JP2008222455A - シリコン単結晶引上用ルツボ - Google Patents

Abstract

【課題】耐久性に優れ、かつ、シリコン単結晶引上装置に容易に据え付け可能なシリコン単結晶引上用ルツボを提供すること。
【解決手段】本発明に係るシリコン単結晶引上用ルツボ１０は、シリコン材料を収納するための石英ガラスルツボ１１と、石英ガラスルツボの底面及び外周面を囲み、軸方向に２以上に分割された黒鉛ルツボ１２とを備える。黒鉛ルツボ１２を構成する各分割片１２ａ，１２ｂの分割面には、分割面の形状に沿って縦方向に溝部が設けられている。溝部同士を合わせることにより形成される空間部には、弾性部材１４が収容されている。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョクラルスキー法等によってシリコン単結晶を製造する際に用いられるシリコン単結晶引上用ルツボに関する。

従来、シリコン単結晶の作製には、チョクラルスキー法（以下、ＣＺ法）が広く用いられている。このＣＺ法で使用するシリコン単結晶製造装置６０の一例を図６に示す。図６に示すように、シリコン単結晶製造装置６０は、チャンバー６６内に、多結晶シリコン原料を収納する石英ガラス製のルツボ６１（以下、「石英ガラスルツボ」という。）と、多結晶シリコン材料を加熱溶融してシリコン融液６５とするヒータ６３とを備えている。ＣＺ法は、石英ガラスルツボ６１に貯められているシリコン融液６５に種子結晶を浸し、石英ガラスルツボ６１を回転させつつ種子結晶を徐々に引き上げていくことによって、種子結晶を核としてその周囲にシリコン単結晶を成長させ、円柱状のシリコン単結晶６８を得る方法である。

通常、石英ガラスルツボ６１の形状保持及びシリコン融液６５の重量の保持のため、石英ガラスルツボ６１の外周面の大部分は、黒鉛製のルツボ６２（以下、「黒鉛ルツボ」という。）で覆われている。この黒鉛ルツボとしては、あらかじめ黒鉛ルツボに軸方向に切断加工を施し、２つ以上の分割片から形成したものが知られている（例えば、特許文献１参照。）。このように黒鉛ルツボを複数の分割片から構成することにより、黒鉛と石英ガラスとの熱膨張率の違いによる亀裂や割れを防止することができる。

しかし、黒鉛ルツボを複数の分割片により作成すると、繰り返し黒鉛ルツボを使用していくうちに分割片同士の間に隙間が生じ、石英ガラスルツボがヒータからの輻射熱を直接受けるようになる。石英ガラスルツボが直接熱を受けることで、黒鉛と石英ガラスとが反応してＳｉＯガスが発生し、このＳｉＯガスにより黒鉛ルツボの一部が珪化して内部応力が蓄積したり、この珪化部分がさらに石英ガラスと反応することで黒鉛ルツボ自体が消耗したりする。このように黒鉛ルツボを継続使用することによって、黒鉛ルツボの劣化・薄肉化が進行し、強度が低下して、ひいては割れにつながるという問題がある。

また、黒鉛ルツボ自体が消耗することによって、黒鉛ルツボの内面の石英ガラスルツボとの接触部分において凹みが生じる場合がある。この状態でシリコン単結晶の引き上げを行なった場合、石英ガラスルツボが軟化して凹みの形状に合わせて落ち込んでしまい、石英ガラスルツボ中のシリコン融液の液面が下がるため、引き上げ中のシリコン単結晶の結晶格子に歪みが生じてしまうという問題がある。

この問題に対して、特許文献２に記載された黒鉛ルツボが知られている。この特許文献２に記載の黒鉛ルツボは、分割面に凸部が形成された分割片と、凹部が形成された分割片とを印籠型に嵌合させて形成される。また、分割面に凹部が形成された分割片を組み合わせて構成する黒鉛ルツボであって、両凹部の間に黒鉛からなる介在部材を配設したものも記載されている。
特許文献２によれば、分割面の凹凸部によってヒータからの輻射熱を阻止することができ、直接石英ガラスルツボに熱が届き難くなるため、黒鉛と石英ガラスとの反応を抑制できることが記載されている。

また、分割型の黒鉛ルツボとして特許文献３に記載の黒鉛ルツボも知られている。この黒鉛ルツボは、分割面の少なくとも一部に削溝を有し、この削溝内に可撓性を有する黒鉛シートよりなるスペーサが収納されている。この特許文献３に記載の黒鉛ルツボによれば、石英ガラスルツボから発生するガスによる黒鉛ルツボの分割面の消耗を低減することができる。
特許第２５７８１２６号明細書 特開２００２−１５４８９２号公報 実開平１−１３６１７９号公報

近年、シリコンウェハの大径化が進んでおり、シリコン単結晶製造装置の大規模化が望まれている。例えば直径３００ｍｍのシリコン単結晶インゴットを製造するためには、黒鉛ルツボのサイズも大きなものになり、直径が約１メートル、重量は１００ｋｇ前後にも達する。
このような大型の黒鉛ルツボの場合、上記特許文献２のように分割面に凹部や凸部が形成された各分割片を嵌合させるときに、重量が非常に大きいために位置合わせが困難となり、位置合わせに手間取っている間に黒鉛ルツボが欠けてしまうことがある。

また、分割片同士の間に黒鉛からなる介在部材を配設する場合、介在部材が落下するおそれがあるため、さらに位置合わせが困難となる。介在部材が落下しないよう接着しようとすると、シリコン単結晶引き上げの際に接着剤の揮発成分によりシリコン単結晶を汚染してしまう。

さらに、特許文献３のように分割面に設けられた削溝に黒鉛シート等のスペーサを配置する場合も、黒鉛シートは外力が加わったときに非弾性的に変形するため、黒鉛ルツボの組み付けのために削溝が挿入された分割片を他の分割片と重ね合わせる際、１回で他の分割片の削溝に黒鉛シートを挿入できないと、黒鉛シートのエッジが潰れてしまい、黒鉛シートを再度使用できなくなるという問題がある。
また、分割片同士を合わせた後に上端から黒鉛シート挿入して黒鉛ルツボを組み付けることもできるが、黒鉛ルツボのサイズが大きい場合や、削溝の曲率半径が小さい場合には、先端での抵抗が大きくなると途中で屈曲してしまい、うまく組み付けることができない、という問題がある。

本発明は、かかる問題点に鑑みてなされたものであり、耐久性に優れ、かつ、シリコン単結晶引上装置に容易に据え付け可能なシリコン単結晶引上用ルツボを提供することを目的とする。

上記課題は、以下の手段により解決することができる。すなわち、本発明に係るシリコン単結晶引上用ルツボは、シリコン材料を収納するための石英ガラスルツボと、前記石英ガラスルツボの底面及び外周面を囲み、軸方向に２以上に分割された黒鉛ルツボとを備えるシリコン単結晶引上用ルツボであって、前記黒鉛ルツボを構成する各分割片の分割面には、分割面の形状に沿って縦方向に溝部が設けられており、前記溝部同士を合わせることにより形成される空間部に、弾性部材が収容されていることを特徴としている。

また、前記弾性部材は、シリコン又は炭素を含む材料から形成されたものであることが好ましい。また、前記弾性部材のシリコン及び炭素以外の不純物含有量が２０ppm以下であることが好ましい。

さらに、前記弾性部材は、炭素繊維強化炭素複合材料から形成されていることがより好ましく、前記炭素繊維強化複合材料は、炭素繊維を抄造して得た炭素繊維積層体を補強繊維として備えていることが好ましく、さらには、炭素繊維を抄造した後、熱硬化性樹脂と溶媒を含む樹脂組成物に含浸させ硬化した後、焼成、黒鉛化して形成されたものであることがさらに好ましい。
また、前記炭素繊維積層体は、炭素繊維が厚さ方向に対して垂直な方向に配向しているものであることが好ましい。

本発明のシリコン単結晶引上用ルツボによれば、分割片の溝部によって形成される空間部に弾性部材が収容されているので、弾性部材がヒータからの輻射熱を遮って、黒鉛ルツボの劣化及び消耗を抑制することができる。したがって耐久性に優れたシリコン単結晶引上用ルツボを提供できる。また、弾性部材と黒鉛ルツボとの位置合わせの際に破損等が発生することがなく、大型のシリコン単結晶製造装置においても容易に据え付けが可能である。

以下、本発明に係るシリコン単結晶引上用ルツボの好適な実施形態について説明する。図１（ａ）及び（ｂ）は、本発明に係るシリコン単結晶引上用ルツボ（以下、単に「引上ルツボ１０」と称する）の一実施形態を示している。図１（ａ）及び（ｂ）に示すように、引上ルツボ１０は、回転体形状の石英ガラスルツボ１１と、この石英ガラスルツボ１１の底面及び外周面を取り囲むように配置される黒鉛ルツボ１２とを備えている。

黒鉛ルツボ１２は、回転体形状の黒鉛ルツボを回転軸Ｏを通る面で切断した形状を有しており、同形状の２つの分割片１２ａ，１２ｂを組み合わせることにより形成される。この２つの分割片１２ａ，１２ｂが接する部分を当接部分Ａ１，Ａ２とする。
ここで、黒鉛ルツボ１２を構成する各分割片１２ａ，１２ｂの詳細を図２に示す。図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、分割片１２ａ，１２ｂの分割面１６には、分割片１２ａ，１２ｂの上端部から底面部にかけて、矩形状の溝部１８が２本形成されている。溝部１８は、分割面１６の形状に沿って縦方向に形成されており、黒鉛ルツボの底面部に近づくにしたがって湾曲している。

分割片１２ａ，１２ｂの分割面１６同士を合わせると、図２（ｃ）に示すように、分割片１２ａ，１２ｂの２つの溝部１８が合わさって、１つの矩形状の空間部２０が当接部分Ａ１（Ａ２）に形成される。本実施形態に係る引上ルツボ１０は、この空間部２０を埋めるように薄板状の弾性部材１４が収容されている（図１）。

本発明における「弾性部材」とは、変形後に元の形状に戻ることが可能な復元力を有する部材を指す。黒鉛シートや膨張黒鉛シート等のように可撓性を有していても変形した後に元の形状に戻ることができないものは、本発明でいう弾性部材には含まれないこととする。黒鉛シートや膨張黒鉛シートのような復元力を持たない部材は、特に黒鉛ルツボ１２が大型の場合や溝部１８の曲率半径が小さい場合、弾性部材先端で引っかかりが生じ、差し込む際の抵抗が大きくなり、更に全体に潰れが広がり、それ以上差し込めなくなる。このため、前記のように黒鉛ルツボ１２を組み付けることが困難となるので使用できない。

弾性部材１４を構成する材料としては、シリコン（Ｓｉ）又は炭素（Ｃ）を含む材料であることが望ましい。シリコン単結晶の引き上げ時にシリコン単結晶を汚染することがないからである。また、弾性部材１４を構成する材料としては、高純度の材料を使用することが望ましく、弾性部材１４がＳｉ又はＣを含む材料の場合、Ｓｉ及びＣ以外の不純物含有量が２０ｐｐｍ以下であることが望ましい。不純物含有量が２０ppm以上であると、引き上げられるシリコン単結晶の純度が低下する。特に不純物が金属元素である場合、シリコン単結晶の導電率等の性能低下が著しくなるからである。

より具体的には、弾性部材１４は炭素繊維強化炭素複合材料から形成されていることが望ましい。炭素繊維強化炭素複合材料とは、炭素繊維からなる補強繊維と、マトリックスとからなる複合材料であって、マトリックスは補強繊維に有機物（樹脂、ピッチ等）を含浸し炭素化して得るか、化学気相蒸着法（CVD法）により補強繊維上に炭化水素を熱分解して得るのが一般的である。通常、炭素繊維強化炭素複合材料に用いられる炭素繊維は２次元あるいは３次元の織物状の形態のものが広く用いられているが、本発明では、織物状の形態のものではなく、炭素繊維を抄造して得た厚さ方向に対して垂直な方向に配向した炭素繊維積層体を使用するのが望ましい。このような炭素繊維積層体は、繊維の絡まりが少なく、ルツボのＲに対してしなやかに追随できる程度の柔軟性を持っているからである。また、炭素繊維積層体が当該方向に配向していることにより、厚さ方向の熱伝導率がより小さくなり、ヒータからの輻射熱を効率よく遮って石英ガラスルツボ１１に直接熱が当たることを少なくできる。

また、炭素繊維強化炭素複合材料を用いる場合、炭素繊維を抄造し、熱硬化性樹脂と溶媒とを含む樹脂組成物に含浸させて硬化した後、焼成、不純物含有量が２０ppm以下となるように高純度化して形成されたものを用いることが好ましい。また、炭素繊維強化炭素複合材料のマトリックスは樹脂やピッチで含浸させたものとすることが好ましい。このような材料であれば、１５０mm程度の曲率半径であっても折れることなく変形に追随し、先端がささくれる等の非弾性変形が発生しないので、大きな黒鉛ルツボや曲率半径の小さな黒鉛ルツボに好適に使用することができる。

弾性部材１４の厚さは、溝部１８の巾よりも０．５ｍｍ以上小さいことが望ましい。弾性部材１４の厚さと溝部１８の巾との差を０．５ｍｍ以上とすることにより、シリコン融液が弾性部材１４と溝部１８の隙間に浸入したときに、弾性部材１４を溝部１８から容易に取り除くことができ、黒鉛ルツボ１２を再利用することができるからである。

この引上ルツボ１０を形成するには、図３（ａ）及び（ｂ）に示すように、一旦石英ガラスルツボ１１の外側を分割片１２ａ，１２ｂで覆い、黒鉛ルツボ１２内に石英ガラスルツボ１１を配置する。その後、当接部分Ａ１，Ａ２にできた空間部２０に弾性部材１４を差し込んで分割片１２ａ，１２ｂを固定することにより引上ルツボ１０を形成することができる。空間部２０は底面部に行くにしたがって湾曲しているが、弾性部材１４は、空間部２０に差し込むだけでその形状に合わせて変形し、空間部２０の最深部まで到達することができる。

この引上ルツボ１０をシリコン単結晶製造装置に組み込んでシリコン単結晶の引き上げを行うと、石英ガラスと黒鉛との熱膨張率の違いから、加温・冷却を繰り返すことにより、図４に示すように、黒鉛ルツボ１２の分割片１２ａと分割片１２ｂとの間に徐々に隙間１９が生じるようになる。

しかし、本実施形態に係る引上ルツボ１０によれば、弾性部材１４が分割片１２ａ，１２ｂの間に差し込まれているので、引上ルツボ１０を加温・冷却の繰り返しにより分割片１２ａ，１２ｂの間に隙間１９ができた場合でも、弾性部材１４がヒータからの熱を遮ることができる。したがって、前述したような黒鉛と石英ガラスとの直接反応を防止することができ、ひいては前述の黒鉛ルツボ１２自身の割れや、黒鉛ルツボ１２の劣化に起因する石英ガラスルツボ１１の歪み等の発生を防ぐことができる。

また、このような黒鉛ルツボ１２によれば、分割片１２ａ，１２ｂの分割面１６には、幅狭の溝部１８が形成されているのみで、ほぼ平面状に形成されており、余計な突出部がないので、黒鉛ルツボ１２が大型化した場合でも位置合わせが容易である。また、位置合わせの際に突出部が他の部分に衝突して黒鉛ルツボの一部が欠ける等の問題も発生しない。

また、分割片１２ａ，１２ｂの間に介在する部材として弾性部材１４を使用するので、取り扱いが容易で、分割片１２ａ，１２ｂを合わせた後にその空間部２０に弾性部材１４を差し込むだけで簡単に黒鉛ルツボ１２を形成することができる。

また、弾性部材１４が差し込まれる際に黒鉛ルツボ１２のエッジ等に当たっても、変形するため、黒鉛ルツボ１２及び弾性部材１４に欠け等の破損が発生することがない。一方この弾性部材のかわりに、例えば黒鉛のような剛性の高い材料により形成した部材を使用した場合は、その黒鉛部材のみならず黒鉛ルツボにも欠け等が発生してしまう。

また、弾性部材１４は変形しても復元力により元の形状に戻ることができるので、黒鉛ルツボ１２を組み付ける際に分割片１２ａ，１２ｂを空間部２０に差し込むときに、弾性部材１４のエッジが当たって変形しても再度利用することができる。従って、黒鉛シートのような非弾性的に変形する部材に比べ極めて容易に黒鉛ルツボを組み付けることができる。

また、分割片１２ａ，１２ｂの分割面１６に溝部１８を加工するだけなので、加工が容易である。また、分割片１２ａ，１２ｂの形状を同じ形状とすることができるので、製造性にも優れている。

以上、本発明に係るシリコン単結晶引上用ルツボの実施形態について説明したが、本発明は、上述した実施形態に何ら限定されるものではなく、その要旨を逸脱しない範囲において種々の形態で実施し得るものである。

例えば、上記実施形態においては、分割片１２ａ，１２ｂに形成された溝部１８が黒鉛ルツボ１２の上端で開口している例を示したが、この溝部１８は黒鉛ルツボ１２の上端に開口していなくてもよい。すなわち、図５（ａ）に示す分割片５２ａ，５２ｂのように、溝部５８の上端部が分割片５２ａ，５２ｂの上端部よりも下方に位置していてもよい。このような形態の分割片５２ａ，５２ｂにより形成した黒鉛ルツボ５２によれば、シリコン単結晶引き上げ時に、黒鉛ルツボ５２の上端部にシリコン融液が付着しても、溝部５８の内部に浸入することがないので、固化したシリコン融液により黒鉛ルツボと弾性部材１４が接着してしまうことを防止できる。

なお、このような形態の分割片５２ａ，５２ｂを用いて引上ルツボを構成するには、図５（ｂ）に示すように、あらかじめ分割片５２ａの溝部５８に弾性部材１４を差し込んでおき、この弾性部材１４が差し込まれた分割片５２ａを石英ガラスルツボ５１の外側に配置した後、別の分割片５２ｂを横方向から分割片５２ａに合わせるようにすれば、容易に引上ルツボを形成することができる。

また、図１に示す実施形態においては、黒鉛ルツボ１２を構成する分割片の数を２つとしたが、これに限定されず、３つ以上の分割片により構成してもよい。

（実施例１）
回転軸を含む面で２分割された黒鉛ルツボ（外径が９００ｍｍ、１組の重量が１１０ｋｇ）において、各分割片の分割面に巾３ｍｍ、深さ５ｍｍの溝部を加工し、図２（ａ）と同様の形態の黒鉛ルツボ１２を作製した。また、弾性部材１４として、炭素繊維強化炭素複合材料で形成した薄板（厚さ２ｍｍ、巾９ｍｍ）を使用した。この炭素繊維強化炭素複合材料は、炭素繊維を抄造し、２０％熱硬化性樹脂（フェノール樹脂）エタノール溶液を含浸させ、溶媒を乾燥させた後、２００℃で１時間硬化させた後、１００℃／時間の昇温速度で１０００まで焼成し、純化炉で２０００℃まで昇温し黒鉛化した後、ハロゲンガスを導入し高純度化して形成した。この炭素繊維積層体は、炭素繊維が厚さ方向に対し垂直に配向しており、不純物の含有量を発光分光法により測定したところ、２０ｐｐｍ以下であった。黒鉛ルツボ１２内に石英ガラスルツボ１１を配置した後、空間部２０に弾性部材１４を差し込み、引上ルツボ１０を形成した。このとき、弾性部材１４は落下することなく、また黒鉛ルツボ１２が欠けることなく据え付けることができた。

（比較例１）
回転軸を含む面で２分割された黒鉛ルツボ（外径が９００ｍｍ、１組の重量が１１０ｋｇ）において、各分割片の分割面に巾３ｍｍ、深さ５ｍｍの溝部を加工し、図２（ａ）と同様の形態の黒鉛ルツボ１２を作製した。また、溝部に嵌合させる部材として、黒鉛材料を溝部の形状に合わせて加工した薄板（厚さ２ｍｍ、巾９ｍｍ）を使用した。
まず、１つ分割片の溝部にこの黒鉛部材を嵌め合わせ、この分割片に別の分割片を横方向から組み合わせることにより黒鉛ルツボを形成しようとした。しかし、黒鉛部材は弾力性がないために、自重により落下を繰り返し、分割片同士が何度も接触して、黒鉛部材及び分割片に欠けが発生した。

（比較例２）
回転軸を含む面で２分割された黒鉛ルツボ（外径が９００ｍｍ、１組の重量が１１０ｋｇ）において、各分割片の分割面に巾３ｍｍ、深さ５ｍｍの溝部を加工し、図２（ａ）と同様の形態の黒鉛ルツボ１２を作製した。また、溝部に嵌合させる部材として、膨張黒鉛を使用した黒鉛シート（グラフォイル）（厚さ２ｍｍ、巾９ｍｍ）を使用した。
まず、１つ分割片の溝部にこの黒鉛シートを嵌め合わせ、この分割片に別の分割片を横方向から組み合わせることにより黒鉛ルツボを形成しようとした。しかし、黒鉛シートは弾力性がないために、エッジが黒鉛ルツボに当たったときに変形してしまい、元の形状に戻らず再度使用できなくなった。

本発明に係るシリコン単結晶引上用ルツボの一実施形態を示す模式図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）は平面図である。 （ａ）は、本実施形態に係る黒鉛ルツボを構成する分割片を示す正面図であり、（ｂ）はその一部を示す構成図である。また、（ｃ）は２つの分割片を当接した黒鉛ルツボの一部を示す構成図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本実施形態に係るシリコン単結晶引上用ルツボを形成する方法を示す模式図である。 本実施形態に係るシリコン単結晶引上用ルツボを使用した際の分割片の当接部分を示す模式図である。 （ａ）及び（ｂ）は、本発明に係るシリコン単結晶引上用ルツボの別の実施形態を示す模式図である。（ａ）は、黒鉛ルツボの正面図であり、（ｂ）はこの実施形態に係るシリコン単結晶引上用ルツボを形成する方法を示す模式図である。 一般的なシリコン単結晶製造装置を示す模式図である。

符号の説明

１０ シリコン単結晶引上用ルツボ
１１ 石英ガラスルツボ
１２ 黒鉛ルツボ
１２ａ，１２ｂ 分割片
１４ 弾性部材
１６ 分割面
１８ 溝部
２０ 空間部

Claims (7)

1. シリコン材料を収納するための石英ガラスルツボと、前記石英ガラスルツボの底面及び外周面を囲み、軸方向に２以上に分割された黒鉛ルツボとを備えるシリコン単結晶引上用ルツボであって、
   前記黒鉛ルツボを構成する各分割片の分割面には、分割面の形状に沿って縦方向に溝部が設けられており、前記溝部同士を合わせることにより形成される空間部に、弾性部材が収容されていることを特徴とするシリコン単結晶引上用ルツボ。
2. 前記弾性部材が、シリコン又は炭素を含む材料から形成されたものであることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引上用ルツボ。
3. 前記弾性部材のシリコン及び炭素以外の不純物含有量が２０ppm以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載のシリコン単結晶引き上げ用ルツボ。
4. 前記弾性部材が、炭素繊維強化炭素複合材料から形成されていることを特徴とする請求項１に記載のシリコン単結晶引上用ルツボ。
5. 前記炭素繊維強化炭素複合材料は炭素繊維を抄造して得た炭素繊維積層体を補強繊維として備えたことを特徴とする請求項４に記載のシリコン単結晶引き上げ用ルツボ。
6. 前記炭素繊維積層体は、炭素繊維が厚さ方向に対して垂直な方向に配向していることを特徴とする請求項５に記載のシリコン単結晶引き上げ用ルツボ。
7. 前記炭素繊維強化炭素複合材料は、炭素繊維を抄造した後、熱硬化性樹脂と溶媒を含む樹脂組成物に含浸させ硬化した後、焼成、黒鉛化して形成されたものであることを特徴とする請求項４から６のいずれかに記載の知りシリコン単結晶引き上げ用ルツボ。

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