JP4781020B2 - シリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボおよびシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造において使用する石英ガラスルツボであって、機械的強度が高く単結晶引き上げ中に変形せず、高効率でシリコン単結晶の引き上げができるシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボに関する。

従来、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造に際し、原料融液を収容する容器として石英ガラスルツボが使用されている。このシリコン単結晶引き上げ用ルツボは、一般に天然に産出される水晶あるいは石英を粉砕し、次いで精製して得た精製石英粉体を原料として、アーク加熱回転成形法により製造されている。

この方法により製造される石英ガラスルツボは、回転している回転型内にルツボ状に形成された原料粉体層を内側からアーク放電加熱によって熔融成形したものであるので、平滑な内表面を有し、層中に細かな気泡を高密度で含有する半透明の外観を呈したものである。この多気泡層はヒーターからルツボ内部への熱伝達を均一にする働きを有するが、シリコン単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボにおいては、この多気泡層の構造を有することと内面が平滑に形成されていることがシリコン単結晶の引き上げを安定化させるために極めて重要である。

そこで、特許文献１では内表面が平滑で内表面から所定の厚さ（約０．５ｍｍから２ｍｍ）までは無気泡の透明層を内層とし、外層は前記した多気泡層である二層構造の石英ガラスルツボとその製造方法が提案されている。これらの石英ガラスルツボはシリコン単結晶引き上げによるルツボ内表面の肌荒れ発生が非常に少なく、またルツボ内側にクリストバライトの斑点を発生することも少ないので、結果としてシリコン単結晶の引き上げを安定して遂行でき、シリコン単結晶の生産性を向上させるという利点をもっている。

また、高品質のシリコン単結晶を安定して製造する為には石英ガラスルツボの純度を一層高める必要があり、特許文献２では実質的に無気泡の透明層を内層とし、多気泡層を外層とする二層構造の石英ガラスルツボにおいて、その内層を所定の厚さ（０．５ｍｍ以上）からなる高純度の合成シリカガラスで形成する石英ガラスルツボが開示されている。

一方、近年の超ＬＳＩ製造の高集積化に伴う製造コスト上昇を抑えるべく、その歩留まりの向上を図るため、基板であるシリコンウエーハ１枚当たりから採取できるチップ数を増加させる必要性から、シリコンウエーハの大口径化の要求が増えつつある。そして、効率よく大口径シリコン単結晶を製造するためには、石英ガラスルツボに原料である多結晶シリコンをより多く収容することが必要となり、石英ガラスルツボの大型化が図られてきた。

同時にシリコン単結晶を製造する炉体を構成する黒鉛材成形部品も大型化し、特に発熱源であるヒーターの大型化により、発熱に要する電力量も益々増加するようになってきた。これに伴い、多結晶シリコン原料を熔融する際の石英ガラスルツボにかかる熱的負荷の増大が顕著になってきた。

その結果、外層を前記した多気泡層とした二層構造の石英ガラスルツボを使用した場合であっても、シリコン単結晶を製造中に石英ガラスルツボが軟化して変形し、（１）口径が非真円形状となる。（２）石英ガラスルツボの直胴部が融液側に倒れこむ。（３）石英ガラスルツボの直胴部が座屈するなどの現象が発生し、シリコン単結晶の成長を阻害する大きな要因となっていた。

特開平１−１４８７８３号公報 特開平５−１０５５７７号公報

そこで、本発明は、上記問題点に鑑みてなされたものであって、本発明の目的は、シリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボが単結晶引き上げ中に変形してしまうのを抑制することにより、単結晶の有転位化による歩留まりの低下を防ぎ、シリコン単結晶製造の高効率化を図ることができる、機械的強度が増大したシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボおよびその製造方法を提供することである。

上記目的を達成するために、本発明によれば、少なくとも、多数の気泡を含む半透明ガラス層の外層部と、該外層部の内表面に形成された無気泡でかつ表面が平滑な透明石英ガラス層の内層部とからなるシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボであって、前記外層部は、径が０．１〜０．３ｍｍの気泡を１．５〜５．０×１０^４個／ｃｍ^３含んだものであることを特徴とするシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボが提供される。

このように半透明ガラス層の外層部は、径が０．１〜０．３ｍｍの気泡を１．５〜５．０×１０^４個／ｃｍ^３含んだものであるシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボであれば、従来技術で成型されたものより半透明ガラス層の外層部に含まれるサイズが大きい気泡が高密度であるため、ルツボ内で多結晶シリコン原料を溶融する際にルツボの肉厚が大きく膨張し、機械的強度が増大したものとなる（従来の前記気泡密度は１．０〜１．４１０^４個／ｃｍ^３）。
ここで、径が０．１〜０．３ｍｍの気泡を１．５×１０^４個／ｃｍ^３以上含んだものとすることにより、石英ガラスルツボの機械的強度を十分に大きくすることができ、５．０×１０^４個／ｃｍ^３以下とすることにより多結晶シリコン原料を溶融した際に、ルツボの肉厚が膨張し過ぎて原料融液面の上昇が大きくなることもなく、シリコン単結晶の酸素濃度や結晶欠陥制御への悪影響を小さくすることができる。

また、本発明によれば、少なくとも、多数の気泡を含む半透明ガラス層の外層部と、該外層部の内表面に形成された無気泡でかつ表面が平滑な透明石英ガラス層の内層部とからなるシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボであって、前記外層部が、１６０μｍ以上３６０μｍ以下の径の粒が８０重量％以上配合された石英粉により成型されたものであることを特徴とするシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボが提供される。

このように外層部が、１６０μｍ以上３６０μｍ以下の粒径が８０重量％以上配合された従来より粒径が大きい石英粉により成型された石英ガラスルツボであれば、半透明ガラス層の外層部に形成される気泡のサイズが従来技術で成型されたものより大きいものとなり、石英ガラスルツボの機械的強度を増大させることができる（従来の粒径分布は１６０μｍ以上３６０μｍ以下の粒径が７０重量％配合）。

このとき、前記外層部を成型する石英粉が、天然石英粉であることが好ましい。
前記外層部を成型する石英粉が、天然に産出される石英を粉砕した後に精製して得ることができる天然石英粉であることにより、アーク加熱回転成形法により前記半透明ガラス層の外層部を低コストで容易に製造することができる。

さらに、前記内層部は、合成石英粉により成型されたものであることが好ましい。
このように、内層部が合成石英粉で形成されたものであれば、高純度であるので近年の超ＬＳＩ製造に要求される高品質のシリコン単結晶を育成することができる。この場合の合成石英粉は例えば非多孔性の高純度非晶質合成シリカ粉を使用することができる。

また、前記石英ガラスルツボが、口径７００ｍｍ以上のものであることが好ましい。
前記石英ガラスルツボが、口径７００ｍｍ以上のものであることにより、近年のシリコンウェーハの需要増大に伴うシリコン単結晶の大口径化に対応することができ、例えば直径が３００ｍｍ以上の大口径シリコン単結晶を引き上げることができる。

さらに、前記石英ガラスルツボ中で多結晶シリコン原料を溶融して原料融液とした場合に、前記石英ガラスルツボの前記原料融液との接触部分の肉厚が、溶融前の肉厚の１．２倍〜２．０倍に膨張するものであることが好ましい。
原料熔融からシリコン単結晶の引き上げ中に石英ガラスルツボの特に融液接触部は、石英ガラスルツボの外層部内に存在する気泡の膨張に伴いその肉厚が膨張する。そして、前記石英ガラスルツボ中で多結晶シリコン原料を溶融して原料融液とした場合に、前記石英ガラスルツボの前記原料融液との接触部分の肉厚が、溶融前の肉厚の１．２倍超に膨張することにより、石英ガラスルツボの機械的強度を十分に大きくすることができる。また、溶融前の肉厚の２．０倍以下とすることにより、原料融液面の上昇が大きくなり過ぎることもなく、シリコン単結晶の酸素濃度や結晶欠陥制御への悪影響を小さくできる。

また、前記肉厚が、前記原料融液と接触してから０．２ｍｍ／ｈ以上の速度で膨張するものであることが好ましい。
このように、石英ガラスルツボの原料融液に接触する領域において、前記石英ガラスの肉厚が、シリコン融液に接触してから０．２ｍｍ／ｈ以上の速度で膨張させることができれば、多結晶シリコンをヒーターで加熱熔融を開始してからシリコン単結晶引き上げの早い段階の間に所望の肉厚まで膨張させることができるので、例えば、直径が３００ｍｍのシリコン単結晶を口径７００ｍｍ以上の石英ガラスルツボを使用して育成する場合であっても、シリコン単結晶の製造中に石英ガラスルツボが変形することがないため、安定したシリコン単結晶の製造が可能となる。

さらに、本発明によれば、上記のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボを用いて、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法が提供される。
このように、本発明によれば、機械的強度が増大した上記の石英ガラスルツボを用いて、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造することができ、これにより、単結晶引き上げ中の石英ガラスルツボの変形を抑制して、単結晶の有転位化による歩留まりの低下を防ぎ、シリコン単結晶製造の高効率化を図ることができる。

このとき、前記製造するシリコン単結晶を、直径２００ｍｍ以上のシリコン単結晶とすることが好ましい。
このように直径２００ｍｍ以上、さらには３００ｍｍの大口径シリコン単結晶を育成する場合であっても、シリコン単結晶の製造中に石英ガラスルツボが変形することがないため、安定したシリコン単結晶の製造が可能となる。

さらに、本発明によれば、多数の気泡を含む半透明ガラス層の外層部と、該外層部の内表面に形成した無気泡でかつ表面が平滑な透明石英ガラス層の内層部とからなるシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの製造方法であって、少なくとも、前記外層部を、１６０μｍ以上３６０μｍ以下の径の粒が８０重量％以上配合された石英粉を用いてアーク放電加熱によって成型することを特徴とするシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの製造方法が提供される。

このように外層部が１６０μｍ以上３６０μｍ以下の粒径が８０重量％以上配合した石英粉により成型された石英ガラスルツボであれば、外層部に形成される気泡のサイズが従来技術で成型されたものより大きいものとなり、石英ガラスルツボの機械的強度を増大させることができる。

また、前記外層部を成型する石英粉として、天然石英粉を用いることが好ましい。
このように外層部を成型する石英粉として、天然に産出される石英を粉砕した後、精製して得ることができる天然石英粉を用いることにより、アーク加熱回転成形法によって前記半透明ガラス層の外層部を低コストで容易に製造することができる。

さらに、前記内層部を、合成石英粉により成型することが好ましい。
このように内層部を合成石英粉により形成すれば、近年の超ＬＳＩ製造に要求される高純度のシリコン単結晶を育成することができる。この場合の合成石英粉は、例えば非多孔性の高純度非晶質合成シリカ粉を使用することができる。

また、前記石英ガラスルツボとして、口径７００ｍｍ以上のものを製造することが好ましい。
このように石英ガラスルツボとして、口径７００ｍｍ以上のものを製造することにより、近年のシリコンウェーハの需要増大に伴うシリコン単結晶の大口径化に対応することができ、例えば直径が３００ｍｍ以上の大口径シリコン単結晶を高い歩留まりで引き上げることができる。

このように、本発明により、機械的強度が増大したシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボが提供され、特に大口径の単結晶引き上げ中の石英ガラスルツボの変形を抑制することができ、これにより、単結晶の有転位化による歩留まりの低下を防いで、シリコン単結晶製造の高効率化を図ることが可能となった。

近年のシリコンウエーハの大口径化に伴い、原料の多結晶シリコンを熔融する際の石英ガラスルツボにかかる熱的負荷が増大したため、シリコン単結晶製造中の石英ガラスルツボの変形が、シリコン単結晶の成長を阻害する大きな要因となっていた。

そこで、本発明者らは、鋭意研究を行い、少なくとも、多数の気泡を含む半透明ガラス層の外層部と、該外層部の内表面に形成された無気泡でかつ表面が平滑な透明石英ガラス層の内層部とからなるシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボであって、前記外層部は、径が０．１〜０．３ｍｍの気泡を１．５〜５．０×１０^４個／ｃｍ^３含んだものであれば、機械的強度が増大した石英ガラスルツボとなり、大口径化しても単結晶引き上げ中の石英ガラスルツボの変形を抑制することができ、これにより、単結晶の有転位化による歩留まりの低下を防いで、シリコン単結晶製造の高効率化を図ることができることを見出した。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照しながら詳細に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。図１は、本発明のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの概略図の一例である。

本発明は、多数の気泡を含む半透明ガラス層の外層部２３と、該外層部２３の内表面に形成された無気泡でかつ表面が平滑な透明石英ガラス層の内層部２４とからなるシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ５であって、前記外層部２３は、径が０．１〜０．３ｍｍの気泡を１．５〜５．０×１０^４個／ｃｍ^３含んだものであるシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボである。

このように外層部２３は、径が０．１〜０．３ｍｍの気泡を１．５〜５．０×１０^４個／ｃｍ^３含んだシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ５であれば、図４（Ａ）に外層部の断面の写真を示すように、従来技術で成型された図４（Ｂ）に示すものより、半透明ガラス層の外層部には、サイズが大きい気泡が高密度に含まれ、ルツボ内で多結晶シリコン原料を溶融する際にルツボの肉厚が大きく膨張し、機械的強度が増大したものとなる。

このような本発明に係る石英ガラスルツボ５を製造するには、まず、図２のように、１６０μｍ以上、３６０μｍ以下の粒径が粒径分布の８０重量％以上を占めるように配合した天然石英粉を、回転軸２２により回転する回転型２１内に供給して所望の形状に予備成形し、この予備成形粉体を炭素電極２５によって内面から加熱して粉末を溶融させて冷却することによって外層部２３を作製する。

これにより、多気泡を含有する半透明の外観を呈した石英ガラスルツボ５の外層部２３を成形することができる。この場合天然石英粉は通常より粒径が大きいので、外層部２３に存在する気泡は従来のものよりサイズが大きなものとなる。

次に、アーク放電によって生じた高温ガス雰囲気２８中において、成型された外層部２３の内表面に、ホッパー３０に石英粉２６として充填した非多孔性の高純度非晶質合成シリカ粉を、ノズル２９を開いて供給量を調節しながら供給する。このシリカ粉は、少なくとも一部がアーク放電により熔融されてルツボ２３内面に向けて飛散され、熔融ないしは軟化状態にある外層部２３の内表面に付着する。この付着積層により無気泡の透明な内層部２４が所定の厚さで多気泡層の外層部２３上に一体的に成型される。

このように、内層部２４が無気泡の透明な層を含む石英ガラスルツボ５であれば、図７に示すようなシリコン単結晶３の引き上げ中に、外層部２３内に存在する気泡内部のガスが、融液中に入ることを防止する役割を果たし、その結果、シリコン単結晶３の内部に気泡が取り込まれてピンホールなどの欠陥が形成されるのを防止することが可能となる。

このような石英ガラスルツボ５として、口径が７００ｍｍ以上のものを製造することにより、近年のシリコンウェーハの需要増大に伴うシリコン単結晶３の大口径化に対応することができ、例えば直径が３００ｍｍ以上の大口径シリコン単結晶３を引き上げることができる。

また、多結晶シリコン原料の熔融からシリコン単結晶３を引き上げる際には、石英ガラスルツボ５の特に融液接触部は、石英ガラスルツボ５の外層部２３内に存在する気泡の膨張に伴って、その肉厚が膨張する（図３参照）。そして、前記石英ガラスルツボ５中で多結晶シリコン原料を溶融して原料融液４とした場合に、前記石英ガラスルツボ５の前記原料融液４との接触部分の肉厚が、溶融前の肉厚の１．２倍超に膨張することが好ましい。これにより、石英ガラスルツボ５の機械的強度を十分に大きくすることができる。また、溶融前の肉厚の２．０倍以下とすることが好ましく、これにより、原料融液面の上昇が大きくなることもなく、シリコン単結晶３の酸素濃度や結晶欠陥制御への悪影響を小さくできる。

すなわち、多結晶シリコン原料熔融前の常温時における石英ガラスルツボ５の肉厚をｔ０（図５においては１０ｍｍ）、シリコン単結晶３の引き上げ直後に原料融液４に接触していた領域（図５においてはルツボ上端面からの距離が１４０ｍｍ超の領域）における石英ガラスルツボ５の肉厚をｔ１とした場合、図５（Ａ）のように、石英ガラスルツボ５の肉厚の膨張率を１．２＜ｔ１／ｔ０≦２．０の範囲内に膨張するものであることが好ましい。石英ガラスルツボ５の肉厚の膨張率は、多結晶シリコン原料熔融前の常温時における石英ガラスルツボ５の外層部２３内の大きい気泡の密度に依存し、その密度が大きければ膨張率を大きくすることができると考えられる。
また、これにより石英ガラスルツボ５の肉厚を最小限の寸法に設計することが可能となるので、大口径の石英ガラスルツボ５の成型の際に使用する天然石英粉の使用量を大幅に削減することができ、大口径石英ガラスルツボ５の製造コストの低減に極めて有効である。

また、石英ガラスルツボ５は、原料融液４に接触する領域において、前記石英ガラスの肉厚が、シリコン単結晶３の育成中に０．２ｍｍ／ｈ以上、さらに好ましくは０．５ｍｍ／ｈ以上の速度で膨張させることができることが好ましい（図３の勾配参照）。このように、多結晶シリコンを加熱ヒーター７で加熱熔融を開始してからシリコン単結晶３の引き上げの早い段階の間に所望の肉厚まで膨張させることができるものであれば、例えば、直径が３００ｍｍのシリコン単結晶を口径７００ｍｍさらには、８００ｍｍ（３２インチ）以上の石英ガラスルツボ５を使用して育成する場合であっても、シリコン単結晶３の製造中に石英ガラスルツボ５が変形することがないため、安定したシリコン単結晶３の製造が可能となり、シリコン単結晶３の単結晶化成功率が向上し、歩留りの向上を実現することができる。

以上のような本発明に係る単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ５は、例えば図７に示すような単結晶製造装置２０において黒鉛ルツボ６により保護され、メインチャンバー１内においてルツボ駆動機構（不図示）によって回転・昇降自在に支持軸１３で支持される。そして、単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ５内において、加熱ヒーター７で加熱することにより多結晶シリコン原料を溶融して原料融液４として、種ホルダー１５に保持された種結晶１６を原料融液４に接触後、ワイヤー１４によって回転させながら引き上げることにより、シリコン単結晶３を育成する。そして、育成したシリコン単結晶３を、メインチャンバー１に連接された引上げチャンバー２に収容して取り出す。

なお、メインチャンバー１の内部には、育成されるシリコン単結晶３を囲繞するように黒鉛材からなるガス整流筒１７が配置されており、単結晶引き上げの際に、引上げチャンバー２の上部に設けられたガス導入口１０から導入したＡｒ等の不活性ガスの流れを整えることができ、遮熱部材１８と原料融液４の融液面の間を通過させ、ガス流出口９から排出することができる。

ガス整流筒１７の下端の内側および外側には、原料融液４の表面からの輻射をカットするとともに原料融液４の表面を保温するため、遮熱部材１８、１９が設けられている。遮熱部材１８、１９は、例えば、黒鉛、モリブデン、タングステン、炭化ケイ素、あるいは黒鉛の表面を炭化ケイ素で被覆したものを用いることができ、内部に断熱材を保持するようにしてもよく、その形状や大きさは特に限定されるものではなく、必要に応じて適宜変更することができる。
ガス整流筒１７の上方には、ガス整流筒１７と材質の異なる冷却筒１１が設置されており、冷媒導入口１２から冷却媒体を流すことによってシリコン単結晶３を強制冷却できるようになっている。冷却筒１１は必ずしも設置される必要はなく目的に応じて省略することができ、例えばガス整流筒１７に冷却媒体を流通させるようにしてシリコン単結晶３の強制冷却を行うようにしても良い。
また、断熱部材８を設けることによって、加熱ヒーター７からメインチャンバー１に直接輻射する輻射熱が防げられる。

このようなシリコン単結晶引き上げにおいて、機械的強度が増大した本発明のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボを用いるため、直径２００ｍｍ以上、さらには３００ｍｍの大口径シリコン単結晶を育成する場合であっても、増大した機械的強度により増大した熱的負担に対する耐性が大きくなり、単結晶引き上げ中の石英ガラスルツボの変形を抑制することができ、これにより、単結晶の有転位化による歩留まりの低下を防いで、シリコン単結晶製造の高効率化を図ることが可能となった。

以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。
（実施例１）
１６０μｍ以上３６０μｍ以下の粒径が８５重量％、１６０μｍ以下の粒径が１５重量％に配合した天然石英粉で外層部を成型後、その表面に非多孔性の高純度の非晶質合成シリカ粉で内層部を成型した口径８００ｍｍ、肉厚（ｔ０）１０ｍｍである石英ガラスルツボを１１個製造し、そのうち１個は外層部に含まれる気泡の評価に使用した。
そして、石英ルツボの断面を顕微鏡観察することにより外層部に含まれる気泡の評価を行ったところ、径が０．１〜０．３ｍｍの気泡を３．４×１０^４個／ｃｍ^３含んだものあった。

次に、製造した石英ガラスルツボにシリコン多結晶を３４０ｋｇチャージし、図７の単結晶製造装置により直径３００ｍｍ、方位＜１００＞の単結晶を引上げた。このときの単結晶の製造時間はいずれも１３０時間とした。
その結果、単結晶化成功率は１００％となった。また、使用後の石英ガラスルツボを観察したところ、石英ガラスルツボの変形はなく、原料融液と接触していた領域の直胴部の肉厚ｔ１は１４ｍｍとなり、膨張率ｔ１／ｔ０は１．４であった。なお、このときの石英ガラスルツボ変形の判断基準は、石英ガラスルツボの直胴部が融液側に倒れ込み、使用前の常温時より口径が５％以上変化した場合、または石英ガラスルツボが座屈した場合とした。

（実施例２）
１６０μｍ以上３６０μｍ以下の粒径が９５重量％、１６０μｍ以下の粒径が５重量％に配合した天然石英粉で外層部を成型後、その表面に非多孔性の高純度の非晶質合成シリカ粉で内層部を成型した口径８００ｍｍ、肉厚（ｔ０）１０ｍｍである石英ガラスルツボを１１個製造し、そのうち１個は外層部の断面観察および外層部に含まれる気泡の評価に使用した。
そして、石英ルツボの断面を顕微鏡観察することにより外層部に含まれる気泡の評価を行ったところ、径が０．１〜０．３ｍｍの気泡を４．８×１０^４個／ｃｍ^３含んだものあった。

次に、製造した石英ガラスルツボを用いて実施例１と同じように単結晶を引き上げた結果、単結晶化成功率は１００％となった。また、使用後の石英ガラスルツボを観察したところ、石英ガラスルツボの変形はなく、原料融液と接触していた領域の直胴部の肉厚ｔ１は１６ｍｍとなり、膨張率ｔ１／ｔ０は１．６であった。外層部には、図４（Ａ）の断面写真に示すように、従来よりもサイズの大きい気泡が多く存在した。

（実施例３）
１６０μｍ以上３６０μｍ以下の粒径が８０重量％、１６０μｍ以下の粒径が２０重量％に配合した天然石英粉で外層部を成型後、その表面に非多孔性の高純度の非晶質合成シリカ粉で内層部を成型した口径８００ｍｍ、肉厚（ｔ０）１０ｍｍである石英ガラスルツボを１１個製造し、そのうち１個は外層部の外層部に含まれる気泡の評価に使用した。
そして、石英ルツボの断面を顕微鏡観察することにより外層部に含まれる気泡の評価を行ったところ、径が０．１〜０．３ｍｍの気泡を２．０×１０^４個／ｃｍ^３含んだものあった。

次に、製造した石英ガラスルツボを用いて実施例１と同じように単結晶を引き上げた結果、単結晶化成功率は１００％となった。また、使用後の石英ガラスルツボを観察したところ、石英ガラスルツボの変形はなく、原料融液と接触していた領域の直胴部の肉厚ｔ１は１２．５ｍｍとなり、膨張率ｔ１／ｔ０は１．２５であった。

（比較例１）
１６０μｍ以上３６０μｍ以下の粒径が７０重量％、１６０μｍ以下の粒径が３０重量％に配合した天然石英粉で外層部を成型後、その表面に非多孔性の高純度の非晶質合成シリカ粉で内層部を成型した口径８００ｍｍ、肉厚（ｔ０）１０ｍｍである石英ガラスルツボを１１個製造し、そのうち１個は外層部の断面観察および外層部に含まれる気泡の評価に使用した。
そして、石英ルツボの断面を顕微鏡観察することにより外層部に含まれる気泡の評価を行ったところ、径が０．１〜０．３ｍｍの気泡を１．４×１０^４個／ｃｍ^３含んだものあった。

次に、製造した石英ガラスルツボを用いて実施例１と同じように単結晶を引き上げた結果、単結晶化成功率は８０％となった。また、使用後の石英ガラスルツボを観察したところ、石英ガラスルツボの変形が１０％発生し、原料融液と接触していた領域の直胴部の肉厚ｔ１は１１．８ｍｍで、膨張率ｔ１／ｔ０は１．１８であった。外層部には、図４（Ｂ）の断面写真に示すように、サイズの大きい気泡はほとんど存在しなかった。

（比較例２）
１６０μｍ以上３６０μｍ以下の粒径が３０重量％、１６０μｍ以下の粒径が７０重量％に配合した天然石英粉で外層部を成型後、その表面に非多孔性の高純度の非晶質合成シリカ粉で内層部を成型した口径８００ｍｍ、肉厚（ｔ０）１０ｍｍである石英ガラスルツボを１１個製造し、そのうち１個は外層部に含まれる気泡の評価に使用した。
そして、石英ルツボの断面を顕微鏡観察することにより外層部に含まれる気泡の評価を行ったところ、径が０．１〜０．３ｍｍの気泡を１．０×１０^４個／ｃｍ^３含んだものであった。

次に、製造した石英ガラスルツボを用いて実施例１と同じように単結晶を引き上げた結果、単結晶化成功率は５０％となった。また、使用後の石英ガラスルツボを観察したところ、石英ガラスルツボの変形が３０％発生し、原料融液と接触していた領域の直胴部の肉厚ｔ１は１１ｍｍで、膨張率ｔ１／ｔ０は１．１であった。

（比較例３）
１６０μｍ以上３６０μｍ以下の粒径が５０重量％、１６０μｍ以下の粒径が５０重量％に配合した天然石英粉で外層部を成型後、その表面に非多孔性の高純度の非晶質合成シリカ粉で内層部を成型した口径８００ｍｍ、肉厚（ｔ０）１０ｍｍである石英ガラスルツボを１１個製造し、そのうち１個は外層部に含まれる気泡の評価に使用した。
そして、石英ルツボの断面を顕微鏡観察することにより外層部に含まれる気泡の評価を行ったところ、径が０．１〜０．３ｍｍの気泡を１．２×１０^４個／ｃｍ^３含んだものであった。

次に、製造した石英ガラスルツボを用いて実施例１と同じように単結晶を引き上げた結果、単結晶化成功率は６０％となった。また、使用後の石英ガラスルツボを観察したところ、石英ガラスルツボの変形が２０％発生し、原料融液と接触していた領域の直胴部の肉厚ｔ１は１１．４ｍｍで、膨張率ｔ１／ｔ０は１．１４であった。

実施例１、２、３、比較例１、２、３の評価結果を次の表１に示す。また、図６の（Ａ）〜（Ｄ）に、実施例１、２、比較例１、２の石英ガラスルツボ外層部成型に使用した天然石英粉の粒径分布を示す。

表１に示すように、直径３００ｍｍの単結晶を製造する場合であっても、外層部が１６０μｍ以上３６０μｍ以下の粒径が８０重量％以上配合した天然石英原料粉により成型された石英ガラスルツボを使用してシリコン単結晶を製造すれば、使用後の原料融液が接触していた領域における石英ガラスルツボの肉厚の膨張率ｔ１／ｔ０は１．２を超え、石英ガラスルツボの変形は発生しない。その結果、単結晶成功率を１００％とすることができ、極めて安定したシリコン単結晶の製造を実現することができる。

なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

本発明のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの概略断面図である。 本発明のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの製造方法の説明図である。 本発明のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの製造時間と石英ガラスルツボ肉厚との関係を示す図である。 本発明（（Ａ）実施例２）および従来例（（Ｂ）比較例２）の石英ガラスルツボ外層部の断面写真である。 本発明（（Ａ）実施例２）および従来例（（Ｂ）比較例２）の石英ガラスルツボの直胴部における肉厚を測定した結果を示すグラフである。 本発明（（Ａ）実施例１、（Ｂ）実施例２）および従来例（（Ｃ）比較例１、（Ｄ）比較例２）の石英ガラスルツボの外層部の成型に使用した天然石英粉の粒径分布を示すグラフである。 本発明のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボを使用する単結晶製造装置の一例を示す概略図である。

符号の説明

１…メインチャンバー、 ２…引上げチャンバー、 ３…シリコン単結晶、
４…原料融液、 ５…単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ、 ６…黒鉛ルツボ、
７…加熱ヒーター、 ８…断熱部材、 ９…ガス流出口、 １０…ガス導入口、
１１…冷却筒、 １２…冷媒導入口、 １３…支持軸、 １４…ワイヤー、
１５…種ホルダー、 １６…種結晶、 １７…ガス整流筒、 １８、１９…遮熱部材、
２０…単結晶製造装置、 ２１…回転型、 ２２…回転軸、 ２３…外層部、
２４…内層部、 ２５…炭素電極、 ２６…石英粉、 ２７…蓋、
２８…高温ガス雰囲気、 ２９…ノズル、 ３０…ホッパー。

Claims (12)

1. 少なくとも、多数の気泡を含む半透明ガラス層の外層部と、該外層部の内表面に形成された無気泡でかつ表面が平滑な透明石英ガラス層の内層部とからなるシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボであって、前記外層部は、１６０μｍ以上３６０μｍ以下の径の粒と１６０μｍ未満の径の粒が配合された石英粉により成型されたものであり、前記１６０μｍ以上３６０μｍ以下の径の粒は８０重量％以上占めたものであり、径が０．１〜０．３ｍｍの気泡を１．５〜５．０×１０^４個／ｃｍ^３含んだものであることを特徴とするシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ。
2. 前記外層部を成型する石英粉が、天然石英粉であることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ。
3. 前記内層部は、合成石英粉により成型されたものであることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ。
4. 前記石英ガラスルツボが、口径７００ｍｍ以上のものであることを特徴とする請求項１ないし請求項３のいずれか一項に記載のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ。
5. 前記石英ガラスルツボ中で多結晶シリコン原料を溶融して原料融液とした場合に、前記石英ガラスルツボの前記原料融液との接触部分の肉厚が、溶融前の肉厚の１．２倍〜２．０倍に膨張するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項４のいずれか一項に記載のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ。
6. 前記肉厚が、前記原料融液と接触してから０．２ｍｍ／ｈ以上の速度で膨張するものであることを特徴とする請求項１ないし請求項５のいずれか一項に記載のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ。
7. 請求項１ないし請求項６のいずれか一項に記載のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボを用いて、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
8. 前記製造するシリコン単結晶を、直径２００ｍｍ以上のシリコン単結晶とすることを特徴とする請求項７に記載のシリコン単結晶の製造方法。
9. 多数の気泡を含む半透明ガラス層の外層部と、該外層部の内表面に形成した無気泡でかつ表面が平滑な透明石英ガラス層の内層部とからなるシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの製造方法であって、少なくとも、前記外層部を、１６０μｍ以上３６０μｍ以下の径の粒と１６０μｍ未満の径の粒が配合され、前記１６０μｍ以上３６０μｍ以下の径の粒が８０重量％以上配合された石英粉を用いてアーク放電加熱によって成型することを特徴とするシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
10. 前記外層部を成型する石英粉として、天然石英粉を用いることを特徴とする請求項９に記載のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
11. 前記内層部を、合成石英粉により成型することを特徴とする請求項９または請求項１０に記載のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
12. 前記石英ガラスルツボとして、口径７００ｍｍ以上のものを製造することを特徴とする請求項９ないし請求項１１のいずれか一項に記載のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの製造方法。

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