JP6462484B2 - セラミック板 - Google Patents

Description

本発明は、半導体集積回路の製造工程または液晶表示装置の製造工程等において用いられるセラミック板に関するものである。

半導体製造装置用部品として用いられるセラミック板として、例えば、特許文献１に記載の半導体製造装置用ガスシャワー体が知られている。特許文献１に記載の半導体製造装置用ガスシャワー体は、複数の貫通孔を有するセラミックス焼結体基材と、セラミックス焼結体基材の内部に形成されたプラズマ発生用の導電層とを備えている。

特開２００１−２７４１０３号公報

しかしながら、特許文献１に記載の半導体製造装置用ガスシャワー体においては、貫通孔に反応ガス（ガス）を導入したときに、ガスが貫通孔の内周面にぶつかることによって、貫通孔の内面の表面からセラミック板を構成するセラミックスの成分が微粒子として脱落する場合があった。そのため、セラミックスの微粒子が半導体ウエハ等の表面に異物として付着してしまうおそれがあった。その結果、例えば、半導体ウエハ上に成膜を行なう際に欠陥が生じてしまうおそれがあった。

また、セラミック成分の微粒子が脱落することを防ぐために、セラミック板の表面の全体（主面および貫通孔の表面を含む）を滑らかになるように加工する手段も考えられる。しかしながら、セラミックス板の一方の主面側において表面を滑らかにしすぎてしまうと、セラミック板の表面にガスが偏って吹きつけられた場合に、この偏りが維持されたまま貫通孔にガスが導入されてしまう。そのため、貫通孔からガスを噴出するときにガスの量に偏りが生じてしまうおそれがあった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであり、その目的は、セラミック板を構成するセラミックスの成分が微粒子として脱落することを抑制しつつ、噴出されるガスの量をより均一にすることである。

本発明の一態様のセラミック板は、両主面に開口する複数の貫通孔を有し、該貫通孔の一方の主面側からガスが導入されるとともに他方の主面側からガスが噴出されて用いられるセラミック板であって、該セラミック板の前記一方の主面よりも前記複数の貫通孔の内面の方が表面が滑らかであって、前記貫通孔の内面の表面を見たときに、前記一方の主面側における結晶の平均粒径が前記他方の主面側における結晶の平均粒径よりも大きいことを特徴とする。

本発明の一態様のセラミック板によれば、貫通孔の内面の表面が滑らかになっている。これにより、貫通孔にガスを導入したときに貫通孔の内面の表面近傍を流れるガスの流れをスムーズにすることができる。これにより、貫通孔の内面の表面からセラミックスの微粒子を脱落させてしまうことを抑制できる。

さらに、ガスが導入される側の一方の主面側の表面を貫通孔の内面の表面よりも滑らか
でないようにしておくことによって、一方の主面においてガスの流れを乱すことができる。これにより、ガスを分散させやすくすることができるので、貫通孔のそれぞれにガスをより均一に導入させることができる。その結果、貫通孔からガスをより均一に噴出できる。

本発明の一実施形態のセラミック板を示す断面図である。 図１に示したセラミック板を主面に平行な面で切った断面図である。 図１に示したセラミック板をガスシャワー体として用いるときの模式図である。 セラミック板の変形例を示す断面図である。 セラミック板の変形例を示す断面図である。 （ａ）セラミック板の貫通孔の表面の様子を示す顕微鏡写真である。（ｂ）セラミック板の主面の様子を示す顕微鏡写真である。

以下、本発明の一実施形態に係るセラミック板１０について、図面を参照して詳細に説明する。

図１に示すように、本発明の一実施形態のセラミック板１０は、セラミック体１とセラミック体１の内部に設けられた内部電極２と、内部電極２に接続されたリード端子３とを備えている。本実施形態におけるセラミック板１０は、半導体製造装置用のガスシャワー体として用いられる。ガスシャワー体は、シリコンウエハの表面にガスを均一に吹き込ませるために用いられる。

セラミック体１は、例えば円板状の部材である。図１に示すように、セラミック体１は両主面に開口する複数の貫通孔４を有している。貫通孔４は、ガスを通過させるために設けられている。具体的には、セラミック体１の一方の主面側（上面側）からガスを導入すると、セラミック体１の貫通孔４を通ってガスがセラミック体１の他方の主面側（下面側）から噴出される。図２に示すように、貫通孔４をセラミック体１に多数分布させておくことによって、セラミック体１の表面に噴出するガスの量や位置を調整することができる。セラミック体１は、例えば、窒化アルミニウムセラミックス等のセラミックス材料から成る。セラミック体１は、例えば、セラミックグリーンシートを積層して、焼結することによって作製できる。セラミックス材料としては、特に、窒化アルミニウムが好ましい。窒化アルミニウムを用いることによって、熱伝導に優れるとともにプラズマ環境下における耐腐食性に優れるセラミック体１とすることができる。

セラミック体１は、例えば、以下の寸法に設定できる。具体的には、直径を３００〜５００ｍｍ、厚みを３〜１５ｍｍに設定できる。また、貫通孔４は、例えば、１０〜２０ｍｍ程度の間隔を開けてほぼ全体に均等に分布させることができる。

内部電極２は、プラズマを発生させるための電極である。内部電極２は、セラミック体１の内部にセラミック体１の上下面に沿って広範囲に設けられている。内部電極２は、貫通孔４の壁面に露出することが無いように貫通孔４と間隔を開けて形成されている。具体的には、例えば、貫通孔４が円形状の場合には、内部電極２は、貫通孔４よりも径が大きく中心が貫通孔４の中心と同一となる円形の非形成部を有する。

内部電極２は、例えば、タングステン等の金属材料から成る。内部電極２は、セラミック体１をセラミックグリーンシートの積層によって形成する際に、一部のセラミックグリーンシートの表面に内部電極２の原料となるペースとを印刷するとともに、セラミックグ
リーンシートとともに焼結することによって作製できる。内部電極２は、以下の寸法に設定できる。具体的には、外周部分の直径を２９０〜４９０ｍｍ、厚みを３０〜５０μｍに設定できる。貫通孔４とは、例えば、１．５〜２．５ｍｍの間隔を開けて形成される。

シャワーヘッドとしてセラミック板１０を用いる際には、図３に示すように、あわせて試料保持具８を用いる。試料保持具８は、例えば、セラミック材料から成り、上面において半導体ウエハ等の試料９を保持する。試料保持具の内部には、上面に沿ってプラズマ発生用の電極１１が設けられている。内部電極２とプラズマ発生用の電極１１との間に高周波の電圧を印加すると、内部電極２とプラズマ発生用の電極１１との間に電界が生じる。このとき、セラミック板１０の貫通孔４を通って噴出されたガスが半導体ウエハ上に供給されると、電界によってガスが励起されてプラズマが発生する。このようにして形成されたガスプラズマによって、半導体ウエハの表面上で所定の膜形成またはエッチングを行なうことができる。

本実施形態のセラミック板１０においては、セラミック板１０（セラミック体１）の一方の主面（上面）よりも複数の貫通孔４の内面の方が表面が滑らかになっている。これにより、貫通孔４にガスを導入したときに貫通孔４の内面の表面近傍を流れるガスの流れをスムーズにすることができる。これにより、貫通孔４の内面の表面からセラミックスの微粒子を脱落させてしまうことを抑制できる。そのため、セラミックスの微粒子が半導体ウエハ等の表面に異物として付着してしまうおそれを低減できる。その結果、例えば、半導体ウエハ上に成膜を行なう際に欠陥が生じてしまうおそれを低減できる。

さらに、ガスが導入される側の一方の主面側の表面を貫通孔４の内面の表面よりも滑らかでないようにしておくことによって、一方の主面においてガスの流れを乱すことができる。これにより、ガスを分散させやすくすることができるので、貫通孔４のそれぞれにガスをより均一に導入させることができる。

なお、ここでいう「表面が滑らか」とは、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）等で表面を観察したときに、角部が多い形状よりも丸みを帯びた形状に近い様子を意味している。

さらに、図４に示すように、複数の貫通孔４のそれぞれの径が、一方の主面側よりも他方の主面側の方が大きいことが好ましい。これにより、１つ１つの貫通孔４から噴出されるガスをより広範囲に拡散させることができる。そのため、貫通孔４の径が一定である場合と比較して、セラミック体１０に設ける貫通孔４の数を抑えることができる。そのため、セラミック体１０の強度を向上させることができる。貫通孔４の寸法としては、例えば、一方の主面側の径を０．１〜２ｍｍに、他方の主面側の径を０．１５〜２．０５ｍｍに設定できる。

さらに、図５に示すように、複数の貫通孔４が一方の主面側から他方の主面側に向かって外周側に向けて少なくとも一部が傾斜して分布していることが好ましい。一般的に、貫通孔４から噴出されたガスは貫通孔の径よりも広がりながら、例えば、半導体ウエハに到達する。そのため、セラミック体１の全体に一様に貫通孔４を設けた場合には、半導体ウエハのうち、中心側においてはガスが相対的に多くなるとともに、外周側においてはガスが相対的に少なくなるおそれがあった。ここで、図５に示すように、貫通孔４を他方の主面側に向かって外周側に向けて傾斜させておくことによって、貫通孔４が傾いていない場合と比較して、半導体ウエハの外周側にガスを多く供給することができる。その結果、貫通孔４が傾斜していない場合と比較して、半導体ウエハの表面に到達するガスの量を均一に近づけることができる。貫通孔４の傾斜角度は、セラミック板１０（セラミック体１）の一方の主面に対する垂線を基準とした場合に、例えば、０．１〜１°に設定できる。

特に、貫通孔４の傾斜が、外周側に位置する貫通孔４ほど大きくなっていることが好ましい。これにより、半導体ウエハの中心側にガスを供給しつつ、外周側により多くのガスを供給することができる。その結果、半導体ウエハの表面に到達するガスの量をより均一に近づけることができる。

本実施形態のセラミック板１０においては、セラミック体１の内部に内部電極２が設けられていたが、これに限られない。具体的には、セラミック板１０の内部に内部電極２が設けられておらず、別の外部装置にプラズマを発生させるための電極が設けられていてもよい。

また、貫通孔４の表面を見たときに、部分的に針状結晶が存在しているとともに、針状結晶は貫通孔４の周方向よりも上下方向（貫通孔４の貫通方向）に伸びている割合が高いことが好ましい。具体的には、表面を観察したときに、貫通方向に対して傾斜が４５度未満の粒子を上下方向に伸びていると見なすことができ、貫通方向に対して傾斜が４５度以上の粒子を上下方向ではなく周方向に伸びていると見なすことができる。これにより、針状結晶がガスの流れに沿うようになるので、ガスが吹きつけられることによって針状結晶が脱落してしまうことを抑制できる。具体的には、セラミック体１を焼成するときに原料の一部が貫通孔４の表面に析出してしまう場合がある。このとき、例えば、焼成前のセラミック体１の貫通孔４に貫通方向に沿った微細な溝を形成しておくことによって、析出する結晶の伸びている方向を制御することができる。原料の一部が析出してしまう例としては、例えば、窒化アルミニウムを主成分とするセラミック体１を焼成するときに、微小なアルミナを加える場合を挙げられる。このとき、高温でセラミック体１を焼成することによって、アルミナがＡｌＯＮとして析出する。

また、貫通孔４の内面の表面を見たときに、一方の主面側における結晶の平均粒径を他方の主面側における結晶の平均粒径よりも大きくしてもよい。このように、貫通孔４のうちガスが導入される側の貫通孔４の内面の表面の平均結晶粒径を大きくしておくことによって、ガスを貫通孔４の表面に吹き付けたときに、貫通孔４の表面から微粒子が脱落してしまうことを抑制できる。また、他方の主面側における平均結晶粒径を小さくしておくことによって、貫通孔４からガスが噴出されるときに、貫通孔４の表面の形状に起因するガスの射出方向の偏り等を低減でき、スムーズにガスを噴出することができる。

結晶の平均粒径は、走査型電子顕微鏡または金属顕微鏡を用いて表面を観察することによって求めることができる。具体的には、走査型電子顕微鏡または金属顕微鏡によって得られた画像に、任意の５本の直線を引く。そして、この５本の直線を横切った粒子１０個分の距離の平均値を求める。この平均値を粒子の数である１０で割ることによって、平均粒径を求めることができる。また、画像解析装置（ニレコ社製：ＬＵＺＥＸ−ＦＳ）を用いて平均粒径を算出してもよい。

上述のセラミック板１０の製造方法を説明する。なお、セラミック体１に窒化アルミニウムセラミックスを用いた場合を例に説明するが、アルミナセラミックス等の他のセラミック材料の場合であっても同様の方法で製造することができる。

まず、主原料となる窒化アルミニウム粉末と微量の焼結助剤とを、ウレタンまたはナイロン等の樹脂で内張りを施したボールミル中に投入し、イオン交換水または有機溶媒等の溶媒および金属またはセラミックス体から成るボールと共に２４〜７２時間の湿式粉砕混合を行なう。

こうして粉砕混合した原料スラリー中に、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラールまたはアクリル樹脂等の有機バインダおよび可塑剤ならびに消泡剤を添加して、さらに
２４〜４８時間の混合を行なう。混合された有機−無機混合スラリーをドクターブレード法、カレンダーロール法、プレス成形法または押し出し成形法等によって、厚さ２０μｍ〜２０ｍｍのセラミックグリーンシートに成形する。

そして、セラミック体１を形成するセラミックグリーンシートに内部電極２を形成するためのペースト状電極材料を印刷成形する。ペースト状電極材料としては、白金、タングステン、モリブデン等を用いることができる。

このとき、貫通孔４に対応する箇所にはペース状電極材料を印刷しないようにレジスト等を用いる。

次に、セラミック体１における所定の位置に内部電極２が形成されるように、ペースト状電極材料が印刷されていないセラミックグリーンシートとペースト状電極が印刷されたセラミックグリーンシートとを積層する。ここで、積層されたセラミックグリーンシート同士を密着させるために、例えば、熱板を用いた加圧プレスを行う。具体的には、グリーンシートに混合された有機バインダおよび可塑剤を適正な配分とし、グリーンシート積層体と熱板の間に適正な粘弾塑性による変形性を有する緩衝材を挿入して、さらに適正な温度と圧力と保持時間で加圧する。

次に、得られた積層体にガス穴として複数の貫通孔４を形成する。例えば、マシニングセンターで所望の形状、配置で穴を形成する。

次に、得られた積層体を所定の温度および所定の雰囲気中にて焼成する。ここで、貫通孔４の内面の表面を滑らかにする方法として、温度を２０００℃で、１０気圧の窒素雰囲気中で２４時間以上の焼成を行なう。これにより貫通孔４の内面の表面を滑らかにすることができる。そして、焼成後のセラミック体１の主面をマシニングセンター、ロータリー加工機または円筒研削盤を用いて所定の形状に加工する。さらに面を所定の平面度および表面粗さに加工する。以上のようにして、貫通孔４の内面の表面をセラミック板の主面よりも滑らかにすることができる。なお、貫通孔４の内面の表面のうち、一方の主面側の平均結晶粒径を大きくしたり、一方の主面側の針状結晶を少なくしたりするためには、例えば、貫通孔４の一方の主面側の温度を他方の主面側の温度よりも高くなるように加熱すればよい。

図６は、上述の製法で実際に作製したセラミック板１０を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）で観察した様子を示している。図６（ａ）に示すように、貫通孔４の内面の表面は、それぞれの粒子の表面が、角部が取れた丸みを帯びた形状になっている。反対に、図６（ｂ）に示すように、セラミック板１０の表面は、それぞれの粒子が角部を有する形状になっている。すなわち、貫通孔４の内面の表面がセラミック板１０の主面よりも滑らかであることが確認できる。

１：セラミック体
２：内部電極
３：リード端子
４：貫通孔
１０：セラミック板

Claims (4)

1. 両主面に開口する複数の貫通孔を有し、該貫通孔の一方の主面側からガスが導入されるとともに他方の主面側からガスが噴出されて用いられるセラミック板であって、該セラミック板の前記一方の主面よりも前記複数の貫通孔の内面の方が表面が滑らかであって、前記貫通孔の内面の表面を見たときに、前記一方の主面側における結晶の平均粒径が前記他方の主面側における結晶の平均粒径よりも大きいことを特徴とするセラミック板。
2. 前記複数の貫通孔のそれぞれの径が、前記一方の主面側よりも前記他方の主面側の方が大きいことを特徴とする請求項１に記載のセラミック板。
3. 前記複数の貫通孔が、前記一方の主面側から前記他方の主面側に向かって外周側に向けて少なくとも一部が傾斜して分布していることを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセラミック板。
4. 前記貫通孔の傾斜が、外周側に位置する貫通孔ほど大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載のセラミック板。