JPH09295889A - 半導体単結晶引き上げ装置のシードチャック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 Ｃ／Ｃ材の表面に特別の処理を施すことによ
って、その寿命を長くすることができる半導体単結晶引
き上げ装置のシードチャックを提供する。 【解決手段】 炭素繊維強化炭素複合材料を含む材料で
形成された半導体単結晶引き上げ装置のシードチャック
１５であって、前記炭素繊維強化炭素複合材料の表面に
熱分解炭素の被膜５を形成し、前記被膜５は前記表面に
存在する窪みの内面まで被覆する程度に薄いものであ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は炭素繊維強化炭素複
合材料（以下Ｃ／Ｃ材ともいう）を含んで形成された半
導体単結晶引き上げ装置のシードチャックに関し、特に
耐Ｓｉ反応性にすぐれたものに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体集積回路の基本材料であるシリコ
ン単結晶の製造方法の一つとして、るつぼ内の原料融液
から円柱状の単結晶を引き上げるチョクラルスキー法
（以下ＣＺ法という）が用いられている。このＣＺ法に
適用される単結晶引き上げ装置にはシャフト方式とワイ
ヤ方式があるが、いずれの方式でもシードチャックが用
いられる。まずシードチャックが用いられるシャフト方
式の単結晶引き上げ装置を図４の模式図で説明する。

【０００３】チャンバ１１内に設置した黒鉛るつぼ１３
の内側に嵌められた石英るつぼ１２に高純度の多結晶シ
リコンを充填し、この多結晶シリコンを上記黒鉛るつぼ
１３の外周を取り巻くように設けたヒータ１４によって
加熱溶解する。そして、引き上げシャフト６に螺着され
たシードチャック１５に取り付けた種子結晶７を融液１
６に浸漬し、上記引き上げシャフト６とるつぼ１２およ
び１３とを同方向または逆方向に回転しつつ引き上げシ
ャフト６を引き上げてシリコン単結晶を成長させる。な
お、１７は上記ヒータ１４の周囲に設けられた円筒状の
断熱材である。

【０００４】シードチャックは上記で説明したように、
その上部が螺着される引き上げシャフト６が回転し、そ
の下部に取り付けられた種子結晶７を引き上げながら成
長させるためのものである。従って、結晶の品質を維持
しつつ成長させるためには、該結晶成長が行われる高温
等の環境下において、一定の特性を備えることが要求さ
れる。即ち、シードチャックは、上記で説明したシャフ
ト方式のみならずワイヤ方式に用いられるものも含めて
熱衝撃に強く、曲げ等の変形がないことが要求される。
そのため、従来のシードチャックには一般にモリブデン
鋼製のものが使用されていた。

【０００５】ところが、モリブデン鋼製のシードチャッ
クには、以下のような欠点があった。即ち、モリブデン
鋼製のシードチャックでは、シードチャック１５と種子
結晶７との嵌合部あるいはシードチャック１５と引き上
げシャフト６等との結合部に噛み込みを起こして脱着不
能となったり、高温における機械的精度の悪化、脱ガス
による不純物の生成とこれに伴うシリコン単結晶の重金
属による汚染等の問題が生ずることがあった。

【０００６】そこでこの問題を解決するため、シードチ
ャック１５の材料に炭素繊維複合材（以下Ｃ／Ｃ材とい
う）を用いることが提案されている（特開平７−１０６
８７）。Ｃ／Ｃ材により構成されるシードチャックは、
モリブデン鋼製のシードチャックに比べて耐熱性、耐熱
衝撃性に優れ、また、シリコン単結晶に対する重金属汚
染等の問題発生を防ぎ得ることが知られているからであ
る。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、シードチャッ
ク１５の材料にＣ／Ｃ材を用いると、シードチャックの
強度が低下して寿命が短くなるという問題を生ずること
が判明した。この原因を追求したところ、下記のような
現象が生じているこという知見を得た。

【０００８】図４に示した単結晶引き上げ装置の模式的
な構造からわかるように、黒鉛ルツボ１３に嵌められた
石英ルツボ１２を構成するＳｉＯ₂ が、高温下で一部Ｓ
ｉＯガス化しシードチャック周辺に存在する。さらに、
石英ルツボ内の溶融シリコンがＳｉ蒸気となって周辺に
存在する。Ｃ／Ｃ材は、その炭素密度が低いこと等に起
因して、ＳｉＯガスやＳｉ蒸気と上記Ｃ／Ｃ材に含まれ
るＣが反応し、シードチャック１５の表面にＳｉＣが析
出する。かかるＳｉＣの析出は、シードチャック１５の
消耗を招く。また、上記ＳｉＣとＣ／Ｃ材のＣとでは熱
に対する膨張に差があり、これに起因してシードチャッ
ク１５に亀裂を生ずる。このようにして、シードチャッ
ク１５の強度が低下し寿命が短くなることが判った。

【０００９】本発明は、前述したような知見に基づき、
Ｃ／Ｃ材の表面に特別の処理を施すことによって、その
寿命を長くすることができる半導体単結晶引き上げ装置
のシードチャックを提供することを目的としている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に本発明のうち請求項１にかかる発明は、炭素繊維強化
炭素複合材料を含む材料で形成された半導体単結晶引き
上げ装置のシードチャックであって、前記炭素繊維強化
炭素複合材料の表面に熱分解炭素の被膜を形成し、前記
被膜は前記表面に存在する窪みの内面まで被覆する程度
に薄いものである。

【００１１】ここで、炭素繊維強化炭素複合材とは、炭
素繊維にピッチ又は樹脂を含侵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。製法の具体例としては、まずピッチ系又
はＰＡＮ系の炭素繊維を出発物質とするＵＤ又は２−Ｄ
に樹脂を含浸させたプリプレグにして積層・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織物に樹脂を含侵させて加熱・硬化さ
せる等の方法によって成形体を形成する。この成形体に
対して非酸化性雰囲気にて炭化を行い、炭素化Ｃ／Ｃに
する。ついで再含浸、炭化、または、ＣＶＤを繰り返し
つつ緻密化を行う。更に高温熱処理を行い黒鉛化Ｃ／Ｃ
にする。更にＣＺ用途で使用する為に、高純度化処理
（ハロゲンガスと反応させて金属不純物を除去する）を
行う。このようにして形成された炭素繊維強化炭素複合
材料は内部に炭素繊維を有する複合材であるがために、
表面に開気孔等に起因する凹凸が多く微小な窪みが存在
しており、単なる黒鉛材や炭素材に比較して表面積が大
きい。この表面でのＳｉＣ変成を阻止又は遅らせるため
に、この表面の微小な窪みの内部も含めて熱分解炭素
（ＰｙＣ）を被覆する。

【００１２】ここで熱分解炭素（ＰｙＣ）とは、炭化水
素類、例えば炭素数１〜８特に炭素数３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基材の深層部ま
で浸透析出せしめる高純度で高結晶化度の黒鉛化物であ
る。

【００１３】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明において、前記被膜の厚みの平均を２０μｍ以下とし
ている。被膜の膜厚を２０μｍよりも厚くするとＳｉと
反応するので剥離しやすくなる。

【００１４】Ｃ／Ｃ材の表面に存在する多数の開気孔に
起因する凹凸のうち特に窪みの内面にまでＰｙＣを析出
浸透させるためには、析出速度を遅くコントロールし、
ＰｙＣの厚みは２０μｍ以下、好ましくは１０μｍ以下
にする。

【００１５】また、請求項３記載の発明は、請求項１ま
たは２記載の発明において、前記被膜はＣＶＩ法によっ
て形成されたものである。

【００１６】ここで、ＣＶＩ法とは前述した熱分解炭素
（ＰｙＣ）を浸透析出させる方法であって、前述した炭
化水素類あるいは炭化水素化合物に対して濃度調整用と
して通常窒素ガスまたは水素ガスを用い、炭化水素濃度
３〜３０％好ましくは５〜１５％とし、全圧を１００Ｔ
ｏｒｒ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ＰｙＣ膜が形成され、あるいは浸透して含浸さ
せる。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ＰｙＣを析出させる
ことが望ましい。また析出時間は１００時間好ましくは
５０時間以上の長時間にすることが、２０μｍ以下のよ
うに薄いＰｙＣを形成させるのに適している。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、時間の短縮および緻密化を可能にする
パルス法を使用してもよい。なお、ＣＶＤ法（化学気相
蒸着法）は分解生成する炭素を組織中に直接沈着させる
ものであって、ＣＶＩ法のように基材の内部まで含浸成
膜させることはできず、短時間に厚い熱分解炭素を沈着
させるにとどまる。

【００１７】

【発明の実施の形態】以下に、本発明にかかる半導体単
結晶引き上げ装置のシードチャックの実施形態につい
て、図面を参照して説明する。図１はシャフト方式の単
結晶引き上げ装置に用いられるシードチャックの一例に
ついて、その断面図を示している。このシードチャック
１５は、スピンドルチャック１、シードチャックスピン
ドル２、スピンドルピン３、シードピン４の四個の部品
で構成される。これら部品の全てがＣ／Ｃ材で構成さ
れ、Ｃ／Ｃ材で構成されたものの表面には熱分解炭素被
膜５が形成されている。

【００１８】次に、Ｃ／Ｃ材の表面を熱分解炭素被膜５
により被覆したものの状態を、その拡大断面図である図
３を用いて説明する。図３（ａ）は実施形態にかかる拡
大断面図であり、図３（ｂ）（ｃ）は比較例にかかる拡
大断面図である。Ｃ／Ｃ材には表面および内部に微小な
孔が存在し、これは同図に示すように開気孔２１や閉気
孔２２とよばれるが、開気孔２１は表面において窪みを
形成する。そのためＣ／Ｃ材の表面積は見かけ以上に大
きく、図示のような入口が狭く内部が広い窪みについ
て、図３（ａ）に示すように窪みの内側まで熱分解炭素
膜で十分に被覆する必要がある。

【００１９】ＣＶＤ法のように短時間に被膜を形成した
場合には、図３（ｂ）に示すように開気孔２１の開口部
を覆うに止まり、その内部にまで十分に被覆することが
できない。この場合には強度的に不安定な上記の開口部
に亀裂を生じ、熱分解炭素膜で被覆されない内側部分を
ＳｉＯガス存在下の外部に晒す恐れがある。あるいは開
気孔２１の開口部を塞ぐことがないとしても、図３
（ｃ）に示すように開気孔２１の内部にまで十分に被覆
することができなくなり、上記の場合と同様に熱分解炭
素膜で被覆されない部分をＳｉＯガス存在下の外部に晒
すことになる。

【００２０】従って、その表面に多くの開気孔２１（窪
み）が存在するシードチャックを十分に被覆するために
は、熱分解炭素膜の析出速度を十分遅くし、開気孔の内
部まで成膜させる必要があり、膜の平均厚さは２０μｍ
以下である。またこのような析出速度が遅く薄い熱分解
炭素膜を得るためには、前記ＣＶＩ法が適している。本
実施態様の例においては、上記のＣＶＩ法を用いること
により基材の内部まで十分に含浸され、平均厚さ１０μ
ｍの熱分解炭素膜で被覆したシードチャックを得ること
ができた。

【００２１】このようにシードチャックを構成するＣ／
Ｃ材の窪みの内面まで含めた表面を熱分解炭素被膜５で
被覆すると、該熱分解炭素皮膜５においては炭素密度が
高いことにより、その表面の全面におけるＳｉＯガスや
Ｓｉガスとの反応を遅らせることができる。これにより
ＳｉＣの析出を減少させることができる。

【００２２】次にシードチャックの具体的構造の一例を
図１により説明する。スピンドルチャック１の上部には
引き上げシャフト６に連結するための孔１ａとめねじ１
ｂとが設けられ、外周にはスピンドルチャック１を引き
上げシャフト６の下端に螺着する際のスパナ掛け用切り
欠き１ｃが設けられている。

【００２３】スピンドルチャック１の下部に設けられた
孔にはシードチャックスピンドル２が挿嵌され、上記ス
ピンドルチャック１とシードチャックスピンドル２とを
貫通するスピンドルピン３により、スピンドルチャック
１からシードチャックスピンドル２が脱落することを防
止している。また、シードチャックスピンドル２の下部
には、種子結晶７を挿嵌する孔２ａと種子結晶７の脱落
を防止するピン孔とが設けられ、このピン孔にシードピ
ン４が挿嵌されている。

【００２４】なお、ここではシードチャックを構成する
上記部材の全ての部材をＣ／Ｃ材で構成するものとする
が、上記部材のうちの一部の部材をＣ／Ｃ材で構成し、
他の部材を炭素材で構成することもできる。

【００２５】図２は、図１と同様にワイヤ方式の単結晶
引き上げ装置のシードチャックの一例を示す。このシー
ドチャックはスピンドルチャック８と、シードチャック
スピンドル２、スピンドルピン３、シードピン４とによ
って構成されている。前記スピンドルチャック７の上部
には、引き上げワイヤ９の下端に枢支される凹部とピン
孔とが設けられ、このピン孔と引き上げワイヤ９の下端
に設けたピン孔とに連結ピン９を挿通して引き上げワイ
ヤ９とスピンドルチャック８とを連結する。

【００２６】シードチャックスピンドル２、スピンドル
ピン３、シードピン４の構造はシャフト方式の場合と同
一である。なお、シードチャックを構成する全ての部材
をＣ／Ｃ材で構成し、または一部の部材に限り炭素材で
構成することについてはシャフト方式の場合と同様であ
る。またシードチャックの表面は、図２に示すように熱
分解炭素被膜５により被覆される。

【００２７】なお、上記で説明した熱分解炭素被膜５を
形成したシードチャックについては、該シードチャック
がシャフト方式かワイヤ方式かにかかわらず、いずれの
方式に基づく半導体単結晶引き上げ装置に対しても適用
することができる。いずれの方式であっても、シードチ
ャックの基本材はＣ／Ｃ材であり、これに熱分解炭素膜
を被覆することで上記シードチャックを製造する点にお
いては同じだからである。

【００２８】

【実施例】本発明にかかるシードチャックが半導体単結
晶引き上げ装置の部材として優れた適性を有するかとい
う観点から、三種類の試料についての機械強度を比較す
る試験を行った。

【００２９】比較した三つの試料は、 上記実施態様で説明した製造例に基づくシードチャッ
クである。すなわち、高純度化処理された後、ＣＶＩ法
により熱分解炭素皮膜がその表面および内部に形成され
ている（本発明）。 炭素材のプリプレグシート（Ｃ／Ｃ材）で構成され、
上記実施態様で説明した製造例のうち高純度化処理がさ
れており、熱分解炭素が被覆されていないもの（比較例
１）。 従来の高純度化された等方性高密度黒鉛で構成される
シードチャック（東洋炭素製、比較例２）

【００３０】試料のもととなるＣ／Ｃ材の製造手順およ
び熱分解炭素被膜５の形成条件を説明する。まずシード
チャックの基本材であるＣ／Ｃ材を以下のように作製す
る。炭素材からなるファイバーが平面的に縦横に編まれ
ているプリプレグシートを積層させ、プレス圧縮して成
形体を得る。この成形体をプレス圧縮しながら二次硬化
を行う。この時の条件は、温度約２６０℃、面圧５０kg
/cm²、処理時間は１２時間である。上記の二次硬化が施
された成形体を焼成し、その後ピッチ含浸・焼成を数回
繰り返す。そして、２０００℃の温度で加熱処理すると
Ｃ／Ｃ材を得ることができる。上記により得たＣ／Ｃ材
を単結晶製造装置のシードチャック部品としての形状に
加工し、高純度化処理を施す。さらに、上記Ｃ／Ｃ材の
表面にＣＶＩ法を用いて熱分解炭素被膜を形成する処理
を行うと、高純度で高密度のＣ／Ｃ材で構成されるシー
ドチャックを得ることができる。ここで、ＣＶＩ法によ
り上記の熱分解炭素被膜を形成した処理法を説明する。

【００３１】真空加熱炉の反応管の中に被処理物（Ｔ．
Ｐ）、即ちＣ／Ｃ材で構成されるシードチャックを設置
し、真空脱気した後に１１００℃まで加熱する。熱分解
炭素発生材料として本例ではＣＨ₄ ガスを５Ｎｌ／ｍｉ
ｎ．で供給しつつ、炉内圧力を１０Ｔｏｒｒとして１０
０時間の処理を行った。当実施例においては、炭素発生
材料にＣＨ₄ ガスを用いたが、これ以外の炭化水素ガス
例えば炭素数が１〜８のものを用いることもできる。

【００３２】上記三つの試料を、温度１７００℃で、全
圧１００ＴｏｒｒであるＳｉＯガス雰囲気の環境に５時
間投入した。上記の環境に投入する前後における、上記
三つの試料の物理的、機械的特性を測定した結果を表１
に示す。

【００３３】

【表１】

【００３４】表１において、ｄは試料のかさ密度（ｇ／
cm³ ）、Ｂｓは曲げ強度（ｋｇ／cm² ）を表す。ＳｉＣ
化率は百分率表示（％）で表している。ＳｉＣ化率は、
ＳｉＣの発生に関する ＳｉＯ ＋ ２Ｃ → ＳｉＣ ＋ ＣＯ↑ の反応式より、モル比に換算して総重量からＳｉＣの重
量％を決定するのであり、Ｗ₁ をＣ 、Ｗ₂ をＳｉＣと
して、以下の式で計算される。 ＳｉＣ化率＝（Ｗ₂ −Ｗ₁ ）／（（４０／２４）・Ｗ₁
−Ｗ₁ ））× １００

【００３５】表１に示した結果より本発明の実施態様の
例にかかる本発明例については、ＳｉＣ化率が１８％
であり、他の二つの試料のＳｉＣ化率に比べて低い結果
となっている。Ｃ／Ｃ材のみからなり、熱分解炭素被膜
が被覆されない比較例は、等方性高密度黒鉛からなる
比較例よりもＳｉＣ化率が高いことを示している。こ
れを反映して、本発明例ではＳｉＣされた後の曲げ強度
が１０５０ｋｇ／cm² であり、三つの試料中で最も高い
ことを示している。

【００３６】これらの結果から、シードチャックの表面
に熱分解炭素被膜を形成すると、ＳｉＣ化率を低く抑え
得ること、特にＣ／Ｃ材で構成されるシードチャックに
熱分解炭素被膜を形成すると、等方性高密度黒鉛からな
るシードチャックよりもＳｉＣ化率を低く抑え得ること
が確かめられた。さらに、半導体単結晶製造装置のシー
ドチャックとしての適性の一つとして求められる機械的
強度が高いことも確かめられた。

【００３７】

【効果】以上に説明したように、本発明のうち請求項１
記載の発明は、シードチャックを構成するＣ／Ｃ材の表
面の凹凸に沿って完全に覆う熱分解炭素の皮膜を形成し
たので、半導体単結晶引き上げ装置に使われた場合に生
じるＳｉＣ反応を抑制して表面のワレの発生を抑え、Ｃ
／Ｃ材の優れた特徴を生かしつつ、長時間使用に耐える
ことができるという効果を奏する。

【００３８】請求項２記載の発明は、請求項１記載の発
明の効果に加えて、析出速度を抑え、基材内部まで含浸
させ、熱分解炭素の被膜の厚みを２０μｍ以下にしたの
で、Ｃ／Ｃ材の表面の窪み内表面に至る被膜の形成を確
保することができるという効果を奏する。

【００３９】請求項３記載の発明は、請求項１又は２記
載の発明の効果に加えて、Ｃ／Ｃ材の表面の窪み内表面
に至る熱分解炭素の被膜を簡単且つ確実に形成できると
いう効果を奏する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明のシャフト式シードチャックの断面図で
ある。

【図２】本発明のワイヤ式シードチャックの断面図であ
る。

【図３】シードチャックを構成するＣ／Ｃ材の表面状態
を示す図である。

【図４】シャフト式の半導体単結晶引き上げ装置の概略
構造図である。

【符号の説明】

１ スピンドルチャック ２ シードチャックスピンドル ３ スピンドルピン ４ シードピン ５ 熱分解炭素被膜 ６ 引き上げシャフト ７ 種子結晶 ８ スピンドルチャック ９ 引き上げワイヤ １１ チャンバ １２ 石英るつぼ １３ 黒鉛るつぼ １４ ヒータ １５ シードチャック １６ シリコン融液 １７ 断熱材 ２１ 開気孔 ２２ 閉気孔

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 炭素繊維強化炭素複合材料を含んで形成
   された半導体単結晶引き上げ装置のシードチャックであ
   って、 前記炭素繊維強化炭素複合材料の表面に熱分解炭素の被
   膜を形成し、前記被膜は前記表面に存在する窪みの内面
   まで被覆する程度に薄いものであることを特徴とする半
   導体単結晶引き上げ装置のシードチャック。
2. 【請求項２】 請求項１記載の発明において、前記被膜
   の厚みの平均は２０μｍ以下である半導体単結晶引き上
   げ装置のシードチャック。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載の発明において、
   前記被膜はＣＶＩ法によって形成されたものである半導
   体単結晶引き上げ装置のシードチャック。