JP7150250B2 - 石英ガラスルツボおよび石英ガラスルツボの製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、石英ガラスルツボ、特に、シリコン単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボに関するものであって、大口径大容量の石英ガラスルツボであっても、シリコン単結晶引き上げ時の高温下において発生する内方への倒れ込みなどの変形や、天然石英ガラスからなる外層と合成石英ガラスからなる内層の境界部における剥離の発生などを抑制する石英ガラスルツボおよびかかる石英ガラスルツボの製造方法に関するものである。
なお、本明細書では、アーク溶融とその後に引き続き連続して行う冷却処理を含んだ熱処理を「アーク熱処理」といい、一旦製造された新品の石英ガラスルツボ、あるいは、ＣＺ法による単結晶の育成に使用された石英ガラスルツボについて、内部歪の除去や均質化を図るために行う熱処理を「アニール処理」という。
なお、本明細書では、アーク溶融とその後に引き続き連続して行う冷却処理を含んだ熱処理を「アーク熱処理」といい、一旦製造された新品の石英ガラスルツボ、あるいは、ＣＺ法による単結晶の育成に使用された石英ガラスルツボについて、内部歪の除去や均質化を図るために行う熱処理を「アニール処理」という。
半導体の基板等に用いられるシリコン単結晶は、通常、石英ガラスルツボを用いてチョクラルスキー法（ＣＺ法）によって製造されている。ＣＺ法は、石英ガラスルツボ内に、多結晶シリコン原料を導入し、加熱溶融によりシリコン融液とした後、上方より種結晶を前記シリコン融液に接触させ、前記石英ガラスルツボを回転させながら、前記種結晶を徐々に引き上げることによりシリコン単結晶を得る方法である。
このシリコン単結晶引上用の石英ガラスルツボについては、例えば、特許文献１に記載されるように、回転アーク溶融法、すなわち、回転する石英ガラスルツボ成形用型内に石英原料粉を供給し、ルツボ形状成形体を形成し、ルツボ形状成形体に対して内面から外面方向に減圧を与えるとともに、ルツボ形状成形体を回転させながらアーク溶融することにより、内面側は透明層であり、外面側は気泡層とする石英ガラスルツボが製造されている。
透明層はアーク溶融中の減圧により気泡が除去された層であり、気泡層は気泡が残留した層になる。
そして、このような石英ガラスルツボの材質については、求められる特性に応じて、外面側の層を天然石英ガラス層（天然石英粉を溶融して形成された層）とし、内面側の層を合成石英ガラス層（合成シリカ粉を溶融して形成された層）とすること（特許文献２）や、外層を天然石英粉層、中間層を天然石英粉層または高純度合成石英粉層、内層を高純度合成石英粉層の三層構造とすること（特許文献３、特許文献４）などの複数層とするものが提案されている。
透明層はアーク溶融中の減圧により気泡が除去された層であり、気泡層は気泡が残留した層になる。
そして、このような石英ガラスルツボの材質については、求められる特性に応じて、外面側の層を天然石英ガラス層（天然石英粉を溶融して形成された層）とし、内面側の層を合成石英ガラス層（合成シリカ粉を溶融して形成された層）とすること（特許文献２）や、外層を天然石英粉層、中間層を天然石英粉層または高純度合成石英粉層、内層を高純度合成石英粉層の三層構造とすること（特許文献３、特許文献４）などの複数層とするものが提案されている。
なお、ここで、材質による層の違い、すなわち、天然石英ガラス層と合成石英ガラス層であることと、気泡の有無による層の違い、すなわち、気泡層と透明層であることとは独立に定義される。
例えば、天然石英ガラス層の中に透明層と気泡層が存在し、また、透明層の中に合成石英ガラス層と天然石英ガラス層が存在する。
例えば、天然石英ガラス層の中に透明層と気泡層が存在し、また、透明層の中に合成石英ガラス層と天然石英ガラス層が存在する。
Phys. Rev. B Vol.28 No.6,p.3266-3271,Sept.,1983
近年、シリコン単結晶の更なる収率向上が検討され、大口径大容量の石英ガラスルツボが用いられるようになったが、その結果、ルツボ内におけるシリコン融液の溶融状態が長時間化し、石英ガラスルツボに対する加熱負荷が増大しており、ガラス軟化点を超える高温に曝された場合に、石英ガラスルツボの直胴部の内方への倒れ込みや熱変形が生じるという問題が指摘されている。
すなわち、シリコン単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボは、前記したとおり、例えば、回転アーク溶融法により製造されるが、通常は、アーク溶融後、ルツボ上部（直胴部の上部）より冷却が進行するため、ルツボ上部では、仮想温度が高く、すなわち、密度が高く、ルツボ直胴部から底部にかけて、仮想温度が徐々に低くなる結果、底部に近づくほど低密度となる。そのため、従来は、例えば、特許文献５や特許文献６にも記載されているように、石英ガラスルツボを黒鉛或いはカーボン製のサセプタにより接触支持し、サセプタを回転しながら、石英ガラスルツボの直胴部に遠心力を働かせることにより内方への倒れ込みを防止していた。
すなわち、シリコン単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボは、前記したとおり、例えば、回転アーク溶融法により製造されるが、通常は、アーク溶融後、ルツボ上部（直胴部の上部）より冷却が進行するため、ルツボ上部では、仮想温度が高く、すなわち、密度が高く、ルツボ直胴部から底部にかけて、仮想温度が徐々に低くなる結果、底部に近づくほど低密度となる。そのため、従来は、例えば、特許文献５や特許文献６にも記載されているように、石英ガラスルツボを黒鉛或いはカーボン製のサセプタにより接触支持し、サセプタを回転しながら、石英ガラスルツボの直胴部に遠心力を働かせることにより内方への倒れ込みを防止していた。
しかしながら、石英ガラスルツボの大型化に伴い、ルツボの上下部での仮想温度差が大きくなり、その密度差が広がったため、ルツボを単に従来のサセプタによる支持するのみでは、倒れ込みなどの変形に対応することができず、倒れ込みが発生するため、更なる解決手段が求められている。
また、前記したとおり、石英ガラスルツボは、通常、天然石英ガラスと合成石英ガラスとの複数層により構成されるが、その境界部においては、それぞれのガラス層の仮想温度における密度が異なっているために、それぞれのガラス層が同じ仮想温度を有していてもその密度差の違いにより異常膨張が生じガラス層が剥離を起こすという問題も指摘されており、前記倒れ込みの発生に加え、異なるガラス層の剥離に対する対応も合わせて求められている。
また、前記したとおり、石英ガラスルツボは、通常、天然石英ガラスと合成石英ガラスとの複数層により構成されるが、その境界部においては、それぞれのガラス層の仮想温度における密度が異なっているために、それぞれのガラス層が同じ仮想温度を有していてもその密度差の違いにより異常膨張が生じガラス層が剥離を起こすという問題も指摘されており、前記倒れ込みの発生に加え、異なるガラス層の剥離に対する対応も合わせて求められている。
そこで、本発明は、石英ガラスルツボの上部および底部における密度分布をルツボの各位置における仮想温度を調整することにより適正化し、直胴部の内側への倒れ込みや変形を防止することを可能とし、さらに、異なる種類の石英ガラス、例えば、天然石英ガラスと合成石英ガラスから構成される複数の層を有する石英ガラスルツボにおいて、天然石英ガラス層と合成石英ガラス層との境界部における密度分布についてそれぞれの石英ガラスの仮想温度を調整することにより適正化を図り、天然石英ガラス層と合成石英ガラス層との剥離を防止することを可能とした石英ガラスルツボ、および、かかる石英ガラスルツボの製造方法を提供することを目的とするものである。
本発明者らは、前記課題を解決すべく、石英ガラスルツボについて、石英ガラスルツボの直胴部の上部および底部の密度、並びに、天然石英ガラス層と合成石英ガラス層との境界部における密度をそれらの石英ガラスの仮想温度により調整できないか鋭意研究を行った結果以下の知見を得た。
すなわち、１）通常アーク溶融法等において製造される、直胴部の上部において仮想温度が高いため密度が高く、底部において仮想温度が低いため密度が低い、石英ガラスルツボの直胴部の上部、および、底部のそれぞれに対し、適正なアニール処理を施すことにより、直胴部の上部において仮想温度が低く、密度が低く、底部において仮想温度が高く、密度が高い石英ガラスルツボが製造できることを知見した。
また、２）天然石英ガラス層と合成石英ガラス層との剥離を防止するためには、境界部における各石英ガラス層の密度差がなくなるように各石英ガラス層の密度を調整することが必要となるが、天然石英ガラスおよび合成石英ガラスについて、それらの仮想温度と密度の関係についてみると、石英ガラスの溶融温度以下であって調整可能な仮想温度範囲である１０００℃から１４００℃～１５００℃までの温度範囲では、それぞれの石英ガラスは、仮想温度の上昇に対応し密度が上昇するものの、同じ仮想温度についてみたときの密度は、常に、天然石英ガラスが高く、合成石英ガラスが低いことから、合成石英ガラスの仮想温度を高くし、天然石英ガラスの仮想温度を低くすることにより、これらの密度差を小さくできることを知見した。
そして、３）前記１）および／または前記２）の知見により得られた特性を有する石英ガラスルツボは、回転アーク溶融法により得られた直後の高温状態の石英ガラスルツボを引き続いて行う特定の冷却処理により製造することができるものであるが、その他、回転アーク溶融法などにより一旦通常の方法にて製造された新品の石英ガラスルツボについて、再加熱アニール処理を行った後の冷却処理により製造することもでき、さらには、すでにＣＺ法による単結晶の育成に使用された石英ガラスルツボに対してもアニール処理を行うことにより製造することができる。
そして、本発明は、上記の知見に基づいてなされたものであって、
「（１）直胴部と底部を有するシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいて、
前記底部では石英ガラスの密度が高く、前記直胴部の下部から上部に向けて順次前記密度が低いことを特徴とするシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（２）前記直胴部と前記底部が、天然石英ガラス層または合成石英ガラス層からなることを特徴とする前記（１）に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（３）前記直胴部と前記底部が、外層として天然石英ガラス層を有し、内層として合成石英ガラス層を有することを特徴とする、前記（１）に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（４）前記直胴部と前記底部が、外層として天然石英ガラス層、中間層として天然石英ガラス層または合成石英ガラス層、内層として合成石英ガラス層を有することを特徴とする、前記（１）または（３）に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（５）直胴部と底部を有するシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいて、
前記直胴部と前記底部が、外層として天然石英ガラスを有し、内層として合成石英ガラス層を有し、前記外層と前記内層が接する境界部において、それぞれの層の石英ガラスの密度差が０．００１４ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とするシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（６）直胴部と底部を有するシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいて、
前記直胴部と前記底部が、外層として天然石英ガラス層を有し、中間層として天然石英ガラス層または合成石英ガラス層を有し、内層として合成石英ガラス層を有し、異なる種類の石英ガラス層が接する境界部において、前記境界部における石英ガラスの密度差が０．００１４ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とするシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（７）前記底部では石英ガラスの密度が高く、前記直胴部の下部から上部に向けて順次前記密度が低いことを特徴とする前記（５）または（６）に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（８）シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法であって、
回転する石英ガラスルツボ成形用型内に原料石英粉を供給し、該原料石英粉を所定厚さに堆積させ、次いで、前記石英ガラスルツボ成形用型の内側より堆積された前記原料石英粉をアーク溶融させた後、前記石英ガラスルツボ成形用型の底部より急冷を開始し、以降順次、直胴部の上部に至るまで冷却を行い、前記底部では仮想温度が高く、前記底部より前記直胴部の上部に向けて、順次前記仮想温度が低くなるように前記仮想温度の温度勾配を設けることにより、前記底部においては石英ガラスの密度が高く、前記直胴部の下部から上部に向けて順次前記密度を低くしたことを特徴とする、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。
（９）前記底部より急冷を開始し、以降順次、前記直胴部の上部に至るまでの冷却は、アーク溶融処理後、窒素ガスを冷却した冷却ガスを上下方向に移動可動な冷却管を前記石英ガラスルツボ成形用型の内部に導入し、前記底部より前記直胴部の上部に至るまで前記冷却管を順次移動させることにより行うことを特徴とする前記（８）に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。
（１０）前記底部より急冷を開始し、以降順次、前記直胴部の上部に至るまでの冷却は、前記石英ガラスルツボ成形用型に前記石英ガラスルツボ成形用型を外側から冷却するための冷却孔を多数設け、前記底部では強冷却とし、前記直胴部の上部に向けて順次緩冷却とする、または、前記アーク溶融の終了後の冷却が、前記底部では直ちに開始され、以降、前記直胴部の上部に向かって、一定時間保温後、順次冷却を開始することにより行うことを特徴とする前記（８）または（９）に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。
（１１）シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法であって、
回転する石英ガラスルツボ成形用型内に外層および内層の順に、または、外層、中間層および内層の順に、これらの層に応じた種類の異なる原料石英粉を供給して、それぞれ所定厚さに堆積させ、次いで、前記石英ガラスルツボ成形用型の内側より堆積された前記原料石英粉をアーク溶融させた後、前記各層が接する境界部において、前記各層の石英ガラスの密度差を小さくするために、天然石英ガラスを有する層については、仮想温度を下げることにより前記境界部における石英ガラスの密度を低く調整し、他方、合成石英ガラスを有する層については、仮想温度を上げることにより前記境界部における前記密度を高く調整し、前記境界部における二つの層の前記密度差を０．００１４ｇ／ｃｍ３以下としたことを特徴とする、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。
（１２）シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法であって、
回転する石英ガラスルツボ成形用型内に外層および内層の順に、または、外層、中間層および内層の順に、これらの層に応じた種類の異なる原料石英粉を供給して、それぞれ所定厚さに堆積させ、次いで、前記石英ガラスルツボ成形用型の内側より堆積された前記原料石英粉をアーク溶融させた後、前記石英ガラスルツボ成形用型の底部より急冷を開始し、以降順次、直胴部の上部に至るまで冷却を行い、前記底部では仮想温度が高く、前記底部より前記直胴部の上部に向けて、順次前記仮想温度が低くなるよう前記仮想温度の温度勾配を設けるよう冷却を行うことにより、前記底部においては石英ガラスの密度が高く、前記直胴部の下部から上部に向けて順次前記密度を低くするアーク熱処理を行うとともに、該アーク熱処理に合わせて、同時に、前記各層が接する境界部においては、前記各層の石英ガラスの密度差を小さくするために、天然石英ガラスを有する層については、前記仮想温度を下げることにより前記境界部における前記密度を低く調整し、他方、合成石英ガラスを有する層については、前記仮想温度を上げることにより前記境界部における前記密度を高く調整し、前記境界部における二つの層の前記密度差を０．００１４ｇ／ｃｍ３以下としたことを特徴とする、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。」
である。
「（１）直胴部と底部を有するシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいて、
前記底部では石英ガラスの密度が高く、前記直胴部の下部から上部に向けて順次前記密度が低いことを特徴とするシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（２）前記直胴部と前記底部が、天然石英ガラス層または合成石英ガラス層からなることを特徴とする前記（１）に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（３）前記直胴部と前記底部が、外層として天然石英ガラス層を有し、内層として合成石英ガラス層を有することを特徴とする、前記（１）に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（４）前記直胴部と前記底部が、外層として天然石英ガラス層、中間層として天然石英ガラス層または合成石英ガラス層、内層として合成石英ガラス層を有することを特徴とする、前記（１）または（３）に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（５）直胴部と底部を有するシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいて、
前記直胴部と前記底部が、外層として天然石英ガラスを有し、内層として合成石英ガラス層を有し、前記外層と前記内層が接する境界部において、それぞれの層の石英ガラスの密度差が０．００１４ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とするシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（６）直胴部と底部を有するシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいて、
前記直胴部と前記底部が、外層として天然石英ガラス層を有し、中間層として天然石英ガラス層または合成石英ガラス層を有し、内層として合成石英ガラス層を有し、異なる種類の石英ガラス層が接する境界部において、前記境界部における石英ガラスの密度差が０．００１４ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とするシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（７）前記底部では石英ガラスの密度が高く、前記直胴部の下部から上部に向けて順次前記密度が低いことを特徴とする前記（５）または（６）に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（８）シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法であって、
回転する石英ガラスルツボ成形用型内に原料石英粉を供給し、該原料石英粉を所定厚さに堆積させ、次いで、前記石英ガラスルツボ成形用型の内側より堆積された前記原料石英粉をアーク溶融させた後、前記石英ガラスルツボ成形用型の底部より急冷を開始し、以降順次、直胴部の上部に至るまで冷却を行い、前記底部では仮想温度が高く、前記底部より前記直胴部の上部に向けて、順次前記仮想温度が低くなるように前記仮想温度の温度勾配を設けることにより、前記底部においては石英ガラスの密度が高く、前記直胴部の下部から上部に向けて順次前記密度を低くしたことを特徴とする、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。
（９）前記底部より急冷を開始し、以降順次、前記直胴部の上部に至るまでの冷却は、アーク溶融処理後、窒素ガスを冷却した冷却ガスを上下方向に移動可動な冷却管を前記石英ガラスルツボ成形用型の内部に導入し、前記底部より前記直胴部の上部に至るまで前記冷却管を順次移動させることにより行うことを特徴とする前記（８）に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。
（１０）前記底部より急冷を開始し、以降順次、前記直胴部の上部に至るまでの冷却は、前記石英ガラスルツボ成形用型に前記石英ガラスルツボ成形用型を外側から冷却するための冷却孔を多数設け、前記底部では強冷却とし、前記直胴部の上部に向けて順次緩冷却とする、または、前記アーク溶融の終了後の冷却が、前記底部では直ちに開始され、以降、前記直胴部の上部に向かって、一定時間保温後、順次冷却を開始することにより行うことを特徴とする前記（８）または（９）に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。
（１１）シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法であって、
回転する石英ガラスルツボ成形用型内に外層および内層の順に、または、外層、中間層および内層の順に、これらの層に応じた種類の異なる原料石英粉を供給して、それぞれ所定厚さに堆積させ、次いで、前記石英ガラスルツボ成形用型の内側より堆積された前記原料石英粉をアーク溶融させた後、前記各層が接する境界部において、前記各層の石英ガラスの密度差を小さくするために、天然石英ガラスを有する層については、仮想温度を下げることにより前記境界部における石英ガラスの密度を低く調整し、他方、合成石英ガラスを有する層については、仮想温度を上げることにより前記境界部における前記密度を高く調整し、前記境界部における二つの層の前記密度差を０．００１４ｇ／ｃｍ３以下としたことを特徴とする、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。
（１２）シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法であって、
回転する石英ガラスルツボ成形用型内に外層および内層の順に、または、外層、中間層および内層の順に、これらの層に応じた種類の異なる原料石英粉を供給して、それぞれ所定厚さに堆積させ、次いで、前記石英ガラスルツボ成形用型の内側より堆積された前記原料石英粉をアーク溶融させた後、前記石英ガラスルツボ成形用型の底部より急冷を開始し、以降順次、直胴部の上部に至るまで冷却を行い、前記底部では仮想温度が高く、前記底部より前記直胴部の上部に向けて、順次前記仮想温度が低くなるよう前記仮想温度の温度勾配を設けるよう冷却を行うことにより、前記底部においては石英ガラスの密度が高く、前記直胴部の下部から上部に向けて順次前記密度を低くするアーク熱処理を行うとともに、該アーク熱処理に合わせて、同時に、前記各層が接する境界部においては、前記各層の石英ガラスの密度差を小さくするために、天然石英ガラスを有する層については、前記仮想温度を下げることにより前記境界部における前記密度を低く調整し、他方、合成石英ガラスを有する層については、前記仮想温度を上げることにより前記境界部における前記密度を高く調整し、前記境界部における二つの層の前記密度差を０．００１４ｇ／ｃｍ３以下としたことを特徴とする、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。」
である。
本発明は、シリコン単結晶の引き上げに使用される石英ガラスルツボおよびその製造方法に関し、石英ガラスルツボの直胴部において石英ガラスの仮想温度を低くし密度を低下させ、底部においては石英ガラスの仮想温度を高くし密度を高めることにより、ルツボの直胴部の内倒れや変形、および、ルツボの破損を防止することができる。
さらに、天然石英ガラスおよび合成石英ガラスという異なる種類の石英ガラス層を複数有する石英ガラスルツボにおいては、それぞれの異なる種類の石英ガラスの仮想温度を調整し、それらの層の境界部における密度差を小さくすることにより、境界部における剥離を防止することができる。
さらに、天然石英ガラスおよび合成石英ガラスという異なる種類の石英ガラス層を複数有する石英ガラスルツボにおいては、それぞれの異なる種類の石英ガラスの仮想温度を調整し、それらの層の境界部における密度差を小さくすることにより、境界部における剥離を防止することができる。
本発明に係る石英ガラスルツボは、耐変形性、および、耐剥離性にすぐれ、長寿命であるため、かかる石英ガラスルツボを用いることにより、高品質のシリコン単結晶を高能率にて製造することができる。
なお、シリコン単結晶の製造時には、前記石英ガラスルツボをサセプタに収容することにより、製造の一層の安定化、および、効率化が図られるため、高品質のシリコン単結晶を安定して得ることができる。
なお、シリコン単結晶の製造時には、前記石英ガラスルツボをサセプタに収容することにより、製造の一層の安定化、および、効率化が図られるため、高品質のシリコン単結晶を安定して得ることができる。
以下では、本発明を実施するために、アーク溶融法により製造された石英ガラスルツボについて、アーク熱処理等により石英ガラスの仮想温度を調整し、所定の密度分布を有するシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボを製造する工程、および、かかる工程によるシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの態様、さらには、前記石英ガラスルツボを製造するため別の製造方法であるのアニール処理方法を含む製造方法について説明を行う。
＜石英ガラスルツボの上部および底部の密度分布の調整方法＞
通常、シリコン単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボは、回転アーク溶融法を用い、製造されるが、ルツボ上部より天然シリカガラス、合成シリカガラスが投入され、上部よりアーク溶融され、自然冷却される結果、得られた天然シリカガラス層および合成シリカガラス層においては、ルツボ上部や直胴部での仮想温度が、ルツボ底部よりも高くなり、上部および直胴部にて高密度、底部において低密度のルツボが製造される。
通常、シリコン単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボは、回転アーク溶融法を用い、製造されるが、ルツボ上部より天然シリカガラス、合成シリカガラスが投入され、上部よりアーク溶融され、自然冷却される結果、得られた天然シリカガラス層および合成シリカガラス層においては、ルツボ上部や直胴部での仮想温度が、ルツボ底部よりも高くなり、上部および直胴部にて高密度、底部において低密度のルツボが製造される。
前述したとおり、近年のシリコン単結晶用石英ガラスルツボの大型化に伴い、石英ガラスルツボの直胴部上部の高密度化は、直胴部の内方への倒れ込みや熱変形の問題を有している。これに対処するため、アーク溶融法による石英ガラスルツボの製造後、石英ガラスルツボにアニール処理を行うことにより、ルツボ底部の仮想温度を高くし、直胴部の上部から底部に向かって高密度となる石英ガラスルツボを得ることができる。
例えば、回転アーク溶融法による石英ガラスルツボの製造方法において、モールドの内側からアーク放電を行って石英粉の内表面全体を加熱・溶融した後、冷却する際に、ルツボの底部を急冷し、直胴部の上部にかけて冷却速度を遅くする制御を行うことで、直胴部の上部に対して底部を高密度とする石英ガラスルツボを得ることができる。
例えば、回転アーク溶融法による石英ガラスルツボの製造方法において、モールドの内側からアーク放電を行って石英粉の内表面全体を加熱・溶融した後、冷却する際に、ルツボの底部を急冷し、直胴部の上部にかけて冷却速度を遅くする制御を行うことで、直胴部の上部に対して底部を高密度とする石英ガラスルツボを得ることができる。
図２に、回転アーク溶融法を用いたルツボの製造装置の一例を示す。
図２では、ルツボ底部から直胴部の上部まで冷却可能な回動機構を有する冷却ノズルを備えた冷却管を遠隔操作されたロボット等によりアーク溶融直後にルツボ内部へ挿入し、ルツボ内部の各位置における冷却速度を制御しながら冷却を行う。ここで、ルツボ底部および直胴部を冷却するための冷却管または冷却ノズルの回動機構は、冷却ノズルを水平軸に対して底部側および直胴部側に回動する機構とし、また、冷却管をその管軸を中心に回転する機構とすることにより、遠隔操作等を用い、ルツボの底部を急冷し、直胴部の上部にかけて冷却速度を遅くする冷却制御を行うことにより、直胴部に対して底部において高密度の石英ガラスルツボを得ることができる。
加えて、モールドの必要箇所に冷却孔を設け、冷却ガスの吹き付け量を調整することにより、ルツボの外側からもより細かな冷却制御を行うことができ、モールド（成形用型）下部に設けられた冷却孔からの冷却により、底部において高密度の石英ガラスルツボを得ることができる。
図２では、ルツボ底部から直胴部の上部まで冷却可能な回動機構を有する冷却ノズルを備えた冷却管を遠隔操作されたロボット等によりアーク溶融直後にルツボ内部へ挿入し、ルツボ内部の各位置における冷却速度を制御しながら冷却を行う。ここで、ルツボ底部および直胴部を冷却するための冷却管または冷却ノズルの回動機構は、冷却ノズルを水平軸に対して底部側および直胴部側に回動する機構とし、また、冷却管をその管軸を中心に回転する機構とすることにより、遠隔操作等を用い、ルツボの底部を急冷し、直胴部の上部にかけて冷却速度を遅くする冷却制御を行うことにより、直胴部に対して底部において高密度の石英ガラスルツボを得ることができる。
加えて、モールドの必要箇所に冷却孔を設け、冷却ガスの吹き付け量を調整することにより、ルツボの外側からもより細かな冷却制御を行うことができ、モールド（成形用型）下部に設けられた冷却孔からの冷却により、底部において高密度の石英ガラスルツボを得ることができる。
また、図３に、回転アーク溶融法を用いたルツボの製造装置の他の一例を示す。
図３では、ルツボの直胴部、および、底部の内面に沿った形状を有し、冷却制御をすべき複数位置にそれぞれ流量可変ノズルを有する冷却管を、アーク溶融直後のルツボ内部に挿入配置し、ルツボの各位置において、流量可変ノズルからの冷却ガスの流量を個々に調節し、冷却速度を制御しながら冷却することにより、直胴部に対して底部において高密度である石英ガラスルツボを得ることができる。
図３では、ルツボの直胴部、および、底部の内面に沿った形状を有し、冷却制御をすべき複数位置にそれぞれ流量可変ノズルを有する冷却管を、アーク溶融直後のルツボ内部に挿入配置し、ルツボの各位置において、流量可変ノズルからの冷却ガスの流量を個々に調節し、冷却速度を制御しながら冷却することにより、直胴部に対して底部において高密度である石英ガラスルツボを得ることができる。
前記冷却速度の制御は、さらに、モールドの必要箇所に冷却孔を設け、必要に応じ、ルツボの各位置における冷却孔の密度（モールド表面の単位面積当たりの孔の数）を変化させることにより、冷却ガスの吹き付け量を調整することや、あるいは、ルツボの直胴部に保温ヒーターを設けて過冷却を緩和するなどにより、ルツボの外側からもきめ細かな冷却制御を行うことにより、底部において高密度の石英ガラスルツボを得ることができる。
また、従来の回転アーク溶融法などにおいて製造された通常の石英ガラスルツボを仮想温度が変化する温度（ガラス構造が変化する温度）以上、溶融温度以下の温度域まで一旦加熱した後、ルツボの底部を急冷し、直胴部の上部にかけて冷却速度を遅くする制御を行うアニール処理によって、直胴部に対して底部において高密度の石英ガラスルツボを得ることもできる。
従来の回転アーク溶融法の石英粉溶融温度は１７００℃以上であり、それによって製造された通常の石英ガラスルツボのガラスの仮想温度は１０００℃～１５００℃程度の範囲となるため、最高温度が１０００℃～１５００℃程度のアニール処理によって仮想温度を制御することができる。
従来の回転アーク溶融法の石英粉溶融温度は１７００℃以上であり、それによって製造された通常の石英ガラスルツボのガラスの仮想温度は１０００℃～１５００℃程度の範囲となるため、最高温度が１０００℃～１５００℃程度のアニール処理によって仮想温度を制御することができる。
この場合、例えば、図４に示す電気炉を用いて最高温度が１２００℃にまで石英ガラスルツボを加熱し、その後冷却温度を制御するアニール処理を行うことにより、ルツボ底部での密度が高く、ルツボ直胴部上部での密度が低い石英ガラスルツボが製造できる。
すなわち、前記電気炉においては、石英ガラスルツボは、その底部のうちの最下部のみが支持されるよう載置台に配置され、ルツボ上部および側面部に配置されたヒーターにより所定温度にて加熱された後、ルツボの内面冷却用の先端ノズルを有する冷却ガス吹き付け冷却管、および、ルツボの外面冷却用の先端ノズルを有する冷却ガス吹き付け冷却管を同期させ、ルツボの底部から順次直胴部の上部へと冷却ガスを吹き付けながら、移動させることにより、ルツボ底部での密度が高く、ルツボ直胴部での密度が相対的に低い石英ガラスルツボを得ることができる。
すなわち、前記電気炉においては、石英ガラスルツボは、その底部のうちの最下部のみが支持されるよう載置台に配置され、ルツボ上部および側面部に配置されたヒーターにより所定温度にて加熱された後、ルツボの内面冷却用の先端ノズルを有する冷却ガス吹き付け冷却管、および、ルツボの外面冷却用の先端ノズルを有する冷却ガス吹き付け冷却管を同期させ、ルツボの底部から順次直胴部の上部へと冷却ガスを吹き付けながら、移動させることにより、ルツボ底部での密度が高く、ルツボ直胴部での密度が相対的に低い石英ガラスルツボを得ることができる。
また、図５に示す電気炉を用いて最高温度が１２００℃にまで石英ガラスルツボを加熱し、その後冷却温度を制御するアニール処理を行うことにより、ルツボ底部での密度が高く、ルツボ直胴部での密度が低い石英ガラスルツボが製造できる。
すなわち、電気炉において、石英ガラスルツボは、その底部のうちの最下部のみが支持されるよう載置台に配置され、ルツボ上部および側面部に配置されたヒーターにより所定温度にて加熱された後、ルツボの内面冷却用の先端ノズルを有する冷却ガス吹き付け冷却管、および、ルツボの外面冷却用の先端ノズルを有する冷却ガス吹き付け冷却管を同期させ、ルツボの底部から順次直胴部の上部へと冷却ガスを吹き付けることにより、ルツボ底部での密度が高く、ルツボ直胴部での密度が相対的に低い石英ガラスルツボを得ることができる。
すなわち、電気炉において、石英ガラスルツボは、その底部のうちの最下部のみが支持されるよう載置台に配置され、ルツボ上部および側面部に配置されたヒーターにより所定温度にて加熱された後、ルツボの内面冷却用の先端ノズルを有する冷却ガス吹き付け冷却管、および、ルツボの外面冷却用の先端ノズルを有する冷却ガス吹き付け冷却管を同期させ、ルツボの底部から順次直胴部の上部へと冷却ガスを吹き付けることにより、ルツボ底部での密度が高く、ルツボ直胴部での密度が相対的に低い石英ガラスルツボを得ることができる。
前記冷却管は、ロボット等を用いることにより、アーク溶融直後にルツボ内部に挿入可能とすることもでき、石英ガラスルツボの冷却手法としては、冷却管全体を底部から直胴部の上部へと順次移動させながら冷却を行うことや、ルツボ内部への挿入後、冷却管全体の位置は固定したままで、それぞれの冷却管の冷却媒体の最大流量を底部の冷却管から順次直胴部の上部の冷却管へと変更することにより、冷却制御を行うこともできる。
＜複数層からなる石英ガラスルツボの境界部における層間密度差の調整方法＞
単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボは、通常、天然石英ガラスと合成石英ガラスとの複数層により構成されるが、その境界部においては、それぞれのガラス層の仮想温度が同じであっても、それぞれのガラスにおいて仮想温度に対応する密度が異なっているために、その密度差の違いにより異常膨張が生じガラス層が剥離を起こすという問題を有している。
ここでは、それぞれのガラス層における仮想温度を調整することにより、それぞれのガラス層間の密度差を最小として剥離等の課題を解決する手法について説明する。
単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボは、通常、天然石英ガラスと合成石英ガラスとの複数層により構成されるが、その境界部においては、それぞれのガラス層の仮想温度が同じであっても、それぞれのガラスにおいて仮想温度に対応する密度が異なっているために、その密度差の違いにより異常膨張が生じガラス層が剥離を起こすという問題を有している。
ここでは、それぞれのガラス層における仮想温度を調整することにより、それぞれのガラス層間の密度差を最小として剥離等の課題を解決する手法について説明する。
図１は、天然石英ガラス、および、合成石英ガラスのそれぞれについて、その仮想温度（横軸）と密度（縦軸）との関係を示したものである。
天然石英ガラスおよび合成石英ガラスについて、それらの仮想温度と密度の関係についてみると、石英ガラスの溶融温度以下であって調整可能な仮想温度範囲である１０００℃から１４００℃～１５００℃までの温度範囲では、それぞれの石英ガラスは、仮想温度の上昇に対応し密度が上昇するものの、同じ仮想温度についてみたときの密度は、常に、天然石英ガラスが高く、合成石英ガラスが低いことから、合成石英ガラスの仮想温度を高くし、天然石英ガラスの仮想温度を低くすることにより、これらの密度差を小さくできることを見出したものである。
そして、天然石英ガラスと合成石英ガラスの密度を揃えるためには、例えば、合成石英ガラスの仮想温度を１４５０℃、天然石英ガラスの仮想温度を１２００℃とすることにより、いずれの石英ガラスにおいても、密度値は約２．２０３０ｇ／ｃｍ３であり、密度差をほぼ０とすることができ、耐剥離性に優れた石英ガラスルツボを得ることができることを知見した。
天然石英ガラスおよび合成石英ガラスについて、それらの仮想温度と密度の関係についてみると、石英ガラスの溶融温度以下であって調整可能な仮想温度範囲である１０００℃から１４００℃～１５００℃までの温度範囲では、それぞれの石英ガラスは、仮想温度の上昇に対応し密度が上昇するものの、同じ仮想温度についてみたときの密度は、常に、天然石英ガラスが高く、合成石英ガラスが低いことから、合成石英ガラスの仮想温度を高くし、天然石英ガラスの仮想温度を低くすることにより、これらの密度差を小さくできることを見出したものである。
そして、天然石英ガラスと合成石英ガラスの密度を揃えるためには、例えば、合成石英ガラスの仮想温度を１４５０℃、天然石英ガラスの仮想温度を１２００℃とすることにより、いずれの石英ガラスにおいても、密度値は約２．２０３０ｇ／ｃｍ３であり、密度差をほぼ０とすることができ、耐剥離性に優れた石英ガラスルツボを得ることができることを知見した。
このような手法を用いることにより、天然石英ガラス層と合成石英ガラス層とを含む多層構造の石英ガラスルツボにおいても、それぞれの層の仮想温度を調整し、隣り合う両層の密度差を最小とすることにより、耐剥離性にすぐれた石英ガラスルツボを製造することができる。
さらに、多層の石英ガラス層からなる石英ガラスルツボにおいて、前記したアニール処理を組み合わせることにより、上部に対して底部の密度を高め、層間の密度差を最小とした、耐剥離性に優れ、内倒れや変形を生じない石英ガラスルツボを製造することができる。
さらに、多層の石英ガラス層からなる石英ガラスルツボにおいて、前記したアニール処理を組み合わせることにより、上部に対して底部の密度を高め、層間の密度差を最小とした、耐剥離性に優れ、内倒れや変形を生じない石英ガラスルツボを製造することができる。
以下、第１の実施形態から第４の実施形態について説明を行った後、それらの実施例である、実施例１～６、および、実施例１１～１５について、比較例１～３、および、比較例１１～１３と対比しながら説明を行う。
＜第１の実施形態＞
第１の実施形態である石英ガラスルツボは、円筒状の直胴部および底部を有し、天然石英ガラス層もしくは合成石英ガラス層の単一層から成り、ルツボの直胴部の内倒れなどの問題を解決することができる、シリコン単結晶の引き上げ用の石英ガラスルツボであり、必要に応じて、カーボン製のサセプタにより支持されて用いるものである。（以下、第２～第４の実施形態である石英ガラスルツボについても、必要に応じて、カーボン製のサセプタにより支持されて用いる点は同様である。）
第１の実施形態である石英ガラスルツボは、円筒状の直胴部および底部を有し、天然石英ガラス層もしくは合成石英ガラス層の単一層から成り、ルツボの直胴部の内倒れなどの問題を解決することができる、シリコン単結晶の引き上げ用の石英ガラスルツボであり、必要に応じて、カーボン製のサセプタにより支持されて用いるものである。（以下、第２～第４の実施形態である石英ガラスルツボについても、必要に応じて、カーボン製のサセプタにより支持されて用いる点は同様である。）
この石英ガラスルツボは、例えば、回転アーク溶融法により製造され、具体的には、回転しているルツボ製造用のカーボンモールド（成形用型）の内表面に原材料として天然石英粉または合成石英粉を供給し、所定の厚さに堆積させ、次いでモールドの内側からアーク放電を行い、石英粉の内表面全体を加熱し溶融した後、ルツボの底部より急冷を開始し、以降、順次、直胴部の上部に至るまで、冷却を行うことにより、底部では仮想温度が高く、また、直胴部の上部では仮想温度が低くなる、仮想温度の勾配が設けられ、底部においては密度が高く、他方、直胴部の上部においては、相対的に密度の低い石英ガラスルツボを得るものである。
石英ガラスルツボ製造用のモールドとしては、カーボンモールド以外に水冷ステンレスモールドなどを用いることもできる。
石英ガラスルツボの冷却方法に関して、ルツボ底部より急冷を開始し、ルツボ底部より直胴部の上部に至るまで順次冷却する方法は、例えば、アーク切断後、窒素ガスを冷却した冷却ガスを上下方向に移動可動な冷却管により石英ガラスルツボの内部に導入し、ルツボ内部のルツボ底部より直胴部の上部に至るまで冷却管を順次移動させることにより達成でき、底部から直胴部の上部に至るまで望ましい仮想温度の勾配を得ることができる。
石英ガラスルツボの冷却方法に関して、ルツボ底部より急冷を開始し、ルツボ底部より直胴部の上部に至るまで順次冷却する方法は、例えば、アーク切断後、窒素ガスを冷却した冷却ガスを上下方向に移動可動な冷却管により石英ガラスルツボの内部に導入し、ルツボ内部のルツボ底部より直胴部の上部に至るまで冷却管を順次移動させることにより達成でき、底部から直胴部の上部に至るまで望ましい仮想温度の勾配を得ることができる。
また、石英ガラスルツボ製造用のモールドに石英ガラスルツボを外側から冷却するための冷却孔を多数設け、ルツボ底部から直胴部の上部の各冷却位置において、ルツボ底部では強冷却とし、直胴部の上部に向けて順次緩冷却とする、或いは、アーク終了後の冷却開始時間について、ルツボ底部では直ちに冷却を開始し、以降、ルツボ直胴部の上部に至るまで、一定時間保温後、順次冷却を開始する等により、ルツボ外部においても、底部から直胴部上部に至るまで望ましい仮想温度の勾配を得ることができる。
図２あるいは図３に示す回転アーク溶融法によるルツボの製造装置にて製造することができる。
図２あるいは図３に示す回転アーク溶融法によるルツボの製造装置にて製造することができる。
前述のとおり、本発明は、従来の回転アーク溶融法などにおいて特に石英ガラスルツボの上下方向にて仮想温度勾配や密度勾配を設けていない通常の新品の石英ガラスルツボや、すでにＣＺ法などによって単結晶の育成に使用された石英ガラスルツボからも製造することができ、例えば、それらの石英ガラスルツボを仮想温度以上、溶融温度以下の温度域まで一旦加熱した後、前記した第１の実施形態に係る冷却手法を適用することにより、仮想温度の勾配が形成され、ルツボ底部での密度が高く、直胴部の上部での密度が低い石英ガラスルツボが得られるため、内倒れや熱変形の発生を防止することが可能となる。
また、図４あるいは図５に示す電気炉によってアニール処理することで製造することができる。
なお、仮想温度については、同一の条件にて製造された石英ルツボについて、例えば、各層の厚み方向中間部位置から試片を採取し、レーザラーマン分光法を用いて測定することにより、確認することができる（特許文献７、特許文献８、非特許文献１を参照）。
なお、仮想温度については、同一の条件にて製造された石英ルツボについて、例えば、各層の厚み方向中間部位置から試片を採取し、レーザラーマン分光法を用いて測定することにより、確認することができる（特許文献７、特許文献８、非特許文献１を参照）。
また、石英ガラスルツボの各位置の密度はアルキメデス法などにより、直接測定することもできる。直接測定することにより正確な密度の違いを測定することもできる。その場合、各位置から切り出したサンプルをアルキメデス法により密度を測定した結果を石英ガラスルツボの製造条件にフィードバックすることで、各位置にて所望の密度のガラスからなる石英ガラスルツボを製造することができる。また気泡がサンプル中に存在するとガラスそのものの密度が測定できないため、気泡が存在しない箇所からサンプルを抽出する必要がある。
＜第２の実施形態＞
第２の実施形態である石英ガラスルツボは、第１の実施形態である石英ガラスルツボと同様、ルツボの直胴部の内倒れなどの問題を解決することができる、シリコン単結晶の引き上げ用の石英ガラスルツボであり、円筒状の直胴部および底部を有し、二層構造もしくは三層構造を含む複数層からなる石英ガラスルツボである。
そして、この石英ガラスルツボは、具体的には、例えば、天然石英ガラスを原料とする天然石英ガラス層を外層とし、合成石英ガラスを原料とする合成石英ガラス層を内層として有する石英ガラスルツボや、天然石英ガラス層を外層とし、中間層として天然石英ガラス層または合成石英ガラス層を中間層とし、合成石英ガラス層を内層として有する多層からなる石英ガラスルツボを含むものである。
第２の実施形態である石英ガラスルツボは、第１の実施形態である石英ガラスルツボと同様、ルツボの直胴部の内倒れなどの問題を解決することができる、シリコン単結晶の引き上げ用の石英ガラスルツボであり、円筒状の直胴部および底部を有し、二層構造もしくは三層構造を含む複数層からなる石英ガラスルツボである。
そして、この石英ガラスルツボは、具体的には、例えば、天然石英ガラスを原料とする天然石英ガラス層を外層とし、合成石英ガラスを原料とする合成石英ガラス層を内層として有する石英ガラスルツボや、天然石英ガラス層を外層とし、中間層として天然石英ガラス層または合成石英ガラス層を中間層とし、合成石英ガラス層を内層として有する多層からなる石英ガラスルツボを含むものである。
第２の実施形態の石英ガラスルツボは、第１の実施形態と同様、例えば、回転アーク溶融法により製造されるが、具体的には、回転しているルツボ製造用のカーボンモールドの内表面に原材料として天然石英粉および合成石英粉を外層用の石英粉から順次供給し、所定の厚さに堆積させつつ、モールドの内側からアーク放電を行い、石英粉の内表面全体を加熱え溶融した後、ルツボの底部より急冷を開始し、以降、順次、直胴部の上部に至るまで、冷却を行うことにより、底部では仮想温度が高く、また、直胴部の上部では仮想温度が低くなる、仮想温度の勾配が設けられ、底部においては密度が高く、他方、直胴部の上部においては、相対的に密度の低い石英ガラスルツボを得るものである。
そして、第２の実施形態では、石英ガラスルツボが複数層となることから、外層に対しては、例えば、第１の実施形態において示した外側部からの冷却方法も合わせて実施することにより、外層についても、底部においては密度が高く、他方、直胴部の上部においては、相対的に密度を低くすることにより、内倒れの生じにくいすぐれた石英ガラスルツボを製造することができる。
第２の実施形態も第１の実施形態と同様に、図２あるいは図３に示す、回転アーク溶融法によるルツボの製造装置を使用して製造することができる。
第２の実施形態も第１の実施形態と同様に、図２あるいは図３に示す、回転アーク溶融法によるルツボの製造装置を使用して製造することができる。
また、第１の実施形態と同様、本発明に係る石英ガラスルツボは、特に石英ガラスルツボの上下方向に仮想温度勾配や密度勾配を設けていない通常の新品の石英ガラスルツボや、すでにＣＺ法などによって単結晶の育成に使用された石英ガラスルツボからも製造することができ、それらの石英ガラスルツボを仮想温度以上、溶融温度以下の温度域まで一旦加熱した後、前記した第１の実施形態に係る冷却手法を適用することにより、仮想温度の勾配が形成され、ルツボ底部での密度が高く、直胴部の上部での密度が低い石英ガラスルツボが得られるため、内倒れや熱変形の発生を防止することが可能となる。
この場合、図４あるいは図５に示すような電気炉を用いてアニール処理を行うことにより製造することができる。
なお、仮想温度の測定位置および確認方法については、第１の実施形態と同様である。
この場合、図４あるいは図５に示すような電気炉を用いてアニール処理を行うことにより製造することができる。
なお、仮想温度の測定位置および確認方法については、第１の実施形態と同様である。
＜第３の実施形態＞
第３の実施形態である石英ガラスルツボは、円筒状の直胴部および底部を有し、二層構
造もしくは三層構造を含む複数層からなる石英ガラスルツボにおいて、材質の異なる石英ガラスからなる層間の境界部における各層の密度の違いにより生じる剥離の問題を回避することができる、シリコン単結晶の引き上げ用の石英ガラスルツボである。
具体的には、例えば、天然石英ガラスを原料とする天然石英ガラス層を外層とし、該外層に接して、合成石英ガラスを原料とする合成石英ガラス層を中間層あるいは内層として有する石英ガラスルツボや、天然石英ガラス層を中間層とし、該中間層に接して合成石英ガラス層を第２の中間層、或いは、内層として有する多層構造の石英ガラスルツボを含むものである。
第３の実施形態である石英ガラスルツボは、円筒状の直胴部および底部を有し、二層構
造もしくは三層構造を含む複数層からなる石英ガラスルツボにおいて、材質の異なる石英ガラスからなる層間の境界部における各層の密度の違いにより生じる剥離の問題を回避することができる、シリコン単結晶の引き上げ用の石英ガラスルツボである。
具体的には、例えば、天然石英ガラスを原料とする天然石英ガラス層を外層とし、該外層に接して、合成石英ガラスを原料とする合成石英ガラス層を中間層あるいは内層として有する石英ガラスルツボや、天然石英ガラス層を中間層とし、該中間層に接して合成石英ガラス層を第２の中間層、或いは、内層として有する多層構造の石英ガラスルツボを含むものである。
そして、知見した事項としてすでに示したとおり、天然石英ガラス層と合成石英ガラス層との剥離を防止するためには、境界部における各石英ガラス層の密度差がなくなるように各石英ガラス層間の密度差を調整することにより課題を解決することができ、そのためには、同じ仮想温度では、合成石英ガラスに対し相対的に密度の高い天然石英ガラスについて、その境界部における密度を、仮想温度を下げることにより低く調整し、他方、合成石英ガラスについては、仮想温度を上げることにより、高く調整し、密度差を小さくすることができ、例えば、その密度差を０．００１４ｇ／ｃｍ３以下とすることにより、境界部における剥離や割れなどの欠陥の発生を回避することが可能な、優れた石英ガラスルツボを製造することができる。
通常、複数層を有する石英ガラスルツボについては、外層側に天然石英ガラス層を設け、内層側に合成石英ガラス層を設けるのが一般的であるので、例えば、第１の実施形態および第２の実施形態において示したモールド内側からの冷却機構およびモールド外側からの冷却機構を用い、合成石英ガラス層を有する内側部を急冷し、仮想温度を高くし、高密度化する一方、天然石英ガラス層を有する外側部は緩冷却し、仮想温度を低くし、低密度化することにより、隣接するこれら二つの層の境界部における密度差を小さくでき、その境界部における剥離を防止することができる。
第１の実施形態、第２の実施形態と同様に、図２あるいは図３に示す、回転アーク溶融法によるルツボの製造装置を使用して製造することができる。
また、外層側に合成石英ガラス層を設け、内層側に天然石英ガラス層を設けるような場合には、内側層を緩冷却し、外側層を急冷することにより、境界部における密度差を小さくし、境界部における剥離を防止することができる。
また、外層側に合成石英ガラス層を設け、内層側に天然石英ガラス層を設けるような場合には、内側層を緩冷却し、外側層を急冷することにより、境界部における密度差を小さくし、境界部における剥離を防止することができる。
また、本発明に係る石英ガラスルツボは、特に石英ガラスルツボの上下方向に仮想温度勾配や密度勾配を設けていない通常の新品の石英ガラスルツボや、すでにＣＺ法などによって単結晶の育成に使用された石英ガラスルツボからも製造することができ、それらの石英ガラスルツボを仮想温度以上、溶融温度以下の温度域まで一旦加熱した後、境界部における各石英ガラス層の密度差がなくなるよう、前記したとおり、それぞれの石英ガラス層の境界部における仮想温度を調整することにより、境界部における剥離を防止することができる。
この場合、第２の実施形態と同様に図４あるいは図５に示す電気炉を用いて製造することができる。
この場合、第２の実施形態と同様に図４あるいは図５に示す電気炉を用いて製造することができる。
なお、仮想温度の測定については、同一条件にて製造された石英ルツボについて各層の厚み方向境界部位置から試片を採取し、レーザラーマン分光法を用いて測定を行い、確認を行うことができる。
また、石英ガラスルツボの各層の密度はアルキメデス法などにより、直接測定することもできる。直接測定することにより正確な密度の違いを測定することもできる。その場合、各層から切り出したサンプルをアルキメデス法により密度を測定した結果を石英ガラスルツボの製造条件にフィードバックすることで、各層にて所望の密度のガラスからなる石英ガラスルツボを製造することが得られる。また気泡がサンプル中に存在するとガラスそのものの密度が測定できないため、気泡が存在しない箇所からサンプルを抽出する必要がある。
また、石英ガラスルツボの各層の密度はアルキメデス法などにより、直接測定することもできる。直接測定することにより正確な密度の違いを測定することもできる。その場合、各層から切り出したサンプルをアルキメデス法により密度を測定した結果を石英ガラスルツボの製造条件にフィードバックすることで、各層にて所望の密度のガラスからなる石英ガラスルツボを製造することが得られる。また気泡がサンプル中に存在するとガラスそのものの密度が測定できないため、気泡が存在しない箇所からサンプルを抽出する必要がある。
＜第４の実施形態＞
第４の実施形態である石英ガラスルツボは、第２の実施形態において解決課題とされた
石英ガラスルツボの直胴部において発生する内倒れなどの変形の問題と第３の実施形態において解決課題とされた材質の異なる石英ガラスからなる複数層からなる石英ガラスルツボにおいて発生する層間の剥離の問題を同時に解決することができる、シリコン単結晶の引き上げ用の石英ガラスルツボである。
具体的には、第２の実施形態および第３の実施形態において示した、例えば、天然石英ガラスを原料とする天然石英ガラス層を外層とし、該外層に接して、合成石英ガラスを原料とする合成石英ガラス層を中間層あるいは内層として有する石英ガラスルツボや、天然石英ガラス層を中間層とし、該中間層に接して合成石英ガラス層を第２の中間層、或いは、内層として有する多層構造の石英ガラスルツボを含むものである。
第４の実施形態である石英ガラスルツボは、第２の実施形態において解決課題とされた
石英ガラスルツボの直胴部において発生する内倒れなどの変形の問題と第３の実施形態において解決課題とされた材質の異なる石英ガラスからなる複数層からなる石英ガラスルツボにおいて発生する層間の剥離の問題を同時に解決することができる、シリコン単結晶の引き上げ用の石英ガラスルツボである。
具体的には、第２の実施形態および第３の実施形態において示した、例えば、天然石英ガラスを原料とする天然石英ガラス層を外層とし、該外層に接して、合成石英ガラスを原料とする合成石英ガラス層を中間層あるいは内層として有する石英ガラスルツボや、天然石英ガラス層を中間層とし、該中間層に接して合成石英ガラス層を第２の中間層、或いは、内層として有する多層構造の石英ガラスルツボを含むものである。
この石英ガラスルツボは、第２の実施形態および第３の実施形態と同様、例えば、回転アーク溶融法により製造され、具体的には、回転しているルツボ製造用のカーボンモールドの内表面に原材料として天然石英粉および合成石英粉を外層用の石英粉から内層用の石英粉までを順次供給し、所定の厚さに堆積させつつ、モールドの内側からアーク放電を行い、石英粉を加熱・溶融後、各層について内層側および外層側より温度制御を行い、各層の各部位における仮想温度を調整することにより、石英ガラスルツボの各層においては、底部では密度が高く、直胴部の上部においては密度が低く、また、各層の境界部においては、直胴部の上部から底部までの各部位において密度差の小さい、石英ガラスルツボを得るというものである。
そして、すでに、知見した事項として示したとおり、モールド内の堆積させた原料石英粉を加熱・溶融後、ルツボの内層側および外層側のいずれか一方側もしくは両側において、ルツボ底部より急冷を開始し、順次直胴部の上部に向けて冷却を行う、或いは、ルツボ底部より直胴部の上部に向けてルツボ底部ほど冷却能の高い冷却勾配を設けて冷却を行うなどにより、石英ガラスルツボの底部において仮想温度を高くし高密度化するとともに、直胴部の上部においては、仮想温度を底部に対し相対的に低くし低密度化し、直胴部の内側への倒れ込みや熱変形の発生を抑制し、また、合わせて、直接接触する外層側の天然石英ガラス層と内層側の合成石英ガラス層の境界部においては、第１の実施形態および第２の実施形態において示すモールド内側からの冷却機構や、モールド外側からの冷却機構などを用い、合成石英ガラス層を有する内層側を急冷することにより、仮想温度を高くし、合成石英ガラス層を相対的に高密度化する一方、天然石英ガラス層を有する外側部は緩冷却或いは一定時間の保温により、仮想温度を低くし、天然石英ガラス層を相対的に低密度化することにより、隣接するこれら二つの層の境界部における密度差を小さくし、好ましくはその密度差を０．００１４ｇ／ｃｍ３以下とすることにより、その境界部における剥離の発生や割れなどの欠陥の発生を回避することができる。
第４の実施形態は、第１の実施形態、第２の実施形態と同様に、図２あるいは図３に示す、回転アーク溶融法によるルツボの製造装置を使用して製造することができる。
また、外層側に合成石英ガラス層を設け、それに隣接して内層側に天然石英ガラス層を設けるような場合には、内側層に対し外側層の冷却能を高めることにより、二つの層の境界部における密度差を小さくし、境界部における剥離の発生や割れなどの欠陥の発生を防止することができる。
また、外層側に合成石英ガラス層を設け、それに隣接して内層側に天然石英ガラス層を設けるような場合には、内側層に対し外側層の冷却能を高めることにより、二つの層の境界部における密度差を小さくし、境界部における剥離の発生や割れなどの欠陥の発生を防止することができる。
また、本発明に係る石英ガラスルツボは、特に石英ガラスルツボの上下方向に仮想温度勾配や密度勾配を設けていない通常の新品の石英ガラスルツボや、すでにＣＺ法などによって単結晶の育成に使用された石英ガラスルツボからも製造することができ、それらの石英ガラスルツボを仮想温度以上、溶融温度以下の温度域まで一旦加熱した後、境界部における各石英ガラス層の密度差がなくなるよう、前記したとおり、それぞれの石英ガラス層の境界部における仮想温度を調整するとともに、個々の石英ガラス層においては、石英ガラスルツボの底部では仮想温度が高く、また、直胴部の上部では仮想温度が低くなるよう仮想温度の調整を行い、底部においては密度が高く、他方、直胴部の上部においては、相対的に密度の低い石英ガラスルツボとすることにより、直胴部の内側への倒れ込みや熱変形の発生を抑制し、また、合わせて、境界部における剥離を防止することができる。
第２の実施形態同様に図４あるいは図５に示す電気炉を用いて製造することができる。
第２の実施形態同様に図４あるいは図５に示す電気炉を用いて製造することができる。
なお、仮想温度の測定については、同一条件にて製造された石英ルツボについて各層の厚み方向境界部位置から試片を採取し、レーザラーマン分光法を用いて測定を行い、確認を行うことができる。
また、石英ガラスルツボの各層の密度はアルキメデス法などにより、直接測定することもできる。直接測定することにより正確な密度の違いを測定することもできる。その場合、各層から切り出したサンプルをアルキメデス法により密度を測定した結果を石英ガラスルツボの製造条件にフィードバックすることで、各層にて所望の密度のガラスからなる石英ガラスルツボを製造することが得られる。また気泡がサンプル中に存在するとガラスそのものの密度が測定できないため、気泡が存在しない箇所からサンプルを抽出する必要がある。
また、石英ガラスルツボの各層の密度はアルキメデス法などにより、直接測定することもできる。直接測定することにより正確な密度の違いを測定することもできる。その場合、各層から切り出したサンプルをアルキメデス法により密度を測定した結果を石英ガラスルツボの製造条件にフィードバックすることで、各層にて所望の密度のガラスからなる石英ガラスルツボを製造することが得られる。また気泡がサンプル中に存在するとガラスそのものの密度が測定できないため、気泡が存在しない箇所からサンプルを抽出する必要がある。
以下、実施例を比較例と対比して示すことにより本発明を説明する。
なお、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。
なお、本発明は、これら実施例に限定されるものではない。
実施例では、回転アーク溶融法を用いて、直径３２インチ（口径８００ｍｍ）、高さ５００ｍｍの本発明に係る石英ガラスルツボを直接製造するか、または、同形状の石英ガラスルツボを通常の回転アーク溶融法により一旦製造した後、アニール処理を施すことにより、製造した。
表１に実施例１～６を、表２に比較例１～３を、表３に実施例１１～１５を、表４に比較例１１～１３を示す。
表１に実施例１～６を、表２に比較例１～３を、表３に実施例１１～１５を、表４に比較例１１～１３を示す。
実施例１乃至４は、第１の実施形態である単一の石英ガラス層からなる石英ガラスルツボであって、ルツボの内倒れなどの問題を解決するものである。ここで実施例１と実施例２の単一の石英ガラス層とは天然石英ガラス層であり、実施例３と実施例４の単一の石英ガラス層とは合成石英ガラス層であり、この石英ガラスルツボには気泡層と透明層が存在する。
そして、実施例１および実施例３では、回転アーク溶融法を用いた石英ガラスルツボの製造時に、石英ガラス層の仮想温度を調整し、直胴部の上部の密度が低く、底部の密度が高い石英ガラスルツボを直接製造するものである。
石英ガラス層の仮想温度の調整は図２に示した回転アーク溶融法による製造装置を用いて行った。アーク溶融直後にルツボ内側に冷却管を挿入し、１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら底部から上部に向かって移動させた。
そして、実施例１および実施例３では、回転アーク溶融法を用いた石英ガラスルツボの製造時に、石英ガラス層の仮想温度を調整し、直胴部の上部の密度が低く、底部の密度が高い石英ガラスルツボを直接製造するものである。
石英ガラス層の仮想温度の調整は図２に示した回転アーク溶融法による製造装置を用いて行った。アーク溶融直後にルツボ内側に冷却管を挿入し、１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら底部から上部に向かって移動させた。
また、実施例２および４では、回転アーク溶融法にて製造された通常の石英ガラスルツボについて、仮想温度以上、溶融温度以下に再加熱した後、アニール処理により石英ガラス層の仮想温度を調整し、直胴部の上部の密度が低く、底部の密度が高い石英ガラスルツボを製造するものである。
石英ガラス層の仮想温度の調整は図４に示したアニール処理装置を用いて行った。アニール処理の冷却時にルツボ内側に冷却管を挿入し、１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら底部から上部に向かって移動させた。
そして、これらの製造方法によって得られた石英ガラスルツボは、表１に示されるように、単結晶の引き上げ時に内倒れや熱変形を発生せず、製造された単結晶の品質も良好であった。
これに対して、従来の回転アーク溶融法により得られた比較例１、２の石英ガラスルツボでは、製造時に仮想温度の調整を行っていない（冷却管を挿入していない）ため、単結晶の引き上げ時に内倒れの発生がみられた。
石英ガラス層の仮想温度の調整は図４に示したアニール処理装置を用いて行った。アニール処理の冷却時にルツボ内側に冷却管を挿入し、１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら底部から上部に向かって移動させた。
そして、これらの製造方法によって得られた石英ガラスルツボは、表１に示されるように、単結晶の引き上げ時に内倒れや熱変形を発生せず、製造された単結晶の品質も良好であった。
これに対して、従来の回転アーク溶融法により得られた比較例１、２の石英ガラスルツボでは、製造時に仮想温度の調整を行っていない（冷却管を挿入していない）ため、単結晶の引き上げ時に内倒れの発生がみられた。
実施例５および６は、第２の実施形態である複数の石英ガラス層からなる石英ガラスルツボにおいて、ルツボの内倒れなどの問題を解決するものである。
そして、実施例５は、複数の石英ガラス層からなる石英ガラスルツボを製造する際に、実施例１および実施例３と同様、回転アーク溶融法を用いた石英ガラスルツボの製造時に、石英ガラス層の仮想温度を調整し、直胴部の上部の密度が低く、底部の密度が高い石英ガラスルツボを直接製造するものである。
石英ガラス層の仮想温度の調整は図３に示した回転アーク溶融法による製造装置を用いて行った。アーク溶融直後にルツボ内側に冷却管を挿入し、１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら底部から直胴部の上部に向かって移動させると同時に、モールドから石英ガラス底部には０．１Ｌ／秒の速度、コーナー部には１Ｌ／秒の速度、直胴部には１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら冷却を行った。
そして、実施例５は、複数の石英ガラス層からなる石英ガラスルツボを製造する際に、実施例１および実施例３と同様、回転アーク溶融法を用いた石英ガラスルツボの製造時に、石英ガラス層の仮想温度を調整し、直胴部の上部の密度が低く、底部の密度が高い石英ガラスルツボを直接製造するものである。
石英ガラス層の仮想温度の調整は図３に示した回転アーク溶融法による製造装置を用いて行った。アーク溶融直後にルツボ内側に冷却管を挿入し、１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら底部から直胴部の上部に向かって移動させると同時に、モールドから石英ガラス底部には０．１Ｌ／秒の速度、コーナー部には１Ｌ／秒の速度、直胴部には１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら冷却を行った。
また、実施例６は、実施例２および４と同様、回転アーク溶融法にて通常の石英ガラスルツボを一旦製造した後に、仮想温度以上、溶融温度以下に再加熱した後、アニール処理により石英ガラス層の仮想温度を調整し、直胴部の上部の密度が低く、底部の密度が高い石英ガラスルツボを製造するものである。
石英ガラス層の仮想温度の調整は図５に示したアニール処理装置を用いて行った。アニール処理の冷却時にルツボ内側に冷却管を挿入し、１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）をルツボ内側に吹きつけながら底部から直胴部の上部に向かって移動させると同時に、ルツボ外側の冷却管から５Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）をルツボ外側に吹きつけながら底部から直胴部の上部に向かって移動させながら冷却を行った。
そして、これらの製造方法によって得られた石英ガラスルツボは、表１に示されるように、単結晶の引き上げ時に内倒れや熱変形を発生せず、製造された単結晶の品質も良好であった。
これに対して、従来の回転アーク溶融法により得られた複数の石英ガラス層からなる比較例３の石英ガラスルツボでは、製造時に仮想温度の調整を行っていない（冷却管を挿入していない）ため、ルツボの底部に対するルツボ上部の密度が高くなっており、単結晶の引き上げ時に内倒れの発生がみられた。
石英ガラス層の仮想温度の調整は図５に示したアニール処理装置を用いて行った。アニール処理の冷却時にルツボ内側に冷却管を挿入し、１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）をルツボ内側に吹きつけながら底部から直胴部の上部に向かって移動させると同時に、ルツボ外側の冷却管から５Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）をルツボ外側に吹きつけながら底部から直胴部の上部に向かって移動させながら冷却を行った。
そして、これらの製造方法によって得られた石英ガラスルツボは、表１に示されるように、単結晶の引き上げ時に内倒れや熱変形を発生せず、製造された単結晶の品質も良好であった。
これに対して、従来の回転アーク溶融法により得られた複数の石英ガラス層からなる比較例３の石英ガラスルツボでは、製造時に仮想温度の調整を行っていない（冷却管を挿入していない）ため、ルツボの底部に対するルツボ上部の密度が高くなっており、単結晶の引き上げ時に内倒れの発生がみられた。
実施例１１は、第３の実施形態である複数層からなる石英ガラスルツボにおいて、特性の異なる石英ガラスからなる層間の境界部における各層の密度の違いにより生じる剥離の問題を解決するものである。
そして、実施例１１は、複数の異なる特性の石英ガラス層からなる石英ガラスルツボを製造する際に、回転アーク溶融法を用いた石英ガラスルツボの製造時に、複数層の境界部における密度差が小さくなるよう各石英ガラス層の仮想温度を調整し、その密度差を０．００１４ｇ／ｃｍ３以下とすることで、直接製造するものである。
そして、実施例１１は、複数の異なる特性の石英ガラス層からなる石英ガラスルツボを製造する際に、回転アーク溶融法を用いた石英ガラスルツボの製造時に、複数層の境界部における密度差が小さくなるよう各石英ガラス層の仮想温度を調整し、その密度差を０．００１４ｇ／ｃｍ３以下とすることで、直接製造するものである。
石英ガラス層の仮想温度の調整は図３に示した回転アーク溶融法による製造装置を用いて行った。アーク溶融直後にルツボ内側に冷却管を挿入し、１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら底部から上部に向かって移動させると同時に、モールドから石英ガラス底部には０．１Ｌ／秒の速度、コーナー部には１Ｌ／秒の速度、直胴部には１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら冷却を行った。
そして、このような方法で製造された石英ガラスルツボにおいては、表３において示されるように、異なる特性を有する石英ガラス層間の境界部において剥離や割れなどの欠陥の発生を回避することができた。
これに対して、従来の回転アーク溶融法により得られた比較例１１～１３の石英ガラスルツボでは、製造時に仮想温度の調整を行っていない（冷却管を挿入していない）ため、異なる特性を有する石英ガラス層間の境界部において、０．００１４ｇ／ｃｍ３を超える密度差が生じ、これら層間の境界部においては、剥離の発生が見られた。
そして、このような方法で製造された石英ガラスルツボにおいては、表３において示されるように、異なる特性を有する石英ガラス層間の境界部において剥離や割れなどの欠陥の発生を回避することができた。
これに対して、従来の回転アーク溶融法により得られた比較例１１～１３の石英ガラスルツボでは、製造時に仮想温度の調整を行っていない（冷却管を挿入していない）ため、異なる特性を有する石英ガラス層間の境界部において、０．００１４ｇ／ｃｍ３を超える密度差が生じ、これら層間の境界部においては、剥離の発生が見られた。
実施例１２～１５は、第４の実施形態である複数層からなる石英ガラスルツボにおいて、石英ガラスルツボの直胴部において発生のおそれのある内倒れなどの変形の問題と特性の異なる石英ガラスからなる層間の境界部における各層の密度の違いにより生じる剥離の問題を同時に解決するものである。
そして、実施例１２および１４では、複数の異なる特性の石英ガラス層からなる石英ガラスルツボを製造する際に、回転アーク溶融法を用いた石英ガラスルツボの製造時に、それぞれの石英ガラス層において、その仮想温度を調整し、直胴部の上部の密度を低く、底部の密度を高くするとともに、同時に、これらの石英ガラス層の境界部において、それぞれの石英ガラス層の密度差が小さくなるように調整を行うことにより、直胴部のルツボ内側への倒れ込みや熱変形の発生を抑制し、合わせて、これらの石英ガラス層の境界部における剥離の発生や割れなどの欠陥の発生を回避するものである。
石英ガラス層の仮想温度の調整は図２に示した回転アーク溶融法による製造装置を用いて行った。アーク溶融直後にルツボ内側に冷却管を挿入し、１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら底部から上部に向かって移動させると同時に、モールドから石英ガラス底部には０．２Ｌ／秒の速度、コーナー部には１Ｌ／秒の速度、直胴部には５L／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら冷却を行った。
そして、実施例１２および１４では、複数の異なる特性の石英ガラス層からなる石英ガラスルツボを製造する際に、回転アーク溶融法を用いた石英ガラスルツボの製造時に、それぞれの石英ガラス層において、その仮想温度を調整し、直胴部の上部の密度を低く、底部の密度を高くするとともに、同時に、これらの石英ガラス層の境界部において、それぞれの石英ガラス層の密度差が小さくなるように調整を行うことにより、直胴部のルツボ内側への倒れ込みや熱変形の発生を抑制し、合わせて、これらの石英ガラス層の境界部における剥離の発生や割れなどの欠陥の発生を回避するものである。
石英ガラス層の仮想温度の調整は図２に示した回転アーク溶融法による製造装置を用いて行った。アーク溶融直後にルツボ内側に冷却管を挿入し、１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら底部から上部に向かって移動させると同時に、モールドから石英ガラス底部には０．２Ｌ／秒の速度、コーナー部には１Ｌ／秒の速度、直胴部には５L／秒の速度で冷却ガス（空気）を内側に吹きつけながら冷却を行った。
また、実施例１３および１５では、回転アーク溶融法により製造された通常の石英ガラスルツボについて、仮想温度以上、溶融温度以下に再加熱した後、アニール処理により石英ガラス層の仮想温度を調整し、直胴部の上部の密度が低く、底部の密度を高くするとともに、同時に、これらの石英ガラス層の境界部において、それぞれの石英ガラス層の密度差が小さくなるように調整を行うことにより、直胴部のルツボ内側への倒れ込みや熱変形の発生を抑制し、合わせて、これらの石英ガラス層の境界部における剥離の発生や割れなどの欠陥の発生を回避するものである。
石英ガラス層の仮想温度の調整は図４に示したアニール処理装置を用いて行った。アニール処理の冷却時にルツボ内側に冷却管を挿入し、１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）をルツボ内側に吹きつけながら底部から直胴部の上部に向かって移動させると同時に、ルツボ外側の冷却管から５Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）をルツボ外側に吹きつけながら底部から直胴部の上部に向かって移動させながら冷却を行った。
石英ガラス層の仮想温度の調整は図４に示したアニール処理装置を用いて行った。アニール処理の冷却時にルツボ内側に冷却管を挿入し、１０Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）をルツボ内側に吹きつけながら底部から直胴部の上部に向かって移動させると同時に、ルツボ外側の冷却管から５Ｌ／秒の速度で冷却ガス（空気）をルツボ外側に吹きつけながら底部から直胴部の上部に向かって移動させながら冷却を行った。
そして、このような製造方法に得られた石英ガラスルツボは、表３に示されるように、単結晶の引き上げ時に内倒れや熱変形を発生せず、製造された単結晶の品質も良好であり、しかも、複数の異なる石英ガラス層の層間での剥離も発生しなかった。
これに対して、従来の回転アーク溶融法により得られた比較例１１～１３の石英ガラスルツボでは、製造時に仮想温度の調整を行っていない（冷却管を挿入していない）ため、内倒れが発生するとともに、異なる特性を有する石英ガラス層間の境界部においては、０．００１４ｇ／ｃｍ３を超える密度差が生じ、剥離の発生が見られた。
これに対して、従来の回転アーク溶融法により得られた比較例１１～１３の石英ガラスルツボでは、製造時に仮想温度の調整を行っていない（冷却管を挿入していない）ため、内倒れが発生するとともに、異なる特性を有する石英ガラス層間の境界部においては、０．００１４ｇ／ｃｍ３を超える密度差が生じ、剥離の発生が見られた。
以上のとおり、本発明は、石英ガラスルツボ、特に、シリコン単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボに関するものであって、大口径大容量の石英ガラスルツボであっても、シリコン単結晶引き上げ時の高温下において発生する内方への倒れ込みなどの変形や、天然石英ガラスからなる外層と合成石英ガラスからなる内層の境界部における剥離の発生などを抑制する石英ガラスルツボおよびその製造方法を提供するものであるから、シリコン単結晶引き上げ用を含む各種石英ガラスルツボの製造分野においてきわめて有用である。
１ モールド（成形用型）
２ アーク電極
３ 冷却管
４ 調整弁
５ モールド回転機構
６ モールド冷却孔
７ ノズル回動機構
８ ルツボ
９ 電気炉
１０ ヒーター
１１ 台
２ アーク電極
３ 冷却管
４ 調整弁
５ モールド回転機構
６ モールド冷却孔
７ ノズル回動機構
８ ルツボ
９ 電気炉
１０ ヒーター
１１ 台
Claims (12)
- 直胴部と底部を有するシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいて、
前記底部では石英ガラスの密度が高く、前記直胴部の下部から上部に向けて順次前記密度が低いことを特徴とするシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。 - 前記直胴部と前記底部が、天然石英ガラス層または合成石英ガラス層からなることを特徴とする、請求項１に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
- 前記直胴部と前記底部が、外層として天然石英ガラス層を有し、内層として合成石英ガラス層を有することを特徴とする、請求項１に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
- 前記直胴部と前記底部が、外層として天然石英ガラス層、中間層として天然石英ガラス層または合成石英ガラス層、内層として合成石英ガラス層を有することを特徴とする、請求項１または請求項３に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
- 直胴部と底部を有するシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいて、
前記直胴部と前記底部が、外層として天然石英ガラスを有し、内層として合成石英ガラス層を有し、前記外層と前記内層が接する境界部において、それぞれの層の石英ガラスの密度差が０．００１４ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とするシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。 - 直胴部と底部を有するシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいて、
前記直胴部と前記底部が、外層として天然石英ガラス層を有し、中間層として天然石英ガラス層または合成石英ガラス層を有し、内層として合成石英ガラス層を有し、異なる種類の石英ガラス層が接する境界部において、前記境界部における石英ガラスの密度差が０．００１４ｇ／ｃｍ３以下であることを特徴とするシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。 - 前記底部では石英ガラスの密度が高く、前記直胴部の下部から上部に向けて順次前記密度が低いことを特徴とする、請求項５または６に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
- シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法であって、
回転する石英ガラスルツボ成形用型内に原料石英粉を供給し、該原料石英粉を所定厚さに堆積させ、次いで、前記石英ガラスルツボ成形用型の内側より堆積された前記原料石英粉をアーク溶融させた後、前記石英ガラスルツボ成形用型の底部より急冷を開始し、以降順次、直胴部の上部に至るまで冷却を行い、前記底部では仮想温度が高く、前記底部より前記直胴部の上部に向けて、順次前記仮想温度が低くなるように前記仮想温度の温度勾配を設けることにより、前記底部においては石英ガラスの密度が高く、前記直胴部の下部から上部に向けて順次前記密度を低くしたことを特徴とする、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。 - 前記底部より急冷を開始し、以降順次、前記直胴部の上部に至るまでの冷却は、アーク溶融処理後、窒素ガスを冷却した冷却ガスを上下方向に移動可動な冷却管を前記石英ガラスルツボ成形用型の内部に導入し、前記底部より前記直胴部の上部に至るまで前記冷却管を順次移動させることにより行うことを特徴とする、請求項８に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。
- 前記底部より急冷を開始し、以降順次、前記直胴部の上部に至るまでの冷却は、前記石英ガラスルツボ成形用型に前記石英ガラスルツボ成形用型を外側から冷却するための冷却孔を多数設け、前記底部では強冷却とし、前記直胴部の上部に向けて順次緩冷却とする、または、前記アーク溶融の終了後の冷却が、前記底部では直ちに開始され、以降、前記直胴部の上部に向かって、一定時間保温後、順次冷却を開始することにより行うことを特徴とする、請求項８または９に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。
- シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法であって、
回転する石英ガラスルツボ成形用型内に外層および内層の順に、または、外層、中間層および内層の順に、これらの層に応じた種類の異なる原料石英粉を供給して、それぞれ所定厚さに堆積させ、次いで、前記石英ガラスルツボ成形用型の内側より堆積された前記原料石英粉をアーク溶融させた後、前記各層が接する境界部において、前記各層の石英ガラスの密度差を小さくするために、天然石英ガラスを有する層については、仮想温度を下げることにより前記境界部における石英ガラスの密度を低く調整し、他方、合成石英ガラスを有する層については、仮想温度を上げることにより前記境界部における前記密度を高く調整し、前記境界部における二つの層の前記密度差を０．００１４ｇ／ｃｍ３以下としたことを特徴とする、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。 - シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法であって、
回転する石英ガラスルツボ成形用型内に外層および内層の順に、または、外層、中間層および内層の順に、これらの層に応じた種類の異なる原料石英粉を供給して、それぞれ所定厚さに堆積させ、次いで、前記石英ガラスルツボ成形用型の内側より堆積された前記原料石英粉をアーク溶融させた後、前記石英ガラスルツボ成形用型の底部より急冷を開始し、以降順次、直胴部の上部に至るまで冷却を行い、前記底部では仮想温度が高く、前記底部より前記直胴部の上部に向けて、順次前記仮想温度が低くなるよう前記仮想温度の温度勾配を設けるよう冷却を行うことにより、前記底部においては石英ガラスの密度が高く、前記直胴部の下部から上部に向けて順次前記密度を低くするアーク熱処理を行うとともに、該アーク熱処理に合わせて、同時に、前記各層が接する境界部においては、前記各層の石英ガラスの密度差を小さくするために、天然石英ガラスを有する層については、前記仮想温度を下げることにより前記境界部における前記密度を低く調整し、他方、合成石英ガラスを有する層については、前記仮想温度を上げることにより前記境界部における前記密度を高く調整し、前記境界部における二つの層の前記密度差を０．００１４ｇ／ｃｍ３以下としたことを特徴とする、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。
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