JPH1025178A

JPH1025178A - イオン注入装置用カーボン材料

Info

Publication number: JPH1025178A
Application number: JP8175247A
Authority: JP
Inventors: Seiji Minoura; 誠司箕浦; Taishin Horio; 泰臣堀尾; Takashi Hirose; 敬司広瀬
Original assignee: Ibiden Co Ltd
Current assignee: Ibiden Co Ltd
Priority date: 1996-07-04
Filing date: 1996-07-04
Publication date: 1998-01-27

Abstract

(57)【要約】【課題】耐衝撃性や加工性に優れ、不純物や黒鉛粒子
の飛散がなくて耐久性にも優れ、コストが安いイオン注
入装置用カーボン材料を提供すること。【解決手段】炭素結合炭素繊維複合材料からなる基材
部１１と、該基材部１１の表面に被覆された炭素からな
るコーティング膜１２とにより構成したこと。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、イオン注入装置のイオ
ンガイド用のスリット部材やウエハー保持治具等を構成
するに際して使用される、イオン注入装置用カーボン材
料に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体デバイスの製造時には、性能確保
の面から、不純物の混入が抑止されねばならない。この
ため、原材料はもとより、製造装置についても不純物の
発生しないことが重要である。従って、半導体デバイス
を製造するための装置における構成部品は、半導体デバ
イスに対して悪影響を与える成分を含まない材料からな
ることが要求される。

【０００３】ところで、半導体デバイスの製造工程にお
いては、イオン注入という工程がある。上記イオン注入
は、上記半導体デバイスの材料となる、例えばシリコン
ウエハー中に、目的となる元素をイオン化して注入する
ことである。この時、上記イオン化した元素は、静電気
に加速されイオンビームとなっている。

【０００４】上記イオン注入を行うイオン注入装置は、
図３に概略を示すように、注入する元素のイオンを生成
するためのイオン源と、生成したイオンをイオン膜から
引き出すのに必要なエネルギーを与える引出し部と、引
出したイオンから必要なものを選別する質量分析部と、
イオンを加速しイオンビームを生成するための加速部
と、上記イオンビームをシリコンウエハー上に均一に走
査するための走査部と、シリコンウエハーにイオンを注
入する注入室とから構成されている。また、上記イオン
ビームが通過する経路には、イオンビームの誘導のため
に、スリット部材が設けられている。

【０００５】しかし、上記イオン注入工程においてイオ
ンビームに不純物が混入すると、シリコンウエハー中に
目的としない元素も注入されてしまう。不純物を含むシ
リコンウエハーを用いて製造された半導体デバイスは、
性能が劣悪となるおそれがあることは当然である。特
に、鉄、バナジウム等の金属元素、硫黄のような陰性元
素の混入が悪影響を及ぼしやすい。そこで、上記イオン
注入装置の各部品は、上記不純物質がイオンビームに混
入しないよう材質上の配慮がなされている。

【０００６】このため、従来、イオン注入装置のスリッ
ト部材、シリコンウエハーを支持するクランプ等の、イ
オンビームに対して直接または間接的に晒される部分の
部品には、シリコンウエハーの品質に悪影響を及ぼしに
くい物質で、かつ容易に高純度材質の確保が可能な黒鉛
材料が利用されている。

【０００７】しかし、黒鉛材料は微細な黒鉛の粒子が集
合することにより構成された柔らかい組織を有する。こ
のため、上記黒鉛材料はイオンビームに晒されることに
より表面が削られ、削られた黒鉛が微細な粒子となって
装置内に飛散するおそれがある。上記現象が発生する
と、黒鉛材料が極微量ながら含有する鉄、バナジウム等
がイオンに混入してしまう。従って、上記装置によって
製造されたシリコンウエハーを使用した半導体デバイス
の性能を低下させる。

【０００８】上記問題点に対応するために、イオン注入
装置における部品用の黒鉛材料として、無定形の均質な
連続調密組織を有するガラス状カーボンを使用すること
が提案されている（特開平５−２４６７０３号公報）。
このガラス状カーボンによるイオン注入装置の部品は以
下のようにして製造される。

【０００９】まず、原料となるフェノール樹脂を成形
し、板状体となす。しかる後、上記板状体を高純度黒鉛
粉で被包する。次に、電気炉を昇温し上記黒鉛板等に炭
化焼成処理を施す。続いて、上記電気炉内に塩素ガスを
導入し、炭素焼成処理の時よりも温度を上げる。上記過
程は不要な不純物を燃焼させる後純化工程であり、この
工程を経て、不純物を殆ど含まないガラス状カーボンが
完成する。

【００１０】最後に上記ガラス状カーボンを所望の形状
に加工してイオン注入装置の部品とする。上記ガラス状
カーボンはイオンビームに晒されても表面から黒鉛の微
粒子が殆ど飛散しないという利点がある。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記ガ
ラス状カーボンは硬く、加工が困難で所望の形状の部品
を得ることが困難である。例えば、上記スリット部材
は、板状材料の中央をくり抜く必要があり、切削加工が
困難である。また、上記ガラス状カーボンは製造加工が
複雑で製造コストが高くなり、製造工程中には後純化工
程も必要であって、一層ガラス状カーボンの製造を複雑
にしている。さらには、上記ガラス状カーボンは硬いも
のであるため、その取付・交換作業時、あるいは運搬時
等において破損や亀裂（クラック）が生じ易く、耐衝撃
性に劣るものとなっている。

【００１２】本発明は、かかる問題に鑑み、耐衝撃性や
加工性に優れ、不純物や黒鉛粒子の飛散がなくて耐久性
にも優れ、コストが安いイオン注入装置用カーボン材料
を提供しようとするものである。

【００１３】

【課題の解決手段】本発明は、炭素結合炭素繊維複合材
料（所謂Ｃ／Ｃコンポジット）からなる基材部１１と、
該基材部１１の表面に被覆された炭素からなるコーティ
ング膜１２とにより構成した、特にイオン注入装置を構
成するイオン注入スリットやウエハー保持治具等の部品
を形成するのに適したカーボン材料にある。

【００１４】基材部１１となる炭素結合炭素繊維複合材
料は、炭素繊維をフィラメントワインディング法等によ
って一方向を強化したもの、炭素繊維で編んだ布、不織
布を重ね合わせて二方向を強化したもの、あるいは多方
向に編み込むことによって多方向に強化したものなどが
あり、一次元構造、二次元構造あるいは三次元構造に組
み立てられ、必要に応じて黒鉛化して作成されるもので
ある。

【００１５】すなわち、この炭素結合炭素繊維複合材料
の出発材料である炭素繊維は、ポリアクリルニトリル、
レーヨン、フェノール樹脂等の合成高分子材料、あるい
は石油ピッチ、石炭等の高分子材料を原料として形成さ
れるものであり、この炭素繊維によって、例えば図１及
び図２に示したスリット部材１０のような、イオン注入
装置の部品を形成するためのプレ構造体を形成しておく
ものである。そして、この炭素繊維によって形成したプ
レ構造体に、フェノール樹脂やフラン樹脂等の熱硬化性
樹脂、あるいはタール、ピッチ等を含浸して、これらの
硬化後に焼成、黒鉛化して、スリット部材１０等の基材
部１１として作製するものである。

【００１６】また、この基材部１１としては、黒鉛材料
の表面に炭素繊維をフィラメントワインディング法によ
って巻回したり、炭素繊維からなる布や不織布を巻き付
けておき、これに前述した熱硬化性合成樹脂、タール、
あるいはピッチを含浸して黒鉛化することにより形成し
てもよい。さらには、炭素繊維の巻回等と、これに含浸
された熱硬化性合成樹脂、タール、またはピッチの焼成
あるいは黒鉛化を複数回繰り返して基材部１１としても
よいものである。

【００１７】以上のように形成した基材部１１の表面に
形成されるべきコーティング膜１２は、高純度炭素から
なるものであることが必要である。その理由は、本発明
のカーボン材料がイオン注入装置の部品を構成するもの
である以上、イオンビームの照射によって、シリコンウ
エハー内に注入すべきイオン以外の金属イオン等が当該
カーボン材料からはじき出されてはならないからであ
り、そのために、基材部１１を覆うコーティング膜１２
中にはイオン注入に悪影響を及ぼす炭素以外の元素が含
まれていてはならないからである。

【００１８】このコーティング膜１２としては、請求項
２に係る発明におけるように、基材部１１の表面に塗布
した熱硬化性合成樹脂、タール、あるいはピッチを黒鉛
化したものと、請求項３の発明におけるように、基材部
１１の表面に形成した熱分解炭素からなる膜との２種類
のものがある。

【００１９】コーティング膜１２を、熱硬化性合成樹
脂、タール、あるいはピッチを黒鉛化することにより形
成するには、前述した基材部１１の形成時における熱硬
化性合成樹脂、タール、あるいはピッチをそのまま利用
するか、あるいは基材部１１の形成の最終段階におい
て、炭素繊維の巻回等を省略して熱硬化性合成樹脂、タ
ール、あるいはピッチの含浸または塗布のみを行い、こ
れを黒鉛化することによりコーティング膜１２としても
よいのである。

【００２０】このコーティング膜１２を熱分解炭素によ
り形成したイオン注入装置用カーボン材料では、この熱
分解炭素からなるコーティング膜１２を基材部１１に形
成させる方法としては、例えばＣＶＤ法がある。このＣ
ＶＤ法による一例としては、まず基材部１１を前述した
ような方法によって準備し、これを反応炉に封入して加
熱する。その後、上記反応炉中に炭化水素ガスを導入す
る。上記炭化水素ガスは熱によりガスを構成する分子の
結合が解かれ、炭素及び低分子量の炭素化合物よりなる
「熱分解炭素」を発生する。この熱分解炭素は、上記基
材部１１と接触反応し、基材部１１表面において膜状の
構造を形成するので、上記基材部１１の表面上に熱分解
炭素のコーティング膜１２が形成されることになるので
ある。

【００２１】上記反応炉内の圧力は３００Ｔｏｒｒ以下
であることが好ましい。反応炉内の圧力が３００Ｔｏｒ
ｒよりも大きい場合には、基材部１１に形成されたコー
ティング膜１２の平滑性が不良となるおそれがあるため
である。また、上記炭化水素ガスとしてはメタン、プロ
パン等が好ましい。更に、上記炭化水素ガスは、濃度調
整及び反応炉内に炭化水素ガスを導入し易くするため
に、キャリアガスとともに容器内に注入される。上記キ
ャリアガスとしては水素ガスが好ましい。

【００２２】また、コーティング膜１２の厚みは１〜５
００μｍであることが好ましい。このコーティング膜１
２の厚みが１μｍよりも薄い場合には、イオン注入装置
に用いた場合、コーティング膜１２の耐消耗性が低く、
膜寿命が短くなるおそれがある。また、厚みが５００μ
ｍよりも厚くなると、コーティング膜１２が基材部１１
から剥離するおそれがある。

【００２３】次に、コーティング膜１２は総灰分量が５
ｐｐｍ以下であることが好ましい。この場合の総灰分量
とは、コーティング膜１２の純度特性を示す数値、例え
ば、鉄、ニッケル、コバルト、バナジウム等の不純物の
含有量を示している。総灰分量が５ｐｐｍよりも多い場
合には、コーティング膜１２中の無機不純物が多く、コ
ーティング膜１２の脱落等が発生した場合に、シリコン
ウエハーを汚染する物質が飛散するおそれがある。

【００２４】

【作用及び効果】本発明に係るカーボン材料は、その基
材部１１を炭素結合炭素繊維複合材料によって形成した
ものであるから、機械的強度が非常に高まっており、例
えばこのカーボン材料によって形成したスリット部材１
０のイオン注入装置に対する取付・交換時は勿論のこ
と、使用中又は運搬時の衝撃等によるクラックが発生し
にくくなっているということは、このカーボン材料にイ
オン注入装置中において余剰のイオンビームが照射され
ても、これを確実に捕集するということを意味すると同
時に、イオンビームによっては不純物を打ち出さないも
のとすることができることを意味している。

【００２５】また、このカーボン材料の基材部１１が機
械的強度に優れていることは、その表面に形成してある
コーティング膜１２が仮に薄いものであったとしても、
このコーティング膜１２自体にクラックや剥離が生ずる
ことを完全に防止している、すなわちコーティング膜１
２の保護を行っていることを意味している。

【００２６】さらに、本発明のカーボン材料は、イオン
注入装置におけるウエハー保持治具を構成するものとし
ても使用されるものであるが、このウエハー保持治具
は、ウエハーの交換毎に機械的衝撃をうけるものであ
り、かつそれ程大きなものではない、しかしながら、本
発明のカーボン材料は、その基材部１１を炭素結合炭素
繊維複合材料によって形成することにより、その機械的
強度が非常に高いものとなっているのであるから、形状
が小さくて機械的衝撃を受けるものであっても、これに
十分耐え得るものである。

【００２７】特に、請求項３のイオン注入装置用カーボ
ン材料は、炭素結合炭素繊維複合材料からなる基材部１
１の表面に熱分解炭素よりなるコーティング膜１２が設
けられたものであるから、その熱分解炭素の表面は従来
使用されている黒鉛材料の如き粒子集合系とは異質の、
非常に緻密な組織となっている。このため、イオンビー
ムに晒される場合においても、材料表面から黒鉛粒子の
脱落が発生することはない。また、この熱分解炭素から
なるコーティング膜１２の形成にあたって、例えばＣＶ
Ｄ法等の安価で、大量生産に向いた製造工程をとること
が可能である。また、基材部１１を構成する材料を安価
なものとすることが可能で、材料全体のコストを安くす
ることが十分可能である。

【００２８】以上のことにより、本発明によれば、耐衝
撃性が高く加工性に優れ、黒鉛粒子の飛散がなく、コス
トが安いイオン注入装置用カーボン材料を提供すること
ができることになるのである。

【００２９】

【実施例】本発明の実施例にかかるイオン注入装置用カ
ーボン材料につき、図１、図２を用いて、説明する。こ
の本例の場合、カーボン材料は、イオン注入装置のイオ
ン源から提供されたイオンビームを、シリコンウエハー
までの通過経路において誘導するために設けられた、ス
リット部材１０として使用されるものである。

【００３０】図１に示すごとく、本例のスリット部材１
０は、炭素結合炭素繊維複合材料からなる基材部１１
と、この基材部１１の表面に被覆された炭素からなるコ
ーティング膜１２とよりなる。このコーティング膜１２
は、焼成熱分解した、あるいは黒鉛化した熱硬化性合成
樹脂、タール、あるいはピッチ、または熱分解炭素によ
り形成されている。

【００３１】まず、このカーボン材料の基材部１１を形
成しなければならないが、この基材部１１の形成は次の
２通りの方法によって行った。第１の方法は、炭素繊維
フィラメントを用いて枠状体を作成し、これにフェノー
ル樹脂含浸、硬化、焼成を２回繰り返して全体を黒鉛化
し、炭素結合炭素繊維複合材料からなる枠状体、すなわ
ち基材部１１を得た。

【００３２】第２の方法は、炭素繊維で編んだ布を用い
てスリット部材１０となるべき枠状体を作成し、これに
フェノール樹脂を含浸して硬化後、９００℃で焼成し
た。さらに、フェノール樹脂含浸、硬化、焼成を２回繰
り返し、これを黒鉛化して、炭素結合炭素繊維複合材料
からなる基材部１１を得た。

【００３３】以上のいずれかの方法によっても、得られ
た基材部１１の曲げ強度は４０００ｋｇ／ｃｍ² であっ
た。また、上記コーティング膜１２の厚みは５０μｍ、
総灰分量は３ｐｐｍである。なお、スリット部材１０
は、図１、図２に示すごとく、中央部にイオンビーム誘
導用の窓２０を設けたもので、縦３ｃｍ、横７ｃｍの大
きさである。

【００３４】次に、上記スリット部材１０をＣＶＤ法に
より製造する方法につき説明する。まず、基材部１１と
しては、炭素結合炭素繊維複合材料を所定の形状に加工
した後、ハロゲンガス等による純化処理を行ない、作製
したものが採用される。

【００３５】次に、この基材部１１を、２０Ｔｏｒｒに
減圧されて２０００℃に加熱された反応炉内に封入す
る。この炉内にキャリアガスとして水素ガスを使用し、
プロパンを供給する。炉内の熱により、プロパンから熱
分解炭素が発生し、これが基材部１１の表面に膜を形成
する。これにより、炭素結合炭素繊維複合材料からなる
基材部１１の全面が熱分解炭素のコーティング膜１２で
覆われた、スリット部材１０を得る。

【００３６】次に、本例における作用効果につき説明す
る。本例のイオン注入装置用カーボン材料は、ＣＶＤ法
により、炭素結合炭素繊維複合材料からなる基材部１１
の表面に熱分解炭素よりなるコーティング膜１２を設け
られたものである。このために、基材部１１である炭素
結合炭素繊維複合材料を所望の部品形状に予め加工して
おいて、その表面にコーティング膜１２を設けることに
より、容易にイオン注入装置の部品を創造することがで
きる。

【００３７】本例のカーボン材料は、その基材部１１を
炭素結合炭素繊維複合材料によって形成したものである
から、全体の機械的強度が非常に高まっており、例えば
このカーボン材料によって形成したスリット部材１０の
イオン注入装置に対する取付・交換時は勿論のこと、使
用中又は運搬時の衝撃等によるクラックが発生しにくく
なっているということは、このカーボン材料にイオン注
入装置中において余剰のイオンビームが照射されても、
これを確実に捕集するということを意味すると同時に、
イオンビームによっては不純物を打ち出さないものとす
ることができることを意味している。

【００３８】勿論、このカーボン材料の表面、及び内部
は、熱分解炭素からなる硬いコーティング膜１２によっ
て被覆されているため、材料表面は緻密な組織を構成
し、例えば従来一般に採用されている黒鉛等の粒体集合
系とは異なる。このため、イオンビームに晒される場合
においても、材料表面から黒鉛粒子の脱落が発生するこ
ともない。

【００３９】さらに、本例のカーボン材料のコーティン
グ膜１２は、その総灰分量の値が低いので、シリコンウ
エハーの品質低下を引き起こすほどの量の無機不純物が
飛散することもない。また、コーティング膜１２の厚み
も適切であり、薄いために耐久性に劣ったり、また厚す
ぎて基材部１１からの剥離が発生するということもな
い。

【００４０】このごとく、本発明によれば、耐衝撃性及
び加工性に優れ、黒鉛粒子の飛散がなく、製造コストが
安いイオン注入装置用カーボン材料を提供することがで
きるのである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るカーボン材料によって形成した
イオン注入装置のためのスリット部材の断面図である。

【図２】同スリット部材の斜視図である。

【図３】イオン注入装置の構成を概略的に示した断面
図である。

【符号の説明】

１０スリット部材１１基材部１２コーティング膜２０窓

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/265 Ｈ０１Ｌ 21/265 ＥＤ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】炭素結合炭素繊維複合材料からなる基材部
と、該基材部の表面に被覆された炭素からなるコーティ
ング膜とにより構成したことを特徴とするイオン注入装
置用カーボン材料。
【請求項２】請求項１において、上記コーティング膜
は、上記基材部に含浸した熱硬化性合成樹脂、タール、
あるいはピッチを炭素化したものであることを特徴とす
るイオン注入装置用カーボン材料。
【請求項３】請求項１において、上記コーティング膜は
熱分解炭素により形成されていることを特徴とするイオ
ン注入装置用カーボン材料。
【請求項４】請求項１〜３のいずれかにおいて、上記コ
ーティング膜の厚みは１〜５００μｍであることを特徴
とするイオン注入装置用カーボン材料。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかにおいて、上記コ
ーティング膜は総灰分量が５ｐｐｍ以下であることを特
徴とするイオン注入装置用カーボン材料。