(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
シリコンを含浸した炭化珪素基材を１Ｔｏｒｒ以下に脱気後、５〜５０℃／ｍｉｎの昇温速度で６００〜８５０℃の温度に加熱する第一工程、５０〜７６０Ｔｏｒｒになるまで非酸化性ガスを導入した後、５〜５０℃／ｍｉｎの昇温速度で１１００〜１２９０℃に加熱する第二工程、キャリアーガスと炭化珪素を形成する原料化合物とを導入し１１００〜１２９０℃、５００〜７６０Ｔｏｒｒで炭化珪素基材表面にＳｉC被膜を形成する第三工程、とからなることを特徴とする熱処理用治具の製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造用部材として好適な高純度で耐熱サイクル特性、耐熱衝撃特性などに優れる熱処理用治具およびその製造方法に関する。
【０００２】
半導体製造用の拡散炉に用いられるライナーチューブ、プロセスチューブ、ウエハーボート等の熱処理用治具には、急熱、急冷に対する耐熱サイクル特性、耐熱衝撃特性や機械的強度に加えて高純度のシリコンウエハーを汚染しない非汚染性が要求される。従来、これらの熱処理用治具として高純度の石英ガラスが使用されてきたが、熱処理工程の高温化が進むにつれ石英ガラスでは高温強度が不十分となってきたため、これに代わる材料として米国特許第３９５１５８７号（特公昭54−10825 号公報）にはシリコンを含浸した炭化珪素材が開示されている。しかしながら、この材料は高純度の石英ガラスに比べて不純物レベルが高い欠点がある。
【０００３】
【従来の技術】
この欠点を解消する手段として、特開昭５４−９０９６６号公報、特開昭５４−９０９６７号公報、特開昭６３−３５４５２号公報、特開平１−２８２１５２号公報などに記載されているようにシリコン含浸した炭化珪素基材の表面をＣＶＤ法（化学的気相析出法）によりＳｉＣ被膜を形成して不純物の揮散を防止する方法が有効である。通常、ＣＶＤ法によるＳｉＣ被膜の形成は、ＳｉとＣを含むＣＨ3 ＳｉＣｌ3 、ＣＨ3 ＳｉＨＣｌ2 などの有機珪素化合物を熱分解させる方法、あるいはＳｉＣｌ4 などの珪素化合物とＣＨ4 などの炭素化合物との加熱反応によりＳｉＣを析出させる方法で形成されるが、加熱時に炭化珪素基材中に含浸したシリコンの一部が揮散して基材表面に気孔を生じ易く、その結果炭化珪素基材とＳｉＣ被膜との密着性が悪くなって接着強度の低下を招き、熱衝撃、加熱サイクルによりＳｉＣ被膜の剥離が起こりやすい欠点がある。また、ＳｉＣ被膜の緻密性が損なわれてピンホールが発生した場合には薬品洗浄時に、含浸したシリコンの一部が浸食されて溶出するために気孔が発生する。このため、生成した気孔中に不純物が溜まって、不純物の発生源となり易くなる。更に、ＳｉＣ被膜の結晶成長方向を揃えて被膜の緻密性を付与する提案（特開昭63−210276号公報）もあるが、シリコンの融点を越える温度でＳｉＣ被膜の形成を行うので炭化珪素基材に多数の気孔が生成して、基材の強度が低下する難点がある。
【０００４】
この問題点を解消する技術として、シリコンを含浸した炭化珪素質セラミックスを減圧下で８５０℃〜１０００℃に加熱し、ＳｉＣを生成する反応ガスを導入してＳｉＣの被膜形成を開始し、そのまま冷却することなく昇温して１２００〜１４００℃の温度で被膜を形成するシリコン含浸炭化珪素質セラミックスへの炭化珪素被膜の形成方法が、本出願人の一人により提案されている（特開平４−65374 号公報）。この方法によれば、シリコンの蒸発速度が小さい１０００℃以下の温度でＳｉＣ被膜の形成を開始することにより、１０００℃以上に昇温しても形成された被膜によりシリコンの蒸発が抑制される効果がもたらされる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、シリコン含浸を施した炭化珪素基材にＣＶＤ法によりＳｉＣ被膜を形成した材料にあっては、ＳｉＣ被覆層界面の組織状態によって耐熱サイクル特性や耐熱衝撃特性が微妙に変化し、過酷な熱履歴を受ける半導体部材として使用する際にＳｉＣ被膜に亀裂が生じたり、ＳｉＣ皮膜が剥離したりする問題点があった。
【０００６】
本発明者らは、上記の原因を解明するために鋭意研究を重ねたところ、被覆したＳｉＣ被膜に接する炭化珪素基材の特定の表層部分に存在する気孔ならびにＳｉＣ被膜の性状が耐熱サイクル特性や耐熱衝撃特性に影響を与えることを確認した。
【０００７】
本発明は上記の知見に基づいて開発されたもので、その目的は、半導体の製造に用いる際に優れた耐熱サイクル特性および耐熱衝撃特性を発揮する熱処理用治具の製造方法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による熱処理用治具の製造方法は、シリコンを含浸した炭化珪素基材を１Ｔｏｒｒ以下に脱気後、５〜５０℃／ｍｉｎの昇温速度で６００〜８５０℃の温度に加熱する第一工程、５０〜７６０Ｔｏｒｒになるまで非酸化性ガスを導入した後、５〜５０℃／ｍｉｎの昇温速度で１１００〜１２９０℃に加熱する第二工程、キャリアーガスと炭化珪素を形成する原料化合物とを導入し１１００〜１２９０℃、５００〜７６０Ｔｏｒｒで炭化珪素基材表面にＳｉC被膜を形成する第三工程、とからなることを特徴とする。
【０００９】
本発明により得られる熱処理用治具は、シリコンを含浸した炭化珪素基材にＣＶＤ法によりＳｉＣ被膜を形成したＳｉＣ被覆炭化珪素材であって、炭化珪素基材がＳｉＣ被膜に接する界面より２００μｍ以内の基材表層部に、該表層部を走査型電子顕微鏡により４００倍の倍率で観察測定した場合に直径２μｍ以上の気孔が存在しない。
【００１０】
通常、セラミックス基材面にＣＶＤ法によりＳｉＣ被膜を施した場合の層間強度は層界面部位の緻密性と密着性に大きく支配されるが、シリコンを含浸した炭化珪素を基材とした被覆構造では、特にＳｉＣ被膜に接する炭化珪素基材における深さ２００μｍ以内の表層部の組織緻密度が層間強度に著しい影響を与え、前記２００μｍ以内に直径２μｍ以上の気孔が存在すると熱履歴を受けた際に層間組織に亀裂や剥離を発生させ易い。したがって、炭化珪素基材がＳｉＣ被膜に接する界面より２００μｍ以内の基材表層部に、直径２μｍ以上の気孔が存在しない組織構造とすることにより、過酷な熱履歴に十分耐える耐熱サイクルならびに耐熱衝撃性が付与される。なお、前記の気孔直径は走査電子顕微鏡により４００倍の倍率で観察測定される。
【００１１】
上記の要件に加えて、形成したＳｉＣ被膜のＸ線回折における（１１１）面に対する（２００）面の回折強度値の比、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）を０．００５以下として、ＳｉＣ被膜結晶の（１１１）面への配向性を強くさせることにより材料の耐熱衝撃特性をより一層向上させることが可能となる。この場合のＸ線回折による回折強度値は、ＣｕのＫαで測定した値であり、Ｘ線回折強度は、印加電圧４０ＫＶ、印加電流２０ｍＡ、フィルターＣｕ／Ｎｉ、発散スリット１°の条件で測定される。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の基材となるシリコンを含浸した炭化珪素基材は、炭化珪素の成形体を高温で熱処理して焼結した再結晶質の炭化珪素に溶融シリコンを含浸したもの、あるいは炭化珪素と炭素からなる成形体に溶融シリコンを含浸させたのち高温で熱処理した反応焼結炭化珪素により構成される。このシリコンの含有量としては１０〜３０重量％程度のものが使用される。
【００１３】
該シリコン含浸炭化珪素基材の表面にＣＶＤ法でＳｉＣ被膜を形成する方法としては、１Torr以下に減圧脱気後５〜５０℃/minの昇温速度で６００〜８５０℃の温度まで加熱する第一工程、ついで５０〜７６０Torrの圧力となるまで非酸化性ガスを導入したのち、更に５〜５０℃/minの昇温速度で１１００〜１２９０℃の温度に加熱する第二工程、引き続き５００〜７６０Torrの圧力にし、原料化合物をキャリアーガスとともに導入し、１１００〜１２９０℃の温度で、原料化合物を熱分解または化学反応させ、ＳｉＣ被膜を形成する第三工程を適用することが好ましい。原料化合物としては、例えば１分子中にＳｉ原子とＣ原子を含むＣＨ3 ＳｉＣｌ3 、ＣＨ3 ＳｉＨＣｌ2 などの有機珪素化合物あるいはＳｉＣｌ4 のような珪素化合物とＣＨ4 などの炭素化合物とを併用するものが例示される。キャリアーガスとしては、水素ガス、アルゴンガスなどの非酸化性ガスが例示される。また、導入に当たっては、キャリアーガスと原料化合物とをモル比（キャリアーガス／原料化合物）４〜１００とするのが好ましい。なお、このモル比の計算に当たっては、原料化合物として珪素化合物と炭素化合物とを併用する場合は、炭化珪素に換算したモル数を原料化合物のモル数とする。
【００１４】
第一工程および第二工程での昇温速度の設定は５〜５０℃／min であり、昇温速度が５０℃/minを超える場合には基材に熱応力が発生して亀裂を生じることがあり、また５℃/min未満では昇温が緩徐であるため生産性に劣り、いずれも好ましくない。より好ましい昇温速度は１０〜３０℃/minである。第一工程において、脱気後の圧力が１Torrを越えると、残留酸素、水分により炭化珪素基材の表面が酸化されて耐蝕性が低下すると共にＳｉＣ被膜の密着性が低下するので好ましくない。また、加熱温度が６００℃未満では吸着酸素等の除去が不十分となり炭化珪素基材の表面が酸化され易くなるので好ましくない。一方、加熱温度が８５０℃を越えると、シリコンが減圧下で蒸発し炭化珪素基材に気孔が発生し易くなりＳｉＣ被膜の密着性が低下するので好ましくない。更に、第二工程において、７６０Torrを越えると水素ガスが漏洩し易くなり、水素ガスが無駄になる。また圧力容器の強化が必要になり設備が複雑になるので好ましくない。
【００１５】
第二工程および第三工程においては、炭化珪素基材中に含浸した表面部のシリコンが熱揮散しないようにシリコンの蒸気圧以下の昇温条件およびＣＶＤ反応系の温度、圧力等の条件を制御することにより本発明のＳｉＣ被覆炭化珪素からなる熱処理治具を得ることができる。すなわち、第二工程での圧力が５０Torr未満の場合、また第三工程において１２９０℃を超えたり、５００Torr未満の温度、圧力条件では炭化珪素基材中に含浸した表層部のシリコンが熱揮散するために基材表層部に気孔が形成される。また、第三工程における加熱温度が１０００℃未満では、シリコンの熱揮散は抑制されるもののＳｉＣ被膜の成長速度が低下するため実用的でない。第三工程で、７６０Torrを越える圧力では原料化合物のガスが炭化珪素基材の表面に化学蒸着する前に炭化珪素の粉末を生成するためにＳｉＣ被膜の生成速度が抑制される。
【００１６】
前述した基材の気孔生成を抑制する方法に加えて、ＣＶＤ法により形成される耐熱衝撃特性の高いＳｉＣ被膜の結晶性状、すなわち基材上に（１１１）面の結晶面が高度に配向して成長したＳｉＣ被膜は、温度１１００〜１２９０℃、圧力５００〜７６０Torrの条件下で、水素あるいはアルゴンなどのキャリアーガスと原料化合物とのモル比を４〜１００、好ましくは５〜２０に制御することにより達成される。温度が１１００℃未満ではＳｉＣ被膜の耐熱衝撃特性の低下が現れる。更に、キャリアーガス／原料化合物のモル比が４未満では炭化珪素基材の表面で結晶核となり易いため形成されるＳｉＣ被膜が粗粒化して緻密性が低下し、１００を超えるとＳｉＣ被膜表面内での多結晶化が起こり易くなるためＳｉＣ被膜結晶の（１１１）面への配向性が低下するためである。
【００１７】
シリコンを含浸した炭化珪素基材にＣＶＤ法によりＳｉＣ被覆を形成した材料は、熱処理治具のような苛酷な熱サイクルを受ける部材として用いた際、層間に亀裂や剥離を生じて欠陥が発生するが、これはＣＶＤ法による被覆時に含浸したシリコンが揮散して基材表層部、特にＳｉＣ被膜に接する炭化珪素基材における深さ２００μm 以内の表層部に直径２μm 以上の気孔が存在することが主因となる。本発明の熱処理用治具は、被覆したＳｉＣ被膜に接する２００μm 以内の炭化珪素基材表層部に直径２μm 以上の気孔が存在しないから、ＳｉＣ被膜は炭化珪素基材と強固に密着し、熱処理用治具とした場合に急熱、急冷の熱サイクルに対して優れた耐久性能を発揮する。
【００１８】
更に、ＳｉＣ被膜のＸ線回折の回折強度値の比、Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）を０．００５以下以下に設定して、ＳｉＣ被膜の結晶構造の（１１１）面への配向性を強くすることにより、（１１１）面が最密充填の結晶面であることで炭化珪素基材を構成する炭化珪素およびシリコンとＳｉＣ被膜との化学結合力が増加するので、ＳｉＣ被膜の耐熱衝撃特性を一層向上させることができる。
【００１９】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と対比しながら詳細に説明する。
【００２０】
実施例２〜６、参考例１、比較例１〜２
５０×５０×１０mmの再結晶炭化珪素にシリコンを２０重量％含浸して炭化珪素基材とした。この基材を環状炉に入れて２×１０-3Torrの真空下で基材に含まれるガスを脱気した後、２０℃／分の昇温速度で８００℃に昇温後，水素ガスを導入して圧力を１５０Torrに３０分間保持した。次いで２０℃／分の昇温速度で加熱して表１記載の温度まで昇温させて３０分間保持したのち、ＳｉＣの被膜形成用の原料化合物としてＣＨ3 ＳｉＣｌ3 を用い、水素ガスに対するモル比（Ｈ2 ／ＣＨ3 ＳｉＣｌ3 ）を変えて供給した。この際、供給量を変えて炉内圧力を所定の圧力に調整した。このようにしてＳｉＣの被膜形成時の炉内温度、炉内圧力および原料ガスのモル比を変えて炭化珪素基材にＳｉＣを被覆した。
【００２１】
実施例８〜９、参考例７、比較例３〜４
５０×５０×１０mmの反応焼結炭化珪素基材（残留Ｓｉ 1.7重量％）を環状炉に入れて２×１０-3Torrの真空下で基材に含まれるガスを脱気した後、３３℃／分の昇温速度で７００℃まで昇温し、アルゴンガスを導入して圧力を３００Torrに２０分間保持した。次いで１０℃／分の昇温速度で表２記載の温度まで加熱したのち、ＳｉＣの被膜形成用の原料ガスとして、ＳｉＣｌ4 とＣＨ4 を用い、アルゴンガスに対するモル比（２Ａｒ／ＳｉＣｌ4 ＋ＣＨ4 ）を変えて供給し、実施例２〜６と同様にして炉内温度および炉内圧力を調整して炭化珪素基材にＳｉＣを被覆した。
【００２２】
比較例５
実施例２〜６と同一の炭化珪素基材を実施例２〜６と同一条件で脱気した後、２０℃／分の昇温速度で９５０℃に昇温後、水素ガスを導入して圧力を１５０Torrに３０分間保持し、次いで２０℃／分の昇温速度で１３００℃に昇温したのち、炉内圧力を２００Torrに保持しながら原料ガス（Ｈ2 ／ＣＨ3 ＳｉＣｌ3 のモル比４．０）を供給して、炭化珪素基材にＳｉＣ被膜を被覆した。
【００２３】
比較例６
５０×５０×１０mmの反応焼結炭化珪素基材（残留Ｓｉ 1.7重量％）を環状炉に入れて２×１０-3Torrの真空下で基材に含まれるガスを脱気した後、１０℃／分の昇温速度で１１００℃まで昇温し、アルゴンガスを導入して圧力を１５Torrに調整して２０分間保持した。次いで２０℃／分の昇温速度で１２００℃まで加熱した後、ＳｉＣの被膜形成用の原料ガスとしてＳｉＣｌ4 とＣＨ4 を用い、圧力を４０Torrに保ちながらアルゴンガスに対するモル比（２Ａｒ／ＳｉＣｌ4 ＋ＣＨ4 ）を２．５として供給した。
【００２４】
次いで、上記実施例、参考例および比較例で得られたＳｉＣ被覆炭化珪素材を切断して、その断面を走査型電子顕微鏡で４００倍の倍率により２００μm 以内の表層部における直径２μm 以上の気孔の存在を観察測定した。また、Ｘ線回折の回折強度を測定して、回折強度の比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）を求めた。なお、Ｘ線回折は印加電圧40KV、印加電流20mA、フィルターＣｕ／Ｎｉ、発散スリット1 °の条件で測定した。
【００２５】
このようにして得られたＳｉＣ被覆炭化珪素材について、ＳｉＣ被膜形成時の炉内温度、炉内圧力および原料ガスのモル比と、ＳｉＣ被膜に接する２００μm 以内の基材表層部に直径２μm 以上の気孔存在の有無、Ｘ線回折強度ならびに回折強度の比を表１、表２に示した。
【００２６】
【表１】
0003739507.tif 000002
【００２７】
【表２】
0003739507.tif 000003
【００２８】
次いで、これらのＳｉＣ被覆炭化珪素材について下記の方法により耐熱サイクル特性および耐熱衝撃特性を試験し、その結果を表３および表４に示した。耐熱サイクル特性は、赤外線加熱炉により常温から１３００℃に１５分間で昇温して１５分間保持後、加熱炉から取り出して放冷して常温に戻すサイクルを２０回繰り返し、ＳｉＣ被膜面のクラック発生および剥離状況を観察した。また、耐熱衝撃特性は、電気炉中で５００℃および１０００℃の温度に３０分間保持後、２０℃の水中に入れて急冷した場合のＳｉＣ被膜面のクラック発生や剥離状況を観察した。
【００２９】
【表３】
0003739507.tif 000004
【００３０】
【表４】
0003739507.tif 000005
【００３１】
表１〜４の結果から本発明のＳｉＣ被覆炭化珪素材は、炭化珪素基材がＳｉＣ被膜に接する２００μm 以内の基材表層部に直径２μm 以上の気孔が存在しないことにより、高温に加熱、冷却を繰り返す熱処理を施してもクラックの発生や剥離することなく、また５００℃の温度から２０℃の温度に急冷する熱衝撃に対しても耐久性が大きいことが分かる。更に、ＳｉＣ被膜のＸ線回折の回折強度値の比Ｉ（２００）／Ｉ（１１１）を０．００５以下とすることにより、１０００℃の温度から２０℃の温度に急冷する熱衝撃に対する耐久性が向上する。しかし気孔の存在が認められた比較例はいずれもＳｉＣ被膜にクラックが発生し、更に被膜の一部に剥離が認められた。
【００３２】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明のＳｉＣ被覆炭化珪素材は耐熱サイクル特性、耐熱衝撃特性が優れているので、高温から低温に、急激に加熱あるいは冷却される温度条件下に使用される半導体製造用の熱処理用治具として極めて有用である。