(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
第一の曲率を有する底部と、前記底部の周りに形成され、第二の曲率を有する底部コーナーと、前記底部コーナーから上方に延びる直胴部を有するシリカガラスルツボにおいて、
ルツボ上端から前記直胴部、及び前記底部と前記底部コーナーとの間の曲率変化点を基準とし前記第一の曲率の曲率中心と前記曲率変化点とを結ぶ直線上を０°として、該直線を前記曲率中心周りに±５°回転させた範囲までが、結晶化促進剤添加シリカガラスからなる外層と天然原料シリカガラスからなる不透明中間層と天然原料シリカガラスまたは合成原料シリカガラスからなる透明内層とで形成された３層構造からなり、
前記底部が、前記不透明中間層から連続して形成された天然原料シリカガラスからなる不透明外層と天然原料シリカガラスまたは合成原料シリカガラスからなる透明内層とで形成された２層構造からなり、
前記外層は境界部からルツボ上端側の結晶化促進剤添加濃度が、前記境界部から底部側の結晶化促進剤添加濃度よりも高いことを特徴とするシリカガラスルツボ。
【請求項２】
前記外層の厚さ寸法は、０．５〜５．０ｍｍの範囲で設定されていることを特徴とする請求項１に記載されたシリカガラスルツボ。
【請求項３】
前記外層における結晶化促進剤添加濃度は、３５〜１００ｐｐｍの範囲で設定されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載されたシリカガラスルツボ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によって単結晶を引上げるためのシリカガラスルツボに関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶の育成に関し、ＣＺ法が広く用いられている。この方法は、シリカガラスルツボ内に収容されたシリコンの溶融液の表面に種結晶を接触させ、ルツボを回転させるとともに、この種結晶を反対方向に回転させながら上方へ引上げることによって、種結晶の下端に単結晶を形成していくものである。
【０００３】
ところで、シリカガラスルツボは年々大型化しているが、シリカガラスルツボの大型化は、多結晶シリコンの装填量を増大させることができ、スループットが向上するというメリットがある。
しかしながら、その反面、溶融の長時間化、加熱用カーボンヒータの大出力化といった厳しい環境下で使用しなければならず、シリカガラスルツボへの悪影響も大きい。
【０００４】
例えば、従来のシリカガラスルツボは、高温域での粘性値が低く、１４００℃以上の熱環境下では長時間その形状を維持し難かった。そのため、シリカガラスルツボの変形による溶融シリコンの融液面の変動、及び単結晶化率低下など、単結晶引上げ工程で問題が生じていた。
この問題を解決するため、特許文献１には、図５に示すように、ルツボ上端から直胴部、及び底部と底部コーナーとの間の曲率変化点を基準とする所定範囲までが結晶化促進剤添加シリカガラスからなる外層５１、天然原料シリカガラスからなる不透明中間層５２、天然原料シリカガラスまたは合成原料シリカガラスからなる透明内層５３からなる３層構造の石英ガラスルツボ５０について開示されている。
【０００５】
このルツボ５０によれば、シリコン単結晶引上げ工程の加熱昇温過程において、外層５１は１２００℃以上で一定加熱すると、クリストバライトへと結晶化する。
クリストバライトの成長過程においては、粘性が向上し、また、結晶化することで高い耐久性を得ることができるため、前記のようにルツボの変形や破損といった課題を解決することができる。
【特許文献１】特開２００８−８１３７４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、前記特許文献１に開示の石英ガラスルツボ５０にあっては、単結晶引上装置においてヒータによる加熱が開始されると、外層５１のＡｌ添加量が均一であっても、ルツボの部位、すなわち、ルツボ上端、直胴部、底部により曝される温度や時間が異なるため、その結晶化が均一に進行せずに、十分に結晶化が進行している部位と、結晶化が不十分な部位が生じる場合があった。
このため、ルツボ５０においては、結晶化が不十分な部位では十分な耐変形性が得られないままシリコン単結晶の引上げが進行し、ルツボ５０が変形してしまう虞があった。
即ち、部位により結晶化が不均一になると、ルツボ５０の耐変形性が悪くなり、その結果、シリコン単結晶の引上げ途中においてルツボ５０が変形し、シリコン単結晶の引上げに悪影響を及ぼすという課題があった。
【０００７】
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、シリカガラスルツボにおいて、均一な結晶化をさせることで、ルツボの耐久性を向上させ、充分な単結晶化率を得ることのできるシリカガラスルツボを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記した課題を解決するために、本発明に係るシリカガラスルツボは、第一の曲率を有する底部と、前記底部の周りに形成され、第二の曲率を有する底部コーナーと、前記底部コーナーから上方に延びる直胴部を有するシリカガラスルツボにおいて、ルツボ上端から前記直胴部、及び前記底部と前記底部コーナーとの間の曲率変化点を基準とし前記第一の曲率の曲率中心と前記曲率変化点とを結ぶ直線上を０°として、該直線を前記曲率中心周りに±５°回転させた範囲までが、結晶化促進剤添加シリカガラスからなる外層と天然原料シリカガラスからなる不透明中間層と天然原料シリカガラスまたは合成原料シリカガラスからなる透明内層とで形成された３層構造からなり、前記底部が、前記不透明中間層から連続して形成された天然原料シリカガラスからなる不透明外層と天然原料シリカガラスまたは合成原料シリカガラスからなる透明内層とで形成された２層構造からなり、前記外層は境界部からルツボ上端側の結晶化促進剤添加濃度が、前記境界部から底部側の結晶化促進剤添加濃度よりも高いことに特徴を有する。
【０００９】
尚、前記外層の結晶化促進剤添加濃度の異なる境界部は、前記直胴部の中点から±５０ｍｍであることが好ましい。
また、前記境界部よりルツボ上端側の結晶化促進剤添加濃度が１００ｐｐｍ以上１５０ｐｐｍ以下であり、前記境界部より底部側の結晶化促進剤添加濃度が３５ｐｐｍ以上１００ｐｐｍ以下の範囲で設定されていることが好ましい。
【００１０】
また、前記外層の厚さ寸法は、０．５〜５．０ｍｍの範囲で設定されていることが好ましい。
【００１１】
このように構成することにより、シリコン単結晶引上げの開始初期段階から引上げ開始までの間に、外層の結晶化（クリストバライト化）が均一に進行し、ルツボの耐熱変形性が向上する。
したがって、ルツボの耐熱変形性が確保され、シリコン単結晶の単結晶化率を向上することができる。
尚、前記結晶化促進剤としては、Ａｌ、Ｂａ、Ｃａ、Ｋが挙げられ、これらのいずれか、もしくは、このうちの複数の組合せから選択することができるが、Ａｌのみとすることが最も好ましい。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、シリカガラスルツボにおいて、均一に結晶化することで、耐熱変形性を十分に確保すし、充分な単結晶化率を得ることのできるシリカガラスルツボを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】図１は、本発明に係るシリカガラスルツボの断面図である。
【図２】図２は、図１のシリカガラスルツボの一部拡大断面図である。
【図３】図３は、図１のシリカガラスルツボの各層の厚さ寸法を説明するための一部拡大断面図である。
【図４】図４は、図１のシリカガラスルツボを製造するためのシリカガラスルツボ製造装置の断面図である。
【図５】図５は、３層構造を有する従来のシリカガラスルツボの断面図である。
【図６】図６は、実施例で使用したシリカガラスルツボの配置状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、本発明に係るシリカガラスルツボの実施の形態について図面に基づき説明する。図１は本発明に係るシリカガラスルツボ１の断面図である。図２は、図１のシリカガラスルツボの一部拡大断面図である。
このシリカガラスルツボ１は、例えば単結晶引上装置（図示せず）において用いられ、装置内でカーボンサセプタ（図示せず）によって抱持された状態で使用される。
即ち、単結晶引上装置では、シリカガラスルツボ１内に原料シリコンが溶融され、溶融液からシリコン単結晶が引上げられる。
【００１５】
シリカガラスルツボ１は、例えば直径８１０ｍｍに形成され、図１に示すように、ルツボ上端６から直胴部７、及び底部９と底部コーナー８との間の曲率変化点を基準とする所定範囲までが、結晶化促進剤添加シリカガラスからなる外層２と、外層２に隣接する天然原料シリカガラス層からなる不透明中間層３と、この中間層３に隣接し、シリコン単結晶引上げ時に溶融シリコンと接する合成原料シリカガラス（または天然原料シリカガラス）からなる透明内層４とで形成された３層構造とした。
尚、ここで不透明とは、シリカガラス中に多数の気孔が内在し、見かけ上、白濁した状態を意味する。また、天然原料シリカガラスとは、水晶等の天然質原料を溶融して製造されるシリカガラスを意味し、合成原料シリカガラスとは、例えばシリコンアルコキシドの加水分解により合成された合成原料を溶融して製造されるシリカガラスを意味する。
【００１６】
前記外層２は、図示するようにルツボ外側全体に形成されるものではなく、ルツボ底部９は、不透明中間層３から連続して形成された天然原料シリカガラスからなる不透明外層５と、これに隣接する合成原料シリカガラス（または天然原料シリカガラス）からなる透明内層４とで形成された２層構造となされている。
また、前記外層２は、境界部Kよりルツボ上端側の結晶化促進剤添加濃度が、境界部Kより底部側の結晶化促進剤添加濃度よりも高く形成されている。
【００１７】
より詳細に説明すると、図２の断面図に示すように、ルツボ内において底部９は半径Ｒの曲率（第１の曲率）を有しており、底部コーナー８では半径ｒの曲率（第２の曲率）を有している。また、ルツボ直胴部７は鉛直方向に直線状に形成されている。
ここで、外層２はルツボ上端６から下方に向けて形成されると共に、外層２の下端は、底部９（曲率半径Ｒ）と底部コーナー８（曲率半径ｒ）との間の曲率変化点Ｐを基準とする所定範囲内まで形成されている。より具体的には、外層２の下端は、半径Ｒの曲率中心Ｃと、曲率変化点Ｐとを結ぶ直線Ｌ上を０°として、この直線Ｌを、曲率中心Ｃ周りに±５°回転させた範囲内まで形成されている。
【００１８】
これは、下方向（底部方向）を正方向とした場合、＋５°より大きい範囲まで外層２の下端を形成すると、結晶化（クリストバライト化）が急速に進行して所望の密着性が得られ難く、カーボンサセプタによるルツボの支持が不安定となり、シリコン単結晶化率が低下する傾向にあるためである。
一方、−５°より小さい範囲に外層２の下端を形成すると、ルツボ全体で外層２が占める割合が小さく、耐熱変形性が低くなる傾向があるためである。
【００１９】
尚、前記外層２は、前記直胴部７の中点から±５０ｍｍ以内（ルツボ上端側への距離をプラス、ルツボ底部側への距離をマイナスとする）にある境界部Kを境に、前記境界部Kよりルツボ上端６側の結晶化促進剤添加濃度は１００〜１５０ｐｐｍ（好ましくは１００〜１３０ｐｐｍ）に、前記境界部Kより底部９側の結晶化促進剤添加濃度が３５〜１００ｐｐｍ（好ましくは５０〜８０ｐｐｍ）に形成されている。
これは、外層２の境界部Kからルツボ上端６の領域は、外層２の境界部Kから底部コーナー８の領域に比べ曝される温度が低く、結晶化が進行しにくい環境にあるため、均一に結晶化を進行しやすくするために結晶化促進剤濃度を調整するものである。
【００２０】
外層２の境界部Kの位置が、直胴部７の中点からルツボ上端６側に５０ｍｍより大きく、すなわち+５０ｍｍより大きいと、十分な耐久性が得られず、単結晶化率が低くなる傾向があり、直胴部７の中点からルツボ底部９側に５０ｍｍより大きく、すなわち−５０ｍｍより大きいと、十分な耐久性は得られたものの、ルツボとカーボンサセプタとの密着が良くなく、単結晶化率が低くなる虞があるためである。
外層２の境界部Kからルツボ上端６の領域では、結晶化促進剤濃度が１５０ｐｐｍより高いと結晶化が急速に進行し易く、ルツボとカーボンサセプタとの密着が安定する前に結晶化が完了する虞がある。１００ｐｐｍより低いと結晶化速度が遅くなり、所望の耐熱変形性が得られ難い。
一方、外層２の境界部Kから底部コーナー８の領域では、結晶化促進剤濃度が１００ｐｐｍより高いと結晶化が急速に進行し易く、ルツボとカーボンサセプタとの密着が安定する前に結晶化が完了する虞がある。３５ｐｐｍより低いと結晶化速度が遅くなり、所望の耐熱変形性が得られ難い。
【００２１】
また、図３に示すように、外層２は、ルツボ直胴部７における厚さ寸法ｅｔ１とルツボ底部コーナー８における厚さ寸法ｅｔ２とが共に０．５〜５ｍｍ（好ましくは１〜３ｍｍ）に形成される。これは、厚さが５ｍｍより大きいと、ルツボ壁部層間の熱膨張の差に起因する大きなストレスの発生により、クラック発生の虞があるためであり、０．５ｍｍより小さいと、耐熱変形性が低くなる傾向があるためである。
【００２２】
また、天然原料シリカガラスからなる不透明中間層３は、ルツボ直胴部７における厚さ寸法ｍｔ１が３ｍｍ以上となされ、ルツボ底部コーナー８における厚さ寸法ｍｔ２は６ｍｍ以上に形成される。
また、不透明中間層３から連続して形成されたルツボ底部９の不透明外層５における厚さ寸法ｍｔ３は６ｍｍ以上に形成される。
これは、３層部分での不透明中間層３の厚さが３ｍｍより小さいと、シリカガラス粉溶融中のアーク炎の不規則な流れによる不透明中間層３の結晶化促進剤化合物の飛散防止効果が減殺され易く、外層２の結晶化促進剤化合物が不透明中間層３を通過して透明内層４に混入し、透明内層４の結晶化促進剤濃度が大きくなる虞があるためである。
また、ルツボ底部コーナー８における不透明中間層３の厚さ寸法ｍｔ２及びルツボ底部９における不透明外層５の厚さ寸法ｍｔ３が６ｍｍより小さいと、充分な耐熱変形性が得られ難いためである。
【００２３】
また、透明内層４は、Ｎａ、Ｋ、Ａｌの金属不純物含有量が各々１ｐｐｍ以下の合成原料シリカガラス（または天然原料シリカガラス）を溶融して形成された実質的に気泡の存在しない透明層である。
透明内層４において、ルツボ直胴部７における厚さ寸法ｉｔ１と、ルツボ底部コーナー８における厚さ寸法ｉｔ２と、ルツボ底部９における厚さ寸法ｉｔ３とは共に、３ｍｍ以上の厚さに形成されている。
これは、透明内層４の厚さが３ｍｍより小さいとシリコン溶融と接する透明内層４の内表面の結晶化促進剤濃度を十分に低く、例えば１ｐｐｍ以下にすることができ難いためである。
【００２４】
このような構造を有するシリカガラスルツボ１によれば、シリコン単結晶引上げの開始初期段階において、結晶化促進剤添加シリカガラスからなる外層２が存在しない所定範囲の底部９（不透明外層５）が軟化し、ルツボ１を支持するカーボンサセプタと密着する。
その後、引上げの開始からから完了までの間に亘り、高温加熱により所定範囲の底部コーナー８及び直胴部７等の外層２の結晶化（クリストバライト化）が均一に進行し、ルツボ１全体と、これを支持するカーボンサセプタとの密着安定性が向上する。また、結晶化により耐熱変形性が向上する。
したがって、ルツボ１の耐熱変形性を確保しつつ、カーボンサセプタによる支持の密着安定性が得られ、シリコン単結晶の単結晶化率を向上することができる。
【００２５】
次に、前記構造を有するシリカガラスルツボ１の製造方法について説明する。
図４に示すようなシリカガラスルツボ製造装置１０を用いてシリカガラスルツボ１を製造する。シリカガラスルツボ製造装置１０のルツボ成形用型１１は、例えば複数の貫通孔が穿設された金型、もしくは高純化処理した多孔質カーボン型などのガス透過性部材で構成された内側部材１２と、その外周に通気部１３を設けて、前記内側部材１２を保持する保持体１４とから構成されている。
【００２６】
また、保持体１４の下部には、図示しない回転手段と連結されている回転軸１５が固着されていて、ルツボ成形用型１１を回転可能に支持している。通気部１３は、保持体１４の下部に設けられた開口部１６を介して、回転軸１５の中央に設けられた排気路１７と連結されており、この排気路１７は、減圧機構１８と連結されている。
内側部材１２に対向する上部にはアーク放電用のアーク電極１９と、結晶化促進剤添加シリカガラス供給ノズル２０と、天然原料シリカガラス供給ノズル２１と、合成原料シリカガラス供給ノズル２２が設けられている。
【００２７】
外層２に用いられる結晶化促進剤添加シリカガラス粉は、次のようにして得られる。例えば結晶化促進剤がＡｌの場合、Ａｌ硝酸塩（Ａｌ（ＮＯ3）3）をシリカガラス粉のＡｌ濃度が１００〜１５０ｐｐｍもしくは３５〜１００ｐｐｍとなるような量だけ水に溶かして作られたＡｌ（ＮＯ3）3水溶液を、天然原料シリカガラス粉に添加、攪拌する。Ａｌ（ＮＯ3）3水溶液に浸されたシリカガラス粉は、脱水、酸分除去を目的として８００〜１１００℃で加熱処理される。
【００２８】
こうして得られたＡｌ添加シリカガラス粉を上述したシリカガラスルツボ製造装置１０を用いてシリカガラスルツボ１の製造を行う場合、図示しない回転駆動源を稼働させて回転軸１８を矢印の方向に回転させ、これによりルツボ成形用型１１を高速で回転させる。
次いで、ルツボ成形用型１１内の底部から直胴部７の中点付近に結晶化促進剤添加シリカガラス供給ノズル２０から上述のようにして得られた３５〜１００ｐｐｍＡｌ添加シリカガラス粉を供給し、直胴部７の中点付近からルツボ上端６までに結晶化促進剤添加シリカガラス供給ノズル２０から上述のようにして得られた１００〜１５０ｐｐｍＡｌ添加シリカガラス粉を供給する。供給されたＡｌ添加シリカガラス粉は、遠心力によって内側部材１２の内面側に押圧され外層２として形成される。
ここで、外層２は、図２を用いて説明したように下端の位置が決められ、底部が除去される。
【００２９】
次いで、Ａｌ添加シリカガラス層からなる外層２の内面側における厚さが３ｍｍ以上、底部コーナー及び底部における厚さが６ｍｍ以上の不透明中間層３及び不透明外層５が形成されるように、天然原料シリカガラス粉を天然原料シリカガラス供給ノズル２１から供給する。供給された天然原料シリカガラス粉は、遠心力によって外層２の内面側及び内側部材１２の底部に押圧されて、不透明中間層３及び不透明外層５の成形体として成形される。
【００３０】
次に、不透明中間層３及び不透明外層５の内面側に３ｍｍ以上の厚さを有する透明層が形成されるように、Ｎａ、Ｋ、Ａｌの金属不純物含有量が各々１ｐｐｍ以下の合成原料シリカガラス粉（または天然原料シリカガラス粉）を合成原料シリカガラス供給ノズル２２から供給する。
供給された合成原料シリカガラス粉は、遠心力によって不透明中間層３及び不透明外層５の内面側に押圧されて、透明内層４の成形体として成形される。
【００３１】
このようにして直胴部７の中点付近を境にＡｌ濃度の減少勾配がある外層２、不透明中間層３、不透明外層５および透明内層４のルツボ成形体が得られる。
さらに、減圧機構１８の作動により内側部材１２内を減圧し、アーク電極１９に通電してルツボ成形体の内側から加熱し、ルツボ成形体の透明内層４、不透明中間層３、不透明外層５および外層２を溶融して、シリカガラスルツボ１を製造する。
【００３２】
以上のように本実施の形態によれば、結晶化促進剤添加シリカガラス層からなる外層２が、ルツボ上端から下方に向けて形成されると共に、該外層２の下端は、底部の曲率変化点を基準とする所定範囲まで形成される。さらに、外層２の厚さ寸法は０．５〜５ｍｍとされ、直胴部７の中点から±５０ｍｍ以内にある境界部Kを境に、前記境界部Kよりルツボ上端６側の結晶化促進剤添加濃度は１００〜１５０ｐｐｍ、前記境界部Kより底部９側の結晶化促進剤添加濃度が３５〜１００ｐｐｍとなされる。
【００３３】
これにより、シリコン単結晶引上げの開始初期段階において、結晶化促進剤添加シリカガラスからなる外層２が存在しない所定範囲の底部（不透明外層５）が軟化し、ルツボを支持するカーボンサセプタと密着する。
その後、引上げの開始からから完了までの間に亘り、高温加熱により所定範囲の底部コーナー及び直胴部等の外層２の結晶化（クリストバライト化）が均一に進行し、ルツボ全体と、これを支持するカーボンサセプタとの密着安定性が向上する。また、結晶化により耐熱変形性が向上する。
したがって、ルツボの耐熱変形性を確保しつつ、カーボンサセプタによる支持の密着安定性が得られ、シリコン単結晶の単結晶化率を向上することができる。
【実施例】
【００３４】
続いて、本発明に係るシリカガラスルツボについて、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、前記実施の形態に示した構成を含むシリカガラスルツボの製造を行い、熱処理を行うことにより、その効果を検証した。
この実験では、図６に示すように、製造したシリカガラスルツボ１００をカーボンサセプタ１０１内に配置し、単結晶引上げ実験を行った。
尚、このシリカガラスルツボ１００の外径は６１０ｍｍ、高さは４００ｍｍ、全体の平均厚さ寸法は１２ｍｍとした。また、シリカガラスルツボ１００を支持するカーボンサセプタ１０１の内周径は６１５ｍｍとした。
【００３５】
単結晶引上げ工程では、カーボンサセプタ１０１内にシリカガラスルツボ１００を、その上端がカーボンサセプタ１０１の上端よりも高さ寸法Ｈ１＝４０ｍｍだけ突出するように収容し、このルツボ１００内にポリシリコンを約１５０ｋｇチャージ後、８インチシリコン単結晶の引上げ試験を行った。製造されたシリコン単結晶については、通常の評価法により単結晶化率の測定を行った。尚、符号Ｈ１で示す単結晶引上げ前におけるルツボ上端の突出高さ寸法は、単結晶引上げ後においては符号Ｈ２で示すものとする。
【００３６】
製造したシリカガラスルツボ１００の実施例及び比較例ごとの条件及び実験結果を表１に示す。
尚、表１において、耐熱変形性は、沈み込み変形割合を式１により求め（図６参照）、その割合が６０％を○、６０〜８０％を△、８０％超を×とした。また、単結晶化率は、９６％超を○、９０〜９６％を△、９０％未満を×とした。
【００３７】
【数１】
0005517868.tif 000002
【００３８】
【表１】
0005517868.tif 000003
【００３９】
この実験の結果、表１に示すように、実施例４〜７については、耐熱変形性の点で一部
最良とはいえないものの、単結晶化率において、比較例１、２よりも向上が認められた。
また、実施例１〜３については、耐熱変形性及び単結晶化率の点で共に比較例１、２よ
りも格段に向上が認められた。
したがって、３層構造とする境界位置は、図２に示したように曲率変化点から±５°の
範囲であるのが好ましく、結晶化促進剤添加外層の結晶化促進剤濃度は３５〜１００ｐｐ
ｍの範囲で設定されるのが好ましいと確認された。
【００４０】
以上の実施例の実験結果から、本発明に係るシリカガラスルツボによれば、ルツボの耐熱変形性を確保しつつ、カーボンサセプタによる支持の密着安定性が得られ、シリコン単結晶の単結晶化率を向上することができることを確認した。
【符号の説明】
【００４１】
１      シリカガラスルツボ
２      外層
３      不透明中間層
４      透明内層
５      不透明外層
６      ルツボ上端
７      直胴部
８      底部コーナー
９      底部
１０    シリカガラスルツボ製造装置
Ｋ      境界部
【図１】
0005517868.tif 000004
【図２】
0005517868.tif 000005
【図３】
0005517868.tif 000006
【図４】
0005517868.tif 000007
【図５】
0005517868.tif 000008
【図６】
0005517868.tif 000009