CN103681793A - 叠层结构体、半导体制造装置用构件及叠层结构体的制造方法 - Google Patents

叠层结构体、半导体制造装置用构件及叠层结构体的制造方法 Download PDF

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Abstract

一种叠层结构体(10)，具备：以氮氧化铝镁为主相的第1结构体(12)，以氮化铝为主相、含有具有石榴石型晶体结构的稀土类铝复合氧化物晶界相的第2结构体(14)，存在于第1结构体(12)和第2结构体(14)之间的反应层(15)，所述反应层(15)是稀土类铝复合氧化物晶界相(18)稀薄的氮化铝层。该叠层结构体(10)的反应层(15)的厚度在150μm以下。此外，叠层结构体(10)的第1结构体(12)与第2结构体(14)的线性热膨胀系数差在0.3ppm/K以下。叠层结构体(10)在第2结构体(14)烧成时，通过晶界相(18)向第1结构体(12)一侧扩散，由该晶界相(18)变得稀薄的扩散界面(17)形成反应层(15)。

Description

叠层结构体、半导体制造装置用构件及叠层结构体的制造方法
技术领域
本发明关于叠层结构体、半导体制造装置用构件及叠层结构体的制造方法。
背景技术
半导体制造中干燥工序和等离子体涂布等使用的半导体制造装置中，作为蚀刻用和清洗用，使用的是反应性高的F、Cl等卤素系等离子体。因此，安装于此种半导体制造装置的构件，要求有高耐腐蚀性，一般使用经过氧化铝膜处理的铝和耐蚀耐热镍基合金等高耐腐蚀金属和陶瓷构件。特别是支撑固定Si晶圆的静电卡盘材料和加热材料，由于必须有高耐腐蚀和低起尘性，使用的是氮化铝、氧化铝、蓝宝石等高耐腐蚀陶瓷构件。即使使用此种陶瓷材料，由于会随着长时间使用而逐渐腐蚀，成为起尘的原因，因此要求有更高耐腐蚀材料。为应对此种要求，作为材料，有研究使用较氧化铝等更高耐腐蚀的氧化钇和更高耐腐蚀的氧化镁和尖晶石(MgAl2O4)、它们的复合材料(例如专利文献1)。
此外，随着配线的微细化，要求静电卡盘和加热器等支撑固定Si晶圆的构件具有良好的均热性。要提升均热性，理想的是使用热导率高的材料，上述的陶瓷材料中，氮化铝的热导率特别良好，可以得到较高的均热性。但是，由于等离子体耐腐蚀性低于氧化钇等，会出现起尘造成配线污染的问题。在这里，有提案提出，将以耐腐蚀性高的氮氧化铝镁为主相的第1结构体(耐腐蚀层)和以热导率高的氮化铝为主相的第2结构体(基材层)层叠的叠层结构体(例如，参照专利文献2)。该叠层结构体中，通过耐腐蚀性高的第1结构体和具有与第1结构体不同特性(例如导热性和机械强度等)的第2结构体，除了耐腐蚀性以外，可进一步提高其他的特性。
现有技术文献
专利文献
【专利文献1】专利第3559426号公报
【专利文献2】WO2012/056875号公报
发明内容
但是，该专利文献2记载的层叠体中，例如，在耐腐蚀材料层与基材层的厚度有很大差异等情况下，会产生裂纹等问题。由此，希望制作进一步降低问题发生的第1结构体与第2结构体层叠的叠层结构体。
本发明鉴于此种课题而作，主要目的是提供可以进一步降低任意厚度的多个结构体层叠时产生问题的叠层结构体、半导体制造装置用构件及叠层结构体的制造方法。
为了达成上述主要目的而进行了锐意研究后，本发明者们发现，在尽可能减小第1结构体与第2结构体的线性热膨胀系数差的基础上，在以氮氧化铝镁为主相的第1结构体上，层叠含有具有石榴石型晶体结构的稀土类铝复合氧化物(RE3Al5O12，RE：表示稀土类金属元素)晶界相的第2结构体后烧成的话，可以进一步抑制第1结构体及第2结构体之间生成的、晶界相稀薄的反应层，可以进一步降低问题的发生，从而完成了本发明。
即，本发明的叠层结构体，包括：
以氮氧化铝镁为主相的第1结构体、
以氮化铝为主相、含有具有石榴石型晶体结构的稀土类铝复合氧化物相的第2结构体、
存在于所述第1结构体和所述第2结构体之间的、稀土类铝复合氧化物晶粒含量低于所述第2结构体的氮化铝层反应层，
所述反应层的厚度在150μm以下，
所述第1结构体与所述第2结构体的线性热膨胀系数差在0.3ppm/K以下。
本发明的半导体制造装置用构件具有上述的叠层结构体。
本发明的叠层结构体的制造方法，
是第1结构体与第2结构体层叠的叠层结构体的制造方法，
所述第1结构体与所述第2结构体的线性热膨胀系数差在0.3ppm/K以下，包括将以氮化铝为主相、具有石榴石型晶体结构的稀土类铝复合氧化物为晶界相的所述第2结构体的原料粉体形成在作为含有氮氧化铝镁的烧结体的所述第1结构体上，进行热压烧成的第2结构体制作工序。
本发明的叠层结构体、半导体制造装置用构件及叠层结构体的制造方法，可以降低任意厚度的多个结构体层叠时问题的产生。其理由虽不确定，但可推测如下。例如，第1结构体与第2结构体的线性热膨胀系数差在0.3ppm/K以下的话，由于第1结构体与第2结构体的线性热膨胀系数差较小，因此将两个结构体高温接合(例如通过烧结接合)时和将该叠层结构体在高温-低温下重复使用时，不会有产生裂纹和剥离的担忧。此外据推测，例如，将含有氮氧化铝镁的第1结构体和作为晶界相含有单斜晶型稀土类铝复合氧化物(RE4Al2O9，RE：表示稀土类金属元素)的第2结构体层叠、烧成的话，第2结构体的晶界相容易扩散至第1结构体，会生成更厚的稀土类铝复合氧化物晶界相稀薄的反应层。此时，据推测，此时第1结构体的厚度与第2结构体的厚度差越大，烧成时的应力越大，容易产生裂纹等问题。另一方面，使用作为晶界相含有石榴石型稀土类铝复合氧化物的第2结构体时，可以进一步抑制第2结构体的晶界相向第1结构体扩散，可以进一步抑制反应层的生成。因此，据推测，可以进一步抑制叠层结构体产生裂纹等问题。
附图说明
【图1】显示叠层结构体10的构成概略的构成图。
【图2】实施例1、15的第1结构体的截面的SEM照片。
【图3】实施例3、4的含有反应层的截面的SEM照片。
【图4】比较例1的第2结构体的X射线衍射测定结果。
【图5】比较例2的第2结构体的X射线衍射测定结果。
【图6】实施例1的第2结构体的X射线衍射测定结果。
【图7】实施例4的第2结构体的X射线衍射测定结果。
【图8】实施例1的第1结构体的X射线衍射测定结果。
【图9】实施例15的第1结构体的X射线衍射测定结果。
具体实施方式
本发明的叠层结构体具备：以氮氧化铝镁为主相的第1结构体，以氮化铝为主相、含有具有石榴石型晶体结构的稀土类铝复合氧化物晶界相的第2结构体，存在于第1结构体和第2结构体之间的、稀土类铝复合氧化物晶界相稀薄的氮化铝层反应层。
本发明的第1结构体以氮氧化铝镁为主相。氮氧化铝镁以镁、铝、氧及氮为主成分，使用CuKα线时的XRD波峰至少出现在2θ＝47～50°。该氮氧化镁铝相对于卤素系等离子体的耐腐蚀性与尖晶石同等或更高，因此可认为主相为该氮氧化物的本发明的第1结构体的耐腐蚀性也变高。此外，该氮氧化镁铝也可在具有与尖晶石同等的耐腐蚀性的同时，线性热膨胀系数低于尖晶石。
本发明的第1结构体作为副相可含有氧化镁中固溶了氮化铝的MgO-AlN固溶体的结晶相。由于该MgO-AlN固溶体的耐腐蚀性也较高，因此作为副相也没有问题。该MgO-AlN固溶体使用CuKα线时的(200)面及(220)面的XRD波峰可各自出现在氧化镁的立方晶波峰与氮化铝的立方晶波峰之间的2θ＝42.9～44.8°、62.3～65.2°，此外，(111)面的XRD波峰也可出现在氧化镁的立方晶波峰与氮化铝的立方晶波峰之间的2θ＝36.9～39°。由于(111)面的波峰有时难以与其他结晶相的波峰区别，因此也可以是仅(200)面及(220)面的XRD波峰出现在上述范围。
本发明的第1结构体可含有少量尖晶石。这是由于尖晶石的耐腐蚀性高于氧化铝和AlN结晶。但是，由于尖晶石较本发明的氮氧化镁铝相及MgO-AlN固溶体的耐腐蚀性差，因此优选更少。此外，优选AlN结晶相较少。这是由于，作为副相含有AlN结晶相的话，耐腐蚀性出现下降趋势。为了在保持与尖晶石同等的耐腐蚀性的同时降低线性热膨胀系数，也可少量含有尖晶石和AlN结晶相。
本发明的第1结构体的原料组成优选为，氮化铝在50mol％以上、95mol％以下，氧化镁在1mol％以上、40mol％以下，氧化铝在1mol％以上、25mol％以下。在此范围的话，容易以氮氧化铝镁为主相。该氮化铝的原料组成更优选51mol％以上、90mol％以下，进一步优选53mol％以上、89mol％以下。此外，氧化镁的原料组成更优选3mol％以上、35mol％以下，进一步优选5mol％以上、32mol％以下。此外，氧化铝的原料组成更优选2mol％以上、20mol％以下，进一步优选3mol％以上、15mol％以下。原料粉体中的镁/铝的摩尔比优选在0.05以上、1.50以下，更优选0.10以上、1.0以下。在此范围的话，可以在具有与尖晶石同等的耐腐蚀性的同时降低线性热膨胀系数。
本发明的第1结构体中，构成主相的氮氧化铝镁的40～1000℃的线性热膨胀系数为5.5～7ppm/K。因此，通过变更副相成分的MgO-AlN固溶体(12～14ppm/K)、尖晶石(8～9ppm/K)或氮化铝(5～6ppm/K)的比率，可以在维持高耐腐蚀性的同时，将线性热膨胀系数控制为5.5～7ppm/K。但是，基于耐腐蚀性的角度，由于尖晶石和氮化铝的耐腐蚀性低于氮氧化铝镁和MgO-AlN固溶体，因此优选更少。通过此种基于副相成分的热膨胀调整，可以与第2结构体的热膨胀相符或减小热膨胀差。这样的话，仅表面(第1结构体)为具有高耐腐蚀性的陶瓷材料、下部基材(第2结构体)使用热传导性高的陶瓷材料等情况下，多个结构体的层叠或贴合变得容易。特别是一体烧结中，此种层叠构造及热膨胀调整大体是有效的。其中，通过第2结构体的基材使用以氮化铝为主相的材料，可以维持高热传导，容易保持高耐腐蚀的第1结构体的表面温度的均匀。此种构成特别在加热器内置型的半导体制造装置中是有效的。
本发明的第1结构体中，开口孔隙率优选在5％以下。在这里，开口孔隙率是根据以纯水为介质的阿基米德方法测定的值。开口孔隙率超过5％的话，可能出现强度下降和材料自身脱粒而容易起尘的担忧，另外材料加工时等容易出现气孔内起尘成分堆积，因此不理想。此外，开口孔隙率优选尽可能接近零。因此，不存在特别的下限值。
本发明的第2结构体，以氮化铝为主相，含有具有石榴石型晶体结构的稀土类铝复合氧化物晶界相。该第2结构体也可进一步含有具有钙钛矿型晶体结构的稀土类铝复合氧化物(REAlO3，RE：表示稀土类金属元素)。此时，优选石榴石型稀土类铝复合氧化物的含量多于钙钛矿型稀土类铝复合氧化物。这样的话，可以进一步降低后述的反应层的厚度。此外，本发明的第2结构体优选不含具有单斜晶型晶体结构的稀土类铝复合氧化物晶界相。这样的话，可以进一步降低反应层的厚度。这是由于单斜晶型稀土类铝复合氧化物较石榴石型容易扩散至第1结构体的氮氧化铝镁中。
本发明的第2结构体在以氮化铝、稀土类铝复合氧化物和稀土类氧化物为100质量％的XRD定量值中，优选氮化铝的含量在50质量％以上、95质量％以下，更优选60质量％以上、90质量％以下，进一步优选70质量％以上、85质量％以下。此外，第2结构体的该XRD定量值中，优选石榴石型稀土类铝复合氧化物的含量在4.0质量％以上、36.2质量％以下，更优选10质量％以上，进一步优选15质量％以上。此外，第2结构体的该XRD定量值中，优选钙钛矿型稀土类铝复合氧化物在5质量％以下，更优选4质量％以下，进一步优选3质量％以下。第2结构体的氮化铝的含量越多，热传导性越高，较为理想。此外，根据稀土类铝复合氧化物的量，可以将与第1结构体的线性热膨胀系数的差调整为较小。该XRD定量中，利用Bruker AXS公司的粉末衍射数据解析用软件“EVA”的简易峰形拟合功能(FPM Eval.)。本功能是使用定性的结晶相的ICDD PDF卡(国际衍射数据中心粉末衍射卡片)的I/Icor(相对于金刚砂的衍射强度的强度比)算出构成相的量比。通过本功能，在2θ＝10～60°的范围，各构成相的ICDD PDF卡编号使用AlN：00-025-1133、M(Y4Al2O9)：00-055-1088、G(Y3Al5O12)：01-070-7794、P(YAlO3)：01-070-1677进行解析。
本发明的第2结构体的原料组成优选为，氮化铝在84mol％以上、99mol％以下，氧化铝在0.5mol％以上、13mol％以下，稀土类氧化物在0.5mol％以上、10mol％以下。在此范围的话，容易以氮化铝为主相。该氮化铝的原料组成更优选85mol％以上、98mol％以下，进一步优选86mol％以上、97mol％以下。此外，氧化铝的原料组成更优选1mol％以上、11mol％以下，进一步优选1mol％以上、9mol％以下。此外，稀土类氧化物的原料组成更优选1mol％以上、8mol％以下，进一步优选1mol％以上、6mol％以下。
本发明的第2结构体由氮化铝、稀土类氧化物及氧化铝制作，其原料组成优选为，以稀土类氧化物的摩尔量为R、氧化铝的摩尔量为A时，相对于稀土类氧化物及氧化铝的摩尔总量(R+A)的稀土类氧化物的摩尔量R的比(R/(R+A))在0.70以下的范围。在此范围的话，晶界相中，钙钛矿型稀土类铝复合氧化物相对于石榴石型稀土类铝复合氧化物的比率低，可以进一步降低反应层的厚度，较为理想。该比(R/(R+A))更优选在0.38以上、0.60以下的范围，进一步优选0.39以上、0.55以下的范围。
本发明的第2结构体中，稀土类铝复合氧化物所含的稀土类RE优选为Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中的1个以上，其中，更优选Y。这是由于这些稀土类RE容易制造石榴石型的稀土类铝复合氧化物。
本发明的反应层是存在于第1结构体和第2结构体之间的、稀土类铝复合氧化物晶界相稀薄的氮化铝层。叠层结构体在第2结构体烧成时，通过第2结构体的含有稀土类铝复合氧化物的晶界相向第1结构体一侧扩散，形成其晶界相变得稀薄的二次界面。反应层指的是，第1结构体及第2结构体的初期界面与该二次界面之间的晶界相稀薄的层。该反应层通过电子显微镜(SEM)的截面观察及元素分析等决定。该反应层只要是以氮化铝为主的层即可，也可含有氮化铝以外的(以晶界相为标准)结晶相。本发明的反应层的厚度在150μm以下，更优选100μm以下，进一步优选75μm以下。厚度在150μm以下的话，第1结构体与第2结构体的层叠中，可以进一步抑制问题(例如裂纹和剥离等)的发生。另外，虽然不是仅靠该反应层的厚度即可防止问题的发生，但该反应层的厚度更薄的话可以抑制问题的发生，较为理想。
本发明的叠层结构体的第1结构体与第2结构体的线性热膨胀系数差在0.3ppm/K以下。该线性热膨胀系数差在0.3ppm/K以下的话，第1结构体与第2结构体的层叠中，可以进一步抑制问题(例如裂纹和剥离等)的发生。另外，虽然不是仅靠该线性热膨胀系数差的值即可防止问题的发生，但该线性热膨胀系数差更接近“0”的话可以抑制问题的发生，较为理想，最优选为0。
本发明的叠层结构体中，优选相对于第1结构体的厚度T1，第2结构体的厚度T2较厚。通过本发明的构成，与第1结构体和第2结构体的厚度无关，可以抑制产生于叠层结构体的问题(例如裂纹和剥离等)的发生。因此，可以自由设定第1结构体和第2结构体的厚度。本发明的叠层结构体中，第2结构体的厚度T2相对于第1结构体厚度T1的比(T2/T1)优选1以上，更优选2以上，进一步优选3以上。T2/T1在1以上的话，层叠了多个结构体的叠层结构体容易发生问题，适用本发明的意义高。
本发明的叠层结构体可用于半导体制造装置用构件。即，本发明的半导体制造装置用构件可以具有上述任意一个的叠层结构体。作为半导体制造装置用构件，可举出例如，半导体制造装置所使用的静电卡盘、承受器(Susceptor)、加热器、极板、内壁材料、观察窗、微波导入窗、微波结合用天线等。由于它们必须对于包含卤素元素的腐食性气体的等离子体具有良好的耐腐食性，因此适宜使用本发明的叠层结构体。由于本发明的耐腐蚀性及导热性提高，因此特别适宜用于加热器。
接着，使用附图说明本发明的叠层结构体。图1是显示本发明的叠层结构体10的构成概略的构成图。该图1中，下部显示了叠层结构体10的截面放大图。叠层结构体10具备：以氮氧化铝镁为主相的第1结构体12，以氮化铝为主相、含有具有石榴石型晶体结构的稀土类铝复合氧化物晶界相18的第2结构体14，存在于第1结构体12和第2结构体14之间的反应层15，该反应层15是稀土类铝复合氧化物晶界相18稀薄的以氮化铝为主的层。叠层结构体10在第2结构体14烧成时，通过第2结构体14的含有稀土类铝复合氧化物的晶界相18向第1结构体12一侧扩散，形成该晶界相18变得稀薄的二次界面17(参照图1的放大图)。反应层15指的是初期界面16与二次界面17之间的晶界相18稀薄的层。该叠层结构体10中，反应层15的厚度在150μm以下，更优选100μm以下，进一步优选75μm以下。此外，叠层结构体10的第1结构体12与第2结构体14的线性热膨胀系数差在0.3ppm/K以下。
接着，说明本发明的叠层结构体的制造方法。该制造方法可包括例如，制作第1结构体的第1结构体制作工序和在制作的第1结构体上形成第2结构体的第2结构体制作工序。
第1结构体制作工序中，将成为氮氧化铝镁的第1结构体的原料粉体成形，对成形的成形体进行热压烧成处理。该工序中，作为原料，可使用氮化铝、氧化镁及氧化铝。原料组成优选例如，氮化铝在50mol％以上、95mol％以下，氧化镁在1mol％以上、40mol％以下，氧化铝在1mol％以上、25mol％以下。在此范围的话，容易令氮氧化铝镁为主相。该氮化铝的原料组成更优选51mol％以上、90mol％以下，进一步优选53mol％以上、89mol％以下。此外，氧化镁的原料组成更优选3mol％以上、35mol％以下，进一步优选5mol％以上、32mol％以下。此外，氧化铝的原料组成更优选2mol％以上、20mol％以下，进一步优选3mol％以上、15mol％以下。原料粉体中的镁/铝的摩尔比优选在0.05以上、1.50以下，更优选0.10以上、1.0以下。在此范围的话，可以在具有与尖晶石同等的耐腐蚀性的同时降低线性热膨胀系数。
第1结构体制作工序中，将第1结构体的原料粉体以周知的方法成形。例如，可以将原料粉体通过单轴加压成形，也可在单轴加压后CIP成形。此外，也可制作原料粉体的悬浮液，通过浇铸制作成形体。加入成形体的粘合剂优选具有热分解性。成形时的压力并无特别限制，例如，适当设定为具有机械强度且可保持形状的压力即可。热压烧成优选在例如，1850℃以上、2000℃以下的温度范围内进行。烧成温度在1850℃以上的话，可以得到致密(开口孔隙率0.5％以下)的目标氮氧化铝镁结晶相，因此较为理想。热压烧成时的加压压力优选设定为50～300kgf/cm2。烧成时的气氛优选为不会影响氧化物原料烧成的气氛，优选例如氮气氛和氩气氛等惰性气氛。如此，制作第1结构体的烧结体。
第2结构体制作工序中，在作为含有氮氧化铝镁的烧结体的第1结构体上，形成以氮化铝为主相、具有石榴石型晶体结构的稀土类铝复合氧化物为晶界相的第2结构体的原料粉体，进行热压烧成。此时，添加第2结构体的原料使得烧成后的第1结构体与第2结构体的线性热膨胀系数差在0.3ppm/K以下。该工序中，作为原料，可使用氮化铝、稀土类氧化物及氧化铝。此外，氧化物成分也可以是烧成时通过加热可以形成氧化物的前驱体原料。原料组成优选例如，氮化铝在84mol％以上、99mol％以下，氧化铝在0.5mol％以上、13mol％以下，稀土类氧化物在0.5mol％以上、10mol％以下。在此范围的话，容易使氮化铝为主相。该氮化铝的原料组成更优选85mol％以上、98mol％以下，进一步优选86mol％以上、97mol％以下。此外，氧化铝的原料组成更优选1mol％以上、11mol％，进一步优选1mol％以上、9mol％以下。此外，稀土类氧化物的原料组成更优选1mol％以上、8mol％以下，进一步优选1mol％以上、6mol％以下。第2结构体的原料所含的稀土类优选含有Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中的1个以上，其中，更优选Y。
此外，第2结构体的原料组成优选为，当稀土类氧化物的摩尔量为R、氧化铝的摩尔量为A时，相对于稀土类氧化物及氧化铝的摩尔总量(R+A)的稀土类氧化物的摩尔量R的比(R/(R+A))在0.70以下的范围。在此范围的话，晶界相中，钙钛矿型稀土类铝复合氧化物相对于石榴石型稀土类铝复合氧化物的比率变低，可以进一步降低反应层的厚度，较为理想。该比(R/(R+A))更优选0.38以上、0.60以下的范围，进一步优选0.39以上、0.55以下的范围。
第2结构体制作工序中，在作为烧结体的第1结构体上形成第2结构体的原料粉体。作为其方法，例如，可以在第2结构体的原料粉体成形后，粘合在第1结构体的烧结体上，也可以在第1结构体的烧结体上直接放置第2结构体的原料粉体进行冲压成形。第2结构体的成形可以与第1结构体相同，将原料粉体通过单轴加压成形，也可以在单轴加压后CIP成形。此外，也可以制作原料粉体的悬浮液，通过浇铸制作成形体。也可以对第1结构体按压而层叠第1结构体和第2结构体。成形时的压力并无特别限制，例如，可以适当设定为具有机械强度且可以保持形状的压力。
第2结构体制作工序中，热压烧成优选例如在超过1650℃、不足1850℃的温度范围内进行。烧成温度超过1650℃的话，可以得到目标的含有稀土类铝复合氧化物的致密第2结构体的同时，可与第1结构体一体化，因此较为理想。此外，烧成温度不足1850℃的话，可以进一步降低第1结构体与第2结构体界面的反应层的厚度，较为理想。为了得到致密(开口孔隙率0.5％以下)的第2结构体，烧成温度更优选1675℃以上，进一步优选1700℃以上。此外，为了抑制界面反应层的生成，烧成温度优选1825℃以下，进一步优选1800℃以下。热压烧成时的冲压压力优选设定为50～300kgf/cm2。烧成时的气氛优选为不会影响氧化物原料烧成的气氛，优选例如氮气氛和氩气氛等惰性气氛。如此，可以制作第1结构体与第2结构体层叠的叠层结构体的烧结体。
根据以上说明的实施形态的叠层结构体、半导体制造装置用构件及叠层结构体的制造方法，可以进一步降低任意厚度的多个结构体层叠时的问题的发生。其原因为，例如，第1结构体与第2结构体的线性热膨胀系数差在0.3ppm/K以下的话，由于第1结构体与第2结构体的线性热膨胀系数差小，在两个结构体高温接合(例如通过烧结接合)时和该叠层结构体在高温-低温下重复使用时，不会有产生裂纹和剥离的担忧。此外，例如，将含有氮氧化铝镁的第1结构体和作为晶界相含有石榴石型稀土类铝复合氧化物的第2结构体层叠烧成的话，可以进一步抑制第2结构体的晶界相向第1结构体扩散，可以进一步抑制反应层的生成。因此，可以进一步抑制裂纹和剥离等叠层结构体中会产生的问题。
另外，本发明不限定于任何上述的实施形态，当然可以在属于本发明的技术范围内以各种形态实施。
例如，上述的实施形态中，叠层结构体的制造方法包含第1结构体制作工序，但不特别限定于此，另行准备第1结构体的烧结体的话，也可省略该第1结构体制作工序。
上述的实施形态中，是第1结构体与第2结构体层叠的叠层结构体，但不特别限定于此，也可以是3层以上层叠。即便如此，只要具备上述的第1结构体和第2结构体，则可以进一步降低任意厚度的多个结构体层叠之物中的问题的发生。
【实施例】
以下将具体制作叠层结构体的例子作为实施例进行说明。
(第1结构体制作工序)
称量表1所示mol％的AlN原料、MgO原料及Al2O3原料，以异丙醇为溶剂，使用尼龙罐、直径20mm的有铁芯的尼龙球进行4小时湿式混合。在这里，AlN原料、MgO原料及Al2O3原料使用纯度99.9质量％以上、平均粒径1μm以下的市售品。另外，对于AlN原料，由于不可避免地含有1质量％左右的氧，因此是杂质元素中不包括氧的纯度。接着，取出混合后的悬浮液，在氮气流中以110℃干燥。然后通过30目的筛网，制成第1结构体的调和粉体。将该调和粉体以100kgf/cm2的压力单轴加压成形，制作圆盘状成形体，装入烧成用石墨铸模。将圆盘状成形体热压烧成后，通过加工得到直径50mm、厚度10mm的圆盘状的第1结构体。热压烧成中，加压压力为200kgf/cm2，以表1所示的烧成温度(最高温度)烧成，烧成结束为止为氮气氛。烧成温度下的保持时间为4小时。
(第2结构体制作工序)
称量表1所示mol％的AlN原料、Y2O3原料及Al2O3原料，以异丙醇为溶剂，使用尼龙罐、直径20mm的有铁芯的尼龙球进行4小时湿式混合。在这里，AlN原料及Al2O3原料使用与第1结构体相同的，Y2O3原料使用纯度99.9％以上、平均粒径1μm以下的市售品。接着，取出混合后的悬浮液，在氮气流中以110℃干燥。然后通过30目的筛网，制成第2结构体的调和粉体。在圆筒型的模具内填充第2结构体的调和粉体，通过以200kgf/cm2的压力单轴加压成形，制作第2结构体的圆盘状成形体。然后，将上述制作的第1结构体上重叠了第2结构体成形体而成的层叠体装入烧成用石墨铸模，通过热压烧成，得到一体烧结的叠层结构体。热压烧成中，加压压力为200kgf/cm2，以表1所示的层叠烧成温度烧成，烧成结束为止为氮气氛。层叠烧成温度下的保持时间为4小时。如此得到的烧结体，可以使上部是以氮氧化铝镁为主相的高耐腐蚀表面，下部是以氮化铝为主相的含有稀土类铝复合氧化物的高热导基材。另外，第2结构体的厚度为17mm。
(比较例1、2)
比较例1的叠层结构体为，对于第1结构体，以AlN原料80.3mol％、MgO原料10.9mol％、Al2O3原料8.8mol％的组成比混合，烧成温度为1950℃，对于第2结构体，以AlN原料97.8mol％、Y2O3原料2.2mol％、Al2O3原料0mol％的组成比混合，烧成温度为1800℃而制作而成的。此外，除了对于第2结构体，以AlN原料89.9mol％、Y2O3原料10.1mol％、Al2O3原料0mol％的组成比混合以外，与比较例1以同样工序制作叠层结构体，以此作为比较例2。该比较例1、2中，相对于稀土类氧化物及氧化铝的摩尔总量(R+A)的稀土类氧化物的摩尔量R的比(R/(R+A))为1.00。制作的各叠层结构体的制作条件如表1所示。
【表1】
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(实施例1～3)
实施例1的叠层结构体为，对于第1结构体，以AlN原料80.3mol％、MgO原料10.9mol％、Al2O3原料8.8mol％的组成比混合，烧成温度为1950℃，对于第2结构体，以AlN原料93.5mol％、Y2O3原料2.7mol％、Al2O3原料3.8mol％的组成比混合，烧成温度为1700℃而制作而成的。此外，除了层叠体的烧成温度为1750℃、1800℃以外，经过与实施例1同样的工序得到叠层结构体，将得到的叠层结构体分别作为实施例2、3。
(比较例3、4)
此外，除了层叠体的烧成温度为1850℃以外，经过与实施例1同样的工序得到叠层结构体，将其作为比较例3。此外，除了层叠体的烧成温度为1900℃以外，经过与实施例1同样的工序得到叠层结构体，将其作为比较例4。实施例1～3及比较例3、4的比(R/(R+A))为0.41。实施例1～3及比较例3、4研究的是第2结构体的烧成温度。
(实施例4～8)
此外，除了第2结构体为AlN原料98.8mol％、Y2O3原料0.7mol％、Al2O3原料0.5mol％的组成比混合、烧成温度为1800℃以外，经过与实施例1同样的工序得到叠层结构体，以此作为实施例4。此外，除了第2结构体为AlN原料96.9mol％、Y2O3原料1.7mol％、Al2O3原料1.4mol％的组成比混合以外，经过与实施例4同样的工序得到叠层结构体，以此作为实施例5。此外，除了第2结构体为AlN原料97.0mol％、Y2O3原料1.5mol％、Al2O3原料1.5mol％的组成比混合以外，经过与实施例4同样的工序得到叠层结构体，以此作为实施例6。此外，除了第2结构体为AlN原料95.4mol％、Y2O3原料2.0mol％、Al2O3原料2.6mol％的组成比混合以外，经过与实施例4同样的工序得到叠层结构体，以此作为实施例7。此外，除了第2结构体为AlN原料92.1mol％、Y2O3原料3.2mol％、Al2O3原料4.7mol％的组成比混合以外，经过与实施例4同样的工序得到叠层结构体，以此作为实施例8。实施例4～8的比(R/(R+A))各自为0.60、0.55、0.50、0.43、0.41。
(比较例5)
此外，除了第2结构体为AlN原料86.7mol％、Y2O3原料5.2mol％、Al2O3原料8.1mol％的组成比混合以外，经过与实施例4同样的工序得到叠层结构体，以此作为比较例5。
(实施例9、10)
实施例9的叠层结构体为，对于第1结构体，以AlN原料88.8mol％、MgO原料5.3mol％、Al2O3原料5.9mol％的组成比混合，烧成温度为1950℃，对于第2结构体，以AlN原料96.7mol％、Y2O3原料1.5mol％、Al2O3原料1.8mol％的组成比混合，烧成温度为1700℃而制作而成。此外，除了层叠体的烧成温度为1800℃以外，经过与实施例9同样的工序得到叠层结构体，以此作为实施例10。
(实施例11、12)
实施例11的叠层结构体为，对于第1结构体，以AlN原料73.6mol％、MgO原料18.3mol％、Al2O3原料8.1mol％的组成比混合，烧成温度为1950℃，对于第2结构体，以AlN原料92.1mol％、Y2O3原料3.2mol％、Al2O3原料4.7mol％的组成比混合，烧成温度为1700℃而制作而成。此外，除了层叠体的烧成温度为1800℃以外，经过与实施例11同样的工序得到叠层结构体，以此作为实施例12。
(实施例13、14)
实施例13的叠层结构体为，对于第1结构体，以AlN原料74.7mol％、MgO原料21.2mol％、Al2O3原料4.1mol％的组成比混合，烧成温度为1950℃，对于第2结构体，以AlN原料86.7mol％、Y2O3原料5.2mol％、Al2O3原料8.1mol％的组成比混合，烧成温度为1700℃而制作而成。此外，除了层叠体的烧成温度为1800℃以外，经过与实施例13同样的工序得到叠层结构体，以此作为实施例14。
(实施例15、16)
实施例15的叠层结构体为，对于第1结构体，以AlN原料54.0mol％、MgO原料31.5mol％、Al2O3原料14.5mol％的组成比混合，烧成温度为1950℃，对于第2结构体，以AlN原料86.7mol％、Y2O3原料5.2mol％、Al2O3原料8.1mol％的组成比混合，烧成温度为1700℃而制作而成。此外，除了层叠体的烧成温度为1800℃以外，经过与实施例15同样的工序得到叠层结构体，以此作为实施例16。
[密度、开口孔隙率]
通过以纯水为介质的阿基米德方法测定。
[结晶相评价、第2结构体的简易定量]
将充分远离第1结构体与第2结构体的反应层的部分于研钵粉碎，通过X射线衍射装置鉴定结晶相。测定条件为CuKα、40kV、40mA、2θ＝5～70°，使用封入管式X射线衍射装置(Bruker AXS制D8 ADVANCE)。比较例1的第2结构体以外的测定试料中，作为标准物质，添加Si。此外，进行第2结构体所含的结晶相的简易定量。该简易定量是根据X射线衍射的峰求得第2结构体所含的结晶相的含量。本例中，将AlN、单斜晶型的稀土类铝复合氧化物(M)、石榴石型的稀土类铝复合氧化物(G)、钙钛矿型的稀土类铝复合氧化物(P)及除此以外的稀土类氧化物(RE2O3)分开进行简易定量，求得含量。简易定量中，利用了Bruker AXS公司的粉末衍射数据解析用软件“EVA”的简易峰形拟合功能(FPM Eval.)。本功能是使用定性的结晶相的ICDD PDF卡的I/Icor(相对于金刚砂的衍射强度的强度比)算出构成相的量比。通过本功能，在2θ＝10～60°的范围，各构成相的ICDDPDF卡编号使用AlN：00-025-1133，M(Y4Al2O9)：00-055-1088，G(Y3Al5O12)：01-070-7794，P(YAlO3)：01-070-1677进行解析。
[裂纹的评价]
通过观察制作的叠层结构体的外观，判定界面及上下表面有无裂纹。裂纹评价中，令叠层结构体的外表面浸透市售的荧光探伤液，照射黑光(紫外线)，通过目视评价有无裂纹。
[SEM观察、反应层厚度测定]
对制作的叠层结构体进行SEM观察。SEM观察中，对于包含第1结构体及第2结构体的接合部分的截面，通过电子显微镜(SEM；Philips公司制XL30)用反射电子像观察。SEM拍摄以加速电压20kV、束斑大小4的条件进行。此时，根据微结构测定结果及SEM-EDS的组成分析结果确定第1结构体与第2结构体的初期界面和稀土类晶界相从第2结构体扩散的二次界面。将该初期界面与二次界面之间的层作为反应层，该反应层的厚度使用SEM的比例尺实测。另外，初期界面及二次界面可通过拍摄的图像的对比度进行判别。
[平均线性热膨胀系数(40～1000℃)]
使用热膨胀计(MAC Science制TD5000S)，于氩气氛中测定。
[结果和考察]
各测定结果汇总于表2所示。图2是实施例1、15的第1结构体的截面的SEM照片。图3是包含实施例3、4的反应层的截面的SEM照片。图4～7分别是比较例1、2及实施例1、4的第2结构体的X射线衍射测定结果。图8、9分别是实施例1、15的第1结构体的X射线衍射测定结果。另外，对于第1结构体，实施例1～8及比较例1～5为相同构成，实施例9与10、11与12、13与14、15与16为相同构成。如图2所示，实施例1中确认了氮氧化铝镁(Mg-Al-O-N)，实施例15中确认了氮氧化铝镁及作为副相的少量MgAl2O4。如图3所示，实施例3、4等中制作的叠层结构体中，第2结构体中的稀土类铝复合氧化物从初期界面向第1结构体一侧扩散，含有稀土类的晶界相变得稀薄，形成了以氮化铝为主的反应层。可知该反应层的厚度依存于包括第2结构体的组成等在内的制作条件而变化。此外，通过X射线衍射测定确认，所有的第2结构体以氮化铝为主相，含有单斜晶型、石榴石型及钙钛矿型中的任意1个以上的钇-铝复合氧化物(以下也单称为复合氧化物)的晶界相。如图4所示，比较例1中，第2结构体所含的晶界相为单斜晶型及钙钛矿型的复合氧化物。该比较例1的反应层较厚，为365μm，其叠层结构体的外周面产生了裂纹。此外，如图5所示，比较例2中，第2结构体所含的晶界相为单斜晶型的复合氧化物及稀土类氧化物(RE2O3)。该比较例2的反应层的较厚，为370μm，其叠层结构体的外周面产生了裂纹。如此推测，当含有单斜晶型的复合氧化物晶界相时，第2结构体所含的晶界相容易扩散至作为耐腐蚀层的第1结构体的氮氧化铝镁，其结果是反应层变厚，容易产生裂纹。另外，如图8所示，实施例1的第1结构体的主相为氮氧化铝镁。
【表2】
Figure BDA00003801396900151
1)M、G、P是从第二结构体(下部)的XRD测定而鉴定的
AlN以外的稀土类铝复合氧化物的结晶型
M：单斜晶型、G：石榴石型、P：钙钛矿型
2)Re2O3显示稀土类氧化物的残留
3)ΔCTE显示第1结构体与第2结构体的线性热膨胀系数差
实施例1～3中，第2结构体所含的晶界相为石榴石型及钙钛矿型的复合氧化物，其反应层较薄，为10～50μm。此外，实施例1～3中，第1结构体与第2结构体的线性热膨胀系数差较小，为0～0.1，叠层结构体的外周面没有产生裂纹。另一方面，比较例3、4中，第2结构体所含的晶界相为石榴石型及钙钛矿型的复合氧化物，虽然线性热膨胀系数差较小，为0～0.1，但烧成温度高，其反应层较厚，为375μm、430μm。因此，比较例3、4中，叠层结构体的外周面产生了裂纹。
实施例4～8中，第2结构体所含的晶界相为石榴石型及钙钛矿型的复合氧化物，其反应层较薄，为50～140μm。此外，实施例4～8中，线性热膨胀系数差较小，为0～0.2，叠层结构体的外周面没有产生裂纹。其中，实施例4～6中，相对于石榴石型，钙钛矿型的晶界相比率较高，因此反应层的厚度稍厚。另一方面，比较例5中，第2结构体所含的晶界相为石榴石型及钙钛矿型的复合氧化物，其反应层较薄，为55μm，但线性热膨胀系数差较大，为0.6。因此，比较例5中，叠层结构体的外周面产生了裂纹。
实施例9～16中，第2结构体所含的晶界相的主相为石榴石型及钙钛矿型的复合氧化物，其反应层较薄，为20～50μm。此外，实施例9～16中，线性热膨胀系数差较小，为0～0.3，叠层结构体的外周面没有产生裂纹。其中，实施例11～16中，第1结构体的Mg的组成多于其他的，线性热膨胀系数较高，为6.2～6.8ppm/K，但耐腐蚀性也较高。这些实施例11～16中，第2结构体所含的晶界相多为石榴石型的复合氧化物，钙钛矿型的复合氧化物的比率较低。因此推测，实施例11～16中，可以进一步抑制反应层的厚度，线性热膨胀系数差的值也较小，因而可以得到叠层结构体的外周面没有裂纹的良好的叠层结构体。另外，如图9所示，实施例15的第1结构体的主相为氮氧化铝镁，副相为MgAl2O4。
如此推测，要至少降低反应层厚度的话，第2结构体所含的晶界相中，不含单斜晶型的复合氧化物，另外，相对于钙钛矿型的复合氧化物，石榴石型的复合氧化物较多的话是比较有效的。此外可知，为了使石榴石型的复合氧化物相对于钙钛矿型的复合氧化物较多，原料组成中相对于稀土类氧化物及氧化铝的摩尔总量(R+A)的稀土类氧化物的摩尔量R的比(R/(R+A))在0.70以下的范围较为理想。如上可知，第2结构体所含的晶界相为石榴石型及钙钛矿型的复合氧化物，反应层的厚度在200μm以下，且第1结构体与第2结构体的线性热膨胀系数差在0.3以下的话，可以进一步抑制叠层结构体的裂纹的发生。根据本发明，虽然通常作为基材层的第2结构体的厚度厚于作为耐腐蚀层的第1结构体的厚度，但可以明确的是，无论第2结构体的厚度如何，都可以进一步抑制叠层结构体的裂纹的发生。
本说明书通过引用日本2012年9月14日提交的专利申请特愿2012-203586，包含各公开的说明书、附图、权利要求书的所有内容。

Claims (16)

1.一种叠层结构体，包括第1结构体、第2结构体以及存在于所述第1结构体和所述第2结构体之间的反应层，
所述第1结构体以氮氧化铝镁为主相，
所述第2结构体以氮化铝为主相，含有具有石榴石型晶体结构的稀土类铝复合氧化物相，
所述反应层是稀土类铝复合氧化物晶粒含量低于所述第2结构体的氮化铝层，
所述反应层的厚度在150μm以下，
所述第1结构体与所述第2结构体的线性热膨胀系数差在0.3ppm/K以下。
2.根据权利要求1所述的叠层结构体，其中，所述反应层的厚度在100μm以下。
3.根据权利要求1或2所述的叠层结构体，其中，所述第2结构体还含有具有钙钛矿型晶体结构的稀土类铝复合氧化物。
4.根据权利要求1～3的任意一项所述的叠层结构体，其中，作为所述第1结构体的主相的氮氧化铝镁相在使用CuKα线时的XRD波峰至少出现在2θ＝47～50°。
5.根据权利要求1～4的任意一项所述的叠层结构体，其中，所述第1结构体的原料组成为：氮化铝在50mol％以上、95mol％以下，氧化镁在1mol％以上、40mol％以下，氧化铝在1mol％以上、25mol％以下。
6.根据权利要求1～5的任意一项所述的叠层结构体，其中，所述第2结构体的原料组成为：氮化铝在84mol％以上、99mol％以下，氧化铝在0.5mol％以上、15mol％以下，稀土类氧化物在0.5mol％以上、10mol％以下。
7.根据权利要求1～6的任意一项所述的叠层结构体，其中，所述稀土类铝复合氧化物中含有的稀土类是Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中的1种以上。
8.一种半导体制造装置用构件，具有权利要求1～7的任意一项所述的叠层结构体。
9.一种叠层结构体的制造方法，将线性热膨胀系数相差0.3ppm/K以下的第1结构体与第2结构体层叠来制造叠层结构体，
所述叠层结构体的制造方法包括如下工序：
准备第1结构体，所述第1结构体是含有氮氧化铝镁的烧结体，
将所述第2结构体的原料粉体形成在所述第1结构体上，进行热压烧成，所述第2结构体的原料粉体以氮化铝为主相，具有石榴石型晶体结构的稀土类铝复合氧化物为晶界相。
10.根据权利要求9所述的叠层结构体的制造方法，其中，所述第2结构体制作工序中，所述第2结构体的原料粉体的组成为：氮化铝在84mol％以上、99mol％以下，氧化铝在0.5mol％以上、15mol％以下，稀土类氧化物在0.5mol％以上、10mol％以下的范围。
11.根据权利要求9或10所述的叠层结构体的制造方法，其中，所述稀土类包括Y、Dy、Ho、Er、Tm、Yb及Lu中的1种以上。
12.根据权利要求9～11的任意一项所述的叠层结构体的制造方法，其中，所述第2结构体制作工序中，所述第2结构体的原料组成为，稀土类氧化物的摩尔量相对于稀土类氧化物及氧化铝的摩尔总量之比在0.7以下的范围。
13.根据权利要求9～12的任意一项所述的叠层结构体的制造方法，其中，所述第2结构体制作工序中，所述热压烧成温度为超过1650℃、不足1850℃。
14.根据权利要求9～13的任意一项所述的叠层结构体的制造方法，其中，所述第1结构体的原料组成为：氮化铝在50mol％以上、95mol％以下，氧化镁在1mol％以上、40mol％以下，氧化铝在1mol％以上、25mol％以下。
15.根据权利要求9～14的任意一项所述的叠层结构体的制造方法，其中，所述第1结构体是在1850℃以上、2000℃以下的温度范围进行热压烧成的。
16.根据权利要求9～15的任意一项所述的叠层结构体的制造方法，包括将成为氮氧化铝镁的所述第1结构体的原料粉体成形、热压烧成的第1结构体制作工序。
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