KR100718314B1 - 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니 및 그 제조방법 - Google Patents

Abstract

본 발명은, 천연실리카 분말을 용융시켜 형성된 불투명한 외층과, 그 내측에 형성된 투명층을 갖는 석영유리 도가니에 있어서, 상기 투명층이 두께 0.4~5.0mm 의 천연석영유리로 이루어지고, 석영유리 도가니의 내표면 저부중심으로부터 도가니 내표면을 따라 상단면까지의 거리 L에 대하여, 적어도 0.15~0.55L 범위의 내측에 합성석영유리로 이루어진 투명층이 형성된 석영유리 도가니에 관한 것이다.

본 발명에 의해, 융액표면의 진동발명이 억제되고, 또한 장시간의 조업에서도 도가니 내표면에 있어서 거친 면의 발생율이 낮아져 안정하게 실리콘 단결정을 인상할 수 있다.

석영유리 도가니, 천연실리카, 합성실리카, 투명층, 불투명층

Description

실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니 및 그 제조방법{QUARTZ GLASS CRUCIBLE FOR PULLING UP SILICON SINGLE CRYSTAL AND METHOD FOR MANUFACTURE THEREOF}

본 발명은 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니 및 그 제조방법에 관한 것이다.

종래, 실리콘단결정의 제조에는, 소위 쵸크랄스키법(CZ법)이라 일컬어지는 방법이 널리 채용되고 있다. 이 CZ법은 석영유리로 제조된 도가니내에서 실리콘 다결정을 용융하고, 이 실리콘 융액에 실리콘 단결정의 종(種)결정을 침적하여, 도가니를 회전시키면서 종결정을 서서히 인상시켜 실리콘 단결정을 종결정을 핵으로 하여 성장시키는 방법이다. 상기 CZ법으로 제조되는 단결정은 고순도이고 실리콘 웨이퍼를 우수한 수율로 제조할 수 있음이 필요하므로, 그 제조에 사용되는 석영유리 도가니로서는 포(泡)를 포함하지 않은 투명한 내층과 포(泡)를 포함한 불투명한 외층으로 이루어진 2층구조의 석영유리 도가니가 일반적으로 이용되고 있다.

근년에 들어, 실리콘 단결정의 대구경화에 수반하여 단결정 인상작업이 장시간화되고 1400℃이상의 실리콘 융액에 장시간 접촉하도록 되어져 그 내표면이 실리콘 융액과 반응하여 내표면의 얕은 층에 결정화가 일어나며, 갈색의 크리스토발라이트가 링상(이하, 브라운링이라 한다)으로 나타나게 된다. 상기 브라운링 내부는 크리스토발라이트층이 없거나 또는 있어도 아주 얇은 층으로 있지만, 조업시간의 경과와 함께 브라운링은 그 면적을 확대하고 상호 융합하면서 성장을 계속하며, 끝내는 그 중심부가 침식되어 불규칙한 유리용출면으로 된다. 이러한 유리용출면이 출현하면, 실리콘 단결정에 전위가 발생하기 쉽게 되어 단결정 인상수율에 지장을 주게 된다. 특히, 200mm이상의 대구경의 웨이퍼를 제조하는 실리콘 단결정을 성장시킴에는 CZ법 조업을 100시간을 초과하여 행할 필요가 있으며, 상기 유리용출면의 출현이 현저하게 된다.

상기 브라운링은 유리표면의 미세한 상(傷)이나 원료분말에 용잔(溶殘)해 있는 결정질 잔류부분, 유리구조의 결함등을 핵으로서 발생하는 것으로 생각되고 있으며, 그 갯수를 감소시킴에는 유리의 표면상태를 양호하게 유지하거나, 결정질 잔류부분을 없게 하기 위해서 용융시간을 고온, 장시간으로 하거나, 혹은 일본특허제2811290호, 일본특허제2933404호에 제시한 바와 같이 내표면을 형성하는 원료분말로서 비정질인 합성분말을 사용하는 것이 행하여지고 있다. 상기 비정질인 합성분말로 이루어진 합성석영유리는 불순물 함유량이 극히 적으며, 실리콘 단결정의 인상에 수반하여 도가니 내표면의 거칠음(肌荒)이나 브라운링의 발생을 적게할 수 있는 이점이 있다. 그렇지만 투명한 내층을 합성석영유리로 구성하고, 외층을 천연석영유리로 이루어진 불투명한 석영유리로 구성하는 경우, 투명과 불투명의 차이나 합성과 천연과의 차이등 투명한 내층과 외층과의 물성이 크게 달라지게 때문에, 양자의 경계에서 변형(歪)이 발생하고, 특히, 히터에 의한 열부하가 높고 실리콘 융액과의 접촉시간이 길어져 도가니의 만곡부에는 변형이나 투명한 내층의 박리와 같은 문제점(不具合)이 발생하는 일이 있었다. 또한 투명한 내층이 합성석영유리로 이루어진 도가니는 천연석영유리로 이루어진 도가니와 비교하여, 폴리실리콘을 용융할때 그 융액표면이 진동하기 쉬운 결점도 있었다. 이러한 진동은 특히 종부(種付)로부터 슐더(shoulder) 형성시, 단결정 몸체부 전반의 초기 인상공정에서 많이 발견되며, 종부작업에 시간을 요하거나, 결정이 흐트러져 다시 용융하는, 소위 맬트벡(melt back)이 유발하기도 하여 생산성을 저하시키는 경우가 있었다. 따라서 일본특개2001-348294호공보에 나타난 바와 같이 합성석영유리로 이루어진 투명내층과 천연석영유리로 이루어진 불투명한 벌크층의 사이에 합성석영유리의 불투명한 중간층을 갖는 다층구조의 도가니가 제안되었지만, 다층구조의 도가니는 고가인 합성석영분말을 다량으로 사용하기 때문에 석영유리 도가니의 가격을 올리는 결점이 있었다.

상기 결점을 해소하기 위해 본 발명자는 예의 연구를 거듭한 결과, 단결정 인상수율이 석영유리 도가니의 만곡부 내표면에서, 실리콘 융액표면의 진동이 직동부(直胴部) 내표면에서 깊게 관계하는 것, 그리고 실리콘 단결정 인상에 이용하는 석영유리 도가니에 있어서, 적어도 만곡부 부근의 내표면을 합성석영유리로 이루어진 투명층으로 함으로써 실리콘 단결정 인상에서 고수율을 실현할 수 있는 것, 또한 합성석영유리로 이루어진 투명층과 천연석영유리로 이루어진 불투명한 외층과의 사이에 천연석영유리로 이루어진 투명층을 존재시킴으로써 변형이나 내층의 박리와 같은 문제가 해결될 수 있는 것, 나아가 직동부의 내표면을 천연석영유리로 구성하고, 또한 아주 얇은 합성석영유리층으로 함으로써 실리콘 융액표면의 진동발생을 억제할 수 있음을 알았다.

다른 한편, CZ법에 있어서 도가니 내표면에 발생하는 브라운링의 발생갯수를 저감하면 결정의 인상시에 실리콘 융액면이 진동하기 쉽게 되어 작업성이 악화되는 문제가 있었다. 이의 해결로서, 실리콘융액의 초기 탕면위치로부터 단결정 인상후의 잔탕위치까지 석영유리 도가니의 내표면을 따라 측정한 길이 M에 대하여, 단결정 인상의 초기 탕면위치로부터 0.3M 범위에 발생하는 브라운링의 갯수와 인상후 잔탕위치에서부터 0.3M까지의 범위에서 브라운링 갯수의 비를 특정범위 이상으로 하면 융액표면의 진동이 없어지고 단결정 인상수율이 높게 되는 것을 알았다.

따라서 본 발명은 용액표면의 진동발생을 억제하고, 또한 장시간 조업에서도 도가니 내표면에서 거친면(肌荒面)의 발생율이 낮아지고 안정하게 실리콘 단결정을 인상할 수 있는 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니를 제공함을 그 목적으로 한다.

또한 본 발명은 상기 우수한 특성을 갖는 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니를 낮은 가격으로 제조할 수 있는 방법을 제공함에 그 목적이 있다.

본 발명은 첫째, 천연실리카 분말을 용융하여 형성된 불투명한 외층과, 그 내측에 형성된 투명층을 갖는 석영유리 도가니에 있어서, 상기 투명층은 천연석영유리로 이루어진 두께 0.4~5.0mm의 층이며, 또한 석영유리 도가니의 내표면 저부(底部)중심으로부터 도가니 내표면을 따라 상단면까지의 거리 L에 대하여 적어도 0.15~0.55L 범위의 내측으로 합성석영유리로 이루어진 투명층이 형성된 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니에 관한 것이다.

본 발명은 둘째로, 천연석영유리로 이루어진 불투명한 외층, 그 내측에 형성된 투명층을 갖는 석영유리 도가니에 있어서, 실리콘융액의 초기 탕면위치로부터 단결정인상후의 잔탕위치까지의 석영유리 도가니의 내표면을 따라 측정된 길이 M에 대하여, 초기 탕면위치로부터 0.3M 범위에서 관측되는 브라운링의 단위면적(cm²)당 갯수가 잔탕위치 상부 0.3M 범위에서 관측되는 브라운링 갯수의 1.8배 이상인 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니에 관한 것이다.

본 발명은, 셋째로 상기 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니의 제조방법에 관한 것이다.

본 발명의 제1의 석영유리 도가니는, 상술한 바와 같이 천연석영유리로 이루어진 불투명한 외층의 내측에 천연석영유리로 이루어진 투명층을 부설하고, 이 투명층의 저부중심으로부터 도가니 내표면을 따라 상단면까지의 거리(L)에 대하여 적어도 0.15~0.55L 범위의 내측으로 합성석영유리로 이루어진 투명층을 형성함으로써 합성석영유리로 이루어진 투명층과 천연석영유리로 이루어진 불투명한 외층과의 경계에서의 변형을 완충하고, 변형이나 투명층의 박리가 없는 석영유리 도가니이다. 상기 천연석영유리로 이루어진 투명층의 두께는 0.4~5.0mm, 바람직하게는 0.7~4.0mm 범위가 좋다. 천연석영유리로 이루어진 투명층의 두께를 상기 범위로 함으로써, 완충부분으로서의 움직임이 최적화된다. 또한, 도가니 내표면의 저부중심으로부터 도가니 내표면을 따라 상단면까지의 거리(L)에 대하여 0.6~1.0L의 범위에는 합성석영유리로 이루어진 투명층이 형성되어 있지 않거나, 또는 형성되어 있어도 그 두께는 0.2mm이하로 한다. 상기 범위의 내표면에 합성석영유리가 아니라 천연석영유리로 이루어진 투명층을 형성함으로써 실리콘 융액의 진동을 억제할 수 있다 . 더욱이, 합성석영유리로 이루어진 투명층이 형성되어 있는 것도 그 두께가 0.2mm이하이면 폴리실리콘 융액으로 되어(meltdown), 인상을 개시할 때까지 합성석영유리로 이루어진 투명층이 용손되고, 천연석영유리층이 노출되어 실리콘융액의 진동을 억제할 수 있다. 이 경우, 합성석영유리로 이루어진 투명층이 형성되어 있지 않은 경우와 비교하여, 멜트다운(meltdown)시에 실리콘융액에 용입되는 천연석영유리의 량이 적기 때문에 실리콘 융액으로의 불순물의 용입을 적게 할 수 있다.

그런데, 실리콘 단결정 인상수율은 단결정의 유전이화(有轉移化)에 의해 좌우되지만, 거의 모두가 인상공정 후반, 즉, 실리콘융액과의 접촉시간이 길고, 또한 히터로부터의 열부하도 큰, 석영유리 도가니의 만곡부로부터 저부(底部)부근( 도가니 내표면의 저부중심으로부터 내표면을 따라 상단면까지의 거리 L에 대하여 적어도 0.15~0.55L의 범위)에서 일어나는 내표면의 거칠음(肌荒)이나 내표면의 박리에 기인한다. 따라서 상기 범위의 내표면을 합성석영유리로 이루어진 투명층으로 함으로써 거칠음이나 내층의 박리를 현저하게 저하시킬 수 있다. 또한 합성석영 분말의 사용량도 적게할 수 있으며, 석영유리 도가니의 제조비용을 낮출 수 있다. 상기 합성석영유리로 이루어진 투명층의 두께는 0.2~1.5mm의 범위가 좋으며, 그 두께가 0.2mm미만에서는 거칠음(肌荒)이나 내표면의 박리를 억제하는 효과가 적어지고, 1.5mm를 초과하는 층을 형성하여도 거칠음(肌荒)이나 내표면의 박리를 억제하는 효과가 변화하지 않으며, 오히려 석영유리 도가니의 제조비용을 높이는 것으로 되어 바람직하지 않다.

상기 본 발명의 제1 석영유리 도가니에 있어서, 고온사용시의 변형을 방지하기 위해 천연석영유리로 이루어진 불투명한 외층의 OH기 농도를 낮추는 것이 소망스럽다. 이 불투명한 외층중의 OH기 농도는 평균 OH기 농도 C_C로 20~60ppm으로 하는 것이 좋다. 다른 한편, 합성석영유리로 이루어진 투명층중의 OH기 농도는 실리콘융액과의 도포성을 좋게 하기 때문에 평균 OH기 농도 C_A로 100~300ppm으로 높게하는 것이 좋다. 그러나 불투명한 외층에 비하여 내층의 OH기 농도가 높은 경우, 외층에서 내층으로 교체(切替)되는 경계에 있어서 급격한 적외선 흡수가 일어나므로 부하가 걸려 변형이나 박리등의 발생빈도가 다시 상승한다. 이 때문에 본 발명의 석영유리 도가니에서는 외층과 투명층과의 사이에 부설된 천연석영유리로 이루어진 투명내층의 OH기 농도를 상기 외층과 투명층의 중간값의 평균 OH기 농도 C_B로 60~150ppm으로 하고, 또한 C_A> C_B> C_C가 되도록 함으로써 변형이나 내층박리등의 발생빈도를 저감할 수 있다. 상기 투명층의 평균 OH기 농도 C_A를 200mm이상의 고농도로 하기 위해서는 일본특개2001-348240호공보에 기재한 바와 같이 수증기를 도가니 내부에 도입하는 방법등을 채용하는 것이 좋다.

본 발명의 제2 석영유리 도가니는 상술한 바와 같은 천연석영유리로 이루어진 불투명한 외층과, 그 내측에 형성된 투명층을 갖는 석영유리 도가니에 있어서, 실리콘융액의 초기 탕면위치로부터 단결정 인상후 잔탕위치까지 석영유리 도가니의 내표면을 따라 측정한 길이 M에 대하여, 초기 탕면위치로부터 0.3M의 범위에서 관측되는 브라운링의 단위면적(cm²)당 갯수가, 잔탕위치 상부 0.3M까지의 범위에서 관측되는 브라운링의 갯수의 1.8배 이상, 바람직하게는 2.5배 이상인 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니이다. 상기 브라운링으로는 상술한 크리스토발라이트의 갈색 링이며, 그 발생초기에는 도 4(a)에 나타난 바와 같이, 크리스토발라이트층이 없거나 또는 있어도 아주 얇은 층이다. 이러한 브라운링은 단결정인상의 조업시간 경과, 즉, 도가니가 실리콘융액과 접촉하는 시간이 증대하면 그 면적이 증가하고, 도 4(b)와 같이 결정화조직이 나타난다. 더욱이 단결정 인상이 계속되고 실리콘융액과 도가니와의 반응이 진행되면, 도 4(c)에 나타난 바와 같이, 갈색으로 둘러싸여진 부분이 차츰 침식되어 거친 유리용출면(비정질)로 된다. 도 4에 있어서, 17은 도가니 내표면, 18은 브라운링, 19는 결정화조직, 20은 유리용출면이다. 상기 유리용출면이 가능하면, 실리콘 단결정에 전위가 발생하기 쉽게 되고 단결정화율이 저하한다.

상기 브라운링의 갯수는 도가니 원주방향에서 폭 10cm의 임의의 3점에서 관측되는 브라운링의 갯수를 카운터하고, 측정면적으로 나누어 산출된 단위면적(cm²)당 갯수이다. 도가니의 실리콘융액과의 접촉시간이 길고 브라운링이 성장하기 쉬운 잔탕부근에서는 브라운링이 융합하는 경우가 있지만, 이 경우, 동측정범위내에서 관측되는 단독 브라운링의 평균직경으로부터 1개당 면적을 계산하고, 융합부분의 면적을 상기 한개당 면적으로 나눈 값을 융합부분의 브라운링의 갯수로 한다.

CZ법에서 이용될 수 있는 석영유리 도가니에 있어서, CZ법중의 실리콘 융액표면의 진동은 융액표면의 위치가 초기 탕면위치로부터 0.3M까지의 범위에서 특히 많이 발생하지만, 그 범위에서만 브라운링 갯수를 증가시킴으로써 상기 실리콘융액표면의 진동을 억제할 수 있다. 또한 상기 범위에서는 실리콘융액과의 접촉시간이 짧기 때문에 브라운링의 직경이 작아져 도 4(a)에 나타난 바와 같은 상태로 되며, 유리용출면이 발생하지 않으며 브라운링의 갯수를 증가시켜도 단결정 인상수율에 영향을 미치는 일이 없다.

한편, 실리콘 단결정의 전위는 거의 모두가 잔탕위치 상부 0.3M의 범위에서 발생하지만, 이러한 범위에서는 실리콘융액과의 접촉시간이 길어지므로 브라운링이 성장하여 도 4(c)에 나타난 유리용출면이 발생하기 쉽다. 따라서 이러한 범위에서 브라운링의 갯수를 감소시킴으로써 유리용출면의 발생을 억제할 수 있으며, 단결정 인상수율을 향상시킬 수 있다. 또한 이러한 범위에서 브라운링의 갯수를 저감하더라도 실리콘융액의 진동에 영향을 미치는 일이 없다.

CZ법에 있어서는, 같은 도가니를 사용하여도 단결정의 인상조건에 의해 브라운링 갯수에 다소의 차이가 발견되지만, 브라운링 갯수가 실리콘융액의 초기 탕면위치로부터 단결정 인상후 잔탕위치까지의 도가니 내표면을 따라 측정한 길이 M에 대하여, 초기 탕면위치로부터 0.3M의 범위까지 관측되는 단위면적(cm²)당 갯수가 잔탕위치 상부 0.3M까지의 범위에 관측되는 갯수에 대하여 1.8배 이상, 바람직하게는 2.5배 이상으로 한다. 이에 의해, 실리콘 융액표면의 진동이 억제되고, 실리콘 단결정의 인상수율을 높일 수 있다. 특히, 초기 탕면위치로부터 0.3M의 범위까지 관측되는 브라운링의 갯수가 2.0~5.0개/cm²이면 실리콘 융액표면의 진동을 확실히 억제할 수 있다. 또한 잔탕위치 상부 0.3M의 범위까지 관측되는 브라운링의 갯수가 0.02~0.9개/cm²이하이면 실리콘 단결정의 수준이 높은 수준으로 된다. 더욱이, 실리콘 단결정 인상공정의 전후에서, 트러블로 단결정에 전위가 생기는 경우 결정을 재용융하여 인상을 다시 하는, 소위, 멜트벡(meltback)을 행하는 일이 있지만, 이러한 멜트벡을 행하거나, 또는 1개의 도가니로부터 수개의 단결정을 인상하는 멀티인상을 행하면, 브라운링의 갯수는 증가하고 브라운링 끼리의 융합도 진행되어 갯수의 계산이 곤란하게 된다. 멜트벡을 행하지 않고 인상을 한 경우, 또는 멀티 인상중 하나를 인상한후의 상태에 있어서, 브라운링의 갯수가 상기 범위내에 있는 도가니를 사용하면, 멜트벡을 행한 경우에서도, 혹은 멀티인상을 행한 경우에서도, 상기 범위외의 도가니와 비교하여 양호한 인상을 달성할 수 있기 때문에, 갯수의 계산은 멜트벡을 행하지 않은 하나의 단결정을 인상한후 도가니 내표면에 대하여 행한 것으로 한다.

도 1은 제1 본 발명의 석영유리 도가니의 개략단면도이다. 도 2는 제2 본 발명의 석영유리 도가니의 개략단면도이다. 도 3은 상기 석영유리 도가니를 제조하는 장치의 개략도이다. 도 4는 CZ법중에 일어나는 브라운링의 발생을 나타내는 석영유리 도가니 내표면의 부분평면도이다.

본 발명을 보다 상세히 설명하기 위해 첨부도면을 따라 이를 설명한다.

도 1, 도 2에 있어서, 1은 석영유리 도가니, 2는 도가니의 저부(底部), 3은 직동부, 4는 천연석영유리로 이루어진 불투명한 외층, 5는 천연석영유리로 이루어진 투명층, 6은 합성석영유리로 이루어진 투명층, 7은 만곡부이다. 본 발명의 제1 석영유리 도가니는 도 1에 나타난 바와 같이, 천연실리카 분말을 용융하여 형성된 불투명한 외층과, 그 내측에 형성된 천연석영유리로 이루어진 두께 0.4~5.0mm의 투명층을 갖는 석영유리 도가니에 있어서, 석영유리 도가니 내표면의 저부중심으로부터 도가니 내표면을 따라 상단면까지의 거리 L에 대하여 적어도 0.15~0.55L 범위의 내측에 합성석영유리로 이루어진 투명층이 형성된 석영유리 도가니이다. 또한 본 발명의 제2 석영유리 도가니는, 도 2에 나타난 바와 같이, 천연석영유리로 이루어진 불투명층과 그 내측에 석영유리로 이루어진 투명층을 가지며, 그 초기 탕면위치로부터 0.3M 범위의 내표면이 천연석영유리 또는 천연합성혼합 석영유리로 이루어진 투명층, 잔탕위치 상부 0.3M까지 범위의 내표면이 합성석영유리로 이루어진 투명층, 이 이외의 범위의 내표면은 천연, 천연합성혼합, 합성중 어느 하나로 이루어진 투명층으로 형성된 석영유리 도가니이다. 상기 제1 및 제2 석영유리 도가니는 도 3의 장치를 이용하여 제조될 수 있다. 즉, 천연실리카 분말을 회전하는 형(型:8)에 도입하여 도가니 형상으로 성형한후, 그 중에 아크전극(14)을 삽입하고 도가 니상 성형체의 개구부를 판상의 덮개(11)로 덮고, 아크전극(14)에 의해 상기 도가니상 성형체의 내부 캐비티를 고온가스분위기(16)로 하여 적어도 부분적으로 용융유리화하여 불투명한 도가니 기체(基體)를 형성하고, 이어, 합성실리카 분말을 실리카분말 공급수단(15)으로부터 고온분위기(16)로 공급하여 용융유리화시켜 합성석영유리로 이루어진 투명층(6)을 도가니 내표면에 형성하거나, 또는 불투명한 도가니 기체의 형성후 또는 형성중에 실리카분말 공급수단(10)으로부터 유량규제밸브(12)로 공급량을 조절하면서 고순도의 천연실리카 분말 또는 천연합성혼합 실리카를 고온분위기(16)에 공급하고, 용융유리화하여 천연석영유리 또는 천연합성혼합석영유리로 이루어진 투명층(5)을 적어도 초기 탕면위치로부터 0.3M 범위까지로 형성하고, 나아가 합성실리카 분말을 실리카 공급수단(15)으로부터 고온분위기(16)로 공급하고, 용융유리화하여 합성석영유리로 이루어진 투명층(6)을 도가니 내표면의 초기 탕면위치로부터 0.3M의 범위를 제외한 적어도 잔탕위치 상부 0.3M의 범위에 형성하는 방법이다. 특히, 상기 제2의 석영유리 도가니의 제조방법에서는, 도가니의 내층 전체를 합성석영유리로 구성하고 그 도가니의 초기 탕면위치로부터 0.3M 범위의 내표면을 에칭처리 또는 숏트블라스트 가공처리함으로써 미세한 손상을 가하여 브라운링 갯수를 증가시키고, 초기 탕면위치로부터 0.3M까지 범위의 브라운링 갯수와 잔탕위치 상부 0.3M까지의 브라운링 갯수비를 1.8배 이상, 바람직하게는 2.5배 이상으로 조제하는 방법으로도 제조할 수 있다.

실시예

이하, 실시예를 들어 본 발명을 다시 구체적으로 설명하지만, 본 발명은 이에 제한되는 것은 아니다.

실시예 1

도 3에 나타난 장치를 이용하여 회전하는 형(型:8)내에 순화처리된 고순도의 천연 실리카 분말을 투입하고, 원심력에 의해 도가니상 성형체(9)로 형성하며, 그 내부에 아크전극(14)을 삽입하고, 개구부를 판상의 덮개(11)로 덮고, 아크전극(14)으로 내부 캐비티내를 고온가스분위기로 하고, 용융유리화한후 냉각하여 두께 8~10mm의 투명한 외층(4)을 제작하였다. 이어, 형(型:8)을 회전시키면서 아크전극(14)로 불투명외층(4)의 내부 캐비티를 고온분위기(16)로 한 후, 실리카분말 공급노즐(15)로부터 천연실리카 분말을 100g/min으로 공급하고, 불투명외층(4)의 내표면에 두께 0.9~2mm의 천연석영유리로 이루어진 투명층(5)을 융합 일체화시켰다. 다음으로, 실리카분말 공급노즐(15)로부터 합성실리카 분말을 100g/min으로 공급하고 상기 투명층의 저부중심으로부터 도가니 내표면을 따라 상단면까지의 거리(L)에 대하여, 0.55L까지 합성석영유리로 이루어진 투명층(6)을 두께 0.5~1.2mm로, 또한 0.55~0.6L에서는 두께 0.2~0.5mm로, 나아가 0.6~1.0L에서는 두께 0.1~0.2mm로 융합 일체화시켰다. 얻어진 석영유리 도가니의 직경은 24인치이며, 천연석영유리로 이루어진 불투명외층(4)의 평균 OH기 농도 C_C는 40ppm, 천연석영유리로 이루어진 투명층(5)의 평균 OH기 농도 C_B는 110ppm, 합성석영유리로 이루어진 투명층(6)의 평균 OH 기 농도 C_A는 220ppm이었다. 이러한 석영유리 도가니에 다결정 실리콘을 충전, 용융시켜 CZ법으로 단결정 인상을 N=5로 행하였더니,이중 어느 것에 있어서도 실리콘융액의 진동은 발견되지 않았으며, 또한 얻어진 실리콘단결정의 단결정화율의 평균은 92%로 높은 수율을 나타내었다.

실시예 2~5

실시예 1에서, 석영유리 도가니 내표면에 형성된 천연석영유리로 이루어진 투명층(5) 및 합성석영유리로 이루어진 투명층(6)을 각각 표 1에 나타낸 두께로 융합 일체화시켜 24인치의 석영유리 도가니를 제조하였다. 제조된 석영유리 도가니의 각층의 평균 OH기 농도를 표 1에 나타내었다. 이러한 석영유리 도가니를 이용하여 실시예 1과 동일하게 실리콘 단결정 인상을 행하였다. 그 결과를 표 1에 나타낸다.

		실시예 2	실시예 3	실시예 4	실시예 5
합성 투명층	두께	0~0.55L:1~3mm 0.55~0.6L:0.2~1mm 0.6~1L:0.1~0.2mm	0~0.1L:0mm 0.1~0.15L:0~0.3mm 0.15~0.55L:0.3~1.2mm 0.55~0.6L:0.2~0.4mm 0.6~1L:0.1~0.2mm	0~0.55L:0.3~0.8mm 0.55~0.6L:0~0.3mm 0.6~1L:0mm	0~0.55L:0.3~0.8mm 0.55~0.6L:0~0.3mm 0.6~1L:0mm
	OH기	220ppm	220ppm	150ppm	150ppm
천연 투명 내층	두께	0.7~1mm	0.9~2mm	1~3mm	1~3mm
	OH기	110ppm	110ppm	80ppm	80ppm
천연 불투명 외층	두께	8~10mm	8~10mm	8~10mm	8~10mm
	OH기	40ppm	40ppm	40ppm	100ppm
인상 갯수		5	5	5	5
도가니 제조비용		△	◎	◎	◎
탕면진동		○	◎	◎	◎
평균 결정화율		93%	91%	92%	90%
비고		성적은 문제없지만 실시예1에 비하여 비용상승	저부에 합성투명층이 없어도 수율은 양호	문제없음	성적은 문제가 없었지만, 약간의 변형기미로 불안정

비교예 1~3

실시예 1에서, 석영유리 도가니 내표면에 형성하는 천연석영유리로 이루어진 투명층(5) 및 합성석영유리로 이루어진 투명층(6)을 각각 표 2에 나타낸 두께로 융합 일체화시켜 24인치의 석영유리 도가니를 제조하였다. 제조된 석영유리 도가니의 각층의 평균 OH기 농도를 표 2에 나타내었다. 이러한 석영유리 도가니를 이용하여 실시예 1과 동일하게 실리콘 단결정의 인상을 행하였다. 그 결과를 표 2에 나타내다 .

		비교예 1	비교예 2	비교예 3
합성 투명층	두께	없음	1~3mm	0~0.55L:0.9~0.3mm 0.55~0.6L:0.2~0.9mm 0.6~1L:0.1~0.2mm
	OH기	-	220ppm	220ppm
천연투명 내층	두께	1~3mm	없음	없음
	OH기	110ppm	-	-
천연불투명 외층	두께	8~10mm	8~10mm	8~10mm
	OH기	40ppm	40ppm	40ppm
인상 갯수		5	5	5
도가니 제조비용		◎	×	△
탕면진동		◎	×	○
평균 단결정화율		30%	75%	45%
비고		결정바디부 도중에 흐트러짐 발생. 도가니 내표면의 거칠기가 심함	탕면진동으로 용융과 결정화가 다발. 만곡부에서 투명층과 천연 불투명층과의 사이에 크렉발생	직동부에서도 불투명층이 노출되어 인상중지 로드도 있으며, 만곡부에서도 비교예 2와 동일한 크렉발생

실시예 6

도 3에 나타난 장치를 이용하여 회전하는 형(型:8)내에 순화처리된 고순도의 천연실리카 분말을 투입하고, 원심력으로 석영유리 도가니상 성형체(9)로 형성하여, 그 내부에 아크전극(14)을 삽입하여 개구부를 판상의 덮개(11)로 덮고, 아크전극(14)으로 내부 캐비티내를 고온가스분위기로 하여 용융유리화시켜 불투명한 석영유리 외층(4)을 제조함과 아울러, 실리카 분말공급수단(10)으로부터 천연실리카 분말을 100g/min으로 공급하여 불투명한 석영유리 외층(4)의 내표면에 천연석영유리로 이루어진 투명층(5)을 융합 일체화시켰다. 이어, 실리카 분말 공급수단(15)으로부터 합성실리카 분말을 100g/min으로 공급하여 실리콘 단결정 인상의 사용후에 있어서, 실리콘융액의 초기 탕면위치로부터 단결정인상후 잔탕위치까지의 석영유리 도가니의 내표면을 따라 측정한 길이 M에 대하여, 초기 탕면위치로부터 0.5~1.0M 범위의 내측에 합성석영유리로 이루어진 투명층(6)을 융합 일체화시키고, 외직경이 22인치의 석영유리 도가니를 제조하였다. 이 석영유리 도가니를 이용하여 CZ법으로 실리콘 단결정 인상을 행하였다. 실리콘단결정의 인상결과 및 도가니 내표면에서의 브라운링의 갯수에 대한 측정결과를 표 3에 나타내었다.

실시예 7

도 3에 나타난 장치를 이용하여 회전하는 형(8)내에 순화처리된 고순도의 천연실리카 분말을 투입하여, 원심력으로 도가니상 성형체(8)로 형성하고, 그 내부에 아크전극(14)을 삽입하고 개구부를 판상의 덮개(11)로 덮은후, 아크전극(14)로 내부 캐비티내를 고온가스분위기로 하여 용융유리화시켜 불투명한 외층(4)을 형성함과 아울러, 실리카분말 공급수단(15)으로부터 합성실리카 분말을 100g/min으로 공급하여 불투명한 외층(4)의 내표면 전체에 합성석영유리로 이루어진 투명층을 융합 일체화시켰다. 이어, 실리카분말 공급수단(10)으로부터 천연실리카 분말을 100g/min으로 공급하고, 실리콘 단결정인상의 사용후에 있어서, 실리콘융액의 초기 탕면위치로부터 0.4M 범위의 내측으로 천연석영유리로 이루어진 투명층을 융합 일체화시키고, 외직경이 22인치의 석영유리 도가니를 제조하였다. 이 석영유리 도가니를 이용하여 CZ법으로 실리콘단결정 인상을 행하였다. 실리콘단결정의 인상결과 및 도가니 내표면에서의 브라운링 갯수의 측정결과를 표 3에 나타내었다.
실시예 8
도 3에 나타난 장치를 이용하여 회전하는 형(8)내에 순화처리된 고순도의 천연실리카 분말을 투입하여, 원심력으로 도가니상 성형체(9)로 형성하고, 그 내부에 아크전극(14)을 삽입하고 개구부를 판상의 덮개(11)로 덮은 후, 아크전극(14)에 의해 내부 캐비티내를 고온가스분위기로 하여 용융유리화시켜 불투명한 외층(4)을 형성함과 아울러, 실리카분말 공급수단(15)으로부터 합성실리카 분말을 100g/min으로 공급하여 불투명한 외층(4)의 내표면 전체에 합성석영유리로 이루어진 투명층을 융합 일체화하여 외직경이 22인치의 석영유리 도가니를 제조하였다.
또한, 상기 도가니의 직동부(3)상부에 있어서 실리콘 융액의 초기탕면위치로부터 0.35M 범위를 통상의 HF세정을 가하고, 50%의 HF로 30분간의 에칭처리를 행하였다. 이 석영유리 도가니를 이용하여 CZ법으로 실리콘단결정 인상을 행하였다. 실리콘단결정의 인상결과 및 도가니 내표면에서의 브라운링 갯수의 측정결과를 표 3에 나타내었다.
비교예 4
도 3에 나타난 장치를 이용하여 회전하는 형(8)내에 순화처리된 고순도의 천연실리카 분말을 투입하여, 원심력으로 도가니상 성형체(9)로 형성하고, 그 내부에 아크전극(14)을 삽입하고 개구부를 판상의 덮개(11)로 덮은 후, 아크전극(14)으로 내부 캐비티내를 고온가스분위기로 하여 용융유리화시켜 불투명한 외층(4)을 형성함과 아울러, 실리카분말 공급수단(15)으로부터 천연실리카 분말을 100g/min으로 공급하고, 불투명한 외층(4)의 내표면 전체에 합성석영유리로 이루어진 투명층을 융합 일체화시켜 외직경 22인치의 석영유리 도가니를 제조하였다. 이 석영유리 도가니를 이용하여 CZ법으로 실리콘 단결정의 인상을 행하였다. 실리콘 단결정의 인상결과 및 도가니 내표면에서의 브라운링 갯수의 측정결과를 표 3에 나타내었다.

비교예 5

도 3에 나타난 장치를 이용하여 회전하는 형(8)내에 순화처리된 고순도의 천연실리카 분말을 투입하여, 원심력으로 도가니상 성형체(9)로 형성하고, 그 내부에 아크전극(14)을 삽입하고 개구부를 판상의 덮개(11)로 덮은후, 아크전극(14)으로 내부 캐비티내를 고온가스분위기로 하여 용융유리화시켜 불투명한 외층을 형성함과 아울러, 실리카분말 공급수단(10)으로부터 천연실리카 분말을 100g/min으로 공급하고, 불투명한 외층(4)의 내표면 전체에 천연석영유리로 이루어진 투명층을 융합 일체화시켜 외직경 22인치의 석영유리 도가니를 제조하였다. 이 석영유리 도가니를 이용하여 CZ법으로 실리콘 단결정의 인상을 행하였다. 실리콘 단결정의 인상결과 및 도가니 내표면에서의 브라운링 갯수의 측정결과를 표 3에 나타내었다.

	갯수	융액진동	평균단결정화율	초기 탕면위치 하부 0.3M 범위의 브라운링 갯수 A	잔탕위치 상부 0.3M범위의 브라운링의갯수 B	A/B
실시예6	5	없음	93%	2.22	0.62	3.6
실시예7	5	없음	89%	2.03	0.91	2.2
실시예8	5	미진동있으나 조업상 문제없음	92%	1.64	0.64	2.6
비교예4	5	진동으로 시간손실 큼	79%	0.52	0.66	0.8
비교예5	5	없음	48%	2.33	2.42	1.0

도 3에 나타낸 결과로부터 알 수 있는 바와 같이, 본 발명의 제2 석영유리 도가니는 실리콘융액의 진동이 없으며, 있더라도 조업상 문제가 되지 않은 레벨로서, 양호한 단결정화율을 나타내었다. 이에 대하여, 비교예 4에 나타낸 종래의 석영유리 도가니는, 실리콘융액의 진동으로 종부(種付)나 슐더(shoulder) 형성시에 흐트러짐이 다발하기 때문에, 멜트벡에 의한 시간손실이 커져 조업시간이 길어졌다. 그 결과, 상기 종래의 석영유리 도가니는 브라운링의 갯수가 적어도 그 면적이 크게 되어 유리용출면의 발생비율도 증가하기 때문에 단결정화율이 낮게 되었다. 더욱이, 비교예 5에 나타난 천연석영유리로 이루어진 투명층을 갖는 도가니는 실리콘융액의 진동은 일어나지 않았지만, 잔탕부근의 브라운링의 갯수가 많아지고 유리용출면이 상당한 비율로 발생하여 극히 낮은 단결정화율을 나타내었다.

이상과 같이, 본 발명의 석영유리 도가니는 실리콘 융액표면의 진동이 없으며, 거칠음(肌荒), 내층의 박리가 없으며, 또한 장시간 사용에 있어서도 내표면의 거칠음(肌荒)이나 내표면의 박리가 없으며 장시간 안정하게 실리콘 단결정을 인상할 수 있어, 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니로서 유용하다.

Claims (15)

1. 천연실리카 분말을 용융시켜 형성된 불투명한 외층과, 그 내측에 형성된 투명층을 갖는 석영유리 도가니에 있어서,

   상기 투명층은 두께 0.4~5.0mm의 천연석영유리로 이루어지고, 또한 석영유리 도가니의 내표면 저부(底部)중심으로부터 도가니 내표면을 따라 상단면까지의 거리 L에 대하여 0.15~0.55L 범위의 내측에 합성석영유리로 이루어진 투명층이 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니.
2. 제 1항에 있어서, 석영유리 도가니의 내표면 저부중심으로부터 내표면을 따라 상단면까지의 거리 L에 대하여, 0.15~0.55L의 범위의 내측의 합성석영유리투명층이 두께 0.2~1.5mm인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니.
3. 제 1항에 있어서, 석영유리 도가니의 내표면 저부중심으로부터 내표면을 따라 상단면까지의 거리 L에 대하여, 0.6~1.0L 범위의 내표면이 천연석영유리로 이루어진 투명층인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니.
4. 제 3항에 있어서, 석영유리 도가니의 내표면 저부중심으로부터 내표면을 따라 상단면까지의 거리 L에 대하여, 0.6~1.0L 범위의 내표면에 두께 0.2mm이내의 합성석영유리로 이루어진 투명층이 형성된 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니.
5. 제 3항에 있어서, 합성석영유리로 이루어진 투명층의 평균 OH기 농도 C_A가 100~300ppm, 천연석영유리로 이루어진 투명층의 평균 OH기 농도 C_B가 60~150ppm, 천연석영유리로 이루어진 불투명한 외층의 평균 OH기 농도 C_C가 20~60ppm이며, 또한 C_A > C_B> C_C 인 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니.
6. 제1항에서 제5항 중의 어느 한 항의 석영유리 도가니의 제조에 있어서,

   회전하는 형(型)에 장착된 석영유리 도가니 기체의 내부 캐비티를 고온분위기로 하여, 부분적으로 용융시켜 불투명한 외층을 형성한 후 또는 형성중에, 외층의 고온분위기내에 천연실리카 분말을 공급하고 용융유리화시켜 불투명한 외층의 내표면 전체에 천연석영유리로 이루어진 투명층을 형성하고, 이어, 합성실리카 분말을 공급하여 용융유리화시켜 상기 천연석영유리로 이루어진 투명층을 갖는 석영유리 도가니의 내표면 저부중심으로부터 도가니 내표면을 따라 상단면까지의 거리 L에 대하여, 0.15~0.55L 범위의 내측에 합성석영유리로 이루어진 투명층을 형성하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 석영유리 도가니의 제조방법
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