KR100227758B1 - 질화 알루미늄 소결체, 금속포함재, 정전척, 질화알루미늄 소결체의 제조 방법 및 금속포함재의 제조 방법 - Google Patents

질화 알루미늄 소결체, 금속포함재, 정전척, 질화알루미늄 소결체의 제조 방법 및 금속포함재의 제조 방법 Download PDF

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Abstract

질화 알루미늄으로 구성된 기재 중에 금속부재를 매설한 금속포함재에 있어서, 질화 알루미늄 중에 저저항재료를 첨가하지 않고, 금속포함재의 체적저항율을 제어하는 것. 이 금속포함재를 이용하여 정전 척을 넓은 온도범위에서 사용할 수 있도록 하고, 또한 부식성물질의 작용에 대하여도 안정되게 한다. 알루미늄 이외의 금속원소의 함유량이 100ppm 이하이고, 실온에 있어서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하인 질화 알루미늄 소결체를 제공한다. 질화 알루미늄으로 구성되는 기재(1)내에 금속부재(9)가 매설되어 있다.

Description

질화 알루미늄 소결체, 금속포함재, 정전 척, 질화 알루미늄 소결체의 제조 방법 및 금속포함재의 제조 방법
본 발명은 질화 알루미늄 소결체 및 그 제조 방법에 관한 것이며, 또한 질화 알루미늄 소결체 중에 금속 부재를 매설한 경사 재료로서 사용할 수 있는 금속포함재에 관한 것이며, 특히 반도체 제조 장치에 있어서 적절하게 사용할 수 있는 정전 척에 관한 것이다.
현재, 반도체 웨이퍼의 반송, 노광, CVD, 스퍼터링 등의 성막(成膜) 프로세스, 미세가공, 세정, 에칭, 다이싱 등의 공정에서, 반도체 웨이퍼를 흡착하고 유지하기 위하여 정전 척이 사용되고 있다. 이러한 정전 척의 기재(基材)로서 치밀질 세라믹스가 주목되고 있다. 특히, 반도체 제조 장치에서는 에칭 가스나 클리닝 가스로서 CIF3등과 같은 할로겐계 부식성 가스를 많이 이용한다. 또한, 반도체 웨이퍼를 계속 유지하고 급속하게 가열하고 냉각시키기 위해서는 정전 척의 기재가 높은 열전도성을 구비하고 있는 것이 바람직하다. 또한, 급격한 온도 변화에 의해 파괴되지 않는 내열충격성을 구비하고 있는 것이 바람직하다. 치밀한 질화 알루미늄은 상기와 같은 할로겐계 부식성 가스에 대해서 높은 내식성을 구비하고 있다. 또한, 이러한 질화 알루미늄은 고열전도성 재료로서 알려져 있고, 그 체적저항율이 1014Ω·cm 이상인 것도 알려져 있다. 내열충격성도 높은 것이 알려져 있다. 따라서, 반도체 제조 장치용 정전 척의 기재를 질화 알루미늄에 의해 형성하는 것이 적합하다고 여겨진다.
한편, 반도체 제조 장치에 있어서, 반도체 웨이퍼를 유지하는 서셉터(susceptor)로서 정전 척을 사용하기 위해서는 정전 척의 흡착력을 높일 필요가 있고, 이 때문에 기재의 고유저항을 감소시킬 필요가 있다. 예를 들면, 특공평 7-19831호 공보에서는 정전 척의 절연성 유전층의 저항치를 감소시켜 정전척의 흡착력을 향상시키기 위하여, 체적 고유 저항이 높은 절연성 재질에 대해 도체 혹은 반도체를 혼합하는 것에 의해 그 체적저항율을 1013Ω·cm 이하로 제어하고 있다. 또한, 특개평 2-22166호 공보에서는 알루미나를 주성분으로 하는 세라믹스 원료를 환원 분위기 하에서 소성하여 정전 척용 유전체 세라믹스를 제조하고, 이때 원료중에 알칼리토류 금속 및 천이 금속을 산화물 중량으로 환산하여 각각 1∼6중량%, 0.5∼6중량%를 함유시켰다. 이 방법에서는 예를 들면 알루미나 세라믹스 중에 TiO2를 혼합하는 것에 의해 유전율을 향상시키는 것과 동시에 그 체적저항율을 1012∼108Ω·cm로까지 저하시키고 이것에 의해 높은 흡착력을 얻으려 하고 있다.
그러나, 고순도의 질화 알루미늄 소결체의 체적저항율은 1014Ω·cm 이상이기 때문에, 반도체 제조 장치용 정전 척의 기재로서 사용하기에는 체적저항율이 높다. 이것에 의해 충분한 흡착력을 얻기 위해서는 300㎛ 이하의 극히 얇은 절연성 유전층을 형성할 필요가 있다. 그러나, 이와 같이 절연성 유전층이 얇으면 할로겐계 부식성 가스나 플라즈마에 접촉했을 때 장시간 사용 중에는 절연성 유전층 표면의 반응물 층의 어느 곳을 기점으로 하여 절연파괴 등이 발생할 가능성이 있는 것을 알았다. 이 관점에서는 절연성 유전층의 두께를 500㎛ 이상으로 하는 것이 바람직하다는 것을 알았다.
그러나, 종래의 질화 알루미늄 소결체의 정전 척에서는 이와 같이 절연성 유전층을 두껍게 하면 정전 척의 흡착력이 저하되고, 특히 체적저항율이 높은 저온영역에서는 충분한 흡착력을 얻기가 어려웠다. 예를 들어 드라이 에칭 프로세스를 실시하는 것은 -50℃∼-60℃의 저온이고, 또한 고밀도 플라즈마 CVD 프로세스를 실시하는 것은 100℃ 전후로 비교적 저온이지만 이들 저온 프로세스에서는 소정의 흡착력을 안정되게 얻는 것이 어려웠다.
여기서 질화 알루미늄을 기재로 하여 사용한 정전 척에서, 상기한 특공평 7-19831호 공보의 기재에 따라 질화 알루미늄 기재 중에는 저저항재료를 첨가하는 것도 검토했다. 그러나, 이 정전 척에서는 저저항재료인 금속 등이 기재의 표면으로부터 이탈하고, 반도체 오염의 원인이 될 가능성도 부인할 수 없다. 이 때문에 예를 들어 8인치 웨이퍼와 같은 고순도 반도체 프로세스에서는 바람직하지 않다.
본 발명의 과제는 정전 척을 -60℃ 정도의 저온영역에서 300℃ 이상의 고온영역에 이르는 넓은 온도범위에서 사용할 수 있도록 하고, 또한 할로겐계 부식성 가스나 플라즈마와 같은 부식성 물질의 작용에 대해서도 안정되게 할 수 있도록 하고, 또한 정전 척의 기재로부터 금속 등이 이탈할 가능성을 최소한 억제할 수 있도록 하는 것이다.
또한, 본 발명의 과제는 이와 같은 정전 척 등의 반도체 제조용도와 같이 고순도 기재의 사용이 요구되는 프로세스에서 전기적 장치로서 양호하게 사용할 수 있는 금속포함재를 제공하는 것이다.
또한, 본 발명의 과제는 금속 불순물의 함유량이 적고 또한 체적저항율이 낮은 질화 알루미늄 소결체를 제공하는 것이다.
제1도는 본 발명을 사용할 수 있는 정전 척의 일부분을 개략적으로 도시한 단면도이다.
제2(a)도는 제1도의 정전 척의 파단면을 나타내는 사시도이고, (b)는 금속 망으로 구성된 전극을 나타내는 사시도이다.
제3(a)도는 전극으로서 적합한 펀칭 메탈을 나타내는 사시도이다. (b)는 전극으로서 사용할 수 있는 원형의 박판을 나타내는 사시도이다. (c)는 전극으로서 사용할 수 있는 박판을 나타내는 평면도이다.
제4도는 본 발명을 적용할 수 있는 히터가 부착된 정전 척의 일부분을 개략적으로 도시한 단면도이다.
제5(a),(b)도는 각각 본 발명에 관련된 금속포함재의 기재 내에 있어서 각 소결체의 분포를 나타내는 모식도이다.
제6(a),(b),(c)도는 각각 본 발명에 관련된 금속포함재의 기재 내에 있어서 각 소결체의 분포를 나타내는 모식도이다.
제7도는 본 발명에 관련된 금속포함재의 기재 내에 있어서 각 소결체의 분포를 나타내는 모식도이다.
제8도는 알루미늄과 다른 원자와의 결합상태와 ESR 스펙트럼의 g값과의 관계를 설명하기 위한 개념도이다.
제9도는 음극형광의 원리를 설명하기 위한 모식도이다.
제10도는 본 발명의 금속포함재를 제조하는데 적합한 핫 프레스법을 설명하기 위한 모식적 단면도이다.
제11도는 본 발명의 질화 알루미늄 소결체에 대하여, 음극형광의 측정결과를 나타내는 그래프이다.
제12도는 본 발명의 질화 알루미늄 소결체의 세라믹스 조직을 나타내는 주사형 전자현미경 사진이다.
제13도는 비교대상인 이트리아를 5중량% 첨가한 질화 알루미늄 소결체에 대하여 음극형광의 측정결과를 나타내는 그래프이다.
제14도는 비교대상인 이트리아를 5중량% 첨가한 질화 알루미늄 소결체의 세라믹스 조직을 나타내는 주사형 전자현미경 사진이다.
* 도면의 주요부분에 대한 부호의 설명
1 : 기재 4 : 절연성 유전층
6 : 반도체 웨이퍼 8 : 지지부분
15A,15B : 펀치 16 : 슬리브
17,19A,19B : 그래파이트 호일 25A,25B,25C,25D,25E,25F : 금속포함재
26 : 금속부재
27A,27B,27C,27D,27E,27F : 엿색 또는 황백색의 소결체
28A,28B,28C : 흑갈색 또는 흑색의 소결체
29A,29B,29C,29D : 백색 또는 백회색의 소결체
본 발명은 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 질화 알루미늄의 전자 스핀 공명법에 의한 스펙트럼에 있어서, 부대전자의 g값이 2.0000 이하인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 전자 스핀 공명법에 의한 스펙트럼에서 얻어진 알루미늄의 단위 mg당 스핀수가 5×1012spin 이상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 음극형광(cathod luminescence)에 의한 스펙트럼에 있어서, 350nm∼370nm의 파장 영역에 주요 피이크를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체에 관한 것이다.
또한, 본 발명은 질화 알루미늄 소결체로 이루어지는 기재 내에 금속 부재가 매설되어 있으며, 기재와 상기 금속 부재가 일체로 소결되어 있는 금속포함재로서 기재의 적어도 일부가 상기 질화 알루미늄 소결체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속포함재에 관한 것이다.
본 발명자는 고순도의 질화 알루미늄 분말에 의해 성형체를 제조하고, 이때 성형체 중에 금속 부재를 매설하고, 이 성형체를 핫 프레스 소결법에 의해 일체로 소결시키는 실험을 행하였다. 이 연구 과정에서 금속 부재의 적어도 한쪽에서, 기재를 구성하는 질화 알루미늄의 체적저항율이 현저하게 저하된 소결체를 얻을 수 있음을 발견하고, 본 발명에 도달하기에 이르렀다. 이와 같은 현상은 고순도의 질화 알루미늄 소결체에서는 알려져 있지 않은 것이다.
즉, 본 발명의 금속포함재는 질화 알루미늄으로 이루어지는 성형체와 금속 부재를 일체로 소결하고 있으며, 기재 중에 매설된 금속 부재에 의해 기재가 실질적으로 이분되었을 때 금속 부재의 적어도 한편에서 체적저항율이 현저하게 저하된 질화 알루미늄 소결체가 발견되는 것을 특징으로 한다. 이때, 성형체는 일체로 소결되어 있는 것이며, 제1부분에만 금속 등의 저저항재료를 함유시키는 것에 의해 제1부분의 체적저항율을 작게 제어할 수 없다. 이와 같이, 본 발명의 금속포함재는 기재를 구성하는 질화 알루미늄의 기본적 조성이 그 전체에 걸쳐 일정하게 유지되고 있는 것을 특징으로 한다. 이 때문에 반도체 제조 장치와 같이 저저항재료의 질화 알루미늄 기재로부터 이탈을 꺼리는 용도에 특히 적합하다.
본 발명의 금속포함재는 질화 알루미늄으로 이루어지는 기재의 내부에 금속 부재를 매설한 각종 용도에 적용할 수 있고, 특히 불순물을 혐오하는 환경 하에서 사용되는 전극 매설품으로서 특히 적합하게 사용할 수 있다. 이러한 용도로서는 예를 들면 세라믹스 정전 척, 세라믹스 히터, 고주파 전극 장치를 예시할 수 있지만 특히 정전 척에 대해 극히 적합하게 사용할 수 있다.
본 발명의 금속포함재를 정전 척으로서 사용하면 제1부분의 실온에서의 체적저항율 1.0×1013Ω·cm 이하로 하고 있기 때문에, 정전 척으로서의 흡착 특성을 향상시킬 수 있다. 이 경우에는 제1부분(절연성 유전층으로서 사용한다)의 두께를 500㎛ 이상으로 하더라도 전압을 인가했을 때 전극으로부터 전하가 이동하여 절연성 유전층의 표면에 나타나고 충분한 흡착력을 얻을 수 있다. 이것에 의해 -60℃ 정도의 저온영역에서 300℃ 이상의 고온영역까지 극히 넓은 온도범위에서, 8인치 이상의 대형 반도체 웨이퍼를 충분히 안정되게 흡착하고 유지할 수 있게 되었다.
금속포함재의 기재는 성형체 중에 매설되어 있는 금속 부재와 함께 일체로 소결되어 있으므로 기재를 구성하는 질화 알루미늄의 조성은 제1부분과 제2부분 사이에서 본질적인 차이는 없다. 여기서, 상기한 고순도의 질화 알루미늄 분말을 사용한 경우에도 핫 프레스법에 의해 일체 소결하는 것에 의해 상대밀도 95.0% 이상의 질화 알루미늄을 얻을 수 있다.
본 발명의 금속포함재를 제조하기 위해서는 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하인 질화 알루미늄 원료로 이루어지는 성형체 중에 금속 부재를 매설하고, 이 성형체를 1850℃∼2200℃에서 소결시키는 것에 의해 질화 알루미늄으로 이루어지는 기재 내에 금속 부재가 매설되어 있는 금속포함재를 얻는다. 여기서, 금속 부재에 의해 기재가 실질적으로 제1부분과 제2부분으로 나누어져 있지만, 이 제2부분의 기재를 절출(切出)하여 실온에서의 체적저항율을 측정한 바, 3.0×1013∼1.0×1014Ω·cm이었다.
그러나, 이와 동시에 제1부분에서 절출한 질화 알루미늄 소결체의 체적저항율이 1.0×1013Ω·cm 이하까지 저하되어 있는 것을 확인했다. 결국, 제1부분에서 절출한 기재의 체적저항율은 제2부분에서 절출한 기재의 체적저항율과 비교할 때, Ω·cm 단위로 보았을 경우, 10∼100배의 순서로 저하되고 있는 것이 판명되었다. 또한 실제적으로는 제1부분에서 절출한 기재의 체적저항율을 108Ω·cm 보다도 작게 하는 것은 어려웠다.
이 금속포함재를 경사재로서 사용하기 위해서는 특히 제1부분에서 절출한 질화 알루미늄 소결체의 체적저항율과 제2부분에서 절출한 소결체의 체적저항율과의 비율을 1:10 이상으로 하는 것이 바람직하다.
질화 알루미늄 분말로 이루어지는 원료 중에는 알루미늄 이외의 금속 원소의 양을 피해야만 하며 바람직하게는 100ppm 이하로 한다. 여기서 「알루미늄 이외의 금속 원소」라는 것은 동기율표인 Ia∼VIIa, VIII, Ib, IIb에 속하는 금속 원소 및 IIIb, IVb에 속하는 원소의 일부(실리콘(Si), 갈륨(Ga), 게르마늄(Ge) 등)를 말한다.
우선, 질화 알루미늄의 성형체에 금속 부재를 매설한다. 이 과정에서는 다음과 같은 방법을 예시할 수 있다.
방법(1) 예비성형체를 제조하고, 이 예비성형체상에 금속 부재를 설치한다. 이어서, 이 예비성형체 및 금속 부재 상에 세라믹스 분말을 충전하고, 일축 프레스 성형한다.
방법(2) 콜드 아이소스태틱(isostatic) 프레스법에 의해 평판상의 성형체를 두개 제조하고, 두개의 평판상 성형체 사이에 금속 부재를 끼운다. 이 상태에서 두개의 성형체 및 금속 부재를 핫 프레스한다.
금속 부재는 면상의 금속 벌크재인 것이 바람직하다. 이때, 금속포함재가 정전 척인 경우에 금속 부재는 금속 벌크재로 이루어지는 면상의 전극이다. 여기서, 「면상의 금속 벌크재」라는 것은 예를 들면 선체(線體) 또는 판체(板體)를 나선상, 사행상(蛇行狀)으로 배치하지 않고 예를 들어 제2도 및 제3도에 도시하는 바와 같이 금속을 일체의 면상으로서 형성한 것을 말한다.
금속 부재는 질화 알루미늄 분말과 동시에 소성하기 때문에, 고융점 금속으로 형성하는 것이 바람직하다. 이러한 고융점 금속으로서는 탄탈, 텅스텐, 몰리브덴, 백금, 레늄, 하프늄 및 이들의 합금을 예시할 수 있다. 반도체 오염 방지의 관점에서 더욱이 탄탈, 텅스텐, 몰리브덴, 백금 및 이들의 합금이 바람직하다. 정전 척에 의한 피처리물로서는 반도체 웨이퍼 외에 알루미늄 웨이퍼 등을 예시할 수 있다.
본 발명의 금속포함재를 제조하기 위해서는 바람직하게는 금속 부재의 형태가 금속 벌크재이며, 성형체에 있어서 금속 벌크재의 표면에서 본 제1부분의 두께가 제2부분의 두께보다도 작다. 이 경우, 제1부분 및 제2부분의 두께라는 것은 금속 벌크재의 표면에서 수직방향으로 보았을 때의 제1 및 제2부분의 두께를 말한다. 바람직하게는 제1부분의 두께와 제2부분의 두께의 비율을 1:2∼1:50으로 한다.
또한, 바람직하게는 제1부분의 두께를 10mm 이하로 하는 것에 의해 제1부분에서의 체적저항율의 저하가 보다 한층 현저하게 보여지게 되었다. 여기서, 상기한 바와 같은 경사 재료로서의 금속포함재를 제조하기 위해서는, 제2부분의 두께는 10mm 보다도 크게 하는 것이 바람직하고 20mm 이상으로 하는 것을 더욱 바람직하다. 이 상한치는 특별함이 없으며 제조할 물품의 치수로 결정된다. 또한, 본 발명의 금속포함재(경사 재료로서의)를 제조하기 위해서는 소결 후의 제1부분의 두께를 1mm 이상, 10.0mm 이하로 하는 것이 바람직하고, 1.0mm 이상, 5.0mm 이하로 하는 것이 더욱 바람직하다.
제1부분의 두께 및 제2부분의 두께는 실제 제조상의 안정성이라는 관점에서는 3.0mm 이상으로 하는 것이 바람직하다.
또한, 상기 금속포함재에서 제1부분의 두께와 제2부분의 두께를 모두 5mm 이하로 하여 일체 소결시켜 보면 제1부분을 구성하는 질화 알루미늄 소결체도 제2부분을 구성하는 질화 알루미늄 소결체도 모두 그 체적저항율이 1013Ω·cm 이하로 저하되는 것을 확인했다.
이 체적저항율을 보다 한층 저하시키기 위해서는 제1부분의 두께를 4.0mm 이하로 하는 것이 한층 바람직하다.
본 발명의 금속포함재를 제조할 때, 더욱 바람직하게는 금속 부재의 형태가 면상의 벌크재이며, 이 면상의 벌크재 표면에 대해서 수직방향으로 계속 가압하고 일체 소결한다. 이때, 경사 재료로서 금속포함재를 제조하는 경우에는 제1부분의 체적저항율과 제2부분의 체적저항율의 차를 경사 재료로서 충분히 크게 하기 위해서는 제1부분의 두께와 제2부분의 두께의 비율을 1:3 이상으로 하는 것이 바람직하고, 1:5 이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 이때, 제2부분의 두께 비율의 상한은 원리적으로는 존재하지 않지만, 실제 제조상의 관점에서는 상기한 바와 같이 제1부분의 두께와 제2부분의 두께의 비율을 1:50 이하로 하는 것이 바람직하다.
이러한 면상의 벌크재로서 다음과 같은 예를 들 수 있다.
(1) 박판으로 이루어지는 면상의 벌크재.
(2) 면상의 전극 중에 다수의 소 공간이 형성되어 있는 벌크재. 이것에는 다수의 작은 구멍을 가지는 판상체로 이루어지는 벌크재나, 망상의 벌크재를 포함한다. 다수의 작은 구멍을 가지는 판상체로서는 펀칭 메탈을 예시할 수 있다. 단, 벌크재가 고융점 금속으로 이루어지고, 또한 펀칭 메탈인 경우에는 고융점 금속의 경도가 높기 때문에 고융점 금속으로 이루어지는 판에 다수의 작은 구멍을 펀치로 여는 것은 어렵고, 가공비도 대단히 높게 된다. 이 점에 있어서, 벌크재가 금속 망인 경우에는 고융점 금속으로 이루어지는 선재(線材)를 용이하게 입수할 수 있고, 이 선재를 짜면 금속 망을 제조할 수 있다.
이러한 금속 망의 메쉬(mesh) 형상, 선 지름등은 특별히 한정되지 않는다. 그러나, 선 지름 Φ0.03mm, 150메쉬∼선 지름 Φ0.05mm, 6메쉬에서 특히 문제없이 사용할 수 있었다. 또한, 금속 망을 구성하는 선재의 폭 방향 단면 형상은 원형 외에 타원형, 장방형 등, 여러 가지 압연(壓延) 형상인 것이 좋다. 여기서 1메쉬는 1인치 당 한 개라는 의미이다.
금속 부재를 포함하고 있는 성형체를 가압 소결시킬 때에는 이 소성온도를 본 발명에 따라 1850∼2200℃로 하지만, 압력은 50kgf/cm2이상으로 하는 것이 바람직하고, 100kgf/cm2이상으로 하는 것이 더욱 바람직하다. 제1부분의 체적저항율은 소성온도, 압력, 소성온도(최고온도)에서의 유지시간(keep 시간)에 의존하지만, 상기 압력범위 내에서 소성온도 및 유지시간을 상기 범위에서 적당하게 설정하는 것에 의해 1.0×1013Ω·cm∼1.0×109Ω·cm 사이에서 제1부분에서 절출한 소결체의 체적저항율을 변화시킬 수 있었다.
이러한 금속포함재를 확실하게 제조하기 위해서는 바람직하게는 일체 소결의 온도를 1900℃ 이상으로 한다. 이 상한은 2200℃이며, 이것을 초과하면 금속 부재의 열화가 발생되기 쉽다.
또한, 성형체를 일체 소결하는 시간에 관해서는, 1850℃ 이상 1900℃ 미만의 일체 소결 온도에서는 적어도 5시간의 소결을 행할 필요가 있었다. 1900℃∼2000℃ 미만의 일체 소결 온도에서도 최고온도(소성온도)에서 2시간 이상의 유지를 행할 필요가 있었다. 또한, 이 유지시간을 3시간 이상, 더욱이 5시간 이상으로 하는 것에 의해 일층 체적저항율의 저하가 관측되었다. 2000℃ 이상의 일체 소결 온도에서는 최고온도에서 1시간 이상의 유지를 행하는 것에 의해 체적저항율의 저하가 관측되었다. 이들 유지시간은 소성로에서의 현실적인 생산성 관점으로부터 볼 때 30시간 이하로 하는 것이 바람직하다.
본 발명을 정전 척에 적용한 경우에는 정전 척 전극에 대해 고주파전원을 접속하고 이 전극에 대해 직류전압과 동시에 고주파전압을 공급하는 것에 의해 이 전극을 플라즈마 발생용 전극으로서도 사용할 수 있다. 이 경우에는 예를 들어 전극이 텅스텐이고 주파수가 13.56MHz인 경우, 전극의 두께는 430㎛ 이상이 바람직하지만, 이 두께의 전극을 스크린 인쇄법으로 형성하는 것은 어렵기 때문에, 전극을 금속 벌크체에 의해 구성한다. 또한 절연성 유전층의 두께가 0.5mm∼5.0mm 범위 내에서는 유전체 손실에 의한 자기발열은 그다지 크지 않고, 고주파 전극으로서 문제없이 사용할 수 있다.
또한, 본 발명에 있어서는 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 10ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상 1.0×1013Ω·cm 이하인 질화 알루미늄 소결체를 기재로 하여 사용한 정전 척, 플라즈마 발생용 전극장치 등의 정전 척 전극, 고주파 전극 등은 스크린 인쇄법에 의해 형성된 전극으로서 좋다.
이하, 적절하게 도면을 참조하여 본 발명을 더욱 상세하게 설명한다.
제1도는 정전 척을 개략적으로 보이는 단면도이다. 제2(a)도는 제1도의 정전 척 중에서 일부를 절결하여 보이는 사시도이며, 제2(b)도는 금속 망으로 이루어지는 전극(3)을 나타낸 사시도이다.
거의 원반형상의 기재(1)의 측주면(側周面)(1d)에 링상의 플랜지(1c)가 설치되어 있고, 기재(1)의 내부에 금속 망(3)으로 이루어지는 전극(9)이 매설되어 있다. 반도체 웨이퍼(6)의 설치면(1a) 측에는 소정 두께의 절연성 유전층(제1부분)(4)이 형성되어 있다. 기재 중 지지부분(제2부분)(8) 측에는 단자(10)가 매설되어 있고, 단자(10)가 전극(9)에 접속되어 있다. 단자(10)의 단면이 기재(1)의 이면(1b)으로 노출되어 있다. 기재(1)의 소정 개소에 반도체 웨이퍼(6)를 승강시키기 위한 핀을 안내하는 구멍(2)이 형성되어 있다.
단자(10)에 전선(5A)을 개재하여 직류전원(7)이 접속되어 있다. 또한, 반도체 웨이퍼(6)에는 직류전원의 음극이 전선(5B)을 개재하여 접속되어 있다. 본 실시예에서의 전극(9)은 제2(a)도, 제2(b)도에 도시하는 바와 같은 금속 망(3)에 의해 형성되어 있다. 금속 망(3)은 원형의 테두리선(3a)과, 테두리선(3a)의 내부에 종횡으로 형성되어 있는 선(3b)으로 이루어져 있고, 이들 사이에는 망눈(13)이 형성되어 있다.
제3(a)도는 전극(9)으로서 사용할 수 있는 펀칭 메탈(14)을 보이는 사시도이다. 펀칭 메탈(14)은 원형을 이루고 있으며, 원형의 평판(14a) 내에 다수의 원형구멍(14b)이 바둑판 형상으로 다수 형성되어 있다. 제3(b)도는 전극(9)으로서 사용할 수 있는 원형의 박판(15)을 나타내는 사시도이다. 제3(c)도는 전극(9)으로서 사용할 수 있는 박판(16)을 나타내는 평면도이다. 박판(16) 내에는 가늘고 긴 직선상의 절입(切翔)(16b),(16c)이 서로 평행하게 총 6열 형성되어 있다. 이 중 3열의 절입(16b)은 제3(c)도에서 하측으로 개구되어 있고, 나머지 3열의 절입(16c)은 상측으로 개구되어 있다. 절입(16b)과 (16c)는 서로 배치되어 있다. 이러한 형상을 채용한 결과, 박판에 의해 가늘고 긴 도전로가 형성되어 있다. 이 도전로의 양단(16a)에 단자를 접속한다.
제4도는 다른 실시예에 관한 정전 척을 개략적으로 보이는 단면도이다. 제4도에 있어서, 제1도에 도시한 부재와 동일한 부재에는 동일한 부호를 붙이고, 그 설명은 생략한다. 지지부분(8)에는 저항발열체(21)가 매설되어 있고, 저항발열체(21)의 양측부분에는 단자(22)가 접속되어 있다. 각 단자(22)에 대해서 전력공급용 케이블(23)이 접속되어 있고, 이 케이블(23)은 도시하지 않은 전원에 접속되어 있다.
본 발명자는 절연성 유전층(제1부분)에서 체적저항율이 현저하게 저하된 소결체가 얻어진 이유에 대하여 더욱 상세하게 검토했다. 본 발명자는 몰리브덴으로 이루어지는 면상의 금속 부재를 성형체 중에 매설하고, 이 면상의 금속 부재의 표면에 대해 수직방향으로 상기와 같은 압력을 가하고, 상기와 같은 온도, 압력, 유지시간의 각 조건하에서 일체 소성하는 것에 의해 금속 부재의 적어도 한 쪽에서 특히 현저한 체적저항율의 저하가 생기는 것을 발견했다. 이 원인은 명확하지 않다.
본 발명자는 몰리브덴으로 이루어지는 금속 부재의 양측에서 기재인 질화 알루미늄 소결체의 원소분석을 행했지만 몰리브덴 원소자체는 제1부분에 있어서도 제2부분에 있어서도 각각 원소분석 검출한계 이하였다. 결국, 몰리브덴의 질화 알루미늄으로의 혼입에 의해 그 도전성이 상승한 것이 아님을 확인했다.
단, 몰리브덴 원소가 질화 알루미늄 결정의 입계에 극미량 존재하고, 에너지 밴드를 변화시킨 가능성까지는 부정할 수 없다. 또한, 몰리브덴으로 이루어지는 금속 부재가 소성전의 성형체로의 매설 단계에서 미량 함유하고 있던 탄소 또는 산소가 소성시에 제1부분의 표면을 향하여 확산되고, 혹은 역으로 몰리브덴으로 이루어지는 금속 부재를 향하여 확산되어, 이들이 약간의 영향을 준 가능성도 있다.
특히, 금속 부재의 양측에서 체적저항율이 현저하게 낮은 질화 알루미늄 소결체가 생성되고, 이 체적저항율이 낮은 질화 알루미늄 소결체의 내부에 금속 부재가 포함되는 일이 있었다. 예를 들면 후술하는 제5(a)도, 제6(a)도, 제6(b)도, 제6(c)도, 제7도에 도시하는 경우가 이들에 해당한다. 금속 부재를 질화 알루미늄 기재 중에 함유되어 있는 구조에서는 금속 부재가 질화 알루미늄에 대한 일종의 결함을 구성하고 있기 때문에, 상기한 바와 같은 금속포함재가 급속하게 고온까지 가열되거나, 혹은 저온과 고온 사이의 열 주기에 노출되거나 한 경우에는 금속 부재 주위에서 기재가 파괴되기 쉽게 된다. 그러나, 체적저항율이 낮고 또한 치밀질인 본 발명의 질화 알루미늄 소결체의 내부에 금속 부재가 포함되어 있는 구조에서는 열 충격에 기인하는 금속 부재의 파괴가 특히 생기기 쉽다.
본 발명자는 여러 가지 조건 및 장치에서 각 금속포함재를 제조하고, 각 금속포함재에 대해서 기재의 각 부분에서 소결체를 절출하고, 각 부분의 질화 알루미늄 소결체에 대하여 상세하게 검토했다. 각 기재의 형태에 대해 제5(a)도, 제5(b)도, 제6(a)∼6(c)도, 제7도를 계속 참조하여 설명한다.
제5(a)도에 보이는 금속포함재(25A)에서는 기재 중에 금속 부재(26)가 매설되어 있으며, 그 외주부분(27A)은 엿색 또는 황백색의 소결체에 의해 구성되어 있으며, 이 소결체 중에 흑갈색 또는 흑색의 소결체(28A)가 생성되어 있다. 금속 부재(26)는 흑갈색 또는 흑색의 소결체(28A) 중에 포함되어 있다. 제5(b)도에 도시하는 금속포함재(25B)에서는 기재 중에 금속 부재(26)가 매설되어 있고, 그 외주부분(27B)은 엿색 또는 황백색의 소결체에 의해 구성되어 있으며 이 소결체 중에 흑갈색 또는 흑색의 소결체(28B)가 생성되어 있다. 금속 부재(26) 중 절연성 유전층 측의 표면을 엿색 또는 황백색의 소결체(28B)에 대해 접촉하고 있고, 지지부분 측의 표면은 흑갈색 또는 흑색의 소결체(28B)에 대해 접촉하고 있다.
이러한 엿색 또는 황백색의 소결체는 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하이며 질화 알루미늄의 전자 스핀 공명법에 의한 스펙트럼에 있어서 부대전자 g값이 2.0000 이하이며, 또한 전자 스핀 공명법에 의한 스펙트럼에서 얻어진 알루미늄의 단위 mg당 스핀수가 5×1012스핀 이상이다. 또한, 이 소결체의 상대밀도는 99.5% 이상인 것이 바람직하다. 이 소결체의 결정조직을 분석하면 질화 알루미늄 주결정상(主結晶相) 외에는 소위 27R상(Al2O3-7(질화 알루미늄)상)은 거의 없고 구상(球狀)의 알론(ALON)상이 주된 것이었다.
본 소결체의 스핀 수는 6.0×1012스핀/mg 이상인 것이 바람직하고, 6.9×1012스핀/mg 이상이 더욱 바람직하다. 실온에서의 체적저항율은 8.0×1012Ω·cm 이하인 것이 한층 바람직하다. 부대전자 g값은 1.9990 이하로 하는 것이 한층 바람직하다.
이것에 대해 흑갈색 또는 흑색의 소결체는 실온에서의 체적저항율이 1.0×1013Ω·cm 이상이며, 부대전자 g값이 2.0040 이상(2.0065 이하)이며, 상기 스핀수가 4.5×1012스핀 이하(더욱 바람직하게는 4.2×1012스핀 이하)이다. 또한, 이 소결체의 상대밀도는 99.0% 이상인 것이 바람직하고, 99.5% 이상인 것이 더욱 바람직하다.
이 주결정상은 질화 알루미늄이지만, 부(副)결정상으로서 알론(ALON)이 생성되어 있었다. 이러한 질화 알루미늄에서는 전형적으로 입경 3∼4㎛의 질화 알루미늄 결정입자 중에 입경 0.1㎛ 등급(order)의 알론(ALON) 입자가 생성되어 있었다.
엿색 또는 황백색의 소결체에 대해서도 흑갈색 또는 흑색의 소결체에 대해서도 질화 알루미늄의 격자정수(格子定數)에는 차이가 보이지 않았다. 결국, 질화 알루미늄 결정상 이외의 결정상의 종류와 체적저항율 사이에는 특별한 상관은 보여지지 않았다. 또한, 질화 알루미늄 결정입자의 평균적인 크기는 흑갈색 또는 흑색의 부분에서는 3㎛ 이하이며, 엿색 또는 황백색의 부분에서는 3∼4㎛로서 실질적으로 큰 차이는 보여지지 않았다.
일반적으로는 세라믹스의 절연저항은 그 결정입경이 크게 되면 저하된다고 여겨진다. 이것은 결정입계의 저항이 결정입자의 저항보다도 큰 경우에 결정입자가 크게 되면 입계의 수가 감소되고, 저항의 총계(總計)가 감소된다고 여겨지기 때문이다. 그러나, 본 발명의 고순도 질화 알루미늄의 경우는 상기와 같이 입경이 거의 동등하더라도 체적저항율이 다르다고 하는 특이한 성질을 가지고 있었다. 따라서, 질화 알루미늄의 체적저항율의 변화는 결정상의 종류나 입경에 의한 것일 뿐 아니라, 질화 알루미늄 결정상 내부의 결함 구조 및 입계의 결함 구조에도 영향을 미치는 것으로 여겨진다.
제6(a)도의 금속포함재(25C)에서는 기재의 외주부분은 엿색 또는 황백색의 소결체(27C)에 의해 형성되어 있으며, 소결체(27C)의 내부에 백색 또는 백회색의 소결체(29A)가 형성되어 있다. 금속 부재(26)는 소결체(27C)의 내부에 포함되어 있다. 제6(b), 6(c)도의 금속포함재(25D),(25E)에서 기재의 외주부분은 엿색 또는 황백색의 소결체(27D),(27E)에 의해 형성되어 있고, 소결체(27D),(27E)의 내부에 백색 또는 백회색의 소결체(29B),(29C)가 형성되어 있다. 금속 부재(26)는 소결체(27D),(27E)의 내부에 포함되어 있다. 백색 또는 백회색의 소결체가 차지하는 부분의 체적은 제6(b)도의 기재가 가장 많고, 이어서 제6(a)도, 제6(c)도의 순서로 되어 있다.
제7도의 금속포함재(25F)에서 기재의 외주부분은 엿색 또는 황백색의 소결체(27F)에 의해 형성되어 있고, 소결체(27F)의 내부에 백색 또는 백회색의 소결체(29D)가 형성되어 있다. 금속 부재(26) 중 절연성 유전층 측의 표면은 엿색 또는 황백색의 소결체(27F)에 대해서 접촉하고 있다. 금속 부재(26) 중에서 지지부분 측의 표면은 흑갈색 또는 흑색의 소결체(28C)에 대해 접촉하고 있으며, 소결체(28C)가 백색 또는 백회색의 소결판(29D)에 대해 연속되어 있다.
여기서 생기는 엿색 또는 황백색의 소결체(27F)는 상대밀도가 99.5% 이상이며, 평균입경이 5㎛ 이상이며, 체적저항율은 109∼1012Ω·cm이며, 스핀 수는 5×1012스핀/mg 이상이며, g값은 2.000 이하였다. 또한, 이 결정상은 27R상이었다. 이는 상기한 엿색 또는 황백색의 질화 알루미늄 소결체와 유사한 특성을 가지는 것이지만, 단 결정상이 27R상이며, 또한 평균 결정 입경이 약간 크고, 상기의 것보다도 약간 체적저항율이 저하되는 경향이 보여졌다.
결국, 이 소결체의 미세구조 및 전자적 성질은 상기한 것과 거의 동일하지만, 약간 소결이 진행되어 결정입자가 성장하고 있으며, 이것에 수반되어 약간 체적저항율이 저하되고 또한 결정상에 변화가 생긴 것으로 추정된다.
백색의 소결체는 실온에서의 체적저항율이 8.6×1013Ω·cm 이상이며, 부대전자의 g값이 1.9981 이하이며, 상기 스핀수가 9.5×1012스핀/mg 이상이다. 또한, 이 소결체의 상대밀도는 99.5% 이하이며, 통상은 97.5∼99.0%이다.
따라서, 백색 또는 백회색 소결체의 ESR 특성은 체적저항율이 현저하게 저하된 엿색 또는 황백색 소결체와 비슷하지만, 기공이 생성된 것에 의해 체적저항율이 상승하는 것이라고 여겨진다. 특히, 고온에서 소성한 경우에는 기재 내부 중 특히 상대적으로 체적이 큰 제2부분(지지부분) 쪽에서 내부의 일산화탄소(CO) 가스 등의 증기압이 발생하고, 소결체에 기공이 생성된다. 소결체의 미세한 구조가 동일하더라도 기공율이 낮으면 흑색, 흑회색으로 보이고, 기공율이 상승함에 따라 백색 내지 백회색으로 보이게 된다. 이 소결체는 27R상을 포함하는 것도 있으나, 27R상을 포함하는가 어떤가는 소성온도에 의존하고 있으며, 보다 고온에서 소성한 경우 27R상이 생성되기 쉽다.
상기한 전자 스핀 공명법(Electron spin resonance:ESR법)에 의한 스펙트럼에 의한 부대전자의 g값 및 스핀 수는 질화 알루미늄 결정상 내부나 입계의 결함 구조의 구성을 나타내고 있는 것이다.
이 원리를 간단하게 설명한다. 부대전자는 자장 하에서는 제만(zeeman)효과에 의해 에너지준위가 분열된다. 이 에너지준위에는 전자의 궤도운동, 근방의 원자의 핵자기능률과의 상호작용이 민감하게 반응한다. ESR법에서는 이 분열된 에너지준위를 측정하는 것에 의해 부대전자를 가지는 원자의 근방의 원자 및 화학결합 등에 관한 정보를 알 수 있다.
질화 알루미늄에서는 알루미늄의 부대전자의 g값이 부대전자가 존재하고 있는 결정장에 의해 변화된다. 이 g값은 이론적으로는 자유전자에서는 2.0000이고, 상대론적 보정에서는 g=2.002316의 값을 취한다. 질화 알루미늄 결정상 중 Al원자, N원자는 4배위의 울차이트(wurtzite)구조를 가지고 있으며, 알루미늄 원자와 세 개의 질소 원자에 의해 sp3혼성궤도를 형성하고 있다. 각 시료의 스핀수의 값으로 격자결함 중의 부대전자가 어떠한 결정배위에 존재하고 있는지, 어떠한 원소가 부대전자의 주변에 존재하고 있는가를 알 수 있다.
부대전자를 가지는 Al원자에 대해 결합하는 원자의 종류가 변화되면 부대전자의 스핀수 내지 g값은 크게 변화된다. 상기와 같은 대폭적인 g값의 변화는 이러한 알루미늄과 결합하는 원자 종류의 변화로 돌아가야 하는 것이다. 즉, 이 결합원자의 종류가 질소 원자에서 탄소 원자 또는 알루미늄 원자로 바뀌면 g값 및 스핀수가 크게 변화된다. 4배위 구조의 실리콘(Si) 원자에서 이것과 유사한 스핀수의 변화가 발생되고 있는 것이 보고되어 있다(「소재의 ESR 평가법」IPC출판 제57항 참조).
이번 측정에서 얻어진 g값 및 스핀수의 현저한 변화도 알루미늄 원자에 4배위되어 있는 원자 종류의 변화에 기인하고 있는 것으로 여겨진다. 즉 알루미늄 원자에 대해 알루미늄 원자가 결합되어 있다.
즉, 제8도에 도시하는 바와 같이, 알루미늄에 대해 질소 원자가 3배위하고 있는 상태에 대해서는 알루미늄에 배위하고 있는 질소 원자가 알루미늄에 의해 치환되면, g값은 크게 되고, 반값 폭은 작아진다(피이크의 폭이 작아져서 피이크가 샤프(sharp)하게 된다).
알루미늄에 배위되어 있는 질소 원자의 수가 변화되면, g값이 변화하는 것은 이해할 수 있다. 여기서, 질화 알루미늄 결정상 중에는 탄소 원자나 산소 원자도 존재하고 있기 때문에, 질소 원자의 위치에 탄소 원자 또는 산소 원자가 치환되는 것도 상정할 수 있다. 탄소 원자나 산소 원자가 질소 원자의 위치로 치환되면 g값은 감소되기 때문에 이들 원자에 의한 치환 비율은 극히 작은 것이 당연하다.
엿색 또는 황백색의 소결체에서는 상기한 바와 같이 피이크의 g값이 2.0000 이하이며, 또한 피이크가 폭넓고 반값 폭이 크다. 이와 같은 시료에서는 질화 알루미늄 결정 중에 산소가 고용(固溶)되고, 즉 질화 알루미늄 결정 중의 N3-부위(site)에 O2-가 치환되고, Al3+가 결손된 것으로 여겨진다.
각 시료의 ESR 스펙트럼에서의 흡수 피이크 자체를 비교하면 엿색 또는 황백색의 소결체가 가장 큰 흡수강도를 가지고 있으며 반값 폭도 넓다. 이는 제일 수가 많은 전도전자가 상기 격자결함 중에 트랩(trap)되어 있거나 포착되어 있고, 이러한 트랩된 전도전자가 전기저항의 감소에 기여하고 있는 것으로 여겨진다.
본 발명자는 더욱 이러한 점을 명확하게 하기 위해서, 엿색 또는 황백색의 소결체에 대해 음극형광을 측정했다.
음극형광은 일반적으로 시료에 대해서 전자선을 조사했을 때의 시료로부터의 반사파의 일종이다. 제9도에 모사도로 도시한 바와 같이, 여기전자가 가(價)전자대로부터 전도대로 여기되고, 가전자대에 정공이 생긴다. 전도대와 정공 사이의 밴드갭에 대응하는 발광이 발생한다. 이것과 동시에 결정 내에 포함되는 결함이나 불순물의 작용에 의해 전도대와는 별도로 국재(局在)전자준위가 발생하면 국제전자준위의 여기전자와 가전자대 정공의 재결합에 수반되어 발광이 발생한다. 따라서, 음극형광의 스펙트럼으로부터는 에너지 밴드 구조, 결정성, 결정 중에 포함되는 결함이나 불순물에 대해 정보를 얻을 수 있다.
엿색 또는 황백색의 소결체에 대해 음극형광 스펙트럼을 측정한 결과, 예를 들면 제11도에 예시하는 바와 같이 350∼370nm의 파장 영역에 강한 피이크를 가지고 있는 것을 발견했다. 또한 650∼750nm의 파장 영역에 이 피이크의 2배 파로 여겨지는 약한 피이크를 검출했다.
또한, 본 발명자는 비교 대상으로서 질화 알루미늄 분말에 5중량%의 이트리아 분말을 첨가하여 소성하는 것에 의해 얻어진 고밀도의 소결체를 준비하고, 이 소결체에 대해 음극형광을 측정했다. 이 결과, 예를 들면 제13도에 도시하는 바와 같이 약 340nm, 500nm, 600nm에서 각각 약한 피이크가 측정되었다.
이와 같은 발광 파장의 차이는 발광종(밴드갭 내의 전자준위)의 차이를 나타내고 있다. 또한, 발광 강도의 차이는 불순물에 의한 전자 농도의 차이를 나타내고 있다. 특히, 엿색 또는 황백색 소결체의 경우에 350∼370nm의 파장 영역에 강한, 샤프(sharp)한 피이크가 관측되지만 이는 특정 불순물에 의한 전자 농도가 높은 것을 나타내고 있다.
또한, 본 발명자는 엿색 또는 황백색 소결체에 대해 음극형광에 의해 파장 360nm의 발광 맵핑(mapping)을 행했다. 이 결과, 360nm의 발광은 질화 알루미늄 입자 내에서 관측되는 것을 알았다. 입계부는 어둡고, 이 발광은 보이지 않았다. 이는 전자 농도가 높은 영역(국재전자준위가 많은 영역)이 입자 내에 분포되어 있고, 입계부에 분포되어 있지 않음을 나타내고 있다.
또한, 본 발명자는 엿색 또는 황백색 소결체에 대해 X선 마이크로 애널라이저(EPMA)에 의해 산소 농도의 분포를 측정했다. 이 결과, 입자 내에 비교적 다량의 산소 원자가 존재하고 있었다. 이것에 대해 비교 대상의 이트리아를 5중량% 첨가한 소결체의 경우에는 산소 농도가 상대적으로 낮게 되어 있다. 더구나, 비교 대상의 소결체 내에서 산소가 상대적으로 많이 존재하고 있는 부분은 이트리아가 존재하고 있는 부분과 거의 중복되어 있는 것을 알 수 있다. 이트리아는 질화 알루미늄 입자 내에 고용되지 않고, 입계부로 배출되는 것이 알려져 있다. 따라서, 산소 원자의 대부분은 입자 내에는 존재하지 않고, 입계에 존재하고 있다.
이상의 실험 결과로 알 수 있는 바와 같이, 엿색 또는 황백색 소결체에서는 질화 알루미늄 입자 내에 상대적으로 다량의 산소 원자가 고용되어 있고, 이것이 국재전자준위를 제공하고, 입자 내 저항의 저하에 기여하고 있는 것으로 여겨진다. 이는 ESR 스펙트럼에서의 흡수 피이크의 강도가 높은 것도 정합되어 있다.
이것에 대해 이트리아를 5중량% 첨가한 비교 대상의 소결체의 경우에는 소결이 진행되는 과정에서 입자 내에서 이트륨이 배출되고, 이 때 이트륨이 산소 원자를 입계에 향해 가지고 가는 경향이 있다. 이 때문에 입자 내의 산소 원자가 감소된 것으로 여겨진다.
본 발명의 소결체를 제조하기 위해서는 바람직하게는 질화 알루미늄 분말의 성형체를 카본으로 이루어진 피막 중에 포함 또는 봉입하여 소성한다. 이 소성방법 자체는 핫 프레스법이나 핫 아이소스태틱 프레스법을 채용할 수 있다.
성형체를 카본으로 이루어지는 피막 중에 포함하기 위해서는 제10도에 도시하는 바와 같은 형태로 할 수 있다. 성형체(20) 중에는 면상의 금속 벌크재(9)가 매설되어 있고, 금속 벌크재(9)에 의해 성형체가 제1부분(20a)과 제2부분(20b)으로 분할되어 있다. 상기한 바와 같이 제1부분(20a)의 폭은 제2부분(20b)의 폭보다도 작다.
위 펀치(15A)와 아래 펀치(15B) 사이에 성형체(20)를 설치할 때, 성형체(20)의 상측면과 하측면에 그래파이트(graphite)제 호일(19A),(19B)을 각각 설치한다. 성형체(20) 및 한 쌍의 호일(19A),(19B)을 각 스페이서(18A)와 (18B) 사이에 설치한다. 이것과 동시에 성형체(20)의 양측면을 덮도록 그래파이트제의 호일(17)을 설치하고, 그래파이트제의 호일(19A),(19B) 및 (17)에 의해 성형체(20)를 밀봉한다. 카본제의 다이스(14) 중에 카본제의 슬리브(16)를 개재한 상태에서 호일(17) 및 성형체(20)를 설치한다. 가압성형기를 구동하고, 위 펀치(15A)와 아래 펀치(15B)에 의해 제10도에 있어서 상하 방향으로 압력을 가하고 또한 가열한다.
이 경우에서 소성시의 압력은 50kg/cm2이상으로 된다. 단, 이 압력은 실제 장치의 능력에서 보면 0.5톤/cm2이하로 하는 것이 바람직하다.
상기에서는 금속 부재를 매설한 고순도 질화 알루미늄 성형체의 일체 소결에 의해 금속 부재에서 표면까지의 폭이 비교적 작은 제1부분에서 체적저항율이 특히 저하된 질화 알루미늄 소결체가 얻어진 것을 보고했다. 본 발명자는 더욱이 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하인 질화 알루미늄 분말로 이루어지는 성형체를 제조하고, 단 이 성형체 중에 상기와 같은 금속 부재를 수용하지 않고, 소결시켜 보았다. 이 소결시의 각 조건으로서는 1850℃∼2000℃의 온도범위, 100∼300kg/cm2의 압력 및 2∼5시간의 소성온도에서의 유지시간이라는 각 조건을 채용했다.
이 결과, 질화 알루미늄 소결체의 체적저항율은 최저에서도 2×1013Ω·cm로서 본 발명에서와 같은 체적저항율의 현저한 저하는 관찰되지 않음을 알 수 있다.
또한, 본 발명자는 알루미늄 이외의 금속원소의 함유량이 100ppm 이하인 질화 알루미늄 원료를 성형하여 성형체를 제조하고, 이 성형체를 1700℃∼2000℃의 온도 및 100kg/cm2이상의 압력 하에서 소결시키는 것에 의해 상대밀도 95.0% 이상의 질화 알루미늄 소결체를 일단 제조해 보았다. 이 성형체의 색조는 흑갈색이며, 그 체적저항율은 2×1013Ω·cm∼1×1015Ω·cm 범위 내 이었다. 이어서, 이 질화 알루미늄 소결체를 1850℃ 이상의 온도에서 가압하지 않고 불활성 분위기 하에서 열처리하여 보았다. 이 결과, 질화 알루미늄 소결체의 색조는 엿색으로 변화되고, 그 체적저항율이 역시 1.0×1013Ω·cm 이하까지 현저하게 감소를 보임을 발견했다. 이 제조방법에 의하면 상기한 바와 같은 체적저항율이 현저하게 감소한 고순도의 질화 알루미늄 소결체이며, 또한 금속 부재를 함유한 일체 소결체로서가 아니라 단체로서 제조할 수 있게 되었다.
이 경우에는 열처리를 불활성 분위기 중 또는 환원성 분위기 중에서 상압에서 실시하는 것이 바람직하다. 이러한 분위기로서는 질소 분위기나 아르곤 분위기가 특히 바람직하다.
따라서, 본 발명의 질화 알루미늄 소결체는 더욱이 반도체 웨이퍼를 설치하기 위한 서셉터, 더미 웨이퍼, 섀도우 링, 고주파 플라즈마를 발생시키기 위한 튜브, 고주파 플라즈마를 발생시키기 위한 돔, 고주파 투과창, 적외선 투과창, 반도체 웨이퍼를 지지하기 위한 리프트 핀, 샤워 판 등 각 반도체 제조용 장치의 기재로서 사용할 수 있다.
이하, 구체적인 실시예에 대하여 설명한다.
[실시예 1]
제1도 및 제2도에 도시하는 바와 같은 형태의 정전 척을 제조하였다. 환원 질화법에 의해 얻어진 질화 알루미늄 분말을 사용하였다. 이 분말에서 실리콘(Si), 철(Fe), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 칼륨(K), 나트륨(Na), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 텅스텐(W), 붕소(B), 이트륨(Y)의 함유량은 각각 100ppm 이하이고, 알루미늄 이외의 금속은 이들 외에는 검출되지 않았다.
이 원료분말을 일축 가압 성형함으로써, 원반 형상의 예비성형체를 제조하였다, 전극으로서는 몰리브덴제의 금속 망을 사용하였다. 금속 망은, 직경 Φ0.12mm의 몰리브덴 선을, 1인치당 50개의 밀도로 짜여진 금속 망을 사용하였다. 이 금속 망을, 예비성형체 중에 매설하여, 제10도에 도시하는 바와 같은 성형체(20)를 제조하였다. 제10도에 도시하는 바와 같이 성형체(20)를 형(型) 내에 설치하고, 전술한 바와 같이 하여 성형체(20)를 카본 호일 내에 밀봉하였다. 1950℃의 온도, 200kg/cm2의 압력 및 2시간의 유지시간으로 핫 프레스 방법에 의하여 이 성형체를 소성하였다.
얻어진 소결체의 절연성 유전층 측의 표면을 기계가공하고, 절연성 유전층(4)의 두께를 1mm로 하였다. 소결체의 배면 측에서 머시닝 센터에 의하여 구멍(2)을 형성하고, 또한 단자(10)를 전극(9)에 접합하였다. 지지부분(8) 및 절연성 유전층(4)을 구성하는 질화 알루미늄 소결체의 상대밀도는 98.0% 이상이었다. 이 정전 척의 치수는 직경이 200mm이고, 두께는 8mm 이었다.
이 정전 척의 각 부분에서 시료를 검출하여 분석을 행하였다. 먼저, 절연성 유전층(4)의 색조는 황백색이었다. 이것에 대하여 지지부분(8) 측의 색조는 흑색 내지 흑갈색이었다. 이 각 부분의 결정구조 및 결정상의 분석결과 및 원소분석의 결과는 상술한 대로 였다.
또한 절연성 유전층(4)을 구성하는 소결체의 체적저항율은 8.9×1010Ω·cm이며, 저항치가 매우 저하되어 있는 것이 판명되었다. 이것에 대하여 지지부분(8)을 구성하는 흑색 내지 흑갈색의 소결체의 체적저항율은 2.6×1013∼2.8×1013Ω·cm이며, 절연성 유전층(4)보다 현저하게 체적저항율이 큰 것이 판명되었다.
또한, 절연성 유전층(4) 및 지지부분(8)에서 각각 절출한 시료에 대하여 각각 ESR 스펙트럼을 측정하였다. 지지부분(8)의 ESR 스펙트럼에서의 g값은 2.0053±0.0001이며, 피이크 강도는 크고, 피이크는 샤프하였다. 절연성 유전층(4)에 있어서는, g값은 1.9980±0.0001이고, 피이크 강도는 크고, 피이크 형상은 폭 넓었다.
이 정전 척의 흡착력을 시료를 절출하기 전에 측정하였다. 제1도에 나타내는 반도체 웨이퍼(6) 대신에 면적 1평방 센티미터의 금속제 작은 원판을 흡착시켜, 이것을 와이어에 의해 흡착면에 대하여 수직방향으로 끌어올리고 탈착하는데 필요한 하중을 로드 셀로 측정하였다. 그 결과, 전압을 500V로 인가한 경우, 100g/cm2이상의 높은 흡착력을 나타내었다.
또한, 절연성 유전층(4)을 구성하는 질화 알루미늄 소결체에 대하여 300℃에서의 체적저항율을 측정한 바, 5.0×107Ω·cm이었다.
[실시예 1A]
실시예 1과 동일하게 하여 정전 척을 제조하였다. 단, 실시예 1에 있어서 압력을 100kg/cm2로 하였다.
이렇게 얻어진 정전 척을 구성하는 기재의 각 부분에서 소결체를 절출하고 각 소결체의 분석을 행했다. 먼저, 기재의 각 부분의 색채는 제7도에 나타내는 바와 같이 나누어져 있었다. 황백색의 소결체(27F)의 상대밀도는 99.8%이며, 실온에서의 체적저항율은 8.9×1010Ω·cm이고, ESR 스펙트럼에서의 스핀 수는 1.1×1013스핀/mg이고, ESR 스펙트럼에 있어서 g값은 1.9980이었다.
한편, 백색의 소결체(29D)의 상대밀도는 97.8%이며, 실온에서의 체적저항율은 2.3×1014Ω·cm이고, ESR 스펙트럼에서의 스핀 수는 1.3×1013스핀/mg이고, ESR 스펙트럼에 있어서 g값은 1.9978이었다. 또한 흑갈색의 소결체로 이루어지는 부분(28C)이 전극(26)에 접촉되어 있는 것이 확인되었다.
[비교예 1]
실시예 1에 있어서, 핫 프레스시의 온도를 1800℃로 하고, 압력을 150kg/cm2으로 하고, 1800℃에서의 유지시간을 3시간으로 하였다. 그 외는 실시예 1과 동일하게 하여 정전 척을 제조하였다. 그 결과, 기재의 전체가 흑색의 소결체에 의해 구성되어 있는 것을 확인하였다. 기재의 각 부분에서 소결체를 절출하여 그 특성을 측정하였다.
절연성 유전층(4)에서 절출한 소결체의 상대밀도는 99.0% 이상이고, 체적저항율은 6.0×1013Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 1.2×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 2.0049이었다. 지지부분(8)에서 절출한 소결체의 상대밀도는 99.0% 이상이고, 체적저항율은 3.0×1014Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 2.5×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 2.0062이었다. 이 정전 척에 대하여 전압을 500V 인가한 경우의 흡착력은 30g/cm2이었다.
[비교예 2]
실시예 1에 있어서, 핫 프레스시의 온도를 1800℃로 하고, 압력을 200kg/cm2으로 하고, 1800℃에서의 유지시간을 5시간으로 하였다. 그 외는 실시예 1과 동일하게 하여 정전 척을 제조하였다. 그 결과, 기재의 전체가 흑색의 소결체에 의하여 구성되어 있는 것을 확인하였다.
절연성 유전층(4)에서 절출한 소결체의 상대밀도는 99.5% 이상이고, 체적저항율은 4.0×1013Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 2.1×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 2.0047이었다. 지지부분(8)에서 절출한 소결체의 상대밀도는 99.0% 이상이고, 체적저항율은 4.2×1014Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 1.2×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 2.0061이었다. 이 정전 척에 대하여 전압을 500V 인가한 경우의 흡착력은 2g/cm2이었다.
[실시예 2]
실시예 1에 있어서, 핫 프레스시의 온도를 1850℃로 하고, 압력을 200kg/cm2로 하고, 1850℃에서의 유지시간을 5시간으로 하였다. 그 외는 실시예 1과 동일하게 하여 정전 척을 제조하였다. 그 결과, 제5(a)도에 보이는 소결체의 분포를 가지는 기재가 생성되었다.
소결체(27A)의 색조는 엿색이고, 상대밀도는 99.5% 이상이고, 체적저항율은 8.0×1012Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 6.9×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 1.9990이었다. 소결체(28A)의 색조는 흑갈색이고, 상대밀도는 99.0% 이상이고, 체적저항율은 2.3×1013Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 4.2×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 2.0051이었다. 이 정전 척에 대하여 전압을 500V 인가한 경우의 흡착력은 90g/cm2이었다.
[실시예 3]
실시예 1에 있어서, 핫 프레스시의 온도를 1900℃로 하고, 압력을 200kg/cm2으로 하고, 1900℃에서의 유지시간을 3시간으로 하였다. 그 외는 실시예 1과 동일하게 하여 정전 척을 제조하였다. 그 결과, 제5(a)도에 보이는 소결체의 분포를 가지는 기재가 생성되었다.
절연성 유전층(4)에서 절출한 소결체(27A)의 색조는 엿색이고, 상대밀도는 99.5% 이상이고, 체적저항율은 2.0×1012Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 7.5×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 1.9985이었다. 지지부분(8)에서 절출한 소결체(28A)의 색조는 흑갈색이고, 상대밀도는 99.0% 이상이고, 체적저항율은 8.0×1013Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 3.3×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 2.0042이었다. 이 정전 척에 대하여 전압을 500V 인가한 경우의 흡착력은 120g/cm2이었다.
[실시예 4]
실시예 1에 있어서, 핫 프레스시의 온도를 1900℃로 하고, 압력을 100kg/cm2으로 하고, 1900℃에서의 유지시간을 5시간으로 하였다. 그 외는 실시예 1과 동일하게 하여 정전 척을 제조하였다. 그 결과, 제5(b)도에 보이는 소결체의 분포를 가지는 기재가 생성되었다.
절연성 유전층(4)에서 절출한 소결체(27B)의 색조는 엿색이고, 상대밀도는 99.0% 이상이고, 체적저항율은 3.0×1011Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 1.1×1013스핀/mg이고, 상기 g값은 1.9980이었다. 지지부분(8)에서 절출한 소결체(28B)의 색조는 흑갈색이고, 상대밀도는 99.0% 이상이고, 체적저항율은 9.0×1013Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 3.5×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 2.0051이었다. 이 정전 척에 대하여 전압을 500V 인가한 경우의 흡착력은 200g/cm2이었다.
[실시예 5]
실시예 1에 있어서, 핫 프레스시의 온도를 2000℃로 하고, 압력을 200kg/cm2으로 하고, 2000℃에서의 유지시간을 1시간으로 하였다. 그 외는 실시예 1과 동일하게 하여 정전 척을 제조하였다. 그 결과, 제6(a)도에 보이는 소결체의 분포를 가지는 기재가 생성되었다.
절연성 유전층(4)에서 절출한 소결체(27C)의 색조는 엿색이고, 상대밀도는 99.5% 이상이고, 체적저항율은 3.0×1011Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 8.2×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 1.9979이었다. 지지부분(8)에서 절출한 소결체(29A)의 색조는 백색이고, 상대밀도는 98.3%이고, 체적저항율은 1.9×1014Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 9.5×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 1.9980이었다. 이 정전 척에 대하여 전압을 500V 인가한 경우의 흡착력은 220g/cm2이었다. 이러한 백색 소결체의 생성은 핫 프레스 온도가 2000℃로 높아짐으로써 기공이 생성된 것이라고 판단된다.
[실시예 6]
실시예 1에 있어서, 핫 프레스시의 온도를 2000℃로 하고, 압력을 100kg/cm2으로 하고, 2000℃에서의 유지시간을 3시간으로 하였다. 그 외는 실시예 1과 동일하게 하여 정전 척을 제조하였다. 그 결과, 제6(b)도에 보이는 소결체의 분포를 가지는 기재가 생성되었다.
절연성 유전층(4)에서 절출한 소결체(27D)의 색조는 엿색이고, 상대밀도는 99.5% 이상이고, 체적저항율은 1.0×1011Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 1.1×1013스핀/mg이고, 상기 g값은 1.9975이었다. 지지부분(8)에서 절출한 소결체(29B)의 색조는 백색이고, 상대밀도는 97.9%이고, 체적저항율은 8.6×1013Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 1.1×1013스핀/mg이고, 상기 g값은 1.9975이었다. 이 정전 척에 대하여 전압을 500V 인가한 경우의 흡착력은 190g/cm2이었다. 실시예 5에 비해 핫 프레스시의 압력이 작아진 것은 백색의 소결체가 차지하는 영역이 확대된 것이라고 판단된다.
[실시예 7]
실시예 1에 있어서, 핫 프레스시의 온도를 2000℃로 하고, 압력을 150kg/cm2으로 하고, 2000℃에서의 유지시간을 5시간으로 하였다. 그 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 정전 척을 제조하였다. 그 결과, 제6(c)도에 나타내는 바와 같은 소결체의 분포를 가지는 기재가 생성되었다.
절연성 유전층(4)에서 절출한 소결체(27E)의 색조는 엿색이고, 상대밀도는 99.5% 이상이고, 체적저항율은 9.0×109Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 2.1×1013스핀/mg이고, 상기 g값은 1.9961이었다. 지지부분(8)에서 절출한 소결체(29C)의 색조는 백색이고, 상대밀도는 97.8%이고, 체적저항율은 2.0×1014Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 1.2×1013스핀/mg이고, 상기 g값은 1.9972이었다. 이 정전 척에 대하여 전압을 500V 인가한 경우의 흡착력은 250g/cm2이었다.
[실시예 8]
이하와 같이 하여, 실제로 질화 알루미늄 소결체를 제조하였다. 질화 알루미늄 원료로서는 환원질화법 또는 직접질화법에 의하여 제조한 고순도 분말을 사용하였다.
각 분말에 있어서 실리콘(Si), 철(Fe), 칼슘(Ca), 마그네슘(Mg), 칼륨(K), 나트륨(Na), 크롬(Cr), 망간(Mn), 니켈(Ni), 구리(Cu), 아연(Zn), 텅스텐(W), 붕소(B), 이트륨(Y)의 함유량은 각각 100ppm 이하이고, 알루미늄 이외의 금속은 이들 외에는 검출되지 않았다.
이 원료분말을 일축 가압 성형함으로써, 원반 형상의 성형체를 제조하였다, 제10도에 나타내는 바와 같은 성형장치를 사용하여, 성형체를 형 내에 설치하였다. 단, 이 성형체 중에는 금속 부재를 삽입하지 않았다. 실시예 1과 동일하게 하여 이 성형체를 카본 호일 내에 밀봉하고, 1800℃에서 2시간, 200kg/cm2의 압력을 가하면서 핫 프레스법에 의하여 소성하고, 질화 알루미늄 시료를 제조하였다.
이 시료를 열처리하였다. 단, 열처리 온도를 1900℃로 하고, 1900℃에서의 유지시간을 2시간으로 하고 질소분위기 하에서 행하였다. 그 결과, 황백색의 질화 알루미늄 소결체가 얻어졌다. 이 체적저항율은 5×1012Ω·cm이었다. 또한 ESR의 값은 1.9990이었다.
[실시예 9]
제4도에 도시하는 정전 척을 제조하였다. 환원질화법에 의하여 얻어진 질화 알루미늄 분말을 사용하였다. 이 분말에 있어서, 실리콘, 철, 칼슘, 마그네슘, 칼륨, 나트륨, 크롬, 망간, 니켈, 구리, 아연, 텅스텐, 붕소, 이트륨의 함유량은 각각 100ppm 이하이고, 알루미늄 이외의 금속은 이들 외에는 검출되지 않았다. 전극으로서는 몰리브덴제의 금속 망을 사용하였다. 금속 망은 직경 Φ0.5mm의 몰리브덴 선을, 1인치당 15개의 밀도로 짜여진 금속 망을 사용하였다. 이 금속 망과 몰리브덴 선으로 구성된 저항발열체(21)를 상기의 분말로 구성된 성형체 중에 매설하였다. 제10도에 도시하는 바와 같이 하여 이 성형체를 1900℃의 온도, 200kg/cm2의 압력 및 4시간의 유지시간으로 핫 프레스법에 의해 소성하였다.
얻어진 소결체의 절연성 유전층 측의 표면을 기계가공하고, 절연성 유전층(4)의 두께를 1mm로 하였다. 소결체의 배면 측에서 머시닝 센터에 의하여 구멍(2)을 형성하고, 또한 단자(10)를 전극(9)에 접합하였다. 지지부분(8) 및 절연성 유전층(4)을 구성하는 질화 알루미늄 소결체의 상대밀도는 99.0% 이상이었다. 이 정전 척의 치수는 직경이 200mm이고, 두께는 12mm이었다. 이 정전 척의 흡착력을 상기 실시예 1과 동일하게 하여 측정하였다. 저항발열체에 전력을 공급하고, 실온에서 300℃까지 100℃의 간격으로 흡착력을 측정한 바, 어느 온도에 있어서도 60∼100g/cm2의 흡착력을 나타내었다.
이 기재에 있어서의 소결체의 분포는 제5(b)도에 나타내는 것이었다. 절연성 유전층에서 절출한 소결체(27B)의 색조는 엿색이고, 상대밀도는 99.5% 이상이고, 실온에서의 체적저항율은 5.0×1012Ω·cm이고, 300℃에서의 체적저항율은 2.0×108Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 7.5×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 1.9965이었다. 지지부분(8)에서 절출한 소결체(28B)의 색조는 흑갈색이고, 상대밀도는 99.0% 이상이고, 실온에서의 체적저항율은 1.1×1013Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 2.1×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 2.0044이었다.
[실시예 10]
또한, 본 발명자는 상기한 실시예 2∼8에 있어서 절연성 유전층을 각각 구성하는 각 질화 알루미늄 소결체에 대하여, 300℃에서의 체적저항율을 측정하였다. 그 결과, 108∼1010Ω·cm로 저하한 것을 확인하였다.
[실시예 11]
실시예 1에 있어서, 핫 프레스시의 온도를 1800℃로 하고, 압력을 200kg/cm2으로 하고, 1800℃에서의 유지시간을 2시간으로 하였다. 그 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 정전 척을 제조하였다. 또한, 이 정전 척을 열처리하였다. 단, 열처리 온도를 1900℃로 하고, 1900℃에서의 유지시간을 2시간으로 하고, 질소분위기 하에서 행하였다.
그 결과, 제6(c)도에 나타내는 바와 같은 소결체의 분포를 가지는 기재가 생성되었다. 절연성 유전층(4)에서 절출한 소결체(27E)의 색조는 황백색이고, 상대밀도는 99.5% 이상이고, 체적저항율은 5.0×1012Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 8.5×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 1.9990이었다. 지지부분(8)에서 절출한 소결체(29C)의 색조는 백색이고, 상대밀도는 98.1%이고, 체적저항율은 2.8×1014Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 9.5×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 1.9981이었다. 이 정전 척에 대하여 전압을 500V 인가한 경우의 흡착력은 130g/cm2이었다.
본 발명에 있어서, 예를 들면 제5도∼제7도에 나타내는 바와 같이 금속 부재(특히 전극)를 상대밀도 99.5% 이상의 질화 알루미늄 소결체 내에 포함시킴으로써, 열 사이클의 반복에 대한 내구성이 향상된다.
또한, 금속포함재에 있어서는 제2부분 측의 적어도 일부분을 제1부분의 소결체보다도 상대밀도가 낮은 소결체에 의하여 구성할 수 있고, 바람직하게는 상대밀도 97.5∼99.5%의 소결체에 의하여 구성할 수 있다. 이것에 의하여, 제2부분 측의 기계적 가공이 아주 용이해지고, 제조비용이 감소된다. 특히 제6(a), 6(b), 6(c)도에 나타내는 바와 같이 정전 척의 기재 중 지지부분 측의 적어도 일부를, 상대밀도 97.5∼99.5%의 백색 또는 백회색의 소결체에 의하여 구성한 경우에는 이 지지부분 측에 단자를 삽입하기 위한 삽입구멍을 형성하기 위한 기계적 가공이 용이해진다.
[실시예 12]
실시예 1에 있어서, 핫 프레스시의 온도를 2000℃로 하고, 압력을 200kg/cm2으로 하고, 2000℃에서의 유지시간을 4시간으로 하였다. 그 외에는 실시예 1과 동일하게 하여 정전 척을 제조하였다. 그 결과, 제6(a)도에 나타내는 바와 같은 소결체의 분포를 가지는 기재가 생성되었다.
절연성 유전층(4)에서 절출한 소결체(27C)의 색조는 엿색이고, 상대밀도는 99.5% 이상이고, 체적저항율은 5.0×1011Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 9.0×1012스핀/mg이고, 상기 g값은 1.9970이었다.
이 소결체의 표면을 다이아몬드 페이스트에 의하여 경면연마(鏡面硏磨)하고, 음극형광법으로 스펙트럼을 관측하고, 그 결과를 제11도에 나타내었다. 제1도에 있어서, 종축은 발광광도이고, 횡축은 형광의 파장이다. 350∼370nm의 파장 영역에 강한 피이크가 있고, 650∼750nm의 파장 영역에 약한 피이크가 있다.
제12도는 이 소결체 단면의 세라믹스 조직을 나타내는 주사형 전자현미경 사진이다.
[비교예 3]
환원질화법에 의하여 얻은 질화 알루미늄 분말을 사용하였다. 이 분말에 있어서, 실리콘, 철, 칼슘, 마그네슘, 칼륨, 나트륨, 크롬, 망간, 니켈, 구리, 아연, 텅스텐, 붕소, 이트륨의 함유량은 각각 100ppm 이하이고, 알루미늄 이외의 금속은 이들 외에는 검출되지 않았다. 이 질화 알루미늄 분말 95중량%와 이트리아 5중량%를 혼합하였다. 이 혼합분말을 일축가압성형함으로써 원반 형상의 예비성형체를 제조하였다. 이 성형체를 형 내에 설치하고, 1950℃에서 4시간 소성하고 소결체를 얻었다.
이 소결체의 색조는 엿색이고, 상대밀도는, 99.5% 이상이고, 체적저항율은 8.7×1012Ω·cm이고, 상기 스핀 수는 3.8×1011스핀/mg이고, 상기 g값은 2.0007이었다.
이 소결체의 표면을 다이아몬드 페이스트에 의하여 경면연마하고, 음극형광법으로 스펙트럼을 관찰하고, 그 결과를 제13도에 나타내었다. 이 결과 약 340nm, 500nm, 600nm에 각각 약한 피이크가 관측되었다.
제14도는 이 소결체 단면의 세라믹스 조직을 나타내는 주사형 전자현미경 사진이다.
또한, 실시예 12 및 비교예 3의 각 소결체에 대하여 X선 마이크로 애널라이저(EPMA)에 의하여 산소 농도 분포와 이트륨 원자의 분포를 측정하였다. 이 결과, 비교대상의 이트리아를 5중량% 첨가한 소결체의 경우에는 산소 농도가 상대적으로 낮아졌다. 또한, 소결체 내에서 산소가 상대적으로 많이 존재하는 부분은 이트리아가 존재하고 있는 부분과 대부분 중복되어 있었다. 이 중복부분은 제14도의 주사형 전자현미경 사진에 나타내는 입계부의 위치와 거의 일치하고 있었다.
이상 서술한 바와 같이, 본 발명은 질화 알루미늄질로 구성된 기재 중에 금속 부재를 매설한 금속포함재에 있어서, 질화 알루미늄 중에 저저항재료를 첨가하지 않고, 금속포함재의 체적저항율을 제어한 새로운 질화 알루미늄 소결체 및 정전 척을 제공하는 것이다.

Claims (20)

  1. 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  2. 제1항에 있어서, 질화 알루미늄의 전자 스핀 공명법에 의한 스펙트럼에 있어서, 부대전자의 g값이 2.0000 이하인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  3. 제1항 또는 제2항에 있어서, 전자 스핀 공명법에 의한 스펙트럼에서 얻어진 알루미늄의 단위 mg당 스핀수가 5×1012스핀 이상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  4. 제1항에 있어서, 음극형광에 의한 스펙트럼에 있어서, 350nm 내지 370nm의 파장 영역에 주요 피이크를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  5. 제1항에 있어서, 상대밀도가 99.5% 이상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  6. 질화 알루미늄 소결체로 이루어지는 기재 내에 금속부재가 매설되어 있으며, 상기 기재와 상기 금속 부재가 일체로 소결되어 있는 금속포함재로서 상기 기재의 적어도 일부가 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하인 질화 알루미늄 소결체로 이루어지는 것을 특징으로 하는 금속포함재.
  7. 제6항에 있어서, 상기 기재 중 상기 금속 부재를 포함하는 부분의 상대밀도가 99.5% 이상인 것을 특징으로 하는 금속포함재.
  8. 제7항에 있어서, 상기 금속 부재가 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하인 질화 알루미늄 소결체에 포함되어 있는 것을 특징으로 하는 금속포함재.
  9. 제6항에 있어서, 상기 기재 중 상기 금속 부재의 일측에 있는 제1부분이 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하인 질화 알루미늄 소결체에 의해 형성되어 있는 것을 특징으로 하는 금속포함재.
  10. 제9항에 있어서, 상기 기재 중 상기 금속 부재의 다른 쪽에 있는 제2부분에 상대밀도가 97.5% 이상, 99.5% 이하의 질화 알루미늄 소결체가 존재하고 있는 것을 특징으로 하는 금속포함재.
  11. 질화 알루미늄 소결체로 이루어지는 기재 내에 금속부재가 매설되어 있으며, 상기 기재와 상기 금속 부재가 일체로 소결되어 있는 금속포함재로서 상기 기재의 적어도 일부가 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하인 질화 알루미늄 소결체로 이루어진 금속포함재를 구비하고 있는 정전 척으로서, 상기 기재 중 유전층 측이 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하인 질화 알루미늄 소결체로 이루어지고 상기 금속 부재가 전극이고, 상기 전극 상에 상기 유전층을 개재하여 피처리물을 흡착하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 척.
  12. 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이고, 질화 알루미늄의 전자 스핀 공명법에 의한 스펙트럼에 있어서, 부대전자의 g값이 2.0000 이하인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  13. 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 전자 스핀 공명법에 의한 스펙트럼에서 얻어진 알루미늄의 단위 mg당 스핀수가 5×1012스핀 이상인 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  14. 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 음극형광에 의한 스펙트럼에 있어서, 350nm 내지 370nm의 파장 영역에 주요 피이크를 가지고 있는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체.
  15. 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하인 질화 알루미늄 원료를 1700℃ 내지 2000℃의 온도 및 100kg/cm2이상의 압력 하에서 소결시키는 것에 의해 상대밀도 95.0% 이상의 질화 알루미늄 소결체를 일단 제조하고, 이어서 이 질화 알루미늄 소결체를 1850℃ 이상의 온도에서 열처리하는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄의 제조 방법.
  16. 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 상기 온도에 있어서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm인 질화 알루미늄을 제조하는 방법으로서, 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하인 원료로 이루어지는 성형체 중에 금속 부재를 매설하고, 이 성형체를 1850℃ 내지 2200℃의 온도 및 50kg/cm2이상의 압력 하에서 소결시키는 것에 의해, 질화 알루미늄으로 이루어지는 기재 내에 금속 부재가 매설되어 있는 금속포함재를 얻고, 여기서 상기 금속 부재에 의해 상기 기재가 실질적으로 제1부분과 제2부분으로 나누어져 있고, 상기 제1부분의 두께가 10mm 이하이며, 이것에 의해 상기 제1부분을 구성하는 기재로서 질화 알루미늄 소결체를 얻는 것을 특징으로 하는 질화 알루미늄 소결체의 제조방법.
  17. 질화 알루미늄으로 이루어지는 기재 내에 금속 부재가 매설되어 있는 금속포함재로서 상기 금속포함재에 의해 상기 기재가 실질적으로 제1부분과 제2부분으로 나누어져 있고, 상기 제1부분의 두께와 상기 제2부분의 두께의 비율이 1:2 이상인 금속포함재를 제조하는데 있어서, 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하인 원료로 이루어지는 성형체 중에 상기 금속 부재를 매설하고, 이 성형체를 1850℃ 내지 2200℃의 온도 및 50kg/cm2이상의 압력 하에서 소결시키는 것을 특징으로 하는 금속포함재의 제조방법.
  18. 질화 알루미늄 소결체로 이루어지는 기재 내에 금속 부재가 매설되어 있으며, 상기 기재와 상기 금속 부재가 일체로 소결되어 있는 금속포함재로서 상기 기재의 적어도 일부가 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하인 질화 알루미늄 소결체로 이루어진 금속포함재를 구비하고 있는 정전 척으로서, 상기 기재 중 유전층 측이 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이하, 1.0×1013Ω·cm 이하이고 상대밀도가 99.5% 이상인 질화 알루미늄 소결체로 이루어지고 상기 금속 부재가 전극이고, 상기 전극 상에 상기 유전층을 개재하여 피처리물을 흡착하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 척.
  19. 질화 알루미늄 소결체로 이루어지는 기재 내에 금속 부재가 매설되어 있으며, 상기 기재와 상기 금속 부재가 일체로 소결되어 있는 금속포함재로서 상기 기재의 적어도 일부가 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하인 질화 알루미늄 소결체로 이루어지며 상기 기재 중 상기 금속 부재를 포함하는 부분의 상대밀도가 99.5% 이상인 금속포함재를 구비하고 있는 정전 척으로서, 상기 기재 중 유전층 측이 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하인 질화 알루미늄 소결체로 이루어지고 상기 금속 부재가 전극이고, 상기 전극 상에 상기 유전층을 개재하여 피처리물을 흡착하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 척.
  20. 질화 알루미늄 소결체로 이루어지는 기재 내에 금속 부재가 매설되어 있으며, 상기 기재와 상기 금속 부재가 일체로 소결되어 있는 금속포함재로서 상기 기재의 적어도 일부가 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하인 질화 알루미늄 소결체로 이루어지며 상기 기재 중 상기 금속 부재를 포함하는 부분의 상대밀도가 99.5% 이상인 금속포함재를 구비하고 있는 정전 척으로서, 상기 기재 중 유전층 측이 알루미늄 이외의 금속 원소의 함유량이 100ppm 이하이며, 실온에서의 체적저항율이 1.0×109Ω·cm 이상, 1.0×1013Ω·cm 이하이고 상대밀도가 99.5% 이상인 질화 알루미늄 소결체로 이루어지고 상기 금속 부재가 전극이고, 상기 전극 상에 상기 유전층을 개재하여 피처리물을 흡착하도록 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 정전 척.
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