JP2008063157A - 半導体製造用石英ガラス部材 - Google Patents
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Abstract
【目的】本発明は、耐熱性に優れている上に、金属不純物の遮蔽効果の高い半導体製造用石英ガラス部材を提供すること。
【構成】少なくとも２層で形成される半導体製造用石英ガラス部材において、外層が１,２８０℃温度における粘度が１０12.０ポイズ以上でナトリウム、カリウム及びリチウムのいずれも１ppm以下の天然石英ガラスからなり、最内層が１,２８０℃温度における粘度が１０11.7ポイズ以上でナトリウム、カリウム及びリチウムのいずれも０．２ppm以下の合成石英ガラスからなる半導体製造用石英ガラス部材。
【選択図】 なし
【構成】少なくとも２層で形成される半導体製造用石英ガラス部材において、外層が１,２８０℃温度における粘度が１０12.０ポイズ以上でナトリウム、カリウム及びリチウムのいずれも１ppm以下の天然石英ガラスからなり、最内層が１,２８０℃温度における粘度が１０11.7ポイズ以上でナトリウム、カリウム及びリチウムのいずれも０．２ppm以下の合成石英ガラスからなる半導体製造用石英ガラス部材。
【選択図】 なし
Description
本発明は、半導体の製造に使用される、拡散炉用炉心管、高温アニール処理部材及び単結晶引上げ用石英ガラスルツボなどに好適な半導体製造用石英ガラス部材に関する。
石英ガラスは、耐熱性、耐衝撃性、耐薬品性に優れ、且つ機械的強度も高いところから半導体製造工程における部材を初め各種用途に用いられている。その例として拡散炉用炉芯管、高温アニール処理部材、石英ガラスルツボなどが挙げられる。近年、集積回路の高集積化が急速に進展するにともない半導体の仕様が厳しくなり処理温度が高くなるとともに結晶欠陥などの欠陥の少ない高品質の半導体が求められるようになった。前記結晶欠陥を起こさせる因子としては部材自体の純度や外部、例えばヒーターやライナー管からの金属不純物、特にアルカリ金属不純物の飛散が挙げられる。石英ガラス部材自体汚染を防ぐには合成石英ガラスのような高純度の石英ガラスを使用すればよいが、合成石英ガラスは耐熱性に劣り半導体の高温熱処理中に部材が大きく変形する欠点がある。そのため通常は、天然水晶などから作成された天然石英ガラスからなる部材が用いられているが、天然水晶などには微量な不純物が含有されておりそれが半導体の結晶欠陥の原因となり高品質の半導体を生産性よく製造することを困難にしていた。その上、天然石英ガラスは、外部からの金属不純物の飛散を遮蔽する効果に乏しく半導体のこれら飛散不純物による汚染が避けがたかった。
こうした問題点を解決すべく、特許公報１では、半導体ウエーハの処理工程の熱酸化・拡散炉に用いられる石英ガラス炉芯管として、最内層を炉芯管総肉厚の５〜３５％とし、含有するＯＨ基量が１,０００〜２,０００ppmの合成石英ガラスで形成し、さらに、外層を天然などの高純度の石英ガラスで形成し、所定の耐熱性を保持しつつ、ＯＨ基によって金属不純物の防止する石英ガラス炉芯管が提案されている。しかし、この特許文献１の製造方法では、高純度石英ガラス管内にＳｉＣｌ４と酸水素火炎を導入して多孔質シリカ体の被膜を形成し、その後Ｈ２Ｏ蒸気を導入してガラス化することから複雑な工程を有し工業的メリットに乏しい上に、ＯＨ基が１２０ppm以上導入されることから、耐熱性に劣り近年要求される高耐熱性に答えるものではなかった。また、特許文献２には、ナトリウム、カリウム及びリチウムをいずれも１ppm以下含有し、且つ１,２８０℃温度において１０１２．４ポイズ以上の粘土を有する天然石英ガラスを外層とし、ナトリウム、カリウム及びリチウムをいずれも０．２ppm以下並びに塩素を５００〜４,０００ppm含有する合成石英ガラスを内層とする複合石英ガラス管が提案されている。しかし、この複合石英ガラス管は内層を形成する合成石英ガラスが塩素を５００〜４,０００ppm含有することから高温粘度が低く半導体の高温熱処理時に変形するなどの問題があった。その上、前記複合石英ガラス管は外部から飛散する金属不純物、特にアルカリ金属不純物の遮蔽効果が十分でなくこれらの金属不純物に基づく半導体の汚染の問題があった。
特開平６−１９１８７３号公報
特開平３−３３２３号公報 こうした現状に鑑み、本発明者等は鋭意研究を続けた結果、少なくとも２層からなる半導体製造用石英ガラス部材において、最内層を１,２８０℃における粘度が１０11.7ポイズ以上の高純度の合成石英ガラスで形成し、最外層を１,２８０℃温度における粘度が１０12.０ポイズ以上の石英ガラスで形成することで、耐熱性の高い半導体製造用石英ガラス部材が得られ１,０００℃を越す処理温度で長時間処理しても変形することがない上に、金属不純物の遮蔽効果が良好で外部から飛散する金属不純物を処理空間に飛散させることがない半導体製造用石英ガラス部材が得られること、特に最外層にアルミニウム、バリウム又はガリウムのいずれか１つを含有させることでより高い耐熱性と金属不純物遮蔽性を有する半導体製造用石英ガラス部材が得られることを見出して、本発明を完成したものである。すなわち 本発明は、耐熱性に優れている上に、金属不純物の遮蔽効果の高い半導体製造用石英ガラス部材を提供することを目的とする。
上記目的を達成する本発明は、少なくとも２層で形成される半導体製造用石英ガラス部材において、外層が１,２８０℃温度における粘度が１０12.０ポイズ以上の石英ガラスからなり、最内層が１,２８０℃温度における粘度が１０11.7ポイズ以上の合成石英ガラスからなることを特徴とする半導体製造用石英ガラス部材に係る。
本発明の半導体製造用石英ガラス部材の最外層を形成する１,２８０℃温度における粘度が１０12.０ポイズ以上の石英ガラスとしては、高純度の天然水晶などからなる天然石英ガラスや高粘度の合成石英ガラス等が挙げられる。より好ましくはナトリウム、カリウム及びリチウムのいずれも１ppm以下の天然石英ガラスや高純度の合成石英ガラスがよい。１,２８０℃温度における粘度が１０12.０ポイズ以上の合成石英ガラスとしては、ＷＯ２００４/０５０５７０号公報に記載する炭素、窒素又はアルミニウムを含む合成石英ガラスなどが挙げられる。特にアルミニウムが金属不純物の遮蔽効果もあって好ましい。また、最内層を形成する１,２８０℃温度における粘度が１０11.7ポイズ以上の合成石英ガラスとしては、前記ＷＯ２００４/０５０５７０号公報に記載するようにシリカ多孔質体を１００〜１,３００℃の還元雰囲気中で処理した後、１,３００℃以上１,９００℃以下の温度で焼成し緻密化した合成石英ガラスが挙げられる。この耐熱性に優れた合成石英ガラスは耐熱性を高く維持するため塩素濃度を５００ppm以下、ＯＨ基濃度を１００ppm以下にする。
上記耐熱性の高い合成石英ガラスとしては好ましくは波長２４５ｎｍの紫外線における吸収係数が０．０１/cm以上の合成石英ガラスがよい。この波長２４５ｎｍの紫外線における吸収係数は石英ガラスの高温粘度と相関関係があり、吸収係数が大きい程高い粘度が得られる。そして、前記合成石英ガラスは炭素や窒素など高耐熱性ドープ剤を含有することで一段と高い吸収係数が得られる。前記高耐熱性の合成石英ガラスはまた金属不純物、特にアルカリ金属不純物に対する遮蔽効果にも優れている。
上記合成石英ガラスからなる最内層の厚さは部材全体の厚さに対して１％以上であれば金属不純物の拡散防止層として有効であり、また、部材の厚に対する肉厚比９９％でも部材の変形量を小さく抑えることができる。
本発明の半導体製造用石英ガラス部材の最外層を高純度の天然石英ガラスとすることで部材の変形をより小さく保持できる。最外層を上述の高耐熱性の合成石英ガラスで形成する場合には、好ましくはアルミニウムを１ｐｐｍ以上、より好ましくは２〜１０ｐｐｍ含有させるのがよい。アルミニウムを含有させることで前記高耐熱性の合成石英ガラスは１,２８０℃における粘度を１０１２．０ポイズ以上とすることができる。また、このアルミニウムは部材や外部からの金属不純物の拡散防止効果にも優れ、金属不純物の遮蔽効果に優れた部材を提供することができる。さらに、合成石英ガラスの粘度向上にはアルミニウ以外に炭素や窒素を含有させてもよい。それらの元素の含有量は２００ppm以上がよく、アルミニウムと共存させてもよい。
半導体製造用石英ガラス部材の金属不純物の遮蔽効果としては前記アルミニウムに加えてバリウム又はガリウムも挙げられる。アルミニウムを含めたこれらの元素のドープ法としては、多孔性シリカ母材に前記元素の例えば硝酸溶液等の溶液又は微粉末を含浸又は混合した上で、還元処理・焼成処理する方法、または、石英ガラス表面に前記溶液を塗布した上で乾燥する方法などが挙げられる。アルミニウム、バリウム又はガリウムの含有は最外層の外表面から０．１mmの深さに０．１ｗｔ％以上とするのがよい。特にアルミニウムを含有させた石英ガラス部材を１,０００℃以上で数時間以上加熱処理することによって部材表面に結晶石英ガラスが形成されより高い耐熱性が得られる。
本発明の半導体製造用石英ガラス部材は、高純度で、耐熱性が高く、１,０００℃を超える高温で長時間処理しても形状変化することがなく、また、ヒーターやライナー管等の外部から飛散する金属不純物、特にアルカリ金属不純物の遮蔽効果も優れ、処理する半導体の高品質でかつ生産性よく製造できる。
以下に本発明の実施例をあげて説明するが、これらの実施例は例示的に示されるもので限定的に解釈されるべきでないことはいうまでもない。
実施例１
不純物含有量が、Ａｌ：８ｐｐｍ、Ｆｅ：０．２ｐｐｍ、Ｎａ：０．１ｐｐｍ、Ｋ：０．１ｐｐｍで、OH基濃度：２００ｐｐｍ、１,２８０℃における粘度が１０１２．４ポイズの天然石英ガラスを用いてサイズ３００mmφ×１５００mmＬ×３mmｔの天然石英ガラスチューブを作成し、その外表面に、硝酸アルミニウムの３０％溶液を塗布したのち乾燥させた。一方、不純物含有量が、Ａｌ：０．００１ｐｐｍ、Ｆｅ：０．００１ｐｐｍ、Ｎａ：０．００１ｐｐｍ、Ｋ：０．００１ｐｐｍ、ＯＨ濃度：８０ｐｐｍ、Ｃｌ濃度：２５ｐｐｍで、１,２８０℃における粘度が１０１１．８ポイズの合成石英ガラスを用いてサイズ２７５mmφ×１５００mmＬ×１mmｔの合成石英ガラスチューブを作成し、この合成石英ガラスチューブを前記天然石英ガラス製のチューブに嵌合し、同一軸上に固定し、片端部から反対端部へ向けて、外部火炎加熱源を移動させながら、外層チューブ内面と内層チューブ外面の全面を溶接し、外層天然石英ガラス層と内層合成ガラス層からなる複合石英ガラス管を作成した。この複合石英ガラス管の外表面より深さ０．１ｍｍまでには、アルミニウムが０．１ｗｔ％ドープされているのが検知された。
実施例１
不純物含有量が、Ａｌ：８ｐｐｍ、Ｆｅ：０．２ｐｐｍ、Ｎａ：０．１ｐｐｍ、Ｋ：０．１ｐｐｍで、OH基濃度：２００ｐｐｍ、１,２８０℃における粘度が１０１２．４ポイズの天然石英ガラスを用いてサイズ３００mmφ×１５００mmＬ×３mmｔの天然石英ガラスチューブを作成し、その外表面に、硝酸アルミニウムの３０％溶液を塗布したのち乾燥させた。一方、不純物含有量が、Ａｌ：０．００１ｐｐｍ、Ｆｅ：０．００１ｐｐｍ、Ｎａ：０．００１ｐｐｍ、Ｋ：０．００１ｐｐｍ、ＯＨ濃度：８０ｐｐｍ、Ｃｌ濃度：２５ｐｐｍで、１,２８０℃における粘度が１０１１．８ポイズの合成石英ガラスを用いてサイズ２７５mmφ×１５００mmＬ×１mmｔの合成石英ガラスチューブを作成し、この合成石英ガラスチューブを前記天然石英ガラス製のチューブに嵌合し、同一軸上に固定し、片端部から反対端部へ向けて、外部火炎加熱源を移動させながら、外層チューブ内面と内層チューブ外面の全面を溶接し、外層天然石英ガラス層と内層合成ガラス層からなる複合石英ガラス管を作成した。この複合石英ガラス管の外表面より深さ０．１ｍｍまでには、アルミニウムが０．１ｗｔ％ドープされているのが検知された。
上記複合石英ガラス管を使って、炉芯菅を作成し、作成した炉芯菅内でシリコンウエーハを、アルゴン雰囲気下で、室温から１,２００℃で、３０分間保持して加熱した後、室温まで放冷する加熱サイクルをそれぞれ２００回繰り返し行った。加熱サイクル後のシリコンウエーハの金属不純物量は、１００ｐｐｂであった。炉芯菅は、外表面部に厚さ０．２ｍｍの失透層が形成された以外は、使用開始前と変化は無く、変形も無かった。
実施例２
不純物含有量が、Ａｌ：８ｐｐｍ、Ｆｅ：０．２ｐｐｍ、Ｎａ：０．１ｐｐｍ、Ｋ：０．１ｐｐｍで、OH基濃度：２００ｐｐｍ、１,２８０℃における粘度が１０１２．４ポイズの天然石英ガラスを用いてサイズ３００mmφ×１５００mmＬ×３mmｔの天然石英ガラスチューブを作成し、その外表面に、硝酸アルミニウムの３０％溶液を塗布したのち乾燥させた。一方、不純物含有量が、Ａｌ：０．００１ｐｐｍ、Ｆｅ：０．００１ｐｐｍ、Ｎａ：０．００１ｐｐｍ、Ｋ：０．００１ｐｐｍ、ＯＨ濃度：０．１ｐｐｍ、Ｃｌ濃度：１ｐｐｍで、波長２４５ｎｍにおける吸収係数が０．４／ｃｍの１,２８０℃における粘度が１０１２．１ポイズである合成石英ガラスを用いてサイズ２７５mmφ×１５００mmＬ×１mmｔの合成石英ガラスチューブを作成し、この合成石英ガラスチューブを前記天然石英ガラス製のチューブに嵌合し、同一軸上に固定し、片端部から反対端部へ向けて、外部火炎加熱源を移動させながら、外層チューブ内面と内層チューブ外面の全面を溶接し、外層天然石英ガラス層と内層合成ガラス層からなる複合石英ガラス管を作成した。この複合石英ガラス管の外表面より深さ０．１ｍｍまでには、アルミニウムが０．１ｗｔ％ドープされているのが検知された。
不純物含有量が、Ａｌ：８ｐｐｍ、Ｆｅ：０．２ｐｐｍ、Ｎａ：０．１ｐｐｍ、Ｋ：０．１ｐｐｍで、OH基濃度：２００ｐｐｍ、１,２８０℃における粘度が１０１２．４ポイズの天然石英ガラスを用いてサイズ３００mmφ×１５００mmＬ×３mmｔの天然石英ガラスチューブを作成し、その外表面に、硝酸アルミニウムの３０％溶液を塗布したのち乾燥させた。一方、不純物含有量が、Ａｌ：０．００１ｐｐｍ、Ｆｅ：０．００１ｐｐｍ、Ｎａ：０．００１ｐｐｍ、Ｋ：０．００１ｐｐｍ、ＯＨ濃度：０．１ｐｐｍ、Ｃｌ濃度：１ｐｐｍで、波長２４５ｎｍにおける吸収係数が０．４／ｃｍの１,２８０℃における粘度が１０１２．１ポイズである合成石英ガラスを用いてサイズ２７５mmφ×１５００mmＬ×１mmｔの合成石英ガラスチューブを作成し、この合成石英ガラスチューブを前記天然石英ガラス製のチューブに嵌合し、同一軸上に固定し、片端部から反対端部へ向けて、外部火炎加熱源を移動させながら、外層チューブ内面と内層チューブ外面の全面を溶接し、外層天然石英ガラス層と内層合成ガラス層からなる複合石英ガラス管を作成した。この複合石英ガラス管の外表面より深さ０．１ｍｍまでには、アルミニウムが０．１ｗｔ％ドープされているのが検知された。
上記複合石英ガラス管を使って、炉芯菅を作成し、作成した炉芯菅内でシリコンウエーハを、アルゴン雰囲気下で、室温から１,２００℃で、３０分間保持して加熱した後、室温まで放冷する加熱サイクルをそれぞれ２００回繰り返し行った。加熱サイクル後のシリコンウエーハの金属不純物量は、１００ｐｐｂであった。炉芯菅は、外表面部に厚さ０．２ｍｍの失透層が形成された以外は、使用開始前と変化は無く、変形も無かった。
比較例１
不純物濃度が、Ａｌ８ｐｐｍ、Ｆｅ０．２ｐｐｍ、Ｎａ０．１ｐｐｍ、Ｋ０．１ｐｐｍ、OH濃度２００ｐｐｍで、１,２８０℃における粘度が１０１２．４ポイズの天然石英ガラスを用いて３００mmφ×１５００mmＬ×３mmｔサイズの石英ガラスチューブを作成する一方、不純物濃度が、Ａｌ０．００１ｐｐｍ、Ｆｅ０．００１ｐｐｍ、Ｎａ０．００１ｐｐｍ、Ｋ０．００１ｐｐｍ、ＯＨ濃度１２００ｐｐｍ、Ｃｌ濃度６００ｐｐｍで、１２８０℃における粘度が１０１１．５ポイズの合成石英ガラスを用いて２７５mmφ×１５００mmＬ×１mmｔサイズの合成石英ガラスチューブを作成し、この合成石英ガラスチューブを前記天然石英ガラスチューブに嵌合し、同一軸上に固定し、片端部から反対端部へ向けて、外部火炎加熱源を移動させながら、外層チューブ内面と内層チューブ外面の全面を溶接し、外部天然石英ガラス層と内部合成ガラス層からなる、複合石英ガラス管を作成した。
不純物濃度が、Ａｌ８ｐｐｍ、Ｆｅ０．２ｐｐｍ、Ｎａ０．１ｐｐｍ、Ｋ０．１ｐｐｍ、OH濃度２００ｐｐｍで、１,２８０℃における粘度が１０１２．４ポイズの天然石英ガラスを用いて３００mmφ×１５００mmＬ×３mmｔサイズの石英ガラスチューブを作成する一方、不純物濃度が、Ａｌ０．００１ｐｐｍ、Ｆｅ０．００１ｐｐｍ、Ｎａ０．００１ｐｐｍ、Ｋ０．００１ｐｐｍ、ＯＨ濃度１２００ｐｐｍ、Ｃｌ濃度６００ｐｐｍで、１２８０℃における粘度が１０１１．５ポイズの合成石英ガラスを用いて２７５mmφ×１５００mmＬ×１mmｔサイズの合成石英ガラスチューブを作成し、この合成石英ガラスチューブを前記天然石英ガラスチューブに嵌合し、同一軸上に固定し、片端部から反対端部へ向けて、外部火炎加熱源を移動させながら、外層チューブ内面と内層チューブ外面の全面を溶接し、外部天然石英ガラス層と内部合成ガラス層からなる、複合石英ガラス管を作成した。
得られた複合石英ガラス管を使って、炉芯菅を作成し、作成した炉芯管内でシリコンウエーハを、アルゴン雰囲気下で、室温から１,２００℃で、３０分間保持して加熱した後、室温まで放冷する加熱サイクルをそれぞれ２００回繰り返し行った。加熱サイクル後のシリコンウエーハの金属不純物量は、１,０００ｐｐｂであった。そして、炉芯管はひどく変形しこれ以上の使用継続は不可能であった。
本発明は、高純度で、耐熱性が高く、半導体を長時間、高温処理しても形状変化がない上に、金属不純物、特にアルカリ金属不純物の遮蔽効果が高く、処理する半導体に高品質で生産性よく処理でき工業的に有用な部材である。
Claims (8)
- 少なくとも２層で形成される半導体製造用石英ガラス部材において、最外層が１,２８０℃温度における粘度が１０12.０ポイズ以上の石英ガラスからなり、最内層が１,２８０℃温度における粘度が１０11.7ポイズ以上の合成石英ガラスからなることを特徴とする半導体製造用石英ガラス部材。
- 最内層の合成石英ガラスのＯＨ基濃度が１００ppm以下、塩素濃度が５００ppm以下であることを特徴とする請求項１記載の半導体製造用石英ガラス部材。
- 最内層の合成石英ガラスが波長２４５ｎｍの紫外線における吸収係数が０．０１/cm以上であることを特徴する請求項１又は２記載の半導体製造用石英ガラス部材。
- 最内層を形成する合成石英ガラス層の厚さが部材の厚さの１〜９９％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の半導体製造用石英ガラス部材。
- 石英ガラスからなる最外層がアルミニウムを１ppm以上含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の半導体製造用石英ガラス部材。
- 石英ガラスからなる最外層が天然石英ガラスからなることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の半導体製造用石英ガラス部材。
- 最外層の外表面から０．１mmの深さにアルミニウム、バリウム又はガリウムが０．１wt%以上含有されていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の半導体製造用石英ガラス部材。
- 最外層を形成する石英ガラスがナトリウム、カリウム及びリチウムのいずれも１ppm以下含有し、最内層を形成する合成石英ガラスがナトリウム、カリウム及びリチウムのいずれも０．２ppm以下含有することを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の半導体製造用石英ガラス部材。
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