JP5252157B2 - 石英ガラスルツボ - Google Patents

Description

本発明はシリコン単結晶の引き上げに用いる石英ガラスルツボに関する。より詳しくは、本発明は、大口径のルツボであっても、引き上げ時の高温下において内倒れ変形を生じ難い石英ガラスルツボに関する。

半導体材料として用いられるシリコン単結晶は、石英ガラスルツボに収容したシリコン融液を上方に引上げながら単結晶化する方法によって主に製造されている。このシリコン単結晶の引上げに用いる石英ガラスルツボは、その内面層が溶融シリコンに接触するので、単結晶の品質向上を目的として内面層を合成石英ガラスによって形成したルツボが知られている。また、合成石英ガラスは天然石英ガラスよりも高温粘度がやや低いので、ルツボの高温強度を高めるために、内面層を合成石英ガラスによって形成すると共に、外面層を天然石英ガラスによって形成したルツボが知られている（特許文献１〜３）。

さらに、天然石英ガラスによって形成した外面層と合成石英ガラスによって形成した内面層との間に酸化アルミニウムや窒化ケイ素を介在させ、高温下においてこれが結晶化促進剤として作用する結晶化層を形成することによって強度アップを図った石英ガラスルツボが報告されている（特許文献４）。

また、ルツボの外面層および内面層を天然石英ガラスによって形成する一方、ルツボ底部からコーナ部分の内面層表面に合成石英ガラス層を内張することによって、引き上げ時の湯面振動を防止したルツボが報告されている（特許文献５）。

一方、ルツボ直胴部が上方に向かって外側に開くようテーパーを設けることによって、単結晶シリコンの酸素濃度が均一になるようにした石英ガラスルツボが報告されている（特許文献６）。さらに、ルツボ上端部が外開きの形状を有するルツボについては、内層を合成石英ガラス層によって形成すると共に、使用時の内倒れ、座屈対策として、外層をカーボンによって形成して高温下のルツボ強度を高めた石英ガラスルツボも報告されている（特許文献７）。
特開平１−２６１２９３号公報 特開平１−２７５４９６号公報 特開平０３−４０９８９号公報 特開平０４−２１５８７号公報 ＷＯ２００４／０９７０８０号公報 特開昭５７−３８３９８号公報 特開２００７−０７６９７４号公報

内面層を合成石英ガラスによって形成したルツボは、単結晶シリコンに混入する不純物が少なく、単結晶化率および単結晶の結晶品質向上には効果があるが、合成石英ガラスは天然石英ガラスよりも高温粘度がやや低いので、引き上げ中にルツボの直胴部が内倒れする変形を生じやすく、そのために引き上げの中断や結晶化率の低下を招く。特にルツボが大型化すると、使用時の壁部温度が高くなるので、この問題が生じやすい（特許文献１〜３）。これは、ルツボ底部からコーナ部分の内面層表面に合成石英ガラス層を内張したルツボも同様である（特許文献５）。

一方、天然石英ガラス層と合成石英ガラス層の間に酸化アルミや窒化ケイ素を結晶化促進剤として介在させたルツボは、結晶化層の形成によってルツボの強度は向上するものの、内倒れを確実に防止する強度を得るには十分ではなく、特に大型ルツボについて不十分である。しかも、結晶化層とシリカガラス層の熱膨張差による剥離や割れが生じ易く、引き上げ中のシリコン融液が漏れる可能性がある（特許文献４）。

また、ルツボ上部が上方に向かって外側に開くようテーパーを設けたルツボは、サセプターに設置されたルツボの上端が高温下で外側のサセプターに倒れやすくなるので、内倒れを防止することができる（特許文献６）。しかし、たとえルツボの直胴部が上方に向かって外側に開いた形状であったとしても、ルツボのコーナ部とサセプターとの間に隙間がある場合には、ルツボのコーナ部が引き上げ中に徐々に沈み込み等の変形を起こし、この変形により直胴部が垂直或いは上方に向かって僅かに内側に傾いた形状となる結果、内倒れが生じるおそれがある。また、引き上げ中の変形は有転位化や結晶品質のバラツキを生じる原因にもなる。

さらに、ルツボ上端部を外開きの形状にし、かつ外層をカーボンによって形成した石英ガラスルツボは、ルツボが二重構造であるため製造方法が複雑であり、加工やハンドリングが面倒になる。特に外面カーボン層から内面ガラス層へのカーボン粒子の混入を完全に抑制して石英ガラス内面層の清浄度を維持した状態で扱うのは非常に難しい（特許文献７）。

上記課題を解決するため、本発明による石英ガラスルツボは、天然石英ガラスによって形成された外面層と、合成石英ガラスによって形成された内面層とを備え、直胴部が上方に向かって外側に開いた形状を有し、かつコーナ部の合成石英ガラス内面層の層厚がコーナ部中央部分の肉厚の２０％以上〜８０％以下であり、直胴部および底部の合成石英ガラス内面層がコーナ部の合成石英ガラス内面層より薄く形成されていることを特徴とする。

本発明によれば、直胴部が上方に向かって外側に開いた形状を有するので、高温下での内倒れを生じることが無く、かつコーナ部の合成石英ガラスからなる内面層の最大層厚がコーナ部の最大肉厚の２０％以上であるので、サセプターに設置したルツボのコーナ部が高温下でサセプターに密着しやすくなり、また、内面層の最大層厚がコーナ部の最大層厚の８０％以下に制限されており、かつ直胴部および底部の合成石英ガラスからなる内面層がコーナ部の内面層より薄く形成されているので、高温下においてもコーナ部の強度が十分に確保され、また直胴部および底部も十分な強度を有するので、沈み込み等の変形を生じない。従って、大型ルツボにおいても優れた単結晶引き上げ効果を得ることができる。

本発明においては、上方に向かって外側に開いた直胴部の下端と上端の内径差が０．１％以上であることが好ましい。直胴部の外開き部分の上端と下端の内径差が０．１％以上であれば、ルツボの上端部が外側に向かって受ける力が大きくなるので、ルツボの内倒れを確実に防止することができる。

本発明においては、直胴部の上端からコーナ部に至る範囲が上方に向かって外側に開いた形状であってもよく、または直胴部の上端から５０mm以内の範囲が垂直部分であり、垂直部分の下端からコーナ部に至る範囲が上方に向かって外側に開いた形状であってもよい。いずれの形状も、この外開き部分の下端と上端の内径差が０.１％以上であることが好ましい。両者は直胴部全体としてみれば上方に向かって外側に開いた形状であることから、ルツボ上端部が外側に向かって受ける力を大きくすることができ、ルツボの内倒れを確実に防止することができる。

本発明においては、直胴部の肉厚が上端部に向かって薄く形成されていることが好ましい。直胴部の肉厚が上端部に向かって薄く形成することによって、ルツボ直胴部の上端部分を下側部分より軽くすることができ、内倒れの可能性をさらに低くすることができる。

本発明によれば、大口径のルツボであっても、引き上げ時の高温下において内倒れ、沈み込み等の変形を生じ難い石英ガラスルツボを提供することができる。

本発明の第１の実施形態による石英ガラスルツボの構造を示す略断面図である。 本発明の第２の実施形態による石英ガラスルツボの構造を示す略断面図である。

符号の説明

１０−石英ガラスルツボ、１１−直胴部、１１ａ−直胴部の上端、１１ｂ−直胴部の下端、１１ｃ−直胴部の垂直部分の下端、１２−コーナ部、１３−底部、２０−外面層、２１−内面層、３０−石英ガラスルツボ

以下、添付図面を参照しながら本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。

図１は、本発明の第１の実施形態による石英ガラスルツボの構造を示す略断面図である。

図１に示すように、本実施形態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って、外面層２０が天然石英ガラスによって形成されており、内面層２１が合成石英ガラスによって形成されている。天然石英ガラスとは、天然水晶、ケイ石等の天然質原料を溶融して製造されたシリカガラスを意味する。一般に天然石英は合成石英に比べて金属不純物の濃度が高く、ＯＨ基の濃度が低いという特性を有している。例えば、天然石英に含まれるＡｌの含有量は１ｐｐｍ以上、アルカリ金属（Ｎａ，ＫおよびＬｉ）の含有量はそれぞれ０．０５ｐｐｍ以上、ＯＨ基の含有量は６０ｐｐｍ未満である。一方、合成石英ガラスとは、例えばケイ素アルコキシドの加水分解により生成された合成原料を溶融して製造されたシリカガラスを意味する。一般に合成石英は天然石英に比べて金属不純物の濃度が低く、ＯＨ基の濃度が高いという特性を有している。例えば、合成石英に含まれる各金属不純物（Ａｌ，Ｎａ，Ｋ，Ｌｉ等）の含有量は０．０５ｐｐｍ未満であり、ＯＨ基の含有量は３０ｐｐｍ以上である。ただし、Ａｌ等の金属不純物が添加された合成石英も知られていることから、合成石英か天然石英かの判断は一つの要素に基づいて判断すべきものではなく、複数の要素に基づいて総合的に判断すべきものである。

図示するように、石英ガラスルツボ１０は、直立した側壁部分を形成する直胴部１１と、該直胴部１１の下端に続く湾曲したコーナ部１２と、該コーナ部１２に続く比較的平坦な底部１３とを有し、直胴部１１が上方に向かって外側に開いた椀型形状をなしている。ここで、直胴部１１とコーナ部１２との境界は、直胴部１１において一定であったルツボ壁面の接線傾斜角が変化し始める位置である。コーナ部１２と底部１３との境界はルツボ底部が丸底か平底かによっても異なり、本発明においては特に明確にする必要がないが、例えばルツボの中心軸（Ｚ軸）と直交するＸＹ平面に対するルツボ壁面の接線傾斜角が１０度以上となる領域をコーナ部１２とし、１０度未満となる領域を底部１３として定義することができる。

本実施形態による石英ガラスルツボ１０は、直胴部１１からコーナ部１２および底部１３に至るルツボ全体の外側部分（外面層）２０が天然石英ガラスによって形成されている。従って、ルツボ全体を合成石英ガラスによって形成したものより、高温下でのルツボ強度が大きく、ルツボの変形を生じ難い。

また、本実施形態による石英ガラスルツボ１０は、直胴部１１からコーナ部１２および底部１３に至るルツボ全体の内側部分（内面層）２１が合成石英ガラスによって形成されている。シリコン融液に接触する内面層２１が純度の高い合成石英ガラス層によって形成されているので、不純物濃度が極めて少ないシリコン単結晶を引き上げることができる。コーナ部１２を除く直胴部１１および底部１３の合成石英ガラスからなる内面層２１の層厚は、直胴部１１の肉厚および底部１３の肉厚に対しておのおの５％〜５０％程度であれば良い。

さらに石英ガラスルツボ１０は、コーナ部１２の合成石英ガラスからなる内面層２１の最大層厚ｔ１がこれと同一位置におけるコーナ部１２の肉厚ｔ０の２０％以上８０％以下であり、コーナ部１２の内面層２１の最大肉厚ｔ１が直胴部１１および底部１３の内面層２１の層厚ｔ２，ｔ３よりも大きく形成されており、直胴部１１および底部１３の内面層２１はコーナ部１２の内面層２１よりも薄く形成されている。

石英ガラスルツボ１０は、コーナ部１２の最大層厚ｔ１がコーナ部１２の肉厚ｔ０の２０％以上に形成されており、直胴部１１および底部１３の合成石英ガラスからなる内面層２１の最大層厚ｔ２，ｔ３よりも大きいので、サセプターにルツボを設置して使用するときに、引き上げ時の高温下において、直胴部１１よりもルツボのコーナ部１２が僅かに軟化しやすく、従って引き上げ前のシリコン溶融時にコーナ部１２がサセプターに密着し、ルツボが安定にサセプターに支持される。一方、直胴部１１が外開きに形成されており、外向きの力を受けているので、引き上げ継続中に直胴部１１の内倒れを生じない。

一方、コーナ部１２の内面層２１の層厚がコーナ部１２の肉厚の２０％より少ないと、シリコン溶融時の高温下において軟化しにくく、コーナ部１２がサセプターに密着せず、コーナ部１２とサセプターとの間に隙間が残るので、引き上げが続いたときにこの隙間がルツボ全体の変形を生じる原因になる場合があるので好ましくない。ルツボ全体の変形により、当初は外側に開いた形状であった直胴部も垂直或いは上方に向かって僅かに内側に傾いた形状となり、最終的には内倒れするおそれがある。

石英ガラスルツボ１０は、コーナ部１２の内面層２１の最大層厚ｔ１がコーナ部１２の肉厚ｔ０の８０％以下である。この合成石英ガラス内面層の層厚が８０％より大きいと、コーナ部の軟化が大きくなって沈み込みを生じやすくなるので好ましくない。また、直胴部１１および底部１３の合成石英ガラスからなる内面層２１はコーナ部１２の合成石英ガラスからなる内面層２１より薄く形成されているので、直胴部１１および底部１３はコーナ部１２よりも軟化し難く、変形し難い。

石英ガラスルツボ１０は、直胴部１１が上方に向かって外側に開いた形状（外開きの形状）を有する。このため直胴部１１が外向きの力を受けるので、引き上げ時の高温下においてルツボの強度がやや軟化しても内倒れを防止することができる。

石英ガラスルツボ１０は、直胴部１１の上端１１ａからコーナ部１２に至る範囲が上方に向かって外開きに形成されている。直胴部１１の下端１１ｂと上端１１ａの内径差は０.１％以上、すなわち下端１１ｂの内径ｒ１に対して上端１１ａの内径ｒ２は１．００１ｒ１以上であることが好ましい。直胴部１１の内径差が０.１％より少ないと、外側に向かう傾斜が小さく、直胴部１１の軟化状態によっては内側に倒れる可能性がある。上記外開き形状において、直胴部１１の外径は内径の外開き形状の傾斜に応じて外開きになるように形成すればよい。なお、直胴部１１の下端１１ｂと上端１１ａの内径差が０.１％以上であれば、直胴部１１の外径は下端から上端まで同一径でもよい。

また、ルツボ直胴部１１の内面層２１および外面層２０を含む肉厚は上端部１１ａに向かって薄く形成すると良い。この形状であればルツボ直胴部１１の上端部分が下側部分より軽くなるので、内倒れの可能性をさらに低くすることができる。

以上説明したように、本実施形態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おいて、ルツボに入れたシリコンの融解時に石英ガラスルツボが外側のカーボンサセプターに密着するので、引き上げ初期からルツボの変形を抑制することができ、引き上げ中の変形を生じないので、有転位化率が低く、結晶品質のバラツキが減少する。また、引き上げに伴うカーボンサセプターの消耗によるサセプター形状の微小変動にもコーナ部が軟化して対応することができ、サセプター形状に対応してルツボが密着するので、単結晶化率を高めることができる。

図２は、本発明の第２の実施形態による石英ガラスルツボの構造を示す略断面図である。

図２に示すように、本実施形態による石英ガラスルツボ３０は、直胴部１１のうち上端１１ａから下方に５０ｍｍ以内の部分が外開きではなく垂直に形成されており、この垂直部分の下端１１ｃからコーナ部１２に至る範囲が上方に向かって外開きに形成されている。垂直部分が直胴部１１の上端１１ａから５０ｍｍ以下の範囲であれば、同一の開口径（内径）に形成しても、直胴部１１の上端部分が内側に倒れる可能性は少ないので、直胴部１１の上端から５０ｍｍ以内の部分からコーナ部に至る範囲を外開きに形成してもよい。

直胴部１１については、その下端１１ｂと上端１１ａ（１１ｃ）の内径差が０.１％以上、すなわち下端１１ｂの内径に対して上端１１ａ（１１ｃ）の内径が０.１％以上大きいことが好ましい。この内径差が０.１％より少ないと、外側に向かう傾斜が小さく、直胴部１１の軟化状態によっては内側に倒れる可能性がある。その他の構造は第１の実施形態による石英ガラスルツボと実質的に同一であるため、同一の構成要素に同一の符号を付して詳細な説明を省略する。

以上説明したように、本実施形態による石英ガラスルツボ３０は、上記石英ガラスルツボ１０と同様、シリコン単結晶の引き上げにおいて、ルツボに入れたシリコンの融解時に石英ガラスルツボが外側のカーボンサセプターに密着するので、引き上げ初期からルツボの変形を抑制することができ、引き上げ中の変形を生じないので、有転位化率が低く、結晶品質のバラツキが減少する。また、引き上げに伴うカーボンサセプターの消耗によるサセプター形状の微小変動にもコーナ部が軟化して対応することができ、サセプター形状に対応してルツボが密着するので、単結晶化率を高めることができる。

回転するカーボンモールドの内面に、天然石英粉を堆積し、その上側に合成石英粉を堆積し、アーク熔融して石英ガラスルツボを製造した。その際、内面が上方に向かって外側に開いた傾斜を有するカーボンモールドを用い、ルツボ直胴部の上端部と下端部の肉厚、コーナ部の肉厚が表１に示す厚さになるように、天然石英粉と合成石英粉を堆積し、かつ内面層の合成石英ガラス層が表１に示す層厚になるように調整して、口径約２４インチの石英ガラスルツボのサンプルNo.１〜No.６を製造した。各石英ガラスルツボのサイズはいずれも高さ５０ｃｍ、直胴部の下端から上端（ルツボ上端）までの高さ３５ｃｍとした。次いで、このルツボサンプルNo.１〜No.６を用いて、シリコン単結晶の引き上げを行った。この結果を表１に示す。

表１に示すように、サンプルNo.１〜３は何れも直胴部の上端内径と下端内径の差が０.１％以上であり、コーナ部の中央部分における合成石英ガラス層の割合が２０％以上〜８０％であるので、コーナ部が軟化してサセプターに密着し、引き上げ時のルツボの変形が無く、良好な引き上げ結果が得られた。

一方、コーナ部の肉厚に対する内面層（合成層）の最大層厚が８０％を超えるサンプルNo.４は、コーナ部の部分的な座屈が生じ、引き上げ成績は不良となった。また、直胴部の上端と下端との開口径差が０．１％未満であるサンプルNo.５は、ルツボの上端部に内倒れする部分が生じ、引き上げ成績は不良となった。さらに、コーナ部の肉厚に対する内面層（合成層）の最大層厚が２０％未満であるサンプルNo.６は、ルツボのコーナ部とサセプターとの密着不良により、引き上げ成績は不良となった。

Claims (4)

1. シリコン単結晶の引き上げに用いられる石英ガラスルツボであって、天然石英ガラスによって形成された外面層と、合成石英ガラスによって形成された内面層とを備え、直胴部が上方に向かって外側に開いた形状を有し、コーナ部の前記内面層の最大層厚が当該位置における前記コーナ部の肉厚の２０％以上〜８０％以下であり、前記直胴部および底部の前記内面層が前記コーナ部の前記内面層の最大層厚より薄く形成されており、前記直胴部の下端と上端の内径差が０.１％以上であることを特徴とする石英ガラスルツボ。
2. 前記直胴部の上端から前記コーナ部に至る範囲が上方に向かって外側に開いた形状である請求項１に記載する石英ガラスルツボ。
3. 前記直胴部の上端から５０mm以内の範囲が垂直部分であり、前記垂直部分の下端からコーナ部に至る範囲が上方に向かって外側に開いた形状である請求項１に記載する石英ガラスルツボ。
4. 前記直胴部の肉厚が上端部に向かって薄く形成されている請求項１に記載する石英ガラスルツボ。

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