JPH0729871B2 - 単結晶引き上げ用石英るつぼ - Google Patents
単結晶引き上げ用石英るつぼInfo
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- JPH0729871B2 JPH0729871B2 JP62304625A JP30462587A JPH0729871B2 JP H0729871 B2 JPH0729871 B2 JP H0729871B2 JP 62304625 A JP62304625 A JP 62304625A JP 30462587 A JP30462587 A JP 30462587A JP H0729871 B2 JPH0729871 B2 JP H0729871B2
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Landscapes
- Surface Treatment Of Glass (AREA)
- Crystals, And After-Treatments Of Crystals (AREA)
- Glass Melting And Manufacturing (AREA)
Description
【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、単結晶ケイ素のような単結晶物質の成長に使
用される石英ガラス容器すなわち石英るつぼに関する。
用される石英ガラス容器すなわち石英るつぼに関する。
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、多結晶ケイ素を容器内で
溶融させ、この溶融浴内に種結晶の端部を漬けた回転さ
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。この単結晶の引き上げの容器
には、石英るつぼが一般的に使用されている。石英るつ
ぼは、製造方法により生じる外観の相違から、透明るつ
ぼと、半透明るつぼとに分類される。
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、多結晶ケイ素を容器内で
溶融させ、この溶融浴内に種結晶の端部を漬けた回転さ
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。この単結晶の引き上げの容器
には、石英るつぼが一般的に使用されている。石英るつ
ぼは、製造方法により生じる外観の相違から、透明るつ
ぼと、半透明るつぼとに分類される。
半透明るつぼは、石英粉末を回転している型に投入し、
型の内面に沿って層状に堆積させたのち、さらに型を回
転させながら石英粉末層を内面から加熱して、気泡を含
む石英ガラス製品とすることにより製造される。この半
透明石英るつぼは、透明石英るつぼと比較したとき、強
度が高いこと、および大きな寸法のるつぼの製造が容易
なこと、等の利点を有する。さらに、半透明石英るつぼ
に含まれる微小な気泡が熱の分布を均一にする傾向があ
るため、透明るつぼに比べて温度が均一になる、という
利点もある。このような理由から、半透明石英るつぼが
実用上広く使用されている。
型の内面に沿って層状に堆積させたのち、さらに型を回
転させながら石英粉末層を内面から加熱して、気泡を含
む石英ガラス製品とすることにより製造される。この半
透明石英るつぼは、透明石英るつぼと比較したとき、強
度が高いこと、および大きな寸法のるつぼの製造が容易
なこと、等の利点を有する。さらに、半透明石英るつぼ
に含まれる微小な気泡が熱の分布を均一にする傾向があ
るため、透明るつぼに比べて温度が均一になる、という
利点もある。このような理由から、半透明石英るつぼが
実用上広く使用されている。
しかし、半透明石英るつぼは、単結晶の製造過程におい
て、結晶化が不安定になり、収率が低下する、という問
題がある。この結晶化が不安定になる理由は幾つか考え
られるが、その一つとしては、高温度のもとでの溶融ケ
イ素と石英ガラスとの間の反応のためにるつぼの内面が
浸食され、るつぼの内面に荒れが生じることが挙げられ
る。浸食が進行すると、るつぼに含まれていた気泡が溶
融ケイ素に露出され、るつぼ内面の肌荒れの原因となる
が、溶融ケイ素がこの肌荒れしたるつぼ内面に接触する
と、溶融ケイ素の湯面は、溶融ケイ素の量の減少に伴っ
て円滑に低下することができなくなる。さらに、るつぼ
内面の肌荒れにより生じた微細な突起が、石英ガラスの
結晶化の核となり、斑点状のクリストバライトを形成す
る。このようにして形成されたクリストバライトは、る
つぼから離脱して溶融ケイ素内に落ち込み、引き上げら
れる単結晶の成長に悪影響を与える。
て、結晶化が不安定になり、収率が低下する、という問
題がある。この結晶化が不安定になる理由は幾つか考え
られるが、その一つとしては、高温度のもとでの溶融ケ
イ素と石英ガラスとの間の反応のためにるつぼの内面が
浸食され、るつぼの内面に荒れが生じることが挙げられ
る。浸食が進行すると、るつぼに含まれていた気泡が溶
融ケイ素に露出され、るつぼ内面の肌荒れの原因となる
が、溶融ケイ素がこの肌荒れしたるつぼ内面に接触する
と、溶融ケイ素の湯面は、溶融ケイ素の量の減少に伴っ
て円滑に低下することができなくなる。さらに、るつぼ
内面の肌荒れにより生じた微細な突起が、石英ガラスの
結晶化の核となり、斑点状のクリストバライトを形成す
る。このようにして形成されたクリストバライトは、る
つぼから離脱して溶融ケイ素内に落ち込み、引き上げら
れる単結晶の成長に悪影響を与える。
他の問題としては、主として石英粉末の中に含まれた金
属不純物が、石英粉末の加熱溶融による石英ガラスの形
成後、内在する気泡の近傍に析出し、石英るつぼの結晶
引き上げの過程で特にその内表面近傍における析出金属
不純物がその内表面におけるクリストバライトの形成を
促進し斑点状のクリストバライトを形成することがあ
る。またるつぼの製造時に、るつぼの内表面に微小な突
起や掻き傷が形成されると、その周辺に金属不純物の析
出が起き、同様な理由で好ましくない。
属不純物が、石英粉末の加熱溶融による石英ガラスの形
成後、内在する気泡の近傍に析出し、石英るつぼの結晶
引き上げの過程で特にその内表面近傍における析出金属
不純物がその内表面におけるクリストバライトの形成を
促進し斑点状のクリストバライトを形成することがあ
る。またるつぼの製造時に、るつぼの内表面に微小な突
起や掻き傷が形成されると、その周辺に金属不純物の析
出が起き、同様な理由で好ましくない。
従来の石英るつぼにおける上述の問題を解決するため
に、特開昭59−213697号公報には、石英るつぼの内面の
うち、少なくとも溶融ケイ素に接触する部分に、約1mm
以上の厚さの透明石英ガラス層を形成することが教示さ
れている。この公開特許公報の教示によれば、この透明
石英ガラス層は、半透明石英ガラスるつぼの内面を長時
間にわたり加熱することにより形成される。この方法
は、るつぼ内面の加熱により、るつぼ内面に近接する層
内の気泡を膨張させ、破裂させて気泡の消去を行うもの
であるが、この方法では気泡の除去はほとんど不可能で
あり、得られる透明石英ガラス層は気泡含有量が十分に
低くなく、或る程度の気泡を依然として含有する点で満
足できるものではない。単結晶引き上げの最近の技術で
は、引き上げが低圧雰囲気のもとで行われるので、この
公開特許公報に開示された技術を採用すると、依然とし
てるつぼ内に含まれる気泡が低圧雰囲気のもとで膨張
し、溶融ケイ素との接触により、るつぼ表面が浸食さ
れ、肌荒れが大きくなり、従来のるつぼで経験されてい
たと同様な問題を生じる。上記公開公報には、別な方法
として、単結晶引き上げ時にシリコン湯面と接触するる
つぼ部分に、リング状の透明石英ガラスを挟み込み、溶
着することが教示されている。しかし、この方法は製造
が面例であるだけでなく、るつぼ内面がリング状の透明
石英ガラスと他の部分との接合部で十分に滑らかでな
く、かつ強度低下の問題も生じる。
に、特開昭59−213697号公報には、石英るつぼの内面の
うち、少なくとも溶融ケイ素に接触する部分に、約1mm
以上の厚さの透明石英ガラス層を形成することが教示さ
れている。この公開特許公報の教示によれば、この透明
石英ガラス層は、半透明石英ガラスるつぼの内面を長時
間にわたり加熱することにより形成される。この方法
は、るつぼ内面の加熱により、るつぼ内面に近接する層
内の気泡を膨張させ、破裂させて気泡の消去を行うもの
であるが、この方法では気泡の除去はほとんど不可能で
あり、得られる透明石英ガラス層は気泡含有量が十分に
低くなく、或る程度の気泡を依然として含有する点で満
足できるものではない。単結晶引き上げの最近の技術で
は、引き上げが低圧雰囲気のもとで行われるので、この
公開特許公報に開示された技術を採用すると、依然とし
てるつぼ内に含まれる気泡が低圧雰囲気のもとで膨張
し、溶融ケイ素との接触により、るつぼ表面が浸食さ
れ、肌荒れが大きくなり、従来のるつぼで経験されてい
たと同様な問題を生じる。上記公開公報には、別な方法
として、単結晶引き上げ時にシリコン湯面と接触するる
つぼ部分に、リング状の透明石英ガラスを挟み込み、溶
着することが教示されている。しかし、この方法は製造
が面例であるだけでなく、るつぼ内面がリング状の透明
石英ガラスと他の部分との接合部で十分に滑らかでな
く、かつ強度低下の問題も生じる。
米国特許第4,528,163号明細書は、るつぼ基体を外層と
内層との2層に形成し、外層を天然石英の粉末により、
内層を人造石英の粉末によりそれぞれ形成することを教
示する。この米国特許の教示によれば、このようにして
形成したるつぼ基体の内面を加熱して、非結晶質の滑ら
かな薄い内面を形成する。しかし、前述の公開特許公報
により形成されたるつぼの場合と同様に、この米国特許
の教示に基づいて形成された非結晶質の層も多量の気泡
や空洞を含むもので、満足に使用できるものではない。
内層との2層に形成し、外層を天然石英の粉末により、
内層を人造石英の粉末によりそれぞれ形成することを教
示する。この米国特許の教示によれば、このようにして
形成したるつぼ基体の内面を加熱して、非結晶質の滑ら
かな薄い内面を形成する。しかし、前述の公開特許公報
により形成されたるつぼの場合と同様に、この米国特許
の教示に基づいて形成された非結晶質の層も多量の気泡
や空洞を含むもので、満足に使用できるものではない。
米国特許第4,416,680号明細書および同第4,632,686号明
細書は、石英るつぼを加熱しながら外側から負圧を作用
させて気泡含有量を減少させることを教示している。し
かし、気泡は石英ガラスの層を通過する過程で大きな抵
抗を受けるので、この米国特許に教示された方法では気
泡含有量を低くすることが最も望まれる内面層の気泡含
有量を十分に低下させることができない。
細書は、石英るつぼを加熱しながら外側から負圧を作用
させて気泡含有量を減少させることを教示している。し
かし、気泡は石英ガラスの層を通過する過程で大きな抵
抗を受けるので、この米国特許に教示された方法では気
泡含有量を低くすることが最も望まれる内面層の気泡含
有量を十分に低下させることができない。
さらに、単結晶引き上げ工程では、工程の安定化だけで
なく、るつぼから単結晶に与えられる酸素の量を正確に
制御することも重要であるが、従来の方法により製造さ
れた石英るつぼは、内面が十分に均一でなく、るつぼに
多量の気泡が含まれることから、引き上げ工程中に内面
の荒れを生じるので、るつぼから溶融ケイ素内に溶け込
む石英の量が不安定になり、酸素量を正確に制御するこ
とが困難になる。
なく、るつぼから単結晶に与えられる酸素の量を正確に
制御することも重要であるが、従来の方法により製造さ
れた石英るつぼは、内面が十分に均一でなく、るつぼに
多量の気泡が含まれることから、引き上げ工程中に内面
の荒れを生じるので、るつぼから溶融ケイ素内に溶け込
む石英の量が不安定になり、酸素量を正確に制御するこ
とが困難になる。
従来の半透明るつぼを使用する単結晶引き上げにおいて
遭遇する他の問題は、るつぼ壁に存在する気泡により、
透明るつぼに比べて熱の分布が一様になるのではある
が、その気泡の大きさ及び分布が適正でないために、外
部加熱源からの熱の伝達が均一でなくなることである。
その結果、単結晶の引き上げが不安定になる。
遭遇する他の問題は、るつぼ壁に存在する気泡により、
透明るつぼに比べて熱の分布が一様になるのではある
が、その気泡の大きさ及び分布が適正でないために、外
部加熱源からの熱の伝達が均一でなくなることである。
その結果、単結晶の引き上げが不安定になる。
その他にも、従来の石英るつぼでは、引き上げ工程中に
るつぼが長時間高温に曝されたとき、該るつぼに変形を
生じる、という問題がある。この問題は、前述したいず
れの公知技術によっても解消できない。
るつぼが長時間高温に曝されたとき、該るつぼに変形を
生じる、という問題がある。この問題は、前述したいず
れの公知技術によっても解消できない。
したがって、本発明は、単結晶引き上げに使用される石
英るつぼの改良された構造を提供することを解決すべき
課題とする。
英るつぼの改良された構造を提供することを解決すべき
課題とする。
もっと詳細に述べると、本発明が解決しようとする課題
の一つは、熱の伝達が均一に行われ、しかも単結晶引き
上げに際しても内壁面の肌荒れが極めて少なく、安定し
た単結晶引き上げを行うことができる石英るつぼを提供
することである。
の一つは、熱の伝達が均一に行われ、しかも単結晶引き
上げに際しても内壁面の肌荒れが極めて少なく、安定し
た単結晶引き上げを行うことができる石英るつぼを提供
することである。
上記課題を解決するため、本発明においては、石英るつ
ぼを外層と内層とから構成する。外層は気泡を含む半透
明石英ガラス層であり、その気泡は、直径10ないし250
μmで、1cm3あたり20,000個以上70,000個以下の範囲で
含まれる。内層は実質的に無気泡で、るつぼの内面とな
る表面が平滑である。この内層は、0.3mm以上の厚さで
形成される。そして、外層と内層とは、一体融合的に接
合されている。
ぼを外層と内層とから構成する。外層は気泡を含む半透
明石英ガラス層であり、その気泡は、直径10ないし250
μmで、1cm3あたり20,000個以上70,000個以下の範囲で
含まれる。内層は実質的に無気泡で、るつぼの内面とな
る表面が平滑である。この内層は、0.3mm以上の厚さで
形成される。そして、外層と内層とは、一体融合的に接
合されている。
本発明の好ましい態様においては、気泡は半透明石英ガ
ラス層の厚さ方向の60%以上の部分で40,000ないし70,0
00個含まれる。
ラス層の厚さ方向の60%以上の部分で40,000ないし70,0
00個含まれる。
本発明において、るつぼが実質的に無気泡である、とい
うことは、肉眼で観察できる大きさの気泡は一切含まな
いことは勿論であるが、肉眼で観察できない気泡でも、
直径20μmより大きい気泡の含有量は、平均値で1cm2当
たり5個以下である。なお直径20μmより小さい気泡
は、光の散乱によっても測定が困難である。
うことは、肉眼で観察できる大きさの気泡は一切含まな
いことは勿論であるが、肉眼で観察できない気泡でも、
直径20μmより大きい気泡の含有量は、平均値で1cm2当
たり5個以下である。なお直径20μmより小さい気泡
は、光の散乱によっても測定が困難である。
通常の透明石英ガラスるつぼは、肉眼で観察できる大き
さの100μmの気泡をある程度含有し、かつ肉眼で観察
できないが、光の散乱による観察で検出できる微細な気
泡を大量に含んでいる。本発明の石英るつぼは、このよ
うな通常の半導体単結晶の引き上げに使用される透明石
英ガラスるつぼに比べて、含有する気泡が極めて少ない
点に特徴がある。
さの100μmの気泡をある程度含有し、かつ肉眼で観察
できないが、光の散乱による観察で検出できる微細な気
泡を大量に含んでいる。本発明の石英るつぼは、このよ
うな通常の半導体単結晶の引き上げに使用される透明石
英ガラスるつぼに比べて、含有する気泡が極めて少ない
点に特徴がある。
従来の半透明石英るつぼにおいては、気泡含有量は、1c
m3あたり1万個から数万個まで広い範囲のばらつきを示
していた。このために、るつぼ壁における熱の伝達が均
一でなくなり、シリコン単結晶の引き上げ工程が不安定
になっていた。本発明においては、外層の構造を直径10
〜250μmの気泡を1cm3あたり20,000個以上含む半透明
石英ガラス層とすることにより、電熱ヒータ部及びるつ
ぼを支えるカーボンサセプターの構造により石英るつぼ
内壁面への熱の不均一伝達という問題点が解消され、結
果として、熱の伝達が従来の半透明るつぼに比べて飛躍
的に均一化される。また、内層は実質的に無気泡で、内
面が平滑であるので、シリコン単結晶の引き上げによっ
ても肌荒れを生じることがなく、単結晶引き上げを安定
して行うことができる。
m3あたり1万個から数万個まで広い範囲のばらつきを示
していた。このために、るつぼ壁における熱の伝達が均
一でなくなり、シリコン単結晶の引き上げ工程が不安定
になっていた。本発明においては、外層の構造を直径10
〜250μmの気泡を1cm3あたり20,000個以上含む半透明
石英ガラス層とすることにより、電熱ヒータ部及びるつ
ぼを支えるカーボンサセプターの構造により石英るつぼ
内壁面への熱の不均一伝達という問題点が解消され、結
果として、熱の伝達が従来の半透明るつぼに比べて飛躍
的に均一化される。また、内層は実質的に無気泡で、内
面が平滑であるので、シリコン単結晶の引き上げによっ
ても肌荒れを生じることがなく、単結晶引き上げを安定
して行うことができる。
以下、本発明の実施例について説明する。
第1図において、本発明の石英るつぼ1は、外側の半透
明石英ガラス層2と、この層の内表面に実質的に無気泡
の完全溶融層を連続的に成長せしめ一体融合的に形成さ
れた薄い透明石英ガラス層3とからなる。半透明石英ガ
ラス層2内には、直径10〜250μmの多数の気泡4が1cm
3当たり20,000個以上、好ましくはその円筒部の当該半
透明ガラス層2の厚さ方向の60%以上の部分で1cm3当た
り40,000〜70,000個の存在密度で分布している。
明石英ガラス層2と、この層の内表面に実質的に無気泡
の完全溶融層を連続的に成長せしめ一体融合的に形成さ
れた薄い透明石英ガラス層3とからなる。半透明石英ガ
ラス層2内には、直径10〜250μmの多数の気泡4が1cm
3当たり20,000個以上、好ましくはその円筒部の当該半
透明ガラス層2の厚さ方向の60%以上の部分で1cm3当た
り40,000〜70,000個の存在密度で分布している。
このような半透明石英ガラス層2における多数の気泡4
の存在により、外部ヒーターからのるつぼ内面への熱エ
ネルギーの伝達が均一となり、熱源のむら、あるいはる
つぼの肉厚のバラツキによりるつぼ内壁面に生じる温度
むらを低減することができる。
の存在により、外部ヒーターからのるつぼ内面への熱エ
ネルギーの伝達が均一となり、熱源のむら、あるいはる
つぼの肉厚のバラツキによりるつぼ内壁面に生じる温度
むらを低減することができる。
この結果、単結晶引き上げ時において、原料多結晶溶液
が、るつぼに内面全域において一定した熱履歴を受け、
単結晶引き上げが極めて安定して行われる。
が、るつぼに内面全域において一定した熱履歴を受け、
単結晶引き上げが極めて安定して行われる。
半透明石英ガラス層2中の気泡4の数が上述の範囲を外
れた場合、すなわち気泡の数が少なすぎる場合は、熱の
拡散が不充分となり、るつぼ1の内壁面に温度むらを生
ずる。気泡4の数に特に上限はないが、気泡が多くなり
すぎるとガラス自体の強度の低下をもたらすばかりでな
く、高温下での気泡同志の融着による巨大の気泡の発生
等の不都合を生ずることがあるので、気泡の数はこの点
で制限がある。最大値が1cm3当り70,000個の場合におい
て、上記不具合がなく、且つ本発明の目的を達成するこ
とが可能である。
れた場合、すなわち気泡の数が少なすぎる場合は、熱の
拡散が不充分となり、るつぼ1の内壁面に温度むらを生
ずる。気泡4の数に特に上限はないが、気泡が多くなり
すぎるとガラス自体の強度の低下をもたらすばかりでな
く、高温下での気泡同志の融着による巨大の気泡の発生
等の不都合を生ずることがあるので、気泡の数はこの点
で制限がある。最大値が1cm3当り70,000個の場合におい
て、上記不具合がなく、且つ本発明の目的を達成するこ
とが可能である。
透明石英ガラス層3における実質的に無気泡であるとい
う基準は、前述したとおり、通常の石英ガラスるつぼ例
えば特開昭59−213697号公報に開示の石英るつぼにおけ
る透明石英ガラス層に比べて、その含有する気泡が極め
て少ないということである。通常の半導体用石英ガラス
るつぼは、肉眼で観察しうる大きさの100μm〜1mmの気
泡をある程度含み、肉眼では観察できないが、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、倍率30倍の顕微鏡の視野約8mm2の範囲
で、6個の未使用の石英るつぼを各るつぼにつき側壁表
面4ケ所、底部1ケ所の計5ケ所で総計30ケ所について
観察した結果、直径20μm以上の気泡が2ないし3ケ所
でわずかに認められる程度である。その1例として、こ
の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/8mm2(1cm2に換算すると約1.6個/c
m2)であり、極めて気泡の少ない均質性の高い層となっ
ている。
う基準は、前述したとおり、通常の石英ガラスるつぼ例
えば特開昭59−213697号公報に開示の石英るつぼにおけ
る透明石英ガラス層に比べて、その含有する気泡が極め
て少ないということである。通常の半導体用石英ガラス
るつぼは、肉眼で観察しうる大きさの100μm〜1mmの気
泡をある程度含み、肉眼では観察できないが、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、倍率30倍の顕微鏡の視野約8mm2の範囲
で、6個の未使用の石英るつぼを各るつぼにつき側壁表
面4ケ所、底部1ケ所の計5ケ所で総計30ケ所について
観察した結果、直径20μm以上の気泡が2ないし3ケ所
でわずかに認められる程度である。その1例として、こ
の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/8mm2(1cm2に換算すると約1.6個/c
m2)であり、極めて気泡の少ない均質性の高い層となっ
ている。
この透明石英ガラス層としては、上記の通りガラスの組
織的にも極めて均質な物が使用されている。この透明石
英ガラス層の存在によりシリコン融液との接触界面にお
いて、るつぼ内表面が反応によって侵食された場合に
も、透明層自体が活性中心や反応を促進しうる構造的な
要因を持っていない為、均一かつ遅い反応しか起こら
ず、クリストバライトが僅かしか生じないで新たに生成
する表面の平滑性を維持しており、常に安定したシリコ
ン融液とるつぼの界面を得ることが可能である。この
為、長時間に亙る引き上げでも安定した品質を保証する
ことができる。この重要な意味を持つ透明石英ガラス層
はるつぼの使用が完全に終了するまで必要であり、この
ためには少なくとも0.3mm、実際には0.8〜1mm以上であ
ることが望ましい。又、るつぼの各部分においてはシリ
コン融液と接触する時間が異なるので、例えば、円筒部
の上の方は薄く底へ向かって厚さが増すなどこれに合わ
せた透明石英ガラス層の厚さの分布を設けることも可能
である。
織的にも極めて均質な物が使用されている。この透明石
英ガラス層の存在によりシリコン融液との接触界面にお
いて、るつぼ内表面が反応によって侵食された場合に
も、透明層自体が活性中心や反応を促進しうる構造的な
要因を持っていない為、均一かつ遅い反応しか起こら
ず、クリストバライトが僅かしか生じないで新たに生成
する表面の平滑性を維持しており、常に安定したシリコ
ン融液とるつぼの界面を得ることが可能である。この
為、長時間に亙る引き上げでも安定した品質を保証する
ことができる。この重要な意味を持つ透明石英ガラス層
はるつぼの使用が完全に終了するまで必要であり、この
ためには少なくとも0.3mm、実際には0.8〜1mm以上であ
ることが望ましい。又、るつぼの各部分においてはシリ
コン融液と接触する時間が異なるので、例えば、円筒部
の上の方は薄く底へ向かって厚さが増すなどこれに合わ
せた透明石英ガラス層の厚さの分布を設けることも可能
である。
半透明石英ガラス層2中には、結晶質石英成分が混在す
ることが好ましい。この結晶質石英成分は、半透明石英
ガラス層中の外表面近傍に偏在するようにすることが、
さらに好ましい。
ることが好ましい。この結晶質石英成分は、半透明石英
ガラス層中の外表面近傍に偏在するようにすることが、
さらに好ましい。
結晶質石英成分は、半透明石英ガラス層2中に粒子状に
分散して存在し、これによってるつぼの使用時、例えば
シリコンの融点である1450℃近辺での耐変形性が大幅に
向上する。もし、るつぼとこれを支えるカーボンサセプ
ターとの間に隙間が有った場合でもるつぼ内に装入され
た原料シリコンの荷重によってるつぼが変形するという
ことがなくなる。
分散して存在し、これによってるつぼの使用時、例えば
シリコンの融点である1450℃近辺での耐変形性が大幅に
向上する。もし、るつぼとこれを支えるカーボンサセプ
ターとの間に隙間が有った場合でもるつぼ内に装入され
た原料シリコンの荷重によってるつぼが変形するという
ことがなくなる。
1450℃のような高温でるつぼを長時間使用していると
き、るつぼに局部的な変形やゆがみがもたらされると、
その変形部分でるつぼ内面への熱エネルギーの伝達が他
の部分と異なってくる。そのため、原料融液はるつぼ内
面の部分で異なった熱履歴を受けることとなり、その結
果融液の対流に乱れを生じ、単結晶引き上げが不安定に
なる。また、るつぼの変形自体単結晶引き上げに支障を
与える。本発明によるるつぼでは、このような変形に伴
なう問題を大巾に軽減することができる。
き、るつぼに局部的な変形やゆがみがもたらされると、
その変形部分でるつぼ内面への熱エネルギーの伝達が他
の部分と異なってくる。そのため、原料融液はるつぼ内
面の部分で異なった熱履歴を受けることとなり、その結
果融液の対流に乱れを生じ、単結晶引き上げが不安定に
なる。また、るつぼの変形自体単結晶引き上げに支障を
与える。本発明によるるつぼでは、このような変形に伴
なう問題を大巾に軽減することができる。
次に本発明の半石英るつぼを製造する一例を以下に説明
する。まず、使用する原料粉としては天然水晶等の精製
された粉体が使用される。この粉体を回転しているるつ
ぼ製造用型内に供給し、遠心力によって所定の厚さに層
を形成した後、内側からアーク放電等の手段によって溶
融を開始する。この段階で、半透明石英ガラス層2が形
成されるが、この時、溶融条件を制御して形成した粉体
層全体をガラス化することなく、又、必要に応じて型の
外部を冷却することによって余分な熱を奪い前記半透明
石英ガラス層2の外表面近傍に結晶質石英成分を残留さ
せることが可能である。
する。まず、使用する原料粉としては天然水晶等の精製
された粉体が使用される。この粉体を回転しているるつ
ぼ製造用型内に供給し、遠心力によって所定の厚さに層
を形成した後、内側からアーク放電等の手段によって溶
融を開始する。この段階で、半透明石英ガラス層2が形
成されるが、この時、溶融条件を制御して形成した粉体
層全体をガラス化することなく、又、必要に応じて型の
外部を冷却することによって余分な熱を奪い前記半透明
石英ガラス層2の外表面近傍に結晶質石英成分を残留さ
せることが可能である。
本発明に於いては、気泡の大きさ及び存在密度が前述の
範囲、すなわち直径10ないし250μmの気泡が20,000個/
cm3以上の密度で含まれることが必要である。できれ
ば、半透明石英ガラス層の厚さ方向の60%以上の部分で
40,000ないし70,000個/cm3の範囲で気泡を含むことが望
ましいが、これは原料粉として結晶水を含まない結晶質
石英の粉体を使用し、その粒度分布を300ないし100μm
の範囲に制御して、加熱溶融条件を制御することによっ
て達成できる。
範囲、すなわち直径10ないし250μmの気泡が20,000個/
cm3以上の密度で含まれることが必要である。できれ
ば、半透明石英ガラス層の厚さ方向の60%以上の部分で
40,000ないし70,000個/cm3の範囲で気泡を含むことが望
ましいが、これは原料粉として結晶水を含まない結晶質
石英の粉体を使用し、その粒度分布を300ないし100μm
の範囲に制御して、加熱溶融条件を制御することによっ
て達成できる。
本発明における半透明石英ガラスるつぼ内表面の透明石
英ガラス層は、粉体の追加溶融によって一体融合的に形
成することができる。この様にして形成された透明層
は、気泡の痕跡も存在しない為減圧下で膨張することも
無い。特に水晶粉末を回転金型内に供給して遠心力によ
って型の壁に外壁石英粉末層の予備成形体を作り、次い
で石英粉末をアーク放電等の高温ガス雰囲気中を通過さ
せて半溶融状態の粉末を放電エネルギーによって外壁石
英粉末層の内面に連続的に付着せしめ実質的に無気泡の
完全溶融層を設層すれば、外壁石英粉末層とその内面の
透明層とが同時溶融により付着し合うので所望の厚さを
有する無気泡の透明石英ガラス層がしっかりと半透明石
英ガラス層上に形成される。
英ガラス層は、粉体の追加溶融によって一体融合的に形
成することができる。この様にして形成された透明層
は、気泡の痕跡も存在しない為減圧下で膨張することも
無い。特に水晶粉末を回転金型内に供給して遠心力によ
って型の壁に外壁石英粉末層の予備成形体を作り、次い
で石英粉末をアーク放電等の高温ガス雰囲気中を通過さ
せて半溶融状態の粉末を放電エネルギーによって外壁石
英粉末層の内面に連続的に付着せしめ実質的に無気泡の
完全溶融層を設層すれば、外壁石英粉末層とその内面の
透明層とが同時溶融により付着し合うので所望の厚さを
有する無気泡の透明石英ガラス層がしっかりと半透明石
英ガラス層上に形成される。
実施例 次に本発明の実施例について説明する。
先ず、前述の方法により、原料粉体を調製して、直径14
インチの本発明の石英るつぼを作製し本発明試料1、2
とした。
インチの本発明の石英るつぼを作製し本発明試料1、2
とした。
また、比較のため直径14インチの半透明石英るつぼを作
製し比較試料1、2、3とした。
製し比較試料1、2、3とした。
この比較試料としての半透明石英るつぼは、本発明の内
表面の透明層の形成を行なわず、また半透明ガラス層2
の外表面に結晶性石英粉を残留させない条件を除いて、
本発明試料を使用する石英粉末ならびに製造方法は全く
同じである。
表面の透明層の形成を行なわず、また半透明ガラス層2
の外表面に結晶性石英粉を残留させない条件を除いて、
本発明試料を使用する石英粉末ならびに製造方法は全く
同じである。
これらの石英るつぼの気泡直径、気泡存在密度および半
透明石英ガラス層中の結晶質石英成分の有無を表1示
す。
透明石英ガラス層中の結晶質石英成分の有無を表1示
す。
また、石英るつぼの外表面および厚さ方向に1mm研削し
た箇所のX線回折の結果を第2図に示す。
た箇所のX線回折の結果を第2図に示す。
上記の試料について、以下の実験を行なった。
(実施例1) 気泡の存在の効果を調べるため、通常の単結晶引き上げ
装置は本発明試料1、2、3、比較試料1、2の各るつ
ぼをセットし、空焼きを行ってるつぼ内面の温度のバラ
ツキを調べた。
装置は本発明試料1、2、3、比較試料1、2の各るつ
ぼをセットし、空焼きを行ってるつぼ内面の温度のバラ
ツキを調べた。
その結果、設定温度に対して、本発明試料1及び2では
±3℃、本発明試料2では±5℃の範囲に入っていたの
に対し、比較試料1では±10℃、比較試料2では±13℃
のバラツキがみられた。これにより、本発明のるつぼは
全体的に均一に加熱され、すなわち均一な熱伝達が行な
われることが判る。
±3℃、本発明試料2では±5℃の範囲に入っていたの
に対し、比較試料1では±10℃、比較試料2では±13℃
のバラツキがみられた。これにより、本発明のるつぼは
全体的に均一に加熱され、すなわち均一な熱伝達が行な
われることが判る。
特に、比較試料2では、その温度変化は、他の3試料が
緩やかな曲線状に連続的な変化を示したのと対照的に、
急激な温度変化がみられた。これは、比較試料2の気泡
密度が13,000個/cm3から60,000個/cm3の範囲で大きなバ
ラツキがあり、熱伝達が均一に行なわれていないからで
ある。
緩やかな曲線状に連続的な変化を示したのと対照的に、
急激な温度変化がみられた。これは、比較試料2の気泡
密度が13,000個/cm3から60,000個/cm3の範囲で大きなバ
ラツキがあり、熱伝達が均一に行なわれていないからで
ある。
(実施例2) 半透明石英ガラス層中の結晶質石英成分の効果を調べる
ため、本発明試料1、2および比較試料1、2について
耐熱性の比較を行った。この比較試料は、るつぼを円筒
部と底部の変曲部分で10mmの隙間ができるカーボンサセ
プターに入れ、るつぼ内に10kgの多結晶シリコンを入れ
1450℃で溶解し20時間保持した。
ため、本発明試料1、2および比較試料1、2について
耐熱性の比較を行った。この比較試料は、るつぼを円筒
部と底部の変曲部分で10mmの隙間ができるカーボンサセ
プターに入れ、るつぼ内に10kgの多結晶シリコンを入れ
1450℃で溶解し20時間保持した。
その結果、本発明試料1および2は変形が小さく、るつ
ぼとカーボンサセプターとの間の隙間は、それぞれ8mm
および7mmになっただけであるが、比較試料1および2
は底部の変形が大きく、前記隙間が2mmおよび1mmとな
り、大きく変形した。
ぼとカーボンサセプターとの間の隙間は、それぞれ8mm
および7mmになっただけであるが、比較試料1および2
は底部の変形が大きく、前記隙間が2mmおよび1mmとな
り、大きく変形した。
また、本発明試料1、2、比較試料1、2について、る
つぼ外径を150mmとなるように作製し、これらを輪切り
にして長さ2cmの管状とし、電気炉内に壁面を下にして
立て、1300℃で18時間加熱して、管の直径の変化を調べ
た結果、比較試料1および2はつぶれて直径が約30mmお
よび約35mm変化したが、本発明試料1では約7mm、本発
明試料2では約8mm小さくなったのみであり、結晶質石
英成分はるつぼの強度を著しく増大させることが判る。
つぼ外径を150mmとなるように作製し、これらを輪切り
にして長さ2cmの管状とし、電気炉内に壁面を下にして
立て、1300℃で18時間加熱して、管の直径の変化を調べ
た結果、比較試料1および2はつぶれて直径が約30mmお
よび約35mm変化したが、本発明試料1では約7mm、本発
明試料2では約8mm小さくなったのみであり、結晶質石
英成分はるつぼの強度を著しく増大させることが判る。
(実施例3) 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るつぼ内表面の表面粗さの変化を測
定した。すなわち、本発明試料1および比較試料1を使
用して50時間の単結晶成長を行った後のるつぼの内表面
の粗さを測定した。
結晶引き上げによるるつぼ内表面の表面粗さの変化を測
定した。すなわち、本発明試料1および比較試料1を使
用して50時間の単結晶成長を行った後のるつぼの内表面
の粗さを測定した。
測定は触針式表面粗さ計((株)小坂研究所製)で行っ
た。第3図には、使用前の本発明料1の表面粗さ、第4
図には、単結晶成長を行った後の本発明試料1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1の
表面粗さの測定結果を示す。
た。第3図には、使用前の本発明料1の表面粗さ、第4
図には、単結晶成長を行った後の本発明試料1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1の
表面粗さの測定結果を示す。
各図から明らかなように、本発明の石英ガラスるつぼは
使用後においても最大粗さ29μmとかなり平滑な内表面
を維持しているが、従来のるつぼではその粗さが本発明
るつぼの約3倍になり、これによって本発明のるつぼに
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。
使用後においても最大粗さ29μmとかなり平滑な内表面
を維持しているが、従来のるつぼではその粗さが本発明
るつぼの約3倍になり、これによって本発明のるつぼに
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、結晶成長終了後のるつぼ内表面の点失透の状態を
第6A図および第6B図に示す。
第6A図および第6B図に示す。
第6A図は本発明試料1の内表面、第6B図は比較試料1の
内表面を示すものである。これによれば、装置のるつぼ
の内表面には、クリストバライトの発生が従来のものに
比較して著しく少なくなることが判る。すなわち、本発
明の石英るつぼ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。
内表面を示すものである。これによれば、装置のるつぼ
の内表面には、クリストバライトの発生が従来のものに
比較して著しく少なくなることが判る。すなわち、本発
明の石英るつぼ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。
(実施例4) 次に本発明の石英るつぼを使用した場合のシリコン単結
晶製造の成績を示す。
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)で直径15
0mm、長さ70cmの単結晶インゴットを各るつぼで2本ず
つ連続して製造した。
0mm、長さ70cmの単結晶インゴットを各るつぼで2本ず
つ連続して製造した。
製造した単結晶インゴットについて、その単結晶化率の
平均値を求めた。その結果を表2に示す。
平均値を求めた。その結果を表2に示す。
表2に示される結果より、本発明のるつぼは常に安定し
た単結晶製造をもたらすことが明らかである。
た単結晶製造をもたらすことが明らかである。
次に上記のシリコン単結晶の引き上げに用いた、本発明
の石英るつぼおよび従来の石英るつぼの内表面から厚さ
方向0.3mmまでの内層部についての直径20μm以上の気
泡数を表3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。
の石英るつぼおよび従来の石英るつぼの内表面から厚さ
方向0.3mmまでの内層部についての直径20μm以上の気
泡数を表3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。
ここで注意を要するのは、石英るつぼは約1450℃の高温
で長時間、しかも減圧状態で加熱されているため、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
が石英ガラスの軟化のために膨張し、観察が容易になる
ことである。すなわち、石英るつぼ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
英るつぼ製造が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3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るつぼは、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、従来法による石英るつぼは、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がシリコン単結晶の引き上げ時に気
泡が膨張し、これらが相互に融合して粗大化し、このた
め、シリコン単結晶の引き上げ後の石英るつぼ内表面に
明瞭な気泡の密集状態がみられる(表3および第8A図、
第8B図)。
で長時間、しかも減圧状態で加熱されているため、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
が石英ガラスの軟化のために膨張し、観察が容易になる
ことである。すなわち、石英るつぼ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
英るつぼ製造が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3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るつぼは、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、従来法による石英るつぼは、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がシリコン単結晶の引き上げ時に気
泡が膨張し、これらが相互に融合して粗大化し、このた
め、シリコン単結晶の引き上げ後の石英るつぼ内表面に
明瞭な気泡の密集状態がみられる(表3および第8A図、
第8B図)。
本発明の石英るつぼによれば、単結晶引き上げ時に、外
部ヒーターからの熱エネルギーをるつぼ内面全域に均一
に伝達できるとともに、るつぼ内表面の部分的な侵食に
よる表面粗さの発生がきわめて小さくなる。このため、
複数回の単結晶引き上げを行なっても、従来のるつぼに
比べ高い単結晶化率を維持できる。また、半透明石英ガ
ラス層中に結晶質石英成分を存在せしめればるつぼの耐
熱強度を著しく増大させることができる。さらに、大気
圧下での単結晶引き上げはもちろんのこと、減圧下での
単結晶引き上げでも安定した高い単結晶化率を維持する
ことができる。
部ヒーターからの熱エネルギーをるつぼ内面全域に均一
に伝達できるとともに、るつぼ内表面の部分的な侵食に
よる表面粗さの発生がきわめて小さくなる。このため、
複数回の単結晶引き上げを行なっても、従来のるつぼに
比べ高い単結晶化率を維持できる。また、半透明石英ガ
ラス層中に結晶質石英成分を存在せしめればるつぼの耐
熱強度を著しく増大させることができる。さらに、大気
圧下での単結晶引き上げはもちろんのこと、減圧下での
単結晶引き上げでも安定した高い単結晶化率を維持する
ことができる。
第1図は本発明の石英るつぼの断面図、第2図は単結晶
成長前の石英るつぼのX線回折の結果を示す図面であ
り、第2A図は本発明のるつぼの外表面、第2B図は本発明
のるつぼの外表を1mm研削した面、第2C図は従来のるつ
ぼの外表面、第2D図は従来のるつぼの外表を1mm研削し
た面のそれぞれのX線回折の結果を示し、第3図は本発
明の石英るつぼ単結晶成長前の内表面に粗さを示すグラ
フ、第4図は本発明の石英るつぼの単結晶成長後の内表
面の粗さを示すグラフ、第5図は従来の石英るつぼの単
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るつぼ内表面の点失透の状態を
示す図面であり、第6A図は本発明のるつぼの内表面を、
第6B図は従来のるつぼの内表面をそれぞれ示し、第7A図
および第7B図は本発明のるつぼの壁の縦断面の状態を示
す図面、第8A図および第8B図は従来のるつぼの壁の縦断
面の状態を示す図面である。 1……石英るつぼ、2……半透明石英ガラス層、3……
透明石英ガラス層、4……気泡。
成長前の石英るつぼのX線回折の結果を示す図面であ
り、第2A図は本発明のるつぼの外表面、第2B図は本発明
のるつぼの外表を1mm研削した面、第2C図は従来のるつ
ぼの外表面、第2D図は従来のるつぼの外表を1mm研削し
た面のそれぞれのX線回折の結果を示し、第3図は本発
明の石英るつぼ単結晶成長前の内表面に粗さを示すグラ
フ、第4図は本発明の石英るつぼの単結晶成長後の内表
面の粗さを示すグラフ、第5図は従来の石英るつぼの単
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るつぼ内表面の点失透の状態を
示す図面であり、第6A図は本発明のるつぼの内表面を、
第6B図は従来のるつぼの内表面をそれぞれ示し、第7A図
および第7B図は本発明のるつぼの壁の縦断面の状態を示
す図面、第8A図および第8B図は従来のるつぼの壁の縦断
面の状態を示す図面である。 1……石英るつぼ、2……半透明石英ガラス層、3……
透明石英ガラス層、4……気泡。
フロントページの続き (72)発明者 福岡 敏人 福井県武生市北府2丁目13番60号 信越石 英株式会社武生工場内 (72)発明者 松村 光男 福井県武生市北府2丁目13番60号 信越石 英株式会社武生工場内 (72)発明者 松井 宏 福井県武生市北府2丁目13番60号 信越石 英株式会社武生工場内 (72)発明者 佐藤 恭彦 福島県郡山市田村町金屋字川久保88番地 株式会社福島信越石英内 (72)発明者 青山 雅明 福島県郡山市田村町金屋字川久保88番地 株式会社福島信越石英内 (72)発明者 篠宮 英一 福島県郡山市田村町金屋字川久保88番地 株式会社福島信越石英内 (72)発明者 藤ノ木 朗 福島県郡山市田村町金屋字川久保88番地 信越石英株式会社石英技術研究所内 (56)参考文献 特開 昭59−213697(JP,A) 実開 昭62−175077(JP,U)
Claims (3)
- 【請求項1】直径10ないし250μmの気泡を1cm2当たり2
0,000個ないし70,000個含む半透明石英ガラス層と、こ
の層の内表面に一体融合的に形成された実質的に無気泡
な厚さ0.3mm以上の透明石英ガラス層とからなることを
特徴とする単結晶引き上げ用石英るつぼ。 - 【請求項2】前記透明石英ガラス層は半透明石英ガラス
層の予備成形体上に石英粉末を高温ガス雰囲気中を通し
て付着させ予備成形体と同時溶融により形成されたもの
であることを特徴とする特許請求の範囲第1項記載の単
結晶引き上げ用石英るつぼ。 - 【請求項3】前記半透明石英ガラス層中の気泡が、るつ
ぼ円筒部の半透明石英ガラス層の厚さ方向の60%以上の
部分で1cm2当たり40,000〜70,000個であることを特徴と
する特許請求の範囲第1項ないし第2項のいずれかに記
載の単結晶引き上げ用石英るつぼ。
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| JP62304625A JPH0729871B2 (ja) | 1987-12-03 | 1987-12-03 | 単結晶引き上げ用石英るつぼ |
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| DE3888797T DE3888797T2 (de) | 1987-12-03 | 1988-12-02 | Verfahren zur Herstellung eines Quarzglasgefässes für Halbleiter-Einkristallzüchtung. |
| EP19880120166 EP0319031B1 (en) | 1987-12-03 | 1988-12-02 | Manufacture of a quartz glass vessel for the growth of single crystal semiconductor |
| US07/376,136 US4956208A (en) | 1987-12-03 | 1989-07-06 | Manufacture of a quartz glass vessel for the growth of single crystal semiconductor |
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|---|---|---|---|
| JP62304625A JPH0729871B2 (ja) | 1987-12-03 | 1987-12-03 | 単結晶引き上げ用石英るつぼ |
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