JP2004175656A - 窒化アルミニウム質セラミックス、半導体製造用部材および窒化アルミニウム焼結体の製造方法 - Google Patents
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Abstract
【解決手段】窒化アルミニウム質セラミックスは、窒化アルミニウムを主成分とし、サマリウム含有量が酸化物換算で0.060mol%以下であり、窒化アルミニウム粒子とサマリウム−アルミニウム酸化物相を含み、このサマリウム−アルミニウム酸化物相の長さが7μm以上である。あるいは、窒化アルミニウム質セラミックスは、窒化アルミニウムを主成分とし、サマリウム含有量が酸化物換算で0.060mol%以下であり、窒化アルミニウム粒子とサマリウム−アルミニウム酸化物相を含み、前記窒化アルミニウム粒子の平均粒径が5μm以上である。
【選択図】
図2
Description
SmAlO3相の含有割合=
(SmAlO3相の最強線ピークの積分強度/窒化アルミニウム相の最強線ピークの積分強度)×100[%]
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/cm2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。
焼結時の最高温度での保持時間は1分以上なら可能であるが、導電相の生成を促進するという観点からは、0.5時間以上であることが好ましく、2時間以上であることが更に好ましい。
AlN粉末は、市販の還元窒化粉末を使用した。酸化サマリウム粉末は、市販の純度99.9%以上、平均粒径1.1μmのものを使用した。
(1)により得た原料粉末を、200kgf/cm2の圧力で一軸加圧成形し、φ100mmまたはφ50mm、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。
得られた焼結体を加工し、以下の評価を行った。
(Sm2O3換算量) 誘導結合プラズマ(ICP)発光スペクトル分析によるSm定量値より、Sm2O3量に換算した。
(Al2O3換算量) 焼結体含有酸素量からSm2O3含有酸素量を引き、残りの酸素量が全てAl2O3であるとして算出した。
(Sm2O3/Al2O3 mol比) 上記の(Sm2O3換算量)、(Al2O3換算量)から算出した。
(酸素量) 不活性ガス融解赤外線吸収法により定量。
(TiN換算量) 誘導結合プラズマ発光スペクトル分析によるTi定量値より、TiN量に換算した。
(MgO換算量) 誘導結合プラズマ発光スペクトル分析によるMg定量値より、MgO量に換算した。
(開気孔率、嵩密度) 純水を媒体としたアルキメデス法により測定した。
(焼結体組成) 上記方法により算出したSm2O3,Al2O3,TiN,MgO 含有量を100 から除算し、残りをAlN 含有量とした。AlN +Sm2O3 +Al2O3+TiN +MgO =100(mol%)である。
(体積抵抗率) JIS C2141 に準じた方法により、真空雰囲気下で室温から400 ℃程度まで測定した。試験片形状はφ50mm×1mmまたは50×50×1mm とし、主電極径20mm、ガード電極内径30mm、ガード電極外径40mm、印加電極径40mmとなるよう各電極を銀で形成した。印加電圧は500V/mm とし、電圧印加後1 分時の電流を読みとり、体積抵抗率を算出。
(熱伝導率) レーザーフラッシュ法により測定。
(AlN粒子の平均粒径) 焼結体を研磨し、電子顕微鏡により微構造観察を行い、30ヶの粒径を平均。
(SmAl11O18相の同定および強度測定) 他の結晶相のピークと重ならないSmAl11O18相のピーク(2θ=18.8°)と、SmAlO3相(110
)と、AlN相(200 )のピークプロファイルを、それぞれPseudo-Voigt関数でプロファイルフィッティングを行い、積分強度を導出した。
SmAl11O18相、SmAlO3相及びAlN相の最強線は、他の結晶相と重なっていたため、それぞれの最強線の積分強度は以下のように換算した。
(SmAlO3相の最強線の積分強度の換算) JCPDS カードより、最強線(112) と、採用したピーク(110) との強度比で換算した。
(AlN相の最強線の積分強度の換算) JCPDS
カードより、最強線(100) と、採用したピーク(200) との強度比で換算した。
(SmAl11O18相の最強線の積分強度の換算)
SmAl11O18相は状態図では確認されているが、JCPDS カードが存在しない。このため、Sm2O3とAl2O3からSmAl11O18を作製し、X線回折装置により測定したピークプロファイルから、最強ピーク(2 θ=34°付近)と2 θ=18.8°のピークの積分強度を導出した。その比をAlN 焼結体中のSmAl11O18相の最強線への換算に用いた。
なお、各例の焼結体においては、SmAl11O18相、SmAlO3相は大変含有量が少なく、AlN相と同じ条件では検出できない。このため、測定時の計数時間を10倍とした。従って、AlNについての計数時間はSmAl11O18、SmAlO3の各計数時間の1/10のため、AlNのピーク強度を10倍に換算した(「換算値」として表記した)。
使用ソフト:Pranetron社製ImageProPlus(Ver4.5)
下記手順の内「」で囲んだ部分はソフト内のコマンド名である。
(1) AlN断面画像ファイルを取得(3000倍、40×25μm以上の領域を解像度□0.56μm/1画素のグレイスケール画像にて取得)。
(2) 測定範囲の切り出しを実施(712×465画素)し、「5×5ガウス」フィルターを2回掛けて細かいノイズを除去。
(3) AlNと思われる部分を□75〜100画素の範囲で切り取ってGreyScale値の「ヒストグラムを表示」し、平均値と標準偏差を取得。
(4) 粒界とはカウントしない極端に明るい領域が存在する場合も「ヒストグラムを表示」してGreyScale分布を確認。
(5) (3)の平均値+10(0.5≦σ<1.0)
、20(1.0≦σ<1.5) 、30(1.5≦σ<2.0)を下限値に、(4)の分布の下限値を上限値として画像を「二値化」処理する。
(6) (5)の画像にて白い部分を粒界相と規定し、「細線化」フィルタにより中心線を抽出する。
(7) 「カウント/サイズ」処理を用いて抽出した中心線の「枝長さ」を測定して中心線長さとする。中心線に複数の分岐/合流がある場合は「枝/端点」フィルタにて「枝」と「端点」のみを抽出し、分岐している部分のうち「枝長さ」が長くなる方を辿って合計したものを中心線長さとする。円環状になった場合は「周囲長」を測定して中心線長さする。また(4)で抽出した領域の輪郭にあたる部分は「オブジェクトの除外」を用いてカウント対象から外す。
(8) 各中心線ごとに測定した中心線長さのうち、最大となる値に1画素あたりの解像度(0.57μm/画素)を掛けて評価対象の粒界長さとする。
X線回折装置により測定したXRDプロファイルから、WPPF(Whole-Powder-Pattern Fitting)プログラムを用いて、格子定数を算出した。
具体的には、実施例にある焼結体を粉砕した粉末に、内部標準として格子定数が既知であるAl2O3粉末を重量比1:1で混合し、モノクロメーターによりCuKβ線を除去したCuKa線を試料に照射してプロファイルを測定した。測定条件は、50kV、300mA、2q=30-120°:回転対陰極型X線回折装置「理学電機製「RINT-2000シリーズ」」。
さらに、同装置にオプションで付属出来るプログラム「WPPF」を用いて、プロファイルフィッテングを行い、格子定数を導いた。WPPFでは、内部標準の格子定数とAlNの格子定数の近似値が分かっていれば、精密化計算が可能である。
具体的には、WPPFを立ち上げ、測定したプロファイルからフィッティング範囲(2q)を指定する。その後、セミオートでフィッテングを行ったのち、マニュアルでのフィッテングに移行する。マニュアルでの精密化計算は、バックグラウンド強度、ピーク強度、格子定数、半値幅、ピークの非対称性パラメータ、低角側のプロファイル強度の減衰率、高角側のプロファイル強度の減衰率を、各パラメータ毎に、その都度「固定」か「可変」を指定して、計算プロファイルと測定プロファイルが一致する(Rwp(標準偏差)=0.1以下)まで精密化計算を行う。この精密化計算により、信頼性の高い格子定数が得られる。
なお、WPPFに関しては下記の論文にて詳細に述べられている。
H. Toraya,
“Whole-Powder-Pattern Fitting Without Reference to a Structural Model:
Application to X-ray Powder Diffractometer Data”, J. Appl.
Cryst. 19, 440-447(1986).
(実施例1(表1、表2、表3))
Sm2O3粉末を0.035mol%添加した原料粉末を1900℃で焼成し、密度3.26g/cm3、開気孔率0.01%の緻密体を得た。Sm2O3換算量は0.032mol%であり、Sm2O3換算量/Al2O3換算量(モル比)は0.034であった。窒化アルミニウム粒子の平均粒径は6μmであり、SmAlO3/AlN(ピーク強度)は0.0%であった。焼結体の室温(25℃)における体積抵抗率は3.1×1011(表2には「3.1E+11」と表記した。以下同じ表記方法を採用している)Ω・cmであった。
実施例2では、Sm2O3粉末を0.035mol%添加した原料粉末を1900℃で焼成し、密度3.26g/cm3の緻密体を得た。Sm2O3換算量は0.032mol%であり、Sm2O3換算量/Al2O3換算量は0.033であった。窒化アルミニウム粒子の平均粒径は5μmであり、SmAlO3/AlN(ピーク強度)は0.0%であった。焼結体の室温(25℃)における体積抵抗率は2.8×1011Ω・cmであった。粒界相の長さは19μmであり、三次元的に見るとほぼ連続し、網目構造を生成している。
Ceramists 1975 Supplement, Fig. 4369)。
実施例13〜21においても、焼結体のSm2O3換算量は0.039〜0.056mol%であり、Sm2O3換算量/Al2O3換算量は0.033〜0.048であった。窒化アルミニウム粒子の平均粒径は5μmまたは6μmであり、SmAlO3/AlN(ピーク強度)は0.2%以下であった。焼結体の室温(25℃)における体積抵抗率は6.9×1010Ω・cm以下であった。粒界相の長さは24〜37μmであり、三次元的に見るとほぼ連続し、網目構造を生成している。
比較例1においては、Sm2O3粉末を0.020mol%添加した原料粉末を1800℃で焼成し、密度3.26g/cm3、開気孔率0.04%の緻密体を得た。焼結体のSm2O3換算量は0.022mol%であり、Sm2O3換算量/Al2O3換算量は0.033であった。窒化アルミニウム粒子の平均粒径は4μmであり、SmAlO3/AlN(ピーク強度)は0.0%であった。焼結体の室温(25℃)における体積抵抗率は4.0×1015Ω・cmであった。
Claims (28)
- 窒化アルミニウムを主成分とし、サマリウム含有量が酸化物換算で0.060mol%以下であり、窒化アルミニウム粒子とサマリウム−アルミニウム酸化物相を含み、このサマリウム−アルミニウム酸化物相の長さが7μm以上であることを特徴とする、窒化アルミニウム質セラミックス。
- 室温における体積抵抗率が1 ×1012Ω・cm以下であることを特徴とする、請求項1記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- 前記サマリウム−アルミニウム酸化物相がSmAl11O18を含むことを特徴とする、請求項1または2記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- サマリウムの酸化物換算含有量のアルミナ含有量に対するモル比(Sm2O3/Al2O3)が0.01〜0.05であることを特徴とする、請求項3記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- 前記サマリウム- アルミニウム酸化物相のうち、X線回折プロファイルにより下記式で算出したSmAlO3相の含有割合が2%以下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窒化アルミニウム質セラミックス。
SmAlO3相の含有割合=
(SmAlO3相の最強線ピークの積分強度/窒化アルミニウム相の最強線ピークの積分強度)×100[ %] - 前記サマリウム−アルミニウム酸化物相が網目構造をなしてい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窒化アルミニウム質セラミックス。
- サマリウム含有量が酸化物換算で0.025mol%以上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窒化アルミニウム質セラミックス。
- 前記窒化アルミニウム粒子の平均粒径が5μm以上であることを特徴とする、請求項1〜7のいずれか一つの請求項に記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- 窒化アルミニウムを主成分とし、サマリウム含有量が酸化物換算で 0.025mol%以上、0.06mol%以下であり、窒化アルミニウム粒子とサマリウム−アルミニウム酸化物相を含むことを特徴とする、窒化アルミニウム質セラミックス。
- 窒化アルミニウムを主成分とし、サマリウム含有量が酸化物換算で0.060mol%以下であり、窒化アルミニウム粒子とサマリウム−アルミニウム酸化物相を含み、前記窒化アルミニウム粒子の平均粒径が5μm以上であることを特徴とする、窒化アルミニウム質セラミックス。
- 室温における体積抵抗率が1 ×1012Ω・cm以下であることを特徴とする、請求項9または10記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- 前記サマリウム−アルミニウム酸化物相がSmAl11O18を含むことを特徴とする、請求項9〜11のいずれか一つの請求項に記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- 前記サマリウム−アルミニウム酸化物相のうち、X線回折プロファイルにより下記式で算出したSmAlO3相の含有割合が2%以下であることを特徴とする、請求項12記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
SmAlO3相の含有割合=
(SmAlO3相の最強線ピークの積分強度/窒化アルミニウム相の最強線ピークの積分強度)×100[ %] - サマリウムの酸化物換算含有量のアルミナ含有量に対するモル比(Sm2O3/Al2O3)が0.01〜0.05であることを特徴とする、請求項9〜13のいずれか一つの請求項に記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- 前記サマリウム−アルミニウム酸化物相が網目構造をなしていることを特徴とする、請求項9〜14のいずれか一つの請求項に記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- 窒化アルミニウムを主成分とし、サマリウム含有量が酸化物換算で0.060mol%以下であり、窒化アルミニウム粒子とサマリウム−アルミニウム酸化物相を含み、焼結によって得られた窒化アルミニウム質セラミックスであって、焼結時の最高温度が1850℃以上であることを特徴とする、窒化アルミニウム質セラミックス。
- 室温における体積抵抗率が1 ×1012Ω・cm以下であることを特徴とする、請求項16記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- 前記サマリウム−アルミニウム酸化物相の長さが7μm以上であることを特徴とする、請求項16または17記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- 前記窒化アルミニウム粒子の平均粒径が5μm以上であることを特徴とする、請求項16〜18のいずれか一つの請求項に記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- 前記サマリウム−アルミニウム酸化物相がSmAl11O18を含むことを特徴とする、請求項16〜19のいずれか一つの請求項に記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- 前記サマリウム−アルミニウム酸化物相のうち、X線回折プロファイルにより下記式で算出したSmAlO3相の含有割合が2%以下であることを特徴とする、請求項20記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
SmAlO3相の含有割合=
(SmAlO3相の最強線ピークの積分強度/窒化アルミニウム相の最強線ピークの積分強度)×100[ %] - サマリウムの酸化物換算含有量のアルミナ含有量に対するモル比(Sm2O3/Al2O3)が0.01〜0.05であることを特徴とする、請求項16〜21のいずれか一つの請求項に記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- 前記サマリウム−アルミニウム酸化物相が網目構造をなしていることを特徴とする、請求項16〜22のいずれか一つの請求項に記載の窒化アルミニウム質セラミックス。
- 請求項1〜23のいずれか一つの請求項に記載の窒化アルミニウム質セラミックスによって、少なくとも一部が構成されていることを特徴とする、半導体製造用部材。
- 前記窒化アルミニウム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24記載の部材。
- 窒化アルミニウム原料、Sm2O3を0.3重量% 以上、0.5重量%以下、およびAl2O3を0.9重量%以上含む混合粉末を成形し、1600℃以上において50℃/hr以上、1000℃/hr以下で昇温し、1850℃以上の温度で0.5時間以上、4時間以下焼成する、窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
- 前記焼成がホットプレス焼成であることを特徴とする、請求項26記載の方法。
- 前記焼成時の冷却速度が、450℃/hr以上であることを特徴とする請求項26記載の方法。
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