JPH01148718A - 石英るつぼの製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、例えばシリコン単結晶等の単結晶引き上げ用
の石英ルツボの製造方法及びこの方法により製造された
石英ルツボに関する。

〔従来の技術〕

従来、シリコン半導体単結晶の製造は、容器中で多結晶
シリコンを溶融し、高純度の単結晶シリコン（種結晶）
先端を浸して、回転させながら引き上げ、種結晶と同じ
方位を持つ単結晶を成長させる、いわゆるチョクラルス
キー法が広く行われている。

この単結晶引き上げに使用される容器としては、通常、
石英ルツボか使用されているが、これについては製法上
の理由による外観上の違いから、透明石英ルツボと、生
地内に微小な気泡を多量に含有している為不透明もしく
は半透明な外観を有する石英ルツボがある（以下、半透
明石英ルツボと呼ぶ）。

半透明石英ルツボは、粉体を原料として使用する事によ
り透明石英ルツボよりも高強度な物が容易に製造でき、
また大口径の鞠か比較的低コストで製造できること、更
に含有する（放小気泡により透明石英ルツボよりも均一
な熱分布が得られることから、工業的に広く利用されて
いる。

しかし、従来から製造されている半透明石英ルツボでは
単結晶の製造時に、しはしは単結晶化が不安定になって
欠陥か生じて、単結晶の収率が低下するという問題かあ
る。

引き上げ時の単結晶化か不安定になる原因としては、引
き上げ設備・条件の池にも種々の要因が考えられ、それ
ら他の要因としては、高温時に於けるシリコン融液と石
英ガラスの反応により、内表面か侵食されて表面か荒れ
たり、更に侵食が進んで内部の微小気泡が露出すること
、即ち、シリコン融液の液面に当たる部分のルツボの表
面か荒れていることによって、原料の減少による液面の
降下かスムースに行われず、液面が振動すること、およ
び上記石英ガラスの表面荒れによって生じた微ｈＦｄな
突起は、石英〃ラスの結晶化反応の核となってクリスト
バライトの斑点を石英ルツボの表面に生じ、この結晶か
引上工程の進行とともに、石英ルツボから離脱し、シリ
コン融液中に落下する現象か起こり、結晶成長を阻害す
ることがあけられる。さらに、石英ルツボ内表面近傍に
おいて、金属不純物か局所的に、例えば微小気泡表面に
濃縮され、これが引上時に高温加熱によって石英ガラス
のクリストバライトへの結晶化が促進され、石英ルツボ
内表面に露出しなりリストパライトの斑点となる。また
同じような議論から石英ルツボの表面も、その当初にお
いて微細な突起や傷があるのは好ましくない。

石英ルツボの製造方法については従来幾つかの発明が為
されている。例えは、特開昭５９−２１３６９７号には
ルツボを内面から長時間加熱、若しくは透明石英管を溶
接して円筒部の一部を透明管と為し、少なくとも原料融
液と接する部分を１胴以上の厚さの透明石英ガラス層と
する石英ルツボの製造方法が記載されている。また、米
国特許４，５２８，１６３号には、天然石英粒子で外側
を形成し、内側を合成石英粒子でライニングし、このラ
イニング層の表面に平滑な薄い非晶質層を形成した石英
ルツボの製造方法が記載されている。

更に、米国特許４，４１６，６８０号および４．６３２
，６８６号には石英ルツボ中の気泡を減少させる方法と
して、外側を減圧にして溶融する石英ルツボの製造方法
か記載されている。

〔発明か解決しようとする問題点〕

ところが、これら先行文献には、ルツボ内面の表面状態
に要求される無気泡性、平滑性、均−性等の特性の技術
的課題を同時に解決する石英ルツボの製造方法及びそれ
らの特性を同時に具備する石英ルツボに関し、何ら開示
がなされていない。

すなわち、特開昭５９−２１３６９７号には、ルツボ内
面の表面状態に要求される特性のうち、原料融液と接す
る部分の侵食防止について半透明石英ガラス層の内面を
更に加熱して透明層を得る方法と透明管を溶融して透明
なリング状の部分を挟み込むことか示されている。とこ
ろが、前者の方法は石英ガラス層の内部の未溶融部分を
更に溶融して、場合によっては気泡として形成された残
溜ガスを加熱膨張により破裂させて、内部の気泡を開放
していく方法であるが、この方法では気泡は完全に除か
れず、又、透明石英ガラス層に多量の気泡の痕跡か残る
為、半導体引き上げにおいて特に減圧にさらされた場合
に再び膨張を起こし、単結晶化が不安定になって欠陥を
生じ収率が低下する。また、後者の透明管を溶融する方
法は、作業が煩雑でその継目がルツボ内面を完全な滑ら
かな面にするのを阻害したり、又溶融の歪み除去のため
のアニールが必要となり、ルツボの生産性が悪くなる。

また、米国特許４，５２８，１６３号においても、ルツ
ボの内外層を同時に溶融し、内側部に合成石英を使用し
たことによるルツボ内面の特性の向上はみられるか、そ
の内側部に多数の気泡、空隙が残存することが避けられ
ず、単結晶引き上げ時に溶融物が気泡、空隙の孔に捕捉
され、引き上げ操作が著しく妨げられる。

更に、米国特許４，４１６，６８０号および４．６３２
．６８６号には石英ルツボ中の気泡を真空引きして減少
させることが記載されているが、気泡が外側の比教的低
温の石英層を通過する゛に際し著しい抵抗かあり、ルツ
ボ内面までの気泡の除去は充分になし得ない。

この他単結晶引き上げにおいて、その引き上げか安定に
行われることと共に、単結晶の中に混入する酸素の正確
な制御か要求されるが、従来法によって作られる石英ル
ツボは引き上は中に内表層の均質性か不十分なこと、ま
た気泡が多いなどの理由で荒れるので、石英ルツボ表面
からの内部のシリコン溶融体への溶解か不安定なため、
かかる要求を満足することか困難である。

本発明は、羊結晶引き上げにおいてその内表面が滑らか
で凹凸か少なく均質なこと、さらに重要なことであるか
実質的に無気泡であるため、溶融シリコン中へのその表
面の溶解速度か安定し、表面の荒れその他の理由による
石英ルツボ内面のクリストバライトの発生原因となるこ
とがなく、さらに石英ルツボ表面が平滑に保持されるの
で、単結晶引上がきわめて安定して行われるような石英
ルツボ及び当該石英ルツボをきわめて容易に製造するこ
とか可能な石英ルツボの製造方法を提供することを目的
とする。

〔問題点を解決するための手段〕

そこで本発明は結晶性および非結晶性の二酸化ケイ素粉
末のうち少なくとも１種の二酸化ケイ素粉末を加熱処理
して形成した半透明の石英ルツボを回転式の型内に嵌合
し、前記型を回転しながら前記石英ルツボ内に加熱源を
挿入して石英ルツボ内に高温ガス雰囲気を作り、この高
温ガス雰囲気中に結晶性および非結晶性の二酸化ケイ素
粉末のうち少なくとも１種の二酸化ケイ素粉末を少量ず
つ通過させて二酸化ケイ素粉末の少なくとも一部を溶融
せしめ、この溶融粉末を前記石英ルツボ内表面上に飛散
せしめて付着させ、実質的に無気泡の透明石英ガラス層
を前記石英ルツボ内表面上に一体融合的に所定の厚さに
形成するようにしな。

また、回転式の型を回転しながら前記型内に結晶性およ
び非結晶性の二酸化ケイ素粉末のうち少なくとも１種の
二酸化ケイ素粉末で構成された未溶融の石英ルツボ用予
備成形体を形成し、当該予備成形体内に加熱源を挿入し
て予備成形体内に高温ガス雰囲気を作り当該予備成形体
を内部より高温加熱して溶融ガラス化すると同時に、こ
の高温ガス雰囲気中に結晶性および非結晶性の二酸化ケ
イ素粉末のうち少なくとも１種の二酸化ケイ素粉末を少
量ずつ通過させて二酸化ケイ素粉末の少なくとも一部を
溶融せしめ、この溶融粉末を前記予備成形体内表面上に
飛散せしめて付着させ、実質的に無気泡の透明石英ガラ
ス層を前記予備成形体内表面上に一体融合的に所定の厚
さに形成するようにした。

〔作用〕

回転式の型内に基体として透明又は少なくとも外ｆｉｌ
ｌｊの一部か半透明層を有する石英ルツボの成形体を嵌
合し、或いは該回転体の遠心力と重力を利用して結晶性
及び非結晶性の二酸化ケイ素粉末の少なくとも一種から
構成される未／′８融の石英ルツボ用予備成形体を形成
し、この内部に例えば炭素型、極間のアーク放電により
高温ガス雰囲気を創出し、あらかじめ嵌合された石英ル
ツボの表面または未溶融の石英ルツボ予備成形体の内部
まで溶融するよう充分に加熱し、同時に高温ガスの流動
によって系外に飛敗せぬよう、また加熱雰囲気内を落下
しルツボ表面に到達するよう適当な粒径サイズの結晶性
及び非結晶性二酸化ケイ素粉末の少なくとも一種からな
る二酸化ケイ素粉末を少量づつ連続的に上部から供給し
、高温ガス雰囲気の特に高温部を必ず通過させて、少な
くとも該粉末粒子の一部を溶融し、この溶融粉末を基体
の溶融表面に飛着させ、該飛着溶融粉末を基体表面に溶
着し、その上に飛着溶融粉末層か更に積層される以前に
、上記高温ガス雰囲気による伝導熱及び高温熱源の輻射
エネルギーによって溶融か進み、基体表面と一体的に融
合し、且つほぼ完全に無気泡の薄層を形成する。回転す
る型と共に基体表面は回転し、飛着溶融粒子により融＠
叶加される層は、少なくとも基体の側面の厚さ方向の一
定幅上で積層され、基体表面のかかる付加融着層を一定
の厚さに成長させる。飛着溶融粒子により融着付加され
る層は充分に溶融され、かつ薄層であるが故に溶融層が
冷却固化の際に如何なる微少な気泡も残存することを許
されない。このように実質的に無気泡の透明石英ガラス
層が基体と一体融合に成長されるので、かかる溶融層は
基体との接着は極めて良好である。この溶融付加層は以
上の説明から理解出来るように均質であり、また気泡か
ないので溶融ガラス層中の不純物が部分的に異常に析出
することかなく、これを実際の単結晶引き上げ工程で内
部にシリコン溶融体を保持した場合表面がシリコン溶融
体に浸食されるときに、その浸食面は従来法の半透明石
英ルツボに対してより平滑であり、これによってシソコ
ン溶融体表面の振動か著しく軽減され、単結晶化率の向
上即ち生産性の向上に役立つ。また融着された透明石英
ガラス層が均質であることからシリコン融体への石英ガ
ラス表面の溶解速度を安定化せしめ、引き上げ単結晶中
の酸素４度を制御するときにシリコン溶融体中の酸素の
濃度制御を容易にする。更に大きな利点は、引き上げ工
程中の石英ルツボのシリコン溶融体接触面上のクリスト
バライトの形成とその相転移に伴なう同クリストバライ
トの剥離による単結晶の乱れ発生か著しく低減される。

かかるクリストバライトの形成は、石英ルツボ表面の凹
凸及び表面近傍の不純物、不完全溶融のなめ結晶の規則
性を僅かに残した部分が、クリストバライト形成の核と
なり、ルツボ表面とシリコン溶融体との界面の高濃度の
二酸化ケイ素雰囲気がルツボ表面方向にクリストバライ
ト結晶を選択的に成長する原因となることが考えられる
。クリストバライトはシリコン溶融体と接触する高温（
約１４５０°Ｃ）においてβ型で形成され、シリコン溶
融面か下がって引き上げ室内のガス雰囲気に暴露されて
冷却するとα型となり剥離の原因となる。

〔実施例〕

以下、本発明の実施例について説明する。第１図におい
て、支持回転軸２を有する回転式の型１のキャビティ内
には予め加熱形成された半透明のの石英ルツボの成形体
３が嵌合されている。この型１の回転中に加熱源５か成
形体３内に挿入される。また成形体３の開口部にリング
状の開ロア５を残すように閉塞板７１が設けられ、こう
して成形体３内が半密閉状態とされる。同時に、加熱源
５により高温ガス雰囲気８が形成され、この高温ガス雰
囲気８中を一定量の結晶性または非結晶性の高純度の二
酸化ケイ素粉末６が通過される。前記二酸化ケイ素粉末
６は結晶性のものと非結晶性のものとか混じったもので
もよく、少なくともその一部か７ｇ融された状態で内表
面に付着され、こうして透明石英ガラスＮ４が一体融合
的に設層される。

前記二酸化ケイ素粉末６は、通常、撹拌プロペラ９１を
有する供給タンク９から定量フィーダー９２で供給量を
制御されながら、ノズル９３により高温ガス雰囲気８中
に少しずつ放出される。

前記型１は水冷機構を有していてもよく、また、型１の
キャビティーの形状、大きさは、作製しようとする石英
ルツボの形状・大きさに適合させる。

型１の材質は耐熱性、機械的強度および加工性かあれば
よく、金属あるいはカーボン等の材質でよい。

図示例では、型１のキャビティー内に予め二酸化ケイ素
粉末を加熱成形して形成した半透明の石英ルツボの成形
体３を嵌合しその内面に二酸化ケイ素粉末を付着させる
ようにしているが、加熱処理済の成形体３を使用する代
わりに、型１を回転させながら、そのキャビティー内に
結晶性または非結晶性の二酸化ケイ素粉末（結晶性のも
のと非結晶性のものとが混じっていてもよい）を供給し
て遠心力により型１のキャビティー内壁面に石英ルツボ
用の予備成形体を形成し透明層用の二酸化ケイ素粉末６
を供給しつつ予備成形体と同時に加熱してルツボを形成
するようにしてもよい。このように予備成形体と二酸化
ケイ素粉末を同時に加熱すれば、不透明石英ガラス層の
形成と透明石英ガラス層の設層を同一の型で行うことが
でき有利である。

なお、予備成形体を形成する場合、型１の回転速度が大
きすぎると、供給された二酸化ケイ素粉末がキャビティ
の側壁方向に移動し、底部への粉末の堆積が″）トさく
なりすぎる場合かあるので回転速度の調節が必要である
。更に、予備成形体の粉末の堆積厚か型１の内面の場所
によっては不均一となる場合かあるので、成形板を用い
て堆積厚を均一とし、余剰分を型１の上部より排除する
ことにより、肉厚の安定した石英ルツボを作製すること
ができる。

また、型１の回転速度は、少なくとも一部が溶融した二
酸化ケイ素粉末６の粒子か成形体３の内表面から落下し
ない範囲で、加熱′ａ５からの加熱エネルギーの供給量
との関係で定めればよく、通常５０〜３００　ｒ、Ｄ、
ｌＩｌ、程度である。

本発明の石英ルツボの製造方法は、通常の空気雰囲気中
でも充分その効果を奏することかできるが、異物の混入
を防ぐなめ、例えばクラス１．０００程度の清浄度の雰
囲気であることが好ましい。

前記加熱源５としては、アーク放電、高周波プラズマ放
電等を使用することができるが、２本の炭素電極５１．
５２で構成されるアーク放電か好ましい。この場合、外
部電源１０から直流あるいは交流の高電圧電流を炭素量
ｔｉｆ１５１，５２に供給してアーク放電を発生させる
。そして、このようなアーク放電あるいは高周波プラズ
マ放電により供給される加熱エネルギーは充分に大きい
ことが要求される。

炭素電極によるアーク放電を用いる場合、例えば成形体
３の底部中央部に加熱を集中して先すその表面を溶融す
る。次いでアーク放電によって生じた高温ガス雰囲気８
中に、二酸化ケイ素粉末６を通過させる。二酸化ケイ素
粉末６の粒子か所定の肉厚で成形体３に付着するように
その供給量を調節した後、徐々に炭素電極５１．５２の
先端放電部分を成形体３の内表面に沿って垂直方向に移
動させる。

なお、二酸化ケイ素粉末６の供給量および炭素電極５４
．５２の移動速度を調節して、成形体３の特定の場所で
透明石英ガラス層４の設層厚みを制御することも可能で
ある。

前記加熱源５をルツボの内壁のある位置に接近させた場
合に溶融状態で成形体３の内表面に付着した二酸化ケイ
素粉末６の粉体は加熱源から離れた位置で直ちに固化し
易いか、上述のように、加熱エネルギーの供給量と型１
の回転速度を調節することにより、石英ルツボ表面を溶
融状態で保持しつつ、次の二酸化ケイ素粉末６の粒子を
付着することかできる。

また、成形体の内表面に融着した透明石英ガラス層は、
型１の回転数が遅すぎた場合、成形体表面か局部的に高
温になり、成形体内部の溶融か進むと同時に表面層か過
度に流動性を増し、流下したり、成形体か変形すること
らあり得るので、加熱源５の熱量と型１の回転は上述の
ように適当に制御されなければならないのは当然である
。

また、透明石英ガラス層は一度で所定厚に設層してもよ
いが、炭素量＆５１．５２を、成形体３の内表面の下方
から上方へ、あるいは上方から下方へ一方向で繰り返し
移動させ、あるいは上方および下方間を往復移動させて
所定の厚さの透明石英ガラス層４を設層してもよい。

なお、前述のように、加熱処理済の成形体３の代りに二
酸化ケイ素粉末からなる予備成形体を使用する場合は、
アーク放電により予備成形体をほぼ完全に溶融しつつ上
記の操作を行うこととなる。

また、アーク放電は、炭素電極５１．５２の先端放電部
分から四方にふくらむように形成されるため、アーク放
電による高温ガス雰囲気８中を通過した二酸化ケイ素粉
末６の粒子は、成形体３の内表面の広範囲に向って飛散
する。

さらに、本発明では閉塞板７１を設けであることにより
、石英ルツボ基体３内が半密閉状態となり、発生した高
温ガスは撹乱しつつルツボの内表面に沿って上昇し、リ
ング状の開ロア５を通って石英ルツボ外へ排出される（
第１図の矢印）。このため、高温ガス雰囲気８中を通過
した二酸化ケイ素粉末６の粒子はこの上昇撹乱気流によ
りルツボの側面方向に均一に分散し、上記のアーク放電
の飛散効果と相まって、成形体３の内表面にきわめて均
一に付着する。更に、成形体内を半密閉状態にしてアー
ク放電させれば瞬間的な膨張がおこり、内部温度の高温
化が容易であり、また石英ルツボ表面の全体にわたって
の温度均一化か進み、溶融状態又は半溶融状態の二酸化
ケイ素粒子が成形体内表面に密着し、これが透明層内の
実質的無気泡化に大きな影響を与えるとともに成形体と
二酸化ケイ素粒子との一体融合化とその均質化が増長さ
れ、さらにエネルギーの節約が可能となり、低コスト化
に役立つ。

なお、前記閉塞板７１か成形体３の上部開口部を閉塞す
る割合は、加熱源５の条件、成形体３の大きさ等から決
定すればよいが、通常は上部開口部の２０〜９５％を閉
塞することか好ましい。

また、上記のリング状の開ロア５は成形体３の上部開口
部よりも寸法が大きい前記閉塞板７１を成形体３の上部
開口部の上方に間隙をおいて設置することにより形成さ
れてらよい。

また、本発明では、第２図に示されるように、炭素電極
を支持回転軸２の軸方向に対し成形体３の側面方向にそ
の先端を傾けてもよい。

このように傾けることにより、成形＃３の内表面の溶融
領域を所定の幅に正確に制御することか可能となる。こ
の場合、二酸化ケイ素粉末６を放出するノズル９３も同
時に同方向に傾けることにより、高温ガス雰囲気８を通
過した二酸化ケイ素粉末６の粒子の放出される主方向を
、上記溶融領域に適確に合わせることができ、二酸化ケ
イ素粉末６の粒子と成形体３の内表面との融合がより完
全となり、透明石英ガラス層かより均一なものとなる。

本発明では、二酸化ケイ素粉末６の大きさは通常３０〜
１，０００μｍ程度か好ましい。大きさが３０μｍ未満
である場合、高温ガス雰囲気８の上昇撹乱気流等によっ
て、充分に加熱することなく飛散するという不都合が生
じる。逆に、大きさが１，０００μｍより大きいと、加
熱エネルギーかその中心部に充分伝達される前に成形体
３の内表面に付着し、更に加熱を受けても溶融せす、透
明石英ガラス層が不均一になるという不都合か生じる。

また、二酸化ケイ素粉末６の供給量は、前述のように、
加熱源５の放出する加熱エネルギー、加熱源５の移動速
度および型１の回転速度等により定められるが、通常５
〜３００ｔ／分程度が好ましい。

なお、二酸化ケイ素粉末６の大きさ、および、供給量が
上述の好ましい範囲であっても、前述のように、更に加
熱源としてのアーク放電または高周波プラズマ放電の加
熱エネルギーも充分に大きいことが必要である。

前記二酸化ケイ素粉末６は、結晶性でも非結晶性でもい
ずれであってもよいか、設層される透明石英ガラス層中
の不純物の存在を少なくするため、高純度の材料である
ことを要する。このように、高純度の透明内１ＩＴＩＩ
層を形成すれば、石英ガラス加熱処理済成形体あるいは
予備成形体の材料である二酸化ケイ素粉末については、
それが高純度であることを要求しなくてもよいことにな
り、石英ルツボの製造コストの低減か可能となる。

本発明では、上記の操作により二酸化ケイ素粉末の粒子
を少量づつ溶融させながら付着させて透明石英ガラス層
を設層するため、個々の二酸化ケイ素粉末の粒子間に気
泡か組み込まれることかほとんとなく、また、不純物か
きわめて少なくなる。

さらに、水酸基も少なくすることができｉｆ＃熱性が増
す。

透明石英ガラス層の二酸化ケイ素か天然石英水晶粉から
作られる場合には、本来水酸基か少ないので、本発明に
よる内面の透明石英ガラス層の水酸基はこれを超えるこ
とはないか、かかる二酸化ケイ素は高温ガス雰囲気を通
過し、同粉末は微粒子の状態で超高温にさらされるので
、脱離による水酸基の減少或いはその他不純物の揮散除
去が行われる。

さらに、透明石英ガラス層の設層厚みを、二酸化ケイ素
粉末の供給量、型の回転速度を調節することにより、容
易かつ正確に制御でき、十分に厚い透明層をも形成でき
る。

さらに本発明では、第１図および第２図に示すような炭
素電極２本の組み合せのほかに、炭素電極を３本以上組
み合わせることも可能である。又、これらの電極を適当
に動かすことも可能である。

なお、加熱源として、この池に酸水素炎が考えられるか
、この場合には高周波放電あるいはアーク放電と比較し
て熱源温度が低いので、後述の二酸化ケイ素粉末６の粒
子サイズ及び供給速度を低く抑え、また、加熱源５の移
動速度も低く抑えることか必要となる。この結果、水酸
基が透明石英ガラス層中に５００ｐ、ｐ、ｆｆ１．程度
存在することとなり耐熱性が悪くなり好ましくない。

また、本発明では、第３図に示されるように、型１の天
地を逆にし、開口部を下方に向は下方方向から加熱源５
およびノズル９３を成形体３内に挿入して、前述と同様
の操作を行い透明石英ガラス層４を設層してもよい。こ
の場合、成形体３を型」のキャビティ内に嵌合し、型１
に対して取りはずし自在の支持部材１１で成形体３を支
持し、この支持部材１１を介して駆動ローラ１２により
型１を回転させるものであってもよい。

本発明は上述のように、高温ガス雰囲気中を通過した二
酸化ケイ素粉末の粒子を成形体の内表面に少量ずつ付着
させるものであり、粒子間に気泡を組み込むことかなく
、きわめて均一な透明石英ガラス層を設層することがで
きる。

この透明石英ガラス層は、均一であるという特性ととも
に、実質的に無気泡であるということにより、単結晶の
引き上げ時に、従来法による石英ルツボにみられる気泡
の膨張による破裂がほとんどない。したがって、石英ル
ツボの表面層からの石英の溶出量すなわち、酸素のシリ
コン溶融体中への供給量を正確に制御できる。一般に、
ルツボの表面は、溶融体であるシリコンと接触してシリ
コンと化学作用によりその一部が溶融し、シリコン中に
ケイ素及び酸素が溶質として供給される。

このとき、本発明方法によるルツボの表面は高純度であ
り、しかＩＪ無気泡なのでケイ素の溶１ｉｉＬｆｆｌは
安定し、単一結晶引き上げ工程において溶融体に混入す
る酸素濃度制御が容易となり、集積回路素子用基板とし
てのシリコン基板中の酸素濃度を高めて、機械的強度を
高めたり、或いはイントリンシックゲッター効果を目的
とする制御の精度を高めることが出来る。また、ルツボ
の内側層に気泡を含むと、気泡は通常その大きさ及び分
布の点て均一性を欠き、気泡の密集するところはルツボ
内表面か溶出し易くルツボ表面の凹凸によるシリコン溶
融体表面の振動が引き上は単結晶の乱れに大きく影響す
るか、本発明によればかかる影響はない。

更に、ルツボ内面に気泡が存在すると、その気泡表面に
石英ガラス中の金属不純物が濃縮されたとき又は気泡か
石英ルツボ表面の融解で溶液中に好ましくない凹凸部か
露出したときに高温でクリストバライトの結晶核となる
おそれかあるが、本発明によればかかるおそれもない。

このクリストバライトの形成は表面の金属汚れがその一
因と考えられているが、このクリストバライトは先ずβ
型で形成され、次いでルツボが冷却されたときにα型に
転換して表面から剥離してシリコン単結晶化を乱すが、
本発明によればかかる高純度の透明石英ガラス層の形成
故にクリストバライトの発生が有効に防止できるのは容
易に理解出来る。

この透明石英ガラス層４における実質的に無気泡である
という基準は、従来の石英ルツボの製造方法による通常
の半導体用透明石英ガラスに比べてその含有する気泡が
極めて少ないということである０通常の半導体用石英ガ
ラスは、肉眼で観察しうる程度の大きさの１００μｍ〜
１　ｒｎｒｎ程度の気泡、及び光を当てて気泡による散
乱によって観察が可能な程度の微小な気泡を大量に含ん
でいる。

本発明における無気泡の具体的な例としては、６個の未
使用の石英ルツボを倍率３０倍の顕（、”ｒｋ、鏡の視
野的８＋＋Ｊの範囲で、各ルツボにつき内壁部４ケ所、
底部１ケ所の計５ケ所で総計３０ケ所観察したところ、
直径２０μｍ以上の各泡か２〜３ケ所でわずかに見られ
る程度である。その１例として、前記３０ケ所の測定点
で直径２０μｍ以上の気泡が２個見られたのは１ケ所、
１個見られたのは２ケ所であり、気泡の存在密度は０．
１３個／８ｍｌ１Ｉ（Ｉｃｄに換算すると約１．６個／
、ｆｆ１）であり、柘めて均質性の高い層か可能となる
。

したかって、従来の石英ルツボでは、特に減圧下でのシ
リコン単結晶引き上げにおいて気泡の膨張破裂によりル
ツボ内表面に凹凸が生じ、この凹凸によるシリコン溶融
体表面の振動が引き上げ単結晶の乱れに大きく影響する
が、本発明によればかかる影響はない。

通常、このような透明石英ガラス層の厚さは少なくとも
０．３ｎ＋ｍ以上、実際には０．８〜１ｎｕｎ以上であ
ることか好ましい。

（実験例） 次に本発明の実験例について説明する。

実験例１ 本発明の方法により、直径１．４インチの石英ルツボ（
本発明試料）を作製した。

また、従来の方法により、直径１４インチの石英ルツボ
（比較試料）を作製した。

上記の試料について、本発明に係る透明石英ガラス層の
効果を調べるため、単結晶引き上げによるルツボ内表面
の表面■さの変化を測定した。すなわち、本発明試料お
よび比較試料を使用して１１０時間の単結晶成長を行っ
た後のルツボの内表面の粗さを測定しな。

測定は触針式表面粗さ計〈小板研究所社製）で行った。

第４図には、単結晶成長を行った後の本発明試料の表面
粗さ、第５図には、単結晶成長を行った後の比較試料の
表面粗さの測定結果を示す。

各図から明らかなように、本発明の石英ルツボは使用後
においても最大粗さ３３．７μｍとかなり平滑な内表面
を維持しているが、従来のルツボではその粗さが本発明
試料の約２．５倍になり、これによって本発明のルツボ
においてはシリコンの溶融面の乱れが生じにくくなるこ
とが判る。

また、結晶成長終了後のルツボ内表面の点火透の状態を
第６Ａ図および第６Ｂ図に示す。

第６Ａ図は本発明試料の内表面、第６Ｂ図は比較試料の
内表面を示すものである。これによれば、本発明のルツ
ボの内表面には、クリストバライトの発生か従来のもの
に比較して著しく少なくなることか判る。

すなわち、本発明の石英ルツボの内面は極めて均質であ
り、結晶化反応の核となる突起等が少ないため、クリス
トバライトによる点失透の発生が少ない。

実験例２ 実験例１と同様に製造した本発明試料および比較試料を
曲用した場合のシリコン単結晶製造の成績を示す。

製造条件は、アルゴン雰囲気下で減圧（１０ｍｂ）で、
引上げ速度が約０．５ＩｉＩｎ／分、ルツボ回転が１　
Ｏｒ、Ｌｍ、　（種結晶と逆回転）で直径１００ｍｍ、
長さ９０ｃ１１］の単結晶を製造しな（１バツチの操業
時間は約４０時間）。

製造した単結晶インゴットについてその単結晶育成成功
率を求めた。その結果を表１に示す。

ここで、（ｌｉ−結晶育成成功率は単結晶インゴットの
全引き上ｔ−ｙ数（表中で「繰り返し回数」と表示）の
中で、単結晶育成不成功（引き上かったインゴットに−
・部！１結晶していない部分を含むもの）のインゴット
を除いたインゴットの数のパーセント表示で示した。

表１　単結晶育成成功率 表１より、本発明°による石英ルツボは、常に安定した
単結晶製造をもならずことか明らかである。

これに対し、比較試料で単結晶育成成功率か低いのは、
石英ルツボの表面の凹凸および生成したクリストバライ
トの剥離か原因と考えられる。

次に、上記のシリコン単結晶の引き上げに用いた、本発
明により製造した石英ルツボおよび従来の方法により製
造した石英ルツボの透明石英ガラス層中の直径２０μｍ
以上の気泡数を表２に示し、また、直胴部と底部の縦断
面の状態を第７図および第８図に示す。

表２　単結晶引き上げ後の石英ルツボの物性＊上記の気
泡数は６個の石英ルツボを倍率３０倍の顕微鏡の視野的
８−の範囲で、１個のルツボにつき内壁部４ケ所、底部
１ケ所の計５ケ所で総計３０ケ所にて測定した。

ここで注意を要するのは、石英ルツボは約１４５０℃の
高温で長時間、しかも減圧状態で加熱されているなめ、
たとえその使用前に無気泡とみなされても、この個々の
気泡か石英ガラスの軟化のために膨張し、観察か容易に
なることである。すなわち、石英ルツボ製造時に石英ガ
ラス−層に溶封されている気泡は、大気圧下の雰囲気ガ
ス（石英ルツボ製造か空気中で行われる場合には空気）
で充填されており、高温度減圧下では当然ながら膨張す
る。しかしながら、表２および第７Ａ図、第７Ｂ図に示
されるように本発明による石英ルツボは、使用後におい
てもその内表面に明瞭な無気泡の透明石英ガラス層を有
している。一方、従来法による石英ルツボは、シリコン
単結晶の引き上げ前には内表面にある程度無気泡の薄い
透明石英ガラス層を有しているか、シリコン単結晶の引
き上げ時に気泡か膨張し、これらが相互に融合して■大
化し、このため、シリコン単結晶の引き上げ後の石英ル
ツボ内表面に明瞭な気泡の密集状７ｇかみられる（表２
および第８Ａ図、第８Ｂ図）。

〔発明の効果〕

本発明は、高温ガス雰囲気中を通過した二酸化ケイ素粉
末の粒子をルツボ内表面に付着させ、かつ高温ガス雰囲
気により石英ルツボと当該粒子を完全に溶融密着させる
ようにしなので、実質的に無気泡の水酸基の少ないほぼ
純粋成分の透明石英ガラス層をルツボ内表面に一体融合
的に厚さ調節可能に設層することかできる。

このため、単結晶の引き上は時にルツボの内表面の凹凸
の発生、あるいはクリストバライトの発生がほとんどな
く、安定した単結晶の引き上げが可能となる。

また、本発明は、その作業性がきわめて良好であり、従
来法に比べ特性の優れた石英ルツボを容易に製造できる
とともに、透明石英ガラス層の設層厚み等の制御も正確
になし得るものである。

さらに、本発明においては、透明層中に不純物、空気の
混入がないので上記の種々の効果を得るために材料に要
求される純度は、透明石英ガラス層設層用の二酸化ケイ
素粉末のみ高純度とすればよく、石英ルツボの製造コス
トの低減が可能となる。

またさらに、単結晶引き上げ時のシリコン融液中への石
英溶解量が一定となりその制御か容易で高純度のシリコ
ン単結晶の引き上げか可能となる。

また、本発明の石英ルツボは、単結晶の引き上げ時にル
ツボの内表面の凹凸の発生、あるいはクリストバライト
の発生がほとんどなく、安定した引き上げが可能となる
ものである。

【図面の簡単な説明】

第１図は、本発明の一実施例を説明するための製造装置
の縦断面図、第２図は、本発明の一実施例における炭素
電極を説明するための製造装置の横断面図、第３図は、
本発明の他の実施例を説明するための製造装置の縦断面
図、第４図は、本発明による石英ルツボの単結晶成長後
の内表面の租さを示すグラフ、第５図は、従来法による
石英ルツボの単結晶成長後の内表面の粗さを示すグラフ
、第６Ａ図および第６Ｂ図は単結晶成長後のルツボ内表
面の点失透の状態を示す図面であり、第６Ａ図は本発明
のルツボの内表面を、第６Ｂ図は従来のルツボの内表面
をそれぞれ示し、第７Ａ図および第７Ｂ図は本発明のル
ツボの壁の縦断面の状態を示す図面、第８Ａ図および第
８Ｂ図は従来のルツボの壁の縦断面の状態を示す図面で
ある。 １・・・型、２・・・支持回転軸、３・・・成形体、４
・・・透明石英ガラス１ａ、５・・・加熱源、５１，５
２゜５３・・・炭素電極、６・・・二酸化ケイ素粉末、
７１・・・閉塞板、７５・・・開口、８・・・高温ガス
雰囲気、９・・・供給タンク、９１・・・撹拌プロペラ
、９２・・・定量フィーダー、９３・・・ノズル、１０
・・・外部電源、１１・・・支持部材、１２・・・駆動
ローラ。 出頭人代理人　　石　　川　　泰　　男第　　１　　図 第　　２　　図 Ｕ 第３図 １ｍｍ 測定長〔ｍｍ〕 最大粗さ：　３３．７μｍ 第　　４　　図 本発明による石英ルツボの単結晶成長後の内表面粗さｍ
ｍ 測定長（：　ｍｍ　） 最大粗さ二８５μｌη 第　　５　　図 従来法による石英ルツボの単結晶成長後の内表面粗さ第
　　６Ａ　　ｌｌ］ 本発明による石英ルツボの［Ｉｉ結晶成長後の内表面第
６Ｂ図 従来法による石英ルツボのＩ１１結晶成長後の内表面第
７Ａ図 本発明による石英ルツボの縦断面（直ｔ＋１ｉｉ１部）
外側 第７Ｂ図 本発明による石英ルツボの縦断面（底部）第　　８Ａ　
図 従来法による石英ルツボの７ｔ！升面（直胴部）内４ｉ
ｊｌ 外側 第８Ｂ図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、結晶性および非結晶性の二酸化ケイ素粉末のうち少
   なくとも１種の二酸化ケイ素粉末を加熱処理して形成し
   た半透明の石英ルツボを回転式の型内に嵌合し、前記型
   を回転しながら前記石英ルツボ内に加熱源を挿入して石
   英ルツボ内に高温ガス雰囲気を作り、この高温ガス雰囲
   気中に結晶性および非結晶性の二酸化ケイ素粉末のうち
   少なくとも１種の二酸化ケイ素粉末を少量ずつ通過させ
   て二酸化ケイ素粉末の少なくとも一部を溶融せしめ、こ
   の溶融粉末を前記石英ルツボ内表面上に飛散せしめて付
   着させ、実質的に無気泡の透明石英ガラス層を前記石英
   ルツボ内表面上に一体融合的に所定の厚さに形成するこ
   とを特徴とする石英ルツボの製造方法。 ２、前記石英ルツボの開口部を部分的に閉塞してその周
   辺部をリング状に開口し、前記高温ガス雰囲気の高温ガ
   スを前記石英ルツボ内表面に沿って移動せしめることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項記載の石英ルツボの製
   造方法。 ３、加熱源として炭素電極間のアーク放電を用いること
   を特徴とする特許請求の範囲第１項又は第２項記載の石
   英ルツボの製造方法。 ４、炭素電極の数が３本であることを特徴とする特許請
   求の範囲第３項記載の石英ルツボの製造方法。 ５、前記二酸化ケイ素粉末の粒子の大きさが３０〜１，
   ０００μｍ、供給速度が５〜３００ｇ／分であることを
   特徴とする特許請求の範囲第１項乃至第４項のいずれか
   １項に記載の石英ルツボの製造方法。 ６、回転式の型を回転しながら前記型内に結晶性および
   非結晶性の二酸化ケイ素粉末のうち少なくとも１種の二
   酸化ケイ素粉末で構成された未溶融の石英ルツボ用予備
   成形体を形成し、当該予備成形体内に加熱源を挿入して
   予備成形体内に高温ガス雰囲気を作り当該予備成形体を
   内部より高温加熱して溶融ガラス化すると同時に、この
   高温ガス雰囲気中に結晶性および非結晶性の二酸化ケイ
   素粉末のうち少なくとも１種の二酸化ケイ素粉末を少量
   ずつ通過させて二酸化ケイ素粉末の少なくとも一部を溶
   融せしめ、この溶融粉末を前記予備成形体内表面上に飛
   散せしめて付着させ、実質的に無気泡の透明石英ガラス
   層を前記予備成形体内表面上に一体融合的に所定の厚さ
   に形成することを特徴とする石英ルツボの製造方法。 ７、前記予備成形体の開口部を部分的に閉塞してその周
   辺部をリング状に開口し、前記高温ガス雰囲気の高温ガ
   スを前記予備成形体内表面に沿って移動せしめることを
   特徴とする特許請求の範囲第６項記載の石英ルツボの製
   造方法。 ８、加熱源として炭素電極間のアーク放電を用いること
   を特徴とする特許請求の範囲第６項又は第７項記載の石
   英ルツボの製造方法。 ９、炭素電極の数が３本であることを特徴とする特許請
   求の範囲第８項記載の石英ルツボの製造方法。 １０、前記二酸化ケイ素粉末の粒子の大きさが３０〜１
   ，０００μｍ、供給速度が５〜３００ｇ／分であること
   を特徴とする特許請求の範囲第６項乃至第９項のいずれ
   か１項に記載の石英ルツボの製造方法。 １１、結晶性および非結晶性の二酸化ケイ素粉末のうち
   少なくとも１種の二酸化ケイ素粉末を加熱処理して形成
   した半透明の石英ルツボを回転式の型内に嵌合し、前記
   型を回転しながら前記石英ルツボ内に加熱源を挿入して
   石英ルツボ内に高温ガス雰囲気を作り、この高温ガス雰
   囲気中に結晶性および非結晶性の二酸化ケイ素粉末のう
   ち少なくとも１種の二酸化ケイ素粉末を少量ずつ通過さ
   せて二酸化ケイ素粉末の少なくとも一部を溶融せしめ、
   この溶融粉末を前記石英ルツボ内表面上に飛散せしめて
   付着させ、実質的に無気泡の透明石英ガラス層を所定の
   厚さで前記石英ルツボ内表面上に一体融合的に有するこ
   とを特徴とする石英ルツボ。 １２、回転式の型を回転しながら前記型内に結晶性およ
   び非結晶性の二酸化ケイ素粉末のうち少なくとも１種の
   二酸化ケイ素粉末で構成された未溶融の石英ルツボ用予
   備成形体を形成し、当該予備成形体内に加熱源を挿入し
   て予備成形体内に高温ガス雰囲気を作り当該予備成形体
   を内部より高温加熱して溶融ガラス化すると同時に、こ
   の高温ガス雰囲気中に結晶性および非結晶性の二酸化ケ
   イ素粉末のうち少なくとも１種の二酸化ケイ素粉末を少
   量ずつ通過させて二酸化ケイ素粉末の少なくとも一部を
   溶融せしめ、この溶融粉末を前記予備成形体内表面上に
   飛散せしめて付着させ、実質的に無気泡の透明石英ガラ
   ス層を所定の厚さで前記予備成形体内表面上に一体融合
   的に有することを特徴とする石英ルツボ。