(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
金属およびアルカリ不純物の濃度が各０．０１ｐｐｍ以下、かさ密度１．９〜２．１ｇ／ｃｍ３、気孔径が０．０１〜１０μｍ、厚さ１ｍｍのときの光源波長１４０〜５０００ｎｍの光透過率が１％以下であり、厚さが０．６〜５ｍｍの多孔質石英ガラスの表面に厚さ８０〜３００μｍの非多孔質の透明石英ガラス層を設けたことを特徴とする半導体ウエハ熱処理治具用の多孔質石英ガラス。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、低膨張性で、断熱性および高温形状安定性などにすぐれ、半導体の熱処理用に適する半導体ウエハ熱処理治具用の多孔質石英ガラスに関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体工業においては、半導体ウエハの表面酸化、拡散、ＣＶＤ処理などの熱処理が施される。すなわち、半導体ウエハをウエハボートに係止させ、このウエハボートを支持したウエハボート支持テーブルを炉心管内に供給し、反応性ガスもしくは不活性ガスを流しながら、前記半導体ウエハに対して酸化、拡散、ＣＶＤ処理がなされている。
【０００３】
ところで、前記半導体ウエハの熱処理過程で、半導体ウエハは不所望な不純物などによる汚染の回避、あるいは不均一な加熱作用の回避などが要求される。したがって、ウエハボートやウエハボート支持テーブル、あるいは炉心管は、一般的に、 (a)高純度であること、 (b)耐熱性がすぐれていること、 (c)断熱性がすぐれていること、 (d)軽量で適度の機械的な強度を有する材料で構成されている。たとえば、炉芯管下部に設置される遮蔽体は、純度、耐熱性および断熱性を考慮して、通常、不透明な石英ガラスを素材とし、バルク状もしくはフィン状に加工したものが使用されている。また、断熱性を上げるために、直径10〜 100μm 程度の微小気泡を含有する石英ガラス表面を粗面化すること、あるいは発泡体状化することも知られている（実公平 6-14480号公報、特開平7-345636号公報）。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
近年、半導体装置（半導体デバイス）高集積度化に伴って、半導体ウエハの熱処理過程で用いられる熱処理用部材については、より高い純度が要求されており、その要求純度が年々厳しくなっている。しかし、径10〜 100μm 程度の微小気泡を含有し、かつ表面を粗面化した石英ガラスの場合は、断熱性が劣るだけでなく、半導体ウエハのパーティクル汚染を解消することができないのが現状である。そして、パーティクル汚染を解消するために、加熱処理を施して表面に透明層を形成すると、粗面による断熱・反射効果が低減するという問題がある。
【０００５】
一方、発泡体状化した石英ガラスの場合は、気泡径が 100〜1000μm 程度と大きく、かつかさ密度が 0.1〜 1.2ｇ／cm3 と低いために、比較的大きな単純形状向きであるが、たとえばダミーウエハやフィン状ボートテーブルの板状体など、寸法精度を要求される厚さが 5mm程度以下の薄板向きといえない。また、前記気泡径の大きさは、光透過性の観点から見ると、十分な遮断性が得られないという問題がある。
【０００６】
しかも、前記発泡体状の石英ガラス製品は、合成シリカ微粉末を、たとえば石英ガラス容器中に充填し、アンモニア雰囲気中で加熱処理して発泡させるため、不純物が多孔質体に熱拡散する。そして、この熱拡散した不純物は、発泡体状化した後に、たとえば不活性雰囲気中での加熱で純化処理しても、純化に限界があって、半導体プロセス用として十分な高純度の多孔質石英ガラス部材として使用できない。
【０００７】
本発明は、上記事情に対処してなされたもので、高純度で、かつ肉薄でありながらすぐれた耐熱性および断熱性などを有し、半導体プロセス用部材に適する半導体ウエハ熱処理治具用の多孔質石英ガラスの提供を目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属およびアルカリ不純物の濃度が各０．０１ｐｐｍ以下、かさ密度１．９〜２．１ｇ／ｃｍ３、気孔径が０．０１〜１０μｍ、厚さ１ｍｍのときの光源波長１４０〜５０００ｎｍの光透過率が１％以下であり、厚さが０．６〜５ｍｍの多孔質石英ガラスの表面に厚さ８０〜３００μｍの非多孔質の透明石英ガラス層を設けたことを特徴とする半導体ウエハ熱処理治具用の多孔質石英ガラスである。
【００１３】
このような半導体ウエハ熱処理治具用の多孔質石英ガラスは、ハロゲン化ケイ素を酸水素火炎中で加水分解させ、シリカ微粒子の集合体を生成させる工程と、前記シリカ微粒子の集合体を成型し、酸水素火炎を熱源として１２５０〜１３００℃で透明化に至らない時間焼結させる工程と、前記焼結させた成型体表面を酸水素火炎もしくは電気ヒーターで加熱処理し、成型体表面に８０〜３００μｍの厚みの透明層を形成する工程とで製造することができる。本発明に係る多孔質石英ガラスは、次のようにして容易に製造できる。先ず、たとえば四塩化ケイ素や三塩化シランなどのハロゲン化ケイ素（ハロゲン化ケイ素化合物）を素材とし、このハロゲン化ケイ素の加水分解または酸化反応によって、高純度のシリカ微粒子集合体を生成させる。その後、シリカ微粒子の集合体を、酸水素火炎などを熱源とし、1250〜1300℃の温度で焼結する。ここで、シリカ微粒子の集合体の生成条件や焼結条件の選択によって、かさ密度および気孔径など調節され、 0.001〜 0.002 cal／cm・ s・ K程度の断熱効果（熱伝導率）を有する多孔質石英ガラスが得られる。なお、シリカ微粒子の集合体の粒子径は、所要のかさ密度が確保し易いことから、 0.1〜 0.5μm 程度が好ましい。
【００１４】
本発明において、多孔質石英ガラスは金属およびアルカリ不純物の濃度が、各0.01 ppm以下に限定される。その理由は、金属およびアルカリ不純物の濃度が0.01 ppmを超えると、熱処理加工する半導体ウエハの汚染を招来し、結果的に、所望の高純度を保持した熱処理加工を行えないためである。
【００１５】
本発明において、多孔質石英ガラスのかさ密度は、常に、 1.9〜 2.1ｇ／cm3 の範囲内に選択される。その理由は、かさ密度が 1.9ｇ／cm3 未満であると、機械的な強度が劣り、加工およびハンドリングなどで破損を招来し易く、また、断熱材などの用途において高温で収縮して変形を起こす恐れがある。一方、かさ密度が 2.1ｇ／cm3 を超えた場合は、気孔がほとんど消滅して所望の断熱性が得られない。
【００１６】
本発明において、多孔質石英ガラスの気孔径は、0.01〜10μm の範囲内で選択される。すなわち、前記気孔径0.01〜10μm は、かさ密度と表裏の関係にあって、気孔径が0.01μm 未満ではかさ密度が 2.2ｇ／cm3 に近くなって、断熱効果が低下する。一方、気孔径が10μm を超えると、機械的な強度が低下し、加工およびハンドリングなどで破損を招来し易い。
【００１７】
本発明に係る多孔質石英ガラスは、機械的な強度、たとえば曲げ強度が500kgf／cm2 以上で、加工性が良好であり、厚さ 1mm程度のウエハに加工することもできる。また、紫外ないし赤外領域の波長（ 140〜5000nm）の透過率も非常に低く、厚さ 1mmとして 1％であり、紫外線ないし赤外線の輻射を大きく抑制できるので、たとえばダミーウエハとしての利用に有効である。
【００１８】
更に、本発明に係る多孔質石英ガラスは、上述の通り、気孔径が０．０１〜１０μmと極めて微小であるために、多孔体特有のパーティクル防止のための表面透明層を８０〜３００μmの厚さにすることができ、製品の薄肉コンパクト化および製造コストの低減を可能とする。なお、上記透明層は、前述の多孔質石英ガラスをたとえば大気中で１３００〜１５００℃で加熱処理することにより形成できる。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下、図１を参照して実施例を説明する。
【００２０】
図１は、多孔質石英ガラスを製造する実施態様を模式的に示す断面図である。図１において、１は回転可能に支持された基体、たとえば石英ガラス製の薄板（もしくは棒）、２は前記回転可能に支持された基体１に対向して配置された原料ガスおよび酸水素火炎を放射する放射部である。ここで、放射部２は、たとえば３重管構造となっており、原料ガスを供給放射する原料ガス供給管2aに対し、水素供給管2bおよび酸素供給管2cが同心円的に配置された構成を採っている。
【００２１】
すなわち、原料ガス供給管2aから放射されたハロゲン化ケイ素を含むガスは、先ず、水素供給管2bおよび酸素供給管2cより発生する火炎を熱源とし、かつ火炎化（燃焼反応）で生じる水分によって加水分解され、シリカ微粒子の集合体を生成して、対向する基体１側に放射される。このとき、基体１側に放射されるシリカ微粒子の集合体は、基体１面側に堆積するとともに、水素供給管2bおよび酸素供給管2cより発生する火炎を熱源として焼結されて成型体化し、多孔質ガラス母材（スート）４を成長・形成する。
【００２２】
なお、上記多孔質ガラス母材４の成長・形成に当たっては、被成長・形成体である多孔質ガラス母材４を適宜回転させておくと、より均質な多孔質ガラス母材４が形成される。また、上記において、回転可能に支持された基体１を固定型とし、放射部２の向き（角度）を変更することで、その先端部が基体１に全面的に対向させるようにしてもよい。そして、成長・形成した多孔質ガラス母材（スート）４は、波長 140〜5000nm領域での透過率が 1％以下の不透明体を成している。  次に、高純度多孔質石英ガラスの製造例を説明する。
【００２３】
実施例１
先ず、石英ガラス製の幅 100mm，厚さ10mm，長さ 100mmの薄板１を回転可能に支持する一方、前記回転可能に支持された石英ガラス薄板１に対向して、原料ガスおよび酸水素火炎を放射する３重管構造の放射部２を配置する。
【００２４】
次に、原料ガス供給管2aに、たとえば四塩化ケイ素を濃度15％程度に高純度窒素ガスで希釈した原料ガスを供給して放射する一方、同心円的に配置された水素供給管2b、および酸素供給管2cに各ガスを供給し、それぞれ放射・燃焼（火炎化）させる。この過程で、原料ガス供給管2aから放射された四塩化ケイ素を含むガスは、先ず、火炎化（燃焼反応）で生じる水分によって加水分解される。この加水分解によって、粒径 1〜 5μm 程度のシリカ微粒子の集合体が生成して、対向する石英ガラス薄板１側に放射され、放射されたシリカ微粒子の集合体は、石英ガラス薄板１面に堆積する。一方、石英ガラス薄板１面に堆積するシリカ微粒子の集合体は、火炎を熱源（約1300℃程度）として隣接する集合体同士、および集合体中のシリカ微粒子同士が融着ないし焼結により成型体化し、多孔質ガラス母材（スート）３を成長・形成する。
【００２５】
上記製造した多孔質ガラス母材（堆積層）３から、幅50mm，厚さ10mm，長さ50mmの多孔質石英ガラス板を切り出して、かさ密度を測定したところ、 2.1ｇ／cm3 であった。また、前記多孔質石英ガラス板の純度をフレームレス原子吸光法で測定したところ、金属およびアルカリ元素濃度は、表１に示すごとく、いずれも0.01 ppm以下であった。さらに、平均気孔径をミクロメリテックスポアーサイザー9310（島津製作所製）で測定したところ、 0.1μm 、レーザーフラッシュ法で熱伝導率を測定した結果は、0.002cal／cm・ s・K 、曲げ強さは 850 kgf／cm2 であった。
【００２６】
【表１】
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実施例２
実施例１の場合において、原料ガス中の四塩化ケイ素の濃度を95％に、火炎の温度を約1250℃程度に設定した他は、同様の条件で四塩化ケイ素を加水分解させた。この加水分解において、粒径 0.5〜 2μm 程度のシリカ微粒子の集合体が生成し、対向する石英ガラス薄板１側に放射され、放射されたシリカ微粒子の集合体は、石英ガラス薄板１面に堆積する。一方、石英ガラス薄板１面に堆積するシリカ微粒子の集合体は、火炎を熱源（約1250℃程度）として隣接する集合体同士、および集合体中のシリカ微粒子同士が融着ないし焼結により成型体化し、多孔質ガラス母材（スート）３を成長・形成する。
【００２７】
上記製造した多孔質ガラス母材（堆積層）３から、幅50mm，厚さ10mm，長さ50mmの多孔質石英ガラス板を切り出して、かさ密度を測定したところ、 1.9ｇ／cm3 であった。また、金属およびアルカリ元素濃度、気孔径、熱伝導率および曲げ強さなどの測定結果を表２に示す。
【００２８】
【表２】
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比較例１
天然の水晶を粉砕して得た粉末を原料として、電気溶融法により多数の泡を含有した石英ガラスを製造した。この石英ガラスについて、実施例１の場合と同様の測定法で、金属やアルカリ元素の不純物濃度を測定した結果を表１に併せて示した。また、熱伝導率は、0.003cal／cm・ s・K であった。
【００２９】
比較例２
四塩化ケイ素を含むガスを酸水素火炎中に供給し、酸水素火炎中で四塩化ケイ素を加水分解させた。この加水分解において生成した粒径 100μm 程度のシリカ微粒子を、アンモニア雰囲気中1000℃で加熱した後、さらに、1700℃で加熱して多数の泡を含有した石英ガラスを製造した。この石英ガラスについて、実施例１の場合と同様の測定法で、金属やアルカリ元素の不純物濃度を測定した結果を表１に併せて示した。また、気孔径、熱伝導率および曲げ強さなどの測定結果を表２に併せて示す。
【００３０】
比較例３
実施例１の場合において、原料ガス中の四塩化ケイ素の濃度を95％に、火炎の温度を約1150℃程度に設定した他は、同様の条件で四塩化ケイ素を加水分解させた。この加水分解において、粒径 0.5μm 程度のガラス微粒子が生成し、対向する石英ガラス薄板１側に放射され、放射されたガラス微粒子は、石英ガラス薄板面に堆積し、火炎を熱源（約1150℃程度）として隣接するガラス微粒子同士が融着ないし焼結により成型体化し、多孔質ガラス母材（スート）を成長・形成する。  上記製造した多孔質ガラス母材（堆積層）から、幅50mm，厚さ10mm，長さ50mmの多孔質石英ガラス板を切り出して、かさ密度を測定したところ、 1.5ｇ／cm3 であった。
【００３１】
比較例４
実施例１の場合において、原料ガス中の四塩化ケイ素の濃度を95％に、火炎の温度を約1100℃程度に設定した他は、同様の条件で四塩化ケイ素を加水分解させた。この加水分解において、粒径 0.5μm 程度のガラス微粒子が生成し、対向する石英ガラス薄板１側に放射され、放射されたガラス微粒子は、石英ガラス薄板面に堆積し、火炎を熱源（約1100℃程度）として隣接するガラス微粒子同士が融着ないし焼結により成型体化し、多孔質ガラス母材（スート）を成長・形成する。  上記製造した多孔質ガラス母材（堆積層）から、幅50mm，厚さ10mm，長さ50mmの多孔質石英ガラス板を切り出して、かさ密度を測定したところ、 1.3ｇ／cm3 であった。
【００３２】
火炎の温度を約２０００℃程度に設定し四塩化ケイ素を加水分解させた。この加水分解において、粒径１０μm 程度のガラス微粒子が生成し、対向する石英ガラス薄板１側に放射され、放射されたガラス微粒子は、石英ガラス薄板面に堆積し、火炎を熱源（約２０００℃程度）として隣接するガラス微粒子同士が融着ないし焼結により成型体化し、多孔質ガラス母材（スート）を成長・形成する。上記製造した多孔質ガラス母材（堆積層）から、幅５０mm，厚さ１０mm，長さ５０mmの多孔質石英ガラス板を切り出して、かさ密度を測定したところ、２．２ｇ／ｃｍ３であった。
【００３３】
上記実施例１，２、比較例３，４，５についてのかさ密度、気孔径、曲げ強さ、ハンドリング時のチッピング、透過率（厚さ 1mm，波長2000nm）、熱処理時の収縮変形（熱処理温度1100℃）、電子顕微鏡観察での気孔径分布を表３に示す。
【００３４】
ここで、ハンドリング時のチッピングは、厚さ10mmの薄板が取扱操作過程で破損し易い（×）か否（○）かで、また、熱処理時の収縮変形は、収縮変形なし（○）、スライス後バーナー加熱で変形（△）、インゴット加熱で変形（×）の記号で区分してある。
【００３５】
【表３】
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上記実施例１，２および比較例１〜５の特性例示から分かるように、各実施例の多孔質石英ガラスは、半導体の製造プロセスで悪影響を及ぼす不純物濃度が、それぞれ0.01 ppm以下であり、また、気孔径が微小で良好な断熱性を呈するだけでなく、曲げ強度もすぐれているので取扱操作し易いという利点がある。さらに、熱処理時の収縮変形もなく、かつ紫外線や赤外線の透過率も低いので、前記高純度性などと相俟って、厳しい条件が求められつつある半導体の製造プロセスで使用するボートテーブル、ダミーウエハなどの構成素材に有効である。
【００３６】
また、各実施例の多孔質石英ガラスに、さらに、厚さ80〜 300μm の極肉薄の非多孔質な透明層を被覆することによって、パーティクルの問題も解決することができ、前記用途において極めて有効である。
【００３７】
なお、本発明は上記実施例に限定されるものでなく、発明の趣旨を逸脱しない範囲でいろいろの変形を採ることができる。
【００３８】
【発明の効果】
本発明によれば、たとえば曲げ強度が500kgf／cm2 以上と、機械的な強度がすぐれ、かつ加工性も良好で厚さ 1mm程度のウエハに加工できる半導体ウエハ熱処理治具用の多孔質石英ガラスが提供される。しかも、前記多孔質石英ガラスは、高純度であるとともに、紫外ないし赤外領域の波長（ 140〜5000nm）の透過率も非常に低く、紫外線ないし赤外線の輻射を大きく抑制できるので、たとえばダミーウエハなどとしての利用に有効である。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る多孔質石英ガラスの製造例を説明するための模式的な断面図。
【符号の説明】
１……被成長基体
２……原料ガス放射部
2a……原料ガス供給管
2b……水素供給管
2c……酸素供給管
３……多孔質石英ガラス母材
【図１】
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