WO2005063652A1 - ヒータ用炭化ケイ素焼結体の製造方法 - Google Patents

ヒータ用炭化ケイ素焼結体の製造方法 Download PDF

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Fumio Odaka
Toshikazu Shinogaya
Mari Miyano
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Bridgestone Corporation
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Definitions

  • the present invention relates to a method for producing a silicon carbide sintered body for a heater.
  • a heater composed of a silicon carbide sintered body does not limit the usable atmosphere, and is excellent in rapid temperature rise / fall characteristics. Therefore, it has been proposed as a heater for various heat treatments of semiconductor wafers.
  • this silicon carbide sintered body has high mechanical strength and is generally extruded, so that it is difficult to process it into a complicated shape.
  • the problem of processing has been improved by forming the silicon carbide sintered body into a molded product (for example, see Patent Document 1).
  • Patent Document 1 JP-A-11-67427
  • the above-described silicon carbide sintered body has a temperature dependence on resistance, and its use as a heater component has been limited. Therefore, there has been a demand for a silicon carbide sintered body as a heater component having a small temperature dependence of resistance and a method for producing the same.
  • the present invention relates to the following:
  • 550 ° C The first heating step of raising the temperature to 650 ° C, and further raising the temperature to 1500 ° C or more in a nitrogen gas atmosphere, and then maintaining the temperature conditions in the nitrogen gas atmosphere to carbonize.
  • a sintered silicon carbide body for heaters having a nitrogen content of 500 ppm or more and a porosity of 32% by volume or less.
  • FIG. 1 is a conceptual diagram showing a method for measuring the resistance of a test piece.
  • silicon carbide powder examples include ⁇ -type, type, amorphous, and mixtures thereof.
  • silicon carbide powder In order to obtain a high-purity silicon carbide sintered body, it is preferable to use a high-purity silicon carbide powder as the raw material silicon carbide powder.
  • the grade of this type silicon carbide powder there is no particular limitation on the grade of this type silicon carbide powder.
  • generally available type silicon carbide powder can be used.
  • the particle size of the silicon carbide powder is preferably small from the viewpoint of high density, specifically, about 0.01 11-20 111, more preferably 0.05-1111-10 111. Puru. If the particle size force is less than 0.01 zm, it becomes difficult to handle in the processing steps such as weighing and mixing, and if it exceeds 20 xm, the specific surface area becomes small, that is, the contact area with the adjacent powder becomes small. It is not preferable because it is difficult to increase the density.
  • the high-purity silicon carbide powder includes, for example, a silicon source containing at least one or more silicon compounds, a carbon source containing at least one or more organic compounds that generate carbon by heating, Alternatively, it can be obtained by dissolving a cross-linking catalyst in a solvent and drying, and calcining the obtained powder in a non-oxidizing atmosphere, for example, in a nitrogen or argon atmosphere.
  • silicon source containing the aforementioned silicon compound a liquid source and a solid source can be used in combination. You have to be chosen.
  • a liquid source a polymer of alkoxysilane (mono, g, tree, tetra) and tetraalkoxysilane is used.
  • alkoxysilanes tetra Lucoxysilane is preferably used, and specifically, methoxysilane, ethoxysilane, propoxysilane, butoxysilane and the like are listed. Ethoxysilane is preferred from the viewpoint of force handling.
  • Examples of the tetraalkoxysilane polymer include a low-molecular-weight polymer (oligomer) having a degree of polymerization of about 2 to 15 and an even higher degree of polymerization.
  • Examples of solid materials that can be used in combination with these include silicon oxide.
  • silicon oxide means, in addition to Si ⁇ , silica gel (colloidal ultrafine silica-containing liquid, containing ⁇ H group and alkoxyl group), silicon dioxide (silica gel, fine silica, quartz). Powder). These silicon sources may be used alone or in combination of two or more.
  • silicon sources from the viewpoint of good homogeneity and handling properties, tetraethoxysilane oligomers and mixtures of tetraethoxysilane oligomers with finely divided silica are preferred.
  • a high-purity substance is used for these silicon sources, and the initial impurity content is preferably 20 ppm or less, more preferably 5 ppm or less.
  • the substance used as the carbon source is preferably a high-purity organic compound containing oxygen in the molecule and remaining carbon by heating.
  • specific examples include various sugars such as monosaccharides such as phenolic resin, furan resin, epoxy resin, and phenoxy resin ⁇ gnorecose; oligosaccharides such as sucrose; and polysaccharides such as cellulose and starch.
  • monosaccharides such as phenolic resin, furan resin, epoxy resin, and phenoxy resin ⁇ gnorecose
  • oligosaccharides such as sucrose
  • polysaccharides such as cellulose and starch.
  • These are mainly liquid at room temperature, soluble in solvents, softened by heating such as thermoplastic or heat-meltable or liquid, for the purpose of homogeneously mixing with the silicon source.
  • resol-type phenolic resin and novolak-type phenolic resin are preferable.
  • a resol type phenol resin is preferably used.
  • the polymerization and crosslinking catalyst used in the production of high-purity silicon carbide powder can be appropriately selected depending on the carbon source.
  • the carbon source is a phenol resin or a furan resin
  • toluenesulfonic acid toluene Acids such as carboxylic acid, acetic acid, oxalic acid, sulfuric acid and the like can be mentioned.
  • toluenesulfonic acid is preferably used.
  • the ratio of carbon to silicon (hereinafter abbreviated as C / Si ratio) is set at 1000 ° C. It is defined by elemental analysis of a carbide intermediate obtained by carbonization at. Stoichiometrically However, when the CZSi ratio is 3.0, the free carbon in the generated silicon carbide must be 0%. In fact, free carbon is generated at a low cZsi ratio due to the volatilization of sio gas generated simultaneously. It is important to determine the composition in advance so that the amount of free carbon in the produced silicon carbide powder does not become an amount unsuitable for the production use of the sintered body.
  • free carbon can be suppressed by setting the CZSi ratio to 2.0-2.5, and this range can be suitably used.
  • the CZSi ratio is set to 2.55 or more, free carbon increases remarkably, but since this free carbon has the effect of suppressing crystal growth, the C / Si ratio can be appropriately selected according to the crystal growth size to be obtained. good.
  • the pressure of the atmosphere is set to a low pressure or a high pressure, the C / Si ratio for obtaining pure silicon carbide fluctuates.In this case, the C / Si ratio is not necessarily limited to the above-described range. .
  • Examples of the solvent used in the step of obtaining the slurry-like mixed powder include water, lower alcohols such as ethyl alcohol, ethyl ether, and acetone. It is preferable to use a solvent having a low impurity content as the solvent.
  • Examples of the antifoaming agent include a silicone antifoaming agent.
  • An organic binder may be added when producing a slurry-like mixed powder from a silicon carbide powder.
  • Examples of the organic binder include a deflocculant and a powder pressure-sensitive adhesive.
  • As the deflocculant a nitrogen-based compound is preferable in terms of further improving the effect of imparting conductivity, for example, ammonia, ammonium polyacrylate, and the like. Salts and the like are preferably used.
  • Polyvinyl alcohol urethane resin for example, water-soluble polyurethane or the like is preferably used as the powder adhesive.
  • the method for producing a silicon carbide sintered body comprises the steps of (1) obtaining a slurry-like mixed powder obtained by dispersing silicon carbide powder in a solvent; (3) a first heating step of raising the temperature of the obtained green body to 550 ° C.—650 ° C. in a vacuum atmosphere by flowing the mixed powder into a mold and drying to obtain a green body; A) a second heating step of raising the temperature to 1500 ° C. or more in a nitrogen gas atmosphere, and then maintaining the temperature conditions in the nitrogen gas atmosphere to obtain a silicon carbide sintered body.
  • a slurry-like mixed powder obtained by dispersing silicon carbide powder in a solvent
  • A a second heating step of raising the temperature to 1500 ° C. or more in a nitrogen gas atmosphere, and then maintaining the temperature conditions in the nitrogen gas atmosphere to obtain a silicon carbide sintered body.
  • a silicon carbide powder and an antifoaming agent are dispersed in a solvent to produce a slurry mixed powder.
  • the mixture is stirred and mixed for 6 hours to 48 hours, particularly for 12 hours to 24 hours using a stirring and mixing means such as a mixer and a planetary ball mill. If the stirring and mixing are not sufficiently performed, the pores will not be uniformly dispersed in the green body.
  • the obtained slurry-like mixed powder is poured into a casting mold. Then, after leaving and demolding, the solvent is removed by heating or air drying under the temperature condition of 40 ° C-60 ° C. In this way, a green body having a predetermined size, that is, a silicon carbide molded body having many pores therein obtained by removing the solvent from the slurry-like mixed powder is obtained.
  • the obtained green body is heated in a vacuum atmosphere from 550 ° C to 650 ° C in about 2 hours. If the heating temperature is lower than 550 ° C, degreasing becomes insufficient. Degreasing is completed at around 650 ° C. Therefore, heating is performed at a constant temperature within the above-mentioned heating temperature range.
  • the heating rate should be 300 ° C / lhr or less to prevent explosion due to rapid thermal decomposition of the binder in the composition. Then, after reaching a certain temperature, the calcined body is obtained by maintaining the temperature condition in a vacuum atmosphere for 30 minutes.
  • the obtained calcined body is heated to a temperature of 1500 ° C. or more in a nitrogen gas atmosphere.
  • temperature 1500. C-2000 ° C or 1500. C-1 Heat up to 1950 ° C.
  • the upper limit of the Caro heat temperature is set to 2000 ° C because the amount of nitrogen doped in a nitrogen atmosphere reaches an equilibrium state at about 2000 ° C, so heating at a higher temperature is uneconomical. .
  • the furnace will break.
  • the heating temperature is out of the range of 1500 ° C-2000 ° C, the strength decreases. Therefore, it is heated to a certain temperature within this temperature range.
  • the heating temperature is preferably set to 1700 ° C to 20000 ° C. After the temperature reaches a certain level, the temperature is maintained for 0.5 to 8 hours in a nitrogen gas atmosphere.
  • the charcoal can be set by setting at least one of the following conditions: The amount of nitrogen in the silicon carbide sintered body increases.
  • the pressure under a nitrogen gas atmosphere is preferably 0.5 kg / m 2 -0.2 kg Zm 2 .
  • the sintered silicon carbide body for a heater according to the embodiment of the present invention obtained by the above manufacturing method has a porosity of 1% to 32%, preferably 5% to 29%. From an industrial point of view, the porosity is preferably between 28% and 32%.
  • a heater is manufactured by forming a cylindrical sample (sintered body), slicing it in the radial direction, and then forming a spiral or concentric groove in the formed body.
  • the silicon carbide sintered body for a heater according to the embodiment of the present invention has characteristics of high purity, high density, and high toughness.
  • it has a structure in which mainly isotropic silicon particles having a density of 1.8 g / cm 3 or more and an average particle diameter of 2 ⁇ m ⁇ 8 ⁇ are uniformly dispersed. Therefore, it can be used as a structural member with small variations in density and the like.
  • the density of the sintered body is less than 1.8 g / cm 3 , the mechanical properties such as bending strength and breaking strength and the electrical properties will decrease, and the particles will increase and the pollution will worsen. It has been reported that From this, it can be said that the silicon carbide sintered body for a heater according to the embodiment of the present invention has good mechanical and electrical characteristics.
  • the total content of impurities in the silicon carbide sintered body for a heater according to the embodiment of the present invention is less than 10 ppm, preferably less than 5 ppm, more preferably less than 3 ppm, and still more preferably less than 1 ppm.
  • the impurity contents obtained by these chemical analyzes have only a meaning as reference values. Practically, the evaluation differs depending on whether the impurity is uniformly distributed or unevenly distributed. Therefore, those skilled in the art generally use a practical apparatus to remove impurities under predetermined heating conditions. The degree to which the wafer is contaminated is evaluated by various means.
  • the solid obtained by homogeneously mixing the liquid silicon compound, the nonmetallic sintering aid, and the polymerization or crosslinking catalyst was heated and carbonized in a non-oxidizing atmosphere, and then the non-metallic sintering aid was further carbonized.
  • the production method including the firing step of firing in an oxidizing atmosphere the total content of impurities other than silicon, carbon, and oxygen contained in the silicon carbide sintered body can be reduced to less than 1 ppm.
  • the nitrogen content of the silicon carbide sintered body for a heater obtained in the embodiment of the present invention is 150 PPm or more.
  • the total content of impurity elements other than silicon and carbon in the silicon carbide sintered body is less than 5 ppm.
  • the density is 1.8 g / cm 3 or more, and in a preferred embodiment, it is 2.00 to 2.20 g / cm 3 .
  • the flexural strength is at least 70 MPa, and in a preferred embodiment, at least 100 MPa.
  • the silicon carbide powder as the raw material powder of the present invention a silicon source for producing the raw material powder, a non-metallic sintering aid, and a non-oxidizing atmosphere used for the non-oxidizing atmosphere. It is preferable that the purity of the active gas and the content of each impurity element is not more than lppm, but this is not necessarily limited as long as it is within the allowable range of purification in the heating and sintering steps.
  • the impurity element here belongs to elements belonging to Groups 1 to 16 in the periodic table of the revised edition of the IUPAC Inorganic Chemical Nomenclature 1989, and has an atomic number of 3 or more, and atomic numbers 6-8 and 14-1. Refers to elements excluding 16 elements.
  • the present invention is not limited to the embodiments. Therefore, as long as the heating conditions of the present invention can be satisfied, a known reactor in a heating furnace, which is not particularly limited to a production apparatus, can be used.
  • a silicon carbide sintered body was manufactured under the following conditions.
  • a mixed powder a high-purity silicon carbide powder having a center particle diameter of 10 ⁇ m (impurities produced according to the production method described in JP-A-9-48605) Content: 5ppm or less of silicon carbide / 1.5% by weight of silica) 100 parts of water, 40 parts of water, 0.3 parts of deflocculant and 3 parts of binder were added, and ball milling was continued for 24 hours.
  • a slurry-like mixed powder having a viscosity of 1 poise.
  • Step of obtaining a green body This slurry-like mixed powder is put into a gypsum mold having a length of 130 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 2.5 mm, and is naturally dried at 22 ° C for 24 hours to obtain a green body.
  • a gypsum mold having a length of 130 mm, a width of 10 mm, and a thickness of 2.5 mm, and is naturally dried at 22 ° C for 24 hours to obtain a green body.
  • Example 1 An experiment was performed in the same manner as in Example 1, except that silicon carbide powder fired under an argon atmosphere was used, and the heating conditions in the second heating step were as shown in Table 1.
  • the porosity, nitrogen content, resistance at 100 ° C. (A), and resistance at 1000 ° C. (B) of the obtained silicon carbide sintered body were examined in accordance with criteria described later.
  • Table 1 shows the experimental conditions for the second heating step and the experimental results obtained.
  • Example 8 Comparative Example 1 Comparative Example 2 Condition Atmosphere Nitrogen Nitrogen Nitrogen Nitrogen Nitrogen Nitrogen Nitrogen Argon Heating Temperature (° c) 1500 1900 1800 1800 1800 2000 1800 1900 1400 1800 Holding Time (Hr) 1 1 1 6 1 1 10 6 1 6 Pressure (atm) -0.1 -0.1-0.1-0.1 0.1-0.1 -0.1-0.1 -0.1 -0.1 -0.1 Porosity (%) 28 30 28 28 28 32 29 32 26 28
  • Example 1 When the experiments of Example 1 and Comparative Example 1 were conducted under the same conditions except for the heating temperature, the nitrogen amount of Example 1 was 550 ppm, and the nitrogen amount of Comparative Example 1 was 305 ppm. This indicates that a heating temperature of 1500 ° C or higher is required to obtain a sufficient amount of nitrogen.
  • the amount of nitrogen in Example 2 was 909 ppm, and the resistance ratio (BZA) was 0.93.
  • the nitrogen amount of Comparative Example 2 was 921 ppm, and the resistance ratio (B / A) was 1.76, which was high. From this, it was found that the heating temperature had to be 1900 ° C or less in order to obtain a good nitrogen content and resistance ratio.
  • Example 3 and Comparative Example 3 were carried out under the same conditions except that the heating atmosphere was removed.
  • the nitrogen amount in Example 4 was 661 ppm
  • the nitrogen amount in Comparative Example 3 was 395 ppm. This indicates that it is necessary to heat in a nitrogen atmosphere in order to obtain a good nitrogen amount.
  • Example 4 When Example 3 and Example 4 were performed under the same experimental conditions except for the holding time, Example 4 having a holding time of 6 hours had a better nitrogen amount. From this, it was found that the nitrogen content increased as the retention time became longer.
  • Example 5 having a pressure of 0.2 lat ms had a better nitrogen amount.
  • the porosity was measured based on the Archimedes method.
  • the nitrogen content was measured using an oxygen / nitrogen analyzer (trade name: EF400, manufactured by Leco). (3) 100 ° C and 1000. Resistance at C ( ⁇ -cm)
  • thyristor-type current-controlled P heater electrode 5 with electrodes 3a and 3b equipped with two copper electrodes 3a and 3b and a thermocouple 8 (this is 130 mm long, 10 mm wide and 2.5 mm thick) 15 mm across both ends of test specimen 1. Then, apply a voltage of IV—several volts from thyristor-type current-controlled heater power supply 5 to reach the constant temperature (100 ° C or 1000 ° C). And the resistance at each temperature was determined from the following equation:

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Abstract

　炭化ケイ素粉末を溶媒中に分散して得られるスラリー状の混合粉体を得る工程と、前記スラリー状の混合粉体を成形型に流し込み乾燥させてグリーン体を得る工程と、前記グリーン体を真空雰囲気下５５０°C～６５０°Cまで昇温する第1の加熱工程と、さらに窒素ガス雰囲気下で温度１５００°C～２０００°Cまで昇温した後、上記窒素ガス雰囲気下の温度条件に保持して炭化ケイ素焼結体を得る第2の加熱工程と、を有する窒素含量が５００ｐｐｍ以上であるヒータ用炭化ケイ素焼結体の製造方法。かかる製造方法により、抵抗の温度依存性が小さいヒータ用炭化ケイ素焼結体が提供される。

Description

明 細 書
ヒータ用炭化ケィ素焼結体の製造方法
技術分野
[0001] 本発明はヒータ用炭化ケィ素焼結体の製造方法に関する。
背景技術
[0002] 炭化ケィ素焼結体から構成されたヒータは、使用可能雰囲気が制限されずしかも急 速昇温'降温特性に優れている。そのため、半導体ウェハの各種熱処理用ヒータとし て提案されている。
[0003] ところが、この炭化ケィ素焼結体は機械的強度が高ぐ一般に押し出し成形される ため複雑形状に加工することが困難である。この問題に対して炭化ケィ素焼結体を 鎳込み成形品とすることで加工上の問題は改善されるに至った (例えば、特許文献 1 参照。）。
[0004] 特許文献 1 :特開平 11一 67427号公報
発明の開示
[0005] しかしながら、前述の炭化ケィ素焼結体は抵抗に温度依存性がありヒータ用部品と しての使用が制限されていた。そのため抵抗の温度依存性の小さいヒータ用部品と しての炭化ケィ素焼結体及びそれらの製造方法が求められていた。
[0006] 本発明は以下の内容に関する：
炭化ケィ素粉末を溶媒中に分散して得られるスラリー状の混合粉体を得る工程と、 上記混合粉体を成形型に流し込み乾燥させてグリーン体を得る工程と、 上記グリーン体を真空雰囲気下 550°C— 650°Cまで昇温する第 1の加熱工程と、 さらに窒素ガス雰囲気下で 1500°C以上の温度まで昇温した後、上記窒素ガス雰 囲気下の温度条件に保持して炭化ケィ素焼結体を得る第 2の加熱工程と、を有する 窒素含量が 500ppm以上であるヒータ用炭化ケィ素焼結体の製造方法。
窒素含量が 500ppm以上であり、空隙率が 32体積％以下であるヒータ用炭化ケィ 素焼結体。
図面の簡単な説明 [0007] [図 1]図 1は、試験片の抵抗の測定方法を示す概念図である。
発明を実施するための最良の形態
[0008] 本発明者らは鋭意研究の結果、炭化ケィ素焼結体を多孔体とすることで温度依存 性の問題が解決されることを見出した。以下本発明について実施形態を挙げて説明 するが、本発明は以下の実施形態に限定されない。
[0009] 〔炭化ケィ素焼結体の製造方法に用いられる成分〕
まず、本発明の実施形態に力かる炭化ケィ素焼結体の製造方法に用いられる成分 について説明する：
(炭化ケィ素粉末）
炭化ケィ素粉末として、 α型、 型、非晶質あるいはこれらの混合物等が挙げられ る。また、高純度の炭化ケィ素焼結体を得るためには、原料の炭化ケィ素粉末として 、高純度の炭化ケィ素粉末を用いることが好ましい。
この 型炭化ケィ素粉末のグレードには特に制限はなぐ例えば、一般に市販され ている 型炭化ケィ素を用レ、ることができる。炭化ケィ素粉末の粒径は、高密度の観 点からは、小さいことが好ましく、具体的には、 0. 01 111ー20 111程度、さらに好ま しくは、 0. 05〃111ー10 111でぁる。粒径力 0. 01 z m未満であると、計量、混合等 の処理工程における取扱いが困難となりやすぐ 20 x mを超えると、比表面積が小さ ぐ即ち、隣接する粉末との接触面積が小さくなり、高密度化し難くなるため好ましく ない。
[0010] 高純度の炭化ケィ素粉末は、例えば、少なくとも 1種以上のケィ素化合物を含むケ ィ素源と、少なくとも 1種以上の加熱により炭素を生成する有機化合物を含む炭素源 と、重合又は架橋触媒と、を溶媒中で溶解し、乾燥した後に得られた粉末を非酸化 性雰囲気下、例えば窒素又はアルゴン雰囲気で焼成する工程により得ることができる
[0011] 前述のケィ素化合物を含むケィ素源（以下、「ケィ素源」という。 )として、液状のもの と固体のものとを併用することができるが、少なくとも 1種は液状のものから選ばれなく てはならない。液状のものとしては、アルコキシシラン (モノー、ジー、トリー、テトラー)及 びテトラアルコキシシランの重合体が用いられる。アルコキシシランの中ではテトラァ ルコキシシランが好適に用いられ、具体的には、メトキシシラン、エトキシシラン、プロ ポキシシラン、ブトキシシラン等が挙げられる力 ハンドリングの点からは、エトキシシ ランが好ましい。また、テトラアルコキシシランの重合体としては、重合度が 2— 15程 度の低分子量重合体 (オリゴマー）及びさらに重合度が高レ、ケィ酸ポリマーで液状の もの力 S挙げられる。これらと併用可能な固体状のものとしては、酸化ケィ素が挙げられ る。前述の反応焼結法において酸化ケィ素とは、 Si〇の他、シリカゲル (コロイド状超 微細シリカ含有液、内部に〇H基やアルコキシル基を含む）、二酸化ケイ素（シリカゲ ル、微細シリカ、石英粉末)等を含む。これらケィ素源は、単独で用いてもよいし、 2種 以上併用してもよい。
[0012] これらケィ素源の中でも、均質性やハンドリング性が良好な観点から、テトラエトキシ シランのオリゴマー及びテトラエトキシシランのオリゴマーと微粉末シリカとの混合物等 が好適である。また、これらのケィ素源は高純度の物質が用いられ、初期の不純物含 有量が 20ppm以下であることが好ましぐ 5ppm以下であることがさらに好ましい。
[0013] 炭素源として用いられる物質は、酸素を分子内に含有し、加熱により炭素を残留す る高純度有機化合物であることが好ましい。具体的には、フエノール樹脂、フラン榭 脂、エポキシ樹脂、フエノキシ樹脂ゃグノレコース等の単糖類、蔗糖等の少糖類、セル ロース、デンプン等の多糖類などの等の各種糖類が挙げられる。これらはケィ素源と 均質に混合するという目的から、常温で液状のもの、溶媒に溶解するもの、熱可塑性 あるいは熱融解性のように加熱することにより軟化するものあるいは液状となるものが 主に用いられる。なかでも、レゾール型フエノール樹脂ゃノボラック型フエノール樹脂 が好適である。特に、レゾール型フエノール樹脂が好適に使用される。
[0014] 高純度の炭化ケィ素粉末の製造に用レ、られる重合及び架橋触媒としては、炭素源 に応じて適宜選択でき、炭素源がフエノール樹脂やフラン樹脂の場合、トルエンスル ホン酸、トルエンカルボン酸、酢酸、しゅう酸、硫酸等の酸類が挙げられる。これらの 中でも、トルエンスルホン酸が好適に用いられる。
[0015] 反応焼結法に使用される原料粉末である高純度炭化ケィ素粉末を製造する工程 における、炭素とケィ素の比（以下、 C/Si比と略記）は、混合物を 1000°Cにて炭化 して得られる炭化物中間体を、元素分析することにより定義される。化学量論的には 、 CZSi比が 3. 0の時に生成炭化ケィ素中の遊離炭素が 0%となるばずである力 実 際には同時に生成する sioガスの揮散により低 cZsi比において遊離炭素が発生 する。この生成炭化ケィ素粉末中の遊離炭素量が焼結体等の製造用途に適当でな い量にならないように予め配合を決定することが重要である。通常、 1気圧近傍で 16 00°C以上での焼成では、 CZSi比を 2. 0-2. 5にすると遊離炭素を抑制することが でき、この範囲を好適に用いることができる。 CZSi比を 2.55以上にすると遊離炭素 が顕著に増加するが、この遊離炭素は結晶成長を抑制する効果を持っため、得よう とする結晶成長サイズに応じて C/Si比を適宜選択しても良い。但し、雰囲気の圧力 を低圧又は高圧とする場合は、純粋な炭化ケィ素を得るための C/Si比は変動する ので、この場合は必ずしも前述の C/Si比の範囲に限定するものではない。
[0016] (溶媒）
スラリー状の混合粉体を得る工程に用いられる溶媒としては、水、ェチルアルコー ル等の低級アルコール類やェチルエーテル、アセトン等が挙げられる。溶媒としては 不純物の含有量が低いものを使用することが好ましい。消泡剤としてはシリコーン消 泡剤等が挙げられる。また、炭化ケィ素粉末からスラリー状の混合粉体を製造する際 に有機バインダーを添加してもよい。有機バインダーとしては、解膠剤、粉体粘着剤 等が挙げられ、解膠剤としては、導電性を付与する効果をさらに上げる点で窒素系 の化合物が好ましぐ例えばアンモニア、ポリアクリル酸アンモニゥム塩等が好適に用 レ、られる。粉体粘着剤としては、ポリビュルアルコールウレタン樹脂（例えば水溶性ポ リウレタン)等が好適に用いられる。
[0017] 〔ヒータ用炭化ケィ素焼結体の製造方法〕
本発明の実施形態にかかる炭化ケィ素焼結体の製造方法は、（1)炭化ケィ素粉末 を溶媒中に分散して得られるスラリー状の混合粉体を得る工程と、（2)得られた混合 粉体を成形型に流し込み乾燥させてグリーン体を得る工程と、 (3)得られたグリーン 体を真空雰囲気下 550°C— 650°Cまで昇温する第 1の加熱工程と、 (4)さらに窒素 ガス雰囲気下で 1500°C以上の温度まで昇温した後、その窒素ガス雰囲気下の温度 条件に保持して炭化ケィ素焼結体を得る第 2の加熱工程と、を有する。以下、工程毎 に詳細に説明する。 [0018] (1)混合粉体を得る工程について
まず、炭化ケィ素粉末と消泡剤を溶媒中に分散させてスラリー状の混合粉体を製 造する。次に、ミキサー、遊星ボールミルなどの攪拌混合手段を用いて、 6時間一 48 時間、特に 12時間一 24時間に渡って攪拌混合を行う。攪拌混合が十分に行われて レ、ないと、グリーン体中に気孔が均一分散されなくなるからである。
[0019] (2)グリーン体を得る工程について
得られたスラリー状の混合粉体を铸込み成形用型に流し込む。その後、放置、脱型 した後、 40°C— 60°Cの温度条件下で加熱乾燥又は自然乾燥して溶媒を除去する。 このようにして規定寸法のグリーン体、即ちスラリー状の混合粉体から溶媒を除去し て得られる多くの気孔が内在する炭化ケィ素成形体が得られる。
[0020] (3)第 1の加熱工程について
得られたグリーン体を真空雰囲気下 550°C— 650°Cまで約 2時間程度かけて昇温 する。加熱温度が 550°C未満だと脱脂が不十分になる。また脱脂は 650°C前後で終 了する。そのため、前述の加熱温度範囲内の一定の温度で加熱する。昇温速度は、 配合物中のバインダーの急激な熱分解による爆裂を防止するため 300°C/lhr以下 とする。そして、一定の温度に達した後、真空雰囲気下その温度条件に 30分間保持 することで仮焼体が得られる。
[0021] (4)第 2の加熱工程について
次に、得られた仮焼体を、窒素ガス雰囲気下で 1500°C以上の温度まで昇温する。 好ましくは温度 1500。C一 2000°C、又は 1500。C一 1950°Cまで昇温する。カロ熱温 度の上限を 2000°Cとしたのは、窒素雰囲気においてドープされる窒素量は、 2000 °C程度で平衡状態に達するため、それ以上の温度で加熱することは不経済だからで ある。また 2400°C以上では炉が壊れてしまうからである。また加熱温度が 1500°C— 2000°Cの範囲から外れると強度が低下する。そのため、この温度範囲内の一定の 温度まで加熱する。その際、強度が増加する観点からは、加熱温度を 1700°C— 20 00°Cとすることが好ましい。そして、一定の温度に達した後、窒素ガス雰囲気下その 温度条件に 0. 5— 8時間保持する。同じ加熱温度であれば、（a)保持時間を長くす る、（b)圧力（atm)を高くする、の少なくともいずれか一方の条件に設定することで炭 化ケィ素焼結体中の窒素量が増加する。窒素ガス雰囲気下における圧力は、一 0. 5 kg/m2— 0. 2kgZm2が好ましい。以上の工程によりヒータ用炭化ケィ素焼結体が 得られる。
[0022] 〔ヒータ用炭化ケィ素焼結体〕
以上の製造方法により得られた本発明の実施形態にかかるヒータ用炭化ケィ素焼 結体は、空隙率が 1%— 32%、好ましくは 5%— 29%である。空隙率は工業的観点 からは、 28%— 32%カ好ましレ、。また 100°Cにおける抵抗力 0. 02 Q cm— 0. 06 Ω cm、好ましくは 0. 03 Q cm〜0. 05 Ω cmであり、 100。Cにおける抵抗を Aとし、 100 0°Cにおける抵抗を Bとした際に、 B/A=0. 2— 2である。このような物性を有するこ とから温度依存性の問題が大幅に改善される。さらに本発明の実施形態の窒素含量 は 500ppm以上、好まし <は 500ppm— 1200ppm、より好ましぐは 550ppm— 900p pmである。そのため、導電性を有することから放電加工法により複雑形状に加工可 能である。例えばヒータは、円柱状試料 (焼結体）を形成しこれを径方向にスライス加 ェし、その後成形体に螺旋状や同心円状の溝を形成することにより製造される。
[0023] さらに、本発明の実施形態にかかるヒータ用炭化ケィ素焼結体は、高純度、高密度 、高靭性の特性を備える。例えば密度が 1. 8g/cm3以上であり、平均粒径が 2 x m 一 8 μ ΐηの主として等方状のケィ素粒子が均一に分散している構造を有する。そのた め、密度等のバラツキが小さい構造部材としても使用できる。一般に、焼結体の密度 が 1. 8g/cm3未満であると、曲げ強度、破壊強度などの力学的特性や電気的な物 性が低下し、さらに、パーティクルが増大して汚染性が悪化することが報告されている 。このことからすると、本発明の実施形態にかかるヒータ用炭化ケィ素焼結体は良好 な力学的特性と電気的特性を有するものといえる。
[0024] また、本発明の実施形態にかかるヒータ用炭化ケィ素焼結体の不純物の総含有量 は、 lOppm未満、好ましくは 5ppm未満、より好ましくは 3ppm未満、さらに好ましくは lppm未満である。半導体工業分野への適用の観点からは、これらの化学的な分析 による不純物含有量は参考値としての意味を有するに過ぎない。実用的には、不純 物が均一に分布している力 \局所的に偏在しているかによっても、評価が異なってく る。従って、当業者は一般的に実用装置を用いて所定の加熱条件のもとで不純物が どの程度ウェハを汚染するかを種々の手段により評価している。なお、液状のケィ素 化合物と、非金属系焼結助剤と、重合又は架橋触媒と、を均質に混合して得られた 固形物を非酸化性雰囲気下で加熱炭化した後、さらに、非酸化性雰囲気下で焼成 する焼成工程とを含む製造方法によれば、炭化ケィ素焼結体に含まれるケィ素、炭 素、酸素以外の不純物の総含有量を lppm未満にすることができる。本発明の実施 形態で得られるヒータ用炭化ケィ素焼結体の窒素含有量は、 150PPm以上である。
[0025] 以上のようにして得られる本発明の実施形態に力かるヒータ用炭化ケィ素焼結体は 、好適には以下のような物性を有する。炭化ケィ素焼結体のケィ素及び炭素以外の 、不純物元素の総含有量は 5ppm未満である。密度は 1. 8g/cm3以上、好ましい態 様において 2. 00-2. 20g/cm3である。曲げ強度は 70MPa以上、好ましい態様 において lOOMPa以上である。
[0026] 本発明の原料粉体である炭化ケィ素粉体及び原料粉体を製造するためのケィ素 源と非金属系焼結助剤、さらに、非酸化性雰囲気とするために用いられる不活性ガ ス、それぞれの純度は、各不純物元素含有量 lppm以下であることが好ましいが、加 熱、焼結工程における純化の許容範囲内であれば必ずしもこれに限定するものでは なレ、。また、ここで不純物元素とは、 1989年 IUPAC無機化学命名法改訂版の周期 律表における 1族から 16族元素に属し、かつ、原子番号 3以上であり、原子番号 6— 8及び同 14一 16の元素を除く元素をいう。
[0027] 以上、実施形態を挙げて説明してきたが、本発明は上記実施形態に限定されるも のではない。従って本発明の加熱条件を満たしうるものであれば、特に製造装置等 に制限はなぐ公知の加熱炉内ゃ反応装置を使用することができる。
実施例
[0028] 以下に実施例及び比較例を示して本発明について具体的に説明するが、本発明 が以下の実施例に限定されるものでないことは言うまでもない。
[0029] 〔実施例 1一 6〕〔比較例 1、 2〕
炭化ケィ素反応焼結体の調製
前述の詳細な説明に記載された炭化ケィ素焼結体の製造方法に準じて、以下の条 件下で炭化ケィ素焼結体を製造した。 [0030] (1)混合粉体を得る工程:炭化ケィ素粉末として、中心粒径 10 x mの高純度炭化 ケィ素粉末 (特開平 9 - 48605号に記載の製造方法に準じて製造された不純物含有 量 5ppm以下の炭化ケィ素 /1. 5重量％のシリカを含有） 100部に対して、水 40部と 、解膠剤 0. 3部と、バインダー 3部を添加し、さらに 24時間ボールミルで分散混合し 、粘度 1ポワーズのスラリー状の混合粉体を得た。
(2)グリーン体を得る工程：このスラリー状の混合粉体を長さ 130mm、幅 10mm、 厚み 2. 5mmの石膏型に铸込み、 24時間、 22°Cで自然乾燥させてグリーン体を得 た。
(3)第 1の加熱工程：得られたグリーン体を、内径 200mm、高さ 80mmの黒鉛製の るつぼ内で、圧力一 latmの真空雰囲気下で 600°Cまで 2時間かけて昇温し、 600°C に 30分間保持した。
(4)第 2の加熱工程:第 1の加熱工程後、表 1に示す実験条件下において加熱を行 つた。
〔実施例 7， 8〕
アルゴン雰囲気下において焼成した炭化ケィ素粉末を用いたこと、及び第 2の加熱 工程の加熱条件を表 1に示す条件にしたことを除いて、実施例 1と同様にして実験を 行った。
[0031] 得られた炭化ケィ素焼結体について、後に説明する基準に従って空隙率、窒素含 量、 100°Cにおける抵抗 (A)、 1000°Cにおける抵抗（B)を調べた。第 2の加熱工程 の実験条件並びに得られた実験結果を表 1に示す。
[表 1] 表 1
Figure imgf000011_0001
実施例 8 比較例 1 比較例 2 条件 雰囲気 窒素 窒素 窒素 窒素 窒素 窒素 窒素 アルゴン 加熱温度 (°c) 1500 1900 1800 1800 1800 2000 1800 1900 1400 1800 保持時間 (Hr) 1 1 1 6 1 1 10 6 1 6 圧力 (atm) -0.1 -0.1 - 0.1 - 0.1 0.1 - 0.1 -0.1 - 0.1 -0.1 -0.1 空隙率 (％) 28 30 28 28 28 32 29 32 26 28
¾at量 (ρρπ 550 909 510 661 708 921 685 950 305 395 結 A;100°C抵抗 Q cm 0.031 0.028 0.029 0.025 0.027 0.021 0.028 0.035 0.08 0.62
B;1000°C抵抗 Q cm 0.028 0.026 0.027 0.021 0.022 0.037 0.023 0.029 0.001 0.0034
Β/Ά 0.90 0.93 0.93 0.84 0.81 1.76 0.83 0.82 0.01 0.01 グリーン体を真空雰囲気下、圧力 -1 (atm)で 2時間かけて温度 600°Cまで加熱し、 30分間 600°Cに保持 備考 した後に上記条件下で加熱して炭化ケィ素焼結体を得た。
尚、実施例 7及び 8は炭化ケィ素粉末としてアルゴン雰囲気下で焼成したものを使用した。
加熱温度を除レ、て同一の条件で実施例 1と比較例 1の実験を行ったところ、実施例 1の窒素量は 550ppmであり、比較例 1の窒素量は 305ppmであった。このことより十 分な窒素量を得るためには加熱温度が 1500°C以上必要であることが分かった。 加熱温度を除いて同一の条件で実施例 2と比較例 2の実験を行ったところ、実施例 2の窒素量は 909ppmであり、抵抗比（BZA)は 0. 93であった。一方、比較例 2の 窒素量は 921ppmであり、抵抗比（B/A)は 1. 76と高力つた。このことより良好な窒 素量と抵抗比を得るためには加熱温度が 1900°C以下である必要があることが分か つた。
[0033] (2)加熱雰囲気について
加熱雰囲気を除レ、て同一の条件で実施例 3と比較例 3を行ったところ、実施例 4の 窒素量は 661ppmであり、比較例 3の窒素量は 395ppmであった。このことより良好 な窒素量を得るためには窒素雰囲気において加熱する必要があることが分かった。
[0034] (3)加熱時間、保持時間について
保持時間を除いて同一の実験条件で実施例 3と実施例 4を行ったところ、保持時間 を 6時間とした実施例 4がより良好な窒素量を有していた。このことより、保持時間が 長くなるほど窒素含有量が増加することが分かった。
[0035] (4)加熱時間、圧力について
圧力を除いて同一の実験条件で実施例 3と実施例 5を行ったところ、圧力を 0. lat msとした実施例 5がより良好な窒素量を有していた。
[0036] (5)炭化ケィ素粉末について
アルゴン雰囲気下におレ、て焼成した炭化ケィ素粉末を用レ、た場合であつても、窒 素雰囲気下で焼成した炭化ケィ素粉末を用いた場合と同様の実験結果が得られた。
[0037] 〔評価基準〕
(1)空隙率の測定 (％)
アルキメデス法に基づいて空隙率を測定した。
(2)窒素含量 (ppm)
レコ（Leco)社製、商品名「EF400」の酸素 ·窒素分析装置を用いて窒素含量を測 定した。 (3) 100°C及び 1000。Cにおける抵抗（Ω - cm)
図 1に示すように、銅製の 2つの電極 3a、 3bと熱電対 8を備えるサイリスタ式電流制 Pヒータ電?原 5の電極 3a、 3b (こ、長さ 130mm、幅 10mm、厚み 2. 5mmの試験片 1 の両端 15mmを挟んだ。そしてサイリスタ式電流制御ヒータ電源 5より IV—数 Vの電 圧を投入していき、一定温度（100°C又は 1000°C)に達したときの電流を記録し、以 下の式から各温度における抵抗値を求めた：
抵抗（Ω ' cm) =R/ (長さ X幅 X厚み）
R=電圧/電流
本出願は、同出願人により先にされた日本国特許出願、すなわち、特願 2003— 43 5723号（出願曰 2003年 12月 26曰）及び特願 2004—300162号（出願曰 2004年 1 0月 14日）に基づく優先権主張を伴うものであって、これらの明細書を参照のために ここに組み込むものとする。
産業上の利用の可能性
本発明によれば、抵抗の温度依存性の小さいヒータ用炭化ケィ素焼結体が得られ る。

Claims

請求の範囲
[1] 炭化ケィ素粉末を溶媒中に分散して得られるスラリー状の混合粉体を得る工程と、 前記混合粉体を成形型に流し込み乾燥させてグリーン体を得る工程と、 前記グリーン体を真空雰囲気下 550°C— 650°Cまで昇温する第 1の加熱工程と、 さらに窒素ガス雰囲気下で 1500°C以上の温度まで昇温した後、前記窒素ガス雰 囲気下の温度条件に保持して炭化ケィ素焼結体を得る第 2の加熱工程と、を有する 窒素含量が 500ppm以上であるヒータ用炭化ケィ素焼結体の製造方法。
[2] 前記第 2の加熱工程において、窒素ガス雰囲気下で温度 1700°C— 2000°Cまで 昇温する請求項 1記載のヒータ用炭化ケィ素焼結体の製造方法。
[3] 前記第 2の加熱工程において、窒素ガス雰囲気下の前記温度保持時間が 0. 5— 8 時間である請求項 2記載のヒータ用炭化ケィ素焼結体の製造方法。
[4] 前記第 2の加熱工程において、窒素ガス雰囲気下の圧力カ 0. 5kg/m2-0. 2k gZm2である請求項 3記載のヒータ用炭化ケィ素焼結体の製造方法。
[5] ヒータ用炭化ケィ素焼結体の空隙率は 32体積％以下ある請求項 1一 4のいずれか に記載のヒータ用炭化ケィ素焼結体の製造方法。
[6] ヒータ用炭化ケィ素焼結体の窒素含量は 500ppm— 1200ppmである請求項 1一 5 のいずれかに記載のヒータ用炭化ケィ素焼結体の製造方法。
[7] ヒータ用炭化ケィ素焼結体の 100°Cにおける抵抗は 0. 02 Q cm-0. 06 Ω cmであ る請求項 1一 6のいずれかに記載のヒータ用炭化ケィ素焼結体の製造方法。
[8] ヒータ用炭化ケィ素焼結体の 100°Cにおける抵抗を Aとし、 1000°Cにおける抵抗 を Bとした際に、 Β/Α=0· 2— 2である請求項 1一 7のいずれかに記載のヒータ用炭 化ケィ素焼結体の製造方法。
[9] 前記スラリー状の混合粉体を得る工程における前記炭化ケィ素粉末の粒径は、 0.
01 μ m— 20 μ mである請求項 1一 8のいずれかに記載のヒータ用炭化ケィ素焼結体 の製造方法。
[10] 前記スラリー状の混合粉体を得る工程における前記炭化ケィ素粉末の粒径は、 0.
05 μ m— 10 μ mである請求項 1一 8のいずれかに記載のヒータ用炭化ケィ素焼結体 の製造方法。 前記スラリー状の混合粉体を得る工程における前記炭化ケィ素粉末は、アルゴン 雰囲気下において焼成されたものである請求項 1一 8のいずれかに記載のヒータ用 炭化ケィ素焼結体の製造方法。
窒素含量が 500ppm以上であり、空隙率が 32体積％以下であるヒータ用炭化ケィ 素焼結体。
前記窒素含量は 500ppm— 1200ppmである請求項 12に記載のヒータ用炭化ケィ 素焼結体。
前記窒素含量は 550ppm— 900ppmである請求項 12に記載のヒータ用炭化ケィ 素焼結体。
前記空隙率は 5体積％— 29体積％である請求項 12— 14のいずれかに記載のヒ ータ用炭化ケィ素焼結体。
100°Cにおける抵抗が 0. 02 Q cm— 0. 06 Ω cmである請求項 12— 15のいずれか に記載のヒータ用炭化ケィ素焼結体。
100°Cにおける抵抗が 0. 03 Q cm— 0. 05 Ω cmである請求項 12— 15のいずれか に記載のヒータ用炭化ケィ素焼結体。
100°Cにおける抵抗を Aとし、 1000°Cにおける抵抗を Bとした際に、 B/A=0. 2 一 2である請求項 12— 15のいずれかに記載のヒータ用炭化ケィ素焼結体。
請求項 1一 11に記載の製造方法により製造された請求項 12に記載のヒータ用炭 化ケィ素焼結体。
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