(57)【特許請求の範囲】
【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、熱分解炭素の被膜が前記炭素繊維強化炭素複合材料の表面の凹凸に沿って形成されていて、前記被膜の厚みの平均が１０μｍ以下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。
【請求項２】
請求項１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。
【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１６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７−１０６８７）。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ＳｉＯ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、熱分解炭素の被膜が前記炭素繊維強化炭素複合材料の表面の凹凸に沿って形成されていて、前記被膜の厚みの平均が１０μｍ以下である。
【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。
【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の厚みの平均は１０μｍ以下にする。
【００１５】
また、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１０μｍ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１ｂ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、
▲１▼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）。
▲２▼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）。
▲３▼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／ｍｉｎ．で供給しつつ、炉内圧力を１０Ｔｏｒｒとして１００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】
0004358313.tif 000002
【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▲１▼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▲２▼は、等方性高密度黒鉛からなる比較例▲３▼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
【図１】
0004358313.tif 000003
【図２】
0004358313.tif 000004
【図３】
0004358313.tif 000005
【図４】
0004358313.tif 000006