JP5741163B2 - 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 - Google Patents

Description

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。

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。

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。

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。

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。

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（ＳｉＣｌ_４）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（ＳｉＣｌ_４）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）。

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１×１０^１７ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^３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。

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である（例えば、特許文献７参照）。

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１×１０^１６ｍｏｌｅｃｕｌｅｓ／ｃｍ^３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１０^１０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。

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。

特開平６−３２９４９３号公報 特開２００１−３４２０２９号公報 特開２００１−２４０４９４号公報 特開平１１−２２８２９１号公報 特開平８−４０７３５号公報 特開平８−４８５３２号公報 特開２００５−２３９５３３号公報 特開２００４−２０８２号公報

非晶質シリカ材料応用ハンドブック、リアライズ社、１９９９年

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。

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。

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。

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（以下、内ルツボともいう。）を、石英ガラスからなるルツボ基材（以下、外ルツボともいう。）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。

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。

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。

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。

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、石英ガラスからなり、ルツボ形状を有するルツボ基材を準備する工程と、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、前記ルツボ基材の内壁と、前記ルツボ形状に加工された合成石英ガラス材の外壁とをシリカ粉末を介して熱処理を行って接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。

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を石英ガラスからなるルツボ基材の内側に接着するので、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。
さらに、ルツボ基材と合成石英ガラス材を、シリカ粉末を介して接着するため、ルツボ基材の内壁と合成石英ガラスの外壁との間隙がシリカ粉末によって充填される。これによって、シリコン単結晶引上げ時の加熱によって前記間隙が広がってしまい、これによってルツボが膨張することを抑制でき、従って炉内装置やルツボの破損によって操業を停止させなければならない事態に陥ることもないため、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。

またこのとき、前記接着工程において、前記ルツボ基材と前記ルツボ形状に加工された合成石英ガラス材を重ね合わせた後、前記ルツボ基材の内壁上部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上部の一部を溶接することによって、ルツボ外部から前記ルツボ基材と前記ルツボ形状に加工された合成石英ガラス材との間隙に通じる穴を設け、該間隙に通じる穴よりシリカ粉末を導入し充填させた後、熱処理を行うことができる。

このように、ルツボ基材の内壁上部と合成石英ガラス材の外壁上部を溶接してからそれらの間隙にシリカ粉末を充填させることにより、合成石英ガラス材をルツボ基材にある程度固定させることができるため、安定してシリカ粉末を充填させることができる。また、このようにシリカ粉末を間隙に充填させる方法として、上記のように間隙に通じる穴を設けて、この間隙に通じる穴よりシリカ粉末を導入すれば、より効率的かつ確実にシリカ粉末を充填させることができる。

また、本発明の石英ガラスルツボの製造方法では、前記熱処理による接着を、前記ルツボ基材の内部に前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材を、前記シリカ粉末を介して配置し、該合成石英ガラス材の内部に多結晶シリコンを充填し、該多結晶シリコンをシリコン単結晶引上機内で溶融する際の加熱により同時に行うことができる。

また、本発明は、このような石英ガラスルツボの製造方法によって、前記多結晶シリコンの溶融と同時に前記石英ガラスルツボを製造し、引き続き、前記多結晶シリコンの溶融によって生じた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。

このように、合成石英ガラス材とルツボ基材との接着を、シリコン単結晶引上機内で多結晶シリコンを溶融する際の加熱により同時に行うこととし、また、その後引き続き、シリコン融液からシリコン単結晶を引き上げることとすれば、全体として工程を減らすことができる上に、ルツボを一旦冷却する必要が無い。そのため、シリコン単結晶を製造するために必要な総エネルギーや製造時間を削減することができる。

また、本発明の石英ガラスルツボの製造方法では、前記接着を、前記ルツボ基材の内部に前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材を配置し、電気炉を用いて、前記ルツボ基材及び合成石英ガラス材を加熱して行うこともできる。

また、本発明の石英ガラスルツボの製造方法では、前記接着を、前記ルツボ基材の内部に前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材を配置し、シリコン単結晶引上機内において、前記ルツボ基材及び合成石英ガラス材を加熱して行うこともできる。

このように、合成石英ガラス材とルツボ基材との接着は、電気炉又は引上機内での加熱によって行うこともできる。そして、全体を一度に接着できるので、局所的な温度勾配が生じることもなく、割れが発生することもない。

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工程において、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。

このようにして合成石英ガラス材を作製すれば、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。また、ルツボ形状に加工し、ルツボ基材の内部へ配置した後又はその後接着する前に、シリコン単結晶の原料の多結晶シリコンを充填する際の破損を防止することができる。

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工程において、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。

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。

また、本発明は、上記のいずれかの石英ガラスルツボの製造方法によって製造されたことを特徴とする石英ガラスルツボを提供する。

すなわち、本発明は、少なくとも、石英ガラスからなり、ルツボ形状を有するルツボ基材と、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とを具備し、
前記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、前記ルツボ基材の内壁と前記合成石英ガラス材の外壁とが、シリカ粉末を介して接着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。

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をルツボ基材の内側に接着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、ルツボ基材と合成石英ガラス材が、シリカ粉末を介して接着されているため、ルツボ基材の内壁と合成石英ガラス材の外壁との間隙がシリカ粉末によって充填される。これによ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も陥ることはないため、生産性、歩留まりの低下を抑制することができるルツボとなる。

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。

このようなものとすれば、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、シリカ粉末やルツボ基材と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ルツボ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。

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。

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。

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、ルツボ基材と合成石英ガラス材との間隙をシリカ粉末によって充填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。

本発明の石英ガラスルツボの概略断面図及び上面図の一例を示した図である。

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。

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、石英ガラスからなり、ルツボ形状を有するルツボ基材２０と、ルツボ基材２０の内側に位置するルツボ形状の合成石英ガラス材３０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。

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、ルツボ基材２０の内部に位置するので、耐熱性をルツボ基材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。

そしてルツボ基材２０と合成石英ガラス材３０との間隙には、シリカ粉末５０が充填されている。ルツボ基材２０と合成石英ガラス材３０とは、焼結した、または溶解した後固化したシリカ粉末５０を介して接着されている。

このようなシリカ粉末５０が充填されていることにより、ルツボ基材２０と合成石英ガラス材３０との間隙が、単結晶製造時の加熱によって広がり、石英ガラスルツボ１０が膨張することを抑制することができる。
ここで、シリカ粉末５０の純度及び粒度は特には限定されず、直接シリコン融液に触れるわけではないので純度の低い天然粉でも良いが、より不純物汚染を少なくできるため、含有される不純物の少ない合成粉が好ましい。

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。

まず、石英ガラスからなり、ルツボ形状を有するルツボ基材２０を準備する（工程ａ）。
ここで準備するルツボ基材２０は、通常の石英ガラスルツボでよい。ただし、本発明によって製造する石英ガラスルツボ１０との区別のため、本発明の説明においては「ルツボ基材」と呼ぶ。本発明のルツボ基材２０は、現在工業的に使用されている石英ガラスルツボを用いれば良く、その製法も特に限定されず、例えば、現在工業的に実施されているアーク溶融法で良い。アーク溶融法とは、例えば特許文献７に開示されているような、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である。その他、ゾルゲル法や、スリップキャスト法等によりルツボ基材を製造することができる。この場合、ルツボ基材の内面は、必ずしも高純度層や無気泡層となっている必要はない。

一方、ルツボ基材２０の内側にシリカ粉末５０を介して接着するための、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。

まず、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ｂ）。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。

ここで、直接法とは、四塩化ケイ素（ＳｉＣｌ_４）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）。

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（ＳｉＣｌ_４）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。

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。また、後述のように、シリコン単結晶の原料の多結晶シリコンを充填する際の破損も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。

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ｃ）。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。

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。

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直接塊状、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。

この工程ｃ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。

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。

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、後述のルツボ基材に接着する工程（工程ｄ）よりも前に行えばよい。

以上のような工程ｂ及び工程ｃを経て、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０が準備される。

なお、ルツボ基材の準備（工程ａ）と、合成石英ガラス材の作製及びルツボ形状への加工（工程ｂ及び工程ｃ）とは独立に行うことができ、どちらを先に行ってもよいし、並行して行うこともできる。

次に、ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材３０を、シリカ粉末５０を介してルツボ基材２０の内側に接着し（工程ｄ）、石英ガラスルツボ１０を製造する。ここで、ルツボ基材２０と合成石英ガラス材３０との間隙にシリカ粉末５０を充填させる必要があるが、充填方法については特には限定されない。

例えば、図１に示すように、ルツボ基材２０と合成石英ガラス３０を重ね合わせた後、ルツボ基材２０の内壁上部と合成石英ガラス材３０の外壁上部の一部を溶接することによって、石英ガラスルツボ１０外部からルツボ基材２０と合成石英ガラス材３０との間隙に通じる穴４０を設け、該穴４０からシリカ粉末５０を導入し充填させることができる。このような方法によれば、ルツボ基材２０と合成石英ガラス材３０をある程度固定してからより安定してシリカ粉末５０を導入することができるため好ましい。
また、穴４０を複数箇所に設けることとすれば、より効率的にシリカ粉末５０を導入できるため好ましい。

この接着は確実に行う必要がある。具体的には、例えば、以下の３つの方法がある。

（第１の接着方法）
第１の接着方法では、まず、ルツボ基材２０の内部にルツボ形状に加工した合成石英ガラス材３０を配置（セット）する。このときのルツボ形状の合成石英ガラス材３０としては、一つの合成石英ガラス材からルツボ形状に加工したもの、複数の合成石英ガラス材を溶接してルツボ形状としたもののいずれでもよい。また、予めルツボ基材２０と合成石英ガラス材３０との間隙にはシリカ粉末５０を充填させておき、これをシリコン単結晶引上げ機内に配置する。次に、合成石英ガラス材３０の内部に多結晶シリコンを充填する。このとき、合成石英ガラス材３０の内部に予め多結晶シリコンを充填しておき、次に多結晶シリコンを充填したルツボをシリコン単結晶引上げ機内に配置してもよい。次に、多結晶シリコンをシリコン単結晶引上機内で溶融する際の加熱により、シリカ粉末５０を介するルツボ基材２０とルツボ形状の合成石英ガラス材３０との接着を多結晶シリコンの溶融と同時に行う。パワー（加熱のための投入電力）や加熱時間は任意であり、通常の多結晶シリコンの溶融と同様に、引上機、ルツボのサイズ等に依存して決定することができる。

この方法によれば、多結晶シリコンの溶融と同時に石英ガラスルツボ１０が製造される。この場合、多結晶シリコンの溶融及び石英ガラスルツボの製造の後、引き続き引上機内において、多結晶シリコンの溶融によって生じた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ができる。

このようにすれば、石英ガラスルツボ１０を製造した後シリコン単結晶を製造するまでの間に一旦冷却する必要が無い。そのため、シリコン単結晶を製造するために必要な総エネルギーを削減することができる。また、工程数の増加も最小限とすることができ、コストの上昇を抑えられるほか、内側のシリコン融液の存在により合成石英ガラス材のルツボ基材への接着が均一に行われる利点もある。

（第２の接着方法）
第２の接着方法では、ルツボ基材２０の内部にルツボ形状に加工した合成石英ガラス材３０を配置し、また予めルツボ基材２０と合成石英ガラス材３０との間隙にはシリカ粉末５０を充填させておく。その後電気炉を用いて、ルツボ基材２０及び合成石英ガラス材３０を加熱して、シリカ粉末５０を介して接着を行う。

（第３の接着方法）
第３の接着方法では、ルツボ基材２０の内部にルツボ形状に加工した合成石英ガラス材３０を配置し、また予めルツボ基材２０と合成石英ガラス材３０との間隙にはシリカ粉末５０を充填させておく。その後シリコン単結晶引上機内において、ルツボ基材２０及び合成石英ガラス材３０を加熱して、シリカ粉末５０を介して接着を行う。

第２又は第３の接着方法の場合は、ルツボ形状の合成石英ガラス材３０として、一つの合成石英ガラス材からルツボ形状に加工したもの、又は、複数の合成石英ガラス材からＲ加工等した後、溶接してルツボ形状としたものを、ルツボ基材２０の内部に配置することができる。
また、パワー（加熱のための投入電力）や加熱時間は任意であり、必要に応じて決定することができる。

なお、第１〜３の接着方法のいずれの方法であっても、ルツボ基材２０と合成石英ガラス材３０との間隙に雰囲気ガスが閉じ込められないよう、気抜きを設けることが好ましい。

以上のような工程ａ〜ｄ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。

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。

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。

ただし、上記の「第１の接着方法」の場合には、前述のように、多結晶シリコンをシリコン単結晶引上機内で溶融する際の加熱により、シリカ粉末５０を介したルツボ基材２０と合成石英ガラス材３０との接着を多結晶シリコンの溶融と同時に行う。この方法の場合も、その後のシリコン融液からのシリコン単結晶の引き上げは通常のチョクラルスキー法によるシリコン単結晶の製造の場合と同様に行うことができる。

なお、石英ガラスルツボ１０を構成する、接着後の合成石英ガラス材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ｂ）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５０を介してルツボ基材２０に接着することなどにより行うことができる。

合成石英ガラス材３０が厚さ１ｍｍ以上であれば、シリコン単結晶の原料の多結晶シリコンを充填する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、シリカ粉末５０やルツボ基材２０と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ルツボ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。

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。

（実施例１）
図１に示したように、直径２６インチ（６６０ｍｍ）の石英ルツボを外ルツボとし、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・加工したものを内ルツボとして、外ルツボの内壁上部と内ルツボの外壁上部とを、酸水素炎バーナーにより長さ２０ｍｍの穴が８箇所出来るように溶接した。その後、８箇所の穴からそれぞれ外ルツボと内ルツボとの間隙にシリカ粉末を１５ｋｇ充填して間隙を埋めた。このように準備された内ルツボに１７０ｋｇの多結晶シリコン原料を充填し、シリコン単結晶引上げ機内で多結晶シリコン原料の溶融を行った。この際に、多結晶シリコン原料の溶融と同時に、間隙に充填されたシリカ粉末を焼結体とし、ルツボを接着した。

このような石英ガラスルツボを１０個（＝１０バッチ）用意して、それぞれのルツボにおいて２本引きでシリコン単結晶を引き上げた。その結果、全てのルツボで１本目、２本目共に内ルツボと外ルツボの間隙が広がることは無く、内ルツボも膨張しなかった。そして引き上げられたシリコン単結晶は、２本ともに一度も有転位化することなく、再溶融無しで全２０本のＤＦ（無転位）結晶が引き上がり、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。

（比較例１）
直径２６インチ（６６０ｍｍ）の石英ルツボの内側に、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、両者の上端を酸水素炎バーナーにより溶接した。これに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。即ち、内ルツボと外ルツボの間隙にシリカ粉末は充填しなかった。尚、多結晶シリコンのチャージ量は１７０ｋｇである。
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。

（比較例２）
従来の直径２６インチ（６６０ｍｍ）の石英ルツボに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。尚、多結晶シリコンのチャージ量は１７０ｋｇである。
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。

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、外ルツボと内ルツボとの間隙にシリカ粉末を充填させ、該シリカ粉末を介してこれらルツボ同士を接着させることにより、単結晶製造時の加熱によって前記間隙が広がってしまい、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。

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れる。

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。

１０…本発明の石英ガラスルツボ、 ２０…ルツボ基材、
３０…ルツボ形状の合成石英ガラス材、 ４０…穴、 ５０…シリカ粉末。

Claims (12)

1. 少なくとも、
   石英ガラスからなり、ルツボ形状を有するルツボ基材を準備する工程と、
   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、
   前記ルツボ基材の内壁と、前記ルツボ形状に加工された合成石英ガラス材の外壁とをシリカ粉末を介して熱処理を行って接着させる工程と、
   を含むことを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
2. 前記接着工程において、前記ルツボ基材と前記ルツボ形状に加工された合成石英ガラス材を重ね合わせた後、前記ルツボ基材の内壁上部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上部の一部を溶接することによって、ルツボ外部から前記ルツボ基材と前記ルツボ形状に加工された合成石英ガラス材との間隙に通じる穴を設け、該間隙に通じる穴よりシリカ粉末を導入し充填させた後、熱処理を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。
3. 前記熱処理による接着を、前記ルツボ基材の内部に前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材を、前記シリカ粉末を介して配置し、該合成石英ガラス材の内部に多結晶シリコンを充填し、該多結晶シリコンをシリコン単結晶引上機内で溶融する際の加熱により同時に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。
4. 前記熱処理による接着を、前記ルツボ基材の内部に前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材を、前記シリカ粉末を介して配置し、電気炉を用いて、前記ルツボ基材及び合成石英ガラス材を加熱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。
5. 前記熱処理による接着を、前記ルツボ基材の内部に前記ルツボ形状に加工した合成石英ガラス材を、前記シリカ粉末を介して配置し、シリコン単結晶引上機内において、前記ルツボ基材及び合成石英ガラス材を加熱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。
6. 前記合成石英ガラス材の作製工程において、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５のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
7. 前記合成石英ガラス材のルツボ形状への加工工程において、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６のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボの製造方法。
8. 請求項１乃至請求項７のいずれか一項に記載の石英ガラスルツボの製造方法によって製造されたことを特徴とする石英ガラスルツボ。
9. 少なくとも、
   石英ガラスからなり、ルツボ形状を有するルツボ基材と、
   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と
   を具備し、
   前記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、前記ルツボ基材の内壁と前記合成石英ガラス材の外壁とが、シリカ粉末を介して接着されたものであることを特徴とする石英ガラスルツボ。
10. 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８または請求項９に記載の石英ガラスルツボ。
11. 請求項８乃至請求項１０のいずれか一項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。
12. 請求項３に記載の石英ガラスルツボの製造方法によって、前記多結晶シリコンの溶融と同時に前記石英ガラスルツボを製造し、引き続き、前記多結晶シリコンの溶融によって生じた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。

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