JP5273512B2 - 石英ガラスルツボとその製造方法および用途 - Google Patents
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Description
本発明は、シリコン単結晶の引き上げに用いる石英ガラスルツボであって、引き上げ初期の湯面振動が抑制され、シリコン単結晶の肩部を安定に形成することができ、高い単結晶化率を達成することができる石英ガラスルツボとその製造方法および用途に関する。
単結晶シリコンの引き上げにはシリコン融液を入れる石英ガラスルツボが用いられる。この石英ガラスルツボの内面部分（内面層）はシリコン融液が接触するので実質的に気泡を含有しない透明ガラス層によって形成されており、外面部分（外面層）は外部輻射の熱を分散してモールド内側に均一に伝達するため、多数の気泡を含む気泡含有層によって形成されている。
上記石英ガラスルツボの製造方法として、従来、回転モールド法が知られている。この方法は回転モールドの内表面に堆積した石英粉をモールド空間側から加熱してガラス化することによってルツボを製造する方法であり、該加熱溶融の際にモールド側から石英粉堆積層内の空気を吸引して減圧し、ガラス層内の気泡を除去する真空引きを行うことによって、実質的に気泡を含有しない透明ガラス層からなる内面層を形成している（特許文献１，２）。
この石英ガラスルツボについては、内面層（透明ガラス層）の側壁部の気泡含有率を０.５％以下、湾曲部の気泡含有率を０.１％以下、底部の気泡含有率を０.０１％以下に制御して単結晶化率を高めたものが知られている（特許文献３）。
特開平０２−０５５２８５号公報
特開平１０−０１７３９１号公報
特許第２９２３７２０号公報
シリコン単結晶の引き上げにおいて、引き上げ初期は、シリコン融液に接触させた種晶が成長して太くなり、シリコン単結晶の肩部が形成されるまでは不安定であるため、湯面振動の影響を受けやすく、引き上げ部分が切れやすい。従来の石英ガラスルツボは引き上げ初期のシリコン融液の湯面相当位置の気泡含有量が少ないため、湯面振動が発生しやすく、引き上げ不良を招きやすい問題がある。
また、従来の石英ガラスルツボは、内面層の中央付近から下側部分の気泡含有量はほぼ均一であり、リム部に向かって次第に気泡量が多くなるが、内面層の中央付近から気泡が増加し始めるので、中央付近での気泡量が多いため、単結晶シリコンの収率が悪くなるという問題があった。
本発明は、従来の石英ガラスルツボにおける上記問題を解決したものであり、引き上げ初期の湯面振動が抑制され、シリコン単結晶の肩部を安定に形成することができ、高い単結晶化率を達成することができる石英ガラスルツボとその製造方法を提供する。
本発明は、上記課題を解決する手段として以下〔１〕〜〔５〕に示す構成を有する石英ガラスルツボとその製造方法および用途に関する。
〔１〕 単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボであって、ルツボ内面層の上端部分と該上端部分よりも下側部分の気泡含有率が異なり、該下側部分の気泡含有率が０.１％未満であり、一方、上端部分がリム部からシリコン単結晶の引き上げ初期の湯面下降位置までの範囲であり、該上端部分が微小気泡を含み、気泡含有率が０.１％以上であって、リム部に近いほど気泡含有率が大きく、気泡含有率の増加割合が高さ１ｍｍあたり０.００２％〜０．００８％であることを特徴とする石英ガラスルツボ。
〔２〕 シリコン単結晶の引き上げ初期の湯面下降位置がシリコン単結晶の肩部が形成されるまで下降した湯面位置である上記[１]の石英ガラスルツボ。
〔３〕 真空引きを行う回転モールド法による上記［１］または［２］に記載の石英ガラスルツボの製造において、モールド内面に外面層石英粉を堆積し、この外面層石英粉の上に内面層用の合成石英粉を堆積し、該内面層の上端部分を形成する石英粉として加熱溶融したとき微小気泡を生じやすい合成石英粉を用い、モールド空間の上方に設けたアーク電極によってこれらの石英粉を加熱溶融し、ガラス化することを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
〔４〕 加熱溶融時に微小気泡を生じやすい合成石英粉として、平均粒径４００μｍ以下であって比表面積０.０６ｍ２／ｇ以上の非晶質合成石英粉、または平均粒径１００μｍ以下の非晶質合成石英粉、または炭素を５〜５０ｐｐｍ含有する合成石英粉を用いる上記［３］に記載する石英ガラスルツボの製造方法。
〔５〕 上記［１］または［２］に記載する石英ガラスルツボを用いた、湯面振動を抑制したシリコン単結晶引き上げ方法。
〔１〕 単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボであって、ルツボ内面層の上端部分と該上端部分よりも下側部分の気泡含有率が異なり、該下側部分の気泡含有率が０.１％未満であり、一方、上端部分がリム部からシリコン単結晶の引き上げ初期の湯面下降位置までの範囲であり、該上端部分が微小気泡を含み、気泡含有率が０.１％以上であって、リム部に近いほど気泡含有率が大きく、気泡含有率の増加割合が高さ１ｍｍあたり０.００２％〜０．００８％であることを特徴とする石英ガラスルツボ。
〔２〕 シリコン単結晶の引き上げ初期の湯面下降位置がシリコン単結晶の肩部が形成されるまで下降した湯面位置である上記[１]の石英ガラスルツボ。
〔３〕 真空引きを行う回転モールド法による上記［１］または［２］に記載の石英ガラスルツボの製造において、モールド内面に外面層石英粉を堆積し、この外面層石英粉の上に内面層用の合成石英粉を堆積し、該内面層の上端部分を形成する石英粉として加熱溶融したとき微小気泡を生じやすい合成石英粉を用い、モールド空間の上方に設けたアーク電極によってこれらの石英粉を加熱溶融し、ガラス化することを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
〔４〕 加熱溶融時に微小気泡を生じやすい合成石英粉として、平均粒径４００μｍ以下であって比表面積０.０６ｍ２／ｇ以上の非晶質合成石英粉、または平均粒径１００μｍ以下の非晶質合成石英粉、または炭素を５〜５０ｐｐｍ含有する合成石英粉を用いる上記［３］に記載する石英ガラスルツボの製造方法。
〔５〕 上記［１］または［２］に記載する石英ガラスルツボを用いた、湯面振動を抑制したシリコン単結晶引き上げ方法。
本発明の石英ガラスルツボは、リム部からシリコン単結晶の引き上げ初期の湯面下降位置までの上端部分が微小気泡を含み、気泡含有率が０.１％以上であって、リム部に近いほど気泡含有率が大きく、気泡含有率の増加割合が高さ１mmあたり０.００２％以上であり、上端部分の気泡量が多いので、シリコン単結晶の引き上げ初期において、湯面振動が効果的に抑制され、シリコン単結晶の肩部が安定に形成される。
また、本発明の石英ガラスルツボは、上端部分の気泡含有率の増加割合が０.００２％以上、好ましくは０.００２％〜０.００８％であり、引き上げ初期の湯面振動が効果的に抑制される一方、引き上げ初期の湯面位置より下側部分は気泡含有率０.１％未満の透明ガラス層であり、気泡含量が少ないため、安定に引き上げを継続することができ、高い単結晶化率を得ることができる。
本発明の石英ガラスルツボは、真空引きを行う回転モールド法による石英ガラスルツボの製造において、モールド内面に外面層石英粉を堆積し、この外面層石英粉の上に内面層石英粉を堆積し、該内面層の上端部分を形成する内面層石英粉として加熱溶融したとき微小気泡を生じやすい石英粉を用い、モールド空間の上方に設けたアーク電極によってこれらの石英粉を加熱溶融し、ガラス化することによって製造することができる。
加熱溶融時に微小気泡を生じやすい石英粉として、(イ)平均粒径４００μm以下であって比表面積０.０６ｍ2/ｇ以上の非晶質合成石英粉、または、(ロ)平均粒径１００μm以下の非晶質合成石英粉、または、(ハ)炭素を５〜５０ppm含有する合成石英粉を用いることができる。これらの石英粉を用いることによって、直径４０〜２００μmの微小気泡を含むガラス層を形成することができる。
本発明に係る上記石英ガラスルツボを用いることによって、シリコン単結晶引き上げ時の湯面振動を効果的に抑制することができる。本発明は上記石英ガラスルツボを用いることによって湯面振動を抑制したシリコン単結晶引き上げ方法を含む。
以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。
〔石英ガラスルツボの構造〕
本発明の石英ガラスルツボは、単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボであって、ルツボ内面層の上端部分と該上端部分よりも下側部分の気泡含有率が異なる。
〔石英ガラスルツボの構造〕
本発明の石英ガラスルツボは、単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボであって、ルツボ内面層の上端部分と該上端部分よりも下側部分の気泡含有率が異なる。
ルツボ内面層の上端部分とは、上端のリム部からシリコン単結晶の引き上げ初期の湯面下降位置までの範囲であり、より詳しくは、リム部からシリコン単結晶の肩部が形成されるまで下降した湯面位置までの範囲である。
シリコン単結晶の引き上げ初期は、シリコン融液に接触させた種晶が成長してシリコン単結晶の肩部が形成されるまでは不安定であるため、湯面振動の影響を受けやすいので、本発明の石英ガラスルツボは、この引き上げ初期に湯面が下降する範囲の気泡量を多くして湯面振動を抑制した。
具体的には、本発明の石英ガラスルツボは、上端部分が微小気泡を含み、気泡含有率が０.１％以上であって、リム部に近いほど気泡含有率が大きく、気泡含有率の増加割合が高さ１mmあたり０.００２％以上、好ましくは、高さ１mmあたり０.００２％〜０.００８％の石英ガラスルツボである。
微小気泡は直径４０〜２００μmの気泡が好ましい。直径４０μmより小さい気泡では十分な気泡量を有するのが難しい。また、直径２００μmより大きい気泡では、気泡の体積が大きいので気泡含有率への影響が大きいものの、気泡の個数が少ないために気泡含有範囲が限られるので、湯面振動への影響が小さくなり、好ましくない。
この上端部分の気泡含有量は、リム部に近いほど大きく、気泡含有率の増加割合が高さ１mmあたり０.００２％以上、好ましくは、高さ１mmあたり０.００２％〜０.００８％であるのが好ましい。上端部分の気泡含有率の増加割合が１mmあたり０.００２％より小さいと、上端部分の気泡量が不十分になる。また、気泡含有率の増加割合が１mmあたり０.００８％より大きいと、上端部分から下側部分に至る境界域の気泡量の差が大き過ぎるので、内面層の透過率が急激に変化することになり、シリコン融液の温度分布が急激に変化し、単結晶崩れを生じやすくなる。
一方、本発明の石英ガラスルツボにおいて、シリコン単結晶の引き上げ初期の湯面下降位置から下側部分の気泡含有率は０.１％未満である。上記下側部分が実質的に気泡を殆ど含まない透明ガラス層であるので、熱伝達の効率が良くかつ熱伝達が均一であるので、シリコン融液の温度変化がなく、安定に引き上げを継続することができ、高い単結晶化率を得ることができる。
具体的な例として、開口直径３２インチのルツボにおいて、ルツボ底面中央から内面に沿ってリム端まで測定したときに、４００mmの位置（ルツボ壁部分の中央付近）の気泡含有率が０.１％以下、好ましくは０％であり、７５０mmの位置（ルツボ上端部分の中央付近）の気泡含有率が０.４％以上、好ましくは０.５％〜１.０％、例えば０.７％程度であるのが好ましい。
シリコン単結晶の引き上げにおいては、引き上げ初期に単結晶の肩作りを行い、シリコン融液の液面が引き上げによってやや低下したときに、引き上げたシリコン単結晶を凝固させるために液温をやや下げる。これに伴い、湯面振動が小さくなるので、内面層上端部分の微小気泡量が徐々に変化しても安定に引き上げを続行することができる。
〔石英ガラスルツボの製造方法〕
本発明の石英ガラスルツボの製造方法を図１に示す。図示するように、真空引きを行う回転モールド１０を用い、回転するモールド１０の内面に外面層用の石英粉１１を供給して所定厚さに堆積させる。この外面層用の石英粉１１の上に内面層用の石英粉１２を供給して所定厚さに堆積させる。この場合、内面層用の石英粉１２を上端部分より下側に堆積させた後に、この石英粉１２を加熱時に微小気泡を生じやすい石英粉１３に代え、上端部分をこの石英粉１３によって充填する。
本発明の石英ガラスルツボの製造方法を図１に示す。図示するように、真空引きを行う回転モールド１０を用い、回転するモールド１０の内面に外面層用の石英粉１１を供給して所定厚さに堆積させる。この外面層用の石英粉１１の上に内面層用の石英粉１２を供給して所定厚さに堆積させる。この場合、内面層用の石英粉１２を上端部分より下側に堆積させた後に、この石英粉１２を加熱時に微小気泡を生じやすい石英粉１３に代え、上端部分をこの石英粉１３によって充填する。
内面層用の石英粉には不純物の少ない合成石英が用いられる。加熱溶融時に微小気泡を生じやすい石英粉として、(イ)平均粒径４００μm以下であって比表面積０.０６ｍ2/ｇ以上の非晶質合成石英粉、または、(ロ)平均粒径１００μm以下の非晶質合成石英粉、または、(ハ)炭素を５〜５０ppm含有する合成石英粉を用いると良い。
非晶質合成石英粉は加熱溶融時に明確な融点を持たず、平均粒径１００μm以下の非晶質合成石英粉は溶融しやすいので、該石英粉の粒子間に存在するガスを取り込んだ状態でガラス化し、内部に微小気泡を有するガラス層を形成する。一方、石英粉の平均粒径が５０μmより小さいと、上端部分の気泡含有量の増加割合が０.００８％/mmより大きくなる傾向があるので、上端部分に用いる石英粉の平均粒径は５０μm以上が好ましい。
また、平均粒径が１００μmより大きくても、平均粒径４００μm以下であって比表面積０.０６ｍ2/ｇ以上の非晶質石英粉は、比表面積が大きいので石英粉表面に吸着するガス量が多く、このガスを取り込んだ状態のまま熔融するので、微小気泡を含むガラス層を形成することができる。なお、平均粒径が４００μmを上回る非晶質粒子を使用した場合、粒径が大きいのでガラス化に時間がかかり、ガスを取り込み難い。
炭素を５〜５０ppm含有する合成石英粉を用いてもよい。石英粉の加熱溶融時に炭素がガス化し、これを取り込んだ状態で石英粉がガラス化するので、微小気泡を含むガラス層を形成することができる。なお、炭素量が５ppmより少ないと十分な気泡量を得るのが難しく、５０ppmを上回ると気泡量が過剰になる傾向がある。
内面層上端部分において、気泡含有率の増加割合が高さ１mmあたり０.００２％以上、好ましくは、高さ１mmあたり０.００２％〜０.００８％であるよう形成するには、例えば、リム端に近いほど、平均粒径の小さな石英粉を用いれば良い。なお、加熱溶融時のリム端面付近からはエアーの吸引が起こるため、リム端に近いほど真空度は弱くなり、気泡含有量が増加する状態になる。従って、該上端部分に均一な平均粒径の石英粉を用いても概ね上記気泡含有率の増加割合を有する内面層を形成することができる。
石英粉の堆積後、モールド空間の上方に設けたアーク電極１４を用いて、これらの石英粉を加熱溶融してガラス化し、溶融時に真空引きを行って内面層の気泡を吸引し、透明ガラス層を形成する。ガラス化後に冷却してモールドから取り出し、石英ガラスルツボを得る。
本発明に係る上記石英ガラスルツボを用いることによって、シリコン単結晶引き上げ時の湯面振動を効果的に抑制することができる。
本発明の実施例を比較例と共に以下に示す。
〔比較例３、実施例２〜３〕
図１に示す回転モールドを用い、該モールドの内面全体に外面層用の石英粉を供給して所定厚さに堆積した。この外面層用の石英粉の上に、底面部から上端部分より下側部分に平均粒径３００μm〜１５０μmの合成石英粉を堆積した。次いで、この石英粉に代えて、表１に示す平均粒径１００μm以下の合成石英粉を上端部分に充填した。次いで、モールド空間の上方に設けたアーク電極を用い、石英粉を加熱溶融してガラス化し、溶融時に真空引きを行って内面層の気泡を吸引し、内面層が透明ガラス層によって形成された石英ガラスルツボ（開口径３２インチ）を製造した。
〔比較例３、実施例２〜３〕
図１に示す回転モールドを用い、該モールドの内面全体に外面層用の石英粉を供給して所定厚さに堆積した。この外面層用の石英粉の上に、底面部から上端部分より下側部分に平均粒径３００μm〜１５０μmの合成石英粉を堆積した。次いで、この石英粉に代えて、表１に示す平均粒径１００μm以下の合成石英粉を上端部分に充填した。次いで、モールド空間の上方に設けたアーク電極を用い、石英粉を加熱溶融してガラス化し、溶融時に真空引きを行って内面層の気泡を吸引し、内面層が透明ガラス層によって形成された石英ガラスルツボ（開口径３２インチ）を製造した。
〔実施例４〕
図１に示す回転モールドを用い、該モールドの内面全体に外面層用の石英粉を供給して所定厚さに堆積した。この外面層用の石英粉の上に、底面部から上端部分より下側部分に平均粒径３００μm〜１５０μmの合成石英粉を堆積した。次いで、この石英粉に代えて、表１に示す平均粒径２５０μmおよび比表面積０.０６ｍ2/ｇ以上の合成石英粉を上端部分に充填した。次いで、モールド空間の上方に設けたアーク電極を用い、石英粉を加熱溶融してガラス化し、溶融時に真空引きを行って内面層の気泡を吸引し、内面層が透明ガラス層によって形成された石英ガラスルツボ（開口径３２インチ）を製造した。
図１に示す回転モールドを用い、該モールドの内面全体に外面層用の石英粉を供給して所定厚さに堆積した。この外面層用の石英粉の上に、底面部から上端部分より下側部分に平均粒径３００μm〜１５０μmの合成石英粉を堆積した。次いで、この石英粉に代えて、表１に示す平均粒径２５０μmおよび比表面積０.０６ｍ2/ｇ以上の合成石英粉を上端部分に充填した。次いで、モールド空間の上方に設けたアーク電極を用い、石英粉を加熱溶融してガラス化し、溶融時に真空引きを行って内面層の気泡を吸引し、内面層が透明ガラス層によって形成された石英ガラスルツボ（開口径３２インチ）を製造した。
〔比較例１〜２〕
内面層を形成する石英粉として、３００μm〜１５０μmの合成石英粉を用い、上端部分の石英粉を変更せずに上記平均粒径の石英粉をそのまま用いた。また、加熱溶融時の真空引きを加減して表１に示す気泡量に調整した。その他は比較例３、実施例２〜３と同様にして石英ガラスルツボ（開口径３２インチ）を製造した。
内面層を形成する石英粉として、３００μm〜１５０μmの合成石英粉を用い、上端部分の石英粉を変更せずに上記平均粒径の石英粉をそのまま用いた。また、加熱溶融時の真空引きを加減して表１に示す気泡量に調整した。その他は比較例３、実施例２〜３と同様にして石英ガラスルツボ（開口径３２インチ）を製造した。
比較例３、実施例２および比較例１、２の石英ガラスルツボについて、気泡含有率を図２に示す。また、比較例３、実施例２〜４、比較例１〜２のルツボを用いてシリコン単結晶の引き上げを行った。この結果を、ルツボ上端部分および壁部分の気泡含有率、気泡含有率の増加割合と共に表１に示す。
図２、および表１の結果に示すように、比較例３では、引き上げ初期のネッキング時は湯面振動が無いが、気泡含有率の増加割合がやや大きいため、引き上げ初期の後にシリコン融液の湯面が内面層の上端部分から下側に下降した直後に、赤外線透過率の変動大きく、単結晶が切れて付け直しをする場合がある。一方、実施例２〜４は、引き上げ初期の湯面振動およびつけ直しが無く、シリコン融液の湯面が内面層の上端部分から下側に下降した場合でも安定に引き上げを続行することができた。
一方、比較例１では、内面層の下側部分および湾曲部分の気泡量が多いため、気泡の膨張によって弾けるガラス片が多く発生するので、シリコン単結晶がしばしば切れる。また、比較例２では、内面層の上端部分（引き上げ初期の湯面位置部分）の気泡が大幅に少ないため、ネッキング時に湯面振動が多いため単結晶が切れて付け直す場合が多く、単結晶シリコンの収率も低い。
Claims (5)
- 単結晶引き上げ用の石英ガラスルツボであって、ルツボ内面層の上端部分と該上端部分よりも下側部分の気泡含有率が異なり、該下側部分の気泡含有率が０．１％未満であり、一方、上端部分がリム部からシリコン単結晶の引き上げ初期の湯面下降位置までの範囲であり、該上端部分が微小気泡を含み、気泡含有率が０．１％以上であって、リム部に近いほど気泡含有率が大きく、気泡含有率の増加割合が高さ１ｍｍあたり０．００２％〜０．００８％であることを特徴とする石英ガラスルツボ。
- シリコン単結晶の引き上げ初期の湯面下降位置がシリコン単結晶の肩部が形成されるまで下降した湯面位置である請求項１に記載する石英ガラスルツボ。
- 真空引きを行う回転モールド法による請求項１または２に記載の石英ガラスルツボの製造において、モールド内面に外面層石英粉を堆積し、この外面層石英粉の上に内面層用の合成石英粉を堆積し、 該内面層の上端部分を形成する石英粉として加熱溶融したとき微小気泡を生じやすい合成石英粉を用い、モールド空間の上方に設けたアーク電極によってこれらの石英粉を加熱溶融し、ガラス化することを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
- 加熱溶融時に微小気泡を生じやすい合成石英粉として、平均粒径４００μｍ以下であって比表面積０．０６ｍ２／ｇ以上の非晶質合成石英粉、または平均粒径１００μｍ以下の非晶質合成石英粉、または炭素を５〜５０ｐｐｍ含有する合成石英粉を用いる請求項３に記載する石英ガラスルツボの製造方法。
- 請求項１または２に記載する石英ガラスルツボを用いた、湯面振動を抑制したシリコン単結晶引き上げ方法。
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