JP2013032231A

JP2013032231A - シリカ膜およびその形成方法

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Publication number: JP2013032231A
Application number: JP2011155079A
Authority: JP
Inventors: Koji Okazaki; 浩司岡崎; Satori Hirai; 聡里平井; Kazuyoshi Arai; 一喜新井
Original assignee: Tosoh Corp
Current assignee: Tosoh Corp
Priority date: 2010-12-08
Filing date: 2011-07-13
Publication date: 2013-02-14
Anticipated expiration: 2031-07-13
Also published as: JP5699837B2

Abstract

【課題】
シリカ膜の形成において、膜厚が厚くクラックの発生を抑えたシリカ膜の容易な形成方法を提供する。
【解決手段】
本発明は、シリカ膜の形成において、プレカーサとして条件を制御したシリコンアルコキシドの加水分解・脱水縮重合物にシリカフィラーを０〜５０ｖｏｌ％になるように混合した組成物を用い、プレカーサに紫外線を照射することによって、加熱することなくクラックの発生を抑えたシリカ膜を形成する。
【選択図】なし

Description

本発明は、クラックの発生を抑えたシリカ膜の形成方法に関する。

シリカ膜の形成方法としては、化学的気相成長法（ＣＶＤ法）、スパッタリング法、真空蒸着法、ゾルゲル法または溶射法などが用いられている。

ＣＶＤ法、スパッタリング法または真空蒸着法は、良質な膜を得ることができるが、チャンバ内のプロセスであり、成膜レートも遅いため、成膜コストが高いなどの問題があり、ゾルゲル法は、金属アルコキシドと水を反応させて加水分解と脱水縮重合を利用してゲルを形成し、酸化物の融点以下の処理温度で酸化物膜を形成できる方法であるが、１０００℃前後と高温の熱処理が必要なため、熱処理炉などからの不純物汚染のリスクがある。

また、溶射法は、厚膜を形成することが可能であるが、大きな熱を印加しながら膜を形成するため汚染の問題やクラックの問題、形成される膜の密度は低く緻密性に問題がある。

これらを解決する方法として、シリコンプレカーサの光化学反応を利用したシリカ膜の形成方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。この方法によれば、基体にシリコンプレカーサとしてシリコーンオイルを塗布する工程と波長が３００〜１５０ｎｍの紫外線を照射する工程を繰り返すことによってシリカ膜の積層膜を形成することができるとされている。

また、ポリシラザンやシリコンアルコキシドへ真空紫外線を照射してシリカ膜を形成している例も報告されている（例えば、非特許文献１〜３参照）。

しかし、これらの方法では、膜厚が１μｍを超えるとクラックが発生してしまうという問題が有った。

また、アルコキシシランとコロイダルシリカを含む組成物に真空紫外線を照射して熱処理することによりシリカ膜を形成する例も報告されている（例えば、特許文献２参照）。

しかし、この方法では真空紫外線の照射時間が短く、有機残渣を多く含有したシリカ膜となっており、耐熱性が低く高温で用いることは出来ない。

特開２００５−７０２４３号公報特開２００８−６９２６３号公報

Ｃ．Ｋａｔｏ、「ＪｏｕｒｎａｌｏｆＰｈｏｔｏｐｏｌｙｍｅｒＳｃｉｅｎｃｅａｎｄＴｅｃｈｎｏｌｏｇｙ」、Ｖｏｌｕｍｅ１６、Ｎｕｍｂｅｒ２（２００３）Ｐ．１６３−１６４Ｋ．Ａｗａｚｕ、「ＡｐｐｌｉｅｄＰｈｙｓｉｃｓＬｅｔｔｅｒｓ」６９Ｐ．４８２−４８４（１９９６）「ゾル−ゲル法の応用」、作花澄夫、アグネ承風社、Ｐ．１２４−１２５

本発明の目的は、シリカ膜の形成において、膜厚が厚くクラックの発生を抑えたシリカ膜の形成方法を提供することである。

本発明者らは、シリカ膜の形成において、プレカーサとして条件を制御したシリコンアルコキシドの加水分解・脱水縮重合物にシリカフィラーを０〜５０ｖｏｌ％になるように混合した組成物を用い、前記プレカーサに紫外線を照射することによって、加熱することなくクラックの発生を抑えたシリカ膜を形成することができることを見出し、本発明を完成するに至った。

以下、本発明を詳細に説明する。

本発明は、プレカーサを製造する工程と、基体に前記プレカーサを塗布する工程と、前記基体に紫外線を照射する工程とを含んでなることを特徴とするシリカ膜形成方法である。

まず、プレカーサを製造する工程について説明する。プレカーサを製造する工程は、シリコンアルコキシドに対して１〜３倍モル量の水を用いて、溶媒中でシリコンアルコキシドを加水分解した後、同加水分解物を０．５時間以上脱水縮重合したものにシリカフィラーを０〜５０ｖｏｌ％になるように混合することを特徴とする。

プレカーサを製造する工程について、更に具体的に説明するが、本発明は下記の方法に限定されるものではない。

シリコンアルコキシドの加水分解は、溶媒にシリコンアルコキシドを溶解した溶液Ａと、溶媒と水の混合物に酸触媒または塩基触媒を加えた溶液Ｂとを用いると、後述する混合において均一に混合が行えることから好ましい。ここで水の量はシリコンアルコキシドに対して１〜３倍モル量とすることで、本発明に適したプレカーサを得ることができる。シリコンアルコキシドのアルコキシド基はシリコンアルコキシドの４倍モル量存在しており、水の量と等モル量のアルコキシド基が加水分解される。本発明に適したプレカーサはアルコキシド基が残存していることが好ましいため、水の量はシリコンアルコキシドの３倍モル量以下とする。また、水の量が少ないと加水分解されない未反応のシリコンアルコキシドが存在して重合速度が遅く好ましくないため、水の量はシリコンアルコキシドに対して１倍モル量以上とする。

なお、加水分解で用いる酸触媒または塩基触媒としては、塩酸、臭化水素酸、次亜塩素酸、亜塩素酸、塩素酸、過塩素酸、硫酸、フルオロスルホン酸、硝酸、亜硝酸、リン酸、クロム酸、ホウ酸などに代表される無機酸、スルホン酸、酢酸、クエン酸、ギ酸、グルコン酸、乳酸、シュウ酸、酒石酸などに代表される有機酸、水酸化ナトリウム、水酸化カルシウム、水酸化バリウム、アンモニアなどの塩基などが挙げられる。

溶液Ａと溶液Ｂを混合して、シリコンアルコキシドを加水分解する際、必要に応じて脱水縮重合の急激な反応の進行を抑制するため、凝固しない温度であれば低温であるほうが好ましい。実用的には氷水浴中で行うことが好ましい。また、アルコキシ基の加水分解を均一に進行させるため、混合は数分から数時間かけてよく攪拌しながら行なうことが好ましい。

本発明で用いるシリコンアルコキシドとしては、例えば、メトキシ基、エトキシ基、１−プロポキシ基、イソプロポキシ基、１−ブトキシ基、イソブトキシ基、ｓｅｃ−ブトキシ基又はｔ−ブトキシ基等のアルコキシ基を有するものが使用可能であるが、特にテトラエトキシシランは反応を制御しやすい点でより好ましい。

本発明で用いる溶媒としては、シリコンアルコキシドと水を溶解できるものであれば使用可能であるが、例えば、メタノール、エタノール、１−プロパノール、イソプロピルアルコール、１−ブタノール、イソブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール又はｔ−ブチルアルコール等のアルコールが使用可能であるが、特に１−プロパノール、イソプロピルアルコール、１−ブタノール、イソブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール又はｔ−ブチルアルコールが塗布時の揮発の制御がしやすい点でより好ましい。

シリコンアルコキシドの加水分解物の脱水縮重合は、８０℃以上でよく攪拌しながら進行させることが好ましく、溶媒の揮発を防ぐために冷却管を装着して還流しながら行うことが好ましい。この脱水縮重合は、０．５時間以上行う必要がある。

シリカフィラーの混合は、上記加水分解で用いた溶媒と同種の溶媒に分散したシリカフィラースラリーを用いて混合することが好ましい。同種の溶媒に分散したシリカフィラースラリーを用いることにより容易かつ均一に分散させることが可能となる。

プレカーサ中のシリカフィラーの濃度は０〜５０ｖｏｌ％であり、さらに１０〜５０ｖｏｌ％であるとプレカーサ中の水分が減り、長時間の紫外線照射を行ってもクラックが発生しにくくなるため、有機残渣が少ない膜厚の厚いシリカ膜を形成することが可能となる点でより好ましい。

なお、シリカ膜の有機残渣の測定は、特に限定されないが例えばフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）を用いて透過法、反射法などにより行なうことができる。得られる赤外線吸収スペクトルには、各種官能基固有の吸収が見られ、特に強い吸収を示すメチル基の非対称ＣＨ_３伸縮に相当する２９６０ｃｍ^−１の吸光度を測定することで膜の有機残渣を評価することができる。

なお、シリカフィラーの平均粒径は１〜１００ｎｍであることが好ましく、１０〜２０ｎｍであることがより好ましい。

次に、プレカーサを基体に塗布する工程について説明する。

プレカーサの塗布は、特に限定されないが、例えばスピンコーティング、ディップコーティング又はスプレーコーティングなどを用いることができる。プレカーサが膜状になると溶媒は揮発し、シリコンアルコキシドの加水分解・脱水縮重合物が基体上に残存する。基体上に塗布するプレカーサの量としては、膜厚が１〜１０μｍとなるように塗布することが好ましく、膜厚が２〜８μｍとなるように塗布することがより好ましい。

また、用いる基体の形状には制限はなく、平板状、ドーム状、リング状又は管状などいかなる形状にも対応できる。

次に、プレカーサに紫外線を照射する工程について説明する。

照射する紫外線は波長が１５０〜２００ｎｍであることが好ましい。波長が１５０〜２００ｎｍの紫外線によりＳｉ−Ｏ結合は保持したまま、紫外線のエネルギーよりも小さいエネルギーの結合が選択的に切断されるため、シリカ膜を形成することができる。例えば波長が１７２ｎｍであるＸｅエキシマランプで照射して行うことができる。この際、紫外線照射時の温度は室温下で行なうことができるし、必要に応じて室温より高温や低温にしてもよい。また、紫外線照射時の圧力は大気雰囲気下で行うことができるし、必要に応じて大気圧より高圧や低圧にしてもよい。

紫外線の照射時間は特に限定されないが、シリカ膜中の有機残渣を少なくしたい場合は十分な時間照射を行うことが好ましい。使用する装置や照射条件により必要な照射時間は変わるが、ＦＴ−ＩＲにより測定される非対称ＣＨ_３伸縮に相当する２９６０ｃｍ^−１の吸光度が０．０２以下にすることができる時間であることが好ましく、０．０１以下にすることができる時間であることがより好ましい。

このような有機残渣が少ないシリカ膜は耐熱性が高く、高温で用いることが可能であり、半導体製造装置、フラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）製造装置、またはＭｉｃｒｏＥｌｅｃｔｒｏ−ＭｅｃｈａｎｉｃａｌＳｙｓｔｅｍｓ（ＭＥＭＳ）製造装置用の部材や、光学部材などに利用することができる。具体的には、熱処理装置、ＣＶＤ装置などの成膜装置、エッチング装置などに利用されるボート、石英管、または台座などの石英ガラス部材や、光学セル、光学レンズなどが挙げられる。上記のような部材は、基材の全面または一部にシリカ膜が形成されていてもよい。

本発明によるシリカ膜形成方法を用いることで、膜厚が厚くクラックの発生を抑えたシリカ膜を容易に形成することが可能となる。

以下に実施例によって本発明を具体的に説明するが、本発明は係る実施例に限定されるものではない。

実施例１
攪拌可能な反応容器中に、溶液Ａとしてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）８５ｇ（０．４１ｍｏｌ）、イソプロピルアルコール２４．５ｇを加えよく混合した。また、溶液Ｂとして、水１４．５ｇ（０．８１ｍｏｌ）、イソプロピルアルコール２４．５ｇ、塩酸（３６ｗｔ％）０．４１ｇをよく混合した。溶液Ａの入った反応容器を氷水浴中でよく攪拌しながら、ビュレットを用いて溶液Ｂを２時間かけて滴下、混合し加水分解した。本条件は、テトラエトキシシランに対して２倍モル量の水を混合している。さらに、反応容器の口に冷却管を装着し、溶媒が還流されるようにしてから、８０℃の湯浴中でよく攪拌しながら、脱水縮重合を０．５時間行なったものをプレカーサとした。

石英ガラス板（２０ｍｍ×２０ｍｍ×２ｍｍ）を基体とし、上記プレカーサをスピンコータ（ミカサ（株）製、商品名「ＭＳ−Ａ１００」）により塗布膜厚が５μｍになるように塗布した。塗布後、溶媒のイソプロピルアルコールが揮発したことを確認した。このサンプルをランプから１８ｍｍの位置に置き、４５ｍＷ／ｃｍ^２のＸｅエキシマ光（波長１７２ｎｍ）を用い、大気雰囲気下、大気圧下で、６０分間照射した。プレカーサは硬化し、膜厚２μｍのクラックの発生が抑えられたシリカ膜を得ることができた。

実施例２
実施例１と同様の加水分解をした後、実施例１と同様の脱水縮重合を２時間行なったものをプレカーサとした。

実施例１と同様の方法で上記プレカーサを塗布し、実施例１と同様の方法でＸｅエキシマ光（波長１７２ｎｍ）を照射した。プレカーサは硬化し、膜厚２μｍのクラックの発生が抑えられたシリカ膜を得ることができた。

実施例３
実施例１と同様の加水分解をした後、実施例１と同様の脱水縮重合を５時間行なったものをプレカーサとした。

比較例１
実施例１と同様の加水分解をして、脱水縮重合を行わないものをプレカーサとした。

実施例１と同様の方法で上記プレカーサを塗布し、実施例１と同様の方法でＸｅエキシマ光（波長１７２ｎｍ）を照射した。プレカーサは硬化し、膜厚２μｍの膜が得られたが、クラックが発生した。

比較例２
攪拌可能な反応容器中に、溶液Ａとしてテトラエトキシシラン（ＴＥＯＳ）７５ｇ（０．３６ｍｏｌ）、イソプロピルアルコール２１．６ｇを加えよく混合した。また、溶液Ｂとして、水２５．７ｇ（１．４２ｍｏｌ）、イソプロピルアルコール２１．６ｇ、塩酸（３６ｗｔ％）０．３６ｇをよく混合した。溶液Ａの入った反応容器を氷水浴中でよく攪拌しながら、ビュレットを用いて溶液Ｂを２時間かけて滴下、混合し加水分解した。本条件は、テトラエトキシシランに対して４倍モル量の水を混合している。これをプレカーサとした。

比較例３
比較例２と同様の加水分解をした後、さらに、反応容器の口に冷却管を装着し、溶媒が還流されるようにしてから、８０℃の湯浴中でよく攪拌しながら、３時間、脱水縮重合を行ったものをプレカーサとした。

実施例１と同様の方法で上記プレカーサを塗布し、実施例１と同様の方法でＸｅエキシマ光（波長１７２ｎｍ）照射した。プレカーサは硬化し、膜厚２μｍの膜が得られたが、クラックが発生した。

比較例４
比較例２と同様の加水分解をした後、さらに、反応容器の口に冷却管を装着し、溶媒が還流されるようにしてから、８０℃の湯浴中でよく攪拌しながら、５時間、脱水縮重合を行ったものをプレカーサとした。

比較例５
実施例１と同様のイソプロピルアルコールを含んだままの加水分解・脱水縮重合液０．３０ｇに、イソプロピルアルコールに分散したシリカフィラースラリー（日産化学社製商品名「オルガノシリカゾルＩＰＡ−ＳＴ」固形分濃度３０ｗｔ％粒径１０〜２０ｎｍ）１．９８ｇをよく混合し、イソプロピルアルコール除去後、シリカフィラー濃度が６０ｖｏｌ％となるものをプレカーサとした。

実施例１と同様の方法で上記プレカーサを塗布した時点で、プレカーサはクラックが発生してしまった。

比較例６
実施例１と同様のイソプロピルアルコールを含んだままの加水分解・脱水縮重合液０．１５ｇに、比較例５と同様のイソプロピルアルコールに分散したシリカフィラースラリー２．６４ｇをよく混合し、イソプロピルアルコール除去後、シリカフィラー濃度が８０ｖｏｌ％となるものをプレカーサとした。

比較例７
比較例２と同様のイソプロピルアルコールを含んだままの加水分解・脱水縮重合液０．７０ｇに、比較例５と同様のイソプロピルアルコールに分散したシリカフィラースラリー１．２０ｇをよく混合し、イソプロピルアルコール除去後、シリカフィラー濃度が３０ｖｏｌ％となるものをプレカーサとした。

実施例１〜３、比較例１〜７の結果を表１にまとめた。

実施例４
実施例１と同様のイソプロピルアルコールを含んだままの加水分解・脱水縮重合液１．４０ｇに、比較例５と同様のイソプロピルアルコールに分散したシリカフィラースラリー０．６９ｇをよく混合し、イソプロピルアルコール除去後、シリカフィラー濃度が１０ｖｏｌ％となるものをプレカーサとした。

実施例１と同様の方法で上記プレカーサを塗布し、実施例１と同様の方法でＸｅエキシマ光（波長１７２ｎｍ）を、３２０分間照射した。プレカーサは硬化し、膜厚２μｍのクラックの発生がないシリカ膜を得ることができた。またこのシリカ膜をフーリエ変換赤外分光光度計（ＦＴ−ＩＲ）（島津製作所社製ＩＲＰｒｅｓｔｉｇｅ−２１）を用い、メチル基の非対称ＣＨ_３伸縮に相当する２９６０ｃｍ^−１の吸光度を測定したところ、０．０１３だった。

実施例５
実施例１と同様のイソプロピルアルコールを含んだままの加水分解・脱水縮重合液０．７０ｇに、実施例４と同様のイソプロピルアルコールに分散したシリカフィラースラリー１．３２ｇをよく混合し、イソプロピルアルコール除去後、シリカフィラー濃度が３０ｖｏｌ％となるものをプレカーサとした。

実施例４と同様の方法で上記プレカーサを塗布し、実施例４と同様の方法でＸｅエキシマ光（波長１７２ｎｍ）を３２０分間照射した。プレカーサは硬化し、膜厚２μｍのクラックの発生がないシリカ膜を得ることができた。またこのシリカ膜を実施例４と同様の方法で、メチル基の非対称ＣＨ_３伸縮に相当する２９６０ｃｍ^−１の吸光度を測定したところ、０．００４だった。

実施例６
実施例１と同様のイソプロピルアルコールを含んだままの加水分解・脱水縮重合液０．４０ｇに、実施例４と同様のイソプロピルアルコールに分散したシリカフィラースラリー１．７６ｇをよく混合しし、イソプロピルアルコール除去後、シリカフィラー濃度が５０ｖｏｌ％となるものをプレカーサとした。

実施例４と同様の方法で上記プレカーサを塗布し、実施例１と同様の方法でＸｅエキシマ光（波長１７２ｎｍ）を３２０分間照射した。プレカーサは硬化し、膜厚２μｍのクラックの発生がないシリカ膜を得ることができた。またこのシリカ膜を実施例４と同様の方法で、メチル基の非対称ＣＨ_３伸縮に相当する２９６０ｃｍ^−１の吸光度を測定したところ、０．００１以下だった。

参考例１
実施例１で得られたシリカ膜をＦＴ−ＩＲを用い、メチル基の非対称ＣＨ_３伸縮に相当する２９６０ｃｍ^−１の吸光度を測定したところ、０．０３８だった。

参考例２
実施例１と同様のイソプロピルアルコールを含んだままの加水分解・脱水縮重合液０．７０ｇに、実施例４と同様のイソプロピルアルコールに分散したシリカフィラースラリー１．３２ｇをよく混合し、イソプロピルアルコール除去後、シリカフィラー濃度が３０ｖｏｌ％となるものをプレカーサとした。

実施例１と同様の方法で上記プレカーサを塗布し、実施例１と同様の方法でＸｅエキシマ光（波長１７２ｎｍ）を５分間照射した。プレカーサは硬化し、膜厚２μｍのクラックの発生がないシリカ膜を得ることができたが、このシリカ膜をＦＴ−ＩＲを用い、メチル基の非対称ＣＨ_３伸縮に相当する２９６０ｃｍ^−１の吸光度を測定したところ、０．０２４だった。

実施例４〜６及び参考例１、２の結果を表２にまとめた。

膜厚が厚くクラックの発生を抑えたシリカ膜を容易に形成することができ、さらに適量のフィラーを混合することによって有機残渣が少なくクラックの発生を抑えた膜厚の厚いシリカ膜を容易に形成することができ、半導体製造装置などに好適に用いることができる。

Claims

シリコンアルコキシドに対して１〜３倍モル量の水を用いて、溶媒中でシリコンアルコキシドを加水分解した後、同加水分解物を０．５時間以上脱水縮重合したものにシリカフィラーを０〜５０ｖｏｌ％になるように添加してプレカーサを製造する工程と、基体に前記プレカーサを塗布する工程と、前記基体に紫外線を照射する工程とを含んでなることを特徴とするシリカ膜の形成方法。
紫外線の照射が、Ｘｅランプにより行われることを特徴とする請求項１記載のシリカ膜の形成方法。
シリカ膜の膜厚が１μｍ以上となるようにプレカーサを塗布することを特徴とする請求項１または２記載のシリカ膜の形成方法。
シリコンアルコキシドがテトラエトキシシランであることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載のシリカ膜の形成方法。
シリカフィラーの平均粒径が１〜１００ｎｍであることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載のシリカ膜の形成方法。
溶媒が、メタノール、エタノール、１−プロパノール、イソプロピルアルコール、１−ブタノール、イソブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール又はｔ−ブチルアルコールであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシリカ膜の形成方法。
溶媒が、１−プロパノール、イソプロピルアルコール、１−ブタノール、イソブチルアルコール、ｓｅｃ−ブチルアルコール又はｔ−ブチルアルコールであることを特徴とする請求項１〜５のいずれかに記載のシリカ膜の形成方法。
シリカフィラーの濃度が全体の１０〜５０ｖｏｌ％であることを特徴とする請求項１〜７のいずれかに記載のシリカ膜の形成方法。
請求項８に記載のシリカ膜の形成方法によって形成されるシリカ膜であってＦＴ−ＩＲを用いて測定されるメチル基の非対称ＣＨ_３伸縮に相当する２９６０ｃｍ^−１の吸光度が０．０２以下であることを特徴とするシリカ膜。
請求項９に記載のシリカ膜が表面の一部または全部に形成されていることを特徴とする半導体製造装置用部材。
請求項９に記載のシリカ膜が表面の一部または全部に形成されていることを特徴とするＦＰＤ製造装置用部材。
請求項９に記載のシリカ膜が表面の一部または全部に形成されていることを特徴とするＭＥＭＳ製造装置用部材。
請求項９に記載のシリカ膜が表面の一部または全部に形成されていることを特徴とする光学部材。