JP4437368B2 - シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に係わり、特に石英ガラスルツボの内表層領域のＣａ濃度を制御したシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの基板に用いられるシリコン単結晶は、一般にチョクラルスキー法（ＣＺ法）で製造されており、このＣＺ法は石英ガラスルツボ内に多結晶シリコン原料を装填し、装填したシリコン原料を周囲から加熱して溶融し、上方から吊り下げた種結晶をシリコン融液に接触して引上げるものである。
【０００３】
この引上げ工程において、石英ガラスルツボは、シリコン原料の融点以上に長時間加熱され、シリコン融液に曝されるため、ルツボの内側表面は高温下で溶融シリコンと徐々に化学反応を起こす。シリコン単結晶の大口径化に伴ない、引上げ時間が長くなっており、これにより石英ガラスルツボの内表面からの融液への溶損量が増加し、上記化学反応により内表面の石英ガラスの結晶化が促進され、ルツボ内表面に斑点状のクリストバライトが形成され、成長する。
【０００４】
このようなクリストバライトはシリコン単結晶の引上げ工程において、ルツボ内表面から離脱しやすく、シリコン融液に浮遊し、引上げられるシリコン単結晶に付着すると多結晶化等の品質欠陥を引起し、高品質が要求されているシリコン単結晶の単結晶化歩留を低下させていた。
【０００５】
このためシリコン単結晶引上げ工程中に石英ガラスルツボの内表面に発生するクリストバライトを抑制する方法が検討されていた。
【０００６】
本発明者らは、石英ガラスルツボの内表面に発生するクリストバライトを低減し、ＣＺ法において高い単結晶化率（ＤＦ率）が得られる石英ガラスルツボおよびその製造方法について鋭意検討を行った。その結果、究極的には石英ガラスルツボ内表層領域のＣａ濃度を制御することでクリストバライトの発生を低減させることができるとの結論に達した。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、シリコン単結晶引上げ工程中の石英ガラスルツボ内表面の面荒れを防止でき、有転位化が発生せず、高単結晶化率が得られるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法が要望されており、シリコン単結晶引上げ工程中の石英ガラスルツボ内表面の面荒れを防止でき、有転位化が発生せず、高単結晶化率が得られるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本願請求項１の発明は、回転する型内に高純度石英原料粉を供給しルツボ形状体を形成して、これをアーク溶融した溶融ルツボの内表面全体を算術平均粗さ０．１μｍ以下かつ表面粗さのバラツキを±０．０３μｍに研磨処理し、この研磨面を酸水素バーナにより加熱処理し、内表面から少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度を２．０ｐｐｍ以下にすることを特徴とするシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法により製造された石英ガラスルツボについて添付図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法により製造された石英ガラスルツボ１の断面図であり、石英ガラスルツボ１は、図２に示すように、内表面１Ｓから少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度が２．０ｐｐｍ以下である。
【００１２】
次に本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法について説明する。
【００１３】
本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法は、図３に示すように、Ｃａの濃度が１．０ｐｐｍ以下の高純度石英原料粉から溶融ルツボを製造する溶融ルツボ製造工程と、溶融ルツボの内表面を研削（荒削り）する研削工程と、この研削された内表面を研磨する研磨工程と、この研磨された内表面を加熱処理する加熱処理工程とで構成されている。
【００１４】
さらに、溶融ルツボ製造工程は、例えば、図４に示すような石英ガラスルツボ製造装置を用いて行われる。なお、石英ガラスルツボ１の中間品であるルツボ成形体および溶融ルツボには共に１Ａの符号を付して説明する。
【００１５】
石英ガラスルツボ製造装置１１のルツボ成形用型１２は、例えば複数の貫通孔を穿設した金型、もしくは高純化処理した多孔質カーボン型などのガス透過性部材で構成されている内側部材１３と、その外周に通気部１４を設けて、内側部材１３を保持する保持体１５とから構成されている。
【００１６】
また、保持体１５の下部には、図示しない回転手段と連結されている回転軸１６が固着されていて、ルツボ成形用型１２を回転可能なようにして支持している。通気部１４は、保持体１５の下部に設けられた開口部１７を介して、回転軸１６の中央に設けられた排気口１８と連結されており、この通気部１４は、減圧機構１９と連結されている。
【００１７】
内側部材１３に対向する上部には複数のアーク放電用のアーク電極２０と、原料供給ノズル２１と、不活性ガス供給管２２および水素ガス供給管２３が設けられている。
【００１８】
従って、石英ガラスルツボ製造装置１１を用いて石英ガラスルツボの製造を行うには、回転駆動源（図示せず）を稼働させて回転軸１６を矢印の方向に回転させることによってルツボ成形用型１２を所定の速度で回転させる。ルツボ成形用型１２内に、原料供給ノズル２１で、上部から高純度のシリカ粉末を供給する。供給されたシリカ粉末は、遠心力よってルツボ成形用型１２の内面部材１３側に押圧されルツボ成形体１Ａとして形成される。
【００１９】
次に、図５に示すような製造工程図に沿って、減圧機構１９の作動により内側部材１３内を減圧し、さらに、不活性ガス供給管２２からヘリウムガスまたはアルゴンガス、例えばヘリウムガスを一定量の割合、例えば８０リットル／分でルツボ成形体１Ａの中空部１Ａｉに供給する。ヘリウムガスの供給５分後、アーク電極２０に通電、継続し、ルツボ成形体１Ａの内側から加熱し、ルツボ成形体１Ａの内表面１ＡＳに溶融層を形成する。
【００２０】
所定時間経過後、溶融ルツボ１Ａの外側に気泡Ｂを多数含む不透明層を適切に形成するために、減圧機構１９を調整もしくは停止してルツボ成形用型１２内の減圧を調整もしくは停止させる。減圧程度を低減もしくは停止した状態でさらに全アーク溶融時間Ｔ分間アークを継続し、アーク溶融開始から、一定時間経過後にヘリウムガスの供給を停止し、ヘリウムガスの供給を停止後、例えば停止と同時に水素ガス供給管２３から一定量の割合、例えば１００リットル／分で水素ガスをルツボ成形体１Ａの中空部１Ａｉに供給する。水素ガスの供給開始は、遅くともアーク溶融停止の５分前、例えば１０分前に行われ、かつ全アーク溶融時間Ｔ分の４０％に相当する時間ｔ分経過以降に行われる（ｔ＞０．４Ｔ）。アーク溶融開始から所定時間Ｔ分経過後、アーク通電を停止し、水素ガスの供給を止めて溶融ルツボ製造工程は終了する。
【００２１】
上述した溶融ルツボ製造工程において、ヘリウムガスの供給によって、図６に示すように、溶融当初に石英ガラスルツボとなる石英ガラスとなる溶融ルツボ１Ａに形成されるシード層（内表面１ＡＳ）と外側の不透明層に含まれる気泡量を適切に低減でき、さらに、ヘリウムガスの供給および製造工程の後半における水素ガスを供給することにより、著しく透明層の気泡量の低減が図れる。また、透明層中に残存する気泡および不透明層中の気泡がシリコン単結晶引上げ中に膨張するのを防止できる。
【００２２】
さらに、減圧溶融を行うことにより、透明層中に残存する気泡量を低減することができ、また、シード層が一種の通気壁の作用をし、減圧度合の調整によって、不透明層中の気泡量および気泡径を制御することができる。この減圧溶融は、前者の効果を得るために、上記アーク溶融の開始前もしくは同時に、あるいは上記ルツボ形状成形体の内表面が、アーク溶融によって、例えば１００μｍ溶融された後に開始するのが好ましい。また、アーク溶融中に減圧を低減もしくは停止させることにより、不透明層中の気泡量をより適切に制御できる。
【００２３】
さらに、水素ガスの供給開始が、アーク溶融停止の５分前であるため、水素供給の効果が十分得られ、ルツボ内側の透明層に残存する気泡量の低減、および外側不透明層の気泡が膨れるのを防止できる。
【００２４】
また、水素ガスの供給開始が、全アーク溶融時間Ｔの４０％に相当する時間ｔ経過以降に行われるので、溶融ルツボ１Ａの石英ガラスの高温粘性を低下させることがなく、長時間の使用に耐えられる溶融ルツボ１Ａが得られる。
【００２５】
なお、図７に示すように、減圧を行いながら溶融ルツボ１Ａの中空部１Ａｉに水素ガスを流すと、水素ガスが中空部１Ａｉから上方を通って溶融ルツボ１Ａの未溶融層部１Ａｕに回り込んで侵入し、その内側の不透明層のＯＨ基濃度を高めてしまい、結果、石英ガラスルツボ全体の粘度を低下させやすいことから、水素ガスを流す際には、上記のように減圧を停止もしくは低減するのが好ましい。
【００２６】
次に、図３に示すような工程に従い、上記のようにして製造された溶融ルツボ１Ａを研削工程において荒削りする。
【００２７】
この研削工程（図示せず）は、一般に用いられる研削方法、例えばＳｉＯ２砥粒（＃４６〜＃１０００）を高圧エアにより溶融ルツボ１Ａの内表面１ＡＳに吹き付けるサンドブラスト法によって、主として上記シード層（内表面１ＡＳ）を一定量研削し、研削後の内表面１ＡＳの算術平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）を５μｍ以上に粗面化する。
【００２８】
このように、Ｒａを５μｍ以上の粗さにすることによって、より迅速な研磨処理が可能となり、さらに、研削工程で発生するマイクロクラックダメージを確実、かつ、より短時間で除去できるようにするためには、Ｒａを３５μｍ以下にすることが好ましい。
【００２９】
さらに、図４に示すような工程に従い、この溶融ルツボ１Ａの研削された内表面１ＡＳを研磨工程において研磨する。
【００３０】
例えば、図８に示すように、研磨工程は一般的に用いられるハンディタイプの研磨装置（ベルトサンダー）２４を用いて行われる。この研磨装置２４はエアコンプレッサ（図示せず）に連通された高圧エアパイプ２５から送られてくる高圧空気により回転されるベーン型回転機構２６と、このベーン型回転機構２６により回転駆動される駆動回転ローラ２７と、この駆動回転ローラ２７の回転に従動する従動回転ローラ２８と、両回転ローラ３４、３５間に回転自在に設けられた研磨ベルト２９と、湿式研磨を行うため、研磨ベルト２９と被研磨物間に給水する給水パイプ３０に接続された給水ノズル３１とを有している。
【００３１】
研磨ベルト２９は、例えばダイヤモンドベルトであり、ダイヤモンド粒径は８００〜３０００メッシュ（＃）である。この研磨ベルト２９を溶融ルツボ１Ａの内表面１ＡＳに当て、高圧エアパイプ２５からベーン型回転機構２６に送り、このベーン型回転機構２６を回転させて、駆動回転ローラ２７を回転させ、研磨ベルト２９を回動させて、内表面１ＡＳを研磨する。このとき、給水パイプ３０、給水ノズル３１を介して研磨ベルト２９と内表面１ＡＳ間に給水するので、湿式研磨となり、高平坦に研磨される。
【００３２】
研磨ベルト２９による内表面１ＡＳの研磨は、例えば、＃８００、＃１２００、＃３０００の順に、段階的に研磨ベルト（研磨布）の粗さを小さくしていくことが好ましい。特に、有害となるマイクロクラックダメージをより確実に除去するためには、＃８００以上の細かい研磨布を用いる前に、これよりも粗い研磨布を用いて研磨処理しておくことが好ましい。
【００３３】
上記のようにして研磨された内表面１ＡＳはＲａで０．１μｍ以下、表面粗さのバラツキを内表面１ＡＳ全体で±０．０３μｍの範囲内にすることができる。研磨ベルト２９のダイヤモンド粒径が＃８００以上と細かいので、より均一性を高く、かつより確実にＲａを０．１μｍより小さくすることができる。さらに、内表面１ＡＳの状態は、より好ましくは、最高高さ（Ｒｙ）（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）が１．５μｍであり、この場合、内表面１ＡＳのより高い均一性が得られる。
【００３４】
上記のようにＲａを０．１μｍ以下にすると、次工程の加熱処理を行うことにより、内表面１ＡＳに目視できるような凹凸を残すことがなく、また、引上げられるシリコン単結晶に悪影響を与えることもなく、さらに、マイクロクラックダメージを残さないようにすることができる。Ｒａが０．１μｍを超える場合には、次工程の加熱処理を行っても、内表面１ＡＳに目視できる程度の凹凸が残ってしまい、引上げられるシリコン単結晶に悪影響を与えやすい。
【００３５】
また、内表面１ＡＳの部分的なＲａのバラツキが、内表面全体で±０．０３μｍの範囲内であると、加熱処理によって形成されるガラス層の厚さの均一性を保つことができる。Ｒａのバラツキが±０．０３μｍを超えると、この粗さ状態の違いに伴い加熱処理によって形成されるガラス層の厚さの均一性が損なわれてしまう。
【００３６】
次に、図３に示すような工程に従い、この溶融ルツボ１Ａの研磨された内表面１ＡＳを加熱処理工程により熱処理する。
【００３７】
この加熱処理工程（図示せず）は酸水素バーナを用いて、内表面全体を加熱することによって行われる。溶融ルツボ１Ａの内表面１ＡＳの一部にのみ微小気泡が存在する場合にも、内表面全体を研削工程、研磨工程で、研削、研磨し、酸水素バーナを用いて内表面全体を高温加熱することにより、ＳｉＯ２のベーパライズが発生せず、剥離の原因となる部分的結晶化も生じない。
【００３８】
特に、酸水素バーナを用いて、内表面全体を加熱するので、図２に示すように、石英ガラスルツボ１の内表面１Ｓが平坦で気泡がなく、かつ内表面１Ｓから少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度を２．０ｐｐｍ以下にすることができる。
【００３９】
これに対して、アーク炎での加熱処理では、酸水素バーナでの加熱処理に比べかなり高い雰囲気温度となり、加熱時に表面のＳｉＯ２を蒸発させ、このＳｉＯ２より蒸気圧の低いＡｌ、Ｃａ等の不純物が内表面に濃縮された状態で残存し、熱処理後の石英ガラスルツボの内表面にＡｌ、Ｃａ等の不純物が点在してしまい、内表面から少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度を２．０ｐｐｍ以下にすることはできない。
【００４０】
次に本発明に係わる石英ガラスルツボ１を用いたＣＺ法によるシリコン単結晶の引上げ方法について説明する。
【００４１】
図９に示すように、シリコン単結晶引上装置４１のチャンバ４２内に設置した石英ガラスルツボ１に原料であるポリシリコンを充填し、石英ガラスルツボ１の外周に設けたヒータ４３によってポリシリコンを加熱溶解し、しかる後、シリコン融液４４にシードチャックに取付けた種結晶４６を浸漬し、シードチャックおよび石英ガラスルツボ１を同方向または逆方向に所定の回転数で回転させながらシードチャックを引上げてシリコン単結晶４７を成長させ、所定の引上げ速度で引上げることにより行われる。
【００４２】
上記のような引上げ工程において、石英ガラスルツボ１は、シリコン原料の融点以上に長時間加熱され、シリコン融液４４に曝されるため、石英ガラスルツボ１の内表面１ｓは高温下で溶融シリコンと徐々に化学反応を起こすが、石英ガラスルツボ１の内表面１Ｓから少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度が２．０ｐｐｍ以下であるので、ルツボ内表面１Ｓでのクリストバライトの形成は抑制される。
【００４３】
従って、クリストバライトがルツボ内表面１Ｓから離脱するようなことがなく、これによりクリストバライトが融液に浮遊して、引上げられるシリコン単結晶４７に付着し多結晶化等の品質欠陥を引起すことがなく、シリコン単結晶４７を高単結晶化率で引上げることができる。
【００４４】
【実施例】
本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法により製造された石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上げを行い、単結晶化率を調べた。
【００４５】
試料は口径が２２”の石英ガラスルツボを用い、内表面から１０μｍにおけるＣａを表１のように変化させた。
【００４６】
試験結果：表１に示す。
【００４７】
【表１】
【００４８】
・Ｃａが０．５ｐｐｍである実施例１は、面荒れが発生せず、良好な状態を維持し、ＤＦ率１００％と良好であった。また、Ａｌは５１ｐｐｍとＣａに比べて多く含有しているが、面荒れが発生していない。
【００４９】
・Ｃａが２．０ｐｐｍである実施例２は、若干面荒れが認められたが、ＤＦ率は１００％で良好であった。また、Ａｌは３４ｐｐｍとＣａに比べて多く含有しているが、面荒れに大きな影響を与えていない。
【００５０】
・Ｃａが２．８ｐｐｍである比較例１は、Ｃａ以外のＡｌ、Ｆｅ、Ｎａ、Ｋ、ＬｉおよびＣｕ各々の濃度が実施例１とほぼ同等であるにもかかわらず、かなりの範囲で面荒れが認められ、ＤＦ率７５％と低い値である。
【００５１】
・Ｃａが６．３ｐｐｍである比較例２は、Ｃａ以外のＡｌ、Ｆｅ、Ｎａ、Ｋ、ＬｉおよびＣｕ各々の濃度が実施例２とほぼ同等であるにもかかわらず、ほぼ全面に面荒れが発生し、表面がガサガサ状態になっており、ＤＦ率４０％と極めて低い値である。
【００５２】
・面荒れの要因となるクリストバライトの発生状態は、Ｃａの含有量が影響を与えることがわかった。また、面荒れがＤＦ率に影響を与えることもわかった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコン単結晶引上げ工程中の石英ガラスルツボ内表面の面荒れを防止でき、有転位化が発生せず、高単結晶化率が得られるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法を提供することができる。
【００５４】
すなわち、内表面から少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度が２．０ｐｐｍ以下であるので、クリストバライトがルツボ内表面から離脱するようなことがなく、これによりクリストバライトが融液に浮遊して、引上げられるシリコン単結晶に付着し多結晶化等の品質欠陥を引起すことがなく、シリコン単結晶を高単結晶化率で引上げることができる。
【００５５】
また、回転する型内に高純度石英原料粉を供給しルツボ形状体を形成してこれをアーク溶融した溶融ルツボの内表面全体を研磨処理し、この研磨面を酸水素バーナにより加熱処理し、内表面から少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度を２．０ｐｐｍ以下にすることで、シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボを製造するので、石英ガラスルツボの内表面から少なくとも１００μｍの領域におけるＣａ濃度をより確実に、より容易に２０ｐｐｍ以下に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法により製造された石英ガラスルツボの断面図。
【図２】図１のＡ部を拡大して示す断面図。
【図３】本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法の工程図。
【図４】本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に用いられる石英ガラスルツボ製造装置の概念図。
【図５】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の溶融ルツボ製造工程の説明図。
【図６】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の溶融ルツボ製造工程において製造される石英ガラスルツボの説明図。
【図７】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の溶融ルツボ製造工程における石英ガラスルツボの状態の説明図。
【図８】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の研磨工程に使用される研磨装置の説明図。
【図９】 本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法により製造された石英ガラスルツボを用いたシリコン単結晶引上げ装置の断面図。
【符号の説明】
１ 石英ガラスルツボ
１Ｓ 内表面
１Ａ 中間品（ルツボ成形体、溶融ルツボ）
１Ａｓ 内表面
１Ａｉ 中空部
１Ａｕ 未溶融層
１１ 石英ガラスルツボ製造装置
１２ ルツボ成形用型
１３ 内側部材
１４ 通気部
１５ 保持体
１６ 回転軸
１７ 開口部
１８ 排気口
１９ 減圧機構
２０ アーク電極
２１ 原料供給ノズル
２２ 不活性ガス供給管
２３ 水素ガス供給管
２４ 研磨装置（ベルトサンダー）
２５ 高圧エアパイプ
２６ ベーン型回転機構
２７ 駆動回転ローラ
２８ 従動回転ローラ
２９ 研磨ベルト
３０ 給水パイプ
３１ 給水ノズル
４１シリコン単結晶引上装置
４２チャンバ
４３ヒータ
４４シリコン融液
４６種結晶
４７シリコン単結晶
Ｂ 気泡
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に係わり、特に石英ガラスルツボの内表層領域のＣａ濃度を制御したシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの基板に用いられるシリコン単結晶は、一般にチョクラルスキー法（ＣＺ法）で製造されており、このＣＺ法は石英ガラスルツボ内に多結晶シリコン原料を装填し、装填したシリコン原料を周囲から加熱して溶融し、上方から吊り下げた種結晶をシリコン融液に接触して引上げるものである。
【０００３】
この引上げ工程において、石英ガラスルツボは、シリコン原料の融点以上に長時間加熱され、シリコン融液に曝されるため、ルツボの内側表面は高温下で溶融シリコンと徐々に化学反応を起こす。シリコン単結晶の大口径化に伴ない、引上げ時間が長くなっており、これにより石英ガラスルツボの内表面からの融液への溶損量が増加し、上記化学反応により内表面の石英ガラスの結晶化が促進され、ルツボ内表面に斑点状のクリストバライトが形成され、成長する。
【０００４】
このようなクリストバライトはシリコン単結晶の引上げ工程において、ルツボ内表面から離脱しやすく、シリコン融液に浮遊し、引上げられるシリコン単結晶に付着すると多結晶化等の品質欠陥を引起し、高品質が要求されているシリコン単結晶の単結晶化歩留を低下させていた。
【０００５】
このためシリコン単結晶引上げ工程中に石英ガラスルツボの内表面に発生するクリストバライトを抑制する方法が検討されていた。
【０００６】
本発明者らは、石英ガラスルツボの内表面に発生するクリストバライトを低減し、ＣＺ法において高い単結晶化率（ＤＦ率）が得られる石英ガラスルツボおよびその製造方法について鋭意検討を行った。その結果、究極的には石英ガラスルツボ内表層領域のＣａ濃度を制御することでクリストバライトの発生を低減させることができるとの結論に達した。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、シリコン単結晶引上げ工程中の石英ガラスルツボ内表面の面荒れを防止でき、有転位化が発生せず、高単結晶化率が得られるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法が要望されており、シリコン単結晶引上げ工程中の石英ガラスルツボ内表面の面荒れを防止でき、有転位化が発生せず、高単結晶化率が得られるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本願請求項１の発明は、回転する型内に高純度石英原料粉を供給しルツボ形状体を形成して、これをアーク溶融した溶融ルツボの内表面全体を算術平均粗さ０．１μｍ以下かつ表面粗さのバラツキを±０．０３μｍに研磨処理し、この研磨面を酸水素バーナにより加熱処理し、内表面から少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度を２．０ｐｐｍ以下にすることを特徴とするシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法により製造された石英ガラスルツボについて添付図面を参照して説明する。
【００１１】
図１は本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法により製造された石英ガラスルツボ１の断面図であり、石英ガラスルツボ１は、図２に示すように、内表面１Ｓから少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度が２．０ｐｐｍ以下である。
【００１２】
次に本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法について説明する。
【００１３】
本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法は、図３に示すように、Ｃａの濃度が１．０ｐｐｍ以下の高純度石英原料粉から溶融ルツボを製造する溶融ルツボ製造工程と、溶融ルツボの内表面を研削（荒削り）する研削工程と、この研削された内表面を研磨する研磨工程と、この研磨された内表面を加熱処理する加熱処理工程とで構成されている。
【００１４】
さらに、溶融ルツボ製造工程は、例えば、図４に示すような石英ガラスルツボ製造装置を用いて行われる。なお、石英ガラスルツボ１の中間品であるルツボ成形体および溶融ルツボには共に１Ａの符号を付して説明する。
【００１５】
石英ガラスルツボ製造装置１１のルツボ成形用型１２は、例えば複数の貫通孔を穿設した金型、もしくは高純化処理した多孔質カーボン型などのガス透過性部材で構成されている内側部材１３と、その外周に通気部１４を設けて、内側部材１３を保持する保持体１５とから構成されている。
【００１６】
また、保持体１５の下部には、図示しない回転手段と連結されている回転軸１６が固着されていて、ルツボ成形用型１２を回転可能なようにして支持している。通気部１４は、保持体１５の下部に設けられた開口部１７を介して、回転軸１６の中央に設けられた排気口１８と連結されており、この通気部１４は、減圧機構１９と連結されている。
【００１７】
内側部材１３に対向する上部には複数のアーク放電用のアーク電極２０と、原料供給ノズル２１と、不活性ガス供給管２２および水素ガス供給管２３が設けられている。
【００１８】
従って、石英ガラスルツボ製造装置１１を用いて石英ガラスルツボの製造を行うには、回転駆動源（図示せず）を稼働させて回転軸１６を矢印の方向に回転させることによってルツボ成形用型１２を所定の速度で回転させる。ルツボ成形用型１２内に、原料供給ノズル２１で、上部から高純度のシリカ粉末を供給する。供給されたシリカ粉末は、遠心力よってルツボ成形用型１２の内面部材１３側に押圧されルツボ成形体１Ａとして形成される。
【００１９】
次に、図５に示すような製造工程図に沿って、減圧機構１９の作動により内側部材１３内を減圧し、さらに、不活性ガス供給管２２からヘリウムガスまたはアルゴンガス、例えばヘリウムガスを一定量の割合、例えば８０リットル／分でルツボ成形体１Ａの中空部１Ａｉに供給する。ヘリウムガスの供給５分後、アーク電極２０に通電、継続し、ルツボ成形体１Ａの内側から加熱し、ルツボ成形体１Ａの内表面１ＡＳに溶融層を形成する。
【００２０】
所定時間経過後、溶融ルツボ１Ａの外側に気泡Ｂを多数含む不透明層を適切に形成するために、減圧機構１９を調整もしくは停止してルツボ成形用型１２内の減圧を調整もしくは停止させる。減圧程度を低減もしくは停止した状態でさらに全アーク溶融時間Ｔ分間アークを継続し、アーク溶融開始から、一定時間経過後にヘリウムガスの供給を停止し、ヘリウムガスの供給を停止後、例えば停止と同時に水素ガス供給管２３から一定量の割合、例えば１００リットル／分で水素ガスをルツボ成形体１Ａの中空部１Ａｉに供給する。水素ガスの供給開始は、遅くともアーク溶融停止の５分前、例えば１０分前に行われ、かつ全アーク溶融時間Ｔ分の４０％に相当する時間ｔ分経過以降に行われる（ｔ＞０．４Ｔ）。アーク溶融開始から所定時間Ｔ分経過後、アーク通電を停止し、水素ガスの供給を止めて溶融ルツボ製造工程は終了する。
【００２１】
上述した溶融ルツボ製造工程において、ヘリウムガスの供給によって、図６に示すように、溶融当初に石英ガラスルツボとなる石英ガラスとなる溶融ルツボ１Ａに形成されるシード層（内表面１ＡＳ）と外側の不透明層に含まれる気泡量を適切に低減でき、さらに、ヘリウムガスの供給および製造工程の後半における水素ガスを供給することにより、著しく透明層の気泡量の低減が図れる。また、透明層中に残存する気泡および不透明層中の気泡がシリコン単結晶引上げ中に膨張するのを防止できる。
【００２２】
さらに、減圧溶融を行うことにより、透明層中に残存する気泡量を低減することができ、また、シード層が一種の通気壁の作用をし、減圧度合の調整によって、不透明層中の気泡量および気泡径を制御することができる。この減圧溶融は、前者の効果を得るために、上記アーク溶融の開始前もしくは同時に、あるいは上記ルツボ形状成形体の内表面が、アーク溶融によって、例えば１００μｍ溶融された後に開始するのが好ましい。また、アーク溶融中に減圧を低減もしくは停止させることにより、不透明層中の気泡量をより適切に制御できる。
【００２３】
さらに、水素ガスの供給開始が、アーク溶融停止の５分前であるため、水素供給の効果が十分得られ、ルツボ内側の透明層に残存する気泡量の低減、および外側不透明層の気泡が膨れるのを防止できる。
【００２４】
また、水素ガスの供給開始が、全アーク溶融時間Ｔの４０％に相当する時間ｔ経過以降に行われるので、溶融ルツボ１Ａの石英ガラスの高温粘性を低下させることがなく、長時間の使用に耐えられる溶融ルツボ１Ａが得られる。
【００２５】
なお、図７に示すように、減圧を行いながら溶融ルツボ１Ａの中空部１Ａｉに水素ガスを流すと、水素ガスが中空部１Ａｉから上方を通って溶融ルツボ１Ａの未溶融層部１Ａｕに回り込んで侵入し、その内側の不透明層のＯＨ基濃度を高めてしまい、結果、石英ガラスルツボ全体の粘度を低下させやすいことから、水素ガスを流す際には、上記のように減圧を停止もしくは低減するのが好ましい。
【００２６】
次に、図３に示すような工程に従い、上記のようにして製造された溶融ルツボ１Ａを研削工程において荒削りする。
【００２７】
この研削工程（図示せず）は、一般に用いられる研削方法、例えばＳｉＯ２砥粒（＃４６〜＃１０００）を高圧エアにより溶融ルツボ１Ａの内表面１ＡＳに吹き付けるサンドブラスト法によって、主として上記シード層（内表面１ＡＳ）を一定量研削し、研削後の内表面１ＡＳの算術平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）を５μｍ以上に粗面化する。
【００２８】
このように、Ｒａを５μｍ以上の粗さにすることによって、より迅速な研磨処理が可能となり、さらに、研削工程で発生するマイクロクラックダメージを確実、かつ、より短時間で除去できるようにするためには、Ｒａを３５μｍ以下にすることが好ましい。
【００２９】
さらに、図４に示すような工程に従い、この溶融ルツボ１Ａの研削された内表面１ＡＳを研磨工程において研磨する。
【００３０】
例えば、図８に示すように、研磨工程は一般的に用いられるハンディタイプの研磨装置（ベルトサンダー）２４を用いて行われる。この研磨装置２４はエアコンプレッサ（図示せず）に連通された高圧エアパイプ２５から送られてくる高圧空気により回転されるベーン型回転機構２６と、このベーン型回転機構２６により回転駆動される駆動回転ローラ２７と、この駆動回転ローラ２７の回転に従動する従動回転ローラ２８と、両回転ローラ３４、３５間に回転自在に設けられた研磨ベルト２９と、湿式研磨を行うため、研磨ベルト２９と被研磨物間に給水する給水パイプ３０に接続された給水ノズル３１とを有している。
【００３１】
研磨ベルト２９は、例えばダイヤモンドベルトであり、ダイヤモンド粒径は８００〜３０００メッシュ（＃）である。この研磨ベルト２９を溶融ルツボ１Ａの内表面１ＡＳに当て、高圧エアパイプ２５からベーン型回転機構２６に送り、このベーン型回転機構２６を回転させて、駆動回転ローラ２７を回転させ、研磨ベルト２９を回動させて、内表面１ＡＳを研磨する。このとき、給水パイプ３０、給水ノズル３１を介して研磨ベルト２９と内表面１ＡＳ間に給水するので、湿式研磨となり、高平坦に研磨される。
【００３２】
研磨ベルト２９による内表面１ＡＳの研磨は、例えば、＃８００、＃１２００、＃３０００の順に、段階的に研磨ベルト（研磨布）の粗さを小さくしていくことが好ましい。特に、有害となるマイクロクラックダメージをより確実に除去するためには、＃８００以上の細かい研磨布を用いる前に、これよりも粗い研磨布を用いて研磨処理しておくことが好ましい。
【００３３】
上記のようにして研磨された内表面１ＡＳはＲａで０．１μｍ以下、表面粗さのバラツキを内表面１ＡＳ全体で±０．０３μｍの範囲内にすることができる。研磨ベルト２９のダイヤモンド粒径が＃８００以上と細かいので、より均一性を高く、かつより確実にＲａを０．１μｍより小さくすることができる。さらに、内表面１ＡＳの状態は、より好ましくは、最高高さ（Ｒｙ）（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）が１．５μｍであり、この場合、内表面１ＡＳのより高い均一性が得られる。
【００３４】
上記のようにＲａを０．１μｍ以下にすると、次工程の加熱処理を行うことにより、内表面１ＡＳに目視できるような凹凸を残すことがなく、また、引上げられるシリコン単結晶に悪影響を与えることもなく、さらに、マイクロクラックダメージを残さないようにすることができる。Ｒａが０．１μｍを超える場合には、次工程の加熱処理を行っても、内表面１ＡＳに目視できる程度の凹凸が残ってしまい、引上げられるシリコン単結晶に悪影響を与えやすい。
【００３５】
また、内表面１ＡＳの部分的なＲａのバラツキが、内表面全体で±０．０３μｍの範囲内であると、加熱処理によって形成されるガラス層の厚さの均一性を保つことができる。Ｒａのバラツキが±０．０３μｍを超えると、この粗さ状態の違いに伴い加熱処理によって形成されるガラス層の厚さの均一性が損なわれてしまう。
【００３６】
次に、図３に示すような工程に従い、この溶融ルツボ１Ａの研磨された内表面１ＡＳを加熱処理工程により熱処理する。
【００３７】
この加熱処理工程（図示せず）は酸水素バーナを用いて、内表面全体を加熱することによって行われる。溶融ルツボ１Ａの内表面１ＡＳの一部にのみ微小気泡が存在する場合にも、内表面全体を研削工程、研磨工程で、研削、研磨し、酸水素バーナを用いて内表面全体を高温加熱することにより、ＳｉＯ２のベーパライズが発生せず、剥離の原因となる部分的結晶化も生じない。
【００３８】
特に、酸水素バーナを用いて、内表面全体を加熱するので、図２に示すように、石英ガラスルツボ１の内表面１Ｓが平坦で気泡がなく、かつ内表面１Ｓから少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度を２．０ｐｐｍ以下にすることができる。
【００３９】
これに対して、アーク炎での加熱処理では、酸水素バーナでの加熱処理に比べかなり高い雰囲気温度となり、加熱時に表面のＳｉＯ２を蒸発させ、このＳｉＯ２より蒸気圧の低いＡｌ、Ｃａ等の不純物が内表面に濃縮された状態で残存し、熱処理後の石英ガラスルツボの内表面にＡｌ、Ｃａ等の不純物が点在してしまい、内表面から少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度を２．０ｐｐｍ以下にすることはできない。
【００４０】
次に本発明に係わる石英ガラスルツボ１を用いたＣＺ法によるシリコン単結晶の引上げ方法について説明する。
【００４１】
図９に示すように、シリコン単結晶引上装置４１のチャンバ４２内に設置した石英ガラスルツボ１に原料であるポリシリコンを充填し、石英ガラスルツボ１の外周に設けたヒータ４３によってポリシリコンを加熱溶解し、しかる後、シリコン融液４４にシードチャックに取付けた種結晶４６を浸漬し、シードチャックおよび石英ガラスルツボ１を同方向または逆方向に所定の回転数で回転させながらシードチャックを引上げてシリコン単結晶４７を成長させ、所定の引上げ速度で引上げることにより行われる。
【００４２】
上記のような引上げ工程において、石英ガラスルツボ１は、シリコン原料の融点以上に長時間加熱され、シリコン融液４４に曝されるため、石英ガラスルツボ１の内表面１ｓは高温下で溶融シリコンと徐々に化学反応を起こすが、石英ガラスルツボ１の内表面１Ｓから少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度が２．０ｐｐｍ以下であるので、ルツボ内表面１Ｓでのクリストバライトの形成は抑制される。
【００４３】
従って、クリストバライトがルツボ内表面１Ｓから離脱するようなことがなく、これによりクリストバライトが融液に浮遊して、引上げられるシリコン単結晶４７に付着し多結晶化等の品質欠陥を引起すことがなく、シリコン単結晶４７を高単結晶化率で引上げることができる。
【００４４】
【実施例】
本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法により製造された石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上げを行い、単結晶化率を調べた。
【００４５】
試料は口径が２２”の石英ガラスルツボを用い、内表面から１０μｍにおけるＣａを表１のように変化させた。
【００４６】
試験結果：表１に示す。
【００４７】
【表１】
・Ｃａが０．５ｐｐｍである実施例１は、面荒れが発生せず、良好な状態を維持し、ＤＦ率１００％と良好であった。また、Ａｌは５１ｐｐｍとＣａに比べて多く含有しているが、面荒れが発生していない。
【００４９】
・Ｃａが２．０ｐｐｍである実施例２は、若干面荒れが認められたが、ＤＦ率は１００％で良好であった。また、Ａｌは３４ｐｐｍとＣａに比べて多く含有しているが、面荒れに大きな影響を与えていない。
【００５０】
・Ｃａが２．８ｐｐｍである比較例１は、Ｃａ以外のＡｌ、Ｆｅ、Ｎａ、Ｋ、ＬｉおよびＣｕ各々の濃度が実施例１とほぼ同等であるにもかかわらず、かなりの範囲で面荒れが認められ、ＤＦ率７５％と低い値である。
【００５１】
・Ｃａが６．３ｐｐｍである比較例２は、Ｃａ以外のＡｌ、Ｆｅ、Ｎａ、Ｋ、ＬｉおよびＣｕ各々の濃度が実施例２とほぼ同等であるにもかかわらず、ほぼ全面に面荒れが発生し、表面がガサガサ状態になっており、ＤＦ率４０％と極めて低い値である。
【００５２】
・面荒れの要因となるクリストバライトの発生状態は、Ｃａの含有量が影響を与えることがわかった。また、面荒れがＤＦ率に影響を与えることもわかった。
【００５３】
【発明の効果】
本発明によれば、シリコン単結晶引上げ工程中の石英ガラスルツボ内表面の面荒れを防止でき、有転位化が発生せず、高単結晶化率が得られるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法を提供することができる。
【００５４】
すなわち、内表面から少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度が２．０ｐｐｍ以下であるので、クリストバライトがルツボ内表面から離脱するようなことがなく、これによりクリストバライトが融液に浮遊して、引上げられるシリコン単結晶に付着し多結晶化等の品質欠陥を引起すことがなく、シリコン単結晶を高単結晶化率で引上げることができる。
【００５５】
また、回転する型内に高純度石英原料粉を供給しルツボ形状体を形成してこれをアーク溶融した溶融ルツボの内表面全体を研磨処理し、この研磨面を酸水素バーナにより加熱処理し、内表面から少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度を２．０ｐｐｍ以下にすることで、シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボを製造するので、石英ガラスルツボの内表面から少なくとも１００μｍの領域におけるＣａ濃度をより確実に、より容易に２０ｐｐｍ以下に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】 本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法により製造された石英ガラスルツボの断面図。
【図２】図１のＡ部を拡大して示す断面図。
【図３】本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法の工程図。
【図４】本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に用いられる石英ガラスルツボ製造装置の概念図。
【図５】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の溶融ルツボ製造工程の説明図。
【図６】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の溶融ルツボ製造工程において製造される石英ガラスルツボの説明図。
【図７】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の溶融ルツボ製造工程における石英ガラスルツボの状態の説明図。
【図８】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の研磨工程に使用される研磨装置の説明図。
【図９】 本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法により製造された石英ガラスルツボを用いたシリコン単結晶引上げ装置の断面図。
【符号の説明】
１ 石英ガラスルツボ
１Ｓ 内表面
１Ａ 中間品（ルツボ成形体、溶融ルツボ）
１Ａｓ 内表面
１Ａｉ 中空部
１Ａｕ 未溶融層
１１ 石英ガラスルツボ製造装置
１２ ルツボ成形用型
１３ 内側部材
１４ 通気部
１５ 保持体
１６ 回転軸
１７ 開口部
１８ 排気口
１９ 減圧機構
２０ アーク電極
２１ 原料供給ノズル
２２ 不活性ガス供給管
２３ 水素ガス供給管
２４ 研磨装置（ベルトサンダー）
２５ 高圧エアパイプ
２６ ベーン型回転機構
２７ 駆動回転ローラ
２８ 従動回転ローラ
２９ 研磨ベルト
３０ 給水パイプ
３１ 給水ノズル
４１シリコン単結晶引上装置
４２チャンバ
４３ヒータ
４４シリコン融液
４６種結晶
４７シリコン単結晶
Ｂ 気泡
Claims (2)
- 回転する型内に高純度石英原料粉を供給しルツボ形状体を形成して、これをアーク溶融した溶融ルツボの内表面全体を算術平均粗さ０．１μｍ以下かつ表面粗さのバラツキを±０．０３μｍに研磨処理し、この研磨面を酸水素バーナにより加熱処理し、内表面から少なくとも１００μｍの領域におけるＣａの濃度を２．０ｐｐｍ以下にすることを特徴とするシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
- 前記溶融ルツボの内表面全体を算術平均粗さ５μｍ以上３５μｍ以下に粗面化した後に、前記研磨処理をすることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
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