JPH0459632A - 窒素含有合成石英ガラス部材の製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、半導体ウェハー熱処理に用いられる容器や関
連治具類等として好適に使用し得る窒素含有高純度耐熱
性合成石英ガラス部材の製造方法に関する。

〔従来の技術〕

従来、半導体ウェハーの熱処理用としては、耐熱温度の
高い天然石英ガラスが広く用いられてきた。しかし、最
近は、高集積化に伴うウェハーの大型化及びそのクリー
ン性の要求から、高純度の耐熱性石英ガラスが着目され
た。合成石英ガラスは、含有不純物が極めて少なく、特
にアルカリ金属や銅等のウェハーを汚染する金属類を実
質的に含まない点で優れたものであるが、耐熱性が劣り
。

例えば、半導体ウェハー熱処理温度領域における１　、
　２８０℃の粘度が１０１１・５ポイズ以下であるため
、熱変形し易く、ウェハーの熱処理用部材として長期に
わたって安定に使用することはできない。

このような実状において、合成石英ガラスの耐熱性を向
上させる方法として、アンモニア処理による窒素ドープ
法が提案された（アメリカ特許第３．１１３，００８号
明細書）。該明細書には、高シリカ含量、例えば、シリ
カ９６％のシリカガラス多孔質体を少なくとも約５容量
％のアンモニアガスを含有する非酸化性雰囲気中で９０
０〜１　、０５０℃の温度に加熱し、次いで、その処理
ガラスを非酸化性雰囲気下に１　、３００〜１，３５０
℃の温度で処理するアニリング温度の改善されたシリカ
体を得る方法が記載されている。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、このアメリカ特許第３，１１３，００８号明細
書に記載された方法では、多孔質シリカ体の厚さ方向に
大きな窒素濃度勾配が生じ、特に大型の多孔質母材を窒
素化処理するとき窒素濃度の不均一性が一層顕著になる
という不都合がある。すなわち、この方法により所望の
耐熱性に向上させようとすれば、多孔質シリカ母材の表
面近傍の窒素濃度は必要以上に高くなり、透明ガラス化
や部材への溶融加工の際にガス放出に基づく発泡現象を
伴うので製品の品質を損なうという問題がある。また５
表面部の窒素含有量を適切にすれば、その母材内部の窒
素濃度が低く、従って、満足し得るガラス部材の耐熱性
改善効果は得られない。

本発明の技術的課題は、特に、大型多孔質合成石英ガラ
ス母材を可及的均一で且つ所望の窒素濃度に窒素化し得
る耐熱性合成石英ガラス母材の製造方法を提供すること
にある。また、他の課題は、半導体ウェハー熱処理用容
器や炉芯管その他の治具として有用な耐熱性に優れ、且
つウェハーを汚染するアルカリ金属や銅等の金属不純物
を含まない高純度石英ガラス部材を工業的に有利に提供
することにある。

〔課題を解決するための手段〕

本発明者らは、上記課題を解決する方法として、特に、
大型の多孔質シリカ母材の均質窒素化について多くの実
験研究を行った結果、アンモニア処理して得られた窒素
含有多孔質シリカ母材を、逆に部分脱窒素化させること
が均一化に極めて有効であり、その脱窒素化を酸素ガス
含有雰囲気中で行うことにより効果的に上記課題を解決
し得ることを知った。

すなわち、本発明は、窒素含有合成石英ガラス部材を製
造する方法において、多孔質シリカ体をアンモニア含有
雰囲気中で加熱処理し、得られた窒素含有多孔質シリカ
体を少なくとも１０モル％の酸素ガスを含有する不活性
ガス雰囲気中で、６００〜１　、３００℃の温度に加熱
処理して部分脱窒素化し、次いで、透明ガラス化するこ
とを特徴とする耐熱性窒素含有合成石英ガラス部材の製
造方法を要旨とするものである。

本発明の方法は、まず多孔質高純度シリカ体をアンモニ
ア含有非酸化性雰囲気中で加熱して所望の窒素濃度より
僅かに過度にアンモニア化（窒素化）させ、次いで、こ
れを酸素ガス雰囲気中で加熱して部分脱窒素化反応を行
わせる組合せ処理に技術的特徴がある。

上記窒素化処理においては、表面に近いほど窒素濃度は
高く、厚さ方向の中心部はど窒素濃度の低い不均質体が
得られる。次に、このようにして得られた不均質窒素含
有シリカ体を、酸素ガスを含有する酸化性雰囲気中で加
熱反応させて部分脱窒素化することにより、主として表
面部近傍のみを、あるいは表面部を強く、そして中心部
を弱く脱窒素化させて窒素を均質な所望濃度に残留させ
るのである。この部分脱窒素化反応は、アンモニア化反
応に比べて反応速度が大きいという反応特性を好都合に
利用するものであって、短い反応時間に所望の部分脱窒
素化を効果的に行うことができるので、実用的に極めて
望ましい方法である。

かかる本発明の方法に用いられる合成石英ガラス部材は
、例えば、−辺の長さが３０ｗａ以上のブロック、シリ
ンダー、ロッド、板あるいはその他の任意形状を有する
比較的大型の高純度合成シリカ体であって、好ましくは
、１０〜３０ｍ７ｇ程度の比表面積を持つ多孔質シリカ
母材である。また、このような高純度多孔質合成シリカ
体は、例えば、けい素化合物を酸素、水素火炎中で加水
分解し、堆積させたすす状シリカ体、あるいはゾル・ゲ
ル法によって得られた多孔質シリカ体が好適であり。

また、各種合成法によって得られた合成石英ガラスの粉
末を圧力を印加して固化したものも有利に適用すること
ができる。

本発明方法においては、上記のような多孔質シリカ体を
、まず、通常知られたアンモニア含有ガス雰囲気中、例
えば前記米国特許第３，１１３，００８号に記載される
ようなアンモニア５容量％程度を含有する非酸化性雰囲
気下で９００〜１，０５０℃の温度に加熱して窒素化し
、次いで、非酸化性雰囲気下における透明化ガラス化に
先だって、酸素ガス含有不活性ガス雰囲気中で６００〜
１，３００℃の温度で部分脱窒素化される。この部分脱
窒素化反応は、少なくとも１０モル％の酸素ガスを含有
する不活性ガス雰囲気下に行うことが重要である。酸素
濃度が１０モル％より低いと脱窒素化反応が極度に遅く
なるばかりでなく、厚さ方向の均一な窒素濃度の形成が
困難となるので採用し難い。また、酸素濃度が高すぎる
と、脱窒素化反応が速くなりすぎ、反応をコントロール
することが難しいため均一な窒素濃度分布の達成が期待
できない、更に、高濃度酸素を使用した場合には、反応
によって離脱するアンモニアと酸素ガスとの混合ガスが
形成され、反応管等のちょっとした亀裂や破損が発生し
た場合、容易に引火して爆発するので、酸素濃度が高い
ほど装置の点検や操作を慎重にしなければならないので
厄介であり、従って、あまり高すぎる酸素濃度は好まし
くない。実用的に好ましい酸素ガス濃度は、１０〜７０
モル％である。

また、かかる雰囲気中での脱窒素化反応は６００〜ｌ　
、　３００℃の温度範囲で行うことが重要である。

この処理温度が６００℃より低いと脱窒素化反応の進行
が遅く工業的に著しく不利であり、　１，３００℃を超
える温度では、適切な脱窒素化反応を実質的に行うこと
ができないので不都合である。好ましい温度範囲は、８
００℃〜ｔ　、　ｏｏｏ℃である。

上記部分脱窒素化の酸素ガスと混合して用いられる不活
性ガスとしては、例えば、窒素、ヘリウムあるいはアル
ゴンなどが代表的に挙げられる。

このような酸素ガス含有雰囲気ガスは、通常、不活性ガ
スと酸素ガスとを予め所定割合に混合して使用される。

このようにして窒素濃度が均質化された多孔質シリカ体
は１次いで、１，３００〜１，４５０℃の温度に加熱溶
融して透明ガラス体にされ、特に、半導体ウェハー熱処
理用の容器やその他の治具として有用な部材を提供する
。

〔作用〕

本発明の方法によれば、アンモニア処理によって表面部
が高濃度に、厚さの中心部はど相対的に低能度に窒素化
された窒素含有多孔質シリカ母材を、表面側を優先的に
部分脱窒素化することにより、ガラス全体を実用的に均
一な所望濃度の窒素含有高純度石英ガラス体を効果的に
製造することができる。

〔実施例〕

次に１本発明の方法を実施例及び比較例により、更に具
体的且つ詳細に説明する。

実施例　１ 蒸留精製した四塩化けい素を酸素ガスをキャリアガスと
して酸素・水素火炎中に導入して、外径２００■φ及び
長さＬ　、　０００ｍｍの大型多孔質シリカ母材を作成
した。

得られた多孔質シリカ母材を炉内に入れ、アンモニア５
モル％を含有する窒素ガス雰囲気中で。

８５０℃の温度に８時間保持してアンモニア化を行った
。次いで、酸素ガス１０モル％を含有する窒素キャリア
ガスで炉内雰囲気を置換し、連続してこの母材を８５０
℃の温度で２時間加熱処理して脱アンモニアを行った。

脱アンモニア処理した上記母材を、約１　、４００℃の
温度に加熱保持された炉の中に入れ、約５時間加熱して
透明なガラス体を得た。

得られた透明ガラス体の表面部分と内部の窒素濃度をケ
ルプール法で測定したところ、それぞれ１　、　ＯＯＯ
ｐｐｍ及び７００ｐｐｍであった。この差は実用的に問
題となる差ではなく、実質的に均質とみなし得るもので
ある。

また、加工時の発泡現象の有無を調べるために、石英ガ
ラス加工用の酸素・水素バーナーで強熱したところ、画
部分とも気泡の発生は観察されなかった。また、各部の
１　、２８０℃の温度における粘度は、それぞれ１０”
・２ポイズ及び１０１１・９ポイズで、顕著な耐熱性の
向上が得られた。

この粘度は、耐熱性が良好であるといわれる天然石英ガ
ラス（通常、１，２８０℃の温度における粘度は、約１
ｏＬ２．　Ｏポイズ）と比較しても同程度以上であり、
充分使用に耐えることが判る。

本例で調製された窒素含有透明合成石英ガラス部材は、
全体にはゾ均一な窒素濃度と改善された耐熱性が得られ
、半導体ウェハー熱処理用部材として、高い有用性を有
することが理解されよう。

比較例１ 実施例１と同様にして作成した外径２００ｍｍφ及び長
さ１　、０００ｍｍの大型多孔質シリカ母材を、実施例
１と同じ条件で、ただし加熱処理時間を６時間に短縮し
てアンモニア化を行った。得られた多孔質体を同様に加
熱透明化処理した。

透明ガラス体の表面部分と内部中央部分の窒素濃度は、
それぞれ４　、０００ｐｐｍ、及びＩ　、　２００ｐｐ
ａ＋であった。

また、石英ガラス加工用の酸素・水素バーナーで強熱す
る発泡現象の調査では、表面部分は激しく発泡し、内部
は若干の発泡がａｍされた。

〔発明の効果〕

本発明の方法によって、大型の多孔性母材全体に、実質
的に均一な所望濃度の窒素を効果的に含有させることが
でき、その透明化やガラスの二次加工において、発砲現
象を伴うことのない高い耐熱性を有する大型の合成石英
ガラス部材が容易に提供される。

本発明方法によって得られる高純度合成石英ガラスは、
ウェハー汚染性金属類を含まず、しかも耐熱性が優れて
いるので、ウェハー熱処理用炉芯管やその他の各種治具
類に好適に使用することができる。

特許出願人　　　信越石英株式会社 代理人・弁理士　　　山　本　　亮 荒井　鐘司

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、窒素含有合成石英ガラス部材を製造する方法におい
   て、多孔質シリカ体をアンモニア含有雰囲気中で加熱処
   理し、得られた窒素含有多孔質シリカ体を少なくとも１
   ０モル％の酸素ガスを含有する不活性ガス雰囲気中で、
   ６００℃〜１，３００℃の温度に加熱処理して部分脱窒
   素化し、次いで、透明ガラス化することを特徴とする耐
   熱性窒素含有合成石英ガラス部材の製造方法。 ２、該多孔質シリカ体が、けい素化合物を酸素、水素火
   炎中で加水分解し、堆積させて得られた合成石英ガラス
   のすす状シリカ体、又はゾル・ゲル法によって形成され
   た合成石英ガラス多孔質シリカ体である請求項１記載の
   製造方法。 ３、該多孔質シリカ体が、合成石英ガラスの微粉末に圧
   力を印加して、所望形状に固化して成るシリカ体である
   請求項１記載の製造方法。