JP5065306B2

JP5065306B2 - 気相成長用ＳｉＣ製治具

Info

Publication number: JP5065306B2
Application number: JP2009001629A
Authority: JP
Inventors: 豊和松山; 順疋田; 聖一福岡; 茂明黒井; 亮介澤野; 渉齊藤
Original assignee: Covalent Materials Corp
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2008-12-25
Filing date: 2009-01-07
Publication date: 2012-10-31
Anticipated expiration: 2029-01-07
Also published as: JP2010171029A

Description

本発明は、気相成長用ＳｉＣ製治具、例えば、半導体基板を水平に載置する載置表面を有する気相成長用ＳｉＣ製治具、特に急速昇降温装置用のＳｉＣ製治具に関する。

半導体基板の気相成長に用いるＳｉＣ製治具は、特に急激な温度差が発生する急速昇降温装置で使用する場合、良好な温度追従性を有することが要求されている。これらを制御する代表的なパラメータとして、ＳｉＣ製治具の載置表面の光透過率が知られている。載置表面の光透過率の値を低くすることで特性向上を図ることができる。

例えば、載置表面におけるＳｉＣ膜の粗さを調整したり、層を２層構造にしたりして、光透過率を下げることが提案されている（特許文献１を参照）。

また、ＣＶＤ法により得られるＣＶＤ−ＳｉＣ成形体であって、その表面部あるいは内部に厚さ２〜２０μｍの可視光不透過性ＣＶＤ−ＳｉＣ層が少なくとも１層形成され、２００〜２５００ｎｍの波長域における光透過率が０．４％以下であるＳｉＣ成形体が提案されている（特許文献２を参照）。
特開２００３−４９２７０号公報特開２０００−１１９０６４号公報

しかしながら、急速昇降温プロセスにおいて半導体基板の大ロ径化や成膜均一性に対する要求がさらに厳しくなるにつれて、より高精度にＳｉＣ製治具の載置表面の特性を制御すること、そして、そのための最適な治具の設計方法としての的確な指針が必要になってきた。

本発明の目的は、急激な温度差が発生する急速昇降温装置で使用しても、温度追従性が良い気相成長用ＳｉＣ製治具を提供することである。

（１）半導体基板を載置する載置表面を有する気相成長用ＳｉＣ製治具において、放射率＋透過率＋反射率＝１（１００％）という関係によって透過率と反射率を制御することによって放射率が管理されており、室温における前記載置表面の拡散反射率と拡散透過率の和を０．１１％以上２０％以下とし、かつ前記載置表面の平均粗さ（Ｒａ）の値が単位μｍにおいて気相成長の工程最大使用温度における黒体放射強度が最大になる波長の０．０２倍以上０．２倍以下の値とし、６００℃から１１００℃における高温放射率を８０％以上とする、気相成長用ＳｉＣ製治具。

（２）気相成長用ＳｉＣ製治具は、前記室温における拡散反射率が、測定光の波長１μｍにおいて０．０８％以上１８％以下であり、前記室温における拡散透過率が測定光の波長１μｍにおいて０．０３％以上２％以下である、前述の気相成長用ＳｉＣ製治具。

本発明者は、使用温度での温度追従性がよい特性が得られるようにするためには、使用する温度域での放射率を高くすること、さらには８０％以上がよいという知見を得た。例えば、急速昇降温装置の場合、気相成長用ＳｉＣ製治具の昇降温速度は、気相成長用ＳｉＣ製治具の吸収率と放射率が重要な制御因子であることがわかった。即ち、昇温時は、赤外線ランプからの照射光によって供給される熱を効率的に吸収する能力である吸収率が重要である。また、加熱された気相成長用ＳｉＣ製治具がその上に載置されたＳｉウエーハを加熱するためには、放射率が大きくなるほど効率的になる。冷却時は、表面からの放射による熱の放出効率である放射率が重要である。ここで、吸収率と放射率は熱の移動方向が逆で同じ大きさの値になる逆反応の関係にある。

本発明者の知見によれば、放射率は、放射率＋透過率＋反射率＝１（１００％）という関係によって、透過率と反射率に関連付けられるので、透過率と反射率を制御することによって、放射率を管理できる。

本発明者の実験結果によれば、急速昇降温装置用気相成長用ＳｉＣ製冶具における熱効率を最適化するためには、とくに放射率の正確な制御が重要である。この放射率は透過率と反射率を管理することで制御できる。透過率はＳｉＣのマトリックス相の種類、第２相や析出物や内部欠陥の有無、結晶粒径によって管理できる。反射率は表面の平均粗さで管理できる。本発明者は、特に高温においては、放射効率の最適な領域があり、表面の平均粗さで管理できることを見出した。これらの因子を管理することによって、急速昇降温装置用気相成長用ＳｉＣ製冶具の熱効率を最適化し、制御の均一性を向上できる。

本発明者は、表面粗さと反射率の間に相関関係があることを見出だし、反射率＋透過率の値を最適化することで、より特性を向上させることに成功した。

所望の載置表面を有する気相成長用ＳｉＣ製治具は、載置表面の室温における拡散反射率と拡散透過率の和を０．１１％以上２０％以下にするとともに、載置表面の平均粗さ（Ｒａ）の値を単位μｍにおいて気相成長の工程最大使用温度における黒体放射強度が最大になる波長の０．０２倍以上０．２倍以下の値にすることにより得られる。とくに、室温における拡散反射率は、測定光の波長１μｍにおいて０．０１％以上１８％以下とし、室温における拡散透過率は測定光の波長１μｍにおいて０．０３％以上２％以下にすることが好ましい。

なお、反射率および透過率には直線反射率および透過率と拡散反射率および透過率があるが、本発明においては、拡散反射率と拡散透過率を対象としている。また、放射率とはある物質の放射強度／黒体の放射強度の割合を示す値である。さらに、本明細書での室温とは、一般的な室温のことで、だいたい１０〜３５℃の範囲を指す。

研究を重ねることによって、拡散反射率は、表面形状の制御が重要であり、表面形状を指定する因子として平均粗さを代表因子とすると、室温では、平均粗さが、０．２μｍまでは拡散反射率は急速に小さくなり、その後は、平均粗さが大きくなるにつれて徐々に拡散反射率が小さくなることを究明した。平均粗さが０．２μｍ以上であれば、拡散反射率はおよそ２０％以下にできることがわかった。このような粗面は、例えば、研削加工やエッチング等によって得られる。

一方、高温になると、ウィーンの変位則に従って、黒体の放射強度が最大になる波長が短波長になる。高温になり、黒体の放射強度が最大になる波長の約１／１０の長さが平均粗さと同程度になると、表面形状と放射の相互作用によって放射が抑制されることを見出した（この現象は、室温付近ではさらに長波長側に移動し、かつ、放射強度が小さいため目立たなかったと考えられる)。そのため、放射効率に対する平均粗さの最適範囲に上限があることが判明した。放射効率を最適化するためには、この平均粗さの最適範囲を明らかにし、その範囲内に入るように制御することが重要である。放射率は素材内部の組織と表面形状の影響を受けるので、種々の組織の影響を検討するため、製造条件の異なる素材を用意し、表面形状は研削加工面と実際に使用されている実機表面について評価する。急速昇温はランプ加熱が用いられているので、ランプの特性波長である１μｍ前後と低温で重要になる長波長側の放射率を評価する。

放射率の測定は、直接に放射を測定する方法と、反射率と透過率から間接的に評価する方法がある。本明細書では、光学特性の知見も合わせて得るために、放射強度が小さい室温では間接的測定法を、放射強度が大きくなる６００℃以上の高温では直接的測定法を用いている。

ここで、直線透過率と拡散透過率について説明する。直線透過率は、入射側表面での直線反射、吸収と散乱、試料内部での吸収と散乱、出射側表面での直線反射、吸収と散乱による入射光の減衰の結果である。一方、拡散透過率は、出射側表面から出射される全光量を検出するので、入射側表面、試料内部および出射側表面での散乱の影響は受けないが、入射側表面での直線反射と吸収、試料内部での吸収、出射側表面での反射と吸収の影響は直線透過率の場合と同様に影響を受ける。したがって、直線透過率と拡散透過率を比較することによって、入射側表面、試料内部および出射側表面での積算された散乱の影響の程度がわかる。実験によれば、測定波長範囲内で、室温における直線透過率は最大でも４％以下であった。測定波長範囲内で、室温における拡散透過率は最大で４０％強まで増加した。本発明では、表面の影響を大きく受ける拡散透過率を指標としている。

次のような諸特性を組み合わせた実施形態を、最良の例として例示することができる。

（１）ＳｉＣの密度が３．０ｇ／ｃｍ^３以上である。

表１は、半導体製造工程で使用される各種物質（アルミナ、石英ガラス、Ｓｉ_３Ｎ_４、Ｓｉ、ＳｉＣ）の特性として、比熱容量、熱伝導率、密度、曲げ強さ、比強度の代表値を示す。

急速昇降温装置用の冶具材に要求される特性を述べると、比熱容量はＳｉよりも小さいことが望ましい。表１の中の物質では、ＳｉＣのみがこの特性を満足している。熱伝導率はＳｉと同等か大きいことが要求されるが、やはり、ＳｉＣのみがほぼ満足している。曲げ強さと比強度はＳｉよりも大きいことが要求されるが、Ｓｉ_３Ｎ_４とＳｉＣが満足している。しかし、Ｓｉ_３Ｎ_４は、熱的特性が不十分である。したがって、総合的に要求される特性を満足できる物質として、ＳｉＣが挙げられる。

熱伝導率は、表２に示すように、素材の密度への依存性が大きいことがわかった。密度は製造条件に依存した。Ｓｉの熱伝導率と同等以上であるためには、密度が３．０ｇ／ｃｍ^３以上である緻密質のＳｉＣであることが好ましい。これを実現できる製造方法としては、例えば、ＣＩＰ成型工程を含む自焼結法やＣＶＤ法を挙げることができる。

強度も、密度に依存することがわかった。密度が３．０ｇ／ｃｍ^３以上であれば、３点曲げ強度はＳｉの３点曲げ強度である１８０ＭＰａ以上であり、Ｓｉの比強度である７８ＭＰａ／（ｇ／ｃｍ^３）よりも大きくなる。密度の制御は、先の熱伝導率の制御の場合と同様である。

（２）ＳｉＣの室温での最大拡散透過率が厚さ０．５ｍｍの試験片で測定した時に２％以下である特性を有する素材を用いる。

表３に示すように、拡散透過率はＳｉＣのマトリックス相の種類、第２相や析出物や内部欠陥の有無、結晶粒径に依存することがわかった。即ち、結晶粒径が小さくなるほど拡散透過率は小さくなる。また、母相の結晶構造は、六方晶系（６Ｈ）が望ましい。ただし、他の因子を最適化することにより、母相が立方晶系（３Ｃ）の場合であっても、透過率がほぼ０％の不透明の状態にすることができる。即ち、第２相が有、内部欠陥が有、結晶粒径が小の３つの条件のうちの少なくとも２つが成立していれば、不透明にできる。このように、これらの因子の組合せと量を制御することによって、拡散透過率を制御できることがわかった。

言い換えると、内部組織に関する３つの因子、すなわち（１）マトリックスの結晶系（β相、３Ｃ、光学的等方性）、（２）結晶粒径（粗大）、（３）散乱源（なし）が同時に成立している場合にのみ透光性が発現することから、拡散透過率を小さくするためには、３つの因子、すなわち（Ａ）マトリックスの結晶系（α相、６Ｈ、４Ｈ、光学的異方性）、（Ｂ）結晶粒径（微小）、（Ｃ）散乱源（あり）が一つ以上成立するようにすればよい。

表面形状を寸法因子と形状因子のマクロとミクロの二元配置で分類した時、寸法因子がミクロの領域で、拡散反射率が平均粗さに依存して急激に減少し、約０．６μｍ以上でほぼ一定値になる。

一方、拡散放射率は、前述の試料の内部組織に関する３つの因子を制御することによって、拡散透過率を無視できる程度に小さくできることもわかっているので、拡散放射率の上限値を推定するためには、表面形状による拡散反射率への影響を検討すればよい。よって、ＳｉＣ素材の拡散放射率を最大化するためには、素材を不透明化し、表面を粗面化すればよい。

（３）ＳｉＣの室温での波長１μｍの光の拡散反射率が１８％以下である。

拡散反射率は、表面形状の制御が重要である。表４に示すように、表面形状を指定する因子として平均粗さを代表因子とした。室温では、平均粗さが０．０８から０.２μｍにかけて拡散反射率は急速に小さくなり、それより大きい値では、平均粗さが大きくなるにつれて徐々に拡散反射率が小さくなることがわかった。したがって、平均粗さが０.２μｍ以上であれば、拡散反射率は１８％以下にできることがわかった。このような粗面は、例えば、研削加工やエッチング等によって得られる。

ここで、拡散反射率の測定条件は次の通りである。

測定装置：紫外可視分光光度計（島津製作所ＵＶ−３１００ＰＣ）
光源：ハロゲンランプ
検出器：フォトマル（５００−８９５ｎｍ）、ＰｂＳ（８９５−３２００ｎｍ）
測定波長：５００−２５００ｎｍ
スリット幅：７．５ｎｍ（５００−８９５ｎｍ）、２０ｎｍ（８９５−２５００ｎｍ）
参照：空気
なお、本測定は、空調管理下の２５±１℃で実施したものである。

粗さは表面粗さ測定装置を用いて評価し、その測定条件は以下の通りである。

測定装置：メーカ名：テーラーホブソン
装置型式：タリサーフ６型
測定距離：４．０ｍｍＧａｕｓｓｉａｎｆｉｌｔｅｒ使用
測定倍率とｃｕｔ−ｏｆｆ：ＪＩＳＢ０６０１−１９９４に準ずる。

設定：試料の表面形状の特徴に応じて以下のように設定した。

ａ）研削加工面：うねりはほとんど無く、微細で鋭角的なピット状の粗さからなるので、測定倍率５０００倍、ｃｕｔ−ｏｆｆ０．８ｍｍとした。

ｂ）実機表面：ミクロとマクロのうねりがあるが、素面は平滑であるので、マクロのうねりの大きさに応じて、Ｉ：クリアサセプタ実機表面：測定倍率１０００倍、ｃｕｔ−ｏｆｆ０．０２５ｍｍＪ：コーティクＣＶＤ実機表面とＫ：ＴＰＳＳ-ＣＵ実機表面：測定倍率５００倍、ｃｕｔ−ｏｆｆ０．０８ｍｍとした。

測定位置：試料面の中央部（光学測定の入射面側）
走査方向：研削加工面は方向性を持つ可能性があることを考慮して、全ての試料で２以上の方向（例えば、２方向、３方向、４方向）で走査するのが望ましいが、測定効率の観点から、端面に平行でかつ直交する２方向を走査した（研削加工品は研削方向に平行と直交になる）。

（４）載置表面の室温における拡散反射率と拡散透過率の和が０．１１％以上２０％以下になるように、治具の載置表面の粒径や膜質を設計する。

室温における拡散反射率および反射率は、測定誤差を考慮した場合、それぞれ０．０８％未満と０．０３％未満というのは、測定値の正確さを欠いているといえる。従って、室温における拡散反射率と拡散透過率の和が０．１１％未満とするのは、実質的に設計不可能である。一方、２０％を超えると、必要とされる高温放射率８０％を確保しがたい。

（５）６００℃から１１００℃における高温放射率を８０％以上とする。

急速昇降温装置においては、通常炉入れ温度が６００℃付近、最高到達温度が１１００℃付近であることが多いので、これら使用温度域での放射率はできるだけ高いほうがよいが、実用上は８０％以上あれば好ましい。

（６）載置表面の平均粗さの値が、単位μｍにおいて気相成長の工程最大使用温度における黒体放射強度が最大になる波長の０．０２倍以上０．２倍以下の値である。

表５に示すように、６００℃から１０００℃の高温放射率は、平均粗さが小さい時は放射率が小さい。平均粗さが大きくなると放射率も大きくなり、黒体の放射強度が最大になる波長の０．０２倍以上０．２倍以下の中央値である０．１１倍付近の値でピークを示すが、この付近の値よりもさらに平均粗さが大きくなると、放射率は減少することがわかった。これは、温度が高くなるにつれて、黒体の放射強度が最大になる波長が小さくなり、表面形状との相互作用が顕著になるこの付近の値の波長の長さが、表面形状を現す平均粗さと同程度の大きさになったためと考えられる。したがって、高温では、過剰に粗面にすると放射効率が減少することになる。

黒体の放射強度が最大になる波長の０．０２倍未満であると、高温放射率が８０％を下回る。一方、０．２倍を超える場合は、ほとんど放射率の値に変化がないにもかかわらず、粗面化によるダスト発生や、粗さの面内均一性確保が困難といった不具合が懸念されるので好ましくない。

このような高温の赤外域での放射と表面形状の相互作用は、元素によって、また、製造履歴に依存する組織によって、それぞれの最適範囲が変化すると考えられる。

ＳｉＣ素材の拡散反射率は平均粗さが小さいミクロの領域で粗面化することによって増大するが、ある程度以上粗面化すると、ほぼ一定値になることがわかった。一方、粗面化によって、急熱急冷に対する熱衝撃感受性が増大するので、急速昇降温用治具として使用するためには過度の粗面化は望ましくない。

拡散放射率を最大化するためには拡散透過率と拡散反射率の和を最小化することで実現できる。

発明の効果
以上からも明らかなように、種々の実験結果により、表面粗さと、反射率・透過率をパラメータにした放射率との組み合わせは、従来の、透過率のみ制御した場合や、粗さのみで規定した場合に比較して、特性として好ましい８０％以上の反射率を、確実にかつある程度制御可能という点で優れていることが確認できた。

高温放射率の平均粗さ依存性と、適切な平均粗さ範囲を示す。

Claims

半導体基板を載置する載置表面を有する気相成長用ＳｉＣ製治具において、放射率＋透過率＋反射率＝１（１００％）という関係によって透過率と反射率を制御することによって放射率が管理されており、室温における前記載置表面の拡散反射率と拡散透過率の和を０．１１％以上２０％以下とし、かつ前記載置表面の平均粗さ（Ｒａ）の値が単位μｍにおいて気相成長の工程最大使用温度における黒体放射強度が最大になる波長の０．０２倍以上０．２倍以下の値とし、６００℃から１１００℃における高温放射率を８０％以上とする、気相成長用ＳｉＣ製治具。
気相成長用ＳｉＣ製治具は、前記室温における拡散反射率が、測定光の波長１μｍにおいて０．０８％以上１８％以下であり、前記室温における拡散透過率が測定光の波長１μｍにおいて０．０３％以上２％以下である、請求項１に記載の気相成長用ＳｉＣ製治具。