JP3717151B2 - シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に係わり、特に石英ガラスルツボの内表面を無気泡化したシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの基板に用いられるシリコン単結晶は、一般にチョクラルスキー法（ＣＺ法）で製造されており、このＣＺ法は石英ガラスルツボ内に多結晶シリコン原料を装填し、装填したシリコン原料を周囲から加熱して溶融し、上方から吊り下げた種結晶をシリコン融液に接触して引上げるものである。
【０００３】
従来の石英ガラスルツボは減圧溶融等の方法で形成されているが、シリコン単結晶の引上げ時、石英ガラスルツボが高温になると透明層に気泡が発生し、石英ガラスルツボが変形するとともに、シリコン融液によってその表面から侵食されるが、侵食によって、石英ガラスルツボの透明層（内層）中の気泡が、シリコン融液との界面に露出した状態になり、単結晶化が不安定になって、結果、単結晶化歩留が低下するという問題があった。透明層に発生する気泡は酸素が主体であり、不純物や構造水の多い部分が気泡の核となり、形成された気泡に周囲の酸素が拡散し、成長するものである。
【０００４】
そこで、近年石英ガラスルツボの透明層を無気泡化する製造方法が種々検討されているが、完全に無気泡化されるまでには至っていないのが現状であり、また、例え従来の石英ガラスルツボに比べ、透明層の気泡を格段に低減したとしても、高品質が要求されているシリコン単結晶の単結晶化歩留が決して十分に満足される程度に向上されていなかった。
【０００５】
従来一般に、減圧下で型内の石英原料粉を溶融して石英ガラスルツボの内側に透明層を形成する石英ガラスルツボの製造方法が行われているが、この製造方法では、内表面近傍の透明層中に気泡が残存する。このような製造方法で製造された石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶引上げを行うと、透明層中に気泡が膨れ、内面側の透明層の溶解とともに気泡がシリコン融液中に混入し、引上げられるシリコン単結晶中に気泡が取込まれ、結晶転位による有転位化（結晶欠陥）の原因となって、単結晶化率を低下させる要因となり問題があった。
【０００６】
さらに、石英ガラスルツボの透明層を無気泡化する製造方法が種々検討されている。
【０００７】
例えば、特開平１―１５７４２７号公報には、型に通気性を持たせた型内に石英原料粉を供給し、ルツボ形状成形体を形成した後減圧し、水素ガス、ヘリウムガスあるいはこれらの混合ガスを溶融開始から供給して石英ガラスルツボを製造する方法が記載されている。この製造方法によれば、水素ガス、ヘリウムガスが石英ガラスルツボの透明層に拡散して、このガス以外のガスは拡散できず、加熱溶融中に生成した気泡内のガスは、石英ガラス中から外部に拡散することによって消失させるものであるが、ヘリウムガスを溶融開始から終了まで供給して石英ガラスルツボを製造する場合には、上記に記載の製造方法と同様の問題点があり、水素ガスまたは水素ガスとヘリウムガスの混合ガスを溶融開始から終了まで供給して石英ガラスルツボを製造する場合には、シリコン単結晶引上げ中の気泡の膨れを抑制できるが、透明層の表層には約１ｍｍの微細な泡の層が残留し、気泡数を限りなくゼロに近づけることは困難であり、石英ガラス小片の剥離が生じ、単結晶化率の低下を招いたり、また、石英ガラスルツボ中のＯＨ濃度が高くなり、石英ガラスの粘性が低下して、シリコン単結晶引上げ中に石英ガラスルツボが変形するおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明者らは、気泡数を限りなくゼロに近づけることができ、ＣＺ法において高い単結晶化率が得られる石英ガラスルツボの製造方法について鋭意検討を行った。その結果、究極的にはアーク溶融によって形成された石英ガラスルツボ内表面に不回避的に混入してしまう気泡を次工程で除去することが、有効であるとの結論に達した。
【０００９】
これに関連する従来技術として特開平２―１８８４８９号公報に石英ガラスルツボの再生方法が提案されている。この再生方法は、不良とされた石英ガラスルツボの内表面に存在する突起物、内表層に含まれるガラス状シリカ以外の異物を機械研削またはエッチングした後、この研削跡または食刻跡の周縁部を熱処理して滑らかにする石英ガラスルツボの再生方法である。しかし、この再生方法を上述した気泡の除去に適用すると、多数個所において存在する気泡集中部を各々部分的に、例えば機械的研削を行い、この研削跡の周縁部を酸水素バーナにより熱処理して滑らかにしても、少なからずルツボ内表面に凹凸が残存し、これによって、シリコン融液の対流が部分的に乱れ、単結晶化率の低下を招いたり、また、上記機械的研削を粗いダイヤモンドツールを用いた場合には、この研削時に生じ、かなりの深さまで達したマイクロクラックダメージを全て除去することはできず、シリコン融液によるルツボ内表面の侵食が進み、これに達すると、この部分からの選択的侵食が加速し、耐用寿命が短くなってしまうといった問題が生じることが確認された。
【００１０】
また、上記再生方法においては、研削後の熱処理として、酸水素バーナでの加熱処理のほかにアーク炎による加熱処理があげられているが、この場合、加熱処理後のルツボ内表面にＡｌ、Ｃａ等の不純物が点在してしまうことが確認された。この理由は明らかではないが、アーク炎での加熱処理は酸水素バーナでの加熱処理に比べかなり高い雰囲気温度となり、加熱時に表面のＳｉＯ２を蒸発させてしまう。この際、ＳｉＯ２より蒸気圧の低いＡｌ、Ｃａ等の不純物が濃縮された状態で残存してしまうものと推測される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、シリコン単結晶引上げを行っても、引上げられる単結晶中に気泡の取込みがなく、有転位化が発生せず、高単結晶化率が得られるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法が要望されている。
【００１２】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、シリコン単結晶引上げを行っても、引上げられる単結晶中に気泡の取込みがなく、有転位化が発生せず、高単結晶化率が得られるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本願請求項１の発明は、回転する型内に石英原料粉を供給しルツボ形状体を形成してこれをアーク溶融した溶融ルツボの内表面全体を研磨処理し、この研磨面を酸水素バーナにより加熱処理するシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であって、上記研磨処理前に、溶融ルツボの内表面全体をＲａで３μｍ以下に研削することを特徴とするシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００１７】
本願請求項２の発明では、上記研削は、ダイヤモンド粒子の粒径が８０メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００１８】
本願請求項３の発明では、上記研削は、粒径が９０メッシュ以上細かい砥粒を用いてサンドブラストにより行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００１９】
本願請求項４の発明では、上記研削後に、ダイヤモンド粒子の粒径が２００メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石を用いて再研削を行うことを特徴とする請求項２または３に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００２０】
本願請求項５の発明では、上記研磨処理が８００メッシュ以上の細かい研磨布または４０００メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石により行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００２１】
本願請求項６の発明では、上記アーク溶融が上記ルツボ形状成形体の外周面側から減圧しながら行われ、かつこのアーク溶融終了前に上記ルツボ形状成形体の中空部に水素ガスを供給し、アーク溶融がなされることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００２２】
本願請求項７の発明では、上記水素ガスの供給開始前に上記減圧を低減するか、もしくは停止することを特徴とする請求項６に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法について添付図面に基づき説明する。
【００２４】
本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボは、図１に示すように、石英原料粉から溶融ルツボを製造する溶融ルツボ製造工程と、この溶融ルツボの内表面を研磨する研磨工程と、この研磨された内表面を加熱処理する加熱処理工程とで構成されている。また、透明層の表層には約１ｍｍの微細な泡の層が残留する場合には、この泡の層を研削（粗削り）除去する研削工程を溶融ルツボ製造工程と研磨工程の間に介在させることが好ましい。
【００２５】
はじめに、上記溶融ルツボ製造工程は、例えば、図２に示すような石英ガラスルツボ製造装置を用いて行われる。
【００２６】
石英ガラスルツボ製造装置１のルツボ成形用型２は、例えば複数の貫通孔を穿設した金型、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ている内側部材３と、その外周に通気部４を設けて、内側部材３を保持する保持体５とから構成されている。また、保持体５の下部には、図示しない回転手段と連結されている回転軸６が固着されていて、ルツボ成形用型２を回転可能なようにして支持している。通気部４は、保持体５の下部に設けられた開口部７を介して、回転軸６の中央に設けられた排気口８と連結されており、この通気部４は、減圧機構９と連結されている。
【００２７】
内側部材３に対向する上部にはアーク放電用のアーク電極１０と、原料供給ノズル１１と、不活性ガス供給管１２および水素ガス供給管１３が設けられている。
【００２８】
従って、石英ガラスルツボ製造装置１を用いて溶融ルツボの製造を行うには、回転駆動源（図示せず）を稼働させて回転軸６を矢印の方向に回転させることによってルツボ成形用型２を所定の速度で回転させる。ルツボ成形用型２内に、原料供給ノズル１１で、上部から高純度のシリカ粉末を供給する。供給されたシリカ粉末は、遠心力によってルツボ成形用型２の内面部材３側に押圧されルツボ形状の成形体Ｒ１として形成される。
【００２９】
次に、図３に示すような製造工程図に沿って、減圧機構９の作動により内側部材３内を減圧し、さらに、不活性ガス供給管１２からヘリウムガスまたはアルゴンガス、例えばヘリウムガスを一定量の割合、例えば８０リットル／分で成形体Ｒ１の中空部Ｒ１ｉに供給する。ヘリウムガスの供給５分後、アーク電極１０に通電、継続し、成形体Ｒ１の内側から加熱し、成形体Ｒ１の内表面Ｒ１Ｓに溶融層を形成する。
【００３０】
所定時間経過後、石英ガラスルツボの外側に気泡を多数含む不透明層を適切に形成するために、減圧機構９を調整もしくは停止してルツボ成形用型２内の減圧を調整もしくは停止させる。減圧を低減もしくは停止した状態でさらに全アーク溶融時間Ｔ分間アークを継続し、アーク溶融開始から、一定時間経過後にヘリウムガスの供給を停止し、ヘリウムガスの供給を停止後、例えば停止と同時に水素ガス供給管１３から一定量の割合、例えば１００リットル／分で水素ガスを成形体Ｒ１の中空部Ｒ１ｉに供給する。水素ガスの供給開始は、遅くともアーク溶融停止の５分前、例えば１０分前に行われ、かつ全アーク溶融時間Ｔ分の４０％に相当する時間ｔ分経過以降に行われる（ｔ＞０．４Ｔ）。アーク溶融開始から所定時間Ｔ分経過後、アーク通電を停止し、水素ガスの供給を止めて溶融ルツボ製造工程は終了する。
【００３１】
上述した溶融ルツボ製造工程において、ヘリウムガスの供給によって、図４に示すように、溶融当初に石英ガラスルツボＲに形成されるシード層（内表面）と外側の不透明層に含まれる気泡量を適切に低減でき、さらに、ヘリウムガスの供給および製造工程の後半における水素ガスを供給することにより、著しく透明層の気泡量の低減が図れる。また、透明層中に残存する気泡および不透明層中の気泡がシリコン単結晶引上げ中に膨張するのを防止できる。
【００３２】
さらに、減圧溶融を行うことにより、透明層中に残存する気泡量を低減することができ、また、シード層が一種の通気壁の作用をし、減圧度合の調整によって、不透明層中の気泡量および気泡径を制御することができる。この減圧溶融は、前者の効果を得るために、上記アーク溶融の開始前もしくは同時に、あるいは上記ルツボ形状成形体の内表面が、アーク溶融によって、例えば１００μｍ溶融された後に開始するのが好ましい。また、アーク溶融中に減圧を低減もしくは停止させることにより、不透明層中の気泡量をより適切に制御できる。
【００３３】
さらに、水素ガスの供給開始が、アーク溶融停止の５分前であるため、水素供給の効果が十分得られ、ルツボ内側の透明層に残存する気泡量の低減、および外側不透明層の気泡が膨れるのを防止できる。
【００３４】
また、水素ガスの供給開始が、全アーク溶融時間Ｔの４０％に相当する時間ｔ経過以降に行われるので、溶融ルツボの石英ガラスの高温粘性を低下させることがなく、長時間の使用に耐えられる石英ガラスルツボが得られる。
【００３５】
なお、図５に示すように、減圧を行いながら溶融ルツボＲの中空部Ｒ１ｉに水素ガスを流すと、水素ガスが中空部Ｒ１ｉから上方を通って溶融ルツボＲの未溶融層部Ｒｕに回り込んで侵入し、その内側の不透明層のＯＨ基濃度を高めてしまい、結果、石英ガラスルツボ全体の粘度を低下させ易いことから、水素ガスを流す際には、上記のように減圧を停止もしくは低減するのが好ましい。
【００３６】
次に、図１に示すような工程に従い、上記のようにして製造された溶融ルツボを研削工程において研削する。
【００３７】
この研削工程は、図６の上段に示すような工程と、図７に示すようなハンディタイプの研削装置（ベルトサンダー）２１を用いて、粗研削工程、再研削工程の２段階で行われる。
【００３８】
この研削装置２１はエアコンプレッサ（図示せず）に連通された高圧エアパイプ２２から送られてくる高圧空気により回転されるベーン型回転機構２３と、このベーン型回転機構２３により回転駆動される駆動回転ローラ２４と、この駆動回転ローラ２４の回転に従動する従動回転ローラ２５と、両回転ローラ２４、２５間に回転自在に設けられた研削ベルト２６と、湿式研削を行うため、研削ベルト２６と被研磨物間に給水する給水パイプ２７に接続された給水ノズル２８とを有している。
【００３９】
研削ベルト２６は、ダイヤモンド砥石（ベルト）であり、粗研削工程におけるダイヤモンド粒径は８０メッシュ（＃）以上に細かくする。
【００４０】
この研削ベルト２６を溶融ルツボＲの内表面ＲＳに当て、高圧エアパイプ２２からベーン型回転機構２３に送り、このベーン型回転機構２３を回転させて、駆動回転ローラ２４を回転させ、研削ベルト２６を回動させて、内表面ＲＳを研磨する。このとき、給水パイプ２７、給水ノズル２８を介して研削ベルト２６と内表面ＲＳ間に給水するので、湿式研磨となり、迅速かつ高平坦に研削される。
【００４１】
再研削工程では、研削ベルト２６のダイヤモンド粒径を２００メッシュ以上に細かくし、好ましくは３０００メッシュとし、再研削工程後の内表面の算術平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）を３μｍ以下に平坦化する。
【００４２】
このように、Ｒａを３μｍ以下の粗さにすることによって、次工程でのより迅速な研磨処理が可能となり、さらに、研削工程で発生するマイクロクラックダメージを確実、かつ、より短時間で除去できるようになる。
【００４３】
さらに、図１に示すような工程に従い、この溶融ルツボの研削された内表面を研磨工程において研磨する。
【００４４】
例えば、図８に示すように、研磨工程はハンディタイプの研磨装置３１を用いて行われる。この研磨装置３１はエアコンプレッサ（図示せず）に連通された高圧エアパイプ３２から送られてくる高圧空気により回転されるベーン型回転機構３３と、このベーン型回転機構３３により回転駆動される駆動回転ローラ３４と、この駆動回転ローラ３４に設けられた研磨布３５と、湿式研磨を行うため、研磨布３５と被研磨物間に研磨剤を供給する供給パイプ３６に接続された供給ノズル３７とを有している。
【００４５】
この研磨布３５を溶融ルツボＲの内表面ＲＳに当て、高圧エアパイプ３２からベーン型回転機構３３に送り、このベーン型回転機構３３を回転させて、駆動回転ローラ３４を回転させ、研磨布３５を回転させて、内表面ＲＳを研磨する。このとき、供給パイプ３６、供給ノズル３７を介して研磨布３５と内表面ＲＳ間に研磨剤を供給するので、湿式研磨となり、高平坦に研磨される。
【００４６】
上記のようにして研磨された内表面ＲＳはＲａで１μｍ以下、表面粗さのバラツキを内表面全体で±０．１μｍの範囲内にすることができる。研磨布３５のダイヤモンド粒径が８００メッシュ以上と細かいので、内表面の有害となるマイクロクラックダメージをより確実に除去することができ、さらに、より均一性を高く、かつより確実にＲａを１μｍより小さくすることができる。さらに、内表面の状態は、より好ましくは、最高高さ（Ｒｙ）（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）が５μｍであり、この場合、内表面のより高い均一性が得られる。
【００４７】
上記のようにＲａを１μｍ以下にすると、次工程の加熱処理を行うことにより、内表面Ｒｓに目視できるような凹凸を残すことがなく、また、引上げられるシリコン単結晶に悪影響を与えることもなく、さらに、マイクロクラックダメージを残さないようにすることができる。Ｒａが１μｍを超える場合には、次工程の加熱処理を行っても、ルツボ内表面ＲＳに目視できる程度の凹凸が残ってしまい、引上げられるシリコン単結晶に悪影響を与え易い。
【００４８】
また、内表面Ｒｓの部分的なＲａのバラツキが、内表面全体で±０．１μｍの範囲内であると、加熱処理によって形成されるガラス層の厚さの均一性を保つことができる。Ｒａのバラツキが±０．１μｍを超えると、この粗さ状態の違いに伴い加熱処理によって形成されるガラス層の厚さの均一性が損なわれてしまう。
【００４９】
研磨された後の内表面Ｒｓは、Ｒａで０．１μｍ以下でかつＲａのバラツキが±０．０３μｍとすることによって、上記効果の信頼性をより高める事ができる。
【００５０】
なお、研削工程は、図６の上段に示すようなダイヤモンド砥石による研削に限らず、図６の下段に示すように、一般的に用いられる湿式サンドブラストで、例えば、粒径が９０メッシュ以上、好ましくは１８０メッシュ以上細かいＳｉＣの砥粒を体積換算濃度で１０〜４０％の水溶液で吹き付けて行う。さらに、上記同様に研磨布３５を用いて研磨し、内表面ＲＳはＲａで１μｍ以下にする。
【００５１】
サンドブラスト研削は、ダイヤモンド砥石研削に比べて研削時間を２５％程短縮できるが、サンドブラスト研削は、ＳｉＣ砥粒を用いるため、研削面に金属不純物や砥粒の付着が生じ易く、このままでは、研磨処理に移行できにくく、１０００メッシュ以上の細かいダイヤモンド砥石を用いて再研削を行った後、同様の研磨を行い、内表面ＲＳをＲａで１μｍ以下にするようにするのが好ましい。さらに、サンドブラストは湿式に限らず、乾式であってもよい。サンドブラストを用いることによっても、迅速かつ高平坦な研削が行える。
【００５２】
また、研磨工程は、上記のように研磨布を用いず、４０００メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石を用いてもよく、この場合にも、研磨面をＲａで１μｍ以下にすることができる。
【００５３】
次に、図１に示すような工程に従い、この溶融ルツボの研磨された内表面を加熱処理工程により熱処理する。
【００５４】
この加熱処理工程（図示せず）は酸水素バーナを用いて、内表面全体を加熱することによって行われる。溶融ルツボの内表面の一部にのみ微小気泡が存在する場合にも、内表面全体を研削工程、研磨工程で、研削、研磨し、酸水素バーナを用いて内表面全体を高温加熱することにより、ＳｉＯ２のベーパライズが発生せず、部分的に結晶化も生じず、シリコン単結晶引上げ時に内表面の剥離も生じない。
【００５５】
アーク炎での加熱処理は、酸水素バーナでの加熱処理に比べかなり高い雰囲気温度となり、加熱時に表面のＳｉＯ２を蒸発させ、このＳｉＯ２より蒸気圧の低いＡｌ、Ｃａ等の不純物が内表面に濃縮された状態で残存し、熱処理後のルツボ内表面にＡｌ、Ｃａ等の不純物が点在してしまう。
【００５６】
また、局部的に突起物や異物が存在し、これを局部的研削により除去した後、この除去部分を局部的加熱してガラス化した場合には、例え酸水素バーナであっても除去部分に比べ外周部は比較的低温状態になり、この外周部においてＳｉＯ２のベーパライズが生じ、凝固して内表面に付着し、ザラザラが残る。このザラザラな部分がシリコン単結晶引上げ時に結晶化して、剥離し、単結晶化率の低下を招くおそれがある。
【００５７】
上述のように石英ガラスルツボの製造方法は、型内に形成させた石英原料粉のルツボ形状体をアーク溶融により溶融ルツボを製造し、必要に応じてこの溶融ルツボの内表面全体を研削し、さらに、内表面全体を研磨処理し、この研磨した内表面を酸水素バーナにより加熱処理する方法であり、石英ガラスルツボの内表面の無気泡化、内表面の純度向上が図れ、この石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上げを行うことにより、引上げ歩留を向上させることができる石英ガラスルツボの製造方法を提供することができる。
【００５８】
【実施例】
試験１：本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法を用いて製造した直径２２インチの石英ガラスルツボ（実施例１）および通常の減圧溶融による従来の製造方法により製造した石英ガラスルツボ（従来例１）から、各々試料を切出し、内表面の気泡の状態について光学顕微鏡を用いて測定し、また、原子吸光分光法（フレームレス法）によって純度を測定した。さらに、各々の石英ガラスルツボを用いて、８インチＰ型シリコン単結晶の引上げを行った。
【００５９】
結果：実施例１：内表面に微小な気泡も存在せず、純度も従来例１に比べて向上していることが確認された。また、上記引上げ時の単結晶化率は１００％であり、使用後の石英ガラスルツボの内表面付近には、気泡が存在しないことが確認された。
【００６０】
従来例１：内表面近傍に微小気泡が残存し、純度も実施例１に比べて劣ることが確認された。また、上記引上げ時の単結晶化率は８５％であり、使用後の石英ガラスルツボの内表面付近には、凹凸部が多数確認された。
【００６１】
【発明の効果】
本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法によれば、シリコン単結晶引上げを行っても、引上げられる単結晶中に気泡の取込みがなく、有転位化が発生せず、高単結晶化率が得られるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法を提供することができる。
【００６２】
すなわち、回転する型内に石英原料粉を供給しルツボ形状体を形成してこれをアーク溶融した溶融ルツボの内表面全体を研磨処理し、この研磨面を酸水素バーナにより加熱処理する石英ガラスルツボの製造方法であるので、石英ガラスルツボの内表面の無気泡化、内表面の純度向上が図れ、シリコン単結晶引上げ歩留を向上できる石英ガラスルツボの製造方法を提供することができる。
【００６３】
また、研磨面の表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ以下に調整するので、次工程の加熱処理を行うことにより、ルツボ内表面に目視できるような凹凸を残すことがなく、また、引上げられるシリコン単結晶に悪影響を与えることがなく、さらに、マイクロクラックダメージを残すことがない。
【００６４】
また、研磨面のバラツキが溶融ルツボの内表面全体中、Ｒａで±０．１の範囲内であるので、加熱処理によって形成されるガラス層の厚さの均一性を保つことができる。
【００６５】
また、研磨処理前に、溶融ルツボの内表面全体をＲａで３μｍ以下に研削するので、次研磨工程において、より迅速な研磨処理が可能となり、さらに、研削工程で発生するマイクロクラックダメージを確実、かつ、より短時間で除去できる。
【００６６】
また、研削は、ダイヤモンド粒子の粒径が８０メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石を用いて行うので、迅速かつ高平坦な研削が行える。
【００６７】
また、研削は、粒径が９０メッシュ以上細かい砥粒を用いてサンドブラストにより行うので、迅速かつ高平坦な研削が行える。
【００６８】
また、研削後に、ダイヤモンド粒子の粒径が２００メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石を用いて再研削を行うので、迅速にＲａを３μｍ以下の粗さにすることができ、さらに、粗研削工程で発生するマイクロクラックダメージを確実、かつ、より短時間で除去できる。
【００６９】
また、研磨処理が８００メッシュ以上の細かい研磨布または４０００メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石により行うので、内表面の有害となるマイクロクラックダメージをより確実に除去することができ、さらに、より均一性を高く、かつより確実にＲａを１μｍより小さくすることができる。
【００７０】
また、アーク溶融がルツボ形状成形体の外周面側から減圧しながら行われ、かつこのアーク溶融終了前にルツボ形状成形体の中空部に水素ガスを供給し、アーク溶融がなされる石英ガラスルツボの製造方法であるので、水素供給の効果が十分得られ、ルツボ内側の透明層に残存する気泡量の低減、および外側不透明層の気泡が膨れるのを防止できる。
【００７１】
また、水素ガスの供給開始前に減圧を低減するか、もしくは停止する石英ガラスルツボの製造方法であるので、石英ガラスルツボの高温粘性を低下させることがなく、長時間の使用に耐えられる石英ガラスルツボが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法の工程図。
【図２】本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に用いられる石英ガラスルツボ製造装置の概念図。
【図３】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の溶融ルツボ製造工程の説明図。
【図４】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の溶融ルツボ製造工程において製造される石英ガラスルツボの説明図。
【図５】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の溶融ルツボ製造工程における石英ガラスルツボの状態の説明図。
【図６】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法における研削工程および研磨工程のフロー図。
【図７】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の研削工程に使用される研削装置の説明図。
【図８】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の研磨工程に使用される研磨装置の説明図。
【符号の説明】
１ 石英ガラスルツボ製造装置
２ ルツボ成形用型
３ 内側部材
４ 通気部
５ 保持体
６ 回転軸
７ 開口部
８ 排気口
９ 減圧機構
１０ アーク電極
１１ 原料供給ノズル
１２ 不活性ガス供給管
１３ 水素ガス供給管
２１ 研削装置（ベルトサンダー）
２２ 高圧エアパイプ
２３ ベーン型回転機構
２４ 駆動回転ローラ
２５ 従動回転ローラ
２６ 研削ベルト
２７ 給水パイプ
２８ 給水ノズル
３１ 研磨装置
３２ 高圧エアパイプ
３３ ベーン型回転機構
３４ 駆動回転ローラ
３５ 研磨布
３６ 供給パイプ
３７ 供給ノズル
Ｒ 溶融ルツボ（石英ガラスルツボ）
Ｒ１ 成形体
Ｒ１ｉ 中空部
Ｒｓ 内表面
Ｒｕ 未溶融層
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に係わり、特に石英ガラスルツボの内表面を無気泡化したシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの基板に用いられるシリコン単結晶は、一般にチョクラルスキー法（ＣＺ法）で製造されており、このＣＺ法は石英ガラスルツボ内に多結晶シリコン原料を装填し、装填したシリコン原料を周囲から加熱して溶融し、上方から吊り下げた種結晶をシリコン融液に接触して引上げるものである。
【０００３】
従来の石英ガラスルツボは減圧溶融等の方法で形成されているが、シリコン単結晶の引上げ時、石英ガラスルツボが高温になると透明層に気泡が発生し、石英ガラスルツボが変形するとともに、シリコン融液によってその表面から侵食されるが、侵食によって、石英ガラスルツボの透明層（内層）中の気泡が、シリコン融液との界面に露出した状態になり、単結晶化が不安定になって、結果、単結晶化歩留が低下するという問題があった。透明層に発生する気泡は酸素が主体であり、不純物や構造水の多い部分が気泡の核となり、形成された気泡に周囲の酸素が拡散し、成長するものである。
【０００４】
そこで、近年石英ガラスルツボの透明層を無気泡化する製造方法が種々検討されているが、完全に無気泡化されるまでには至っていないのが現状であり、また、例え従来の石英ガラスルツボに比べ、透明層の気泡を格段に低減したとしても、高品質が要求されているシリコン単結晶の単結晶化歩留が決して十分に満足される程度に向上されていなかった。
【０００５】
従来一般に、減圧下で型内の石英原料粉を溶融して石英ガラスルツボの内側に透明層を形成する石英ガラスルツボの製造方法が行われているが、この製造方法では、内表面近傍の透明層中に気泡が残存する。このような製造方法で製造された石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶引上げを行うと、透明層中に気泡が膨れ、内面側の透明層の溶解とともに気泡がシリコン融液中に混入し、引上げられるシリコン単結晶中に気泡が取込まれ、結晶転位による有転位化（結晶欠陥）の原因となって、単結晶化率を低下させる要因となり問題があった。
【０００６】
さらに、石英ガラスルツボの透明層を無気泡化する製造方法が種々検討されている。
【０００７】
例えば、特開平１―１５７４２７号公報には、型に通気性を持たせた型内に石英原料粉を供給し、ルツボ形状成形体を形成した後減圧し、水素ガス、ヘリウムガスあるいはこれらの混合ガスを溶融開始から供給して石英ガラスルツボを製造する方法が記載されている。この製造方法によれば、水素ガス、ヘリウムガスが石英ガラスルツボの透明層に拡散して、このガス以外のガスは拡散できず、加熱溶融中に生成した気泡内のガスは、石英ガラス中から外部に拡散することによって消失させるものであるが、ヘリウムガスを溶融開始から終了まで供給して石英ガラスルツボを製造する場合には、上記に記載の製造方法と同様の問題点があり、水素ガスまたは水素ガスとヘリウムガスの混合ガスを溶融開始から終了まで供給して石英ガラスルツボを製造する場合には、シリコン単結晶引上げ中の気泡の膨れを抑制できるが、透明層の表層には約１ｍｍの微細な泡の層が残留し、気泡数を限りなくゼロに近づけることは困難であり、石英ガラス小片の剥離が生じ、単結晶化率の低下を招いたり、また、石英ガラスルツボ中のＯＨ濃度が高くなり、石英ガラスの粘性が低下して、シリコン単結晶引上げ中に石英ガラスルツボが変形するおそれがある。
【０００８】
そこで、本発明者らは、気泡数を限りなくゼロに近づけることができ、ＣＺ法において高い単結晶化率が得られる石英ガラスルツボの製造方法について鋭意検討を行った。その結果、究極的にはアーク溶融によって形成された石英ガラスルツボ内表面に不回避的に混入してしまう気泡を次工程で除去することが、有効であるとの結論に達した。
【０００９】
これに関連する従来技術として特開平２―１８８４８９号公報に石英ガラスルツボの再生方法が提案されている。この再生方法は、不良とされた石英ガラスルツボの内表面に存在する突起物、内表層に含まれるガラス状シリカ以外の異物を機械研削またはエッチングした後、この研削跡または食刻跡の周縁部を熱処理して滑らかにする石英ガラスルツボの再生方法である。しかし、この再生方法を上述した気泡の除去に適用すると、多数個所において存在する気泡集中部を各々部分的に、例えば機械的研削を行い、この研削跡の周縁部を酸水素バーナにより熱処理して滑らかにしても、少なからずルツボ内表面に凹凸が残存し、これによって、シリコン融液の対流が部分的に乱れ、単結晶化率の低下を招いたり、また、上記機械的研削を粗いダイヤモンドツールを用いた場合には、この研削時に生じ、かなりの深さまで達したマイクロクラックダメージを全て除去することはできず、シリコン融液によるルツボ内表面の侵食が進み、これに達すると、この部分からの選択的侵食が加速し、耐用寿命が短くなってしまうといった問題が生じることが確認された。
【００１０】
また、上記再生方法においては、研削後の熱処理として、酸水素バーナでの加熱処理のほかにアーク炎による加熱処理があげられているが、この場合、加熱処理後のルツボ内表面にＡｌ、Ｃａ等の不純物が点在してしまうことが確認された。この理由は明らかではないが、アーク炎での加熱処理は酸水素バーナでの加熱処理に比べかなり高い雰囲気温度となり、加熱時に表面のＳｉＯ２を蒸発させてしまう。この際、ＳｉＯ２より蒸気圧の低いＡｌ、Ｃａ等の不純物が濃縮された状態で残存してしまうものと推測される。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、シリコン単結晶引上げを行っても、引上げられる単結晶中に気泡の取込みがなく、有転位化が発生せず、高単結晶化率が得られるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法が要望されている。
【００１２】
本発明は上述した事情を考慮してなされたもので、シリコン単結晶引上げを行っても、引上げられる単結晶中に気泡の取込みがなく、有転位化が発生せず、高単結晶化率が得られるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法を提供することを目的とする。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた本願請求項１の発明は、回転する型内に石英原料粉を供給しルツボ形状体を形成してこれをアーク溶融した溶融ルツボの内表面全体を研磨処理し、この研磨面を酸水素バーナにより加熱処理するシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であって、上記研磨処理前に、溶融ルツボの内表面全体をＲａで３μｍ以下に研削することを特徴とするシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００１７】
本願請求項２の発明では、上記研削は、ダイヤモンド粒子の粒径が８０メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００１８】
本願請求項３の発明では、上記研削は、粒径が９０メッシュ以上細かい砥粒を用いてサンドブラストにより行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００１９】
本願請求項４の発明では、上記研削後に、ダイヤモンド粒子の粒径が２００メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石を用いて再研削を行うことを特徴とする請求項２または３に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００２０】
本願請求項５の発明では、上記研磨処理が８００メッシュ以上の細かい研磨布または４０００メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石により行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００２１】
本願請求項６の発明では、上記アーク溶融が上記ルツボ形状成形体の外周面側から減圧しながら行われ、かつこのアーク溶融終了前に上記ルツボ形状成形体の中空部に水素ガスを供給し、アーク溶融がなされることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００２２】
本願請求項７の発明では、上記水素ガスの供給開始前に上記減圧を低減するか、もしくは停止することを特徴とする請求項６に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であることを要旨としている。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法について添付図面に基づき説明する。
【００２４】
本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボは、図１に示すように、石英原料粉から溶融ルツボを製造する溶融ルツボ製造工程と、この溶融ルツボの内表面を研磨する研磨工程と、この研磨された内表面を加熱処理する加熱処理工程とで構成されている。また、透明層の表層には約１ｍｍの微細な泡の層が残留する場合には、この泡の層を研削（粗削り）除去する研削工程を溶融ルツボ製造工程と研磨工程の間に介在させることが好ましい。
【００２５】
はじめに、上記溶融ルツボ製造工程は、例えば、図２に示すような石英ガラスルツボ製造装置を用いて行われる。
【００２６】
石英ガラスルツボ製造装置１のルツボ成形用型２は、例えば複数の貫通孔を穿設した金型、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ている内側部材３と、その外周に通気部４を設けて、内側部材３を保持する保持体５とから構成されている。また、保持体５の下部には、図示しない回転手段と連結されている回転軸６が固着されていて、ルツボ成形用型２を回転可能なようにして支持している。通気部４は、保持体５の下部に設けられた開口部７を介して、回転軸６の中央に設けられた排気口８と連結されており、この通気部４は、減圧機構９と連結されている。
【００２７】
内側部材３に対向する上部にはアーク放電用のアーク電極１０と、原料供給ノズル１１と、不活性ガス供給管１２および水素ガス供給管１３が設けられている。
【００２８】
従って、石英ガラスルツボ製造装置１を用いて溶融ルツボの製造を行うには、回転駆動源（図示せず）を稼働させて回転軸６を矢印の方向に回転させることによってルツボ成形用型２を所定の速度で回転させる。ルツボ成形用型２内に、原料供給ノズル１１で、上部から高純度のシリカ粉末を供給する。供給されたシリカ粉末は、遠心力によってルツボ成形用型２の内面部材３側に押圧されルツボ形状の成形体Ｒ１として形成される。
【００２９】
次に、図３に示すような製造工程図に沿って、減圧機構９の作動により内側部材３内を減圧し、さらに、不活性ガス供給管１２からヘリウムガスまたはアルゴンガス、例えばヘリウムガスを一定量の割合、例えば８０リットル／分で成形体Ｒ１の中空部Ｒ１ｉに供給する。ヘリウムガスの供給５分後、アーク電極１０に通電、継続し、成形体Ｒ１の内側から加熱し、成形体Ｒ１の内表面Ｒ１Ｓに溶融層を形成する。
【００３０】
所定時間経過後、石英ガラスルツボの外側に気泡を多数含む不透明層を適切に形成するために、減圧機構９を調整もしくは停止してルツボ成形用型２内の減圧を調整もしくは停止させる。減圧を低減もしくは停止した状態でさらに全アーク溶融時間Ｔ分間アークを継続し、アーク溶融開始から、一定時間経過後にヘリウムガスの供給を停止し、ヘリウムガスの供給を停止後、例えば停止と同時に水素ガス供給管１３から一定量の割合、例えば１００リットル／分で水素ガスを成形体Ｒ１の中空部Ｒ１ｉに供給する。水素ガスの供給開始は、遅くともアーク溶融停止の５分前、例えば１０分前に行われ、かつ全アーク溶融時間Ｔ分の４０％に相当する時間ｔ分経過以降に行われる（ｔ＞０．４Ｔ）。アーク溶融開始から所定時間Ｔ分経過後、アーク通電を停止し、水素ガスの供給を止めて溶融ルツボ製造工程は終了する。
【００３１】
上述した溶融ルツボ製造工程において、ヘリウムガスの供給によって、図４に示すように、溶融当初に石英ガラスルツボＲに形成されるシード層（内表面）と外側の不透明層に含まれる気泡量を適切に低減でき、さらに、ヘリウムガスの供給および製造工程の後半における水素ガスを供給することにより、著しく透明層の気泡量の低減が図れる。また、透明層中に残存する気泡および不透明層中の気泡がシリコン単結晶引上げ中に膨張するのを防止できる。
【００３２】
さらに、減圧溶融を行うことにより、透明層中に残存する気泡量を低減することができ、また、シード層が一種の通気壁の作用をし、減圧度合の調整によって、不透明層中の気泡量および気泡径を制御することができる。この減圧溶融は、前者の効果を得るために、上記アーク溶融の開始前もしくは同時に、あるいは上記ルツボ形状成形体の内表面が、アーク溶融によって、例えば１００μｍ溶融された後に開始するのが好ましい。また、アーク溶融中に減圧を低減もしくは停止させることにより、不透明層中の気泡量をより適切に制御できる。
【００３３】
さらに、水素ガスの供給開始が、アーク溶融停止の５分前であるため、水素供給の効果が十分得られ、ルツボ内側の透明層に残存する気泡量の低減、および外側不透明層の気泡が膨れるのを防止できる。
【００３４】
また、水素ガスの供給開始が、全アーク溶融時間Ｔの４０％に相当する時間ｔ経過以降に行われるので、溶融ルツボの石英ガラスの高温粘性を低下させることがなく、長時間の使用に耐えられる石英ガラスルツボが得られる。
【００３５】
なお、図５に示すように、減圧を行いながら溶融ルツボＲの中空部Ｒ１ｉに水素ガスを流すと、水素ガスが中空部Ｒ１ｉから上方を通って溶融ルツボＲの未溶融層部Ｒｕに回り込んで侵入し、その内側の不透明層のＯＨ基濃度を高めてしまい、結果、石英ガラスルツボ全体の粘度を低下させ易いことから、水素ガスを流す際には、上記のように減圧を停止もしくは低減するのが好ましい。
【００３６】
次に、図１に示すような工程に従い、上記のようにして製造された溶融ルツボを研削工程において研削する。
【００３７】
この研削工程は、図６の上段に示すような工程と、図７に示すようなハンディタイプの研削装置（ベルトサンダー）２１を用いて、粗研削工程、再研削工程の２段階で行われる。
【００３８】
この研削装置２１はエアコンプレッサ（図示せず）に連通された高圧エアパイプ２２から送られてくる高圧空気により回転されるベーン型回転機構２３と、このベーン型回転機構２３により回転駆動される駆動回転ローラ２４と、この駆動回転ローラ２４の回転に従動する従動回転ローラ２５と、両回転ローラ２４、２５間に回転自在に設けられた研削ベルト２６と、湿式研削を行うため、研削ベルト２６と被研磨物間に給水する給水パイプ２７に接続された給水ノズル２８とを有している。
【００３９】
研削ベルト２６は、ダイヤモンド砥石（ベルト）であり、粗研削工程におけるダイヤモンド粒径は８０メッシュ（＃）以上に細かくする。
【００４０】
この研削ベルト２６を溶融ルツボＲの内表面ＲＳに当て、高圧エアパイプ２２からベーン型回転機構２３に送り、このベーン型回転機構２３を回転させて、駆動回転ローラ２４を回転させ、研削ベルト２６を回動させて、内表面ＲＳを研磨する。このとき、給水パイプ２７、給水ノズル２８を介して研削ベルト２６と内表面ＲＳ間に給水するので、湿式研磨となり、迅速かつ高平坦に研削される。
【００４１】
再研削工程では、研削ベルト２６のダイヤモンド粒径を２００メッシュ以上に細かくし、好ましくは３０００メッシュとし、再研削工程後の内表面の算術平均粗さ（Ｒａ）（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）を３μｍ以下に平坦化する。
【００４２】
このように、Ｒａを３μｍ以下の粗さにすることによって、次工程でのより迅速な研磨処理が可能となり、さらに、研削工程で発生するマイクロクラックダメージを確実、かつ、より短時間で除去できるようになる。
【００４３】
さらに、図１に示すような工程に従い、この溶融ルツボの研削された内表面を研磨工程において研磨する。
【００４４】
例えば、図８に示すように、研磨工程はハンディタイプの研磨装置３１を用いて行われる。この研磨装置３１はエアコンプレッサ（図示せず）に連通された高圧エアパイプ３２から送られてくる高圧空気により回転されるベーン型回転機構３３と、このベーン型回転機構３３により回転駆動される駆動回転ローラ３４と、この駆動回転ローラ３４に設けられた研磨布３５と、湿式研磨を行うため、研磨布３５と被研磨物間に研磨剤を供給する供給パイプ３６に接続された供給ノズル３７とを有している。
【００４５】
この研磨布３５を溶融ルツボＲの内表面ＲＳに当て、高圧エアパイプ３２からベーン型回転機構３３に送り、このベーン型回転機構３３を回転させて、駆動回転ローラ３４を回転させ、研磨布３５を回転させて、内表面ＲＳを研磨する。このとき、供給パイプ３６、供給ノズル３７を介して研磨布３５と内表面ＲＳ間に研磨剤を供給するので、湿式研磨となり、高平坦に研磨される。
【００４６】
上記のようにして研磨された内表面ＲＳはＲａで１μｍ以下、表面粗さのバラツキを内表面全体で±０．１μｍの範囲内にすることができる。研磨布３５のダイヤモンド粒径が８００メッシュ以上と細かいので、内表面の有害となるマイクロクラックダメージをより確実に除去することができ、さらに、より均一性を高く、かつより確実にＲａを１μｍより小さくすることができる。さらに、内表面の状態は、より好ましくは、最高高さ（Ｒｙ）（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４）が５μｍであり、この場合、内表面のより高い均一性が得られる。
【００４７】
上記のようにＲａを１μｍ以下にすると、次工程の加熱処理を行うことにより、内表面Ｒｓに目視できるような凹凸を残すことがなく、また、引上げられるシリコン単結晶に悪影響を与えることもなく、さらに、マイクロクラックダメージを残さないようにすることができる。Ｒａが１μｍを超える場合には、次工程の加熱処理を行っても、ルツボ内表面ＲＳに目視できる程度の凹凸が残ってしまい、引上げられるシリコン単結晶に悪影響を与え易い。
【００４８】
また、内表面Ｒｓの部分的なＲａのバラツキが、内表面全体で±０．１μｍの範囲内であると、加熱処理によって形成されるガラス層の厚さの均一性を保つことができる。Ｒａのバラツキが±０．１μｍを超えると、この粗さ状態の違いに伴い加熱処理によって形成されるガラス層の厚さの均一性が損なわれてしまう。
【００４９】
研磨された後の内表面Ｒｓは、Ｒａで０．１μｍ以下でかつＲａのバラツキが±０．０３μｍとすることによって、上記効果の信頼性をより高める事ができる。
【００５０】
なお、研削工程は、図６の上段に示すようなダイヤモンド砥石による研削に限らず、図６の下段に示すように、一般的に用いられる湿式サンドブラストで、例えば、粒径が９０メッシュ以上、好ましくは１８０メッシュ以上細かいＳｉＣの砥粒を体積換算濃度で１０〜４０％の水溶液で吹き付けて行う。さらに、上記同様に研磨布３５を用いて研磨し、内表面ＲＳはＲａで１μｍ以下にする。
【００５１】
サンドブラスト研削は、ダイヤモンド砥石研削に比べて研削時間を２５％程短縮できるが、サンドブラスト研削は、ＳｉＣ砥粒を用いるため、研削面に金属不純物や砥粒の付着が生じ易く、このままでは、研磨処理に移行できにくく、１０００メッシュ以上の細かいダイヤモンド砥石を用いて再研削を行った後、同様の研磨を行い、内表面ＲＳをＲａで１μｍ以下にするようにするのが好ましい。さらに、サンドブラストは湿式に限らず、乾式であってもよい。サンドブラストを用いることによっても、迅速かつ高平坦な研削が行える。
【００５２】
また、研磨工程は、上記のように研磨布を用いず、４０００メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石を用いてもよく、この場合にも、研磨面をＲａで１μｍ以下にすることができる。
【００５３】
次に、図１に示すような工程に従い、この溶融ルツボの研磨された内表面を加熱処理工程により熱処理する。
【００５４】
この加熱処理工程（図示せず）は酸水素バーナを用いて、内表面全体を加熱することによって行われる。溶融ルツボの内表面の一部にのみ微小気泡が存在する場合にも、内表面全体を研削工程、研磨工程で、研削、研磨し、酸水素バーナを用いて内表面全体を高温加熱することにより、ＳｉＯ２のベーパライズが発生せず、部分的に結晶化も生じず、シリコン単結晶引上げ時に内表面の剥離も生じない。
【００５５】
アーク炎での加熱処理は、酸水素バーナでの加熱処理に比べかなり高い雰囲気温度となり、加熱時に表面のＳｉＯ２を蒸発させ、このＳｉＯ２より蒸気圧の低いＡｌ、Ｃａ等の不純物が内表面に濃縮された状態で残存し、熱処理後のルツボ内表面にＡｌ、Ｃａ等の不純物が点在してしまう。
【００５６】
また、局部的に突起物や異物が存在し、これを局部的研削により除去した後、この除去部分を局部的加熱してガラス化した場合には、例え酸水素バーナであっても除去部分に比べ外周部は比較的低温状態になり、この外周部においてＳｉＯ２のベーパライズが生じ、凝固して内表面に付着し、ザラザラが残る。このザラザラな部分がシリコン単結晶引上げ時に結晶化して、剥離し、単結晶化率の低下を招くおそれがある。
【００５７】
上述のように石英ガラスルツボの製造方法は、型内に形成させた石英原料粉のルツボ形状体をアーク溶融により溶融ルツボを製造し、必要に応じてこの溶融ルツボの内表面全体を研削し、さらに、内表面全体を研磨処理し、この研磨した内表面を酸水素バーナにより加熱処理する方法であり、石英ガラスルツボの内表面の無気泡化、内表面の純度向上が図れ、この石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶の引上げを行うことにより、引上げ歩留を向上させることができる石英ガラスルツボの製造方法を提供することができる。
【００５８】
【実施例】
試験１：本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法を用いて製造した直径２２インチの石英ガラスルツボ（実施例１）および通常の減圧溶融による従来の製造方法により製造した石英ガラスルツボ（従来例１）から、各々試料を切出し、内表面の気泡の状態について光学顕微鏡を用いて測定し、また、原子吸光分光法（フレームレス法）によって純度を測定した。さらに、各々の石英ガラスルツボを用いて、８インチＰ型シリコン単結晶の引上げを行った。
【００５９】
結果：実施例１：内表面に微小な気泡も存在せず、純度も従来例１に比べて向上していることが確認された。また、上記引上げ時の単結晶化率は１００％であり、使用後の石英ガラスルツボの内表面付近には、気泡が存在しないことが確認された。
【００６０】
従来例１：内表面近傍に微小気泡が残存し、純度も実施例１に比べて劣ることが確認された。また、上記引上げ時の単結晶化率は８５％であり、使用後の石英ガラスルツボの内表面付近には、凹凸部が多数確認された。
【００６１】
【発明の効果】
本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法によれば、シリコン単結晶引上げを行っても、引上げられる単結晶中に気泡の取込みがなく、有転位化が発生せず、高単結晶化率が得られるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法を提供することができる。
【００６２】
すなわち、回転する型内に石英原料粉を供給しルツボ形状体を形成してこれをアーク溶融した溶融ルツボの内表面全体を研磨処理し、この研磨面を酸水素バーナにより加熱処理する石英ガラスルツボの製造方法であるので、石英ガラスルツボの内表面の無気泡化、内表面の純度向上が図れ、シリコン単結晶引上げ歩留を向上できる石英ガラスルツボの製造方法を提供することができる。
【００６３】
また、研磨面の表面粗さを算術平均粗さ（Ｒａ）で１μｍ以下に調整するので、次工程の加熱処理を行うことにより、ルツボ内表面に目視できるような凹凸を残すことがなく、また、引上げられるシリコン単結晶に悪影響を与えることがなく、さらに、マイクロクラックダメージを残すことがない。
【００６４】
また、研磨面のバラツキが溶融ルツボの内表面全体中、Ｒａで±０．１の範囲内であるので、加熱処理によって形成されるガラス層の厚さの均一性を保つことができる。
【００６５】
また、研磨処理前に、溶融ルツボの内表面全体をＲａで３μｍ以下に研削するので、次研磨工程において、より迅速な研磨処理が可能となり、さらに、研削工程で発生するマイクロクラックダメージを確実、かつ、より短時間で除去できる。
【００６６】
また、研削は、ダイヤモンド粒子の粒径が８０メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石を用いて行うので、迅速かつ高平坦な研削が行える。
【００６７】
また、研削は、粒径が９０メッシュ以上細かい砥粒を用いてサンドブラストにより行うので、迅速かつ高平坦な研削が行える。
【００６８】
また、研削後に、ダイヤモンド粒子の粒径が２００メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石を用いて再研削を行うので、迅速にＲａを３μｍ以下の粗さにすることができ、さらに、粗研削工程で発生するマイクロクラックダメージを確実、かつ、より短時間で除去できる。
【００６９】
また、研磨処理が８００メッシュ以上の細かい研磨布または４０００メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石により行うので、内表面の有害となるマイクロクラックダメージをより確実に除去することができ、さらに、より均一性を高く、かつより確実にＲａを１μｍより小さくすることができる。
【００７０】
また、アーク溶融がルツボ形状成形体の外周面側から減圧しながら行われ、かつこのアーク溶融終了前にルツボ形状成形体の中空部に水素ガスを供給し、アーク溶融がなされる石英ガラスルツボの製造方法であるので、水素供給の効果が十分得られ、ルツボ内側の透明層に残存する気泡量の低減、および外側不透明層の気泡が膨れるのを防止できる。
【００７１】
また、水素ガスの供給開始前に減圧を低減するか、もしくは停止する石英ガラスルツボの製造方法であるので、石英ガラスルツボの高温粘性を低下させることがなく、長時間の使用に耐えられる石英ガラスルツボが得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法の工程図。
【図２】本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法に用いられる石英ガラスルツボ製造装置の概念図。
【図３】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の溶融ルツボ製造工程の説明図。
【図４】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の溶融ルツボ製造工程において製造される石英ガラスルツボの説明図。
【図５】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の溶融ルツボ製造工程における石英ガラスルツボの状態の説明図。
【図６】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法における研削工程および研磨工程のフロー図。
【図７】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の研削工程に使用される研削装置の説明図。
【図８】本発明に係わる石英ガラスルツボの製造方法の研磨工程に使用される研磨装置の説明図。
【符号の説明】
１ 石英ガラスルツボ製造装置
２ ルツボ成形用型
３ 内側部材
４ 通気部
５ 保持体
６ 回転軸
７ 開口部
８ 排気口
９ 減圧機構
１０ アーク電極
１１ 原料供給ノズル
１２ 不活性ガス供給管
１３ 水素ガス供給管
２１ 研削装置（ベルトサンダー）
２２ 高圧エアパイプ
２３ ベーン型回転機構
２４ 駆動回転ローラ
２５ 従動回転ローラ
２６ 研削ベルト
２７ 給水パイプ
２８ 給水ノズル
３１ 研磨装置
３２ 高圧エアパイプ
３３ ベーン型回転機構
３４ 駆動回転ローラ
３５ 研磨布
３６ 供給パイプ
３７ 供給ノズル
Ｒ 溶融ルツボ（石英ガラスルツボ）
Ｒ１ 成形体
Ｒ１ｉ 中空部
Ｒｓ 内表面
Ｒｕ 未溶融層
Claims (7)
- 回転する型内に石英原料粉を供給しルツボ形状体を形成してこれをアーク溶融した溶融ルツボの内表面全体を研磨処理し、この研磨面を酸水素バーナにより加熱処理するシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法であって、上記研磨処理前に、溶融ルツボの内表面全体をＲａで３μｍ以下に研削することを特徴とするシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
- 上記研削は、ダイヤモンド粒子の粒径が８０メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
- 上記研削は、粒径が９０メッシュ以上細かい砥粒を用いてサンドブラストにより行うことを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
- 上記研削後に、ダイヤモンド粒子の粒径が２００メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石を用いて再研削を行うことを特徴とする請求項２または３に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
- 上記研磨処理が８００メッシュ以上の細かい研磨布または４０００メッシュ以上細かいダイヤモンド砥石により行うことを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
- 上記アーク溶融が上記ルツボ形状成形体の外周面側から減圧しながら行われ、かつこのアーク溶融終了前に上記ルツボ形状成形体の中空部に水素ガスを供給し、アーク溶融がなされることを特徴とする請求項１ないし５のいずれか１項に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
- 上記水素ガスの供給開始前に上記減圧を低減するか、もしくは停止することを特徴とする請求項６に記載のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造方法。
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