(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上面に開口した縁部を有する円筒状の直胴部と、すり鉢状の底部と、それらを連接するコーナー部とを備え、シリコン単結晶を引き上げる炉の中に配置して使用する石英ガラス製ルツボであって、
少なくとも上記直胴部の内壁面の水平線上、１箇所または２箇所以上に深さが異なる窪み群からなる凹部を、前記炉の外から目視で確認したときに、いずれか１つの凹部が確認できる間隔を開けて設けたことを特徴とする減肉量が目視判定可能な石英ガラス製ルツボ。
【請求項２】
前記凹部の幅は、１〜500μmとすることを特徴とする請求項１に記載の減肉量が目視判定可能な石英ガラス製ルツボ。
【請求項３】
前記凹部の深さは、１μm以上とすることを特徴とする請求項１または２に記載の減肉量が目視判定可能な石英ガラス製ルツボ。
【請求項４】
前記凹部の深さは、前記ルツボの厚みの0.05〜50％とすることを特徴とする請求項１〜３いずれかに記載の減肉量が目視判定可能な石英ガラス製ルツボ。
【請求項５】
前記凹部の幅と深さの比（幅／深さ）は、0.8以下とすることを特徴とする請求項１〜４いずれかに記載の減肉量が目視判定可能な石英ガラス製ルツボ。
【請求項６】
請求項１〜５において、水平線上の凹部領域をルツボの縦方向に多段に設けたことを特徴とする請求項１〜５いずれかに記載の減肉量が目視判定可能な石英ガラス製ルツボ。
【請求項７】
前記凹部領域が、直胴部に配置されていることを特徴とする請求項１〜６いずれかに記載の減肉量が目視判定可能な石英ガラス製ルツボ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、石英ガラス製ルツボ、特に、引上げ法によるシリコン単結晶の製造時に発生するルツボ厚みの溶解（減肉）量を、目視により判定可能な石英ガラス製ルツボに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
今日のＩＴ化社会を支えるエレクトロニクス技術、そこで使用される半導体デバイス等の製造にはシリコンウェーハが欠かせない。このシリコンウェーハの特徴の一つに、酸素析出物、転位、酸素積層欠陥などの微小欠陥がある。これらの微小欠陥は、デバイス・プロセスで発生する重金属汚染を捕獲する有益な効果がある一方、デバイス不良の原因にもなり得る。従って、デバイスの種類あるいは使用されるデバイス・プロセスに応じて、結晶中の酸素濃度は所定の濃度に調整される必要がある。
【０００３】
現在、引上げ法による単結晶シリコンの製造方法としては、チョクラルスキー法（Czochralski 以下 ＣＺ法という）と呼ばれる、シリコンの単結晶を引上げる製造方法が一般的である。また、ＣＺ法に強力な磁場をかけるＭＣＺ法(Magneticfield applied ＣＺ 法)と呼ばれるものもある。
ＣＺ法では、一般的に、ＣＺ炉と呼ばれる装置を用いて、金属不純物の濃度が数ｐｐｂ以下（１ｐｐｂ＝１０億分の１）に高純度化された多結晶シリコン塊および抵抗率調整用のホウ素（B）あるいはリン（P）などを充填し、約１４２０℃で溶融する。
ついで、種結晶シリコン棒をシリコン融液の液面につけ、種結晶あるいは石英ガラス製ルツボを回転させて、種結晶を細く（無転位化）してから引き上げると、種結晶と同じ原子配列をした単結晶シリコンのインゴットが得られる。
【０００４】
上記したように、石英ガラス製ルツボは、シリコンを溶融して単結晶シリコンとして引上げる際に、シリコンの溶融液を溜めておくものである。そして、この引上げ工程の中、石英ガラス製ルツボの内側が溶融シリコン溶解することで、石英ガラス製ルツボ自身の厚みが減少していく（以下、減肉という）現象が起こる。
また、単結晶シリコン中の酸素濃度は、例えば、Ｐ型太陽電池用のシリコン単結晶ウェーハの場合、ウェーハ中の酸素濃度と光電変換効率との間には相関があり、光電変換効率を維持するためには、ウェーハ中の酸素濃度を制御しなければならない。
ここで、単結晶シリコン中の酸素濃度は、石英ガラス製ルツボから供給される酸素量に強く依存するため、この石英ガラス製ルツボの溶解という現象は重要となってくる。しかしながら、溶け込む酸素量自身を、直接、定量的に把握することは今のところできない。
そこで、現在では、石英ガラス製ルツボの厚みの減肉量を溶融シリコンに供給される酸素量の指標としているが、結局のところ、このルツボの減肉量も、ＣＺ炉外から直接測定することができないために減肉量の判定は製造中の経験則に頼るしか手段がなかった。
さらに、近年、シリコンウェーハ上のデバイス集積度が上がっているため、求められる酸素濃度の許容範囲はますます狭くなる傾向にあり、上述したような経験的な調整のみで上記した許容範囲内を満足するように、ウェーハ中の酸素濃度を制御することはとても難しくなってきている。
【０００５】
また、石英ガラス製ルツボ自身の減肉は、その程度が進むと、溶融シリコンの重みを石英ガラス製ルツボ自身で保持することができずに、穴が開きやすくなるという問題が発生する。そして、一旦、ルツボ壁に孔が開くと、ルツボ中の高温のシリコンの溶融液が石英ガラス製ルツボ外に漏れ出し、設備に重大な損傷を与えるのみならず、最悪の場合、設備の冷却水と接して、水蒸気爆発を誘発するおそれすらある。
特に、近年、その需要が増えてきた一つの石英ガラス製ルツボで複数本の単結晶シリコンを同時に引上げる、いわゆるマルチ引き上げという引上げ方法を行った場合には、従来よりも引き上げ時間が長く必要となり、それに従って、石英ガラス製ルツボの減肉量も大きくなる。すなわち、単結晶シリコンの引上げ中に、ＣＺ炉外から直接的に石英ガラス製ルツボの厚みを把握して、上記した危機を回避することは、酸素濃度の制御等の単結晶シリコンの製品品質上有効であるだけでなく、単結晶シリコン引上げの製造工程の安全性を確保する上でとても重要である。
【０００６】
近年では、単結晶シリコンインゴットの大口径化（直径：300mm以上）が進み、石英ガラス製ルツボの中の溶融シリコンの質量が、ますます増える傾向（200kg以上）にある。ここで、単結晶シリコンインゴットの大口径化が進むと、単結晶シリコンの引上げの際に溶融シリコンの液面（以下、湯面という）が波立つ現象（以下、波立ちという）が現れる。
この波立ちを防止するために、例えば、特許文献１に記載のような、気泡の含有を調整した、波立ちを防止用の特殊層が設けられる場合がある。しかし、石英ガラス製ルツボが溶融シリコンに溶解するので、この特殊層もその溶解に伴って厚みが減少し、やはり減肉化する。
この特殊層が溶解により完全に消失してしまうと、溶融シリコンの湯面は波立ちやすくなり、その結果、シリコン単結晶に転位が入りはじめ、それがひどくなると、単結晶シリコンの引上げ自体を停止する事態にもなる。従って、シリコン単結晶の引上げに際しては、特殊層の厚みの残量を事前に把握するといった点からも、ＣＺ炉外から直接的に石英ガラス製ルツボの減肉量を把握する重要性はますます高まっている。
【０００７】
石英ガラス製ルツボの減肉による事故の防止策として、特許文献２では、シリコンの溶融液が石英ガラス製ルツボ外に漏れ出した場合の受け皿の設置を提案している。
また、特許文献３では、石英ガラス製ルツボと黒鉛製のルツボの間に黒鉛保護シートを挿入することが提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００８】
【特許文献１】特開２００４−２５０３０４号公報
【特許文献２】特開２００８−７３３４号公報
【特許文献３】特開２００８−１９１３７号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献２および３に開示の技術はいずれも、石英ガラス製ルツボが破損した場合の二次的な対応策であり、最も重要な、単結晶シリコン引上げ中の石英ガラス製ルツボの減肉量を、ＣＺ炉外から直接的に判定する技術には至っていない。
すなわち、依然として、シリコン単結晶の引上げ中に、石英ガラス製ルツボの減肉量の正確な判定ができないという問題が残っていた。
【００１０】
本発明は、上述した問題を有利に解決するもので、シリコン単結晶の引上げ中に、石英ガラス製ルツボにおける減肉量の判定を、ＣＺ炉外から直接的に容易かつ正確に実施できる石英ガラス製ルツボを提供することを目的とする。また、特殊層を設けた石英ガラス製ルツボの場合は、その特殊層の残厚みを簡単に把握し、管理することのできる石英ガラス製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】
【００１１】
すなわち、本発明の要旨構成は次のとおりである。
（１）上面に開口した端部を有する円筒状の直胴部と、すり鉢状の底部と、それらを連接するコーナー部とを備え、シリコン単結晶を引き上げる炉の中に配置して使用する石英ガラス製ルツボであって、少なくとも上記直胴部の内壁面の水平線上、１箇所または２箇所以上に深さが異なる窪み群からなる凹部を、前記炉の外から目視で確認したときに、いずれか１つの凹部が確認できる間隔を開けて設けたことを特徴とする減肉量が目視判定可能な石英ガラス製ルツボ。
【００１２】
（２）前記凹部の幅は、１〜500μmとすることを特徴とする前記（１）に記載の減肉量が目視判定可能な石英ガラス製ルツボ。
【００１３】
（３）前記凹部の深さは、１μm以上とすることを特徴とする前記（１）または（２）に記載の減肉量が目視判定可能な石英ガラス製ルツボ。
【００１４】
（４）前記凹部の深さは、前記ルツボの厚みの0.05〜50％とすることを特徴とする前記（１）〜（３）いずれかに記載の減肉量が目視判定可能な石英ガラス製ルツボ。
【００１５】
（５）前記凹部の幅と深さの比（幅／深さ）は、0.8以下とすることを特徴とする前記（１）〜（４）いずれかに記載の減肉量が目視判定可能な石英ガラス製ルツボ。
【００１７】
（６）前記（１）〜（５）において、水平線上の凹部領域をルツボの縦方向に多段に設
けたことを特徴とする前記（１）〜（５）いずれかに記載の減肉量が目視判定可能な石英
ガラス製ルツボ。
【００１８】
（７）前記凹部領域が、直胴部に配置されていることを特徴とする前記（１）〜（６）いずれかに記載の減肉量が目視判定可能な石英ガラス製ルツボ。
【発明の効果】
【００１９】
本発明によれば、シリコン単結晶の引上げ中に、石英ガラス製ルツボにおける減肉量を、ＣＺ炉外からでも容易かつ正確に判定することができ、その結果、安全で安定したシリコン単結晶の引上げが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００２０】
【図１】本発明に従う凹部の形状を示した石英ガラス製ルツボの横断面図である。
【図２】石英ガラス製ルツボの縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００２１】
以下、本発明を具体的に説明する。
本発明に用いる凹部を設ける前の石英ガラス製ルツボは、ＣＺ法などを行う際に、シリコンを溶融して単結晶のインゴットとして引上げるために、シリコンの溶融液を溜めておく石英ガラス製ルツボであるが、そのルツボに対し特段の限定はなく、従来公知のものいずれもが適用できる。
【００２２】
本発明では、上記した石英ガラス製ルツボの内壁面の水平線上、１箇所または２箇所以上に凹部を設けるところに特徴がある。図１に、本発明に従う凹部の形状を示した石英ガラス製ルツボの横断面図を示す。図中、１は石英ガラス製ルツボ、２は凹部、３は窪み群、3aは孔である。
この凹部は、例えば、図１(a)に示すように、判定する減肉の程度によって、予め設定した深さを有する１または２個以上の凹部を、内壁面の水平線上の１箇所または２箇所以上に設ける。
【００２３】
上記したような凹部を設けることによって、凹部が１箇所の場合は、この凹部が消えた時点で、その凹部深さに石英ガラス製ルツボの減肉量が達していることが分かる。また、２箇所以上に、深さの異なる凹部を設けた場合には、石英ガラス製ルツボの内壁面の減肉量を、それぞれの凹部の消失時点によって推定することができる。
【００２４】
上記の本発明における凹部の幅（または外径）は、１〜500μmの範囲とすることが望ましい。というのは、１μmに満たないと、消失の様子を観察することが難しく、一方500μmを超えると、凹部の底の減肉が始まり、凹部自身の深さが変わるおそれがでてくるからである。好ましくは、50〜200μmの範囲である。
【００２５】
また、凹部の深さは、石英ガラス製ルツボの厚みや、その使用状況、減肉量の程度等に基づいて設定できるが、1μm以上とすることが望ましい。または前記ルツボの厚みの0.05％以上であって前記ルツボの厚みの50％以下の範囲とすることが望ましい。
というのは、凹部の深さがルツボの厚みの1μmに満たない、またはルツボの厚みの0.05％に満たないと、凹部の消失が速すぎて、正確に減肉を判定できないおそれがあり、一方、凹部の深さがルツボの厚みの50％を超えると、その部分が、石英ガラス製ルツボの欠陥として作用するおそれが出てくるからである。
【００２６】
さらに、凹部の幅と深さの比（幅／深さ）は、0.8以下の範囲とすることが望ましい。というのは、凹部の底が減肉することを抑制するには、
界面反応：SiO2（固）→Si(液）＋２Oの制御が必要で、その手段としては、Si-SiO2界面におけるシリコン融液中の酸素濃度を高くすることが考えられる。ここで、酸素濃度を高くする手段としては、酸素の拡散を抑制すれば良いが、拡散に最も影響を与えるのは、シリコン融液の熱対流の影響であるため、熱対流を抑制すれば良い。すなわち、凹部の幅と深さの比（幅／深さ）を0.8以下に制限すると、容易に熱対流の影響を抑制することができるため望ましい。なお、上記の凹部の幅と深さの比の制限は、特に、凹部の幅が、200μmを超えた場合に有効である。
【００２７】
本発明では、上記した水平線上の１箇所または２箇所以上に設ける凹部を、図１(b)に示すような、いくつかの深さの異なる孔、すなわち窪み群とすることもできる。この際、窪み群の最大の孔深さは、100μm以上とすることが好ましい。また、これら群の間隔は、凹部の最大深さ以上とするのが好ましい。
この場合は、深さの異なる孔の消え方によって、石英ガラス製ルツボの減肉量をより正確に判定することができる。
【００２８】
また、実際に、ＣＺ法に石英ガラス製ルツボを供し、減肉量を観察する予察試験を行った結果を用いて、前述した凹部の深さ、個数および形状等を設定することは、より効果的な凹部の設定を可能とする。
上記した凹部を設ける領域は、いずれも同一水平線上に複数箇所、施すこともできるし、石英ガラス製ルツボの高さ（縦）方向に、いくつかの群を、多段に配置することもできる。
なお、本発明における凹部の形状は、その消失がＣＺ法等の炉外から確認できるものであれば、特に制限はないが、円形や、三角形、四角形などの断面が例示され、孔、細孔またはスリット等も例示できる。
また、本発明において、凹部の幅とは、上記断面形状の外径や対角線等、その形状の中で、最も長い直線部分の長さを指す。
【００２９】
さらに、本発明に従う凹部は、前述したような溶融シリコンの湯面の波立ちを防止するための特殊層を石英ガラス製ルツボに設けている場合、石英ガラス製ルツボ使用時における特殊層の残量を確認する指標として使用することができる。
【００３０】
図２に、上面に開口した縁部を有する円筒状の直胴部と、すり鉢状の底部と、それらを連接するコーナー部とを備える石英ガラス製ルツボの、底部の中心を通る縦断面図を示す。図中、１は石英ガラス製ルツボ、２は凹部、４はルツボの開口縁部（リム部）、５はルツボのコーナー部、６がルツボの直胴部、そして、７がルツボの底部であり、本発明では、同図に示したように凹部２をこの直胴部６の内壁に設ける。
特に、本発明おいて凹部を設ける位置は、石英ガラス製ルツボの開口縁部４の５〜200mm程度下方からコーナー部５の上方０〜100mm程度の範囲の直胴部６の内壁に施すことが好ましい。というのは、この範囲に溶融シリコンの湯面が最も長時間存在しており、減肉量の正確な判定を必要とするところだからである。
なお、上記した窪みは、その使用状態によっては、図２に示すコーナー部に設けることを妨げるものではない。
【００３１】
図２に示した断面図のように、石英ガラス製ルツボは、曲率が比較的大きいコーナー部５と、上面に開口した縁部を有する円筒状の直胴部６と、直線または曲率が比較的小さい曲線からなる底部７とを有している。なお、本発明において、コーナー部５とは、直胴部６および底部７を連接する部分で、コーナー部５の曲線の接線が石英ガラス製ルツボの直胴部６と重なる点から、底部７と共通接線を有する点までの部分のことを意味する。
【００３２】
また、凹部を形成する方法については特に制限はなく、石英ガラス製ルツボに前記したような凹部を付けられるものであれば、従来公知の方法がいずれも好適に適用できる。
なお、凹部の深さ程度によって、その形成方法は選択されるが、中でも、炭酸ガスレーザーで窪みを形成することが好ましい。というのは、本発明でも重要な、窪みの深さを正確に制御することができるからである。
【００３３】
炭酸ガスレーザーの好適な照射条件は以下のとおりである。
発振波長帯域 ：10.6μｍ 
最大出力エネルギー ：10Ｊ 
ビーム拡がり角 ：0.5mrad 
繰り返し ：single, 0-12Hz 
パルス幅 ：180ｎs 
ジッタ− ：±60ns 
スイッチング方式 ：半導体スイッチ方式 
レーザ装置寸法 ：W83cm×H60cm×D271cm 
【００３４】
本発明において、例えば、ＣＺ炉に専用の観察窓を設けることで、凹部がシリコン融液より上に来た場合、石英表面の温度が低くなるので目視で見ることができる。また、目視で見えにくい場合でも、光量調整用の偏向板と熱対策用のハーフミラー（入射した光の 一部は反射し、一部は透過する）を設けてカメラ等で観察すれば確認することができる。
なお、ＣＺ炉は従来公知の炉いずれもが好適に使用でき、また、本発明の目視判定とは、直接視認だけでなく、従来公知の視認補助手段、例えば、上記の偏向板や、カメラによる画像、写真等の視認による判定も含むものとする。
【実施例】
【００３５】
従来公知の方法で製造され、天然石英を主成分（天然石英／合成石英＝2/1）とする特殊層を、幅：30mm、厚さ：100μmで有する石英ガラス製ルツボ（口径：800mm、肉厚：70mm）に、以下に示す手順で、本発明に従う凹部を施した。なお、凹部の大きさは、直径：50μm、深さが、５，10，30，65，100μmの５種類の円筒状の孔を作製した。
【００３６】
〔レーザーマーキング手順〕
1.ルツボの芯出し用の中心部にレーザー加工機用の開口部がある敷板に石英ガラス製ルツボの開口部を下にした状態で乗せる工程、
2.３爪スクロールチャック機構による石英ガラス製ルツボの芯出し工程、
3.石英ガラス製ルツボの内壁面側にレーザー加工機が昇降する工程、
4.レーザー装置に内臓された波長：650nmの赤色半導体レーザーにより、石英ガラス製ルツボ内壁面−レーザー照射口の距離を調整する工程、
5.レーザーにより凹部を設ける工程、
6.サーボ制御機構を持つ敷板が回転し、順次凹部マーキングを繰り返す工程、
7.レーザー加工機が原点位置に戻る工程
【００３７】
ここに、炭酸ガスレーザーの照射条件は以下のとおりである。
発振波長帯域 ：10.6 μｍ 
最大出力エネルギー ：10 Ｊ 
ビーム拡がり角 ：0.5 mrad 
繰り返し ：single, 0-12 Hz 
パルス幅 ：180 ｎs 
ジッタ− ：±60 ns 
スイッチング方式 ：半導体スイッチ方式 
レーザ装置寸法 ：W83 cm×H60 cm×D271 cm 
【００３８】
石英ガラス製ルツボに、直径：50μmの丸孔タイプの凹部の窪み群（深さは５，10，30，65，100μm）を複数箇所設けている。
また、上記した窪み群は、高さ方向で、開口縁部から50，200，300mmのところに設けている。
【００３９】
ついで、上記した石英ガラス製ルツボを用い、これに多結晶シリコン塊を入れ、6.67kPaの圧力のアルゴンガス雰囲気中において、室温(20℃)から1500℃までを10時間で昇温した後、1500℃にて所定時間保持し、上記シリコン塊を溶融してシリコン融液とした。この時、上記の凹部は、全てシリコン融液に没して見えなくなっていた。
このシリコン融液に種結晶を浸し、ネッキングを形成した後、石英ガラス製ルツボを回転しながら徐々に引上げてシリコン単結晶を成長させた。この時の石英ガラス製ルツボの内壁面の侵食速度は15μm／ｈを目標として、シリコン単結晶の引上げ条件を設定した。
【００４０】
上記シリコン単結晶を引上げながら、上記石英ガラス製ルツボをＣＺ炉の外から目視で確認した。引上げ開始から2時間後、１箇所の窪み群が見え始めたが、前記した凹部の内、深さ：５μmの孔および深さ：10μmの孔は消失していた。また、深さ：30，65，100μmの孔は、消失していなかったが、30μmの孔はかなり浅くなっているのが観察された。
引上げ開始から４時間後、２箇所目の窪み群が見え始めたが、前記した凹部の内、深さ：５，10，30μmの孔は消失していた。また、深さ：65，100μmの孔は、消失していなかったが、65μmの孔はかなり浅くなっているのが観察された。
【００４１】
上記単結晶シリコン引上げの実験終了後、上記石英ガラス製ルツボの肉厚減少量を、２時間後に観察されたところの近傍の断面を切出し、SEM（走査型電子顕微鏡）で拡大して詳細に計測したところ、凹部近傍で、21μm程度の減肉が認められ、上記した特殊層の残量は79μmであった。同じく、４時間後に観察されたところの近傍の断面を切出し、SEM（走査型電子顕微鏡）で拡大して詳細に計測したところ、凹部近傍で、40μm程度の減肉が認められ、上記した特殊層の残量は60μmであった。
なお、上記した消失していない孔の残量（深さ）を測定したところ、孔深さに変化がなく、減肉量の管理孔としての有効性を確認した。
【００４２】
以上の結果から、本発明に従う凹部によって、単結晶シリコン引き上げ中に、正確に石英ガラス製ルツボの減肉量を管理すると共に、波立ち防止用の特殊層の残存厚みの管理、さらには単結晶シリコン引上げ時の石英ガラス製ルツボの侵食速度の設定値を確認することもできることが分かった。
【産業上の利用可能性】
【００４３】
本発明は、ＣＺ法等による単結晶シリコンの引上げ製造時に溶融シリコンを溜めておく石英ガラス製ルツボの減肉量を正確かつ容易に判定することによって、溶融シリコンの波立ちを効果的に抑えられるために、転位の少ない高品位シリコン単結晶インゴットの製造でき、かつルツボの穴あきを防止することできるため、安全に製造を行うことができる。
【符号の説明】
【００４４】
１  石英ガラス製ルツボ
２  凹部
３  窪み群
3a  孔
４  開口縁部
５  コーナー部
６  直胴部  
７  底部
【図１】
0005386330.tif 000002
【図２】
0005386330.tif 000003