JP2012076956A - 炭素ルツボ及びこの炭素ルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】半導体材料あるいは太陽電池材料等の単結晶あるいは多結晶を製造する装置において溶融材料を収容する石英ガラスルツボを支持、保持するために用いられる炭素ルツボであって、石英ガラスルツボを支持し変形を防止できるとともに、冷却後に石英ガラスルツボを容易に取り外すことができる炭素ルツボを提供する。
【解決手段】ルツボ底部を構成する架台部２と、架台部２に載置または嵌挿される筒状体３とを備えた炭素ルツボ１であって、架台部２が黒鉛材からなり、筒状体３は炭素繊維織布４が積層された炭素繊維強化炭素複合材からなり、筒状体３の一端部から他の一端部にかけて不連続部Ｆが設けられており、不連続部Ｆにおいて筒状体３の軸線に垂直な方向の少なくとも一部に炭素繊維強化複合材が存在し、かつ筒状体３の周方向に拘束力を発揮する構造を有する。
【選択図】図１

Description

本発明は、炭素ルツボ及びこのルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法に関し、例えば、半導体材料等の単結晶シリコンを引上げる装置または太陽電池材料等の単結晶シリコン、多結晶シリコンを製造する装置において溶融材料を収容する石英ガラスルツボを支持、保持するために用いられる炭素ルツボ及びこのルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法に関する。

例えば、半導体材料等の単結晶を製造する場合、ＣＺ法（チョクラルスキー法）が広く用いられている。
このＣＺ方法は、石英ルツボ内に収容されたシリコンの溶融液の表面に種結晶を接触させ、石英ルツボを回転させるとともに、この種結晶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、種結晶の下端に単結晶を形成していくものである。

この石英ルツボはシリコン単結晶の育成にともない、周りを取り囲むヒータの熱、シリコン溶融液の熱によって軟化する。このため、石英ルツボは黒鉛ルツボ内に収容され、支持されている。
そして、シリコン単結晶引上げが終了すると、石英ルツボ及び黒鉛ルツボは冷却される。このとき、前記黒鉛ルツボの熱膨張係数が石英ルツボよりも大きいため、両者が密着した状態で冷却されると、黒鉛ルツボに亀裂が生じ、最終的には亀裂、割れが生じるという課題があった。

そのような課題に対し、例えば特許文献１には、従来の黒鉛ルツボに代えて、ルツボ底部を構成する架台１０１と、この架台の上部周縁に形成された凸部の内側に嵌挿された筒状体１０２と、この筒状体の底部内周縁に載置した環状スペーサー１０３からなる黒鉛ルツボ１００が開示されている。この筒状体１０２がカーボンファイバーを円周方向に互いに密接して配置したものであり、円周方向の熱伝導率が上下方向の熱伝導率よりも大であるため、内部に収められ保持される石英ガラスルツボとの熱膨張率の違いによる破損を防止することができる。

特開平８−７３２９２号公報

しかしながら、特許文献１に記載された黒鉛ルツボ１００では、筒状体が一体に形成されており、シリコン溶融液Ｍの熱によって軟化した石英ガラスルツボが、黒鉛ルツボ１００の筒状体１０２内面に密接して冷却されるため、使用後の石英ガラスルツボを取り外して交換しようとした際に、石英ガラスルツボが黒鉛ルツボの筒状体と密着し、取り外せない不具合が生じる場合がある。この様な場合、石英ガラスルツボを破壊して取り外そうとすると石英ガラスの破壊に伴い筒状体にも応力が加わり、カーボンファイバーの少なくとも一部が破断し、最悪の場合、筒状体にクラックが生じる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、シリコン溶融液の熱によって軟化した石英ガラスルツボを支持し変形を防止できるとともに、冷却後に石英ガラスルツボと炭素ルツボとが密着しても容易に取り外すことができ、長期間、繰り返し使用することができる炭素ルツボおよびこの炭素ルツボを用いたシリコン結晶の製造方法を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するためになされた、本発明に係る炭素ルツボは、ルツボ底部を構成する架台部と、前記架台部に載置または嵌挿される筒状体とを備えた炭素ルツボであって、前記架台部が黒鉛材からなり、前記筒状体は炭素繊維織布が積層された炭素繊維強化炭素複合材からなり、前記筒状体の一端部から他の一端部にかけて不連続部が設けられており、前記不連続部において前記筒状体の軸線に垂直な方向の少なくとも一部に炭素繊維強化複合材が存在し、かつ前記筒状体の周方向に拘束力を発揮する構造を有することを特徴としている。

このように不連続部において、筒状体の軸線に垂直な方向の少なくとも一部に炭素繊維強化複合材が存在し、筒状体の周方向に拘束力を発揮する構造を有することにより、ヒータからの輻射熱が直接石英ガラスルツボに当たることがないため、石英ガラスルツボを均一に加熱でき、シリコン溶融液の熱によって軟化した石英ガラスルツボを支持し変形を防止できる。
また、シリコン単結晶引上げ後において、冷却後に石英ガラスルツボと筒状体とが密着した場合であっても、筒状体を変形させることにより石英ガラスルツボを容易に取り外すことができる炭素ルツボを得ることができる。

尚、前記筒状体が、炭素繊維の縦糸と横糸のいずれかが筒状体周方向に平行になるように形成された炭素繊維織布を積層した炭素繊維強化炭素複合材からなることが好ましい。
このように筒状体において、炭素繊維織布の縦糸、横糸のいずれかがルツボ周方向に平行にすることにより、炭素繊維強化炭素複合材のルツボ周方向の強度を最大向上させ、熱膨張率の違いによる破損をより効果的に防止することができる。

また、前記筒状体において、重なり合う炭素繊維織布同士の間で、炭素繊維織布の筒状体周方向における突合せ部が、積層方向において重ならないように積層されていることが好ましい。
また、前記筒状体において、重なり合う炭素繊維織布同士の間で、炭素繊維織布における縦糸と横糸との交差部分が、積層方向において重ならないように積層されていることが好ましい。

このように重なり合う炭素繊維織布同士の間で、炭素繊維織布の筒状体周方向における突合せ部同士が、積層方向において重ならないことによって、積層方向（厚さ方向）の隙間が少なくなり、筒状体における積層方向の炭素繊維量をより均一とすることができる。
また、重なり合う炭素繊維織布同士の間で、縦糸と横糸との交差部分が、積層方向において重ならないことによって、縦糸と横糸とが交差する部分の凹凸が噛み合い、重なり合う炭素繊維織布同士の接着力を強化することができる。
したがって、この炭素ルツボを使用した際、筒状体とＳｉＯガスとの化学反応（酸化）による脆弱化を抑制することができる。

また、前記筒状体において、積層する炭素繊維織布は、炭素繊維の横糸と縦糸の方向が異なるように積層しても良い。積層する炭素繊維織布の炭素繊維の方向が異なることにより、重なり合う炭素繊維織布同士の間の接着力が強化され、筒状体の強度を向上させることができ、収容し支持する石英ガラスルツボの変形をより防止することができる。

炭素繊維織布の目付け量は８０ｇ／ｍ^２以上１０００ｇ／ｍ^２以下であることが好ましい。目付け量が８０ｇ／ｍ^２より少ないと炭素繊維織布を縦糸、横糸の斜め方向に引き伸ばされた際に、繊維束間に繊維が存在しない隙間（穴）が生じることがある。目付け量が１０００ｇ／ｍ^２より多いと炭素繊維織布の繊維密度が高すぎて繊維の移動可能空間が少なくなり、筒状体周方向への柔軟性が小さくなり、収容し支持する石英ガラスルツボを取り外すことができなくなる場合がある。

前記炭素ルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法であって、少なくとも石英ガラスルツボ底部湾曲部の外表面の一部と前記炭素ルツボ内表面とが実質的に密着するように前記炭素ルツボ内に石英ガラスルツボを収容し、前記石英ガラスルツボ内に支持したシリコン融液からキョクラルスキー法によりシリコン単結晶を引上げることを特徴としている。
このように、石英ガラスルツボ底部湾曲部の外表面の一部と前記炭素ルツボの内表面とが実質的に密着するように前記炭素ルツボ内に石英ガラスルツボを収容することにより、石英ガラスルツボの底部湾曲部の外表面と筒状体の内表面との間にＳｉＯガスが滞留することがなく、化学反応（酸化）による脆弱化を抑制し、長期間、繰り返し使用することができる。

本発明によれば、シリコン溶融液の熱によって軟化した石英ガラスルツボを支持し変形を防止できるとともに、冷却後に石英ガラスルツボと炭素ルツボとが密着しても容易に取り外すことができる炭素ルツボを得ることができる。また本発明によれば、炭素ルツボを長期間、繰り返し使用することができる製造方法を得ることができる。

図１は、本発明に係る炭素ルツボの第一の実施形態を示す斜視図である。 図２は、図１の筒状体の不連続部を拡大した斜視図である。 図３は、本発明に係る炭素ルツボの第二の実施形態を示す斜視図である。 図４は、本発明に係る炭素ルツボの第三の実施形態を示す斜視図である。 図５は、図２の筒状体の不連続部を拡大した斜視図である。 図６は、筒状体の炭素繊維織布の積層方法を説明するための図である。 図７は、炭素繊維が斜め４５度の斜め格子状に編まれた炭素繊維織布の概念図である。 図８は、本発明に係る炭素ルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法を説明するための図である。 図９は、従来の炭素ルツボを説明するための図である。

以下、本発明に係る炭素ルツボ及びこの炭素ルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法の実施の形態について図面に基づき説明する。

図１は、本発明に係る炭素ルツボ１の実施形態である。図２は、図１の炭素ルツボ１における筒状体３の不連続部Ｆの拡大図である。尚、図１および図２における炭素繊維強化炭素複合材は概念的に表わされている。
この炭素ルツボ１は、例えば、半導体材料等の単結晶を引上げる単結晶引上装置（図示せず）において、シリコン溶融液を収容する石英ルツボを支持、保持するために使用される炭素ルツボである。

この炭素ルツボ１は、ルツボ底部を構成する架台部２と、架台部２に載置または嵌挿されると筒状体３を有している。架台部２は黒鉛材によって形成される。筒状体３は、炭素繊維織布４を複数枚、熱硬化性樹脂と炭素粉（例えば黒鉛粉）との混合接着剤（図示せず）を担持して貼り合わせ、その後、熱硬化、炭素化、黒鉛化および高純度化処理を施すことによって形成される。即ち、この筒状体３は、炭素繊維強化炭素複合材（以下、Ｃ／Ｃ材と呼ぶ）により形成されている。
具体的には、この筒状体３は、図７に示すシート状の炭素繊維織布４が複数層に貼り合わせられ、熱硬化、炭素化、黒鉛化および高純度化処理を施されて形成される。

この筒状体３は、一端部から他の一端部にかけて不連続部Ｆが設けられている。不連続部Ｆにおいて、筒状体３の軸線に垂直な方向の少なくとも一部に炭素繊維強化複合材が存在し、かつ不連続部Ｆに筒状体３の周方向に拘束力を発揮する構造１０が設けられている。より具体的には、この構造１０は、不連続部ＦのＣ／Ｃ材の一方の端部Ｆ１と、不連続部ＦのＣ／Ｃ材の他方の端部Ｆ２とに、嵌合部１１、１２が形成されている。嵌合部１１、１２の端部は筒状体３の軸線方向に並行または垂直である平面または曲面により形成されている。
このような嵌合部１１、１２を形成することにより、筒状体３の周方向に拘束力が発揮されている。また、Ｃ／Ｃ材の柔軟性を利用して、不連続部ＦのＣ／Ｃ材の端部Ｆ２を筒状体３の軸と垂直な方向に変形させることにより、嵌合部１１、１２を離間し、筒状体３の周方向の拘束力を解除することが可能である。

また、図３は、本発明に係る炭素ルツボ１の第二の実施形態である。図３における炭素繊維強化炭素複合材は概念的に表わされている。
嵌合部１１、１２の端面の少なくとも一部が、筒状体３の軸線方向と斜めの平面または曲面により形成されている。このような嵌合部１１、１２を形成することにより、シリコン溶融液の熱によって軟化した石英ガラスルツボが変形し、不連続部ＦのＣ／Ｃ材の一方の端部Ｆ１と、不連続部ＦのＣ／Ｃ材の他方の端部Ｆ２との間隔が広がったとしても、筒状体３の周方向に拘束力が発揮され、かつ筒状体３の軸線に垂直な方向の少なくとも一部にＣ／Ｃ材が存在するようにできる。また、Ｃ／Ｃ材の柔軟性を利用して、不連続部ＦのＣ／Ｃ材の端部Ｆ２を筒状体３の軸と垂直な方向に変形させる際に、変形方向が筒状体３の軸線方向と斜めになるため、筒状体３の周方向の拘束力をより解除しやすくすることが可能である。

図４は、本発明に係る炭素ルツボ１の第三の実施形態である。図５は、図４の炭素ルツボ１における筒状体３の不連続部Ｆの拡大図である。図４および図５における炭素繊維強化炭素複合材は概念的に表わされている。
図５(ａ)は、収容した石英ガラスルツボの膨張前の不連続部の拡大図であり、図５(ｂ)は、収容した石英ガラスルツボの膨張後（変形後）の不連続部の拡大図である。

嵌合部１１、１２との間に、変形可能区間Ｔを設けて嵌合部１１、１２が形成されている。このような嵌合部１１、１２を形成することにより、シリコン溶融液の熱によって石英ガラスルツボが膨張した場合、石英ガラスルツボの変形に追従しながら、不連続部ＦのＣ／Ｃ材の一端部Ｆ１と、不連続部ＦのＣ／Ｃ材の他端部Ｆ２との間隔が広がることができ、筒状体３の内径が変化する。そして、嵌合部１１、１２が接するに至って、筒状体３の周方向に拘束力が発揮される。これにより、石英ガラスルツボの膨張前から膨張後まで石英ガラスルツボの直胴部外周面と筒状体３の内周面とが実質的に接するようにできる。これにより、石英ガラスルツボの直胴部外周面と筒状体３の内周面との間にＳｉＯなどのガスが滞留することがなく、筒状体３の内周面の化学反応を抑制することができる。

また、Ｃ／Ｃ材の柔軟性を利用して、不連続部ＦのＣ／Ｃ材の端部Ｆ２を筒状体３の軸と垂直な方向に変形させることにより、嵌合部１１、１２を離間し、筒状体３の周方向の拘束力を解除することが可能である。
なお、図４および図５では、変形可能空間Ｔを形成する不連続部Ｆ１およびＦ２を筒状体３の直径方向に斜めに形成しているが、これに限らず、筒状体３の周方向と平行に形成しても良い。

ここで、筒状体３の製造工程について説明する。
先ず、筒状体成型用金型６を用意し、その外周に熱硬化性樹脂と炭素粉（例えば黒鉛粉）との混合接着剤（図示せず）を担持し、炭素繊維織布４を巻き付ける。ここで、図６に示された炭素繊維織布４は、炭素繊維布を炭素繊維の軸線（縦糸、横糸の軸線）が筒状体３の周方向に平行になるように裁断したものである。この炭素繊維織布４の幅寸法ｈ１は、少なくとも筒状体３の周方向を覆うことが可能な長さに形成され、高さ寸法ｈ２は、筒状体３の高さ寸法と同じ寸法となるよう形成されている。
また、この炭素繊維織布４は、図７に示すＰ方向（縦糸１０ａ、横糸１０ｂの軸線に対して４５度方向）に伸長可能である。

次いで、貼り付けられた炭素繊維織布４の上から、前記混合接着剤を担持した別の炭素繊維織布を貼り付ける。このような炭素繊維織布の貼り付け工程を複数回繰り返し、所定の厚さになるまで積層する。

このようにして、筒状体３のプリフォームが得られると、筒状体成型用金型６の周りに貼り付けられた状態で真空炉内に配置し、１００℃〜３００℃の温度で熱硬化を行う。次いで、筒状体成型用金型６を取り外し、得られる成型体をＮ_２ガス等の不活性ガス中で約１０００℃の温度で炭素化処理を行う。炭素化処理の後、例えばフェノール樹脂、タールピッチ等を含浸させ、１５００℃以上の温度で加熱し、黒鉛化処理を行う。そして、黒鉛化により得られた筒状体を、通常１５００℃から２５００℃の温度に加熱して、高純度化処理を施し、Ｃ／Ｃ材からなる筒状体３を得ることができる。

次に、本発明に係る炭素ルツボを用いたシリコン単結晶の製造方法について説明する。
最初に、ルツボ回転軸４０上に炭素ルツボ２０（架台部２０ａに筒状体２０ｂを載置または嵌挿したもの）を載置し。炭素ルツボ２０内に石英ガラスルツボ２１を収容する。このとき、少なくとも石英ガラスルツボ２１底部湾曲部の外表面の一部と前記炭素ルツボ２０の内表面とが実質的に密着するように前記炭素ルツボ２０内に石英ガラスルツボ２１を収容する。

その後、原料シリコン（主に、ポリシリコン）を石英ガラスルツボ２１内に充填し、ヒータ２２に通電して、炭素ルツボ２０および石英ガラスルツボ２１を加熱し、ルツボ回転軸４０を回転させることで炭素ルツボ２０および石英ガラスルツボ２１を回転させながら、原料シリコンを溶融してシリコン融液２３とする（準備段階）。

その後、ヒータ２２の加熱を継続しつつ、ワイヤ回転昇降機構２４を回転させながらシードチャック２５を降下させて、シードをシリコン融液２３に浸漬させ、シードチャック２５および石英ガラスルツボ２１を同方向または逆方向に回転させながらシードチャック２５を引上げることによりシリコン単結晶Ｉｇを育成する（育成段階）。最後に、シリコン単結晶Ｉｇをシリコン融液２３から切り離し、ヒータ２２をオフとしてシリコン単結晶Ｉｇを自然冷却し、炉体３０内からシリコン単結晶Ｉｇを取り出す（終了段階）。

石英ガラスルツボ２１底部湾曲部の外表面の一部と前記炭素ルツボ２０の内表面とが実質的に密着するように前記炭素ルツボ２０内に石英ガラスルツボ２１を収容することにより、石英ガラスルツボ２０の底部湾曲部の外表面と筒状体の内表面との間にＳｉＯガスが滞留することがなく、化学反応（酸化）による脆弱化を抑制し、長期間、繰り返し使用することができる。

１ 炭素ルツボ
２ 架台部
３ 筒状体
４ 炭素繊維織布
６ 筒状体成型用金型
Ｆ 不連続部
Ｆ１ 端部
Ｆ２ 端部
１０ 筒状体の周方向に拘束力を発揮する構造
１１ 嵌合部
１２ 嵌合部

Claims (5)

1. ルツボ底部を構成する架台部と、
   前記架台部に載置または嵌挿される筒状体とを備えた炭素ルツボであって、
   前記架台部が黒鉛材からなり、
   前記筒状体は炭素繊維織布が積層された炭素繊維強化炭素複合材からなり、
   前記筒状体の一端部から他の一端部にかけて不連続部が設けられており、前記不連続部において前記筒状体の軸線に垂直な方向の少なくとも一部に炭素繊維強化複合材が存在し、かつ前記筒状体の周方向に拘束力を発揮する構造を有することを特徴とする炭素ルツボ。
2. 前記筒状体が、炭素繊維の縦糸と横糸のいずれかが筒状体周方向に平行になるように形成された炭素繊維織布を積層した炭素繊維強化炭素複合材からなることを特徴とする請求項１に記載された炭素ルツボ。
3. 前記筒状体において、重なり合う炭素繊維織布同士の間で、炭素繊維織布の筒状体周方向における不連続部が、積層方向において重ならないように積層されていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された炭素ルツボ。
4. 前記筒状体において、重なり合う炭素繊維織布同士の間で、炭素繊維織布における縦糸と横糸との交差部分が、積層方向において重ならないように積層されていることを特徴とする請求項１及至請求項３のいずれかに記載された炭素ルツボ。
5. 前記請求項1乃至請求項４のいずれかに記載された炭素ルツボを用いたシリコン結晶の製造方法であって、
   少なくとも石英ガラスルツボ底部湾曲部の外表面の一部と前記炭素ルツボの内表面とが実質的に密着するように前記炭素ルツボ内に石英ガラスルツボを収容し、前記石英ガラスルツボ内に支持したシリコン融液からキョクラルスキー法によりシリコン結晶を引上げることを特徴とするシリコン結晶の製造方法。