(57)【要約】【課題】ルツボ上部の径方向内側への倒れ込み、及び直胴部の座屈変形の発生を抑制し、サセプタとの密着性を向上することのできる石英ガラスルツボ及びルツボ構造を提供する。【解決手段】円筒状に形成され、上端に開口部を有する直胴部３ａと、前記直胴部の下端に形成された底部３ｃと、前記直胴部の開口部の周囲において、径方向外側に環状に延設されると共に、サセプタ２の上端２ｂに係合可能なフランジ部３ｂとを有し、前記直胴部の高さ寸法は、前記直胴部と前記底部とが前記サセプタ内に収容され、前記フランジ部が前記サセプタの上端に係合した状態で、前記底部の下端と、前記サセプタの底部２ｃとの間に所定の間隙が形成される長さに形成されている。【選択図】図１
2012017242.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を引上げる単結晶引上装置において、ルツボ形状のサセプタに収容される石英ガラスルツボであって、
円筒状に形成され、上端に開口部を有する直胴部と、前記直胴部の下端に形成された底部と、前記直胴部の開口部の周囲において、径方向外側に環状に延設されると共に、前記サセプタの上端に係合可能なフランジ部とを有し、
前記直胴部の高さ寸法は、前記直胴部と前記底部とが前記サセプタ内に収容され、前記フランジ部が前記サセプタの上端に係合した状態で、前記底部の下端と、前記サセプタの底部との間に所定の間隙が形成される長さに形成されていることを特徴とする石英ガラスルツボ。
【請求項２】
前記直胴部の周囲には、該直胴部の肉厚が周方向に沿ってより薄く形成された所定幅の薄肉部が設けられていることを特徴とする請求項１に記載された石英ガラスルツボ。
【請求項３】
前記フランジ部の下面は、径方向外側に向けて下方に傾斜するテーパ形状となされていることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された石英ガラスルツボ。
【請求項４】
前記フランジ部は、環状板状に形成され、
前記直胴部と前記底部とが前記サセプタ内に収容され、前記フランジ部が前記サセプタの上端に係合した状態で、
前記フランジ部の先端は、前記サセプタの上端に対し、径方向外側に突出することを特徴とする請求項１または請求項２に記載された石英ガラスルツボ。
【請求項５】
前記フランジ部の下面は、前記サセプタの上端に対し径方向外側に突出する位置に、周方向に沿って溝部が形成されていることを特徴とする請求項４に記載された石英ガラスルツボ。
【請求項６】
前記フランジ部の外周縁部には、複数の切り欠きが設けられていることを特徴とする請求項４または請求項５に記載された石英ガラスルツボ。
【請求項７】
請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の石英ガラスルツボと、前記石英ガラスルツボを収容するサセプタとを備えることを特徴とするルツボ構造。
【請求項８】
請求項３に記載の石英ガラスルツボと、前記石英ガラスルツボを収容するサセプタとを備えるルツボ構造であって、
前記サセプタの上端は、前記フランジ部の下面のテーパ形状に係合可能なテーパ形状に形成されていることを特徴とするルツボ構造。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、チョクラルスキー法（以下、「ＣＺ法」という）によって単結晶を育成しながら引き上げる際に用いられる石英ガラスルツボ及びルツボ構造に関する。
【背景技術】
【０００２】
シリコン単結晶の育成に関し、ＣＺ法が広く用いられている。この方法は、図６に示すように、ヒータ５２の熱により石英ガラスルツボ５０内にシリコン溶融液Ｍを形成し、その表面に種結晶Ｐを接触させる。そして、石英ガラスルツボ５０を回転させるとともに、この種結晶Ｐを反対方向に回転させながら上方へ引上げることによって、種結晶Ｐの下端に単結晶Ｃを形成していくものである。
【０００３】
このＣＺ法を実施する単結晶引上装置にあっては、図６に示すように石英ガラスルツボ５０はルツボ形状のカーボンサセプタ５３（或いは黒鉛サセプタ）内に抱持されるように収容される。
そして、前記石英ガラスルツボ５０内にシリコン溶融液を形成するためにヒータ５２による加熱が開始されると、石英ガラスルツボ５０も加熱され高温となる。
このとき、高温となった石英ガラスルツボ５０は軟化し、カーボンサセプタ５３に対し隙間無く密着するようになされている。即ち、鉛直軸周りに回転するカーボンサセプタ５３に石英ガラスルツボ５０が密着することによって、ルツボ５０が安定して支持され、シリコン単結晶の引き上げが安定して行われる。
【０００４】
ところで、石英ガラスルツボ５０をカーボンサセプタ５３内に配置した場合、通常、図７に示すように石英ガラスルツボ５０の上端部５０ａはカーボンサセプタ５３の上端部５３ａよりも高くなるように設計され、不純物がルツボ内に混入しないようになされている（例えば特許文献１）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開２０１０−５２９８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかしながら、図７に示す構成にあっては、石英ガラスルツボ５０が加熱されると、ルツボ下部がルツボ上部よりも高温となってより軟化し、カーボンサセプタ５３と接触していないルツボ上端部５０ａが、図８に示すようにルツボの径方向内側に倒れ込む変形が生じることがあった。
また、図９に示すようにルツボの直胴部５０ｂが自重によって座屈変形するといった課題もあった。
即ち、そのように石英ガラスルツボ５０に変形が生じると、石英ガラスルツボ５０とカーボンサセプタ５３との密着性が低下し、シリコン単結晶の引き上げを安定して行うことができないという課題があった。
【０００７】
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を引上げる単結晶引上装置において、ルツボ上部の径方向内側への倒れ込み、及び直胴部の座屈変形の発生を抑制し、サセプタとの密着性を向上することのできる石英ガラスルツボ及びルツボ構造を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
前記課題を解決するためになされた、本発明に係る石英ガラスルツボは、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を引上げる単結晶引上装置において、ルツボ形状のサセプタに収容される石英ガラスルツボであって、円筒状に形成され、上端に開口部を有する直胴部と、前記直胴部の下端に形成された底部と、前記直胴部の開口部の周囲において、径方向外側に環状に延設されると共に、前記サセプタの上端に係合可能なフランジ部とを有し、前記直胴部の高さ寸法は、前記直胴部と前記底部とが前記サセプタ内に収容され、前記フランジ部が前記サセプタの上端に係合した状態で、前記底部の下端と、前記サセプタの底部との間に所定の間隙が形成される長さに形成されていることに特徴を有する。
このように構成することにより、ルツボ底部とサセプタ底部の間には所定の間隙が設けられているため、サセプタ上端に係合する石英ガラスルツボのフランジ部は、シリコン溶融液の重量によりサセプタ上端に対し密着し、係合状態が強固なものとなる。これにより、石英ガラスルツボ上端の内径方向への倒れ込みを防止することができる。
また、サセプタ上端と石英ガラスルツボのフランジ部とが係合し、石英ガラスルツボの上端部が拘束された状態において、石英ガラスルツボの直胴部が加熱により軟化すると、収容するシリコン溶融液の重量により直胴部は下方に伸長し、石英ガラスルツボの底部がサセプタ底部に接触する。この構成により、直胴部の座屈変形の発生を防止することができる。
また、石英ガラスルツボの底部とサセプタ底部とが接触した後は、石英ガラスルツボ全体が軟化することによって、石英ガラスルツボとサセプタとの密着状態をより安定させることができる。
【０００９】
また、前記直胴部の周囲には、該直胴部の肉厚が周方向に沿ってより薄く形成された所定幅の薄肉部が設けられていることが望ましい。
このように薄肉部を設けることによって、石英ガラスルツボの直胴部が加熱により軟化した際、その薄肉部から確実に下方に伸長させることができる。
【００１０】
また、前記フランジ部の下面は、径方向外側に向けて下方に傾斜するテーパ形状となされていることが望ましい。
このようにフランジ部の下面をテーパ形状とすることにより、石英ガラスルツボをサセプタに収容した際に、フランジ部がサセプタ上端に対し、より係合し易くすることができる。
【００１１】
また、前記フランジ部は、環状板状に形成され、前記直胴部と前記底部とが前記サセプタ内に収容され、前記フランジ部が前記サセプタの上端に係合した状態で、前記フランジ部の先端は、前記サセプタの上端に対し、径方向外側に突出するように構成してもよい。
このように構成することにより、フランジ部が加熱され軟化すると、フランジ部の先端が下方に屈曲し、サセプタ上端がフランジ部に嵌合した状態とすることができる。
尚、前記フランジ部の下面において、前記サセプタの上端に対し径方向外側に突出する位置に、周方向に沿って溝部を形成することで、フランジ部の先端を屈曲し易くすることができる。
また、前記フランジ部の外周縁部に、複数の切り欠きを設けることにより、切り欠きにより区切られた単位で屈曲しやすくなり、それら屈曲したフランジ部に対しサセプタ上端が嵌合する状態とすることができる。
【００１２】
また、前記課題を解決するためになされた、本発明に係るルツボ構造は、前記したいずれかの石英ガラスルツボと、該石英ガラスルツボを収容するサセプタとを備えることを特徴としている。
また、前記フランジ部の下面が、径方向外側に向けて下方に傾斜するテーパ形状となされている場合には、前記サセプタの上端は、前記フランジ部の下面のテーパ形状に係合可能なテーパ形状に形成されていることが望ましい。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、チョクラルスキー法によってシリコン単結晶を引上げる単結晶引上装置において、ルツボ上部の径方向内側への倒れ込み、及び直胴部の座屈変形の発生を抑制し、サセプタとの密着性を向上することのできる石英ガラスルツボ及びルツボ構造を得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【００１４】
【図１】図１は、本発明に係るルツボ構造の一実施形態を示す断面図である。
【図２】図２（ａ）は、図１のルツボ構造の上端の構成を示す一部拡大断面図、図２（ｂ）は、図１のルツボ構造の下部の構成を示す一部拡大断面図である。
【図３】図３は、本発明に係るルツボ構造の一実施形態を示す断面図であって、加熱によって石英ガラスルツボが軟化し、カーボンサセプタと密着した状態を示す図である。
【図４】図４は、本発明に係るルツボ構造の上端部の変形例を示す一部拡大断面図であって、図４（ａ）は加熱前の状態、図４（ｂ）は加熱後の状態を示す図である。
【図５】図５（ａ）は、本発明に係るルツボ構造の上端部の他の変形例を示す一部拡大断面図、図５（ｂ）は、本発明に係るルツボ構造の上端部の他の変形例を示す一部拡大平面図である。
【図６】図６は、従来の単結晶引上装置の概略構成を示す断面図である。
【図７】図７は、従来の加熱前におけるカーボンサセプタとそれに収容された石英ガラスルツボを示す断面図である。
【図８】図８は、従来の加熱後におけるカーボンサセプタとそれに収容された石英ガラスルツボを示す断面図であって、石英ガラスルツボの上端が径方向内側に倒れ込んだ状態を示す図である。
【図９】図９は、従来の加熱後におけるカーボンサセプタとそれに収容された石英ガラスルツボを示す断面図であって、石英ガラスルツボの直胴部が座屈変形した状態を示す図である。
【発明を実施するための形態】
【００１５】
以下、本発明に係る石英ガラスルツボ及びルツボ構造の実施形態について図面に基づき説明する。
図１は本発明に係るルツボ構造の断面図である。このルツボ構造１は、炉体（図示せず）内において鉛直軸周りに回転可能に設けられるルツボ形状のカーボンサセプタ２と、このカーボンサセプタ２内に収容され抱持される石英ガラスルツボ３とにより構成される。
【００１６】
カーボンサセプタ２は、上端が開口する円筒状の直胴部２ａと、直胴部２ａの下端に設けられた底部２ｃとを有する。直胴部２ａの上端２ｂは、その所定位置から径方向外側に向けて下方に傾斜するテーパ形状となっている。
【００１７】
一方、石英ガラスルツボ３は、上端が開口する円筒状の直胴部３ａと、直胴部３ａの下端に設けられた底部３ｃとを有する。また、直胴部３ａの上端に、外側に向けて形成されたフランジ部３ｂを有する。このフランジ部３ｂは、石英ガラスルツボ３がカーボンサセプタ２に収容された際、カーボンサセプタ上端２ｂに係合可能な形状となされている。
また、このフランジ部３ｂは、石英ガラスルツボ３が加熱された際に、軟化してカーボンサセプタ２の上端２ｂに密着し、より強固に係合するため、ルツボ上端の内径方向への倒れ込みを防止することができる。
【００１８】
フランジ部３ｂの径方向の幅寸法ｔ２は、図２（ａ）に示すように、直胴部３ａの肉厚寸法ｔ１に対して１〜２倍の長さに形成されている。
尚、ルツボ上端からのフランジ部３ｂの厚さ寸法ｔ３が直胴部３ａの肉厚寸法ｔ１に対して３倍の長さを越えると、ルツボ上端の内径方向への倒れ込み防止効果が低減する。このため、前記厚さ寸法ｔ３は、直胴部３ａの肉厚寸法ｔ１に対して１〜３倍の長さに形成されている。
【００１９】
また、フランジ部３ｂは、図示するように、その下面が径方向外側に向けて下方に傾斜するテーパ形状となされ、そのテーパ角度θは１５°〜６０°の範囲で形成されている。これは、テーパ角度θが１５°よりも浅すぎると、石英ガラスルツボ３の軟化により、フランジ部３ｂがカーボンサセプタ２の上端２ｂとの係合状態が解除されやすくなるためである。また、テーパ角度θが６０°より大きくなると、その加工自体が困難となるためである。
尚、前記したカーボンサセプタ２の上端２ｂにおけるテーパ形状のテーパ角度は、前記フランジ部３ｂ下面のテーパ角度と一致するように形成されている。
【００２０】
また、前記フランジ部３ｂのカーボンサセプタ２の上端２ｂへの係合状態を、より強固なものとするために、図１に示す加熱前の状態において、カーボンサセプタ２の底部２ｃに対し石英ガラスルツボ３の底部３ｃが接触せずに浮いた状態となされる。
即ち、石英ガラスルツボ３の直胴部３ａの高さ寸法は、フランジ部３ｂがカーボンサセプタ上端２ｂに係合した状態で、ルツボ底部３ｃの下端と、カーボンサセプタ底部２ｃとの間に所定の間隙が形成される長さに形成されている。
具体的には、図２（ｂ）に示すように石英ガラスルツボ３の底部３ｃとカーボンサセプタ２の底部２ｃとの間の間隙寸法ｔ５は、ルツボ底部３ｃの肉厚寸法ｔ４に対し１／４〜１／２の長さに形成されている。
【００２１】
このように前記隙間寸法ｔ５を設けた場合、石英ガラスルツボ３が加熱されて軟化すると、直胴部３ａが、収容しているシリコン溶融液（図示せず）の重量により伸長する。その結果、ルツボ底部３ｃがカーボンサセプタ２の底部２ｃに密着し、ルツボ３を安定して支持することができる。また、直胴部３ａが加熱されると、直胴部３ａを確実に伸長させることができるため、座屈変形の発生を防止することができる。
【００２２】
また、図１に示すように石英ガラスルツボ３における直胴部３ａの周囲には、肉厚が周方向に沿ってより薄く形成された所定幅ｔ６の薄肉部３ｄが形成されている。
前記薄肉部３ｄの幅寸法ｔ６は肉厚寸法ｔ１の１〜１０倍の長さ、肉厚寸法ｔ７は肉厚寸法ｔ１の１／２〜４／５倍の長さに形成されている。
このように薄肉部３ｄを設けることにより、前記のように直胴部３ａが軟化して伸長する際、直胴部３ａにおいて、この薄肉部３ｄから伸長することとなる。即ち、薄肉部３ｄを設ける位置によって、直胴部３ａにおいて伸長させる位置を任意に設定することができる。
尚、幅寸法ｔ６が肉厚寸法ｔ１よりも小さい場合には、その狭い範囲の中で石英が伸びる事になり、その部分だけ極端に薄肉になって、強度低下や亀裂の発生などの不具合が生じる虞がある。一方、幅寸法ｔ６が肉厚寸法ｔ１の１０倍よりも大きい場合には、薄肉部が大きくなりすぎて座屈変形が生じる虞がある。
また、肉厚寸法ｔ７が肉厚寸法ｔ１の１／２よりも小さい場合には、ルツボ強度が低下し、ハンドリング時にクラックが生じる虞がある。一方、肉厚寸法ｔ７が肉厚寸法ｔ１の４／５よりも大きい場合には、直胴部３ａを伸長させる効果が得られない。
【００２３】
このように構成されたルツボ構造１において、石英ガラスルツボ３にシリコン原料（図示せず）が装填され、ルツボ構造１の周りに配置されたヒータ（図示せず）により加熱されると、前記シリコン原料が溶融されると共に、石英ガラスルツボ３も加熱され軟化する。
ここで、ルツボ底部３ｃとカーボンサセプタ２の底部２ｃの間には寸法ｔ５の隙間が設けられているため、カーボンサセプタ２の上端２ａに係合する石英ガラスルツボ３のフランジ部３ｂは、シリコン溶融液の重量によりカーボンサセプタ２の上端２ａに対し密着し、係合状態が強固なものとなる。これにより、石英ガラスルツボ３上端の内径方向への倒れ込みが防止される。
【００２４】
また、カーボンサセプタ２の上端２ａと石英ガラスルツボ３のフランジ部３ｂとが係合し、石英ガラスルツボ３の上端部が拘束された状態において、石英ガラスルツボ３の直胴部３ａが軟化すると、収容するシリコン溶融液（図示せず）の重量により薄肉部３ｄから下方に伸長し、図３に示すように石英ガラスルツボ３の底部３ｃがカーボンサセプタ２の底部２ｃに接触する。この構成により、直胴部３ａの座屈変形の発生が防止される。
また、石英ガラスルツボ３の底部３ｃとカーボンサセプタ２の底部２ｃとが接触した後は、石英ガラスルツボ３全体が軟化することによって、石英ガラスルツボ３とカーボンサセプタ２との密着状態がより安定する。
【００２５】
以上のように、本発明に係る実施の形態によれば、前記石英ガラスルツボ３及びカーボンサセプタ２の構成（即ちルツボ構造１）により、加熱されて軟化した際の石英ガラスルツボ３上部の内径方向への倒れ込み、及び直胴部３ａの座屈変形の発生を防止し、石英ガラスルツボ３とカーボンサセプタ２との密着性を向上することができる。
【００２６】
尚、前記実施の形態においては、石英ガラスルツボ３の上端に設けられたフランジ部３ｂにおいて、その下面をテーパ形状としたが、その形態に限定されるものではない。
例えば、図４（ａ）に示すように、フランジ部３ｂの裏面をテーパ形状とせずに環状板状とし、その先端がカーボンサセプタ上端２ｂに対し径方向外側に突出するように形成してもよい。
そのように形成することにより、フランジ部３ｂが軟化すると、図４（ｂ）に示すようにフランジ部３ｂの先端が下方に屈曲し、カーボンサセプタ２の上端２ａがフランジ部３ｂに嵌合する状態とすることができる。
【００２７】
この場合、フランジ部３ｂの径方向の幅寸法ｔ６を、カーボンサセプタ２の直胴部２ａの肉厚寸法ｔ７よりも長く（即ち径方向外側に突出する状態）形成する必要があり、且つ、ルツボ直胴部３ａの肉厚寸法ｔ１の２〜５倍の長さに形成することが望ましい。尚、フランジ部３ｂの幅寸法ｔ６が直胴部３ａの肉厚寸法ｔ１の５倍を超えると、密着性が高くなりすぎて、石英ガラスルツボ３のカーボンサセプタ２からの取り外しが困難になる。
【００２８】
また、厚さ寸法ｔ８を、ルツボ肉厚寸法ｔ１の１／５〜１／２倍の長さに形成することが望ましい。この厚さ寸法ｔ８に関しては、それがルツボ肉厚寸法ｔ１の１／５より小さいと、薄すぎてルツボ重量を支持するだけの強度が得られず、１／２より大きいと、フランジ部３ｂの自由変形量が少なくなり、カーボンサセプタ上端２ｂへの密着性が不十分となる虞があるためである。
【００２９】
また、フランジ部３ｂに対し、より確実にカーボンサセプタ上端２ｂが嵌合する状態とするために、図５（ａ）に示すようにフランジ部３ｂの下面において、カーボンサセプタ上端２ｂに対し径方向外側に突出する位置に、周方向に沿って溝部３ｅを設けてもよい。このように溝部３ｅを設けることにより、フランジ部３ｂが加熱されて軟化すると、確実に前記溝部３ｅから屈曲し、フランジ部３ｂに対しカーボンサセプタ上端２ｂが嵌合する状態とすることができる。
【００３０】
また、図５（ｂ）の石英ガラスルツボ３の平面図（一部のみ示す）に示すように、フランジ部３ｂの外周縁部に複数の切り欠き３ｆを設けてもよい。それにより、切り欠き３ｆにより区切られた単位で屈曲しやすくなり、それら区切られたフランジ部３ｂに対しカーボンサセプタ上端２ｂを嵌合させることができる。
【００３１】
また、前記実施の形態においては、石英ガラスルツボ３を抱持するサセプタとして、カーボンサセプタを例に説明したが、それに限らず黒鉛により形成されたサセプタでもよい。
【符号の説明】
【００３２】
１      ルツボ構造
２      カーボンサセプタ（サセプタ）
２ａ    直胴部
２ｂ    上端
２ｃ    底部
３      石英ガラスルツボ
３ａ    直胴部
３ｂ    フランジ部
３ｃ    底部
３ｄ    薄肉部
３ｅ    溝部
３ｆ    切り欠き
【図１】
2012017242.tif 000003
【図２】
2012017242.tif 000004
【図３】
2012017242.tif 000005
【図４】
2012017242.tif 000006
【図５】
2012017242.tif 000007
【図６】
2012017242.tif 000008
【図７】
2012017242.tif 000009
【図８】
2012017242.tif 000010
【図９】
2012017242.tif 000011