JP5171936B2 - 石英ガラスルツボおよびその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、シリコン単結晶の引き上げに使用される石英ガラスルツボについて、内表面近傍のOH基濃度が高く、内表面から離れるほどOH基濃度が低い石英ガラスルツボとその製造方法に関する。
半導体デバイスの基板や太陽電池等に使用されるシリコン単結晶は、主にCZ法により製造されている。この方法は、石英ガラスルツボに高純度多結晶シリコン融液をチャージし、不活性ガス雰囲気下でシリコン単結晶を引上げる方法である。
最近、シリコン単結晶の大口径化に伴って大型ルツボが使用され、多量の多結晶シリコンがチャージされるので、引き上げ時のルツボ温度が従来よりも高くなっている。このため、ルツボ内面の熔損量が増加し、かつルツボの粘度も低下する。この溶損量の増加や粘性の低下は、ルツボの長時間使用を阻害する要因となっている。
このようなルツボ内面の熔損と粘度低下によるルツボの変形を防止するために、シリコン単結晶の引上げ時に、内面が失透するガラスルツボが提案されている(特許文献1:特開平9−110579号など)。しかし、ルツボ内面を失透させるために内面にバリウム(Ba)を塗布したり、あるいは、アルカリ金属やアルカリ土類金属を添加してポリシリコンの熔解中にルツボ内面を結晶化させる方法は、これらの不純物によるシリコン単結晶の汚染が問題となる場合がある。
そこで、ルツボ内表面層のOH基濃度を高めることによって結晶化を促す方法が提案されている(特許文献2:特開2005−145732号、特許文献3:WO−00/06811号)。特許文献2のルツボでは、少なくとも内表面から10μm〜200μmの範囲のOH基を250ppm〜650ppmに制御している。また、特許文献3のルツボでは、内面層のOH基を50ppm〜250ppmに調整している。
特開平9−110579号公報 特開2005−145732号公報 国際公開WO−00/06811号公報
ルツボ内表面にシリコン融液が接触して生じる結晶化は、内表面のOH基濃度が高いほど起こりやすいことが知られている(JJAP Vol. 35 1996 p3547)。しかし、OH基濃度が高いほどガラスの粘度が低下し、変形しやすくなると云う問題がある。特に大型ルツボの場合、小型ルツボよりも大量の多結晶シリコンがチャージされるので、溶融時間が長くなり、ルツボの温度が高くなる。しかも、多結晶シリコンが溶融してシリコン融液が形成されるまでの間、溶解中のシリコン融液がない状態では、ルツボ内面層のOH基が多くても失透は起こり難く、むしろOH基濃度が高いために変形の可能性だけが大きくなる。
本発明は、従来のOH基濃度を高めたガラスルツボにおける上記問題を解決したものであり、ルツボの内表面層において内表面に近いほどOH基濃度を多くし、内表面から離れるに従って急激にOH基濃度が減少するようにOH基濃度勾配を形成することによって、引き上げ時の内表面の結晶化促進とルツボの強度維持とを十分に両立させた石英ガラスルツボを提供する。
本発明は、以下の構成によって上記課題を解決したガラスルツボとその製造方法に関する。
〔1〕ルツボの少なくとも直胴部の一部において、ルツボの内表面から0.3mm〜3mmの領域におけるOH基濃度およびOH基濃度勾配が内表面に近いほど大きく、内表面から離れるほど小さいことを特徴とする石英ガラスルツボ。
〔2〕ルツボの内表面から0.3mm〜0.5mmの領域においてOH基濃度が115ppm以上且つOH基濃度勾配が100ppm/mm以上であり、ルツボの内表面から1.0mm〜3.0mmの領域においてOH基濃度勾配が25ppm/mm以下である上記[1]に記載する石英ガラスルツボ。
〔3〕ルツボの内表面から0.3mm〜0.5mmの領域においてOH基濃度勾配が100ppm/mm以上であり、ルツボの内表面から0.5mm〜1.0mmの領域においてOH基濃度勾配が50ppm/mm以上であり、ルツボの内表面から1.0mm〜2.0mmの領域においてOH基濃度勾配が25ppm/mm以下であり、ルツボの内表面から2.0mm〜3.0mmの領域においてOH基濃度勾配が20ppm/mm以下である上記[1]に記載する石英ガラスルツボ。
〔4〕ルツボの内表面から0.5mmまでの領域の一部または全部のOH基濃度が115ppm以上であり、内表面から1.0mm〜2.0mmのOH基濃度が105ppm以下であり、内表面から2.0mm〜3.0mmのOH基濃度が80ppm以下であり、内表面から3.0mm以上且つ内表面から少なくとも0.8t(tはルツボの肉厚)以下の領域においてOH基の濃度が60ppm以下である上記[1]〜上記[3]の何れかに記載する石英ガラスルツボ。
〔5〕回転するモールドの内表面に沿って堆積した石英粉を加熱溶融してガラス化し、ガラスルツボを製造する方法において、溶融時または溶融終了直後に水蒸気を含む空気を導入することによって、ルツボの内表面から0.3mm〜3mmの領域に含まれるOH基の濃度および濃度勾配が前記内表面に近いほど大きく、前記内表面から離れるほど小さい石英ガラスルツボを製造することを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
〔6〕回転するモールドの内表面に沿って堆積した石英粉を加熱溶融してガラス化し、石英ガラスルツボを製造する方法において、前記石英粉の溶融終了後に水蒸気を含む空気が導入された環境下で再び熱処理することによって、ルツボの内表面から0.3mm〜3mmの領域に含まれるOH基の濃度および濃度勾配が前記内表面に近いほど大きく、前記内表面から離れるほど小さい石英ガラスルツボを製造することを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
本発明のガラスルツボは、ルツボの少なくとも直胴部において、ルツボ内表面から0.3mm〜3mmの領域のOH基濃度およびOH基濃度勾配が内表面に近いほど大きいので、シリコン融液に接触する内表面が結晶化しやすい。一方、該領域のOH基濃度およびOH基濃度勾配が内表面から離れるほど小さいので、ガラスの粘性が高く、高温下でルツボが変形し難い。
本発明のガラスルツボは、具体的には、ルツボ内表面から0.3mm〜0.5mmの領域においてOH基濃度が115ppm以上であって、0.3mm〜0.5mmのOH基濃度勾配が100ppm/mm以上であり、ルツボの内表面から1.0mm〜3.0mmのOH基濃度勾配が25ppm/mm以下である。
上記OH基濃度の分布および濃度勾配に示すように、ルツボ内表面から0.3mm〜1.0mmの領域において、内表面に近いほどOH基濃度が急激に高くなり、一方、ルツボ内表面から離れるほどOH基濃度が次第に低下する。具体的には、例えば、(イ)ルツボの内表面から0.3mm〜0.5mmの領域ではOH基濃度勾配100ppm/mm以上および内表面から0.5mmまでの一部または全部のOH基濃度115ppm以上、(ロ)内表面から0.5mm〜1.0mmの領域ではOH基濃度勾配50ppm/mm以上、(ハ)内表面から1.0mm〜2.0mmの領域ではOH基濃度勾配25ppm/mm以下およびOH基濃度105ppm以下、(ニ)内表面から2.0mm〜3.0mmの領域ではOH基濃度勾配20ppm/mm以下およびOH基濃度80ppm以下である。
このように、ルツボ内表面に近いほどOH基濃度が急激に多くなり、115ppm以上、好ましくは130ppm以上であるので、シリコン融液との接触によってルツボ表面が結晶化しやすい。一方、ルツボ内表面から1.0mm以上の領域ではOH基濃度が十分に低いため、高温下でのガラスの粘性が急激に低下せず、ルツボの強度が維持され、変形を生じ難い。
本発明の製造方法は、回転するモールドの内表面に沿って堆積した石英粉を加熱溶融してガラス化し、ガラスルツボを製造する方法において、溶融時または溶融終了直後に水蒸気を含む空気を導入し、または、溶融冷却後に再び水蒸気を含む環境下で熱処理することによって石英ガラスルツボを製造する方法であり、溶融時または溶融終了直後、あるいは溶融冷却後の熱処理時に、雰囲気中に水蒸気を導入し、その量を調整することによって、上記OH基濃度分布およびOH基濃度勾配を有するガラスルツボを製造することができる。
本発明の好ましい実施形態による石英ガラスルツボの構造を概略的に示す断面図 ルツボの内表面付近のOH基濃度分布を示すグラフ 本実施形態による石英ガラスルツボの製造工程を概略的に示すフローチャート ルツボの変形量の測定方法を示す説明図
符号の説明
10 石英ガラスルツボ
10A ルツボの直胴部
10B ルツボの底部
10C ルツボのコーナー部
11 不透明ガラス層
12 透明ガラス層
以下、本発明を図面に示す実施形態に基づいて具体的に説明する。
図1は、本発明の好ましい実施形態による石英ガラスルツボの構造を概略的に示す断面図である。
図1に示すように、本発明による石英ガラスルツボ10はシリコン単結晶の引き上げに用いられるものであり、直胴部10Aと、底部10Bと、コーナー部10Cとを有している。直胴部10Aは円筒状の側壁を構成する垂直な部分であるが、完全に垂直である必要はなく、例えば開口に向かって徐々に広がるように傾斜していてもよい。また、直胴部は直線的であってもよく、緩やかに湾曲していてもよい。特に限定されるものではないが、直胴部は、ルツボの中心軸と直交する平面に対するルツボ壁面の接線傾斜角が80度以上となる領域として定義することができる。
底部10Bは、ルツボの中心軸と直交する底壁を構成する部分であり、コーナー部10Cは、直胴部10Aと底部10Bとの間に位置する湾曲した部分である。底部10Bの形状はいわゆる丸底であってもよく、平底であってもよい。また、コーナー部10Cの曲率や角度も任意に設定することができる。ルツボ底部10Bが丸底の場合には、底部10Bも適度な曲率を有するため、底部10Bとコーナー部10Cとの曲率差は平底に比べて非常に小さい。ルツボ底部10Bが平底の場合には、底部10Bが平坦或いは極めて緩やかな湾曲面をなし、コーナー部10Cの曲率は非常に大きい。
ルツボの肉厚は10mm以上であることが好ましい。大型ルツボには長時間の操業に耐え得ることが求められており、そのためにはある程度の厚さが必要となるからである。特に、直径32インチ(口径約800mm)以上の大型ルツボの肉厚は10mm以上、直径40インチ(口径約1000mm)以上の大型ルツボの肉厚は13mm以上であることが好ましい。
石英ガラスルツボ10は、ルツボの外表面側に設けられた多数の微小な気泡を内包する不透明ガラス層11と、ルツボの内表面側に設けられた気泡をほとんど内包しない不透明ガラス層12とを備えることが好ましい。不透明ガラス層11を設けることにより、ルツボ外周に配置されたヒータからの熱を石英ガラスルツボ中のシリコン融液に均一に伝達させることができる。また、ルツボ内表面付近に透明石英ガラス層12を設けることにより、シリコン単結晶引き上げ時の加熱の際に内表面付近の気泡が熱膨張してルツボ内表面が部分的に剥離し、石英片が単結晶に混入して単結晶化率を低下させる事態を防止することができる。石英ガラスルツボ10は、内層を合成石英によって形成し、外層を天然石英で形成してもよく、或いは、ルツボ全体を天然石英で形成してもよい。
本発明による石英ガラスルツボ10は、石英ガラス中のOH基濃度およびOH基濃度勾配がルツボの内表面に近いほど大きく、内表面から離れるほど小さいことを特徴としている。そのようなOH基濃度及びOH基濃度勾配は、ルツボの少なくとも直胴部10Aの一部が有していればよく、この条件を満たす限り、直胴部10Aの全体がそのようなOH基濃度及び濃度勾配を有していてもよく、直胴部10Aの主要部分のみがそのようなOH基濃度及び濃度勾配を有していてもよい。さらに、直胴部10Aのみならずコーナー部10CがそのようなOH基濃度及び濃度勾配を有していてもよく、直胴部10A、コーナー部10C及び底部10Bを含むルツボ全体がそのようなOH基濃度及び濃度勾配を有していてもよい。
本発明による石英ガラスルツボの直胴部のOH基濃度分布を図2に示す(実施例1、2)。また、比較例による石英ガラスルツボの直胴部のOH基濃度分布を図2に併せて示す(比較例1、2)。
一般に、石英ガラスルツボ中のOH基濃度は赤外分光分析法により測定することができる。詳細には、まず石英ガラスルツボから石英ガラス片を切り出し、これを測定用サンプルの原型とする。この測定用サンプルの原型を平板状に加工し、さらに表面及び裏面を研磨することにより測定用サンプルを得る。次に、赤外分光光度計(光透過率測定装置)を用いて、測定用サンプルの表面に赤外線を入射させ、測定用サンプルの裏面から出射した透過光を受光し、測定された赤外線の吸収スペクトルにおけるOH基に起因した赤外線吸収ピークを選択し、そのピークの波長における透過率と、赤外線吸収による影響を受けない波長における透過率とを比較することにより、測定用サンプル中のOH基濃度が算出される。
そのため、図2において、X軸の0.3mmの位置にプロットされた測定値は、ルツボ内表面から0.3mm超の厚さを有する石英ガラス片の測定用サンプルを切り出し、これを上記のように加工した後、上記分光分析法により測定して得られた値であり、内表面(0mm)から0.3mmまでの範囲の石英ガラス部分に含まれるOH基の濃度を示すものである。同様に、0.5mmの位置にプロットされた測定値は、0.3〜0.5mmの範囲の石英ガラス部分に含まれるOH基の濃度を示すものである。さらに、X軸の1mmの位置にプロットされた測定値は0.5〜1mmの範囲の石英ガラス部分に含まれるOH基の濃度、2mmの位置にプロットされた測定値は1〜2mmの範囲の石英ガラス部分に含まれるOH基の濃度、3mmの位置にプロットされた測定値は2〜3mmの範囲の石英ガラス部分に含まれるOH基の濃度をそれぞれ示しており、OH基濃度勾配は図2の各点の間の直線の傾きで表される。
図2に示すように、本発明の石英ガラスルツボは、ルツボの少なくとも直胴部において、ルツボ内表面0.3mm〜3mm以下の範囲におけるOH基濃度およびOH基濃度勾配が内表面に近いほど大きく、内表面から離れるほど小さいことを特徴とする。
具体的には、図示するように、ルツボの内表面から0.3mm〜0.5mmの領域においてOH基濃度が115ppm以上であって、ルツボの内表面から0.3mm〜0.5mmの領域においてOH基濃度勾配が100ppm/mm以上であり、ルツボの内表面から1.0mm〜3.0mmの領域においてOH基濃度勾配が25ppm/mm以下である。
ルツボの内表面から0.3mm〜0.5mmの領域において、OH基濃度が115ppmより低いとシリコン融液に接触したときに内表面の結晶化が不十分になる。また該領域においてOH基濃度勾配が100ppm/mmより小さいと、内表面から離れた位置のOH基濃度が高くなり、ルツボの粘度が小さくなるため好ましくない。
また、ルツボの内表面から1.0mm〜3.0mmの領域において、OH基濃度勾配が25ppm/mmより高いとこの領域のOH基濃度を低く維持するのが難しくなる。
本発明にガラスルツボは、好ましくは、図示するように、以下のOH基濃度分布およびOH基濃度勾配を有する。
(イ)ルツボの内表面から0.3mm〜0.5mmの領域において、OH基濃度勾配が100ppm/mm以上、および内表面から0.3mm〜0.5mmの領域において、OH基濃度が115ppm以上。
(ロ)ルツボの内表面から0.5mm〜1.0mmの領域において、OH基濃度勾配が50ppm/mm以上。
(ハ)ルツボの内表面から1.0mm〜2.0mmの領域において、OH基濃度勾配が25ppm/mm以下、およびOH基濃度が105ppm以下。
(ニ)ルツボの内表面から2.0mm〜3.0mmの領域において、OH基濃度勾配が20ppm/mm以下、およびOH基濃度が80ppm以下。
ここで、上記領域の区分をルツボの内表面0mmではなく0.3mmからの温度勾配としているのは、OH基濃度が所定の厚さを有する石英ガラス中の濃度として測定され、表面のみを測定することができないからである。また、内表面近傍0.3mm以内のOH基濃度はたとえば一定であっても高ければよいためである。
さらに、図2から明らかなように、OH基濃度勾配は内表面から離れるほど小さいことから、ルツボの内表面から3.0mm以上の領域においては、OH基の濃度が60ppm以下であることが好ましく、特にルツボの内表面から3.0mm〜0.8t(tはルツボの肉厚)の領域に含まれるOH基の濃度が60ppm以下であることが好ましい。
上記OH基濃度分布およびOH基濃度勾配であれば、OH基濃度およびOH基濃度勾配がルツボ内表面に近いほど大きくなり、かつルツボ内表面から離れるほど小さくなり、ルツボ内表面に近いほど距離に比例してOH基濃度の差が大きく、内表面付近のOH基濃度を高く維持しつつ、ルツボ内表面から離れるほどOH基濃度を少なくすることができる。
従って、上記OH基濃度分布およびOH基濃度勾配を有するガラスルツボは、ルツボ内表面に近いほどOH基濃度が高いので、シリコン融液に接触したときに内表面が結晶化しやすく、結晶化を促進することができる。一方、該内表面から離れるほどOH基濃度は急激に少なくなり、内表面から1.0mm以上離れた領域のOH濃度は100ppm以下、内面から2mm以上離れた領域では80ppm以下であるので、高温下においてガラスの粘性が十分に高い。このため、ルツボに装入した多結晶シリコンを溶融するときに、高温加熱からシリコン融液が形成されるまでの間、ルツボの強度が十分に保たれる。
本発明による石英ガラスルツボの製造方法は、回転するモールドの内表面に沿って堆積した石英粉を加熱溶融してガラス化し、ガラスルツボを製造する方法において、溶融時または溶融終了直後に水蒸気を含む空気を導入し、または、溶融冷却後に再び水蒸気を含む環境下で熱処理することによって石英ガラスルツボを製造する方法である。
図3は、本実施形態による石英ガラスルツボの製造工程を概略的に示すフローチャートである。
図3に示すように、石英ガラスルツボの製造では、回転するモールドの内表面に石英粉を堆積させ(S11)、石英粉をアーク熔融してガラス化し(S12)、溶融終了後に冷却することによって完成する(S13,S14)。ここで、水蒸気を含む空気は石英ガラスルツボの溶融時に導入してもよく(S15)、または溶融終了直後に導入してもよく(S16)、あるいは溶融冷却後の熱処理時に、雰囲気中に水蒸気を導入し(S17,S18)、上記OH基濃度分布およびOH基濃度勾配になるように水蒸気量を調整することによって上記ガラスルツボを製造することができる。
〔実施例1〕
内層を合成石英ガラスによって形成し、外層を高純度天然石英ガラスによって形成した合成石英ガラスルツボ(口径32インチ)について、加熱溶融終了直後に相対湿度70%温度25℃に調整した空気を加熱溶融炉の壁に設けた吸気口から加熱溶融炉内に120 m3/分の流量で10分間導入し、ルツボ直胴部(ルツボ上端から、ルツボ高さの40%の位置)のOH基濃度を表1および図2のように調整した。
〔実施例2〕
内層を合成石英ガラスによって形成し、外層を高純度天然石英ガラスによって形成した合成石英ガラスルツボ(口径32インチ)について、加熱溶融開始直後に相対湿度70%温度25℃に調整した空気を加熱溶融炉の壁に設けた吸気口から加熱溶融炉内に80 m3/分の流量で20分間導入し、ルツボ直胴部(ルツボ上端から、ルツボ高さの40%の位置)のOH基濃度を表1および図2のように調整した。
〔比較例1〕
内層を合成石英ガラスによって形成し、外層を高純度天然石英ガラスによって形成した合成石英ガラスルツボ(口径32インチ)について、加熱溶融開始直後に相対湿度80%温度25℃に調整した空気を加熱溶融炉の壁に設けた吸気口から加熱溶融炉内に80 m3/分の流量で20分間導入し、ルツボ直胴部(ルツボ上端から、ルツボ高さの40%の位置)のOH基濃度を表1および図2のように調整した。
〔比較例2〕
内層を合成石英ガラスによって形成し、外層を高純度天然石英ガラスによって形成した合成石英ガラスルツボ(口径32インチ)について、加熱溶融開始直後に相対湿度40%温度25℃に調整した空気を加熱溶融炉の壁に設けた吸気口から加熱溶融炉内に120 m3/分の流量で20分間導入し、ルツボ直胴部(ルツボ上端から、ルツボ高さの40%の位置)のOH基濃度を表1および図2のように調整した。
実施例1〜2および比較例1〜2のルツボを用いて、直径約300mmのシリコン単結晶の引き上げを行ったときの、ルツボの変形量および内表面の結晶化状態(失透の有無)を表1に示した。変形量の測定方法を図4に示した。変形量は、ルツボ壁ストレート部からの出っ張り量である。
表1に示すように、実施例1〜2は何れも内表面が結晶化し、また変形量は1.5mm以下であり、変形し難いことが確認された。一方、比較例1〜2は内表面が結晶化するものの変形量は2mmであり、変形量が大きいことが確認された。
Figure 0005171936

Claims (5)

  1. 直胴部、コーナー部及び底部を有する石英ガラスルツボであって、少なくとも前記直胴部の一部において、ルツボの内表面から0.3mm〜3mmの領域に含まれるOH基の濃度および濃度勾配が前記内表面に近いほど大きく、前記内表面から離れるほど小さく、前記内表面から0.3mm〜0.5mmの領域に含まれる前記OH基の濃度が115ppm以上であり、前記内表面から0.3mm〜0.5mmの領域に含まれる前記OH基の濃度勾配が100ppm/mm以上であり、前記内表面から1.0mm〜3.0mmの領域に含まれる前記OH基の濃度勾配が25ppm/mm以下であることを特徴とする石英ガラスルツボ。
  2. 前記内表面から0.3mm〜0.5mmの領域に含まれる前記OH基の濃度勾配が100ppm/mm以上であり、前記内表面から0.5mm〜1.0mmの領域に含まれる前記OH基の濃度勾配が50ppm/mm以上であり、前記内表面から1.0mm〜2.0mmの領域に含まれる前記OH基の濃度勾配が25ppm/mm以下であり、前記内表面から2.0mm〜3.0mmの領域に含まれる前記OH基の濃度勾配が20ppm/mm以下である請求項1に記載する石英ガラスルツボ。
  3. 前記内表面から0.5mmまでの領域に含まれる前記OH基の濃度が115ppm以上であり、前記内表面から1.0mm〜2.0mmの領域に含まれる前記OH基の濃度が105ppm以下であり、前記内表面から2.0mm〜3.0mmの領域に含まれる前記OH基の濃度が80ppm以下であり、前記内表面から3.0mm以上且つ前記内表面から少なくとも0.8t(tはルツボの肉厚)以下の領域に含まれる前記OH基の濃度が60ppm以下である請求項1に記載する石英ガラスルツボ。
  4. 回転するモールドの内表面に沿って堆積した石英粉を加熱溶融してガラス化し、石英ガラスルツボを製造する方法において、前記石英粉の溶融中または溶融終了直後に水蒸気を含む空気を導入することによって、ルツボの内表面から0.3mm〜3mmの領域に含まれるOH基の濃度および濃度勾配が前記内表面に近いほど大きく、前記内表面から離れるほど小さく、前記内表面から0.3mm〜0.5mmの領域に含まれる前記OH基の濃度が115ppm以上であり、前記内表面から0.3mm〜0.5mmの領域に含まれる前記OH基の濃度勾配が100ppm/mm以上であり、前記内表面から1.0mm〜3.0mmの領域に含まれる前記OH基の濃度勾配が25ppm/mm以下である石英ガラスルツボを製造することを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
  5. 回転するモールドの内表面に沿って堆積した石英粉を加熱溶融してガラス化し、石英ガラスルツボを製造する方法において、前記石英粉の溶融終了後に水蒸気を含む空気が導入された環境下で再び熱処理することによって、ルツボの内表面から0.3mm〜3mmの領域に含まれるOH基の濃度および濃度勾配が前記内表面に近いほど大きく、前記内表面から離れるほど小さく、前記内表面から0.3mm〜0.5mmの領域に含まれる前記OH基の濃度が115ppm以上であり、前記内表面から0.3mm〜0.5mmの領域に含まれる前記OH基の濃度勾配が100ppm/mm以上であり、前記内表面から1.0mm〜3.0mmの領域に含まれる前記OH基の濃度勾配が25ppm/mm以下である石英ガラスルツボを製造することを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
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