JP2009234828A

JP2009234828A - 半導体製造用部品およびその製法

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Publication number: JP2009234828A
Application number: JP2008080838A
Authority: JP
Inventors: Takeo Fukutome; 武郎福留
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-03-26
Filing date: 2008-03-26
Publication date: 2009-10-15

Abstract

【課題】半導体の性能や信頼性を高く維持できる半導体製造用部品およびその製法を提供する。
【解決手段】窒化珪素結晶粒子３と粒界相とからなり、相対密度が９８％以上の窒化珪素焼結体からなる基体１に、該基体１の表層の粒界相を除去して、窒化珪素結晶粒子３が３次元的に連結した多孔質層５を設け、該多孔質層５の表面に、実質的に窒化珪素からなる緻密な高純度窒化珪素層６を設けてなるもので、緻密な高純度窒化珪素層６上にシリコンウエハを載置し、搬送する場合であっても、従来の粒界相を構成する、例えば希土類元素、アルミニウム等の元素がシリコンウエハと接触することがなく、これによりシリコンウエハを汚染し、半導体の性能や信頼性を損ねたりすることがない。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造用部品およびその製法に関し、特にシリコンウエハを支持または搬送するための半導体製造用部品およびその製法に関するものである。

半導体装置の製造工程において、シリコンウエハを支持または保持するためのサセプタ、静電チャック、これらを載せ可動部を有する支持台、絶縁リング、あるいは各種治具等の半導体製造用部品には主にアルミナ等のセラミックスが用いられている。

アルミナセラミックスは比較的に安価で、化学的にも安定なため広く使用されている。しかしながら、アルミナセラミックスは、密度が４．０ｇ／ｃｍ^３と重く、また熱膨張率も２０〜４０℃において５×１０^−６／℃と大きいため、微細加工を行う際には温度に対する変形が大きく、精度が低下して不良が発生するという問題があった。

そこで、最近では、このような半導体製造用部品を、窒化珪素焼結体によって形成することが知られている（例えば、特許文献１、２参照）。このような窒化珪素焼結体は、軽量、低熱膨張率に加えて、高純度かつ高強度であり、半導体製造用部品として提案されている。

このような窒化珪素焼結体は、一般に焼結助剤としてＹ_２Ｏ_３等の希土類酸化物や、所望により酸化アルミニウム等との組み合わせにより、その焼結性が高められ、高密度化され、それにより、強度及び破壊靭性の高い焼結体が得られる。

尚、特許文献３には、アルミニウム溶湯用部材として、窒化珪素焼結体の表面をエッチングして粒界相を除去し、５〜３００μｍの厚みの多孔質層を形成したことが開示されている。

また、特許文献４には、アルミナ基材の表面を化学エッチングして、表面粗さＲａを４〜１０μｍとした半導体製造用部材が開示され、特許文献５には、アルミナ基材の表面を化学エッチングして、２０〜６０％の気孔率を有し、気孔の深さが１０〜１００μｍの表層を有する半導体製造用部材が開示されている。
特開２００１−３０２３５３号公報特開２００７−３９３０６号公報特開２００５−１７７８５０号公報特開２００６−８４７４号公報特開２００６−１３２８８号公報

しかしながら、窒化珪素焼結体は、一般に焼結助剤としてＹ_２Ｏ_３等の希土類酸化物や、所望により酸化アルミニウム等との組み合わせにより、その焼結性が高められており、特許文献１、２の半導体製造装置では、粒界相としての、例えば希土類元素、アルミニウム等の元素が、シリコンウエハを支持または保持する際にシリコンウエハを汚染し、半導体の性能や信頼性を損ねたりするという問題があった。

尚、特許文献３には、アルミニウム溶湯用部材が記載され、特許文献４、５には、アルミナ基材を用いた半導体製造用部材が記載されているものの、多孔質層を有する窒化珪素焼結体を半導体製造装置に用いる点については記載されていない。

本発明は、半導体の性能や信頼性を高く維持できる半導体製造用部品およびその製法を提供することを目的とするものである。

本発明の半導体製造用部品は、窒化珪素結晶粒子と粒界相とからなり、相対密度が９８％以上の窒化珪素焼結体からなる基体に、該基体の表層の前記粒界相を除去して、前記窒化珪素結晶粒子が３次元的に連結した多孔質層を設け、該多孔質層の表面に、実質的に窒化珪素からなる緻密な高純度窒化珪素層を設けてなることを特徴とする。

このような半導体製造用部品では、多孔質層は、窒化珪素結晶粒子と、該窒化珪素結晶粒子の粒界に３次元的に連続して形成された空隙とから構成されており、粒界相が存在しない。また、多孔質層の表面に緻密な高純度窒化珪素層を有するため、半導体製造用部品上にシリコンウエハを載置し、搬送する場合であっても、従来の粒界相を構成する、例えば希土類元素、アルミニウム等の元素がシリコンウエハと接触することがなく、これによりシリコンウエハを汚染し、半導体の性能や信頼性を損ねたりすることがない。

また、相対密度９８％以上の窒化珪素焼結体からなる基体の存在により、高い剛性を有し、強度を向上できるとともに、低熱膨張係数を有する。しかも、基体の表面に、窒化珪素結晶粒子と、該窒化珪素結晶粒子の粒界に３次元的に連続して形成された空隙とを含む多孔質層を設けたため、軽量化を図ることができるとともに、多孔質層は粒界相が存在していないため、窒化珪素以外の不純物が高純度窒化珪素層に拡散することを殆ど無くすことができ、さらに、多孔質層の表面に緻密な高純度窒化珪素層を有することにより、シリコンウエハの汚染を防止することができる。

本発明の半導体製造用部品の製法は、窒化珪素結晶粒子と粒界相とからなり、相対密度が９８％以上の窒化珪素焼結体からなる基体の表層の前記粒界相を除去して、前記窒化珪素結晶粒子が３次元的に連結した多孔質層を前記基体の表層に形成する工程と、前記多孔質層の表面に、化学的気相成長法により、実質的に窒化珪素からなる緻密な高純度窒化珪素層を設ける工程とを具備することを特徴とする。

このような半導体製造用部品の製法によれば、化学的気相成長法により、多孔質層表層の窒化珪素結晶粒子間に窒化珪素が充填され、多孔質層の最表面に緻密な高純度窒化珪素層を有する半導体製造用部品を容易に作製することができる。

本発明の半導体製造用部品は、基体の存在により高い剛性を有し、強度を向上できるとともに、低熱膨張係数を有する。しかも、基体の表層に多孔質層を設けたため、軽量化を図ることができるとともに、粒界相が存在していない多孔質層の表面に緻密な高純度窒化珪素層を有するため、窒化珪素以外の不純物が高純度窒化珪素層に拡散することを殆ど無くすことができ、さらに最表面に緻密な高純度窒化珪素層を有することにより、シリコンウエハの汚染を防止することができる。

本発明の半導体製造用部品の製法では、化学的気相成長法により、多孔質層表層の窒化珪素結晶粒子間に窒化珪素が充填され、多孔質層の最表面に緻密な高純度窒化珪素層を有する半導体製造用部品を容易に作製することができる。

本発明を図を用いて説明する。図１は、本発明の半導体製造用部品の表面近傍を示す概略断面図である。図１によれば、本発明の半導体製造用部品は、基体１と、基体１の表面に設けられた多孔質層５と、この多孔質層５の表面の緻密な高純度窒化珪素層６とによって構成されており、緻密な高純度窒化珪素層６の表面にシリコンウエハが載置されることになる。

基体１は、焼結助剤を１〜２０質量％の割合で含み、相対密度が９８％以上の窒化珪素焼結体であることが、耐熱衝撃性及び強度の点から望ましい。特に、基体１の窒化珪素焼結体の強度は、シリコンウエハを支持または保持する場合には、それほど応力が発生しないため、室温における内部の切り出し強度は２００ＭＰａ以上であれば良い。

焼結助剤としては公知の成分を用いることができる。例えば、Ｙ、Ｅｒ、Ｙｂ、Ｌｕなどの周規律表第３ａ族元素の酸化物や、Ａｌ、Ｍｇなどの酸化物を用いることができるが、焼結性の促進の点から第３ａ族元素の酸化物が優れている。これらの焼結助剤成分を酸化物換算の合量が窒化珪素に対して１〜２０質量％の割合となるように配合すれば良い。

焼結助剤の含有量が１質量％未満では緻密化が不十分となり、充分な強度が得られず、また、２０質量％を超えると粒界の絶対量が大きくなるため、多孔質層５による空隙量が増大し、耐衝撃性や表面強度が低下する。そのため、充分な強度を有し、且つ多孔質層５の剥離及び欠損をより改善するため、焼結助剤は、特に２〜１５質量％、更には３〜１０質量％であることが望ましい。

多孔質層５の窒化珪素結晶粒子３の平均粒径は、基体１を構成する窒化珪素焼結体の窒化珪素結晶粒子の平均粒径と略同一であることが望ましい。基体１と多孔質層５との窒化珪素結晶の平均粒径を略同一にすることにより、剥離しにくい構造となり、また、強度の極端な低下も招かない。図１（ｂ）に示したように、多孔質層５の窒化珪素結晶粒子３の下端部が基体１に埋設されていることが望ましい。窒化珪素結晶粒子３は六角柱状をしている。

なお、本発明における上記略同一とは、多孔質層５の窒化珪素結晶粒子３の平均粒径ＡＬが、基体１の窒化珪素結晶粒子の平均粒径ＡＳに対して０．９５ＡＳ≦ＡＬ≦１．０５ＡＳ関係式を満たす程度の値を意味する。

また、多孔質層５は、窒化珪素結晶粒子３と、それを３次元的に取り巻く空隙４とからなることが重要である。多孔質層５は、シリコンウエハに直接接する緻密な高純度窒化ケイ素層との界面７から特定の深さにわたり、窒化珪素質結晶粒子３の粒界に存在する焼結助剤や不純物を含む粒界相を除去し、空隙４を３次元的に形成することによって作製することができる。

緻密な高純度窒化珪素層６は、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）で成膜されることが望ましい。化学的気相成長法（ＣＶＤ法）で成膜することにより、実質的に窒化珪素からなり、緻密な層を形成することが可能となる。最表面の緻密な高純度窒化珪素層は、高純度であることが必要であるため、ＣＶＤ法による成膜が適しているが、この方法に限るものではない。

高純度窒化珪素層とは、実質的に窒化珪素からなる層であり、多孔質層を構成する窒化珪素結晶粒子の間に、上記ＣＶＤ法により窒化珪素が充填され、多孔質層を構成する窒化珪素結晶粒子とＣＶＤ法による窒化珪素とが混在した層と、その層上に設けられたＣＶＤ法により形成された層とから構成される。尚、ＣＶＤ法により形成された層を有しない場合、すなわち、多孔質層を構成する窒化珪素結晶粒子とＣＶＤ法による窒化珪素とが混在した層だけからなる場合であっても良い。

本発明の半導体製造用部品では、内部に高強度、高耐衝撃性の焼結体（基体）があり、その焼結体と一体的に焼結してなる窒化珪素結晶３が３次元的に結合してなり、その窒化珪素結晶粒子３の粒界が３次元的に形成され、粒界のない多孔質層の表面に、さらに緻密な高純度窒化珪素層を設けた構造を採用しているため、焼結助剤のない緻密な高純度窒化珪素層の表面２にシリコンウエハが載置されても、希土類元素、アルミニウム等の元素がシリコンウエハと接触することがなく、これによりシリコンウエハを汚染し、半導体の性能や信頼性を損ねたりすることがない。

また、空隙が多くても窒化珪素結晶粒子が基体１から連続して、しかも３次元的に焼結して一体化しているため、基体１から多孔質層５が剥離しにくく、最表層の緻密な高純度窒化珪素層もアンカー効果により剥離しにくく、信頼性の高い半導体製造用部品を実現できる。尚、基体に多孔質層を設け、さらに最表面に緻密な高純度窒化珪素層を有する本発明の半導体製造用部品は、液晶パネル製造用部品としても用いることができる。

本発明における「３次元的に連続する」との意味は、研磨面等の平面上ではかならずしも連続ではないものの、３次元における連続性を有し、空間的に連結していることを意味している。即ち、窒化珪素結晶粒子の粒界に形成された空隙４は連結しており、粒界相が全く又はほとんどない状態になっている。また、窒化珪素結晶粒子は、各結晶粒子の少なくとも一部が隣接する他の結晶粒子と部分的に焼結して一体化され、部分的に連結した状態が連なって３次元的に一体化している状態にある。

多孔質層５の厚みは１０μｍ以上、特に２０μｍ、更には３０μｍ以上、より好適には５０μｍ以上であることが好ましい。窒化珪素は、それ自体共有結合を有する化学的に安定な化合物からなるために耐食性に優れるが、粒界に焼結助剤や不純物があるとシリコンウエハを汚染するが、多孔質層の厚みを１０μｍ以上とすることで、シリコンウエハが希土類元素、アルミニウム等の焼結助剤成分に直接接触することがない。

多孔質層５の厚みの上限は特に制限されないが、例えば５００μｍ以上であっても作用効果に変化はない。半導体製造用部品の強度を極端に低下させないためには、１ｍｍ以下、特に７００μｍ以下、更には６００μｍ以下、より好適には５００μｍ以下が望ましい。

緻密な高純度窒化珪素層６の厚みは1μｍ以上、特に２μｍ、さらには３μｍ以上であることが好ましい。多孔質層の存在により基体の粒界相成分の拡散が抑制される上、緻密な高純度窒化珪素層の存在により、さらに粒界相成分のシリコンウエハへの拡散を抑制することが可能となる。

緻密な高純度窒化珪素層６の厚みの上限は特に制限されないが、例えば１０μｍ以上であっても作用効果に変化はない。緻密な高純度窒化珪素層の剥離強度を低下させないためは、１００μｍ以下、特に５０μｍ以下、さらには３０μｍ以下、１０μｍ以下が望ましい。

このような半導体製造用部品は、緻密な高純度窒化珪素層６上にシリコンウエハを載置し、搬送する場合であっても、従来の粒界相を構成する、例えば希土類元素、アルミニウム等の元素がシリコンウエハと接触することがなく、これによりシリコンウエハを汚染し、半導体の性能や信頼性を損ねたりすることがない。

次に、本発明の半導体製造用部品の製造方法について説明する。基体となる窒化珪素焼結体は、周知の方法で作製することができる。

具体的には、窒化珪素粉末に、Ｙ_２Ｏ_３、Ｅｒ_２Ｏ_３、Ｙｂ_２Ｏ_３、Ｌｕ_２Ｏ_３などの周規律表第３ａ族元素酸化物や、Ａｌ_２Ｏ_３、ＭｇＯ、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２などの焼結助剤を合量で１〜２０質量％、特に２〜１５質量％、更には３〜１０質量％の割合で添加したものを所望の成形手段、例えば、冷間静水圧プレス、鋳込み成形、押し出し成形等により任意の形状に成形後、焼成する。

焼成は、窒素含有雰囲気で１５００〜１９５０℃の温度で０．５〜１０時間程度焼成して相対密度９８％以上、特に９８．５％以上、更には９９％以上の焼結体を得る。焼成方法としては、常圧焼成、窒素ガス加圧焼成、熱間静水圧焼成が挙げられ、場合によってはこれらを組み合わせて作製することができる。

次に、上記のように得られた窒化珪素焼結体をエッチング処理し、粒界相を除去することが重要である。エッチング処理は、腐食ガス中での加熱エッチング処理及び腐食ガスプラズマ中でのプラズマエッチング処理、酸中での加圧加熱処理の３種類を採用することができる。腐食ガスには、ハロゲンガス及び／又は水素を、酸としては塩酸を用いることができる。

特に、加熱エッチング処理では水素が、プラズマエッチング処理ではハロゲンガスが好適である。ハロゲンガスは腐食性が高いため、プラズマエッチング処理に適している。ハロゲンガスは、塩素ガス、臭素ガス及びヨウ素ガスの少なくとも１種を採用でき、コスト及び粒界相除去効率を考慮すると塩素ガスが好ましい。

加熱エッチング処理の場合、少なくとも上記腐食ガスを含むガス雰囲気中で８００〜１９００℃の温度範囲でエッチング処理を行う。このエッチング処理によって、焼結体の表面における粒界相成分を除去することにより、多孔質層を形成することができる。

このエッチング処理時の温度が８００℃を下回る場合、粒界相除去速度が小さいため、例えば３０時間以上エッチング処理を継続しても５μｍ以上の厚みの多孔質層を得られないことがあり、量産に適しない。短時間で処理を完了させるため、特に９００℃以上、更には１０００℃以上、より好適には１１００℃以上の温度が望ましい。しかし、１９００℃を超える温度では、窒化珪素自体の分解が盛んに生じ、表面の大きな浸食がおこるため、大気圧では１９００℃以下に設定する。なお、１気圧を超える高圧中でエッチング処理を行う場合は、エッチング処理温度の上限が引上げられるのは言うまでもない。

さらに、基体１の曲げ強度の低下を抑えるためには、１６００℃以下の温度でエッチング処理をすることが望ましい。また、エッチング処理時間については、充分に除去するため、いずれの温度条件においても、１０分以上のエッチング処理を行うことが望ましい。

プラズマエッチング処理の場合、上記腐食ガスを放電させてプラズマ状態とし、このプラズマに接触するように窒化珪素焼結体を配置する。この処理においては、特に昇温する必要はないが、プラズマによる温度ばらつきを抑制するためには、加熱により５０℃以上の一定温度に設定するのが好ましい。プラズマエッチング処理は低温で行えるため、安全性の点で好ましい。

このようなエッチング処理方法によれば、複雑な部材や大型の部材に対しても容易に適用でき、多孔質層を有する基体を製造することができる。

また、酸中での加圧加熱処理では１２０〜２００℃の温度で水の平衡蒸気圧下、１〜１００時間処理することで焼結体の表面における粒界相成分を除去することにより、多孔質層を形成することができる。

次に、緻密な高純度窒化珪素層６を化学的気相成長法（ＣＶＤ法）で成膜する。例えば、反応温度、反応ガス流量及び反応圧力を所望の値に制御しつつ、電極間に所望の高周波電力を印加しプラズマを生成し、基体１表層の多孔質層に、実質的に窒化珪素からなる高純度窒化珪素層を成膜することができる。層の厚さは高周波電力を印加する時間を制御することにより所望の層厚を得ることができる。なお、高純度窒化珪素層は多孔質層上のみならず、多孔質層の窒化珪素結晶粒子間の隙間の一部を埋めるのが密着性向上の点で好ましい。

ＣＶＤ法は、公知の方法を採用できる。具体的には、例えば、熱ＣＶＤ法を用いる場合は、まず基体を反応炉に設置する。反応炉を１０〜７６０Ｔｏｒｒ、１３５０〜１５５０℃程度に加熱した後に、反応ガスのＳｉＣｌ_４、ＮＨ_３及びキャリアガスのＮ_２を反応炉に導入する。ガスの導入にはシャワーヘッドを用いて上記の反応ガスを反応炉内に均一に供給しても良い。析出時間は、析出速度に応じて決定する。析出速度は、反応炉の形状と大きさ、ガスの流量、反応ガスの混合比、炉内圧力および炉内温度に依存する。一般には、１時間で０．２〜２０μｍの厚みが得られる。これにより、基体１表層の多孔質層に、実質的に窒化珪素からなる高純度窒化珪素層を成膜することができる。

また、プラズマＣＶＤ法を用いる場合には、例えば、反応ガスとしてＳｉＨ_４、ＮＨ_３及びＮ_２を用い、この反応ガスは遠隔プラズマ放電装置を通じて導入されたＮ_２と混合され、シャワーヘッドを介して反応チャンバ内に均一に供給される。シャワーヘッドには高周波電力が印加され、表層に多孔質層を有する基体１は所望の温度で加熱され、これにより、基体１表層の多孔質層に、実質的に窒化珪素からなる高純度窒化珪素層を成膜することができる。

まず、原料粉末を準備する。即ち、窒化珪素粉末（平均粒径０．６μｍ、酸素含有量０．７質量％、α化率９２％）に希土類元素酸化物粉末、Ａｌ_２Ｏ_３粉末をそれぞれ表１の組成となるように添加し、ボールミルにて十分に混合した後に、スプレードライヤーで乾燥造粒して顆粒を製作し、該顆粒を金型に充填して１００ＭＰａの圧力で金型プレス成形することにより成形体を作製した。

得られた成形体を炭化珪素質のこう鉢に入れて、カーボンヒータを用い、常圧窒素雰囲気中にて１７５０℃の温度まで昇温し、この温度にて５時間保持した後さらに１９００℃まで昇温して５時間保持した。その後炉冷し、厚み５ｍｍの窒化珪素焼結体を製作した。

得られた窒化珪素焼結体をエッチング処理し、多孔質層が形成された基体を作製した。エッチング処理は、塩酸中において平衡蒸気圧下で加圧加熱処理を行った。エッチング条件を表１に示した。

上記多孔質層を有する基体にプラズマＣＶＤ法により緻密な高純度窒化珪素層を成膜した。ＣＶＤ装置は、平行平板電極型の装置を用い、高周波電力は１３．５６ＭＨｚで４５０Ｗ、電極間距離は１４ｍｍとした。成膜条件は、ガスとして、ＳｉＨ_４の流量：２５（ｓｃｃｍ）、Ｎ_２の流量：２５００（ｓｃｃｍ）、Ｎ_２／ＳｉＨ_４：１００を用い、温度：３９０℃で行った。成膜圧力は４Ｔｏｒｒに設定した。

次いで、上記窒化珪素焼結体を厚み５ｍｍで２０ｍｍ角の形状に加工して試験片を作製した。得られた基体の上に高純度のシリコンウエハを乗せ、真空中で１０００℃まで昇温し、１分間保持した後降温した。試験後のシリコンウエハ中の希土類元素成分をＩＣＰ発光分光法で測定した。

また、多孔質層、緻密な高純度窒化珪素層の厚みは、試験片を切断し、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により測定した。

その後、基体から、縦３ｍｍ×横４ｍｍ×長さ４０ｍｍの寸法に加工後（多孔質層は横４ｍｍ×長さ４０ｍｍの面に形成されている）、基体の４点曲げ強度を室温にて測定した。強度の測定は、ＪＩＳＲ１６０１に基づいて行ない、多孔質層の反対側の面から荷重をかけた。

尚、試料Ｎｏ．１３は、Ｓｉ粉末を成形し、窒化して、縦３ｍｍ×横４ｍｍ×長さ４０ｍｍの多孔質体を作製した場合である。

本発明の試料Ｎｏ．１〜１０では、シリコンウエハを載置し、真空中で１０００℃まで昇温した後でも不純物が１００×１０^−７質量％以下であり、殆ど汚染されることがなく、しかも強度が４００ＭＰａ以上であるため、破損等が生じることがない。

一方、緻密な高純度窒化珪素層を有していない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１１は、不純物が３００×１０^−７質量％であり、シリコンウエハを汚染する可能性があることが判る。また、エッチング処理を行っていない本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１２は、強度は高いものの多孔質層が無く、シリコンウエハを大きく汚染する可能性があることが判る。また、高純度の反応焼結窒化珪素試料Ｎｏ．１３は焼結助剤を含まないものの強度が１５０ＭＰａと低く、破損する危険性があることが判る。

本発明の半導体製造用部品を示すもので、（ａ）は断面図、（ｂ）は（ａ）の一部を拡大して示す模式図である。

符号の説明

１・・・基体
２・・・半導体製造用部品の表面
３・・・窒化珪素結晶粒子
４・・・空隙
５・・・多孔質層
６・・・緻密な高純度窒化珪素層
７・・・多孔質層と緻密な高純度窒化珪素層の界面

Claims

窒化珪素結晶粒子と粒界相とからなり、相対密度が９８％以上の窒化珪素焼結体からなる基体に、該基体の表層の前記粒界相を除去して、前記窒化珪素結晶粒子が３次元的に連結した多孔質層を設け、該多孔質層の表面に、実質的に窒化珪素からなる緻密な高純度窒化珪素層を設けてなることを特徴とする半導体製造用部品。
窒化珪素結晶粒子と粒界相とからなり、相対密度が９８％以上の窒化珪素焼結体からなる基体の表層の前記粒界相を除去して、前記窒化珪素結晶粒子が３次元的に連結した多孔質層を前記基体の表層に形成する工程と、前記多孔質層の表面に、化学的気相成長法により、実質的に窒化珪素からなる緻密な高純度窒化珪素層を設ける工程とを具備することを特徴とする半導体製造用部品の製法。