JP3478224B2 - 石英ルツボ回収方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、ＣＺ法によるシリ
コン単結晶の育成に使用された後の石英ルツボを主に再
使用のために回収する石英ルツボ回収方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】ＣＺ法を用いる半導体用高純度シリコン
単結晶の育成においては、単結晶育成中にシリコン融液
を保持するために、石英ガラス製のルツボが不可欠であ
る。その理由としては、高温で活性の高いシリコンを融
液状態で保持するために、１４５０℃近傍でも容器形状
を保つことが必要であるが、石英ガラス製のルツボはこ
の高度の耐熱特性を保有する上、ｐｐｍレベルで不純物
が制御される高純度特性を有し、更には、シリコン融液
に溶解しても有効な利用が可能である酸素を構成元素に
もつという、種々の優れた特徴を挙げることができる。

【０００３】しかし、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育
成に使用される高純度の石英ルツボは、非常に高価であ
るため、シリコン単結晶の製造コストに占めるルツボコ
ストの割合が大きく、その製造コストを引き下げる際の
大きな障害になっている。

【０００４】ルツボコストを低減するためには、石英ル
ツボの繰り返し使用が最も有効である。しかし、後で説
明するが、ルツボの再使用技術は現状では確立されてい
ない。このため、結晶育成を行いながらシリコン原料を
追加供給することで１バッチ当たりの結晶育成量を増大
させる連続ＣＺ法や、結晶育成終了後、ルツボ内の残湯
にシリコン原料を供給して、結晶育成を繰り返すマルチ
プリング法が提案されている。

【０００５】しかし、これらの方法では、１バッチの結
晶育成が長時間に及ぶため、この間に有転位化を生じる
確率が上がり、無転位育成が困難になるという問題のた
め、本質的な問題解決には至っていない。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで、石英ルツボ
の再使用については、実公昭４８−４１３１９号公報に
その試みが記載されている。ここでは、石英ルツボの使
用後に、そのルツボを外側の保持ルツボから取り出すた
めの具体的方法が提案されている。

【０００７】しかし、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育
成では、育成終了後にシリコン融液の一部が石英ルツボ
内に残り、その残液が凝固して温度が低下する過程で、
シリコンと石英の熱膨張係数の差により石英ルツボがひ
び割れし、１バッチの結晶育成で使用不能になるという
本質的問題があり、この本質的問題を解決しない限り、
石英ルツボの再使用は不可能である。

【０００８】本発明の目的は、使用後の石英ルツボ内に
残留するシリコン融液を凝固前に速やかに除去すること
により、その石英ルツボの再使用を可能にする石英ルツ
ボ回収方法を提供することにある。

【０００９】

【課題を解決するための手段】石英ルツボの再使用を可
能にするためには、育成終了直後の石英ルツボ内に残留
するシリコン融液を速やかに残らず除去することが不可
欠と考えられる。しかし、育成終了直後の石英ルツボ
は、非常に高温で取り扱いが困難なためヒータ等の他の
ホットゾーン構成部品と共に引上げ装置内に冷却が進む
まで放置される。このため、石英ルツボを傾けてルツボ
内の残液を排出するというような操作は不可能であり、
その結果、ルツボ内の残液の凝固を余儀なくされ、石英
ルツボの割れを招いている。

【００１０】このような事情を考慮し、本発明者は育成
終了後、引上げ装置内に放置されている高温の石英ルツ
ボ内から残液の全量を効率よく除去する方法について検
討した。その結果、引上げ装置の成形断熱材等として使
用されている低密度炭素繊維成形体、とりわけ使用済の
低密度炭素繊維成形体を廃材利用という形で石英ルツボ
内の残液中に浸漬させ、これに残液を吸収させるのが有
効なことを知見し、本発明の石英ルツボ回収方法を完成
させた。

【００１１】即ち、本発明の石英ルツボ回収方法は、Ｃ
Ｚ法によるシリコン単結晶の育成を終了した後、石英ル
ツボ内に残留するシリコン融液に低密度炭素繊維成形体
を浸漬して、該低密度炭素繊維成形体に石英ルツボ内の
シリコン融液を吸収させ、しかる後に石英ルツボ内から
低密度炭素繊維成形体を取り出すものである。

【００１２】これによると、ＣＺ法によるシリコン単結
晶の育成終了時に石英ルツボ内に残留するシリコン融液
が、石英ルツボを引上げ装置内に残したまま、全量速や
かに除去される。その結果、その石英ルツボが割れを生
じることなく再使用可能な状態で回収される。

【００１３】低密度炭素繊維成形体をシリコン融液に浸
漬させる方法としては、単結晶引上げ軸を利用する方
法、即ち単結晶引上げ軸の下端部に低密度炭素繊維成形
体を取り付けて単結晶引上げ軸を昇降させる方法や、低
密度炭素繊維成形体を複数の塊状態でシリコン融液に投
入する方法が合理的である。単結晶引上げ軸を利用する
方法では、シリコン融液を吸収した後の低密度炭素繊維
成形体の取り出しも、単結晶引上げ軸の昇降により機械
的に行うことができる。

【００１４】低密度炭素繊維成形体としては、単結晶引
上げ装置内で使用される成形断熱材から加工形成された
ものが入手コスト等の点から好ましく、とりわけ使用済
の成形断熱材から加工形成された廃材利用品は、経済性
のみならず、シリコン融液の吸収性に著しく優れる。例
えば、新品を使用して吸収に５分間かかる場合、廃材利
用品を使用すれば約１分間でこの吸収が終了する。使用
済の成形断熱材がシリコン融液の吸収性に優れるのは、
使用の過程で炭素繊維のＳｉＣ化や表面へのＳｉの蒸着
が進み、シリコン融液との濡れ性が向上するためと考え
られる。

【００１５】低密度炭素繊維成形体は又、シリコンの融
点以上の温度で焼成されたものが好ましい。この高温焼
成により、低密度炭素繊維成形体からの不純物ガス発生
による引上げ装置内の汚染が回避される。単結晶引上げ
装置内で使用される成形断熱材も、多くはこの高温焼成
を受けている。

【００１６】低密度炭素繊維成形体の嵩密度は、０．４
ｇ／ｃｃ以下がシリコン融液の吸収性に優れ好ましい。
単結晶引上げ装置内で使用される成形断熱材は新品・使
用済のものを問わず、この条件を満足するものが多い。

【００１７】 低密度炭素繊維成形体の体積は、ルツボ
内のシリコン融液の全量が吸収されるように、成形体の
嵩密度（融液吸収率）、石英ルツボ内に残留するシリコ
ン融液の液量等によって適宜決めればよい。

【００１８】低密度炭素繊維成形体の形状は特に問わな
い。単一物で使用する場合は球状或いは断面が円形、角
形のブロック等を使用し、複数で使用される塊としては
例えば数ｃｍ角のブロック等を使用する。

【００１９】石英ルツボについては、ルツボ内に残留す
るシリコン融液の凝固を防止するため、シリコン融液の
吸収が終わるまではルツボをヒータで加熱し続けるのが
良い。この場合、ヒータからの局部加熱による石英ルツ
ボの変形を回避するために、シリコン融液の回収中を含
め、ルツボ加熱中はルツボの回転を続けることが望まし
い。

【００２０】なお、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成
を終了した後、石英ルツボ内に残留するシリコン融液を
除去する技術は、特開平５−７０２８０号公報に記載さ
れている。しかし、ここに記載された技術は、石英ルツ
ボ内に残留するシリコン融液の全量を除去すものではな
く、一部を除去して残液量を減少させることにより、石
英ルツボの割れを抑え、残液の流出防止を図るものであ
り、石英ルツボの再使用を目的とするものではない。石
英ルツボを再使用するためには、残液のほぼ全量を除去
する必要がある。また、シリコン融液を除去する具体的
手段の一つとして、ポーラスなセラミックに吸収させる
ことが記載されているが、ポーラスなセラミックでは残
液の全量吸収は困難と考えられ、残液の全量吸収が可能
な効率的な吸収除去手段についての開示もない。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下に本発明の実施形態を図面に
基づいて説明する。図１は本発明の第１実施形態を示す
単結晶引上げ装置の概略構成図である。

【００２２】 単結晶引上げ装置は、図１（ａ）に示す
ように、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成に使用され
るものであり、炉体としてメインチャンバ１とこれに重
ねられた小径のプルチャンバ２とを備えている。

【００２３】メインチャンバ１内には、石英ルツボ３が
図示されない保持用の黒鉛ルツボと組み合わされて配置
されている。この二重ルツボはペディスタルと呼ばれる
支持軸５の上に設置されている。支持軸５は、二重ルツ
ボの昇降及び回転のために軸方向及び周方向に駆動され
る。

【００２４】二重ルツボの外側には環状のヒータ６が配
置され、その更に外側には、図示されない成形断熱材が
メインチャンバ１の内面に沿って配置されている。

【００２５】メインチャンバ１の天井部を兼ねるプルチ
ャンバ２の最下部には、開閉可能な覗き窓７が設けられ
ている。また、プルチャンバ２の小径部下端には、ゲー
ト弁８が設けられている。一方、プルチャンバ２の上端
部には、引上げ軸１０の回転及び昇降を行う引上げ機構
９が設けられており、引上げ軸１０の下端部には種結晶
を保持するためのシードチャック１１が連結されてい
る。

【００２６】シリコン単結晶の育成では、まずチャンバ
内を所定の雰囲気に保持して石英ルツボ３内にシリコン
融液１２を形成する。次に、引上げ軸１０を下げて、シ
ードチャック１１に保持された種結晶をシリコン融液１
２に漬ける。この状態から引上げ軸１０を所定速度で回
転させながら上昇させることにより、種結晶の下方にシ
リコン単結晶１３を育成する。育成中、二重ルツボは回
転を行い、且つ上昇によりシリコン融液１２の液面を同
一レベルに維持する。

【００２７】図１（ａ）はシリコン単結晶の育成が終了
した直後の状態を示している。この状態では、育成され
たシリコン単結晶１３は、プルチャンバ２内に完全に引
き込まれている。一方、メインチャンバ１内の石英ルツ
ボ３内には、若干量のシリコン融液１２が残留してい
る。以下、このシリコン融液を残液と称する。残液１２
の凝固を防ぐために、育成終了後もヒータ６によるルツ
ボ加熱が続けられる。また、この加熱によるルツボ変形
を防ぐために、ルツボ回転が続けられる。

【００２８】シリコン単結晶１３がプルチャンバ２内に
引き込まれると、ゲート弁８を閉じ、プルチャンバ２を
開放する。プルチャンバ２内のシリコン単結晶１３が取
り出し可能な状態になり、その取り出しが終わると、図
１（ｂ）に示すように、プルチャンバ２内でシードチャ
ック１１に低密度炭素繊維成形体１４を取り付ける。低
密度炭素繊維成形体１４は、引上げ装置に使用され使用
限界に達した後の成形断熱材を例えば断面が円形のブロ
ックに切り出した廃材利用品である。その成形断熱材
は、使用前に１４００℃以上で焼結処理を受けており、
使用後の嵩密度は０．４ｇ／ｃｃ以下である。

【００２９】低密度炭素繊維成形体１４の取り付けが終
わると、図１（ｃ）に示すように、ゲート弁８を開け、
引上げ軸１０を再度下降させることにより、低密度炭素
繊維成形体１４を石英ルツボ３内の残液１２に浸漬す
る。これにより、石英ルツボ３内の残液１２が低密度炭
素繊維成形体１４に殆ど残らず短時間で吸収される。

【００３０】残液１４の吸収が終わると、図１（ｄ）に
示すように、引上げ軸１０を再度上昇させることによ
り、低密度炭素繊維成形体１４をプルチャンバ２内に引
き込む。また、石英ルツボ３の加熱及び回転を停止す
る。

【００３１】その後、ホットゾーン冷却のために炉体を
全開放し、所定時間経過後、炉体を解体する。炉体開放
中、石英ルツボ３はメインチャンバ１内で徐々に冷却さ
れるが、石英ルツボ３内の残液１２が除去されているた
め、この冷却過程での石英ルツボ３の割れが防止され、
再使用が可能な状態で石英ルツボ３が回収される。

【００３２】プルチャンバ２内に引き込まれた低密度炭
素繊維成形体１４は、炉体解体時又はプルチャンバ解体
時に取り出す。

【００３３】図２は本発明の第２実施形態を示す単結晶
引上げ装置の概略構成図である。

【００３４】本実施形態では、図２（ａ）に示すよう
に、シリコン単結晶１３の育成が終了し、そのシリコン
単結晶１３がプルチャンバ２内に引き込まれると、石英
ルツボ３の回転及びヒータ６によるルツボ加熱を続けた
状態で、ゲート弁８を閉じ、メインチャンバ１内を大気
圧状態に戻した後、覗き窓７を開け、ここから石英ルツ
ボ３内に石英からなるパイプ状の挿入治具１５を挿入す
る。

【００３５】次いで、図２（ｂ）に示すように、挿入治
具１５によって塊状態の低密度炭素繊維成形体１４，１
４・・を石英ルツボ３内に投入する。低密度炭素繊維成
形体１４，１４・・は、引上げ装置に使用され使用限界
に達した後の成形断熱材を例えば数ｃｍ角のブロックに
切り出した廃材利用品である。その成形断熱材は、使用
前に１４００℃以上で焼結処理を受けており、使用後の
嵩密度は０．４ｇ／ｃｃ以下である。

【００３６】低密度炭素繊維成形体１４，１４・・の投
入が終わると、図２（ｃ）に示すように、挿入治具１５
を抜き出す。石英ルツボ３内に所定量の低密度炭素繊維
成形体１４，１４・・を投入することにより、低密度炭
素繊維成形体１４，１４・・が石英ルツボ３内の残液１
２に浸漬され、石英ルツボ３内の残液１２が低密度炭素
繊維成形体１４，１４・・に短時間で残らず吸収され
る。

【００３７】残液１４の吸収が終わると、石英ルツボ３
の加熱及び回転を停止し、炉体を全開放する。石英ルツ
ボ３内で残液１２を吸収した低密度炭素繊維成形体１
４，１４・・は、炉体解体後の石英ルツボ３の取り出し
時までルツボ内に放置し、ルツボ取り出し時にルツボと
共に取り出した後、フッ硝酸液等による溶解でルツボ内
面から取り外す。

【００３８】本実施形態でも、石英ルツボ３がメインチ
ャンバ１内で徐々に冷却されるとき、石英ルツボ３内の
残液１２が低密度炭素繊維成形体１４，１４・・に吸収
除去されているため、この冷却過程での石英ルツボ３の
割れが防止され、再使用が可能な状態で石英ルツボ３が
回収される。

【００３９】また、本実施形態では、前述の第１実施形
態と比べ、シリコン単結晶１３の取り出しを待たずに低
密度炭素繊維成形体１４，１４・・による残液吸収操作
を開始でき、その分、石英ルツボ３の加熱・回転を早く
停止できるので、チャンバ解体までの時間短縮を図るこ
とができる。

【００４０】

【実施例】次に、本発明の実施例を説明する。

【００４１】１８インチの石英ルツボ内に６０ｋｇのシ
リコン融液を形成し、その融液から５インチのシリコン
単結晶を育成した後、図１に示す第１実施形態により石
英ルツボ内の残液を吸収し除去した。育成終了時点の残
液量は約５ｋｇであった。

【００４２】低密度炭素繊維成形体は、引上げ装置に使
用され使用限界に達した後の成形断熱材を断面が円形の
ブロックに切り出した廃材利用品とした。成形断熱材
は、使用前に１４００℃以上で焼結処理を受けており、
使用後の嵩密度は０．１ｇ／ｃｃであった。低密度炭素
繊維成形体のサイズは直径２００ｍｍ、高さ１００ｍ
ｍ、体積約３０００ｃｍ³ とした。

【００４３】この低密度炭素繊維成形体をルツボ内の残
液に浸漬することにより、５ｋｇの残液を約１分で全量
吸収することができた。新品の成形断熱材を使用した場
合は、同量の残液を吸収するのに同じ大きさで約５分を
要した。炉体解体後に取り出した石英ルツボに割れは認
められず、その再使用が可能であった。

【００４４】図２に示す第２実施形態により石英ルツボ
内の残液を吸収する場合、前記と同じ約５ｋｇの残液に
対し、３０ｍｍ角の立方体ブロックに形成された嵩密度
０．１６ｇ／ｃｃの低密度炭素繊維成形体を１１０個
（合計体積約３０００ｃｍ³ ）投入したが、やはり残液
の全量を１〜５分で吸収除去することができ、石英ルツ
ボを割れなく再使用可能な状態で取り出すことができ
た。

【００４５】

【発明の効果】以上に説明した通り、本発明の石英ルツ
ボ回収方法は、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成を終
了した後、石英ルツボ内に残留するシリコン融液を低密
度炭素繊維成形体により吸収して除去することにより、
石英ルツボの冷却時に生じる割れを防ぎ、その再使用を
可能にするので、シリコン単結晶の製造コスト低減に大
きな効果を発揮する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施形態を示す単結晶引上げ装置
の概略構成図である。

【図２】本発明の第２実施形態を示す単結晶引上げ装置
の概略構成図である。

【符号の説明】

１ メインチャンバ ２ プルチャンバ ３ 石英ルツボ ５ 支持軸 ６ ヒータ ７ 覗き窓 ８ ゲート弁 ９ 引上げ機構 １０ 引上げ軸 １１ シードチャック １２ シリコン融液（残液） １３ シリコン単結晶 １４ 低密度炭素繊維成形体 １５ 挿入治具

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00

Claims (6)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成を終
   了した後、石英ルツボ内に残留するシリコン融液に低密
   度炭素繊維成形体を浸漬して、該低密度炭素繊維成形体
   に石英ルツボ内のシリコン融液を吸収させ、しかる後に
   石英ルツボ内から低密度炭素繊維成形体を取り出すこと
   を特徴とする石英ルツボ回収方法。
2. 【請求項２】 前記低密度炭素繊維成形体は単結晶引上
   げ軸によって支持され、シリコン融液に浸漬されること
   を特徴とする請求項１に記載の石英ルツボ回収方法。
3. 【請求項３】 前記低密度炭素繊維成形体は複数の塊状
   態でシリコン融液に投入浸漬されることを特徴とする請
   求項１に記載の石英ルツボ回収方法。
4. 【請求項４】 前記低密度炭素繊維成形体の嵩密度が
   ０．４ｇ／ｃｃ以下であることを特徴とする請求項１、
   ２又は３に記載の石英ルツボ回収方法。
5. 【請求項５】 前記低密度炭素繊維成形体はシリコンの
   融点以上の温度で焼成されたものを使用することを特徴
   とする請求項１、２、３又は４に記載の石英ルツボ回収
   方法。
6. 【請求項６】 前記低密度炭素繊維成形体は単結晶引上
   げ装置内で使用される成形断熱材から加工形成されたも
   のを使用することを特徴とする請求項１、２、３、４又
   は５に記載の石英ルツボ回収方法。