(57)【要約】      （修正有）【課題】内層である透明層において、使用中すなわちルツボ内部に収容した多結晶シリコンを溶融するために加熱を開始してからシリコン単結晶の引上げ終了までの間、気泡の発生および膨張を抑制することのできる、シリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボの製造方法を提供する。【解決手段】石英原料粉末を成形型１１内に供給して直胴部、コーナー部および底部を有するシリカ粉成形体２０を形成し、このシリカ粉成形体２０をアーク放電により加熱溶融してシリカガラスルツボを得る製造方法であって、酸素雰囲気中でのアーク放電による加熱溶融の際に、シリカ粉成形体２０の開口端部に接するようにカーボン部材２１を配置する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
石英原料粉末を成形型内に供給して直胴部、コーナー部および底部を有するシリカ粉成形体を形成し、このシリカ粉成形体をアーク放電により加熱溶融してシリカガラスルツボを得る製造方法であって、
酸素雰囲気中でのアーク放電による加熱溶融の際に、シリカ粉成形体の開口端部に接するようにカーボン部材を配置することを特徴とするシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボの製造方法。
【請求項２】
前記カーボン部材が厚さ３０ｍｍ以上であり、かつ、内径がシリカ粉成形体の内表面から０ｍｍ超５ｍｍ以内に配置したことを特徴とするシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボの製造方法。
【請求項３】
石英原料粉末を成形型内に供給して直胴部、コーナー部および底部を有するシリカ粉成形体を形成し、このシリカ粉成形体をアーク放電により加熱溶融してシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボを得る製造装置であって、
シリカ粉成形体の直胴部の開口端部を覆うようにカーボン部材を配置したことを特徴とするシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボの製造装置。
【請求項４】
前記カーボン部材が厚さ３０ｍｍ以上であり、かつ、内径がシリカ粉成形体の内表面から０ｍｍ超５ｍｍ以内に配置されていることを特徴とするシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボの製造装置。
【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）によりシリコン単結晶を引上げる際に用いられる、原料シリコン融液を収容するためのシリカガラスルツボの製造方法および製造装置に関する。より詳しくは、シリコン単結晶を引上げる際に発生するルツボ内層の気泡発生および膨張を抑制することによって、歩留まり良くシリコン単結晶を引上げることができるシリカガラスルツボの製造方法およびその製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶の製造においては、チョクラルスキー法（ＣＺ法）が広く用いられている。この方法は、ルツボ内に収容された原料シリコン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、前記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り、種結晶の下端に単結晶インゴットを育成していくものである。
【０００３】
上記方法において、原料シリコン融液を収容するためのルツボには、シリカガラスルツボが用いられる。このシリカガラスルツボは、一般に、特許文献１に開示されているような２層構造であり、外層が不透明層、内層が透明層である。
前記外層の不透明層は、合成シリカガラスに比べて、純度は低いものの、耐熱性に優れた天然シリカ原料により形成され、多数の気泡を含有している。一方、前記内層の透明層は、引上げられるシリコン単結晶インゴットに対する不純物汚染の抑制のため、高純度の合成シリカ原料により形成され、また、前記単結晶インゴットの結晶化率の向上等の観点から、ルツボ内表面は平滑に形成される。
このようなシリカガラスルツボの前記内層はシリコン単結晶引上げ開始前において実質的に無気泡の透明層であるが、シリコン単結晶引上げのために減圧、高温に曝されると気泡が生じ、その気泡が膨張することによりルツボ内表面が剥離する、もしくは気泡内部のガスがガス泡となって原料シリコン融液内に放出されることがある。この剥離片やガス泡が原料シリコン融液の対流によりシリコン単結晶の成長界面に到達し、取り込まれるとシリコン単結晶の品質を低下させるという問題があった。
【０００４】
上記問題を解決するため、加熱溶融して半透明石英ガラスルツボ基体の内面側に、水素ドープシリカ粉および水素未ドープ石英粉により透明石英ガラス層を形成する、例えば、特許文献２に記載されているような石英ガラスルツボの製造方法が提案されている。また、特許文献３には、引上げ相当温度下において、内表面透明層に含まれる気泡の膨張率を制御した石英ガラスルツボが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開平５−１０５５７７
【特許文献２】特開２００７−３２６７８０
【特許文献３】特開２００９−１３２５６７
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、上記のような石英ガラスルツボを用いた場合であっても、ＣＺ法によるシリコン単結晶引上げの際、原料シリコンを溶融、保持している状態で透明層内に気泡が生じ、膨張することがあった。膨張した気泡が原料シリコン融液と接するルツボ内表面に開放した場合、ガス泡やシリカガラス小片が原料シリコン融液に混入し、原料シリコン融液の対流によってシリコン単結晶の引上げ界面に到達してシリコン単結晶内に取り込まれてしまうことがある。ガス泡が取り込まれた場合、引上げたシリコン単結晶の外観からは不具合を確認することはできず、シリコン単結晶をスライス、研磨してシリコンウェーハとした後にピンホール、異物欠陥などとして見つかる。シリカガラス小片が取り込まれた場合、引上げたシリコン単結晶に転位が起こりシリコン単結晶の品質が低下する。
【０００７】
使用前の実質的に無気泡の透明層においては、どこに気泡が生じるか、どの程度膨張するかを確認することはできず、使用中の気泡発生、膨張を制御できないという課題が生じていた。
【０００８】
こうした現状を鑑み、本発明者は、鋭意研究を重ねた結果、透明層内での気泡発生、膨張は透明層のシリカガラス中の酸素過剰欠陥に起因し、酸素過剰欠陥はアーク放電による加熱溶融の際にシリカガラス構造内に取り込まれた酸素によって増加していることを見出した。
アーク放電による加熱溶融の際、カーボン電極から生じるカーボン粒子がルツボ内表面に付着することを防止するため、加熱溶融中の酸素供給をなくすることはできないが、シリカ粉成形体の開口端部にカーボン部材を設け、該開口端部からシリカ粉成形体内へ侵入する酸素をカーボン部材との反応、燃焼などによって防止することで、得られるシリカガラスルツボの透明層における酸素過剰欠陥の増加を抑制することができることを見出して、本発明を完成したものである。
【０００９】
すなわち、本発明は、内層である透明層において、使用中すなわちルツボ内部に収容した多結晶シリコンを溶融するために加熱を開始してからシリコン単結晶の引上げ終了までの間、気泡の発生および膨張を抑制することのできる、シリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明に係るシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボの製造方法は、石英原料粉末を成形型内に供給して直胴部、コーナー部および底部を有するシリカ粉成形体を形成し、このシリカ粉成形体をアーク放電により加熱溶融してシリカガラスルツボを得る製造方法であって、酸素雰囲気中でのアーク放電による加熱溶融の際に、シリカ粉成形体の開口端部に接するようにカーボン部材を配置することを特徴とする。
このような製造方法によれば、加熱溶融中において透明層のシリカガラス構造内に酸素を取り込むことを抑制し、透明層内の酸素過剰欠陥を少なくすることができる。
【００１１】
前記カーボン部材は、厚さ３０ｍｍ以上、かつ、内径がシリカ粉成形体の内表面から０ｍｍ超５ｍｍ以内とすることが好ましい。
カーボン部材を上記範囲とすることにより、シリカガラス中のＯＨ濃度が増加して透明層の高温強度が低下することなく、加熱溶融中において透明層のシリカガラス構造内に酸素を取り込むことを抑制し、透明層内の酸素過剰欠陥を少なくすることができる。
【００１２】
本発明に係るシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボの製造装置は、石英原料粉末を成形型内に供給して直胴部、コーナー部および底部を有するシリカ粉成形体を形成し、このシリカ粉成形体をアーク放電により加熱溶融してシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボを得る製造装置であって、シリカ粉成形体の直胴部の開口端部を覆うようにカーボン部材を配置したことを特徴とする。
このような製造装置によれば、加熱溶融中において透明層のシリカガラス構造内に酸素を取り込むことを抑制し、透明層内の酸素過剰欠陥を少なくすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明に係るシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボの製造方法およびその製造装置によれば、加熱溶融中において実質的に無気泡の透明層のシリカガラス構造内に酸素を取り込むことを抑制し、透明層内の酸素過剰欠陥を少なくすることにより、シリコン単結晶引上げ中における透明層内の気泡膨張を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】本発明の製造装置によるシリカガラスルツボの概略断面図である。
【図２】本発明に係るシリカガラスルツボ製造装置の概略断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
本発明にかかる製造方法および製造装置により得られるシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボ１は、図１に示すように、底部と円筒状の側壁部との間にアール状のコーナー部を有する断面がＵ字状の形状からなる。そして、外層３が不透明層、内層２が透明層からなる。
ここで、不透明層とは、シリカガラス中に多数の気泡（好ましくは、２０個／ｍｍ３以上）を含み、見かけ上、白濁した状態のシリカガラス層であり、透明層とは、シリカガラス中に気泡をほとんど含まず（好ましくは、２個／ｍｍ３以下）、実質的に透明であるシリカガラス層を意味する。
【００１６】
本発明にかかるシリコン単結晶引上げ用シリカガラスルツボの製造方法および製造装置は、シリカ粉成形体の直胴部の開口端部を覆うようにカーボン部材を設ける点に特徴があり、シリカガラスルツボの製造方法は従来の一般的な方法が用いられる。
なお、一般に、不透明層は、純度は低いものの、耐熱性に優れた、水晶等の天然シリカ原料により形成し、透明層は、シリコンアルコキシドの加水分解等により得られる高純度の合成シリカ原料により形成する。
【００１７】
図２に示すようなシリカガラスルツボ製造装置を用いて、図示しない回転駆動源を稼働して回転軸１５を矢印の方向に、ルツボ成形用型１１を高速で回転させつつ、ルツボ成形用型１１内の上部から、初めに天然シリカ原料粉末を装填し、さらにその内表面に合成シリカ原料粉末を装填する。
【００１８】
初めに供給された天然シリカ原料粉末は、遠心力によってルツボ成形用型１１の内側部材１２に押圧され、一つの天然シリカ原料粉末層２０ｂが形成される。
そして、この天然シリカ原料粉末に続いて合成シリカ原料粉末がルツボ成形用型１１内に供給され、合成シリカ原料粉末は、遠心力によって天然シリカ原料粉末の層に押圧され一つの合成シリカ原料粉末層２０ａが形成され、全体としてルツボ形状の２層のシリカ粉成形体２０が形成される。
その後、シリカ粉成形体２０の開口端部にカーボン部材２１を配置して、大気雰囲気において減圧機構１８の作動により減圧し、カーボン電極１９に通電してシリカ粉成形体２０の内側から加熱し、シリカ粉成形体２０を内側から順次溶融する。
【００１９】
その後、冷却することにより、内面側には実質的に無気泡化状態で酸素過剰欠陥が抑制された透明シリカガラス層２が形成され、外表側には多数の気泡が存在する不透明シリカガラス層３が形成された、２重層構造のシリカガラスルツボ１が製造される。
【００２０】
このように、シリカ粉成形体２０の開口端部にカーボン部材２１を配置することにより、酸素含有雰囲気中でのアーク放電による加熱溶融中において、シリカ粉成形体２０の開口端部からシリカ粉成形体２０内部への酸素の侵入を、カーボン部材２１との反応、燃焼などにより防止することで、実質的に無気泡の透明層のシリカガラス構造内に酸素を取り込むことを抑制し、酸素過剰欠陥を少なくすることにより、シリコン単結晶引上げ中における気泡発生および発生した気泡の膨張を抑制することができる。
【００２１】
カーボン部材２１は、シリカ粉成形体２０の開口端部に接するように、かつ、シリカ粉成形体２０の内表面よりカーボン電極１９側に突出しないように配置することが好ましい。カーボン部材２１がシリカ粉成形体の内表面よりカーボン電極１９側に突出した場合、ルツボ内部の雰囲気に供給された酸素がカーボン電極１９から生じるカーボン粒子を反応させる前にカーボン部材２１と反応してしまい、カーボン電極１９から生じるカーボン粒子が雰囲気中の酸素と反応せずにルツボ内表面に付着してしまう。
【００２２】
また、カーボン部材２１の内表面２１ａを合成シリカ原料粉末で覆うことが好ましい。カーボン部材２１の内表面２１ａを合成シリカ原料粉末で覆うことにより、カーボン電極１９から生じるカーボン粒子とルツボ内部の雰囲気に供給された酸素とが反応する前に、カーボン部材２１の内表面２１ａと反応することを抑制することができると共に、カーボン電極１９から生じるカーボン粒子とルツボ内部の雰囲気に供給された酸素とが反応した後にシリカ粉成形体２０の開口端部からシリカ粉成形体２０内部へ侵入する酸素とカーボン部材２１とを反応させることで実質的に無気泡の透明層のシリカガラス構造内に酸素を取り込むことを抑制し、酸素過剰欠陥を少なくすることができる。
【００２３】
カーボン部材２１は、黒鉛化度０．６以上、気孔率２０％以上４０％以下であって、少なくとも厚さを３０ｍｍ以上とすることが好ましい。黒鉛化度が０．６未満である場合にはカーボン部材の変形や割れの原因となり、透明層のシリカガラス構造内に酸素を取り込むことを抑制できなくなる虞があるため好ましくない。
気孔率が２０％未満である場合には、酸素との反応性が乏しく、酸素を完全に燃焼させられないため、カーボン部材とシリカ粉成形体との間から酸素が回り込んでしまい、透明層のシリカガラス構造内に酸素を取り込むことを抑制できなくなるため好ましくない。
一方、気孔率が４０％を超える場合には、カーボン部材の酸化が激しくなり、カーボン部材の劣化や割れが生じるため好ましくない。
【実施例】
【００２４】
以下、本発明を実施例に基づいてさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
上記の実施の形態において説明した製造装置を用いた製造方法により、外径約６００ｍｍ、高さ約５００ｍｍのシリカ粉成形体を形成し、シリカ粉成形体の開口端部に、シリカ粉成形体の内表面から１ｍｍ外周側となるように厚さ３０ｍｍのカーボン部材を配置し、カーボン部材の内表面にシリカ粉成形体と内表面と同じ内径になるまで合成シリカ粉層を形成し、アーク放電により加熱溶融してシリカガラスルツボを製造した。
【００２５】
［実施例２〜６、比較例１〜４］
上記実施例１において、カーボン部材の位置および厚さを下記表１の実施例２〜６、比較例１〜４に示すように変化させ、それ以外は実施例１と同様にしてシリカガラスルツボを製造した。
【００２６】
［比較例５］
上記実施例１において、カーボン部材を配置しないこと以外は実施例１と同様にしてシリカガラスルツボを製造した。
【００２７】
上記実施例及び比較例において製造したシリカガラスルツボについて、透明層のみを切り出し、１５９０℃、０．１Ｔｏｒｒ、５時間の熱処理を行った後に、気泡密度を測定した。
また、上記実施例及び比較例において製造したシリカガラスルツボを、カーボンルツボに嵌め込んでセットし、ルツボ外周からヒータ加熱して、ルツボ内で多結晶シリコン原料を溶融させ、ＣＺ法により、直径８インチのシリコン単結晶引上げを行った。
これらの評価結果をまとめて表１に示す。
【００２８】
【表１】
2014065621.tif 000003
【００２９】
透明層の気泡密度の測定は、ＣＣＤカメラとハロゲンランプとを用い、表面からの画像を撮像し、得られた画像を二値化処理することにより行った。測定視野は、５００μｍ２以上（好ましくは１．０ｍｍ×１．４ｍｍ）で、認識可能な最小気泡径は４．６μｍ以上とした。また、厚さ方向は、２０μｍピッチでＣＣＤカメラを移動させることにより、表層から１．０ｍｍの厚さまで測定した。
尚、それぞれの気泡密度は、各ルツボ周方向に略等間隔で４点（９０°間隔）切り出したサンプルを測定した平均値と定義した。
【００３０】
結晶化率は、用いた多結晶シリコン原料の量およびルツボ形状から算出し設定されたシリコン単結晶インゴットの長さ（直胴部、トップ部およびテール部を含む）に対する実際に引き上げられたシリコン単結晶インゴットの長さとして定義した。
【００３１】
上記実施例及び比較例の結果から、酸素雰囲気中でのアーク放電による加熱溶融の際に、シリカ粉成形体の開口端部にカーボン部材を配置することにより、透明層の気泡発生を抑制し、ルツボの変形は生じず、引上げられたシリコン単結晶インゴットの結晶化率も良好であった。
【符号の説明】
【００３２】
１          シリカガラスルツボ
２          透明シリカガラス層
３          不透明シリカガラス層
１０        シリカガラスルツボ製造装置
１１        ルツボ成形用型
１２        内側部材
１３        通気部
１４        保持体
１５        回転軸
１６        開口部
１７        排気口
１８        減圧機構
１９        カーボン電極
２０        シリカ粉成形体
２１        カーボン部材
２２        合成シリカ粉層
【図１】
2014065621.tif 000004
【図２】
2014065621.tif 000005