JP2006045059A - 窒化アルミニウム質焼結体、耐蝕性部材、金属埋設品および半導体保持装置 - Google Patents

Abstract

【課題】窒化アルミニウム質焼結体の耐蝕性、特にハロゲン系腐食性ガスのプラズマに対する耐蝕性を、一層向上させる。
【解決手段】窒化アルミニウム質焼結体は、窒化アルミニウムを主成分とし、窒化アルミニウム結晶の多結晶構造を有しており、マグネシウムを含有している。本焼結体は、好ましくは、マグネシウムを酸化物換算で０．１重量％以上、２０重量％以下含有しており、７００℃における体積抵抗率が１×１０^７Ω・ｃｍ以上であり、熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以下であり、マグネシウムの少なくとも一部が窒化アルミニウム結晶に固溶しており、Ｘ線線回折により、実質的に構成相が窒化アルミニウム単相と見なされており、マグネシウムを除く金属不純物量が６００ｐｐｍ以下である。
【選択図】なし

Description

本発明は、窒化アルミニウム質焼結体、耐蝕性部材、金属埋設品および半導体保持装置に関するものである。

超ＬＳＩのメモリー容量の拡大に伴ない、微細加工化がますます進行するに従って、ケミカルな反応を必要とするプロセスが拡大してきている。特に、スーパークリーン状態を必要とする半導体製造用装置ではデポジション用ガス、エッチング用ガス、クリーニング用ガスとして、塩素系ガス、弗素系ガス等のハロゲン系腐蝕性ガスが使用されている。

これらの腐蝕性ガスに接触させた状態で加熱するための加熱装置として、例えば、熱ＣＶＤ装置等の半導体製造装置においては、デポジション後にＣｌＦ_３、ＮＦ_３、ＣＦ_４、ＨＦ、ＨＣｌ等のハロゲン系腐蝕性ガスからなる半導体クリーニングガスを用いている。また、デポジション段階においても、ＷＦ_６、ＳｉＨ_２Ｃｌ_２等のハロゲン系腐蝕性ガスを成膜用ガスとして使用している。

本出願人は、特願平３−１５０９３２号明細書（１９９１年５月２８日出願）、特願平４−５８７２７号明細書（１９９２年２月１３日出願）において、表面にフッ化アルミニウム層を有する窒化アルミニウム焼結体が、上記のハロゲン系腐蝕性ガスのプラズマに対して高い耐蝕性を備えていることを開示した。即ち、例えばＣｌＦ_３ガスに対して１時間窒化アルミニウム焼結体を曝露しても、その表面状態は変化が見られなかった。

また、本出願人は、窒化アルミニウム焼結体の表面に、ＣＶＤ法等の気相法によってフッ化アルミニウム膜を形成することを開示した（特許文献１）。また、特許文献２においては、半導体ウエハー用静電チャックの表面の腐食を防止するために、静電チャックの表面を、予めフッ素で置換する表面処理を施し、静電チャックの表面にＡｌＦ_３を生成させておくことが開示されている。

特開平５−２５１３６５号公報 特開平７−２７３０５３号公報

しかし、窒化アルミニウム質焼結体についての上記の技術は、いずれも耐蝕性の表面層を形成するものであり、作製プロセスが複雑である。

本発明の課題は、窒化アルミニウム質焼結体の耐蝕性、特にハロゲン系腐食性ガスのプラズマに対する耐蝕性を、一層向上させることである。

本発明は、窒化アルミニウムを主成分とし、窒化アルミニウム結晶の多結晶構造を有しており、マグネシウムを含有していることを特徴とする、窒化アルミニウム質焼結体に係るものである。

また、本発明は、前記窒化アルミニウム質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、耐蝕性部材に係るものである。

また、本発明は、耐蝕性部材と、耐蝕性部材中に埋設されている金属部材とを備えている金属埋設品であって、耐蝕性部材の少なくとも一部が、前記窒化アルミニウム質焼結体によって構成されていることを特徴とする、金属埋設品に係るものである。

また、本発明は、半導体を保持する保持装置であって、ハロゲンガスプラズマに曝される耐蝕面と背面とを備えるサセプターと、サセプターの背面に設けられており、サセプターからの熱流を制限する熱遮蔽部とを備えており、前記熱遮蔽部の少なくとも一部が、前記窒化アルミニウム質焼結体によって構成されていることを特徴とする、半導体保持装置に係るものである。

本発明者は、窒化アルミニウム焼結体中にマグネシウムを含有させることによって、焼結体そのものの耐蝕性、特にハロゲン系腐食性ガスに対する耐蝕性が著しく向上することを発見し、本発明に到達した。

本発明の焼結体におけるアルミニウムの含有量は、窒化アルミニウム粒子が主相として存在し得るだけの量である必要があり、好ましくは３０重量％以上である。マグネシウムを酸化物換算で０．１重量％以上、更には０．５重量％以上添加したときに、耐蝕性の向上が特に顕著であった。また、０．５重量％以上添加したときに、焼結体の高抵抗化が顕著である。こうした高抵抗の窒化アルミニウム質焼結体は、例えばハロゲンプガスラズマに曝される環境下で使用されるヒーター、静電チャック、サセプターなどに特に好適である。なぜなら、高い耐蝕性と共に、リーク電流を阻止できるからである。

窒化アルミニウム質焼結体中におけるマグネシウムの含有量は、限定しない。しかし、酸化物に換算して、製造上は３０重量％以下とすることが好ましい。また、マグネシウムの含有量が増えると、焼結体の熱膨張係数が増大するので、本発明の窒化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数を、マグネシウムを添加していない窒化アルミニウム質焼結体の熱膨張係数に近づけるためには、２０重量％以下とすることが好ましい。

本発明の窒化アルミニウム質焼結体は、ハロゲン系腐食性ガスのプラズマ、特に塩素プラズマ、フッ素プラズマを含むハロゲンガスプラズマに対して、高い耐蝕性を示した。

また、窒化アルミニウム質焼結体のマグネシウムの含有量を１重量％、更には５重量％以上とすることによって、焼結体の熱伝導率が著しく低下することを見いだした。こうした焼結体は、特に断熱効果を必要とする用途に対して好適である。熱伝導率低下の原因は、酸化マグネシウムが窒化アルミニウム粒子の格子中に固溶し、フォノンの散乱が大きくなるためと推察される。

焼結体の構成相は、窒化アルミニウム単相の場合と、酸化マグネシウム相が析出している場合とがある。窒化アルミニウム相単相の場合には、焼結体の熱膨張係数が、マグネシウムを含有しない窒化アルミニウム焼結体と近いため、従来の窒化アルミニウム焼結体と一体化させる場合に、熱応力が緩和されるし、酸化マグネシウム相が破壊の起点となることもない。

一方、酸化マグネシウム相が析出している場合には、耐蝕性が一層向上する。一般的には、絶縁体に第２相が分散している場合、第２相の抵抗率が低いと、全体の抵抗率が低下する。しかし、焼結体の構成相がＡｌＮ＋ＭｇＯの場合は、ＭｇＯ自身が体積抵抗率が高いため、全体的に体積抵抗率が低くなるという問題も起きない。

本発明の焼結体を製造する際には、Ｍｇの添加はＡｌＮの焼結を阻害する（窯業協会誌第８９号第６号 １９８１年 Ｐ３３０−３３６）ので、ホットプレス焼成、ホットアイソスタティックプレス焼成が望ましい。

半導体製造用途において、本発明の焼結体を、マグネシウムを含有しない窒化アルミニウム焼結体と一体化した場合には、この窒化アルミニウム焼結体中の金属不純物量は、１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

本発明の焼結体を含む耐蝕性部材中に金属部材を埋設する場合には、この耐蝕性部材の被焼成体の内部に金属部材を埋設し、この被焼成体を５０ｋｇｆ／ｃｍ^２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。

以下、本発明の焼結体を製造し、その各種特性を評価した。表１−表５の各実施例、比較例に従って、各窒化アルミニウム原料粉末、マグネシウム源を配合した。ＡｌＮ粉末は、還元窒化粉又は直接窒化粉であり、マグネシウム源は、酸化マグネシウム、Ｍｇ（ＮＯ_３）_２、ＭｇＣｌ_２、ＭｇＳＯ_４であった。必要に応じて、その他の添加助剤（Ｙ_２Ｏ_３、Ｃ、Ｌｉ）を秤量した。その後、イソプロピルアルコールを溶媒として、ポットミル混合し、乾燥し、各表に示す組成の混合粉を得た。実施例４５〜４８において、Ｌｉは硝酸Ｌｉを出発原料として、酸化物換算で０．１、０．３重量％となるように秤量し、同様に作製した。

各混合粉を、２００ｋｇｆ／ｃｍ^２の圧力で一軸成形することにより、直径φ１００ｍｍの円盤状成形体を作製した。この成形体を黒鉛モールドに収納して、窒素雰囲気下でホットプレス焼成を行った。焼成時の最高温度を１７００〜２０００℃とし、最高温度での保持時間はいずれも４時間であった。得られた焼結体について以下に評価した。

（金属不純物量） 湿式化学分析による。
（高温体積抵抗率） 真空中において、ＪＩＳ２１４１に基づいた絶縁物の体積抵抗率測定法による。
（外観） 目視による。
（熱伝導率） レーザーフラッシュ法による。
（嵩密度） 純水を媒体としたアルキメデス法による。
（ＣＴＥ） 窒素中、室温から８００℃までの熱膨張における平均膨脹係数。５℃／分で昇温した。
（構成相） ＸＲＤにより確認した。２θ＝２０−８０度（エッチングレート）焼結体を、７３５℃に保持したチャンバ内に設置し、Ｃｌ_２ガスを３００ｓｃｃｍ、Ｎ_２ガスを１００ｓｃｃｍ流して、チャンバ内圧力を０．１ｔｏｒｒに保持した後、８００Ｗの電力を投入して、ＩＣＰ方式の高周波プラズマを発生させ、２時間暴露させた後の重量変化から求めた。

比較例１−４は、還元窒化粉または直接窒化粉を使用しており、炭素またはイットリアを助剤として添加している。実施例５−９は、還元窒化粉を使用し、酸化マグネシウムを０．１−１０重量％添加しているが、エッチングレートが著しく減少しており、熱伝導率が低下し、高温における体積抵抗率も上昇することがわかった。

実施例１０−２４は、実施例５−９に対して、焼成温度を変化させたものであるが、同様の結果を得た。実施例２５−４０は、直接窒化粉を使用したものであるが、やはり同様の結果を得ている。実施例４２−４４は、焼成前の原料として、酸化マグネシウムの代わりに硝酸塩、塩化物、硫酸塩を使用したものであるが、酸化マグネシウムの場合と同様の結果を得た。実施例４５−４８は、マグネシウム以外にリチウムを添加したものである。マグネシウム以外のリチウムの含有量は、０．５重量％以下であることが好ましい。

本発明の窒化アルミニウム質焼結体は、その高い耐蝕性から、各種の耐蝕性部材、特にハロゲン系腐食性ガスに対する耐蝕性を必要とする耐蝕性部材に適しており、特に半導体製造装置用のサセプター等の耐蝕性部材に適している。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、ドーム等に好適である。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。

例えば図１（ａ）に示すように、本発明の耐蝕性部材１Ａの全体が、本発明の焼結体からなっている。２は、主としてハロゲン系腐食性ガスに対してさらされる耐蝕面である。

また、例えば図１（ｂ）に示すように、耐蝕性部材１Ｂが、基体３と、基体３の表面の少なくとも一部を覆う表面層４とを備えている。この場合には、特に耐蝕性を重視する場合には、表面層４が、本発明の焼結体からなる。基体３は、好ましくはセラミックスからなり、特に好ましくは、マグネシウムを含有しない窒化アルミニウム焼結体からなる。半導体製造用途においては、耐蝕性部材の一部を構成する窒化アルミニウムは、アルミニウム以外の金属元素の含有量が１０００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

また、他の好適な実施形態においては、図１（ｂ）において、基体３が、本発明の焼結体からなる。特に、耐蝕性の表面層に対して、使用温度における体積抵抗率が低いことが求められる場合には、相対的に体積抵抗率の高い本発明の焼結体によって基体を構成し、他の耐蝕性材料によって表面層４を形成する。表面層を形成する材料は、好ましくは窒化アルミニウムであり、特に好ましくはアルミニウム以外の金属元素の含有量が１０００ｐｐｐｍ以下の窒化アルミニウムである。

また、耐蝕性部材の全周ないし全表面にわたって、高い耐蝕性が要求される場合には、図１（ｃ）に示す耐蝕性部材１Ｃのように、基体５の全表面が表面層６によって被覆されており、表面層６が本発明の焼結体からなる。

以下、特に金属埋設品に対して本発明を適用した実施形態について更に述べる。

耐蝕性部材中に埋設される金属部材、特に導電性機能部品は、印刷によって形成された導電性膜であってもよいが、面状の金属バルク材であることが特に好ましい。ここで、「面状の金属バルク材」とは、金属線や金属板を、一体の二次元的に延びるバルク体として形成したものを言う。

金属部材は、高融点金属で形成することが好ましく、こうした高融点金属としては、タンタル，タングステン，モリブデン，白金，レニウム、ハフニウム及びこれらの合金を例示できる。被処理物としては、半導体ウエハーの他、アルミニウムウエハー等を例示できる。

本発明の金属埋設品は、耐蝕性部材と、この中に埋設された金属部材からなる。一実施形態においては、耐蝕性部材の全体が、本発明の焼結体からなる。図２はこの実施形態に係るサセプターを概略的に示す断面図であり、図３は抵抗発熱体の埋設パターンを示す模式図である。

金属埋設品１０Ａの耐蝕性部材１７中には、コイル状の抵抗発熱体７および電極９が埋設されている。抵抗発熱体７は背面８側に埋設されており、電極９は加熱面２側に埋設されている。抵抗発熱体７の平面的な埋設形状は、図３に模式的に示すようにした（図３では巻回体のパターンのみを示している）。即ち、モリブデン線を巻回して巻回体を得、巻回体の両端に端子１８Ａ、１８Ｂを接合した（図２では端子を図示しない）。

抵抗発熱体７の全体は、図３において紙面に垂直な線に対して、ほぼ線対称に配置されている。互いに直径の異なる複数の同心円状部分７ａが、線対称をなすように配置されており、同心円の直径方向に隣り合う各同心円状部分７ａが、それぞれ連結部分７ｄによって連絡している。最外周の同心円状部分７ａが、連結部分７ｂを介して、ほぼ一周する円形部分７ｃに連結されている。

電力供給用の高周波電源１１を、電線１２、１４を介して抵抗発熱体７に接続し、かつアース１５に接続した。電極９も電線１３を介してアース１５に接続した。

（実施例４９）図２、図３に示す形態のサセプター１０Ａを作製した。具体的には、イソプロピルアルコール中に、所定量の還元窒化法により得られた窒化アルミニウム粉末と、ＭｇＯ粉末１．０重量％と、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒し、造粒顆粒を得た。この造粒顆粒の中に、モリブデン製のコイル状の抵抗発熱体７および電極９を埋設した。電極９としては、直径φ０．４ｍｍのモリブデン線を、１インチ当たり２４本の密度で編んだ金網を使用した。端子１８Ａ、１８Ｂは、共に一つの保護管（図示しない）内に収容した。この状態で顆粒を一軸加圧成形し、円盤状の成形体を得た。

この成形体をホットプレス型中に収容し、密封した。昇温速度３００℃／時間で温度を上昇させ、この際、室温〜１０００℃の温度範囲で減圧を行った。この温度の上昇と同時に、圧力を上昇させた。最高温度を１８００℃とし、最高温度で４時間保持し、ホットプレス圧力を２００ｋｇｆ／ｃｍ^２とし、窒素雰囲気下で焼成し、焼結体を得た。この焼結体を機械加工し、さらに仕上加工してサセプターを得た。基体の直径をφ２４０ｍｍとし、厚さを１８ｍｍとし、抵抗発熱体と加熱面との間隔を６ｍｍとした。

このサセプターについて、耐蝕性試験を行った。サセプターを、ハロゲンガス雰囲気下（塩素ガス：３００ｓｃｃｍ、窒素ガス：１００ｓｃｃｍ、チャンバ内圧力０．１ｔｏｒｒ）のチャンバー内におき、抵抗発熱体に電力を投入し、加熱面の温度を７３５℃に保持し、誘導結合プラズマ方式の高周波プラズマを加熱面上に発生させ、２４時間暴露させた後の重量変化から、エッチレートを求めた。この結果、エッチレートは２．３μｍ／ｈｒであった。

（比較例５０）実施例４９と同様にして加熱装置を作製し、上記と同様の実験を行った。ただし、原料は窒化アルミニウムのみとし、ＭｇＯ粉末は加えなかった。この結果、エッチレートは４．８μｍ／時間であった。

また、本発明の他の実施形態に係る金属埋設品においては、抵抗発熱体と電極との間に、本発明の窒化アルミニウム質焼結体からなる高抵抗層を介在させる。これによって、抵抗発熱体から電極への電流リークに伴う動作不安定を防止できる。

即ち、窒化アルミニウム基体中に抵抗発熱体と高周波電極とを埋設して高周波発生用の電極装置を作製し、これを例えば６００℃以上の高温領域で稼働させて見ると、高周波の状態、あるいは高周波プラズマの状態が不安定になることがあった。また、窒化アルミニウム基体中に抵抗発熱体と静電チャック電極とを埋設して静電チャック装置を作製し、これを例えば６００℃以上の高温領域で稼働させて見た場合にも、静電吸着力に局所的にあるいは経時的に不安定が生ずることがあった。本発明者は、サセプター内の発熱体と高周波電極の間で電流が流れ、このリーク電流が高周波の状態に擾乱をもたらすことを見いだした。

そして、加熱面と発熱体との間に、本発明の焼結体からなる高抵抗層を設けることによって、リーク電流による影響を抑制し、あるいは制御できることを見いだした。

特に窒化アルミニウムの体積抵抗率は、半導体的な挙動を示し、温度の上昇と共に低下することが知られている。本発明によれば、例えば６００℃−１２００℃の領域においても、高周波の状態や静電吸着力を安定化させることができる。

図４は、この実施形態に係る金属埋設品１０Ｂを概略的に示す断面図である。図２に示した部分と同じ部分には同じ符号を付け、その説明を省略する。この金属埋設品１０Ｂでは、電極９と抵抗発熱体７との間に高抵抗層２０が介在している。

本発明の他の実施形態に係る金属埋設品では、耐蝕性部材が、基体と、基体の表面の少なくとも一部を覆う表面層とを備えている。この場合、表面層を、本発明の焼結体によって形成でき、これによって最も高い耐蝕性が得られる。この場合には、好ましくは、基体が窒化アルミニウムからなり、更には窒化アルミニウム中に含有されているアルミニウム以外の金属の含有量が１０００ｐｐｍ以下である。

また、別の実施形態においては、耐蝕性部材が、基体と、基体の表面の少なくとも一部を覆う表面層とを備えており、基体が、本発明の焼結体からなる。この場合には、基体側の熱伝導率を減少させて熱の逃げを抑えることができ、また基体側の高温時の体積抵抗率が高いことから、基体側への電流の漏れを防止できる。この場合には、好ましくは、表面層が窒化アルミニウムからなり、更には窒化アルミニウム中に含有されているアルミニウム以外の金属の含有量が１０００ｐｐｍ以下である。

また、いずれの場合においても、基体と表面層とが一体焼結されていることが好ましい。この場合には、基体と表面層との熱膨張係数差による応力を緩和するためには、本発明の焼結体中におけるマグネシウムの含有量（酸化物換算値）を、５重量％以下とすることが好ましい。

好ましくは、抵抗発熱体は基体中に埋設されており、電極は、基体中または表面層中に埋設されている。

図５、図６は、それぞれ、本実施形態に係る各金属埋設品１０Ｃ、１０Ｄを概略的に示す断面図である。図５においては、基体２１中に抵抗発熱体７および電極９が埋設されており、電極９と加熱面２との間に表面層２２が形成されている。図６においては、基体２３中に抵抗発熱体７が埋設されており、表面層２４中に電極９が埋設されている。

（実施例５１、５２）図５に示す金属埋設品（実施例５１）、および図６に示す金属埋設品（実施例５２）を作製した。ただし、イソプロピルアルコール中に、所定量の還元窒化法により得られた窒化アルミニウム粉末と、ＭｇＯ粉末を５．０重量％と、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒し、造粒顆粒を得た。図５の例においては、造粒顆粒中に、実施例４９に示したモリブデン製のコイル状の抵抗発熱体７および電極９を埋設した。図６の例においては、この抵抗発熱体７のみを埋設した。各造粒顆粒を一軸加圧成形し、各基体２１、２３に対応する各成形体を得た。

更に、イソプロピルアルコール中に、所定量の還元窒化法により得られた窒化アルミニウム粉末と、炭素換算で０．０５重量％のフェノール樹脂と、さらにアクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒し、造粒顆粒を得た。図５、図６に示すように、前記した基体の成形体に積層し、一軸加圧成形し、表面層２２、２４を成形した。図６においては、表面層２４内に電極９を埋設した。

これらの成形体をホットプレス型中に収容し、密封した。昇温速度３００℃／時間で温度を上昇させた。この際、室温〜１０００℃の温度範囲で減圧を行った。この温度の上昇と同時に、圧力を上昇させた。最高温度を１８００℃とし、最高温度で４時間保持し、ホットプレス圧力を２００ｋｇｆ／ｃｍ^２とし、窒素雰囲気下で焼成し、各焼結体を得た。各焼結体を機械加工し、さらに仕上加工して、加熱装置を得た。基体の直径をφ２４０ｍｍとし、厚さを１８ｍｍとし、抵抗発熱体７と加熱面２との間隔を６ｍｍとした。

抵抗発熱体７から電極９へのリーク電流を、真空中、５００、６００、７００℃の各温度で、電線をクランプメータに通すことにより、測定した。また、導電性機能部品の動作の指標として、稼働温度７００℃で、加熱面における最高温度と最低温度との差を測定した。

この結果、実施例５１、５２のいずれにおいても、各温度においてリーク電流は観測されず、加熱面の温度差は１０℃であった。また、実施例４９と同様の条件でエッチングレートを測定したところ、実施例５１、５２ともに４．３μｍ／時間であった。

本発明の他の実施形態においては、金属部材が、本発明の焼結体からなる中間層中に埋設されており、特に好ましくは、電極が中間層中に埋設されている。これによって、電極からのリーク電流、特に抵抗発熱体等の他の金属部材と電極との間のリーク電流を防止できる。

図７は、この実施形態に係る金属埋設品１０Ｅを概略的に示す断面図である。この金属埋設品１０Ｅにおいては、耐蝕性部材４０の基体２５に抵抗発熱体７が埋設されており、抵抗発熱体７と加熱面２との間に中間層２６が設けられている。中間層２６中には電極９が埋設されている。なお、本例では、中間層２６の全体が基体２５中に埋設されているが、中間層２６の端部が耐蝕性部材４０の表面に露出していてよい。

（実施例５３）図７に示すサセプターを作製した。ただし、イソプロピルアルコール中に、所定量の還元窒化法により得られた窒化アルミニウム粉末と、炭素換算で０．０５重量％のフェノール樹脂と、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒し、造粒顆粒を得た。図７に示すように、実施例４９に示したモリブデン製のコイル状の抵抗発熱体７を埋設し、基体成形体を得た。

更に、イソプロピルアルコール中に、所定量の還元窒化法により得られた窒化アルミニウム粉末と、ＭｇＯを５．０重量％と、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒し、造粒顆粒を得た。電極９をこの造粒顆粒中に埋設し、前記の基体成形体と積層し、一軸加圧成形し、図７に示すような形態とした。

この成形体を、ホットプレス型中に収容し、密封した。昇温速度３００℃／時間で温度を上昇させ、この際、室温〜１０００℃の温度範囲で減圧を行った。この温度の上昇と同時に、圧力を上昇させた。最高温度を１８００℃とし、最高温度で４時間保持し、ホットプレス圧力を２００ｋｇｆ／ｃｍ^２とし、窒素雰囲気下で焼成し、焼結体を得た。この焼結体を機械加工し、さらに仕上加工して加熱装置を得た。基体の直径をφ２４０ｍｍとし、厚さを１８ｍｍとし、抵抗発熱体と加熱面との間隔を６ｍｍとした。

抵抗発熱体７から電極９へのリーク電流は、真空中、５００、６００、７００℃の各温度で、電線をクランプメータに通すことにより、測定した。また、導電性機能部品の動作の指標として、稼働温度７００℃で、加熱面における最高温度と最低温度との差を測定した。

この結果、各温度においてリーク電流は観測されず、加熱面の温度差は１０℃であった。また、実施例４９と同様の条件で、エッチングレートを測定したところ、４．３μｍ／時間であった。

（比較例５４）実施例５３と同様にしてサセプターを作製し、上記と同様の実験を行った。ただし、原料は還元窒化法により得られた窒化アルミニウム粉末と、炭素換算で０．０５重量％のフェノール樹脂と、さらにアクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒したものである。また、高抵抗層は設けていない。

この結果、リーク電流は、５００℃では２ｍＡであり、６００℃では９ｍＡであり、７００℃では４５ｍＡであった。加熱面の温度差は５０℃であった。このような加熱面の大きな温度差は、発熱体と高周波電極との間の電気絶縁性が高温において低くなるため、発熱体に流れる電流の一部が高周波電極に漏れだし、一旦この電流の漏れ（リーク電流）が生じると、その近傍に電流が集中し、ホットスポットが生ずるためであることが判明した。

また、実施例４９と同様の条件でエッチングレートを測定したところ、４．４μｍ／時間であった。従って、本発明のサセプターは、従来技術より、より高温にて作動するヒーターとして使用できる。

また、本発明に係る半導体保持装置は、ハロゲンガスプラズマに曝される耐蝕面と背面とを備えるサセプターと、サセプターの背面に設けられており、サセプターからの熱流を制限する熱遮蔽部とを備えており、前記熱遮蔽部の少なくとも一部が、本発明の焼結体によって構成されている。サセプターとしては、前述の各サセプターないし金属埋設品を使用できる。また、特に好ましくは、サセプターは、マグネシウムを含有しない窒化アルミニウムまたは本発明の窒化アルミニウム質焼結体からなる。

最近、半導体素子を得るためのウエハーの口径を大きくし、あるいは液晶パネルを大型化しようという要望が高まっており、このためにサセプターの大型化が求められている。このため、サセプターの直径は、例えば直径φ３００ｍｍ以上とすることが求められてきている。しかし、サセプターの直径が大きくなると、加熱面の温度の均一性を保持することが非常に困難になってきている。なぜなら、加熱面の温度分布にむらが生ずると、不良品が発生するからである。熱遮蔽部を設けることによって、サセプターを大型化した場合に、加熱面の温度の均一性を図れる。

図８は、この実施形態に係るサセプターを概略的に示す断面図である。金属埋設品であるサセプター１０Ａの構成は、前述したものと同じであるが、本例では、本発明の窒化アルミニウム質焼結体によって形成してもよく、あるいはマグネシウムを含有しない窒化アルミニウム質焼結体によって形成しても良い。このサセプター１０Ａの背面８側に、熱遮蔽部２８が設けられている。熱遮蔽部２８は、チャンバーの外壁３０に対してＯリング２９を介して取り付けられている。熱遮蔽部２８の中央には中空部２８ａが設けられており、外壁３０にも貫通孔３０ａが設けられており、中空部２８ａと貫通孔３０ａとが連通しており、これらの中に電線が収容されている。サセプターの耐蝕面２側の空間３２にはハロゲン系腐食性ガスが流され、チャンバー外壁３０の外側空間３１は通常は大気にさらされている。

（実施例５５）イソプロピルアルコール中に、所定量の還元窒化法により得られた窒化アルミニウム粉末と、炭素換算で０．０５重量％のフェノール樹脂と、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒し、造粒顆粒を得た。図８に示すように、造粒顆粒中に、実施例４９に示したモリブデン製のコイル状の抵抗発熱体７および電極９を埋設し、造粒顆粒を一軸加圧成形し、サセプターの円盤状成形体を得た。

また、イソプロピルアルコール中に、所定量の還元窒化法により得られた窒化アルミニウム粉末と、ＭｇＯを１０．０重量％と、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒し、造粒顆粒を得た。この造粒顆粒をサセプターの成形体と積層し、一軸加圧成形し、熱遮蔽部２８とサセプターとの積層成形体を得た。

この成形体をホットプレス型中に収容し、密封した。昇温速度３００℃／時間で温度を上昇させ、この際、室温〜１０００℃の温度範囲で減圧を行った。この温度の上昇と同時に、圧力を上昇させた。最高温度を２０００℃とし、最高温度で４時間保持し、ホットプレス圧力を２００ｋｇｆ／ｃｍ^２とし、窒素雰囲気下で焼成し、焼結体を得た。この焼結体を機械加工し、さらに仕上加工して保持装置を得た。基体の直径φ２４０ｍｍとし、厚さを１８ｍｍとし、抵抗発熱体と加熱面との間隔を６ｍｍとした。また、熱遮蔽部２８の厚さは２０ｍｍとした。後述する回路の端子作製のため、熱遮蔽部２８の中央に直径φ５０ｍｍの中空部２８ａを設けた。熱遮蔽部２８の背面側には、Ｏリングの溝を形成した。

抵抗発熱体８に電力を供給し、Ｏリングが耐熱限界の２００℃に達した時、加熱面２は３５０℃であった。

（比較例５６）実施例５５と同様にして、図８に示すような形態の半導体保持装置を作製した。ただし、比較例５６においては、熱遮蔽部を作製する際には、サセプターと同じように、還元窒化法により得られた窒化アルミニウム粉末と、炭素換算で０．０５重量％のフェノール樹脂と、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒し、この造粒顆粒を使用した。

ヒーターに入力し、Ｏリング部が耐熱限界の２００℃に達した時、ヒーター加熱面２は２３０℃であった。

（比較例５７）実施例５５と同様にして、図８に示すような形態の半導体保持装置を作製した。熱遮蔽部を作製する際には、市販の平均粒径２μｍの窒化ケイ素粉末と、２．０重量％のＭｇＯと、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒した造粒顆粒を使用した。また、ホットプレス焼成温度は１８００℃とした。

ホットプレス焼成後、サセプターと熱遮蔽部とが分離し、一体のヒーターを作製できなかった。窒化アルミニウムと窒化ケイ素との熱膨脹差によるものと推察される。従って、本発明によれば、優れた熱遮蔽性を有する窒化アルミニウムヒーターを提供でき、かつヒーターのチャンバーへの搭載が容易である。

図９は、本発明の他の実施形態に係る半導体保持装置を概略的に示す断面図である。ただし、図８に示したものと同じ部分には同じ符号を付け、その説明は省略する。本例では、熱遮蔽部２８Ａとサセプター１０Ａの背面８との間には、例えばモリブデン製のリング状のスペーサー３４が介在している。スペーサー３４と背面８、およびスペーサー３４と熱遮蔽部２８Ａとの間は、それぞれ接着層３５によって接着されている。

（実施例５８）図９に示すような形態の半導体保持装置を作製した。具体的には、イソプロピルアルコール中に、所定量の還元窒化法により得られた窒化アルミニウム粉末と、炭素換算で０．０５重量％のフェノール樹脂と、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒し、造粒顆粒を得た。造粒顆粒中に、実施例４９に示したモリブデン製のコイル状の抵抗発熱体７および電極９を埋設し、一軸加圧成形することによって、サセプター１０Ａの成形体を得た。

この成形体をホットプレス型中に収容し、密封した。昇温速度３００℃／時間で温度を上昇させ、この際、室温〜１０００℃の温度範囲で減圧を行った。この温度の上昇と同時に、圧力を上昇させた。最高温度を１８００℃とし、最高温度で４時間保持し、ホットプレス圧力を２００ｋｇｆ／ｃｍ^２とし、窒素雰囲気下で焼成し、焼結体を得た。この焼結体を機械加工し、さらに仕上加工してサセプター１０Ａを得た。サセプターの直径φを２４０ｍｍとし、厚さを１８ｍｍとした。

これとは別に、イソプロピルアルコール中に、所定量の還元窒化法により得られた窒化アルミニウム粉末と、ＭｇＯを１０．０重量％と、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒し、造粒顆粒を得た。

この造粒顆粒を一軸加圧成形し、成形体を作製し、ホットプレス型中に収容し、密封した。最高温度が２０００℃であること以外は、サセプター１０Ａと同じ条件で焼成し、焼結体を得た。この焼結体を機械加工し、さらに仕上げ加工して、外径φ２４０ｍｍ、内径φ５０ｍｍ、厚さ２０ｍｍの熱遮蔽部２８Ａを得た。ただし、熱遮蔽部２８Ａの片面には、Ｏリング用の溝を形成した。

サセプターと熱遮蔽部を、窒化アルミニウムに熱膨張の近いモリブデン製のリング（外径φ２２０ｍｍ、幅５ｍｍ、厚さ１ｍｍ）を介して、市販のＡｌロウを用い、６１０℃で真空中で熱処理することにより接合し、図９の半導体保持装置を得た。

抵抗発熱体に電力を供給し、Ｏリングが耐熱限界の２００℃に達した時、ヒーター加熱面は３４０℃であった。

（比較例５９、６０）実施例５８と同様にして半導体保持装置を作製した。ただし、比較例５９においては、熱遮蔽部の原料はサセプターと同じにした。

比較例６０においては、熱遮蔽部２８Ａとしては、市販の平均粒径２μｍの窒化ケイ素と、２．０重量％のＭｇＯと、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒した造粒顆粒を使った。ただし、ホットプレス焼成温度は１８００℃であった。

比較例５９においては、抵抗発熱体に電力を供給し、Ｏリングが耐熱限界の２００℃に達した時、ヒーター加熱面は２３０℃であった。

比較例６０においては、ロウ付け後、主にサセプター側が破壊され、半導体保持装置を作製できなかった。窒化アルミニウムと窒化ケイ素の熱膨脹差により、相対的に強度が低い窒化アルミニウムが破壊したものと推察される。

また、本発明の半導体保持装置は、サセプターの背面に設けられており、サセプターをその背面側から支持する支持部材を備えている。図１０は、この実施形態に係る半導体保持装置を概略的に示す断面図である。

サセプター１０Ａの背面８に、支持管４４が設けられている。支持管４４は、本体４４ｃと、本体４４ｃの一方の端部に設けられているフランジ部４４ａと、本体の反対側の端部に設けられているフランジ部４４ｄとを備えている。本体４４ｃからフランジ部４４ａへと向かって、徐々に直径が大きくなるように拡径部４４ｂが設けられている。支持管４４のフランジ部４４ａが、サセプターの背面に対して接合されている。

（実施例６１）図１０に示す形態の半導体保持装置を作製した。ただし、イソプロピルアルコール中に、所定量の還元窒化法により得られた窒化アルミニウム粉末と、炭素換算で０．０５重量％のフェノール樹脂と、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒し、造粒顆粒を得た。造粒顆粒中に、実施例４９に示したモリブデン製のコイル状の抵抗発熱体７および電極９を埋設し、一軸加圧成形し、図１０に示す形態の成形体を得た。

この成形体を、ホットプレス型中に収容し、密封した。昇温速度３００℃／時間で温度を上昇させ、この際、室温〜１０００℃の温度範囲で減圧を行った。この温度の上昇と同時に圧力を上昇させた。最高温度を１８００℃とし、最高温度で４時間保持し、ホットプレス圧力を２００ｋｇｆ／ｃｍ^２とし、窒素雰囲気下で焼成し、焼結体を得た。この焼結体を機械加工し、さらに仕上加工してサセプターを得た。サセプターの直径は２４０ｍｍとし、厚さを１８ｍｍとした。

これとは別に、イソプロピルアルコール中に、所定量の還元窒化法により得られた窒化アルミニウム粉末と、ＭｇＯを１０．０重量％と、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒し、造粒顆粒を得た。この造粒顆粒を一軸加圧成形し、成形体を作製し、ホットプレス型中に収容し、密封した。最高温度が２０００℃であること以外は、サセプターと同じ条件で焼成し、焼結体を得た。この焼結体を機械加工し、さらに仕上げ加工して、図１０に示す支持部材（支持管）４４を作製した。支持管の本体４４ｃの肉厚を２．５−３．５ｍｍとし、外径は３５ｍｍとした。フランジ部４４ａの外径を５０ｍｍとし、厚さを４ｍｍとした。フランジ部４４ｄの外径を５０ｍｍとし、厚さを８ｍｍとした。また、フランジ部４４ｄの端面には、Ｏリング用の溝を施した。

サセプターと支持管を、接合すべき部分に予めニッケルでメッキを施しておき、市販の市販のＡｌロウを用い、６１０℃真空中で熱処理することにより、組立接合し、図１０の半導体保持装置を得た。

抵抗発熱体７に電力を供給し、Ｏリングが耐熱限界の２００℃に達した時、ヒーター加熱面は６５０℃であった。

（比較例６２、６３）実施例６１と同様にして、半導体保持装置を作製した。ただし、比較例６２においては、支持管４４を、基体と同じ原料から作製した。

比較例６３においては、支持管の材料として、市販の平均粒径２μｍの窒化ケイ素と、２．０重量％のＭｇＯと、アクリル系樹脂バインダーを適量添加し、ポットミルで混合後、噴霧造粒装置によって乾燥造粒した造粒顆粒を使った。ただし、ホットプレス焼成温度は１８００℃であった。

比較例６２においては、抵抗発熱体に電力を供給し、Ｏリングが耐熱限界の２００℃に達した時、ヒーター加熱面は４２０℃であった。

比較例６３においては、ロウ付け後、主にサセプター基体側が破壊され、サセプターを作製できなかった。窒化アルミニウムと窒化ケイ素の熱膨脹差により、相対的に強度が低い窒化アルミニウムが破壊したものと推察される。

（ａ）、（ｂ）、（ｃ）は、それぞれ、本発明の耐蝕性部材を示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る金属埋設品１０Ａを概略的に示す断面図である。 図２の金属埋設品１０Ａにおける抵抗発熱体７の埋設パターンを示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る金属埋設品１０Ｂを概略的に示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る金属埋設品１０Ｃを概略的に示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る金属埋設品１０Ｄを概略的に示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る金属埋設品１０Ｅを概略的に示す断面図である。 本発明の一実施形態に係る半導体保持装置を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る半導体保持装置を概略的に示す断面図である。 本発明の更に他の実施形態に係る半導体保持装置を概略的に示す断面図である。

符号の説明

１Ａ、１Ｂ、１Ｃ、１７ 耐蝕性部材，２ 加熱面（耐蝕面），３、５、２１、２３ 基体，４、６、２２、２４ 表面層，７ 抵抗発熱体，８背面，９ 電極，１０Ａ、１０Ｂ、１０Ｃ、１０Ｄ、１０Ｅ 金属埋設品，１１ 高周波電源，２０、２６ 高抵抗層（中間層）

Claims (34)

1. 窒化アルミニウムを主成分とし、窒化アルミニウム結晶の多結晶構造を有しており、マグネシウムを含有していることを特徴とする、窒化アルミニウム質焼結体。
2. マグネシウムを酸化物換算で０．１重量％以上含有してい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焼結体。
3. ７００℃における体積抵抗率が１×１０^７Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする、請求項１又は２記載の窒化アルミニウム質焼結体。
4. 熱伝導率が８０Ｗ／ｍ・Ｋ以下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窒化アルミニウム質焼結体。
5. マグネシウムの少なくとも一部が前記窒化アルミニウム結晶に固溶しており、Ｘ線回折により、実質的に構成相が窒化アルミニウム単相と見なされ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焼結体。
6. マグネシウムを除く金属不純物量が６００ｐｐｍ以下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窒化アルミニウム質焼結体。
7. 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、耐蝕性部材。
8. 前記耐蝕性部材が前記窒化アルミニウム質焼結体からなることを特徴とする、請求項７記載の耐蝕性部材。
9. 前記耐蝕性部材が、基体と、この基体の表面の少なくとも一部を覆う表面層とを備えており、前記基体が、前記窒化アルミニウム質焼結体からなることを特徴とする、請求項７記載の耐蝕性部材。
10. 前記耐蝕性部材が、基体と、この基体の表面の少なくとも一部を覆う表面層とを備えており、前記表面層が、前記窒化アルミニウム質焼結体からなることを特徴とする、請求項７記載の耐蝕性部材。
11. 前記基体の全表面が前記表面層によって被覆されていることを特徴とする、請求項１０記載の耐蝕性部材。
12. 耐蝕性部材と、この耐蝕性部材中に埋設されている金属部材とを備えている金属埋設品であって、前記耐蝕性部材の少なくとも一部が、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焼結体によって構成されていることを特徴とする、金属埋設品。
13. 前記耐蝕性部材中に、前記金属部材として抵抗発熱体が埋設されており、前記耐蝕性部材に加熱面が設けられていることを特徴とする、請求項１２記載の金属埋設品。
14. 前記金属部材として前記抵抗発熱体に加えて電極が埋設されており、前記抵抗発熱体と前記加熱面との間に前記電極が設けられていることを特徴とする、請求項１３記載の金属埋設品。
15. 前記電極が、静電チャック電極と高周波発生用電極との少なくとも一方として機能することを特徴とする、請求項１４記載の金属埋設品。
16. 前記耐蝕性部材が前記窒化アルミニウム質焼結体からなることを特徴とする、請求項１２−１５のいずれか一つの請求項に記載の記載の金属埋設品。
17. 前記抵抗発熱体と前記電極との間に高抵抗層が介在しており、この高抵抗層が前記窒化アルミニウム質焼結体からなることを特徴とする、請求項１４または１５記載の金属埋設品。
18. 前記金属部材が、前記窒化アルミニウム質焼結体からなる中間層中に埋設されていることを特徴とする、請求項１２−１５のいずれか一つの請求項に記載の金属埋設品。
19. 前記電極が前記中間層中に埋設されていることを特徴とする、請求項１８記載の金属埋設品。
20. 前記耐蝕性部材が、基体と、この基体の表面の少なくとも一部を覆う表面層とを備えており、前記表面層が前記窒化アルミニウム質焼結体からなることを特徴とする、請求項１２−１５のいずれか一つの請求項に記載の金属埋設品。
21. 前記基体が窒化アルミニウムからなることを特徴とする、請求項２０記載の金属埋設品。
22. 前記耐蝕性部材が、基体と、この基体の表面の少なくとも一部を覆う表面層とを備えており、前記基体が前記窒化アルミニウム質焼結体からなることを特徴とする、請求項１２−１５のいずれか一つの請求項に記載の金属埋設品。
23. 前記表面層が窒化アルミニウムからなることを特徴とする、請求項２２記載の金属埋設品。
24. 前記基体と前記表面層が一体焼結されていることを特徴とする、請求項２０−２３のいずれか一つの請求項に記載の金属埋設品。
25. 前記抵抗発熱体および前記電極が前記基体中に埋設されていることを特徴とする、請求項２０−２４のいずれか一つの請求項に記載の金属埋設品。
26. 前記抵抗発熱体が前記基体中に埋設されており、前記電極が前記表面層中に埋設されていることを特徴とする、請求項２０−２４のいずれか一つの請求項に記載の金属埋設品。
27. 半導体を保持する保持装置であって、ハロゲンガスプラズマに曝される耐蝕面と背面とを備えるサセプターと、前記サセプターの前記背面に設けられており、前記サセプターからの熱流を制限する熱遮蔽部とを備えており、前記熱遮蔽部の少なくとも一部が、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焼結体によって構成されていることを特徴とする、半導体保持装置。
28. 前記サセプターが窒化アルミニウムからなることを特徴とする、請求項２７記載の半導体保持装置。
29. 前記サセプターと前記熱遮蔽部が一体焼結されていることを特徴とする、請求項２７または２８記載の半導体保持装置。
30. 半導体を保持する保持装置であって、ハロゲンガスプラズマに曝される耐蝕面と背面とを備えるサセプターと、前記サセプターの前記背面に設けられており、前記サセプターを前記背面側から支持する支持部材とを備えており、前記支持部材の少なくとも一部が、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焼結体からなることを特徴とする、半導体保持装置。
31. 半導体を保持する保持装置であって、ハロゲンガスプラズマに曝される耐蝕面と背面とを備えるサセプターを備えており、前記サセプターが、請求項７−１１のいずれか一つの請求項に記載の耐蝕性部材からなることを特徴とする、半導体保持装置。
32. 半導体を保持する保持装置であって、ハロゲンガスプラズマに曝される耐蝕面と背面とを備えるサセプターを備えており、前記サセプターが、請求項１２−２６のいずれか一つの請求項に記載の金属埋設品からなることを特徴とする、半導体保持装置。
33. 前記サセプターの前記背面に設けられており、前記サセプターからの熱流を制限する熱遮蔽部を備えていることを特徴とする、請求項３１または３２記載の半導体保持装置。
34. 前記サセプターの前記背面に設けられており、前記サセプターを前記背面側から支持する支持部材を備えていることを特徴とする、請求項３１または３２記載の半導体保持装置。

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