JP4531435B2 - シリコン部材およびその製造方法 - Google Patents
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Description
本発明は、半導体製造装置内で用いられる部品などをなすシリコン部材およびその製造方法に関するものである。
従来、液晶用スパッタリング装置、プラズマエッチング装置、ＣＶＤ装置などの半導体製造装置内で用いられる部品などをなす部材としては、石英部材、カーボン部材、シリコン部材、炭化ケイ素部材などが用いられている。
石英部材は、主成分が酸化ケイ素（ＳｉＯ２）であるため、高温、高真空の半導体製造装置内で使用されると、この石英から酸素ガスが発生し、この酸素ガスが、半導体製造装置内のガス組成を変化させることがある。また、半導体の製造工程において、ハロゲン元素を含むガスを用いる場合、石英自体がそのハロゲン元素を含むガスにより腐食してしまい、目的とする用途には使用できないという問題がある。
また、カーボン部材は、例えば、高純度化されたカーボン基材と、その表面を覆うように設けられた炭化ケイ素（ＳｉＣ）被膜とから構成されている。ところが、このカーボン基材をなすカーボンの純度は、一般的に、シリコンなどの高純度化されている材料よりも低い。そのため、半導体製造装置内では、一般に、このカーボン部材が高温に曝されると、この熱により、カーボン基材に含まれる不純物が、カーボン部材の表面に拡散する。その結果、例えばＣＶＤ装置内では、不純物により、半導体の製造に用いられるウエハが汚染されるという問題がある。
一方、その表面に炭化ケイ素被膜が設けられているカーボン部材は、炭化ケイ素、および炭素自体がハロゲン元素を含むガスに対する耐久性をある程度有することから、比較的、ハロゲン元素を含むガスに対する耐久性に優れている。
しかしながら、このカーボン部材を半導体製造装置内で使用すると、炭化ケイ素被膜に亀裂が生じることや、使用中にピンホールが生じることが避けらない。例えば、このカーボン部材をＣＶＤ装置に用いた場合、炭化ケイ素被膜に生じた亀裂やピンホールから、カーボン基材に含まれる不純物やガスが拡散して、ＣＶＤ装置内のガスの組成が変化して、半導体の製造に用いられるウエハの電気的特性が変化してしまうという問題がある。
また、このカーボン部材では、カーボン基材が黒色のため、目視による亀裂やピンホールの発見が困難である。それゆえに、ウエハに成膜などの所定の処理を施して、上記のようにその電気特性の異常値をもって初めて、炭化ケイ素被膜に生じた亀裂やピンホールに気付くことが多い。このようなことから、カーボン部材を用いると、ウエハの不良の発生や、ウエハの不良の発生前後における製造工程上の不具合をあらかじめ防止することが困難である。
シリコン部材は、実質上シリコンのみで形成されている。シリコンは高純度のものを製造することができる。高純度のシリコンからなるシリコン部材を、半導体製造装置内で用いた場合、上述のような問題は生じない。また、このシリコン部材をＣＶＤ装置内に設けられる支持台（サセプター）として用いた場合、シリコンウエハとシリコン部材の熱膨張率はほぼ等しいため、他材料を用いた時に見られる、支持台とシリコンウエハとの熱膨張係数の差による傷の発生、いわゆるシリコンウエハのスリッピングなどの問題が生じ難く、また、半導体製造装置内の熱伝導効率を制御し易い。しかし、シリコンはハロゲン元素を含むガスに対する耐久性がないため、ハロゲン元素を含むガスを使用する用途には応用できない。
炭化ケイ素部材としては、一般に、炭化ケイ素粉末を助剤と共に焼結してなる焼結体が用いられる。ところが、炭化ケイ素粉末の焼結に用いられる助剤は、上記のような不純物と同様に半導体製造装置内を汚染するという問題がある。また、炭化ケイ素部材を半導体製造装置内においてサセプターとして用いる場合、目的に適う外径の炭化ケイ素部材を製造するためには、他の部材を用いる場合と比較にならない程、製造コストが極めて高くなるという問題がある。
これらの問題を解決するための手段の１つとして、シリコン部材の表面に、ハロゲン元素を含んだガスに対する耐久性を有する被膜を設けることが可能性として考えられる。シリコン部材の表面に、このような被膜を設けた例としては、パワーデバイス用途として、単結晶シリコンの表面に炭化ケイ素被膜を設けたシリコン部材が挙げられる。しかしながら、パワーデバイス用途において、シリコン部材の表面に設けられる被膜は、炭化ケイ素の電気特性を求めるものでシリコン部材の耐久性を高めるために設けられるものではなく、そのため、この被膜は、厚みが薄い上に、基材をなすシリコンとの密着性が不十分であるため、実質的にシリコン部材の耐久性を高める役割を果すことはできない。
そこで、例えば、特許文献１には、プラズマ装置に適用されるシリコン部品の寿命を向上する目的で、シリコン部材の表面の一部を炭化ケイ素や窒化ケイ素（Ｓｉ３Ｎ４）で被覆する方法が開示されている。この方法の中でも、ＣＶＤ法により、単結晶シリコンからなる基材の表面に炭化ケイ素や窒化ケイ素の被膜を設けることが好ましいとされている。しかしながら、特許文献１に開示されている方法では、ＣＶＤ法により、基材の表面に被膜を設けるのみであり、従来のパワーデバイスの製造方法と比較しても差異がない。よって、この方法では、耐久性に優れるシリコン部材を供給することができない。
また、シリコンからなる基材の表面に設けられる炭化ケイ素被膜の構造を制御する目的で、種々の試みがなされている。例えば、特許文献２には、あらかじめシリコン基材の表面を炭化してから、炭化ケイ素被膜を形成することにより、低温では生成し難いとされている炭化ケイ素被膜の結晶層を形成する方法が開示されている。しかしながら、この方法では、耐久性に優れるシリコン部材を得ることはできない。
また、特許文献３には、アルミニウムをドーパントとして添加することにより、シリコン基材の表面に単結晶の炭化ケイ素被膜を形成する方法が開示されている。しかしながら、この方法では、耐久性に優れるシリコン部材を得ることはできない。また、アルミニウムをドーパントとして用いると、アルミニウムはシリコン内ではＰ型のドーパントとして作用する。そして、このアルミニウムは、上記のような不純物と同様に半導体製造装置内を汚染したり、ウエハの抵抗値特性を劣化するなどの問題がある。したがって、この方法を実用化することはできない。
特開２００１−３３８９１５号公報
特開平７−３３５５６２号公報
特開２００１−８５３４１号公報
本発明は、前記事情に鑑みてなされたもので、半導体製造装置に適用され、ハロゲン元素を含むガスに対する耐久性に優れ、被膜に生じたピンホールを目視により容易に確認することが可能なシリコン部材およびその製造方法を提供することを目的とする。
本発明のシリコン部材は、上記課題を解決するために、多結晶シリコンからなる基材と、該基材の表面に設けられた無機材料からなる被膜とから構成され半導体製造装置に適用されハロゲン元素を含むガスに対する耐久性とプラズマエッチング工程に対する耐久性とを有するシリコン部材であって、
前記被膜をなす無機材料は炭化ケイ素または窒化ケイ素であり、
この被膜を前記基材の表面に強固に密着するために、
前記基材は、その表面における算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下、 最大高さＲｙが３．５μｍ以上、７．０μｍ以下、十点平均粗さＲｚが１．０μｍ以上、５．０μｍ以下とされ、
前記基材をなす多結晶シリコンの結晶粒の平均粒子径が１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、前記基材に含まれる酸素の濃度が１．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以上、３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以下とされ、
前記被膜の厚みが３μｍ以上、１５０μｍ以下とされてなることを特徴とする。
本発明はまた、前記基材におけるシリコンの純度は９９．９９９％以上である手段か、前記基材の比抵抗値は０．００１〜３０Ωｃｍである手段か、前記基材に含まれる炭素の濃度は１．０×１０Ｅ１７〜３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃである手段か、前記基材をなす多結晶シリコンが、一方向凝固法により製造された柱状晶シリコンである手段を採用することが可能である。
本発明のシリコン部材の製造方法は、結晶粒の平均粒子径が１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下で、含まれる酸素の濃度が１．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以上、３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以下とされる多結晶シリコンからなる基材と、該基材の表面に設けられた無機材料からなる被膜とから構成され半導体製造装置に適用されハロゲン元素を含むガスに対する耐久性とプラズマエッチング工程に対する耐久性とを有するシリコン部材の製造方法であって、
前記基材の表面を算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下、最大高さＲｙを３．５μｍ以上、７．０μｍ以下、十点平均粗さＲｚを１．０μｍ以上、５．０μｍ以下となるように加工処理する工程Ａと、該工程Ａにより加工処理された基材の表面に厚みが３μｍ以上、１５０μｍ以下の炭化ケイ素または窒化ケイ素とされる前記被膜を前記基材の表面に強固に密着して設ける工程Ｂとを備えたことを特徴とする。
本発明はまた、前記基材に含まれる炭素の濃度を１．０×１０Ｅ１７〜３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃとすることができ、前記基材をなす多結晶シリコンを、一方向凝固法により製造された柱状晶シリコンとすることが可能である。
本発明はまた、多結晶シリコンからなる基材と、該基材の表面に設けられた無機材料からなる被膜とから構成されるシリコン部材であって、前記基材の表面における算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４で定める測定方法により測定される値）が０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下であるシリコン部材を提供する。
前記被膜をなす無機材料は炭化ケイ素または窒化ケイ素であり、
この被膜を前記基材の表面に強固に密着するために、
前記基材は、その表面における算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下、 最大高さＲｙが３．５μｍ以上、７．０μｍ以下、十点平均粗さＲｚが１．０μｍ以上、５．０μｍ以下とされ、
前記基材をなす多結晶シリコンの結晶粒の平均粒子径が１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、前記基材に含まれる酸素の濃度が１．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以上、３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以下とされ、
前記被膜の厚みが３μｍ以上、１５０μｍ以下とされてなることを特徴とする。
本発明はまた、前記基材におけるシリコンの純度は９９．９９９％以上である手段か、前記基材の比抵抗値は０．００１〜３０Ωｃｍである手段か、前記基材に含まれる炭素の濃度は１．０×１０Ｅ１７〜３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃである手段か、前記基材をなす多結晶シリコンが、一方向凝固法により製造された柱状晶シリコンである手段を採用することが可能である。
本発明のシリコン部材の製造方法は、結晶粒の平均粒子径が１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下で、含まれる酸素の濃度が１．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以上、３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以下とされる多結晶シリコンからなる基材と、該基材の表面に設けられた無機材料からなる被膜とから構成され半導体製造装置に適用されハロゲン元素を含むガスに対する耐久性とプラズマエッチング工程に対する耐久性とを有するシリコン部材の製造方法であって、
前記基材の表面を算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下、最大高さＲｙを３．５μｍ以上、７．０μｍ以下、十点平均粗さＲｚを１．０μｍ以上、５．０μｍ以下となるように加工処理する工程Ａと、該工程Ａにより加工処理された基材の表面に厚みが３μｍ以上、１５０μｍ以下の炭化ケイ素または窒化ケイ素とされる前記被膜を前記基材の表面に強固に密着して設ける工程Ｂとを備えたことを特徴とする。
本発明はまた、前記基材に含まれる炭素の濃度を１．０×１０Ｅ１７〜３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃとすることができ、前記基材をなす多結晶シリコンを、一方向凝固法により製造された柱状晶シリコンとすることが可能である。
本発明はまた、多結晶シリコンからなる基材と、該基材の表面に設けられた無機材料からなる被膜とから構成されるシリコン部材であって、前記基材の表面における算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４で定める測定方法により測定される値）が０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下であるシリコン部材を提供する。
上記シリコン部材において、前記基材の表面における最大高さＲｙ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４で定める測定方法により測定される値）が３．５μｍ以上、７．０μｍ以下であることが好ましい。
上記シリコン部材において、前記基材の表面における十点平均粗さＲｚ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４で定める測定方法により測定される値）が１．０μｍ以上、５．０μｍ以下であることが好ましい。
上記シリコン部材において、前記基材をなす多結晶シリコンの結晶粒の平均粒子径が１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下であることが好ましい。
上記シリコン部材において、前記基材に含まれる酸素の濃度が１．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以上、３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以下であることが好ましい。
上記シリコン部材において、前記被膜をなす無機材料は炭化ケイ素または窒化ケイ素であることが好ましい。
上記シリコン部材において、前記被膜の厚みが３μｍ以上、１５０μｍ以下であることが好ましい。
本発明は、多結晶シリコンからなる基材と、該基材の表面に設けられた無機材料からなる被膜とから構成されるシリコン部材の製造方法であって、前記基材の表面を算術平均粗さＲａ（ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４で定める測定方法により測定される値）が０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下となるように加工処理する工程Ａと、該工程Ａにより加工処理された基材の表面に前記被膜を設ける工程Ｂとを備えたシリコン部材の製造方法を提供する。
本発明のシリコン部材は、多結晶シリコンからなる基材の表面に、無機材料からなる被膜が設けられ、基材の表面における算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下であるから、基材と被膜との密着性に優れているため、ハロゲン元素を含むガスに対する耐久性や、プラズマエッチング工程に対する耐久性に優れたものとなる。また、被膜にピンホールが生じた場合に、目視により容易にピンホールを確認することができる。
本発明のシリコン部材の製造方法は、多結晶シリコンからなる基材の表面を算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下となるように加工処理した後、加工処理された基材の表面に無機材料からなる被膜を設けるから、基材と被膜との密着性に優れ、結果として、ハロゲン元素を含むガスに対する耐久性や、プラズマエッチング工程に対する耐久性に優れたシリコン部材を得ることができる。
以下、本発明に係るシリコン部材について説明する。
本発明のシリコン部材は、多結晶シリコンからなる基材（以下、「シリコン基材」と略す。）と、このシリコン基材の表面に設けられた無機材料からなる被膜とから概略構成されており、シリコン基材の表面における算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下である。
本発明のシリコン部材は、多結晶シリコンからなる基材（以下、「シリコン基材」と略す。）と、このシリコン基材の表面に設けられた無機材料からなる被膜とから概略構成されており、シリコン基材の表面における算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下である。
本発明にあっては、シリコン基材の表面における算術平均粗さＲａは、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４で定める測定方法によって定義されるものである。
シリコン基材の表面における算術平均粗さＲａが０．２５μｍ未満では、シリコン基材と被膜との密着性に劣るため、シリコン部材はハロゲン元素を含むガスに対する耐久性や、プラズマエッチング工程に対する耐久性に劣るものとなる。一方、シリコン基材の表面における算術平均粗さＲａが０．８μｍを超えると、その表面に設ける無機材料の膜厚が不均一となり好ましくない。
シリコン基材の表面における算術平均粗さＲａが０．２５μｍ未満では、シリコン基材と被膜との密着性に劣るため、シリコン部材はハロゲン元素を含むガスに対する耐久性や、プラズマエッチング工程に対する耐久性に劣るものとなる。一方、シリコン基材の表面における算術平均粗さＲａが０．８μｍを超えると、その表面に設ける無機材料の膜厚が不均一となり好ましくない。
また、シリコン基材の表面における算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下で、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４で定める測定方法によるシリコン基材の表面における最大高さＲｙは３．５μｍ以上、７．０μｍ以下がより好ましい。
なお、最大高さＲｙは、基準長さ毎に、基材の表面に存在する凹凸の凹部の最も深い地点から、凸部の最も高い地点までの距離を表している。
なお、最大高さＲｙは、基準長さ毎に、基材の表面に存在する凹凸の凹部の最も深い地点から、凸部の最も高い地点までの距離を表している。
ここで、表面がほぼ平坦で、シリコン基材との密着性に優れる被膜を形成するため、および特にハロゲン元素を含むガスに対する耐久性を向上させるためには、シリコン基材の表面に設けられる被膜の厚みは３μｍ以上が好ましく、１０μｍ〜１５０μｍがより好ましく、２０μｍ〜１００μｍがさらに好ましい。
被膜の厚みが３μｍ未満では、シリコン基材に、ハロゲン元素を含むガスに対する耐久性や、プラズマエッチング工程に対する耐久性を、十分に付与することができない。一方、被膜の厚みが厚ければ厚いほど、シリコン基材への耐久性の付与には有効である。しかしながら、被膜の厚みが１５０μｍを超えると、シリコン基材を被覆する際に生じる応力、熱膨張、熱収縮などにより、被膜に亀裂が生じることがある。また、被膜とシリコン基材との密着性が損なわれ、被膜がシリコン基材から剥離し易くなる。
さらに、シリコン基材の表面における算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下である場合、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４で定める測定方法によるシリコン基材の表面における十点平均粗さＲｚは１．０μｍ以上、５．０μｍ以下がより好ましい。
なお、十点平均粗さＲｚは、基準長さ毎に、基材の表面に存在する凹凸の凹部の最も深い地点から５点、凸部の最も高い地点か５点を選び、これらを平均した高さを表している。
なお、十点平均粗さＲｚは、基準長さ毎に、基材の表面に存在する凹凸の凹部の最も深い地点から５点、凸部の最も高い地点か５点を選び、これらを平均した高さを表している。
シリコン基材をなす多結晶シリコンとしては、一方向凝固法により製造された柱状晶シリコンが好ましい。この柱状晶シリコンは、鋳造において製造されるが、その製造過程が通常の多結晶シリコンの場合と異なり、内部応力を除去する方式で製造される。そのため、一方向凝固法により製造された柱状晶シリコンは、結晶粒同士の界面（以下、「粒界」と言う。）にかかる内部応力が緩和され、一般的な多結晶シリコンと比較して加工性に優れている。さらに、一方向に凝固する際に不純物を結晶中から排除しながら結晶化するため、高純度品が得られるという特徴がある。したがって、柱状晶シリコンは、半導体製造装置内で用いられる部品や部材のような高精度を要求される用途に好適である。加えて、この柱状晶シリコンの表面に被膜を設けたシリコン部材では、被膜と上記粒界との接触面およびその近傍において、被膜に応力が集中しないので、被膜と柱状晶シリコンとの密着性が向上する。
また、シリコン基材におけるシリコンの純度は９９．９９９％以上が望ましい。このシリコン部材を半導体製造装置内で使用する場合、上述のような不純物による装置内の汚染を防止するためには、シリコンの純度はできる限り高いことが好ましい。なお、半導体製造装置内での用途以外でも、シリコンの純度が低い場合には、このシリコン基材の表面に設けられた被膜が、ハロゲン元素を含むガスに対する耐久性や、プラズマエッチング工程に対する耐久性に劣る現象が見られるので、シリコンの純度はできる限り高いことが好ましい。
このようなシリコンの純度に起因する不具合の詳細な原因は不明であるが、シリコン基材に不純物が多く含まれる場合には、シリコン基材の表面に設けられる被膜の成長が不均一になることが、その一因と考えられる。
シリコン基材の純度の測定方法（シリコン基材に含まれる不純物の測定方法）は特に限定されず、シリコンの分析において、一般的に用いられる測定方法を適用することができる。シリコンの分析方法の具体的な例としては、原子吸光法、ＩＣＰ−ＭＳ法などが挙げられる。
また、シリコン基材の比抵抗値は０．００１〜３０Ωｃｍが望ましい。この比抵抗値についても、詳細な原因は不明であるが、この範囲を超えると、被膜の耐久性が劣化するために好ましくない。
なお、シリコンの場合、導電性にＮ型とＰ型があるが、本発明で用いられるシリコン基材の導電性は、このＮ型、Ｐ型いずれであってもよい。
なお、シリコンの場合、導電性にＮ型とＰ型があるが、本発明で用いられるシリコン基材の導電性は、このＮ型、Ｐ型いずれであってもよい。
本発明において、シリコン基材の比抵抗値の測定方法は特に限定されず、シリコンの比抵抗値の測定において、一般的に用いられる測定方法を適用することができる。シリコン基材の比抵抗値の測定方法の具体的な例としては、渦電流測定装置を用いる方法、四探針測定装置を用いる方法などが挙げられる。
また、シリコン基材のＰ型、Ｎ型の判定方法としては、一般的なＰＮ判定装置を用いる方法などが用いられる。
また、シリコン基材のＰ型、Ｎ型の判定方法としては、一般的なＰＮ判定装置を用いる方法などが用いられる。
また、シリコン基材の組成は、シリコン部材の耐久性を向上させる上で重要な因子である。シリコン基材の組成を特徴付ける因子としては、シリコンの純度だけでなく、基材に含まれる酸素の濃度や、炭素の濃度が挙げられる。
本発明のシリコン部材では、シリコン基材に含まれる酸素の濃度は１．０×１０Ｅ１８〜３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃが好ましく、１．５×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／c〜２．５×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃがより好ましい。かつ、炭素の濃度は１．０×１０Ｅ１７〜３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃが望ましい。
シリコン基材に含まれる酸素の濃度、炭素の濃度が被膜にどのような影響を及ぼすのか、まだ正確には分かっていないものの、酸素の濃度および炭素の濃度が上記の範囲を超えると、被膜の耐久性が劣化する。
シリコン基材に含まれる酸素の濃度、炭素の濃度が被膜にどのような影響を及ぼすのか、まだ正確には分かっていないものの、酸素の濃度および炭素の濃度が上記の範囲を超えると、被膜の耐久性が劣化する。
本発明において、シリコン基材に含まれる酸素の濃度および炭素の濃度を測定する測定方法は特に限定されず、シリコンの分析において、一般的に用いられる測定方法を適用することができる。このような測定方法の具体的な例としては、ＳＩＭＳによる測定方法、ＦＴ−ＩＲによる測定方法などが挙げられる。
また、シリコン基材をなす多結晶シリコンの結晶粒の平均粒子径は１ｍｍ〜２０ｍｍが望ましく、３ｍｍ〜１５ｍｍがより望ましい。
多結晶シリコンの結晶粒の平均粒子径が１ｍｍ未満では、シリコン基材の表面に被膜を強固に密着することができない。
一方、シリコン基材が多結晶シリコンからなる場合、多結晶シリコンの結晶方位は一定でないために、気相から成長する被膜のシリコン基材への密着状態が、被膜の全域にわたって完全に一致しない。多結晶シリコンの粒界には、結晶方位の不均一性を緩和する作用があるが、平均粒子径が１ｍｍ未満では、結晶方位の不均一性が大き過ぎて、十分に緩和することができない。
一方、シリコン基材が多結晶シリコンからなる場合、多結晶シリコンの結晶方位は一定でないために、気相から成長する被膜のシリコン基材への密着状態が、被膜の全域にわたって完全に一致しない。多結晶シリコンの粒界には、結晶方位の不均一性を緩和する作用があるが、平均粒子径が１ｍｍ未満では、結晶方位の不均一性が大き過ぎて、十分に緩和することができない。
また、多結晶シリコンの結晶粒の平均粒子径が２０ｍｍを超えると、シリコン基材の表面に被膜を強固に密着することができない。これは、シリコン基材と、被膜をなす無機材料とにおける内部応力（残留応力）、熱膨張率などの差異に起因している。また、平均粒子径が２０ｍｍを超えると、１つの結晶粒からの応力が、シリコン基材と、その表面に設けられる被膜との界面に集中し過ぎて、被膜の密着性を損なう。
本発明において、多結晶シリコンの平均粒子径の測定方法は特に限定されず、デジタルマイクロスコープなどの画像処理が可能な光学装置を用いて、単位面積における結晶粒の個数および面積を測定した後、これらの測定値をデジタル処理して平均粒子径を求める方法、あるいは、単位長さに存在する結晶粒の個数を測定する方法などを適用することができる。
被膜をなす無機材料としては、無機炭化物、窒化物が望ましく、これらの中でも、炭化ケイ素、窒化ケイ素がより望ましい。
半導体製造装置内で用いられる部品に含まれる不純物は装置内を汚染するため、通常、シリコン部材に含まれる金属不純物は装置内を汚染する原因となる。炭化ケイ素や窒化ケイ素は、金属元素としてケイ素を含むが、通常、シリコン部材に含まれる金属不純物を含まない。さらに、炭化ケイ素や窒化ケイ素は、ハロゲン元素を含むガスに対する耐久性、プラズマエッチング工程に対する耐久性に極めて優れている上に、耐熱性、耐磨耗性にも優れている。さらには、炭化ケイ素は基材となるシリコンと熱膨張率が比較的近いために耐久性に優れた皮膜を形成しやすいという特徴もある。
半導体製造装置内で用いられる部品に含まれる不純物は装置内を汚染するため、通常、シリコン部材に含まれる金属不純物は装置内を汚染する原因となる。炭化ケイ素や窒化ケイ素は、金属元素としてケイ素を含むが、通常、シリコン部材に含まれる金属不純物を含まない。さらに、炭化ケイ素や窒化ケイ素は、ハロゲン元素を含むガスに対する耐久性、プラズマエッチング工程に対する耐久性に極めて優れている上に、耐熱性、耐磨耗性にも優れている。さらには、炭化ケイ素は基材となるシリコンと熱膨張率が比較的近いために耐久性に優れた皮膜を形成しやすいという特徴もある。
次に、本発明に係るシリコン部材の製造方法について説明する。
まず、例えば、一方向凝固法により、多結晶シリコンとして、柱状晶シリコンを作製する。
まず、例えば、一方向凝固法により、多結晶シリコンとして、柱状晶シリコンを作製する。
次いで、この柱状晶シリコンを、結晶の成長方向とほぼ垂直に、所定の厚みに切断して、シリコン基材を作製する。
次いで、算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下となるように、シリコン基材の表面を加工処理する（工程Ａ）。
この工程Ａにおいて、算術平均粗さＲａ、および最大高さＲｙ、十点平均粗さＲｚが上記範囲となるように、シリコン基材の表面を加工処理する方法としては、バンドソー、ブレードソー、ワイヤーソーなどの一般的にシリコンを切断する際に用いられる切断機により切断条件を調整すること、あるいはこれら切断機で切断した後に、その表面をロータリー研削盤、平面研削盤などのシリコンの研削に一般的に用いられる研削装置により表面研削する研削条件を調整すること、さらに必要に応じて表面を、酸、アルカリなどでエッチングすることで得られる。これらのエッチング工程は、表面の加工処理と共に切断、研削などで生じた表面の不純物汚染を除去することでも有効である。
次いで、工程Ａにより、加工処理されたシリコン基材の表面に、無機材料からなる被膜を設け（工程Ｂ）、シリコン基材と、その表面に設けられた被膜とからなるシリコン部材を得る。
この工程Ｂにおいて、シリコン基材の表面に被膜を設ける方法としては、一般的な被膜の形成方法を用いることができるが、これらの中でも特にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学気相蒸着）法が好ましい。
この工程Ｂにおいて、シリコン基材の表面に被膜を設ける方法としては、一般的な被膜の形成方法を用いることができるが、これらの中でも特にＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ、化学気相蒸着）法が好ましい。
被膜の形成方法としては、ＣＶＤ法以外に、ＰＶＤ（Ｐｈｙｓｉｃａｌ Ｖａｐｏｒ Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）法、塗布方法などが挙げられるが、これらの方法で形成された被膜はどうしても膜表面に残留応力が残ってしまい、そのため、この被膜はシリコン基材との密着性に劣り、またハロゲン系ガスに対する耐久性が十分でない。一方、ＣＶＤ法で形成された被膜は、厚みが均一で、極性および残留応力をほとんど有さないので好ましい。
ＣＶＤ法としては、熱ＣＶＤ法、プラズマＣＶＤ法などの、無機材料からなる被膜を形成することが可能な方法であれば、いかなる方法でも適用することができる。
なお、シリコンの融点は１４３０℃付近であるため、ＣＶＤ法により被膜を形成する温度を、シリコンの融点以下とすることが望ましい。特に、熱ＣＶＤ法を用いる場合、被膜を形成する温度を１０００℃以上、１３５０℃以下とすることがより望ましい。また、プラズマＣＶＤ法を用いる場合、被膜を形成する温度を５００℃以上、１３５０℃以下とすることがより望ましく、６００℃以上、１０００℃以下とすることがさらに望ましい。
なお、シリコンの融点は１４３０℃付近であるため、ＣＶＤ法により被膜を形成する温度を、シリコンの融点以下とすることが望ましい。特に、熱ＣＶＤ法を用いる場合、被膜を形成する温度を１０００℃以上、１３５０℃以下とすることがより望ましい。また、プラズマＣＶＤ法を用いる場合、被膜を形成する温度を５００℃以上、１３５０℃以下とすることがより望ましく、６００℃以上、１０００℃以下とすることがさらに望ましい。
なお、被膜を形成する温度がシリコンの融点以下であっても、この温度に近いと、シリコン基材が変形することがある。したがって、この温度条件で作製されたシリコン部材を高精度を要求される半導体製造装置用部品として使用すると、寸法精度が低下するため、被膜を形成する温度を高くし過ぎることは好ましくない。
また、ＣＶＤ法により被膜を形成する際に用いられる無機原料としては、一般的に、ＣＶＤ法で用いられる無機原料を用いることができる。具体的には、炭化ケイ素からなる被膜を形成する場合、ケイ素原料としては、シランガス、四塩化ケイ素、トリクロロシラン、ジクロロシラン、メチルクロロシラン、ヘキサメチレンジシラザンなどが用いられ、炭素原料としては、メタンガス、プロパンガス、エチレンガスなどが用いられる。
このようにして得られたシリコン部材は、半導体製造装置用の部品や部材などとして好適な部材である。
なお、本発明のシリコン部材は、例えば、ＣＶＤ装置、液晶製造装置、プラズマエッチング装置などの半導体製造装置に適用することができる。これらの半導体製造装置の中でも、特に乾式法によりガス処理を行う装置に有効である。
以上説明したように、本発明のシリコン部材は、多結晶シリコンからなるシリコン基材の表面に、無機材料からなる被膜が設けられているから、ハロゲン元素を含むガスに対する耐久性や、プラズマエッチング工程に対する耐久性に優れている。また、本発明のシリコン部材を、半導体製造装置内に設けられるシリコンウエハの支持台（サセプター）に適用すれば、このシリコン部材は、熱伝導率および熱膨張率がシリコンウエハとほぼ等しいので、シリコンウエハの全域にわたって、均一な処理を施すことができる。また、シリコンウエハのスリッピングの問題が生じ難くなる。
また、本発明のシリコン部材を構成するシリコン基材は、ハロゲン元素を含むガスに対する耐久性に劣る。そこで、この性質を利用して、本発明のシリコン部材を半導体製造装置内で長期間使用した場合、被膜に生じたピンホールを目視により容易に確認することができる。
これは、被膜に生じたピンホールから侵入したハロゲン元素を含むガスによりシリコン基材が腐食して、例えばハロゲン元素を含んだガスが塩化水素の場合、シリコンはこの塩化水素と反応し四塩化ケイ素として揮発してしまい、結果としてこのピンホールが拡大されることとなる。これより、ピンホールは目視により容易に確認することが可能となる。
また、このピンホールは、半導体製造装置を用いて製造した製品の検査、または、半導体製造装置内の定期検査などによって、確認することができる。
また、このピンホールは、半導体製造装置を用いて製造した製品の検査、または、半導体製造装置内の定期検査などによって、確認することができる。
以下、実施例により本発明をさらに具体的に説明するが、本発明は以下の実施例に限定されるものではない。
（実施例１）
一方向凝固法により平均粒径１０ｍｍ、酸素濃度１．２×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃの柱状晶シリコンを作製した後、バンドソーを用いて、この柱状晶シリコンを、結晶の成長方向とほぼ垂直に、厚み５ｍｍに切断して、シリコン基材を作製した。
次いで、表面粗さ測定機（サーフコム３０００Ａ−３ＤＦ−ＤＸ−Ｓ、東京精密機社製）を用いて、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４で定める測定方法により、シリコン基材の表面の算術平均粗さＲａを測定したところ、算術平均粗さＲａは０．６８μｍ、最大高さＲｙは５．０μｍ、十点平均粗さＲｚは３．８μｍであった。
次いで、熱ＣＶＤ法により、シリコン基材の表面に、厚み５０μｍの炭化ケイ素被膜を設けて、シリコン部材を得た。
なお、この工程において、原料ガスとしてシランガスとプロパンガスを用い、被膜を形成する温度を１２５０℃とした。
次に、得られたシリコン部材を管状炉内に収容し、アルゴンガスで希釈して３０ｖｏｌ％とした塩化水素ガス内において１０００℃で、３時間熱処理した。この時、塩化水素ガスの流量を１．０Ｌ／ｍｉｎとした。
塩化水素ガスによる熱処理の前後において、シリコン部材の被膜の状態を観察し、熱塩化水素ガスに対するシリコン部材の耐久性を評価した。結果を図１および図２に示す。なお、図１は熱処理前のシリコン部材の表面を撮影した写真、図２は熱処理後のシリコン部材の表面を撮影した写真である。
一方向凝固法により平均粒径１０ｍｍ、酸素濃度１．２×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃの柱状晶シリコンを作製した後、バンドソーを用いて、この柱状晶シリコンを、結晶の成長方向とほぼ垂直に、厚み５ｍｍに切断して、シリコン基材を作製した。
次いで、表面粗さ測定機（サーフコム３０００Ａ−３ＤＦ−ＤＸ−Ｓ、東京精密機社製）を用いて、ＪＩＳ Ｂ０６０１−１９９４で定める測定方法により、シリコン基材の表面の算術平均粗さＲａを測定したところ、算術平均粗さＲａは０．６８μｍ、最大高さＲｙは５．０μｍ、十点平均粗さＲｚは３．８μｍであった。
次いで、熱ＣＶＤ法により、シリコン基材の表面に、厚み５０μｍの炭化ケイ素被膜を設けて、シリコン部材を得た。
なお、この工程において、原料ガスとしてシランガスとプロパンガスを用い、被膜を形成する温度を１２５０℃とした。
次に、得られたシリコン部材を管状炉内に収容し、アルゴンガスで希釈して３０ｖｏｌ％とした塩化水素ガス内において１０００℃で、３時間熱処理した。この時、塩化水素ガスの流量を１．０Ｌ／ｍｉｎとした。
塩化水素ガスによる熱処理の前後において、シリコン部材の被膜の状態を観察し、熱塩化水素ガスに対するシリコン部材の耐久性を評価した。結果を図１および図２に示す。なお、図１は熱処理前のシリコン部材の表面を撮影した写真、図２は熱処理後のシリコン部材の表面を撮影した写真である。
（比較例１）
厚み５ｍｍの柱状晶シリコンの表面を、バンドソーで切断後、平面研削盤で表面研削し、次いで、遊離砥粒を用いて鏡面研磨し、シリコン基材の表面の算術平均粗さＲａを０．０８μｍ、最大高さＲｙを０．６３μｍ、十点平均粗さＲｚは０．３８μｍとした以外は実施例と同様にして、シリコン部材を作製した。
得られたシリコン部材を、実施例と同様にして、塩化水素ガスにより熱処理して、その前後において、シリコン部材の被膜の状態を観察し、熱塩化水素ガスに対するシリコン部材の耐久性を評価した。結果を図３および図４に示す。なお、図３は熱処理前のシリコン部材の表面を撮影した写真、図４は熱処理後のシリコン部材の表面を撮影した写真である。
厚み５ｍｍの柱状晶シリコンの表面を、バンドソーで切断後、平面研削盤で表面研削し、次いで、遊離砥粒を用いて鏡面研磨し、シリコン基材の表面の算術平均粗さＲａを０．０８μｍ、最大高さＲｙを０．６３μｍ、十点平均粗さＲｚは０．３８μｍとした以外は実施例と同様にして、シリコン部材を作製した。
得られたシリコン部材を、実施例と同様にして、塩化水素ガスにより熱処理して、その前後において、シリコン部材の被膜の状態を観察し、熱塩化水素ガスに対するシリコン部材の耐久性を評価した。結果を図３および図４に示す。なお、図３は熱処理前のシリコン部材の表面を撮影した写真、図４は熱処理後のシリコン部材の表面を撮影した写真である。
（比較例２）
厚み５ｍｍの柱状晶シリコンの表面を、平面研削盤を用いて研磨し、シリコン基材の表面の算術平均粗さＲａを０．１９μｍ、最大高さＲｙは１．３μｍ、十点平均粗さＲｚは０．９μｍとした以外は実施例と同様にして、シリコン部材を作製した。
得られたシリコン部材を、実施例と同様にして、塩化水素ガスにより熱処理して、その前後において、シリコン部材の被膜の状態を観察し、熱塩化水素ガスに対するシリコン部材の耐久性を評価した。結果を図５および図６に示す。なお、図５は熱処理前のシリコン部材の表面を撮影した写真、図６は熱処理後のシリコン部材の表面を撮影した写真である。
厚み５ｍｍの柱状晶シリコンの表面を、平面研削盤を用いて研磨し、シリコン基材の表面の算術平均粗さＲａを０．１９μｍ、最大高さＲｙは１．３μｍ、十点平均粗さＲｚは０．９μｍとした以外は実施例と同様にして、シリコン部材を作製した。
得られたシリコン部材を、実施例と同様にして、塩化水素ガスにより熱処理して、その前後において、シリコン部材の被膜の状態を観察し、熱塩化水素ガスに対するシリコン部材の耐久性を評価した。結果を図５および図６に示す。なお、図５は熱処理前のシリコン部材の表面を撮影した写真、図６は熱処理後のシリコン部材の表面を撮影した写真である。
図１〜図６の結果から、実施例で作製したシリコン部材では、塩化水素ガスによる熱処理後に、被膜に生じたピンホールは僅かであった。一方、比較例１および比較例２で作製したシリコン部材では、塩化水素ガスによる熱処理後に、被膜の一部が剥がれて、シリコン基材の表面が露出してしまった。
（実施例２〜５）
シリコン基材の表面粗さ、平均粒子径、酸素濃度、無機皮膜の膜質と膜厚を変えた以外は、実施例１と同様の評価を行った。結果を表１に示す。
シリコン基材の表面粗さ、平均粒子径、酸素濃度、無機皮膜の膜質と膜厚を変えた以外は、実施例１と同様の評価を行った。結果を表１に示す。
（比較例３〜７）
シリコン基材の表面粗さ、平均粒子径、酸素濃度、無機皮膜の膜質と膜厚を変えた以外は、比較例１、２と同様の評価を行った。結果を表２に示す。
シリコン基材の表面粗さ、平均粒子径、酸素濃度、無機皮膜の膜質と膜厚を変えた以外は、比較例１、２と同様の評価を行った。結果を表２に示す。
（実施例６）
実施例１で得られた炭化ケイ素皮膜を有したシリコン部材を、５０×５０×５ｍｍに切出し、エリオニクス社製のＥＣＲ型イオンビーム照射装置ＥＩＳ−１５０Ａにて片方をマスキングしながら、ＣＦ４ガス１５ｃｃ／ｍｉｎ、ＥＣＲパワー１００ＷにてＣＦ４ガスにてプラズマエッチングを３０分間行った。
このようにしてエッチングしたサンプルのエッチング面とマスキングしてエッチングされない面との段差を実施例１で記載した表面粗さ測定機により測定し、プラズマエッチングによりエッチングされた量を求めた。
次いで、流すガスをＳＦ６：１５ｃｃ／ｍｉｎ、エッチング時間１時間とした以外は、全く同じ方法によるプラズマエッチング試験と段差測定を実施し、ＳＦ６に対するエッチング耐久性を評価した。
いずれの場合もエッチング量は０．２μｍ以下であり、極めて高いエッチング耐久性を有することが確認された。
実施例１で得られた炭化ケイ素皮膜を有したシリコン部材を、５０×５０×５ｍｍに切出し、エリオニクス社製のＥＣＲ型イオンビーム照射装置ＥＩＳ−１５０Ａにて片方をマスキングしながら、ＣＦ４ガス１５ｃｃ／ｍｉｎ、ＥＣＲパワー１００ＷにてＣＦ４ガスにてプラズマエッチングを３０分間行った。
このようにしてエッチングしたサンプルのエッチング面とマスキングしてエッチングされない面との段差を実施例１で記載した表面粗さ測定機により測定し、プラズマエッチングによりエッチングされた量を求めた。
次いで、流すガスをＳＦ６：１５ｃｃ／ｍｉｎ、エッチング時間１時間とした以外は、全く同じ方法によるプラズマエッチング試験と段差測定を実施し、ＳＦ６に対するエッチング耐久性を評価した。
いずれの場合もエッチング量は０．２μｍ以下であり、極めて高いエッチング耐久性を有することが確認された。
（比較例８）
表面に炭化ケイ素皮膜を有さない実施例１と同じ組成のシリコン基材を用い、実施例 と同じ条件でプラズマエッチング試験を実施した。ＣＦ４ガスを用いた場合、４μｍエッチングされていた。また、ＳＦ６ガスを用いた場合、１２μｍのエッチングが確認された。
表面に炭化ケイ素皮膜を有さない実施例１と同じ組成のシリコン基材を用い、実施例 と同じ条件でプラズマエッチング試験を実施した。ＣＦ４ガスを用いた場合、４μｍエッチングされていた。また、ＳＦ６ガスを用いた場合、１２μｍのエッチングが確認された。
本発明のシリコン部材は、例えばＣＶＤ装置、液晶製造装置、スパッタリング装置、プラズマエッチング装置などの半導体製造装置にも適用可能である。
Claims (8)
- 多結晶シリコンからなる基材と、該基材の表面に設けられた無機材料からなる被膜とから構成され半導体製造装置に適用されハロゲン元素を含むガスに対する耐久性とプラズマエッチング工程に対する耐久性とを有するシリコン部材であって、
前記被膜をなす無機材料は炭化ケイ素または窒化ケイ素であり、
この被膜を前記基材の表面に強固に密着するために、
前記基材は、その表面における算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下、 最大高さＲｙが３．５μｍ以上、７．０μｍ以下、十点平均粗さＲｚが１．０μｍ以上、５．０μｍ以下とされ、
前記基材をなす多結晶シリコンの結晶粒の平均粒子径が１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下、前記基材に含まれる酸素の濃度が１．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以上、３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以下とされ、
前記被膜の厚みが３μｍ以上、１５０μｍ以下とされてなることを特徴とするシリコン部材。 - 前記基材におけるシリコンの純度は９９．９９９％以上であることを特徴とする請求項１に記載のシリコン部材。
- 前記基材の比抵抗値は０．００１〜３０Ωｃｍであることを特徴とする請求項１または２に記載のシリコン部材。
- 前記基材に含まれる炭素の濃度は１．０×１０Ｅ１７〜３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃであることを特徴とする請求項１ないし３のいずれか１項に記載のシリコン部材。
- 前記基材をなす多結晶シリコンが、一方向凝固法により製造された柱状晶シリコンであることを特徴とする請求項１ないし４のいずれか１項に記載のシリコン部材。
- 結晶粒の平均粒子径が１ｍｍ以上、２０ｍｍ以下で、含まれる酸素の濃度が１．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以上、３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃ以下とされる多結晶シリコンからなる基材と、該基材の表面に設けられた無機材料からなる被膜とから構成され半導体製造装置に適用されハロゲン元素を含むガスに対する耐久性とプラズマエッチング工程に対する耐久性とを有するシリコン部材の製造方法であって、
前記基材の表面を算術平均粗さＲａが０．２５μｍ以上、０．８μｍ以下、最大高さＲｙを３．５μｍ以上、７．０μｍ以下、十点平均粗さＲｚを１．０μｍ以上、５．０μｍ以下となるように加工処理する工程Ａと、該工程Ａにより加工処理された基材の表面に厚みが３μｍ以上、１５０μｍ以下の炭化ケイ素または窒化ケイ素とされる前記被膜を前記基材の表面に強固に密着して設ける工程Ｂとを備えたことを特徴とするシリコン部材の製造方法。 - 前記基材に含まれる炭素の濃度を１．０×１０Ｅ１７〜３．０×１０Ｅ１８ａｔｏｍ／ｃｃとすることを特徴とする請求項６に記載のシリコン部材の製造方法。
- 前記基材をなす多結晶シリコンを、一方向凝固法により製造された柱状晶シリコンとすることを特徴とする請求項６または７に記載のシリコン部材の製造方法。
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