JP2005119925A

JP2005119925A - 高比抵抗炭化ケイ素焼結体

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Publication number: JP2005119925A
Application number: JP2003358764A
Authority: JP
Inventors: Jun Seko; 順瀬古; Masahiro Ando; 正博安藤; Seiichi Fukuoka; 聖一福岡
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2003-10-20
Filing date: 2003-10-20
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】半導体製造装置、液晶デバイス製造装置用の絶縁性部材等として好適に用いることができ、また、前記部材等の大型化、高精度化、複雑化にも対応することができる高比抵抗炭化ケイ素焼結体を提供する。
【解決手段】炭化ケイ素にホウ素源と窒素源が添加された炭化ケイ素焼結体であって、窒素含有量が６５０重量ｐｐｍ以上８０００重量ｐｐｍ以下、比抵抗が１０⁷Ω・ｃｍ以上、密度が３．０ｇ／ｃｍ³以上であることを特徴とする高比抵抗炭化ケイ素焼結体を用いる。
【選択図】なし

Description

本発明は、半導体製造装置、液晶デバイス製造装置等における静電チャック、チャンバ部品、静電気除去端子等に用いられるセラミックス部材や、メカニカルシール、軸受け等の摺動部品に好適な高比抵抗炭化ケイ素焼結体に関する。

炭化ケイ素焼結体は、機械的強度が高い、剛性が高い、熱伝導率が大きい、耐熱衝撃性に優れている等の長所を有していることから、近年、半導体製造装置、液晶デバイス製造装置における静電チャック、チャンバ部品、静電気除去端子等の部材、また、メカニカルシール、軸受け等の摺動部品等の材料として注目され、多用されている。

これらの部材または部品の材料に炭化ケイ素焼結体を適用する際には、上記物性に加えて、高い比抵抗を有していることも重要な物性の一つとなる。
従来、比抵抗が比較的高い炭化ケイ素焼結体の製造においては、焼結体の緻密化を図るために、炭化ケイ素原料に、焼結助剤として炭化ホウ素が添加されていた。

しかしながら、これにより得られる炭化ケイ素焼結体は、比抵抗が高々１０⁶Ω・ｃｍオーダーのものであり、半導体製造装置、液晶デバイス製造装置における絶縁性を要求される前記部材等に適用するには、十分な比抵抗とは言えなかった。

そこで、比抵抗を高くする方法としては、例えば、特許文献１には、ホウ素または炭化ホウ素を添加して、格子定数が１５．１０Å以上となるように焼結させることにより、比抵抗１０⁷Ω・ｃｍ以上の炭化ケイ素焼結体が得られることが開示されている。

また、特許文献２には、炭化ケイ素粉末原料に、ベリリウムまたはベリリウム化合物を添加して、ホットプレス焼結を行うことにより、比抵抗が１０¹³Ω・ｃｍ以上の炭化ケイ素焼結体が得られることが開示されている。

特開平１０−２９１８５７号公報特開昭５７−１５６３７３号公報

しかしながら、前記特許文献１に記載されているような炭化ケイ素焼結体は、炭化ケイ素の結晶における格子定数を制御しなければならないものであり、このような結晶サイズのレベルにおける製造工程の制御は、複雑であり、容易とは言えないものであった。

また、前記特許文献２に記載されている炭化ケイ素焼結体は、非常に高い比抵抗が得られているが、添加されるベリリウムまたはベリリウム化合物は、毒性の問題があり、また、ホットプレス焼結では、近年の液晶の大型化に伴う製造装置部材の大型化、高精度化、複雑化に対応する炭化ケイ素焼結体を得ることは困難であるという課題も有していた。

本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、半導体製造装置、液晶デバイス製造装置用の絶縁性部材等として好適に用いることができ、また、大型化、高精度化、複雑化にも対応することができるる高比抵抗炭化ケイ素焼結体を提供することを目的とするものである。

本発明に係る高比抵抗炭化ケイ素焼結体は、炭化ケイ素にホウ素源と窒素源が添加された炭化ケイ素焼結であって、窒素含有量が６５０重量ｐｐｍ以上８０００重量ｐｐｍ以下、比抵抗が１０⁷Ω・ｃｍ以上、密度が３．０ｇ／ｃｍ³以上であることを特徴とする。
上記のような高比抵抗の炭化ケイ素焼結体は、炭化ケイ素原料に、焼結助剤としてホウ素源と窒素源を添加して焼結させることにより得られるものであり、機械的強度や耐熱衝撃性に優れ、十分な剛性も備えており、半導体製造装置、液晶デバイス製造装置における絶縁性セラミックス部材等として好適に用いることができる。

前記高比抵抗炭化ケイ素焼結体においては、ホウ素源と窒素源が窒化ホウ素であることが好ましい。
これにより、上記のような本発明に係る高比抵抗炭化ケイ素焼結体を容易に得ることができる。

上述したとおり、本発明に係る高比抵抗炭化ケイ素焼結体は、比抵抗が１０⁷Ω・ｃｍ以上であり、十分な剛性を備えており、半導体製造装置、液晶デバイス製造装置における静電チャック、チャンバ部品、静電気除去端子等に用いられるセラミックス部材として、また、メカニカルシール、軸受け等の摺動部品にも好適に用いることができる。
また、本発明によれば、前記高比抵抗炭化ケイ素焼結体を容易に得ることができる。

以下、本発明を、より詳細に説明する。
本発明に係る炭化ケイ素焼結体は、主原料の炭化ケイ素に、ホウ素源と窒素源が添加された炭化ケイ素焼結であって、窒素含有量が６５０重量ｐｐｍ以上８０００重量ｐｐｍ以下、比抵抗が１０⁷Ω・ｃｍ以上と高比抵抗であり、密度が３．０ｇ／ｃｍ³以上と緻密であることを特徴とするものである。
このように、高比抵抗で、緻密な炭化ケイ素焼結体は、機械的強度や耐熱衝撃性に優れ、十分な剛性も備えていることから、半導体製造装置、液晶デバイス製造装置における絶縁性セラミックス部材等として好適に用いることができる。

上記のような高比抵抗の炭化ケイ素焼結体は、炭化ケイ素原料に、焼結助剤としてホウ素源と窒素源を添加して焼結させることにより得られるものである。
前記窒素源は、炭化ケイ素焼結体において、窒素含有量が６５０重量ｐｐｍ以上８０００重量ｐｐｍ以下となるように添加して焼成することが好ましい。
前記窒素源としては、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）、窒化ケイ素（Ｓｉ₃Ｎ₄）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等を用いることが好ましい。
前記窒素含有量が６５０重量ｐｐｍ未満の場合、粒界における窒素濃度と結晶粒内の窒素濃度との差が小さくなり、比抵抗が低くなってしまう。
一方、前記窒素含有量が８０００重量ｐｐｍを超える場合、結晶粒内にも窒素が拡散し、粒界における窒素濃度と結晶粒表面層の窒素濃度との差が小さくなり、この場合も、焼結体の比抵抗が低くなってしまう。
したがって、粒界と結晶粒内の窒素濃度の差を大きくすることが好ましい。

また、前記ホウ素源は、炭化ケイ素焼結体において、ホウ素含有量が０．２重量％以上２．０重量％以下となるように添加して焼成することが好ましい。
前記ホウ素源としては、例えば、窒化ホウ素（ＢＮ）、炭化ホウ素（Ｂ₄Ｃ）等を用いることが好ましい。
前記ホウ素含有量が０．２重量％未満の場合、焼結が十分に進行せず、焼結体の強度が低下してしまう。
一方、前記ホウ素含有量が２．０重量％を超える場合、過度の粒成長により、この場合も、焼結体の強度が低下するおそれがある。

上記のように、ホウ素源および窒素源としては、窒化ホウ素を添加することが好ましい。この場合、窒化ホウ素は、０．３重量％以上２．０重量％以下の範囲で添加することが好ましい。

上記のような本発明に係る高比抵抗炭化ケイ素焼結体は、例えば、炭化ケイ素原料粉末と、比表面積が１０ｍ²／ｇ以上、酸素含有量が酸化ホウ素換算で０．３％以下であり、炭化ケイ素原料粉末に対して、ホウ素量として０．２重量％以上２．０重量％以下の窒化ホウ素と、炭化ケイ素原料粉末に対して、炭素量として０．５重量％以上１０重量％以下の炭素源とを含むスラリーを混合して調製する工程と、前記スラリーを造粒した後、これをプレス成形により成形体とする工程と、前記成形体を１９００℃以上２３００℃以下で焼結させる工程とを経ることにより、容易に製造することができる。
このような製造方法によれば、従来のようなホットプレスによる焼結を行う必要がないため、半導体製造装置や液晶デバイス製造装置におけるチャンバ部品のような複雑形状の部材等であっても比較的容易に製造することができ、また、前記部材の大型化、高精度化にも対応することが可能である。

前記窒化ホウ素は、比表面積が１０ｍ²／ｇ以上、かつ、酸素含有量が酸化ホウ素換算で０．３％以下であることが好ましい。
なお、前記窒化ホウ素は、平均粒径５μｍ以下程度の粉末が、スラリー調製時における分散性等に優れているため好ましい。

本発明において用いられる炭化ケイ素原料粉末は、高比抵抗の焼結体を得るためには、炭素以外の不純物はできるだけ含まないものであることが好ましい。
また、スラリー調製時における分散性等の観点からは、炭化ケイ素原料粉末の粒径は、平均粒径１．０μｍ以下のものを用いることが好ましい。

前記焼結体においては、他の焼結助剤として、炭化ケイ素原料粉末に対して、炭素量として０．５重量％以上１０重量％以下の炭素源を添加することが好ましい。
前記炭素源としては、熱硬化樹脂、タールピッチ、カーボンブラック等を用いることができる。これらは、焼結により炭素となるものであり、炭化ケイ素焼結体における焼結助剤としての役割を果たす。
前記熱硬化樹脂としては、例えば、炭化率の高い、フェノール樹脂、フラン樹脂等が好適に用いられる。

また、スラリー中における分散性を向上させ、焼結体の均質化、緻密化を図る等の目的で、分散剤、バインダ等の助剤を、適宜添加してもよい。
また、スラリー調製時に用いられる分散媒は、揮発性液体であることが好ましく、例えば、水、アルコール等を用いることが好ましい。

前記スラリーからの造粒方法は、特に限定されるものではないが、通常は、スプレードライにより行われる。
また、成形体の形成は、焼結体の緻密化を図るため、プレス成形されることが好ましく、例えば、一軸プレス成形、ＣＩＰ等により行うことができる。

焼結工程においては、得られる炭化ケイ素焼結体の密度が３．０ｇ／ｃｍ³以上となるようにするためには、焼結温度は１９００℃以上２３００℃以下とすることが好ましい。
また、高比抵抗の焼結体を得るためには、不純物の混入防止の観点から、不活性ガス雰囲気下で焼結させることが好ましい。
なお、焼結時間およびその他の焼結条件は、製造する炭化ケイ素焼結体の形状、大きさ、用途等に応じて、適宜調整される。

以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記の実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
平均粒径０．７μｍの炭化ケイ素原料粉末に対して、窒化ホウ素（比表面積１０ｍ²／ｇ以上、酸素含有量が酸化ホウ素換算で０．３％以下）０．３重量％と、炭素源としてフェノール樹脂（固形分５０％；スミライトレジン；住友化学製）適量と、分散媒としてアルコールとを、樹脂製ボールミルにて混合してスラリーを調製した。
前記スラリーをスプレードライにより造粒した後、８０ｍｍ×１３ｍｍ×１０ｍｍの成形体を形成した。
前記成形体を圧力１２００ｋｇ／ｃｍ²で一軸プレス成形し、２０００℃で１時間焼成し、炭化ケイ素焼結体を作製した。
この炭化ケイ素焼結体中の窒素含有量を測定した。
また、前記炭化ケイ素焼結体を３ｍｍ×４ｍｍ×４０ｍｍの試験片に加工して、四端子法（ＪＩＳＲ１６３７およびＪＩＳＫ７１９４）により比抵抗を測定した。
この測定結果を表１に示す。

［実施例２］
窒化ホウ素の添加量を０．５重量％として、それ以外については、実施例１と同様にして、炭化ケイ素焼結体を作製し、窒素含有量および比抵抗を測定した。
これらの測定結果を表１に示す。

［比較例１、２］
表１の比較例１、２に示すように、窒化ホウ素の添加量を変化させて、それ以外については、実施例１と同様にして、炭化ケイ素焼結体を作製し、窒素含有量および比抵抗を測定した。
これらの測定結果を表１に示す。

［比較例３］
窒化ホウ素に替えて、炭化ホウ素を０．１５重量％添加し、それ以外については、実施例１と同様にして、炭化ケイ素焼結体を作製し、窒素含有量および比抵抗を測定した。
これらの測定結果を表１に示す。
なお、比較例３においては、焼結体中の窒素含有量は、炭化ケイ素原料に含まれていた不純物に由来する。

実施例１、２においては、比抵抗が１０⁷〜１０⁹Ω・ｃｍオーダーの高比抵抗の炭化ケイ素焼結体が得られた。
一方、比較例１〜３においては、比抵抗が実施例１、２よりも低い１０⁵〜１０⁶Ω・ｃｍオーダーであった。
以上の結果から、本発明によれば、炭化ケイ素焼結体の比抵抗を増加させることができることが認められた。

Claims

炭化ケイ素にホウ素源と窒素源が添加された炭化ケイ素焼結体であって、窒素含有量が６５０重量ｐｐｍ以上８０００重量ｐｐｍ以下、比抵抗が１０⁷Ω・ｃｍ以上、密度が３．０ｇ／ｃｍ³以上であることを特徴とする高比抵抗炭化ケイ素焼結体。
ホウ素源と窒素源が窒化ホウ素であることを特徴とする請求項１記載の高比抵抗炭化ケイ素焼結体。