JP2000016895A

JP2000016895A - 黒鉛ルツボ

Info

Publication number: JP2000016895A
Application number: JP10185136A
Authority: JP
Inventors: Tomoaki Wakizaka; 朋昭脇阪
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 1998-06-30
Filing date: 1998-06-30
Publication date: 2000-01-18

Abstract

(57)【要約】【課題】石英ルツボ中のシリコン融液の対流制御性を向
上させて単結晶引上げの生産性を向上させ、かつ石英ル
ツボの長寿命化ができる黒鉛ルツボを提供する。【解決手段】黒鉛ルツボ１の部位によりルツボ構成部材
の熱伝導率を変え、石英ガラスルツボ１１の温度分布を
均一にした黒鉛ルツボ１である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、シリコン単結晶引
上げに用いられポリシリコン溶融用の石英ガラスルツボ
を保持する黒鉛ルツボに係わり、特に石英ガラスルツボ
の温度を均一にする黒鉛ルツボに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの基板に用いられるシリ
コン単結晶は、一般にチョクラルスキー法（ＣＺ法）で
製造されており、このＣＺ法は黒鉛ルツボ内に収納、保
持された石英ガラスルツボ内に原料のポリシリコンを装
填し、これを周囲から加熱して溶融し、上方から吊り下
げたシードをシリコン融液に接触してから引き上げるも
のである。

【０００３】一般にＣＺ法の単結晶引上装置は、炉本体
に収納されモータ駆動のルツボ回転軸に取付けられた等
方性黒鉛製ルツボに保持される石英ルツボを有する。

【０００４】さらに、炉本体には黒鉛ルツボを通して石
英ルツボを加熱し、石英ルツボに装填されたナゲット状
のポリシリコンを溶融しシリコン融液にするためのヒー
タが設けられている。また、石英ルツボの上方には、引
き上げ用ワイヤーの先端に取り付けられたシードが設け
られている。

【０００５】しかし、従来の単結晶引上装置において、
シリコンが装填された石英ルツボを黒鉛ルツボ全体が同
一部材でかつ同一の高熱伝導率を有する黒鉛製の黒鉛ル
ツボで収納保持し、この黒鉛ルツボを囲繞する円筒状の
発熱ヒーターからの輻射で黒鉛ルツボと石英ルツボを加
熱し、石英ルツボのシリコン融液表面から熱を逃がす構
造になっている。

【０００６】このため、シリコン融液を収容する石英ル
ツボは、温度分布が均一ではなく融液面よりも下方に温
度のピークを持つ温度分布になっていた。

【０００７】このように石英ルツボの温度分布が不均一
であるため、融液の対流は複雑化し、単結晶引上げの制
御を難しくしており、単結晶引上げの生産性が上がらな
い原因にもなっている。

【０００８】また、石英ルツボの円弧部およびこの円弧
部から連なる直胴下部で構成され、シリコンの重量がか
かる石英ルツボ下部近傍が温度のピークになっているこ
と、および大口径シリコン単結晶引上げでは、石英ルツ
ボの温度も高温化していることなどから、この石英ルツ
ボの特定部位への応力の集中および高温化により石英ル
ツボの劣化を早めるという問題が発生している。

【０００９】従来、黒鉛ルツボ自身の構造を改良するも
のとして、次に述べるような例が開示されている。

【００１０】黒鉛ルツボの強度特性を向上させるため、
黒鉛ルツボを分割し、さらに黒鉛ルツボの外周面、内周
面に所定深さの溝を形成し、ルツボに生じる歪と熱応力
を緩和した黒鉛ルツボが、特開昭６４−７６９９３号公
報および特開平１−２３４４０号公報に開示されてい
る。しかし、これら黒鉛ルツボはルツボの強度を向上さ
せるためのもので、石英ルツボの温度の均一化を図るも
のではない。

【００１１】さらに、黒鉛ルツボの外周に放熱部と吸熱
部を設け、シリコン融液面より上部においては放熱し下
部においては吸熱させる黒鉛ルツボが、特開昭５９−１
４０３９２号公報に開示されている。しかし、この黒鉛
ルツボは、石英ルツボの融液面より上方に対応する黒鉛
ルツボの上部の放熱を増大させるために黒鉛ルツボに外
周に溝を設け、また融液に対応する黒鉛ルツボの中間部
には吸熱を増大させるために黒鉛ルツボの外周に溝を設
けるものであり、石英ルツボの温度の均一化を図るもの
ではない。

【００１２】またさらに、黒鉛ルツボの構造を改良した
ものとして特開平９−２６３４９２号公報の黒鉛ルツボ
がある。この黒鉛ルツボは黒鉛ルツボの大型化に伴い、
強度を向上させるため、ルツボの内側に炭素繊維クロス
積層体または炭素繊維フェルト積層体を用いた炭素繊維
強化炭素材、外側にフィラメントワインデイング法によ
り成形した炭素繊維強化炭素材を用いた炭素繊維強化炭
素ルツボが開示されている。しかし、このルツボは強度
的考慮はなされているが、伝熱的考慮がなされていない
ため、石英ルツボの温度の均一化は実現されていない。

【００１３】また、黒鉛ルツボの使用強度と寿命の向上
を図るため、連続炭素繊維をルツボの直胴部の内周部に
水平方向に巻き付け、その他の部分は垂直に対し７０°
の角度をもって巻き付けた炭素繊維強化炭素ルツボが特
開平９−２９６６９９号公報に開示されている。しか
し、このルツボも使用強度と寿命の向上に対する考慮は
なされているが、石英ルツボの温度の均一化は実現され
ていない。

【００１４】

【発明が解決しようとする課題】このため、石英ルツボ
の温度を均一にし、シリコン融液の対流の制御が容易で
単結晶引上げの生産性が高く、石英ルツボ中のシリコン
融液の対流制御性を向上させて単結晶引上げの生産性を
向上させ、かつ石英ルツボの長寿命化ができる黒鉛ルツ
ボが要望されている。

【００１５】本発明は上述した事情を考慮してなされた
もので、石英ルツボの温度を均一にし、シリコン融液の
対流の制御が容易で単結晶引上げの生産性が高く、石英
ルツボ中のシリコン融液の対流制御性を向上させて単結
晶引上げの生産性を向上させ、かつ石英ルツボの長寿命
化ができる黒鉛ルツボ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】上記目的を達成するため
になされた本願請求項１の発明は、黒鉛ルツボを通して
ヒータにより加熱されるポリシリコン溶融用の石英ガラ
スルツボを保持する黒鉛ルツボにおいて、黒鉛ルツボを
軸方向に複数の直胴部位に区画可能な直胴部と、この直
胴部に連なるルツボ底部とで一体に構成し、黒鉛ルツボ
の部位に応じてルツボ部材構成部材の熱伝導率を変化さ
せ、石英ガラスルツボの温度分布が均一になるように、
ヒータから石英ルツボへの伝熱量を制御したことを特徴
とする黒鉛ルツボであることを要旨としている。

【００１６】本願請求項２の発明は、単結晶引上げ中に
石英ガラスルツボの温度が高い部位に接する黒鉛ルツボ
の部位には熱伝導率の小さいルツボ構成部材を用い、温
度が低い部位に接する黒鉛ルツボの部位には熱伝導率の
大きいルツボ構成部材を用いたことを特徴とする請求項
１に記載の黒鉛ルツボであることを要旨としている。

【００１７】本願請求項３の発明は、黒鉛ルツボの直胴
上部およびルツボ底部は熱伝導率が大きなルツボ構成部
材を用い、直胴下部と円弧部で構成されるルツボ下部に
は熱伝導率が小さなルツボ構成部材を用いたことを特徴
とする請求項２に記載の黒鉛ルツボであることを要旨と
している。

【００１８】本願請求項４の発明は、黒鉛ルツボの直胴
上部およびルツボ底部は冷間等方加圧製造の黒鉛を用
い、ルツボ下部には炭素繊維強化炭素複合材を用いたこ
とを特徴とする請求項２または３に記載の黒鉛ルツボで
あることを要旨としている。

【００１９】本願請求項５の発明は、大きな熱伝導率と
小さな熱伝導率の比が５倍以上であることを特徴とする
請求項２〜４いずれかに記載の黒鉛ルツボであることを
要旨としている。

【００２０】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係わるシリコン単
結晶引上げ用の黒鉛ルツボの実施の形態およびこの黒鉛
ルツボの実施状況について添付図面に基づき説明する。

【００２１】図１に示されるような本発明に係わる黒鉛
ルツボ１は、内径が例えば３０インチの黒鉛製で、ルツ
ボ底部２と、このルツボ底部２に連なるルツボ下部３
と、このルツボ下部３に連なる筒状あるいはスリーブ状
の直胴上部４を有する。

【００２２】前記ルツボ下部３はルツボ底部２から半径
方向外方に延び周方向に設けられた円弧状の円弧部５
と、この円弧部５に連なる筒状あるいはスリーブ状の直
胴下部６で構成され、この筒状あるいはスリーブ状の直
胴下部６を介してルツボ下部３は直胴上部４に連なって
いる。ルツボ底部２とルツボ下部６とで椀状に形成さ
れ、また、ルツボ下部３の直胴下部６と直胴上部４とで
直胴部７が構成されている。

【００２３】前記黒鉛ルツボ１は上記説明のように黒鉛
ルツボ１の軸方向に沿って複数の直胴部位に区画され
る。

【００２４】前記ルツボ底部２、直胴上部４は冷間等方
加圧成形された黒鉛で形成され、この黒鉛は熱伝導率１
２０〜２０Ｗ／Ｋ・ｍである。

【００２５】一方、前記ルツボ下部２を構成する円弧部
５および直胴下部６は炭素繊維クロス積層体よりなる黒
鉛で形成され、この黒鉛は熱伝導率４〜２０Ｗ／Ｋ・ｍ
である。

【００２６】従って、ルツボ底部２および直胴上部４の
熱伝導率はルツボ下部３の熱伝導率より数倍、例えば５
倍以上大きい。

【００２７】なお、石英ルツボ１２の形状に応じ、黒鉛
ルツボ１の形状を変化させ、例えば円弧部５の曲率半径
を小さくして黒鉛ルツボ１の形状をフラットにし、直胴
下部６を円弧部５の高さに比べ高くするなどしてもよ
い。

【００２８】本発明に係わるシリコン単結晶引上げ用の
黒鉛ルツボ１は以上のようなルツボ構造になっているか
ら、この黒鉛ルツボ１を用いてシリコン単結晶Ｉｇを引
上げるには、図２に示されるようなＣＺ法の単結晶引上
装置８を用いる。

【００２９】単結晶引上装置８は、炉本体９と、この炉
本体９の炉底部１０から炉本体９を貫通しモータ駆動さ
れるルツボ回転軸１１と、この回転軸１０に取付けられ
た前記黒鉛ルツボ１と、この黒鉛ルツボ１に収納された
石英ルツボ１２を有する。

【００３０】さらに、炉本体９には黒鉛ルツボ１に対向
し、この黒鉛ルツボ１の周りを覆うように円筒状のヒー
タ１３が設けられている。このヒータ１３は黒鉛ルツボ
１を通して、石英ルツボ１２を加熱し、石英ルツボ１２
に装填されたナゲット状のポリシリコン（図示せず）を
溶融しシリコン融液１４にするようになっている。

【００３１】一方、石英ルツボ１２の上方には、引上げ
用ワイヤー１４の先端に取り付けられたシード１６が設
けられている。

【００３２】本発明に係わる黒鉛ルツボ１が組み込まれ
た単結晶引上装置８を用いてシリコン単結晶Ｉｇを引上
げるには、ナゲット状のポリシリコンを石英ルツボ１２
に装填する。

【００３３】しかる後、ヒータ１３に通電を行い黒鉛ル
ツボ１を通して石英ルツボ１２を加熱してポリシリコン
の溶融を行う。ポリシリコンが溶融されたシリコン融液
１４のシリコン融液面１５にシード１６の先端を接触さ
せ、なじませた後引上げを開始する。

【００３４】なお、単結晶引上げ時、黒鉛ルツボ１は、
この黒鉛ルツボ１内部にはシリコン単結晶Ｉｇが成長す
るシリコン融液１４が入った石英ルツボ１２が収容され
ており、前記黒鉛ルツボ１の直胴上部６および石英ルツ
ボ１２の直胴上部１７に対応する位置にシリコン融液１
４の液面１５がくるように調整される。

【００３５】単結晶引上げ過程において、ヒータ１３か
らの熱は、黒鉛ルツボ１の直胴上部６、ルツボ下部５お
よび黒鉛ルツボ１のルツボ底部２を通って石英ルツボ１
２、シリコン融液１４に伝達される。このとき、ルツボ
底部２、直胴上部６を形成するルツボ構成部材である黒
鉛は、冷間等方加圧製造で高熱伝導率であるので、図３
に示すように従来通りの熱がヒータ１３から黒鉛ルツボ
１を介して石英ルツボ１２に伝達される。

【００３６】ただし、黒鉛ルツボ１の直胴上部６を通っ
て石英ルツボ１２に多くの熱が伝達されるが、融液面１
３から放熱されるので、石英ルツボ１２の直胴上部１７
の温度は石英ルツボ１２の他の部位ほど高温にはならな
い。

【００３７】一方、円弧部５および直胴下部６で構成さ
れるルツボ下部３は、伝導率が小さい炭素繊維クロス積
層体の黒鉛でルツボ構成部材が形成されており、ヒータ
１３から黒鉛ルツボ１を介して円弧部５および直胴下部
６に伝達される熱量は図３に示すように従来に比べて低
減される。

【００３８】なお、図３は本発明に係わる黒鉛ルツボ１
を用いて単結晶の引き上げ時、石英ルツボ１２とシリコ
ン融液１４との接触面における石英ルツボ１２の各部位
の温度分布を示すものである。Ｘ軸は石英ルツボ１２の
測定部位と黒鉛ルツボ部位の構成部材に関する説明であ
り、Ｙ軸は石英ルツボ１２の内壁面の温度である。

【００３９】また、実線は本発明に係わる黒鉛ルツボ１
を用いたときの石英ルツボ１２の各部位の温度を示すも
ので、点線は従来の黒鉛ルツボを用いたときの石英ルツ
ボの同一各部位の温度を示すものである。

【００４０】石英ルツボ１２の円弧部１７とこの円弧部
１７から連なる直胴下部１８近傍の温度が低減され、石
英ルツボ１２の温度が均一化していることがわかる。す
なわち、従来の黒鉛ルツボを用いたときの石英ルツボの
温度に比べ、本発明に係わる黒鉛ルツボ１を通して石英
ルツボ１２に伝達される熱量は制御され、石英ルツボ１
２の温度が均一化していることがわかる。

【００４１】石英ルツボの温度の均一化により、図１に
矢印で示されるようなシリコン融液１４の対流の制御が
向上し、単結晶引上げの生産性も向上する。

【００４２】また、シリコン融液１４の重量がかかる石
英ルツボ１２のルツボ下部１９近傍の温度が低く抑えら
れているので、石英ルツボ１２のルツボ下部１９近傍の
劣化、変形により石英ルツボの寿命を縮めることもな
い。

【００４３】

【発明の効果】本発明に係わる黒鉛ルツボは、黒鉛ルツ
ボの部位により熱伝導率を変え石英ガラスルツボの温度
分布を均一にし、シリコン融液の対流の制御を向上させ
て単結晶引上げの生産性を向上させ、さらに石英ルツボ
の劣化、変形を防止し、石英ルツボの長寿命化を図るこ
とができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係わる黒鉛ルツボの断面図。

【図２】本発明に係わる黒鉛ルツボを用いたシリコン単
結晶引上装置の概念図。

【図３】図１の黒鉛ルツボを用いて単結晶引上げを行っ
たときの石英ルツボの温度分布線図。

【符号の説明】

１黒鉛ルツボ２ルツボ底部３ルツボ下部４直胴上部５円弧部６直胴下部７直胴部８単結晶引上装置９炉本体１０炉底部１１ルツボ回転軸１２石英ルツボ１３ヒータ１４シリコン融液１５リード１６シード１７石英ルツボの直胴上部１８石英ルツボの円弧部１９石英ルツボの直胴下部２０石英ルツボのルツボ下部Ｉｇシリコン単結晶

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】黒鉛ルツボを通してヒータにより加熱さ
れるポリシリコン溶融用の石英ガラスルツボを保持する
黒鉛ルツボにおいて、黒鉛ルツボを軸方向に複数の直胴
部位に区画可能な直胴部と、この直胴部に連なるルツボ
底部とで一体に構成し、黒鉛ルツボの部位に応じてルツ
ボ部材構成部材の熱伝導率を変化させ、石英ガラスルツ
ボの温度分布が均一になるように、ヒータから石英ルツ
ボへの伝熱量を制御したことを特徴とする黒鉛ルツボ。
【請求項２】単結晶引上げ中に石英ガラスルツボの温
度が高い部位に接する黒鉛ルツボの部位には熱伝導率の
小さいルツボ構成部材を用い、温度が低い部位に接する
黒鉛ルツボの部位には熱伝導率の大きいルツボ構成部材
を用いたことを特徴とする請求項１に記載の黒鉛ルツ
ボ。
【請求項３】黒鉛ルツボの直胴上部およびルツボ底部
は熱伝導率が大きなルツボ構成部材を用い、直胴下部と
円弧部で構成されるルツボ下部には熱伝導率が小さなル
ツボ構成部材を用いたことを特徴とする請求項２に記載
の黒鉛ルツボ。
【請求項４】黒鉛ルツボの直胴上部およびルツボ底部
は冷間等方加圧製造の黒鉛を用い、ルツボ下部には炭素
繊維強化炭素複合材を用いたことを特徴とする請求項２
または３に記載の黒鉛ルツボ。
【請求項５】各ルツボ構成部材の大きな熱伝導率と小
さな熱伝導率の比が５倍以上であることを特徴とする請
求項２〜４いずれかに記載の黒鉛ルツボ。