JP3819863B2 - シリコン焼結体及びその製造方法 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、十分な厚みを有するシリコン焼結体でも相対密度及び強度が高く、しかも加工性に富むのシリコン焼結体及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、シリコン半導体製造工程においては、単結晶引上げによって製造されたウエハが専ら使用されているが、このような半導体製造装置の構成部品としてシリコンの矩形又は円盤状の板からなるスパッタリングターゲットの使用が増えてきている。
一般に、スパッタリング法は薄膜を形成手段として使用されているが、これには２極直流スパッタリング法、高周波スパッタリング法、マグネトロンスパッタリング法など、いくつかのスパッタリング法があり、それぞれ固有のスパッタリングの性質を利用して、各種電子部品の薄膜が形成されている。
このスパッタリング法は、陽極となる基板と陰極となるターゲットとを対向させ、不活性ガス雰囲気下でこれらの基板とターゲットの間に高電圧を印加して電場を発生させるものであり、この時電離した電子と不活性ガスが衝突してプラズマが形成され、このプラズマ中の陽イオンがターゲット表面に衝突してターゲット構成原子を叩きだし、この飛び出した原子が対向する基板表面に付着して膜が形成されるという原理を用いたものである。
【０００３】
シリコンの焼結体スパッタリングターゲットは上記のように需要が増えてきつつあるが、成膜効率を高めるために厚さが大きくかつ大型の矩形又は円盤状のターゲットが要求されるようになってきている。しかし、一般にシリコン焼結ターゲット自体は焼結性が悪く、得られた製品は低密度で、機械的強度が低いという問題があった。
このようなことから、上記のシリコン焼結体ターゲットの特性を改善しようとして、減圧下で１２００°Ｃ以上珪素の融点未満の温度範囲で加熱して脱酸した珪素粉末を圧縮成形し焼成して形成した珪素焼結体であり、焼結体の結晶粒径を１００μｍ以下に設定した珪素焼結体が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
しかし、このようにして製造されるターゲットは、厚みが薄い場合、例えば５ｍｍ以下の場合には、比較的密度が高くなり強度的にも向上するが、それを超えるような厚さになった場合には、依然として低密度（９９％に満たない）であり、それに伴って機械的強度が劣ることとなり、大型の矩形又は円盤状のターゲットを製造することができないという問題があった。
【０００４】
【特許文献１】
特許第３３４２８９８号
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、上記のような問題または欠点に鑑みてなされたもので、厚みが５ｍｍを超える大型の矩形又は円盤状のターゲットにおいても９９％以上の高密度を備え、強度が著しく向上したターゲット等の焼結体及びその製造方法を提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
上記の課題を解決するために、本発明者は、焼結条件を工夫することによって、厚みが５ｍｍを超える大型の矩形又は円盤状のターゲットにおいても９９％以上の高密度焼結体を製造できるとのの知見を得た。
本発明は、上記知見に基づき、
１．５ｍｍを超える厚さを有し、平均結晶粒径５０μｍ以下、相対密度が９９％以上であることを特徴とするシリコン焼結体
２．平均結晶粒径２０μｍ以下であることを特徴とする上記１記載のシリコン焼結体
３．厚さが１０ｍｍ以上であることを特徴とする上記１又は２記載のシリコン焼結体
４．厚さが３０ｍｍ以上であることを特徴とする上記１又は２記載のシリコン焼結体
５．シリコン粉末を減圧下、１０００〜１３００°Ｃの範囲でベーキングして脱酸し、次に１２００〜１４２０°Ｃの範囲、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上でホットプレスし、さらに１２００〜１４２０°Ｃの範囲、圧力１０００気圧以上でＨＩＰ処理することを特徴とするシリコン焼結体の製造方法
６．シリコン粉末を減圧下、１２００°Ｃ未満の範囲でベーキングして脱酸することを特徴とする上記５記載のシリコン焼結体の製造方法
７．シリコン粉末を減圧下、１０００〜１３００°Ｃの範囲でベーキングして脱酸し、次に１２００〜１４２０°Ｃの範囲、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上でホットプレスし、さらに１２００〜１４２０°Ｃの範囲、圧力１０００気圧以上でＨＩＰ処理することを特徴とする上記１〜３のいずれかに記載のシリコン焼結体の製造方法
８．シリコン粉末を減圧下、１２００°Ｃ未満の範囲でベーキングして脱酸することを特徴とする上記７記載のシリコン焼結体の製造方法
を提供する。
【０００７】
【発明の実施の形態】
本発明は、５ｍｍを超える厚さを有し、平均結晶粒径５０μｍ以下、好ましくは平均結晶粒径５０μｍ以下、相対密度が９９％以上であるシリコン焼結体、特に厚さが１０ｍｍ以上、さらには厚さが３０ｍｍ以上であるシリコン焼結体に関する。このような高密度シリコン焼結体は機械的強度が高く、加工性に富み、スパッタリングターゲットの製造に好適である。しかも、例えば半導体製造装置の各種部品として使用することもできる。
このような部品の製作に際しては、割れやチッピングを発生することなく、複雑な形状にも容易に加工することができ、歩留まりを大きく向上させ、製造コストを低減できるという大きな特徴を有する。
例えば、上記のように本発明の焼結体は厚いものができるので、具体的にはこの焼結体をスライスし、多数枚のターゲット又はダミーウエハーなどを製造することができる。この場合、焼結体の強度が高いので欠けや割れの発生が少ないことは勿論である。また、一焼結体から多数枚のターゲット又はダミーウエハー等が製造できるので歩留まりを向上させることができ、全体として製造コストを大きく下げることができるというメリットがある。
【０００８】
通常考えられるシリコン焼結体の製造方法としては、予め減圧下で加熱処理して酸素を除去し、これを焼結してシリコン焼結体を得ることが考えられるが、この手段ではせいぜい５ｍｍ厚程度の焼結体において、相対密度９９％程度が達成されるのみで、厚みが増加するにつれて、密度は急速に低下する。
しかし、本発明は、例えばシリコンの粗粒をジェットミルで粉砕して製造したシリコン粉末を減圧下、１１００〜１３００°Ｃの範囲、好ましくは１２００°Ｃ未満でベーキングして脱酸し、次に１２００〜１４２０°Ｃの範囲、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上でホットプレスし、さらに１２００〜１４２０°Ｃの範囲、圧力１０００気圧でＨＩＰ処理することによって、焼結体５０ｍｍ厚でも相対密度９９．５〜１００％の高密度シリコン焼結体を製造することができる。
焼結体のサイズ（大きさ）は特に制限がなく、ホットプレスやＨＩＰ装置の能力の制限を受けるだけである。通常のホットプレス及びＨＩＰ装置を使用して、直径５００ｍｍ程度の焼結体を製造することが可能であった。
【０００９】
脱酸素は重要であり、高密度シリコン焼結体を得るために十分な脱酸が必要である。ベーキング温度を１０００〜１３００°Ｃ、好ましくは１２００°Ｃ未満としたのは、１０００°Ｃ未満では酸素の除去が十分でないからである。
１２００°Ｃ以上であると脱酸は進行するが、粉と粉がくっ付き合う現象（ネッキング）が多くなり、ホットプレスの際にネッキングをほぐしても粒度分布にムラが生じ、また作業時間が長くなる欠点がある。このため、上限の温度は１３００°Ｃとする必要がある。
【００１０】
ホットプレスは１２００〜１４２０°Ｃの範囲、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上とするが、１２００°Ｃ未満かつ面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ^２未満であると、高密度品が得られず、１４２０°ＣではＳｉの融点を超えるためである。
さらにＨＩＰの条件において、１２００°Ｃ未満、圧力１０００気圧未満では、同様に高密度シリコン焼結体が得られず、同様に１４２０°ＣではＳｉの融点を超えるためである。
ベーキング時間は５時間程度が望ましい。また、上記ホットプレスは１０時間程度行う。さらにＨＩＰ処理は３時間程度実施するのが望ましい。但し、これらの時間は処理条件に応じて適宜変更できるものであり、上記時間に制限されるものではない。さらに結晶粒径が細かいと機械的向上になるので、平均結晶粒径５０μｍ以下、好ましくは２０μｍ以下とする。
【００１１】
【実施例及び比較例】
次に、実施例に基づいて本発明を説明する。なお、以下の実施例は発明を容易に理解できるようにするためのものであり、本発明はこれらの実施例に制限されるものではない。すなわち、本発明の技術思想に基づく他の例又は変形は、当然本発明に含まれるものである。
【００１２】
（実施例１−４と比較例１）
シリコン粗粒をジェットミルで粉砕したシリコン粉末を減圧下、温度を９００〜１３００°Ｃで変化させて５時間ベーキング処理し、ベーキング後のシリコンの脱酸効果を調べた。その結果を表１に示す。
比較例１に示す９００°Ｃのベーキング処理温度では、ベーキング後のシリコンに含有される酸素量が１２００ｐｐｍと多く、脱酸効果が十分でない。
これに対し、１０００°Ｃのベーキング処理温度以上では、シリコンに含有される酸素量が６１０ｐｐｍ以下となり脱酸効果があることが確認できた。
【００１３】
【表１】

【００１４】
（実施例５−８と比較例２−６）
ベーキング処理温度を、上記実施例１の良好な結果が得られた１２００°Ｃの条件に固定し、さらにホットプレス温度を１１００〜１３００°Ｃに変化させ、同時に面圧を１００〜３００ｋｇｆ／ｃｍ^２で変化させた場合の、ホットプレスによる焼結体の密度を測定した。この場合、焼結体の厚さはいずれも５０ｍｍである。この結果を表２に示す。
比較例２−４ではホットプレス温度が１１００°Ｃ、比較例５−６は面圧が１００ｋｇｆ／ｃｍ^２で本発明の条件を外れているが、いずれも密度が９５％以下で良好な結果が得られていない。
これに対して、ホットプレス温度１２００°Ｃ以上、面圧が２００ｋｇｆ／ｃｍ^２で密度が９５％を超え、良好な結果が得られている。
【００１５】
【表２】

【００１６】
（実施例９−１２と比較例７−８）
ホットプレス条件を、上記実施例５の良好な結果が得られた１２００°Ｃ、面圧を２００ｋｇｆ／ｃｍ^２の条件に固定し、さらにＨＩＰ条件を温度１１００〜１３００°Ｃに変化させ、同時に加圧力を１０００〜１５００気圧で変化させた場合の、ＨＩＰによる焼結体の密度を測定した。この場合、焼結体の厚さはいずれも５０ｍｍである。この結果を表３に示す。
比較例７−８ではＨＩＰ温度が１１００°Ｃで本発明の条件を外れているが、いずれも密度が９８％以下で良好な結果が得られていない。
これに対して、ＨＩＰ温度１２００°Ｃ以上、圧力１０００気圧以上で密度が９９％を超えており良好な結果が得られている。
【００１７】
【表３】

【００１８】
（実施例１３−１５）
シリコン粗粒をジェットミルで粉砕したシリコン粉末を減圧下、温度を１１００°Ｃで５時間ベーキング処理し、次にホットプレス条件を１２００°Ｃ、面圧を２００ｋｇｆ／ｃｍ^２の条件としてホットプレスし、さらにＨＩＰ条件を温度１２００°Ｃ、加圧力を１５００気圧としてＨＩＰを行い、厚さを５０ｍｍ、１００ｍｍ、１５０ｍｍに変化させた場合の焼結体の密度を測定した。
この結果を表４に示す。いずれの厚みにおいても、焼結体の相対密度は１００％を超えており、良好な結果が得られた。
【００１９】
【表４】

【００２０】
【発明の効果】
本発明は、シリコン粉末を減圧下、１０００〜１３００°Ｃの範囲でベーキングして脱酸し、次に１２００〜１４２０°Ｃの範囲、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上でホットプレスし、さらに１２００〜１４２０°Ｃの範囲、圧力１０００気圧以上でＨＩＰ処理することによって、焼結体５０ｍｍ以上の厚みでも相対密度９９．５〜１００％の高密度シリコン焼結体を製造することができるという優れた効果を有する。
このような高密度シリコン焼結体は機械的強度が高く、加工性に富み、スパッタリングターゲットの製造に好適である。さらに、これは半導体製造装置の各種部品として使用することもできる。
このような部品の製作に際しては、割れやチッピングを発生することなく、複雑な形状にも容易に加工することができ、歩留まりを大きく向上させ、製造コストを低減できるという大きな特徴を有する。

Claims (8)

1. ５ｍｍを超える厚さを有し、平均結晶粒径５０μｍ以下、相対密度が９９％以上であることを特徴とするシリコン焼結体。
2. 平均結晶粒径２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１記載のシリコン焼結体。
3. 厚さが１０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のシリコン焼結体。
4. 厚さが３０ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１又は２記載のシリコン焼結体。
5. シリコン粉末を減圧下、１０００〜１３００°Ｃの範囲でベーキングして脱酸し、次に１２００〜１４２０°Ｃの範囲、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上でホットプレスし、さらに１２００〜１４２０°Ｃの範囲、圧力１０００気圧以上でＨＩＰ処理することを特徴とするシリコン焼結体の製造方法。
6. シリコン粉末を減圧下、１２００°Ｃ未満の範囲でベーキングして脱酸することを特徴とする請求項５記載のシリコン焼結体の製造方法。
7. シリコン粉末を減圧下、１０００〜１３００°Ｃの範囲でベーキングして脱酸し、次に１２００〜１４２０°Ｃの範囲、面圧２００ｋｇｆ／ｃｍ^２以上でホットプレスし、さらに１２００〜１４２０°Ｃの範囲、圧力１０００気圧以上でＨＩＰ処理す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コン焼結体の製造方法。
8. シリコン粉末を減圧下、１２００°Ｃ未満の範囲でベーキングして脱酸することを特徴とする請求項７記載のシリコン焼結体の製造方法。