JP4442022B2 - シリコン単結晶引上用ルツボ - Google Patents

Description

【０００１】
【技術分野】
本発明は，例えばチョクラルスキー法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結晶引き上げ用ルツボに関する。
【０００２】
【従来技術】
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。
図７に，ＣＺ法で使用するシリコン単結晶製造装置２が示されている。
シリコン単結晶製造装置２は，シリコン融液８５が収納され，シリコン単結晶引上を行なうルツボ９と該ルツボ９を載置する受け皿２１及び該受け皿２１ごとルツボ９を回転させる回転装置２１０と，上記ルツボ９の周囲に配置されたシリコン材料溶融用ヒータ２５とよりなる。また，上記ヒータ２５はルツボ９に対し同心円状に配置される。
【０００３】
上記シリコン単結晶製造装置２において，シリコン単結晶引上用ルツボ９は石英ルツボ１５と該石英ルツボ１５を外側から包み込むように構成された炭素ルツボ９０よりなる。
【０００４】
【解決しようとする課題】
上述したシリコン単結晶８製造の際，シリコン単結晶製造装置２において可能な限り同じ部品を繰り返し使うことがコストの点で重要である。
また，図７に示すごとく，石英ルツボ１５はヒーター２５が発する輻射熱により軟化するが，上記炭素ルツボ９０が石英ルツボ１５の形状を保持している。
石英ルツボ１５の熱膨張係数が炭素ルツボ９０の熱膨張係数よりも小さいため，装置冷却時に高温でいったん炭素ルツボ９０に密着した石英ルツボ１５は，冷却するにしたがって焼きばめ状態となり，炭素ルツボ９０から強い力を受けて割れやひびが生じ，時には炭素ルツボ９０に割れやひびが生じることもある。
【０００５】
このため，シリコン単結晶引上法において，石英ルツボ１５は使い捨てであり，シリコン単結晶引上後に石英ルツボ１５は除去される。その後，新品の石英ルツボ１５が炭素ルツボ９０内に配置される。図８（ａ）に示すように，黒鉛と石英の反応により，炭素ルツボ９０の底部の周囲９８と石英ルツボ１５との間は空洞９９となって残る。
この状態でシリコン単結晶の引上げを行なった場合，熱で石英ルツボ１５が軟化して図８（ｂ）に示すごとく，周囲９８の形状に合わせて落ち込んでしまう。
この落ち込みに伴って，石英ルツボ１５中のシリコン融液８５の液面が下がるため，引き上げ中のシリコン単結晶８の制御が不充分となり結晶格子に歪みが生じてしまう。
【０００６】
本発明は，かかる従来の問題点に鑑みてなされたもので，コストが安価で，結晶格子に歪みが生じない正常なシリコン単結晶を容易に作製可能なシリコン単結晶引上用ルツボを提供しようとするものである。
【０００７】
【課題の解決手段】
請求項１に記載の発明は，シリコン材料を収納する石英ルツボと，該石英ルツボを外側から包み込むよう構成された炭素ルツボとよりなるシリコン単結晶引上用ルツボであって，
上記炭素ルツボは上記石英ルツボの外側面に巻回された炭素繊維のみから構成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にある。
【０００８】
本発明において最も注目すべきことは，炭素ルツボを石英ルツボに対し巻回した黒煙繊維より構成したことにある。
【０００９】
次に，本発明の作用効果につき説明する。
本発明にかかる炭素ルツボは炭素繊維が巻かれて構成されているので，炭素ルツボの可撓性は非常に高い。
そのため石英ルツボが膨張した際は，後述する図６に示すごとく，炭素繊維同士の間隔が広くなることで，石英ルツボの膨張の形状変化を吸収することができる。
さらに，その後石英ルツボが収縮した後は，炭素繊維同士の間隔が元どおりに狭まるくことで，石英ルツボの形状変化を吸収できる。
このため，炭素ルツボでのひびや割れは防止できる。
更に，本発明に続くルツボは炭素繊維を巻回だけで作製することができ，また，炭素繊維も安価であるため，コスト的にも安価である。
【００１０】
また，本発明にかかるルツボは，コストが安価であるため，炭素ルツボごと石英ルツボをシリコン単結晶引上げ毎に交換することもできる。
従って，各シリコン単結晶引上げの作業において，正確に形状の等しい石英ルツボを使用できると共に，使用中のシリコン融液液面低下が生じないので，シリコン単結晶の結晶格子に歪み等は生じない。
【００１１】
以上，本発明によれば，コストが安価で，結晶格子に歪みが生じない正常なシリコン単結晶を容易に作製可能なシリコン単結晶引上用ルツボを提供することができる。
【００１２】
次に，請求項２に記載の発明のように，上記炭素繊維は，単繊維，または複数の繊維よりなるストランド，または可撓性のテープ材料であることが好ましい。
これにより，炭素ルツボの厚みを増すことなく，石英ルツボの変形をより小さく抑えることができる。
上記単繊維とは一本の繊維から構成された炭素繊維のことである。
また，複数の繊維よりなるストランドとは２本以上の繊維がよりあわされたりするなどして形成された縄状の炭素繊維のことである。
【００１３】
次に，請求項３に記載の発明のように，上記炭素ルツボの厚みは５〜４０ｍｍであることが好ましい。
これにより，結晶品位を損なうことなくシリコン単結晶の引上げ操作を行なうルツボを得ることができる。
上記厚みが５ｍｍ未満である場合は，シリコン溶融時のルツボの変形が著しく，ヒータとの接触やシリコン結晶品位の低下が生じるおそれがある。厚みが４０ｍｍを越えた場合は，ヒータからシリコン融液への伝熱が悪くなり，シリコン結晶品位の低下が生じるおそれがある
【００１４】
【発明の実施の形態】
実施形態例
本発明の実施形態例にかかるシリコン単結晶引上用ルツボにつき，図１〜図６を用いて説明する。
図１，図４に示すごとく，本例のシリコン単結晶引上用ルツボ１（以下ルツボ１と省略する）は，シリコン材料を収納する石英ルツボ１５と，該石英ルツボ１５を外側から包み込むよう構成された炭素ルツボ１０とよりなる。
上記炭素ルツボ１０は石英ルツボ１５の外側面に炭素繊維１００を巻回することにより構成されている。
【００１５】
以下，詳細に説明する。
上記ルツボ１は，図４に示すごとき，回転体形状の石英ルツボ１５と，該石英ルツボ１５の外側に設けた炭素ルツボ１０とよりなる。
上記石英ルツボ１５は，図４より知れるごとく，開口部１５０，側面１５１，曲面部１５２，底部１５３よりなり，開口部１５０から側面１５１は径が一定の円筒形状で，曲面部１５２から底部１５３に向かっては徐々に径が小さくなり，底部１５３の最先端は丸みを帯びた突状で構成されている。
また，上記石英ルツボ１５は回転体である。回転体の回転軸Ｏが石英ルツボ１５の中心軸で，後述するシリコン単結晶引上げの際は回転軸Ｏを中心としてルツボ１は回転する。
【００１６】
上記炭素ルツボ１０は，図１〜図３に示すごとく，製紐機３を利用して石英ルツボ１５の外面に直接炭素繊維１００を巻回することで形成されている。巻回の状態を図２に示す。
図３に示すごとく，上記製紐機３は，いわゆる組み紐状に炭素繊維１００を石英ルツボ１５に巻きつけることが可能な機械で，これを利用して石英ルツボ１５の開口部１５０から底部１５３に向かって炭素繊維１００を巻きつけて，厚さ２０ｍｍの炭素ルツボ１０を構成する。
【００１７】
上記製紐機３は，石英ルツボ１５を先端に固定するための架台３１と，その内側面に炭素繊維１００を保持した多数のボビン３０が架台３１の先端を中心とした放射状に配置された円筒台３２とよりなる。
なお，符号３３は製紐機３の制御装置である。
また，炭素繊維１００は図２に示すような状態で巻回されており，緩むことがないようにテンションをかけて巻いてある。
また，本例で使用した炭素繊維１００は，単繊維で例えば引張強さ２００００ｋｇ／ｍ²，かさ密度１．７というものである。
【００１８】
次に，本例のルツボ１を用いるシリコン単結晶引上装置２について説明する。図５に示すごとく，ルツボ１を載置する架台２１０と，ルツボ１の周囲に配置されるヒータ２５とよりなり，上記ヒータ２５は回転体形状である石英ルツボ１５の回転軸Ｏに対し対称となるよう配置されている。
対称に配置することで，ルツボ１内の温度を高く，かつ均一にすることで，ルツボ１内のシリコンの溶融を完全かつ十分なものすることができる。
【００１９】
また，ヒータ２５の発熱中心とルツボ１内のシリコン融液８５の液面との関係が略一定となるようにヒータ２５を配置する。具体的には，ヒータ２５の発熱中心が常にシリコン融液８５の液面より僅かに下方となるようにヒータ２５を配置する。
また，上記ヒータ２５はカーボンヒータよりなる。
【００２０】
上記シリコン単結晶製造装置２を用いてシリコン単結晶を製造する際は，シリコンの融点である１４１０℃までルツボ１内を加熱し，シリコン材料を溶融，石英ルツボ１５をシリコン融液８５で満たす。そして，石英ルツボ１５の回転軸上においてシリコンの種結晶８０をゆっくりと引上げる。
シリコン融液８５が殆どなくなるまでこの温度を持続して，上記要領でシリコン単結晶８の引上げを行う。その後，ヒーター２５の加熱を停止し，装置を冷却し，一連の引上げ工程を終了する。
【００２１】
上記引上げの工程の中で，最初は図６（ａ）に示すごとく，ルツボ１における炭素ルツボ１０は隣接する各炭素繊維１００が間隙なくつまった状態にある。
引上げ工程における加熱時，石英ルツボ１５は膨張して，径が全体に大きくなる。そのため，図６（ｂ）に示すごとく，隣接する各炭素繊維１００の間隙が拡がって，このような状態になる。
【００２２】
本例の作用効果について説明する。
本例にかかる炭素ルツボ１０は炭素繊維１００が巻かれて構成されているので，可撓性が非常に高い。そのため石英ルツボ１５の膨張時は図６（ａ）のように炭素繊維１００同士の間隔が広くなり，収縮した後は間隔が元どおりに狭まくなることで，石英ルツボ１５の形状変化を吸収できる。このため，炭素ルツボ１０でのひびや割れは防止できる。
更に，本例のルツボは炭素繊維１００を巻回だけで作製することができる。
【００２３】
また，上記ルツボ１は従来のものより安価であるため，炭素ルツボ１０ごと石英ルツボ１５をシリコン単結晶引上げ事に交換することもできる。従って，各シリコン単結晶８引上げの作業において，正確に形状の等しい新品の石英ルツボ１５を使用できると共に，使用中のシリコン融液液面低下が生じないので，シリコン単結晶８の結晶格子に歪み等は生じない。
【００２４】
以上，本例によれば，耐久性に優れ，炭素ルツボにひびや割れが生じることなく，コストが安価で，結晶格子に歪みが生じない正常なシリコン単結晶を容易に作製可能なシリコン単結晶引上用ルツボを提供することができる。
【００２５】
なお，本例では炭素繊維として単繊維を用いたが，その他，例えば可撓性黒鉛シートを用いることもできる。例えば嵩密度１．０で引張強さ４０ｋｇ／ｃｍ²，嵩密度１．５で引張強さ９０ｋｇ／ｃｍ²等といった物性を持つシートを用いることができる。
【００２６】
【発明の効果】
上述のごとく，本発明によれば，コストが安価で，結晶格子に歪みが生じない正常なシリコン単結晶を容易に作製可能なシリコン単結晶引上用ルツボを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施形態例における，シリコン単結晶引上用ルツボの斜視図。
【図２】実施形態例における，シリコン単結晶引上用ルツボの要部側面図。
【図３】実施形態例における，石英ルツボの外面に炭素繊維を巻回する製紐機の斜視図。
【図４】実施形態例における，シリコン単結晶引上用ルツボの断面説明図。
【図５】実施形態例における，シリコン単結晶引上装置の構造説明図。
【図６】実施形態例における，（ａ）通常時におけるシリコン単結晶引上用ルツボの要部断面説明図，（ｂ）石英ルツボ膨張時におけるシリコン単結晶引上用ルツボの要部断面説明図。
【図７】従来にかかるシリコン単結晶引上装置の構造説明図。
【図８】従来にかかるルツボの問題を示す説明図。
【符号の説明】
１．．．シリコン単結晶引上用ルツボ，
１０．．．炭素ルツボ，
１００．．．炭素繊維，
１５．．．石英ルツボ，

Claims (4)

1. シリコン材料を収納する石英ルツボと，該石英ルツボを外側から包み込むよう構成された炭素ルツボとよりなるシリコン単結晶引上用ルツボであって，
   上記炭素ルツボは上記石英ルツボの外側面に巻回された炭素繊維のみから構成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. 請求項１において，上記炭素繊維は，単繊維，または複数の繊維よりなるストランド，または可撓性のテープ材料であることを特徴とするシリコン単結晶引上用ルツボ。
3. 請求項１又は２において，上記炭素ルツボの厚みは５〜４０ｍｍであることを特徴とするシリコン単結晶引上用ルツボ。
4. 請求項１〜３のいずれか一項において、上記炭素ルツボは組紐状に炭素繊維が巻回されてなることを特徴とするシリコン単結晶引上用ルツボ。

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