JP4823406B2 - 単結晶引き上げ装置用炭素繊維強化炭素複合材料 - Google Patents
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【発明の属する技術分野】
本発明は、チョクラルスキー法(以下CZ法と呼ぶ)によるシリコン単結晶引き上げ等の単結晶引き上げ用ルツボ等に使用される、特に炭素繊維強化炭素複合材料(以下C/C材と呼ぶ)を含んで形成されたものに関する。
【0002】
【従来の技術】
例えば、CZ法に用いられるルツボは、シリコン等の半導体材料を溶融するための石英ルツボを外部から支持するものであり、従来から黒鉛製のルツボが用いられてきた。最近では、製造する単結晶が大口径化しつつあることに伴い、前記のCZ法に用いられる引き上げ装置も大型化されている。これによって、従来の黒鉛製ルツボでは重量が増加することによるハンドリング上の問題や、装置価格が高くなるという問題がでてきた。
【0003】
C/C材は、黒鉛材に比較して、軽く、そして、各種機械的強度が高いため、前述したような問題点が克服できる。また、載置する石英ルツボとの熱膨張差が小さいため、黒鉛製ルツボのように分割して用いる必要がなく、一体構造により用いることができる。これらのことから、現在、大口径のCZ法による単結晶引き上げ装置に用いられる炉構成品はルツボを始めとして、黒鉛製のものからC/C材製のものへと移りつつある。
【0004】
しかしながら、C/C材は黒鉛に比較して気孔が多く、そのため、SiOガスとの反応も速い傾向にある。これを抑制するために熱分解炭素を表面に存在する開気孔を介して基材内部に含浸、被覆したC/C材が使用されている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
ところで、CZ法に用いられるルツボは、加熱媒体であるヒータとは直接接触しておらず、ヒータからの放射熱によって加熱される。ステファン・ボルツマンの放射法則によると、高温度域では、放射熱の寄与が大きく、黒体に近いほど、放射熱を有効に受けるとされている。したがって、ルツボ表面が黒体に近いほど効率よく、ヒーターからの放射熱を受けルツボは加熱される。しかしながら、C/C材は、従来の黒鉛材に比較すると、ヒータの使用電力が大きくなる。この原因の一つとして考えられるのが、熱分解炭素の表面放射率と、黒鉛材料の表面の表面放射率との違いである。したがって、この相違をできるだけ小さくすることが効率のよい加熱を達成することになる。
【0006】
そこで、本発明は、前記の知見に基づいて種々の試験の結果、C/C材表面の全部又は一部に表面放射率の高いIsotropicな組織(以下、ISO組織と呼ぶ)の熱分解炭素を選択的に表層部に形成することによってそれを達成したものであり、熱効率の高いCZ法による単結晶引き上げ装置用炭素繊維強化炭素複合材料を提供することを目的とする。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記課題を解決するための本発明の単結晶引き上げ装置に用いられる炭素繊維強化複合炭素材料は、熱分解炭素が含浸され、緻密化され、基材内部に、RC組織又はSC組織の熱分解炭素が含浸されていると共に、表面にISO組織である熱分解炭素が被覆され、その表面の熱放射率が、仮想黒体を1とした場合に、0.45〜0.75であることを特徴とする。これにより、外部からの熱を効率良く、吸収することができる。また、炭素材料単結晶引き上げ装置に用いられるルツボに用いられることが好ましい。
【0008】
ここで、炭素繊維強化炭素複合材(以下、C/C材と呼ぶ)とは、炭素繊維にピッチ又は樹脂を含浸させてマトリックスにして成形し、炭素化処理、黒鉛化処理を施して得られたものであり、黒鉛の特性を有しつつ機械的強度を向上させたものである。ここで用いられる、炭素繊維は、平織クロス、細密織クロスのいずれかであり、ピッチは、熱可塑性のピッチが望ましく、また、樹脂はフェノール、フラン、ポリカルボジイミド等の熱硬化性樹脂が望ましい。
【0009】
具体的には、ピッチ系又はPAN系の炭素繊維を出発物質とするUD又は2−Dの炭素繊維織布に樹脂を含浸しプリプレグとして積層、硬化させるか、前記炭素繊維をフィラメントワインディング(以下、FW法と呼ぶ)で巻き付けて加熱、硬化させるか、前記炭素繊維の3−D又はn−D織物に樹脂を含浸させて加熱、硬化させる等の方法によって成形体を形成する。このようにして得られた成形体を還元雰囲気下で熱処理を行い、ピッチ又は樹脂を炭素化する。その後、ピッチ又は樹脂を含浸、炭素化の処理を繰り返し、緻密化する。その後、高温中でハロゲンガスと反応させて金属不純物を除去する高純度化処理を行う。次に表面から内部にかけて存在する気孔を介してCVD法によって表面から深さ方向に100μm以上にわたり、熱分解炭素を形成させる。
【0010】
また、熱分解炭素とは、炭化水素類、例えば、炭素数1〜8、特に炭素数3のプロパンやメタンガス等の炭化水素ガスもしくは炭化水素化合物を熱分解させて得られる高純度で高結晶化度の炭素である。
【0011】
ここで言うCVD法とは、化学気相蒸着法(Chemical Vapor Deposition)のことであり、前述した熱分解炭素を基材の開気孔より内部にまで浸透析出させる所謂CVI法を包含する広い意味でのCVD法を言うものとする。前記熱分解炭素をC/C基材に含浸、被覆させるためには、前述した炭化水素類あるいは炭化水素化合物を用い、炭化水素濃度3〜30%好ましくは5〜15%とし、全圧を100Torr好ましくは50Torr以下の操作をする。このような操作を行った場合、炭化水素が基材表面付近で脱水素、熱分解、重合などによって巨大炭素化合物を形成し、これが基材上に沈積、析出し、更に脱水素反応が進み緻密な熱分解炭素層が形成され、あるいは浸透して含浸される。析出の温度範囲は一般に800〜2500℃までの広い範囲であるが、できるだけ多く含浸するためには1300℃以下の比較的低温領域で熱分解炭素を析出させることが望ましい。また析出時間は50時間以上望ましくは100時間以上の長時間にすることが内部にまで熱分解炭素を形成させる場合には適している。さらにこれによって、各繊維間の隅々にまで熱分解炭素を形成することが可能となり、C/C材の層間剪断強度の改善に寄与する。また含浸の程度を高めるために、等温法、温度勾配法、圧力勾配法等が使用でき、時間の短縮及び緻密化を可能にするパルス法を使用してもよい。
【0012】
一般に、CVD法による熱分解炭素の含浸、被覆では、生産効率上、緻密で結晶化度の高いRough Columnar組織(以下、RC組織と呼ぶ)となるようCVD条件を選択して行われる。また、熱分解炭素の組織には、前記のRC組織、ISO組織の他、Smooth Columnar組織(以下、SC組織と呼ぶ)がある。ここで、RC組織とは粗い柱状の炭素組織をいい、SC組織とは滑らかな柱状の炭素組織をいい、ISO組織とは光学的に等方的な組織をいう。これらは、形成時の原料ガス中の炭化水素分圧に依存し、炭化水素分圧が低いところでは、ISO組織となり、分圧が高くなるにしたがいRC組織、SC組織が基材表面に沈積する。これら三者の中で、ISO組織の放射率が、最も黒鉛に近いことから、少なくともルツボ表面を被覆する熱分解炭素の組織をISO組織とすることが好ましい。ISO組織は、RC組織や、SC組織に比べ、密度は低いが機械的強度や、SiOガスとの反応性については他の組織と同様な効果が得られる。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明に係る単結晶引き上げ用ルツボの実施形態について、図面を参照して説明する。図1は、本発明にかかるルツボの一例について、その縦断面図を示し、基材であるC/C材を全部または一部に含んで形成されるルツボ本体2の開気孔に熱分解炭素の被膜3を形成したものを示している。
【0014】
基材であるC/C材は、前述したように、ピッチ系又はPAN系の炭素繊維を出発物質とするUD又は2−Dの炭素繊維織布に樹脂を含浸しプリプレグとして積層、硬化させるか、前記炭素繊維をフィラメントワインディング(FW法)で巻き付けて加熱、硬化させるか、前記炭素繊維の3−D又はn−D織物に樹脂を含浸させて加熱、硬化させる等の方法によって成形体を形成し、還元雰囲気下で熱処理を行い、ピッチ又は樹脂を炭素化する。その後、ピッチ又は樹脂の含浸、炭素化の処理を繰り返し、緻密化し、高温中でハロゲンガスと反応させて金属不純物を除去する高純度化処理を行って形成される。
【0015】
次に、CVD処理条件を調整して、ルツボ表面にISO組織の熱分解炭素の被膜3を形成する。この際、ルツボ表面の熱分解炭素の組織がISO組織であれば、基材内部に含浸される熱分解炭素はRC組織、SC組織、ISO組織のいずれで形成されてもよい。ISO組織に比較して、密度が高いRC組織、SC組織が含浸されると、緻密化の速度が速まり生産効率が向上する。また、結晶化度の高い、即ち、熱伝導率が高いRC組織が内部に存在することにより、均等に外部からの熱を伝えることができるので望ましい。
【0016】
図2に、本発明におけるルツボ2が用いられるシリコン単結晶引き上げ用CZ装置の模式概略図を示す。図2において、チャンバ10内で、多結晶シリコン15が充填された石英ルツボ11は、C/Cルツボ1の内部に載置される。このルツボ1はペディスタル16に支えられ、チャンバ10内の中央部に位置する。さらに、ルツボ1の外周を取り巻くようにヒーター13が設けられ、石英ルツボ11内の多結晶シリコン15を加熱溶解する。そして、図示していない引き上げシャフトに取り付けられたシードチャック12に取り付けた種子結晶18を融液15に浸漬し、前記引き上げシャフトとルツボ1とを同方向または逆方向に回転させつつ引き上げシャフトを引き上げてシリコン単結晶を成長させる。
【0017】
この単結晶引き上げ工程のなかで、ルツボ1は、ヒーター13とは直接接触しておらず、このヒーター13からの放射熱によって加熱される。このため、単結晶引き上げ工程において、工業生産上、ヒーターからの放射熱を有効に受けることが熱効率、電力消費上、重要となる。したがって、ルツボ1の表面の熱分解炭素を、従来の黒鉛ルツボの放射率に近いISO組織とすることにより効果的にヒーター13からの放射熱を受けることができる。
【0018】
【実施例】
以下に実施例を挙げ、本発明を具体的に説明するが、本発明はこの実施例に限定されるものではない。
(参考例1)
フィラメントワインディング装置に片持ちマンドレルをセットし、その表面にフェノール樹脂を含浸した1K平織りクロス(繊維密度:縦22.5本/25mm、横22.5本/25mm)を貼り付けた。その表面にPAN系繊維からなる12Kフィラメントにフェノール樹脂を含浸させながら、レベル巻き、パラレル巻きを交互に3層づつ巻き付け、成形体とし還元雰囲気下で1000℃で炭化焼成した。次に緻密化を目的にピッチ含浸、焼成を2回繰り返し、2000℃で、ハロゲンガス下で高純度化処理を行なった。その後、1000℃にて、メタンガスを5Nl/min供給し、炉内圧力を10Torrに保ち、100時間処理し、嵩密度1.55g/cm3のISO組織の熱分解炭素が含浸、被覆された試験用C/Cルツボを得た。
【0019】
(比較例1)
CVD処理温度を1100℃とする以外は、実施例1と同様の要領で、嵩密度1.55g/cm3 のRC組織の熱分解炭素が含浸、被覆された試験用C/Cルツボを得た。
【0020】
(比較例2)
CVD処理温度を1200℃とする以外は、実施例1と同様の要領で、嵩密度1.55g/cm3 のSC組織の熱分解炭素が含浸、被覆された試験用C/Cルツボを得た。
【0021】
(参考例2)
等方性高密度黒鉛にて、参考例1に記載のルツボ同形状のものを作製し、比較用ルツボとした。
【0022】
(表面放射率)
参考例1と、比較例1、2及び参考例2の試験用ルツボをCZ装置にそれぞれ設置し、250℃まで加熱し、フーリエ変換型赤外分光光度計(波長域2〜25μm)によって、ルツボ表面からの放射エネルギーを測定して、仮想黒体との放射エネルギー量の比較を行うことによって、ISO組織、RC組織、SC組織の各組織の表面放射率を算出した。
【0023】
(投入電力量)
参考例1と、比較例1及び2の試験用C/Cルツボを同一のCZ装置にそれぞれ設置し、実際の操業温度に近い1500℃で、10h運転したときの使用電力量を比較した。比較例1の使用電力量を1とした時、それぞれ、参考例1は0.6、比較例2は0.9、参考例2は0.6であった。
【0024】
表1に表面放射率及び使用電力量の割合をまとめて示す。
【0025】
【表1】
【0026】
表1から明らかなように、ISO組織の熱分解炭素を表面に有する実施例1のルツボの表面放射率は0.45〜0.75であり、従来使用されていた黒鉛製ルツボの表面放射率の0.72〜0.80に最も近い。また、1500℃で10h運転するのに要した使用電力量は、従来の黒鉛製ルツボを同一装置で使用したときの使用電力量が電力量比率で0.6であったことから、略同等であることが分かる。
【0027】
【発明の効果】
CZシリコン単結晶引き上げ装置に用いられるC/Cルツボの表面に放射率が0.45〜0.75のISO組織の熱分解炭素層を形成することで、熱効率を良くすることが可能となり、従来使用されていた黒鉛ルツボと同等の電力量で、CZシリコン単結晶引き上げ装置の操業が可能となり、また、C/C材の有する軽量で、高強度という特性を活かすことができ、シリコン単結晶の大口径化に対応できる効果を奏する。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明に係るルツボの縦断面図である。
【図2】本発明に係るルツボを含むCZ単結晶引き上げ装置の主要部の断面概略図である。
【符号の説明】
1 熱分解炭素により被覆されたルツボ
2 C/C材からなるルツボ本体
3 熱分解炭素の被膜
10 チャンバ
11 石英ルツボ
12 シードチャック
13 ヒータ
14 保温筒
15 溶融シリコン
16 ペディスタル
Claims (2)
- 単結晶引き上げ装置に用いられる熱分解炭素からなる被膜が基材の表面部に形成された炭素繊維強化炭素複合材料であって、
表面の熱放射率が、仮想黒体を1とした場合に、0.45〜0.75であり、
前記基材内部に、RC組織又はSC組織の熱分解炭素が含浸されていると共に、前記被膜の前記熱分解炭素がISO組織であることを特徴とする単結晶引き上げ装置用炭素繊維強化炭素複合材料。 - 前記単結晶引き上げ装置に用いられるルツボである請求項1に記載の単結晶引き上げ装置用炭素繊維強化炭素複合材料。
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