JP6088666B2 - 石英ガラスルツボ及びその製造方法 - Google Patents

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Description

本発明は、石英ガラスルツボ及びその製造方法に関し、特に、シリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボ及びその製造方法に関する。
チョクラルスキー法(CZ法)によるシリコン単結晶の製造では石英ガラスルツボが用いられている。CZ法では、シリコン原料を石英ガラスルツボに入れて加熱溶融し、このシリコン融液に種結晶を浸漬し、ルツボを回転させながら種結晶を徐々に引き上げて単結晶を成長させる。半導体デバイス用の高品質なシリコン単結晶を低コストで製造するためには、一回の引き上げ工程での単結晶収率を高めることが必要であり、そのためには長時間の操業中に変形することのない形状が安定したルツボが必要となる。
ルツボの変形では、ルツボの直胴部がシリコン融液側に倒れ込む、いわゆる内倒れが特に問題となる。シリコン融液の液面近くのインゴットの周囲には、いわゆるホットゾーンと呼ばれる熱遮蔽板が設けられているが、ルツボの直胴部が内倒れした場合、この内倒れした部分が熱遮蔽板に接触してしまうおそれがある。単結晶引き上げ中においてルツボは回転しているので、ルツボの直胴部は回転しながら熱遮蔽板に接触することになり、ルツボのさらなる変形、熱遮蔽板の破損、ルツボ片がシリコン融液に混入することによる製造歩留まりの低下等の不具合が発生する。
高温下でのルツボの変形を防止するため、ルツボ外層のAl濃度を高めて高粘性にする方法が知られている(特許文献1参照)。また、ルツボの直胴部の向きを外開きにして内倒れを防止する方法も知られている(特許文献2参照)。
特開2000−247778号公報 国際公開第2009/099084号パンフレット
しかしながら、Alはシリコン単結晶に対する不純物であり、Al濃度を高めるにしてもおのずと限界があり、ルツボの変形を十分に抑制することはできない。また、外開き構造のルツボは内倒れこそ抑制できるものの、ルツボ底部とサセプタとの密着性が十分でなく座屈や沈み込みが発生しやすい。
したがって、本発明の目的は、高温下での変形を抑制することが可能な石英ガラスルツボ及びその製造方法を提供することにある。
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、円筒状の直胴部と、前記直胴部の下端に形成されたコーナー部と、前記コーナー部を介して前記直胴部に接続された底部とを有するものであって、ルツボの外層を構成する気泡を内包する不透明層と、ルツボの内層を構成する気泡が除去された透明層とを備え、少なくとも前記直胴部における前記不透明層と前記透明層との境界面は、少なくとも一方向に周期的な波面を形成していることを特徴とする。
本発明によれば、不透明層と透明層との境界面が一方向に周期的に波打った形状を有するので、石英ガラス中の残留応力の空間的な偏りを小さくすることができる。したがって、ルツボの変形が生じにくい状態を作り出すことができる。また、シリコン融液からの圧力によってルツボ壁体が圧縮されにくく、直胴部の内倒れ等のルツボの変形を抑制することができる。
本発明において、前記直胴部及び前記コーナー部における前記不透明層と前記透明層との境界面は前記波面を形成していることが好ましい。この構成によれば、ルツボの変形をさらに抑制することができる。
本発明において、前記波面の進行方向は、前記直胴部の中心軸と平行な上下方向であることが好ましく、前記直胴部の周方向であることもまた好ましい。さらに、前記波面の進行方向は、前記直胴部の前記上下方向と前記周方向の両方の合成であってもよい。いずれの場合も、不透明層と透明層との境界面が縞模様の変化パターンとなるので、高温下でのルツボの変形を抑制することができる。
本発明において、前記波面の変化の周期は20mm以上100mm以下であることが好ましい。波面の変化の周期がこの範囲内であれば、波型の振幅に対して適切な波長を与えることができ、機械的強度が高い波型構造を付与することができる。
また本発明による石英ガラスルツボの製造方法は、上端に開口部を有する円筒状の直胴部と、前記直胴部の下端に形成されたコーナー部と、前記コーナー部を介して前記直胴部に接続された底部とを有する石英ガラスルツボの製造方法であって、前記石英ガラスルツボの外形に合わせた形状を有するモールドを回転させながらその内表面に石英粉を堆積させる工程と、前記石英粉をアーク溶融によりガラス化して石英ガラスルツボを形成する工程とを備え、前記石英粉をアーク溶融する工程では、前記モールドに設けられた通気孔を通じて脱気する際の吸引力を一方向に沿って周期的に異ならせて、少なくとも前記直胴部における前記不透明層と前記透明層との境界面を前記一方向に周期的な波面として形成することを特徴とする。
本発明によれば、不透明層と透明層との境界面が一方向に周期的に波打った形状を有し、これにより高温下での変形が生じにくい石英ガラスルツボを製造することができる。
本発明によれば、高温下での変形が抑制された石英ガラスルツボ及びその製造方法を提供することができる。
図1は、本発明の第1の実施の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は、図1の石英ガラスルツボの立体構造を示す略斜視図である。 図3は、本発明の第2の実施の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4は、図3の石英ガラスルツボの立体構造を示す略斜視図である。 図5は、石英ガラスルツボ1の製造方法について説明するための模式図である。 図6は、シミュレーション条件を説明するための図であって、特に、シミュレーション後のルツボ壁の状態を示す図である。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
図1は、本発明の第1の実施の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。また、図2は、図1の石英ガラスルツボの立体構造を示す略斜視図である。
図1及び図2に示すように、本実施形態による石英ガラスルツボ1は、上端に開口部10dを有する円筒状の直胴部10aと、直胴部10aの下端に形成されたコーナー部10cと、コーナー部10cを介して直胴部10aに接続された底部10bとを有している。
直胴部10aはコーナー部10cの上端から真っ直ぐ上方に延びているが、完全に垂直でなくてもよく、上方に向かって徐々に広がるように傾斜した外開き形状であってもよい。また、直胴部10aは直線的であってもよく、緩やかに湾曲していてもよい。底部10bは湾曲面からなる丸底であるが、平坦面からなる平底であってもよい。直胴部10aと底部10bとを連結するコーナー部10cの曲率(第2の曲率)は、底部10bの曲率(第1の曲率)よりも大きい。
開口部10dの直径(口径)は32インチ(約800mm)以上であることが好ましい。このような大口径のルツボは直径300mm以上の大口径シリコン単結晶インゴットの引き上げに用いられ、長時間の引き上げ工程中に変形しにくいことが求められるからである。口径32インチルツボの直胴部が約30mm内倒れした場合、この内倒れした部分が熱遮蔽板に接触してしまい、単結晶の引き上げが失敗となってしまう。場合によっては、高温のシリコン融液が漏れ出して爆発を引き起こすおそれがある。単結晶引き上げが失敗した場合、ルツボと融液の回収が必要となる。また炉内、特に熱遮蔽板の修理も必要となる。
ルツボの肉厚は10mm以上であることが好ましく、13mm以上であることがより好ましい。通常、口径32インチ(約800mm)以上の大型ルツボの肉厚は10mm以上、40インチ(約1000mm)以上の大型ルツボの肉厚は13mm以上であり、これらの大型で大容量のルツボにはシリコン融液の圧力によって変形することがない十分な厚さが必要だからである。
図1に示すように、石英ガラスルツボ1は二層構造であって、外層を構成する不透明層11と、内層を構成する透明層12とを備えている。不透明層11及び透明層12は共にルツボの直胴部10aから底部10bにわたる全体に設けられている。
不透明層11は、多数の微小な気泡を内包することにより白濁して見える石英ガラス層である。不透明層11は、シリコン単結晶の引き上げ時においてルツボの外周に配置されたヒータからの熱をルツボ内のシリコン融液に均一に伝達する役割を果たす。不透明層11は、透明層12に比べて熱容量が大きいことから、シリコン融液の温度を安定的に制御することができる。
不透明層11の気泡含有率は透明層12の気泡含有率よりも大きく、その機能を発揮できる限りにおいて特に限定されないが、0.1%よりも大きく5.0%以下であることが好ましい。不透明層11の気泡含有率が0.1%以下では不透明層11の機能を発揮できず、保温性が不十分となるからである。また、不透明層11の気泡含有率が5.0%を超える場合には気泡の膨張に起因してルツボが変形する可能性が高く、単結晶化率が低下するおそれがあるからであり、さらに伝熱性が不十分となるからである。不透明層11の気泡含有率は、1.0%以上4.0%以下であることが特に好ましい。1.0%以上4.0%以下であれば、ルツボの変形をさらに防止することができ、また伝熱性をさらに高めることができる。
なお石英ガラスの気泡含有率は、比重測定により求めることができる。ルツボから単位体積(1cm)の石英ガラス片を切り出し、その質量をAとし、気泡を含まない石英ガラスの比重B=2.21g/cmとするとき、気泡含有率P(%)は、P=(1−A/B)×100となる。
不透明層11は天然石英からなることが好ましい。天然石英とは、天然水晶、ケイ石等の天然質原料を意味する。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。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及び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。なお天然石英か否かは複数の要素から総合的に判断することができる。天然石英は合成石英に比べて高温における粘性が高いことから、ルツボ全体の耐熱強度を高めることができる。また天然石英は合成石英に比べて安価であり、コスト面でも有利である。
透明層12は、一見して透明に見える程度まで気泡が除去された石英ガラス層である。透明層12によれば、ルツボ内表面からの石英小片の剥離を防止することができ、シリコン単結晶収率を高めることができる。透明層12は、少なくとも気泡が原因で単結晶収率が低下しない程度の気泡含有率及び気泡サイズであればよく、特に限定されるものではないが、気泡含有率が0.1%以下であり、気泡の平均直径が100μm以下であることをいう。
不透明層11から透明層12への気泡含有率の変化は比較的急峻であり、透明層12の気泡含有率が増加し始めた位置からルツボの外表面側に向かって数十μm程度進んだところでほぼ不透明層11の気泡含有率に達する。したがって、肉眼では不透明層11と透明層12との境界は明確である。
透明層12は合成石英からなることが好ましい。合成石英とは、例えばケイ素アルコキシドの加水分解により合成されたシリカ原料を意味する。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。例えば、合成石英に含まれる各金属不純物の含有量は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、合成石英か否かを一つの要素から判断することは難しいが、複数の要素から総合的に判断することができる。このように、合成石英は天然石英と比べて不純物が少ないことから、ルツボからシリコン融液中へ溶出する不純物の増加を防止することができ、シリコン単結晶化率を高めることができる。
透明層12の厚さは0.5mm以上であることが好ましい。透明層12が0.5mmよりも薄い場合には、シリコン単結晶の引き上げ中に透明層12が溶損して不透明層11が露出するおそれがあるからである。ルツボの肉厚は不透明層11と透明層12との合計であり、不透明層11の厚さは、ルツボの肉厚から透明層12の厚さを差し引いた値となる。そのため、透明層12が厚くなれば不透明層11は薄くなり、透明層12が薄くなれば不透明層11は厚くなる。
本実施形態において、不透明層11と透明層12との境界面は、一方向に周期的な波面として形成されている。波面の進行方向は、直胴部10aの円筒形状の中心軸Zと平行な上下方向である。このような境界面の形状を実現するため、ルツボの直胴部10a及びコーナー部10cには、不透明層11の厚いところと薄いところとが一方向に所定の周期で繰り返し設けられている。不透明層11の厚さは周方向に対して一定であるので、立体的には図2に示すように横縞模様の変化パターンが見られる。図2において、実線は不透明層11の厚さが最も厚いところ、破線は不透明層11の厚さが最も薄いところをそれぞれ示している。
石英ガラスルツボ1の直胴部10aの肉厚Hに対して、不透明層11の厚さは、最も厚いところ(最大厚ta)で0.8H、最も薄いところ(最小厚tb)で0.2Hである。例えば、直胴部10aの肉厚H=10mmのとき、不透明層11の最大厚taは8mm、最小厚tbは2mmとなる。このような最大厚taと最小厚tbとが径方向(上下方向)に周期的に繰り返されている。
波面の変化の周期Tは、20mm以上100mm以下であることが好ましい。また波の数は8〜32であることが好ましい。気泡サイズ等を考慮すると20mm以下では周期Tが短すぎてはっきりとした波形にすることが難しいからであり、100mm以上では周期Tが長すぎてルツボの負担が小さくならず、またはっきりとした波形にすることが難しいからである。
波型の境界面は、少なくとも直胴部10aの全周に設けられている必要があり、直胴部10aとコーナー部10cの両方に設けられていることが好ましい。波型の境界面が底部10bに設けられている必要はなく、底部10bは平坦な境界面であればよい。ただし、波型の境界面は、直胴部10a、コーナー部10c及び底部10bを含むルツボ全体に設けられていてもよい。
シリコン単結晶の引き上げ工程において石英ガラスルツボ1は加熱されて軟化しており、シリコン融液からの圧力と自重により変形しやすい状態となっている。特に、シリコン融液の液面よりも下方の部位の軟化の程度が大きい。さらに、石英ガラスルツボ1内のシリコン融液からルツボ内周面が受ける圧力は非常に大きく、特にルツボの直胴部10aの壁体はシリコン融液からの圧力によって圧縮され、その結果、シリコン融液の液面よりも上方のルツボ上端部が内倒れしやすい状態となっている。しかし、不透明層11と透明層12との境界面が上下方向に周期的に波打った形状を有する場合には、シリコン融液からの圧力によってルツボ壁体が圧縮されにくいので、内倒れが生じにくい状態を作り出すことができる。また石英ガラス中の残留応力の空間的な偏りを小さくすることができ、高温下でのルツボの変形を抑制することができる。
このような波型の境界面は、その製造に用いるグラファイトモールドの真空引き用の通気孔からの吸引力を不透明層11の厚さに合わせて変化させることにより実現することができる。すなわち、不透明層11を厚く形成したいところでは強く(多く)吸引されるようにし、不透明層11を薄く形成したいところでは弱く(少なく)吸引されるようにし、このような吸引の強弱を例えば上下方向に周期的にレイアウトすればよい。こうして製造されたルツボは、上記のような波形の境界面分布を有するので、ルツボの内倒れを抑制することができる。
図3は、本発明の第2の実施の形態による石英ガラスルツボ2の構造を示す略断面図である。また、図4は、図3の石英ガラスルツボ2の立体構造を示す略斜視図である。
図3及び図4に示すように、本実施形態による石英ガラスルツボ2の特徴は、不透明層11と透明層12との境界面が一方向に周期的な波面として形成され、波面の進行方向が直胴部10の周方向である点にある。このような境界面の形状を実現するため、石英ガラスルツボ2には、ルツボの直胴部10a及びコーナー部10cには、不透明層11の厚いところと薄いところとが周方向に所定の周期で繰り返し設けられている。不透明層11の厚さは上下方向に対して一定であるので、立体的には図4に示すように縦縞模様の厚さの変化パターンが見られる。
第1の実施の形態と同様、石英ガラスルツボ2の直胴部の肉厚Hに対して、不透明層11の厚さは、最も厚いところで0.8H、最も薄いところで0.2Hである。直胴部の肉厚H=10mmのとき、不透明層11の最大厚は8mm、最小厚は2mmとなる。このような最大厚と最小厚とが周方向に周期的に繰り返されている。このような波型の不透明層11は、少なくとも直胴部に形成されていればよく、コーナー部10c及び底部10bでは波型でなくてもよいが、波型であってもかまわない。
波面の変化の周期Tは、20mm以上100mm以下であることが好ましい。また波の数は32〜128であることが好ましい。気泡サイズ等を考慮すると20mm以下では周期Tが短すぎてはっきりとした波形にすることが難しいからであり、100mm以上では周期Tが長すぎてルツボの負担が小さくならず、またはっきりとした波形にすることができないからである。
本実施形態においても、波型の境界面は、少なくとも直胴部10aの全周に設けられている必要があり、直胴部10aとコーナー部10cの両方に設けられていることが好ましい。波型の境界面が底部10bに設けられている必要はなく、底部10bは平坦な境界面であればよい。ただし、波型の境界面は、直胴部10a、コーナー部10c及び底部10bを含むルツボ全体に設けられていてもよい。
本実施形態による石英ガラスルツボ2は、第1の実施形態と同様の効果を奏することができる。すなわち、不透明層11と透明層12との境界面が周方向に周期的に波打った形状を有する場合には、シリコン融液からの圧力によってルツボ壁体が圧縮されにくいので、内倒れが生じにくい状態を作り出すことができる。
図5は、石英ガラスルツボ1の製造方法について説明するための模式図である。
本実施形態による石英ガラスルツボ1は回転モールド法によって製造することができる。回転モールド法では、一定速度で回転しているグラファイトモールド21の内表面に石英粉20を所定の厚さにて堆積させる。モールド21は回転しているので、モールド21内に充填された石英粉20は遠心力によって内壁面に張り付いたまま一定の位置に留まり、その形状が維持される。石英粉20としては天然石英粉と合成石英粉の2種類を用いることが好ましい。すなわち、まず天然石英粉を所定の厚さにて堆積させ、次いで天然石英粉の堆積層の内表面に合成石英粉を所定の厚さにて堆積させる(ステップS12)。
その後、モールド21内にアーク電極22を設置し、石英粉20の層の内側からアーク放電を行い、石英粉を1700℃以上に加熱してアーク溶融する(ステップS13)。加熱時間、加熱温度等の具体的条件は原料やルツボのサイズなどの条件を考慮して適宜定められる。
また、この加熱と同時にモールド21側から減圧し、モールド21に設けた通気孔23を通じて溶融石英内の気体を外側に吸引し、通気孔23を通じて外部に排出することにより、ルツボ内表面の気泡を部分的に除去し、実質的に気泡のない透明層12を形成する。このとき、透明層12を薄く(不透明層11を厚く)形成したいところでは小さい矢印Paで示すように弱く吸引し、透明層12を厚く(不透明層11を薄く)形成したいところでは大きい矢印Pbで示すように強く吸引し、吸引力の強弱分布を上下方向に周期的にレイアウトすればよい。その後、すべての通気孔23の吸引力を弱め(又は停止し)、さらに加熱を続けて気泡を残留させることにより、多数の微小な気泡を含む不透明層11を形成する。以上により、多数の気泡を含む天然石英ガラスからなる不透明層11と、気泡が除去された合成石英ガラスからなる透明層12とを有する石英ガラスルツボ1が完成する。
図5は、図1及び図2に示した第1の実施の形態による石英ガラスルツボ1の製造方法であり、吸引力の強いところと弱いところがルツボの上下方向に沿って交互に配置されているが、吸引力の強いところと弱いところをルツボの周方向に沿って交互に配置した場合には、図3及び図4に示した第2の実施の形態による石英ガラスルツボ2を製造することができる。
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の製造方法は、グラファイトモールド21に設けられた通気孔23を通じて溶融石英ガラスを脱気(脱泡)する際の吸引力をルツボの上下方向又は周方向に沿って周期的に変化させるので、不透明層11の厚さを周期的に変化させることができる。したがって、シリコン単結晶引き上げ中の高温下において変形しにくい石英ガラスルツボを製造することができる。
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。
例えば、上記実施形態においては、不透明層11の厚さが上下方向又は周方向のどちらか一方向に周期的に変化する場合について説明したが、上下方向と周方向の両方向に周期的に変化するようにしてもかまわない。
32インチ石英ガラスルツボのサンプルの高温下での耐熱試験シミュレーション(CAE:computer aided engineering)を行った。このシミュレーションでは、図1及び図2に示した不透明層11の厚さが上下方向に変化するルツボを用い、不透明層11の厚さの周期Tが異なる10種類のルツボサンプル#1〜#10を用意した。サンプル#1〜#10における不透明層11の厚さの変化の周期Tは、10、20、30、40、60,80,100,120,140,200mmとした。また直胴部の肉厚を10mm、不透明層11の最大厚を8mm、不透明層の最小厚を2mmとした。
ここで、ルツボ壁の質量密度2.328e[kg/m]、ポアゾン比は0.28とした。また、シリコン融液と接しないルツボ壁の上部のヤング率を130[Gpa]、シリコン融液と接するルツボ壁の内層(透明層12)及び外層(不透明層11)のヤング率をそれぞれ65[Gpa]及び97.5[Gpa]とした。また境界条件として、シリコン融液と接するルツボ内面Sには1[Mpa]の圧力がかかっているものとした。また、ルツボ外面Sはサセプタの内面と接していることから、X方向(水平方向)の位置が拘束されているものとした。さらに、ルツボ壁の下端Sも全て拘束されているものとした。
図6は、石英ガラスルツボの開口上端部から直胴部の断面について、波面がある場合とない場合の変形試験シミュレーションを行った結果である。波面を形成していない場合の変形試験シミュレーション結果は、シリコン融液と接しないルツボ壁の上部が大きく内倒れし、この内倒れした部分が熱遮蔽板に接触してしまうおそれがあるのに対し、波面を形成した場合の変形試験シミュレーション結果は、シリコン融液と接しないルツボ壁の上部の変形が小さく、熱遮蔽板に接触するおそれがないことが分かる。
表1は、上記条件下でルツボサンプル#1〜#10の変形試験シミュレーションを行った結果を示す表である。なお加熱条件は1500度で48時間とした。
表1から明らかなように、サンプル#1、#8〜#10では変形が生じたが、サンプル#2〜#7では変形が生じなかった。
1、2 石英ガラスルツボ
10a 直胴部
10b 底部
10c コーナー部
10d 開口部
11 不透明層
12 透明層
20 石英粉
21 グラファイトモールド
22 アーク電極
23 通気孔
32 口径
H 肉厚
T 周期
ta 最大厚
tb 最小厚

Claims (7)

  1. 円筒状の直胴部と、前記直胴部の下端に形成されたコーナー部と、前記コーナー部を介して前記直胴部に接続された底部とを有する石英ガラスルツボであって、
    ルツボの外層を構成する気泡を内包する不透明層と、ルツボの内層を構成する気泡が除去された透明層とを備え、
    少なくとも前記直胴部における前記不透明層と前記透明層との境界面は、少なくとも一方向に周期的な波面を形成していることを特徴とする石英ガラスルツボ。
  2. 前記直胴部及び前記コーナー部における前記不透明層と前記透明層との境界面が前記波面を形成している、請求項1に記載の石英ガラスルツボ。
  3. 前記波面の進行方向は、前記直胴部の上下方向である、請求項1又は2に記載の石英ガラスルツボ。
  4. 前記波面の進行方向は、前記直胴部の周方向である、請求項1又は2に記載の石英ガラスルツボ。
  5. 前記波面の進行方向は、前記直胴部の上下方向と周方向の両方の合成である、請求項1又は2に記載の石英ガラスルツボ。
  6. 前記波面の変化の周期は20mm以上100mm以下である、請求項1乃至5のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボ。
  7. 上端に開口部を有する円筒状の直胴部と、前記直胴部の下端に形成されたコーナー部と、前記コーナー部を介して前記直胴部に接続された底部とを有する石英ガラスルツボの製造方法であって、
    前記石英ガラスルツボの外形に合わせた形状を有するモールドを回転させながらその内表面に石英粉を堆積させる工程と、
    前記石英粉をアーク溶融によりガラス化して石英ガラスルツボを形成する工程とを備え、
    前記石英粉をアーク溶融する工程では、前記モールドに設けられた通気孔を通じて脱気する際の吸引力を一方向に沿って周期的に異ならせて、少なくとも前記直胴部における前記不透明層と前記透明層との境界面を前記一方向に周期的な波面として形成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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