JPH07115938B2

JPH07115938B2 - 窒化珪素焼結体の製造方法

Info

Publication number: JPH07115938B2
Application number: JP2190700A
Authority: JP
Inventors: 俊彦本多; 市朗松浦; 務加藤; 博明阪井
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1990-07-20
Filing date: 1990-07-20
Publication date: 1995-12-13
Anticipated expiration: 2010-12-13
Also published as: JPH0477361A

Description

【発明の詳細な説明】（産業上の利用分野）本発明は、例えば半導体ウエハー加熱用ヒーターの基材
として好適な、窒化珪素焼結体の製造方法に関するもの
である。

（従来の技術及びその問題点）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、弗素系ガス等の腐食性ガ
スが使用されている。このため、ウエハーをこれらの腐
食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、抵抗発熱体の表面をステンレススチール、インコ
ネル等の金属により被覆した従来のヒーターを使用する
と、これらのガスの曝露によって、塩化物、酸化物、弗
化物等の粒径数μｍの、好ましくないパーティクルが発
生する。

そこで、デポジション用ガス等に曝露される容器の外側
に赤外線ランプを設置し、容器外壁に赤外線透過窓を設
け、グラファイト等の耐食性良好な材質からなる被加熱
体に赤外線を放射し、被加熱体の上面に置かれたウエハ
ーを加熱する、間接加熱方式のウエハー加熱装置が開発
されている。ところがこの方式のものは、直接加熱式の
ものに比較して熱損失が大きいこと、温度上昇に時間が
かかること、赤外線透過窓へのCVD膜の付着により赤外
線の透過が次第に妨げられ、赤外線透過窓で熱吸収が生
じて窓が加熱し、均一に加熱できなくなること等の問題
があった。

（発明に至る経過）上記の問題を解決するため、本発明者等は、新たに円盤
状の緻密質セラミックス内に抵抗発熱体を埋設し、この
セラミックスヒーターをグラファイトの支持部に保持し
た加熱装置について検討した。その結果この加熱装置
は、上述のような問題点を一掃した極めて優れた装置で
あることが判明した。そして、更に好適な緻密質セラミ
ックスについて探索を進めた結果、窒化珪素焼結体が、
耐熱衝撃性、耐腐食性の点で極めて良好であることを見
出した。

しかし、窒化珪素焼結体にタングステン等の抵抗発熱体
ワイヤーを埋設するための製法について研究を進めたと
ころ、新たに重大な問題が生じた。

即ち、従来法に従い窒化珪素原料粉末に希土類元素化合
物、炭化タングステン等を添加して調合、混合し、造粒
用バインダーを加えて造粒し、この造粒粉末を成形する
際に抵抗発熱体を埋設し、成形体を大気中で加熱処理し
て造粒用バインダーを除去したところ、成形体にクラッ
クが発生し、セラミックスヒーターを製造できなくなっ
たのである。しかも、大気中での加熱処理時に、成形体
中に埋設した抵抗発熱体の表面から酸化が進行し、ヒー
ター特性が劣化することも解った。この場合、造粒用バ
インダーを混合粉末へと添加せずに造粒を行うと、後の
スプレードライ時に造粒粉末の収率が低下し、また得ら
れる造粒粉末の粒径が小さくなり、造粒粒子強度が低く
なるため、ラミネーションの発生等、成形性の低下が起
こるので、大型成形体の作製が困難となる。従って、造
粒用バインダーの添加は必要である。

また、焼結助剤として、例えば酸化タングステン等の金
属酸化物を用いると、焼結体の粒界においてガラス量が
増加し、焼結体の高温強度、耐食性が低下したため、炭
化タングステン等の非酸化物焼結助剤を添加する必要が
あった。

（発明が解決しようとする課題）本発明の課題は、金属及び金属非酸化物を添加する窒化
珪素焼結体の製造方法において、造粒用バインダーの除
去と金属非酸化物の酸化処理とを良好に行うことがで
き、しかも成形体のクラック発生を防止できるような、
窒化珪素焼結体の製造方法を提供することである。

（課題を解決するための手段）本発明は、少くとも金属炭化物、金属窒化物、金属ほう
化物及び金属からなる群より選ばれた一種以上を窒化珪
素原料粉末へ添加する調合工程と；この調合粉末を混合する混合工程と；この混合粉末に造粒用バインダーを添加して造粒する造
粒工程と；造粒粉末を酸化雰囲気（例えば大気）中で加熱処理して
前記造粒用バインダーを除去する加熱処理工程と；この加熱処理後の造粒粉末を成形して成形体を作製する
成形工程と；この成形体を焼結する焼結工程を有する、窒化珪素焼結
体の製造方法に係るものである。

（作用）本発明者は、大気中での加熱処理により成形体にクラッ
クが発生する原因について検討したところ、添加した炭
化物、窒化物、ほう化物、金属が加熱処理の際に酸化さ
れ、酸化物に変化して体積膨張を起すためであることを
見出した。

そして、従来、成形後に加熱処理を行っていたのを取り
やめ、常識とは逆に、先ず造粒粉末を酸化雰囲気中で加
熱処理して造粒用バインダーを除去し、次いで成形体を
作製することとした。

これにより、予め金属炭化物、金属窒化物、金属ほう化
物、金属の酸化を進行させておくことができるので、後
に加熱処理後の造粒粉末を成形し再び、酸化雰囲気で加
熱処理などの操作を行なって場合にも、体積膨張に起因
するクラックを防止できる。この意味で、成形前の加熱
処理時には上記した非酸化物の残留量を調合粉末の0.5
％以下にすることが好ましい。

上記「金属」としてタングステン、モリブデンを採用す
ると、窒化珪素焼結体を均一に黒色化できるので好まし
く、更に炭化タングステン、炭化モリブデンが一層好ま
しい。

即ち、窒化珪素焼結体において、例えば、希土類元素を
焼結助剤として添加する場合、希土類元素特有の着色・
色ムラを生じ、更に希土類元素による着色部は、酸素を
含む雰囲気にさらされると色が変化する場合がある。そ
して、このように部分的に変色した焼結体は、商品価値
が低下してしまううえ、半導体ウエハー加熱用ヒーター
に適用する場合には、赤外線放射に色ムラに伴う不均一
を生じ、半導体ウエハーを均一に加熱できなくなるおそ
れがある。この点、窒化珪素焼結体が全面に亘って均一
に黒色を呈するようにすれば、こうした部分的変色によ
る商品価値の低下や、放射の不均一は防止できる。

更に、本発明を抵抗発熱体を埋設した半導体ウエハー加
熱用ヒーターへと適用した場合には、既に酸化雰囲気中
で加熱を終った造粒粉末の成形時に抵抗発熱体を埋設す
るため、抵抗発熱体の酸化を防止できる。

次いで、窒化珪素焼結体の製造工程を順を追って述べ
る。

調合工程、混合工程少くとも金属炭化物、金属窒化物、金属ほう化物及び金
属からなる群より選ばれた一種以上を窒化珪素原料へ添
加する。

このとき、更にY₂O₃,Yb₂O₃,Lu₂O₃,Tm₂O₃,Er₂O₃を添加す
ると好ましく、Y₂O₃とYb₂O₃を添加すると更に好まし
い。

上記した金属、金属炭化物等の添加量は、窒化珪素と希
土類酸化物の調合物に対し、外配量で0.5〜３重量％
（更に好ましくは１〜２重量％）とすることが好まし
い。これが0.5重量％以下では十分な室温強度増大の効
果が得られず、タングステン化合物、モリブデン化合物
の場合には十分な黒色化の効果も得られない。

窒化珪素原料はα含有率の大きいものの方が焼結性の点
から好ましい。含有酸素量は１〜３重量％が好ましい。

次いで、これらの原料を蒸留水中、アトライター等によ
って混合する。この後、必要に応じて、脱鉄、ふるい分
けを行う。

造粒工程混合粉末に造粒用バインダーを添加して造粒粉末を作製
する。

造粒用バインダーとして、PVA0.2〜2.0wt％、ステアリ
ン酸0.2〜1.0wt％、好ましくはPVAを0.2〜1.0wt％、ス
テアリン酸0.2〜0.5wt％添加する。造粒用バインダーが
多い場合には、造粒粉体が球形にならず、尾を引いた液
滴状となり、成形性が低下する。また、少ない場合に
は、バインダー添加の効果が小さくなり、バインダー無
添加と同じ状態となる。

加熱処理工程造粒粉末を酸化雰囲気中で加熱処理して造粒用バインダ
ーを除去する。

このときの加熱温度は200〜600℃が好ましい。200℃未
満ではバインダーの除去が充分行なわれず、600℃以上
では窒化珪素の酸化が生じる。

また、加熱時間は５〜20時間とすることが好ましい。

５時間未満では、添加したバインダーの除去が十分行な
われず、また、バインダーの除去は、20時間以内に完結
するため、20時間以上の加熱は、経済的にみても不要で
ある。

成形工程、焼結工程加熱処理後の造粒粉末を成形する。

本発明を半導体ウエハー加熱用セラミックスヒーターに
適用する場合には、成形体内部へ抵抗発熱体を埋設する
必要がある。従って、まず造粒粉末を比較的低い圧力
（例えば50kg/cm²）で成形して下部を作製し、この上に
抵抗発熱体を載置し、この上に再び造粒粉末を充填して
一層高い圧力（例えば200kg/cm²）で加圧成形する。仮
に下部を成形する際に高い圧力で加圧成形すると、下部
と上部との界面が良好に接合しない。

このヒーター用成形体を焼結するには、ホットプレス法
又はホットアイソスタイックプレス法によるのが好まし
い。

また、半導体ウエハーを接触加熱するには、ウエハー加
熱面を平滑面とし、その平面度を500μｍ以下としてウ
エハー背面へと腐食性ガスの侵入を防止する必要があ
る。このため、ウエハー加熱面は、ダイヤモンド砥石等
によって研磨する。

次いで、本発明の方法により製造できるセラミックスヒ
ーターを例示する。

第１図において、（１）はデポジション用ガスに曝露さ
れるプラズマCVD用のチャンバーであり、その底部にセ
ラミックスヒーター10が取付けられている。

このセラミックスヒーター10は、窒化珪素焼結体からな
る円盤状の基材６の内部に抵抗発熱体７を埋設し、電極
ケーブル８の基材６内から容器１外へと取り出したもの
である。このセラミックスヒーター10の容器１側にはウ
エハー加熱面４が設けられ、この上に半導体ウエハーＷ
が固定され、加熱される。抵抗発熱体７は、螺旋状に巻
回されたワイヤーからなり、第２図に示すように、好ま
しくは基材６内部に螺旋形をなすように埋設される。

抵抗発熱体７の材質としては、高融点でありしかも窒化
珪素との密着性に優れたタングステン、モリブデン等を
使用することが適当である。

こうしたセラミックスヒーターは、CVD装置だけでな
く、プラズマエッチング装置、光エッチング装置等にお
ける半導体ウエハー加熱用ヒーターとしても使用でき
る。

（実施例）以下、更に具体的な実施例について説明する。

実施例１酸素含有量1.5重量％、平均粒径0.6μｍ、BET比表面積1
2m²/g、α含有率0.95の窒化珪素原料粉末を用いた。

この原料粉末に、Y₂O₃とYb₂O₃と表１に示す非酸化物
（金属炭化物、金属窒化物、金属ほう化物、金属）を添
加、調合し、蒸留水中で混合した。この混合粉末に造粒
用バインダーを加え、スプレードライで造粒した。次い
で、この造粒粉末を、大気中において500℃で10時間加
熱処理し、これにより造粒粉末からバインダーを除去
し、得られた粉末を成形圧300kg/cm²にて成形した。次
いでこの成形体を、再び大気中において500℃で10時間
加熱処理し、加熱処理後の成形体膨張率を算出すると共
に、クラック発生の有無等を検査した。

また、一部の試料においては、造粒用バインダー除去後
の造粒粉末を使用し、50kg/cm²の圧力で成形し、この成
形体の上にタングステンヒーターを固定し、再びこの上
に上記造粒粉末を充填して200kg/cm²の圧力で成形し、
タングステンヒーターの埋設された成形体を作製した。

また、比較例として、スプレードライ造粒した上記の造
粒粉末を用い、大気中における加熱処理を行わずに成形
体を作製した。他は上記実施例と同様の実験を行った。
結果を下記表１に示す。

表１に示すように、造粒粉末に対して大気中で加熱処理
を施した場合は、成形体を再度加熱処理した後も成形体
の膨張率が0.5％以下であり、クラックの発生も認めら
れなかった。一方、造粒粉末に対して大気中における加
熱処理をしていない場合は、成形体を加熱処理したとき
に成形体が大きく膨張し、クラックが発生し、一部の成
形体は崩壊した。

また、タングステンヒーター線を成形体中に埋設した場
合も、成形体の膨張率やクラック発生に特に差は認めら
れなかった。

実施例２実施例１に示す窒化珪素原料粉末を用い、この原料粉末
にY₂O₃とYb₂O₃とWCとを添加、調合し、蒸留水中で混合
した。WCの量は、窒化珪素原料粉末、Y₂O₃及びYb₂O₃か
らなる調合物に対し、外配量で1.0重量％とした。

この混合粉末に造粒用バインダーを加え、スプレードラ
イで造粒した。次いで、この造粒粉末を、大気中におい
て加熱処理し、これにより造粒粉末からバインダーを除
去し、得られた粉末を成形圧300kg/cm²にて成形した。

この加熱処理時に、加熱温度と加熱時間とを調整し、炭
化タングステンの残留量を表２に示すように変更した。

そして、この成形体について、大気中において500℃で1
0時間加熱処理し、加熱処理後の成形体の膨張率を算出
し、クラック発生の有無を検査した。結果を表２に示
す。

表２から解るように、造粒粉末中の非酸化物の残留量を
0.5％以下とすると、成形体の膨張率を小さくでき、ク
ラックは発生するものの、試料崩壊にはち至らなかっ
た。さらに、残留量を0.3％以下とすることによりクラ
ックの発生も防止できる。

記載の方法により製造した焼結体は、色むらのない均一
な黒色を呈し、また酸化雰囲気においても、変色は認め
られなかった。黒色化の効果として、第一に外観が美し
く、商品価値を高めることが可能となった。第２に、半
導体ウエハー加熱用ヒーターに適用する場合には熱放射
率が均一になり、ヒーターの温度分布が小さくなった。
具体的には、WCを添加した実施例９のヒーターと、添加
しない場合のヒーターをそれぞれ作製した。WCを添加し
た場合、焼結体は黒色を呈し、WCを添加しない場合、焼
結体は緑色で、色むらのある状態であった。

それぞれのヒーターを600℃に加熱し、赤外線放射温度
計を用いて任意の10点の温度分布を測定したところ、WC
添加の場合は、600℃±５℃であったが、WC無添加の場
合は、600℃±15℃であった。

（発明の効果）本発明に係る窒化珪素焼結体の製造方法によれば、造粒
粉末を成形するに先立って、予め造粒粉末を酸化雰囲気
中で加熱処理して造粒用バインダーを除去しているの
で、造粒粉末中に含有される非酸化物（金属炭化物、金
属窒化物、金属ほう化物、金属）の酸化を上記加熱処理
で進行させておくことができる。従って、後に成形体に
対して大気中での加熱処理などを行なった場合でも、上
記非酸化物の酸化による体積膨張を抑えられるので、こ
れに起因するクラックの発生や試料崩壊を防止できる。

また、ヒーター線を埋込む場合には、バインダー除去工
程でヒーター線の酸化も防止することができる。

【図面の簡単な説明】

第１図はセラミックスヒーターをCVD装置に取り付けた
状態を示す断面図、第２図はセラミックスヒーター内部における抵抗発熱体
の埋設状態を示す平面図である。１……チャンバー、４……ウエハー加熱面６……窒化珪素焼結体からなる円盤状の基材７……抵抗発熱体、８……電極ケーブルＷ……半導体ウエハー

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/285 ＣＨ０５Ｂ 3/20 ３５６Ｃ０４Ｂ 35/00 Ｂ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】少くとも金属炭化物、金属窒化物、金属ほ
う化物及び金属からなる群より選ばれた一種以上を窒化
珪素原料粉末へ添加する調合工程と；この調合粉末を混合する混合工程と；この混合粉末に造粒用バインダーを添加して造粒する造
粒工程と；造粒粉末を酸化雰囲気中で加熱処理して前記造粒用バイ
ンダーを除去する加熱処理工程と；この加熱処理後の造粒粉末を成形して成形体を作製する
成形工程と；この成形体を焼結する焼結工程を有する、窒化珪素焼結
体の製造方法。
【請求項２】前記金属炭化物、金属窒化物、金属ほう化
物及び金属としてタングステン炭化物、タングステン窒
化物、タングステンほう化物及びタングステン、又はモ
リブデン炭化物、モリブデン窒化物、モリブデンほう化
物及びモリブデンを用いる、請求項１記載の窒化珪素焼
結体の製造方法。
【請求項３】前記調合工程において、更にイットリウム
化合物とイッテルビウム化合物を焼結助剤として前記窒
化珪素原料粉末へ添加する、請求項１記載の窒化珪素焼
結体の製造方法。
【請求項４】前記成形工程において、前記成形体の内部
に抵抗発熱体を埋設し、この成形体を焼結し、得られた
焼結体を研磨して半導体ウエハーの加熱に適した平滑面
を形成する、請求項１〜３項のうちいずれか一つの項に
記載の窒化珪素焼結体の製造方法。
【請求項５】前記焼結をホットプレス法又はホットアイ
ソスタティックプレス法によって行う、請求項４記載の
窒化珪素焼結体の製造方法。
【請求項６】前記抵抗発熱体をタングステン又はモリブ
デンによって形成する、請求項４記載の窒化珪素焼結体
の製造方法。