JP2001181049A

JP2001181049A - 電磁波透過体およびその製造方法

Info

Publication number: JP2001181049A
Application number: JP36687499A
Authority: JP
Inventors: Kazuhiro Nishizono; 和博西薗; Usou Ou; 雨叢王
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1999-12-24
Filing date: 1999-12-24
Publication date: 2001-07-03

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化アルミニウム粒子の平均粒径が１μｍ以
下、高密度、高強度で、かつ誘電正接の低い窒化アルミ
ニウム質焼結体からなる高強度、低誘電正接の電磁波透
過体を提供する。【解決手段】焼結体中の窒化アルミニウム粒子の平均粒
径が１μｍ以下、相対密度が９５％以上、曲げ強度が５
００ＭＰａ以上であり、かつ１ＧＨｚにおける誘電正接
が３×１０^-3以下の窒化アルミニウム質焼結体を用いて
電磁波透過体３を作製する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体製造装置部
品、電磁波透過窓等に用いることができる電磁波透過体
およびその製造方法に関するものである。

【０００２】

【従来技術】マイクロ波等の電磁波をガスに照射しプラ
ズマを発生させて、エッチング等の加工や薄膜を形成す
る方法が、例えば半導体製造装置等に広く用いられてい
る。かかる半導体製造装置においては、封止でき、かつ
マイクロ波を吸収または減衰させずに透過できる電磁波
透過体が使用されている。この電磁波透過体としては、
現在では主にアルミナセラミックスや低誘電正接の石英
ガラスが用いられている。

【０００３】これに対して、特開平２−２６８７２号公
報や特許第２８６２７７９号公報にはバッチ炉による通
常焼成やホットプレス焼成により作製された窒化アルミ
ニウムからなる高周波透過用ウィンドウや電磁波透過体
が提案され、従来のアルミナセラミックスや石英ガラス
からなる電磁波透過体より熱伝導率、耐熱衝撃性に優
れ、溶融や破損等を生じない電磁波透過体となることが
開示されている。

【０００４】一方、特開平６−２４７７７２号公報で
は、平均粒径０．８μｍの窒化アルミニウム原料を用い
て成形体を作製し、これをカーボン型内に挿入して高周
波誘導加熱炉内にセットし、発振周波数４ＭＨｚにてカ
ーボン型を加熱してその熱により前記成形体を加熱する
ことによって、平均粒径１．１μｍの窒化アルミニウム
質焼結体を得ることが記載されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、特開平
２−２６８７２や特許第２８６２７７９号公報のように
通常焼成やホットプレス焼成によって窒化アルミニウム
質焼結体を作製する方法では、焼結体を緻密化するため
には焼成温度を１８００℃以上に上げる必要があるため
に焼成時の昇温や降温時に窒化アルミニウム粒子の粒成
長が起こって焼結体の機械的特性を著しく低下させ、電
磁波透過体として用いることができず、また、窒化アル
ミニウム粒子の粒径を小さくするために１７５０℃以下
にて低温焼成すると、焼結体を充分に緻密化させること
ができず、または多量の焼結助剤を添加する必要がある
ために誘電正接、熱伝導率、強度等が低下するという問
題があった。

【０００６】さらに、窒化アルミニウム質焼結体の誘電
正接は、焼結体中の窒化アルミニウム粒子の粒径が大き
く影響し、例えば半導体製造装置用のシャワープレート
やウインドウ等の電磁波透過体に汎用に使用される１〜
１０ＧＨｚ程度の周波数帯では、従来の粒径が大きい窒
化アルミニウム質焼結体からなる電磁波透過体では誘電
損失が高く、マイクロ波透過特性が劣化するという問題
があった。さらに、ホットプレス焼成では複雑な形状の
焼結体を作製することができない等の問題があった。

【０００７】また、特開平６−２４７７７２号公報の高
周波誘導加熱炉を用いた方法でも、焼成温度を１８００
℃以上と高める必要があり、焼結体の平均粒径を１．０
μｍ以下とすることができなかった。

【０００８】従って、本発明は、窒化アルミニウム粒子
の平均粒径が１μｍ以下、高密度、高強度で、かつ誘電
正接を低減した窒化アルミニウム質焼結体を作製して、
高強度、低誘電正接の窒化アルミニウム質焼結体からな
る電磁波透過体を得ることを目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者らは、上記課題
について検討した結果、焼結体中の窒化アルミニウム粒
子の平均粒径が１μｍ以下であって、かつ強度が高く特
定の周波数帯での誘電正接が低い窒化アルミニウム質焼
結体が、電磁波透過体としての優れた特性を有するこ
と、また、この窒化アルミニウム質焼結体は、粒径の小
さい窒化アルミニウム原料粒子を含有する成形体を用い
て、これにマイクロ波を照射して窒化アルミニウム粒子
の自己加熱によって１７５０℃以下の温度で焼成する
か、または前記成形体をガス不透過シール層にて被覆し
た状態で、特定圧力以上の高圧ガス下１７５０℃以下の
温度にて焼成することによって充分に緻密化した焼結体
を作製できることを見いだした。

【００１０】即ち、本発明の電磁波透過体は、窒化アル
ミニウム質焼結体からなり、該焼結体中の窒化アルミニ
ウム粒子の平均粒径が１μｍ以下、相対密度が９５％以
上、曲げ強度が５００ＭＰａ以上であり、かつ１ＧＨｚ
における誘電正接が３×１０ ^-3以下であることを特徴と
するものであり、特に前記窒化アルミニウム質焼結体の
熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望まし
い。

【００１１】また、本発明の電磁波透過体の製造方法
は、平均粒径０．５μｍ以下の窒化アルミニウム粒子を
主成分とする成形体を作製した後、該成形体に、特に周
波数が１０〜１００ＧＨｚのマイクロ波を照射して前記
窒化アルミニウム粒子の自己加熱によって焼成すること
を特徴とするものである。

【００１２】また、本発明の電磁波透過体の他の製造方
法は、平均粒径０．５μｍ以下の窒化アルミニウム原料
に対して、焼結助剤を添加し、成形体を作製した後、該
成形体周囲をガス不透過シール層を形成して、９８ＭＰ
ａ以上の高圧ガス下で、１７５０℃以下の温度に加熱し
て焼成することを特徴とするものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の電磁波透過体の一実施例
である窓部材を備えた半導体製造装置の一例についての
模式図を図１に示す。図１の半導体製造装置１は、チャ
ンバ２の壁面の一部またはチャンバ２の内部に電磁波透
過体３が配設されており、また、電磁波透過体３と近接
して配設された導波管５から電磁波透過体３を介してチ
ャンバ２内にマイクロ波、特に１〜１０ＧＨｚ帯のマイ
クロ波が照射される。

【００１４】また、チャンバ２内部はチャンバ２と電磁
波透過体３とによって封止されており、かつチャンバ２
にはガス供給口７およびガス排出口８が形成されてチャ
ンバ２内にガスを導入される。そして、該ガスに前記マ
イクロ波を照射してプラズマを発生するとともに、該プ
ラズマをチャンバ２内の所定の位置に支持体１０上に支
持されたウエハ１１表面から照射してウエハ１１表面に
プラズマを接触させることによってウエハ１１の所定部
分をエッチングまたは成膜する。

【００１５】本発明によれば、電磁波透過体３が、平均
粒径が１μｍ以下、特に０．９μｍ以下、さらに０．８
μｍ以下の窒化アルミニウム粒子を主成分とし、相対密
度が９５％以上、曲げ強度が５００ＭＰａ以上であり、
かつ１ＧＨｚにおける誘電正接が３×１０^-3以下である
窒化アルミニウム質焼結体からなることが大きな特徴で
あり、これによって構造部材として強度が高く、気密性
に優れ、かつ高周波、特に１〜１０ＧＨｚ、さらに１〜
２．５ＧＨｚの周波数帯の高周波を低損失で透過させる
ことができる。

【００１６】また、窒化アルミニウム粒子内の酸素量
は、高熱伝導化の上で２重量％以下、望ましくは１重量
％以下、特に０．８重量％以下であることが望ましい。

【００１７】また、前記焼結体の粒界には緻密化を促進
するため、および機械的強度向上のために少量の粒界相
が存在してもよく、例えば、一般化学式がＡｌ₅ＲＥ₃Ｏ
₁₂、Ａｌ₂ＲＥ₄Ｏ₉、ＡｌＲＥＯ₃（ＲＥ：希土類元素）
で表される希土類酸化物とアルミナとの複合酸化物であ
る、いわゆるＹＡＧ型結晶相、ＹＡＭ型結晶相、ＹＡＰ
型結晶相や、ＲＡｌ₂Ｏ₄、ＲＡｌ₄Ｏ₇（Ｒ：アルカリ土
類金属元素）で表されるアルカリ土類金属酸化物とアル
ミナ系結晶相等が望ましい。さらに、焼結体中には少な
くともＳｉ、Ａｌ、酸素を含有する非結晶相が存在して
いてもよいが、熱伝導率や誘電正接の点で前記非結晶相
は存在しないか、または微量のみ存在することが望まし
い。

【００１８】上記態様の窒化アルミニウム質焼結体は、
平均粒径が１μｍ以下、特に０．９μｍ以下、さらに
０．８μｍ以下で、かつ相対密度が９５％以上、特に９
７％以上、さらに９９％以上であることから、焼結体の
曲げ強度が５００ＭＰａ以上、特に、５５０ＭＰａ以上
であり、かつ１ＧＨｚにおける誘電正接が３×１０^-3以
下、特に２．０×１０^-3以下、さらに１．０×１０^-3以
下となる。また、望ましくは、空洞共振器法に基づく
２．５ＧＨｚにおける誘電正接が３×１０^-3以下、さら
に望ましくは、１〜１０ＧＨｚにおける誘電正接が３×
１０^-3以下であることが望ましい。

【００１９】すなわち、窒化アルミニウム質焼結体の誘
電正接については、相対密度９９％、平均粒径１．５μ
ｍの窒化アルミニウム質焼結体に照射する周波数と誘電
正接との関係を示した図２からわかるように、周波数に
対して特異的な変化を示し、特定周波数にて誘電正接の
極大値を有するものである。また、該極大値と窒化アル
ミニウム粒子の粒径との関係を示す図３から明らかなよ
うに窒化アルミニウム質焼結体の誘電正接は窒化アルミ
ニウム粒子の粒径と大きな相関があるものである。従っ
て、１ＧＨｚ、特に１〜１０ＧＨｚにおける誘電正接を
小さくするためには焼結体の相対密度を９５％以上とす
るとともに、窒化アルミニウム質焼結体中の窒化アルミ
ニウム粒子の平均粒径を１μｍ以下とすることが重要で
ある。

【００２０】また、マイクロ波照射により発生した熱を
効率よく放熱するために電磁波透過体３の熱伝導率は１
００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましく、さらに、チ
ャンバ２の気密性を高めるために電磁波透過体３の相対
密度は９５％以上であることが望ましい。

【００２１】次に、本発明の電磁波透過体の製造方法に
ついて説明する。まず、直接窒化法、還元窒化法および
ＣＶＤ法等公知の方法で作製された純度９８％以上、特
に９９％以上、平均粒径０．５μｍ以下、特に０．３μ
ｍ以下の窒化アルミニウム原料粒子を準備する。ここ
で、窒化アルミニウム原料粒径の平均粒径が０．５μｍ
を越えると、焼結体中の窒化アルミニウム粒子の粒径を
１μｍ以下とすることができないとともに、後述のマイ
クロ波照射による加熱時にマイクロ波吸収の効率が悪く
なり効率的な加熱ができず、また焼結に必要な駆動力が
低下して低温短時間で焼結体を相対密度９５％以上に緻
密化させることができない。さらに、これを緻密化させ
るためには高温で焼成しなければならず焼結後の粒径が
大きくなり強度や電気的特性が悪くなるためである。

【００２２】なお、焼結体の熱伝導率を高めるために窒
化アルミニウム原料粒子の酸素含有量は２重量％以下、
特に１重量％以下、さらに０．８重量％以下であること
が望ましい。

【００２３】この原料粒子に対して、所望により、例え
ば、Ｃａ、Ｓｒ、Ｂａ等のアルカリ土類金属やＹ、Ｌ
ａ、Ｃｅ、Ｙｂ等の希土類金属、またはＢ（ホウ素）等
から選ばれる少なくとも１種の酸化物、窒化物、炭化
物、炭酸塩、硝酸塩等を総量が酸化物換算量で１０重量
％以下、望ましくは５重量％以下、特に３重量％以下、
さらに１重量％以下となるように添加する。

【００２４】そして、これに有機バインダ、溶媒等を添
加、混合して鋳込成形、プレス成形、押出成形、ロール
成形等公知の成形法によって成形する。また、場合によ
っては成形体の密度を高めるために該成形体に対して冷
間静水圧プレス成形を施してもよい。

【００２５】次に、得られた成形体を焼成する。本発明
では２つの焼成方法を採用することができ、その１つで
あるマイクロ波を用いた焼成方法について説明する。ま
ず、マイクロ波加熱炉中に成形体を設置した後、炉内を
真空雰囲気または不活性雰囲気、望ましくは窒素雰囲気
とする。そして、炉内の前記成形体に直接３００ＭＨｚ
〜３００ＧＨｚ、特に窒化アルミニウム原料粒子を効率
的に加熱するため、１０〜１００ＧＨｚ、特に２０〜５
０ＧＨｚの周波数のマイクロ波を照射することにより、
成形体中の窒化アルミニウム原料粒子が誘電損失によっ
て自己発熱し、この熱によって前記成形体を加熱するこ
とができる。

【００２６】なお、用いる周波数は図２、３から明らか
なように成形体の平均粒径に対して誘電正接が極大値±
１０％となる周波数であることが最適である。

【００２７】焼成条件としては、成形体の温度が１４０
０〜１７５０℃、特に１６００〜１７００℃、焼成時間
が５分〜３時間、特に５分〜３０分にて焼成することが
望ましい。

【００２８】上記マイクロ波加熱による焼成では、通常
炉（電気抵抗炉）よりもマイクロ波の非熱的効果のため
に低温、短時間で焼成できるとともに、昇温、降温時間
を大幅に短縮できるため、焼結による窒化アルミニウム
粒子の粒成長が抑制され、焼結体中の窒化アルミニウム
粒子の平均粒径を１μｍ以下に制御することができる。
また、複雑な形状の焼結体を作製することも可能であ
る。

【００２９】次に、本発明の他の焼成方法について説明
する。まず、前記成形体の表面に窒化ホウ素等の離型材
を被覆した後、ガスを透過しない、タングステン、モリ
ブデン、チタン等の高融点金属またはシリカガラス等の
ガラスを主成分とするシール層を被覆し、カーボン等か
らなるるつぼ内に入れて、熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）
装置内に設置して、９８ＭＰａ以上の高圧ガス下で、１
７５０℃以下に加熱することによって焼成することがで
きる。この方法によれば、成形体を直接加圧、加熱処理
できることから、従来のホットプレス法のように一旦成
形体を焼成してある程度緻密化させてから加圧、加熱す
る必要がないために１７５０℃以下の焼成温度で焼結体
を緻密化に低下させることができるとともに、窒化アル
ミニウム粒子の平均粒径が１μｍ以下の焼結体を作製す
ることができる。望ましい焼成条件としては、焼成温度
１７００℃以下、さらに１６５０℃以下、焼成時間０．
５〜５時間、さらに０．５〜１時間である。

【００３０】上記方法によって得られた焼結体に対し
て、所望により研磨等を行って望ましくは、表面粗さ
（Ｒｍａｘ）が１μｍ以下の電磁波透過体を作製するこ
とができ、この焼結体の外周側面にＮｉ等のメッキを施
し、Ｃｕ、ＳＵＳ等の金属からなる導波管またはチャン
バとロウ材等によって接続することができる。

【００３１】なお、上記マイクロ波焼成を施した後、熱
間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理またはガス不透過シール
材を被覆して熱間静水圧プレス（ＨＩＰ）処理を施し、
焼結体さらなる緻密化を図ることもできるが、この場合
においても焼結体中の窒化アルミニウム粒子の平均粒径
は１μｍ以下とすべきである。

【００３２】

【実施例】（実施例１）直接窒化法にて作製した純度９
９％、酸素量０．９９重量％で表１に示す平均粒径を有
する窒化アルミニウム原料粒子に焼結助剤としてＹ₂Ｏ₃
を３重量％、ＣａＣＯ₃を酸化物換算量で１重量％添加
し、プレス成形によって直径１００ｍｍ、厚さ１０ｍｍ
の成形体を作製し、これに２００ＭＰａにて冷間静水圧
プレス（ＣＩＰ）成形を施して成形体の密度を５０％以
上とした。

【００３３】この成形体をマイクロ波焼成炉中に設置
し、窒素雰囲気中、周波数２８ＧＨｚのマイクロ波を３
０分照射して試料を加熱した。この際、試料の表面から
の放熱を極力抑えて試料を効率よく加熱するために試料
周囲に多孔質のアルミナファイバーより作製した断熱材
を設置した。また、成形体表面に熱電対を接触させて試
料の温度を測定し、表１に示した。

【００３４】得られた焼結体に対して、アルキメデス法
により焼結体の密度を測定し、理論密度に対する比であ
る相対密度を算出した。また、試料の研磨面についてＳ
ＥＭ観察を行いインターセプト法により窒化アルミニウ
ム粒子の平均粒径を算出した。

【００３５】また、焼結体を４×３×４０ｍｍの大きさ
に加工しＪＩＳＲ１６０１の規格に従い４点曲げ強度を
測定した。さらに、焼結体をφ６０×１ｍｍの大きさに
加工して電流電圧法より１ＧＨｚにおける誘電正接を算
出した。さらに、レーザーフラッシュ法により厚さ１ｍ
ｍの試料を用いて熱伝導率を測定した。結果は表１に示
した（試料Ｎｏ．１〜７）。

【００３６】（実施例２）表１に示す窒化アルミニウム
原料粒子を含有する実施例１の成形体に対して、該成形
体表面に窒化ホウ素からなるシール材を被覆し、カーボ
ン型中に載置してシリカガラスを充填した後、窒素ガス
１５０ＭＰａ、１６５０℃、０．５時間で焼成する以外
は実施例１と全く同様にして焼結体を作製し、評価し
た。結果は表１に示した（試料Ｎｏ．８〜１１）。

【００３７】（比較例１）表１に示す窒化アルミニウム
原料粒子を含有する実施例１の成形体を抵抗加熱炉内に
載置して昇温速度１０℃／ｍｉｎで、表１に示す焼成温
度、時間にて焼成した後、降温速度５℃／ｍｉｎにて冷
却して焼結体を作製する以外は実施例と同様に作製し、
評価した。結果は表１に示した。

【００３８】（比較例２）平均粒径０．１μｍの窒化ア
ルミニウム原料粒子を含有する実施例１の成形体をホッ
トプレス炉内に載置し、表１に示す焼成温度、時間にて
焼成した後、降温速度５℃／ｍｉｎにて冷却して焼結体
を作製する以外は実施例と同様に作製し、評価した。結
果は表１に示した。

【００３９】

【表１】

【００４０】表１の結果から明らかなように、平均粒径
が０．５μｍ以下の窒化アルミニウム原料粒子を用い、
１７５０℃以下の焼成温度でマイクロ波およびシールＨ
ＩＰ法により焼成を行った試料Ｎｏ．１〜４、６〜１０
の試料では、焼結体の相対密度が９５％以上、かつ平均
粒径が１μｍ以下の焼結体であり、曲げ強度５００ＭＰ
ａ以上、１ＧＨｚにおける誘電正接も３×１０^-3以下の
優れた特性を有するものであった。

【００４１】これに対して、窒化アルミニウム原料粒子
の平均粒径が０．５μｍを超える試料Ｎｏ．５、１１で
は、焼結後の平均結晶粒径が１μｍを超え、強度は５０
０ＭＰａより低く、誘電正接も３×１０^-3を超えるもの
となった。

【００４２】なお、従来の抵抗加熱炉によって１６５０
℃で焼成を行った試料Ｎｏ．１１は、焼結体を緻密化さ
せることができず、１７８０℃で２時間焼成したＮｏ．
１２および１７６０℃でホットプレス焼成した試料Ｎ
ｏ．１３では、焼結体の窒化アルミニウムの平均粒径が
１μｍを越え、曲げ強度は５００ＭＰａより低く、誘電
正接も高いものであった。

【００４３】（実施例３）実施例１の試料Ｎｏ．１と試
料とＮｏ．５に対して外周側面にＮｉめっきを５μｍ施
し、これを窓部材としてＣｕ製の導波管内にＡｇロウ材
によりロウ付けし、２．４５ＧＨｚの周波数のマイクロ
波を照射してマイクロ波の透過性および窓部材の耐久性
を評価した。マイクロ波の出力を徐々に上げていったと
ころ試料Ｎｏ．１はマイクロ波の透過も良好であり、発
熱量が小さく良好な特性を示したが、試料Ｎｏ．５で
は、マイクロ波の透過が悪く、かつ発熱して破損に至っ
た。

【００４４】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の電磁波透過
体によれば、粒径の小さい窒化アルミニウム原料粒子を
含有する成形体に対して、マイクロ波を照射して窒化ア
ルミニウム粒子の自己加熱によって１７５０℃以下の温
度で焼成するか、または前記成形体をガス不透過シール
層にて被覆した状態で、特定圧力以上の高圧ガス下１７
５０℃以下の温度にて焼成することによって、高密度で
窒化アルミニウム粒子の平均粒径が１μｍ以下、かつ強
度が高く特定の周波数帯での誘電正接が低い窒化アルミ
ニウム質焼結体を作製でき、電磁波透過体用としての優
れた特性を有するものとなる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の電磁波透過体の一実施例である窓部材
を備えた半導体製造装置の一例を示す模式図である。

【図２】窒化アルミニウム質焼結体に照射するマイクロ
波の周波数に対する焼結体の誘電正接の変化の一例を示
す図である。

【図３】窒化アルミニウム質焼結体の平均粒径と図２の
誘電正接が極大となる周波数との関係を示す図である。

【符号の説明】

１半導体製造装置２チャンバ３電磁波透過体５導波管７ガス導入口８ガス排出口１０支持体１１ウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウム質焼結体からなり、該焼
結体中の窒化アルミニウム粒子の平均粒径が１μｍ以
下、相対密度が９５％以上、曲げ強度が５００ＭＰａ以
上であり、かつ１ＧＨｚにおける誘電正接が３×１０^-3
以下であることを特徴とする電磁波透過体。
【請求項２】前記窒化アルミニウム質焼結体の熱伝導率
が１００Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることを特徴とする請求項
１記載の電磁波透過体。
【請求項３】平均粒径０．５μｍ以下の窒化アルミニウ
ム粒子を主成分とする成形体を作製した後、該成形体に
マイクロ波を照射して前記窒化アルミニウム粒子の自己
加熱によって焼成することを特徴とする電磁波透過体の
製造方法。
【請求項４】前記成形体に照射するマイクロ波の周波数
が１０〜１００ＧＨｚであることを特徴とする請求項３
記載の電磁波透過体の製造方法。
【請求項５】平均粒径０．５μｍ以下の窒化アルミニウ
ム原料に対して、焼結助剤を添加し、成形体を作製した
後、該成形体周囲をガス不透過シール層を形成して、９
８ＭＰａ以上の高圧ガス下で、１７５０℃以下の温度に
加熱して焼成することを特徴とする電磁波透過体の製造
方法。