(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
イオンビームが衝突又は接触する、イオン注入機における黒鉛からなるカーボン部材であって、その表面から内部にかけてガラス状カーボン含浸層を有すると共に、該ガラス状カーボン含浸層の表面に鉛筆引っかき値で３Ｈ以上の表面硬度のガラス状カーボン被覆層を有することを特徴とするイオン注入機用カーボン部材。
【請求項２】
イオン注入機用カーボン部材が、イオンビーム引出部、イオンビーム収束部又は走査部に使用される、イオンビームが衝突又は接触する部材である請求項１に記載のイオン注入機用カーボン部材。
【請求項３】
ガラス状カーボン含浸層及び／又はガラス状カーボン被覆層を形成するガラス状カーボンが、有機重合体の熱分解物又は熱硬化性樹脂の焼成により得られるものである請求項１に記載のイオン注入機用カーボン部材。
【請求項４】
イオン注入機用カーボン部材を形成する黒鉛が、等方性黒鉛であって、且つ、鉛筆引っかき値でＨＢ以上の硬度をもつものである請求項１に記載のイオン注入機用カーボン部材。
【請求項５】
イオンビームが衝突又は接触する、イオン注入機における黒鉛からなるカーボン部材の形状の、鉛筆引っかき値でＨＢ以上の等方性黒鉛に対し、その表面から内部にかけて、有機重合体の熱分解物溶液又は熱硬化性樹脂溶液を含浸し、２００℃までは減圧雰囲気で、４００から１２００℃までは常圧以上で、１２００から２０００℃の最終焼成温度で焼成して、１０００μｍ以上の厚さのガラス状カーボン含浸層を形成した後、有機重合体の熱分解物溶液又は熱硬化性樹脂溶液を浸漬又は塗布し、２００℃までは減圧雰囲気で、４００から１２００℃までは常圧以上で、１２００から２０００℃の最終焼成温度で焼成して、該ガラス状カーボン含浸層の表面に鉛筆引っかき値で３Ｈ以上の表面硬度を有する１〜５μｍの厚さのガラス状カーボン被覆層を形成することを特徴とするイオン注入機用カーボン部材の製造方法。
【請求項６】
イオンビームが衝突又は接触する、イオン注入機における黒鉛からなるカーボン部材の形状の、鉛筆引っかき値でＨＢ以上の等方性黒鉛に対し、その表面から内部にかけて、有機重合体の熱分解物溶液又は熱硬化性樹脂溶液を含浸し、更に浸漬又は塗布した後、２００℃までは減圧雰囲気で、４００から１２００℃までは常圧以上で、１２００から２０００℃の最終焼成温度で焼成して、１０００μｍ以上の厚さのガラス状カーボン含浸層と、該ガラス状カーボン含浸層の表面において、鉛筆引っかき値で３Ｈ以上の表面硬度を有する１〜５μｍの厚さのガラス状カーボン被覆層を同時に形成することを特徴とするイオン注入機用カーボン部材の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体やＴＦＴ型液晶ディスプレイの製造プロセス等に用いられるイオン注入機用のカーボン部材及びその製造方法に関するものであり、更に詳しくは、イオンビーム等による磨耗に対し耐性があり、しかもカーボンダストが発生したりガスが吸着したりすることのない、カーボン部材によるイオン注入機用の部材及びその製造方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
イオン注入装置は、例えば半導体の製造プロセスにおいて、目的の不純物元素をイオン化して数十〜数百ｅＶのエネルギーに加速し、これを半導体に対して打ち込むための装置である。
【０００３】
半導体の製造プロセスに使用される上記のようなイオン注入装置内の、イオンビームが衝突又は接触する部材は、目的とする不純物元素以外の不純物元素が打ち込まれて半導体に悪影響が生じないようにするため、高純度の材料を使用する配慮がなされており、この部材のための高純度の材料としては、高純度化の容易な材質であるとして知られ、万一、半導体に打ち込まれてもその影響が少ないと考えられる黒鉛が多く使用されている。
【０００４】
一方、ＴＦＴ型液晶ディスプレイの製造プロセス用に使用されるイオン注入装置内の上記のような部品については、かなり大型のものが必要とされるので、ダストが大量に発生する黒鉛よりも、モリブデン（Ｍｏ）やアルミニウム（ＡＩ）等の金属材料が使用されることが多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来のイオン注入装置内の部品を製造するために使用されている黒鉛は、非常に柔らかく、イオンが衝突して磨耗しやすいという問題があり、特にイオンビーム引出部、イオンビーム収束部又は走査部等に使用される部材が磨耗すると、イオンビームの軌道がずれ、半導体の品質に悪影響を及ぼすことになるため、頻繁に交換せざるを得ないという難点がある。
【０００６】
又、黒鉛は黒鉛粒子の結合体であり、黒鉛粒子の脱落が発生しやすいため、黒鉛粒子が異物として製品である半導体に混入し、歩留まりを下げるという難点や、多孔質でガスを吸着しやすいため、イオン注入装置を稼働させる際に所定の真空度に達するまでに時間がかかる等の難点もある。
【０００７】
金属材料にいたっては、それ自体が目的以外の元素で構成された材料であり、ここから出るダストが製品である半導体に打ち込まれて、品質に大きな影響を与えてしまうことは明らかである。
【０００８】
一方、黒鉛粒子が異物として製品である半導体に混入するという難点については、これを解決するために、黒鉛にガラス状カーボンとなりうる樹脂を含浸した後、硬化、焼成炭化して黒鉛化処理し、所望の形状に加工する方法（特開平７−３０２５６８）や、熱硬化性樹脂とピッチ又はメソフェーズピッチを混合して焼成、黒鉛化した材料を用いる方法（特開平７−３１５９３１）が提案されているが、前者にはガラス状カーボンの含浸を行った後に形状加工するため、含浸の行き届かない部分が表面に露出してしまい、十分な効果が得られないことがあるという難点があり、後者には得られる材料が多孔質でガスを吸着
しやすいという難点がある。
【０００９】
本発明は、上記のような従来技術の難点を解消し、イオンビーム等による磨耗に対し耐性があり、しかもカーボンダストが発生したりガスが吸着したりすることのない、カーボン部材によるイオン注入機用の部材及びその製造方法を提供することを目的としてなされたものである。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明が採用したイオン注入機用カーボン部材の構成は、イオンビームが衝突又は接触する、イオン注入機における黒鉛からなるカーボン部材であって、その表面から内部にかけてガラス状カーボン含浸層を有すると共に、該ガラス状カーボン含浸層の表面に鉛筆引っかき値で３Ｈ以上の表面硬度のガラス状カーボン被覆層を有することを特徴とするものであり、又、その製造方法の構成は、イオンビームが衝突又は接触する、イオン注入機における黒鉛からなるカーボン部材の形状の、鉛筆引っかき値でＨＢ以上の等方性黒鉛に対し、その表面から内部にかけて、有機重合体の熱分解物溶液又は熱硬化性樹脂溶液を含浸し、２００℃までは減圧雰囲気で、４００から１２００℃までは常圧以上で、１２００から２０００℃の最終焼成温度で焼成して、１０００μｍ以上の厚さのガラス状カーボン含浸層を形成した後、有機重合体の熱分解物溶液又は熱硬化性樹脂溶液を浸漬又は塗布し、２００℃までは減圧雰囲気で、４００から１２００℃までは常圧以上で、１２００から２０００℃の最終焼成温度で焼成して、該ガラス状カーボン含浸層の表面に鉛筆引っかき値で３Ｈ以上の表面硬度を有する１〜５μｍの厚さのガラス状カーボン被覆層を形成することを特徴とするか、或いは、イオンビームが衝突又は接触する、イオン注入機における黒鉛からなるカーボン部材の形状の、鉛筆引っかき値でＨＢ以上の等方性黒鉛に対し、その表面から内部にかけて、有機重合体の熱分解物溶液又は熱硬化性樹脂溶液を含浸し、更に浸漬又は塗布した後、２００℃までは減圧雰囲気で、４００から１２００℃までは常圧以上で、１２００から２０００℃の最終焼成温度で焼成して、１０００μｍ以上の厚さのガラス状カーボン含浸層と、該ガラス状カーボン含浸層の表面において、鉛筆引っかき値で３Ｈ以上の表面硬度を有する１〜５μｍの厚さのガラス状カーボン被覆層を同時に形成することを特徴とするものである。
【００１１】
即ち、本発明の発明者らは、上記のような従来技術の難点を解消する手段について鋭意検討を行った結果、黒鉛を所望のイオン注入機用カーボン部材の形状に加工した後、その表面から内部にかけてガラス状カーボン含浸層を、そして該ガラス状カーボン含浸層の表面に所定の表面硬度のガラス状カーボン被覆層を形成することにより、前記黒鉛の表層における黒鉛粒子の結合強度が高まり、黒鉛粒子の脱落が発生しにくなるばかりか、ガスの吸着量が少なくなり、更には不純物金属元素の影響のないイオン注入機用カーボン部材を得ることができることを見い出したのである。
【００１２】
又、本発明の発明者らは、ＪＩＳ  Ｋ−５４００に規定される鉛筆引っかき値と、イオンビームによる磨耗とに密接な関連があることを見い出し、更に鋭意検討の末、上記イオン注入機用カーボン部材の表面におけるガラス状カーボン被覆層の表面硬度を、前記鉛筆引っかき値で３Ｈ以上に調整することで、従来の黒鉛部材に比較して顕著な耐磨耗効果が発現するという結果を得、本発明を完成するに至ったものである。
【００１３】
【発明の実施の態様】
以下に本発明を詳細に説明する。
【００１４】
本発明が対象とするイオン注入機用カーボン部材としては、イオンビーム引出部、イオンビーム収束部又は走査部に使用される、イオンビームが衝突又は接触する部材等を例示することができる。
【００１５】
本発明ではまず、上記のようなイオン注入機用カーボン部材の形状を黒鉛により作製するのであり、この黒鉛に特に制限はないが、後述するガラス状カーボンによる被覆層を、形成後の鉛筆引っかき値で３Ｈ以上のものとして得るためには、ＣＩＰ法、ＨＩＰ法等で得られた等方性黒鉛であって、且つ、鉛筆引っかき値でＨＢ以上の黒鉛を使用することが好ましく、それ以外の黒鉛を使用すると、前記鉛筆引っかき値で３Ｈ以上のものを得ることができないことがある。
【００１６】
イオン注入機用カーボン部材の形状を有する黒鉛は、好ましくは上記の条件を満たす黒鉛ブロックより切り出した黒鉛材を、通常は切削液による汚染がないように、乾式による切削加工や研削加工、場合によっては超音波や電子ビームを使用した加工法を用いて、所定のイオン注入機用カーボン部材の形状に形成される。
【００１７】
本発明では次いで、上記のようにイオン注入機用カーボン部材の形状とした黒鉛に対し、その表面から内部にかけてガラス状カーボン含浸層を形成するのであり、このガラス状カーボン含浸層の形成は、焼成してガラス状カーボンとなる原料溶液をイオン注入機用カーボン部材の形状とした黒鉛に含浸した後に、不活性雰囲気中で焼成すればよい。
【００１８】
上記ガラス状カーボン含浸層を形成するための原料溶液としては、有機重合体を熱分解して溶剤に溶解したものや、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等の熱硬化性樹脂溶液を例示することができるが、中でも黒鉛と濡れやすく、純度の高いガラス状カーボンを得ることができ、低粘度の溶液を用いても残炭率が高い等の観点から、ポリカルボジイミド樹脂溶液が最も望ましい。
【００１９】
上記原料溶液の含浸は、ただ浸漬するだけでも多孔質である黒鉛中に浸透するが、より効率的に浸透させるために、超音波含浸法、真空含浸法、加圧含浸法又はそれらの組み合わせを用いることができる。
【００２０】
原料溶液の含浸後、表面全体をワイパー等で拭い、例えばオーブンを用いて乾燥し、更に不活性雰囲気中で焼成を行うことにより、上記ガラス状カーボン含浸層を形成することができ、例えばポリカルボジイミド樹脂を用いた場合は、オーブン中にて１２０℃以下の温度で乾燥させた後、２００℃で熱硬化させ、そして１０００℃以上で焼成すればよい。
【００２１】
上記ガラス状カーボン含浸層は、内部に亘ってなるべく深く形成するとよく、例えば１０００μｍ以上の厚みに形成すると、後述するガラス状カーボン被覆層の付着力を強めるアンカーとなる。
【００２２】
ガラス状カーボン含浸層を１０００μｍ以上の厚みとなるように形成するためには、前記原料溶液として粘度が１００ｃｐｓ以下のものを使用することが望ましいが、多様な加工形状の黒鉛に対しすべてムラ無く均一に含浸するためには、５０ｃｐｓ以下の粘度のものを使用することがより望ましい。
【００２３】
本発明では更に、上記のようにガラス状カーボン含浸層を設けた黒鉛に対し、該ガラス状カーボン含浸層の表面にガラス状カーボン被覆層を設けるのであり、このガラス状カーボン被覆層の形成は、前記ガラス状カーボン含浸層の形成と同様、焼成してガラス状カーボンとなる原料溶液をイオン注入機用カーボン部材の形状とした黒鉛に例えば塗布した後に、不活性雰囲気中で焼成すればよい。
【００２４】
上記ガラス状カーボン被覆層を形成するための原料溶液としては、前記ガラス状カーボン含浸層の形成と同様、有機重合体を熱分解して溶剤に溶解したものや、フェノール樹脂、フラン樹脂、ポリカルボジイミド樹脂、ポリイミド樹脂、ポリアミドイミド樹脂等の熱硬化性樹脂溶液を例示することができるが、中でも黒鉛と濡れやすく、純度の高いものを得ることができ、低粘度の溶液を用いても残炭率が高い等の観点から、ポリカルボジイミド樹脂溶液が最も望ましい。
【００２５】
被覆層の形成は、原料溶液に黒鉛を浸漬した後、余分な原料溶液のみを取り除き、乾燥−熱硬化させる方法を１回もしくは数回繰り返す浸漬法や、スプレー、刷毛塗り等を行った後に乾燥−熱硬化する方法を用いることができる。尚、原料溶液は、被覆方法にあわせて粘度、濃度を調整すればよい。
【００２６】
尚、ガラス状カーボン被覆層は１μｍ〜５μｍの範囲のものであることが好ましく、１μｍ以上であればガス吸着防止効果が大きくなり、５μｍ以下であればエネルギーの高いイオンビームが衝突した場合に発生する熱を拡散しやすくなり、熱衝撃でクラックや剥離が生じにくい。
【００２７】
ガラス状カーボン被覆層を、上記のような理由から１μｍ〜５μｍの範囲のものとするときは、黒鉛に対する原料溶液の塗布量を調整すればよく、例えばポリカルボジイミド樹脂を用いた場合は、原料溶液を塗布等し、２００℃で硬化させた時の膜厚が２〜１０μｍとなるように塗布量を定めればよい。
【００２８】
上記のように形成されたガラス状カーボン被覆層の表面硬度は、ＪＩＳ  Ｋ−５４００に規定される鉛筆引っかき値で３Ｈ以上であり、イオン注入機用カーボン部材はイオンビームが衝突又は接触することにより摩耗していくが、このような表面硬度を有するガラス状カーボン被覆層を形成した本発明のイオン注入機用カーボン部材は、従来の黒鉛部材と比較して顕著な耐摩耗効果が発現するのである。
【００２９】
尚、硬度を表現する単位としては、ショア硬度やロックウェル硬度があるが、ガラス状カーボン被覆層が形成された黒鉛の場合、鉛筆引っかき値とショア硬度やロックウェル硬度は関連がなく、ショア硬度やロックウェル硬度とイオンビームによる磨耗は関連性が小さいという知見も得ている。
【００３０】
鉛筆引っかき値がＨＢ〜２Ｈの黒鉛を用いて、ガラス状カーボン被覆層の形成後の鉛筆引っかき値を３Ｈ以上に調整するためには、焼成段階において、鉛筆引っかき値は最終焼成温度を上げるにつれ上昇するが、２０００℃を越えると逆に下がってしまうため、１２００℃以上２２００℃以下の範囲で最終焼成温度を調整することが好ましい。
【００３１】
同時に、ガラス状カーボンの強度をより高くするために、室温から２００℃までは、吸着水を発散させるために減圧雰囲気（１ｔｏｒｒ以下）で行い、４００℃〜１２００℃までは、圧力を常圧（７６０ｔｏｒｒ）以上にすることが好ましく、それ以外の温度では、不活性の雰囲気であれば特に限定はない。
【００３２】
又、本発明のカーボン部材を取り付けた後にイオン注入機を稼動させる際、イオン注入機用カーボン部材にガスの吸着があると、運転を開始するのに必要な真空度の到達に際し時間がかかり、黒鉛材による部材と比較して、本発明のカーボン部材のガス吸着量は小さいが、より一層ガス吸着が起こらないようにするためには、最終焼成温度で再度減圧雰囲気（ｌｔｏｒｒ以下）において０．５時間以上保持することが効果的である。
【００３３】
鉛筆引っかき値が３Ｈ以上の黒鉛を使用する場合は、不活性雰囲気で、最終焼成温度を１２００℃以上に設定すれば、良好なイオン注入機用カーボン部材を得ることができるが、この場合も焼成段階で前記方法をとることにより、更に良好なイオン注入用部材を得ることができる。
【００３４】
尚、前記不活性の雰囲気とするには、基本的にはアルゴン（Ａｒ）や窒素（Ｎ２）等を使用するが、純度をより高めるために塩素（Ｃｌ２）や塩化水素（ＨＣｌ）ガスを導入してもよい。
【００３５】
又、イオン注入機用カーボン部材の形状とした黒鉛を、ガラス状カーボン含浸層を形成するための原料溶液に浸漬すれば、当該黒鉛の表面に対しガラス状カーボン含浸層を形成するための原料溶液を塗布することにもなるので、本発明では、この状態で焼成することにより、ガラス状カーボン含浸層とガラス状カーボン被覆層とを同時に形成するようにしても良い。
【００３６】
更に、本発明では、イオン注入機用カーボン部材の形状とした黒鉛を、ガラス状カーボン含浸層を形成するための原料溶液に浸漬した後に、一旦乾燥或いは更に硬化させておき、その後に当該黒鉛の表面に対しガラス状カーボン含浸層を形成するための原料溶液を塗布等して乾燥或いは更に硬化させておき、この状態で焼成することにより、ガラス状カーボン含浸層とガラス状カーボン被覆層とを同時に形成するようにしても良い。
【００３７】
【実施例】
以下、実施例を用いてより詳細に説明する。
【００３８】
実施例１〜５、比較例１〜３
表１に示した鉛筆引っかき値の黒鉛を図１に示す形状に加工した後、粘度３０ｃｐｓのポリカルボジイミド溶液中で真空含浸を行い、その全面をワイパーにより拭き取って乾燥、熱硬化を行った。次に、粘度１０ｃｐｓのポリカルボジイミド溶液をスプレーして被覆を行い、乾燥、熱硬化を行った。その際、スプレー及び乾燥を２度に分け、全面を被覆した。その後、表１の条件で焼成を行い、イオン注入機用カーボン部材サンプルを得た。
【００３９】
【表１】
0003608770.tif 000002
【００４０】
比較例４，５
鉛筆引っかき値３Ｈ及び４Ｈの黒鉛を図１に示す形状に加工した後、２２００℃、１ｔｏｒｒ以下の減圧下で空焼きを行い、イオン注入機用カーボン部材サンプルを得た。
【００４１】
尚、イオン注入機においては、イオン源より発生させたイオンに電圧を加えて加速させるか、このイオンビームを収束させ、特定の個所にイオンを打ち込むためにスリットが必要となるのであり、図１に示すカーボン部材１は、中央部の縦長のスリット部２によりイオンビームを収束させるためのものである。
【００４２】
実施例１〜５及び比較例１〜５で得られたサンプルを用いて、鉛筆引っかき値、水分吸−脱着特性、黒鉛粒子脱落特性、イオンビームによる耐磨耗性について評価した。
【００４３】
尚、水分吸−脱着特性は、２５℃における飽和水蒸気中にサンプルを１時間さらした後、同一の真空チャンバー内において１×１０−６ｔｏｒｒまで到達する時間を比較した。比較例３のサンプルを基準とした結果を表２に示す。本発明の実施例により得られたサンプルは、比較例で得られたものに比べ、半分以下の時間で目的の真空度まで到達したことがわかる。
【００４４】
黒鉛粒子の脱落特性は、サンプル表面に粘着テープを貼り、それを剥がして黒鉛粒子がどの程度付着するかを測定した。評価した結果を表２に示す。本発明の実施例により得られたものは、粒子の脱落が極めて少ないことがわかる。
【００４５】
イオンビームによる耐摩耗性は、サンプルを大電流イオン注入装置の走査部に取り付け、比較例４で得られたサンプルの摩耗量を基準とした。比較した結果を表２に示す。本発明の実施例により得られたイオン注入機用カーボン部材は、比較例のものと比べ、摩耗量が著しく小さいことがわかる。
【００４６】
【表２】
0003608770.tif 000003
【００４７】
【発明の効果】
本発明のイオン注入機用カーボン部材は、その表面がガラス状カーボン被覆層で被覆されているため、目的の不純物元素以外のものであって、半導体や液晶ディスプレイデバイスの作動不良の原因となる不純物元素が打ち込まれることがないので、当該デバイスの品質が大幅に向上する。
【００４８】
又、本発明のイオン注入機用カーボン部材は、その表面が鉛筆ひっかき値で３Ｈ以上の硬度のガラス状カーボン被覆層で被覆されているため、イオンビームによる磨耗を抑えることができる。
【００４９】
更に、本発明のイオン注入機用カーボン部材は、その表面がガラス状カーボン被覆層で被覆されているため、基材である黒鉛からのダストの発生が抑制され、メンテナンスや部品交換時の労力を削減でき、デバイスに対する異物の混入を抑え、歩留まりが向上するばかりか、ガラス状カーボン被覆層が基材黒鉛のガス吸着を抑え、イオン注入機の始動から高真空を要する生産開始状態までの時間を短縮させることができる。
【００５０】
更に、本発明のイオン注入機用カーボン部材において、その表面から内部にかけて、ガラス状カーボン被覆層に対してアンカー効果を発揮する、１０００μｍ以上の厚さのガラス状カーボン含浸層を設けた場合は、ガラス状カーボン被覆層の磨耗を抑える効果が持続し、部品の交換時期を著しく長期化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】イオン注入機用カーボン部材としてのイオンビーム収束部材の一
例の斜視図である。
【符号の説明】
１・・・イオンビーム収束部材
２・・・スリット部
【図１】
0003608770.tif 000004