(57)【要約】【課題】ルツボの外周部分を焼結層で構成するのに適するカーボン製モールドを有する石英ルツボの製造装置を提供する。【解決手段】回転モールド法により石英ルツボを製造するためのカーボン製モールドを有する石英ルツボ製造装置であって、前記カーボン製モールドは、熱伝導率が１２５W/(m・K)以下であることを特徴とする。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
回転モールド法により石英ルツボを製造するためのカーボン製モールドを有する石英ルツボ製造装置であって、前記カーボン製モールドは、熱伝導率が１２５W/(m・K)以下であることを特徴とする石英ルツボの製造装置。
【請求項２】
前記カーボン製モールドは、熱伝導率が７０W/(m・K)以上である請求項１記載の石英ルツボの製造装置。
【請求項３】
前記カーボン製モールドは、かさ比重が１.６ｇ／ｃｍ３以下である請求項１または２記載の石英ルツボの製造装置。
【請求項４】
前記カーボン製モールドは、かさ比重が１.３ｇ／ｃｍ３以上である請求項３記載の石英ルツボの製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、シリコン単結晶の引き上げに用いる石英ガラス（シリカガラス）ルツボの製
造装置に関し、より詳しくは、ルツボ外壁部に、アーク加熱時に半溶融状態の焼結層を形成するのに適する石英ルツボの製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
単結晶シリコンの引き上げにはシリコン融液を入れる石英ガラスルツボが用いられる。
この石英ガラスルツボの内壁部（内面層）は、シリコン融液が接触するので実質的に気泡
を含有しないシリカガラス層によって構成され、また、ルツボの外壁部（外面層）は、外部輻射の熱を分散してモールド内側に均一に伝達するため、多数の気泡を含有する焼結層によって構成されている。
【０００３】
上記石英ガラスルツボの製造方法として、従来、回転モールド法が知られている。この
製造方法は、回転モールドの内表面に堆積させた石英粉を、モールド空間側から加熱してガラス化することによってルツボを製造する方法であり、該加熱溶融の際にモールド側から石英粉堆積層内の空気を吸引して減圧し、ガラス層内の気泡を除去する真空引きを行うことによって、実質的に気泡を含有しないシリカガラス層からなる内壁部を形成している（例えば、特許文献１、２参照）。
【０００４】
最近、ルツボの大型化に伴い、引き上げ中のルツボ温度が高くなる傾向がある。ルツボ
の温度が上昇するとガラスの粘度が低下し、使用中にルツボが変形する虞がある。この対
策として、ガラスの結晶化促進剤を表面に塗布し、あるいは含有させ、高温下でルツボを
形成しているガラスを結晶化して強度を高めることが知られている。
【０００５】
例えば、特許文献３には、石英ガラスルツボの内壁部表面に結晶化促進剤（アルカリ金属、アルカリ土類金属など）を塗布し、または内壁部に結晶化促進剤を含有させ、使用時に結晶化促進剤を核としてルツボ内壁部を早期に結晶化させることが記載されている。また、特許文献４には、シリカガラスからなる内壁部の下側（外壁部側）に結晶化促進剤を含む層を形成し、結晶化促進剤がシリコン融液に接触するのを防止した石英ガラス層が記載されている。さらに、特許文献５には、ルツボ内壁部と共に外壁部に結晶化促進剤を付着させ、ルツボ内壁部の寸法安定性を高めることが記載されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００６】
【特許文献１】特開昭５６−１４９３３３号公報
【特許文献２】特開平０１−１４８７８２号公報
【特許文献３】特開平８−２９３２号公報
【特許文献４】特開平１１−１９９３７０号公報
【特許文献５】特開２００３−９５６７８号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
しかしながら、ルツボ内壁部の表面に結晶化促進剤を塗布したものは、結晶化促進剤がシリコン融液と接触して混入し、シリコン単結晶の不純物濃度を高める懸念があり、一方、結晶化促進剤をルツボ外壁部の表面に塗布したものは、引き上げ時にルツボが装着されるカーボン製容器に結晶化促進剤が接触した状態であるので、高温下でカーボンと結晶化促進剤が反応し、生成したガスによってシリコン単結晶の品位が低下する場合がある。
また、ルツボのガラス内部に結晶化促進剤を含有させるには、ルツボの製造時に石英粉に結晶化促進剤を混入させるなどの手段が必要であり、ルツボの製造が面倒になる。
【０００８】
上記問題を解決するため、本発明の目的は、カーボン製モールドの適正化を図ることにより、石英ルツボの外表面（外壁部）に、ルツボ製造時（アーク加熱時）に半溶融状態になり、高温下で結晶化して強度が高くなる焼結層を効率よく形成することができる石英ルツボの製造装置を提供することにある。
なお、ここでいう「焼結層」とは、石英ルツボを、シリカガラス層からなる内表面（内壁部）と、石英粉が焼結した状態の焼結層からなる外表面（外壁部）の２層で構成するときの焼結層であって、焼結層に存在する粒子形状の内部に結晶層が残存し、粒子形状の表面部分は非晶質になっている状態を意味する。ちなみに、シリカガラス層、焼結層、およびルツボ製造時に残存する石英粉層について、Ｘ線回折法によって測定したＸ線強度は、石英粉層＞焼結層＞シリカガラス層の順になる。
【課題を解決するための手段】
【０００９】
上記目的を達成するため、本発明の要旨構成は以下のとおりである。
〔１〕回転モールド法により、石英ルツボを製造するためのカーボン製モールドを有する石英ルツボ製造装置であって、前記カーボン製モールドは、熱伝導率が１２５W/0(m・K)以下であることを特徴とする石英ルツボの製造装置。
〔２〕前記カーボン製モールドは、熱伝導率が７０W/(m・K)以上である上記〔１〕記載の石英ルツボの製造装置。
〔３〕前記カーボン製モールドは、かさ比重が１.６ｇ／ｃｍ３以下である上記〔１〕または〔２〕記載の石英ルツボの製造装置。
〔４〕前記カーボン製モールドは、かさ比重が１.３ｇ／ｃｍ３以上である上記〔３〕記載の石英ルツボの製造装置。
【発明の効果】
【００１０】
本発明に従う石英ルツボの製造装置は、カーボン製モールドの適正化を図ることにより、石英ルツボの外表面に、ルツボ製造時（アーク加熱時）に半溶融状態になり、高温下で結晶化して強度が高くなる焼結層を効率よく形成することができる。
特に、本発明の製造装置を構成するカーボン製モールドは、従来のカーボン製モールドよりも熱伝導率が小さいので、従来の製造装置に比べて、使用する石英粉の量を少なくしても、ルツボ外表面に所定厚さの焼結層を容易に形成することができる。
この焼結層を有する石英ルツボは、高温下で焼結層が結晶化しやすいので、ルツボの強度が高く、ルツボが変形し難いと云う利点を有する。従って、本発明の製造装置で製造した石英ルツボを用いてシリコン単結晶の引き上げを行った場合には、高い単結晶化率のシリコン単結晶インゴットを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１１】
【図１】石英ルツボ製造装置を構成する回転モールド内に堆積させた石英粉層をモールド空間側から加熱したときの、シリカガラス層、焼結層および未溶融石英粉層の厚さ割合を、本発明例と従来例とで概念的に示したものである。
【図２】カーボン製モールドにおけるかさ比重と熱伝導率の一例を示すグラフである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明を実施形態に基づいて具体的に説明する。
本発明の石英ルツボの製造装置は、回転モールド法により石英ルツボを製造するためのカーボン製モールドを有する石英ルツボ製造装置であって、前記カーボン製モールドは、熱伝導率が１２５W/(m・K)以下であり、熱伝導率が７０W/(m・K)以上であることが好ましい。また、カーボン製モールドの熱伝導率の上記範囲にするため、前記カーボン製モールドのかさ比重は１.６ｇ／ｃｍ３以下であることが好ましく、かさ比重が１.３ｇ／ｃｍ３以上であることがより好適である。
【００１３】
回転モールド法は、回転するモールドの内表面に石英粉を堆積し、この石英粉をモール
ド空間側からアーク放電などによって加熱溶融し、ガラス化することによって石英ガラス
ルツボを製造する方法であり、モールドとしては、通常、カーボン製のモールドが用いられており、このモールドの内表面に石英粉を所定厚さに堆積して加熱溶融している。
【００１４】
モールドの内表面に堆積された石英粉は、アーク加熱によって堆積石英粉層の表面側から溶融されてガラス化し、次第にモールド内表面に向かって溶融ガラス化が進む。一方、モールド内表面はガラス化温度より僅かに低い温度に制御されているので、堆積石英粉層のモールド内表面に近い部分は半溶融状態になり、さらにモールド内表面に接触する部分には薄い未溶融部分が石英粉のまま残る。溶融ガラス化工程の後に冷却した石英ルツボをモールドから取り出して、ルツボ外表面の未溶融部分を機械研削などによって除去する工程を経て、ルツボ内表面がシリカガラスからなる溶融層によって形成され、ルツボ外表面側に半溶融層を有する２層構造を有する石英ガラスルツボが得られる。
【００１５】
上記溶融ガラス化工程における石英粉の溶融状態を図１に示す。図示するように、ルツ
ボの内壁部側は溶融ガラス化したシリカガラス層１が形成され、モールド２側には半溶融状態で形成された焼結層３が形成される。冷却効率の高いモールドを用いた場合には、モールド内表面６の温度は低いので、溶融時の石英粉（堆積）層の内面側（溶融ガラス化する側）から、モールド２と接する外面側に向う熱勾配は大きくなる（図１の従来例）。この熱勾配が大きいと、ガラス化温度（溶融温度）Ｔｇを下回る石英粉層の部分４の層厚に占める、半溶融温度の範囲Ｍｈに位置し半溶融化状態の石英粉層の部分（、具体的には焼結層３）の層厚の割合が小さく、石英粉として残る未溶融状態の石英粉層５の割合が多くなる。
【００１６】
一方、本発明のように熱伝導率が１２５W/(m・K)以下と低い、断熱性の良いモールドを用いた場合には、図１の太線で示すように、モールド内表面６の温度が相対的に高くなるので、溶融時の石英粉層の内壁側から、モールド２と接する外壁側に向う熱勾配は小さくなる（図１の本発明例）。このため、ガラス化温度（溶融温度）Ｔｇを下回る石英粉層の部分４の層厚に占める、半溶融温度の範囲Ｍｈに位置し半溶融化状態の石英粉層の部分（焼結層３０）の層厚の割合が大きく、石英粉として残る未溶融状態の石英粉層５０の割合が小さくなるため、結果として、焼結層３０が厚く形成される。
このように、石英ルツボを構成する焼結層３０を厚く形成するためには、溶融時の石英粉層中の内壁側から外壁側に向う熱勾配を極力小さくすることが必要である。
【００１７】
また、図２は、カーボン製モールドのかさ比重と熱伝導率の関係の一例を示したものである。石英ルツボの製造装置に用いられている従来のカーボン製モールドは、図２の黒丸印に示すように、かさ比重が１.７〜１.８ｇ／ｃｍ３であって、熱伝導率は概ね１４０〜１６０W/(m・K)程度であり、本発明の製造装置に用いるカーボン製モールドよりもかさ比重が大きく、熱伝導率が高い。図２の結果から、カーボン製モールドの熱伝導率とかさ比重とは線形の比例関係を有しているのがわかる。
従って、従来のカーボン製モールドは、本発明のカーボン製モールドよりも熱伝導率が高く断熱性が低いため、上記熱勾配を小さくするために、モールド内表面に堆積する石英粉（石英粉堆積層）を厚く形成しなければならず、例えば、口径３２インチ（８１２．８ｍｍ）のルツボについて、層厚０.５ｍｍ程度の焼結層を形成するには、シリカガラス層と焼結層で構成された、最終的なルツボの厚さの３〜４倍に石英粉層をモールド内に堆積させる必要があり、これは、石英粉の使用量が多くなるという問題を有している。
【００１８】
これに対し、本発明の製造装置で用いるカーボン製モールドの熱伝導率は、図２の白丸印で示すように、１２５W/(m・K)以下、好ましくは７０W/(m・K)以上であり、従来のカーボン製モールドよりも熱伝導率が低い。また、カーボン製モールドの熱伝導率を１２５W/(m・K)以下とするためには、モールドのかさ比重を１.６ｇ／ｃｍ３以下とすることが好ましく、より好ましくは、かさ比重１.３〜１.６ｇ／ｃｍ３であり、従来のカーボン製モールドよりもかさ比重が小さい。
従って、溶融時の石英粉層の内壁側から外壁側に向う熱勾配が小さく、石英粉層を従来のように厚く形成しなくても、半溶融層を厚く形成することができる。
なお、ここでいう「かさ比重」とは、ＪＩＳ  Ｒ  ７２２２−１９９７に規定される「黒鉛素材の物理特性測定方法」の「７．かさ比重の測定方法」に従って測定したときの値を意味する。また、かさ比重を調整するための具体的な手段としては、例えば、モールド作成時に行う焼結に用いるコークス粉の粒径サイズをかさ比重に応じて適宜選択する方法が挙げられ、本発明のモールドでは、従来のモールドに比べて大きな粒子径のコークス粉を用いればよい。
【００１９】
カーボン製モールドの熱伝導率が１２５W/(m・K)を超えると、従来のカーボン製モールドとの熱伝導率の差が小さすぎて、従来のカーボン製モールドを用いた場合と同様、ルツボ外表面に焼結層を厚く形成するためには、石英粉の使用量は多くなる。一方、カーボン製モールドの熱伝導率が７０W/(m・K)未満だと、上記熱勾配は十分に小さくなるが、その反面、モールドを構成するカーボンの消耗が激しくなり、使用寿命が著しく短くなるため適当ではない。
【００２０】
本発明の製造装置によれば、例えば、口径３２インチ（８１２．８ｍｍ）のルツボについて、層厚０.５ｍｍ程度の焼結層を形成するには、最終的なルツボの厚さ（肉厚）に対して約２.４倍〜２.８倍の厚さになるようにモールド内に石英粉層を堆積すればよく、石英粉の使用量を、従来の製造装置で製造した場合に比べて約半分程度に抑えることができる。
【実施例】
【００２１】
以下に本発明の実施例を比較例と共に示す。
表１に示すかさ比重のカーボン製モールドを有する製造装置を用い、回転モールド法によって石英ルツボを製造した。加熱手段はアーク加熱を用い、加熱溶融時にモールド内に堆積させた石英粉層の内部を減圧して内部空気を吸引排除し、ルツボの内壁部に、シリカガラス層を形成し、ルツボの外壁部に焼結層を形成した。ルツボの口径は３２インチ（８１２．８ｍｍ）、ルツボの平均肉厚は１５ｍｍ、外壁部側の焼結層は０.５ｍｍとした。この結果を表１に示した。
【００２２】
【表１】
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【００２３】
表１に示すように、かさ比重１.７ｇ／ｃｍ３の従来のカーボン製モールドを用いた従来例（No.５）は０.５ｍｍ厚の焼結層を形成するための石英粉の使用量が多い。一方、かさ比重１.２〜１.６ｇ／ｃｍ３のカーボン製モールドを用いた本発明の実施例１〜４は、いずれも０.５ｍｍ厚の焼結層を形成するための石英粉の使用量が少ない。なお、かさ比重１.１ｇ／ｃｍ３のカーボン製モールドを用いた比較例（No.６）は上記石英粉の使用量は少ないが、モールドの消耗が激しいため、使用寿命が短く経済性の点で劣る。
【産業上の利用可能性】
【００２４】
本発明に従う石英ルツボの製造装置は、カーボン製モールドの適正化を図ることにより、石英ルツボの外表面に、ルツボ製造時（アーク加熱時）に半溶融状態になり、高温下で結晶化して強度が高くなる焼結層を効率よく形成することができる。特に、本発明の製造装置を構成するカーボン製モールドは、従来のカーボン製モールドよりも熱伝導率が小さいので、従来の製造装置に比べて、使用する石英粉の量を少なくしても、ルツボ外表面に所定厚さの焼結層を容易に形成することができる。この焼結層を有する石英ルツボは、高温下で焼結層が結晶化しやすいので、ルツボの強度が高く、ルツボが変形し難いと云う利点を有する。従って、本発明の製造装置で製造した石英ルツボを用いてシリコン単結晶の引き上げを行った場合には、高い単結晶化率のシリコン単結晶インゴットを得ることができる。
【符号の説明】
【００２５】
１  シリカガラス層
２  モールド
３、３０  焼結層
４  石英粉層の部分
５、５０  未溶融状態の石英粉層
６  モールド内表面
【図１】
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【図２】
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