JP2016064461A - 炭化珪素粉末 - Google Patents

Abstract

【課題】ブラスト加工の加工時間の短縮化を図ることができる砥粒として使用可能な炭化珪素粉末を提供する。【解決手段】炭化珪素粉末は、Ｔｉ含有量が０．５ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下である。好ましくは、炭化珪素粉末は、Ｖ含有量が０．３ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下である。さらに好ましくは、炭化珪素粉末は、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍ以下である。【選択図】図１

Description

本発明は、ショットブラスト用の砥粒などに使用される炭化珪素粉末に関する。

半導体製造装置の部品、特にウエハの処理を行うチャンバー部品には、耐熱性、耐食性に富み、ウエハへの汚染が少なく、高精度な寸法で加工されることが求められる。このようなことからセラミックス部品が半導体製造装置の部品として用いられることが多い。

半導体の露光工程を行う装置は、ウエハを吸着固定するジグとして真空チャックを備えている。この真空チャックの材質も、炭化珪素、石英、アルミナなどのセラミックスであることが多い。なかでも、炭化珪素は、比重に対してヤング率が高いので、真空チャックの材質として多用されている。

真空チャックのウエハ吸着面には、多数の突起を形成したもの（例えば、特許文献１参照）と、複数本の溝を形成したもの（例えば、特許文献２参照）とがある。最近では、ウエハ裏面の汚染を低減するために、吸着面を突起を形成したものとすることが多い。

炭化珪素からなる真空チャックは非常に硬いので、切削加工などは困難であり、一般的にショットブラスト加工（単にブラスト加工ともいう）で突起を形成している。そして、一般的にブラスト加工で使用されるアルミナ砥粒は炭化珪素より軟らかいので、炭化珪素性真空チャックの突起を形成する際のブラスト加工には、炭化珪素砥粒が用いられる。

なお、特許文献３には、ＶＴＲヘッド部品などの平面研磨に有用な炭化珪素砥粒が記載されている。このものは、金属不純物に含有量が０．５％以下、固溶する窒素量が０．４ｗｔ％であって、丸い外形を備えている。

特開２００８−１０３７０３号公報 特開２０００−３３１９１０号公報 特開平４−２３６２９０号公報

しかしながら、被加工物である真空チャックの素材と砥粒とが同じ炭化珪素からなるので、ブラスト加工の進行に伴い砥粒の磨耗、破砕が進む。そのため、加工時間の経過に共に加工効率が低下し、加工に長時間かかるという問題が生じる。

本発明は、ブラスト加工の加工時間の短縮化を図ることができる砥粒として使用可能な炭化珪素粉末を提供することを目的とする。

本発明の炭化珪素（ＳｉＣ）粉末は、Ｔｉ（チタン）含有量が０．５ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下であることを特徴とする。

本発明の炭化珪素粉末によれば、下記に記載の本発明の実施例から理解されるように、ブラスト加工の砥粒として使用すれば加工時間の短縮化を図ることができる。これは、０．５ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下でＴｉが含有されることによって、炭化珪素粉末の靱性が向上し、ブラスト加工での砥粒として使用したときに、衝撃による破砕が低減され、砥粒としての寿命が延びたからであると考えられる。

よって、本発明の炭化珪素粉末は、ブラスト加工の砥粒であることが好ましい。

本発明の炭化珪素粉末において、Ｖ（バナジウム）含有量が０．３ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下であることが好ましい。

この場合、下記に記載の本発明の実施例から理解されるように、ブラスト加工の砥粒として使用すれば加工時間の短縮化をさらに図ることができる。これは、Ｔｉに加えて０．３ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍでＶが含有されることによって、炭化珪素粉末の靱性がさらに向上し、ブラスト加工での砥粒として使用したときに、衝撃による破砕が低減され、砥粒としての寿命がさらに延びたからであると考えられる。

また、本発明の炭化珪素粉末において、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍ以下であることが好ましい。

この場合、下記に記載の本発明の実施例から理解されるように、ブラスト加工で形成された突起高さのばらつきを小さく抑えることが可能となる。これは、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計を１５．０ｐｐｍ以下に抑えたために、炭化珪素粉末がある程度は摩耗、破砕するので、粗い加工にはならずに、全体的に加工が均一化したためであると考えられる。ブラスト加工で形成された突起高さのばらつきを小さく抑えることができるため、被加工物がウエハを吸着固定する真空チャックである場合、真空チャックにウエハを安定的に吸着させることが可能となる。

また、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍ以下と小さいので、被加工物表面に炭化珪素粉末が残留しても、被加工物表面のＴｉ及びＶの濃度上昇は小さい。そのため、この被加工物がウエハを吸着固定する真空チャックである場合、ウエハの吸着面がＴｉ及びＶで汚染されるおそれを低減させることが可能となる。

さらに、この場合、下記に記載の本発明の実施例から理解されるように、単結晶化する際の昇華速度の向上を図ることができる。これは、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍ以下と小さいので、Ｔｉ及びＶの焼結助剤としての効果が小さく、昇華時に、炭化珪素の焼結が左程進行せず、炭化珪素粒子の表面積の低下が少ないからであると考えられる。

本発明の実施例、比較例のＴｉ及びＶの含有量を示すグラフ。

以下、本発明の実施形態に係る炭化珪素粉末について説明する。

本発明の実施形態に係る炭化珪素（ＳｉＣ）粉末は、Ｔｉ（チタン）含有量が０．５ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下である。

これは、下記に記載の実施例から理解されるように、Ｔｉ含有量が０．５ｐｐｍ未満であると、ブラスト加工の砥粒として使用すれば加工時間が長期化するためである。その理由は、Ｔｉ含有量が０．５ｐｐｍ未満であると、炭化珪素粉末の靱性が低下し、ブラスト加工で使用したときに、衝撃による破砕が増大し、砥粒としての寿命が短くなるためであると考えられる。

また、加工時間が長くなると、ブラスト加工装置の「クセ」、例えば被加工物を設置するステージの面形状に依存して、ブラスト加工で形成された突起の高さが変化し、結果的に突起高さのばらつきが大きくなることもある。

そして、炭化珪素粉末は、Ｖ（バナジウム）含有量が０．３ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下であることが好ましい。

これは、下記に記載の実施例から理解されるように、Ｖ含有量が０．３ｐｐｍ未満であるとブラスト加工の加工時間が長期化するためである。その理由は、Ｖ含有量が０．３ｐｐｍ未満であると、炭化珪素粉末の靱性が低下し、ブラスト加工で使用したときに、衝撃による破砕が増大し、砥粒としての寿命が短くなるためであると考えられる。このメカニズムは定かではないが、Ｖの含有量によって炭化珪素結晶子間に生成されるＴｉ及びＶの金属間化合物の量が異なり、これによって、炭化珪素砥粒のエッジの欠け方が異なるからであると想定される。

さらに、炭化珪素粉末は、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍ以下であることが好ましい。

これは、下記に記載の実施例から理解されるように、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍを超えると、ブラスト加工で形成された突起高さのばらつきが大きくなるためである。その理由は、炭化珪素靱性が高過ぎるために、砥粒の摩耗、破砕が抑制され、粗い加工となるためであると考えられる。

このようにブラスト加工で形成された突起高さのばらつきを小さく抑えることができれば、被加工物がウエハを吸着固定する真空チャックである場合、真空チャックにウエハを安定的に吸着させることが可能となる。

また、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が多いと、被加工物表面に炭化珪素砥粒が残留した際に、被加工物表面のＴｉ及びＶの濃度の上昇が大きくなる。そのため、この被加工物がウエハを吸着固定する真空チャックである場合、ウエハの被吸着面がＴｉ又はＶで汚染されるおそれがある。

なお、炭化珪素粉末にＴｉ及びＶを単に添加し混合しただけでは、上記したような効果は奏されない。よって、炭化珪素粉末自体にＴｉ及びＶを含有させる必要がある。なお、Ｔｉ及びＶがどのような形態で炭化珪素中に含有しているか定かではないが、炭化珪素の格子中に固溶しているのではなく、炭化珪素の結晶間に炭化物として存在していると推測される。

さらに、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍ以下であれば、下記に記載の本発明の実施例から理解されるように、単結晶化する際の昇華速度の向上を図ることができる。これは、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍ以下と小さいので、Ｔｉ及びＶの焼結助剤としての効果が小さく、昇華時に、炭化珪素の焼結が左程進行せず、炭化珪素粒子の表面積の低下が少ないからであると考えられる。

以上のような炭化珪素粉末は、炭化珪素粉末を製造する際に採用される任意の製造方法で製造することができる。炭化珪素粉末の製造方法には、気相合成法、液相合成法、固相合成法があるが、何れの方法で製造したものであってもよい。

ただし、炭化珪素粉末の形状が球状であるよりもカドがあるほうが、ブラスト加工の砥粒として使用した場合、加工速度が優れるため、好ましい。この点からは、炭素珪素粉末は、気相法で得られる球状粒子よりも、固相反応で得られた塊状の炭化珪素を粉砕して得たものであるほうが好ましい。

ここでは、固相合成法の一種であり広く用いられているアチソン法で、炭化珪素砥粒となる炭化珪素粉末を製造する場合について説明する。

まず、主原料であるシリカ（Ｓｉ）粉末及びカーボン（Ｃ）粉末に、Ｔｉ及びＶを添加して混合する。このときの添加量を調整することによって、完成した炭化珪素粉末におけるＴｉ及びＶの含有量を制御することができる。そして、混合物を電気炉(アチソン炉)に充填し、直接通電して炭化珪素インゴットを得て、このインゴットを粉砕して、炭化珪素粉末を製造する。

原料に添加するＴｉ及びＶは、金属単体ではなく、酸化物、炭化物もしくは窒化物の形態であることが好ましい。これは、炭化珪素の生成温度が２０００℃以上と非常に高いので、Ｔｉ及びＶを金属単体で添加した場合、昇温過程で揮発するため、含有量の制御が困難であるからである。ただし、電気炉の条件を制御することによって、含有量を制御することは可能ではある。

以下、本発明の実施例及び比較例を具体的に挙げ、本発明を詳細に説明する。

〔実施例１〜１０〕
炭化珪素砥粒となる炭化珪素粉末は、アチソン法によって製造した。

具体的には、まず、純度９９．９％のシリカ粉末及びカーボン粉末に、ＴｉとＶの酸化物を添加して、ミルで混合した。

これをアチソン炉に充填し、２５００℃以上で１２時間焼成した。得られた炭化珪素インゴットを、ジョークラッシャー及びディスクグラインダーを用いて粉砕した。粉砕して得られた粉末を、ＪＩＳ Ｒ ６０１０に従った＃１８０の炭化珪素粉末を得た。

このようにして得られた炭化珪素粉末を分取し、酸分解した溶液をＩＣＰ（Inductively Coupled Plasma：誘導結合プラズマ）発光分析装置を用いて、Ｔｉ及びＶの含有量を測定した。Ｔｉ及びＶの含有量の測定結果を表１及び図１に示す。なお、０．１ｐｐｍ未満の含有量は測定不能であるため、表１では、０．１ｐｐｍ未満の含有量である場合、「＜０．１」として示した。

一方、直径３００ｍｍ、厚さ５ｍｍの炭化珪素焼結体を被加工物として用意した。そして、その片面に、孔径１ｍｍ、ピッチ３ｍｍ、６０度千鳥のパンチングメタルからなるマスクを貼り付けた。そして、これをブラスト機に設置し、ブラスト加工を行った。

ブラスト加工の条件は、炭化珪素砥粒の量２ｋｇ、エア圧１．５ＫＰａ、ノズル径１２ｍｍ、被加工物とノズルとの距離１５０ｍｍ、トラバース速度５ｍｍ／秒、ピッチ５ｍｍであった。

ブラスト加工は被加工物の中心の突起高さが０．０３ｍｍになったときに終了した。この終了時までのブラスト加工時間を表１に示した。なお、突起高さはマスク厚さを考慮した。ブラスト加工中に炭化珪素砥粒の交換及び追加はしなかった。そして、マスクをはがし、純水で被加工物を超音波洗浄した。

被加工物に形成された突起高さをデプスゲージで測定した。測定箇所は、中心、中心から１００ｍｍ、２００ｍｍ、３００ｍｍ離れた位置になる４つの突起である。そして、これらの突起高さを測定した結果から標準偏差を求めた。求めた標準偏差を表１に示す。

実施例１〜５の炭化珪素砥粒は、Ｔｉ含有量が０．５ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下、Ｖ含有量が０．３ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下、且つＴｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍ以下であった。実施例１〜５では、加工時間は３．２時間以下と短く、且つ、標準偏差は０．７μｍ以下と小さく、突起高さのばらつきは小さかった。

実施例６〜８の炭化珪素砥粒は、Ｔｉ含有量が０．５ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下、且つＴｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍ以下であるが、Ｖ含有量が０．３ｐｐ未満であった。実施例６〜８では、加工時間は３．１時間以下と短いが、標準偏差は１．１μｍ〜１．３μｍであって、実施例１〜５と比較して突起高さのばらつきは大きかった。

実施例９，１０の炭化珪素砥粒は、Ｔｉ含有量が０．５ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下、且つＶ含有量が０．３ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下であるが、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍを超えた。実施例９，１０では、加工時間は２．２時間〜２．４時間と実施例１〜８と比較して短かったが、標準偏差は１．８μｍ〜２．０μｍであって、実施例１〜８と比較して突起高さのばらつきは大きかった。

〔比較例１〜４〕
比較例１〜３の炭化珪素砥粒は、Ｔｉ含有量が０．５ｐｐｍ未満であった。比較例１〜３では、加工時間が５．２時間を超え実施例１〜１０と比較して非常に長く、標準偏差は１．８μｍ〜２．１μｍであって、実施例１〜８と比較して突起高さのばらつきは大きかった。
比較例４の炭化珪素砥粒は、Ｔｉ含有量が１５．０ｐｐｍ越え、且つＶ含有量が０．３ｐｐｍ未満であった。比較例４は、加工時間が４．９時間となり実施例１〜１０と比較して非常に長く、標準偏差は２．５μｍであって、突起高さのばらつきが最も大きくなった。

さらに、実施例１，５，７，９及び比較例１，４でそれぞれ得られた炭化珪素粉末５ｇを、内寸が直径１００ｍｍ、深さ１００ｍｍの黒鉛製の坩堝に入れた。そして、この坩堝を真空加熱炉の中に静置し、５０Ｐａ以下の環境下で２２００℃、１０時間の加熱を行った。

加熱後に残った炭化珪素粉末の質量から、昇華して単結晶化した炭化珪素粉末の質量を算出した。そして、この質量を加熱時間の１０時間で除して、昇華速度を求めた。求めた昇華速度を表２に示す。

実施例１，５，７の炭化珪素粉末は、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍ以下であった。実施例１，５，７の炭化珪素粉末では、昇華速度は５１．０ｍｇ／時間〜５４．９ｍｇ／時間と５０．０ｍｇ／時間以上であり、速かった。

一方、実施例９の炭化珪素粉末は、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍを超えていた。実施例９の炭化珪素粉末では、昇華速度は２１．１ｍｇ／時間と５０．０ｍｇ／時間未満であり、遅かった。

比較例１，４の炭化珪素粉末は、それぞれＶ含有量，Ｔｉ含有量が１５．０ｐｐｍを超えていた。比較例１，４の炭化珪素粉末では、昇華速度はそれぞれ３０．６ｍｇ／時間、２７．７ｍｇ／時間と５０．０ｍｇ／時間未満であり、遅かった。

これらより、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍ以下であれば、昇華速度は５１．０ｍｇ／時間以上であり、速くなることが分った。これは、Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍを超えれば、炭化珪素の昇華と同時に、Ｔｉ及びＶの焼結助剤としての効果が現れて、炭化珪素の焼結が進行して、炭化珪素粒子の表面積が低下したことによると考えられる。

Claims (4)

1. Ｔｉ含有量が０．５ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下であることを特徴とする炭化珪素粉末。
2. ブラスト加工の砥粒であることを特徴とする請求項１に記載の炭化珪素粉末。
3. Ｖ含有量が０．３ｐｐｍ以上１５．０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の炭化珪素粉末。
4. Ｔｉ含有量とＶ含有量の合計が１５．０ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１から３の何れか１項に記載の炭化珪素粉末。