JP2012017239A

JP2012017239A - ルツボ構造

Info

Publication number: JP2012017239A
Application number: JP2010285694A
Authority: JP
Inventors: Yayoi Matsuo; 弥生松尾
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2010-12-22
Filing date: 2010-12-22
Publication date: 2012-01-26

Abstract

【課題】ルツボ上部の径方向内側への倒れ込み、及び直胴部の座屈変形の発生を抑制し、サセプタとの密着性を向上する。
【解決手段】シリコン単結晶を引上げる単結晶引上装置において、ルツボ形状のサセプタ２と、該サセプタに収容される石英ガラスルツボ３とからなるルツボ構造１であって、前記石英ガラスルツボは、円筒状に形成され、上端に開口部を有するルツボ直胴部２ｂと、前記ルツボ直胴部の下端側に形成されたルツボ底部２ｃと、前記ルツボ直胴部における外周面の少なくとも一部に、周方向に沿って螺旋状に形成されたリブ４とを有し、前記サセプタは、円筒状に形成され、上端に開口部を有するサセプタ直胴部３ｂと、前記サセプタ直胴部の下端側に形成されたサセプタ底部３ｃと、前記サセプタ直胴部の内周面に、周方向に沿って螺旋状に形成された前記リブに係合可能な螺合溝５とを有し、前記石英ガラスルツボは、前記サセプタに螺合され収容される。
【選択図】図２

Description

本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によって単結晶を育成しながら引き上げる際に用いられるルツボ構造に関する。

シリコン単結晶の育成に関し、ＣＺ法が広く用いられている。この方法は、図１０に示すように、ヒータ５２の熱により石英ガラスルツボ５０内にシリコン溶融液Ｍを形成し、その表面に種結晶Ｐを接触させる。そして、石英ガラスルツボ５０を回転させるとともに、この種結晶Ｐを反対方向に回転させながら上方へ引上げることによって、種結晶Ｐの下端に単結晶Ｃを形成していくものである。

このＣＺ法を実施する単結晶引上装置にあっては、図１０に示すように石英ガラスルツボ５０はルツボ形状のカーボンサセプタ５３（或いは炭素／炭素繊維複合材製サセプタなど）内に抱持されるように収容される。
そして、前記石英ガラスルツボ５０内にシリコン溶融液を形成するためにヒータ５２による加熱が開始されると、石英ガラスルツボ５０も加熱され高温となる。
このとき、高温となった石英ガラスルツボ５０は軟化し、カーボンサセプタ５３に対し隙間無く密着するようになされている。即ち、鉛直軸周りに回転するカーボンサセプタ５３に石英ガラスルツボ５０が密着することによって、ルツボ５０が安定して支持され、シリコン単結晶の引き上げが安定して行われる。

ところで、石英ガラスルツボ５０をカーボンサセプタ５３内に配置した場合、通常、図１１に示すように石英ガラスルツボ５０の上端部５０ａはカーボンサセプタ５３の上端部５３ａよりも高くなるように設計され、不純物がルツボ内に混入しないようになされている（例えば特許文献１）。

特開２０１０−５２９８２号公報

しかしながら、図１１に示す構成にあっては、石英ガラスルツボ５０が加熱されると、ルツボ下部がルツボ上部よりも高温となってより軟化し、カーボンサセプタ５３と接触していないルツボ上端部５０ａが、図１２に示すようにルツボの径方向内側に倒れ込む変形が生じることがあった。
また、図１３に示すようにルツボの直胴部５０ｂが自重によって座屈変形するといった課題もあった。
即ち、そのように石英ガラスルツボ５０に変形が生じると、石英ガラスルツボ５０とカーボンサセプタ５３との密着性が低下し、シリコン単結晶の引き上げを安定して行うことができないという課題があった。
特に、近年にあっては、石英ガラスルツボの大型化に伴うルツボの高重量化を避けるために、石英ガラスルツボの肉厚がより薄く形成され、石英ガラスルツボの軽量化が図られているが、強度低下により石英ガラスルツボの変形がより発生しやすいという課題があった。

本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を引上げる単結晶引上装置において、ルツボ上部の径方向内側への倒れ込み、及び直胴部の座屈変形の発生を抑制し、サセプタとの密着性を向上することのできるルツボ構造を提供することを目的とする。

前記課題を解決するためになされた、本発明に係るルツボ構造は、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を引上げる単結晶引上装置において、ルツボ形状のサセプタと、該サセプタに収容される石英ガラスルツボとからなるルツボ構造であって、前記石英ガラスルツボは、円筒状に形成され、上端に開口部を有するルツボ直胴部と、前記ルツボ直胴部の下端側に形成されたルツボ底部と、前記ルツボ直胴部における外周面の少なくとも一部に、周方向に沿って螺旋状に形成されたリブとを有し、前記サセプタは、円筒状に形成され、上端に開口部を有するサセプタ直胴部と、前記サセプタ直胴部の下端側に形成されたサセプタ底部と、前記サセプタ直胴部の内周面に、周方向に沿って螺旋状に形成された前記リブに係合可能な螺合溝とを有し、前記石英ガラスルツボは、前記サセプタに螺合され収容されることに特徴を有する。
尚、前記リブは、前記直胴部において、その外周面の上端から下端にかけて螺旋状に形成されていることが望ましいが、外周面の少なくとも上端から前記サセプタと接する外周面を含む領域に螺旋状に形成されている構成でもよい。
また、前記石英ガラスルツボにおいて、ルツボ軸の直交面に対する前記リブの傾斜角θは６０°以下に形成され、前記直胴部の表面積に占める前記リブの表面積の割合は、９％〜３０％の範囲で定められていることが望ましい。

このように構成することによって、石英ガラスルツボの直胴部を軽量化のために薄肉に形成しても、ルツボ直胴部の外周面に形成された螺旋状のリブによって強度が保たれる。
また、前記リブに螺合可能な螺合溝がサセプタ直胴部の内周面に設けられることによって、サセプタに対し石英ガラスルツボが螺入され、収容されると、サセプタ底部によりルツボ底部が支持され、サセプタ直胴部の螺合溝により前記リブを介してルツボ直胴部が支持される。即ち、従来、サセプタ底部のみで支持していたルツボの荷重がサセプタ底部とサセプタ直胴部とに分散され、サセプタ全体でルツボを支持することができる。
したがって、石英ガラスルツボが加熱されて軟化した際に、そのルツボ直胴部の径方向内側への倒れ込み、及び座屈変形の発生を抑制することができる。

本発明によれば、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を引上げる単結晶引上装置において、石英ガラスルツボが、サセプタ底部及びサセプタ直胴部により支持されるため、石英ガラスルツボの重量をサセプタ底部及びサセプタ直胴部に分散することができ、石英ガラスルツボ上部の径方向内側への倒れ込み、及び石英ガラスルツボ直胴部の座屈変形の発生を抑制することのできるルツボ構造を得ることができる。

図１は、本発明に係るルツボ構造の一実施形態を示す正面図である。図２は、図１のルツボ構造を構成する石英ガラスルツボの正面図である。図３は、図２の石英ガラスルツボの一部拡大断面図である。図４は、図１のルツボ構造を構成するカーボンサセプタの断面図である。図５は、図１のルツボ構造の一部拡大断面図である。図６は、リブの傾斜角度、及びリブの比表面積について条件設定した本発明に係る実施例において、条件２の場合の石英ガラスルツボの正面図である。図７は、リブの傾斜角度、及びリブの比表面積について条件設定した本発明に係る実施例において、条件３の場合の石英ガラスルツボの正面図である。図８は、リブの傾斜角度、及びリブの比表面積について条件設定した本発明に係る実施例において、条件４の場合の石英ガラスルツボの正面図である。図９は、リブの傾斜角度、及びリブの比表面積について条件設定した本発明に係る実施例において、条件５の場合の石英ガラスルツボの正面図である。図１０は、従来の単結晶引上装置の概略構成を示す断面図である。図１１は、従来の加熱前におけるカーボンサセプタとそれに収容された石英ガラスルツボを示す断面図である。図１２は、従来の加熱後におけるカーボンサセプタとそれに収容された石英ガラスルツボを示す断面図であって、石英ガラスルツボの上端が径方向内側に倒れ込んだ状態を示す図である。図１３は、従来の加熱後におけるカーボンサセプタとそれに収容された石英ガラスルツボを示す断面図であって、石英ガラスルツボの直胴部が座屈変形した状態を示す図である。

以下、本発明に係るルツボ構造の実施形態について図面に基づき説明する。
図１は本発明に係るルツボ構造の正面図である。このルツボ構造１は、単結晶引上装置の炉体（図示せず）内において鉛直軸周りに回転可能に設けられるルツボ形状のカーボンサセプタ２と、このカーボンサセプタ２内に収容され抱持される石英ガラスルツボ３とにより構成される。

図２は、石英ガラスルツボ３の正面図である。図２に示すように、石英ガラスルツボ３は、上端に開口部３ａを有する円筒状の直胴部３ｂ（ルツボ直胴部）と、直胴部３ｂの下端側に設けられた碗状の底部３ｃ（ルツボ底部）とを有する。

この石英ガラスルツボ３の直径ｔ１は、例えば８００ｍｍに形成されている。また、高さ寸法ｔ２は、例えば５００ｍｍ〜６００ｍｍの範囲内で定められた所定の寸法で形成され、直胴部３ｂの高さ寸法ｔ３は、例えば３００ｍｍ〜４００ｍｍの範囲内で定められた所定の寸法で形成されている。

また、直胴部３ｂの肉厚寸法ｔ４は例えば１５ｍｍとされ、底部３ｃの肉厚寸法ｔ５は例えば２５ｍｍに形成されている。即ち、底部３ｃは厚く形成されるが、直胴部３ｂは薄肉に形成されることによってルツボ全体の軽量化が図られている。

また、図示するように直胴部３ｂの外周面には、周方向に螺旋状のリブ４が形成されている。このリブ４は、その上端がルツボ開口部３ａに形成され、その下端は直胴部３ｂの下端まで形成されている。このリブ４が直胴部３ｂに設けられていることにより、直胴部３ｂを薄肉に形成しても、その強度を保つことができる。

また、図３の一部拡大断面図に示すように、リブ４は、例えば断面半円形状であって、その幅寸法ｔ６は例えば１０ｍｍに形成され、高さ寸法ｔ７は直胴部３ｂの肉厚寸法ｔ４に対して５０％〜１００％の範囲内で定められた所定の寸法で形成されている。
また、図２に示すように、ルツボ軸の直交面に対するリブ４の傾斜角θは、例えば４°程度に形成されている。この傾斜角θについては、カーボンサセプタ２との密着性を考慮して６０°以下、より好ましくは４５°以下に形成されることが望ましい。

また、同様にカーボンサセプタ２との密着性、及び収容の難易度を考慮して、直胴部３ｂの表面積に占めるリブ４の表面積の割合は、９％〜３０％の範囲内となされている。
尚、このようなリブ４を直胴部３ｂの外周面に形成する方法としては、例えば、直胴部３ｂの外周面に対する切削加工、直胴部３ｂの外周面に対するルツボと同材質のガラスの溶着、金型での一体形成など、いずれの方法でもよい。

一方、カーボンサセプタ２は、図４の断面図に示すように上端に開口部２ａを有する円筒状の直胴部２ｂ（サセプタ直胴部）と、直胴部２ｂの下端側に設けられた碗状の底部２ｃ（サセプタ底部）とを有する。
図示するように、直胴部２ｂの内周面には、周方向に沿って螺旋状の螺合溝５が形成されている。この螺旋状の螺合溝５は、図５の一部拡大断面図に示すように、石英ガラスルツボ３の外周面に形成された前記リブ４と係合可能な形状に設けられており、それにより石英ガラスルツボ３をカーボンサセプタ２に対し螺合できるよう構成されている。

尚、図５においては、リブ４を断面半円形の凸形状、螺合溝５を断面Ｖ字形（三角形）の凹形状とした例を示すが、いずれの断面形状もその形状に限定されるものではない。例えば、リブ４を断面三角形の凸形状、断面矩形状の凸形状などに形成してもよく、螺合溝５を断面半円形の凹形状、断面矩形状の凹形状などに形成してもよい。
また、螺合溝５は石英ガラスルツボ３とカーボンサセプタ２との熱膨張係数の差を考慮し、リブ４の寸法ｔ６及びｔ７よりも大きく形成することが望ましい。

カーボンサセプタ２内に石英ガラスルツボ３を収容する際には、カーボンサセプタ２の開口部２ａに対し、石英ガラスルツボ３をその底部３ｃから螺入する。これにより、カーボンサセプタ２に石英ガラスルツボ３が螺合された状態で収容される。即ち、図１に示したようにカーボンサセプタ２の底部２ｃにより石英ガラスルツボ３の底部３ｃが支持され、カーボンサセプタ２の直胴部２ｂに形成された螺合溝５によりリブ４を介して石英ガラスルツボ２の直胴部２ｂが支持される。それにより、従来、サセプタ底部２ｃのみで支持していた石英ガラスルツボ３の荷重がサセプタ底部２ｃとサセプタ直胴部２ｂとに分散され、サセプタ全体で石英ガラスルツボ３が支持される。

このように構成されたルツボ構造１において、石英ガラスルツボ３にシリコン原料（図示せず）が装填され、ルツボ構造１の周りに配置されたヒータ（図示せず）により加熱されると、前記シリコン原料が溶融されると共に、石英ガラスルツボ３も加熱されて軟化する。
ここで、石英ガラスルツボ３とカーボンサセプタ２の直胴部とは螺合しているため、直胴部３ｂが軟化しても、カーボンサセプタ２の直胴部２ｂに形成された螺合溝５により直胴部３ｂが支持され、その変形が抑制される。
また、前記直胴部同士の螺合により、相互の接触面積が大きくなるため、直胴部３ｂの軟化によって相互の密着性が向上する。その結果、石英ガラスルツボ３の直胴部３ｂの径方向内側への倒れ込み、及び座屈変形の発生が防止される。

以上のように、本発明に係る実施の形態によれば、石英ガラスルツボ３において、薄肉に形成された直胴部３ｂの外周面に螺旋状のリブ４が設けられて強度が保たれ、そのリブ４に螺合可能な螺合溝５がカーボンサセプタ２の直胴部２ｂの内周面に設けられる。
この構成により、カーボンサセプタ２に対し石英ガラスルツボ３が螺入され、収容されると、前記のようにカーボンサセプタ２の底部２ｃによりルツボ底部３ｃを支持し、螺合溝５によりルツボ直胴部３ｂを支持することができる。
したがって、石英ガラスルツボ３が加熱されて軟化した際に、その直胴部３ｂの径方向内側への倒れ込み、及び座屈変形の発生を抑制することができる。

尚、前記実施の形態においては、直胴部３ｂの外周面に設けられたリブ４は、直胴部３ｂの上端から下端にかけて形成されるものとしたが、本発明にあっては、その形態に限定されるものではなく、直胴部３ｂの外周面の少なくとも一部に形成された形態も含む。その場合、リブ４は、少なくとも直胴部３ｂの上端からカーボンサセプタ２と接する外周面を含む領域に形成されていることが望ましい。
また、前記実施の形態においては、石英ガラスルツボ３を抱持するサセプタとして、カーボンサセプタを例に説明したが、それに限らず黒鉛、炭素／炭素繊維複合材、により形成されたサセプタでもよい。

本発明に係るルツボ構造について、実施例に基づきさらに説明する。本実施例では、複数の条件にしたがって石英ガラスルツボ及びカーボンサセプタを製造し、そのルツボ構造においてシリコン単結晶の引き上げを行い、操業停止後のルツボ形状を検証した。

（条件１）
条件１では、前記実施の形態において図２に示したリブ４の傾斜角θが４°、直胴部３ｂの表面積に占めるリブ４の表面積の割合が９．９％の石英ガラスルツボ、及び図４に示した形状のカーボンサセプタを製造し、そのルツボ構造を用いた。
（条件２）
条件２では、図６に示すようにルツボ軸の直交面に対するリブ４の傾斜角θが４５°、直胴部３ｂの表面積に占めるリブ４の表面積の割合が１０．８％の石英ガラスルツボ３と、それに螺合可能なカーボンサセプタとを製造し、そのルツボ構造を用いた。
（条件３）
条件３では、図７に示すようにルツボ軸の直交面に対するリブ４の傾斜角θが２°、直胴部３ｂの表面積に占めるリブ４の表面積の割合が７６％の石英ガラスルツボ３と、それに螺合可能なカーボンサセプタとを製造し、そのルツボ構造を用いた。
（条件４）
条件４では、図８に示すようにルツボ軸の直交面に対するリブ４の傾斜角θが１１°、直胴部３ｂの表面積に占めるリブ４の表面積の割合が３．６５％の石英ガラスルツボ３と、それに螺合可能なカーボンサセプタとを製造し、そのルツボ構造を用いた。
（条件５）
条件５では、図９に示すようにルツボ軸の直交面に対するリブ４の傾斜角θが９０°、直胴部３ｂの表面積に占めるリブ４の表面積の割合が８．７％の石英ガラスルツボ３と、それに嵌合可能なカーボンサセプタとを製造し、そのルツボ構造を用いた。

以上の実施例の結果を表１に纏めて示す。

表１に示すように、条件１，２では、直胴部の倒れ込み、座屈変形について、いずれも発生しなかった。
条件３では、直胴部の倒れ込み、座屈変形について、いずれも発生しなかったが、リブが密に形成されているため、石英ガラスルツボのカーボンサセプタへの収容が困難であった。
条件４では、石英ガラスルツボのカーボンサセプタへの収容は容易であったが、直胴部の座屈変形が確認された。これは、石英ガラスルツボとカーボンサセプタとの螺合部が少ないためと考えられる。
条件５では、石英ガラスルツボのカーボンサセプタへの収容は容易であったが、直胴部の座屈変形が確認された。これは、カーボンサセプタの直胴部内周面に形成された螺合溝が、石英ガラスルツボのリブを支持できなかったためと考えられる。

以上の結果より、少なくともリブの傾斜角θを４°〜４５°、直胴部の表面積に占めるリブの表面積の割合を９％〜３０％とすることにより、直胴部の倒れ込み、及び座屈変形の発生を抑制できることを確認した。

１ルツボ構造
２カーボンサセプタ（サセプタ）
２ａ開口部
２ｂ直胴部（サセプタ直胴部）
２ｃ底部（サセプタ底部）
３石英ガラスルツボ
３ａ開口部
３ｂ直胴部（ルツボ直胴部）
３ｃ底部（ルツボ底部）
４リブ
５螺合溝

Claims

チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を引上げる単結晶引上装置において、ルツボ形状のサセプタと、該サセプタに収容される石英ガラスルツボとからなるルツボ構造であって、
前記石英ガラスルツボは、円筒状に形成され、上端に開口部を有するルツボ直胴部と、前記ルツボ直胴部の下端側に形成されたルツボ底部と、前記ルツボ直胴部における外周面の少なくとも一部に、周方向に沿って螺旋状に形成されたリブとを有し、
前記サセプタは、円筒状に形成され、上端に開口部を有するサセプタ直胴部と、前記サセプタ直胴部の下端側に形成されたサセプタ底部と、前記サセプタ直胴部の内周面に、周方向に沿って螺旋状に形成された前記リブに係合可能な螺合溝とを有し、
前記石英ガラスルツボは、前記サセプタに螺合され収容されることを特徴とするルツボ構造。
前記リブは、前記直胴部において、その外周面の上端から下端にかけて螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載されたルツボ構造。
前記リブは、前記直胴部において、その外周面の少なくとも上端から前記サセプタと接する外周面を含む領域に螺旋状に形成されていることを特徴とする請求項１に記載されたルツボ構造。
前記石英ガラスルツボにおいて、ルツボ軸の直交面に対する前記リブの傾斜角θは４°以上６０°以下に形成されていることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載されたルツボ構造。
前記石英ガラスルツボにおいて、前記直胴部の表面積に占める前記リブの表面積の割合は、９％〜３０％の範囲で定められていることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載されたルツボ構造。