JP4985553B2

JP4985553B2 - シリコン溶融用ルツボ及びシリコン単結晶引上装置

Info

Publication number: JP4985553B2
Application number: JP2008157014A
Authority: JP
Inventors: 三郎脇田; 順一佐々木
Original assignee: Mitsubishi Materials Corp
Current assignee: Mitsubishi Materials Corp
Priority date: 2008-06-16
Filing date: 2008-06-16
Publication date: 2012-07-25
Anticipated expiration: 2019-05-26
Also published as: JP2008266137A

Description

この発明は、チョクラルスキ−法（ＣＺ法）によってシリコン単結晶を製造する際に用いるシリコン溶融用ルツボとシリコン単結晶引上装置に関するものである。

従来、シリコンやガリウムひ素等の半導体単結晶を成長する方法の一つとして、ＣＺ法が知られている。このＣＺ法は、大口径、高純度の単結晶が無転位あるいは格子欠陥の極めて少ない状態で容易に得られること等の特徴を有することから、様々な半導体結晶の成長に用いられている方法である。

このＣＺ法によってシリコン単結晶を製造する装置には、図５に示すようなものが知られている。この図において、符号２１は内部に不活性ガスが充填されたチャンバー、２２はチャンバー内に配置されたルツボ、２３はルツボ２２のまわりに配置された発熱体、２４はるつぼ２２の上方に配置された回転昇降自在なシリコン単結晶引上装置である。

ルツボ２２は、内部に溶融シリコン３２が収容される石英製の内ルツボ３３と、この内ルツボ３３の外面に嵌合されたカーボン製の外ルツボ３４とからなるものである。このルツボ２２は、その下面が軸３０の上側に取り付けられている。

シリコン単結晶引上装置２４は、ルツボ２２の上方に配置された回転昇降自在な軸を備え、この軸の下端にチャック３９が取り付けられたものである。このチャック３９には、シリコンの種結晶４０が保持されている。

このような構成のシリコン単結晶成長装置を用いてシリコン単結晶を製造する場合には、まず、ルツボ２２内に固体シリコンを収容する。そして、不活性ガスをチャンバー上部からチャンバー２１内に流入し、このチャンバー２１内のルツボ２２を発熱体２３により加熱する。このようにして、ルツボ２２内の固体シリコンを溶融シリコン３２とした後、シリコン単結晶引上装置２４を下降させて、種結晶４０を溶融シリコン３２に浸す。そして、この状態で、シリコン単結晶引上装置２４とルツボ２３を互いに逆方向に回転させ、シリコン単結晶引上装置２４をゆっくりと上昇させる。このようにすると、種結晶４０が成長してこの種結晶４０の下部に棒状の大きなシリコン単結晶４１を成長させていく。

このようなＣＺ法によるシリコン単結晶の製造方法において、原料の固体シリコンを溶融するルツボとしては、従来、石英製ルツボを使用している。この石英製ルツボはアモルファスであり、結晶と比べて構造が安定でないため、高温で軟化し易い。そのため、石英製ルツボは、通常、その形状を保持するためにカーボン製の外ルツボで嵌合している。

しかしながら、このようなルツボを用いてシリコンを溶融すると、石英製ルツボとカーボン製外ルツボとが反応して一酸化炭素ガスが発生し、該一酸化炭素ガスが溶融シリコン中に取り込まれることにより、シリコンインゴット中での炭素の濃度が高くなる等の問題があった。

本発明は、上述した事情に鑑みてなされたもので、固体シリコンを溶融するときに該固体シリコンを収容するルツボにおいて、シリコンの溶融中における変形が小さく、カーボン製外ルツボの使用を省略することも可能なシリコン溶融用ルツボおよびこれを用いたシリコン単結晶引上装置を提供する事を目的とする。

上記目的を達成するため本発明のシリコン溶融用ルツボは、非晶質のシリカ粉末を主成分とするバインダー層と非晶質のシリカ砂からなるスタッコ層とが交互に積層された構造をもつルツボ殻を、８００〜１２００℃で１〜８時間加熱保持して焼成し、結晶質のシリカ同士が焼結により拡散結合した成形体とされ、前記バインダー層と前記スタッコ層とが交互に任意層積層した内層部と外層部からなり、該外層部のシリカ砂が該内層部のシリカ砂より平均粒径が大きくされており、前記内層部のシリカ砂の平均粒径が２００μｍ以上１０００μｍ以下で、前記外層部のシリカ砂の平均粒径が２０００μｍ以下であることを特徴とする。この場合、シリコン溶融用のルツボは、前記スラリー層から溶媒が揮発し、シリカ粉末を主成分とするバインダー層とシリカ砂からなるスタッコ層とが交互に積層された構造をもつ。

また、このシリコン溶融用ルツボは、安定な構造を有する結晶質のシリカ粒子同士が焼成により拡散結合した成形体であるため、アモルファスの石英製ルツボに比べて強度が高く、溶融したシリコンを収容しても高温軟化が抑制される。そのため、カーボン製外ルツボの使用を廃止することが可能になる。

前記ルツボ殻は、前記スラリー層と前記スタッコ層とが交互に任意層積層した内層部と外層部からなり、該外層部のシリカ砂が該内層部のシリカ砂より平均粒径が大きいという条件にしてもよい。

例えば、前記内層部のシリカ砂の平均粒径１００μｍ以上１０００μｍ以下で、前記外層部のシリカ砂の平均粒径１００μｍを越え２０００μｍ以下であればよい。この場合、シリコン溶融用ルツボは、前述のように高温でも軟化が抑制されることに加えて、シリコンを収容する内層部の内側面は、平均粒径の小さなシリカ砂により均質に仕上げることができる。また、外層部の外側面は、粗いシリカ砂による凹凸を有するので、カーボン製外ルツボを使用したとしても、該カーボン製外ルツボと点接触状態になり、その間の反応が抑制され、シリコンインゴット中の不純物の原因となる一酸化炭素の発生を低減できる。
さらに、前記内層部のシリカ砂の平均粒径が２００μｍ以上１０００μｍ以下で、前記外層部のシリカ砂の平均粒径が２０００μｍ以下であることが好ましい。

シリコン溶融用ルツボと該ルツボの半径方向外方を開放状態としてその底面部を支持するカーボン製部材とを具備したシリコン単結晶引上装置の場合、カーボン製部材はシリコン溶融用ルツボの側面部に配置した発熱体に面しないので、該発熱体による加熱が抑制されること、また、シリコン溶融用ルツボの外側面は粗いシリカ砂による凹凸を有するので該凹凸とカーボン製部材とは点接触状態になることから、シリコン溶融用ルツボとカーボン製部材との反応が抑制され、シリコンインゴット中の不純物の原因となる一酸化炭素の発生を低減できる。また、発生した一酸化炭素ガスも、単結晶引上装置の上部から流れるアルゴンガスにより下部に流されるため、ルツボ内で溶融したシリコンに取り込まれる量は少ない。

本発明に係るシリコン溶融用ルツボおよびシリコン単結晶引上装置によれば、以下に記載されるような効果を奏する。

本発明のシリコン溶融用ルツボは、ルツボ中に分散した安定構造を有する結晶質のシリカ粒子同士が、焼成により拡散結合した成形体であるため、強度が高く、溶融したシリコンを収容しても高温軟化が抑制される。そのため、カーボン製外ルツボの使用を廃止することも可能である。

シリコン溶融用ルツボが、バインダー層とスタッコ層とが交互に任意層積層した内層部と外層部からなり、該外層部のシリカ砂が該内層部のシリカ砂より平均粒径が大きい場合、シリコン溶融用ルツボの内側面はバーナーによる加熱溶融によって容易に平坦な面を形成することができて品質のよいシリコンインゴットを製造するのに適しており、また、外側面は平均粒径が大きいシリカ砂による凹凸を有するので、カーボン製部材とは点接触状態になることから、シリコン溶融用ルツボとカーボン製部材との反応が抑制され、シリコンインゴット中の不純物の原因となる一酸化炭素の発生を低減できる。

本発明のシリコン溶融用ルツボを具備したシリコン単結晶引上装置の場合、シリコン溶融用ルツボはカーボン製外ルツボとは点接触状態で支持されるのでその間の反応が抑制され、一酸化炭素の発生が低減されることから、炭素濃度の低いシリコンインゴットを製造することが可能になる。また、カーボン製外ルツボの使用を廃止することが可能になり、その場合も、炭素濃度の低いシリコンインゴットを製造することが可能となる。

本発明のシリコン溶融用ルツボと該ルツボの半径方向外方を開放状態としてその底面部を支持するカーボン製部材とを具備したシリコン単結晶引上装置の場合、シリコン溶融用ルツボとカーボン製部材との反応が抑制され、シリコンインゴット中の不純物の原因となる一酸化炭素の発生を低減できる。

まず、本発明に係るシリコン溶融用ルツボを製造する製造方法の好適な実施の形態を図１のフローチャートを参照して詳細に説明する。

まず、ステップＳ０１において、所望のルツボの内側空間と同じ形状を有する鑞型を有する鑞型を用意する。次に、ステップＳ０２において、この鑞型を、シリカ粉末とコロイダルシリカとを混合してなるスラリー中に浸漬した後引き上げて、鑞型の表面にスラリー層を形成する。次に、該スラリー層の表面に、ステップＳ０３において、シリカ砂を散布してスタッコ層を形成する。次に、このステップＳ０２とステップＳ０３の工程をさらに任意回数繰り返し、スラリー層とスタッコ層とを交互に積層した緻密な内層部を形成する。

次に、ステップＳ０４において、前記内層部が形成された鑞型を、前記スラリー中に浸漬した後引き上げて、前記内層部の表面にスラリー層を形成する。次に、ステップＳ０５において、そのスラリー層の上に該内層部のシリカ砂より平均粒径が大きいシリカ砂を散布してスタッコ層を形成する。このステップＳ０４とステップＳ０５の工程を任意回数繰り返して、スラリー層とスタッコ層とを交互に積層した後、最後にスラリー層を形成して外層部を形成する。こうして鑞型表面には、細かいシリカ砂からなる内層部と粗いシリカ砂からなる外層部とが形成される。

ステップＳ０６において、このように表面に内層部と外層部とが形成された鑞型を、温度７０〜２００℃で加熱して溶融して除去する。こうして得られたシリカの積層体からなるルツボ殻を、最後ステップＳ０７において、８００〜１２００℃で１〜８時間加熱保持して焼成することにより、図２に示されるように内層部３と外層部４を有する、シリコン溶融用ルツボ１ができあがる。このようにして作製されたシリコン溶融用ルツボは、安定な構造を有する結晶質のシリカ粒子からなるため、強度が高く、溶融したシリコンを収容しても高温軟化が抑制される。

ここでは、細かいシリカ砂による内層部と粗いシリカ砂による外層部を積層した場合を説明したが、粗いシリカ砂の層に細かいシリカ砂が浸透していてもよい。このとき、内側面は主に細かいシリカ砂からなり、また、外側面は主として粗いシリカ砂からなるシリコン溶融用ルツボならば、好適である。

図３は、得られたシリコン溶融用ルツボの一部を拡大した模式図である。実際のシリコン溶融用ルツボでは通常多数層を積層しているが、この模式図においては、内層部３はバインダー層５とスタッコ層６ａを二層づつ、外層部４はバインダー層５を三層、スタッコ層６ｂを二層だけ描いている。内層部３は平均粒径の小さなシリカ砂７からなるので、シリコンを収容する内側面３ａはバーナーで加熱溶融することによって平坦な面を形成することも容易である。

この場合、外層部４のシリカ砂８として、平均粒径がカーボン製部材の表面の凹凸の深さより大きなものを使用すれば、シリコン溶融用ルツボの外側面のシリカ砂８による凹凸９とカーボン製部材とは点接触状態になり、その間の反応の低減により効果的である。あるいは逆に、カーボン製部材として、その表面の凹凸の深さが外層部のシリカ砂の平均粒径より小さなものを使用してもよい。

図４は、本発明に係るシリコン単結晶引上装置のシリコン溶融用ルツボおよびカーボン製部材の近傍の模式図である。この図において、符号１５は図示していないチャンバー内に配置されたシリコン溶融用ルツボ、１６はそのシリコン溶融用ルツボを固定支持するカーボン製部材、１８はそのカーボン製部材が取り付けられている軸、１７はシリコン溶融用ルツボ内の固体シリコンを溶融するための発熱体である。

カーボン製部材１６は、シリコン溶融用ルツボ１５の半径方向外方を開放状態としてその底面部１５ａに面して該シリコン溶融用ルツボ１５を支持し、シリコン溶融用ルツボ１５の側面部１５ｂに配置した発熱体１７に面しないので、該発熱体１７による加熱が抑制されること、また、シリコン溶融用ルツボ１５の外側面は粗いシリカ砂による凹凸を有するので、カーボン製部材１６とは点接触状態になることから、シリコン溶融用ルツボ１５とカーボン製部材１６との反応が抑制され、シリコンインゴット中の不純物の原因となる一酸化炭素の発生を低減できる。また、発生した一酸化炭素ガス（図中矢印Ａ）も、図示していないシリコン単結晶引上装置の上部から流れているアルゴンガス（図中矢印Ｂ）により下部に流されるため、シリコン溶融用ルツボ１５内に収容されている溶融シリコン３２に取り込まれる量は少ない。

ＣＺ法により製造したシリコンインゴットに含有している炭素濃度について、上述のような本発明の方法で製造したシリコン溶融用ルツボをカーボン製外ルツボで嵌合しないで使用した場合と、従来型の石英製ルツボをカーボン製外ルツボで嵌合して使用した場合とで比較した。

本発明のシリコン溶融用ルツボの作製にあたって、鑞型はφ５００ｍｍで高さ３００ｍｍの外形を有するものを用いた。また、スラリーは、平均粒径約３０μｍのシリカ粉末とコロイダルシリカを約６５：３５の（重量比）で混合して作製したものを用いた。内層部のスタッコ層のシリカ砂には平均粒径約２００μｍのものを用い、スラリー層とスタッコ層とを交互に各５層積層し合計厚さ３ｍｍの内層部を形成した。さらに、外層部のスタッコ層のシリカ砂には平均粒径約１０００μｍのものを用い、スラリー層とスタッコ層とを交互に各５層積層し合計厚さ７ｍｍの外層部を形成した。

このようにして表面にシリカ層の内層部と外層部を形成した鑞型を、温度約１００℃で加熱して溶融して除去した。こうして得られたシリカの積層体からなるルツボ殻を、８００℃で８時間加熱保持して焼成することにより、シリコン溶融用ルツボを作製した。

このようにして製造したシリコン溶融用ルツボを使用し、カーボン製外ルツボを用いずに、ＣＺ法で実際に得られたのは、φ３in.×１５０ｍｍのシリコン単結晶インゴットで、このインゴット中の炭素濃度は約５×１０¹⁴ ａｔｏｍ／ｃｍ³であった。一方、従来のように石英製ルツボをカーボン製外ルツボに嵌合して使用し、同じ引上条件で製造したシリコン単結晶の場合の炭素濃度では、約１×１０¹⁶ ａｔｏｍ／ｃｍ³であった。すなわち、シリコン単結晶中の炭素濃度は、本発明によるカーボン製外ルツボが不要な結晶質シリカ粒子分散型のシリコン溶融用ルツボを使用した場合は、従来型のカーボン製外ルツボを要した石英製ルツボを使用した場合に比べて、２０分の１に低減されている。こうして、本発明のカーボン製外ルツボが不要なシリコン溶融用ルツボは、シリコン単結晶中の炭素濃度を低減させることに効果があることが確認された。

本発明のシリコン溶融用ルツボの製造方法に係る一実施形態を示すフローチャートである。本発明のシリコン溶融用ルツボの一例の断面図である。図２の一部の拡大図である。本発明のシリコン溶融用ルツボとカーボン製部材の一実施形態を示す図である。従来のシリコン単結晶引上装置の一実施形態を示す図である。

符号の説明

１シリコン溶融用ルツボ
３内層部
３ａ内側面
４外層部
４ａ外側面
５バインダー層
６ａスタッコ層
６ｂスタッコ層
７シリカ砂
８シリカ砂
９凹凸
１５シリコン溶融用ルツボ
１５ａ底面部
１５ｂ側面部
１６カーボン製部材
１７発熱体
１８軸
２１チャンバー
２２ルツボ
２３発熱体
２４シリコン単結晶引上装置
３０軸
３２溶融シリコン
４０種結晶
４１シリコン単結晶
Ａ一酸化炭素ガスの流れ
Ｂアルゴンガスの流れ

Claims

シリコン溶融用ルツボにおいて、非晶質のシリカ粉末を主成分とするバインダー層と非晶質のシリカ砂からなるスタッコ層とが交互に積層された構造をもつルツボ殻を、８００〜１２００℃で１〜８時間加熱保持して焼成し、結晶質のシリカ同士が焼結により拡散結合した成形体とされ、
前記バインダー層と前記スタッコ層とが交互に任意層積層した内層部と外層部からなり、該外層部のシリカ砂が該内層部のシリカ砂より平均粒径が大きくされており、
前記内層部のシリカ砂の平均粒径が１００μｍ以上１０００μｍ以下で、前記外層部のシリカ砂の平均粒径が１００μｍを越え２０００μｍ以下であることを特徴とするシリコン溶融用ルツボ。
前記内層部のシリカ砂の平均粒径が２００μｍ以上１０００μｍ以下で、前記外層部のシリカ砂の平均粒径が２０００μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のシリコン溶融用ルツボ。
請求項１又は請求項２に記載のシリコン溶融用ルツボを具備することを特徴とするシリコン単結晶引上装置。
請求項１又は請求項２に記載のシリコン溶融用ルツボと、該ルツボの半径方向外方を開放状態としてその底面部を支持するカーボン製部材とを具備することを特徴とするシリコン単結晶引上装置。