JPH1083787A - イオン注入装置用部品 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 耐熱性、耐イオン性に優れ、汚染性の少ない
イオン注入装置用部品を提供する。 【解決手段】 密度が２．９ｇ／ｃｍ³ 以上であり、且
つ炭化ケイ素粉末と加熱により炭素を生成する有機化合
物等からなる非金属系焼結助剤とが均質に混合された混
合物を焼結することにより得られた炭化ケイ素焼結体を
用いる。ここで、炭化ケイ素焼結体が前記混合物を非酸
化雰囲気下でホットプレスすることにより得られたもの
であること、炭化ケイ素粉末が、液状のケイ素化合物
と、非金属焼結助剤と、重合又は架橋触媒とを混合して
得られた混合物を固化して固形物を得る固化工程と、得
られた固形物を非酸化性雰囲気下で加熱炭化した後、さ
らに非酸化性雰囲気で焼成する焼成工程とを含む製造方
法により得られたものであること、炭化ケイ素焼結体に
含まれる不純物元素の総含有量が１ｐｐｍ以下であるこ
とが好ましい。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、不純物元素（ドー
ピング元素）をウェハ中に取り込むイオン注入装置に使
用されるイオン注入装置用部品に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造にはシリコンウェ
ハにドーピング元素を注入する注入工程が含まれてお
り、この注入工程で使用される方法は、高温下の拡散炉
中での気相熱拡散法及びドーピング元素を加速してこれ
をウェハ表面に打ち込むイオン注入法の２つに大別さ
れ、ドープ量を正確に制御できること等から、近年、イ
オン注入法が主流となっている。

【０００３】図１に示されるように、イオン注入法に用
いられるイオン注入装置１０は、ＢＦ₃ 、ＰＨ₃ 、Ａｓ
Ｈ₃ 等のガスからイオンを発生させるイオン発生部１
２、イオン発生部にガスを供給する図示しないガス供給
部、発生したイオンをイオン発生部１２から引出してイ
オンビームを形成する引出電極１４、平面形状が略Ｌ字
形とされ、且つイオンビームに所定の磁場をかけ、加え
られた磁場による軌道の湾曲率がイオンビーム中に含ま
れるイオン種によって異なることを利用して所望のイオ
ン種のみを取り出す質量分析部１６、質量分析部１６と
連続し且つ引出電極１４によって形成されるイオンビー
ムの軌道と略直交するように配置されたビームライン部
２０、ビームライン部２０の質量分析部１６側とは反対
側に配置され、且つイオンビームの径を所定の径にする
ためのアパーチャ２２、ビームライン部２０と連続し且
つイオンのエネルギーを所定のエネルギーまで加速する
加速部２４、及び加速されたイオンを被注入基板２６に
打ち込む注入部２８を備える。

【０００４】ところで、このイオン注入装置１０には各
種の構成部品が含まれており、これらの構成部品には、
耐熱性及びイオンやプラズマに対する耐久性に優れるこ
と、製品である半導体デバイスに害を与えないこと（低
汚染性）、並びにイオンが衝突しても半導体デバイスに
有害な原子や分子を許容量以上はじき出さないこと（低
スパッタ性）等の特性が要求され、このような特性を満
足するために構成部品の材料として黒鉛やガラス状カー
ボン等の炭素材料が使用されている。

【０００５】しかし、炭素材料は、最近はかなり純度の
高いものが得られるようになっているが、本質的に、耐
イオン性があまりよくないという欠点を有している。

【０００６】このため、炭素材料と同等の耐熱性があ
り、且つ硬度が高く、耐イオン性に優れたセラミックス
材料が望まれており、中でも、構成元素が製品である半
導体デバイスに無害であることから、炭化ケイ素が最も
期待されている。

【０００７】ところが、炭化ケイ素は焼結が困難な材料
であるため、焼結を容易にするための助剤として炭化ボ
ロンやアルミナ等を炭化ケイ素に少量添加することが一
般的であり、これらの添加物が不純物となるため、従来
の炭化ケイ素は前述のイオン注入装置用部品の材料とし
ては不適切である。

【０００８】従って、前述のような有害な助剤を用いな
い炭化ケイ素焼結法及び焼結体が望まれており、例え
ば、ケイ素及び炭素を含むガスや溶液を原料として、
ｉ）気相成長により微細な粉末を形成し、形成された粉
末を材料として焼結体を作製する方法、ｉｉ）気相成長
により直接板状の成形体（焼結体）を作製する方法が提
案されている。

【０００９】しかし、これらの方法は、生産性が非常に
悪く、コストが高いという欠点を有しており、さらに、
上記ｉ）の方法は、粉末が微細すぎて焼結後もパーティ
クルが発生し易いという欠点を有し、ｉｉ）の方法は、
肉厚の成形体を作製し難いという欠点を有している。

【００１０】

【本発明が解決しようとする課題】本発明は上記事実を
考慮してなされたものであり、本発明の目的は、耐熱
性、及び耐イオン性に優れ、汚染性の少ないイオン注入
装置用部品を提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、鋭意検討
した結果、特定の製造方法により得られた炭化ケイ素の
焼結体をイオン注入装置用部品として使用したときに、
非常に優れた特性を発揮し得ることを見出し、本発明を
完成した。

【００１２】即ち、本発明のイオン注入装置用部品は、
密度が２．９ｇ／ｃｍ³ 以上であり、且つ炭化ケイ素粉
末と非金属系焼結助剤とが均質に混合された混合物を焼
結することにより得られた炭化ケイ素焼結体で形成され
たことを特徴とする。

【００１３】この炭化ケイ素焼結体は、前記混合物を非
酸化雰囲気下でホットプレスすることにより得られたも
のとすることができる。

【００１４】また、前記炭化ケイ素粉末は、液状のケイ
素化合物と、加熱により炭素を生成する液状の有機化合
物と、重合又は架橋触媒とを混合して得られた混合物を
固化して固形物を得る固化工程と、得られた固形物を非
酸化性雰囲気下で加熱炭化した後、さらに非酸化性雰囲
気で焼成する焼成工程とを含む製造方法により製造する
ことができる。

【００１５】前記炭化ケイ素焼結体に含まれる不純物元
素の総含有量が１ｐｐｍ以下であることが好ましい。

【００１６】本発明によれば、炭化ケイ素粉末を焼結す
るに当たり、焼結助剤としてホウ素、アルミニウム、ベ
リリウム等の金属やその化合物である金属系焼結助剤
や、カーボンブラック、グラファイト等の炭素系焼結助
剤等は用いずに、非金属系焼結助剤のみを用いるため、
焼結体の純度が高く、また結晶粒界での異物が少なく、
熱伝導性に優れ、結果として耐熱性に優れ、且つ炭化ケ
イ素本来の性質として炭素材料に比し耐汚染性、耐摩耗
性に優れたイオン注入装置用部品が提供される。

【００１７】また、炭化ケイ素粉末として、請求項３記
載の製造方法により得られた粉末を用いれば、さらに純
度が高い焼結体が得られ、不純物元素の総含有量を１ｐ
ｐｍ以下にすることが可能となる。

【００１８】

【発明の実施の形態】以下に、本発明をさらに詳細に説
明する。

【００１９】本発明の炭化ケイ素製イオン注入装置用部
品の原料として用いられる炭化ケイ素粉末は、α型、β
型、非晶質或いはこれらの混合物等が挙げられるが、特
に、β型炭化ケイ素粉末が好適に使用される。このβ型
炭化ケイ素粉末のグレードには特に制限はなく、例え
ば、一般に市販されているβ型炭化ケイ素粉末を用いる
ことができる。この炭化ケイ素粉末の粒径は、高密度化
の観点からは小さいことが好ましく、０．０１〜５μｍ
程度、さらには、０．０５〜３μｍ程度であることが好
ましい。粒径が０．０１μｍ未満であると、計量、混合
などの処理工程における取扱が困難となり、５μｍを超
えると比表面積が小さく、即ち、隣接する粉体との接触
面積が小さくなり、高密度化が困難となるため、好まし
くない。

【００２０】好適な炭化ケイ素原料粉体の態様として
は、粒径が０．０５〜１μｍ、比表面積が５ｍ² ／ｇ以
上、遊離炭素１％以下、酸素含有量１％以下のものが好
適に用いられる。また、用いられる炭化ケイ素粉末の粒
度分布は特に制限されず、炭化ケイ素焼結体の製造時に
おいて、粉体の充填密度を向上させること及び炭化ケイ
素の反応性の観点から、２つ以上の極大値を有するもの
も使用しうる。

【００２１】イオン注入装置用部品に用いる炭化ケイ素
焼結体は高純度であることが好ましく、高純度の炭化ケ
イ素焼結体を得るためには、原料の炭化ケイ素粉末とし
て、高純度の炭化ケイ素粉体を用いればよい。

【００２２】高純度の炭化ケイ素粉末は、例えば、少な
くとも１種以上の液状のケイ素化合物と、加熱により炭
素を生成する少なくとも１種以上の液状の有機化合物
と、重合又は架橋触媒と、を均質に混合して得られた固
形物を非酸化性雰囲気下で加熱炭化した後、さらに、非
酸化性雰囲気下で焼成する焼成工程とを含む製造方法に
より得ることができる。

【００２３】高純度の炭化ケイ素粉末の製造に用いられ
るケイ素化合物（以下、適宜、ケイ素源と称する）とし
ては、液状のものと固体のものとを併用することができ
るが、少なくとも一種は液状のものから選ばれなくては
ならない。液状のものとしては、アルコキシシラン（モ
ノ−、ジ−、トリ−、テトラ−）及びテトラアルコキシ
シランの重合体が用いられる。アルコキシシランの中で
はテトラアルコキシシランが好適に用いられ、具体的に
は、メトキシシラン、エトキシシラン、プロポキシシラ
ン、ブトキシシラン等が挙げられるが、ハンドリングの
点からはエトキシシランが好ましい。また、テトラアル
コキシシランの重合体としては、重合度が２〜１５程度
の低分子重量合体（オリゴマー）及びさらに重合度が高
いケイ酸ポリマーで液状のものが挙げられる。これらと
併用可能な固体状のものとしては、酸化ケイ素が挙げら
れる。本発明において酸化ケイ素とは、ＳｉＯの他、シ
リカゾル（コロイド状超微細シリカ含有液、内部にＯＨ
基やアルコキシル基を含む）、二酸化ケイ素（シリカゲ
ル、微細シリカ、石英粉体）等を含む。

【００２４】これらケイ素源のなかでも、均質性やハン
ドリング性が良好な観点から、テトラエトキシシランの
オリゴマー及びテトラエトキシシランのオリゴマーと微
粉体シリカとの混合物等が好適である。また、これらの
ケイ素源は高純度の物質が用いられ、初期の不純物含有
量が２０ｐｐｍ以下であることが好ましく、５ｐｐｍ以
下であることがさらに好ましい。

【００２５】また、炭化ケイ素粉末の製造に使用される
加熱により炭素を生成する有機化合物としては、液状の
ものの他、液状のものと固体のものとを併用して使用す
ることができ、残炭率が高く、且つ触媒若しくは加熱に
より重合又は架橋する有機化合物、例えば、フェノール
樹脂、フラン樹脂、ポリイミド、ポリウレタン、ポリビ
ニルアルコール等の樹脂のモノマーやプレポリマーが好
ましく、その他、セルロース、しょ糖、ピッチ、タール
等の液状物も用いられ、特にレゾール型フェノール樹脂
が好ましい。また、その純度は目的により適宜制御選択
が可能であるが、特に高純度の炭化ケイ素粉末が必要な
場合には、各金属を５ｐｐｍ以上含有していない有機化
合物を用いることが望ましい。

【００２６】本発明に使用される原料粉体である炭化ケ
イ素粉体を製造するにあたっての、炭素とケイ素の比
（以下、Ｃ／Ｓｉ比と略記）は、混合物を炭化して得ら
れる炭化物中間体を、元素分析することにより定義され
る。化学量論的には、Ｃ／Ｓｉ比が３．０の時に生成炭
化ケイ素中の遊離炭素が０％となるはずであるが、実際
には同時に生成するＳｉＯガスの揮散により低Ｃ／Ｓｉ
比において遊離炭素が発生する。この生成炭化ケイ素粉
体中の遊離炭素量が焼結体等の製造用途に適当でない量
にならないように予め配合を決定することが重要であ
る。通常、１気圧近傍で１６００℃以上での焼成では、
Ｃ／Ｓｉ比を２．０〜２．５にすると遊離炭素を抑制す
ることができ、この範囲を好適に用いることができる。
Ｃ／Ｓｉ比を２．５以上にすると遊離炭素が顕著に増加
するが、この遊離炭素は粒成長を抑制する効果を持つた
め、粒子形成の目的に応じて適宜選択しても良い。但
し、雰囲気の圧力を低圧又は高圧で焼成する場合は、純
粋な炭化ケイ素を得るためのＣ／Ｓｉ比は変動するの
で、この場合は必ずしも前記Ｃ／Ｓｉ比の範囲に限定す
るものではない。

【００２７】なお、遊離炭素の焼結の際の作用は、本発
明で用いられる炭化ケイ素粉体の表面に被覆された非金
属系焼結助剤に由来する炭素によるものに比較して非常
に弱いため、基本的には無視することができる。

【００２８】また、本発明においてケイ素源と加熱によ
り炭素を生成する有機化合物とを均質に混合した固形物
を得るために、ケイ素源と該有機化合物の混合物を硬化
させて固形物とすることも必要に応じて行われる。硬化
の方法としては、加熱により架橋する方法、硬化触媒に
より硬化する方法、電子線や放射線による方法が挙げら
れる。硬化触媒としては、炭素源に応じて適宜選択でき
るが、フェノール樹脂やフラン樹脂の場合には、トルエ
ンスルホン酸、トルエンカルボン酸、酢酸、しゅう酸、
塩酸、硫酸等の酸類、ヘキサミン等のアミン類等を用い
る。

【００２９】この原料混合固形物の加熱炭化は、窒素又
はアルゴン等の非酸化性雰囲気中８００℃〜１０００℃
にて３０分〜１２０分間該固形物を加熱することにより
行われる。

【００３０】さらに、この炭化物をアルゴン等の非酸化
性雰囲気中１３５０℃以上２０００℃以下で加熱するこ
とにより炭化ケイ素が生成する。焼成温度と時間は希望
する粒径等の特性に応じて適宜選択できるが、より効率
的な生成のためには１６００℃〜１９００℃での焼成が
望ましい。

【００３１】また、より高純度の粉体を必要とする時に
は、前述の焼成時に２０００〜２１００℃にて５〜２０
分間加熱処理を施すことにより不純物をさらに除去でき
る。

【００３２】以上より、特に高純度の炭化ケイ素粉末を
得る方法としては、本願出願人が先に特願平７−２４１
８５６号として出願した単結晶の製造方法に記載された
原料粉体の製造方法、即ち、高純度のテトラアルコキシ
シラン、テトラアルコキシシラン重合体、酸化ケイ素か
ら選択される１種以上をケイ素源とし、加熱により炭素
を生成する高純度有機化合物を炭素源とし、これらを均
質に混合して得られた混合物を非酸化性雰囲気下におい
て加熱焼成して炭化ケイ素粉体を得る炭化ケイ素生成工
程と、得られた炭化ケイ素粉体を、１７００℃以上２０
００℃未満の温度に保持し、該温度の保持中に、２００
０℃〜２１００℃の温度において５〜２０分間にわたり
加熱する処理を少なくとも１回行う後処理工程とを含
み、前記２工程を行うことにより、各不純物元素の含有
量が０．５ｐｐｍ以下である炭化ケイ素粉体を得るこ
と、を特徴とする高純度炭化ケイ素粉末の製造方法等を
利用することができる。

【００３３】また、本発明のイオン注入装置用部品に好
適に使用し得る炭化ケイ素焼結体を製造するにあたっ
て、前記炭化ケイ素粉末と混合されて用いられる非金属
系焼結助剤としては、加熱により炭素を生成する、所謂
炭素源と称される物質が用いられ、加熱により炭素を生
成する有機化合物又はこれらで表面を被覆された炭化ケ
イ素粉末（粒径：０．０１〜１μｍ程度）が挙げられ、
効果の観点からは前者が好ましい。

【００３４】また、本発明において、前記炭化ケイ素粉
末と混合される、加熱により炭素を生成する有機化合物
（以下、適宜、炭素源と称する）として用いられる物質
は、従来の焼結助剤に代えて、非金属系焼結助剤として
添加されることにより反応を促進させる機能を有する物
質であり、具体的には、残炭率の高いコールタールピッ
チ、フェノール樹脂、フラン樹脂、エポキシ樹脂、フェ
ノキシ樹脂やグルコース等の単糖類、蔗糖等の少糖類、
セルロース、デンプン等の多糖類などの等の各種糖類が
挙げられる。これらは炭化ケイ素粉末と均質に混合する
という目的から、常温で液状のもの、溶媒に溶解するも
の、熱可塑性或いは熱融解性のように加熱することによ
り軟化するもの或いは液状となるものが好適に用いられ
るが、なかでも、得られる成形体の強度が高いフェノー
ル樹脂、特に、レゾール型フェノール樹脂が好適であ
る。

【００３５】この有機化合物は加熱されると系中でカー
ボンブラックやグラファイトの如き無機炭素系化合物を
生成し、これが焼結助剤として有効に作用すると考えら
れる。なお、カーボンブラックやグラファイト粉末等従
来より炭素系焼結助剤として知られているものを焼結助
剤として添加しても、前記非金属系焼結助剤を添加して
得られるような本発明の効果を達成することはできな
い。

【００３６】本発明において、炭化ケイ素粉末と非金属
系焼結助剤との混合物を得る際に、非金属系焼結助剤を
溶媒に溶解又は分散させて混合することが好ましい。溶
媒は、非金属系焼結助剤として使用する化合物に対して
好適なもの、具体的には、好適な加熱により炭素を生成
する有機化合物であるフェノール樹脂に対しては、エチ
ルアルコール等の低級アルコール類やエチルエーテル、
アセトン等を選択することができる。また、この非金属
系焼結助剤及び溶媒についても不純物の含有量が低いも
のを使用することが好ましい。

【００３７】炭化ケイ素粉末と混合される非金属系焼結
助剤の添加量は少なすぎると焼結体の密度が上がらず、
多過ぎると焼結体に含まれる遊離炭素が増加するため高
密度化を阻害する虞があるため、使用する非金属系焼結
助剤の種類にもよるが、一般的には、１０重量％以下、
好ましくは２〜５重量％となるように添加量を調整する
ことが好ましい。この量は、予め炭化ケイ素粉末の表面
のシリカ（酸化ケイ素）量をフッ酸を用いて定量し、化
学量論的にその還元に充分な量を計算することにより決
定することができる。

【００３８】なお、ここでいう炭素としての添加量と
は、上記の方法により定量されたシリカが非金属系焼結
助剤に由来する炭素で、下記の化学反応式により還元さ
れるものとし、非金属系焼結助剤の熱分解後の残炭率
（非金属系焼結助剤中で炭素を生成する割合）などを考
慮して得られる値である。

【００３９】

【化１】 ＳｉＯ₂ ＋ ３Ｃ → ＳｉＣ ＋ ２ＣＯ また、本発明に係る炭化ケイ素焼結体においては、炭化
ケイ素焼結体中に含まれる炭化ケイ素に由来する炭素原
子及び非金属系焼結助剤に由来する炭素原子の合計が３
０重量％を超え、４０重量％以下であることが好まし
い。含有量が３０重量％以下であると、焼結体中に含ま
れる不純物の割合が多くなり、４０重量％を超えると炭
素含有量が多くなり得られる焼結体の密度が低下し、焼
結体の強度、耐酸化性等の諸特性が悪化するため好まし
くない。

【００４０】本発明に係わる炭化ケイ素焼結体を製造す
るにあたって、まず、炭化ケイ素粉末と、非金属系焼結
助剤とを均質に混合するが、前述の如く、非金属系焼結
助剤であるフェノール樹脂をエチルアルコールなどの溶
媒に溶解し、炭化ケイ素粉末と十分に混合する。混合は
公知の混合手段、例えば、ミキサー、遊星ボールミルな
どによって行うことができる。混合は、１０〜３０時
間、特に、１６〜２４時間にわたって行うことが好まし
い。十分に混合した後は、溶媒の物性に適合する温度、
例えば、先に挙げたエチルアルコールの場合には５０〜
６０℃の温度、で溶媒を除去し、混合物を蒸発乾固させ
たのち、篩にかけて混合物の原料粉体を得る。なお、高
純度化の観点からは、ボールミル容器及びボールの材質
を金属をなるべく含まない合成樹脂にする必要がある。
また、乾燥にあたっては、スプレードライヤーなどの造
粒装置を用いてもよい。

【００４１】本発明のイオン注入装置用部品を製造する
製造方法において必須の工程である焼結工程は、粉体の
混合物又は後記の成形工程により得られた粉体の混合物
の成形体を、温度２０００〜２４００℃、圧力３００〜
７００ｋｇｆ／ｃｍ² 、非酸化雰囲気下で成形金型中に
配置し、ホットプレスする工程である。

【００４２】ここで使用する成形金型は、得られる焼結
体の純度の観点から、成形体と金型の金属部とが直接接
触しないように、型の一部又は全部に黒鉛製の材料を使
用するか、金型内にテフロンシート等を介在させること
が好ましい。

【００４３】本発明においてホットプレスの圧力は３０
０〜７００ｋｇｆ／ｃｍ² の条件で加圧ことができる
が、特に、４００ｋｇｆ／ｃｍ² 以上の加圧した場合に
は、ここで使用するホットプレス部品、例えば、ダイ
ス、パンチ等は耐圧性の良好なものを選択する必要があ
る。

【００４４】ここで、焼結工程を詳細に説明するが、焼
結体を製造するためのホットプレス工程の前に以下の条
件で加熱、昇温を行って不純物を十分に除去し、炭素源
の炭化を完全に行わせしめた後、前記条件のホットプレ
ス加工を行うことが好ましい。

【００４５】即ち、以下の２段階の昇温工程を行うこと
が好ましい。まず、炉内を真空下、室温から７００℃に
至るまで、緩やかに加熱する。ここで、高温炉の温度制
御が困難な場合には、７００℃まで昇温を連続的に行っ
てもよいが、好ましくは、炉内を１０^-4ｔｏｒｒにし
て、室温から２００℃まで緩やかに昇温し、該温度にお
いて一定時間保持する。その後、さらに緩やかに昇温を
続け、７００℃まで加熱する。さらに７００℃前後の温
度にて一定時間保持する。この第１の昇温工程におい
て、吸着水分や結合剤の分解が行われ、炭素源の熱分解
による炭化が行われる。２００℃前後或いは７００℃前
後の温度に保持する時間は結合剤の種類、焼結体のサイ
ズによって好適な範囲が選択される。保持時間が十分で
あるか否かは真空度の低下がある程度少なくなる時点を
めやすにすることができる。この段階で急激な加熱を行
うと、不純物の除去や炭素源の炭化が十分に行われず、
成形体に亀裂や空孔を生じさせる虞があるため好ましく
ない。

【００４６】一例を挙げれば、５〜１０ｇ程度の試料に
関しては、１０^-4ｔｏｒｒにして、室温から２００℃ま
で緩やかに昇温し、該温度において約３０分間保持し、
その後、さらに緩やかに昇温を続け、７００℃まで加熱
するが、室温から７００℃に至るまでの時間は６〜１０
時間程度、好ましくは８時間前後である。さらに７００
℃前後の温度にて２〜５時間程度保持することが好まし
い。

【００４７】真空中で、さらに７００℃から１５００℃
に至るまで、前記の条件であれば６〜９時間ほどかけて
昇温し、１５００℃の温度で１〜５時間ほど保持する。
この工程では二酸化ケイ素、酸化ケイ素の還元反応が行
われると考えられる。ケイ素と結合した酸素を除去する
ため、この還元反応を十分に完結させることが重要であ
り、１５００℃の温度における保持時間は、この還元反
応による副生物である一酸化炭素の発生が完了するま
で、即ち、真空度の低下が少なくなり、還元反応開始前
の温度である１３００℃付近における真空度に回復する
まで、行うことが必要である。この第２の昇温工程にお
ける還元反応により、炭化ケイ素粉体表面に付着して緻
密化を阻害し、大粒成長の原因となる二酸化ケイ素が除
去される。この還元反応中に発生するＳｉＯ、ＣＯを含
む気体は不純物元素を伴っているが、真空ポンプにより
これらの発生気体が反応炉へ絶えず排出され、除去され
るため、高純度化の観点からもこの温度保持を十分に行
うことが好ましい。

【００４８】これらの昇温工程が終了した後に、高圧ホ
ットプレスを行うことが好ましい。温度が１５００℃よ
り高温に上昇すると焼結が開始するが、その際、異常粒
成長を押さえるために３００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ² 程
度までをめやすとして加圧を開始する。その後、炉内を
非酸化雰囲気とするために不活性ガスを導入する。この
不活性ガスとしては、窒素あるいは、アルゴンなどを用
いるが、高温においても非反応性であることから、アル
ゴンガスを用いることが望ましい。

【００４９】炉内を非酸化雰囲気とした後、温度を２０
００〜２４００℃、圧力３００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ²
となるように加熱、加圧をおこなう。プレス時の圧力は
原料粉体の粒径によって選択することができ、原料粉体
の粒径が小さいものは加圧時の圧力が比較的小さくても
好適な焼結体が得られる。また、ここで１５００℃から
最高温度である２０００〜２３００℃までへの昇温は２
〜４時間かけて行うが、焼結は１８５０〜１９００℃で
急速に進行する。さらに、この最高温度で１〜３時間保
持し、焼結を完了する。

【００５０】ここで最高温度が２０００℃未満であると
高密度化が不十分となり、２４００℃を超えると成形体
原料が昇華（分解）する虞があるため好ましくない。ま
た、加圧条件が５００ｋｇｆ／ｃｍ² 未満であると高密
度化が不十分となり、７００ｋｇｆ／ｃｍ² を超えると
黒鉛型などの成形型の破損の原因となり、製造の効率か
ら好ましくない。

【００５１】この焼結工程においても、得られる焼結体
の純度保持の観点から、ここで用いられる黒鉛型や加熱
炉の断熱材等は、高純度の黒鉛原料を用いることが好ま
しく、黒鉛原料は高純度処理されたものが用いられる
が、具体的には、２５００℃以上の温度で予め十分ベー
キングされ、焼結温度で不純物の発生がないものが望ま
しい。さらに、使用する不活性ガスについても、不純物
が少ない高純度品を使用することが好ましい。

【００５２】本発明では、前記焼結工程を行うことによ
り優れた特性を有する炭化ケイ素焼結体が得られるが、
最終的に得られる焼結体の高密度化の観点から、この焼
結工程に先立って以下に述べる成形工程を実施してもよ
い。以下にこの焼結工程に先立って行うことができる成
形工程について説明する。ここで、成形工程とは、炭化
ケイ素粉末と、炭素源とを均質に混合して得られた原料
粉体を成形金型内に配置し、８０〜３００℃の温度範囲
で、５〜６０分間にわたり加熱、加圧して予め成形体を
調整する工程である。ここで、原料粉体の金型への充填
は極力密に行うことが、最終的な焼結体の高密度化の観
点から好ましい。この成形工程を行うと、ホットプレス
のために試料を充填する際に嵩のある粉体を予めコンパ
クトになしうるので、繰り返しにより高密度の成形体や
厚みの大きい成形体を製造し易くなる。

【００５３】加熱温度は、８０〜３００℃、好ましくは
１２０〜１４０℃の範囲、圧力６０〜１００ｋｇｆ／ｃ
ｍ² の範囲で、充填された原料粉体の密度を１．５ｇ／
ｃｍ ³ 以上、好ましくは、１．９ｇ／ｃｍ³ 以上とする
ようにプレスして、加圧状態で５〜６０分間、好ましく
は２０〜４０分間保持して原料粉体からなる成形体を得
る。ここで成形体の密度は、粉体の平均粒径が小さくな
る程高密度にしにくくなり、高密度化するためには成形
金型内に配置する際に振動充填等の方法をとることが好
ましい。具体的には、平均粒径が１μｍ程度の粉体では
密度が１．８ｇ／ｃｍ³ 以上、平均粒径が０．５μｍ程
度の粉体では密度が１．５ｇ／ｃｍ³ 以上であることが
より好ましい。それぞれの粒径において密度が１．５ｇ
／ｃｍ³又は１．８ｇ／ｃｍ³ 未満であると、最終的に
得られる焼結体の高密度化が困難となる。

【００５４】この成形体は、次の焼結工程に付す前に、
予め用いるホットプレス型に適合するように切削加工を
行うことができる。この成形体を前記の温度２０００〜
２４００℃、圧力３００〜７００ｋｇｆ／ｃｍ² 、非酸
化雰囲気下で成形金型中に配置し、ホットプレスする工
程即ち焼成工程に付して、高密度、高純度の炭化ケイ素
焼結体を得るものである。

【００５５】以上により生成した炭化ケイ素焼結体は、
十分に高密度化されており、密度は２．９ｇ／ｃｍ³ 以
上である。得られた焼結体の密度が２．９ｇ／ｃｍ³ 未
満であると、曲げ強度、破壊強度などの力学的特性や電
気的な物性が低下し、さらに、パーティクルが増大し、
汚染性が悪化するため好ましくない。炭化ケイ素焼結体
の密度は、３．０ｇ／ｃｍ³ 以上であることがより好ま
しい。

【００５６】また、得られた焼結体が多孔質体である
と、耐熱性、耐酸化性、耐薬品性や機械強度に劣る、洗
浄が困難である、微小割れが生じて微小片が汚染物質と
なる、ガス透過性を有する等の物性的に劣る点を有する
ことになり、用途が限定されるなどの問題点も生じてく
る。

【００５７】本発明で得られる炭化ケイ素焼結体の不純
物元素の総含有量は、５ｐｐｍ以下、好ましくは３ｐｐ
ｍ以下、より好ましくは１ｐｐｍ以下であるが、半導体
工業分野への適用の観点からは、これらの化学的な分析
による不純物含有量は参考値としての意味を有するに過
ぎない。実用的には、不純物が均一に分布しているか、
局所的に偏在しているかによっても、評価が異なってく
る。従って、当業者は一般的に実用装置を用いて所定の
加熱条件のもとで不純物がどの程度ウェハを汚染するか
を種々の手段により評価している。なお、液状のケイ素
化合物と、加熱により炭素を生成する液状の有機化合物
と、重合又は架橋触媒と、を均質に混合して得られた固
形物を非酸化性雰囲気下で加熱炭化した後、さらに、非
酸化性雰囲気下で焼成する焼成工程とを含む製造方法に
よれば、炭化ケイ素焼結体の不純物元素の総含有量を１
ｐｐｍ以下にすることができる。ここで不純物元素と
は、１９８９年ＩＵＰＡＣ無機化学命名法改訂版の周期
律表における１族から１６族元素に属し、且つ、原子番
号３以上であり、原子番号６〜８及び同１４の元素を除
く元素をいう。

【００５８】その他、本発明で得られる炭化ケイ素焼結
体の好ましい物性について検討するに、例えば、室温に
おける曲げ強度は５００〜６５０ｋｇｆ／ｍｍ² 、１５
００℃における曲げ強度は５５０〜８００ｋｇｆ／ｍｍ
² 、ヤング率は３．５×１０ ⁴ 〜４．５×１０⁴ 、ビッ
カース硬度は２０００ｋｇｆ／ｍｍ² 以上、ポアソン比
は０．１４〜０．２１、熱膨張率は３．８×１０^-6〜
４．２×１０^-6（℃^-1）、熱伝導率は１５０Ｗ／ｍ・ｋ
以上、比熱は０．１５〜０．１８ｃａｌ／ｇ・℃、耐熱
衝撃性は５００〜７００ΔＴ℃、比抵抗は１Ω・ｃｍ以
下であることが好ましい。

【００５９】上記の製造方法により得られた焼結体は、
使用目的に合わせて、加工、研磨、洗浄等の処理を行な
われ、イオン注入装置に含まれる各種の部品への使用に
供される。

【００６０】本発明が適用されるイオン注入装置用部品
としては、例えば、図１に示されるイオン発生部１２に
含まれた図示しないフィラメント近傍の内壁ライナー、
引出電極１４、質量分析部１６内に配置され、且つ所望
のイオン種以外のイオン種を遮蔽するためのイオンシー
ルド板１８、イオンビームを絞り込むためのアパーチャ
２２、及び加速部２４の外壁を構成する加速管３０等が
挙げられる。

【００６１】上記の製造方法においては、前記加熱条件
を満たしうるものであれば、特に製造装置等に制限はな
く、焼結用の型の耐圧性を考慮すれば、公知の加熱炉内
や反応装置を使用することができる。

【００６２】本発明の原料粉体である炭化ケイ素粉体及
び原料粉体を製造するためのケイ素源と炭素源、さら
に、非酸化性雰囲気とするために用いられる不活性ガ
ス、それぞれの純度は、各不純物元素含有量１ｐｐｍ以
下であることが好ましいが、加熱、焼結工程における純
化の許容範囲内であれば必ずしもこれに限定するもので
はない。また、ここで不純物元素とは、１９８９年ＩＵ
ＰＡＣ無機化学命名法改訂版の周期律表における１族か
ら１６族元素に属し、且つ、原子番号３以上であり、原
子番号６〜８及び同１４の元素を除く元素をいう。

【００６３】

【実施例】以下に実施例を挙げて本発明を具体的に説明
するが、本発明の主旨を超えない限り本実施例に限定さ
れるものではない。

【００６４】（実施例１）成形体の製造 市販のβ型炭化ケイ素粉体（Ｇｒａｄｅ Ｂ−ＨＰ、
Ｈ．Ｃ．シュタルク社製、平均粒径２μｍ）１４１ｇと
含水率２０％の高純度液体レゾール型フェノール樹脂９
ｇをエタノール２００ｇに溶解したものとを、遊星ボー
ルミルで１８時間攪拌し、十分に混合した。その後、５
０〜６０℃に加温してエタノールを蒸発乾固させ、５０
０μｍの篩にかけて均質な炭化ケイ素原料粉体を得た。
この原料粉体１５ｇを金型に充填し１３０℃で２０分間
プレスして、密度２．２ｇ／ｃｍ³、約３ｃｍ×約４ｃ
ｍ×約４ｍｍの板状の成形体を得た。

【００６５】焼結体の製造 この成形体を黒鉛製型に入れ、以下の条件でホットプレ
スを行った。ホットプレス装置としては、高周波誘導加
熱式１０ｔホットプレスを用いた。 （焼結工程の条件）１０^-5〜１０^-4ｔｏｒｒの真空条件
下で、室温から７００℃まで６時間かけて昇温し、５時
間その温度に保持した。（第１の昇温工程） 真空条件下で、７００℃〜１２００℃まで３時間で昇温
し、さらに、１２００℃〜１５００℃まで３時間で昇温
し、１時間その温度に保持した。（第２の昇温工程） さらに、５００ｋｇｆ／ｃｍ² の圧力で加圧し、アルゴ
ン雰囲気下にて１５００℃〜２２００℃まで３時間で昇
温し、１時間その温度に保持した。（ホットプレス工
程） 得られた焼結体の密度は３．１８ｇ／ｃｍ³ 、ビッカー
ス硬度は２５００ｋｇｆ／ｍｍ² 、電気比抵抗は０．３
Ω・ｃｍであった。得られた焼結体を酸による加熱処理
で熱分解した後ＩＣＰ−質量分析及びフレームレス原子
吸光法で評価した結果を表１に示す。

【００６６】（実施例２）高純度炭化ケイ素粉末の製造 シリカ含有率４０％の高純度エチルシリケートオリゴマ
ー６８０ｇと含水率２０％の高純度液体レゾール型フェ
ノール樹脂３０５ｇを混合し、触媒として高純度トルエ
ンスルホン酸２８％水溶液１３７ｇを加えて硬化乾燥
し、均質な樹脂状固形物を得た。これを窒素雰囲気下９
００℃で１時間炭化させた。得られた炭化物のＣ／Ｓｉ
は元素分析の結果２．４であった。この炭化物４００ｇ
を炭素製容器に入れ、アルゴン雰囲気下で１８５０℃ま
で昇温し１０分間保持した後２０５０℃まで昇温して５
分間保持してから降温して平均粒径１．３μｍの粉末を
得た。不純物含有量は各元素０．５ｐｐｍ以下となっ
た。

【００６７】成形体の製造 上記方法により得られた高純度炭化ケイ素粉末１４１ｇ
と含水率２０％の高純度液体レゾール型フェノール樹脂
９ｇをエタノール２００ｇに溶解したものとを、遊星ボ
ールミルで１８時間攪拌し、十分に混合した。その後、
５０〜６０℃に加温してエタノールを蒸発乾固させ、５
００μｍの篩にかけて均質な炭化ケイ素原料粉体を得
た。この原料粉体１５ｇを金型に充填し１３０℃で２０
分間プレスして、密度２．１ｇ／ｃｍ³ 、約３ｃｍ×約
４ｃｍ×約４ｍｍの板状の成形体を得た。

【００６８】焼結体の製造 この成形体を黒鉛製型に入れ、以下の条件でホットプレ
スを行った。ホットプレス装置としては、高周波誘導加
熱式１０ｔホットプレスを用いた。 （焼結工程の条件）１０^-5〜１０^-4ｔｏｒｒの真空条件
下で、室温から７００℃まで６時間かけて昇温し、５時
間その温度に保持した。（第１の昇温工程） 真空条件下で、７００℃〜１２００℃まで３時間で昇温
し、さらに、１２００℃〜１５００℃まで３時間で昇温
し、１時間その温度に保持した。（第２の昇温工程） さらに５００ｋｇｆ／ｃｍ² の圧力で加圧し、アルゴン
雰囲気下にて１５００℃〜２２００℃まで３時間で昇温
し、１時間その温度に保持した。（ホットプレス工程） 得られた焼結体の密度は３．１５ｇ／ｃｍ³ 、ビッカー
ス硬度は２６００ｋｇｆ／ｍｍ² 、電気比抵抗は０．２
Ω・ｃｍであった。なお、不純物濃度を下記表１に示
す。

【００６９】また、実施例２による得られた焼結体につ
いて物性を詳細に測定した結果、前記以外の特性とし
て、室温における曲げ強度は５００ｋｇｆ／ｍｍ² 、１
５００℃における曲げ強度は５００ｋｇｆ／ｍｍ² 、ヤ
ング率は４．１×１０⁴ 、ポアソン比は０．１５、熱膨
張率は３．９×１０^-6℃^-1、熱伝導率は２００Ｗ／ｍ・
ｋ以上、比熱は０．１６ｃａｌ／ｇ・℃、耐熱衝撃性は
５３０ΔＴ℃であり、前記の好ましい物性を全て満たし
ていることが確認された。

【００７０】（比較例１）成形体の製造 市販のβ型炭化ケイ素粉体（Ｇｒａｄｅ Ｂ−ＨＰ、
Ｈ．Ｃ．シュタルク社製、平均粒径２μｍ）１４１ｇと
炭化ボロン（ＣＢ₄ ）１．１ｇと含水率２０％の高純度
液体レゾール型フェノール樹脂９ｇをエタノール２００
ｇに溶解したものを、遊星ボールミルで１８時間攪拌
し、十分に混合した。その後、５０〜６０℃に加温して
エタノールを除去、蒸発乾固させ、５００μｍの篩にか
けて均質な炭化ケイ素原料粉体を得た。この原料粉体１
５ｇを金型に充填し１３０℃で２０分間プレスして、密
度２．２ｇ／ｃｍ³ 、約３ｃｍ×約４ｃｍ×約４ｍｍの
板状の成形体を得た。

【００７１】焼結体の製造 この成形体を黒鉛製型に入れ、以下の条件でホットプレ
スを行った。ホットプレス装置としては、高周波誘導加
熱式１０ｔホットプレスを用いた。 （焼結工程の条件）１０^-5〜１０^-4ｔｏｒｒの真空条件
下で、室温から７００℃まで６時間かけて昇温し、５時
間その温度に保持した。（第１の昇温工程） 真空条件下で、７００℃〜１２００℃まで３時間で昇温
し、さらに、１２００℃〜１５００℃まで３時間で昇温
し、１時間その温度に保持した。（第２の昇温工程） さらに、１５０ｋｇｆ／ｃｍ² の圧力で加圧し、アルゴ
ン雰囲気下にて１５００℃〜２２００℃まで３時間で昇
温し、１時間その温度に保持した。（ホットプレス工
程） 得られた焼結体の密度は３．１８ｇ／ｃｍ³ 、ビッカー
ス硬度は２４００ｋｇｆ／ｍｍ² 、電気比抵抗は１０⁸
Ω・ｃｍであった。不純物濃度を下記表１に示す。

【００７２】（比較例２）市販の高純度黒鉛製部品（密
度１．６５ｇ／ｃｍ³ 、ビッカース硬度３５０ｋｇｆ／
ｍｍ² 、電気比抵抗２．４×１０^-3Ω・ｃｍ）を使用し
た。

【００７３】これらの不純物濃度を下記表１に示す。

【００７４】

【表１】

【００７５】上記実施例及び比較例の部品を、イオン発
生部の内壁ライナーとして大電流型イオン注入装置に装
着し、電流値が約７ｍＡのイオンビームを発生させて、
これらの部品の耐熱性、耐イオン性及び汚染性を評価し
た。各物性の評価法は以下のとおりである。

【００７６】耐熱性 イオン発生部に同一材料で形成された５枚の内壁ライナ
ーを装着し、イオンビーム発生を通算２００時間実施し
た。次いで、上記内壁ライナーを新たなものと交換して
同じ試験を繰り返し、計１０枚の内壁ライナー中、何枚
の部品に亀裂が発生したかを評価した。

【００７７】耐イオン性 上記と同様に試験を行い、試験前後の内壁ライナーの重
量損失（％）［１−（試験後の内壁ライナー重量）／
（試験前の内壁ライナー重量）×１００］の平均値を求
めた。

【００７８】汚染性 上記部品、市販のシリコンウェハ及び大電流型イオン注
入装置を用いて、電流値が約７ｍＡのイオンビームを発
生させてイオン注入処理を行った後、ウェハ表面より１
μｍ以内での鉄の原子数を確認した。

【００７９】評価結果を表２に示す。

【００８０】

【表２】

【００８１】前記の各実施例及び比較例に明らかなよう
に、本発明の方法により得られた実施例の炭化ケイ素焼
結体は、十分な密度を有し、不純物含有率も極めて低
く、耐熱性及び耐イオン性に優れるものであった。ま
た、実施例の炭化ケイ素焼結体の汚染性は１×１０¹¹ａ
ｔｏｍｓ／ｃｍ² 以下であり、実施例の炭化ケイ素焼結
体はウェハに対する汚染も少ないものであった。一方、
ボロン系助剤を使用した比較例１の炭化ケイ素焼結体
は、耐熱性、耐イオン、及び汚染性共に低いものであっ
た。また、黒鉛で形成された比較例２の部品は、汚染性
は優れるが、耐熱性及び耐イオン性が低いものであっ
た。

【００８２】

【発明の効果】本発明によれば、耐熱性、及び耐イオン
性に優れ、汚染性の少ないイオン注入装置用部品を提供
することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】イオン注入装置の概略構成図である。

【符号の説明】

１０ イオン注入装置 １２ イオン発生部 １４ 引出電極 １６ 質量分析部 １８ イオンシールド板 ２０ ビームライン部 ２２ アパーチャ ２４ 加速部 ２６ 被注入基板 ２８ 注入部 ３０ 加速管

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 密度が２．９ｇ／ｃｍ³ 以上であり、且
   つ炭化ケイ素粉末と非金属系焼結助剤とが均質に混合さ
   れた混合物を焼結することにより得られた炭化ケイ素焼
   結体で形成されたことを特徴とするイオン注入装置用部
   品。
2. 【請求項２】 前記炭化ケイ素焼結体は前記混合物を非
   酸化雰囲気下でホットプレスすることにより得られたも
   のであることを特徴とする請求項１に記載のイオン注入
   装置用部品。
3. 【請求項３】 前記炭化ケイ素粉末が、液状のケイ素化
   合物と、加熱により炭素を生成する液状の有機化合物
   と、重合又は架橋触媒とを混合して得られた混合物を固
   化して固形物を得る固化工程と、得られた固形物を非酸
   化性雰囲気下で加熱炭化した後、さらに非酸化性雰囲気
   で焼成する焼成工程とを含む製造方法により得られたこ
   とを特徴とする請求項１又は２に記載のイオン注入装置
   用部品。
4. 【請求項４】 前記炭化ケイ素焼結体に含まれる不純物
   元素の総含有量が１ｐｐｍ以下であることを特徴とする
   請求項１、２及び３のいずれか１項に記載のイオン注入
   装置用部品。