石英ガラスルツボ及びその製造方法、並びにシリコン単結晶の製造方法
【課題】 シリコン単結晶を製造する際のシリコン単結晶の有転位化を回避し、かつ、高い耐熱性を有し、生産性、歩留まりの低下を抑制することができる石英ガラスルツボ及びその製造方法、並びにそのような石英ガラスルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法を提供することを目的とする。
【解決手段】 少なくとも、直接法又はスート法により合成石英ガラス材を作製する工程と、前記合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工する工程と、前記ルツボ形状に加工された合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着させる工程と、を含むことを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
【解決手段】 少なくとも、直接法又はスート法により合成石英ガラス材を作製する工程と、前記合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工する工程と、前記ルツボ形状に加工された合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着させる工程と、を含むことを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引き上げに用いられる石英ガラスルツボ及びその製造方法、並びにそのような石英ガラスルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶の製造には、チョクラルスキー法（ＣＺ法）と呼ばれる方法が広く採用されている。このチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造では、一般に、石英ガラスルツボ（石英ルツボとも呼ばれる）の内部に多結晶シリコン（ポリシリコン）を充填し、加熱により溶融してシリコン融液とし、このシリコン融液に種結晶を浸漬した後引き上げ、シリコン単結晶インゴットを育成する。
【０００３】
従来より、シリコン単結晶の育成中に、高温下で石英ガラスルツボに含まれる気泡が膨張し、ルツボ内表面が剥離してシリコン単結晶が有転位化すること（例えば、特許文献１参照）や、石英ガラスルツボ表面がアモルファスからクリストバライトに変わり、このクリストバライトの剥離によってシリコン単結晶が有転位化すること（例えば、特許文献２参照）が言われている。
【０００４】
チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造中の石英ガラスルツボ表面のクリストバライト化（結晶化）については、特許文献３や特許文献４によると、「結晶化の初期段階では結晶生成核を基点として点状に発生し、単結晶引上げの進行にともなって、結晶化はリング状に広がる」、「このような結晶化の進展現象により結晶化斑点が生成される。この結晶化斑点の外周部は茶色を呈しているので、茶褐色斑点と呼ばれることもある。」、「結晶化斑点は、単結晶引上げ時間、すなわち、シリコン融液と石英ルツボの内表面とが直接接触する時間の経過とともに増加するが、所定の時間が経過すると結晶化斑点は一定の密度に収束して推移する」と記載されている。また、「かかる結晶化斑点はいったん生成した後、シリコン融液により溶解し始め、次第に結晶化斑点の大きさが小さくなる」とも記載されている。
【０００５】
この石英ガラスルツボ表面のクリストバライト化は、ルツボ中のアルカリ金属などの不純物濃度が高いと促進されると言われている。また、デバイス特性への影響を考えても、不純物濃度は低い方が良い。よって、石英ガラスルツボには気泡がないことや不純物濃度が低いことが求められる。
【０００６】
気泡が無く、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラスの製造方法として、直接法やスート法が挙げられる。直接法とは、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などのケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解することにより直接堆積・ガラス化させて合成する方法である。また、スート法とは、以下のような手順で合成石英ガラスを製造する方法である。まず、直接法よりも低温の約１１００℃で、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などのケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解することにより、多孔質のシリカのかたまり（スート）を合成する。これを、塩素系化合物などの適当なガス中で熱処理して水分を除去する。最後に、約１５００℃以上の温度で回転させながらスートを引き下げて下端から順に加熱してガラス化していく（非特許文献１参照）。
【０００７】
これらの合成石英ガラスを用いて石英ガラスルツボを作ればシリコン単結晶の有転位化を回避できるが、ルツボ自体の耐熱性（耐熱変形性、変形耐性とも言う）が低い（すなわち、高温下で変形しやすい）という問題がある。この耐熱性の問題を解決する方法として、例えば、（１）シラン化合物から合成された合成石英ガラスを粉砕し、真空下で加熱溶融し、ルツボに成形する方法（特許文献５）や、（２）シラン化合物の直接火炎法によって製造された、水素分子含有量が１×１０１７ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上である合成石英ガラス部材を粉砕、粒度調整、洗浄の各工程を経て合成石英ガラス粉としたのち、これを真空下にて１５００〜１９００℃で電気溶融し、成型する方法（特許文献６）が挙げられる。
【０００８】
特許文献５の方法では、合成石英ガラスを粉砕し、その際の粒度を６００μｍ以下と規定して、これを１０−１Ｔｏｒｒ、１５００〜１９００℃で真空加熱溶融をすることにより水酸基・塩素の含有量を低下させて耐熱性の良い合成石英ガラスルツボを作ることができる。真空加熱溶融なのでルツボ内に１ｍｍ以上の気泡は無い。これは、通常のアーク溶融法によって製造した石英ガラスルツボの気泡レベル（例えば、ルツボ１つあたり、１〜２ｍｍの気泡３個程度、２ｍｍ以上の気泡なし）よりも良好である。なお、アーク溶融法とは、回転している型内に原料粉を供給しルツボ状の原料粉体層を形成し、その内側からアーク放電加熱し溶融して石英ガラスルツボを製造する方法（例えば、特許文献７参照）や、１組のアーク電極付近に原料粉を供給し、供給された原料粉をアーク放電加熱し溶融して、対象物に溶着及び堆積させる方法のことをいう。
【０００９】
また、特許文献６の方法によれば、合成石英ガラス部材を水素分子含有量が１×１０１６ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上で歪点が１１３０℃以上、ＯＨ基含有量、塩素含有量がいずれも１ｐｐｍ以下のものとしたものは、高純度であり、高温における粘度が例えば１４００℃で１０１０ポイズ以上とすることができ、したがってこれをシリコン単結晶引き上げ用ルツボ材とすることができる。
【００１０】
また、特許文献８には、石英原料粉を不活性ガス雰囲気下で溶融し、さらに２０００℃以上、０．０５ｔｏｒｒ以上の真空度に５時間以上保持して精製して得た石英ガラス片を、石英ガラスルツボの内表面に貼り合わせ、加熱溶融して一体化する方法が開示されている。また、その加熱溶融方法として、アーク放電や酸水素炎バーナ等を用いることが例示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平６−３２９４９３号公報
【特許文献２】特開２００１−３４２０２９号公報
【特許文献３】特開２００１−２４０４９４号公報
【特許文献４】特開平１１−２２８２９１号公報
【特許文献５】特開平８−４０７３５号公報
【特許文献６】特開平８−４８５３２号公報
【特許文献７】特開２００５−２３９５３３号公報
【特許文献８】特開２００４−２０８２号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】非晶質シリカ材料応用ハンドブック、リアライズ社、１９９９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記のように、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引き上げの際のシリコン単結晶の有転位化の回避のため、石英ガラスルツボは高純度（すなわち、不純物が少ない）で、かつ気泡が無いものが求められ、さらに、同時にルツボの耐熱性も必要である。
【００１４】
特許文献５及び特許文献６の方法のいずれも合成石英を粉砕しているため、アーク溶融法よりはルツボ内の気泡が少ないといえども皆無ではない。そのため、昨今のシリコン単結晶の大型化により石英ガラスルツボへの熱負荷も大きくなっている現状では、シリコン単結晶製造中にルツボ内の気泡が膨張してしまう。これが原因となってシリコン単結晶が有転位化する場合が多いという問題があった。
【００１５】
また、特許文献８の方法で用いている石英材料は、合成石英の粉を溶融し、精製した石英ガラス片である。従って、石英ガラス片中に少なからず気泡が存在している。そのため、特許文献８に開示された石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶を製造しても、シリコン単結晶の有転位化を十分抑制できないという問題がある。また、加熱溶融方法にしても、ガラス片を石英ガラスルツボに酸水素炎バーナで溶着することは、うまく熱を伝えることができず、現実的には非常に難しい。また、ルツボが大型化すると、酸水素炎バーナやアーク放電では局所的な加熱による大きな温度勾配によりルツボや石英ガラス片が割れる可能性が高く、現実に溶着するのは非常に困難である。
【００１６】
このような問題点を解決する方法として、直接法またはスート法により合成石英ガラスを作製し、該合成石英ガラスを粉砕することなくルツボ形状に加工し、該ルツボ形状に加工された合成石英ガラスを、石英ガラスからなるルツボ基材の内面に溶着させて石英ガラスルツボを製造する方法を考案した。
【００１７】
このような方法であれば、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い内ルツボ（ルツボ形状に加工された合成石英ガラス）を作製することができる。そしてこの内ルツボを外ルツボ（ルツボ基材）の内面に溶着するので、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避することができる耐熱性にも優れた石英ガラスルツボを製造することができる。
【００１８】
しかしこのような方法においては、外ルツボの内面形状にぴったりと合った外面形状を持つ内ルツボを作るのは容易ではなく、内ルツボの外壁と外ルツボの内壁との間に間隙が出来てしまう場合がある。この間隙が単結晶製造時の加熱によって広がり、ルツボが膨張してしまうと、操業の経過に伴うルツボの上昇によりルツボ上部にある炉内部品と干渉して破損してしまう危険がある。従って、このようなルツボの膨張が確認された場合には操業を途中で止めざるを得ず、これによって引き上げ中の結晶を規定長さ通りに引き上げることが出来なくなり、また複数本の単結晶棒を引き上げる場合はマルチ回数（多結晶シリコン原料のルツボへの再充填回数のことをいう。）を減らすことになり、生産性、歩留まりが低下してしまう問題があった。
【００１９】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、シリコン単結晶を製造する際のシリコン単結晶の有転位化を回避し、かつ、高い耐熱性を有し、生産性、歩留まりの低下を抑制することができる石英ガラスルツボ及びその製造方法、並びにそのような石英ガラスルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法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】
【００２０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、少なくとも、直接法又はスート法により合成石英ガラス材を作製する工程と、前記合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工する工程と、前記ルツボ形状に加工された合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着させる工程と、を含むことを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法を提供する。
【００２１】
このような方法であれば、直接法又はスート法により作製された合成石英ガラス材を粉砕することなくルツボ形状に加工するため、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低いままルツボ形状を有する合成石英ガラス材とすることができる。また、この合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着するので、製造される石英ガラスルツボのうち、この合成石英ガラス材からなる部分を、シリコン単結晶を製造する際のシリコン融液と接触するルツボ内面とすることができ、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避することができる。
【００２２】
さらに、合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着させ、不透明シリカ層として堆積させることによって石英ガラスルツボとするため、内ルツボである合成石英ガラス材と外ルツボである不透明シリカ層との間には間隙が存在しない。従って、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避することができ、またシリコン単結晶引上げ時の加熱によって、従来技術において生じていた内ルツボの外壁と外ルツボの内壁との間が広がってしまい、これによってルツボが膨張し、炉内装置やルツボを破損させて操業を停止させなければならない事態に陥ってしまうようなことは起こらないため、生産性、歩留まりの低下を抑制できる石英ガラスルツボを製造することができる。
【００２３】
またこのとき、前記シリカ粉末の溶着を、アーク溶融法を用いて行うことができる。
【００２４】
このように、アーク溶融法であれば、容易にかつ低コストで合成ガラスルツボの外壁にシリカ粉末を溶着させることができるため、本発明においては特に好適である。
【００２５】
またこのとき、前記シリカ粉末の溶着を、前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材の内部に、該合成石英ガラス材の変形を防ぐための型を配置して行うことができる。
【００２６】
このような型を配置してシリカ粉末の溶着を行えば、溶着時における熱によって合成石英ガラス材が変形してしまうことを防止することができる。
【００２７】
また、本発明の石英ガラスルツボの製造方法では、前記合成石英ガラス材の作製において、前記合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製することが好ましい。
【００２８】
このように、合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製すれば、ルツボ形状への加工の際の破損を防止することができる。
【００２９】
また、本発明の石英ガラスルツボの製造方法では、前記合成石英ガラス材のルツボ形状への加工において、一つの又は複数の前記合成石英ガラス材から前記ルツボ形状を構成することができる。
【００３０】
このように、合成石英ガラス材のルツボ形状への加工は、一つの合成石英ガラス材からルツボ形状としてもよいし、複数の合成石英ガラス材を溶接等によって組み合わせてルツボ形状としてもよい。
【００３１】
また、本発明は、少なくとも、粉砕されることなくルツボ形状に加工された合成石英ガラス材を具備し、該合成石英ガラス材は直接法又はスート法により作製され、実質的に気泡を含まないものであって、前記合成石英ガラス材の外壁に、シリカ粉末が溶着されることによって、不透明シリカ層が堆積されたものであることを特徴とする石英ガラスルツボを提供する。
【００３２】
このような石英ガラスルツボであれば、直接法又はスート法により作製された合成石英ガラス材、すなわち、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材の外壁に不透明シリカ層を堆積した石英ガラスルツボであるので、シリコン単結晶を製造する際に、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避することができる。また、石英ガラスルツボの耐熱性を確保することができる。
さらに、合成石英ガラス材の外壁に、シリカ粉末が溶着されることによって不透明シリカ層が堆積されているため、合成石英ガラス材と不透明シリカ層との間には間隙が存在しない。従って単結晶製造時の加熱によってルツボが膨張し、操業を停止させなければならない事態に陥るようなことは起こらないため、生産性、歩留まりの低下を抑制することができる。
【００３３】
また、前記合成石英ガラス材は、厚さが１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００３４】
このように、合成石英ガラス材の厚さを１ｍｍ以上とすれば、ルツボ形状への加工の際の破損を防止することができる。また、シリコン単結晶の製造中に、合成石英ガラス材の溶解による、シリコン融液と不透明シリカ層の接触を防止することができる。これにより、シリコン融液を、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材の内表面と常に接触させることができ、より効果的にシリコン単結晶の有転位化を回避することができる。
【００３５】
また、本発明は、上記のいずれかの石英ガラスルツボの内部にシリコン融液を保持し、該シリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げることによってシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【００３６】
このように、本発明の石英ガラスルツボを用いたチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法であれば、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避し、さらにはルツボの膨張による操業の停止に起因する生産性、歩留まりの低下を抑制しながらシリコン単結晶を製造することができる。
【発明の効果】
【００３７】
以上のように、本発明に係る石英ガラスルツボの製造方法であれば、直接法又はスート法により作製され、粉砕もされていないことから、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材を、シリコン単結晶を製造する際のシリコン融液と接触するルツボ内面として石英ガラスルツボを製造することができる。また、合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着させ、不透明シリカ層を堆積させることによって、単結晶製造時の加熱によるルツボの膨張を抑制することができる。そしてこのような石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶の製造を行えば、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避し、さらに炉内装置やルツボの破損による操業の停止を回避し、生産性、歩留まりの低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の石英ガラスルツボの概略断面図を示した図である。
【図２】アーク溶融法により、シリカ粉末を合成石英ガラス材の外壁に溶着させるときの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４０】
本発明の石英ガラスルツボの一例として、図１に示したような石英ガラスルツボについて説明する。
本発明の石英ガラスルツボ１０は、少なくとも、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０と、合成石英ガラス材３０の外壁に堆積された不透明シリカ層２０とを具備する。この合成石英ガラス材３０は、直接法又はスート法により作製され、実質的に気泡を含まないものである。
【００４１】
合成石英ガラス材３０は、後述するように、直接法又はスート法により作製した合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工して形成したものである。
石英ガラスルツボ１０を構成する材料として、熱変形しやすい合成石英ガラス材３０を用いても、不透明シリカ層２０の内部に位置するので、耐熱性を不透明シリカ層２０に担わせることができ、石英ガラスルツボ１０の耐熱性を確保することができる。
【００４２】
ここで、不透明シリカ層２０の性質は特には限定されず、層の厚さ、含まれる気泡のサイズ、密度、表面の平坦度等は通常用いられる石英ルツボと同程度のものであれば良い。
【００４３】
このような石英ガラスルツボ１０は、以下のようにして製造することができる。
【００４４】
まず、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０を以下のようにして準備する。
【００４５】
直接法又はスート法により合成石英ガラス材を作製する（工程ａ）。直接法又はスート法によれば、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材を作製することができる。
【００４６】
ここで、直接法とは、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などのケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解することにより直接堆積・ガラス化させて合成する方法である（非特許文献１参照）。
【００４７】
また、スート法とは、以下のような手順で合成石英ガラスを製造する方法である（非特許文献１参照）。まず、直接法よりも低温の約１１００℃で、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などのケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解することにより、多孔質のシリカのかたまり（スート）を合成する。これを、塩素系化合物などの適当なガス中で熱処理して水分を除去する。最後に、約１５００℃以上の温度で回転させながらスートを引き下げて下端から順に加熱してガラス化していくことにより、合成石英ガラス材を得ることができる。
【００４８】
このとき、合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製することが好ましい。合成石英ガラス材の厚さが１ｍｍ以上であれば、後述のように、ルツボ形状への加工の際の破損を防止することができる。一方、合成石英ガラス材の厚さは１０ｍｍ以下であることが望ましい。このような厚さであれば、Ｒ加工などの工数が増えすぎることがない。また、板状の合成石英ガラス材はフォトマスク用などとして市販もされており、容易に入手可能である。
【００４９】
次に、合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工する（工程ｂ）。これにより、図１に示したようなルツボ形状を有する、合成石英ガラス材３０とすることができる。
【００５０】
この工程では、直接法又はスート法により作製された合成石英ガラス材を粉砕することなく加工するため、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低いまま、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０とすることができる。また、工程数も減少することから、安価に準備することができる。
【００５１】
なお、本発明の石英ガラスルツボの製造では行わない、「合成石英ガラス材の粉砕」とは、合成石英ガラス材から粉末（例えば、平均粒径１ｍｍ以下の粉末）への加工を意味し、すなわち、直接法またはスート法により製造した合成石英ガラス材から塊状、板状等の形状に切り出し、加工すること等は含まない。本発明の石英ガラスルツボの製造においては、このような切り出し、加工等を行うことができる。
【００５２】
この工程ｂでは、合成石英ガラス材がルツボ形状となるように加工すればよく、その具体的な方法は特に限定されない。ルツボ形状の合成石英ガラス材３０の作製の際には適宜歪除去熱処理や、加工工程中に導入された不純物を除去するための酸洗浄などを行うことができる。また、合成石英ガラス材のルツボ形状への加工において、一つの合成石英ガラス材からルツボ形状を構成してもよいし、複数の合成石英ガラス材からルツボ形状を構成してもよい。
【００５３】
一つの合成石英ガラス材からルツボ形状を構成するには、例えば、カーボン製や合成石英製の治具に熱をかけながら押し付け、または合成石英ガラス材の自重により一気にルツボ形状へと加工することができる。このような場合、合成石英ガラス材を板状としておけば加工が容易となり、好ましい。
【００５４】
複数の合成石英ガラス材からルツボ形状を構成する場合には、各々の合成石英ガラス材をルツボ形状へと加工しやすい合成石英ガラス片とすることができる。このような合成石英ガラス片の個々の形状は特に限定されない。
複数の合成石英ガラス材は、Ｒ加工等や酸水素炎バーナー等を用いた溶接により、複数の合成石英ガラス材からルツボ形状を構成するようにすることができる。このような加工及び溶接等は、後述のシリカ粉末を溶着する工程（工程ｃ）よりも前に行えばよい。
【００５５】
以上のような工程ａ及び工程ｂを経て、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０が準備される
【００５６】
次に、ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材３０の外壁に、シリカ粉末を溶着し（工程ｃ）不透明シリカ層２０として堆積させて、石英ガラスルツボ１０を製造する。
【００５７】
ここで、シリカ粉末の溶着方法としては、アーク溶融法を用いることが好ましい。アーク溶融法を用いて溶着を行う場合、具体的には以下のようにすることができる。
【００５８】
まず、図２のようにルツボ形状の合成石英ガラス材３０の開口部を下にするか、もしくは上にした状態で蓋をすることによって、合成石英ガラス材３０の内部にシリカ粉末が入らないようにする。
次に合成石英ガラス材３０の外側に１組のアーク電極４０を用意し、シリカ粉末５０をアーク電極４０付近へと供給するためのシリカ粉末供給手段６０を用いて、シリカ粉末５０をアーク電極付近に供給する。
そしてシリカ粉末５０を溶融ガラス化させ、不透明シリカ層２０を合成石英ガラス材３０の外壁に堆積させ、石英ガラスルツボ１０を製造する。
【００５９】
このとき、合成石英ガラス材３０がアーク溶融による熱によって変形してしまうことを抑止するため、合成石英ガラス材３０の内側に型７０を配置しても良い。またこの型７０は、その後製造される石英ガラスルツボ１０を用いてシリコン単結晶を引上げる際にシリコン融液を汚染しないように、石英ガラス製であることが好ましい。
さらに、前記型７０を石英ガラス製の型とした場合、この石英ガラス製の型が熱によって変形するのを抑止するために、内部にカーボン製やステンレス製等の型を入れても良い。この場合、内部の型がステンレス製の場合は水冷構造とするのが好ましい。
【００６０】
以上のような工程ａ〜ｃを経て、図１に示した石英ガラスルツボ１０を製造することができる。
【００６１】
このような本発明に係る石英ガラスルツボ１０を用いてチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造すれば、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避してシリコン単結晶を製造することができる。
【００６２】
本発明の石英ガラスルツボ１０を用いること以外は、通常通りのチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造することができる。すなわち、本発明の石英ガラスルツボ１０の内部にシリコン融液を保持し、該シリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げることによってシリコン単結晶を製造する。また、磁場をかけながらシリコン単結晶の育成を行うなど、チョクラルスキー法に関する公知の手法を適宜行うことができる。
【００６３】
なお、石英ガラスルツボ１０を構成する合成石英ガラス材３０は厚さ１ｍｍ以上とすることが好ましい。このようにするためには、例えば、合成石英ガラス材の作製（工程ａ）において合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製し、これをルツボ形状に加工し、シリカ粉末を溶着して不透明シリカ層２０を堆積することなどにより行うことができる。
【００６４】
合成石英ガラス材３０が厚さ１ｍｍ以上であれば、ルツボ形状への加工の際の破損を防止することができる。また、シリコン単結晶の製造中に、合成石英ガラス材３０の溶解による、シリコン融液と不透明シリカ層２０の接触を防止することができる。これにより、シリコン融液を、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材３０の内表面と常に接触させることができ、より効果的にシリコン単結晶の有転位化を回避することができる。
【実施例】
【００６５】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これらは本発明を限定するものではない。
【００６６】
（実施例１）
直接法で作製した厚さ５ｍｍの合成石英ガラスの板を直径６２０ｍｍのルツボ形状に変形・加工したもの用意し、これの外壁にアーク溶融法でシリカ粉末を溶着し、厚さ２０ｍｍの不透明シリカ層を堆積させ、石英ガラスルツボを製造した。この石英ガラスルツボに１７０ｋｇの多結晶シリコン原料を充填し、多結晶シリコン原料の溶融を行った。
このようなルツボを１０個（１０バッチ）用意して、それぞれのルツボにおいて２本引きでシリコン結晶を引き上げた。その結果、全てのルツボで１本目、２本目共にルツボは膨張や変形をしなかった。そして１本目も２本目もシリコン結晶は一度も有転位化することなく、再溶融無しで全２０本の結晶がＤＦ（無転位）で引き上がり、当初の予定通りに２本引きの操業を終えることが出来た。このときの結果を下記表１に示す。
【００６７】
（比較例１）
直径６６０ｍｍの石英ルツボの内側に、直径６２０ｍｍの、直接法で作製した厚さ５ｍｍの合成石英ガラスの板をルツボ形状に変形・加工したものをセットし、外ルツボである従来の石英ルツボの内壁と、内ルツボであるルツボ形状に加工した合成石英ガラスの板の外壁とを、電気炉を用いて溶着させた。これに１７０ｋｇの多結晶シリコン原料を充填し、多結晶シリコン原料の溶融を行った。このとき、内ルツボと外ルツボの間には間隙が生じていた。
このようなルツボを１０個（１０バッチ）用意して、それぞれのルツボにおいて２本引きでシリコン結晶を引き上げた。その結果、全てのルツボで１本目は内ルツボと外ルツボの間隙が膨らむことは無く、内ルツボは膨張しなかった。また、シリコン結晶は一度も有転位化することなく、再溶融無しで１０本のＤＦ（無転位）結晶を得ることが出来た。しかし２本目では、２個のルツボで内ルツボが膨張してしまい、結晶引き上げを断念せざるを得なかった。このときの結果を下記表１に示す。
【００６８】
（比較例２）
従来の直径６６０ｍｍの石英ルツボ（合成石英ガラスを用いず、アーク溶融法により作製されたもの）に１７０ｋｇの多結晶シリコン原料を充填し、多結晶シリコン原料の溶融を行った。
このようなルツボを１０個（＝１０バッチ）用意して、それぞれのルツボにおいて２本引きでシリコン結晶を引き上げた。その結果、１０個のルツボの合計で、１本目では９回、２本目では５回、シリコン結晶は有転位化した。これらは再溶融をすることで最終的には全２０本のＤＦ（無転位）結晶を得ることが出来たが、再溶融による生産性の低下が発生した。このときの結果を下記表１に示す。
尚、比較例２においては従来の外ルツボのみで構成される石英ルツボを用いているため、内ルツボと外ルツボとの間隙が単結晶製造時の加熱によって広がってしまうことに起因するルツボの膨張は当然発生しない。このため下記表１においては、実施例１の結果と区別できるように斜線で示してある。
【００６９】
【表１】
【００７０】
表１からわかるように、本発明に係る石英ガラスルツボの製造方法に従い、気泡が無く、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材をルツボ内面部の構成材料とすれば、シリコン単結晶の有転位化を抑制することができる。またその際に、合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着させ、不透明シリカ層を堆積させることにより、これら合成石英ガラス材と不透明シリカ層との間に間隙は生じないため、単結晶製造時の加熱によって製造中のルツボが膨張してしまうことを抑制することができる。
【００７１】
なお、上記の比較例において、有転位化した場合には、その後に再溶融を行い、再びシリコン単結晶を育成しており、最終的には無転位のシリコン単結晶が得られている。しかし製造時間を短縮して生産性を向上するためには有転位化を回避することが求められるため、本発明は生産性向上に極めて有効である。しかも、シリコン融液に接しているのは、高純度の合成石英ガラスであるので、得られるシリコン単結晶の高純度化も図ることができる。
【００７２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００７３】
１０…本発明の石英ガラスルツボ、 ２０…不透明シリカ層、
３０…ルツボ形状の合成石英ガラス材、 ４０…アーク電極、 ５０…シリカ粉末、
６０…シリカ粉末供給手段、 ７０…型。
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引き上げに用いられる石英ガラスルツボ及びその製造方法、並びにそのような石英ガラスルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶の製造には、チョクラルスキー法（ＣＺ法）と呼ばれる方法が広く採用されている。このチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造では、一般に、石英ガラスルツボ（石英ルツボとも呼ばれる）の内部に多結晶シリコン（ポリシリコン）を充填し、加熱により溶融してシリコン融液とし、このシリコン融液に種結晶を浸漬した後引き上げ、シリコン単結晶インゴットを育成する。
【０００３】
従来より、シリコン単結晶の育成中に、高温下で石英ガラスルツボに含まれる気泡が膨張し、ルツボ内表面が剥離してシリコン単結晶が有転位化すること（例えば、特許文献１参照）や、石英ガラスルツボ表面がアモルファスからクリストバライトに変わり、このクリストバライトの剥離によってシリコン単結晶が有転位化すること（例えば、特許文献２参照）が言われている。
【０００４】
チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造中の石英ガラスルツボ表面のクリストバライト化（結晶化）については、特許文献３や特許文献４によると、「結晶化の初期段階では結晶生成核を基点として点状に発生し、単結晶引上げの進行にともなって、結晶化はリング状に広がる」、「このような結晶化の進展現象により結晶化斑点が生成される。この結晶化斑点の外周部は茶色を呈しているので、茶褐色斑点と呼ばれることもある。」、「結晶化斑点は、単結晶引上げ時間、すなわち、シリコン融液と石英ルツボの内表面とが直接接触する時間の経過とともに増加するが、所定の時間が経過すると結晶化斑点は一定の密度に収束して推移する」と記載されている。また、「かかる結晶化斑点はいったん生成した後、シリコン融液により溶解し始め、次第に結晶化斑点の大きさが小さくなる」とも記載されている。
【０００５】
この石英ガラスルツボ表面のクリストバライト化は、ルツボ中のアルカリ金属などの不純物濃度が高いと促進されると言われている。また、デバイス特性への影響を考えても、不純物濃度は低い方が良い。よって、石英ガラスルツボには気泡がないことや不純物濃度が低いことが求められる。
【０００６】
気泡が無く、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラスの製造方法として、直接法やスート法が挙げられる。直接法とは、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などのケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解することにより直接堆積・ガラス化させて合成する方法である。また、スート法とは、以下のような手順で合成石英ガラスを製造する方法である。まず、直接法よりも低温の約１１００℃で、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などのケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解することにより、多孔質のシリカのかたまり（スート）を合成する。これを、塩素系化合物などの適当なガス中で熱処理して水分を除去する。最後に、約１５００℃以上の温度で回転させながらスートを引き下げて下端から順に加熱してガラス化していく（非特許文献１参照）。
【０００７】
これらの合成石英ガラスを用いて石英ガラスルツボを作ればシリコン単結晶の有転位化を回避できるが、ルツボ自体の耐熱性（耐熱変形性、変形耐性とも言う）が低い（すなわち、高温下で変形しやすい）という問題がある。この耐熱性の問題を解決する方法として、例えば、（１）シラン化合物から合成された合成石英ガラスを粉砕し、真空下で加熱溶融し、ルツボに成形する方法（特許文献５）や、（２）シラン化合物の直接火炎法によって製造された、水素分子含有量が１×１０１７ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上である合成石英ガラス部材を粉砕、粒度調整、洗浄の各工程を経て合成石英ガラス粉としたのち、これを真空下にて１５００〜１９００℃で電気溶融し、成型する方法（特許文献６）が挙げられる。
【０００８】
特許文献５の方法では、合成石英ガラスを粉砕し、その際の粒度を６００μｍ以下と規定して、これを１０−１Ｔｏｒｒ、１５００〜１９００℃で真空加熱溶融をすることにより水酸基・塩素の含有量を低下させて耐熱性の良い合成石英ガラスルツボを作ることができる。真空加熱溶融なのでルツボ内に１ｍｍ以上の気泡は無い。これは、通常のアーク溶融法によって製造した石英ガラスルツボの気泡レベル（例えば、ルツボ１つあたり、１〜２ｍｍの気泡３個程度、２ｍｍ以上の気泡なし）よりも良好である。なお、アーク溶融法とは、回転している型内に原料粉を供給しルツボ状の原料粉体層を形成し、その内側からアーク放電加熱し溶融して石英ガラスルツボを製造する方法（例えば、特許文献７参照）や、１組のアーク電極付近に原料粉を供給し、供給された原料粉をアーク放電加熱し溶融して、対象物に溶着及び堆積させる方法のことをいう。
【０００９】
また、特許文献６の方法によれば、合成石英ガラス部材を水素分子含有量が１×１０１６ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ３以上で歪点が１１３０℃以上、ＯＨ基含有量、塩素含有量がいずれも１ｐｐｍ以下のものとしたものは、高純度であり、高温における粘度が例えば１４００℃で１０１０ポイズ以上とすることができ、したがってこれをシリコン単結晶引き上げ用ルツボ材とすることができる。
【００１０】
また、特許文献８には、石英原料粉を不活性ガス雰囲気下で溶融し、さらに２０００℃以上、０．０５ｔｏｒｒ以上の真空度に５時間以上保持して精製して得た石英ガラス片を、石英ガラスルツボの内表面に貼り合わせ、加熱溶融して一体化する方法が開示されている。また、その加熱溶融方法として、アーク放電や酸水素炎バーナ等を用いることが例示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１１】
【特許文献１】特開平６−３２９４９３号公報
【特許文献２】特開２００１−３４２０２９号公報
【特許文献３】特開２００１−２４０４９４号公報
【特許文献４】特開平１１−２２８２９１号公報
【特許文献５】特開平８−４０７３５号公報
【特許文献６】特開平８−４８５３２号公報
【特許文献７】特開２００５−２３９５３３号公報
【特許文献８】特開２００４−２０８２号公報
【非特許文献】
【００１２】
【非特許文献１】非晶質シリカ材料応用ハンドブック、リアライズ社、１９９９年
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
上記のように、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶の引き上げの際のシリコン単結晶の有転位化の回避のため、石英ガラスルツボは高純度（すなわち、不純物が少ない）で、かつ気泡が無いものが求められ、さらに、同時にルツボの耐熱性も必要である。
【００１４】
特許文献５及び特許文献６の方法のいずれも合成石英を粉砕しているため、アーク溶融法よりはルツボ内の気泡が少ないといえども皆無ではない。そのため、昨今のシリコン単結晶の大型化により石英ガラスルツボへの熱負荷も大きくなっている現状では、シリコン単結晶製造中にルツボ内の気泡が膨張してしまう。これが原因となってシリコン単結晶が有転位化する場合が多いという問題があった。
【００１５】
また、特許文献８の方法で用いている石英材料は、合成石英の粉を溶融し、精製した石英ガラス片である。従って、石英ガラス片中に少なからず気泡が存在している。そのため、特許文献８に開示された石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶を製造しても、シリコン単結晶の有転位化を十分抑制できないという問題がある。また、加熱溶融方法にしても、ガラス片を石英ガラスルツボに酸水素炎バーナで溶着することは、うまく熱を伝えることができず、現実的には非常に難しい。また、ルツボが大型化すると、酸水素炎バーナやアーク放電では局所的な加熱による大きな温度勾配によりルツボや石英ガラス片が割れる可能性が高く、現実に溶着するのは非常に困難である。
【００１６】
このような問題点を解決する方法として、直接法またはスート法により合成石英ガラスを作製し、該合成石英ガラスを粉砕することなくルツボ形状に加工し、該ルツボ形状に加工された合成石英ガラスを、石英ガラスからなるルツボ基材の内面に溶着させて石英ガラスルツボを製造する方法を考案した。
【００１７】
このような方法であれば、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い内ルツボ（ルツボ形状に加工された合成石英ガラス）を作製することができる。そしてこの内ルツボを外ルツボ（ルツボ基材）の内面に溶着するので、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避することができる耐熱性にも優れた石英ガラスルツボを製造することができる。
【００１８】
しかしこのような方法においては、外ルツボの内面形状にぴったりと合った外面形状を持つ内ルツボを作るのは容易ではなく、内ルツボの外壁と外ルツボの内壁との間に間隙が出来てしまう場合がある。この間隙が単結晶製造時の加熱によって広がり、ルツボが膨張してしまうと、操業の経過に伴うルツボの上昇によりルツボ上部にある炉内部品と干渉して破損してしまう危険がある。従って、このようなルツボの膨張が確認された場合には操業を途中で止めざるを得ず、これによって引き上げ中の結晶を規定長さ通りに引き上げることが出来なくなり、また複数本の単結晶棒を引き上げる場合はマルチ回数（多結晶シリコン原料のルツボへの再充填回数のことをいう。）を減らすことになり、生産性、歩留まりが低下してしまう問題があった。
【００１９】
本発明は、これらの問題点に鑑みてなされたもので、シリコン単結晶を製造する際のシリコン単結晶の有転位化を回避し、かつ、高い耐熱性を有し、生産性、歩留まりの低下を抑制することができる石英ガラスルツボ及びその製造方法、並びにそのような石英ガラスルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法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】
【００２０】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、少なくとも、直接法又はスート法により合成石英ガラス材を作製する工程と、前記合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工する工程と、前記ルツボ形状に加工された合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着させる工程と、を含むことを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法を提供する。
【００２１】
このような方法であれば、直接法又はスート法により作製された合成石英ガラス材を粉砕することなくルツボ形状に加工するため、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低いままルツボ形状を有する合成石英ガラス材とすることができる。また、この合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着するので、製造される石英ガラスルツボのうち、この合成石英ガラス材からなる部分を、シリコン単結晶を製造する際のシリコン融液と接触するルツボ内面とすることができ、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避することができる。
【００２２】
さらに、合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着させ、不透明シリカ層として堆積させることによって石英ガラスルツボとするため、内ルツボである合成石英ガラス材と外ルツボである不透明シリカ層との間には間隙が存在しない。従って、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避することができ、またシリコン単結晶引上げ時の加熱によって、従来技術において生じていた内ルツボの外壁と外ルツボの内壁との間が広がってしまい、これによってルツボが膨張し、炉内装置やルツボを破損させて操業を停止させなければならない事態に陥ってしまうようなことは起こらないため、生産性、歩留まりの低下を抑制できる石英ガラスルツボを製造することができる。
【００２３】
またこのとき、前記シリカ粉末の溶着を、アーク溶融法を用いて行うことができる。
【００２４】
このように、アーク溶融法であれば、容易にかつ低コストで合成ガラスルツボの外壁にシリカ粉末を溶着させることができるため、本発明においては特に好適である。
【００２５】
またこのとき、前記シリカ粉末の溶着を、前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材の内部に、該合成石英ガラス材の変形を防ぐための型を配置して行うことができる。
【００２６】
このような型を配置してシリカ粉末の溶着を行えば、溶着時における熱によって合成石英ガラス材が変形してしまうことを防止することができる。
【００２７】
また、本発明の石英ガラスルツボの製造方法では、前記合成石英ガラス材の作製において、前記合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製することが好ましい。
【００２８】
このように、合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製すれば、ルツボ形状への加工の際の破損を防止することができる。
【００２９】
また、本発明の石英ガラスルツボの製造方法では、前記合成石英ガラス材のルツボ形状への加工において、一つの又は複数の前記合成石英ガラス材から前記ルツボ形状を構成することができる。
【００３０】
このように、合成石英ガラス材のルツボ形状への加工は、一つの合成石英ガラス材からルツボ形状としてもよいし、複数の合成石英ガラス材を溶接等によって組み合わせてルツボ形状としてもよい。
【００３１】
また、本発明は、少なくとも、粉砕されることなくルツボ形状に加工された合成石英ガラス材を具備し、該合成石英ガラス材は直接法又はスート法により作製され、実質的に気泡を含まないものであって、前記合成石英ガラス材の外壁に、シリカ粉末が溶着されることによって、不透明シリカ層が堆積されたものであることを特徴とする石英ガラスルツボを提供する。
【００３２】
このような石英ガラスルツボであれば、直接法又はスート法により作製された合成石英ガラス材、すなわち、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材の外壁に不透明シリカ層を堆積した石英ガラスルツボであるので、シリコン単結晶を製造する際に、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避することができる。また、石英ガラスルツボの耐熱性を確保することができる。
さらに、合成石英ガラス材の外壁に、シリカ粉末が溶着されることによって不透明シリカ層が堆積されているため、合成石英ガラス材と不透明シリカ層との間には間隙が存在しない。従って単結晶製造時の加熱によってルツボが膨張し、操業を停止させなければならない事態に陥るようなことは起こらないため、生産性、歩留まりの低下を抑制することができる。
【００３３】
また、前記合成石英ガラス材は、厚さが１ｍｍ以上であることが好ましい。
【００３４】
このように、合成石英ガラス材の厚さを１ｍｍ以上とすれば、ルツボ形状への加工の際の破損を防止することができる。また、シリコン単結晶の製造中に、合成石英ガラス材の溶解による、シリコン融液と不透明シリカ層の接触を防止することができる。これにより、シリコン融液を、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材の内表面と常に接触させることができ、より効果的にシリコン単結晶の有転位化を回避することができる。
【００３５】
また、本発明は、上記のいずれかの石英ガラスルツボの内部にシリコン融液を保持し、該シリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げることによってシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法を提供する。
【００３６】
このように、本発明の石英ガラスルツボを用いたチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造方法であれば、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避し、さらにはルツボの膨張による操業の停止に起因する生産性、歩留まりの低下を抑制しながらシリコン単結晶を製造することができる。
【発明の効果】
【００３７】
以上のように、本発明に係る石英ガラスルツボの製造方法であれば、直接法又はスート法により作製され、粉砕もされていないことから、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材を、シリコン単結晶を製造する際のシリコン融液と接触するルツボ内面として石英ガラスルツボを製造することができる。また、合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着させ、不透明シリカ層を堆積させることによって、単結晶製造時の加熱によるルツボの膨張を抑制することができる。そしてこのような石英ガラスルツボを用いてシリコン単結晶の製造を行えば、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避し、さらに炉内装置やルツボの破損による操業の停止を回避し、生産性、歩留まりの低下を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】本発明の石英ガラスルツボの概略断面図を示した図である。
【図２】アーク溶融法により、シリカ粉末を合成石英ガラス材の外壁に溶着させるときの概略説明図である。
【発明を実施するための形態】
【００３９】
以下、本発明をより詳細に説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。
【００４０】
本発明の石英ガラスルツボの一例として、図１に示したような石英ガラスルツボについて説明する。
本発明の石英ガラスルツボ１０は、少なくとも、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０と、合成石英ガラス材３０の外壁に堆積された不透明シリカ層２０とを具備する。この合成石英ガラス材３０は、直接法又はスート法により作製され、実質的に気泡を含まないものである。
【００４１】
合成石英ガラス材３０は、後述するように、直接法又はスート法により作製した合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工して形成したものである。
石英ガラスルツボ１０を構成する材料として、熱変形しやすい合成石英ガラス材３０を用いても、不透明シリカ層２０の内部に位置するので、耐熱性を不透明シリカ層２０に担わせることができ、石英ガラスルツボ１０の耐熱性を確保することができる。
【００４２】
ここで、不透明シリカ層２０の性質は特には限定されず、層の厚さ、含まれる気泡のサイズ、密度、表面の平坦度等は通常用いられる石英ルツボと同程度のものであれば良い。
【００４３】
このような石英ガラスルツボ１０は、以下のようにして製造することができる。
【００４４】
まず、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０を以下のようにして準備する。
【００４５】
直接法又はスート法により合成石英ガラス材を作製する（工程ａ）。直接法又はスート法によれば、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材を作製することができる。
【００４６】
ここで、直接法とは、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などのケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解することにより直接堆積・ガラス化させて合成する方法である（非特許文献１参照）。
【００４７】
また、スート法とは、以下のような手順で合成石英ガラスを製造する方法である（非特許文献１参照）。まず、直接法よりも低温の約１１００℃で、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ４）などのケイ素化合物を酸水素火炎中で加水分解することにより、多孔質のシリカのかたまり（スート）を合成する。これを、塩素系化合物などの適当なガス中で熱処理して水分を除去する。最後に、約１５００℃以上の温度で回転させながらスートを引き下げて下端から順に加熱してガラス化していくことにより、合成石英ガラス材を得ることができる。
【００４８】
このとき、合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製することが好ましい。合成石英ガラス材の厚さが１ｍｍ以上であれば、後述のように、ルツボ形状への加工の際の破損を防止することができる。一方、合成石英ガラス材の厚さは１０ｍｍ以下であることが望ましい。このような厚さであれば、Ｒ加工などの工数が増えすぎることがない。また、板状の合成石英ガラス材はフォトマスク用などとして市販もされており、容易に入手可能である。
【００４９】
次に、合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工する（工程ｂ）。これにより、図１に示したようなルツボ形状を有する、合成石英ガラス材３０とすることができる。
【００５０】
この工程では、直接法又はスート法により作製された合成石英ガラス材を粉砕することなく加工するため、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低いまま、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０とすることができる。また、工程数も減少することから、安価に準備することができる。
【００５１】
なお、本発明の石英ガラスルツボの製造では行わない、「合成石英ガラス材の粉砕」とは、合成石英ガラス材から粉末（例えば、平均粒径１ｍｍ以下の粉末）への加工を意味し、すなわち、直接法またはスート法により製造した合成石英ガラス材から塊状、板状等の形状に切り出し、加工すること等は含まない。本発明の石英ガラスルツボの製造においては、このような切り出し、加工等を行うことができる。
【００５２】
この工程ｂでは、合成石英ガラス材がルツボ形状となるように加工すればよく、その具体的な方法は特に限定されない。ルツボ形状の合成石英ガラス材３０の作製の際には適宜歪除去熱処理や、加工工程中に導入された不純物を除去するための酸洗浄などを行うことができる。また、合成石英ガラス材のルツボ形状への加工において、一つの合成石英ガラス材からルツボ形状を構成してもよいし、複数の合成石英ガラス材からルツボ形状を構成してもよい。
【００５３】
一つの合成石英ガラス材からルツボ形状を構成するには、例えば、カーボン製や合成石英製の治具に熱をかけながら押し付け、または合成石英ガラス材の自重により一気にルツボ形状へと加工することができる。このような場合、合成石英ガラス材を板状としておけば加工が容易となり、好ましい。
【００５４】
複数の合成石英ガラス材からルツボ形状を構成する場合には、各々の合成石英ガラス材をルツボ形状へと加工しやすい合成石英ガラス片とすることができる。このような合成石英ガラス片の個々の形状は特に限定されない。
複数の合成石英ガラス材は、Ｒ加工等や酸水素炎バーナー等を用いた溶接により、複数の合成石英ガラス材からルツボ形状を構成するようにすることができる。このような加工及び溶接等は、後述のシリカ粉末を溶着する工程（工程ｃ）よりも前に行えばよい。
【００５５】
以上のような工程ａ及び工程ｂを経て、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０が準備される
【００５６】
次に、ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材３０の外壁に、シリカ粉末を溶着し（工程ｃ）不透明シリカ層２０として堆積させて、石英ガラスルツボ１０を製造する。
【００５７】
ここで、シリカ粉末の溶着方法としては、アーク溶融法を用いることが好ましい。アーク溶融法を用いて溶着を行う場合、具体的には以下のようにすることができる。
【００５８】
まず、図２のようにルツボ形状の合成石英ガラス材３０の開口部を下にするか、もしくは上にした状態で蓋をすることによって、合成石英ガラス材３０の内部にシリカ粉末が入らないようにする。
次に合成石英ガラス材３０の外側に１組のアーク電極４０を用意し、シリカ粉末５０をアーク電極４０付近へと供給するためのシリカ粉末供給手段６０を用いて、シリカ粉末５０をアーク電極付近に供給する。
そしてシリカ粉末５０を溶融ガラス化させ、不透明シリカ層２０を合成石英ガラス材３０の外壁に堆積させ、石英ガラスルツボ１０を製造する。
【００５９】
このとき、合成石英ガラス材３０がアーク溶融による熱によって変形してしまうことを抑止するため、合成石英ガラス材３０の内側に型７０を配置しても良い。またこの型７０は、その後製造される石英ガラスルツボ１０を用いてシリコン単結晶を引上げる際にシリコン融液を汚染しないように、石英ガラス製であることが好ましい。
さらに、前記型７０を石英ガラス製の型とした場合、この石英ガラス製の型が熱によって変形するのを抑止するために、内部にカーボン製やステンレス製等の型を入れても良い。この場合、内部の型がステンレス製の場合は水冷構造とするのが好ましい。
【００６０】
以上のような工程ａ〜ｃを経て、図１に示した石英ガラスルツボ１０を製造することができる。
【００６１】
このような本発明に係る石英ガラスルツボ１０を用いてチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造すれば、気泡やクリストバライトに起因するシリコン単結晶の有転位化を回避してシリコン単結晶を製造することができる。
【００６２】
本発明の石英ガラスルツボ１０を用いること以外は、通常通りのチョクラルスキー法によってシリコン単結晶を製造することができる。すなわち、本発明の石英ガラスルツボ１０の内部にシリコン融液を保持し、該シリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げることによってシリコン単結晶を製造する。また、磁場をかけながらシリコン単結晶の育成を行うなど、チョクラルスキー法に関する公知の手法を適宜行うことができる。
【００６３】
なお、石英ガラスルツボ１０を構成する合成石英ガラス材３０は厚さ１ｍｍ以上とすることが好ましい。このようにするためには、例えば、合成石英ガラス材の作製（工程ａ）において合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製し、これをルツボ形状に加工し、シリカ粉末を溶着して不透明シリカ層２０を堆積することなどにより行うことができる。
【００６４】
合成石英ガラス材３０が厚さ１ｍｍ以上であれば、ルツボ形状への加工の際の破損を防止することができる。また、シリコン単結晶の製造中に、合成石英ガラス材３０の溶解による、シリコン融液と不透明シリカ層２０の接触を防止することができる。これにより、シリコン融液を、実質的に気泡を含まず、また、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材３０の内表面と常に接触させることができ、より効果的にシリコン単結晶の有転位化を回避することができる。
【実施例】
【００６５】
以下、実施例及び比較例を挙げて本発明を具体的に説明するが、これらは本発明を限定するものではない。
【００６６】
（実施例１）
直接法で作製した厚さ５ｍｍの合成石英ガラスの板を直径６２０ｍｍのルツボ形状に変形・加工したもの用意し、これの外壁にアーク溶融法でシリカ粉末を溶着し、厚さ２０ｍｍの不透明シリカ層を堆積させ、石英ガラスルツボを製造した。この石英ガラスルツボに１７０ｋｇの多結晶シリコン原料を充填し、多結晶シリコン原料の溶融を行った。
このようなルツボを１０個（１０バッチ）用意して、それぞれのルツボにおいて２本引きでシリコン結晶を引き上げた。その結果、全てのルツボで１本目、２本目共にルツボは膨張や変形をしなかった。そして１本目も２本目もシリコン結晶は一度も有転位化することなく、再溶融無しで全２０本の結晶がＤＦ（無転位）で引き上がり、当初の予定通りに２本引きの操業を終えることが出来た。このときの結果を下記表１に示す。
【００６７】
（比較例１）
直径６６０ｍｍの石英ルツボの内側に、直径６２０ｍｍの、直接法で作製した厚さ５ｍｍの合成石英ガラスの板をルツボ形状に変形・加工したものをセットし、外ルツボである従来の石英ルツボの内壁と、内ルツボであるルツボ形状に加工した合成石英ガラスの板の外壁とを、電気炉を用いて溶着させた。これに１７０ｋｇの多結晶シリコン原料を充填し、多結晶シリコン原料の溶融を行った。このとき、内ルツボと外ルツボの間には間隙が生じていた。
このようなルツボを１０個（１０バッチ）用意して、それぞれのルツボにおいて２本引きでシリコン結晶を引き上げた。その結果、全てのルツボで１本目は内ルツボと外ルツボの間隙が膨らむことは無く、内ルツボは膨張しなかった。また、シリコン結晶は一度も有転位化することなく、再溶融無しで１０本のＤＦ（無転位）結晶を得ることが出来た。しかし２本目では、２個のルツボで内ルツボが膨張してしまい、結晶引き上げを断念せざるを得なかった。このときの結果を下記表１に示す。
【００６８】
（比較例２）
従来の直径６６０ｍｍの石英ルツボ（合成石英ガラスを用いず、アーク溶融法により作製されたもの）に１７０ｋｇの多結晶シリコン原料を充填し、多結晶シリコン原料の溶融を行った。
このようなルツボを１０個（＝１０バッチ）用意して、それぞれのルツボにおいて２本引きでシリコン結晶を引き上げた。その結果、１０個のルツボの合計で、１本目では９回、２本目では５回、シリコン結晶は有転位化した。これらは再溶融をすることで最終的には全２０本のＤＦ（無転位）結晶を得ることが出来たが、再溶融による生産性の低下が発生した。このときの結果を下記表１に示す。
尚、比較例２においては従来の外ルツボのみで構成される石英ルツボを用いているため、内ルツボと外ルツボとの間隙が単結晶製造時の加熱によって広がってしまうことに起因するルツボの膨張は当然発生しない。このため下記表１においては、実施例１の結果と区別できるように斜線で示してある。
【００６９】
【表１】
【００７０】
表１からわかるように、本発明に係る石英ガラスルツボの製造方法に従い、気泡が無く、不純物濃度も極めて低い合成石英ガラス材をルツボ内面部の構成材料とすれば、シリコン単結晶の有転位化を抑制することができる。またその際に、合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着させ、不透明シリカ層を堆積させることにより、これら合成石英ガラス材と不透明シリカ層との間に間隙は生じないため、単結晶製造時の加熱によって製造中のルツボが膨張してしまうことを抑制することができる。
【００７１】
なお、上記の比較例において、有転位化した場合には、その後に再溶融を行い、再びシリコン単結晶を育成しており、最終的には無転位のシリコン単結晶が得られている。しかし製造時間を短縮して生産性を向上するためには有転位化を回避することが求められるため、本発明は生産性向上に極めて有効である。しかも、シリコン融液に接しているのは、高純度の合成石英ガラスであるので、得られるシリコン単結晶の高純度化も図ることができる。
【００７２】
なお、本発明は、上記実施形態に限定されるものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いかなるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。
【符号の説明】
【００７３】
１０…本発明の石英ガラスルツボ、 ２０…不透明シリカ層、
３０…ルツボ形状の合成石英ガラス材、 ４０…アーク電極、 ５０…シリカ粉末、
６０…シリカ粉末供給手段、 ７０…型。
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも、
直接法又はスート法により合成石英ガラス材を作製する工程と、
前記合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工する工程と、
前記ルツボ形状に加工された合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着させる工程と、
を含むことを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項２】
前記シリカ粉末の溶着を、アーク溶融法を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項３】
前記シリカ粉末の溶着を、前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材の内部に、該合成石英ガラス材の変形を防ぐための型を配置して行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項４】
前記合成石英ガラス材の作製において、前記合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項５】
前記合成石英ガラス材のルツボ形状への加工において、一つの又は複数の前記合成石英ガラス材から前記ルツボ形状を構成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項６】
少なくとも、粉砕されることなくルツボ形状に加工された合成石英ガラス材を具備し、
該合成石英ガラス材は直接法又はスート法により作製され、実質的に気泡を含まないものであって、前記合成石英ガラス材の外壁に、シリカ粉末が溶着されることによって、不透明シリカ層が堆積されたものであることを特徴とする石英ガラスルツボ。
【請求項７】
前記合成石英ガラス材は、厚さが１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の石英ガラスルツボ。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の石英ガラスルツボの内部にシリコン融液を保持し、該シリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げることによってシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【請求項１】
少なくとも、
直接法又はスート法により合成石英ガラス材を作製する工程と、
前記合成石英ガラス材を、粉砕することなくルツボ形状に加工する工程と、
前記ルツボ形状に加工された合成石英ガラス材の外壁にシリカ粉末を溶着させる工程と、
を含むことを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項２】
前記シリカ粉末の溶着を、アーク溶融法を用いて行うことを特徴とする請求項１に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項３】
前記シリカ粉末の溶着を、前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材の内部に、該合成石英ガラス材の変形を防ぐための型を配置して行うことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項４】
前記合成石英ガラス材の作製において、前記合成石英ガラス材を厚さ１ｍｍ以上の板状のものとして作製することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項５】
前記合成石英ガラス材のルツボ形状への加工において、一つの又は複数の前記合成石英ガラス材から前記ルツボ形状を構成することを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項６】
少なくとも、粉砕されることなくルツボ形状に加工された合成石英ガラス材を具備し、
該合成石英ガラス材は直接法又はスート法により作製され、実質的に気泡を含まないものであって、前記合成石英ガラス材の外壁に、シリカ粉末が溶着されることによって、不透明シリカ層が堆積されたものであることを特徴とする石英ガラスルツボ。
【請求項７】
前記合成石英ガラス材は、厚さが１ｍｍ以上であることを特徴とする請求項６に記載の石英ガラスルツボ。
【請求項８】
請求項６または請求項７に記載の石英ガラスルツボの内部にシリコン融液を保持し、該シリコン融液からチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引き上げることによってシリコン単結晶を製造することを特徴とするシリコン単結晶の製造方法。
【図１】
【図２】
【図２】
【公開番号】特開２０１２−２１８９８０（Ｐ２０１２−２１８９８０Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８７０９２（Ｐ２０１１−８７０９２）
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００１９０１４９）信越半導体株式会社 (867)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１１日（２０１１．４．１１）
【出願人】（０００１９０１４９）信越半導体株式会社 (867)
【Ｆターム（参考）】
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