(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
原料融液を収容する石英ルツボと、
該石英ルツボを内部に収容し、底部中央に開口部が設けられると共に、該開口部の周囲で半径方向の分割線により２以上に分割されたカーボンルツボと、
該カーボンルツボが載置され、前記開口部に嵌合する突起部がルツボ載置面に設けられたルツボ受け皿とを具備し、
前記突起部の外周面は、上方に向かって外径が漸減するテーパ周面になっており、前記開口部の外周面も、前記テーパ周面に対応するテーパ周面とされ、
前記カーボンルツボの底部下面に、前記開口部の外周側に位置して環状凸部が設けられ、該環状凸部が嵌合する環状凹部が前記ルツボ受け皿のルツボ載置面で前記突起部の周囲に設けられ、
前記分割片は、円筒状の直胴部を周方向に分割して形成された垂直部と、円形の底部を周方向で分割して形成された水平部とからなり、前記石英ルツボの開口部が広がる変形に伴い、前記垂直部が外側へ倒れ、前記水平部が外周側を支点として上方へ傾いて、分割片間が開く自由度をもつことを特徴とする単結晶引上げ装置。
【請求項２】
前記開口部の内径が、前記カーボンルツボの直胴部内径の０．０４〜０．９倍である請求項１に記載の単結晶引上げ装置。
【請求項３】
前記ルツボ受け皿の外径が、カーボンルツボの直胴部外径の０．５倍以上である請求項１、２の何れかに記載の単結晶引上げ装置。
【請求項４】
前記ルツボ受け皿の最小肉厚が１５ｍｍ以上である請求項１〜３の何れかに記載の単結晶引上げ装置。
【請求項５】
前記水平部は、前記カーボンルツボの中心側が前記開口部に接する円弧面されてなることを特徴とする請求項１〜４の何れかに記載の単結晶引上げ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＺ法による単結晶の育成に使用される単結晶引上げ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの素材として使用されるシリコン単結晶を育成する方法としてＣＺ法が多用されている。ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成では、図３に示すように、ルツボ１内に形成されたシリコン融液２に種結晶３を浸漬し、この状態からルツボ１及び種結晶３を回転させながら種結晶３を上方へ引上げることにより、種結晶３の下方にシリコン単結晶４を育成する。
【０００３】
ここで、ルツボ１は、内側の石英ルツボ１ａと外側のカーボンルツボ１ｂを組み合わせた２重構造になっている。この２重ルツボは、ルツボ受け皿５上に載置され、ルツボ受け皿５を支持するペディスタル６の昇降及び回転により、昇降及び回転を行う。外側のカーボンルツボ１ｂは、内側の石英ルツボ１ａの機械的強度を補うための保持ルツボであり、一体式のものと分割式のものとがある。
【０００４】
ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成では、近年、結晶の大径化・大重量化が急速に進んでおり、これに伴って、使用されるルツボが大型化している。大型の一体式カーボンルツボを使用した場合、ハンドリング作業が容易でないため、作業者への負担が大となり、また、引上げ終了後にカーボンルツボから石英ルツボを回収する際には、石英とカーボンの熱膨張差によりカーボンルツボ内面に石英ルツボが強く張り付いた状態になり、カーボンルツボの回収が困難になるなどの問題が発生する。このため、大型ルツボには通常、一体式カーボンルツボよりハンドリングが容易で、石英ルツボの回収も容易な分割形式が採用されている。
【０００５】
図４に示すように、分割式のカーボンルツボ１ｂは、半径方向の分割線１ｄにより周方向で複数に分割されており、通常は３つの分割片１ｃを組み合わせた３分割構造を採用している。分割式のカーボンルツボでは、分割片を合体状態に固定するルツボ固定手段が必要に応じて用いられ、その固定手段の一つが特開２０００−２６４７７７号公報に記載されている。ここに記載されたルツボ固定手段は、ルツボを周方向に分割して形成された複数の分割片の外側への倒れを、底部中央に設けられた開口部に蓋状乃至栓状の押さえ部材を嵌合させることにより阻止して、隣接する分割片間の隙間が大きくなるのを回避している。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、ＣＺ法によるシリコン単結晶の育成では、従来は内側の石英ルツボは使い切りとされ、その再使用は行われていない。これは使用での物理的ダメージ及び化学的ダメージが大きいからである。しかし、最近の研究によれば、使用によって石英ルツボが受ける致命的なダメージは内面表層部に限定されており、その表層部を除去すれば、比較的簡単な再生処理よって再使用が可能になることが分かってきた。この観点から、石英ルツボの再生・再使用が試みられているが、その場合、分割式のカーボンルツボを使用することが、カーボンルツボからの石英ルツボ回収のために不可欠となる。
【０００７】
石英ルツボの回収・再使用を前提とした分割式のカーボンルツボでは、分割片を強固に固定することは、石英ルツボの固着を招き、回収を困難にするので、好ましくない。即ち、分割片は、分割片間が若干開く程度の自由度をもつことが必要である。このため、分割片を強固に固定する格別の固定手段は使用されず、図４に示すようなカーボンルツボを単に周方向で複数に分割したオーソドックスな分割構造が採用される。このような単純分割形式のカーボンルツボは、石英ルツボの変形に追従する自由度を有し、使用後の石英ルツボの回収を容易にするが、その一方で、石英ルツボの変形に追従した自身の変位によって石英ルツボを損傷させるおそれがある。
【０００８】
即ち、石英ルツボの変形としては、その開口部が広がるものが主体となる。石英ルツボの開口部が広がると、カーボンルツボの分割片は、くぎ抜きのように外側へ傾く。具体的に説明すると、この分割片は、ルツボの直胴部を周方向に分割して形成された垂直部と、ルツボの底部を周方向で分割して形成された水平部とからなり、石英ルツボの開口部が広がることにより、垂直部が外側へ倒れ、これに伴って水平部が外周側を支点として上方へ傾く。この水平部は、中心側が尖った三角形になっているため、垂直部の倒れに伴う傾斜により、尖った先で石英ルツボの底部中心を局所的に突き上げ、軟化状態にあるルツボを簡単に傷つけてしまうのである。
【０００９】
特開２０００−２６４７７７号公報に記載された固定手段は、分割片を完全に固定し、その自由度を失わせるため、石英ルツボが固着する傾向が強い。このため、石英ルツボの回収・再使用を前提とした分割式カーボンルツボにおける固定手段としては不適である。
【００１０】
本発明の目的は、石英ルツボの回収に適した自由度をカーボンルツボに与えことができ、しかも、その自由度に伴う石英ルツボの損傷を効果的に回避できる単結晶引上げ装置を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために、本発明の単結晶引上げ装置は、原料融液を収容する石英ルツボと、該石英ルツボを内部に収容し、底部中央に開口部が設けられると共に、該開口部の周囲で半径方向の分割線により２以上に分割されたカーボンルツボと、該カーボンルツボが載置され、前記開口部に嵌合する突起部がルツボ載置面に設けられたルツボ受け皿とを具備し、
前記突起部の外周面は、上方に向かって外径が漸減するテーパ周面になっており、前記開口部の外周面も、前記テーパ周面に対応するテーパ周面とされ、
前記カーボンルツボの底部下面に、前記開口部の外周側に位置して環状凸部が設けられ、該環状凸部が嵌合する環状凹部が前記ルツボ受け皿のルツボ載置面で前記突起部の周囲に設けられ、
前記分割片は、円筒状の直胴部を周方向に分割して形成された垂直部と、円形の底部を周方向で分割して形成された水平部とからなり、前記石英ルツボの開口部が広がる変形に伴い、前記垂直部が外側へ倒れ、前記水平部が外周側を支点として上方へ傾いて、分割片間が開く自由度をもつ。
前記開口部の内径が、前記カーボンルツボの直胴部内径の０．０４〜０．９倍であることが好ましい。
前記ルツボ受け皿の外径が、カーボンルツボの直胴部外径の０．５倍以上である手段を採用することができる。
前記ルツボ受け皿の最小肉厚が１５ｍｍ以上であることがある。
前記水平部は、前記カーボンルツボの中心側が前記開口部に接する円弧面とされてなることもできる。
また、本発明は、原料融液を収容する石英ルツボと、該石英ルツボを内部に収容し、底部中央に開口部が設けられると共に、該開口部の周囲で半径方向の分割線により２以上に分割されたカーボンルツボと、該カーボンルツボが載置され、前記開口部に嵌合する突起部がルツボ載置面に設けられたルツボ受け皿とを具備していることができる。
【００１２】
本発明の単結晶引上げ装置においては、カーボンルツボを構成する複数の分割片は、円筒状の直胴部を周方向で分割して形成された垂直部と、円形の底部を開口部の周囲で周方向に分割して形成された水平部とからなる。開口部に嵌合する突起部は、ルツボ受け皿のルツボ載置面に設けられているため、石英ルツボを支持し、石英ルツボの開口部が大きくなることによる分割片の変位を阻害しない。このため、石英ルツボの変形に伴い、分割片の垂直部が外側へ倒れ、水平部が外周側を支点として上方へ傾くが、この水平部は、外周側及び中心側ともに円弧状の扇形状のため、外周側を支点として上方へ傾斜しても石英ルツボの底部を損傷させる危険性が少ない。
【００１３】
より好ましくは、カーボンルツボの分割片を位置決めする機構として、カーボンルツボの底部下面に、開口部の外周側に位置して環状凸部を設け、この環状凸部が嵌合する環状凹部をルツボ受け皿のルツボ載置面に設ける。この位置決め機構は、カーボンルツボを構成する複数の分割片を半径方向で固定するが、石英ルツボの開口部が大きくなることによる倒れ・傾きを許容し、石英ルツボの分離・回収に必要な自由度を阻害しない。
【００１４】
開口部の内径は、カーボンルツボの直胴部内径の０．０４〜０．９倍が好ましい。０．０４倍未満の場合は、分割片の中心側端部が尖る傾向になり、石英ルツボの底部損傷が生じるおそれがある。また、ルツボ受け皿の突起部が細く、折損の危険性が高まる。一方、０．９倍を超えると、分割片水平部の径方向寸法が直端に小さくなり、分割片の安定性が低下することにより、ルツボ受け皿から落下する危険性が大となる。特に好ましい開口部の内径は、カーボンルツボの直胴部内径の０．０７〜０．５０倍である。
【００１５】
ルツボ受け皿の外径については、カーボンルツボの直胴部外径の０．５倍以上が好ましい。０．５倍未満の場合は、分割片を径方向で固定する機能が低下し、分割片間が過大に開くおそれがある。
【００１６】
ルツボ受け皿の最小肉厚（通常は環状凹部が設けられた部分の肉厚）は、１５ｍｍ以上が好ましい。これより薄い場合はルツボ受け皿の外周部が下方へ撓み、分割片間が過大に開くおそれがある。
【００１７】
本発明は、分割片の先が尖る傾向が強い３分割以上のカーボンルツボを使用する引上げに特に好適である。
【００１８】
【発明の実施の形態】
以下に本発明の実施形態を図面に基づいて説明する。図１は本発明の１実施形態を示すカーボンルツボ及びルツボ受け皿の平面図、図２は同カーボンルツボ及びルツボ受け皿の縦断面図である。
【００１９】
本実施形態の単結晶引上げ装置では、石英ルツボの保持にカーボンルツボ１０が使用される。カーボンルツボ１０は、全体として下へ凸のドーム状に形成された底部１１と、底部１１の外周縁部から上方へ延出した円筒形状の直胴部１２とからなる。底部１１の中心部には、円形の開口部１１ａが設けられている。開口部１１ａの内径ｄ２は、ここではカーボンルツボ１０の直胴部１２の内径ｄ１の約０．１〜０．３倍程度に設定されている。底部１１の下面には、開口部１１ａの外側に隣接して環状凸部１１ｂが形成されており、その下面は平坦面である。一方、底部１１の上面は下方へ凸の滑らかな湾曲面になっている。
【００２０】
そして、カーボンルツボ１０は、周方向に等間隔で並ぶ３本の半径方向の分割線１４により、開口部１１ａの周囲で周方向に３分割されている。３つの分割片１３，１３，１３は、同じ形状であり、これらを周方向に組み合わせて合体させることにより、カーボンルツボ１０を構成する。
【００２１】
カーボンルツボ１０を支持するルツボ受け皿２０は、カーボンルツボ１０と同じくカーボンからなり、カーボンルツボ１０の外径Ｄ１より若干小さい外径Ｄ２の円盤体である。ルツボ受け皿２０のルツボ載置面である上面の中央部には、カーボンルツボ１０の開口部１１ａに嵌合する円形の突起部２１が設けられている。突起部２１の外周面は、上方に向かって外径が漸減するテーパ周面になっており、開口部１１ａの外周面も、これに対応するテーパ周面とされている。突起部２１の周囲には、カーボンルツボ１０の環状凸部１１ｂが嵌合する環状凹部２２が設けられている。
【００２２】
本実施形態の単結晶引上げ装置では、分割片１３，１３，１３を合体させてカーボンルツボ１０を構成する。構成されたカーボンルツボ１０の内側に石英ルツボをセットする。石英ルツボを内側に保持した状態で、カーボンルツボ１０をルツボ受け皿２０の上に載置する。ルツボ受け皿２０はペディスタルと呼ばれる支持軸により支持される。
【００２３】
引上げ操業では、石英ルツボ内にシリコンの原料融液が形成され、その原料融液からシリコン単結晶が引上げられる。引上げ終了後、石英ルツボと共にカーボンルツボ１０を回収し、カーボンルツボ１０から石英ルツボを分離する。
【００２４】
引上げ操業中、石英ルツボの底部中心が、カーボンルツボを介さず、ルツボ受け皿２０の突起部２１により直接的に支持される。また、石英ルツボの開口部が拡大する。そうすると、各分割片１３の垂直部１３ａが外側へ倒れ、水平部１３ｂが外周側のアール部を支点として上方へ傾く。このような分割片１３の倒れに対し、ルツボ受け皿２０は分割片１３を拘束しない。このため、隣接する分割片１３，１３間が開き、カーボンルツボ１０の内面に石英ルツボが固着する現象が回避される。従って、高い比率で石英ルツボの分離回収が可能になる。
【００２５】
また、カーボンルツボ１０の環状凸部１１ｂがルツボ受け皿２０の環状凹部２２に嵌合していることにより、カーボンルツボ１０の分割片１３，１３，１３が径方向で固定される。この径方向の固定は、上述した分割片１３の倒れを阻害せず、隣接する分割片１３，１３間が過大に開くのを防ぐ。これにより、カーボンルツボ１０による石英ルツボの確実な保持が可能になる。
【００２６】
カーボンルツボ１０の分割片１３，１３，１３が倒れることにより、各分割片１３の水平部１３ｂの中心側端部で石英ルツボの底部が突き上げられる。しかし、水平部１３ｂの中心側端部は、円形の開口部１１ａに接する円弧面であるため、石英ルツボの底部に線接触し、底部中心への局所的な集中応力が回避される。このため、分割片１３，１３，１３の倒れを許容するにもかかわらず、石英ルツボの損傷が防止され、この点からも石英ルツボの分離回収率が向上する。
【００２７】
内径５５０ｍｍの石英ルツボを使用し、原料チャージ量１００ｋｇで直径８インチのシリコン単結晶（直胴部長１０００ｍｍ）を育成するに際して、図１及び図２に示すカーボンルツボ及びルツボ受け皿を使用した。カーボンルツボでは、分割数を３（一定）、直胴部の内径ｄ１を５６０ｍｍ（一定）、外径Ｄ１を６１０ｍｍ（一定）とし、底部中心の開口部内径ｄ２を種々変更した。一方、ルツボ受け皿では、外径Ｄ２、最小肉厚Ｔを変更した。比較のために、底部中心に開口部を設けないカーボンルツボ（比較列１）及び内径１００ｍｍの開口部に蓋状の固定部材を嵌合させたカーボンルツボ（比較例２）も使用した。
【００２８】
カーボンルツボとルツボ受け皿を種々組み合わせ、各組み合わせで結晶を１０本ずつ引上げ、石英ルツボの回収率を調査した。回収率は、カーボンルツボから取り外した石英ルツボに変形、割れ、微小ひびがない場合を回収可としたときの、１０回の引上げに占める回収可の比率である。調査結果を表１に示す。
【００２９】
底部中心に開口部を設けないカーボンルツボ（比較列１）の場合は、カーボンルツボ内面に対する石英ルツボの固着は効果的に回避されたが、カーボンルツボの分割片の先端で石英ルツボの底部を突き破る現象が多発した。このため、石英ルツボの回収率は３０％と低かった。内径１００ｍｍの開口部に栓蓋状の固定部材を嵌合させたカーボンルツボ（比較例２）の場合は、石英ルツボの底部を突き破る現象は発生しなかったが、固定部材によって分割片の開きが阻害され、カーボンルツボ内面に石英ルツボが固着する現象が多発した。このため、石英ルツボの回収率は３０％と同様に低かった。
【００３０】
これらに対し、カーボンルツボの底部中心に開口部を設け、これに嵌合する嵌合する突起部をルツボ受け皿の側に設けた本発明例では、石英ルツボの回収率が５０％以上、条件によっては９０％以上に向上する。この回収率は、開口部の内径ｄ２がルツボ内径ｄ１の０．０７〜０．５０倍の場合に特に高くなる。また、ルツボ受け皿の外径Ｄ２や最小肉厚Ｔが大きくなるほど高くなる。
【００３１】
【表１】
0003617466.tif 000002
【００３２】
【発明の効果】
以上に説明したとおり、本発明の単結晶引上げ装置は、分割式カーボンルツボの底部中心に開口部を設け、これに嵌合する嵌合する突起部をルツボ受け皿の側に設けたことにより、石英ルツボの回収に適した自由度をカーボンルツボに与えことができ、しかも、その自由度に伴う石英ルツボの損傷を効果的に回避することができる。従って、石英ルツボを健全な状態で、かつ高い比率で回収することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の１実施形態を示すカーボンルツボおよびルツボ受け皿の平面図である。
【図２】そのカーボンルツボおよびルツボ受け皿の縦断面図である。
【図３】ＣＺ法による単結晶引上げの概念図である。
【図４】従来の引上げ装置に使用される分割式カーボンルツボの平面図である。
【符号の説明】
１０  カーボンルツボ
１１  底部
１１ａ  開口部
１１ｂ  環状凸部
１２  直胴部
１３  分割線
２０  ルツボ受け皿
２１  突起部
２２  環状凹部
【図１】
0003617466.tif 000003
【図２】
0003617466.tif 000004
【図３】
0003617466.tif 000005
【図４】
0003617466.tif 000006