JP2002308609A - Si DISPERSED VITREOUS CARBON MATERIAL - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】[0001]
【発明が属する技術分野】本発明は、ガラス状カーボン
の組織中にSiが原子レベルで均一に分散複合した均質
緻密な複合組織構造を備え、耐酸化性や耐プラズマ性な
どの化学的安定性に優れたSi分散ガラス状カーボン材
に関する。BACKGROUND OF THE INVENTION 1. Field of the Invention The present invention relates to a glassy carbon structure having a homogeneous and dense composite structure structure in which Si is uniformly dispersed and compounded at the atomic level, and has chemical stability such as oxidation resistance and plasma resistance. The present invention relates to a Si-dispersed glassy carbon material having excellent properties.
【0002】[0002]
【従来の技術】ガラス状カーボン材は、熱硬化性樹脂の
成形体を非酸化性雰囲気下で加熱し、焼成炭化して得ら
れる巨視的に無孔組織の三次元網目構造を呈するガラス
質の硬質炭素物質で、一般の炭素材料に比べてガス不透
過性、耐摩耗性、耐蝕性、潤滑性、表面平滑性及び堅牢
性などに優れており、その特性を生かして多様の分野で
各種工業部材として有用されている。また、近年では組
織から微小な炭素粒子がパーティクルとして離脱するこ
とのない非汚染性の材質性状に着目して、シリコンウエ
ハーのプラズマエッチング用電極やイオン注入装置用部
材など汚染を嫌う半導体分野で好適に用いられている。2. Description of the Related Art A vitreous carbon material is a vitreous material having a macroscopically non-porous three-dimensional network structure obtained by heating a thermosetting resin molded body in a non-oxidizing atmosphere and calcining and carbonizing. A hard carbon material that has superior gas impermeability, abrasion resistance, corrosion resistance, lubricity, surface smoothness and robustness compared to general carbon materials. It is useful as a member. In recent years, attention has been paid to non-contaminating material properties that do not allow fine carbon particles to be separated as particles from the tissue, and are suitable for semiconductor fields that dislike contamination such as electrodes for silicon wafer plasma etching and members for ion implantation equipment. It is used for
【0003】しかしながら、ガラス状カーボン材は、一
般の炭素材と同様に高温酸化雰囲気中では速やかに酸化
が進行して物性を損ねる炭素材固有の材質的欠点があ
る。炭素材の耐酸化性を向上させるためにP、B、Si
などの元素を添加する方法が知られているが、半導体製
造用の部材として用いる場合には、P、Bなどの添加は
半導体の物性を損ねるために好ましくない。[0003] However, the glassy carbon material has a material defect inherent to the carbon material, which rapidly oxidizes in a high-temperature oxidizing atmosphere and deteriorates its physical properties, like a general carbon material. P, B, Si to improve the oxidation resistance of the carbon material
A method of adding an element such as P is known. However, when it is used as a member for manufacturing a semiconductor, addition of P, B, or the like is not preferable because it deteriorates the physical properties of the semiconductor.
【0004】そこで、ガラス状カーボン組織中にSiな
どのセラミックス成分を複合させて物性の改善を図る試
みがなされている。しかしながら、原料となる熱硬化性
樹脂に乾式もしくは湿式法でセラミックスの微粒子を混
合し、これを硬化した成形体を焼成炭化する方法ではセ
ラミックス微粒子を炭素組織に均一に分散させることが
できず、またセラミックス微粒子と炭素組織間に粒界が
存在するため過酷な使用条件では材質破壊を起こした
り、セラミックス微粒子が離脱するなどの難点がある。[0004] Attempts have been made to improve the physical properties by combining a ceramic component such as Si in a glassy carbon structure. However, in a method of mixing ceramic fine particles with a thermosetting resin as a raw material by a dry or wet method and firing and carbonizing a molded body obtained by curing the same, the ceramic fine particles cannot be uniformly dispersed in a carbon structure, and Due to the presence of grain boundaries between the ceramic fine particles and the carbon structure, there are difficulties such as material destruction and severe separation of the ceramic fine particles under severe use conditions.
【0005】これらの難点を排除するために、セラミッ
クス前駆体を熱硬化性樹脂に混合した原料を用いること
により耐酸化性を改善する技術が提案されている。例え
ば、特開昭61−6111号公報には、液状珪素化合
物、官能基を有し加熱により炭素化する液状有機化合
物、および重合または架橋用の触媒を溶化したSi、O
およびCを含む前駆体物質を炭化して耐酸化性の炭素材
料を製造する方法が開示されている。この方法では、液
状珪素化合物として水ガラスの脱アルカリで得られた珪
酸ポリマー、水酸基を含有する有機化合物と珪酸とのエ
ステル、エチルシリケートのようなSiエステル、四塩
化珪素とエタノールの反応生成物などが挙げられ、触媒
として硫酸、塩酸、有機過酸化物、有機スルホン酸類な
どの併用を必須要件としている。To eliminate these difficulties, there has been proposed a technique for improving oxidation resistance by using a raw material obtained by mixing a ceramic precursor with a thermosetting resin. For example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 61-6111 discloses a liquid silicon compound, a liquid organic compound having a functional group, which can be carbonized by heating, and Si, O in which a polymerization or crosslinking catalyst is dissolved.
A method for producing an oxidation-resistant carbon material by carbonizing a precursor material containing C and C is disclosed. In this method, a silicic acid polymer obtained by dealkalization of water glass as a liquid silicon compound, an ester of a silicic acid with an organic compound containing a hydroxyl group, a Si ester such as ethyl silicate, a reaction product of silicon tetrachloride and ethanol, etc. It is essential that a catalyst be used in combination with sulfuric acid, hydrochloric acid, organic peroxides, organic sulfonic acids and the like.
【0006】しかし、この方法はSi、OおよびCを含
む前駆体物質を形成する過程で珪素化合物が相互に結合
して微細な凝集体を形成し、これがそのまま炭化組織中
にSi含有粒状体となって分散する不均一な組織性状に
なり易い。また、シロキサン結合のような複数のSi原
子が連鎖する重合エステルを珪素源として用いた場合に
も、同様に凝集化に伴う不均質な組織になるため、液状
有機化合物に対する配合量を少なくしても、Siが粒子
状態で分散することのない連続相の炭素質組織を得るこ
とは難しい。そのうえ、併用する触媒が硫酸や塩酸など
の強酸の場合にはゲル化反応を急激に進行させて組織の
均一性を損ね、ナトリウムエチラートや有機スルホン酸
類などの触媒を使用すると含有無機成分が残留不純物と
なって純度を低下させる要因となる。However, in this method, in the process of forming a precursor material containing Si, O and C, the silicon compounds bond with each other to form fine aggregates, which are directly mixed with the Si-containing granular material in the carbonized structure. This tends to result in non-uniform texture that is dispersed. Further, even when a polymer ester in which a plurality of Si atoms are linked like a siloxane bond is used as a silicon source, a heterogeneous structure is similarly generated due to agglomeration. However, it is difficult to obtain a continuous phase carbonaceous structure in which Si is not dispersed in a particle state. In addition, if the combined catalyst is a strong acid such as sulfuric acid or hydrochloric acid, the gelation reaction will proceed rapidly and the tissue uniformity will be impaired.If a catalyst such as sodium ethylate or organic sulfonic acid is used, the inorganic components will remain. They become impurities and cause a reduction in purity.
【0007】また、特開平2−192411号公報に
は、焼成後高硬度不通気性を有するガラス状硬質炭素を
生成し、かつ高い炭素残査収率を示す熱硬化性樹脂のモ
ノマー又は初期縮重合物と、有機ケイ素樹脂とを混合
後、所望の形状に賦形し、加熱硬化体とした後、不活性
ガス雰囲気中で焼成することから成る炭素系製品の製造
方法が開示されている。しかしながら、この方法におい
てはSi源となる珪素化合物として有機ケイ素樹脂が用
いられるので、ガラス状カーボンの組織中にSiを原子
レベルで分散させ、複合化することは困難である。JP-A-2-192411 discloses a monomer or an initial polycondensation of a thermosetting resin which produces a glassy hard carbon having high hardness and impermeability after firing and has a high carbon residue yield. Disclosed is a method for producing a carbon-based product, comprising mixing a product and an organosilicon resin, shaping the mixture into a desired shape, forming a heat-cured body, and then firing the mixture in an inert gas atmosphere. However, in this method, since an organosilicon resin is used as a silicon compound serving as a Si source, it is difficult to disperse Si at the atomic level in a glassy carbon structure to form a composite.
【0008】特開平5−43319号公報には、熱硬化
性樹脂と有機金属化合物を液状で均一に混合し、加熱
(焼成)して得られる超微細なセラミックスが高度に分
散した状態のガラス状炭素複合材料が開示されている。
この発明では、珪素源となる有機金属化合物として、S
iCを与えるポリカルボシランおよびポリシラン、Si
−Ti−C−Oを与えるTi含有ポリカルボシラン、S
ix Ny 、Si−N−CあるいはSi3 N4 −SiCを
与えるポリシラザン類が用いられている。しかしなが
ら、複数のシラン結合を有するポリカルボシランやポリ
シラン等のポリマーを熱硬化性樹脂と混合して原料系と
すると、セラミックス源がポリマーとして分散する状態
となるため、熱処理後に微細な金属炭化物粒子となって
粒界が生成することが避けられず、不均一な組織性状と
なる難点がある。したがって、パーティクルが離脱する
難点は解消されない。JP-A-5-43319 discloses a glassy state in which a thermosetting resin and an organometallic compound are uniformly mixed in a liquid state and heated (fired) to obtain an ultrafine ceramic which is highly dispersed. A carbon composite is disclosed.
In the present invention, as the organometallic compound serving as a silicon source, S
Polycarbosilane and polysilane to provide iC, Si
Ti-containing polycarbosilane that provides -Ti-CO, S
i x N y, polysilazanes to give Si-N-C or Si 3 N 4 -SiC is employed. However, when a polymer such as polycarbosilane or polysilane having a plurality of silane bonds is mixed with a thermosetting resin to form a raw material system, the ceramic source is dispersed as a polymer, so that fine metal carbide particles are formed after heat treatment. Inevitably, the formation of a grain boundary is unavoidable, and there is a problem that the texture becomes uneven. Therefore, the difficulty that the particles leave is not solved.
【0009】そこで、本出願人は先に−O−Si−O−
で架橋された熱硬化性樹脂の成形体を焼成炭化して得ら
れ、原子レベルのSiがガラス状カーボン組織中に0.
1〜15重量%の範囲で均一な連続相として分布する組
織性状を備えるSi含有ガラス状カーボン材と、その製
造技術として熱硬化性樹脂と1分子中に単一のSi原子
を有するSiアルコキシドの加水分解物を有機溶媒中で
攪拌混合し、架橋反応により得られるゲル化物を硬化成
形したのち、硬化成形体を非酸化性雰囲気下で800℃
以上の温度で焼成炭化処理する方法(特開平8−325059
号公報)を開発した。Therefore, the applicant of the present invention has previously described -O-Si-O-
Is obtained by firing and carbonizing the thermosetting resin molded product crosslinked in step 1.
A Si-containing glassy carbon material having a texture distributed as a uniform continuous phase in the range of 1 to 15% by weight, and a thermosetting resin and a Si alkoxide having a single Si atom in one molecule as its production technology. The hydrolyzate is stirred and mixed in an organic solvent, and the gelled product obtained by the crosslinking reaction is cured and molded.
A method of performing a carbonization treatment at the above temperature (Japanese Unexamined Patent Publication No. 8-325059)
No.).
【0010】更に、本出願人は上記技術をベースに開発
研究を進め、Siアルコキシドの加水分解物のゲル化物
に代えて1分子中に単一のSi原子を含むアミノシラン
化合物を熱硬化性樹脂液中に滴下して攪拌混合し、該混
合溶液を成形硬化したのち、硬化成形体を非酸化性雰囲
気下で800℃以上の温度により焼成炭化処理すること
を特徴とするSi含有ガラス状カーボン材の製造方法
(特開平9−59065 号公報)、アミノシラン化合物を炭
化残留率の高い有機溶媒で混合希釈し、該希釈溶液を熱
硬化性樹脂液中に滴下して攪拌混合するその改良発明
(特開平9−110528号公報)を提案した。しかしなが
ら、アミノ基は熱硬化性樹脂との反応性が高いために急
速反応に伴う局部的組織欠陥などが生じ易い欠点があ
り、その改良技術としてアミノシラン化合物に代えて1
分子中に単一のSi原子を含むエポキシシラン化合物を
用いる発明(特開平9−227231号公報)などを開発提案
した。Further, the present applicant has proceeded with research and development based on the above-mentioned technology, and has developed a thermosetting resin liquid containing an aminosilane compound containing a single Si atom in one molecule instead of a gelled product of a hydrolyzate of Si alkoxide. After the mixture is molded and cured, the cured molded body is subjected to a calcination treatment at a temperature of 800 ° C. or more in a non-oxidizing atmosphere to obtain a Si-containing glassy carbon material. A manufacturing method (Japanese Patent Application Laid-Open No. 9-59065), an improved invention of mixing and diluting an aminosilane compound with an organic solvent having a high carbonization residual ratio, dropping the diluted solution into a thermosetting resin liquid, and stirring and mixing. No. 9-110528). However, since the amino group has a high reactivity with the thermosetting resin, it has a disadvantage that local structural defects and the like are likely to occur due to a rapid reaction.
An invention using an epoxysilane compound containing a single Si atom in the molecule (JP-A-9-227231) was proposed.
【0011】[0011]
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、工業用
部材として、より苛酷な条件下に使用するためには更に
材質性状の改善が必要である。例えば、半導体製造装置
用としてシリコンウエハーのプラズマエッチング装置や
プラズマCVD装置などの部材として使用する場合に
は、CF4 、CHF3 、SiH4 などとAr、O2 など
を混合した反応性のガスプラズマに曝されるので、耐プ
ラズマ性や耐酸化性などが高く、化学的安定性に優れた
材質性状が必要となる。However, for use as an industrial member under more severe conditions, it is necessary to further improve the material properties. For example, when used as a member of a plasma etching apparatus or a plasma CVD apparatus for a silicon wafer for a semiconductor manufacturing apparatus, a reactive gas plasma obtained by mixing Ar, O 2, etc. with CF 4 , CHF 3 , SiH 4 or the like. Therefore, it is necessary to provide a material having high plasma resistance, oxidation resistance, etc., and excellent chemical stability.
【0012】更に、近時におけるLSIの高集積化に伴
い、要求されるプラズマ処理精度も高度化し、また生産
効率を上げるためにプラズマ密度も高くなり、これらの
苛酷な使用条件下にも安定に、長時間使用し得る材質性
状が要求される。Furthermore, with the recent high integration of LSIs, the required plasma processing accuracy has been enhanced, and the plasma density has been increased in order to increase the production efficiency. Therefore, material properties that can be used for a long time are required.
【0013】そこで、本発明者はSi原子が均一に分散
複合したSi分散ガラス状カーボン材について、耐プラ
ズマ性および耐酸化性のより一層の向上を図るために鋭
意研究を行った結果、Si原子のガラス状カーボン組織
中における電子結合状態と、耐プラズマ性や耐酸化性な
どの特性を高位に保持することと密接な関係にあること
を確認した。The present inventor has conducted intensive studies on the Si-dispersed glassy carbon material in which Si atoms are uniformly dispersed and combined to further improve plasma resistance and oxidation resistance. It was confirmed that the electron-bonding state in the glassy carbon structure was closely related to maintaining high properties such as plasma resistance and oxidation resistance.
【0014】本発明は、上記の知見を基に開発されたも
のであり、その目的は耐プラズマ性および耐酸化性など
の化学的安定性に優れたSi分散ガラス状カーボン材を
提供することにある。The present invention has been developed on the basis of the above findings, and an object of the present invention is to provide a Si-dispersed glassy carbon material having excellent chemical stability such as plasma resistance and oxidation resistance. is there.
【0015】[0015]
【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明によるSi分散ガラス状カーボン材は、ガラ
ス状カーボンの組織中にSiが原子レベルで均一に分散
複合し、X線光電子分光法(XPS)による光電子スペ
クトルのピーク値から求めたSi原子の2p軌道の束縛
エネルギーが101〜103eVの範囲にあることを構
成上の特徴とする。In order to achieve the above object, a Si-dispersed glassy carbon material according to the present invention has a structure in which Si is uniformly dispersed and compounded at the atomic level in the structure of glassy carbon, and X-ray photoelectron spectroscopy. It is characterized in that the binding energy of the 2p orbit of the Si atom obtained from the peak value of the photoelectron spectrum by the XPS method is in the range of 101 to 103 eV.
【0016】また、その組織構造は、Si分散ガラス状
カーボンの組織中に実質的に黒鉛構造以外の結晶構造が
存在せず、X線回折法により金属Si及びSi化合物に
帰属する回折線が検出されず、透過型電子顕微鏡(TE
M)の観察によって粒状組織が識別できない組織性状を
備えることを構成上の特徴とする。[0016] The microstructure of the glassy carbon in which Si is dispersed has substantially no crystal structure other than the graphite structure, and diffraction lines belonging to metallic Si and Si compounds are detected by X-ray diffraction. Not a transmission electron microscope (TE
It is characterized in that the granular structure has a texture that cannot be identified by the observation in M).
【0017】[0017]
【発明の実施の形態】本発明のSi分散ガラス状カーボ
ン材は、ガラス状カーボンの組織中にSiが原子レベル
で均一な連続相として分布した組織性状を備えたもので
あり、Siの分散量はガラス状カーボンに対して0.5
〜15wt%の範囲に調整することが好ましい。Siの分
散量が0.5wt%を下回ると充分な化学的安定性を付与
することができず、一方、15wt%を超えるとSiを原
子レベルでガラス状カーボンの組織中に安定分散させる
ことが困難になるためである。BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION The Si-dispersed glassy carbon material of the present invention has a structure in which Si is distributed as a uniform continuous phase at the atomic level in the structure of the glassy carbon. Is 0.5 to glassy carbon
It is preferable to adjust the content to a range of 1515 wt%. If the amount of Si is less than 0.5% by weight, sufficient chemical stability cannot be imparted. On the other hand, if the amount exceeds 15% by weight, Si can be stably dispersed in the glassy carbon structure at the atomic level. Because it becomes difficult.
【0018】このSi原子が均一に分散複合した組織性
状を備えたSi分散ガラス状カーボン材において、耐プ
ラズマ性や耐酸化性のより高位化を図るためには、Si
原子はX線光電子分光法(XPS)による光電子スペク
トルのピーク値から求めたSi原子の2p軌道の束縛エ
ネルギーが101〜103eVの範囲にあることが必要
である。In order to improve the plasma resistance and oxidation resistance of the Si-dispersed glassy carbon material having a textured property in which Si atoms are uniformly dispersed and compounded, it is necessary to use Si
The atoms need to have a binding energy of 2p orbitals of Si atoms determined from a peak value of a photoelectron spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) in a range of 101 to 103 eV.
【0019】X線光電子分光法(XPS)で測定した光
電子スペクトルはSiの結合状態で異なり、光電子スペ
クトルのピーク値は変化する。例えば、Siが金属状態
にあるとき、X線光電子分光法(XPS)による光電子
スペクトルのピーク値から求めたSi原子の2p軌道の
束縛エネルギーは99eVであり、Siが炭化状態にあ
るとき、すなわちSiC中のSi原子の2p軌道の束縛
エネルギーは100.3eV、Siが酸化状態にあると
き、すなわちSiO2 中のSi原子の2p軌道の束縛エ
ネルギーは103.4eVである。一般的に、金属は酸
化されると、束縛エネルギーは増大する傾向がある。The photoelectron spectrum measured by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) differs depending on the bonding state of Si, and the peak value of the photoelectron spectrum changes. For example, when Si is in the metal state, the binding energy of the 2p orbit of the Si atom determined from the peak value of the photoelectron spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is 99 eV, and when Si is in the carbonized state, ie, SiC The binding energy of the 2p orbital of the Si atom in the inside is 100.3 eV, and when Si is in the oxidation state, that is, the binding energy of the 2p orbital of the Si atom in SiO 2 is 103.4 eV. In general, as metals are oxidized, the binding energy tends to increase.
【0020】本発明のSi分散ガラス状カーボン材は、
X線光電子分光法(XPS)による光電子スペクトルの
ピーク値から求めたSi原子の2p軌道の束縛エネルギ
ーを101〜103eVの範囲に設定することにより、
耐プラズマ性や耐酸化性の向上を図るものである。The Si-dispersed glassy carbon material of the present invention comprises:
By setting the binding energy of the 2p orbit of Si atoms determined from the peak value of the photoelectron spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) to a range of 101 to 103 eV,
It is intended to improve plasma resistance and oxidation resistance.
【0021】Si原子の2p軌道の束縛エネルギーが1
01〜103eVの範囲にあると、耐プラズマ性や耐酸
化性が向上し、例えばガスプラズマ中における活性ラジ
カル種に対する耐性が向上し、化学的安定性が高くなる
詳細な理由は不明であるが、以下の機構によるものと推
察される。The binding energy of the 2p orbit of the Si atom is 1
When it is in the range of from 01 to 103 eV, plasma resistance and oxidation resistance are improved, for example, the resistance to active radical species in gas plasma is improved, and the detailed reason why the chemical stability is increased is unknown. It is presumed to be due to the following mechanism.
【0022】すなわち、本発明のSi分散ガラス状カー
ボン材中のSi原子の結合状態は、上述したように金属
状態のSi原子やSiC中のSi原子あるいはSiO2
中のSi原子の結合状態とも異なるものである。したが
って、このような結合状態のSi原子は、ガラス状カー
ボンの組織中に、実質的に金属Si粒子やSiCあるい
はSiO2 などの形態では存在せず、原子レベルのSi
がガラス状カーボン組織中に均一に分散複合した状態で
あることを示していることになる。その結果、ガラス状
カーボン材の消耗時にSiがパーティクルとして脱離す
ることなく、また均一分散したSi原子はガラス状カー
ボンの消耗時の起点となり易い反応活性点を保護するこ
ととなり、化学的安定性の向上に機能するものと考えら
れる。That is, the bonding state of Si atoms in the Si-dispersed glassy carbon material of the present invention is, as described above, Si atoms in a metal state, Si atoms in SiC, or SiO 2.
It is also different from the bonding state of Si atoms in the inside. Therefore, Si atoms in such a bonded state do not substantially exist in the form of metallic Si particles, SiC or SiO 2 in the structure of glassy carbon, and Si atoms at the atomic level are present.
Is in a state of being uniformly dispersed and composited in the glassy carbon structure. As a result, Si is not desorbed as particles when the glassy carbon material is consumed, and the uniformly dispersed Si atoms protect the reactive active sites that are likely to be the starting points when the glassy carbon is consumed, thereby improving chemical stability. It is thought to function to improve
【0023】このように本発明のSi分散ガラス状カー
ボン材の組織構造は、ガラス状カーボンの組織中にSi
成分が微粒子状態で分散することなく、組織内にSiと
Cの粒界が存在しない連続固溶相を呈した組織状態、す
なわち、巨視的にはガラス状カーボン単独の組織構造と
実質的な相違はないが、微視的にはガラス状カーボン組
織の一部がSiに置換結合された複合形態を示してい
る。したがって、その組織構造は、具体的には、Si分
散ガラス状カーボンの組織中に実質的に黒鉛構造以外の
結晶構造が存在せず、X線回折法によるパターン解析に
より金属SiおよびSiCあるいはSiO2 などのSi
化合物に帰属する回折線が検出されず、透過型電子顕微
鏡(TEM)の観察によって粒状組織が識別できない独
特の組織性状を形成しており、耐プラズマ性や耐酸化性
の向上がもたらされる。As described above, the structure of the Si-dispersed glassy carbon material of the present invention is such that the structure of Si
A structural state in which the components are not dispersed in a fine particle state and a continuous solid solution phase in which no Si and C grain boundaries do not exist in the structure, that is, a macroscopically substantial difference from the structural structure of glassy carbon alone However, microscopically, it shows a composite form in which a part of the glassy carbon structure is substitutionally bonded to Si. Thus, the organizational structure, specifically, substantially absent crystal structure other than the graphite structure tissue of Si dispersed glassy carbon, a metal by a pattern analysis by X-ray diffractometry Si and SiC or SiO 2 Such as Si
No diffraction line attributed to the compound is detected, and a unique texture is formed in which the granular structure cannot be identified by observation with a transmission electron microscope (TEM), thereby improving plasma resistance and oxidation resistance.
【0024】本発明のSi分散ガラス状カーボン材は、
熱硬化性樹脂に有機シラン化合物を混合して原料樹脂液
を調製し、原料樹脂液を所望形状に成形し、加熱硬化し
たのち、非酸化性雰囲気下800℃以上の温度で焼成炭
化することにより製造することができる。熱硬化性樹脂
は焼成炭化処理によりガラス状カーボンに転化する炭素
源となるもので、ガラス状カーボン製造用に通常使用さ
れる各種の樹脂、例えばフェノール系樹脂、フラン系樹
脂、ポリイミド系樹脂、エポキシ系樹脂、ポリカルボジ
イミド樹脂、ピレン−フェナントレン樹脂、などを単独
あるいは混合して使用される。The Si-dispersed glassy carbon material of the present invention
An organic silane compound is mixed with a thermosetting resin to prepare a raw resin liquid, the raw resin liquid is molded into a desired shape, and then heat-cured. Can be manufactured. Thermosetting resin is a carbon source that is converted into glassy carbon by firing carbonization treatment, and various resins usually used for glassy carbon production, for example, phenolic resin, furan resin, polyimide resin, epoxy resin A system resin, a polycarbodiimide resin, a pyrene-phenanthrene resin, or the like is used alone or as a mixture.
【0025】また、有機シラン化合物はガラス状カーボ
ン組織中にSiを分散複合化する原料成分であり、有機
シラン化合物を熱硬化性樹脂液中に混合して均一に分散
させて原料樹脂液が調製される。有機シラン化合物とし
ては1分子中に少なくとも1個のSi原子を含み、かつ
そのSi原子に1個以上のO原子が結合する、例えば下
記の一般式で表される有機シラン化合物が用いられる。
但し、下記一般式においてR1 〜R4 はC、H、O、
N、Siのいずれかを含み、かつR1 〜R4 のうちの最
低一つはSi原子と結合する末端にOが存在する有機官
能基である。この場合、1分子中のSi原子の数は3を
超えないことが望ましい。1分子中のSi原子の数が3
を超えるとSi原子の凝集が起こり易くなり、Si成分
がナノレベル、マイクロレベルで凝集して分散するよう
になり結果的にSiを原子レベルで分散させることが困
難となるためである。The organic silane compound is a raw material component for dispersing and compounding Si in a glassy carbon structure, and the organic silane compound is mixed and uniformly dispersed in a thermosetting resin liquid to prepare a raw resin liquid. Is done. As the organic silane compound, an organic silane compound having at least one Si atom in one molecule and having one or more O atoms bonded to the Si atom, for example, represented by the following general formula is used.
However, in the following general formula, R 1 to R 4 are C, H, O,
At least one of R 1 to R 4 containing N or Si is an organic functional group having O at the terminal bonded to the Si atom. In this case, it is desirable that the number of Si atoms in one molecule does not exceed 3. The number of Si atoms in one molecule is 3
When Si exceeds 3, Si atoms are likely to be aggregated, and the Si component is aggregated and dispersed at a nano-level or a micro-level. As a result, it is difficult to disperse Si at an atomic level.
【0026】 [0026]
【0027】このようにして、有機シラン化合物中のS
i含有率、O含有率などを制御し、また、有機シラン化
合物と熱硬化性樹脂の量比を調整して原料樹脂液を調製
することにより、X線光電子分光法(XPS)による光
電子スペクトルのピーク値から求めたSi原子の2p軌
道の束縛エネルギーが101〜103eVの範囲にあ
る、本発明のSi分散ガラス状カーボン材を製造するこ
とができる。As described above, S in the organic silane compound
By controlling the i content, the O content, and the like, and adjusting the quantitative ratio of the organic silane compound to the thermosetting resin to prepare a raw resin solution, the photoelectron spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) can be obtained. The Si-dispersed glassy carbon material of the present invention, in which the binding energy of the 2p orbit of Si atoms determined from the peak value is in the range of 101 to 103 eV, can be produced.
【0028】[0028]
【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して具
体的に説明する。EXAMPLES Examples of the present invention will be specifically described below in comparison with comparative examples.
【0029】実施例1 有機シラン化合物として、3−アミノプロピルトリエト
キシシラン(東芝シリコーン株製、TSL8345 )を用い、
Si含有率が2wt%となるようにフェノール樹脂(住友
デュレズ株製、PR-940)に滴下しながら1時間攪拌混合
した。その後、室温で緩やかに攪拌しながら穏やかな流
動状態で45時間放置して、均質性を高めた。このよう
にして調製した原料樹脂液を成形型に注入し、真空装置
内で脱泡したのち70〜180℃の温度に加熱して硬化
した。得られた硬化成形体を窒素雰囲気に保持した加熱
炉に入れ、1000℃の温度に加熱して焼成炭化し、更
に塩素/ヘリウムの混合ガス雰囲気中で2000℃の温
度に加熱して高純度化処理を施した。このようにしてS
i分散ガラス状カーボン材を製造した。Example 1 As an organic silane compound, 3-aminopropyltriethoxysilane (TSL8345 manufactured by Toshiba Silicone Co., Ltd.) was used.
The mixture was stirred and mixed for 1 hour while being dropped onto a phenol resin (PR-940, manufactured by Sumitomo Durez Corp.) so that the Si content was 2 wt%. Thereafter, the mixture was allowed to stand for 45 hours in a gentle fluidized state with gentle stirring at room temperature to enhance the homogeneity. The raw material resin liquid thus prepared was poured into a molding die, deaerated in a vacuum device, and then heated to a temperature of 70 to 180 ° C. to be cured. The obtained cured molded body is placed in a heating furnace maintained in a nitrogen atmosphere, heated to a temperature of 1000 ° C., calcined and carbonized, and further heated to a temperature of 2000 ° C. in a mixed gas atmosphere of chlorine / helium to achieve high purity. Processing was performed. Thus S
An i-dispersed glassy carbon material was produced.
【0030】実施例2〜3 有機シラン化合物として、3−グリシドキシプロピルメ
チルジメトキシシランを用い、Si含有率が2wt%およ
び7wt%となるようにフェノール樹脂に滴下、混合して
原料樹脂液を調製した他は、実施例1と同じ方法により
Si分散ガラス状カーボン材を製造した。Examples 2-3 Using 3-glycidoxypropylmethyldimethoxysilane as an organic silane compound, the mixture was dropped and mixed with a phenol resin so that the Si content was 2 wt% and 7 wt%, and the raw material resin liquid was mixed. Except for the preparation, a Si-dispersed glassy carbon material was produced in the same manner as in Example 1.
【0031】比較例1 有機シラン化合物を混合することなく、フェノール樹脂
のみを用いて原料樹脂液とした他は、実施例1と同じ方
法によりSi分散ガラス状カーボン材を製造した。Comparative Example 1 An Si-dispersed glassy carbon material was produced in the same manner as in Example 1, except that a raw material resin liquid was used only with a phenol resin without mixing an organic silane compound.
【0032】比較例2 テトラエトキシシランを濃度が50 Vol%になるように
無水エタノールに溶解し、スターラーで30分攪拌した
のち超音波振動装置により2時間分散処理を施した。こ
の溶液にテトラエトキシシランに対して0.03モル相
当量の無水化した酢酸と1モル相当量の水を滴下し、ス
ターラーで1時間攪拌混合してテトラエトキシシランを
加水分解させた。次いで、加水分解後のテトラエトキシ
シランを攪拌しながら、予め無水のエタノールに溶解し
てスターラーで30分攪拌したのち超音波振動装置によ
り2時間分散処理を施したフェノール樹脂液を徐々に添
加し、引き続きスターラーで1時間攪拌して均一になる
まで混合した。この原料樹脂液を用いた他は、実施例1
と同じ方法によりSi分散ガラス状カーボン材を製造し
た。Comparative Example 2 Tetraethoxysilane was dissolved in anhydrous ethanol so as to have a concentration of 50 Vol%, stirred for 30 minutes with a stirrer, and then subjected to a dispersion treatment for 2 hours by an ultrasonic vibrator. To this solution, 0.03 mol equivalent of anhydrous acetic acid and 1 mol equivalent of water were added dropwise to tetraethoxysilane, and the mixture was stirred and mixed for 1 hour with a stirrer to hydrolyze tetraethoxysilane. Then, while stirring the hydrolyzed tetraethoxysilane, the phenol resin liquid previously dissolved in anhydrous ethanol, stirred with a stirrer for 30 minutes, and then subjected to a dispersion treatment for 2 hours with an ultrasonic vibrator was gradually added, Subsequently, the mixture was stirred with a stirrer for 1 hour and mixed until uniform. Example 1 except that this raw material resin liquid was used
A Si-dispersed glassy carbon material was produced in the same manner as in the above.
【0033】比較例3 有機シラン化合物として、ポリシロキサンを用い、Si
含有率が2wt%となるようにフェノール樹脂に滴下、混
合して原料樹脂液を調製した他は、実施例1と同じ方法
によりSi分散ガラス状カーボン材を製造した。Comparative Example 3 Polysiloxane was used as an organosilane compound,
A Si-dispersed glassy carbon material was produced in the same manner as in Example 1, except that a raw material resin liquid was prepared by dropping and mixing the phenol resin so that the content became 2 wt%.
【0034】比較例4 SiO2 粉末(ニラコ株製、SI-507250;粒径 150μm 、
純度99.99%)を、Si含有率が5wt%になるようにフェ
ノール樹脂に混合した他は、実施例1と同じ方法により
Si分散ガラス状カーボン材を製造した。Comparative Example 4 SiO 2 powder (manufactured by Nilaco Co., SI-507250; particle size 150 μm,
(Purity: 99.99%) was mixed with a phenol resin so that the Si content was 5 wt%, and a Si-dispersed glassy carbon material was produced in the same manner as in Example 1.
【0035】比較例5 SiO2 粉末(ニラコ株製、SI-507203;粒径 0.5μm 、
純度98.7% )を用いた他は、比較例4と同じ方法により
Si分散ガラス状カーボン材を製造した。Comparative Example 5 SiO 2 powder (manufactured by Nilaco Co., SI-507203; particle size 0.5 μm,
A Si-dispersed glassy carbon material was produced in the same manner as in Comparative Example 4, except that the purity was 98.7%.
【0036】このようにして製造したSi分散ガラス状
カーボン材について、下記の方法によりSi原子の含有
量、束縛エネルギー、組織性状、耐酸化性および耐プラ
ズマ性などを測定、評価して、その結果を表1に示し
た。The Si-dispersed glassy carbon material thus manufactured was measured and evaluated for the content of Si atoms, binding energy, texture, oxidation resistance, plasma resistance, and the like by the following methods. Are shown in Table 1.
【0037】(1)Si含有量;試料を恒量となるまで灰
化し、JISG1212により測定した。(1) Si content: The sample was ashed to a constant weight and measured according to JIS G1212.
【0038】(2)束縛エネルギー;JEOL製X線光電
子分光装置(JPS-9000MC)を用いて、照射X線;MgK
α(印加条件10kV、20mA)、測定範囲;98〜108e
V、積算回数;20、の測定条件で得られた光電子スペ
クトルを波形分離処理して、ピーク値からSi原子の2
p軌道の束縛エネルギーを測定した。なお、101〜1
03eVの範囲にピーク値が存在しない場合は、最大強
度ピーク値を示した。(2) Binding energy; X-ray irradiation using an X-ray photoelectron spectrometer (JPS-9000MC) manufactured by JEOL; MgK
α (application condition 10 kV, 20 mA), measurement range: 98 to 108 e
V, the number of integrations: 20, the photoelectron spectrum obtained under the measurement conditions of 20 was subjected to waveform separation processing, and 2
The binding energy of the p-orbit was measured. Note that 101 to 1
When there was no peak value in the range of 03 eV, the maximum intensity peak value was shown.
【0039】(3)X線測定;学振法に準拠した方法で金
属SiおよびSi化合物に帰属する回折線の有無を観察
して、結晶性SiおよびSi化合物の有無を確認した。(3) X-ray measurement: The presence or absence of diffraction lines belonging to metallic Si and the Si compound was observed by a method based on the Gakushin method to confirm the presence of crystalline Si and the Si compound.
【0040】(4)TEM観察;試料を切断して、破断面
を300万倍の倍率で無作為に10箇所観察し、粒状構
造の有無を確認した。(4) TEM observation: The sample was cut, and the fractured surface was observed at 10 places at a magnification of 3,000,000 times at random to confirm the presence or absence of a granular structure.
【0041】(5)耐酸化性;マッフル炉を用いて、静止
空気雰囲気中950℃の温度で1時間熱処理した際の重
量減少率を測定した。(試料サイズ ; 15 ×15×2mm )(5) Oxidation resistance: The weight loss rate was measured using a muffle furnace at a temperature of 950 ° C. for 1 hour in a still air atmosphere. (Sample size: 15 x 15 x 2 mm)
【0042】(6)耐プラズマ性;プラズマエッチング装
置(ヤマト科学株製、PR41)に試料をセットして、反応
ガス;CF4 、O2 、反応チャンバー内ガス圧;1.3
×102 Pa、電源周波数;13.5MHzの条件でエ
ッチング処理を行い、単位時間当たりの肉厚減少量を算
出した。(試料サイズ ; 15 ×15×2mm )(6) Plasma resistance; a sample was set in a plasma etching apparatus (PR41, manufactured by Yamato Scientific Co., Ltd.), and reaction gas: CF 4 , O 2 , gas pressure in a reaction chamber; 1.3
Etching was performed under the conditions of × 10 2 Pa and a power supply frequency of 13.5 MHz, and the thickness reduction per unit time was calculated. (Sample size: 15 x 15 x 2 mm)
【0043】[0043]
【表1】 [Table 1]
【0044】表1から、Si原子の束縛エネルギーが1
01〜103eVの範囲にある実施例1〜3のSi分散
ガラス状カーボン材は、酸化消耗による重量減少率およ
びプラズマ処理による肉厚減少量が少なく、耐酸化性お
よび耐プラズマ性に優れていることが認められる。これ
に対して、Si原子を含まない比較例1は重量減少率お
よび肉厚減少量ともに著しく大きく、耐酸化性、耐プラ
ズマ性が劣ることが判る。また、Si原子の束縛エネル
ギーが101〜103eVの範囲内にない比較例2〜5
のSi分散ガラス状カーボン材は、いずれも実施例1〜
3のSi分散ガラス状カーボン材に比べて、酸化消耗に
よる重量減少率およびプラズマ処理による肉厚減少量が
大きいことが認められる。From Table 1, it can be seen that the binding energy of the Si atom is 1
The Si-dispersed glassy carbon materials of Examples 1 to 3 in the range of 01 to 103 eV have a small weight loss rate due to oxidative depletion and a small wall loss rate due to plasma treatment, and are excellent in oxidation resistance and plasma resistance. Is recognized. On the other hand, in Comparative Example 1 containing no Si atom, both the weight reduction rate and the wall thickness reduction amount were remarkably large, indicating that the oxidation resistance and the plasma resistance were poor. Comparative Examples 2 to 5 in which the binding energy of Si atoms is not in the range of 101 to 103 eV.
All of the Si-dispersed glassy carbon materials of Examples 1 to
As compared with the Si-dispersed glassy carbon material of No. 3, the weight reduction rate due to oxidation consumption and the wall thickness reduction amount due to the plasma treatment are larger.
【0045】更に、実施例1〜3のSi分散ガラス状カ
ーボン材の組織性状はSi化合物の結晶構造および粒状
構造が観察されず、原子レベルのSiがガラス状カーボ
ン組織中に均一に分散複合した状態であることを示して
いる。したがって、粒界が存在せず、消耗時にパーティ
クルとして脱離することなく、また均一に分散複合した
Si原子はガラス状カーボンの消耗時の起点となり易い
反応活性点を保護することとなり、耐酸化性および耐プ
ラズマ性が高く、化学的安定性の向上が図られる。一
方、比較例3〜5のSi分散ガラス状カーボン材ではS
i化合物の結晶構造および粒状構造が存在し、消耗時に
パーティクルが発生し易いものであることが判る。Further, as for the structural properties of the Si-dispersed glassy carbon materials of Examples 1 to 3, the crystal structure and granular structure of the Si compound were not observed, and atomic level Si was uniformly dispersed and compounded in the glassy carbon structure. It is in the state. Therefore, there is no grain boundary, Si atoms which are not dispersed as particles at the time of consumption and are uniformly dispersed and compounded protect reaction active sites which are likely to be a starting point at the time of consumption of glassy carbon, and have oxidation resistance. Also, the plasma resistance is high, and the chemical stability is improved. On the other hand, in the Si-dispersed glassy carbon materials of Comparative Examples 3 to 5, S
It can be seen that the i-compound has a crystal structure and a granular structure, and particles are easily generated at the time of consumption.
【0046】[0046]
【発明の効果】以上のとおり、本発明のSi分散ガラス
状カーボン材によれば、ガラス状カーボンの組織中にS
iが原子レベルで均一に分散複合し、X線光電子分光法
(XPS)による光電子スペクトルのピーク値から求め
たSi原子の2p軌道の束縛エネルギーが101〜10
3eVの範囲にあり、また、その組織構造は、Si分散
ガラス状カーボンの組織中に実質的に黒鉛構造以外の結
晶構造が存在せず、X線回折法により金属Si及びSi
化合物に帰属する回折線が検出されず、透過型電子顕微
鏡(TEM)の観察によって粒状組織が識別できない組
織性状を備えたものであるから、耐酸化性や耐プラズマ
性などの化学的安定性が高く、また消耗時にもパーティ
クルの発生が効果的に抑制される。したがって、シリコ
ンウエハーのプラズマエッチング装置やプラズマCVD
装置などの半導体製造装置用の耐熱部材をはじめ、苛酷
な条件下で使用される各種の工業用部材として極めて有
用である。As described above, according to the Si-dispersed glassy carbon material of the present invention, S
i are uniformly dispersed and compounded at the atomic level, and the binding energy of the 2p orbit of the Si atom determined from the peak value of the photoelectron spectrum by X-ray photoelectron spectroscopy (XPS) is 101 to 10
3 eV, and the microstructure of the Si-dispersed vitreous carbon is substantially free from the crystal structure other than the graphite structure.
Diffraction lines belonging to the compound are not detected, and the structure is such that the granular structure cannot be identified by observation with a transmission electron microscope (TEM). Therefore, the chemical stability such as oxidation resistance and plasma resistance is low. In addition, the generation of particles is effectively suppressed even at the time of consumption. Therefore, a silicon wafer plasma etching apparatus or plasma CVD
It is extremely useful as various industrial members used under severe conditions, including heat-resistant members for semiconductor manufacturing equipment such as equipment.
Claims (2)
レベルで均一に分散複合し、X線光電子分光法(XP
S)による光電子スペクトルのピーク値から求めたSi
原子の2p軌道の束縛エネルギーが101〜103eV
の範囲にあることを特徴とするSi分散ガラス状カーボ
ン材。1. Si is uniformly dispersed and compounded at the atomic level in the structure of glassy carbon, and is analyzed by X-ray photoelectron spectroscopy (XP
Si obtained from the peak value of the photoelectron spectrum by S)
The binding energy of the 2p orbit of the atom is 101-103 eV
A Si-dispersed glassy carbon material characterized by the following range:
質的に黒鉛構造以外の結晶構造が存在せず、X線回折法
により金属Si及びSi化合物に帰属する回折線が検出
されず、透過型電子顕微鏡(TEM)の観察によって粒
状組織が識別できない組織性状を備える、請求項1記載
のSi分散ガラス状カーボン材。2. The structure of the Si-containing glassy carbon has substantially no crystal structure other than the graphite structure, and diffraction lines belonging to metallic Si and the Si compound are not detected by the X-ray diffraction method. The Si-dispersed glassy carbon material according to claim 1, wherein the Si-dispersed glassy carbon material has a texture characteristic in which a granular structure cannot be identified by observation with an electron microscope (TEM).
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