KR20200015613A - 석영 유리 도가니 - Google Patents

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Abstract

실리콘 단결정의 제조 수율의 향상과 단결정 중의 핀홀의 발생의 억제를 양립시키는 것이 가능한 석영 유리 도가니를 제공한다.
석영 유리 도가니(1)는, 원통상의 직동부(1a)와, 만곡한 바닥부(1b)와, 직동부(1a)와 바닥부(1b)의 사이에 마련된 코너부(1c)를 갖고, 직동부(1a)의 상부(1a1)에 있어서의 내표면으로부터 깊이 0.5mm까지의 내측 표층부의 기포 함유율은 0.2% 이상 2% 이하이며, 직동부(1a)의 하부(1a2)에 있어서의 내측 표층부의 기포 함유율은 0.1%보다 크고 직동부(1a)의 상부(1a1)의 기포 함유율의 하한값의 1.3배 이하이며, 코너부(1c)에 있어서의 내측 표층부의 기포 함유율은 0.1%보다 크고 0.5% 이하이며, 바닥부(1b)에 있어서의 내측 표층부의 기포 함유율은 0.1% 이하이다.

Description

석영 유리 도가니
본 발명은, 석영 유리 도가니에 관한 것이고, 특히 초크랄스키법(CZ법)에 의한 실리콘 단결정의 인상에 이용되는 석영 유리 도가니에 관한 것이다.
CZ법에 의한 실리콘 단결정의 제조에서는 석영 유리 도가니가 이용되고 있다. CZ법에서는, 실리콘 원료를 석영 유리 도가니 내에서 가열하여 용융하고, 이 실리콘 융액에 종결정(種結晶)을 침지시키며, 도가니를 회전시키면서 종결정을 서서히 인상하여 단결정을 성장시킨다. 반도체 디바이스용의 고품질인 실리콘 단결정을 저비용으로 제조하기 위해서는, 전위(轉位)나 결함이 없는 실리콘 단결정의 제조 수율을 높일 필요가 있다.
실리콘 단결정의 인상 공정 중, 석영 유리 도가니의 내표면은 실리콘 융액에 접촉하고 있고, 실리콘 융액과 반응하여 서서히 용손(溶損)되어 간다. 여기에서, 도가니의 내표면 근방에 내포되는 기포가 많으면, 도가니 내표면이 용손되어 내부 기포가 표면에 나타났을 때에 결정 인상 중의 고온하에서 기포가 팽창하여 파열되기 쉽고, 그때에 도가니 내표면으로부터 도가니편(실리카편)이 박리되며, 이것이 실리콘 융액에 혼입됨으로써 인상이 불안정해지고, 단결정 중에 들어감으로써의 인상 공정의 문제(실리콘 단결정의 유전위화(有轉位(dislocation)化), 멜트백 등 인상 공정의 재시도 등)를 초래하여, 단결정화율이 저하된다. 그로 인하여 도가니 내표면 측에는 실질적으로 기포를 포함하지 않는 투명층이 마련되어 있고, 또 투명층보다 외측은 다수의 기포를 포함하는 불투명층으로 구성되어 있다.
최근, CZ법에 의하여 인상되는 실리콘 단결정의 대구경화에 따라, 육성 중인 단결정 중에 기포가 들어가, 단결정 중에 핀홀이 발생하는 문제가 눈에 띄게 되었다. 핀홀은 실리콘 단결정에 내포되는 기포이며, 공동(空洞) 결함의 일종이다. 기포는 실리콘 융액 중에 용해된 아르곤(Ar) 가스나 석영 유리 도가니와 실리콘 융액과의 반응에 의하여 발생하는 일산화 규소(SiO) 가스 등의 기체가 석영 도가니의 내표면에 형성된 상처 등을 기점으로 응집함으로써 발생하고, 도가니 내표면으로부터 이탈한 기포는 실리콘 융액 중을 부상(浮上)하여 단결정과 융액의 계면에 도달하며, 단결정 중에 들어가는 것으로 생각되고 있다. 핀홀은 실리콘 단결정을 슬라이스해야 비로소 발견할 수 있으며, 슬라이스 공정 후에 핀홀이 발견된 웨이퍼는 불량품으로서 폐기된다. 이와 같이, 실리콘 단결정 중의 핀홀은 실리콘 웨이퍼의 제조 수율을 저하시키는 요인 중 하나가 되고 있다.
실리콘 단결정 중의 핀홀의 발생을 방지하는 기술에 관하여, 특허문헌 1에는, 비정질 실리카가 결정화한 결정질 실리카의 면적을 도가니 내면적의 10% 이하로 하고, 도가니 내표면의 개방 기포에 의한 오목부의 밀도를 0.01~0.2개/mm2로 하며, 도가니 내표면의 용손 속도를 20μm/hr 이하로 억제함으로써, 실리콘 단결정 중의 핀홀의 발생을 방지하는 방법이 기재되어 있다.
또 석영 도가니에 관하여, 특허문헌 2에는, 탕면(湯面) 진동을 방지하는 것이 가능한 석영 유리 도가니가 기재되어 있다. 이 석영 유리 도가니는, 초기 탕면 하강 위치보다 상부의 기포 함유율을 0.1% 이상, 증가 비율을 0.002~0.008%, 하부의 기포 함유율을 0.1% 미만으로 함으로써 탕면 진동을 억제하는 것이다.
특허문헌 3에는, 내표면에 두께 1mm 이상의 투명 유리층을 갖고, 내주면 부분의 투명 유리층의 기포 함유율이 0.5% 이하이며, 바닥면 부분의 투명 유리층의 기포 함유율이 0.01% 이하인 실리콘 단결정 인상용 석영 도가니가 기재되어 있다. 이 석영 도가니의 제조 공정에서는, 도가니 전체에 대하여 기포 함유율을 감소시킬 필요는 없고, 도가니 바닥부의 중앙 부분을 중점적으로 가열하여 감압 탈기하면 되므로, 제조 장치나 그 제어가 간략하고, 제조 비용의 점에서도 유리하다.
특허문헌 4에는, 합성 석영 가루에 의하여 도가니의 내면층을 형성하는 석영 유리 도가니의 제조 방법에 있어서, 내면층의 내측 부분을 제1 합성 석영 가루에 의하여 형성하고, 그 내면층의 표면 측 부분을 제1 합성 석영 가루보다 평균 입도가 10μm 이상 작은 제2 합성 석영 가루에 의하여 형성함으로써, 대형 도가니이더라도 내면층을 균질하게 형성할 수 있고, 내면층의 기포 함유율이 낮은 석영 유리 도가니를 제조하는 것이 기재되어 있다.
특허문헌 1: 일본 공개특허공보 2008-162865호 특허문헌 2: 일본 공개특허공보 2009-102206호 특허문헌 3: 일본 공개특허공보 평6-191986호 특허문헌 4: 국제 공개공보 제2009/122936호
그러나, 특허문헌 1에 기재된 종래의 석영 유리 도가니는, 내측 투명층의 기포 함유율을 규정하는 것은 아니고, 특히 핀홀의 발생이 효과적으로 억제되도록 도가니의 부위마다 기포 함유율을 규정하는 것은 아니다. 특허문헌 1에는, 도가니의 바닥부에 오목부가 일정 밀도 존재하는 것이 바람직하다고 기재되어 있지만, 이 구성에서는 핀홀의 발생의 방지와 단결정의 제조 수율의 향상과의 양립이 어렵다. 또, 도가니 내표면의 용손 속도를 20μm/hr 이하로 억제하여 실리콘 단결정의 인상을 행하는 등의 사용 조건의 제한이 있다.
또 특허문헌 2~4에는, 투명층의 기포 함유율을 낮게 하여 기포의 파열에 의한 실리카편의 박리를 방지하고, 이로써 단결정의 제조 수율을 높이는 것은 기재되어 있지만, 단결정 중의 핀홀의 발생을 효과적으로 억제하는 수단에 관한 기재는 없다.
따라서, 본 발명의 목적은, 실리콘 단결정의 제조 수율의 향상과 단결정 중의 핀홀의 발생의 억제를 양립시키는 것이 가능한 석영 유리 도가니를 제공하는 것에 있다.
본원 발명자는, 단결정 중의 핀홀의 발생 원인과 석영 유리 도가니와의 관계에 대하여 예의 연구를 거듭한 결과, 단결정 중의 핀홀의 발생을 억제하기 위해서는 석영 유리 도가니의 내측 투명층의 기포 함유율을 한없이 0%에 근접시키는 것은 바람직하지 않고, 도가니의 부위마다 적절한 기포 함유율로 할 필요가 있으며, 기포 함유율의 밸런스가 중요한 것을 발견했다. 지금까지, 내측 투명층의 기포 함유율은 단결정의 유전위화를 방지하는 관점으로부터 가능한 한 낮은 편이 좋다고 생각되어 왔다. 그러나, 내측 투명층의 기포 함유율이 매우 낮은 석영 유리 도가니를 이용하여 실리콘 단결정을 인상한 경우에는 단결정 중에 핀홀이 발생하기 쉽고, 반대로 내측 투명층에 미소 기포를 약간 포함하는 석영 도가니 도가니인 편이 단결정 중에 핀홀이 발생하기 어려운 것이 분명해졌다.
본 발명은 이와 같은 기술적 발견에 근거하는 것이며, 본 발명에 의한 석영 유리 도가니는, 원통상의 직동부(直胴部)와, 만곡한 바닥부와, 상기 직동부와 상기 바닥부의 사이에 마련된 코너부를 갖고, 상기 직동부의 상부에 있어서의 내표면으로부터 깊이 0.5mm까지의 내측 표층부의 기포 함유율은 0.2% 이상 2% 이하이며, 상기 직동부의 하부에 있어서의 상기 내측 표층부의 기포 함유율은 0.1%보다 크고 상기 직동부의 상부의 기포 함유율의 하한값의 1.3배 이하이며, 상기 코너부에 있어서의 상기 내측 표층부의 기포 함유율은 0.1%보다 크고 0.5% 이하이며, 상기 바닥부에 있어서의 상기 내측 표층부의 기포 함유율은 0.1% 이하인 것을 특징으로 한다.
본 발명에 의하면, 도가니의 내표면으로부터 깊이 0.5mm까지의 내측 표층부의 기포 함유율이 너무 높지 않고, 너무 낮지 않으며, 도가니의 부위마다 적절한 범위로 설정되어 있으므로, CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상에 있어서 유전위화에 의한 제조 수율을 저하시키지 않고, 핀홀을 포함하지 않는 단결정을 육성할 수 있다.
본 발명에 있어서 규정하는 도가니의 각 부위의 기포 함유율의 범위는, 그 부위 중에서의 기포 함유율의 최댓값의 범위를 의미한다. 따라서, 예를 들면, 도가니의 코너부의 일부에 기포 함유율이 0.1% 이하가 되는 영역이 존재하고 있었다고 하더라도, 코너부의 기포 함유율의 최댓값이 0.1%보다 크고 0.5% 이하이면, 코너부의 기포 함유율은 본 발명의 조건을 충족하고 있다고 할 수 있다. 이 경우에 있어서, 도가니의 각 부위에 있어서의 기포 함유율을 충족하는 영역(예를 들면, 코너부의 기포 함유율의 최댓값이 0.1%보다 크고 0.5% 이하가 되는 영역)이 20mm 이상의 범위에 걸쳐서 존재하면, 본 발명에 의한 전위의 억제 효과 및 핀홀 억제 효과를 안정적으로 발휘시킬 수 있다.
본 발명에 있어서, 상기 내측 표층부에 포함되는 기포의 평균 직경은 50μm 이상 500μm 이하인 것이 바람직하다. 기포의 평균 직경이 이 범위 내이면, 기포의 파열에 기인하는 단결정의 유전위화를 방지하면서, 단결정 중의 핀홀의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다.
본 발명에 의하면, 실리콘 단결정의 제조 수율을 저하시키지 않고, 단결정 중의 핀홀의 발생을 효과적으로 억제하는 것이 가능한 석영 유리 도가니를 제공할 수 있다. 따라서, 이와 같은 석영 유리 도가니를 이용한 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 제조 방법에 의하면, 핀홀을 포함하지 않는 고품질의 단결정을 높은 수율로 제조하는 것이 가능해진다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 의한 석영 유리 도가니의 구조를 나타내는 대략 측면 단면도이다.
도 2는, 결정 인상 공정에서의 석영 유리 도가니의 사용 상태를 나타내는 대략 측면 단면도이다.
도 3은, 32인치 도가니의 평가 시험의 결과이며, 각 샘플의 기포 함유율의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 4는, 석영 유리 도가니의 각 부위의 내측 표층부의 단면도이다.
도 5는, 24인치 도가니의 평가 시험의 결과이며, 각 샘플의 기포 함유율의 분포를 나타내는 그래프이다.
도 6은, 32인치 도가니의 기포 함유율의 분포와 기포 사이즈와의 상관에 대하여 평가한 결과를 나타내는 그래프이다.
이하, 첨부 도면을 참조하면서, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 상세하게 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 의한 석영 유리 도가니의 구조를 나타내는 대략 측면 단면도이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 석영 유리 도가니(1)는, 실리콘 융액을 유지하는 바닥이 있는 원통상의 용기이며, 원통상의 직동부(1a)와, 완만하게 만곡한 바닥부(1b)와, 바닥부(1b)보다 큰 곡률을 갖고, 직동부(1a)와 바닥부(1b)의 사이에 마련된 코너부(1c)를 갖고 있다.
석영 유리 도가니(1)의 직경(구경)은 24인치(약 600mm) 이상인 것이 바람직하고, 32인치(약 800mm) 이상인 것이 더 바람직하다. 이와 같은 대구경의 도가니는 직경 300mm 이상의 대형의 실리콘 단결정 잉곳의 인상에 이용되고, 대형의 실리콘 단결정 잉곳의 제조에서는 단결정 중에 핀홀이 발생할 확률이 높고, 본 발명의 효과가 현저하기 때문이다. 도가니의 두께는 그 부위에 따라 다소 다르지만, 24인치 이상의 도가니의 직동부(1a)의 두께는 8mm 이상인 것이 바람직하며, 32인치 이상의 대형 도가니의 직동부(1a)의 두께는 10mm 이상인 것이 바람직하고, 특히 40인치(약 1000mm) 이상의 대형 도가니의 직동부(1a)의 두께는 13mm 이상인 것이 바람직하다.
석영 유리 도가니(1)는 2층 구조이며, 다수의 기포를 포함하는 석영 유리로 이루어지는 불투명층(11)과, 기포 함유율이 매우 낮은 석영 유리로 이루어지는 투명층(12)을 구비하고 있다.
불투명층(11)은, 도가니벽의 외표면(10b)을 구성하는 기포 함유율이 높아진 석영 유리층이며, 히터로부터의 복사열을 분산시켜 도가니 내의 실리콘 융액에 균일하게 전달하는 역할을 한다. 그로 인하여, 불투명층(11)은 도가니의 직동부(1a)로부터 바닥부(1b)까지의 도가니 전체에 마련되어 있는 것이 바람직하다. 불투명층(11)의 두께는, 도가니벽의 두께로부터 투명층(12)의 두께를 뺀 값이며, 도가니의 부위에 따라 다소 다르다.
불투명층(11)을 구성하는 석영 유리의 기포 함유율은 0.8% 이상이며, 1~5%인 것이 바람직하다. 불투명층(11)의 기포 함유율은, 비중 측정(아르키메데스법)에 의하여 구할 수 있다. 즉, 불투명층(11)의 기포 함유율은, 도가니로부터 잘라낸 단위 체적(1cm3)의 불투명 석영 유리편의 질량과, 기포를 포함하지 않는 석영 유리의 비중(석영 유리의 진밀도: 2.2g/cm3)으로부터 계산에 의하여 구할 수 있다.
투명층(12)은, 실리콘 융액과 접하는 도가니벽의 내표면(10a)을 구성하는 기포 함유율이 저감된 석영 유리층이며, 석영 유리에 내포되어 있는 기포가 파열됨으로써 내표면(10a)으로부터 박리된 도가니 파편이 고액(固液) 계면에 들어가 단결정이 유전위화하는 것을 방지하기 위하여 마련되어 있다. 실리콘 융액의 오염을 방지하기 위하여, 실리콘 융액과 반응하여 용손하는 투명층(12)은 고순도일 것이 요구된다. 투명층(12)의 두께는 0.5~10mm인 것이 바람직하고, 단결정의 인상 공정 중의 용손에 의하여 완전히 소실되어 불투명층(11)이 노출되는 경우가 없도록, 도가니의 부위마다 적절한 두께로 설정된다. 불투명층(11)과 동일하게, 투명층(12)은 도가니의 직동부(1a)로부터 바닥부(1b)까지의 도가니 전체에 마련되어 있는 것이 바람직하지만, 실리콘 융액과 접촉하지 않는 도가니의 상단부(림부)에 있어서 투명층(12)의 형성을 생략하는 것도 가능하다.
투명층(12)의 기포 함유율은 불투명층(11)에 비하여 매우 낮고, 그 기포 함유율은 도가니의 부위에 따라 상이하지만, 2% 이하이며, 기포의 평균 사이즈(직경)는 500μm 이하이다. 즉, 투명층(12)은, 기포가 파열했을 때의 도가니 파편이 원인으로 단결정이 유전위화하지 않을 정도의 기포 함유율을 갖고 있다. 투명층(12)에 포함되는 미소 기포는, 실리콘 융액과 도가니의 반응에 의하여 발생하고, 실리콘 융액 중에 용해되어 있는 SiO의 기화를 촉진시키는 역할을 한다. 불투명층(11)과 투명층(12)의 경계에 있어서 기포 함유율의 변화는 급격하고, 양자의 경계는 육안으로도 명확하다.
도가니의 내표면(10a)으로부터 깊이 방향의 일정한 범위 내에 존재하는 기포의 수나 사이즈는, 광학적 검출 수단을 이용하여 비파괴적으로 측정할 수 있다. 광학적 검출 수단은, 검사 대상의 도가니의 내표면(10a)에 조사된 광의 반사광을 수광하는 수광 장치를 구비한다. 조사광의 발광 수단은 내장된 것이어도 되고, 또 외부의 발광 수단을 이용하는 것이어도 된다. 또, 광학적 검출 수단은, 도가니의 내표면(10a)을 따라 회동(回動) 조작할 수 있는 것이 바람직하다. 조사광으로서는, 가시광, 자외선 및 적외선 외에, X선 혹은 레이저광 등을 이용할 수 있고, 반사하여 기포를 검출할 수 있는 것이면 모두 적용할 수 있다. 수광 장치는 조사광의 종류에 따라 선택되지만, 예를 들면 수광 렌즈 및 촬상부를 포함하는 광학 카메라를 이용할 수 있다.
상기 광학 검출 수단에 의한 측정 결과는 화상 처리 장치에 입력되어, 기포 함유율이 산출된다. 상세하게는, 광학 카메라를 이용하여 도가니의 내표면의 화상을 촬상할 때에, 수광 렌즈의 초점을 표면으로부터 깊이 방향으로 주사하여 복수의 화상을 촬영하고, 각 화상에 비치는 기포의 사이즈로부터 체적을 구하며, 각 화상의 각 기포의 체적의 총합으로부터 단위 체적당 기포의 체적인 기포 함유율을 구할 수 있다.
도가니의 내표면 근방의 기포 함유율은 자동 측정기를 이용하여 측정하는 것이 바람직하다. 자동 측정기는, 암로봇의 선단에 마련된 광학 카메라가 도가니의 내표면(10a)을 따라 이동하여 내표면을 일정한 피치로 촬영하고, 각 측정점의 기포 함유율을 측정한다. 자동 측정기를 이용한 기포 함유율의 측정에 의하면, 도가니의 내표면 근방의 기포 함유율을 단시간에 정확하게 측정하는 것이 가능하다.
본 실시형태에 의한 석영 유리 도가니(1)의 특징은, 직동부(1a) 및 코너부(1c)에 있어서의 내표면 근방의 기포 함유율이 너무 낮지 않고, 적절한 기포 함유율을 갖는 점에 있다. 상기와 같이, 도가니의 내표면 근방의 기포 함유율이 높은 경우에는, 실리콘 융액과의 접촉에 의하여 내표면(10a)이 용손될 때에 석영 유리 중의 기포가 표면에 나타나 열팽창에 의하여 파열되고, 이로써 도가니편(실리카편)이 내표면(10a)으로부터 박리될 확률이 높아진다. 실리카편은 융액의 대류를 타고 고액 계면까지 옮겨져 단결정 중에 들어가며, 인상 중인 단결정에 전위가 발생한다. 그로 인하여, 지금까지는 도가니 내표면 근방의 기포 함유율을 가능한 한 낮게 하는 것이 바람직하다고 생각되고 있었다.
그러나, 도가니의 내표면 전체에 있어서 도가니의 내표면 근방의 기포 함유율이 낮은 경우, 실리콘 융액과 도가니의 반응에 의하여 발생하고, 융액 중에 용해되어 있는 SiO가 응집하여 가스화하는 기점이 없기 때문에, 과포화의 임곗값 근처까지 융액 중의 SiO 농도가 높아진 후에 단번에 가스화하며, 융액 중에서 큰 기포를 형성한다. 이와 같은 큰 기포가 실리콘 융액에 다시 용해되는 경우는 없고, 기포의 발생 위치가 단결정의 하방이면 융액 중을 부상한 기포는 단결정에 들어가 핀홀이 된다. 즉, 기포 함유율이 너무 낮으면 실리콘 융액이 돌비(突沸, bumping)하기 쉽고, 돌비에 의하여 발생한 기포가 인상 중인 단결정에 들어갈 확률이 높아진다.
따라서 본 실시형태에서는, 도가니의 부위에 따라 적절한 기포 함유율을 설정함으로써, 기포의 파열에 의한 도가니 파편의 박리를 방지하면서, 융액 중의 기포가 단결정 중에 들어가는 것에 의한 핀홀의 발생의 방지를 도모하고 있다.
도가니의 내표면(10a)으로부터 깊이 0.5mm까지의 내측 표층부 중, 직동부(1a)의 내측 표층부의 기포 함유율은 0.1~2%인 것이 바람직하다. 직동부(1a)의 내측 표층부의 기포 함유율이 2%를 초과하는 경우에는, 실리콘 단결정이 유전위화하기 쉬워져, 실리콘 단결정의 제조 수율이 저하된다. 또 직동부(1a)의 내측 표층부의 기포 함유율이 0.1% 이하인 경우에는, 실리콘 융액 중에 용해되어 있는 SiO 등의 가스 성분을 기화시키는 효과가 충분하지 않고, 내측 표층부에 기포를 내포시킴으로써 단결정 중의 핀홀의 발생을 억제하는 효과가 얻어지지 않는다. 그러나, 기포의 파열에 의한 도가니편의 박리가 발생하지 않을 정도로 직동부(1a)의 내측 표층부의 기포 함유율을 높게 함으로써, 핀홀의 원인이 되는 실리콘 융액 중에 용해된 가스 성분을 적극적으로 배출하여 융액 중의 SiO 농도를 저감시킬 수 있다.
도 2는, 결정 인상 공정에서의 석영 유리 도가니(1)의 사용 상태를 나타내는 대략 측면 단면도이다.
도 2에 나타내는 바와 같이, 실리콘 단결정(20) 및 석영 유리 도가니(1)의 대구경화에 의하여 도가니 내의 실리콘 융액(21)의 양이 증가하고, 또 고액 계면(20a)의 온도를 일정하게 하기 위해서는 도가니의 직동부(1a)의 온도를 1600℃이상의 고온으로 해 둘 필요가 있다. 한편, 도가니의 바닥부(1b)(실리콘 융액(21)의 하부)에서는 실리콘 융액(21)의 압력이 높고, 융액 자체의 온도도 낮다. 그로 인하여, 실리콘 융액(21)과 도가니의 반응에 의하여 발생하고, 실리콘 융액(21) 중에 용해되어 있는 SiO는 가스화하기 어려운 상태에 있다. 이에 대하여, 실리콘 융액(21)의 상부(융액면(21a) 부근)에서는 융액 자체의 압력이 낮고, 또 상기와 같이 융액의 온도도 높기 때문에, 실리콘 융액(21) 중에 용해되어 있는 SiO가 가스화하기 쉽다.
핀홀은, 도가니의 바닥부(1b)에서 발생한 기포가 부상하고, 고액 계면(20a)에 부착함으로써 발생한다. 따라서 실리콘 단결정(20)의 하방에 있어서 기포가 발생한 경우에는 단결정 중에 들어가기 쉽다. 한편, 직동부(1a)의 내표면(10a)에서 발생한 기포는, 다소 흔들리면서 융액 중을 대략 일직선으로 부상하고, 직동부(1a)는 실리콘 단결정(20)으로부터 100mm 이상 멀리 떨어진 위치에 있으므로, 직동부(1a)에서 발생한 기포가 실리콘 단결정(20)에 들어갈 가능성은 매우 낮다.
따라서 본 실시형태에서는, 실리콘 융액의 상부와 접하는 도가니의 직동부(1a)의 내측 표층부의 기포 함유율을 상대적으로 높게 하여 SiO의 가스화를 촉진시킨다. 도가니의 내표면(10a)에 석영 유리 중의 기포가 노출되었을 때, 그곳을 기점으로 융액 중에 미소한 SiO의 기포가 발생한다. 직동부(1a)에서 발생한 SiO의 기포는 실리콘 융액에 다시 용해되지 않고 융액 중을 부상한다. 그러나, 도가니의 바닥부(1b)에서 발생한 SiO의 기포는 매우 작기 때문에, 다시 융액 중에 용해되어, 단결정에 들어가는 경우는 없다. 따라서, 단결정에 기포가 들어가는 것에 의한 핀홀의 발생을 억제할 수 있다.
도가니의 직동부(1a)의 상측의 기포 함유율은, 도가니의 직동부(1a)의 하측의 기포 함유율보다 높은 것이 바람직하다. 보다 구체적으로는, 도가니의 직동부(1a) 중, 상하 방향의 중간점보다 상방의 부분인 직동부(1a)의 상부(1a1)의 내측 표층부의 기포 함유율은 0.2~2%인 것이 바람직하다. 또 직동부(1a)의 하부(1a2)의 내측 표층부의 기포 함유율은 0.1%보다 크고 또한 직동부(1a)의 상부(1a1)의 내측 표층부의 기포 함유율의 하한값의 1.3배 이하인 것이 바람직하며, 1.2배 이하인 것이 특히 바람직하다.
결정 인상 공정이 진행됨에 따라 실리콘 융액은 소비되어 융액량이 감소되고, 액면 위치도 저하된다. 그로 인하여, 직동부(1a)의 상부(1a1)는 하부(1a2)보다 실리콘 융액과 접하고 있는 시간이 짧고, 도가니의 내표면(10a)의 용손량도 적다. 반대로, 직동부(1a)의 하부(1a2)는 상부(1a1)보다 실리콘 융액과 접하고 있는 시간이 길고, 내표면(10a)의 용손량도 많다. 따라서 도가니의 하방일수록 전위나 핀홀을 발생시킬 확률이 높아진다. 또, 직동부(1a)의 상부(1a1)가 실리콘 융액과 접하고 있는 단계는 또 결정 인상 공정의 초기의 단계이며, 실리콘 단결정의 숄더부의 육성 공정 중이거나, 혹은 직경이 일정한 보디부의 육성 공정 개시 직후이기 때문에, 전위나 핀홀의 영향은 작다. 또한, 직동부(1a)의 상부(1a1)는 초기 탕면 위치에 해당하기 때문에, 기포 함유율을 높게 함으로써 탕면 진동을 억제하는 효과도 기대할 수 있다. 이와 같은 이유로부터, 본 실시형태에서는 실리콘 융액과 접하고 있는 시간이 짧은 직동부(1a)의 상부(1a1)의 기포 함유율을 상대적으로 높게 하고, 실리콘 융액과 접하고 있는 시간이 긴 직동부(1a)의 하부(1a2)의 기포 함유율을 상대적으로 낮게 하고 있다.
직동부(1a)의 상부(1a1)의 기포 함유율의 상한값 및 하한값은, 직동부의 상부(1a1)의 상단 근처 및 하단 근처에 각각 존재하고 있고, 직동부(1a)의 기포 함유율은 상단부로부터 하방을 향하여 점감(漸減)되고 있는 것이 바람직하다. 특히, 직동부(1a)의 상부(1a1)의 기포 함유율의 상한값은 하한값의 1.5배 이상인 것이 바람직하다. 예를 들면, 직동부(1a)의 상단 근처의 기포 함유율은 1.0%이며, 하방을 향하여 서서히 저하되어 가고, 직동부(1a)의 하단 근처의 기포 함유율이 0.1%로 되어 있어도 된다. 이로써, 직동부(1a)의 높이 위치에 따른 최적인 기포 함유율을 설정할 수 있다.
코너부(1c)의 내측 표층부의 기포 함유율은, 0.1~0.5%인 것이 바람직하다. 코너부(1c)의 내측 표층부의 기포 함유율이 0.5%를 초과하는 경우에는, 실리콘 단결정이 유전위화하기 쉬워져, 실리콘 단결정의 제조 수율이 저하된다. 또 코너부(1c)의 내측 표층부의 기포 함유율이 0.1% 이하인 경우에는, 실리콘 융액 중에 용해되어 있는 SiO 등의 가스 성분을 기화시키는 효과가 충분하지 않아, 내측 표층부에 기포를 내포시킴으로써 단결정 중의 핀홀의 발생을 억제하는 효과가 얻어지지 않는다. 도가니의 직동부의 상부의 내표면 근방에만 기포 함유율이 비교적 높은 부분을 마련한 경우, 그 부분이 융액과 접하고 있는 동안에는 큰 기포의 발생을 억제하는 효과가 얻어지지만, 융액과 접하지 않게 된 후에는 상기와 동일한 상황이 된다.
그러나, 기포의 파열에 의한 도가니편의 박리가 발생하지 않을 정도로 코너부(1c)의 기포 함유율을 높게 함으로써, 핀홀의 원인이 되는 실리콘 융액 중에 용해된 SiO의 배출 효과를 높여 융액 중의 SiO 농도를 저감시킬 수 있다. 코너부(1c)는 인상 공정의 종반까지 실리콘 융액과 접촉하는 부위이며, 직동부(1a)보다 도가니의 중심에 가깝기 때문에, 코너부(1c)에서 도가니편의 박리가 발생하거나, 큰 기포가 발생한 경우의 영향은 직동부(1a)보다 크다. 그러나, 기포의 파열에 의한 도가니편의 박리나 핀홀의 원인이 되는 큰 기포의 발생이 보다 더욱 일어나기 어렵도록 직동부(1a)보다 낮은 기포 함유율로 설정되어 있으므로, 그와 같은 문제를 회피할 수 있다.
직동부(1a)나 코너부(1c)와 다르게, 바닥부(1b)의 내측 표층부의 기포 함유율은 가능한 한 낮은 것이 바람직하고, 0.05% 미만인 것이 특히 바람직하다. 바닥부(1b)의 내측 표층부의 기포 함유율을 높게 하면 바닥부(1b)에서 기포가 발생하기 쉬워져, 단결정 중에 기포가 들어갈 확률이 높아지기 때문이며, 또 상기와 같이 직동부(1a)나 코너부(1c)에 있어서 적절한 기포 함유율이 설정되어 있으면, 바닥부(1b)에 있어서 기포 함유율을 높게 하지 않아도 충분한 핀홀 억제 효과가 있기 때문이다.
도가니의 바닥부(1b)는 결정 인상 개시부터 종료까지 실리콘 융액과 접촉하고 있고, 직동부(1a)나 코너부(1c)보다 실리콘 융액과의 접촉 시간이 길고, 도가니 내표면의 용손량도 많아진다. 그로 인하여, 기포 함유율을 충분히 낮게 하지 않으면 기포가 표면에 나타나는 양도 많아져, 기포가 파열되어 실리카편이 박리되거나, 기포를 기점으로 하여 발생하는 큰 기포에 의하여 단결정 중의 핀홀이 발생할 확률이 높아지게 된다. 그로 인하여 도가니의 바닥부(1b)에서는 기포 함유율을 매우 낮게 할 필요가 있다. 도가니의 바닥부(1b)에서 발생한 SiO의 기포는 작기 때문에, 다시 융액 중에 용해되어, 단결정에 들어가는 경우는 없다.
직동부(1a)에는 파열에 의하여 실리카편이 박리되지 않을 정도의 매우 작은 기포를 내포시켜 두고, 이 미소 기포를 기점으로 하여 융액 중의 SiO를 응집시켜 가스화시켜 적극적으로 융액 밖으로 토출시킴으로써, 융액 중에 용해되어 있는 SiO의 농도를 저감시킬 수 있다. 이와 같이 하면, 도가니의 바닥부에서 만약 미소 기포 등의 기포 발생핵을 기점으로 하여 융액 중의 SiO가 응집하여 기포가 발생했다고 하더라도, 그 기포는 매우 작아, 융액에 다시 용해될 수 있으며, 돌비에 의하여 도가니 바닥부에서 발생한 큰 기포가 단결정 중에 들어가지 않도록 할 수 있다.
본 발명에 있어서 규정하는 도가니의 각 부위의 기포 함유율의 범위는, 그 부위 중에서의 기포 함유율의 최댓값의 범위를 의미한다. 따라서, 도가니의 각 부위의 일부에 기포 함유율의 조건을 충족하지 않는 영역이 존재하고 있었다고 하더라도, 다른 일부의 기포 함유율의 최댓값이 조건을 충족하고 있으면, 코너부의 전체로서 본 발명의 기포 함유율의 조건을 충족하고 있다고 할 수 있다. 이 경우, 각 부위에 있어서 기포 함유율을 충족하는 영역이 20mm 이상의 범위에 걸쳐서 존재하면, 본 발명에 의한 전위의 억제 효과 및 핀홀 억제 효과를 안정적으로 발휘시킬 수 있다.
도가니의 내측 표층부의 기포 함유율은, 다소의 상하 변동이 있지만, 코너부(1c)의 하단으로부터 직동부(1a)의 상단을 향하여 대략 점증(漸增)되는 것이 바람직하다. 따라서, 코너부(1c)의 기포 함유율의 하한값은 코너부(1c)의 하단 근처에 위치하고, 코너부(1c)의 기포 함유율의 상한값은 코너부(1c)의 상단 근처에 위치하는 것이 바람직하다. 또, 직동부(1a)의 기포 함유율의 하한값은 직동부(1a)의 하단 근처에 위치하고, 직동부(1a)의 기포 함유율의 상한값은 직동부(1a)의 상단 근처에 위치하는 것이 바람직하다.
도가니의 내측 표층부에 포함되는 기포의 평균 직경은 50~500μm인 것이 바람직하다. 500μm를 초과하는 큰 기포를 포함하는 경우에는, 기포의 파열에 의하여 도가니편이 박리될 가능성이 높고, 인상 수율에 영향을 미칠 우려가 있기 때문이다. 또, 직경 50μm 미만의 매우 미세한 기포의 평가는 곤란하고, 핀홀의 발생을 억제하는 효과도 거의 없다고 생각된다. 즉, 도가니 내표면으로부터 돌비가 발생하기 쉬워져, 큰 기포가 실리콘 융액 중을 상승하여 잉곳에 들어가 핀홀이 발생하기 때문이다. 도가니의 내측 표층부에는 직경이 50μm 이하인 기포가 포함되어 있어도 되지만, 직경이 500μm 이상인 기포가 존재하지 않는 것이 바람직하다.
기포 함유율과 기포 사이즈의 사이에는 상관이 있고, 기포 함유율이 높아지면 큰 사이즈의 기포도 증가하며, 기포 함유율이 낮아지면 큰 사이즈의 기포는 줄어들고, 작은 사이즈의 기포가 증가한다. 매우 작은 사이즈의 기포만을 포함시키도록 하는 것은 어렵다. 따라서, 도가니의 부위마다 기포 함유율을 너무 높지 않고 또한 너무 낮지 않게 적절한 범위로 설정함으로써, 기포 함유율과 함께 기포의 평균 사이즈를 도가니의 부위마다 최적화시킬 수 있다.
도가니의 내표면(10a)의 표면 조도(산술 평균 조도(Ra))는, 0.001μm~0.2μm인 것이 바람직하다. 0.2μm보다 큰 경우에는, 내표면이 박리되어 단결정이 유전위화하기 쉽고, 0.001μm 이하로 하는 것은 생산상 곤란하기 때문이다. 그러나, 도가니의 내표면(10a)의 산술 평균 조도(Ra)가 0.001μm~0.2μm인 경우에는, 도가니의 내표면의 박리에 의한 단결정의 유전위화를 억제할 수 있다.
본 실시형태에 의한 석영 유리 도가니(1)는, 이른바 회전 몰드법에 의하여 제조할 수 있다. 회전 몰드법에서는, 도가니의 외형에 맞춘 내면 형상을 갖는 카본 몰드를 이용하여, 회전하는 몰드 내에 석영 가루를 투입하고, 몰드 내면에 석영 가루를 일정한 두께로 퇴적시킨다. 이때, 석영 가루의 퇴적량은 도가니의 두께가 부위마다 설곗값대로 되도록 조정된다. 석영 가루는 원심력에 의하여 도가니의 내면에 달라붙어 도가니의 형상을 유지하므로, 이 석영 가루를 아크 용융함으로써 실리카 유리 도가니가 제조된다.
아크 용융 시에는 몰드 측으로부터 감압하고, 몰드에 마련한 통기 구멍을 통하여 용융 석영 내의 기체를 외측으로 흡인하며, 통기 구멍을 통하여 외부로 배출함으로써, 도가니 내표면 근방에 기포가 배제된 투명층(12)을 형성한다. 이때, 투명층(12)을 얇게(불투명층(11)을 두껍게) 형성하고자 하는 곳에서는 흡인 시간(진공 배기의 시간)을 짧게 하고, 투명층(12)을 두껍게(불투명층(11)을 얇게) 형성하고자 하는 곳에서는 흡인 시간을 길게 하면 된다. 그 후, 모든 통기 구멍의 흡인력을 약하게 하고(또는 정지시키고), 추가로 가열을 계속하여 기포를 잔류시킴으로써, 투명층(12)의 외측에 다수의 미소한 기포를 포함하는 불투명층(11)이 형성된다.
회전 몰드법에서는, 도가니의 부위마다 석영 원료 가루의 종류(입경), 아크 출력 레벨, 가열 시간, 몰드의 진공 배기의 압력·시간 등의 조건을 변경함으로써, 도가니의 부위마다 적절한 기포 함유율 및 기포 사이즈를 설정할 수 있다. 예를 들면 원료 석영 가루의 입경이 작으면 작은 기포가 발생하기 쉬워져 기포 함유율은 낮아지지만, 입경이 크면 큰 기포가 발생하기 쉬워져 기포 함유율은 높아진다. 또 원료 석영 가루에 포함되는 탄소의 함유량이 많을수록 기포 함유율이 높아지기 쉽다. 또 아크 가열의 출력이 크면 기포가 적어지고, 출력이 작으면 기포는 많아진다. 가열 시간이 길면 기포 함유율이 낮아지고, 반대로 가열 시간이 짧으면 기포 함유율은 높아진다. 또, 흡인력이 강하면 기포 함유율이 낮아지고, 약하면 높아진다.
이상 설명한 바와 같이, 본 실시형태에 의한 석영 유리 도가니(1)는, 내표면으로부터 깊이 0.5mm까지의 내측 표층부의 기포 함유율이 도가니의 부위마다 적절한 범위로 설정되어 있고, 기포의 평균 직경이 50~500μm이므로, 기포 함유율이 너무 높은 것에 의한 유전위화함과 함께, 기포 함유율이 너무 낮은 것에 의한 단결정 중의 핀홀의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 특히, 본 실시형태에 있어서는, 도가니의 직동부(1a)의 상부(1a1)의 기포 함유율이 직동부(1a)의 하부(1a2)의 기포 함유율보다 높으므로, 실리콘 융액 중에 용해된 SiO 등의 가스 성분을 적극적으로 배출시킬 수 있고, 이로써 단결정 중의 핀홀의 발생을 효과적으로 억제할 수 있다. 또 직동부(1a)의 상부(1a1)와 동일하게, 직동부(1a)의 하부(1a2)나 코너부(1c)의 기포 함유율은 바닥부(1b)보다 높지만, 직동부(1a)의 하부(1a2)는 상부(1a1)보다 실리콘 융액과의 접촉 시간이 길고, 코너부(1c)는 직동부(1a)의 하부(1a2)보다 실리콘 융액과의 접촉 시간이 더 긴 것을 고려하여, 도가니의 하측만큼 기포 함유율을 낮게 하고 있으므로, 단결정 중의 핀홀의 발생을 억제하면서 단결정의 유전위화를 확실히 방지할 수 있다.
이상, 본 발명의 바람직한 실시형태에 대하여 설명했지만, 본 발명은, 상기의 실시형태에 한정되지 않고, 본 발명의 주지를 벗어나지 않는 범위에서 다양한 변경이 가능하며, 그것들도 본 발명의 범위 내에 포함되는 것은 말할 필요도 없다.
실시예
(실시예 1: 32인치 도가니의 평가 시험)
직경 32인치의 석영 유리 도가니의 샘플 S1을 준비하고, 그 내표면 근방의 기포 함유율의 분포를 측정했다. 기포 함유율의 측정에는 자동 측정기를 이용하고, 각 측정점에 있어서 5Х5mm의 영역 내의 내표면으로부터 깊이 약 0.5mm까지 범위에 존재하는 기포의 사이즈를 특정하여, 기포 함유율을 산출했다.
기포 함유율의 측정에서는, 도가니의 바닥부 중심으로부터 림 상단을 향하여 직경 방향(상하 방향)으로 20mm 피치로 측정했다. 그 결과, 도가니 샘플 S1의 기포 함유율은, 바닥부: 0~0.10%, 코너부: 0.12~0.15%, 직동부의 하부: 0.13~0.41%, 직동부의 상부: 0.45~0.68%였다. 이 32인치 도가니의 바닥부 중심을 기준으로 하는 도가니의 각 부위의 범위는, 바닥부: 0~300mm, 코너부: 300~500mm, 직동부의 하부: 500~650mm, 직동부의 상부: 650~800mm였다. 도가니 샘플 S1의 각 부위에 있어서의 기포 함유율의 최댓값을 도 3의 그래프에 나타낸다.
다음으로 이 석영 유리 도가니의 샘플 S1을 포함하는 동일 조건으로 제조한 동일 품종의 5개의 석영 유리 도가니를 이용하여 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상을 5회 행하고, 그 인상 수율을 평가했다. 단결정의 인상 수율은, 5회의 인상에서 유전위화가 1회도 발생하지 않을 때 "좋음", 유전위화가 1회라도 발생했을 때 "나쁨"이라고 평가했다. 이 평가의 결과, 표 1에 나타내는 바와 같이, 5회 모두 문제없이 무전위의 실리콘 단결정 잉곳을 인상할 수 있어, 인상 수율은 양호했다.
도가니 샘플 인상 수율 핀홀
S1 좋음 좋음
S2 좋음 좋음
S3 좋음 좋음
S4 좋음 나쁨
S5 좋음 나쁨
S6 나쁨 좋음
S7 나쁨 좋음
S8 나쁨 좋음
다음으로, 얻어진 5개의 실리콘 단결정 잉곳 중의 핀홀의 유무를 평가했다. 핀홀의 유무의 평가에서는, 실리콘 단결정 잉곳을 가공하여 얻어진 실리콘 웨이퍼 중의 핀홀의 유무를 적외선 검사 장치로 검사함으로써 행했다. 그 결과, 표 1에 나타내는 바와 같이, 어느 단결정 잉곳에 있어서도 핀홀 불량은 전혀 검출되지 않았다.
샘플 S1과는 다른 조건으로 제조한 석영 유리 도가니의 샘플 S2를 준비하고, 그 내표면 근방의 기포 함유율의 분포를 측정한바, 도가니 샘플 S2의 기포 함유율은, 바닥부: 0~0.10%, 코너부: 0.12~0.45%, 직동부의 하부: 0.47~0.59%, 직동부의 상부: 0.53~1.7%였다. 도가니 샘플 S2의 각 부위에 있어서의 기포 함유율의 최댓값을 도 3의 그래프에 나타낸다.
다음으로 이 석영 유리 도가니의 샘플 S2를 포함하는 동일 조건으로 제조한 동일 품종의 5개의 석영 유리 도가니를 이용하여 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상을 5회 행한 결과, 표 1에 나타내는 바와 같이, 5회 모두 문제없이 무전위의 실리콘 단결정 잉곳을 인상할 수 있어, 인상 수율은 양호했다. 또, 얻어진 5개의 실리콘 단결정 잉곳 중의 핀홀의 유무를 평가한바, 표 1에 나타내는 바와 같이, 핀홀 불량은 검출되지 않았다.
샘플 S1, S2와는 다른 조건으로 제조한 석영 유리 도가니의 샘플 S3을 준비하고, 그 내표면 근방의 기포 함유율의 분포를 측정한바, 도가니 샘플 S3의 기포 함유율은, 바닥부: 0~0.10%, 코너부: 0.12~0.17%, 직동부의 하부: 0.15~0.19%, 직동부의 상부: 0.19~0.33%였다. 도가니 샘플 S3의 각 부위에 있어서의 기포 함유율의 최댓값을 도 3의 그래프에 나타낸다.
다음으로 이 석영 유리 도가니의 샘플 S3을 포함하는 동일 조건으로 제조한 동일 품종의 5개의 석영 유리 도가니를 이용하여 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상을 5회 행한 결과, 표 1에 나타내는 바와 같이, 5회 모두 문제없이 무전위의 실리콘 단결정 잉곳을 인상할 수 있어, 인상 수율은 양호했다. 또, 얻어진 5개의 실리콘 단결정 잉곳 중의 핀홀의 유무를 평가한바, 표 1에 나타내는 바와 같이, 핀홀 불량은 검출되지 않았다.
샘플 S1~S3과는 다른 조건으로 제조한 석영 유리 도가니의 샘플 S4를 준비하고, 그 내표면 근방의 기포 함유율의 분포를 측정한바, 도가니 샘플 S4의 기포 함유율은, 바닥부: 0~0.01%, 코너부: 0.01~0.04%, 직동부의 하부: 0.02~0.04%, 직동부의 상부: 0.04~0.16%였다. 도가니 샘플 S4의 각 부위에 있어서의 기포 함유율의 최댓값을 도 3의 그래프에 나타낸다.
다음으로 이 석영 유리 도가니의 샘플 S4를 포함하는 동일 조건으로 제조한 동일 품종의 5개의 석영 유리 도가니를 이용하여 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상을 5회 행한 결과, 표 1에 나타내는 바와 같이, 5회 모두 문제없이 무전위의 실리콘 단결정 잉곳을 인상할 수 있어, 인상 수율은 양호했다. 그러나, 얻어진 5개의 실리콘 단결정 잉곳 중의 핀홀의 유무를 평가한바, 핀홀 불량이 검출되었다.
샘플 S1~S4와는 다른 조건으로 제조한 석영 유리 도가니의 샘플 S5를 준비하고, 그 내표면 근방의 기포 함유율의 분포를 측정한바, 도가니 샘플 S5의 기포 함유율은, 바닥부: 0%, 코너부: 0%, 직동부의 하부: 0~0.01%, 직동부의 상부: 0.01~0.02%였다. 도가니 샘플 S5의 각 부위에 있어서의 기포 함유율의 최댓값을 도 3의 그래프에 나타낸다.
다음으로 이 석영 유리 도가니의 샘플 S5를 포함하는 동일 조건으로 제조한 동일 품종의 5개의 석영 유리 도가니를 이용하여 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상을 5회 행한 결과, 표 1에 나타내는 바와 같이, 5회 모두 문제없이 무전위의 실리콘 단결정 잉곳을 인상할 수 있어, 인상 수율은 양호했다. 그러나, 얻어진 5개의 실리콘 단결정 잉곳 중의 핀홀의 유무를 평가한바, 핀홀 불량이 검출되었다.
샘플 S1~S5와는 다른 조건으로 제조한 석영 유리 도가니의 샘플 S6을 준비하고, 그 내표면 근방의 기포 함유율의 분포를 측정한바, 도가니 샘플 S6의 기포 함유율은, 바닥부: 0~0.20%, 코너부: 0.21~0.54%, 직동부의 하부: 0.24~0.44%, 직동부의 상부: 0.47~0.80%였다. 도가니 샘플 S6의 각 부위에 있어서의 기포 함유율의 최댓값을 도 3의 그래프에 나타낸다.
다음으로 이 석영 유리 도가니의 샘플 S6을 포함하는 동일 조건으로 제조한 동일 품종의 5개의 석영 유리 도가니를 이용하여 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상을 5회 행한 결과, 표 1에 나타내는 바와 같이, 전위가 발생했기 때문에 인상 수율은 나빴다. 얻어진 5개의 실리콘 단결정 잉곳 중의 핀홀의 유무를 평가한바, 핀홀 불량은 검출되지 않았다. 샘플 S6에서는, 코너부의 일부에서 기포 함유율이 0.5%를 초과하고 있기 때문에, 전위의 발생에 의하여 인상 수율이 저하된 것으로 생각된다.
샘플 S1~S6과는 다른 조건으로 제조한 석영 유리 도가니의 샘플 S7을 준비하고, 그 내표면 근방의 기포 함유율의 분포를 측정한바, 도가니 샘플 S7의 기포 함유율은, 바닥부: 0~0.31%, 코너부: 0.33~0.66%, 직동부의 하부: 0.66~0.75%, 직동부의 상부: 0.73~1.3%였다. 도가니 샘플 S7의 각 부위에 있어서의 기포 함유율의 최댓값을 도 3의 그래프에 나타낸다.
다음으로 이 석영 유리 도가니의 샘플 S7을 포함하는 동일 조건으로 제조한 동일 품종의 5개의 석영 유리 도가니를 이용하여 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상을 5회 행한 결과, 표 1에 나타내는 바와 같이, 전위가 발생했기 때문에 인상 수율은 나빴다. 얻어진 5개의 실리콘 단결정 잉곳 중의 핀홀의 유무를 평가한바, 핀홀 불량은 검출되지 않았다. 샘플 S7에서는, 바닥부의 일부에서 기포 함유율이 0.1%를 초과하고 있고, 또 코너부의 일부에서 기포 함유율이 0.5%를 초과하고 있기 때문에, 전위의 발생에 의하여 인상 수율이 저하된 것으로 생각된다.
샘플 S1~S7과는 다른 조건으로 제조한 석영 유리 도가니의 샘플 S8을 준비하고, 그 내표면 근방의 기포 함유율의 분포를 측정한바, 도가니 샘플 S8의 기포 함유율은, 바닥부: 0~0.10%, 코너부: 0.11~0.42%, 직동부의 하부: 0.44~0.99%, 직동부의 상부: 0.95~0.2.7%였다. 도가니 샘플 S8의 각 부위에 있어서의 기포 함유율의 최댓값을 도 3의 그래프에 나타낸다.
다음으로 이 석영 유리 도가니의 샘플 S8을 포함하는 동일 조건으로 제조한 동일 품종의 5개의 석영 유리 도가니를 이용하여 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상을 5회 행한 결과, 표 1에 나타내는 바와 같이, 전위가 발생했기 때문에 인상 수율은 나빴다. 얻어진 5개의 실리콘 단결정 잉곳 중의 핀홀의 유무를 평가한바, 핀홀 불량은 검출되지 않았다. 샘플 S8에서는, 직동부의 상부에서 기포 함유율이 2%를 초과하고 있기 때문에, 전위의 발생에 의하여 인상 수율이 저하된 것으로 생각된다.
이상의 결과로부터, 직동부의 상부의 기포 함유율이 0.2~2%의 범위 내, 직동부의 하부의 기포 함유율이 0.1~1%의 범위 내, 코너부의 기포 함유율이 0.1~0.5%의 범위 내에 있는 석영 유리 도가니의 샘플 S1~S3은, 인상 수율이 양호하고, 핀홀도 발생하지 않아, 양호한 결과가 되었다. 그러나, 샘플 S4, S5는 기포 함유율이 너무 낮기 때문에 단결정 중에 핀홀이 발생하고, 또 샘플 S6~S8에서는 기포 함유율이 너무 높기 때문에 전위가 발생하여, 인상 수율이 악화되었다.
도 4는, 상기 석영 유리 도가니의 샘플 S3의 바닥부, 코너부, 직동부의 하부, 직동부의 상부에 있어서의 내측 표층부의 단면도이다.
도 4에 나타내는 바와 같이, 도가니의 바닥부에서는 기포의 존재를 거의 확인할 수 없지만, 코너부에서는 소량의 미소 기포의 존재를 분명히 확인할 수 있게 되고, 기포의 양은 도가니의 상단을 향하여 서서히 증가하여, 직동부의 상부에서는 다량의 기포의 존재를 확인할 수 있다.
(실시예 2: 24인치 도가니의 평가 시험)
직경 24인치의 석영 유리 도가니의 샘플 S9를 준비하고, 그 내표면 근방의 기포 함유율의 분포를 측정한바, 도가니 샘플 S9의 기포 함유율은, 바닥부: 0%, 코너부: 0~0.12%, 직동부의 하부: 0.15~0.19%, 직동부의 상부: 0.20~0.50%였다. 24인치 도가니의 바닥부 중심을 기준으로 하는 도가니의 각 부위의 범위는, 바닥부: 0~240mm, 코너부: 240~400mm, 직동부의 하부: 400~510mm, 직동부의 상부: 510~620mm였다. 도가니 샘플 S9의 각 부위에 있어서의 기포 함유율의 최댓값을 도 5의 그래프에 나타낸다.
다음으로 이 석영 유리 도가니의 샘플 S9를 포함하는 동일 조건으로 제조한 동일 품종의 5개의 석영 유리 도가니를 이용하여 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상을 5회 행했다. 그 결과, 표 2에 나타내는 바와 같이, 5회 모두 문제없이 무전위의 실리콘 단결정 잉곳을 인상할 수 있어, 인상 수율은 양호했다. 또 얻어진 5개의 실리콘 단결정 잉곳 중의 핀홀의 유무를 평가한바, 어느 단결정 잉곳에 있어서도 핀홀 불량은 검출되지 않았다.
도가니 샘플 인상 수율 핀홀
S9 좋음 좋음
S10 좋음 나쁨
S11 좋음 나쁨
S12 나쁨 좋음
샘플 S9와는 다른 조건으로 제조한 석영 유리 도가니의 샘플 S10을 준비하고, 그 내표면 근방의 기포 함유율의 분포를 측정한바, 도가니 샘플 S10의 기포 함유율은, 바닥부: 0%, 코너부: 0~0.02%, 직동부의 하부: 0.02~0.04%, 직동부의 상부: 0.11~0.53%였다. 도가니 샘플 S10의 각 부위에 있어서의 기포 함유율의 최댓값을 도 5의 그래프에 나타낸다.
다음으로 이 석영 유리 도가니의 샘플 S10을 포함하는 동일 조건으로 제조한 동일 품종의 5개의 석영 유리 도가니를 이용하여 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상을 5회 행했다. 그 결과, 표 2에 나타내는 바와 같이, 5회 모두 문제없이 무전위의 실리콘 단결정 잉곳을 인상할 수 있어, 인상 수율은 양호했다. 그러나, 얻어진 5개의 실리콘 단결정 잉곳 중의 핀홀의 유무를 평가한바, 핀홀 불량이 검출되었다.
샘플 S9, S10과는 다른 조건으로 제조한 석영 유리 도가니의 샘플 S11을 준비하고, 그 내표면 근방의 기포 함유율의 분포를 측정한바, 도가니 샘플 S11의 기포 함유율은, 바닥부로부터 직동부의 상부까지 0%였다. 도가니 샘플 S11의 각 부위에 있어서의 기포 함유율의 최댓값을 도 5의 그래프에 나타낸다.
다음으로 이 석영 유리 도가니의 샘플 S11을 포함하는 동일 조건으로 제조한 동일 품종의 5개의 석영 유리 도가니를 이용하여 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상을 5회 행했다. 그 결과, 표 2에 나타내는 바와 같이, 5회 모두 문제없이 무전위의 실리콘 단결정 잉곳을 인상할 수 있어, 인상 수율은 양호했다. 그러나, 얻어진 5개의 실리콘 단결정 잉곳 중의 핀홀의 유무를 평가한바, 핀홀 불량이 검출되었다.
샘플 S9~S11과는 다른 조건으로 제조한 석영 유리 도가니의 샘플 S12를 준비하고, 그 내표면 근방의 기포 함유율의 분포를 측정한바, 도가니 샘플 S12의 기포 함유율은, 바닥부: 0~0.02%, 코너부: 0.05~0.53%, 직동부의 하부: 0.23~0.40%, 직동부의 상부: 0.46~0.75%였다. 도가니 샘플 S12의 각 부위에 있어서의 기포 함유율의 최댓값을 도 5의 그래프에 나타낸다.
다음으로 이 석영 유리 도가니의 샘플 S12를 포함하는 동일 조건으로 제조한 동일 품종의 5개의 석영 유리 도가니를 이용하여 CZ법에 의한 실리콘 단결정의 인상을 5회 행했다. 그 결과, 표 2에 나타내는 바와 같이, 전위가 발생했기 때문에 인상 수율은 나빴다. 얻어진 5개의 실리콘 단결정 잉곳 중의 핀홀의 유무를 평가한바, 핀홀 불량은 검출되지 않았다. 샘플 S12에서는, 코너부의 기포 함유율이 0.5%를 초과하는 매우 높은 기포 함유율이었기 때문에, 전위가 발생한 것으로 생각된다.
이상의 결과로부터, 직동부의 상부의 기포 함유율이 0.2~2%의 범위 내, 직동부의 하부의 기포 함유율이 0.1~1%의 범위 내, 코너부의 기포 함유율이 0.1~0.5%의 범위 내에 있는 석영 유리 도가니의 샘플 S9는, 인상 수율이 양호하고, 핀홀도 발생하지 않아, 양호한 결과가 되었다. 그러나, 샘플 S10, S11은 기포 함유율이 전체적으로 너무 낮기 때문에 단결정 중에 핀홀이 발생하고, 또 샘플 S12는 코너부의 기포 함유율이 너무 높기 때문에 전위가 발생하여, 인상 수율이 악화되었다.
다음으로, 상술한 샘플 S9와 동일 조건으로 제조한 후, 내표면의 세정 조건을 다르게 하여 표면 조도가 다른 도가니 샘플 S13, S14, S15를 제조했다. 샘플 S9, S13, S14, S15의 내표면의 산술 평균 조도(Ra)를 측정한바, 샘플 S9의 산술 평균 조도(Ra)=0.01μm, 샘플 S13의 산술 평균 조도(Ra)=0.1μm, 샘플 S14의 산술 평균 조도(Ra)=0.2μm, 샘플 S15의 산술 평균 조도(Ra)=9μm가 되었다. 그 후, 샘플 S9와 동일하게, 샘플 S13, S14, S15의 인상 수율 및 실리콘 단결정 잉곳 중의 핀홀의 유무를 평가했다.
그 결과, 표 3에 나타내는 바와 같이, 샘플 S13, S14는, 샘플 S9와 동일하게 인상 수율이 양호하고, 핀홀 불량은 검출되지 않았다. 한편, 샘플 S15는, 핀홀 불량은 검출되지 않았지만, 단결정 중에 전위가 발생하여 인상 수율이 악화되었다. 샘플 S15는 내표면의 조도가 크기 때문에, 내표면의 박리에 의하여 단결정이 유전위화한 것으로 생각된다.
도가니 샘플 인상 수율 핀홀
S9
(Ra=0.01μm)		 좋음 좋음
S13
(Ra=0.1μm)		 좋음 좋음
S14
(Ra=0.2μm)		 좋음 좋음
S15
(Ra=9μm)		 나쁨 좋음
(실시예 3: 기포 사이즈의 평가 시험)
직경 32인치의 석영 유리 도가니의 기포 함유율의 분포와 기포 사이즈와의 상관에 대하여 평가했다. 그 결과, 이 석영 유리 도가니의 기포 함유율은, 바닥부에서는 거의 0%, 코너부에서는 0.12~0.21%, 직동부의 하부에서는 0.21~0.52%, 직동부의 상부에서는 0.32~0.59%였다. 이 도가니 샘플의 각 부위에 있어서의 기포 함유율의 최댓값을 도 6의 그래프에 나타낸다.
도 6에 나타내는 바와 같이, 기포 사이즈는 어느 측정점에서도 100~300μm의 중경(中徑) 사이즈의 비율이 가장 많지만, 기포 함유율이 낮은 곳에서는 전체에 대한 소경(小經) 사이즈(50~100μm)의 비율이 높고, 대경(大徑) 사이즈(300~500μm)의 비율이 낮은 것을 알 수 있다. 또, 기포 함유율이 높아질수록 소경 사이즈(50~100μm)의 비율이 낮아지고, 중경 사이즈의 비율이 큰폭으로 증가하며, 또 대경 사이즈(300~500μm)의 비율도 증가하는 것을 알 수 있다. 따라서, 도가니의 부위마다 적절한 기포 함유율을 설정함으로써, 기포의 평균 사이즈도 도가니의 부위마다 최적화할 수 있고, 이로써 단결정 중의 핀홀의 발생을 억제하는 효과를 높일 수 있다.
1 석영 유리 도가니
1a 직동부
1a1 직동부의 상부
1a2 직동부의 하부
1b 바닥부
1c 코너부
10a 도가니의 내표면
10b 도가니의 외표면
11 불투명층
12 투명층
20 실리콘 단결정
20a 고액 계면
21 실리콘 융액
21a 융액면

Claims (2)

  1. 원통상의 직동부와, 만곡한 바닥부와, 상기 직동부와 상기 바닥부의 사이에 마련된 코너부를 갖고,
    상기 직동부의 상부에 있어서의 내표면으로부터 깊이 0.5mm까지의 내측 표층부의 기포 함유율은 0.2% 이상 2% 이하이며,
    상기 직동부의 하부에 있어서의 상기 내측 표층부의 기포 함유율은 0.1%보다 크고 상기 직동부의 상부의 기포 함유율의 하한값의 1.3배 이하이며,
    상기 코너부에 있어서의 상기 내측 표층부의 기포 함유율은 0.1%보다 크고 0.5% 이하이며,
    상기 바닥부에 있어서의 상기 내측 표층부의 기포 함유율은 0.1% 이하인 것을 특징으로 하는 석영 유리 도가니.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 내측 표층부에 포함되는 기포의 평균 직경은 50μm 이상 500μm 이하인, 석영 유리 도가니.
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