KR102342049B1 - Quartz glass crucible for pulling silicon single crystal and producing method thereof - Google Patents
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Abstract
(과제) 실리콘 단결정의 인상 공정 중에 도가니의 외면 전체를 확실하게 결정화시킬뿐만 아니라 결정층의 발포 박리를 방지하고, 이에 따라 도가니의 강도를 높인다.
(해결 수단) 석영 유리 도가니(1)는, 기포를 포함하지 않는 실리카 유리로 이루어지는 투명층(11)과, 투명층(11)의 외측에 마련되며 다수 개의 기포를 포함하는 실리카 유리로 이루어지는 기포층(12)과, 기포층(12)의 외측에 마련되며 원료 실리카 가루가 반용융 상태에서 소결된 외면 반용융층(13)을 포함한다. 기포층(12)은, 알루미늄이 첨가되지 않은 실리카 유리로 이루어지는 내측 기포층(12a)과, 내측 기포층(12a)의 외측에 마련되며 알루미늄이 첨가된 실리카 유리로 이루어지는 Al 첨가 외측 기포층(12b)을 포함하며, Al 첨가 외측 기포층(12b)에 접하는 외면 반용융층(13)의 적어도 일부는 알루미늄이 첨가된 Al 첨가 반용융층(13a)이다. Al 첨가 반용융층(13a)에 포함되는 알루미늄의 평균 농도가 30 ppm 이상 95 ppm 이하이다. (Project) During the pulling process of silicon single crystal, not only the entire outer surface of the crucible is reliably crystallized, but also the foaming and peeling of the crystal layer is prevented, thereby increasing the strength of the crucible.
(Solution) The quartz glass crucible 1 includes a transparent layer 11 made of silica glass that does not contain bubbles, and a bubble layer 12 that is provided on the outside of the transparent layer 11 and is made of silica glass containing a plurality of bubbles. ) and, provided on the outside of the bubble layer 12 and includes an outer semi-molten layer 13 in which raw silica powder is sintered in a semi-melted state. The bubble layer 12 is provided on the outside of the inner bubble layer 12a and the inner bubble layer 12a made of silica glass to which aluminum is not added, and is an Al added outer bubble layer 12b made of silica glass to which aluminum is added. ), and at least a part of the outer surface semi-molten layer 13 in contact with the Al-added outer bubble layer 12b is an Al-added semi-melted layer 13a to which aluminum is added. The average concentration of aluminum contained in the Al-added semi-molten layer 13a is 30 ppm or more and 95 ppm or less.
Description
본 발명은 초크랄스키법(CZ법)에 의한 실리콘 단결정의 인상에 사용되는 석영 유리 도가니 및 그 제조 방법에 관한 것이다. The present invention relates to a quartz glass crucible used for pulling a silicon single crystal by the Czochralski method (CZ method) and a method for manufacturing the same.
CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상에는 석영 유리 도가니가 사용된다. CZ법에서는, 석영 유리 도가니 내에서 다결정 실리콘 원료를 가열하여 실리콘 융액을 생성하고, 실리콘 융액에 종결정(種結晶)을 침지하고, 도가니를 회전시키면서 종결정을 서서히 인상함으로써 종결정의 하단에 큰 단결정을 성장시킨다. CZ법에 따르면, 대구경의 단결정을 육성할 수 있고, 실리콘 단결정의 생산성을 향상시키는 것이 가능하다. A quartz glass crucible is used for pulling up a silicon single crystal by the CZ method. In the CZ method, a polycrystalline silicon raw material is heated in a quartz glass crucible to produce a silicon melt, a seed crystal is immersed in the silicon melt, and a large single crystal is placed at the lower end of the seed crystal by gradually pulling up the seed crystal while rotating the crucible. to grow According to the CZ method, it is possible to grow a large-diameter single crystal, and it is possible to improve the productivity of the silicon single crystal.
석영 유리 도가니에 관하여, 예를 들면 특허문헌 1에는, 도가니의 외층이 Al 첨가 석영층, 중간층이 천연 또는 합성 석영층, 내층이 투명 석영층으로 이루어지는 3층 구조의 석영 유리 도가니가 기재되어 있다. 또한 특허문헌 2에는, 적어도 코너부의 내층이 투명 합성층, 중간층이 투명 또는 불투명의 천연층 또는 천연 합성 혼합층, 외층이 불투명 천연층으로 이루어지고, 도가니의 하부로부터 상부를 향하여 내층의 두께가 얇아지는 도가니 구조가 기재되어 있다. Regarding a quartz glass crucible, for example,
또한 특허문헌 3에는, 외면층의 표면에 반용융(半溶融) 석영층을 가지며, 해당 반용융 석영층의 중심선 평균 거칠기(Ra)가 50∼200 μm이고, 반용융 석영층의 바람직한 층 두께가 0.5∼2.0 mm인 석영 유리 도가니가 기재되어 있다. 나아가 특허문헌 4에는, 미용융 내지 반용융의 실리카 가루가 편재하는 최외층을 갖는 석영 유리 도가니를 제조하고, 그 외표면에 고체 실리카 가루를 분사압 0.1∼5 MPa로 뿜어붙인 후, 고압수를 분사압 24∼40 MPa로 뿜어붙이고, 이어서 불산 수용액 처리를 실시함으로써, 도가니의 최외층으로부터 이탈되는 실리카 가루를 연삭 없이 최적으로 제어하는 방법이 기재되어 있다. Further, in Patent Document 3, a semi-molten quartz layer is provided on the surface of the outer surface layer, the center line average roughness (Ra) of the semi-molten quartz layer is 50 to 200 µm, and a preferred layer thickness of the semi-molten quartz layer is A quartz glass crucible of 0.5-2.0 mm is described. Furthermore, in Patent Document 4, a quartz glass crucible having an outermost layer in which unmelted to semi-molten silica powder is ubiquitous is manufactured, and solid silica powder is sprayed on the outer surface at a spray pressure of 0.1 to 5 MPa, and then high-pressure water is A method of optimally controlling the silica powder detached from the outermost layer of a crucible without grinding by spraying at a spraying pressure of 24 to 40 MPa followed by treatment with an aqueous hydrofluoric acid solution is described.
도가니 외층에 Al 첨가층이 마련된 종래의 석영 유리 도가니에 따르면, 도가니의 외면을 결정화시켜 도가니의 강도를 향상시키는 것이 가능하다. 그러나, 알루미늄 농도가 높으면 결정층이 발포(發泡) 박리되어 도가니의 강도가 저하된다는 문제가 있고, 또한 알루미늄 농도가 낮으면 결정화에 시간이 소요되며, 충분한 강도를 얻을 수 없다는 문제가 있다. According to the conventional quartz glass crucible in which an Al addition layer is provided on the outer layer of the crucible, it is possible to improve the strength of the crucible by crystallizing the outer surface of the crucible. However, when the aluminum concentration is high, there is a problem that the crystal layer is foamed and peeled and the strength of the crucible is lowered, and when the aluminum concentration is low, there is a problem that crystallization takes time and sufficient strength cannot be obtained.
따라서, 본 발명의 목적은, 도가니의 외면을 조기에 결정화시켜 도가니의 강도를 높일 수 있고, 결정층의 발포 박리를 억제하는 것이 가능한 석영 유리 도가니 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다. Accordingly, it is an object of the present invention to provide a quartz glass crucible capable of increasing the strength of the crucible by early crystallization of the outer surface of the crucible and suppressing foaming and peeling of the crystal layer, and a method for manufacturing the same.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니는, 기포를 포함하지 않는 실리카 유리로 이루어지는 투명층과, 상기 투명층의 외측에 마련되며, 다수 개의 기포를 포함하는 실리카 유리로 이루어지는 기포층과, 상기 기포층의 외측에 마련되며, 원료 실리카 가루가 반용융 상태에서 소결된 외면 반용융층을 구비하며, 상기 기포층은, 알루미늄이 첨가되지 않은 실리카 유리로 이루어지는 내측 기포층과, 상기 내측 기포층의 외측에 마련되며, 알루미늄이 첨가된 실리카 유리로 이루어지는 Al 첨가 외측 기포층을 포함하고, 상기 Al 첨가 외측 기포층에 접하는 상기 외면 반용융층의 적어도 일부는 알루미늄이 첨가된 Al 첨가 반용융층이고, 상기 Al 첨가 반용융층에 포함되는 알루미늄의 평균 농도가 30 ppm 이상 95 ppm 이하인 것을 특징으로 한다. In order to solve the above problems, the quartz glass crucible for pulling up silicon single crystal according to the present invention includes a transparent layer made of silica glass that does not contain bubbles, and a silica glass that is provided on the outside of the transparent layer and contains a plurality of bubbles. A bubble layer and an outer semi-molten layer provided on the outside of the bubble layer, in which raw silica powder is sintered in a semi-melted state, wherein the bubble layer is an inner bubble layer made of silica glass to which aluminum is not added; It is provided on the outside of the inner bubble layer, and includes an Al-added outer bubble layer made of silica glass to which aluminum is added, and at least a portion of the outer semi-molten layer in contact with the Al-added outer bubble layer is Al added with aluminum added. It is a semi-molten layer, and the average concentration of aluminum contained in the Al-added semi-molten layer is 30 ppm or more and 95 ppm or less.
본 발명에 따르면, 실리콘 단결정의 인상 공정 중에 도가니의 외면 전체를 확실하게 결정화시켜 도가니의 강도를 높일 수 있다. 특히, 알루미늄이 첨가된 외면 반용융층이 존재함으로써 도가니 외면의 초기의 결정화를 빠르게 할 수 있으므로, 도가니가 연화되어 카본 서셉터에 융합되기 전에 도가니의 강도를 확보하여 자립(自立)시킬 수 있다. 이에 따라, 도가니와 카본 서셉터 사이에 약간의 틈을 형성할 수 있고, 도가니의 결정화에 수반되어 발생하는 석영 유리 중의 가스를 이 틈으로부터 배출할 수 있고, 도가니 외면의 결정층의 발포 박리에 의한 도가니의 강도의 저하나 파티클의 발생을 방지할 수 있다. According to the present invention, the strength of the crucible can be increased by reliably crystallizing the entire outer surface of the crucible during the pulling process of the silicon single crystal. In particular, since the initial crystallization of the outer surface of the crucible can be accelerated by the presence of the semi-molten layer on the outer surface to which aluminum is added, the strength of the crucible can be secured and independent before the crucible is softened and fused to the carbon susceptor. As a result, a slight gap can be formed between the crucible and the carbon susceptor, and gas in the quartz glass that is generated along with the crystallization of the crucible can be discharged from this gap. A decrease in the strength of the crucible or generation of particles can be prevented.
본 발명에 있어서, 상기 Al 첨가 반용융층의 두께는 5 μm 이상 500 μm 이하인 것이 바람직하다. Al 첨가 반용융층의 두께가 5 μm보다 작은 경우, 결정 핵으로서의 효과가 약하므로 초기의 결정화가 더디고, 도가니가 자립될 수 없다. 그 때문에, 결정층의 발포·박리로 이어진다. 한편, Al 첨가 반용융층의 두께가 500 μm보다 큰 경우, 과잉하게 두꺼운 Al 첨가 반용융층과 유리층의 열 팽창률 차를 기인으로 한 외면 박리가 실리콘 단결정의 인상 공정 중에 발생하고, 도가니가 변형됨으로써, 결정 인상 공정을 계속할 수 없을 우려가 있다. 그러나, Al 첨가 반용융층의 두께가 5 μm 이상 500 μm 이하이면, 도가니의 외면을 조기에 결정화시킬 수 있고, 결정화된 도가니의 외면의 발포 박리를 방지할 수 있다. In the present invention, the thickness of the Al-added semi-molten layer is preferably 5 μm or more and 500 μm or less. When the thickness of the Al-added semi-molten layer is less than 5 μm, the effect as a crystal nucleus is weak, so the initial crystallization is slow, and the crucible cannot stand on its own. Therefore, it leads to foaming and peeling of a crystal layer. On the other hand, when the thickness of the Al-added semi-melted layer is greater than 500 μm, external peeling due to the difference in thermal expansion coefficient between the excessively thick Al-added semi-melted layer and the glass layer occurs during the pulling process of the silicon single crystal, and the crucible is deformed. As a result, there is a fear that the crystal pulling process cannot be continued. However, when the thickness of the Al-added semi-molten layer is 5 μm or more and 500 μm or less, the outer surface of the crucible can be crystallized early, and foaming and peeling of the crystallized outer surface of the crucible can be prevented.
본 발명에 따른 석영 유리 도가니는, 원통 형상의 측벽부와, 만곡된 바닥부와, 상기 측벽부와 상기 바닥부 사이에 위치하며, 상기 바닥부보다 큰 곡률을 갖는 코너부를 가지며, 상기 Al 첨가 외측 기포층 및 상기 Al 첨가 반용융층은 적어도 상기 측벽부에 마련되어 있는 것이 바람직하다. 이와 같이, Al 첨가 외측 기포층 및 Al 첨가 반용융층이 적어도 도가니의 측벽부에 마련되어 있는 경우에는, 도가니의 측벽부의 강도를 높여 자립시킬 수 있고, 도가니의 안쪽으로 무너짐(inward falling-down) 등의 측벽부의 변형을 억제할 수 있다. The quartz glass crucible according to the present invention has a cylindrical side wall portion, a curved bottom portion, a corner portion positioned between the side wall portion and the bottom portion, and having a greater curvature than the bottom portion, and the Al addition outside It is preferable that the bubble layer and the said Al addition semi-molten layer are provided at least in the said side wall part. In this way, when the Al-added outer bubble layer and the Al-added semi-molten layer are provided at least on the side wall of the crucible, the strength of the side wall of the crucible can be increased to make it self-supporting, and the inner side of the crucible falls (inward falling-down), etc. It is possible to suppress the deformation of the side wall of the
상기 측벽부에 있어서의 상기 기포층은 상기 내측 기포층 및 상기 Al 첨가 외측 기포층의 이층 구조이며, 상기 바닥부에 있어서의 상기 기포층은 상기 내측 기포층의 단층 구조인 것이 바람직하다. 이 경우에 있어서, 상기 Al 첨가 외측 기포층의 하단부는 테이퍼 형상을 가지며, 상기 하단부의 두께의 감소율은 0.5 mm/mm 이하인 것이 바람직하고, 0.2 mm/mm인 것이 더 바람직하다. Al 첨가 외측 기포층의 하단부의 두께의 감소율이 완만하면, Al 첨가층과 Al 무첨가층과의 경계부에 응력이 집중되어 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다. It is preferable that the foam layer in the side wall portion has a two-layer structure of the inner foam layer and the Al-added outer foam layer, and the foam layer in the bottom portion has a single-layer structure of the inner foam layer. In this case, the lower end of the Al-added outer bubble layer has a tapered shape, and the reduction rate of the thickness of the lower end is preferably 0.5 mm/mm or less, more preferably 0.2 mm/mm. When the reduction rate of the thickness of the lower end of the Al-added outer bubble layer is gentle, stress is concentrated at the boundary between the Al-added layer and the Al-free layer, thereby preventing cracks from occurring.
상기 측벽부에 있어서의 상기 Al 첨가 외측 기포층의 기포 함유율은 상기 내측 기포층의 기포 함유율보다 높은 것이 바람직하다. 이에 따르면, 도가니의 강도와 함께 단열성을 높일 수 있고, 도가니의 내면의 고온화를 억제할 수 있다. It is preferable that the bubble content rate of the said Al-added outer cell layer in the said side wall part is higher than the bubble content rate of the said inner side cell layer. According to this, the heat insulation property can be improved together with the intensity|strength of a crucible, and temperature increase of the inner surface of a crucible can be suppressed.
본 발명에 있어서, 상기 Al 첨가 반용융층의 표층부의 알루미늄의 농도는 100 ppm 이상이고, 상기 표층부보다 깊은 상기 Al 첨가 반용융층의 심층부의 알루미늄 농도는 상기 표층부의 알루미늄 농도보다 낮은 것이 바람직하다. Al 첨가 반용융층의 표층부의 알루미늄의 농도가 심층부보다 높은 경우에는, Al 첨가 반용융층에 의한 결정화 촉진 효과를 높일 수 있다. Al 첨가 반용융층은 Al이 첨가된 원료 실리카 가루를 반용융 상태에서 냉각함으로써 형성되기 때문에, 원형을 유지하고 있는 표면에 가까울수록 Al 농도가 높아진다. 한편, Al 첨가 반용융층의 표면에 부착되는 여분의 원료 실리카 가루는 고압수로 세정하여 제거되고, 이 때의 세정의 정도에 따라 Al 첨가 반용융층의 표면의 알루미늄 농도는 변화된다. 덧붙여, Al 첨가 반용융층 중의 알루미늄 농도 분포는 미시적으로는 불균일하며, 특히, Al 첨가 반용융층 중의 1 mm3의 영역 내에 Al 농도가 높은 부분이 메시(網目) 형태로 편재되어 있는 것이 바람직하고, Al 농도가 60 ppm보다 높은 고농도 영역과 25 ppm보다 낮은 저농도 영역이 혼재되어 있는 것이 바람직하다. In the present invention, the aluminum concentration of the surface layer portion of the Al-added semi-melted layer is 100 ppm or more, and the aluminum concentration of the deep portion of the Al-added semi-melted layer deeper than the surface layer portion is preferably lower than the aluminum concentration of the surface layer portion. When the concentration of aluminum in the surface portion of the semi-molten Al-added layer is higher than that in the deep portion, the crystallization promoting effect of the Al-addition semi-melted layer can be enhanced. Since the Al-added semi-melted layer is formed by cooling raw silica powder to which Al is added in a semi-molten state, the Al concentration increases as it approaches the surface that maintains the original shape. On the other hand, excess raw silica powder adhering to the surface of the Al-added semi-molten layer is removed by washing with high-pressure water, and the aluminum concentration on the surface of the Al-added semi-melted layer changes depending on the degree of washing at this time. Incidentally, the distribution of the aluminum concentration in the Al-added semi-molten layer is microscopically non-uniform, and in particular, it is preferable that the high Al concentration part in the 1 mm 3 area of the Al-added semi-melted layer is unevenly distributed in the form of a mesh. , it is preferable that a high concentration region having an Al concentration higher than 60 ppm and a low concentration region lower than 25 ppm are mixed.
종래의 석영 유리 도가니에는 외면 반용융층이 형성되지 않거나, 혹은 형성된다고 해도 그 두께가 매우 얇았기 때문에, 도가니의 외면의 초기 결정화에는 이르지 않았다. 이에 대하여, 본 발명에서는, 예를 들면 아크 용융 공정의 후반에서 아크 전극에 흘리는 전류를 약하게 하는 등 하여 원료 실리카 가루를 가열할 때의 온도 구배(句配)를 원만하게 하고, 유리화의 진행 속도를 늦춘다. 그리고, 그 저전류 상태에서 아크를 계속한다. 아크 용융 시간은 통상보다 장시간이 된다. 이에 따라, 석영 유리의 두께 형상 등은 통상의 경우와 거의 바뀌지 않으나, 외면 반용융층은 통상보다 두껍게 형성된다. 특히, 본 발명에서는 알루미늄 농도가 높은 외면 반용융층을 형성함으로써, 결정층의 발포 박리를 방지하면서 도가니의 외면의 결정화를 촉진시킬 수 있다. In the conventional quartz glass crucible, the outer surface semi-molten layer was not formed or, if formed, the thickness was very thin, so that the initial crystallization of the outer surface of the crucible was not reached. On the other hand, in the present invention, for example, by weakening the current flowing to the arc electrode in the second half of the arc melting process, the temperature gradient at the time of heating the raw silica powder is smoothed, and the progress rate of vitrification is reduced slow down Then, the arc continues in the low current state. Arc melting time becomes longer than usual. Accordingly, the thickness and shape of the quartz glass hardly change from that in the normal case, but the outer semi-molten layer is formed to be thicker than usual. In particular, in the present invention, by forming the outer semi-molten layer having a high aluminum concentration, it is possible to promote crystallization of the outer surface of the crucible while preventing foaming and peeling of the crystal layer.
또한, 본 발명에 따른 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니의 제조 방법은, 회전하는 몰드의 내면에 Al 첨가 실리카 가루 및 Al 무첨가 실리카 가루를 순서대로 충전하여 실리카 가루의 퇴적층을 형성하는 공정과, 상기 실리카 가루의 퇴적층을 상기 몰드의 내측으로부터 가열하여 용융함과 아울러, 상기 몰드의 상기 내면측으로부터 상기 퇴적층의 감압력을 조정함으로써, 기포를 포함하지 않는 실리카 유리로 이루어지는 투명층과, 상기 투명층의 외측에 마련되며, 다수 개의 기포를 포함하는 실리카 유리로 이루어지는 기포층과, 상기 기포층의 외측에 마련되며, 원료 실리카 가루가 반용융 상태에서 소결된 외면 반용융층을 구비하는 석영 유리 도가니를 형성하는 공정과, 상기 몰드에서 꺼낸 상기 석영 유리 도가니의 상기 외면 반용융층의 두께를 5 μm 이상 500 μm 이하로 조정하는 공정을 구비하고, 상기 Al 첨가 실리카 가루에 포함되는 알루미늄의 평균 농도가 30 ppm 이상 95 ppm 이하인 것을 특징으로 한다. In addition, the method for manufacturing a quartz glass crucible for pulling up a silicon single crystal according to the present invention comprises the steps of filling the inner surface of a rotating mold with Al-added silica powder and Al-free silica powder in order to form a silica powder deposition layer; A transparent layer made of bubble-free silica glass by heating and melting the powdery deposited layer from the inside of the mold and adjusting the pressure reducing force of the deposited layer from the inside of the mold; A step of forming a quartz glass crucible comprising a bubble layer made of silica glass containing a plurality of bubbles, and an outer semi-melted layer provided on the outside of the bubble layer, in which raw silica powder is sintered in a semi-molten state; , adjusting the thickness of the outer semi-molten layer of the quartz glass crucible taken out from the mold to be 5 μm or more and 500 μm or less, wherein the average concentration of aluminum contained in the Al-added silica powder is 30 ppm or more and 95 ppm It is characterized by the following.
본 발명에 따르면, 실리콘 단결정의 인상 공정 중에 도가니의 외면 전체를 확실하게 결정화시킬뿐만 아니라 결정층의 발포 박리를 방지하고, 이에 따라 도가니의 강도를 높이는 것이 가능한 석영 유리 도가니를 제조할 수 있다. According to the present invention, it is possible to manufacture a quartz glass crucible capable of reliably crystallizing the entire outer surface of the crucible during the pulling process of silicon single crystal, as well as preventing foaming and peeling of the crystal layer, thereby increasing the strength of the crucible.
본 발명에 있어서, 상기 실리카 가루의 퇴적층은, 상기 Al 첨가 천연 실리카 가루, Al 무첨가 천연 실리카 가루 및 합성 실리카 가루를 순서대로 퇴적시킨 것임이 바람직하다. 이에 따라, 도가니의 내면에 고순도의 투명층을 형성할 수 있고, 도가니 내의 실리콘 융액의 오염을 방지할 수 있다. In the present invention, the silica powder deposition layer is preferably one in which the Al-added natural silica powder, the Al-free natural silica powder and the synthetic silica powder are sequentially deposited. Accordingly, a high-purity transparent layer can be formed on the inner surface of the crucible, and contamination of the silicon melt in the crucible can be prevented.
본 발명에 따르면, 결정층의 발포 박리를 방지하면서 도가니의 외면을 결정화시켜 도가니의 강도를 높이는 것이 가능한 석영 유리 도가니 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다. According to the present invention, it is possible to provide a quartz glass crucible capable of increasing the strength of the crucible by crystallizing the outer surface of the crucible while preventing foaming and peeling of the crystal layer, and a method for manufacturing the same.
[도 1] 도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 석영 유리 도가니의 구조를 나타낸 개략 측면 단면도이다.
[도 2] 도 2는 도 1의 석영 유리 도가니의 측벽부의 일부(X부)의 구조를 확대하여 나타낸 개략 단면도이다.
[도 3] 도 3은 결정 인상 중인 석영 유리 도가니의 상태를 설명하기 위한 모식도이다.
[도 4] 도 4는 본 실시 형태에 따른 석영 유리 도가니의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
[도 5] 도 5는 도 4와 함께 본 실시 형태에 따른 석영 유리 도가니의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다.
[도 6] 도 6은 도 4 및 도 5와 함께 본 실시 형태에 따른 석영 유리 도가니의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다. 1 is a schematic side cross-sectional view showing the structure of a quartz glass crucible according to an embodiment of the present invention.
[Fig. 2] Fig. 2 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged structure of a part (X portion) of a side wall portion of the quartz glass crucible of Fig. 1 .
[FIG. 3] FIG. 3 is a schematic diagram for explaining the state of a quartz glass crucible during crystal pulling.
4 is a schematic diagram for explaining a method for manufacturing a quartz glass crucible according to the present embodiment.
5 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing a quartz glass crucible according to the present embodiment together with FIG. 4 .
6 is a schematic diagram for explaining a method of manufacturing a quartz glass crucible according to the present embodiment together with FIGS. 4 and 5 .
이하, 첨부 도면을 참조하면서 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 상세하게 설명하기로 한다. Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.
도 1은 본 발명의 실시 형태에 따른 석영 유리 도가니의 구조를 나타내는 개략 측면 단면도이다. 또 도 2는 도 1의 석영 유리 도가니의 측벽부의 일부(X부)의 구조를 확대하여 나타낸 개략 단면도이다. 1 is a schematic side cross-sectional view showing the structure of a quartz glass crucible according to an embodiment of the present invention. Fig. 2 is a schematic cross-sectional view showing an enlarged structure of a part (X section) of a side wall portion of the quartz glass crucible of Fig. 1 .
도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 이 석영 유리 도가니(1)는, 실리콘 융액을 지지하기 위한 실리카 유리제의 용기로서, 원통 형상의 측벽부(10a)와, 완만하게 만곡된 바닥부(10b)와, 측벽부(10a)와 바닥부(10b) 사이에 위치하고, 바닥부(10b)보다 큰 곡률을 갖는 코너부(10c)를 가지고 있다. 1 and 2, this
석영 유리 도가니(1)의 직경(구경)은 24인치(약 600 mm) 이상이고, 32인치(약 800 mm) 이상인 것이 바람직하다. 이러한 대구경의 도가니는 직경 200 mm 이상의 반도체용 실리콘 단결정 잉곳의 인상에 사용되며, 장시간 사용하여도 잘 변형되지 않을 것이 요구되기 때문이다. The diameter (caliber) of the
도가니의 두께는 그 부위에 따라 다소 다른데, 24인치 이상의 도가니의 측벽부(10a)의 두께는 8 mm 이상, 32인치 이상의 대형 도가니의 측벽부(10a)의 두께는 10 mm 이상, 40인치(약 1000 mm) 이상의 대형 도가니의 측벽부(10a)의 두께는 13 mm 이상인 것이 바람직하다. 대용량의 도가니에는 다량의 실리콘 융액으로부터의 압력에 의해 변형되는 경우가 없는 충분한 두께가 필요하기 때문이다. The thickness of the crucible is slightly different depending on the part. The thickness of the
본 실시 형태에 따른 석영 유리 도가니(1)는, 기포를 포함하지 않는 실리카 유리로 이루어지는 투명층(11)(무기포층)과, 투명층(11)의 외측에 마련되며, 다수 개의 미소한 기포를 포함하는 실리카 유리로 이루어지는 기포층(12)(불투명층)과, 기포층(12)의 외측에 마련되며, 원료 실리카 가루가 미용융 또는 반용융의 상태에서 냉각됨으로써 형성된 외면 반용융층(13)을 가지고 있다. The
투명층(11)은 실리콘 융액과 접촉하는 도가니의 내면(10i)을 구성하는 층으로서, 석영 유리 중의 기포가 원인으로 단결정화율이 저하되는 것을 방지하기 위하여 마련되어 있다. 투명층(11)의 두께는 0.5∼10 mm인 것이 바람직하고, 단결정의 인상 공정 중의 용손(溶損)에 의해 완전히 소실되어 기포층(12)이 노출되는 경우가 없도록, 도가니의 부위마다 적절한 두께로 설정된다. 기포층(12)과 마찬가지로, 투명층(11)은 도가니의 측벽부(10a)부터 바닥부(10b)까지의 도가니 전체에 마련되어 있는 것이 바람직한데, 실리콘 융액과 접촉하지 않는 도가니의 상단부(림부)에 있어서 투명층(11)의 형성을 생략하는 것도 가능하다. The
투명층(11)이 "기포를 포함하지 않는"이란, 기포가 원인으로 단결정화율이 저하되지 않을 정도의 기포 함유율 및 기포 사이즈를 갖는 것을 의미한다. 도가니의 내면 근방에 기포가 존재하면, 도가니의 내면의 용손에 의해 도가니 내면 근방의 기포를 석영 유리 중에 가둬넣어 둘 수가 없게 되어, 결정 인상 시에 석영 유리 중의 기포가 열 팽창에 의해 파열됨으로써 도가니 파편(석영 조각)이 박리될 우려가 있기 때문이다. 융액 중에 방출된 도가니 파편이 융액 대류를 타고 단결정의 성장 계면까지 운반되어 단결정 중에 도입된 경우에는, 단결정의 유전위화(有轉位化)의 원인이 된다. 또한 도가니 내면의 용손에 의해 융액 중에 방출된 기포가 고액 계면(固液界面)까지 부상하여 단결정 중에 도입된 경우에는 핀홀(pin hole)의 원인이 된다. 투명층(11)의 기포 함유율은 0.1 vol% 이하인 것이 바람직하고, 기포의 평균 직경은 100 μm 이하인 것이 바람직하다. "Bubble-free" means that the
투명층(11)의 기포 함유율 및 기포의 직경은 광학적 검출 수단을 이용하여 비파괴로 측정할 수 있다. 광학적 검출 수단은 도가니에 조사한 광의 투과광 또는 반사광을 수광하는 수광 장치를 구비한다. 조사광의 발광 수단은 수광 장치에 내장된 것일 수도 있고, 외부의 발광 수단을 이용할 수도 있다. 또한 광학적 검출 수단은 도가니의 내면을 따라 회동 조작할 수 있는 것이 바람직하게 사용된다. 조사광으로는, 가시광, 자외선 및 적외선 외에, X선 혹은 레이저광 등을 이용할 수 있다. 수광 장치는 광학 렌즈 및 촬상 소자를 포함하는 디지털 카메라를 이용할 수 있다. 광학적 검출 수단에 의한 측정 결과는 화상 처리 장치에 불려들어가고, 단위 부피 당 기포 함유율이 산출된다. The bubble content and the bubble diameter of the
도가니 표면으로부터 일정 깊이에 존재하는 기포를 검출하려면, 광학 렌즈의 초점을 표면으로부터 깊이 방향으로 주사하면 된다. 상세하게는, 디지털 카메라를 이용하여 도가니 내표면의 화상을 촬영하고, 도가니 내표면을 일정 면적마다 구분하여 기준 면적(S1)이라고 하고, 이 기준 면적(S1)마다 기포의 점유 면적(S2)을 구하고, 면적 기포 함유율 Ps=(S2/S1)×100(%)가 산출된다. In order to detect bubbles existing at a certain depth from the surface of the crucible, the focus of the optical lens may be scanned in the depth direction from the surface. In detail, an image of the inner surface of the crucible is taken using a digital camera, the inner surface of the crucible is divided for each predetermined area and referred to as a reference area (S1), and the area occupied by the bubble (S2) is calculated for each reference area (S1). It calculates|requires, and area bubble content rate Ps=(S2/S1)*100 (%) is computed.
부피비에 의한 기포 함유율의 산출에서는, 화상을 촬영한 깊이와 기준 면적(S1)으로부터 기준 부피(V1)를 구한다. 나아가 기포를 구형으로 간주하여, 기포의 직경으로부터 기포의 부피(V2)를 산출한다. 그리고 V1, V2로부터, 부피 기포 함유율 Pv=(V2/V1)×100(%)를 산출한다. 본 발명에 있어서는, 이 부피 기포 함유율(Pv)를 "기포 함유율"로서 정의한다. 또한, 기포를 구형으로 간주하여 산출한 기포의 직경으로부터 구한 상가 평균(相加平均; arithmetic mean) 값을 "기포의 평균 직경"으로서 정의한다.In calculation of the bubble content rate by volume ratio, the reference volume V1 is calculated|required from the depth and reference area S1 which image|photographed the image. Further, the bubble is regarded as a spherical shape, and the volume (V2) of the bubble is calculated from the diameter of the bubble. And from V1 and V2, the volume bubble content rate Pv=(V2/V1)*100 (%) is computed. In the present invention, this volumetric bubble content rate (Pv) is defined as "bubble content rate". Moreover, the arithmetic mean value calculated|required from the diameter of the bubble calculated by considering the bubble to be spherical is defined as "average diameter of bubble".
다만, 기준 부피는 5 mm×5 mm×안길이(깊이) 0.45 mm이고, 측정하는 최소의 기포의 직경은 5 μm(직경이 5 μm 미만인 것은 무시), 직경 5 μm의 기포를 측정할 수 있는 분해능이 있으면 된다. 또한, 광학 렌즈의 초점 거리를 기준 부피(V1)의 깊이 방향으로 비켜놓아, 기준 부피의 내부에 포함되는 기포를 포착하여 기포의 직경을 측정한다. However, the standard volume is 5 mm × 5 mm × depth (depth) 0.45 mm, and the minimum bubble diameter to be measured is 5 μm (ignoring those with a diameter less than 5 μm), You have to have resolution. In addition, by shifting the focal length of the optical lens in the depth direction of the reference volume V1, the bubbles contained in the interior of the reference volume are captured to measure the diameter of the bubbles.
기포층(12)은 도가니 벽을 구성하는 주요한 층이다. 기포층(12)은 도가니 내의 실리콘 융액의 보온성을 높임과 아울러, 도가니를 둘러싸는 히터로부터의 복사열을 분산시켜 도가니 내의 실리콘 융액을 가능한 한 균일하게 가열하기 위하여 마련되어 있다. 그 때문에, 기포층(12)은 도가니의 측벽부(10a)부터 바닥부(10b)까지의 도가니 전체에 마련되어 있다. 기포층(12)의 두께는 도가니 벽의 두께에서 투명층(11) 및 외면 반용융층(13)의 두께를 뺀 값이며, 도가니의 부위에 따라 다르다. 기포층(12)의 기포 함유율은, 예를 들면 도가니에서 잘라낸 불투명 석영 유리 조각의 비중 측정(아르키메데스법)에 의해 구할 수 있다. The
기포층(12)의 기포 함유율은 투명층(11)보다 높으며, 0.5∼5 vol%인 것이 바람직하고, 0.5∼4 vol%인 것이 더 바람직하다. 기포층(12)의 기포 함유율이 0.5 vol% 이하에서는 기포층(12)의 기능을 발휘할 수 없고, 보온성이 불충분해지기 때문이다. 또한, 기포층(12)의 기포 함유율이 5 vol%를 초과하는 경우에는 기포의 팽창에 의해 도가니가 크게 변형되어 단결정 수율이 저하할 우려가 있고, 나아가 전열성(傳熱性, 열 전달성)이 불충분해지기 때문이다. 특히, 기포층(12)의 기포 함유율이 0.5∼4 vol%이면, 도가니의 변형을 더 방지할 수 있고, 또한 전열성을 더 높일 수 있다. The bubble content rate of the
본 실시 형태에 있어서, 도가니의 바닥부(10b)의 기포층(12)은 알루미늄이 첨가되지 않은 실리카 유리로 이루어지는 내측 기포층(12a)의 단층 구조이다. 한편, 도가니의 측벽부(10a)의 기포층(12)은, 알루미늄이 첨가되지 않은 실리카 유리로 이루어지는 내측 기포층(12a)과, 내측 기포층(12a)의 외측에 마련되며, 알루미늄이 첨가된 실리카 유리로 이루어지는 Al 첨가 외측 기포층(12b)의 이층 구조를 가지고 있다. 도가니의 측벽부(10a)에 있어서의 외층이 알루미늄을 포함하는 경우에는 도가니의 측벽부(10a)의 외면(10o)의 결정화를 촉진시켜 도가니의 강도를 높일 수 있다. In this embodiment, the
Al 첨가 외측 기포층(12b)에 포함되는 알루미늄의 농도는 30 ppm 이상 95 ppm 이하인 것이 바람직하고, 50 ppm 이상 90 ppm 이하인 것이 특히 바람직하다. 알루미늄 농도가 30 ppm보다 낮은 경우에는 도가니의 외면이 얼룩진 형태(斑狀)로 결정화되어, 전체면을 균일하게 결정화시킬 수 없다. 또한 알루미늄 농도가 95 ppm보다 높은 경우에는 도가니의 외면을 결정화시켜 두꺼운 결정층을 형성할 수 있는데, 결정층이 과도하게 두꺼워져서 크랙이 발생하거나, 결정층이 두꺼워지기 전에 결정층과 유리층과의 계면에서 발포 박리가 발생하고, 도가니가 결정층에 의해 지지되지 않고, 변형을 일으킬 우려가 있다. 그러나, 알루미늄 농도가 상기 범위 내이면, 도가니의 외면 전체를 결정화시켜 적당한 두께의 결정층을 균일하게 형성할 수 있으므로, 발포 박리나 크랙의 발생을 방지하여 도가니의 강도를 높일 수 있다. 석영 유리에 포함되는 알루미늄의 농도는 이차 이온 질량 분석법에 의해 측정할 수 있다. The concentration of aluminum contained in the Al-added
Al 첨가 외측 기포층(12b)의 기포 함유율은 내측 기포층(12a)의 기포 함유율보다 높은 것이 바람직하다. 이에 따르면, 도가니의 강도와 함께 단열성을 높일 수 있고, 도가니의 내면의 고온화를 억제할 수 있다. Al 첨가 외측 기포층(12b)은 알루미늄 화합물이 첨가된 원료 실리카 가루를 사용하여 형성할 수 있는데, 그러한 원료 실리카 가루에 대하여 탈가스 처리 등을 실시하지 않는 경우에는 알루미늄의 농도와 함께 Al 첨가 외측 기포층(12b)의 기포 함유율을 높일 수 있다. It is preferable that the bubble content rate of the Al addition
도가니의 측벽부(10a)에 마련된 Al 첨가 외측 기포층(12b)의 하단부(12be)는 테이퍼 형상을 가지며, 하단부(12be)의 두께의 감소율은 0.5 mm/mm 이하인 것이 바람직하다. 여기서, Al 첨가 외측 기포층의 하단부의 두께의 감소율이란, 도가니의 바닥부 중심과 림 상단을 연결하는 도가니 외면을 따른 선 위에 있어서의 Al 첨가 외측 기포층의 테이퍼 형상의 두께의 변화량을 말한다. 이와 같이, Al 첨가 외측 기포층의 하단부(12be)의 두께의 감소율이 완만하면, Al 첨가 외측 기포층(12b)과 내측 기포층(12a)과의 경계부에 응력이 집중되어 크랙이 발생하는 것을 방지할 수 있다. The lower end 12b e of the Al-added
외면 반용융층(13)은 도가니의 원료인 실리카 가루가 불완전하게 용융된 상태에서 냉각됨으로써 형성된 층이다. 외면 반용융층(13)은 기복이 많은 표면 상태를 가지고 있기 때문에, 도가니의 외면측으로부터 입사된 광의 산란이나 반사가 커서, 미사용 상태의 도가니의 적외선 투과율에 일정한 영향을 주고 있다. The
외면 반용융층(13)은 도가니의 바닥부(10b)의 중심부터 측벽부(10a)의 림 상단까지의 도가니의 외면 전체에 마련되어 있다. 이 중 Al 첨가 외측 기포층(12b)에 접하는 외면 반용융층(13)의 일부는 Al 첨가 외측 기포층(12b)과 동일한 원료 실리카 가루로 형성된 Al 첨가 반용융층(13a)이다. 한편, Al 첨가 외측 기포층(12b)보다 하방에 있는 외면 반용융층(13)은 Al이 첨가되지 않은 통상의 원료 실리카 가루(Al 무첨가 실리카 가루)로 형성된 Al 무첨가 반용융층(13b)이다. The outer
도가니의 외면에 외면 반용융층(13)이 형성되어 있는지 여부는 도가니의 외면을 X선 회절법으로 측정하였을 때, 아모퍼스 특유의 회절상이 희미해진 할로 패턴(halo pattern)과 결정성을 나타내는 피크가 혼재되어 있는지 여부에 의해 판단할 수 있다. 예를 들면, 측정 대상이 결정층인 경우, 결정성을 나타내는 피크가 검출되는데, 회절상이 희미해진 할로 패턴은 검출되지 않는다. 반대로 측정 대상이 비결정층(아모퍼스층)인 경우, 회절상이 희미해진 할로 패턴이 검출되고, 결정성을 나타내는 피크는 검출되지 않는다. 도가니의 외면에 형성되어 있는 외면 반용융층(13)을 제거하면, 유리의 표면이 드러나기 때문에, X선 회절법으로 피크는 검출되지 않게 된다. 이와 같이, 반용융층은 X선 회절법으로 측정하였을 때 회절상이 희미해진 할로 패턴과 결정성을 나타내는 피크가 혼재하는 층이라고 할 수 있다. 또한, 결정층은 X선 회절법으로 피크가 검출되는 층이며, 비결정층은 회절상이 희미해진 할로 패턴이 검출되는 층이라고 할 수 있다. Whether the
외면 반용융층(13)은 미용융 또는 반용융의 실리카 가루의 소결체로 이루어지기 때문에, 외면 반용융층(13) 내에는 다수 개의 결정의 핵이 존재해 있다. 또한 실리카 가루가 다 녹아 있지 않으므로 Al 첨가 반용융층(13a)에 포함되는 알루미늄은 실리카 가루의 표면에 고농도로 존재해 있으며, 외면 반용융층(13)의 표면에 가까울수록 알루미늄의 편재의 경향이 강하다. 그 때문에, Al 첨가 반용융층(13a)이 형성되어 있는 경우에는, Al 첨가 외측 기포층(12b)의 알루미늄 농도가 다소 낮아도 도가니 외면의 결정화를 촉진시켜 도가니의 강도를 높일 수 있다. 특히, Al 첨가 반용융층(13a) 내의 다수 개의 결정을 핵으로 한 결정화는 도가니의 외표면으로부터 깊이 방향뿐만 아니라, 외표면을 따른 방향으로도 빠르게 진행되므로, 최초에는 얼룩진 형태로 실투화(失透化)되었다고 해도 최종적으로는 전체면이 실투화된다. Since the
Al 첨가 반용융층(13a)을 포함한 외면 반용융층(13)의 두께는 5∼500 μm인 것이 바람직하다. 외면 반용융층(13)의 두께가 5 μm보다 작은 경우, 결정 핵으로서의 효과가 약하므로, 초기의 결정화가 더디고, 도가니가 자립할 수 없다. 그 때문에, 결정층의 발포·박리로 이어진다. 한편, 외면 반용융층(13)의 두께가 500 μm보다 큰 경우, 과잉하게 두꺼운 외면 반용융층과 유리층의 열팽창률 차를 기인으로 한 외면 박리가 실리콘 단결정의 인상 공정 중에 발생하고, 도가니가 변형됨으로써 결정 인상 공정을 계속할 수 없을 우려가 있다. 외면 반용융층(13)의 두께는, 예를 들면 도가니 샘플의 단면으로부터 측정할 수 있다. The thickness of the
도가니 내의 실리콘 융액의 오염을 방지하기 위하여, 투명층(11)을 구성하는 석영 유리는 고순도인 것이 바람직하다. 그 때문에, 본 실시 형태에 따른 석영 유리 도가니(1)는 합성 실리카 가루로 형성되는 합성층(14a)과, Al이 첨가되지 않은 통상의 천연 실리카 가루로 형성되는 천연층(14b)과, Al이 첨가된 천연 실리카 가루로 형성되는 Al 첨가 천연층(14c)을 가지고 있다. 합성 실리카 가루는 4염화 규소(SiCl4)의 기상 산화(건조 합성법)나 실리콘 알콕사이드의 가수 분해(졸·겔법)에 의해 제조할 수 있다. 또한 천연 실리카 가루는 α-석영을 주 성분으로 하는 천연 광물을 분쇄하여 가루 형태로 함으로써 제조되는 실리카 가루이다. 나아가 Al이 첨가된 천연 실리카 가루란 Al이 첨가된 천연 실리카 가루이다. In order to prevent contamination of the silicon melt in the crucible, the quartz glass constituting the
Al 첨가 반용융층(13a)의 표층부의 알루미늄의 농도는 100 ppm 이상이고, 표층부보다 깊은 Al 첨가 반용융층(13a)의 심층부의 알루미늄 농도는 표층부의 알루미늄 농도보다 낮은 것이 바람직하다. 즉, Al 첨가 반용융층(13a)에 있어서 알루미늄은 표면 부근에 편재되어 있는 것이 바람직하다. Al 첨가 반용융층(13a)의 표층부의 알루미늄의 농도가 심층부보다 높은 경우에는 Al 첨가 반용융층(13a)에 의한 결정화 촉진 효과를 높일 수 있다. It is preferable that the aluminum concentration in the surface portion of the Al-added
도 3은 결정 인상 중인 석영 유리 도가니의 상태를 설명하기 위한 모식도이다. 3 is a schematic diagram for explaining the state of the quartz glass crucible during crystal pulling.
도 3에 나타낸 바와 같이, 석영 유리 도가니(1)는 카본 서셉터(20)에 수용된 상태에서 사용되며, 석영 유리 도가니(1)는 다량의 실리콘 융액(5)을 지지하고 있다. 그 때문에, 도가니의 내면은 실리콘 융액으로부터의 큰 액압(液壓)을 받고 있다. 실리콘의 융점 이상의 고온 하에 놓인 석영 유리 도가니(1)는 연화(軟化)되기 때문에, 도가니의 외면은 카본 서셉터(20)의 내면에 일치되어(융합(馴染)되어) 밀착된다.As shown in FIG. 3 , the
한편, 본 실시 형태에 따른 석영 유리 도가니(1)는 결정 인상의 초기부터 도가니의 외면(10o)의 결정화가 진행되고, 또한 그 결정화 속도가 빠르므로, 도가니의 외면(10o)의 전체면을 확실하게 결정화시켜 도가니의 강도를 높일 수 있다. 이에 따라, 도가니의 측벽부(10a)가 카본 서셉터(20)에 융합(馴染)되기 전에 강도를 확보하여 자립시킬 수 있다. 이리 하여 자립된 도가니의 측벽부(10a)와 카본 서셉터(20) 사이에 작은 틈(20g)을 형성할 수 있고, 도가니의 결정화에 수반되어 발생하는 석영 유리 중의 가스를 이 틈(20g)으로부터 빼낼 수 있고, 도가니의 외면(10o)의 결정층(19)의 발포 박리를 방지할 수 있다. On the other hand, in the
다만, 결정층의 발포 박리란, 석영 유리가 결정화되었을 때 석영 유리 중에 녹아들어가 있던 가스 성분이 배출되고, 결정층과 유리층의 계면에 가스가 고여들어감으로써 결정층과 유리층이 박리되는 현상이다. 결정층이 카본 서셉터(20)에 밀착되어 있는 경우에는, 결정층을 지나 외측으로 가스를 확산시킬 수 없지만, 도가니와 서셉터 사이에 틈(20g)이 있는 경우에는, 결정층을 지나 확산된 가스를 이 틈(20g)으로부터 빼낼 수 있다. 결정층이 두꺼운 경우에는, 가스의 발생에 대하여 결정층을 통한 가스의 확산이 따라잡지 못해 발포 박리로 이어진다. 그러나, 결정층이 얇은 경우에는, 결정층을 통한 가스의 배출이 가능하다. However, foaming and peeling of the crystal layer is a phenomenon in which the gas component dissolved in the quartz glass is discharged when the quartz glass is crystallized, and the crystal layer and the glass layer are peeled off by the gas pooling at the interface between the crystal layer and the glass layer. . When the crystal layer is in close contact with the
도 4∼도 6은 본 실시 형태에 따른 석영 유리 도가니의 제조 방법을 설명하기 위한 모식도이다. 4-6 are schematic diagrams for demonstrating the manufacturing method of the quartz glass crucible which concerns on this embodiment.
본 실시 형태에 따른 석영 유리 도가니(1)는, 소위 회전 몰드법에 의해 제조할 수 있다. 회전 몰드법에서는, 먼저 도 4에 나타낸 바와 같이, 회전하는 몰드(30)의 내면(30i)에, 알루미늄이 첨가된 Al 첨가 천연 실리카 가루(15), 알루미늄이 첨가되지 않은 통상의 천연 실리카 가루인 Al 무첨가 천연 실리카 가루(16), 합성 실리카 가루(17)를 순서대로 투입하여 이들 실리카 가루의 퇴적층(18)을 형성한다. 이들 원료 실리카 가루는 원심력에 의해 몰드(30)의 내면(30i)에 들러붙은 채 일정한 위치에 고여, 도가니의 형상으로 유지되고 있다. The
다음, 도 5에 나타낸 바와 같이, 몰드(30) 내에 아크 전극(31)을 설치하고, 몰드(30)의 내측으로부터 원료 실리카 가루의 퇴적층(18)을 아크 용융한다. 가열 시간, 가열 온도 등의 구체적 조건은 도가니의 원료나 사이즈 등의 조건을 고려하여 적당히 결정할 필요가 있다. 이 때, 몰드(30)의 내면(30i)에 마련된 다수 개의 통기공(32)으로부터 원료 실리카 가루의 퇴적층(18)을 진공화함으로써, 용융 석영 유리 중의 기포량을 제어한다. 구체적으로는, 아크 용융의 시작 시에 몰드(30)의 내면(30i)에 마련된 다수 개의 통기공(32)으로부터의 흡인력을 세게 하여 투명층(11)을 형성하고, 투명층(11)의 형성 후에 흡인력을 약하게 하여 기포층(12)을 형성한다. Next, as shown in FIG. 5 , the
아크 열은 원료 실리카 가루의 퇴적층(18)의 내측으로부터 외측을 향하여 서서히 전달되고 원료 실리카 가루를 융해(融解)해 가므로, 원료 실리카 가루가 융해되기 시작하는 타이밍에서 감압 조건을 바꿈으로써, 투명층(11)과 기포층(12)을 개별적으로 만들 수 있다. 실리카 가루가 융해되는 타이밍에서 감압력을 세게 하는 감압 용융을 수행하면, 아크 분위기 가스가 유리 중에 갇혀들어가지 않아, 기포를 포함하지 않는 석영 유리가 형성된다. 또한, 실리카 가루가 융해되는 타이밍에서 감압력을 약하게 하는 통상 용융(대기압 용융)을 수행하면, 아크 분위기 가스가 유리 중에 갇혀들어가, 많은 기포를 포함하는 석영 유리가 형성된다. Arc heat is gradually transferred from the inside to the outside of the
실리카 가루의 퇴적층(18)의 내측은 유리 용융 온도를 초과하는 온도에서 아크 가열되어 용융되는데, 몰드(30)의 내측은 유리 용융 온도를 초과하지 않기 때문에 미용융 가루가 남는다. 나아가, 유리 용융 온도의 경계 부근에는 실리카 가루가 미용융 또는 반용융의 상태에서 소결된 외면 반용융층(13)이 형성된다. 여기서, 도가니의 측벽부(10a)의 외면 반용융층(13)은 알루미늄이 첨가된 천연 실리카 가루(Al 첨가 실리카 가루)가 반용융 상태에서 소결된 Al 첨가 반용융층(13a)이 되고, 또한 도가니의 코너부(10c) 및 바닥부(10b)의 외면 반용융층(13)은 알루미늄이 첨가되지 않은 천연 실리카 가루(Al 무첨가 실리카 가루)가 반용융 상태에서 소결된 Al 무첨가 반용융층(13b)이 된다. 외면 반용융층(13)의 두께는 아크 용융 시의 온도 구배에 의해 조정하는 것이 가능하며, 온도 구배를 완만하게 한 경우에는 외면 반용융층(13)을 두껍게 할 수 있고, 온도 구배를 급하게 한 경우에는 외면 반용융층(13)을 얇게 할 수 있다. The inside of the deposited
그 후, 아크 가열을 종료하고, 도가니를 냉각한다. 이상에 의해, 도가니 벽의 내면 측으로부터 외면 측을 향하여 투명층(11), 내측 기포층(12a), Al 첨가 외측 기포층(12b), 외면 반용융층(13)이 차례로 마련된 석영 유리 도가니(1)가 완성된다. After that, arc heating is finished and the crucible is cooled. As described above, from the inner surface side to the outer surface side of the crucible wall, the
다음, 도 6에 나타낸 바와 같이, 몰드(30)에서 석영 유리 도가니(1)를 꺼낸 후, 석영 유리 도가니(1)의 외면을 고압 세정(호닝(Honing))하여 외면 반용융층(13)의 두께를 5 μm 이상 500 μm 이하로 조정한다. 이것은, 외면 반용융층(13)을 많이 제거하지 않고 가능한 한 남기는 것을 의미한다. Al 첨가 반용융층(13a)은 Al이 첨가된 미용융 또는 반용융의 원료 실리카 가루를 급냉함으로써 형성되기 때문에, Al 첨가 반용융층(13a)의 표면 가까이의 원료 실리카 가루일수록 그 원형을 유지하고 있고, 표면의 알루미늄의 농도가 높아지는 경향이 있다. 한편, Al 첨가 반용융층(13a)의 표면에 부착되는 여분의 원료 실리카 가루는 고압수로 세정하여 제거되며, 이 때의 세정의 정도에 따라 Al 첨가 반용융층(13a)의 표면의 알루미늄 농도는 변화된다. Next, as shown in FIG. 6 , after taking out the
종래, 도가니의 외면의 Al 첨가 반용융층은 충분히 제거되고, 알루미늄이 고농도인 Al 첨가 반용융층의 표층부는 거의 남아 있지 않았다. 도가니의 외면층에 부착된 알루미늄의 농도가 높은 실리카 가루가 도가니의 내측으로 돌아서 들어가면 실리콘의 유전위화뿐만 아니라 오염의 원인이 되므로, 현재까지는 Al 첨가 실리카 가루를 가능한 한 제거하는 것이 좋다고 여겨지고 있었다. 한편, 본 발명에서는, 도가니의 외면의 결정화를 우선하고, 실리콘의 오염이나 유전위화의 문제가 없는 범위에서 Al 첨가 반용융층을 가능한 한 남김으로써, 결정층의 발포 박리를 방지하면서 도가니의 외면을 결정화시켜 도가니의 강도를 높일 수 있다. Conventionally, the Al-added semi-molten layer on the outer surface of the crucible was sufficiently removed, and almost no surface layer of the Al-added semi-melted layer containing a high concentration of aluminum remained. Silica powder with a high concentration of aluminum adhering to the outer layer of the crucible turns inside the crucible and causes contamination as well as dielectric dislocation of silicon. On the other hand, in the present invention, the crystallization of the outer surface of the crucible is given priority, and the Al-added semi-molten layer is left as much as possible in the range where there is no problem of silicon contamination or dielectric dislocation, thereby preventing the foaming and peeling of the crystal layer while protecting the outer surface of the crucible. It is possible to increase the strength of the crucible by crystallization.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 석영 유리 도가니는, 알루미늄이 첨가된 실리카 유리로 이루어지는 Al 첨가 외측 기포층과, Al 첨가 외측 기포층의 외측에 마련되며, Al이 첨가된 실리카 가루가 반용융 상태에서 소결된 Al 첨가 반용융층을 가지며, Al 첨가 외측 기포층 및 Al 첨가 반용융층에 포함되는 알루미늄의 평균 농도가 30 ppm 이상 95 ppm 이하이므로, 도가니의 외면을 조기에 결정화시켜 두꺼운 결정층을 형성할 수 있을뿐만 아니라, 결정층의 발포 박리에 의한 도가니의 변형을 억제할 수 있다. 따라서, 도가니의 강도를 높일 수 있고, 단결정의 인상 공정 중에 잘 변형되지 않는 석영 유리 도가니를 제공할 수 있다. As described above, the quartz glass crucible according to the present embodiment is provided on the outside of the Al-added outer bubble layer and the Al-added outer bubble layer made of silica glass to which aluminum is added, and Al-added silica powder is semi-melted. It has an Al-added semi-melted layer sintered in its state, and the average concentration of aluminum contained in the Al-added outer bubble layer and the Al-added semi-melted layer is 30 ppm or more and 95 ppm or less, so the outer surface of the crucible is crystallized early to form a thick crystal layer can be formed, and the deformation of the crucible due to foaming and peeling of the crystal layer can be suppressed. Accordingly, it is possible to increase the strength of the crucible and provide a quartz glass crucible that is not easily deformed during the pulling process of single crystals.
이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대하여 설명하였으나, 본 발명은 상기한 실시 형태에 한정되지 않으며, 본 발명의 주요한 요지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하며, 그들도 본 발명의 범위 내에 포함되는 것임은 물론이다. As mentioned above, although preferred embodiments of the present invention have been described, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and various changes are possible without departing from the main gist of the present invention, and they are also included within the scope of the present invention. of course it is
예를 들면, 상기 실시 형태에 있어서는, 도가니의 측벽부(10a)에만 Al 첨가 외측 기포층 및 Al 첨가 반용융층을 마련하였으나, 도가니의 바닥부(10b) 및 코너부(10c)를 포함하는 전체에 Al 첨가 외측 기포층 및 Al 첨가 반용융층을 마련할 수도 있다. 단, 도가니의 바닥부(10b)에 Al 첨가 외측 기포층 및 Al 첨가 반용융층을 마련한 경우에는 크랙이 발생하여 탕 누설의 걱정이 있으므로, 도가니의 바닥부(10b)에는 Al 첨가 외측 기포층 및 Al 첨가 반용융층을 마련하지 않는 것이 바람직하다. For example, in the above embodiment, the Al-added outer bubble layer and the Al-added semi-molten layer were provided only on the
(실시 예)(Example)
<도가니 외층의 Al 농도에 대한 고찰><Consideration on the Al concentration in the outer layer of the crucible>
Al 첨가 외측 기포층 중의 Al 농도가 서로 다른 다양한 석영 유리 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. Al 첨가 외측 기포층의 Al 농도는, TOF-SIMS(Time-Of-Flight Secondary Mass Spectrometry: 비행 시간형 이차 이온 질량 분석법)에 의해 측정하였다. 덧붙여, Al 농도 및 외면 반용융층의 두께는 동일 조건 하에서 제조한 다른 샘플로부터 파괴 측정에 의해 구한 값이다. 그 후, 도가니의 자립 상태, 결정화 상태 및 발포 박리의 유무를 평가하였다. 그 결과를 표 1에 나타내었다. The pulling up of a silicon single crystal was performed using various quartz glass crucibles having different Al concentrations in the Al-added outer bubble layer. The Al concentration of the Al-added outer bubble layer was measured by TOF-SIMS (Time-Of-Flight Secondary Mass Spectrometry: time-of-flight secondary ion mass spectrometry). Incidentally, the Al concentration and the thickness of the outer semi-molten layer are values obtained by fracture measurement from other samples prepared under the same conditions. Thereafter, the self-supporting state of the crucible, the crystallization state, and the presence or absence of foam peeling were evaluated. The results are shown in Table 1.
(실시 예 1)(Example 1)
외면 반용융층을 가지며, Al 첨가 외측 기포층의 Al 농도가 30 ppm인 석영 유리 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 카본 서셉터 내의 도가니의 상태를 평가하였더니, 도가니의 측벽부는 카본 서셉터에 밀착되지 않고 자립 상태로 되어 있었다. 또한 도가니의 외면은 전체면이 결정화되어 있었으며, 결정층의 발포 박리는 발생되지 않았다. The pulling of the silicon single crystal was performed using a quartz glass crucible having an outer surface semi-melted layer and having an Al concentration of 30 ppm in the Al-added outer bubble layer. Thereafter, when the state of the crucible in the carbon susceptor was evaluated, the side wall portion of the crucible was not in close contact with the carbon susceptor and was in a self-supporting state. In addition, the entire outer surface of the crucible was crystallized, and foaming and peeling of the crystal layer did not occur.
(실시 예 2)(Example 2)
외면 반용융층을 가지며, Al 첨가 외측 기포층의 Al 농도가 70 ppm인 석영 유리 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 카본 서셉터 내의 도가니의 상태를 평가하였더니, 도가니의 측벽부는 카본 서셉터에 밀착되지 않고 자립 상태로 되어 있었다. 또한 도가니의 외면은 전체면이 결정화되어 있었으며, 결정층의 발포 박리는 발생되지 않았다.Silicon single crystal pulling was performed using a quartz glass crucible having an outer surface semi-melted layer and having an Al concentration of 70 ppm in the Al-added outer bubble layer. Thereafter, when the state of the crucible in the carbon susceptor was evaluated, the side wall portion of the crucible was not in close contact with the carbon susceptor and was in a self-supporting state. In addition, the entire outer surface of the crucible was crystallized, and foaming and peeling of the crystal layer did not occur.
(실시 예 3)(Example 3)
외면 반용융층을 가지며, Al 첨가 외측 기포층의 Al 농도가 95 ppm인 석영 유리 도가니를 준비하였다. 이 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 카본 서셉터 내의 도가니의 상태를 평가하였더니, 도가니의 측벽부는 카본 서셉터에 밀착되지 않고 자립 상태로 되어 있었다. 또한 도가니의 외면은 전체면이 결정화되어 있었으며, 결정층의 발포 박리는 발생되지 않았다.A quartz glass crucible having an outer surface semi-melted layer and an Al concentration of 95 ppm in the Al-added outer bubble layer was prepared. Pulling of a silicon single crystal was performed using this crucible. Thereafter, when the state of the crucible in the carbon susceptor was evaluated, the side wall portion of the crucible was not in close contact with the carbon susceptor and was in a self-supporting state. In addition, the entire outer surface of the crucible was crystallized, and foaming and peeling of the crystal layer did not occur.
(비교 예 1)(Comparative Example 1)
외면 반용융층을 가지며, Al 첨가 외측 기포층의 Al 농도가 25 ppm인 석영 유리 도가니를 준비하였다. 이 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 카본 서셉터 내의 도가니의 상태를 평가하였더니, 도가니의 외면은 얼룩진 형태로 결정화되어 있었다. 또한 도가니의 측벽부는 카본 서셉터에 밀착되지 않고 자립 상태로 되어 있었으나, 조금 내측으로 쓰러져 있었다. A quartz glass crucible having an outer surface semi-melted layer and having an Al concentration of 25 ppm in the Al-added outer bubble layer was prepared. Pulling of a silicon single crystal was performed using this crucible. Then, when the state of the crucible in the carbon susceptor was evaluated, the outer surface of the crucible was crystallized in a stained form. In addition, the side wall portion of the crucible was not in close contact with the carbon susceptor and was in a free-standing state, but it fell slightly inside.
(비교 예 2)(Comparative Example 2)
외면 반용융층을 가지며, Al 첨가 외측 기포층의 Al 농도가 120 ppm인 석영 유리 도가니를 준비하였다. 이 도가니를 이용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 카본 서셉터 내의 도가니의 상태를 평가하였더니, 도가니의 외면은 전면적으로 결정화되어 있었으나, 결정층은 발포 박리되어 있었고, 내면 측의 유리층으로부터 분리되어 있었다. 내면 측의 유리층은 변형되어 있었다. A quartz glass crucible having an outer surface semi-melted layer and having an Al concentration of 120 ppm in the Al-added outer bubble layer was prepared. Pulling of a silicon single crystal was performed using this crucible. Then, when the state of the crucible in the carbon susceptor was evaluated, the outer surface of the crucible was completely crystallized, but the crystal layer was foamed and peeled off and separated from the glass layer on the inner surface side. The glass layer on the inner surface side was deformed.
이상의 결과로부터, Al 첨가 외측 기포층의 Al 농도는 과도하게 낮으면 도가니 외면의 결정화가 불충분해지기 때문에 도가니의 강도가 부족하여 변형이 발생하기 쉬워지고, 또한 Al 농도가 과도하게 높으면 결정층의 발포 박리에 의해 도가니가 변형되는 것을 알 수 있었다. 그러나, 도가니 외층의 Al 농도가 32∼94 ppm이면, 도가니의 강도를 높여 변형을 억제할 수 있음을 알 수 있었다. From the above results, when the Al concentration in the Al-added outer cell layer is excessively low, crystallization of the outer surface of the crucible becomes insufficient, so the strength of the crucible is insufficient and deformation easily occurs. It was found that the crucible was deformed by peeling. However, it was found that when the Al concentration of the outer layer of the crucible was 32 to 94 ppm, the strength of the crucible could be increased to suppress deformation.
<외면 반용융층의 두께에 대한 검토><Review on the thickness of the outer semi-molten layer>
외면 반용융층의 두께가 서로 다른 다양한 석영 유리 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 도가니의 자립 상태, 결정화 상태 및 발포 박리의 유무를 평가하였다. 그 결과를 표 2에 나타내었다. Silicon single crystals were pulled using various quartz glass crucibles having different thicknesses of the outer semi-molten layers. Thereafter, the self-supporting state of the crucible, the crystallization state, and the presence or absence of foam peeling were evaluated. The results are shown in Table 2.
(실시 예 4)(Example 4)
Al 첨가 외측 기포층의 Al 농도가 70 ppm이고, 외면 반용융층의 두께가 5 μm인 석영 유리 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 카본 서셉터 내의 도가니의 상태를 평가하였더니, 도가니의 측벽부는 카본 서셉터에 밀착되지 않고 자립 상태로 되어 있었다. 또한 도가니의 외면은 전체면이 결정화되어 있었으며, 결정층의 발포 박리는 발생되지 않았다. Silicon single crystal pulling was performed using a quartz glass crucible in which the Al concentration of the Al-added outer bubble layer was 70 ppm and the outer semi-molten layer had a thickness of 5 μm. Thereafter, when the state of the crucible in the carbon susceptor was evaluated, the side wall portion of the crucible was not in close contact with the carbon susceptor and was in a self-supporting state. In addition, the entire outer surface of the crucible was crystallized, and foaming and peeling of the crystal layer did not occur.
(실시 예 5)(Example 5)
Al 첨가 외측 기포층의 Al 농도가 70 ppm이고, 외면 반용융층의 두께가 500 μm인 석영 유리 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 카본 서셉터 내의 도가니의 상태를 평가하였더니, 도가니의 측벽부는 카본 서셉터에 밀착되지 않고 자립 상태로 되어 있었다. 또한 도가니의 외면은 전체면이 결정화되어 있었으며, 결정층의 발포 박리는 발생되지 않았다. The pulling up of a silicon single crystal was performed using a quartz glass crucible in which the Al concentration of the Al-added outer bubble layer was 70 ppm and the outer semi-molten layer had a thickness of 500 μm. Thereafter, when the state of the crucible in the carbon susceptor was evaluated, the side wall portion of the crucible was not in close contact with the carbon susceptor and was in a self-supporting state. In addition, the entire outer surface of the crucible was crystallized, and foaming and peeling of the crystal layer did not occur.
(비교 예 3)(Comparative Example 3)
Al 첨가 외측 기포층의 Al 농도가 72 ppm이고, 외면 반용융층의 두께가 3 μm인 석영 유리 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 카본 서셉터 내의 도가니의 상태를 평가하였더니, 도가니의 측벽부는 카본 서셉터에 밀착되어 있었으며, 자립되어 있지 않았다. 또한 도가니의 외면은 얼룩진 형태로 결정화되어 있었으며, 결정층의 발포 박리가 발생되어 있었다. Silicon single crystal pulling was performed using a quartz glass crucible in which the Al concentration of the Al-added outer bubble layer was 72 ppm and the outer semi-molten layer had a thickness of 3 μm. After that, when the state of the crucible in the carbon susceptor was evaluated, the side wall of the crucible was in close contact with the carbon susceptor and did not stand on its own. In addition, the outer surface of the crucible was crystallized in a stained form, and foaming and peeling of the crystal layer occurred.
(비교 예 4)(Comparative Example 4)
Al 첨가 외측 기포층의 Al 농도가 73 ppm이고, 외면 반용융층의 두께가 620 μm인 석영 유리 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 카본 서셉터 내의 도가니의 상태를 평가하였더니, 과잉하게 두꺼운 외면 반용융층과 유리층의 열 팽창률 차를 기인으로 한 외면 박리가 대부분의 부분에서 일어났으며, 도가니가 변형되어 있었다. Silicon single crystal pulling was performed using a quartz glass crucible in which the Al concentration of the Al-added outer bubble layer was 73 ppm and the thickness of the outer semi-molten layer was 620 μm. Then, when the state of the crucible in the carbon susceptor was evaluated, the outer surface peeling due to the difference in thermal expansion coefficient between the excessively thick outer semi-molten layer and the glass layer occurred in most parts, and the crucible was deformed.
이상의 결과로부터, 외면 반용융층이 과도하게 얇으면 도가니의 외면의 결정화가 진행되지 않기 때문에 도가니가 카본 서셉터에 융합(馴染)되어 자립할 수 없고, 결정층의 발포 박리가 발생하는 것을 알 수 있었다. 또한, 외면 반용융층이 과도하게 두꺼우면, 외면 반용융층과 유리층의 열 팽창률 차를 기인으로 한 외면 박리가 대부분의 부분에서 일어나고, 도가니가 변형되는 것을 알 수 있었다. From the above results, it can be seen that if the outer semi-molten layer is excessively thin, crystallization of the outer surface of the crucible does not proceed, so the crucible is fused to the carbon susceptor and cannot stand on its own, and foaming and peeling of the crystal layer occurs. there was. In addition, when the outer semi-molten layer is excessively thick, it was found that the outer surface peeling due to the difference in thermal expansion coefficient between the outer semi-molten layer and the glass layer occurred in most parts, and the crucible was deformed.
<Al 첨가 외측 기포층의 하단 테이퍼 형상의 고찰><Consideration of bottom taper shape of Al-added outer bubble layer>
도가니의 측벽부에 형성된 Al 첨가 외측 기포층의 하단부의 테이퍼 형상의 변화율이 서로 다른 다양한 석영 유리 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 도가니의 상태를 평가하였다. 그 결과를 표 3에 나타내었다. The pulling of the silicon single crystal was performed using various quartz glass crucibles having different rates of change in the taper shape of the lower end of the Al-added outer bubble layer formed on the side wall of the crucible. Thereafter, the state of the crucible was evaluated. The results are shown in Table 3.
(실시 예 6)(Example 6)
Al 첨가 외측 기포층의 하단부의 테이퍼 형상의 변화율이 0.07 mm/mm인 석영 유리 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 도가니의 상태를 평가하였더니, 크랙은 발생되지 않았다. The pulling of the silicon single crystal was performed using a quartz glass crucible having a rate of change of the taper shape at the lower end of the Al-added outer bubble layer of 0.07 mm/mm. Thereafter, when the state of the crucible was evaluated, no cracks occurred.
(실시 예 7)(Example 7)
Al 첨가 외측 기포층의 하단부의 테이퍼 형상의 변화율이 0.1 mm/mm인 석영 유리 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 도가니의 상태를 평가하였더니, 크랙은 발생되지 않았다. The pulling of the silicon single crystal was performed using a quartz glass crucible having a change rate of 0.1 mm/mm in the taper shape of the lower end of the Al-added outer bubble layer. Thereafter, when the state of the crucible was evaluated, no cracks occurred.
(실시 예 8)(Example 8)
Al 첨가 외측 기포층의 하단부의 테이퍼 형상의 변화율이 0.5 mm/mm인 석영 유리 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 도가니의 상태를 평가하였더니, 크랙은 발생되지 않았다. The pulling of the silicon single crystal was performed using a quartz glass crucible having a rate of change of the taper shape of the lower end of the Al-added outer bubble layer of 0.5 mm/mm. Thereafter, when the state of the crucible was evaluated, no cracks occurred.
(비교 예 5)(Comparative Example 5)
Al 첨가 외측 기포층의 하단부의 테이퍼 형상의 변화율이 0.7 mm/mm인 석영 유리 도가니를 사용하여 실리콘 단결정의 인상을 수행하였다. 그 후, 도가니의 상태를 평가하였더니, 측벽부의 하단부 부근에 크랙이 발생되어 있었다. The pulling of the silicon single crystal was performed using a quartz glass crucible having a rate of change of the taper shape at the lower end of the Al-added outer bubble layer of 0.7 mm/mm. After that, when the state of the crucible was evaluated, cracks had been generated in the vicinity of the lower end of the side wall portion.
이상의 결과로부터, Al 첨가 외측 기포층의 하단부의 테이퍼 형상의 변화율이 큰 경우에는 Al 첨가층과 Al 무첨가층과의 경계부의 응력 집중에 의해 크랙이 발생되기 쉬워지는 것을 알 수 있었다. From the above results, it was found that, when the rate of change of the taper shape at the lower end of the Al-added outer cell layer is large, cracks are more likely to occur due to stress concentration at the boundary between the Al-added layer and the Al-free layer.
1 석영 유리 도가니
5 실리콘 융액
10a 측벽부
10b 바닥부
10c 코너부
10i 도가니 내면
10o 도가니 외면
11 투명층
12 기포층
12a 내측 기포층
12b Al 첨가 외측 기포층
12be Al 첨가 외측 기포층의 하단부
13 외면 반용융층
13a Al 첨가 반용융층
13b Al 무첨가 반용융층
14a 합성층
14b 천연층
14c Al 첨가 천연층
15 Al 첨가 천연 실리카 가루
16 Al 무첨가 천연 실리카 가루
17 합성 실리카 가루
18 실리카 가루 퇴적층
19 결정층
20 카본 서셉터
20g 틈
30 몰드
30i 몰드 내면
31 아크 전극
32 통기공1 Quartz Glass Crucible
5 silicone melt
10a side wall
10b bottom
10c corner
10i Crucible inside
10o Crucible exterior
11 transparent layer
12 bubble layer
12a inner bubble layer
12b Al-added outer bubble layer
12b e The lower part of the Al-added outer bubble layer
13 Outer surface semi-melted layer
13a Al-added semi-molten layer
13b Al-free semi-molten layer
14a composite layer
14b natural layer
14c Al-added natural layer
15 Al added natural silica powder
16 Al-free natural silica powder
17 Synthetic Silica Powder
18 Silica Powder Sedimentary Layer
19 crystal layer
20 carbon susceptor
20g break
30 mold
30i mold inner
31 arc electrode
32 vents
Claims (9)
상기 투명층의 외측에 마련되며, 다수 개의 기포를 포함하는 실리카 유리로 이루어지는 기포층과,
상기 기포층의 외측에 마련되며, 원료 실리카 가루가 반용융 상태에서 소결된 외면 반용융층을 구비하며,
상기 기포층은, 알루미늄이 첨가되지 않은 실리카 유리로 이루어지는 내측 기포층과, 상기 내측 기포층의 외측에 마련되며, 알루미늄이 첨가된 실리카 유리로 이루어지는 Al 첨가 외측 기포층을 포함하고,
상기 Al 첨가 외측 기포층에 접하는 상기 외면 반용융층의 적어도 일부는, 알루미늄이 첨가된 Al 첨가 반용융층이고,
상기 Al 첨가 반용융층에 포함되는 알루미늄의 평균 농도가 30 ppm 이상 95 ppm 이하이며,
상기 Al 첨가 반용융층의 표층부의 알루미늄의 농도는 100 ppm 이상이고,
상기 표층부보다 깊은 상기 Al 첨가 반용융층의 심층부의 알루미늄 농도는 상기 표층부의 알루미늄 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니. A transparent layer made of silica glass that does not contain air bubbles;
A bubble layer provided on the outside of the transparent layer and made of silica glass including a plurality of bubbles;
It is provided on the outside of the bubble layer, and includes an outer semi-melted layer in which raw silica powder is sintered in a semi-melted state,
The bubble layer includes an inner bubble layer made of silica glass to which aluminum is not added, and an Al-added outer bubble layer provided on the outside of the inner bubble layer and made of silica glass to which aluminum is added,
At least a part of the outer semi-molten layer in contact with the Al-added outer bubble layer is an Al-added semi-melted layer to which aluminum is added,
The average concentration of aluminum contained in the Al-added semi-molten layer is 30 ppm or more and 95 ppm or less,
The concentration of aluminum in the surface layer portion of the Al-added semi-molten layer is 100 ppm or more,
A quartz glass crucible for pulling up silicon single crystals, characterized in that the aluminum concentration of the deep part of the Al-added semi-molten layer deeper than the surface layer part is lower than the aluminum concentration of the surface layer part.
상기 Al 첨가 반용융층의 두께가 5 μm 이상 500 μm 이하인, 석영 유리 도가니. The method according to claim 1,
The thickness of the Al-added semi-molten layer is 5 μm or more and 500 μm or less, a quartz glass crucible.
원통 형상의 측벽부와, 만곡된 바닥부와, 상기 측벽부와 상기 바닥부 사이에 위치하며, 상기 바닥부보다 큰 곡률을 갖는 코너부를 가지며,
상기 Al 첨가 외측 기포층 및 상기 Al 첨가 반용융층은 적어도 상기 측벽부에 마련되어 있는, 석영 유리 도가니. The method according to claim 1 or 2,
It has a cylindrical side wall portion, a curved bottom portion, and a corner portion positioned between the side wall portion and the bottom portion, the corner portion having a greater curvature than the bottom portion,
The Al-added outer bubble layer and the Al-added semi-molten layer are provided at least on the side wall portion.
상기 측벽부에 있어서의 상기 기포층은, 상기 내측 기포층 및 상기 Al 첨가 외측 기포층의 이층 구조이며,
상기 바닥부에 있어서의 상기 기포층은, 상기 내측 기포층의 단층 구조인, 석영 유리 도가니. 4. The method according to claim 3,
The cell layer in the side wall portion has a two-layer structure of the inner cell layer and the Al-added outer cell layer,
The said bubble layer in the said bottom part is a single-layer structure of the said inner side bubble layer, The quartz glass crucible.
상기 Al 첨가 외측 기포층의 하단부가 테이퍼 형상을 가지며,
상기 하단부의 두께의 감소율은 0.5 mm/mm 이하인, 석영 유리 도가니. 5. The method according to claim 4,
The lower end of the Al-added outer bubble layer has a tapered shape,
The reduction rate of the thickness of the lower end is 0.5 mm / mm or less, a quartz glass crucible.
상기 측벽부에 있어서의 상기 Al 첨가 외측 기포층의 기포 함유율은 상기 내측 기포층의 기포 함유율보다 높은, 석영 유리 도가니.5. The method according to claim 4,
The bubble content rate of the said Al addition outer cell layer in the said side wall part is higher than the bubble content rate of the said inner cell layer, The quartz glass crucible.
상기 실리카 가루의 퇴적층을 상기 몰드의 내측으로부터 가열하여 용융함과 아울러, 상기 몰드의 상기 내측으로부터 상기 퇴적층의 감압력을 조정함으로써, 기포를 포함하지 않는 실리카 유리로 이루어지는 투명층과, 상기 투명층의 외측에 마련되며, 다수 개의 기포를 포함하는 실리카 유리로 이루어지는 기포층과, 상기 기포층의 외측에 마련되며, 원료 실리카 가루가 반용융 상태에서 소결된 외면 반용융층을 구비하는 석영 유리 도가니를 형성하는 공정과,
상기 몰드에서 꺼낸 상기 석영 유리 도가니의 상기 외면 반용융층의 두께를 5 μm 이상 500 μm 이하로 조정하는 공정을 구비하고,
상기 Al 첨가 실리카 가루에 포함되는 알루미늄의 평균 농도가 30 ppm 이상 95 ppm 이하이며,
상기 외면 반용융층의 표층부의 알루미늄의 농도는 100 ppm 이상이고,
상기 표층부보다 깊은 상기 외면 반용융층의 심층부의 알루미늄 농도는 상기 표층부의 알루미늄 농도보다 낮은 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니의 제조 방법. A step of filling the inner surface of the mold with Al-added silica powder and Al-free silica powder in order to form a deposited layer of silica powder;
A transparent layer made of bubble-free silica glass by heating and melting the deposited layer of silica powder from the inside of the mold and adjusting the pressure-reducing force of the deposited layer from the inside of the mold, and on the outside of the transparent layer A step of forming a quartz glass crucible comprising a bubble layer made of silica glass comprising a plurality of bubbles, and an outer semi-melted layer provided outside the bubble layer, in which raw silica powder is sintered in a semi-molten state class,
adjusting the thickness of the outer semi-molten layer of the quartz glass crucible taken out from the mold to be 5 µm or more and 500 µm or less,
The average concentration of aluminum contained in the Al-added silica powder is 30 ppm or more and 95 ppm or less,
The concentration of aluminum in the surface layer portion of the outer semi-molten layer is 100 ppm or more,
The aluminum concentration of the deep portion of the outer semi-melted layer deeper than the surface layer portion is lower than the aluminum concentration of the surface layer portion.
상기 실리카 가루의 퇴적층은, 상기 Al 첨가 천연 실리카 가루, Al 무첨가 천연 실리카 가루 및 합성 실리카 가루를 순서대로 퇴적시킨 것인, 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니의 제조 방법. 9. The method of claim 8,
The deposition layer of the silica powder, the Al-added natural silica powder, the Al-free natural silica powder and the synthetic silica powder is deposited in that order, a method of manufacturing a quartz glass crucible for pulling silicon single crystal.
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