JP4132367B2

JP4132367B2 - Method for producing quartz glass crucible for pulling silicon single crystal

Info

Publication number: JP4132367B2
Application number: JP06889099A
Authority: JP
Inventors: 芳久阿部; 憲生近藤; 正実天野
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1999-03-15
Filing date: 1999-03-15
Publication date: 2008-08-13
Anticipated expiration: 2019-03-15
Also published as: JP2000264776A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
この発明は、シリコン単結晶の引上げ用石英ガラスの製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスに使用されるシリコン単結晶は、多くの場合チョクラルスキー法で製造されている。この方法は石英ガラスルツボ内に多結晶シリコンを入れ、これ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からこれを徐々に引上げてシリコン単結晶を生成するものである。また、ここで用いられる石英ガラスルツボは、粉砕、精製した石英ガラス粉を回転している型枠内に供給し、これを遠心力で型枠の内周面に付着させてルツボ状に成形し、同時に内側からアーク電極などで溶融して作られている。
【０００３】
ここで用いられる石英ガラスルツボの不純物や気泡の存在は、これを用いて製造されるシリコン単結晶の純度や結晶の微少欠陥に直接大きく影響を与えるところから、石英ガラスルツボの高純度化、無気泡化する方法は、これまでも実に多数の提案がなされている。その一部を示すと、ルツボ内表面に高純度の合成石英ガラス層を形成するもの（特開平１−２３９０８２号、特開昭６１−２４２９８４号など）、原料シリコン多結晶を予め高純度処理するもの（特開平５−３１９９９０号など）、不活性ガスを吹き込むもの（特開平１−１５７４２７号）などである。
【０００４】
本発明者も高純度石英ガラスルツボの製法を研究してきたが、その過程でアーク電極による石英ガラス微細粒子の加熱溶融に際して、石英ガラス微細粒子からの蒸発物質がアーク電極などに付着し、その後この付着物がルツボ内に落下していることが、ルツボが不純物を含みその高純度化を妨げている大きな原因であることが確認されたものである。
【０００５】
図２は、従来の石英ガラスルツボの製造装置の１例を示したものである。図２において１は成形用型枠である。この型枠１は、例えば高純度処理を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２と、その外側にガス通路３を設けて前記内側部材２を保持する保持体４から構成されている。また、保持体４の下部には回転軸５が固着されていて、型枠１とともに回転可能に支持されている。型枠１のガス通路３は、型枠１の保持体４の下部に設けられた開口部６を介して、回転軸５のガス導入路７と連通している。このガス導入路７は、図示しない水素ガス、ヘリウムガスなどのガス供給管と接合され、必要に応じてこれらのガスの供給およびその停止ができるようになっている。なお、型枠１の外側の保持体４には、図示しない水冷ジャケットが内装されている。また、型枠１の内側の中央には、３相交流電源に接続された３本のカーボン電極８_１、８_２、８_３が、その先端を型枠底部中央に向けて設けてある。
【０００６】
上記装置を用いての石英ガラスルツボの製造は、図示しない回転駆動源を稼動して回転軸５を回転し型枠１を矢印の方向に回転させる。この状態にして、型枠１内に図示しない供給管で型枠上部から高純度石英ガラス微細粒子の原料を供給する。供給された高純度石英ガラス微細粒子は遠心力によって型枠１の内側に押圧されてルツボ形状に成形される。さらに型枠を回転状態にしたままで、保持体４の下部に設けた回転軸５のガス導入路７から水素ガス、ヘリウムガスなどのガスを型枠１の周囲から供給してルツボ状に形成された高純度石英ガラス微細粒子９の中の気泡を放出せしめ、同時に型枠内側の中央部に配置した電極に通電してアーク１０を発生させ、その高熱１１で高純度石英粉を加熱溶融させる。石英ガラス微細粒子９が溶融してルツボが形成されたところで、型枠１の図示しない水冷ジャケットに水を通して冷却し、石英ガラスルツボを型枠１から取出して製品とするものである。
【０００７】
しかしながら、こうした従来の石英ガラスルツボの製法では、図２に示すようにアーク１０が型枠１底部の局所を連続して加熱し、この高熱１１によって型枠内の高純度石英ガラス微細粒子９の全体を加熱溶融させるものであったために、原料の石英ガラス微細粒子が部分的に極度に高温となって、その部分の石英ガラスからの蒸発物質が電極などに付着し、やがてその付着物が成形される石英ガラスルツボの中に落下し、そのルツボの純度を劣化させ不良品を発生させる原因となっていた。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
この発明は、アーク電極に直流単相電極を用いるとともに電極を円筒内に収めその中に不活性ガスを流入し、さらに電極アークの加熱が型枠内の原料石英ガラスの局所に集中しないようにし、これによって電極の酸化消耗を低減し、さらに石英ガラスからの蒸発物質が電極などに付着して、その後これらが落下して石英ガラスルツボの純度を低下しないようにしたものである。
【０００９】
【課題を解決するための手段】
この発明は、ガス透過性の内側部材と外側部材との中間にガス通路を設けてなる型枠を回転しながらこの型枠内に石英微粒子を供給して、型枠の内側部材の内周に石英ガラス微細粒子充填層を形成し、この石英ガラス微細粒子充填層を内側からアーク電極で加熱して溶融ないし半溶融し、その後これを冷却してからここに形成された石英ガラスルツボを型枠から取出すことからなる石英ガラスルツボの製造方法において、前記アーク電極に直流単相電極を用い、さらにこの電極を該電極と同軸の円筒内に収納して円筒内に不活性ガスを流入し、アーク外周を不活性ガスが覆うようにしたことを特徴とするシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの製造方法（請求項１）および電極の中心軸を、型枠の中心軸と型枠直胴部の範囲内で偏ってオフセットさせたことを特徴とする請求項１記載のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの製造方法（請求項２）および電極のアークが型枠の直胴部下端と底部外周の接合部の湾曲部を指向して加熱するようにしたことを特徴とする請求項２記載のシリコン単結晶引き上げ用石英ガラスルツボの製造方法（請求項３）である。
【００１０】
上記構成においては、不活性ガスが円筒内に流入して電極アークの外周を覆うようになるので、加熱溶融に際して大気中との接触が遮断されて電極の消耗が減少するとともに、大気中の不純物が石英ガラスルツボの中に取り込まれることが少なくなる。また、アーク電極に直流単層電極を用いると、従来の三相交流電極を用いたものと比較して高温にならないので、石英ガラスからの蒸発物質が電極などに付着して、その後これらが落下して石英ガラスルツボの純度を低下することも少なくなる。さらに、電極をオフセットしてアークが型枠の直胴部下端と底部外周の接合部の湾曲部を指向して加熱するようにすると、型枠内の石英ガラス粉末の加熱が局部に集中することがなく広い範囲で行われるので、石英ガラスからの蒸発物質の低減はさらに減少することになる。
【００１１】
【発明の実施の態様】
以下に、図面を参照にしてこの発明をさらに説明する。図１はこの発明の一実施例になる石英ガラスルツボの製造装置を示したものである。図１において２１は成形用型枠である。この型枠２１は従来と同様である。即ち、例えば高純度処理を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２２と、その外側にガス通路２３を設けて前記内側部材２２を保持する保持体２４から構成され、保持体２４の下部には回転軸２５が固着され回転可能に支持されている。
【００１２】
型枠２１のガス通路２３は、その開口部２６を介して、回転軸２５のガス吸引通路２７と連通している。このガス吸引通路２７は、図示しないガス吸引管と接合されている。なお、型枠２１の外側の保持体２４には、図示しない水冷ジャケットが内装されている。また、型枠２１の内側の中央には、円筒２８に納められた単相直流電源に接続された２本のカーボン電極２９_１、２９_２が、その先端を型枠の直胴部下端と底部外周の接合部の湾曲部３０を指向している。図示例では、電極２９_１、２９_２が、型枠の直胴部に近接した位置に配置してあるが、この他に電極の中心軸が、型枠２１の上部中心位置と型枠の直胴部下端と底部外周の接合部を結ぶ線３１から外側の範囲３２内で偏ってオフセットしてもよい。しかし、この場合でも電極と加熱部分との距離が長くなると伝熱効果が少さくなるので、その間の距離は出来るだけ短い方がよい。
【００１３】
上記装置を用いての石英ガラスルツボの製造は、図示しない回転駆動源を稼動して回転軸２５を回転し型枠を矢印の方向に回転させる。この状態にして、型枠２１内に図示しない供給管でもって型枠上部から高純度石英微細粒子の原料を供給する。通常は、この供給ノズルは２つ設けて、型枠の側面と底面の２つに向けて別々に石英ガラス微細粒子を供給する。供給された高純度石英ガラス微細粒子３４は遠心力によって型枠２１の内側に押圧されてルツボ形状に成形される。さらに型枠を回転状態にしたままで、型枠内の直胴部下端と底部外周の接合部の湾曲部３０に向けて、アーク３３を発生させて同時に同軸の円筒２８に不活性ガスを流出させて石英ガラス微細粒子３４を加熱溶融させる。ここにおけるアーク加熱は、回転している型枠の直胴部下端の湾曲部３０であるから、加熱される個所は常に移動されることになって、原料石英ガラス微細粒子の局所加熱を避けて均一加熱を行うことができ、石英からの蒸発物質の低減を図ることができる。
【００１４】
ガス吹き込みを伴ったアーク加熱の際には、型枠の保持体２４の下部に設けた回転軸２５のガス導入路２７から型枠内に吹き込まれたガスを吸引するとともに、ルツボ状に形成された高純度石英粉の中の気泡を放出せしめる。石英ガラス微細粒子３４が溶融してルツボが形成されたところで、加熱溶融とガスの流出を中止し、さらに型枠の水冷ジャケットに冷水を通して冷却し、石英ガラスルツボを型枠から取出して製品とするものである。
【００１５】
なお、図１に示した実施例において、円筒２８内に２本のカーボン電極２９_１、２９_２が配置されている例を示したが、カーボン電極２９_１、２９_２の各々に円筒２８を配置しても同様の作用効果を得ることができ、この場合は円筒２８内を流れるガスの流路が上流から下流までほぼ同様となり、ガスをカーボン電極２９_１、２９_２の周囲に均等に流すことができる。
【００１６】
【発明の効果】
以上の通り、この発明によると電極と同軸の円筒に不活性ガスを流入して、その中でアーク放電を行って原料の石英ガラス微細粒子を加熱溶融するようにしたので、電極の酸化消耗を低減できるとともに原料の石英ガラス微細粒子からの蒸発物質が電極へ付着するのも低減するようになった。また、電極をオフセットすることにより型枠内の溶融温度を均一化できて、この面からも蒸発物質の低減ができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】この発明の１実施例になるシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの製造装置の概略縦断面図。
【図２】従来のシリコン単結晶引上げ用石英ガラスルツボの１例の製造装置を示す概略縦断面図。
【符号の説明】
２１…型枠、２２…内側部材、２３…ガス通路、２４…保持体、２５…回転軸、２６…開口部、２７…ガス吸引通路、２８…円筒、２９_１、２９_２…電極、３０…湾曲部、３１…接合部を結ぶ線、３２…外側の範囲、３３…アーク、３４…石英ガラス微細粒子。[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for producing quartz glass for pulling up a silicon single crystal.
[0002]
[Prior art]
Silicon single crystals used for semiconductor devices are often manufactured by the Czochralski method. This method puts polycrystalline silicon in a quartz glass crucible, heats it from the surroundings to melt it, contacts the seed crystal suspended from above with the silicon melt, and then gradually pulls it up to obtain a silicon single crystal. Is to be generated. In addition, the quartz glass crucible used here supplies the crushed and refined quartz glass powder into a rotating mold, and attaches it to the inner peripheral surface of the mold by centrifugal force to form a crucible. At the same time, it is melted from the inside with an arc electrode.
[0003]
The presence of impurities and bubbles in the silica glass crucible used here has a direct effect on the purity of single crystal silicon and the microscopic defects of the crystal produced using this, so that the silica glass crucible is highly purified and non-existent. Numerous proposals have been made for the method of forming bubbles. For example, a high-purity synthetic quartz glass layer is formed on the inner surface of the crucible (Japanese Patent Laid-Open No. 1-239082, Japanese Patent Laid-Open No. 61-242984, etc.). For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-319990, and those in which an inert gas is blown (Japanese Patent Application Laid-Open No. 1-157427).
[0004]
The present inventor has also studied a method for producing a high-purity quartz glass crucible. During the process, when the quartz glass fine particles are heated and melted by the arc electrode, the evaporated substance from the quartz glass fine particles adheres to the arc electrode and the like. It was confirmed that the deposits falling into the crucible was a major cause of the crucible containing impurities and hindering its high purity.
[0005]
FIG. 2 shows an example of a conventional quartz glass crucible manufacturing apparatus. In FIG. 2, reference numeral 1 denotes a molding form. The mold 1 includes, for example, an inner member 2 made of a gas permeable member such as a high-purity porous carbon mold, and a holding body that holds the inner member 2 by providing a gas passage 3 outside thereof. It is composed of four. A rotating shaft 5 is fixed to the lower portion of the holding body 4 and is rotatably supported together with the mold 1. The gas passage 3 of the mold 1 communicates with the gas introduction path 7 of the rotating shaft 5 through an opening 6 provided in the lower part of the holding body 4 of the mold 1. The gas introduction path 7 is joined to a gas supply pipe such as hydrogen gas or helium gas (not shown) so that these gases can be supplied and stopped as necessary. In addition, the holding body 4 outside the mold 1 is provided with a water cooling jacket (not shown). In addition, three carbon electrodes 8 ₁ , 8 ₂ , and 8 ₃ connected to a three-phase AC power source are provided in the center inside the mold 1 with their tips directed toward the center of the mold bottom.
[0006]
In the manufacture of the quartz glass crucible using the above apparatus, a rotary drive source (not shown) is operated to rotate the rotary shaft 5 and rotate the mold 1 in the direction of the arrow. In this state, a raw material of high-purity quartz glass fine particles is supplied into the mold 1 from the upper part of the mold with a supply pipe (not shown). The supplied high-purity quartz glass fine particles are pressed into the inside of the mold 1 by centrifugal force to be formed into a crucible shape. Further, while the mold is kept in a rotating state, a gas such as hydrogen gas or helium gas is supplied from the periphery of the mold 1 from the gas introduction path 7 of the rotating shaft 5 provided at the lower part of the holding body 4 to form a crucible. The bubbles in the fine high-purity quartz glass fine particles 9 are released, and at the same time, an electrode 10 is energized to generate an arc 10 at the center inside the mold, and the high-purity quartz powder is heated and melted by the high heat 11. . When the crucible glass fine particles 9 are melted to form a crucible, water is cooled through a water-cooling jacket (not shown) of the mold 1 and the quartz glass crucible is taken out of the mold 1 to obtain a product.
[0007]
However, in such a conventional method for producing a silica glass crucible, as shown in FIG. 2, an arc 10 continuously heats the local portion of the bottom of the mold 1, and this high heat 11 causes the high-purity quartz glass fine particles 9 in the mold to be formed. Since the entire material was heated and melted, the quartz glass fine particles of the raw material partially became extremely hot, and the evaporated material from that part of the quartz glass adhered to the electrodes, etc., and the deposit was eventually formed. It falls into the quartz glass crucible, which causes the purity of the crucible to deteriorate and causes defective products.
[0008]
[Problems to be solved by the invention]
The present invention uses a DC single-phase electrode as an arc electrode, accommodates the electrode in a cylinder, flows an inert gas into the cylinder, and prevents the heating of the electrode arc from concentrating locally on the raw quartz glass in the mold. This reduces the oxidative consumption of the electrode, and further prevents evaporation material from the quartz glass from adhering to the electrode and the like, and then drops to prevent the purity of the quartz glass crucible from decreasing.
[0009]
[Means for Solving the Problems]
In this invention, quartz fine particles are supplied into the mold while rotating the mold having a gas passage between the gas permeable inner member and the outer member, and the inner periphery of the inner member of the mold is supplied. A quartz glass fine particle packed layer is formed, and the quartz glass fine particle packed layer is heated or melted by an arc electrode from the inside, and then cooled, and then the quartz glass crucible formed here is molded into a mold. In the method for producing a quartz glass crucible comprising taking out from the electrode, a direct current single-phase electrode is used as the arc electrode, the electrode is housed in a cylinder coaxial with the electrode, an inert gas is introduced into the cylinder, and an arc is supplied. A manufacturing method of a quartz glass crucible for pulling a silicon single crystal characterized in that the outer periphery is covered with an inert gas (Claim 1), and the center axis of the electrode, the center axis of the mold and the straight body of the mold Biased within range 2. The method for producing a quartz glass crucible for pulling a silicon single crystal according to claim 1, wherein the arc of the electrode is curved at the joint between the lower end of the straight body and the outer periphery of the bottom of the mold. 3. The method for producing a quartz glass crucible for pulling a silicon single crystal according to claim 2, wherein the quartz glass crucible is pulled up.
[0010]
In the above configuration, since the inert gas flows into the cylinder and covers the outer periphery of the electrode arc, contact with the atmosphere is interrupted during heating and melting, so that electrode consumption is reduced and impurities in the atmosphere are reduced. Is less taken into the quartz glass crucible. In addition, if a DC single layer electrode is used for the arc electrode, the temperature does not become higher than that using a conventional three-phase AC electrode, so that the evaporated substance from the quartz glass adheres to the electrode and then drops. As a result, the purity of the quartz glass crucible is reduced. Furthermore, if the electrode is offset and the arc is directed and heated at the lower end of the straight body part of the mold and the curved part of the joint on the outer periphery of the bottom, the heating of the quartz glass powder in the mold is concentrated locally. Since it is carried out over a wide range, the reduction of the evaporated substance from quartz glass is further reduced.
[0011]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
The invention is further described below with reference to the drawings. FIG. 1 shows a quartz glass crucible manufacturing apparatus according to an embodiment of the present invention. In FIG. 1, reference numeral 21 denotes a molding form. This mold 21 is the same as the conventional one. That is, for example, it is composed of an inner member 22 made of a gas permeable member such as a high-purity porous carbon type and a holding body 24 that holds the inner member 22 by providing a gas passage 23 on the outer side. The rotating shaft 25 is fixed to the lower part of the holding body 24 and is rotatably supported.
[0012]
The gas passage 23 of the mold 21 communicates with the gas suction passage 27 of the rotary shaft 25 through the opening 26. The gas suction passage 27 is joined to a gas suction pipe (not shown). In addition, the holding body 24 outside the mold 21 is internally provided with a water cooling jacket (not shown). Two carbon electrodes 29 ₁ and 29 ₂ connected to a single-phase DC power source housed in a cylinder 28 are provided at the center of the inside of the mold 21 at the lower end and bottom of the straight body portion of the mold. It is directed to the curved portion 30 of the outer joint. In the illustrated example, the electrodes 29 ₁ and 29 ₂ are arranged at positions close to the straight body portion of the mold, but in addition to this, the center axis of the electrode is the upper center position of the mold 21 and the position of the mold. The offset may be offset in the outer region 32 from the line 31 connecting the lower end of the trunk and the outer periphery of the bottom. However, even in this case, if the distance between the electrode and the heated portion is increased, the heat transfer effect is reduced, and therefore the distance between them is preferably as short as possible.
[0013]
In the manufacture of the quartz glass crucible using the above apparatus, a rotary drive source (not shown) is operated to rotate the rotary shaft 25 and rotate the mold in the direction of the arrow. In this state, a raw material of high-purity quartz fine particles is supplied into the mold 21 from the upper part of the mold with a supply pipe (not shown). Usually, two supply nozzles are provided to supply quartz glass fine particles separately toward the two sides of the mold. The supplied high-purity quartz glass fine particles 34 are pressed into the inside of the mold 21 by centrifugal force to be formed into a crucible shape. Further, while the mold is kept in a rotating state, an arc 33 is generated toward the curved portion 30 at the joint between the lower end of the straight body and the outer periphery of the bottom of the mold, and the inert gas flows out into the coaxial cylinder 28 at the same time. The quartz glass fine particles 34 are heated and melted. Since the arc heating here is the curved portion 30 at the lower end of the straight body portion of the rotating mold, the portion to be heated is always moved, avoiding local heating of the raw quartz glass fine particles. Uniform heating can be performed, and evaporation material from quartz can be reduced.
[0014]
At the time of arc heating accompanied by gas blowing, the gas blown into the mold is sucked from the gas introduction path 27 of the rotating shaft 25 provided at the lower part of the mold holding body 24 and is formed in a crucible shape. Air bubbles in high purity quartz powder. When the silica glass fine particles 34 are melted and a crucible is formed, heating and melting and gas outflow are stopped, and cooling water is passed through the water cooling jacket of the mold, and the quartz glass crucible is taken out of the mold to obtain a product. Is.
[0015]
In the embodiment shown in FIG. 1, the example in which the two carbon electrodes 29 ₁ and 29 ₂ are arranged in the cylinder 28 is shown, but the cylinder 28 is arranged in each of the carbon electrodes 29 ₁ and 29 _2. However, the same effect can be obtained. In this case, the flow path of the gas flowing in the cylinder 28 is almost the same from the upstream to the downstream, and the gas is allowed to flow evenly around the carbon electrodes 29 ₁ and 29 _2. Can do.
[0016]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an inert gas is introduced into a cylinder coaxial with the electrode, and arc discharge is performed therein to heat and melt the quartz glass fine particles as a raw material. In addition to being able to reduce the amount of evaporated material from the raw quartz glass fine particles, the adhesion of the material to the electrode has also been reduced. Further, by offsetting the electrodes, the melting temperature in the mold can be made uniform, and the evaporation material can be reduced also from this surface.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic longitudinal sectional view of an apparatus for producing a silica glass crucible for pulling a silicon single crystal according to one embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic longitudinal sectional view showing an example of an apparatus for manufacturing a conventional silica glass crucible for pulling up a silicon single crystal.
[Explanation of symbols]
21 ... mold, 22 ... inner member 23 ... gas passage, 24 ... holding member, 25 ... rotary shaft, 26 ... opening, 27 ... gas suction passage 28 ... cylinder, ₂₉ 1, 29 2 _... electrode, 30 ... Curved portion, 31... Line connecting the junction, 32... Outer range, 33.

Claims

While rotating a mold having a gas passage in the middle between the gas permeable inner member and the outer member, quartz fine particles are supplied into the mold, and quartz glass fine particles are provided on the inner periphery of the inner member of the mold. From forming the packed layer, heating this quartz glass fine particle packed layer from the inside with an arc electrode to melt or semi-melt, then cooling it and then removing the formed silica glass crucible from the mold In the quartz glass crucible manufacturing method, a direct current single-phase electrode is used as the arc electrode, the electrode is housed in a cylinder coaxial with the electrode, an inert gas is introduced into the cylinder, and the arc periphery is inactivated. A method for producing a quartz glass crucible for pulling a silicon single crystal , characterized in that the gas is covered .

2. The method for producing a quartz glass crucible for pulling up a silicon single crystal according to claim 1, wherein the center axis of the electrode is offset offset within the range of the center axis of the mold and the straight body portion of the mold.

3. The method for producing a quartz glass crucible for pulling up a silicon single crystal according to claim 2, wherein the arc of the electrode is directed and heated toward the lower end of the straight body portion of the mold and the curved portion of the joint at the outer periphery of the bottom portion. .