JPH09208362A - 単結晶製造用部材 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】引上げ単結晶の重量化にともなって大型化する
製造装置に使用しても、寸法精度に優れ、製造コストが
低廉となり、さらに単結晶引上げでの製造装置の解体・
組立の作業性を向上させることができる単結晶製造用部
材を提供する。 【解決手段】坩堝内に収容された原料の溶融液からチョ
クラルスキー法によって単結晶を引上げる製造装置に用
いられる単結晶製造用部材（２および３）であって、単
結晶を引上げる際に前記坩堝（１）を囲繞して配置され
るように平板状の部品を組み立てて構成され、かつその
水平方向の断面形状が正多角形であることを特徴とする
単結晶製造用部材。上記の単結晶製造用部材の水平方向
の断面形状は、正五角形乃至正八角形とするのが望まし
い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チョクラルスキー
法（以下、単に「ＣＺ法」という）によって単結晶を引
上げる際に用いられる単結晶製造用部材に関し、さらに
詳しくは、単結晶製造装置内に配置される加熱ヒーター
および断熱保温筒の構造・形状に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】単結晶の製造方法には種々の方法がある
が、なかでも、シリコン単結晶の製造に関し、量産が可
能な方式で広く応用されているものとしてＣＺ法があ
る。この方法では、坩堝内で結晶形成材料を加熱溶融さ
せるとともに、引上げ過程において均一の高温雰囲気に
保持する必要がある。

【０００３】図２は、ＣＺ法によって単結晶を製造する
装置内の要部構成を説明する縦断面図である。図に示す
ように、坩堝１の外側には加熱ヒーター２が配設されて
おり、さらに加熱ヒーターの外側には同軸に断熱保温筒
３が配置される。坩堝１は内部に石英坩堝1aおよび外部
に黒鉛坩堝1bを配する二重構造で構成され、坩堝１内に
は加熱ヒーター２によって溶融された結晶形成用材料、
つまりシリコン単結晶を引上げる場合には多結晶シリコ
ンの溶融液４が収容されるとともに、断熱保温筒３の作
用によって溶融液の加熱領域および単結晶の引上げ領域
は均一な高温雰囲気に保持される。これらの領域が均一
な高温雰囲気に保持されてのち、坩堝内に収容された溶
融液４の表面に引上げワイヤ７の先に取り付けた種結晶
６の下端を接触させ、この種結晶６を上方へ引き上げる
ことによって、その下端に溶融液４が凝固した単結晶５
を成長させていく。

【０００４】図３は、単結晶製造装置内の坩堝、加熱ヒ
ーターおよび断熱保温筒の配置構成を示す上部斜視図で
ある。通常、ＣＺ法で単結晶を成長させる際に坩堝１を
囲繞して同軸に配置される加熱ヒーター２および断熱保
温筒３（以下、単に「単結晶製造用部材」と総称する場
合がある）は、坩堝内に収容された溶融液の円周方向の
温度分布や引上げ領域における引上中心からの温度分布
の均一化を考慮して、円筒状の構造が採用される。ま
た、単結晶製造用部材の材質として、一般的に黒鉛が適
用される。すなわち、黒鉛は比較的軽量であって取扱い
が簡易であり、昇華温度も3000℃を超えて耐熱性に優れ
ているので耐熱断熱材として適している。

【０００５】さらに、黒鉛は高純度で製造することが可
能であるから、単結晶製造装置内に配置しても重金属等
による引上げ結晶の汚染のおそれが少ないことから、単
結晶製造用部材の材質として好適である。

【０００６】図４は、従来の黒鉛製単結晶製造用部材の
製造工程を示す図であるが、以下に、 (1)の原料コーク
スの粉砕・篩分け工程から (5)の高純度化工程までの処
理内容を工程順に説明する。

【０００７】(1) 原料コークスの粉砕・篩分け工程 原料コークスとしてはコークス、天然・人造黒鉛の他、
カーボンブラックが用いられ、これらは用途に応じて混
合・粉砕されてのち、原料の粒径を調整するため篩分器
によって篩分けされる。

【０００８】(2) 圧縮・成形工程 粒径調整された原料に結合材としてコールタール、ピッ
チを添加してのち、均質、緻密でかつ強度の高い黒鉛材
料を得るために、ＣＩＰ成形または型込形によって圧縮
・成型加工が行われる。一般にＣＩＰ成形加工では等方
性に優れるので加工方向による特性の差がない黒鉛材料
が得られるのに対し、型込成形加工では細かな加工に適
するものの加工方向によって異方性が生じる。このた
め、単結晶製造用部材の製造にあたってはＣＩＰ成形加
工が採用されている。

【０００９】(3) 焼成・黒鉛化工程 成形された黒鉛材料は焼成炉内でピッチを含浸させて焼
成させた後、黒鉛化炉内で黒鉛化処理を施して、機械加
工に供する所定寸法の黒鉛ブロックを作製する。

【００１０】(4) 機械加工工程 通常、単結晶製造用部材の機械加工には旋盤が使用され
る。黒鉛化された黒鉛ブロックを旋盤で切削加工して、
円筒状の形状で一体構造の単結晶製造用部材が加工され
る。

【００１１】(5) 高純度化工程 単結晶製造用部材の高純度化を図るため、切削加工され
た部材は炉内に投入されて高純度化熱処理が施され、単
結晶製造用部材として仕上られる。このとき必要がある
場合には、さらに機械加工（仕上加工）〜高純度化熱処
理の工程が繰り返されて、最終製品である単結晶製造用
部材が製造される。

【００１２】近年、引上げられる単結晶の大重量化にと
もなって、単結晶の製造装置が大型化している。これに
従い、製造装置内に配置される黒鉛製単結晶製造用部材
も大型化、大寸法化するようになった。このため、上述
の製造工程で作製される単結晶製造用部材は種々の問題
点が発生することとなった。すなわち、部材の大型化に
ともなって加工精度を確保することが困難になるととも
に、単結晶の引上げ毎に行われる製造装置の解体・組立
時に部材の取扱いが難しくなる。さらに大きな問題とし
て、部材の素材として用いられる黒鉛ブロックに多くの
無駄が発生することとなる。例えば、前述の機械加工工
程において、８インチ結晶用の加熱ヒーター（寸法：厚
さ20mm、外径 680mm、高さ 500mm）を加工する場合、一
辺が 700mm以上となる黒鉛ブロックが必要であり、しか
も１個の黒鉛ブロックから１個の加熱ヒーターしか製造
できないという制約がある。このように、従来の黒鉛製
単結晶製造用部材を用いる場合には、単結晶の大重量化
にともなって、部材の加工精度および製造コスト、並び
に単結晶引上げでの作業性に問題が生じてきた。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、上記した従
来技術の問題点を克服して、引上げ単結晶の大重量化に
ともなって大型化する加熱ヒーター、断熱保温筒の単結
晶製造用部材であっても、寸法精度に優れ、製造コスト
が低廉で、さらに単結晶引上げでの製造装置の解体・組
立時の取扱いが安易となる単結晶製造用部材を提供する
ことを目的としてなされたものである。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、つぎの (1)、
(2)の単結晶製造用部材を要旨としている（図１参
照）。

【００１５】(1) 坩堝内に収容された原料の溶融液から
チョクラルスキー法によって単結晶を引上げる製造装置
に用いられる単結晶製造用部材（２および３）であっ
て、単結晶を引上げる際に前記坩堝（１）を囲繞して配
置されるように平板状の部品を組み立てて構成され、か
つその水平方向の断面形状が正多角形であることを特徴
とする単結晶製造用部材。

【００１６】(2) 上記(1) の単結晶製造用部材の水平方
向の断面形状は、正五角形乃至正八角形とするのが望ま
しい。

【００１７】なお、本発明において「単結晶製造用部
材」とは、黒鉛製の加熱ヒーターおよび断熱保温筒を意
味しており、さらに「単結晶を引上げる際に坩堝を囲繞
して配置されるように」とは、溶融液を収容する坩堝の
中心位置を軸芯として加熱ヒーターおよび断熱保温筒を
同軸に配置することを意図している。また、「水平方向
の断面形状」とは、単結晶の引上方向を垂直方向とした
場合に、これと直交する水平平面における断面形状を示
している。

【００１８】

【発明の実施の形態】本発明の単結晶製造用部材を図を
用いて説明する。

【００１９】図１は、本発明の単結晶製造用部材の一例
を示す斜視図である。図１から明らかなように、坩堝１
を囲繞する単結晶製造用部材、すなわち、加熱ヒーター
２および断熱保温筒３の水平方向の断面形状は、いずれ
も正六角形の多角形状となっている。

【００２０】断面形状として採用される多角形状は六角
形に限定されるものではないが、坩堝内に収容された溶
融液の円周方向の温度分布や引上げ領域における引上中
心からの温度分布の均一化を図るため、正多角形にする
必要がある。しかも、その断面形状は正五角形乃至正八
角形とするのが望ましい。断面形状が正四角形の加熱ヒ
ーターを用いると、溶融液の円周方向の温度分布に不均
一が生じるおそれがあり、また、正八角形を超える多角
形にすると、後述する単結晶製造用部材の組立の際に作
業が煩雑となり、部材としての必要とされる寸法精度が
確保できないおそれがあるからである。

【００２１】本発明の単結晶製造用部材は、平板状の部
品を組み立てて構成される。部材を構成する平板状の部
品は、前記図４の焼成・黒鉛化工程を経て作製された黒
鉛ブロックから所定厚さで平板状に切断されたものが用
いられる。このようにすることによって、例えば、８イ
ンチ結晶用の加熱ヒーター（寸法：厚さ20mm、外径 680
mm、高さ 500mmに相当）を加工する場合、一辺が 700mm
の黒鉛ブロックから42枚の平板状の部品が採取できるの
で、前記図１に示す形状の加熱ヒーターを７個製造でき
る。したがって、従来の単結晶製造用部材に比べ、製造
コストを大幅に低減することが可能になる。

【００２２】平板状の部品は黒鉛製のボルトで締め付け
または組合せ構造を採用し、容易に分解が可能になるよ
うに組み立てられる。このような組立方式であるため、
単結晶製造用部材の寸法精度は平板状の部品の精度に依
存することになる。したがって、平板状の部品の加工精
度が確保される限りにおいては、何ら単結晶製造用部材
の寸法精度に問題は生じない。

【００２３】上記の構成からなる本発明の単結晶製造用
部材を採用することによって、製造コスト、作業性の面
で顕著な効果が発揮できることを、実施例によって具体
的に説明する。

【００２４】

【実施例】

（本発明例）図１に示す正六角形の加熱ヒーターと断熱
保温筒を用いて、直径８インチの大重量の単結晶を引上
げた。直径８インチ単結晶の引上には外径22インチ（ 5
59mm）の坩堝を用い、その条件は初期チャージ100Kg と
し、引上速度0.8mm 、結晶回転18rpm 、坩堝回転８rpm
〜16rpm で、重量95Kgの単結晶を成長させた。

【００２５】使用した加熱ヒーターは厚さ20mm、幅 395
mm、高さ 500mmの平板を加工した部品を黒鉛製ボルトの
締め付けによって組み立てて、直径 680mmに相当する正
六角形の加熱ヒーターとした。一方、断熱保温筒は厚さ
120mm、幅 555mm、高さ 800mmの平板を加工した部品を
黒鉛製の取付具等を用いて組み立てて、直径 960mmに相
当する正六角形の断熱保温筒とした。

【００２６】（比較例）比較のため、図３に示す従来の
円筒状の加熱ヒーターと断熱保温筒を用いて、直径８イ
ンチの単結晶を引上げた。このときの引上条件は本発明
例の場合と同様とした。使用した加熱ヒーターと断熱保
温筒は、前記図４に示す製造工程によって製造されたも
のである。

【００２７】（比較結果）溶融液の円周方向の温度分布
並びに溶融液の加熱領域および引上げ領域における引上
中心からの温度分布は、本発明例、比較例ともほぼ同様
の分布状況を示し、結果として引上げられた単結晶の形
状または品質（例えば、不純物濃度、欠陥密度等）はい
ずれも不具合は生じなかった。これに対し部材の製造コ
ストを比較すると、本発明例では黒鉛ブロックの歩留り
を向上させることができることから、比較例の製造コス
トに比べ半減させることができた。さらに作業性の面で
は、部材を個々の部品に分解できることから、引上炉の
解体、組立時に取扱いが容易になることが確認できた。

【００２８】

【発明の効果】本発明の単結晶製造用部材、すなわち加
熱ヒーターおよび断熱保温筒を用いれば、引上げ単結晶
の大重量化にともなって大型化する製造装置に使用して
も、寸法精度に優れ、製造コストが低廉となり、さらに
単結晶引上げでの製造装置の解体・組立時の取扱いが安
易となって、その作業性を向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の単結晶製造用部材の一例を示す斜視図
である。

【図２】ＣＺ法によって単結晶を製造する装置内の要部
構成を説明する縦断面図である。

【図３】単結晶製造装置内の坩堝、加熱ヒーターおよび
断熱保温筒の配置構成を示す上部斜視図である。

【図４】従来の黒鉛製単結晶製造用部材の製造工程を示
す図である。

【符号の説明】

１…坩堝、 ２…加熱用ヒーター、 ３…断熱保温筒、
４…溶融液 ５…単結晶、 ６…種結晶、 ７…引上げワイヤー

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】坩堝内に収容された原料の溶融液からチョ
   クラルスキー法によって単結晶を引上げる製造装置に用
   いられる単結晶製造用部材であって、単結晶を引上げる
   際に前記坩堝を囲繞して配置されるように平板状の部品
   を組み立てて構成され、かつその水平方向の断面形状が
   正多角形であることを特徴とする単結晶製造用部材。
2. 【請求項２】水平方向の断面形状が正五角形乃至正八角
   形であることを特徴とする請求項１に記載の単結晶製造
   用部材。