JP4140601B2

JP4140601B2 - 単結晶引き上げ装置用のガス整流部材及びその製造方法

Info

Publication number: JP4140601B2
Application number: JP2004322452A
Authority: JP
Inventors: 輝彦大矢
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 2004-11-05
Filing date: 2004-11-05
Publication date: 2008-08-27
Anticipated expiration: 2018-02-16
Also published as: JP2005104833A

Description

本発明は、単結晶引き上げ装置を構成するための部材に関し、特に、半導体材料となるチョクラルスキー法による単結晶引き上げ装置に使用されるガス整流部材に関するものである。

単結晶引き上げ装置は、所謂チョクラルスキー法と称される方法により、雰囲気ガスの存在下で、ルツボ内のシリコン融液からシリコン単結晶を引き上げるもので、例えば、特公昭５７−１５０７９号公報にて示されているような「単結晶製造装置」として知られる。この公報に示された装置は、図３に示すように、「炉体容器１内にその下方より回転軸２が導入され、その回転軸２の端面上に載置台３を介してルツボ４が配される。又該ルツボ４の周りに発熱体５と保温筒６が配され、而してルツボ４内でシリコンが溶融され融液７を得る。一方、炉体容器１の上方には上下に滑動する回転軸９が設けられている。該回転軸９の遊端にシリコンの種結晶８を取付け、回転軸９を種結晶８がルツボ４内の融液７に触れている状態より上方に移動させて、種結晶８の下に続くシリコンの単結晶１０を得る。

単結晶を育成する際、不必要な反応生成ガスが、単結晶１０及び融液７の液面で反応しないように、これを排除する必要がある。このためにアルゴン等の不活性ガスを雰囲気ガスとして、炉体容器１の上方より単結晶及び液面に送給し、炉体容器１下部より排出する」
というものである（上記公報の第２欄）。

この種の単結晶引き上げ装置では、出来上がってくる半導体材料の純度を保つため、ルツボ内のＳｉ溶融液内に不純物が混入しないようにクリーンな雰囲気を形成しておく必要がある。このため、Ｓｉを溶融させるルツボ上には、上方より流れる不活性ガスを整流するためのガス整流部材が設置されている。このガスの整流によって、高温下の炉内で発生するＳｉＯガス等の不純物がルツボ内に流入してＳｉ溶融液内に混入するのを防止する。また、Ｓｉ単結晶の引き上げ速度に影響する引き上げ方向におけるＳｉ単結晶の温度勾配を大きくするためにピータ及びＳｉ溶融液からの輻射熱を遮断する役割もはたしている。

上記のように、Ｓｉ単結晶の温度勾配を大きくするためには、融液やルツボからの輻射熱を十分に遮断しなければならない。また、黒鉛材は耐熱性に優れるものであっても、断熱性を十分に発揮し得るものではない。そこで、単結晶引き上げ装置用のガス整流部材は、熱輻射を遮断するために黒鉛を基材とし、断熱材を組み合わせたものが提供されている。例えば、特開平９−１８３６８６号公報は
、引き上げ単結晶棒を同軸に囲う円筒とカラーからなり、該カラーは、高純度黒鉛材で形成され、複層に重ね合わせた断熱材がカラー上面を覆うように設けられ
、さらにこの上面は高純度黒鉛材で被覆され、あるいは被覆する高純度黒鉛材の表面には炭化珪素等が被覆されるものである。

しかし、ガス整流部材は、加工精度により高価となるばかりか、熱容量も大きくなるという問題があり、更に介合部よりＳｉＯガスが侵入し、次のような化学反応が生じて、断熱材が珪化し、パーティクルの発生の原因となることもあった。

ＳｉＯ＋２Ｃ→ＳｉＣ＋ＣＯ

そこで、本発明の目的とするところは、単結晶の引き上げに必要な所望の温度勾配を与え、かつ単結晶引き上げ装置内の汚染や単結晶の汚染を引き起こすことのない耐久性が高くてコスト低減が可能なガス整流部材を提供することである。

上記の課題を解決するために請求項１に記載の発明の採った手段を実施形態の説明中において使用する符号を付して説明すると、
「半導体原料を溶融させるルツボ上に設置され、密閉本体に上方より流入する不活性ガスを整流するためのガス整流部材であって、炭素質繊維成形体を基材とし、この基材の表面に熱硬化性樹脂を加熱硬化した後炭化してなる熱硬化性樹脂炭化物を中間層として形成し、さらに、この中間層の表面に熱分解炭素からなる被膜を形成してなり、
炭素質繊維成形体の繊維の１本１本に熱分解炭素の被膜形成が防止されてなることを特徴とする単結晶引き上げ装置用のガス整流部材。」
というものである。

さらに、請求項２に記載の発明が採った手段は、「半導体原料を溶融させるルツボ上１０に設置され、密閉本体５０内に上方より流入する不活性ガスを整流するためのガス整流部材６０の製造方法であって、
炭素質繊維成形体６１を基材とし、この基材の表面に、フェノール樹脂、フラン樹脂、ジビニルベンゼン樹脂、又は縮合多環芳香族化合物とヒドロキシメチル基、ハロメチル基のいずれか少なくとも一種の基を二個以上有する一環又は二環以上の芳香環からなる成る芳香族架橋剤と酸触媒とを組み合わせて成る組成物の中から選ばれる、一種又は二種以上の熱硬化性樹脂を前記炭素繊維質成形体６１に塗り付け、
加熱硬化した後、再度塗布して硬化処理をし、
炭化してなる熱硬化性樹脂炭化物を中間層６２として形成し、
さらに、この中間層６２の表面に熱分解炭素からなる被膜６３を形成してなり、
炭素質繊維成形体６１の繊維の１本１本に熱分解炭素の被膜形成が防止されてなることを特徴とする単結晶引き上げ装置用のガス整流部材の製造方法。」を特徴とするものである。

本発明に係るガス整流部材６０は、図１に示すように、半導体原料を溶融させるルツボ１０の上方に設置されるものであり、その基材全体を炭素質繊維成形体６１によって形成することが必要である。その理由はこのような炭素質繊維成形体６１は、熱伝導性が小さく高い断熱性を備えているため、ルツボ１０の上方に形成すれば、融液やルツボ１０から単結晶に加えられる輻射熱を十分に遮断でき、単結晶の引き上げに必要な所望の温度勾配を得ることができるからである。

次いで、炭素質繊維成形体６１の表面には、熱硬化性樹脂炭化物からなる中間層６２を形成する必要がある。そして、この中間層６２を形成する熱硬化性樹脂炭化物は、フェノール樹脂、フラン樹脂、ジビニルベンゼン樹脂、又は、縮合多環芳香族化合物とヒドロキシメチル基、ハロメチル基のいずれか少なくとも一種の基を二個以上有する一環または二環以上の芳香環から成る芳香族架橋剤と酸触媒とを組合せて成る組成物の中から選ばれる、一種または二種以上の熱硬化性樹脂を加熱硬化した後炭化して形成される。炭素質繊維成形体６１の表面に熱硬化性樹脂炭化物からなる中間層６２を形成する理由は、中間層６２が存在しないと熱分解炭素の被膜６３が形成されにくく、繊維１本１本に熱分解炭素がコーティングされるので、さらに、その上に熱分解炭素の被膜６３が形成されることにより重量が増加したり、それに伴う熱容量アップや断熱特性の劣化につながるからである。

さらに、中間層６２として形成された熱硬化性樹脂炭化物の表面には、熱分解炭素からなる被膜６３を形成することが必要である。その理由は、熱分解炭素の被膜６３の表面層は緻密であるため、耐酸化性、気体不浸透性も極めて向上し、ＳｉＯガスやＳｉガスと熱硬化性樹脂炭化物とが接触して、熱硬化性樹脂炭化物の炭素と反応することを防ぐためである。一方、熱分解炭素からなる被膜６３の表面層の熱伝導率は、熱分解炭素沈積面に垂直な方向においては、非常に低いことから、炭素質繊維成形体６１の本来の熱伝導率は上昇せず、高断熱性も十分確保されるからである。また、熱硬化性樹脂炭化物からのカーボン落ちの虞もあるため、緻密質な熱分解炭素からなる被膜６３でこれらの不都合を防げば、単結晶引き上げ装置１００内の汚染や単結晶の汚染を防ぐことができるからである。さらに、熱分解炭素からなる被膜６３の表面層は緻密性が高いため、熱硬化性樹脂炭化物からなる中間層６２のみならず、炭素質繊維成形体６１の機械的強度も向上するだけでなく、耐酸化性及び気体不浸透性も極めて向上するからである。

本発明に係る単結晶引き上げ装置１００用のガス整流部材６０は、「半導体原料を溶融させるルツボ１０上に設置され、密閉本体５０内に上方より流入する不活性ガスを整流するためのガス整流部材６０であって、炭素質繊維成形体６１を基材とし、この基材の表面に熱硬化性樹脂を加熱硬化した後炭化してなる熱硬化性樹脂炭化物を中間層６２として形成し、さらに、この中間層６２の表面に熱分解炭素からなる被膜６３を形成してなり、炭素質繊維成形体の繊維の１本１本に熱分解炭素の被膜形成が防止されてなること」を特徴とすることにより、炭素質繊維成形体６１は高断熱性を備えるので、所望の温度勾配を得ることができ、良質な単結晶が得られる。また、中間層６２には緻密質な熱分解炭素からなる被膜６３が堅固に形成されるので、密閉本体５０内の汚染や単結晶の汚染を引き起こさないばかりか、ガス整流部材６０の珪化を防ぐこともできるので、耐久性が高い低コストの単結晶引き上げ装置用のガス整流部材を得ることができる。

次に本発明を、図面に示した実施の形態について説明すると、図１には、本発明に係るガス整流部材６０が適用される単結晶引き上げ装置１００の縦断面図が示してある。この単結晶引き上げ装置１００は、その密閉本体５０内に、半導体原料を溶融させるためのルツボ１０を回転軸にて回転可能に収容したものであり、このルツボ１０の周囲にはこれを加熱するためのヒータ２０が配置してある。そして、ルツボ１０の上方には、本発明に係るガス整流部材６０が配置してある。

ルツボ１０は、溶融した半導体原料と直接接触する部分を、石英ルツボ１１とした二重構造のものであり、ヒータ２０は、一般的には、所謂黒鉛ヒータが採用されるものであり、図１に示したような位置関係で略一定となるものである。

ガス整流部材６０は、図２に示したように炭素質繊維成形体６１を基材として形成され、さらに炭素質繊維成形体６１の表面には中間層６２として熱硬化性樹脂炭化物が形成され、さらに、この中間層６２の表面には、熱分解炭素からなる被膜６３が形成される。上記の炭素質繊維成形体６１、中間層６２を形成する熱硬化性樹脂炭化物及び熱分解炭素からなる被膜６３は、以下の実施例にて詳細に示すように製造又は形成されるものである。

長径の外径φ３４０ｍｍ、短径の外径φ２００ｍｍ、厚さ５ｍｍ、高さ３５０ｍｍの逆円錐状の炭素質繊維成形体６１を形成した。得られた炭素質繊維成形体６１には、熱硬化性樹脂として、軟化点８０℃の石油系ピッチのベンゼン可溶分（平均分子量３４０）とＰ−キシレングリコールをモル比で１：２の割合で混合し、そこに１ｗｔ％のＰ−トルエンスルホン酸を加えた混合物を用い、これを１３０℃で４０分間反応させた。

この反応生成物を１３０℃で溶融させ、前記炭素質繊維成形体６１に塗りつけ、１８０℃で硬化させた後、再度塗布して硬化処理をし、１９００℃で焼成した。

表面に熱硬化性樹脂炭化物からなる中間層６２が形成された炭素質繊維成形体６１をＣＶＤ炉内に入れて、蒸着温度２０００℃、圧力３０Ｔｏｒｒの条件下で、水素ガスをキャリアとしてメタンガスを炉内に連続的に供給した。これにより、熱硬化性樹脂炭化物の表面全体に厚さ５０μｍの熱分解炭素からなる被膜６３を形成した。

本発明に係るガス整流部材を採用した単結晶引き上げ装置の概略縦断面図である。同ガス整流部材の部分拡大断面図である。従来のシリコン単結晶引き上げ装置を示す断面図である。

符号の説明

１００単結晶引き上げ装置
１０ルツボ
１１石英ルツボ
２０ヒータ
５０密閉本体
６０ガス整流部材
６１炭素質繊維成形体
６２熱硬化性樹脂炭化物からなる中間層
６３熱分解炭素からなる被膜

Claims

半導体原料を溶融させるルツボ上に設置され、密閉本体に上方より流入する不活性ガスを整流するためのガス整流部材であって、炭素質繊維成形体を基材とし、この基材の表面に熱硬化性樹脂を加熱硬化した後炭化してなる熱硬化性樹脂炭化物を中間層として形成し、さらに、この中間層の表面に熱分解炭素からなる被膜を形成してなり、
炭素質繊維成形体の繊維の１本１本に熱分解炭素の被膜形成が防止されてなることを特徴とする単結晶引き上げ装置用のガス整流部材。
半導体原料を溶融させるルツボ上に設置され、密閉本体内に上方より流入する不活性ガスを整流するためのガス整流部材の製造方法であって、
炭素質繊維成形体を基材とし、この基材の表面に、フェノール樹脂、フラン樹脂、ジビニルベンゼン樹脂、又は縮合多環芳香族化合物とヒドロキシメチル基、ハロメチル基のいずれか少なくとも一種の基を二個以上有する一環又は二環以上の芳香環からなる成る芳香族架橋剤と酸触媒とを組み合わせて成る組成物の中から選ばれる、一種又は二種以上の熱硬化性樹脂を前記炭素繊維質成形体に塗り付け、
加熱硬化した後、再度塗布して硬化処理をし、
炭化してなる熱硬化性樹脂炭化物を中間層として形成し、
さらに、この中間層の表面に熱分解炭素からなる被膜を形成してなり、
炭素質繊維成形体の繊維の１本１本に熱分解炭素の被膜形成が防止されてなることを特徴とする単結晶引き上げ装置用のガス整流部材の製造方法。