JP5334314B2 - シリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボ - Google Patents

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法という）によりシリコン単結晶を引上げる際に用いられる、原料シリコン融液を収容するためのシリカガラスルツボに関する。

シリコン単結晶の製造においては、ＣＺ法が広く用いられている。この方法は、ルツボ内に収容された原料シリコン融液の表面に種結晶を接触させ、ルツボを回転させるとともに、前記種結晶を反対方向に回転させながら上方へ引上げることにより、種結晶の下端に単結晶インゴットを育成していくものである。

上記方法において、原料シリコン融液を収容するためのルツボには、シリカガラスルツボが用いられる。このシリカガラスルツボは、一般に、特許文献１に開示されているような２層構造であり、外層が不透明層、内層が透明層である。
前記外層の不透明層は、合成シリカガラスに比べて、純度は低いものの、耐熱性に優れた天然シリカ原料により形成され、多数の気泡を含有している。一方、前記内層の透明層は、引上げられるシリコン単結晶に対する不純物汚染の抑制のため、高純度の合成シリカ原料により形成され、また、前記単結晶インゴットの単結晶化率の向上等の観点から、ルツボ内表面は平滑に形成される。

なお、シリコン単結晶を引上げる際のルツボ内の原料シリコン融液表面の振動を抑制する観点から、前記２層構造の外層と内層の間に、合成シリカガラスからなる不透明（半透明）の中間層を挟んだ、例えば、特許文献２に記載されているような３層構造のシリカガラスルツボも提案されている。

特許第２８１１２９０号公報 特開２００１−３４８２９４号公報

ところで、ＣＺ法によるシリコン単結晶引上げにおいては、ルツボ内に収容された原料シリコン融液は、完全には消費されず、ルツボ内底部に残る。このように、単結晶引上げ終了後にルツボ底部に残った原料シリコン融液は、ルツボの冷却の際に、ルツボ内表面に固着する。このとき、シリコンとルツボを構成するシリカガラスとの熱膨張係数差が大きいため、ルツボに熱応力が生じる。
上記のような２層構造のシリカガラスルツボにおいては、通常、外層の不透明層中の気泡によって、前記熱応力による歪が緩和され、ルツボは、ひびが生じる場合があるものの、割れる危険性はない。

しかしながら、内層の透明層が、外層の不透明層よりも厚いルツボの場合、外層の不透明層による熱応力の緩和効果が不十分となり、内層で生じたひびをルツボ外表面まで伸長するのを食い止めることが困難となり、特に、ルツボのコーナー部において、割れが生じるという課題が生じていた。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、内層の透明層が、外層の不透明層よりも厚いシリカガラスルツボであって、シリコン単結晶引上げに使用した後、ルツボの冷却時に割れることのない、シリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボを提供することを目的とするものである。

本発明に係るシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボは、底部と円筒状の側壁部との間にアール状のコーナー部を有し、外層が不透明層、内層が透明層からなり、前記透明層が前記不透明層よりも厚いシリカガラスルツボであって、前記底部から前記コーナー部にかけての透明層内に、前記不透明層と接触せず、かつ、ルツボ内表面に露出しないように、平均気孔径６０〜１２０μｍの気孔を含有し、気孔密度５０〜１００個／ｍｍ³の多孔質層が形成されていることを特徴とする。
このような構造のシリカガラスルツボによれば、シリコン単結晶引上げ終了後、ルツボ冷却時に、内層でひびが生じた場合においても、多孔質層により、ひびの外側への伸長が食い止められ、ルツボ全体が割れることを防止することができる。

前記シリカガラスルツボにおいては、前記多孔質層が、外層と内層との合計厚さの１／２よりも内側に形成されていることが好ましい。
多孔質層をこのような位置に形成することにより、シリコン単結晶引上げに悪影響を及ぼすことなく、上記のようなルツボの割れを効果的に防止することができる。

本発明に係るシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボによれば、内層の透明層が、外層の不透明層よりも厚いシリカガラスルツボにおいて、シリコン単結晶引上げに使用した後、ルツボの冷却時に、残った原料シリコン融液とルツボ内表面とが固着した場合であっても、ルツボ全体が割れることを防止することができる。
また、本発明に係るシリカガラスルツボによれば、原料シリコンを溶融するためのルツボの加熱時に、ルツボ底部からの放熱が抑制され、原料シリコンの溶融効率が向上するため、シリコン単結晶製造における省エネルギー化、低コスト化にも寄与し得る。

本発明に係るシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボの模式的な断面図である。 図１のシリカガラスルツボの底部周辺の拡大断面図である。

以下、本発明について、図面を参照して、詳細に説明する。
図１に、本発明に係るシリカガラスルツボの断面図を示す。図１に示すシリカガラスルツボは、底部１と円筒状の側壁部２との間にアール状のコーナー部３を有する断面がＵ字状の形状からなる。そして、外層４が不透明層、内層５が透明層からなり、前記透明層（内層５）の厚さｔ₂が、前記不透明層（外層４）の厚さｔ₁よりも大きい、すなわち、ｔ₁＜ｔ₂となるように形成されているものである。
シリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボは、耐熱強度やコスト等の観点から、内層の透明層が、外層の不透明層よりも薄く、すなわち、ｔ₁＞ｔ₂となるように形成されるのが一般的である。本発明に係るシリカガラスルツボは、これとは逆に、内層の透明層が、外層の不透明層よりも厚く、すなわち、ｔ₁＜ｔ₂となるように形成された特殊な態様のルツボである。
なお、図１においては、シリコン単結晶引上げ終了後、原料シリコン融液Ｌがルツボ内に残った状態を示す。

ここで、不透明層とは、シリカガラス中に多数の気泡（好ましくは、５０個／ｍｍ³以上）を含み、見かけ上、白濁した状態のシリカガラス層であり、透明層とは、シリカガラス中に気泡をほとんど含まず（好ましくは、１０個／ｍｍ³未満）、実質的に無気泡であり、見かけ上、透明であるシリカガラス層を意味する。

そして、本発明に係るシリカガラスルツボにおいては、底部１からコーナー部３にかけての透明層５内には、前記不透明層４と接触せず、かつ、ルツボ内表面に露出しないように、平均気孔径６０〜１２０μｍの気孔を含有し、気孔密度５０〜１００個／ｍｍ³の多孔質層６が形成されていることを特徴としている。
このような多孔質層６により、シリコン単結晶引上げ終了後、ルツボ冷却時に、ルツボ内に残った原料シリコン融液Ｌとルツボ内表面との固着により生じる熱応力を緩和することができ、内層５でひびが生じた場合においても、このひびが、ルツボ外表面まで伸長するのを食い止めることができ、ルツボ全体が割れることを防止することができる。特に、熱応力に対する強度の低いコーナー部３におけるルツボの割れ防止に効果的である。

したがって、前記多孔質層６は、シリコン単結晶引上げ終了後、少なくとも、ルツボ内に残った原料シリコン融液Ｌの深さの部分まで形成されればよく、透明層５内の前記コーナー部３と底部１との間に形成される。
なお、多孔質層６は気泡を多く含むため、透明層５よりも強度が低く、側壁部２の透明層５内にまで多孔質層６が形成されると、ルツボが座屈するおそれがあり、また、ルツボ外周からのヒータ加熱制御がしにくくなる。このため、多孔質層を側壁部２に形成することは好ましくない。

また、前記多孔質層６は、透明層５内に形成されるが、不透明層４と接触せず、かつ、ルツボ内表面に露出しないように形成される。
多孔質層６が不透明層４との接触面を有する場合、ルツボ全体の割れを防止することが困難である。また、ルツボ内表面が多孔質層である場合、ルツボ内の原料シリコン融液の均一な対流等に影響を及ぼすこととなり、引上げられるシリコン単結晶インゴットの単結晶化率等の低下を招くおそれがあるため好ましくない。

図２に、図１のシリカガラスルツボの底部周辺の拡大断面図を示す。図２に示すように、多孔質層６は、外層４と内層５との合計厚さＴ（＝ｔ₁＋ｔ₂）の１／２、すなわち、Ｔ／２よりも内側に形成されていることが好ましい。
多孔質層６をこのような位置に形成することにより、シリコン単結晶引上げに悪影響を及ぼすことなく、引上げ終了後のルツボ冷却時に、ルツボが割れることを効果的に防止することができる。
また、ルツボ底部からの放熱が抑制され、原料シリコンを溶融する際のヒータ加熱の効率が向上するため、シリコン単結晶製造における省エネルギー化、低コスト化を図ることもできる。

前記多孔質層６は、平均気孔径６０〜１２０μｍの気孔を含有し、気孔密度５０〜１００個／ｍｍ³で形成される。
前記平均気孔径が６０μｍ未満、また、前記気孔密度が５０個／ｍｍ³未満である場合、シリコン単結晶引上げ終了後のルツボ冷却時に、上述したようなルツボ全体の割れを防止することが困難である。
一方、前記平均気孔径が１２０μｍを超える場合、また、前記気孔密度が１００個／ｍｍ³を超える場合、多孔質層６の耐熱強度の低下が大きくなり、シリコン単結晶引上げの際のルツボ加熱時に、ルツボが変形、破損するおそれがある。

なお、前記不透明層４、透明層５及び多孔質層６の各層の厚さは、ルツボの大きさにより適宜規定されるが、強度、コスト等の観点から、例えば、外径６００ｍｍ、高さ４００ｍｍのルツボの場合、それぞれ、外層の不透明層４は１０〜１８ｍｍ、内層の透明層５は１〜３ｍｍ、多孔質層６は０．５〜１．０ｍｍで形成することが好ましい。

上記のような本発明に係るシリカガラスルツボは、従来の製造方法を用いて製造することができる。以下に、具体的な製造方法の一例を説明するが、本発明に係るシリカガラスルツボの製造方法は、これに限定されるものではない。
なお、一般に、不透明層は、純度は低いものの、耐熱性に優れた、水晶等の天然シリカ原料により形成し、透明層は、シリコンアルコキシドの加水分解等により得られる高純度の合成シリカ原料により形成する。

まず、ルツボの中心軸周りに回転するルツボ成形用型内に、天然シリカ原料粉を供給し、遠心力及び機械的押圧によって、前記型の内表面に、外層成形体を形成する。
次いで、前記型内に、合成シリカ原料粉を供給し、同様にして、内層の外側部分（多孔質層よりも外側）が成形される。
そして、アーク溶融法にて、減圧程度、溶融時間等を制御することにより、内層の内側部分（以下、内表層という）が多孔質層、内層の外側部分が透明層、外層が不透明層であるルツボ形状体が得られる。
このルツボ形状体の内表層（多孔質層）のうち、底部からコーナー部にかけては残し、それ以外の部分の内表層は機械研削して、内層（透明層）の外側部分を露出させる。
そして、このルツボ形状体の内側の表面全体に、合成シリカ原料粉を供給しながら、アーク放電により所定厚さの透明層を形成する。
最後に、４９％フッ酸で５分間、シャワーリング洗浄を行い、純水洗浄後に、乾燥処理することにより、本発明に係るシリカガラスルツボが得られる。

以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
上記の実施の形態において説明した方法と同様の製造方法により、外径６００ｍｍ、高さ４００ｍｍ、外層の不透明層の厚さ２ｍｍ、内層の透明層の厚１０ｍｍ、多孔質層の厚さ１．０ｍｍのシリカガラスルツボを製造した。
このシリカガラスルツボを用いて、ルツボ内で約１６０ｋｇの原料シリコンを溶融させ、ＣＺ法により、直径８インチのシリコン単結晶の引上げを行った。

シリコン単結晶の引上げは、問題なく行うことができた。
単結晶引上げ終了後、ルツボの冷却時にルツボが割れることはなかった。
なお、冷却後、ルツボの状態を確認したところ、ルツボのコーナー部において、残ったシリコン融液とルツボ内表面とが固着している部分で、ルツボ内表面にひびが生じていたが、このひびは、多孔質層で食い止められていた。

［比較例１］
上記の実施の形態において説明した製造方法において、多孔質層を形成せずに、外径６００ｍｍ、高さ４００ｍｍ、外層の不透明層の厚さ１０ｍｍ、内層の透明層の厚さ２ｍｍの全体が均一の２層構造からなるシリカガラスルツボを製造した。
このシリカガラスルツボを用いて、実施例１と同様にして、シリコン単結晶の引上げを行った。

シリコン単結晶の引上げは、問題なく行うことができた。
単結晶引上げ終了後、ルツボの冷却時にルツボのコーナー部において、割れが生じた。

上記実施例及び比較例の結果から、シリカガラスルツボの内層の透明層が、外層の不透明層よりも厚い場合においても、前記透明層内の多孔質層によって、シリコン単結晶引上げ後のルツボの冷却時に、ルツボの割れを防止することができることが認められた。

１ 底部
２ 側壁部
３ コーナー部
４ 外層（不透明層）
５ 内層（透明層）
６ 多孔質層
Ｌ 原料シリコン融液

Claims (2)

1. 底部と円筒状の側壁部との間にアール状のコーナー部を有し、外層が不透明層、内層が透明層からなり、前記透明層が前記不透明層よりも厚いシリカガラスルツボであって、
   前記底部から前記コーナー部にかけての透明層内に、前記不透明層と接触せず、かつ、ルツボ内表面に露出しないように、平均気孔径６０〜１２０μｍの気孔を含有し、気孔密度５０〜１００個／ｍｍ³の多孔質層が形成されていることを特徴とするシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボ。
2. 前記多孔質層が、外層と内層との合計厚さの１／２よりも内側に形成されていることを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボ。

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