JP4863927B2 - シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボおよびそれを使用したシリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボおよびそれを使用したシリコン単結晶の製造方法に関する。

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、シリコン単結晶を成長させる方法が広く採用されている。

シリコン単結晶製造装置においては、図４の（Ａ）に示したように、一般的に石英ルツボＣ１とカーボンサセプターＣ２の間には３〜５ｍｍの隙間が開いているが、加熱による粘性低下とシリコン融液による押し付けで、図４の（Ｂ）に示したように、初期メルトラインＬより下方の部分は石英ルツボが広がり、この隙間が埋まるのに対し、上方はそのままの位置を保持するので、上端が内側へと倒れ込みやすい。

近年、シリコンウェーハの大口径化に伴い、使用される石英ガラスルツボも大口径化が進んでおり、これに伴い、原料である多結晶のチャージ量が増大したり、ヒーターが育成するシリコン単結晶から離れる為、操業の長時間化、ヒーターの高出力化が進み、石英ガラスルツボへの加熱負荷が増大している。また、従来からある６”、８”の単結晶の引上げにおいても、生産性や品質向上への取り組みから、以前に比べ、石英ガラスルツボに対する熱負荷が高くなる傾向にある。その結果、ルツボのサイズに関わらず、熱負荷により石英ガラスルツボの円筒部が内側に倒れこむ問題がクローズアップされている。

変形対策としてはガラス表面を結晶化させる方法（特開平８−２９３２号公報、特開平９−１１０５９０号公報、特開２００４−１３１３１７号公報）や、リング状部材を埋め込む方法（特開２００６−９６６１６号公報）が提案されているが、それぞれコストアップが見込まれ望ましくない。

また、特開２００２−４７０９２号公報には、直胴部の厚さ及び粘性率の適切設定による、特開２００５−４１７２３号公報には肉厚構成による変形対策が提案されているが、肉厚を変更すると結晶の品質に影響を及ぼす場合があり、全てのプロセスに応用できるものではない。
特開平８−２９３２号公報 特開平９−１１０５９０号公報 特開２００４−１３１３１７号公報 特開２００６−９６６１６号公報 特開２００２−４７０９２号公報 特開２００５−４１７２３号公報

そこで、本発明は、簡単な構造で直胴部上端の内側への倒れ込みを防止することができるシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボを提供することを目的とする。

上記の目的は、本発明の下記（１）〜（７）の構成のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボによって達成される。
（１）直胴部と底部を備えたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいて、シリコン単結晶引き上げ作業中に、前記直胴部の上端が内側に倒れ込むのを防止するため、該直胴部外周であって、初期メルトラインより上方に周状の溝を設けたことを特徴とするシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（２）当該石英ガラスルツボをカーボンサセプターを備えるシリコン単結晶製造装置に組み込んだ際に、前記溝が、前記カーボンサセプターの上端より下方となるような位置に設けられている前記（１）のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（３）前記溝は、その深さの下限が１ｍｍか、前記直胴部の肉厚の５％のいずれか大きい方、また上限が３５％である前記（１）または（２）のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（４）前記溝は、前記直胴部の外表面における幅が１〜１０ｍｍである前記（１）〜（３）のいずれかのシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（５）前記溝は、前記直胴部の外表面における幅が１〜５ｍｍである前記（４）のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（６）前記溝は、その形状がＶ字型である前記（１）〜（５）のいずれかのシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（７）前記（１）〜（６）のいずれかのシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶を引き上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。

本発明のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいては、直胴部の外周に上記したような溝を設けてあるので、その溝を基点として上端部が外側へ向く為、内側への倒れ込みを防ぐことが出来る。

本発明のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボでは、従来と同条件で作成したルツボの外周に溝を設けるだけの簡単な構造であり、肉厚の変更を伴わないことから、使用条件を調整する必要も無く使用可能である利点がある。またコスト的にも、簡便な装置で対応可能であり、有利である。

なお、特開２００４−２９９９２７号公報には、外表面に微小な溝を設けることが提案されているが、目的は摩擦抵抗を上げる為であり、座屈や沈み込みには効果があっても、倒れ込みには効かない。また本発明の溝とは溝の性質が異なる。
特開２００４−２９９９２７号公報

以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボについて詳細に説明する。

図１は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０の概略断面図である。
このシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０の基本形態は図１に示されているように、通常のものと同様であってよく、直胴部１２および底部１４を備えている。また、その層構成は、多数の気泡を含む半透明ガラス層の外層部１６と、該外層部１６の内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１８とからなっている。

本シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０においては、限定されないが、口径が
２２インチ以上のものに対して特に有用である。

本シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０には、シリコン単結晶引き上げ作業中に、前記直胴部１２の上端が内側に倒れ込むのを防止するため、該直胴部外周であって、初期メルトラインＬより上方に周状の溝２０が設けられている。換言すれば、この溝２０は、直胴部１２の上端が内側へ倒れ込むのを防止するように外側へ向くようにする基点となる。この溝の存在が、本発明のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの特徴点であり、他の構造、構成にあってはいかようであってもよい。上記溝２０の位置は、ルツボの大きさにもよるが、初期メルトラインＬより上方５〜３０ｍｍ程度であることが好ましい。上記溝２０の位置を初期メルトラインより上方にした理由は、初期メルトラインより下方にすると、溝２０が設けられている直胴部１２の部分は膨張するためカーボンサセプターに押し付けられるので、溝２０を基点として直胴部の上端を外側に向かわせることが困難となるからである。

上記溝２０は、図２の（Ａ）に示したように、本シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０をカーボンサセプター３２を備えるシリコン単結晶製造装置３０に組み込んだ際に、前記カーボンサセプター３２の上端より下方となるような位置に設けられていることが好ましい。溝２０をカーボンサセプター３２の上端より下方に設けることで、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０の上端が外側に向く際に、カーボンサセプター３２と接触し倒れ込んでしまうことが防止できる（図２の（Ｂ）参照）。

上記溝２０は、その深さの下限が１ｍｍ、または前記直胴部の肉厚の５％のいずれか大きい方、上限が３５％であることが好ましい。深さが１ｍｍ未満または直胴部の肉厚の５％未満であると、満足ゆくような効果が発揮できず、直胴部の肉厚の３５％をこえると、ハンドリング時に損傷の危険性が生ずる。

上記溝２０は、上記直胴部１２の外表面における幅が１〜１０ｍｍ、特に１〜５ｍｍであることが好ましい。幅が１ｍｍ未満では満足ゆくような効果が得られない場合があり、１０ｍｍをこえると、基点が安定しない。
上記溝２０の形状は、Ｖ字型、Ｕ字型、コの字型等が考えられるが、Ｖ字型であることが最も好ましい。Ｖ字型が最も安定した基点となる。

なお、上記溝２０は、その本数が１本に限らず、複数本であってもよい。

上記の溝２０は次のようにして形成することができる。
特に限定しないが、通常ルツボを製品とするには、ルツボを必要とされる高さにカットしたり、端面の面取りを行う必要があり、この作業に使用される機械は一般的に対象とされるルツボを保持回転させる機構を有する為、これを利用し、例えば先端をＶ字型としたツールを所定深さまで押し当てることで簡単に実現できる。

以上のような本発明の実施の形態に係るシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０は、例えば図３に示すようなシリコン単結晶製造装置３０においてカーボンサセプター３２により保護され、メインチャンバー３４内においてルツボ駆動機構（図示せず）によって回転・昇降自在に支持軸３６で支持される。そして、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０内において、加熱ヒーター３８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４０として、種ホルダー４２に保持された種結晶４４を原料融液４０に接触後、ワイヤー４６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Ｓを育成する。そして、育成したシリコン単結晶Ｓを、メインチャンバー３４に連接された引上げチャンバー４８に収容して取り出す。

以上のようなシリコン単結晶製造装置３０において、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０に設けられた溝２０の位置は、カーボンサセプター３２の上端より下方となるような位置に設定されている。

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。
実施例においては、図３に示したシリコン単結晶製造装置を用いたが、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０に設けた溝２０の位置（高さ位置）、深さ、幅、形状を表１に示したように種々変えたルツボを１０個ずつ作成し、シリコン単結晶を引き上げた。なお、ルツボサイズは、直径２４インチ（６０９．６ｍｍ）、高さ４００ｍｍ、直胴部肉厚１２ｍｍとした。なお、直胴部肉厚の５％は０．６ｍｍで、３５％は４．２ｍｍである。ルツボへのシリコン多結晶原料のチャージ量は１５０ｋｇで、初期メルトラインは、ルツボ上端面から下１２０ｍｍの位置であり、カーボンサセプターの上端は、ルツボ上端面から下６０ｍｍの位置であった。
比較例２も実施例と同様、表１に示した溝２０をシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０に設け、１０個作成し、シリコン単結晶を引き上げた。比較例１には、ルツボに溝がない場合の評価結果を示した。

表１に実施例及び比較例の結果を示す。

結果の評価は次の通りである。
◎ 内側へ変形したルツボは無し。
○ 内側への変形が１個または２個発生。但しいずれも操業上問題ないレベル。
△ 内側への変形が３〜５個発生。但しいずれも操業上問題ないレベル。
× 内側への変形が８個以上発生。更に内側へ倒れ込み、操業を中止せざるを得なかったものも発生。
以上から本発明の効果が明らかである。

本発明の実施の形態によるシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの概略断面図である。 （Ａ）は、図１に示したシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボと、該石英ガラスルツボを組み込むシリコン単結晶製造装置のカーボンサセプターの位置関係を説明する説明図であり、（Ｂ）は、石英ガラスルツボの直胴部に設けた溝によって直胴部の上端が外側に向いた状態を説明するための説明図である。 図１に示したシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボを組み込んだシリコン単結晶製造装置の概略図である。 （Ａ）は、従来の直胴部に溝のないシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボと、該石英ガラスルツボを組み込むシリコン単結晶製造装置のカーボンサセプターの位置関係を説明する説明図であり、（Ｂ）は、石英ガラスルツボの直胴部の上端が内側に倒れ込んだ状態を説明するための説明図である。

符号の説明

１０ シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ
１２ 直胴部
１４ 底部
２０ 溝
３０ シリコン単結晶製造装置
３２ カーボンサセプター
３４ メインチャンバー
３６ 支持軸
３８ 加熱ヒーター
４０ 原料融液
４２ 種ホルダー
４４ 種結晶
４６ ワイヤー
４８ 引上げチャンバー

Claims (7)

1. 直胴部と底部を備えたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいて、シリコン単結晶引き上げ作業中に、前記直胴部の上端が内側に倒れ込むのを防止するため、該直胴部外周であって、初期メルトラインより上方に周状の溝を設けたことを特徴とするシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
2. 当該石英ガラスルツボをカーボンサセプターを備えるシリコン単結晶製造装置に組み込んだ際に、前記溝が、前記カーボンサセプターの上端より下方となるような位置に設けられている請求項１のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
3. 前記溝は、その深さの下限が１ｍｍか、前記直胴部の肉厚の５％のいずれか大きい方、また上限が３５％である請求項１または２のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
4. 前記溝は、前記直胴部の外表面における幅が１〜１０ｍｍである請求項１〜３のいずれかのシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
5. 前記溝は、前記直胴部の外表面における幅が１〜５ｍｍである請求項４のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
6. 前記溝は、その形状がＶ字型である請求項１〜５のいずれかのシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
7. 請求項１〜６のいずれかのシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶を引き上げることを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
   

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