KR20190116525A

KR20190116525A - 실리콘 단결정의 인상 방법

Info

Publication number: KR20190116525A
Application number: KR1020197028456A
Authority: KR
Inventors: 타카히로 아베
Original assignee: 가부시키가이샤 사무코
Priority date: 2017-04-27
Filing date: 2018-02-15
Publication date: 2019-10-14
Also published as: KR102267755B1; TWI715827B; WO2018198488A1; CN110719974B; JP6743753B2; US11319643B2; TW201839186A; JP2018184326A; CN110719974A; DE112018002215T5; US20200071846A1

Abstract

초크랄스키법에 의해, 석영 도가니 내에서 결정용 실리콘 원료를 용융시킨 용융액으로부터 실리콘 단결정을 인상하여 육성시키는 실리콘 단결정의 인상 방법에 있어서, 석영 도가니의 내벽이 합성 석영층일 때, 결정용 실리콘 원료를 석영 도가니 내에 충전하기 전에, 실투 촉진제와 증점제와 용매를 포함하는 젤상 액체를 석영 도가니 내벽의 저면에, 혹은 저면과 측면의 쌍방에 도포하고, 석영 도가니의 내벽이 천연 석영층일 때, 결정용 실리콘 원료를 석영 도가니 내에 충전하기 전에, 젤상 액체를 석영 도가니 내벽의 내벽의 저면과 측면의 쌍방에 도포한다.

Description

실리콘 단결정의 인상 방법

본 발명은, 초크랄스키법(Czochralski method)을 이용한 실리콘 단결정의 인상 방법에 관한 것이다. 더욱 상세하게는, 실리콘 단결정 인상 중에 석영 도가니의 내벽 표면을 안전하게 또한 효율적으로, 또한 균일하게 실투(失透)(결정화)시킴으로써, 장시간에 걸친 단결정의 인상 작업에서도, 결정 성장 중의 유전위화(有轉位化)에 의한 결정 품질의 열화를 방지하여, 수율 및 생산성을 향상시킬 수 있는 실리콘 단결정의 인상 방법에 관한 것이다. 또한, 본 국제 출원은, 2017년 4월 27일에 출원한 일본특허출원 제088218호(특원 2017-088218)에 기초하는 우선권을 주장하는 것이고, 일본 특원 2017-088218의 전체 내용을 본 국제 출원에 원용한다.

반도체 기판에 이용되는 실리콘 단결정을 제조하는 방법에는 여러 가지의 방법이 있지만, 그 중에서도 초크랄스키법(CZ법)이라고 불리는 회전 인상법이 널리 채용되고 있다.

도 1은, 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 인상할 때에 이용되는 일반적인 실리콘 단결정 인상 장치(10)의 일 예를 모식적으로 나타낸 개략도이다. 인상 장치(10)의 외관은 챔버(11)로 구성되고, 그의 중심부에 도가니(12)가 배치 설치되어 있다. 이 도가니(12)는 이중 구조이고, 바닥이 있는 원통 형상을 이루는 석영제의 내층 보존 유지 용기(이하, 간단히 「석영 도가니」라고 함)(12a)와, 그 석영 도가니(12a)의 외측을 보존 유지하기 위해 적합하게 된 동일하게 바닥이 있는 원통 형상의 흑연제의 외층 보존 유지 용기(이하, 간단히 「흑연 도가니」라고 함)(12b)로 구성되어 있다.

이 도가니(12)는, 회전 및 승강이 가능한 지지축(13)의 상단부에 고정되어 있다. 그리고, 도가니(12)의 외측에는 저항 가열식의 히터(14)가 대략 동심원 형상으로 배치 설치되어 있고, 도가니(12) 내에 투입된 소정 중량의 결정용 실리콘 원료가 가열에 의해 용융됨으로써, 용융액(16)이 도가니(12) 내에 충전된다.

용융액(16)을 충전하는 도가니(12)의 중심축 상에는, 지지축(13)과 동일축 상에서 역방향 또는 동방향으로 소정의 속도로 회전하는 인상축(또는 와이어, 이하 양자를 합하여 「인상축」이라고 함)(17)이 배치 설치되어 있고, 인상축(17)의 하단에는 종(種)결정(18)이 보존 유지되어 있다.

이와 같은 인상 장치를 이용하여 실리콘 단결정을 인상하기 위해서는, 먼저, 석영 도가니(12a) 내에 결정용 실리콘 원료를 투입한 후, 감압 하의 불활성 가스 분위기 중에서, 이 결정용 실리콘 원료를 상기 히터(14)로 가열하여 용융함으로써, 석영 도가니(12a) 내에 용융액(16)을 충전시킨다. 그리고, 이 용융액(16)의 표면에 인상축(17)의 하단에 보존 유지된 종결정(18)을 침지시키고, 도가니(12) 및 인상축(17)을 회전시키면서 서서히 인상축(17)을 상방으로 인상해 감으로써, 종결정(18)의 하단면에 실리콘 단결정(19)을 성장시킬 수 있다.

전술한 바와 같이, CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상에서는, 이중 구조의 도가니 중 석영 도가니에 의해, 결정용 실리콘 원료를 용융한 용융액이 보존 유지된다. 이 석영 도가니가 실리콘 용융액을 보존 유지할 때에는, 도가니 표면은 1500℃ 이상의 고온에 노출되어 있고, 그의 시간은 원료 실리콘의 충전량, 결정 성장 속도 등의 조건에 따라 상이하기는 하지만, 통상, 수십 시간을 요하게 된다.

추가로, 최근에는 생산성을 높이기 위해, 동일한 도가니로부터 복수개의 실리콘 단결정을 제조하는 리차지(recharge) 인상법(RCCZ법)이 개발되어 있다(예를 들면, 비특허문헌 1 참조). 이와 같은 리차지 인상법에서는, 석영 도가니가 실리콘 용융액에 노출되는 시간이 수백 시간에 이르는 경우도 있다.

통상, 석영 도가니의 내벽 표면은, 고온 상태의 실리콘 용융액과 접촉하는 사이에, 브라우니시 링(Brownish ring)이라고 불리는 갈색의 크리스토발라이트가 생성되고, 이것이 점차 성장해 간다. 이 크리스토발라이트가, 실리콘 단결정의 인상 과정에서 내벽 표면으로부터 박리하면, 결정 성장을 저해하여, 실리콘 단결정의 유전위화를 초래하게 된다. 이와 같은 도가니 내표면의 결정화(크리스토발라이트의 생성)와 그의 박리에 수반되는 유전위화를 방지하기 위해, 종래부터 여러 가지의 대책이 검토되고 있다.

예를 들면 특허문헌 1 및 특허문헌 2에는, 석영 도가니의 내벽에 결정화 촉진제를 도포하거나, 또는 분포시켜, 내표면 전체를 결정화시키는 것이 기재되고, 특허문헌 2에 기재된 석영 도가니는, 석영 도가니 측벽의 내표면 또는 외표면에 실투 촉진제가 분포되는 것을 특징으로 하고 있다.

또한, 특허문헌 3 및 특허문헌 4에는, 실투 촉진제로서, 일산화 칼슘, 일산화 바륨, 탄산 바륨을 직접 용융액 중에 함유시키는 방법이 개시되어 있다.

또한, 특허문헌 5에는, 마그네슘 등의 금속염과 알콕시실란 올리고머의 부분 가수 분해물을 포함하는 혼합액(실리카졸액)을 도가니 표면에 코팅하고, 이것을 소정의 온도로 소성하여, 상기 금속염에 유래하는 결정화 촉진제를 포함하는 투명 코팅층을 형성하는 방법이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 6에는, 석영 도가니벽 내층에 실투 촉진제를 함유시키는 방법이 개시되어 있다. 또한, 특허문헌 7에는, 실투 촉진제에 탄산 바륨을 이용하여, 석영 도가니의 내벽 표면을 대전시키고, 이 표면에 탄산 바륨을 균일하게 부착시키는 방법이 개시되어 있다.

일본공개특허공보 평08-2932호(청구항 1∼3, 단락 [0014], 단락 [0015]) 일본특허공보 제3046545호(청구항 1∼5, 단락 [0029], 단락 [0030], 단락 [0037]) 일본공개특허공보 평11-21196호(청구항 1, 단락 [0007], 단락 [0008]) 일본공개특허공보 2007-277026호(청구항 1, 단락 [0015], 단락 [0016]) 일본공개특허공보 2003-192391호(청구항 1∼6, 단락 [0003], 단락 [0004]) 일본공개특허공보 2005-306708호(청구항 1∼5, 단락 [0015]) 일본공개특허공보 2007-001793호(청구항 1, 단락 [0009]∼단락 [0011])

시무라 후미오 저, 「반도체 실리콘 결정 공학」p72-73, 1993년 9월, 마루젠

그러나, 상기 특허문헌 1에 나타나는 방법에서는, 열처리나 도포할 때에 도가니를 회전시키는 장치 등이 필요해지기 때문에, 설비 투자의 면에서 문제가 있었다. 또한, 상기 특허문헌 2에 나타나는 방법에서는, 실투 촉진제로서, 물 또는 알코올에 녹는 염, 특히 수산화 바륨이 추천되고 있지만, 바륨 화합물의 경우, 물 또는 알코올에 녹는 것은 독성이 높아, 취급이 어렵다는 문제가 있었다. 또한, 물 또는 알코올에 녹는 것을 도포하는 방법으로서, 특허문헌 2 등에는, 분사 피복법이나 적하 피복법이 언급되어 있지만, 분사 피복법에서는 도가니를 200∼300℃로 가열하면서 행할 필요가 있고, 적하 피복법에서는 도가니를 회전시키면서 피복할 필요가 있기 때문에, 설비 투자가 필요해진다. 한편, 탄산 바륨이나 탄산 칼슘 등의 액체에 불용인 것에 대해서는, 특허문헌 2 등에 개시되어 있는 방법 및 조건으로는 균일한 도포가 어렵다. 또한, 특허문헌 2의 방법은, 석영 도가니의 내벽 및 외벽의 측면에 실투 촉진제가 분포되는 것을 특징으로 하고 있는데, 실리콘 단결정의 유전위화를 방지하기 위해서는 석영 도가니 내벽의 저면에도 적절한 결정화층을 생성시키는 것이 중요하고, 특히, 동일한 도가니로부터 복수개의 실리콘 단결정을 인상하는 리차지 인상법에 있어서는 그의 중요도가 더욱 중가한다.

또한, 상기 특허문헌 3, 4에 나타나는 방법과 같이, 실투 촉진제를 용융액 중에 직접 함유시키는 방법의 경우, 도가니에 도포하는 방법과 비교하여 사용량을 많게 하지 않으면 안되는 점에서, 인상하는 실리콘 단결정의 결정 품질에의 영향이 우려되고 있었다.

또한, 상기 특허문헌 5, 6에 나타나는 방법과 같이, 도가니벽의 내부에 실투 촉진제를 함유시키는 수법에서는, 내벽 표면을 균일하게 실투화시키는 것이 곤란하여, 반대로 실리콘 단결정의 수율을 악화시키는 경우가 있다.

또한, 상기 특허문헌 7의 방법에서는, 상기 특허문헌 2와 같이, 도포는 용이하지만, 독성이 강한 수산화 바륨의 상태로 도포할 필요는 없고, 불용성으로 균일한 도포가 곤란한 탄산 바륨의 상태에서 안정된 도포를 할 수 있기 때문에, 안전성의 면 등에서도 매우 우수하다. 그 한편, 최근 주류가 되고 있는 직경 300㎜의 실리콘 단결정을 인상하기 위해서는, 직경이 800㎜를 초과하는 대형의 석영 도가니가 필요해지는데, 이와 같은 대형 도가니를 대전시키기 위해서는 대형의 설비가 필요해져, 비용이 커진다.

본 발명의 목적은, 실리콘 단결정을 인상하는 석영 도가니의 내벽 표면을 안전하게 또한 효율적으로, 게다가 균일하게 실투(결정화)시킴으로써, 장시간에 걸치는 실리콘 단결정의 인상 작업에서도, 결정 성장 중의 유전위화에 의한 결정 품질의 열화를 방지하여, 제품 수율이나 생산성을 향상시킬 수 있는 실리콘 단결정의 인상 방법을 제공하는 것에 있다.

본 발명자가 예의 연구를 검토한 결과, 탄산 바륨 미(微)분말을 물과 혼합하여, 페이스트상으로 한 것을 석영 도가니의 내벽 표면에 도포하여 건조시킨 바, 통상의 작업으로 내벽 표면으로부터 벗겨져 떨어지는 일 없이 사용할 수 있는 것이 판명되었다. 그러나, 물만으로 분말상의 것을 페이스트상으로 하기 위해서는, 분말의 양이 매우 많아지고, 이 상태에서는, 실투가 강해져 박리를 일으킨다는 문제가 있었다. 한편, 단순히 다량의 물에 혼합해도, 탄산 바륨 미분말은 침전해 버리고, 또한, 교반 직후의 상태의 것을 석영 도가니의 내벽 표면에 도포해도, 내벽 표면의 젖음성이 낮기 때문에 내벽 표면 상에서 물이 튕겨져 버려, 도포 불균일이 발생한다는 문제가 있었다. 도포 불균일이 발생하면, 실투에도 불균일이 발생해 버려, 석영 도가니의 내구성을 충분히 향상시킬 수 없다. 그래서, 젤상의 액체에 탄산 바륨 미분말을 혼합함으로써, 침전시키는 일 없이, 또한 석영 도가니의 내벽 표면에서 튕겨지는 일 없이, 임의의 농도로 균일하게 도포할 수 있는 것을 발견하여, 본 발명에 이르렀다.

본 발명의 제1 관점은, 초크랄스키법에 의해, 석영 도가니 내에서 결정용 실리콘 원료를 용융시킨 용융액으로부터 실리콘 단결정을 인상하여 육성시키는 실리콘 단결정의 인상 방법에 있어서, 석영 도가니의 내벽이 합성 석영층일 때, 결정용 실리콘 원료를 석영 도가니 내에 충전하기 전에, 실투 촉진제와 증점제와 용매를 포함하는 젤상 액체를 석영 도가니 내벽의 저면에, 혹은 저면과 측면의 쌍방에 도포하고, 석영 도가니의 내벽이 천연 석영층일 때, 결정용 실리콘 원료를 석영 도가니 내에 충전하기 전에, 상기 젤상 액체를 석영 도가니 내벽의 저면과 측면의 쌍방에 도포하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제2 관점은, 제1 관점에 기초하는 발명으로서, 실투 촉진제가 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 화합물로 이루어지는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제3 관점은, 제2 관점에 기초하는 발명으로서, 알칼리 토금속이 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 또는 바륨인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제4 관점은, 제2 관점에 기초하는 발명으로서, 알칼리 토금속을 포함하는 화합물이 탄산 바륨인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제5 관점은, 제1 내지 제4 관점 중 어느 것의 관점에 기초하는 발명으로서, 젤상 액체의 점도가 10∼500mPa·s인 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제6 관점은, 제1 내지 제4 관점 중 어느 것의 관점에 기초하는 발명으로서, 젤상 액체의 용매로서 상압에서의 비점이 90℃ 미만인 고휘발성 용매를 포함하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제7 관점은, 제2 내지 제4 관점 중 어느 것의 관점에 기초하는 발명으로서, 석영 도가니의 내벽이 합성 석영층일 때, 내벽 1㎠당에 부착되는 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 화합물의 양이 1.0×10¹³∼1.0×10¹⁶atoms/㎠가 되는 도포량으로 젤상 액체를 도포하고, 석영 도가니의 내벽이 천연 석영층일 때, 내벽 1㎠당에 부착되는 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 화합물의 양이 1.0×10¹⁵∼1.0×10¹⁸atoms/㎠가 되는 도포량으로 젤상 액체를 도포하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제8 관점은, 제1 내지 제7 관점 중 어느 것의 관점에 기초하는 발명으로서, 동일한 석영 도가니를 이용하여 복수의 실리콘 단결정을 인상하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제9 관점은, 제1 내지 제8 관점 중 어느 것의 관점에 기초하는 발명으로서, 젤상 액체를 실온에서 화학 섬유제의 솔 또는 스크레이퍼에 의해 도포하거나, 혹은 상기 젤상 액체를 분무하여 도포하는 것을 특징으로 한다.

본 발명의 제1 관점의 실리콘 단결정의 인상 방법에서는, 초크랄스키법에 의해, 석영 도가니 내에서 결정용 실리콘 원료를 용융시킨 용융액으로부터 실리콘 단결정을 인상하여 육성시키는 실리콘 단결정의 인상 방법에 있어서, 석영 도가니의 내벽이 합성 석영층일 때, 결정용 실리콘 원료를 석영 도가니 내에 충전하기 전에, 실투 촉진제와 증점제와 용매를 포함하는 젤상 액체를 석영 도가니 내벽의 저면에, 혹은 저면과 측면의 쌍방에 도포하고, 석영 도가니의 내벽이 천연 석영층일 때, 결정용 실리콘 원료를 석영 도가니 내에 충전하기 전에, 젤상 액체를 석영 도가니 내벽의 내벽의 저면과 측면의 쌍방에 도포한다. 이와 같이, 본 발명의 인상 방법에서는, 실투 촉진제를 점성있는 재료 등과 혼합하여, 도포성 등을 부여한 젤상 액체로서 도포한다. 이에 따라, 종래는 균일한 도포가 곤란했었던 실투 촉진제에 대해서도, 대형의 설비 등을 요하는 일 없이 안정되게 도포할 수 있어, 석영 도가니의 내벽 표면을 간편하게, 또한 불균일없이 실투(결정화)시킬 수 있다. 그 때문에, 실리콘 단결정 인상 중의 석영 도가니 내벽의 표면 상태를, 안전하게, 또한 낮은 비용으로 안정시킬 수 있다. 또한, 장시간에 걸치는 단결정의 인상 작업에서도, 결정 성장 중의 유전위화 및 이에 의한 결정 품질의 열화를 방지할 수 있어, 수율이나 생산성을 대폭 향상시킬 수 있다.

본 발명의 제2 관점의 실리콘 단결정의 인상 방법에서는, 상기 실투 촉진제가 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 화합물로 이루어짐으로써, 이들 이외의, 예를 들면 알칼리 금속 등으로 이루어지는 실투 촉진제를 이용한 경우에 비하여, 결정 품질을 양호한 것으로 할 수 있다.

본 발명의 제3 관점의 실리콘 단결정의 인상 방법에서는, 상기 알칼리 토금속이 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 또는 바륨이기 때문에, 알칼리 금속 등을 이용한 경우에 비하여, 금속 오염을 저감시키는 효과가 보다 높아진다.

본 발명의 제4 관점의 실리콘 단결정의 인상 방법에서는, 상기 알칼리 토금속을 포함하는 화합물이 탄산 바륨이기 때문에, 이들 이외의, 예를 들면 수산화 바륨 등인 경우에 비하여, 안전성이 보다 높아진다.

본 발명의 제5 관점의 실리콘 단결정의 인상 방법에서는, 젤상 액체의 점도가 10∼500mPa·s이기 때문에, 도포할 때에 도가니 표면에서 젤상 액체가 튕겨지거나, 또는 점도가 지나치게 높아서 도포 불균일을 일으키는 문제가 억제된다.

본 발명의 제6 관점의 실리콘 단결정의 인상 방법에서는, 젤상 액체의 용매로서 상압에서의 비점이 90℃ 미만인 고휘발성 용매를 포함한다. 용매가 고휘발성이기 때문에, 단시간에 젤상 액체가 자연 건조하여, 장시간의 자연 건조나 가열 건조를 할 필요가 없다. 그 결과, 도포에서 충전까지의 시간을 단축함과 함께 건조기를 필요로 하지 않아, 생산 효율을 보다 향상시키고, 또한 생산 비용을 억제할 수 있다.

본 발명의 제7 관점의 실리콘 단결정의 인상 방법에서는, 석영 도가니의 내벽이 합성 석영층일 때, 내벽 1㎠당에 부착되는 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 화합물의 양이 1.0×10¹³∼1.0×10¹⁶atoms/㎠가 되는 도포량으로 젤상 액체를 도포하고, 석영 도가니의 내벽이 천연 석영층일 때, 내벽 1㎠당에 부착되는 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 화합물의 양이 1.0×10¹⁵∼1.0×10¹⁸atoms/㎠가 되는 도포량으로 젤상 액체를 도포한다. 이와 같이 소정의 도포량으로 도포함으로써, 적당한 두께의 균일한 실투가 얻어지기 쉬워진다.

본 발명의 제8 관점의 실리콘 단결정의 인상 방법에서는, 동일한 석영 도가니를 이용하여 복수의 실리콘 단결정을 인상하기 때문에, 결정 품질이 높은 실리콘 단결정의 생산성을 대폭으로 향상시킬 수 있다. 또한, 석영 도가니의 사용 개수를 줄일 수 있기 때문에, 생산 비용을 저감할 수 있다.

본 발명의 제9 관점의 실리콘 단결정의 인상 방법에서는, 젤상 액체를 실온에서 화학 섬유제의 솔 또는 스크레이퍼에 의해 도포하거나, 혹은 젤상 액체를 실온에서 분무하여 도포한다. 이에 따라, 가열하면서 분사 등을 행하는 것이나, 도가니를 회전시키면서 피복할 필요가 없어, 보다 간편하게, 또한 저비용으로 석영 도가니의 내벽을 실투시킬 수 있다. 그 때문에, 특별한 설비 투자를 행할 필요가 없어, 생산 비용을 저감시킬 수 있다.

도 1은 일반적인 실리콘 단결정 인상 장치의 개략적 개략도이다.
도 2는 실시예 5-1의 실투 불균일이 없는 석영 도가니의 내벽 표면을 육안에 의해 관찰했을 때의 사진도이다.
도 3은 비교예 3-1의 실투 불균일이 있는 석영 도가니의 내벽 표면을 육안에 의해 관찰했을 때의 사진도이다.

(발명을 실시하기 위한 형태)

다음으로 본 발명을 실시하기 위한 형태를 도면에 기초하여 설명한다. 본 발명은, 예를 들면 도 1에 나타내는 인상 장치(10)를 이용하여, 초크랄스키법에 의해, 석영 도가니(12a) 내에서 결정용 실리콘 원료를 용융시킨 용융액(16)으로부터 실리콘 단결정(19)을 인상하여 육성시키는 실리콘 단결정의 인상 방법의 개량이다. 그의 특징있는 구성은, 석영 도가니의 내벽이 합성 석영층일 때, 결정용 실리콘 원료를 석영 도가니 내에 충전하기 전에, 실투 촉진제와 증점제와 용매를 포함하는 젤상 액체를 석영 도가니 내벽의 저면에, 혹은 저면과 측면의 쌍방에 도포하고, 석영 도가니의 내벽이 천연 석영층일 때, 결정용 실리콘 원료를 석영 도가니 내에 충전하기 전에, 상기 젤상 액체를 석영 도가니 내벽의 저면과 측면의 쌍방에 도포하는 것을 특징으로 한다. 즉, 이 방법은, 종래와 같이 실투 촉진제를 단순히 물 등에 용해시켜 도포한다고 하는 것이 아니라, 젤상 액체라고 하는 형태로 도포함으로써, 도포성 등의 면에서 석영 도가니의 표면 상태에 적합한 물성을 실투 촉진제에 부여하여 도포하는 것에 의한 것이다. 그 때문에, 실투 촉진제 자체의 성질에 의한 영향은 적고, 불용성의 화합물 등을 사용해도, 도포 불균일 등의 문제를 발생시키는 일 없이, 균일하게 도포할 수 있기 때문에, 실투 불균일을 억제하여, 석영 도가니의 내구성을 향상시킬 수 있다. 이 때문에, 도포성 등을 고려하여, 굳이 용해성이 있는 화합물의 상태로 사용할 필요도 없고, 또한, 불용성으로 도포가 곤란한 실투 촉진제를 사용하는 경우라도 다대(多大)한 장치를 요하지 않는다. 또한, 본 명세서에 있어서, 젤상이란, 적어도 물의 점도보다도 높은 10mPa·s 이상의 점도를 갖는 상태를 말한다. 실투 촉진제와 증점제와 용매를 포함하는 액체가 젤상이 아닌 경우, 즉 점도가 10mPa·s 미만인 경우, 비록 증점제가 포함되어 있어도 점도가 부족하기 때문에, 젖음성이 낮은 석영 도가니의 내벽 표면 상에서 실투 촉진제와 증점제와 용매를 포함하는 액체가 튕겨져 버려 균일한 도포층을 형성할 수 없어 실투 불균일이 발생한다.

젤상 액체에 포함되는 실투 촉진제는, 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 화합물(이하, 알칼리 토금속 등으로 칭하기도 함)로 이루어지는 것이 바람직하다. 상기 알칼리 토금속으로서는, 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 또는 바륨 등을 들 수 있다. 또한, 알칼리 토금속을 포함하는 화합물로서는, 상기 알칼리 토금속의 탄산염 등을 들 수 있다. 구체적으로는, 탄산 바륨 또는 탄산 칼슘 등을 들 수 있다. 이 중, 본 발명의 방법에서는, 특히, 종래의 방법에서는 안정된 도포가 곤란하여, 다대한 장치 등이 필요했었던 탄산 바륨을 적합하게 사용할 수 있다. 탄산 바륨은 분말상이기 때문에, 취급이 용이한 점이나, 물에 거의 용해되지 않는 등의 이유에서도 바람직하다.

젤상 액체는, 실투 촉진제 외에, 증점제와 용매 등을 혼합하여 조제되고, 점도는 500mPa·s 이하의 범위로 조정되는 것이 바람직하다. 젤상 액체의 점도가 500mPa·s를 초과하면, 젤상 액체가 지나치게 단단해져, 균일한 도포층을 형성할 수 없을 우려가 있다. 이 중, 젤상 액체의 점도는 50∼100mPa·s의 범위로 조정하는 것이 특히 바람직하다.

젤상 액체의 조제에 이용하는 증점제는, 젤상 액체에 소망하는 점도를 부여할 수 있는 것이면, 특별히 한정되지 않지만, 예를 들면 증점제로서는, 카복실비닐 폴리머, 폴리비닐알코올 등을 들 수 있다. 이 중, 결정용 실리콘 원료의 용융액에 용해되어도 실리콘 단결정의 품질에 미치는 영향을 최대한 억제하기 때문에, 탄소, 산소, 수소 이외의 원소를 포함하지 않는 혹은 그의 함유량이 적은 유기 화합물이 바람직하다. 또한, 비교적 미량으로 적당한 점성을 부여할 수 있는 것이 바람직하다. 이들의 이유로부터, 증점제에는, 카복실비닐 폴리머 또는 폴리비닐알코올이 특히 바람직하다.

또한, 젤상 액체의 조제에 이용하는 용매에는, 물, 알코올 등을 들 수 있다. 이 중, 상압에서의 비점이 65∼85℃인 고휘발성 용매인 에탄올 등이 특히 바람직하다. 용매로서 이들 고휘발성 용매를 사용하면, 후술의 방법에 의해 젤상 액체를 석영 도가니의 내벽 표면에 도포한 후, 단시간에 자연 건조시키고, 즉각 다음 공정으로 이행할 수 있다. 본 명세서에서, 단시간이란 1∼2분간 정도의 시간을 말한다.

젤상 액체를 조제하기 위해서는, 먼저, 증점제를 용매에 첨가하여 용해시켜, 소망하는 점도를 갖는 젤을 제작하고, 이어서 실투 촉진제를 첨가하고 혼합한다. 또한, 후술과 같이, 젤에 대한 실투 촉진제의 첨가 비율은 매우 적어, 조제 직후(조제 후 24시간 이내)의 젤상 액체의 점도는, 실투 촉진제를 첨가하기 전의 젤의 점도와 거의 같다. 그 때문에, 본 명세서에서는, 젤상 액체의 점도는 젤의 점도로 의제(擬制)한다. 즉, 젤의 점도는, 조제 후의 젤상 액체의 점도와 거의 동일한 10∼500mPa·s의 범위로 조정하는 것이 바람직하고, 증점제와 용매의 혼합 비율은, 제작되는 젤의 점도가 이 범위가 되도록 조정하는 것이 바람직하다. 증점제와 용매의 구체적인 혼합 비율은, 목표로 하는 젤의 점도나, 사용하는 증점제 및 용매의 종류 등에도 의하지만, 바람직하게는 질량비(증점제：용매)로 1:1000∼1:10의 범위이다.

상기 제작된 젤에, 실투 촉진제를 첨가하여 혼합하는 방법에 대해서는 특별히 한정되지 않고, 상기 제작한 젤에, 실투 촉진제를 첨가한 후, 교반봉이나 마그네틱 교반기 등을 이용하여 충분히 혼합하여 분산시킨다. 이 때, 실투 촉진제의 첨가량은, 조제 후의 젤상 액체 100질량％ 중, 0.01∼5질량％의 비율로 하는 것이 바람직하다. 조제 후의 젤상 액체 중에 차지하는 실투 촉진제의 비율이 하한값 미만에서는, 석영 도가니의 내벽 표면에 부착되는 알칼리 토금속의 양이 지나치게 적어져 충분한 실투가 얻어지지 않아, 단결정의 인상 중에 문제를 일으키는 경우가 있다. 한편, 상한값을 초과하면, 석영 도가니의 내벽 표면에 부착되는 알칼리 토금속의 양이 지나치게 많아져 과도하게 실투가 일어나, 도가니 벽면으로부터 박리가 발생하는 경우가 있다. 또한, 실투 촉진제에 분말상의 것으로 사용하는 경우는, 평균 입경이 1㎛ 이하의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 실투 촉진제로서 첨가하는 분말의 평균 입경이 지나치게 크면, 균일하게 도포되지 않아, 도포 불균일 등을 일으키는 경우가 있다.

상기 조제한 젤상 액체는, 결정용 실리콘 원료를 석영 도가니 내에 충전하기 전에 석영 도가니의 내벽(결정용 실리콘 원료 및 그의 용융액을 수용하는 도가니의 내측 표면)의 저면, 혹은 저면과 측면의 쌍방에 도포한다. 또한, 측면과 저면을 결합하는 곡면이 형성되어 있는 경우에는, 이 곡면의 부분은 저면에 포함되는 것으로 한다. 젤상 액체는, 내벽으로의 도포와 아울러, 외벽(외측 표면)에 도포해도 좋다. 내벽 저부의 균일한 실투에 의해 결정 성장 중의 유전위화를 억제하는 효과가 얻어지고, 또한, 내벽 측면의 실투에 의해 석영 도가니의 변형을 억제하는 효과가 얻어진다. 그 때문에, 내벽의 저면과 측면의 쌍방에 도포함으로써, 유전위화의 억제 효과가 얻어짐과 함께, 석영 도가니에 내구성을 부여할 수 있다. 단, 합성 석영은, 천연 석영에 비하여 실투한 부분의 박리하는 빈도가 적기 때문에, 용융액과의 접촉 시간이 긴 저부만에 도포한 경우라도 내구성이 향상한다. 이 때문에, 석영 도가니의 내벽이 합성 석영층인 경우는, 전술의 저면과 측면의 쌍방에 도포하는 방법뿐만 아니라, 석영 저면에만 도포하는 방법을 채용할 수 있다. 또한, 젤상 액체는, 석영 도가니 내벽의 저면의 전체면, 측면의 전체면에 도포해도 좋지만, 제조 비용이나 단결정으로의 불순물의 혼입 등의 면에서, 저면의 일부, 측면의 일부의 영역에 도포해도 좋다. 이 경우, 저면에는, 저면의 전체 면적 100％ 중에 차지하는, 젤상 액체의 도포 영역의 비율이 60％ 이상이 되도록 도포한다. 또한, 측면에는, 이 측면의 상부의 영역에 도포하는 것이 바람직하다. 또한, 측면의 상부란 인상 중에 융액 액면이 접촉하는 부분에서부터 도가니 상단까지의 영역을 말한다. 젤상 액체의 도포 방법에 대해서는, 종래의 분사 피복법이나 적하 피복법 등의 방법이라도 좋다. 설비 투자를 줄이기 위해, 화학 섬유제의 솔 또는 스크레이퍼에 의해 도포하는 방법이나, 분무하여 도포하는 방법이 바람직하다. 구체적으로는, 실온에서, 용기 내에 저류한 젤상 액체를 솔 또는 스크레이퍼에 부착시키거나, 혹은 젤상 액체를 분무 등의 스프레이에 의해 분무화하고, 이것을 석영 도가니의 벽면에 도포함으로써 행한다.

이 때의 젤상 액체의 도포량은, 석영 도가니의 내벽의 단위 면적당에 부착되는 알칼리 토금속 등의 양이 소망하는 범위가 되도록 도포한다. 구체적으로는, 석영 도가니의 내벽이 합성 석영층일 때, 내벽 1㎠당에 부착되는 알칼리 토금속 등의 양이 1.0×10¹³∼1.0×10¹⁶atoms/㎠가 되는 도포량으로 젤상 액체를 도포하는 것이 바람직하다. 알칼리 토금속 등의 양이 하한값을 충족하지 않는 도포량으로 젤상 액체를 도포하면, 균일하게 실투하지 않을 우려가 있어, 충분한 내구성을 얻기 어렵다. 한편, 상한값을 초과하면, 과도하게 실투가 일어나기 쉽고, 도가니 벽면으로부터 박리가 발생하기 쉬워, 결정 성장 중의 유전위화를 촉진시킬 우려가 있다.

한편, 석영 도가니의 내벽이 천연 석영층일 때, 내벽 1㎠당에 부착되는 알칼리 토금속 등의 양이 1.0×10¹⁵∼1.0×10¹⁸atoms/㎠가 되는 도포량으로 젤상 액체를 도포하는 것이 바람직하다. 알칼리 토금속 등의 양이 하한값을 충족하지 않는 도포량으로 젤상 액체를 도포하면, 균일하게 실투하지 않을 우려가 있어, 충분한 내구성을 얻기 어렵다. 한편, 상한값을 초과하면, 과도하게 실투가 일어나기 쉽고, 도가니 벽면으로부터 박리가 발생하기 쉬워, 결정 성장 중의 유전위화를 촉진시킬 우려가 있다. 이 방법에서는, 실투 촉진제를, 증점제 등의 다른 성분과 혼합한 젤상 액체의 형태로 석영 도가니의 내벽 표면으로 도포하기 때문에, 도포되는 실투 촉진제의 농도 조정이 용이하고, 이에 따라, 내벽에 부착되는 알칼리 토금속 등의 양도 용이하게 조정할 수 있다. 또한, 석영 도가니의 내벽이 합성 석영층인 경우의 쪽이, 비교적 저량으로도 상기 문제가 발생하기 어려운 이유는, 천연 석영에 비하여 실투 속도가 빠르기 때문이다.

젤상 액체의 용매로서, 상압에서의 비점이 90℃ 이상인 용매를 사용하는 경우, 젤상 액체를 석영 도가니에 도포한 후, 바람직하게는 0분을 초과 60분간 이하의 조건으로 건조시키는 것이 바람직하다. 60분간 정도 건조를 행하는 것은, 비점이 높은 용매를 사용하여 자연 건조시키는 경우, 건조에 시간을 요하기 때문이다. 또한, 전술과 같이, 용매로서 상압에서의 비점이 90℃ 미만인 저비점의 용매, 즉 고휘발성 용매를 사용한 경우에는, 단시간의 자연 건조를 한 후, 즉각 다음의 공정으로 이행할 수 있다.

젤상 액체를 석영 도가니로 도포하여 가열 건조한 후, 혹은 도포하여 자연 건조한 후, 결정용 실리콘 원료를 석영 도가니로 충전하고, 실리콘 단결정을 인상하기까지의 공정은, 특별히 한정되지 않고, 예를 들면 도 1에 나타내는 인상 장치(10)를 이용하여, 전술의 일반적인 인상 조건 및 순서에 의해, 동일한 도가니(12)로부터 복수개의 실리콘 단결정(19)을 인상할 수 있다.

이상, 본 발명의 인상 방법에서는, 전술과 같이, 실투 촉진제가 용해성을 나타내거나 혹은 불용성인 것에 상관없이, 간편하게, 또한 균일하게 석영 도가니로 도포할 수 있다. 그리고, 실리콘 단결정 인상 과정에 있어서, 혹은 결정용 실리콘 원료를 용융한 후, 인상의 전(前)단계에 있어서, 석영 도가니의 내벽 표면을 효율적으로 거의 균일하게 실투시킬 수 있다. 그 때문에, 실리콘 단결정 인상 중의 석영 도가니 내벽의 표면 상태를 안정시키고, 석영 도가니의 내벽 표면으로부터의 결정편의 박리를 방지하여, 실리콘 단결정의 유전위화를 유효하게 억제할 수 있다. 또한, 실투 촉진제의 균일하고 안정된 도포에 의해, 석영 도가니의 내벽이 불균일없이 균일하게 실투하고, 이에 따라 석영 도가니의 내구성을 향상시킬 수 있기 때문에, 동일한 도가니를 이용하여 복수의 실리콘 단결정을 인상할 수도 있다.

실시예

다음에 본 발명의 실시예를 비교예와 함께 상세하게 설명한다.

＜실시예 1＞

도 1에 나타내는 인상 장치(10)를 이용하여, 다음의 순서에 따라 초크랄스키법에 의해 실리콘 단결정을 육성했다. 먼저, 증점제로서의 카복실비닐 폴리머를, 용매인 물에 용해시킴으로써 점도 500mPa·s의 젤을 제작했다. 여기에, 실투촉진제로서 탄산 바륨 미분말을 0.4질량％가 되는 비율로 첨가하고, 교반봉으로 충분히 혼합함으로써, 실투 촉진제 함유의 젤상 액체를 조제했다. 표 1에, 조제한 젤상 액체의 점도를 나타낸다. 또한, 표 1에 나타내는 젤상 액체의 점도는, 전술과 같이, 실투 촉진제를 첨가하기 전에 측정한 젤의 점도로 의제한 것이다. 다음으로, 내경이 600㎜이고, 내벽이 천연 석영층에 의해 형성된 석영 도가니(12a)를 준비하고, 이 석영 도가니(12a)의 내벽의 전체면(저면 및 측면의 전체면)에, 상기 조제한 젤상 액체를, 조제 후 2시간 이내에 소정의 도포량으로 도포했다. 구체적으로는, 실온에서 화학 섬유제의 솔을 사용하여 도포했다. 젤상 액체를 도포한 후, 대기 중에서 60분간 자연 건조시켰다. 이 때, 젤상 액체의 도포에 의해 내벽 1㎠당에 부착된 Ba 원소의 양은, 도포 중량차에 의해 산출한 결과, 8.5×10¹⁶atoms/㎠였다. 또한, 도포 중량차에 의한 방법이란, 사용한 젤상 액체의 질량과 농도로부터 산출하는 방법을 말한다. 이어서, 결정용 실리콘 원료 150㎏을 젤상 액체 도포 후의 상기 석영 도가니(12a) 내에 충전하고, 이를 용융시켜 용융액(16)으로 했다.

그리고, 상기 인상 장치(10)를 이용하여, 석영 도가니(12a) 내의 용융액으로부터 직경 200㎜의 실리콘 단결정(19)을 인상했다. 또한, 이 실리콘 단결정(19)의 인상에서는, 동일한 석영 도가니(12a)로부터 연속하여 3개의 실리콘 단결정(19)을 인상했다. 1개째의 실리콘 단결정(19)을 인상한 후, 인상한 실리콘 단결정(19)을 인상 장치(10)로부터 취출하고, 이 실리콘 단결정(19)과 동일한 질량의 결정용 실리콘 원료를 재차 투입하여, 2개째의 실리콘 단결정(19)을 인상했다. 동일하게 하여 3개째의 실리콘 단결정(19)을 인상했다. 또한, 인상 조건(인상 속도나 도가니 회전 속도, 그 외의 조건)은, 직동부의 길이 변경에 수반되는 미조정을 행한 점을 제외하고, 3개의 실리콘 단결정에 대해서 모두 동일한 조건으로 했다.

＜실시예 2＞

증점제로서 카복실비닐 폴리머를, 용매인 에탄올(상압 1atm에서의 비점이 78℃)에 용해하여, 점도 100mPa·s의 젤을 제작했다. 여기에, 실투 촉진제로서 탄산바륨 미분말을 0.5질량％가 되는 비율로 첨가하여 마그네틱 교반기로 충분히 혼합함으로써, 실투 촉진제 함유의 젤상 액체를 조제했다. 다음으로, 내경이 800㎜이고, 내벽이 천연 석영층에 의해 형성된 석영 도가니(12a)를 준비하고, 이 석영 도가니(12a)의 내벽의 전체면에, 상기 조제한 젤상 액체를, 조제 후 1시간 이내에 소정의 도포량으로 도포했다. 도포 방법 및 순서에 대해서는, 실시예 1과 마찬가지의 방법 및 순서로 행했다. 이 때, 젤상 액체의 도포에 의해 내벽 1㎠당에 부착된 Ba 원소의 양은, 전술의 도포 중량차에 의해 산출한 결과, 9.2×10¹⁵atoms/㎠였다. 이어서, 젤상 액체를 도포한 후, 단시간 자연 건조시켰다. 이어서, 결정용 실리콘 원료 300㎏을 젤상 액체를 자연 건조시킨 후의 상기 석영 도가니(12a) 내에 충전하고, 이를 용융시켜 용융액(16)으로 했다.

그리고, 상기 석영 도가니(12a) 내의 용융액으로부터 직경 300㎜의 실리콘 단결정(19)을 인상했다. 또한, 이 실리콘 단결정(19)의 인상에서는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 동일한 석영 도가니(12a)로부터 연속하여 3개의 실리콘 단결정(19)을 인상했다. 인상 속도나 도가니 회전 속도 등의 인상 조건은, 직동부의 길이 변경에 수반되는 미조정을 행한 점을 제외하고, 3개의 실리콘 단결정에 대해서 모두 동일한 조건으로 했다.

＜실시예 3＞

증점제로서 폴리비닐알코올을, 용매인 물에 용해하여, 점도 30mPa·s의 젤을 제작했다. 여기에, 실투 촉진제로서 탄산 바륨 미분말을 0.04질량％가 되는 비율로 첨가하여 마그네틱 교반기로 충분히 혼합함으로써, 실투 촉진제 함유의 젤상 액체를 조제했다. 다음으로, 내경이 800㎜이고, 내벽이 합성 석영층에 의해 형성된 석영 도가니(12a)를 준비하고, 이 석영 도가니(12a)의 내벽의 전체면에, 상기 조제한 젤상 액체를, 조제 후 12시간 이내에 소정의 도포량으로 도포하여 60분간 자연 건조시켰다. 도포 방법 및 순서에 대해서는, 실시예 1과 마찬가지의 방법 및 순서로 행했다. 이 때, 젤상 액체의 도포에 의해 내벽 1㎠당에 부착된 Ba 원소의 양은, 전술의 도포 중량차에 의해 산출한 결과, 7.8×10¹⁴atoms/㎠였다. 이어서, 결정용 실리콘 원료 300㎏을 젤상 액체를 자연 건조시킨 후의 상기 석영 도가니(12a) 내에 충전하고, 이를 용융시켜 용융액(16)으로 했다.

그리고, 상기 석영 도가니(12a) 내의 용융액으로부터 직경 300㎜의 실리콘 단결정(19)을 인상했다. 또한, 이 실리콘 단결정(19)의 인상에서는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 동일한 석영 도가니(12a)로부터 연속하여 3개의 실리콘 단결정(19)을 인상했다. 인상 속도나 도가니 회전 속도 등의 인상 조건은, 3개의 실리콘 단결정에 대해서 모두 실시예 2와 동일한 조건으로 했다.

＜실시예 4＞

증점제로서 카복실비닐 폴리머를, 용매인 에탄올에 용해하여, 점도 300mPa·s의 젤을 제작했다. 여기에, 실투 촉진제로서 탄산 칼슘 미분말을 0.3질량％가 되는 비율로 첨가하여 혼합함으로써, 실투 촉진제 함유의 젤상 액체를 조제했다. 다음으로, 내경이 800㎜이고, 내벽이 합성 석영층에 의해 형성된 석영 도가니(12a)를 준비하고, 이 석영 도가니(12a)의 내벽의 전체면에, 상기 조제한 젤상 액체를, 조제 후 8시간 이내에 소정의 도포량으로 도포했다. 도포 방법 및 순서에 대해서는, 실시예 1과 마찬가지의 방법 및 순서로 행했다. 이 때, 젤상 액체의 도포에 의해 내벽 1㎠당에 부착된 Ca 원소의 양은, 전술의 도포 중량차에 의해 산출한 결과, 2.5×10¹⁶atoms/㎠였다. 이어서, 젤상 액체를 도포한 후, 단시간 자연 건조시켰다. 이어서, 결정용 실리콘 원료 300㎏을 젤상 액체를 자연 건조시킨 후의 상기 석영 도가니(12a) 내에 충전하고, 이를 용융시켜 용융액(16)으로 했다.

＜비교예 1＞

결정용 실리콘 원료 150㎏을 석영 도가니(12a) 내에 충전하기 전에, 실투 촉진제 함유의 젤상 액체를 도포하지 않았던 것 이외는, 실시예 1과 마찬가지로 하여 동일한 석영 도가니(12a)로부터 연속하여 3개의 실리콘 단결정(19)을 인상했다. 인상 속도나 도가니 회전 속도 등의 인상 조건은, 3개의 실리콘 단결정에 대해서 모두 실시예 1과 동일한 조건으로 했다.

＜비교예 2＞

증점제로서 카복실비닐 폴리머를, 용매인 에탄올에 용해하여, 점도 100mPa·s의 젤을 제작했다. 여기에, 실투 촉진제로서 탄산 바륨 미분말을 0.5질량％가 되는 비율로 첨가하여 혼합함으로써, 실투 촉진제 함유의 젤상 액체를 조제했다. 다음으로, 내경이 800㎜이고, 내벽이 천연 석영층에 의해 형성된 석영 도가니(12a)를 준비하고, 이 석영 도가니(12a)의 내벽의 측면 상부에만, 상기 조제한 젤상 액체를, 조제 후 5시간 이내에 소정의 도포량으로 도포했다. 또한, 상부란 인상 중에 융액 액면이 접촉하는 부분에서부터 도가니 상단까지의 영역을 말한다. 상기 이외의 도포 방법 및 순서에 대해서는 실시예 1과 마찬가지의 방법 및 순서로 행했다. 이 때, 젤상 액체의 도포에 의해 내벽 1㎠당에 부착된 Ba 원소의 양은, 전술의 도포 중량차에 의해 산출한 결과, 9.2×10¹⁵atoms/㎠였다. 이어서, 젤상 액체를 도포한 후, 단시간 자연 건조시켰다. 계속하여, 결정용 실리콘 원료 300㎏을 젤상 액체를 자연 건조시킨 후의 상기 석영 도가니(12a) 내에 충전하고, 이를 용융시켜 용융액(16)으로 했다.

＜실시예 5-1∼실시예 5-5, 비교예 3-1, 비교예 3-2＞

증점제로서 카복실비닐 폴리머를, 용매인 물(순수) 또는 에탄올에 용해하여, 각 실시예 또는 비교예마다, 점도가 1∼520mPa·s의 범위에서 상이한 액체 또는 젤을 각각 제작했다. 여기에, 실투 촉진제로서 탄산 바륨 미분말을 0.01질량％가 되는 비율로 첨가하여 혼합함으로써, 실투 촉진제 함유의 젤상 액체 또는 비젤상 액체를 조제했다. 다음으로, 내경이 450㎜이고, 내벽이 천연 석영층에 의해 형성된 석영 도가니(12a)를 준비하고, 이 석영 도가니(12a)의 내벽의 일부에, 점도마다 상기 조제한 젤상 액체를, 조제 후 30분 이내에, 실온에서 화학 섬유제의 솔을 이용하여 소정의 도포량으로 도포한 후, 대기 중에서 용매가 물인 경우, 60분간 자연 건조시키고, 용매가 에탄올인 경우, 단시간 자연 건조시켰다. 이 때, 젤상 액체의 도포에 의해 내벽 1㎠당에 부착된 Ba 원소의 양은, 전술의 도포 중량차에 의해 산출한 결과, 8.5×10¹⁶atoms/㎠였다. 그리고, 자연 건조 후의 석영 도가니(12a)를, 용융액이 없는 상태에서, 온도 약 1200℃, 압력 5torr의 조건으로 10시간 보존 유지함으로써 가열 처리를 행했다.

＜실시예 6-1∼실시예 6-4, 비교예 4-1, 4-2＞

증점제로서 카복실비닐 폴리머를, 용매인 에탄올(상압 1atm에서의 비점이 78℃)에 용해하여, 점도 300mPa·s의 젤을 제작했다. 여기에, 실투 촉진제로서 탄산 바륨 미분말을 0.3질량％가 되는 비율로 첨가하여 마그네틱 교반기로 충분히 혼합함으로써, 실투 촉진제 함유의 젤상 액체를 조제했다. 다음으로, 내경이 600㎜이고, 내벽이 합성 석영층에 의해 형성된 석영 도가니(12a)를 준비하고, 이 석영 도가니(12a) 내벽의 저면에만, 상기 조제한 젤상 액체를 조제 후 1시간 이내에 소정의 도포량으로 도포했다. 그 때, 저면의 전체 면적 100％ 중에 차지하는 도포 영역의 비율을, 30∼100％의 범위에서 각 실시예마다 변경하여 도포했다. 도포 방법 및 순서에 대해서는, 실시예 1과 마찬가지의 방법 및 순서로 행했다. 이 때, 젤상 액체의 도포에 의해 내벽 1㎠당에 부착된 Ba 원소의 양은, 전술의 도포 중량차에 의해 산출한 결과, 2.5×10¹⁵atoms/㎠였다. 이어서, 결정용 실리콘 원료 150㎏을 젤상 액체 도포 후의 상기 석영 도가니 내에 충전하고, 이를 용융시켜 용융액(16)으로 했다.

그리고, 상기 석영 도가니(12a) 내의 용융액으로부터 직경 200㎜의 실리콘 단결정(19)을 인상했다. 또한, 이 실리콘 단결정(19)의 인상에서는, 실시예 1과 마찬가지로 하여, 동일한 석영 도가니(12a)로부터 연속하여 3개의 실리콘 단결정(19)을 인상했다. 인상 속도나 도가니 회전 속도 등의 인상 조건은, 3개의 실리콘 단결정에 대해서 모두 실시예 2와 동일한 조건으로 했다.

＜실시예 7-1∼실시예 7-5＞

증점제로서 카복실비닐 폴리머를, 용매인 에탄올에 용해하여, 점도 100mPa·s의 젤을 제작했다. 여기에, 실투 촉진제로서 탄산 바륨 미분말을 0.01질량％가 되는 비율로 첨가하여 혼합함으로써, 실투 촉진제 함유의 젤상 액체를 조제했다. 다음으로, 내경이 450㎜이고, 내벽이 합성 석영층에 의해 형성된 석영 도가니(12a)를 준비하고, 이 석영 도가니(12a)의 내벽의 일부에, 상기 조제한 젤상 액체를, 조제 후 30분 이내에, 실온에서 화학 섬유제의 솔을 이용하여, 각 실시예마다 도포량을 변경하여 도포했다. 이 때, 젤상 액체의 도포에 의해 내벽 1㎠당에 부착된 Ba 원소의 양은, 전술의 도포 중량차에 의해 산출한 결과, 각각 5.0×10¹²atoms/㎠, 1.0×10¹³atoms/㎠, 5.0×10¹⁴atoms/㎠, 1.0×10¹⁶atoms/㎠, 5.0×10¹⁶atoms/㎠였다. 그리고, 단시간 자연 건조시킨 후, 용융액이 없는 상태에서, 온도 약 1200℃, 압력 5torr의 조건으로 10시간 보존 유지하는 것에에 의해 가열 처리를 행했다.

＜실시예 8-1∼실시예 8-5＞

증점제로서 카복실비닐 폴리머를, 용매인 에탄올에 용해하여, 점도 100mPa·s의 젤을 제작했다. 여기에, 실투 촉진제로서 탄산 바륨 미분말을 0.03질량％가 되는 비율로 첨가하여 혼합함으로써, 실투 촉진제 함유의 젤상 액체를 조제했다. 다음으로, 내경이 450㎜이고, 내벽이 천연 석영층에 의해 형성된 석영 도가니(12a)를 준비하고, 이 석영 도가니(12a)의 내벽의 일부에, 상기 조제한 젤상 액체를, 조제 후 30분 이내에 분무로 분사하고, 실온에서 각 실시예마다 도포량을 변경하여 도포했다. 이 때, 젤상 액체의 도포에 의해 내벽 1㎠당에 부착된 Ba 원소의 양은, 전술의 도포 중량차에 의해 산출한 결과, 각각 5.0×10¹⁴atoms/㎠, 1.0×10¹⁵atoms/㎠, 5.0×10¹⁶atoms/㎠, 1.0×10¹⁸atoms/㎠, 5.0×10¹⁸atoms/㎠였다. 그리고, 단시간 자연 건조시킨 후, 용융액이 없는 상태에서, 온도 약 1200℃, 압력 5torr의 조건으로 10시간 보존 유지하는 것에에 의해 가열 처리를 행했다.

＜비교 시험 및 평가＞

실시예 1∼실시예 4, 비교예 1, 2, 비교예 4-1, 4-2 및 실시예 6-1∼실시예 6-4에서 인상한 실리콘 단결정에 있어서의 유전위화 및 석영 도가니의 변형의 유무에 대해서 평가했다. 또한, 실시예 1∼실시예 8-5 및 비교예 2의 석영 도가니에 대해서, 실투 불균일의 유무를 평가했다. 이들 결과를 이하의 표 2에 나타낸다. 또한, 실투 불균일의 평가에 관하여, 상기 가열 처리 후의 석영 도가니의 내벽 표면을 육안으로 관찰했다. 실시예 5-1의 가열 처리 후의 석영 도가니의 내벽 표면의 사진도를 도 2에, 비교예 3-1의 가열 처리 후의 석영 가니의 내벽 표면의 사진도를 도 3에 각각 나타낸다.

(i) 유전위화의 평가：인상한 실리콘 단결정에 있어서의 유전위화의 유무를 확인했다. 그의 결과를, 단결정률에 의해 A∼D의 4단계로 평가했다. 표 2 중, 「A」는, 사용한 실리콘 원료의 질량에 차지하는 단결정 질량의 비율(단결정률)이 80％ 이상인 것을 나타내고, 「B」는, 상기 비율이 70％ 이상∼80％ 미만인 경우를 나타내고, 「C」는, 60％ 이상∼70％ 미만이었던 경우를 나타내고, 「D」는, 60％미만이었던 경우를 나타낸다. 또한, 상기 단결정률은, 인상한 3개의 실리콘 단결정의 총 중량과 사용한 실리콘 원료의 총 중량으로부터 단결정률을 구한 값에 의해 평가했다.

(ⅱ) 석영 도가니의 변형의 유무：실리콘 단결정을 인상한 후의 사용이 끝난 석영 도가니를 냉각하여 인상 장치로부터 취출하고, 그의 외관을 관찰함으로써, 변형의 유무를 확인했다. 그의 결과를, A∼C의 3단계로 평가했다. 표 2 중, 「A」는, 전혀 변형이 없었던 경우를 나타내고, 「B」는, 사용 전에 대하여 10％ 미만의 변형이 있었던 경우를 나타내고, 「C」는, 사용 전에 대하여 10％ 이상의 변형이 있었던 경우를 나타낸다.

(ⅲ) 실투 불균일의 유무：젤상 또는 비젤상 액체를 도포하여 가열 처리한 후의 석영 도가니에 대해서, 그의 내벽을 육안으로 관찰함으로써 실투 불균일의 유무를 확인했다. 또한, 실리콘 단결정의 인상을 행한 실시예 1∼실시예 4, 실시예 6-1∼실시예 6-4, 실시예 7-1∼실시예 7-5, 실시예 8-1∼실시예 8-5, 비교예 2 및 비교예 4-1, 4-2에서는, 각 실시예 또는 비교예와 동일한 조건으로, 젤상 또는 비젤상 액체를 각각 도포한 석영 도가니를 별도 준비하고, 이들을 실시예 5-1과 동일한 조건(온도 1200℃, 압력 5torr의 조건으로 10시간)으로 가열 처리하고, 그의 내벽을 육안으로 관찰함으로써 실투 불균일의 유무를 확인했다. 그의 결과를, A∼C의 3단계로 평가했다. 표 2 중, 「A」는, 도포한 부분의 전체면이 균일하게 실투하고 있었던 경우를 나타내고, 「B」는, 도포한 부분의 90％ 이상이 실투하고 있었던 경우를 나타내고, 「C」는, 도포한 부분의 실투가 90％ 미만이었던 경우를 나타낸다.

표 2로부터 명백한 바와 같이, 실시예 1∼4와 비교예 1, 2를 비교하면, 결정 실리콘 원료를 충전하기 전의 실투 촉진제에 의한 처리를 전혀 행하고 있지 않은 비교예 1에서는, 3개째에 인상한 실리콘 단결정에 유전위화가 보여지고(평가 D), 단결정률이 전체적으로 내려갔다. 또한, 도가니도 직동부가 좌굴 변형 기미(氣味)였다(평가 C). 또한, 석영 도가니 내벽의 상부에만, 젤상 액체를 도포한 비교예 2에서는, 2개째의 실리콘 단결정을 인상하는 후반부터 유전위화가 발생하고(평가 D), 단결정률이 전체적으로 내려갔다. 이것은, 주로 젤상 액체를 도포하고 있지 않은 부분부터 크리스토발라이트가 박리한 것이 원인이라고 생각된다. 한편, 실시예 1∼4에서는, 인상한 실리콘 단결정은 3개 모두 전역에 걸쳐서 거의 무전위이고(평가 A 또는 B), 또한, 인상 소요 시간이 3개 합계로 200시간에 도달했음에도 불구하고, 도가니의 변형도 전혀 일어나지 않고(평가 A), 또한, 도포한 부분의 전체면이 균일하게 실투하고 있었다(평가 A).

또한, 실시예 5-1∼실시예 5-5와 비교예 3-1, 비교예 3-2를 비교하면, 점도가 매우 낮은 비젤상의 형태로 도포한 비교예 3-1에서는, 도 3의 사진도와 같이, 실투 촉진제를 석영 도가니 내벽에 균일하게 도포할 수 없었던 점에서, 실투 불균일이 확인되었다(평가 C). 또한, 비교예 3-1보다는 점도가 높기는 하지만, 비젤상의 형태로 도포한 비교예 3-2에서는, 실투 촉진제를 균일하게 도포할 수 없고, 비교예 3-1과 마찬가지의 실투 불균일이 약간 확인되었다(평가 B). 또한, 점도가 500 mPa·s를 초과하는 실시예 5-5에서는, 점도가 높아 균일하게 젤을 도포할 수 없었기 때문에, 실투 불균일이 약간 확인되었다(평가 B). 한편, 실시예 5-1∼실시예 5-4에서는, 도 2의 사진도와 같이, 실투 불균일은 보이지 않고(평가 A), 매우 양호한 결과가 얻어졌다.

또한, 실시예 6-1∼실시예 6-4와 비교예 4-1, 4-2를 비교하면, 비교예 4-1, 4-2에서는, 석영 도가니의 내벽이 합성 석영층일 때는, 저면만의 젤상 액체의 도포 비율이 저면의 전체 면적 100％에 대하여 30％, 50％로 좁았기 때문에, 단결정률이 낮고(평가 C 또는 D), 석영의 변형이 있었다(평가 C). 비교예 4-1에서는 실투 불균일이 없었지만(평가 A), 비교예 4-2에서는 실투 불균일이 약간 확인되었다(평가 B). 한편, 실시예 6-1∼실시예 6-4에서는, 석영 도가니의 내벽이 합성 석영층일 때는, 저면에만 60∼100％의 비율로 젤상 액체를 도포하는 경우, 단결정률은 70％이상이고(평가 B 또는 A), 석영 도가니의 변형은 약간 있거나 또는 전혀 없고(평가 B 또는 A), 도포한 부분의 90％ 이상이 실투하고 있거나 또는 전체면이 균일하게 실투하고 있었다(평가 B 또는 A). 이 결과, 부분적인 도포에서도 충분한 내구성을 부여할 수 있음과 함께 유전위화도 실투 불균일도 거의 없는 것을 알았다.

또한, 내벽이 합성 석영층에 의해 형성된 석영 도가니의 실시예 7-1∼실시예 7-5에서는, 각 실시예마다 젤상 액체의 도포량을 변경하여 내벽 1㎠당에 부착된 Ba원소의 양을 바꾼 결과, Ba 원소량이 5.0×10¹²atoms/㎠인 실시예 7-1에서는 도포한 부분의 실투가 90％이상이었다(평가 B). 한편, 실시예 7-2∼실시예 7-5에서는, Ba원소량이 1.0×10¹³atoms/㎠, 5.0×10¹⁴atoms/㎠, 1.0×10¹⁶atoms/㎠, 5.0×10¹⁶atoms/㎠였기 때문에, 도포한 부분의 전체면이 모두 균일하게 실투하고 있었다(평가 A). 이에 따라, Ba 원소량이 1.0×10¹³atoms/㎠ 이상인 것이 바람직한 것을 알았다.

또한, 내벽이 천연 석영층에 의해 형성된 석영 도가니의 실시예 8-1∼실시예 8-5에서는, 각 실시예마다 젤상 액체의 도포량을 변경하여 내벽 1㎠당에 부착된 Ba원소의 양을 바꾼 결과, Ba 원소량이 5.0×10¹⁴atoms/㎠인 실시예 8-1에서는 도포한 부분의 실투가 90％ 이상이었다(평가 B). 한편, 실시예 8-2∼실시예 8-5에서는, Ba 원소량이 1.0×10¹⁵atoms/㎠, 5.0×10¹⁶atoms/㎠, 1.0×10¹⁸atoms/㎠, 5.0×10¹⁸atoms/㎠였기 때문에, 도포한 부분의 전체면이 모두 균일하게 실투하고 있었다(평가 A). 이에 따라, Ba 원소량이 1.0×10¹⁵atoms/㎠ 이상인 것이 바람직한 것을 알 수 있었다.

(산업상의 이용 가능성)

본 발명의 실리콘 단결정의 인상 방법은, 동일한 도가니로부터 복수개의 실리콘 단결정을 제조하는 리차지 인상법(RCCZ법)에 적합하게 이용된다.

Claims

초크랄스키법에 의해, 석영 도가니 내에서 결정용 실리콘 원료를 용융시킨 용융액으로부터 실리콘 단결정을 인상하여 육성시키는 실리콘 단결정의 인상 방법에 있어서,
상기 석영 도가니의 내벽이 합성 석영층일 때, 상기 결정용 실리콘 원료를 상기 석영 도가니 내에 충전하기 전에, 실투(失透) 촉진제와 증점제와 용매를 포함하는 젤상 액체를 상기 석영 도가니 내벽의 저면에, 혹은 저면과 측면의 쌍방에 도포하고,
상기 석영 도가니의 내벽이 천연 석영층일 때, 상기 결정용 실리콘 원료를 상기 석영 도가니 내에 충전하기 전에, 상기 젤상 액체를 상기 석영 도가니 내벽의 저면과 측면의 쌍방에 도포하는
것을 특징으로 하는 실리콘 단결정의 인상 방법.
제1항에 있어서,
상기 실투 촉진제가 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 화합물로 이루어지는 실리콘 단결정의 인상 방법.
제2항에 있어서,
상기 알칼리 토금속이 마그네슘, 칼슘, 스트론튬 또는 바륨인 실리콘 단결정의 인상 방법.
제2항에 있어서,
상기 알칼리 토금속을 포함하는 화합물이 탄산 바륨인 실리콘 단결정의 인상 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 젤상 액체의 점도가 10∼500mPa·s인 실리콘 단결정의 인상 방법.
제1항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 젤상 액체의 용매로서 상압에서의 비점이 90℃ 미만인 고휘발성 용매를 포함하는 실리콘 단결정의 인상 방법.
제2항 내지 제4항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 석영 도가니의 내벽이 합성 석영층일 때, 상기 내벽 1㎠당에 부착되는 상기 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 화합물의 양이 1.0×10¹³∼1.0×10¹⁶atoms/㎠가 되는 도포량으로 상기 젤상 액체를 도포하고,
상기 석영 도가니의 내벽이 천연 석영층일 때, 상기 내벽 1㎠당에 부착되는 상기 알칼리 토금속 또는 알칼리 토금속을 포함하는 화합물의 양이 1.0×10¹⁵∼1.0×10¹⁸atoms/㎠가 되는 도포량으로 상기 젤상 액체를 도포하는 실리콘 단결정의 인상 방법.
제1항 내지 제7항 중 어느 한 항에 있어서,
동일한 석영 도가니를 이용하여 복수의 실리콘 단결정을 인상하는 실리콘 단결정의 인상 방법.
제1항 내지 제8항 중 어느 한 항에 있어서,
상기 젤상 액체를 실온에서 화학 섬유제의 솔 또는 스크레이퍼에 의해 도포하거나, 혹은 상기 젤상 액체를 실온에서 분무하여 도포하는 실리콘 단결정의 인상 방법.