JP2005272178A

JP2005272178A - シリカガラスルツボ

Info

Publication number: JP2005272178A
Application number: JP2004085231A
Authority: JP
Inventors: Hiroshi Yamaguchi; 博山口; Hideyuki Kanai; 秀之金井; Tsutomu Hamano; 力濱野; Naoyuki Obata; 直之小畑; Toshiyuki Kikuchi; 俊之菊地; Kiyoaki Misu; 清明三須; Toshiki Kimura; 総樹木村; Masayuki Watanabe; 正幸渡辺; Masayuki Morinaga; 政幸森永
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2004-03-23
Filing date: 2004-03-23
Publication date: 2005-10-06
Anticipated expiration: 2024-03-23
Also published as: JP4994576B2

Abstract

【課題】液面振動を確実に抑制し、かつ高いＤＦ率、高耐久性を有するシリカガラスルツボを提供する。
【解決手段】本シリカガラスルツボは、透明層の全体的に滑らかな内表面の初期メルトライン帯域あるいはこれを含む上部域に、多数の凹部が円周方向に沿って設けられ、この各凹部の端部に滑らかな内表面から２０〜１０００μｍ突出する凸部が設けられる。
【選択図】図１

Description

本発明は、シリコン単結晶の引上げに用いられるシリカガラスルツボに係り、特に内表面の初期メルトライン帯域の特性を改良したシリカガラスルツボに関する。

従来、シリコン単結晶の製造にはシリカガラスルツボが用いられている。このシリカガラスルツボは外側に多数の気泡を含み合成シリカガラスに比べて純度は低いが耐熱性に優れた天然シリカガラスからなる不透明層と、この内側に透明層とからなる２層構造で、透明層には天然シリカ質原料を用いたものあるいは合成シリカ質原料を用いたものとがある。後者は不純物が少なく、単結晶化率が良いという利点があるので、近年、このいわゆる合成シリカガラスルツボの比率が高くなってきている。

しかしながら、内側が合成シリカガラスの透明層のシリカガラスルツボを用いシリコンを溶融し単結晶の引上げを行うと、溶融シリコンの液面に波が発生し、種結晶の適確な浸漬による種付けが困難になり、シリコン単結晶の引上げができず、あるいは、単結晶化が阻害されるという問題がしばしば発生していた。

このシリコン単結晶の引上げ時に発生する液面振動を抑制するために、特許文献１には、ルツボ内面に最大５ｍｍの相互間隔で多数の凹部を設けることが提案されている。しかしながら、特許文献１のルツボでは、液面振動の抑制が決して十分とは言えないのが現状であった。
特開２０００−３２７４７８号公報（段落［０００７］）

本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、液面振動を確実に抑制し、かつ高いＤＦ率、高耐久性を有するシリカガラスルツボを提供することを目的とする。

本発明者らは上記目的実現のために、鋭意研究した結果、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶引上げ時の初期段階におけるシリカガラスルツボ中のシリコン溶液振動は、特にシリカガラスルツボの内表面を構成するシリカガラスとシリコン溶液との反応性及びその反応による生成ガスの挙動の制御によってできるとの知見に基づき、本発明をするに至った。

すなわち、本発明の１つの態様によれば、外側に気泡を含有する不透明層とこの不透明層の内側に全体的に滑らかな内表面を形成する透明層を有する２層構造に形成され、上部開口部からストレート部、円弧部及び底部からなる湾曲状のシリカガラスルツボにおいて、前記透明層の内表面の初期メルトライン帯域あるいはこれを含む上部域に、多数の凹部が円周方向に沿って設けられ、この各凹部の端部に前記滑らかな内表面から２０〜１０００μｍ突出する凸部が設けられることを特徴とするシリカガラスルツボが提供される。これにより、液面振動を確実に抑制し、かつ高いＤＦ率、高耐久性を有するシリカガラスルツボが実現される。

好適な一例では、前記凹部は、この凹部の内面の傾斜が前記滑らかな内表面に対する垂直線に対して５〜６０°に形成される。

また、他の好適な一例では、前記凹部は、窪み状凹部であって、この凹部の深さＤ、水平方向の幅Ｗ及び垂直方向の高さＨの比は、Ｄ／Ｗ及びＤ／Ｈが共に０．３以上でありかつ、Ｄ、Ｗ及びＨがそれぞれ２００μｍ以上、３０〜８００μｍ、３０〜８００μｍである。

また、他の好適な一例では、前記凹部は、１０個／ｃｍ^２以上の密度で設けられる。

また、他の好適な一例では、前記窪み状凹部が略逆円錐状である。

また、他の好適な一例では、前記凹部は、溝状凹部であって、この凹部の深さＤ、長辺幅Ｗ及び短辺幅Ｈの比は、Ｄ／Ｗ及びＤ／Ｈが共に０．３以上でありかつ、Ｄ、Ｗ及びＨがそれぞれ２００μｍ以上、１０〜２００ｍｍ、３０〜８００μｍである。

また、他の好適な一例では、前記溝状凹部が略逆三角柱状である。

また、他の好適な一例では、前記溝状凹部がシリカガラスルツボの高さ方向に垂直な線に対して０〜９０°の角度を有して設けられ、この溝状凹部の少なくとも上端が初期メルトライン帯域より上方に位置している。

本発明に係るシリカガラスルツボによれば、液面振動を確実に抑制し、かつ高いＤＦ率、高耐久性を有するシリカガラスルツボを提供することができる。

以下、本発明に係るシリカガラスルツボの第１実施形態について添付図面を参照して説明する。

図１は本発明に係るシリカガラスルツボの第１実施形態の縦断面図である。

図１に示すように、本発明に係るシリカガラスルツボ１は、外側に気泡を含有する不透明層２、この不透明層２の内側に実質的に気泡を含有しない（すなわち、気泡含有数が５個／ｍｍ^３以下）透明層３を有する２層構造に形成され、上部開口部４からストレート部５、円弧部６及び底部７からなる湾曲状に形成されている。不透明層２は天然質（水晶等の天然原料を溶融した）シリカガラスからなり、透明層３は合成シリカガラスで形成されている。

図２及び図３に示すように、本第１実施形態のシリカガラスルツボ１は、透明層３の初期メルトライン帯域８に、複数の凹部例えば窪み状凹部１０が透明層３の内表層に沿って、シリカガラスルツボの高さ方向に垂直の水平線に対して左右いずれかの方向に４５°傾斜させた状態で平行に多数配列される傾斜線上（千鳥配列）に、５００〜１０００μｍの間隔Ｐを設けてルツボ内表面にリング状に多数設けられている。さらに、凹部１０の端部にルツボ内側面から高さＴが２０〜１０００μｍ、より好ましくは３０〜５００μｍ突出するリング状の凸部１０ａが設けられており、また、凹部１０の内面の傾斜角θが垂直線に対して５〜６０°、より好ましくは５〜３０°に形成されている。この凸部１０ａの形成はレーザ光のパワーを調整することによって行われる。

上記凸部１０ａを上記各凹部の端部に設けることによって、局部的表面張力を増大させ、上記各凹部へのシリコン溶液の侵入（シリコン溶液による上記各凹部への濡れ）を極力防止することができ、結果、シリカガラスとシリコン溶液の反応による生成ガス量を低減することができ、また、液面付近で生じた生成ガスを効率よく液面上方に放出させることができ、これらの相互作用により、シリコン融液の液面振動を確実に抑制することによって種結晶をシリコン融液に浸漬した際の熱衝撃に伴う応力伝播を抑制するダッシュネッキング法を適確に行うことができ、転移発生によるＤＦ率低下を阻止することができる。さらに、上記各凹部の濡れ抑制効果及び上記凸部による局部的補強効果によって、シリカガラスルツボの耐久性を高めることができる。また、これによって、リチャージ法によるシリコン単結晶引上げにおける２回目以降の引上げにおいても、上記効果を繰り返し提供することができる。凸部の高さＴが２０μｍ未満では液面振動低減の効果がなく、１０００μｍを超えると再び液面振動が増加し、種結晶の浸漬が困難となり、また、ＤＦ率が低下する。

従って、本第１実施形態によれば、液面振動を確実に抑制し、かつ高いＤＦ率、高耐久性が実現する。

なお、上記初期メルトライン帯域８は、シリカガラスルツボ１に多結晶シリコンからなる原料を収容し、加熱溶融した後の引上げ初期段階の溶融シリコンの液面Ｓが接する位置近傍で、液面を中心に±１０ｍｍの帯域である。

また、本第１実施形態のシリカガラスルツボにおいては、上記凹部を内面の傾斜が上記滑らかな内表面に対する垂直線に対して５〜６０°に形成されるのが好ましく、より好ましくは５〜４５°に形成される。

図３に示すように、凹部１０の内面の傾斜角θは、垂直線に対して５〜６０°、より好ましくは５〜４５°に形成されている。傾斜角が６０°より大きいと、溶融シリコンが凹部の中に入り込み液面の這い上がりが大きくなるため、液面振動抑制の効果が小さくなる傾向がある。

また、５°未満であると、上記凹部におけるシリカガラスルツボの上記滑らかな内表面とエッジ部が侵食され易く、当該ルツボのリチャージ法における再利用回数が低減する傾向にある。

本第１実施形態のシリカガラスルツボにおいては、図３及び図４に示すように、凹部１０は、開口部が円形若しくは楕円形等になっている窪み状であって、その深さをＤ、水平方向の幅（凹部が半球状の場合は直径）をＷ、垂直方向の高さ（凹部が半球状の場合は直径）をＨとするとき、これらの比は、Ｄ／Ｗ及びＤ／Ｈが共に０．３以上、よりこのましくは０．５以上でありかつ、Ｄ、Ｗ及びＨがそれぞれ２００μｍｍ以上、５０〜８００μｍ、３０〜８００μｍになるように形成されていることが好ましい。凹部は表面張力によりシリコン融液が凹部の中まで入らないことが必要であり、水平方向の幅Ｗ若しくは垂直方向の高さＨに対して充分な深さＤを必要とし、その比Ｄ／Ｗが０．３、より好ましくは０．５以上である。

Ｄ、Ｗ及びＨの長さ、さらにはＤ／Ｗを各々上記範囲とすることによって、液面振動をより抑制することができ、また、より耐久性の高いシリカガラスルツボを提供することができる。

なお、各窪み状における上記Ｄ、Ｗ及びＨの長ささらにはＤ／Ｗは可能な限り均等であることが好ましい。さらに、上記窪み状凹部はその分布密度が１０個／ｍｍ^２以上になるように形成されているのが好ましい。また、上記窪み状凹部は、略逆円錐状であるのが好ましく、これによって、この窪み状凹部へのシリコン融液による濡れをより抑制することができる。なお、略逆円錐状とは、全体的に逆円錐状であって、この頂部が湾曲状になっているもの、側壁がＲ形状となっているもの、あるいはこれらの組み合わせの形状等を含むものである。

本第１実施形態のシリカガラスルツボの製造方法は、図８に示すシリカガラスルツボ製造装置２１を用い、ルツボ成形用型２２内に、原料供給ノズル３１で、上部から最初に天然シリカガラスカ粉末を供給し、遠心力によってルツボ成形用型２２の内面部材２３側に押圧してルツボ形状に成形し、続いて合成シリカガラス粉末を供給して、天然シリカ粉末層の内側に合成シリカガラス層を形成し、所定の製造工程図に沿って、外側に気泡を含有し天然シリカガラスからなる不透明層２とこの不透明層２の内側に実質的に気泡を含有しない合成シリカガラスからなる透明層３を有する２層構造にルツボが製造される。製造されたルツボの初期メルトライン帯域８に、図９に示すように、レーザ加工装置３１を用い緑色レーザ光により、上記のような窪み状凹部１０及び凸部１０ａを形成する。

また、本第１実施形態のシリカガラスルツボを用いた単結晶の引上げ方法は、図１０に示すように、単結晶引き上げ装置１１に本第１実施形態のシリカガラスルツボ１を組み込み、このシリカガラスルツボ１に原料シリコンを収容し、ヒータ１２により加熱溶融する。このとき、溶融シリコンの液面Ｓはシリカガラスルツボ１の透明層３の初期メルトライン帯域８に位置し、しかる後、種結晶１３を融液に浸漬して、単結晶の引上げを行う。

この単結晶の引上げ工程において、透明層の内表面の初期メルトライン帯域あるいはこれを含む上部域に、多数の窪み状凹部が円周方向に沿って設けられ、この各凹部の端部に滑らかな内表面から２０〜１０００μｍ突出する凸部が設けられ、凹部の内面の傾斜が滑らかな内表面に対する垂直線に対して５〜６０°に形成され、凹部の深さＤ、水平方向の幅Ｗ及び垂直方向の高さＨの比は、Ｄ／Ｗ及びＤ／Ｈが共に０．３以上でありかつ、Ｄ、Ｗ及びＨが、それぞれ２００μｍ以上、３０〜８００μｍ、３０〜８００μｍであるので、融液が透明層の表面を這い上がり、さらに、これが液面に落下して液面を波立たせることがなく、引上げの開始工程が容易になる。

次に、本発明に係るシリカガラスルツボの第２実施形態について添付図面を参照して説明する。

本第２実施形態は、上記第１実施形態のシリカガラスルツボ１と同様に（図１参照）、外側に気泡を含有する不透明層とこの不透明層の内側に全体的に滑らかな内表面を形成する透明層を有する２層構造に形成され、上部開口部からストレート部、円弧部及び底部からなる湾曲状のシリカガラスルツボにおいて、上記透明層の内表面の初期メルトライン帯域あるいはこれを含む上部域に、多数の凹部が円周方向に沿って設けられ、この各凹部の端部に上記滑らかな内表面から２０〜１０００μｍ突出する凸部が設けられている点は共通であり、上記凹部はこの凹部の内面の傾斜が上記滑らかな内表面に対する垂直線に対して５〜６０°に形成されている点も共通である。

図５に示すように、本第２実施形態のシリカガラスルツボにおいては、凹部１０は開口部が直方形状になっている溝状であって、その深さをＤ、長辺幅をＷ、短辺幅をＨとするとき、これらの比Ｄ／Ｈが０．３以上、よりこのましくは０．５以上でありかつ、Ｄ、Ｗ及びＨがそれぞれ２００μｍ以上、１０〜２００ｍｍ、３０〜８００μｍになるように形成されているのが好ましい。凹部は表面張力によりシリコン融液が凹部の中まで入らないことが必要であり、短辺幅Ｈに対して充分な深さＤを必要とし、その比Ｄ／Ｈが０．３、より好ましくは０．５以上である。

Ｄ、Ｗ及びＨの長さ、さらにＤ／Ｈを各々上記の範囲とすることによって、液面振動をより抑制することができ、また、より耐久性の高いシリカガラスルツボを提供することができる。

なお、各溝状凹部における上記Ｄ、Ｗ及びＨの長さ、さらにＤ／Ｈは可能な限り均等であるのが好ましい。また、上記溝状凹部は、略逆三角柱状であるのが好ましい。これにより、この溝状凹部へのシリコン融液による濡れをより抑制することができる。なお、略逆三角柱状とは、全体的に逆三角柱状であって、この頂部が湾曲状になっているもの、側壁がＲ形状となっているもの、あるいはこれらの組み合わせ形状等を含むものである。

また、本第２実施形態のシリカガラスルツボにおいては、上記溝状凹部がシリカガラスルツボの高さ方向に垂直な線に対して０〜９０°の角度を有して設けられ、この溝状凹部の少なくとも上端が初期メルトライン帯域より上方に位置しているのが好ましい。このようにすることによって、シリカガラスルツボとシリコン融液の反応による生成ガスをより効率的に液面上方に放出させることができ、生成ガスの液面方向への挙動に伴う液面振動を抑制することができる。また、上記溝状凹部は直線状であり、隣り合う溝状凹部の垂直相互間隔が６〜３０ｍｍで配置されていることが好ましい。

さらに、図５に示すように、端部に凸部１０ａが設けられた溝状凹部１０は、初期メルトラインに対して傾斜角θが５〜６０°をなして傾斜する直線状（極めて細い直方体形状）であり、相互の間隔ｐが６〜３０ｍｍ例えば７ｍｍで多数設けられ、その深さをＤが８００μｍ、長辺幅Ｗが１０ｍｍ、短辺幅Ｈが１００μｍに形成されている。溝状凹部１０間の相互間隔が６〜３０ｍｍに形成されるので、ルツボの機械的強度の低下がなく、メルトライン帯域上部のストレート部の倒れ込み変形を防止でき、ルツボの使用時間の耐久性能を向上させることができる。図５の溝状凹物１０のように、ルツボの高さ方向に幅１ｍｍを超えて貫通する非凹部領域が存在しないことがより好ましい。

また、図６に示すように、端部に凸部１０ａが設けられた溝状凹部１０の他の配置例として、初期メルトライン帯域に、直線状に配置された溝状凹部１０がルツボの上部縁に平行に、相互間隔ｐ６〜３０ｍｍ例えば６ｍｍで多数設けられ、その深さをＤが８００μｍ、長辺幅Ｗが１０ｍｍ、短辺幅Ｈが１００μｍに形成されている。

さらに、図７に示すように、端部に凸部１０ａが設けられた溝状凹部１０の他の配置例として、初期メルトライン帯域に、垂直状態に配置された直線状の溝状凹部１０が、ルツボの上部縁に平行に間隔Ｐが０．５〜１０ｍｍ例えば１ｍｍの等間隔で多数設けられ、その深さをＤが８００μｍ、長辺幅Ｗが２００ｍｍ、短辺幅Ｈが３００μｍに形成されている。

本発明に係わるシリカガラスルツボ（実施例）と比較例を用いてシリコン単結晶の引上げを行いＤＦ率を調べ、液面の振動を測定した。

１）シリカガラスルツボの製造方法：
実施例；内側を減圧にて溶融して気泡の発生を防止し、外側は大気圧にて溶融して、多孔質にしたルツボの内表面に、緑色レーザを用いて、図２に示すようなパターンで窪み状凹部を形成すると共に、この凹部の端面から突出する凸部を形成した。図４に示すように、半球状の凹部の大きさは、直径０．５ｍｍ、深さ０．５ｍｍ、間隔Ｐが５００μｍで交互に形成し、隣接する凹部が４５°の角度をなす傾斜線上に設けられ、内面メルトライン帯域全面に配置させた。

比較例；実施例と同様の方法によりシリカガラスルツボを作製し、機械加工の後に酸水素バーナでアニールし、図２に示すようなパターンで半球状の凹部を形成したが、この凹部の端面に凸部を形成していない。

２）測定方法：シリコン単結晶の引上げを行い、レーザ光を液面に照射し、液面の動きをＣＣＤカメラにて観察することにより、液面の振動を測定した。

３）結果：実施例は液面が比較例に対して１／１０になり、さらに、ＤＦ率は１００％を達成した。これに対して、比較例はＤＦ率８５％であった。

本発明に係るシリカガラスルツボの一実施形態の縦断面図。図１のメルトライン近傍を拡大して示す縦断面図。図２のメルトライン近傍を拡大して示す平面図。図２のメルトライン帯域を拡大して示す平面図。本発明に係るシリカガラスルツボの他の実施形態の平面図。本発明に係るシリカガラスルツボの他の実施形態の平面図。本発明に係るシリカガラスルツボの他の実施形態の平面図。本発明に係るシリカガラスルツボの製造方法の概念図。本発明に係るシリカガラスルツボの製造方法の概念図。本発明に係るシリカガラスルツボを用いたシリコン単結晶引上げ装置の概念図。

符号の説明

１シリカガラスルツボ
２不透明層
３透明層
４上部開口部
５ストレート部
６円弧部
７底部
８初期メルトライン帯域
１０凹部

Claims

外側に気泡を含有する不透明層とこの不透明層の内側に全体的に滑らかな内表面を形成する透明層を有する２層構造に形成され、上部開口部からストレート部、円弧部及び底部からなる湾曲状のシリカガラスルツボにおいて、前記透明層の内表面の初期メルトライン帯域あるいはこれを含む上部域に、多数の凹部が円周方向に沿って設けられ、この各凹部の端部に前記滑らかな内表面から２０〜１０００μｍ突出する凸部が設けられることを特徴とするシリカガラスルツボ。
前記凹部は、この凹部の内面の傾斜が前記滑らかな内表面に対する垂直線に対して５〜６０°に形成されることを特徴とする請求項１に記載のシリカガラスルツボ。
前記凹部は、窪み状凹部であって、この凹部の深さＤ、水平方向の幅Ｗ及び垂直方向の高さＨの比は、Ｄ／Ｗ及びＤ／Ｈが共に０．３以上でありかつ、Ｄ、Ｗ及びＨがそれぞれ２００μｍ以上、３０〜８００μｍ、３０〜８００μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリカガラスルツボ。
前記凹部は、１０個／ｃｍ^２以上の密度で設けられることを特徴とする請求項３に記載のシリカガラスルツボ。
前記窪み状凹部が略逆円錐状であることを特徴とする請求項３又は４に記載のシリカガラスルツボ。
前記凹部は、溝状凹部であって、この凹部の深さＤ、長辺幅Ｗ及び短辺幅Ｈの比は、Ｄ／Ｗ及びＤ／Ｈが共に０．３以上でありかつ、Ｄ、Ｗ及びＨがそれぞれ２００μｍ以上、１０〜２００ｍｍ、３０〜８００μｍであることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリカガラスルツボ。
前記溝状凹部が略逆三角柱状であることを特徴とする請求項６に記載のシリカガラスルツボ。
前記溝状凹部がシリカガラスルツボの高さ方向に垂直な線に対して０〜９０°の角度を有して設けられ、この溝状凹部の少なくとも上端が初期メルトライン帯域より上方に位置していることを特徴とする請求項６又は７に記載のシリカガラスルツボ。