ＳｉＣ被覆カーボン部材及びＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法
【課題】ＳｉＣ被覆膜が予め形成された部材同士を強固に接合することができるとともに、内部空間（中空部）に均一なＳｉＣ被覆層が形成されたＳｉＣ被覆カーボン部材及びＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法を提供する。
【解決手段】ＳｉＣ被覆カーボン部材１は、少なくとも表面にＳｉＣ被覆膜が形成された複数のカーボン基体２ａ，３ａを接合したＳｉＣ被覆カーボン部材であって、前記カーボン基体２とカーボン基体３の接合層が、単一の層からなるＳｉＣ被覆膜２ｂ，３ｂで構成されている。
【解決手段】ＳｉＣ被覆カーボン部材１は、少なくとも表面にＳｉＣ被覆膜が形成された複数のカーボン基体２ａ，３ａを接合したＳｉＣ被覆カーボン部材であって、前記カーボン基体２とカーボン基体３の接合層が、単一の層からなるＳｉＣ被覆膜２ｂ，３ｂで構成されている。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ被覆カーボン部材及びＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法に関し、特に、複数のＳｉＣ被覆カーボン基体を接合したＳｉＣ被覆カーボン部材及びＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造において高品質の製品を供給するためには、不純物金属やパーティクル等による汚染を回避することが重要である。即ち、不純物金属等による汚染は、ウエハにおける結晶欠陥の発生、結晶の異常成長、抵抗値の変化、耐圧の変化等、半導体製品の歩留まり低下を招く要因となるからである。
【０００３】
上記のような汚染を回避して、半導体製品の歩留まりの向上および安定な操業を確保するため、シリコンウエハ等の熱処理工程において用いられるウエハボート、ボートテーブル、炉芯管、サセプタ、トレー等の半導体熱処理用治具には、従来から、パーティクルの発生が比較的少ない石英ガラス（ＳｉＯ2 ）材、炭化ケイ素（ＳｉＣ）材、シリコン−炭化ケイ素（Ｓｉ−ＳｉＣ）複合材、カーボン（Ｃ）材等のセラミックス製部材が使用されている。
【０００４】
また、炭化ケイ素（ＳｉＣ）材、シリコン−炭化ケイ素（Ｓｉ−ＳｉＣ）複合材、カーボン（Ｃ）材、シリコン（Ｓｉ）材等からなる基体に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を被覆した炭化ケイ素被覆セラミックス製部材が使用されている。
これら炭化ケイ素（ＳｉＣ）を被覆した炭化ケイ素被覆セラミックス製部材は、１２００℃以上の高温においても安定して使用することができ、前記フッ酸や混酸等に対する耐食性にも優れ、耐久性にも優れているという長所を有している。
【０００５】
このため、高温領域で使用される半導体熱処理用治具の場合は、石英ガラス材と比較して、コストが高いにもかかわらず、上記炭化ケイ素被覆セラミックス製部材が、主として使用されている。
特に、カーボン（Ｃ）基体に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を被覆したＳｉＣ被覆カーボン部材は、カーボン基体への精密加工が容易であるため、特許文献１に示すようにサセプタを初めとして、複雑な形状を有する部材等に広範に用いられている。
【０００６】
ところで、図４に示すように、特許文献１に示されたサセプタ２０は、カーボン基体からなる、ウエハＷが載置される上側部材２１と、前記上側部材２１と同様にカーボン基体からなり、前記上側部材２１の間に中空部（内部空間部）２３を形成する下側部材２２とから構成されている。また、前記下側部材２２の下面には、上記中空部（内部空間部）２３に通じる開孔部２２ａが形成されている。
更に、前記上側部材２１と前記下側部材２２には、前記中空部２３の内側表面を含む全表面がＳｉＣ膜で被覆されている。このＳｉＣ膜の被覆はＣＶＤ法等によって形成される。尚、図中、符号２４はガス供給管であり、２５はガス導出口である。またＨはヒータである。
【特許文献１】特許第２６２８３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示されたサセプタは、上側部材と下側部材が接合され、外側表面と中空部の内側表面の全表面がＣＶＤ法等によってＳｉＣ膜で被覆されたものである。
しかしながら、上側部材と下側部材の組み立て後、ＣＶＤ法等によって中空部の内側表面をＳｉＣ膜で均一にしかも完全に被覆することは困難であった。即ち、前記中空部（内部空間部）に、ＳｉＣ膜を形成する成膜ガスを満遍なく流通させることが困難であり、特に中空部（内部空間部）の形状が複雑化したした場合には、ＳｉＣ膜を均一にしかも完全に被覆することは難しかった。
【０００８】
これを解決する方法として、予めＳｉＣ被覆膜を形成し、ＳｉＣ被覆膜が形成された部材同士を接着する方法も考えられるが、接合部にＳｉＣ被覆膜と異なる接合層が形成され、前記接合層部分において、剥離する等のあらたな技術的課題が生じる虞がある。
【０００９】
そこで、本願発明者は、カーボン基体を組み立て後、ＣＶＤ法等によってＳｉＣ膜を均一かつ完全に形成することは困難であり、特に、内部空間の形状が複雑化した際には、ＳｉＣ膜を均一かつ完全に形成することがより困難になるとの知見に基づき、予め表面にＳｉＣ被覆膜が形成された複数のカーボン基体を接合することを前提に鋭意研究を行った。
即ち、本願発明者は、ＳｉＣ被覆膜が予め形成された部材同士を接合する方法について鋭意研究を行い、接合部分における剥離を抑制できる、ＳｉＣ被覆カーボン部材及びＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法を想到し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
本発明は、上記したようにＳｉＣ被覆膜が予め形成された部材同士を強固に接合することができるとともに、内部空間（中空部）に均一なＳｉＣ被覆層が形成されたＳｉＣ被覆カーボン部材及びＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記した課題を解決するためになされた本発明にかかるＳｉＣ被覆カーボン部材は、少なくとも表面にＳｉＣ被覆膜が形成された複数のカーボン基体を接合したＳｉＣ被覆カーボン部材であって、前記カーボン基体とカーボン基体の接合層が、単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で構成されていることを特徴としている。
【００１２】
このように、本発明にかかるＳｉＣ被覆カーボン部材同士は、単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で接合されている。即ち、前記カーボン部材を被覆しているＳｉＣ被覆膜と異なる接合層を新に形成し、この接合層でＳｉＣ被覆カーボン部材同士を接合するものでなく、ＳｉＣ被覆膜で接合されているため、ＳｉＣ被覆カーボン部材同士の剥離を抑制できる。
【００１３】
ここで、前記カーボン基体を接合する接合層のＳｉＣ被覆膜において、前記カーボン基体から離れた接合面近傍のＳｉＣ被覆膜の平均粒径が、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面近傍のＳｉＣ被覆膜の平均粒径よりも大きいことが望ましい。
このように、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面の近傍において小さな粒径のＳｉＣ被覆膜とすることで、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面に発生する熱応力歪みが分散され易くなり、接合温度において接合面の平坦性が損なわれることを抑制できるので、より強固なＳｉＣ被覆膜接合体を得るのに有利である。
更に、接合面近傍における大きなＳｉＣ被覆膜の粒径は、接合面近傍に、結合の安定性が低いＳｉＣ結晶粒界を減らし、強固で化学的に安定なＳｉＣ結晶粒子の結合を増加させる。この効果は、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面の近傍からＳｉＣ被覆膜の接合面近傍まで段階的に、あるいは連続的に粒径が増大した場合にも同様である。
【００１４】
また、前記カーボン基体とカーボン基体の接合層が単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で構成され、かつ前記カーボン基体の外部に露出する面に単一の層のＳｉＣ被覆膜が形成され、前記外部に露出する面に形成されたＳｉＣ被覆膜と前記接合層とが、同一の層で形成されていることが望ましい。
このように、外部に露出する面に形成されたＳｉＣ被覆膜と前記接合層とが、同一の層で形成されることにより、前記接合層と外部に露出する面のＳｉＣ被覆膜の界面部分に歪みがなく物理的に強固な結合が得られるため、高温熱サイクルにおいて接合層と外部に露出する面との境界部からＳｉＣ被覆膜に物理的損傷が発生することを抑制でき、接合の耐久性を更に向上することができる。
【００１５】
また、前記カーボン基体とカーボン基体の接合層が単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で構成され、かつ前記カーボン基体の外部に露出する面に単一の層のＳｉＣ被覆膜が形成されると共に、少なくとも露出する面の一部に複数層のＳｉＣ被覆膜が形成されていることが望ましい。
外部に露出する面は、例えば半導体熱処理用治具として用いた場合、様々な金属元素や、酸性または、塩基性のガス種に意図的にあるいは意図しないにも関わらず暴露され、金属シリサイドの形成や酸・塩基による含シリコンガス発生あるいはそれらが複合された浸食などの化学的損傷を受ける。
一方、外部に露出する面の少なくとも一部に複数層のＳｉＣ被覆膜が形成されていると、前記化学的損傷の進行が前記複数層のＳｉＣ被覆膜の層間において拡散されることにより局在化しなくなり、いわゆる応力腐食割れの発生が抑制されるため、本発明によるＳｉＣ被覆膜により接合されたＳｉＣ被覆カーボンの耐久性を更に高めることができる。
【００１６】
また、前記した課題を解決するためになされた本発明にかかるＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法は、カーボン基体を所定寸法、形状に形成する加工工程と、前記加工工程を経たカーボン基体にＳｉＣ被覆膜を形成する工程と、前記ＳｉＣ被覆膜が形成された、少なくとも２つ以上のカーボン基体同士を合わせ、高温処理によって、前記合わせ部分に単一の層からなるＳｉＣ被覆膜を形成し、カーボン基体同士を接合する工程と、を含むことを特徴としている。
【００１７】
このように、ＳｉＣ被覆膜が予め形成されたカーボン基体同士を合わせ、前記合わせ部分に、高温処理によって単一の層からなるＳｉＣ被覆膜を形成する。そして、この単一の層からなるＳｉＣ被覆膜によってカーボン基体同士を接合するため、ＳｉＣ被覆カーボン部材同士の剥離を抑制できる。
即ち、前記カーボン部材を被覆しているＳｉＣ被覆膜と異なる接合層を新に形成し、この接合層でＳｉＣ被覆カーボン部材同士を接合するものでなく、ＳｉＣ被覆膜で接合されているため、ＳｉＣ被覆カーボン部材同士の剥離を抑制できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＳｉＣ被覆膜が予め形成された部材を強固に接合することができるとともに、内部空間（中空部）に均一なＳｉＣ被覆層が形成されたＳｉＣ被覆カーボン部材及びＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の一実施形態を、半導体製造分野で用いられる、反応炉内に導入するガスを加熱する導入ガス加熱板を例にとって、図１，２に基づいて説明する。尚、図１は、導入ガス加熱板の正面図、図２は図１におけるＩ−Ｉ断面図である。
【００２０】
この導入ガス加熱板１は、溝２ｃが形成されたカーボン基体２ａからなる部材２と、溝３ｃが形成されたカーボン基体３ａからなる部材３とを接合したものである。
前記部材２におけるカーボン基体２ａの表面には、ＳｉＣ被覆膜２ｂが形成されている。また前記部材３におけるカーボン基体３ａの表面には、ＳｉＣ被覆膜３ｂが形成されている。そして、ＳｉＣ被覆膜２ｂ、３ｂが形成されたカーボン基体２ａ，３ａの溝２ｃと溝３ｃとを合致させ、一つの流路（内部空間部）４が形成されるように接合されている。
【００２１】
具体的には、まず、カーボン材を加工し、所定寸法、形状にカーボン基体２ａ，３ａを加工する。この際、カーボン基体２ａ，３ａには溝２ｃ、３ｃが形成される。
その後、前記カーボン基体２ａ，３ａのそれぞれにＳｉＣ被覆膜２ｂ、３ｂを形成する。このＳｉＣ被覆膜を形成するには，ＣＶＤ法等の公知の方法によって形成することができる。
【００２２】
例えば、圧力２００ｔｏｒｒ、水素ガスにより濃度を１０％に希釈したメチルトリクロロシラン（(ＣＨ3)Ｓ：Ｃｌ3）を導入し、１３５０℃で２時間保持することで形成することができる。
この条件下で形成されたＳｉＣ被覆膜の厚さは、３０μｍであり、またＳｉＣの平均粒径は７μｍであった。
【００２３】
更に、ＳｉＣ被覆膜を形成した後、カーボン基体２ａ，３ａの接合面２ｄと３ｄを物理的に接触させたまま、熱処理炉（図示せず）内に部材２，３を収容し、１ｔｏｒｒ以下の圧力で、１６５０℃以上で熱処理する。
この熱処理により、接合面表面のＳｉＣ被覆膜は気化と再結晶化を繰り返し、所定時間経過（例えば１５時間経過）の後、ＰＶＤ（物理気相成膜）により単一のＳｉＣ被覆膜層として形成される。
【００２４】
この導入ガス加熱板１はこのように構成されているため、部材２，３の外表面及び流路４の内表面には、均一な単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で完全に被覆されている。
しかも、部材２，３は、単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で接合されているため、強固に接合でき、ＳｉＣ被覆カーボン部材同士の剥離を抑制できる。
【００２５】
ここで、前記した部材２，３を接合する際には、例えばＳｉＣｌ4などのＳｉを含むガス種を熱処理炉内に導入することが好ましい。これは気相中にＳｉ成分が多く含まれる場合、ＳｉＣ被覆膜が気化する際の活性化エンタルピーが低下し、蒸気圧が極めて小さいＳｉＣ被覆膜表面層の気化反応が促進されるため、ＳｉＣ被覆膜の気化と再結晶化の頻度が高まって接合に要する時間を短縮するため、好ましい。
【００２６】
また、例えばプロパンなどのＣ成分を含むガス種を、前記Ｓｉ成分を含むガス種と同時に少量導入するのが好ましい。前記接合面２ｄと接合面３ｄの隙間が大きい場合に、Ｃ成分を含むガス種を導入することにより、ＣＶＤ（化学気相成膜）によるＳｉＣ被覆膜形成が生じ、ＰＶＤにより前記隙間を埋めるまでの時間を短縮するため、好ましい。
【００２７】
また、図３に示すように、カーボン基体２，３を接合する接合層のＳｉＣ被覆膜２ｂ、３ｂにおいて、前記カーボン基体２，３から離れた接合面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子２ｅ，３ｅの平均粒径が、カーボン基体２，３とＳｉＣ被覆膜の界面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子２ｆ，３ｆの平均粒径よりも、大きいことが望ましい。部材２，３にＳｉＣ被覆膜２ｂ、３ｂを形成する工程の熱処理温度を、部材２，３の接合工程の熱処理温度よりも低くすることにより、図３に示すように、単一の接合層でありながら、ＳｉＣ被覆膜２ｂ、３ｂのＳｉＣ粒径を接合面２ｄ、３ｄにおいて大きくすることができる。
このように、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面の近傍において小さな粒径のＳｉＣ被覆膜とすることで、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面に発生する熱応力歪みが分散され易くなり、接合温度において接合面の平坦性が損なわれることを抑制できるので、より強固なＳｉＣ被覆膜接合体を得るのに有利である。
更に、接合面近傍における大きなＳｉＣ被覆膜の粒径は、接合面近傍に、結合の安定性が低いＳｉＣ結晶粒界を減らし、強固で化学的に安定なＳｉＣ結晶粒子の結合を増加させる。この効果は、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面の近傍からＳｉＣ被覆膜の接合面近傍まで段階的に、あるいは連続的に粒径が増大した場合にも同様である。
【００２８】
具体的には、部材２，３にＳｉＣ被覆膜を形成する熱処理温度を１３５０℃とし、ＳｉＣの平均粒径が７μｍのＳｉＣ被覆膜を形成する。
その後の部材２，３の接合工程の熱処理温度を１８００℃とし、０．１ｔｏｒｒ下、８時間保持の条件下で行うと、カーボン基体２ａ，３ａから離れた接合面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子２ｅ，３ｅの平均粒径が、３０μｍであり、カーボン基体２ａ，３ａとＳｉＣ被覆膜２ｂ，３ｂの界面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子２ｆ，３ｆの平均粒径が７μｍとすることができる。
【００２９】
また、接合完了後に、接合面２ｄ、３ｄに相当する部分をマスキングし、接合部以外に新たにＳｉＣ被覆膜を形成することにより、接合部以外のＳｉＣ被覆膜を複数の層としても良い。即ち、前記カーボン基体２ａとカーボン基体３ａの接合面２ｄ，３ｄが単一層のＳｉＣ被覆膜２ｂ，３ｂからなり、更に外部に露出する面（部材２，３の外側面）の少なくとも一部に複数層のＳｉＣ被覆膜が形成されていても良い。
このように、外部に露出する面（部材２，３の外側面）の少なくとも一部に複数層のＳｉＣ被覆膜が形成されている場合には、応力腐食割れを抑制することができるため、好ましい。
尚、当然に、外部に露出する面（部材２，３の外側面）の全領域に複数層のＳｉＣ被覆膜が形成されていても良い。
【００３０】
以上説明したように、ＳｉＣ被覆カーボン部材の内部空間を含むすべての表面に、単一なＳｉＣ被覆層が形成されると共に、接合部においても単一層のＳｉＣ被覆膜で形成されるため、十分な熱サイクルに耐えられる、被覆カーボン部材を得ることができる。
【実施例】
【００３１】
（実施例１）
カーボン基体２，３に溝２ａ，３ａを形成し、所定形状に加工したのち、塩素ガスにより高純度処理をして、化学気相成膜方法により１３００℃、３００ｔｏｒｒ（ＣＨ3）ＳｉＣｌ3を導入して表面にＳｉＣ被覆膜を形成し、部材２，３を形成した。
このときの部材２，３の表面には、厚さ３０μｍの均一なＳｉＣ被覆膜が形成された。
このＳｉＣ被覆膜の平均粒径は、７μｍであった。
【００３２】
その後、部材２，３の接合面を物理的に接触させて、１８００℃、０．１ｔｏｒｒで１３時間熱処理することにより、図１に示すＳｉＣ被覆カーボン部材１を得た。
このときの部材２，３の表面には、厚さ３０μｍの均一なＳｉＣ被覆膜が形成され、接合層は、厚さ６５μｍの均一なＳｉＣ被覆膜が形成された。
このＳｉＣ被覆膜の平均粒径は、７μｍであり、接合層のＳｉＣ被覆膜の平均粒径は２０μｍであった。
【００３３】
（比較例１）
実施例１と同様にして、ＳｉＣ被覆膜が形成された部材２，３を形成した。その後、接合面を物理的に接触させて１３００℃、３００ｔｏｒｒ（ＣＨ3）ＳｉＣｌ3を導入することによるＣＶＤ−ＳｉＣ被覆膜形成により接合する以外は実施例１と同様の方法により比較例１のＳｉＣ被覆カーボンを得た。
【００３４】
（比較例２）
カーボン基体に溝２ａ，３ａを形成し、所定形状に加工したのち、カーボンペーストを用いて部材２，３を接着し、公知の方法により高純度処理をして、１３００℃、３００ｔｏｒｒ（ＣＨ3）ＳｉＣｌ3を導入して、表面にＳｉＣ被覆膜を形成して比較例２のＳｉＣ被覆カーボンを得た。
【００３５】
実施例および比較例のＳｉＣ被覆カーボン部材を切断し、ガス流路４へのＳｉＣ被覆膜形成状態を確認し、また、ランプ加熱により５００℃から１０００℃まで２分で昇温し、２分で冷却する熱サイクルを５００回繰り返した時の接合面２ｄと３ｄの接合状態を確認した。その結果を表１に示す。
尚、表１中の○は、良好、△は、一部欠損、×は、破断または一部未成膜を意味している。
【００３６】
【表１】
【００３７】
上記実施形態にあっては、導入ガス加熱板を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されることなく、従来例で説明したサセプタ初めとして、ウエハボート、ボートテーブル、炉芯管、トレー等の各種半導体熱処理用治具に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明にかかるＳｉＣ被覆カーボン部材の一例である導入ガス加熱板の正面図である。
【図２】図２は図１におけるＩ−Ｉ断面図である。
【図３】図３はＳｉＣ被覆カーボン部材接合面のＳｉＣ粒子の状態を示す模式図である。
【図４】図４は、ＳｉＣ被覆カーボン部材が用いられた一例を示す、サセプタの断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 導入ガス加熱板（ＳｉＣ被覆カーボン部材）
２ 部材
２ａ カーボン基体
２ｂ ＳｉＣ被覆膜
２ｃ 溝
２ｄ 接合面
２ｅ カーボン基体から離れた接合面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子
２ｆ カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子
３ 部材
３ａ カーボン基体
３ｂ ＳｉＣ被覆膜
３ｃ 溝
３ｄ 接合面
３ｅ カーボン基体から離れた接合面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子
３ｆ カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子
４ 流路
【技術分野】
【０００１】
本発明は、ＳｉＣ被覆カーボン部材及びＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法に関し、特に、複数のＳｉＣ被覆カーボン基体を接合したＳｉＣ被覆カーボン部材及びＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造において高品質の製品を供給するためには、不純物金属やパーティクル等による汚染を回避することが重要である。即ち、不純物金属等による汚染は、ウエハにおける結晶欠陥の発生、結晶の異常成長、抵抗値の変化、耐圧の変化等、半導体製品の歩留まり低下を招く要因となるからである。
【０００３】
上記のような汚染を回避して、半導体製品の歩留まりの向上および安定な操業を確保するため、シリコンウエハ等の熱処理工程において用いられるウエハボート、ボートテーブル、炉芯管、サセプタ、トレー等の半導体熱処理用治具には、従来から、パーティクルの発生が比較的少ない石英ガラス（ＳｉＯ2 ）材、炭化ケイ素（ＳｉＣ）材、シリコン−炭化ケイ素（Ｓｉ−ＳｉＣ）複合材、カーボン（Ｃ）材等のセラミックス製部材が使用されている。
【０００４】
また、炭化ケイ素（ＳｉＣ）材、シリコン−炭化ケイ素（Ｓｉ−ＳｉＣ）複合材、カーボン（Ｃ）材、シリコン（Ｓｉ）材等からなる基体に、炭化ケイ素（ＳｉＣ）を被覆した炭化ケイ素被覆セラミックス製部材が使用されている。
これら炭化ケイ素（ＳｉＣ）を被覆した炭化ケイ素被覆セラミックス製部材は、１２００℃以上の高温においても安定して使用することができ、前記フッ酸や混酸等に対する耐食性にも優れ、耐久性にも優れているという長所を有している。
【０００５】
このため、高温領域で使用される半導体熱処理用治具の場合は、石英ガラス材と比較して、コストが高いにもかかわらず、上記炭化ケイ素被覆セラミックス製部材が、主として使用されている。
特に、カーボン（Ｃ）基体に炭化ケイ素（ＳｉＣ）を被覆したＳｉＣ被覆カーボン部材は、カーボン基体への精密加工が容易であるため、特許文献１に示すようにサセプタを初めとして、複雑な形状を有する部材等に広範に用いられている。
【０００６】
ところで、図４に示すように、特許文献１に示されたサセプタ２０は、カーボン基体からなる、ウエハＷが載置される上側部材２１と、前記上側部材２１と同様にカーボン基体からなり、前記上側部材２１の間に中空部（内部空間部）２３を形成する下側部材２２とから構成されている。また、前記下側部材２２の下面には、上記中空部（内部空間部）２３に通じる開孔部２２ａが形成されている。
更に、前記上側部材２１と前記下側部材２２には、前記中空部２３の内側表面を含む全表面がＳｉＣ膜で被覆されている。このＳｉＣ膜の被覆はＣＶＤ法等によって形成される。尚、図中、符号２４はガス供給管であり、２５はガス導出口である。またＨはヒータである。
【特許文献１】特許第２６２８３９４号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
特許文献１に示されたサセプタは、上側部材と下側部材が接合され、外側表面と中空部の内側表面の全表面がＣＶＤ法等によってＳｉＣ膜で被覆されたものである。
しかしながら、上側部材と下側部材の組み立て後、ＣＶＤ法等によって中空部の内側表面をＳｉＣ膜で均一にしかも完全に被覆することは困難であった。即ち、前記中空部（内部空間部）に、ＳｉＣ膜を形成する成膜ガスを満遍なく流通させることが困難であり、特に中空部（内部空間部）の形状が複雑化したした場合には、ＳｉＣ膜を均一にしかも完全に被覆することは難しかった。
【０００８】
これを解決する方法として、予めＳｉＣ被覆膜を形成し、ＳｉＣ被覆膜が形成された部材同士を接着する方法も考えられるが、接合部にＳｉＣ被覆膜と異なる接合層が形成され、前記接合層部分において、剥離する等のあらたな技術的課題が生じる虞がある。
【０００９】
そこで、本願発明者は、カーボン基体を組み立て後、ＣＶＤ法等によってＳｉＣ膜を均一かつ完全に形成することは困難であり、特に、内部空間の形状が複雑化した際には、ＳｉＣ膜を均一かつ完全に形成することがより困難になるとの知見に基づき、予め表面にＳｉＣ被覆膜が形成された複数のカーボン基体を接合することを前提に鋭意研究を行った。
即ち、本願発明者は、ＳｉＣ被覆膜が予め形成された部材同士を接合する方法について鋭意研究を行い、接合部分における剥離を抑制できる、ＳｉＣ被覆カーボン部材及びＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法を想到し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
本発明は、上記したようにＳｉＣ被覆膜が予め形成された部材同士を強固に接合することができるとともに、内部空間（中空部）に均一なＳｉＣ被覆層が形成されたＳｉＣ被覆カーボン部材及びＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法を提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
前記した課題を解決するためになされた本発明にかかるＳｉＣ被覆カーボン部材は、少なくとも表面にＳｉＣ被覆膜が形成された複数のカーボン基体を接合したＳｉＣ被覆カーボン部材であって、前記カーボン基体とカーボン基体の接合層が、単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で構成されていることを特徴としている。
【００１２】
このように、本発明にかかるＳｉＣ被覆カーボン部材同士は、単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で接合されている。即ち、前記カーボン部材を被覆しているＳｉＣ被覆膜と異なる接合層を新に形成し、この接合層でＳｉＣ被覆カーボン部材同士を接合するものでなく、ＳｉＣ被覆膜で接合されているため、ＳｉＣ被覆カーボン部材同士の剥離を抑制できる。
【００１３】
ここで、前記カーボン基体を接合する接合層のＳｉＣ被覆膜において、前記カーボン基体から離れた接合面近傍のＳｉＣ被覆膜の平均粒径が、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面近傍のＳｉＣ被覆膜の平均粒径よりも大きいことが望ましい。
このように、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面の近傍において小さな粒径のＳｉＣ被覆膜とすることで、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面に発生する熱応力歪みが分散され易くなり、接合温度において接合面の平坦性が損なわれることを抑制できるので、より強固なＳｉＣ被覆膜接合体を得るのに有利である。
更に、接合面近傍における大きなＳｉＣ被覆膜の粒径は、接合面近傍に、結合の安定性が低いＳｉＣ結晶粒界を減らし、強固で化学的に安定なＳｉＣ結晶粒子の結合を増加させる。この効果は、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面の近傍からＳｉＣ被覆膜の接合面近傍まで段階的に、あるいは連続的に粒径が増大した場合にも同様である。
【００１４】
また、前記カーボン基体とカーボン基体の接合層が単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で構成され、かつ前記カーボン基体の外部に露出する面に単一の層のＳｉＣ被覆膜が形成され、前記外部に露出する面に形成されたＳｉＣ被覆膜と前記接合層とが、同一の層で形成されていることが望ましい。
このように、外部に露出する面に形成されたＳｉＣ被覆膜と前記接合層とが、同一の層で形成されることにより、前記接合層と外部に露出する面のＳｉＣ被覆膜の界面部分に歪みがなく物理的に強固な結合が得られるため、高温熱サイクルにおいて接合層と外部に露出する面との境界部からＳｉＣ被覆膜に物理的損傷が発生することを抑制でき、接合の耐久性を更に向上することができる。
【００１５】
また、前記カーボン基体とカーボン基体の接合層が単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で構成され、かつ前記カーボン基体の外部に露出する面に単一の層のＳｉＣ被覆膜が形成されると共に、少なくとも露出する面の一部に複数層のＳｉＣ被覆膜が形成されていることが望ましい。
外部に露出する面は、例えば半導体熱処理用治具として用いた場合、様々な金属元素や、酸性または、塩基性のガス種に意図的にあるいは意図しないにも関わらず暴露され、金属シリサイドの形成や酸・塩基による含シリコンガス発生あるいはそれらが複合された浸食などの化学的損傷を受ける。
一方、外部に露出する面の少なくとも一部に複数層のＳｉＣ被覆膜が形成されていると、前記化学的損傷の進行が前記複数層のＳｉＣ被覆膜の層間において拡散されることにより局在化しなくなり、いわゆる応力腐食割れの発生が抑制されるため、本発明によるＳｉＣ被覆膜により接合されたＳｉＣ被覆カーボンの耐久性を更に高めることができる。
【００１６】
また、前記した課題を解決するためになされた本発明にかかるＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法は、カーボン基体を所定寸法、形状に形成する加工工程と、前記加工工程を経たカーボン基体にＳｉＣ被覆膜を形成する工程と、前記ＳｉＣ被覆膜が形成された、少なくとも２つ以上のカーボン基体同士を合わせ、高温処理によって、前記合わせ部分に単一の層からなるＳｉＣ被覆膜を形成し、カーボン基体同士を接合する工程と、を含むことを特徴としている。
【００１７】
このように、ＳｉＣ被覆膜が予め形成されたカーボン基体同士を合わせ、前記合わせ部分に、高温処理によって単一の層からなるＳｉＣ被覆膜を形成する。そして、この単一の層からなるＳｉＣ被覆膜によってカーボン基体同士を接合するため、ＳｉＣ被覆カーボン部材同士の剥離を抑制できる。
即ち、前記カーボン部材を被覆しているＳｉＣ被覆膜と異なる接合層を新に形成し、この接合層でＳｉＣ被覆カーボン部材同士を接合するものでなく、ＳｉＣ被覆膜で接合されているため、ＳｉＣ被覆カーボン部材同士の剥離を抑制できる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明によれば、ＳｉＣ被覆膜が予め形成された部材を強固に接合することができるとともに、内部空間（中空部）に均一なＳｉＣ被覆層が形成されたＳｉＣ被覆カーボン部材及びＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法を得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
本発明の一実施形態を、半導体製造分野で用いられる、反応炉内に導入するガスを加熱する導入ガス加熱板を例にとって、図１，２に基づいて説明する。尚、図１は、導入ガス加熱板の正面図、図２は図１におけるＩ−Ｉ断面図である。
【００２０】
この導入ガス加熱板１は、溝２ｃが形成されたカーボン基体２ａからなる部材２と、溝３ｃが形成されたカーボン基体３ａからなる部材３とを接合したものである。
前記部材２におけるカーボン基体２ａの表面には、ＳｉＣ被覆膜２ｂが形成されている。また前記部材３におけるカーボン基体３ａの表面には、ＳｉＣ被覆膜３ｂが形成されている。そして、ＳｉＣ被覆膜２ｂ、３ｂが形成されたカーボン基体２ａ，３ａの溝２ｃと溝３ｃとを合致させ、一つの流路（内部空間部）４が形成されるように接合されている。
【００２１】
具体的には、まず、カーボン材を加工し、所定寸法、形状にカーボン基体２ａ，３ａを加工する。この際、カーボン基体２ａ，３ａには溝２ｃ、３ｃが形成される。
その後、前記カーボン基体２ａ，３ａのそれぞれにＳｉＣ被覆膜２ｂ、３ｂを形成する。このＳｉＣ被覆膜を形成するには，ＣＶＤ法等の公知の方法によって形成することができる。
【００２２】
例えば、圧力２００ｔｏｒｒ、水素ガスにより濃度を１０％に希釈したメチルトリクロロシラン（(ＣＨ3)Ｓ：Ｃｌ3）を導入し、１３５０℃で２時間保持することで形成することができる。
この条件下で形成されたＳｉＣ被覆膜の厚さは、３０μｍであり、またＳｉＣの平均粒径は７μｍであった。
【００２３】
更に、ＳｉＣ被覆膜を形成した後、カーボン基体２ａ，３ａの接合面２ｄと３ｄを物理的に接触させたまま、熱処理炉（図示せず）内に部材２，３を収容し、１ｔｏｒｒ以下の圧力で、１６５０℃以上で熱処理する。
この熱処理により、接合面表面のＳｉＣ被覆膜は気化と再結晶化を繰り返し、所定時間経過（例えば１５時間経過）の後、ＰＶＤ（物理気相成膜）により単一のＳｉＣ被覆膜層として形成される。
【００２４】
この導入ガス加熱板１はこのように構成されているため、部材２，３の外表面及び流路４の内表面には、均一な単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で完全に被覆されている。
しかも、部材２，３は、単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で接合されているため、強固に接合でき、ＳｉＣ被覆カーボン部材同士の剥離を抑制できる。
【００２５】
ここで、前記した部材２，３を接合する際には、例えばＳｉＣｌ4などのＳｉを含むガス種を熱処理炉内に導入することが好ましい。これは気相中にＳｉ成分が多く含まれる場合、ＳｉＣ被覆膜が気化する際の活性化エンタルピーが低下し、蒸気圧が極めて小さいＳｉＣ被覆膜表面層の気化反応が促進されるため、ＳｉＣ被覆膜の気化と再結晶化の頻度が高まって接合に要する時間を短縮するため、好ましい。
【００２６】
また、例えばプロパンなどのＣ成分を含むガス種を、前記Ｓｉ成分を含むガス種と同時に少量導入するのが好ましい。前記接合面２ｄと接合面３ｄの隙間が大きい場合に、Ｃ成分を含むガス種を導入することにより、ＣＶＤ（化学気相成膜）によるＳｉＣ被覆膜形成が生じ、ＰＶＤにより前記隙間を埋めるまでの時間を短縮するため、好ましい。
【００２７】
また、図３に示すように、カーボン基体２，３を接合する接合層のＳｉＣ被覆膜２ｂ、３ｂにおいて、前記カーボン基体２，３から離れた接合面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子２ｅ，３ｅの平均粒径が、カーボン基体２，３とＳｉＣ被覆膜の界面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子２ｆ，３ｆの平均粒径よりも、大きいことが望ましい。部材２，３にＳｉＣ被覆膜２ｂ、３ｂを形成する工程の熱処理温度を、部材２，３の接合工程の熱処理温度よりも低くすることにより、図３に示すように、単一の接合層でありながら、ＳｉＣ被覆膜２ｂ、３ｂのＳｉＣ粒径を接合面２ｄ、３ｄにおいて大きくすることができる。
このように、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面の近傍において小さな粒径のＳｉＣ被覆膜とすることで、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面に発生する熱応力歪みが分散され易くなり、接合温度において接合面の平坦性が損なわれることを抑制できるので、より強固なＳｉＣ被覆膜接合体を得るのに有利である。
更に、接合面近傍における大きなＳｉＣ被覆膜の粒径は、接合面近傍に、結合の安定性が低いＳｉＣ結晶粒界を減らし、強固で化学的に安定なＳｉＣ結晶粒子の結合を増加させる。この効果は、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面の近傍からＳｉＣ被覆膜の接合面近傍まで段階的に、あるいは連続的に粒径が増大した場合にも同様である。
【００２８】
具体的には、部材２，３にＳｉＣ被覆膜を形成する熱処理温度を１３５０℃とし、ＳｉＣの平均粒径が７μｍのＳｉＣ被覆膜を形成する。
その後の部材２，３の接合工程の熱処理温度を１８００℃とし、０．１ｔｏｒｒ下、８時間保持の条件下で行うと、カーボン基体２ａ，３ａから離れた接合面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子２ｅ，３ｅの平均粒径が、３０μｍであり、カーボン基体２ａ，３ａとＳｉＣ被覆膜２ｂ，３ｂの界面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子２ｆ，３ｆの平均粒径が７μｍとすることができる。
【００２９】
また、接合完了後に、接合面２ｄ、３ｄに相当する部分をマスキングし、接合部以外に新たにＳｉＣ被覆膜を形成することにより、接合部以外のＳｉＣ被覆膜を複数の層としても良い。即ち、前記カーボン基体２ａとカーボン基体３ａの接合面２ｄ，３ｄが単一層のＳｉＣ被覆膜２ｂ，３ｂからなり、更に外部に露出する面（部材２，３の外側面）の少なくとも一部に複数層のＳｉＣ被覆膜が形成されていても良い。
このように、外部に露出する面（部材２，３の外側面）の少なくとも一部に複数層のＳｉＣ被覆膜が形成されている場合には、応力腐食割れを抑制することができるため、好ましい。
尚、当然に、外部に露出する面（部材２，３の外側面）の全領域に複数層のＳｉＣ被覆膜が形成されていても良い。
【００３０】
以上説明したように、ＳｉＣ被覆カーボン部材の内部空間を含むすべての表面に、単一なＳｉＣ被覆層が形成されると共に、接合部においても単一層のＳｉＣ被覆膜で形成されるため、十分な熱サイクルに耐えられる、被覆カーボン部材を得ることができる。
【実施例】
【００３１】
（実施例１）
カーボン基体２，３に溝２ａ，３ａを形成し、所定形状に加工したのち、塩素ガスにより高純度処理をして、化学気相成膜方法により１３００℃、３００ｔｏｒｒ（ＣＨ3）ＳｉＣｌ3を導入して表面にＳｉＣ被覆膜を形成し、部材２，３を形成した。
このときの部材２，３の表面には、厚さ３０μｍの均一なＳｉＣ被覆膜が形成された。
このＳｉＣ被覆膜の平均粒径は、７μｍであった。
【００３２】
その後、部材２，３の接合面を物理的に接触させて、１８００℃、０．１ｔｏｒｒで１３時間熱処理することにより、図１に示すＳｉＣ被覆カーボン部材１を得た。
このときの部材２，３の表面には、厚さ３０μｍの均一なＳｉＣ被覆膜が形成され、接合層は、厚さ６５μｍの均一なＳｉＣ被覆膜が形成された。
このＳｉＣ被覆膜の平均粒径は、７μｍであり、接合層のＳｉＣ被覆膜の平均粒径は２０μｍであった。
【００３３】
（比較例１）
実施例１と同様にして、ＳｉＣ被覆膜が形成された部材２，３を形成した。その後、接合面を物理的に接触させて１３００℃、３００ｔｏｒｒ（ＣＨ3）ＳｉＣｌ3を導入することによるＣＶＤ−ＳｉＣ被覆膜形成により接合する以外は実施例１と同様の方法により比較例１のＳｉＣ被覆カーボンを得た。
【００３４】
（比較例２）
カーボン基体に溝２ａ，３ａを形成し、所定形状に加工したのち、カーボンペーストを用いて部材２，３を接着し、公知の方法により高純度処理をして、１３００℃、３００ｔｏｒｒ（ＣＨ3）ＳｉＣｌ3を導入して、表面にＳｉＣ被覆膜を形成して比較例２のＳｉＣ被覆カーボンを得た。
【００３５】
実施例および比較例のＳｉＣ被覆カーボン部材を切断し、ガス流路４へのＳｉＣ被覆膜形成状態を確認し、また、ランプ加熱により５００℃から１０００℃まで２分で昇温し、２分で冷却する熱サイクルを５００回繰り返した時の接合面２ｄと３ｄの接合状態を確認した。その結果を表１に示す。
尚、表１中の○は、良好、△は、一部欠損、×は、破断または一部未成膜を意味している。
【００３６】
【表１】
【００３７】
上記実施形態にあっては、導入ガス加熱板を例にとって説明したが、本発明はこれに限定されることなく、従来例で説明したサセプタ初めとして、ウエハボート、ボートテーブル、炉芯管、トレー等の各種半導体熱処理用治具に用いることができる。
【図面の簡単な説明】
【００３８】
【図１】図１は、本発明にかかるＳｉＣ被覆カーボン部材の一例である導入ガス加熱板の正面図である。
【図２】図２は図１におけるＩ−Ｉ断面図である。
【図３】図３はＳｉＣ被覆カーボン部材接合面のＳｉＣ粒子の状態を示す模式図である。
【図４】図４は、ＳｉＣ被覆カーボン部材が用いられた一例を示す、サセプタの断面図である。
【符号の説明】
【００３９】
１ 導入ガス加熱板（ＳｉＣ被覆カーボン部材）
２ 部材
２ａ カーボン基体
２ｂ ＳｉＣ被覆膜
２ｃ 溝
２ｄ 接合面
２ｅ カーボン基体から離れた接合面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子
２ｆ カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子
３ 部材
３ａ カーボン基体
３ｂ ＳｉＣ被覆膜
３ｃ 溝
３ｄ 接合面
３ｅ カーボン基体から離れた接合面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子
３ｆ カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面近傍のＳｉＣ被覆膜の粒子
４ 流路
【特許請求の範囲】
【請求項１】
少なくとも表面にＳｉＣ被覆膜が形成された複数のカーボン基体を接合したＳｉＣ被覆カーボン部材であって、
前記カーボン基体とカーボン基体の接合層が、単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で構成されていることを特徴とするＳｉＣ被覆カーボン部材。
【請求項２】
前記カーボン基体を接合する接合層のＳｉＣ被覆膜において、
前記カーボン基体から離れた接合面近傍のＳｉＣ被覆膜の平均粒径が、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面近傍のＳｉＣ被覆膜の平均粒径よりも大きいことを特徴とする前記請求項１に記載のＳｉＣ被覆カーボン部材。
【請求項３】
前記カーボン基体とカーボン基体の接合層が単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で構成され、かつ前記カーボン基体の外部に露出する面に単一の層のＳｉＣ被覆膜が形成され、
前記外部に露出する面に形成されたＳｉＣ被覆膜と前記接合層とが、同一の層で形成されていることを特徴とする前記請求項１または請求項２に記載のＳｉＣ被覆カーボン部材。
【請求項４】
前記カーボン基体とカーボン基体の接合層が単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で構成され、かつ前記カーボン基体の外部に露出する面に単一の層のＳｉＣ被覆膜が形成されると共に、少なくとも露出する面の一部に複数層のＳｉＣ被覆膜が形成されていることを特徴とする前記請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＳｉＣ被覆カーボン部材。
【請求項５】
カーボン基体を所定寸法、形状に形成する加工工程と、
前記加工工程を経たカーボン基体にＳｉＣ被覆膜を形成する工程と、
前記ＳｉＣ被覆膜が形成された、少なくとも２つ以上のカーボン基体同士を合わせ、高温処理によって、前記合わせ部分に単一の層からなるＳｉＣ被覆膜を形成し、カーボン基体同士を接合する工程と、を含むことを特徴とするＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法。
【請求項１】
少なくとも表面にＳｉＣ被覆膜が形成された複数のカーボン基体を接合したＳｉＣ被覆カーボン部材であって、
前記カーボン基体とカーボン基体の接合層が、単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で構成されていることを特徴とするＳｉＣ被覆カーボン部材。
【請求項２】
前記カーボン基体を接合する接合層のＳｉＣ被覆膜において、
前記カーボン基体から離れた接合面近傍のＳｉＣ被覆膜の平均粒径が、カーボン基体とＳｉＣ被覆膜の界面近傍のＳｉＣ被覆膜の平均粒径よりも大きいことを特徴とする前記請求項１に記載のＳｉＣ被覆カーボン部材。
【請求項３】
前記カーボン基体とカーボン基体の接合層が単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で構成され、かつ前記カーボン基体の外部に露出する面に単一の層のＳｉＣ被覆膜が形成され、
前記外部に露出する面に形成されたＳｉＣ被覆膜と前記接合層とが、同一の層で形成されていることを特徴とする前記請求項１または請求項２に記載のＳｉＣ被覆カーボン部材。
【請求項４】
前記カーボン基体とカーボン基体の接合層が単一の層からなるＳｉＣ被覆膜で構成され、かつ前記カーボン基体の外部に露出する面に単一の層のＳｉＣ被覆膜が形成されると共に、少なくとも露出する面の一部に複数層のＳｉＣ被覆膜が形成されていることを特徴とする前記請求項１乃至請求項３のいずれかに記載のＳｉＣ被覆カーボン部材。
【請求項５】
カーボン基体を所定寸法、形状に形成する加工工程と、
前記加工工程を経たカーボン基体にＳｉＣ被覆膜を形成する工程と、
前記ＳｉＣ被覆膜が形成された、少なくとも２つ以上のカーボン基体同士を合わせ、高温処理によって、前記合わせ部分に単一の層からなるＳｉＣ被覆膜を形成し、カーボン基体同士を接合する工程と、を含むことを特徴とするＳｉＣ被覆カーボン部材の製造方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図２】
【図３】
【図４】
【公開番号】特開２０１０−７０７９７（Ｐ２０１０−７０７９７Ａ）
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２００８−２３８９１５（Ｐ２００８−２３８９１５）
【出願日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２２年４月２日（２０１０．４．２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２０年９月１８日（２００８．９．１８）
【出願人】（５０７１８２８０７）コバレントマテリアル株式会社 (506)
【Ｆターム（参考）】
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