JP7249827B2

JP7249827B2 - 電極埋設部材の製造方法

Info

Publication number: JP7249827B2
Application number: JP2019049656A
Authority: JP
Inventors: 誠檜野; 裕明鈴木
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2019-03-18
Filing date: 2019-03-18
Publication date: 2023-03-31
Anticipated expiration: 2039-03-18
Also published as: JP2020155449A

Description

本発明は、基体に電極が埋設された電極埋設部材の製造方法に関する。

半導体製造装置において、ウエハなどの基板を表面に保持する静電チャックや、表面に載置された基板を加熱するヒータ、サセプタなどは、セラミックスからなる基体の内部に電極が埋設された電極埋設部材を備えている。

特にヒータに備わる電極埋設部材においては、発熱体として機能する電極（ヒータ電極）を、Ｍｏ（モリブデン）又はＷ（タングステン）からなる網目状体（メッシュ体）を所定の形状に切断したものからなるとすることが多い。

そして、特許文献１には、静電チャックの内部電極を網状の電極（金網状電極）として、その厚み方向に加圧して塑性変形させることにより、大きな吸着力を安定して発現させることが開示されている。また、特許文献２には、発熱体として機能する電極がＭｏ、Ｗなどからなる網状物が圧延加工されたものからなることが開示されている。

さらに、特許文献３には、Ｍｏ線棒材を、非酸化雰囲気で９００℃から１２００℃に加熱することによって、表面の酸化物を除去し、所望のアスペクト比を備える結晶粒とその数、並びに引張強さ、伸び、折り曲げ回数を確保することが開示されている。

特許３３５９５８２号公報特開平１１－２０４２３８号公報特許５０６８９８６号公報

例えば、上記従来のような網目状体からなら電極を発熱体として機能させ、電極埋設部材をヒータとして構成する場合、ヒータ特性の個体差が大きく、所望の温度分布が得られないことがあった。

発明者は、この原因が、電極の線材の交差部分における不安定な接触状態、交差部分における線材の局所的な過度な変形、及び、電極全体に亘る屈曲などの変形であることを見い出した。

線材の交差部分における不安定な接触状態を解消するためには、上記特許文献１，２を参照して、電極の厚み方向に大きな圧力を加えればよい。しかし、これによって、交差部分における線材の局所的な過度な変形、さらには線材にクラックなどが生じ断線するおそれが生じる。

本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであり、網目状体からなる電極の特性の安定化を図ることが可能となる電極埋設部材の製造方法を提供することを目的とする。

本発明は、セラミックスからなる基体と、前記基体の内部に埋設された網目状体からなる電極とを備える電極埋設部材の製造方法であって、モリブデン、タングステン又はこれらを主成分とする合金からなる線材が織られてなる網目状体を９００℃以上、前記線材の再結晶化温度未満の温度で還元雰囲気にて熱処理する工程と、前記熱処理する工程の後、前記網目状体を前記電極の形状に裁断する工程と、前記基体となるセラミックス粉末中、前記セラミックス粉末を成形してなるセラミックス成形体中、前記セラミックス成形体を脱脂してなる脱脂体中、あるいは前記セラミックス成形体又は前記脱脂体を仮焼してなる仮焼体中に前記熱処理及び前記裁断した網目状体を埋設した状態で、前記網目状体を前記再結晶化温度以上の温度で加熱する工程とを備えることを特徴とする。

本発明によれば、網目状体を９００℃以上、線材の再結晶化温度未満の温度で還元雰囲気にて熱処理することにより、電極埋設部材における電極の特性の安定化を図ることが可能となる。

これは、発明者が後述する実施例及び比較例に基づき見出したものであり、その理由は定かではないが、再結晶化温度より低い温度で熱処理した結果、微細構造を大幅に変化させることなく（再結晶化に比較して相対的な変化が大幅に小さい）、主として線材を織る際に生じた残留応力の一部が、焼きなましや焼きならしと同様に除去されるからであると考えられる。

さらに、還元雰囲気にて網目状体を熱処理することにより網目状体を構成する線材同士の接点に形成されていた自然酸化被膜が還元される。これにより、線材同士の接触抵抗が小さくなり網目状体の面内の抵抗分布が安定化する。また、熱処理後の網目状体は歪みが取り除かれ平坦な形状となるため、熱処理後に網目状体の裁断を行う場合には高い寸法精度で所望の形状の電極を得ることが可能となる。一方、網目状体の裁断後に熱処理を行う場合には、裁断時の加工歪の除去を行うことが可能となる。

なお、熱処理温度が９００℃未満では網目状体の残留応力が十分に除去されず、熱処理温度が再結晶化温度では再結晶化が進行して網目状体が脆弱化するおそれが生じる。さらに、網目状体を構成する線材同士の接点における自然酸化被膜が十分に除去されず、面内の抵抗分布が不安定になるおそれが生じる。

本発明において、前記熱処理した網目状体を厚さ方向に押圧する工程を備え、前記押圧された網目状体を前記セラミックス粉末中、前記セラミックス成形体中、前記脱脂体中又は前記仮焼体中に埋設した状態で前記加熱を行うことが好ましい。

また、本発明において、前記網目状体を前記熱処理すると同時に当該網目状体を厚さ方向に押圧することが好ましい。

これらの場合、網目状体の線材の接触状態の安定化、線材の局所的な過度の変形の緩和化、及び、網目状体全体に亘る変形や歪みの抑制化をさらに図ることが可能となる。その結果、電極の特性が安定化する。

また、本発明において、前記加熱後の前記線材におけるモリブデン又はタングステンの平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。

この場合、平均粒径が１００μｍ以下と小さく粗大粒径化していないので、電極の線材の接触状態における接触抵抗の均一化をさらに図ることが可能となる。

また、本発明において、前記押圧前の前記線材の断面が直径ｄの円状であるとき、前記裁断した網目状体の前記線材の交差部分における厚みが１．９５ｄ以下となるように前記押圧を行うことが好ましい。

この場合、後述する実施例及び比較例から分かるように、線材の交差部分における安定化をさらに図ることが可能となる。

本発明の実施形態に係る電極埋設部材の製造方法によって製造される電極埋設部材を示す模式断面図。本発明の実施形態に係る電極埋設部材の製造方法を示すフローチャート。電極埋設部材の電極の拡大模式部分断面図。

本発明の実施形態に係る電極埋設部材１０の製造方法について図面を参照して説明する。なお、各図面は、電極埋設部材１０及び構成要素などを明確化するためにデフォルメされており、実際の比率を表すものではなく、上下などの方向も単なる例示である。

本発明の実施形態に係る電極埋設部材１０の製造方法によって製造される電極埋設部材１０は、図１に示すように、セラミックスからなる基体１と、基体１の内部に埋設された網目状体からなる電極２とを備えている。電極埋設部材１０は、例えば半導体製造装置におけるヒータに用いられ、この場合、電極２はヒータ用電極として機能する。

ただし、電極埋設部材１０は、ヒータに用いられるものに限定されず、静電チャック、サセプタなどに用いられるものであってもよく、この場合、電極２は静電吸着電極、高周波発生用電極などとして機能する。また、電極埋設部材１０に複数の電極２が埋設されていてもよく、そして、これら複数の電極２は同様に機能するものであっても、異なる機能を有するものであってもよい。

本製造方法は、図２に示すように、電極熱処理工程ＳＴＥＰ１、電極押圧工程ＳＴＥＰ２、電極裁断工程ＳＴＥＰ３及び焼成工程ＳＴＥＰ４を備えている。

電極熱処理工程ＳＴＥＰ１は、Ｍｏ（モリブデン）、Ｗ（タングステン）又はこれらを主成分とする合金からなる線材が織られてなる網目状体を９００℃以上、線材の再結晶化温度未満の温度で還元雰囲気にて熱処理する工程である。還元雰囲気は、例えば、Ｈ_２（水素）、ＣＯ（一酸化炭素）、ＣＨ_４（メタン）、Ｃ_３Ｈ_８（プロパン）、Ｃ_４Ｈ_１０（ブタン）等の炭化水素ガスなどからなる雰囲気である。なお、Ｍｏ、Ｗを主成分とする合金とは、一般的にＭｏとＷとの合計含有率が５０重量％以上のものを指すが、好ましくは７０重量％以上のもの、より好ましくは８０重量％以上のものである。

Ｍｏ及びＭｏ合金の再結晶化温度は、約１０００℃から１２００℃であるが、例えばＭｏにＴｉ（チタン）、ジルコニア（ＺｒＯ_２）及びＣ（カーボン）をドーピングしたＴＺＭ合金の再結晶化温度は約１３００℃である。そして、Ｗ及びＷ合金の再結晶化温度は、Ｍｏ及びＭｏ合金よりも高い。よって、電極熱処理工程ＳＴＥＰ１においては、網目状体を９００℃以上１２００℃以下、好ましくは、９００℃以上１０００℃以下で熱処理すればよい。

網目状体は、平織からなるものであることが好ましいが、他の織り方によるもの、例えば、綾織、畳織、綾畳織などからなるものであってもよい。

発明者は、後述する実施例及び比較例に基づき、網目状体を９００℃以上、線材の再結晶化温度未満の温度で還元雰囲気にて熱処理することにより、電極埋設部材１０における電極２の特性の安定化を図ることが可能となることを見い出した。

その理由は定かではないが、再結晶化温度より低い温度で熱処理した結果、微細構造を大幅に変化させることなく（再結晶化に比較して相対的な変化が大幅に小さい）、主として織りこむときに生じた残留応力の一部が除去されるからであると考えられる。なお、熱処理温度が９００℃未満では網目状体の残留応力が十分に除去されず、熱処理温度が再結晶化温度では再結晶化が進行して網目状体が脆弱化するおそれがある。また、熱処理された網目状体は変形や歪みが小さく、後述の電極裁断工程ＳＴＥＰ３において網目状体を高い寸法精度で所望の電極２の形状に裁断することが可能になったためであると考えられる。

電極押圧工程ＳＴＥＰ２は、熱処理した網目状体を厚さ方向に押圧する工程である。このように、熱処理した網目状体を厚さ方向に押圧することによって、線材の交差部分において線材同士が確実に広範囲に亘って接触するようになるので、線材の接触状態の安定化をさらに図ることが可能となる。

図３を参照して、押圧前の線材の断面が直径ｄの円状であるとき、裁断した網目状体の線材の交差部分における厚みｔが１．９５ｄ以下となるように押圧を行うことが好ましい。これにより、後述する実施例及び比較例から分かるように、線材の交差部分における安定化をさらに図ることが可能となる。押圧する際には、重石を載せる方法や一軸プレスする方法を用いることができる。

なお、押圧前の線材の断面とは、交差部分間において交差によって断面が変形していない部分における線材の断面のことであり、織り込まれる前の線材の断面を意味する。なお、線材の断面は、円状である場合に限らず、実質的又は大略的に円状であっても、楕円状、あるいは六角形、八角形等の高多角形状であってもよい。

また、電極熱処理工程ＳＴＥＰ１と電極押圧工程ＳＴＥＰ２とを同時又は部分的に同時に行ってもよい。すなわち、網目状体を熱処理すると同時又は部分的に同時に当該網目状体を厚さ方向に押圧してもよい。その場合、ホットプレス炉を用いて、Ｎ_２雰囲気下、圧力１ＭＰａ～１０ＭＰａで加圧することが好適である。

このように押圧しながら網目状体を熱処理することによって、網目状体の線材の接触状態の安定化、線材の局所的な過度の変形の緩和化、及び、網目状体全体に亘る変形の抑制化をさらに図ることが可能となる。ただし、電極押圧工程ＳＴＥＰ２は必ずしも行う必要はなく、省略してもよい。

電極裁断工程ＳＴＥＰ３は、熱処理された網目状体を裁断して、所定の形状の網目状体からなる電極２を得る工程である。裁断は、例えばレーザ加工により行うことができる。

焼成工程ＳＴＥＰ４は、基体１となるセラミックス粉末中、セラミックス粉末を成形してなるセラミックス成形体中、セラミックス成形体を脱脂してなる脱脂体中、あるいはセラミックス成形体又は脱脂体を仮焼してなる仮焼体中に熱処理及び裁断した網目状体を埋設した状態で、網目状体を再結晶化温度以上の温度で加熱することにより、電極２が埋設されたセラミックス焼結体からなる基体１を得る工程である。

セラミックス粉末は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）に、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）などが添加されてなるものである。

セラミックス成形体を用いる場合は、例えば、セラミックス原料を冷間等方圧加圧法（ＣＩＰ：Cold Isostatic Pressing）を用いて成形することにより板状の複数枚のセラミックス成形体を用意する。具体的には、例えば、上記のセラミックス粉末にバインダ、可塑剤、焼結助剤、分散剤などを添加し、溶剤を用いて混合した後、スプレードライ乾燥をすることで、セラミックス顆粒を得る。そして、このセラミックス顆粒をＣＩＰ成形することによりインゴットを得て、このインゴットを機械加工して所定の外形に形成することによりセラミックス成形体を作製する。

脱脂体を用いる場合、上述したセラミックス成形体を５００℃以上９００℃未満の温度で加熱することにより脱脂処理を行うことにより脱脂体を作製する。また、仮焼体を用いる場合、上述したセラミックス成形体又は脱脂体を９００℃以上線材の再結晶化温度未満の温度で仮焼を行うことにより仮焼体を作製する。

セラミックス成形体中に網目状体を埋設する場合、複数のセラミックス成形体を用意し、これらセラミックス成形体の少なくとも一つのセラミックス成形体の表面に機械加工によって網目状体の外形に沿った形状を有する凹部を形成し、この凹部内に網目状体を収容した状態で、複数のセラミックス成形体を積層すればよい。この場合、複数のセラミックス成形体を積層する方向を網目状体の厚さ方向とし、この厚さ方向に加圧しながら加熱することが好ましい。セラミックス成形体の代わりに脱脂体又は仮焼体を用いる場合も、セラミックス成形体と同様に埋設、積層、加熱を行えばよい。

なお、凹部に網目状体を収容する場合、凹部の深さは網目状体の厚みと同程度であることが望ましい。凹部が浅すぎると網目状体が過度に潰れる不都合が生じるおそれがあり、、凹部が深すぎると網目状体の上部に窪みが形成される不都合が生じるおそれがあるからである。

粉末ホットプレス法の場合、脱脂処理及び仮焼を行う必要はなく、セラミック粉末を型に充填した後、一軸加圧を行うことによりセラミックス成形体を作製する。その後、網目状体を載置したセラミックス成形体上にセラミックス粉末を充填し、１ＭＰａ以上２０ＭＰａ以下の圧力で一軸加圧することにより、セラミックス粉末中に網目状体を埋設すればよい。この場合、加圧方向は網目状体の厚み方向に行うことが好ましい。

発明者は、網目状体からなる電極２の交差部分における線材の不安定な接触状態、差部分における線材の局所的な過度な変形、及び、電極２全体に亘る屈曲などの変形によって電極２のヒータ特性などの特性に影響が及び、基体１の表面に所望の温度分布が得られないことの不具合が生じることを見い出した。

これに対し、発明者は、後述する実施例から分かるように、９００℃以上再結晶化温度未満の温度で還元雰囲気にて網目状体を熱処理すれば、原理は推測に過ぎないが、焼きなましや焼きならしと同様に、熱応力による組織変化による残留応力が除去されることによって見い出した。

なお、焼成工程ＳＴＥＰ４後の線材におけるモリブデン又はタングステンの平均粒径は１μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましい。これは、平均粒径が１００μｍ以下と小さく粗大粒径化していなければ、電極２の線材の接触状態における接触抵抗の均一化を図ることが可能となるからである。

（実施例１）
窒化アルミニウム（ＡｌＮ）粉末９５重量％に焼結助剤として酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３を５重量％添加し、バインダと溶剤を用いて混合した後、スプレードライ乾燥することによりセラミックス顆粒を得た。そして、このセラミックス顆粒を９８ＭＰａ（１ｔｏｎ／ｃｍ^２）の圧力でＣＩＰ成形することにより、セラミックス成形体のインゴットを得た。次に、このインゴットに機械加工を施すことにより直径３７０ｍｍ、厚さ５ｍｍ～２０ｍｍの複数の円板状部材を得た。このとき、円板状部材の表面には電極２を収容するための深さ０．２ｍｍの凹部を形成した。複数の円板状部材を大気雰囲気で５００℃以上の温度で２時間脱脂することにより複数の脱脂体を得た。

脱脂体の凹部に電極２となる熱処理及び裁断された網目状体を配置した後、網目状体を挟み込むように複数の脱脂体を積層することにより積層体を得た。積層体を内部に配置したカーボン型をホットプレス炉内に入れ、積層体の積層方向に１ＭＰａ以上の圧力で加圧しながら、Ｎ_２雰囲気において炉内温度１８００℃を２時間維持して焼成し、セラミックス焼結体を得た。そして、セラミックス焼結体の表面に研削、研磨加工を施すことにより、セラミックス焼結体に埋設された電極２と外部電源を接続するための端子穴を形成した後、端子穴内において電極２と端子をろう付けすることにより電極埋設部材１０を作製した。

ここで、電極２となる網目状体には、再結晶化温度が約１２００℃のＭｏからなる直径ｄが０．１ｍｍの線材が用いられた１インチ当たり５０本の線材からなるメッシュサイズ５０で平織されたものを用いた。

そして、網目状体を水素雰囲気下、１０００℃で熱処理した後、網目状体をレーザ加工により所定のパターンに裁断することにより、室温での抵抗値が６．０２Ωであり、発熱体として機能する電極２を得た。

作製した電極埋設部材１０は、電極２に外部電源から給電し、電極埋設部材１０の温度が定常状態になったのち表面の温度分布をＩＲカメラで測定し、直径３００ｍｍの所定の測定領域における温度の最大値と最小値の差を温度分布として測定した。

また、温度分布の測定後には電極埋設部材１０を切断し、電極２の断面の５００倍又は１０００倍に拡大した視野で画像処理を行うことにより、電極２の平均粒子径を測定した。結果などを表１にまとめた。

（実施例２）
電極２となる網目状体を室温での抵抗値が５．４５Ωとなる所定のパターンに裁断したことを除いて、実施例１と同様の方法に従って実施例２の電極埋設部材１０を作製した。

（実施例３）
電極２となる網目状体を１０００℃で熱処理を行うに際してホットプレス炉を用いてＮ_２雰囲気下で線材の交差部分の厚みｔが０．１８５ｍｍとなるように押圧しながら熱処理を行ったことを除いて、実施例１と同様の方法に従って実施例３の電極埋設部材１０を作製した。

（実施例４）
電極２となる網目状体として再結晶化温度が約１２００℃のＷからなる線材が織られたものを用いたことを除いて、実施例１と同様の方法に従って実施例４の電極埋設部材１０を作製した。

（実施例５）
電極２となる網目状体の熱処理を９００℃で行ったことを除いて、実施例１と同様の方法に従って実施例５の電極埋設部材１０を作製した。

（実施例６）
電極２となる網目状体として再結晶化温度が約１２００℃の３００ｐｐｍのＫ（カリウム）が添加されたＷからなる線材が織られたものを用いたことを除いて、実施例１と同様の方法に従って実施例６の電極埋設部材１０を作製した。

（比較例１）
電極２となる網目状体の熱処理を行わなかった点を除いて、実施例１と同様の方法に従って実施例１と同様のパターンに裁断した網目状体を用いて比較例１の電極埋設部材１０を作製した。

（比較例２）
電極２となる網目状体の熱処理を行わなかった点を除いて、実施例１と同様の方法に従って実施例２と同様のパターンに裁断した網目状体を用いて比較例１の電極埋設部材１０を作製した。

（比較例３）
電極２となる網目状体の熱処理を７００℃で行ったことを除いて、実施例１と同様の方法に従って比較例３の電極埋設部材１０を作製した。

実施例１と比較例１や実施例２と比較例２の比較により、網目状体の熱処理を行うことにより、電極埋設部材１０の表面の温度分布が低減されることが確認された。

実施例５と比較例３の比較により、９００℃以上で網目状体を熱処理することにより電極埋設部材１０の表面の温度分布の低減効果が顕著になることが確認された。

実施例５と実施例６の比較により、線材の平均粒径が１μｍ以上１００μｍ以下であると電極埋設部材１０の表面の温度分布のさらなる低減効果があることが確認された。

実施例１と実施例３の比較により、電極押圧工程ＳＴＥＰ２を行うことにより電極埋設部材１０の表面の温度分布のさらなる低減効果があることが確認された。

１…基体、２…電極、１０…電極埋設部材。

Claims

セラミックスからなる基体と、前記基体の内部に埋設された網目状体からなる電極とを備える電極埋設部材の製造方法であって、
モリブデン、タングステン又はこれらを主成分とする合金からなる線材が織られてなる網目状体を９００℃以上、前記線材の再結晶化温度未満の温度で還元雰囲気にて熱処理する工程と、
前記熱処理する工程の後、前記網目状体を前記電極の形状に裁断する工程と、
前記基体となるセラミックス粉末中、前記セラミックス粉末を成形してなるセラミックス成形体中、前記セラミックス成形体を脱脂してなる脱脂体中、あるいは前記セラミックス成形体又は前記脱脂体を仮焼してなる仮焼体中に前記熱処理及び前記裁断した網目状体を埋設した状態で、前記網目状体を前記再結晶化温度以上の温度で加熱する工程とを備えることを特徴とする電極埋設部材の製造方法。
前記熱処理した網目状体を厚さ方向に押圧する工程を備え、
前記押圧された網目状体を前記セラミックス粉末中、前記セラミックス成形体中、前記脱脂体中又は前記仮焼体中に埋設した状態で前記加熱を行うことを特徴とする請求項１に記載の電極埋設部材の製造方法。
前記網目状体を前記熱処理すると同時に当該網目状体を厚さ方向に押圧することを特徴とする請求項１に記載の電極埋設部材の製造方法。
前記押圧前の前記線材の断面が直径ｄの円状であるとき、前記裁断した網目状体の前記線材の交差部分における厚みが１．９５ｄ以下となるように前記押圧を行うことを特徴とする請求項２又は３に記載の電極埋設部材の製造方法。