(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
上方に開口する開口部を備えた水平回転自在な耐熱性モールドと、スリット開口を残して該開口部を覆う蓋と、該耐熱性モールド内を加熱する加熱手段と、該耐熱性モールドの底部内面に開口する１個又は複数個の給気孔と、該給気孔に連通するとともに該耐熱性モールドの壁体内部に穿設された給気通路と、該耐熱性モールドの上端部分内面に開口する１個又は複数個の排気孔と、該排気孔に連通するとともに該耐熱性モールドの壁体内部に穿設されかつ外部に開口する排気通路と、を有するシリコン単結晶引上げ用石英ガラスるつぼの製造装置を用いて製造される、気泡を多く含む外層と気泡を含まない内層とを備え持つ二重構造を有するシリコン単結晶引上げ用石英ガラスるつぼの製造方法であって、
（ａ）二酸化珪素粉末を上記耐熱性モールド内に供給して、該耐熱性モールド内面に沿って成型体を形成する工程、
（ｂ）上記成型体を加熱溶融して、半透明石英ガラスるつぼ外層を形成する工程、
（ｃ）このるつぼ外層の形成中もしくは形成後に、該るつぼ外層内の高温ガス雰囲気中に二酸化珪素粉末を供給し、内壁面に向って飛散融合させて透明石英ガラス層を形成する工程、
からなり、上記成型体を加熱溶融し、その表面がガラス化してガラス層が形成された後、該給気通路及び給気孔を介して該成型体内に処理ガスを供給し、この供給された処理ガスは該成型体の内部を通って上方に流動し前記スリット開口や排気孔及び排気通路を通って該耐熱性モールドの外部に排出され、かつ前記処理ガスが、水素又はヘリウムもしくはそれらの混合ガスであるようにして製造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るつぼの製造方法。
【請求項２】
請求項１記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスるつぼの製造方法に用いられかつ上方に開口する開口部を備えた水平回転自在な耐熱性モールドと、スリット開口を残して該開口部を覆う蓋と、該耐熱性モールド内を加熱する加熱手段と、該耐熱性モールドの底部内面に開口する１個又は複数個の給気孔と、該給気孔に連通するとともに該耐熱性モールドの壁体内部に穿設された給気通路と、該耐熱性モールドの上端部分内面に開口する１個又は複数個の排気孔と、該排気孔に連通するとともに該耐熱性モールドの壁体内部に穿設されかつ外部に開口する排気通路と、を有し、該耐熱性モールド内面に沿って形成される二酸化珪素粉末の成型体を加熱溶融し、その表面がガラス化してガラス層が形成された後、該給気通路及び給気孔を介して該成型体内に処理ガスを供給することができ、かつこの供給された処理ガスは該成型体の内部を通って上方に流動し前記スリット開口や排気孔及び排気通路を通って該耐熱性モールドの外部に排出されるようにし、前記処理ガスが、水素又はヘリウムもしくはそれらの混合ガスであ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るつぼの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶の引上げに使用される大口径の石英ガラスるつぼの製造方法及び装置に関する。
【０００２】
【関連技術】
従来、単結晶半導体材料のような単結晶物質の製造には、いわゆるチョクラルスキー法と呼ばれる方法が広く採用されている。この方法は多結晶シリコンを容器内で溶融させ、この溶融槽内に種結晶の端部を浸けて回転させながら引き上げるもので、種結晶上に同一の結晶方位を持つ単結晶が成長する。この単結晶引き上げ容器には石英ガラスるつぼが一般的に使用されている。
【０００３】
昨今高品位ウェハーの需要が高まる中で、シリコン融液の対流コントロールが重要になりつつある。特に大口径化が進むと従来の様なカーボンヒーター位置の調整だけでは、石英るつぼを通過する熱をコントロールしにくくなり、これが単結晶品質に影響を及ぼす事が予想される。
【０００４】
熱の伝わり方は、まず熱せられたカーボンヒーターからの輻射でカーボンサセプターに熱が伝わり、次いで石英るつぼを通過し、その後にシリコンメルトに伝わる。通常るつぼは二重構造となっており、外層にあたる気泡層は伝わる熱を均一にする為に設けられている。しかしながら気泡含有率が高すぎたり、気泡径が大きすぎると遮蔽効果も大きくなってしまう。
【０００５】
るつぼ外層の気泡含有率を低減する技術としては、減圧溶融なら減圧層をコントロールすることで、気泡含有率を調整できる（特開昭５６−１４９３３３号公報）他に、外層を形成する際に結晶質シリカと非晶質シリカを含ませる事で気泡を削減する技術（特開平６−７２７９３号公報）や粉体の粒度分布を調整し気泡を小さくする技術（特開平７−１７２９７８号公報）等が知られている。しかしながら、これらの技術ではるつぼ外層の気泡含有率を有効に減少させる方法としては十分なものとはいい難い。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記した問題点に鑑みなされたもので、るつぼ外層の泡径を小さくすることによって気泡含有率を効果的に低減させることができるようにしたシリコン単結晶引上げ用石英ガラスるつぼの製造方法及び装置を提供することを目的とする。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼの製造方法は、上方に開口する開口部を備えた水平回転自在な耐熱性モールドと、スリット開口を残して該開口部を覆う蓋と、該耐熱性モールド内を加熱する加熱手段と、該耐熱性モールドの底部内面に開口する１個又は複数個の給気孔と、該給気孔に連通するとともに該耐熱性モールドの壁体内部に穿設された給気通路と、該耐熱性モールドの上端部分内面に開口する１個又は複数個の排気孔と、該排気孔に連通するとともに該耐熱性モールドの壁体内部に穿設されかつ外部に開口する排気通路と、を有するシリコン単結晶引上げ用石英ガラスるつぼの製造装置を用いて製造される、気泡を多く含む外層と気泡を含まない内層とを備え持つ二重構造を有するシリコン単結晶引上げ用石英ガラスるつぼの製造方法であって、
（ａ）二酸化珪素粉末を上記耐熱性モールド内に供給して、該耐熱性モールド内面に沿って成型体を形成する工程、
（ｂ）上記成型体を加熱溶融して、半透明石英ガラスるつぼ外層を形成する工程、
（ｃ）このるつぼ外層の形成中もしくは形成後に、該るつぼ外層内の高温ガス雰囲気中に二酸化珪素粉末を供給し、内壁面に向って飛散融合させて透明石英ガラス層を形成する工程、
からなり、上記成型体を加熱溶融し、その表面がガラス化してガラス層が形成された後、該給気通路及び給気孔を介して該成型体内に処理ガスを供給し、この供給された処理ガスは該成型体の内部を通って上方に流動し前記スリット開口や排気孔及び排気通路を通って該耐熱性モールドの外部に排出され、かつ前記処理ガスが、水素又はヘリウムもしくはそれらの混合ガスであるようにして製造することを特徴とする。
【０００８】
上記成型体に供給される処理ガスとしては、少なくとも１種類以上のガスが用いられる。
【０００９】
上記供給する処理ガスとしては、水素又はヘリウムもしくはそれらの混合ガスが好適に用いられる。
【００１０】
本発明のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼの製造装置は、本発明のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスるつぼの製造方法に用いられかつ上方に開口する開口部を備えた水平回転自在な耐熱性モールドと、スリット開口を残して該開口部を覆う蓋と、該耐熱性モールド内を加熱する加熱手段と、該耐熱性モールドの底部内面に開口する１個又は複数個の給気孔と、該給気孔に連通するとともに該耐熱性モールドの壁体内部に穿設された給気通路と、該耐熱性モールドの上端部分内面に開口する１個又は複数個の排気孔と、該排気孔に連通するとともに該耐熱性モールドの壁体内部に穿設されかつ外部に開口する排気通路と、を有し、該耐熱性モールド内面に沿って形成される二酸化珪素粉末の成型体を加熱溶融し、その表面がガラス化してガラス層が形成された後、該給気通路及び給気孔を介して該成型体内に処理ガスを供給することができ、かつこの供給された処理ガスは該成型体の内部を通って上方に流動し前記スリット開口や排気孔及び排気通路を通って該耐熱性モールドの外部に排出されるようにし、前記処理ガスが、水素又はヘリウムもしくはそれらの混合ガスであることを特徴とする。
【００１１】
本発明の製造装置には、上記耐熱性モールドの内面に開口する１個又は複数個の排気孔と、該排気孔に連通するとともに該耐熱性モールドの壁体内部に穿設された排気通路とをさらに設けるのが好ましい。
【００１２】
本発明における「二酸化珪素粉」とは、非晶質及び結晶質ならびに天然及び合成を包含し、非晶質の二酸化珪素粉を「石英ガラス粉」、結晶質の二酸化珪素粉を「石英粉」と称するものとする。すなわち、例えば外層の原料粉には天然石英粉を用いるのが実用的であり、内層の原料粉には合成石英ガラス粉を用いるのが実用的であるものの、（結晶質の）天然石英粉、天然石英ガラス粉、（結晶質の）合成石英粉、合成石英ガラス粉等の各種粉体、及び各種粉体を混合したもの等を適宜選択することが可能である。
【００１３】
例えば、天然の水晶や珪砂・珪石等を粉砕し純化して得られる天然石英粉は、コスト上の利点とともに（作成された石英ガラス自体が）耐熱性に優れるというメリットがあるため、本発明の石英ガラスるつぼの外層の原料として好適である。また、より高純度の粉体として合成石英ガラス粉がるつぼ内層の原料に好適であり、具体的には、シリコンアルコキシド、ハロゲン化珪素（四塩化珪素ほか）、珪酸ソーダその他の珪素化合物を出発材料として、ゾルゲル法、スート法、火炎燃焼法等で得られる合成石英ガラス粉を適宜選択することができ、それ以外にもフュームドシリカや沈降シリカ等も利用できる。さらに、作成される石英ガラスるつぼの所望の物性（気泡の状態、密度、表面状態その他）に応じて、結晶化した合成石英粉、ガラス化した天然石英ガラス粉、または前記各種粉体を混合したもの、ならびに結晶化促進や不純物遮蔽等に寄与する元素を含有するもの（アルミニウム化合物その他）及びそれらを混合したもの等を内外層の原料として用いることができる。
【００１４】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一つの実施の形態を添付図面に基づいて説明するが、これらの説明は例示的に示されるもので限定的に解釈すべきものでないことはいうまでもない。
【００１５】
図１は本発明方法の実施に使用される装置と該装置を使用する石英ガラスるつぼ製造方法を示す断面説明図である。図２は本発明のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスるつぼの製造中の処理ガスの流れを示す一部の断面図である。
【００１６】
図１において、１０は本発明の石英ガラスるつぼの製造装置で、耐熱性モールド１２を有している。該耐熱性モールド１２は、回転軸１４によって水平回転自在に支持されている。１６はキャビティで該耐熱性モールド１２内部に形成されかつ上方に開口する開口部１８を備えている。該開口部１８は、スリット開口２０を残して蓋２２により覆われる。
【００１７】
２４は給気孔で、該耐熱性モールド１２の内面、好ましくは底部内面に開口し、１個又は複数個が設けられる。２６は給気通路で、該給気孔２４に連通するとともに該耐熱性モールド１２の壁体１２ａの内部に穿設されかつ他端は、例えば図示例では回転軸１４の内部を通って、外部に開口している。したがって、外部から該給気通路２６に供給される処理ガス２８は該給気孔２４から該耐熱性モールド１２の内面側、すなわち該キャビティ１６内に供給される。
【００１８】
３０は排気孔で、該耐熱性モールド１２の内面、好ましくは上端部分に開口し、１個又は複数個が設けられる。３２は排気通路で、該排気孔３０に連通するとともに該耐熱性モールド１２の壁体１２ａの内部に穿設されかつ他端は、外部、例えば図示例では該耐熱性モールド１２の外周面、に開口している。したがって、該キャビティ１６内に供給された処理ガス２８は該排気孔３０及び排気通路３２から該耐熱性モールド１２の外部に排気される。
【００１９】
該耐熱性モールド１２を内面側から加熱するための加熱手段として、図１に示すように、電源３４に接続されたカーボン電極３６，３８を備えるアーク放電装置４０を使用することができる。アーク放電装置４０の代わりにプラズマ放電装置を用いてもよい。
【００２０】
１は本発明に係るシリコン単結晶引上げ用石英ガラスるつぼで、二酸化珪素粉末、例えば天然石英粉末から形成される半透明石英ガラス、すなわち外層を構成する基体３を有している。該基体３は、二酸化珪素粉末を回転する耐熱性モールド１２の中に投入し、該耐熱性モールド１２の内壁に沿って層状に堆積させて所望のるつぼ形状の成型体３とし、この成型体３を内面から加熱して二酸化珪素粉末を溶融させたのち、冷却することにより製造される。この基体３の製造については特公平４−２２８６１号公報に詳細な記載がある。
【００２１】
本発明方法においては、該成型体３を加熱手段により溶融し、表面がガラス化してガラス層３ａが形成された後、該給気通路２６及び給気孔２４から該成型体３に水素又はヘリウムもしくはそれらの混合ガス等の処理ガス２８を供給するのが特徴である。この供給された処理ガス２８は該給気孔２４からキャビティ１６に形成された成型体３の内部を通って上方に流動し、該耐熱性モールド１２のスリット開口２０や排気孔３０及び排気通路３２を通って耐熱性モールド１２の外部に排出される。
【００２２】
したがって、該成型体３は処理ガスが流動している状態で加熱手段からの熱によって徐々に加熱溶融し、ガラス化して最後に成型体３の全部が半透明石英ガラス層、すなわち外層又は基体３となる。成型体３の全てが半透明石英ガラス層となった状態で給気孔２４からの処理ガスの供給を終了すればよい。
【００２３】
このように成型体３に処理ガス２８を供給しつつその加熱溶融を行い、外層３を形成することによって、外層３中に存在する気泡の径が小さくなり、全体の気泡含有率を低下させることができる。この処理ガス２８の供給速度（ガス流量）については特に限定はないが、１０〜５０Ｌ／分程度が好適である。
【００２４】
図１に示す装置は、内層４を形成するために、耐熱性モールド１２の上方に二酸化珪素粉末４２を収容する供給槽４４を備える。この供給槽４４には計量フィーダ４６が設けられた吐出パイプ４８に接続されている。供給槽４４内には攪拌羽根５０が配置される。
【００２５】
基体３が形成された後、又は基体３の形成の途中において、アーク放電装置４０のカーボン電極３６，３８からの放電による加熱を継続しながら、二酸化珪素粉末４２供給のための計量フィーダ４６を調整した開度に開いて、吐出パイプ４８から二酸化珪素粉末４２を基体３の内部に供給する。アーク放電装置４０の作動により、基体３内には高温ガス雰囲気５４が形成されている。したがって、二酸化珪素粉末４２は、この高温ガス雰囲気５４中に供給されることとなる。
【００２６】
なお、高温ガス雰囲気５４とは、カーボン電極３６，３８を用いたアーク放電によりその周囲に形成された雰囲気を指し、石英ガラスを溶かすに十分な温度以上、具体的には２千数百度の高温になっている。
【００２７】
高温ガス雰囲気５４中に供給された二酸化珪素粉末４２は、高温ガス雰囲気５４中の熱により少なくとも一部が溶融され、同時に基体３の内壁面に向けて飛散させられて、該基体３の内壁面に付着し、基体３と一体融合的に基体３の内面に実質的に無気泡の石英ガラス層すなわち内層４を形成する。この内層４の形成方法については、上述した特公平４−２２８６１号公報に詳細な記載がある。
【００２８】
図２に、この方法において成型体３中を処理ガス２８（図示例ではＨ2ガス）が上方に流れている状態の石英ガラスるつぼ１の断面を示す。本発明による石英ガラスるつぼは、二酸化珪素粉末、例えば天然石英粉末を内面から加熱溶融して形成された外層すなわち基体３と、二酸化珪素粉末、例えば合成シリカ粉末を高温ガス雰囲気５４中に放出して、溶融飛散させ、基体３の内壁面に付着させて形成した内層４とを有しているものである。
【００２９】
【実施例】
以下に本発明の実施例をあげて説明するが、これらは例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
【００３０】
（実施例１）
図１に示す装置を用い外径が２２インチの石英ガラスるつぼを製造した。製造に当たっては上方に開口する開口部を備えたカーボンモールド内にあらかじめ天然石英粉末を２０ｋｇ供給して形成し、外層となる成型体を作成した。
【００３１】
この成型体を内面から熱源により加熱溶融し、表面がガラス化した後、供給孔２４より水素とヘリウムの混合ガスを１：２４の割合（水素２Ｌ／分、ヘリウム４８Ｌ／分）で流量５０Ｌ／分で溶融終了まで導入した。このように外層を形成するとともに、外層の内部に形成された高温ガス雰囲気中に高純度合成石英ガラス粉末３ｋｇを供給し、成型体内表面に飛散・溶融させて外径が２２インチの石英ガラスるつぼを製造した。
【００３２】
なお、ここで使用した合成石英ガラスシリカ粉末は、極めて高純度なものであったので、その金属元素含有量を測定したところ、ＡｌとＴｉが各々０．５ｐｐｍ未満、ＦｅとＣａが各々０．１ｐｐｍ、Ｎａ・Ｋ・Ｌｉ・Ｍｇが各々０．１ｐｐｍ未満で、Ｚｎが１０ｐｐｂ、ＮｉとＣｒが５ｐｐｂ、Ｂａが３ｐｐｂ、ＣｕとＰｂが１ｐｐｂ、その他の元素（Ｍｎ、Ｃｏ、Ｇａ、Ｓｒ、Ｙ、Ｚｒ、Ｎｂ、Ａｇ、Ｓｎ、Ｓｂ、Ｈｆ、Ｔａ、Ｕ、Ｔｈ）は全て１ｐｐｂ未満であった。
【００３３】
この製造した石英ガラスるつぼにおける外層の気泡含有率（気泡体積／測定体積）を、後記する比較例の気泡含有率を１とした時の比率として表１に示した。
【００３４】
（実施例２）
処理ガスを水素とヘリウムの混合ガスからヘリウムガスに変えた以外は実施例１と同様に石英ガラスるつぼを製造した。この製造した石英ガラスるつぼにおける外層の気泡含有率を同様に表１に示した。なお、処理ガスとして水素ガスを用いる場合についても同様の結果が得られることを確認してある。
【００３５】
（比較例１）
処理ガスを導入しないこと以外は、実施例１と同様の方法で石英ガラスるつぼを製造した。この製造した石英ガラスるつぼにおける外層の気泡含有率を１として表１に示し、実施例１及び２と比較した。
【００３６】
【表１】
0004841764.tif 000002
【００３７】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明によれば、るつぼ外層の泡径を小さくすることによって気泡含有率を効果的に低減させることができるという効果が達成される。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明方法の実施に使用される装置と該装置を使用する石英ガラスるつぼの製造方法を示す概略断面説明図である。
【図２】  本発明のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスるつぼの製造中の処理ガスの流れを示す一部の断面図である。
【符号の説明】
３：外層（基体、成型体）、３ａ：ガラス層、４：内層、１２：耐熱性モールド、１２ａ：壁体、１４：回転軸、１６：キャビティ、１８：開口部、２０：スリット開口、２２：蓋、２４：給気孔、２６：給気通路、２８：処理ガス、３０：排気孔、３２：排気通路、３４：電源、３６，３８：カーボン電極、４０：アーク放電装置、４２：二酸化珪素粉末、４４：供給槽、４６：計量フィーダ、４８：吐出パイプ、５０：攪拌羽根、５４：高温ガス雰囲気。
【図１】
0004841764.tif 000003
【図２】
0004841764.tif 000004