JPH1149597A - シリコン単結晶引き上げ用石英るつぼ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】石英るつぼに含有される気泡の影響を取り除
き、長時間のシリコン引き上げ操作においても、シリコ
ン単結晶の有転位化が発生しない石英るつぼを提供す
る。 【解決手段】(1)るつぼの内表面から１mm以上の厚さを
持つ内表面層に含有される気泡の直径が20μｍ以下であ
り、かつ、その内表面層の総気泡体積率が0.01％以下、
好ましくは0.001％以下、である石英るつぼ。(2)るつぼ
の底部およびコーナー部の、内表面から１mm以上の厚さ
を持つ内表面層に含有される気泡の直径が20μｍ以下で
あり、かつ、その内表面層の総気泡体積率が0.01％以
下、好ましくは0.001％以下、である石英るつぼ。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、多結晶シリコンを
溶解して単結晶を製造する際に用いられる石英るつぼに
関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体シリコン単結晶の製造は主として
チョクラルスキー法（ＣＺ法）によって行われている。
このチョクラルスキー法はチャンバー内に配置したるつ
ぼの中に原料である多結晶シリコンを充填しヒーターで
約1450℃付近に加熱溶解した後、このシリコン融液に種
結晶を浸してるつぼと種結晶を互いに逆方向に回転させ
ながら徐々に引き上げて単結晶シリコンを得る方法であ
る。そして、このチョクラルスキー法では、通常、石英
ガラス製のるつぼが用いられる。ところで、前記石英る
つぼはシリコン単結晶引き上げの際に直接シリコン融液
と接するため、この石英るつぼの品質が引き上げた単結
晶の性質に多大な影響を及ぼす。特に、石英るつぼ中に
存在する気泡は、シリコン単結晶の有転位化の原因とな
り単結晶製品歩留りを低下させることが知られている。

【０００３】るつぼ中の気泡がシリコン単結晶の有転位
化を招く機構は、詳細には解明されていないが、従来、
次のように推定されていた。

【０００４】(1)気泡が単結晶引き上げ使用中において
膨張し、るつぼの内表面が隆起して凹凸になり、この内
表面の隆起部は早くシリコン融液へ溶け、そのとき開放
されたガラス破片がシリコン固液界面に達し単結晶育成
を阻害する、即ち、有転位化を招く。 (2)上記のように内表面の隆起部が早くシリコン融液へ
溶け、気泡内に存在していたガスが解放されて上昇し、
シリコン固液界面に達し単結晶育成を阻害する。

【０００５】(3)隆起部が結晶核となり斑点状のクリス
トバライトを形成し、このクリストバライトがるつぼか
ら脱離しシリコン固液界面に達し単結晶育成を阻害す
る。

【０００６】そこで、石英るつぼの内面の表層に存在す
る気泡の含有量を低下させることを目指したいくつかの
発明がある。例えば、特開平6-72793号公報には、るつ
ぼ内表面の所定厚さを実質的に気泡を含まない層とする
発明が開示されている。しかし、この実質的に気泡を含
まないというのは、気泡含有率が0.01％以下であること
を意味するのであって、実際に気泡を皆無にするという
のではない。この程度の低気泡率にするというだけで
は、現実にはシリコン単結晶の有転位化の防止は期待で
きない。後述するように、気泡の大きさ（径）も影響す
るからである。

【０００７】更に、特開平6-92779号公報にも、シリコ
ン融液と接するるつぼ内表面を実質的に無気泡とする発
明が提案されている。この「実質的に無気泡」というの
は、直径20μｍ以上の気泡が２個／ｃｍ³以下であるこ
と、と定義されているが、直径が20μｍ以上という大き
さの気泡は、数は少なくともシリコン単結晶の有転位化
を誘発する。

【０００８】特に、最近生産量が増大している大口径シ
リコン単結晶の製造では、引き上げ操作が長時間になる
ので、るつぼ内壁のわずかな気泡も製品歩留りを低下さ
せる原因になる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、シリコン単
結晶引き上げにおいて、石英るつぼに含有される気泡の
影響を完全に取り除くことを課題としてなされたもの
で、長時間のシリコン引き上げ操作においても、シリコ
ン単結晶の有転位化が発生しない石英るつぼを提供する
ことを目的とする。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、下記(1)およ
び(2)のシリコン単結晶引き上げ用石英るつぼを要旨と
する。

【００１１】(1) るつぼの内表面から１mm以上の厚さ
を持つ内表面層に含有される気泡の直径が20μｍ以下で
あり、かつ、その内表面層の総気泡体積率が0.01％以
下、好ましくは0.001％以下、である石英るつぼ。

【００１２】(2) るつぼの底部およびコーナー部の、
内表面から１mm以上の厚さを持つ内表面層に含有される
気泡の直径が20μｍ以下であり、かつ、その内表面層の
総気泡体積率が0.01％以下、好ましくは0.001％以下、
である石英るつぼ。

【００１３】本発明者等は、るつぼ内表面層に存在する
気泡の含有量および気泡径を変えた石英るつぼを使用し
て、シリコン引き上げを行い、引き上げ終了後のるつぼ
内面状態を詳細に調査した結果、シリコン単結晶の有転
位化の発生機構に関する新しい知見を得た。

【００１４】即ち、一般に知られているように、シリコ
ン融液と接触している石英るつぼの内表面は、シリコン
引き上げ操作中に斑点状のクリストバライトへ結晶化す
る。斑点状のクリストバライトはシリコン融液との接触
時間に比例して２次元方向に成長するため、石英るつぼ
底面はほぼ全面がクリストバライトで覆われるようにな
る。

【００１５】本発明者等は、石英るつぼ内面表層の気泡
量が少ない石英るつぼではこのクリストバライトが石英
るつぼ底面の広範囲にわたり維持されるのに対して、気
泡量の多い石英るつぼではクリストバライトがほぼ底部
全面にわたり剥離し、表面の荒れた下地の石英ガラスが
露出することを確認した。さらに開口した気泡がるつぼ
内面剥離の起点として働いており、ここから２次元方向
に剥離が進行することを見いだした。

【００１６】剥離したクリストバライトは、ガラスに比
べてシリコン融液への融解速度が遅いため、融解前にシ
リコン固液界面まで浮上してしまい健全な単結晶の育成
を阻害する。るつぼ内表面層の気泡低減は、クリストバ
ライト剥離の起点を減少させるので確かに意味がある
が、従来考えられていたように、気泡の影響は気泡が存
在する極微小領域に留まらない。特に大口径シリコン製
造時の長時間シリコン引き上げでは完全に気泡の影響を
取り除く必要があるが、現在使用されている石英るつぼ
の内表面層には不可避的に気泡が残存しており、これま
でに提案された対策は、その気泡に起因するシリコン単
結晶の有転位化防止には不十分である。

【００１７】そこで、本発明者等は、さらに進めて、石
英るつぼ内に存在する気泡の直径を熱処理前後で計測し
定量的に調査した。この調査では、石英るつぼから切り
出した試験片にシリコン引き上げ操作時に類似する熱処
理（1460℃で25時間加熱）を施し、気泡径の変化を測定
した。加熱の雰囲気圧は、10Torr、100Torrおよび760Tor
rと、３レベルに変えた。調査結果を図１に示す。

【００１８】図１から明らかなように、熱処理雰囲気圧
によらず、初期気泡径が20μｍ以下の微小気泡は、熱処
理によって消滅している。これは、熱処理中に微小気泡
内のガスがるとぼのガラス素地中へ拡散して融解し気泡
が全て消滅したものと考えられる。

【００１９】本発明は上記の新しい知見を基にしてなさ
れたものである。本発明によれば、るつぼ内表面層に不
可避的に存在する気泡の径を20μｍ以下に抑えること、
および気泡の総体積を0.01体積％以下に抑えることによ
って、シリコン引き上げ中に気泡を消滅させ、従来不可
能であった気泡の影響によるシリコン単結晶の有転位化
を完全に防止できる。

【００２０】

【発明の実施の形態】前述のとおり、本発明の石英るつ
ぼは、内表面から厚さ１mm以上の表面層（以下、単に
「内表面層」と記す）に含有される気泡の直径が20μｍ
以下で、総気泡体積率が0.01％以下、より好ましくは0.
001％以下であることを特徴とする。

【００２１】総気泡体積率が0.01％を超えると、複数の
微小気泡が消滅する前に融合し、径が20μｍを超える気
泡に成長することがある。また、石英ガラスへのガス溶
解量が局所内に飽和量に達することがあり、気泡の消滅
が完全に行われない恐れがある。

【００２２】内表面層の厚さを、内表面から１mm以上と
するのは、シリコン引き上げの操作中にるつぼ内表面が
シリコン融液中に溶解する厚み以上を確保することが必
要だからである。

【００２３】内表面層に含有される気泡の直径が20μｍ
以下、総気泡体積率が0.01％以下である領域は、図２に
示す石英るつぼの底部１およびコーナー部２であること
が実用的である。石英るつぼの底部１とは、図示のよう
に曲率の大きな部位を意味し、コーナー部とは曲率の小
さな部位を意味する。底部やコーナー部の気泡量および
気泡径を特に問題にするのは、これらの部分の気泡が、
直胴領域３の気泡に比べて引き上げたシリコン単結晶の
性質に及ぼす影響が著しく大きいからである。

【００２４】シリコン融液面はシリコン単結晶引き上げ
に伴って降下するので、石英るつぼの直胴部の側表面と
シリコン融液との接触時間は底部、コーナー部に比べて
短く、側表面のクリストバライトへの結晶化は底部、コ
ーナー部に比べて進行しない。従って、石英るつぼ側表
面の気泡は、たとえ開放されても、剥離するクリストバ
ライトが極めて少なく、シリコン単結晶の性質に及ぼす
悪影響が比較的小さいのである。

【００２５】

【実施例】以下、本発明を実施例によって比較例と対比
しながら説明する。

【００２６】表１に示すNo.１からNo.６までの石英るつ
ぼを「回転アーク減圧溶融法」により製造した。回転ア
ーク減圧溶融法は、中心軸まわりに回転する中空型内に
原料である石英粉末を供給し、遠心力により型材の内面
が石英粉末の層で覆われるようにするとともに、石英粉
体背面より排気を行いながら、石英粉末内側からアーク
溶解する製造方法である。この方法では、一般に原料粉
体内の真空度を上げ、高温下で原料を溶解すると気泡量
は減少し、更に残存する気泡径も小さくなる。

【００２７】本実施例では、石英るつぼ内表層部の気泡
径、総気泡体積率およびそれらの分布を変えた以外は同
一の原料を用い、同一の装置を用いて各石英るつぼを製
造した。るつぼ部位による気泡径、総気泡体積率および
気泡径分布の制御は、原料粉体内の真空度分布および溶
融温度を変えることで行った。No.１〜６までの石英る
つぼはそれぞれ２個づつ製造し、その一方を内表面層の
気泡含有量と気泡径の評価用に破壊して光学顕微鏡で計
測し、他方をシリコン引き上げ評価用に供した。

【００２８】光学顕微鏡による計測では、石英るつぼか
ら厚さ１mm、幅５mmの試験片を切り出し、るつぼ内表面
から深さ１mmまでの全気泡径を断面観察により測定し
た。

【００２９】シリコン引き上げに使用した後の各るつぼ
については、底部内面のクリストバライト結晶の剥離領
域面積率を調査した。併せて、引き上げたシリコン単結
晶の転位発生状況を調査した。無転位引き上げは◎、引
き上げ末期での有転位化は○、引き上げ初期から中期で
の有転位化は×として表示した。これらの結果を表１に
まとめて示す。

【００３０】

【表１】

【００３１】表１から明らかなように、内表面層の最大
気泡径が20μｍ以下で、かつ、るつぼ内面のすべての位
置での総気泡体積率が0.01％以下であるNo.１，No.２の
本発明のるつぼは、使用後のクリストバライトの剥離が
全くみられず、単結晶育成阻害の抑制効果が大きい。る
つぼ底部とコーナー部の最大気泡径と総気泡体積率を本
発明で定める範囲にしたNo.３のるつぼでも十分に高い
単結晶育成阻害を抑制する効果が得られている。

【００３２】使用後のNo.１〜No.３の本発明の石英るつ
ぼでは、光学顕微鏡を用いても気泡は全く観察されず、
引き上げ前に存在していた微小気泡も引き上げ操作中に
は消滅したことが明らかであった。

【００３３】これに対して、内表面層の最大気泡径また
は／および総気泡体積率が本発明で定める上限値を超え
ているNo.４〜No.６のるつぼは、肉眼でも表層部に気泡
の存在が確認され、使用後のクリストバライトの剥離が
多い。その結果、単結晶育成阻害を抑制する効果は、前
記の本発明るつぼを使用した場合に比べて大きく低下し
ている。

【００３４】

【発明の効果】本発明は、径が20μｍ以下で、かつ分布
密度の小さい微小な気泡は、単結晶引き上げの操作中に
消滅するという新しい知見に基づいてなされたものであ
る。本発明の石英るつぼを使用することによって、長時
間のシリコン引き上げにおいても、るつぼ内表面層の気
泡に起因するシリコン単結晶の有転位化がほぼ完全に抑
制できる。この石英るつぼは、特に大口径シリコン単結
晶の製造歩留りの向上に大きく寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】石英るつぼ内に存在する気泡の直径を熱処理前
後で計測した結果を示す図である。

【図２】気泡の制御を行うるつぼの位置を示す縦断面図
である。

【符号の説明】

１：底部 ２：コーナー部 ３：直胴部

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】るつぼの内表面から１mm以上の厚さを持つ
   内表面層に含有される気泡の直径が20μｍ以下であり、
   かつ、その内表面層の総気泡体積率が0.01％以下である
   ことを特徴とするシリコン単結晶引き上げ用石英るつ
   ぼ。
2. 【請求項２】るつぼの底部およびコーナー部の、内表面
   から１mm以上の厚さを持つ内表面層に含有される気泡の
   直径が20μｍ以下であり、かつ、その内表面層の総気泡
   体積率が0.01％以下であることを特徴とするシリコン単
   結晶引き上げ用石英るつぼ。