JP2022087844A - 炭化タンタル複合材 - Google Patents

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Abstract

【課題】表面エネルギーが制御されて異物が吸着する可能性を低くし、部品の寿命を向上させ得る炭化タンタル表面層が含まれる炭化タンタル複合材、および炭化タンタル複合材を適用して半導体工程で正確な工程温度制御、すなわち、放射温度計の正確な温度を測定することができ、異物の吸着、付着、蒸着などの低い半導体工程用部品を提供する。【解決手段】基材と、基材上に形成された炭化タンタル膜と、を含み、前記炭化タンタル膜の表面の接触角が５０°以上で低い表面エネルギーを有する、炭化タンタル複合材である。【選択図】図４

Description

本発明は、炭化タンタル複合材に関する。
最近には、半導体工程で正確な工程制御及び洗浄のような工程を最小化することのできる部品素材が要求されている。すなわち、主に、ＳｉＣ／ＡｌＮエピタキシ（Ｅｐｉｔａｘｙ）あるいはＳｉＣ／ＡｌＮ成長（Ｇｒｏｗｔｈ）などに用いられる高温成長設備は、放射温度計を用いて温度を測定し、部品の表面を放射温度計ターゲット（Ｔａｒｇｅｔ、測定する部位）として使用しているが、ターゲットの部位に工程物質や粒子（Ｐａｒｔｉｃｌｅ）などが蒸着されれば、温度測定が正確になり難いという問題が生じる。
また、部品上、工程物質が容易に蒸着されれば部品の頻繁な洗浄（Ｃｌｅａｎｉｎｇ）が求められ、部品の寿命にも影響を及ぼし、さらに半導体素子の製造工程の収率減少の原因になる恐れがある。従って、半導体工程で半導体素子の収率を向上して部品素材の表面に異物及び粒子などの吸着、蒸着などを防止し、正確な工程制御の可能な部品素材が求められている。
このような産業的な要求により、一般に、半導体製造装備に用いられるサセプタ部品は、従来の半導体工程で使用した炭素素材をそのまま使用すれば、腐食性ガスにより炭素素材がエッチングされるという問題があることから、炭素素材の構造物の表面にＳｉＣやＴａＣをコーティングした部品が用いられている。
本発明は、前記言及した問題点を解決するために、表面エネルギーが制御されて異物が吸着する可能性を低くし、部品の寿命を向上させ得る炭化タンタル表面層が含まれる炭化タンタル複合材を提供することにある。
また、本発明に係る炭化タンタル複合材を適用して半導体工程で正確な工程温度制御、すなわち、放射温度計の正確な温度を測定することができ、異物の吸着、付着、蒸着などの低い半導体工程用部品を提供することにある。
しかし、本発明が解決しようとする課題は、以上で言及したものなどに制限されることなく、言及されない更なる課題は下記の記載によって当該の分野当業者にとって明確に理解できるものである。
本発明は、基材と、前記基材上に形成された炭化タンタル膜とを含み、前記炭化タンタル膜の表面の接触角が５０°以上である、炭化タンタル複合材に関する。
本発明の一実施態様において、前記炭化タンタル膜の表面の接触角は、６５°～７６°であってもよい。
本発明の一実施態様において、前記炭化タンタル膜は、Ｘ線回折分析で（１１１）面の優先成長であってもよい。
本発明の一実施態様において、前記炭化タンタル膜は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）及び（２２２）面のＸ線回折ピークを主ピークとして含み、下記の関係式（１）による回折強度比は１．５以上であってもよい。
Ｉ（１１１）／Ｉ（（２００）＋（２２０）＋（３１１）＋（２２２）） （１）
本発明の一実施態様において、前記炭化タンタル膜は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）及び（２２２）面のＸ線回折ピークを主ピークとして含み、下記の関係式（１）による回折強度比は１．８～２．５であってもよい。
Ｉ（１１１）／Ｉ（（２００）＋（２２０）＋（３１１）＋（２２２）） （１）
本発明の一実施態様において、前記炭化タンタル膜のうちＴａ対Ｃの原子比は、０．９～１．３４であってもよい。
本発明の一実施態様において、前記炭化タンタルは、ＣＶＤで形成されたものであってもよい。
本発明の一実施態様において、前記炭化タンタルは、２０００°Ｃ以上の温度及び１時間～２０時間の間に熱処理されたものであってもよい。
本発明の一実施態様において、前記炭化タンタル膜は、結晶粒系表面の単位面積（μｍ２）当たり３０個以下のシワ模様を含んでもよい。
本発明の一実施態様において、前記炭化タンタル膜は、１０μｍ～５０μｍの厚さを含んでもよい。
本発明の一実施態様において、前記基材の厚さ対前記基材の一面に形成されている前記炭化タンタル膜の厚さの比は、２０００：１～１００：１であってもよい。
本発明の一実施態様において、前記基材は黒鉛を含んでもよい。
本発明の一実施態様において、前記炭化タンタル複合材は、単結晶ＳｉＣ／ＡｌＮエピタキシ（ＳｉＣ／ＡｌＮ Ｅｐｉｔａｘｙ）及びＳｉＣ／ＡｌＮ成長（ＳｉＣ／ＡｌＮ Ｇｒｏｗｔｈ）工程設備に用いられる装置の部品であってもよい。
本発明によると、表面エネルギーを低くすることで他の物質の吸着が少なく、部品の寿命を向上させ得るだけでなく、半導体製造工程を単純化することで経済性の改善された炭化タンタル複合材を提供することができる。
本発明の一実施形態による、実施例１の炭化タンタル複合材の表面の微細構造を示したＳＥＭイメージである。 本発明の一実施形態による、比較例１の炭化タンタル複合材の表面の微細構造を示したＳＥＭイメージである。 本発明の一実施形態による、比較例２の炭化タンタル複合材の表面の微細構造を示したＳＥＭイメージである。 本発明の一実施形態による、水滴接触角試験結果をイメージで示したものであり、（Ａ）実施例１の炭化タンタル複合材及び（Ｂ）比較例１の炭化タンタル複合材に関する。 本発明の一実施形態による、実施例２の炭化タンタル複合材のＸＲＤグラフを示したものである。 本発明の一実施形態による、比較例３の炭化タンタル複合材のＸＲＤグラフを示したのである。 本発明の一実施形態による、比較例４の炭化タンタル複合材のＸＲＤグラフを示したのである。 本発明の一実施形態による、炭化タンタル膜で粒子表面のシワ模様を測定する方法を例示的に示したものである。
以下、添付する図面を参照しながら本発明の実施形態を詳細に説明する。本発明の説明において、関連する公知機能又は構成に対する具体的な説明が本発明の要旨を不要に曖昧にすると判断される場合、その詳細な説明は省略する。また、本明細書で使用される用語は、本発明の好適な実施形態を適切に表現するために使用される用語であって、これはユーザ、運用者の意図又は本発明が属する分野の慣例などによって変わり得る。従って、本用語に対する定義は、本明細書全般にわたった内容に基づいて下されなければならないのであろう。各図面に提示されている同じ参照符号は同じ部材を示す。
明細書の全体において、いずれかの部材が他の部材「上に」位置しているとするとき、これはいずれかの部材が他の部材に接している場合だけでなく、２つの部材間に更なる部材が存在する場合も含む。
明細書全体において、ある部分がある構成要素を「含む」とするとき、これは、他の構成要素を取り除くものではなく、他の構成要素をさらに含むことを意味する。
以下、本発明の炭化タンタル複合材について実施例及び図面を参照しながら具体的に説明する。しかし、本発明がこのような実施例及び図面により制限されることはない。
本発明は、炭化タンタル複合材に関し、本発明の一実施形態によれば、基材と、前記基材の少なくとも一面又は全体に炭化タンタル膜とを含む。前記炭化タンタル膜は、低い表面エネルギーを介して表面に異物の吸着、付着、蒸着などが発生する可能性を低くし、工程条件が苛酷で精密な工程制御が求められる半導体製造工程で部品素材として活用され得る。
本発明の実施例により、前記炭化タンタル膜は、表面の接触角が５０°以上又は６０°～８０°であってもよい。好ましくは、表面の接触角は６５°～７６°であってもよい。表面の接触角は水滴の接触角（Ｃｏｎｔａｃｔ Ａｎｇｌｅ）を意味し、これは液体が固体物質の表面上で熱力学的な平衡をなす角を示し、表面エネルギーの状態を測定する手段である。すなわち、炭化タンタル膜は、前記接触角が増加することにより物質の表面エネルギーが低いことを意味する。
すなわち、炭化タンタル複合材は、表面エネルギーの低い炭化タンタルを適用して異物が吸着する可能性を低くし、半導体工程に用いられる部品素材に適用するとき、半導体工程のうち温度などのような工程条件の測定中に部品素材の表面に吸着した異物による温度計の作動を妨害することなく、異物及び工程物質による洗浄工程の回数を低下させ得る。また、異物による部品の寿命低下を防止することができる。
本発明の一実施形態によれば、前記炭化タンタル膜の表面エネルギーは、結晶粒の形状、結晶方向などにより制御され、優先成長の結晶面、結晶面の強度比、及び構成成分の比率の少なくとも１つ以上の因子を調節し、所望する表面エネルギーを改善させることができる。
本発明の一実施形態によれば、前記炭化タンタル膜は、Ｘ線回折分析で（１１１）面の優先成長であってもよく、前記炭化タンタル膜は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）、及び（２２２）面のＸ線回折ピークを主ピークとして含み、下記の関係式（１）による回折強度比は、１．５以上、２以上、３以上であってもよい。好ましくは、前記回折強度比は、１．８以上～２．５以下であってもよい。ＸＲＤ、すなわち、前記炭化タンタル膜の結晶特性は炭化タンタル膜の表面の接触角を低くするのに有利である。
Ｉ（１１１）／Ｉ（（２００）＋（２２０）＋（３１１）＋（２２２）） （１）
（Ｉは、ＸＲＤ回折分析で回折強度である）
本発明の一実施形態によれば、前記炭化タンタル膜のうち、Ｔａ対Ｃの原子比は０．９～１．３４であってもよく、前記原子比を調節することで炭化タンタル粒子表面にシワパターンの形成を防止し、表面積を低くして表面エネルギーを低下することができる。
本発明の一実施形態によれば、前記炭化タンタル膜は、結晶粒系表面の単位面積（μｍ２）当たり３０個以下、２０個以下、又は、１０個以下のシワ模様（又は、シワパターン）を含んでもよい。前記シワ模様が単位面積（μｍ２）当たり３０個以下である場合、屈曲した部分による比表面積の増加を低くし、やわらかくて滑らかな表面を形成して表面エネルギーを低減することができる。
本発明の一実施形態によれば、前記シワ模様は、図８に示すように、粒子表面を５０、０００倍率でＳＥＭイメージ（モデル名：ＪＥＯＬ、ＪＭＳ－７９００）を測定して単位面積当たり（μｍ２）シワの個数をカウントする方法により測定した。
本発明の一実施形態によれば、前記炭化タンタル膜の厚さは１０μｍ～５０μｍであってもよい。また、前記炭化タンタル膜は、合成及び／又は蒸着後に熱処理され、例えば、２０００°Ｃ～２５００°Ｃ温度、Ａｒ雰囲気及び１～２０時間の間に熱処理されてもよい。このような熱処理工程を通じて表面エネルギーを制御することができる。
本発明の一実施形態によれば、前記炭化タンタル膜は１０μｍ～５０μｍの厚さを含んでもよく、前記基材の厚さと前記基材の一面又は全面に形成されている前記炭化タンタル膜の厚さの比は、２０００：１～１００：１であってもよい。前記厚さ及び厚さ比の範囲内に含まれれば、ガス放出（Ｏｕｔｇａｓｓｉｎｇ）の防止及び基材と炭化タンタルとの応力を減少することができ、ＴａＣの蒸着後に基材の変形を最小化することができることから好ましい。
本発明の一実施形態によれば、前記基材は、炭化タンタル複合材の用途に応じて適切に選択され、例えば、炭素基材であってもよく、すなわち、黒鉛を含んでもよい。
本発明は、本発明に係る炭化タンタル複合材を含む部品に関し、前記部品は、半導体工程に用いられる部品であってもよい。例えば、前記部品は、単結晶ＳｉＣ／ＡｌＮエピタキシ及びＳｉＣ／ＡｌＮ成長の工程設備の部品であってもよい。
本発明で記載されている数値範囲は、本発明の目的及び範囲を超過しなければ、前記範囲内に特定の数値に対して以下、以上、未満及び／又は超過のように表示されてもよい。
実施例１～実施例３
ＴａＣをグラファイト基材上にＣＶＤ蒸着法に基づいて蒸着した。
比較例１～比較例４
ＴａＣをグラファイト基材上にＣＶＤ蒸着法に基づいて蒸着した。
特徴の分析
（１）表面の微細構造の分析
実施例及び比較例において製造されたＴａＣの表面の微細構造をＳＥＭで観察し、その結果を表１及び図１～図３に示した。また、表１において、Ｔａ及びＣの組成比はＥＤＳで測定したデータであり、Ａｔｏｍｉｃ％基準である（モデル名：Ｏｘｆｏｒｄ ＩＮＣＡ ｘ－ａｃｔ）。
Figure 2022087844000002
表１をみると、Ｔａ／Ｃの比率によるＴａＣ表面の微細構造を観察する際に実施例１及び実施例３は、粒子表面が滑らかな（Ｓｍｏｏｔｈ）形状を有することが確認される。これは、図１に示した実施例１のＳＥＭイメージで追加的に確認できる。
比較例１及び比較例２に示すように、Ｔａ／Ｃの比率が１．４以上及び０．８以下の条件でシワのある（Ｗｒｉｎｋｌｅｄ）ＴａＣ粒子表面が形成され、図２及び図３から追加的に確認できる。すなわち、このようなシワのあるＴａＣ粒子表面は、高い表面積によって表面エネルギーを増加させる傾向があり、下記の表２に接触角で滑らかな表面を有する実施例１及び実施例３は、比較例１及び比較例２に比べて高い接触角を示している。
（２）ＸＲＤ分析
実施例及び比較例で製造されたＴａＣのＸＲＤを測定して図５～図７に示し、ＸＲＤグラフで式１による優先成長ピークと主成長ピークの強度比を計算して表２に示した。成長方向に対する分析は、ＸＲＤ設備（製造会社：Ｒｉｇａｋｕ／モデル名：Ｕｌｔｉｍａ ＩＶ）を用いて各方向のピーク強度を測定し、測定条件は、測定角度１０°～８０°、スキャン速度１０、スキャン幅０．２、及び測定パワー４０ｋＶ、４０ｍＡである。
（３）接触角の分析
接触角測定装置（製造会社：Ｄａｔａｐｈｙｓｉｃｓ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ／モデル名：ＯＣＡ２０）を用いて水滴接触角を測定し、ＴａＣの表面に異物の吸着有無を判別して表２及び図４に示した。
Figure 2022087844000003
表２において、Ｔａ／Ｃ比率及び結晶方向による接触角の変化を確認することができ、（１１１）面の結晶方向に優先成長され、ＸＲＤピーク比（１１１）／（（２００）＋（２２０）＋（３１１）＋（２２２））が１．８以上を同時に満足する場合、接触角が大きく増加することが確認される。さらに、半導体工程で温度計で温度測定するとき、ターゲット部位に異物の吸着がほとんど発生しないことが確認される。
上述したように実施例がたとえ限定された実施例と図面によって説明されたが、本発明は、上述の実施例に限定されることなく、本発明が属する分野における通常の知識を有する者であれば、このような実施例から様々な修正及び変形が可能である。例えば、説明された技術が説明された方法とは異なる順に実行されたり、及び／又は説明された構成成分が説明された方法とは異なる形態に結合又は組み合わせられたり、異なる構成成分又は均等物によって代替、置換されても適切な結果を達成することができる。従って、他の実現、他の実施例、及び特許請求の範囲と均等のものなども後述する特許請求の範囲の範囲に属する。

Claims (12)

  1. 基材と、
    前記基材上に形成された炭化タンタル層と、を含み、
    前記炭化タンタル膜の表面の接触角が５０°以上である、炭化タンタル複合材。
  2. 前記炭化タンタル膜の表面の接触角は、６５°～７６°である、請求項１に記載の炭化タンタル複合材。
  3. 前記炭化タンタル膜は、Ｘ線回折分析で（１１１）面の優先成長である、請求項１に記載の炭化タンタル複合材。
  4. 前記炭化タンタル膜は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）及び（２２２）面のＸ線回折ピークを主ピークとして含み、下記の関係式（１）による回折強度比は１．５以上である、請求項１に記載の炭化タンタル複合材。
    Ｉ（１１１）／Ｉ（（２００）＋（２２０）＋（３１１）＋（２２２）） （１）
  5. 前記炭化タンタル膜は、（１１１）、（２００）、（２２０）、（３１１）及び（２２２）面のＸ線回折ピークを主ピークとして含み、下記の関係式（１）による回折強度比は１．８～２．５である、請求項１に記載の炭化タンタル複合材。
    Ｉ（１１１）／Ｉ（（２００）＋（２２０）＋（３１１）＋（２２２）） （１）
  6. 前記炭化タンタル膜のうち、Ｔａ対Ｃの原子比は、０．９～１．３４である、請求項１に記載の炭化タンタル複合材。
  7. 前記炭化タンタル膜は、ＣＶＤで形成されるものである、請求項１に記載の炭化タンタル複合材。
  8. 前記炭化タンタル膜は、結晶粒系表面の単位面積（μｍ２）当たり３０個以下のシワ模様を含む、請求項１に記載の炭化タンタル複合材。
  9. 前記炭化タンタル膜は、１０μｍ～５０μｍの厚さを含む、請求項１に記載の炭化タンタル複合材。
  10. 前記基材の厚さ対前記基材の一面に形成されている前記炭化タンタル膜の厚さの比は、２０００：１～１００：１である、請求項１に記載の炭化タンタル複合材。
  11. 前記基材は黒鉛を含む、請求項１に記載の炭化タンタル複合材。
  12. 前記炭化タンタル複合材は、単結晶ＳｉＣ／ＡｌＮエピタキシ（ＳｉＣ／ＡｌＮエピタキシ）及びＳｉＣ／ＡｌＮ成長（ＳｉＣ／ＡｌＮ Ｇｒｏｗｔｈ）工程設備に用いられる装置の部品である、請求項１に記載の炭化タンタル複合材。
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