JP2006016662A

JP2006016662A - 光不透過性ＳｉＣ成形体及びその製造方法

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Publication number: JP2006016662A
Application number: JP2004195357A
Authority: JP
Inventors: Akihiro Kuroyanagi; 聡浩黒柳; Yuji Ushijima; 裕次牛嶋; Takaomi Sugihara; 孝臣杉原
Original assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Current assignee: Tokai Carbon Co Ltd
Priority date: 2004-07-01
Filing date: 2004-07-01
Publication date: 2006-01-19
Anticipated expiration: 2024-07-01
Also published as: JP4404703B2

Abstract

【課題】耐熱部材として好適に用いられる光不透過性に優れたＣＶＤ−ＳｉＣ成形体及びその製造方法を提供する。
【解決手段】ＣＶＤ法により得られるＣＶＤ−ＳｉＣ成形体であって、平均粒子径２μｍ以下、厚さ１５〜３０μｍの光不透過層４、その上下両側にＳｉＣ（１１１）面のＸ線回折ピークの強度が５０００ｃｐｓ以上に配向した厚さ５〜１５μｍの中間層３、５、及び、その外側に平均粒子径８〜３０μｍ、厚さ１００μｍ以上の光透過層２、６の多層構造からなる光透過性ＳｉＣ成形体。その製造方法はＣＶＤ法によりＳｉＣ被膜を成膜する過程でＣＶＤ反応条件を設定変更して、光透過層２、中間層３、光不透過層４、中間層５、光透過層６を順次に形成する。
【選択図】図１

Description

本発明は、高純度で耐熱性や強度特性に優れ、特に光不透過性が高く、例えば半導体製造用装置の熱処理装置用遮蔽体、均熱リング等の各種耐熱部材、あるいは半導体製造用装置の拡散炉装置、エッチング装置、ＣＶＤ装置などに用いられるダミーウエハやサセプター等の各種部材として好適に用いることのできる光不透過性ＳｉＣ成形体及びその製造方法に関する。

ＳｉＣは耐熱性、耐蝕性、強度特性等の材質特性が優れており、各種工業用の部材として有用されている。特に、ＣＶＤ法（化学的気相蒸着法）を利用して作製したＳｉＣ成形体（ＣＶＤ−ＳｉＣ成形体）は、緻密で高純度であるため半導体製造用の各種部材をはじめ高純度が要求される用途分野において好適に用いられている。

このＣＶＤ−ＳｉＣ成形体は、原料ガスを気相反応させて基材面上にＳｉＣの結晶粒を析出させ、結晶粒の成長により被膜を形成したのち基材を除去することにより得られるもので、材質的に緻密、高純度で組織の均質性が高いという特徴があり、一般に純度が高い程、光透過性が高いことが知られている。

このようにＣＶＤ法によるＳｉＣ成形体は高純度で光透過性が高いため、半導体製造装置や熱処理装置等の各種部材として使用する場合には、用途分野によってはＳｉＣの物理的性質が問題となることがある。例えば、半導体の製造プロセスにはラピッドサーマルプロセス（ＲＴＰ）と呼ばれる急速に熱処理する工程があり、特許文献１ではウエハ基板が高速加熱によっても面内均一性に優れた性状を呈するように遮蔽体としてＳｉＣにより構成することが提案されており、輻射熱に対して不透明な材質性状が要求されている。

また、このＲＴＰではウエハ基板の精確な温度管理が必要となるが、パイロメーターにより測温する場合にはウエハ基板の処理面とは反対の面に黒体キャビティを形成するときにウエハ基板を支持する部材などの光の透過があると外乱光となって精確な温度管理が困難となる問題がある。そのため、特許文献２ではウエハ基板を支持する支持リングをシリコンや酸化珪素とし、支持リングを保持するシリンダはパイロメーターの周波数の範囲で不透明となるようシリコンをコートした石英製とすることが提案されている。

また、プラズマエッチング処理においてウエハのエッチング条件を安定化させるために用いるダミーウエハやＣＶＤ処理においてウエハの条件を安定させるために用いられるダミーウエハには光透過性が小さいことが要求される。ウエハは搬送用ロボットで支持ボートに装着されるが、ウエハの認識はレーザー光を照射することにより行われるので、ウエハの光透過性が高いとロボットがウエハの位置を的確に認識することができず、反応装置内の所定の位置にウエハを装着することが困難となる。また、ダミーウエハに光を照射して、反射光を検出してウエハへのパーティクル付着状態などを検出しているので、光を透過せず十分に反射光が得られることが必要となる。

そこで、特許文献３には含有する金属元素の各々が０．３ppm 以下の高純度を有し、肉厚が０．１〜１mmであるＣＶＤ−ＳｉＣ質プレートで、波長２．５〜２０μｍの赤外線領域における赤外線の最大透過率が５％以下である高純度ＣＶＤ−ＳｉＣ質の半導体熱処理用部材が提案されている。また、特許文献４にはＣＶＤ法によりＳｉＣの層を複数積層して形成した多層ＳｉＣウエハが提案されており、光の透過率が異なる複数のＳｉＣ層を積層すること、光の透過率の小さなＳｉＣ層の両面により光透過率の大きなＳｉＣ層を配置することなどが開示されている。

また、本出願人も光不透過性に優れたＳｉＣ成形体としてＣＶＤ法により得られるＣＶＤ−ＳｉＣ成形体であって、その表面部あるいは内部に少なくとも１層の粒子性状の異なるＳｉＣ層を有し、３００〜２５００nmの波長域における光透過率が０．４％以下、２５００nmを超える波長域における光透過率が２．５％以下であることを特徴とするＳｉＣ成形体及びその製造方法（特許文献５）を提案した。

更に、本出願人はＣＶＤ法により得られるβ型結晶からなるＣＶＤ−ＳｉＣ成形体であって、その表面部あるいは内部に厚さ２〜２０μｍの可視光不透過性ＣＶＤ−ＳｉＣ層が少なくとも１層形成されてなり、３００〜２５００nmの波長域における光透過率が０．４％以下であることを特徴とするＳｉＣ成形体及びその製造方法（特許文献６）を開発、提案した。
特開平０９−２３７７８９号公報特開平０８−２５５８００号公報特開平１０−０１２５６３号公報特開平１１−１２１３１５号公報特開平１１−２２８２３３号公報特開２０００−１１９０６４号公報

本発明者らは、引き続き低光透過性のＣＶＤ−ＳｉＣ成形体の開発について研究を行い、ＳｉＣ成形体の材質組織として光の透過方向を制御して光を散乱・反射させる層を存在させると、より一層光透過性が低減化することを確認した。

すなわち、本発明の目的は、例えば遮蔽体やダミーウエハ等の半導体製造用の各種部材、あるいは熱処理装置用の各種耐熱部材等として好適に用いることのできる高純度で耐熱性や強度特性に優れた光不透過性のＣＶＤ−ＳｉＣ成形体及びその製造方法を提供することにある。

上記の目的を達成するための本発明による光不透過性ＳｉＣ成形体は、ＣＶＤ法により得られるβ型結晶からなるＣＶＤ−ＳｉＣ成形体であって、平均粒子径２μｍ以下、厚さ１５〜３０μｍの光不透過層４、その上下両側にＳｉＣ（１１１）面のＸ線回折ピークの強度が５０００ｃｐｓ以上に配向した厚さ５〜１５μｍの中間層３、５、及び、その外側に平均粒子径８〜３０μｍ、厚さ１００μｍ以上の光透過層２、６の多層構造からなることを構成上の特徴とする。

また、その製造方法は、黒鉛基材面にＣＶＤ法によりＳｉＣ被膜を成膜後黒鉛基材を除去するＣＶＤ−ＳｉＣ成形体の製造方法において、ＳｉＣ被膜を成膜する過程でＣＶＤ反応条件を設定変更して、光透過層２、中間層３、光不透過層４、中間層５、及び、光透過層６を順次形成するＳｉＣ成膜工程からなることを構成上の特徴とする。

更に、他の製造方法としては黒鉛基材面にＣＶＤ法により平均粒子径８〜３０μｍ、厚さ１００μｍ以上のＳｉＣ被膜を成膜後黒鉛基材を除去して得られたＣＶＤ−ＳｉＣ成形体を光透過層２として、該光透過層２面にＳｉＣ被膜を成膜する過程でＣＶＤ反応条件を設定変更して、中間層３、光不透過層４、中間層５、及び、光透過層６を順次形成するＳｉＣ成膜工程を施すことを構成上の特徴とする。

本発明の光不透過性ＳｉＣ成形体によれば、光透過層２、中間層３、光不透過層４、中間層５、光透過層６を順次に積層した多層構造から形成し、各層の粒子性状や（１１１）結晶面の配向度、および、その厚さなどを特定したＳｉＣ成形体から構成され、特に、ＳｉＣ（１１１）結晶面の配向度が高い中間層を介在させて透過光を垂直方向主体に制御することにより、層間の界面における光の反射をより増大させることができるので、光透過率を効果的に低減することが可能となる。更に、この多層構造を複数層に設けると、一層光透過性を低減することができる。また、基材面にＳｉＣ粒子を析出させる際に、ＣＶＤ反応条件を制御することにより、本発明の光不透過性ＳｉＣ成形体を製造することができる。

したがって、本発明は、半導体製造用装置の熱処理装置用遮蔽体、均熱リング等の各種耐熱部材、あるいは半導体製造用装置の拡散炉装置、エッチング装置、ＣＶＤ装置などに用いられるダミーウエハやサセプター等の各種部材として好適な光不透過性ＳｉＣ成形体及びその製造方法として有用性が高い。

本発明の光不透過性ＳｉＣ成形体は、図１に例示した側断面図に示すように、光透過層２の上に中間層３、光不透過層４、中間層５、及び、光透過層６が順次に積層された多層構造から形成されたものであり、この場合は５層構造から構成されている。

これらの各層のうち、光不透過層４は平均粒子径が２μｍ以下のＳｉＣ微粒子から構成される。ＳｉＣの粒子層に光が入射すると光は粒子の表面や粒間の界面で反射、屈折、散乱等が起こり、透過光が減少する。したがって、粒子径が小さいほど粒子の表面や粒間の界面が大きくなり、透過光が減少することになる。そして、本発明はこの光不透過層４を平均粒子径が２μｍ以下の微粒子から構成するものである。平均粒子径が２μｍを越えると光透過率の低下が十分でなくなるためである。また光不透過層４は１５〜３０μｍの厚さに形成される。厚さが１５μｍ未満では光不透過性の効果が十分でなく、また３０μｍを越える層厚にすると、成膜速度が遅いので生産性が低下するうえに耐熱衝撃性も低くなる。

この光不透過層４の上下両側には、ＳｉＣ（１１１）面のＸ線回折ピークの強度が５０００ｃｐｓ以上に配向した厚さ５〜１５μｍの中間層３、５が形成されている。すなわち中間層３、５はＳｉＣ（１１１）の結晶面が高度に発達したＳｉＣ層であり、この中間層により透過光の方向は垂直方向主体に制御される。そして、中間層３を透過した光は、平均粒子径が２μｍ以下の微粒子からなる光不透過層４の界面及び光不透過層４と中間層５の界面において光の反射が増大するため、さらに光透過率の低下を図ることができる。

Ｘ線回折ピークの強度が５０００ｃｐｓを下回る場合には、ＳｉＣ（１１１）面の配向度が小さいために垂直方向への光の制御が十分でないので、界面における透過光の減少効果も小さくなる。また、中間層３、５の厚さは５〜１５μｍに設定する。厚さが５μｍ未満では透過光の垂直成分が少ないので光不透過層４との界面における光の反射が十分でなくなるためであるが、一方、厚さが１５μｍを越えるとＳｉＣ（１１１）面へ高度に配向しているため、機械的強度の低下や熱衝撃による剥離が生じ易くなるためである。

なお、Ｘ線回折ピークの強度はＸ線にＣｕのＫα線を用いて、印加電圧；４０ＫＶ、印加電流；２０ｍＡ、走査速度；４°／分、発散スリット；１°入射スリット；１°、散乱スリット；０．３ｍｍ、フィルター；Ｎｉ、の条件でＸ線回折を行って、回折ピーク値より求める。

この中間層３、５の外側には平均粒子径８〜３０μｍ、厚さ１００μｍ以上の光透過層２、６が形成されている。この光透過層は、本発明の光不透過性ＳｉＣ成形体の強度を保持するためと生産能率を維持するために形成させるもので、光不透過層４及び中間層３、５等はその粒子性状等から強度が低く、またその成膜条件もＣＶＤ反応を遅くする条件設定が必要となる。そこで、ＣＶＤ法により析出したＳｉＣ粒を十分に成長させてＳｉＣ被膜を成膜させ、強度を維持させるとともに成膜速度を上げるために平均粒子径が８〜３０μｍのＳｉＣ被膜を１００μｍ以上の厚さに成膜した光透過層２、６を設けた多層構造とする。

このように本発明の光不透過性ＳｉＣ成形体は、平均粒子径が２μｍ以下の微細粒子からなる光不透過層４により、微細粒子による光の反射、屈折、散乱される度合が増大して透過光を著しく低減することができる。更に、光不透過層４の上下両側に形成したＳｉＣ（１１１）面のＸ線回折ピークの強度が５０００ｃｐｓ以上と高度に配向した中間層３、５により、中間層を透過する光は主に中間層に垂直方向の光成分となり、この透過光が光不透過層４の界面において反射、屈折、散乱する度合がより一層増大することにより、光透過率の一層の低減化を図ることが可能となる。更に、平均粒子径を８〜３０μｍ、厚さを１００μｍ以上に形成した光透過層２、６により十分な強度を有する自立したＣＶＤ−ＳｉＣ成形体とすることができる。

更に、図２に示すように、図１に示した多層構造を繰り返した複数層に設けることにより、光不透過性を一層向上させることもできる。なお、図２の符号番号は図１と同じである。

本発明の光不透過性ＳｉＣ成形体、例えば、図１に示した光不透過性ＳｉＣ成形体の製造は図３に示した工程図のように、黒鉛基材面にＣＶＤ法によりＳｉＣ被膜を成膜後黒鉛基材を除去するＣＶＤ−ＳｉＣ成形体の製造方法において、ＳｉＣ被膜を成膜する過程でＣＶＤ反応条件を設定変更して、光透過層２、中間層３、光不透過層４、中間層５、及び、光透過層６を順次形成するＳｉＣ成膜工程により製造することができる。

なお、図３の工程図において、Ａのプロセスを繰り返すことにより図１の多層構造を複数層に設けた図２に示す光不透過性ＳｉＣ成形体を製造することができる。

あるいは、図４に示した工程図のように、黒鉛基材面にＣＶＤ法により平均粒子径８〜３０μｍ、厚さ１００μｍ以上にＳｉＣ被膜を成膜した後、黒鉛基材を除去して得られた光透過層２を基材として、該基材にＣＶＤ反応条件を設定変更して、中間層３、光不透過層４、中間層５、及び、光透過層６を順次形成するＳｉＣ成膜工程を施すことにより製造することもできる。

また、図４の工程図において、Ｂのプロセスを繰り返すことにより図１の多層構造を複数層に設けた図２に示す光不透過性ＳｉＣ成形体を製造することもできる。

ＣＶＤ法によるＳｉＣ被膜の形成は、ＣＶＤ反応炉内に例えば黒鉛基材をセットし、系内の空気を排気したのち所定の温度に加熱保持し、次いで水素ガスを送入して常圧水素ガス雰囲気に置換した後、水素ガスをキャリアガスとして、トリクロロメチルシラン、トリクロロフェニルシラン、ジクロロメチルシラン、ジクロロジメチルシラン等のハロゲン化有機珪素化合物を原料ガスとして送入し、還元熱分解反応によりＳｉＣを気相析出させて黒鉛基材面にＳｉＣ被膜を被着する方法、あるいは、四塩化珪素等の珪素化合物とメタン等の炭素化合物との原料ガスを送入して加熱し、気相反応によりＳｉＣを気相析出させて黒鉛基材面にＳｉＣ被膜を被着する方法、で行われる。

ＳｉＣ被膜の形成プロセスは、先ず、原料ガスが気相反応して基材面上にＳｉＣの核が生成し、このＳｉＣ核が成長してアモルファス質ＳｉＣになり、更に微細な多結晶質ＳｉＣ粒を経て柱状形態の結晶組織へ成長を続けて、ＳｉＣ被膜が形成される。したがって、ＣＶＤ−ＳｉＣ成形体の強度特性、熱的特性、光特性等の性状は基体面上に析出して形成されたＳｉＣ被膜の粒子性状により異なったものとなる。

このＳｉＣ被膜を形成する成膜過程において、例えば、ＳｉＣ核の生成速度はＣＶＤ反応温度、原料ガス濃度、原料ガス量等に影響されるところが大きく、またＳｉＣ核の成長及び柱状結晶組織への粒成長は主に反応温度に影響される。そして、微細粒子からなるＳｉＣ被膜の形成はＣＶＤ反応温度を低温域に設定することにより、また柱状形態の大粒子からなるＳｉＣ被膜の形成はＣＶＤ反応温度を高温域に設定することにより形成することができる。

すなわち、ＳｉＣ被膜を形成する成膜過程において、ＣＶＤ反応条件を設定変更することにより光透過層２、６、中間層３、５、光不透過層４を形成することが可能となる。

例えば、平均粒子径８〜３０μｍ、厚さ１００μｍ以上の光透過層２、６の形成は、原料ガス濃度、原料ガス量、反応炉内圧力等を一定に保持した状態で、反応温度範囲を１３５０〜１４５０℃に設定して適宜時間反応させることにより、柱状組織のＳｉＣ粒子からなるＳｉＣ被膜に成膜することができる。

また、ＳｉＣ（１１１）面のＸ線回折ピークの強度が５０００ｃｐｓ以上に配向した厚さ５〜１５μｍの中間層３、５は反応温度範囲を１２００〜１３５０℃に設定して、一定温度で適宜時間反応させる方法、あるいはこの温度範囲で昇温あるいは降温させて適宜時間反応させる方法で形成することができる。

また、平均粒子径２μｍ以下、厚さ１５〜３０μｍの光不透過層４は反応温度範囲を１０５０〜１２００℃に設定して適宜時間反応させることにより、微細な多結晶質ＳｉＣ粒の柱状結晶粒子への成長を阻止する段階で止める方法で形成することができる。

以下、本発明の実施例を具体的に説明する。

実施例１
嵩密度１．８ g/cm³、熱膨張係数４．３×１０^-6／Ｋ、灰分２０ ppm以下の等方性黒鉛材を直径２０２mm、厚さ５mmに加工して黒鉛基材を作製した。この黒鉛基材をＣＶＤ反応装置の石英反応管内にセットして、系内を水素ガスで置換後、原料ガスにトリクロロメチルシランを、キャリアガスに水素ガスを用いて、混合ガス中のトリクロロメチルシランの濃度を７．５ vol％に、混合ガスの流量を２００ l/minとなるように流量調節して反応管内に送入した。ＣＶＤ反応温度を１４００℃に保持して１０時間ＣＶＤ反応を行って、厚さ４００μｍのＳｉＣ被膜（光透過層２）を成膜した。

次いで、反応管内の温度を１２５０℃に下げ、０．２５時間ＣＶＤ反応を行って、厚さ５μｍのＳｉＣ被膜（中間層３）を成膜し、その後、反応管内の温度を１１００℃に下げて２時間ＣＶＤ反応を行って、厚さ２０μｍのＳｉＣ被膜（光不透過層４）を成膜した。更に、反応管内の温度を１２５０℃に上げて０．２５時間ＣＶＤ反応を行い、厚さ５μｍのＳｉＣ被膜（中間層５）を成膜した後、反応管内の温度を１４００℃に上げて１０時間ＣＶＤ反応を行って、厚さ４００μｍのＳｉＣ被膜（光透過層６）を成膜した。次いで、黒鉛基材を燃焼除去した後、研磨加工して表面を平滑化して、直径２００mmの図１に示した５層構造からなるＳｉＣ成形体を製造した。

実施例２
実施例１において、中間層３及び中間層５となるＳｉＣ被膜を成膜するＣＶＤ反応時間を０．５時間として、厚さ１０μｍのＳｉＣ被膜を成膜した他は、全て実施例１と同じ方法により、図１に示した５層構造からなるＳｉＣ成形体を製造した。

比較例１
実施例１において、中間層３及び中間層５となるＳｉＣ被膜の形成を行わずに、すなわち、光透過層２となるＳｉＣ被膜を成膜した後、その上に光不透過層４となるＳｉＣ被膜を成膜し、次いで光透過層６を成膜した他は、全て実施例１と同じ方法により、３層構造からなるＳｉＣ成形体を製造した。

このようにして製造した多層構造のＳｉＣ被膜からなるＳｉＣ成形体の、各ＳｉＣ被膜の性状を表１に示した。

次に、これらのＳｉＣ成形体について、下記の方法により光透過率、耐薬品性、及び熱衝撃試験を行って、その結果を表２に示した。

光透過率の測定：
厚さ５ｍｍの金属アルミニウム板を標準試料として、島津製作所製自記分光光度計を用いて光透過率を測定し、下記式により算出した。
Ｔ＝Ｂ−Ａ
ここで、Ｔ；ＳｉＣ成形体の光透過率
Ａ；金属アルミニウム板の光透過率測定値
Ｂ；ＳｉＣ成形体の光透過率測定値

耐薬品性の測定：
濃度４９ｗｔ％のフッ酸と濃度６２ｗｔ％の硝酸との混合液に、常温でＳｉＣ成形体を２４時間浸漬した後、水洗、乾燥して外観を目視観察および重量変化率を測定した。目視観察は色、変形、剥離などを観察し、また、重量変化率は０．０１％未満を変化無しとした。

熱衝撃試験：
空気中で１２００℃の温度に保持した電気炉内にＳｉＣ成形体を入れて、ＳｉＣ成形体の温度が１２００℃になった時点より２分間保持した。その後、ＳｉＣ成形体を電気炉から取り出して空気中で２００℃まで自然冷却した。この加熱保持、冷却する操作を繰り返し行い、最高３００回まで繰り返し行った時に、ＳｉＣ成形体に生じた割れ、剥離の状況を観察した。

光透過層２、中間層３、光不透過層４、中間層５、光透過層６が順次に積層された多層構造からなる本発明の光不透過性ＳｉＣ成形体の側断面図である。図１の多層構造を、複数層に設けた本発明の光不透過性ＳｉＣ成形体を例示した側断面図である。本発明の光不透過性ＳｉＣ成形体の製造方法を例示した工程図である。本発明の光不透過性ＳｉＣ成形体の他の製造方法を例示した工程図である。

符号の説明

１光不透過性ＳｉＣ成形体
２光透過層
３中間層
４光不透過層
５中間層
６光透過層

Claims

ＣＶＤ法により得られるβ型結晶からなるＣＶＤ−ＳｉＣ成形体であって、平均粒子径２μｍ以下、厚さ１５〜３０μｍの光不透過層４、その上下両面にＳｉＣ（１１１）面のＸ線回折ピークの強度が５０００ｃｐｓ以上に配向した厚さ５〜１５μｍの中間層３、５、及び、その外側に平均粒子径８〜３０μｍ、厚さ１００μｍ以上の光透過層２、６の多層構造からなることを特徴とする光不透過性ＳｉＣ成形体。
請求項１の光不透過層４、中間層３、５、及び、光透過層２、６からなる多層構造を複数層に設ける光不透過性ＳｉＣ成形体。
黒鉛基材面にＣＶＤ法によりＳｉＣ被膜を成膜後黒鉛基材を除去するＣＶＤ−ＳｉＣ成形体の製造方法において、ＳｉＣ被膜を成膜する過程でＣＶＤ反応条件を設定変更して、光透過層２、中間層３、光不透過層４、中間層５、及び、光透過層６を順次形成するＳｉＣ成膜工程からなることを特徴とする請求項１記載の光不透過性ＳｉＣ成形体の製造方法。
請求項３のＳｉＣ成膜工程を複数回繰り返し行う請求項２の光不透過性ＳｉＣ成形体の製造方法。
黒鉛基材面にＣＶＤ法により平均粒子径８〜３０μｍ、厚さ１００μｍ以上のＳｉＣ被膜を成膜後黒鉛基材を除去して得られたＣＶＤ−ＳｉＣ成形体を光透過層２として、該光透過層２面にＳｉＣ被膜を成膜する過程でＣＶＤ反応条件を設定変更して、中間層３、光不透過層４、中間層５、及び、光透過層６を順次形成するＳｉＣ成膜工程を施すことを特徴とする請求項１記載の光不透過性ＳｉＣ成形体の製造方法。
請求項５のＳｉＣ成膜工程を複数回繰り返し行う請求項２の光不透過性ＳｉＣ成形体の製造方法。