(19)【発行国】日本国特許庁(JP)
(12)【公報種別】特許公報(B2)
(11)【特許番号】
(24)【登録日】2023-11-06
(45)【発行日】2023-11-14
(54)【発明の名称】石英ガラスルツボ及びその製造方法
(51)【国際特許分類】
C30B 15/10 20060101AFI20231107BHJP
C03B 20/00 20060101ALI20231107BHJP
C30B 29/06 20060101ALI20231107BHJP
【ＦＩ】
C30B15/10
C03B20/00 H
C30B29/06 502B
【請求項の数】
4
(21)【出願番号】P 2019105890
(22)【出願日】2019-06-06
(65)【公開番号】P2020200199
(43)【公開日】2020-12-17
【審査請求日】2021-11-30
(73)【特許権者】
【識別番号】522503458
【氏名又は名称】モメンティブ・テクノロジーズ・山形株式会社
(74)【代理人】
【識別番号】100087642
【弁理士】
【氏名又は名称】古谷 聡
(74)【代理人】
【識別番号】100082946
【弁理士】
【氏名又は名称】大西 昭広
(74)【代理人】
【識別番号】100195693
【弁理士】
【氏名又は名称】細井 玲
(72)【発明者】
【氏名】辻 直樹
【審査官】宮崎 園子
(56)【参考文献】
【文献】特開平０９－１５７０８２（ＪＰ，Ａ）
(58)【調査した分野】(Int.Cl.，ＤＢ名)
Ｃ３０Ｂ １５／１０
Ｃ０３Ｂ ２０／００
Ｃ３０Ｂ ２９／０６
(57)【特許請求の範囲】
【請求項1】
少なくとも透明内層と不透明外層とからなり、円筒状の直胴部と、前記直胴部の下端から径方向内側に湾曲するＲ部と、前記Ｒ部の径方向内側端から形成された底部とを備える石英ガラスルツボにおいて、前記不透明外層の前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部における外表面粗さが、前記直胴部の上部乃至中部領域の外表面粗さよりも大きく、かつ前記底部の外表面粗さよりも大きく、
前記不透明外層の前記直胴部の上部乃至中部領域における外表面粗さＲａが、５μｍ以上５０μｍ以下であり、
前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部における外表面粗さＲａが、３０μｍ以上１００μｍ以下であり、
前記底部における外表面粗さＲａが、５μｍ以上２０μｍ以下であることを特徴とする石英ガラスルツボ。
【請求項2】
前記不透明外層の前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部は、ルツボ高さ方向に沿って、ルツボ内表面の底部から０ｍｍ以上、１５０ｍｍ以下に位置することを特徴とする請求項１に記載された石英ガラスルツボ。
【請求項3】
少なくとも透明内層と不透明外層とからなり、円筒状の直胴部を形成する直胴部と、前記直胴部の下端から径方向内側に湾曲するＲ部と、前記Ｒ部の径方向内側端から形成された底部とを備える石英ガラスルツボの製造方法において、前記不透明外層の前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部における外表面粗さを、前記直胴部の上部乃至中部領域の外表面粗さよりも大きく、かつ前記底部の外表面粗さよりも大きく形成する工程とを含み、
前記不透明外層の前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部における外表面粗さを、前記直胴部の上部乃至中部領域の外表面粗さよりも大きく、かつ前記底部の外表面粗さよりも大きく形成する工程において、
前記不透明外層の前記直胴部の上部乃至中部領域における外表面粗さＲａを、５μｍ以上５０μｍ以下、
前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部における外表面粗さＲａを、３０μｍ以上１００μｍ以下、
前記底部における外表面粗さＲａを、５μｍ以上２０μｍ以下に形成することを特徴とする石英ガラスルツボの製造方法。
【請求項4】
前記不透明外層の前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部は、ルツボ高さ方向に沿って、ルツボ内表面の底部から０ｍｍ以上、１５０ｍｍ以下に位置することを特徴とする請求項３に記載された石英ガラスルツボの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、石英ガラスルツボ及びその製造方法に関し、特にルツボ内表面の温度分布をより均一に制御した石英ガラスルツボ及びその製造方法に関する。
【背景技術】
【0002】
シリコン単結晶の育成に関し、ＣＺ法（チョクラルスキー法）が広く用いられている。この方法は、石英ガラスルツボ内に収容されたシリコン溶融液の表面に種結晶を接触させ、ルツボを回転させるとともに、この種結晶を反対方向に回転させながら上方へ引上げることによって、種結晶の下端にシリコン単結晶を形成していくものである。
【0003】
特許文献１（特開２０１８－１０４２４８）には、前記ＣＺ法によりシリコン単結晶を引き上げる単結晶引上げ装置について開示されている。図７に、特許文献１に開示された単結晶引上げ装置を模式的に示す。
この単結晶引上げ装置２０は、炉体２１と、炉体２１内に設けられた石英ガラスルツボ３０と、ルツボ３０の周囲に配置され、ルツボ３０に装填された半導体原料（原料ポリシリコン）Ｍを溶融する円筒状のカーボンヒータ４０と、育成されるシリコン単結晶Ｃをワイヤ５０で引上げる引上げ機構（図示せず）とを有している。ワイヤ５０の先端には種結晶Ｐが取り付けられている。
この単結晶引上げ装置２０は、炉体２１と、炉体２１内に設けられた石英ガラスルツボ３０と、ルツボ３０の周囲に配置され、ルツボ３０に装填された半導体原料（原料ポリシリコン）Ｍを溶融する円筒状のカーボンヒータ４０と、育成されるシリコン単結晶Ｃをワイヤ５０で引上げる引上げ機構（図示せず）とを有している。ワイヤ５０の先端には種結晶Ｐが取り付けられている。
【0004】
このように構成された単結晶引上げ装置２０にあっては、カーボンヒータ４０の輻射熱によって石英ガラスルツボ３０内の原料ポリシリコンＭが溶融される。
その後、石英ガラスルツボ３０が、所定の高さ位置において所定の回転速度で回転動作され、先端に種結晶Ｐが取り付けられたワイヤ５０が降ろされる。
そして、ワイヤ５０先端に取付けられた種結晶Ｐがシリコン溶融液Ｍに接触され、種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングが行われてネック部Ｐ１が形成される。
その後、石英ガラスルツボ３０が、所定の高さ位置において所定の回転速度で回転動作され、先端に種結晶Ｐが取り付けられたワイヤ５０が降ろされる。
そして、ワイヤ５０先端に取付けられた種結晶Ｐがシリコン溶融液Ｍに接触され、種結晶Ｐの先端部を溶解するネッキングが行われてネック部Ｐ１が形成される。
【0005】
前記ネック部Ｐ１が形成されると、ヒータ４０への供給電力や、引上げ速度（通常、毎分数ミリの速度）などをパラメータとして引上げ条件が調整され、クラウン部形成工程（拡径する工程）、直胴部形成工程、底部形成工程等のシリコン単結晶の引上工程が順に行われる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【0006】
【文献】特開２０１８－１０４２４８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【0007】
ところで、単結晶引上げ装置２０の上記引上げ工程において、ヒータ４０の高さ方向の中央に最も近い流域、即ち、石英ガラスルツボ３０直胴部３０ａの中部領域乃至下部領域３０ａ１が局所的に高温となり、ルツボ内表面の温度分布にばらつきが生じるという課題があった。
【0008】
また、前記直胴部３０ａの中部領域乃至下部領域３０ａ１におけるルツボ内表面が過度に高温となることにより、その領域におけるルツボ内表面の溶解する量が増え、シリコン融液Ｍにおける酸素の溶存度が増加し、引上げられたシリコン単結晶の格子間酸素濃度に、ばらつきが生じるという課題があった。
【0009】
この課題を解決するために、本発明者らは、ルツボ内表面の温度分布にばらつきについて、鋭意研究した。
一つの方法として、特開平１０－５９７９４号公報で提案されているように、容器外表面の粗さを、容器の種結晶側から反対側に向けて、段階的にまたは漸次に変化させることが考えられる。
しかしながら、この熱分解窒化ホウ素容器と、本発明にかかる石英ガラスルツボとは形状や使用方法が全く異なるものであり、容器外表面の粗さを、容器の種結晶側から反対側に向けて、段階的にまたは漸次に変化させても、ルツボ内表面の局所の高温を抑制することができなかった。
一つの方法として、特開平１０－５９７９４号公報で提案されているように、容器外表面の粗さを、容器の種結晶側から反対側に向けて、段階的にまたは漸次に変化させることが考えられる。
しかしながら、この熱分解窒化ホウ素容器と、本発明にかかる石英ガラスルツボとは形状や使用方法が全く異なるものであり、容器外表面の粗さを、容器の種結晶側から反対側に向けて、段階的にまたは漸次に変化させても、ルツボ内表面の局所の高温を抑制することができなかった。
【0010】
そこで、本発明者らは、ルツボの外表面の表面粗さに着目し、ルツボ内表面の温度分布にばらつきを抑制する研究を続け、石英ガラスルツボの高温となる特定領域の表面粗さを、他の領域の表面粗さに比べて粗くすることにより、ルツボ内表面の温度分布にばらつきが抑制できることを知見し、本発明を想到するに至った。
【0011】
尚、本発明と同じくシリコン単結晶の引上げに用いる石英ガラスルツボにおいて、意図的に外表面に粗さを持たせる構成が、特開２００９－８４１１４号公報に示されている。しかしながら、この石英ガラスルツボは、結晶化促進剤を用いずに、使用時の高温下でもルツボの変形を生じ難く、かつ製造が容易とすることを目的とするものであって、本発明のように、ルツボ内表面の温度分布にばらつきを抑制するものではない。
【0012】
本発明は、このような事情のもとなされたものであり、ルツボ内表面の温度分布をより均一に制御できる石英ガラスルツボ、及びその製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0013】
上記目的を達成するためになされた本発明にかかる石英ガラスルツボは、少なくとも透明内層と不透明外層とからなり、円筒状の直胴部と、前記直胴部の下端から径方向内側に湾曲するＲ部と、前記Ｒ部の径方向内側端から形成された底部とを備える石英ガラスルツボにおいて、前記不透明外層の前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部における外表面粗さが、前記直胴部の上部乃至中部領域の外表面粗さよりも大きく、かつ前記底部の外表面粗さよりも大きいことを特徴としている。
【0014】
このように構成された石英ガラスルツボによれば、ルツボ外表面において、ルツボ下部領域乃至Ｒ部における表面粗さを最も大きくすることにより、その領域での光（赤外線）の透過量を減少させることができる。
その結果、ルツボ内面における局所的な過度の加熱が抑制され、ルツボ高さ方向におけるルツボ内表面の温度分布のばらつきを抑制できる。
更に、このように局所的な過度の加熱が抑制されるため、局所におけるルツボ内表面の溶解量を抑えることができ、シリコン融液中に溶存する酸素量を低減することができる。また、引き上げるシリコン単結晶中の格子間酸素濃度の変化を効果的に抑制することができる。
その結果、ルツボ内面における局所的な過度の加熱が抑制され、ルツボ高さ方向におけるルツボ内表面の温度分布のばらつきを抑制できる。
更に、このように局所的な過度の加熱が抑制されるため、局所におけるルツボ内表面の溶解量を抑えることができ、シリコン融液中に溶存する酸素量を低減することができる。また、引き上げるシリコン単結晶中の格子間酸素濃度の変化を効果的に抑制することができる。
【0015】
ここで、前記不透明外層の前記直胴部の上部乃至中部領域における外表面粗さＲａが、５μｍ以上５０μｍ以下であり、前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部における外表面粗さＲａが、３０μｍ以上１００μｍ以下であり、前記底部における外表面粗さＲａが、５μｍ以上２０μｍ以下であることが望ましい。
【0016】
また、前記不透明外層の前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部は、ルツボ高さ方向に沿って、ルツボ内表面の底部から０ｍｍ以上、１５０ｍｍ以下に位置することが望ましい。
【0017】
また、上記目的を達成するためになされた本発明に係る石英ガラスルツボの製造方法は、少なくとも透明内層と不透明外層とからなり、円筒状の直胴部を形成する直胴部と、前記直胴部の下端から径方向内側に湾曲するＲ部と、前記Ｒ部の径方向内側端から形成された底部とを備える石英ガラスルツボの製造方法において、前記不透明外層の前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部における外表面粗さを、前記直胴部の上部乃至中部領域の外表面粗さよりも大きく、かつ前記底部の外表面粗さよりも大きく形成する工程と、を含むことを特徴としている。
【0018】
このように、前記不透明外層の前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部における外表面粗さを、前記直胴部の上部乃至中部領域の外表面粗さよりも大きく、かつ前記底部の外表面粗さよりも大きく形成する工程を含むことにより、上記した本発明にかかる石英ガラスルツボを得ることができる。
【0019】
また、前記不透明外層の前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部における外表面粗さを、前記直胴部の上部乃至中部領域の外表面粗さよりも大きく、かつ前記底部の外表面粗さよりも大きく形成する工程において、前記不透明外層の前記直胴部の上部乃至中部領域における外表面粗さＲａを、５μｍ以上５０μｍ以下、前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部における外表面粗さＲａを、３０μｍ以上１００μｍ以下、前記底部における外表面粗さＲａを、５μｍ以上２０μｍ以下に形成することが望ましい。
【0020】
また、前記不透明外層の前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部は、ルツボ高さ方向に沿って、ルツボ内表面の底部から０ｍｍ以上、１５０ｍｍ以下に位置することが望ましい。
【発明の効果】
【0021】
本発明によれば、ルツボ内表面の温度分布をより均一に制御した石英ガラスルツボ、及びその製造方法を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【0022】
【発明を実施するための形態】
【0023】
以下、本発明に係る石英ガラスルツボ及びその製造方法の一実施形態を、図１、図２に基づいて説明する。
図１（ａ）は、本発明に係る石英ガラスルツボの断面図である。図１（ａ）に示すように石英ガラスルツボ１は、例えば外径８１０ｍｍ、厚さ１５ｍｍに形成され、気泡を実質的に含まない、合成石英層からなる透明内層２と、気泡を含む、天然石英層または合成石英層からなる不透明外層３とから構成されている。
図１（ａ）は、本発明に係る石英ガラスルツボの断面図である。図１（ａ）に示すように石英ガラスルツボ１は、例えば外径８１０ｍｍ、厚さ１５ｍｍに形成され、気泡を実質的に含まない、合成石英層からなる透明内層２と、気泡を含む、天然石英層または合成石英層からなる不透明外層３とから構成されている。
【0024】
即ち、前記石英ガラスルツボ１は、シリコン単結晶引上げ時に溶融シリコンの融液と接する透明内層２と、この透明内層２に隣接する不透明外層３との２層構造に構成されている。厚さ方向における前記透明内層２と不透明外層３との比率は例えば２：１に形成されている。
【0025】
ここで、気泡を実質的に含まないとは、直径０．５ｍｍ以上の気泡が密度１ｐｃｓ／ｍｍ３以上存在していない透明な層をいう。
また、不透明とは、石英ガラス中に多数の気泡（気孔）が内在し、見かけ上、白濁した状態を意味する。また、天然石英層とは水晶等の天然質原料を溶融して製造されるシリカガラス層を意味し、合成石英層とは、例えばシリコンアルコキシドの加水分解により合成された合成原料を溶融して製造されるシリカガラス層を意味する。
また、不透明とは、石英ガラス中に多数の気泡（気孔）が内在し、見かけ上、白濁した状態を意味する。また、天然石英層とは水晶等の天然質原料を溶融して製造されるシリカガラス層を意味し、合成石英層とは、例えばシリコンアルコキシドの加水分解により合成された合成原料を溶融して製造されるシリカガラス層を意味する。
【0026】
また、石英ガラスルツボ１は、図１（ａ）に示すように上部開口から径を変えずに下方に延びる円筒状の直胴部１ａと、前記直胴部１ａの下端から内側に小さい曲率半径で湾曲するＲ部１ｂと、前記Ｒ部１ｂから大きい曲率半径で湾曲しルツボ底を形成する底部１ｃとを有する。
前記透明内層２及び不透明外層３はともに、前記直胴部１ａ、Ｒ部１ｂ、底部１ｃを形成している。
前記透明内層２及び不透明外層３はともに、前記直胴部１ａ、Ｒ部１ｂ、底部１ｃを形成している。
【0027】
また、前記不透明外層３の外表面は、本実施の形態においては、図１（ｂ）に示すように３つの領域に分けて、表面粗さが設定される。この表面粗さは、例えばブラスト装置等を用いて、所定の表面粗さになるように加工される。
前記不透明外層３の外表面の特定領域を、設定された所定の表面粗さになし、特定領域におけるヒータからルツボ内面への輻射を抑制することによって、局所的な過度の加熱を抑制するものである。
尚、前記透明内層２の内表面は、合成原料を溶融、固化した状態であり、不透明外層３の外表面のように加工処理はなされない。
前記不透明外層３の外表面の特定領域を、設定された所定の表面粗さになし、特定領域におけるヒータからルツボ内面への輻射を抑制することによって、局所的な過度の加熱を抑制するものである。
尚、前記透明内層２の内表面は、合成原料を溶融、固化した状態であり、不透明外層３の外表面のように加工処理はなされない。
【0028】
この表面粗さとルツボ内面の温度分布の関係について詳述すると、ヒータの赤外線の発光は、波長２μｍあたりにピークをもったブロード状（波長領域が広い）のもの（１５００℃）であり、その波長のガラスの内部透過率はほぼ１００％であるが、透過率は、表面粗さに左右される。
【0029】
一例として、ガラスの表面粗さと透過率（可視光）の関係を図３に示す。
このサンプルとして、合成石英層からなる透明層と、合成石英層からなる不透明層とから構成された、透明層の厚さ１０ｍｍ、不透明層の厚さ５ｍｍ、総厚さ１５ｍｍの矩形状のガラスを用いた。
そして、不透明層の表面粗さを種々変えて、波長５００ｎｍにおける、透過率を測定した。尚、透明層はルツボの内表面と同様に鏡面とし、表面粗さを変えていない。
このサンプルとして、合成石英層からなる透明層と、合成石英層からなる不透明層とから構成された、透明層の厚さ１０ｍｍ、不透明層の厚さ５ｍｍ、総厚さ１５ｍｍの矩形状のガラスを用いた。
そして、不透明層の表面粗さを種々変えて、波長５００ｎｍにおける、透過率を測定した。尚、透明層はルツボの内表面と同様に鏡面とし、表面粗さを変えていない。
【0030】
この実験の結果、表面粗さが大きくなるほど光が散乱し、透過率は低下することが判明した。特に、外表面粗さＲａが５μｍ以上である場合には、透過率が２５％減少することが分かった。
【0031】
そして更に、ルツボを用いた実験やシミュレーションの結果、外表面粗さＲａが５～１００μｍのルツボを融液面１４３３℃になるように加熱した場合、部分的に外表面粗さを変えることで、内表面温度の分布のばらつきを小さくし、内表面温度が最大にとなる部位の酸素溶存度を５％以上低減することが判明した。
尚、外表面粗さＲａが１００μｍを越えると、光の散乱の不均一さによる温度のばらつきが発生し、好ましくないことも判明した。
尚、外表面粗さＲａが１００μｍを越えると、光の散乱の不均一さによる温度のばらつきが発生し、好ましくないことも判明した。
【0032】
ここで、具体的にルツボの外表面粗さＲａについて説明すると、直胴部１ａの上部乃至中部領域（破線で囲む領域Ａｒ１）と、直胴部１ａ下部領域乃至Ｒ部１ｂ（破線で囲む領域Ａｒ２）と、底部１ｃ（破線で囲む領域Ａｒ３）の領域ごとに、外表面粗さＲａが設定される。
この直胴部１ａの上部乃至中部領域とは、ルツボ高さに対し開口部から２／５の部分を意味し、直胴部１ａ下部領域乃至Ｒ部１ｂとは開口部から３／５～４／５の部分を意味し、底部１ｃとは底部から１／５の部分を意味する。
この直胴部１ａの上部乃至中部領域とは、ルツボ高さに対し開口部から２／５の部分を意味し、直胴部１ａ下部領域乃至Ｒ部１ｂとは開口部から３／５～４／５の部分を意味し、底部１ｃとは底部から１／５の部分を意味する。
【0033】
例えば、直胴部１ａの上部乃至中部領域（領域Ａｒ１）の表面粗さＲａ（算術平均粗さ）は５～５０μｍの所定値に設定される。直胴部１ａ下部領域乃至Ｒ部１ｂ（領域Ａｒ２）での表面粗さＲａは３０～１００μｍの所定値に設定される。また、底部１ｃ（領域Ａｒ３）での表面粗さＲａは５～２０μｍの所定値に設定される。
【0034】
但し、いずれの表面粗さＲａの組み合わせにおいても、直胴部１ａ下部領域乃至Ｒ部１ｂでの表面粗さＲａが他の部位（直胴部１ａの上部乃至中部領域、底部１ｃ）よりも大きいものとされる。
これは、直胴部１ａ下部領域乃至Ｒ部１ｂにおける透過量を低減することによって輻射熱を抑制し、ルツボ内表面における温度分布を均一に近づけるためである。
これは、直胴部１ａ下部領域乃至Ｒ部１ｂにおける透過量を低減することによって輻射熱を抑制し、ルツボ内表面における温度分布を均一に近づけるためである。
【0035】
このようにルツボ外表面において、直胴部１ａ下部領域乃至Ｒ部１ｂでの表面粗さＲａを最も大きくすることにより、直胴部１ａ下部領域乃至Ｒ部１ｂにおける光（赤外線）の透過量が減少する。
その結果、ルツボ形状等に起因する、ルツボ内面における局所的な過度の加熱が抑制され、ルツボ高さ方向におけるルツボ内表面の温度分布のばらつきを小さくすることができる。またルツボ内表面における局所的な過度の溶解を抑え、シリコン融液中に溶存する酸素量を低減することができる。更に引き上げるシリコン単結晶中の格子間酸素濃度の変化を効果的に抑制することができる。
その結果、ルツボ形状等に起因する、ルツボ内面における局所的な過度の加熱が抑制され、ルツボ高さ方向におけるルツボ内表面の温度分布のばらつきを小さくすることができる。またルツボ内表面における局所的な過度の溶解を抑え、シリコン融液中に溶存する酸素量を低減することができる。更に引き上げるシリコン単結晶中の格子間酸素濃度の変化を効果的に抑制することができる。
【0036】
また、直胴部１ａの上部乃至中部領域（領域Ａｒ１）の表面粗さＲａ（算術平均粗さ）を５～５０μｍの所定値としたのは、５μｍ未満では表面粗さによる温度への影響が小さいために好ましくなく、５０μｍを超える場合には、表面粗さのばらつきの影響で温度が大きくばらつき、好ましくないためである。
また、直胴部１ａ下部領域乃至Ｒ部１ｂ（領域Ａｒ２）での表面粗さＲａを、３０～１００μｍの所定値としたのは、３０μｍ未満では、隣り合う領域Ａｒ１と領域Ａｒ３の影響により温度差がつきにくいため好ましくなく、１００μｍを超える場合には表面粗さのばらつきの影響で温度が大きくばらつき、好ましくないためである。
更に、底部１ｃ（領域Ａｒ３）での表面粗さＲａを、５～２０μｍの所定値としたのは、５μｍ未満では表面粗さによる温度への影響が小さいため好ましくなく、２０μｍを超える場合には表面粗さのばらつきの影響で温度が大きくばらつき、好ましくないためである。
また、直胴部１ａ下部領域乃至Ｒ部１ｂ（領域Ａｒ２）での表面粗さＲａを、３０～１００μｍの所定値としたのは、３０μｍ未満では、隣り合う領域Ａｒ１と領域Ａｒ３の影響により温度差がつきにくいため好ましくなく、１００μｍを超える場合には表面粗さのばらつきの影響で温度が大きくばらつき、好ましくないためである。
更に、底部１ｃ（領域Ａｒ３）での表面粗さＲａを、５～２０μｍの所定値としたのは、５μｍ未満では表面粗さによる温度への影響が小さいため好ましくなく、２０μｍを超える場合には表面粗さのばらつきの影響で温度が大きくばらつき、好ましくないためである。
【0037】
続いて、前記石英ガラスルツボ１の製造方法について説明する。
図２は、本発明に係る石英ガラスルツボの製造方法を適用可能な石英ガラスルツボ製造装置の断面図である。
図２に示す石英ガラスルツボ製造装置１０のルツボ成形用型１１は、高純化処理した多孔質カーボン型で構成されている内側部材１２と、前記内側部材１２を保持する保持体１３と、前記内側部材１２の外周面と前記保持体１３の内周面との間に設けられた通気部１４とから構成されている。
図２は、本発明に係る石英ガラスルツボの製造方法を適用可能な石英ガラスルツボ製造装置の断面図である。
図２に示す石英ガラスルツボ製造装置１０のルツボ成形用型１１は、高純化処理した多孔質カーボン型で構成されている内側部材１２と、前記内側部材１２を保持する保持体１３と、前記内側部材１２の外周面と前記保持体１３の内周面との間に設けられた通気部１４とから構成されている。
【0038】
保持体１３の下部には、図示しない回転手段と連結されている回転軸１５が固着され、ルツボ成形用型１１を回転可能に支持している。通気部１４は、保持体１３の下部に設けられた開口部１６を介して、回転軸１５の中央に設けられた排気口１７と連結されている。この排気口１７は減圧機構１８と連結されている。
【0039】
また、ルツボ成形用型１１の上方には、天然石英原料粉末を供給するための原料供給ノズル１９と、合成石英原料粉末を供給するための原料供給ノズル２０とが配置されている。
また、内側部材１２に対向する上部にはアーク放電により加熱溶融を行うための例えば３本のカーボン電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃが設けられている。
また、内側部材１２に対向する上部にはアーク放電により加熱溶融を行うための例えば３本のカーボン電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃが設けられている。
【0040】
前記カーボン電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃは、粒子がコークスなどの原料、例えば石炭系ピッチコークス、およびコールタールピッチなどの結合材、例えば石炭系コールタールピッチを炭化した混練物を用いて、全体的に円柱形状であり、先端部が先細の形状に形成されたものである。
【0041】
このように構成された石英ガラスルツボ製造装置１０においては、減圧機構１８の作動により内側部材１２内を減圧しながら、図示しない回転駆動源を稼働させて回転軸１５を回転させ、ルツボ成形用型１１を回転させる。
次いで、ルツボ成形用型１１内に原料供給ノズル１９より天然石英原料粉末を供給する。供給された天然石英原料粉末は、遠心力によってルツボ成形用型１１の内側部材１２に押圧され、天然石英粉末層３Ａが形成される。
次いで、ルツボ成形用型１１内に原料供給ノズル１９より天然石英原料粉末を供給する。供給された天然石英原料粉末は、遠心力によってルツボ成形用型１１の内側部材１２に押圧され、天然石英粉末層３Ａが形成される。
【0042】
次いで、前記天然石英粉末層３Ａの上に、原料供給ノズル２０より合成石英原料粉末を供給する。供給された合成石英原料粉末は、天然石英粉末層３Ａに対し押圧され、合成石英粉末層２Ａが形成される。
このようにして、内層側に合成石英粉末層２Ａが形成され、外側層に天然石英粉末層３Ａが形成されたルツボ成形体１Ａが得られる。
このようにして、内層側に合成石英粉末層２Ａが形成され、外側層に天然石英粉末層３Ａが形成されたルツボ成形体１Ａが得られる。
【0043】
続いて、３本のカーボン電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃを、図２に示した石英ガラスルツボ製造装置１０にセットし、カーボン電極２１ａ、２１ｂ、２１ｃに通電してルツボ成形体１Ａの内側からアーク放電により加熱し、ルツボ成形体１Ａの内表面から外表面にかけて溶融する。
その後、冷却することにより、内面側には実質的に無気泡化状態で酸素過剰欠陥が抑制された透明石英ガラス層２が形成され、外表側には多数の気泡が存在する不透明石英ガラス層３が形成された石英ガラスルツボが得られる。
その後、冷却することにより、内面側には実質的に無気泡化状態で酸素過剰欠陥が抑制された透明石英ガラス層２が形成され、外表側には多数の気泡が存在する不透明石英ガラス層３が形成された石英ガラスルツボが得られる。
【0044】
更に得られた石英ガラスルツボの外表面を部分的あるいは全体を研磨し、外表面を所定の表面粗さにする研磨処理を行う。
具体的には、前記不透明外層の前記直胴部の上部乃至中部領域における外表面粗さＲａが、５μｍ以上５０μｍ以下であり、前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部における外表面粗さＲａが、３０μｍ以上１００μｍ以下であり、前記底部における外表面粗さＲａが、５μｍ以上２０μｍ以下となるように、サンドブラストまたはフッ化水素酸溶液によるエッチング等を用いて粗面化処理される。
尚、前記したように、いずれの表面粗さＲａの組み合わせにおいても、直胴部１ａ下部領域乃至Ｒ部１ｂでの表面粗さＲａが他の部位（直胴部１ａの上部乃至中部領域、底部１ｃ）よりも大きいものとされる。
具体的には、前記不透明外層の前記直胴部の上部乃至中部領域における外表面粗さＲａが、５μｍ以上５０μｍ以下であり、前記直胴部の下部領域乃至前記Ｒ部における外表面粗さＲａが、３０μｍ以上１００μｍ以下であり、前記底部における外表面粗さＲａが、５μｍ以上２０μｍ以下となるように、サンドブラストまたはフッ化水素酸溶液によるエッチング等を用いて粗面化処理される。
尚、前記したように、いずれの表面粗さＲａの組み合わせにおいても、直胴部１ａ下部領域乃至Ｒ部１ｂでの表面粗さＲａが他の部位（直胴部１ａの上部乃至中部領域、底部１ｃ）よりも大きいものとされる。
【0045】
例えば、直胴部１ａの上部乃至中部領域の表面粗さＲａが５０μｍ、直胴部１ａの下部領域乃至Ｒ部１ｂの表面粗さＲａは１００μｍ、底部１ｃの表面粗さＲａは２０μｍになるように研磨される。
【0046】
このように本発明に係る実施の形態によれば、ルツボ高さ方向において光（赤外線波長）に対する透過量のばらつきを持たせることで、ルツボ内表面の温度分布を均一に近づけることができる。
即ち、ルツボ内表面における局所的な過度の加熱が抑制され、シリコン単結晶引き上げに伴うルツボ内表面からの溶解量を抑え、シリコン融液中に溶存する酸素量を低減することができる。また、引き上げるシリコン単結晶中の格子間酸素濃度の変化を効果的に抑制することができる。
即ち、ルツボ内表面における局所的な過度の加熱が抑制され、シリコン単結晶引き上げに伴うルツボ内表面からの溶解量を抑え、シリコン融液中に溶存する酸素量を低減することができる。また、引き上げるシリコン単結晶中の格子間酸素濃度の変化を効果的に抑制することができる。
【実施例】
【0047】
本発明に係る石英ガラスルツボ、及びその製造方法について、実施例に基づきさらに説明する。
【0048】
本実施例では、図４に模式的に示す単結晶引上装置の構成において、図示する高さ範囲（シリコン融液の底部からシリコン融液面まで：０～３００ｍｍ）における高さ方向のルツボ内表面の温度を測定した。
実施例１では、ルツボ外径８１０ｍｍ、高さ４５０ｍｍ、肉厚１５ｍｍ、厚さ方向の透明層（内側の層）と不透明層（外側の層）との割合は２：１、嵩密度は、２．２ｇ／ｃｍ３の石英ガラスルツボ１を用いた。
実施例１では、ルツボ外径８１０ｍｍ、高さ４５０ｍｍ、肉厚１５ｍｍ、厚さ方向の透明層（内側の層）と不透明層（外側の層）との割合は２：１、嵩密度は、２．２ｇ／ｃｍ３の石英ガラスルツボ１を用いた。
【0049】
また、図４に示すルツボの高さ方向の範囲（０ｍｍ～３００ｍｍ）のうち、１５０ｍｍ～３００ｍｍの範囲を直胴部の上部乃至中部領域、０ｍｍ（ルツボ内表面の底部）～１５０ｍｍの範囲を直胴部の下部領域乃至Ｒ部とした。また、ルツボ底部外表面の中心からＲ部までに達するまでを半径とする円領域を底部（領域）と規定した。
【0050】
この実施例１においては、直胴部の上部乃至中部領域の表面粗さＲａを５μｍ、直胴部の下部領域乃至Ｒ部の表面粗さＲａを３０μｍ、底部の表面粗さＲａを５μｍとした。
そして、ヒータ加熱により溶融液面Ｍａの温度を１４３３℃に維持し、ルツボ底部からの高さ０ｍｍ～３００ｍｍにおけるルツボ内表面温度を測定した。
更に、シリコン融液への酸素溶存度を下記式（１）より求めた。
シリコン融液への酸素溶存度Ｃｓ＝４×１０２３exp（－２×１０４／Ｔ）・・・（１）
そして、ヒータ加熱により溶融液面Ｍａの温度を１４３３℃に維持し、ルツボ底部からの高さ０ｍｍ～３００ｍｍにおけるルツボ内表面温度を測定した。
更に、シリコン融液への酸素溶存度を下記式（１）より求めた。
シリコン融液への酸素溶存度Ｃｓ＝４×１０２３exp（－２×１０４／Ｔ）・・・（１）
【0051】
実施例２では、外表面における直胴部の上部乃至中部領域の表面粗さＲａを２０μｍ、直胴部の下部領域乃至Ｒ部の表面粗さＲａを５０μｍ、底部の表面粗さＲａを１０μｍとした。
その他の条件は、実施例１と同じである。
その他の条件は、実施例１と同じである。
【0052】
実施例３では、外表面における直胴部の上部乃至中部領域の表面粗さＲａを５０μｍ、直胴部の下部領域乃至Ｒ部の表面粗さＲａを１００μｍ、底部の表面粗さＲａを２０μｍとした。
その他の条件は、実施例１と同じである。
その他の条件は、実施例１と同じである。
【0053】
比較例１では、外表面（直胴部とＲ部と底部）の表面粗さＲａを全て５μｍとし、比較例２では、外表面の表面粗さＲａを全て５０μｍとし、比較例３では、外表面の表面粗さＲａを全て１００μｍとした。
その他の条件は、実施例１と同じである。
その他の条件は、実施例１と同じである。
【0054】
実施例１～３、及び比較例１～５の結果を表１、及び図５、図６のグラフに示す。
尚、表１において、酸素溶存度の変化量（％）とは、比較例１に対する変化量の割合である。
また、図５は、実施例１～３の結果を示すグラフであり、図６は、比較例１～５の結果を示すグラフである。図５、図６のグラフにおいて、縦軸はルツボ高さ（ｍｍ）であり、横軸はルツボ内表面温度（℃）である。
尚、表１において、酸素溶存度の変化量（％）とは、比較例１に対する変化量の割合である。
また、図５は、実施例１～３の結果を示すグラフであり、図６は、比較例１～５の結果を示すグラフである。図５、図６のグラフにおいて、縦軸はルツボ高さ（ｍｍ）であり、横軸はルツボ内表面温度（℃）である。
【0055】
【表1】
【0056】
表１に示すように実施例１～３では、直胴部の下部領域乃至Ｒ部における外表面粗さＲａの値を、その他の部位（直胴部の上部乃至中部領域、底部）よりも２倍以上となるよう設定したが、外表面粗さＲａの値が変化しない比較例１～３に比べてシリコン融液への酸素溶存度を小さく抑えることができた。酸素溶存度の変化量は、－６％～－８％となり、酸素溶存度を大きく低減することができた。
【0057】
また、図５のグラフに示すように実施例１～３では、ルツボ高さによって変化するルツボ内表面温度を小さく抑えることができた。一方、図６のグラフに示すように比較例１～５では、ルツボ高さによってルツボ内表面温度が大きく変化した。特に比較例１～３では、いずれも高さ２００ｍｍをピークに内表面温度が高く、実施例１～３のように直胴部の下部領域～Ｒ部の表面粗さＲａを最も荒くすることにより、前記高さ２００ｍｍの位置をピークとする局所的なルツボ内表面温度を効果的に低減することができた。
【0058】
以上の実施例の結果、不透明外層の直胴部の上部乃至中部領域における外表面粗さＲａが、５μｍ以上５０μｍ以下であり、直胴部の下部領域乃至Ｒ部における外表面粗さＲａが、３０μｍ以上１００μｍ以下であり、底部における外表面粗さＲａが、５μｍ以上２０μｍ以下の条件下において本発明による作用効果を確認することができた。
【符号の説明】
【0059】
１ 石英ガラスルツボ
１ａ 直胴部
１ｂ Ｒ部
１ｃ 底部
２ 透明内層
３ 不透明外層
１０ 石英ガラスルツボ製造装置
１１ ルツボ成形用型
１２ 内側部材
１３ 保持体
１４ 通気部
１５ 回転軸
１６ 開口部
１７ 排気口
１８ 減圧機構
１９ 原料供給ノズル
２０ 原料供給ノズル
２１ａ カーボン電極
２１ｂ カーボン電極
２１ｃ カーボン電極
１ａ 直胴部
１ｂ Ｒ部
１ｃ 底部
２ 透明内層
３ 不透明外層
１０ 石英ガラスルツボ製造装置
１１ ルツボ成形用型
１２ 内側部材
１３ 保持体
１４ 通気部
１５ 回転軸
１６ 開口部
１７ 排気口
１８ 減圧機構
１９ 原料供給ノズル
２０ 原料供給ノズル
２１ａ カーボン電極
２１ｂ カーボン電極
２１ｃ カーボン電極
【図1】
【図2】
【図3】
【図4】
【図5】
【図6】
【図7】