JP4453954B2 - シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法および該製造方法で製造された石英ガラスルツボ - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、半導体製造用シリコン単結晶の引上げに使用される石英ガラスルツボの製造方法、および該製造方法で得られた石英ガラスルツボに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造用シリコン単結晶の製造には、いわゆるチョクラルスキー法（ＣＺ法）と呼ばれ、石英ガラスで製造したルツボ内にシリコン多結晶を溶融し、このシリコン融液にシリコン単結晶の種結晶を浸漬し、ルツボを回転させながら種結晶を徐々に引上げ、シリコン単結晶を種結晶を核として結晶成長させる方法が広く採用されている。前記ＣＺ法で製造される単結晶には、高純度であるとともにシリコンウエーハを歩留よく製造できることが要請される。この要請に応える石英ガラスルツボとして気泡を含まない内層と気泡を含み不透明な外層からなる２層構造の石英ガラスルツボが提案された（特許文献１）。近年、シリコン単結晶の大口径化に伴い、単結晶の引上げ作業が長時間化することから、石英ガラスルツボに更なる高純度化が要求されるようになってきた。それを解決するため前記ルツボの内層を、合成石英ガラス粉で形成した石英ガラスルツボが提案された（特許文献２）。
【０００３】
その一方、前記単結晶引上げ作業の長時間化は石英ガラスルツボへの熱負荷を増大させ、シリコン単結晶の引上げ途中で石英ガラスルツボの上端部が内側に倒れ込んだり、沈み込んだりといった変形（以下、単に変形という）が起こるようになった。この変形を防ぐためシリカ粉を塩素ガスまたは塩素含有化合物に接触させ含有するＯＨ基濃度を低下させる処理方法が提案された（特許文献３）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記合成石英ガラスからなる内層を有する石英ガラスルツボは、シリコン多結晶の溶融時に融液表面が振動し易いという欠点があった。融液表面に振動が起こると種付け作業に長時間を要するばかりでなく、結晶の乱れも生じ生産性を低下させることになる。そこで、合成石英ガラスからなる透明な内層と天然石英ガラスからなる不透明な外層の間に合成石英ガラスからなる不透明な中間層を配し、前記欠点のない多層構造の石英ガラスルツボが提案された（特許文献４）。しかし、この石英ガラスルツボはシリコン単結晶の引上げ時に起こるルツボの変形を十分に抑制できるものではなかった。
【０００５】
また、上記ルツボ原料であるシリカ粉を塩素ガスまたは塩素含有化合物に接触する処理方法では、確かにシリカ粉内部のＯＨ基濃度を低減できるが、処理後の保持条件によってはシリカ粉の表面に水分が大量に吸着し、ルツボ自体のＯＨ基濃度の増大を起こす問題があった。
【０００６】
【特許文献１】
特公平４−２２８６１号公報
【特許文献２】
特許第２８１１２９０号公報や特許第２９３３４０４号公報
【特許文献３】
特開平６−４０７１３号公報
【特許文献４】
特開２００１−３４８２９４号公報
【０００７】
こうした現状に鑑み、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、石英ガラスルツボの製造時に用いるシリカ粉を特定の混合比の気体中で保持することで、石英ガラスルツボ自体のＯＨ基濃度を低下できシリコン単結晶引上げ時の変形を少なくし、かつ熱対流によるシリコン融液表面の振動も抑えることのできる石英ガラスルツボが得られることを見出して、本発明を完成したものである。すなわち、
【０００８】
本発明は、シリコン融液表面の振動が抑えられ、かつ、シリコン単結晶引上げ時における変形の少ない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】
また、本発明は、上記製造方法で得られた石英ガラスルツボを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するための本発明は、透明で気泡のない内層と気泡を含み不透明な外層を有する少なくとも２層構造の石英ガラスルツボの製造方法において、前記少なくとも外層を混合比０．０００５〜０．００６５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）の気体中で保持したシリカ粉で形成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および該製造方法で得られた石英ガラスルツボに関する。
【００１１】
一般に、石英ガラスルツボの製造に使用されるシリカ粉は、粒径が１００〜５００μｍと細かく、かつ形状がほぼ球状のため比表面積が大きく、湿度の高い環境下では容易に水分が表面に吸着し、それがシリカ粉溶融時にＯＨ基としてルツボ内に固定され、ルツボの耐熱性を低下させることになる。そのため本発明の石英ガラスルツボの製造方法にあっては、石英ガラスルツボの製造で使用するシリカ粉を混合比０．０００５〜０．００６５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）、好ましくは０．００１〜０．００４５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）の気体中で保持するものである。前記混合比とは、ＪＩＳＺ８８０６の水蒸気吸収法に準拠する測定法で測定した値であり、乾燥気体１ｋｇに伴われる水蒸気の重量［ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）］で表され、空調業界では絶対湿度とも呼ばれる。前記気体としては、空気や窒素、ヘリウムなどの不活性ガスが挙げられる。
【００１２】
石英ガラスルツボの製造方法としては、（ｉ）回転するガス透過性モールドの内周面にそってシリカ粉を充填し、そのシリカ粉充填層をその内周面側から加熱溶融し、その溶融時にモールドの外周を減圧してシリカ粉の内部ガスをガス透過性モールドの壁を通じて吸引排気しながらルツボの形状に成形する方法、（ｉｉ）回転するモールド内にシリカ粉を供給して、遠心力により成形しルツボ形状の成形体とした後、加熱溶融して半透明石英ガラス製ルツボ基体に形成し、このルツボ基体の形成中又は形成後に、ルツボ基体の加熱雰囲気内に新たなシリカ粉、好ましくは合成シリカ粉を供給し、ルツボ基体内面側に透明な石英ガラス層を形成する石英ガラスルツボの製造方法、（ｉｉｉ）特許文献４に記載するような多層構造の石英ガラスルツボの製造方法などが挙げられる。本発明の製造方法においては、少なくとも外層を混合比０．０００５〜０．００６５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）、好ましくは混合比０．００１〜０．００４５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）の気体中で保持したシリカ粉を用いることを必須とする。前記混合比で保持したシリカ粉を用いて石英ガラスルツボを製造することで、石英ガラス自体の平均ＯＨ基濃度は５０ｐｐｍ以下となり、高温強度が高くシリコン単結晶の引上げ時に変形しない上に、外層の気泡分布のバラツキが少なく熱対流などによるシリコン融液表面の振動が抑えられる。前記シリカ粉の保持を混合比０．０００５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）未満とすることは技術的に困難であり、また、混合比が０．００６５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）を超えるとルツボ自体のＯＨ基濃度が上昇し高温強度が低下し変形し易くなる上に、外層の気泡分布にバラツキが生じ熱対流などによるシリコン融液表面の振動が発生することになる。使用するシリカ粉としては、高純度の天然シリカ粉、合成シリカ粉などが挙げられるが、外層の形成には耐熱性の高い天然シリカ粉を用いるのがよい。
【００１３】
上記シリカ粉の保持において、温度を−５〜１８℃の範囲とするのがよい。１８℃を超える温度で混合比を０．００６５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）以下に保持するには相対湿度を極端に下げる必要があり、設備が大型化しコスト高となる。また、−５℃未満の温度ではシリカ粉に吸着する水分が氷結し水分の除去が困難となる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明の実施の形態を図に基づいて説明するが、図示例は例示的に示すもので、本発明の技術的思想から逸脱しない限り種々の態様例も可能である。
【００１５】
図１は、本発明の石英ガラスルツボの製造方法の１態様を示す。図１において、１は回転モールド、２は石英ガラスルツボ基体（外層）、３は透明石英ガラス層（内層）、４、４’はシリカ粉貯蔵ホッパー、５、５’は流量規制バルブ、６はシリカ粉供給手段、７はアーク電極、８はアーク電源である。図１のシリカ粉貯蔵ホッパー４内にシリカ粉、好ましくは天然シリカ粉を導入し、該シリカ粉貯蔵ホッパー内を混合比０．０００５〜０．００６５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）、好ましくは０．００１〜０．００４５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）の気体雰囲気に保持したのち、流量規制バルブ５を開いてシリカ粉貯蔵ホッパー４内のシリカ粉をシリカ粉供給手段６から回転するモールド１内に投入し、遠心力によりモールド１の内壁面に石英ガラスルツボ形状体を形成する。前記石英ガラスルツボ形状体のキャビティー内をアーク電極７で高温ガス雰囲気にし、少なくとも部分的に溶融ガラス化して少なくとも外層２が半透明の石英ガラスからなる石英ガラスルツボ基体を作成し、次いでシリカ粉貯蔵ホッパー４’からシリカ粉、好ましくは合成シリカ粉を石英ガラスルツボ基体２の高温雰囲気中に供給し溶融ガラス化して内層（透明石英ガラス層）３を形成して石英ガラスルツボを製造する。前記製造方法において、より好ましくは貯蔵ホッパー４に供給するシリカ粉を予め混合比０．０００５〜０．００６５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）、好ましくは０．００１〜０．００４５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）の気体中で保持したのち貯蔵ホッパーに移送するのがよい。これによりシリカ粉の水分の吸着が防げ、効率よく優れた特性を有する石英ガラスルツボが製造できる。
【００１６】
実施例１
図１に示す装置を用いて、天然シリカ粉を貯蔵するシリカ粉貯蔵ホッパー４内を混合比０．００４２ｋｇ／ｋｇ（乾燥空気）（１０℃、相対湿度５５％）の空気雰囲気に保持したのち、流量規制バルブ５を開いて前記天然シリカ粉をシリカ粉供給手段６から回転するモールド１内に投入し、遠心力により石英ガラスルツボ形状体に形成した。その後石英ガラスルツボ形状体内にアーク電極７を挿入し、内部キャビティーを高温ガス雰囲気にし溶融ガラス化し、冷却して半透明の石英ガラスルツボ基体２を作成した。次に、前記モールド１を回転させながらアーク電極で石英ガラスルツボ基体のキャビティー内を高温雰囲気にしたのち、高純度の合成シリカ粉をシリカ粉貯蔵ホッパー４’からシリカ粉供給手段６を介して供給し、透明石英ガラス化して内層３を形成し、２４インチの石英ガラスルツボを製造した。この石英ガラスルツボを用いてＣＺ法でシリコン単結晶を引き上げたところ、シリコン融液表面に振動がなく、またルツボの変形もなく、約９０時間の操業で完全なシリコン単結晶を成長できた。前記石英ガラスルツボの外層の平均ＯＨ濃度は３５ｐｐｍであった。
【００１７】
比較例１
実施例１において、混合比０．０１１９ｋｇ／ｋｇ（乾燥空気）（２５℃、相対湿度６０％）の空気中で保持した天然シリカ粉で外層１を作成した以外、実施例１と同様にして２４インチの石英ガラスルツボを製造した。この石英ガラスルツボを用いてＣＺ法でシリコン単結晶を引き上げたところ、シリコン融液表面に振動がみられた。約６０時間の操業を行ったところ、ルツボ上端面が変形し、操作を中止した。該石英ガラスルツボの外層の平均ＯＨ濃度は７０ｐｐｍであった。
【００１８】
【発明の効果】
本発明の製造方法では、シリコン単結晶を引き上げる際に起こるシリコン融液表面の振動がない上に、シリコン単結晶引上げ時のルツボの変形も少ない石英ガラスルツボが容易に製造できる。また、該製造方法で製造した石英ガラスルツボは、ＯＨ基濃度の低く耐熱性の高いものである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の石英ガラスルツボの製造方法を実施する装置の概略図である。
【符号の説明】
１ 回転モールド
２ 石英ガラスルツボ基体（外層）
３ 透明石英ガラス層（内層）
４、４’シリカ粉貯蔵ホッパー
５、５’流量規制バルブ
６ シリカ粉供給手段
７ アーク電極
８ アーク電源

Claims (4)

1. 透明で気泡のない内層と気泡を含み不透明な外層を有する少なくとも２層構造の石英ガラスルツボの製造方法において、前記少なくとも外層を混合比０．０００５〜０．００６５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）の気体中で保持したシリカ粉で形成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。
2. 内層を高純度の合成シリカで形成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。
3. シリカ粉の保持を混合比０．００１〜０．００４５ｋｇ／ｋｇ（乾燥気体）の気体中で行うことを特徴とする請求項１又は２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。
4. シリカ粉の保持を−５〜１８℃の温度範囲内で行うことを特徴とする請求項１ないし３のいずれか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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