KR101104673B1

KR101104673B1 - 대경 실리콘 단결정 잉곳 인상용 고순도 석영 유리 도가니

Info

Publication number: KR101104673B1
Application number: KR1020080119680A
Authority: KR
Inventors: 타다히로 사토우
Original assignee: 쟈판 스파 쿼츠 가부시키가이샤
Priority date: 2007-12-14
Filing date: 2008-11-28
Publication date: 2012-01-13
Anticipated expiration: 2028-11-28
Also published as: EP2070882A1; DE602008005099D1; JP4918473B2; JP2009143770A; EP2070882B1; US20090173276A1; ATE499328T1; US8888915B2; KR20090064302A

Abstract

기포 함유율: 1∼10％로 하고, 순도: 99.99％ 이상의 비정질 석영 유리의 외측층과, 기포 함유율: 0.6％ 이하로 하고, 순도: 99.99％ 이상의 비정질 석영 유리의 내측층의 2중 적층 구조를 갖고, 상기 고순도 석영 유리 도가니의 개구 상단과 실리콘 단결정 잉곳 인상 공정에서의 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인과의 사이의 상기 도가니 개구 상단으로부터 40용량％ 이상 100용량％ 이하의 부분이, 상기 결정화 촉진제를 함유하지 않는 결정 조직으로 되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도를 갖는 대경(大徑) 실리콘 단결정 잉곳 인상용 고순도 석영 유리 도가니.

내측층, 외측층, 결정화 촉진제, 결정 조직

Description

대경 실리콘 단결정 잉곳 인상용 고순도 석영 유리 도가니{HIGH-PURITY VITREOUS SILICA CRUCIBLE USED FOR PULLING LARGE-DIAMETER SINGLE-CRYSTAL SILICON INGOT}

본 발명은, 반도체용 실리콘 단결정 잉곳의 인상에 이용되는 고순도 석영 유리 도가니에 관한 것으로, 특히 대경(大徑)의 실리콘 단결정 잉곳(이하, 단순히, 단결정 잉곳이라고 함)의 인상에 이용한 경우에, 단결정 잉곳에 있어서의 핀홀 결함(pinhole defect)의 발생을 억제한 상태에서, 변형이나 뒤틀림 등의 발생을 방지할 수 있는 고강도(高强度)를 갖는 고순도 석영 유리 도가니(이하, 단순히 석영 도가니라고 함)에 관한 것이다.

본원은, 2007년 12월 14일에 출원된 일본국특허출원 제2007-323420호에 대하여 우선권을 주장하여, 그 내용을 여기에 원용한다.

종래, 단결정 잉곳의 인상에 이용되는 석영 도가니는, 원료 분말로서, 평균 입경: 200∼300㎛, 순도: 99.99％ 이상의 고순도 석영 유리 분말이 이용된다. 상기 석영 유리 분말은, 흑연 몰드 내면과 중자(中子; core) 외면으로 형성된, 예를 들면 30㎜의 간극에, 상기 흑연 몰드를 60∼80rpm의 속도로 회전시키면서 충전된 다(도3a 참조). 상기 석영 유리 분말은 상기 간극에 충전된 후, 상기 중자가 꺼내어져, 석영분(粉) 성형체로 된다. 이어서, 상기 흑연 몰드를 50∼100rpm의 속도로 회전시키면서, 흑연 전극을 이용한 3상 교류 아크 방전 장치를 상기 석영분 성형체 상방 개구로부터 삽입시킨다. 상기 아크 방전 장치를 흑연 몰드 내면을 따라 상하로 왕복운동시켜 흑연 몰드 내 온도를 약 2000℃로 가열하고, 동시에, 상기 흑연 몰드 내면으로 개구하여 형성한 통기로를 통하여, 상기 석영분 성형체를 진공흡인하면서, 상기 원료 분말을 용융하여, 고화(固化)함으로써, 예를 들면 두께가 10㎜로 되는 석영 도가니가 제조된다(도3b 참조).

또한, 상기 방법으로 얻어진 석영 도가니는, 기포 함유율(단위 체적당의 석영 유리 중에 포함되는 기포의 전(全) 체적을 백분률로 나타낸 것): 1∼10％, 순도: 99.99％ 이상의 고순도 비정질 석영 유리의 외측층과, 기포 함유율: 0.6％ 이하, 순도: 99.99％ 이상의 고순도 비정질 석영 유리의 내측층의 2중 적층 구조를 갖고, 그리고 상기 내측층과 외측층의 두께의 비(比)가 통상 1 : 1∼5의 비율로 된다(도2 참조).

또한, 실리콘 단결정 잉곳은, 도4 에서 나타나는 바와 같이, 흑연 지지체에 장착된 석영 도가니 내에 고순도 다결정 실리콘 덩어리를 장입(裝入)하고, 상기 흑연 지지체의 외주를 따라 형성한 히터에 의해 상기 다결정 실리콘 덩어리를 용융하여, 실리콘 융액으로 하고, 상기 실리콘 융액의 온도를 1500∼1600℃의 범위 내의 소정의 온도로 가열 유지함과 아울러, 상기 석영 도가니를 회전하면서, 감압 하에서의 Ar 가스 분위기 중에서, 실리콘 종결정(seed crystal)을 동일하게 회전시키면 서 상기 실리콘 융액면에 맞닿게 하고, 상기 실리콘 종결정을 인상함으로써 제조된다(일본공개특허공보 평11-171687호).

또한, 상기의 단결정 잉곳의 제조에 있어서, 도4 에 나타나는 바와 같이, 실리콘 융액은 석영 도가니 내를 단결정 잉곳 저부로부터 도가니 저부로 내려가고, 도가니 저부로부터 내면을 따라 아래에서 위를 향하여 흘러, 실리콘 단결정 잉곳 저부를 향하는 대류에 의해 이동한다. 이때, 상기 실리콘 융액(Si)과 도가니 내면(SiO₂)이 반응하여 SiO 가스가 발생한다. 상기 발생 SiO 가스는 상기 실리콘 융액의 대류를 타고 실리콘 융액 표면으로 이동한다. 상기 실리콘 융액면에서 상기 발생 SiO 가스는, 인상 중의 단결정 잉곳 내에 취입되어 핀홀 결함으로 되지 않도록 인상 조건을 조정받으면서, 감압 Ar 가스 분위기 중에 방출되어, 제거된다.

또한, 실리콘 단결정 잉곳 인상 중의 석영 도가니의 변형 및 뒤틀림을 방지하여, 석영 도가니의 사용 수명의 연장을 도모할 목적으로, 예를 들면 알칼리 토류 금속의 산화물, 수산화물 및, 탄산염 등으로 이루어지는 결정화 촉진제를, 석영 도가니의 내측층과 외측층의 사이에 개재시키거나(일본공개특허공보 2006-124235호), 혹은 이것을 도가니 개구 상단부의 외주면을 따라 도포하거나(일본공개특허공보 2005-255488호) 함으로써, 석영 도가니의 용융 성형 중에, 상기 결정화 촉진제의 작용으로 비정질(유리질) 조직을 결정 조직으로 변화시켜, 석영 도가니의 강도를 향상시키는 연구도 행해지고 있다.

최근의 실리콘 단결정 잉곳은 대경화의 경향에 있어, 직경이 200∼300㎜의 대경의 실리콘 단결정 잉곳의 제조가 현실로 되고 있다. 이에 수반하여, 석영 도가니도, 내경이 610∼810㎜의 대경 석영 도가니가 필요로 되고 있다. 이 결과, 고강도를 갖는 결정 조직의 대경 석영 도가니의 제작이 불가피해진다. 상기의 결정화 촉진제의 작용으로 비정질 조직을 결정 조직으로 변화시켜 고강도를 구비시킨 종래의 석영 도가니에 있어서, 단결정 잉곳의 대경화에 의한 인상 시간의 장시간화에 수반하여, 도가니 내에 존재하는 결정화 촉진제의 작용으로, 인상 중에도 비정질 조직의 결정화가 진행되고, 결정립(結晶粒)이 보다 한층 미세화하고, 결정립계(結晶粒界)가 한층 증가하게 된다. 실리콘 융액(Si)과 도가니 내면(SiO₂)과의 반응은, 비정질 조직에 비하여, 결정립계에서 활발하에 일어난다. 상기의 점에서, 결정립계의 증가와 아울러 SiO 가스의 발생도 비약적으로 증대하게 된다. 이 대량의 발생 SiO 가스를 실리콘 융액 표면에서의 감압 Ar 가스 분위기 중으로의 방출로 충분히 제거하는 것은 곤란하게 된다. 충분히 제거하지 못한 일부의 발생 SiO 가스는, 실리콘 융액의 흐름을 타고 인상 중인 실리콘 단결정 잉곳의 저부로 이동하여, 실리콘 단결정 잉곳으로 취입되어 핀홀 결함이 된다.

그래서, 본 발명자는, 전술한 바와 같은 관점에서, 대경 단결정 잉곳 인상용 석영 도가니에 관한 연구를 행하였다.

그 결과, 석영 도가니의 단결정 잉곳 인상 중의 강도는, 도가니 개구 상단부의 강도에 의해 결정되는 것을 알았다. 따라서, 상기 도가니 개구 상단부에 고강도를 확보할 수 있으면, 도가니 개구 상단부만이 결정 조직이고, 그 이외의 부분 (실질적으로 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인 이하)이 비정질 조직이어도, 석영 도가니는 실리콘 단결정 잉곳 인상 중에도 고강도를 유지하기 때문에, 석영 도가니의 변형이나 뒤틀림을 방지할 수 있다.

상기의 종래 석영 도가니에서 보이는 바와 같이, 석영 도가니 내에 결정화 촉진제가 존재한 상태에서 실리콘 단결정 잉곳 인상에 이용하면, 상기 결정화 촉진제의 작용으로 단결정 잉곳 인상 중에 석영 도가니의 더한층의 결정화가 진행되어, 결정은 미세화한다. 이 결과, 결정립계가 증대하고, 결정립계에서의 Si+SiO₂ 반응이 활발하게 일어나게 되어 인상 중의 단결정 잉곳에 있어서의 핀홀 결함의 발생이 촉진된다. 그러나, 석영 도가니 중에 상기 결정화 촉진제가 존재하지 않으면, 인상 중의 석영 도가니에 결정화 진행 작용(결정립계 증가 작용)은 일어나지 않는 것도 명백해졌다.

따라서, 도2 에 나타나는 바와 같이, 본원 발명의 석영 도가니는, 석영 도가니의 성형 시에 도가니 개구 상단으로부터 상방으로 신장하여 고순도 석영 유리의 링 형상 절사(切捨)부를 형성하여, 상기 링 형상 절사부에, 산화알루미늄(이하, Al₂O₃으로 나타냄), 산화칼슘(이하, CaO으로 나타냄), 산화바륨(이하, BaO으로 나타냄), 탄산칼슘(이하, CaCO₃으로 나타냄) 및, 탄산바륨(이하, BaCO₃으로 나타냄) 중의 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 결정화 촉진제를 첨가했다. 상기 결정화 촉진제를, 상기 고순도 석영 유리와의 합량(合量)에 점하는 비율로, 0.01∼1질량％ 배합하여 석영 도가니 소재의 용융 성형을 행하면, 석영 도가니 본체의 개구 상단 부가 결정 조직으로 된다. 이 결정 조직을, 상기 석영 유리 도가니의 개구 상단과 실리콘 단결정 잉곳 인상 공정에서의 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인과의 사이의 상기 도가니 개구 상단으로부터 40용량％ 이상 100용량％ 이하의 부분으로 하였더니, 내경이 610∼810㎜의 대경의 석영 도가니라도, 단결정 잉곳 인상 중, 변형이나 뒤틀림 등의 발생이 없는 고강도를 구비한 것으로 되는 결과를 얻었다.

상기 석영 도가니 소재의 용융 성형 후, 상기의 결정화 촉진제를 배합한 링 형상 절사부를 제거한 석영 도가니 본체에는, 상기 결정화 촉진제는 존재하지 않기 때문에, 단결정 잉곳 인상 중에 비정질 부분(상기의 석영 도가니 본체의 개구 상단과 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인과의 사이의 결정화 부분을 제외한 나머지 부분)은, 더이상의 결정화가 일어나지 않고, 비정질 조직인 채로 존재한다. 따라서, SiO 가스의 발생이 결정 조직과 비교하여 현저히 억제되어, 이 결과 단결정 잉곳에 있어서의 핀홀 결함의 발생이 억제되었다. 이 현상은 직경이 200∼300㎜의 대경의 단결정 잉곳에 있어서도 동일하게 볼 수 있었다.

본 발명은, 상기의 연구 결과에 기초하여 이루어진 것으로, 기포 함유율: 1∼10％로 하고, 순도: 99.99％ 이상의 고순도 비정질 석영 유리의 외측층과, 기포 함유율: 0.6％ 이하로 하고, 순도: 99.99％ 이상의 고순도 비정질 석영 유리의 내측층의 2중 적층 구조를 갖는 대경 단결정 잉곳 인상용의 석영 도가니에 있어서, 상기 석영 도가니의 성형 시에 도가니 개구 상단으로부터 상방으로 신장하여 형성한 고순도 석영 유리의 링 형상 절사부에, 상기 고순도 석영 유리와의 합량에 점하는 비율로, 0.01∼1질량％ 배합한 Al₂O₃, CaO, BaO, CaCO₃ 및, BaCO₃ 중의 1종 또는 2종 이상으로 이루어지는 결정화 촉진제의 작용으로, 상기 석영 도가니의 개구 상단과 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인과의 사이의 상기 도가니 개구 상단으로부터 40용량％ 이상의 부분이, 상기 결정화 촉진제를 함유하지 않는 결정 조직인, 고강도를 갖는 대경 단결정 잉곳 인상용 석영 도가니이다.

또한, 본 발명은 이하에 나타내는 특징을 갖는 석영 도가니의 제조 방법 및 석영 도가니에 관한 것이다.

[1] 기포 함유율: 1∼10％로 하고, 순도: 99.99％ 이상의 비정질 석영 유리의 외측층과, 기포 함유율: 0.6％ 이하로 하고, 순도: 99.99％ 이상의 비정질 석영 유리의 내측층의 2중 적층 구조를 갖는 대경 실리콘 단결정 잉곳 인상용 고순도 석 영 유리 도가니의 제조 방법에 있어서, 원료 석영분(粉)을 성형하여 석영분 성형체로 하는 원료 성형 공정과, 상기 석영분 성형체를 용융하여 유리 도가니재로 하는 용융 공정과, 상기 유리 도가니재의 개구측 단부(端部)를 링 형상 절사(切捨)부로 하여 절단하는 림 컷(rim cut) 공정을 갖고, 상기 원료 성형 공정에 있어서, 상기 절사부에 대응하는 부분에 결정화 촉진제를 첨가함과 아울러 상기 링 형상 절사부에 첨가하는 결정화 촉진제가, 상기 고순도 석영 유리와의 합량에 점하는 비율로, 0.01∼1질량％ 배합한 Al₂O₃, CaO, BaO, CaCO₃ 및, BaCO₃ 중의 1종 또는 2종 이상으로 이루어짐과 아울러, 이 결정화 촉진제의 작용으로, 실리콘 단결정 잉곳 인상 공정에서의 상기 고순도 석영 유리 도가니의 개구 상단과 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인과의 사이의 상기 도가니 개구 상단으로부터 40용량％ 이상 100용량％ 이하의 부분이, 상기 결정화 촉진제를 함유하지 않는 결정 조직으로 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 고강도를 갖는 대경 단결정 잉곳 인상용 고순도 석영 유리 도가니의 제조 방법.

[2] 상기 [1]에 기재된 제조 방법에 의해 제조되어, 기포 함유율: 1∼10％로 하고, 순도: 99.99％ 이상의 비정질 석영 유리의 외측층과, 기포 함유율: 0.6％ 이하로 하고, 순도: 99.99％ 이상의 비정질 석영 유리의 내측층의 2중 적층 구조를 갖고, 상기 고순도 석영 유리 도가니의 개구 상단과 실리콘 단결정 잉곳 인상 공정에서의 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인과의 사이의 상기 도가니 개구 상단으로부터 40용량％ 이상 100용량％ 이하의 부분이, 상기 결정화 촉진제를 함유하지 않는 결정 조직으로 되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 고강도를 갖는 대경 실리콘 단결정 잉곳 인상용 고순도 석영 유리 도가니.

본 발명의 석영 도가니는, 링 형상 절사부에 결정화 촉진제가 석영 유리와의 합량에 점하는 비율로 0.01∼1질량％ 첨가되어 있다. 결정화 촉진제의 비율이 0.01질량％ 미만에서는 석영 도가니 본체의 개구 상단부에 있어서의 결정 조직의 비율을 도가니 개구 상단으로부터 40용량％ 이상으로 할 수 없어, 석영 도가니 본체에 소망하는 고강도를 확보할 수 없다. 이 결과 내경이 610∼810㎜의 대경의 석영 도가니에서는, 강도 부족에 기인하는 변형이나 뒤틀림 등이 발생하기 쉬워진다. 한편, 결정화 촉진제의 비율이 1질량％를 넘으면, 석영 도가니의 용융 성형 중에, 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인을 넘어서 도가니 내부를 향하여 결정화가 진행되어, 결정 조직이 실리콘 융액과 접촉하는 대역(帶域)까지 생기게 된다. 결정 조직이 실리콘 융액과 접촉하는 대역까지 결정화가 진행되면 결정립계에서 대량의 SiO 가스가 발생하고, 단결정 잉곳에 핀홀 결함이 발생하기 쉬워진다.

본 발명의 석영 도가니는, 직경이 200㎜∼300㎜의 대경의 단결정 잉곳의 인상용으로서, 도가니 내경을 610∼810㎜로 대경화해도, 상기 석영 도가니의 개구 상단부와 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인과의 사이의 40용량％ 이상 100용량％ 이하의 부분에 형성한 결정 조직에 의해, 상기 석영 도가니에 변형이나 뒤틀림 등의 발생을 방지할 수 있는 고강도를 확보할 수 있다. 한편 성형 후의 석영 도가니 내에는 결정화 촉진제가 존재하지 않기 때문에, 실질적으로 실리콘 융액과 접촉하 는 도가니 내면은 단결정 잉곳 인상 중, 비정질 조직이 유지되기 때문에, 도가니 내면의 실리콘 융액과의 반응이 결정 조직에 비하여 한층 억제되어, 이 결과 발생 SiO 가스가 원인인 단결정 잉곳에 있어서의 핀홀 결함의 발생을 억제할 수 있게 된다.

(발명을 실시하기 위한 최량의 형태)

도5 는 석영 유리 도가니의 제조 장치의 일 예를 나타내고, 이 장치는, 바닥이 있는 원통 형상의 석영분 성형체(11)와, 흑연 몰드(10)를 그 축선 둘레로 회전시키는 전극 구동 기구(4)와, 흑연 몰드(10)의 내측을 가열하기 위한 아크 방전 장치(26)로 주로 구성되어 있다. 흑연 몰드(10)는, 예를 들면 카본으로 형성되고, 그 내부에는 흑연 몰드 내면으로 개구하는 다수의 통기공(12)이 형성되어 있다. 통기공(12)에는 도시하지 않은 감압 기구가 접속되고, 흑연 몰드(10)는 회전됨과 동시에 그 내면으로부터 통기공(12)을 통하여 흡기할 수 있도록 되어 있다. 흑연 몰드(10)의 내면에는, 석영 분말을 퇴적함으로써 석영분 성형체(11)를 형성할 수 있다. 이 석영분 성형체(11)는, 흑연 몰드(10)의 회전에 의한 원심력에 의해 내벽면에 유지된다. 유지된 석영분 성형체(11)를 아크 방전 장치(26)로 가열하면서, 통기공(12)을 통하여 감압함으로써, 석영분 성형체(11)가 녹아서 석영 유리층이 형성된다. 냉각 후에 석영 유리 도가니를 흑연 몰드(10)로부터 뽑아내어, 정형(整形)함으로써, 석영 유리 도가니가 제조된다.

아크 방전 장치(26)는, 고순도의 탄소로 형성된 막대 형상을 이루는 복수의 흑연 전극(5)과, 이들 흑연 전극(5)을 유지함과 아울러 이동시키는 전극 구동 기구(4)와, 각 흑연 전극(5)에 전류를 통하게 하기 위한 전원 장치(도시 생략)를 구비한다. 흑연 전극(5)은, 이 예에서는 3개이지만, 흑연 전극(5) 간에 아크 방전을 행할 수 있으면 되며, 2개이어도 4개 이상이어도 좋다. 흑연 전극(5)의 형상도 한정되지 않는다. 흑연 전극(5)은 선단으로 갈수록 서로 근접하도록 배치되어 있다. 전원은 교류여도 직류여도 좋지만, 이 실시 형태에서는, 3개의 흑연 전극(5)에 3상 교류 전류의 각 상(相)이 접속되어 있다.

다음으로, 이 발명의 석영 도가니를 실시예에 의해 구체적으로 설명한다.

(실시예)

(A) 도3a, b 에 나타나는 제조 프로세스에 따라, 통상의 조건에서, 석영분 성형체를 형성할 목적으로, 원료 분말로서, 평균 입경: 250㎛를 갖는 순도: 99.998질량％의 고순도 석영 유리 분말을 이용했다. 상기 원료 분말을 흑연 몰드 내면과 중자 외면으로 형성된 30㎜의 간극에 상기 흑연 몰드 및 중자를 65rpm의 속도로 회전시키면서 충전했다. 또한 링 형상 절사부를 형성하기 위해, 석영분 성형체의 개구부를, 개구 상단으로부터 상방으로 20㎜의 높이(폭)로 신장하고, 링 형상 절사부를 형성했다. 상기 링 형상 절사부로, 원료 분말에 각각 표1 에 나타나는 비율의 결정화 촉진제를 배합하고, 혼합한 혼합 원료 분말을 제작하여 충전했다. 충전 후, 상기 중자를 뽑아내어, 상기 흑연 몰드를 65rpm의 속도로 회전시키면서, 흑연 전극을 이용한 3상 교류 아크 방전 장치를 상방 개구로부터 삽입하고, 흑연 몰드 내면을 따라 상하로 왕복 운동시켜서 흑연 몰드 내 온도를 약 2000℃로 가열했다. 한편, 상기 흑연 몰드 내로 개구하여 형성한 통기로를 통하여 상기 석영분 성형체에 진공흡인을 행하면서, 상기 원료 분말을 용융하여, 고화함으로써, 결정화 촉진제를 함유한, 높이(폭): 20㎜의 링 형상 절사부로 이루어지는 도2 에 나타나는 구조의 본 발명 석영 도가니를 성형했다. 이어서, 상기 본 발명 석영 도가니 소재로부터 링 형상 절사부를 다이아몬드 커터를 이용하여 절단 제거하여, 외경: 610㎜, 깊이: 400㎜, 두께: 10mm의 치수를 가짐과 아울러, 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인이 도가니 개구 상단으로부터 40㎜ 아래의 위치에 있고, 그리고, 기포 함유율: 0.1％로 하고, 순도: 99.994％, 두께: 2㎜의 고순도 석영 유리의 내측층과, 기포 함유율: 4.5％로 하고, 순도: 99.998％, 두께: 8㎜의 동일한 고순도 석영 유리의 외측층으로 구성된 2중 적층 구조를 갖는, 도1 에 나타나는 구조의 도가니 상단부에 결정화 촉진제를 함유하지 않는 직경: 200㎜의 단결정 잉곳 인상용 본 발명 석영 도가니(1∼9)를 각각 5개씩 제조했다.

(B) 상기 링 형상 절사부의 높이(폭)를 50㎜로 하고, 그리고 이것에 배합되는 결정화 촉진제의 비율을 표1 에 나타나는 바와 같이 하는 것 이외에는, 상기 (A)의 본 발명 석영 도가니(1∼9)의 제조 수법과 동일한 방법으로, 외경: 810㎜, 깊이: 480㎜, 두께: 10㎜의 치수를 가짐과 아울러, 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인이 도가니 개구 상단으로부터 50㎜ 아래의 위치에 있고, 그리고, 기포 함유율: 0.1％로 하고, 순도: 99.997％, 두께: 2㎜의 고순도 석영 유리의 내측층과, 기포 함유율: 4.5％로 하고, 순도: 99.998％, 두께: 8㎜의 동일하게 고순도 석영 유리의 외측층으로 구성된 2중 적층 구조를 갖는, 마찬가지로 도1 에 나타나는 구조 의 도가니 개구 상단부에 결정화 촉진제를 함유하지 않는 직경: 300㎜의 단결정 잉곳 인상용 본 발명 석영 도가니(10∼18)를 각각 5개씩 제조했다.

(C) 또한, 도3a, b 에 나타나는 제조 프로세스에 따라, 통상의 조건에서, 석영분 성형체를 형성할 목적으로, 원료 분말로서, 평균 입경: 250㎛를 갖는 순도: 99.998％의 고순도 석영 유리 분말을 이용했다. 상기 원료 분말을 흑연 몰드 내면과 중자 외면으로 형성된 30㎜의 간극에 상기 흑연 몰드 및 중자를 65rpm의 속도로 회전시키면서, 최종 도가니 치수에서 10㎜ 짧은 위치까지 충전했다. 이어서, 상기 원료 분말에 각각 표1 에 나타나는 비율의 결정화 촉진제를 배합하고, 혼합한 혼합 원료 분말을 최종 도가니 치수가 될 때까지 충전했다. 충전 후, 상기 중자를 뽑아내어, 상기 흑연 몰드를 65rpm의 속도로 회전시키면서, 흑연 전극을 이용한 3상 교류 아크 방전 장치를 상방 개구로부터 삽입하고, 흑연 몰드 내면을 따라 상하로 왕복운동시켜서 흑연 몰드 내 온도를 약 2000℃로 가열했다. 한편, 상기 흑연 몰드 내로 개구하여 형성한 통기로를 통하여 상기 석영분 성형체에 진공흡인을 행하면서, 상기 원료 분말을 용융하여, 고화함으로써, 도가니 상단부에 개구 상단으로부터 10㎜ 아래의 위치까지 결정화 촉진제를 함유하고, 외경: 610㎜, 깊이: 400㎜, 두께: 10㎜의 치수를 가짐과 아울러, 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인이 도가니 개구 상단으로부터 40㎜ 아래의 위치에 있고, 그리고, 기포 함유율: 0.1％로 하고, 순도: 99.994％, 두께: 2㎜의 고순도 석영 유리의 내측층과, 기포 함유율: 4.5％로 하고, 순도: 99.998％, 두께: 8㎜의 동일하게 고순도 석영 유리의 외측층으로 구성된 2중 적층 구조를 갖는, 도가니 상단부에 결정화 촉진제를 함유한 직경: 200 ㎜의 단결정 잉곳 인상용 종래 석영 도가니(1∼9)를 각각 5개씩 제조했다.

(D) 도가니 상단부에 개구 상단으로부터 10㎜ 아래의 위치까지 결정화 촉진제를 함유하고, 그리고 이것에 배합되는 결정화 촉진제의 비율을 표1 에 나타나는 바와 같이 하는 것 이외에는, 상기 (C)의 종래 석영 도가니(1∼9)의 제조 수법과 동일한 방법으로, 외경: 810㎜, 깊이: 480㎜, 두께: 10㎜의 치수를 가짐과 아울러, 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인이 도가니 개구 상단으로부터 50㎜ 아래의 위치에 있고, 그리고, 기포 함유율: 0.1％로 하고, 순도: 99.997％, 두께: 2㎜의 고순도 석영 유리의 내측층과, 기포 함유율: 4.5％로 하고, 순도: 99.998％, 두께: 8㎜의 동일하게 고순도 석영 유리의 외측층으로 구성된 2중 적층 구조를 갖는, 도가니 상단부에 결정화 촉진제를 함유하는 직경: 300㎜의 단결정 잉곳 인상용 종래 석영 도가니(10∼18)를 각각 5개씩 제조했다.

이어서, 이 결과 얻어진 본 발명 석영 도가니(1∼18) 및 종래 석영 도가니(1∼18)에 대해서, 도가니 개구 상단에서의 결정화율을, 광학 현미경을 이용하여 관찰하고, 도가니 개구 상단에서 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인까지 결정화한 경우를 100용량％의 결정화율로 하고, 이에 대한 비율로, 도가니 5개의 평균치로 하여 표1, 2(잉곳 인상 전의 란)에 나타냈다.

다음으로, 상기와 같이 각각 5개씩 준비된 본 발명 석영 도가니(1∼18) 및 종래 석영 도가니(1∼18)를 이용하여, 도4 에 나타나는 인상 장치로, 통상의 조건에서, 각각 직경: 200㎜ 및 300㎜의 단결정 잉곳을 인상하여 제조했다. 상기 본 발명 석영 도가니(1∼18) 및 종래 석영 도가니(1∼18)에 있어서의 1종류의 석영 도가니마다 5개의 단결정 잉곳을 제조했다. 1개의 단결정 잉곳에서, 직경이 200㎜인 것으로부터는 두께: 725㎛의 웨이퍼를 1000매, 직경이 300㎜인 것으로부터는 두께: 775㎛의 웨이퍼를 800매 잘라내었다. 각각 5개의 단결정 잉곳으로부터 잘려나온 웨이퍼에 대해서, 웨이퍼 상하면을 검사 장치를 이용하여 검사하여, 직경: 30㎛ 이상의 움푹 패인 곳이 존재한 웨이퍼를 핀홀 결함 발생 웨이퍼로 하고, 그 매수를 표1, 2에 나타냈다.

또한, 단결정 잉곳 인상 후의 본 발명 석영 도가니(1∼18) 및 종래 석영 도가니(1∼18)에 대해서, 마찬가지로 도가니 개구 상단으로부터의 결정화율을, 광학 현미경을 이용하여 관찰했다. 도가니 개구 상단으로부터 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인까지의 결정화율을 100용량％로 하고, 이에 대한 비율로, 도가니 5개의 평균치로 하여 표1, 2(잉곳 인상 후의 란)에 나타냈다.

그 결과, 단결정 잉곳 인상 후의 본 발명 석영 도가니(1∼18) 및 종래 석영 도가니(1∼18)에 대해서, 도가니 개구 상단의 내경을 내주를 따라 10개소 측정한 바, 모든 도가니가 최대치와 최소치의 차이가 1㎜ 이하의 범위 내에 있어, 변형이 극히 적은 것이었다.

표1, 2 에 나타나는 결과로부터, 본 발명 석영 도가니(1∼18)는, 직경이 200∼300㎜의 대경의 단결정 잉곳의 인상용으로서, 610∼810㎜의 외경으로 대경화해도, 도가니의 개구 상단과 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인과의 사이의 상기 도가니 개구 상단으로부터 40용량％ 이상의 부분에 형성한 결정 조직에 의해 단결정 잉곳 인상 시의 도가니 변형을 억제할 수 있는 고강도를 갖는 것이 명백해졌다. 상기 도가니 개구 상단부에는 결정화 촉진제가 존재하지 않기 때문에, 상기 결정화 촉진제에 의한 결정화 작용의 진행은 일어나지 않는 점에서, 실질적으로 실리콘 융액과 접촉하는 도가니 내면은 단결정 잉곳 인상 중, 비정질 조직이 유지된다. 따라서, 도가니 내면의 실리콘 융액과의 반응이 결정 조직에 비하여 한층 억제되어, 이 결과 발생 SiO 가스가 원인인 단결정 잉곳에 있어서의 핀홀 결함의 발생이 억제된다. 이에 대하여, 종래 석영 도가니(1∼18)는, 도가니 개구 상단부가 결정 조직으로 되어 있기 때문에, 단결정 잉곳 인상 시의 도가니 변형을 억제할 수 있는 고강도를 갖지만, 도가니 개구 상단부에 결정화 촉진제가 존재하기 때문에, 단결정 잉곳 인상 시에도 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인을 넘어서 도가니 내부를 향하여 결정화가 진행된다. 그 때문에, 결정 조직이 실리콘 융액과 접촉하는 대역이 형성되고, 상기 대역에서는 결정립계에서의 SiO 가스 발생이 활성화되어, 단결정 잉곳에 핀홀 결함이 발생하기 쉬워진다.

전술한 바와 같이, 이 발명의 석영 도가니는, 특히 직경이 200∼300㎜에 이르는 대경의 단결정 잉곳의 인상에 이용하는 데에 적합하고, 대경의 실리콘 단결정 웨이퍼의 수율 향상 및 품질 향상에 크게 기여하는 것이다.

이상에서, 본 발명의 바람직한 실시예를 설명했지만, 본 발명은 이들 실시예에 한정되는 것은 아니다. 본 발명의 취지를 일탈하지 않는 범위에서, 구성의 부가, 생략, 치환 및, 그 이외의 변경이 가능하다. 본 발명은 전술한 설명에 의해 한정되는 일 없이, 첨부의 특허청구의 범위에 의해서만 한정된다.

도1 은, 본 발명 석영 도가니의 개구 상단부를 나타내는 요부의 개략 종(縱)단면도이다.

도2 는 본 발명 석영 도가니 소재를 나타내는 반부(半部)의 개략 종단면도이다.

도3a 는 석영 도가니의 제조 공정에 있어서의 원료 분말의 충전 상태를 나타내는 도면이다.

도3b 는 석영 도가니의 용융 성형 상태를 나타내는 도면이다.

도4 는 단결정 잉곳의 인상 상태를 나타내는 개략 종단면도이다.

도5 는 본 발명에 있어서의 석영 유리 도가니 제조 장치의 일 실시 형태를 나타내는 정단면도이다.

(도면의 주요 부분에 대한 부호의 설명)

1: 개구 상단

2: 외측층

3: 내측층

4: 전극 구동 기구

5: 흑연 전극

A: 결정 조직의 허용 범위

B: 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인

C: 결정화 촉진제의 함유 허용 범위

D: 절사(切捨)부

E: 실리콘 융액의 대류

10: 흑연 몰드

11: 석영분 성형체

12: 통기공

13: 인상 와이어

14: 회전축

15: 중자(中子)

20: 인상 장치

21: 석영 도가니

22: 단결정 잉곳

23: 실리콘 융액

24: 히터

25: 종결정(seed crystal)

26: 아크 방전 장치

Claims

기포 함유율: 1∼10％로 하고, 순도: 99.99％ 이상의 비정질 석영 유리의 외측층과, 기포 함유율: 0.6％ 이하로 하고, 순도: 99.99％ 이상의 비정질 석영 유리의 내측층의 2중 적층 구조를 갖는 대경(大徑) 실리콘 단결정 잉곳 인상용 고순도 석영 유리 도가니의 제조 방법에 있어서,

원료 석영분(粉)을 성형하여 석영분 성형체를 형성하는 원료 성형 공정과,

상기 석영분 성형체를 용융하여 유리 도가니재를 형성하는 용융 공정과,

상기 유리 도가니재의 개구측 단부(端部)를 링 형상으로 절단하여, 링 형상 절사(切捨)부를 형성하는 림 컷(rim cut) 공정을 갖고,

상기 원료 성형 공정에 있어서, 상기 링 형상 절사부에 대응하는 부분에 결정화 촉진제를 첨가함과 아울러,

상기 링 형상 절사부에 첨가하는 결정화 촉진제가, 상기 고순도 석영 유리와의 합량(合量)에 점하는 비율로, 0.01∼1질량％ 배합한 산화알루미늄, 산화칼슘, 산화바륨, 탄산칼슘 및, 탄산바륨 중의 1종 또는 2종 이상으로 이루어짐과 아울러, 이 결정화 촉진제의 작용으로, 상기 고순도 석영 유리 도가니의 벽에 있어서, 실리콘 단결정 잉곳 인상 공정에서의 상기 고순도 석영 유리 도가니의 개구 상단과 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인과의 사이의 상기 도가니 개구 상단으로부터 40용량％ 이상 100용량％ 이하의 부분이, 상기 결정화 촉진제를 함유하지 않는 결정 조직으로 되도록 설정하는 것을 특징으로 하는 대경 실리콘 단결정 잉곳 인상용 고순도 석영 유리 도가니의 제조 방법.
제1항에 기재된 제조 방법에 의해 제조되어, 기포 함유율: 1∼10％로 하고, 순도: 99.99％ 이상의 비정질 석영 유리의 외측층과, 기포 함유율: 0.6％ 이하로 하고, 순도: 99.99％ 이상의 비정질 석영 유리의 내측층의 2중 적층 구조를 갖고, 상기 고순도 석영 유리 도가니의 벽에 있어서, 상기 고순도 석영 유리 도가니의 개구 상단과 실리콘 단결정 잉곳 인상 공정에서의 실리콘 융액면의 잉곳 인상 개시 라인과의 사이의 상기 도가니 개구 상단으로부터 40용량％ 이상 100용량％ 이하의 부분이, 상기 결정화 촉진제를 함유하지 않는 결정 조직으로 되어 이루어지는 것을 특징으로 하는 대경 실리콘 단결정 잉곳 인상용 고순도 석영 유리 도가니.