JP3454516B2 - サスセプターとして有用な高純度複合体及び結晶成長法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 技術分野 本発明は炭素マトリックス中の炭素繊維の高純度複合
体及びその製造を目的とする。特に、本発明は半導体材
料を処理するコンポーネント、例えばチョクラルスキー
炉のコンポーネント及び部品として有用な高純度複合体
を目的とする。

発明の背景 単結晶が業績の優れた種々の産業で使用されている。
例えば、単結晶シリコンウェハは半導体産業で使用さ
れ、単結晶サファイヤ結晶は防衛産業（アンテナウイン
ドウ）、電子産業（発光ダイオード）及び一般産業（レ
ーザースキャナーウインドウ）で使用されている。これ
らの単結晶は通常高温操作下に製造される。

この一例は、半導体産業で使用されるチョクラルスキ
ー又は“CZ"法によるシリコンウェハの製造である。CZ
法では、方向が分かっている種子結晶をシリコンの溶融
プールに浸漬する。これが引き金となってシリコンの凝
固及び沈降が生じる。結晶をプールから上の方向に機械
的に引き上げるに従って、凝固前面の方向が種子結晶の
方向を模倣する。シリコンウェハを固形インゴットから
機械加工及び研磨によって製造することができる。

特別に構築された炉が、高品質結晶の確実な製造に必
要な種々のパラメーターを正確に制御するのに使用され
る。このような結晶成長炉のキーとなるコンポーネント
のいくつかはグラファイト製である。これらは種々のラ
イナー、シールド、管、るつぼサスセプクター及び類似
物を含む。グラファイトは、それが温度特性がよく相対
的に化学的に不活性であることから、このような処理に
おいて従来から使用されてきた材料であった。

グラファイトの欠点は、それが本質的に非常に脆いこ
とに起因する貧弱な耐久性及び熱サイクルを繰り返した
場合に微小割れ（microcrack）が生じる傾向である。こ
のような微小割れはコンポーネントの熱伝導性を変化さ
せ、次いで溶融結晶の温度制御を困難なものにする。さ
らに、グラファイトコンポーネントからの、又はグラフ
ァイト自体の分解によって生じる粒状物からのリーチン
グによって溶融物の汚染が起こる可能性がある。半導体
の規格は、不純物が痕跡量でも半導体材料の電子特性が
変化するため、半導体の加工系における不純物が極めて
低い値であることを要求し、実質的にいかなる不純物も
半導体材料に取り込まれてはならないとしている。

その上、シリコン結晶の製造中におけるグラファイト
部品へのシリコン酸化物の沈着が、規則的な洗浄及び定
期的な取り替えが必要な程度で生じる。取り付けたグラ
ファイト部品の取り替えは時間がかかり費用がかさむ工
程である。

それゆえ、グラファイトの利点を有し欠点を有しない
単結晶成長反応器用のコンポーネントを製造することに
対する要望が存在していた。このようなコンポーネント
は、シリコン半導体ウェハを含む高品質単結晶をよりコ
スト効率よく製造することを可能にする。

グラファイト炉コンポーネント及び部品の代りに、炭
素／炭素複合体を同様の電子材料の製造工程で使用する
試みが行われてきた。Valentianに対する米国特許第5,1
32,145号及び対応する欧州特許出願88401031.5は、金属
材料半導体の単結晶を製造するブリッジマン法で使用す
る複合材料るつぼの製造方法を開示している。

Valentianは、溶融試料を保持するための円筒状るつ
ぼであって、炭素繊維又は炭化珪素繊維を炭素又はシリ
コンで含浸した単一壁からなり、るつぼの内壁に、シリ
カ、窒化珪素、及び窒化珪素／アルミナ、又は他の態様
では非晶質炭素、窒化硼素、窒化又は二硼化チタン、及
び窒化又は二硼化ジルコニウムと組み合わせた炭化珪素
の薄い内層を沈着させたるつぼを提案した。薄い内層
は、溶融試料の汚染を避け、溶融試料と適合した熱伝導
性を提供し、かつバルク材料の欠点である割れの伝搬を
避ける必要がある。

高温単結晶成長炉で最も重要なコンポーネントのうち
の一つがサスセプターである。サスセプターの機能は、
溶融結晶と密接に接触するるつぼ（シリコン結晶成長工
程では通常石英）を保持することである。さらにサスセ
プターはヒーターから結晶体へ熱を伝達しなければなら
ない。これはできるだけ均一でなければならない。熱環
境の正確な制御は高品質単結晶の製造を成功させるため
に重要である。

グラファイトサスセプターの製造は普通のことではな
い。グラファイトの強度特性が低く、かつ結晶体を支持
する必要があるため、特にるつぼの底では厚い断面を使
用しなければならない。断面が厚いと必要な熱量の値が
高くなり、その結果、熱環境を正確に制御することが困
難となる。

チョクラルスキー（CZ）法では、現在通常使用されて
いるCZ結晶引き上げサスセプターは、CZ結晶の引き上げ
操作中に適切に石英るつぼを保持し、次いでシリコン結
晶を製造するのに使用するポリシリコンを保持するよう
に設計されている。石英は約1150℃で軟化する。CZ法は
約1450℃で行う。石英るつぼはCZ法の操作中に軟化しサ
スセプターと同じ形になる。

サスセプターは減圧下のアルゴン雰囲気中で形態を保
持することが可能でなければならない。ガスが抜けては
ならないし、石英るつぼに入っているポリシリコンの材
料特性に影響を与えないように十分純粋でなければなら
ない。最後に、転位の欠陥が最小又はゼロであるシリコ
ン結晶の成長に必要な正確な熱力学的条件を可能とする
適正な熱特性を有していなければならない。転位は炉内
における汚染と熱力学的条件の変異により生じる可能性
がある。

現在通常使用されているCZサスセプター材料はグラフ
ァイトである。グラファイトは現在の大きさのCZ引き上
げ装置では適切に作動し、結晶引き上げ操作中のその形
を保持することが可能であるが、操作中に破滅的に崩壊
する可能性がある。グラファイトサスセプターが破滅的
に崩壊した場合、CZ操作中の石英るつぼの封じ込めを失
う恐れがある。石英るつぼの封じ込めを失うことは重大
な結果になる可能性がある。溶融ポリシリコンが水冷し
た鋼の炉管と接触すると、破滅的な炉の崩壊が生じる。
このことは炉の破壊を含み、より重要なことは、人的傷
害を起こす可能性があることである。いくつかの現在使
用されている炉のグラファイト構造は、結晶成長相の操
作中におけるポリシリコンの封じ込めを特に目的として
設計されている。

グラファイトのサスセプターがさらに不利であるの
は、グラファイトのコンポーネントが４個の部分から製
造する必要があることによる。３個の部分はサスセプタ
ーを構成し、第４の部分はサスセプターベース（suscep
tor base）に必要であり、このベースは共にサスセプタ
ーを保持しかつサスセプターを炉の台座につないでい
る。このことは、結晶成長工程中の破壊を防止するのに
必要な靭性及び衝撃強さをグラファイトが有していない
ために行われる。CZシリコン結晶成長法では、結晶成長
の結果として少量の液状シリコン金属が残る。残った金
属シリコンは冷却で約９％膨張する。シリコン金属の熱
膨張で生じた応力により、単一要素のグラファイトサス
セプターの破損が起こる。さらに、単一要素のグラファ
イトサスセプターは石英るつぼの除去によって破損す
る。

公差を小さくするためにグラファイトの機械加工を行
うことはできるが、コンポーネントの３個の部位の間の
ギャップは依然として存在する。結晶引き上げ法の副生
物ガスは高度に腐食性であり（例えばCZ法の一酸化珪
素）、これらのギャップを通じてグラファイト構造を攻
撃する可能性がある。このことは順次コンポーネントの
寿命を減少させ、結晶の製造率に大きく影響を与える。

グラファイトサスセプターにおける他の問題は熱管理
である。現在のグラファイトサスセプターの設計では、
一般に厚さ1.27cm〜2.54cm（0.5インチ〜１インチ）の
円錐形側面部から成っている。底部は石英るつぼの底の
外観と一致する。底部は円錐形の側面部より実質的に厚
い。さらに、炉の中では、グラファイトサスセプターは
グラファイトベース上に載っている。グラファイトベー
スとサスセプターの厚い底部との組み合わせが高温域で
の熱管理を困難にしている。

熱管理の困難さは二つの要因から生じている。第一
は、サスセプターの側面部領域とベース領域の間の部品
の厚さが均一でないことである。第二の原因は、サスセ
プターベースが突出し過ぎていて、隣接するヒーターか
らサスセプターの底部を遮蔽していることである。この
遮蔽のため、ヒーターはより多量のエネルギーを系に加
えて付加的な熱容量及び熱遮蔽を補償することが必要と
なっている。それゆえ、熱容量が小さく、耐久性のある
一構成要素のサスセプターを開発する要望がある。

それゆえ、本発明の目的は、従来のグラファイトコン
ポーネントに比べて機械的及び熱特性が優れている、半
導体の製造工程で使用するコンポーネントを提供するこ
とである。

さらに本発明の目的は、従来のグラファイトコンポー
ネント及び従来の炭素／炭素材料に比べて純度特性が優
れている、半導体の製造工程で使用するコンポーネント
を提供することである。

さらに本発明の目的は、完全なるつぼの封じ込めを提
供すること、従って流出（spill）を封じ込める手段を
追加する必要がないことが可能な炭素／炭素サスセプタ
ーを提供することである。

さらに本発明の目的は、CZ炉の高温領域の熱管理の改
良を提供すること、従って潜在的なエネルギーの節約を
提供すること及び結晶の転位が減少することによるシリ
コン結晶の品質の改良を提供することが可能な炭素／炭
素サスセプターを提供することである。

さらに本発明の目的は、サスセプターの側面の厚さを
減少させることによって所与の固定した炉管又はサイズ
に対して高温領域の増加を提供すること、従って大きく
なった石英るつぼに入れるポリシリコンの量が増加した
CZ結晶成長装置を提供することが可能な炭素／炭素サス
セプターを提供することである。

さらに本発明の目的は、寿命が大幅に延びた、すなわ
ち代替までの周期の数が増加したサスセプターを有する
CZ結晶成長装置提供することが可能な炭素／炭素サスセ
プターを提供することである。

さらに本発明の目的は、強靭で耐久性のある単一構成
要素での製造が可能な炭素／炭素サスセプターを提供す
ることである。

発明の要約 本発明は、炭素マトリックス中の炭素繊維強化物より
成る高純度炭素／炭素複合材料を提供する。本材料は、
特に非−酸化雰囲気中で顕著な熱特性を有する。本発明
以前は、炭素／炭素複合材料を電子産業で使用すること
は大きく制限されており、その理由は、高温で優れた機
械特性を示すのみならず、敏感な電子製品、例えば半導
体材料又は装置、特にシリコンウェハを汚染せずきわめ
て純度が高い材料を製造することができなかったことに
ある。

本発明は、それゆえ、高純度の、炭素繊維で強化した
炭素マトリックスを含む半導体規格の複合体を提供する
ものであり、金属不純物の全量が約10ppmより低く、好
ましくは約5ppm、最も好ましくは誘導結合プラズマ分光
分析の検出限界より低い値の、Ag、Al、Ba、Be、Ca、C
d、Co、Cr、Cu、Ｋ、Mg、Mn、Mo、Na、Ni、Ｐ、Pb、Sr
及びZnの金属不純物を有する複合体を提供する。

本発明はさらに、上記の高純度炭素／炭素複合体を含
む結晶成長炉のコンポーネント及び部品、例えばチョク
ラルスキー半導体製造工程で使用するコンポーネント及
び部品を提供し、該複合体は、金属不純物の全量が約10
ppmより低く、好ましくは約5ppm、最も好ましくは誘導
結合プラズマ分光分析の検出限界より低い値の、Ag、A
l、Ba、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Ｋ、Mg、Mn、Mo、N
a、Ni、Ｐ、Pb、Sr及びZnの金属不純物を有する、炭素
繊維で強化した炭素マトリックスを含む複合体である。

ある態様において、本発明は、高純度の、半導体規格
の複合体で、好ましくは単一要素で構成された、チョク
ラルスキー法のるつぼサスセプターを提供する。

本発明に従うと、それゆえ、溶融結晶材料から単結晶
インゴット、例えば溶融シリコンからシリコンインゴッ
トを引き上げる結晶成長方法が提供され、この方法は、
少なくとも一の高純度な炭素／炭素複合体コンポーネン
トで汚染物源から分離されている石英るつぼ中に溶融し
た結晶材料（例えばシリコン）を提供することを含む。
ある態様では、この方法は、上記サスセプターでるつぼ
を密接に支持することを含む。

それゆえ、所望の機械的、熱的、化学的かつ物理的特
性を有する炭素／炭素材料を製造することが可能である
ことを我々は見出したが、これらの性質によりこの材料
を、単結晶成長及び半導体電子産業で使用すること、特
に単結晶成長法のるつぼサスセプターとして使用するこ
とが適切なものとなっている。

従来のグラファイトサスセプターの約1/3の質量であ
り、実質的に長い寿命を示す、単一構成要素の、炭素／
炭素サスセプターを製造することが可能であることをさ
らに我々は見出した。

図面の簡単な説明 図１及び1Aは、半導体製造炉、特にチョクラルスキー
の結晶成長反応器の模式的断面図である。

図２は、炉の熱遮蔽体又は炉管ライナーの鳥瞰図であ
る。

図３は、炉の熱遮蔽体又は炉管ライナーの平面図であ
る。

図４は、炉の熱遮蔽体又は炉管ライナーの立面図であ
る。

図５は、高純度複合体るつぼサスセプターの平面図で
ある。

図６は、高純度複合体るつぼサスセプターの立面図で
ある。

図７は、高純度複合体るつぼサスセプターの鳥瞰図で
ある。

図８は、他の高純度複合体るつぼサスセプターの平面
図である。

図９は、他の高純度複合体るつぼサスセプターの立面
図である。

図10は、他の高純度複合体るつぼサスセプターの鳥瞰
図である。

発明の詳細な説明 炭素繊維で強化した炭素マトリックス、又は炭素／炭
素複合体は、高い熱安定性、熱伝導性が高く熱膨張挙動
（すなわち熱膨張係数又はTEC）が低いことによる熱シ
ョックへの高い耐性を有し、かつ高温で使用した場合に
靭性、強度及び剛性が高い。炭素／炭素複合体は炭素強
化材を含むが、これをマトリックス前駆体と混合又は接
触させて“未成熟（grenn）”複合体を形成し、次いで
これを炭化して炭素／炭素複合体を形成する。これら
は、化学気相浸潤（chemical vaporinfiltration）によ
ってマトリックスに全部又は一部導入される炭素強化材
を含んでもよい。

炭素強化材は市場でAmoco、DuPont、Hercules及びそ
の他から入手可能であり、連続繊維、布又は織物、糸及
びテープ（繊維を一方向にそろえたもの）であってよ
い。糸は編成又は多方向織成で所望の形に織ってもよ
い。糸、布及び／又はテープをマンドレルの周りに包む
か又は巻き付けて多様な形を形成し、かつ強化の方向を
多様化してもよい。繊維を乾いた状態で包み込んでよい
し、又は包み込み、巻き付け又はスタッキング（stacki
ng）の前に所望のマトリックス前駆体を含浸させてもよ
い。これれのプレプレグ及び織成強化材はHitco Techno
logies.,Inc.から市場で入手可能である。強化材は前駆
体、例えばポリアクリロニトリル（PAN）、レーヨン又
はピッチから製造される。本発明の好ましい態様による
と、強化材は織布の形である。

本発明に従う炭素／炭素複合体の形成に使用するマト
リックス前駆体は、液体源の高純度（すなわち半導体品
質の）炭素、例えばフェノール樹脂及びピッチ、炭化水
素を含む気体源、例えばメタン、エタン、プロパン及び
類似物を含む。代表的なフェノール樹脂は、USP39及び9
1Dという商品名でAshland Chemicals社が、SC1008とい
う商品名でBorden Chemicals社が販売するフェノール樹
脂を含むが、これに限定されない。

本発明で使用される炭素／炭素複合体は、種々の技術
で製造できる。通常は、樹脂を含浸させた炭素繊維をオ
ートクレーブ−又はプレス−成形し金型又はダイで所望
の形状とする。成形部分を不活性雰囲気中約700℃〜約2
900℃の温度で熱処理して有機相を炭素に転換する。炭
化部分を次いで上記の樹脂の炭素化学気相含浸により、
又は多サイクル再含浸により濃縮する。他の製造方法
は、ホットプレス（hot−pressing）及び乾燥プレフォ
ーム（dry preform）の化学気相含浸を含む。本発明に
従って使用される炭素／炭素複合体の製造方法は、米国
特許第3,174,895号及び3,462,289号に記載されており、
参考としてここに含まれる。

半導体製造用のコンポーネントの成形した炭素／炭素
複合材の部分を一体的に炭化の前又は後のいずれかに作
ることができ、又は必要な形にした材料のセクションか
ら、再度炭化の前又は後のいずれかに作ることができ
る。

炭素／炭素複合材製品の一般的な形状が一度作られる
と、構成要素を正確な公差、約0.1mm又はそれより下の
階層で機械加工することは容易である。さらに、炭素／
炭素複合体は強度があり機械加工性がよいために、最初
の製造工程で成形が可能であることに加え、炭素／炭素
複合体をコンポーネントの形状に成形することができる
が、これはグラファイトではできないことである。

本発明に従う高純度の炭素／炭素複合体は従来のよう
に製造された炭素／炭素複合体と同じ特性を有している
が、本発明の半導体規格の複合体を製造する方法を使用
した結果なお純度が改良されている。

本発明の方法に従うと、繊維（強化）純度は、好まし
くは織布の形で、非酸化（不活性）雰囲気において約24
00℃（4350゜F）〜約3000℃の温度で熱処理して不純物
を除去した炭素繊維強化材で増強される。この熱処理は
さらに強化材を硬化し、後の工程における収縮を避け
る。

炭素マトリックスの純度は、熱処理した炭素強化材を
含浸した高純度マトリックス前駆体を使用することによ
って増強される。炭素源の純度の値は50ppm金属より下
にすべきである。例えば、フェノール樹脂が含む金属は
50ppmより少なくすべきであり、非−金属系の加硫促進
剤を使用し、好ましくはステンレス鋼の反応器中で製造
すべきである。

含浸強化材又はプレプレグを従来どおりステージし
（staged）、レイアップし（laid−up）、加硫しかつ炭
化するが、処理条件を半導体規格に保持する。次いで炭
化部分を、上記した炭素源材料を使用して化学気相含浸
又は液体加圧含浸により濃縮する。

化学気相堆積（CVD）による炭化部分の濃縮におい
て、CVD炉に元素の不純物が入らないように注意する必
要がある。炭化部分を処理する前に、約2400℃〜約3000
℃の加熱サイクルを何回か行う中で、不活性気体、例え
ばアルゴン、ヘリウム又は窒素を流して炉を浄化する。

炭化部分の濃縮によってコンポーネントが形成された
後、コンポーネントをさらに非−酸化又は不活性雰囲気
下に2400℃〜約3000℃で熱処理して、構造の黒鉛化を確
実にし、また入り込んだかもしれない不純物を除去す
る。この工程に要する時間は、炉の熱負荷及び質量を考
慮した黒鉛化時間／温度速度論に基づいて計算される。
所望により、先に述べたように、コンポーネントを機械
加工して正確な仕様及び公差とすることができる。

さらなる精製工程において、熱処理したコンポーネン
トをハロゲン雰囲気下に2400℃〜約3000℃でさらに熱処
理して、残った金属元素をすべて対応する揮発性ハライ
ドとして除去する。適切なハロゲンは塩素、臭素及びヨ
ウ素を含み、塩素が好ましい。オフガス中に金属種がま
ったく検出できなくなったとき精製処理が終了する。

製造工程を通じて、いかなる部分も汚染しないように
十分注意する。先に延べたように、処理は半導体規格で
行われ、ISO1000の条件を満たす作業領域での層流空気
流の使用を含む。

本発明に従って製造された高純度炭素／炭素複合体
を、従来のグラファイトコンポーネントと比較しながら
誘導結合プラズマ分光分析（IPC）で分析するが、グラ
ファイトコンポーネントは原子吸光分光分析（AAS）で
も分析し、結果を以下の表Ｉに示す。

本発明に従って製造された高純度炭素／炭素複合体
を、従来の炭素／炭素複合体と比較しながら誘導結合プ
ラズマ分光分析で分析し、後者は高温ハロン化（haloni
zation）によって分析し、結果を以下の表IIに示す。

表Ｉ及びIIに示したように、本発明の高純度炭素／炭
素複合体において、Al、Ca、Cr、Cu、Ｋ、Mg、Mn、Mo、
Na、Ni、及びＰは誘導結合プラズマ分光分析による検出
限界より低い一方、これらの金属不純物はグラファイト
及び従来法による炭素／炭素複合体材料（後者において
はニッケルとカリウムを除く）に存在することが示され
ている。

本発明に従って製造した炭素／炭素複合体を灰化し希
釈した残渣をさらに誘導結合プラズマ分光分析により、
先に試験した金属に加えていくつかの金属含量を分析し
た。以下の表IIIに示すように、Ag、Ba、Be、Cd、Co、P
b、Sr、及びZnの濃度は分析技術の検出限界より下であ
った。

炭素／炭素複合体を使用するに先立って前被覆して、
複合体の製造又は機械加工処理の結果形成される可能性
のある全ての粒子を閉じ込める（lock down）ことが望
ましいが、本発明に従う炭素／炭素複合体は最初にコン
ポーネントを被覆しなくても半導体製造工程で使用する
ことが可能である。処理中の炉の雰囲気が変化した場合
には被覆が望ましいことがある。炭素／炭素複合体を保
護耐火性被覆、例えば耐火性炭化物、耐火性窒化物、及
び特にガリウム砒化物結晶の製造においては、耐火性ホ
ウ化物で容易に被覆することができる。好ましい耐火性
被覆は、炭化珪素、窒化珪素、窒化ホウ素、熱分解性窒
化ホウ素及びホウ化珪素である。炭化物、窒素化物及び
ホウ化物の多段階又は多層（graded or layered）被覆
も使用することができる。

炭素／炭素（C/C）複合体がグラファイト比較して、
特に半導体の製造、例えば半導体結晶成長工程の炉にお
ける場合により優れているのは、機械特性が改良された
ことによるものであり、すなわち強度、寸法安定性、衝
撃及び熱ショックへの耐性が、一部強化繊維の取り込み
によって改良されたことによるものである。本発明に従
って製造した代表的なグラファイトコンポーネント及び
炭素／炭素複合体コンポーネントの物理的、熱的及び機
械的特性を試験し、その結果を表IVに示す。

本発明の好ましい態様に従って製造した複合体を試験
した特性が上記の表IVに示してあるが、約1600〜約2000
kg/m³（約1.6〜約2g/cc）の密度で、空隙率が約２〜約2
5％の本発明の高純度、半導体規格の炭素／炭素複合体
を製造することができる。これらの高純度複合体は通常
約0.38〜約1.52MPa（約25〜約100ksi）の引張り強さ、
約1.9×10¹⁰〜約1.9×10¹¹Pa（約３〜約30msi）の引張
り係数、約0.23〜約0.91Pa（約15〜約60ksi）の曲げ強
さ、約0.15〜約0.76MPa（約10〜約50ksi）の圧縮強さ、
及びアイゾット衝撃で計測して約10.51〜約52.54KJ/m²
（約５〜約25ft−lb/in）の破壊靭性の範囲内に入る。

本発明の高純度複合体は、一層で約20〜約500W/mK
の、多層で約５〜約200W/mKの熱伝導率、一層で０〜約
２×10^-6m/m/℃の、多層で約６×10^-6m/m/℃〜約10×10
^-6m/m/℃の熱膨張係数を示す。高純度複合体の熱放射率
は約0.4〜約0.8である。高純度複合体の電気抵抗性は、
約１×10^-4〜約１×10^-2ohm−cmである。

本発明に従い、高純度、半導体規格の炭素／炭素複合
体は、半導体製造工程に使用するコンポーネント、例え
ば炉の熱遮蔽体、炉管ライナー、及びるつぼサスセプタ
ーに成形される。これらのコンポーネントは、シリコン
の半導体結晶又はインゴット、サファイヤ結晶、並びに
他の半導体材料、例えば砒化ガリウム及びカドミウム亜
鉛テルル化物を製造するためのチョクラルスキー結晶成
長炉で有用である。

それゆえ、本発明に従って、全量が約10ppmより低い
値の金属不純物を有する炭素繊維で強化した炭素マトリ
ックスを含む高純度、半導体規格の複合体を含む、チョ
クラルスキー法の炉のコンポーネント、例えば熱遮蔽体
及びるつぼサスセプターが製造されるが、金属不純物の
量は好ましくは約5ppmより低く、最も好ましくは誘導結
合プラズマ分光分析の検出限界より低い値の、Ag、Al、
Ba、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Ｋ、Mg、Mn、Mo、Na、N
i、Ｐ、Pb、Sr及びZnの金属不純物を有することであ
る。

高純度炭素／炭素複合体サスセプターは、溶融シリコ
ンからシリコンインゴットを引き上げるチョクラルスキ
ー結晶成長法で使用されてきた。この方法では、溶融シ
リコンは石英るつぼ中で形成され、るつぼはサスセプタ
ーによって炉内で密に支持されていた。また、高純度炭
素／炭素複合体の炉の熱遮蔽体は、溶融シリコンを含む
るつぼと炉の加熱素子の間に配置されていた。

断面模式図１及び1Aに示したように、典型的なチョク
ラルスキー半導体製造反応器は、水ジャケットの付いた
ステンレス鋼の壁11を有する炉10を含み、領域を封じ込
めている。図示していないが、絶縁体が内部加熱素子12
から壁を保護している。加熱素子12を放射状に内部に向
けて配置したものが結晶−又はインゴット−引き上げ領
域であり、ここで半導体材料が溶融され処理される。

結晶引き上げ領域13の内部では、適正に製造した石英
のるつぼ14が高純度複合体るつぼサスセプター15で密接
に支持され、サスセプターは一方で耐火性高温表面、絶
縁体、るつぼサスセプター15の回転軸に、他方で他の炉
のコンポーネント（図示していない）に基礎を置いてい
る。半導体材料をるつぼ14の中で加熱して溶融物16を形
成し、そこから結晶又はインゴット17を通常の結晶引き
上げ手段18、例えば過重プーリーで引き上げる。半導体
材料は高純度で電子品質のシリコン又はガリウム砒化物
である。結晶引き上げ領域13は、炉の排気手段（図示し
ていない）によって減圧下に保たれる。

図１に示したように、加熱素子12及び結晶引き上げ領
域13には高純度複合体を含む炉の熱遮蔽体又は炉の管ラ
イナー19が配置されている。るつぼサスセプター15、特
に熱遮蔽体又は管ライナー19は結晶引き上げ領域13及び
そこに含まれる溶融物16及び結晶17を可能性のある汚染
元素から保護する。

高純度複合体コンポーネントは安定な熱的環境を提供
し、そこでは熱変動による不均一性を伴うことなく結晶
又はインゴット17の固形化を進めることが可能となる。
図１に示した熱遮蔽体19は、遮蔽体の外面が加熱素子12
に曝露されてより高い温度、例えば1500℃〜2000℃にな
っていたとしても、半導体材料を処理するのに最適な温
度に、例えばシリコンでは約1450℃に結晶引き上げ領域
13を保持するのに役立つ。るつぼサスセプター15は、操
作温度で軟化し又は流動化する可能性のあるるつぼ14を
緊密に支持する。サスセプター15は操作中にるつぼ14が
構造的に完全であることを保持する。

図1Aに示したように、小さな炉の設計では熱遮蔽体19
を、内部にるつぼ14を有するサスセプター15に近接した
加熱素子12を含む構造物の外側に放射状に配置すること
ができ、これによって熱を結晶引き上げ領域13の内部に
封じ込めかつ熱の放射状散逸を防止する。

高純度複合体は熱的ショック及び加熱／冷却サイクル
に対しても耐性であり、従来のグラファイトコンポーネ
ントを超える改良をもたらす。他の有利な熱特性は前記
の表IVに挙げられている。

図２、３及び４に示すように、炉の熱遮蔽体又は炉の
管ライナー20は一般的に円筒状の形状であることができ
るが、その形態に制限されることはなく、内部開口部22
を画する高純度複合体壁21を有している。結晶引き上げ
領域13は開口部22の内部に含めることができる。

図５、６及び７に示すように、るつぼサスセプター30
は高純度複合体側壁31、頂部開口部32及び高純度複合体
基部33を有している。るつぼのサスセプター30の内部は
特定のるつぼの形状を保持することを意図した形状とし
ており、それゆえ、基部33はボウルの形にえぐり出すこ
とが可能であり、かつ側壁31は、隆起34を、例えばるつ
ぼを入れ子式に重ねるために含むことができる。側壁31
はサスセプター30を取り付けるために作り付けの穴35を
含んでもよい。

図８、９及び10に示す代りの態様では、るつぼのサス
セプター40は、高純度複合体側壁41、頂部開口部42及び
高純度複合体基部43をも有する。基部43はえぐり出され
ていてもよく、側壁41は一又は複数の隆起44を含むこと
ができる。作り付けの穴45は側壁41にあってもよい。基
部43は、るつぼ／るつぼサスセプターアセンブリーを回
転させる軸にかみ合うかみ合い領域47を画する高純度複
合体取付け部46、炉内の圧力を低下させるための排気
管、又は他の炉のコンポーネントを含むことができる。
炭化の前に高純度炭素／炭素複合体材料の製造を簡単に
し、炭化後の機械特性をよくするために、炉のコンポー
ネントを所望の型に製造することができる。

本発明に従う炭素／炭素サスセプターは、CZ法及び関
連単結晶引き上げ操作を行う結晶成長装置について以下
のような改良を提供する。るつぼは完全な封じ込めが可
能であり、流出を封じ込める手段を追加する必要がな
い。結晶成長炉の高温領域における熱管理が改良され、
それゆえ結晶の転位が減少することによるエネルギーの
節約及び結晶の品質の改良を提供する。所与の固定した
炉管における高温領域の有効な大きさ又は炉の大きさ
が、サスセプターの側部の厚さを減少させることによっ
て増加し、それゆえ結晶成長溶融物、例えばポリシリコ
ンの量の増加を提供するが、これに対応して大きくした
石英のるつぼを置くことができる。炭素／炭素サスセプ
ターはグラファイトサスセプターに比較してかなり長い
寿命を有するが、これは、炭素／炭素サスセプターが取
り替えるまでに耐えることができる加熱及び冷却サイク
ルの回数が増加したことによっている。

両側の環及び基部を含む、本発明に従う全ての炭素／
炭素サスセプターは、二次元の連続して織成した炭素繊
維織物で製造するのが好ましい。この連続した繊維、層
をレイアップ（lay−up）する構造は、従来のグラファ
イトサスセプターの10倍を超える物理特性を有するサス
セプターを提供する。さらに、炭素／炭素サスセプター
は、アルゴン雰囲気下の高温条件で破滅的な崩壊を示さ
ない。

本発明の炭素／炭素サスセプターは、炉の熱管理にお
いてグラファイトより３倍の改良を提供する。サスセプ
ターの側部及び基部は構造の大部分を通じて実質的に同
じ厚さであることが好ましい。このことにより、サスセ
プターの質量を75％まで低下させて、高温領域への熱の
投入の不必要な減衰（damping）を排除する。追加的な
熱の管理の改良は、グラファイトでは必要であるが本発
明の炭素／炭素サスセプターでは必要でないサスセプタ
ー基部の排除によって実現する。

本発明性の構造により、サスセプターの基部を排除
し、サスセプターの底部を直接炉の台座に配置してい
る。このことは本発明の炭素／炭素サスセプターにより
達成可能であり、それは、基部と環がそれぞれ一部分と
なっている垂直に区分した設計ではなく、固形の基部と
固形の環（壁）を有する水平に区分した設計となってい
ることによるからである。基部の排除により、サスセプ
ター底部の近接したヒーターからの遮蔽が減少する。こ
の遮蔽の減少により、溶融物、例えば溶融ポリシリコン
中の熱流の大きな部分が排除される。このことは仕上が
った単結晶の転位の数に直接影響する。

本発明に従って達成される炉の高温領域の増加は、サ
スセプターの側面の環の厚さを減少したことに直接起因
する。炭素／炭素サスセプターの厚さは好ましくは約0.
30cmから約0.89cm（約0.12インチから約0.35インチ）ま
での範囲内である。成形品の厚さにおける全体の減少は
グラファイトに対して50％から85％にまで達する。炭素
／炭素サスセプターとグラファイトの成形品の厚さの対
応する相違は、高温領域の大きさの2.54〜5.08cm（１〜
２インチ）の増加に相当する。このことは、短結晶成長
装置がその容量を24％まで増加可能であることを意味し
ている。

本発明の炭素／炭素サスセプターのグラファイトサス
セプターに対する利点の概要をまとめると以下の表Ｖの
とおりである。

以下のさらなる利点は、CZ結晶成長装置において本発
明の高純度複合体コンポーネントを使用して実現され
る。高純度炭素／炭素複合体コンポーネントの耐久性が
改良されたことにより、炉の不作動時間が短縮する。CZ
半導体結晶成長産業におけるグラファイトコンポーネン
トの典型的な寿命は３〜４月であるが、高純度複合体コ
ンポーネントでは12〜15月の寿命が実現可能であり、こ
のことはその場での実時間試験の外挿に基づいている。

高純度炭素／炭素複合コンポーネントの耐久性はその
優れた熱的及び機械的特性によるものである。さらに、
シリコン酸化物の高純度複合材料に対する親和性はグラ
ファイトのそれより小さく、このことにより定期的な洗
浄及び置き換えの必要性が減少している。

高純度炭素／炭素複合体コンポーネントの純度がグラ
ファイトより高いため、シリコンインゴット及びウェハ
の汚染の程度が減少している。このことは汚染原子の間
を電流が流れるのに要する時間（ホール移動度）によっ
て証明されている。汚染原子の間を電流が流れるのに要
する時間が短いほどシリコンウェハは“不純”である。

グラファイト及び高純度炭素／炭素複合体コンポーネ
ントを使用した炉から製造したシリコンウェハの電気的
ブレークダウン（breakdown）時間を試験した。グラフ
ァイトコンポーネントを使用した炉から製造したシリコ
ンウェハの電気的ブレークダウン時間は200〜250マイク
ロ秒の範囲であった。高純度炭素／炭素複合体コンポー
ネントを使用した炉で製造したウェハはかなり純度が高
く、300マイクロ秒より大きい電気的ブレークダウン時
間を示す。この改良は半導体産業においてはかなり重大
である。

グラファイトと本発明の材料における不純物の濃度を
測るために、シリコンへの不純物の移転を550℃で12時
間に渡る直接接触で測定した。本発明の材料における表
Ｉ及びIIに挙げた元素不純物はグラファイトより少なく
とも100の係数で低いことが分かった。

CZ結晶成長反応器で高純度炭素／炭素複合体コンポー
ネントを使用すると、“構造良好（good for structur
e）”として分類されるシリコンウェハの収率が顕著に
改良される。グラファイトの炉のコンポーネントで製造
したウェハの“構造良好”の収率は68％であったが、高
純度炭素／炭素複合体コンポーネントで製造したウェハ
の“構造良好”の率は72％であった。シリコン半導体ウ
ェハ製造産業においては、収率１％の増加は経済的に極
めて重大であるとされていることに注意するべきであ
る。構造良好率のこの相違は、高純度炭素／炭素複合体
コンポーネントの長時間に渡る熱伝導率の優れた制御に
よる可能性がある。本発明の材料の熱特性の劣化はほと
んど見られなかった。

グラファイトに対して高純度炭素／炭素複合体コンポ
ーネントを使用したことによる付加的かつ予期せざる利
点は、大きなコンポーネントの製造に関する。グラファ
イトの大きな部品を製造することが困難であるのは、グ
ラファイトの機械特性が低く、グラファイトが自身の重
量を支持できないことによるものである。それに対し
て、高純度炭素／炭素複合体から大きな部品を製造する
ことは容易であり、例えば、直径122cm（48インチ）の
ものまで製造可能である。

パワー消費に関して、高純度炭素／炭素複合体コンポ
ーネントを備えたCZ炉が必要とする電力は、通常のグラ
ファイト部品を備えた同様の炉より極めて少ない。これ
は、先に示したように、高純度炭素／炭素複合体コンポ
ーネントの優れた熱特性によるものである。高純度複合
体の炉の管ライナーを使用する炉は必要なパワーの量が
２％〜５％減少したが、これは炉のコンポーネントの数
によるものである。このパワーの節約は、必要な資本及
び操作コストの観点から大変重要である。

粒状化に関して、高純度炭素／炭素複合体コンポーネ
ントは、当業者によって粉末状といわれた従来のグラフ
ァイトと比較して、粉塵粒子の発生に対して極めて耐性
があることを示した。高純度炭素／炭素複合体コンポー
ネントを有する炉で製造したシリコンウェハの汚染は、
グラファイトコンポーネントで製造されたものと比較し
て、実質的に減少している。

それゆえ、本発明の目的は、半導体の製造工程で使用
する高純度炭素／炭素複合体コンポーネントを製造し、
使用することによって達成される。グラファイトと比較
した本発明の材料の機械的なまた純度における利点、グ
ラファイト及び従来の炭素／炭素複合体と比較した本発
明の材料の純度における利点は、先に述べたように示さ
れている。本発明は先に述べた特定の態様に制限される
ものではなく、以下のクレームで定義される種々の変形
及び等価な態様を含むことを理解すべきである。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ハースコック ジョセフ ディヴィッド アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92647 ハンティントン ビーチ リド レーン 17362 (72)発明者 ウィンツェク ピーター エム アメリカ合衆国 カリフォルニア州 92663 ニューポート ビーチ カグニ ー レーン 280―＃212 (56)参考文献 特開 平１−264964（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−89789（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−130067（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−218697（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−273369（ＪＰ，Ａ) 実開 昭63−7174（ＪＰ，Ｕ) 米国特許5132145（ＵＳ，Ａ) 米国特許3462289（ＵＳ，Ａ) 米国特許3174895（ＵＳ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) C30B 1/00 - 35/00

Claims (8)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】以下を含む、るつぼ中に溶融した結晶材料
   から結晶インゴットを引き上げる結晶成長法に用いるる
   つぼサスセプター： 二次元で連続的に織成した炭素繊維織物で強化した炭素
   マトリックスを含む高純度複合体； 全量で100万分の約５部〜約10部より少ない不純物を有
   する該高純度複合体； 一体で、該高純度複合体の層をレイアップ（lay−up）
   する構造で、側面の管及び基部を有し、該側面の管及び
   該基部が実質的に同じ厚さを有している該るつぼサスセ
   プター。
2. 【請求項２】以下を含む、るつぼ中に溶融した結晶材料
   から結晶インゴットを引き上げる結晶成長法に用いるる
   つぼサスセプター： 二次元で連続的に織成した炭素繊維織物で強化した炭素
   マトリックスを含む高純度複合体； 全量で100万分の約５部〜約10部より少ない不純物を有
   する該高純度複合体であって、不純物の量が元素Ag、A
   l、Ba、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Ｋ、Mg、Mn、Mo、N
   a、Ni、Ｐ、Pb、Sr及びZnについて誘導結合プラズマ分
   光分析の検出限界より低い複合体； 以下の少なくとも一つを有する該るつぼサスセプター ｉ）約0.38〜約1.52MPa（約25〜約100ksi）の極限引張
   り強さ及び約３〜約30msiの引張り係数； ii）約0.23〜約0.91MPa（約15〜約60ksi）の曲げ強さ及
   び約0.15〜約0.76MPa（約10〜50ksi）の圧縮強さ；及び 該高純度複合体で製造した側面の管及び基部を有する該
   るつぼサスセプター。
3. 【請求項３】以下の少なくとも一つによってさらに特徴
   付けられる請求項１又は２のいずれかに記載のるつぼサ
   スセプター： ｉ）基部が結晶成長炉の台座に直接かみ合うように適合
   させてあること、 ii）基部と側面の環の厚さが約0.30cmと約0.89cm（約0.
   12インチと約0.35インチ）の間にあること、及び iii）高純度複合体がサスセプターの外部から溶融物を
   保持するるつぼへ実質的に均一な熱の移動を提供するこ
   と。
4. 【請求項４】炭化物、硼化物及び窒化物から成る群から
   選択される耐火性被覆を有する、請求項１又は２のいず
   れかに記載のるつぼサスセプター。
5. 【請求項５】不純物が本質的に金属Ag、Al、Ba、Be、C
   a、Cd、Co、Cr、Cu、Fe、Ｋ、Mg、Mn、Mo、Na、Ni、
   Ｐ、Pb、Sr、Ｖ及びZnから成り、かつ不純物の量が元素
   Ag、Al、Ba、Be、Ca、Cd、Co、Cr、Cu、Ｋ、Mg、Mn、M
   o、Na、Ni、Ｐ、Pb、Sr及びZnについて誘導結合プラズ
   マ分光分析の検出限界より低い、請求項１に記載のるつ
   ぼサスセプター。
6. 【請求項６】以下の少なくとも一つによってさらに特徴
   付けられる請求項１又は２のいずれかに記載のるつぼサ
   スセプター： ｉ）約0.38〜約1.52MPa（約25〜約100ksi）の極限引張
   り強さ及び約３〜約30msiの引張り係数； ii）約0.23〜約0.91MPa（約15〜約60ksi）の曲げ強さ及
   び0.15〜約0.76MPa（約10〜50ksi）の圧縮強さ； iii）アイゾット衝撃で計測して約10.51〜約52.54KJ/m²
   （約５〜25ft−lb/in）の破壊靱性； iv）一層で０から約２×10⁶の熱膨張係数及び多層で約
   ６から約10×10⁶の熱膨張係数； ｖ）一層で約20から約500W/mKの熱伝導率及び多層で約
   ５から200W/mKの熱伝導率； vi）約0.4から約0.8の熱放射率；及び vii）約１×10^-4から約１×10^-2ohm−cmの電気抵抗性。
7. 【請求項７】溶融結晶材料から単結晶インゴットを引き
   上げるか、又は溶融半導体材料から半導体インゴットを
   引き上げる結晶成長法であって： るつぼに溶融した結晶材料又は溶融した半導体材料を提
   供し、かつ 請求項１又は２のるつぼサスセプターで該るつぼを緊密
   に支持すること を含む方法。
8. 【請求項８】溶融半導体材料から半導体インゴットを引
   き上げる結晶成長法であって： るつぼに溶融した結晶材料又は溶融した半導体材料を提
   供し、かつ 請求項１又は２いずれかのるつぼサスセプターで該るつ
   ぼを緊密に支持し； さらに半導体インゴットがシリコンインゴットであり、
   シリコンインゴットをシリコンウェハに切断することを
   含み、ｉ）該シリコンウェハが300マイクロ秒より大き
   い電気的ブレークダウン時間を有すること、及びii）68
   ％より大きな構造良好なシリコン半導体ウェハの収率、
   の少なくとも一つを提供することをさらに含む方法。