JP2007096220A - 脆性材料部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】貫通孔、切り欠きを有する脆性材料部材の製造方法において、熱処理工程で前記貫通孔、切り欠きに生じる熱応力を低減し、前記基体の破損を防止した脆性材料部材の製造方法を提供する。
【解決手段】基体の外形状を所定形状になすと共に、前記貫通孔または切り欠きの形成予定位置に、所定の深さを有する凹部を形成する工程（Ｓ１）と、前記基体を熱処理する工程（Ｓ２）と、前記熱処理された基体の凹部の底部を除去し、貫通孔または切り欠きを形成する除去工程（Ｓ３）とを含む。
【選択図】図６

Description

本発明は、脆性材料部材の製造方法に関し、特に、その製造工程において熱処理工程を含む脆性材料部材の製造方法に関する。

各種工業用製品としてセラミックスを代表とする脆性材料からなる各種部材が使用されている。
例えば半導体製造工程にあっては、半導体製造用部材として、例えば炭化珪素、シリコン単結晶等の脆性材料からなるウエハボートが用いられている。
このウエハボート１は、例えば図７に示すように、円環状の天板２と底板３との間に数本（図では３本）のウエハ支持棒４が配置され、これらウエハ支持棒４の上下両端によって天板２と底板３とが固定されている。
そして、図示するように、天板２には表裏に貫通した貫通孔２ａが複数個（図では３個）形成され、それら貫通孔２ａに前記ウエハ支持棒４の上端が夫々嵌合され固定されている。尚、複数のウエハ支持棒４には夫々一定間隔に半導体ウエハＷの外周部を挿入するウエハ支持溝４ａが多数設けられ、このウエハ支持溝４ａによって半導体ウエハＷが支持されている（特許文献１参照）。

ところで、このようなウエハボート１においては、従来その素材に石英ガラス素材が使用されていたが、今日、ＳｉＣ（炭化珪素）からなる基体にＳｉ（珪素）を含浸した反応焼結ＳｉＣ質、またＣ（カーボン）基体の表面にＳｉＣ膜を被膜したカーボン質が使用されている。
このような、反応焼結ＳｉＣ質、ＳｉＣ膜を被膜したカーボン質は、従来の石英ガラス素材に比べ耐熱サイクル特性、耐高温変形性に優れており、高温で使用される半導体製造用部材として、好適に用いることができる。
特開平８−１０７０７９号公報

ところで、半導体製造用部材を、反応焼結ＳｉＣ質で形成する際、その製造工程において熱処理がなされる。
ここで、反応焼結ＳｉＣ質で半導体製造用部材を製造する場合について説明すると、まず、炭化珪素粉末のスラリーを調製し、前記工程で調製したスラリーを所定形状に硬化成形し、前記工程で成形した炭化珪素硬化体を、不活性雰囲気下で加熱焼成して炭化珪素及び炭素を主成分とする焼結体を形成する。続いて、前記工程で形成した焼結体を、不活性雰囲気または真空下、溶融シリコンで処理して半導体製造用部材を製造している。
そして、この溶融シリコン処理も、反応焼結ＳｉＣ体を真空下、１５００℃に加熱された炉内で、溶融したシリコン中に浸漬することによって行なわれる。

また、カーボン質で半導体製造用部材を製造する場合にも、高温下でＳｉＣ膜の成膜処理がなされる。
このように、半導体製造用部材はその製造工程において熱処理がなされるため、半導体製造用部材を構成する基体には熱応力が作用する。そのため、図７に示したような貫通孔２ａ等が形成されている天板１を製造する際、貫通孔２ａ周辺に大きな熱応力が生じ、図８に示すように熱処理後においてクラック（ひび割れ）Ｃが生じるという技術的課題があった。
また、図８に示すように、天板２の外周に、熱電対挿入用のノッチ部（切り欠き）２ｂが形成される場合においても、前記した貫通孔２ａと同様に、ノッチ部２ｂ周辺に大きな熱応力が作用し、クラックＣが生じるという技術的課題があった。

前記したように半導体製造用部材を始めとして、貫通孔、切り欠きが形成された脆性材料部材が熱処理されると、前記貫通孔、切り欠きに熱応力が集中し、クラックが生じるという技術的課題があった。
本発明は、前記したような事情の下になされたものであり、貫通孔、切り欠きを有する脆性材料部材の製造方法において、熱処理工程で前記貫通孔、切り欠きに生じる熱応力を低減し、前記基体の破損を防止した脆性材料部材の製造方法を提供することを目的とする。

前記した課題を解決するためになされた本発明にかかる脆性材料部材の製造方法は、表裏を貫通する貫通孔または切り欠きが形成された板状の基体からなる脆性材料部材、あるいは表裏を貫通する貫通孔または切り欠きが形成された板状の基体を構成部材とする脆性材料部材の製造方法において、前記基体の外形状を所定形状になすと共に、前記貫通孔または切り欠きの形成予定位置に、所定の深さを有する凹部を形成する工程と、前記基体を熱処理する工程と、前記熱処理された基体の凹部の底部を除去し、貫通孔または切り欠きを形成する底部除去工程とを含むことを特徴としている。

このような方法によれば、貫通孔の形成予定位置に貫通孔ではなく、所定の厚さ寸法の底部を有する凹部が形成される。このように、凹部が形成された基体を熱処理した場合、貫通孔を形成した場合と比べて、熱応力の集中が緩和される。したがって、貫通孔の周縁に生じたクラックを抑制でき、基体の破損を防止できる。

ここで、前記底部除去工程において、前記凹部底部に小径の穴を貫通させ、前記穴の直径を拡張することにより貫通孔または切り欠きを形成することが望ましい。
このように、まず凹部底部に小径の穴を貫通させ、前記穴の直径を拡張することにより貫通孔または切り欠きを形成することにより、貫通孔または切り欠きの周縁部に作用する、切削加工の外力による応力を緩和することができ、基体を破損させることなく製造することができる。

前記凹部底部の厚さが、基体の厚さの１／１０〜４／１０の範囲内に設定されることが望ましい。このように凹部底部の厚さが、基体の厚さの１／１０未満の場合、熱処理時の応力を緩和することができず、貫通孔または切り欠きの周縁部に発生するクラックを抑制できない。一方、凹部底部の厚さが、基体の厚さの４／１０を超える場合、貫通孔または切り欠きを形成するための切削加工に時間がかかるため好ましくない。

なお、基体の材質は特に限定されるものではないが、炭素、珪素、炭化珪素が好ましい。また、基体は熱処理を経て製造されるものであって、この熱処理としては、例えば、珪素を含浸する熱処理工程、あるいは基体に対して炭化珪素膜を形成する成膜熱処理工程を挙げることができる。

本発明によれば、貫通孔または切り欠きを有する脆性材料部材の製造方法において、熱処理工程で、前記貫通孔または切り欠きに生じる熱応力を低減し、前記基体の破損を防止した脆性材料部材の製造方法を得ることができる。

以下、本発明に係る脆性材料部材の製造方法の実施形態について図面に基づき説明する。なお、この実施形態の説明にあっては、脆性材料部材として、ＳｉＣ（炭化珪素）質にＳｉを含浸して製造されるウエハボートを例にとって説明する。ここで、図１は、ＳｉＣ（炭化珪素）からなるウエハボート天板（基体）を示した斜視図であり、この図においては基体（天板）の裏面を上側にした状態を示している。図２は、図１の基体（天板）のＡ−Ａ矢視断面図である。図３は、図２に対応する図であって、基体にＳｉ（珪素）を含浸した後、貫通孔を形成した状態を示す断面図である。図４は、図１の基体（天板）のＢ−Ｂ矢視断面図である。図５は、図４に対応する図であって、基体にＳｉ（珪素）を含浸した後、切り欠きを形成した状態を示す断面図である。また、図６は、本発明に係る製造方法の流れを示すフロー図である。

この実施形態の説明では、図７に示したウエハボート１００の天板１を製造する場合を例に説明するが、本発明はこの天板に限定されるものではなく、表裏を貫通する貫通孔または切り欠きが形成された板状の基体のみからなる脆性材料部材、あるいは表裏を貫通する貫通孔または切り欠きが形成された板状の基体と他の構成部材とを組み合わせた脆性材料部材に、広く適用することができる。

先ず、一般的に知られている方法、例えば、本願出願人が先に提案した特開平８−１５１２６７号に記載されている方法により、炭化珪素粉末のスラリーを調製し、前記工程で調製したスラリーを所定形状に硬化成形する。この成形体は、図１に示すように天板の略完成形に近い形状に成形される。

但し、この段階においては、貫通孔１１ｃが形成される貫通孔形成部１１（貫通孔の形成予定位置）には、図２に示すように貫通孔は形成されず、所定の深さ寸法を有する凹部１１ａが形成される。即ち、所定の厚さ寸法（例えば１ｍｍ〜３ｍｍ）の底部１１ｂを有する凹部１１ａが形成される。

また、ノッチ部１２ｃ（切り欠き）が形成されるノッチ部形成部１２（切り欠きの形成予定位置）には、図４に示すようにノッチ部は形成されず、所定の深さ寸法を有する凹部１２ａが形成される。即ち、所定の厚さ寸法（例えば１ｍｍ〜３ｍｍ）の底部１２ｂを有する凹部１２ａが形成される（図４のステップＳ１）。
ここで、前記凹部底部の厚さが、基体１０の厚さの１／１０以上に設定されることが望ましい。このように凹部底部の厚さが、基体１０の厚さの１／１０未満の場合、後述する熱処理時の応力を緩和することができず、貫通孔または切り欠きの周縁部に発生するクラックを抑制できない。
具体的には、基体１０の厚さが１０ｍｍの場合、前記凹部底部１１ｂ、１２ｂの厚さが１ｍｍ以上に設定されるのが好ましい。

前記工程で成形した炭化珪素硬化体（基体１０）を、不活性雰囲気下で加熱焼成して炭化珪素及び炭素を主成分とする焼結体を形成する。この加熱焼成は、アルゴン、窒素などの不活性ガス雰囲気下、約１４００〜１８００℃にて行なわれる。その際、基体１０には、貫通孔や切り欠きが存在せず凹部１１ａ，１２ａとして形成されているため、基体１０の全体の強度が維持されており、しかも熱応力が分散されるため、クラック等の発生は抑制され、破損が防止される。

その後、前記炭化珪素硬化体８（基体１０）に対して、溶融シリコン処理行う。この溶融シリコン処理においても基体１０は加熱される。即ち、前記基体１０を真空下、１５００℃に加熱された炉内で、溶融したシリコン中に浸漬することによって行なわれる。
次いで、この基体１０は、切削加工により、図３に示すように貫通孔形成部１１において凹部底部１１ｂが除去され、図５に示すようにノッチ部形成部１２において底部１２ｂが除去され、天板用の基体１０として完成する（図４のステップＳ３）。

この底部１１ｂ、１２ｂの除去作業は、底部１１ｂ、１２ｂに対する切削加工によりなされるが、例えば、先ず底部中央に小穴を貫通させた後、径方向に広げていく方法により底部除去するのが好ましい。
ここで、底部１１ｂ、１２ｂの厚さ寸法は、基体１０の厚さの４／１０以下に設定されることが望ましい。このように凹部底部１１ｂ、１２ｂの厚さが、基体１０の厚さの４／１０を超える場合、貫通孔または切り欠きを形成するための切削加工に時間がかかるため好ましくない。具体的には、基体１０の厚さが１０ｍｍの場合、前記凹部底部１１ｂ、１２ｂの厚さが、４ｍｍ以下に設定されるのが好ましい。

以上のように本発明に係る実施の形態によれば、熱処理前の基体１０において、貫通孔形成部１１、ノッチ部形成部１２に、所定の厚さ寸法の底部１１ｂ、１２ｂを有する凹部１１ａ、１２ａが形成される。即ち、完全な貫通孔や切り欠きが形成されないため、加熱処理前の基体１０の強度低下が抑制されると共に、熱処理においては、熱応力集中が抑制され、クラックの発生が抑制される。

なお、上記実施形態において、ＳｉＣ質にＳｉを含浸した基体を例にとって説明したが、本発明は加熱処理される脆性材料部材に適用することができ、例えば、カーボン質からなる基体の表面にＳｉＣ膜を成膜して、ＳｉＣ質の基体とする場合にも適用することができる。

本発明は、あらゆる分野の脆性材料部材に好適に用いることができ、一例を挙げれば、半導体ウエハ等を熱処理するための半導体製造用部材、例えば、ウエハボート、サセプタ等の半導体製造用部材の製造方法に好適に用いられる。

図１は、ＳｉＣ（炭化珪素）からなるウエハボート天板（基体）を示した斜視図である。 図２は、図１の基体（天板）のＡ−Ａ矢視断面図である。 図３は、図２に対応する図であって、基体にＳｉ（珪素）を含浸した後、貫通孔を形成した状態を示す断面図である。 図４は、図１の基体（天板）のＢ−Ｂ矢視断面図である。 図５は、図４に対応する図であって、基体にＳｉ（珪素）を含浸した後、切り欠きを形成した状態を示す断面図である。 図６は、本発明に係る製造方法の流れを示すフロー図である。 図７は、ウエハボートの構成例を示す図である。 図８は、ウエハボートの天板に生じるクラックの例を示した図である。

符号の説明

１ ウエハボート
２ 天板
２ａ 貫通孔
２ｂ ノッチ部（貫通孔）
１０ 基体
１１ 貫通孔形成部（貫通孔の形成予定位置）
１１ａ 凹部
１１ｂ 底部
１１ｃ 貫通孔
１２ ノッチ部形成部（切り欠きの形成予定位置）
１２ａ 凹部
１２ｂ 底部
１２ｃ ノッチ部

Claims (5)

1. 表裏を貫通する貫通孔または切り欠きが形成された板状の基体からなる脆性材料部材、あるいは表裏を貫通する貫通孔または切り欠きが形成された板状の基体を構成部材とする脆性材料部材の製造方法において、
   前記基体の外形状を所定形状になすと共に、前記貫通孔または切り欠きの形成予定位置に、所定の深さを有する凹部を形成する工程と、
   前記基体を熱処理する工程と、
   前記熱処理された基体の凹部の底部を除去し、貫通孔または切り欠きを形成する底部除去工程とを含むことを特徴とする脆性材料部材の製造方法。
2. 前記底部除去工程において、前記凹部底部に小径の穴を貫通させ、前記穴の直径を拡張することにより貫通孔または切り欠きを形成することを特徴とする請求項１に記載された脆性材料部材の製造方法。
3. 前記凹部底部の厚さが、基体の厚さの１／１０〜４／１０の範囲内に設定されることを特徴とする請求項１または請求項２に記載された脆性材料部材の製造方法。
4. 前記基体は、炭素、珪素、炭化珪素のいずれかからなることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載された脆性材料部材の製造方法。
5. 前記熱処理工程は、基体に対して珪素を含浸する熱処理工程、あるいは基体に対して炭化珪素膜を形成する成膜熱処理工程であることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載された脆性材料部材の製造方法。

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