JP4824024B2 - 耐熱性金属材料の放射率を増大させる方法、増大された放射率を有する放射加熱要素、ウエハキャリア用の耐熱性金属材料を作製する方法、及び熱吸収面用の材料を作製する方法 - Google Patents

Description

本出願は、材料をそれらの放射率を増大させるように改質することに関し、さらに詳細には、熱の吸収又は熱の放射などに用いられる金属の放射率を増大させる方法に関する。

高放射率の表面を有する材料は、効率的な熱の吸収及び熱の放射を含む多くの有用な機能を果たす。特に、電気加熱要素は、工業的な反応装置や炉のような数多くの装置に用いられている。加熱要素に加えられる電気エネルギーは、加熱要素において熱に変換され、加熱要素から装置の一部又は装置によって処理される被加工品のような他の対象物に伝達される。

多くの装置において、放射は、熱伝達の重要なモードである。例えば、半導体ウエハを処理するのに用いられる反応装置では、加熱要素は、ウエハを保持するキャリアから離間され、熱を放射熱伝達によってキャリアに伝達する。

放射熱伝達において、加熱要素から伝達される熱の量は、加熱要素の温度と共に増大し、また、加熱要素の放射率に比例して変動する。同じことが、加熱された部品に吸収される熱又は放射線の量についても当てはまる。以下にさらに説明するように、放射率は、同一温度において、表面から放射される放射線の量と「黒体」と呼ばれる理論的に完全な放射表面から放射される放射線の量との間の比率である。表面の放射率は、黒体の放射率の百分率として記述することができる。より高い放射率を有する加熱要素は、所定の温度において、より多くのエネルギーを放射する。しかし、残念なことに、加熱要素として用いられるための他の所望の特性を有する多くの材料は、比較的低い放射率しか有していない。

現在、表面の放射率を増大させる最も広く用いられている方法は、表面積を増大させる目的で表面を機械的に処理する方法と、表面を高放射率材料で被覆する方法である。

機械的な表面処理として、種々の溝切り、ローレット切り、及び種々の形態のブラスト処理が挙げられる。これらのプロセスは、特に、ある種の抵抗加熱要素のような極めて薄い部品の場合、制御するのが困難なことがあり、また単独で用いられたときに容認できない結果をもたらすこともある。最も重要なのは、これらのプロセスは、一般的には、放射率のわずかな増大しかもたらさないことである。例えば、モリブデンシートの放射率は、サンドブラスト又はショットピーニングの後、１４〜１５％から２０〜２５％にしか増大しない。

表面の放射率を増大させるもう１つの手法は、第１の材料の表面を高放射率の第２の材料によって被覆する方法である。これによって、一般的には、被膜の放射率と等しい表面放射率が得られる。これは、室温において所望のより高い放射率をもたらすことができるが、高温における及び侵襲性のある熱、圧力又は反応性環境における被膜の信頼性が、通常は低い。その１つの理由は、例えば、母材と被膜との間の線膨張の差にある。数回の熱サイクルの後、被膜は、亀裂と剥離を生じ始めることがある。さらに、多くの被膜は、低い機械的強度を有し、設置及び使用中に、容易に掻き落とされ、あるいは別の態様で表面から除去される。最後に、半導体、医学、食品、又は薬剤業界などのような用途では、プロセス環境との化学的な親和性の問題と、被膜の材料によるプロセスの汚染の問題とがある。

表面の放射率を増大させるもう１つの有力な方法は、極めて不規則な表面形態を生じるように調整された化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスのような被覆プロセスを用いて、母材と同じ組成を有する被膜を施すことである。これらの被膜の主な欠点は、極めて低い機械的強度と母材の表面に対する低い付着性である。

従って、当技術分野におけるあらゆる努力にもかかわらず、加熱要素のような要素の放射率を増大させるさらに改良された方法が必要とされている。

本発明の一態様は、加熱要素又は他の材料の表面放射率を著しく増大させる方法を提供する。この方法は、表面を微視的レベルで改質する。本発明のこの態様によるいくつかのの方法は、どのような付加的な化学元素を材料内に導入することもなく、かつ巨視的な作り直しをすることもなく、実施することができる。本発明のこの態様による最も好ましい方法は、長期の使用期間にわたって高放射率が高く維持される１つ又は多数の材料表面をもたらす。これらの方法は、改質によって、化学的な親和性及びプロセスの汚染の問題を解消する。

本発明のこの態様による方法は、最初、材料の表面を機械加工し、次いで、その機械加工された表面をエッチングする。機械加工プロセスとして、表面を工具に接触させるプロセス、表面を粒状媒体に接触させるプロセス、例えば、表面をサンドブラスト又はショットピーニングするプロセス、又は表面を１つ又は多数の液体噴流に接触させるプロセスのような幅広い種類の機械的プロセスが挙げられる。エッチングステップとして、表面を要素の材料を侵食するエッチング液と接触させるステップ、例えば、表面を硝酸のような液体、又は材料と反応するか又は溶解するプラズマと接触させるステップが挙げられる。最も好ましくは、機械加工は、表面を微視的レベルで粗面化するように作用し、エッチングステップは、さらなる粗さを導入する。

本発明は、どのような作用を裏付ける理論によっても制限されないが、機械加工ステップは、表面の局部的な変形をもたらし、これによって、微視的な欠陥を表面の材料結晶構造に導入し、エッチングステップは、主に、これらの欠陥において材料を侵食することが考えられる。作用の理論とは無関係に、本発明のこの態様による好ましい方法は、継続性のある高放射率を有する材料をもたらすことができる。

一態様において、本発明は、放射加熱要素を有する加熱装置の製造において、特に有用である。本発明は、他の目的を有する他の要素の製造に適用することもできる。例えば、本発明は、被加工品を加熱するサセプタ、熱環境を調節する吸収面、などに適用することもできる。

本発明のさらなる態様は、前述のプロセスによって作製される放熱要素を提供する。本発明のさらに他の態様は、このような要素を備える加熱器と、このような加熱器を含むシステムとを提供する。本発明の好ましい態様によってもたらされる加熱要素の増大された放射率は、より高い熱伝達効率とより低いエネルギー消費とを含む有益性をもたらすことができる。一態様において、本発明は、有利には、所定の被加工品温度を維持することが必要とされる被加工品加熱装置における加熱要素の操作温度を低下させ、これによって、加熱要素の寿命を延長させることができる。

図１は、本発明の一実施形態の工程フローチャートを示している。材料（この場合、改質されていない加熱要素１００）、例えば、モリブデンフィラメント又はレニウムフィラメントが用意される。他の導電材料から形成される他の材料及び他の加熱要素であってもよい。好ましくは、この材料は、耐熱性金属、例えば、モリブデン、レニウム、ニオビウム、タングステンなどである。しかし、この材料は、合金であってもよく、また、非耐熱性金属又は合金、例えば、ステンレス鋼又はアルミニウムであってもよい。図１の実施形態では、加熱要素の放射率は、２段階プロセス、すなわち、微視的なレベルの欠陥を生成するために表面を機械加工する第１ステップ１１０と、その表面をエッチングする第２ステップ１２０とによって、改良される。その結果、改質された材料（この場合、改質された加熱要素１４０）が生成される。

機械加工ステップ１１０において、加熱要素の表面は、微視的レベルの欠陥を生成するために、サンドブラスト、ショットピーニング、又は工具による表面の機械加工のような１つ又は多数のプロセスによって、冷間加工及び粗面化される。冷間加工プロセスは、モリブデン又はレニウムの表面の一部を局部的に変形させる。また、水噴射が加熱要素の表面を効果的に加工することも見出されている。

冷間加工プロセスの条件は、好ましくは、母材の結晶構造の結晶粒に高レベルの微視的欠陥を生じさせるように調整され、これらの条件は、用いられる母材と粗面化プロセスによって、変動する。転位やすべり線のような欠陥は、極めて望ましい。

エッチングステップ１２０において、機械的に誘導された欠陥を有する表面は、典型的には、プラズマ又は硝酸のような酸などを用いる化学エッチングプロセスによって、エッチングされる。一般的に、顕微鏡試料を作成中に結晶構造を露出させるのに用いられるのと同じエッチング化合物が、良好に用いられ得る。エッチングプロセスは、母材よりも欠陥をさらに強く侵食する。これによって、表面の欠陥が深められ、微視的なレベルでの溝の網目構造が生じる。エッチングプロセスの濃度、温度、及び期間は、表面から多量の母材を除去することなく、最も高い放射率をもたらすように調整されるべきである。

機械加工ステップとエッチングステップは、要素が最終的に使用可能な形態、例えば、電気抵抗加熱器に用いられるフィラメントの形態にある間に、行なうこともできる。代替的に、機械加工ステップとエッチングステップの後、又はこれらのステップの間に、要素に切削又は最終的な所望の形状への成形などのさらに他の処理ステップを施すこともできる。

一実施例において、基材は、機械加工、清浄化、及びエッチングされたモリブデン板であり、このモリブデン板は、約１０〜１２％の１．５μｍにおける初期積算スペクトル放射率を有している。

機械的な粗面化ステップを実施するために、３００μｍの直径を有する鋼ショットを用いる表面の鋼ショットピーニングを、モリブデン板に均一な灰色の粗仕上げ面が生じるまで、行なう。このステップの後、放射率が約３５％に上昇したことが検出によって判明している。

次いで、室温（約２０℃）において、ショットピーニングされた表面を硝酸（HNO₃）１０％水溶液と３０分間接触させることによって、エッチングステップを行い、この後、改質されたモリブデン板又はレニウム板を洗浄及び乾燥する。エッチング後の放射率は、モリブデンの場合、５０〜５５％の範囲内にあり、レニウムの場合、さらに高く、７０〜８０％の範囲内にあることが検出によって判明している。

図２〜４は、前述した具体例の異なる段階におけるいくつかの微細組織の例を示している。図２は、処理前の加熱要素表面２００の俯瞰電子顕微鏡画像を７５０倍の倍率で示している。この画像は、比較的低い放射率に特有の結晶粒界を表す小さい表面特徴２１０、２２０しか示していない。

図３は、この具体例のショットピーニングステップの後の加熱要素表面３００の俯瞰画像を７５０倍の倍率で示している。材料の表面に微細欠陥を生成する粗面化を行なった後なので、材料の表面へのショットピーニング及び／又は高さ変動によって、前述した結晶粒界に加えて、小さな表面特徴３１０、３２０が見られる。

図４は、ショットピーニングと硝酸エッチングの後の加熱要素表面４００の俯瞰画像を７５０倍の倍率で示している。ショットピーニングとエッチングの両方を行なった後なので、（殆どが材料の結晶構造におけるすべり線といくらかの転位である）表面欠陥の「斜行平行」模様４１０、４２０が、それぞれの結晶粒界内を含む材料の大きな領域の全体にわたって、見られる。その結果、この表面は、改質されていないか又は機械的に粗面化されたモリブデンに対して放射率が増大していることを、証拠として示している。

図５は、本発明の一実施形態を含む半導体処理装置、この場合、ウエハ処理用の半導体反応装置の概略的な断面図である。なお、この図は簡素化され、尺度通りではない。加熱要素以外の装置の要素は、半導体ウエハ又は他の半導体を処理する従来のサセプタ型回転ディスク反応室又はビーコインストルメンツ（Veeco Instruments）社のターボディスク（TurboDisc）部門によってTurboDisc^?の登録商標で市販されているようなＣＶＤ反応装置であればよい。

一実施形態では、装置は、内面５０４を有する反応室５０２を備えている。反応室の上面において、一組のガス入口が、例えば、一組又は多数の組のウエハにエピタキシャル層を堆積させるために、反応ガス及び／又はキャリアガスを供給する。加熱サセプタ５１０は、一組の加熱要素５２０によって、常に加熱されている。これらの加熱要素５２０は、多数の加熱ゾーンに分割されていてもよい。加熱要素５２０は、好ましくは、耐熱性金属、例えば、モリブデン、さらに好ましくは、レニウムから作製されている。加熱要素に、電源（図示せず）から電流（図示せず）が供給される。さらに、加熱要素５２０の上面は、前述のプロセスによって処理され、高放射率の表面５２５を生成している。

バッフル５３０が、加熱要素５２０とサセプタ５１０の下方に配置されている。加熱要素５２０と反応装置５００は、一般的に、外部制御装置５５０を介して制御される。１つ又は多数のウエハ５７０が、典型的には、サセプタ５１０の直上のウエハキャリア５６０に保持されている。回転ディスク反応室において、ウエハキャリア５６０は、モータ５８０によって駆動されるシャフト５４０を中心として、例えば、１５００ＲＰＭ以上の速度で回転する。運転中、電力が加熱要素５２０において熱に変換され、主に、放射熱伝達によって、サセプタ５１０に伝達される。次に、このサセプタが、ウエハキャリア５６０とウエハ５７０を加熱する。

有利には、本出願のプロセスは、加熱要素に制限されず、その用途も、半導体反応装置に制限されない。外部源からの放射エネルギーに晒される要素に吸収される放射線の量も、その要素の放射率に直接関連する。従って、本発明は、放射エネルギーを吸収することを目的とする要素に適用することもできる。例えば、サセプタ５１０の表面は、その吸収率を増大させるために、本プロセスによって処理されてもよいし、反応装置の他の構成部品の表面が、同様に処理されてもよい。

本発明を具体的な実施形態を参照してここに説明したが、これらの実施形態は、本発明の原理と応用の単なる例示にすぎないことが理解されるべきである。従って、例示された実施形態に対して数多くの修正がなされ得ること、及び他の構成が添付の特許請求の範囲に定義される本発明の精神と範囲から逸脱することなく考案され得ることが理解されるべきである。

本発明の一実施形態の工程フローチャートである。 本発明の一実施形態による処理前の加熱要素表面の俯瞰画像を７５０倍の倍率で示す図である。 本発明の一実施形態による機械的な粗面化の後の加熱要素表面の俯瞰画像を７５０倍の倍率で示す図である。 本発明の一実施形態による機械的な粗面化とエッチングの後の加熱要素表面の俯瞰画像を７５０倍の倍率で示す図である。 本発明の一実施形態の加熱要素を含む加熱装置の概略的な断面図である。

Claims (29)

1. 耐熱性金属材料の放射率を増大させる方法において、
   前記耐熱性金属材料の少なくとも一の表面を機械加工し、前記金属材料を局部的に変形させ、微視的レベルの欠陥を生成するステップと、
   前記耐熱性金属材料の前記加工された面をエッチングすることによって、付加的な化学元素を前記材料内に導入することなく、前記欠陥において選択的に前記材料を侵食し、その放射率を増加させ、前記欠陥における選択的侵食によって、微視的なレベルでの溝の網目構造を前記表面に形成するステップと
   を含み、
   ここで、前記エッチングステップで形成された前記溝の網目構造が前記表面で露出されており、該表面にある溝の網目構造によって前記耐熱性金属材料の放射率が増大し、前記耐熱性金属材料は、放射加熱要素、又は半導体反応装置の構成要素である方法。
2. 前記機械加工ステップは、前記表面を機械的に粗面化するステップを含む請求項１に記載の方法。
3. 前記機械加工ステップは、前記表面を工具と噛み合わせるステップを含む請求項１に記載の方法。
4. 前記機械加工ステップは、前記表面を粒状媒体と接触させるステップを含む請求項１に記載の方法。
5. 前記接触ステップは、前記表面をショットピーニングするステップを含む請求項４に記載の方法。
6. 前記機械加工ステップは、前記表面を１つ又は多数の液体噴流と接触させるステップを含む請求項１に記載の方法。
7. 前記エッチングステップは、前記加工された表面をプラズマと接触させることによってなされる請求項１に記載の方法。
8. 前記耐熱性金属は、レニウムを含む請求項１に記載の方法。
9. 前記耐熱性金属は、モリブデンを含む請求項１に記載の方法。
10. 前記耐熱性金属は、タングステンを含む請求項１に記載の方法。
11. 前記耐熱性金属は、レニウム、モリブデン、タングステン、及びニオビウムの少なくとも１つを含む合金を含む請求項１に記載の方法。
12. 請求項１に記載のプロセスによって作製された材料を備える放射加熱器。
13. 請求項２に記載のプロセスによって作製された材料を備える放射加熱器。
14. 請求項３に記載のプロセスによって作製された材料を備える放射加熱器。
15. 前記材料は、電気抵抗加熱フィラメントである請求項１２に記載の加熱器。
16. 請求項１２の前記加熱器と、被加工品を前記加熱器の近傍に保持するように配置された構造体とを備える被加工品を加熱するシステム。
17. 反応室と、前記反応室に配置された請求項１５に記載の加熱器と、前記加熱器に近接して前記反応室に配置される半導体ウエハホルダーとを備える半導体処理反応装置。
18. 増大された放射率を有する放射加熱要素において、前記要素は、第１の表面を有する耐熱性金属材料を含み、 前記第１の表面は、前記耐熱性金属材料の微視的なレベルでの溝の網目構造を含み、前記溝の網目構造は、前記耐熱性金属材料の前記第１の表面を機械加工して、前記金属材料を局部的に変形させ、微視的レベルの欠陥を生成し、及び前記耐熱性金属材料の前記第１の表面をエッチングすることによって、付加的な化学元素を前記材料内に導入することなく、前記欠陥において選択的に前記材料を侵食し、その放射率を増加させ、前記欠陥における選択的侵食によって、微視的なレベルでの溝の網目構造を前記表面に形成することにより生成され、ここで、前記エッチングステップで形成された前記溝の網目構造が前記表面で露出されており、該表面にある溝の網目構造によって前記耐熱性金属材料の放射率が増大している要素。
19. 前記放射加熱要素の前記材料は、耐熱性金属を含み、前記耐熱性金属は、単独又は合金の形態にある請求項１８に記載の要素。
20. 前記放射加熱要素の前記材料は、レニウム、モリブデン、タングステン、及びニオビウムの少なくとも１つを含む請求項１９に記載の要素。
21. ウエハキャリア用の耐熱性金属材料を作製する方法において、
    耐熱性金属材料の少なくとも一の表面を機械的に粗面化し、前記金属材料を局部的に変形させ、微視的レベルの欠陥を生成するステップと、
    前記粗面化された前記耐熱性金属材料の表面を化学的にエッチングすることによって、付加的な化学元素を前記材料内に導入することなく、前記欠陥において選択的に前記材料を侵食し、その放射率を増加させ、前記欠陥における選択的侵食によって、微視的なレベルでの溝の網目構造を前記表面に形成するステップとを含み、
    ここで、前記エッチングステップで形成された前記溝の網目構造が前記表面で露出されており、該表面にある溝の網目構造によって前記耐熱性金属材料の放射率が増大するようにしてなる方法。
22. 請求項２１のプロセスによって作製された前記材料を備えるウエハキャリア。
23. 前記材料は、レニウム、モリブデン、タングステン、及びニオビウムの少なくとも１つを含む請求項２２に記載のウエハキャリア。
24. 熱吸収面用の材料を作製する方法において、
    耐熱性金属材料の少なくとも一の表面を機械的に粗面化し、前記金属材料を局部的に変形させ、微視的レベルの欠陥を生成するステップと、
    前記粗面化された表面を化学的にエッチングすることによって、付加的な化学元素を前記材料内に導入することなく、前記欠陥において選択的に前記材料を侵食し、その放射率を増加させ、前記欠陥における選択的侵食によって、微視的なレベルでの溝の網目構造を前記表面に形成するステップとを含み、
    ここで、前記エッチングステップで形成された前記溝の網目構造が前記表面で露出されており、該表面にある溝の網目構造によって前記耐熱性金属材料の放射率が増大するようにしてなる方法。
25. 請求項２４のプロセスによって作製された前記材料を備える熱吸収面。
26. 前記材料は、レニウム、モリブデン、タングステン、及びニオビウムの少なくとも１つを含む請求項２５に記載の熱吸収面。
27. 前記加工された面を液体と接触させることによってエッチングを行う請求項1の方法。
28. 前記液体が酸である請求項２７の方法。
29. 前記酸が硝酸である請求項２８の方法。

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