(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
直胴部とＲ部と底部を備え、これらの直胴部とＲ部と底部が、それぞれ多数の気泡を含む半透明天然石英ガラス層の外層と、透明合成石英ガラス層の層との少なくとも２層で形成されているシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいて、前記Ｒ部および底部のうち少なくともＲ部の内層は、その内面より少なくとも１ｍｍの深さが、結晶質合成石英粉を熔融して形成された透明合成石英ガラス層であり、前記直胴部の内層は、その内面より少なくとも１ｍｍの深さが、非晶質合成石英粉を熔融して形成された透明合成石英ガラス層であることを特徴とするシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
【請求項２】
単結晶引上げ後の内面に存在する単位面積あたりの開放泡が、前記Ｒ部の方が直胴部より少ない請求項１記載のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
【請求項３】
請求項１または２に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法であって、前記外層となる部分を天然石英粉で成型した後、その内側に前記内層となる部分を合成石英粉で成型する工程を備え、この内層となる部分を合成石英粉で成型する工程が、前記Ｒ部および底部のうち少なくともＲ部の内層の透明合成石英ガラス層となる部分を結晶質合成石英粉で成型する工程と、前記直胴部の内層の透明合成石英ガラス層となる部分を非晶質合成石英粉で成型する工程を備え、減圧法により石英ガラスルツボを熔融して石英ガラスルツボを製造するシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボおよびその製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造用シリコン単結晶の製造には、いわゆるチョクラルスキー法（ＣＺ法）と呼ばれ、石英ガラスで製造したルツボ内にシリコン多結晶を溶融し、このシリコン融液に種結晶を浸漬し、ルツボを回転させながら種結晶を徐々に引上げ、シリコン単結晶を成長させる方法が広く採用されている。
【０００３】
ＣＺ法に用いられる石英ガラスルツボは、一般的に気泡を多数含む外層部と無気泡である内層部からなる２層構造となっている。
【０００４】
単結晶の大口径化に伴い、単結晶の引上げ作業が長時間化することから、石英ガラスルツボに更なる高純度化が要求されるようになっており、シリコン融液と接触する石英ガラスルツボの内層部を合成石英ガラスで形成することは必須のこととなっている（特開平１−２７５４９６号等で提案されている）。
【０００５】
しかしながら、近年、単結晶の更なる大径化に伴い、単結晶の引上げ作業が更に長時間化したことから、石英ガラスルツボの合成石英ガラス製内層部の内表面近傍に僅かでも気泡が存在すると、シリコン単結晶の引き上げの際、内層部中での泡膨張が生じ、内層部の内面側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り込まれ、結晶転位による有転位化（結晶欠陥）の原因となって、単結晶化率を低下させる要因となり問題があった。
【０００６】
このような石英ガラスルツボの内層部の気泡の含有を防止する方法としては、例えば、特許第３７１７１５１号において提案されているように、内層部の内面近傍の微細泡を研削して取り除く方法がある。
【特許文献１】特開平１−２７５４９６号公報
【特許文献２】特許第３７１７１５１号公報
【０００７】
しかしながら、このように内層部の内面近傍の微細泡を研削して取り除く方法では、工程を幾つも増やすこととなり、必然的に製造コストが高くなるという問題がある。
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
そこで、内層部における気泡の発生のメカニズムにつき鋭意研究を行ったところ、内層部の原料として用いる合成石英粉は一般に非晶質のものであるため、明確な融点が存在せず、徐々に熔け始めるため、泡が残りやすいということを知見した。この知見に基づき、石英ガラスルツボの内層部を結晶質合成石英粉を原料として形成したところ、内層部中に気泡は生じなくなったが、この石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引き上げ中に湯面振動が生じてしまうという問題が発生した。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
本発明は、シリコン単結晶の引き上げの際に、引き上げられるシリコン単結晶に気泡が取り込まれることがなく、かつ湯面振動も生じさせることのないシリコン単結晶引上用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。
【００１０】
上記の目的は、本発明の下記（１）〜（３）の構成のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボおよびその製造方法によって達成される。
（１）直胴部とＲ部と底部を備え、これらの直胴部とＲ部と底部が、それぞれ多数の気泡を含む半透明天然石英ガラス層の外層と、透明合成石英ガラス層の内層との少なくとも２層で形成されているシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボにおいて、前記Ｒ部および底部のうち少なくともＲ部の内層は、その内面より少なくとも１ｍｍの深さが、結晶質合成石英粉を熔融して形成された透明合成石英ガラス層であり、前記直胴部の内層は、その内面より少なくとも１ｍｍの深さが、非晶質合成石英粉を熔融して形成された透明合成石英ガラス層であることを特徴とするシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（２）単結晶引上げ後の内面に存在する単位面積あたりの開放泡が、前記Ｒ部の方が直胴部より少ない上記（１）記載のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ。
（３）上記（１）または（２）に記載されたシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法であって、前記外層となる部分を天然石英粉で成型した後、その内側に前記内層となる部分を合成石英粉で成型する工程を備え、この内層となる部分を合成石英粉で成型する工程が、前記Ｒ部および底部のうち少なくともＲ部の内層の透明合成石英ガラス層となる部分を結晶質合成石英粉で成型する工程と、前記直胴部の内層の透明合成石英ガラス層となる部分を非晶質合成石英粉で成型する工程を備え、減圧法により石英ガラスルツボを熔融して石英ガラスルツボを製造するシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの製造方法。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の石英ガラスルツボにおいては、原料融液が長く滞在するＲ部および底部のうち少なくともＲ部の内層は、その内面より少なくとも１ｍｍの深さの層が、結晶質合成石英粉を熔融して形成された層であるため、気泡を実質的に含有せず、したがって、シリコン単結晶の引き上げ中に、シリコン融液中に気泡を導入してしまうことがないので、引き上げられたシリコン単結晶が気泡を取り込んでしまうことがない。
一方、直胴部の内層は、その内面より少なくとも１ｍｍの深さの層が、非晶質合成石英粉を熔融して形成された層であるため、その内面が平滑でないことから、これにより湯面振動を抑制することができる。なお、直胴部の内層は、熱負荷が比較的小さく、また原料融液に晒されている時間も短いので、泡膨張による上記のような問題は生じない。また、ルツボの底部についてもＲ部と同様、内層は結晶質合成石英粉を熔融して形成することが好ましいが、底部はヒーターからの距離が遠く、一般的にＲ部に比べ熱負荷が低い為、底部の内層を非晶質合成石英粉で形成しても、問題は生じ難い。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、添付図面を参照しつつ、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボについて詳細に説明する。
【００１３】
図１は、本発明の実施の形態によるシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０の概略断面図である
このシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０は、図１に示されているように、直胴部１２、底部１４およびそれらの間のＲ部（湾曲部）１６を備えている。また、その層構成は、多数の気泡を含む半透明天然石英ガラス層の外層１８と、該外層１８の内面に形成された無気泡の透明合成石英ガラス層の内層２０とからなっている。そして、この内層２０は、その底部１４とＲ部１６の部分が結晶質合成石英粉を熔融して形成された内層第１部分２２で出来ており、前記直胴部１２の部分が非晶質合成石英粉を熔融して形成された内層第２部分２４で出来ている。上記内層第１部分２２および上記内層第２部分２４の厚さは、少なくとも１ｍｍあれば良く、上限は、耐変形及びコスト面からルツボ肉厚の4割程度である。
【００１４】
上記内層２０は、図２に示したように、内層第２部分２４を外層１８の内表面全面に施し、この後、この内層第２部分２４の底部１４とＲ部１６の少なくともＲ部の部分上に、結晶質合成石英粉を熔融して形成された内層第１部分２２を施してもよい。この場合の上記内層第１部分２２および上記内層部第２部分２４の厚さは、少なくとも１ｍｍである。逆に、内層第１部分２２を全体に施し、その後、直胴部１２の内層第１部分２２上に内層第２部分２４を形成するようにしてもよいが、コストの面等からあまり好ましくない。
【００１５】
本シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０においては、限定されないが、直径が２４インチ以上、特に３２インチ以上が好ましい。
【００１６】
次に、以上説明したシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０の製造方法について説明する。
【００１７】
上記したシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０は、図３のルツボ製造装置３０を用いて製造される。まず、原料供給手段（図示せず）から天然石英粉を回転するグラファイトモールド３２に供給して、遠心力により上記外層１８に相当する外層成型体を形成し、次いで非晶質合成石英粉を上記外層成型体の直胴部内表面上に供給して、上記内層第２部分２４に相当する内層第２部分成型体を形成し、最後に結晶質合成石英粉を上記外層部成型体のＲ部と底部の内表面上に供給して、上記内層第１部分２２に相当する内層第１部分成型体を形成して、ルツボ形状に成型する。上記内層第２部分成型体と内層第１部分成型体の成型の順序は逆であってもよい。この後、その中にアーク電極３４を挿入し、放電を開始すると共に、ポンプＰにて吸引を開始する。モールド３２には、モールド内面に開口した空気路３６、３８、４０、これらの空気路３６、３８、４０が連通した多岐管４２、４４、４６（多岐管４２、４４は多岐管４６に連通している）および回転軸４８に設けられ、ポンプＰに接続される出口通路５０が設けられており、ルツボ内面に透明石英ガラス層である内層２０が形成されるまで、ポンプＰの作動により吸引が行われる。所望の厚さを持つ内層２０が得られた後、ポンプによる吸引を停止、または弱めることで、以降、半透明ガラスからなる外層１８が形成され、その後冷却されてシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０が製造される。
なお、上記の製造方法においては、天然石英粉の成型体の内周側の所定の厚みが、透明化されて内層の一部をなす場合があるが、上記の説明においては、簡単のため上記のように説明した。
【００１８】
以上のような本発明の実施の形態に係るシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０は、例えば図４に示すようなシリコン単結晶製造装置６０においてカーボンサセプター６２により保護され、メインチャンバー６４内においてルツボ駆動機構（図示せず）によって回転・昇降自在に支持軸６６で支持される。そして、シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０内において、加熱ヒーター６８で加熱することにより多結晶シリコン原料を溶融して原料融液７０として、種ホルダー７２に保持された種結晶７４を原料融液７０に接触後、ワイヤー７６によって回転させながら引き上げることにより、シリコン単結晶Ｓを育成する。そして、育成したシリコン単結晶Ｓを、メインチャンバー６４に連接された引上げチャンバー７８に収容して取り出す。
以上のようにして、本発明の実施の形態に係るシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０を備えたシリコン単結晶製造装置６０を用いて、シリコン単結晶を製造する。ここで、シリコン単結晶引き上げ後のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０の内面に存在する開放泡において、前記Ｒ部の方が直胴部の単位面積あたりの開放泡の個数より少ないことが望ましい。
【実施例】
【００１９】
以下、実施例及び比較例を示して本発明をより具体的に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではない。特に単結晶引き上げ後の開放泡については、操業条件に大きく依存する為、これらの値に限定されるものではない。
【００２０】
実施例１
図３のルツボ製造装置３０を用い、純化処理した高純度の天然石英粉を回転するグラファイトモールド３２に供給して、遠心力により上記外層１８に相当する外層成型体（実際には、外層に相当するより厚くした。以下同じ）を形成し、次いで非晶質合成石英粉を所定量上記外層成型体の直胴部内表面上に供給して、厚さ約３ｍｍの粉体層を形成し、最後に結晶質合成石英粉を上記外層成型体のＲ部と底部の内表面上に供給して、厚さ約４ｍｍの粉体層を形成して、ルツボ形状に成型した。この後、その中にアーク電極３４を挿入し、放電を開始すると共に、ポンプＰにて吸引を開始した。ルツボ内面に透明石英ガラス層が約４ｍｍ形成されるまで、ポンプＰの作動により吸引を行った後、ポンプによる吸引を停止し、更にアーク電極３４の放電による加熱により半透明天然石英ガラスからなる外層１８を形成した。その後、製造されたルツボをグラファイトモールドから取り出し、放冷して図１に示した形状のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ１０を得た。ルツボの直径は、２４インチであり、同条件で作成した石英ガラスルツボの分析結果より、透明合成石英ガラスからなる内層２０の直胴部における厚さは約１．８ｍｍ、Ｒ部および底部における内層２０の厚さは約２．４ｍｍであり、残りの透明層は天然石英ガラスからなると推測される。
【００２１】
この実施例１のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボを、図４に示したシリコン単結晶製造装置に組み込み、該ルツボにシリコン多結晶原料を１５０ｋｇチャージして、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引き上げた。操業中に湯面振動は見られず、シリコン単結晶の歩留りは１００％であった。
シリコン単結晶引き上げ後のルツボのＲ部と直胴部の内面に開放した直径０．１ｍｍ以上の開放泡の個数を目視によりカウントしたところ、Ｒ部における開放泡は約０．０３個／ｃｍ２、直胴部における開放泡は約０．６個／ｃｍ２であった。
実施例２
図３のルツボ製造装置３０を用い、純化処理した高純度の天然石英粉を回転するグラファイトモールド３２に供給して、遠心力により上記外層部１８に相当する外層部成型体を形成し、次いで非晶質合成石英粉を所定量上記外層部成型体の内表面上の全体に供給して、厚さ約３ｍｍの粉体層を形成し、最後に結晶質合成石英粉を上記内層部成型体のＲ部の内表面上に供給して、厚さ約２ｍｍの粉体層を形成して、ルツボ形状に成型した。この後、その中にアーク電極３４を挿入し、放電を開始すると共に、ポンプＰにて吸引を開始した。ルツボ内面に透明石英ガラス層が約４ｍｍ形成されるまで、ポンプＰの作動により吸引を行った後、ポンプによる吸引を停止し、更にアーク電極３４の放電による加熱により半透明天然石英ガラスからなる外層部１８を形成した。その後、製造されたルツボをグラファイトモールドから取り出し、放冷してシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ（図示せず）を得た。ルツボの直径は、２４インチであり、同条件で作成した石英ガラスルツボの分析結果より、透明合成石英ガラスからなる内層２０の直胴部および底部における厚さは約１．８ｍｍ、Ｒ部における内層２０の厚さは約3ｍｍ(そのうち結晶質合成石英粉から形成された層厚は約１．２ｍｍ)と推測される。
【００２２】
この実施例２のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボを、図４に示したシリコン単結晶製造装置に組み込み、該ルツボにシリコン多結晶原料を１５０ｋｇチャージして、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引き上げた。操業中に湯面振動は見られず、シリコン単結晶の歩留りは１００％であった。
シリコン単結晶引き上げ後のルツボのＲ部と直胴部、底部の内面に開放した直径０．１ｍｍ以上の開放泡の個数を目視によりカウントしたところ、Ｒ部における開放泡は約０．０４個／ｃｍ２、直胴部における開放泡は約０．５個／ｃｍ２であった。
【００２３】
比較例１
図３のルツボ製造装置３０を用い、純化処理した高純度の天然石英粉を回転するグラファイトモールド３２に供給して、遠心力により上記外層１８に相当する外層成型体を形成し、次いで非晶質合成石英粉を所定量上記外層成型体の内表面全体上に供給して、直胴部に約３ｍｍ、Ｒ部及び底部に約４ｍｍの粉体層を形成して、ルツボ形状に成型した以外は実施例１の方法に従って、比較例１のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボを得た。ルツボの直径は、２４インチであり、透明石英ガラス層は約４ｍｍ、透明合成石英ガラスからなる内層２０の厚みは直胴部で約１．８ｍｍ、Ｒ部および底部で約２．４ｍｍと推測される。
【００２４】
この比較例１のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボを、図４に示したシリコン単結晶製造装置に組み込み、該ルツボにシリコン多結晶原料を１５０ｋｇチャージして、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引き上げた。操業中に湯面振動は見られなかったが、引き上げ工程後半に結晶が乱れ、シリコン単結晶の歩留りは８２％であった。シリコン単結晶引き上げ後のルツボのＲ部と直胴部の内面に開放した直径０．１ｍｍ以上の開放泡の個数を目視によりカウントしたところ、Ｒ部における開放泡は約１．３個／ｃｍ２、直胴部における開放泡は約０．６個／ｃｍ２であった。
【００２５】
比較例２
図３のルツボ製造装置３０を用い、純化処理した高純度の天然石英粉を回転するグラファイトモールド３２に供給して、遠心力により上記外層１８に相当する外層成型体を形成し、次いで結晶質合成石英粉を所定量上記外層成型体の内表面全体上に供給して、直胴部に約３ｍｍ、Ｒ部及び底部に約４ｍｍの粉体層を形成して、ルツボ形状に成型した以外は実施例１の方法に従って、比較例２のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボを得た。ルツボの直径は、２４インチであり、透明石英ガラス層は約４ｍｍ、透明合成石英ガラスからなる内層２０の厚みは直胴部で約１．８ｍｍ、Ｒ部および底部で約２．４ｍｍと推測される。
【００２６】
この比較例２のシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボを、図４に示したシリコン単結晶製造装置に組み込み、該ルツボにシリコン多結晶原料を１５０ｋｇチャージして、直径２００ｍｍのシリコン単結晶を引き上げた。工程前半に湯面振動が発生し、種付け工程、ショルダー形成工程を何度も繰り返す必要があった為、操業時間が通常の約１．５倍となり、結果シリコン単結晶の歩留りも７５％と低くなった。シリコン単結晶引き上げ後のルツボのＲ部と直胴部の内面に開放した直径０．１ｍｍ以上の開放泡の個数を目視によりカウントしたところ、Ｒ部における開放泡は約０．０５個／ｃｍ２と少なかったものの、操業時間の長時間化に伴い、面状態が悪化しており、歩留り低下の原因となったと推測された。また直胴部における開放泡は約０．０１個／ｃｍ２であった。
以上から本発明の効果が明らかである。
【図面の簡単な説明】
【００２７】
【図１】本発明の実施の形態によるシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの概略断面図である。
【図２】本発明の他の実施の形態によるシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボの概略断面図である。
【図３】図１に示したシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボを製造するための装置の概略断面図である。
【図４】図１に示したシリコン単結晶引上用石英ガラスルツボを組み込んだシリコン単結晶製造装置の概略図である。
【符号の説明】
【００２８】
１０  シリコン単結晶引上用石英ガラスルツボ
１２  直胴部
１４  底部
１６  Ｒ部
１８  外層
２０  内層
２２  内層第１部分
２４  内層第２部分
３０  ルツボ製造装置
３２  グラファイトモールド
３４  アーク電極
３６  空気路
３８  空気路
４０  空気路
４２  多岐管
４４  多岐管
４６  多岐管
４８  回転軸
５０  出口通路
Ｐ    ポンプ
６０  シリコン単結晶製造装置
６２  カーボンサセプター
６４  メインチャンバー
６６  支持軸
６８  加熱ヒーター
７０  原料融液
７２  種ホルダー
７４  種結晶
７６  ワイヤー
７８  引上げチャンバー
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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