JP4059425B2 - ＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、ＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体に関し、より詳細には、ＣＶＤ法により形成されるＳｉＣによって構成され、各種構造部材、特に、半導体製造装置用部材に好適に用いることができるＣＶＤ−ＳｉＣ自立構造体に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置においては、近年、シリコンウエハの大口径化、それに形成される回路素子の高集積化等に伴い、枚葉化および高速熱処理プロセス技術が進行している。このため、装置で使用される部材についても、軽量化、低熱容量化等の特性が要求されるようになってきた。
このような半導体製造装置用部材の材料としては、耐熱性や耐薬品性等に優れた特性を有することから、ＳｉＣが頻繁に使用されている。
【０００３】
上記のようなＳｉＣを用いた部材の製造方法としては、例えば、特開平４−３５８０６８号公報に開示されているように、基材をＣＶＤ−ＳｉＣにより被覆する方法がある。また、特開平６−１８８３０６号公報、特開平７−１８８９２７号公報等に開示されているように、基材表面にＣＶＤ−ＳｉＣ膜を形成した後、基板を除去することにより、ＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体として、ＳｉＣ成形体が得られることが知られている。
【０００４】
しかしながら、上記製造方法により得られたＳｉＣ成形体は、結晶構造の異方性等に起因して、亀裂が生じやすく、反りが大きい、また、機械的強度に劣る等の問題点を有するものであった。
【０００５】
したがって、これらの問題点を解決するために、種々のＳｉＣ成形体の製造技術が検討されている。
例えば、特開平８−１８８４０８号公報には、ＣＶＤ法により形成されたＳｉＣ基板の両面に、ＳｉＣ膜をコーティングすることにより、亀裂や反りが抑制されたＳｉＣ成形体が得られることが開示されている。
また、特開２００１−１５８６６６号公報には、ＣＶＤ−ＳｉＣ膜からなる圧縮残留応力層および引張応力残留層を交互に複数回積層し、厚さ方向の両側に圧縮残留応力層を配置することにより、反りを解消し、さらに、機械的強度を向上させたＳｉＣ成形体が得られることが開示されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記ＣＶＤ−ＳｉＣ成形体を、例えば、エピタキシャル成長用装置の部材として用いた場合、ＣＶＤ法によるＳｉＣの生成温度は９００〜１３００℃であり、エピタキシャル成長プロセス温度である１０００〜１２５０℃に近いため、該部材は、消耗しやすく、耐久性に劣るという課題を有していた。また、部材の消耗によって、ＣＶＤ−ＳｉＣ成形体の表面が荒れてしまい、ウエハを汚染するパーティクルの発生源となる場合もあった。
【０００７】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、結晶性の良好なＣＶＤ−ＳｉＣ膜を形成することにより、反り等の変形の抑制および機械的強度の向上を図るとともに、消耗によるパーティクルの発生を防止することができ、半導体製造装置用部材に好適なＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体を提供することを目的とするものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明に係るＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体は、１０００〜１２００℃でのＣＶＤ法により形成されたＳｉＣ基板の両面に、１５００〜２０００℃でのＣＶＤ法により形成されたＳｉＣ膜を有するＣＶＤ−ＳｉＣ成形体であって、ＳｉＣ結晶の成長方向に垂直な断面において、前記ＳｉＣ基板を構成するＳｉＣ結晶と、前記ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶の両方が存在している部分であるＳｉＣ基板とＳｉＣ膜との界面は、ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶が、ＳｉＣ基板にくさび状に食い込んだ構造からなり、前記ＳｉＣ基板を構成するＳｉＣ結晶は、平均粒径が１５μｍ以下であり、前記ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶は、前記界面における平均粒径が２０μｍ以上４０μｍ以下、かつ、膜表面における平均粒径が４０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とする。
このように、ＳｉＣ膜によって挟み込まれた内側のＳｉＣ基板よりも、外表面のＳｉＣ膜の方が、ＳｉＣ結晶の粒径が大きく、しかも、ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶が、ＳｉＣ基板にくさび状に食い込んだ構造を有しているため、密着性が良好であり、ＣＶＤ−ＳｉＣ成形体の消耗および劣化が抑制され、耐久性および機械的強度の向上を図ることができる。
【０００９】
前記ＳｉＣ基板は、２５℃から１０００℃まで昇温した際の熱膨張係数が４．２０×１０^-6／Ｋ以上４．４０×１０^-6／Ｋ以下であり、かつ、前記ＳｉＣ膜は、２５℃から１０００℃まで昇温した際の熱膨張係数が４．７０×１０^-6／Ｋ以上４．９０×１０^-6／Ｋ以下であることが好ましい。
このように、内側のＳｉＣ基板より外表面のＳｉＣ膜の方が、熱膨張係数が大きいことにより、外表面のＳｉＣ膜における圧縮残留応力が高くなるため、機械的強度等の観点から好ましい。
【００１０】
また、前記ＳｉＣ基板の厚さに対するＳｉＣ膜の厚さの比が、０．２以上１以下であることが好ましい。
機械的強度等の観点から、適度な残留応力特性を得るために、ＳｉＣ基板とＳｉＣ膜との厚さの比を規定したものである。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について、添付図面を参照して、より詳細に説明する。
図１に、本発明に係るＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体の結晶成長方向における断面を模式的に示す。図１に示すように、本発明に係るＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体は、１０００〜１２００℃でのＣＶＤ法により形成されたＳｉＣ基板１の両面に、１５００〜２０００℃でのＣＶＤ法により形成されたＳｉＣ膜２を有する構造からなるＳｉＣ成形体である。そして、前記ＳｉＣ基板１とＳｉＣ膜２との界面は、ＳｉＣ膜２を構成するＳｉＣ結晶が、ＳｉＣ基板１にくさび状に食い込んだ構造からなる。すなわち、ＳｉＣ基板１を両面から、ＳｉＣ膜２が噛み合わせた構造を有する。
【００１２】
図２に、本発明に係るＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体のＳｉＣ基板とＳｉＣ膜との界面を含む箇所におけるＳｉＣ結晶の成長方向に垂直な断面を模式的に示す。すなわち、図２は、図１におけるＡ−Ａ’断面図である。
本発明においては、前記ＳｉＣ基板１を構成するＳｉＣ結晶１ａは、平均粒径が１５μｍ以下であり、前記ＳｉＣ膜２を構成するＳｉＣ結晶２ａは、前記界面における平均粒径が２０μｍ以上４０μｍ以下、かつ、膜表面における平均粒径が４０μｍ以上２００μｍ以下である。
したがって、ＳｉＣ膜２を構成するＳｉＣ結晶２ａの平均粒径は、ＳｉＣ基板１を構成するＳｉＣ結晶１ａの平均粒径よりも大きく、しかも、ＳｉＣ基板１にくさび状に食い込んでいるため、ＳｉＣ基板１とＳｉＣ膜２は、密着性が良好であり、優れた機械的強度が得られる。
【００１３】
ここで、本発明でいう平均粒径とは、光学顕微鏡やＳＥＭ等によって、図２に示すようなＳｉＣ基板１およびＳｉＣ膜２を構成する各ＳｉＣ結晶１ａ、２ａのうち、任意の各１０個の最大径の平均値を求め、これをＳｉＣ基板１およびＳｉＣ膜２を構成する各ＳｉＣ結晶１ａ、２ａの平均粒径としたものである。
【００１４】
ＳｉＣ基板を構成するＳｉＣ結晶の平均粒径が１５μｍを超える場合は、ＳｉＣ基板内に圧縮残留応力が蓄積され、大きな反りを生じたり、クラックが発生するため、歩留りが低下することとなる。
また、ＳｉＣ膜表面におけるＳｉＣ結晶の平均粒径が４０μｍ未満である場合は、十分な残留応力特性を有する膜が形成されにくい。
一方、ＳｉＣ膜表面におけるＳｉＣ結晶の平均粒径が２００μｍを超える場合は、圧縮残留応力が過剰に蓄積され、変形が生じやすくなる。
【００１５】
従来のＣＶＤ−ＳｉＣ成形体は、ＣＶＤ法により形成されるＳｉＣ基板とＳｉＣ膜とは、形成温度の差が小さく、粒径、熱膨張係数等がほぼ同等であり、結晶形態も同様であった。
【００１６】
本発明においては、ＣＶＤ法により形成されるＳｉＣは、高温で生成するほど、結晶性が向上することから、ＣＶＤ法により形成したＳｉＣ基板の両面に、該ＳｉＣ基板よりも高温でＳｉＣ膜を形成させることにより、ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶が、ＳｉＣ基板を構成するＳｉＣ結晶よりも結晶性が良好であり、より粒径が大きくなるようにしたものである。
このように、ＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体においては、ＳｉＣ膜によって挟み込まれた内側のＳｉＣ基板よりも、外表面のＳｉＣ膜の方が、ＳｉＣ結晶の粒径が大きいことによって、ＣＶＤ−ＳｉＣ成形体の消耗および劣化が抑制され、耐久性および機械的強度の向上を図ることができる。
【００１７】
また、ＣＶＤ法により結晶粒径が大きいＳｉＣ膜を形成する場合、ＳｉＣ基板の表面に形成されたＳｉＣ結晶またはＳｉＣ膜として先に形成されたＳｉＣ結晶を核として、ＳｉＣ基板にほぼ垂直な方向に、柱状のＳｉＣ結晶が成長する。そして、個々のＳｉＣ結晶は、柱状のＳｉＣ結晶粒が徐々に柱が太くなるように成長し、隣接する結晶粒同士が押し合い、膜表面を押し広げようとする圧縮応力がＳｉＣ膜に蓄積される。
また、ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶は、上記のように、ＳｉＣ基板を構成するＳｉＣ結晶よりも結晶性が良好であることから、熱膨張係数もより大きく、このため、ＳｉＣ基板とＳｉＣ膜との熱膨張係数の差が大きくなり、ＳｉＣ基板に引張応力、ＳｉＣ膜に圧縮応力が残留する。
このように、ＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体においては、内側のＳｉＣ基板より外表面のＳｉＣ膜の方が、熱膨張係数が大きく、外表面のＳｉＣ膜における圧縮残留応力が高いことも、機械的強度等の観点から好ましい。
【００１８】
具体的には、２５℃から１０００℃まで昇温した際のＳｉＣ基板の熱膨張係数は４．２０×１０^-6／Ｋ以上４．４０×１０^-6／Ｋ以下であり、かつ、２５℃から１０００℃まで昇温した際のＳｉＣ膜の熱膨張係数は４．７０×１０^-6／Ｋ以上４．９０×１０^-6／Ｋ以下であることが好ましい。
２５℃から１０００℃まで昇温した際に、ＳｉＣ基板の熱膨張係数が４．２０×１０^-6／Ｋ未満である場合、または、ＳｉＣ膜の熱膨張係数が４．９０×１０^-6／Ｋを超える場合は、ＳｉＣ基板とＳｉＣ膜との熱膨張係数の差が大きすぎてしまい、反り等の変形が生じてしまう。
一方、２５℃から１０００℃まで昇温した際に、ＳｉＣ基板の熱膨張係数が４．４０×１０^-6／Ｋを超える場合、または、ＳｉＣ膜の熱膨張係数が４．７０×１０^-6／Ｋ未満である場合は、ＳｉＣ膜との熱膨張係数の差が小さすぎるため、十分な残留応力特性を得ることができない。
【００１９】
また、本発明においては、ＳｉＣ基板の厚さに対するＳｉＣ膜の厚さの比が、０．２以上１以下、すなわち、０．２≦ＳｉＣ膜厚／ＳｉＣ基板厚≦１であることが好ましい。
ＳｉＣ膜厚／ＳｉＣ基板厚が０．２未満である場合、十分な残留応力特性を得ることができず、また、機械的強度が低下してしまう。
一方、ＳｉＣ膜厚／ＳｉＣ基板厚が１を超える場合、ＳｉＣ膜に蓄積される残留応力が増加し、大きな反りを生じたり、クラックの発生等により、歩留りが低下する。
【００２０】
本発明に係るＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体の製造方法は、特に限定されるものではないが、例えば、以下の方法により製造することができる。
まず、カーボン基材、タングステン基材またはモリブデン基材等、焼成または化学的処理によって容易に除去可能な基材を、ジクロルシラン、エチレンおよび水素を含む比較的水素濃度の低い混合ガス雰囲気下で、１０００〜１２００℃に加熱し、ＣＶＤ法により、前記基材表面にＳｉＣ結晶の平均粒径が１５μｍ以下、厚さ１００〜３００μｍ程度の基板用ＳｉＣ膜を形成する。
次いで、前記基材を焼成または化学的処理によって除去し、残ったＳｉＣ膜を、本発明に係るＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体のＳｉＣ基板とする。
【００２１】
得られたＳｉＣ基板を反応室内に設置し、例えば、炭素粉末とシリカ粉末との混合粉末等のＣ源およびＳｉ源を導入し、約１Ｔｏｒｒ以下、好ましくは０．５Ｔｏｒｒ以下の減圧下、１５００℃以上、好ましくは１５００〜２０００℃に加熱して、ＣとＳｉを反応させる。このようにして、ＳｉＣ基板の両面に厚さ４０〜１５０μｍ程度のＣＶＤ−ＳｉＣ膜を形成することにより、本発明に係るＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体が得られる。
なお、ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶の平均粒径は、ＳｉＣ膜成長時間および反応温度等を適宜調整することにより、調節することができる。
【００２２】
【実施例】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
直径２００ｍｍ×厚さ５ｍｍの円盤状の等方性黒鉛（かさ密度１．８８ｇ／ｃｍ³、表面粗さＲ_max２０μｍ、熱膨張係数４．６×１０^-6／Ｋ（２５〜４５０℃）、灰分５質量ｐｐｍ）を基材として用いて、ジクロルシラン、エチレンおよび水素の混合ガス雰囲気下で、１０００〜１２００℃に加熱し、ＳｉＣ結晶の平均粒径が１０μｍ、厚さ２００μｍの基板用ＳｉＣ膜を形成した。
次いで、大気中、８００℃で２４時間保持（灰化法）により、等方性黒鉛基材を除去して、厚さ２００μｍのＳｉＣ基板を得た。
得られたＳｉＣ基板を、０．５Ｔｏｒｒ以下の減圧下、１５００〜２０００℃に加熱し、前記ＳｉＣ基板の両面に、厚さ１５０μｍのＣＶＤ−ＳｉＣ膜を形成し、全体の厚さが５００μｍのＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体を作製した。
得られたＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体について、ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶の平均粒径、外観、反り量、曲げ強度について評価および測定を行った。
また、消耗試験として、得られたＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体について、ＨＣｌ＋Ｈ₂雰囲気下で、１１００℃で、１００時間放置し、その重量減少量を測定した。
これらの結果を表１に示す。
【００２３】
［実施例２、３］
表１の実施例２、３に示すＳｉＣ基板およびＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶の平均粒径およびＳｉＣ膜の厚さとして、それ以外については、実施例１と同様にして、ＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体を作製した。
得られたＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体について、実施例１と同様にして、評価および測定を行った。
これらの結果を表１に示す。
【００２４】
［比較例１］
実施例１と同様にして得られたＳｉＣ基板の両面に、ジクロルシラン、エチレンおよび水素を含む混合ガス雰囲気下で、１０００〜１２００℃に加熱し、ＳｉＣ結晶の平均粒径１０μｍ、厚さ１５０μｍのＳｉＣ膜を形成し、全体の厚さが５００μｍのＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体を作製した。
得られたＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体について、実施例１と同様にして、評価および測定を行った。
これらの結果を表１に示す。
【００２５】
［比較例２、３］
表１の比較例２、３に示すＳｉＣ基板およびＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶の平均粒径およびＳｉＣ膜の厚さとして、それ以外については、実施例１と同様にして、ＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体を作製した。
得られたＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体について、実施例１と同様にして、評価および測定を行った。
これらの結果を表１に示す。
【００２６】
【表１】

【００２７】
表１に示したように、ＳｉＣ基板を構成するＳｉＣ結晶の平均粒径が１５μｍ以下であり、ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶は、前記ＳｉＣ基板との界面における平均粒径が２０μｍ以上４０μｍ以下、かつ、膜表面における平均粒径が４０μｍ以上２００μｍ以下であるＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体（実施例１〜３）は、反りが抑制され、機械的強度も大きいことが認められた。
また、消耗試験において、重量減少は認められなかったことから、該ＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体は、半導体製造装置用部材として好適に用いることができると言える。
【００２８】
一方、ＳｉＣ基板との界面において、ＳｉＣ基板を構成するＳｉＣ結晶の平均粒径が２０μｍ未満である場合（比較例１）は、大きな反りを生じ、機械的強度も小さく、消耗試験においても、消耗が激しかった。
また、膜表面において、ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶の平均粒径が４０μｍ未満で、ＳｉＣ膜厚／ＳｉＣ基板厚が０．２未満である場合（比較例２）は、反りがやや大きく、機械的強度も十分ではなかった。
また、ＳｉＣ基板を構成するＳｉＣ結晶の平均粒径が１５μｍを超え、膜表面において、ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶の平均粒径が２００μｍを超えるＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体（比較例３）は、大きな反りが生じ、クラックが発生した。
【００２９】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明に係るＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体は、反り等の変形が抑制され、かつ、機械的強度に優れており、高純度、緻密性、耐熱性、耐薬品性等の特性が要求される各種構造部材に好適である。
また、本発明に係るＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体は、消耗しにくく、耐久性に優れ、また、パーティクルの発生を防止することができるため、特に、搬送用もしくは半導体熱処理装置内でのウエハ支持用ホルダー（平板状、リング状）、均熱管、ダミーウエハ、ガス導入管等の半導体製造装置用部材として好適に用いることができる。これにより、シリコンデバイス等の製造工程における歩留まりの向上にも寄与することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係るＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体の結晶成長方向における断面を模式的に示した図である。
【図２】図１におけるＡ−Ａ’断面を模式的に示した図である。
【符号の説明】
１ ＳｉＣ基板
１ａ ＳｉＣ結晶
２ ＳｉＣ膜
２ａ ＳｉＣ結晶

Claims (3)

1. １０００〜１２００℃でのＣＶＤ法により形成されたＳｉＣ基板の両面に、１５００〜２０００℃でのＣＶＤ法により形成されたＳｉＣ膜を有するＣＶＤ−ＳｉＣ成形体であって、
   ＳｉＣ結晶の成長方向に垂直な断面において、前記ＳｉＣ基板を構成するＳｉＣ結晶と、前記ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶の両方が存在している部分であるＳｉＣ基板とＳｉＣ膜との界面は、ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶が、ＳｉＣ基板にくさび状に食い込んだ構造からなり、
   前記ＳｉＣ基板を構成するＳｉＣ結晶は、平均粒径が１５μｍ以下であり、
   前記ＳｉＣ膜を構成するＳｉＣ結晶は、前記界面における平均粒径が２０μｍ以上４０μｍ以下、かつ、膜表面における平均粒径が４０μｍ以上２００μｍ以下であることを特徴とするＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体。
2. 前記ＳｉＣ基板は、２５℃から１０００℃まで昇温した際の熱膨張係数が４．２０×１０^-6／Ｋ以上４．４０×１０^-6／Ｋ以下であり、かつ、前記ＳｉＣ膜は、２５℃から１０００℃まで昇温した際の熱膨張係数が４．７０×１０^-6／Ｋ以上４．９０×１０^-6／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１記載のＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体。
3. 前記ＳｉＣ基板の厚さに対するＳｉＣ膜の厚さの比が、０．２以上１以下であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のＣＶＤ−ＳｉＣ自立膜構造体。

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