JP2011121827A - 黒鉛ルツボ及びシリコン単結晶製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】チョクラルスキー法によるシリコン単結晶製造のための黒鉛ルツボであって、使用寿命の長い黒鉛ルツボを提供する。
【解決手段】ルツボのコーナ部にガス抜き孔が設けられていることを特徴とする。当該ガス抜き孔を通じて、石英ルツボと黒鉛ルツボとの反応により発生するガスを外に放散させて、黒鉛ルツボ表面でのＳｉＣ形成、ガス圧による石英ルツボ変形を防止する。
【選択図】図１

Description

本発明は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する際に用いる黒鉛ルツボ、さらには前記黒鉛ルツボを備えたチョクラルスキー法によるシリコン単結晶製造装置に関する。

シリコン単結晶の成長法の１つとしてチョクラルスキー法（ＣＺ法）に代表される引上げ法が汎用されてきた。その装置は、原料シリコン融液を保持するための石英ルツボと、それを支持しかつ加熱を均一にする目的に沿う内側形状を有する黒鉛ルツボで囲まれ、さらにその外側に加熱のためのヒータが配置されているものが普通である。通常石英ルツボも黒鉛ルツボの形状も、ほぼ円筒形状側壁と適当なアールを持たせた底部とからなる。

ＣＺ法では、石英ルツボに入れたシリコン原料を加熱溶解するが、シリコンの融点が約１４２０℃であるのでまず融点に達するように加熱する必要がある。その場合、前記ヒータの温度を１７００℃付近まで上昇させる必要がある。この加熱により、黒鉛ルツボも石英ルツボもシリコンの融点以上に加熱される。石英は約１２００℃を超えると軟化変形し始めるようになり、石英ルツボ内の溶融シリコンの荷重により、石英ルツボはその外側から支える黒鉛ルツボの内側形状にそってほぼ密着するようになる。最近のシリコンウエハの大口径化に伴い、ＣＺ法においても、石英ルツボの大口径化・大容量化が要求され、上記加熱の温度範囲及加熱の均一性について制御することがますます重要となってきている。

係るＣＺ法において知られている問題点として以下の式で示されるように、シリコン溶融温度では、石英ルツボ内面において、石英ルツボ成分であるＳｉＯ_２と溶融シリコンＳｉとの間に反応が生じ、その結果ＳｉＯガスが発生し、さらにそのＳｉＯガスが石英ルツボの外でも黒鉛部材の外表面付近と反応してＳｉＣ固体を形成する。また、石英ルツボの外面では、石英ルツボ外面と黒鉛ルツボ内面との反応により、ＳｉＯガスとＣＯガスが発生し、さらに黒鉛ルツボ内面との再反応により、ＳｉＣ固体を形成する。形成されたＳｉＣはその熱膨張率が黒鉛とは大きく異なることから黒鉛ルツボの冷却・加熱のサイクル過程でひび割れ等の原因となり安全性等の点から使用期間が制限される。また発生したＣＯガスは石英ルツボに圧力を及ぼし変形を生じさせる結果となる。
ＳｉＯ_２ ＋ Ｓｉ ＝ ＳｉＯ
ＳｉＯ_２ ＋ Ｃ ＝ ＳｉＯ ＋ ＣＯ
ＳｉＯ ＋ ２Ｃ ＝ ＳｉＣ ＋ ＣＯ

かかる問題点を解決するための黒鉛ルツボの改良についてのいくつかの技術が知られている。その一つは、石英ルツボと黒鉛ルツボの間で発生するＣＯガスを、石英ルツボと黒鉛ルツボの間にアルゴン等の不活性ガスを下流方向に流し、そのガスを黒鉛ルツボの下方側面に下向きに設けた孔を通じて排出する方法が開示されている（特許文献１）。また発生ガスによる石英ルツボの変形を防止するためにシリコン溶融液面より上の位置で黒鉛ルツボに水平の孔を設ける技術が開示されている（特許文献２）。さらには石英ルツボと黒鉛ルツボの間で発生するＣＯガスを、黒鉛ルツボの内側面に設けた上下方向のガス誘導溝に沿って下流方向へのアルゴン等の不活性ガスをルツボ底部方向に流し、そのガスを底部から排出させるという方法が開示されている（特許文献３）。

特開昭６１−４４７９１号 特開平１０−２９７９９２号 特開２００８−２０１６１９号

しかしながらこれらの従来方法は、特に最近のＣＺ法において用いられる、大口径・大容量（大重量）用石英ルツボに対してはもはや十分ではないことが分かってきた。すなわち、発生ガスを排出するために、黒鉛ルツボの内側面にガス誘導溝等の複雑な構造を設けることは、大容量（大重量）の石英ルツボを安全に保持するという点から好ましくない。また大口径・大容量（大重量）の石英ルツボを用いる場合、高い加熱温度のために、軟化した石英ルツボはそれを支える黒鉛ルツボとほぼ密着するように変形し、その間に十分なガス流を設けることが難しくなってきている。

そこで（ｉ）内側面に複雑な構造を設けることなく、かつ（ｉｉ）石英ルツボとの間に十分な不活性ガスの流れを設けることなく、発生ＣＯガスをスムーズに排出させて石英ルツボに圧力を蓄積させず、かつ黒鉛ルツボの内側でのＳｉＣの形成・蓄積を防止する新たな黒鉛ルツボの技術が期待されている。

本発明者は、係る期待を満たす黒鉛ルツボを開発すべく鋭意研究した結果、黒鉛ルツボの特定の位置に、ほぼ水平のガス抜き孔を設けることで、発生ＣＯガスをスムーズに排出させて石英ルツボの表面に圧力を蓄積させず、かつ黒鉛ルツボの内側でのＳｉＣの形成・蓄積を防止する新たな黒鉛ルツボを見いだすことに成功し、本発明を完成した。

すなわち本発明は、チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する際に用いる黒鉛ルツボであって、黒鉛ルツボのコーナ部にガス抜き孔が設けられていることを特徴とする、黒鉛ルツボに関する。

また本発明は、前記ガス抜き孔の方向が、ほぼ水平方向であることを特徴とする、黒鉛ルツボに関する。

さらに本発明は、本発明の黒鉛ルツボを備えたことを特徴とするチョクラルスキー法によるシリコン単結晶製造装置に関する。

ここで本発明には、黒鉛ルツボが、分割型のものだけでなく、一体型のものも含む。さらに本発明には、炭素繊維を使用したＣ/Ｃコンポジット製のルツボなども含む。

本発明に係る黒鉛ルツボは、ルツボのコーナ部にガス抜き孔が設けられていることから、石英ルツボと黒鉛ルツボとの反応により発生するガスをスムーズに放散させて、黒鉛ルツボ表面でのＳｉＣ形成、ガス圧による石英ルツボ変形を防止できる。本発明に係るチョクラルスキー法によるシリコン単結晶製造装置は本発明に係る黒鉛ルツボを備えることにより、シリコン単結晶製造時に、石英ルツボと黒鉛ルツボとの反応により発生するガスをスムーズに放散させて、黒鉛ルツボ表面でのＳｉＣ形成、ガス圧による石英ルツボ変形を防止でき、製造時の安全性の確保と、ルツボの使用寿命をのばすことが可能となる。

図１は、本発明の黒鉛ルツボを示す。 図２は、本発明のガス抜き孔の効果を説明する図である。

（黒鉛ルツボ）
図１に本発明の黒鉛ルツボ１の一例が示されている通り、本発明の黒鉛ルツボは、通常（内側の）側面部２がほぼ垂直の円筒形状であり、底部３は適当なアールを持たせた形状である。そのコーナ部４にガス抜き孔５が設けられていることを特徴とする。ここで黒鉛ルツボ１はチョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する際に用いる従来公知の黒鉛ルツボと基本的には同じであってよく、分割型か一体型か、サイズ、形状、材料については特に制限はない。従来公知の分割型の場合、ルツボが２，３個に分割されたものであって、使用の際には一体として上で説明した形状をとるものである。ここで本発明の黒鉛ルツボのコーナ部とは側面部と底部をつなぐ部分（範囲）を意味する。本発明の黒鉛ルツボは使用の際コーナ部で石英ルツボと溶融シリコンの主な荷重を支える機能を有する。使用の際石英ルツボは軟化点付近にまで加熱されることから、底部とコーナ部ではほぼ黒鉛ルツボと密着した状態となり、所望の加熱効果を奏する。ガス抜き孔５は係るコーナ部の黒鉛ルツボの内側から外側へとほぼ水平の孔として設けられている。

図２に模式的に示されるように、使用の際、黒鉛ルツボの外側には通常減圧下で不活性ガス２１（通常アルゴンガス）が流され、排出されるようになっていることから、ガス抜き孔２５の内部２６の圧は黒鉛ルツボの外側圧２７よりもやや減圧の状態になっている。従って使用の際、上で説明した通り、ガス抜き孔へ到達するまでの短い時間でＳｉＯガスと黒鉛ルツボ表面のＣとの反応によりＣＯガスが形成されるが、速やかにガス抜き孔から排出され石英ルツボへ及ぼす圧力の蓄積は妨げられる。従って、ＳｉＯと黒鉛ルツボ表面との反応は主にガス抜き孔の中、又はその外側周辺でのみ生じることとなる。

本発明において、コーナ部に設けられるガス抜き孔の位置、形状、数、方向については特に制限はなく、上で説明した作用が十分奏されるものであればよい。一方黒鉛ルツボが石英ルツボと溶融シリコンの荷重を安全に支持することが必要であることから、これらを総合的に考慮して、ガス抜き孔の位置、形状、数、方向につき好ましい範囲に選択することが可能である。特にガス抜き孔の方向については、炉内が不活性ガス、例えばアルゴンで満たされている場合、発生したCOガスよりスムーズに排出するために水平方向に設けることが好ましい。

具体的には、複数のガス抜き孔を設ける場合、その位置は円筒状コーナ部を均等に分ける位置であることが好ましい。均等に分ける位置であると、孔によりルツボの強度低減を最小にすることができるからである。ガス抜き孔の形状は特に限定はなく円形、多角形が可能である。断面積についても特に限定はないが、軟化点付近まで加熱された石英ルツボの石英壁がガス抜き孔の方向に変形しないように十分考慮して選択することができる。従ってこれらを総合的に考慮すると、ガス抜きの孔の断面積は２２５ｍｍ^２以下であることが好ましい。これは断面を円形とすると半径５ｍｍ〜８ｍｍの範囲であることが好ましい。係る断面積のガス抜き孔を採用すると、ガス抜き孔の数としては２〜３個／分割、６〜８個／分割無しルツボの範囲が好ましい。

ガス抜き孔の方向は、特に制限はないが、上で説明した作用、すなわち石英ルツボと黒鉛ルツボの間で発生したＣＯガスをスムーズに排出できる方向に設けることが好ましい。具体的にはほぼ水平からやや上向きに設けることが、ガスのスムーズな流れをもたらすことから好ましい。

（シリコン単結晶製造装置）
本発明のチョクラルスキー法によるシリコン単結晶製造装置は、従来公知の装置で用いられる黒鉛坩堝に代えて、上で説明した本発明の黒鉛ルツボを備えたことを特徴とする。従って従来公知の製造条件下で、石英ルツボと黒鉛ルツボの間で発生したＣＯガスは速やかに黒鉛ルツボのガス抜き孔から外部へ排出されることとなる。この結果、黒鉛ルツボの内側へのＳｉＣの形成蓄積が抑制され、ＣＯガス圧蓄積による石英ルツボの変形を抑制することができる。

外径５００ｍｍ、内径４６０ｍｍの黒鉛ルツボのコーナ部に均等に６箇所、内径５ｍｍの孔を水平に設けて、シリコンインゴットを５０本引き上げた。ルツボの内側にはＳｉＣの堆積がほとんど確認できなかったが、ルツボの外側の孔の周辺には、ＳｉＣが３ｍｍ程度堆積していることを確認した。また、ＣＯガスによる石英ルツボの変形も全く見られなかった。

本発明に係る黒鉛ルツボは、チョクラルスキー法によるシリコン単結晶製造装置への利用が可能である。

１ 黒鉛ルツボ
２ 側面部
３ 底部
４ コーナ部
５ ガス抜き孔
２１ 不活性ガス
２５ ガス抜き孔
２６ 内部
２７ 外側圧
２８ 隙間

Claims (3)

1. チョクラルスキー法によりシリコン単結晶を製造する際に用いる黒鉛ルツボであって、黒鉛ルツボのコーナ部にガス抜き孔が設けられていることを特徴とする、黒鉛ルツボ。
2. 前記ガス抜き孔の方向が、ほぼ水平方向であることを特徴とする、請求項１に記載の黒鉛ルツボ。
3. 請求項１又は２に記載の黒鉛ルツボを備えたチョクラルスキー法によるシリコン単結晶製造装置。

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