JP2007012933A - 半導体製造装置用部材及び半導体製造装置 - Google Patents

Abstract

【課題】高品位の半導体等を製造することができる半導体製造装置用部材を提供する。
【解決手段】半導体製造装置１０は反応容器１１内にある基板１９を載置するサセプタ１２と前記サセプタ１２を加熱するヒータ１３を備えているが、前記サセプタ１２は炭素材料からなり、少なくともガス導入管１４ａから導入される原料ガスと接する面に熱分解炭素層が形成されており、上記原料ガスと接する面のぬれ張力が、６２ｍＮ／ｍ以上にしてある。これにより原料ガスによるパーティクルを熱分解炭素層に付着させることが出来て剥離・飛散を防止し又クリーニングも大気開放することなく行える。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造装置用部材及び半導体製造装置に関する。

従来、半導体の形成や、半導体ウエハ上へのエピ層の形成においては、ＭＯＣＶＤ（有機金属化学気相成長）、ＭＯＶＰＥ（有機金属化学気相エピタキシャル成長）等に使用されるＣＶＤ装置、ＭＢＥ（分子線エピタキシヤル成長）装置等が用いられており、これらの装置内を構成する部材やこれらの装置で使用される冶具には、炭素材料からなるものや、炭素材料の表面がＳｉＣにより被覆されたものが用いられている。

これらのＣＶＤ装置等の装置では、半導体の形成や、半導体ウエハ上へのエピ層の形成を行う際に、通常、７００〜１２００℃程度の高温下で原料となる有機金属ガスや水素ガス、アンモニアガス等が用いられる。

具体的には、例えば、ＭＯＣＶＤ法を用いてＧａＮからなる化合物半導体を形成する場合 には、原料ガスとしてトリメチルガリウム（ＴＭＧ）、キャリアガスとして水素ガス、反応性ガスとしてアンモニアガスを用い、基板を載置し、１１００℃に加熱されたＣＶＤ装置内にこれらのガスを供給し、基板上にＧａＮを成長させる方法が用いられている。
また、化合物半導体が形成されることとなる基板は、ＭＯＣＶＤ装置内において、通常、サセプタによって、固定されている。

このような製造方法により、ＧａＮからなる化合物半導体を形成する場合、基板上にＧａＮの単結晶が成長すると同時に、サセプタやその他装置を構成する部材の表面においてもＧａＮの結晶が成長する。そのため、サセプタやその他装置を構成する部材を繰り返し使用した場合には、このサセプタの表面やその他装置を構成する部材、特に原料ガスと接することとなる面に多量のＧａＮが付着することとなる。

このような状態でサセプタやその他装置を構成する部材を使用し続けた場合、ＧａＮ単結晶の成長中に、サセプタやその他装置を構成する部材の表面に付着していたＧａＮが脱落し、パーティクルとなって、基板上のＧａＮ中に混入してしまうことがあった。このように、サセプタやその他装置を構成する部材の表面に付着していたＧａＮが、基板上のＧａＮ中に混入してしまうと、基板上で成長中のＧａＮが均一な単結晶となることを妨げてしまうという問題が発生することがあった。

また、サセプタやその他装置を構成する部材の表面に、ＧａＮ等からなる化合物半導体が付着した場合、サセプタ表面やその他装置を構成する部材の輻射率が変化するため、基板の熱的環境が変化し、基板上で成長中のＧａＮが均一な単結晶となることを妨げてしまうと言う問題が発生することがあった。更には、サセプタやその他装置を構成する部材の嵌合精度が悪化するという問題が発生することがあった。

また、サセプタやその他装置を構成する部材の表面に、ＧａＮ等からなる化合物半導体が付着した場合、上述したような問題が発生しないよう、サセプタやその他装置を構成する部材を定期的にクリーニングする必要がある。しかしながら、サセプタやその他装置を構成する部材とその表面に付着したＧａＮ等との接合は強固であり、その除去は容易ではなかった。そのため、ドライクリーニング後にＭＯＣＶＤ装置を大気開放しサセプタやその他装置を構成する部材を取り外して清掃する必要があった。

ＭＯＣＶＤ装置を大気開放しサセプタやその他装置を構成する部材を清掃するためには、装置を停止する必要があり化合物半導体の生産効率が悪化する問題がある。また一度ＭＯＣＶＤ装置を大気開放すると空気中の水分等を吸着し、空焼き等を繰り返さないと基板上で成長中のＧａＮが均一な単結晶となることを妨げてしまうと言う問題が発生し、更に生産効率が悪化する問題があった。

本発明者等は、上述した問題点を解決するために鋭意検討した結果、半導体製造装置用部材の原料ガスと接する面がＪＩＳ Ｋ ６７６８ ぬれ張力試験方法に準拠して測定し、濡れやすいものであれば、原料ガスに起因するパーティクル等をその表面に付着させることができ、この半導体製造装置用部材を繰り返し使用する場合に、半導体製造装置を大気開放することなく、その表面をドライクリーニングのみでクリーニングすることが可能であり、常に所定品位の半導体等を製造することができることを見出し、本発明の半導体製造装置用部材を完成した。
また、併せて、上記半導体製造装置用部材を用いた半導体製造装置についても発明を完成した。

本発明の半導体製造装置用部材は、炭素材料からなり、
少なくとも原料ガスと接する面に熱分解炭素層が形成されており、
上記原料ガスと接する面のぬれ張力が、６２ｍＮ／ｍ以上であることを特徴とする。

上記半導体製造装置用部材において、上記原料ガスと接する面には、研磨処理、プラズマ処理及びブラスト処理のうちの少なくとも１種の処理が施されていることが望ましい。

本発明の半導体製造装置は、本発明の半導体製造装置用部材を用いた半導体製造装置であって、
その装置の基板を保持する構造がフェースアップ構造であることを特徴とする。

本発明の半導体製造装置用部材は、少なくとも原料ガスと接する面のぬれ張力が、６２ｍＮ／ｍ以上である。このようなぬれ張力を有する面には、半導体の製造に用いる原料ガスや反応性ガスに起因するパーティクルがしっかりと付着し、再度、パーティクルとなって浮遊することはない。そのため、本発明の半導体製造装置用部材を用いて、半導体の製造を行った場合、原料ガス等に起因するパーティクルが半導体製造装置用部材でトラップされることとなり、成長過程や成長後の半導体中に混入することがなく、高品位の半導体を製造することができる。また、この半導体製造装置用部材を繰り返し使用する場合に、半導体製造装置を大気開放することなく、その表面をドライクリーニングのみでクリーニングすることが可能であり、所定品位の半導体等を製造することができる。また、同様の理由で、本発明の半導体製造装置用部材を用いることにより、半導体ウエハ上に、高品位のエピ層を形成することもできる。

また、半導体製造装置を大気開放することなく、その表面をドライクリーニングのみでクリーニングすることが可能なため、化合物半導体の生産効率を向上することができる。

また、本発明の半導体製造装置は、本発明の半導体製造装置用部材を用いており、その装置の基板を保持する構造がフェースアップ構造である。上記半導体製造装置用部材の原料ガスと接する面が上向きに配置されているため、原料ガス等に起因するパーティクルを吸着し、その後、吸着されたパーティクルが剥離・飛散して、成長過程や成長後の半導体やエピ層中に混入することがなく、高品位の半導体やエピ層を製造することができる。

本発明の半導体製造装置用部材は、炭素材料からなり、
少なくとも原料ガスと接する面に熱分解炭素層が形成されており、
上記原料ガスと接する面のぬれ張力が、６２ｍＮ／ｍ以上であることを特徴とする。

本発明の半導体製造装置用部材は、炭素材料からなるものであり、その具体例としては、例えば、黒鉛、ガラス状炭素等が挙げられる。これらのなかでは、黒鉛が望ましく、特に、熱分解炭素層との親和性に優れるＣ／Ｃコンポジットや高純度等方性黒鉛が望ましい。

上記炭素材料の２０℃〜４００℃における平均熱膨張係数は、１．３×１０^−６〜６．０×１０^−６（／℃）であることが望ましい。上記平均熱膨張係数が上記範囲外にある場合には、本発明の半導体製造装置用部材について、加熱、冷却を繰り返し行った際に、熱分解炭素層が炭素材料の表面から頻繁に剥離したり、クラックが発生したりすることがあるからである。これに対し、上記平均熱膨張係数が上記範囲内にある場合には、炭素材料の熱膨張係数と熱分解炭素層の熱膨張係数との差が小さく、熱分解炭素層でのクラックの発生を防止することができる。

上記炭素材料の大きさ、形態は特に限定されず、用途に応じて種々の大きさ、形態をとってもよい。
また、上記炭素材料の表面は、粗面であることが望ましい。アンカー効果により、その表面に形成される熱分解炭素層との密着性が向上することとなるからである。
上記炭素材料の表面の面粗度は、Ｒａで２〜５μｍであることが好ましい。

また、上記炭素材料における不純物の含有量は、全灰分が１０ｐｐｍ以下であることが望ましく、５ｐｐｍ以下であることがより望ましい。
不純物の含有量が上記範囲を超えると、化学蒸着（ＣＶＤ）法により熱分解炭素層を形成する際に、炭素材料の不純物が熱分解炭素層の中に混入し、熱分解炭素層の純度が悪化したり、不純物と化学反応を起こし、これを起点とした消耗やクラックが生じたりしてしまうおそれがあるからである。

また、上記半導体製造装置用部材を用いる半導体製造装置としては特に限定されず、例えば、ＭＯＣＶＤ、ＭＯＶＰＥ等に使用されるＣＶＤ装置、ＭＢＥ装置、昇華法に使用される単結晶成長装置等が挙げられる。

本発明の半導体製造装置用部材において、上記炭素材料の少なくとも原料ガスと接する面には、熱分解炭素層が形成されている。
上記熱分解炭素層の形成方法としては特に限定されず、例えば、化学蒸着（ＣＶＤ）法等が挙げられる。

ＣＶＤ法としては、例えば、常圧または減圧下で炭素材料を８００〜２６００℃に加熱しておき、水素ガスやアルゴンガスをキャリアとして、炭素の原料であるメタン（ＣＨ_４）等の炭化水素を供給し、熱分解炭素を炭素材料に堆積させる方法等が挙げられる。
また、上記熱分解炭素層は、１層からなるものであってもよいし、２層以上からなるものであってもよい。
なお、上記熱分解炭素層は、炭素材料の表面全体に形成されていてもよいし、その一部にのみ形成されていてもよい。

上記熱分解炭素層の厚さは、その下限が１０μｍで、その上限が２００μｍであることが望ましい。また、上記熱分解炭素層の厚さのより望ましい下限は３０μｍであり、より望ましい上限は１００μｍである。
上記熱分解炭素層の厚さが１０μｍ未満であると、熱分解炭素層の厚さが薄すぎるため、不完全な熱分解炭素層となり、還元性ガスや反応性ガスとの反応が進行することがあり、一方、２００μｍを超えると、炭素材料と熱分解炭素層との熱膨張係数の違い等に起因して、熱分解炭素層の層間剥離や炭素材料との剥離が生じやすくなり、また、製品のコスト上昇を招くこととなる。

上記半導体製造装置用部材は、少なくとも原料ガスと接する面のぬれ張力が、６２ｍＮ／ｍ以上である。
上記ぬれ張力が、６２ｍＮ／ｍ未満であると、化合物半導体単結晶の成長中に、原料ガスが半導体製造装置用部材表面でパーティクルとなって、基板上の化合物半導体単結晶中に混入し、高品位の半導体等の製造を妨げることとなるからである。

上記ぬれ張力の望ましい下限は６７ｍＮ／ｍであり、望ましい上限は測定の上限である７３ｍＮ／ｍ以上である。
その理由は、ぬれ張力が、６７ｍＮ／ｍ以上であると、原料ガスに起因するパーティクル等をその表面に付着させることができ、この半導体製造装置用部材を繰り返し使用する場合に、半導体製造装置を大気開放することなく、その表面をドライクリーニングのみでクリーニングすることが可能であり、常に所定の品位の半導体等を製造することができるからである。
本明細書において、上記ぬれ張力とは、ＪＩＳ Ｋ ６７６８ ぬれ張力試験方法に準拠して測定した値を言う。

上記原料ガスと接する面には、研磨処理、プラズマ処理及びブラスト処理のうちの少なくとも１種の処理が施されていることが望ましい。
上記原料ガスと接する面のぬれ張力を上記範囲にするのに、適しているからである。

研磨処理、プラズマ処理及びブラスト処理としては、従来公知の方法を用いることができ、その処理条件は、原料ガスと接する面のぬれ張力を考慮して適宜選択すればよい。
具体的には、例えば、研磨処理を行う場合には、研磨装置やラッピング装置等の装置を用いたり、手加工により行う方法がよい。例えば、研磨布にアルミナ、ＳｉＣ等の砥粒懸濁液を染み込ませて表面を擦ることで処理することができる。

また、プラズマ処理を行う場合には、マイクロ波プラズマ装置を用いて酸素、窒素、アルゴン、水素等あるいは、その混合ガスを導入し、出力、時間を調整し行う方法がよい。

また、ブラスト処理を行う場合には、ブラスト装置を用いてアランダム、ガラスビーズ、樹脂、木等の粉末からなる砥粒を選択し、砥粒サイズ、噴き付け圧力、時間を調整し行う方法がよい。

上記炭素材料の平均気孔半径の下限は、０．５μｍが望ましく、上限は５μｍが望ましい。上記平均気孔半径が０．５μｍ未満では、いわゆるアンカー効果が充分に発揮されず、熱分解炭素層が剥離しやすい傾向にあり、５μｍを超えると、その表面に形成された熱分解炭素層の凹凸が大きくなり、還元性ガスや反応性ガスとの反応が進行することがあったり、微小な部位に応力が集中し、熱分解炭素層が剥離しやすい傾向にあるからである。

なお、本明細書において、平均気孔半径とは、水銀ポロシメータにより、最大圧力９８ＭＰａ、試料と水銀の接触角１４１．３℃の条件で気孔容積を求めたときに、累積気孔容積の半分値となる気孔容積に対応する気孔半径の値であるものとする。

次に、上記半導体製造装置用部材の製造方法について説明する。
まず、炭素材料の原料粉末を調製する。具体的には、炭素原料の粉砕、整粒を行い、粉砕粒子を様々な粒度に分けた後、複数の粒度の粉末を組み合わせて原料粉末を調製する。
上記炭素原料としては、例えば、コークス、天然黒鉛、人造黒鉛等が挙げられる。

次に、この原料粉末に結合材を添加して混捏し、必要により再粉砕した後、ＣＩＰ成形、形込め成形、押し出し成形等の成形方法を用いて所定形状の成形体を作製する。
上記結合材としては、例えば、ピッチ、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリビニルアルコール等が挙げられる。
また、例えば、上記ＣＩＰ成形を行う場合、その成形圧力は、８０〜１５０ＭＰａ程度が望ましい。

次いで、成形体を、熱処理中の変形と酸化を防ぐため、コークス粉等のパッキング材中に埋めこんで、還元雰囲気下、１０００℃前後で加熱焼成処理を行い、炭素材料を製造する。また、必要により、さらに２６００〜３２００℃程度で加熱して黒鉛化工程を行うことにより黒鉛からなる炭素材料としてもよい。
なお、炭素材料の製造方法としては、上述した方法に限定されるわけではなく、他の方法を用いて製造してもよい。

次に、得られた炭素材料を所定の形状に加工する。
具体的な加工方法は特に限定されないが、切削液による汚染を防止するため、乾式による切削加工や研削加工が望ましい。
上述のようにして製造した炭素基材には、ハロゲンガス等により高純度化処理を施すことが望ましい。

次に、完成後に原料ガスと接することとなる面に熱分解炭素層を形成する。
上記熱分解炭素層の形成は、上述した方法で行うことができる。
さらに、完成後に原料ガスと接することとなる面（熱分解炭素層を形成した面）のぬれ張力を調整する。具体的には、研磨処理、プラズマ処理、ブラスト処理等を施すことにより調整することができる。また、熱分解炭素層の形成及びぬれ張力の調整は、炭素材料の表面全体について行ってもよい。

次に、本発明の半導体製造装置について説明する。
本発明の半導体製造装置は、本発明の半導体製造装置用部材を用いた半導体製造装置であって、
その装置の基板を保持する構造がフェースアップ構造であることを特徴とする。

以下、本発明の半導体製造装置について、図面を参照しながら説明する。
図１（ａ）は、本発明の半導体製造装置を模式的に示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した半導体製造装置を構成するサセプタのみを示した拡大断面図である。

図１に示す半導体製造装置１０は、ＭＯＣＶＤに使用されるＣＶＤ装置であって、反応容器１１内に、基板を載置するためのサセプタ１２と、このサセプタ１２を加熱するためのヒータ１３を備えている。
サセプタ１２は、モータ１５に接続された回転体１７により支持されており、一定速度で回転することができるように構成されている。

また、反応容器１１の側方及び上方には、原料ガス、反応性ガス、キャリアガスを反応容器１１内に導入するためのガス導入管１４ａ、１４ｂが配設されている。
さらに、反応容器１１の側方下部には、反応容器１１内のガスを外部に放出するための排気ポンプ１６及び排気管１８が配設されている。

このような構成からなる半導体製造装置１０において、サセプタ１２やその他装置を構成する部材として、本発明の半導体製造装置用部材が用いられている。
従って、サセプタ１２は、その一の主面１２ａのぬれ張力が、６２ｍＮ／ｍ以上である。
そして、基板を保持する構造がフェースアップ構造であり、この主面１２ａが上向きに配置されている。

このような装置を用いて、ＭＯＣＶＤ法により基板１９上に化合物半導体を形成する場合、具体的には、例えば、ガス導入管１４ａから原料ガスを供給し、ガス導入管１４ｂから反応性ガス及びキャリアガスを供給して化合物半導体を形成する場合、未反応の原料ガスに起因するパーティクルは、原料ガスと接する面、即ち、サセプタの上面にしっかりと付着し、再び、パーティクルとなることはない。

そのため、上記サセプタを用いた場合、未反応の原料ガスに起因するパーティクルが脱落して、成長過程や成長後の半導体やエピ層中に混入することがなく、高品位の半導体やエピ層を製造することができる。

なお、本発明の半導体製造装置は、ＣＶＤ装置に限定されるわけではなく、その具体例としては、例えば、ＭＯＣＶＤ、ＭＯＶＰＥ等に使用されるＣＶＤ装置、ＭＢＥ装置、昇華法に使用される単結晶成長装置等が挙げられる。

以下に実施例を掲げて、本発明を更に詳しく説明するが、本発明はこれらの実施例のみに限定されるものではない。
（実施例１：図１（ｂ）参照）
炭素材料として上述した方法で製造した等方性黒鉛材料（イビデン社製、商品名 ＥＴ−１０）を用い、これを切削することにより、直径３５０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの円盤状で黒鉛製の炭素基材を作製した。
その後、炭素基材の上部を切削し、基板を載置するための直径５０ｍｍ、深さ０．５ｍｍの凹部を設けた。この炭素基材を真空中２０００℃の雰囲気で、ハロゲンガスを用いて全灰分が５ｐｐｍ以下の高純度化処理を行った。

（２）次に、上記高純度化処理後の炭素基材を真空加熱炉内に設置し、減圧下１４００℃に加熱するとともに、水素ガスをキャリアとしてメタンを供給し、炭素基材の表面に厚さ４０μｍの熱分解炭素層を形成した。

（３）次に、熱分解炭素層の表面に、下記の条件で研磨処理を施し、炭素材料からなるサセプタを完成した（図１（ｂ）参照）。研磨処理後の炭素基材表面のぬれ張力を表１に示した。
上記研磨処理は、研磨布に♯８０００番のアルミナ懸濁液を染み込ませ、押え圧１０ｋｐａで表面を３分間繰り返し擦ることにより行った。

（実施例２）
実施例１の（２）の工程で、研磨処理を施す代わりに、下記の条件で酸素ガスを導入したマイクロ波プラズマ処理装置によるプラズマ処理を施した以外は、実施例１と同様にしてサセプタを作製した。プラズマ処理後の炭素基材表面のぬれ張力を表１に示した。
上記プラズマ処理の条件は、マイクロ波の波長：１３．５６ＭＨｚ、出力：１ｋＷ、処理時間：１５分間であった。

（実施例３）
実施例１の（２）の工程で、研磨処理を施す代わりに、下記の条件でブラスト処理を施した以外は、実施例１と同様にしてサセプタを作製した。ブラスト処理後の炭素基材表面のぬれ張力を表１に示した。
上記ブラスト処理は、♯２０００番のアランダムを用い、噴き付け圧力１０ｋｐａで３分間、熱分解炭素層の表面にアランダムを吹付けることにより行った。

（比較例１）
実施例１のサセプタの熱分解炭素層の表面に研磨等の処理を施すことなく、炭素材料からなるサセプタを作製した。なお、炭素基材表面のぬれ張力は、表１に示した。

実施例及び比較例で得られたサセプタについて、下記の方法で評価した。結果を表１に示した。
（１）ぬれ張力の測定
ＪＩＳ Ｋ ６７６８ぬれ張力試験方法（１９９９）に準拠して測定した。
すなわち、ホルムアミドとエチレングリコールモノエチルエーテルとを種々の組成で混合した標準液を準備しておき、この標準液を順次、サセプタの表面に塗布することにより測定した。

（２）半導体製造装置への適用
実施例及び比較例で得られたサセプタを用いたＣＶＤ装置により、サファイア基板のみを交換しながら基板上にＧａＮを形成する工程を１０回繰り返した。サセプタを取り出し、サセプタ表面における付着物（パーティクル）の有無を目視及び光学顕微鏡により観察するとともに、サファイア基板上に形成されたＧａＮの結晶状態を観察した。

なお、ＧａＮの結晶状態は、光学顕微鏡を使用して結晶欠陥の有無を確認することで実施した。その結果を下記の表１に示す。

上記表１に示した結果から明らかなように、比較例１に係るサセプタは、ぬれ張力の値が４４ｍＮ／ｍと、６２ｍＮ／ｍ未満であるため、サセプタには付着しにくい。このため、発生したパーティクルは、基板上のＧａＮ内に混入して結晶に欠陥が認められた。

一方、実施例１〜３に係るサセプタは、ぬれ張力が６４〜７３ｍＮ／ｍ又はそれ以上の範囲にあり、その値が６２ｍＮ／ｍ以上であるため、サセプタにパーティクルはしっかり付着し、基板上のＧａＮ内に混入することはなく、ＧａＮの結晶自体に欠陥は認められなかった。

ａ）は、本発明の半導体製造装置を模式的に示す模式図であり、（ｂ）は、（ａ）に示した半導体製造装置を構成するサセプタのみを示した拡大断面図である。

符号の説明

１０ 半導体製造装置
１１ 反応容器
１２ サセプタ
１３ ヒータ
１４ａ、１４ｂ ガス導入管
１５ モータ
１６ 排気ポンプ
１７ 回転体
１８ 排気管

Claims (3)

1. 炭素材料からなり、
   少なくとも原料ガスと接する面に熱分解炭素層が形成されており、
   上記原料ガスと接する面の濡れ張力が、６２．０ｍＮ／ｍ以上であることを特徴とする半導体製造装置用部材。
2. 前記原料ガスと接する面には、研磨処理、プラズマ処理及びブラスト処理のうちの少なくとも１種の処理が施されている請求項１に記載の半導体製造装置用部材。
3. 請求項１又は２に記載の半導体製造装置用部材を用いた半導体製造装置であって、
   その装置の基板を保持する構造がフェースアップ構造であることを特徴とする半導体製造装置。

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