JPH08268727A - 融解石英るつぼ及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 使用時における気泡成長の低減を示すと共
に、融解時における気泡数及び気泡サイズの減少を示す
融解石英るつぼの製造方法を提供する。 【解決手段】 回転する融解ポット内にケイ砂を投入し
て、遠心力の作用下でボウル状の形にし、このケイ砂を
融解しかつ融合するのに十分な温度に加熱し、ヘリウム
又は水素のごとき急速拡散ガスをケイ砂中に通過させ
て、ケイ砂中に形成されたボイド中に存在する残留ガス
を排除する。かかる急速拡散ガスはボイド中に残存す
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の分野】本発明は融解石英るつぼに関するもので
あって、更に詳しく言えば、チョクラルスキー法に従っ
て多結晶質シリコンから単結晶シリコンを成長させるた
め半導体業界において使用される融解石英るつぼの製造
方法に関する。

【０００２】

【発明の背景】半導体工業用の単結晶シリコンを製造す
るために使用されるるつぼは、シリコン成長過程中にお
いて所望の結晶方位を維持するため、不純物及び包有気
泡やその他の構造欠陥を含まないことが必要である。る
つぼ中の気泡含量を低下させる必要に応じて、米国特許
第４４１６６８０号明細書中に１つの方法が提案されて
いる。この方法に従えば、側壁及び底部にガス透過性壁
体領域を有する回転中空金型の内部に原料石英が導入さ
れる。金型の内部に原料が導入された後、電気アークの
ごとき熱源が金型の内部に導入され、それによって石英
が融解される。加熱と同時に、ボイド（ｖｏｉｄ）をつ
ぶすため、金型を連続的に回転させながらそれの外部に
真空を作用させることによって間隙ガスが抜取られる。
かかる真空は融解及び回転の全期間を通じて維持され
る。その後、金型の外部の真空を圧縮空気で置換するこ
とによって完成したるつぼを取出すことができる。この
方法は、融解石英るつぼ製造業界全体にわたって使用さ
れている。

【０００３】米国特許第４４１６６８０号明細書中に
は、上記の方法に従って製造されたるつぼの壁体は気泡
を含まないと記載されているが、実際にはそうでない。
すなわち、るつぼ壁体中に形成されたボイド中には主と
して窒素及び酸素から成る微小な気泡が捕捉されている
ことが見出された。単結晶シリコンの成長に際してるつ
ぼは真空及び高温に暴露されるから、かかる窒素及び酸
素は膨張し、そして次第に大きな気泡を形成することに
なる。このような膨張する気泡はるつぼ内壁の破砕を引
起こし、そして単結晶シリコンの成長を中断させること
がある。

【０００４】更に詳しく述べれば、単結晶シリコンを成
長させるためにるつぼが使用されている場合、るつぼの
内部に存在する多結晶質シリコンは溶融状態にある。溶
融シリコンが融解石英るつぼの壁体と反応する結果、少
量（約１ｍｍ程度）の内壁が溶解する。溶解するるつぼ
壁体が気泡を含有していれば、溶解過程中に気泡を包囲
する材料が破砕することがある。その際、融解石英の微
細なチップがるつぼ内壁から放出されることがある。こ
れらのチップは単結晶の方位を破壊し、それによって結
晶成長の歩留りを制限する可能性がある。

【０００５】るつぼ壁体中に存在する小さな気泡は、単
結晶シリコンの成長に際して常に問題を引起こすとは限
らない。たとえば、単結晶シリコンの成長に関連して直
径の小さいるつぼを使用する場合には、融液を維持する
ためにるつぼを暴露する必要のある温度は直径の大きい
るつぼの場合よりも低い。るつぼの直径が増大するのに
伴い、暴露温度及び暴露時間は増加する。これらの時間
及び温度因子は、るつぼ壁体中における気泡の成長を大
いに促進するのである。

【０００６】るつぼ壁体中における気泡の問題には、２
つの方法によって対処することができる。第１の方法
は、るつぼ壁体から気泡を完全に除去するというもので
ある。第２の方法は、高温への暴露に際して気泡が成長
するのを防止するというものである。本発明者等は後者
のアプローチを採用し、そして高温加熱に際してるつぼ
壁体中における気泡の成長を防止若しくは低減させるた
めの方法を開発した。この方法はまた、融解時における
全気泡数及び気泡サイズをも減少させる。気泡の低減に
関するその他の試みは、米国特許第４９３５０４６及び
４９５６２０８号明細書中に記載されている。これらの
特許明細書中に記載された方法は、化学蒸着法によって
るつぼ表面上にＳｉＣｌ4 の層を設置するというもので
ある。この方法は気泡を排除するという点では極めて有
効であるが、多大の設備費を必要とするためにそれの実
施は高くつく。融解石英るつぼは多量に使用されるもの
であるから、それらをできるだけ経済的に製造すること
が重要である。本発明者等は、高温加熱に際してるつぼ
壁体中における気泡の成長を低減させると共に気泡数及
び気泡サイズをも減少させるための経済的な方法を開発
したのである。

【０００７】

【発明の概要】本発明は、上記のごとき問題の全てを解
決すると共に、高温用途におけるるつぼの使用にとって
特に有益であるような気泡含量の低下、気泡サイズの減
少及び気泡成長の低減を示するつぼを生み出すことので
きる融解石英るつぼ製造方法に関する。

【０００８】本発明の実施に際しては、回転する融解ポ
ット内にケイ砂粒子が投入され、そして遠心力の作用下
でボウル状に成形される。次いで、熱を加えることによ
ってケイ砂粒子同士が融合される。ヘリウム又は水素の
ごとき急速拡散ガスをケイ砂粒子間に流すことによって
壁体中から残留ガスが排除される。こうして得られたる
つぼは、融合したケイ砂粒子から成ると共に、底部及び
それから上方に延びる連続した側壁を有するものであ
る。壁体中におけるケイ砂粒子間の空隙内に捕捉された
ガスは最大約０．０５％までの気泡（又はボイド）含量
を生み出し、また代表的な気泡サイズは約０．００２５
インチ以下、好ましくは約０．００２０インチ以下、そ
して一層好ましくは約０．００１５インチ以下である。
かかるるつぼの高温加熱時における気泡の成長は、従来
のるつぼの場合よりも少ない。この場合の気泡（又はボ
イド）は、高率のヘリウム又は水素ガスを含有してい
る。

【０００９】本発明の主たる利点は、結晶引上げのため
の使用に際して融解石英るつぼの壁体中における気泡の
成長が低減するということである。本発明のもう１つの
利点は、融解石英るつぼの壁体中における気泡数及び気
泡サイズが顕著かつ経済的に減少するということであ
る。本発明のその他の利点は、以下の詳細な説明を読む
ことによって当業者には自ずから明らかとなろう。

【００１０】本発明は特定の部品又は部品集合体を用い
て具体化することができるが、その好適な実施の態様は
本明細書の一部を成す添付の図面に関連して本明細書中
に詳しく記載されている。

【００１１】

【好適な実施の態様の詳細な説明】融解石英るつぼは、
チョクラルスキー法に従って多結晶質シリコンから単結
晶シリコンインゴットを成長させるため半導体業界にお
いて使用されている。チョクラルスキー法又は結晶成長
法を実施する際には、多結晶質シリコンが石英るつぼ内
に配置され、そして１４２０℃より高い温度で融解され
る。こうして得られた融液に種結晶が接触させられる。
この種結晶を引上げるのに伴って単結晶シリコンインゴ
ットが成長する。

【００１２】インゴットの成長時には、溶融シリコンが
融解石英るつぼと反応する結果、るつぼ内壁の約１ｍｍ
程度が溶解する。溶解するるつぼ内壁が気泡を含有して
いれば、溶解過程中に気泡を包囲する材料が破砕するこ
とがある。その際、融解石英の微細なチップ又は破片が
るつぼ内壁から放出されることがある。分離した破片が
成長中のインゴットに接触すると種々の結晶方位を生み
出し、それによって結晶成長の歩留りを制限する可能性
がある。

【００１３】かかるるつぼの製造に当っては、純粋なケ
イ砂又は粒状の融解石英が回転する黒鉛製融解ポットの
内部に投入される。遠心力の作用下でケイ砂は融解ポッ
トの側面に保持されてボウル状の形態を示す。電気アー
クにより、るつぼ壁体はケイ砂粒子の急速な融解を引起
こすのに十分な温度にまで加熱される。融解ポットの底
部に設けられた一連の開口を通して真空を作用させるこ
とにより、融解時に遊離される残留ガスが除去若しくは
低減させられる。

【００１４】ケイ砂粒子間に存在する全てのガスが真空
によって除去されるわけではない。通例、ケイ砂粒子は
極めて急速に融合してボイド中にガスを閉込める。かか
るガスは空気の組成にほぼ近似したものであって、主と
して窒素及び酸素の含量が高くなっている。すなわち、
窒素は約８０％の含量で存在し、また酸素は約１８％の
含量で存在している。更に、黒鉛電極の存在に原因する
残留二酸化炭素（約１％）と並んで、少量（約１％ま
で）のアルゴンが存在することもある。

【００１５】るつぼ壁体中に存在するボイド中のガス
は、単結晶シリコンの成長に際して使用される高温及び
高真空条件への暴露によって膨張する。その結果、望ま
しくない気泡形成及び（又は）気泡成長が起こることに
なる。本発明者等は、空気環境中ではなくヘリウム又は
水素環境中において融解石英るつぼを製造すれば気泡サ
イズ及び気泡数を顕著に減少させ得ることを見出した。
かかる技術は、現行のアーク融解技術を使用しながら、
ケイ砂粒子間に最初に存在する（主として窒素及び酸素
から成る）残留ガスをヘリウム又は水素で置換するため
の手段を提供する。すなわち、先行技術によって規定さ
れているごとく空気環境中において融解を行うのではな
く、ヘリウム又は水素を用いた処理によって環境ガスが
排除されるのである。最初、処理用のヘリウム又は水素
はケイ砂の隙間を通って拡散して脱出する。融解の開始
に伴ってケイ砂の内側にスキン層が形成され、やがて封
止状態を生じる。この段階において、ヘリウム又は水素
はケイ砂中を通って流れさせて、それによって残留ガス
を排除すると共にケイ砂粒子間のボイドを満たす。融解
操作中にヘリウムの一部が拡散によって脱出する結果、
融解の完了後には、るつぼ壁体は実質的に低い気泡含量
及び実質的に小さい気泡サイズを有することになる。か
かるるつぼを結晶引上げ装置において使用した場合に
は、ヘリウム又は水素が拡散によってるつぼ壁体から脱
出し続けるのに有利な条件が存在するため、従来のるつ
ぼに比べて気泡の成長は遥かに少なくなる。

【００１６】ヘリウム又は水素を含有しない従来のるつ
ぼの場合、るつぼ壁体中のボイドは窒素、酸素及びアル
ゴンのごときガスで満たされている。かかるガスの存在
下における融解は劣悪な気泡構造を有する不透明な材料
を生み出すのであって、その中には２容量％を越えるボ
イドが残留する。ボイド中に閉込められた上記のガスは
可動性及び溶解性に欠けるため、微細化し得ない安定な
ボイドが残留することになる。それに対し、ヘリウム及
び水素は可動性が大きい。たとえば、ヘリウムは窒素よ
り５桁も大きい拡散率を有すると共に、窒素より遥かに
高い溶解度を有している。ボイド（又は気孔）中に捕捉
されたヘリウム又は水素は、るつぼの使用時に拡散によ
って壁体から除去され、その結果としてボイドがつぶれ
ることになる。

【００１７】本発明の原理は、直径の大きいるつぼに適
用された場合により有効である。なぜなら、直径の小さ
いるつぼに比べ、直径の大きいるつぼはより長い時間に
わたってより高い温度に暴露されるからである。より長
い暴露時間及びより高い暴露温度は気泡の成長を促進
し、そして単結晶シリコン成長操作に悪影響を及ぼすの
である。

【００１８】かかるるつぼはまた、再装填操作に際して
も使用し得るみのと予想される。再装填操作に際して使
用されるるつぼは、単一装填操作の場合に比べてほぼ２
倍の時間にわたって高温に暴露されるわけである。図１
には、本発明の方法に従って融解石英るつぼを製造する
際に使用することのできる装置が略示されている。この
図は、ケイ砂粒子１０を回転する黒鉛製融解ポット内に
投入したところを示している。遠心力の作用下でケイ砂
は融解ポットの側面に保持されてボウル状の形態を示
す。電気アーク発生用の電極１４によってケイ砂粒子が
加熱される結果、ケイ砂が融解されかつ融合されること
によってるつぼ１８が形成される。電気アークにより、
るつぼ壁体はケイ砂粒子の急速な融解を引起こすのに十
分な温度にまで加熱される。融解ポットは回転するハウ
ジング２２内に収容されていて、後者の中にはヘリウム
又は水素が導入されている。一様な間隔で設けられた複
数の開口２６により、ハウジング２２内に存在するヘリ
ウム又は水素がケイ砂中を通って流れる。るつぼの内壁
がスキン層を形成すると、かかるヘリウム又は水素はボ
イド中に存在するその他のガスを排除することが可能と
なる。融解ポットの底部に設けられた一連の開口３０を
通して真空を作用させれば、ヘリウム又は水素の流れが
生じ、それによってケイ砂粒子間から残留ガスが除去さ
れる。やがてケイ砂粒子同士が融合すれば、ヘリウム又
は水素で満たされたボイドを含むと共に気泡サイズ及び
気泡数の減少を示すようなるつぼが得られる。なお、ヘ
リウム又は水素はヘリウム入口３４を通してハウジング
２２内に導入される。

【００１９】

【実施例】るつぼ壁体のボイド中に存在する空気、窒
素、酸素、アルゴン及び二酸化炭素をヘリウムで置換す
ることによって得られる改善された結果を証明するため
に実験を行った。本発明に従ってヘリウムで処理したる
つぼ及び従来のるつぼを、１９時間及び４９．５時間に
わたって４．５トルの減圧下で１５００℃の温度に暴露
した。気泡の顕微鏡検査によって代表的な気泡直径を求
めた。得られた結果を下記表１中に示す。

【００２０】

【表１】

【００２１】上記の結果は、溶融状態のるつぼ中にヘリ
ウムを流すことによって気泡サイズが減少することを示
している。１９時間及び４９．５時間にわたって真空ベ
ーキングを施した後には、ヘリウム処理を受けたるつぼ
はヘリウム処理を受けない従来のるつぼに比べて僅かな
気泡成長しか示さなかった。僅かな気泡成長が起こった
理由は、ヘリウムによる置換が１００％完全ではなかっ
たこと、すなわちヘリウム以外のガスが気泡中に残留し
ていたことにある。

【００２２】かかる僅かな気泡成長の効果を更に検討し
た。３種のヘリウム−窒素混合物（すなわち、１００％
ヘリウム、９０％ヘリウム−１０％窒素、及び６７％ヘ
リウム−３３％窒素）中においてケイ砂試料を融解し、
次いで５トルのアルゴン中において１７３０℃で６０分
間の真空ベーキングを施した。１００％ヘリウム中にお
いて融解した試料は気泡を全く含まず、９０％ヘリウム
−１０％窒素中において融解した試料はやはり透明では
あったが直径約０．２ｍｍの気泡を生じ、また６７％ヘ
リウム−３３％窒素中において融解した試料は０．５ｍ
ｍの気泡を数多く含むことによって不透明となった。な
お、不透明度が高いことは気泡数が多いことを意味して
いる。

【００２３】以上、好適な実施の態様に関連して本発明
が記載された。本明細書を読んで理解した当業者にとっ
ては、それ以外にも様々な変更態様が可能であることは
自明であろう。前記特許請求の範囲から逸脱しない限
り、かかる変更態様の全てが本発明の範囲内に含まれる
ことを理解すべきである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の方法を実施するために適した装置の略
図であって、半導体業界においてシリコンインゴットを
成長させるために使用される融解石英るつぼの製造装置
を示している。

【符号の説明】

１０ ケイ砂粒子 １４ 電極 １８ るつぼ ２２ ハウジング ２６ 開口 ３０ 開口 ３４ ヘリウム入口

Claims (10)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 （ａ）ケイ砂の入った融解ポットを回転
   させることにより、遠心力の作用下で前記ケイ砂が底部
   及び連続した側壁を有するボウル状の形態を示すように
   し、（ｂ）前記ケイ砂を融解しかつ融合するのに十分な
   温度に前記ケイ砂を加熱し、かつ（ｃ）前記ケイ砂中に
   急速拡散ガスを導入することにより、前記ケイ砂中に形
   成されたボイド中に存在する残留ガスを排除する工程を
   含むことを特徴とする融解石英るつぼの製造方法。
2. 【請求項２】 前記急速拡散ガスがヘリウム又は水素で
   ある請求項１記載の方法。
3. 【請求項３】 ヘリウム又は水素を用いて前記ボイド中
   に存在する残留ガスを排除するため、前記側壁の内面上
   にスキン層を形成する工程を含む請求項２記載の方法。
4. 【請求項４】 前記ケイ砂の間から残留ガスを除去する
   ため、前記融解ポットの底部に真空を作用させて急速拡
   散ガスの流れを生み出す工程を含む請求項１記載の方
   法。
5. 【請求項５】 前記ケイ砂を融合させ、そして前記ケイ
   砂中に形成されたボイド中に急速拡散ガスを保持する工
   程を含む請求項１記載の方法。
6. 【請求項６】 融解石英るつぼを使用して単結晶シリコ
   ンを成長させるための方法において、（ａ）ヘリウムを
   含有する気泡を含む融合したケイ砂粒子から作られてい
   て、底部及びそれから上方に延びる連続した側壁を有す
   るるつぼを用意し、（ｂ）前記るつぼ内に入れた多結晶
   質シリコンを融解するのに十分な温度に前記るつぼを暴
   露し、次いで（ｃ）気泡サイズの拡大倍率を約１．２倍
   までに制限する工程を含むことを特徴とする方法。
7. 【請求項７】 融合したケイ砂粒子から作られていて、
   底部及びそれから上方に延びる連続した側壁を有する融
   解石英るつぼであって、当該るつぼの壁体の内面に隣接
   して気泡を含み、かつ前記気泡が急速拡散ガスを含有す
   ることを特徴とするるつぼ。
8. 【請求項８】 前記急速拡散ガスがヘリウム又は水素で
   ある請求項７記載のるつぼ。
9. 【請求項９】 前記気泡中に存在する急速拡散ガスが前
   記るつぼの高温加熱時に脱出する結果、前記るつぼの使
   用時における前記気泡の成長又は前記るつぼの壁体内面
   の破砕が低減する請求項７又は８記載のるつぼ。
10. 【請求項１０】 前記高温加熱が前記るつぼを少なくと
    も多結晶質シリコンの融点に等しい温度に暴露すること
    から成る請求項９記載のるつぼ。