TWI778383B - 半導體製造裝置用零件及其製造方法 - Google Patents

Abstract

本發明提供一種得到較以往更均勻的溫度分布之半導體製造裝置用零件。 具備具有載置基板的載置面之板狀的氮化鋁燒結體2之半導體製造裝置用零件1之氮化鋁燒結體2係含有碳。氮化鋁燒結體2係使氮化鋁燒結體2之平面方向的熱傳導率成為較厚度方向的熱傳導率更高而構成。藉此，可提供一種抑制熱往氮化鋁燒結體2之厚度方向逃散，得到較以往更均勻的溫度分布之半導體製造裝置用零件。

Description

半導體製造裝置用零件及其製造方法

本發明係關於一種具有氮化鋁燒結體之半導體製造裝置用零件及其製造方法。

歷來，已知藉由混合碳纖維而不損及氮化鋁燒結體之特性且抑制電阻的半導體製造裝置用氮化鋁燒結體(例如：參考專利文獻1)。專利文獻1之含有碳纖維的氮化鋁燒結體係混合碳纖維與氮化鋁，得到混合粉後，將其成形，並且將該成形體於真空環境、惰性環境或還原環境下過度加熱，且進行燒成而獲得。藉由具有碳纖維之導電性與高長寬比之纖維形狀，以少量的含量作成連續的導電路徑，抑制氮化鋁燒結體的電阻值。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2005-41765號公報

[發明欲解決之課題]

以往在半導體製造製程中的製膜步驟中，因為需要製膜的厚度之均質化，所以為了將基板均勻地加熱而使用在熱傳導率高的氮化鋁燒結體埋設加熱器用電極之加熱器。

因此，可藉由使用在氮化鋁添加氧化釔的陶瓷，提高熱傳導率。然而，伴隨半導體元件所需要的規格之升級，需要顯示更高的熱傳導率之素材，且需要得到較以往更均勻的溫度分布之氮化鋁燒結體。

本發明有鑑於以上的觀點，目的在於提供一種得到較以往更均勻的溫度分布之半導體製造裝置用零件及其製造方法。 [用以解決課題之手段]

[1]為了達成上述目的，本發明為一種半導體製造裝置用零件，其係具備具有載置基板的載置面之板狀的氮化鋁燒結體之半導體製造裝置用零件，特徵為： 該氮化鋁燒結體含有碳， 沿著氮化鋁燒結體的該載置面之平面方向的熱傳導率，較該氮化鋁燒結體之厚度方向的熱傳導率更高。

根據本發明，可提供一種半導體製造裝置用零件，其係具備使氮化鋁燒結體之平面方向的熱傳導率成為較厚度方向的熱傳導率更高而構成氮化鋁燒結體，因此抑制熱往氮化鋁燒結體之厚度方向逃散，得到較以往更均勻的溫度分布之氮化鋁燒結體。

[2]又，在本發明中，碳為石墨烯，可在氮化鋁燒結體之平面方向配向石墨烯。

[3]又，在本發明中，可在該氮化鋁燒結體埋設電極。

[4]又，在本發明中，較佳為在該氮化鋁燒結體於厚度方向分隔多個該電極，且以在厚度方向重疊狀態進行埋設。

[5]又，在本發明中，較佳為在與該氮化鋁燒結體之該載置面相反側的主面接合筒狀的支撐構件(例如：實施形態的軸3。以下相同)。

根據本發明，厚度方向的熱傳導率較平面方向的熱傳導率更低，因此熱難以傳導至支撐構件，且可維持氮化鋁燒結體之均勻的溫度分布。

[6]本發明的半導體製造裝置用零件之製造方法，特徵為包含： 在氮化鋁添加石墨烯，而調整原料粉末的調整步驟，及 經由將該原料粉末進行單軸加壓的加壓步驟，而製作該氮化鋁燒結體的燒結體製作步驟。

根據本發明的半導體製造裝置用零件之製造方法，可提供一種半導體製造裝置用零件之製造方法，其係具備藉由使用在氮化鋁添加石墨烯的原料粉末，使氮化鋁燒結體之平面方向的熱傳導率高於厚度方向的熱傳導率，因此抑制熱往氮化鋁燒結體之垂直方向逃散，得到較以往更均勻的溫度分布之氮化鋁燒結體。

[用以實施發明的形態]

參照圖1，說明發明之實施形態的半導體製造裝置用零件1。本實施形態的半導體製造裝置用零件1係具備圓形平板形狀的氮化鋁燒結體2，且為使用於在氮化鋁燒結體2的載置面2a載置半導體晶圓等基板(圖示省略)，將基板加溫，靜電吸附握持基板之半導體製造裝置者。在與圓形平板形狀的載置面為反對側的主面2b設置朝氮化鋁燒結體2的厚度方向延伸之圓筒狀的軸3(本實施形態的支撐構件)，在形成軸3之中空部的圓筒內徑區域延伸使埋設於氮化鋁燒結體2之電極4通電的端子5。電極4係以高頻產生用電極4a與加熱器用電極4b構成，高頻產生用電極4a與加熱器用電極4b，相互於氮化鋁燒結體2的厚度方向存在間隔而埋設。

於實施形態的氮化鋁燒結體2添加石墨烯作為助燒結劑及添加劑。

石墨烯係為碳原子的晶格之小的板片多個積層而構成者，但為板片的積層數少，且板片在積層方向容易剝離的結構。因此，石墨烯難以在氮化鋁的原料粉內3維地隨機配置，藉由將添加石墨烯之氮化鋁的原料粉進行單軸加壓，可得到沿著氮化鋁燒結體2的載置面2a及主面2b之平面方向的熱傳導率，較氮化鋁燒結體2的厚度方向之熱傳導率更高的氮化鋁燒結體2。前述原因為藉由朝氮化鋁燒結體2的厚度方向進行單軸加壓，氮化鋁之原料粉內的石墨烯容易配向為氮化鋁的平面方向。 換言之，原因為在氮化鋁燒結體2之剖面圖像中，相對於與氮化鋁燒結體2的平面方向中之長度Lp相比，氮化鋁燒結體2的厚度方向中之長度Ld較長的碳(石墨烯)之面積Ad，與長度Ld相比，長度Lp較長的碳(石墨烯)之面積Ap之比Ap/Ad較1更大。比Ap/Ad，較佳為1.1以上，更佳為1.2以上，進一步更佳為1.3以上。

又，相對於氮化鋁燒結體2的厚度方向之熱傳導率Kd之氮化鋁燒結體2的平面方向之熱傳導率Kp的比Kp/Kd較1更大。又，比Kp/Kd，較佳為1.1以上，更佳為1.2以上，進一步更佳為1.3以上。

亦即，認為若石墨烯沒有配向為氮化鋁燒結體2的平面方向，則熱傳導率在氮化鋁燒結體2的厚度方向變高，例如：認為由埋設電極4之氮化鋁燒結體2至軸3等之熱的逃散量增加，且在氮化鋁燒結體2的平面方向容易產生溫度梯度，得不到均勻的溫度分布。

[導電性賦予效果]

認為若將石墨烯添加至燒成前的氮化鋁，則大部分添加之石墨烯，在氮化鋁成形體的平面方向中配向為單軸加壓燒成(熱壓)燒結體的平面方向，且可知：實際在氮化鋁燒結體2之平面方向顯示高熱傳導率，同時氮化鋁燒結體之平面方向的體積電阻率變得較厚度方向的體積電阻率更低一點。因此，雖在氮化鋁燒結體2之平面方向賦予導電性，但抑制厚度方向的導電性。亦即，可在於氮化鋁燒結體2的厚度方向存在間隔而埋設的高頻產生用電極4a與加熱器用電極4b之間抑制漏電流流動。又，在使用半導體製造裝置用零件1作為在氮化鋁燒結體2埋設靜電吸附用電極代替高頻產生用電極4a之靜電吸盤的情況，藉由賦予石墨烯之添加所致的導電性，可使約翰遜-拉別克(Johnson Rahbek)效果產生作用，發揮強靜電吸附力。其結果，靜電吸盤與吸附的基板之間的熱電阻變小，且可使基板的溫度均勻化。

[色調改善效果] 在氮化鋁之粒子內進行單軸加壓的石墨烯，相較容易均等地分散，且可使氮化鋁燒結體的色調成為一致。因此，可減小包含氮化鋁燒結體2的構件之色差，並將外觀的色調均質化。其結果，即使在高溫時也可得到均質的放射係數。

添加的石墨烯係於氮化鋁燒結體2的厚度方向，在氮化鋁粒子之中，以約0.335nm間隔積層多個sp2鍵碳原子薄片而構成。sp2鍵碳原子薄片的積層數係於1～50層的區域適當選擇。石墨烯係使用氮化鋁粒子之平面方向的尺寸為30μm者。因此，相對於石墨烯的厚度之平面方向的尺寸之比為1791以上。

於氮化鋁中添加氧化釔(Y₂ O₃ )與石墨烯。

調整原料後，藉由單軸加壓燒成得到的氮化鋁陶瓷係於添加物相對於加壓軸正交的方向進行配向。

[添加的石墨烯之物性] 添加的石墨烯，厚度方向之重疊厚度為6nm～8nm，平面方向尺寸為5μm。

又，添加的石墨烯之面內熱傳導率為3000W/mK，垂直於表面的熱傳導率為6W/mK。

[氮化鋁燒結體2之製造方法] 首先，作為調整步驟，混合氮化鋁原料粉140g、石墨烯1.6g進行造粒。

然後，作為填充步驟，將造粒的氮化鋁之原料粉，填充於直徑60mm之圓筒形狀的碳模具。

然後，作為燒結體製作步驟，將碳模具內之氮化鋁的原料粉，以1850℃、10MPa進行單軸加壓熱壓燒成。再者，在該燒結體製作步驟中，將氮化鋁的原料粉進行單軸加壓的加壓步驟，可與燒成步驟同時進行，或者，也可將氮化鋁的原料粉進行單軸加壓，製作氮化鋁的成形體後，進行燒成步驟。

為了在燒成後測定與加壓軸垂直的面方向及加壓軸(鉛直)方向的熱傳導率，切出試料(5mm正方形)，採用依據JIS R 1611之雷射閃光法，測定熱傳導率。

[熱傳導率測定結果] 如表1所示，作為比較例，測定未含有石墨烯的氮化鋁燒結體2之於20℃的熱傳導率後，未含有石墨烯的比較例之氮化鋁，平面方向、厚度方向均為170W/(mK)。

[表1]

	熱傳導率[W/(mK)]20℃
平面方向	垂直方向
實施形態的AlN燒結體	188.7	145.7
比較例的AlN燒結體	170	170

相對於前述，如表1所示，測定含有石墨烯之實施形態的氮化鋁燒結體2之於20℃的熱傳導率後，相對於平面方向為188.7W/(mK)，厚度方向為145.7W/(mK)，且抑制在厚度方向之熱傳導率，看到平面方向的熱傳導率之提升。

作為氮化鋁燒結體2之在厚度方向的熱傳導率降低的理由，認為係因石墨烯，石墨烯之厚度方向的熱傳導率小，大部分添加之石墨烯係藉由單軸加壓沿著氮化鋁燒結體2的平面方向配向，且阻礙氮化鋁燒結體2對厚度方向之熱傳導。

接著，如表2所示，使用另外的試料，測定含有石墨烯的氮化鋁燒結體與作為比較例之未含有石墨烯的氮化鋁燒結體之體積電阻率。其結果，200℃的情況之平面方向的體積電阻率，相對於本實施例之含有石墨烯的氮化鋁為1.2×10¹³ Ωcm，比較例之未含有石墨烯的氮化鋁為3×10¹³ Ωcm。

又，含有石墨烯的氮化鋁燒結體之200℃的情況之厚度方向的體積電阻率為2.7×10¹³ Ωcm。

再者，該等之體積電阻率，可使用ADCMT股份有限公司製數位超高電阻/微少電流計進行測定。

[表2]

	體積電阻率[Ωcm] 200℃	體積電阻率[Ωcm] 500℃
平面方向	平面方向
實施例	1.2×1013	5×108
比較例	3×1013	2×109

又，500℃的情況之平面方向的體積電阻率，相對於本實施例之含有石墨烯的氮化鋁燒結體為5×10⁸ Ωcm，比較例之未含有石墨烯的氮化鋁燒結體為2×10⁹ Ωcm。又，含有石墨烯的氮化鋁燒結體之500℃的情況之厚度方向的體積電阻率為1.6×10⁹ Ωcm。

根據以上的結果，添加石墨烯，藉由單軸加壓配向於平面方向的氮化鋁，與比較例之未添加(未含有)石墨烯的氮化鋁相比，確認一定程度平面方向的體積電阻率之降低。又，在平面方向與厚度方向看到體積電阻率之差，平面方向較厚度方向之體積電阻率更低。認為前述原因為石墨烯配向於平面方向所致之在平面方向的導電性提升。

因此，作為加熱器用途，即使在高溫下使用實施例的氮化鋁燒結體2，也可確保一定程度的電絕緣性，同時即使在高溫下作為靜電吸盤使用的情況，也可使絕緣層之體積電阻率較以往變得更低，且可實現靜電吸附力特性之提升。

又，雖然藉由添加石墨烯，整體而言，氮化鋁燒結體之體積電阻率變低，但厚度方向的體積電阻率之降低與平面方向的體積電阻率之降低相比，已有抑制。此為表示例如：對如高頻產生用電極與加熱器電極重疊於厚度方向而配置之2個電極間的漏電流有抑制效果。

接著，使用實施例1所使用的原料，製作添加埋設電極的石墨烯，且配向的氮化鋁燒結體2，並測定其溫度分布。

在此，氮化鋁燒結體2係於碳製的模具填充添加石墨烯之氮化鋁的原料粉，且在此途中，將作為加熱器用電極4b之導線徑0.1mm、平織、網眼尺寸＃50的鉬網眼配置於氮化鋁上，並且自其上將氮化鋁的原料粉填充至碳製的模具中，藉以將電極4b埋設於氮化鋁中。然後，進行單軸加壓燒成之後，使用以連接氮化鋁燒結體2之內部的電極4b與外部的電源之端子5，由氮化鋁燒結體2的主面2b朝向電極4b，介由開設的插入孔2c，藉由銅焊(brazing)進行安裝。

溫度分布測定係於將加熱器設定為500℃，成為定常狀態後，以紅外線相機測定載置面2a的溫度分布。評價值係將面內溫度的最大值-最小值作為ΔT℃進行評價。相對於實施例之添加石墨烯的氮化鋁燒結體2為10.9℃，未添加石墨烯的氮化鋁燒結體2為24.2℃。由結果可知：添加實施例的石墨烯之氮化鋁燒結體2顯示較以往者更優異的溫度分布。

又，於20處以色差計測定氮化鋁燒結體2的表面之色差，並測定色差(Lab色空間)的最大值。其結果，相對於添加石墨烯的氮化鋁燒結體2之色差為1.9，未添加石墨烯的氮化鋁燒結體2之色差為3.8，確認添加石墨烯的氮化鋁燒結體2，色調的均質化較高。

1:半導體製造裝置用零件 2:氮化鋁燒結體 2a:載置面 2b:主面 2c:插入孔 3:軸(支撐構件) 4:電極 4a:電極 4b:電極 5:端子

圖1為表示發明之實施形態的半導體製造裝置用零件之說明圖。

1:半導體製造裝置用零件

2:氮化鋁燒結體

2a:載置面

2b:主面

2c:插入孔

3:軸(支撐構件)

4:電極

4a:電極

4b:電極

5:端子

Claims (7)

1. 一種半導體製造裝置用零件，其係具備具有載置基板的載置面之板狀的氮化鋁燒結體之半導體製造裝置用零件，其特徵為：該氮化鋁燒結體含有碳，沿著該氮化鋁燒結體的該載置面之平面方向的熱傳導率，較該氮化鋁燒結體之厚度方向的熱傳導率更高。
2. 如請求項1之半導體製造裝置用零件，其中該碳為石墨烯，且在該氮化鋁燒結體之該平面方向配向該右墨烯。
3. 如請求項1或請求項2之半導體製造裝置用零件，其中在該氮化鋁燒結體埋設電極。
4. 如請求項3之半導體製造裝置用零件，其中在該氮化鋁燒結體於厚度方向分隔多個該電極，且以在厚度方向重疊狀態進行埋設。
5. 如請求項3之半導體製造裝置用零件，其中在與該氮化鋁燒結體之該載置面相反側的主面接合筒狀的支撐構件。
6. 如請求項4之半導體製造裝置用零件，其中在與該氮化鋁燒結體之該載置面相反側的主面接合筒狀的支撐構件。
7. 一種如請求項1至6中任一項之半導體製造裝置用零件之製造方法，其係具備具有載置基板的載置面之板狀的氮化鋁燒結體之半導體製造裝置用零件之製造方法，其特徵為：包含在氮化鋁添加石墨烯，調整原料粉末的調整步驟，及經由將該原料粉末進行單軸加壓的加壓步驟，而製作該氮化鋁燒結體的燒結體製作步驟。

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