(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内面側に透明層を有し、この透明層の外周に多数の気泡が存在する不透明層を有する２層で形成された石英ガラスルツボにおいて、前記不透明層の破壊強度は３２〜３８ＭＰａであり、前記透明層に前記不透明層の破壊強度の３０〜５０％の圧縮応力を持たせた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。
【請求項２】
前記透明層の厚さが少なくとも１ｍｍであり、かつこの透明層の厚さが不透明層の厚さの６０％以下であ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。
【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およびその製造方法に係わり、特にシリコン単結晶引上げの高歩留りが得られる石英ガラスルツボおよびそ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】
従来よりＣＺ法用ルツボとして、内面側に透明層を有し、この透明層の外周に不透明層を有する２層の石英ガラスルツボが用いられている。
【０００４】
不透明層には直径１０〜２５０μｍの気泡が８０００〜１２０００個／ｃｍ３程度存在するので、見掛上不透明となっており、この不透明層はルツボ外周に配置されたヒータからの熱をルツボ中のシリコン融液に均一に伝達する役目をなす。
【０００５】
一方、透明層はこの層中の気泡を皆無にする努力が従来よりなされているが、現段階では、完全になくすることは達成できておらず、０．０５〜０．５容積％程度の気泡が残存してしまうのが現状である。
【０００６】
例えば顕微鏡での観察では気泡が確認されないものであったとしても、気泡核となるものが存在し、シリコン単結晶の引上げを行い石英ルツボに熱が加わると、この気泡核から気泡が形成され、内面側の透明層の溶解とともに気泡がシリコン融液中に混入し、引き上げられるシリコン単結晶中に気泡が取込まれ、結晶転位による結晶欠陥（有転位化）の原因となり、単結晶化率（ＤＦ率）を低下させる要因となり問題があった。
【０００７】
上述のようにＣＺ法によるシリコン単結晶引上げ歩留りは、石英ガラスルツボの品質によって大きな影響を受け、特に石英ガラスルツボの内表面の気泡の存在に影響を受けている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
そこでＤＦ率を低下させず単結晶引き上げの高歩留まりが得られる石英ガラスルツボおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【０００９】
【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、内面側に透明層を有し、この透明層の外周に多数の気泡が存在する不透明層を有する２層で形成された石英ガラスルツボにおいて、前記不透明層の破壊強度は３２〜３８ＭＰａであり、前記透明層に前記不透明層の破壊強度の３０〜５０％の圧縮応力を持たせた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であることを要旨としている。
【００１１】
本願請求項２の発明は前記透明層の厚さが少なくとも１ｍｍであり、この透明層の厚さが不透明層の厚さの６０％以下であ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であることを要旨としている。
【００１５】
【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実施の形態およびその製造方法について添付図面に基づき説明する。
【００１６】
図１は本発明に係わる石英ガラスルツボ１で、石英ガラスルツボ１の内面側２に透明層３を有し、石英ガラスルツボ１の外面側４に気泡が存在する不透明層５を有する２層で形成されている。
【００１７】
不透明層５は、直径１０〜２５０μｍの気泡が８０００〜１２０００個／ｃｍ３程度存在し見掛上不透明で、３２〜３８ＭＰａの破壊強度を有する。
【００１８】
透明層３は、不透明層５の破壊強度の３０〜５０％の圧縮応力を持ち、実質上０．０５〜０．５容積％程度の気泡を含み、顕微鏡で観察で確認できない気泡核が存在している。
【００１９】
また透明層３の厚さは少なくとも１ｍｍであり、かつこの透明層３の厚さが不透明層５の厚さの６０％以下である。
【００２０】
上述の透明層３の圧縮圧力が、不透明層５の破壊強度の３０％未満のときは、透明層３の気泡もしくは気泡核から発生する気泡の膨脹と内面側２の透明層３の溶解とともに気泡がシリコン融液中への混入を抑制できず、かつ不透明層５の気泡が膨脹して透明層３側に膨脹、開裂してシリコン単結晶の成長に悪影響を与え、ＤＦ率の低下させるのを防止することができない。
【００２１】
５０％を超えると単結晶引上げ時の石英ガラスルツボ１にかかる熱応力や、石英ガラスルツボ１に装填された溶融シリコン６の荷重により石英ガラスルツボ１が破壊する虞がある。
【００２２】
不透明層５の破壊強度が３２〜３８ＭＰａであることが必要なのは、石英ルツボに構造上からである。
【００２３】
透明層の厚さが１ｍｍ未満のときは、単結晶引上げ中に不可避なルツボ内表面のシリコン融液による溶損によって、通常の耐用上の必要厚さ１ｍｍ以上を満さなくなるためである。透明層の厚さが不透明層の厚さの６０％を超えるときは、透明層における３０〜５０％の圧縮応力に対し、不透明層の保持強度が不十分なものとなってしまうからである。
【００２４】
次に、本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法について図面に基づいて説明する。
【００２５】
図２に示すような製造装置７のルツボ成形用型８は、例えば複数の貫通孔を穿設した金型、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ている内側部材９と、その外周に通気部１０を設けて、前記内側部材９を保持する保持体１１とから構成されている。
【００２６】
また、保持体１１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１２が固着されていて、ルツボ成形用型８とともに回転可能なようにして支持している。通気部１０は、保持体１１の下部に設けられた開口部１３を介して、回転軸１２の中央に設けられた排気口１４と連結されている。この通気路１２は、減圧機構１５と連結されている。
【００２７】
内側部材９に対向する上部にはアーク放電用のカーボン電極１６が設けられている。
【００２８】
従って、上記製造装置７を用いてルツボの製造を行うには、図示しない回転駆動源を稼働して回転軸１２を矢印の方向に回転することによってルツボ成形用型８を高速で回転する。ルツボ成形用型８内に供給管（図示せず）で、上部から高純度の石英粉を供給する。供給された石英粉は、遠心力によってルツボ成形用型８の内面側２に押圧されルツボ形状の石英充填層１７として形成される。
【００２９】
さらに、大気雰囲気で、減圧機構１５の作動による減圧とほぼ同時にカーボン電極１６に通電して石英充填層１７の内側から加熱する。
【００３０】
カーボン電極１６による石英充填層１７の加熱によって、石英充填層１７は内側から順次溶融されるが、内面側２には極小の気泡だけの実質的に無気泡化状態の透明層が形成され、外表側４には多数の気泡が存在する不透明層５が形成されて２重層構造の石英ガラスルツボ１が製造される。
【００３１】
この石英ガラスルツボ１の製造工程において、石英ガラスルツボ１の透明層３に石英ガラスルツボの破壊強度の２分の１の圧縮応力を持たせるには、冷却の際、内面側２を外面側４より急冷することで行われる。
【００３２】
すなわち、次のような製造条件を設定する。カーボン電極１６による加熱終了直後、石英ガラスルツボ１の内面側２に窒素、ヘリウム、アルゴンなどの不活性ガス例えば窒素を１００〜３００リットル／分例えば１００リットル／分、５〜１０分例えば５分間流入する。
【００３３】
１００リットル／分・５分間未満では、十分な圧縮強度を持たせることができず、３００リットル／分・１０分間を超えると、圧縮強度が過大になってしまうためである。
【００３４】
上述にような製造条件で石英ガラスルツボ１を製造することにより、透明層３に不透明層５の破壊強度の２分の１の圧縮応力を持た石英ガラスルツボ１を製造することができる。
【００３５】
本発明に係わる石英ガラスルツボ１を用いて、シリコン単結晶６を引き上げるには、ナゲット状ポリシリコンを石英ルツボ１に入れ、ヒータ１９を付勢して石英ルツボ１を加熱し、モータを付勢してこのモータに結合された回転軸２０を回転させて石英ルツボ１を回転させる。
【００３６】
一定時間が経過しナゲット状ポリシリコンがシリコン融液６になった後、シード軸２１を下ろし、種結晶２２をシリコン融液６の液面に接触させ、シリコン単結晶１８を引き上げる。
【００３７】
このとき、シリコン単結晶引上げ工程において、石英ガラスルツボ１の透明層３には大きな気泡が存在していないので、石英ガラスルツボ１の内面側２の透明層３の溶解とともに気泡がシリコン融液６中に混入することもなく、ＤＦ率の低下させることもない。
【００３８】
また透明層３には不透明層５の破壊強度の２分の１の圧縮応力が存在するので、透明層３に存在する極小の気泡が膨脹し大きな気泡となり、上述同様に気泡が内表側２の透明層３の溶解とともにシリコン融液６中に混入することもない。さらに、透明層３には圧縮応力が存在するので、不透明層５の気泡が膨脹して透明層３側に膨脹、開裂してシリコン単結晶１８の成長に悪影響を与えることもない。
【００３９】
【実施例】
石英ガラスルツボの作製とこのルツボを用いシリコン単結晶引上げの実機試験を行った。
【００４０】
（１）試験用石英ガラスルツボの製作
天然水晶を粉砕し、精製して製作した平均粒径２３０μｍ径の石英粒子を、ルツボ寸法が外径３５０ｍｍ、高さ３００ｍｍとなる型に堆積層厚さ２０ｍｍに充填した。充填ルツボ型の外面側から、真空ポンプを用いて３００Ｔｏｒｒの溶融圧力となるように減圧しながら、内面側上方に位置したカーボン電極によるアーク放電を行って、石英粒子を溶融した。
【００４１】
溶融層の肉厚が１２ｍｍ（透明層が約２ｍｍ、不透明層が約１０ｍｍ）になるよう溶融時間を１０〜２０分間で調節した。なお、５００Ｔｏｒｒ以下の真空系ではバルブを設置して、溶融部の圧力を制御しながら溶融した。
【００４２】
アーク放電による加熱後、放電を停止し、石英ガラスルツボ内面領域に窒素ガスを流入し、この窒素ガスの流入速度および時間を調整し、
表１に示すような所定透明層厚さ、不透明層厚さ、透明層の破壊強度、および透明層の圧縮応力を有する石英ガスルツボを製造した（実施例４）。
【００４３】
また、窒素ガスの流入速度および時間を種々調整し、表１に示すような種々の透明層、不透明層厚さ、不透明層の破壊強度、および透明層の圧縮応力の石英ガスルツボを製作した（実施例１〜３および比較例１〜３）。
【００４４】
（２）破壊強度、圧縮応力測定
▲１▼試料の作製
・破壊強度用試料：上述の製造方法により製作された実施例１〜４、比較例１〜３の石英ガラスルツボから不透明層のみを切り出し各試料を作製した。
・圧縮応力用試料：図４に示すような形状の試料を実施例１〜４、比較例１〜３の石英ガラスルツボから切り出し作製した。
【００４５】
▲２▼測定方法
・不透明層の破壊強度測定はＪＩＳ規格Ｒ−１６０６（ファインセラミックの室温および高温引張り強さ試験法）に基づき実施した。
・透明層の圧縮応力は上述した図４のような試料（ルツボ断面）を用意し、この断面に対し手前側から直角方向に光が照射されるように精密歪計〔東芝硝子株式会社製、ＳＶＰ−３０−ＩＩ〕にて測定した。
【００４６】
（３）実機引上試験
（１）により製作した石英ガラスルツボ実施例１〜４、比較例１〜３を用いて、上述したシリコン単結晶引上げ方法によりシリコン単結晶を実際に引上げを行い、ＤＦ率を測定した。
【００４７】
（４）破壊強度、圧縮応力測定および実機引上試験結果
破壊強度、圧縮応力測定および実機引上試験結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】
0004054434.tif 000002
【００４９】
層厚さ、不透明層の破壊強度、透明層の圧縮応力測定結果
実施例１〜４のＤＦ率はいずれも９４％以上で高位で、特に実施例３では９６％、実施例４では、９７％に達している。
【００５０】
比較例１は透明層の厚さが７ｍｍで、不透明層の厚さ１０ｍｍの７０％と好ましい範囲６０％を超えており、透明層における３０〜５０％の圧縮応力に対し、不透明層の保持強度が不十分であり、単結晶引上げ中にルツボに破壊が生じ、引上げを中断した。
【００５１】
比較例２は透明層の圧縮応力が９ＭＰａと不透明層の破壊強度の３５ＭＰａに対し２５．７％であり、透明層の気泡もしくは気泡核から発生する気泡のシリコン融液への混入および不透明層の気泡が膨脹して透明層側に膨脹、開裂してＤＦ率を低下させたためＤＦ率は９０％と各実施例に対して劣る。
【００５２】
比較例３は透明層の圧縮応力が２０ＭＰａと不透明層の破壊強度の３５ＭＰａに対し５７．１％であり、ルツボにかかる熱応力や、ルツボに装填された溶融シリコンに荷重によりルツボに破壊が生じ、試験を中断した。
【００５３】
【発明の効果】
石英ガラスルツボの透明層には石英ガラスルツボの破壊強度の２分の１の圧縮応力を存在させ、透明層に存在する極小の気泡が膨脹し大きな気泡となり内面側の透明層の溶解とともに気泡がシリコン融液中への混入を抑制し、かつ不透明層の気泡が膨脹して透明層側に膨脹、開裂してシリコン単結晶の成長に悪影響を与えることがなく、高単結晶化率が得られる石英ガラスルツボおよびその製造方法を提供することができる。
【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石英ガラスルツボ用製造装置の概念図。
【図３】本発明に係わる石英ガラスルツボを用いたシリコン単結晶引上げ装置の説明図。
【図４】圧縮応力測定試験用試料の説明図。
【符号の説明】
１  石英ガラスルツボ
２  内面側
３  透明層
４  外面側
５  不透明層
６  溶融シリコン
７  製造装置
８  ルツボ成形用型
９  内側部材
１０  通気部
１１  保持体
１２  回転軸
１３  開口部
１４  排気口
１５  減圧機構
１６  カーボン電極
１７  石英充填層
１８  シリコン単結晶
１９  ヒータ
２０  回転軸
２１  シード軸
２２  種結晶
【図１】
0004054434.tif 000003
【図２】
0004054434.tif 000004
【図３】
0004054434.tif 000005
【図４】
0004054434.tif 000006