JP4726138B2 - 石英ガラスルツボ - Google Patents

Description

本発明は、シリコン単結晶引上げに用いられ、シリコン単結晶のピンホールが少ない石英ガラスルツボに関する。

シリコンウエハーなどの半導体材料として使用されるシリコン単結晶は主にＣＺ法によって製造されている。この製造方法は、石英ガラスルツボに入れた多結晶シリコンを加熱溶融してシリコン融液とし、高温下、この液面に浸した種結晶を中心にして単結晶を成長させ、これを除々に引き上げて棒状の単結晶に成長させる方法である。

引上げ中のシリコン単結晶は、ルツボの中心でシリコン融液に常時浸かっているので、ルツボの内表面から浮き上がってきた気泡がシリコン単結晶とシリコン融液の界面に付着すると、そのままシリコン単結晶にピンホールとして取り込まれる。ピンホールとはシリコン単結晶中に含まれる気泡である。シリコン単結晶のスライス工程において、ピンホールが発見されたウエハーは廃棄されるので、ピンホールは製品歩留り低下の原因の一つになっている。

シリコン単結晶のピンホールを防止する技術として、石英ルツボに入れた多結晶シリコン原料を一定範囲の炉内圧で溶融し、これより高い炉内圧でシリコン単結晶の引上を行う方法が知られている（特許文献１）。また、一定範囲の炉内圧力で原料溶解を行った後に原料溶解に続く単結晶引上げを、溶解時の炉内圧力より低い炉内圧力で行う方法が知られている（特許文献２）。
特開平０５−９０９７号公報 特開２０００−１６９２８７号公報

従来の上記ピンホール防止方法は、何れもシリコン単結晶の引上げを行う際に、多結晶シリコンの溶融時の炉内圧力と引上げ時の炉内圧力を調整して、シリコン単結晶に気泡が巻き込まれるのを防止する方法であるが、原料の多結晶シリコンは石英ガラスルツボ中で溶融され、該ルツボ中の溶融シリコンからシリコン単結晶を引上げるので、石英ガラスルツボの影響は大きい。しかし、従来は石英ガラスルツボの性状がピンホールに与える影響については十分に検討されていない。

本発明は、シリコン単結晶のピンホールを防止する石英ガラスルツボについて、その条件を特定したものであり、シリコン単結晶のピンホールが少ない石英ガラスルツボを提供する。

本発明は以下の構成を有する石英ガラスルツボに関する。
（１）シリコン単結晶引上げ用の石英ガラスルツボであって、非晶質シリカが結晶化した結晶質シリカの面積をルツボ内面積の１０％以下に抑制することによって、シリコン単結晶のピンホールを防止したことを特徴とする石英ガラスルツボ。
（２）ルツボ内表面の開気泡による凹部の密度を０.０１〜０.２個/ｍｍ²に制限してシリコン単結晶のピンホールを防止したことを特徴とする石英ガラスルツボ。
（３）上記(１)または上記(２)の石英ガラスルツボを使用し、ルツボ内表面の溶損速度を２０μｍ/ｈｒ以下に抑制してシリコン単結晶の引上げを行うことによって、ピンホールを防止したことを特徴とするシリコン単結晶の引き上げ方法。

本発明の第一態様は、非晶質シリカが結晶化した結晶質シリカの面積を少なく（１０％以下）した石英ガラスルツボであり、上記結晶質シリカの面積を少なくすることにより、このルツボを使用したときのピンホールの発生を防止したものである。ルツボ内表面に非晶質シリカが結晶化した結晶質シリカが存在すると、多結晶シリコンが溶融され、ルツボにシリコン融液が満たされる際に、ルツボ内表面に雰囲気ガスであるアルゴンガスの気泡が残りやすくなる。このためシリコン融液に上記気泡が混入し、ピンホールの原因になる。そこで、本発明の石英ガラスルツボは、内表面の結晶転位による結晶質シリカの面積を少なくしてルツボ内表面に気泡が付着し難くした。これによってシリコン融液に混入する気泡が少なくなり、ピンホールを防止することができる。

本発明の第二態様は、ルツボ内表面の開気泡による凹部を一定密度（０.０１〜０.２個/ｍｍ²）にした石英ガラスルツボであり、上記凹部の存在によって、このルツボを使用したときのピンホールの発生を防止したものである。ルツボ内表面に一定密度の凹部が存在すると、シリカガラスとシリコン融液との反応によって生じたＳｉＯガスの突沸が抑制され、大きな気泡の発生が少なくなるので、シリコン単結晶に取り込まれる気泡量が減少し、ピンホールを防止することができる。

本発明の第三態様は、上記第一態様ないし第二態様の石英ルツボを使用したシリコン単結晶の引き上げ方法であり、ルツボ内表面の溶損速度を２０μｍ/ｈｒ以下に抑制することによってシリコン単結晶のピンホールを防止することができる。

以下、本発明を実施形態に即し具体的に説明する。
本発明の第一態様の石英ガラスルツボは、シリコン単結晶引上げ用の石英ガラスルツボであって、非晶質シリカが結晶化した結晶質シリカの面積をルツボ内面積の１０％以下に抑制することによって、シリコン単結晶のピンホールを防止したことを特徴とする石英ガラスルツボである。

ルツボ内表面に非晶質シリカが結晶化した結晶質シリカが存在すると、多結晶シリコンが溶融され、ルツボにシリコン融液が満たされる際に、ルツボ内表面に雰囲気ガスであるアルゴンガスの気泡が残り易くなる。このためシリコン融液に上記気泡が混入し、ピンホールの原因になる。

本発明の上記石英ガラスルツボは、非晶質シリカが結晶転位した結晶質シリカの面積を全内表面の１０％以下に制限してルツボ内表面に気泡が付着し難くし、これによってシリコン融液に混入する気泡を低減した。上記結晶質シリカの面積が１０％を上回ると付着する気泡が増えるので好ましくない。非晶質シリカの結晶転位による結晶質シリカの量を減少するには、石英ガラスの構造を切断・再配列を促進する不純物を減少させれば良い。

なお、シリコンとルツボのシリカガラスとの反応によってルツボ内表面に析出する着色斑点（これをブラウンリングと云う）も結晶質シリカであるが、結晶構造が不完全（ＳｉＯ₂−Ｘ）であり、上記結晶転位による結晶質シリカとは実質的に異なる。従って、本発明ではブラウンリングの面積は上記１０％に含めない。

本発明の第二態様の石英ガラスルツボは、ルツボ内表面の開気泡による凹部の密度を０.０１〜０.２個/ｍｍ²に制限してシリコン単結晶のピンホールを防止したことを特徴とする石英ガラスルツボである。

シリコン単結晶の引上げ中に、温度および圧力の変化によってＳｉＯガスの沸騰が生じることがあるが、ルツボ内表面に一定密度の適度な大きさの凹部が存在すると、シリカガラスとシリコン融液との反応によって生じたＳｉＯガスの突沸が抑制される。特にルツボ底面に凹部が一定密度存在するのが好ましい。凹部は主に開気泡によって形成されたものであり、概ね０.２〜２.０ｍｍの大きさを有している。開気泡による凹部の密度が、０.０１個/ｍｍ²より少ないと、その効果がなく、０.２個/ｍｍ²より多いと、気泡の破裂する際に発生するパーティクルが、シリコン単結晶の歩留りを低下させる。

ルツボ内表面の開気泡による凹部は、シリコン単結晶引上げ中にルツボ内表面が溶損して内部気泡が表面に現れることによって形成されるので、溶損範囲に含まれる気泡数を上記密度に制御すればよい。気泡数はルツボ製造時の真空引きの条件などを調整して制御することができる。

本発明は上記石英ガラスルツボを使用し、ルツボ内表面の溶損速度を２０μm/hr以下に抑制してシリコン単結晶を引き上げる方法を含む。上記石英ガラスルツボを使用し、ルツボ内表面の溶損速度を２０μm/hr以下に抑制してシリコン単結晶を引き上げることによって、シリコン単結晶のピンホールを防止することができる。

ＳｉＯガスは主にシリコン融液とルツボのシリカガラスとの反応によって生じる。従って、ルツボ内表面の溶損速度を上記範囲に制限することによって、ＳｉＯガスの発生を抑制し、シリコン単結晶のピンホールを防止することができる。ルツボ内表面の溶損速度が上記範囲より早いと、ＳｉＯガスの発生を抑制する効果が不十分である。

ルツボ内表面の溶損速度の低いルツボを得るには、石英ガラスの粘度を上げることが重要である。具体的には、より高温で溶融加熱し、ＯＨ基濃度を低下させる、あるいは不純物を低減した原料粉を用いるなどの方法によってルツボ内表面の溶損速度の低いルツボを得ることができる。また、ルツボ内表面の溶損速度はシリコン単結晶の引上げ条件によっても異なるが、ルツボ内表面の溶損速度の低いルツボを用い、引上げ条件を調整してルツボ内表面の溶損速度が２０μm/hr以下になるようにすればよい。

以下に本発明の実施例を比較例と共に示す。
〔実施例１〜３、比較例１〜６〕
表１に示す性状の石英ガラスルツボ（口径２８インチ）を用い、炉内圧力４０torr、雰囲気アルゴンガス、引上げ時間１００ｈｒとして、シリコン単結晶を引き上げた。この結果を表１に示した。

なお、表１において、内面結晶化率（％）は非結晶シリコンの結晶化による結晶シリコンのルツボ内表面に占める割合である。開気泡密度（個/ｍｍ²）は開気泡による凹部のルツボ内表面密度である。溶解速度（μm/h）はルツボ内表面の肉厚が減少する速度である。ピンホール含有率（％）はウエハー１枚に含まれるピンホール数である。実施例１〜３は本発明の石英ガラスルツボであり、比較例１〜６は本発明の範囲を外れる石英ガラスルツボである。

内面結晶化率は、使用前後のルツボ内表面を肉眼観察し、結晶化した面積を測定することにより、算出した。
開気泡密度は、ルツボ内面を偏光顕微鏡観察により測定した。
溶解速度は、使用前後のルツボ重量差あるいは透明層の厚み差などから算出した。
ピンホール含有率は、スライスした全てのシリコンウエハーを肉眼観察し、算出した。

表１に示すように、本発明の石英ガラスルツボを用いた場合には、シリコン単結晶のピンホールが格段に少なく、シリコン単結晶の製造歩留りが高い。一方、比較例は何れもシリコン単結晶のピンホールが多く、シリコン単結晶の製造歩留りが低い。

Claims (1)

1. 石英ガラスルツボを使用してシリコン単結晶の引上げを行う工程を備え、
   前記石英ガラスルツボは、使用後における、非晶質シリカが結晶化した結晶質シリカの面積がルツボ内面積の１０％以下であり、
   前記引き上げ時のルツボ内表面の溶損速度が２０μｍ/ｈｒ以下であり、
   前記引き上げ時の溶損範囲の全体において、ルツボ内表面の開気泡による凹部の密度が０.０１〜０.２個/ｍｍ ² であることを特徴とする、シリコン単結晶の引き上げ方法。