KR100847500B1

KR100847500B1 - 실리카 유리 도가니

Info

Publication number: KR100847500B1
Application number: KR1020070029829A
Authority: KR
Inventors: 류헤이 사이토; 토시유키 기쿠치; 기요아키 미스; 가즈코 후쿠타니; 가즈요시 가토
Original assignee: 코바렌트 마테리얼 가부시키가이샤
Priority date: 2006-03-30
Filing date: 2007-03-27
Publication date: 2008-07-22
Also published as: TWI363816B; US7909931B2; DE102007015184B4; TW200804630A; DE102007015184A1; KR20070098580A; JP4798715B2; US20070256628A1; JP2008201660A

Abstract

본 발명은 다결정 실리콘 원료를 충전하여, 이것을 가열 용융한 실리콘 용융액이 수용되며, 상기 실리콘 용융액으로부터 실리콘 단결정이 인상(引上)되는 실리카 유리 도가니에 있어서, 액면 진동을 보다 억제하고 높은 결정화율을 실현할 수 있는 실리카 유리 도가니를 제공한다.

10 ㎜∼30 ㎜의 높이 치수를 갖는 투명층의 초기 멜트라인 대역(10)에 있어서, 상기 대역의 내표면측으로는 100 ㎛∼450 ㎛의 두께 치수를 갖는 제1 실질적 무기포(無氣泡)층(10a)이 형성되며, 상기 제1 실질적 무기포층(10a)보다도 외측으로는 100 ㎛ 이상의 두께 치수를 갖는 평균 직경이 20 ㎛∼60 ㎛의 기포로 이루어지는 기포 함유층(10b)이 형성되고, 상기 초기 멜트라인 대역(10)보다 아래쪽의 전 영역에 있어서, 이 내표면측으로 300 ㎛ 이상의 두께 치수를 갖는 제2 실질적 무기포층(10c)이 형성된다.

Description

실리카 유리 도가니 {SILICA GLASS CRUCIBLE}

도 1은 본 발명에 따른 실리카 유리 도가니의 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다.

도 2는 도 1의 영역 A1의 확대도이다.

도 3은 도 1의 영역 A2의 확대도이다.

본 발명은 실리콘 단결정의 인상(引上)에 이용되는 실리카 유리 도가니에 관한 것이다.

실리콘 단결정의 육성에 관하여, 초크랄스키법(Czochralski method)(CZ법)이 널리 이용되고 있다. 이 방법은 도가니 내에 다결정 실리콘 원료를 충전하여, 이것을 가열 용융한 실리콘 용융액이 수용되며, 상기 실리콘 용융액의 표면에 종결정을 접촉시켜 도가니를 회전시키는 동시에, 이 종결정을 반대 방향으로 회전시키면서 위쪽으로 인상함으로써, 종결정의 하단에 단결정을 형성해가는 것이다.

종래부터, 이 실리콘 단결정을 제조하기위한 도가니로서, 실리카 유리 도가니가 이용되어지고 있다. 이 실리카 유리 도가니는 이층 구조의 용기 형상으로서 상기 용기의 외측이 불투명층, 내측이 투명층으로 형성된다. 외측의 불투명층은 다수의 기포를 포함하여 합성 실리카 유리에 비해 순도는 낮지만 내열성이 우수한 천연 실리카 유리에 의해 형성되며, 내측의 투명층은 천연 실리카질 원료 혹은 합성 실리카질 원료에 의해 형성된다. 합성 실리카 유리는 불순물이 적고 DF율(단결정화율)이 좋다는 이점이 있으므로, 최근, 소위 합성 실리카 유리 도가니의 비율이 높아져 가고 있다.

그러나, 상기와 같은 실리카 유리 도가니를 이용하여 단결정의 인상을 행하는 경우, 실리콘 용융액 및 종결정의 회전에 의해, 혹은, 종결정의 침지에 의해 융액면이 요동(이하, 액면 진동이라고 칭함)한다고 하는 기술적 과제가 있었다. 즉, 이 액면 진동이 발생하면, 종결정의 파종이 곤란해지며 용이하게 인상이 개시할 수 없다고 하는 문제나, 인상 중에 결정이 전위할 우려가 높게 되며, DF율(단결정화율)이 저하한다고 하는 과제가 있었다.

이러한 과제를 해결하기위해 특허 문헌 1에는, 단결정의 인상 개시 시에 있어서 실리콘 용융액의 액면(멜트라인)이 접하는 도가니 내주면(초기 멜트라인 대역 혹은 이를 포함하는 상부 영역)에, 다수의 오목부를 설치한 실리카 유리 도가니(도시하지 않음)가 개시되어 있다. 특허 문헌 1에 개시된 도가니에 따르면, 상기 다수의 오목부의 단부에 볼록부를 형성함으로써, 용융액면의 국부적 표면 장력을 증대시켜 실리콘 용융액의 액면 진동을 억제하도록 하고 있다.

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 제2005-272178호 공보

그러나, 종래와 같이 도가니 내주면에 오목부가 형성된 도가니에 있어서는, 다수의 미세한 오목부가 도가니 내표면에 노출하여 존재하므로, 도가니의 최종 세정 공정에 있어서, 플루오르화수소산 등의 세정액이 상기 오목부의 내부까지 충분히 들어가지 않고, 오목부 형성 시에 생기는 불순물 혹은 파티클 제거가 충분히 이루어질 수 없었다. 그 결과, 단결정 인상 시에 있어서의 실리콘 용융액에 의한 도가니 내표면의 침식에 따라, 상기 불순물이나 파티클이 용융액에 방출되어, 실리콘 단결정에 전위가 발생하고, 결정을 용융액에 녹이는 처리인 멜트백의 필요가 생기며, DF율(단결정화율)이 저하한다고 하는 문제가 있었다.

또한, 실리카 유리 도가니는 인상 장치 내에 있어서 카본 도가니 내에 수직이 되도록 배치 제어가 이루어진다. 그러나, 항상 정확한 수직 배치가 이루어진다고는 한정할 수 없으며, 경사지게 배치된 경우에는 도가니 내주면에 형성된 0.5 ㎜∼10 ㎜의 높이 치수를 갖는 오목부 형성 대역이 인상 개시 시의 용융액면 위치(멜트라인)와 전체 둘레에 걸쳐 충분히 합치하지 않고 액면 진동 억제 효과의 확실성이 충분하다고는 할 수 없었다.

본 발명은 상기한 바와 같은 사정 하에 이루어진 것으로, 다결정 실리콘 원료를 충전하여, 이것을 가열 용융한 실리콘 용융액이 수용되며, 상기 실리콘 용융액으로부터 실리콘 단결정이 인상되는 실리카 유리 도가니에 있어서, 액면 진동을 보다 확실하게 억제하며 높은 단결정화율을 실현할 수 있는 실리카 유리 도가니를 제공하는 것을 목적으로 한다.

상기한 과제를 해결하기 위해, 본 발명에 따른 실리카 유리 도가니는 외주측 에 불투명층이 형성되며, 내주측에 투명층이 형성된 층 구조를 가지고, 상기 내주측에 다결정 실리콘 원료를 충전하고, 이것을 가열 용융한 실리콘 용융액이 수용되는 초크랄스키법에 의해 단결정이 인상되는 실리카 유리 도가니로서, 10 ㎜∼30 ㎜의 높이 치수를 갖는 상기 투명층의 초기 멜트라인 대역에 있어서, 상기 대역의 내주면측에는 100 ㎛∼450 ㎛의 두께 치수를 갖는 제1 실질적 무기포층이 형성되고, 상기 제1 실질적 무기포층보다도 외측는 100 ㎛ 이상의 두께 치수를 갖는 평균 직경이 20 ㎛∼60 ㎛의 기포로 이루어지는 기포 함유층이 형성되어 있고, 상기 초기 멜트라인 대역보다 아래쪽의 전 영역에 있어서, 이 내주위면측으로 300 ㎛ 이상의 두께 치수를 갖는 제2 실질적 무기포층이 형성되어 있는 것을 특징으로 갖는다.

이러한 구성에 따르면, 다결정 실리콘 원료의 가열 용융 전은 도가니 내주면에 오목부가 형성되어 있지 않다. 이 때문에, 종래와 같이 노출한 오목부에 잔존하는 불순물 혹은 파티클이 단결정 인상 시에 실리콘 용융액으로 방출될 우려가 없다. 따라서, 멜트백의 발생 확률을 저감하고, 또한, DF율(단결정화율)을 향상시킬 수 있다.

또한, 도가니 내에 다결정 실리콘 원료를 충전하여, 이것을 가열 용융한 실리콘 용융액이 수용된 상태로 되면, 용융액면은 초기 멜트라인 대역에 접촉하여, 단결정 인상 개시까지 용융액에 의해 제1 실질적 무기포층이 침식되고, 또한 기포 함유층이 갖는 기포가 개방된다. 이에 따라, 초기 멜트라인 대역의 표면이 요철 형상으로 되며, 단결정 인상 개시 시에 용융액면이 이 요철 형상에 접촉함으로써 액면 진동이 억제된다. 따라서, 종결정의 파종이 쉬워지며, 또한, 인상 중에 결정이 전위하지 않고 DF율(단결정화율)을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 초기 멜트라인 대역의 높이 치수가 적어도 10 ㎜ 이상의 높이 치수로 이루어짐으로써 도가니 설치 시의 경사 각도, 원료 투입량 등에 기인하는 용융액면의 요철면부터의 위치 어긋남이 방지된다. 즉, 단결정의 인상 개시 시에 있어서, 용융액면이 반드시 초기 멜트라인 대역에 위치함으로써 요철면과의 접촉에 의한 액면 진동의 억제 효과를 얻을 수 있다. 또한, 초기 멜트라인 대역의 높이 치수가 30 ㎜ 이하로 이루어짐으로써 멜트백 발생의 확률이 저하하며 높은 조업성을 얻을 수 있는 동시에 DF율을 향상시킬 수 있다.

또한, 상기 제1 실질적 무기포층의 두께 치수가 100 ㎛∼450 ㎛로 형성됨으로써, 단결정의 인상 개시 시까지 제1 실질적 무기포층이 침식되고, 기포 함유층의 기포가 개방되어 초기 멜트라인 대역의 표면에 요철 형상을 형성할 수 있다.

또한, 상기 기포 함유층의 두께 치수가 100 ㎛ 이상으로 이루어짐으로써, 단결정 인상 공정 중 실리콘 용융액에 의한 침식이 진행되더라도, 항상 용융액면을 요철 형상에 접촉시킬 수 있고 액면 진동을 억제할 수 있다.

또한, 300 ㎛ 이상의 두께 치수를 갖는 제2 실질적 무기포층을 형성함으로써, 실리콘 용융액의 침식에 의해 용융액이 소정의 기포수를 갖는 투명층에 달하며, 다수의 기포가 개방되는 일이 없다. 따라서, 기포의 개방에 기인하는 도가니 내표면의 거칠기에 의한 용융액에의 이물 혼입을 방지할 수 있다.

또한, 상기 기포 함유층이 갖는 기포의 밀도는 5 개/㎣∼70 개/㎣인 것이 바람직하다.

이와 같이 기포 개수 밀도가 5 개/㎣ 이상으로 설정됨으로써, 액면 진동을 억제하기에, 보다 충분한 요철 형상을 얻을 수 있다. 또한, 70 개/㎣ 이하로 설정됨으로써, 표면의 거칠기에 의한 용융액으로의 이물 혼입을 보다 확실하게 방지할 수 있다.

본 발명에 따르면, 실리콘 용융액을 수용하며, 상기 실리콘 용융액으로부터실리콘 단결정이 인상되는 실리카 유리 도가니에 있어서, 액면 진동을 보다 확실하게 억제하며, 높은 단결정화율을 실현할 수 있는 실리카 유리 도가니를 얻을 수 있다.

이하, 본 발명에 따른 실리카 유리 도가니의 실시형태에 대해 도면에 기초하여 설명한다. 도 1은 실리카 유리 도가니의 구성을 모식적으로 도시하는 단면도이다.

도시한 바와 같이, 이 실리카 유리 도가니(1)(이하, 단순히 도가니(1)라고 칭함)는 용기 형상으로서, 외주측으로 다수의 기포(바람직하게는 50 개/㎣ 이상)을 함유하는 불투명층(2)이 형성되며, 내주측으로 소수의 기포(바람직하게는 9 개/㎣ 이하)를 함유하는 예컨대 두께 2 ㎜의 투명층(3)이 형성된 이층 구조로 이루어져 있다. 또한, 불투명층(2)은 천연질(수정 등의 천연 원료를 용융함) 실리카 유리로 이루어지며, 투명층(3)은 합성 실리카 유리로 형성되어 있다.

또한, 도가니(1)는 도시한 바와 같이 상부 개구부(4)로부터 스트레이트부(5), 원호부(6) 및 바닥부(7)로 이루어지는 U 자형으로 형성되며, 그 내주측에 다결정 실리콘 원료가 용융된 실리콘 용융액(M)을 수용하도록 이루어져 있다.

또한, 투명층(3)의 내주면측으로서 도가니 높이의 2분의 1의 높이 위치보다 위쪽으로, 10 ㎜∼30 ㎜의 높이 치수를 갖는 초기 멜트라인 대역(10)이 형성되며, 단결정의 인상 개시 시에 있어서의 실리콘 용융액(M)의 액면 ML[이후, 멜트라인(ML)이라고 칭함]이 초기 멜트라인 대역(10)에 접촉하도록 이루어져 있다.

이 초기 멜트라인 대역(10)의 투명층(3)은 또한 다층 구조로 이루어져 있다. 즉, 도 2에 대역(10)을 포함하는 영역 A1의 확대도를 도시한 바와 같이, 대역(10)은 그 내주면측으로 두께 치수 D1, 기포 개수 밀도 2 개/㎣ 이하의 실질적 무기포층(10a)(제1 실질적 무기포층)이 형성된다. 또한, 그 외측에는 두께 치수 D2, 기포 개수 밀도 5 개/㎣ 이상의 기포 함유층(10b)이 형성되어 있다.

이러한 구성에 따르면, 실리콘 용융액(M)의 수용 전에는, 도가니(1)의 내주면에 오목부가 형성되어 있지 않다. 즉, 도가니(1)의 제조 공정에서 오목부를 내주면에 형성할 필요가 없으므로, 종래와 같이 오목부 형성 시에 생기며, 상기 오목부에 잔존하는 불순물 혹은 파티클이 단결정 인상 시에 실리콘 용융액(M)으로 방출될 우려가 없다.

또한, 이 구성에 의해 다결정 실리콘 원료 용융 단계에 있어서, 실질적 무기포층(10a)이 용융액(M)에 의해 침식되며, 또한 용융액(M)이 기포 함유층(10b)에 접촉하고, 기포 함유층(10b)이 갖는 기포가 개방된다. 이 기포 함유층(10b)의 기포가 개방되면 용융액(M)에 접하는 기포 함유층(10b)의 표면이 요철 형상이 되고, 이에 따라 단결정 인상 시에 있어서의 액면 진동이 억제된다.

또한, 도 2에 도시하는 초기 멜트라인 대역(10)의 높이 치수(h1)는 상기한 바와 같이 10∼30 ㎜로 설정되어 있다. 이와 같이, 적어도 10 ㎜의 치수를 가짐으로써 도가니 설치 시의 경사 각도, 원료 투입량 등에 기인하는 멜트라인(ML)의 요철면으로부터의 위치 어긋남이 방지된다. 즉, 단결정의 인상 개시 시에 있어서, 멜트라인(ML)이 반드시 초기 멜트라인 대역(10)에 위치하는 것으로, 요철면과의 접촉에 의한 액면 진동의 억제 효과를 얻을 수 있다. 또한, 높이 치수(h1)가 30 ㎜ 이내로 됨으로써 멜트백 발생의 확률이 저하하고, 높은 조업성을 얻을 수 있는 동시에 DF율을 향상시킬 수 있다.

또한, 도 2에 도시하는 실질적 무기포층(10a)의 두께 치수(D1)는 100 ㎛∼450 ㎛로 형성된다. 이것은 두께 치수(D1)가 100 ㎛에 이르지 않은 경우, 용융액(M)의 침식에 의해 기포 함유층(10b)의 기포가 다결정 실리콘 원료의 용융 초기 단계에서 개방되며, 상기 침식의 초기 단계에서 다수의 기포의 개방이 생기기 때문이다. 즉, 이 다수의 기포의 개방에 따르는 파티클 발생에 의해 실리콘 단결정 잉곳의 크라운부 형성 시에 전위가 생기고, 그 결과, 멜트백 발생의 확률이 증가하며, 멜트백의 반복에 따르는 면거칠기에 의해 DF율이 저하하는 문제가 있기 때문이다.

또한, 두께 치수(D1)가 450 ㎛를 넘으면, 기포 함유층(10b)의 기포를 개방할 때까지, 용융액(M)에 의한 침식이 장시간 필요해지며, 인상 개시 시에 요철이 형성되지 않을 우려가 있기 때문이다.

또한, 실질적 무기포층(10a)의 기포 개수 밀도는 2 개/㎣ 이하가 바람직하 다. 실질적 무기포층(10a)의 기포 개수 밀도가 2 개/㎣를 넘어 기포가 존재하면 용융액(M)의 침식에 의한 기포의 개방에 의해 표면이 거칠어지며, 그 결과, 이물이 용융액(M)에 혼입하여, DF율이 저하할 우려가 있으므로 바람직하지 않다.

또한, 도 2에 도시하는 기포 함유층(10b)의 두께 치수(D2)는 100 ㎛ 이상으로 형성되며, 보다 바람직하게는 300 ㎛ 이상으로 이루어진다. 즉, 단결정 인상 공정 중에 걸쳐 용융액(M)에 의한 기포 함유층(10b)의 침식이 진행하지만, 이와 같이 두께 치수(D2)를 형성함으로써, 예컨대 멜트백이 반복되어 침식량이 커지더라도, 인상 공정에 있어서 요철 형상을 형성하여, 액면 진동 억제 효과를 얻을 수 있다.

또한, 기포 함유층(10b)이 포함하는 기포의 평균 직경은 20 ㎛∼60 ㎛로 형성된다. 이것은 기포 직경이 20 ㎛에 이르지 않으면 액면 진동을 억제하기 위해 필요한 요철 형상을 형성할 수 없기 때문이며, 직경이 60 ㎛를 넘으면 기포 개방 시에 큰 석영 부재가 실리콘 용융액에 혼입하고, 결정의 전위가 생길 우려가 있기 때문이다.

또한, 이 기포 함유층(10b)이 포함하는 기포 개수 밀도는 5 개/㎣∼70 개/㎣로 된다. 이것은 기포 밀도가 클수록 액면 진동이 효과적으로 억제되지만, 70 개/㎣를 넘으면 표면이 거칠어져 용융액으로 이물이 혼입할 우려가 있고, 그 경우, DF율이 저하하기 때문이다. 또한, 기포 개수 밀도가 5 개/㎣ 미만이면 액면 진동을 억제하기에 충분한 요철 형상을 얻을 수 없기 때문이다.

또한, 도가니(1)에 있어서, 초기 멜트라인 대역(10)보다도 아래쪽으로는 도 1에 도시한 바와 같이, 투명층(3)의 내면측 전 영역에 있어서, 이 내주면측에는 기 포 개수 밀도 2 개/㎣ 이하로 소정의 두께 치수를 갖는 실질적 무기포층(9)(제2 실질적 무기포층)이 형성된다.

도 1에 도시하는 영역 A2는 이 실질적 무기포층(9)을 포함하는 영역이며, 도 3에 이 영역 A2의 확대도를 나타낸다. 도 3에 도시한 바와 같이, 이 실질적 무기포층(9)은 투명층(3)의 내측표면으로부터 적어도 300 ㎛, 바람직하게는 500 ㎛ 이상의 두께 치수(D3)를 갖도록 형성된다.

실질적 무기포층(9)의 두께 치수(D3)가 300 ㎛에 이르지 않는 경우, 인상 공정 중에 실리콘 용융액(M)의 침식에 의해, 용융액(M)이 기포 개수 밀도9 개/㎣ 이하의 투명층(3)에 달하며, 다수의 기포가 개방되어 도가니 내표면의 거칠기가 생긴다. 이 도가니 내표면에 거칠기가 생기면 이물이 용융액에 혼입하여 DF율이 저하하여 바람직하지 못하다. 인상 공정 중에 있어서의 실리콘 용융액(M)의 침식량을 고려하면 500 ㎛ 이상인 것이 바람직하다.

이와 같이 구성된 도가니(1)를 이용하여, 실리콘 단결정의 인상을 행하는 경우, 우선, 도가니 내에 투입된 다결정 실리콘 원료가 용융되어 실리콘 용융액(M)으로 된다.

여기서, 멜트라인(ML)은 초기 멜트라인 대역(10)에 접촉하여, 단결정 인상 개시까지 용융액(M)에 의해 실질적 무기포층(10a)이 침식되며, 또한 기포 함유층(10b)이 갖는 기포가 개방된다. 이에 따라, 초기 멜트라인 대역(10)의 표면이 요철 형상이 되며, 단결정 인상 개시 시에 멜트라인(ML)이 이 요철 형상에 접촉함으로써 액면 진동이 억제된다.

이상과 같이 본 발명에 따른 실시형태에 의하면, 단결정 인상 개시 시에 있어서 실리콘 용융액의 멜트라인(ML)이 접촉하는 초기 멜트라인 대역(10)이 도가니 내주측에 설치되고, 이 초기 멜트라인 대역(10)이 실질적 무기포층(10a)과, 그 외측의 기포 함유층(10b)에 의해 형성된다. 그리고, 이 실질적 무기포층(10a)과 기포 함유층(10b)의 두께 치수, 기포 개수 밀도, 기포 직경 등을 각각 소정치로 설정함으로써, 보다 단결정 인상 개시 시에 액면 진동을 억제할 수 있다.

또한, 도가니 제조 공정에 있어서 도가니 내주면에 미세한 요철 형상을 형성할 필요가 없으므로, 종래와 같이 도가니 제조 공정에서의 오목부 형성 시에 생기는 상기 오목부에 잔존하는 불순물 혹은 파티클이 단결정 인상 시에 실리콘 용융액(M)으로 방출된다고 하는 문제점을 해소할 수 있다.

따라서, 종결정의 파종이 쉬워지며, 또한, 인상 중에 결정이 전위하는 일이 없고, 멜트백의 발생율이 저하하여, DF율(단결정화율)을 향상시킬 수 있다. 또한, 본 발명에 있어서의 초기 멜트라인은 실리카 유리 도가니에 다결정 실리콘 원료를 충전하여, 이것을 용융한 실리콘 용융 액상면에 실리콘 종결정을 붙이고, 실리콘 단결정을 인상하는 초크랄스키법(Czochralskimethod)의 상기 실리콘 종결정을 붙이기 전의 실리콘 용융 액상면이 도가니와 접하는 원 형상의 라인을 말한다.

[실시예]

이어서, 본 발명에 따른 실리카 유리 도가니에 대해, 실시예에 기초하여 더 설명한다. 본 실시예에서는, 상기 실시형태에 나타낸 실리카 유리 도가니를 제조하고, 그 도가니를 이용하여 실험을 행함으로써 그 효과를 검증했다.

또한, 본 실시예(실험 1∼6)에서 이용하는 도가니의 제조 공정으로서는, 우선, 챔버 내에 있어서, 외층에 천연 원료, 내층에 합성 실리카 원료의 이층을 갖는 성형체 원료에 대해, 감압 정도, 용융 시간 등을 제어하여 내측 표면 전체에 미소한 기포를 함유하는 도가니 형상체를 성형했다.

이어서, 도가니 높이의 2분의 1의 높이 위치보다 위쪽으로 소정의 높이 치수(예컨대 10 ㎜∼30 ㎜)를 갖는 초기 멜트라인 대역을 남기고, 그 이외의 내측 표면을 기계 연삭하여, 표면의 미소한 기포를 제거했다.

그리고, 내측 표면 전체에 합성 실리카 원료를 공급하면서 아크 방전에 의해 소정 두께(예컨대 150 ㎛)의 실질적 무기포층을 형성하며, 도가니 전체의 투명층의 두께 치수가 약 4 ㎜, 불투명층의 두께 치수가 약 8 ㎜인 24 인치(외부 지름 610 ㎜ × 높이 350 ㎜)의 실리카 유리 도가니를 제조했다. 그리고, 그 후, 플루오르화수소산 49％ 용액으로 5분간 샤워링 세정을 행하며, 순수한 물세정의 후, 건조 처리를 더 행했다.

또한, 도가니에 형성된 기포의 밀도나 직경의 측정은 CCD 카메라와 할로겐램프를 이용하여 도가니 내표면으로부터의 화상을 촬상하며, 얻어진 화상을 2진화 처리함으로써 행했다. 측정 시야는 500 ㎛²이상(바람직하게는 1.O ㎜× 1.4 ㎜)으로, 인식 가능한 최소 기포 직경은 4.6 ㎛ 이상으로 했다. 또한, 두께 방향은 20 ㎛ 피치로 CCD 카메라를 이동시킴으로써, 표층으로부터 1.O ㎜의 두께까지 측정했다.

또한, 이 측정은 도가니 주위 방향으로 거의 등간격으로 4점(90ㅀ 간격)에 대해 행했다.

[실험 1]

이 실험에서는 상기 제조 공정에 의해 제조된 도가니를 이용하여, 다결정 실리콘 원료를 150 kg 차지로 하고, 8인치 웨이퍼 제조용의 B도핑 P형 실리콘 단결정 잉곳의 제조를 행하고, 그 때의 액면 진동의 유무, MB(멜트백: 결정의 재용융) 수 및 DF율의 측정을 행했다.

실험 조건을 표 1에 나타낸다. 실험 1에서는, 표 1에 나타낸 바와 같이, 도 1에 나타낸 초기 멜트라인 대역(10)의 높이 치수(h1)가 5 ㎜, 10 ㎜, 20 ㎜, 30 ㎜, 40 ㎜의 각각(조건 1∼조건 5)에 대해 실험을 행하여, 그 결과를 검증했다.

실험 1	초기 멜트라인 대역					초기 멜트라인 대역보다 아래쪽
	높이 치수 h1 (mm)	실질적 무기포층		기포 함유층		실질적 무기포층
	높이 치수 h1 (mm)	두께 (㎛)	기포 밀도 (개/mm³)	두께 (㎛)	기포 직경 (㎛)	두께 (㎛)
조건 1	5	150	1 이하	1000	35	600
조건 2	10	150	1 이하	1000	35	600
조건 3	20	150	1 이하	1000	35	600
조건 4	30	150	1 이하	1000	35	600
조건 5	40	150	1 이하	1000	35	600

이 실험 1의 결과를 표 2에 나타낸다. 표 2에 나타낸 바와 같이, 초기 멜트라인 대역(10)의 높이 치수(h1)가 10 ㎜∼30 ㎜이면(조건 3, 4), 액면 진동 및 MB가 없고, DF율이 100％로 되었다. 따라서, 높이 치수(h1)는 10 ㎜∼30 ㎜가 바람직한 것이 확인되었다.

실험 1	평가 결과
조건 1	액면 진동 발생으로 인한 인상 중지
조건 2	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0
조건 3	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0
조건 4	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0
조건 5	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 2

[실험 2]

이 실험에서는 실험 1과 동일하게, 8인치 웨이퍼 제조용의 B도핑 P형 실리콘 단결정 잉곳의 제조를 행하고, 그 때의 액면 진동의 검지, MB(멜트백: 결정의 재용융) 수 및 DF율의 측정을 행했다. 실험 조건을 표 3에 나타낸다. 실험 2에서는 표 2에 나타낸 바와 같이, 도 2에 나타낸 초기 멜트라인 대역(10)의 실질적 무기포층(10a)의 두께 치수가 70 ㎛, 100 ㎛, 150 ㎛, 200 ㎛, 350 ㎛, 450 ㎛, 530 ㎛의 각각(조건 6∼12)에 대해 실험을 행하고 그 결과를 검증했다.

실험 2	초기 멜트라인 대역					초기 멜트라인 대역보다 아래쪽
	높이 치수 h1 (mm)	실질적 무기포층		기포 함유층		실질적 무기포층
	높이 치수 h1 (mm)	두께 (㎛)	기포 밀도 (개/mm³)	두께 (㎛)	기포 직경 (㎛)	두께 (㎛)
조건 6	20	70	1 이하	1000	35	600
조건 7	20	100	1 이하	1000	35	600
조건 8	20	150	1 이하	1000	35	600
조건 9	20	200	1 이하	1000	35	600
조건 10	20	350	1 이하	1000	35	600
조건 11	20	450	1 이하	1000	35	600
조건 12	20	530	1 이하	1000	35	600

이 실험 2의 결과를 표 4에 나타낸다. 표 4에 나타낸 바와 같이, 초기 멜트라인 대역의 실질적 무기포층의 두께 치수가 100 ㎛∼450 ㎛이면(조건 7, 8, 9, 10, 11) 액면 진동이 없고, MB가 없거나 혹은 한 번이면 DF율이 100％로 되었다. 따라서, 초기 멜트라인 대역에 있어서의 실질적 무기포층의 두께 치수는 100 ㎛∼450 ㎛가 바람직한 것으로 확인되었다. 특히, 초기 멜트라인 대역에 있어서의 실질적 무기포층의 두께 치수가 100 ㎛∼200 ㎛인 경우에는 액면 진동이 없으며, MB가 없고, DF율이 100％로 되므로 보다 바람직하다.

실험 2	평가 결과
조건 6	액면 진동 없음, DF: 90%, MB 수: 1
조건 7	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0
조건 8	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0
조건 9	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0
조건 10	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 1
조건 11	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 1
조건 12	인상 초기에 액면 진동이 발생한 후, 중지, DF: 90%, MB 수: 3

[실험 3]

이 실험에서는 실험 1과 동일하게, 8인치 웨이퍼 제조용의 B도핑 P형 실리콘 단결정 잉곳의 제조를 행하고, 그 때의 액면 진동의 검지, MB(멜트백: 결정의 재용융) 수 및 DF율의 측정을 행했다. 실험 조건을 표 5에 나타낸다. 실험 3에서는 표 5에 나타낸 바와 같이, 도 2에 나타낸 초기 멜트라인 대역(10)의 실질적 무기포층(10a)의 기포 개수 밀도를 5 개/㎣로, 많이 설정하여 실험을 행하고, 그 결과를 검증했다.

실험 3	초기 멜트라인 대역					초기 멜트라인 대역보다 아래쪽
	높이 치수 h1 (mm)	실질적 무기포층		기포 함유층		실질적 무기포층
	높이 치수 h1 (mm)	두께 (㎛)	기포 밀도 (개/mm³)	두께 (㎛)	기포 직경 (㎛)	두께 (㎛)
조건 13	20	150	5	1000	35	600

이 실험 3의 결과를 표 6에 나타낸다. 표 6에 나타낸 바와 같이, 초기 멜트라인 대역의 실질적 무기포층의 기포 개수 밀도가 5 개/㎣인 경우, 액면 진동은 없지만, MB가 발생하여 DF율이 저하하는 것이 확인되었다.

실험 3	평가 결과
조건 13	액면 진동 없음, DF: 95%, MB 수: 1

[실험 4]

이 실험에서는 실험 1과 동일하게, 8인치 웨이퍼 제조용의 B도핑 P형 실리콘 단결정 잉곳의 제조를 행하고, 그 때의 액면 진동의 검지, MB(멜트백: 결정의 재용융) 수 및 DF율의 측정을 행했다. 실험 조건을 표 7에 나타낸다. 실험 4에서는 표 7에 도시한 바와 같이, 도 2에 나타낸 초기 멜트라인 대역(10)의 기포 함유층(10b)의 두께가 50 ㎛, 100 ㎛, 500 ㎛, 1000 ㎛의 각각(조건 14∼17)에 대해 실험을 행하고, 그 결과를 검증했다.

실험 4	초기 멜트라인 대역					초기 멜트라인 대역보다 아래쪽
	높이 치수 h1 (mm)	실질적 무기포층		기포 함유층		실질적 무기포층
	높이 치수 h1 (mm)	두께 (㎛)	기포 밀도 (개/mm³)	두께 (㎛)	기포 직경 (㎛)	두께 (㎛)
조건 14	20	150	1 이하	50	35	600
조건 15	20	150	1 이하	100	35	600
조건 16	20	150	1 이하	500	35	600
조건 17	20	150	1 이하	1000	35	600

이 실험 4의 결과를 표 8에 나타낸다. 표 8에 나타낸 바와 같이, 초기 멜트라인 대역의 기포 함유층의 두께가 100 ㎛∼1000 ㎛이면(조건 15, 16, 17), 액면 진동 및 MB가 없고 DF율이 100％로 되었다. 따라서, 초기 멜트라인 대역에 있어서의 기포 함유층의 두께는 100 ㎛ 이상이 바람직한 것으로 확인되었다.

실험 4	평가 결과
조건 14	액면 진동 발생으로 인한 인상 중지
조건 15	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0
조건 16	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0
조건 17	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0

[실험 5]

이 실험에서는 실험 1과 동일하게, 8인치 웨이퍼 제조용의 B도핑 P형 실리콘 단결정 잉곳의 제조를 행하고, 그 때의 액면 진동의 검지, MB(멜트백: 결정의 재용융) 수 및 DF율의 측정을 행했다. 실험 조건을 표 9에 나타낸다. 실험 5에서는 표 9에 나타낸 바와 같이, 도 2에 나타낸 초기 멜트라인 대역(10)의 기포 함유층(10b)이 갖는 기포 직경이 10 ㎛, 20 ㎛, 35 ㎛, 60 ㎛, 70 ㎛의 각각(조건 18∼22)에 대해 실험을 행하고, 그 결과를 검증했다.

실험 5	초기 멜트라인 대역					초기 멜트라인 대역보다 아래쪽
	높이 치수 h1 (mm)	실질적 무기포층		기포 함유층		실질적 무기포층
	높이 치수 h1 (mm)	두께 (㎛)	기포 밀도 (개/mm³)	두께 (㎛)	기포 직경 (㎛)	두께 (㎛)
조건 18	20	150	1 이하	1000	10	600
조건 19	20	150	1 이하	1000	20	600
조건 20	20	150	1 이하	1000	35	600
조건 21	20	150	1 이하	1000	60	600
조건 22	20	150	1 이하	1000	70	600

이 실험 5의 결과를 표 10에 나타낸다. 표 10에 나타낸 바와 같이, 초기 멜트라인 대역의 기포 함유층이 갖는 기포의 직경이 20 ㎛∼60 ㎛이면(조건 19, 20, 21) 액면 진동 및 MB가 없고, DF율이 100％로 되었다. 따라서, 초기 멜트라인 대역의 기포 함유층이 갖는 기포의 직경은 20 ㎛∼60 ㎛가 바람직한 것으로 확인되었다.

실험 5	평가 결과
조건 18	액면 진동 발생으로 인한 인상 중지
조건 19	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0
조건 20	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0
조건 21	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0
조건 22	액면 진동 없음, DF: 80%, MB 수: 3

[실험 6]

이 실험에서는 실험 1과 동일하게, 8인치 웨이퍼 제조용의 B도핑 P형 실리콘 단결정 잉곳의 제조를 행하고, 그 때의 액면 진동의 검지, MB(멜트백: 결정의 재용융) 수 및 DF율의 측정을 행했다. 실험 조건을 표 11에 나타낸다. 실험 6에서는, 표 11에 나타낸 바와 같이, 도 1에 나타낸 실질적 무기포층(3c)의 두께 치수가 200 ㎛, 300 ㎛, 500 ㎛의 각각(조건 23∼25)에 대해 실험을 행하고, 그 결과를 검증했다.

실험 6	초기 멜트라인 대역					초기 멜트라인 대역보다 아래쪽
	높이 치수 h1 (mm)	실질적 무기포층		기포 함유층		실질적 무기포층
	높이 치수 h1 (mm)	두께 (㎛)	기포 밀도 (개/mm³)	두께 (㎛)	기포 직경 (㎛)	두께 (㎛)
조건 23	20	150	1 이하	1000	35	200
조건 24	20	150	1 이하	1000	35	300
조건 25	20	150	1 이하	1000	35	500

이 실험 6의 결과를 표 12에 나타낸다. 표 12 및 전술의 실험 1∼5에 있어서의 조건 3, 8, 16, 20 등의 결과로부터 명확해진 바와 같이, 실질적 무기포층(3c)의 두께 치수가 300 ㎛ 이상이면(조건 24, 25), 액면 진동 및 MB가 없고, DF율이 100％로 되었다. 또한, 인상 공정 중에 있어서의 실리콘 용융액의 침식량을 고려하면, 500 ㎛ 이상이 더 바람직하다고 고찰되었다.

실험 6	평가 결과
조건 23	액면 진동 없음, DF: 95%, MB 수: 0
조건 24	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0
조건 25	액면 진동 없음, DF: 100%, MB 수: 0

또한, 이상의 실험 1∼6에 의해 제조한 실리카 유리 도가니의 기포 함유층의 밀도는 어느 것이나 5 개/㎣∼70 개/㎣의 범위 내의 밀도로 이루어진다.

[비교예1]

이 실험에서 이용하는 도가니의 제조 공정으로서는, 우선, 챔버 내에 있어서, 외층에 천연 원료, 내층에 합성 실리카 원료의 이층을 갖는 성형체 원료에 대해, 감압 정도, 용융 시간 등을 제어하여 내측 표면 전체에 미소한 기포를 함유하는 투명층이 약 4 ㎜, 불투명층이 약 8 ㎜인 도가니 형상체를 성형했다.

그리고, 도가니의 내측 표면의 10 ㎜의 높이 치수의 초기 멜트라인 대역에 있어서, 직경 100 ㎛, 깊이 약 100 ㎛의 오목부를 상호 간격 6 ㎜로 지그재그 배열하는 가공을 CO₂레이저를 이용함으로써 행했다.

이(종래 기술에 의한) 실리카 유리 도가니를 이용하여 상기 실험 1∼6과 동일하게 다결정 실리콘 원료를 150 ㎏ 차지하며, 8인치 웨이퍼 제조용의 B도핑 P형 실리콘 단결정 잉곳의 제조를 행하고, 그 때의 액면 진동의 유무, MB(멜트백: 결정의 재용융) 수 및 DF율의 측정을 행했다.

이 실험의 결과, 액면 진동은 없었지만, MB : 3회, DF율 70％라는 결과로 되었다.

이상의 실시예의 실험 결과로부터, 본 발명의 실리카 유리 도가니에 따르면, 액면 진동을 억제하여 높은 단결정화율을 실현할 수 있는 것을 확인했다.

본 발명은 실리콘 단결정의 인상에 이용되는 실리카 유리 도가니에 관해, 반도체 제조 업계 등에서 적합하게 이용된다.

Claims

내측에 투명층을 가지고, 이 외주측에 다수의 기포를 포함하는 불투명층을 갖는 용기형이며, 이 용기 내부 공간에 다결정 실리콘 원료를 충전하여, 이것을 가열 용융한 실리콘 용융액이 수용되는 초크랄스키법(Czochralski method)에 의해 실리콘 단결정을 제조하는 실리카 유리 도가니로서,

10 ㎜∼30 ㎜의 높이 치수를 갖는 상기 투명층의 초기 멜트라인 대역에 있어서,

상기 대역의 내면측으로는 100 ㎛∼450 ㎛의 두께 치수를 갖고 기포 밀도가 2 개/㎣ 이하인 제1 실질적 무기포층이 형성되고,

상기 제1 실질적 무기포층보다도 외측으로는 100 ㎛ 이상의 두께 치수를 갖는 평균 직경이 20 ㎛∼60 ㎛의 기포를 갖는 기포 함유층이 형성되어 있고,

상기 초기 멜트라인 대역보다 아래쪽의 전(全) 영역의 투명층에 있어서,

이 내표면측에 300 ㎛ 이상의 두께 치수를 갖고 기포 밀도가 2 개/㎣ 이하인 제2 실질적 무기포층이 형성되는 것을 특징으로 하는 실리카 유리 도가니.
제1항에 있어서, 상기 기포 함유층이 갖는 기포의 밀도가 5 개/㎣∼70 개/㎣인 것을 특징으로 하는 실리카 유리 도가니.