KR20100048913A

KR20100048913A - 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니 및 그 제조 방법 그리고 실리콘 단결정의 제조 방법

Info

Publication number: KR20100048913A
Application number: KR1020090103438A
Authority: KR
Inventors: 마사노리 후쿠이; 사토시 구도; 마사키 모리카와
Original assignee: 쟈판 스파 쿼츠 가부시키가이샤
Priority date: 2008-10-31
Filing date: 2009-10-29
Publication date: 2010-05-11
Also published as: KR101165598B1; JP2010132534A; JP5072933B2; US8506708B2; US20100107965A1

Abstract

(과제) 실리콘 단결정 중에 SiO 가스의 기포가 취입되는 것에 의한 공동(cavity) 결함의 발생을 방지하는 것이 가능한 석영 유리 도가니를 제공한다.

(해결 수단) 석영 유리 도가니(10)는, 외층이 제1 천연 석영 유리층(11), 내층이 합성 석영 유리층(12)으로 이루어지는 이층 구조를 갖고, 또한 도가니의 저부(bottom part; 10B)의 내표면에는 제2 천연 석영 유리층(13)이 형성되어 있다. 그 때문에, 도가니의 직동부(linear body part; 10A) 및 만곡부(curved part; 10C)는 이층 구조이지만, 도가니의 저부(10B)는 삼층 구조로 되어 있다. 제2 천연 석영 유리층(13)은, 석영 유리 도가니(10)의 저부의 내표면에만 형성된 층으로, 그 Ca 농도는 0.5ppm 이하이다. 제2 천연 석영 유리층(13)의 내표면에 형성된 흠집은, 제2 천연 석영 유리층(13)의 융해와 함께 조기에 소멸되기 때문에, SiO 가스의 발생을 억제할 수 있다.

실리콘 단결정, 석영 유리 도가니, 천연 석영 유리층, 합성 석영 유리층

Description

실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니 및 그 제조 방법 그리고 실리콘 단결정의 제조 방법{SILICA GLASS CRUCIBLE FOR PULLING UP SILICON SINGLE CRYSTAL, METHOD FOR MANUFACTURING THEREOF AND METHOD FOR MANUFACTURING SILICON SINGLE CRYSTAL}

본 발명은, 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니 및 그 제조 방법에 관한 것으로, 특히, 석영 유리 도가니의 층 구조에 관한 것이다. 또한, 본 발명은, 이러한 석영 유리 도가니를 이용한 실리콘 단결정의 제조 방법에 관한 것이다.

실리콘 단결정의 제조에는 석영 유리 도가니가 사용된다. 초크랄스키법(CZ법)에서는, 폴리실리콘을 석영 유리 도가니에 넣어 가열 용융하고, 이 실리콘 융액에 종결정(seed crystal)을 침지하여, 도가니와 종결정을 상호 역방향으로 회전시키면서 종결정을 서서히 인상하여 단결정을 성장시킨다. 반도체 디바이스용의 고순도인 실리콘 단결정을 제조하기 위해서는, 석영 유리 도가니의 용출에 의해 실리콘 단결정이 오염되지 않는 것이 요구되고, 또한 석영 유리 도가니에는 충분한 내열 강도도 필요하다.

석영 유리 도가니의 원료로는 천연 석영과 합성 석영이 있고, 일반적으로 천 연 석영은 합성 석영보다도 순도는 낮지만 내열 강도가 우수하며, 합성 석영은 천연 석영보다도 내열 강도는 떨어지지만 순도가 높다. 그래서, 도가니의 외층을 천연 석영으로 형성하여 고온하에서의 도가니의 강도를 높이는 한편, 실리콘 융액에 접촉하는 도가니의 내층을 합성 석영으로 형성하여 불순물의 혼입을 방지하도록 한 이층 구조의 석영 유리 도가니가 일반적으로 사용되고 있다(특허문헌 1 참조). 또한, 실리콘 융액 중의 산소 용해량을 제어하기 위해, 도가니의 직동부(直胴部;linear body part)의 내표면을 합성 석영으로 구성하고, 외층을 구성하는 천연 석영을 도가니의 저부(bottom part)에서 노출시킨 석영 유리 도가니도 제안되고 있다(특허문헌 2 참조).

그런데, 최근의 실리콘 잉곳의 대형화에 의해, 도가니 내에 장전(裝塡)되는 실리콘의 중량이 커지고 있다. 그 때문에, 실리콘 융액 중에 포함되는 기포가 실리콘 융액 내로부터 빠지기 어렵게 되어 있어, 육성 중의 실리콘 단결정으로 이 기포가 취입되어, 결정 내에 공동(空洞;cavity) 결함(보이드 또는 에어포켓이라고도 불림)이 형성되는 문제가 눈에 띄게 되었다. 공동 결함의 원인으로서는, 석영 유리 도가니의 내표면에 부착된 아르곤(Ar) 가스나, 석영 유리 도가니와 실리콘 융액과의 반응에 의해 발생하는 일산화규소(SiO) 가스가 알려져 있다. 기포에 기인하는 공동 결함은 대개 구(球) 형상으로, 그 크기(직경)는 300∼500㎛가 대부분을 차지하지만, 150㎛ 이하의 작은 공동 결함이나 1mm 이상의 매우 큰 공동 결함이 형성되는 경우도 있다. 이와 같이, 기포에 기인하는 공동 결함은, COP(Crystal Originated Particle)와 같은 Grown-in 결함과는 분명히 다른 특징을 갖고 있다. 현재, 이러한 공동 결함의 유무를 비(非)파괴 검사할 수는 없어, 잉곳으로부터 웨이퍼를 잘라내야 비로소 검출 가능하며, 공동 결함은 웨이퍼의 표면 또는 내부에 관통 또는 비(非)관통의 구멍(핀홀)으로서 나타난다.

최근, 웨이퍼 중의 핀홀이 반도체 디바이스에 대하여 끼치는 영향은 매우 크다. 핀홀의 영향은, 그 크기, 개수, 발생 위치, 반도체 디바이스의 종류에 따라서도 다르지만, 핀홀은 COP와 비교하여 매우 큰 사이즈이기 때문에, 핀홀이 존재하는 공간에는 디바이스를 전혀 형성할 수 없다. 특히, 웨이퍼 중의 핀홀의 개수가 많은 경우에는 수율이 현저하게 저하되기 때문에, 웨이퍼 자체를 폐기하지 않을 수 없다. 따라서, 웨이퍼 중에 핀홀이 포함되는 확률을 한없이 제로에 가깝게 할 필요가 있다.

이 문제를 해결하기 위해, 예를 들면 특허문헌 3 및 4에서는, 폴리실리콘의 융해시의 로(爐)내압을 조정하는 방법이 제안되고 있다. 또한 특허문헌 5에서는, 도가니에 진동을 부여하여 도가니 내표면에 부착된 기포를 감소시키고 나서 실리콘 단결정의 육성을 개시하는 방법이 제안되고 있다.

[특허문헌 1] 일본공개특허공보 평1-261293호

[특허문헌 2] 일본공개특허공보 2002-284596호

[특허문헌 3] 일본공개특허공보 평5-9097호

[특허문헌 4] 일본공개특허공보 2000-169287호

[특허문헌 5] 일본공개특허공보 2007-210803호

그러나, 기포에 기인하는 공동 결함이 없는 고품질인 실리콘 단결정을 제조하기 위해서는, 상기한 바와 같은 도가니 내에서의 기포의 발생을 방지하기 위한 환경이나 기포를 제거하기 위한 공정만으로는 충분하지 않아, 도가니 그 자체가 기포를 발생하기 어려운 성질을 가질 것이 요구되어지고 있다.

본 발명은 상기 과제를 해결하는 것으로, 실리콘 단결정 중에 기포가 취입되는 것에 의한 공동 결함의 발생을 방지하는 것이 가능한 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니를 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 공동 결함이 없고 고품질인 실리콘 단결정을 제조하는 것이 가능한 석영 유리 도가니의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

또한, 본 발명은, 공동 결함이 없고 고품질인 실리콘 단결정의 제조 방법을 제공하는 것을 목적으로 한다.

본 발명자는, 상기 과제를 해결하고자 하는 예의 연구를 거듭한 결과, 석영 유리 도가니와 실리콘 융액과의 반응에 의한 SiO 가스의 발생에는 도가니 내표면의 미세한 흠집이 크게 관여하고 있는 것이 판명됐다. 도가니의 내표면에 미세한 흠집이 존재하면, 이 흠집을 핵으로 하여 SiO 가스가 발생하기 쉬워지고, 이러한 미세한 흠집이 도가니 내표면의 저부에 존재하면, 이 흠집을 핵으로 하여 발생한 SiO 가스가 실리콘 융액 내를 상승하여, 인상 중의 실리콘 단결정에 취입되어 버린다. 즉, 도가니 저부의 내표면에 존재하는 미세한 흠집은, 실리콘 단결정 내에 공동 결 함을 발생시키는 큰 원인인 것이 분명해졌다.

본 발명은 이러한 기술적 발견에 기초하여 이루어진 것으로서, 본 발명에 의한 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니는, 직동부 및 저부를 갖는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니로서, 상기 저부의 내표면의 적어도 일부를 구성하는 천연 석영 유리층과, 적어도 상기 직동부의 내표면을 구성하는 합성 석영 유리층을 구비하고, 상기 천연 석영 유리층에 포함되는 Ca의 농도가 0.5ppm 이하인 것을 특징으로 한다.

도가니 저부의 내표면에 형성된 천연 석영 유리층은, 합성 석영 유리층에 비하여 실리콘 융액으로의 용해 속도가 빠르다. 이 때문에, 도가니의 저면에 미세한 흠집이 존재하고 있는 경우라도, 폴리실리콘의 용융 공정에서 단결정의 인상 개시까지의 단시간에 이 흠집을 소멸시킬 수 있다. 따라서, 실제로 인상 공정이 개시될 즈음에는, 도가니의 저면을 미세한 흠집이 없는 상태로 하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 미세한 흠집을 핵으로 하여 발생한 SiO 가스가 실리콘 융액 내를 상승하여, 실리콘 단결정에 취입된다는 문제를 해결하는 것이 가능해진다. 또한, 천연 석영 유리층의 Ca 농도가 0.5ppm 이하인 점에서, 실투점(失透点)의 증가를 방지할 수 있어, 양호한 단결정 수율을 얻을 수 있다.

본 발명에 의한 석영 유리 도가니는, 상기 직동부 및 상기 저부에 있어 외층을 구성하는 제1 천연 석영 유리층과, 상기 직동부 및 상기 저부에 있어 내층을 구성하고, 적어도 상기 직동부에 있어 노출되는 합성 석영 유리층과, 상기 합성 석영 유리층의 내표면 중, 상기 저부의 중심을 포함하는 영역을 덮는 제2 천연 석영 유 리층을 포함하고, 상기 제2 천연 석영 유리층에 포함되는 상기 Ca의 농도가 0.5ppm 이하이며, 상기 제2 천연 석영 유리층의 두께가 30㎛ 이상 200㎛ 이하인 것이 바람직하다.

도가니 저부의 내표면에 형성된 제2 천연 석영 유리층은, 합성 석영 유리층에 비하여 실리콘 융액으로의 용해 속도가 빠르다. 이 때문에, 도가니의 저면에 미세한 흠집이 존재하고 있는 경우라도, 폴리실리콘의 용융 공정에서 단결정의 인상 개시까지의 단시간에 이 흠집을 소멸시킬 수 있다. 따라서, 실제로 인상 공정이 개시될 즈음에는, 도가니의 저면을 미세한 흠집이 없는 상태로 하는 것이 가능해진다. 이 때문에, 미세한 흠집을 핵으로 하여 발생한 SiO 가스가 실리콘 융액 내를 상승하여, 실리콘 단결정에 취입된다는 문제를 해결하는 것이 가능해진다.

또한, 본 발명에 의한 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니는, 제2 천연 석영 유리층의 Ca 농도가 0.5ppm 이하인 점에서, 실투점의 증가를 방지할 수 있어, 양호한 단결정 수율을 얻을 수 있다. 게다가, 제2 천연 석영 유리층의 두께가 30㎛ 이상인 점에서, 도가니의 저면에 존재하는 미세한 흠집을 효과적으로 소멸시킬 수 있고, 또한 제2 천연 석영 유리층의 두께가 200㎛ 이하인 점에서, 천연 석영 유리층의 과도한 용융에 의한 단결정 수율의 저하를 방지하는 것도 가능해진다.

본 발명에 있어서, 제2 천연 석영 유리층은, 저면 중 적어도 실리콘 단결정의 투영면에 대응하는 전(全) 영역을 덮고 있는 것이 바람직하다. 실리콘 단결정의 투영면에 대응하는 영역에서 SiO 가스가 발생하면, 매우 높은 확률로 실리콘 단결정에 취입되어 버리지만, 제2 천연 석영 유리층이 실리콘 단결정의 투영면 전체 를 덮고 있는 경우에는, 그러한 문제를 해결할 수 있다.

본 발명에 있어서, 제2 천연 석영 유리층의 Ca 농도는 0.4ppm 이하인 것이 특히 바람직하다. 또한, 제2 천연 석영 유리층의 두께는 30㎛ 이상 100㎛ 이하인 것이 특히 바람직하다. 이들 조건에 의하면, 보다 높은 단결정 수율을 얻는 것이 가능해진다.

본 발명에 의한 석영 유리 도가니는, 상기 직동부 및 상기 저부에 있어 외층을 구성하는 천연 석영 유리층과, 상기 직동부에 있어 내층을 구성하는 합성 석영 유리층을 포함하고, 상기 천연 석영 유리층의 내표면이 상기 저부의 중심을 포함하는 영역에 있어 노출되어 있고, 상기 천연 석영 유리층에 포함되는 상기 Ca의 농도가 0.5ppm 이하이며, 상기 천연 석영 유리층에 포함되는 Al의 농도가 20ppm 이하인 것도 또한 바람직하다.

도가니 저부의 내표면을 구성하는 천연 석영 유리층은, 합성 석영 유리층에 비하여 실리콘 융액으로의 용해 속도가 빠르다. 이 때문에, 도가니의 저면에 미세한 흠집이 존재하고 있는 경우라도, 폴리실리콘의 용융 공정에서 단결정의 인상 개시까지의 단시간에 이 흠집을 소멸시킬 수 있다. 따라서, 실제로 인상 공정이 개시될 즈음에는, 도가니의 저면을 미세한 흠집이 없는 상태로 할 수 있다. 이 때문에, 미세한 흠집을 핵으로 하여 발생한 SiO 가스가 실리콘 융액 내를 상승하여, 실리콘 단결정에 취입된다는 문제를 해결하는 것이 가능해진다. 또한, 본 발명에 의한 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니는, 천연 석영 유리층의 Ca 농도가 0.5ppm 이하, Al 농도가 20ppm 이하인 점에서, 실투점의 증가를 방지할 수 있어, 양호한 단결정 수율을 얻을 수 있다.

본 발명에 있어서, 천연 석영 유리층의 노출 영역은, 실리콘 단결정의 투영면을 포함하는 것이 바람직하다. 실리콘 단결정의 투영면을 포함하는 영역에서 SiO 가스의 기포가 발생하면, 매우 높은 확률로 실리콘 단결정에 취입되어 버리지만, 실리콘 단결정의 투영면을 포함하는 영역이 천연 석영 유리층으로 구성되어 있으면, 기포의 발생을 확실히 방지할 수 있기 때문이다. 특히, 천연 석영 유리층의 노출 영역의 직경은, 도가니 구경(R₀)에 대하여 0.3R₀ 이상 0.6R₀ 이하인 것이 바람직하다. 천연 석영 유리층의 노출 영역이 도가니 구경에 대하여 상기 조건을 충족하고 있으면, 내열 강도 부족이나 불순물의 과도한 용출에 의해 단결정 수율을 저하시키는 일 없이, 기포의 발생을 확실히 방지할 수 있다.

본 발명에 있어서, 천연 석영 유리층에 포함되는 Ca의 농도는 0.4ppm 이하인 것이 바람직하다. 또한, 천연 석영 유리층에 포함되는 Al의 농도는 10ppm 이하인 것이 바람직하다. 이들에 의하면, 실투점의 증가를 확실히 방지할 수 있어, 더욱 양호한 단결정 수율을 얻을 수 있다.

또한, 본 발명에 의한 석영 유리 도가니의 제조 방법은, 회전하고 있는 몰드의 내표면의 대략 전면(全面)에 제1 천연 석영분(粉)을 퇴적시키는 공정과, 상기 제1 천연 석영분에 의한 층의 내표면의 대략 전면에 합성 석영분을 퇴적시키는 공정과, 상기 합성 석영분에 의한 층의 내표면 중 저부의 적어도 일부에 제2 천연 석영분을 선택적으로 퇴적시키는 공정과, 상기 제1 천연 석영분, 상기 합성 석영분 및 상기 제2 천연 석영분을 용융함으로써, 상기 몰드의 내표면 전체에 형성된 제1 천연 석영 유리층과, 상기 제1 천연 석영 유리층의 내표면 전체에 형성된 합성 석영 유리층과, 상기 합성 석영 유리층의 내표면 중 상기 저부의 중심을 포함하는 영역에 형성된 제2 천연 석영 유리층을 갖는 석영 유리 도가니를 성형하는 공정을 구비하며, 상기 제2 천연 석영분에 포함되는 Ca의 농도가 0.5ppm 이하인 것을 특징으로 한다.

또한, 본 발명에 의한 석영 유리 도가니의 제조 방법은, 직동부 및 저부에 있어서 외층을 구성하는 제1 천연 석영 유리층과, 상기 직동부 및 상기 저부에 있어서 내층을 구성하는 합성 석영 유리층을 갖는 석영 유리 도가니의 기본 구조체를 제작하는 공정과, 상기 석영 유리 도가니의 기본 구조체의 저부 내표면의 적어도 일부에 제2 천연 석영 유리층을 용사법(溶射法)에 의해 형성하는 공정을 구비하며, 상기 천연 석영 유리층의 원료가 되는 천연 석영분의 Ca 농도가 0.5ppm 이하인 것을 특징으로 한다.

그리고 또한, 본 발명에 의한 석영 유리 도가니의 제조 방법은, 회전하고 있는 몰드의 내표면에 천연 석영분을 퇴적시키는 공정과, 상기 천연 석영분에 의한 층의 내표면에 합성 석영분을 퇴적시키는 공정과, 상기 천연 석영분 및 상기 합성 석영분을 용융함으로써, 상기 몰드의 내표면 전체에 형성된 천연 석영 유리층과, 상기 천연 석영 유리층의 내표면 중 저부의 중심을 포함하는 영역을 제외한 영역에 형성된 합성 석영 유리층을 갖는 석영 유리 도가니를 성형하는 공정을 구비하며, 상기 천연 석영분에 포함되는 Ca의 농도가 0.5ppm 이하이며, 상기 천연 석영분에 포함되는 Al의 농도가 20ppm 이하인 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법은, 직동부 및 저부를 갖고, 상기 저부의 내표면의 적어도 일부가 천연 석영 유리에 의해 구성되고, 적어도 상기 직동부의 내표면이 합성 석영 유리에 의해 구성되고, 상기 천연 석영 유리에 포함되는 Ca의 농도가 0.5ppm 이하인 석영 유리 도가니를 준비하여, 상기 석영 유리 도가니 내에 폴리실리콘을 충전하는 공정과, 상기 석영 유리 도가니 내의 상기 폴리실리콘을 융해시키는 공정과, 상기 석영 유리 도가니 내의 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정을 인상하는 공정을 구비하며, 상기 실리콘 단결정을 인상하는 공정은, 상기 도가니의 저부의 내표면의 적어도 일부에 노출되는 상기 천연 석영 유리를 30㎛ 이상 용해한 후, 상기 실리콘 단결정의 몸통부의 인상을 개시하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명에 의하면, 실리콘 단결정 중에 기포가 취입되는 것에 의한 공동 결함의 발생을 방지하는 것이 가능한 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니를 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 공동 결함이 없고 고품질인 실리콘 단결정을 제조하는 것이 가능한 석영 유리 도가니의 제조 방법을 제공할 수 있다.

또한, 본 발명에 의하면, 공동 결함이 없고 고품질인 실리콘 단결정의 제조 방법을 제공할 수 있다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니(10)의 구조를 나타내는 대략적인 단면도이다.

도 1에 나타내는 바와 같이, 석영 유리 도가니(10)는, 도가니의 외층을 구성하는 제1 천연 석영 유리층(11)과, 도가니의 내층을 구성하는 합성 석영 유리층(12)으로 이루어지는 이층 구조를 갖고 있다. 또한, 도가니의 저부(10B)의 내표면에는 제2 천연 석영 유리층(13)이 형성되어 있다. 그 때문에, 도가니의 직동부(10A) 및 만곡부(curved part;10C)는 이층 구조이지만, 도가니의 저부(10B)는 삼층 구조로 되어 있다.

제1 천연 석영 유리층(11)은, 천연 석영분을 원료로 하는 비(非)정질 실리카 유리층으로, 석영 유리 도가니(10)의 직동부(10A)로부터 저부(10B)에 걸치는 전체에 형성되어 있다. 일반적으로 천연 석영은 합성 석영에 비하여 금속 불순물의 농도가 높고, OH기의 농도가 낮다는 특성을 갖고 있다. 예를 들면, 천연 석영에 포함되는 Al의 농도는 1ppm 이상, 알칼리 금속(Na, K 및 Li)의 농도는 각각 0.05ppm 이상, OH기의 농도는 50ppm 미만이다. 또한, 천연 석영은 X선 회절 측정 등에 있어서도 합성 석영과 다른 특성이 보여진다. 또한, 천연 석영 유리층인지 아닌지는, 하나의 요소에 기초하여 판단되어야 하는 것은 아니고, 복수의 요소에 기초하여 종합적으로 판단되어야 하는 것이다. 제1 천연 석영 유리층(11)은, 합성 석영 유리층(12)에 비하여 고온에 있어서의 점성이 높은 점에서, 도가니 전체의 내열 강도를 높일 수 있다. 또한, 천연 석영은 합성 석영에 비하여 저렴하여, 비용면에서도 유리하다.

합성 석영 유리층(12)은, 합성 석영분을 원료로 하는 비정질 실리카 유리층으로, 제1 천연 석영 유리층(11)과 동일하게, 석영 유리 도가니(10)의 직동부(10A)로부터 저부(10B)에 걸치는 전체에 형성되어 있다. 합성 석영으로서는, 예를 들면 규소알콕시드의 가수분해에 의해 합성된 고순도의 합성 실리카 유리를 들 수 있다. 일반적으로 합성 석영은 천연 석영에 비하여 금속 불순물의 농도가 낮고, OH기의 농도가 높다는 특성을 갖고 있다. 예를 들면, 합성 석영에 포함되는 각 금속 불순물의 농도는 0.05ppm 미만이며, OH기의 농도는 50ppm 이상이다. 또한, 합성 석영 유리층인지 아닌지는, 하나의 요소에 기초하여 판단되어야 하는 것이 아니고, 복수의 요소에 기초하여 종합적으로 판단되어야 하는 것이다. 이와 같이, 합성 석영 유리층(12)은, 제1 천연 석영 유리층(11)과 비교하여 불순물이 적은 점에서, 도가니로부터 실리콘 융액 중으로 용출하는 불순물의 증가를 방지할 수 있어, 실리콘 단결정 수율을 높일 수 있다.

제2 천연 석영 유리층(13)도 또한, 천연 석영분을 원료로 하는 비정질 실리카 유리층으로, 석영 유리 도가니(10)의 저부(10B)의 내표면에 선택적으로 형성된 층이다. 제2 천연 석영 유리층(13)은, 석영 유리 도가니(10)의 직동부(10A) 및 만곡부(10C)에는 형성되어 있지 않고, 따라서, 석영 유리 도가니(10)의 내표면 중, 직동부(10A) 및 만곡부(10C)에 있어서는 합성 석영 유리층(12)이 노출되어 있다. 제2 천연 석영 유리층(13)은, 도가니 저부(10B)의 내표면에 형성된 미세한 흠집을 폴리실리콘의 용융 공정에서 종결정의 인상 개시까지의 기간에 소멸시키는 역할을 한다.

석영 유리 도가니(10)의 내표면 부근은, 실질적으로 기포를 포함하지 않는 투명층으로 이루어지는 것이 바람직하고, 투명층보다도 외측은, 다수의 미소한 기포를 포함하는 불투명층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 도가니의 내표면을 투명층으로 한 경우에는, 도가니의 내표면에서 박리되는 석영편의 증가를 방지할 수 있어, 실리콘 단결정 수율을 높일 수 있다. 또한, 도가니의 외측을 불투명층으로 한 경우에는, 도가니의 열용량을 높일 수 있어, 실리콘 융액의 온도 제어가 용이해진다.

「실질적으로 기포를 포함하지 않음」이란, 기포 함유율이 0.1% 이하이고, 기포의 평균 직경이 100㎛ 이하인 것을 말한다. 여기에서, 기포 함유율은, 단위 면적(W₁)에 대한 기포 점유 면적(W₂)의 비(W₂/W₁)로서 정의된다. 투명층의 두께는, 1.0mm 이상인 것이 바람직하다. 실리콘 단결정의 인상에서는 도가니 내표면이 0.3∼1.0mm 정도 용손(溶損)되지만, 투명층이 1.0mm보다도 얇은 경우에는, 실리콘 단결정의 인상 중에 전부 용손되어 불투명층이 노출될 우려가 있기 때문이다. 불투명층의 기포 함유율은 0.7∼2%인 것이 바람직하고, 기포의 평균 직경은 100㎛ 정도인 것이 바람직하다.

제2 천연 석영 유리층(13)은, 실리콘 단결정의 인상 중에 전부 용손되는 것 인 점에서, 전체가 투명층으로서 구성되어 있을 것이 필요하다. 또한, 합성 석영 유리층(12)은, 전체가 투명층으로서 구성되어 있는 것이 바람직하지만, 내측을 투명층으로 하고 외측을 불투명층으로 하는 이층 구조로서 구성되어 있어도 좋다. 합성 석영 유리층(12)의 전체가 투명층으로서 구성되어 있을 경우, 제1 천연 석영 유리층(11)은, 전체가 불투명층으로서 구성되어 있는 것이 바람직하지만, 내측을 투명층으로 하고 외측을 불투명층으로 하는 이층 구조로 구성되어 있어도 좋다. 또한, 합성 석영 유리층(12)이 상기 이층 구조로서 구성되어 있을 경우, 제1 천연 석영 유리층(11)은, 전체가 불투명층으로서 구성되게 된다. 이와 같이, 제1 천연 석영 유리층(11)과 합성 석영 유리층(12)의 경계와, 투명층과 불투명층의 경계는 반드시 일치하는 것은 아니다. 또한, 투명층의 두께는 도가니의 부위에 따라서도 다르다.

도가니의 직동부(10A)는, 도가니의 중심축(Z축)과 평행한 원통 형상의 부분으로서, 도가니의 개구로부터 대략 바로 아래에 연재(extend)되어 있다. 단, 직동부(10A)는 Z축에 대하여 완전히 평행일 필요는 없어, 개구를 향하여 서서히 넓어지도록 경사져 있어도 좋다. 또한, 직동부(10A)는 직선적이어도 좋고, 완만하게 만곡하고 있어도 좋다.

도가니의 저부(10B)는, 도가니의 Z축과의 교점(Ｏ)을 포함하는 대략 원반 형상의 부분으로, 저부(10B)와 직동부(10A)와의 사이에는 만곡부(10C)가 형성되어 있다. 도가니 저부(10B)의 형상은 소위 둥근바닥(丸底) 이라도 좋고, 편평한 바닥(平底)이라도 좋다. 또한, 만곡부(10C)의 곡률이나 각도도 임의로 설정할 수 있 다. 도가니 저부(10B)가 둥근바닥인 경우에는, 저부(10B)도 적당한 곡률을 갖기 때문에, 저부(10B)와 만곡부(10C)와의 곡률차는 편평한 바닥에 비하여 매우 작다. 도가니 저부(10B)가 편평한 바닥인 경우에는, 저부(10B)가 평탄 혹은 매우 완만한 만곡면을 이루고, 만곡부(10C)의 곡률은 매우 크다. 또한, 저부(10B)는, Z축과 직교하는 XY 평면에 대한 도가니 벽면의 접선 경사각이 30도 이하가 되는 영역으로서 정의된다.

도가니 내표면에는 깊이가 50∼100㎛ 정도의 미세한 흠집이 존재하고 있다. 이 미세한 흠집은, 도가니 제조시에 발생하는 것 외에, 도가니 내에 폴리실리콘을 장전했을 때나 폴리실리콘의 융해를 개시했을 때에 폴리실리콘과 도가니 내표면과의 접촉에 의해 발생하는 것이라고 생각된다. 이러한 흠집이 있으면, 흠집을 핵으로 하여 SiO 가스가 발생하고, SiO 가스가 실리콘 융액 내를 부상(浮上)하여 실리콘 단결정 내로 취입되어, 공동 결함이 된다.

그러나, 도가니의 저부(10B)의 내표면이 제2 천연 석영 유리층(13)으로 구성되어 있을 경우에는, 천연 석영 유리층(11)의 용해와 함께 흠집을 조기에 소멸시킬 수 있다. 천연 석영의 용해 속도는 합성 석영보다도 커서, 예를 들면, 실리콘 융액의 온도가 1500℃일 때, 합성 석영의 용해 속도는 3∼6㎛/hr, 천연 석영의 용해 속도는 8∼12㎛/hr이다. 천연 석영의 용해 속도가 합성 석영에 비교하여 큰 이유는 명확하지는 않지만, 석영 유리 중의 불순물에 의한 것이라고 추측된다. 이와 같이, 천연 석영은 합성 석영과 비교하여 실리콘 융액으로의 용해 속도가 빠른 점에서, 제2 천연 석영 유리층(13)의 표면에 존재하는 미세한 흠집은, 실제로 실리콘 단결정의 인상을 행하기까지의 사이의 용해에 의해 소멸 또는 대폭으로 감소한다. 따라서, 흠집을 기점으로 하는 SiO 가스의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.

한편, 석영 유리 도가니(10)의 직동부(10A) 및 만곡부(10C)의 내표면은 합성 석영 유리층(12)으로 구성되어 있다. 그 때문에, 직동부(10A)나 만곡부(10C)의 내표면에 형성된 흠집은 조기에 소멸되지 않고, 실리콘 단결정의 인상 중에 있어서도 계속 존재하지만, 이 흠집으로부터 발생하는 SiO 가스의 기포가 실리콘 단결정 내로 취입될 가능성은 매우 낮다. 이는, 실리콘 융액 중에 있어서의 SiO 가스의 상승 속도가 30∼60㎝/sec인 것에 대해, 실리콘 융액의 대류(對流) 속도가 수 mm/sec 밖에 안 되고, 발생한 SiO 가스의 기포는 대류에 의해 흘러가는 일 없이 실리콘 융액 내를 거의 수직으로 상승하기 때문이다.

따라서, 직동부(10A) 및 만곡부(10C)에 있어서의 미세한 흠집은, 공동 결함의 원인으로는 되지 않는다. 오히려, 도가니의 내표면 전체를 제2 천연 석영 유리층(13)으로 구성한 경우에는, 실리콘 융액 중으로 용출하는 불순물이 증가하여, 실리콘 단결정 수율을 저하시키는 원인이 된다. 이러한 관점에서, 본 실시 형태에 있어서는, 저부(10B)의 내표면에만 제2 천연 석영 유리층(13)을 형성하고, 직동부(10A) 및 만곡부(10C)에 있어서는 합성 석영 유리층(12)을 노출시키고 있다. 단, 본 발명에 있어서, 만곡부(10C)의 합성 석영 유리층(12)을 노출시키는 것은 필수가 아니고, 적어도 직동부(10A)의 합성 석영 유리층(12)을 노출시키면 충분하다.

제2 천연 석영 유리층(13)의 칼슘(Ca) 농도는 0.5ppm 이하인 것이 필요하다. 천연 석영에는 불순물로서의 Ca가 주로 산화칼슘(CaO)의 형태로 포함되어 있지만, 원소 레벨에서의 Ca 농도가 0.5ppm을 초과하면 국소적인 결정 생성에 의한 실투점이 급격하게 증가하여, 그 결과로서 단결정 수율의 저하를 초래하기 때문이다. 또한, 실리콘 융액으로의 불순물의 혼입을 최소한으로 억제할 필요도 있다. 제2 천연 석영 유리층(13)의 Ca 농도는, 0.4ppm 이하인 것이 바람직하다. Ca 농도가 0.4ppm 이하이면, 보다 높은 단결정 수율을 얻는 것이 가능해진다.

제1 천연 석영 유리층(11)은 도가니의 내표면을 구성하지 않기 때문에, Ca 농도는 특별히 한정되지 않는다. 따라서, 제1 천연 석영 유리층(11)은 0.5ppm 이하라도 좋고, 0.5ppm을 초과해도 좋다.

도가니의 살두께는 8∼30mm 정도인 것이 바람직하고, 그 중 제1 천연 석영 유리층(11)의 두께는, 도가니의 기계적 강도를 확보할 수 있는 한에 있어서 특별히 한정되지 않아, 7∼29mm 정도인 것이 바람직하다. 제1 천연 석영 유리층(11)의 두께는 균일해도 좋고, 직동부(10A)와 저부(10B)의 두께가 달라도 좋다.

한편, 합성 석영 유리층(12)의 두께는 1.0mm 이상일 것이 필요하다. 상기한 바와 같이, 실리콘 단결정의 인상에서는 도가니 내표면이 0.3∼1.0mm 정도 용손되지만, 합성 석영 유리층(12)이 1.0mm보다도 얇은 경우에는, 실리콘 단결정의 인상 중에 합성 석영 유리층(12)이 전부 용손되어 천연 석영 유리층(11)이 노출될 우려가 있기 때문이다.

제2 천연 석영 유리층(13)의 두께(t₁)는, 중심축(Z)이 도가니 저부(10B)를 통과하는 위치에 있어서의 두께로서 정의된다. 당해 위치에 있어서의 두께는, 제2 천연 석영 유리층(13)의 최대 두께이다. 제2 천연 석영 유리층(13)의 두께(t₁)는, 30㎛ 이상 200㎛ 이하일 필요가 있다. 제2 천연 석영 유리층(13)의 두께(t₁)가 30㎛보다도 작은 경우에는 석영 유리 도가니(10)의 저부(10B)의 미세한 흠집을 충분히 소멸 또는 감소시킬 수 없어, 저부(10B)로부터의 SiO 가스의 발생을 충분히 억제할 수 없기 때문이다. 한편, 제2 천연 석영 유리층(13)의 두께(t₁)가 200mm보다도 큰 경우에는, 실리콘 융액으로 용출하는 불순물이 증가하여, 실리콘 단결정 수율을 저하시키는 원인이 되기 때문이다.

또한, 제2 천연 석영 유리층(13)의 두께(t₁)는, 50㎛ 이상 100㎛ 이하인 것이 보다 바람직하다. 이는, SiO 가스의 발생 기점이 되는 미세한 흠집의 깊이가 50∼100㎛ 정도여서, 제2 천연 석영 유리층(13)의 두께(t₁)를 상기의 범위로 설정하면, 석영 유리 도가니(10)의 저부(10B)의 미세한 흠집을 거의 완전하게 소멸시킬 수 있기 때문이다. 게다가, 제2 천연 석영 유리층(13)이 필요 이상으로 두껍지 않은 점에서, 실리콘 융액으로의 불순물의 용출을 억제할 수 있어, 실리콘 단결정 수율을 높일 수 있다.

도 2는 석영 유리 도가니(10)와 실리콘 단결정(21)과의 위치 관계를 나타내는 단면도 및 평면도이다.

도 2에 나타내는 바와 같이, 제2 천연 석영 유리층(13)의 평면 영역을 Z축 방향으로부터 본 형상은, Z축과의 교점(Ｏ)을 중심으로 하는 원형으로, 그 직경(R₁) 은, 인상되는 실리콘 단결정(21)의 직경(R₂) 이상인 것이 보다 바람직하다. 바꿔 말하면, 제2 천연 석영 유리층(13)의 평면 영역은, 실리콘 단결정(21)의 투영면(21S)을 커버하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 실리콘 단결정(21)의 직경(R₂)은, 최종 제품인 실리콘 웨이퍼의 직경보다도 수 mm∼수십 mm 크다.

실리콘 단결정(21)의 직경(R₂)은, 석영 유리 도가니(10)의 형상 및 사이즈로부터 획일적으로 정해지는 것은 아니지만, 석영 유리 도가니(10)의 구경(R₀)에 크게 의존한다. 도가니의 구경(R₀)이 실리콘 단결정의 직경(R₂)에 대하여 너무 작으면 단결정의 산소 농도나 산소 면내 분포 등과 같은 결정 품질의 제어가 곤란해지고, 역으로 너무 크면 장치나 부재(部材)를 크게 할 필요가 있어 비용이 높아지기 때문이다. 그 때문에, 실리콘 단결정(21)의 직경(R₂)은, 0.3R₀∼0.6R₀으로 설정되는 것이 통례이다.

이러한 점을 고려하면, 제2 천연 석영 유리층(13)의 평면 영역의 직경(R₁)은, 석영 유리 도가니(10)의 구경(R₀)에 대하여, 0.3R₀ 이상 0.6R₀ 이하인 것이 바람직하다. 제2 천연 석영 유리층(13)의 평면 영역의 직경(R₁)이 0.3R₀보다도 작은 경우에는, 실리콘 단결정(21)의 투영면(21S)을 커버할 수 없어, 합성 석영 유리층(12)으로부터 발생한 SiO 가스의 기포가 실리콘 단결정(21)으로 취입될 가능성이 높아지기 때문이다. 한편, 제2 천연 석영 유리(13)의 평면 영역의 직경(R₁)이 0.6R₀보다도 큰 경우에는, 실리콘 단결정(21)의 투영면(21S)을 확실히 커버할 수 있지만, 실리콘 융액(22) 중으로 용출하는 불순물이 증가하여, 실리콘 단결정 수율을 저하시키는 원인이 되기 때문이다.

제2 천연 석영 유리층(13)의 평면 영역의 직경(R₁)에 대해서 구체적으로 설명하면, 예를 들면 32인치(구경(R₀)≒800mm)의 석영 유리 도가니를 사용하여 직경 약 300mm의 실리콘 단결정을 인상할 경우, 도가니의 저면(10B)에 형성되는 제2 천연 석영 유리층(13)의 원형 영역의 직경(R₁)의 하한은 0.3R₀=240mm, 상한은 0.6R₀=480mm가 된다. 통상, 32인치 도가니는 직경 약 300mm의 실리콘 단결정의 인상에 사용되고, 이 경우의 제2 천연 석영 유리층(13)의 평면 영역의 직경(R₁)은 300mm 정도인 것이 바람직하지만, 이 값은 240mm 이상 480mm 이하라는 상기 조건을 충족하고 있다. 이와 같이, 제2 천연 석영 유리층(13)의 평면 영역의 직경(R₁)이 0.3R₀ 이상 0.6R₀ 이하이면, 단결정 수율을 거의 저하시키는 일 없이, 인상 도중의 실리콘 단결정으로 취입될 가능성이 있는 SiO 가스의 기포의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.

전술한 바와 같이, SiO 가스의 기포는 거의 수직으로 부상하지만, 인상 도중의 실리콘 단결정(21)의 투영면(21S)보다도 외측(제2 천연 석영 유리층(13)이 형성되어 있지 않은 영역)에서 발생한 기포가 어떤 원인으로 수평 방향으로 근소하게 시프트하면서 부상하고, 그 결과, 실리콘 단결정(21)으로 취입되는 것도 생각할 수 있다. 그러나, 그러한 기포의 위치는 실리콘 단결정(21)의 외주 부근으로, 실리콘 단결정(21)의 외주 부근은 불필요한 부분으로서 나중에 연삭되기 때문에, 가령 기포가 취입되었다고 해도 문제는 없다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 석영 유리 도가니(10)는, 도가니 저부(10B)의 내표면에 일정한 두께의 천연 석영 유리층(13)이 형성되어 있기 때문에, 도가니 저부(10B)의 내표면에 있는 미세한 흠집을 폴리실리콘의 용융 개시에서 실리콘 단결정의 인상 개시까지의 단시간 내에 소멸시킬 수 있다. 따라서, 도가니 내표면의 흠집에 기인하는 SiO 가스의 발생을 억제할 수 있어, 실리콘 단결정 내의 공동 결함의 발생을 방지할 수 있다.

다음으로, 도 3의 플로우 차트를 참조하면서, 석영 유리 도가니(10)의 제조 방법에 대해서 설명한다.

석영 유리 도가니(10)는 회전 몰드법에 의해 제조할 수 있다. 회전 몰드법에서는, 회전하고 있는 카본 몰드의 내표면에 제1 천연 석영 유리층(11)의 원료가 되는 천연 석영분(제1 천연 석영분)을 소정의 두께로 퇴적시키고(스텝 S11), 이어서 제1 천연 석영분에 의한 층의 내표면에 합성 석영 유리층(12)의 원료가 되는 합성 석영분을 소정의 두께로 퇴적시키고(스텝 S12), 추가로 합성 석영분에 의한 층의 내표면의 저부에 제2 천연 석영 유리층(13)의 원료가 되는 천연 석영분(제2 천연 석영분)을 소정의 두께로 퇴적시킨다(스텝 S13). 이때, 제2 천연 석영분은 합성 석영분에 의한 층의 저부에만 퇴적되고, 직동부에는 퇴적되지 않는다.

이때 이용되는 제2 천연 석영분의 Ca 농도는, 제1 천연 석영분의 Ca 농도보 다도 낮은 것이 바람직하여, Ca 농도는 0.5ppm 이하일 필요가 있다. 제1 천연 석영분의 Ca 농도는 특별히 한정되지 않고, 0.5ppm 이상이라도 좋다. 제2 천연 석영 유리층(13)의 면적(직경) 및 두께는, 제2 천연 석영분의 충전 위치나 충전 중량에 의해 조정할 수 있고, 몰드의 회전 속도에 의해서도 조정할 수 있다. 제2 천연 석영 유리층(13)은 도가니 저부(10B)에만 형성하면 좋은 점에서, 그것을 위한 천연 석영분의 충전량은, 제1 천연 석영 유리층(11)의 형성시보다도 적어도 좋다.

그 후, 몰드 중앙 상부에 설치한 아크 전극에 의한 방전 가열에 의해, 몰드의 내측으로부터 석영분의 내표면 전체를 1720℃ 이상으로 가열하여, 석영분을 아크 용융한다(스텝 S14). 또한, 이 가열과 동시에 몰드측으로부터 감압하여, 몰드에 형성한 통기구를 통하여 용융 석영 내의 기체를 외층측으로 흡인하고, 통기구를 통하여 외부로 배출함으로써, 도가니 내표면의 기포를 부분적으로 제거하여, 실질적으로 기포가 없는 투명층을 형성한다. 그 후, 감압을 약하게 하거나 또는 정지하고, 추가로 가열을 계속하여 기포를 잔류시킴으로써, 다수의 미소한 기포를 포함하는 불투명층을 형성한다.

이상에 의해, 도가니의 저부 및 직동부에 있어서 외층을 구성하는 제1 천연 석영 유리층(11)과, 도가니의 직동부에 있어서 내표면을 구성하는 합성 석영 유리층(12)과, 도가니의 저부에 있어서 내표면을 구성하는 제2 천연 석영 유리층(13)을 구비한 석영 유리 도가니(10)가 완성된다.

석영 유리 도가니(10)의 제2 천연 석영 유리층(13)은 소위 용사법에 의해서도 제조할 수 있다. 구체적으로는, 아크 용융법에 의해 제1 천연 석영 유리층(11) 및 합성 석영 유리층(12)으로 이루어지는 석영 유리 도가니의 기본 구조를 제작한 후, 이 석영 유리 도가니의 저부의 내표면에 천연 석영분을 용사하여, 제2 천연 석영 유리층(13)을 형성한다. 이때, 원료로서는 Ca 농도가 0.5ppm 이하의 천연 석영분이 이용된다. 이와 같이, 기존의 이층 구조의 석영 유리 도가니에 대한 추가적인 가공에 의해 본 실시 형태에 의한 석영 유리 도가니(10)를 제조할 수 있다.

다음으로, 도 4의 플로우 차트를 참조하면서, 석영 유리 도가니(10)를 이용한 실리콘 단결정의 제조 방법에 대해서 설명한다.

우선, 도 3에 나타낸 방법에 의해 제조한 석영 유리 도가니(10)를 준비하고(스텝 S21), 도가니의 내부에 실리콘 단결정의 원료가 되는 폴리실리콘 쇄편(碎片)을 충전한다(스텝 S22). 이때, 석영 유리 도가니(10)의 내표면에는, 폴리실리콘 쇄편의 무게에 의해 미세한 흠집이 발생하는 경우가 있다.

다음으로, 석영 유리 도가니(10)를 단결정 인상 장치에 장전하고, 히터에 의해 가열을 행함으로써, 석영 유리 도가니(10) 내에 충전된 폴리실리콘을 융해시킨다(스텝 S23). 이 가열에 의해 폴리실리콘이 융해함과 함께, 석영 유리 도가니(10)의 내표면도 서서히 용해한다. 전술한 바와 같이, 천연 석영 유리의 용해 속도는 합성 석영 유리보다도 큰 점에서, 용해는 주로 제2 천연 석영 유리층(13)에서 발생하여, 석영 유리 도가니(10)의 저면에 발생해 있는 미세한 흠집은 서서히 옅어진다. 단, 이 융해시에 있어서도, 폴리실리콘의 무게나 흐트러짐에 의해 석영 유리 도가니의 내표면에 새로운 흠집이 발생하는 일이 있다. 이상에 의해, 석영 유리 도가니(10)의 내부는 실리콘 융액으로 채워진다.

다음으로, 실리콘 융액이 1500℃ 정도로 안정되기까지 온도 조정을 행한 후(스텝 S24), 실리콘 단결정의 인상이 행해진다(스텝 S25∼스텝 S28). 실리콘 단결정의 인상에서는, 실리콘 융액 중에 종결정을 침지하고, 대시(dash)법에 의해 네크부의 형성을 행한 후(스텝 S25), 실리콘 단결정의 숄더부, 몸통부 및, 테일부를 순차적으로 형성한다(스텝 S26∼스텝 S28). 실리콘 융액의 온도 조정 중이나 실리콘 단결정의 인상 중에 있어서도 제2 천연 석영 유리층(13)은 서서히 용해하여, 석영 유리 도가니(10)의 저면에 발생해 있는 미세한 흠집은 제거된다. 미세한 흠집의 깊이는 50∼100㎛이며, 천연 석영 유리의 용해 속도는 8∼12㎛/hr인 점에서, 대략 4∼12시간 경과하면 미세한 흠집의 대부분은 소멸되는 것으로 생각된다.

따라서, 공동 결함의 발생을 효과적으로 방지하기 위해서는, 석영 유리 도가니(10)의 저부에 발생해 있는 미세한 흠집의 깊이(50㎛∼100㎛ 정도)나, 제2 천연 석영 유리층(13)의 두께(30㎛∼200㎛)를 고려하면, 폴리실리콘의 융해 개시에서 숄더부를 형성하기까지 걸리는 시간이 4∼12시간을 초과하도록 제어할 필요가 있어, 제2 천연 석영 유리층(13)의 표면을 30㎛ 이상 용해시키고 나서, 실리콘 단결정의 몸통부의 인상을 개시할 필요가 있다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 석영 유리 도가니(10)의 저면의 내표면에 존재하는 미세한 흠집을 소멸 또는 충분히 감소시키고 나서 실리콘 단결정의 몸통부의 인상을 행하기 때문에, 실리콘 단결정의 투영면에 거의 흠집이 없는 상태로 인상을 행할 수 있다. 그 때문에, 미세한 흠집을 기점으로 하는 SiO 가스의 발생을 방지할 수 있어, SiO 가스에 의한 공동 결함의 발생을 효과적으로 방지하는 것 이 가능해진다. 또한 천연 석영 유리층(13)의 용해에 의해 불순물이 용출하지만, 불순물의 용출에 의한 악영향에 비하면 공동 결함의 방지에 의한 이점의 쪽이 매우 큰 점에서, 실리콘 단결정의 제조에 있어서 큰 효과를 얻을 수 있다.

다음으로, 본 발명의 제2 실시 형태에 대해서 상세하게 설명한다.

도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니(20)의 구조를 나타내는 대략적인 단면도이다.

도 5에 나타내는 바와 같이, 석영 유리 도가니(20)는, 외층을 구성하는 천연 석영 유리층(14)과, 도가니의 직동부(10A) 및 만곡부(10C)에 있어 내층을 구성하는 합성 석영 유리층(15)을 갖고 있다. 천연 석영 유리층(14)은 도가니의 직동부(10A)로부터 저부(10B)에 걸치는 전체에 형성되어 있지만, 합성 석영 유리층(15)은 저부(10B)에는 형성되어 있지 않다. 그 때문에, 도가니의 직동부(10A)에서는 이층 구조이지만, 도가니의 저부(10B)에서는 단층 구조로 되어 있다.

천연 석영 유리층(14)은, 천연 석영을 원료로 하는 비정질 유리층이며, 합성 석영 유리층(15)은, 합성 석영을 원료로 하는 비정질 실리카 유리층이다. 합성 석영 유리층(15)은 도가니의 저부(10B)의 중심으로부터 일정 범위를 제외한 영역에 형성되어 있기 때문에, 천연 석영 유리층(14)은 저부(10B)에 있어서 노출되어, 저부(10B)의 내표면을 구성하고 있다. 천연 석영 유리층(14)의 노출 영역(14a)은, 도가니 저부(10B)의 내표면에 형성된 미세한 흠집을 폴리실리콘의 융해 개시에서 종결정의 인상 개시까지의 사이에 소멸시키는 역할을 한다.

석영 유리 도가니(20)의 내표면 부근은, 천연 석영 유리층이냐 합성 석영 유 리층이냐에 상관 없이, 실질적으로 기포를 포함하지 않는 투명층으로 이루어지는 것이 바람직하고, 투명층보다도 외측은, 다수의 미소한 기포를 포함하는 불투명층으로 이루어지는 것이 바람직하다. 도가니의 내표면을 투명층으로 한 경우에는, 도가니의 내표면에서 박리되는 석영편의 증가를 방지할 수 있어, 실리콘 단결정 수율을 높일 수 있다. 또한, 도가니의 외측을 불투명층으로 한 경우에는, 도가니의 열용량을 높일 수 있어, 실리콘 융액의 온도 제어가 용이해진다.

투명층의 두께는, 1.0mm 이상인 것이 필요하다. 상기한 바와 같이, 실리콘 단결정의 인상에서는 도가니 내표면이 0.3∼1.0mm 정도 용손되지만, 투명층이 1.0mm보다도 얇은 경우에는, 실리콘 단결정의 인상 중에 전부 용손되어 불투명층이 노출될 우려가 있기 때문이다. 불투명층이 노출되면, 불투명층에 포함되는 기포가 도가니 내표면을 부분적으로 박리시키고, 박리된 석영 소편(小片)이 단결정에 혼입되어 단결정화율을 저하시키는 원인이 된다.

도가니 내표면에는 깊이가 50∼100㎛ 정도의 미세한 흠집이 존재하고 있다. 이 미세한 흠집은, 도가니 제조시에 발생하는 것 외에, 도가니 내에 폴리실리콘을 장전했을 때나 폴리실리콘의 융해를 개시했을 때에 폴리실리콘과 도가니 내표면과의 접촉에 의해 발생하는 것으로 생각된다. 이러한 흠집이 있으면, 흠집을 핵으로 하여 SiO 가스가 발생하고, SiO 가스가 실리콘 융액 내를 부상하여 실리콘 단결정 중에 취입되어, 공동 결함이 된다.

그러나, 도가니의 저부(10B)의 내표면이 천연 석영 유리층(14)으로 구성되어 있을 경우에는, 제1 실시 형태와 동일하게, 천연 석영 유리층(14)의 용해와 함께 흠집을 조기에 소멸시킬 수 있다. 이미 설명한 바와 같이, 천연 석영은 합성 석영과 비교하여 실리콘 융액으로의 용해 속도가 빠른 점에서, 천연 석영 유리층(14)의 표면에 존재하는 미세한 흠집은, 실제로 실리콘 단결정의 인상을 행하기까지의 사이의 용해에 의해 소멸 또는 대폭으로 감소한다. 따라서, 흠집을 기점으로 하는 SiO 가스의 발생을 억제하는 것이 가능해진다.

한편, 석영 유리 도가니(20)의 직동부(10A) 및 만곡부(10C)의 내표면은 합성 석영 유리층(15)으로 구성되어 있다. 그 때문에, 직동부(10A)나 만곡부(10C)의 내표면에 형성된 흠집은 조기에 소멸되지 않고, 실리콘 단결정의 인상 중에 있어서도 계속 존재하지만, 이 흠집으로부터 발생하는 SiO 가스의 기포가 실리콘 단결정 내로 취입될 가능성은 매우 낮은 것은 제1 실시 형태에서 설명한 바와 같다.

따라서, 직동부(10A) 및 만곡부(10C)에 있어서의 미세한 흠집은, 공동 결함의 원인으로는 되지 않는다. 오히려, 도가니의 내표면 전체를 천연 석영 유리층(14)으로 구성한 경우에는, 실리콘 융액 내로 용출하는 불순물이 증가하여, 실리콘 단결정 수율을 저하시키는 원인이 된다. 이러한 관점에서, 본 실시 형태에 있어서는, 직동부(10A) 및 만곡부(10C)의 내표면을 합성 석영 유리층(15)으로 구성하고, 저부(10B)의 천연 석영 유리층(14)만을 노출시키고 있다. 단, 본 발명에 있어서, 직동부(10A) 및 만곡부(10C)의 양쪽에 합성 석영 유리층(15)을 형성하는 것은 필수는 아니고, 적어도 직동부(10A)에 합성 석영 유리층(15)을 형성하면 충분하다.

제1 실시 형태와 동일하게, 천연 석영 유리층(14)의 칼슘(Ca) 농도는 0.5ppm 이하인 것이 필요하다. 천연 석영에는 불순물로서의 Ca이 주로 산화칼슘(CaO)의 형태로 포함되어 있지만, 원소 레벨에서의 Ca 농도가 0.5ppm을 초과하면 국소적인 결정 생성에 의한 실투점이 급격하게 증가하고, 그 결과로서 단결정 수율의 저하를 초래하기 때문이다. 또한, 실리콘 융액으로의 불순물의 혼입을 최소한으로 억제할 필요도 있다. 천연 석영 유리층(14)의 Ca 농도는, 0.4ppm 이하인 것이 바람직하다. Ca 농도가 0.4ppm 이하이면, 보다 높은 단결정 수율을 얻는 것이 가능해진다.

천연 석영 유리층(14)의 알루미늄(Al) 농도는 20ppm 이하인 것이 필요하다. 천연 석영에는 불순물로서의 Al이 주로 산화알루미늄(Al₂O₃)의 형태로 포함되어 있지만, 원소 레벨에서의 Al 농도가 20ppm을 초과하면 국소적인 결정 생성에 의한 실투점이 급격하게 증가하고, 그 결과로서 단결정 수율의 저하를 초래하기 때문이다. 또한, 실리콘 융액으로의 불순물의 혼입을 최소한으로 억제할 필요도 있다. 천연 석영 유리층(14)의 Al 농도는, 10ppm 이하인 것이 바람직하다. Al 농도가 10ppm 이하이면, 보다 높은 단결정 수율을 얻는 것이 가능해진다.

도가니의 살두께는 8∼30mm 정도인 것이 바람직하고, 그 중 천연 석영 유리층(14)의 두께는, 도가니의 기계적 강도를 확보할 수 있는 한에 있어서 특별히 한정되지 않고, 7∼29mm 정도인 것이 바람직하다. 천연 석영 유리층(14)의 두께는 균일해도 좋고, 직동부(10A)와 저부(10B)의 두께가 달라도 좋다. 또한, 실리콘 단결정의 인상에서는, 통상, 도가니 내표면이 0.3∼1.0mm 정도 용손되지만, 이 정도의 용손이면 도가니의 강도 부족이 문제가 되는 일은 없다.

한편, 합성 석영 유리층(15)의 두께는 1.0mm 이상일 것이 필요하다. 상기한 바와 같이, 실리콘 단결정의 인상에서는 도가니 내표면이 0.3∼1.0mm 정도 용손되지만, 합성 석영 유리층(15)이 1.0mm보다도 얇은 경우에는, 실리콘 단결정의 인상 중에 전부 용손되어 천연 석영 유리층(14)이 노출될 우려가 있기 때문이다.

도 6은 석영 유리 도가니(20)와 실리콘 단결정(21)과의 위치 관계를 나타내는 단면도 및 평면도이다.

도 6에 나타내는 바와 같이, 천연 석영 유리층(14)의 노출 영역(14a)을 Z축 방향으로부터 본 형상은, Z축과의 교점을 중심으로 하는 원형으로, 그 직경(R₁)은, 인상되는 실리콘 단결정(21)의 직경(R₂) 이상인 것이 보다 바람직하다. 바꿔 말하면, 천연 석영 유리층(14)의 노출 영역(14a)은, 실리콘 단결정(21)의 투영면(21S)을 커버하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 실리콘 단결정(21)의 직경(R₂)은, 최종 제품인 실리콘 웨이퍼의 직경보다도 수 mm∼수십 mm 크다.

실리콘 단결정(21)의 직경(R₂)은, 석영 유리 도가니(20)의 형상 및 사이즈로부터 획일적으로 정해지는 것은 아니지만, 석영 유리 도가니(20)의 구경(R₀)에 크게 의존한다. 도가니의 구경(R₀)이 실리콘 단결정의 직경(R₂)에 대하여 너무 작으면 단결정의 산소 농도나 산소 면내 분포 등과 같은 한 결정 품질의 제어가 곤란해지고, 역으로 너무 크면 장치나 부재를 크게 할 필요가 있기 때문에 비용이 높아지기 때문이다. 그 때문에, 실리콘 단결정(21)의 직경(R₂)은, 0.3R₀∼0.6R₀으로 설정되는 것이 통례이다.

이러한 점을 고려하면, 천연 석영 유리층(14)의 노출 영역(14a)의 직경(R₁)은, 석영 유리 도가니(20)의 구경(R₀)에 대하여, 0.3R₀ 이상 0.6R₀ 이하인 것이 바람직하다. 천연 석영 유리층(14)의 노출 영역의 직경(R₁)이 0.3R₀보다도 작은 경우에는, 실리콘 단결정(21)의 투영면(21S)을 커버할 수 없어, 합성 석영 유리층(15)으로부터 발생한 SiO 가스의 기포가 실리콘 단결정(21)으로 취입될 가능성이 높아지기 때문이다. 한편, 천연 석영 유리층(14)의 노출 영역(14a)의 직경(R₁)이 0.6R₀보다도 큰 경우에는, 실리콘 단결정(21)의 투영면(21S)을 확실히 커버할 수 있지만, 실리콘 융액(22) 중으로 용출하는 불순물이 증가하여, 실리콘 단결정 수율을 저하시키는 원인이 되기 때문이다.

이상 설명한 바와 같이, 본 실시 형태에 의한 석영 유리 도가니(20)는, 도가니 저부(10B)의 내표면에 천연 석영 유리층(14)의 노출 영역(14a)이 형성되어 있기 때문에, 도가니 저부(10B)의 내표면에 있는 미세한 흠집을 폴리실리콘의 용융 개시에서 실리콘 단결정의 인상 개시까지의 단시간 내에 소멸시킬 수 있다. 따라서, 도가니 내표면의 흠집에 기인하는 SiO 가스의 발생을 억제할 수 있어, 실리콘 단결정 내의 공동 결함의 발생을 방지할 수 있다.

다음으로, 도 7의 플로우 차트를 참조하면서, 석영 유리 도가니(20)의 제조 방법에 대해서 설명한다.

석영 유리 도가니(20)는 회전 몰드법에 의해 제조할 수 있다. 회전 몰드법에서는, 회전하고 있는 카본 몰드의 내표면에 천연 석영 유리층(14)의 원료가 되는 천연 석영분을 소정의 두께로 퇴적시키고(스텝 S31), 이어서 천연 석영분에 의한 층의 내표면 중 저부의 중심으로부터 일정 범위 내를 제외한 영역에 합성 석영 유리층(15)의 원료가 되는 합성 석영분을 소정의 두께로 퇴적시킨다(스텝 S32). 이때, 천연 석영분에 의한 층의 내표면 중 저부의 중심으로부터 일정 범위 내를 제외한 영역에 합성 석영 유리층(15)의 원료가 되는 합성 석영분을 소정의 두께로 퇴적시키는 것이 바람직하지만, 반드시 그와 같이 할 필요는 없고, 내표면의 전면에 합성 석영분을 퇴적해도 상관 없다. 저부 중심을 제외한 영역에 합성 석영분을 퇴적시켰을 경우, 합성 석영분은 천연 석영분에 의한 층의 직동부 및 만곡부에만 퇴적되고, 저부에는 퇴적되지 않는다.

이때 이용되는 천연 석영분의 Ca 농도는 0.5ppm 이하, Al 농도는 20ppm 이하일 필요가 있다. 천연 석영 유리층(14)의 면적(직경) 및 두께는, 천연 석영분의 충전 위치나 충전 중량에 의해 조정할 수 있고, 몰드의 회전 속도에 의해서도 조정할 수 있다. 합성 석영 유리층(15)은 도가니의 직동부 및 만곡부에만 형성하면 좋은 점에서, 합성 석영분의 충전량은 천연 석영분보다도 적어도 좋다.

그 후, 몰드 중앙 상부에 설치한 아크 전극에 의한 방전 가열에 의해, 몰드의 내측이나 석영분의 내표면 전체를 1720℃ 이상으로 가열하여, 석영분을 아크 용융한다(스텝 S33). 또한, 이 가열과 동시에 몰드측으로부터 감압하여, 몰드에 형성한 통기구를 통하여 용융 석영 내의 기체를 외층측으로 흡인하고, 통기구를 통하여 외부로 배출함으로써, 도가니 내표면의 기포를 부분적으로 제거하여, 실질적으로 기포가 없는 투명층을 형성한다. 그 후, 감압을 약하게 하거나 또는 정지하고, 추가로 가열을 계속하여 기포를 잔류시킴으로써, 다수의 미소한 기포를 포함하는 불투명층을 형성한다. 이상에 의해, 도가니의 저부 및 직동부에 있어서 외층을 구성하는 천연 석영 유리층(14)과, 도가니의 직동부에 있어서 내층을 구성하는 합성 석영 유리층(15)을 구비한 석영 유리 도가니(20)가 완성된다.

또한, 합성 석영 유리층(15)의 형성에서는, 천연 석영 유리층(14)을 노출시키고 싶은 영역에 합성 석영분을 퇴적시키지 않도록 할 필요는 반드시 없다. 퇴적한 합성 석영분을 아크 용융 중에 제거하는 것도 가능하며, 강(强)가열함으로써 합성 석영 유리층을 증발시키는 것도 가능하며, 몰드의 회전수를 조정함으로써 합성 석영분을 만곡부측으로 모으는 것도 가능하다.

석영 유리 도가니(20)의 합성 석영 유리층(15)은 소위 용사법에 의해서도 제조할 수 있다. 구체적으로는, 아크 용융법에 의해 천연 석영 유리층(14)만으로 이루어지는 석영 유리 도가니의 기본 구조를 제작한 후, 이 석영 유리 도가니의 직동부(10A) 및 만곡부(10C)의 내표면에 천연 석영분을 용사하고, 합성 석영 유리층(15)을 형성한다. 이와 같이, 기존의 단층 구조의 석영 유리 도가니에 대한 추가적인 가공에 의해 본 실시 형태에 의한 석영 유리 도가니(20)를 제조할 수 있다.

석영 유리 도가니(20)를 이용한 실리콘 단결정의 제조 방법은, 석영 유리 도가니(10)를 이용한 실리콘 단결정의 제조 방법과 실질적으로 동일하다. 석영 유리 도가니(20)의 경우, 도가니 저부에는 천연 석영 유리층(14)의 노출 영역(14a)이 존재하고 있는 점에서, 상기 실리콘 단결정의 제조 방법의 설명에 있어서, 제2 천연 석영 유리층(13)을 천연 석영 유리층(14)으로 바꿔 읽으면 좋다.

석영 유리 도가니(20)를 이용한 경우라도, 도가니 저부의 내표면에 존재하는 미세한 흠집을 소멸 또는 충분히 감소시킨 후에 실리콘 단결정의 몸통부의 인상을 행하기 때문에, 실리콘 단결정의 투영면에 거의 흠집이 없는 상태로 인상을 행할 수 있다. 이에 따라, 흠집을 기점으로 하는 SiO 가스의 발생을 방지할 수 있어, SiO 가스에 의한 공동 결함의 발생을 효과적으로 방지하는 것이 가능해진다. 또한 천연 석영 유리층(14)의 용해에 의해 불순물이 용출하지만, 불순물의 용출에 의한 악영향에 비하면 공동 결함의 방지에 의한 이점의 쪽이 매우 큰 점에서, 실리콘 단결정의 제조에 있어서 큰 효과를 얻을 수 있다.

이상, 본 발명의 바람직한 실시 형태에 대해서 설명했지만, 본 발명은 상기 실시 형태에 한정되는 것은 아니고, 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위 내에서 여러 가지의 변경을 가하는 것이 가능하며, 그들도 본 발명에 포함되는 것임은 말할 필요도 없다.

예를 들면, 상기 제1 실시 형태에 있어서는, 직동부(10A) 및 만곡부(10C)에 있어서 제1 천연 석영 유리층(11) 및 합성 석영 유리층(12)의 이층 구조, 저부(10B)에 있어서 천연 석영 유리층(11), 합성 석영 유리층(12) 및 제2 천연 석영 유리층(13)의 삼층 구조로 하고 있지만, 제1 천연 석영 유리층(11)의 외측에 추가로 다른 층을 형성해도 좋고, 또한, 제1 천연 석영 유리층(11)과 합성 석영 유리층(12)과의 사이에 중간층을 형성해도 좋고, 제2 천연 석영 유리층(13)의 내측에 추가로 다른 층을 형성해도 좋다. 또한, 실리콘 융액의 탕면(湯面) 진동을 방지할 목적으로, 초기 탕면 위치 부근에서 직동부(10A)의 상단(개구)까지를 제1 천연 석 영 유리층(11)만으로 이루어지는 단층 구조로 해도 좋고, 또한, 초기 탕면 위치에 있어서의 도가니 직동부(10A)의 내표면 근방의 기포 함유율을 임의로 조정하는 것도 가능하다.

또한, 상기 제2 실시 형태에 있어서는, 직동부(10A) 및 만곡부(10C)에 있어서 천연 석영 유리층(14) 및 합성 석영 유리층(15)의 이층 구조, 저부에 있어서 천연 석영 유리층(14)의 단층 구조로 하고 있지만, 천연 석영 유리층(14)의 외측에 추가로 다른 층을 형성해도 좋고, 또한, 천연 석영 유리층(14)과 합성 석영 유리층(15)과의 사이에 중간층을 형성해도 좋고, 합성 석영 유리층(15)의 내측에 추가로 다른 층을 형성해도 좋다. 또한, 실리콘 융액의 탕면 진동을 방지할 목적으로, 초기 탕면 위치 부근에서 직동부(10A)의 상단(개구)까지를 천연 석영 유리층(14)만으로 이루어지는 단층 구조로 해도 좋고, 또한, 초기 탕면 위치에 있어서의 도가니 직동부(10A)의 내표면 근방의 기포 함유율을 임의로 조정하는 것도 가능하다.

(실시예 1)

도 1에 나타낸 석영 유리 도가니(10)와 동일한 구조를 갖고, 제2 천연 석영 유리층의 두께(t₁)가 다른 석영 유리 도가니의 샘플(A1∼A7)을 준비했다. 각 샘플(A1∼A7)은, 구경 32인치, 도가니의 높이 500mm, 도가니 내표면에서 외표면까지의 두께는 직동부 17mm, 만곡부 25mm, 저부 14mm로 했다. 각 샘플의 상세한 조건은 표 1에 나타내는 바와 같다. 표 1에 나타내는 바와 같이, 샘플(A1∼A7)에 형성 된 제2 천연 석영 유리층은, 직경(R₁) 및 Ca 농도가 서로 동일하지만, 두께(t₁)가 서로 다르다.

다음으로, 이들 석영 유리 도가니의 샘플(A1∼A7)을 이용하여, 폴리실리콘 400kg을 각 샘플에 충전한 후, 단결정 인상 장치에 장전하고, 폴리실리콘을 융해하여, 실리콘 단결정의 인상을 행하였다.

그 후, 인상된 실리콘 단결정 잉곳으로부터 두께 1mm 정도의 웨이퍼를 와이어쏘(wire saw)에 의해 잘라내고, CMP 공정을 거쳐, 표면이 경면(鏡面) 연마된 폴리시드 웨이퍼(polished wafer)를 제작했다. 그리고, 이 폴리시드 웨이퍼의 핀홀 발생률을 측정했다. 핀홀 발생률의 측정에는 파티클 측정 장치를 사용하여, 폴리시드 웨이퍼의 표면의 핀홀의 수를 측정했다. 핀홀 발생률은, 1개의 실리콘 단결정으로부터 얻어지는 다수의 웨이퍼 중에 포함되는 핀홀의 총수를 그 웨이퍼의 매수로 나눈 값이다.

또한, 얻어진 실리콘 단결정 잉곳의 단결정 수율도 구했다. 단결정 수율은, 원료인 폴리실리콘에 대한 실리콘 단결정의 중량비로서 정의된다. 도가니 내에 투입된 모든 폴리실리콘이 완전히 소비되는 일은 없고, 인상 종료 후에는 도가니 내에 실리콘 융액이 근소하게 남는 점에서, 단결정화율은, 충분한 양의 실리콘 단결정이 인상되었다고 해도 100% 이하이며, 80% 이상이면 양호하다. 측정 결과를 표 1에 나타낸다.

표 1에 나타내는 바와 같이, 제2 천연 석영 유리층의 두께(t₁)가 30㎛ 이상 200㎛ 이하인 샘플(A3∼A6)에서는, 핀홀 발생률이 0%가 되고, 단결정 수율은 80% 이상이 되었다. 특히, 제2 천연 석영 유리층의 두께(t₁)가 30㎛ 이상 100㎛ 이하인 샘플(A3∼A5)에서는 단결정 수율은 90%로서, 특히 높은 단결정 수율을 얻을 수 있었다.

이에 대해, 두께(t₁)가 10㎛인 샘플(A1)에서는, 단결정 수율은 90%였지만, 핀홀 발생률이 8.1%로 증가했다. 또한, 두께(t₁)가 20㎛인 샘플(A2)에서도 단결정 수율은 90%였지만, 핀홀 발생률은 5.3%로 증가했다. 또한, 두께(t₁)가 250㎛인 샘플(A7)에서는, 핀홀 발생률은 0%였지만, 단결정 수율이 45%로 대폭으로 저하됐다.

(실시예 2)

도 1에 나타낸 석영 유리 도가니(10)와 동일한 구조를 갖고, 제2 천연 석영 유리층(13)의 Ca 농도가 다른 석영 유리 도가니의 샘플(B1∼B6)과, 제2 천연 석영 유리층(13) 대신에 합성 석영 유리를 이용한 샘플(C1)을 준비했다. Ca 농도는 결합 유도 플라즈마 발광 분광 분석법(ICP-AES)에 의해 측정했다. 각 샘플(B1∼B6, C1)은, 구경 32인치, 직동부의 길이 300mm, 도가니 내표면에서 외표면까지의 두께 10mm로 했다. 각 샘플의 상세한 조건은 표 2에 나타내는 바와 같다. 표 2에 나타내는 바와 같이, 샘플(B1∼B6)에 형성된 제2 천연 석영 유리층은, 직경(R₁) 및 두께(t₁)가 서로 동일하지만, Ca 농도가 서로 다르다.

다음으로, 이들 석영 유리 도가니의 샘플(B1∼B6, C1)을 이용하여, 실시예 1과 동일한 조건으로 실리콘 단결정의 인상을 행하고, 얻어진 실리콘 단결정 잉곳으로부터 폴리시드 웨이퍼를 제작하여, 이 폴리시드 웨이퍼의 핀홀 발생률을 측정했다. 또한, 얻어진 실리콘 단결정 잉곳의 단결정 수율도 구했다. 그 측정 결과를 표 2에 나타낸다.

표 2에 나타내는 바와 같이, 제2 천연 석영 유리층의 Ca 농도가 0.50ppm 이하인 샘플(B1∼B4)에서는, 핀홀 발생률이 0%가 되고, 단결정 수율은 80% 이상이 되었다. 특히, 제2 천연 석영 유리층의 Ca 농도가 0.4ppm 이하인 샘플(B1∼B3)에서는 단결정 수율은 90%로서, 특히 높은 단결정 수율을 얻을 수 있었다.

이에 대해, Ca 농도가 0.55ppm인 샘플(B5)에서는, 핀홀 발생률은 0%였지만, 단결정 수율이 55%로 대폭으로 저하됐다. 또한, Ca 농도가 0.61ppm인 샘플(B6)에서는, 핀홀 발생률은 0%였지만, 단결정 수율이 50%로 대폭으로 저하됐다. 또한, 제2 천연 석영 유리 대신에 합성 석영 유리를 이용한 샘플(C1)에서는, 단결정 수율은 90%였지만, 핀홀 발생률이 9.7%로 증가했다.

(실시예 3)

도 5에 나타낸 석영 유리 도가니(20)와 동일한 구조를 갖고, 천연 석영 유리층(14)의 Ca 농도 및 Al 농도가 다른 석영 유리 도가니의 샘플(A1∼A6)과, 도가니 전체가 이층 구조인 석영 유리 도가니(즉, 내층이 모두 합성 석영 유리로 이루어지는 도가니)의 샘플(B1)을 준비했다. Ca 및 Al 농도는 결합 유도 플라즈마 발광 분광 분석법(ICP-AES)에 의해 측정했다. 각 샘플(A1∼A6, B1)은, 직경 32인치(구경 800mm), 직동부의 길이 300mm, 도가니의 살두께는 직동부에서 17mm, 저부에서 14mm, 만곡부에서 25mm로 했다.

다음으로, 석영 유리 도가니의 샘플(A1∼A6, B1)에 폴리실리콘 쇄편 400kg을 충전한 후, 석영 유리 도가니를 단결정 인상 장치에 장전하고, 도가니 내의 폴리실리콘을 로 내에서 융해하여, 직경 약 320mm의 실리콘 단결정 잉곳의 인상을 행하였다.

그 후, 얻어진 실리콘 단결정 잉곳으로부터 두께 1mm 정도의 웨이퍼를 와이어소에 의해 잘라내고, CMP 공정을 거쳐, 표면이 경면 연마된 폴리시드 웨이퍼를 제작했다. 그리고, 이 폴리시드 웨이퍼의 핀홀 발생률을 측정했다. 또한, 얻어진 실리콘 단결정 잉곳의 단결정 수율도 구했다. 그 측정 결과를 표 3에 나타낸다.

표 3에 나타내는 바와 같이, 천연 석영 유리층의 Ca 농도가 0.5ppm 이하이며 그리고 Al 농도가 20ppm 이하인 샘플(A1∼A4)에서는, 핀홀 발생률이 0%가 되고, 단결정 수율은 85% 이상이 되었다. 특히, 천연 석영 유리층의 Ca 농도가 0.4ppm 이하인 샘플(A1∼A3)에서는 단결정 수율은 90% 이상으로, 높은 단결정 수율을 얻을 수 있었다. 또한, 천연 석영 유리층의 Ca 농도가 0.3ppm이고 Al 농도가 6ppm인 샘플(A1)에서는 단결정 수율은 95%로서, 특히 높은 단결정 수율을 얻을 수 있었다.

이에 대해, Ca 농도가 0.6ppm인 샘플(A5)에서는, 핀홀 발생률은 0%였지만, 단결정 수율이 45%로 대폭으로 저하됐다. 또한, Al 농도가 25ppm인 샘플(A6)에서는, 핀홀 발생률은 0%였지만, 단결정 수율이 50%로 대폭으로 저하됐다. 또한, 도가니 저부에도 합성 석영 유리를 형성한 샘플(B1)에서는, 단결정 수율은 90%였지만, 핀홀 발생률이 3.5%로 증가했다.

도 1은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니의 구조를 나타내는 대략적인 단면도이다.

도 2는 석영 유리 도가니와 실리콘 단결정과의 위치 관계를 나타내는 단면도 및 평면도이다.

도 3은 본 발명의 제1 실시 형태에 의한 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니의 제조 방법을 나타내는 플로우 차트이다.

도 4는 제1 실시 형태에 의한 석영 유리 도가니를 이용한 실리콘 단결정의 제조 방법을 나타내는 플로우 차트이다.

도 5는 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니의 구조를 나타내는 대략적인 단면도이다.

도 6은 석영 유리 도가니와 실리콘 단결정과의 위치 관계를 나타내는 단면도 및 평면도이다.

도 7은 본 발명의 제2 실시 형태에 의한 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니의 제조 방법을 나타내는 플로우 차트이다.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

10, 20 : 석영 유리 도가니

10A : 도가니의 직동부

10B : 도가니의 저부

10C : 도가니의 만곡부

11 : 제1 천연 석영 유리층

12 : 합성 석영 유리층

13 : 제2 천연 석영 유리층

14 : 천연 석영 유리층

14a : 천연 석영 유리층의 노출 영역

15 : 합성 석영 유리층

21 : 실리콘 단결정

21S : 실리콘 단결정의 투영면

22 : 실리콘 융액

Z : 도가니의 중심축

Claims

직동부 및 저부를 갖는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니로서,

상기 저부의 내표면의 적어도 일부를 구성하는 천연 석영 유리층과,

적어도 상기 직동부의 내표면을 구성하는 합성 석영 유리층을 구비하고,

상기 천연 석영 유리층에 포함되는 Ca의 농도가 0.5ppm 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니.
제1항에 있어서,

상기 직동부 및 상기 저부에 있어 외층을 구성하는 제1 천연 석영 유리층과,

상기 직동부 및 상기 저부에 있어 내층을 구성하고, 적어도 상기 직동부에 있어 노출되는 합성 석영 유리층과,

상기 합성 석영 유리층의 내표면 중, 상기 저부의 중심을 포함하는 영역을 덮는 제2 천연 석영 유리층을 포함하고,

상기 제2 천연 석영 유리층에 포함되는 상기 Ca의 농도가 0.5ppm 이하이며,

상기 제2 천연 석영 유리층의 두께가 30㎛ 이상 200㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니.
제2항에 있어서,

상기 제2 천연 석영 유리층의 평면 영역은, 상기 실리콘 단결정의 투영면을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니.
제3항에 있어서,

상기 제2 천연 석영 유리층의 평면 영역의 직경은, 도가니 구경(R₀)에 대하여 0.3R₀ 이상 0.6R₀ 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 천연 석영 유리층에 포함되는 Ca의 농도가 0.4ppm 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 제2 천연 석영 유리층의 두께가 30㎛ 이상 100㎛ 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니.
제1항에 있어서,

상기 직동부 및 상기 저부에 있어 외층을 구성하는 천연 석영 유리층과,

상기 직동부에 있어 내층을 구성하는 합성 석영 유리층을 포함하고,

상기 천연 석영 유리층의 내표면이 상기 저부의 중심을 포함하는 영역에 있 어서 노출되어 있고,

상기 천연 석영 유리층에 포함되는 상기 Ca의 농도가 0.5ppm 이하이며,

상기 천연 석영 유리층에 포함되는 Al의 농도가 20ppm 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니.
제7항에 있어서,

상기 천연 석영 유리층의 노출 영역은, 평면에서 볼 때 상기 실리콘 단결정의 투영면을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니.
제8항에 있어서,

상기 천연 석영 유리층의 노출 영역의 직경은, 도가니 구경(R₀)에 대하여 0.3R₀ 이상 0.6R₀ 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 천연 석영 유리층에 포함되는 Ca의 농도가 0.4ppm 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니.
제7항 내지 제9항 중 어느 한 항에 있어서,

상기 천연 석영 유리층에 포함되는 Al의 농도가 10ppm 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니.
회전하고 있는 몰드의 내표면의 대략 전면(全面)에 제1 천연 석영분을 퇴적시키는 공정과,

상기 제1 천연 석영분에 의한 층의 내표면의 대략 전면에 합성 석영분을 퇴적시키는 공정과,

상기 합성 석영분에 의한 층의 내표면 중 저부의 적어도 일부에 제2 천연 석영분을 선택적으로 퇴적시키는 공정과,

상기 제1 천연 석영분, 상기 합성 석영분 및 상기 제2 천연 석영분을 용융함으로써, 상기 몰드의 내표면 전체에 형성된 제1 천연 석영 유리층과, 상기 제1 천연 석영 유리층의 내표면 전체에 형성된 합성 석영 유리층과, 상기 합성 석영 유리층의 내표면 중 상기 저부의 중심을 포함하는 영역에 형성된 제2 천연 석영 유리층을 갖는 석영 유리 도가니를 성형하는 공정을 구비하며,

상기 제2 천연 석영분에 포함되는 Ca의 농도가 0.5ppm 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니의 제조 방법.
회전하고 있는 몰드의 내표면에 천연 석영분을 퇴적시키는 공정과,

상기 천연 석영분에 의한 층의 내표면에 합성 석영분을 퇴적시키는 공정과,

상기 천연 석영분 및 상기 합성 석영분을 용융함으로써, 상기 몰드의 내표면 전체에 형성된 천연 석영 유리층과, 상기 천연 석영 유리층의 내표면 중 저부의 중심을 포함하는 영역을 제외한 영역에 형성된 합성 석영 유리층을 갖는 석영 유리 도가니를 성형하는 공정을 구비하며,

상기 천연 석영분에 포함되는 Ca의 농도가 0.5ppm 이하이며, 상기 천연 석영분에 포함되는 Al의 농도가 20ppm 이하인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영 유리 도가니의 제조 방법.
직동부 및 저부를 갖고, 상기 저부의 내표면의 적어도 일부가 천연 석영 유리에 의해 구성되고, 적어도 상기 직동부의 내표면이 합성 석영 유리에 의해 구성되고, 상기 천연 석영 유리에 포함되는 Ca의 농도가 0.5ppm 이하인 석영 유리 도가니를 준비하여, 상기 석영 유리 도가니 내에 폴리실리콘을 충전하는 공정과,

상기 석영 유리 도가니 내의 상기 폴리실리콘을 융해시키는 공정과,

상기 석영 유리 도가니 내의 실리콘 융액으로부터 실리콘 단결정을 인상하는 공정을 구비하며,

상기 실리콘 단결정을 인상하는 공정은, 상기 도가니의 저부의 내표면의 적어도 일부에 노출되는 상기 천연 석영 유리를 30㎛ 이상 용해한 후, 상기 실리콘 단결정의 몸통부의 인상을 개시하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 제조 방법.