[发明专利]用于半导体制造的石英玻璃元件及其生产方法

说明书

技术背景

本发明涉及用于半导体制造的石英玻璃元件，该元件至少在近表面 区具有第一掺杂剂和第二掺杂剂的共掺杂，第二掺杂剂含一种或多种浓 度各为0.1～3wt％的稀土金属氧化物(以SiO₂和掺杂剂的总质量为基准 计算)。

而且，本发明还涉及生产按照前述权利要求中任何一项的这种用于 半导体制造的石英玻璃元件的方法，该方法包括提供粒状SiO₂原材料； 提供含第二掺杂剂的SiO₂原材料，所述第二掺杂剂包含一种或多种浓度 各为0.1～3wt％的稀土金属氧化物(以SiO₂和掺杂剂的总质量为基准计 算)；以及烧结或熔化该已含第二掺杂剂的SiO₂原材料，以获得石英玻 璃坯料。

半导体器件的屈服和电操作行为主要依赖于半导体制造在防止起 “半导体毒物”作用的杂质所造成的半导体材料污染的成功程度。半导 体材料的污染由，例如，制造过程中所用的设备所造成。由于石英玻璃 对制造过程中所用的很多物质的耐化学性，也由于其较高的热稳定性， 这类设备常由石英玻璃组成。所以对石英玻璃的纯度要求很高。因此， 为设备提供越来越多经特殊清洁或处理过的层，或用合成生产的以高纯 度著称的石英玻璃。

上述类型的夹具(jig)可见诸于JP10-114532A。该文献描述所谓 的合成石英玻璃单片夹具，其特点在于杂质Fe、Cu、Cr和Ni的含量低， 每种都少于10ppb，以及羟基含量为100ppm～1000ppm。

在这方面，已知的石英玻璃夹具很适用于半导体制造过程。但是， 在半导体基材(晶片)经受有腐蚀作用的气体和等离子体，如CF₄、CHF₃、 C₂F₆、C₃F₈、NF₃或SF₆的等离子体腐蚀工艺中，另一个问题是：石英玻 璃因SiO₂与氟之间的反应而被慢慢腐蚀。在该工艺中，SiO₂被蚀去，表 面最终被明显耗损或改变，以致石英玻璃夹具必须被更换。

已经知道，耐干蚀性可以通过掺杂石英玻璃而得以提高，例如，用 Y、La、Ce、Nd、Sm和Gd之类稀土元素的氧化物。但是，明显的效果 需要高浓度的所述掺杂剂，而这可能引起沉淀、相分离和结晶。

为避免上述情况，已公开了按照上述类型的石英玻璃元件和方法的 US2005/0272588A1提出用稀土金属氧化物作为第二掺杂剂和周期表 3B族元素，尤其氧化铝作为第一掺杂剂的共掺杂。各第二掺杂剂的最 大浓度为2wt％，掺杂剂总浓度为0.1～20wt％。

此外，该文献还提出了生产相应掺杂石英玻璃坯料的几个程序，在 其中，按照优选方法，混合粒状SiO₂原材料和粉状掺杂剂氧化物，然后 在石英玻璃管内在负压下对该混合物进行烧结。

但已发现，虽然此类与氧化铝的共掺杂可使附加掺杂剂具有更高的 溶解度(除氧化铝外)，且因此而提高石英玻璃的耐干蚀性，但至少某些 所述掺杂剂组合可引起始未预料的缺点。例如，在Al和Nd组合中，观 察到对某些应用不利的石英玻璃的褪色，而Al和Y的组合在石英玻璃 用于用含氟腐蚀性气体的等离子腐蚀工艺期间可造成特殊的颗粒形成。

发明目的

因此本发明的目的是要提供用于在有腐蚀作用环境中进行半导体 制造的石英玻璃元件，该元件著称于高纯度和高耐干蚀性并避免了与氧 化铝共掺杂的所述缺点。

此外，本发明的目的是提供生产这类石英玻璃的方法。

关于石英玻璃元件，该目的，始自上述元件，按照本发明实现了： 即第一掺杂剂是氮以及石英玻璃内亚稳定羟基的平均含量少于30 wtppm。

已经发现，利用氧化铝作为第一掺杂剂时所观察到的褪色或颗粒形 成是因为含氟腐蚀性气体与铝发生了反应。在该反应中，形成氟化铝， 可导致石英玻璃的褪色或沉淀或结晶。