(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
酸素濃度が２１％以下の溶融室に石英粉がルツボ状に充填され減圧可能なルツボ成形用型を用意し、このルツボ成形用型を減圧しながら所定時間保持し、さらにルツボ成形用型を減圧しながらアーク放電を開始するとともにアーク放電の開始直後より所定量の還元性ガスを溶融室に所定時間流し、その後ルツボ成形用型の減圧を停止し、この停止状態でさらに所定時間アーク放電を行うことにより、還元雰囲気中で溶融することを特徴とするシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項２】
ルツボ成形用型を減圧しながら所定時間保持し、さらにルツボ成形用型を減圧しながらアーク放電を開始するとともにアーク放電の開始直後より５０〜３００リットル／分の水素を溶融室に５〜１５分間流し、その後ルツボ成形用型の減圧を停止し、この停止状態でさらに所定時間アーク放電を行うことにより、還元雰囲気中で溶融することを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項３】
ルツボ成形用型の減圧の停止と共に水素の流入を停止し、この状態でさらに所定時間アーク放電を行うことにより、還元雰囲気中で溶融することを特徴とする請求項２に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項４】
処理炉内に石英ガラスルツボをその底部を上にして載置し、石英ガラスルツボの内外の気密を保ち、石英ガラスルツボ内部に不活性ガスを所定量流して酸素濃度を１％以下にし、処理炉内を所定の温度まで昇温し、この温度を維持しながら不活性ガスを還元性ガスと置換して所定時間維持し、この時間経過後再度処理炉内に不活性ガスを流入し炉内温度を室温まで降温することにより、還元雰囲気中で加熱処理するシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に係わり、特にシリコン単結晶引上げ収率を向上させたシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの基板に用いられるシリコン単結晶は、一般にチョクラルスキー法（ＣＺ法）で製造されており、このＣＺ法は石英ガラスルツボ内に多結晶シリコン原料を装填し、装填されたシリコン原料を周囲から加熱して溶融し、上方から吊り下げた種結晶をシリコン融液に接触してから引き上げるものである。
【０００３】
ＣＺ法に使用される石英ガラスルツボは、シリコン単結晶の高純度化に伴い、石英ガラスルツボにも高純度のものが要求されている。
【０００４】
このＣＺ法に使用される石英ガラスルツボは、一般に粉砕して精製した石英粉を回転可能な型を回転させながらこの型内に供給し遠心力により型の周囲に石英粉をルツボ状に充填させ、同時に内側からアークなどで溶融して造られている。
【０００５】
しかしながら、この型製法で造られた石英ガラスルツボは、石英ガラスの中に気泡が多く含まれるといった問題があった。
【０００６】
一方、このような気泡を含む石英ガラスルツボを用いてＣＺ法により多結晶シリコンから単結晶を製造する場合、石英ガラスルツボ内に存在する気泡に起因して結晶化が不安定になり、引上げられたシリコン単結晶に転位が生じ易くなり、歩留まり低下の原因となっていた。
【０００７】
その主な理由としては、斑点状のクリストバライトの融液シリコンへの混入である。
【０００８】
すなわち、この斑点状のクリストバライトは石英ガラスルツボに次のような現象により形成されると考えられる。
【０００９】
第一に、シリコン単結晶の引上げ中に、シリコン融液によってシリコンルツボの内面が浸食され気泡が開裂状態となりルツボ内面が荒れ、この荒れにより生じた微細な突起が石英ガラスの結晶化の核となり斑点状のクリストバライトが形成される。
【００１０】
次に、単結晶引上げ中に、ルツボの内表面近傍に存在する析出不純物がルツボ内面におけるクリストバライトの形成を促進して上記同様の斑点状のクリストバライトを形成する。
【００１１】
このようにして生成されたクリストバライトがルツボから剥離し、溶融多結晶シリコン中に混入し、引上げられるシリコン単結晶の成長に悪影響を与えるなどの問題があった。
【００１２】
この問題を解決するため、例えば特公平４−２２８６１号公報に記載されているように回転する型内にシリカの基体を載置し、この基体内面にシリカ粉末を供給し実質的に無気泡の透明石英ガラス層を形成して２層とする石英ガラスルツボの製造方法の開示がある。
【００１３】
しかし、この方法は工程が複雑でかつ無気泡の透明石英ガラス層の厚さを適正に制御するのが難しいなどの問題点がある。
【００１４】
また、クリストバライトに起因する不純物の溶融シリコン中に混入するのを防止するために、失透促進剤を石英ガラスルツボの内面に付着させ、石英ガラスルツボが高温に加熱されたとき失透したシリカの層を形成し、結晶シリカ粒子が溶融シリコン中に混入するのを防止する方法が特開平９−１１０５７９号公報に開示されている。
【００１５】
しかし、この方法は例えば金属酸化物やその他の酸化物を失透促進剤として用いるので、これら酸化物が溶融シリコンに融出し、単結晶化およびシリコンウェーハ特性に悪影響を与える虞があり、また信頼性にも疑問がある。
【００１６】
さらに、石英ガラスルツボの気泡の膨脹を抑制し、気泡の開裂によるＳｉＯ２破片が溶融シリコン中に混入するのを防止するために、石英ガラスルツボの内面を所定の温度で、長時間加熱処理して石英ガラスルツボを製造する方法が特開平５−１２４８８９号公報に開示されているが、この方法は比較的高温で、長時間加熱するものであるので、生産性が悪く製造コストも高くなるなどの問題点がある。
【００１７】
【発明が解決しようとする課題】
このため、シリコン単結晶引上げ収率が高く生産性に優れたシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法が要望されていた。
【００１８】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、単結晶引上げ中にクリストバライトの発生が少なく、シリコン単結晶引上げ収率を向上させたシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法を提供することを目的とする。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本願請求項１の発明は、酸素濃度が２１％以下の溶融室に石英粉がルツボ状に充填され減圧可能なルツボ成形用型を用意し、このルツボ成形用型を減圧しながら所定時間保持し、さらにルツボ成形用型を減圧しながらアーク放電を開始するとともにアーク放電の開始直後より所定量の還元性ガスを溶融室に所定時間流し、その後ルツボ成形用型の減圧を停止し、この停止状態でさらに所定時間アーク放電を行うことにより、還元雰囲気中で溶融することを特徴とするシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００２０】
本願請求項２の発明は、ルツボ成形用型を減圧しながら所定時間保持し、さらにルツボ成形用型を減圧しながらアーク放電を開始するとともにアーク放電の開始直後より５０〜３００リットル／分の水素を溶融室に５〜１５分間流し、その後ルツボ成形用型の減圧を停止し、この停止状態でさらに所定時間アーク放電を行うことにより、還元雰囲気中で溶融することを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００２１】
本願請求項３の発明は、ルツボ成形用型の減圧の停止と共に水素の流入を停止し、この状態でさらに所定時間アーク放電を行うことにより、還元雰囲気中で溶融することを特徴とする請求項２に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００２２】
本願請求項４の発明は、処理炉内に石英ガラスルツボをその底部を上にして載置し、石英ガラスルツボの内外の気密を保ち、石英ガラスルツボ内部に不活性ガスを所定量流して酸素濃度を１％以下にし、処理炉内を所定の温度まで昇温し、この温度を維持しながら不活性ガスを還元性ガスと置換して所定時間維持し、この時間経過後再度処理炉内に不活性ガスを流入し炉内温度を室温まで降温することにより、還元雰囲気中で加熱処理するシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の実施の形態について添付図面に基づき説明する。
【００２４】
図１は本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法により製造された石英ガラスルツボ１で、石英ガラスルツボ１の内表面２から１ｍｍ以内の層３は酸素欠乏欠陥を２０〜１５０ｐｐｍ有する酸素欠乏欠陥層として形成されている。
【００２５】
このような石英ガラスルツボ１を製造するのに用いる製造装置を図２に従い説明する。
【００２６】
建屋内に隔壁４で仕切られた、例えば床が３×３ｍ、高さが５ｍの溶融室５が形成されこの溶融室５に雰囲気ガスの流入口６と流出口７が備えられている。溶融室５には、ルツボ製造装置８が設置され、このルツボ製造装置８は回転台９に載置されたルツボ成形用型１０を有する。
【００２７】
このルツボ成形用型１０は、ガス透過性部材、例えばカーボンで形成され、ルツボ状に石英粉１１が充填されるカーボン型１２と、このカーボン型１２の外周にガス通気路１３を設けて配置された耐熱性、例えばＳＵＳ製で水冷される保持ジャケット１４から構成されている。
【００２８】
前記ルツボ成形用型１０の上方には、ルツボ状に充填された石英粉１１に対向して熱源として、例えばアーク電極１５が設けられている。
【００２９】
前記ガス通気路１３は、保持ジャケット１４の下部に設けられた開口部１６を介して、モータ１７によって駆動される回転軸１８の中央に設けられたガス導入路１９と連結され、このガス導入路１９は真空ポンプ２０に接続されている。
【００３０】
また、前記保持ジャケット１４には水冷用の冷却路２１が設けられ、この冷却路２１は回転軸１８の中心に設けられた水路２２に接続されている。
【００３１】
本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法に用いられる製造装置は以上のような構造になっており、次に、本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法を説明する。
【００３２】
最初に、モータ１７を付勢し回転軸１８を介してルツボ成形用型１０を回転させて、ルツボ成形用型１０を構成するカーボン型１２と保持ジャケット１４を回転させ、カーボン型１２に石英粉１１をルツボ状に充填する。
【００３３】
次に、溶融室５に石英が充填されたルツボ成形用型１０を移す。そして、流入口６から不活性ガス、例えば窒素を溶融室５に流して置換し、溶融室５の雰囲気を酸素濃度２１％以下、例えば１％以下とする。
【００３４】
なお、不活性ガスには窒素を含め、窒素のほかアルゴン、ヘリウム等、またはこれらと窒素との混合ガスでもよい。
【００３５】
しかる後、アーク電極１５に通電し、ルツボ状に充填された石英粉１１をアーク放電による加熱によって内側から順次溶融する。アーク開始直後、真空ポンプ２０を作動させ、所定時間、例えば１０分間減圧状態に保持する。
【００３６】
アーク放電の開始直前から還元性ガス、例えば水素を５０〜３００リットル／分、例えば１５０リットル／分溶融室に流入させ、この状態を５〜１５分間、例えば１０分間継続させ、溶融室３を還元雰囲気、すなわち水素雰囲気に保つ。
【００３７】
所定時間経過後、例えば１０分経過後減圧を止め大気圧に戻し、水素の流入も停止させ、この状態で所定時間、例えば３０分間アーク放電を維持し、石英ガラスルツボ１を製造した。
【００３８】
なお、この製造工程ではルツボ１の層３以外の層の溶融が行われているので、必ずしも水素を溶融室５に送り完全な還元雰囲気を維持する必要はなく水素の供給を止めてもよいが、水素を継続的に流し続けてもよい。
【００３９】
また、還元性ガスは一酸化炭素、あるいはメタン等の炭化水素ガスでもよい。
【００４０】
上述のように還元性雰囲気中で溶融されて製造されたルツボ１は肉厚１２〜２０ｍｍであり、内側には３〜７ｍｍの透明層部を有し、この透明層部について可視・紫外分光光度計により測定したところ、２４５ｎｍに強い吸収が見られ、約１２０ｐｐｍの酸素欠乏欠陥を有していた。
【００４１】
次に他の本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の他の実施の形態について説明する。
【００４２】
図３は本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の他の実施の形態に用いられる雰囲気処理炉を示す概略図で、処理炉３１は本体３２と、この本体３２内に設けられ本体３２の底部３３に固定された炉台３４と、この炉台３４に不活性ガス、例えば窒素、および還元性ガス、例えば水素を送る仕切弁３５、３６が設けられた送気管３７と石英ガラスルツボ３８内のガスを排出する排気管３９が設けられている。
【００４３】
前記炉台３４には底面を上にして載置される石英ガラスルツボ３８の上端部４０の外周に位置して石英リング４１が設けられ、この石英リング４１と上端部４０間には、気密用のパウダーシール４２が敷き詰められている。
【００４４】
また、底部３３および炉台３４に設けられ、送気管３７と排気管３９が貫通する透孔４３はパウダーシールと石英ウールよりなるシール部材４４で封止されている。
【００４５】
本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の他の実施の形態に用いられる雰囲気処理炉は以上のような構造になっているから、石英ガラスルツボを製造するには、上述石英ガラスルツボの製造方法の一部の製造工程と同様にする。
【００４６】
すなわち、例えば２８インチのルツボ成形用型に石英粉をルツボ状に充填し、このルツボ成形用型を回転させ、アーク放電により溶融し、外径２８インチの石英ガラスルツボを製造する。
【００４７】
このようにして製造された石英ガラスルツボの上端部を一定幅、例えば１００ｍｍ切除し、この上端部の平行度をそろえる。
【００４８】
しかる後、図３に示されるように、送気管３７と排気管３９が石英ガラスルツボ３８の内部に位置するように石英ガラスルツボ３８の底面を上にして石英ガラスルツボ３８を炉台３４に載置し、上端部４０の外側と石英リング４１間にパウダーシール４２を敷き詰め、石英ガラスルツボ３８の内外の気密を保つ。
【００４９】
その後、仕切弁３５、送気管３７を介して石英ガラスルツボ３８内に所定量、例えば０．５ｍ３／時間の不活性ガス、例えば窒素を流しながら処理炉３１内の温度を８００〜１２００℃、例えば１１００℃まで上昇させ、仕切弁３５を閉じる一方、仕切弁３６を開放し、窒素に代わる還元ガス、例えば水素を送気管３７を介して所定量、例えば０．５立方米／時間供給する。還元ガスである水素を０．５〜１０時間、例えば３時間供給し続け、この状態を保持する。
【００５０】
しかる後、仕切弁３６を閉じ、仕切弁３５を開放して水素を窒素に切替え、窒素を流しながら室温まで降温する。
【００５１】
上述のように還元性雰囲気中で加熱処理されて製造された石英ガラスルツボ１は、肉厚１２〜２０ｍｍであり、内側には３〜７ｍｍの透明層部を有し、この透明層部について可視・紫外分光光度計により測定したところ、２４５ｎｍに強い吸収が見られ、１００ｐｐｍの酸素欠乏欠陥を有していた。
【００５２】
なお、この２４５ｎｍの吸収波長は、Ｓｉ−Ｏ−ＳｉからＯがとれた状態の酸素欠乏欠陥を示すものであり、この濃度はＬａｍｂｅｒ−Ｂｅｅｒの法則に基づき、
【数１】
Ａ＝ｌｏｇe  I0／Ｉ  ＝ｋｃｄ
の式によって、ｃ（吸収成分濃度）の値として算出することができる。
【００５３】
上記式においては、Ａは吸光度、Ｉ0は入射光の強さ、Ｉは透過光の強さ、ｋは吸光係数、ｄは試料の厚さを示すものである。
【００５４】
【実施例】
（１）実施例１上記外径２８インチで１２０ｐｐｍの酸素欠乏欠陥を有する石英ガラスルツボを用い、カスプ（ＣＵＳＰ）型ＭＣＺ単結晶引上装置を用いて例えば直径３００ｍｍシリコン単結晶の引上げを行った。原料であるポリシリコンの２００ｋｇチャージで約１００時間使用しても、転位の発生が全く見られず、完全なシリコン単結晶が得られた。
【００５５】
単結晶引上げに使用した後の石英ガラスルツボの内表面は、全体に光沢のある状態を維持しており、クリストバライトの発生が見られた面積は約２０％であった。
【００５６】
（２）実施例２上述本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の他の実施の形態により製造された石英ガラスルツボを用い、カスプ型ＭＣＺ単結晶引上装置を用いて例えば直径３００ｍｍシリコン単結晶の引上げを行った。ポリシリコン２００ｋｇチャージで約１００時間使用しても、転位の発生が全く見られず、完全なシリコン単結晶が得られた。
【００５７】
単結晶引上げに使用した後の石英ガラスルツボの内表面は、全体に光沢のある状態を維持しており、クリストバライトの発生が見られた面積は２０％であった。
【００５８】
（３）比較例１カーボン型とＳＵＳ製水冷ジャケットからなる減圧可能な回転型内に石英粉充填し、大気雰囲気の溶融室ヘ型を移動し、アーク放電により溶融を開始し、アーク開始直後から水素を１５０リットル／分流入した。
【００５９】
１０分後に減圧と水素流入を停止し、さらに２０分間アークを維持して溶融し、外径２８インチの石英ルツボを製作した。
【００６０】
このルツボは肉厚１２〜２０ｍｍであり内面側には３〜７ｍｍの透明層を有していた。透明層部につき可視・紫外分光光度計により測定したところ、２４５ｎｍに弱い吸収が見られ、２０ｐｐｍ酸素欠乏欠陥を有していた。
【００６１】
このルツボを用いてカスプ型ＭＣＺ引上装置により単結晶引上げを行った。
【００６２】
ポリシリコン２００ｋｇチャージで約１００時間使用し、直径３００ｍｍ単結晶の引上げを行った。引上げテイル部で転位が発生し、単結晶化率は８０％であった。引上げに使用した後の石英ガラスルツボの内表面は全体に粗れが目立ち、クリストバライトの発生が見られた面積は約７０％であった。
【００６３】
（４）比較例２カーボン型とＳＵＳ製水冷ジャケットからなる減圧可能な回転型内に石英粉充填し、窒素フローにより酸素濃度１％以下に置換された溶融室ヘ型を移動し、減圧しながら１０分間保持した。その後、アーク放電により溶融を開始し、アーク開始直後から水素を３００リットル／分流入したところ、ＳｉＯ２のべーパーが激しく発生し、電極への付着によりアークの中断が頻発した。１０分後に減圧と水素流入を停止し、さらに２０分間アークを維持して溶融し、外径２８インチの石英ルツボを製作した。
【００６４】
このルツボの内表面は、電極からのペーパーの落下による不具合が多数見られた。また、透明層部は２００ｐｐｍの酸素欠乏欠陥を有していた。
【００６５】
【発明の効果】
以上に述べたように本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法によればは、単結晶引上げ中にクリストバライトの発生が少なく、従って単結晶の転位が発生せずシリコン単結晶の収率を改善できる石英ガラスルツボを容易に製造することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法により製造された石英ガラスルツボの断面図。
【図２】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法に用いられる製造装置の概念図。
【図３】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の他の実施の形態に用いられる製造装置の概念図。
【符号の説明】
１  石英ガラスルツボ
２  内表面
３  層
４  隔壁
５  溶融室
６  流入口
７  流出口
８  ルツボ製造装置
９  回転台
１０  ルツボ成形用型
１１  石英粉
１２  カーボン型
１３  通気路
１４  保持ジャケット
１５  アーク電極
１６  開口部
１７  モータ
１８  回転軸
１９  ガス導入路
２０  真空ポンプ
２１  冷却路
２２  水路
３１  処理炉
３２  本体
３３  底部
３４  炉台
３５  仕切弁
３６  仕切弁
３７  送気管
３８  石英ガラスルツボ
３９  排気管
４０  上端部
４１  石英リング
４２  パウダーシール
４３  透孔
４４  シール部材
【図１】
0003625636.tif 000002
【図２】
0003625636.tif 000003
【図３】
0003625636.tif 000004