JPH06329477A - シリコン部材の接合方法およびシリコン接合構造体 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】 シリコン部材の特性を損なうことなく容易に
シリコン部材どうしを接合することのできるシリコン部
材の接合方法を提供する。 【構成】 シリコン部材どうしの接合面に、カーボシラ
ン重合体やポリシラスチレン重合体など、焼成するとシ
リコンカーバイトとなる化合物を塗布し、各シリコン部
材の接合面をつき合わせる。次いで、不活性雰囲気中に
て８００℃以上の温度で焼成すると、カーボシラン重合
体やポリシラスチレン重合体は分解してＳｉＣに変わ
り、シリコン部材どうしを強固に接合する。また、焼成
すると窒化珪素となる化合物、例えばポリシラザン化合
物でも同様の接合が可能である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、ウエーハ熱処理用ボー
トなど半導体プロセスに用いられるシリコン部材の接合
に好適なシリコン部材の接合方法、およびこの接合方法
を使用してなるシリコン接合構造体に関する。

【０００２】

【従来の技術】単結晶または多結晶シリコンは極めて高
純度に生成でき、耐熱性が高く化学的にも安定なため、
例えばウエーハ熱処理用ボートや洗浄容器などの半導体
プロセス用部材として有用である。しかしながら、シリ
コン部材どうしは溶接による接合ができず、他の方法で
接合した場合、次のような問題を有していた。すなわ
ち、シリコン部材どうしを接合する方法として、通常の
有機質や無機質の接合剤を用いた場合、接合剤が不純物
となりシリコンの高純度な特性を減殺させてしまうた
め、この方法は半導体プロセス用部材の接合には向かな
い。組み立て式のシリコンボートのように機械加工のみ
でシリコン部材どうしを接合する方法は、硬くて加工が
難しいシリコン材料を高精度に加工する必要があり、手
間がかかって形状にも多くの制約が課せられる上、がた
つきを皆無にするのは事実上不可能である。しかも、使
用中の磨滅や洗浄時のエッチングのために次第にがたつ
きが増してしまう。

【０００３】シリコン部材どうしを接合する他の方法と
して、シリカ質の膜を介在させる方法がある。シリカ膜
は、例えば熱酸化やＣＶＤなどの方法で高純度のものを
形成させることができ、１０００℃以上の耐熱性を有す
るものの、シリコンの融点より低温度で軟化する。した
がって、例えば加圧接触させたり、接触部の両側に電界
をかけて昇温すれば、機械的な接合が可能になる。しか
しながら、半導体プロセス用部材の製造には、フッ酸系
のエッチング液による洗浄工程が含まれるので、同工程
でシリカ膜が腐食して隙間を生じ、この隙間に染み込ん
だ洗浄液によって製品が汚染され、さらに腐食が進んだ
場合、接合部の剥離を生ずるおそれがあった。また、接
合面を高精度な平坦面に研磨した後、清浄な環境下で接
触させて加熱することにより接合状態を形成する直接接
合法もあるが、研磨や接合の作業に高精度な技術を必要
とし、適用できる形状に制限があるので、複雑な形状の
半導体プロセス用部材の組み立てに応用するのは極めて
困難である。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】以上のようにシリコン
部材は高純度、高耐熱性、高耐薬品性などの優れた特性
を有するものの、このような特性を損なうことのない接
合方法がなかったため、同部材の用途が制限されるとい
う問題があった。本発明は、上述した従来技術の現況に
鑑み、シリコン部材の特性を損なうことなく容易にシリ
コン部材どうしを接合することのできるシリコン部材の
接合方法を提供することを目的とし、さらにシリコン部
材の特性を生かした高純度なシリコン接合構造体を提供
することを目的とする。

【０００５】

【問題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明のシリコン部材接合方法は、シリコン部材ど
うしの接合面に、焼成するとシリコンカーバイトとなる
化合物を介在させ、かつ不活性雰囲気中にて８００℃以
上の温度で焼成することを特徴としている。また、本発
明の他の方法は、シリコン部材どうしの接合面に、焼成
すると窒化珪素となる化合物を介在させ、かつ不活性雰
囲気中にて７００℃以上の温度で焼成することを特徴と
している。一方、本発明のシリコン接合構造体は、シリ
コン部材どうしをシリコンカーバイト、窒化珪素、また
はシリコンオキシナイトライドにより接合したことを特
徴としている。

【０００６】

【作用】シリコン並みの耐熱性と耐薬品性を持つ材料
に、シリコンカーバイト（ＳｉＣ）、窒化珪素（Ｓｉ
Ｎ）およびシリコンオキシナイトライド（ＳｉＯＮ）が
ある。そこで、ＳｉＣ、ＳｉＮまたはＳｉＯＮを基本成
分とし、しかもシリコンに対して接合力を有し、かつ容
易に高純度化することのできる材料があれば、それを接
合材として用いることによりシリコン部材の特性を損な
うことなく容易にシリコン部材どうしを接合することが
できる。

【０００７】本発明者は、このような観点から鋭意検討
した結果、ポリシラン類を出発原料としたカーボシラン
重合体やポリシラスチレン重合体、またはポリシラザン
化合物が上記特性を有していることを発見した。これら
の材料は純化学的に合成できるので、容易に高純度化さ
れる。しかもキシレンなどの溶剤に簡単に溶け、高粘性
の溶液が得られるので、この溶液を接合部に塗布し、接
合後乾燥するればシリコン部材が簡単に接合できること
がわかった。そして、この接合構造体を不活性雰囲気で
加熱すれば、カーボシラン重合体やポリシラスチレン重
合体の場合は分解してＳｉＣに変わり、一方、ポリシラ
ザン化合物の場合は分解してＳｉＮに変わり、接合力の
発生することがわかった。また、あらかじめ酸素を含む
雰囲気中でポリシラザン化合物を加熱すればＳｉＯＮと
なって、接合力の生まれることがわかった。

【０００８】しかしながら、上記の化合物単味で接合し
た部材は焼成後の接合強度が十分でないという問題が生
じた。その主な原因は、焼成によって化合物がＳｉＣ等
に変わる際、体積の収縮を生じて接合部に歪みを発生さ
せるためと考えられた。そこで、上記化合物の溶液中に
高純度のシリコン粉を充填材として添加し、体積収縮を
防ぐ工夫をした結果、十分な接合強度を得た。

【０００９】以下、本発明についてさらに詳細に説明す
る。 （１）焼成するとシリコンカーバイトとなる化合物を接
合材として用いた方法 ここでは、接合材としてカーボシラン重合体を用いたシ
リコン部材の接合方法を説明する。本接合方法で用いる
カーボシラン重合体は、ＳｉＣ繊維の前駆体として使わ
れるものと同じでよい。このようなカーボシラン重合体
は、公知の合成法で容易に得ることができる。本発明者
が実際に行った合成例を以下〜に示す。 市販のパーメチルポリシラン（融点２７０℃以上）
をオートクレーヴに入れ、減圧後４５０℃で２４時間加
熱した。次いで冷却後に反応生成物を１ｍｍＴｏｒｒの
減圧下にて２００℃で加熱蒸留し、低留分を除いてカー
ボシラン重合体を得た。 市販のポリシラスチレン（融点１１０〜１２５℃、
商品名ＰＳＳ−１２０）を窒素雰囲気中にて３００℃で
５時間加熱して反応させた。次いで２５０℃で保持して
発泡を押さえた後、室温まで冷却してカーボシラン重合
体を得た。 市販のポリシラスチレン（融点１５０〜１８０℃、
商品名ＰＳＳ−４００）をそのまま用いた。なお、より
低融点のポリシラスチレンをそのまま用いても、焼成に
よってＳｉＣに分解するものであればほぼ同様の結果が
得られた。

【００１０】さらに、本発明方法では、カーボシラン重
合体とシリコン粉とを溶剤中で混合して接合用コンパウ
ンドをつくる。接合用コンパウンドの組成は、接合剤と
して適当な粘性と乾燥速度を有し、接合面への塗布が容
易でかつ安定していること（条件１）、乾燥および焼成
後も良好な接合性を保ち、接合強度が大きいこと（条件
２）、のそれぞれを満たすようにする。条件１は主とし
て溶剤の種類とその添加量で決まり、条件２はカーボシ
ラン重合体とシリコン粉の混合比率で決まる。

【００１１】溶剤の種類は、塗布方法など使用目的に応
じて選択できる。例えばベンゼン、トルエン、キシレン
などの芳香属類、ヘキサン、ペンタン、流動パラフィン
などの脂肪族、トリクレンなどの有機ハロゲン化合物な
どが使用できる。カーボシラン重合体はこれらの溶媒に
よく溶けるが、その溶解度以上の量を加えても問題な
い。シリコン粉は、高純度のシリコンをボールミルなど
で粉砕して用いる。ここで、シリコン粉の粒度が大きい
と、混練した接合用コンパウンドを保管している間に沈
降分離し易くなり、塗布性も悪くなる。粒径１０μｍ以
下のものが良好な結果を得た。

【００１２】固形分に対する溶剤の量は、塗布から乾燥
までの作業性の難易を決める。一般に、溶剤の分量を少
なくするほうが乾燥しやすく乾燥後の目減りも少ないた
め良好な結果をもたらす。ただし、分量が少なすぎると
流動性がなくなって塗布しにくくなるので、これらの点
を考慮して溶剤の量を加減する。使用するシリコン粉の
粒度や塗布方法にもよるが、流動性を持たせるためには
２０％以上の液体成分が必要であった。カーボシラン重
合体、溶剤、およびシリコン粉は、所望の量を計りとっ
て乳鉢やボールミルなどで十分に混練し、接合用コンパ
ウンドとする。

【００１３】最適なカーボシラン重合体とシリコン粉の
割合を決めるために次のような実験を行った。ポリシラ
ンから合成したカーボシラン重合体を用い、溶剤はｎへ
キサンとした。溶剤の分量は、重量比で固形分１に対し
て０．５とした。溶剤中に、合成したカーボシラン重合
体および平均粒径３μｍのシリコン粉を表１に示した割
合で混合し、乳鉢で良く混練して接合用コンパウンドを
作成した。一条件の試料量は３ｇである。

【００１４】端面を平面に仕上げた直径１０ｍｍ、長さ
３０ｍｍのシリコン棒を用意した。一つのシリコン棒の
端面に上記の接合用コンパウンドを石英ガラス棒で塗り
付けた後、もう一つのシリコン棒の端面と合わせて押し
付け、接合させた。このようにして得たシリコン接合構
造体を７０℃で３時間乾燥させて固着し、窒素雰囲気中
で１１００℃まで昇温して焼成した。得られたシリコン
接合構造体の引っ張り強度を測定し、その測定結果を表
１に示した。表１からシリコン／カーボシランの比が３
０以下のときに接合し、４〜０．５のときに大きな引っ
張り強度を得られることがわかる。

【００１５】

【表１】

【００１６】次に、シリコン／カーボシランの比を２と
した接合用コンパウンドを作成し、上記と同じ方法で接
合ないし乾燥させた後、焼成温度を変えて引っ張り強度
との関係を調べた。その結果を表２に示す。表２から明
らかなように、焼成温度が８００℃以上で高強度とな
り、１１００℃付近からほぼ一定になった。ただし、１
４００℃付近になると接合自体に問題はないものの、シ
リコン構造体の融点に近づくので、雰囲気ガスとの反応
や変形などの好ましくない影響が現れた。

【００１７】

【表２】

【００１８】上記のように得られた接合体の接合強度は
大きいが、強度評価では必ず接合部分から剥れ、シリコ
ン自体の強度には及ばなかった。その原因を調べるため
に剥がれた面を詳細に調べた結果、界面に空孔が発生し
ており、接合面の全体で接合していないことがわかっ
た。さらに、合成した接合用コンパウンドでシリコンと
石英ガラスを張り付け、接合面が観察できるようにして
昇温しながら界面の変化を調べた。その結果、３５０℃
以上でカーボシランが溶融分解し、発泡していることが
分かった。そこで、接合体を乾燥後空気中で熱処理して
カーボシランを重合させる不溶化処理を行った後、窒素
中で１２００℃まで昇温して接合し、強度との関係を調
べた。空気中での熱処理条件と接合強度との関係を表３
に示す。表３から１５０℃〜４００℃、１時間以上の処
理で強度が改善されることが分かる。 同様な実験をポ
リシラスチレン重合体についても行ったが、結果はカー
ボシラン重合体の場合と同じであった。

【００１９】

【表３】

【００２０】（２）焼成すると窒化珪素となる化合物を
接合材として用いた方法 ここでは、接合材としてポリシラザン化合物を用いたシ
リコン部材の接合方法を説明する。本接合方法で使用す
るポリシラザン化合物は、ペルヒドロポリシラザンの種
々の分子量の重合体、メチルポリシラザンの各種重合体
など、ＳｉＮまたはＳｉＯＮの前駆体としてよく知られ
た化合物でよい。これらの化合物は必要に応じて、例え
ばキシレンやヘキサンなどの溶剤およびシリコン粉末と
混合し、適度の粘性と乾燥後の接合強度をもたらすよう
調合し、接合用コンパウンドとする。

【００２１】シリコン粉は、高純度のシリコンをボール
ミルなどで粉砕して用いる。ここで、シリコン粉の粒度
が大きいと、混練した接合用コンパウンドを保管してい
る間に沈降分離し易くなり、塗布性も悪くなる。粒径１
０μｍ以下のものが良好な結果を得た。シリコン粉とポ
リシラザン化合物の混合比は、焼成後の接合構造体の接
合強度に大きな影響を及ぼす。一方、固形分に対する溶
剤の量は塗布から乾燥までの作業性の難易を決める。一
般に、溶剤の分量を少なくするほうが乾燥しやすく乾燥
後の目減りも少ないため良好な結果をもたらす。ただ
し、分量が少なすぎると流動性がなくなって塗布しにく
くなるので、これらの点を考慮して溶剤の量を加減す
る。使用するシリコン粉の粒度や塗布方法にもよるが、
流動性を持たせるためには２０％以上の液体成分が必要
であった。

【００２２】得られた接合用コンパウンドは、筆塗りや
デスペンサーなどを使って一定量をシリコン部材の接合
面に供給する。そして、溶剤が蒸発して固まる前にシリ
コン部材どうしを突き合わせ、必要なら加熱して乾燥さ
せる。その後、窒素やアルゴンなどの不活性雰囲気中、
あるいは空気などの酸素を含む雰囲気内で所望の温度に
加熱、焼成すれば目的のシリコン接合構造体を得る。

【００２３】最適なポリシラザン化合物とシリコン粉と
の混合割合を決めるために次の実験を行った。分子量１
７００〜２１００のペルヒドロポリシラザンに対して平
均粒径３μｍのシリコン粉を表４に示した重量割合で混
合し、固形分１に対して０．６になるようキシレン（溶
剤）を加えて乳鉢でよく混練し、接合用コンパウンドを
作成した。一条件の試料量は約３ｇである。端面を平面
に仕上げた直径１０ｍｍ，長さ３０ｍｍのシリコン棒を
用意した。一つのシリコン棒の端面に上記の接合用コン
パウンドを石英ガラス棒で塗り付けた後、もう一つのシ
リコン棒の端面と合わせて押し付け、接合させた。こう
して得たシリコン接合構造体を７０℃で３時間乾燥させ
て固着させ、窒素雰囲気中で１２００℃まで昇温して焼
成した。

【００２４】このようにして得られたシリコン接合構造
体の引っ張り強度を測定し、その測定結果を表４に示し
た。表４からシリコン／ポリシラザンの比が３０以下の
ときに接合し、４〜０．５のときに大きな引っ張り強度
が得られることがわかる。次に、シリコン／ポリシラザ
ンの比を２とした接合用コンパウンドを作成し、上記と
同じ方法で接合ないし乾燥させた後、焼成温度を変えて
引っ張り強度との関係を調べた。その結果を表５に示
す。

【００２５】

【表４】

【００２６】

【表５】

【００２７】表５から明らかなように、８００℃以上で
高強度となり、１２００℃付近からほぼ一定になった。
ただし、１４００℃付近になると接合自体に問題はない
ものの、シリコン構造体の融点に近づくので、雰囲気ガ
スとの反応や変形などの好ましくない影響が現れた。

【００２８】次に、ポリシラザン化合物をＳｉＯＮに変
化させてシリコン部材を接合する方法を説明する。この
方法はＳｉＮを生じさせる上記方法に比べ、焼成後の体
積変化が少ないので、接合部の残留応力が小さくなると
いう利点がある。このためには上記の方法で示した不活
性雰囲気中にて８００℃以上で加熱焼成する工程の前
に、空気など酸素を含む雰囲気中で２００℃以上で焼成
する工程を挿入する。なお、酸化の条件が強すぎると二
酸化珪素を生じてしまい、目的のシリコン接合構造体を
得られなくなるので注意を必要とする。例えば、空気雰
囲気の場合、５００℃以上まで昇温すると二酸化珪素へ
の反応が大きくなり、耐薬品性が大きく低下した。

【００２９】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づき詳細に説明す
る。ただし、本発明は下記の実施例により制限されるも
のではない。 実施例１ 融点１４０℃の高純度のポリシラスチレン重合体を使用
した。化学分析ではＦｅ，Ａｌ，Ｎａ，Ｎｉ，Ｋ，Ｔｉ
などの不純物の総量は数ＰＰｍの範囲であり、石英ガラ
ス並みの純度であった。一方、高純度シリコンを石英ガ
ラス製ボールミルで粉砕し、平均粒径８μｍのシリコン
粉を得た。ポリシラスチレン重合体とシリコン粉を１対
３の重量比になるよう計り取り、３倍量のキシレンとよ
く混練して接合用コンパウンドを得た。

【００３０】比抵抗１００Ωｃｍの不純物無添加の単結
晶シリコンから部品を切り出し、図１に示すような形状
のウエーハ熱処理用ボート（シリコン接合構造体）を組
み立てた。ここで、溝付き角柱状のシリコン部材１のシ
リコン板２に接合する端部３は，図２のようにホゾ状に
加工してある。上記作成した接合用コンパウンドをこの
端部３に塗って、シリコン板２の穴部４と嵌め合わせ
た。組み立て後、１２０℃の温度で５時間乾燥し、さら
に空気中にて３５０℃の温度で４時間で加熱した。次い
で窒素雰囲気にて１３００℃まで加熱し焼成した。この
ようにして得られたウエーハ熱処理用ボートをフッ酸洗
浄し、ウエーハを装着して拡散炉に入れ１１００℃で熱
処理した。その後、このウエーハの汚染度測定したが、
ウェーハに汚染は検出されず、しかもウエーハ熱処理用
ボートに変形箇所がないため、ウエーハに対して不均等
な応力がかからず、転位の発生も見られなかった。

【００３１】実施例２ 分子量約１０００のポリトリメチルシラザンとシリコン
粉を１対１の重量比になるよう計り取り、３倍量のキシ
レンとよく混練して接合用コンパウンドを得た。比抵抗
１００Ωｃｍの不純物無添加の単結晶シリコンから部品
を切り出し、図１に示すような形状のウエーハ熱処理用
ボート（シリコン接合構造体）を組み立てた。ここで、
溝付き角柱状のシリコン部材１のシリコン板２に接合す
る端部３は，図２のようにホゾ状に加工してある。この
端部３を上記作成した接合用コンパウンドに浸し、乾く
前にシリコン板２の穴部４と嵌め合わせた。組み立て
後、室内で１日放置して乾燥させた後、空気雰囲気中に
て３００℃の温度で３時間加熱し、次いで窒素雰囲気に
て１３００℃まで加熱し焼成した。このようにして得ら
れたウエーハ熱処理用ボートをフッ酸洗浄し、ウエーハ
を装着して拡散炉に入れ１１００℃で熱処理した。その
後、このウエーハの汚染度を測定したが、ウェーハに汚
染は検出されず、しかもウエーハ熱処理用ボートに変形
箇所がないため、ウエーハに対して不均等な応力がかか
らず、転位の発生も見られなかった。

【００３２】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、シ
リコン部材の特性を損なうことなく容易にシリコン部材
どうしを強固に接合することができ、シリコン部材の用
途拡大に大きく寄与する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例で作成したウエーハ熱処理用ボ
ートの外観を示す斜視図である。

【図２】同ウエーハ熱処理用ボートの接合端部の構造を
拡大して示す斜視図である。

【符号の説明】

１ 溝付き角柱シリコン ２ シリコン板 ３ 端部嵌合部

Claims (7)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 シリコン部材どうしの接合面に、焼成す
   るとシリコンカーバイトとなる化合物を介在させ、かつ
   不活性雰囲気中にて８００℃以上の温度で焼成すること
   を特徴としたシリコン部材の接合方法。
2. 【請求項２】 焼成するとシリコンカーバイトとなる化
   合物とシリコン粉とを１：２０以下の重量割合で混合し
   て接合コンパウンドをつくり、シリコン部材どうしの接
   合面に前記接合コンパウンドを介在させ、かつ不活性雰
   囲気中にて８００℃以上の温度で焼成することを特徴と
   したシリコン部材の接合方法。
3. 【請求項３】 請求項１または２記載のシリコン部材の
   接合方法において、前記不活性雰囲気中での焼成を行う
   前に、酸素を含む雰囲気中にて１５０〜４００℃の温度
   で熱処理する工程を挿入したことを特徴とするシリコン
   部材の接合方法。
4. 【請求項４】 シリコン部材どうしの接合面に、焼成す
   ると窒化珪素となる化合物を介在させ、かつ不活性雰囲
   気中にて７００℃以上の温度で焼成することを特徴とし
   たシリコン部材の接合方法。
5. 【請求項５】 焼成すると窒化珪素となる化合物とシリ
   コン粉とを１対２０以下の重量割合で混合して接合コン
   パウンドをつくり、シリコン部材どうしの接合面に前記
   接合コンパウンドを介在させ、かつ不活性雰囲気中にて
   ８００℃以上の温度で焼成することを特徴としたシリコ
   ン部材の接合方法。
6. 【請求項６】 請求項４または５記載のシリコン部材の
   接合方法において、前記不活性雰囲気中での焼成を行う
   前に、酸素を含む雰囲気中にて５００℃以下の温度で熱
   処理する工程を挿入したことを特徴とするシリコン部材
   の接合方法。
7. 【請求項７】 シリコン部材どうしをシリコンカーバイ
   ト、窒化珪素、またはシリコンオキシナイトライドによ
   り接合してなるシリコン接合構造体。