(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
単結晶引き上げ装置内のルツボを加熱するヒータとこのヒータからの熱が外部に移動しないようにするための断熱材との間に配置されて、当該単結晶引き上げ装置内の保温を行う保温筒であって、この筒壁内は径方向に厚み２．０ｍｍ〜０．１ｍｍであり、室温でのヤング率が３００ｋｇ／ｍｍ２〜１２００ｋｇ／ｍｍ２、かつ室温から１０００℃における平均熱膨張係数が２．５〜５．０×１０−６／℃である炭素材料としてのＣ／Ｃコンポジットからなり、その表面の一部又は全部に熱分解炭素からなる被膜を形成した板材を湾曲させて形成したことを特徴とする単結晶引き上げ装置用保温筒。
【請求項２】
熱分解炭素からなる被膜の厚みが１０μｍ〜２００μｍであることを特徴とする請求項１記載の単結晶引き上げ装置用保温筒。
【請求項３】
ルツボを加熱するヒータとこのヒータからの熱が外部へ移動しないようにするための断熱材との間に配置された保温筒を備えた単結晶引き上げ装置であって、前記保温筒が請求項１又は２に記載の保温筒であることを特徴とする単結晶引き上げ装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、単結晶引き上げ装置及びこれを構成するための部材に関し、特に、単結晶引き上げ装置を構成するヒータと断熱材との間に配置されて炭素材料としてのＣ／Ｃコンポジットを基材とする保温筒及びその保温筒を備えた単結晶引き上げ装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
単結晶引き上げ装置には種々あるが、シリコンや化合物半導体であるガリュウム−砒素、或いはガリュウム−リン等の電子材料の単結晶を引き上げる装置においては各々共通の課題を有しているため、以下では特にシリコン単結晶引き上げ装置を例示して説明する。
【０００３】
シリコン単結晶引き上げ装置は、所謂チョクラルスキー法と称される方法により、  雰囲気ガスの存在下でルツボ内のシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げるもので、例えば、特公昭５７−１５０７９号公報にて示されているような「単結晶引上装置」として知られている。この公報に示された装置は、図３に示すように、「炉体容器１内にその下方より回転軸２が導入され、その回転軸２の端面上に受け皿３を介してルツボ４が配される。又該ルツボ４の周りに発熱体５と保温筒６が配され、ルツボ４内でシリコンが溶融され融液７を得る。一方炉体容器１の上方には上下に滑動する回転軸９が設けられている。該回転軸９の遊端にシリコンの種結晶８を取付け、回転軸９を種結晶８がルツボ４内の融液７に触れている状態より上方に移動させて、種結晶８の下に続くシリコン単結晶１０を得る。単結晶を育成する際、不必要な反応生成ガスが、単結晶１０及び融液７の液面で反応しないように、これを排除する必要がある。このためにアルゴン等の不活性ガスを雰囲気ガスとして、炉体容器１の上方より単結晶及び液面に供給し、炉体容器下部より排出する」というものである（上記公報の第２欄）。なお、図３中の符号５を付した部材は、ヒータであり保温筒６と炉体容器１との間には図１に示すように断熱材が配置されるものである。
【０００４】
ところで、以上の様な保温筒を構成するための材料としては、黒鉛や炭素結合炭素繊維複合材料（以下、単にＣ／Ｃコンポジットという）がある。黒鉛から成る保温筒は、円柱状もしくは角形状のブロック材料を旋盤加工して製作するものである。またＣ／Ｃコンポジットから成る保温筒は、あらかじめ用意した金型に炭素繊維を円筒状に多層に巻き付けたものを樹脂やピッチで硬化し、炭素化、含浸等を繰り返して製作するものである。上記の様に保温筒の製作には、多大な時間と費用を必要とし、シリコン単結晶の生産コストに占める割合が大きくなっている。
【０００５】
また、その他に以下のような新たな問題が派生してきた。即ち、保温筒は高温下で使用されるものであり、シリコン単結晶引き上げ作業時に次の様な反応が生ずると考えられる。
（１）  ＳｉＯ  ＋  ２Ｃ  →  ＳｉＣ  ＋  ＣＯ
つまり、高温に加熱される保温筒は、表層の炭素が珪化されるのである。このようにして形成された珪化層は、保温筒の材料とは物性の異なったものであるから、シリコン単結晶引き上げ装置を停止し冷却したときに亀裂を生じさせる原因となり、亀裂が生じれば珪化層等が細片となって剥離しシリコン融液内に落下することがあり、引き上げられたＳｉ単結晶に結晶欠陥を生じる原因となる。
【０００６】
また、板材を円筒形状に湾曲させ構成すると、所望の曲率を得るためには極力薄くする必要があり、薄くなれば珪化による割れが増大し寿命も短くなるため、逆にコストダウンにはつながらなかった。
【０００７】
一方、保温筒の基材の厚みが必要以上に厚くなると、その分熱容量が大きくなるため冷めるのに時間がかかり、また、重量が大きく正確なセッティングの妨げになるなど、保温筒の交換作業において支障が生じてくる。
【０００８】
そこで本発明者は、この種の単結晶引き上げ装置用保温筒について、前述した問題を解決するには、どうしたらよいかについて種々の検討を重ねてきた結果、本発明を完成したのである。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、以上のような経緯に基づいてなされたもので、その解決しようとする課題は、この種の単結晶引き上げ装置における保温筒のコストダウンを図り、より長寿命であって交換作業も容易なものとすることにある。
【００１０】
すなわち本発明の目的とするところは、ＳｉＯガス等との反応による珪化を防止して割れを生じないようにすることが出来て、耐久性が高く安価で作業性に優れた保温筒を提供することにある。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
以上の課題を解決するために、まず、本発明の採った手段は、以下の実施形態の説明中において使用する符号を付して説明すると、「単結晶引き上げ装置１００内のルツボ１０を加熱するヒータ２０とこのヒータ２０からの熱が外部に移動しないようにするための断熱材４０との間に配置されて、当該単結晶引き上げ装置１００内の保温を行う保温筒３０であって、この筒壁内は径方向に厚み２．０ｍｍ〜０．１ｍｍであり、室温でのヤング率が３００ｋｇ／ｍｍ２〜１２００ｋｇ／ｍｍ２、かつ室温から１０００℃における平均熱膨張係数が２．５〜５．０×１０−６／℃である炭素材料としてのＣ／Ｃコンポジットからなり、その表面の一部又は全部に熱分解炭素からなる被膜３２を形成した板材を湾曲させて形成したことを特徴とする単結晶引き上げ装置用保温筒３０」である。
【００１２】
すなわち、本発明に係る保温筒３０は、図１に示すように密閉本体５０内のルツボ１０を加熱するためのヒータ２０と、密閉本体５０からの熱の外方への移動を規制する断熱材４０との間に介装されるものである。
【００１３】
そして、この本発明に係る保温筒３０は、その基材３１である炭素材料の一部又は全部の表面に熱分解炭素からなる被膜３２を形成する必要がある。その理由は、この熱分解炭素被膜３２によって基材３１とＳｉＯガスとの接触を阻止して、前述した式（１）に示した反応が生じないようにする必要があるからである。
【００１４】
なお、熱分解炭素被膜３２の厚みは１０μｍ〜２００μｍであることが好ましい。その理由は、１０μｍ未満であると、被膜３２に連続気孔の存在する割合が増えてシール性が急激に悪くなるのと、２００μｍを越えると、下の炭素材料との熱膨張係数のミスマッチの影響が急激に拡大するからである。そして、炭素材料表面全体、或いはヒーターに面している面は活性化しているので、その面のみというように被覆していく。
【００１５】
またこの本発明に係る保温筒３０は、その厚みを２．０ｍｍ〜０．１ｍｍとしなければならない。その理由は、２．０ｍｍ以上にすると熱容量が大きくなるため冷めるのに時間がかかり、また重量が大きく正確なセッティングの妨げになるからである。一方、０．１ｍｍ以上にしなければならないのは、多孔性の部分の割合が減少して、設計通りの断熱効果が発揮されないからである。
【００１６】
次に、保温筒３０を湾曲状の板材からなる炭素材料で構成したものであるが、保温筒３０の曲率に対し無理なく板材３１を湾曲させる必要性からすると、その厚みが１．０ｍｍ〜０．５ｍｍであることがより好ましい。
【００１７】
以上のように構成した本発明に係る保温筒３０によれば、次のような作用を発揮することになる。すなわち本発明に係る保温筒３０では、図２に示したような緻密質の熱分解炭素被膜３２が形成してあるため、ここに飛散してきたＳｉＯガスやＳｉガスは、この熱分解炭素被膜３２によって炭素材料からなる板材３１に接触することはなく、従って板材３１中の炭素と反応することはない。
【００１８】
そして、この保温筒３０は、厚み２．０ｍｍ以下の炭素材料から構成されており、熱容量が低く重量も軽いため保温筒３０の交換作業が容易である。さらに板材３１を湾曲させて構成することができ、非常にコストの安いものとなっておりかつ耐久性の非常に高いものとなっているのである。
【００１９】
次に、前述した課題を解決するために、本発明の採った手段は、保温筒３０において「炭素材料がＣ／Ｃコンポジット」であるものとしたことである。
【００２０】
すなわち、この保温筒３０を厚み２．０ｍｍ〜０．１ｍｍのＣ／Ｃコンポジットで構成する必要がある。その理由は、Ｃ／Ｃコンポジットは高強度であり割れ防止をより確実に行うためである。
【００２１】
そして、上記課題を解決するために、本発明の採った手段は、保温筒３０について、「炭素材料の室温から１０００℃における平均熱膨張係数が２．５〜５．０×１０−６／℃」となるものにしたことである。
【００２２】
この様に保温筒３０の基体である炭素材料のその室温から１０００℃における平均熱膨張係数が２．５〜５．０×１０−６／℃である必要がある。その理由は、この種の保温筒３０は、ヒータ２０による加熱と、シリコン単結晶引き上げ装置１００自体の停止を行う場合の冷却とにより熱応力を受けるものであるから、もし、この炭素材料の平均熱膨張係数が上記範囲外のものであると、その加熱，冷却の繰り返しによって熱分解炭素被膜３２が、炭素材料の表面から頻繁に剥離してしまうようになるからである。
【００２３】
そして、上記課題を解決するために本発明が採った手段は、保温筒３０について、「炭素材料のヤング率が室温にて１４００ｋｇ／ｍｍ２以下」となるものにしたことである。
【００２４】
このように保温筒３０の基体である炭素材料のヤング率が室温にて１４００ｋｇ／ｍｍ２以下である理由は、上記範囲外のものであると炭素材料からなる板材３１を湾曲させて保温筒３０を構成する段階において割れが発生したり無理がかかるためである。
【００２５】
また、保温筒３０に振動などが加わり、その影響を機械的に受けることが長期間に及ぶことがあるが、その影響を不具合なく持ちこたえるためには、上記ヤング率の値は、３００ｋｇ／ｍｍ２〜１２００ｋｇ／ｍｍ２が好ましい。
【００２６】
そして上記課題を解決するために、保温筒３０について、「Ｃ／Ｃコンポジットの炭素繊維束の繊維本数が６０００〜１００本」となるようにしてもよい。
【００２７】
このように保温筒３０の基体であるＣ／Ｃコンポジットを構成する炭素繊維束が繊維本数が６０００本以下である理由は、６０００本よりも大きいと表面の凹凸が大きくなり熱分解炭素被膜３２によるＳｉＯガス、Ｓｉガスとの反応素子作用を十分に発揮させることが出来なくなるからである。一方、１００本以上にしなければならないのは、炭素繊維束の強度が織機で一定の生産量を確保するための速度に十分耐えられないからである。
【００２８】
【発明の実施の形態】
次に本発明を、図面に示した実施の形態について説明すると、図１には、本発明に係る保温筒３０が適用されるシリコン単結晶引き上げ装置１００の縦断面図が示してある。このシリコン単結晶引き上げ装置１００は、その密閉本体５０内に、シリコンを溶融させるためのルツボ１０を回転軸５５にて回転可能に収納したものであり、このルツボ１０の周囲にはこれを加熱するためのヒータ２０が配置してある。このヒータ２０の外側には、本発明に係る保温筒３０が配置してあり、この保温筒３０と密閉本体５０との間には、断熱材４０が収納してある。
【００２９】
ルツボ１０は、溶融したシリコンと直接接触する部分を石英ルツボ１１とした二重構造のものであり、ヒータ２０は一般的には所謂黒鉛ヒータが採用されるものである。このルツボ１０内の溶融を完全かつ十分なものとしなければならないし、この溶融シリコンの液面は引き上げによって下がっていくものであるから、それに伴いルツボ１０を上方向に移動させ、ヒータ２０の発熱中心とルツボ１０内の溶融シリコンの液面を一定の関係となる様にしている。
【００３０】
保温筒３０は、炭素材料の内、結晶の発達した黒鉛より形成したものであり、この黒鉛基材３１には図２に示したように熱分解炭素被膜３２が形成してある。これらの熱分解炭素被膜３２及び黒鉛基材３１は、以下の実施例にて示すように製造または、形成されるものであるが、特に黒鉛基材３１は、その室温から１０００℃における平均熱膨張係数が２．５〜５．０×１０−６／℃のもの、ヤング率が１２００ｋｇ／ｍｍ２以下のものである。
【００３１】
また、本発明に係る保温筒３０においては、この黒鉛基材３１がＣ／Ｃコンポジットであり、この基材を構成する炭素繊維束が繊維本数６０００本以下のものである。
【００３２】
さて、本発明に係る保温筒３０をその製造方法を含んだ実施例とともにさらに詳述すると次の通りである。
【００３３】
【実施例１】
平均粒直径２０μｍに粉砕した骨材コークス７０重量部と、結合材となるコールタールピッチ３０重量部とを加熱混練した後、この混練物を３０〜２００μｍに粉砕し炭素材原料を形成した。
【００３４】
この炭素材原料を用いてラバープレス法により所望成形体を形成し、この成形体を焼成・黒鉛化して黒鉛材を形成した。得られた黒鉛材の平均熱膨張係数は、４．８×１０−６／℃であった。また、この黒鉛材のヤング率は１１２０ｋｇ／ｍｍ２であった。
【００３５】
この黒鉛材に加工を施し、幅５５０ｍｍ長さ１３００ｍｍ厚さ１ｍｍの黒鉛基材３１を得た。
【００３６】
得られた基材をＣＶＤ炉に入れて１４００℃に加熱するとともに、水素ガスをキャリアとしてメタンガスを炉内に連続的に供給した。これにより基材の表面全体に厚さ約５０μｍの熱分解被膜３２を形成した。
【００３７】
【実施例２】
炭素繊維束（ストランド）が繊維本数６０００本の炭素繊維で編んだクロスを用いてこれを積層し、フェノール樹脂を含浸して、硬化後に９００℃で焼成した。さらにフェノール樹脂含浸、硬化、焼成を２回繰り返し、これを黒鉛化して厚み５５０ｍｍ長さ１３００ｍｍ厚み１ｍｍのＣ／Ｃコンポジットから成る黒鉛基材３１を得た。この基材３１に実施例１と同様な方法によって熱分解炭素被膜３２を形成した。
【００３８】
【比較例１】
実施例１の黒鉛材に加工を施し、実施例１と同形状の黒鉛基材３１を得た。
【００３９】
【比較例２】
平均粒径１０μｍに粉砕した骨材コークス７０重量部と結合材となるコールタールピッチ３０重量部とを加熱し混練した後この混練物を３０〜１５０μｍに粉砕し炭素材原料を形成した。
【００４０】
この炭素材原料を用いてラバープレス法により所望成形体を形成し、この成形体を焼成・黒鉛化して黒鉛材を形成した。得られた黒鉛材の平均熱膨張係数は、５．５×１０−６／℃であり、ヤング率は１２５０ｋｇ／ｍｍ２であった。
【００４１】
この黒鉛材に加工を施し、実施例１と同形状の黒鉛基材３１を得て、この基材３１に実施例１と同様な方法によって熱分解炭素被膜３２を形成した。
【００４２】
【比較例３】
実施例１の黒鉛材に加工を施し、幅５５０ｍｍ長さ１３００ｍｍ厚み２．５ｍｍの黒鉛基材３１を得た。この基材３１に実施例と同様な方法によって熱分解炭素被膜３２を形成した。
【００４３】
【比較例４】
炭素繊維束が繊維本数１２０００本の炭素繊維で編んだクロスを用いてこれを積層し、フェノール樹脂を含浸して、硬化後に９００℃で焼成した。更にフェノール樹脂含浸、硬化、焼成を２回繰り返し、これを黒鉛化して幅５５０ｍｍ長さ１３００ｍｍ厚み１ｍｍのＣ／Ｃコンポジットからなる黒鉛基材を得た。この基材３１に実施例１と同様な方法によって熱分解炭素被膜３２を形成した。
【００４４】
この様にして得られた黒鉛基材３１を断熱材４０の中に湾曲させて保温筒３０を得た。この時の状況を表１に示す。
【００４５】
【表１】
0004673459.tif 000002
また、各保温筒のライフの比較を実施したところ、次の表２に示す結果が得られた。
【００４６】
【表２】
0004673459.tif 000003
【００４７】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明においては、上記実施形態において例示した如く、「単結晶引き上げ装置内のルツボを加熱するヒータとこのヒータからの熱が外部へ移動しないようにするための断熱材との間に配置されて、当該単結晶引き上げ装置内の保温を行う保温筒であって、この筒壁内は径方向に厚み２．０ｍｍ〜０．１ｍｍで、かつ室温でヤング率が３００ｋｇ／ｍｍ２〜１２００ｋｇ／ｍｍ２の炭素材料としてのＣ／Ｃコンポジットからなり、その表面の一部又は全部に熱分解炭素からなる被膜を形成したこと」に構成上の特徴があり、耐久性が高く、その交換作業が容易な保温筒を提供することが出来るのである。
【００４８】
また、本発明においては、保温筒３０について、湾曲状の板材からなる炭素材料で構成したものであり、大幅なコストダウンが可能な保温筒を提供することが出来るのである。
【００４９】
請求項２に係る発明においては、上記請求項１に係る保温筒３０について、熱分解炭素被膜の厚みを１０μｍ〜２００μｍとしたものであり、耐久性の大幅な向上を図ることが可能な保温筒を提供することが出来るのである。
【００５０】
本発明においては、保温筒３０について、炭素材料がＣ／Ｃコンポジットであり、割れ防止を確実に行うことが出来る保温筒を提供することが出来るのである。
【００５１】
また本発明によれば、保温筒３０について、炭素材料の室温から１０００℃における平均熱膨張係数が２．５〜５．０×１０−６／℃であるものにしたことにその特徴があり、加熱・冷却の繰り返しにより黒鉛基材表面から熱分解炭素被膜の剥離が無い保温筒を提供することができるのである。
【００５２】
さらに、保温筒３０について、炭素材料のヤング率が室温にて１４００ｋｇ／ｍｍ２以下とすれば、保温筒３０を構成する段階において割れが発生したり無理のかからない保温筒を提供することができるのである。
【００５３】
そして、保温筒３０について、Ｃ／Ｃコンポジットを構成する炭素繊維束の繊維本数が６０００〜１００本とすれば、熱分解炭素被膜３２によるＳｉＯガス、Ｓｉガスとの反応阻止作用を十分に発揮させることの出来る保温筒を提供することができるのである。
【００５４】
最後に、請求項３に係る発明によれば、耐久性が高く安価であって、その交換作業が容易な保温筒を備えた単結晶引き上げ装置を提供することが出来るのである。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る保温筒を採用したシリコン単結晶引き上げ装置の縦略断面図である。
【図２】同保温筒の熱分解炭素被膜を中心にして見た部分拡大断面図である。
【図３】従来のシリコン単結晶引き上げ装置を示す断面図である。
【符号の説明】
１００  シリコン単結晶引き上げ装置
１０    ルツボ
１１    石英ルツボ
２０    ヒータ
３０    保温筒
３１    黒鉛基材
３２    熱分解炭素
４０    断熱材
５０    密閉本体
【図１】
0004673459.tif 000004
【図２】
0004673459.tif 000005
【図３】
0004673459.tif 000006