JP5026794B2 - 化学蒸着によって形成される自立型炭化ケイ素製品及びそれらを製造するための方法 - Google Patents

Description

［関連出願の相互参照］
本出願は、２００３年１２月５日に出願された米国特許出願第１０／７２９，２６２号の優先権を主張するもので、この出願の内容を参照により本明細書で援用する。

［発明の分野］
本発明は、化学蒸着によって形成された製品と、そのような製品を形成する方法とに関する。

［関連技術の説明］
化学蒸着（ＣＶＤ）技術は、種々の材料の薄膜及びコーティングを種々の製品に設けるために、幅広く利用されている。典型的に、このプロセスは、基板の近傍で蒸発又は気体状の化学前駆体を反応させて、その基板上に蒸着された炭化ケイ素（ＳｉＣ）等の材料をもたらす。蒸着反応は、蒸着物が所望の厚さになるまで継続される。

ＣＶＤ技術は、既存の製品表面に比較的薄いコーティングを形成させるために用いることができる。この場合、製品の表面は、基板を形成する。しかし、ＣＶＤ技術はまた、蒸着された材料から形成される製品を製造するのに適している。この場合、蒸着が生ずる基板は、製品に対して最初に形状を与えるフォーム又はマンドレルである。十分な蒸着が生じた後に取り除かれる製品は、フォーム又はマンドレルに対応した相補的な面を有する。そのような製品を、本明細書では「自立型」製品と呼ぶ。

自立型ＳｉＣ製品がＣＶＤによって形成される１つの方法は、炭化ケイ素前駆気体又は蒸気を蒸着チャンバに供給し、炭化ケイ素を生成するための反応が起きる温度まで気体又は蒸気を加熱することを含む。前駆気体又は蒸気は、チャンバ内に充填又は配置された基板又は他の構造体の表面で反応する。炭化ケイ素は、基板上にシェル(shell)又は蒸着物として堆積する。異なる製品は、異なる厚さを必要とする場合があり、厚さは１００ミクロン未満から２．５４ｃｍ（１インチ）又は５．０８ｃｍ（２インチ）を超えるまで変動し得る。蒸着時間及び／又は他のプロセス変量を制御することによって、厚さを制御することができる。所望の蒸着厚さに達した場合、次にマンドレル又は基板を蒸着チャンバから取り除き、蒸着した炭化ケイ素をそこから分離する。

ＳｉＣ製品を形成するための１つの方法では、メチルトリクロロシラン（ＣＨ_３ＳｉＣｌ_３又はＭＴＳ）、水素（Ｈ_２）、及びアルゴン（Ａｒ）ガスを、注入器を介して炉に導入する。ＭＴＳは、周囲温度又は室温で液体であり、ＭＴＳ液体を介してキャリア気体を供給することによって、又はその液体上にある蒸気をピックアップすることで、反応容器に十分な蒸気を送達させることができる。炉内の未反応気体を、真空ポンプによって排気し、ろ過し、大気中に排気する前に気体洗浄器で洗浄する。

いくつかの産業界では、薄く形成された炭化ケイ素リング又は製品を必要とする。化学蒸着プロセスを介してモノリシック・セラミック部品を製造する現行の技術は、ＣＶＤ炉内でセラミック材料の大きなシートを製造することを含む。ＳｉＣを平坦又は箱形の基板に蒸着して比較的大きくて平坦なシートを形成し、そこから最終セラミック部品又は複数の最終セラミック部品を機械加工する。機械加工プロセスとして、大きなシートから大ざっぱな形状を切断し、切片を研磨して所望の厚さに近づけることで、最終形態に近いブランク(blank)を製造するが、各面に余分な材料の厚さを有し、続いて最終形態の寸法にそのブランクを機械加工することを含む。

大きくて平坦な基板（例えば、プレート）にＣＶＤ材料を蒸着する場合、この材料は平坦な基板の平面に対して垂直である結晶成長の方向性を示す。この材料は、厚さ又は微細構造が均一であるシートを形成するために、必ずしも均一に蒸着されるわけではないことから、全体を通して厚さが均一になる代わりに、いくつかの領域でより厚い部分があったり、他の領域でより薄い部分があったりする場合がある。このように蒸着したシートは不均一である厚み輪郭を典型的に有し、リングがシートのどこから切断されたかに応じて、粗い形状形態のリングの厚さは著しく変化し得る。さらに、粗い形状形態の個々のリング内で、厚さが著しく変化し得る。

さらに、ＳｉＣリングが典型的に形成されるＳｉＣシートの寸法が大きいことから、そのシートの異なる領域で異なる微細構造が存在する場合がある。例えば、リングを蒸着材料シートから製造する場合、その蒸着シートの厚さ全体にわたる材料特性の違いは、機械加工したリングでわずかに軸方向に反り又は屈曲を生じ得る材料内での張力又は応力の増加をもたらすことがある。

大きなプレート全体にわたる異なる微細構造の別の発現は、最終機械加工部品（例えば、リング）の全体にわたる表面外観におけるバラツキである。完成部品を他の真空蒸着又は蒸気蒸着コーティング、特にケイ素等のＣＶＤ蒸着コーティングによってコーティングする場合、これらの表面外観におけるバラツキをさらに拡大する傾向がある。

さらに、厚さが変化することから、蒸着速度が遅い領域を所望の部品に要求される最小の厚さまで持っていくために、ＣＶＤプロセス時間を増加させなければならない。次に、蒸着速度がより高い領域は、シートから切り出した切片を必要とされる厚さに研磨するために、より多くの加工時間を必要とする。

さらに、切り出されるシート及び切片の幾何学的形状は可撓性に限界があることから、切片のレイアウトパターンにより無駄な材料が存在する。大量のスクラップ材料を生じるブランク、例えば、リングの縁及び中心を作製するために切片間又は切片内から切断又は研磨される切片パターンでの過剰な材料も存在する。例えば、各々のリングの周り及び各々のリングの間から切り出される材料（リングの内径を形成する）は、典型的に捨てられるもので、１本のクッキー生地からクッキーを打ち抜いた後に残る未使用のクッキー生地とかなり類似している。

著しく収率を低下させ得るＣＶＤプロセスの過程で、セラミック材料の大きなＣＶＤ製造プレート又はシートの割れに関する時折生ずる問題もある。亀裂とシート由来のスクラップ材料とブランクから研磨される材料との組み合わせは、原材料と製品との平均転換比を著しく低下させる。

炭化ケイ素リングの製造に用いられている代わりとなる方法は、円板状マンドレル基板を、各々の中心を介して、シャフト上の溝に離間及び平行した関係で設けることが含まれる。この円板状マンドレル基板の平坦な面を、シャフト軸に対して垂直に配向させる。加工中、リング形状のセラミック部品がマンドレル基板上への蒸着によって形成されるように、シャフトを回転させて気体をチャンバに注入する。

炭化ケイ素リングを生成するための異なってはいるが関連している方法は、蒸着チャンバ内に、ＳｉＣリングで所望されるものと同様の外径及び内径を有する個々の平坦な黒鉛リングマンドレルを懸架する(suspended)ことである。ＭＴＳ含有水素及びアルゴンの気体混合物をチャンバに供給し、炭化ケイ素をマンドレルに蒸着させてリングを形成する。ひとたびリングが黒鉛リングマンドレルから除去されると、それらの内径及び外径が機械加工されて、所望の寸法が得られ得る。

それらの代替プロセスから炭化ケイ素リングを形成することに関連した問題の１つは、望まない領域での構築を防ぐために形成プロセス全体を通してマンドレルを回転させる必要があるということである。多くの場合、気体を反応チャンバに注入して気体がいかなる特定のマンドレル又は目的とする表面に対して集中しないようにするが、むしろ反応装置の表面全てに不均一的に蒸着させることになる。反応ガス流での基板の回転又は懸架は、このような蒸着の不均一性を予防又は制限することを意図している。

また、具体的に成形されたマンドレルも、製造を複雑にする。溝に配置された円板状のマンドレルを有するシャフトを含む実施の形態では、溝は円板状のマンドレル基板を受けて支持するために特に機械加工されていなければならい。黒鉛リングの実施の形態では、各々のリング支持軸は、チャンバ内でのそれらの懸架又は配置を容易にする突起部又はツメを有していなければならず、材料はその突起部又はツメの中又は周囲にしばしば蒸着される。

さらに、上記した従来技術の方法の各々で、結果として生じるリングは、リング又は完成品に対して軸方向に沿って配向されるが、リング又は完成品(article)に対して半径方向には配向されない結晶成長を有する。すなわち、上記した従来技術の方法の各々では、微細構造は完成部品の平面に対して垂直に配向した長手方向を有する結晶粒（grain）を含む。さらに、材料が化学蒸着によって蒸着されることから、成長が基板から離れる方向に進むのに伴って、結晶粒の大きさが増加することが知られている。小さな結晶粒から大きな結晶粒への結晶粒構造の進化は、使用した特定の蒸着条件下で、さほど好ましくない配向の結晶粒よりも早く成長する低エネルギー結晶学的配向を有する結晶粒として生ずる。結晶粒構造のこのような進化は、材料の厚さ全体にわたって微細構造の勾配を典型的に生じ、次に蒸着材料の内部応力の勾配を生じ、結果としてそれが基板から放出される場合、蒸着された材料の曲げ又は「反り」を生ずる。材料微細構造及び応力の勾配は、機械加工プロセスを複雑にし、機械加工が完了した後でさえも材料内に残存し、完成部品での何らかの反り又は波形をしばしばもたらす。この反り又は波形は、特に、正確な寸法公差(tolerances)及びかなり一貫した平坦性を必要とする部品（例えば、半導体ウエハと接触させて使用するためのリング）には望ましくない。部品が大きければ大きいほど、問題がより深刻になり得る。

炭化ケイ素製品を製造することに関連した困難さ及び経費にかかわらず、炭化ケイ素は、半導体、光学、電子、及び化学加工分野での種々の用途にとって特に適した材料にする固有の特性の組み合わせを有する。ＣＶＤ加工によって製造される炭化ケイ素製品は、優れた化学的、機械的、熱的、物理的、及び光学的特性を示すことが認められている。

高速熱加工チャンバ等のいくつかの半導体加工装置は、高温加工中にＳｉウエハを支持するための薄いＳｉＣエッジリングの使用を必要とする。ウエハの光学的高温測定(optical pyrometry temperature measurement)で不規則性が生ずるのを避けるために、比較的薄いにもかかわらず、これらのリングが光に対して不透明であることが重要である。典型的に、リングに適当な不透明度を与える５０〜１００μｍの厚さであるＣＶＤ Ｓｉ層によってＣＶＤ ＳｉＣリングをコーティングする。従って、Ｓｉコーティングの必要性を減少又は除去するために、標準的なシート形状のＣＶＤ ＳｉＣで可能であるものよりも単一結晶Ｓｉにより近い光学密度を有するＣＶＤ ＳｉＣエッジリング材料が当技術分野で求められている。

従って、本発明は、製品、特にリング及び円板等の平坦な製品、より具体的には炭化ケイ素リング形状製品を製造するためのＣＶＤ加工を改善する方法を見いだした。結果として生じる製品は、製品の形状に関連した固有の微細構造配向を有する。また、本発明は、他の形状を有する製品を作り出すために用いることもできる。そのような製品は、加工用のシリコンウエハ及び他のウエハを支持するための取付具、半導体炉内でウエハを支持するためのサスセプタリング(susceptor rings)、さらにウエハエッジリングとして使用することが可能である。

［発明の概要］
本発明は、平面方向及び法線方向を有する、化学蒸着法によって形成される構造体であって、法線方向の寸法よりも大きい平面方向の寸法を有し、且つ平面方向に実質的に配向した結晶粒を有する構造体を提供する。

さらに、本発明は、化学蒸着法を用いてリングを製造する改善された方法を提供する。特に、本発明は、
（ａ）化学蒸着法によって材料を表面に形成すること、及び
（ｂ）法線方向の寸法よりも大きい平面方向の寸法を有し、且つ平面方向に実質的に配向した結晶粒を有する１つ以上の構造体を形成するような１つの方向に沿ってスライスすることで材料を分割すること、
により、このような構造体を製造する方法を提供する。

ある特定の実施の形態では、管（円筒状であってもよい）を基板として使用し、円筒状管の内面又は外面に蒸着後、それらの内面又は外面から取り除かれる結果として生じる材料を、スライスして所望のリング寸法及び形状に切断することができる。結果として生じるリングは、平面方向における直径及び法線方向における高さを有する。従来技術のリングで見られる垂直又は軸方向の成長配向とは対照的に、結晶粒を平面方向に配向させ、ある特定の実施の形態では平面方向に沿って半径方向に配向させる。言い換えれば、本発明による材料での結晶成長の主方向は、結果として生じる製品の平面内にある。リング、輪又は円板状の製品の場合、結晶成長の主方向及び結晶粒配向は半径方向にある。

また、本発明は、
（ａ）蒸着域(zone)に丸みを帯びた断面の管を設けること、
（ｂ）前駆気体を管に向けること、
（ｃ）前駆気体を化学的に反応させて、管の内側で管の形状をした固形蒸着物を形成すること、
（ｄ）固形蒸着物を除去すること、及び
（ｅ）固形蒸着物を実質的に平坦なリングに分割すること、
により、化学蒸着法で円板状のリングを形成する方法に関する。

あるいは、上記したものと類似の工程に続いて、蒸着域に配置されたマンドレルの外面に、固形蒸着物が形成され得る。外側蒸着物が形成されるマンドレルもまた、管であってもよいことから、固形蒸着物はマンドレルの内面及び外面の両方に蒸着することで、寸法が異なる２組のリングを形成する。

この点に関して、本発明は、
（ａ）実質的に丸みを帯びた断面を有するマンドレルを蒸着域に設けること、
（ｂ）マンドレルの外面に前駆気体を向けること、
（ｃ）前駆気体を化学的に反応させて、マンドレルの外側に、ほぼマンドレルの形状である固形蒸着物を形成すること、
（ｄ）固形蒸着物を除去すること、及び
（ｅ）除去前又は除去後のいずれかに、固形蒸着物を実質的に平坦なリングに分割すること、
を含む化学蒸着法によって平坦なリングを製造する方法に関する。

この発明の長所として、空間の利用増大、リングを製造するための単位コストの減少、製造過程での廃棄物の減少、並びに切断の高さに応じて直径、断面幅及び厚さが異なるリングを製造する能力（すなわち、蒸着時間を変化させること無しに）が挙げられる。

簡便且つ商業的に重要な例として炭化ケイ素を用い、以下でより詳しく本発明を説明する。しかし、本発明による製品はＣＶＤによって蒸着され得る任意の材料を用いて、本発明の方法を実施することで製造することができることを、本発明者等によって認識されたように、認識されるべきである。例示的な非限定的例として、酸化物、窒化物及び炭化物セラミック材料、例えば、窒化アルミニウム、酸化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化硼素、炭化硼素及びその他の材料（例えば、硫化亜鉛、セレン化亜鉛、ケイ素、ダイヤモンド、ダイヤモンド様炭素、及びＣＶＤ技術を用いて調製され得る任意の他の材料）が挙げられるが、これらに限定されるものでない。

寸法的に安定した平坦な管を製造することを可能にするに加えて、本発明は不透明度が改善されたドープ化(doped)ＳｉＣリングの製造を可能にすることで、光の漏れを減少又は最小にすることができる。これらのリングは、Ｓｉウエハ（及び支持リング）を急速熱処理等の高温加工にさらす半導体装置での支持エッジリングとしての使用、並びに高温にさらされる他の装置での使用に特に適している。

この点に関して、本発明は、
（ａ）ＣＶＤ蒸着炭化ケイ素と、
（ｂ）ＣＶＤ蒸着炭化ケイ素に蒸着された約１００ｐｐｍ〜約５，０００ｐｐｍの窒素と
を含む炭化ケイ素材料であって、ＣＶＤ蒸着炭化ケイ素よりも大きい不透明度を有する炭化ケイ素材料に関する。

上記した方法は、炭化ケイ素材料の平面に配向し、互いに実質的に平行である成長方向を有する結晶粒を含む炭化ケイ素材料を製造する。また、結晶粒は、結晶粒成長の軸に対して実質的にランダムである回転配向を好ましくは示す。ＳｉＣ等の立方晶系結晶構造を有する材料に関して、このことは、平面部分を測定した場合にランダムなＸ線回折パターンをもたらす。本発明によって蒸着された非立方晶系結晶構造材料に関しては、少なくともいくつかの結晶粒もまた、結晶粒成長軸に対してランダムに配向していると考えられる。その結果は、表面外観が平坦で、寸法安定性の、均一な材料であり、必要に応じて、ケイ素層によるコーティングに対して安定である。

この点に関して、本発明は、互いに実質的に平行である成長軸を有し、且つ結晶粒成長軸に対して実質的にランダムである回転配向を有するＳｉＣ結晶粒をさらに含むＣＶＤ蒸着炭化ケイ素材料から構成される平面構造に関係するものとして考えることができる。あるいは、本発明は、Ｘ線回折法で測定される１１１面に対する２２０面のピーク比が約０．３０〜約１．２５の間、最も好ましくは約０．３３〜約０．６０の間であるＦＣＣモアッサナイト−３Ｃ炭化ケイ素を含むＣＶＤ蒸着炭化ケイ素材料に関する。

［具体的な実施形態の詳細な説明］
ＳｉＣシート材料にとって最大の市場は、半導体市場であり、加工用のシリコン及び他のウエハを支持するための取付具を製造するために、剛性対重量比、化学的及び物理的適合性、並びに純度が高いＣＶＤ ＳｉＣを利用する。このような取付具の多くは、リング状に形成されており、その厚さは典型的に０．５０８ｃｍ（０．２インチ）未満、直径は約３５．５６ｃｍ（１４インチ）以下である。その内径は、半導体ウエハの保持に適応される。

後述する技術に従って製造された製品は、主にリング状であるが、製品を形成するために使用される基板の寸法及び形状に応じて、製品が任意の所望の形状を有するものであってもよいことがわかる。しかし、考察を容易にするために、以下の説明は、平坦なリング状の製品と、円筒状の管を基板として用いてそのリング状製品を形成する方法とについて言及する。

炭化ケイ素（ＳｉＣ）のための化学蒸着（ＣＶＤ）プロセスは、減圧抵抗加熱黒鉛炉内での熱誘導反応に一般に基づいている。本発明の特定の実施形態は、この式及び以下の基本パラメータを用いる。
Ｓｉ（ＣＨ_３）Ｃｌ_３（気体）→ＳｉＣ（固体）＋３ＨＣｌ（気体）
蒸着温度： １，３００〜１，４００℃
蒸着圧力： 〜２６，６６５Ｐａ（２００トル）
触媒： Ｈ_２

蒸着材料用の平坦な面又は４つの面を有する箱を用いてこの面を有する箱の寸法に合致しているシートを形成する代わりに、本発明は、少なくとも１つの丸みを帯びた断面の管（その内法が所望のリング寸法の外径に合っている）を提供する。（もし三角形、長方形、楕円形、八角形、又は任意の他の形状の製品が求められるならば、対応する断面を有する管を使用することも可能ではあるけれども、より一層均一な分布を与え、且つ内部応力を減少させるためには、鋭い角の代わりに丸みを帯びた角及び縁（エッジ）を、基板が有することが好ましい）。

本発明の方法で使用される装置は、円筒状又は管状のマンドレルの内側にセラミック材料を蒸着するように設計された化学蒸着（ＣＶＤ）チャンバである。図１は、炉チャンバ１０、この炉チャンバ１０と流体連通状態（fluid communication）にある気体供給装置（system）１２、この気体供給装置１２と流体連通状態にあるポンプ装置１４、電源１６、及び流出物処理装置１８を含むＣＶＤ装置を示す模式図である。気体は、１つ以上の箱形基板１９に対して供給及び排気される。

この実施形態では、本発明は、図２及び図３に示すように、丸又は円形断面の円筒状管２０を基板として用いる。この円筒状管２０は、垂直方向に沿って上記炉チャンバ１０内に典型的に設けられるけれども、任意の他の角度で設けることも可能である。

使用時、炉チャンバ１０の上部にある注入器（図１の３０に概略的に示す）で反応気体の供給が許され（しかし、二者択一的又は付加的に底部から供給可能）、円筒状管２０に入る。ガスは、ポンプ装置１４及び流出処理装置１８に接続される炉チャンバ１０の底部（上部にあってもよい）にある排気口（概略的に３２で示す）によって取り除かれる。

この実施形態では、図２の円筒状管２０は、回転しないようにして炉チャンバ１０に取り付けられる、好ましくは黒鉛管である。円筒状管２０を回転可能にするか、回転させるようにして、該円筒状管２０を取り付けてもよいが、回転は必要なく、典型的に用いられることはない。

黒鉛の円筒状管２０は、実質的に丸みを帯びた断面を有し、対応する丸みを帯びた断面形状において、その管の内側に蒸着された材料が形成される。円筒状管２０の円の半径は、気体の均一な分布及び流れを可能にする。ＣＶＤ蒸着ＳｉＣ材料の除去を促進するために、剥離塗料又は他の物質を黒鉛管の内面に適用してもよい。

蒸着プロセス用の基板を形成する円筒状管２０を図２及び図３に示す。円筒状管２０を単一の全長管(full length tube)にすることができ、又は図３に示すように一連の管セクション２４であってもよい。管が黒鉛である場合（ＳｉＣ ＣＶＤプロセスで典型的に使用される）、全長管は、かなり重く、且つ取り扱いが困難である。従って、１つの選択肢は、実際には連結取付具で取り付け可能な一連の管（例えば、４本又は５本の管セクション）である１本の管を提供することである。形成される結果として得られる蒸着物をスライス、そうでなければ切断することから、管セクション間の連結を継目なしにする必要はない。実際、連結取付具は、管セグメントを互いに容易に分けることができるように、蒸着阻止剤として作用する管セグメント間のくぼみを与えるデバイスであってもよい。任意の長さの管又はセグメントを使用することができる一方で、ある特定の実施形態では、管セグメント２４は、高さが約３０．４８ｃｍ（１２インチ）で、約３〜６つのセグメントが互いに結合して、高さが約１０１．６ｃｍ（４０インチ）〜約１５２．４ｃｍ（６０インチ）の円筒状炭化ケイ素蒸着物を生ずる。

円筒状管２０は、全体を通して同一の断面寸法を有することができ、又は断面は変化し得る。例えば、円筒の特定の領域が他の領域よりも蒸着性が大きい傾向にある場合、断面の幾何学的形状を変えて、それらの蒸着の変化に対応させることができる。異なるように形作られた円板が望まれる場合、円筒もテーパ状にすることができる。あるいは、円筒に段又は段差を設けることで、セクション間に明瞭な境界を与えることができる。

処理中、セラミックス材料等のＣＶＤ蒸着材料からなる管状モノリスを作製するために、円筒状管２０の内径に前駆気体を供給する。例示した実施形態では、注入器３０を介してチャンバの上部で気体を供給し、さらにチャンバの底部にあるマニホルド又は排気口３２から排気する。円筒状管２０の各々は、気体が円筒の一端２６に入り、且つ他端２８を通って排出するようにして配置された専用且つ独立の注入器又は前駆気体供給路を有する。このことは、目的とする面のみ、すなわち円筒状管２０の内面２２に主として蒸着が可能であり、他の面、例えば、円筒状管２０の外面に対しては蒸着が可能ではない。気体は管の軸に沿った経路内を移動する。このことは、気体状態の良好な制御を可能にすることで、より効率的な蒸着プロセスを提供する。起こり得る厚さの唯一の非対称は、管の上部から底部に至る厚さ勾配であるけれども、より厚い領域を機械加工して適当な厚さにすることができる。

ある特定の具体的な実施形態では、気体が円筒状管２０の内面２２に沿って実質的に均一に蒸着されるように、ほぼ直径の中心でチャンバに入る反応気体を有する線形且つ対称的な化学蒸着装置である。反応生成物を、設定された厚みまで内壁面に蒸着させる。ＳｉＣは、図６及び図７に示すように、実質的に半径方向に沿って管の内面に堆積する。

この方法は、反応生成物をチャンバ全体に蒸着させて特定の場所には堆積させないという点で従来技術の方法よりもより効率的である。また、従来技術の多くの方法とは対照的に、所望される均一な蒸着を一貫した方法で得るために、円筒を回転させる必要はないが、必要に応じて回転させることも可能である。

典型的に、蒸着の厚さは約２．５４ｃｍ（１インチ）であるが、気体の流速及び蒸着時間を変えることで、約０．２５４ｃｍ（０．１インチ）から５．０８ｃｍ（２インチ）を超える幅広い範囲の材料の厚さを得ることができる。多数の管からの気体を、排気口３２を介してチャンバから一般に排気することができる。

ひとたび炭化ケイ素が筒状マンドレルの内側に蒸着されると、任意の適当な技術（研磨又は放電加工が挙げられるが、これらに限定されるものではない）によって、そのマンドレルから蒸着物を取り除く。

結果として生じるＳｉＣ管２０２を円形断面に切り開き、図４に示すようなリング又は輪２０４を得ることができる。セラミック機械加工技術（ダイアモンドスライス、超音波切断、又はレーザ切断が挙げられるが、これらに限定されるものではない）を用いて、切断することができる。導電性蒸着材料を用いる場合、筒状セクションからリングをスライスするために放電加工を用いることができる。

異なる直径のリングを、蒸着の断面幅及び厚さを変えることによって作製し、所望の内径を得ることができる。切断の高さを変えることによって、そのリングの全体的な高さを調整することができる。

リング又は輪２０２の外径は円筒状管２０の内径に一致し、リング又は輪の内径は管を通って供給されて蒸着可能となる気体の量に依存する。蒸着を厚くすればするほど、生産され得るリングの内径がより小さくなる。次に、管の直径を機械加工、平坦化、又はそうでなければ成形して所望の寸法にすることもできる。

代わりとなる実施形態では、再びＣＶＤによって、円筒状マンドレルの外側に材料を蒸着させて、ＳｉＣ管を形成することができる。この場合、剥離塗料又は他の物質を筒状黒鉛マンドレルの外面に適用することで、ＣＶＤ蒸着ＳｉＣ材料の除去を容易にすることができる。蒸着が所望の厚さに達した場合、マンドレルを取り除き、結果として生じる輪状(annular)ＳｉＣ円筒を本明細書の記載通りに切断することができる。この代わりとなる方法を用いることで、管の内側での蒸着に対して得られるような応力分布特性と同一又は類似した応力分布特性が得られると考えられる。すなわち、応力分布パターンは放射対称性であり、この材料から切断されるリングの寸法安定性を高める。

リングを形成するために用いてもよい代わりとなる実施形態を図８に示す。この実施形態では、ロッド８０２を円筒状管８０３の中に配置することで、矢印８０４で示される材料が、そのロッドの外面はもとよりその管の内面の両方に蒸着する。この構成を用いて、異なる寸法の管状ＣＶＤ材料蒸着物を作製し、続いて異なる寸法の２つのリング、すなわち円筒の内径に対応する１つのリングとロッドの外径に対応する別のリングとを作製することができる。

さらに別の代わりとなる実施形態は、反応器内に配置された管の内面及び外面にＣＶＤ ＳｉＣを蒸着することによって、異なる寸法のリングを形成することに関し、異なる寸法の２つの管が再び得られ、続いてこれらの管を切断することで直径が異なる輪状のリングが得られ得る。これらの実施形態は、半導体用の炉の中でウエハの支持体として適当なリングを作製する上で、並びに異なる寸法のリングが求められるその他の用途及び／又はそれが必要とされるその他の用途で、特に適している。リングを製造するためのこれらの技術にとっての別の利点は、これらの技術によって同一の蒸着プロセスから、且つ同一の材料を含む複数のリングの一致したセット（set）が得られるということである。このことは、高価な半導体製造装置での使用に新規の材料が適しているかどうかを判断する場合に望ましい。なぜなら、単一のプロセスで製造される１種類の材料のみに限定されるからである。

本発明の円筒状蒸着物からスライスしたリングは、リングの周りの面内応力又は面外応力がより低いため、従来技術の方法を用いて製造されたリングよりも容易に機械加工しやすい。一般的に、ＣＶＤを介して材料が蒸着されることから、材料の性質に影響を及ぼし得るプロセスパラメータにおいて微妙ではあるが意図的ではない変化が存在し、結晶成長構造が変化し得ることから、材料内に固有応力が生ずる。これらの応力は、材料シートの平面に対する法線方向に結晶成長の主方向で材料シートから切り出されるリングの反り又は曲げを生じ得る。対照的に、本発明による円筒状管マンドレル又は支持体を用いて得られる対称性は、リングのまわりの実質的に対称的な応力勾配を生ずる。そのため、リングの一面に示される任意の固有の応力が、そのリングの反対側にある類似の固有応力と釣り合う（すなわち、管の平面には正味の応力が存在しない）。すなわち、固有応力は内方向及び外方向に対して同様な様式で向けられており、リング又は円板に対して実質的に対称な様式で作用する。

平面に蒸着されるＳｉＣに関して、リングが製造される方法に起因して、下面４４における応力勾配は上面４６における応力勾配とは異なる。このような応力勾配の違いによって材料の曲げ又は反りが生ずることがあり、平坦なリングの製造が妨げられる。

対照的に、円筒状管内に蒸着されるＳｉＣに関しては、図６及び図７に示されるように、任意の応力勾配が、対称的にリングを「圧縮する（squeeze）」ようにして、応力勾配差が外面４８と内面５０との間に見られる。従って、結果として生じる円筒状蒸着物から切り出されるリングは、特定のスライス全体にわたる蒸着パラメータの均一性に起因して、それらの周囲に実質的に均一な特性を有する（しかし、円筒に沿った異なる位置から切り出されたスライスの特性は、その円筒の特定の長さに沿って蒸着パラメータが異なることに起因して、わずかに異なる可能性がある）。

円筒状管２０が一連のセクションとして設けられる場合、蒸着物はセクションを取り外すことによって除去することができる。たとえ結果として生じる蒸着物が破砕又は亀裂したとしても、材料が微結晶性構造であることに起因して亀裂領域が材料の直径を典型的に横切ることから、そのような亀裂領域から多量の廃棄材料が生ずることはない。これは、切断又はスライシングの過程で機械加工されるリングの一部である。

従来技術の蒸着プロセス（リングが平坦なシートから形成されるか、又はリング状に成形されたマンドレル上に形成される）の過程で、図５に示すように、結晶構造の成長方向がリングの高さ４０の方向に沿う。このことは、平坦な黒鉛シート上、シャフトに設けられた直列円形マンドレル上、又はチャンバに懸架される黒鉛リング上で蒸着物が形成されるかどうかには関係のない事実である。

しかし、本発明によるリングは、図６及び図７に示すように、このリングの長さ４２又は直径の方向に結晶構造の成長方向を示す。すなわち、結晶成長は、円筒状管２０の内側に形成され、且つ実質的に半径方向で内側へ広がる。形成された結果として生じる円筒状蒸着物を管から取り除く場合、それは長軸及び外周を有する。結晶粒の成長は、半径方向外周の周りで、且つ長軸に対して垂直である。ひとたび円筒状蒸着物をスライス又は切断して個々のリングにすると、完成品の平面に結晶粒が配向する。このことは、伝統的な方法を用いて製造されるリングで見られる結晶成長とは直に反対である。

このことは、本発明のプロセス及び従来技術のプロセスによって製造されるＣＶＤ ＳｉＣから機械加工されたエッジリングに観察される微細構造の違いを示す図１２、図１３、図１４、図１５及び図１６を参照することで、より一層明らとなり得る。図１２は、エッジリングが何であるか、またそれをどのように使用するかを示すことによって状況(context)を与える。図１２は、図１１に示す高速熱加工装置のいくつかの構成要素の断面図であり、垂直支持円筒５６の一端上部に水平に設けられたエッジリング５４によって外径でシリコンウエハ５２が保持されている。エッジリング５４は、シリコン層５８で任意にコーティングされ得るＣＶＤ ＳｉＣリングを含むものであってもよい。図１２に示すように、エッジリング５４を機械加工してくぼみ(recess)を形成することでウエハを保持することができる。設計基準の仕様に応じて、エッジリング５４を他の幾何学的形態（不図示）に組み込むこともできる。

図１３は、リングの平面に対して垂直に観察した従来技術のＣＶＤ ＳｉＣリングの微細構造の倒立光学顕微鏡写真(top-down view optical micrograph)である。このリングは、実施例１の従来技術のプロセスによって製造されたＣＶＤ ＳｉＣシートから作製された。試料をエッチングしてＳｉＣ材料内の結晶粒構造を露出させた。ＳｉＣ結晶粒の配向は、リングの平面内でランダムである。

図１４ａ及び１４ｂは、図１２の水平方向平坦断面に対応するＣＶＤケイ素により両面がコーティングされた従来技術のＣＶＤ ＳｉＣエッジリングのメタログラフィック(metallographic)断面から得た５０倍の光学顕微鏡写真である。この試料はエッチングされていないが、ＣＶＤ ＳｉＣ材料内の結晶粒構造を強調するために偏光で撮像した。ＣＶＤ ＳｉＣ材料は、実施例１のプロセスによって製造した。矢印は、リングの平面に対して平行な方向を示し、リングの外径から内径を指している。ＳｉＣ結晶粒の長軸の垂直配向が明瞭に見られ、このことはＳｉＣ結晶粒の成長方向がリングの平面に対して垂直であることを明らかに示している。

図１５は、リングの平面に対して垂直方向に観察した本発明のＣＶＤ ＳｉＣリングの微細構造の倒立光学顕微鏡写真である。このリングは、本発明の実施例２のプロセスによって作製されたＣＶＤ ＳｉＣ管からスライスされた。試料をエッチングしてＳｉＣ材料内の結晶粒構造を露出させた。矢印は、リングの平面に対して平行な方向を示し、リングの外径から内径を指している。この顕微鏡写真は、ＳｉＣ結晶粒がリングの平面に対して平行に配向していることを明瞭に示している。また、結晶粒がリングの半径に沿って配向していることも観察される。この結晶粒構造は、図１３に示す従来技術のＣＶＤ ＳｉＣリングの微細構造とは著しく対照的である。

図１６ａ、図１６ｂ、図１６ｃ及び図１６ｄは、ＣＤＶケイ素によって両面がコーティングされた本発明のＣＶＤ ＳｉＣエッジリングのメタログラフィック断面から得た５０倍の光学顕微鏡写真であり、図１２の水平方向平坦断面に対応する。図１６ａ、図１６ｂ及び図１６ｃの試料は、エッチングされなかったが、ＣＶＤ ＳｉＣ材料内の結晶粒構造を強調するために偏光で撮像した。フッ酸及び硝酸の希釈混合液中で図１６ｄの試料をエッチングして、ＣＶＤ Ｓｉコーティングの微細構造を明らかにした。ＣＶＤ ＳｉＣ材料を実施例２のプロセスによって製造した。矢印はリングの平面に平行な方向を示しており、リングの外径から内径方向を指している。ＳｉＣ結晶粒の成長方向がリングの平面に対して平行であることを明らかに示すＳｉＣ結晶粒の長軸の水平方向配向に注目すべきである。この結晶粒構造は、図１４に示す従来技術のＳｉＣリングの微細構造とは著しく対照的である。図１６ｄは、ＣＶＤケイ素コーティング内の結晶粒の成長方向がリングの平面に対して垂直であること、また同様にＳｉＣ結晶粒の方向に対しても垂直であることを明らかに示している。

結晶粒寸法及び結晶粒アスペクト比の測定値を、実施例２から得たリングの種々の試料に対して得た。寸法が１０μｍを超える結晶粒のみを測定した。これらの結晶粒のアスペクト比は、約２〜約１０、より典型的には約３〜約６の範囲であった。図１５の顕微鏡写真は、結晶粒がリングの平面内に高度に配向しており、そうでなければランダムに配向していることを示している。すなわち、結晶粒の長軸がリング平面に対して実質的に平行であるようにして結晶粒が整列している。しかし、結晶粒そのものは、結晶粒成長方向に対して実質的にランダムである回転配向を示す。いかなる理論に束縛されることを望むことなく、結晶粒成長軸の半径平面配向と結晶粒成長軸に対して実質的にランダムな結晶粒の配向とのこの組み合わせによって、上記した対称的応力分布の利益が得られるとともに、リングの表面状態の変動を回避すると考えられている。

本発明の方法の一実施形態では、アルゴン又はヘリウム等の任意の不活性ガス及び任意のドーパント気体と共にメチルトリクロロシラン（ＭＴＳ）及び水素の混合物等の炭化ケイ素前駆気体の混合物から、典型的に１，３００℃〜１４，００℃の間の温度に加熱された蒸着チャンバの中で、リングがスライスされる自立型炭化ケイ素管を蒸着した。蒸着圧力は、約１３，３３２Ｐａ（１００トル）〜約３９，９９７Ｐａ（３００トル）に保たれている。ＭＴＳに対する水素の相対的分圧流量比は、約５〜１０の範囲に保たれている。

反応気体は、１本の注入器又は上部底部のいずれかに対称的に配置された多数（array）の注入器を介して、管状マンドレルに送達される。これらの条件下で、約１〜３μｍ／分の蒸着速度で管状マンドレル（複数可）の内側に炭化ケイ素を蒸着し、ＳｉＣ材料の所望の厚さが達成されるまで、その蒸着プロセスを続ける。典型的な蒸着期間は、５０時間〜３００時間の間で変化する。

蒸着完了の際、マンドレル及び蒸着物を反応チャンバから取り出し、蒸着材料からマンドレルを最初に分離することの有無にかわらず、管から炭化ケイ素リングをスライスする。次に、ダイヤモンド研削法を用いて、リングの外径寸法(outer dimension)及び内径寸法(inner dimension)ならびに厚さを機械加工して仕様に合わせる。

本発明の生産物の他に類を見ない特徴、すなわち低平面残留応力、極端な平坦性及び高制御機械加工性は、かなり薄い（例えば、１．２７ｃｍ（０．５インチ）未満）の輪状のリング、及びバルク「ドロップ−オフ(drop-off)」を有する又は有さないより複雑なリングの製造を可能にする。

また、本発明による方法は、著しく不透明なウエハ支持リングの提供に適している。図１１に示すように、ウエハ支持リングは高速加熱加工反応器内でＳｉウエハを支持する。この反応器ではウエハが上方から比較的高温に加熱されるが、温度は高度に制御されている。温度を効果的に制御するために、正確な高温測定が非常に重要である。Ｓｉウエハを、水冷ハウジング６２内のライトパイプに配置されたタングステンハロゲンランプ６０によって上方から照射する。光は石英窓６４を通ってＳｉウエハ上を通過する。標準ＣＶＤ ＳｉＣリングはＳｉウエハのものとは異なる光学的特徴を有することから、高温測定による観測値（光ファイバプローブ６６及び反射板６８によりウエハの下から取り出される）は、円筒状支持体５６によって支持されるエッジリング５４を介した光の漏れによって損なわれ得る。従って、Ｓｉウエハのものに類似した不透明度を有する支持リングを生産することが求められている。このことは、比較的厚い（７５〜１００ミクロン）Ｓｉ層でＳｉＣリングをコーティングすることによって成され得る。

しかし、リングの不透明度を増加することに対する別の解決策は、適当なドーパントでＣＶＤ ＳｉＣをドーピングすることである。そのようなドーパントの１つは、約１００〜約５，０００ｐｐｍの範囲の量の窒素である。窒素ガスは、上記したように、リングの蒸着中に気体混合物に単に加えられる。この方法は、約１０，０００〜１０，０００，０００倍、リングの不透明度を増加させ、光伝送特性がＳｉに著しく近似し、且つ光漏れを減少させるＳｉＣ材料を製造し、それによりＳｉ層によるコーティングの必要性を減少させる。別の適当なドーパントは硼素である。

本発明の方法を用いて、Ｓｉウエハ加工用の直径２００ｍｍ及び３００ｍｍのＳｉＣエッジリングを製造して特徴付けを行った。約１００〜１０，０００オーム・センチメートルという典型的な電気抵抗率を示す非導電性ＣＶＤ蒸着ＳｉＣ材料と、電気抵抗率が０．０１オーム・センチメートル未満である導電性ＳｉＣとの両方からリングを作製した。

以下の実施例において、蒸着ＳｉＣ材料に対する破壊係数（ＭＯＲ）試験としても知られている曲げ強さ測定値は、ＡＳＴＭ Ｃ−１１６１に準じて４点間曲げ試験を用いて得られた。ＭＯＲ試験試料（バー）を、蒸着円筒からスライスされたリングから切り出した。ＭＯＲバー試料の寸法を以下のとおりにした。すなわち、長さ４５ｍｍ、幅４±０．１３ｍｍ、厚さ３±０．１３ｍｍ、角度４５°±５°での端面取り(edge chamfer)０．１２±０．０３ｍｍ。面取り面を、６００グリット砥石車によって研磨することで作製し、その一方でＭＯＲバーの大きな平面側を３２０グリット砥石車によって仕上げた。ＳｉＣリングブランク９ｂから切り出したＭＯＲバー９ａのおおよそのレイアウトを図９に示す。ＭＯＲバーの４４ｍｍ×４ｍｍ面をリングの平面から得た。

電気抵抗率測定は、１ｍｍ間隔で直線配列した４点からなるジャンデル社（Jandel Company）のハンドヘルド型４点プローブによって行った。材料厚が無限であると仮定して、抵抗率を算出した。各々の試料リング上の４カ所の測定位置の各々で、３つのデータセットを得た。

（実施例１−比較）
ＳｉＣリングを以下のように作製した。高密度ＣＶＤ ＳｉＣの熱膨張に類似した熱膨張を有する、平衡押圧され、且つ微細な結晶粒を有する４枚の黒鉛板から、約３８．１ｃｍ（１５インチ）×３８．１ｃｍ（１５インチ）×１２７ｃｍ（５０インチ）寸法の黒鉛箱を組立てて、ＣＶＤ反応器に設置した。

蒸着気体である水素及びＭＴＳを、ＭＴＳに対する水素の比を約８、且つ圧力を２，６６６４Ｐａ（２００トル）にして箱組立品の上面に配置された注入器を介して導入した。ＳｉＣの化学蒸着は、約１，３５０℃で行った。全蒸着時間は、ＳｉＣ材料の典型的な蒸着速度を１時間あたり０．００５０８ｃｍ（０．００２インチ）として、約２００時間であった。

蒸着後、反応チャンバを開き、シート状ＳｉＣ蒸着物を取り出した。シート状ＳｉＣ蒸着物の各々から、厚さ約０．５０８ｃｍ（０．２インチ）のリングブランクを切り出した。次に、これらのスライスを研磨して最終リング仕様にした。

この技術によって蒸着されたＳｉＣ材料は、以下のような典型的な値を有した。すなわち、密度：３．２１ｇｃｍ^−３、ビッカー硬度：＞２，７００ｋｇｍｍ^−２、熱伝導率：２５０Ｗｍ^−１Ｋ^−１、電気抵抗率：１００〜１０，０００オーム・センチメートル、及び曲げ強度：４５〜７０ｋｓｉ（３１０〜４８０ＭＰａ）。

（実施例２）
半導体加工用の３００ｍｍＳｉウエハを扱うためのＳｉＣエッジリングを、以下のように作製した。名目上の内径が３４０ｍｍである黒鉛管を、高密度ＣＶＤ ＳｉＣの熱膨張に類似した熱膨張を示し、平衡押圧され、且つ微細な結晶粒を有する（grained）等級の黒鉛から製造した。各々の長さが約３３．０２ｃｍ（１３インチ）である４つの筒状セクションをＣＤＶ反応器内で組み立てた。任意の蒸着防止スペーサデバイスを各々のセクション間に配置し、蒸着後の各々の筒状セクションの除去を容易にした。

前駆気体ＭＴＳを、１分間あたり９．１リットルの流速で筒状マンドレル組立品の上面に対称的に配置された単一の注入器を介して導入した。水素を、１分間あたり７６リットルの流速で同一の注入器を介して送達した。ＭＴＳに対する水素の比を８．４とした。ＣＶＤ反応器の圧力を２６，６６４Ｐａ（２００トル）、また蒸着温度を１，３５０℃とした。全蒸着時間を１７４時間、及びＳｉＣ材料の平均蒸着速度を１時間あたり０．０１２７ｃｍ（０．００５インチ）とした。

蒸着後、反応チャンバを開き、筒状マンドレル、スペーサデバイス、及び管状ＳｉＣ蒸着物を除去した。次に、管状ＳｉＣ蒸着物をダイヤモンド研磨切断ホイール（abrasive slitting wheel）を用いてスライスして、厚さが約０．５０８ｃｍ（０．２インチ）のリング状部分(slice)にした。次に、これらの部分を研磨して最終エッジリング仕様にした。

この技術によって蒸着されたＳｉＣ材料は、密度が３．２１ｇｃｍ^−３、ビッカー硬度が＞２，７００ｋｇｍｍ^−２、及び熱伝導率が２４０〜２７０Ｗｍ^−１Ｋ^−１の間であり、さらに電気抵抗率が３９０〜４５０オーム・センチメートルの間であった。これらの測定値は、平坦な黒鉛シート上であることを除いて同様の条件下で蒸着されたプレート形状のＳｉＣ材料から得たジャンデル（Jandel）プローブ抵抗測定値と同じ範囲内である。

この方法で得たリングの曲げ強度は、管状蒸着物からリングがスライスされた場所に応じて、４０〜６５ｋｓｉ（２７５〜４５０ＭＰａ）の間の範囲で変化した。図１０は、４２７ＭＰａ（６２ｋｓｉ）の曲げ強度を示すリングから得たエッチングされた試料の明視野光学顕微鏡を示す。図１０（ａ）の下部は、黒鉛マンドレル基板に隣接した蒸着物の一部であるリング状スライスの外径である。図１０（ｂ）の上部は、基板から１３．２ｍｍの点から取った蒸着材料の一部を示す（すなわち、ＳｉＣ蒸着物の厚さは１３．２ｍｍであった）。図６に示されるような結晶粒の配向のままで、基板からの距離が増すにつれてＳｉＣ蒸着物内の結晶粒寸法が増加することは、明らかに顕著である。

リング平面に対して平行に配向したＳｉＣ結晶粒成長を有する本発明のリングは、リング平面に対して垂直に配向した結晶粒成長を有するＳｉＣ材料から作製されたリングのものに等しい曲げ強度を有することは、驚くべきことであった。この優れた結果は予想外であった。なぜなら、本発明の材料の曲げ強度試験では、ＳｉＣ材料が結晶粒成長の方向に平行した方向に曲がる。すなわち、木に例えれば、材料が「結晶粒の方向に沿って」曲がる。従って、本発明は、セラミックリングの製造に関連した従来技術の欠陥を克服し、その一方で際だった材料強度を保つ。

（実施例３）
半導体加工用の２００ｍｍＳｉウエハを取り扱うためのＳｉＣエッジリングを、以下の点を除いて実施例１の方法に従って製造した。すなわち、黒鉛管の名目上の内径が２４０ｍｍであり、各管状黒鉛セクションの長さが約２２．８６ｃｍ（９インチ）であり、ＭＴＳに対する水素の流量比が７．４であった。平均蒸着速度を１時間あたり０．０１２９５４ｃｍ（０．００５１インチ）とした。得られたリングの曲げ強度は、５７ｋｓｉ〜６８ｋｓｉ（３９０〜４６５ＭＰａ）の間で変動し、際だった材料強度を再び示した。

（実施例４）
半導体加工用の２００ｍｍＳｉウエハを取り扱うためのＳｉＣエッジリングを、以下の点を除いて実施例２の方法に従って製造した。すなわち、各管状黒鉛セクションの長さを約２１．５９ｃｍ（８．５インチ）とし、ＭＴＳに対する水素の流量比を８．４とし、さらに窒素ドーピング気体を添加して導電性ＳｉＣ蒸着物を製造した。平均蒸着速度を１時間あたり０．０１６５１ｃｍ（０．００６５インチ）とした。得られたリングの電気抵抗率は、０．００４オーム・センチメートルから０．００７オーム・センチメートルに変化した。比較のための、平坦な黒鉛シートに同様の条件下で蒸着したプレート状に蒸着されたＳｉＣ材料は、０．００２オーム・センチメートル〜０．００８オームセンチメートルの間の抵抗率を典型的に示す。従って、実施例４の蒸着物から得られた電気抵抗測定値は、類似の条件下で蒸着したプレート形状のＳｉＣ材料から得た測定値に類似している。

先行の実施例から得た代表的なリングをＣＶＤケイ素コーティングでコーティングして光に対する不透明度を減少させ、ウエハ加工中にＳｉウエハに対して接触させるための高純度Ｓｉ面を与える。典型的に、この蒸着は、ケイ素供給源としてトリクロロシラン、希釈剤及び反応触媒気体として水素を用い、さらにＣＶＤ温度を約１，０００℃〜１，２００℃の間として、大気圧又は該大気圧近傍で行う。限定されるものではないが、蒸発、スパッタリング、イオンプレーティング、イオンビーム蒸着、及びプラズマ蒸着等の他の真空蒸着及び蒸気蒸着方法を用いて、本発明の製品に対して蒸着コーティングすることができる。本発明の材料の微細構造の配向及び均一性を理由として、本発明の製品に適用されたコーティングは、従来技術のＣＶＤ製品に適用されたコーティングに比べて表面外観を改善した。例えば、以下でさらに説明されるように、本発明のＣＶＤ ＳｉでコーティングされたＳｉＣリングは表面外観のばらつきを示さない。

標準的な「シート」状ＳｉＣ材料から作製されるＳｉＣリングの微細構造（実施例１と類似の条件を用いる）及び本発明の方法（実施例２）、並びに蒸着Ｓｉコーティングの構造及び外観におけるこれらの材料の微細構造の効果を評価した。光学顕微鏡及びＸ線回折（ＸＲＤ）によって、材料の特徴付けを行った。Ｘ線ビームをリング試料の大きな平坦面に入射させることで、Ｘ線回折測定を行った。

Ｓｉコーティング構造の測定を、１００〜２００の倍率の平面(plane-view)光学顕微鏡検査で行った。ＸＲＤテクスチャ（texture）分析は、４５ｋＶ及び４０ｍＡで作動するＣｕ放射線を用いた平行ビーム光学によってセットアップされたフィリップスエックスパート（Philips X's Pert）ＭＰＤ回折装置で行った。試験は、２５度〜９０度の角度範囲に渡って行い、ＳｉＣ及びＳｉから全ての主回折ピークを得た。

各試料のＸＲＤ分析に関して、Ｓｉ上層を最初に走査してＳｉ層のテクスチャを得た。次に、その試料を５％フッ酸含有硝酸溶液に１．５時間浸すことで、Ｓｉコーティングを完全に除去した。次に、下層のＳｉＣリング基板の第２の走査を得た。このようにして、部分上の同一位置からＳｉコーティング及びＳｉＣ基板上でＸＲＤデータ得た。

Ｓｉコーティングの製造方法及び表面外観に基づいた分析のために、いくつかのＳｉでコーティングされたＣＶＤ ＳｉＣリングを選択した。試料及び分析結果を表１に示す。ここでは、本発明の実施例２の方法によって作製されたリングから試料リング８０Ｃ２−０１を得た。また、実施例１と同様の方法によって、シート状のＣＶＤ ＳｉＣから試料４５ＣＮ１１３及び６７ＣＮ４６３を作製した。試料８０Ｃ２−０１の任意の領域の表面外観に何らばらつきは無かったことから、試料８０Ｃ２−０１−４は完全なリングを示している。しかし、異なる表面外観を有する同一リングの異なる領域から切り出した２つの試料を、試料４５ＣＮ１１３−１及び４５ＣＮ１１３−２とした。試料４５ＣＮ１１３−２を均一な外観を示したリングの１つの領域から取り、試料４５ＣＮ１１３−１を不均一な外観を示したリングの１つの領域から取った。同様に、異なる表面外観を有する同一リングの複数の領域から切り出した２つの試料を、試料６７ＣＮ４６３−４及び６７ＣＮ４６３−５とした。この場合、試料６７ＣＮ４６３−４はわずかに不均一性を現し、試料６７ＣＮ４６３−５は非常に不均一性となった。以下の議論は、ケイ素コーティングの表面外観の均一性と、これらの試料の下層ＳｉＣ材料のＸ線回折測定から得られた２２０／１１１ピーク比との間の相互関係を説明する。

ＸＲＤテクスチャは、表１の試料に対するＳｉコーティングの全てについて本質的に同一であった。粉末回折パターンデータベースと比較したところ、全てのコーティングがケイ素の立方相であった。各スペクトルは、非常に強い２２０方位配向を示したが、他のＳｉピークのいくつかは１％未満のレベルでかろうじて見えた。

また、表１は、同一資料から得られたＸＲＤテクスチャを示す。粉末回折パターンデータベースと比較したところ、全ての試料のＳｉＣ構造が面心立方相モアッサナイト−３ＣＳｉＣ構造であった。

粉末回折パターンデータベースによれば、ＳｉＣ２２０とＳｉＣ１１１との比が約１：３であることは、モアッサナイト−３Ｃ構造のランダムに配向したＳｉＣ材料を示す。本発明の試料８０Ｃ２０１−４は、粉末回折データベース・パターンと実質的に同一である完全にランダムなＸＲＤテクスチャを有するように見え、その一方で他の試料はわずかに好ましいか、又は著しく好ましい２２０配向のいずれかを示した。試料４５ＣＮ−１１３−２は、ほとんどランダムであり、わずかに２２０配向した構成要素を有しているが、試料４５ＣＮ１１３−１のテクスチャは強く２２０配向している。試料６７ＣＮ４６３−４は、好ましい２２０配向を示し、著しくランダムな構成要素を有していたが、試料６７ＣＮ４６３−５のテクスチャはかなり強く２２０配向した。

Ｘ線回折測定によって得られたＳｉＣ材料の２２０／１１１ピーク比とＳｉコーティングの表面外観との間に、明瞭な相互関係が存在している。試料８０Ｃ２−０１−４の２２０／１１１比が低いことは、リング全体で整合しており、かなり均一なＳｉコーティングの外観をもたらす。対照的に、リング４５ＣＮ１３３及び６７ＣＮ４６３の従来技術の試料から得た２２０／１１１ピーク比が高く、且つ変化しやすいことは、不均一なＳｉコーティングの外観をもたらす。

ケイ素でコーティングされた面の観察は、ＳｉＣ材料の好ましい２２０ＸＲＤテクスチャが、ＣＶＤ Ｓｉコーティングにおけるより大きな結晶粒の成長を導くことを示した。この理由はわからないが、２２０Ｓｉと２２０ＳｉＣとの間の格子整合が近いこと（close lattice match）によるものと考えられる。ＳｉＣリングの異なる位置上での２２０配向度の変化は、蒸着ＣＶＤ Ｓｉコーティングの結晶寸法の変化を導き、反射光を受けて不均一な外観をもたらす。本発明の方法によって作製されたＳｉＣリングは、均一性が高い外観のＣＶＤ Ｓｉコーティングをもたらすランダムに配向したテクスチャを示す。

また、本発明者等は、本発明のＳｉＣリングによる改善された表面外観が、リング材料のＳｉＣ結晶粒と比較して、ほぼＳｉコーティングの結晶粒の垂直配向によるものであろうと考える。このことは、Ｓｉコーティングの結晶粒構造がＳｉＣリング材料の結晶粒構造と同じ方向に配向している従来技術の方法とはっきりと異なる。

本発明のＳｉＣリングは、従来技術のＣＶＤ ＳｉＣリングと比較して、光学的不透明度が改善されたことも観察された。このような改善された不透明度もまた、従来技術のＣＶＤ ＳｉＣリング材料の好ましい２２０配向と比較してリングの平面内の結晶構造のランダム配向に関連していると考えられる。

上記のようにまとめられた優れた材料特性に加え、さらに予想外の利点が本発明の材料を処理することに関して見いだされた。より良好な応力分布及びより平坦な輪郭を有する材料を提供することに加えて、本発明の方法はまた、１つのＣＶＤ炉内に複数の円筒状蒸着チャンバを可能にし、少なくとも１つの従来の矩形断面箱部位又は平坦マンドレルを少なくとも１つの円筒状管と置き換えることによって、有意に製造能力を高める。また、他の時間短縮及びコスト節約は、本発明の方法の使用によって実現される。

まず、プレート形状のＣＶＤ ＳｉＣ材料からリングの製造を比較した場合、本発明の生産物の製造時間が著しく少ない。典型的な製造、すなわち、蒸着物からリングを切り出し又はスライスし、次に最終寸法にまで研磨することが、約３５％減少される。

また、管状蒸着物からスライスされてリングが平坦となることから、特定のリング平坦度０．００５０８ｃｍ（０．００２インチ）まで研磨することが、本発明の生産物による最初の試みで達成し得る。対照的に、プレート状の蒸着ＳｉＣ材料は、最終平坦部分を達成するために機械加工されなければならない特徴的な反りを有する。片側研磨（alternate side grinding）の複数のプロセスは、プレート状のＳｉＣに必要とされ、最初の研磨が、千分の数ｃｍ（千分の数インチ）（several thousandths of an inch）である平坦仕様から外れる。

また、プレート状の材料と比較した場合に、本発明の方法が、かなり均一な材料を生産し、研磨の過程で一貫した結果を与えることが、驚くほどにわかった。プレート状のＳｉＣ材料は、リングの寸法全体で厚さ及び均一性がしばしば一貫しておらず、所望の生産物仕様内で完成部品を生産するために著しく機械操作者の判断及び調節を必要とする。加えて、プレート状の材料の不均一な機械加工は、不必要な応力を誘発し得ると考えられる。軸方向での均一な微細構造のため、また本発明の結晶粒配向のため、最終的な構成に対する材料研磨はより一層一貫している。

上に示した特定の実施例はＣＶＤ炭化ケイ素材料に関するものであるが、ＣＶＤで蒸着し得る他の材料によっても同様の結果が予想され、他の材料として、限定されるものではないが、他の酸化物、窒化物、及び炭化物セラミック材料（例えば、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、酸窒化アルミニウム、酸化ケイ素、窒化ケイ素、酸窒化ケイ素、窒化硼素、炭化硼素、並びに硫化亜鉛、セレン化亜鉛、ケイ素、及びダイヤモンド等のその他の材料）が挙げられる。

本発明を実施するための使用に適したＣＶＤ装置の模式図である。 図１のＣＶＤ装置による使用のための丸みを帯びた断面管の斜視図である。 管を介した気体注入フローを示すセグメント化された黒鉛管の模式的側面斜視図である。 スライスした状態として図２及び図３の管の内側の蒸着によって形成される材料の模式図である。 従来技術の方法によって形成されるリングの結晶成長を示す模式図である。 本発明の方法によって形成される管の結晶成長を示す。 本発明の方法によって形成される平坦なリングの結晶成長を示す模式的上面図である。 本発明を実施するための使用に適した代替ＣＶＤ装置を示す模式図である。 ＭＯＲ試験のためのバーを調製するために使用されたＳｉＣリングブランクを示す模式図である。 本発明の一実施形態により作製された材料のエッチングされた試料の明視野光学顕微鏡写真である。 本発明の一実施形態により作製された材料のエッチングされた試料の光明視野顕微鏡写真である。 本発明の一実施形態により作製されたリングを用いた半導体ウエハのための高速熱加工装置の模式図である。 図１１の高速熱加工装置のエッジリングを示す断面図である。 リングの平面に対して垂直に観察した従来技術のＣＶＤ ＳｉＣリングの微細構造の顕微鏡写真である。 従来技術の標準シート状ＣＶＤ ＳｉＣから製造された従来技術のＳｉでコーティングされたＣＶＤ ＳｉＣエッジリングの微細構造を示す比較可能な顕微鏡写真を示す。 従来技術の標準シート状ＣＶＤ ＳｉＣから製造された従来技術のＳｉでコーティングされたＣＶＤ ＳｉＣエッジリングの微細構造を示す比較可能な顕微鏡写真を示す。 リングの平面に対して垂直に観察した本発明のＣＶＤ ＳｉＣリングの微細構造の顕微鏡写真である。 本発明の方法によって得られたＳｉでコーティングされたＣＶＤ ＳｉＣエッジリングの微細構造を示す比較可能な顕微鏡写真である。 本発明の方法によって得られたＳｉでコーティングされたＣＶＤ ＳｉＣエッジリングの微細構造を示す比較可能な顕微鏡写真である。 本発明の方法によって得られたＳｉでコーティングされたＣＶＤ ＳｉＣエッジリングの微細構造を示す比較可能な顕微鏡写真である。 本発明の方法によって得られたＳｉでコーティングされたＣＶＤ ＳｉＣエッジリングの微細構造を示す比較可能な顕微鏡写真である。

Claims (30)

1. 平面方向及び法線方向を有する平面物品である、化学蒸着法によって形成される構造体であって、前記法線方向の寸法よりも大きい前記平面方向の寸法を有し、且つ前記平面方向に実質的に配向した結晶粒を有する構造体。
2. 前記構造体が外周を有する平坦なリングであり、且つ前記結晶粒が前記リングの前記外周の周りに実質的に半径方向に配向される請求項１に記載の構造体。
3. 前記構造体が炭化ケイ素を含む請求項１又は２に記載の構造体。
4. 前記構造体が、内径及び外径を含み、且つ前記内径と前記外径との間の距離を約２５ｍｍ（１インチ）とするリングである請求項１〜３のいずれか１項に記載の構造体。
5. 前記内径が直径で約１００ｍｍ〜６００ｍｍの間である請求項４に記載の構造体。
6. 約５ｍｍ（０．２インチ）未満の軸方向の厚さ、及び３５６ｍｍ（１４インチ）以下の直径を有する請求項１〜５のいずれか１項に記載の構造体。
7. 前記構造体が、外側曲面を有する平坦なリングである請求項１〜６のいずれか１項に記載の構造体。
8. 前記構造体が外周を有する平坦なリングであり、且つ前記リングの前記外周の周りに実質的に対称な応力を前記外周が有する請求項１〜７のいずれか１項に記載の構造体。
9. 前記構造体が、ＣＶＤ蒸着炭化ケイ素の不透明度の１０，０００倍を超える不透明度を与えるのに十分な量で前記炭化ケイ素に分散された不透明化ドーパントを含むＣＶＤ蒸着炭化ケイ素を含む請求項１〜８のいずれか１項に記載の構造体。
10. 前記ドーパントが、１００ｐｐｍ〜約５，０００ｐｐｍの量の窒素である請求項９に記載の構造体。
11. 前記構造体は、Ｘ線回折法によって測定される１１１面に対する２２０面のピーク比が約０．３０〜約１．２５の範囲にあるＦＣＣモアッサナイト−３Ｃ炭化ケイ素を含むＣＶＤ蒸着炭化ケイ素材料を含む請求項１〜１０のいずれか１項に記載の構造体。
12. 前記ピーク比が約０．３３〜約０．６０の範囲にある請求項１１に記載の構造体。
13. 前記構造体が、互いに実質的に平行な結晶粒成長軸と、結晶粒の前記結晶粒成長軸に対して実質的にランダムである回転配向とを有する結晶粒を含むＣＶＤ蒸着炭化ケイ素材料を含む請求項１〜１２のいずれか１項に記載の構造体。
14. 前記構造体が、炭化ケイ素を含み、且つ前記構造体の少なくとも一面に蒸着されたケイ素の層をさらに含む請求項１〜１３のいずれか１項に記載の構造体。
15. 請求項１〜１４のいずれか１項に記載の構造体を製造する方法であって、
    （ａ）化学蒸着法によって材料を表面に形成する工程と、
    （ｂ）前記法線方向の寸法よりも大きい前記平面方向の寸法を有し、且つ前記平面方向に実質的に配向した結晶粒を有する１つ以上の構造体を形成するような１つの方向に沿ってスライスすることで前記材料を分割する工程と、
    を含む構造体を製造する方法。
16. 前記構造体が平坦なリングを含む請求項１５に記載の方法であって、
    （ａ）蒸着域に丸みを帯びた断面の管を設けること、
    （ｂ）前駆気体を前記管に向けること、
    （ｃ）前記前駆気体を化学的に反応させて、前記管の内側で前記管の形状をした固形蒸着物を形成すること、
    （ｄ）前記固形蒸着物を除去すること、及び
    （ｅ）除去前又は除去後のいずれかに、前記固形蒸着物を実質的に平坦なリングに分割すること、
    を含む請求項１５に記載の方法。
17. 前駆気体を前記管の外面に向けること、
    前記前駆ガスを化学的に反応させて、前記管の外側に固形蒸着物を形成すること、及び
    除去前又は除去後のいずれかに、前記固形蒸着物を実質的に平坦なリングに分割すること、
    をさらに含む請求項１６に記載の方法。
18. 前記構造体が平坦なリングを含む請求項１５に記載の方法であって、
    （ａ）実質的に丸みを帯びた断面を有するマンドレルを蒸着域に設けること、
    （ｂ）前記マンドレルの外面に前駆気体を向けること、
    （ｃ）前記前駆気体を化学的に反応させて、前記マンドレルの外側に、ほぼ前記マンドレルの形状である固形蒸着物を形成すること、
    （ｄ）前記固形蒸着物を除去すること、及び
    （ｅ）除去前又は除去後のいずれかに、前記固形蒸着物を実質的に平坦なリングに分割すること、
    を含む請求項１５に記載の方法。
19. 前記前駆気体が、メチルトリクロロシランを含む請求項１６〜１８のいずれか１項に記載の方法。
20. 前記管が黒鉛管を含む請求項１６〜１９のいずれか１項に記載の方法。
21. 前記蒸着物が炭化ケイ素を含む請求項１６〜２０のいずれか１項に記載の方法。
22. 前記管が複数のセグメントとして設けられる請求項１６〜２１のいずれか１項に記載の方法。
23. 前記分割が、前記蒸着物をスライスして、約５ｍｍ（０．２インチ）未満の軸方向の厚さ、及び約３５６ｍｍ（１４インチ）以下の直径を有する平坦なリングにすることを含む請求項１６〜２２のいずれか１項に記載の方法。
24. （ｆ）前記実質的に平坦なリングを所望の寸法に機械加工することをさらに含む請求項１６〜２３のいずれか１項に記載の方法。
25. 前記リングが平面方向及び法線方向を有し、前記平面方向の寸法が前記法線方向の寸法よりも大きく、化学蒸着法によって蒸着される前記リングの結晶粒が前記平面方向に実質的に配向される請求項１６〜２４のいずれか１項に記載の方法。
26. 前記リングが外周を有し、前記結晶粒が前記リングの前記外周の周りで実質的に半径方向に配向される請求項１６〜２５のいずれか１項に記載の方法。
27. いくつかの管がＣＶＤ炉内に配置される請求項１６〜２６のいずれか１項に記載の方法。
28. 前記リングの少なくとも一面にケイ素コーティングを適用することをさらに含む請求項１６〜２７のいずれか１項に記載の方法。
29. 前記ケイ素コーティングを適用する前に、前記リングを機械加工することをさらに含む請求項２８に記載の方法。
30. 化学蒸着法を用いて前記ケイ素コーティングが適用される請求項２８に記載の方法。

Images