来、原料の多結晶シリコンを加熱溶融し、該溶融シリ
コンからシリコン単結晶を引き上げる方法によって製造
されており、多結晶シリコンを溶融するためにボウル状
の石英製ルツボが用いられている。この単結晶シリコン
の引き上げにおいては、上記石英ルツボの品質が単結晶
シリコンに大きな影響を与えることが知られている。特
にシリコン融液と接するルツボ壁体（周壁および底壁）
の内表面付近に気泡が内在すると、単結晶化歩留り（単
結晶化率）を低下させることが知られている。

【０００３】このような不都合を避けるため、生地内に
実質的に気泡を含まない透明石英ルツボが知られている
が、ルツボ全体を透明ガラス化したものは、熱伝導率が
高く、温度コントロールが非常にむずかしい。また、全
透明ルツボの製造は技術的に困難であり、製品価格も高
いことから現状では殆ど実用上使用されていない。現
在、一般に用いられている石英ルツボは、図２に示すよ
うに、シリコン融液と接するルツボ壁体の内側部分が実
質的に気泡を内在しない透明ガラス層１からなり、外側
部分は気泡を内在する不透明ガラス層２で構成された、
全体として外観が不透明な石英ルツボ３である。上記不
透明石英ルツボは、従来、主に回転モールディング法に
よって製造されている。回転モールディング法は、ボウ
ル状の黒鉛製モールドを用い、垂直軸の周りを回転する
モールドに中子を装入し、該中子とモールド内表面との
間に石英粉を充填した後、該中子をアーク電極等の加熱
源と入れ換え、モールド内表面に張付いている石英粉を
加熱溶融することによって、内周壁が透明なガラス状の
ルツボとするものである。

【０００４】この回転モールディング法で製造される石
英ルツボは、シリコン融液と接するルツボ壁体の内周部
が実質的に気泡を含まないため、単結晶化の阻害原因と
なるシリコン融液への気泡の混入が生じ難い。また外周
部は気泡を含有する不透明ガラス層で形成されているた
め、壁体全部が透明なルツボに比べて均一な温度分布が
得られるという利点があるが、透明石英ルツボに比べて
熱伝導率が悪い。従って、シリコン単結晶を引上げるに
際し、不透明石英ルツボを加熱して十分な熱エネルギー
をルツボ内の原料多結晶シリコンに供給するためには、
(1) 熱源のヒータに対してルツボ位置を調整して最大の
熱エネルギーが得られるようにするか、または(2) 過剰
の熱を与える必要がある。しかし、いずれの場合も石英
ルツボ外面の温度が高くなるため、石英ルツボやそれを
収めるカーボンルツボの寿命が短くなるという欠点があ
った。

【０００５】

【発明の解決課題】本発明はシリコン単結晶の引上げに
使用される従来の石英ルツボの上記問題点を解消し、熱
伝導率が良く、単結晶化歩留りを向上することのできる
シリコン単結晶引上げ用石英ルツボを提供することを目
的とする。本発明において、上記石英ルツボの周壁を、
外周部分の不透明ガラス層と内周部分の透明ガラス層と
によって形成する一方、底部を透明ガラス層によって形
成すれば、従来と同一の引上速度、収率で単結晶が得ら
れ、しかも従来の不透明石英ルツボに比べて熱伝導率が
格段に向上するために、カーボンルツボの痛みが少な
く、投入電力も少なくなることが見出だされた。本発明
はこの知見に基づいて従来の上記問題点を克服した。

【０００６】

【課題の解決手段：発明の構成】本発明によれば、シリ
コン単結晶の引上げに用いる石英製ルツボであって、そ
の周壁は内側部分が実質的に気泡を内在しない透明ガラ
ス層および外側部分が気泡を内在する不透明ガラス層か
らなり、かつ底壁が実質的に気泡を内在しない透明ガラ
ス層からなることを特徴とするシリコン単結晶引上げ用
石英ルツボが提供される。

【０００７】以下、図面に基いて本発明を詳細に説明す
る。図１は本発明に係る石英ルツボの一例を示す断面模
式図である。図示するように、石英ルツボ３は椀状の形
状を有し、その内部に原料の多結晶シリコンが装入さ
れ、これを溶融してシリコン単結晶の引上げが行なわれ
る。石英ルツボ３の底壁４はその全体が気泡を実質的に
内在しない透明ガラス層１によって形成されている。こ
のように気泡による断熱がないので、外部から加えられ
る熱エネルギーの伝達が阻害されず、熱伝導率が良い。
また透明であるので輻射による熱伝達にも優れており、
従来の不透明石英ルツボに比べて熱効率が格段に高い。
従って、外部の加熱源からの熱がルツボ底部から効率良
く均一に内部のシリコン融液に伝達されるので局部加熱
の問題がない。

【０００８】一方、石英ルツボ３の周壁５は従来の不透
明石英ルツボと同じく内表面から一定の範囲、具体的に
は、少なくとも充填される溶融シリコンによって溶損さ
れる範囲（約0.7 〜１mm厚）は実質的に気泡を内在しな
い透明ガラス層１で構成されており、透明ガララス層１
の外側は気泡を内在する不透明ガラス層２からなってい
る。このように、上記周壁外層は気泡を内在する不透明
ガラス層で構成されているため、この気泡の存在によっ
てルツボ内上部の温度が低く均一となるため単結晶の引
上げ速度を高くできる。一方、ルツボ３の周壁５の内周
部分および底部４は実質的に気泡が存在しないので、高
温下で気泡の膨脹によってルツボ内周面が剥離したり、
また気泡の混入によって単結晶が多結晶化する懸念もな
い。

【０００９】以上のように本発明の石英ルツボは、その
底壁４および周壁５の内表面が実質的に気泡を内在しな
い透明ガラス層によって形成されているが、ここで実質
的に気泡を内在しないとは気泡を全く含まないことを意
味するものではなく、ガラス層の透明性が失われない範
囲であれば僅かな気泡が含有されていても良い。具体的
には、気泡含有率0.2 ％以下であれば、熱伝導率の大幅
な低下を生じない。

【００１０】本発明の石英ルツボは、その形状や大き
さ、あるいはルツボ壁体の肉厚などは特に限定されるも
のではなく、従来ルツボと同様に種々の態様をとり得
る。また、本発明において石英ルツボの壁体構造として
は、図１に示されるように底壁４と周壁５とが連続した
一体構造のものが一般的であるが、透明ガラス層１から
なる底壁４の上に、透明ガラス層１と不透明ガラス層２
とからなる周壁５を融着などにより接合形成した構造で
もよい。

【００１１】本発明の石英ルツボは回転モールディング
法などの公知のルツボ製造法を利用して製造することが
できる。特に回転モールディング法によれば低コストで
製造できるので工業的に有利である。回転モールディン
グ法によって本発明の石英ルツボを製造するには、ま
ず、モールド内周面に原料の石英粉を堆積させる。この
際、底壁部分の石英粉の粒度を周壁部分を構成する石英
粉の粒度より充分に小さくすることより、底壁の透明化
を促すことができる。次いで、モールド内周面および底
面に一定の厚さで堆積させた石英粉を、例えばアーク加
熱等によって溶融し、堆積した石英層の表面が溶融して
ガラス化すると共にモールド側から減圧し、モールドに
設けた通気孔を通じて石英層内部の空気を外部に吸引し
て石英層表面部分に透明ガラス層を形成する。その後、
加熱源の位置を調整し、加熱源を底面に近付け、減圧下
で底面部分を再溶融することにより、底壁部分を透明化
する。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と共に示す。 実施例 本発明の石英ルツボを回転モールド法によって以下のよ
うに製造した。原料の石英粉の粒度は、底壁部分には粒
子径４０〜３００μm （平均粒子径７０μ）のものを用
い、周壁部分には粒子径７０〜３００μm （平均粒子径
１５０μ）のものを用いた。まず、モールド底部に粒径
の小さい上記石英粉を充填し、次いでモールドに中子を
装入し、モールドの内側面に粒径の大きな上記石英粉を
充填し、厚さ１４mmの石英層を堆積させた。次いで、中
子をアーク電極と入れ替え、モールドの底面および内周
面に堆積している石英粉を１０分加熱し、該石英層の表
面を溶融してガラス化すると共にモールド側から減圧
し、モールドに設けた通気孔を通じて石英層内部の空気
を外部に吸引して石英層表面部分の気泡を除去した。そ
の後、加熱源の位置を調整し、加熱源を底面に近付け、
減圧下で底面部分を再溶融することにより、底壁部分を
透明化し、底壁の厚さ８mm、周壁内周の透明ガラス層３
mm、不透明ガラス層５mmの石英ルツボを得た。このルツ
ボの底壁の熱伝導率は、6.0 kcal/mhr・℃であった。

【００１３】比較例 回転モールディング法により以下のように、図２に示す
構造の不透明石英ルツボを製造した。原料として粒子径
７０〜３００μ（平均粒子径１５０μ）の石英粉をモー
ルドの内表面に一定厚さ（１４mm）に堆積させた後、ア
ーク放電により該石英粉を減圧下、１５分加熱して、ル
ツボ内面側から透明ガラス層の厚みが３mmで、不透明ガ
ラス層の厚みが５mmの石英ルツボを得た。このルツボの
底壁の熱伝導率は、3.0 kcal／ｍ・hr・℃であった。

【００１４】上記実施例および比較例のルツボを用い
て、同一加熱条件でシリコン単結晶の引上げを行なった
ところ、単結晶長さ、単結晶化歩留まり、および引上げ
時間について表１に示す結果が得られた。

【００１５】

【表１】 発明品（実施例） 従来品（比較例） 単結晶長（mm) ７５０ ６５０ 単結晶化歩留り（％） ７３ ６０ 引上げ時間 ＊ １ 1.3 注） ＊：発明品の引上げ時間を１として従来品を表示。

【００１６】表１から明らかなように、本発明のルツボ
は従来品に比べて、熱伝導率が良く、大きな製品を短時
間で歩留まり良く製造することができることが分かる。

【００１７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明の石英ルツ
ボは底壁が実質的に気泡を内在しない透明ガラス層によ
って形成されている。底壁全体を透明にしたことによっ
てルツボの熱伝導率が向上し、シリコン単結晶の引上げ
に使用するシリコン融液形成のための熱エネルギーがル
ツボ内に有効に伝達されるようになった。その結果、引
上げ時に過剰の熱をルツボに供給する必要がなくなり、
従来ルツボのような局所加熱を生じないため、単結晶化
歩留りが向上する。また、引上げ時間も短縮され、従来
より大きな製品を短時間で製造することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明に係る石英ルツボの一例を示す断面模
式図である。

【図２】 従来の石英ルツボの断面模式図である。

【符号の説明】

１−透明ガラス層 ２−不透明ガラス層 ３−石英ルツボ ４−底壁 ５−周壁

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン単結晶の引上げに用いる石英製
   ルツボであって、その周壁は内側部分が実質的に気泡を
   内在しない透明ガラス層および外側部分が気泡を内在す
   る不透明ガラス層からなり、かつ底壁が実質的に気泡を
   内在しない透明ガラス層からなることを特徴とするシリ
   コン単結晶引上げ用石英ルツボ。