JPH08143390A

JPH08143390A - 単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ

Info

Publication number: JPH08143390A
Application number: JP28303094A
Authority: JP
Inventors: Masato Kano; 正人鹿野
Original assignee: Sumitomo Metal Industries Ltd
Current assignee: Nippon Steel Corp
Priority date: 1994-11-17
Filing date: 1994-11-17
Publication date: 1996-06-04

Abstract

(57)【要約】【構成】黒鉛ルツボ１０内表面の少なくとも上部の表
面粗さＲｍａｘが３０μｍ以上である単結晶引き上げ用
黒鉛ルツボ。【効果】黒鉛ルツボ１０と石英ルツボ１６との嵌合面
にＳｉ等の半導体原料溶融液が侵入しても、両ルツボの
固着を抑制することができ、黒鉛ルツボ１０の破損を防
止することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は単結晶引き上げ用黒鉛ル
ツボに関し、より詳細にはシリコン等の半導体物質の単
結晶を製造するときに用いられる単結晶引き上げ用黒鉛
ルツボに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来から、半導体物質、特にシリコン
（以下、Ｓｉと記す）単結晶の作製には、チョクラルス
キー法（以下、ＣＺ法と記す）と呼ばれる回転引き上げ
法が広く用いられている。図５はＣＺ法で使用される一
般的な結晶製造装置を示した模式的断面図であり、図中
３０は有底円筒状の黒鉛ルツボを示している。黒鉛ルツ
ボ３０は図中矢印方向に所定速度で回転する支持軸１５
に支持されており、また黒鉛ルツボ３０の外側にはヒー
タ１８が同心円状に配設されている。黒鉛ルツボ３０の
内側には同じく有底円筒状の石英ルツボ１６が嵌合され
ており、石英ルツボ１６の内側にはヒータ１８により溶
融させた結晶用Ｓｉ原料の溶融液１７が充填されてい
る。さらに石英ルツボ１６の中心軸上には、支持軸１５
と同一軸心で同方向または逆方向に所定の速度で回転す
るワイヤ等の引き上げ軸１９が配設されている。そし
て、引き上げ軸１９の先端に取り付けられた種結晶２０
を溶融液１７の表面に接触させて引き上げ軸１９を引き
上げていくことにより、溶融液１７が凝固して形成され
る単結晶２１を成長させる。

【０００３】ところで近年、収率よく単結晶を得るため
単結晶２１の大形化が図られ、溶融液１７が充填される
石英ルツボ１６の容量が大きくなり、したがって黒鉛ル
ツボ３０も大形になってきているが、これに伴い、嵌合
されている石英ルツボ１６と黒鉛ルツボ３０との熱膨張
率の差によって生じる黒鉛ルツボ３０の内面における引
張り応力が増大し、変形、割れ、欠損等（以下、破損と
記す）の欠陥が発生し易くなり、黒鉛ルツボ３０を使用
し得る回数が減少している。

【０００４】図６は破損を抑制するための処置が施こさ
れた黒鉛ルツボを模式的に示した断面図であり、図中３
０は分割面１１で２分割された黒鉛ルツボを示してい
る。黒鉛ルツボ３０の内面には石英ルツボ（図示せず）
が嵌合されており、黒鉛ルツボ３０と受け台１４との嵌
合面２２および分割面１１が開口して内部応力が開放さ
れることにより、黒鉛ルツボ３０の破損が抑制される。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところで、例えばＳｉ
溶融液中に多結晶Ｓｉ原料を再投入するリチャージに際
して、Ｓｉ原料を投入すると、石英ルツボ１６内の溶融
Ｓｉが石英ルツボ１６の上端を越えて周囲に飛散するこ
とがある。また、石英ルツボ１６は脆くて耐衝撃性が乏
しいため、リチャージに際して多結晶Ｓｉ原料を投入す
ると、衝撃で石英ルツボ１６にき裂が生じ、このき裂か
ら溶融液がしみ出ることがある。この飛散したＳｉの一
部、あるいは石英ルツボ１６のき裂からしみ出したＳｉ
は、黒鉛ルツボ３０の上端から、あるいは石英ルツボ１
６のき裂から、黒鉛ルツボ３０と石英ルツボ１６の隙間
に侵入し、該侵入したＳｉが冷却される際に、黒鉛ルツ
ボ３０と石英ルツボ１６の接着剤の役割を果し、両ルツ
ボを固着する。

【０００６】黒鉛の熱膨張係数は約５．０×１０^-6／℃
であって、石英の熱膨張係数（０．５×１０^-6／℃）の
約１０倍であり、冷却時においては黒鉛は石英の約１０
倍収縮する。このため、上記構成の黒鉛ルツボ３０にお
いても、黒鉛ルツボ３０と石英ルツボ１６が高温で固着
した後冷却されると、黒鉛ルツボ３０が分割面１１で開
かず、黒鉛ルツボ３０には引張り応力がかかり、破損が
発生するという課題があった。

【０００７】一方、黒鉛ルツボ３０と石英ルツボ１６の
隙間に侵入したＳｉの量が少ない場合には、侵入したＳ
ｉは、黒鉛ルツボ３０の気孔を通って内部に吸収され、
黒鉛ルツボ３０の内表面にＳｉ融液が残留しないため、
石英ルツボ１６と黒鉛ルツボ３０との固着がおこらず、
黒鉛ルツボ３０は分割面１１で開き、破損が発生しにく
くなる。しかし、近年のルツボの大型化による黒鉛ルツ
ボの強度の強化により、黒鉛ルツボ３０の嵩密度が大き
くなり、これに伴って、気孔径が小さくなる傾向にある
ため、気孔へのＳｉ浸透量が少なくなり、黒鉛ルツボ３
０と石英ルツボ１６との固着による破損がより発生しや
すい状態になって、上記課題が助長される傾向にある。

【０００８】本発明は上記課題に鑑みなされたものであ
り、不慮の事故によってＳｉ等の半導体原料溶融液が黒
鉛ルツボと石英ルツボの合せ面隙間に侵入しても、黒鉛
ルツボと石英ルツボの固着が抑制され、黒鉛ルツボの破
損を防止することのできる単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ
を提供することを目的としている。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係る単結晶引き上げ用黒鉛ルツボは、黒鉛ル
ツボ内表面の少なくとも上部の表面粗さＲｍａｘが３０
μｍ以上であることを特徴としている（１）。

【００１０】また本発明に係る単結晶引き上げ用黒鉛ル
ツボは、黒鉛ルツボ内表面の少なくとも上部に、深さ３
０μｍ以上の表面傷が、単位表面積当り５０％以上の割
合で形成されていることを特徴としている（２）。

【００１１】

【作用】黒鉛ルツボと石英ルツボの合せ面隙間にＳｉ融
液が侵入し、黒鉛ルツボと石英ルツボの接着が起こる状
況について、本発明者が検討した結果、以下のことがわ
かった。

【００１２】黒鉛ルツボと石英ルツボの合せ面隙間に侵
入し、黒鉛ルツボ内表面に付着したＳｉ融液の黒鉛ルツ
ボ内表面での広がりやすさは、黒鉛ルツボの内表面粗さ
に影響される。すなわち、黒鉛ルツボの内表面が例えば
鏡面仕上げされ、凹凸が小さい場合には、Ｓｉ融液は黒
鉛ルツボの内表面に液滴状に付着し、ほとんど広がらな
い。このため、黒鉛ルツボの気孔にすべてのＳｉを吸収
してＳｉＣに転化することができず、黒鉛ルツボの内表
面にＳｉ融液が残り、該Ｓｉ融液が、黒鉛ルツボと石英
ルツボを接着する原因となり、黒鉛ルツボの破損が発生
しやすい状態となる。これに対して、黒鉛ルツボの内表
面の凹凸が大きい場合には、付着したＳｉ融液が、凹み
の部分を伝わって黒鉛ルツボの内表面上で広がる。した
がって、黒鉛ルツボに吸収されるＳｉの量が増大し、黒
鉛ルツボの内表面にＳｉが残りにくくなる。なお、黒鉛
ルツボの気孔内に吸収されたＳｉ融液は、気孔内でＳｉ
Ｃ化するため、内表面に付着したＳｉ融液がすべて吸収
された場合には、黒鉛ルツボと石英ルツボとの固着は起
こらない。このように黒鉛ルツボの内表面にＳｉが残り
にくくなると、黒鉛ルツボと石英ルツボとの接着は起こ
りにくくなり、黒鉛ルツボの破損は発生しにくい状態と
なる。

【００１３】また、同様の理由から、黒鉛ルツボと石英
ルツボとの合せ面隙間に侵入し、黒鉛ルツボ内表面に付
着したＳｉ融液の黒鉛ルツボ内表面での広がりやすさ
は、黒鉛ルツボの内表面傷の深さ、および傷の密度に影
響される。

【００１４】本発明に係る単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ
（１）にあっては、黒鉛ルツボ内表面の表面粗さＲｍａ
ｘが３０μｍ以上であるため、不慮の事故によって半導
体原料溶融液が黒鉛ルツボと石英ルツボとの合せ面隙間
に侵入しても、黒鉛ルツボと石英ルツボとの固着が抑制
され、黒鉛ルツボの破損が防止される。

【００１５】また、本発明に係る単結晶引き上げ用黒鉛
ルツボ（２）にあっては、黒鉛ルツボ内表面に、深さ３
０μｍ以上の表面傷が、単位表面積当り５０％以上の割
合で形成されているため、上記した（１）の場合におけ
る作用と同様の作用が得られる。

【００１６】なお、黒鉛ルツボ内表面の表面粗さＲｍａ
ｘを３０μｍ以上とする範囲は、必ずしも黒鉛ルツボ内
表面全面とする必要はなく、例えば、リチャージに際し
てＳｉ原料を投入した際に石英ルツボの上端を越えて融
液が飛散し、該飛散したＳｉの一部が黒鉛ルツボの上端
から黒鉛ルツボと石英ルツボの隙間に侵入して黒鉛ルツ
ボと石英ルツボとが固着、破損することを抑制するため
には、内表面の上部のみにおいて表面粗さＲｍａｘを３
０μｍ以上とすることで、十分黒鉛ルツボの破損を防止
する作用が得られる。また、黒鉛ルツボの内表面に、深
さ３０μｍ以上の表面傷を、単位面積当り５０％以上の
割合で形成する範囲についても同様のことがいえる。

【００１７】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係る単結晶引き上
げ用黒鉛ルツボの実施例及び比較例を図面に基づいて説
明する。なお、ここでは従来例と同一機能を有する構成
部品には同一の符号を付すこととする。

【００１８】図１は実施例に係る単結晶引き上げ用黒鉛
ルツボを示しており、（ａ）は模式的斜視図を、（ｂ）
は模式的展開図をそれぞれ示している。図中１０は２つ
に分割された内径が３１０ｍｍ、厚さが１５ｍｍの黒鉛
ルツボを示しており、黒鉛ルツボ１０の嵩密度は１．８
６ｇ／ｃｍ³ であり、黒鉛ルツボ１０の内表面には表面
粗化処理及び／または表面傷形成処理が施されている。

【００１９】以下、上記実施例に係る黒鉛ルツボ１０を
用いて単結晶の引き上げを行った場合の効果を、下記に
示すＳｉ引き上げの模擬実験の結果から説明する。図２
は上記模擬実験を行うための単結晶引き上げ装置を示し
ており、（ａ）は模式的上面図を、（ｂ）は模式的縦断
面図をそれぞれ示している。

【００２０】図２において、黒鉛ルツボ１０は受け台１
４上に配置され、黒鉛ルツボ１０の内側には石英ルツボ
１６が設置されている。黒鉛ルツボ１０上端の石英ルツ
ボ１６側にはＳｉ粉末２７が、図２（ａ）に示すよう
に、黒鉛ルツボ１０を円周方向に６分割する位置に各２
０ｇずつ載置されている。また、石英ルツボ１６中には
Ｓｉ原料１７が、溶解時に石英ルツボ１６高さの１／３
のＳｉ液量となるよう投入されている。

【００２１】単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ１０内の表面
粗さ、及び表面傷の形成状態を変化させ、冷却後の単結
晶引き上げ用黒鉛ルツボ１０の破損状況を確認した結果
を表１に示す。なお、比較例には※を付し、表中のNo.
は実施例、比較例の通し番号を表している。

【００２２】

【表１】

【００２３】ここで、黒鉛ルツボの表面粗さは、表面粗
さ計として例えば東京精密社製のｈａｎｄｙｓｕｒｆ
Ｅー３０Ａを用い、ＪＩＳーＢー０６０１規格に準じ
て測定を行った。

【００２４】なお、黒鉛ルツボ１０の表面粗化処理を行
うにあたっては、表面に微細な鋼片を吹きつける、ショ
ットブラスト処理により行い、鋼片の吹きつけ圧を調整
することで所定の表面粗さを得た。また、黒鉛ルツボ１
０の表面傷形成処理を行うにあたっては、８０番のサン
ドペーパを用いてルツボ高さ方向と円周方向の傷が直行
するように前記表面傷を形成する方法、または機械加工
によりルツボ円周方向に傷を形成する方法を採用した。
サンドペーパによる表面傷の幅は該表面傷の深さ（Ｒｍ
ａｘ）の約１／３となるよう形成し、機械による表面傷
の幅は該表面傷の深さ（Ｒｍａｘ）と略同じとなるよう
形成した。

【００２５】また、表中の実施例及び比較例において
は、単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ１０（３０）を使用
し、単結晶の引き上げは行わず、それ以外はチョクラル
スキー法による単結晶の引き上げ操作と同操作を行い、
石英ルツボ１６内のＳｉ原料１７を溶解し、一定時間保
持した後、冷却を行った。なお、前記操作の際、黒鉛ル
ツボ１０の上端に乗せたＳｉ粉末２７が溶解し、そのほ
とんどが黒鉛ルツボ１０と石英ルツボ１６との隙間に入
り込んだことが確認された。

【００２６】以下、表１に示す結果について検討する。

【００２７】表１の No.２〜４に示すように、黒鉛ルツ
ボ１０の内表面全面に表面粗化処理を行なった場合、表
面粗さ（Ｒｍａｘ）が３０μｍ以上である実施例 No.
３、４では、黒鉛ルツボ１０に破損は発生せず再使用可
能であったのに対し、表面粗さが３０μｍ未満の比較例
No.２では、黒鉛ルツボ１０上端から入り込んだＳｉに
より黒鉛ルツボ１０と石英ルツボ１６とが固着し、黒鉛
ルツボ１０に割れが発生し、再使用が不可能となった。

【００２８】表１の No.５〜７に示すように、黒鉛ルツ
ボ１０の内表面全面に表面傷形成処理を行なった場合に
おいても、表面粗さ（Ｒｍａｘ）が３０μｍ以上の実施
例 No.６、７では、黒鉛ルツボ１０に破損は発生せず再
使用可能であったのに対し、表面粗さが３０μｍ未満の
比較例 No.５では、黒鉛ルツボ１０上端から入り込んだ
Ｓｉにより黒鉛ルツボ１０と石英ルツボ１６とが固着
し、黒鉛ルツボ１０に割れが発生し、再使用が不可能と
なった。

【００２９】上記した結果から明らかなように、実施例
に係る単結晶引き上げ用黒鉛ルツボにあっては、黒鉛ル
ツボ１０の内表面の表面粗さＲｍａｘが３０μｍ以上で
あるので、半導体原料溶融液が黒鉛ルツボ１０と石英ル
ツボ１６との合せ面隙間に侵入しても、黒鉛ルツボ１０
と石英ルツボ１６との固着が抑制され、黒鉛ルツボ１０
の破損を防止することができる。

【００３０】また、表１の No.８〜１１に示すように、
黒鉛ルツボ１０の内表面全面に機械により表面傷加工処
理を行なった例を比較した場合、単位面積あたりの傷面
積が５０％以上である実施例 No.１０、１１では、黒鉛
ルツボ１０に破損は発生せず再使用可能であったのに対
し、単位面積あたりの傷面積が５０％未満である比較例
No.８、９では、黒鉛ルツボ１０上端から入り込んだＳ
ｉによりが黒鉛ルツボ１０と石英ルツボ１６とが固着
し、黒鉛ルツボ１０に割れが発生し再使用が不可能とな
った。

【００３１】上記した結果から明らかなように、実施例
に係る単結晶引き上げ用黒鉛ルツボにあっては、黒鉛ル
ツボ１０の内表面に、深さ３０μｍ以上の表面傷が、単
位表面積当り５０％以上の割合で形成されているので、
半導体原料溶融液が黒鉛ルツボ１０と石英ルツボ１６と
の合せ面隙間に侵入しても、黒鉛ルツボ１０と石英ルツ
ボ１６との固着が抑制され、黒鉛ルツボ１０の破損を防
止することができる。また、表１の No.１２〜１５に示
すように、黒鉛ルツボ１０の内表面の上端から１０ｃｍ
の範囲全周に表面粗化加工あるいは表面傷加工処理を行
なった場合、表面粗さ（Ｒｍａｘ）が３０μｍ以上であ
る実施例 No.１３、１５では、黒鉛ルツボ１０に破損は
発生せず再使用可能であったのに対し、表面粗さが３０
μｍ未満である比較例 No.１２、１４では、黒鉛ルツボ
１０に割れが発生し再使用が不可能となった。

【００３２】上記した結果から明らかなように、黒鉛ル
ツボ１０上端付近でのＳｉ付着に対しては、黒鉛ルツボ
１０の内表面上端付近に表面粗化加工あるいは表面傷加
工処理を行うことにより、黒鉛ルツボ１０の内表面全面
に処理を行なった場合と同等の効果が得られることがわ
かった。

【００３３】なお、黒鉛ルツボ１０内表面に表面処理を
行わなかった従来の黒鉛ルツボ（比較例 No.１）３０で
は、黒鉛ルツボ３０上端から入り込んだＳｉにより黒鉛
ルツボ３０と石英ルツボ１６とが固着し、黒鉛ルツボ３
０に割れが発生して再使用が不可能となった。

【００３４】また、比較例に係る、破損が発生した黒鉛
ルツボ１０においては、黒鉛ルツボ１０上端から入り込
んだＳｉにより黒鉛ルツボ１０と石英ルツボ１６とが固
着していることが確認された。これに対して、実施例に
係る、破損が発生しなかった黒鉛ルツボ１０において
は、黒鉛ルツボ１０上端から入り込んだＳｉが内表面の
円周方向および下方向に広がり、黒鉛ルツボ１０に吸収
されたことを示すＳｉＣ化した変色部が認められたが、
黒鉛ルツボ１０内表面にＳｉの付着はなく、石英ルツボ
１６との固着は発生しなかった。

【００３５】次に、傷の深さ（表面粗さ）と曲げ強度と
の関係について実験した結果について説明する。図３
（ａ）は実験に使用した黒鉛材を模式的に示した側面図
であり、図３（ｂ）は下面図である。黒鉛材２６は幅ｘ
が２０ｍｍ、高さｙが１５ｍｍ、長さｚが１００ｍｍの
ものを用いた。黒鉛材２６は黒鉛ルツボ１０と同じ材質
のものを用い、嵩密度は１．８６ｇ／ｃｍ³ であった。
曲げスパンｔは８０ｍｍとした。試験片の下面に表面傷
２５を形成し、３点曲げ強度を測定した結果を図４に示
す。なお、平滑表面での曲げ強度は４００ｋｇｆ／ｃｍ
² であった。また、表面傷形成処理はサンドペーパもし
くは機械加工を用い、三角溝状の表面傷２５を黒鉛材２
６の幅方向と平行に端から端まで形成し、表面傷２５の
幅は傷深さと同程度に設定した。

【００３６】図４から明らかなように、表面傷２５の深
さが黒鉛材２６の高さｙの１．５％以上になると強度は
８０％以下に低下する。このことから、表面傷２５の深
さは黒鉛材２６の高さｙの１．５％以内であるように形
成するのが望ましいことがわかった。なお、黒鉛材２６
の高さｙは本実施例における黒鉛ルツボ１０の厚みに相
当するものであるが、表１に示した No.８〜１１の実験
例における表面粗さＲｍａｘ（表面傷の深さ）２００μ
ｍとは、黒鉛ルツボ１０の厚みに対して１．３％の値と
なり、黒鉛ルツボ１０の強度には支障をきたさない。

【００３７】また、本実施例においては表面傷２５の幅
を表面傷２５の深さと同じとしたが、一般に前記値は
０．２〜５倍の範囲であるのが望ましく、０．５〜３倍
の範囲であるのがより好ましい。

【００３８】

【発明の効果】以上詳述したように、本発明に係る単結
晶引き上げ用黒鉛ルツボ（１）においては、該黒鉛ルツ
ボ内表面の少なくとも上部の表面粗さＲｍａｘが３０μ
ｍ以上であるので、不慮の事故によって半導体原料溶融
液が黒鉛ルツボと石英ルツボの合せ面隙間に侵入して
も、黒鉛ルツボと石英ルツボの固着が抑制され、黒鉛ル
ツボの破損を防止できる。

【００３９】また、本発明に係る単結晶引き上げ用黒鉛
ルツボ（２）においては、該黒鉛ルツボ内表面の少なく
とも上部に、深さ３０μｍ以上の表面傷が、単位表面積
当り５０％以上の割合で形成されているので、上記した
（１）の場合における効果と同様の効果が得られる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の実施例に係る単結晶引き上げ
用黒鉛ルツボの模式的斜視図であり、（ｂ）はその展開
図である。

【図２】（ａ）は実施例に係る黒鉛ルツボに石英ルツボ
を嵌合し、黒鉛ルツボ上端にＳｉ粉を乗せた様子を示し
た模式的上面図であり、（ｂ）はその縦断面図である。

【図３】（ａ）、（ｂ）は表面傷の深さ（表面粗さ）と
曲げ強度との関係についての実験で使用した黒鉛材を示
した模式的側面図及び模式的下面図である。

【図４】表面傷の深さ（表面粗さ）と曲げ強度との関係
について実験を行なった結果を示したグラフである。

【図５】従来のＣＺ法で使用される結晶成長装置を示し
た模式的断面図である。

【図６】従来の２つに分割された黒鉛ルツボを示す模式
的断面図である。

【符号の説明】

１０黒鉛ルツボ２４表面粗化処理及び／または表面傷形成処理を施し
た部分２５表面傷

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】黒鉛ルツボ内表面の少なくとも上部の表
面粗さＲｍａｘが３０μｍ以上であることを特徴とする
単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ。
【請求項２】黒鉛ルツボ内表面の少なくとも上部に、
深さ３０μｍ以上の表面傷が、単位表面積当り５０％以
上の割合で形成されていることを特徴とする単結晶引き
上げ用黒鉛ルツボ。