JPH11236233A - 石英るつぼの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】多結晶シリコンを溶融してシリコン単結晶を引
上げる際に、シリコンの単結晶化率および歩留まりを改
善する石英るつぼを提供できる。 【解決手段】多数の気泡を含む不透明石英ガラス層と、
この不透明石英ガラス層の内側に形成された実質的に無
気泡の透明石英ガラス層からなる単結晶引上げ用石英る
つぼの製造方法であって、原料石英粉を回転する型内で
るつぼ形状に成形したのち、原料石英粉を溶解して、次
いで溶融した原料石英を減圧条件で保持することによっ
て前記不透明石英ガラス層の内側に透明石英ガラス層を
形成するに際し、原料石英粉の溶解手段として６相交流
を超える多相交流多電極アーク放電を用いることを特徴
とする石英るつぼの製造方法である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、多結晶シリコンを溶融
してシリコン単結晶を引上げる際に使用される石英るつ
ぼの製造方法に関し、さらに詳しくは、原料石英粉の溶
解に多相交流多相電極アーク、例えば６相交流６電極ア
ーク放電を用いる石英るつぼの製造方法に関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】半導体材料に用いられるシリコン単結晶
を育成させる方法として種々の方法があるが、なかでも
チョクラルスキー法（以下、単に「ＣＺ法」という）が
多用されている。このＣＺ法では、溶融原料であるシリ
コン融液を収容する容器として、石英るつぼが用いられ
る。通常、シリコン引上げ用石英るつぼは、天然に産出
される水晶若しくは石英を粉砕し、次いで精製して得ら
れた石英を原料粉として、加熱回転成型法で製造され
る。

【０００３】石英るつぼの原料となる石英粉の加熱に
は、各種の加熱手段が採用されるが、加熱対象物を効率
的に加熱できることから、アーク放電による方法が一般
的である。例えば、特開平1−148718号公報では、３相
交流３電極で構成されるアーク放電装置を用いて、回転
式の型内に嵌合された原料石英粉を約2400℃まで加熱し
て、石英粉を溶融する方法が提案されている。

【０００４】シリコン単結晶の引上げに用いられる石英
るつぼの製造に際して、多数の気泡を含む石英ガラス層
が存在すると、外部の熱源からの石英るつぼ内部への熱
伝達を均一にすることができる。また、シリコン融液と
直接接触する石英るつぼの内表面層は、単結晶の安定し
た引上げを確保し、単結晶化率を向上させるために、無
気泡性、均一性が要求される。このため、石英るつぼに
は、実質的に無気泡の透明石英ガラス層を内層とし、外
層として多数の気泡を含む石英ガラス層からなる２層構
造のるつぼが採用されている。

【０００５】近年、半導体製造工程の効率化の観点か
ら、大口径のシリコン単結晶の育成が要請されるように
なってきた。このような要請に対応して、シリコン単結
晶引上げ用石英るつぼの製造において、大口径単結晶の
育成に適合する製造技術の確立が急務になっている。引
上げ時の安定した単結晶化を前提とした石英るつぼの大
口径化技術の確立には、前述の原料石英粉を安定して加
熱溶融することができる加熱源の開発が必要になる。

【０００６】先に提案された３相交流３電極のアーク放
電装置を用いて溶融する方法では、放電されるプラズマ
アークは比較的小さく、大口径の石英るつぼを製造する
ようになると、るつぼ型の内部で電極を移動させる必要
がある。電極の移動にともなってアーク放電が不安定に
なるのを防ぐため、種々の制御が施されるが、完全にア
ーク放電の不安定化を防止するのは困難である。このた
め、不安定なアーク放電に起因して、石英るつぼの外
径、肉厚寸法が不均一になり、石英るつぼの内側に形成
される透明石英ガラス層の気泡含有率にバラツキが生じ
ることになる。

【０００７】シリコン融液と直接接触する石英るつぼの
内表面層に気泡が存在すると、気泡体積の膨張にともな
ってるつぼ側壁の剥離を促し、または内表面層がシリコ
ン融液に浸食されて開泡状態になり、気泡中の不純物ガ
スが融液中に混入して、引上げられるシリコンの単結晶
化を阻害することになる。したがって、石英るつぼの寸
法が均一でなく、透明石英ガラス層の気泡含有率が不安
定であると、引上げられるシリコン単結晶の歩留まりが
著しく低下するという問題が発生する。

【０００８】一方、るつぼ型内部での電極の移動を極力
抑制するため、所定の高熱量が得られるように放電電流
を増大させると、電極1本当たりの出力が極端に増大す
る。このとき、電極材としてカーボンを使用しているの
で、出力の極端な増大にともなって過大なアーク放電を
発生し、その放電の衝撃で電極棒からカーボンが飛散す
る場合がある。カーボン飛散を生じると、これが石英る
つぼの表面に落下してるつぼ表面を汚染することになる
ので、シリコン単結晶の引上げ時の歩留まりを低下させ
る要因となる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、シリコン単
結晶の引上げに用いられる石英るつぼの大口径化技術の
問題に鑑みてなされたものであり、るつぼ型に充填され
た原料石英粉を安定して加熱溶融することができる加熱
源を開発して、石英るつぼの寸法を均一にし、さらに不
透明石英ガラス相の気泡含有率を安定して低減するとと
もに、るつぼ表面の汚染を防止し、引上げ時の単結晶化
を向上させる石英るつぼの製造方法を提供することを目
的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記の課
題を解決するため、加熱回転成型法でるつぼを製造する
際に、回転するるつぼ型に充填された原料石英粉を安定
して、均一に加熱溶融することができる加熱源として、
アーク放電装置の出力を大きくするだけでなく、電源交
流の相数を増加して電極間に複数のアークを同時に発生
させることができる、６相交流を超える多相交流多相電
極アーク放電装置に着目して種々の検討を行った。その
結果、多相交流多相電極アーク放電（以下、必要ある場
合には「ｎ相交流ｎ電極アーク放電」という）に関し
て、次の(1)〜(3)の知見を得ることができた。

【００１１】(1)成型された原料石英粉を加熱溶解する
際に、加熱源として多相交流多相電極アークを用いるこ
とによって、極めて高密度で、かつ高温のプラズマアー
クを発生させることができる。

【００１２】図１は交流電極アーク放電における交流電
圧の電位と位相の関係を示す図であり、同(a)は６相交
流６電極アーク放電の場合を、(b)は３相交流３電極ア
ーク放電の場合をそれぞれ示している。さらに、図２お
よび図３はそのときの各位相における電極間に発生する
アーク電流の変化状況を説明する図であり、図２は６相
交流６電極アーク放電の状況を、図３は３相交流３電極
アーク放電の状況を示している。

【００１３】図１に示すように、ｎ相交流ｎ電極アーク
放電の場合には、各相における電圧の位相θは2π/nず
つずれることになる。各相の電極の先端付近に発生する
アーク電流は、電位差が存在する電極間の正側から流れ
出て負側に流れ込むように発生するが、６相交流６相電
極アーク放電の場合には、３相交流３電極アークに比べ
て、以下に説明するように、極めて高密度にアーク放電
させることができる。

【００１４】図１(a)に示す６相交流６電極アーク放電
の場合に位相θ＝０（±2πn）では、放電電流は電位が
正側にある５、６電極から、電位が負側にある２、３電
極に流れる。このとき、アーク電流は電位傾度の大きな
電極に流れやすいため、図２の位相θ＝０（±2πn）で
示すように、６電極から２電極に流れると同時に、５電
極から３電極にも流れる。同様に、位相θ＝2π/6（±2
πn）では、放電電流は電位が正側にある１、６電極か
ら、電位が負側にある３、４電極に流れるが、アーク電
流は電位傾度の大きな電極に流れやすいため、図２の位
相θ＝2π/6（±2πn）で示すように、１電極から３電
極へ、６電極から４電極へ流れる。

【００１５】これに対し、図１(b)に示す３相交流３電
極アーク放電の場合に位相θ＝０（±2πn）において
は、放電電流は電位が正側にある３電極から、電位が負
側にある２電極に流れる。このときのアーク電流の流れ
は、図３の位相θ＝０（±2πn）で示す通りである。同
様に、位相θ＝2π/6（±2πn）では、放電電流は電位
が正側にある１電極から、電位が負側にある２電極に流
れ、図３の位相θ＝2π/6（±2πn）で示すように、ア
ーク放電が発生する。

【００１６】前記図２および図３は、位相θ＝０〜2π
において、位相θをπ/6ずつずらしたときの電極間に発
生するアーク電流の変化状況を示しているが、３相交流
３電極アーク放電の場合には、同時に発生する放電電流
は１本または２本に留まるのに対し、６相交流６電極ア
ーク放電の場合には、２本または３本が同時に発生して
いる。このようなことから、３相交流３電極アーク放電
に比べ、６相交流６電極アーク放電を用いることによっ
て、高密度で、かつ高温のプラズマアークを発生させる
ことができる。したがって、多相交流多相電極アークを
用いることによって、いずれの位相においても、高密度
で、かつ高温のプラズマアークを電極間で発生できるこ
とが明らかである。

【００１７】(2)アーク放電で加熱を行う場合、多相交
流多電極アークを用いることによって、プラズマ発生領
域を拡大させ、大きなプラズマアークを発生させること
ができるので、加熱対象物の溶融領域を拡大させること
ができる。

【００１８】さらに、上述したように高密度で、広い領
域にわたって加熱溶融することができるプラズマアーク
が得られることと相まって、大口径るつぼを製造するに
際しても、放電カーボン電極を移動させずに、または比
較的移動量を少なくして製造することができ、アーク放
電を安定させることができる。

【００１９】(3)上述の通り、多相交流多電極アークを
用いることによって、放電カーボン電極の本数を相数に
応じて増加させることができる。このため、電極１本当
たりに負荷される電力を分散させることができるので、
アーク放電の衝撃を和らげて、放電カーボン電極からカ
ーボンの飛散を防止でき、石英るつぼの表面汚染を回避
することができる。

【００２０】本発明は、上記の知見に基づいて完成させ
たものであり、下記の石英るつぼの製造方法を要旨とし
ている。

【００２１】すなわち、多数の気泡を含む不透明石英ガ
ラス層と、この不透明石英ガラス層の内側に形成された
実質的に無気泡の透明石英ガラス層からなる単結晶引上
げ用石英るつぼの製造方法であって、原料石英粉を回転
する型内でるつぼ形状に成形したのち、原料石英粉を溶
解して、次いで溶融した原料石英を減圧条件で保持する
ことによって前記不透明石英ガラス層の内側に透明石英
ガラス層を形成するに際し、原料石英粉の溶解手段とし
て６相交流を超える多相交流多電極アーク放電を用いる
ことを特徴とする石英るつぼの製造方法である。

【００２２】本発明において、多相交流多電極アーク放
電装置の例として６相交流６電極アーク放電の場合を説
明しているが、多相交流多電極はこれに限定されるもの
でなく、さらに多相であって、例えば、12相交流電源を
用いた多電極アーク放電の場合も含まれるものである。

【００２３】

【発明の実施の形態】本発明の石英るつぼの製造方法
は、原料石英粉を回転する型内でるつぼ型に成形したの
ち、原料石英粉を溶解するに際し、原料石英粉の溶解手
段として６相交流を超える多相交流多電極であって、ｎ
相交流ｎ電極アーク放電を用いることを特徴としてい
る。

【００２４】具体的なアーク放電装置の構成としては、
ｎ相交流（n≧6）を出力するｎ相交流電源を用いて、正
ｎ角形の各項点には放電カーボン電極が配置される。原
料石英粉を加熱溶融する際には、前記のｎ相交流電源か
ら出力されるｎ相交流をその相順に放電カーボン電極
へ、右回りまたは左回りに印加することで、複数の電極
間で同時にプラズマアークを発生させる。このプラズマ
アークは高密度で、かつ高温度であるから、大口径石英
るつぼの加熱熱源として使用することができる。以下
に、本発明の効果を、実施例に基づいて具体的に説明す
る。

【００２５】

【実施例】図４は、実施例で石英るつぼを製造する方法
を説明する図である。本実施例では、大口径のシリコン
単結晶の引上げに対応するため、加熱回転成型法で口径
22インチおよび30インチの石英るつぼを製造した。

【００２６】すなわち、図４に示すように、原料石英粉
を一定方向に回転するカーボンモールド４のるつぼ型内
に充填した後、カーボンモールド４の内部空間に放電カ
ーボン電極１を配して、石英粉の内周面全体を加熱溶融
する。さらに放電熱源に応じて電極を移動させる必要が
ある場合には、電極を移動させて加熱しつつ、真空ポン
プ６を作動させて減圧吸引孔５を介して、石英粉内を減
圧条件に保持して脱気する。このような工程によって、
多数の気泡を含む不透明石英ガラス層２と、この内側に
形成された実質的に無気泡の透明石英ガラス層３からな
る石英るつぼが製造される。製造における加熱時間、加
熱温度、さらに脱気のための真空度等の具体的な条件
は、後述するように、るつぼ口径等の製造条件によって
適宜定められる。

【００２７】（実施例１）粒径100〜350μｍの原料石英
粉の約30kgを、80rpmで回転している口径22インチの石
英るつぼ製造用カーボンモールドの型内に充填させての
ち、充填された石英粉を所定のるつぼ形状に成形する。
次いで、カーボンモールド中心軸上で、底面より約400m
m上方の位置に６相交流６電極の先端を設定し、1200kW
の電力で６分間通電して石英粉の内周面全体を加熱溶融
した。

【００２８】電極を移動させることなく、通電中にカー
ボンモールド側から２分間にわたって減圧、脱気して、
石英るつぼの内表面に透明石英ガラス層を形成した。こ
の方法で製造した5個の石英るつぽの底面部、湾曲部お
よび側面部の肉厚並びに透明石英ガラス層の気泡含有率
を測定するとともに、石英るつぼの総合評価をするた
め、シリコン単結晶の引き上げを行い単結晶化率を算出
した。

【００２９】ここで、石英るつぽの底面部とは底面中心
から半径の2/3以内の範囲であり、湾曲部とは底面中心
から半径の2/3〜5/6の範囲とした。また、気泡含有率と
は、石英るつぼの透明石英ガラス層の単位体積における
気泡占有体積の比率で示され、光学的な検出手段で非破
壊的に測定することができる。さらに、単結晶化率は、
単結晶で引上げられたシリコンの重量比で表している。
これらで測定した結果を表１に示す。

【００３０】（実施例２）粒径100〜350μｍの原料石英
粉の約70kgを、70rpmで回転している口径30インチの石
英るつぼ製造用カーボンモールドの型内にに充填させて
のち、充填された石英粉を所定のるつぼ形状に成形す
る。カーボンモールド中心軸上で底面より約450mm上方
の位置に６相交流６電極の先端を設定し、1300kWの電力
で13分間通電し石英粉を溶融した。電極を移動させるこ
となく、通電中にカーボンモールド側から５分間にわた
り減圧、脱気して、石英るつぼの内表面に透明石英ガラ
ス層を形成した。実施例１の場合と同様に、製造した5
個の石英るつぼの肉厚および透明石英ガラス層の気泡含
有率を測定するとともに、シリコン単結晶の引き上げを
おこない単結晶化率を算出した。それらの結果を表１に
示す。

【００３１】（比較例１）粒径100〜350μｍの原料石英
粉の約30kgを、80rpmで回転している口径22インチの石
英るつぼ製造用カーボンモールドに充填させてのち、充
填された石英粉を所定のるつぼ形状に成形する。次い
で、カーボンモールド中心軸上で、底面より約400mm上
方の位置に３相交流３電極の先端を設定し、500kWの電
力で約３分間通電して石英粉の内周面全体を加熱溶融し
た。

【００３２】そののち、前記図４に示すように、電極を
300mm降下させて、同じ電力で５分間通電し石英るつぼ
の底面の石英を重点的に加熱した。次いで、電極を150m
m横方向に移動すると同時に200mm上方に移動して、同じ
電力で５分間通電し石英るつぼの側面部を重点的に加熱
した。通電中にカーボンモールド側から５分間にわたり
減圧、脱気して、石英るつぼの内表面に透明石英ガラス
層を形成した。実施例１の場合と同様に、製造した5個
の石英るつぼの肉厚および透明石英ガラス層の気泡含有
率を測定するとともに、シリコン単結晶の引き上げを行
い単結晶化率を算出した。それらの結果を表１に示す。

【００３３】（比較例２）粒径100〜350μｍの原料石英
粉の約70kgを、70rpmで回転している口径30インチの石
英るつぼ製造用カーボンモールドに充填させてのち、充
填された石英粉を所定のるつぼ形状に成形する。カーボ
ンモールド中心軸上で底面より約450mm上方の位置に３
相交流３電極の先端を設定し、500kWの電力で３分間通
電して石英粉の内周面全体を加熱溶融した。

【００３４】そののち、前記図４に示すように、電極を
300mm降下させて、同じ電力で10分間通電し石英るつぼ
の底面の石英を重点的に加熱した。次いで、電極を250m
m横方向に移動すると同時に300mm上方に移動して、同じ
電力で５分間通電し石英るつぼの側面部を重点的に加熱
した。通電中にカーボンモールド側から５分間にわたり
減圧、脱気して、石英るつぼの内表面に透明石英ガラス
層を形成した。実施例１の場合と同様に、製造した5個
の石英るつぼの肉厚および透明石英ガラス層の気泡含有
率を測定するとともに、シリコン単結晶の引き上げを行
い単結晶化率を算出した。それらの結果を表１に示す。

【００３５】

【表１】

【００３６】（実施例と比較例の対比）表１の結果から
明らかなように、６相交流６電極アーク放電を用いた実
施例１、２では、石英るつぽの底面部、湾曲部および側
面部のいずれの部分においても肉厚は均一に製造されて
いる。また、透明石英ガラス層の気泡含有率の測定結果
に示すように、実施例１、２では、いずれも0.01％であ
り、実質的に無気泡状態であることが分かる。

【００３７】上記のように、優れた特性を有する石英る
つぼを用いて、シリコン単結晶の引上げを行うと、るつ
ぼ口径22インチの場合には、比較例１では単結晶化率が
61％〜91％とバラツキが大きいのに比べ、実施例１では
90％〜92％と非常に安定している。また、るつぼ口径30
インチの場合には、比較例２では単結晶化率が31％〜56
％と低い値であり、かつバラツキが大きいのに比べ、実
施例２では85％〜88％と高水準で、安定していることが
分かる。

【００３８】

【発明の効果】本発明の石英るつぼの製造方法によれ
ば、るつぼ型に充填された原料石英粉を安定して加熱溶
融することができるので、石英るつぼの寸法を均一に
し、さらに不透明石英ガラス層の気泡含有率を安定して
低減し、実質的に無気泡とでき、しかもるつぼ表面の汚
染を防止できるので、引上げ時の単結晶化を向上させ、
単結晶の歩留まりを大幅に改善することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】交流電極アーク放電における交流電圧の電位と
位相の関係を示す図である。

【図２】６相交流６電極アーク放電での各位相における
電極間に発生するアーク電流の変化状況を説明する図で
ある。

【図３】３相交流３電極アーク放電での各位相における
電極間に発生するアーク電流の変化状況を説明する図で
ある。

【図４】実施例で石英るつぼを製造する方法を説明する
図である。

【符号の説明】

１：放電カーボン電極 ２：不透明石英ガラス層 ３：透明石英ガラス層 ４：カーボンモールド ５：減圧吸引孔、 ６：真空ポンプ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 西山 建二 兵庫県尼崎市東向島東之町１番地住金石英 株式会社尼崎工場内

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】多数の気泡を含む不透明石英ガラス層と、
   この不透明石英ガラス層の内側に形成された実質的に無
   気泡の透明石英ガラス層からなる単結晶引上げ用石英る
   つぼの製造方法であって、原料石英粉を回転する型内で
   るつぼ形状に成形したのち、原料石英粉を溶解して、次
   いで溶融した原料石英を減圧条件で保持することによっ
   て前記不透明石英ガラス層の内側に透明石英ガラス層を
   形成するに際し、原料石英粉の溶解手段としてｎ相交流
   ｎ電極アーク放電（ただし、ｎ≧６）を用いることを特
   徴とする石英るつぼの製造方法。
2. 【請求項２】上記原料石英粉の溶解手段が６相交流６電
   極アーク放電であることを特徴とする請求項１記載の石
   英るつぼの製造方法。