(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコン単結晶引き上げ用のルツボであって、内層が石英ガラスおよび外層がカーボン質材料からなり、外層のカーボン質材料と内層の石英ガラスが一体化されていることを特徴とする複合ルツボ。
【請求項２】
外層が炭素繊維の積層体によって形成されている請求項１に記載の複合ルツボ。
【請求項３】
外層が、内層の石英ガラスと接する面の平均粗さが０.１〜１.０mm、凹凸の平均間隔が０.２〜５mmの炭素繊維によって形成されている請求項２に記載の複合ルツボ。
【請求項４】
外層が通気度０.５cm/sec以上の炭素繊維の積層体によって形成されている請求項２または３に記載の複合ルツボ。
【請求項５】
炭素繊維をルツボ状に形成したカーボンルツボを用い、カーボンルツボを回転させながらその内表面に石英粉を供給して加熱溶融し、該石英層をカーボンルツボ内表面までガラス化して石英ガラス層とカーボンルツボ層とを一体に形成することを特徴とするシリコン単結晶引き上げ用複合ルツボの製造方法。
【請求項６】
カーボンルツボ内表面に石英粉を堆積して加熱溶融し、さらに加熱中に石英粉を徐々に供給して溶融し、ルツボ内表面側に透明ガラス層を形成した複合ルツボを製造する請求項５に記載の製造方法。
【請求項７】
炭素繊維からなる通気性を有するカーボンルツボを用い、カーボンルツボを回転させながらその内表面に石英粉を堆積して加熱溶融し、この加熱溶融時に上記カーボンルツボを通じて減圧し、石英層に含まれているガスを吸引除去し、石英ガラス層の気泡を排除してルツボ内表面側に透明ガラス層を形成し、石英ガラス層とカーボンルツボ層とが一体化した複合ルツボを製造することを特徴とするシリコン単結晶引き上げ用複合ルツボの製造方法。
【請求項８】
請求項１〜４の何れかに記載する複合ルツボを内表面側から加熱し、石英ガラス層の表面を再溶融して再生する方法。
【請求項９】
請求項１〜４の何れかに記載する複合ルツボの石英ガラス層を除去した後に、残ったカーボンルツボの内表面に新たな石英粉を供給して加熱溶融し、ガラス化して石英ガラス層とカーボンルツボ層とが一体化した複合ルツボを再生する方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、シリコン単結晶の引き上げに用いる複合ルツボに関する。より詳しくは、内層を石英ガラスとし、外層をカーボン質材料としてこれらを一体化した複合構造とすることにより、大型シリコン単結晶の引き上げに適した、耐熱性に優れた複合ルツボとその製造方法、およびその再生方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体材料のシリコン単結晶は、一般に、多結晶シリコンの融液から単結晶シリコンを引き上げるチョクラルスキー法によって製造されており、その際に多結晶シリコンの融液を保持する器材として石英ガラスルツボが用いられている。
近年、ウエハーの大型化に伴いルツボも大型のものが必要とされている。大型の単結晶を引き上げるための大型ルツボは、単結晶引上の際により長時間およびより高温にさらされるために、特に耐熱強度が問題になる。ここで肉厚を増強するのも強度を上げる方法の一つであるが、ルツボの肉厚は製造上自ずと限界があるので、大型化が進むといずれ材料強度が不足して高温下での使用時にルツボが変形し、あるいは破損する問題がある。
【０００３】
通常、石英ルツボは引き上げ装置に設置されたルツボ状のサセプター(外ルツボ)に装着して使用されている。サセプターには耐熱性を有する熱伝導率の高い材料としてカーボンが使用されているが、従来は石英ルツボとカーボンサセプターとの間がルーズであるため、石英ルツボの膨れや内倒れ、沈み込みなどの問題を生じることがある。さらに、石英ルツボとカーボンサセプターとの密着性が悪いと熱伝導率が低下し、熱伝導も不均一になる。
さらに、大型のシリコン単結晶を引き上げるにはルツボ自体も大型のものを用いる必要があり、これに伴いカーボンサセプサーも大型化し、組立を容易にするために割型のものが用いられつつある。このため、サセプターの継目に隙間が生じ、これが原因で石英ルツボの破損を招く等の問題がある。
【０００４】
また、従来は石英ルツボの使用時にその都度、カーボンサセプターに装着しなければならないため、作業が煩雑であると共に石英ルツボとカーボンサセプターとの間に汚れを生じ易く、このような汚れも熱伝導を不均一にする原因となる。
【０００５】
一方、カーボンサセプターの改良として、従来の黒鉛材に代えて炭素繊維強化炭素を用いたものが幾つか提案されているが（特開平09-263482号等）、これらのサセプターも従来と同様に石英ルツボとは別体であり、石英ルツボを装着して使用するものであるため上記問題の解消にはならない。
【０００６】
【発明の解決課題】
本発明は従来の石英ルツボにおける上記問題を解決したものであり、材料強度に優れ、大型ルツボに適すると共に高温下の使用でも変形の虞がなく、しかも従来のカーボンサセプターを必ずしも用いなくてもよいので、サセプターと石英ルツボの密着不良などに起因する問題を生じることがなく、従って、高い単結晶化率を達成することができる信頼性の高いシリコン単結晶引き上げ用ルツボとその製造方法および再生方法を提供することを目的とする。
【０００７】
すなわち本発明は、（１）シリコン単結晶引き上げ用のルツボであって、内層が石英ガラスおよび外層がカーボン質材料からなり、外層のカーボン質材料と内層の石英ガラスが一体化されていることを特徴とする複合ルツボに関する。
本発明の複合ルツボは、（２）外層が炭素繊維の積層体によって形成されている上記(1)に記載の複合ルツボ、（３）外層が、内層の石英ガラスと接する面の平均粗さが０.１〜１.０mm、凹凸の平均間隔が０.２〜５mmの炭素繊維によって形成されている上記(2)に記載の複合ルツボ、（４）外層が通気度０.５cm/sec以上の炭素繊維の積層体によって形成されている上記(2)または(3)に記載の複合ルツボを含む。
【０００８】
また本発明は、（５）炭素繊維をルツボ状に形成したカーボンルツボを用い、カーボンルツボを回転させながらその内表面に石英粉を供給して加熱溶融し、該石英層をカーボンルツボ内表面までガラス化して石英ガラス層とカーボンルツボ層とを一体に形成することを特徴とするシリコン単結晶引き上げ用複合ルツボの製造方法。に関する。
本発明の上記製造方法は、（６）カーボンルツボ内表面に石英粉を堆積して加熱溶融し、さらに加熱中に石英粉を徐々に供給して溶融し、ルツボ内表面側に透明ガラス層を形成した複合ルツボを製造する上記(5)に記載の製造方法を含む。
【０００９】
さらに、本発明は、（７）炭素繊維からなる通気性を有するカーボンルツボを用い、カーボンルツボを回転させながらその内表面に石英粉を堆積して加熱溶融し、この加熱溶融時に上記カーボンルツボを通じて減圧し、石英層に含まれているガスを吸引除去し、石英ガラス層の気泡を排除してルツボ内表面側に透明ガラス層を形成し、石英ガラス層とカーボンルツボ層とが一体化した複合ルツボを製造することを特徴とするシリコン単結晶引き上げ用複合ルツボの製造方法に関する。
【００１０】
また、本発明は以下の構成からなる複合ルツボの再生方法に関する。
〔８〕 上記[１]〜上記[４]の何れかに記載する複合ルツボを内表面側から加熱し、石英ガラス層の表面を再溶融して再生する方法。
〔９〕上記[１]〜上記[４]の何れかに記載する複合ルツボの石英ガラス層を除去した後に、残ったカーボンルツボの内表面に新たな石英粉を供給して加熱溶融し、ガラス化して石英ガラス層とカーボンルツボ層とが一体化した複合ルツボを再生する方法。
【００１１】
【発明の実施態様】
以下、本発明を図示する構成例に基づいて具体的に説明する。
(Ｉ)複合ルツボ
図１は本発明に係る複合ルツボの縦断面模式図である。本発明の複合ルツボはシリコン単結晶の引き上げに用いられるルツボであり、図示するように、外層１０がカーボン質材料であって内層２０が石英ガラスであり、外層のカーボン質材料１０と内層の石英ガラス２０が密着して一体に形成されている複合材料からなるルツボである。
【００１２】
本発明の複合ルツボの外層を形成するカーボン質材料とは黒鉛や炭素繊維などの固体炭素材料を云う。カーボン質材料は耐熱性に優れており高温下で優れた材料強度を有するので、ルツボの外層をカーボン質材料によって形成することにより、高温下での形状安定性に優れた複合ルツボを得ることができる。従って、従来のようなカーボンサセプターを用いる必要がない。なお、外層を形成するカーボン質材料の厚さは制限されない。高温使用下でルツボの強度を保つのに十分な壁厚であれば良い。
【００１３】
上記カーボン質材料としては黒鉛材をルツボの形状に成形したものを用いることができるが、炭素繊維等をルツボの形状に積層したものなどが好ましい。例えば、マトリックスの炭素に炭素繊維を配合し、あるいは炭素繊維を炭素で固めた炭素繊維強化炭素（CFRC,C-Cコンポジット）などが好適である。この炭素繊維強化炭素はフィラメントワインディング法によって製造したもの、炭素繊維のクロスないしフェルトを積層成形したものなど異なった製造方法によるものが知られているが、いずれの製造方法によるものでも良く、また異なった製造方法によるものを組み合わせて使用しても良い。
【００１４】
上記ＣＦＲＣ材料等は熱膨張率が小さく石英ガラスに近いので温度変化によっても両者は剥離しない。しかもＣＦＲＣ材料等は黒鉛などのムクの炭素材よりも軽量であり、強度、耐摩耗性等に優れる。従って、このような炭素繊維強化炭素によって外層を形成することにより、外層と内層が剥離する虞がなく、高強度で軽量な耐摩耗性に優れた複合ルツボを得ることができる。さらに外層と内層の接合面に織目の粗いクロスを用いることにより接合強度を高めることができる。
具体的には、内層の石英ガラスに接する面の平均粗さ(算術平均粗さ)が０.１〜１.０mmであって凹凸の平均間隔が０.２〜５mmのものが適当である。このような表面粗さであれば、溶融したガラスが炭素繊維の間に入り込み、接合強度の大きな複合ルツボが得られる。
【００１５】
また、複合ルツボ外層のカーボン質材料に通気性を有するものを用いることにより、ルツボ製造時に該カーボン質材料の外層を通じて減圧し、ルツボの内層を形成する溶融ガラス層に含まれる気泡を外層に吸引して除去することができる。上記炭素繊維材料(ＣＦＲＣ)は適度な通気性を有することができるので、このような減圧溶融にも適している。因みに、炭素繊維を積層し繊維間に炭素や樹脂バインダーを含浸し、一体に焼結した繊維質の複合炭素材料はその充填する炭素や樹脂バインダーの量を調整することにより通気性を制御することができる。
【００１６】
具体的には、本発明において炭素繊維の通気性は、通気度が０.５cm/sec以上であって、嵩比重１.３〜１.６のカーボン質材料が好ましい。なお、上記通気度は０℃、１気圧のもとで１kg/cm2の空気圧を加えたときに材料(炭素繊維)を通過する単位時間当たりの空気量(cm3/cm2/sec＝cm/sec)で表される値である。
【００１７】
ルツボ内層の石英ガラス層は、ルツボの形状に成形したカーボン質材料（カーボンルツボと云う）の内周面に石英粉を一定厚に堆積させ、これを加熱溶融してガラス化することによって形成することができる。この石英ガラス層の表面は溶融シリコンに接するので、溶融シリコンへの不純物混入を防止するため、可能な限り不純物の少ない高純度の石英粉を用いるのが好ましい。また、ルツボ内表面側の石英ガラス層に気泡が多いと、引き上げ中にシリコンの単結晶化が妨げられて多結晶化する原因となるので、可能な限り表面付近の気泡を除去するのが好ましい。ルツボ内表面側の気泡を除去するには、(i)加熱下で石英粉を徐々に供給してガラス化しながらルツボ内表面に堆積させる方法、あるいは、前述したように、(ii)ルツボ外層を炭素繊維等からなる通気性のカーボンルツボを用い、石英粉の加熱溶融中に該外層を通じて減圧し、石英層のガスを外部に吸引して除去する方法などがある。
【００１８】
従来の石英ルツボでは、ルツボ壁全体の肉厚は、口径にもよるが、概ね７〜１５mm程度であるが、本発明の石英ルツボは外層が高強度のカーボン質材料によって形成されているので、内層の石英ガラス層は従来の石英ルツボよりも薄くすることができる。具体的には、内層の石英ガラスはシリコン単結晶を引き上げる際に肉厚が１mm弱程度溶損するので、カーボン質材料の外層が露出しないようにこれよりやや厚く、概ね２〜１０mm厚の石英ガラス層を形成すれば良い。
【００１９】
(II)製造方法
本発明の複合ルツボは、回転モールド法によって製造する際に、外層を形成するカーボンルツボを成形モールドとして利用することができる。すなわち、ルツボ形状に成形した炭素繊維(CFRC)等からなるカーボンルツボを用い、回転するカーボンルツボに内層となる石英粉を入れ、遠心力を利用して該石英粉をカーボンルツボの内周面に保持し、引き続き、ルツボ内表面側からアーク放電等を熱源として石英粉を加熱溶融し、石英粉が接するカーボンルツボ内表面まで溶融してガラス化する。このカーボンルツボを形成しているＣＦＲＣ材料は表面が繊維による微細な凹凸を有するものを用いるので、ガラス化した石英がカーボンルツボ表面の微細な空隙まで入り込み、石英ガラスの冷却により石英ガラス層とカーボンルツボが強固に一体化した複合ルツボが得られる。なお、具体的には先に述べたように、石英ガラス層に接する面の平均粗さが０.１〜１.０mmであって凹凸の平均間隔が０.２〜５mmのものが適当である。
【００２０】
炭素繊維からなるカーボンルツボを用いる上記製造方法において、カーボンルツボを回転させながらその内表面に石英粉を供給して加熱溶融する際に、石英粉を加熱下で徐々に供給し、溶融ガラス化させてルツボ内表面に堆積させることにより、ガラス層に気泡を殆ど含まない透明ガラス層を形成した複合ルツボを製造することができる。
【００２１】
あるいは、通気性を有するカーボンルツボを用い、回転するカーボンルツボの内表面に石英粉を一定厚に堆積させた後に石英粉を加熱溶融し、この加熱溶融時に、カーボンルツボを通じて減圧し、石英層に含まれているガスをカーボンルツボを通じて外部に吸引し除去することにより、石英ガラス層の気泡を排除することができる。加熱温度と時間、減圧の程度と時間等はルツボの口径、石英粉の品質や堆積厚さ、気泡含有率などの製造条件に応じて定めることができる。
【００２２】
(III)再生方法
本発明の上記複合ルツボは、外層がＣＦＲＣ等のカーボン質材料によって形成されているので、内層の石英ガラス部分を容易に再生することができる。具体的には、例えば、製造した複合ルツボの内表面に傷や微細な凹凸や割れ等がある場合、あるいは石英ルツボを使用すると溶融シリコンによってルツボ内表面が溶損するので内表面の平滑性が失われた場合などには、本発明の複合ルツボをその内表面側から加熱して石英ガラス層の表面を再溶融することにより、内表面の傷や亀裂が溶融ガラスによって埋められ、表面が平滑に再生することができる。
【００２３】
この他に、内層の石英ガラス層全体を取り替えて再生することができる。すなわち、複合ルツボに衝撃を加えて石英ガラス層全体を除去し、残ったカーボンルツボの内表面に新たな石英粉を堆積させて加熱溶融し、石英粉が接するカーボンルツボ内表面まで溶融しガラス化して石英ガラス層とカーボンルツボ層とを一体化することにより再生することができる。
【００２４】
【実施例】
実施例１
炭素繊維強化炭素からなるカーボンルツボ（内表面粗さ０.３mm、凹凸の平均間隔３mm）を用い、回転するカーボンルツボの内表面に石英粉を堆積させた後にアーク放電により石英粉を約２０００℃に加熱してガラス化した。５分経過後、さらに、アーク放電の加熱下でこの石英ガラス層の表面に１０分間合成石英粉を徐々に供給した。これによりカーボン外層の内側に厚さ約３mmの気泡含有石英ガラス層と、その上側に気泡のない厚さ約１.５mmの透明ガラス層がカーボンルツボと一体化した複合ルツボを得た。
この石英ルツボをシリコン単結晶引き上げ温度付近（約1500℃）に２４時間加熱した後、室温に放置して冷却させる試験を５回繰り返したが、外層と内層の剥離は観察されなかった。さらに、この複合ルツボを用いてシリコン単結晶を引き上げたところ、融液のほぼ全量を単結晶化して引き上げることができ、単結晶の品位は末尾まで良好であり、従来の石英ルツボを用いた場合より優れた結果を得た。
【００２５】
実施例２
炭素繊維強化炭素（通気度1.8cm/sec,嵩比重1.45）からなるカーボンルツボを用い、回転するカーボンルツボに石英粉を入れてルツボ内周面に堆積させ、さらに石英粉表面側からアーク放電により約2000℃、１０分間加熱し、石英粉のカーボンルツボ内表面に接する全層を溶融してガラス化した。また、この加熱時にカーボンルツボ外面を０.２気圧に減圧し、５分間減圧を継続した。加熱後、室温に静置して冷却し、炭素繊維強化炭素(CFRC材)からなる外層（厚5mm）と透明な石英ガラスからなる内層（厚6mm）とが一体化した複合ルツボ（内径580mm）を得た。なお、石英ガラス層の内表面側約１mm厚の気泡含有率は0.01％であった。
この石英ルツボをシリコン単結晶引き上げ温度付近（約1500℃）に２４時間加熱した後、室温に放置して冷却させる試験を５回繰り返したが、外層と内層の剥離は観察されなかった。さらに、この複合ルツボを用いてシリコン単結晶を引き上げたところ、融液のほぼ全量を単結晶化して引き上げることができ、単結晶の品位は末尾まで良好であり、従来の石英ルツボを用いた場合より優れた結果を得た。
【００２６】
実施例３
外層の炭素繊維について、内層の石英ガラスに接する部分に通気度０.６cm/sec、平均粗さ０.５mm、凹凸の平均間隔２mmの炭素繊維を用いた他は実施例２と同様の条件下で複合ルツボを製造した。この複合ルツボは２０cmの高さから落下させてもガラスが繊維層から剥離しなかった。また、この複合ルツボを用いた場合の単結晶化率は従来の石英ルツボよりも高かった。
一方、比較試料として、上記炭素繊維に代えて、平均粗さが０.０１mm、通気度０.４cm/secの炭素繊維を用いた他は実施例２と同様にして複合ルツボを製造したところ、炭素繊維の通気度が小さいために石英ガラス層の気泡が十分に吸引されず、気泡が石英ガラス層に残留し、従って、単結晶化率が実施例２のものより低かった。また、この複合ルツボの石英ガラス層と炭素繊維層は２０cmの高さから落下させると剥離した。
【００２７】
実施例４
実施例２で製造した石英ルツボに衝撃を加えて内層の石英ガラス層全体を除去した。残ったカーボンルツボを用い、実施例２と同様の条件下で石英ガラス層を形成して石英ルツボを再生した。この再生した石英ルツボについて実施例２と同様の試験を行ったが、外層と内層の剥離は観察されなかった。
【００２８】
実施例５
実施例２で製造したルツボをシリコン単結晶引き上げに用いたところ、使用後のルツボ内周の石英ガラス層は溶融シリコンに接触した部分が不均一に約０.２mm〜０.６mm溶損していた。また、部分的にクリストバライトの再結晶組織が観察された。このルツボ内表面(石英ガラス層表面)をアーク放電により約２０００℃に６分間加熱して平滑なガラス面に再生した。この再生ルツボを用いてシリコン単結晶を引き上げたところ、その単結晶化率は実施例２と同等であった。
【００２９】
【発明の効果】
本発明の複合ルツボは、外層が炭素繊維強化炭素などのカーボン質材料によって内層の石英ガラス層と一体に形成されているので、高温下での形状安定性に優れており、高温下での使用中にルツボが変形するなどのトラブルがない。また、形状安定性に優れるので大型ルツボに適する。
さらに、本発明の複合ルツボは、従来のカーボンサセプターを用いる必要が無く、石英ガラス層がカーボン質に溶融一体化しているので、熱伝導率のバラツキが少なく、単結晶化率および単結晶の品位を高めることができる。
また、ルツボ内周側の石英ガラス層を従来よりも薄く形成することができ、しかも石英ガラス層を容易に再生することができるのでルツボの製造コストを大幅に低減することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】  本発明に係る複合ルツボの縦断面模式図
【符号の説明】
１０−カーボン質材料
２０−石英ガラス層
【図１】
0004217844.tif 000002