(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
半透明石英ガラス層のるつぼ基体と、該るつぼ基体の内壁面に形成された透明石英ガラス層からなるるつぼ径５５８．８ｍｍ〜７１１．２ｍｍのシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼであって、アーク回転溶融法において二酸化珪素粉末によって前記基体を形成しかつ該基体の内面に石英ガラス粉によって前記内層を形成し、該石英ガラス粉として金属不純物の総量が３ｐｐｍ以下、金属不純物の局在がなくかつ粒径が５０μｍ〜５００μｍの合成又は天然石英ガラス粉を用い、かつ４００〜１０００ｋｗの溶融加熱電力を使用することによって、該石英ガラスるつぼを用いてシリコン単結晶を引き上げた際に、１００時間シリコンメルトに接触した該石英ガラスるつぼの内表面の面荒れの面積が１５％以下及び失透斑点が２個／ｃｍ２以下であるようにしたことを特徴とするシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼ。
【請求項２】
半透明石英ガラス層のるつぼ基体と、該るつぼ基体の内壁面に形成された透明石英ガラス層からなるるつぼ径７６２．０ｍｍ〜１２１９．２ｍｍのシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼであって、アーク回転溶融法において二酸化珪素粉末によって前記基体を形成しかつ該基体の内面に石英ガラス粉によって前記内層を形成し、該石英ガラス粉として金属不純物の総量が３ｐｐｍ以下、金属不純物の局在がなくかつ粒径が５０μｍ〜５００μｍの合成又は天然石英ガラス粉を用い、かつ６００〜２０００ｋｗの溶融加熱電力を使用することによって、該石英ガラスるつぼを用いてシリコン単結晶を引き上げた際に、１００時間シリコンメルトに接触した該石英ガラスるつぼの内表面の面荒れの面積が１５％以下及び失透斑点が２個／ｃｍ２以下であるようにしたことを特徴とするシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼ。
【請求項３】
前記石英ガラスるつぼの内表面から１ｍｍまでの深さの石英ガラス層が合成又は天然石英ガラス層であることを特徴とする請求項１又は２記載のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼ。
【請求項４】
アーク回転溶融法において二酸化珪素粉末によって基体を形成しかつ該基体の内面に石英ガラス粉によって内層を形成して請求項１又は３記載のるつぼ径５５８．８ｍｍ〜７１１．２ｍｍのシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼを製造する方法であって、該石英ガラス粉として金属不純物の総量が３ｐｐｍ以下、金属不純物の局在がなくかつ粒径が５０μｍ〜５００μｍの合成又は天然石英ガラス粉を用い、かつ溶融加熱電力が４００〜１０００ｋｗであることを特徴とする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。
【請求項５】
アーク回転溶融法において二酸化珪素粉末によって基体を形成しかつ該基体の内面に石英ガラス粉によって内層を形成して請求項２又は３記載のるつぼ径７６２．０ｍｍ〜１２１９．２ｍｍのシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼを製造する方法であって、該石英ガラス粉として金属不純物の総量が３ｐｐｍ以下、金属不純物の局在がなくかつ粒径が５０μｍ〜５００μｍの合成又は天然石英ガラス粉を用い、かつ溶融加熱電力が６００〜２０００ｋｗであることを特徴とする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。
【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き上げに好適に使用される石英ガラスるつぼ及びその製造方法に関する。
【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、この溶融浴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】
シリコン単結晶の高純度化に伴い、それを引き上げるための石英ガラスるつぼも高純度化が望まれ、原料にゾルゲル法による高純度な合成石英ガラス粉や合成クリストバライト粉、あるいは高純度化された天然石英粉が使用されるようになった。
【０００４】
そして、この原料を回転型に供給し、型内面に沿って粉体層を成形し内側からアークで加熱溶融して粉体層を石英ガラスるつぼにした後、アークを停止して型の回転は継続しつつ室温まで冷却する、いわゆるアーク回転溶融法が一般的に用いられている。その際、シリコン単結晶の単結晶化率を向上させるために、石英ガラスるつぼの内表面層を、出来るだけ泡の少ない層にすることが必要とされる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このように作られた石英ガラスるつぼも、シリコン単結晶の引き上げに使用される場合、シリコン単結晶を引き上げた後、引き上げに使用した石英ガラスるつぼの内面を観察すると、ブラウンリングと面荒れ面と失透斑点が確認され、その場合、単結晶化率が低くなっていた。これは、石英ガラスるつぼの内表面のガラス層は剥がれ易くなり、石英ガラス破片が浮遊し、単結晶に到達することが原因と推測された。
【０００６】
そこで、本発明者等は、石英ガラスるつぼの内表面の劣化進行を抑制するため、以下の検討を行った。▲１▼特にアルカリ金属を含有しない高純度石英原料粉を使用すること及び▲２▼金属不純物の局在のない高純度石英ガラス粉を使用することの２条件を設定してアーク回転溶融法によって石英ガラスるつぼを製造し、その石英ガラスるつぼを用いて、シリコン単結晶を引き上げ、使用後の当該石英ガラスるつぼの内表面を調べたところ、従来に比べて、失透斑点の発生がほとんどなくなり、ブラウンリングの面積の減少が見られかつ面荒れ面積が大幅に減少するという知見を得た。
【０００７】
さらに、▲３▼アークパワー（溶融加熱電力）を増大することによって原料石英ガラス粉中の金属不純物の局在を効果的に解消することができ、さらに▲４▼被爆熱量比を増大させるために粒径の小さい原料石英ガラス粉を用いるのが効果的であるという知見も得た。
【０００８】
上記した条件▲１▼▲２▼及びさらに▲３▼▲４▼を組み合わせることによって製造された石英ガラスるつぼを用いてシリコン単結晶を引き上げた際に、１００時間シリコンメルトに接触した該石英ガラスるつぼの内表面の面荒れの面積が１５％以下及び／又は失透斑点が２個／ｃｍ2 以下となり、したがって、単結晶化率が向上し、シリコン単結晶の引き上げ安定性が大幅に改善されることを見出し本発明を完成したものである。
【０００９】
本発明は、単結晶化率の高いシリコン単結晶を引き上げることができ、シリコン単結晶の引き上げ安定性を大幅に改善することのできるシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼ及びその製造方法を提供することを目的とする。
【００１０】
【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第１の態様は、半透明石英ガラス層のるつぼ基体と、該るつぼ基体の内壁面に形成された透明石英ガラス層からなるるつぼ径５５８．８ｍｍ〜７１１．２ｍｍ（２２″〜２８″）のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼであって、アーク回転溶融法において二酸化珪素粉末によって前記基体を形成しかつ該基体の内面に石英ガラス粉によって前記内層を形成し、該石英ガラス粉として金属不純物の総量が３ｐｐｍ以下、金属不純物の局在がなくかつ粒径が５０μｍ〜５００μｍの合成又は天然石英ガラス粉を用い、かつ４００〜１０００ｋｗの溶融加熱電力を使用することによって、該石英ガラスるつぼを用いてシリコン単結晶を引き上げた際に、１００時間シリコンメルトに接触した該石英ガラスるつぼの内表面の面荒れの面積が１５％以下及び失透斑点が２個／ｃｍ２以下であるようにしたことを特徴とする。
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第２の態様は、半透明石英ガラス層のるつぼ基体と、該るつぼ基体の内壁面に形成された透明石英ガラス層からなるるつぼ径７６２．０ｍｍ〜１２１９．２ｍｍ（３０″〜４８″）のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼであって、アーク回転溶融法において二酸化珪素粉末によって前記基体を形成しかつ該基体の内面に石英ガラス粉によって前記内層を形成し、該石英ガラス粉として金属不純物の総量が３ｐｐｍ以下、金属不純物の局在がなくかつ粒径が５０μｍ〜５００μｍの合成又は天然石英ガラス粉を用い、かつ６００〜２０００ｋｗの溶融加熱電力を使用することによって、該石英ガラスるつぼを用いてシリコン単結晶を引き上げた際に、１００時間シリコンメルトに接触した該石英ガラスるつぼの内表面の面荒れの面積が１５％以下及び失透斑点が２個／ｃｍ２以下であるようにしたことを特徴とする。
【００１１】
前記石英ガラスるつぼの内表面から１ｍｍまでの深さの石英ガラス層としては、天然石英ガラス層又は合成石英ガラス層のいずれをも適用することができる。
【００１２】
本発明の石英ガラスるつぼの製造方法の第１の態様は、アーク回転溶融法において二酸化珪素粉末によって基体を形成しかつ該基体の内面に石英ガラス粉によって内層を形成して本発明のるつぼ径５５８．８ｍｍ〜７１１．２ｍｍ（２２″〜２８″）のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼを製造する方法であって、該石英ガラス粉として金属不純物の総量が３ｐｐｍ以下、金属不純物の局在がなくかつ粒径が５０μｍ〜５００μｍの合成又は天然石英ガラス粉を用い、かつ溶融加熱電力が４００〜１０００ｋｗであることを特徴とする。
【００１３】
本発明の石英ガラスるつぼの製造方法の第２の態様は、アーク回転溶融法において二酸化珪素粉末によって基体を形成しかつ該基体の内面に石英ガラス粉によって内層を形成して本発明のるつぼ径７６２．０ｍｍ〜１２１９．２ｍｍ（３０″〜４８″）のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼを製造する方法であって、該石英ガラス粉として金属不純物の総量が３ｐｐｍ以下、金属不純物の局在がなくかつ粒径が５０μｍ〜５００μｍの合成又は天然石英ガラス粉を用い、かつ溶融加熱電力が６００〜２０００ｋｗであることを特徴とする。
【００１４】
なお、石英ガラス粉における不純物金属の局在の有無は当該石英ガラス粉を１８００℃、２時間でガラス体とし、１６００℃１０時間で加熱処理した時に０．１ｍｍ以上の結晶斑点が１個／ｃｍ2以上発生するかしないかによって判定する。
【００１５】
【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。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の製造方法を示す概略断面説明図である。図２は本発明の方法により得られるシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼの一例を示す一部断面図である。
【００１６】
図１において、回転型１は回転軸２を備える。型１にはキャビティ１ａが形成され、この型キャビティ１ａ内に二酸化珪素粉末、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石英ガラスるつぼの基体３が配置されている。
【００１７】
該基体３は、二酸化珪素粉末を回転する型１の中に投入し、該型１の内壁に沿って形成して所要のるつぼ形状の前成型体とし、この前成型体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。
【００１８】
内面からの加熱のために、図１に示すように電源１０に接続されたカーボン電極５１、５２を備えるアーク放電装置５を使用することができる。アーク放電装置５の代わりにプラズマ放電を用いてもよい。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。
【００１９】
図１に示す装置は、内層４を形成するために、型１の上方に合成石英粉末６を収容する石英粉末供給槽９を備える。この供給槽９には計量フィーダ９２が設けられた吐出パイプ９３に接続されている。供給槽９内には攪拌羽根９１が配置される。型１の上部は、スリット開口７５を残して蓋７１により覆われる。
【００２０】
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５のカーボン電極５１、５２からの放電による加熱を継続しながら、二酸化珪素粉末、例えば、合成石英粉末６供給のための計量フィーダ９２を調整した開度に開いて、吐出パイプ９３から合成石英粉末を基体３の内部に供給する。アーク放電装置５の作動により、基体３内には高温ガス雰囲気８が形成されている。したがって、合成石英粉末は、この高温ガス雰囲気８中に供給されることとなる。
【００２１】
なお、高温ガス雰囲気とは、カーボン電極５１、５２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、つまり２千数百度の高温になっている。
【００２２】
高温ガス雰囲気８中に供給された合成石英粉末は、高温ガス雰囲気８内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。
【００２３】
図２に、この方法により得られる石英ガラスるつぼの断面を示す。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、合成石英粉末を高温ガス雰囲気中に放出して、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。
【００２４】
【実施例】
以下に、本発明を実施例を用いて説明するが、本発明はこれらの実施例に限定されるものではなく、本発明の技術思想から逸脱しない限り種々の変形が可能であることは勿論である。
【００２５】
（実施例１）
天然石英ガラス粉を、１００ｒｐｍで回転する内径７３０ｍｍの成形型中に３０ｍｍの均一な厚さで堆積させ、アーク放電により内部から加熱溶融させると同時に、Ｎａ、Ｋ、Ｌｉ、Ｂａ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｔｉの濃度の総和が３ｐｐｍ以下、粒径が５０ミクロンから５００ミクロンでＯＨ濃度が１００ｐｐｍの金属不純物が局在しない合成石英ガラス粉を、１００ｇ／ｍｉｎの割合で上方向から供給し、泡のない透明ガラス層を全内面領域にわたり、１〜３ｍｍの厚さで形成する。
【００２６】
このるつぼにポリシリコンを充填し溶融し、１００時間シリコン単結晶の引き上げを行った。シリコン単結晶は、安定して引き上がった。使用後のシリコンメルトと接触したるつぼ内面を観察したところ、ブラウンスポットの面積が３０％、面荒れ面積が１０％、０．１ｍｍ以上の失透斑点が１個／ｃｍ2 以下であった。
【００２７】
（実施例２）
粒径が５０ミクロンから３００ミクロンであり、金属不純物が局在しない天然石英ガラス粉を内層を形成する石英粉原料とした以外は、実施例１と同様にして石英ガラスるつぼを製造し、このるつぼを用いて実施例１と同様にシリコン単結晶の引き上げを行った。シリコン単結晶は、安定して引き上がった。使用後のるつぼ内面を観察したところ、ブラウンスポットの面積が３０％、荒れ面積が１０％、０．１ｍｍ以上の失透斑点が１個／ｃｍ2 以下であった。
【００２８】
（実施例３）
連続供給しながら内面透明層を形成して行く際、金属不純物の拡散に十分な加熱量を石英原料粉に与えながら、透明層を形成した以外は、実施例１と同様にして石英ガラスるつぼを製造し、このるつぼを用いて実施例１と同様にシリコン単結晶の引き上げを行った。シリコン単結晶は、安定して引き上がった。使用後のるつぼ内面を観察したところ、ブラウンスポットの面積が３０％、荒れ面積が１０％、失透斑点が１個／ｃｍ2 以下であった。
【００２９】
（比較例１）
金属不純物が局在した天然石英ガラス粉を原料とした以外は実施例１と同様にして石英ガラスるつぼを製造し、このるつぼを用いて実施例１と同様にシリコン単結晶の引き上げを行った。使用後のるつぼ内面を観察したところ、ブラウンスポットの面積が５０〜１００％、面荒れ面積が３０〜７０％、失透斑点が１０個／ｃｍ2 以上であった。
【００３０】
なお、上記した各実施例及び比較例において石英ガラス原料粉に金属不純物の局在があるか否かについては、当該石英ガラス粉を１８００℃、２時間でガラス体とし、１６００℃１０時間で加熱処理した時に結晶斑点が発生するかしないかによって判定した。
【００３１】
【発明の効果】
以上述べたごとく、本発明のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスるつぼによれば、単結晶化率の高いシリコン単結晶を引き上げることができるという効果を奏することができる。また、本発明方法は、本発明の石英ガラスるつぼを効率よく製造できるという利点を有している。
【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き上げ用石英ガラスるつぼの一例を示す一部断面図である。
【符号の説明】
１：回転型、１ａ：キャビティ、２：回転軸、３：基体、４：内層、５：アーク放電装置、６：合成石英粉末、８：高温ガス雰囲気、９：石英粉末供給槽、１０：電源、５１、５２：カーボン電極、７１：蓋、７５：スリット開口、９１：攪拌羽根、９２：計量フィーダ、９３：吐出パイプ。
【図１】
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【図２】
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