JPH10291896A

JPH10291896A - 単結晶引上装置用インナーシールド

Info

Publication number: JPH10291896A
Application number: JP10332997A
Authority: JP
Inventors: Masaaki Kawakami; 雅昭川上
Original assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Current assignee: Toyo Tanso Co Ltd
Priority date: 1997-04-21
Filing date: 1997-04-21
Publication date: 1998-11-04

Abstract

(57)【要約】【課題】従来の改良型インナーシールドにより得られ
る効果、つまりインナーシールドの上部でＳｉＣ化に起
因した表層部が欠ける現象を未然に防止する効果は確実
に発揮させつつ、同時にインナーシールドの下部内面で
のシリコンの付着堆積を抑制して、黒鉛ルツボ内の温度
分布を単結晶の生成効率に悪影響が出るほどには悪化さ
せないような単結晶引上装置用インナーシールドを提供
する。【解決手段】押出黒鉛部材を用いた単結晶引上装置用
インナーシールド基体の上部の炭化ケイ素が生成しやす
い部位に、熱分解炭素を被覆した。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、チョクラルスキー
（ＣＺ）法等によるシリコン単結晶やガリウム砒素、ガ
リウム燐、ガリウムインジウム燐等の化合物の単結晶の
引上装置に使用されるインナーシールドに関するもので
ある。

【０００２】

【従来の技術】この種のインナーシールドは、図１に例
示するようにシリコン単結晶引上装置２０において、黒
鉛ルツボ８を加熱するための黒鉛ヒーター６を包囲する
ように配置される黒鉛部材製の円筒状保護壁（図中、符
号９に相当）である。そして、上部シールド１４や下部
シールド１３等と相まって熱を遮蔽したり、幅射した
り、石英ルツボ４から立ち上がるシリコン蒸気を整流す
ることにより、黒鉛ルツボ８内温度の均熱性や保温性を
良好にして、熱エネルギーロスをできる限り少なくして
シリコン単結晶の生成を促進する役割を果たすものであ
る。

【０００３】ところで、シリコン単結晶引上装置２０の
運転中は、黒鉛ルツボ８の上部付近にＳｉＯガスが生成
するため、インナーシールド９の特に上部は、そのＳｉ
Ｏガスと反応して基体黒鉛部材のＳｉＣ化が進行しやす
い。このようなＳｉＣ化の進行を放置すると、次第にイ
ンナーシールドの上部表層（ＳｉＣ層）とその下層黒鉛
部材との熱膨張係数の差が顕著となって、亀裂の発生ひ
いては表層部が欠けるという事態に至り、短期間のうち
に新たなインナーシールドとの交換を余儀なくさせられ
ることになる。そればかりか、表層部の欠けによる破片
が飛散して多結晶シリコン溶融液５の中に混入した場
合、生成させようとするシリコン単結晶の純度を低下さ
せてしまう。

【０００４】そこで、このような事態の発生を未然に防
止するには、黒鉛ルツボ８の上部付近のＳｉＯガスがイ
ンナーシールドの上部（特に内面）に接触しないように
すればよいとの考えから、その上部を緻密な被膜で覆っ
たインナーシールド、特に熱分解炭素の被膜で覆ったイ
ンナーシールドが開発され、その結果、上記のＳｉＣ化
に起因した上部表層の欠けの発生という問題はかなり改
善されるようになり、インナーシールドの寿命もその分
長くなった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記の
改善策である熱分解炭素のコーティングは、従来ではあ
くまでもインナーシールドの上部に限って実施されてい
たため、上部以外の、特に下部内面には、インナーシー
ルド基体の素材特性に起因した別の問題が依然として解
消されないままの状態にある。即ち、インナーシールド
９の下部付近は、装置の構造上、温度が低くなるため、
その下部内面にはシリコンの蒸気が付着しやすくなる。
そして、一旦付着すると、インナーシールド９が緻密な
等方性黒鉛部材からなるがゆえに、その内面に蒸着した
シリコンはインナーシールド基体の内部にはほとんど浸
透せず、表面に堆積していく。そして、堆積の進行によ
り内面の凹凸状態が変化すると、インナーシールド９の
上下間の幅射率の差が大きくなり、つまり温度分布が悪
くなるため、これに対応して黒鉛ルツボ８内の温度分布
も悪くなり、ひいてはシリコン単結晶の生成効率にも悪
影響を及ぼすいう問題が残されていた。

【０００６】本発明は、上記の事情に鑑みてなされたも
のであり、その目的とするところは、従来の改良型イン
ナーシールドにより得られる効果、つまりインナーシー
ルドの上部でＳｉＣ化に起因した表層部の欠落を未然に
防止する効果は確実に発揮させつつ、同時にインナーシ
ールドの下部内面でのシリコン等の付着堆積を抑制し
て、黒鉛ルツボ内の温度分布をシリコン等の単結晶の生
成効率に悪影響が出るほどには悪化させないようなイン
ナーシールドを提供する点にある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成し得た本
発明のうち、請求項１記載の発明の単結晶引上装置用イ
ンナーシールドは、押出黒鉛部材からなるインナーシー
ルド基体の上部に熱分解炭素を被覆してなることを特徴
とする。これにより、従来の改良型インナーシールドに
より得られる効果、つまりインナーシールドの上部でＳ
ｉＣ化に起因した表層部の欠落現象を未然に防止する効
果は確実に発揮させつつ、同時にインナーシールドの下
部内面でのシリコン等の付着堆積を抑制して黒鉛ルツボ
内の温度分布を必要以上に悪化させずに、シリコン等の
単結晶の生成効率を良好に維持できるようなインナーシ
ールドを提供することができる。

【０００８】また、請求項２記載の発明の単結晶引上装
置用インナーシールドは、請求項１記載の発明の構成の
うち、インナーシールドの基体が、その嵩密度が１．５
０〜１．７５ g/cm³、気孔率が１５％以上、全細孔容積
が０．０７ cm³/g以上及び平均気孔半径が１μｍ以上、
曲げ強度１０MPa 以上、ショアー硬度２０以上であるこ
とを特徴とする。これにより、請求項１記載の発明の効
果をより確実に発揮させることができる。

【０００９】以下、本発明を詳しく説明する。なお、以
下の説明では、主としてシリコン単結晶の場合を代表的
にとりあげて説明するが、本発明のインナーシールドが
シリコン単結晶の場合に限定されるものでないことは勿
論である。（１）本発明者は、従来の改良型インナーシールドにお
いても依然として残されていた問題、即ちインナーシー
ルドの下部内面に生じるシリコンの付着堆積という問題
を不都合が生じない程度にまで抑制しうる手段を見い出
すべく、まずインナーシールド基体として最適な黒鉛部
材の選定から再検討を始めた。

【００１０】インナーシールド基体として使用可能な黒
鉛部材には、等方性材、押出材、Ｃ／Ｃ材などが挙げら
れる。熱分解炭素をコーティングしたインナーシールド
が開発されるまでは、ＳｉＯガスが侵入しにくく、Ｓｉ
Ｃ化が進みにくい組織構造を有する黒鉛部材として等方
性材単体が使用されていた。このため、従来の改良型イ
ンナーシールドも、その基体としての黒鉛部材は当然な
がら等方性材が使用されていた。

【００１１】しかし、本発明者は、この等方性材を使用
していることが、従来の改良型インナーシールドにおい
ても積み残しの問題を抱え込むことになったことの原因
であることに着目した。即ち、等方性材は、粒径が小さ
く緻密な組織構造をしているため、この等方性材製のイ
ンナーシールドの下部内面に蒸着したシリコンは黒鉛基
体内にほとんど浸透できず、その結果、表面（下部内
面）に堆積していかざるを得ないという状況にあったこ
とに着目した。

【００１２】そこで、本発明者は新たなインナーシール
ドの開発に先立ち、以下〜の技術的事項に基礎をお
くこととした。即ち、等方性材よりもはるかにポーラスな組織構造を有する
押出材を採用すれば、蒸着したシリコンはスムースに黒
鉛基体内に浸透できるので、表面に生ずるシリコン堆積
量を非常に少なくすることができること。押出材単体では、等方性材に比べてＳｉＯガスが侵入
しやすくＳｉＣ化されやすいが、表面を熱分解炭素で被
覆すれば、熱分解炭素自体が緻密な組織構造のため等方
性材の場合と同様のＳｉＯガス侵入抑制効果が得られる
ことが予想できること。押出材は等方性材に比べて安価であるため、押出材で
代替できればインナーシールドに要するコスト、ひいて
はシリコン単結晶引上装置のランニングコストの低減化
に寄与できること。

【００１３】この後、引き続き上記の確認実験を行っ
たところ、ほぼ予想通りの効果が得られることを見い出
し、最終的に、「押出黒鉛部材からなるインナーシール
ド基体の上部に熱分解炭素を被覆してなる」という本発
明特有の構成を具備した発明であるシリコン単結晶引上
装置用インナーシールドを完成したものである。なお、
上記構成にいう「熱分解炭素の被覆」の「被覆」とは、
黒鉛部材の表面の気孔を熱分解炭素で閉鎖する、つまり
封孔する程度のものや表面のコーティングのみ、又は封
孔した後さらにその表面をコーティングするものまで含
む概念である。

【００１４】（２）インナーシールド基体としての押出
黒鉛部材は常法に従って得ることができ、例えば石油コ
ークス等の骨材とコールタールピッチ等のバインダーと
を混ぜ合わせてスラリー化したものを押出成形して圧縮
成型体にする。得られた圧縮成型体を非酸化性雰囲気下
で約１２００Ｋで焼成し、その後約３２００Ｋで黒鉛化
することにより得ることができる。

【００１５】（３）押出黒鉛部材の特性としては、その
嵩密度が１．５０〜１．７５ g/cm³、気孔率が１５％以
上、全細孔容積が０．０７ cm³/g以上及び平均気孔半径
が１μｍ以上、曲げ強度１０MPa 以上、ショアー硬度２
０以上のものが望ましい。このような特性の押出黒鉛部
材であれば、インナーシールドとして要求される強度を
十分保持しながら蒸着するシリコンを黒鉛部材内に吸収
することができ、本発明の目的を最も効果的に達成しう
るインナーシールドとすることができるからである。

【００１６】但し、上記特性はそれぞれ以下の事項を示
すものである。嵩密度：黒鉛基材の全体積当たりの質量(g/cm³）気孔率：黒鉛基材の体積中の全気孔の割合で、（真比重
−嵩密度）／（真比重）×１００％で算出される。全細孔容積：水銀ポロシメーター（水銀圧入法）により
求めた開気孔の全容積(cm³/g) 平均気孔半径：水銀ポロシメーターから求めた細孔容積
の平均気孔半径（μｍ）

【００１７】（４）熱分解炭素を被覆する箇所は、イン
ナーシールドの上部のＳｉＣが生成しやすい部位（例え
ば、インナーシールド内面の最上部から下方にかけて５
０ｍｍ程度の範囲）だけでよく、また被覆するためのＣ
ＶＤ法の実施条件に特別の限定はなく、常法に従って行
うことができる。一つの条件例を挙げれば、次の通りで
ある。〔ＣＶＤ条件〕原料ガス：Ｃ₃Ｈ₈（１０ｌ／分），Ｈ₂（５０ｌ／
分）温度：２００℃ 膜厚：４０μｍ雰囲気圧：１０Ｔｏｒｒ

【００１８】

【実施例】

（実施例１）石油コークスを平均粒子径０．６ｍｍに粉
砕し、骨材とした。この骨材１００質量部に対し、バイ
ンダーとしてコールタールピッチを３３質量部だけ加え
て混練した。この混練物を押出成形して得られた成型品
を非酸化性雰囲気下で１２００Ｋで焼成し、その後３２
００Ｋで黒鉛化して１８インチ，厚み１０ｍｍ×高さ６
００ｍｍの押出黒鉛材からなるインナーシールド基体
（嵩密度は１．７０ g/cm³）を得た。このインナーシー
ルド基体の上部に熱分解炭素のコーティング膜（厚み４
０μｍ）を被覆してインナーシールド完成品とした後、
シリコン単結晶引上装置にセットし装置の運転を行っ
た。そして、運転続行が困難になったときのインナーシ
ールドの上部及び内面に生じている外観変化を観察する
と共に、上部内面近傍の幅射率と下部内面の幅射率を測
定して、その差からインナーシールド内の温度分布ひい
てはルツボ内の温度分布の良否を調べた。但し、幅射率
の測定に際しては、装置の運転後に、熱分解炭素でコー
ティングしていないインナーシールドの部分のうち、最
も上部と最も下部からφ１３×ｔ２．５（ｍｍ）の試験
片を切り出し、この試験片をいわゆる非定常カロリーメ
ーター法により１３００℃で測定し、算出した。

【００１９】なお、インナーシールドの上部（特に角部
付近）にはコーティング膜の欠けは発生しなかったが、
上部の全体的な形状（円筒形状）の変形が著しくなった
段階で装置の運転を中止した。このとき、インナーシー
ルドの使用回数は１６０バッチであった。また、下部内
面に生じたシリコンの堆積厚さは最大１ｍｍであり、幅
射率は上側で０．８５、下側で０．７５であった。つま
り、幅射率の差は０．１０であった。

【００２０】（比較例１）石油コークスを平均粒子径１
０μｍに粉砕し、骨材とした。この骨材１００質量部に
対し、バインダーとしてコールタールピッチを７０質量
部だけ加えて混練した。この混練物をＣＩＰ成形して得
られた成型品を非酸化性雰囲気下で１２００Ｋで焼成
し、その後３２００Ｋで黒鉛化して実施例１と同じ寸法
の等方性黒鉛材からなるインナーシールド基体（嵩密度
は１．７７ g/cm³）を得た。このインナーシールド基体
をそのままシリコン単結晶引上装置にセットし装置の運
転を行った。そして、実施例１と同様に、運転続行が困
難になったときのインナーシールドの上部及び内面に生
じている外観変化を観察すると共に、同一条件下での幅
射率の測定、算出を行った。インナーシールドの上部
（特に角部付近）にＳｉＣ化層の欠けが生じた段階で装
置の運転を中止した。このとき、インナーシールドの使
用回数は７０バッチであった。また、下部内面に生じた
シリコンの堆積厚さは最大２ｍｍであり、幅射率は上側
で０．８０、下側で０．６５であった。つまり、幅射率
の差は０．１５であった。

【００２１】（比較例２）実施例１で得られた押出黒鉛
材のインナーシールド基体をそのままシリコン単結晶引
上装置にセットし装置の運転を行った。そして、実施例
１と同様に、運転続行が困難になったときのインナーシ
ールドの上部及び内面に生じている外観変化を観察する
と共に、同一条件下での幅射率の測定、算出を行った。
インナーシールドの上部（特に角部付近）にＳｉＣ化層
の欠けが生じた段階で装置の運転を中止した。このと
き、インナーシールドの使用回数は４０バッチであっ
た。また、下部内面に生じたシリコンの堆積厚さは０ｍ
ｍであり、幅射率は上側で０．８５、下側で０．８０で
あった。つまり、幅射率の差は０．０５であった。

【００２２】（比較例３）比較例１で得られた等方性黒
鉛材からなるインナーシールド基体の上部に実施例１と
同様に熱分解炭素のコーティング膜を同じ厚みだけ被覆
してインナーシールド完成品とした後、シリコン単結晶
引上装置にセットし装置の運転を行った。そして、実施
例１と同様に運転続行が困難になったときのインナーシ
ールドの上部及び内面に生じている外観変化を観察する
と共に、同一条件下での幅射率の測定、算出を行った。
インナーシールドの上部（特に角部付近）にはコーティ
ング膜の欠けは発生しなかったが、下部内面のシリコン
の堆積が著しく大きくなった段階で装置の運転を中止し
た。このとき、インナーシールドの使用回数は１５０バ
ッチであった。また、シリコンの堆積厚さは最大５ｍｍ
であり、幅射率は上側で０．８０、下側で０．５０であ
った。つまり、幅射率の差は０．３０であった。

【００２３】上記の実施例１及び比較例１〜３で使用し
たインナーシールドの構成と装置運転結果を表１にまと
めて示す。

【００２４】

【表１】

【００２５】表１から明らかなように、「押出黒鉛部材
からなるインナーシールド基体の上部に熱分解炭素を被
覆してなる」本発明のシリコン単結晶引上装置用インナ
ーシールドの場合は、上部でＳｉＣ化に起因した表層部
の欠落現象を未然に防止できると同時に、下部内面での
シリコンの付着堆積を抑制して上部と下部の幅射率差を
小さくし、温度分布を良好に維持できる効果を併せて発
揮させられることが分かる。

【００２６】これに対し、比較例１及び比較例２は、上
部に熱分解炭素被膜のコーティングをしていないために
ＳｉＣ化が進行し、表層部の欠けが発生している。ま
た、比較例３のインナーシールドは、いわば従来の改良
型インナーシールドに属するものであり、確かに上層部
の欠けは防止できているが、下部内面のシリコン堆積が
著しいため、インナーシールド内部の温度分布、ひいて
は黒鉛ルツボの温度分布が非常に悪くなっていることが
分かる。しかも、限界使用回数を見ると、実施例１と比
較例３はほぼ同じである。つまり、安価な押出黒鉛部材
製インナーシールド（実施例１）を使用しても、より高
価な等方性黒鉛部材製インナーシールド（比較例３）と
同等以上の寿命が得られるので、本発明のインナーシー
ルドによれば、装置経済性の向上にもつながる。

【００２７】

【発明の効果】以上説明したように、本発明のうち請求
項１記載の発明の単結晶引上装置用インナーシールド
は、押出黒鉛部材の上部の炭化ケイ素が生成しやすい部
位に、熱分解炭素を被覆してなるものである。従って、
従来の改良型インナーシールドにより得られる効果、つ
まりインナーシールドの上部でＳｉＣ化に起因した表層
部の欠落現象を未然に防止する効果は確実に発揮させつ
つ、同時に従来の改良型インナーシールドで積み残され
ていた欠点、つまりインナーシールドの下部内面でのシ
リコン等の付着堆積を抑制して黒鉛ルツボ内の温度分布
が悪くしないような効果を併せて発揮し得るシリコン等
の単結晶引上装置用インナーシールドを提供することが
できる。

【００２８】また、請求項２記載の発明の単結晶引上装
置用インナーシールドは、請求項１記載の発明の構成の
うち、インナーシールド基体の特性として、その嵩密度
が１．５０〜１．７５ g/cm³、気孔率が１５％以上、全
細孔容積が０．０７ cm³/g以上及び平均気孔半径が１μ
ｍ以上、曲げ強度１０MPa 以上、ショアー硬度２０以上
としたものである。従って、請求項１記載の発明の効果
をより確実に発揮し得る単結晶引上装置用インナーシー
ルドを提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】シリコン単結晶引上装置の一例を示す概略断面
図である。

【符号の説明】

１種ホルダー２シリコン種結晶３シリコン単結晶４石英ルツボ５溶融多結晶シリコン６黒鉛ヒーター７断熱材８黒鉛ルツボ９インナーシールド１０排気口１１のぞき窓１２チャンバー１３下部シールド１４上部シールド１５支持棒

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】単結晶引上げに使用されるインナーシー
ルドであって、前記インナーシールドの基体が押出黒鉛
部材からなり、かつ該部材の上部に熱分解炭素を被覆し
てなることを特徴とする単結晶引上装置用インナーシー
ルド。
【請求項２】前記インナーシールドの基体が、その嵩
密度が１．５０〜１．７５ g/cm³、気孔率が１５％以
上、全細孔容積が０．０７ cm³/g以上及び平均気孔半径
が１μｍ以上、曲げ強度１０MPa 以上、ショアー硬度２
０以上である請求項１記載の単結晶引上装置用インナー
シールド。