JP5832213B2

JP5832213B2 - 半導体製造装置用部材

Info

Publication number: JP5832213B2
Application number: JP2011209298A
Authority: JP
Inventors: 佐藤　政宏; 政宏佐藤
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2011-09-26
Filing date: 2011-09-26
Publication date: 2015-12-16
Anticipated expiration: 2031-09-26
Also published as: JP2013067547A

Description

本発明は、耐水性、冷却性能に優れた窒化アルミニウム焼結体を基材とする、真空チャンバーの壁材、高周波透過窓、クランプリング、リフトピン、あるいは半導体ウエハを保持する静電チャック、ヒータ、サセプターの如き半導体製造装置用部材およびその製造方法に関するものである。

窒化アルミニウムは熱伝導率が高く、かつ優れた電気絶縁性をもつことから、エレクトロニクスデバイスの放熱材料、基板材料、各種半導体製造装置用材料等として注目されている。

しかし、窒化アルミニウムは耐水性が悪いなどその不安定性から使用範囲が限定されていた。例えば、半導体製造装置用部材はこれを冷却するために冷却水と接触させる場合があるが、窒化アルミニウムの不安定性から半導体製造装置用部材の基材としてそのまま用いるのは困難であった。この不安定性に対し、窒化アルミニウム質基体の表面にアルミナなどの安定層（被膜）を設けることにより、水との反応を抑制することが試みられている（特許文献１を参照）。

特開平２−８３２８５号公報

しかしながら、窒化アルミニウム質基体の表面にアルミナ被膜をつけた半導体製造装置用部材は、アルミナ被膜の水との濡れ性が悪く、水を使って冷却するときの冷却効率が悪いことから、十分な性能が得られないという問題があった。また、通常アルミナ被膜を窒化アルミニウム質基体の表面に形成するには８００℃以上の高温下で行う必要があるため、熱膨張差により界面にクラックが発生しやすくなって、密着強度が低く信頼性にかけるという問題があった。

本発明は上記の事情に鑑みてなされたもので、冷却効率が良好で、密着強度が高く信頼性に優れた半導体製造装置用部材およびその製造方法を提供することを目的とする。

本発明の半導体製造装置用部材は、窒化アルミニウム質基体の表面に水酸化アルミニウムからなる被膜が設けられているとともに、前記窒化アルミニウム質基体と前記被膜との間にアルミナからなる中間層が設けられていることを特徴とするものである。

本発明によれば、水酸化アルミニウムからなる被膜（水酸化アルミニウム膜）は水分との濡れ性がいいので、水酸化アルミニウム膜から窒化アルミニウム質基体への伝熱が良くなり、冷却効率が良好な半導体製造装置用部材を実現できる。

本発明の半導体製造装置用部材についての実施の形態の一例を示す概略断面図である。本発明の半導体製造装置用部材についての実施の形態の他の例を示す概略断面図である。本発明の半導体製造装置用部材についての実施の形態の他の例を示す概略断面図である。本発明の半導体製造装置用部材についての実施の形態の他の例を示す概略断面図である。本発明の半導体製造装置用部材についての実施の形態の他の例を示す概略断面図である。本発明の半導体製造装置用部材についての実施の形態の他の例を示す概略断面図である。

以下、本発明の半導体製造装置用部材の実施の形態の一例を図面に基づいて説明する。

図１は本発明の半導体製造装置用部材について実施の形態の一例を示す概略断面図、図２は本発明の半導体製造装置用部材についての実施の形態の他の例を示す概略断面図であり、図１および図２に示す半導体製造装置用部材は、窒化アルミニウム質基体１の表面に水酸化アルミニウムからなる被膜２が設けられている。

窒化アルミニウム質基体１は、熱伝導率が高く優れた電気絶縁性を有する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とするセラミックスで例えば円板状、矩形板状などに形成されたものである。この窒化アルミニウム質基体１は、主成分である窒化アルミニウム以外に２０質量％以下の割合で希土類酸化物などの焼結助剤成分を含んでいてもよい。また、円板状の場合の厚さは例えば１〜５０ｍｍで、直径は例えば１０〜５００ｍｍである。なお、窒化アルミニウム質基体１の形状はここに挙げられた形状に限定されず、本発明には用途に応じた種々の形状が含まれる。

そして、窒化アルミニウム質基体１の表面には水酸化アルミニウムからなる被膜（水酸化アルミニウム膜２）が設けられている。この水酸化アルミニウム膜２は、例えば半導体製造装置用部材を冷却するために冷却水と接触する表面に設けられ、例えば厚さ２〜１００μｍに形成される。なお、冷却するために半導体製造装置用部材を冷却水と接触させるのは、放熱や均熱化のためであり、熱膨張による寸法変化を抑制するためである。

この構成によれば、水酸化アルミニウム膜２は水分との濡れ性がいいので、冷却効率が高い。したがって、半導体製造装置用部材としての冷却効率が良くなる。

また、水酸化アルミニウム膜２は低温で窒化アルミニウム質基体１の表面に生成させることによって設けることができる。これにより、１００ＭＰａ以下の残留応力とすることができ、水酸化アルミニウム膜２と窒化アルミニウム質基体１との界面へのクラックの発生が抑制された密着性のよい被膜とすることができる。したがって、長期間の使用が可能な信頼性に優れた半導体製造装置用部材とすることができる。

ここで、被膜（水酸化アルミニウム膜２）を形成する水酸化アルミニウム結晶粒子の平均粒径は、窒化アルミニウム質基体１を形成する窒化アルミニウム結晶粒子の平均粒径の０．５倍以上であるのが好ましい。このような関係にあることで、水酸化アルミニウム結晶粒子と窒化アルミニウム結晶粒子との接触面積が増える。また、窒化アルミニウム質基体１の粒界などに食い込み、アンカー効果で密着強度が上がるため、長期間の使用が可能となる。なお、水酸化アルミニウム結晶粒子の平均粒径の上限については、窒化アルミニウム結晶粒子の平均粒径の１０倍以下程度である。水酸化アルミニウム結晶粒子の平均粒
径は、製品断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、任意の線分間に含まれる粒子の数と粒子に含まれる線分の長さを測定し、この長さの合計距離を粒子数で割ることによって求めたものである。また、窒化アルミニウム結晶粒子の平均粒径も同様に、製品断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察し、任意の線分間に含まれる粒子の数と粒子に含まれる線分の長さを測定し、この長さの合計距離を粒子数で割ることによって求めたものである。

また、図３に示すように、被膜（水酸化アルミニウム膜２）を形成する水酸化アルミニウム結晶粒子は、［００１］方向に配向していることが好ましい。このように配向していることにより、Ａｌ（ＯＨ）_３とＡｌＮとの間やＡｌ（ＯＨ）_３間における格子の整合性がよくなり、隙間も減少する。そのため、窒化アルミニウム質基体１の水分との接触は少なくなり、反応も抑えられる。

また、図４に示すように、窒化アルミニウム質基体１の表面に凹凸が設けられていて、この凹凸が設けられた表面に被膜（水酸化アルミニウム膜２）が設けられているのが好ましい。これにより、窒化アルミニウム質基体１と水酸化アルミニウム膜２との接触面積が広くなり、水酸化アルミニウム膜２からより広い面積で窒化アルミニウム質基体１へ伝熱できるために冷却効率がさらに向上する。なお、窒化アルミニウム質基体１の表面の凹凸としては、表面粗さＲａが０．１〜５μｍの範囲であることが好ましい。

また、被膜（水酸化アルミニウム膜２）の表面に凹凸を設けることも好ましい。これにより、冷却水との接触面積が大きくなり、また冷却水に乱流を生じさせて広範囲の冷却水に伝熱できるためさらに冷却効率が向上する。なお、水酸化アルミニウム膜２の表面の凹凸としては、窒化アルミニウム質基体１の凹凸の影響を受けて形成された凹凸であってもよく、窒化アルミニウム質基体１の表面が平坦であって水酸化アルミニウム膜２の表面のみが凹凸になっているものでもよい。表面粗さＲａは、０．１〜５μｍの範囲であることが好ましい。

さらに、図５に示すように、窒化アルミニウム質基体１と被膜（水酸化アルミニウム膜２）との間に中間層を設けることもできる。ここで、中間層としては、例えば窒化アルミニウム質基体１と水酸化アルミニウム膜２のいずれとも密着性がよく熱伝達性に優れるアルミナなどからなり、厚み２〜１００μｍとされた層である。これにより、密着性と冷却効率とを向上させることができる。

半導体製造装置用部材は、窒化アルミニウム質基体１の表面全体に水酸化アルミニウムからなる被膜（水酸化アルミニウム膜２）が形成された構成の他に、例えば図６に示すように、窒化アルミニウム質基体１の内部に冷却水用通路が設けられ、窒化アルミニウム質基体１の表面の一部である当該冷却水用通路の壁面に水酸化アルミニウム膜２が形成された構成であってもよい。このような構成であっても、冷却水と接触する窒化アルミニウム質基体１の表面には水酸化アルミニウム膜２が設けられているので、窒化アルミニウム質基体１と水との反応は抑制される。

また、図示しないが、窒化アルミニウム質基体１の内部には白金、タングステンなどの金属からなる導体が埋設されていてもよく、本発明には電極あるいは抵抗体として導体が埋設された静電チャックやヒータなども含まれる。

次に、本発明の実施の形態の一例の半導体製造装置用部材１の製造方法について説明する。

まず、アルカリ金属、重金属、希土類金属等の如き不純物金属量が１０００ｐｐｍ以下
であるような好ましくは高純度の窒化アルミニウム粉末を用意する。そして、この窒化アルミニウム粉末に対し、アルミナやシリカ、希土類酸化物などの焼結助剤を適宜添加する。混合にはボールミルなどの一般的な方法で混合する。さらに、この混合原料に対してバインダーを添加し、溶剤を用いて均一に混合し、乾燥後、篩にかけて造粒粉を製作する。

次に、この造粒粉を型内に充填して一軸加圧成形法や等加圧成形法にて所定の形状に成形して成形体を作製する。鋳込成形法やドクターブレード法などのテープ成形等を用いても良い。このとき、成形体に切削加工を施しても良い。

しかるのち、成形体を窒素雰囲気中もしくは大気中で脱脂し、次いで窒素雰囲気中１８００℃以上好ましくは１９００℃以上の温度にて焼結する。このときのガス圧は０．５ＭＰａ以上が好ましい。ここで、焼成温度を１８００℃以上としたのは、１８００℃未満であると緻密化が充分に促進させず、相対密度が９５％より低くなって焼結体中に気孔が多数存在することになるため、耐蝕性に劣るからである。また、ガス圧を０．５ＭＰａ以上とするのは、緻密化促進の点で効果的であるからである。

次に、焼結体を所望の形状に加工した後、室温（２５℃）〜１００℃好ましくは４０〜７０℃の水中に２〜１００時間浸漬させる。１００℃までの温度で水に浸漬させるのは、１００℃以上では水酸化アルミニウムの生成が急激になり、窒化アルミニウム質基体との密着強度が弱くなるためである。

ここで、被膜を形成する水酸化アルミニウム結晶粒子の平均粒径が窒化アルミニウム質基体を形成する窒化アルミニウム結晶粒子の平均粒径の０．５倍以上であったり、被膜を形成する水酸化アルミニウム結晶粒子が［００１］方向に配向したりするために、１００Ｐａ以下好ましくは５０Ｐａ以下の真空中で５００〜８００℃好ましくは６００〜８００℃にて０．５時間〜１０時間好ましくは２〜８時間保持した後、室温（２５℃）〜１００℃好ましくは４０〜７０℃の水中に２〜１００時間浸漬させるのがよい。真空度が低いもしくは真空での処理温度が低い、時間が短いと焼結体の表面に付着物が残り、粒径の大きい水酸化アルミニウムの膜が生成しにくくなるためである。

また、窒化アルミニウム質基体の表面または被膜の表面に凹凸が設けられた構成とするには、サンドブラストなどで表面を荒らせばよい。

また、窒化アルミニウム質基体と被膜との間に中間層が設けられた構成とするには、ＣＶＤ、ＰＶＤなどの方法でアルミナなどの膜を蒸着させればよい。

また、窒化アルミニウム質基体の内部に導体が埋設された構成とするには、例えばペースト状導体材料の印刷されたセラミックグリーンシートとペースト状導体材料の印刷されていないセラミックグリーンシートとを重ねて積層して、上述のように焼成すればよい。

以上述べた製造方法によれば、窒化アルミニウム質基体１の表面に水酸化アルミニウムからなる被膜（水酸化アルミニウム膜２）が設けられた半導体製造装置用部材を得ることができる。

本発明の半導体製造装置用部材の実施例について以下に説明する。

出発原料として、アルミナ還元窒化法により製造された平均粒径１．５μｍ、酸素含有量０．８％、炭素含有量３００ｐｐｍの窒化アルミニウム粉末を用いた。そして、この窒化アルミニウム粉末に対して焼結助剤を加えずに、有機系のバインダーと溶剤を混ぜて混
合したあと、６０℃で乾燥させて造粒粉を製作した。

次に、この造粒粉を型内に充填して１ｔｏｎ／ｃｍ^２の成形圧にて円板状に成形し、しかるのち、窒素雰囲気中で脱脂し、次いで１９００℃で２時間かけて焼成して、半径５０ｍｍ、厚み１０ｍｍの円板状の焼結体（窒化アルミニウム質基体）を作製した。

その後、焼結体の表面を研削加工したのち、焼結体の表面全体に水酸化アルミニウム膜を生成させた（試料１〜５）。

具体的には、試料１として、焼結体を真空処理せずに、５０℃の温水中に２４時間浸漬した。なお、水酸化アルミニウム膜の厚みは１０μｍであった。

また、試料２として、焼結体を５０Ｐａの真空中８００℃にて５時間保持し、その後、５０℃の温水中に２４時間浸漬した。なお、水酸化アルミニウム膜の厚みは１０μｍであった。

また、試料３として、焼結体の表面をサンドブラストで荒らした後、５０Ｐａの真空中８００℃にて５時間保持し、その後、５０℃の温水中に２４時間浸漬した。なお、水酸化アルミニウム膜の厚みは１０μｍであった。

また、試料４として、焼結体を５０Ｐａの真空中８００℃にて５時間保持し、その後、５０℃の温水中に２４時間浸漬した。なお、水酸化アルミニウム膜の厚みは１０μｍであり、水酸化アルミニウム膜の表面はサンドブラストで荒らした。

また、試料５として、焼結体の表面全体にＣＶＤで厚み１μｍのアルミナ層（中間層）を形成した。さらに、焼結体を５０Ｐａの真空中８００℃にて５時間保持し、その後、５０℃の温水中に２４時間浸漬した。なお、水酸化アルミニウム膜の厚みは１０μｍであった。

また、比較のため、試料６として、焼結体の表面全体にＣＶＤで厚み１０μｍのアルミナ層を形成した。

それぞれのサンプルについて、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）により表面組織の水酸化アルミニウム結晶粒子の平均粒径が窒化アルミニウム結晶粒子の平均粒径の何倍かを確認するとともに、表面をＸＲＤ（Ｘ線回折）で観察した。

また、室温で純水中に１週間浸漬させて、重量変化率を測定した。そして、１００℃まで加熱したサンプルに熱電対を貼り付け、２５℃の流水を１Ｌ/分の流速であてて３０℃
までサンプル温度が低下するまでの時間を測定した。さらに、それぞれのサンプルについて、ダイヤモンド切断砥石にてサンプルを切断し、断面をＳＥＭにより観察し、クラックの発生状況を確認した。その結果を表１に示す。

表１に示すように、本発明の試料１〜５の半導体製造装置用部材では、クラックの発生が抑制され、冷却効率が良好であることがわかった。特に、表面に粒径の大きな水酸化アルミニウム結晶粒子が生成しているとともに［００１］方向に配向している試料２〜５の半導体製造装置用部材は、純水に浸漬させても重量変化は小さいことがわかった。

これに対し、試料６の半導体製造装置用部材では、表面全体にクラックが発生していることが確認され、また冷却効率が悪いことが確認された。

１：窒化アルミニウム質基体
２：水酸化アルミニウム膜
３：中間層
４：冷却水

Claims

窒化アルミニウム質基体の表面に水酸化アルミニウムからなる被膜が設けられているとともに、前記窒化アルミニウム質基体と前記被膜との間にアルミナからなる中間層が設けられていることを特徴とする半導体製造装置用部材。
前記被膜を形成する水酸化アルミニウム結晶粒子の平均粒径は、前記窒化アルミニウム質基体を形成する窒化アルミニウム結晶粒子の平均粒径の０．５倍以上であることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置用部材。
前記被膜を形成する水酸化アルミニウム結晶粒子は、［００１］方向に配向していることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置用部材。
前記窒化アルミニウム質基体の表面に凹凸が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置用部材。
前記被膜の表面に凹凸が設けられていることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置用部材。
窒化アルミニウム質基体の内部に導体が埋設されていることを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置用部材。