JPH11278855A - シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】石英ガラスルツボ１に存在する気泡の膨脹抑制
し、高単結晶化率が得られる石英ガラスルツボおよびそ
の製造方法を提供する。 【解決手段】石英ガラスルツボ１の透明層３には不透明
層５の破壊強度の２分の１の圧縮応力を存在させる。

Description

【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引上
げ用石英ガラスルツボおよびその製造方法に係わり、特
にシリコン単結晶引上げの高歩留りが得られる石英ガラ
スルツボおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの基板に用いられるシリ
コン単結晶は、一般にチョクラルスキー法（ＣＺ法）で
製造されており、このＣＺ法は石英ガラスルツボ内に多
結晶シリコン原料を装填し、装填されたシリコン原料を
周囲から加熱して溶融し、上方から吊り下げた種結晶を
シリコン融液に接触してから引き上げるものである。

【０００３】従来よりＣＺ法用ルツボとして、内面側に
透明層を有し、この透明層の外周に不透明層を有する２
層の石英ガラスルツボが用いられている。

【０００４】不透明層には直径１０〜２５０μｍの気泡
が８０００〜１２０００個／ｃｍ３程度存在するので、
見掛上不透明となっており、この不透明層はルツボ外周
に配置されたヒータからの熱をルツボ中のシリコン融液
に均一に伝達する役目をなす。

【０００５】一方、透明層はこの層中の気泡を皆無にす
る努力が従来よりなされているが、現段階では、完全に
なくすることは達成できておらず、０．０５〜０．５容
積％程度の気泡が残存してしまうのが現状である。

【０００６】例えば顕微鏡での観察では気泡が確認され
ないものであったとしても、気泡核となるものが存在
し、シリコン単結晶の引上げを行い石英ルツボに熱が加
わると、この気泡核から気泡が形成され、内面側の透明
層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込まれ、結晶転
位による結晶欠陥（有転位化）の原因となり、単結晶化
率（ＤＦ率）を低下させる要因となり問題があった。

【０００７】上述のようにＣＺ法によるシリコン単結晶
引上げ歩留りは、石英ガラスルツボの品質によって大き
な影響を受け、特に石英ガラスルツボの内表面の気泡の
存在に影響を受けている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】そこでＤＦ率を低下さ
せず単結晶引き上げの高歩留まりが得られる石英ガラス
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。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
になされた本願請求項１の発明は、内面側に透明層を有
し、この透明層の外周に多数の気泡が存在する不透明層
を有する２層で形成された石英ガラスルツボにおいて、
前記透明層に前記不透明層の破壊強度の３０〜５０％の
圧縮応力を持たせたことを特徴とするシリコン単結晶引
上げ用石英ガラスルツボであることを要旨としている。

【００１０】本願請求項２の発明は上記不透明層の破壊
強度が３２〜３８ＭＰａであることを特徴とする請求項
１に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボで
あることを要旨としている。

【００１１】本願請求項３の発明は上記透明層の厚さが
少なくとも１ｍｍであり、この透明層の厚さが不透明層
の厚さの６０％以下であることを特徴とする請求項１に
記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボである
ことを要旨としている。

【００１２】本願請求項４の発明は石英粉がルツボ状体
に充填されたルツボ成形型を用意し、前記ルツボ状体の
内面側から前記石英粉を加熱するシリコン単結晶引上げ
用石英ガラスルツボの製造方法において、前記ルツボ成
形用型の加熱後石英ガラスルツボの内面側と外面側とで
冷却条件を変えることを特徴とするシリコン単結晶引上
げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨とし
ている。

【００１３】本願請求項５の発明は上記石英粉の加熱終
了後、石英ガラスルツボの内面側領域に不活性ガスを流
入させ、内面側から強制冷却することを特徴とする請求
項４に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボ
の製造方法であることを要旨としている。

【００１４】本願請求項６の発明は上記不活性ガスの流
入速度が１００〜３００リットル／分であり、かつ上記
強制冷却時間が５〜１０分間であり、その後放冷するこ
とを特徴とする請求項５に記載のシリコン単結晶引上げ
用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨として
いる。

【００１５】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わる石英ガラス
ルツボの実施の形態およびその製造方法について添付図
面に基づき説明する。

【００１６】図１は本発明に係わる石英ガラスルツボ１
で、石英ガラスルツボ１の内面側２に透明層３を有し、
石英ガラスルツボ１の外面側４に気泡が存在する不透明
層５を有する２層で形成されている。

【００１７】不透明層５は、直径１０〜２５０μｍの気
泡が８０００〜１２０００個／ｃｍ３程度存在し見掛上
不透明で、３２〜３８ＭＰａの破壊強度を有する。

【００１８】透明層３は、不透明層５の破壊強度の３０
〜５０％の圧縮応力を持ち、実質上０．０５〜０．５容
積％程度の気泡を含み、顕微鏡で観察で確認できない気
泡核が存在している。

【００１９】また透明層３の厚さは少なくとも１ｍｍで
あり、かつこの透明層３の厚さが不透明層５の厚さの６
０％以下である。

【００２０】上述の透明層３の圧縮圧力が、不透明層５
の破壊強度の３０％未満のときは、透明層３の気泡もし
くは気泡核から発生する気泡の膨脹と内面側２の透明層
３の溶解とともに気泡がシリコン融液中への混入を抑制
できず、かつ不透明層５の気泡が膨脹して透明層３側に
膨脹、開裂してシリコン単結晶の成長に悪影響を与え、
ＤＦ率の低下させるのを防止することができない。

【００２１】５０％を超えると単結晶引上げ時の石英ガ
ラスルツボ１にかかる熱応力や、石英ガラスルツボ１に
装填された溶融シリコン６の荷重により石英ガラスルツ
ボ１が破壊する虞がある。

【００２２】不透明層５の破壊強度が３２〜３８ＭＰａ
であることが必要なのは、石英ルツボに構造上からであ
る。

【００２３】透明層の厚さが１ｍｍ未満のときは、単結
晶引上げ中に不可避なルツボ内表面のシリコン融液によ
る溶損によって、通常の耐用上の必要厚さ１ｍｍ以上を
満さなくなるためである。透明層の厚さが不透明層の厚
さの６０％を超えるときは、透明層における３０〜５０
％の圧縮応力に対し、不透明層の保持強度が不十分なも
のとなってしまうからである。

【００２４】次に、本発明に係わる石英ガラスルツボの
製造方法について図面に基づいて説明する。

【００２５】図２に示すような製造装置７のルツボ成形
用型８は、例えば複数の貫通孔を穿設した金型、もしく
は高純化処理した多孔質カーボン型などのガス透過性部
材で構成されている内側部材９と、その外周に通気部１
０を設けて、前記内側部材９を保持する保持体１１とか
ら構成されている。

【００２６】また、保持体１１の下部には、図示しない
回転手段と連結されている回転軸１２が固着されてい
て、ルツボ成形用型８とともに回転可能なようにして支
持している。通気部１０は、保持体１１の下部に設けら
れた開口部１３を介して、回転軸１２の中央に設けられ
た排気口１４と連結されている。この通気路１２は、減
圧機構１５と連結されている。

【００２７】内側部材９に対向する上部にはアーク放電
用のカーボン電極１６が設けられている。

【００２８】従って、上記製造装置７を用いてルツボの
製造を行うには、図示しない回転駆動源を稼働して回転
軸１２を矢印の方向に回転することによってルツボ成形
用型８を高速で回転する。ルツボ成形用型８内に供給管
（図示せず）で、上部から高純度の石英粉を供給する。
供給された石英粉は、遠心力によってルツボ成形用型８
の内面側２に押圧されルツボ形状の石英充填層１７とし
て形成される。

【００２９】さらに、大気雰囲気で、減圧機構１５の作
動による減圧とほぼ同時にカーボン電極１６に通電して
石英充填層１７の内側から加熱する。

【００３０】カーボン電極１６による石英充填層１７の
加熱によって、石英充填層１７は内側から順次溶融され
るが、内面側２には極小の気泡だけの実質的に無気泡化
状態の透明層が形成され、外表側４には多数の気泡が存
在する不透明層５が形成されて２重層構造の石英ガラス
ルツボ１が製造される。

【００３１】この石英ガラスルツボ１の製造工程におい
て、石英ガラスルツボ１の透明層３に石英ガラスルツボ
の破壊強度の２分の１の圧縮応力を持たせるには、冷却
の際、内面側２を外面側４より急冷することで行われ
る。

【００３２】すなわち、次のような製造条件を設定す
る。カーボン電極１６による加熱終了直後、石英ガラス
ルツボ１の内面側２に窒素、ヘリウム、アルゴンなどの
不活性ガス例えば窒素を１００〜３００リットル／分例
えば１００リットル／分、５〜１０分例えば５分間流入
する。

【００３３】１００リットル／分・５分間未満では、十
分な圧縮強度を持たせることができず、３００リットル
／分・１０分間を超えると、圧縮強度が過大になってし
まうためである。

【００３４】上述にような製造条件で石英ガラスルツボ
１を製造することにより、透明層３に不透明層５の破壊
強度の２分の１の圧縮応力を持た石英ガラスルツボ１を
製造することができる。

【００３５】本発明に係わる石英ガラスルツボ１を用い
て、シリコン単結晶６を引き上げるには、ナゲット状ポ
リシリコンを石英ルツボ１に入れ、ヒータ１９を付勢し
て石英ルツボ１を加熱し、モータを付勢してこのモータ
に結合された回転軸２０を回転させて石英ルツボ１を回
転させる。

【００３６】一定時間が経過しナゲット状ポリシリコン
がシリコン融液６になった後、シード軸２１を下ろし、
種結晶２２をシリコン融液６の液面に接触させ、シリコ
ン単結晶１８を引き上げる。

【００３７】このとき、シリコン単結晶引上げ工程にお
いて、石英ガラスルツボ１の透明層３には大きな気泡が
存在していないので、石英ガラスルツボ１の内面側２の
透明層３の溶解とともに気泡がシリコン融液６中に混入
することもなく、ＤＦ率の低下させることもない。

【００３８】また透明層３には不透明層５の破壊強度の
２分の１の圧縮応力が存在するので、透明層３に存在す
る極小の気泡が膨脹し大きな気泡となり、上述同様に気
泡が内表側２の透明層３の溶解とともにシリコン融液６
中に混入することもない。さらに、透明層３には圧縮応
力が存在するので、不透明層５の気泡が膨脹して透明層
３側に膨脹、開裂してシリコン単結晶１８の成長に悪影
響を与えることもない。

【００３９】

【実施例】石英ガラスルツボの作製とこのルツボを用い
シリコン単結晶引上げの実機試験を行った。

【００４０】（１）試験用石英ガラスルツボの製作 天然水晶を粉砕し、精製して製作した平均粒径２３０μ
ｍ径の石英粒子を、ルツボ寸法が外径３５０ｍｍ、高さ
３００ｍｍとなる型に堆積層厚さ２０ｍｍに充填した。
充填ルツボ型の外面側から、真空ポンプを用いて３００
Ｔｏｒｒの溶融圧力となるように減圧しながら、内面側
上方に位置したカーボン電極によるアーク放電を行っ
て、石英粒子を溶融した。

【００４１】溶融層の肉厚が１２ｍｍ（透明層が約２ｍ
ｍ、不透明層が約１０ｍｍ）になるよう溶融時間を１０
〜２０分間で調節した。なお、５００Ｔｏｒｒ以下の真
空系ではバルブを設置して、溶融部の圧力を制御しなが
ら溶融した。

【００４２】アーク放電による加熱後、放電を停止し、
石英ガラスルツボ内面領域に窒素ガスを流入し、この窒
素ガスの流入速度および時間を調整し、表１に示すよう
な所定透明層厚さ、不透明層厚さ、透明層の破壊強度、
および透明層の圧縮応力を有する石英ガスルツボを製造
した（実施例４）。

【００４３】また、窒素ガスの流入速度および時間を種
々調整し、表１に示すような種々の透明層、不透明層厚
さ、不透明層の破壊強度、および透明層の圧縮応力の石
英ガスルツボを製作した（実施例１〜３および比較例１
〜３）。

【００４４】（２）破壊強度、圧縮応力測定 試料の作製 ・破壊強度用試料：上述の製造方法により製作された実
施例１〜４、比較例１〜３の石英ガラスルツボから不透
明層のみを切り出し各試料を作製した。 ・圧縮応力用試料：図４に示すような形状の試料を実施
例１〜４、比較例１〜３の石英ガラスルツボから切り出
し作製した。

【００４５】測定方法 ・不透明層の破壊強度測定はＪＩＳ規格Ｒ−１６０６
（ファインセラミックの室温および高温引張り強さ試験
法）に基づき実施した。 ・透明層の圧縮応力は上述した図４のような試料（ルツ
ボ断面）を用意し、この断面に対し手前側から直角方向
に光が照射されるように精密歪計〔東芝硝子株式会社
製、ＳＶＰ−３０−ＩＩ〕にて測定した。

【００４６】（３）実機引上試験 （１）により製作した石英ガラスルツボ実施例１〜４、
比較例１〜３を用いて、上述したシリコン単結晶引上げ
方法によりシリコン単結晶を実際に引上げを行い、ＤＦ
率を測定した。

【００４７】（４）破壊強度、圧縮応力測定および実機
引上試験結果 破壊強度、圧縮応力測定および実機引上試験結果を表１
に示す。

【００４８】

【表１】

【００４９】層厚さ、不透明層の破壊強度、透明層の圧
縮応力測定結果 実施例１〜４のＤＦ率はいずれも９４％以上で高位で、
特に実施例３では９６％、実施例４では、９７％に達し
ている。

【００５０】比較例１は透明層の厚さが７ｍｍで、不透
明層の厚さ１０ｍｍの７０％と好ましい範囲６０％を超
えており、透明層における３０〜５０％の圧縮応力に対
し、不透明層の保持強度が不十分であり、単結晶引上げ
中にルツボに破壊が生じ、引上げを中断した。

【００５１】比較例２は透明層の圧縮応力が９ＭＰａと
不透明層の破壊強度の３５ＭＰａに対し２５．７％であ
り、透明層の気泡もしくは気泡核から発生する気泡のシ
リコン融液への混入および不透明層の気泡が膨脹して透
明層側に膨脹、開裂してＤＦ率を低下させたためＤＦ率
は９０％と各実施例に対して劣る。

【００５２】比較例３は透明層の圧縮応力が２０ＭＰａ
と不透明層の破壊強度の３５ＭＰａに対し５７．１％で
あり、ルツボにかかる熱応力や、ルツボに装填された溶
融シリコンに荷重によりルツボに破壊が生じ、試験を中
断した。

【００５３】

【発明の効果】石英ガラスルツボの透明層には石英ガラ
スルツボの破壊強度の２分の１の圧縮応力を存在させ、
透明層に存在する極小の気泡が膨脹し大きな気泡となり
内面側の透明層の溶解とともに気泡がシリコン融液中へ
の混入を抑制し、かつ不透明層の気泡が膨脹して透明層
側に膨脹、開裂してシリコン単結晶の成長に悪影響を与
えることがなく、高単結晶化率が得られる石英ガラスル
ツボおよびその製造方法を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる石英ガラスルツボの断面図。

【図２】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法に
用いられる石英ガラスルツボ用製造装置の概念図。

【図３】本発明に係わる石英ガラスルツボを用いたシリ
コン単結晶引上げ装置の説明図。

【図４】圧縮応力測定試験用試料の説明図。

【符号の説明】

１ 石英ガラスルツボ ２ 内面側 ３ 透明層 ４ 外面側 ５ 不透明層 ６ 溶融シリコン ７ 製造装置 ８ ルツボ成形用型 ９ 内側部材 １０ 通気部 １１ 保持体 １２ 回転軸 １３ 開口部 １４ 排気口 １５ 減圧機構 １６ カーボン電極 １７ 石英充填層 １８ シリコン単結晶 １９ ヒータ ２０ 回転軸 ２１ シード軸 ２２ 種結晶

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 内面側に透明層を有し、この透明層の外
   周に多数の気泡が存在する不透明層を有する２層で形成
   された石英ガラスルツボにおいて、前記透明層に前記不
   透明層の破壊強度の３０〜５０％の圧縮応力を持たせた
   ことを特徴とするシリコン単結晶引上げ用石英ガラスル
   ツボ。
2. 【請求項２】 上記不透明層の破壊強度が３２〜３８Ｍ
   Ｐａであることを特徴とする請求項１に記載のシリコン
   単結晶引上げ用石英ガラスルツボ。
3. 【請求項３】 上記透明層の厚さが少なくとも１ｍｍで
   あり、かつこの透明層の厚さが不透明層の厚さの６０％
   以下であることを特徴とする請求項１に記載のシリコン
   単結晶引上げ用石英ガラスルツボ。
4. 【請求項４】 石英粉がルツボ状体に充填されたルツボ
   成形型を用意し、前記ルツボ状体の内面側から前記石英
   粉を加熱するシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボ
   の製造方法において、前記ルツボ成形用型の加熱後、石
   英ガラスルツボの内面側と外面側とで冷却条件を変える
   ことを特徴とするシリコン単結晶引上げ用石英ガラスル
   ツボの製造方法。
5. 【請求項５】 上記石英粉の加熱終了後、石英ガラスル
   ツボの内面側領域に不活性ガスを流入させ、内面側から
   強制冷却することを特徴とする請求項４に記載のシリコ
   ン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
6. 【請求項６】 上記不活性ガスの流入速度が１００〜３
   ００リットル／分であり、かつ上記強制冷却時間が５〜
   １０分間であり、その後放冷することを特徴とする請求
   項５に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボ
   の製造方法。