JPH01183490A - 単結晶引上用黒鉛るつぼ - 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〕 本発明は単結晶引上用黒鉛るつぼ、特に好適にはチョク
ラルスキー法によるシリコン単結晶引上げ用黒鉛るつぼ
に関するものである。

〔従来技術〕

シリコン単結晶を製造する最も一般的な方法はチョクラ
ルスキー法であり、更に詳しくは、石英るつぼを黒鉛る
つぼの中に収容し、かつ黒鉛るつぼを黒鉛発熱体でかこ
み、さらにそれ等を不活性ガス雰囲気とした収納ケース
に設置した装置を用いる方法である。

近時、高収率でシリコン単結晶を得るため、大型サイズ
の単結、晶が製造されるようになった。必然的にその製
造装置に用いられる黒鉛るつぼも大型のものが必要にな
ってきた。

しかし、黒鉛るつぼの容量が大きくなるにつれ、熱歪が
大きくなりかつ機械的強度、とくに上縁部、下部周辺弯
曲部等の応力が集中する部分において割れが発生する確
率が高くなり、黒鉛るつぼの寿命が短くなる等の技術的
困難性が大きくなっている。このため従来から黒鉛るつ
ぼの寿命を長くすることが考えられ、その１つとして黒
鉛るつぼを複数個に分割することが提案されており、−
応応力を吸収してそれなりの効果はあるが、やはり、上
縁部や下部弯曲部等の応力集中部については、充分な効
果をあげていない、又、石英るつぼの熱膨張率により近
い黒鉛材の開発即ち低熱膨張率を持った黒鉛材の適用も
研究されているが、−船釣にこの様なるつぼに使用され
る黒鉛材は高密度で緻密な構造を有していることが必要
であり、この特性に起因するクラック発生が避けられず
耐久性の向上とは背反する関係にある。更に、黒鉛るつ
ぼの応力集中部を肉厚にするなどの工夫も開発されては
いるが、るつぼが大型になり、ひいては装置全体の大型
化にもつながり、また成形性も悪くなる。このような難
点はシリコン単結晶引上装置ばかりでなく、その他の単
結晶引上装置についても同様に生ずるものである。

〔発明が解決しようとする問題点〕

本発明者は従来のこの種黒鉛るつぼの難点を解決するた
めに鋭意研究を続けてきたが、この研究に於いて、るつ
ぼ寿命決定の大きな要因は次の通りであることが判明し
た。

（イ）黒鉛るつぼに密着しているが冷却時に石英と黒鉛
との両者の熱膨張係数の大きな差により黒鉛るつぼが内
圧を受は破損すること。

（ロ）黒鉛るつぼは使用されるに従い、溶融シリコンと
石英るつぼとから発生する浮遊シリコンと反応し、表層
より深部に向かってＳｉＣの生成反応が併発し、この層
が成長し、この黒鉛とＳｉＣの２層の熱膨張係数の違い
から、熱応力歪が発生し黒鉛るつぼが破損すること。

（ハ）黒鉛るつぼとそれに内接する石英るつぼの成分Ｓ
ｉＯ２との反応で酸素が発生し、黒鉛るつぼが酸化して
消費され、黒鉛るつぼの肉厚が減肉する。即ち、応力に
対する抵抗力が低下し破損が生じることである。

従って本発明が解決しようとする問題点は上記の知見に
より、上記知見を克服して黒鉛るつぼの円筒部の変形を
防止し、長寿命の黒鉛るつぼを提供することである。

〔問題点を解決するための手段〕

この問題点は、単結晶引上用黒鉛るつぼに於いて、その
少くとも応力集中部に、炭素繊維を捲回し、且つ該繊維
間及び（又は）繊維と黒鉛るつぼ間とを接着せしめるこ
と、更に好ましくは上記応力集中部として黒鉛るつぼの
上縁付近部または（及び）下縁周辺部に炭素繊維を捲回
し、また上記接着手段として熱分解炭素によりこれを行
うことにより解決される。

〔発明の構成並びに作用〕

本発明は、たとえば第１図及び第２図に示すように黒鉛
るつぼ（１）の熱応力が集中する部分たとえば上縁付近
（２）や下縁周辺部（３）を外部より炭素繊維をもって
適当巾即ち複数本帯状にまきつけるものであり、これに
より、亀裂に対する抵抗力を大幅に改良することができ
る。また更に好ましくは繊維間および／または繊維と黒
鉛るつぼとを接着させることにより炭素繊維の折損飛散
即ち毛羽発生の防止や、強度向上を一層向上せしめるこ
とが可能である。以下本発明の詳細な説明する。

本発明に係る黒鉛るつぼの基材としては従来からこの種
分野において使用されて来た各種黒鉛るつぼがその材質
、形状を問わず広く使用出来るが、好ましくは人造黒鉛
製とくに等方的物性を有する等方性高密度黒鉛材料が純
度及び機械的強度の点で好ましい。

本発明に於いてこの黒鉛るつぼに炭素繊維を捲回するに
際しては、原則としてその場所としては応力が集中する
部分であり、その好ましい代表例としてるつぼ上縁付近
や下縁周辺部就中弯曲部を例示出来、これ等１方または
双方を対象とする。

炭素繊維を捲回する際の面積は、るつぼの大きさや形状
等により異なり必ずしも一定しないが、応力集中部の少
（とも半分以上は捲回することが好ましい。たとえば１
４インチ型るつぼの場合は３０〜１１００ｒ、好ましく
は３０〜６０Ｉ１１１の巾で捲回することが好ましい。

捲回する炭素繊維としても、各種の炭素質繊維が広く使
用出来、その材質としてはたとえばポリアクリルニトリ
ルから製造したものやその他石油ピッチ、石炭ピッチか
ら製造したものを例示出来る。繊維の太さは通常７〜１
０μｍ程度である。

捲回方法も特に限定されず、上記所定の巾に捲回できる
手段であればどのような手段でも良い。また使用する繊
維の数量も、その繊維の太さに合せて適宜に決定すれば
良い。

特に本発明に於いては、第２図に示す如く炭素繊維（５
）　（５’）が基材たる黒鉛るつぼに穿孔された溝（６
）中に於いて捲回されて、黒鉛るつぼ外表面に炭素繊維
（５）　（５’）が殆ど或いは全く突出しないようにす
ることが次の点から好ましい。即ち該炭素繊維（５）　
（５’）が外表面からはみ出すと、取扱いの不便さ、炉
内空間効率の低下及び高周波電極との距離が大きくなる
ことに基づく電流効率の悪化等を惹起する傾向がある。

本発明に於いては、またまきつけた炭素繊維の表面に、
熱分解炭素被膜を形成せしめることにより、繊維間およ
び／または繊維と黒鉛るつぼを密に固着させることが出
来る。この膜厚は好ましくは５〜２５０μｍ程度であり
、この膜厚が２５０μｍよりも厚くなると加熱−冷却の
繰返しの使用に際して剥離もしくは亀裂を生じる傾向が
あり、炭素繊維が露出し被膜形成の効果が不充分となる
場合があり、また逆に膜厚が５μｍに達しないときは被
膜形成に基づく接着効果が充分に発揮され難い。またこ
の熱分解炭素は被膜を形成せしめても良いが、繊維間や
繊維と黒鉛るつぼ間に含浸せしめても良いことは勿論で
ある。

本発明に於いて熱分解炭素被膜を形成し、または含浸せ
しめる方法自体は例えば「炭素材料入門」　（炭素材料
学会・昭和４７年１１月発行）等の文献に記されている
通り、別の分野では良く知られたことであり、その−船
釣実施態様を記すと、炭素発生材料、例えば炭素数１〜
８とくに炭素数３〜４の直鎖状又は及び環状の炭化水素
ガスもしくは炭化水素化合物を熱分解させ、基材上に熱
分解炭素を浸透、析出させ、表面に被膜を形成せしめた
ものである。これに対して濃度調節用として炭化水素１
（容Ｎ）部に対して水素ガスを０．５部乃至５部（容量
）とくに好ましくは１乃至３部混合し、全圧を５〜３０
０　Ｔｏｏｒ、好ましくは１０〜１００Ｔｏｏｒの条件
で操作することが望ましい。

このような操作を行った場合、炭化水素が基材表面付近
で、脱水素、熱分解、重合などによって、巨大炭素化合
物を形成し、これが基材上に沈積、析出し、さらに脱水
素反応が進み、強固で不浸透性の熱分解炭素被膜層が形
成され、あるいは浸透して含浸されるのである。但し、
Ｏ，，８，０の共存は悪影響があるので避けることが好
ましい。

析出の温度範囲は８００°Ｃ以上、２５００℃位までの
広い範囲である。

尚本発明に於いて上記熱分解炭素を形成させる方法自体
は同等重要ではなく、上記所定の要件を有する熱分解炭
素が形成されるかぎり何等その形成方法は限定されるも
のではなく、各種の形成方法がいずれも有効に適用出来
る。

また、この接着方法は熱分解炭素処理に限るものではな
く、熱硬化性樹脂や熱可塑性樹脂のように、熱処理によ
り繊維間及び／また繊維と黒鉛るつぼを接着することの
出来る樹脂、またこれを主成分とする炭素材用の接着剤
を用いる方法であっても良い事は言うまでもない。

〔実施例〕

以下に実施例を示して本発明を更に具体的に説明する。

実施例 嵩比重１．７７、熱膨張係数４．ＯＸ　１０−’／’Ｃ
（室温〜４００℃）、異方比１．０２、サイズ１４”φ
×１２”の黒鉛るつぼの上端および下端部に第１．２図
に示すように外壁面に帯状に炭素繊維をまきつけ、繊維
層をるつぼ肉厚の１１５の厚さになるまで均一に形成さ
せた。上記の黒鉛るつぼを１３００℃に加熱し、Ｃ，Ｈ
，ガスを３０１７５ｉｎ（Ｓ、Ｔ、Ｐ）の流速で流し熱
分解炭素を５０μｍの膜厚で形成した。

比較例 上記実施例に於いて、炭素繊維を全く捲回せず、また熱
分解炭素を形成しない黒鉛るつぼ。

上記実施例及び比較例の各るつぼをチョクラルスキー法
によりアルゴン雰囲気中で１５５０℃まで加熱し、金属
シリコンを溶融し３時間でシリコン単結晶を引上げ、冷
却する条件でシリコン引上げ実験を行った所、実施例の
ものは４０回目まで亀裂が発生しなかったが、比較例の
ものは２０回で第３図（ロ）に示す位置に於いて亀裂が
発生した。また実施例のものの軸方向引張応力（第３図
（イ）に示す斜線部分の引張応力）は３．０　ｋｇ／ｍ
ｍ”以上であった。

〔発明の効果〕

上記実施例及び比較例から明らかな通り、黒鉛るつぼに
巻きつけるだけで強度が大きく向上し、またるつぼ形状
をコンパクトに保つことができ経済性も良好となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明のるつぼの要部の斜視図、第２図はその
側断面図である。第３図（イ）は本発明のるつぼの、ま
た第３図（ロ）は比較例のるつぼの夫々の要部断面図で
ある。 （１）・・・・・・黒鉛るつぼ （２）・・・・・・上縁付近部 （３）・・・・・・下縁周辺部 （４）・・・・・・巾 （５）・・・・・・炭素繊維 （６）・・・・・・溝 （７）・・・・・・破損部 （以上） 特許出願人　　東洋炭素株式会社 第１図 第２図 第３図 手続主甫正書（自発） １．事件の表示 昭和６３年　特　許　願　第５８９２号２、発明の名称 単結晶引上用黒鉛るつぼ ３、補正をする者 事件との関係　　　　　　　　　　特許出願人住所　　
大阪市西淀用区竹島五丁目七番十二号氏名　　東洋炭素
株式会社 代表者近藤照久 ４、代理人 〒５３０　　大阪市北区南森町ｌの１の２５八千代ビル
南館　ｄａ０６（３１４）０２４８　番明細書の発明の
詳細な説明の項 ６、補正の内容 補正の内容 １、　明細書第９頁第３〜６行「炭化水素・・・・・・
望ましい。」とあるを下記の通り訂正する。 ［炭化水素１部（容量）に対して水素ガスを１．５部乃
至２０部（容量）とくに好ましくは４乃至１８部（容量
）混合し、全圧を３００Ｔｏｒｒ以下、好ましくは５０
Ｔｏｒｒ以下の条件で操作することが望ましい。」 （以上）

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. （１）単結晶引上用黒鉛るつぼに於いて、その外壁部の
   少くとも応力集中部に、炭素繊維を捲回し、且つ該繊維
   間及び（又は）繊維と黒鉛るつぼ間とを接着せしめたこ
   とを特徴とする単結晶引上用黒鉛るつぼ。
2. （２）上記応力集中部が黒鉛るつぼの上縁付近部または
   （及び）下縁周辺部である特許請求の範囲第１項に記載
   の黒鉛るつぼ。
3. （３）上記接着が熱分解炭素により行われたものである
   特許請求の範囲第１または２項に記載の黒鉛るつぼ。
4. （４）炭素繊維の捲回が、基材黒鉛るつぼに設けた穿溝
   内で形成されて、捲回部が黒鉛るつぼ外表面から殆ど突
   出しないように形成されて成る特許請求の範囲第１乃至
   ３項のいずれかに記載の黒鉛るつぼ。
5. （５）単結晶がシリコン単結晶である特許請求の範囲第
   １乃至４項のいずれかに記載の黒鉛るつぼ。