KR101081994B1

KR101081994B1 - 다층 구조를 갖는 석영 유리 도가니

Info

Publication number: KR101081994B1
Application number: KR1020090001412A
Authority: KR
Inventors: 마키코 코다마; 마사키 모리카와
Original assignee: 쟈판 스파 쿼츠 가부시키가이샤
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-01-08
Publication date: 2011-11-09
Also published as: JP5069663B2; EP2182099B1; US20100107970A1; EP2182099A1; TWI379926B; KR20100048836A; CN101724887A; CN101724887B; JP2010105880A; TW201016901A

Abstract

대형화된 실리콘 단결정의 제조(인상)에 있어서도 용융 실리콘의 국소적인 온도의 불균일을 억제하여 균질한 실리콘 단결정을 제조(인상)할 수 있는 석영 유리 도가니를 제공한다.

실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니로서, 도가니 내표면측으로부터 외표면측 쪽으로 적어도 투명층, 반투명층 및 불투명층을 가지며, 투명층은 기포 함유율이 0.3% 미만이고, 반투명층은 기포 함유율이 0.3%∼0.6%의 범위이며, 불투명층은 기포 함유율이 0.6% 초과인 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니.

실리콘 단결정, 인상, 용융 실리콘, 기포 함유율, 석영 유리 도가니

Description

다층 구조를 갖는 석영 유리 도가니{QUARTZ GLASS CRUCIBLE WITH MULTI-LAYERED STRUCTURE}

본 발명은 반도체 재료인 실리콘 단결정의 인상에 사용하는, 다층 구조를 갖는 석영 유리 도가니에 관한 것이다.

실리콘 단결정의 인상에 사용되는 석영 유리 도가니는 실리콘 용융체와 접촉하는 내표면의 품질이 인상 수율이나 인상한 결정의 품질에 커다란 영향을 준다. 특히 실리콘 융액과 접하는 도가니 벽체(둘레벽 및 바닥벽)의 내표면 부근에 기포가 내재하면 단결정화 수율(단결정화율)을 저하시킨다는 사실이 알려져 있다. 따라서, 석영 유리 도가니의 내면은 가능한 한 기포 및 불순물이 적은 투명한 고순도의 유리층일 것이 요구되며, 불순물이 적은 합성 석영에 의해 형성되어 있는 것이 많다.

현재의 석영 유리 도가니의 제조 방법은 소위 회전 몰드법이 주류이며, 이 방법은 원료인 석영 가루를 회전하고 있는 도가니 형상의 몰드의 내면에 원심력을 이용하여 퇴적시키고, 회전하는 몰드에 퇴적된 석영 가루를 아크 방전열에 의해 용융하고 유리화하여 도가니의 형상으로 성형한다. 이 경우, 도가니의 내표면에 기 포가 적은 고순도의 투명 석영층을 형성하는 방법으로서 다음의 2가지 방법이 알려져 있다. 첫 번째 방법은, 석영 가루의 아크 용융중에 몰드측으로부터 석영층의 감압 처리를 행하는 방법으로서, 석영 가루가 용융되어 유리화될 때 석영층을 감압하여 내부의 기포를 외부로 흡인 제거함으로써 기포를 거의 포함하지 않는 투명한 유리층을 형성한다(일본 특허 공개 평 01-157426호 공보, 일본 특허 공개 평 01-160836호 공보 등). 두 번째 방법은 아크 중에 석영 가루를 통과시켜 용융하고, 이 용융된 석영 가루를 이미 성형한 석영 유리 도가니의 내면에 적층시켜 투명 유리층을 형성하는 방법이다(일본 특허 공개 평 01-148718호 공보 등). 어느 방법이든 내표면층의 원료 석영 가루로서 고순도의 합성 석영 가루를 사용하면 내표면이 고순도인 합성 석영층을 갖는 석영 유리 도가니를 제조할 수 있다.

상기 회전 몰드법으로 제조되는 석영 유리 도가니는 도가니의 내표면에 기포가 적은 고순도의 투명 석영층을 형성하고, 외면측에는 투명 석영층에 비하여 기포 함유율이 높은 불투명층을 갖는다.

그런데, 석영 유리 도가니를 이용하여 인상에 의해 제조되는 실리콘 단결정의 크기는 약 10년의 사이클로 대형화되고 있다. 디바이스 제조업체에서는 실리콘 단결정의 크기를 대형화하고, 실리콘 단결정으로부터 잘려나오는 웨이퍼의 크기를 대형화함으로써 디바이스의 제조 효율을 높일 것이 요망되고 있다. 이러한 상황이므로, 가까운 미래에 현재의 직경 300mm의 1.5배 정도의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 제조할 것이 예상되고 있다.

실리콘 단결정 크기가 대형화됨에 따라 석영 유리 도가니의 대형화가 반드시 필요한데, 대형화된 실리콘 단결정을 높은 품질로 제조하기 위해서는 석영 유리 도가니를 단순히 대형화하는 것만으로는 충분하지 않다. 예컨대 대형화된 실리콘 단결정을 균질하게 하기 위해서는 석영 유리 도가니의 내면의 표면 상태의 균일화나 석영 유리 도가니의 가열의 균질화 등이 필요해진다.

내표면에 투명 석영층을 가지며, 외측에 불투명층을 갖는 종래의 석영 유리 도가니는 투명 석영층 및 불투명층의 두께에 변동이 있으며, 두께의 변동은 균질한 석영 유리 도가니의 가열을 방해하여 결과적으로 용융 실리콘의 국소적인 온도의 불균일을 발생시킨다. 현재의 직경 300mm의 실리콘 단결정의 제조(인상)에 있어서도 이러한 불균일이 실리콘 단결정의 품질에 영향을 미친다. 따라서, 실리콘 단결정의 품질을 유지하기 위하여 다양한 석영 유리 도가니가 제안된 바 있다. 이들 석영 유리 도가니는 벽체의 내표면측 부분이 실질적으로 기포를 함유하지 않는 투명 유리층으로 이루어지고, 벽체의 외표면측 부분이 다수 개의 기포를 포함하는 불투명 유리층으로 이루어지는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니인데, 각각 구조 등에 특징이 있다(일본 특허 공개 평 06-191986호 공보, 일본 특허 공개 평 06-329493호 공보, 일본 특허 공개 평 08-169798호 공보, 일본 특허 공개 평 09-157082호 공보)

[특허 문헌 1] 일본 특허 공개 평 01-157426호 공보

[특허 문헌 2] 일본 특허 공개 평 01-160836호 공보

[특허 문헌 3] 일본 특허 공개 평 01-148718호 공보

[특허 문헌 4] 일본 특허 공개 평 06-191986호 공보

[특허 문헌 5] 일본 특허 공개 평 06-329493호 공보

[특허 문헌 6] 일본 특허 공개 평 08-169798호 공보

[특허 문헌 7] 일본 특허 공개 평 09-157082호 공보

그러나, 상기와 같이 대형화된 실리콘 단결정의 제조(인상)에 있어서는, 실리콘 단결정의 품질에 대한 악영향이 점점 커져 특허 문헌 4 내지 7에 기재된 석영 유리 도가니라 하더라도 실리콘 단결정의 품질을 유지하기가 어려워진다는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명은 상기 문제를 해결하는 것을 과제로 하는 것으로서, 대형화된 실리콘 단결정의 제조(인상)에 있어서도 용융 실리콘의 국소적인 온도의 불균일을 억제하여 균질한 실리콘 단결정을 제조(인상)할 수 있는 석영 유리 도가니를 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명은, 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니로서, 도가니 내표면측으로부터 외표면측 쪽으로 적어도 투명층, 반투명층 및 불투명층을 가지며, 투명층은 기포 함유율이 0.3% 미만이고, 반투명층은 기포 함유율이 0.3%∼0.6%의 범위이며, 불투명층은 기포 함유율이 0.6% 초과인 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니에 관한 것이다.

본 발명에 따르면, 대형화된 실리콘 단결정의 제조(인상)에 있어서도 용융 실리콘의 국소적인 품질의 불균일을 억제하여 균질한 실리콘 단결정을 제조(인상)할 수 있는 석영 유리 도가니를 제공할 수 있다. 더욱이 본 발명에 따르면, 그러 한 이점을 갖는 본 발명의 석영 유리 도가니의 제조 방법을 제공할 수도 있다.

본 발명의 석영 유리 도가니는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니로서, 도가니 내표면측으로부터 외표면측 쪽으로 적어도 투명층, 반투명층 및 불투명층을 가지며, 투명층은 기포 함유율이 0.3% 미만이고, 반투명층은 기포 함유율이 0.3%∼0.6%의 범위이며, 불투명층은 기포 함유율이 0.6% 초과인 것을 특징으로 한다.

도 1에 도시한 바와 같이, 종래의 석영 유리 도가니는 투명층 및 불투명층으로만 이루어지는 것이었으나(상부 도면), 본 발명의 석영 유리 도가니는 적어도 투명층, 반투명층 및 불투명층으로 이루어지는 것이다(하부 도면).

본 발명의 석영 유리 도가니는, 상기 투명층, 반투명층 및 불투명층을 갖기 때문에 석영 유리 도가니의 가열 특성이 향상되고, 석영 유리 도가니의 외측으로부터의 가열에 대하여 도가니 내부의 용융 실리콘의 국소적인 온도의 불균일이 억제된다. 그 결과, 예컨대 현재의 직경 300mm의 1.5배 정도의 직경을 갖는 실리콘 단결정을 제조함에 있어서도 균질한 실리콘 단결정을 제조할 수 있다.

투명층은 기포 함유율이 0.3% 미만이고, 기포 함유율은 바람직하게는 0.1% 이하이며, 보다 바람직하게는 0.05% 이하이다. 도가니 벽체의 내표면 부근에 기포가 내재하면 인상중에 내부 기포가 열팽창하여 도가니 내표면을 부분적으로 박리시키고, 기포나 박리된 석영 조각이 실리콘 단결정에 혼입되어 다결정화시켜 단결정화 수율(단결정화율)을 저하시키게 된다. 따라서, 본 발명에서는 투명층의 기포 함유율은 낮으면 낮을수록 바람직하다.

반투명층은 기포 함유율이 0.3%∼0.6%의 범위이고, 기포 함유율은 바람직하게는 0.35%∼0.55%의 범위이며, 보다 바람직하게는 0.4%∼0.5%의 범위이다.

불투명층은 기포 함유율이 0.6% 초과이고, 기포 함유율은 바람직하게는 1.0% 이상이며, 보다 바람직하게는 3.0% 이하이다.

투명층은 예컨대 도가니 바닥부에서의 두께가 예컨대 0.5∼10mm의 범위이다. 투명층의 도가니 바닥부에서의 두께는 바람직하게는 2∼5mm의 범위이다.

반투명층 및 불투명층은 총 두께가 예컨대 5∼50mm의 범위이다. 반투명층 및 불투명층의 총 두께는 바람직하게는 10∼50mm의 범위이다. 단, 반투명층 및 불투명층의 총 두께는 석영 유리 도가니의 크기에 따라 도가니에 필요한 강도 등을 고려하여 적당히 결정할 수 있다.

반투명층 및 불투명층의 두께의 비율(반투명층:불투명층)은 예컨대 5:95∼95:5의 범위이다. 반투명층 및 불투명층의 두께의 비율(반투명층:불투명층)은 바람직하게는 15:85∼50:50의 범위이고, 보다 바람직하게는 20:80∼40:60의 범위이다.

도가니 내측 부분의 기포는 전술한 바와 같이 실리콘 단결정의 인상시에 악영향을 미치므로 가능한 한 적은 것이 바람직하다. 그에 반해 외주 부분의 기포는 인상에는 영향을 미치지 않으며, 오히려 가열시의 보온 효과를 얻기에는 적외선을 잘 전달시키지 않는 불투명층이 적합하다. 또한, 불투명층은 투명층보다 열을 확산시켜 전달하기 때문에 균일한 온도 분포를 얻을 수 있는 이점이 있으므로 도가니의 외주측 부분은 다수 개의 기포를 포함하는 불투명 유리층에 의해 형성된다.

그런데, 도가니의 직경이 커지면 도가니의 강도를 유지하기 위하여 도가니의 둘레벽 및 바닥의 두께보다 커지는 경향이 있다. 그에 반해, 제조 상의 제약 때문에 투명층의 두께는 어느 정도 이상으로 하기는 어렵다. 따라서, 도가니의 직경이 커지면 불투명층의 두께가 커진다. 그러나, 상기와 같이 불투명층은 적외선을 잘 전달시키지 않으므로 보온 효과는 뛰어나지만 도가니를 효과적으로 가열한다는 관점에서는 마이너스이다.

따라서 본 발명에서는, 불투명층과 이 불투명층과 투명층 사이에 반투명층을 마련하고, 그에 따라 도가니 안을 외부의 가열 수단에 의해 효과적으로 가열할 수 있으면서 보온 효과도 뛰어나며, 그 결과 실리콘 단결정의 인상시에는 높은 결정화율을 얻는다.

반투명층 및 불투명층의 두께의 비율은 이러한 관점과 반투명층 및 불투명층의 총 두께를 고려하여 상기 5:95∼95:5의 범위에서 적당히 선택한다. 반투명층의 비율이 커질수록 도가니 내의 가열을 보다 효과적으로 행할 수 있으며, 한편으로 보온 효과는 저하한다. 단, 보온 효과는 일정 이상의 불투명층을 가지면 대략 동일한 효과가 얻어지는 경우도 있어, 반투명층의 비율과 보온 효과의 관계는 반투명층 및 불투명층의 총 두께에도 영향을 받는다.

[석영 유리 도가니의 제조 방법]

상기 본 발명의 석영 유리 도가니는 회전 몰드법에 의해 제조된다. 이 방법은 석영 유리 도가니 성형용 중공 몰드의 내면에 투명층, 반투명층 및 불투명층을 형성하기 위한 원료 석영 가루 또는 석영 유리 가루(이하, 단순히 원료 가루라고 할 수 있음)를 퇴적시킨 후에, 중공 몰드의 내부에 형성된 통로를 통하여 중공 몰드의 내면으로부터 외면 쪽으로 감압 상태를 형성하고, 또한 상기 퇴적시킨 원료 석영 또는 석영 유리 가루를 용융 가열하여 석영 유리 도가니를 조제하는 방법이다.

원료 가루는 천연 또는 합성의 석영(결정질) 가루 또는 석영 유리 가루일 수 있다.

회전 몰드법에 의한 제조는 회전한 중공 몰드의 내표면에 원료 가루를 퇴적시키고, 아크 방전 등의 가열 수단에 의해 원료 가루를 가열하여 유리화하고, 한편 이 가열시에 몰드측으로부터 원료 가루층의 내부 기포를 흡인 제거하여 투명 유리화하고, 감압 흡인 시간이나 가열 용융 시간 등을 제어하여 투명층의 기포 함유율을 조정하고, 외표면측인 반투명층 및 불투명층은 기포를 포함하는 유리층으로 한다.

퇴적시킬 원료 가루는 반투명층 및 불투명층에 대하여 동일하며, 모두 352㎛ 이하의 입도의 입자의 용량 비율이 95% 이상이고, 또한 75㎛ 이하의 입도의 입자의 용량 비율이 1.5∼5%인 가루이다(이하, 원료 가루 A라고 칭함). 반투명층 및 불투명층을 형성하기 위하여 퇴적시키는 원료 석영 가루 또는 석영 유리 가루는 동일한 입도 분포를 갖는 것이 바람직하다. 투명층에 대해서는 퇴적시킬 원료 가루는 352㎛ 이하의 입도의 입자의 용량 비율이 95% 이상이고, 또한 75㎛ 이하의 입도의 입자의 용량 비율이 0∼1.5% 미만이다(이하, 원료 가루 B라고 칭함).

원료 가루 B는 종래로부터 투명층 및 불투명층을 갖는 도가니의 제조에 사용 되던 원료 가루이다. 그에 반해, 원료 가루 A는 이 원료 가루 A만으로 투명층 및 불투명층을 갖는 도가니를 만들고자 하여도 종래와 동일한 방법으로는 투명층을 형성할 수 없다.

그에 반해, 투명층에 대해서는 원료 가루 B를 사용하고, 반투명층 및 불투명층에 대해서는 원료 가루 A를 사용하면, 종래의 방법과 거의 동일한 감압 상태 및 시간에 있어서 가열 용융하면 상기 투명층, 반투명층 및 불투명층을 형성할 수 있다.

원료 가루 A 및 B는 352㎛ 이하의 입도의 입자의 용량 비율이 95% 이상인 점에서는 차이는 없으나, 75㎛ 이하의 입도의 입자의 용량 비율이 1.5∼5%이거나 0∼1.5% 미만인 점에서 차이가 있다. 75㎛ 이하의 입도의 입자의 용량 비율이 1.5∼5%인 원료 가루 A의 입도 분포 및 75㎛ 이하의 입도의 입자의 용량 비율이 0∼1.5% 미만인 원료 가루 B의 입도 분포를 표 1에 나타내었다.

이와 같이 원료 가루로서 종래와 다른 입도 분포를 갖는 원료 가루 A를 사용함으로써 투명층, 반투명층 및 불투명층을 갖는 도가니를 제조할 수 있다.

상기 석영 도가니는 회전 몰드법에 의해 제조할 수 있다. 회전 몰드법에 의한 제조는 회전한 중공 몰드의 내표면에 원료인 석영 가루를 퇴적시키고, 아크 방전 등의 가열 수단에 의해 석영 가루를 가열하여 유리화하고, 한편 이 가열시에 몰드측으로부터 석영 가루층의 내부 기포를 흡인 제거하여 투명 유리화하고, 감압 흡인 시간이나 가열 용융 시간 등을 제어하여 기포 함유량을 조정하고, 외표면측 부분은 다수 개의 기포를 포함하는 불투명 유리인 채 유지한다.

[실시예]

이하, 본 발명을 실시예에 의해 보다 상세하게 설명한다.

실시예 1∼12

본 발명의 석영 도가니를 회전 몰드법에 의해 이하와 같이 제조하였다. 먼저, 회전하는 몰드의 내주면에 원료 가루 A를 퇴적시키고, 다음 그 위에 원료 가루 B를 퇴적시켰다. 원료 가루 A 및 B의 입도 분포는 이하의 표 2에 나타내었다. 다음, 몰드 내주면측으로부터 아크 방전을 행하고, 상기 석영층의 표면을 용융하여 유리화하고, 동시에 몰드측으로부터 감압하고, 몰드에 마련한 통기 구멍을 통하여 석영 내부의 공기를 외주부 측으로 흡인하고, 통기 구멍을 통하여 외부로 배제함으로써 석영층 표면 부분의 기포를 제거하여 투명 유리층을 형성하였다. 그 후, 감압을 정지하고, 다시 가열을 계속하여 기포가 잔류하는 불투명층인 반투명층 및 불투명층을 형성하였다. 얻어진 석영 도가니의 두께 비율(반투명층:불투명층), 측벽부, 만곡부 및 바닥부의 각 부분에서의 적외선 투과율을 표 3에 나타내었다. 또한, 투명층, 반투명층 및 불투명층의 기포 함유율도 표 3에 나타내었다. 이 석영 도가니를 이용하여 실리콘 단결정의 인상을 행하였다. 그 결과(단결정화율)를 표 3에 함께 나타내었다.

더욱이, 석영 도가니의 크기를 14인치부터 40인치까지 변화시켜 동일한 실험을 행하여 결과를 표 3에 나타내었다. 또한 표 3에서, 기포 함유율의 측정은 이하의 방법에 의해 행하였다. 반투명층과 불투명층의 기포 함유율은 비중 측정에 의해 구하였고, 투명층의 기포 함유율은 현미경 관찰에 의해 측정하였다. 적외선 투과율은 파장 0.5∼3.5㎛, 피크 파장 1.0㎛의 적외선 램프로부터 30cm의 위치에 수열 면적 1cm²의 적외선 파워미터를 설치하고, 수열면 바로 앞에 측정용 도가니 조각을 삽입하여 적외선 수열량을 측정하고, 도가니 조각을 삽입하지 않고 측정한 수열량을 100%로 하여 산출하였다. 평균 적외선 투과율은 상기 방법으로 측정한 각 측정값을 부위별로 평균한 값이다. 단결정 수율은 이론 최대 단결정 수율을 100%로 한 경우의 비율이다.

비교예 1∼3

석영 도가니의 크기가 18인치, 24인치 및 32인치에 대해서는 원료 가루 B만 사용하여 동일한 방법으로 석영 도가니를 만들고, 실리콘 단결정의 인상을 행하였다. 그 결과(단결정화율)를 표 4에 나타내었다.

석영 도가니의 크기 18인치에 대하여(실시예 3∼5 및 비교예 1) 두께 비율(반투명층:불투명층)의 비율과 단결정 수율과의 관계를 도 3에 나타내었다. 크기 18인치의 석영 도가니에 대해서는 두께의 비율 30%가 가장 단결정 수율이 높았다.

석영 도가니의 크기가 18인치, 24인치 및 32인치에 대하여(실시예 4와 비교예 1, 실시예 7과 비교예 2, 실시예 10과 비교예 3) 반투명층의 유무와 단결정 수율과의 관계를 도 4에 나타내었다. 어느 크기에 있어서도 반투명층을 마련함으로써 단결정 수율이 크게 향상되는 것을 알 수 있다.

본 발명은 실리콘 단결정 인상용 석영 도가니 제조의 분야에 유용하다.

도 1은 종래의 석영 유리 도가니의 단면 개념도 및 본 발명의 석영 유리 도가니의 단면 개념도를 나타낸다.

도 2는 실시예에서 제조한 석영 유리 도가니의 단면 사진을 나타낸다(우측 도면). 가운데 도면은 단면의 개념도를 나타낸다.

도 3은 석영 도가니의 크기 18인치에 대하여(실시예 3∼5 및 비교예 1) 두께 비율(반투명층:불투명층)과 단결정 수율과의 관계를 나타낸다.

도 4는 석영 도가니의 크기가 18인치, 24인치 및 32인치에 대하여(실시예 4와 비교예 1, 실시예 7과 비교예 2, 실시예 10과 비교예 3) 반투명층의 유무와 단결정 수율과의 관계를 나타낸다.

Claims

실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니로서,

도가니 내표면측으로부터 외표면측 쪽으로 투명층, 반투명층 및 불투명층을 가지며,

투명층은 기포 함유율이 0.3% 미만,

반투명층은 기포 함유율이 0.3%∼0.6%,

불투명층은 기포 함유율이 0.6% 초과이며,

상기 반투명층 및 불투명층은 두께의 비율(반투명층:불투명층)이 5:95∼95:5의 범위인 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니.
청구항 1에 있어서, 반투명층 및 불투명층은 총 두께가 5∼50mm의 범위인 석영 유리 도가니.
삭제
청구항 1에 있어서, 투명층은 도가니 바닥부에서의 두께가 0.5∼10mm의 범위인 석영 유리 도가니.