JP7823596B2 - Quartz glass crucible and its manufacturing method - Google Patents
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Description
本発明は、チョクラルスキー法(CZ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に関する。 The present invention relates to a quartz glass crucible used for pulling silicon single crystals using the Czochralski method (CZ method) and a method for manufacturing the same.
半導体デバイスの基板材料となるシリコン単結晶の多くはCZ法により製造されている。CZ法は、石英ガラスルツボ内で多結晶シリコン原料を融解してシリコン融液を生成し、シリコン融液に種結晶を浸漬し、石英ガラスルツボ及び種結晶を回転させながら種結晶を徐々に引き上げることにより、種結晶の下端に大きな単結晶を成長させる。CZ法によれば大口径シリコン単結晶の歩留まりを高めることが可能である。 Most silicon single crystals used as substrate materials for semiconductor devices are manufactured using the CZ method. In the CZ method, polycrystalline silicon raw material is melted in a quartz glass crucible to produce a silicon melt. A seed crystal is then immersed in the silicon melt and gradually pulled up while rotating the quartz glass crucible and seed crystal, growing a large single crystal at the bottom of the seed crystal. The CZ method can increase the yield of large-diameter silicon single crystals.
石英ガラスルツボ(シリカガラスルツボ)はシリコン融液を保持するシリカガラス製の容器である。そのため、石英ガラスルツボにはシリコンの融点以上の高温下で変形せず、長時間の使用に耐えられる高い耐久性が求められる。また、石英ガラスルツボには常温下でも割れや欠けが発生しにくいことが求められる。 A quartz glass crucible (silica glass crucible) is a container made of silica glass that holds molten silicon. Therefore, quartz glass crucibles must be highly durable enough to withstand long-term use and not deform at high temperatures above the melting point of silicon. They must also be resistant to cracking and chipping even at room temperature.
石英ガラスルツボの強度を高める技術に関し、例えば特許文献1には、ルツボ内面を急冷することで内面の仮想温度を高くし、またアーク溶融後の余熱でルツボ外面を保温することで外面の仮想温度を低くすることで、熱膨張率及びガラス密度の差によるルツボ壁の内倒れを防止する方法が記載されている。 Regarding technology for increasing the strength of quartz glass crucibles, for example, Patent Document 1 describes a method for preventing inward collapse of the crucible wall due to differences in thermal expansion coefficient and glass density by rapidly cooling the inner surface of the crucible to increase the fictive temperature of the inner surface and by keeping the outer surface warm using residual heat after arc melting to lower the fictive temperature of the outer surface.
また特許文献2には、ルツボ内表面から外表面に向かって第1領域、第2領域、第3領域を順に設け、第1領域および第3領域の内部残留応力を圧縮応力とし、第2領域の内部残留応力を引っ張り応力としたシリカガラスルツボが記載されている。 Patent Document 2 also describes a silica glass crucible in which a first region, a second region, and a third region are provided in that order from the inner surface of the crucible toward the outer surface, and the internal residual stress in the first and third regions is compressive stress, while the internal residual stress in the second region is tensile stress.
石英ガラスルツボ内には多量の多結晶シリコン原料が充填され、ルツボの内面には大きな荷重がかかるため、内面の損傷が問題となる。特に、個々の多結晶シリコン塊はその製造過程で細かく破砕されて鋭利な角部を有するため、多結晶シリコン塊の尖った先端部に荷重が集中し、ルツボ内面にクラックや割れが発生しやすい。 A large amount of polycrystalline silicon raw material is filled into a quartz glass crucible, and a large load is placed on the inner surface of the crucible, causing damage to the inner surface. In particular, because the individual polycrystalline silicon chunks are crushed into small pieces during the manufacturing process, resulting in sharp corners, the load is concentrated on the sharp tips of the polycrystalline silicon chunks, making it easy for cracks and breakage to occur on the inner surface of the crucible.
また、ルツボの搬送時にはルツボ外面にも何らかの物がぶつかる可能性があり、ルツボ外面の強度が不足していると、ルツボ外面にもクラックや割れが発生するおそれがある。 In addition, when the crucible is being transported, there is a possibility that something may hit the outer surface of the crucible, and if the outer surface of the crucible is not strong enough, cracks or breaks may occur on the outer surface of the crucible.
したがって、本発明の目的は、少なくとも内面の強度が高められた石英ガラスルツボ及びその製造方法を提供することにある。 Therefore, an object of the present invention is to provide a quartz glass crucible with increased strength at least on its inner surface, and a method for manufacturing the same.
上記課題を解決するため、本発明による石英ガラスルツボは、円筒状の側壁部と、底部と、前記側壁部と前記底部との間に設けられた前記底部よりも大きな曲率を有するコーナー部とを有し、前記側壁部の内面の仮想温度が、前記内面から少なくとも3mm深い内側内部の仮想温度よりも30℃以上低いことを特徴とする。 To solve the above problems, the quartz glass crucible of the present invention has a cylindrical side wall, a bottom, and a corner portion between the side wall and the bottom that has a greater curvature than the bottom, and is characterized in that the fictive temperature of the inner surface of the side wall is at least 30°C lower than the fictive temperature of the interior at a depth of at least 3 mm from the inner surface.
本発明によれば、側壁部の内面近傍のガラスマトリックス中のSi-O構造を安定化させてルツボ内面の強度を高めることができる。したがって、多結晶シリコン充填時のルツボの割れを抑制することができる。 This invention stabilizes the Si-O structure in the glass matrix near the inner surface of the sidewall, increasing the strength of the crucible's inner surface. This prevents the crucible from cracking when filled with polycrystalline silicon.
本発明において、前記側壁部の内面の仮想温度は、前記内側内部の仮想温度よりも50℃以上低いことが好ましい。これにより、ルツボの内面の強度をさらに高めることができる。 In the present invention, the fictive temperature of the inner surface of the side wall portion is preferably at least 50°C lower than the fictive temperature of the inner portion. This further increases the strength of the inner surface of the crucible.
本発明において、前記ルツボ内面のOH基濃度は15ppm~70ppmであることが好ましい。これにより、側壁部の内面の仮想温度が内側内部の仮想温度よりも十分に低減された石英ガラスルツボを実現することができる。 In the present invention, the OH group concentration on the inner surface of the crucible is preferably 15 ppm to 70 ppm. This makes it possible to realize a quartz glass crucible in which the fictive temperature on the inner surface of the side wall is sufficiently lower than the fictive temperature inside the crucible.
本発明において、前記側壁部の外面の仮想温度は、前記外面から少なくとも3mm深い外側内部の仮想温度よりも30℃以上低いことが好ましい。これにより、側壁部の外面近傍のガラスマトリックス中のSi-O構造を安定化させてルツボ外面の強度を高めることができる。 In the present invention, the fictive temperature of the outer surface of the side wall is preferably at least 30°C lower than the fictive temperature of the outer interior at a depth of at least 3 mm from the outer surface. This stabilizes the Si-O structure in the glass matrix near the outer surface of the side wall, thereby increasing the strength of the crucible outer surface.
本発明において、前記ルツボ外面の仮想温度は、前記外側内部の仮想温度よりも50℃以上低いことが好ましい。これにより、ルツボの外面の強度をさらに高めることができる。 In the present invention, the fictive temperature of the outer surface of the crucible is preferably at least 50°C lower than the fictive temperature of the inner exterior. This further increases the strength of the outer surface of the crucible.
また、本発明による石英ガラスルツボの製造方法は、円筒状の側壁部と、前記側壁部の下方に設けられた底部と、前記側壁部と前記底部と間に設けられ前記底部よりも大きな曲率を有するコーナー部とを有する石英ガラスルツボの外形に合わせたカーボンモールドの内面に原料シリカ粉の堆積層を形成する工程と、前記カーボンモールドの内側から前記原料シリカ粉の堆積層をアーク溶融する工程と、前記カーボンモールド内に形成された溶融状態の石英ガラスルツボを冷却する工程とを備え、前記石英ガラスルツボを冷却する工程は、前記原料シリカ粉のアーク溶融終了直後に高温状態のアーク電極を前記カーボンモールド内に一定時間保持して当該カーボンモールド内の溶融状態の前記石英ガラスルツボを徐冷する工程と、前記徐冷の後に前記アーク電極を前記カーボンモールドの上方に退避させて前記石英ガラスルツボの冷却速度を速める工程とを含むことを特徴とする。 The method for manufacturing a quartz glass crucible according to the present invention comprises the steps of: forming a deposition layer of raw silica powder on the inner surface of a carbon mold that matches the outer shape of the quartz glass crucible; the carbon mold having a cylindrical side wall, a bottom provided below the side wall, and a corner provided between the side wall and the bottom and having a greater curvature than the bottom; arc-melting the deposition layer of raw silica powder from inside the carbon mold; and cooling the fused quartz glass crucible formed within the carbon mold; wherein the cooling step includes the steps of: immediately after completion of arc-melting of the raw silica powder, holding a high-temperature arc electrode within the carbon mold for a certain period of time to slowly cool the fused quartz glass crucible within the carbon mold; and, after the slow cooling, retracting the arc electrode above the carbon mold to increase the cooling rate of the quartz glass crucible.
本発明よれば、ルツボの内面が強化された石英ガラスルツボを製造することができる。 The present invention makes it possible to manufacture a quartz glass crucible with a reinforced inner surface.
本発明において、前記原料シリカ粉をアーク溶融する工程は、前記カーボンモールドを冷却する工程を含み、前記石英ガラスルツボを冷却する工程は、前記カーボンモールドの冷却を一定時間停止する工程と、前記カーボンモールドの冷却を再開する工程とを含むことが好ましい。これにより、ルツボの外面が強化された石英ガラスルツボを製造することができる。 In the present invention, the process of arc-melting the raw silica powder preferably includes a process of cooling the carbon mold, and the process of cooling the quartz glass crucible preferably includes a process of stopping cooling of the carbon mold for a certain period of time and a process of restarting cooling of the carbon mold. This makes it possible to manufacture a quartz glass crucible with a reinforced outer surface.
本発明において、前記石英ガラスルツボを冷却する工程は、前記徐冷の開始に合わせて室内を加湿する工程を含むことが好ましい。これにより、ルツボの内面及び外面の仮想温度が内側内部及び外側内部よりも十分に低減された石英ガラスルツボを製造することができる。 In the present invention, the step of cooling the quartz glass crucible preferably includes a step of humidifying the chamber in time with the start of the slow cooling. This makes it possible to produce a quartz glass crucible in which the fictive temperatures of the inner and outer surfaces of the crucible are sufficiently lower than the inner and outer interiors.
本発明によれば、少なくとも内面の強度が高められた石英ガラスルツボ及びその製造方法を提供することができる。 The present invention provides a quartz glass crucible with increased strength at least on its inner surface, as well as a method for manufacturing the same.
以下、添付図面を参照しながら、本発明の好ましい実施の形態について詳細に説明する。 A preferred embodiment of the present invention will be described in detail below with reference to the accompanying drawings.
図1は、本発明の実施の形態による石英ガラスルツボの構成を示す略斜視図である。また図2は、図1に示した石英ガラスルツボの略側面断面図である。 Figure 1 is a schematic perspective view showing the configuration of a quartz glass crucible according to an embodiment of the present invention. Figure 2 is a schematic side cross-sectional view of the quartz glass crucible shown in Figure 1.
図1及び図2に示すように、石英ガラスルツボ1は、シリコン融液を保持するためのシリカガラス製の容器であって、円筒状の側壁部10aと、側壁部10aの下方に設けられた底部10bと、側壁部10aと底部10bとの間に設けられたコーナー部10cとを有している。底部10bは緩やかに湾曲したいわゆる丸底であることが好ましいが、いわゆる平底であってもよい。コーナー部10cは、底部10bよりも大きな曲率を有する部位である。側壁部10aとコーナー部10cとの境界並びに底部10bとコーナー部10cとの境界は、小さな曲率から大きな曲率に変化する外面の曲率の変化点から判断することができる。 As shown in Figures 1 and 2, quartz glass crucible 1 is a container made of silica glass for holding silicon melt. It has a cylindrical side wall 10a, a bottom 10b located below side wall 10a, and a corner 10c located between side wall 10a and bottom 10b. Bottom 10b is preferably a gently curved, so-called rounded bottom, but may also be a so-called flat bottom. Corner 10c has a greater curvature than bottom 10b. The boundary between side wall 10a and corner 10c and the boundary between bottom 10b and corner 10c can be determined from the point where the curvature of the outer surface changes from a small curvature to a large curvature.
石英ガラスルツボ1の口径(直径)はシリコン融液から引き上げられるシリコン単結晶インゴットの直径によっても異なるが、18インチ(約450mm)以上であり、22インチ(約560mm)が好ましく、32インチ(約800mm)以上が特に好ましい。このような大型ルツボは直径300mm以上の大型シリコン単結晶インゴットの引き上げに用いられ、長時間使用しても単結晶の品質に影響を与えないことが求められるからである。 The bore (diameter) of the quartz glass crucible 1 varies depending on the diameter of the silicon single crystal ingot being pulled from the silicon melt, but is typically 18 inches (approximately 450 mm) or larger, with 22 inches (approximately 560 mm) being preferred, and 32 inches (approximately 800 mm) or larger being particularly preferred. This is because such large crucibles are used to pull large silicon single crystal ingots with a diameter of 300 mm or larger, and are required to be able to withstand long-term use without affecting the quality of the single crystal.
ルツボの肉厚はその部位によって多少異なるが、8~20mmであることが好ましい。特に、18インチのルツボの側壁部10aの肉厚は8~9mm、24インチのルツボの側壁部10aの肉厚は10~12mm、28インチ以上のルツボの側壁部10aの肉厚は13~15mm、32インチ以上のルツボの側壁部10aの肉厚は17~18mmであることが好ましい。これにより、多量のシリコン融液を高温下で安定的に保持することができる。ルツボの肉厚はコーナー部10cで最も厚く、側壁部10aや底部10bはコーナー部10cよりも薄いことが好ましい。 The thickness of the crucible varies slightly depending on the location, but is preferably 8 to 20 mm. In particular, it is preferable that the thickness of the side wall 10a of an 18-inch crucible be 8 to 9 mm, the thickness of the side wall 10a of a 24-inch crucible be 10 to 12 mm, the thickness of the side wall 10a of a 28-inch or larger crucible be 13 to 15 mm, and the thickness of the side wall 10a of a 32-inch or larger crucible be 17 to 18 mm. This allows a large amount of silicon melt to be stably held at high temperatures. It is preferable that the thickness of the crucible be thickest at the corners 10c, and that the side wall 10a and bottom 10b be thinner than the corners 10c.
図2に示すように、石英ガラスルツボ1は主に二層構造であって、実質的に気泡を含まないシリカガラスからなる透明層11(無気泡層)と、多数の微小な気泡を含むシリカガラスからなる気泡層12(不透明層)とを備えている。 As shown in Figure 2, the quartz glass crucible 1 mainly has a two-layer structure, comprising a transparent layer 11 (bubble-free layer) made of silica glass that is substantially bubble-free, and a bubble layer 12 (opaque layer) made of silica glass that contains numerous tiny bubbles.
透明層11は、シリコン融液と接触するルツボの内面10iを構成するガラス層であって、シリカガラス中の気泡が原因でシリコン単結晶の歩留まりが低下することを防止するために設けられている。石英ガラスルツボ1の内面10iはシリコン融液と反応して溶損するため、内面近傍の気泡をシリカガラス中に閉じ込めておくことができず、熱膨張によって気泡が破裂してルツボ破片(シリカ破片)が剥離するおそれがある。シリコン融液中に放出されたルツボ破片が融液対流に乗ってシリコン単結晶の成長界面まで運ばれてシリコン単結晶中に取り込まれた場合には、シリコン単結晶の有転位化の原因となる。またシリコン融液中に放出された気泡が浮上して固液界面に到達し、単結晶中に取り込まれた場合には、シリコン単結晶中のピンホールの発生原因となる。 The transparent layer 11 is a glass layer that constitutes the inner surface 10i of the crucible that comes into contact with the silicon melt. It is provided to prevent a decrease in silicon single crystal yield due to bubbles in the silica glass. Because the inner surface 10i of the quartz glass crucible 1 reacts with the silicon melt and is dissolved, bubbles near the inner surface cannot be contained within the silica glass. Thermal expansion may cause the bubbles to burst, resulting in crucible fragments (silica fragments) peeling off. If crucible fragments released into the silicon melt are carried by melt convection to the growth interface of the silicon single crystal and are incorporated into the silicon single crystal, they can cause dislocations in the silicon single crystal. Furthermore, if bubbles released into the silicon melt float up to the solid-liquid interface and are incorporated into the single crystal, they can cause pinholes to form in the silicon single crystal.
透明層11が「実質的に気泡を含まない」とは、気泡が原因で単結晶歩留まりが低下しない程度の気泡含有率及び気泡サイズを有してもよいことを意味する。そのような気泡含有率は例えば0.1vol%以下であり、気泡の直径は例えば100μm以下である。 The phrase "substantially bubble-free" means that the transparent layer 11 may have a bubble content and bubble size that do not reduce the single crystal yield due to bubbles. For example, the bubble content is 0.1 vol% or less, and the bubble diameter is 100 μm or less.
単位体積当たりの気泡含有率は、単位面積当たりの気泡含有率を深さ方向に積算することにより求めることができる。表面から一定深さに存在する気泡を検出するには、光学レンズの焦点を表面から深さ方向に走査すればよい。単位面積当たりの気泡含有率は、デジタルカメラを用いて撮影したルツボ内面の画像を一定面積ごとに区分して基準面積とし、この基準面積に対する気泡の占有面積の比として求めることができる。 The bubble content per unit volume can be calculated by integrating the bubble content per unit area in the depth direction. To detect bubbles present at a certain depth from the surface, the focus of an optical lens can be scanned from the surface in the depth direction. The bubble content per unit area can be calculated by dividing an image of the inner surface of the crucible taken with a digital camera into fixed areas and using these as reference areas, and then calculating the bubble content per unit area as the ratio of the area occupied by bubbles to this reference area.
透明層11の厚さは0.5~10mmであることが好ましく、結晶引き上げ工程中の溶損によって完全に消失して気泡層12が露出することがないように、ルツボの部位ごとに適切な厚さに設定される。透明層11はルツボの側壁部10aから底部10bまでのルツボ全体に設けられていることが好ましいが、シリコン融液と接触することがないルツボの上端部(リム部)において透明層11を省略することも可能である。 The transparent layer 11 is preferably 0.5 to 10 mm thick, and is set to an appropriate thickness for each part of the crucible so that it does not completely disappear due to melting during the crystal pulling process, exposing the bubble layer 12. It is preferable that the transparent layer 11 be provided over the entire crucible, from the side wall 10a to the bottom 10b, but it is also possible to omit the transparent layer 11 from the upper end (rim) of the crucible, which does not come into contact with the silicon melt.
透明層11の気泡含有率及び気泡の直径は、光学的検出手段を用いて非破壊で測定することができる。光学的検出手段は、ルツボに照射した光の透過光又は反射光を受光する受光装置を備える。受光装置には光学レンズ及び撮像素子を含むデジタルカメラを用いることができる。照射光としては、可視光、紫外線及び赤外線のほか、X線もしくはレーザー光などを利用することができる。光学的検出手段による測定結果は画像処理装置に取り込まれ、気泡の直径及び単位体積当たりの気泡含有率が算出される。 The bubble content and bubble diameter of the transparent layer 11 can be measured non-destructively using optical detection means. The optical detection means includes a light receiving device that receives transmitted or reflected light irradiated onto the crucible. The light receiving device can be a digital camera equipped with an optical lens and an image sensor. Irradiated light can be visible light, ultraviolet light, infrared light, X-rays, laser light, or other light. The measurement results obtained by the optical detection means are input into an image processing device, and the bubble diameter and bubble content per unit volume are calculated.
気泡層12は、透明層11よりも外側に位置する石英ガラスルツボ1の主要なガラス層であって、ルツボ内のシリコン融液の保温性を高めると共に、単結晶引き上げ装置のヒーターからの輻射熱を分散させてルツボ内のシリコン融液をできるだけ均一に加熱するために設けられている。そのため、気泡層12は側壁部10aから底部10bまでのルツボ全体に設けられている。気泡層12の厚さは、石英ガラスルツボ1の厚さから透明層11の厚さを差し引いた値とほぼ等しく、ルツボの部位によって異なる。シリコン融液の温度はヒーターからの輻射熱を気泡層12がどの程度透過させるかによって決まるため、ルツボ内部の気泡の状態(気泡の数、大きさ、密度)は重要である。 The bubble layer 12 is the main glass layer of the quartz glass crucible 1, located outside the transparent layer 11. It is provided to improve the heat retention of the silicon melt in the crucible and to distribute radiant heat from the heater of the single crystal pulling device to heat the silicon melt in the crucible as uniformly as possible. For this reason, the bubble layer 12 is provided throughout the entire crucible, from the side wall 10a to the bottom 10b. The thickness of the bubble layer 12 is approximately equal to the thickness of the quartz glass crucible 1 minus the thickness of the transparent layer 11, and varies depending on the part of the crucible. The temperature of the silicon melt is determined by the extent to which the bubble layer 12 transmits radiant heat from the heater, so the state of the bubbles inside the crucible (number, size, and density of bubbles) is important.
気泡層12の気泡含有率は、透明層11よりも高く、0.1vol%よりも大きく且つ5vol%以下であることが好ましい。気泡層12の気泡含有率が0.1vol%以下では気泡層12に求められる保温機能を発揮できないからである。また、気泡層12の気泡含有率が5vol%を超える場合には気泡の熱膨張によりルツボが変形して単結晶歩留まりが低下するおそれがあり、さらに伝熱性が不十分となるからである。保温性と伝熱性のバランスの観点から、気泡層12の気泡含有率は1~4vol%であることが特に好ましい。なお上述の気泡含有率は、未使用のルツボを室温環境下で測定した値である。気泡層12の気泡含有率は、例えばルツボから切り出した不透明シリカガラス片の比重測定(アルキメデス法)により求めることができる。 The bubble content of the bubble layer 12 is preferably higher than that of the transparent layer 11, greater than 0.1 vol% and less than 5 vol%. If the bubble content of the bubble layer 12 is less than 0.1 vol%, the bubble layer 12 will not exhibit the required heat retention function. Furthermore, if the bubble content of the bubble layer 12 exceeds 5 vol%, the thermal expansion of the bubbles may cause deformation of the crucible, resulting in a decrease in single crystal yield and insufficient heat transfer. From the perspective of balancing heat retention and heat transfer, a bubble content of 1 to 4 vol% is particularly preferred. The above bubble content is a value measured on an unused crucible at room temperature. The bubble content of the bubble layer 12 can be determined, for example, by measuring the specific gravity (Archimedes' method) of an opaque silica glass piece cut from the crucible.
常温下での石英ガラスルツボ1の強度を高めるため、本発明においては、ルツボを構成するシリカガラスの仮想温度に着目する。仮想温度とは、過冷却液体の凍結温度のことを言う。結晶化が起こらない程度のスピードで融点以下の温度に冷却した場合、融点近傍の温度では構造緩和は冷却速度に十分追従し、ガラス構造は過冷却液体の一番安定な状態に常に到達する。しかし、さらに温度が下がると構造緩和が冷却に追従しきれなくなり、ついにガラス構造は過冷却液体の熱平衡状態に辿り着けず、非平衡状態に留まる。ガラス構造が、何度の過冷却液体の安定構造((準)熱平衡状態)に対応しているかを示すのが仮想温度である。 In order to increase the strength of the quartz glass crucible 1 at room temperature, this invention focuses on the fictive temperature of the silica glass that makes up the crucible. The fictive temperature refers to the freezing temperature of a supercooled liquid. When cooled to a temperature below the melting point at a rate fast enough to prevent crystallization, structural relaxation keeps up with the cooling rate at temperatures near the melting point, and the glass structure always reaches the most stable state of the supercooled liquid. However, as the temperature drops further, structural relaxation becomes unable to keep up with the cooling, and the glass structure ultimately fails to reach the thermal equilibrium state of the supercooled liquid and remains in a non-equilibrium state. The fictive temperature indicates the temperature at which the glass structure corresponds to the stable structure ((quasi) thermal equilibrium state) of the supercooled liquid.
物質は高温から温度が下がるにつれ体積が連続的に減少するが、液体から結晶固体への相変化の際には体積が不連続に変化する。しかし、ある種の物質では液体から固体への体積変化が連続的に生じ、非晶質状態のままで固体となる場合がある。液体から非晶質固体への体積の連続的な変化をガラス転移と呼び、この温度領域以下の状態をガラス状態という。すなわち、ガラスとは、ガラス転移現象を示す非晶質固体と定義される。結晶と異なり、ガラスは熱力学的に安定な状態ではなく、長距離の規則性がない無秩序な構造である。そのため、ガラスは外部からエネルギーが加えられると容易に構造を変えて、より安定な状態へ移行し、常に構造が変化し続ける。 The volume of a substance decreases continuously as the temperature decreases from a high temperature, but the volume changes discontinuously when the substance changes phase from liquid to crystalline solid. However, in some substances, the change in volume from liquid to solid occurs continuously, and the substance may become solid while remaining in an amorphous state. This continuous change in volume from liquid to amorphous solid is called the glass transition, and the state below this temperature range is called the glassy state. In other words, glass is defined as an amorphous solid that exhibits the glass transition phenomenon. Unlike crystals, glass is not a thermodynamically stable state, but rather has a disordered structure without long-range regularity. For this reason, glass easily changes structure when external energy is applied, transitioning to a more stable state and constantly changing structure.
上記のように、ガラスは全く同じ組成のものでも凍結温度によって構造が異なる。冷却速度が遅いと構造緩和する時間が十分あり、仮想温度は実温度に追随して下がる。一方、冷却速度が速い場合、仮想温度はガラスの実温度から早く離れてしまう。急冷したガラスは徐冷したガラスに比べて高温状態の構造が凍結されるので、より不安定な状態になり容易に構造変化を起こしやすい。また透明性、脆さ、物性の連続性などの特性が現れやすい。 As mentioned above, even if the glass has the exact same composition, its structure will differ depending on the freezing temperature. If the cooling rate is slow, there is enough time for the structure to relax, and the fictive temperature will decrease in line with the actual temperature. On the other hand, if the cooling rate is fast, the fictive temperature will quickly deviate from the actual temperature of the glass. Compared to slowly cooled glass, rapidly cooled glass freezes its high-temperature structure, making it more unstable and more susceptible to structural changes. It is also more likely to exhibit properties such as transparency, brittleness, and continuity of physical properties.
図3は、本実施形態による石英ガラスルツボのルツボ壁の仮想温度分布を説明するための模式図である。 Figure 3 is a schematic diagram illustrating the fictive temperature distribution on the crucible wall of a quartz glass crucible according to this embodiment.
図3に示すように、本実施形態による石英ガラスルツボ1の特徴は、ルツボ表面の仮想温度とそれよりも少なくとも3mm深いルツボ内部の仮想温度とを比べたときに、ルツボ表面の仮想温度が内部の仮想温度よりも低い点にある。詳細には、ルツボの内面10iを構成するシリカガラスの仮想温度TVi1は、それよりも少なくとも3mm深い内側内部の仮想温度TVi2よりも30℃以上低く、50℃以上低いことがさらに好ましい。また、ルツボの外面10oを構成するシリカガラスの仮想温度TVo1は、それよりも少なくとも3mm深い外側内部の仮想温度TVo2よりも30℃以上低く、50℃以上低いことがさらに好ましい。 As shown in Figure 3, the quartz glass crucible 1 according to this embodiment is characterized in that, when comparing the fictive temperature of the crucible surface with the fictive temperature of the interior of the crucible at least 3 mm deeper, the fictive temperature of the crucible surface is lower than the fictive temperature of the interior. Specifically, the fictive temperature TVi1 of the silica glass constituting the inner surface 10i of the crucible is at least 30°C lower, and more preferably at least 50°C lower, than the fictive temperature TVi2 of the inner interior at least 3 mm deeper. Furthermore, the fictive temperature TVo1 of the silica glass constituting the outer surface 10o of the crucible is at least 30°C lower, and more preferably at least 50°C lower than the fictive temperature TVo2 of the outer interior at least 3 mm deeper.
ルツボの内面の仮想温度TVi1の測定では、内面10iからルツボの肉厚の1/10までの深さ領域がルツボの内面10iの測定領域diとして定義される。また、ルツボの内面10iに対するルツボの内部の仮想温度の測定では、ルツボの内面10iからルツボの肉厚の1/3~2/3の深さ位置までの深さ領域がルツボの内部の測定領域ddとして定義される。内面10iから少なくとも3mm深い内側内部を測定する場合はこの測定領域ddのいずれかを測定すればよい。 When measuring the fictive temperature T Vi1 of the inner surface of the crucible, the depth region from the inner surface 10i to 1/10 of the crucible's wall thickness is defined as the measurement region di of the inner surface 10i of the crucible. Also, when measuring the fictive temperature inside the crucible relative to the inner surface 10i of the crucible, the depth region from the inner surface 10i of the crucible to a depth position of 1/3 to 2/3 of the crucible's wall thickness is defined as the measurement region dd inside the crucible. When measuring the inside of the crucible that is at least 3 mm deep from the inner surface 10i, it is sufficient to measure any of the measurement regions dd.
また、ルツボの外面10oの仮想温度TVo1の測定では、外面10oからルツボの肉厚の1/10の深さ領域がルツボの外面10oの測定領域doとして定義される。また、ルツボの外面10oに対するルツボの内部の仮想温度の測定では、外面10oからルツボの肉厚の1/3~2/3の深さ位置までの深さ領域がルツボの内部の測定領域ddとして定義される。これは、ルツボの内面10iに対するルツボ内部と同じ領域である。外面10oから少なくとも3mm深い外側内部を測定する場合はこの測定領域ddのいずれかを測定すればよい。 Furthermore, when measuring the fictive temperature T Vo1 of the outer surface 10o of the crucible, a depth region from the outer surface 10o to 1/10 of the crucible's wall thickness is defined as the measurement region do of the outer surface 10o of the crucible. Furthermore, when measuring the fictive temperature inside the crucible relative to the outer surface 10o of the crucible, a depth region from the outer surface 10o to a depth position of 1/3 to 2/3 of the crucible's wall thickness is defined as the measurement region dd of the crucible's interior. This is the same region as the inside of the crucible relative to the inner surface 10i of the crucible. When measuring the outside interior at least 3 mm deep from the outer surface 10o, it is sufficient to measure any of the measurement regions dd.
上記のように、ルツボの肉厚はルツボのサイズや部位によっても異なるが、18インチ以上のルツボの側壁部の肉厚は8mm以上であり、32インチのルツボの側壁部の肉厚は17mm以上である。したがって、例えば、小径ルツボに対しては、ルツボの内面10iから少なくとも3mm深い位置において仮想温度を測定することにより、ルツボの内側内部の仮想温度を求めることができる。また、ルツボの外面10oから少なくとも3mm深い位置において仮想温度を測定することにより、ルツボの外側内部の仮想温度を測定することができる。 As mentioned above, the thickness of a crucible varies depending on the size and location of the crucible, but the sidewall thickness of a crucible of 18 inches or larger is 8 mm or more, and the sidewall thickness of a 32-inch crucible is 17 mm or more. Therefore, for example, for a small-diameter crucible, the fictive temperature inside the crucible can be determined by measuring the fictive temperature at a position at least 3 mm deep from the inner surface 10i of the crucible. Also, the fictive temperature inside the crucible's exterior can be measured by measuring the fictive temperature at a position at least 3 mm deep from the outer surface 10o of the crucible.
シリカガラスの仮想温度は、ラマン分光分析法又はFT-IR法によって測定することができる。ラマン分光分析法では、測定対象のサンプル表面にレーザー光を照射した際のラマン(散乱)スペクトルから、Siの環状構造である3員環由来のピークと4員環由来のピークの面積強度比を求める。得られた結果を仮想温度が既知のサンプル測定から得られた検量線にプロットすることで、該当サンプルの仮想温度を算出することができる。 The fictive temperature of silica glass can be measured using Raman spectroscopy or FT-IR. Raman spectroscopy involves irradiating the surface of the sample to be measured with laser light, and determining the area intensity ratio of the peaks resulting from the three-membered rings and four-membered rings, which are ring structures of Si, from the Raman (scattering) spectrum. The fictive temperature of the sample can be calculated by plotting the results on a calibration curve obtained from measurements of samples with known fictive temperatures.
FT-IR法による仮想温度測定の場合、測定対象のガラスを薄く加工したサンプルにレーザー光を照射した際の透過スペクトルから、石英ガラス構造由来のピーク波長を検出する。得られた結果を仮想温度が既知のサンプル測定から得られた検量線にプロットすることで、該当サンプルの仮想温度を算出することができる。 When measuring fictive temperature using the FT-IR method, a thin sample of the glass to be measured is irradiated with laser light, and the peak wavelength derived from the quartz glass structure is detected from the transmission spectrum. The fictive temperature of the sample can be calculated by plotting the results on a calibration curve obtained from measurements of samples with known fictive temperatures.
少なくとも側壁部において、ルツボの内面10i及び外面10oを構成するシリカガラスのOH基濃度は15ppm~70ppmであることが好ましい。シリカガラス中のOH基濃度を高めることにより、シリカガラスの仮想温度の低減効果を高めることができる。したがって、ルツボの内面及び外面の仮想温度が相対的に低い石英ガラスルツボを実現することができる。 At least in the sidewall portion, the OH group concentration of the silica glass that constitutes the inner surface 10i and outer surface 10o of the crucible is preferably 15 ppm to 70 ppm. By increasing the OH group concentration in the silica glass, the effect of reducing the fictive temperature of the silica glass can be enhanced. Therefore, it is possible to realize a silica glass crucible with a relatively low fictive temperature on the inner and outer surfaces of the crucible.
次に、石英ガラスルツボ1の製造方法について説明する。本実施形態による石英ガラスルツボ1は、いわゆる回転モールド法によって製造することができる。 Next, we will explain the manufacturing method of the quartz glass crucible 1. The quartz glass crucible 1 according to this embodiment can be manufactured by the so-called rotational mold method.
図4は、回転モールド法による石英ガラスルツボ1の製造方法を示す模式図である。 Figure 4 is a schematic diagram showing the manufacturing method of a quartz glass crucible 1 using the rotating mold method.
図4に示すように、回転モールド法では、ルツボの外形に合わせたキャビティを有するカーボンモールド14を用意し、回転するカーボンモールド14の内面14iに沿って天然シリカ粉16a及び合成シリカ粉16bを順に充填して原料シリカ粉の堆積層16を形成する。原料シリカ粉は遠心力によってカーボンモールド14の内面14iに張り付いたまま一定の位置に留まり、ルツボ形状に維持される。 As shown in Figure 4, in the rotating mold method, a carbon mold 14 is prepared with a cavity that matches the outer shape of the crucible, and natural silica powder 16a and synthetic silica powder 16b are filled in sequence along the inner surface 14i of the rotating carbon mold 14 to form a deposition layer 16 of raw silica powder. The raw silica powder remains in a fixed position, adhering to the inner surface 14i of the carbon mold 14 due to centrifugal force, and the crucible shape is maintained.
次に、カーボンモールド14内にアーク電極15の先端部を設置し、カーボンモールド14の内側から原料シリカ粉の堆積層16をアーク溶融する。加熱時間、加熱温度等の具体的な条件は原料シリカ粉の特性やルツボのサイズなどを考慮して適宜定められる。 Next, the tip of the arc electrode 15 is placed inside the carbon mold 14, and the deposited layer 16 of raw silica powder is arc-melted from inside the carbon mold 14. Specific conditions such as heating time and heating temperature are determined appropriately taking into account the characteristics of the raw silica powder, the size of the crucible, etc.
アーク溶融中はカーボンモールド14の内面14iに設けられた多数の通気孔14aから原料シリカ粉の堆積層16を真空引きすることにより溶融石英ガラス中の気泡量を制御する。具体的には、アーク溶融開始時に原料シリカ粉の堆積層16を真空引きして透明層11を形成し、透明層の形成後に原料シリカ粉に対する真空引きを停止するか吸引力を弱めて気泡層12を形成する。 During arc melting, the amount of bubbles in the molten quartz glass is controlled by evacuating the raw silica powder deposition layer 16 through numerous vent holes 14a provided on the inner surface 14i of the carbon mold 14. Specifically, at the start of arc melting, the raw silica powder deposition layer 16 is evacuated to form a transparent layer 11, and after the transparent layer is formed, the vacuum on the raw silica powder is stopped or the suction force is weakened to form a bubble layer 12.
アーク熱は原料シリカ粉の堆積層16の内側から外側に向かって伝わり原料シリカ粉を溶融していくので、原料シリカ粉が溶融し始めるタイミングで減圧条件を変えることにより、透明層11と気泡層12とを作り分けることができる。すなわち、ルツボの内面を構成する原料シリカ粉が溶融するタイミングで減圧を強める減圧溶融を行えば、雰囲気ガスがガラス中に閉じ込められないので、溶融シリカは気泡を含まないシリカガラスになる。またルツボの外側を構成する原料シリカ粉が溶融するタイミングで減圧を弱める通常溶融(大気圧溶融)を行えば、雰囲気ガスがガラス中に閉じ込められるので、溶融シリカは多数の気泡を含むシリカガラスになる。 Since the arc heat propagates from the inside to the outside of the deposited layer 16 of raw silica powder, melting the raw silica powder, it is possible to create either the transparent layer 11 or the bubble layer 12 by changing the vacuum conditions when the raw silica powder begins to melt. That is, if vacuum melting is performed, in which the vacuum is increased when the raw silica powder that forms the inner surface of the crucible melts, atmospheric gases are not trapped within the glass, and the fused silica becomes silica glass that does not contain bubbles. On the other hand, if normal melting (atmospheric pressure melting) is performed, in which the vacuum is decreased when the raw silica powder that forms the outer surface of the crucible melts, atmospheric gases are trapped within the glass, and the fused silica becomes silica glass that contains numerous bubbles.
その後、アーク溶融を終了し、ルツボを冷却する。以上により、ルツボ壁の内側から外側に向かって透明層11及び気泡層12が順に設けられた石英ガラスルツボ1が完成する。その後、リム部を切断するなどしてルツボの形状を整えた後、洗浄液で洗浄し、さらに純水によるリンスを行う。洗浄液は、半導体グレード以上のフッ化水素酸をTOC≦2ppbの純水で希釈して10~40w%に調製したものが好ましい。 Then, arc melting is terminated and the crucible is cooled. This completes the quartz glass crucible 1, with the transparent layer 11 and bubble layer 12 formed in that order from the inside to the outside of the crucible wall. The crucible is then shaped by cutting the rim, etc., and then washed with cleaning fluid and rinsed with pure water. The cleaning fluid is preferably prepared by diluting semiconductor-grade or higher hydrofluoric acid with pure water with a TOC of 2 ppb or less to a concentration of 10 to 40 wt %.
シリカガラスの仮想温度は冷却温度によって変化する。急冷されたシリカガラスの仮想温度は高くなり、徐冷されたシリカガラスの仮想温度は低くなる。アーク溶融中の熱源となるアーク電極15はルツボ内面側に位置するため、アーク加熱終了後にはルツボ内面の冷却が直ちに開始される。一方、ルツボの外面側にはカーボンモールド14が存在し、アーク終了後もカーボンモールド14は高温状態を保つ。ここで、カーボンモールド14の空冷或いは水冷を一時的に止めることで、石英ガラスルツボ1の外面10o側の冷却速度は内面10i側に比べてより遅くなる。また、石英ガラスルツボ1の外面10o側のほうが内部よりも徐冷されることとなるため、外面10oの仮想温度は内部に比べて低くなる。本実施形態においては、カーボンモールド14の加熱等により保温性をより高めて石英ガラスルツボ1の外面10o側の冷却速度をより遅くすることにより、石英ガラスルツボ1の外面10oと基体内部との仮想温度差を30℃以上大きくしている。 The fictive temperature of silica glass changes depending on the cooling temperature. Rapidly cooled silica glass has a higher fictive temperature, while slowly cooled silica glass has a lower fictive temperature. Because the arc electrode 15, which serves as the heat source during arc melting, is located on the inner surface of the crucible, cooling of the inner surface of the crucible begins immediately after arc heating ends. Meanwhile, the carbon mold 14 is located on the outer surface of the crucible, and remains at a high temperature even after arc heating ends. Here, by temporarily stopping the air or water cooling of the carbon mold 14, the cooling rate of the outer surface 10o of the quartz glass crucible 1 becomes slower than that of the inner surface 10i. Furthermore, because the outer surface 10o of the quartz glass crucible 1 is cooled more slowly than the interior, the fictive temperature of the outer surface 10o becomes lower than that of the interior. In this embodiment, the heat retention of the carbon mold 14 is improved by heating, etc., and the cooling rate on the outer surface 10o side of the quartz glass crucible 1 is slowed, thereby increasing the fictive temperature difference between the outer surface 10o of the quartz glass crucible 1 and the inside of the base by 30°C or more.
図5は、アーク溶融工程から冷却工程までの詳細を示すシーケンス図である。 Figure 5 is a sequence diagram showing the details from the arc melting process to the cooling process.
図5に示すように、アーク溶融工程の開始時には、アーク電極15が図4に示す放電位置に設置され、時刻t0においてアーク放電(アーク加熱)が開始される。このとき、カーボンモールド14の冷却も行われ、これによりカーボンモールド14の過熱が抑制される。 As shown in Fig. 5, at the start of the arc melting process, the arc electrode 15 is placed at the discharge position shown in Fig. 4, and arc discharge (arc heating) starts at time t0 . At this time, the carbon mold 14 is also cooled, thereby preventing the carbon mold 14 from overheating.
アーク放電開始から一定時間(原料シリカ粉の溶融が完了するまでの時間)が経過した時刻t1においてアーク放電が終了すると、本実施形態ではアーク電極15を放電位置から退避位置に移動させず、放電位置に維持する。従来は溶融状態のルツボを急冷するためアーク溶融終了直後にアーク電極15をカーボンモールド14の上方に退避させていたが、アーク電極を放電位置に維持することにより、ルツボを内面10i側から徐冷することができる。これにより、内面10iの仮想温度が内側内部よりも相対的に低いルツボを製造することができる。 When the arc discharge ends at time t1 , a certain time after the start of the arc discharge (the time until the raw silica powder is completely melted), in this embodiment, the arc electrode 15 is not moved from the discharge position to the retracted position, but is maintained at the discharge position. Conventionally, the arc electrode 15 is retracted above the carbon mold 14 immediately after the end of arc melting in order to rapidly cool the molten crucible. However, by maintaining the arc electrode at the discharge position, the crucible can be slowly cooled from the inner surface 10i side. This makes it possible to manufacture a crucible in which the fictive temperature of the inner surface 10i is relatively lower than that of the inside of the crucible.
またアーク加熱の終了時には、カーボンモールド14の強制冷却を一時停止し、自然冷却とする。従来はカーボンモールド14を常に強制冷却していたが、強制冷却を一時停止することにより、ルツボを外面10o側から徐冷することができる。すなわち、外面10oの仮想温度が外側内部よりも相対的に低いルツボを製造することができる。 Furthermore, when arc heating is completed, the forced cooling of the carbon mold 14 is temporarily stopped and the mold is allowed to cool naturally. Conventionally, the carbon mold 14 has always been forcedly cooled, but by temporarily stopping the forced cooling, the crucible can be slowly cooled from the outer surface 10o side. In other words, it is possible to manufacture a crucible in which the fictive temperature of the outer surface 10o is relatively lower than that of the inside of the outside.
さらにアーク加熱の終了時には処理室内の雰囲気の加湿が開始される。加湿条件は8g/cm3以上であることが好ましく、加湿時間は60秒以上とすることが好ましい。これにより、ルツボの内面近傍及び外面近傍のシリカガラス中のOH基濃度を高めることができ、ルツボの内面10i及び外面10oの仮想温度を低減する効果を高めることができる。またガラス構造を緩和する効果もあるため、ルツボの内面10i及び外面10oの仮想温度をより下げることができる。 Furthermore, at the end of the arc heating, humidification of the atmosphere in the processing chamber is initiated. The humidification conditions are preferably 8 g/ cm³ or more, and the humidification time is preferably 60 seconds or more. This increases the OH group concentration in the silica glass near the inner and outer surfaces of the crucible, thereby enhancing the effect of reducing the fictive temperature of the inner surface 10i and outer surface 10o of the crucible. This also has the effect of relaxing the glass structure, thereby further reducing the fictive temperature of the inner surface 10i and outer surface 10o of the crucible.
ルツボの徐冷開始から一定時間(例えば60秒)が経過した時刻t2においてルツボの徐冷を終了し、アーク電極を待避位置に移動する。このとき、カーボンモールド14の強制冷却を再開し、ルツボの冷却を促進させる。これにより、ルツボの温度を常温まで速やかに低下させてアーク溶融工程終了までにかかる時間の短縮化を図ることができる。 At time t2 , a certain time (e.g., 60 seconds) after the start of the slow cooling of the crucible, the slow cooling of the crucible is completed and the arc electrode is moved to the waiting position. At this time, forced cooling of the carbon mold 14 is resumed to accelerate the cooling of the crucible. This allows the temperature of the crucible to be quickly lowered to room temperature, thereby shortening the time required to complete the arc melting process.
以上説明したように、本実施形態による石英ガラスルツボ1は、少なくとも側壁部10aにおける内面10iの仮想温度が、当該内面10iから少なくとも5mm深いルツボ内部の仮想温度よりも30℃以上低いので、常温下でのルツボの内面10iの強度を高めることができる。また、本実施形態による石英ガラスルツボ1は、少なくとも側壁部10aにおける内面10iの仮想温度が、当該外面10oから少なくとも5mm深いルツボ内部の仮想温度よりも30℃以上低いので、常温下でのルツボの外面10oの強度を高めることができる。 As explained above, the quartz glass crucible 1 according to this embodiment has a fictive temperature of the inner surface 10i at least in the side wall portion 10a that is 30°C or more lower than the fictive temperature inside the crucible at a depth of at least 5 mm from the inner surface 10i, thereby increasing the strength of the crucible's inner surface 10i at room temperature. Furthermore, the quartz glass crucible 1 according to this embodiment has a fictive temperature of the inner surface 10i at least in the side wall portion 10a that is 30°C or more lower than the fictive temperature inside the crucible at a depth of at least 5 mm from the outer surface 10o, thereby increasing the strength of the crucible's outer surface 10o at room temperature.
以上、本発明の好ましい実施形態について説明したが、本発明は、上記の実施形態に限定されることなく、本発明の主旨を逸脱しない範囲で種々の変更が可能であり、それらも本発明の範囲内に包含されるものであることはいうまでもない。 The above describes a preferred embodiment of the present invention, but the present invention is not limited to the above embodiment and various modifications are possible without departing from the spirit of the present invention, and it goes without saying that these modifications are also included within the scope of the present invention.
例えば、上記実施形態においては、ルツボの内面10iの仮想温度及び外面10oの仮想温度の両方がルツボ内部の仮想温度よりも低いが、どちらか一方であっても構わない。ルツボの内面側だけがそのようになっている場合には、ルツボの内面側の強度だけを向上させることができる。またルツボの外面側だけがそのようになっている場合には、ルツボの外面側の強度だけを向上させることができる。 For example, in the above embodiment, both the fictive temperature of the inner surface 10i and the fictive temperature of the outer surface 10o of the crucible are lower than the fictive temperature inside the crucible, but it is also acceptable for only one of them to be lower. If only the inner surface of the crucible is like this, it is possible to improve the strength of only the inner surface of the crucible. Also, if only the outer surface of the crucible is like this, it is possible to improve the strength of only the outer surface of the crucible.
<32インチルツボの仮想温度分布評価>
口径32インチの石英ガラスルツボを上述の回転モールド法により製造した。アーク溶融工程では、アーク加熱終了直後もアーク電極の先端部をモールド内に保持してルツボの内面側を徐冷した。またカーボンモールドの冷却も一時停止してルツボの外面側を徐冷した。さらに室内のアーク加熱終了直後に加湿を開始した。
<Evaluation of fictive temperature distribution in a 32-inch crucible>
A 32-inch diameter quartz glass crucible was manufactured using the rotating mold method described above. During the arc melting process, the tip of the arc electrode was held in the mold immediately after the end of arc heating to slowly cool the inner surface of the crucible. Cooling of the carbon mold was also temporarily suspended to slowly cool the outer surface of the crucible. Furthermore, humidification was started immediately after the end of arc heating in the chamber.
こうして得られた実施例A1による石英ガラスルツボの1/2の高さ位置(側壁部)における肉厚、透明層の厚さ、気泡層の厚さをそれぞれ求めたところ、ルツボの肉厚は17.6mm、透明層の厚さは5.6mm、気泡層の厚さは12.0mmとなった。 The wall thickness, transparent layer thickness, and bubble layer thickness at the half-height position (side wall portion) of the quartz glass crucible of Example A1 obtained in this way were measured. The crucible wall thickness was 17.6 mm, the transparent layer thickness was 5.6 mm, and the bubble layer thickness was 12.0 mm.
次に、得られた石英ガラスルツボの仮想温度分布をラマン分光分析法により測定した。仮想温度分布の測定位置は、石英ガラスルツボの1/2の高さ位置とした。この位置におけるルツボの肉厚の1/3の値は5.9mmであり、この値をルツボ内部の仮想温度測定位置として使用した。すなわち、ルツボの内側内部の仮想温度の測定では、内表面を5.9mm研磨した後、研磨面にレーザー光を照射して仮想温度の測定を行った。また、ルツボの外側内部の仮想温度の測定では、外表面を5.9mm研磨した後、研磨面にレーザー光を照射して仮想温度の測定を行った。 Next, the fictive temperature distribution of the obtained quartz glass crucible was measured using Raman spectroscopy. The measurement position for the fictive temperature distribution was set at half the height of the quartz glass crucible. At this position, 1/3 of the crucible's wall thickness was 5.9 mm, and this value was used as the measurement position for the fictive temperature inside the crucible. That is, to measure the fictive temperature inside the crucible, the inner surface was polished by 5.9 mm, and then the polished surface was irradiated with laser light to measure the fictive temperature. To measure the fictive temperature inside the crucible, the outer surface was polished by 5.9 mm, and then the polished surface was irradiated with laser light to measure the fictive temperature.
図6は、実施例A1による石英ガラスルツボの仮想温度分布の測定結果を示すグラフであって、横軸は内面からの距離(mm)、縦軸は仮想温度(℃)をそれぞれ示している。 Figure 6 is a graph showing the measurement results of the fictive temperature distribution of the quartz glass crucible according to Example A1, with the horizontal axis representing the distance from the inner surface (mm) and the vertical axis representing the fictive temperature (°C).
図6に示すように、内面の仮想温度は内側内部の仮想温度よりも低く、また外面の仮想温度は外側内部の仮想温度よりも低くなった。 As shown in Figure 6, the fictive temperature of the inner surface was lower than the fictive temperature of the inner interior, and the fictive temperature of the outer surface was lower than the fictive temperature of the outer interior.
<24インチルツボの仮想温度分布評価>
口径24インチの石英ガラスルツボを上述の回転モールド法により製造した。アーク溶融工程では、アーク加熱終了直後もアーク電極をモールド内に保持してルツボの内面側を徐冷した。またカーボンモールドの冷却も一時停止してルツボの外面側を徐冷した。
<Evaluation of fictive temperature distribution in a 24-inch crucible>
A 24-inch diameter quartz glass crucible was manufactured by the above-mentioned rotating mold method. During the arc melting process, the arc electrode was kept in the mold immediately after the end of arc heating to slowly cool the inner surface of the crucible. Cooling of the carbon mold was also temporarily stopped to slowly cool the outer surface of the crucible.
こうして得られた実施例A2による石英ガラスルツボの1/2の高さ位置(側壁部)における肉厚、透明層の厚さ、気泡層の厚さをそれぞれ求めたところ、ルツボの肉厚は11.5mm、透明層の厚さは7.5mm、気泡層の厚さは4.0mmとなった。 The wall thickness, transparent layer thickness, and bubble layer thickness at the half-height position (side wall portion) of the quartz glass crucible of Example A2 obtained in this way were measured. The crucible wall thickness was 11.5 mm, the transparent layer thickness was 7.5 mm, and the bubble layer thickness was 4.0 mm.
次に、得られた石英ガラスルツボの仮想温度分布をラマン分光分析法により測定した。仮想温度分布の測定位置は、石英ガラスルツボの1/2の高さ位置とした。この位置におけるルツボの肉厚の1/3の値は3.8mmであり、この値をルツボ内部の仮想温度測定位置として使用した。すなわち、ルツボの内側内部の仮想温度の測定では、内表面を3.8mm研磨した後、研磨面にレーザー光を照射して仮想温度の測定を行った。また、ルツボの外側内部の仮想温度の測定では、外表面を3.8mm研磨した後、研磨面にレーザー光を照射して仮想温度の測定を行った。 Next, the fictive temperature distribution of the obtained quartz glass crucible was measured using Raman spectroscopy. The measurement position for the fictive temperature distribution was set at half the height of the quartz glass crucible. At this position, 1/3 of the crucible's wall thickness was 3.8 mm, and this value was used as the measurement position for the fictive temperature inside the crucible. That is, to measure the fictive temperature inside the crucible, the inner surface was polished by 3.8 mm, and then the polished surface was irradiated with laser light to measure the fictive temperature. To measure the fictive temperature inside the crucible, the outer surface was polished by 3.8 mm, and then the polished surface was irradiated with laser light to measure the fictive temperature.
図7は、実施例A2による石英ガラスルツボの仮想温度分布の測定結果を示すグラフであって、横軸は内面からの距離(mm)、縦軸は仮想温度(℃)をそれぞれ示している。 Figure 7 is a graph showing the measurement results of the fictive temperature distribution of the quartz glass crucible according to Example A2, with the horizontal axis representing the distance from the inner surface (mm) and the vertical axis representing the fictive temperature (°C).
図7に示すように、24インチルツボにおいても内面の仮想温度は内側内部の仮想温度よりも低く、また外面の仮想温度は外側内部の仮想温度よりも低くなった。 As shown in Figure 7, even in the 24-inch crucible, the fictive temperature of the inner surface was lower than the fictive temperature of the inner interior, and the fictive temperature of the outer surface was lower than the fictive temperature of the outer interior.
<結晶引き上げ後のルツボの内面の評価>
5個の石英ガラスルツボのサンプルを用意し、各ルツボの内面側の仮想温度を測定した。実施例B1、B2、B3による石英ガラスルツボは、上述の回転モールド法により測定し、アーク溶融工程ではアーク加熱終了直後もアーク電極をモールド内に保持してルツボの内面を徐冷した。比較例B1、B2による石英ガラスルツボは、アーク加熱終了後に急冷する従来の方法で製造した。
<Evaluation of the inner surface of the crucible after pulling the crystal>
Five quartz glass crucible samples were prepared, and the fictive temperature of the inner surface of each crucible was measured. The quartz glass crucibles of Examples B1, B2, and B3 were measured using the rotating mold method described above, and in the arc melting process, the arc electrode was kept in the mold even immediately after the end of arc heating to slowly cool the inner surface of the crucible. The quartz glass crucibles of Comparative Examples B1 and B2 were manufactured using the conventional method of rapid cooling after the end of arc heating.
次に、このルツボと同等のルツボを用いてシリコン単結晶の引き上げを行い、引き上げ後のルツボの内面の状態を目視で観察し、ルツボの内面に食い込んだシリコン片の個数を評価した。この食い込みは、ルツボ内へのシリコン原料の充填時又はシリコン原料の溶融中に、ルツボの内面が原料と接触して受けた衝撃などが要因と考えられる。その結果を表1に示す。 Next, a silicon single crystal was pulled using a crucible identical to this one, and the condition of the inner surface of the crucible after pulling was visually observed, and the number of silicon pieces that had become embedded in the inner surface of the crucible was evaluated. This embedding is thought to be caused by impacts that occurred when the inner surface of the crucible came into contact with the raw silicon material when the silicon material was being filled into the crucible or while it was being melted. The results are shown in Table 1.
表1に示すように、実施例B1では、仮想温度差が30℃となり、シリコンの食い込みの数は1個であった。実施例B2では、仮想温度差が30℃となり、シリコンの食い込みの数は2個であった。実施例B3では、仮想温度差が50℃となり、シリコンの食い込みの数は0個となった。 As shown in Table 1, in Example B1, the fictive temperature difference was 30°C and the number of silicon bites was 1. In Example B2, the fictive temperature difference was 30°C and the number of silicon bites was 2. In Example B3, the fictive temperature difference was 50°C and the number of silicon bites was 0.
一方、比較例B1では、仮想温度差が-10℃となり、シリコンの食い込みの数は13個となった。また比較例B2では、仮想温度差が-30℃となり、シリコンの食い込みの数は10個となった。以上の結果から、ルツボ内面の仮想温度がルツボ内部よりも30℃以上低い実施例B1、B2、B3による石英ガラスルツボの内面は、損傷が少なく、強度が向上していることが確認できた。 On the other hand, in Comparative Example B1, the fictive temperature difference was -10°C, and the number of silicon bites was 13. Furthermore, in Comparative Example B2, the fictive temperature difference was -30°C, and the number of silicon bites was 10. From these results, it was confirmed that the inner surfaces of the quartz glass crucibles of Examples B1, B2, and B3, in which the fictive temperature of the crucible inner surface was 30°C or more lower than that of the crucible interior, suffered less damage and had improved strength.
<結晶引き上げ後のルツボの外面の評価>
3個の石英ガラスルツボのサンプルを用意し、各ルツボの外面側の仮想温度を測定した。実施例C1、C2による石英ガラスルツボは、上述の回転モールド法により測定し、アーク溶融工程ではアーク加熱終了直後もアーク電極をモールド内に保持すると共に、アーク加熱終了直後にモールド冷却を停止し、ルツボの内面と外面を徐冷した。比較例C1による石英ガラスルツボは、アーク加熱終了後に急冷する従来の方法で製造した。
<Evaluation of the outer surface of the crucible after pulling the crystal>
Three quartz glass crucible samples were prepared, and the fictive temperature of the outer surface of each crucible was measured. The quartz glass crucibles of Examples C1 and C2 were measured using the rotating mold method described above. In the arc melting process, the arc electrode was kept in the mold even immediately after the end of arc heating, and the mold cooling was stopped immediately after the end of arc heating, and the inner and outer surfaces of the crucible were slowly cooled. The quartz glass crucible of Comparative Example C1 was manufactured using the conventional method of rapid cooling after the end of arc heating.
次に、このルツボと同等のルツボを用いてシリコン単結晶の引き上げを行い、引き上げ後のルツボの外面の状態を目視で観察し、ルツボの外面に存在する凹みの個数を評価した。この凹みは、搬送時などの引き上げ前に外部から受けた押圧又は衝撃が引き上げ工程中に凹みとして顕在化したもの考えられる。その結果を表2に示す。 Next, a silicon single crystal was pulled using a crucible equivalent to this one, and the condition of the outer surface of the crucible after pulling was visually inspected to determine the number of dents present on the outer surface of the crucible. These dents are thought to be the result of external pressure or impact received before pulling, such as during transportation, which manifested as dents during the pulling process. The results are shown in Table 2.
表2に示すように、実施例C1では、仮想温度差が40℃となり、外面の凹みの数は0個であった。実施例C2では、仮想温度差が70℃となり、外面の凹みの数は0個であった。 As shown in Table 2, in Example C1, the fictive temperature difference was 40°C and the number of dents on the outer surface was 0. In Example C2, the fictive temperature difference was 70°C and the number of dents on the outer surface was 0.
一方、比較例C1では、仮想温度差が10℃となり、外面の凹みの数は5個となった。以上の結果から、ルツボ外面の仮想温度がルツボ内部よりも30℃以上低い実施例C1、C2による石英ガラスルツボの当該外面は、凹みが少なく、強度が向上していることが確認できた。 On the other hand, in Comparative Example C1, the fictive temperature difference was 10°C, and the number of dents on the outer surface was 5. From these results, it was confirmed that the outer surfaces of the quartz glass crucibles of Examples C1 and C2, in which the fictive temperature of the crucible outer surface was 30°C or more lower than that of the crucible interior, had fewer dents and improved strength.
1 石英ガラスルツボ
10a 側壁部
10b 底部
10c コーナー部
10i 内面
10o 外面
11 透明層
12 気泡層
14 カーボンモールド
14a 通気孔
14i 内面
15 アーク電極
16 堆積層
16a 天然シリカ粉
16b 合成シリカ粉
TVi1 内面の仮想温度
TVi2 内側内部の仮想温度
TVo1 外面の仮想温度
TVo2 外側内部の仮想温度
dd ルツボ内部の測定領域
di ルツボ内面の測定領域
do ルツボ外面の測定領域
1 Quartz glass crucible 10a Side wall portion 10b Bottom portion 10c Corner portion 10i Inner surface 10o Outer surface 11 Transparent layer 12 Bubble layer 14 Carbon mold 14a Ventilation hole 14i Inner surface 15 Arc electrode 16 Deposition layer 16a Natural silica powder 16b Synthetic silica powder T Fictitious temperature of inner surface Vi1 T Fictitious temperature inside Vi2 Fictitious temperature inside Vo1 outer surface T Fictitious temperature inside Vo2 dd Measurement area inside crucible di Measurement area inside crucible do Measurement area outside crucible
Claims (8)
前記側壁部の内面の仮想温度が、前記内面から少なくとも3mm深い内側内部の仮想温度よりも30℃以上低いことを特徴とする石英ガラスルツボ。 a cylindrical side wall portion, a bottom portion provided below the side wall portion, and a corner portion provided between the side wall portion and the bottom portion and having a larger curvature than the bottom portion,
A quartz glass crucible characterized in that the fictive temperature of the inner surface of the side wall portion is 30°C or more lower than the fictive temperature of the inner interior at a depth of at least 3 mm from the inner surface.
カーボンモールドの内面に原料シリカ粉の堆積層を形成する工程と、
前記カーボンモールドの内側から前記原料シリカ粉の堆積層をアーク溶融する工程と、
前記カーボンモールド内に形成された溶融状態の石英ガラスルツボを冷却する工程とを備え、
前記石英ガラスルツボを冷却する工程は、
前記原料シリカ粉のアーク溶融終了直後に高温状態のアーク電極を前記カーボンモールド内に一定時間保持して当該カーボンモールド内の溶融状態の前記石英ガラスルツボを徐冷する工程と、
前記徐冷の後に前記アーク電極を前記カーボンモールドの上方に退避させて前記石英ガラスルツボの冷却速度を速め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。 A method for manufacturing a quartz glass crucible having a cylindrical side wall portion, a bottom portion provided below the side wall portion, and a corner portion provided between the side wall portion and the bottom portion and having a larger curvature than the bottom portion,
forming a deposition layer of raw silica powder on the inner surface of the carbon mold;
arc-melting the deposited layer of the raw silica powder from inside the carbon mold;
and a step of cooling the fused silica crucible formed in the carbon mold,
The step of cooling the quartz glass crucible includes:
Immediately after the arc melting of the raw silica powder is completed, a step of holding the arc electrode in a high temperature state in the carbon mold for a certain period of time to slowly cool the fused silica crucible in the carbon mold;
and after the slow cooling, the arc electrode is retracted above the carbon mold to increase the cooling rate of the quartz glass crucible.
前記石英ガラスルツボを冷却する工程は、前記カーボンモールドの冷却を一定時間停止する工程と、前記カーボンモールドの冷却を再開する工程とを含む、請求項6に記載の石英ガラスルツボの製造方法。 the step of arc-melting the deposited layer of raw silica powder includes a step of cooling the carbon mold;
7. The method for manufacturing a silica glass crucible according to claim 6, wherein the step of cooling the silica glass crucible includes a step of stopping cooling of the carbon mold for a certain period of time and a step of restarting cooling of the carbon mold.
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