KR20110119732A

KR20110119732A - 실리카 유리 도가니 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20110119732A
Application number: KR20117019519A
Authority: KR
Inventors: 토시아키 스도; 히로시 키시; 에리코 스즈키
Original assignee: 쟈판 스파 쿼츠 가부시키가이샤
Priority date: 2009-12-14
Filing date: 2010-12-14
Publication date: 2011-11-02
Also published as: JP5292526B2; WO2011074568A1; TW201131029A; EP2410081A4; EP2410081A1; EP2410081B1; TWI414644B; CN102762781B; US9115019B2; CN102762781A; JPWO2011074568A1; KR101398993B1; US20120255487A1

Abstract

내부에 충전한 실리콘 융액의 융액면 진동을 억제할 수 있고, 또한 장수명인 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니 및 그 제조 방법을 제공한다. 둘레벽부, 만곡부 및 저부를 갖는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니로서, 둘레벽부의 내면의 특정 영역에 복수 개의 미소 오목부를 구비하는 것을 특징으로 한다.

Description

실리카 유리 도가니 및 그 제조 방법 {Silica glass crucible and method for manufacturing same}

본 발명은 실리카 유리 도가니 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

일반적으로, 반도체 제조용의 실리콘 단결정의 제조 방법으로서, 초크랄스키법(CZ법)이 널리 이용되고 있다. 이 CZ법은, 도 1 및 도 2에 나타낸 바와 같이, 먼저, 실리카 유리제의 도가니(100) 내에서 용융시킨 다결정 실리콘(101)에, 단결정의 종결정(102)을 침지시킨다. 이 때, 종결정(102)은 급격한 열 충격을 받기 때문에, 종결정 선단부(先端部)에 전위(dislocation)가 발생해 버린다. 이 전위를 제거하기 위해, 소정의 방법에 의해 목부(103)를 형성하여, 전위가 그 후 성장하는 실리콘에 이어지지 않도록 한다. 그 후, 인상 속도 및 융액 온도를 제어하면서, 종결정(102)을 회전시켜 서서히 인상함으로써, 점차 직경을 크게 하여 어깨부(104)를 형성한다. 원하는 직경이 되었다면, 일정한 직경이 되도록 제어하면서 인상을 계속하여, 직동부(105)를 형성한다. 마지막으로, 서서히 직경을 작게 하면서 꼬리부(106)를 형성하여 실리콘 단결정의 잉곳(107)을 제조한다.

이러한 실리콘 단결정의 인상에 사용하는 실리카 유리 도가니는, 도 1에 도시된 바와 같이, 도가니의 기계적 강도를 높이기 위해 외측 부분에 천연 실리카 유리(108)를 사용하고, 내측 부분에는 불순물의 혼입을 피하기 위해 합성 실리카 유리(109)를 사용하는 것이 일반적이다.

여기서, "천연 실리카 유리"란, 천연 실리카 분말을 원료로 하여 형성된 실리카 유리를 말하며, "합성 실리카 유리"란, 합성 실리카 분말을 원료로 하여 형성된 실리카 유리를 말한다. 일반적으로, 이 합성 실리카 유리(109)와 실리콘 융액 (101)과의 계면에서는, Si0₂(고체)→Si(액체)+2O의 반응이 일어나, 합성 실리카 유리(109)가 용해한다. 실리콘 단결정 인상시, 인상 온도의 상승이나 분위기압의 저하 등에 의해서는, Si(액체)+O→SiO(기체)의 반응이 일어나 SiO 가스가 발생하며, 도 3(a) 및 도 3(b)에 도시한 바와 같이, 실리콘 융액 (101)은 합성 실리카 유리(109) 표면으로부터 튕겨져나와 융액면(탕면, 湯面) 진동이 발생할 우려가 있다. 또한, 도 3(a) 및 도 3(b)는, 융액면 진동의 상태를 알기 쉽게 설명하기 위해, 융액면 진동을 과장하여 그린 것이다.

이러한 융액면 진동이 발생하면, 종결정(102)을 평탄한 융액면에 접합할 수 없고, 또한, 인상중에 실리콘이 다결정화되는 등의 문제를 발생시킨다. 특히, 실리콘 단결정의 인상 공정의 초기 단계인 파종(seeding)과 어깨부 형성 공정은, 융액면 진동의 영향을 받기가 쉬우며, 이 영향은, 인상된 실리콘 단결정 잉곳의 품질을 크게 좌우한다. 따라서, 이들 공정에 있어서, 실리콘 융액의 융액면 진동을 억제하는 기술이 요망되었다.

특허 문헌 1에는, 실리카 유리 도가니 내에 충전한 실리콘 융액의 융액면 진동을 억제하기 위해, 인상 시작 융액면 부근의 도가니 내주면층의 기포 함유율을 일정 범위로 조정하는 기술이 개시되어 있다. 이는, 실리콘 인상 개시시의 실리콘 융액의 융액면 진동은, 이 융액면 부근의 도가니 내표면층의 기포 함유율에 영향받는 사실을 발견한 것에 따른 것이다.

일례로서, 실리카 유리 도가니에 대량의 기포를 함유시킨 경우, 전술한 SiO₂(고체)→Si(액체)+2O의 반응이 진행함에 따라, 실리카 유리가 용해하여, 도 4에 도시한 바와 같은 개구 기포(201)가 출현하게 된다. 이 개구 기포(201)는 비등석(沸騰石)이 돌비(突沸)를 방지하는 것과 동일한 원리에 의해, 융액면 진동을 억제할 수 있다.

특허 문헌 1: 일본 특허 공개 2004-250304호 공보

그러나, 특허 문헌 1에 기재된 기술에서는, 실리카 유리에 대량의 기포(202)를 함유시키기 때문에, 실리카 유리 도가니의 체적에 차지하는 도가니 자체의 비율이 실질적으로 작아져 버린다. 따라서, 기포를 마련하지 않는 경우와 비교하여, 용해 속도가 빨라져 버리는 문제가 있어, 실리카 유리 도가니의 단명화로 이어졌다. 최근, 대구경의 실리콘 단결정을 인상하기 위해, 대구경의 도가니가 요구되며, 이에 따라 실리카 유리 도가니는 고가가 되기 때문에, 상기 융액면 진동 억제의 효과 이외에, 용해 속도가 느린 장수명의 실리카 유리 도가니도 요망되고 있다. 또한, 도가니 둘레벽부 내면 바로 아래의 미개구의 기포는, 인상 도중에 팽창 및 파열하고, 실리카 조각이 실리콘 융액에 혼입되어 버리는 문제도 있어, 실리콘 단결정의 수율의 향상도 요망되었다.

본 발명의 목적은, 그 내부에 충전한 실리콘 융액의 융액면 진동을 안정적으로 억제할 수 있고, 또한 장수명의 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니 및 그 제조 방법을 제공하는 것에 있다.

상기 목적을 달성하기 위해, 본 발명의 요지 구성은 이하와 같다.

(1) 둘레벽부, 만곡부 및 저부를 갖는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니로서, 상기 둘레벽부의 내면의 특정 영역에, 복수 개의 미소 오목부(微小凹部)를 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니

(2) 상기 특정 영역은, 도가니 높이를 H라 할 때, 상기 저부로부터 측정하여, 0.50H 내지 0.99H의 영역 내에 있는 상기 (1)에 기재된 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.

(3) 상기 특정 영역은, 도가니 높이 방향으로 0.1 내지 5.0mm의 범위의 간격으로 구획된 원환형(円環狀)의 내면 부분마다, 적어도 1개의 상기 미소 오목부를 구비하는 상기 (1)에 기재된 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.

(4) 상기 미소 오목부의 평균 직경은, 1 내지 500μm의 범위인 상기 (1)에 기재된 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.

(5) 상기 미소 오목부의 평균 깊이는, 상기 둘레벽부에 있어서의 도가니 두께의 0.05 내지 50%의 범위인 상기 (1)에 기재된 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.

(6) 상기 미소 오목부의 평균 직경의, 상기 미소 오목부의 평균 깊이에 대한 비는, 0.8 미만인 상기 (1)에 기재된 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.

(7) 둘레벽부, 만곡부 및 저부를 가지며, 천연 실리카 유리층의 외층 및 합성 실리카 유리층의 내층의 2층으로 형성되는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조 방법으로서, 상기 방법은, 천연 실리카 분말로 이루어지는 외층을 형성하는 공정과, 상기 외층의 내면 상에, 합성 실리카 분말로 이루어지는 내층을 형성하는 공정과, 상기 내층의 내면측으로부터 아크 방전을 발생시켜 상기 실리카 분말을 용융시키고, 둘레벽부, 만곡부 및 저부를 갖는 실리카 유리 도가니를 형성하는 공정과, 상기 실리카 유리 도가니를 형성하는 공정 이후, 특정 영역에, 복수 개의 미소 오목부를 형성하는 공정을 구비하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조 방법.

(8) 상기 미소 오목부는, 탄산 가스 레이저 또는 다이아몬드 툴 등을 이용한 물리 연삭을 이용하여 형성되는 상기 (7)에 기재된 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조 방법.

본 발명에 의하면, 둘레벽부의 내면의 특정 영역에, 복수 개의 미소 오목부를 구비함으로써, 그 내부에 충전한 실리콘 융액의 융액면 진동을 억제할 수 있고, 또한 장수명인 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

도 1은 실리콘 단결정의 제조 방법을 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
도 2는 인상법에 의해 제조되는 일반적인 실리콘 잉곳의 평면도이다.
도 3(a)는 실리콘 융액의 융액면 진동을 설명하기 위한 모식적 단면도이고, 도 3(b)는 실리콘 융액의 융액면 진동을 보인 모식적 평면도이다.
도 4는 종래의 실리카 유리 도가니에 함유되는 기포를 보인 도가니 둘레벽부의 모식적 단면도이다.
도 5는 본 발명에 따른 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니를 보인 단면 사시도이다.
도 6은 실리카 유리 도가니의 제작 방법을 보인 모식적 단면도이다.
도 7은 실리카 유리 도가니와 실리콘 융액과의 계면을 일부 확대한 모식적 단면도이다.
도 8은 미소 오목부의 형성 패턴을 보인 단면 사시도이다.

이하, 본 발명의 실시 형태에 대해 도면을 이용하여 설명한다. 또한, 모든 도면에 있어서, 동일한 구성 요소에는 동일한 부호를 붙이고 적당히 설명을 생략한다.

<실리카 유리 도가니>

먼저, 본 실시 형태의 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니에 대해 도면을 참조하면서 설명한다. 본 실시 형태의 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니(1)는, 일례로서 도 5에 도시된 바와 같이, 둘레벽부(2), 만곡부(3) 및 저부(4)를 가지며, 천연 실리카 유리층(8)의 외층 및 합성 실리카 유리층(9)의 내층의 2층으로 형성되어 있다. 이 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니(1)는, 둘레벽부(2)의 내면의 특정 영역(6)에 복수 개의 미소 오목부(5)를 구비함으로써, 그 내부에 충전한 실리콘 융액의 융액면 진동을 억제할 수 있다. 또한, 이 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니(1)는, 합성 실리카 유리층(9) 중에 다량의 기포를 의도적으로 포함시키는 것이 아니므로, 용해 속도를 증가시키지 않고, 도가니를 장수명화할 수 있는 것이다.

일반적으로, 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니(1)는, 예를 들어 도 6에 도시한 바와 같이, 외측 부분이 천연 실리카 분말(8a), 내측 부분이 합성 실리카 분말(9a)이 되도록 원심력을 이용하여 이들 분말을 도가니의 형상으로 굳히고, 이 속에서 아크 방전을 행하여, 천연 실리카 분말(8a)과 합성 실리카 분말(9a)을 용융시키고, 그 후 냉각함으로써, 천연 실리카 유리(8)와 합성 실리카 유리(9)의 2층 구조를 갖도록 형성된다.

여기서, 합성 실리카 분말(9a)이란, 합성 실리카로 이루어지는 것을 의미하고 있다. 합성 실리카란, 화학적으로 합성 및 제조한 원료로서, 합성 실리카 유리 분말은 비정질이다. 합성 실리카의 원료는 기체 또는 액체이기 때문에, 용이하게 정제하는 것이 가능하며, 합성 실리카 분말은 천연 실리카 분말보다 고순도로 할 수 있다. 합성 실리카 유리 원료로는 사염화 규소(四鹽化珪素) 등의 기체의 원료 유래와 규소 알콕사이드(alkoxide)와 같은 액체의 원료 유래가 있다. 본 실시 형태에 있어서, 합성 실리카 분말 유리에서는, 모든 불순물을 0.1ppm 이하로 하는 것이 가능하다.

한편, 천연 실리카 분말(8a)이란 천연 실리카로 이루어지는 분말을 의미하고 있다. 천연 실리카란, 자연계에 존재하는 석영 원석을 파내고, 파쇄 및 정제 등의 공정을 거쳐 얻어지는 원료로서, 천연 실리카 분말은 α-석영의 결정으로 이루어진다. 천연 실리카 분말에서는 Al, Ti가 1ppm 이상 포함되어 있다. 또한 그 밖의 금속 불순물에 대해서도 합성 실리카 분말보다 높은 레벨에 있다. 천연 실리카 분말은 실라놀을 거의 포함하지 않는다. 천연 실리카 분말을 용융하여 얻어지는 실리카 유리의 실라놀량은 50ppm 미만이다.

이들 천연 실리카 유리(8) 및 합성 실리카 유리(9)는, 예를 들어 파장 245nm의 자외선으로 여기하여 얻어지는 형광 스펙트럼을 측정하여 형광 피크를 관찰함으로써 판별하는 것이 가능하다.

또한, 본 실시 형태에 있어서, 천연 실리카 유리(8)와 합성 실리카 유리(9)의 원료로서 실리카 분말을 사용하고 있으나, 여기서 말하는 "실리카 분말"에는, 상기한 조건을 충족하고 있다면, 석영에 한정되지 않으며, 이산화 규소(실리카)를 포함하는, 수정, 규사 등, 실리카 유리 도가니(1)의 원재료로서 주지의 재료의 분체도 포함할 수 있다.

실리카 유리 도가니(1) 내의 실리콘 융액의 양은, 실리콘 단결정 인상에 따라 변화한다. 따라서, 특정 영역(6)은, 사용자가 사용할 때의 실리카 유리 도가니(1) 내의 실리콘 융액의 양에 따라 적당히 선택하면 되며 적어도 어깨부 형성시의 융액면이 위치하는 영역(도 5에서는 h1 높이 위치부터 h2 높이 위치까지의 영역)으로 하면 된다. 특히, 이 영역은, 도가니 높이를 H라 할 때, 저부로부터 측정하여, 0.50H 내지 0.99H의 영역 내로 하는 것이 바람직하며, 특히 바람직하게는 0.60H 내지 0.90H의 영역 내이다.

이와 같이, 융액면이 위치하는 영역에 있어서 융액면 진동이 발생하기 쉬운 이유를 이하에서 설명한다. 도 7은, 내부에 실리콘 융액을 갖는 실리카 유리 도가니(1)의 융액면 위치의 일부를 확대한 모식적 단면도인데, 이와 같이, 실리카 유리 도가니(1)의 젖음성에 의해, 액체의 실리콘 융액은 고체의 실리카 유리 도가니와의 계면에서, 도 7의 영역(I)에 도시한 바와 같은 단면 형상을 이룬다. 이 영역(I)에서는, 이 영역(I)의 범위 밖의 것과 비교하여, 실리콘 융액 중의 산소 농도가 낮은 액면과의 거리가 가까우므로, 산소의 농도 구배가 커져, 전술한 SiO₂(고체)→Si(액체)+2O의 반응으로 생긴 O(산소)의 확산이 빠르다. 따라서, 이 반응이 진행하기 쉬우며, 도가니의 용해가 촉진된다. 일반적으로, 이 영역(I)은, 도가니 높이 방향으로 0.1mm 내지 5.0mm의 범위에서 생기므로, 특정 영역(6)은, 도가니 높이 방향으로 0.1mm 내지 5.0mm의 범위(더욱 바람직하게는 0.2mm 내지 4.0mm)의 간격으로 구획(도 8에서는 h3의 간격으로 구획)된 원환형의 내면 부분마다, 적어도 1개의 미소 오목부(5)를 구비하는 것이 바람직하다.

미소 오목부(5)의 평균 직경은, 1μm 내지 500μm의 범위인 것이 바람직하며, 특히 바람직하게는 10μm 내지 300μm이다. 미소 오목부(5)의 평균 직경이 1μm 미만이면, 전술한 비등석과 동일한 효과를 충분히 얻을 수 없게 되고, 한편, 미소 오목부(5)의 평균 직경이 500μm를 초과하면, 전술한 비등석과 동일한 효과를 충분히 얻을 수 없을 뿐만 아니라, 도가니의 용해에 의해 미소 오목부(5)가 없어지기 쉬워지기 때문이다.

미소 오목부(5)의 평균 깊이는, 둘레벽부(2)에 있어서의 도가니 두께의 0.05% 내지 50%의 범위인 것이 바람직하며, 특히 바람직하게는 0.10% 내지 30%이다. 미소 오목부(5)의 평균 깊이가 둘레벽부(2)에 있어서의 도가니 두께의 0.05% 미만이면, 실리카 유리 도가니(1)의 용해에 의해 미소 오목부(5)가 없어지기 쉬워지고, 한편, 미소 오목부(5)의 평균 깊이가 둘레벽부(2)에 있어서의 도가니 두께의 50%를 초과하면, 도가니의 벽부 강도에 영향을 줄 우려가 있다. 또한, 둘레벽부(2)의 두께는, 일례로서, 100μm 내지 1000μm의 범위로 하는 것이 바람직하다.

또한, 본 실시 형태의 실리카 유리 도가니(1)는, 둘레벽부(2)의 특정 영역(6)에 형성된 미소 오목부(5)의 하방 위치(즉, 미소 오목부(5)의 외측)에 기포를 포함하지 않는 것으로 한다. 실리카 유리에 대량의 기포를 함유시킨다는 것은, 실리카 유리 도가니(1)의 체적에 차지하는 도가니 자체의 비율을 실질적으로 작게 하게 되어, 기포를 마련하지 않는 경우와 비교하여, 용해 속도가 빨라져 버리는 문제가 있기 때문이다. 또한, 대량으로 형성된 기포는, 실리카 유리 도가니(1)의 강도도 저하시킬 우려가 있다.

또한, 미소 오목부(5)의 평균 직경의 평균 깊이에 대한 비는, 0 초과 0.8 미만으로 하는 것이 바람직하며, 특히 바람직하게는 0.1 초과 0.7 미만이다. 실리카 유리 도가니(1)의 용해에 의해 오목부가 없어져 버리는 것을 억제하기 위해서는, 상기 Si0₂(고체)→Si(액체)+2O의 반응을 억제할 필요가 있다. 그러기 위해서는, 실리카 유리 도가니(1)와 융액과의 계면에 있어서의 실리콘 융액 중의 산소 농도를 높게 하면 상기 반응이 잘 진행하지 않게 된다. 여기에는, 일단 상기 반응에 의해 생긴 산소가 미소 오목부(5)로부터 확산하지 않도록 하면 되며, 실리콘 융액의 열 대류의 영향을 잘 받지 않게 하도록, 상기 비의 범위가 되도록 직경 및 깊이를 규정하는 것이 바람직하다.

<실리카 유리 도가니의 제조 방법>

본 실시 형태에 있어서의 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니(1)의 제조 방법은, 일례로서 도 5 및 도 6에 도시된 바와 같이, 둘레벽부(2), 만곡부(3) 및 저부(4)를 가지며, 천연 실리카 유리층(8)의 외층 및 합성 실리카 유리층(9)의 내층의 2층으로 형성되는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니(1)의 제조 방법으로서, 천연 실리카 분말(8a)로 이루어지는 외층을 형성하는 공정과, 이 외층의 내면 상에, 합성 실리카 분말(9a)로 이루어지는 내층을 형성하는 공정과, 이 내층의 내면측으로부터 아크 방전을 발생시켜 용융하여, 둘레벽부(2), 만곡부(3) 및 저부(4)를 갖는 실리카 유리 도가니(1)를 형성하는 공정과, 특정 영역(6)에 복수 개의 미소 오목부(5)를 형성하는 공정을 더 구비하는 구성을 가짐으로써, 그 내부에 충전한 실리콘 융액의 융액면 진동을 억제할 수 있고, 또한 장수명의 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니(1)를 제공할 수 있는 것이다.

미소 오목부(5)는, 탄산 가스 레이저 또는 다이아몬드 툴을 이용하여 형성되는 것이 바람직하다. 예를 들어, 탄산 가스 레이저의 조사면을 도가니의 내표면에 대치시키고, 예를 들어 10.6μm의 적외광을 조사함으로써, 미소 오목부(5)를 형성한다. 혹은, 다이아몬드 툴로는, 예를 들어 미쓰비시 매트리얼제 다이아몬드 코팅 취성재 가공용 드릴에 물을 끼얹으면서 실리카 유리 도가니(1)의 내면에 대어, 미소 오목부(5)를 형성한다. 연삭 및 도가니의 회전 혹은 승하강을 반복하여, 어느 특정 영역(6)의 내면 전체에 미소 오목부(5)를 형성한다.

<실리카 유리 도가니의 제조 방법의 변형예 1>

전술한 바와 같이, 본 발명자는, 실리카 유리 도가니(1)의 내면에 소정의 피트(미소 오목부(5))를 마련함으로써, 용융 실리콘의 융액면 진동을 억제하는 기술을 발견했다. 그러나, 이 기술은, 예를 들어 레이저, 또는 기계 연삭을 이용하여 도가니 내면에 피트를 형성하는 경우에는, 실리카 유리 도가니(1)에 가공 왜곡이 도입될 우려가 있다. 실리카 유리 도가니(1)에 가공 왜곡이 도입되면, 실리콘 단결정 인상시의 도가니의 용해 속도가 빨라져 버려, 실리카 유리 도가니(1)의 수명이 짧아져 버린다는 종래에는 인식되지 않았던 새로운 문제를 발견했다.

따라서, 본 발명자는, 이 문제를 해결하기 위해 예의 검토를 행한 결과, 미소 오목부(5)를 형성하는 공정에 있어서 실리카 유리 도가니(1)에 도입된 가공 왜곡을 제거 또는 해방(解放)하는 처리를 실시함으로써, 그 내부에 충전한 실리콘 융액의 융액면 진동을 억제할 수 있고, 또한 장수명인 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니(1)의 제조 방법을 제공할 수 있음을 발견했다.

즉, 본 실시 형태에 있어서의 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니(1)의 제조 방법은, 미소 오목부(5)를 형성하는 공정에 있어서 도입된 가공 왜곡(10)을 제거 또는 해방하는 공정을 더 포함할 수도 있다.

이 때, 이 가공 왜곡을 제거 또는 해방하는 공정은, 실리카 유리 도가니(1)를 열처리하는 공정을 포함할 수도 있다. 이 실리카 유리 도가니(1)를 열처리하는 공정은, 실리카 유리 도가니(1)를 1200℃ 내지 1400℃의 범위에서 가열하는 것을 포함하는 것이 바람직하며, 특히 바람직하게는 1250℃ 내지 1350℃의 범위에서 가열한다. 1200℃ 미만에서는 가열해도 가공 왜곡의 제거 또는 해방 효과를 기대할 수 없으며, 또한, 1400℃를 초과하여 가열하면, 실리카 유리 도가니(1) 자체가 용해되어 버릴 우려가 있기 때문이다. 또한, 이 열처리는, 반드시 실리카 유리 도가니(1)의 전체에 실시되어야 하는 것은 아니며, 충분히 가공 왜곡의 제거 또는 해방 효과를 얻기 위해서는, 특정 영역(6)에 대해 실시하면 충분하다.

또한, 이 열처리는, 충분히 가공 왜곡의 제거 또는 해방 효과를 얻기 위해서는 5분 이상 실시하는 것이 바람직하며, 특히 바람직하게는 10분 이상이다. 다만, 이 열처리는, 생산성을 저하시키지 않기 위해서는 1시간 이내인 것이 바람직하며, 특히 바람직하게는 30분 이내이다.

또한, 이 가공 왜곡을 제거 또는 해방하는 공정은, 실리카 유리 도가니(1)를 산처리하는 공정을 포함할 수도 있다. 이 산처리하는 공정은, 실리카 유리 도가니(1)를 소정의 농도의 불화 수소산 수용액에 복수 회 침지시키는 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 또한, 불화 수소산 수용액은, 충분히 가공 왜곡의 제거 또는 해방 효과를 얻으면서 실리카 유리 도가니(1) 자체가 용해되어 버리지 않도록 하기 위해서는, 불화 수소 농도 20% 내지 30%의 범위로 하는 것이 바람직하며, 특히 바람직하게는 불화 수소 농도 23% 내지 27%의 범위이다. 또한, 이 산처리는, 반드시 실리카 유리 도가니(1)의 전체에 실시해야 하는 것은 아니며, 충분히 가공 왜곡의 제거 또는 해방 효과를 얻기 위해서는, 특정 영역(6)에 대해 실시하면 충분하다.

또한, 침지 횟수는, 충분히 가공 왜곡의 제거 또는 해방 효과를 얻으면서 실리카 유리 도가니(1) 자체가 용해되어 버리지 않도록 하기 위해서는, 1회 이상으로 하는 것이 바람직하나, 2회 이상으로 하는 것이 보다 바람직하며, 특히 3회로 하는 것이 바람직하다. 다만, 침지 횟수는, 10회 이하로 하는 것이 바람직하고, 5회 이하로 하는 것이 보다 바람직하다. 이 산처리에 의해, 충분히 가공 왜곡의 제거 또는 해방 효과를 얻으면서 도가니 자체가 용해되어 버리지 않도록 하기 위해서는, 실리카 유리 도가니(1)의 내면은 10μm 내지 15μm 정도 식각되는 것이 바람직하며, 11μm 내지 14μm 정도 식각되는 것이 보다 바람직하다.

이와 같이, 본 실시 형태에서는, 미소 오목부(5)를 형성하는 공정에 있어서 실리카 유리 도가니(1)에 도입된 가공 왜곡은, 전술한 실리카 유리 도가니(1)를 열처리하는 공정 또는 산처리하는 공정에 의해, 제거 또는 해방된다. 따라서, 실리카 유리 도가니(1)의 내부에 충전한 실리콘 융액의 융액면 진동을 억제할 수 있고, 또한 장수명인 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조 방법을 제공할 수 있다.

<실리카 유리 도가니의 제조 방법의 변형예 2>

그런데, 고온의 실리콘 융액과 실리카 유리 도가니(1)의 계면에는, 갈색의 링형의 무늬가 형성될 수가 있다. 이는, 브라운 링이라 불리며, 실리콘 단결정 인상의 온도 및 압력 범위에 있어서, SiO₂의 안정적인 결정 구조인 크리스토발라이트(cristobalite)에 의한 것이다. 이 브라운 링이 성장하면, 링의 중앙 부분으로부터 박리가 시작되고, 이 박리된 크리스토발라이트의 결정 조각에 의해 실리콘 단결정의 단결정화율이 저하하고, 수율이 저하하는 문제가 있다. 이러한 크리스토발라이트의 박리를 억제하는 기술로서, 종래, 도가니의 내표면에 바륨을 코팅하여, 크리스토발라이트층을 결정화시키는 기술이 알려져 있다.

그러나, 단순히 실리카 유리 도가니(1)의 내표면에 바륨 분말을 뿌린 것만으로는, 바륨 분말이 아래로 떨어져 버려, 충분한 양의 바륨 분말을 코팅할 수 없고, 상기 크리스토발라이트층을 충분히 결정화시킬 수 없다는 문제가 있었다.

따라서, 본 발명자는, 이 문제를 해결하기 위해 예의 검토를 행한 결과, 특정 영역(6)에 결정화 촉진제를 도포함으로써, 충분한 양의 바륨 분말을 코팅할 수 있으므로, 특정 영역(6)을 결정화할 수 있다는 것을 발견했다. 이와 같이 하면, 특정 영역(6)이 결정화되어 있음으로써, 크리스토발라이트의 박리를 억제할 수 있고, 높은 수율로 실리콘 단결정을 인상할 수 있다.

즉, 본 실시 형태의 실리카 유리 도가니의 제조 방법은, 특정 영역(6)에 대해, 결정화 촉진제를 도입하는 공정을 더 포함하는 것이다. 그리고, 특정 영역(6)에 결정화 촉진제를 도입하는 공정은, 특정 영역(6)에 결정화 촉진제를 도포하는 공정을 포함하는 것이 바람직하다. 이 도입 공정에서는, 미소 오목부(5)가 형성된 특정 영역(6)에 대해, 이 실리카 유리 도가니(1)를 회전시키면서 결정화 촉진제를 뿌림으로서, 전체에 골고루 결정화 촉진제를 도포할 수 있다. 또한, 특정 영역(6)에 마련되어 있는 미소 오목부(5)에 대해, 노즐 등을 이용하여 결정화 촉진제를 주입할 수도 있다. 이 경우에는, 오목부에 결정화 촉진제가 보다 많이 들어가기 때문에, 결정화 촉진제가 아래로 잘 떨어지지 않는다는 유리한 효과가 얻어진다. 그 밖에도, 결정화 촉진제의 도입은, 분말 도포, 잉크젯법, 졸겔 봉입법 등에 의해 도입될 수 있다.

결정화 촉진제로는, 편석 계수의 관점에서, Ba 분말을 사용하는 것이 바람직하다. Ba의 편석 계수는 작기 때문에, 실리콘 단결정에 혼입하는 바륨은 극소가 되어, 실리콘 융액에의 혼입의 문제가 잘 발생하지 않기 때문이다.

이에 의해, 특정 영역에 미소 오목부(5)를 마련하기만 한 것에 비해, 표면을 결정화한 것에 의해, 실리카 유리 도가니(1)의 용해 속도가 느려져, 보다 훨씬 융액면 진동을 억제할 수 있다. 또한, 실리카 유리 도가니(1)의 기계 강도도 높일 수 있고, 단결정 실리콘의 수율이 향상된다.

이상, 도면을 참조하여 본 발명의 실시 형태에 대해 설명하였으나, 이들은 본 발명의 예시로서, 상기 이외의 다양한 구성을 채용할 수도 있다.

본 발명에 의하면, 둘레벽부의 내면의 특정 영역에, 복수 개의 미소 오목부를 구비함으로써, 그 내부에 충전한 실리콘 융액의 융액면 진동을 안정적으로 억제할 수 있고, 또한 장수명인 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니 및 그 제조 방법을 제공할 수 있다.

1…실리카 유리 도가니,
2…둘레벽부,
3…만곡부,
4…저부,
5…미소 오목부,
6…특정 영역,
8…천연 실리카 유리,
8a…천연 실리카 분말,
9…합성 실리카 유리,
9a…합성 실리카 분말,
H…도가니 높이,
100…실리카 유리 도가니,
101…용융 다결정 실리콘,
102…종결정(종자 결정),
103…목부,
104…어깨부,
105…직동부,
106…꼬리부,
107…실리콘 잉곳,
108…천연 실리카 유리,
109…합성 실리카 유리,
201…개구 기포,
202…독립 기포

Claims

둘레벽부, 만곡부 및 저부를 갖는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니로서, 상기 둘레벽부의 내면의 특정 영역에, 복수 개의 미소 오목부를 구비하는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.
청구항 1에 있어서,
상기 특정 영역은, 상기 실리카 유리 도가니의 높이를 H라 할 때, 상기 저부로부터 측정하여, 0.50H 내지 0.99H의 영역 내에 있는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.
청구항 1에 있어서,
상기 특정 영역은, 상기 실리카 유리 도가니의 높이 방향으로 0.1mm 내지 5.0m의 범위의 간격으로 구획된 원환형의 내면 부분마다, 적어도 1개의 상기 미소 오목부를 갖는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.
청구항 1에 있어서,
상기 미소 오목부의 평균 직경은, 1μm 내지 500μm의 범위인 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.
청구항 1에 있어서,
상기 미소 오목부의 평균 깊이는, 상기 둘레벽부에 있어서의 도가니 두께의 0.05% 내지 50%의 범위인 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.
청구항 1에 있어서,
상기 미소 오목부의 평균 직경의 상기 미소 오목부의 평균 깊이에 대한 비는, 0.8 미만인 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.
청구항 1에 있어서,
적어도 상기 특정 영역이 결정화되어 있는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.
청구항 7에 있어서,
상기 결정화는, 적어도 상기 특정 영역에 결정화 촉진제를 도포함으로써 형성되어 있는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.
청구항 8에 있어서,
상기 결정화 촉진제가, Ba 분말인 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니.
둘레벽부, 만곡부 및 저부를 가지며, 천연 실리카 유리층의 외층 및 합성 실리카 유리층의 내층의 2층으로 형성되는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조 방법으로서, 상기 방법은,
천연 실리카 분말로 이루어지는 외층을 형성하는 공정과,
상기 외층의 내면 상에, 합성 실리카 분말로 이루어지는 내층을 형성하는 공정과,
상기 내층의 내면측으로부터 아크 방전을 발생시켜 상기 실리카 분말을 용융시키고, 둘레벽부, 만곡부 및 저부를 갖는 실리카 유리 도가니를 형성하는 공정 및
상기 실리카 유리 도가니를 형성하는 공정 이후, 특정 영역에, 복수 개의 미소 오목부를 형성하는 공정을 포함하는 것을 특징으로 하는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 미소 오목부를 형성하는 공정은, 탄산 가스 레이저 또는 다이아몬드 툴 등을 이용한 물리 연삭을 이용하여 미소 오목부를 형성하는 공정을 포함하는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 미소 오목부를 형성하는 공정에 있어서 도입된 가공 왜곡을 제거 또는 해방하는 공정을 더 포함하는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 가공 왜곡을 제거 또는 해방하는 공정이, 상기 실리카 유리 도가니를 열처리하는 공정을 포함하는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조 방법.
청구항 13에 있어서,
상기 열처리하는 공정은, 상기 실리카 유리 도가니를 1200 내지 1400℃의 범위에서 가열하는 공정을 포함하는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조 방법.
청구항 12에 있어서,
상기 가공 왜곡을 제거 또는 해방하는 공정이, 상기 실리카 유리 도가니를 산처리하는 공정을 포함하는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조 방법.
청구항 15에 있어서,
상기 산처리하는 공정은, 상기 실리카 유리 도가니를 소정의 불화 수소산 수용액에 복수 회 침지시키는 공정을 포함하는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조 방법.
청구항 10에 있어서,
상기 특정 영역에 대해, 결정화 촉진제를 도입하는 공정을 더 포함하는 실리콘 단결정 인상용 실리카 유리 도가니의 제조 방법.