Heat treatment of silicon carbide products

本発明は、炭化ケイ素物を熱処理する方法及び結果として生じる実質上粒子不在の炭化ケイ素物に関連する。

炭化ケイ素は、半導体の生産において、又は高エネルギーレーザー、レーザーレーダーシステム、監視システム、望遠鏡、走査鏡及び人工衛星のための鏡基質として、光学ベンチとして、ダミー及びバッフル基板として、及び電極、ピントリング、シャワーヘッドなどのエッチング室の構成要素として、幅広い様々な応用において使用される。 炭化ケイ素物が形成された場合、炭化ケイ素物を形成するために使われた原材料由来の残存する遊離炭素及びグラファイト粒子は、炭化ケイ素に変換されず、出来上がった炭化ケイ素物に付着したまま、又は隣接して接触したままになる。 結果として、残存する粒子は、炭化ケイ素物が本願に記載される応用において及び特にプラズマエッチング工程などの以下に記載される工程において使われる場合、汚染の問題をもたらす可能性がある。

他の研究者は、様々なメカニズムを用いてそのような残存する粒子の汚染を除去することを試みてきた。 例えば、Ｓｃｈｎｅｇｇらによって発表されたアメリカ特許番号５，０５１，１３４、Ｎａｋａｎｏらによって発表されたアメリカ特許番号５，６６５，１６８、Ｃｈａｉらによって発表されたアメリカ特許番号５，８３７，６６２、及びＳｈｉｖｅらによって発表されたアメリカ特許番号５，７１２，１９８は、シリコン基板に付着する大量の粒子を抑制及び減少させてシリコン基板を浄化するための工程について記載する。 これらの特許に記載された工程は、シリコン基板を化学的に洗浄するために、酸溶液などの様々な化学的な溶液を用いることに主として頼っている。 シリコン基板を洗浄するための化学的な洗浄溶液の使用は、費用がかかり、そして廃棄しなければならない有害廃棄物を作り出す。

Ｂｏｓｃｈらによって発表されたアメリカ特許番号６，５０６，２５４は、酸化被膜中の粒子をカプセルで包む及び/又は後に酸化被膜の一部を形成する酸化物へと変換させる基質上の酸化被膜を産み出す、気相環境下での熱処理を基質に受けさせることによって、炭化ケイ素物などの半導体基質上の粒子を除去するための工程について記載する。 この酸化被膜は、１から１００時間、１２００℃から１７００℃にて加熱炉内で基質を加熱することによって形成される。 粒子を含む酸化被膜は、その後、酸性の液浴又は化学的なエッチング処理のいずれかによって除去しなくてはならない。

費用及び外来の化学的な洗浄に特有な危険もなく、炭化ケイ素物から、特に残存する炭素やグラファイトなどの粒子を除去するための効果的な工程に対しては、必要性が存在する。 さらなる炭化ケイ素物の洗浄の必要もなく次に続くプラズマエッチング工程にすぐに適用可能な化学量論的に高純度の炭化ケイ素をもたらす炭化ケイ素物から粒子を除去する工程に対しても、必要性が存在する。

（発明の要約）
前述の観点から、本発明は、残存する量の遊離炭素及びグラファイトを除去するために炭化ケイ素物を熱処理するための方法を有利に提供する。 この方法は、炭化ケイ素物の供給、及び所定の時間かつ所定の温度範囲内で炭化ケイ素物を加熱することを含む。 好ましくは、炭化ケイ素物は大気圧下で加熱される。 炭化ケイ素物は、転化された炭化ケイ素、反応で結合した炭化ケイ素、反応で形成した炭化ケイ素、化学蒸着された炭化ケイ素、及び炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素マトリックス複合体を含み、しかしそれらに限定されないものである可能性がある。

所定の温度範囲は、好ましくは約６００℃から約１００℃の範囲、そしてより好ましくは約７００℃から約９００℃の範囲である。 温度は所定の温度範囲を超えることがないように制御される。 この温度範囲において、炭化ケイ素物は、放射が主な熱伝達方法である、放射と熱伝導の両方の組み合わせにさらされる。 所定の時間は、熱処理されるべき炭化ケイ素物の大きさ及び部品の数に依存する。 例えば、８インチの直径で１/４インチ（”）の厚さの部品は、１部品あたり約１時間、そして６つの部品あたり６時間までの範囲の時間、加熱することができる。加熱は酸化試薬の存在下で行われる。酸化試薬は、好ましくは酸素を含む気体の混合物である。酸化試薬は、より好ましくは、空気、酸素、酸素と窒素の気体混合物、酸素とアルゴンの気体混合物、酸素とヘリウムの気体混合物、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される。

酸化試薬は、炭化ケイ素物を熱処理するのに使われる加熱炉の大きさに依存して、様々な流速で供給することができる。 例えば、１立方フィートの加熱炉のようなより小さい加熱炉には、約１ｓｃｆｈから約１０ｓｃｆｈの流速が必要でありうる。 ４立方フィートの加熱炉のようなより大きな加熱炉は、約５ｓｃｆｈから約４０ｓｃｆｈの流速が必要でありうる。 酸化試薬のための適切な流速は、加熱炉に関する通常の当業者に知られているだろうし、本発明の範囲内であると考えられる。

炭化ケイ素物を加熱する工程の結果として、二酸化炭素や一酸化炭素などの気体の生産物が、残存する遊離炭素及びグラファイトを炭化ケイ素物から除去するための遊離炭素及びグラファイトの酸化によって形成された副生産物を含むものとして遊離する。 気体は炭化ケイ素物の加熱の結果として生産される。 いくつかの先行技術の酸化方法とは対照的に、粒子は炭化ケイ素物上に酸化被膜を形成することなく炭化ケイ素物から除去される。 結果として、炭化ケイ素物は実質的に炭素及びグラファイトの封入体から遊離し、そしてさらなる洗浄の必要なくさらなる工程を行うことができる状態になる。

炭化ケイ素物を熱処理する工程に加えて、本発明はまた、隣接して接触し及び実質的に炭化ケイ素物を囲む外側の酸化被膜なくとも炭素及びグラファイト封入体から実質的に遊離し、及びプラズマエッチングにおける使用に適した、炭化ケイ素物を含む。

（発明の詳細な説明）
本発明は、プラズマエッチングなどの次に続く工程又は応用におけるその能力を改善するための炭化ケイ素物の熱処理のための工程を有利に提供する。 本発明は、残存する遊離炭素及び/又はグラファイトを炭化ケイ素物から除去するために開発された熱処理の工程を有利に提供する。 炭化ケイ素物中のそのような遊離炭素及び/又はグラファイトの存在は、プラズマエッチング工程における微粒子生成の問題をもたらすことが示されている。

炭素及び/又はグラファイトは、炭化ケイ素物の成形加工のための前駆体として使われる。 従って、生産された炭化ケイ素物は、炭化ケイ素生産工程の間に炭化ケイ素に完全に転化（変換）されなかった、いくらかの残存する量のそのような炭素又はグラファイトを含む可能性がある。 これらの遊離炭素及び/又はグラファイトの残存する量は、炭化ケイ素物の本体内及び/又は炭化ケイ素物を含む炭化ケイ素粒子内に組み込まれる可能性がある。 炭化ケイ素物は、転化された炭化ケイ素、反応で結合した炭化ケイ素、反応で形成した炭化ケイ素、化学蒸着した炭化ケイ素、及び炭化ケイ素繊維強化炭化ケイ素マトリクス複合体、などを含む可能性があり、しかしそれらに限定されない。 遊離炭素及び/又はグラファイトの残存する量は、本願に記載された熱処理の工程を用いて、そのような炭化ケイ素物から除去される。

本発明は、炭化ケイ素物から残存する量の遊離炭素及びグラファイトを除去するために炭化ケイ素物を熱処理するための方法を提供する。 炭化ケイ素物を熱処理するための方法は、炭化ケイ素物に隣接して接触した又は付着した残存する遊離炭素及びグラファイトを有する炭化ケイ素物を供給することを含む。 炭化ケイ素物はその後、酸化試薬の存在下で所定の時間、所定の温度内で加熱される。

炭化ケイ素物は、好ましくは大気圧下で加熱される。 本願に記載された方法は、真空又は加圧下の条件を採用して行うことができる。 しかしながら、真空下で工程を操作することは、避けるべき炭化ケイ素の酸化を増加させるかもしれない。 高圧は、炭化ケイ素の酸化を停止又は減速させるために有用であるかもしれない。 真空又は高圧を採用することは、高価な設備の使用を必要とする。 高圧又は真空の条件で操作するために設計された加熱炉は、一般に設計及び製造するためにより費用がかかる。 炭化ケイ素の酸化を制御するために圧力を操作しようとすることをせず、酸化を制御するために温度範囲を制御することが好ましい。

工程の加熱段階の間に、気体の生産物が、炭化ケイ素物に隣接して接触する又は付着する残存する遊離炭素及びグラファイトを酸化する結果として形成される副生産物を含むものとして遊離する。 残存する遊離炭素及びグラファイトは、その結果、炭化ケイ素物上の酸化被膜の形成無しに炭化ケイ素物から除去される。 炭化ケイ素物は、この工程の結果として、実質的に炭素及びグラファイトの封入体がない状態になる。

本発明の全ての実施例において、炭化ケイ素物を加熱する方法は、好ましくは約６００℃から約１０００℃の温度範囲内で、そしてより好ましくは約７００℃から約９００℃の温度範囲内で、炭化ケイ素物を加熱することを含む。 もし炭化ケイ素物がこれらの温度以上に加熱された場合、炭化ケイ素物は望ましくない酸化を始めるだろう。 従って、所定の温度は、炭化ケイ素が酸化する温度より低い温度で調節するように制御される。

本発明の全ての実施例において、炭化ケイ素物を加熱する方法は、酸化試薬が存在下において炭化ケイ素物を加熱することを含む。 酸化試薬は、好ましくは酸素又は酸素を含む気体混合物である。 酸化試薬は、より好ましくは、空気、酸素、酸素と窒素の気体混合物、酸素とアルゴンの気体混合物、酸素とヘリウムの気体混合物、及びそれらの組み合わせからなる群から選択される。

酸化試薬は、炭化ケイ素物を熱処理するために用いられる加熱炉の大きさに依存して、様々な流速で供給されうる。 例えば、１立方フィートの加熱炉のようなより小さな加熱炉は、約１ｓｃｆｈから約１０ｓｃｆｈの流速を必要とする可能性がある。 ４立方フィートの加熱炉のようなより大きな加熱炉は、約５ｓｃｆｈから約４０ｓｃｆｈの流速を必要とする可能性がある。 酸化試薬のための適切な流速は、加熱炉に関する通常の当業者に知られているだろうし、本発明の範囲内であると考えられる。

炭化ケイ素物を加熱した結果として、気体の生産物が遊離する。 この気体の生産物は、一酸化炭素、二酸化炭素、及びその組み合わせを含む可能性がある。 酸化試薬内に含まれた酸素は、残存する遊離炭素及びグラファイトを気体の生産物へと変換する。 残存する遊離炭素及びグラファイトは、炭化ケイ素物を炭素及びグラファイトの封入体を実質的に含まないようにする熱処理工程の間に、基本的に燃え尽きる。 酸素の存在下で炭化ケイ素物を加熱した結果として、残存する炭素及び/又はグラファイトは、化学反応によって下に示したように気体の生産物を形成するように酸化する。
Ｃ＋１/２Ｏ _２ ＝ＣＯ
Ｃ＋Ｏ _２ ＝ＣＯ _２

炭化ケイ素物が加熱される所定の時間は、加熱炉内で加熱されている部品のサイズ及び部品の数に依存して変化する可能性がある。 例えば、２インチ×２インチ、１/１６インチ厚の部品のような単一の小さな部品は１５分間加熱される可能性があり、３８インチの直径、１/４インチ厚のようなより大きくかつ数多くの部品は６０時間まで加熱される可能性がある。 炭化ケイ素物が適切に熱処理されたことの指標として、炭化ケイ素物は適切に熱処理されると重量の損失を停止するだろう。 この時点では、気体の生産物は炭化ケイ素物から発生しないだろう。 熱重量分析装置のような炭化ケイ素物の重量を測定することができる機器は、部品の重量にもはや減少が見られない場合に測定を補助するために使うことができる。 一旦炭化ケイ素物が重量の減少を停止すると、除去される炭素及びグラファイトの量の減少は、基本的に炭化ケイ素物の不必要な継続する加熱をさせることを停止する。

別の実施例として、本発明は炭化ケイ素物から残存する量の遊離炭素及びグラファイトを除去するための炭化ケイ素物の熱処理のための工程を提供する。 この実施例は、好ましくは、炭化ケイ素物に隣接して接触又は付着した残存する遊離炭素及びグラファイトを有する炭化ケイ素物を供給する方法を含む。 炭化ケイ素物はその後、酸化試薬の存在下にて所定の時間、約６００℃から約１０００℃の温度範囲内で加熱される。 炭化ケイ素物を加熱する段階の間に、気体の生産物が、炭化ケイ素物に隣接して接触する遊離炭素及びグラファイトを酸化することによって形成される副生産物を含むものとして遊離する。 結果として、残存する遊離炭素及びグラファイトは、炭化ケイ素物上に酸化被膜を形成することなく除去される。 この工程の結果は、炭化ケイ素物が実質的に炭素及びグラファイトのない状態であり、かつさらなる洗浄の必要もなく次に続く工程を行うことのできる状態であることとなる。

本発明の別の工程の実施例は、有利に提供される。 この実施例において、炭化ケイ素物に隣接して接触又は付着した残存する遊離炭素及びグラファイトを有する炭化ケイ素物が提供される。 炭化ケイ素物はその後、酸化試薬の存在下にて予め選択された温度範囲内で加熱される。 酸化試薬は、好ましくは酸素を含む気体混合物を含む。 気体生産物は、炭化ケイ素物を加熱する段階の間に遊離する。 この気体生産物は、炭化ケイ素物に隣接して接触する残存する遊離炭素及びグラファイトを酸化することによって形成された副生産物を有利に含む。 この残存する遊離炭素及びグラファイトは、炭化ケイ素物上に酸化被膜を形成する必要無しに、上記の気体副生産物の形成によって除去される。 その結果は、炭化ケイ素物が実質的に炭素及びグラファイト封入体を含まない状態であることとなる。

本願に記載された工程の実施例に加えて、本発明はまた、実質的に炭素及びグラファイト封入体がなく、かつ炭化ケイ素物に隣接して接触する及び実質的に取り囲む外側の酸化被膜がない状態である炭化ケイ素物を有利に含む。 この炭化ケイ素物は、次に続くプラズマエッチング又は他の工程における使用に有利に適している。 この炭化ケイ素物は、好ましくは、炭化ケイ素物に隣接して接触又は付着した残存する遊離炭素及びグラファイトを有する炭化ケイ素物を供給することによって形成される。 この炭化ケイ素物はその後、酸化試薬の存在下で約６００℃から約１０００℃の温度範囲内で加熱される。 この酸化試薬は、好ましくは酸素を含む気体混合物を含む。 炭化ケイ素物の加熱の結果として、気体の生産物が、残存する遊離炭素及びグラファイトを酸化することによって形成された副生産物を含むものとして遊離する。 この副生産物は、炭化ケイ素物上に酸化被膜を形成することなく残存する遊離炭素及びグラファイトの全てを実質的に剥ぎ取り又は焼き尽くす。 その結果として生じる炭化ケイ素物は、実質的に炭素及びグラファイトの封入体がない状態になる。

本発明の長所として、本発明は、炭化ケイ素物を用いたプラズマエッチングの応用の間に、微粒子の生成の数をなくす又は減少させるために使用することができる。 この長所は、微粒子のソースを除去し、その結果として微粒子生成の問題をなくすことによって達成される。

本発明の別の長所として、本発明は、化学量論的に高純度な炭化ケイ素物を生産するための製造のスケールアップを可能にする工程を提供する。 炭化ケイ素物を生産するために使われるほとんどの工程は、小さな、バッチの工程における生産である。 本発明は、高純度の炭化ケイ素物の工業的な製造を可能にさせる。