JP3036367B2 - アルミナ磁器組成物 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はアルミナ磁器組成物に関
し、より詳細にはラジオ周波数（ＲＦ）帯域やマイクロ
波帯域（以下、単に高周波帯域と記す）におけるＱ値が
高く、これらの周波数帯域で動作する種々の装置の機械
部材や回路基板等として用られるアルミナ磁器組成物に
関する。

【０００２】

【従来の技術】アルミナ磁器は、耐熱性に優れ、機械的
強度も大きく、化学的にも安定な絶縁材料であるため、
スパークプラグや回路基板等の電気絶縁性を必要とする
セラミックス材料として汎用されている。また、アルミ
ナ磁器は誘電損失が比較的小さいため、プラズマ処理装
置のマイクロ波導入窓材料や試料保持用治具としても使
用されている。以下、プラズマ処理装置のマイクロ波導
入窓材料として使用されるアルミナ磁器を例にとって、
その特性を説明する。

【０００３】前記プラズマ処理装置とは、真空近くに減
圧した容器内に反応ガスとマイクロ波を導入し、ガス放
電を起こさせてプラズマを生成させ、このプラズマを基
板表面に導いてエッチングやレジスト除去（アッシン
グ）、ＣＶＤ（Chemical VaporDeposition）等の処理
（以下、前記種々の処理を含めてプラズマ処理とも記
す）を行わせる装置をいう。このプラズマ処理装置は、
基板等に低温で効率良くプラズマ処理を施すことがで
き、エッチング深さ等の制御も比較的簡単であり、かつ
半導体基板等にダメージを与える虞れが少ないので、最
近では、高集積半導体装置等の製造において欠くことが
できないものとなっている。

【０００４】図１はこの種のプラズマ処理装置の一例を
模式的に示した断面図であり、図中、１１は中空直方体
形状の反応容器を示している。この反応容器１１はステ
ンレス等の金属を用いて形成され、その周囲壁は二重構
造となっており、その内部は冷却水流通室１８となって
いる。そして、装置の作動中はこの冷却水流通室１８に
冷却水が流通して反応容器１１の周囲が冷却される。

【０００５】反応容器１１の上部はプラズマ生成室２０
となっており、プラズマ生成室２０の上部はマイクロ波
の透過性を有し、誘電損失が比較的小さく、かつ耐熱性
を有するアルミナ磁器等の誘電体板を用いて形成された
マイクロ波導入窓２２によって気密状態に封止されてい
る。プラズマ生成室２０の下方にはメッシュ構造の仕切
り板１７を介して反応室２１が形成されており、反応室
２１内にはマイクロ波導入窓２２と対向する位置に試料
Ｓを載置するための試料台２３が配設されている。また
反応室２１の下部壁には図示しない排気装置に接続され
た排気口１４が形成されており、プラズマ生成室２０の
一側壁には反応容器１１内に所要の反応ガスを供給する
ためのガス供給管１３が接続されている。

【０００６】一方、反応容器１１の上方には誘電体線路
１２が配設されており、誘電体線路１２の上部にはアル
ミニウム（Ａｌ）等を用いて形成された金属板１２ａが
配設され、金属板１２ａ下面には誘電体層１２ｂがボル
ト等で固定されている。この誘電体層１２ｂは誘電損失
の小さいフッ素樹脂、ポリエチレンあるいはポリスチレ
ン等を用いて形成されている。誘電体線路１２には導波
管１５を介してマイクロ波発振器１６が連結されてお
り、マイクロ波発振器１６からのマイクロ波が導波管１
５を介して誘電体線路１２に導入されるようになってい
る。

【０００７】このように構成されたプラズマ処理装置を
用い、例えば試料台２３上に載置された試料Ｓ表面にプ
ラズマ処理を施す場合、まず排気口１４から排気を行な
って反応容器１１内を所要の真空度に設定した後、ガス
供給管１３からプラズマ生成室２０内にＣｌ₂ 、ＨＢ
ｒ、Ｏ₂ 等の反応ガスを供給する。また装置の作動中
は、冷却水を冷却水流通室１８に流して反応容器１１周
辺を冷却する。次いで、マイクロ波発振器１６を作動さ
せてマイクロ波を発振させ、このマイクロ波を導波管１
５を介して誘電体線路１２に導入する。これにより誘電
体線路１２下方に電界が形成され、形成された電界がマ
イクロ波導入窓２２を通過してプラズマ生成室２０内に
導入される。一方、ガス供給管１３から供給されたガス
は、プラズマ生成室２０内に導入され、マイクロ波の照
射によりプラズマ化される。このプラズマのうち電気的
に中性のラジカルが主にメッシュ状の仕切り板１７を透
過して反応室２１内に均一に広がり、試料台２３に載置
された試料Ｓ表面に到達してプラズマ処理が行なわれ
る。

【０００８】上記のように構成されたプラズマ処理装置
においては、プラズマ処理を行う反応容器１１内を気密
に封止し、かつマイクロ波を反応容器１１内に導入する
ために、アルミナ磁器製のマイクロ波導入窓２２が使用
されている。このマイクロ波導入窓２２に要求される特
性としては、上述のようにマイクロ波を効率よく透過す
ること、プラズマに対して安定であること、耐熱衝撃に
優れること等が挙げられる。

【０００９】プラズマに対する安定性に関しては、シリ
コン酸化膜をエッチングする際に用いられるＣＦ₄ やＣ
₃ Ｆ₈ 等のフッ化物系ガスのプラズマに対する安定性が
問題となる。石英ガラスをマイクロ波導入窓２２として
用いた場合には、これらのフッ化物系ガスのプラズマに
より侵食されるという問題点があるが、アルミナ磁器は
これらフッ化物系のガスプラズマに対する耐食性に優れ
るという利点を有している。しかし、通常の製造方法に
より得られたアルミナ磁器は、誘電損失が十分低いとは
言えず、マイクロ波がマイクロ波導入窓２２を通過する
際に誘電損失が生じ、この誘電損失に起因してマイクロ
波導入窓２２の内部に熱が発生する。このため、前記誘
電損失による熱と反応容器１１内部からの熱によりマイ
クロ波導入窓２２の温度が上昇して熱応力が発生し、長
期間使用しないうちに破損に至るという課題があった。

【００１０】さらに、この誘電損失による発熱に起因し
て、反応容器１１内で発生したプラズマが安定せず、試
料Ｓのエッチングを行う際のエッチング速度が不安定に
なるという課題もあった。

【００１１】このような誘電損失を低下させるアルミナ
製磁器材料として、例えば特開平４−３５６９２２号公
報には、マイクロ波を透過させる性質を有し、かつプラ
ズマ放電雰囲気において使用されるプラズマ放電部材
で、アルカリ金属（Ｎａ₂ Ｏ、Ｋ₂ Ｏ）の総含有量が１
５０ｐｐｍ以下で、誘電損失（ｔａｎδ）が１×１０^-4
〜１×１０^-3、すなわちＱ値が１０００〜１００００の
高純度多結晶アルミナ又は高純度単結晶アルミナからな
るプラズマ放電部材が開示されている。

【００１２】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、前記公
報に開示されたプラズマ放電部材では依然としてＱ値が
不十分であり、このプラズマ放電部材をマイクロ波導入
窓として使用した場合には誘電損失に起因した発熱が生
じ、試料Ｓにエッチング処理を施す場合のエッチング速
度が安定しなかったり、長時間使用しないうちにマイク
ロ波導入窓に破損が生ずるという課題を解決することが
できなかった。このような誘電損失は、アルミナ磁器を
高周波回路基板等として用いた場合にも、信号の伝送損
失として問題となる。

【００１３】本発明はこのような課題に鑑みなされたも
のであり、高周波帯域において高いＱ値を有し、高周波
帯域の電磁波を浴びる環境下に置かれても発熱等を生じ
ることのない、プラズマ処理装置のマイクロ波導入窓等
の用途に適したアルミナ磁器組成物を提供することを目
的としている。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に本発明に係るアルミナ磁器組成物は、Na及びＫの含有
量がＮａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ換算の総量で100ppm以下、Mgの
含有量がMgO 換算で1000〜50000ppmの範囲内で、残部が
アルミナ及び不可避不純物からなり、Ｑ値が10000 以上
であることを特徴としている。

【００１５】

【作用】本発明者は、高周波帯域におけるアルミナ磁器
の誘電特性に関し、種々の不純物、添加物の影響を調査
したところ、アルミナ磁器中に含まれるＮａとＫ等のア
ルカリ金属の他に、アルミナの焼結性を向上させるため
に添加される焼結助剤であるＭｇの含有量が一定の範囲
内にある場合にＱ値が大きくなることを見出した。すな
わち、アルカリ金属であるＮａとＫとは、アルミナ磁器
の誘電損失を増加させるため、その含有量をできるだけ
少なくする必要があり、少なくともＮａ₂Ｏ及びＫ₂ Ｏ
換算でその総量が１００ｐｐｍ以下にする必要がある。
しかし、前記アルカリ金属の含有量が微量であっても、
Ｍｇの含有量がＭｇＯ換算で１００ｐｐｍを超え１００
０ｐｐｍ未満であると、アルミナ磁器のＱ値が小さくな
ってしまう。しかし、前記アルカリ金属の含有量が１０
０ｐｐｍ以下で、かつＭｇの含有量がＭｇＯ換算で１０
０ｐｐｍ以下、あるいは１０００〜５００００ｐｐｍの
範囲にあるときは、Ｑ値は１００００以上と非常に高い
値にあることがわかった。

【００１６】アルカリ金属不純物の含有量が増えるに従
いＱ値が低下するのは、焼成によりアルミナ磁器中のア
ルカリ金属とアルミナが反応してイオン伝導性を示すβ
−アルミナ構造の化合物を生成し、あるいはアルミナ磁
器の粒界ガラス相中にアルカリ金属が偏析し、このため
に粒界層がイオン伝導性を有し、その結果、アルミナ磁
器中に存在する前記イオン伝導性の相が誘電損失の主原
因となり、Ｑ値が小さくなるものと考えられる。

【００１７】一方、アルミナ磁器中のMgO 含有量に対す
るＱ値の変化の理由は明らかではないが、以下のような
反応が生じるためではないかと推定される。すなわちMg
O 含有量が1000ppm 以下の範囲ではMgO がアルミナ中に
固溶するが、Mgの価数は２価であるため、アルミナ中に
酸素欠陥が生成する。この酸素欠陥は固溶量の増加に伴
って多くなるため、誘電損失が増加してＱ値が小さくな
る。一方、MgO の含有量が1000ppm を超えるとアルミナ
とマグネシウムとの化合物であるスピネルが優先的に生
成するようになり、MgO の固溶による酸素欠陥の生成を
抑制するため再びＱ値は増加する。しかしMgO の添加量
が50000ppm(5wt％) を超えると本来アルミナよりもＱ値
の小さいスピネル相の含有量が多くなるので、再びＱ値
が小さくなるものと考えられる。

【００１８】本発明に係るアルミナ磁器組成物中の不可
避不純物としては、例えばＳｉ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｔｉ等が
挙げられ、この不純物の含有量はいずれも５００ｐｐｍ
以下である。これら不純物が５００ｐｐｍ以下であれ
ば、Ｑ値に与える影響は極めて小さい。

【００１９】

【実施例及び比較例】以下、本発明に係るアルミナ磁器
組成物の実施例を説明する。

【００２０】ＫとＮａの総量が下記の表１に示した値を
有する高純度アルミナ粉末（アルミナ純度 ９９．９ｗ
ｔ％、平均粒径０．４μｍ）に、焼結助剤としてＭｇＯ
（ＭｇＯ純度 ９９．９ｗｔ％、平均粒径０．３μｍ）
を表１に示す種々の含有量になるように添加し、さらに
有機バインダーと水とを加えて混合することによりスラ
リー状にし、これをスプレ−ドライヤ−により乾燥させ
て造粒した。この造粒粉末を金型に充填して、直径２０
ｍｍ、厚さ７ｍｍのペレット形状に成形した後、さらに
アイソスタチックプレスにより１．２ｔｏｎ／ｃｍ² の
圧力で成形した。次に、この成形体を大気中１５００〜
１６５０℃の温度で焼成してアルミナ磁器組成物の製造
を完了した。

【００２１】得られたアルミナ磁器組成物の誘電特性の
評価は、ネットワークアナライザを用い、誘電体共振器
法により９ＧＨｚの周波数で測定した。また、アルミナ
磁器組成物中のアルカリ金属の含有量及びＭｇＯの含有
量は、原子吸光分析法及びＩＣＰ発光分光分析法により
分析した。

【００２２】アルミナ磁器組成物中のＭｇＯ含有量、Ｋ
及びＮａの総含有量、アルミナ磁器組成物の密度、比誘
電率（ε_r ）及びＱ値を下記の表１に示している。

【００２３】

【表１】

【００２４】上記表１の結果からも明らかなように、実
施例に係るアルミナ磁器組成物、すなわちNa及びＫの含
有量がNa₂O及びK₂O 換算の総量で100ppm以下であり、か
つMgの含有量がMgO 換算で1000〜50000ppmの範囲内のも
のは、Ｑ値が10000 以上と非常に大きく、比誘電率 (ε
_r ) も一定範囲の値を示している。

【００２５】一方、比較例１〜４に係るアルミナ磁器組
成物では、アルカリ金属の総量が１５ｐｐｍであるにも
拘らず、Ｑ値が１００００以下と小さくなっている。ま
た、比較例７〜１０に係るアルミナ磁器組成物では、Ｍ
ｇＯの含有量が３０００ｐｐｍであるが、アルカリ金属
の総量が１２０ｐｐｍ以上であるため、やはりＱ値が８
３００以下と小さくなっている。

【００２６】次に、参考例３、実施例１、３、９の場合
に用いた造粒粉末と同様の造粒粉末を金型に充填して40
0 mm×400 mm×30mmのプレート形状の成形体を作製し、
さらにアイソスタチックプレスにより1.2ton/cm²の圧力
で成形した。次に、このプレート形状の成形体を、大気
中1500〜1650℃の温度で焼成して板状の焼結体を製造し
た。

【００２７】また、比較例４、５、７の場合に用いた造
粒粉末と同様の造粒粉末を用いて、上記の場合と同様に
板状の成形体を作製し、焼成して板状のアルミナ焼結体
を得た。

【００２８】この板状のアルミナ焼結体を図１に示した
プラズマ処理装置のマイクロ波導入窓２２として実際に
使用し、Ｓｉウエハの上にレジストが形成された試料Ｓ
のアッシング処理を行い、その耐久性についての評価を
行った。

【００２９】アッシング処理は、Ｏ₂ ＋Ｎ₂ の混合ガス
をガス種として用い、ガスの流量比をＯ₂ ：Ｎ₂ ＝１
９：１に設定し、また反応器１１内の圧力を１Ｔｏｒ
ｒ、ガス流量を１ｓｌｍ（standard liter per minute)
に設定して、混合ガスを反応器１１内に流通させること
により行った。また、このときのマイクロ波パワーは
１．４ｋＷに設定し、１枚のＳｉウエハを処理するため
に、１０分間マイクロ波パワーの印加を行った。このよ
うな条件によるＳｉウエハのアッシング処理を繰り返し
て行い、マイクロ波導入窓２２に破損が生じるかどうか
を観察した。結果を下記の表２に示している。

【００３０】

【表２】

【００３１】上記表２の結果より明らかなように、実施
例に係るアルミナ磁器組成物からなる板状体をマイクロ
波導入窓２２として使用した場合、ウエハ処理として厳
しい条件である１０分間プロセスでＳｉウエハを２５枚
処理しても割損は生じず、耐久性に優れていることが証
明された。また、前記のアッシング処理過程でプロセス
性能には変化がみられず、安定した性能でアッシング処
理を行うことができた。

【００３２】一方比較例に係るアルミナ磁器組成物から
なる板状体をマイクロ波導入窓２２として使用した場
合、Ｓｉウエハを処理した枚数が実施例の場合よりずっ
と少ない段階でマイクロ波導入窓の割損が生じ、実施例
と比較して耐久性に劣ることがわかった。

【００３３】

【発明の効果】以上詳述したように本発明に係るアルミ
ナ磁器組成物においては、Na及びＫの含有量がNa₂O及び
K₂O 換算の総量で100ppm以下、Mgの含有量がMgO 換算で
1000〜50000ppmの範囲内で、残部がアルミナ及び不可避
不純物からなるので、高周波帯域で高いＱ値を有し、高
周波帯易の電磁波を浴びる環境下に置かれても発熱等の
生じることのない、プラズマ処理装置のマイクロ波導入
窓等の用途に適したアルミナ磁器組成物を提供すること
ができる。

【００３４】また、本発明に係るアルミナ磁器組成物
は、マイクロ波用誘電体共振器、マイクロ波集積回路基
板、パッケージ等高Ｑ値が要求される電気通信分野にお
いても好適な材料として使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】プラズマ処理装置の一例を模式的に示した断面
図である。

Claims (1)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 Na及びＫの含有量がＮａ₂ＯおよびＫ₂Ｏ
   換算の総量で100ppm以下、Mgの含有量がMgO 換算で1000
   〜50000ppmの範囲内で、残部がアルミナ及び不可避不純
   物からなり、Ｑ値が10000 以上であることを特徴とする
   アルミナ磁器組成物。