JPH02172887A - 単結晶製造用カーボンルツボ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 ［産業上の利用分野］ 本発明は、種結晶を使用してシリコン等の半導体単結晶
を引上げる際、原料融液を収容した石英ガラスルツボを
収容する単結晶製造用カーボンルツボに関する。

［従来の技術］ 半導体単結晶の製造方法としては、代表的な方法として
チョクラルスキー法（ＣＺ法）が知られている。この方
法は、石英ガラスルツボ内で半導体材料を融解し、これ
に種結晶を接触させて引上げ種結晶と同方位の単結晶を
成長させるものである。この場合、石英ガラスルツボは
、耐熱性、成形性がよく半導体材料に悪影響を及ぼすよ
うな不純物の存在がほとんどだめられないことから唯一
の経済性のよい材料であるといえる。

しかし、石英ガラスルツボは、例えばシリコン単結晶を
引上げる場合、その処理温度が１４５０℃にも達して軟
化変形するため、通常、カーボンルツボ内に収容して使
用される。この時石英ガラスルツボは、変形してカーボ
ンルツボに密着するが、高温のため接触した石英ガラス
とカーボンが反応し、カーボンルツボ内表面に反応によ
り生じた珪化Ｆｌ　（ｓｔｃ）が生成される。そして、
単結晶の引上げを繰り返すうちに珪化層がカーボンルツ
ボ内部までに達し、カーボンルツボとその内部に形成さ
れた珪化層との熱膨張差によってクラックが生じてカー
ボンルツボが割れるという問題がある。

本発明者等は、かかるクラック発生機構について詳しく
調査したところ、引上げ時の反応及び生成した珪化層の
カーボンに対する体積膨張比は、第１表に示すようにな
った。

第　　１　　表 注１）　Ｃ及びＳＩＧの真比重をそれぞれ２．１．３．
２と仮定し計算した。

注２）反応式中、Ｇは気体、Ｓは固体である。

第１表下段に示した反応では、体積膨張比が２．１９と
大きく、ＳＬ単結晶引上げ時の昇温あるいは降温時の体
積変化により割れるものである。第１表よりカーボンル
ツボは石英ガラスルツボと接触することによって、特に
カーボンルツボ内周部において反応し珪化層が形成され
、珪化層がカーボンルツボに異常応力を加え、クラック
発生の大きな原因の一つとなっていることがわかる。

他の原因としては、カーボンルツボが酸化消耗した場合
、その部分に石英ガラスルツボが軟化して食い込むこと
が考えられる。

従来、上記問題に対処するため、カーボン基材の高密度
化や開気孔率の低減を図った単結晶製造用カーボンルツ
ボが知られている。

［発明が解決しようとする課題］ しかしながら、上記従来の単結晶製造用カーボンルツボ
においても、カーボン基材に開気孔が存在するため、こ
の開気孔から珪化され、カーボンがＳｉＣになる時の体
積膨張による割れ、並びに珪化によるカーボンルツボの
くわれを抑制できなかった。

又、密度の高いものは緻密なものであるため、内部応力
を吸収できずクラックが発生し易く、耐久性の向上が認
められなかったことや、高密度になれば、吸蔵したガス
の発生が多いということがわかっており、引上げた単結
晶の純度低下が考えられる（引用文献；広畑ら“各種等
方性翼船材料の真空工学的特性評価“真空３０巻５号（
１９８７）Ｐ、６８）。

これらの傾向は、特にルツボが大型化すると共に著しく
なり、長時間の操業上ネックとなっている。

そこで、本発明は、割れ及びくわれを抑制して耐久性を
向上し得、大型化しても長時間連続使用が可能な単結晶
製造用カーボンルツボの提供を目的とする。

［課題を解決するための手段］ 前記課題を解決するため、本発明は、原料融液を収容し
た石英ガラスルツボが収容される単結晶製造用カーボン
ルツボであって、開気孔率２０〜５０％のカーボン基材
の開気孔にガラス状カーボンを充填して開気孔率を５〜
３０％とする一方、カーボン基材の表面にガラス状カー
ボンの被膜を形成したものである。

ガラス状カーボンの被膜の上に５Ｌ３Ｎ４の被膜を形成
することが効′果的である。

［作　用］ 上記手段においては、カーボン基材のＳｉによる珪化反
応が、カーボン基材の表面及び開気孔を覆う耐食性に優
れるガラス状カーボンによって抑制される一方、珪化反
応によって生成されるＳｉＣの体積膨張による応力が５
〜３０％の割合で存在する開気孔によって吸収、緩和さ
れる。

ガラス状カーボンの充填前の開気孔率が２０％未満であ
るとガラス状カーボンを開気孔の細孔内部までに均一に
充填できず、５０％を超えるとカーボンルツボ自体の強
度が低下することで好ましくない。

ガラス状カーボンの充填後の開気孔率が５％未満である
と珪化層の体積膨張による応力を吸収できず、３５％を
超えると珪化反応が多くなる。

ガラス状カーボンの被膜の膜厚は、２μｍ〜１　ｍｍの
範囲が好ましく、２μｍ未満であると被膜としての効果
が生ぜず、１　ｍｍを超えると被膜形成の熱処理の過程
においてその収縮からクラックや剥蔑を生じる。

又、ガラス状カーボンの被膜の上にＳｉ３Ｎ４の被膜を
形成することが好ましく、このようにすることにより、
ガラス状カーボンの被膜の酸化が防止される。

Ｓｉ３Ｎ４の被膜の膜厚は、０．１〜５００μｍの範囲
が好ましく、０．１（ｔｔｎ未満であると石英ガラスツ
ルボとの接触面でキズ等がつき、被膜としての効果がな
くなり、５００μｍを超えると価格的に非常に高価なも
のとなる。

［実施例コ 以下、本発明の詳細な説明する。

気孔率２０〜５０％のカーボン基材に熱硬化性樹脂（例
えばフェノール樹脂あるいはフラン樹脂）を含浸（真空
含浸）あるいは塗布し、カーボン基材の開気孔に熱硬化
性樹脂充填し、かつカーボン基材の表面を熱硬化性樹脂
で覆い、その後、これを１時間当り２℃以下の昇温速度
で２００℃まで加熱した後、非酸化雰囲気（例えば窒素
ガス雰囲気）中において１時間当り１０℃の昇温速度で
１０００℃まで焼成した。次いで、塩素ガス雰囲気中に
おいて２０００℃１成し、塩素ガスと接触させながら純
化処理を行って熱硬化性樹脂をガラス状カーボンに転換
し、開気孔にガラス状カーボンを充填し、かつカーボン
基材の表面にガラス状カーボンの被膜を形成した開気孔
率の異なる５種類のカーボンルツボ（外径４４０ｍｍ　
、内径４０５ｍｍ　、高さ３００ｍｍ　）を得た。

これらにポリシリコン３０ｋｇを収容した石英ガラスル
ツボを収容し、ＣＺ法により５インチのシリコン単結晶
を引上げたところ、各カーボンルツボのライフは、従来
のカーボンルツボの場合も併記する第２表のようになっ
た。

第　　２　　表 従って、実施例２〜３のカーボンルツボのライフは、従
来のものの約２倍程度となることがわかる。

又、カーボンルツボのライフは、ガラス状カーボンの充
填前後の開気孔率の増減に比例して変化するのではなく
、極大値をもっことから、充填前の開気孔率が２０〜５
０％で、充填後の開気孔率が５〜３０％とすることが望
ましいことがわかる。

なお、従来例１〜３のカーボンルツボは、珪化された部
分からクランクが発生しており、その部分の開気孔内は
ＳｉＣとなっていた。又、従来例４〜５のカーボンルツ
ボは、酸化によろくわれが大きかった。

又、上記各実施例のカーボンルツボのガラス状カーボン
の被膜の上に２〜５００μｍの膜厚の５ｈＮ４の被膜を
形成したところ、ガラス状カーボンの被膜の酸化が防止
され、ライフが５０％以上増加した。

［発明の効果］ 以上のように本発明によれば、カーボン基材のＳｔによ
る珪化反応が、カーボン基材の表面及び開気孔を覆う耐
食性に優れるガラス状カーボンによって抑制される一方
、珪化反応によって生成されるＳＬＣの体積膨張による
応力が５〜３０％の割合で存在する開気孔によって吸収
、緩和されるので、カーボンルツボの割れ及びくわれを
抑制して耐久性を大幅に向上することができ、特にカー
ボンルツボが大型化しても長時間の連続使用を行うこと
ができる。

又、ガラス状カーボンの被膜の上にＳｉ３Ｎ４の被膜を
形成することにより、ガラス状カーボンの被膜の酸化が
防止されるので、カーボンルツボのライフを一層延ばす
ことができる。

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. （１）原料融液を収容した石英ガラスルツボが収容され
   る単結晶製造用カーボンルツボであって、開気孔率２０
   〜５０％のカーボン基材の開気孔にガラス状カーボンを
   充填して開気孔率を５〜３０％とする一方、カーボン基
   材の表面にガラス状カーボンの被膜を形成したことを特
   徴とする単結晶製造用カーボンルツボ。