JPH11307464A - ダミーウエハ - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 拡散炉や縦型炉において製品ウエハの処理性
状を安定化するために用いるダミーウエハとして、耐酸
化性や耐蝕性に優れパーティクル発生も少なく長期に亘
って安定に使用できるダミーウエハを提供する。 【解決手段】 ガラス状カーボン組織中に０．１〜３０
重量％のＳｉが原子レベルで均一に分散複合した組織構
造からなり、黒鉛六角網面層の平均格子面間隔ｄ ₀₀₂ の
値が０．３４０〜０．３８０nmの範囲にあるＳｉ含有ガ
ラス状カーボン材から形成したダミーウエハ。拡散炉や
縦型炉の成膜工程に用いるダミーウエハとして有用であ
る。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ＩＣやＬＳＩ等の半導
体製造工程において、例えば拡散炉や縦型炉において製
品ウエハが並ぶ端側の位置に配置して製品ウエハの処理
性状を安定化するために用いるダミーウエハに関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程において、例えば拡散炉
での酸化膜形成工程や縦型炉での減圧ＣＶＤ法による窒
化膜形成工程では、炉内における反応用ガスの流れや温
度分布を均一に保持することが極めて重要である。しか
しながら、これらの炉内条件を均一に保持することは困
難であり、特に炉内の端部において反応用ガスの流れや
温度分布等が不均一化し易い。そこで、これらの条件が
不均一化し易い製品ウエハが並ぶ端側の位置にダミーウ
エハを配置して、ウエハの熱処理条件を均等化すること
によりウエハに形成される酸化膜や窒化膜の性状を安定
化させる手段が講じられている。

【０００３】したがって、ダミーウエハには耐蝕性、耐
熱性の材質特性が要求され、また高純度であることが必
要である。ダミーウエハとしては石英、炭化珪素、グラ
ファイトなどが検討されているが、石英は耐蝕性に限界
があり、又加工性が悪く、炭化珪素は加工性が悪くまた
高純度化が難しいという欠点がある。グラファイトは材
質的に組織からパーティクルが脱落する難点がある。シ
リコンウエハをダミーウエハとして用いる方法もある
が、ウエハの大型化にともないコスト高となり実用的で
ない。

【０００４】そのため、特開平７−２４０４０１号公報
にはガラス状カーボンで構成する半導体ウエハダミーが
提案されており、また特開平９−１３９３２９号公報に
は熱膨張係数が３．０〜３．５×１０^-6／℃であるガラ
ス状カーボン材で形成したダミーウエハが開示されてい
る。ガラス状カーボン材は、熱硬化性樹脂を炭化して得
られる巨視的に無孔組織の三次元網目構造を呈するガラ
ス質の硬質炭素質物で高強度、化学的安定性、ガス不透
過性、耐摩耗性、自己潤滑性、堅牢性などに優れ不純物
が少ない等の特徴を有しており、特に熱処理中にウエハ
を汚損する原因となる微小なパーティクルが組織から剥
落し難い利点がある。しかしながら、炭素材であるため
酸化雰囲気の拡散炉などの工程制御用ダミーウエハでの
使用には酸化消耗が大きく使用し難い。

【０００５】また、近時、半導体集積度の更なる増加や
製造性能の向上が要望されており、ダミーウエハにも消
耗度合の少ない耐久性に優れた材質性能が要求されてお
り、上記した材質で構成したダミーウエハでは充分でな
い問題点がある。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】本発明者らは、ダミー
ウエハとして用いるガラス状カーボンの材質組織につい
て多角的に研究を進める過程でガラス状カーボン材の組
織中に一定量のＳｉを原子レベルで均一に分散含有させ
ると、耐酸化性や耐蝕性等の化学的安定性が向上するこ
とを見出した。また、ガラス状カーボンの結晶性状も耐
酸化性や耐蝕性に大きな影響を与えることを確認した。

【０００７】本発明はこれらの知見に基づいて開発され
たもので、その目的は耐酸化性及び耐蝕性に優れ、パー
ティクルの発生や汚染が少なく、長期間に亘って安定に
使用することができるダミーウエハを提供することにあ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記の目的を達成するた
めの本発明のダミーウエハは、ガラス状カーボン組織中
に０．１〜３０重量％のＳｉが原子レベルで均一に分散
複合した組織構造からなり、黒鉛六角網面層の平均格子
面間隔ｄ₀₀₂ の値が０．３４０〜０．３８０nmの範囲に
あるＳｉ含有ガラス状カーボン材から形成されたことを
構成上の特徴とする。

【０００９】また、機械的強度が高く、特に曲げ強度が
１０００Kgf/cm² 以上の強度特性を備えたＳｉ含有ガラ
ス状カーボン材で形成したダミーウエハが好ましい。

【００１０】

【発明の実施の形態】本発明のダミーウエハを構成する
Ｓｉ含有ガラス状カーボン材は、ガラス状カーボンの組
織中にＳｉが原子レベルで均一に分散してカーボン成分
と複合した組織構造からなり、原子レベルのＳｉがガラ
ス状カーボン組織中に均一な連続相として分布する組織
性状を備える点に特徴がある。原子レベルのＳｉがガラ
ス状カーボン組織中に均一な連続相として分布する組織
性状とは、実質的にＳｉとＣとからなる組織中に粒界が
存在せず、透過型電子顕微鏡(TEM) の観察によっても粒
状組織が観察されずＳｉ成分が識別できない組織状態を
指す。

【００１１】ガラス状カーボンはフェノール系樹脂、フ
ラン系樹脂、エポキシ系樹脂等の熱硬化性樹脂を焼成炭
化して得られる巨視的に無孔組織の三次元網目構造を呈
する外観上ガラスに似た硬質炭素質物質で、高強度、化
学的安定性、ガス不透過性、耐摩耗性、自己潤滑性に優
れ、不純物が少ない等の特徴を有している。このガラス
状カーボンの組織中にＳｉを分散複合化させるとガラス
状カーボンの組織が強化され、また耐酸化性や耐蝕性が
向上してカーボンと反応性ガスとの反応も抑制される。

【００１２】この場合、ガラス状カーボン組織中に存在
するＳｉは原子レベルで均一に分散していることが必要
である。例えば、ガラス状カーボンを製造する原料樹脂
中にＳｉ粉末あるいはＳｉＣ粉末を添加混合し、焼成炭
化して得られたＳｉ含有ガラス状カーボンでは、ガラス
状カーボン組織中のＳｉ成分がナノレベル、マイクロレ
ベルで凝集した状態で分散している。このようにＳｉ成
分が凝集して分散している場合にはガラス状カーボン組
織の強化が充分に図られず、また反応性ガスとの反応も
低位に抑制することができない。

【００１３】したがって、ガラス状カーボン組織中のＳ
ｉは原子レベルで均一に分散複合した組織構造であるこ
とが必要であるが、その含有量は０．１〜３０重量％の
範囲に設定される。Ｓｉ含有量が０．１重量％を下回る
と化学的安定性や強度特性の向上が充分にもたらされ
ず、一方３０重量％を越えるとＳｉを原子レベルで分散
させることが困難なためである。なお、好ましくは２〜
２０重量％の範囲に設定される。

【００１４】また、Ｓｉ含有ガラス状カーボン材の結晶
構造は、黒鉛六角網面層の平均格子面間隔ｄ₀₀₂ の値が
０．３４０〜０．３８０nmの範囲にあることが必要であ
る。平均格子面間隔ｄ₀₀₂ はＸ線回折でＣ(002) 回折ピ
ークから求められるが、平均格子面間隔ｄ₀₀₂ の値が
０．３４０nmを下回ると黒鉛化が進み、結晶構造がガラ
ス状カーボン特有のアモルファス組織を示さなくなるた
めに組織から離脱する微細パーティクルが多くなる。一
方、平均格子面間隔ｄ₀₀₂ の値が０．３８０nmを越える
とカーボン組織の形成が不充分なために耐酸化性や耐蝕
性などの化学的安定性や強度特性の低下を招くこととな
る。

【００１５】上記性状に加えて機械的強度が高く、特に
曲げ強度が１０００Kg/cm²以上であるとより優れた効果
が発揮される。曲げ強度が１０００Kg/cm²未満の場合に
は組織中に内在するポアが多くなるために表面部の消耗
につれて内在するポアが露出し、ポア周辺部からのパー
ティクルの脱落も著しくなる。

【００１６】本発明のダミーウエハを形成するＳｉ含有
ガラス状カーボン材は、ガラス状カーボンの原料となる
熱硬化性樹脂に有機シラン化合物を添加混合して成形、
硬化したのち、常法にしたがって非酸化性雰囲気下に８
００℃以上の温度で焼成炭化することにより製造するこ
とができる。熱硬化性樹脂としては、例えばフェノール
系樹脂、フラン系樹脂、ポリイミド系樹脂、ポリカルボ
ジイミド系樹脂、ポリアクリロニトリル系樹脂、ピレン
−フェナントレン系樹脂、ポリ塩化ビニル系樹脂、エポ
キシ系樹脂あるいはこれらの混合樹脂等が用いられる。
特に焼成したときに残留する残炭率が４５重量％以上の
フェノール系樹脂、フラン系樹脂もしくはこれらの混合
樹脂等が好ましく使用される。

【００１７】熱硬化性樹脂に添加混合する有機シラン化
合物としては１分子中に１〜３個のＳｉ原子を含む、例
えば下記の一般式で表される有機シラン化合物を用いる
ことが好ましい。但し、下記一般式においてＲ₁ 〜Ｒ₄
はＣ、Ｈ、Ｏ、Ｎ、Ｓｉのいずれかを含む有機官能基で
ある。

【００１８】

【００１９】これらの１分子中に１〜３個のＳｉ原子を
含む有機シラン化合物としては、例えば下記のものを例
示することができる。 (1)１分子中に１個のＳｉ原子を含む有機シラン化合
物；３−アクリロキシプロピルメチルジメトキシシラ
ン、Ｎ−（2-アミノエチル）−３−アミノプロピルメチ
ルジメトキシシラン、３−アミノプロピルメチルジエト
キシシラン、等。 (2)１分子中に２個のＳｉ原子を含む有機シラン化合
物；ヘキサメチルジシロキサン、ヘキサメチルジシラザ
ン、等。 (3)１分子中に３個のＳｉ原子を含む有機シラン化合
物；（3-グリドキシプロピル）ビス（トリメチルシロキ
サン）メチルシラン、ヘキサメチルシクロトリシロキサ
ン、オクタメチルトリシロキサン等。

【００２０】これらの有機シラン化合物を熱硬化性樹脂
液に滴下し、混合して均一な混合溶液を調製する。有機
シラン化合物は熱硬化性樹脂との相溶性が高いので容易
に混合樹脂溶液を所定の形状に成形後、硬化、焼成炭化
することによりＳｉ含有ガラス状カーボン材が製造され
る。

【００２１】なお、混合樹脂溶液中の有機シラン化合物
を高濃度で混合し、均一な安定分散を図るためには熱硬
化性樹脂の分子間に有機シラン化合物の分子が入り込
み、均一に分散した状態が好ましい。したがって、例え
ば熱硬化性樹脂の分子量と有機シラン化合物の分子量と
の比を適切な範囲に設定調節することにより、有機シラ
ン化合物が高濃度で均一に安定分散した混合樹脂溶液を
調製することができる。

【００２２】有機シラン化合物は熱硬化性樹脂中に均質
に分散した状態を維持しながら硬化過程において樹脂と
反応して硬化し、樹脂分子中にシラン化合物が均質に分
散し固定化された硬化樹脂成形体が得られる。次いで、
硬化樹脂成形体は非酸化性雰囲気中で８００℃以上の温
度、好ましくは１０００〜３０００℃の温度に加熱して
焼成炭化することによりＳｉを含有したガラス状カーボ
ンが製造される。

【００２３】この場合熱硬化性樹脂液中の有機シラン化
合物の分散濃度及び焼成炭化温度等を設定制御して、ガ
ラス状カーボン組織中に０．１〜３０重量％のＳｉが原
子レベルで均一に分散し、黒鉛六角網面層の平均格子面
間隔ｄ₀₀₂ の値が０．３４０〜０．３８０nmの範囲にあ
るＳｉ含有ガラス状カーボン材が得られる。なお、混合
樹脂溶液中の有機シラン化合物の分散濃度が大きくなる
と均一な分散状態を維持することが難しくなるため、ガ
ラス状カーボンの組織中にＳｉを原子レベルで均一に分
散複合化できるＳｉ量には限界がある。すなわち、Ｓｉ
の分散量が３０重量％を越えるとＳｉを原子レベルで均
一に分散させることが困難となる。

【００２４】なお、１分子中に３個を上回る数のＳｉ原
子を含む有機シラン化合物を用いると硬化反応時及び焼
成炭化時において、Ｓｉ原子の凝集が起こり易くなりガ
ラス状カーボン組織中にＳｉを原子レベルで均一に分散
させることが困難になる。

【００２５】このようにして得られたＳｉ含有ガラス状
カーボン材は、そのまま或いは表面をバフ研磨やダイヤ
モンドラッピングにより表面平滑度を高めてダミーウエ
ハとして使用される。

【００２６】本発明のダミーウエハを形成するＳｉ含有
ガラス状カーボン材はＳｉ成分が微粒子状態で分散する
組織とは異なり、ガラス状カーボン組織の一部のＣがＳ
ｉに置換して−Ｃ−Ｓｉ−Ｃ−で結合された連続相を有
する特有の複合形態を呈し、またガラス状カーボン組織
も適度のアモルファス性を示すので耐酸化性や耐蝕性に
優れ、パーティクル発生も少ない高耐久性のダミーウエ
ハが提供される。

【００２７】

【実施例】以下、本発明の実施例を比較例と対比して具
体的に説明する。

【００２８】実施例１ 有機シラン化合物として１分子中に１個のＳｉ原子を含
む３−グリシドキシプロピルメチルジメトキシシラン
を、熱硬化性樹脂としてフェノール樹脂を用いて、有機
シラン化合物を熱硬化性樹脂中に攪拌しながら滴下して
１時間混合した。その後、室温にて緩やかな流動状態で
４５時間放置して混合樹脂溶液の均一性を高め調製し
た。次いでこの混合樹脂溶液を成形用の型に注入して真
空脱気したのち、７０℃に加温し最終的に１５０℃の温
度で硬化した。得られた硬化成形体を窒素雰囲気中で１
０℃／hrの昇温速度で加熱し、２０００℃の温度で焼成
炭化した。こようにして、０．５重量％のＳｉが分散複
合したガラス状カーボン材（直径２００mm、厚さ１mm）
を製造した。次いで、このＳｉ含有ガラス状カーボン板
を研磨材粒度＃８０００を用いてバフ研磨し、表面平滑
なダミーウエハを得た。

【００２９】実施例２〜３、比較例１〜２ 実施例１と同じ有機シラン化合物及び熱硬化性樹脂を用
いて、有機シラン化合物の分散濃度が異なる混合樹脂溶
液を調製し、また異なる温度で焼成炭化した他は、実施
例１と同一の方法によりＳｉの分散含有量が異なるＳｉ
含有ガラス状カーボン材を製造して、ダミーウエハを作
製した。

【００３０】実施例４〜５、比較例３〜４ 有機シラン化合物として１分子中に２個のＳｉ原子を含
むヘキサメチルジシロキサンを、熱硬化性樹脂には実施
例１と同一のフェノール樹脂を用いて混合樹脂溶液を調
製し、混合樹脂溶液中の有機シラン化合物の分散濃度及
び焼成炭化温度を変えた他は、実施例１と同一の方法に
よりＳｉの分散含有量が異なるＳｉ含有ガラス状カーボ
ン材を製造し、ダミーウエハを作製した。

【００３１】実施例６〜７、比較例５〜６ 有機シラン化合物として１分子中に３個のＳｉ原子を含
む（3-グリドキシプロピル）ビス（トリメチルシロキサ
ン）メチルシランを、熱硬化性樹脂には実施例１と同一
のフェノール樹脂を用いて混合樹脂溶液を調製し、混合
樹脂溶液中の有機シラン化合物の分散濃度及び焼成炭化
温度を変えた他は、実施例１と同一の方法によりＳｉ分
散含有量の異なるＳｉ含有ガラス状カーボン材を製造し
て、ダミーウエハを作製した。

【００３２】このようにして作製したＳｉ含有ガラス状
カーボン材からなるダミーウエハについて下記の方法に
よりＳｉ分散含有量、Ｘ線回折による黒鉛六角網面層の
平均格子面間隔ｄ₀₀₂ 及び曲げ強度を測定し、また耐酸
化性、耐蝕性等を測定した。得られた結果を表１に示し
た。

【００３３】(1)Ｓｉ分散含有量；ＪＩＳ Ｍ８８１２
に準じて灰化し、ＪＩＳ Ｒ６１２４に準拠して測定。 (2)曲げ強度；ＪＩＳ Ｒ１６０１に準拠して測定。 (3)耐酸化性；空気中９５０℃の温度で１０時間熱処理
した時のダミーウエハの重量減少率及びパーティクル発
生数を測定。 (4)耐蝕性；ＮＨ₄ ＯＨ：Ｈ₂ Ｏ₂ ：Ｈ₂ Ｏを重量比
１：２：１３の割合で混合した混合液中にダミーウエハ
（厚さ１mm）を入れて８０℃で１０時間保持し、次いで
２５０℃の温度で熱処理する操作を２０回反復したのち
厚さ減少量を測定した。

【００３４】

【表１】

【００３５】表１の結果から、ガラス状カーボンの組織
中に０．１〜３０重量％のＳｉが原子レベルで分散複合
し、平均格子面間隔ｄ₀₀₂ の値が０．３４０〜０．３８
０nmのＳｉ含有ガラス状カーボン材で形成した実施例の
ダミーウエハは、これらの特性が外れるＳｉ含有ガラス
状カーボン材で形成した比較例のダミーウエハに比べ
て、耐酸化性及び耐蝕性に優れ、パーティクルの発生数
も少ないことが判る。更に、Ｓｉ含有ガラス状カーボン
材の曲げ強度が１０００Kgf/cm² 以上と高い場合には耐
酸化性や耐蝕性がより向上することも認められる。

【００３６】

【発明の効果】以上のとおり、本発明のダミーウエハに
よれば、ガラス状カーボンの組織中に特定量のＳｉが原
子レベルで均一に分散してカーボン組織と複合化し、ま
たその結晶性状を特定したＳｉ含有ガラス状カーボン材
でダミーウエハを形成したものであるから、耐酸化性や
耐蝕性等の化学的安定性に優れるとともに強度も高く、
パーティクルの発生も低減化することが可能である。し
たがって、拡散炉や縦型炉等の成膜工程に用いるダミー
ウエハとして長期間に亘って安定に使用することが可能
となる。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ガラス状カーボン組織中に０．１〜３０
   重量％のＳｉが原子レベルで均一に分散複合した組織構
   造からなり、黒鉛六角網面層の平均格子面間隔ｄ₀₀₂ の
   値が０．３４０〜０．３８０nmの範囲にあるＳｉ含有ガ
   ラス状カーボン材から形成されたことを特徴とするダミ
   ーウエハ。
2. 【請求項２】 Ｓｉ含有ガラス状カーボン材の曲げ強度
   が１０００Kgf/cm²以上である請求項１記載のダミーウ
   エハ。