JPH0873292A - 半導体単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 この発明は、カーボンファイバーを用いた黒
鉛ルツボで、しかもこれを繰り返しシリコン単結晶の引
き上げに使用しても縁部が外側にそったり、これに嵌挿
される石英ガラスのルツボとの熱膨脹率の相違で破損す
るようなことがなく、またシリコン融液の対流が行われ
て良好なシリコン単結晶が得られるような黒鉛ルツボを
得ようとするものである。 【構成】ルツボ底部を構成する架台と、この架台の上部
周縁に形成された凸部の内側に嵌挿された筒状体と、こ
の筒状体の底部内周縁に載置した環状スペーサから構成
される黒鉛容器で、筒状体がカーボンファイバーを円周
方向に互いに密接して配置したもので、かつ円周方向の
熱伝導率が上下方向の熱伝導率より大である異方性炭素
繊維強化炭素材であることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は半導体単結晶引き上げ
用黒鉛ルツボに関し、特に良好な半導体単結晶に引き上
げが出来て、しかも長寿命で経済的な黒鉛ルツボに関す
る。

【０００２】

【従来の技術】溶融シリコンからシリコン単結晶を引き
上げ法で製造する際に用いられる石英ガラスルツボは、
その回りを黒鉛ルツボによって保持されて使用されてい
る。半導体シリコン単結晶は、高純度多結晶シリコンを
石英ガラスルツボ内で溶融し、種結晶を用い引き上げて
製造されるが、処理温度が１４００℃以上にも達すると
ころから、石英ガラスルツボが軟化して変形する。この
ために石英ガラスルツボは黒鉛製ルツボの中に収められ
保持されて使用される。

【０００３】こうした用途に使用される黒鉛ルツボは、
その中に嵌め込まれる石英ガラスルツボと熱膨脹率が違
うため使用時に破損を生じることがあり、この問題を解
決する手段として黒鉛ルツボを割れ型とすることが知ら
れ（実公昭５２−２７８８０号）、現在このタイプの黒
鉛ルツボが広く用いられている。

【０００４】しかしながら、この割れ型の黒鉛ルツボを
使用していると、使用中に黒鉛ルツボに内装された石英
ガラスルツボと黒鉛ルツボが反応して黒鉛ルツボの内面
にＳｉＣが形成され、黒鉛ルツボの分割部分が次第に外
方に向かってそって来る現象を生じる。

【０００５】これを説明すると、図８において１０は従
来の黒鉛ルツボであり、この中に図示しない石英ガラス
ルツボが実質的に密接して挿入されて半導体単結晶引き
上げ用ルツボが構成される。この半導体単結晶引き上げ
用黒鉛ルツボ１０は、繰り返し使用していると図に示す
ように、縁部１１が外側へのそりを生じてくる。

【０００６】こうした状態となった不良の黒鉛ルツボ１
０を使用していると、これに内装している石英ガラスル
ツボも外側にそって黒鉛ルツボと密接する形に拡大され
て形が大きくなり、円周方向の温度分布が不均一となっ
て融液の液面レベルの変動が生じ結晶成長に悪影響を与
えたり、酸素濃度が大きくなって良好な単結晶が得られ
なかったり、またシリコン単結晶の歩留まりが低下する
原因となっていた。

【０００７】さらに、黒鉛ルツボの変形が大きくなると
その内側に挿入されている石英ガラスルツボが拡大され
て肉薄となり、その程度が大きくなると石英ガラスルツ
ボから溶融シリコンの湯もれ、しみ出しといったことが
生じる恐れがあった。

【０００８】さらに上述したように割れ型の黒鉛ルツボ
を用いると、黒鉛ルツボの前述の割れ目を通して石英ガ
ラスがヒータの輻射熱を直接受けて軟化し黒鉛との反応
を一層促進させたり、溶融シリコンを部分的に加熱して
シリコンの円周方向の温度分布の不均一を生じさせる原
因となっていた。このため、これまでも黒鉛ルツボの変
形を少なくする方法が種々提案されている。

【０００９】例えば実公平３−４３２５０号は黒鉛ルツ
ボの側壁部分を一体の炭素繊維強化炭素材で構成するこ
とを提案している。これは炭素繊維強化炭素材の連続ト
ウをヘリカル状に巻き付けて成形硬化してルツボとする
ものである。

【００１０】この黒鉛ルツボは確かに強度面では満足で
きるが、ルツボの熱伝導率に異方性をもたすことができ
ず、そのためにルツボ内の融液に上下方向で対流を生じ
させることが出来ず、この黒鉛ルツボを用いてシリコン
単結晶の引き上げを行っても融液の酸素濃度を十分に下
げて、良好な単結晶を歩留よく得ることは望めなかっ
た。

【００１１】他の先行技術として、底部を構成する架台
の外周縁部にスリットを設けた円筒部を備え、円筒部内
の架台上に環状スペ−サ−を設けたシリコン単結晶製造
用黒鉛製ルツボ保持具が提案されている（特公平２−７
９１７号）。しかしながら、この黒鉛ルツボにあっても
熱伝導率に異方性がないために融液の対流が十分に行わ
れず、この黒鉛ルツボで良好な単結晶の引き上げを行う
にはさらに改良を必要とするものであった。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】この発明は、カーボン
ファイバーを用いた黒鉛ルツボで、しかもこれを繰り返
しシリコン単結晶の引き上げに使用しても縁部が外側に
そったり、これに嵌挿される石英ガラスのルツボとの熱
膨脹率の相違で破損するようなことがなく、またシリコ
ン融液の対流がよく行われ、良好なシリコン単結晶が得
られるような黒鉛ルツボを得ようとするものである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】この発明は、ルツボ底部
を構成する架台と、この架台の上部周縁に形成された凸
部の内側に嵌挿された筒状体と、この筒状体の底部内周
縁に載置した環状スペーサから構成される黒鉛ルツボ
で、筒状体がカーボンファイバーを円周方向に互いに密
接して配置したもので、かつ円周方向の熱伝導率が上下
方向の熱伝導率より大である異方性炭素繊維強化炭素材
であることを特徴とする半導体単結晶引き上げ用黒鉛ル
ツボ（請求項１）、黒鉛ルツボの架台の上部が、その上
に載置した筒状体の内側で筒状体の最下面より上に突出
しないようにしたことを特徴とする請求項１記載の半導
体単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ（請求項２）、筒状体の
円周方向と上下方向の熱電導率の比が１：０．０１〜
０．２であることを特徴とする請求項１又は２記載の半
導体単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ（請求項３）及び筒状
体がカーボンファイバーを２５重量％以上含むことを特
徴とする請求項１又は２記載の半導体単結晶引き上げ用
黒鉛ルツボである。以下に、これらの発明をさらに説明
する。

【００１４】本願発明の黒鉛ルツボは、ルツボ底部を構
成する架台と、この架台の上部周縁に形成された凸部の
内側に嵌挿される筒状体と、この筒状体の底部内周縁に
載置した環状スペーサーからなり、さらに筒状体を異方
性炭素繊維強化炭素材で構成したものである。

【００１５】図１はこの発明の１実施例になる黒鉛ルツ
ボ１の断面図である。図１で２は黒鉛ルツボの底部を構
成する架台、３は筒状体、４は環状リングで、これらは
図示の通りに組み立て黒鉛ルツボ１を構成する。

【００１６】即ち、架台２の上部周縁に凸部５を設け、
この凸部５の内側に筒状体３の底部を載置する。さらに
この筒状体３の底部内周縁に環状リング４を嵌め込み黒
鉛ルツボ１を構成する。

【００１７】この発明で用いる筒状体３は、図２に示す
ようにカーボンファイバー６を円周方向に実質的に平行
に、しかも互いに密接して配置した異方性炭素繊維強化
炭素材で構成する。これによって本発明で用いる筒状体
３は、円周方向の熱電導率を上下方向の熱伝導率よりも
大とすることが出来る。

【００１８】即ち、カーボン繊維は長さ方向の熱伝導率
は大きいが、長さ方向と直角方向（太さ方向）の熱伝導
率は小さいので、図２に示すようなカーボンファイバー
を円周方向に互いに密接して配置して構成した炭素繊維
強化炭素材の筒状体は、熱伝導率が高さ方向で小さく逆
に円周方向で大きくすることができる。

【００１９】請求項２の発明は、図３に示すように、ル
ツボの架台の形状を変えたものである。この架台７は、
その上面周縁に平坦部８が形成されていて、この平坦部
８の上に筒状体３が載置されているが、その場合、筒状
体３の内側で、架台７の上部が筒状体３の最下面より上
に突出しないようにしたものである。

【００２０】図４は、上記とは反対に、筒状体３の内側
で、架台９の上部１０が筒状体３の最下面より上に突出
しているものである。このようにすると、架台９の黒鉛
の熱膨張率が筒状体３を構成している炭素繊維強化炭素
材の熱膨張率より大きいため、使用中に黒鉛ルツボの架
台９が割れる恐れるがある。

【００２１】しかるに、図３に示したこの発明のよう
に、筒状体３の内側で、架台７の上部が筒状体３の最下
面より上に突出しないようにしたものでは、架台７が使
用中に熱膨張をしても筒状体３との熱膨張率の違いによ
ってこれが破損するといったようなことは避けることが
出来る。なお、請求項２の発明でも、筒状体３、環状リ
ング４は請求項１の発明と同様なものが使用される。

【００２２】請求項３の発明は、筒状体の円周方向と上
下方向の熱電導率の比を１：０．０１〜０．２とするも
のである。発明者らの実験によれば、円周方向と上下方
向の熱電導率の比は上記の範囲、即ち筒状体の円周方向
の熱伝導率を高さ方向の熱伝導率の５〜１００倍とする
ことで、黒鉛ルツボに嵌められる石英ガラスルツボ内の
シリコン融液に、上下方向で必要な温度差を生じさせる
ことが出来る。

【００２３】熱電導率の比を円周方向の１に対し０．０
１以下とすることは現在のところ製造がむずかしく、ま
たこれを０．２以上とすると熱伝導率の差が小さく、石
英ルツボ内のシリコン融液を上下方向で十分な温度差に
することが出来ない。この中でもさらに好適な熱伝導率
の比は１：０．０２〜０．１５で、最も好適な比は１：
０．０５〜０．１である。

【００２４】請求項４の発明は、上記の筒状体がカーボ
ンファイバーを２５％以上含むことを特徴とするもので
ある。カーボンファイバーは強度が大で、これを２５％
以上含むことによって必要な強度を保持しながら黒鉛ル
ツボの筒状体部分を薄くして軽量化を達成することがで
きる。カーボン繊維が２５％未満では黒鉛ルツボの十分
な強度アップを期待することは出来ない。さらに、カー
ボンファイバーは石英ガラスと反応してＳｉＣを生成す
ることが少なく、カーボン繊維を２５％以上含むことは
この面でも有効である。

【００２５】即ち、黒鉛ルツボはその内側に石英ガラス
のルツボを嵌挿してシリコン単結晶の引上げに使用され
るが、その際、黒鉛ルツボの内側は石英ガラスと反応し
てけい化され黒鉛ルツボを損傷させる。しかしながら、
カーボン繊維は通常の黒鉛と比べ石英ガラスと反応する
ことが少なく、従って筒状体にカーボン繊維を２５％以
上含むようにすると、黒鉛ルツボの損傷が回避される。
カーボン繊維の含有量の更に好ましい範囲は３０重量％
以上である。

【００２６】シリコンなどの半導体単結晶引き上げに際
しては、ルツボ中の融液の温度管理は極めて重要であ
る。このために本発明では、黒鉛ルツボの円周方向の熱
伝導率を大きくする一方で上下方向の熱伝導率は逆に小
さくし、これによってルツボ内の融液の上下の温度差を
出来るだけ大きくし、融液の対流を生じるようにしたも
のである。

【００２７】これによれば、シリコン単結晶引き上げに
際し、石英ガラス容器自体から遊離して発生する酸素を
融液の対流を利用して融液から外部に放出することが出
来る。これを図６及び図７に基づき更に説明すると次の
通りである。

【００２８】図６は従来の黒鉛ルツボを用いてシリコン
単結晶を引き上げる際のルツボ内の融液の対流の状態
を、また図７はこの発明になる黒鉛ルツボを用いてシリ
コン単結晶を引き上げる際の、各黒鉛ルツボに嵌挿され
た石英ガラスルツボ内の融液の対流の状態を分かり易く
示した説明図である。

【００２９】図６及び図７で、２０，２０´はルツボ、
２１，２１´は種晶、２２，２２´は融液である。ま
た、２３，２３´はシリコン単結晶である。図６に示す
従来のルツボは、円周方向（水平方向）では温度差があ
る一方で上下方向では比較的温度差が少なく、このため
に融液の上下方向での対流は十分に行われず、石英ガラ
スルツボの容器から離脱して発生した酸素は、融液の中
に押し込められて最終的に液面から放出されることが少
なく、発生した酸素はシリコン単結晶の中に残存したま
まとなることが多い。

【００３０】これに対し、図７に示すように本願のルツ
ボは、黒鉛ルツボの円周方向の熱伝導率を大きくし、さ
らにルツボの上下方向の熱伝導率小さくしたので、ルツ
ボ内の融液の上下の温度差を大きくすることが出来るよ
うになる。

【００３１】このために、ルツボ内の上下で融液の対流
を生じ、これによって石英ガラスルツボの容器から離脱
して発生した酸素は、融液の中を押し上げられ盛んに液
面から放出されるようになった。

【００３２】本発明で用いる筒状体は公知な方法で製造
することが出来る。即ち、所定の太さを有する導電性型
を用い、この型の円周方向にカーボンファイバーが実質
的に平行に位置するように、しかも隣接するカーボンフ
ァイバーが密接するように密に巻き付け、カーボンファ
イバーがいわゆる最密充填となるようにする。カーボン
ファイバーを最密充填するようにして巻き付けることに
よって、円周方向の熱伝導率を上下方向の熱伝導率より
大きくした異方性カーボンの筒状体を得ることが出来
る。

【００３３】この筒状体を１０〜３０％の酢酸水溶液に
入れ、上記のカーボンファイバーを巻き付けた型をアノ
−ドとして直流通電し、カーボンファイバーを陽極酸化
し表面に被覆されたサイジング剤を除去する。

【００３４】次ぎに、これを５〜３０％のフルフリルア
ルコ−ルの水溶液中でカーボンファイバーをアノ−ドと
して直流通電しカーボンファイバーの表面でフルフリル
アルコールを重合付着させる。この方法についてはすで
に特開平１−２８２３８５号に開示されている。所定の
重合が終えた後、これを６０℃で２時間、１００℃で６
時間、２００℃で６時間乾燥して水分を除去する。その
後脱型してこれを焼成する。焼成は、例えば昇温速度５
℃／時間とし、非酸化雰囲気中１０００℃で行う。その
後、例えば昇温速度を１００℃／時間として２５００℃
以上の温度で黒鉛化を行う。これを所定の長さに切断し
端部を揃えるなどの後加工を行って最終的な筒状体とす
る。

【００３５】

【作用】本発明によれば、黒鉛ルツボの筒状体を異方性
炭素繊維強化炭素材で構成し、黒鉛ルツボの円周方向の
熱電導率を上下方向のそれに比較して大幅に大きくした
ので、シリコン融液は上下方向で対流を生じるようにな
って融液の酸素濃度を低下することができ、良好なシリ
コン単結晶が得られるようになった。

【００３６】

【実施例】断面が図５に示す寸法の黒鉛ルツボに、径１
８インチの石英ガラスルツボを嵌め込んだ引上げルツボ
を用いて直径６インチのＰ型シリコン単結晶を引き上げ
た。なお、黒鉛ルツボの筒状体は次の通りの炭素繊維強
化単素材シートを用いた。また、黒鉛は等方性黒鉛を用
いた。

【００３７】かさ密度（BD）（ｇ/cm ³ ）１．６、曲げ
強さ（BSt)（Mpa ）３００、熱膨脹係数CTE （゜／ｃ）
タテ，４．８×１０⁶ ，ヨコ，０．８×１０⁶ 、熱伝導
率（W ／mk）タテ，３０，ヨコ，４００とした。結果は
表１の通りであった。即ち、引上げ回数（ルツボの使用
回数）、単結晶化率（歩留り）、湯漏れ回数、平均酸素
濃度は下表の通りであった。

【００３８】

【表１】

【００３９】

【発明の効果】本発明によれば、高強度で破損すること
がなく繰り返し長い期間使用することが出来る黒鉛ルツ
ボが得られるとともに、この黒鉛ルツボを用いることに
よって、石英ガラスルツボ内のシリコン融液が、石英ガ
ラスルツボの円周方向で均一な温度を保持することが出
来るとともに、上下方向では温度差が生じて対流が行わ
れるようになり、その結果、石英ガラス容器から遊離し
て発生した酸素が溶融シリコンの中を上昇してその上面
に押し上げられ、最終的には液面から放出され、酸素濃
度が低下した高品質のシリコン単結晶が得られるように
なった。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の１実施例の黒鉛ルツボの断面図。

【図２】本発明の１実施例の黒鉛ルツボの筒状体の側面
図。

【図３】本発明の他の実施例の黒鉛ルツボの断面図。

【図４】本発明と対比される比較例の黒鉛ルツボの断面
図。

【図５】本発明の実施例になるもので各部の寸法を示し
た黒鉛ルツボの断面図。

【図６】従来のルツボ内での融液の対流を示した説明
図。

【図７】本発明のルツボ内での融液の対流を示した説明
図。

【図８】従来の黒鉛ルツボで縁部にそりを生じたものの
断面図。

【符号の説明】

１…黒鉛ルツボ、２，７…架台、３…筒状体、４…環状
リング。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 田口 祐二 千葉県千葉市花見川区西小中台２−32− 201 (72)発明者 中川 隆夫 埼玉県川口市末広１−17−３ 株式会社ア クロス内 (72)発明者 橘 正晴 埼玉県川口市末広１−17−３ 株式会社ア クロス内 (72)発明者 山下 美穂子 埼玉県川口市末広１−17−３ 株式会社ア クロス内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ルツボ底部を構成する架台と、この架台
   の上部周縁に形成された凸部の内側に嵌挿された筒状体
   と、この筒状体の底部内周縁に載置した環状スペーサか
   ら構成される黒鉛ルツボで、筒状体がカーボンファイバ
   ーを円周方向に互いに密接して配置したもので、かつ円
   周方向の熱伝導率が上下方向の熱伝導率より大である異
   方性炭素繊維強化炭素材であることを特徴とする半導体
   単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ。
2. 【請求項２】 黒鉛ルツボの架台の上部が、その上に載
   置した筒状体の内側で筒状体の最下面より上に突出しな
   いようにしたことを特徴とする請求項１記載の半導体単
   結晶引き上げ用黒鉛ルツボ。
3. 【請求項３】 筒状体の円周方向と上下方向の熱電導率
   の比が１：０．０１〜０．２であることを特徴とする請
   求項１又は２記載の半導体単結晶引き上げ用黒鉛ルツ
   ボ。
4. 【請求項４】 筒状体がカーボンファイバーを２５重量
   ％以上含むことを特徴とする請求項１又は２記載の半導
   体単結晶引き上げ用黒鉛ルツボ。