JPWO2005100283A1 - 耐熱衝撃性表面改質方法とその部材 - Google Patents

Abstract

耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の耐熱衝撃性を、ビッカース硬度（ＨＶ）８００以上で前記耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の硬度と同等以下の平均粒子サイズ５μｍ〜２００μｍの表面が凸曲面の微粒子からなる噴射材を用いて、前記耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の表面に均一に分布した直線状の転位組織を形成させることを特徴とする前記耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の表面耐熱衝撃性の改質方法。

Description

本発明は、室温〜１５００℃までの広温度範囲で、更に急速な加熱−冷却サイクルにおいて使用される耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の耐熱衝撃性を改善する方法及び前記方法により得られた耐熱衝撃性部材に関する。
本明細書などにおいて、耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材とは、半導体製造装置を構成する、エッチャー用ドーム、静電チャック、真空チャック、サセプター、ハンドリングアーム、ダミーウエハー、ウエハ加熱ヒーター、高温反応炉の窓、拡散炉の反応管およびウエハボート、また、熱電対保護管、アルミ合金溶解用ラジアントチューブ、低圧鋳造用ストーク、アルミ合金溶湯用の攪拌羽根、ダイカストマシン用スリーブ、配管部品、高温軸受、シャフト、パワーモジュール用ヒートシンク基板、放熱絶縁基板およびタービンブレードの耐熱サイクル特性、耐熱衝撃性が要求される高温構造材を指す。

半導体の製造時において、半導体ウエハーの搬送、パターン形成、ＣＶＤ及びスパッタリングなどの薄膜形成、プラズマクリーニング、エッチング及びダイシング等の各工程で半導体ウエハーを固定保持する方法として静電チャックが使用されている。静電 チャックは、静電チャックに電圧を印加し静電吸着力を得ることによって、静電チャックの吸着面上で半導体ウエハーを固定保持するものである。この静電チャックは、薄膜形成やプラズマクリーニング工程において、半導体ウエハーを吸着保持しながら急速に加熱冷却を受けるために、高い熱伝導性および高い耐熱衝撃性が要求される。
また、半導体ウエハーを固定保持するものとして、静電チャック以外に真空吸着力を利用した真空チャックも利用されているが、静電チャック同様、半導体ウエハーを吸着保持しながら急速に加熱冷却を受けるために、高い熱伝導性および高い耐熱衝撃性が要求される。
その他、半導体ウエハーの表面にＣＶＤ法によってエピタキシャル成長膜を形成させる際に半導体ウエハーを載置する時に使用されるサセプターあるいは半導体の製造時において、スパッタリング処理、ＣＶＤ処理、イオン注入処理及び熱拡散処理などの各種処理条件の調査、評価、検査及び汚染物質の付着防止などに使用されるダミーウエハについても、同様に多数回の熱サイクルに対する厳しい耐久性や耐熱衝撃性等が要求される。
特開平４−６１３３１号公報（文献１）には、上記例示した構造部材の種類のうち、ダミーウエハに関するものでシリコン基板の肉厚を大きくすることにより形成膜厚によって生じる歪みに対する強度を向上させることが可能となることが記載されている。また、特開平１１−２７８９６６号公報（文献２）には、ＳｉＣ，Ｓｉ_３Ｎ_４，ＡｌＮ焼結体の少なくともいずれかからなる基材の表面に、極めて緻密でボイドのないＳｉＣ皮膜を形成することによって、耐熱サイクル特性、耐熱衝撃性（ヒートショック）に非常に優れた部材となることが記載されている。
しかしながら、生産性の向上を目標としてクリーニング時間の更なる短縮のために昇温時間を短縮する場合、上記のような従来技術には次のような問題点があった。
まず、文献１に記載の基材がシリコンよりなるダミーウエハは、急激な昇温によるヒートショックのために割れが発生し易くなるという問題点を有していた。これに対し、文献２に記載のＳｉＣを化学蒸着した部材は、耐熱サイクル特性、耐熱衝撃性がかなり向上したものであったが、最近の半導体製造工程における更なる効率化の要求に伴う、より厳しい昇温速度の要求に対しては、十分な信頼性を保証するところまでは到達していない。また、製造工程が複雑で、コストアップになっている。Ｗ．Ｐｆｅｉｆｆｅｒ ａｎｄ Ｔ．Ｆｒｅｙ．“Ｓｈｏｔ Ｐｅｅｎｉｎｇ ｏｆ Ｃｅｒａｍｉｃｓ：Ｄａｍａｇｅ ｏｒ Ｂｅｎｅｆｉｔ”，Ｃｅｒａｍｉｃ ｆｏｒｕｍ ｉｎｔｅｒｎａｔｉｏｎａｌ Ｃｆｉ／Ｂｅｒ．ＤｋＧ ７９ Ｎｏ．４，Ｅ２５（２００２）（文献３）には、ショトブラストの条件に関し、ブラスト材、ブラスト圧などと強靱化特性の相関について考察されている。しかしながら、ショトブラストと透過型電子顕微鏡により測定される均一に分布した直線状の転位の転位密度及び耐熱衝撃性との関連については言及していない。
本発明の課題は、前記従来技術の問題点に鑑み、急激な昇温及び冷却によるヒートショックによっても割れが生じにくく、また、クリーニング時間を大幅に短縮し、もってシリコンウエハなどの生産性を高めることを可能にする耐ヒートショック特性が改善されたセラミックス材料およびセラミックス材料の耐ヒートショック特性を改善する方法を提供することを課題とするものである。本発明者等はセラミックス材料の耐ヒートショック特性を改善する方法を見出すべく耐熱衝撃特性が要求されるセラミックス製品に対して常温の精密噴射加工処理を試みたところ、その噴射加工条件により、耐熱衝撃特性が改善される転位が形成させることを見出し、前記課題を解決することができた。前記技術を見出したことにより、急激な昇温によるヒートショックに対しても大きな機械的強度をもつ部材が設計可能となり、この技術をエレクトロニクス分野、すなわち半導体、ディスプレイ、光電送機器などの製造機器に適用することにより、前記クリーニング時間を大幅に短縮し、もってシリコンウエハなどの生産性を高めることの貢献できることを見いだした。

本発明の第１は、（１）耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の耐熱衝撃性を、ビッカース硬度（ＨＶ）８００以上で前記耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の硬度と同等以下の平均粒子サイズ５μｍ〜２００μｍの表面が凸曲面の微粒子からなる噴射材を用いて、前記耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の表面に均一に分布した直線状の転位組織を形成させることを特徴とする前記耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の表面耐熱衝撃性の改質方法である。好ましくは、（２）塑性加工を噴射圧０．１〜０．５ＭＰａ、噴射速度２０ｍ／秒〜２５０ｍ／秒、噴射量５０ｇ／分〜８００ｇ／分、噴射時間１秒／ｃｍ^２以上６０秒／ｃｍ^２以下で行うことを特徴とする前記（１）に記載の耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の表面耐熱衝撃性の改質方法であり、より好ましくは、（３）耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の表面に均一に分布した直線状の転位の転位密度が１×１０^４〜９×１０^１３ｃｍ^−２の範囲となる転位組織を形成することを特徴とする前記（１）または（２）に記載の耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の表面耐熱衝撃性の改質方法。
また、本発明の第２は、（４）耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材を構成する材質がアルミナ、窒化ケイ素、サイアロン、窒化アルミニウム、炭化ケイ素の少なくともいずれかからなる基材表面に透過型電子顕微鏡により測定される均一に分布した直線状の転位の転位密度が１×１０^４〜９×１０^１３ｃｍ^−２の組織を有することを特徴とする耐熱衝撃性部材である。好ましくは、（５）耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材がエッチャー用ドーム、静電チャック、真空チャック、サセプター、ハンドリングアーム、ダミーウエハー、ウエハ加熱ヒーター、高温反応炉の窓、拡散炉の反応管およびウエハボート、また、熱電対保護管、アルミ合金溶解用ラジアントチューブ、低圧鋳造用ストーク、アルミ合金溶湯用の攪拌羽根、ダイカストマシン用スリーブ、配管部品、高温軸受、シャフト、パワーモジュール用ヒートシンク基板、放熱絶縁基板およびタービンブレードなどである前記（４）に記載の耐熱衝撃性部材である。
発明の効果
前記特徴を有する転位組織を形成させ処理をして得られた構造部材は、透過型電子顕微鏡で測定し１×１０^４〜９×１０^１３ｃｍ^−２の転位密度で存在する組織を数十ミクロン以下で有し、この組織により耐熱衝撃性、耐熱サイクルの特性が向上する。なお、前記組織が形成され、耐熱衝撃性を向上させることができる基材としては基本的に耐熱衝撃性の大きなセラミックスでできたものが好ましい、その中でも単結晶アルミナ（サファイヤ）、高純度アルミナ、窒化ケイ素、サイアロン、窒化アルミニウム及び炭化ケイ素が特に優れている

第１図は、本発明の常温塑性加工を実現する噴射処理を行うための装置の概念図である。１は前記装置のキャビネット、２はキャビネットの扉、３は噴射ノズル、４は被加工物（被処理セラミックス）、５はＸ−Ｙテーブル、６は前記Ｘ−Ｙテーブル駆動部、そそて７は噴射材（表面強靱化組織形成噴射材）回収装置をそれぞれ表す。
第２図は、本発明の表面強靱化方法により得られた均一に分布した直線状の転位が形成された組織の透過電子顕微鏡写真であり、矢印が処理面であり、表面側の転位密度が高いことが観察される。
第３図は、実施例３のアルミナ試験片の熱衝撃温度差特性を温度差と亀裂の進展（長さ）の相関でしめしたものである。実施品において耐熱衝撃特性が改善されていることは明らかでる。

第１図は本発明の常温塑性加工を実現する精密噴射加工処理を行うための装置（新東ブレーター（株）製、製品名マイクロ ブラスターＭＢＩ型装置）である。被処理セラミックス製品により異なる塑性加工噴射材は、第１図に記載の製品は板状セラミックス製品４であるから、Ｘ−Ｙ方向に移動可能なテーブル５からなる製品保持部材により保持された被処理セラミックス製品に向けて、噴射ノズル３から噴射圧、塑性加工噴射材の噴射量Ｂなどを制御して噴射される。噴射ノズルをＸ−Ｙ方向に移動可能としても同様の効果が得られる。使用された塑性加工噴射材は回収装置７により回収され、劣化した噴射材と分離され、再使用される。噴射材は、気体と共にまたは液体ホーニングのように液体と共に噴射することができる。噴射速度２０ｍ／ｓｅｃ〜２５０ｍ／ｓｅｃは、噴射材を試料表面に垂直に噴射するときの条件である。また、噴射速度の下限は塑性加工（精密噴射加工）処理の作業性の観点からの限定であり、上限はチッピングの発生などの不都合が起こらない範囲を限定するものである。
Ａ．前記のように、基材としては耐熱衝撃性の大きなセラミックスが好ましい。耐熱衝撃性の大きなセラミックス材料中、単結晶アルミナ（サファイヤ）、高純度アルミナ、窒化ケイ素、サイアロン、窒化アルミニウム及び炭化ケイ素材料を用いてテストピースを作成して、これに精密噴射加工処理を施し、透過型電子顕微鏡による測定において１×１０^４〜９×１０^１３ｃｍ^−２の転位密度で存在する組織が数十ミクロン以下で有する組織に変成する。
Ｂ．本発明の技術的効果を示す、多結晶体の熱衝撃試験の実施方法について説明する。
各種セラミックスのＪＩＳ試験片サイズの角辺テストピースを作製後、上記Ａの構成による表面処理を施した。この角辺テストピースは、ＪＩＳ法の熱衝撃試験（Ｒ１６１５）に基づき、耐熱衝撃性に関する試験を行った。
すなわち、所定の温度に加熱されたテストピースは水中に投下され、クラックの発生の有無が調査された。この操作を、この熱衝撃によりテストピースにクラックが入るまで徐々に加熱温度を高めて繰り返し行う。テストピースには、表面に近い部分と内部との冷却速度の違いによって熱応力が発生し、この応力がテストピースの引張強度よりも大きい引張応力になるとクラックを生じる。
なお、前記の熱衝撃試験条件は、（１）テストピースサイズ：３×４×４０ｍｍ、（２）テストピース温度：１５０℃〜１０００℃、（３）水中温度：２０℃とした。
噴射材の材質、噴射圧、噴射量、処理時間などは、請求の範囲１及び２に記載の条件の中で実験的に決定しうる。噴射圧の特に好ましい条件は０．１〜０．５Ｍｐａである。
以下本発明を実施例によって更に詳細に説明する。これは本発明の有用性を更に明確にすることを意図するものであって、本発明を限定するものではない。
測定機器；
（１）転位密度およびその組織：ＴＥＭ観察用の薄膜試料は集束イオンビーム装置（Ｈｉｔａｃｈｉ Ｆ−２０００）で作製し、透過型電子顕微鏡（ＴＥＭ）、日本電子（株）製ＪＥＯＬ−２００ＣＸ（加速電圧２００ｋＶ）により組織観察を行った。転位密度は、単位体積あたりの転位の長さを求めることによって得られ、具体的には、（１）薄膜試料の厚さを測定、（２）転位密度を測定する場所のＴＥＭ観察像を得る、（３）ＴＥＭ観察像から単位面積に含まれる転位の長さを測定する、という過程を経て転位密度を測定した。
（２）熱衝撃試験：ＪＩＳ Ｒ１６１５ による。
熱衝撃試験の実施例１−１０、比較例１−６
表１−１及び１−２に試料、噴射材及び噴射条件を変えて得られた構造部材（実施例１−１０）の表面粗さ、転位密度、耐熱衝撃温度、及び耐熱衝撃温度の改善率の特性を処理をしない比較例（比較例１−６）の試料と対比して示した。
試料としては、硬度１６００ＨＶの高純度アルミナ（アルミナ９９．５％）、硬度１７００ＨＶの高純度アルミナ（アルミナ９９．９９％）窒化ケイ素、サイアロン、窒化アルミニウム及び炭化ケイ素材料を用いた。熱衝撃試験はＪＩＳ Ｒ１６１５により実施した。
表１−１及び１−２の転位密度は、試料表面に厚み方向から垂直に精密噴射加工を行った試料のＴＥＭ観察による転位密度の測定結果である。

表１−１及び１−２の結果から、発明処理品の耐熱衝撃性は、未処理のもの（比較例の欄）に比較して、常温の塑性加工（精密噴射加工）後に試料表面に形成される直線状の転位の転位密度の増大とともに改善され、アルミナでは４００℃、窒化ケイ素では９５０℃、サイアロンでは９５０℃、窒化アルミニウムでは５００℃、炭化珪素では６００℃の温度差においても耐久性があるように改善されている。
熱サイクル試験の実施例１−１０、比較例１−６
前記熱衝撃試験の実施例１−１０、比較例１−６で作成したテストピースをそのまま使用した熱サイクル試験による耐熱衝撃特性；
前記テストピースそれぞれ１０個を赤外線加熱炉にて常温から１２００℃まで１０分間で昇温し、１５分間保持後、常温に戻すサイクルを５０回繰り返し、各焼結体表面のクラックの発生状況を観察した。その結果を表２−１及び２−２に示す。なお、熱サイクル特性の欄に記載している数値は、焼結体にクラックが観察された試験片の個数を示す。

表２−１及び２−２から明らかなように、本発明の処理品は、常温の塑性加工（精密噴射加工）後、試料表面に形成する直線状の転位の転位密度が増大するとともに、熱サイクル試験を行った試料にはクラックが観察できなくなった。一方、未処理品はいずれもクラックが観察された。以上から、本発明により、熱サイクル特性が著しく改善されることがわかり、本発明の有効性が確認できた。
熱衝撃温度差と亀裂長さの相関の測定実施例１及び比較例
単結晶アルミナ耐熱衝撃試験片を用いた実験；
単結晶アルミナ試験片（形状１０×１０×１ｔ ｍｍ）に、表３に示す条件で精密噴射加工処理を実施して、耐熱衝撃試験用サンプルを作製した。第２図には、精密噴射加工によって得られた単結晶アルミナ試験片表面に形成された直線状転位のＴＥＭ写真を示す。作製した耐熱衝撃試験用サンプルにビッッカース硬度計の圧痕を導入し、３００℃、５００℃、７００℃に１０分間、加熱保持した後、水中（２０℃）に投下し、５分間放置した。その後、上記試験片の圧痕のき裂長さを計測し、転位を導入した試験片と導入しない試験片のクラックの発生状況を観察した。その結果を図３に示す。未処理のものと比較し、き裂の進展は７００℃でもき裂進展は認められず、優れた効果が認められた。

本発明は急加熱−急冷のサイクルがある工程で使用される、例えばエッチャー用ドーム、静電チャック、真空チャック、サセプター、ハンドリングアーム、ダミーウエハー、ウエハ加熱ヒーター、高温反応炉の窓、拡散炉の反応管およびウエハボート、また、熱電対保護管、アルミ合金溶解用ラジアントチューブ、低圧鋳造用ストーク、アルミ合金溶湯用の攪拌羽根、ダイカストマシン用スリーブ、配管部品、高温軸受、シャフト、パワーモジュール用ヒートシンク基板、放熱絶縁基板、タービンブレードなどの耐熱衝撃性の改善などに利用できる。

Claims (6)

1. 耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の耐熱衝撃性を、ビッカース硬度（ＨＶ）８００以上で前記耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の硬度と同等以下の平均粒子サイズ５μｍ〜２００μｍの表面が凸曲面の微粒子からなる噴射材を用いて、前記セラミックス製の部材の表面に均一に分布した直線状の転位組織を形成させることを特徴とする前記セラミックス製の部材の表面耐熱衝撃性の改質方法。
2. 耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の表面に透過型電子顕微鏡により測定される均一に分布した直線状の転位の転位密度が１×１０^４〜９×１０^１３ｃｍ^−２の範囲となる転位組織を形成することを特徴とする請求の範囲１に記載の耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の表面耐熱衝撃性の改質方法。
3. 塑性加工を噴射圧０．１〜１．０ＭＰａ、噴射速度２０ｍ／秒〜２５０ｍ／秒、噴射量５０ｇ／分〜８００ｇ／分、噴射時間１秒／ｃｍ^２以上６０秒／ｃｍ^２以下で行うことを特徴とする請求の範囲１に記載の耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の表面耐熱衝撃性の改質方法。
4. 耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の表面に透過型電子顕微鏡により測定される均一に分布した直線状の転位の転位密度が１×１０^４〜９×１０^１３ｃｍ^−２の範囲となる転位組織を形成することを特徴とする請求の範囲３に記載の耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材の表面耐熱衝撃性の改質方法。
5. 耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材を構成する材質がアルミナ、窒化ケイ素、サイアロン、窒化アルミニウム、炭化ケイ素の少なくともいずれかからなる基材表面に均一に分布した直線状の転位の転位密度が１×１０^４〜９×１０^１３ｃｍ^−２の組織を有することを特徴とする耐熱衝撃性部材。
6. 耐熱衝撃性が要求されるセラミックス製の部材がエッチャー用ドーム、静電チャック、真空チャック、サセプター、ハンドリングアーム、ダミーウエハー、ウエハ加熱ヒーター、高温反応炉の窓、拡散炉の反応管、ウエハボート、熱電対保護管、アルミ合金溶解用ラジアントチューブ、低圧鋳造用ストーク、アルミ合金溶湯用の攪拌羽根、ダイカストマシン用スリーブ、配管部品、高温軸受、シャフト、パワーモジュール用ヒートシンク基板、放熱絶縁基板およびタービンブレードである請求の範囲５に記載の耐熱衝撃性部材。

Images