JP5334315B2 - 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、該シリカガラスルツボは、シリコン単結晶引上げ時には、カーボンルツボに嵌め込むようにセットされて、ルツボ外周からヒータ加熱される。

従来、前記シリカガラスルツボは、内層が透明層、外層が不透明層の２層構造（例えば、特許文献１参照）、あるいはまた、前記２層構造の外層と内層の間に、不透明（半透明）な中間層を挟んだ、例えば、特許文献２に記載されているような３層構造のものが一般的であった。
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。

また、特許文献３には、前記２層構造の外層と内層の間に、不透明層と透明層とが積層した中間層を介在させることにより、外部からの輻射熱を分散させ、ルツボ内の原料シリコン融液の温度ムラを抑制することができるシリカガラスルツボが開示されている。

特許第２８１１２９０号公報 特開２００１−３４８２９４号公報 特開２００９−８４１１３号公報

ところで、近年、シリコン単結晶の製造効率の向上の観点から、上記方法により引上げられるシリコン単結晶インゴットは大口径ており、これに伴い、一度の引上げに要する原料シリコン融液の量も多くなり、前記シリカガラスルツボも大型化している。
また、シリカガラスルツボ内への原料シリコンの再充填や、急激な昇降温等により、製造効率の向上を図ることも求められている。
そして、シリコン単結晶引上げ終了後においては、特に、シリカガラスルツボを含むシリコン単結晶引上げ装置全体の冷却時間の短縮化が要求されている。

しかしながら、特許文献１〜３に記載されているようなシリカガラスルツボでは、外層の不透明層は、気孔密度が高いため、保温性が高く、また、前記不透明層は、高温においても粘性が高いため、該ルツボの外周を覆う前記カーボンルツボと馴染みにくく、十分な密着性が得られず、十分な伝導放熱がなされない。このため、冷却に長時間を要していた。
また、特許文献３に記載されたような複数層のシリカガラスルツボは、層の数が増えるほど製造工程数が増えることとなり、製造コストが大きくなるという課題も有していた。

このように、シリコン単結晶引上げ装置の冷却の際に、外側のカーボンルツボと接するシリコンガラスルツボの外層が、多数の気泡を含む不透明層であり、また、前記カーボンルツボとの密着性が十分でない場合、ルツボが大型であるほど、保温効果が大きくなり、迅速な放熱がなされず、冷却時間の短縮化が困難となるという課題を有していた。

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、シリコン単結晶引上げ終了後、ルツボの冷却時間を短縮し、シリコン単結晶の製造効率の向上を図るために、ルツボ外周に接するカーボンルツボへの伝熱性及び放熱性に優れた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する３層構造のシリカガラスルツボであって、第１層は、透明シリカガラス、又は、平均気孔径１２０μｍ以下の気孔を含有し、気孔密度３０個／ｍｍ³以下の不透明シリカガラスからなり、前記底部中央から、ルツボの中心を通る鉛直方向断面において前記コーナー部の最も曲率が大きい箇所とその曲率中心とを結ぶ直線に対して、前記曲率中心周りに±５°以内の位置にかけて形成され、第２層は、平均気孔径８０〜１２０μｍの気孔を含有し、気孔密度４０〜８０個／ｍｍ³の不透明シリカガラスからなり、前記第１層の内面側に、ルツボ全体にわたって形成され、第３層は、透明シリカガラスからなり、前記第２層の内面側に、ルツボ全体にわたって形成されていることを特徴とする。
上記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、ルツボ外周に接するカーボンルツボへの伝熱性及び放熱性が向上するため、ルツボの冷却時間の短縮化を図ることができる。

前記シリカガラスルツボにおいては、前記第１層の気孔密度が前記第２層の気孔密度の１／２以下であることが好ましい。
このような構成とすることにより、ルツボ内の原料シリコン融液の均熱性を保持しつつ、ルツボ底部からの放熱性及び伝熱性を効果的に高めることができる。

また、前記第１層は、ルツボ底部からの放熱性及び伝熱性を効果的に高める観点から、厚さ３〜７ｍｍであることが好ましい。

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、ルツボ外周に接するカーボンルツボへの熱伝導性及び放熱性を向上させることができる。
また、シリコン単結晶引上げ時のルツボ内の原料シリコン融液の均熱性を保持することもできる。
したがって、本発明に係る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、ルツボの冷却時間を短縮し、シリコン単結晶の製造効率の向上を図ることができる。

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の模式的な断面図である。 図１のシリカガラスルツボのコーナー部周辺の拡大断面図である。

以下、本発明にについて、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。このシリカガラスルツボは３層構造である。第１層４が、透明シリカガラス、又は、平均気孔径１２０μｍ以下の気孔を含有し、気孔密度３０個／ｍｍ³以下の不透明シリカガラスからなり、底部１からコーナー部２の所定位置にかけて形成され、第２層５が、平均気孔径８０〜１２０μｍの気孔を含有し、気孔密度４０〜８０個／ｍｍ³の不透明シリカガラスからなり、第１層４の内面側に、ルツボ全体にわたって形成され、第３層６が、透明シリカガラスからなり、第２層５の内面側に、ルツボ全体にわたって形成されている。

このように、底部１からコーナー部２にかけての外層に、第２層５を構成する不透明シリカガラスよりも気孔密度が低い、透明又は不透明シリカガラスからなる第１層４を設けることにより、シリコン単結晶引上げ終了後、ルツボ底部１における放熱性が向上する。
また、シリカガラス中の気孔密度が低い方が、粘性が低いため、ルツボ底部１において、第１層４のルツボ外周に接するカーボンルツボへの密着性が高まり、前記カーボンルツボへの熱伝導性の向上も図られ、前記カーボンルツボを通じて、これを支持するシャフトへの迅速な伝熱放熱も可能となる。
これにより、ルツボの冷却時間を短縮することができ、シリコン単結晶の製造効率の向上が図られる。

ここでいう不透明シリカガラスとは、シリカガラス中に多数の気泡（気孔）を含み、見かけ上、白濁した状態であり、透明シリカガラスとは、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）、見かけ上、透明であるものを指す。
本発明においては、第１層４と第２層５を構成する不透明シリカガラスは、気孔密度が異なり、第１層４の方が、第２層５よりも気孔密度が低いものとする。

前記第１層４が不透明シリカガラスからなる場合、それに含まれる気孔の平均気孔径は１２０μｍ以下、気孔密度は３０個／ｍｍ³以下であることが好ましい。
前記平均気孔径が１２０μｍを超える場合、また、前記気孔密度が３０個／ｍｍ³を超える場合は、この不透明シリカガラスにより保温効果が高まり、ルツボの冷却時間の短縮化を図ることができない。

一方、前記第２層５を構成する不透明シリカガラに含まれる気孔の平均気孔径は８０〜１２０μｍ、気孔密度は４０〜８０個／ｍｍ³であることが好ましい。
前記平均気孔径が８０μｍ未満、また、前記気孔密度が４０個／ｍｍ³未満である場合、シリコン単結晶引上げ時のルツボ内の原料シリコン融液の均熱性を保持することが困難となり、また、ルツボ全体の形状安定性が低下し、ルツボ加熱の際に、座屈変形するおそれがある。
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８０個／ｍｍ³を超える場合、この不透明シリカガラスによる保温効果の向上により、ルツボの冷却時間の短縮化を図ることが困難となる。

前記第１層４の気孔密度は、ルツボ内の原料シリコン融液の均熱性、ルツボ底部２からの放熱性及び伝熱性の観点から、前記第２層５の気孔密度の１／２以下であることが好ましい。

図２に、図１のシリカガラスルツボのコーナー部周辺の拡大断面図を示す。図２に示すように、前記第１層４の形成範囲は、ルツボの中心を通る鉛直方向断面において、コーナー部３の最も曲率が大きい箇所Ｐとその曲率中心Ｏとを結ぶ直線ＰＯに対して、前記曲率中心Ｏ周りに±５°以内の位置に、その端部があることが好ましい。
上記位置においては、気孔密度がより低いシリカガラスからなる第１層４が外層となるように形成することにより、ルツボの加熱により、外周に接するカーボンルツボとの十分な密着性が得られるとともに、ルツボ底部１において、放熱性を高めることができる。
また、ルツボ側壁部２においては、気孔密度がより高い不透明シリカガラスからなる第２層５を外層とした２層構造とすることにより、ルツボの形状安定性を保持することができる。

前記直線ＰＯに対して、点Ｏを中心としたルツボ側壁部２方向への回転を正方向とした場合、第１層４の形成範囲の端部が、前記回転角が−５°未満の位置であると、第１層４の形成範囲が狭すぎ、また、外周に接するカーボンルツボとの十分な密着性が得られず、ルツボ底部１からの伝熱効果及び放熱効果が十分に得られない。
一方、前記回転角が＋５°を超える位置まで第１層４を形成すると、外層の粘性低下が側壁部２においても生じ、ルツボが座屈変形しやすくなる。

また、前記第１層４の厚さは、３〜７ｍｍであることが好ましく、４〜６ｍｍであることがより好ましい。
前記厚さが３ｍｍ未満の場合、ルツボ底部１からの伝熱効果及び放熱効果が十分に得られない。
一方、前記厚さが７ｍｍを超える場合、粘性が相対的に低い層が厚すぎるため、ルツボの加熱の際、ルツボ基材自体の形状安定性が不十分となる。

なお、前記第１層４の内側に形成される第２層５及び第３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、第２層５は４．５〜５．０ｍｍ、内層の第３層６は２〜３ｍｍ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、不透明シリカガラスは、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、また、透明シリカガラスは、シリコンアルコキシドの加水分解等により得られる合成シリカ原料により形成する。
前記第３層６は、ルツボ内に収容される原料シリコン融液と接触するため、例えば、Ｎａ、Ｋ、Ａｌの金属不純物含有量が各々１ｐｐｍ以下である高純度合成シリカ原料により形成されるが、シリコン単結晶に求められる品質に応じて、天然シリカ原料を用いてもよく、その内表面は平滑に形成されることが好ましい。

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、合成シリカ原料粉又は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、前記型の内表面の底部からコーナー部の所定位置にかけて、第１層の成形体を形成する。
次いで、前記型内に、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、前記第１層の内側にルツボ全体にわたって、第２層の成形体を成形する。この第２層は、第１層よりも気孔密度の高い不透明シリカガラス層とされる。
その後、高純度合成シリカ原料粉を全体的に供給し、遠心力及び機械的押圧によって、第２層の内表面に、第３層の成形体を形成する。この第３層は、透明シリカガラス層とされる。
そして、上記のようにして得られたルツボ成形体を、アーク溶融法により全体をガラス化することにより、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の図１に示すような構造のシリカガラスルツボを製造した。このルツボの第１層は、厚さ５ｍｍの透明シリカガラスにより形成し、第１層の端部の位置をコーナー部の最も曲率が大きい箇所Ｐとした。また、第２層は、平均気孔径１００μｍの気孔を含有し、気孔密度７０個／ｍｍ³の厚さ５ｍｍの不透明シリカガラスとし、また、第３層は、厚さ３ｍｍの透明シリカガラスとした。
このシリカガラスルツボを、カーボンルツボに嵌め込んでセットし、ルツボ外周からヒータ加熱して、ルツボ内で約７０ｋｇ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。

［実施例２］
上記実施例１において、第１層を形成せずに、平均気孔径１００μｍの気孔を含有し、気孔密度２０個／ｍｍ³の厚さ５ｍｍの透明シリカガラスとし、それ以外は実施例１と同様にして、シリコンガラスルツボを製造し、これらの各ルツボを用いて、実施例１と同様にして、シリコン単結晶引上げを行った。

［比較例１］
上記実施例１において、第１層を形成せずに、第２層及び第３層のみを備えた２層構造のシリカガラスルツボを製造し、このルツボを用いて、実施例１と同様にして、シリコン単結晶引上げを行った。

シリコン単結晶引上げ後、実施例１，２においては、装置停止後の冷却時間が、比較例１よりも約１０％短縮されることが認められた。

１ 底部
２ 側壁部
３ コーナー部
４ 第１層
５ 第２層
６ 第３層

Claims (3)

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する３層構造のシリカガラスルツボであって、
   第１層は、透明シリカガラス、又は、平均気孔径１２０μｍ以下の気孔を含有し、気孔密度２０個／ｍｍ³以下の不透明シリカガラスからなり、前記底部中央から、ルツボの中心を通る鉛直方向断面において前記コーナー部の最も曲率が大きい箇所とその曲率中心とを結ぶ直線に対して、前記曲率中心周りに±５°以内の位置にかけて形成され、
   第２層は、平均気孔径８０〜１２０μｍの気孔を含有し、気孔密度４０〜８０個／ｍｍ³の不透明シリカガラスからなり、前記第１層の内面側に、ルツボ全体にわたって形成され、
   第３層は、透明シリカガラスからなり、前記第２層の内面側に、ルツボ全体にわたって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. 前記第１層の気孔密度が前記第２層の気孔密度の１／２以下であ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。
3. 前記第１層は、厚さ３〜７ｍｍであることを特徴とする請求項１又は２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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