JP2002249379A - 窒化アルミニウム焼結体及び半導体製造装置用部材 - Google Patents

窒化アルミニウム焼結体及び半導体製造装置用部材

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Abstract

(57)【要約】 【課題】窒化アルミニウム粒子が脱粒しにくく、高温領
域、例えば300〜500℃において10Ω・cm以上の高
抵抗値を示し、熱伝導率も比較的高い窒化アルミニウム
焼結体を提供すること。 【解決手段】窒化アルミニウム焼結体は、窒化アルミニ
ウムを主成分とし、希土類金属元素を酸化物換算で0.
4mol%以上、2.0mol%以下、酸化アルミニウ
ム成分を0.5mol%以上、2.0mol%以下含有
しており、Siの含有量が80ppm以下であり、窒化
アルミニウム粒子の平均粒径が3μm以下である。

Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、窒化アルミニウム
焼結体およびこれを利用した半導体製造装置用部材に関
するものである。
【0002】
【従来の技術】窒化アルミニウムを主体とする材料は、
半導体製造用ヒーター、静電チャック等へ適用されてい
る。窒化アルミニウム原料粉末に対して、希土類金属酸
化物、アルカリ土類金属酸化物等の焼結助剤を添加する
ことにより、焼結助剤が窒化アルミニウム粉末の表面の
不純物酸素(アルミナ) と反応し、希土類金属−Al−
Oもしくはアルカリ土類金属−Al−Oからなる液相を
生成し、緻密化と粒成長が促進される。併せて不純物酸
素のトラップ効果( 希土類金属−Al−O生成、アルカ
リ土類金属−Al−O生成)により、窒化アルミニウム
内への酸素の固溶を抑制し、高熱伝導化する。
【0003】例えば、本出願人は、特開平9−3158
67号公報において、高純度の窒化アルミニウムに酸化
イットリウムを微量添加することによって、その体積抵
抗率を室温で10−1012Ω・cmに制御できるこ
とを開示した。
【0004】また、特公昭63−46032号公報にお
いては、酸素を1重量%含む窒化アルミニウムを主成分
とし、これにイットリウム、ランタン、プロセオジム、
ニオブ、サマリウム、ガドリニウム、ジスプロシウムの
酸化物を0.01−15重量%添加した原料を得、この
原料を成形、焼結して、酸素を0.01−20重量%含
む、熱伝導率の高い窒化アルミニウム焼結体を製造しよ
うとしている(請求の範囲)。この実施例1において
は、酸素を1重量%含有する窒化アルミニウム粉末(平
均粒径1μm)に酸化サマリウム粉末を3重量%添加
し、混合し、圧力300kg/cm、温度1800℃
で1時間ホットプレスすることによって、室温での熱伝
導率が121W・m/kの焼結体を得ている。
【0005】
【発明が解決しようとする課題】CVDやスパッタリン
グなどの製膜工程においては、ウエハー上に半導体薄膜
を形成させる必要があるために、一般的には、ウエハー
を100℃以上、特に200℃以上の高温領域に加熱す
る必要が生じる。この際には、静電チャックに内蔵され
たヒーター、あるいは静電チャックの下方において静電
チャックと接触するように設けられたヒーターなどによ
って、静電チャックの吸着面を加熱する。
【0006】静電チャックにおいては、ウエハーを静電
チャックの吸着面に設置した段階では、ウエハーの温度
が低く、吸着後にウエハーの温度が飽和温度に向かって
上昇していく。こうした静電チャックおよび半導体製造
装置においては、吸着直後のウエハーと静電チャックと
の接触に伴う衝撃によって、および接触後のウエハーの
熱膨張による変形によって、窒化アルミニウム粒子が脱
粒し、パーティクルが発生し得る。
【0007】本発明の課題は、窒化アルミニウム粒子が
脱粒しにくく、高温領域、例えば300〜500℃にお
いて10Ω・cm以上の高抵抗値を示し、熱伝導率も
比較的高い窒化アルミニウム焼結体を提供することであ
る。
【0008】また、本発明の課題は、こうした窒化アル
ミニウム焼結体を利用することで、半導体製造装置内で
脱粒しにくく、高温領域、例えば300〜500℃にお
いて10Ω・cm以上の高抵抗値を示し、熱伝導率も
比較的高い半導体製造装置用部材を提供することであ
る。
【0009】
【課題を解決するための手段】本発明は、窒化アルミニ
ウムを主成分とし、希土類金属元素を酸化物換算で0.
4mol%以上、2.0mol%以下、酸化アルミニウ
ム成分を0.5mol%以上、2.0mol%以下含有
する窒化アルミニウム焼結体であって、Siの含有量が
80ppm以下であり、窒化アルミニウム粒子の平均粒
径が3μm以下であることを特徴とする、窒化アルミニ
ウム焼結体に係るものである。
【0010】また、本発明は、前記焼結体によって少な
くとも一部が構成されていることを特徴とする、半導体
製造装置用部材に係るものである。
【0011】本発明者は、窒化アルミニウム焼結体の原
料に対して、希土類金属元素の化合物とアルミナとを添
加し、焼成することにより、高い熱伝導率が得られるの
と同時に、焼結体内での窒化アルミニウム粒子の粒成長
が抑制され、高硬度な焼結体が得られることを見出し
た。
【0012】希土類酸化物は熱伝導率を向上させるため
に必要である。しかし、希土類酸化物のみを添加した場
合には、高い熱伝導率が得られるが、粒成長が促進され
ることと、十分な量の希土類−Al−O粒子を分散させ
ることができないため、高硬度と高強度とが得られな
い。従って、窒化アルミニウム焼結体をウエハー等に対
して接触させたときに、十分な脱粒特性改善効果が得ら
れない。
【0013】これに対して、希土類金属元素とアルミナ
とを同時添加することで、焼結体が高硬度化した理由
は、以下のように推定される。即ち、希土類−Al−O
からなる粒界相を窒化アルミニウム粒子の三重点近傍に
局在化させたことによって、粒子分散効果が得られたも
のと考えられる。これにより焼結体の強度も向上してい
る。アルミナの添加は、AlN中の希土類−Al−O相
の体積を増やし、分散粒子量を増やすために必要であ
り、かつ粒成長を抑制する効果を得る上でも必要であ
る。
【0014】窒化アルミニウム焼結体の硬度を高くし、
かつ耐蝕性の低い金属元素を少なくすることによって、
ウエハー吸脱着時の擦れによる窒化アルミニウム粒子の
脱粒を低減できる。
【0015】焼結体における希土類金属元素の量は、酸
化物換算で0.3mol%以上とし、これによって高い
熱伝導率が得られる。この観点からは0.4mol%以
上とすることが更に好ましい。焼結体における希土類金
属元素の量は、酸化物換算で2.0mol%以下とし、
これによって硬度等が特に高くなる。この観点からは
1.5mol%以下とすることが一層好ましい。
【0016】焼結体における酸化アルミニウム成分の量
は0.5mol%以上とし、これによって、窒化アルミ
ニウム粒子の粒径が低く抑えられ、焼結体の硬度、強度
が高く保持される。この観点からは、酸化アルミニウム
成分の量を0.6mol%以上とすることが更に好まし
い。
【0017】焼結体における酸化アルミニウム成分の量
は酸化物換算で2.0mol%以下とし、これによっ
て、熱伝導率の低下を少なくすることができる。この観
点からは、1.5mol%以下とすることが更に好まし
い。
【0018】希土類金属元素(酸化物換算量)と酸化ア
ルミニウム成分とのモル比(希土類酸化物/酸化アルミ
ニウム成分)を0.5以上、1.6以下とすることによ
って、より高い熱伝導率と硬度および強度との両立が可
能である。この観点から、前記モル比を0.55以上と
することが更に好ましく、また、1.3以下とすること
が更に好ましい。
【0019】希土類元素としては、Y、La、Ce、P
r、Nd、Pm、Sm、Eu、Gd、Tb、Dy、H
o、Er、Tm、Yb、Luが好ましい。
【0020】Siは、成膜プロセスにおいて特にハロゲ
ン系クリーニングガスに対して腐食されやすい。窒化ア
ルミニウム材料内に不純物として混入したSiは、粒内
固溶及び/又は粒界析出の形で存在しているが、このS
iの腐食速度は大きいことが予想され、選択的に腐食さ
れる。この結果、Siの近傍にある窒化アルミニウム粒
子の脱粒が促進され、もしくはSiの近傍にある窒化ア
ルミニウム粒子同士の結合を弱くし、ウエハーの吸脱着
時の擦れによる脱粒が促進される。
【0021】Si以外の不純物金属も、Siと同様に耐
食性が低い傾向がある。このため、脱粒を低減するに
は、不純物金属を少なくすることが望ましい。この観点
からは、希土類金属元素を除く金属不純物元素(アルミ
ニウムは当然除くが、珪素原子は含む)の総含有量を3
00重量ppm以下とすることが好ましく、50重量p
pm以下とすることが一層好ましい。
【0022】本発明においては、窒化アルミニウム粒子
を微細化することにより、焼結体表面を研磨仕上げした
後の表面粗さを非常に小さく制御できる。これにより、
ウエハー吸脱着時のウエハーと窒化アルミニウムとの接
触点数(吸着箇所) が増えることにより、吸脱着にかか
る窒化アルミニウム粒子への応力(負荷)が分散され、
脱粒しにくくなる。窒化アルミニウム粒子径とRa、R
tにも概ね相関があり、粒径が小さいほどRa、Rtの
小さい表面仕上げが可能である。
【0023】本発明の焼結体においては、130W/m
k以上の熱伝導率が得られる。本発明の焼結体では、希
土類金属の化合物に加え、アルミナを添加し、更に粒成
長を抑制していることから、熱伝導率は通常160W/
mk以下となることが多い。
【0024】窒化アルミニウム焼結体の相対密度は、9
5%以上であることが好ましい。
【0025】好適な実施形態においては、高純度原料粉
末の使用によりSi量を少なくする。このためには、A
lN、Y、Alともに高純度粉末を原料と
して使用する。
【0026】窒化アルミニウム原料粉末は、低温で均質
に焼結させる必要があるため、粒度分布がシャープで微
粒なものが望ましい。市販粉末の中では、還元窒化粉末
もしくはアルキルアルミニウムによる気相合成粉末が適
している。直接窒化粉末の中では、粒度分布がブロー
ド、粒径が大きく、かつ不純物量が多いものは不適当で
ある。
【0027】希土類金属元素の酸化物粉末及びアルミナ
粉末は、高純度な微粒粉末が望ましい。希土類金属元素
の化合物としては、酸化物以外に、硝酸塩、硫酸塩、シ
ュウ酸塩、アルコキシドなど、加熱によって酸化物を生
成する化合物(酸化物の前駆体)を使用できる。希土類
金属元素酸化物の前駆体は、粉末の状態で添加できる。
また、硝酸塩、硫酸塩,アルコキシドなどの化合物を溶
剤に溶解させて溶液を得、この溶液を原料粉末に添加で
きる。このように、酸化物の前駆体を溶媒中に溶解させ
た場合には、窒化アルミニウム粒子間に希土類金属元素
酸化物を高度に分散させることができる。
【0028】また、原料としては、硝酸アルミニウム、
硫酸アルミニウム、シュウ酸アルミニウム、アルミニウ
ムアルコキシドなど、加熱によってアルミナを生成する
化合物(アルミナの前駆体)を使用できる。アルミナの
前駆体は、粉末の状態で添加できる。また、硝酸アルミ
ニウム、硫酸アルミニウム、アルミニウムアルコキシド
などの化合物を溶剤に溶解させて溶液を得、この溶液を
原料粉末に添加できる。
【0029】焼結体の成形は、乾式プレス、ドクターブ
レード法、押し出し、鋳込み等公知の方法を適用でき
る。
【0030】本発明の焼結体は、ホットプレス焼成によ
ることが好ましく、被焼成体を50kgf/cm以上
の圧力下でホットプレス焼結させることが好ましい。ホ
ットプレス焼成により、比較的に低温で緻密化と粒成長
の抑制の両立が可能であり、ポアフリーな焼結体が得ら
れる。
【0031】焼結体中におけるAlN相以外の結晶相
は、例えばイットリアを添加した場合には、現在のとこ
ろYAG(YAl12)、YAL(YAl
)、YAM(YAl)の単相及び複相から
構成されるが、脱粒特性との明確な関係は見出されてい
ない。
【0032】本発明の焼結体は、シリコンウエハーの処
理装置や液晶ディスプレイ製造装置のような半導体製造
装置内の各種部材として、好適に用いることができる。
また、フラットパネルディスプレー装置における基板と
して好適である。
【0033】この半導体製造用部材は、特に好ましく
は、半導体製造装置用のサセプター等の耐蝕性部材であ
る。また、この耐蝕性部材中に金属部材を埋設してなる
金属埋設品に対して好適である。耐蝕性部材としては、
例えば半導体製造装置中に設置されるサセプター、リン
グ、ドーム等を例示できる。サセプター中には、抵抗発
熱体、静電チャック電極、高周波発生用電極等を埋設で
きる。
【0034】また、本発明の焼結体は前記のように抵抗
値が高く、かつ高純度であることから、高温静電チャッ
クの基材に対して特に有用である。この静電チャックの
基材の内部には、静電チャック電極の他、抵抗発熱体、
プラズマ発生用電極等を更に埋設できる。
【0035】
【実施例】(原料調製)窒化アルミニウム粉末として、
高純度還元窒化粉末2種類(A,B) を使用した。いずれ
も、酸素を除く純度は99.9%以上であり、平均粒径は1
〜1.5 μm程度である。主な不純物は、原料Aでは、S
i:10ppm、Fe:4ppm 、Ca:10ppm、C:320ppmであり、原料
Bでは、Si:35ppm、Fe:10ppm、Ca:240ppm 、C:250ppmで
ある。イットリア粉末としては、純度99.9%以上、平均
粒径0.3μmのものを使用した。アルミナ粉末として
は、純度99.99%以上、平均粒径0.5 μmのものを
使用した。
【0036】これらの粉末を表1、表3に示す割合とな
るよう秤量し、イソプロピルアルコールを溶媒とし、ナ
イロン製のポット及び玉石を用いて4時間湿式混合し
た。混合後、スラリーを取り出し、110 ℃で乾燥した。
更に乾燥粉末を450℃で5hr 大気雰囲気で熱処理し、混
合中に混入したカーボンを消失除去し、原料粉末を作製
した。
【0037】(成形、焼成)上記調合粉末を20MPa の圧
力で一軸プレス成形し、直径φ100mm で厚さ20mm程度の
円盤状成形体を作製し、焼成用黒鉛モールドに収納し
た。次いで、ホットプレスを用い、プレス圧力20MPa 、
窒素雰囲気圧力0.15MPa 下で、所定温度、時間焼成した
のち、冷却した。なお、室温から1000℃までは真空
とし、1000℃以上で窒素を導入した。
【0038】(評価)得られた焼結体に対し、以下の評
価を行った。評価結果を表1−4に示す。 嵩密度、開気孔率:アルキメデス法による水中測定。 金属成分含有量:誘導結合プラズマ(ICP) 発光スペクト
ル分析により定量。 酸素含有量:不活性ガス融解赤外線吸収法により定量。 Y2O3含有量( 希土類酸化物含有量) :ICP によるY 分析
値より、Y2O3量に換算。 Al2O3 含有量:酸素定量値より、Y2O3含有酸素量を引
き、残りの酸素が全てAl 2O3 であるとして算出。 AlN 含有量:100 より上記Y2O3、Al2O3含有量を差し引
き算出。 結晶相:X線回折測定装置により同定。測定条件はCuK
α、35kV、20mA、2θ=20-70°。 体積抵抗率:JIS2141Cに準じた方法により、室温から60
0 ℃程度まで測定。試験片厚みは1mm とし、電極形状を
主電極径20mm、ガード電極内径30mm、外径40mm、印加電
極45mmとし、電圧を500V/mm 印加し、一分後の電流値よ
り体積抵抗率を算出。 曲げ強度:JISR1601による室温四点曲げ強度。 熱伝導率:JISR1611、レーザフラッシュ法により室温の
熱拡散率を測定し算出。比熱は753J/kgKとした。 硬度:JISR1610に準じたマイクロビッカース法により測
定。試験片表面は鏡面仕上げし、荷重は500gf とした。 表面粗さ(Ra,Rt) 測定:直径75mm×厚さ1.7mm の
円盤状試験片をポリッシュにより表面を鏡面加工し、表
面粗さを測定した。触針先端径は2μmRとし、長さ4.
8mmで4カ所測定し、平均した。
【0039】脱粒特性:上記鏡面仕上げした円盤状試験
片の片側に電極を作製し、ヒーターの上にシリコンウエ
ハー(直径150mm)、円盤状試験片(鏡面側をシリ
コンウエハーに接触) の順に積層した。次いで、ヒー
ターを加熱し、円盤状試験片の温度を400 ℃で安定化し
た後、シリコンウエハーと試験片の電極間に500Vを電圧
印加し、シリコンウエハーと試験片を1 分間吸着させ
た。冷却後、試験片の10−50mm2 を電子顕微鏡に
より観察し、窒化アルミニウム粒子の脱粒個数をカウン
トし、直径75mmの面積(1406mm)あたりの個数
として算出した。 平均粒径:鏡面仕上げサンプルを電子顕微鏡により観察
し、窒化アルミニウム粒子30個のコード長さを平均し、
1.5を乗じた値とした。
【0040】
【表1】
【0041】
【表2】
【0042】
【表3】
【0043】
【表4】
【0044】図1には、実施例の材料の電子顕微鏡写真
を示す。この写真において、窒化アルミニウム粒子の三
重点に白く孤立している粒子がY−Al−O相である。
【0045】実施例1−8および図1に示すように、窒
化アルミニウム焼結体中に所定量のイットリア及びアル
ミナを含有させ、かつ粒径を3μm 以下に制御すること
により、脱粒の少ない窒化アルミニウム焼結体を得るこ
とができる。
【0046】本焼結体の不純物金属含有量(希土類金属
を除く) は数十ppmから300ppm程度であり、非
常に少なく、特にSi含有量は30ppm以下と少な
く、半導体製造プロセス雰囲気下での高い耐食性が得ら
れる。
【0047】脱粒特性の良好な焼結体は、表面の硬度が
高く(1100以上)、曲げ強度が大きく(400MPa以上)
、かつ表面粗さ(Ra,Rt) が小さい。不純物量の一
層少ない原料Aを用いた実施例において、特に粒成長が
抑制され、脱粒特性が良好である。熱伝導率は130 〜16
0W/mK であり、高熱伝導である。
【0048】これら焼結体の高温電気特性を図2及び図
3に示す。いずれも500℃で1×10Ω・cm(1e8
Ω・cm)以上の高抵抗を有する。静電チャックに適応
可能な抵抗範囲を1e8 から1e12Ω・ cmとした場合、い
ずれの材料とも300〜500 ℃の温度範囲でこの最適な抵
抗範囲を満足しており、この温度領域において静電チャ
ックとしての十分な吸脱着機能を有する。また、熱伝導
率が高く、粒径の小さい焼結体ほど、体積抵抗率は高い
傾向がある。熱伝導率が高い焼結体ほど、窒化アルミニ
ウム粒子内の欠陥が少なく、導電キャリアとなる電子が
少ないことが原因と推察する。粒径が小さい焼結体ほ
ど、粒界抵抗が高いものと推察する。
【0049】比較例1−6においては、焼結体中にイッ
トリア及び酸化アルミニウム成分量が所定量ないこと、
もしくは粒径が3μmより大きいこと等により、脱粒量
が多くなっている。更に、硬度、強度とも小さい傾向が
ある。粒成長に伴い、表面のRa、Rtとも大きくなっ
ている。
【0050】
【発明の効果】以上述べたように、本発明の窒化アルミ
ニウム焼結体は、窒化アルミニウム粒子が脱粒しにく
く、高温領域、例えば300〜500℃において10Ω・c
m以上の高抵抗値を示し、熱伝導率も比較的高い。
【図面の簡単な説明】
【図1】実施例1の材料の電子顕微鏡写真である。
【図2】実施例1−4の各焼結体の体積抵抗率ρと温度
Tとの関係を示すグラフである。
【図3】実施例5−8の各焼結体の体積抵抗率ρと温度
Tとの関係を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Fターム(参考) 4G001 BA03 BA08 BA36 BA62 BB03 BB08 BB36 BB62 BD12 BD14 BD38 BE22 5F031 CA02 HA02 HA03 HA16 HA37 MA30 PA26

Claims (12)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】窒化アルミニウムを主成分とし、希土類金
    属元素を酸化物換算で0.4mol%以上、2.0mo
    l%以下、酸化アルミニウム成分を0.5mol%以
    上、2.0mol%以下含有しており、Siの含有量が
    80ppm以下であり、窒化アルミニウム粒子の平均粒
    径が3μm以下であることを特徴とする、窒化アルミニ
    ウム焼結体。
  2. 【請求項2】前記希土類金属元素(酸化物換算量)と酸
    化アルミニウム成分とのモル比(希土類酸化物/酸化ア
    ルミニウム成分) が0.5以上、1.6以下であるこ
    とを特徴とする、請求項1記載の焼結体。
  3. 【請求項3】マイクロビッカース硬度が1100以上で
    あることを特徴とする、請求項1または2記載の焼結
    体。
  4. 【請求項4】四点曲げ強度が400MPa以上であるこ
    とを特徴とする、請求項1−3のいずれか一つの請求項
    に記載の焼結体。
  5. 【請求項5】熱伝導率が130W/mK以上であること
    を特徴とする、請求項1−4のいずれか一つの請求項に
    記載の焼結体。
  6. 【請求項6】室温における体積抵抗率が1×1014Ω
    ・cm以上であることを特徴とする、請求項1−5のい
    ずれか一つの請求項に記載の焼結体。
  7. 【請求項7】希土類金属元素を除く金属不純物元素の総
    含有量が300重量ppm以下であることを特徴とす
    る、請求項1−6のいずれか一つの請求項に記載の焼結
    体。
  8. 【請求項8】希土類金属元素を除く金属不純物元素の総
    含有量が50重量ppm以下であることを特徴とする、
    請求項7記載の焼結体。
  9. 【請求項9】請求項1−8のいずれか一つの請求項に記
    載の焼結体によって少なくとも一部が構成されているこ
    とを特徴とする、半導体製造装置用部材。
  10. 【請求項10】前記焼結体からなる基材と、この基材中
    に埋設されている金属部材とを備えていることを特徴と
    する、請求項9記載の部材。
  11. 【請求項11】前記金属部材が少なくともヒーター用電
    極を含むことを特徴とする、請求項10記載の部材。
  12. 【請求項12】前記金属部材が少なくとも静電チャック
    用電極を含むことを特徴とする、請求項10または11
    記載の部材。
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