(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
５〜２５ｖｏｌ％の開気孔を有する少なくとも７５ｖｏｌ％の転換黒鉛ＳｉＣマトリックスを含む、シリコン処理された炭化ケイ素にもとづく複合体であり、前記マトリックスの開気孔は本質的にシリコンで充填されており、且つ金属不純物含有量が合計で１０ｐｐｍ以下である、シリコン処理された炭化ケイ素にもとづく複合体。
【請求項２】
（ａ）請求項１に記載の複合体を含む半導体製造キルン付属品構成要素を供給すること、ならびに
（ｂ）８００℃〜１４００℃のピーク温度を有する環境で、半導体製造において使用される反応性ガスに前記構成要素をさらすこと、
を含む、半導体製造キルン付属品構成要素を使用する方法。
【請求項３】
（ａ）少なくとも７５ｖｏｌ％のＳｉＣを有し、金属不純物含有量が合計で１０ｐｐｍ以下であり、且つ５〜２５ｖｏｌ％の気孔を有する多孔質の転換黒鉛ＳｉＣ体を供給すること、ならびに
（ｂ）シリコン処理された炭化ケイ素複合体を製造するために、本質的に最大限の密度まで、前記多孔質の転換黒鉛ＳｉＣ体をシリコン処理すること、
を含む、高強度、耐熱衝撃性、高純度のシリコン処理された炭化ケイ素材料を製造する方法。
【請求項４】
（ｃ）前記段階（ｂ）のシリコン処理の前に、少なくとも１６００℃の温度で前記多孔質の黒鉛転換ＳｉＣ体を再結晶化すること、
を更に含む、請求項３に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
集積回路のような半導体デバイスの製造は、約２５０℃から１２００℃以上までの温度で反応性ガスの存在下にシリコンウェハを熱処理することを含むのが通常である。これらのウェハがさらされる温度およびガス濃度は、最終デバイスがウェハ加工環境の微小な変動に敏感である、１μｍより小さい大きさの回路素子要素を含むことが多いので、注意深く制御されなければならない。
【０００２】
半導体製造産業は、炭化ケイ素もしくはシリコン処理された炭化ケイ素からつくられる水平もしくは垂直なキャリアをウェハのためのキルン付属品として使用するのが通常であり、これらのキャリアは約５０までのウェハを保持するように設計されてきた。このような従来のキャリアが使用されるとき、プロセス段階は約１０℃〜３０℃／分の間のかなりゆっくりした傾斜速度（ｒａｍｐ  ｒａｔｅｓ）を含むのが通常である。
【０００３】
しかし、ますます厳格なウェハ性能および効率の要求のために、産業は急速熱プロセス（Ｒａｐｉｄ  Ｔｈｅｒｍａｌ  Ｐｒｏｃｅｓｓｉｎｇ（ＲＴＰ））ウェハ処理法を採用することを考慮されている。米国特許第４，９７８，５６７号明細書（「Ｍｉｌｌｅｒ」）によると、ＲＴＰ条件下で、ウェハは秒オーダ−の時間でその温度が室温から約１４００℃まで上昇する環境で処理される。典型的なＲＴＰ傾斜速度は６００〜６０００℃／分のオーダにある。このような極端なプロセス条件下で、この環境で材料の耐熱衝撃性は決定的に重要である。
【０００４】
Ｍｉｌｌｅｒは、独立型（ｓｔａｎｄ−ａｌｏｎｅ）ＣＶＤ炭化ケイ素でつくられたＲＴＰウェハキャリア、およびＣＶＤ炭化ケイ素で被覆された黒鉛でつくられたキャリアを開示する。しかし、ＣＶＤ炭化ケイ素で被覆された黒鉛でつくられたキャリアは、複合体を熱衝撃に影響を受けやすくする熱膨張係数（「ＣＴＥ」）の有意の不適合に悩むのに、独立型のＣＶＤ炭化ケイ素のコストは法外に高いことが多い。
【０００５】
シリコン処理された炭化ケイ素はＲＴＰ系においてキルン付属品のための候補材料として考えられてきた。特に、米国特許第５，５１４，４３９号明細書（「Ｓｉｂｌｅｙ」）は、ＲＴＰキルン付属品を開示し、そこではシリコン処理された炭化ケイ素はえりぬきの材料である。しかし、従来のウェハ処理においてキルン付属品として通常使用される商業的に利用しうるシリコン処理された炭化ケイ素（「Ｓｉ−ＳｉＣ」）を含む１つの試験において、このＳｉ−ＳｉＣ材料は、材料をとりまく環境温度がほとんど瞬間的に５００℃か３０℃まで降下した熱急冷試験に供されたときに、その曲げ強さの４０％を失う（２６１ＭＰａ から１５８ＭＰａ ）ことがわかった。
【０００６】
上述のシリコン処理された炭化ケイ素が、ＲＴＰ環境において著しい耐熱衝撃性は有さないという知見は驚くべきことではない。Ｔｏｒｔｉらは「熱機関用途のための高性能セラミックス」（“Ｈｉｇｈ  Ｐｅｒｆｏｒｍａｎｃｅ  Ｃｅｒａｍｉｃｓ  ｆｏｒ  Ｈｅａｔ  Ｅｎｇｉｎｅ  Ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ”），ＡＳＭＥ  ８４−ＧＴ−９２、において、反応結合（ｒｅａｃｔｉｏｎ  ｂｏｎｄｉｎｇ）法により製造されるもう１つのシリコン処理された炭化ケイ素材料（ＮＣ−４３０）を検討し、それは高い耐熱衝撃性を有するとのことである。しかし、Ｔｏｒｔｉらは、さらにこのＮＣ−４３０材料はわずか２７５℃のＴｃ値を有することを開示しており、これは、もしこの材料がわずか２７５℃の温度格差に瞬時に供されると、有意の強度低下が生じることを意味するようにみえる。Ｗｅａｖｅｒらは、「厳しい環境での使用のための高強度炭化ケイ素」（“Ｈｉｇｈ  Ｓｔｒｅｎｇｔｈ  Ｓｉｌｉｃｏｎ  Ｃａｒｂｉｄｅ  Ｆｏｒ  Ｕｓｅｌｎ  Ｓｅｖｅｒｅ  Ｅｎｖｉｒｏｎｍｅｎｔｓ”）（１９７３）において、９５〜９９％ＳｉＣを含む熱間成型ＳｉＣ材料は不十分な耐熱衝撃性を有することを報告する。
【０００７】
したがって、ＲＴＰ用途のために設計されたキルン付属品での使用に適した耐熱衝撃性を有するシリコン処理された炭化ケイ素材料に対する強い要望が存在する。
もっと厳格な熱衝撃の要求に加えて、半導体製造産業におけるもう１つの傾向は、処理された認容しうる金属混入レベルの安定した低下である。したがって、産業はキルン付属品にますます高純度材料でつくられることを同時に要求している。
【０００８】
「転換黒鉛」（“ｃｏｎｖｅｒｔｅｄ  ｇｒａｐｈｉｔｅ”）型の炭化ケイ素は金属混入が非常に低レベルであるので、当業者は転換黒鉛材料からＳｉＣキルン付属品を製造することを考えてきた。このような転換黒鉛材料を製造する方法は、黒鉛マトリックス中の炭素原子をケイ素原子と５０％置換させ、そして化学量論的なベータ−ＳｉＣ体を最終的に製造する、注意深く制御された条件で多孔質黒鉛体をＳｉＯガスにさらすことを含む。特開平１−２６４９６９（１９８９）（「Ｔａｎｓｏ」）は転換黒鉛からつくられた３０％多孔質ＳｉＣ材料を本質的に最大限の密度までシリコン処理すること、そしてそのシリコン処理された材料を半導体ウェハプロセス操業でウェハボートとして使用することを教示する。さらにＴａｎｓｏはそのプロセスからつくられた本質的に非多孔質のシリコン処理された生成物は約２．９ｇ／ｃｃ〜３．２ｇ／ｃｃの密度を有しうることを教示する。ケイ素および炭化ケイ素はそれぞれ２．３３ｇ／ｃｃおよび３．２１ｇ／ｃｃの密度を有するので、Ｔａｎｓｏは６４ ｖｏｌ％〜９９ ｖｏｌ％の炭化ケイ素を有するシリコン処理されたＳｉＣ生成物を開示するように思われる。しかし、Ｔａｎｓｏにより開示される実際に可能な方法は比較的低いＳｉＣ部分体のみに限定されるようにみえる。特に、黒鉛の化学量論的ＳｉＣへ転換がうまくいく理由は、黒鉛体内に十分な多孔質通路を与えて、ＳｉＯガスの十分な浸透させるために黒鉛出発体の密度を１．５０ｇ／ｃｃ以下に制御する決定であったとＴａｎｓｏは教示する。この示唆に従うことは転換ＳｉＣ体の密度を約２．２５ｇ／ｃｃのみに限定するようにみえるので、Ｔａｎｓｏは２．２５ｇ／ｃｃ（すなわち７０．０９ ｖｏｌ％ＳｉＣ）を超える密度を有する転換黒鉛ＳｉＣ体をいかに製造するかを教示していないようにみえ、そして７０．０９ ｖｏｌ％を超えるＳｉＣを有するシリコン処理されたＳｉＣ体を教示もしていない。
【０００９】
半導体ウェハプロセスにおける使用のため転換黒鉛のある知られた商業的製造者は、転換黒鉛からつくられ、密度２．５５ｇ／ｃｃもしくは約８０ ｖｏｌ％ＳｉＣを有する多孔質ベータ−ＳｉＣ材料を提供する。しかし、この材料の報告された室温曲げ強度（２５Ｋｓｉ 、もしくは約１７５ＭＰａ ）は比較的低い。通常、少くとも約２３０ＭＰａ の室温曲げ強度は商業的に有用なＳｉＣ拡散構成要素に非常に好適である。さらに、多孔質ＳｉＣ体をシリコン処理することはその強さを高めることは知られているが、上述の製造者からの小冊子は熱膨張不適合の結果を恐れて８０ ｖｏｌ％ＳｉＣを有するこの多孔質転換黒鉛生成物をシリコン処理することを思いとどまらせる。特に、その製造者の小冊子によれば、シリコン（ＣＴＥ＝２．５〜４．５×１０−６／℃）と炭化ケイ素（ＣＴＥ＝４．８×１０−６／℃）の間の熱膨張係数の差異は大きいので、シリコン処理からの冷却の際に、ＳｉＣはシリコンよりもはるかに多く収縮し、そしてこれはシリコン処理からの冷却と続く熱サイクルの間でＳｉＣにおける粒子内結合の応力を創出する。したがって、この小冊子は、複合体材料における強度低下き裂を恐れて７１ ｖｏｌ％を超えるＳｉＣを有する多孔質の転換黒鉛生成物のシリコン処理を積極的に思いとどまらせる。したがって、従来のウェハキャリア用途に必要な比較的高純度で適切な強度の両方、そして好適には将来のＲＴＰ用途に要求される高耐熱衝撃性、をもつ７１ ｖｏｌ％炭化ケイ素（好適に７５ ｖｏｌ％を超えるＳｉＣ、もっと好適には８０ ｖｏｌ％を超えるＳｉＣ）を有するシリコン処理された炭化ケイ素材料に対する要望がさらにある。
【００１０】
本発明者は上述の小冊子の教示を無視して約８０ ｖｏｌ％ＳｉＣを有する多孔質の転換黒鉛ＳｉＣ生成物をうまくシリコン処理した。そのように生成されたシリコン処理されたＳｉＣ体は、本質的に最大限に密にされ室温強度（２６６ＭＰａ ）を有ることが見出されたが、それは半導体プロセス産業におけるキルン付属品として日常的に使用される１つの商業的Ｓｉ−ＳｉＣ材料と本質的に等しかった。したがって、転換黒鉛を含むこの新しいシリコン処理されたＳｉＣ体は高純度および認容しうる強度の両方について今日の半導体製造者の要望を満たす。さらに、この材料の商業的に適切な室温は、多孔質の転換黒鉛ＳｉＣ材料の製造者により供給される注意に照らすと驚くべきことである。
【００１１】
さらに、本発明者は新しいシリコン処理された材料を試験し、それがいくつかの熱衝撃試験に本質的に影響されないことを見出した。特に、材料をとりまく環境の温度がほとんど瞬時に５００℃か３０℃に降下する熱急冷試験に供されるとき材料の次のＭＯＲ強度は１０％より少く低下する。したがって、転換黒鉛を含むこの新しいシリコン処理されたＳｉＣ体は、ＲＴＰ用途に必要な高純度および高耐熱衝撃性の両方について今日の半導体製造者の要望を満たす。さらに、この新しい材料の優れた耐熱衝撃性は、次の点に照らすと驚くべきことである：
ａ）多孔質の転換黒鉛ＳｉＣ材料の製造者の小冊子により供給される注意（特にそれらはシリコン処理により製造される熱応力に関するので）。
【００１２】
ｂ）５００℃熱衝撃試験に適切に生き残ることの従来のＳｉ−ＳｉＣ製品の不成功。
ｃ）商業的Ｓｉ−ＳｉＣ製品と新しい材料の間の室温強度および３００℃熱衝撃試験性能における本質的類似性。
さらに、本発明の材料は商業的なシリコン処理されたＳｉＣ材料に優れる高温（１３００℃）曲げ強度を有することが見出された。
【００１３】
したがって、本発明によれば、高強度、耐熱衝撃性、高純度のシリコン処理された炭化ケイ素材料を製造する方法が提供され、
ａ）少くとも７１ ｖｏｌ％のＳｉＣを有する多孔質の転換黒鉛ＳｉＣ体を供給すること、ならびに
ｂ）シリコン処理された炭化ケイ素複合体を製造するために本質的に最大限の密度まで多孔質の転換黒鉛ＳｉＣ体をシリコン処理すること、
を含む段階を含む。
【００１４】
段階ａ）は、ｉ））多孔質黒鉛体を供給すること、およびｉｉ））少くとも７１ ｖｏｌ％のＳｉＣを有する多孔質の転換黒鉛ＳｉＣ体を製造するために十分である態様で反応物に多孔質黒鉛体をさらすことにより達成される。
さらに本発明によれば、高強度、耐熱衝撃性、高純度のシリコン処理された炭化ケイ素複合体材料が提供され、その材料は開気孔を有する少くとも約７１ ｖｏｌ％の転換黒鉛ＳｉＣマトリックスを有し、ＳｉＣ材料の開気孔はシリコンで充填されている。
【００１５】
さらに本発明によれば、好適にはＲＴＰ用途における使用に適した構成要素の形態で、半導体製造キルン付属品構成要素が提供され、該構成要素は上述の、高強度、耐熱衝撃性、高純度のシリコン処理された炭化ケイ素材料を含む。
さらに本発明によれば、半導体ウェハ製造キルン付属品の構成要素を、好適にはＲＴＰ用途における使用に適した構成要素の形態で、使用する方法が提供され、該構成要素は上述の、高強度、耐熱衝撃性、高純度のシリコン処理された炭化ケイ素材料を含み、
ａ）上述の新しい高強度、耐熱衝撃性、高純度のシリコン処理された炭化ケイ素材料のキルン付属品構成要素（好ましくはＲＴＰ構成要素の形態で）を供給すること、ならびに
ｂ）約８００℃〜１４００℃（ある態様においては約１２００〜１４００℃）のピーク温度を有する環境で半導体製造において使用される反応性ガスに構成要素をさらすこと、
の工程を含む。
【００１６】
あるＲＴＰ態様において、環境温度は室温からピーク温度まで少くとも１００℃／分（好適には、少くとも６００℃／分）の速度で上昇する。
本発明を実施する１つの態様において、少くとも７１ ｖｏｌ％のＳｉＣを有する商業的に入手しうる多孔質の転換黒鉛材料がシリコン処理される。１つの適切な商業的に入手しうる多孔質の転換黒鉛ＳｉＣ材料はＤｅｃａｔｕｒ，ＴＸのＰｏｃｏ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ，Ｉｎｃ．により上市されているＳＵＰＥＲＳｉＣ（登録商標）である。この材料は約８０ ｖｏｌ％ベータ−ＳｉＣを含む転換黒鉛でつくられた多孔質ＳｉＣである。転換黒鉛体のＳｉＣミクロ構造は黒鉛ミクロ構造の全体外見（ｇｅｎｅｒａｌ  ｌｏｏｋ）に保持され、ＳｉＣミクロ構造の中でユニークであり、当業者によく知られている。この材料のミクロ構造写真は表１に示される。ミクロ構造は離散粒子の本質的な不存在により特徴づけられる。さらにそれはＳｉＣ粉末の二峰混合物からつくられる匹敵する従来の多孔質ＳｉＣ体よりももっと実質的なネッキング（ｎｅｃｋｉｎｇ）を有する。さらに、匹敵する二峰ＳｉＣ体よりもシリコンポケットの大きな貯蔵所が少ない。一般に、粗いＳｉＣ粒子の不存在、比較的高い程度のネッキング、および大きいシリコンポケットの相対的な不存在は匹敵しうる再結晶化二峰ＳｉＣ体よりももっと均一な転換黒鉛体の構造をつくる。好適には、多孔質黒鉛出発材料は１０ｐｐｍ 未満の合計金属不純物含量を有する。
【００１７】
適切なシリコン浸透を許すために許容しうる量の連続気孔を有する転換黒鉛材料もシリコン処理のための出発原料として使用されうると考えられる。転換黒鉛材料の気孔率は５ｖｏｌ％〜２９ｖｏｌ％の範囲であることが必要である。もし材料が５ｖｏｌ％より小さい気孔率を有すると、気孔は閉鎖されていると考えられ、本質的に浸透が期待しえない。もっと好適には、材料は５ｖｏｌ％〜２５ｖｏｌ％の気孔率および７５〜９５ｖｏｌ％のＳｉＣを有する。この範囲で気孔率の程度はシリコンによる気孔の本質的に完全な浸透を通常容易に許し、そしてＳｉＣのｖｏｌ％は十分に高いので、強い複合体を製造する。最も好ましくは材料は１０ｐｐｍ未満の合計金属不純物および０．１ｐｐｍ未満の鉄不純物を有する。
【００１８】
本発明を構成するもう１つの態様において、多孔質転換黒鉛体がまず製造される。この態様において、ついで多孔質黒鉛体は少なくとも７１ｖｏｌ％ＳｉＣを有する多孔質の化学量論的ＳｉＣ体に転換される。転換黒鉛体を製造する従来法が後に続かれうる。転換黒鉛を製造する１つの公知方法は、米国特許第４，９００，５３１号明細書に開示され、その明細書は引用により組入れられる。
【００１９】
転換黒鉛体が低温で製造されるならば、黒鉛体にもっとネッキングを付与するためにシリコン処理の前に少なくとも１６００℃の温度で多孔質ＳｉＣ体を再結晶化するのが望ましい。
転換黒鉛材料のシリコン処理は、多孔質の再結晶化された炭化ケイ素体の典型的なシリコン処理にしたがって引き受けられうる。
【００２０】
従来法は、米国特許第３，９５１，５８７号明細書に開示されており、その明細書は引用により組入れられる。たとえば、１つの例において、固体の半導体グレードシリコンの固まりが多孔質の転換黒鉛体の近くに炉内に置かれ、炉の温度はシリコンの融点を超えて上昇される。ついで、溶融シリコンは多孔質ＳｉＣ体に浸透し、完全なシリコン処理を与える。他の態様において、特許第４，７９５，６７３号明細書（「Ｆｒｅｃｈｅｔｔｅ」）に開示されるシリコン処理法が使用される。
【００２１】
理論に縛られることは望まないが、転換黒鉛ＳｉＣミクロ構造は、もしシリコン処理が約１６００℃を超える温度で進むならば、シリコン処理の間に生じうる（それにより粒子間のＳｉＣ結合（すなわちネッキング）の程度を高めそしてもっと強力な材料を製造する）ことが仮定される。したがって、好適な態様において転換黒鉛はネッキングを促進するために少なくとも１６００℃の温度（好ましくは少なくとも１７００℃、そしてもっと好ましくは１８００℃）で溶融シリコンと結びつけられる。
【００２２】
好適には、本発明にしたがって製造されるシリコン処理炭化ケイ素複合体は、本質的にシリコンで充填された気孔を有する転換黒鉛のＳｉＣマトリックスを含み、該体の少なくとも７１ｖｏｌ％はＳｉＣである。好ましくは該体の少なくとも７５％はＳｉＣ、もっと好ましくは少なくとも８０ｖｏｌ％である。多孔質転換黒鉛出発原料も完全なシリコン処理を許す適切な気孔を有さなければならないので、好適な態様において、複合体は７５ｖｏｌ％〜９５ｖｏｌ％のＳｉＣ，そして５ｖｏｌ％〜２５ｖｏｌ％のＳｉを有する。１つの特に好適な態様は約８０ｖｏｌ％転換黒鉛ＳｉＣを有する。通常シリコンは転換黒鉛ＳｉＣマトリックスの気孔を本質的に充填し好ましくは４ｖｏｌ％以下の最終気孔率、もっと好ましくは２ｖｏｌ％未満の最終気孔率、もっと好ましくは１ｖｏｌ％未満の最終気孔率を有する複合体を生じる。すなわち、複合体は理論密度の少なくとも９６％、好ましくは９８％、もっと好ましくは理論密度の少なくとも９９％である密度を有する。
【００２３】
複合体のＳｉＣミクロ構造は転換黒鉛ＳｉＣ出発原料の全体的外見を保持し、さらにＳｉＣミクロ構造中でユニークであり、当業者によく認識されている。シリコン処理された転換黒鉛構造のミクロ写真は図３に示される。黒鉛の典型的な転換は本質的にベータ−炭化ケイ素を製造するのでこの複合体におけるＳｉＣの本質的に全部（すなわち少なくとも９０％）はベータ―炭化ケイ素である。ベータ―ＳｉＣは立方晶相であり、そして立方晶材料は等方性反応を生成するのが通常であることが知られている。対照的に、アルファ−ＳｉＣは六方晶系であり、したがってもっと異方性である反応を生じることが期待される。シリコンとＳｉＣの間に熱膨張の不適合があることが知られているので、この不適合への本発明の材料の等方性反応はそこから生じる応力を弱め得、それによりもっと高い強度を生じさせる。したがって、ある態様において、転換黒鉛ＳｉＣは少なくとも９０ｗｔ％のベータ―ＳｉＣを含み、シリコン処理の段階は転換黒鉛ベータ―ＳｉＣの実質的な転換を防止するのに十分低い温度で実施され、複合体は少なくとも９０ｖｏｌ％のベータ―ＳｉＣを含む。それでもなお、比較的高い温度の黒鉛転換もしくはシリコン処理プロセスが使用され、それにより部分的にもしくは完全にベータ―ＳｉＣをアルファ−ＳｉＣに転換することが期待される。
【００２４】
好適には、１０ｗｔ％未満のＳｉＣが３０μｍより大きい粒子を有するＳｉＣ粒子として特徴づけられる（もっと好ましくは５ｗｔ％未満）。理論に縛られることは望まないが、この新しい材料の優れた耐熱衝撃性の理由はそれが本質的に粗いＳｉＣ粒子を有さないことにあると考えられる。特に、上述のＮＴ−４３０および市販のＳｉ−ＳｉＣ材料はそれぞれ１０〜１５０μｍの粒径を有する約５０ｗｔ％炭化ケイ素粒径を有するが、新しい材料は３０μｍより大きいＳｉＣ粗粒を本質的に有しない。これらの従来技術の材料におけるシリコンとＳｉＣ粒の熱膨張係数における有意の差異はシリコン処理後の複合体の冷却の間にＳｉＣ粒まわりの応力集中を生じさせると考えられる。しかし、もっと粗いＳｉＣ粒により生成した球の応力の影響は比較的小さいＳｉＣ粒により生成される球よりもはるかに大きい。簡単には、比較的粗いＳｉＣ粒は熱応力の状況において重要さを増す。比較的大きく、潜在的にもっと有害なＳｉＣ粒（本発明に決定的であり得た）をシリコン処理材料から除去することは冷却により少じる応力集中の影響を受ける決定的な球を減少させ得る（それによりシリコン処理された材料の機械的な性質を増強させる）。
【００２５】
もし粗いＳｉＣ粒の除去が新しい材料の改良された耐熱衝撃性に対する理由であれば、この知見は商業的なシリコン処理炭化ケイ素材料および新しい材料の室温強度における本質的な類似性ならびに３００℃熱衝撃試験への従来の材料の見掛け抵抗に照らすと驚くべきことである。特に、粗いＳｉＣ粒子は室温ＭＯＲおよび熱衝撃特性に強い影響を有するならば、したがって、シリコン処理の後の冷却において生成されたシリコン処理体に有意な特異な応力があるにちがいなく、そしてこれらの応力は室温および３００℃熱衝撃にもまた異なる結果をもたらしうる。これらの材料の間の著しい性能の差異が５００℃熱衝撃試験のみに現れることは、その効果がきわめて微細である証拠である。
【００２６】
さらに、もし粗いＳｉＣ粒の除去が新しい材料の改良された耐熱衝撃性の理由であるならば、この知見は、粗粒はセラミック体の強じんさを増加するき裂偏向物として作用することが多いという周知の事実に照らすと驚くべきことである。耐熱衝撃性は材料の強じんさを増加させることによって高められるので、粗粒の除去は材料の強じんさを減少し得、それにより耐熱衝撃性を減少させると考えられた。
【００２７】
特に望まれるわけではないが、複合体は、シリコン処理の前に多孔質ベータ―ＳｉＣ体に浸透され、またはシリコン処理の時に多孔質ＳｉＣ体に浸透された追加のＳｉＣ粒子（たとえば１〜３３ｖｏｌ％の量で存在する）を含みうる。
複合体の化学的性質は、次のとおりに測定される：複合体材料の合計金属不純物含量（ＧＤＭＳもしくはスラリーＩＣＰのような従来法により測定される）は、通常１０ｐｐｍ以下、好ましくは５ｐｐｍ以下、もっと好ましくは１ｐｐｍ以下である。複合体材料の鉄不純物含量（ＧＤＭＳもしくはスラリーＩＣＰにより測定される）は通常１ｐｐｍ以下、好ましくは０．５ｐｐｍ以下、もっと好ましくは０．１ｐｐｍ以下である。複合材料のチタン不純物含量は（ＧＤＭＳもしくはスラリーＩＣＰで測定される）、通常３ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下である。複合体材料のアルミニウム不純物含量は（ＧＤＭＳもしくはスラリーＩＣＰで測定され）、通常５ｐｐｍ以下、好ましくは１ｐｐｍ以下、もっと好ましくは０．５ｐｐｍ以下である。対照的に、従来のシリコン処理されたＳｉＣ材料は約８０〜１００ｐｐｍの合計金属不純物および約１ｐｐｍの鉄不純物を有する。
【００２８】
好適には、本発明の複合体は４００℃で少なくとも８５Ｗ／ｍＫ、そして８００℃で少なくとも５０Ｗ／ｍＫの熱伝導度を有する。高温での本発明材料の優れた熱伝導度は下の表ＩＩに示され、市販のシリコン処理ＳｉＣ材料のそれよりも約１０〜１５％高い値を示す。シリコン処理黒鉛材料の幾分高い熱伝導度は優れた５００℃耐熱衝撃性の原因である。材料が熱的衝撃を受けると、その残存は急速に熱を消散する能力に幾分依存し、それによりその内部温度勾配を最小化する。本発明材料の比較的高い熱伝導度は熱をもっと急速に均等に消散させ、それにより熱衝撃破壊に通常関係する応力誘導熱勾配を最小化することが可能である。
【００２９】
しかしながら、本発明材料の熱伝導度は商業的に利用しうるシリコン処理材料よりも高いけれども、それは約１０〜１５％高いだけである。したがって、熱伝導のこの適度な増加の実際的効果は微細であり、１０〜１５％の差異が重要である特定の条件下で現れるにすぎないことが仮定される。たとえば、１０〜１５％の差異は３００℃熱衝撃試験で差異が現れない（下の表Ｉに示される）が、５００℃熱衝撃試験において大きな差異を形成する。３００℃熱衝撃試験におけるこれらの材料の明らかに類似の性能がもっと高い温度の試験で、類似の結果の期待を与えるという点で、本発明材料の優れた５００℃耐熱衝撃性は驚くべきことである。
【００３０】
上述のように本発明材料の優れた熱伝導度は下の表ＩＩに示され、商業的に利用しうるシリコン処理ＳｉＣのそれよりも約１０〜１５％高い。ＳｉＣはシリコンよりも著しく高い（ほとんど１オーダーの大きさ）熱伝導度を有するので、これらの体の熱消散はＳｉＣ相を通る伝導により主に実行されそうであることは明らかである。しかし、これらの各材料は約８０ｖｏｌ％のＳｉＣを含むので、これらの２つの材料間の熱伝導度の差異は単にＳｉＣ含量の差異を根拠とするだけでは説明され得ない。むしろ、本発明材料の優れた熱伝導度はＳｉＣ相の比較的高い結合性（従来のＳｉＣ材料と比較して）によることができると考える。本発明材料の分析はＳｉＣ相がミクロ構造の隅々までかなり連続的であることを示した。すなわち、ＳｉＣの“脈”（“ｖｅｉｎｓ”）は比較的および均一に厚い。対照的に、商業的に入手しうるシリコン処理ＳｉＣ材料は、本発明の転換黒鉛材料の脈の厚のようには広くない比較的小さい再結晶ＳｉＣ粒子により互いに部分的に結合されている粗いＳｉＣ粒子により本質的に特徴づけられる。すなわち市販の材料は低い程度のネッキングを有する。したがって、熱は本発明材料をとおってもっと容易に伝導されることが可能である。なぜなら、その均一に厚いＳｉＣ脈は商業的に利用しうる材料のようには多くの高抵抗ネックを示さないからである。
【００３１】
これらの２つの材料のミクロ構造についての限定された定量分析は、この仮説にかなり一致する情報を与える。１つの分析実施において、離散シリコンポケットの最大長さは研磨されたミクロ構造の２−Ｄ分析により特徴づけられる。最高長さ値はシリコンポケットの比較的大きな結合性、その結果としてＳｉＣ相（熱伝導に重要である）の比較的小さい結合性、の特徴である。本発明材料における最大長さ値（シリコン処理された商業的材料に比較して）は図４に表わされる。この図４は本発明のシリコンポケット６５〜７５％は１０μｍより小さい最大長さを有する。対照的に、従来の材料におけるシリコンポケットの５５％以下は１０μｍより小さい最大長さを有する。したがって、本発明の好適な態様において、本発明におけるシリコンポケットの少なくとも６０％は、１０μｍより小さい最大長さを有する。
【００３２】
複合体の機械的性質は次のとおりである：通常、複合体は少なくとも約２３０ＭＰａ，好ましくは少なくとも約２５０ＭＰａの室温４点曲げ強度を有する。それは少なくとも約２００ＭＰａ、好ましくは少なくとも約２２０ＭＰａの１３００℃４点曲げ強度を有する。その５００℃耐熱衝撃性（約５００℃の温度から冷水に急冷された後に測定された室温強度で特徴づけられる）は通常その試験前の強度の少なくとも８０％（好ましくは少なくとも９０％）であり、通常少なくとも約２３０ＭＰａ（好ましくは少なくとも２５０ＭＰａ）である。
【００３３】
多孔質転換黒鉛マトリックスは比較的均一なミクロ構造（すなわち、離散粒子の不存在、本質的に粗粒がなく、大きいシリコンポケットがほとんどない）により特徴づけられるので、得られる「転換黒鉛」ＳｉＣマトリックスも均一に同様に特徴づけられる。
本発明材料の優れた熱衝撃特性のもう１つの理由は、高程度の均一性にありうる。簡単には、もっと均一な構造を有する複合体材料はもっと不均一な材料よりも熱を伝導し応力にもっと良好に反応することができるであろう。この点に関して、本発明材料は均一に厚いＳｉＣ脈および小さいシリコンポケットを有することがわかった。対照的に、商業的なシリコン処理された材料は薄いＳｉＣネックおよび大きいシリコンポケットを有する。
【００３４】
さらにこれら２つの材料のミクロ構造の定量分析はこの仮説に再びかなり一致する情報を付与する。もう１つの分析の実施において、個々のシリコンポケットの面積が測定された。かなり小さい面積のきっちりした１峰分布がよく分散されたシリコン層の特徴であると考えられる。下の図５に示されるように、本発明材料における平均ポケット面積は市販のシリコン処理材料のそれよりも小さい。この図は本発明におけるシリコンポケットの５５〜６５％は２０μｍ２より小さい面積を有することを示す。対照的に、従来の本発明材料におけるシリコンポケットの約４５％は２０μｍ２より小さい面積を有する。したがって本発明の好適な態様において、シリコンポケットの少なくとも５０％は２０μｍ２より小さい面積を有する。さらに、ポケットの分布は比較的狭いようにみえ（初期の傾斜はもっと急である）、それにより本発明材料における高程度の均一性を示す。好適には、本発明複合体は５×１０−６／℃、好適には、４．５×１０−６／℃の熱膨張率を有する。本発明材料の総体的な熱膨張係数は市販のシリコン処理材料のそれより著しく低い。表ＩＩを参照されたい。低膨張係数は熱サイクルの間、もっと少ない応力を生じるように見えるので、本発明材料の低熱膨張係数は優れた高温性能特性を演ずるのは明らかであると考えられる。
【００３５】
本発明の複合体は高純度、良好な室温強度および良好な高温強度を有するので従来の半導体ウェハ製造のためのキルン付属品材料として適切に使用されうる。このような構成要素は水平ウェハボート、垂直ラック、プロセス管およびパドルを含むのが通常である。本発明の複合体はまた優れた耐熱衝撃性を有するので、急速熱処理用途における理想的な候補であるようにみえる。このような用途において、複合体はベルジャーチャンバーおよびウェハサセプタのようなＲＴＰ処理のための構成材料でありうる。ある好適なＲＴＰ用途において処理環境は少なくとも１５０℃／分、好ましくは少なくとも約６００℃／分の速度で増加される。あるＲＴＰ用途において処理環境は少なくとも１００℃／分の速度で冷却される。急速傾斜炉を含むある好適な用途において、処理環境は４０〜１００℃／分、好ましくは６０〜１００℃／分の速度で増加される。
実施例１
約２０ｖｏｌ％の気孔率を有する「転換黒鉛」ＳｉＣ材料でつくられる市販ウェハボートの部分がシリコン処理されＳｉＣチャンネルに置かれ、チャンネルはエレクトロニクス級シリコンの固まりで充填された。ついで、ボート、シリコンおよびチャンネルは誘導炉に置かれ約１８５０℃に加熱された。冷却後、シリコン処理された物品はついで余剰シリコンを除去するために砂吹きされた。
【００３６】
ついでシリコン処理物品は、室温４点曲げ強度、１３００℃４点曲げ強度、３００℃熱衝撃、５００℃熱衝撃を含む、従来の一式の機械的試験に供された。熱衝撃試験は物品を炉内で試験温度に加熱し、物品を除去し、炉からの除去の約１秒以内に約０℃の水おけにただちに急冷することにより実行された。
これらの物品の他の特徴も測定され、熱拡散率、熱膨張係数を含む。熱拡散率値はレーザーフラッシュ法で測定された。材料の比熱は示差熱分析で測定された。ついで材料の熱伝導率がそのようにして得られた熱拡散率および比熱値より測定された。
【００３７】
最後にシリコン処理材料のミクロ構造は小さい断片を装着し研磨することにより定量分析のために調製された。一連の画像分析測定が２つの別々の断片について実施された。これらの試験結果は下の表ＩおよびＩＩ、図３〜５ならびに上述の説明に示される。
比較例１
シリコン処理されたＣＲＹＳＴＡＲ（８０ｖｏｌ％Ｓｉとを有するシリコン処理炭化ケイ素材料であり、Ｎｏｒｔｏｎ  Ｅｌｅｃｔｒｏｎｉｃｓ，Ｗｏｒｃｅｓｔｅｒ，Ｍａｓｓａｃｈｕｓｅｔｔｓから商業的に入手しうる）の材料が得られた。この試料は実施例１と同一の試験へ供された。分析の結果は同様に示される。
【００３８】
表Ｉに示されるように、この比較例は本質的に本発明と同一の密度および室温強度ならびに、３００℃耐熱衝撃性を有するが、はるかに劣る５００℃耐熱衝撃性および劣る１３００℃曲げ強度を有する。
比較例２
多孔質ＳＵＰＥＲＳＩＣ（登録商標）（約８０ｖｏｌ％ＳｉＣを有する転換黒鉛炭化ケイ素であり、Ｄｅｃａｔｕｒ，ＴｅｘａｓのＰｏｃｏ  Ｇｒａｐｈｉｔｅ，Ｉｎｃ．から商業的に入手しうる）の試料が得られた。この試料は実施例１と同一の試験に供された。分析の結果は下の表Ｉに示される。この材料の弱い強度はほとんどすべての機械的な試験において明らかである。
【００３９】
【表１】
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【００４０】
【表２】
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【図面の簡単な説明】
【図１】シリコン処理されていない、多孔質の転換黒鉛ＳｉＣ体の従来技術のミクロ構造を示す写真である。
【図２】微細および粗粒アルファ−ＳｉＣ粒を含むシリコン処理されたＳｉＣ体の従来技術のミクロ構造を示す写真である。
【図３】本発明の、シリコン処理された転換黒鉛ＳｉＣ体のミクロ構造を示す。
【図４】本発明材料および競合する従来技術の材料におけるシリコンポケットの最大長さを比較するグラフである。
【図５】本発明材料および競合する従来技術の材料におけるシリコンポケットの面積を相互に比較するグラフである。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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