WO2004106247A1 - シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボ - Google Patents

Abstract

　シリコン単結晶の引上げに用いる石英ガラスルツボにおいて、その少なくとも湾曲部が、合成石英ガラスからなりAl濃度の低い透明内層、天然又は天然合成混合石英ガラスからなりＡｌ濃度の高い透明又は不透明中間層、及び天然石英ガラスからなりAl濃度が前記中間層より高い不透明外層の３層構造とすることで、透明内層の変形が少なく、かつ、単結晶の引上げに伴う石英ガラスルツボの溶け込み量の変化を抑え、単結晶の長さ方向の酸素濃度を均一化できるシシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボである。

Description

明 細 書

シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボ

技術分野

[0001] 本発明は、シリコン単結晶の引上げに用いる石英ガラスルツボに関する。

背景技術

[0002] 従来、シリコン単結晶の製造には、いわゆるチヨクラルスキー法 (CZ法）と呼ばれる 方法が広く採用されている。この CZ法は、石英ガラスで製造したルツボ内でシリコン 多結晶を溶融し、このシリコン融液にシリコン単結晶の種結晶を浸漬し、ルツボを回 転させながら種結晶を徐々に引上げ、シリコン単結晶を種結晶を核として成長させる 方法である。前記 CZ法で製造される単結晶は、高純度であるとともにシリコンゥエー ハを歩留よく製造できることが必要で、その製造に使用される石英ガラスルツボとして は泡を含まない透明な内層と泡を含み不透明な外層からなる 2層構造の石英ガラス ルツボが一般的に用いられて!/、る。

[0003] 近年、シリコン単結晶の大口径ィ匕に伴い、単結晶の引上げ作業が長時間化するこ とから、石英ガラスルツボに更なる高純度化が要求されるようになってきた。そのため 、本出願人らは、透明な内層と不透明の外層とからなる 2層構造の石英ガラスルツボ の内層を、合成シリカ粉で形成したルツボを提案した (特許文献 1)。このルツボは合 成石英ガラス力 なる内層の不純物含有量が極めて少なぐシリコン単結晶の引上 げに伴うルツボ内表面の肌荒れやクリストバライト斑点の発生が少な 、ことから、単結 晶引上げの歩留まりを高くできる。その上、前記ルツボの外層を A1濃度の高い高粘 性の天然石英ガラスで構成することで、高熱負荷時の倒れ込みや座屈と ヽつた変形 を少なくできる利点がある。

[0004] し力しながら、ルツボの口径が大きくなるに伴い、ヒーターからの熱負荷が飛躍的に 増してきたことから、上記透明内層を合成石英ガラス、外層を天然石英ガラスの 2層 構造で構成した場合、特にヒーターによる熱負荷が高くシリコン融液との接触時間の 長 、ルツボの湾曲部において、 A1濃度に起因する粘性の違!、により両層の境界に歪 みが生じ、透明内層が歪みに変形し、ルツボ内面に大きなうねりが生じ、単結晶の歩 留まりを低下させるという問題が発生することがあった。

[0005] 一方、 CZ法により得られたシリコン単結晶中には酸素が存在している力 この酸素 は石英ガラスルツボの融液への溶け込みによるものであり、その濃度は、石英ガラス ルツボ（SiO )の溶け込み量とシリコン融液表面からの SiOの蒸発量との差に支配さ

2

れる。一般的には単結晶の引き上げが進んでいくと、融液表面の面積は殆ど変化し ないものの、石英ガラスルツボとの接触面積が減少し、溶け込み量が減少することか ら、単結晶の長さ方向で酸素濃度に勾配が生じる。この勾配が大きくなると、単結晶 の引上げが上手くいったとしても、酸素濃度について規格外の部分が増え、製品歩 留まりが悪くなり好ましくない。そこで、従来は石英ガラスルツボの回転数を増やすこ とで溶け込み量を増やしたり、炉内の圧力を上げ融液表面力もの SiOの蒸発量を減 らすことで対応しているが、操作が複雑で製品コストを高くする欠点があった。この欠 点を解消するため、石英ガラスルツボの底部の形状を半球状にし融液表面の面積と ルツボと融液の接触面積のバランスを保つ石英ガラスルツボが提案されて ヽる（特許 文献 2)力 この石英ガラスルツボは従来の平底型石英ガラスルツボの形状を変更す るものであり、そのための設備などを大幅に変更する必要があり多大な費用が力かる 欠点がある。

[0006] 特許文献 1 :特許第 2811290号、特許第 2933404号

特許文献 2：特開平 11-199368号公報

発明の開示

発明が解決しょうとする課題

[0007] こうした現状に鑑み、本発明者らは鋭意研究を重ねた結果、シリコン単結晶引上げ 用石英ガラスルツボの少なくとも湾曲部において、 A1濃度の低い透明内層、 A1濃度 の高 ヽ不透明外層、及びそれらの中間に両層の中間の A1濃度を有する中間層を設 けることで、透明内層の変形を容易に防げることを見出した。さらに、前記石英ガラス ルツボの透明内層の厚さを、ルツボの下部から上部に向けて薄することで石英ガラス ルツボとシリコン融液の接触面積が減少しても、石英ガラスルツボの溶け込み量の変 化を抑えることができ、単結晶の長さ方向の酸素濃度を均一化できることを見出して 、本発明を完成したものである。すなわち、 [0008] 本発明は、透明内層の変形が少なぐかつ、単結晶の引上げに伴う石英ガラスルツ ボの溶け込み量の変化を抑え、単結晶の長さ方向の酸素濃度を均一化できるシリコ ン単結晶引上げ用石英ガラスルツボを提供することを目的とする。

課題を解決するための手段

[0009] 上記目的を達成するための本発明は、シリコン単結晶の引上げに用いる石英ガラ スルツボにおいて、その少なくとも湾曲部力 合成石英ガラス力 なり A1濃度の低い 透明内層、天然又は天然合成混合石英ガラスからなり A1濃度の高い透明又は不透 明中間層、及び天然石英ガラスからなり A1濃度が前記中間層より高い不透明外層の 3層構造を有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に関す る。

[0010] 上述のように本発明のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボは、その少なくとも 湾曲部が、合成石英ガラスからなり A1濃度の低い透明内層、天然又は天然合成混合 石英ガラス力 なり A1濃度の高い透明又は不透明中間層及び天然石英ガラス力 な り A1濃度が前記中間層より高!、不透明外層を有する 3層構造の石英ガラスルツボで、 好ましくは前記透明内層の A1濃度 C が 0. 01— lppm、透明又は不透明中間層の A1

A

濃度 C力

B — 8ppm、不透明外層の A1濃度 C力

C 一 20ppmの範囲にある石英ガラ スルツボである。 Cが前記範囲内にあることで、熱負荷が高ぐ引上げ時間が長い場

C

合であってもルツボの倒れ込みや座屈が少ない。し力し、 C力 ppm未満では、ルツ

c

ボ自体の変形が発生し易ぐまた、 C が 20ppmを超えると、 A1に附随して含有する

C 他 の元素の濃度が上昇し、シリコン単結晶の品質に悪影響を与える。前記透明内層、 天然又は天然合成混合石英ガラスからなる透明又は不透明中間層及び天然石英ガ ラス力もなる不透明外層の A1濃度は、必要に応じてシリカ粉に A職粉末を混合する 方法、ケィ素化合物と A1ィ匕合物との均一溶液を加水分解し、乾燥、焼成する方法、ま たはシリカ粉を A1ィ匕合物の溶液に浸漬した後、乾燥しシリカ粉を A1化合物で被覆する 方法等で調整できる。特に、 A1含有合成シリカガラスの製造の場合、例えば四塩ィ匕ケ ィ素溶液に所定量の塩ィ匕アルミニウムを添加し均一に混合した後、加水分解し、乾 燥、焼成する方法を採ると均一で所望の A1濃度を有する合成石英ガラスが得られて 好ましい。 [0011] 本発明のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボにおいて、ヒーターからの熱負 荷が特に高い条件で使用する場合には不透明外層の A1濃度 Cを 12— 20ppmと高

C

めにする必要がある。この場合は、 Cとじの差が大きくなるため、中間層は透明層と

A C

することで各層間の境界における歪みをより緩和することができる。一方、熱負荷が 比較的低い場合は、不透明外層の A1濃度 Cを 5— lOppmとすることで、石英ガラス

C

ルツボが外側のカーボンルツボに早く馴染むことができ、初期工程の不良を低減で きる。また、この場合、 Cとじの差がさほど大きくないため、中間層は作成し易い不

A C

透明層とした方がコスト上有利である。

[0012] また、本発明のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボにおいては、合成石英ガ ラス

力 なり A1濃度の低い透明内層の厚さがルツボの下部から上部に向けて薄くなつて いる。具体的にはルツボ基体の底部最下端力も直動部上端面までの高さ（H)に対し て、 0—0. 25Hの平均厚さ T 1を 0. 5— 3mm, 0. 25—0. 5Hの平均厚さ T 2を 0.

A A

3— 2mm, 0. 5— 1Hの平均厚さ T 3を 0— 0. 9mmとし、かつ、 Τ 1 >T 2>Τ 3と

A A A A

するのがよい。更には、 0. 25— 1Hの範囲においては透明内層の厚さが上に行くに 従って徐々に薄くするように勾配をつけるとよい。シリコン単結晶の引上げにおいて、 透明内層の厚さを前記範囲とすることで、多結晶シリコンを溶力してメルトにする際に 厚さの薄い T 3が殆ど溶解し、 A1濃度が高く融液に溶けにくい中間層が露出する。そ

A

の結果、シリコン単結晶の酸素濃度はルツボ下部の透明内層の溶け出しに支配され ることになり、シリコン単結晶の進行に伴うルツボの溶け出し量の変化を抑えることが できる。また、透明内層の厚さを T 1 >T 2>Τ 3と勾配をつけることで中間層の露

A A A

出のコントロールが容易となり溶出し量の一定ィ匕が保持できる。また、中間層の厚さ については 0. 8— 5mmでかつ全厚さの 10— 40%とすることで、緩和部分としての 働きが最適化される。

発明の効果

[0013] 本発明は、少なくとも湾曲部に、 A1濃度の低い透明内層と A1濃度の高い不透明外 層と、その中間に前記両層の中間の A1濃度を有する中間層を有する 3層構造で、より 好ましくは透明内層の厚さ力 ルツボの下部から上部に向けて薄くなつているシリコン 単結晶引上げ用石英ガラスルツボである。前記構造を採ることにより本発明のシリコ ン単結晶引上げ用石英ガラスルツボは、熱負荷時の透明内層の変形が少ない上に 、シリコン融液との接触面積が減少しても、石英ガラスルツボの溶け込み量の変化が 抑えられ単結晶の長さ方向の酸素濃度を均一に維持でき、結晶化率高くシリコン単 結晶を引き上げることができる。

発明を実施するための最良の形態

[0014] 本発明のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボを図 1に示す。 1は石英ガラス ルツボ、 2はルツボの底部、 3は直胴部、 4は天然石英ガラス力 なる不透明外層、 5 は天然又は天然合成混合石英ガラス力 なる透明又は不透明中間層、 6は合成石 英ガラスからなる透明内層、 7は湾曲部である。前記石英ガラスルツボを製造する装 置を図 2に示す。図 2において、 8は回転する型、 9はルツボ基体、 10、 15はシリカ粉 供給手段、 11は板状の蓋体、 12は流量制御バルブ、 13は電源、 14はアーク電極、 16は高温雰囲気である。本発明のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボは、天 然シリカ粉を回転する型 8に導入し、ルツボ形状に成形したのち、その中にアーク電 極 14を挿入し、ルツボ形状体の開口部を板状の蓋体 11で覆い、アーク電極 14によ りルツボ形状体の内部キヤビティーを高温ガス雰囲気にして少なくとも部分的に溶融 ガラス化して半透明のルツボ基体 9を形成し、次いでシリカ粉供給手段 10から流量 規制バルブ 12で供給量を調節しながら天然又は天然合成混合シリカ粉を高温雰囲 気 16に供給し、溶融ガラス化して透明又は不透明中間層を形成し、次いで合成シリ 力粉をシリカ粉供給手段 15から高温雰囲気 16に供給し、溶融ガラス化して合成石英 ガラス力もなる透明層を形成するが、その際、透明内層の厚さをルツボ基体の底部 最下端から直動部上端面までの高さ (H)に対して、 0-0. 25Hの範囲を平均厚さ T 1を 0. 5一 3mm【こ、 0. 25一 0. 5Hの範囲を平均厚さ T 2を 0. 3一 2mm【こ、 0. 5

A A

一 1Hの範囲の平均厚さ T 3を 0— 0. 9mmにし、かつ、 T 1 >T 2>Τ 3となるよう

A A A A

に、かつ下部から上部に向けて透明内層の厚さが薄くなるように設定して製造される 実施例 1

[0015] 図 2に示す装置を用い、回転する型 8内に純化処理した高純度の天然シリカ粉を 投入し、遠心力により石英ガラスルツボ形状に形成し、その内にアーク電極 14を挿 入し、開口部を板状の蓋体 11で覆い、アーク電極 14により内部キヤビティー内を高 温ガス雰囲気とし、溶融ガラス化し、冷却して不透明石英ガラスルツボ状成形体 9を 作成した。次い

で型 8を回転させながらアーク電極 14で不透明石英ガラスルツボ状成形体 9の内部 キヤビティを高温雰囲気 16にしたのち、シリカ粉供給手段 10から天然シリカ粉を 100 gZminで供給し、不透明石英ガラスルツボ状成形体 9の内表面に 2mm厚さの天然 石英ガラス透明中間層 5を融合一体ィ匕した。次にシリカ粉供給手段 15から合成シリ 力粉を流量規制バルブ 12をコントロールしながら lOOgZminで供給し、前記中間層 の内表面に T 1が 1. 5mm, T 2が lmm、T 3力 0. 3mm、全厚みが 14mmに溶融

A A A

一体ィ匕した。得られたシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの直径は 24インチ で、 C は 0. 02ppm、 Cは 6ppm、 C は 14ppmであった。この石英ガラスルツボを

A B C

使用し多結晶シリコンを充填、溶融して CZ法で単結晶の引上げを 5回行ったところ、 平均単結晶化率は 94%で、単結晶中の酸素濃度分布は均一であった。

実施例 2

[0016] 実施例 1において、 T 1、T 2及び Τ 3を 1. 5mmとした以外実施例 1と同様にして

A A A

24インチのシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボを作成した。該ルツボの C は 0

A

. 02ppm、 Cは 6ppm、 C は 14ppmであった。この石英ガラスルツボを使用し多結

B C

晶シリコンを充填、溶融して CZ法で単結晶の引上げを 5回行ったところ、平均単結晶 化率は 95%と高歩留まりであつたが、単結晶中のトップ側の酸素濃度が高ぐ規格ぎ りぎりであった。

比較例 1

[0017] 実施例 2において、石英ガラスルツボに天然透明中間層を設けない以外、実施例 2 と同様にして 24インチのシリコン単結晶弓 I上げ用石英ガラスルツボを作成した。該ル ッボの C は 0. 02ppm、 C は 14ppmであった。この石英ガラスルツボを使用し多結

A C

晶シリコンを充填、溶融して CZ法で単結晶の引上げを 5回行ったところ、平均単結晶 化率は 78%と低ぐ使用済みの石英ガラスルツボを観察したところ、湾曲部の透明層 が歪み変形していた。 実施例 3

[0018] 図 2に示す装置を用い、回転する型 8内に純化処理した高純度の天然シリカ粉を 投入し、遠心力により石英ガラスルツボ形状に形成し、更にその内側に天然合成混 合シリカ粉を投入し、同じく遠心力により約 3mmの天然合成混合シリカ層を形成した のち、その内にアーク電極 14を挿入し、開口部を板状の蓋体 11で覆い、アーク電極 14により内部キヤビティー内を高温ガス雰囲気とし、溶融ガラス化し、冷却して、約 2 mmの天然合成混合石英ガラス層とその外側の天然石英ガラス層からなる不透明石 英ガラスルツボ状成形体 9を作成した。次 ヽで型 8を回転させながらアーク電極 14で 不透明石英ガラスルツボ状成形体 9の内部キヤビティを高温雰囲気 16にしたのち、 シリカ粉供給手段 10から合成シリカ粉を流量規制バルブをコントロールしながら 100 gZminで供給し、前記成形体 9の内表面に T 1が 2. 8mm, T 2が 2mm、 T 3が 0

A A A

. 8mmで、全厚みが 12mmとなるように溶融一体ィ匕した。得られたシリコン単結晶引 上げ用石英ガラスルツボの直径は 22インチで、 C は 0. 03ppm、 Cは 2ppm、 C は

A B C

7ppmであった。この石英ガラスルツボを使用し多結晶シリコンを充填、溶融して CZ 法で単結晶の引上げを 5回行ったところ、平均単結晶化率が 93%で、単結晶中の酸 素濃度分布は均一であった。

比較例 2

[0019] 実施例 3において、石英ガラスルツボに天然合成不透明中間層を設けない以外、 実施例 3と同様にして 22インチのシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボを作成し た。該ルツボの C は 0. 03ppm、 C は 7ppmであった。この石英ガラスルツボを使用

A C

し多結晶シリコンを充填、溶融して CZ法で単結晶の引上げを 5回行ったところ、平均 単結晶化率が 83%と低ぐ使用済みの石英ガラスルツボを観察したところ、湾曲部の 透明層

が変形気味であった。

産業上の利用可能性

[0020] 透明内層の変形が少なぐ単結晶の引上げに伴う石英ガラスルツボの溶け込み量 の変化を抑え単結晶の長さ方向の酸素濃度を均一化でき、大型の単結晶引上げに 有用である。 図面の簡単な説明

[0021] [図 1]本発明のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの概略断面図である。

[図 2]上記シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボを製造するための製造装置の 概略図を示す。

符号の説明

[0022] 1：シリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボ

2:底部

3:直胴部

4：天然石英ガラスカゝらなる不透明外層

5：天然又は天然合成混合石英ガラス力 なる透明又は不透明層

6:合成石英ガラス力 なる透明層

7:湾曲部

8:回転する型

9:ルツボ状成形体

10、 15:シリカ粉供給手段

11:板状の蓋体

12:流量規制バルブ

13:電源

14:アーク電極

16:高温雰囲気

Claims

請求の範囲

[1] シリコン単結晶の引上げに用いる石英ガラスルツボにおいて、その少なくとも湾曲部 力 合成石英ガラスからなり A1濃度の低い透明内層、天然又は天然合成混合石英ガ ラス力 なり A1濃度の高い透明又は不透明中間層、及び天然石英ガラス力 なり A1濃 度が前記中間層より高い不透明外層の 3層構造を有し、かつ石英ガラスルツボの下 部から上部にかけて前記合成石英ガラス力 なる透明内層の厚さが薄くなることを特 徴とするシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボ。

[2] 透明内層の A1濃度 C が 0. 01— lppm、透明又は不透明中間層の A1濃度 Cカ^ー

A B

8ppm、不透明外層の A1濃度 C力 一 20ppmであることを特徴とする請求の範囲第

C

1項記載のシリコン単結晶弓 I上げ用石英ガラスルツボ。

[3] 透明内層の A1濃度 C が 0. 01— lppm、中間層が透明層であって、その A1濃度 C

A B

力 一 8ppm、不透明外層の A1濃度 Cが 12— 20ppmであることを特徴とする請求の

C

範囲第 2項記載のシリコン単結晶弓 I上げ用石英ガラスルツボ。

[4] 透明内層の A1濃度 C が 0. 01— lppm、中間層が不透明層であって、その A1濃度 C

A

力 Si— 3ppm、不透明外層の A1濃度 C力 一 lOppmであることを特徴とする請求の

B C

範囲第 2項記載のシリコン単結晶弓 I上げ用石英ガラスルツボ。

[5] 合成石英ガラスからなる透明な内層の平均厚さ Tがルツボ基体の底部最下端から

A

直動部上端面までの高さ（H)に対して、 0 0· 25Ηの範囲 Τ 1力^). 5— 3mm, 0.

A

25—0. 5Hの範囲 T 2力^). 3— 2mm, 0. 5 1Hの範囲 T 3力 ^0 0. 9mmで、力

A A

つ、 T 1 >Τ 2>Τ 3であることを特徴とする請求の範囲第 1ないし 4項のいずれか 1

A A A

項記載のシリコン単結晶弓 I上げ用石英ガラスルツボ。

[6] 0. 25— 1Hの範囲の合成石英ガラス力もなる透明な内層の平均厚さ

Tが上部に行くに従って徐々に薄くなつていることを特徴とする請求の範囲第 5項記

A

載のシリコン単結晶弓 I上げ用石英ガラスルツボ。