(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭素基材の表面にＳｉＣ被膜を被着した炭素材料であって、ＳｉＣ被膜が、炭素基材面に接する最内層のＳｉＣ被膜▲３▼、最外層のＳｉＣ被膜▲１▼、およびＳｉＣ被膜▲１▼とＳｉＣ被膜▲３▼との中間層のＳｉＣ被膜▲２▼の３層からなり、最内層のＳｉＣ被膜▲３▼の平均粒子径が２〜５μm 、最外層のＳｉＣ被膜▲１▼の平均粒子径が１０〜３０μm 、中間層のＳｉＣ被膜▲２▼の平均粒子径が炭素基材面に接する最内層のＳｉＣ被膜▲３▼の平均粒子径から最外層のＳｉＣ被膜▲１▼の平均粒子径へと連続的に変化する傾斜的性状を備えていることを特徴とするＳｉＣ被覆炭素材料。
【請求項２】
ＳｉＣ被膜の膜厚が２０〜４００μm である請求項１記載のＳｉＣ被覆炭素材料。
【請求項３】
ＳｉＣ被膜▲１▼〜▲３▼の各膜厚が、ＳｉＣ被膜の膜厚に対して、ＳｉＣ被膜▲１▼４０〜８０％、ＳｉＣ被膜▲２▼１０〜３０％、ＳｉＣ被膜▲３▼１０〜３０％である請求項１記載のＳｉＣ被覆炭素材料。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造における熱処理部材として好適に用いられる、耐熱衝撃性および耐蝕性に優れたＳｉＣ被覆炭素材料に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造用の処理部材、例えばサセプター、ライナーチューブ、プロセスチューブ、ウエハーボート等には高純度でシリコンウエハーを汚染しない非汚染性に加えて、急熱、急冷に対する耐熱衝撃性に優れ、化学的に安定で耐蝕性が高いことが要求される。
【０００３】
これらの半導体製造用の処理部材として、従来から炭素基材等の表面にＣＶＤ法（化学的気相析出法）によりＳｉＣ被膜を被着した処理部材が有用されている。ＣＶＤ法によるＳｉＣ被膜の形成は、例えば１分子中にＳｉ原子とＣ原子を含むＣＨ3 ＳｉＣｌ3 、（ＣＨ3)3 ＳｉＣｌ、ＣＨ3 ＳｉＨＣｌ2 等の有機珪素化合物を熱分解させる方法、あるいはＳｉＣｌ4 等の珪素化合物とＣＨ4 等の炭素化合物とを加熱反応させてＳｉＣを析出させる方法で行われる。
【０００４】
このＣＶＤ法によるＳｉＣ被膜を被着した半導体用処理部材として、例えば、特開平５−６８６２号公報には、所定形状を有する基材(1) と、この基材(1) に対して積層して形成された微結晶質ＳｉＣ層(3) 及び粗大結晶質ＳｉＣ層(2) を有し、微結晶質ＳｉＣ層(3) と粗大結晶質ＳｉＣ層(2) の間に、結晶構造の連続性の乏しい中間層(4) を有していることを特徴とする半導体用処理部材が開示されている。
【０００５】
また、特開平７−３３５７２８号公報には、基材と、ＣＶＤ法により基材の表面に形成されたＳｉＣ膜とを備えた半導体製造用のＳｉＣ被覆熱処理治具において、基材の表面に対してほぼ平行な複数の層の形にＳｉＣ膜を構成し、それらのうち少なくとも１つの層を核形成層とし、その他の層を通常結晶層とし、核形成層を挟んだ通常結晶層間の結晶成長が不連続であり、通常結晶層におけるＳｉＣの結晶成長を厚み方向に連続にしたことを特徴とする熱処理治具が開示されている。
【０００６】
上記公報のうち、特開平５−６８６２号公報によれば、結晶構造の不連続中間層(4) に金属不純物の拡散層ができるために不純物に対する孔蝕の進行が停滞するので耐蝕性が向上し、また特開平７−３３５７２８号公報によれば、基材から拡散した不純物は核形成層にトラップされ、更にここからの再拡散は別の結晶粒界を行程とするため拡散距離が長くなるので不純物の拡散を遅延させることができる。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、ＳｉＣ被覆炭素材料にあっては、ＳｉＣ被膜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製造用の熱処理部材として使用する際にＳｉＣ被膜にクラックが生じたり、ＳｉＣ被膜が剥離したりする問題点があった。また、化学的安定性もＳｉＣ被膜の組織状態によって影響され、耐蝕性が低下する問題点もあった。
【０００８】
本発明者は、これらの問題点を解消するためにＳｉＣ被膜の組織状態と耐熱衝撃性および耐蝕性との関連について研究を進めた結果、炭素基材面に被着するＳｉＣ被膜の粒子径が小さい場合には炭素基材面に強固に被着し、一方外部雰囲気と接するＳｉＣ被膜外面の粒子径が大きいと腐食性ガスの進入が低減できることを見出した。
【０００９】
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、半導体製造用の熱処理部材として好適に用いられる、耐熱衝撃性および耐蝕性に優れたＳｉＣ被覆炭素材料を提供することにある。
【００１０】
【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ＳｉＣ被覆炭素材料は、炭素基材の表面にＳｉＣ被膜を被着した炭素材料であって、ＳｉＣ被膜が、炭素基材面に接する最内層のＳｉＣ被膜▲３▼、最外層のＳｉＣ被膜▲１▼、およびＳｉＣ被膜▲１▼とＳｉＣ被膜▲３▼との中間層のＳｉＣ被膜▲２▼の３層からなり、最内層のＳｉＣ被膜▲３▼の平均粒子径が２〜５μm 、最外層のＳｉＣ被膜▲１▼の平均粒子径が１０〜３０μm 、中間層のＳｉＣ被膜▲２▼の平均粒子径が炭素基材面に接する最内層のＳｉＣ被膜▲３▼の平均粒子径から最外層のＳｉＣ被膜▲１▼の平均粒子径へと連続的に変化する傾斜的性状を備えていることを構成上の特徴とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明のＳｉＣ被覆炭素材料は図１および図２に示すように炭素基材の表面に３層からなるＳｉＣ被膜が被着されたものである。すなわち、図１、図２は本発明のＳｉＣ被覆炭素材料の断面を模式的に示したもので、１は炭素基材、２は炭素基材面に接する最内層のＳｉＣ被膜▲３▼、４は最外層のＳｉＣ被膜▲１▼であり、３はＳｉＣ被膜▲１▼とＳｉＣ被膜▲３▼との中間層となるＳｉＣ被膜▲２▼である。
【００１２】
ＳｉＣ被膜を被着する炭素基材は特に限定されるものではないが、半導体を製造する際の処理部材として用いられるものであるから可及的に高純度であり、かつ熱的に異方性の少ない等方性黒鉛材が好ましく用いられる。この炭素基材面に直接被着されるＳｉＣ被膜は基材面に強固に被着されることが必要である。ＣＶＤ法により析出形成したＳｉＣ被膜は、ＳｉＣ被膜を構成するＳｉＣ粒子の粒子径が小さい場合には、ＳｉＣ粒子は炭素基材表層部の気孔やポア等の空隙部に浸透するために強固に被着される。すなわち、本発明は炭素基材面に接する最内層のＳｉＣ被膜▲３▼を構成するＳｉＣ粒子の平均粒子径を２〜５μm の範囲に設定することにより、基材表面に被着したＳｉＣ被膜を基材面と強固に密着した状態で被着させたものである。
【００１３】
しかし、粒子径の小さいＳｉＣ粒子で構成されたＳｉＣ被膜ではＳｉＣ粒子間の界面が大きくなり、腐食性ガスの侵入も多くなるために耐蝕性が相対的に低下する問題が生じる。そこで本発明のＳｉＣ被覆炭素材料では、外部雰囲気に直接曝される最外層のＳｉＣ被膜▲１▼を平均粒子径が大きな、すなわち平均粒子径が１０〜３０μm のＳｉＣ粒子で構成されたＳｉＣ被膜を被着して、ＳｉＣ粒子間の界面を小さくすることにより腐食性ガスの侵入を低減化して耐蝕性の向上を図るものである。
【００１４】
しかしながら、このような粒子性状の異なるＳｉＣ被膜▲３▼およびＳｉＣ被膜▲１▼を炭素基材面に順次被着すると、ＳｉＣ被膜▲３▼とＳｉＣ被膜▲１▼との熱的性状の相違から、急速な加熱および冷却の熱サイクルを受けた場合にはＳｉＣ被膜▲３▼とＳｉＣ被膜▲１▼との界面である膜境でクラックが発生し易く、被膜間で剥離する難点がある。そこで、図３に示すようにＳｉＣ被膜▲１▼とＳｉＣ被膜▲３▼との間に中間層としてＳｉＣ被膜▲２▼を設け、その平均粒子径がＳｉＣ被膜▲１▼と▲３▼との中間の値で連続的に変化する傾斜的性状の粒子性状とすることにより熱的性状の相違を緩和して、ＳｉＣ被膜▲１▼とＳｉＣ被膜▲３▼の被膜間で生じるクラックや剥離を抑制するものである。なおＳｉＣ被膜▲２▼のＳｉＣ被膜▲１▼に接する面ではＳｉＣ被膜▲１▼と、またＳｉＣ被膜▲２▼がＳｉＣ被膜▲３▼に接する面ではＳｉＣ被膜▲３▼と同等の粒子性状とすることが望ましい。
【００１５】
このように本発明のＳｉＣ被覆炭素材料は、ＳｉＣ粒子の平均粒子径を特定の範囲に設定したＳｉＣ被膜▲１▼、▲２▼および▲３▼の３層構造からなるＳｉＣ被膜を被着したものであるから、急熱、急冷による熱衝撃にもクラックや剥離などが発生し難く、また腐食性ガスの侵入も効果的に防止される。
【００１６】
なお、３層構造からなるＳｉＣ被膜は、その膜厚が２０〜４００μm であることが好ましい。膜厚が２０μm 未満では本発明の効果が充分でなく、一方４００μm を超える膜厚に被着しても顕著な効果の向上が認められないためである。
【００１７】
また、ＳｉＣ被膜を構成するＳｉＣ被膜▲１▼、▲２▼および▲３▼の各被膜は、それぞれの被膜の機能を果たすために所定の膜厚に被着することが好ましい。すなわち、炭素基材面に接する最内層のＳｉＣ被膜▲３▼の膜厚は基材面と強固に密着した状態で被着させるためにＳｉＣ被膜の膜厚の１０〜３０％であることが好ましく、最外層のＳｉＣ被膜▲１▼の膜厚は腐食性のガス侵入を効果的に抑止するためにＳｉＣ被膜の膜厚の４０〜８０％に被着することが望ましい。また、ＳｉＣ被膜▲１▼と▲３▼との熱的特性を緩和するために機能するＳｉＣ被膜▲２▼の膜厚はＳｉＣ被膜の膜厚の１０〜３０％であることが好ましい。
【００１８】
本発明のＳｉＣ被膜の形成、すなわち炭素基材面に順次ＳｉＣ被膜▲３▼、▲２▼および▲１▼を形成被着する方法はＣＶＤ装置におけるＳｉＣの析出条件を適宜変更することにより行うことができる。例えばＣＨ3 ＳｉＣｌ3 、（ＣＨ3)3 ＳｉＣｌ、ＣＨ3 ＳｉＨＣｌ2 等の有機珪素化合物の濃度あるいはＳｉＣｌ4 等の珪素化合物とＣＨ4 等の炭素化合物とのモル比、ＣＶＤ反応装置の反応室内の圧力、反応温度、反応時間などの条件因子を適宜設定制御してＳｉＣの析出速度を調節することにより、所定の粒子性状を有する被膜を所定厚さに形成被着することができる。
【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１
ＣＶＤ装置の反応室（有効容積；直径 300mm、長さ 500mm）に炭素基材として直径 220mm、厚さ 4mmの高純度等方性黒鉛材を入れて、常圧下に水素ガスを送入して置換した。原料ガスに（ＣＨ3 ）3 ＳｉＣｌを、キャリアガスに水素ガスを用いて、原料ガス濃度を７．５ Vol％に制御しながら混合ガスを３０l/分の速度で供給し、１４５０Ｋの温度に１０分間保持してＳｉＣ被膜▲３▼を被着したのち、次いで、１０分間かけて１６５０Ｋの温度に昇温してＳｉＣ被膜▲２▼を形成した。引き続き１６５０Ｋの温度で２０分間保持してＳｉＣ被膜▲１▼を形成被着した。このようにして、膜厚２０μm のＳｉＣ被膜▲３▼、膜厚２５μm のＳｉＣ被膜▲２▼および膜厚６０μm のＳｉＣ被膜▲１▼を高純度等方性黒鉛材の表面に順次被着した。また、このＳｉＣ被膜▲１▼〜▲３▼の各被膜を構成するＳｉＣ粒子の直径を測定して平均粒子径を算出した。
【００２１】
実施例２〜８、比較例１〜８
実施例１と同一の高純度等方性黒鉛材を用い、原料ガス濃度、混合ガスの供給速度、ＣＶＤ反応温度および保持時間などを変えて異なる膜厚のＳｉＣ被膜▲１▼〜▲３▼を順次形成被着し、また各被膜を構成するＳｉＣ粒子の直径を測定して平均粒子径を算出した。なお、比較例１〜６においてはＳｉＣ被膜▲１▼〜▲３▼の１部を形成しなかった。
【００２２】
このようにして得られた高純度等方性黒鉛材の表面に被着したＳｉＣ被膜▲１▼〜▲３▼の膜厚および各被膜を構成するＳｉＣ粒子の平均粒子径を表１に示した。
【００２３】
【表１】
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【００２４】
次に、これらのＳｉＣ被覆炭素材料について下記の方法により耐熱衝撃試験および耐蝕性試験を行って、その結果を表２に示した。
耐熱衝撃試験；４００℃に加熱後、水中に投入して急冷した際のＳｉＣ被膜の状況を観察した。
耐蝕性試験  ；温度１２００℃に加熱した塩化水素ガスを流量０．７ミリリットル／ cm2／分にて８時間処理した際のＳｉＣ被膜の重量減少率およびＳｉＣ被膜の状況を観察した。
【００２５】
【表２】
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【００２６】
表１、２の結果から、特定の粒子性状を備えたＳｉＣ被膜▲１▼から▲３▼を積層形成した実施例のＳｉＣ被覆炭素材料は、耐熱衝撃性および耐蝕性に優れた特性を保持していることが判る。これに対して、比較例では耐熱衝撃性試験において亀裂が生じたり、耐蝕性試験において重量減少率が多いなど特性が充分でないことが認められる。
【００２７】
【発明の効果】
以上のとおり、本発明によれば、炭素基材面にＳｉＣ被膜▲３▼、ＳｉＣ被膜▲２▼およびＳｉＣ被膜▲１▼を順次に被着した３層状のＳｉＣ被膜により耐熱衝撃性および耐蝕性に優れたＳｉＣ被覆炭素材料を提供することが可能となる。したがって、半導体製造用の処理部材として極めて有用である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のＳｉＣ被覆炭素材料の断面を例示した模式図である。
【図２】本発明のＳｉＣ被覆炭素材料の断面を模式的に拡大した部分拡大図である。
【図３】ＳｉＣ被膜を構成するＳｉＣ被膜▲１▼、▲２▼、▲３▼の平均粒子径の分布を例示した模式図である。
【符号の説明】
１  炭素基材
２  ＳｉＣ被膜▲３▼
３  ＳｉＣ被膜▲２▼
４  ＳｉＣ被膜▲１▼
【図１】
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【図２】
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【図３】
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