JPWO2011013695A1 - シリコン単結晶引き上げ用シリカガラスルツボ - Google Patents
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Abstract
高温下での強度が高く、引き上げ終了後には簡単に取り出すことができるシリカガラスルツボを提供する。シリカガラスルツボ１０は、ルツボの外表面側に設けられたシリカガラス外層１３ａと、ルツボの内表面側に設けられたシリカガラス内層１３ｃと、シリカガラス外層１３ａとシリカガラス内層１３ｃとの間に設けられたシリカガラス中間層１３ｂとを備えている。シリカガラス外層１３ａは１００ｐｐｍ以上の鉱化剤濃度を有し、シリカガラス中間層１３ｂ及びシリカガラス内層１３ｃは５０ｐｐｍ以下の鉱化剤濃度を有する。シリカガラス外層１３ａ及びシリカガラス中間層１３ｂは天然シリカからなり、シリカガラス内層１３ｃは高純度天然シリカ又は合成シリカからなることが好ましい。底部１０Ｂにおけるシリカガラス外層１３ａの厚さは０．５ｍｍ〜２．０ｍｍであり、側壁部１０Ａにおけるシリカガラス外層１３ａの厚さは、底部１０Ｂにおけるシリカガラス外層１３ａよりも厚い。
Description
本発明は、チョクラルスキー法（ＣＺ法）によるシリコン単結晶の引き上げに使用するシリカガラスルツボに関し、特に引き上げ終了時の使用済みルツボの取り出しが容易なシリカガラスルツボに関する。
ＣＺ法によるシリコン単結晶の引き上げに使用するシリカガラスルツボは、単結晶の大口径化に伴って大型化し、高温の熱環境下に長時間曝されるため、より高い強度が求められており、その解決方法として、例えば特許文献１には、ルツボ表面に結晶化促進剤を施し、引き上げ工程の高温下でルツボ表面を結晶化することによってルツボ強度を高める技術が提案されている。また、特許文献２には、シリカガラスルツボの外表面にシリカガラスよりも高い軟化温度を有する安定化層を設ける技術が記載されている。
また、特許文献３及び４には、高温下での耐久性を高めるため、ルツボの外層をアルミニウム（Ａｌ）添加シリカ層、中間層を天然シリカ層又は高純度合成シリカ層、内層を透明高純度合成シリカ層とする３層構造のシリカガラスルツボが開示されている。また、特許文献５には、ルツボの側壁部及び湾曲部が３層構造であって、結晶化促進剤添加シリカガラスからなる外層と、天然原料シリカガラスからなる不透明中間層と、天然原料シリカガラス又は合成原料シリカガラスからなる透明内層からなり、ルツボの底部が２層構造であって、天然原料シリカガラスからなる不透明外層と、天然原料シリカガラス又は合成原料シリカガラスからなる透明内層からなるシリカガラスルツボが開示されている。この構造によれば、ルツボ底部とサセプターとの密着性を高めることができ、ルツボを安定的に支持することができる。
上記シリコン単結晶の引き上げにおいては、サセプターにシリカガラスルツボを装着してルツボ全体を加熱し、ルツボ内部にチャージした多結晶シリコン塊を溶融して単結晶を引き上げる。溶融シリコンに接触するシリカガラスルツボの内表面は溶損するので、一回又は数回の引き上げ後、サセプター内には溶損したルツボが残る。また、この使用済みルツボ内には溶融シリコンが残留しているが、このルツボとシリコン残液は冷却するにつれて熱膨張率の違いによる歪みが生じ、ルツボが破損し、サセプター内には破損したルツボ残がシリコン塊と共に残る。したがって、このルツボ残は再利用できず、サセプターから取り出されて廃棄される。
従来のシリカガラスルツボは、ルツボ残をサセプターから取り出す際に、シリカガラスルツボがサセプターに密着して取り出しに難渋する場合があり、工具を用いて密着した部分を破砕して取り出すなどの必要が生じ、大型ルツボにおいてはハンドリングが困難で、時には高価なサセプターに傷をつける場合も生じている。そのため、引き上げ終了後にルツボ残を簡単に取り出すことができるシリカガラスルツボがユーザーから強く求められている。
この問題を解決するため、特許文献６においては、高温下で外表面が結晶化することにより形成される結晶層の厚みが０．５〜２ｍｍとなるように結晶化促進層を形成することにより、引き上げ終了後の冷却時にルツボ側壁部分を小さく破損させ、これによりルツボの取り出しを容易にしている。
上述したように、特許文献６に記載された従来のシリカガラスルツボにおいては、結晶化促進層を十分に薄くすることでルツボの冷却時に表面の結晶層のみを細かく破損させ、ルツボをサセプターから取り出しやすくしている。しかしながら、結晶層が非常に薄いため、従来の強化ルツボのように十分な強度を与えるものとは言い難い。上述の通り、最近単結晶の大口径化に伴ってルツボも大型化し、高温下に長時間曝されるため、耐久性の高いルツボが求められていることから、高温下での強度が高く、しかもサセプターから取り出し易いシリカガラスルツボの提供が望まれている。
本発明は、シリコン単結晶の引き上げに使用する従来のシリカガラスルツボにおける上記課題を解決したものであり、引き上げ中の高温下で強度が高く、引き上げ終了後には簡単に取り出すことができるシリカガラスルツボを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本願発明者らは鋭意研究を重ねた結果、ルツボの外表面に形成される結晶層が厚い場合、単結晶引き上げ後の冷却時に肉厚全体を貫通するひび割れが生じやすく、このようなひび割れがルツボの底部で生じた場合には湯漏れの原因になるが、側壁部では湯漏れの原因にならないことに気がついた。また、ルツボを安定的に支持するためにはルツボの底部がわずかに変形してサセプターに密着したほうがよいが、サセプターからのルツボの取り出しが大変となるため、冷却後の取り出しやすさが重要となるが、ルツボの側壁部ではむしろ内倒れ等の変形が生じないことが重要であり、冷却後の取り出しやすさは底部ほど問題にならないことに気がついた。
本発明はこのような技術的知見に基づくものであり、本発明によるシリカガラスルツボは、側壁部、湾曲部及び底部を有するものであって、ルツボの外表面側に設けられたシリカガラス外層と、ルツボの内表面側に設けられたシリカガラス内層と、シリカガラス外層とシリカガラス内層との間に設けられたシリカガラス中間層とを備え、シリカガラス外層は１００ｐｐｍ以上の鉱化剤濃度を有し、シリカガラス中間層は５０ｐｐｍ以下の鉱化剤濃度を有し、底部におけるシリカガラス外層の厚さは０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、側壁部におけるシリカガラス外層の厚さは、ルツボ底部におけるシリカガラス外層よりも厚いことを特徴とする。
本発明によれば、ルツボ外表面側に設けられるシリカガラス外層の厚さがルツボ底部において０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、ルツボ外表面に形成される結晶層の厚みが冷却時の破砕に適した厚さに形成されているので、引き上げ終了後にルツボが次第に冷却したときに、ガラス質シリカと結晶質シリカの熱膨張率の違いからルツボ外表面の結晶層に亀裂が生じてルツボの外表面のみが小さく破損し、サセプターにルツボが密着したとしても、ルツボ残をサセプターから容易に取り出すことができる。また、シリカガラス外層が結晶化することにより得られる結晶層は非常に薄いことから、ルツボとサセプターとの密着性を阻害することはなく、よってルツボを安定的に支持することができる。
また、本発明によれば、側壁部におけるシリカガラス外層の厚さが底部におけるシリカガラス外層よりも厚いことから、側壁部の粘性を高めることができ、シリコン単結晶引き上げ中の高温下において側壁部の変形が生じにくいルツボを提供することができる。
本発明において、側壁部におけるシリカガラス外層の厚さは３．０ｍｍ以上であることが好ましい。この構造によれば、側壁部の粘性を高めることができ、単結晶引き上げ中の高温下において側壁部の内倒れ等の変形を防止することができる。底部のシリカガラス外層と異なり、側壁部のシリカガラス外層が十分に厚い場合には、ルツボが次第に冷却したときに、表層のみならず壁部を貫通する亀裂が生じるおそれがあるが、引き上げ終了後のルツボ内にはシリコン融液がほとんど残っていないことから、たとえ側壁部に亀裂が生じたとしても湯漏れが生じることはない。したがって、湯漏れとルツボの変形の両方を防止しながら、サセプターからの取り出しが容易なルツボを提供することができる。
本発明において、側壁部におけるシリカガラス外層の平均厚さは、湾曲部におけるシリカガラス外層の平均厚さよりも厚く、湾曲部におけるシリカガラス外層の平均厚さは、底部におけるシリカガラス外層の平均厚さよりも厚いことが好ましい。シリカガラス外層の厚さがこのように段階的に変化する場合には、ルツボ底部において亀裂が生じる確率を十分に低減することができる。特に、湾曲部におけるシリカガラス外層の厚さがルツボ底部に向かって徐々に薄くなる場合には、側壁部におけるシリカガラス外層の厚さをほぼ一定にすることができ、側壁部及び底部においてシリカガラス外層の機能を安定的に発揮させることができる
本発明において、シリカガラス内層は２０ｐｐｍ以下の鉱化剤濃度を有するシリカガラス層であってもよい。このシリカガラス層は、２０ｐｐｍ以下の鉱化剤濃度を有する天然シリカガラス層であってもよく、１ｐｐｍ以下の鉱化剤濃度を有する合成シリカシリカガラス層であってもよい。いずれの場合も、ルツボ内表面からシリコン融液中へ溶出する鉱化剤の量が少ないため、シリコン単結晶の不純物汚染を抑制することができる。
本発明において、鉱化剤は、Ａｌであることが好ましい。鉱化剤としてＡｌを用いた場合には、Ａｌを含む層の粘度が大きくなってルツボの強度が高まるという利点に加えて、高温時の熱拡散が少ないため、シリコン単結晶の引き上げ中に形成される結晶層の厚さの制御が容易であり、シリコン単結晶の引き上げ時間や条件に左右されることなく薄い結晶層を安定的に形成することができるという利点がある。
本発明において、ルツボの外表面側に設けられた多数の気泡を含む不透明シリカガラス層と、ルツボの内表面側に設けられた透明シリカガラス層とを備え、不透明シリカガラス層は、シリカガラス外層及びシリカガラス中間層を含み、透明シリカガラス層は、シリカガラス内層を含むことが好ましい。
このように、本発明によれば、引き上げ中の高温下で強度が高く、引き上げ終了後にルツボ残を簡単に取り出すことができ、さらに安全に取り扱うことが可能なシリカガラスルツボを提供することができる。
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。
図１は、本発明の好ましい実施形態によるシリカガラスルツボの構造を示す略断面図である。
図１に示すように、本実施形態によるシリカガラスルツボ１０は、側壁部１０Ａ及び底部１０Ｂを有し、容器としての基本形状を有している。側壁部１０Ａは、ルツボの中心軸（Ｚ軸）と平行な円筒状の部分であって、ルツボの開口から略真下に延びている。但し、側壁部１０ＡはＺ軸に対して完全に平行である必要はなく、開口に向かって徐々に広がるように傾斜していてもよい。また、側壁部１０Ａは直線的であってもよく、緩やかに湾曲していてもよい。特に限定されるものではないが、側壁部１０Ａは、Ｚ軸と直交するＸＹ平面に対するルツボ壁面の接線傾斜角が８０度以上となる領域として定義することができる。
ルツボの底部１０Ｂは、ルツボの中心軸との交点を含む略円盤状の部分であり、底部１０Ｂと側壁部１０Ａとの間には湾曲部１０Ｃが設けられている。湾曲部１０Ｃは側壁部１０Ａの直径が徐々に小さくなる部分である。ルツボ底部１０Ｂの形状はいわゆる丸底であってもよく、平底であってもよい。また、湾曲部１０Ｃの曲率や角度も任意に設定することができる。ルツボ底部１０Ｂが丸底の場合には、底部１０Ｂも適度な曲率を有するため、底部１０Ｂと湾曲部１０Ｃとの曲率差は平底に比べて非常に小さい。ルツボ底部１０Ｂが平底の場合には、底部１０Ｂが平坦或いは極めて緩やかな湾曲面をなし、湾曲部１０Ｃの曲率は非常に大きい。なお、平底の場合、底部１０Ｂは、Ｚ軸と直交するＸＹ平面に対するルツボ壁面の接線傾斜角が３０度以下となる領域として定義することができる。
ルツボの肉厚は部位によっても異なるが、１０ｍｍ以上であることが好ましく、１３ｍｍ以上であることがより好ましい。通常、口径３２インチ（約８００ｍｍ）以上の大型ルツボの肉厚は１０ｍｍ以上、４０インチ（約１０００ｍｍ）以上の大型ルツボの肉厚は１３ｍｍ以上であり、これらの大型ルツボはサセプターからの取り出しが非常に困難であり、また長時間使用されるため変形が生じやすく、本発明による効果が顕著だからである。具体例を挙げれば、直径３２インチ、高さ５００ｍｍのシリカガラスルツボの厚さは、直銅部で１７ｍｍ、湾曲部で２５ｍｍｍ、底部で１４ｍｍである。
図１に示すように、シリカガラスルツボ１０は、ルツボの外表面側に設けられた不透明シリカガラス層１１と、ルツボの内表面側に設けられた透明シリカガラス層１２とを備えている。
不透明シリカガラス層１１は、多数の微小な気泡を内包する非晶質シリカガラス層である。本明細書において「不透明」とは、シリカガラス中に多数の気泡が内在し、見かけ上白濁した状態を意味する。不透明シリカガラス層１１は、ルツボ外周に配置されたヒータからの熱をシリカガラスルツボ中のシリコン融液に均一に伝達する役割を果たす。不透明シリカガラス層１１は透明シリカガラス層１２に比べて熱容量が大きいことから、シリコン融液の温度を容易に制御することができる。
不透明シリカガラス層１１の気泡含有率は透明シリカガラス層１２よりも高く、その機能を発揮できる限りにおいて特に限定されないが、０．７％以上であることが好ましい。不透明シリカガラス層１１の気泡含有率が０．７％未満では不透明シリカガラス層１１の機能を発揮できないからである。なお、不透明シリカガラス層１１の気泡含有率は比重から求めることができる。ルツボから単位体積（１ｃｍ３）の不透明シリカガラス片を切り出し、その質量がＡであり、気泡を内包しないシリカガラスの比重がＢ（＝２．２１）であるとすると、気泡含有率はＰ（％）＝（１−Ａ／Ｂ）×１００となる。
透明シリカガラス層１２は、実質的に気泡を含まない非晶質シリカガラス層である。透明シリカガラス層１２によれば、ルツボ内表面から剥離するシリカ片の増加を防止することができ、シリコン単結晶化率を高めることができる。ここで、「実質的に気泡を含まない」とは、気泡が原因で単結晶化率が低下しない程度の気泡含有率及び気泡サイズであることを意味し、特に限定されるものではないが、気泡含有率が０．１％以下であり、気泡の平均直径が１００μｍ以下であることが好ましい。不透明シリカガラス層１１から透明シリカガラス層１２への気泡含有率の変化は比較的急峻であり、透明シリカガラス層１２の気泡含有率が増加し始めた位置からルツボの外表面側に向かって３０μｍ程度進んだところでほぼ不透明シリカガラス層１１の気泡含有率に達する。したがって、不透明シリカガラス層１１と透明シリカガラス層１２との境界Ｌは明確であり、目視にて容易に区別できる。
透明シリカガラス層１２の気泡含有率は、光学的検出手段を用いて非破壊的に測定することができる。光学的検出手段としては、シリカガラスルツボの内表面に沿って回動操作できるものが用いられ、表面から一定深さに存在する気泡を検出するには、光学カメラのレンズの焦点を表面から深さ方向に走査すればよい。光学検出手段による測定結果は画像処理装置に取り込まれ、気泡含有率Ｐ（％）が算出される。詳細には、光学カメラを用いてルツボ内表面の画像を撮像し、ルツボ内表面を一定面積ごとに区分して基準面積Ｓ１とし、この基準面積Ｓ１ごとに気泡の占有面積Ｓ２を求め、Ｐ（％）=（Ｓ２／Ｓ１）×１００により算出される。このような非破壊的気泡含有率測定法は、例えば、特開平３−８６２４９号公報や特開平１１−２２８２８３号公報に詳述されている。
図２は、本実施形態によるシリカガラスルツボの鉱化剤濃度に基づく層構造を示す略断面図である。
図２に示すように、シリカガラスルツボ１０は３層構造であって、ルツボの外表面側から順にシリカガラス外層１３ａ、シリカガラス中間層１３ｂ、及びシリカガラス内層１３ｃを有している。図２において、不透明シリカガラス層１１と透明シリカガラス層１２との境界は破線Ｌで示されている。図示のように、不透明シリカガラス層１１と透明シリカガラス層１２との境界Ｌは、シリカガラス中間層１３ｂとシリカガラス内層１３ｃとの境界と必ずしも一致しない。よって、本実施形態においては、不透明シリカガラス層１１がシリカガラス外層１３ａとシリカガラス中間層１３ｂの大部分を含み、透明シリカガラス層１２がシリカガラス内層１３ｃとシリカガラス中間層１３ｂの残りの部分を含む構成となっている。
シリカガラス外層１３ａ及びシリカガラス中間層１３ｂは天然シリカガラスからなることが好ましい。天然シリカガラスとは、ケイ石、天然水晶等の天然質シリカを原料として製造されたシリカガラスを意味する。一般に天然シリカは合成シリカに比べて金属不純物の濃度が高く、ＯＨ基の濃度が低いという特性を有している。例えば、天然シリカのＡｌの濃度は１ｐｐｍ以上、アルカリ金属（Ｎａ，Ｋ及びＬｉ）の濃度はそれぞれ０．０５ｐｐｍ以上、ＯＨ基の濃度は６０ｐｐｍ未満である。尚、天然シリカか否かは一つの要素に基づいて判断されるべきものではなく、複数の要素に基づいて総合的に判断されるべきものである。天然シリカは、合成シリカに比べて高温における粘性が高いことから、ルツボ全体の耐熱強度を高めることができる。また、天然質原料は合成シリカに比べて安価であり、コスト面でも有利である。
シリカガラス外層１３ａは、ルツボの外表面の結晶化（クリストバライト化）を促進させると共に高温下でのシリカガラスの粘性を高めてルツボの強度を向上させる機能を有している。このような機能を実現するため、シリカガラス外層１３ａに含まれる鉱化剤の平均濃度は１００ｐｐｍ以上であることが必要である。鉱化剤の平均濃度が１００ｐｐｍ未満では、ルツボの外表面が結晶化しないか又は結晶化が不十分となり、結晶化促進層として機能しないおそれがあるからである。
鉱化剤の種類は、ガラスの結晶化を促すものであれば特に限定されない。結晶化は、金属不純物が含まれている場合に特に起こりやすいので、鉱化剤としては、金属不純物が好適であり、例えば、アルカリ金属（例：ナトリウムやカリウム）、アルカリ土類金属（マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、又はバリウム）、アルミニウム、鉄である。
鉱化剤としてＡｌを用いた場合には、Ａｌを含む層の粘度が大きくなってルツボの強度が高まるという利点に加えて、高温時の熱拡散が少ないため、シリコン単結晶の引き上げ中に形成される結晶層の厚さの制御が容易であり、シリコン単結晶の引き上げ時間や条件に左右されることなく薄い結晶層を安定的に形成することができるという利点がある。
鉱化剤としてＡｌを用いた場合には、Ａｌを含む層の粘度が大きくなってルツボの強度が高まるという利点に加えて、高温時の熱拡散が少ないため、シリコン単結晶の引き上げ中に形成される結晶層の厚さの制御が容易であり、シリコン単結晶の引き上げ時間や条件に左右されることなく薄い結晶層を安定的に形成することができるという利点がある。
シリカガラス中間層１３ｂは、ルツボの所望の肉厚を確保するために必要な層である。また、シリカ粉の溶融中にアーク炎の不規則な流れによって鉱化剤を多く含むシリカガラス外層１３ａの原料粉が流動し、シリカガラス内層１３ｃが汚染されることを防止する役割も果たす。さらに、シリカガラス中間層１３ｂは、鉱化剤濃度の違いから生じる内部応力の歪みを防止する中間層としても機能する。ルツボ外層の鉱化剤濃度を高くすると共に鉱化剤濃度の少ない高純度の内層を設け、さらにアルミニウム濃度が段階的に減少するように外層と内層の中間に中間層を設けることにより、内部応力を緩和することができ、冷却時におけるルツボの破損を防止することができる。
シリカガラス中間層１３ｂはシリカガラス外層１３ａと異なり、単結晶引き上げ中の高温下で結晶化しないことが必要である。そのため、シリカガラス中間層１３ｂに含まれる鉱化剤の平均濃度は５０ｐｐｍ以下であることが必要である。この構成によれば、鉱化剤濃度差が適切に設定されているので、ガラス質シリカと結晶質シリカとの境界を明確化することができる。
シリカガラス外層１３ａはルツボの外表面の全面に形成されているが、その厚さは部位によって異なっている。本実施形態において、シリカガラス外層１３ａはルツボの側壁部１０Ａにおいて比較的厚く形成され、底部において比較的薄く形成される。具体的には、底部１０Ｂにおけるシリカガラス外層１３ａの厚さＷ１は０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、側壁部１０Ａにおけるシリカガラス外層１３ａの厚さＷ２は３．０ｍｍ以上であってＷ１よりも厚い。具体例を挙げると、Ｗ１＝２．０ｍｍであり、Ｗ２＝４．０ｍｍである。
底部１０Ｂにおけるシリカガラス外層１３ａの厚さＷ１は０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であることが必要である。シリカガラス外層１３ａの厚みが０．５ｍｍよりも薄いと十分な破壊効果が得られず、２ｍｍを超えると破壊が進みすぎて冷却の途中で崩落が生じ、湯漏れを起こす危険があるからである。
側壁部１０Ａにおけるシリカガラス外層１３ａの厚さＷ２は３ｍｍ以上であり、４ｍｍ以上であることが好ましい。また、厚さＷ２は、ルツボ側壁部１０Ａの肉厚Ｗ０の１／２以下（Ｗ０／２以下）であることが好ましい。この場合、Ｗ０≧１０ｍｍであることが好ましい。シリカガラス外層１３ａの厚さがルツボ側壁部１０Ａの肉厚Ｗ０の１／２よりも大きい場合には、シリカガラス中間層１３ｂが薄くなる結果、鉱化剤の遮蔽効果が不十分となり、シリカガラス外層１３ａの鉱化剤の化合物がシリカガラス中間層１３ｂを通過してシリカガラス内層１３ｃに混入し、高純度のシリカガラス内層１３ｃの鉱化剤濃度が高くなってしまうからである。シリカガラス外層１３ａの厚さが４ｍｍ以上であれば、ルツボ底部１０Ｂにおけるシリカガラス外層１３ａとの厚さの違いが明確となり、側壁部１０Ａの変形を十分に抑制することができる。
シリカガラス外層１３ａは、側壁部１０Ａでは概ね一定の厚さを有し、湾曲部１０Ｃから徐々に薄くなり、底部１０Ｂにおいて０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下の一定の厚さとなるように構成されていることが好ましい。この場合、側壁部１０Ａにおけるシリカガラス外層１３ａは、湾曲部１０Ｃにおけるシリカガラス外層１３ａの平均の厚さよりも厚い。また、湾曲部１０Ｃにおけるシリカガラス外層１３ａの厚さは、底部１０Ｂにおけるシリカガラス外層１３ａよりも厚い。ただし、本発明は、シリカガラス外層１３ａの厚さが湾曲部１０Ｃから徐々に薄くなる構成に限定されず、側壁部１０Ａにおけるシリカガラス外層１３ａが十分な厚さを有する場合には、側壁部１０Ａの途中から徐々に薄くなるように構成されていてもよい。
シリカガラス外層１３ａは単結晶引き上げ中の高温下で結晶化するが、シリカガラス外層１３ａが底部１０Ｂにおいて薄い場合には、単結晶の引き上げ終了後にルツボが次第に冷却したときに、ガラス質シリカと結晶質シリカの熱膨張率の違いからルツボ外表面の結晶層に亀裂が生じてルツボの外表面のみが小さく破損するので、サセプターにルツボが密着したとしても剥離しやすく、ルツボ残をサセプターから容易に取り出すことができる。また、結晶層が非常に薄いことから、ガラス質シリカと結晶質シリカの熱膨張率の違いによる応力によってシリカガラス中間層１３ｂに損傷を与えることがなく、ルツボとサセプターとの間の密着性を阻害することはなく、ルツボ底部の破損による湯漏れの問題も生じない。
シリカガラス外層１３ａが側壁部１０Ａにおいて厚く形成されている場合には、シリコン単結晶引き上げ中の高温下において、側壁部１０Ａの粘性を高めることができ、側壁部１０Ａの内倒れ等の変形を防止することができる。また、単結晶の引き上げ終了後にルツボが次第に冷却したときに、ガラス質シリカと結晶質シリカの熱膨張率の違いからルツボ外表面の結晶層に亀裂が生じてルツボの外表面のみが破損するので、サセプターにルツボが密着したとしても、ルツボ残をサセプターから容易に取り出すことができる。ルツボの底部１０Ｂと異なり、結晶層が厚い場合には、残りのガラス層が薄くなり、ガラス質シリカと結晶質シリカの熱膨張率の違いによる応力も大きく、シリカガラス中間層１３ｂに損傷を与えるおそれがあるが、引き上げ終了後にはシリコン融液はほとんど残っていないため、側壁部１０Ａに亀裂が生じたとしても湯漏れの問題は生じない。
シリカガラス内層１３ｃは、ルツボ内表面から溶出する不純物を低減し、シリコン単結晶の不純物汚染を抑制する役割を果たす。そのため、シリカガラス内層１３ｃの鉱化剤濃度はできるだけ低いほうがよい。シリカガラス内層１３ｃの原料は高純度の天然シリカガラス又は合成シリカガラスであることが好ましい。合成シリカガラスとは、例えばケイ素アルコキシドの加水分解により合成された合成原料を溶融して製造されたシリカガラスを意味する。一般に合成シリカは天然シリカに比べて金属不純物の濃度が低く、ＯＨ基の濃度が高いという特性を有している。例えば、合成シリカに含まれる各金属不純物の濃度は０．０５ｐｐｍ未満であり、ＯＨ基の濃度は３０ｐｐｍ以上である。ただし、金属不純物が添加された合成シリカも知られていることから、合成シリカか否かは一つの要素に基づいて判断されるべきものではなく、複数の要素に基づいて総合的に判断されるべきものである。このように、合成シリカガラスは天然シリカガラスと比べて不純物が少ないことから、ルツボからシリコン融液中へ溶出する不純物の増加を防止することができ、シリコン単結晶化率を高めることができる。
以上説明したように、本実施形態によれば、ルツボ底部１０Ｂの外表面側に設けられるシリカガラス外層１３ａの厚さが０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、結晶層の厚みが冷却時の破砕に適した厚さに形成されているので、引き上げ終了後にルツボが次第に冷却したときに、ガラス質シリカと結晶質シリカの熱膨張率の違いからルツボ底部の外表面の結晶層に亀裂が生じてルツボの外表面のみが小さく破損する。したがって、ルツボがサセプターに密着したとしても、ルツボ残をサセプターから容易に取り出すことができる。
また、本実施形態によれば、外表面に設けられるシリカガラス外層１３ａが側壁部１０Ａにおいて厚く形成されていることから、シリコン単結晶引き上げ中の高温下において、側壁部１０Ａの粘性を高めることができ、側壁部１０Ａの内倒れ等の変形を防止することができる。
側壁部１０Ａに設けられたシリカガラス外層１３ａは、底部１０Ｂに設けられた十分に薄い層ではなく比較的厚い層であることから、ルツボが次第に冷却したときに、表層のみならず側壁部１０Ａを貫通する亀裂が生じるおそれがある。しかしながら、引き上げ終了後のルツボ内にはシリコン融液がほとんど残っていないことから、たとえそのような亀裂が生じたとしても湯漏れを生じることはない。したがって、湯漏れとルツボの変形の両方を防止しながら、サセプターからの取り出しが容易なシリカガラスルツボを提供することができる。
次に、図３及び図４を参照しながら、シリカガラスルツボ１０の製造方法について詳細に説明する。
図３は、シリカガラスルツボ１０の製造方法を説明するための模式図である。また、図４は、シリカガラスルツボ１０の製造工程を概略的に示すフローチャートである。
シリカガラスルツボ１０は回転モールド法によって製造することができる。回転モールド法では、図３に示すように、シリカガラスルツボ１０の外形に合わせたキャビティを有するカーボンモールド１４を用意し、モールド１４を回転させながらシリカ粉を供給し、モールドの内面に沿ったシリカ粉の層を形成する。
本実施形態においては、まずシリカガラス外層１３ａの原料となる天然シリカ粉（第１の天然シリカ粉１６ａ）がキャビティ内に供給される（ステップＳ１１）。このとき、第１の天然シリカ粉１６ａの供給量は、最終的なシリカガラス外層１３ａの厚さが側壁部１０Ａにおいて３ｍｍ以上、底部１０Ｂにおいて０．５〜２ｍｍ以上となるように調整される。第１の天然シリカ粉１６ａの鉱化剤濃度は、例えばアルミナ粉末を原料シリカ粉に含有させることにより調整することができる。
次に、シリカガラス中間層１３ｂの原料となる天然シリカ粉（第２の天然シリカ粉１６ｂ）が供給され、さらにシリカガラス内層１３ｃの原料となる天然シリカ粉又は合成シリカ粉（第３のシリカ粉１６ｃ）が供給される（ステップＳ１２、Ｓ１３）。第３のシリカ粉１６ｃの供給量は、最終的なシリカガラス内層１３ｃの厚さが１ｍｍ以上の適切な厚さとなるように調整される。また、第２のシリカ粉１６ｂの供給量は、シリカガラス外層１３ａ及びシリカガラス内層１３ｃを含めた最終的なルツボの肉厚が適切な厚さとなるように調整される。カーボンモールド１４は一定速度で回転しているので、供給されたシリカ粉は遠心力によって内面に張り付いたまま一定の位置に留まり、その形状が維持される。
その後、キャビティ内にアーク電極１５を設置し、モールドの内側からシリカ粉の層全体を１７２０℃以上に加熱して溶融する。また、この加熱と同時にモールド側から減圧し、モールドに設けた通気孔を通じてシリカ粉層内部の気体を外層側に吸引し、加熱中のシリカ粉層を脱気することにより、ルツボ内表面の気泡を除去し、実質的に気泡を含まない透明シリカガラス層１２を形成する（ステップＳ１４）。その後、加熱を続けながら脱気のための減圧を弱めるか又は停止し、気泡を残留させることにより、多数の微小な気泡を内包する不透明シリカガラス層１１を形成する（ステップＳ１５）。最後に加熱を停止してルツボを冷却し（ステップＳ１６）、本実施形態によるシリカガラスルツボが完成する。
以上、本発明の好ましい実施の形態について説明したが、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲で種々の変更を加えることが可能であり、それらも本発明の範囲に包含されるものであることは言うまでもない。
例えば、上述したシリカガラスルツボの製造方法では、シリカガラス外層１３ａを含むルツボ全体を回転モールド法により形成しているが、ルツボ底部１０Ｂにおけるシリカガラスルツボ外層１３ａを溶射法により形成してもよい。なお、側壁部１０Ａにおけるシリカガラス外層１３ａについてはその厚さをある程度確保する必要があるので、側壁部１０Ａのシリカガラス外層１３ａについてはアーク溶融法によって形成したほうがよい。ルツボ底部１０Ｂのシリカガラスルツボ外層１３ａを溶射法で形成した場合には、０．５〜２ｍｍ程度の非常に薄く均一なシリカガラス層を容易に形成することができる。
（実施例１）
図２に示した３層構造を有するシリカガラスルツボを上記回転モールド法によって製造し、各部位のシリカガラス外層１３ａの厚さが異なるルツボサンプルＡ１〜Ａ５を用意した。シリカガラスルツボサンプルＡ１〜Ａ５のサイズは、直径３２インチ（口径８００ｍｍ）、高さ５００ｍｍであり、肉厚は直銅部で１７ｍｍ、湾曲部で２５ｍｍｍ、底部で１４ｍｍとした。また、シリカガラス内層１３ｃの厚さは側壁部で１．５ｍｍ、底部で１．０ｍｍとした。さらに、シリカガラス外層１３ａのＡｌ濃度は全サンプルで１００ｐｐｍとし、シリカガラス中間層１３ｂのＡｌ濃度は全サンプルで５０ｐｐｍとした。
図２に示した３層構造を有するシリカガラスルツボを上記回転モールド法によって製造し、各部位のシリカガラス外層１３ａの厚さが異なるルツボサンプルＡ１〜Ａ５を用意した。シリカガラスルツボサンプルＡ１〜Ａ５のサイズは、直径３２インチ（口径８００ｍｍ）、高さ５００ｍｍであり、肉厚は直銅部で１７ｍｍ、湾曲部で２５ｍｍｍ、底部で１４ｍｍとした。また、シリカガラス内層１３ｃの厚さは側壁部で１．５ｍｍ、底部で１．０ｍｍとした。さらに、シリカガラス外層１３ａのＡｌ濃度は全サンプルで１００ｐｐｍとし、シリカガラス中間層１３ｂのＡｌ濃度は全サンプルで５０ｐｐｍとした。
次いで、これらのシリカガラスルツボサンプルを用いてシリコン単結晶の引き上げを行った。シリコン単結晶の引き上げでは、シリカガラスルツボ内に原料のポリシリコン４００ｋｇを充填した後、シリカガラスルツボを単結晶引き上げ装置に装填し、ルツボ内のポリシリコンを炉内で融解し、直径約３００ｍｍのシリコン単結晶インゴットの引き上げをいわゆるリチャージ法により行った。そしてシリコン単結晶の引き上げ終了後、約１５００℃の炉内を４００℃まで１２時間かけて冷却した。すなわち、このときのルツボの冷却速度は約９２℃／ｈであった。その後、炉内からルツボを取り出し、室温まで自然冷却させたルツボの状態を観察した。この結果を表１に示す。
表１に示すように、シリカガラスルツボサンプルＡ２及びＡ３はルツボの外表面が完全に結晶化し、リチャージ法を用いて３回繰り返して引上げを行っても、ルツボは十分な強度を示したうえ、冷却後はルツボ底部の外表面が細かく破砕して剥離し、ルツボ残を極めて容易に取り出すことができた。ルツボ側壁部については亀裂箇所があったが、内倒れ等の変形は見られなかった。
一方、シリカガラスルツボサンプルＡ１は、ルツボ底部における結晶層の形成が不十分であり、冷却時に結晶層はほとんど破砕されず、ルツボ残の取り出しが非常に困難であった。また、シリカガラスルツボサンプルＡ４は、ルツボの底部及び側壁部共に外表面が完全に結晶化したが、リチャージ法を用いて３回繰り返して引上げを行ったとき、ルツボ側壁部には内倒れによる変形が見られた。冷却後はルツボ底部の外表面が細かく破砕して剥離し、ルツボ残を極めて容易に取り出すことができた。またシリカガラスルツボサンプルＡ５は、ルツボの外表面が完全に結晶化し、リチャージ法を用いて３回繰り返して引上げを行っても、ルツボは十分な強度を示したが、引き上げ終了後の冷却時にルツボ底部に亀裂が生じて湯漏れが発生した。
（実施例２）
図２に示した３層構造を有するシリカガラスルツボを上記回転モールド法によって製造し、シリカガラス外層１３ａのＡｌ濃度が異なる点を除いて実施例１のサンプルＡ３と同様の条件を満たすルツボサンプルＢ１〜Ｂ４を用意した。すなわち、シリカガラス外層１３ａの底部１０Ｂにおける厚さは２ｍｍ、側壁部１０Ａにおける厚さは４ｍｍとした。
図２に示した３層構造を有するシリカガラスルツボを上記回転モールド法によって製造し、シリカガラス外層１３ａのＡｌ濃度が異なる点を除いて実施例１のサンプルＡ３と同様の条件を満たすルツボサンプルＢ１〜Ｂ４を用意した。すなわち、シリカガラス外層１３ａの底部１０Ｂにおける厚さは２ｍｍ、側壁部１０Ａにおける厚さは４ｍｍとした。
次いで、これらのシリカガラスルツボサンプルＢ１〜Ｂ４を用いてシリコン単結晶の引き上げを行った。この結果を表２に示す。
表２に示すように、シリカガラスルツボサンプルＢ１及びＢ２はルツボの外表面が完全に結晶化し、リチャージ法を用いて３回繰り返して引上げを行っても、ルツボは十分な強度を示したうえ、冷却後はルツボ外表面が細かく破砕して剥離し、ルツボ残を極めて容易に取り出すことができた。ルツボ側壁部については亀裂箇所があったが、内倒れ等の変形は見られなかった。
一方、シリカガラスルツボサンプルＢ３及びＢ４は、通常の冷却速度では途中で破砕し、ルツボの崩壊を防ぐため冷却に長時間を要した。
（実施例３）
図２に示した３層構造を有するシリカガラスルツボを上記回転モールド法によって製造し、鉱化剤として、Ａｌの代わりに、Ｂａ又はＣａを用いた点を除いて、実施例１のサンプルＡ３と同様の条件を満たすルツボサンプルＣ１〜Ｃ２を用意した。
図２に示した３層構造を有するシリカガラスルツボを上記回転モールド法によって製造し、鉱化剤として、Ａｌの代わりに、Ｂａ又はＣａを用いた点を除いて、実施例１のサンプルＡ３と同様の条件を満たすルツボサンプルＣ１〜Ｃ２を用意した。
次いで、これらのシリカガラスルツボサンプルＣ１〜Ｃ２を用いてシリコン単結晶の引き上げを行った。この結果を表３に示す。
表３に示すように、シリカガラスルツボサンプルＣ１及びＣ２はルツボの外表面が完全に結晶化し、リチャージ法を用いて３回繰り返して引上げを行っても、ルツボは十分な強度を示したうえ、冷却後はルツボ外表面が細かく破砕して剥離し、ルツボ残を極めて容易に取り出すことができた。ルツボ側壁部については亀裂箇所があった。
内倒れは、起こらなかったが、Ｃ１〜Ｃ２では、沈み込み量がＡ３よりも少し大きかった。
内倒れは、起こらなかったが、Ｃ１〜Ｃ２では、沈み込み量がＡ３よりも少し大きかった。
１０ シリカガラスルツボ
１０Ａ 側壁部
１０Ｂ 底部
１０Ｃ 湾曲部
１１ 不透明シリカガラス層
１２ 透明シリカガラス層
１３ａ シリカガラス外層
１３ｂ シリカガラス中間層
１３ｃ シリカガラス内層
１４ カーボンモールド
１５ アーク電極
１６ａ 第１のシリカ粉
１６ｂ 第２のシリカ粉
１６ｃ 第３のシリカ粉
１０Ａ 側壁部
１０Ｂ 底部
１０Ｃ 湾曲部
１１ 不透明シリカガラス層
１２ 透明シリカガラス層
１３ａ シリカガラス外層
１３ｂ シリカガラス中間層
１３ｃ シリカガラス内層
１４ カーボンモールド
１５ アーク電極
１６ａ 第１のシリカ粉
１６ｂ 第２のシリカ粉
１６ｃ 第３のシリカ粉
Claims (6)
- 側壁部、湾曲部及び底部を有するシリカガラスルツボであって、
前記ルツボの外表面側に設けられたシリカガラス外層と、
前記ルツボの内表面側に設けられたシリカガラス内層と、
前記前記シリカガラス外層と前記シリカガラス内層との間に設けられたシリカガラス中間層とを備え、
前記シリカガラス外層は１００ｐｐｍ以上の鉱化剤濃度を有し、
前記シリカガラス中間層及び前記シリカガラス内層は５０ｐｐｍ以下の鉱化剤濃度を有し、
前記底部における前記シリカガラス外層の厚さは０．５ｍｍ以上２．０ｍｍ以下であり、
前記側壁部における前記シリカガラス外層の厚さは、前記ルツボ底部における前記シリカガラス外層よりも厚いことを特徴とするシリカガラスルツボ。 - 前記側壁部における前記シリカガラス外層の厚さは３．０ｍｍ以上である請求項１に記載のシリカガラスルツボ。
- 前記側壁部における前記シリカガラス外層の平均厚さは、前記湾曲部における前記シリカガラス外層の平均厚さよりも厚く、
前記湾曲部における前記シリカガラス外層の平均厚さは、前記底部における前記シリカガラス外層の平均厚さよりも厚い請求項１に記載のシリカガラスルツボ。 - 前記シリカガラス内層は、２０ｐｐｍ以下の鉱化剤濃度を有する請求項１に記載のシリカガラスルツボ。
- シリカガラス外層は、前記側壁部においては実質的に一定の厚さを有し、前記湾曲部においては前記底部に向かって厚さが徐々に薄くなる請求項１に記載のシリカガラスルツボ。
- 前記鉱化剤は、Ａｌである請求項１に記載のシリカガラスルツボ。
Priority Applications (1)
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