JP2022101901A - 石英ガラスルツボ及びその製造方法 - Google Patents
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Abstract
Description
特許文献1に開示された方法では、石英部材をHF溶液でその表層から30μm以上をエッチングした後、400℃~1300℃のハロゲンガスで処理し、含有する金属不純物を除去するようにしている。
この温度まで加熱する場合、通常、熱源は加熱炉の側壁近傍に配置される。ここで、石英部材が石英ガラスルツボの場合、ルツボはその外面側から加熱されることになる。すると、ルツボは外側が高温で内面側が低温という温度勾配が生じる。即ち、高純度化したい透明内層よりも不透明外層が高温となる。
また、ハロゲンガスによる高純度層の形成も元素の拡散速度に依存するため、より高温のルツボ外層側から金属不純物が拡散してくる環境は、十分な厚さの高純度層を形成することができないという課題があった。
尚、前記透明内層において、Feの含有量が10ppb以下、Ni、Cr、Cuの含有量が1ppb以下となるのは表面から10μmないし表面から30μmの範囲となる。
図1は本発明に係る石英ガラスルツボ1の断面図である。図2は、図1の石英ガラスルツボの一部拡大断面図である。
この石英ガラスルツボ1は、例えば単結晶引上装置(図示せず)において用いられ、装置内でカーボンサセプタ(図示せず)によって抱持された状態で使用される。
即ち、単結晶引上装置では、石英ガラスルツボ1内に原料シリコンが溶融され、溶融液からシリコン単結晶が引上げられる。
図1に示すように、側部7において一番外側には、ルツボ上端6から側部7の下方まで、外層2が形成されている。外層2は、結晶化促進剤として例えばAlを添加したAl添
加石英ガラス層により形成されている。
さらに、この中間層3より内側には、シリコン単結晶引上げ時に溶融シリコンと接する高純度の合成原料石英ガラス(または天然原料石英ガラス)からなる透明内層4が形成されている。
即ち、図示するようにルツボ底部コーナー8及びルツボ底部9は、側部7の不透明中間層3から連続して形成された天然原料石英ガラスからなる不透明外層5と、合成原料石英ガラス(または天然原料石英ガラス)からなる透明内層4とで形成された2層構造となされている。
これは、単結晶引上げの開始初期段階において、底部コーナー8及び底部9(不透明外層5)を軟化させ、ルツボ1を支持するカーボンサセプタと密着させるためである。
このように外層2においてガラス層中に結晶粒が分布していることにより、ガラス層である中間層3との間に生じる引張応力を結晶粒単位の僅かな力に分散し、クラックの発生を防止することができる。
また、不透明中間層3から連続して形成されたルツボ底部コーナー8の不透明外層5における厚さ寸法mt2は6mm以上に形成され、ルツボ底部9の不透明外層5における厚さ寸法mt3は6mm以上に形成される。
また、ルツボ底部コーナー8における不透明外層5の厚さ寸法mt2及びルツボ底部9における不透明外層5の厚さ寸法mt3が6mmより小さいと、充分な耐久性が得られ難いためである。
具体的には、(図5(b)のグラフに示すように)透明内層4の表面においてFe、Ni、Cr、Cuの金属不純物含有量が最も低く、透明内層4の表面から内部側に向かって徐々に前記金属不純物含有量が増加し、深さ20μm~40μmで極大値となり、より深くなると徐々に金属不純物含有量が低下するように形成されている。即ち、図2に示すように透明内層4の表面から10μmないし表面から30μmの深さまで金属不純物含有量が大幅に低減された十分な厚さの高純度化層4aが形成されている。
このように透明内層4にあっては、その表面に高純度化処理により金属不純物含有量が低減された高純度化層4aが形成されている。それにより、単結晶引き上げ処理において、シリコン融液に溶ける不純物を低減することができ、高純度のシリコン単結晶を得ることが可能となる。
尚、透明内層4において、ルツボ側部7における厚さ寸法it1と、ルツボ底部コーナー8における厚さ寸法it2と、ルツボ底部9における厚さ寸法it3とは共に、例えば3mm以上の厚さに形成されている。
先ず、図3に示すような石英ガラスルツボ製造装置10を用いて高純度化処理前の石英ガラスルツボを製造する。石英ガラスルツボ製造装置10のルツボ成形用型11は、例えば複数の貫通孔が穿設された金型、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た内側部材12と、その外周に通気部13を設けて、前記内側部材12を保持する保持体14とから構成されている。
内側部材12に対向する上部にはアーク放電用のアーク電極19と、Al添加原料供給ノズル20と、天然石英粉供給ノズル22と、高純度合成石英粉供給ノズル23が設けられている。
次いで、前記一次添加原料を同量の石英粉と混合し、前記一次添加原料が均一に分散したAl濃度が例えば25ppmの二次添加原料を得る。これを外層2に供給するAl添加石英粉とする。
また、上記例では、一次添加原料を同量の石英粉と混合し、Al添加石英粉を形成するものとしたが、Al添加石英粉中の一次添加原料の含有割合は1~50%の範囲であることが望ましく、それにより一次添加原料間に無添加の石英粉が介在する状態とすることができる。
次いで、ルツボ成形用型11内にAl添加原料供給ノズル20からAl添加石英粉(Al濃度25ppm)を供給する。供給されたAl添加石英粉は、遠心力によって内側部材12の内面側に押圧され、外層2として形成される。尚、このときの外層2中の一次添加原料は、石英粉中に分散した状態である。
供給された高純度合成石英粉は、遠心力によって不透明中間層3及び不透明外層5の内面側に押圧されて、透明内層4の成形体として成形される。
さらに、減圧機構18の作動により内側部材12内を減圧し、アーク電極19に通電してルツボ成形体の内側から加熱し、ルツボ成形体の透明内層4、不透明中間層3、不透明外層5および外層2を溶融して、高純度化処理前の石英ガラスルツボ1Aを製造する。
この高純度化処理装置30は、石英ガラスルツボ1Aを収容するチャンバ31と、チャンバ31内において石英ガラスルツボ1Aを載置する載置台32とを備える。図示するように石英ガラスルツボ1Aは、その開口部が載置台32に当接するよう上下逆に載置される。
図示するようにヒータ33、熱電対34、ガス供給部35、及びガス排気部36は、ルツボ1A内に配置され、ルツボ内表面に対し高温下でハロゲンガスが曝されるように構成されている。
このとき、ルツボ1A内には、ヒータ33、熱電対34、ガス供給部35、及びガス排気部36が配置される。
その後、ヒータ33の駆動を停止するとともにガス排気部36によりチャンバ31より排気し、チャンバ31内からルツボを取り出すことにより高純度化処理された石英ガラスルツボ1が得られる。
また、前記石英ガラスルツボ1は、高純度化処理前の石英ガラスルツボ1Aに対し、その内表面側から加熱するとともにハロゲンガスを供給し、高純度化処理を行うことにより得られる。この高純度化処理においては、内層4側が高温となり、中間層3及び外層5側がより低温となるため、金属不純物の多い不透明中間層3や不透明外層5からの金属不純物の拡散を抑制することができ、効率的に高純度化処理を行うことができる。
本実施例では、前記実施の形態に示した構成の石英ガラスルツボの高純度化処理を行い、本発明の効果を検証した。
図4に示した高純度化処理装置を用い、32インチの石英ガラスルツボに対し高純度化処理を実施した。即ち、ルツボをチャンバ内において載置台上に上下逆さに置き、ルツボ内部に配置したカーボンヒータにより1200℃に加熱し、その後、塩化水素を2L/min、アルゴンガスを3L/min流し、12時間状態を維持して高純化処理を実施した。
チャンバ内に32インチの石英ガラスルツボを配置し、ルツボ外側からカーボンヒータによりルツボを1200℃に加熱した。また、ルツボ内部にガスが供給できる様に配管を設置し、その後、塩化水素を2L/min、アルゴンガスを3L/min流し、12時間状態を維持して高純化処理を実施した。
この高純化処理後のルツボ内面をフッ酸で10μmずつ50μmまで溶融して分析した。その結果、最表面はFeの含有量が約100ppb、Ni、Cr、Cuの含有量が1~20ppbであった。また、表面から深くなるほど金属不純物含有量は小さくなり表面から深さ50μmではFeが約30ppb、Ni、Cr、Cuの含有量が約5ppbとであった。
2 外層
3 不透明中間層
4 透明内層
5 不透明外層
7 側部
8 底部コーナー
9 底部
10 石英ガラスルツボ製造装置
30 高純度化処理装置
Claims (3)
- 単結晶を引上げるための石英ガラスルツボにおいて、
透明内層と、前記透明内層よりも外側に配置された少なくとも1層の外層とを有し、
前記透明内層は、Fe、Ni、Cr、Cuの含有量が表面において最も小さく、表面より20~40μmの深さにおいて極大となる分布を有することを特徴とする石英ガラスルツボ。 - 前記透明内層において、Fe、Ni、Cr、Cuの含有量は、表面から10μmないし表面から30μmの深さまでFeの含有量が10ppb以下、Ni、Cr、Cuの含有量が1ppb以下であることを特徴とする請求項1に記載された石英ガラスルツボ。
- 前記請求項1または請求項2に記載された石英ガラスルツボの製造方法であって、
透明内層と、前記透明内層よりも外側に配置された少なくとも1層の外層とを有する高純度化処理前の石英ガラスルツボを製造する工程と、
前記高純度化処理前の石英ガラスルツボの透明内層側から1000℃~1300℃の温度に加熱するとともに、該透明内層側にハロゲンガスを所定時間供給し、ハロゲンガスを前記透明内層の表面と反応させて金属不純物を除去する高純度化処理を施す工程と、
を備えることを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
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