るつぼ（ルツボ・坩堝）とは

るつぼとは、物質を高温で溶かすための耐熱容器で、半導体分野ではCZ法でシリコンを約1,414℃で溶かしておく石英ガラス製の容器を指します。内面が融液にわずかに溶け出すため、CZシリコンに10〜18ppma程度の酸素が入る原因にもなっています。内面の気泡や剥離片は結晶の有転位化を招くため、合成石英の透明な内層を持つ2層構造が使われ、原則1回の育成ごとに交換される消耗品です。

CZ シリコンに含まれる酸素の出どころは、石英るつぼそのものです。融液に接するるつぼの内面では、次の反応がゆっくり進みます。

SiO₂（るつぼ） + Si（融液） → 2SiO

溶け出した酸素は融液の対流に乗って運ばれ、大部分は融液の自由表面から SiO ガスとして蒸発します。 炉内に上から流すアルゴンガスは、この SiO を排気へ運び去る役割を持ちます。 SiO が炉内の低温部で凝縮して粉になり、融液に落ちると結晶の有転位化を招くためです。 蒸発しきらずに成長界面へ届いた酸素の一部が結晶に取り込まれ、格子間酸素になります。

結晶中の酸素濃度は、次のような条件で動きます。

酸素は「少ないほどよい」わけではありません。適度な酸素はゲッタリングやウェハの強度に役立つため、用途ごとに狙いの濃度が決められます。

結晶が固まるとき、ドーパントは融液側に残りやすい性質を持ちます。結晶に取り込まれる濃度と融液中の濃度の比を偏析係数 k と呼び、 シリコン中のボロンで約0.8、リンで約0.35です。k が1より小さい不純物は育成が進むほど融液に濃縮されるため、 るつぼに仕込んだ原料から引き上げ続ける限り、インゴットの後ろ（尾部）ほどドーパント濃度が高くなります。

C_s = k · C₀ · (1 − g)^{k − 1}

C₀ は仕込み時の融液中の濃度、g は固化率（融液のうち結晶になった割合）です。 結晶の頭（g = 0）を1としたときの相対濃度は次のとおりです。

リンをドープした n 型結晶では、固化率 0.8 の位置でドーパント濃度が頭の約2.9倍になり、抵抗率はおおよそその逆数まで下がります。 ボロンの p 型結晶に比べて、抵抗率の仕様に収まる長さが短くなりやすいのはこのためです。 導電率がキャリア濃度に比例するという電気伝導の基本式が、 るつぼの中の物質収支を通じて結晶の歩留まりにつながっています。引き上げ後に原料を足すリチャージは、この濃縮を仕切り直す手段でもあります。

融液が完全に混合されると仮定した式（シャイルの式）です。実際の偏析係数は引き上げ速度や融液の流れによって変わります。

内面の気泡

石英ガラス中の気泡は、高温・減圧の炉内で膨張し、融液側に破れると石英の微小な破片を放出します。 この破片が成長界面に達すると結晶に転位が入り、以降の部分は単結晶として使えなくなります。 融液に接する内層を気泡のない透明層にするのは、この不良を防ぐためです。

失透と剥離

長時間の高温にさらされた石英の内面では、ガラスが部分的に結晶（クリストバライト）に変わる失透が起こります。 茶色の斑点として現れ、これが剥がれて融液に落ちると、やはり有転位化の原因になります。 内面をむしろ均一に結晶化させて剥がれにくくするため、結晶化を促す成分（バリウムなど）を内面に塗布したるつぼも使われています。

変形

石英は高温で粘性が下がり、自重と融液の重さで変形しやすくなります。黒鉛製のサセプタで外側から支えるのはこのためで、 育成時間が長くなるほど変形への耐性が問われます。

るつぼの材質は、溶かす材料と反応しにくく、不純物を持ち込まないことを基準に選ばれます。 金属汚染を嫌う点では、拡散炉などで使われる石英部品と同じ考え方です。

SiC のPVT法では、黒鉛るつぼの中で原料粉末を昇華させ、上部の種結晶に再結晶させます。 融液を保持する容器というより、昇華と再結晶の温度差を作る反応容器としての役割が大きい点が、CZ法のるつぼとの違いです。 反対にFZ法はるつぼを使わずに溶融帯を移動させる方式で、酸素をほとんど含まない結晶が得られます。

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