JP6713382B2 - 石英ガラスルツボの製造方法、及び石英ガラスルツボ - Google Patents
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Description
近年、半導体装置に用いられるシリコンウエハの大口径化が進み、300mmの直径を持つシリコンウエハが主流となっている。このような大口径のシリコンウエハの製造に用いられるシリコン単結晶を引上げるための石英ルツボとしては、直径が80cm(32インチ)の大口径ルツボが必要である。
従来、シリコン単結晶の引上げ歩留まり、即ち単結晶化率(DF率)を低下させる要因としては、結晶転移の発生、溶融シリコン液面振動による引上げ工程の遂行不能などがある。これら結晶転位の発生、溶融シリコン液面振動は、ルツボ内表面層に気泡が発生し、これが開放する際の衝撃が一因であると考えられている。
尚、透明層の形成は、大気(酸素含有雰囲気)中で実施されており、完成された石英ルツボ製品の透明層内には過剰酸素が少なからず存在している。
それにより、シリコン単結晶引上げ中において、不透明層では酸素が前記閉気孔中に拡散して該閉気孔の膨張が生じ、結果、透明層はシリコン融液から内圧を受け、且つ不透明層から外圧を受けることとなる。その結果、シリコン単結晶引上げに際し透明層中の気泡の膨張が抑制される。
しかしながら、特許文献1に開示された不透明層の赤色蛍光強度の範囲では従来の石英ガラスルツボと同様に、引上げ工程中において長時間にわたりルツボの肉厚の変化や、それにともなう透明度の変化が生じ、ヒータからの輻射熱や石英ガラスルツボを保持する保持ルツボ(例えばカーボンルツボ)からの熱伝導が時間の経過とともに大きく変化する。
そのため、石英ガラスルツボが保持ルツボに馴染むまでに長時間を要する上に、引上げの状態が不安定になり、単結晶に転位が発生しやすいという課題がある。転位が発生すると、結晶を再度溶融液に戻して溶かす、いわゆるメルトバックが増加して、生産性が低下してしまう。
尚、前記成形体を構成する前記第1の原料粉末は、天然石英粉であり、前記第2の原料粉末は、合成石英粉または高純度天然石英粉であることが望ましい。
したがって、この石英ガラスルツボを用いて、単結晶引上げを行うことにより、その開始後早い段階で不透明層中の気泡が膨張し、結晶化が早期に完了する。これにより、肉厚が増加し透過率が大きく低下してルツボ倒れ込みを防止するための強度を持たせることができる。また、肉厚の増加にともなう保持ルツボへの馴染みがより早い段階で発生することで、引上げ開始時の熱環境を安定化させることができ、メルトバックの発生を抑制することができる。
また、単結晶引上げ中において、透明層はシリコン融液から内圧を受け、且つ結晶化した不透明層から外圧を受けるため、透明層中の気泡の膨張を効果的に抑止することができ、単結晶の生産性の向上を図ることができる。
このような石英ガラスルツボは、赤色蛍光強度が従来(1〜3程度)よりも大幅に高いため、不透明層中の酸素過剰欠陥の数が従来よりも格段に多くなる。
したがって、この石英ガラスルツボを用いて、単結晶引上げを行うことにより、引上げ開始後早い段階で不透明層中の気泡が膨張し、結晶化が早期に完了する。これにより、肉厚が増加し透過率が大きく低下してルツボ倒れ込みを防止するための強度を持たせることができる。また、肉厚の増加にともなう保持ルツボへの馴染みをより早い段階で発生させ、引上げ開始時の熱環境を安定化させることができ、メルトバックの発生を抑制することができる。
また、単結晶引上げ中において、透明層はシリコン融液から内圧を受け、且つ結晶化した不透明層から外圧を受けるため、透明層中の気泡の膨張を効果的に抑止することができ、単結晶の生産性の向上を図ることができる。
この石英ガラスルツボの製造装置100(以下、ルツボ製造装置100とも呼ぶ)は、断面U字状の原料粉成形体26を保持するモールド13、及びこのモールド13と協働して空間14を形成するように配置したガス不透過性の保持体15が配置されており、この保持体15の下部には、保持体15を回転可能に支持する回転軸16が接続されている。前記回転軸16は、図示しない回転駆動装置に接続されており、石英ガラスルツボの製造時に保持体15、モールド13及び原料粉成形体26を回転させるようになっている。
また、保持体15には、前記空間14に連通する通気口35が設けられており、通気口35に接続可能なエア供給装置30が配置されている。不透明層の形成時において、エア供給装置30が駆動することにより、空間14内に酸素を所定割合で含むエア、具体的には、酸素500L/min〜1000L/min、窒素2000L/min〜2500L/min、総流量3000L/minのエアを導入するようになっている。
次に図示しない回転駆動装置を稼働させ、モールド13を回転させ(図3のステップS3)、図示しない電源装置から供給されている電力によりアーク放電電極20間にアーク放電を行い、透明層を形成するために成形体26の内面(第2の原料粉末により固められた層)を溶融する(図3のステップS4)。
また、本工程において、不活性ガス供給装置40によるArガスの吹き付けは少なくともアーク放電の間は継続してなされることが望ましい。そのようにしなかった場合には、透明層内面に酸素が非架橋酸素として残留し、当該ルツボ使用時に気泡の膨張及び破裂が発生し、単結晶化率が低下するためである。
このとき空間14内の圧力を85kPa〜98kPaに調整し、導入するエアは、酸素500L/min〜1000L/min、窒素2000L/min〜2500L/min、総流量3000L/minとなるように制御する。
特に、不透明層5の形成時に空間14に所定の減圧下で導入制御したエアにより、不透明層5の赤色蛍光強度は10以上15以下(従来一般的な石英ガラスルツボの不透明層の赤色蛍光強度は1〜3)となり、そのために不透明層5中の酸素過剰欠陥の数が従来品よりも格段に多くなるよう調整されている。
尚、前記不透明層5の赤色蛍光強度が15を超えると、過剰な気泡膨張によるルツボ壁面の変形が発生するおそれがあり、好ましくない。
また、前記透明層3の形成時において、その赤色蛍光強度は0.01以上0.5以下の範囲内に低く抑えられる。
前記サンプリングの位置は、図2に示すようにシリコン融液の液面に近いルツボ直胴部である1aの位置であってもよいし、単結晶引上げ時にルツボの座屈を発生しやすい屈曲部1bの位置であってもよいし、ルツボ底部1cの位置であってもよいが、最も気泡の破裂によるシリコン単結晶化率に影響を及ぼし易い直胴部1aの位置でサンプリングすることが好ましい。
測定する不透明層の箇所は、透明層−不透明層界面から0.1mmの位置を第1測定点とし、外方に向かって0.5mm間隔で13点測定する。
これらのサンプルについて、以下の方法により非架橋の酸素(−Si−O・)に起因すると考えられる650nmの赤色蛍光強度を測定し、不透明層のサンプルの平均値を算出して、評価を行う。
蛍光ピークは2000〜6000cm-1にわたって分布しているが、特に4000〜4100cm-1の範囲は650nmの赤色蛍光に相当する。赤色蛍光は過剰酸素の1つであるNBOCH(≡Si−O・)と相関するため石英ルツボの過剰酸素の評価に適する。
この理由により4000〜4100cm-1の範囲で赤色蛍光の面積強度を算出する。一方、参照ピークとして800cm-1に現れるSiOネットワークピークを測定し、700〜900cm-1にわたってその面積強度を算出して、その強度比で蛍光強度を決定する。
したがって、この石英ガラスルツボ1を用いて、単結晶引上げを行うことにより、その開始後早い段階で不透明層5中の気泡が膨張し、結晶化が早期に完了する。これにより、肉厚が増加し透過率が大きく低下してルツボ倒れ込みを防止するための強度を持たせることができる。また、肉厚の増加にともなう保持ルツボ(カーボンルツボなど)への馴染みをより早い段階で発生させ、引上げ開始時の熱環境を安定化させることができ、メルトバックの発生を抑制することができる。
また、単結晶引上げ中において、透明層3はシリコン融液から内圧を受け、且つ結晶化した不透明層5から外圧を受けるため、透明層中の気泡の膨張を効果的に抑止することができ、単結晶の生産性の向上を図ることができる。
実施例1〜5では、前記実施の形態に従い製造した石英ガラスルツボ(直径80cm)に対し、炉内の空気圧0.5torrとし、温度1600℃で5時間連続して加熱処理を行い、不透明層の透過率の変化を観察した。
尚、製造した石英ガラスルツボの不透明層における赤色蛍光強度は、実施例1では9、実施例2では10、実施例3では12、実施例4では15、実施例5では20に調整した。透明層の赤色蛍光強度は、すべての実施例において0.1に調整した。
また、前記赤色蛍光強度の確認は、以下のように測定した。柱形状サンプルの表面を鏡面に研磨した後、レーザーラマン測定を行った。514nmのArレーザを400mWのパワーで試料の側面に垂直に入射し、正面からラマン錯乱光および蛍光を測定し、分解能1cm-1以下のツエルニターナ型分光器を用いて分光し、液体窒素で冷却したCCDにより検出した。その結果得られるレーザラマンスペクトルから、4000〜4100cm -1 の範囲で赤色蛍光の面積強度を算出した。一方、参照ピークとして800cm -1 に現れるSiOネットワークピークを測定し、700〜900cm -1 にわたってその面積強度を算出して、その強度比で蛍光強度を決定した。
一方、比較例1の結果、不透明層の透過率は、処理前の80%から処理後は40%までの低下に留まった。この結果、不透明層の赤色蛍光強度が10以上15以下であれば、気泡膨張時間を大幅に短縮できることを確認することができた。
実施例6では、前記実施の形態に従い製造した石英ガラスルツボ(直径80cm、不透明層の赤色蛍光強度が10、透明層の赤色蛍光強度が0.1)を400ピース用い、それぞれ直径300mmの単結晶引上げを行い、ルツボ変形が発生するか観察した。
また、比較例2として、従来の石英ガラスルツボ(直径80cm、不透明層の赤色蛍光強度が2)に対し、実施例2と同条件で単結晶引上げを行い、ルツボ変形が発生するか観察した。
実施例6の結果、400ピース中、変形が生じた石英ガラスルツボは無かった。一方、比較例2では、400ピースに1ピースの割合で、引上げ初期の変形が発生した。
また、メルトバックによるロス時間は、実施例6では比較例2に比べて、1操炉あたり7時間減少し、引上げ歩留まりは3%向上した。
2 内周面
3 透明層
4 外周面
5 不透明層
13 モールド
14 空間
15 保持体
16 回転軸
17 通気口
19 減圧装置
20 アーク放電電極
24 冷却ガス供給管
26 原料粉成形体(成形体)
30 エア供給装置
35 通気口
40 不活性ガス供給装置
100 石英ガラスルツボの製造装置
Claims (3)
- ルツボ成形型内に第1の原料粉末からなる外層と、その内側に第2の原料粉末からなる内層とを積層して2層の原料粉末からなる成形体を形成し、アーク放電によって前記成形体を溶融することにより石英ガラスルツボを形成する石英ガラスルツボの製造方法であって、
アーク放電により前記成形体の内層を溶融し、前記成形体の内周面側に透明層を形成するステップと、
前記成形体の外周面側に、所定量の酸素を含むガスを供給するとともに、前記成形体の外層をアーク放電により溶融し赤色蛍光強度が10以上15以下となる不透明層を形成するステップと、
を含むことを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。 - 前記成形体を構成する前記第1の原料粉末は、天然石英粉であり、前記第2の原料粉末は、合成石英粉または高純度天然石英粉であることを特徴とする請求項1に記載された石英ガラスルツボの製造方法。
- 内周面側に透明層を有し、外周面側に不透明層を有する2層構造の石英ガラスルツボであって、
前記不透明層の赤色蛍光強度が10以上15以下であることを特徴とする石英ガラスルツボ。
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