JP4156792B2

JP4156792B2 - 半導体製造プロセス装置用シリコン部材の製造方法

Info

Publication number: JP4156792B2
Application number: JP2000381732A
Authority: JP
Inventors: 知之藤井; 小林　　廣道
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-12-15
Filing date: 2000-12-15
Publication date: 2008-09-24
Anticipated expiration: 2020-12-15
Also published as: JP2002184703A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセス装置に用いられるシリコン部材に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造プロセス装置においては、シリコン製の部材が幾つか使用されている。こうしたシリコン部材としては、例えばフォーカスリングやカバーリングが挙げられる。
【０００３】
一方、半導体や液晶パネルなどの配線の微細化に伴い、ドライプロセスによる微細加工化が進みつつある。この微細加工の要求に伴って、半導体などの成膜ガス及びエッチングガスなどにはハロゲン系腐食性ガスが用いられている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、上述のようなシリコン部材は、プロセスガスやクリーニングガスによって容易に腐食を受けるので、消耗品となっている。こうしたシリコン部材は、半導体汚染を避けるために、非常に高純度のものが必要であるので、コストが高い。このため、半導体製造プロセス装置のランニングコストが上昇する原因となっていた。
【０００５】
本発明の課題は、半導体製造プロセス装置に用いられるシリコン部材において、シリコン部材の寿命を長くする共に、シリコン部材からの不純物発生による半導体汚染を防止できるようにすることである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明は、半導体製造プロセス装置に用いられるシリコン部材を製造する方法であって、シリコン製の本体を、１２００℃以上、１３８０℃以下の温度で、窒素を含有するガス分圧が１気圧以上の雰囲気中で保持することにより、前記本体の表面に珪素窒化物を生成させる表面窒化工程を有し、さらに、前記表面窒化工程の前に、前記本体を、１０ ^-3 ｔｏｒｒ以下の圧力下で１２００℃以上、１３８０℃以下の温度で保持する真空加熱処理工程を有することを特徴とする。
【０００７】
本発明者は、シリコン部材の表面を高純度の珪素窒化物によって被覆することで、シリコン部材の半導体製造プロセス装置中における寿命を著しく長くしてランニングコストを低減するのと共に、シリコン部材の腐食に起因する半導体汚染を抑制することを想到した。
【０００８】
珪素窒化物は、典型的にはＳｉ₃ Ｎ₄ （定比組成）であるが、ＳｉＮｘ（不定比組成）を含む。
【０００９】
珪素窒化物は高純度のものであるが、これは通常の半導体製造プロセス装置用シリコン部材と同程度の高純度のものであれば良い。好ましくは、珪素窒化物膜中における窒素および珪素以外の成分の量が０．１重量％以下であり、特に好ましくは０．０１重量％以下である。
【００１０】
本体を構成するシリコンは、高純度のものであり、好ましくは、珪素以外の成分の量が０．１重量％以下であり、特に好ましくは０．０１重量％以下である。
【００１１】
本体表面の珪素窒化物は、必ずしも層状ないし膜状に存在する必要はない。すなわち、本体自体に耐腐食性を付与することのできる状態に珪素窒化物が形成されていれば、珪素窒化物の形態については限定されない。例えば、微細な珪素窒化物粒子が密に分散したような状態、珪素窒化物と本体との界面が明確ではなく、珪素窒化物の組成が本体に向かって傾斜しているような状態をも含むものである。
【００１２】
特に好ましくは、珪素窒化物膜が膜状ないし層状をなしている。この珪素窒化物膜は、本体の全面を切れ目なく被覆していることが好ましいが、これは必ずしも必須ではない。
【００１３】
珪素窒化物膜の厚さは限定されないが、シリコン部材の寿命向上の観点からは０．１μｍ以上であることが好ましく、０．５μｍ以上であることが一層好ましい。珪素窒化物膜の厚さの上限は特にないが、膜の本体からの剥離を防止するという観点からは、５０μｍ以下が好ましい。
【００１４】
好適な実施形態においては、シリコン部材は、半導体製造プロセス装置中でハロゲン系腐食性ガスまたはそのプラズマに対して曝露される。こうしたガスとしては、Ｃｌ₂ 、ＢＣｌ₃ 、ＣｌＦ₃ 、ＨＣｌ等の塩素系腐食性ガス、ＣｌＦ₃ ガス、ＮＦ₃ ガス、ＣＦ₄ ガス、ＷＦ₆ 、ＳＦ₆ 等のフッ素系腐食性ガスを例示できる。
【００１５】
本発明のシリコン部材の例としては、例えばフォーカスリング、カバーリング、シャドーリングを挙げることができる。
【００１６】
シリコン製の本体に珪素窒化物を形成する方法は限定されない。珪素窒化物は、化学的気相成長法によって生成させることができ、あるいはスパッタリング法によって生成させることができる。
【００１７】
本発明の好適な実施形態においては、珪素窒化物をシリコン部材の表面窒化によって生成させる。
【００１８】
即ち、本発明者は、シリコン製の本体を、１２００℃以上、１３８０℃以下の温度で、窒素を含有するガス分圧が１気圧以上の雰囲気中で保持することにより、本体の表面に珪素窒化物を生成させ得ることを発見した。このような、高純度のシリコン部材の直接窒化法は知られていない。
【００１９】
特に好ましくは、この表面窒化工程の前に、本体を、１０^-3ｔｏｒｒ以下の圧力下で１２００℃以上、１３８０℃以下の温度で保持する真空加熱処理工程を設ける。これによって、シリコン部材の表面が清浄化され、窒化反応が起こりやすくなるものと思われる。
【００２０】
好ましくは、真空加熱処理工程の後に、本体を別の雰囲気に曝露させることなく、表面窒化工程に供する。
【００２１】
真空加熱処理工程における圧力の下限は特に限定されるものではないが、１０^-6ｔｏｒｒであることが好ましい。これ以上の真空度を達成するためには、大型のポンプや高真空対応のチャンバーが必要となってコスト高になる。さらには、窒化物の形成速度などにも影響を及ぼさない。
【００２２】
真空加熱処理工程における加熱温度を１２００℃以上とすることによって、本体表面の酸化皮膜を効率的に除去できる。加熱温度を１３８０℃以下とすることによって、シリコンの分解および飛散を防止できる。
【００２３】
真空加熱処理工程において、本体を１２００℃−１３８０℃に保持する時間は限定されないが、１時間以上が好ましい。
【００２４】
表面窒化工程における雰囲気には、窒素原子を含有するガスを含有させる必要がある。窒素原子を含有するガスとしては、Ｎ₂ ガス、ＮＨ₃ ガス、及びＮ₂ ／ＮＨ₃ の混合ガスを例示できる。Ｎ₂ ガスを含むことが特に好ましい。
【００２５】
表面窒化工程における温度を１２００℃以上とすることによって、珪素窒化物の生成を促進できる。また、表面窒化工程における温度を１３８０℃以下とすることによって、本体を構成するシリコンの分解、飛散を防止できる。
【００２６】
本体の表面に珪素窒化物を比較的短時間で厚く形成するためには、窒素原子を含有するガスの分圧を１気圧以上とする。この観点からは、窒素原子を含有するガスの分圧を５気圧以上とすることが更に好ましい。この上限は特にない。
【００２７】
表面窒化工程において、本体を１２００℃−１３８０℃に保持する時間は限定されないが、１時間以上が好ましい。
【００２８】
上記製法を実施する際には、例えば、本体を、真空装置を具えたチャンバー内のサンプル台上に設置する。次いで、このチャンバー内を真空ポンプで所定の真空度になるまで排気する。次いで、チャンバー内に設置された抵抗発熱体や赤外線ランプなどの加熱装置により、本体を所定の温度にまで加熱する。そして、この温度において本体を保持する（真空加熱処理工程）。
【００２９】
真空加熱処理工程が終了した後、チャンバー内に窒素ガスを導入してチャンバー内を窒素雰囲気にする。そして、加熱装置の入力パワーを調節することによって、本体を所定の温度にまで加熱する。そして、この温度において保持する（表面窒化工程）。所定の時間が経過した後、制御冷却、もしくは炉冷して、加熱窒化処理を終了する。その後、本体を外部に取り出す。
【００３０】
【実施例】
シリコン製のフォーカスリング本体を準備する。このシリコンの純度は９９．９９重量％以上である。フォーカスリングの外径φは２１５ｍｍであり、内径は２００ｍｍであり、厚さは１０ｍｍである。
【００３１】
反応容器を黒鉛ヒーター製電気炉内に設置する。反応容器中にフォーカスリング本体を収容する。真空ポンプによって炉内の真空度が１×１０^-3Ｔｏｒｒに達するまで、２時間かけて排気し、減圧する。これと同時に、黒鉛ヒーターを通電加熱することによって、電気炉内の温度を２時間かけて、表１に示す温度となるまで昇温する。そして、表１に示す各温度で２時間保持する（真空加熱処理工程）。
【００３２】
次に、表１に示す設定圧力になるまで電気炉内に窒素ガスを導入する。温度は、真空加熱処理工程における温度と同じである。設定圧力に到達した後、２リットル／分の割合で窒素ガスを導入し、炉内圧力が設定圧力の±0.05kg/cm²になるように制御する。表１に示す保持時間で本体を保持し、珪素窒化物膜を生成させる（表面窒化工程）。次いで、４時間にわたって炉内温度を低下させ、また炉内の気圧を１気圧まで低下させる。シリコン部材の温度が５０℃以下になったところで、シリコン部材をチャンバーから取り出す。
【００３３】
得られた各部材の表面に、シリコンとは異なる結晶相の異相が生成していることを確認する。各部材の表面をＥＤＳによって測定し、珪素原子と窒素原子とを確認する。また、各部材を破断し、破断面を顕微鏡で観察することによって、珪素窒化物膜の厚さを測定する。これらの測定結果を表１に示す。
【００３４】
また、得られた各部材について、フッ素系腐食ガスに対する耐食試験を行う。各試料をＣｌＦ₃ ガスのプラズマに曝露する。具体的には、ＣｌＦ₃ガスを、室温で、誘導結合プラズマによってプラズマ化する。ＣｌＦ₃ の流量は７５ＳＣＣＭであり、窒素ガスの流量は１００ＳＣＣＭであり、圧力は０．１Ｔｏｒｒであり、交流電力は８００ワットであり、交流電力の周波数は１３．５６ＭＨｚであり、暴露時間は２時間である。「重量変化」は、（曝露前の試料の重量−曝露後の試料の重量）（単位ｍｇ）／露出面積（単位ｃｍ² ）によって算出する。
【００３５】
【表１】

【００３６】
本発明の実施例１、２においては、シリコン製本体の表面に珪素窒化物膜が生成する。そして、実施例１の部材は、ハロゲン系腐食性ガスに対して良好な耐蝕性を示すので、繰り返し使用に耐え、寿命が長くなることは明白である。
【００３７】
比較例１においては、表面窒化処理をまったく行っていない。この部材は、ハロゲン系腐食性ガスによって顕著な腐食を受けるので、繰り返し使用には耐えない。
【００３８】
比較例２においては、１１３０℃で真空加熱処理および表面窒化処理を行うが、珪素窒化物膜が生成せず、このために比較例１と同様に耐蝕性が乏しい。
【００３９】
比較例３においては、シリコン製の本体を１４００℃で処理したが、本体を構成するシリコンが飛散し、重量減少したために、仕様と異なる製品となり、使用不能である。
【００４０】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、半導体製造プロセス装置に用いられるシリコン部材において、シリコン部材の寿命を長くする共に、シリコン部材からの不純物発生による半導体汚染を防止できる。

Claims

半導体製造プロセス装置に用いられるシリコン部材を製造する方法であって、
シリコン製の本体を、１２００℃以上、１３８０℃以下の温度で、窒素を含有するガス分圧が１気圧以上の雰囲気中で保持することにより、前記本体の表面に珪素窒化物を生成させる表面窒化工程を有し、
さらに、前記表面窒化工程の前に、前記本体を、１０ ^-3 ｔｏｒｒ以下の圧力下で１２００℃以上、１３８０℃以下の温度で保持する真空加熱処理工程を有することを特徴とする方法。
前記珪素窒化物の厚さが０．１μｍ以上であることを特徴とする、請求項１記載の方法。
前記シリコン部材が、前記半導体製造プロセス装置中でハロゲン系腐食性ガスまたはそのプラズマに対して曝露されることを特徴とする、請求項１または２に記載の方法。