JP2018093233A - ドライエッチング方法 - Google Patents
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Abstract
【課題】高純度の1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをドライエッチングガスとして用いるドライエッチング方法であって、安定したドライエッチングが実現できるドライエッチング方法を提供する。【解決手段】純度99.9重量%以上、且つ、有機塩素系化合物の含有量が350重量ppm以下である高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをドライエッチングガスとして用いる、ドライエッチング方法。【選択図】 なし
Description
本発明は、高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをドライエッチングガスとして用いるドライエッチング方法に関する。
近年、半導体製造技術の微細化が進んでおり、最先端プロセスでは線幅が20nm、さらには10nm世代が採用されてきている。微細化に伴ってその加工する際の技術難度も向上しており、使用する材料、装置、加工方法等、多方面からのアプローチにより技術開発が進められている。
このような状況から、最先端のドライエッチングプロセスにも対応できるドライエッチング用ガスとして、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンが開発されている(特許文献1)。この化合物は、シリコン酸化膜のエッチングガスとして、現在、工業的に汎用されている、ヘキサフルオロ−1,3−ブタジエンを凌ぐ性能を有しており、その有用性が認められるようになってきている。
1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを製造する方法としては、オクタフルオロシクロペンテンを水素化して、1H,2H−オクタフルオロシクロペンタンに変換し、これを炭酸カリウムのような塩基性化合物を接触させて脱HFさせる方法(特許文献2)や、1−クロロヘプタフルオロシクロペンテンを、パラジウムをベースとした水素化触媒の存在下に、水素化(塩素原子の水素化分解)する方法(特許文献3)等が知られている。
上述のように、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、最先端のドライエッチングプロセスにも対応できるドライエッチング用ガスとして注目されている。
しかしながら、容器に充填された1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをドライエッチング装置へ連続的に供給してドライエッチングを行う場合、次第にエッチング速度が低下し、場合によっては、エッチングが停止してしまう場合があり、問題となっていた。
しかしながら、容器に充填された1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをドライエッチング装置へ連続的に供給してドライエッチングを行う場合、次第にエッチング速度が低下し、場合によっては、エッチングが停止してしまう場合があり、問題となっていた。
本発明者は上記の課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、エッチング速度低下の原因物質が、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中に含まれる不純物、とりわけ、微量に含まれる有機塩素系化合物であること、及び、この不純物である有機塩素系化合物が、ドライエッチングを継続実施するにつれて容器内で濃縮され、容器内の残量が少なくなった段階で、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの純度低下を引き起こし、エッチング速度低下を引き起こすことを突き止めた。そして、容器内に充填された高純度の1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをドライエッチング、又はCVD成膜用ガスとして使用するにあたり、使用開始時からほとんど空の状態に至るまで、安定したドライエッチングを実現させるためには、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中に含まれる有機塩素系化合物の量を、ある一定量以下に制限する必要があることを見出し、本発明を完成させるに至った。
かくして本発明によれば、下記(1)〜(6)に記載のドライエッチング方法が提供される。
(1)純度99.9重量%以上、且つ、有機塩素系化合物の含有量が350重量ppm以下である高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをドライエッチングガスとして用いる、ドライエッチング方法。
(2)前記有機塩素系化合物が、クロロノナフルオロシクロペンタン、および/または、クロロヘプタフルオロシクロペンテンである、(1)に記載のドライエッチング方法。
(3)前記高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、水分含有量が20重量ppm以下のものである、(1)又は(2)に記載のドライエッチング方法。
(4)前記高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、1−クロロヘプタフルオロシクロペンテンを気相反応で触媒存在下に水素化し、得られた粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを蒸留精製法により精製して得られるものである、(1)〜(3)のいずれかに記載のドライエッチング方法。
(5)前記高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをバルブ付き容器に充填し、前記バルブ付き容器から、前記高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを連続的に供給しながらドライエッチングを行うことを特徴とする、(1)〜(4)のいずれかに記載のドライエッチング方法。
(6)酸化シリコン膜をドライエッチングするものである、(1)〜(5)のいずれかに記載のドライエッチング方法。
(1)純度99.9重量%以上、且つ、有機塩素系化合物の含有量が350重量ppm以下である高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをドライエッチングガスとして用いる、ドライエッチング方法。
(2)前記有機塩素系化合物が、クロロノナフルオロシクロペンタン、および/または、クロロヘプタフルオロシクロペンテンである、(1)に記載のドライエッチング方法。
(3)前記高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、水分含有量が20重量ppm以下のものである、(1)又は(2)に記載のドライエッチング方法。
(4)前記高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、1−クロロヘプタフルオロシクロペンテンを気相反応で触媒存在下に水素化し、得られた粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを蒸留精製法により精製して得られるものである、(1)〜(3)のいずれかに記載のドライエッチング方法。
(5)前記高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをバルブ付き容器に充填し、前記バルブ付き容器から、前記高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを連続的に供給しながらドライエッチングを行うことを特徴とする、(1)〜(4)のいずれかに記載のドライエッチング方法。
(6)酸化シリコン膜をドライエッチングするものである、(1)〜(5)のいずれかに記載のドライエッチング方法。
本発明に用いる高純度化された1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、特に、プラズマ反応を用いた半導体装置の製造分野において、プラズマエッチングガス、化学気相成長法(CVD)用反応ガス等に好適である。
本発明によれば、容器内に充填された高純度の1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをドライエッチング用ガスとして使用するにあたり、使用開始時からほとんど空の状態に至るまで、安定したドライエッチングを実現することができる。
本発明によれば、容器内に充填された高純度の1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをドライエッチング用ガスとして使用するにあたり、使用開始時からほとんど空の状態に至るまで、安定したドライエッチングを実現することができる。
本発明に用いる1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、純度が99.9重量%以上で、且つ、有機塩素系化合物の含有量が350重量ppm以下であることを特徴とする。
また、窒素と酸素の含有量は、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの全量に対して、それぞれ100容量ppm以下、50容量ppm以下であるものが好ましく、さらに、水分量は20重量ppm以下であるものが特に好ましい。
また、窒素と酸素の含有量は、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの全量に対して、それぞれ100容量ppm以下、50容量ppm以下であるものが好ましく、さらに、水分量は20重量ppm以下であるものが特に好ましい。
本発明において、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの純度、及び有機塩素系化合物の含有量は、水素炎イオン化検出器(FID)を検出器としたガスクロマトグラフィーにより測定した値である。
有機塩素系化合物は、ガスクロマトグラフィー質量分析により同定できる。
1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中の窒素と酸素の含有量は、熱電導度検出器(TCD)を検出器としたガスクロマトグラフィーにより測定した値である。
また、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中の水分量は、FT−IRを用いて測定した値である。
有機塩素系化合物は、ガスクロマトグラフィー質量分析により同定できる。
1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中の窒素と酸素の含有量は、熱電導度検出器(TCD)を検出器としたガスクロマトグラフィーにより測定した値である。
また、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中の水分量は、FT−IRを用いて測定した値である。
本発明の高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、純度が99.9重量%以上で、且つ、有機塩素系化合物の含有量が350重量ppm以下であるものであれば、その製造方法は、特に限定されない。
中でも、粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを、理論段数が50段以上の精留塔を用いて精製する工程(II)を経て得られたものが好ましい。
中でも、粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを、理論段数が50段以上の精留塔を用いて精製する工程(II)を経て得られたものが好ましい。
<粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの製造>
粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、特開平11−292807号公報や、WO2010/007968号に記載の方法で製造することができる。前者は、オクタフルオロシクロペンテンを水素化触媒の存在下に水素ガスにより、1H,2H−オクタフルオロシクロペンタンに変換し、得られた1H,2H−オクタフロオロシクロペンタンをアルカリの存在下に脱HF反応させて、所望の粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンに導く方法である。一方、後者は、1−クロロヘプタフルオロシクロペンテンを水素化触媒の存在下に、水素ガスにより水素化(塩素原子の水素分解反応)して、粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを得る方法である。工業的観点から言えば、製造工程数、操業のし易さ、原料の調達コスト等の点で、後者の方法で製造することが望ましい。
粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、特開平11−292807号公報や、WO2010/007968号に記載の方法で製造することができる。前者は、オクタフルオロシクロペンテンを水素化触媒の存在下に水素ガスにより、1H,2H−オクタフルオロシクロペンタンに変換し、得られた1H,2H−オクタフロオロシクロペンタンをアルカリの存在下に脱HF反応させて、所望の粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンに導く方法である。一方、後者は、1−クロロヘプタフルオロシクロペンテンを水素化触媒の存在下に、水素ガスにより水素化(塩素原子の水素分解反応)して、粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを得る方法である。工業的観点から言えば、製造工程数、操業のし易さ、原料の調達コスト等の点で、後者の方法で製造することが望ましい。
<粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの精製>
上記の1−クロロヘプタフルオロシクロペンテンの水素化反応を行った後、蒸留精製法などにより、粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンから有機系不純物が除去される。蒸留精製法により有機系不純物を除去する場合、精留塔が用いられる。特に、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン(沸点46℃)と沸点の近接した有機系不純物を効率良く除去するために、高理論段数の精留塔が好適に用いられる。用いる精留塔の理論段数は通常30段以上、好ましくは50段以上である。製造上の観点から、理論段数の上限は100段以下が望ましい。
上記の1−クロロヘプタフルオロシクロペンテンの水素化反応を行った後、蒸留精製法などにより、粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンから有機系不純物が除去される。蒸留精製法により有機系不純物を除去する場合、精留塔が用いられる。特に、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン(沸点46℃)と沸点の近接した有機系不純物を効率良く除去するために、高理論段数の精留塔が好適に用いられる。用いる精留塔の理論段数は通常30段以上、好ましくは50段以上である。製造上の観点から、理論段数の上限は100段以下が望ましい。
精留時の圧力は、ゲージ圧で、通常常圧〜5気圧、好ましくは常圧〜2気圧程度である。還流量と抜出量の比(以下、「還流比」と言うことがある)は、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中に含まれる微量な不純物、とりわけ、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンと沸点差の小さい不純物を除去するため、還流比40:1以上に設定するのが好ましい。還流比があまりに小さいと微量不純物が効率良く除去されず、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの純度向上が小さく、また、初留分が多くなってしまい、実質的に製品として取れる1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの量が少なくなる。また、極端に還流比が大きすぎると、抜き出し1回当たりの回収までに多大な時間を要すために、精留そのものに多大な時間を要してしまう。
精留の方式としては、製造量が少ない場合においては、精留は回分式でも良いが、製造量が多い場合においては、精留塔を数本経由させる連続式を採用しても良い。また、抽出溶剤を加えた抽出蒸留操作を組み合わせて行っても良い。
精留の方式としては、製造量が少ない場合においては、精留は回分式でも良いが、製造量が多い場合においては、精留塔を数本経由させる連続式を採用しても良い。また、抽出溶剤を加えた抽出蒸留操作を組み合わせて行っても良い。
有機系不純物として、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンよりも沸点の低い化合物と、沸点の高い化合物の両方とが存在する。蒸留精製においては、例えば、1回目の蒸留で前者の化合物を、2回目の蒸留で後者の化合物を除去するなど段階的な蒸留を行ってもよい。その場合においても、還流比は40:1以上であることが好ましい。
また、粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを、精留塔を用いて精製する場合、0族の不活性ガス中で精留を行ってもよい。0族の不活性ガスは特に限定されず、周期表第0族に属する、ヘリウム、ネオン、アルゴン、クリプトン、キセノンなどが挙げられる。工業的に入手が容易な観点から、好ましくは、ヘリウム、アルゴンである。
上述の方法により、99.9重量%以上に純度の高められた、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中には、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの製造過程で微量に随伴する反応原料や副生成物が、有機系不純物として含まれている。具体的には、オクタフルオロシクロペンテン、ヘプタフルオロシクロペンタノン、クロロノナフルオロシクロペンタン、及び1−クロロヘプタフルオロシクロペンテンが挙げられる。
これらの有機系不純物の中でも、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン(沸点46℃)より沸点が高いクロロノナフルオロシクロペンタン(沸点52℃)、及び、1−クロロヘプタフルオロシクロペンテン(沸点56℃)が多く存在していると、容器に充填された状態でエッチング装置へ連続して供給されていくに連れて、容器内の1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの残量が少なくなった段階で濃縮が起こる。
有機塩素系化合物であるクロロノナフルオロシクロペンタンや1−クロロヘプタフルオロシクロペンテンの濃縮物を含む1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを、ドライエッチングガスに使用した場合、エッチング時の速度低下を引き起こしたり、あるいは途中でエッチング自体が停止してしまうことがある。このような挙動は、容器内に充填された1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの見かけ使用可能量が少なくなることを意味し、また、半導体デバイス製造の歩留り低下を起こすという不具合を招く。
有機塩素系化合物であるクロロノナフルオロシクロペンタンや1−クロロヘプタフルオロシクロペンテンの濃縮物を含む1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを、ドライエッチングガスに使用した場合、エッチング時の速度低下を引き起こしたり、あるいは途中でエッチング自体が停止してしまうことがある。このような挙動は、容器内に充填された1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの見かけ使用可能量が少なくなることを意味し、また、半導体デバイス製造の歩留り低下を起こすという不具合を招く。
また、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中に含まれる窒素と酸素についても、その含有量が問題となることがある。窒素については、含有量が多かったり、容器ごとに含有量にバラツキがあるとドライエッチング時のエッチング速度の極端な変動、すなわち、バッチ毎にエッチング速度の不均一化を引き起こすので、製造プロセスの不安定化を引き起こすおそれがある。また、酸素については、ドライエッチング時の被エッチング材料や加工プロセスにもよるが、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンのデポジション性が変化、すなわち、被エッチング材料との選択性低下やバラツキの要因となりうる。従って、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中に含まれる窒素と酸素についても、可能な限り低減されている状態が好ましい。
1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中に含まれる窒素と酸素を除去する方法に格別な制限はない。例えば、前述の有機塩素系化合物除去を精留で行う場合に、0族の不活性ガス中で精製を行う方法や、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを単蒸留し、留分を抜き出す操作を行う方法などが挙げられる。後者の場合、単蒸留により、窒素と酸素を1H−ヘプタフルオロシクロペンテンと一緒に抜出すことにより、釜に残った1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中に含まれる窒素と酸素の含有量は低減されている。抜出す1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中の窒素と酸素の含有量は、蒸留釜に仕込まれた1H−ヘプタフルオロシクロペンテンに対し、重量基準で20〜50%が好ましく、30〜40%がより好ましい。抜き出された1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは貯留しておき、次のバッチに加えることで回収、再使用が可能である。
また、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンに含まれる水分を除去する方法に格別な制限はなく、吸着剤と接触させる方法などの一般的な方法を採用することができる。
吸着剤としては、モレキュラーシーブスやアルミナ等を用いることができる。モレキュラーシーブスやアルミナは、多くの種類が市販されているので、これらの中から適宜選択できる。なかでも、モレキュラーシーブス3A、4A、及び5Aなどが好ましく、3Aがより好ましい。また、アルミナはアルミナ水和物の加熱脱水により生成する、結晶性の低い活性アルミナが好ましい。モレキュラーシーブスやアルミナなどの吸着剤は、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを接触させる前に、焼成等の操作により活性化しておくことが望ましい。活性化させておくことで、より多くの水分を吸着させることが可能になる。このように、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを吸着剤と接触させることにより、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中の水分量を20重量ppm以下に低減することが可能である。水分量が多いと、基板をエッチング加工した後に、加工面に水分が吸着残存し、銅等の配線形成工程で積層膜の剥がれや、埋め込んだ配線の腐食を起こすおそれがあるので、水分量は可能な限り低減されていることが好ましい。
吸着剤としては、モレキュラーシーブスやアルミナ等を用いることができる。モレキュラーシーブスやアルミナは、多くの種類が市販されているので、これらの中から適宜選択できる。なかでも、モレキュラーシーブス3A、4A、及び5Aなどが好ましく、3Aがより好ましい。また、アルミナはアルミナ水和物の加熱脱水により生成する、結晶性の低い活性アルミナが好ましい。モレキュラーシーブスやアルミナなどの吸着剤は、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを接触させる前に、焼成等の操作により活性化しておくことが望ましい。活性化させておくことで、より多くの水分を吸着させることが可能になる。このように、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを吸着剤と接触させることにより、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中の水分量を20重量ppm以下に低減することが可能である。水分量が多いと、基板をエッチング加工した後に、加工面に水分が吸着残存し、銅等の配線形成工程で積層膜の剥がれや、埋め込んだ配線の腐食を起こすおそれがあるので、水分量は可能な限り低減されていることが好ましい。
以上に説明したように、反応粗生成物中に含まれる粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを純度99.9重量%以上、且つ、有機塩素系化合物を350重量ppm以下に精製する精留工程、さらに吸着剤と接触させることにより、水分を除去する工程を行い、次いで、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを単蒸留することにより、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中の窒素、酸素濃度を100容量ppm以下、好ましくは50容量ppm以下に低減させた高純度の1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを取得することができる。このように不純物量を制御することにより、ドライエッチング時の加工安定性や、プラズマCVDを行う成膜安定性を高めることが可能になる。
従って、本発明の高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、ドライエッチング、CVD、及びアッシングなどのプラズマ反応用ガスとして好適に用いられる。本発明の高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの好適な具体例としては、プラズマ反応ドライエッチング用ガス、プラズマ反応CVD用ガス、及びプラズマ反応アッシング用ガスが挙げられる。
本発明の高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、バルブ付き容器に充填される。この充填容器は、金属製の耐圧容器であれば材質には特に限定はないが、通常、マンガン鋼、クロムモリブデン鋼、ステンレス鋼、ニッケル鋼、及びアルミニウム合金鋼が使用される。また、バルブ(以下、「容器弁」と言うことがある)に関しては、当該化合物の腐食性等や安全性を考慮して、高圧ガス保安法及びJIS−B8246規格に基づいた容器弁を使用することが望ましい。この容器弁は、ダイヤフラム式、キープレート式、及びダイレクトダイヤフラムシール容器弁などが挙げられる。入手の容易さから、ダイヤフラム式バルブを付したマンガン鋼容器が望ましい。
以下、実施例により本発明をさらに詳細に説明するが、本発明は以下の実施例によってその範囲を限定されるものではない。
以下において採用した分析条件は下記の通りである。
・ガスクロマトグラフィー分析(GC分析)
装置:HP−6890(アジレント社製)
カラム:Inert Cap−1、長さ60m、内径0.25mm、膜厚1.5μm(ジーエルサイエンス社製)
カラム温度: 40℃で10分間保持、次いで、20℃/分で昇温し、その後、240℃で10分間保持
インジェクション温度:250℃
キャリヤーガス:窒素
スプリット比:100/1
検出器:FID
・ガスクロマトグラフィー分析(GC分析)
装置:HP−6890(アジレント社製)
カラム:Inert Cap−1、長さ60m、内径0.25mm、膜厚1.5μm(ジーエルサイエンス社製)
カラム温度: 40℃で10分間保持、次いで、20℃/分で昇温し、その後、240℃で10分間保持
インジェクション温度:250℃
キャリヤーガス:窒素
スプリット比:100/1
検出器:FID
・不純物の分析(ガスクロマトグラフィー質量分析)
GC部分:HP−6890(アジレント社製)
カラム:Inert Cap−1、長さ60m、内径0.25mm、膜厚1.5μm(ジーエルサイエンス社製)
カラム温度:40℃で10分間保持、次いで、20℃/分で昇温し、その後、240℃で10分間保持
MS部分:5973 NETWORK(アジレント社製)
検出器:EI型(加速電圧:70eV)
GC部分:HP−6890(アジレント社製)
カラム:Inert Cap−1、長さ60m、内径0.25mm、膜厚1.5μm(ジーエルサイエンス社製)
カラム温度:40℃で10分間保持、次いで、20℃/分で昇温し、その後、240℃で10分間保持
MS部分:5973 NETWORK(アジレント社製)
検出器:EI型(加速電圧:70eV)
・窒素及び酸素含有量の測定(ガスクロマトグラフィー分析)
GC部分:HP−7890(アジレント社製)
カラム:HP−5 長さ30m、内径0.32mm、膜厚0.25μm(アジレント社製)
カラム温度:40℃で5分間保持し、次いで、5℃/分で昇温し、その後、65℃で1分間保持
ガスサンプラー:100℃
キャリヤーガス:ヘリウム
検出器:TCD+パルス放電型
・水分量測定(FT−IR)
IG−1000(大塚電子社製)
セル長:10m
GC部分:HP−7890(アジレント社製)
カラム:HP−5 長さ30m、内径0.32mm、膜厚0.25μm(アジレント社製)
カラム温度:40℃で5分間保持し、次いで、5℃/分で昇温し、その後、65℃で1分間保持
ガスサンプラー:100℃
キャリヤーガス:ヘリウム
検出器:TCD+パルス放電型
・水分量測定(FT−IR)
IG−1000(大塚電子社製)
セル長:10m
[製造例]
(粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの製造)
直径1インチ、長さ1mのSUS316製反応管に、2%Pd−0.2%Bi担持活性炭(粒径約3mm)触媒を35g充填し、水素ガスを、マスフローコントラーを介して1500ml/分の速度で2時間、供給し続けた。反応管は熱媒を循環接触させて150℃に加温し、この温度を維持した。その後、水素ガスの流量を830ml/分に調整し、ポンプを使って原料である1−クロロヘプタフルオロシクロペンテンを5g/分の速度で、100℃に加温した気化器に供給し、次いで、反応管に導入した。反応管から出てくるガスはガラスフラスコに入れた水酸化カリウム水溶液にバブリングさせ、さらに、ガラスフラスコ内から出てくるガス成分をドライアイス/エタノールで冷却したガラストラップに捕集した。この反応を約2週間継続し、粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを約79kg得た。得られた粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをガスクロマトグラフィーにて分析した結果、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン59.77重量%、1−クロロヘプタフルオロシクロペンテン12.26重量%、1H,1H,2H−ヘプタフルオロシクロペンタン11.55重量%、1H,2H−ヘキサフルオロシクロペンテン1.33重量%、及びヘキサフルオロシクロペンタン10.26重量%を主に含む混合物であった。
(粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの製造)
直径1インチ、長さ1mのSUS316製反応管に、2%Pd−0.2%Bi担持活性炭(粒径約3mm)触媒を35g充填し、水素ガスを、マスフローコントラーを介して1500ml/分の速度で2時間、供給し続けた。反応管は熱媒を循環接触させて150℃に加温し、この温度を維持した。その後、水素ガスの流量を830ml/分に調整し、ポンプを使って原料である1−クロロヘプタフルオロシクロペンテンを5g/分の速度で、100℃に加温した気化器に供給し、次いで、反応管に導入した。反応管から出てくるガスはガラスフラスコに入れた水酸化カリウム水溶液にバブリングさせ、さらに、ガラスフラスコ内から出てくるガス成分をドライアイス/エタノールで冷却したガラストラップに捕集した。この反応を約2週間継続し、粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを約79kg得た。得られた粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをガスクロマトグラフィーにて分析した結果、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン59.77重量%、1−クロロヘプタフルオロシクロペンテン12.26重量%、1H,1H,2H−ヘプタフルオロシクロペンタン11.55重量%、1H,2H−ヘキサフルオロシクロペンテン1.33重量%、及びヘキサフルオロシクロペンタン10.26重量%を主に含む混合物であった。
[サンプル1の調製]
理論段数50段(充填剤、商品名:スルーザーパッキン)のカラムを付したSUS316製精留塔の容量50L釜に、製造例で製造した粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを35.7kg仕込み、釜を100℃に加温した。還流用コンデンサーには約10℃の冷却水を循環させた。約12時間全還流させて系内を安定化させた。精留塔の塔頂部の温度が、46℃になったところで、還流比40:1で留分の抜出しを開始した。蒸留精製された1H−ヘプタフルオロシクロペンテンが24.6g得られた(仕込み1H−ヘプタフルオロシクロペンテン基準で、収率70%)。
次いで、容量20LのSUS316製タンク(内面:電解研磨処理)に、蒸留精製された1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを22kg入れた。直径1インチ×長さ60cmのSUS316製チューブにモレキュラーシーブス3A(ユニオン昭和製)を200cm3充填し、SUSタンク内に入れた1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをポンプにより供給し、水分除去を行った。SUS製チューブの出口から出てくる1H−ヘプタフルオロシクロペンテンはSUS316製タンクに戻し、循環させた。8時間経過後、SUS316製タンク内の1H−ヘプタフルオロシクロペンテン(約100g)を小型のシリンダーへサンプリングした。FT−IRによる水分分析の結果、サンプリングした1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの水分量は、9重量ppmであった。
さらに、容量20LのSUS316製釜の上部に、ショートカラムおよびコンデンサー、及び受器を取り付けた単蒸留装置を組み、コンデンサーには10℃の冷却水を循環させた。釜に水分除去を行った1H−ヘプタフルオロシクロペンテン(15kg)を仕込み、釜を80℃に加温した。この時の1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中の窒素及び酸素濃度をガスクロマトグラフィーにて測定したところ、それぞれ1418容量ppm及び638容量ppmであった。仕込んだ1H−ヘプタフルオロシクロペンテンに対して、30重量%を受器に抜出したところで、単蒸留を停止し、釜を室温まで冷却した。釜内の1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを、ダイヤフラム式バルブを付した容量10Lのマンガン鋼製シリンダー(内面粗度:1S)に10kg充填した。この充填された1H−ヘプタフルオロシクロペンテン1(サンプル(1))の内容物を、ガスクロマトグラフィーで分析した結果、窒素、酸素、及び水分濃度を測定した結果を表1に示した。
理論段数50段(充填剤、商品名:スルーザーパッキン)のカラムを付したSUS316製精留塔の容量50L釜に、製造例で製造した粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを35.7kg仕込み、釜を100℃に加温した。還流用コンデンサーには約10℃の冷却水を循環させた。約12時間全還流させて系内を安定化させた。精留塔の塔頂部の温度が、46℃になったところで、還流比40:1で留分の抜出しを開始した。蒸留精製された1H−ヘプタフルオロシクロペンテンが24.6g得られた(仕込み1H−ヘプタフルオロシクロペンテン基準で、収率70%)。
次いで、容量20LのSUS316製タンク(内面:電解研磨処理)に、蒸留精製された1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを22kg入れた。直径1インチ×長さ60cmのSUS316製チューブにモレキュラーシーブス3A(ユニオン昭和製)を200cm3充填し、SUSタンク内に入れた1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをポンプにより供給し、水分除去を行った。SUS製チューブの出口から出てくる1H−ヘプタフルオロシクロペンテンはSUS316製タンクに戻し、循環させた。8時間経過後、SUS316製タンク内の1H−ヘプタフルオロシクロペンテン(約100g)を小型のシリンダーへサンプリングした。FT−IRによる水分分析の結果、サンプリングした1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの水分量は、9重量ppmであった。
さらに、容量20LのSUS316製釜の上部に、ショートカラムおよびコンデンサー、及び受器を取り付けた単蒸留装置を組み、コンデンサーには10℃の冷却水を循環させた。釜に水分除去を行った1H−ヘプタフルオロシクロペンテン(15kg)を仕込み、釜を80℃に加温した。この時の1H−ヘプタフルオロシクロペンテン中の窒素及び酸素濃度をガスクロマトグラフィーにて測定したところ、それぞれ1418容量ppm及び638容量ppmであった。仕込んだ1H−ヘプタフルオロシクロペンテンに対して、30重量%を受器に抜出したところで、単蒸留を停止し、釜を室温まで冷却した。釜内の1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを、ダイヤフラム式バルブを付した容量10Lのマンガン鋼製シリンダー(内面粗度:1S)に10kg充填した。この充填された1H−ヘプタフルオロシクロペンテン1(サンプル(1))の内容物を、ガスクロマトグラフィーで分析した結果、窒素、酸素、及び水分濃度を測定した結果を表1に示した。
[サンプル2〜6の調製]
精留条件において、還流比及び蒸留回数を変更した以外は、(サンプル1の調製)と同様にして、シリンダーに充填された1H−ヘプタフルオロシクロペンテンのサンプル2〜6を得た。得られたサンプル2〜6が充填された内容物をガスクロマトグラフィーで分析した結果、窒素及び酸素濃度、及び水分濃度を測定した結果を表1に示した。
精留条件において、還流比及び蒸留回数を変更した以外は、(サンプル1の調製)と同様にして、シリンダーに充填された1H−ヘプタフルオロシクロペンテンのサンプル2〜6を得た。得られたサンプル2〜6が充填された内容物をガスクロマトグラフィーで分析した結果、窒素及び酸素濃度、及び水分濃度を測定した結果を表1に示した。
F7E:1H−ヘプタフルオロシクロペンテン
MCL:1−クロロヘプタフルオロシクロペンテン
C5ClF9:クロロノナフルオロシクロペンタン
F8E:オクタフルオロシクロペンテン
C5HF7O:ヘプタフルオロシクロペンタノン
MCL:1−クロロヘプタフルオロシクロペンテン
C5ClF9:クロロノナフルオロシクロペンタン
F8E:オクタフルオロシクロペンテン
C5HF7O:ヘプタフルオロシクロペンタノン
[評価方法]
(1)1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの純度変化確認試験
蒸留精製後に、水分除去を行い、単蒸留して得られた1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを、シリンダー内に充填された状態から、連続的に供給した場合の純度変化を確認する試験を行った。
マスフローコントラーを介して、25sccm/分の速度で、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを容器から留出させ、表2に記載の留出時間ごとに、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの純度と有機塩素系化合物の濃度とをガスクロマトグラフィーを使って調べた。
(2)1H−ヘプタフルオロシクロペンテンのドライエッチング評価
CCP(容量結合プラズマ)方式のドライエッチング装置を用いて、シリンダー内に充填された状態から、連続的に供給した場合の純度変化を確認する試験を行った1H−ヘプタフルオロシクロペンテンのエッチング評価を行った。
膜厚2μmのシリコン酸化膜上にマスクとしてフォトレジストを0.6μm塗布し、0.1μmのホールパターンを形成したシリコンウェハー(直径20cm)をエッチング装置のチャンバー内にセットし、系内を真空にした後、アルゴンガス、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン及び酸素ガスを、それぞれ、300sccm、25sccm、及び30sccmの流量で導入し、圧力を10mTorrに維持して、ドライエッチングを2分間実施した。
留出時間25時間後の1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを用いたときのエッチング速度を基準に、任意の時間留出した際の1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをドライエッチング用ガスとして評価した。
(1)1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの純度変化確認試験
蒸留精製後に、水分除去を行い、単蒸留して得られた1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを、シリンダー内に充填された状態から、連続的に供給した場合の純度変化を確認する試験を行った。
マスフローコントラーを介して、25sccm/分の速度で、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを容器から留出させ、表2に記載の留出時間ごとに、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンの純度と有機塩素系化合物の濃度とをガスクロマトグラフィーを使って調べた。
(2)1H−ヘプタフルオロシクロペンテンのドライエッチング評価
CCP(容量結合プラズマ)方式のドライエッチング装置を用いて、シリンダー内に充填された状態から、連続的に供給した場合の純度変化を確認する試験を行った1H−ヘプタフルオロシクロペンテンのエッチング評価を行った。
膜厚2μmのシリコン酸化膜上にマスクとしてフォトレジストを0.6μm塗布し、0.1μmのホールパターンを形成したシリコンウェハー(直径20cm)をエッチング装置のチャンバー内にセットし、系内を真空にした後、アルゴンガス、1H−ヘプタフルオロシクロペンテン及び酸素ガスを、それぞれ、300sccm、25sccm、及び30sccmの流量で導入し、圧力を10mTorrに維持して、ドライエッチングを2分間実施した。
留出時間25時間後の1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを用いたときのエッチング速度を基準に、任意の時間留出した際の1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをドライエッチング用ガスとして評価した。
[評価結果]
得られたサンプル(1)〜(6)の純度変化確認試験、及びドライエッチング評価を行った。その結果を表2に示した。
得られたサンプル(1)〜(6)の純度変化確認試験、及びドライエッチング評価を行った。その結果を表2に示した。
表2からわかるように、純度変化確認試験の結果、1H−ヘプタフルオロシクロペンテンより沸点の高い有機塩素系化合物(1−クロロヘプタフルオロシクロペンテン、及びクロロノナフルオロシクロペンタン)が容器からの留出時間に伴い、濃縮していることが分かった。また、ドライエッチング評価の結果、有機塩素系化合物濃度が350重量ppm以下の場合、エッチング速度の低下は、留出750時間後でも10%以下であることが分かった(サンプル1〜4)。
一方で、有機塩素系化合物濃度が407重量ppmの場合、エッチング速度低下は、留出600時間後に11%以上となった(サンプル5)。また、有機塩素系化合物濃度が558重量ppmの場合では、エッチング速度低下は、留出400時間後に11%以上となり、留出650時間後にはエッチングが停止した(サンプル6)。
一方で、有機塩素系化合物濃度が407重量ppmの場合、エッチング速度低下は、留出600時間後に11%以上となった(サンプル5)。また、有機塩素系化合物濃度が558重量ppmの場合では、エッチング速度低下は、留出400時間後に11%以上となり、留出650時間後にはエッチングが停止した(サンプル6)。
Claims (6)
- 純度99.9重量%以上、且つ、有機塩素系化合物の含有量が350重量ppm以下である高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをドライエッチングガスとして用いる、ドライエッチング方法。
- 前記有機塩素系化合物が、クロロノナフルオロシクロペンタン、および/または、クロロヘプタフルオロシクロペンテンである、請求項1に記載のドライエッチング方法。
- 前記高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、水分含有量が20重量ppm以下のものである、請求項1又は2に記載のドライエッチング方法。
- 前記高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンは、1−クロロヘプタフルオロシクロペンテンを気相反応で触媒存在下に水素化し、得られた粗1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを蒸留精製法により精製して得られるものである、請求項1〜3のいずれかに記載のドライエッチング方法。
- 前記高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンをバルブ付き容器に充填し、前記バルブ付き容器から、前記高純度1H−ヘプタフルオロシクロペンテンを連続的に供給しながらドライエッチングを行うことを特徴とする、請求項1〜4のいずれかに記載のドライエッチング方法。
- 酸化シリコン膜をドライエッチングするものである、請求項1〜5のいずれかに記載のドライエッチング方法。
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