適于單晶硅提拉用石英玻璃坩堝的制造的石英粉的評(píng)估方法
【技術(shù)領(lǐng)域】
[0001] 本發(fā)明涉及一種適于單晶硅提拉用石英玻璃坩堝的制造的石英粉的評(píng)估方法。
【背景技術(shù)】
[0002] 基于切克勞斯基法的單晶硅是使用石英玻璃坩堝制造。使高純度的多晶硅熔融 而得到硅熔液，使晶種的端部接觸該硅熔液表面，通過(guò)一邊使之旋轉(zhuǎn)一邊提拉，而制造單 晶硅。為了將使硅熔液接觸單晶的硅熔液面中心部分的固液界面保持在作為硅的熔點(diǎn)的 1420°C附近，石英玻璃坩堝的溫度達(dá)到約1450~1600°C這樣的高溫。在有時(shí)花費(fèi)2周以上 的單晶硅提拉中，石英玻璃坩堝的緣部的沉入變形量有時(shí)會(huì)達(dá)到5cm以上。
[0003] 石英玻璃坩堝的尺寸有直徑為28英寸（約71cm)、32英寸（約81cm)、36英寸（約 91cm)、40英寸（約IOlcm)等尺寸。直徑IOlcm的坩堝是重量約為120kg的巨大的坩堝，收 容于其中的硅熔液的質(zhì)量為900kg以上。也就是說(shuō)，在單晶硅的提拉時(shí)，要將900kg以上的 約1500°C的硅熔液收容于坩堝中。
[0004] 此種石英玻璃纟甘堝可以適用于直徑200~450mm(例如200mm、300mm、450mm)且長(zhǎng) 度為Im到5m以上的大型的單晶娃徒的制造中。由此種大型徒材制造的單晶娃晶片可以適 用于閃速存儲(chǔ)器或DRAM的制造中。
[0005] 半導(dǎo)體的制造中所用的硅晶片可以通過(guò)對(duì)單晶硅進(jìn)行切割而得到。伴隨著近年的 半導(dǎo)體設(shè)備的高集成度化，要求減少硅晶片的表面中的空洞（void)缺陷。
[0006] 已知可以通過(guò)對(duì)晶片表層部進(jìn)行蝕刻處理而除去空洞缺陷，然而由于蝕刻工序要 花費(fèi)時(shí)間和費(fèi)用，因此從電子學(xué)領(lǐng)域考慮希望制造出不存在空洞缺陷的單晶硅。
[0007] 為了制造沒(méi)有空洞缺陷的單晶硅，已知有各種各樣的方法。其中之一是減少單晶 硅提拉用石英玻璃坩堝的透明層的氣泡的方法。單晶硅提拉用石英玻璃坩堝是使用粉體的 石英制造。根據(jù)旋轉(zhuǎn)模具法，石英玻璃坩堝可以利用（1)向旋轉(zhuǎn)模具中堆積石英粉、（2)利 用電弧放電使石英粉熔融的工序來(lái)制造。單晶硅中的氣泡的混入被認(rèn)為是空洞缺陷的一個(gè) 原因。由此，出于避免氣泡向單晶硅中的混入的目的，由不存在氣泡的層來(lái)形成石英玻璃坩 堝的透明層。
[0008] 為了制造具備透明層、即實(shí)質(zhì)上的無(wú)氣泡層的石英玻璃坩堝，已知有使用了可以 從模具內(nèi)部抽吸氣體成分的旋轉(zhuǎn)模具的石英玻璃坩堝的制造方法。具體而言，是在模具內(nèi) 面堆積石英粉后一邊利用抽吸裝置抽吸氣體成分一邊進(jìn)行電弧熔融的方法（專(zhuān)利文獻(xiàn)1)。 另外，在專(zhuān)利文獻(xiàn)2中，記載有判定石英玻璃原料的氣泡的產(chǎn)生要因的有無(wú)的方法。 現(xiàn)有技術(shù)文獻(xiàn) 專(zhuān)利文獻(xiàn) 專(zhuān)利文獻(xiàn)1 :日本特開(kāi)2010 - 143818 專(zhuān)利文獻(xiàn)2 :日本特開(kāi)2009 - 007211

【發(fā)明內(nèi)容】
發(fā)明要解決的課題
[0010] 但是，即使是專(zhuān)利文獻(xiàn)1的方法，也有產(chǎn)生無(wú)氣泡層的情況和沒(méi)有產(chǎn)生的情況，難 以使品質(zhì)穩(wěn)定。
[0011] 由于品質(zhì)不穩(wěn)定的理由迄今為止尚不清楚，因此如果不制造出石英玻璃坩堝，就 無(wú)法知道品質(zhì)的優(yōu)劣。
[0012] 本發(fā)明鑒于此種情況，提供一種可以穩(wěn)定地制造具備無(wú)氣泡層的石英玻璃坩堝的 石英粉的評(píng)估方法。 用于解決問(wèn)題的方法
[0013] 為了解決上述問(wèn)題，本發(fā)明提供如下所示的評(píng)估方法。即，提供一種適于單晶硅提 拉（pulling of silicon single crystal)用石英玻璃土甘堝（vitreous silica crucible) 的無(wú)氣泡層（bubble layer)的形成的石英粉的評(píng)估方法，具有：測(cè)量石英粉中的石英粒子 間的間隙率的工序、將所述石英粉熔融的工序、測(cè)量將熔融石英粉冷卻以使之固化而得的 石英玻璃塊的氣泡含有率的工序、以及根據(jù)所述石英粉的間隙率和所述石英玻璃塊的氣泡 含有率來(lái)判定是否是合適的石英粉的工序。
[0014] 對(duì)于是否是適合于石英玻璃坩堝的無(wú)氣泡層的形成的石英粉的評(píng)估，可以通過(guò)試 驗(yàn)性地制造石英玻璃坩堝來(lái)進(jìn)行。但是，由于在石英玻璃坩堝的制造中過(guò)于花費(fèi)時(shí)間和費(fèi) 用，因此一般而言是測(cè)量將石英粉末熔融而制成的石英塊的氣泡含有率，進(jìn)行合適的石英 粉的評(píng)估（專(zhuān)利文獻(xiàn)2)(以下稱(chēng)作以往的評(píng)估方法）。以往的評(píng)估方法一般為如下的方法， 即，向耐熱性容器供給石英粉，在真空氣氛下使石英粉熔融，此后，測(cè)量石英粉熔融而固化 后的石英塊中的氣泡的含有率。但是，利用該方法評(píng)估為合適的石英粉利用使用氫氧火焰 熔化的Verneuil法C來(lái)制造石英玻璃，然而即使是用在利用電弧熔化進(jìn)行的石英玻璃坩 堝的制造中，也不一定可以獲得良好的結(jié)果。該方法中，由于在石英玻璃中含有來(lái)自氫氧燃 燒器的作為燃燒氣體的水蒸氣，因此在用于單晶硅提拉中時(shí)會(huì)成為產(chǎn)生氣泡的原因。
[0015] 本發(fā)明人等對(duì)可以得到氣泡含有率（bubble content rate)低的石英玻璃塊的石 英粉進(jìn)行了分析。其結(jié)果是最初得到如下的結(jié)果，即，石英粉的平均粒徑與石英玻璃塊的氣 泡含有率具有相關(guān)性。但是，顯而易見(jiàn)，隨著石英粉不同，盡管是相同的平均粒徑，石英玻璃 塊的氣泡含有率也有低有高，在結(jié)果中產(chǎn)生波動(dòng)。具體地分析后，顯而易見(jiàn)，在結(jié)果中存在 有波動(dòng)的石英粉的熔融前的石英粒子的間隙率不同。即，如果粒子的形狀不同，則即使平均 的粒徑相同，填充的方式（被填充的狀態(tài)）也會(huì)改變。
[0016] 基于此種令人驚奇的發(fā)現(xiàn)，本發(fā)明人等得到如下的結(jié)論，即，如果只是單純地測(cè)量 熔融后的石英玻璃塊中的氣泡含有率，則無(wú)法評(píng)估是否是合適的石英粉。也就是說(shuō)，結(jié)論是 不僅需要考慮熔融后的石英玻璃塊的氣泡含有率，還需要考慮熔融前的石英粉的間隙。本 發(fā)明人等進(jìn)一步反復(fù)進(jìn)行了深入研究，結(jié)果發(fā)現(xiàn)，相對(duì)于石英粒子間的間隙率而言石英玻 璃塊的氣泡含有率為規(guī)定值的范圍內(nèi)的石英粉適于形成單晶硅提拉用石英玻璃坩堝的無(wú) 氣泡層，從而完成了本發(fā)明。通過(guò)使用本發(fā)明的評(píng)估方法，就可以事先識(shí)別出在透明層中沒(méi) 有產(chǎn)生氣泡的石英粉。
【附圖說(shuō)明】
[0017] 圖1是表示出物鏡10在堆積了的石英粉的表面11上掃描的樣子的示意圖。
[0018] 圖2是耐熱性容器內(nèi)的石英粉的概念圖。斜線部表示石英粒子，白色部表示間隙。
[0019] 圖3是耐熱性容器內(nèi)的熔融了的石英玻璃塊的概念圖。斜線部表示石英，白色部 表示間隙。
[0020] 圖4是確認(rèn)使用合成石英粉制成的石英玻璃坩堝的透明層的氣泡的方法的概念 圖。 主要元件符號(hào)說(shuō)明

【具體實(shí)施方式】
[0021] 本發(fā)明的實(shí)施方式的評(píng)估方法是適合于單晶娃提拉（pulling of silicon single crystal)用石英玻璃謝堝（vitreous silica crucible)的無(wú)氣泡層（bubble layer)的形 成的石英粉的評(píng)估方法，具有：測(cè)量石英粉中的石英粒子間的間隙率的工序、將所述石英粉 熔融的工序、測(cè)量將熔融石英粉冷卻以使之固化而得的石英玻璃塊的氣泡含有率（bubble content rate)的工序、以及根據(jù)所述石英粉的間隙率和所述石英玻璃塊的氣泡含有率 來(lái)判定是否是合適的石英粉的工序。而且，將在目視中為透明的石英玻璃層稱(chēng)作透明層 (transparent layer)，所謂無(wú)氣泡層，特指直徑20~100 μ m的氣泡的氣泡含有率為0· 1 以下的石英玻璃層。以下，對(duì)各構(gòu)成要素進(jìn)行詳細(xì)討論。
[0022] 1石英粉 本發(fā)明的石英粉是合成石英粉（synthetic silica powder)或天然石英粉。合成石 英粉是化學(xué)合成而得的石英，雜質(zhì)濃度非常低，因此被用于石英玻璃坩堝的內(nèi)面層中。合成 石英粉的制造方法沒(méi)有特別限定，然而可以舉出四氯化硅（SiCl 4)的氣相氧化（干式合成 法）、或硅醇鹽（Si(OR)4)的水解（溶膠凝膠法）。天然石英粉是將以α -石英作為主成分 的天然礦物粉碎成粉狀而制造的粉末。
[0023] 2石英玻璃坩堝 石英玻璃坩堝如下制造，即，向石英玻璃坩堝制造用旋轉(zhuǎn)模具中供給天然石英粉，再將 合成石英粉向天然石英粉上供給，利用電弧放電（arc discharge)的熱將石英粉熔融，由此 就制造出包含由合成石英粉形成的內(nèi)面層（合成層）和由天然石英粉形成的外面層（天然 層）的石英玻璃坩堝。在電弧熔融工序的初期通過(guò)將石英粉層強(qiáng)烈地減壓而除去氣泡，形 成透明石英玻璃層（透明層），其后，通過(guò)減弱減壓而形成殘留有氣泡的含有氣泡的石英玻 璃層（以下稱(chēng)作"氣泡含有層"。）。
[0024] 3評(píng)估方法 在大氣壓下，與利用旋轉(zhuǎn)模具法制造時(shí)相同地使石英粉自由落下而向耐熱性容器供 給。將從容器中暴露出的石英粉刮平而使觀察面平坦。通過(guò)如此操作就形成與利用旋轉(zhuǎn)模 具法填充石英粉相同的填充。耐熱性容器只要是可以耐受高溫下的使用的材料就沒(méi)有特別 限定，然而例如為陶瓷系復(fù)合材料或碳纖維強(qiáng)化碳復(fù)合材料（C/C Composite)。耐熱性容器 的尺寸沒(méi)有特別限定，然而例如可以設(shè)為縱10到50mm、橫10到50mm、高10到30mm，具體而 言，可以選擇縱30mm X橫40mm X高20mm的長(zhǎng)方體的容器。
[0025] 測(cè)量石英粉的間隙率。石英粒子間的間隙可以使用具備接收向石英粉照射的光的 反射光的受光裝置的光學(xué)檢測(cè)單元非接觸地測(cè)量。
[0026] 該光學(xué)檢測(cè)單元中的照射光的發(fā)光機(jī)構(gòu)既可以是內(nèi)置的機(jī)構(gòu)，另外也可以利用外 部的發(fā)光機(jī)構(gòu)。另外，光學(xué)檢測(cè)單元優(yōu)選使用可以沿著堆積在耐熱容器（heat resistant container)中的石英粉的表面（surface)掃描的機(jī)構(gòu)，例如可以例示出使用共焦點(diǎn)顯微鏡 來(lái)進(jìn)行。共焦點(diǎn)顯微鏡可以取得沒(méi)有模糊的像，因此優(yōu)選。作為照射光，除了可見(jiàn)光、紫外 線及紅外線以外，還可以利用激光等，只要是可以檢測(cè)出石英粒子間的間隙的照射光，采用 任意一種都可以。受光裝置可以根據(jù)照射光的種類(lèi)來(lái)選擇，例如可以使用包含受光透鏡及 影像部的光學(xué)照相機(jī)。為了檢測(cè)出石英粒子間的間隙，優(yōu)選僅接收在聚光點(diǎn)產(chǎn)生的光。為 了僅接收在聚光點(diǎn)產(chǎn)生的光，優(yōu)選在受光裝置中所包含的光檢測(cè)器的近前處具備針孔。焦 點(diǎn)距離沒(méi)有特別限定，然而優(yōu)選為從表面起0.1 mm~3mm的深度，例如為0. 3到I. 0mm。
[0027] 作為測(cè)量方法，如圖1所示，將光學(xué)檢測(cè)單元的物鏡（objective lens) 10非接觸 地配置在耐熱容器（heat resistant container) 12中的堆積了的石英粉的表面11，通過(guò)朝 向掃描方向（scanning direction) 13進(jìn)行掃描，而測(cè)量出石英粒子間的間隙。作為其他的 掃描方式，有樣品掃描方式和激光掃描方式。樣品掃描方式是將載放有樣品的載臺(tái)沿XY方 向驅(qū)動(dòng)而取得二維像的方式。激光掃描方式是通過(guò)沿XY方向投射激光而在