説明

窒化アルミニウム焼結体

【課題】 窒化アルミニウム焼結体の粒界強度の低下を極力防ぐことにより、パーティクルの発生の少ないサセプタを提供する。
【解決手段】 本発明の窒化アルミニウム焼結体は、含有するカドミウムとリンの量を一定値以下に制御する。すなわち、窒化アルミニウムを主成分とする窒化アルミニウム焼結体において、窒化アルミニウム焼結体中のカドミウムの含有量が150ppm以下であり、かつリンの含有量が100ppm以下であることを特徴とする。前記窒化アルミニウム焼結体に、抵抗発熱体が形成されていることが好ましく、半導体加熱用部品として使用されることが好ましい。

【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【0001】
本発明は、配線基板や半導体製造装置用部品に用いられる窒化アルミニウム焼結体基板に関し、特に半導体ウェハなどを加熱するサセプタとして好適に使用される窒化アルミニウム焼結体に関する。
【背景技術】
【0002】
従来、窒化アルミニウム焼結体は、高い熱伝導率と、シリコンに比較的近い熱膨張係数を有することから、配線基板等に好ましく使用されてきた。また近年では、半導体ウェハに導電膜や絶縁膜やレジスト膜の形成や、半導体ウェハのエッチング等のために、半導体ウェハを加熱するためのヒータ、あるいは半導体ウェハを検査するためのプローバに窒化アルミニウムを用いることが提案されてきた。このような分野では、半導体ウェハの温度分布が、製品の特性に与える影響が大きいため、半導体ウェハの面内の温度分布をできるだけ均一にすることが要求されるので、熱伝導率の比較的高い窒化アルミニウムが用いられる。
【0003】
例えば特開平11−74064号公報には、窒化アルミニウム等のセラミックスに、抵抗発熱体としてタングステンやモリブデンなどの金属ペーストをスクリーン印刷により塗布、焼結し、抵抗発熱体が埋設されたウェハ加熱装置が提案されている。
【0004】
また、窒化アルミニウムのようなセラミックスを用いた半導体ウェハを加熱するサセプタに使用した場合、金属製のサセプタに比較して、高温に対応でき、しかも軽量化できるなどのメリットもあった。
【0005】
窒化アルミニウム焼結体においては、一般に数μmから十数μmの粒子が粒界層を通じて結合し、焼結体を形成している。このため窒化アルミニウムを例えば破断させると、その破面は粒界破壊となる。しかしこのとき粒界強度が弱いと、容易に粒子が脱落し、その粒子がパーティクルとなり、ウェハの処理に対して悪影響を及ぼす。すなわち、半導体チップの微細配線化に伴い、ウェハの処理時には、このような脱落した粒子を発生させない必要があった。
【特許文献1】特開平11−074064号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【0006】
本発明は、上記問題点を解決するためになされたものである。すなわち、本発明は、窒化アルミニウム焼結体の粒界強度の低下を極力防ぐことにより、パーティクルの発生の少ない、すなわち発塵の少ないサセプタを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【0007】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、含有するカドミウムとリンの量を一定値以下に制御する。すなわち、窒化アルミニウムを主成分とする窒化アルミニウム焼結体において、窒化アルミニウム焼結体中のカドミウムの含有量が150ppm以下であり、かつリンの含有量が100ppm以下であることを特徴とする。
【0008】
前記窒化アルミニウム焼結体に、抵抗発熱体が形成されていることが好ましく、半導体加熱用部品として使用されることが好ましい。
【発明の効果】
【0009】
本発明によれば、窒化アルミニウム焼結体中のカドミウムとリンの量を所定量以下にすることによって、窒化アルミニウム焼結体の粒界強度の低下を極力防止することができる。粒界強度の低下していない窒化アルミニウム焼結体に抵抗発熱体を形成したセラミックスヒータは、ヒートサイクルが加えられても、パーティクルの発生は少ない。また、パーティクルの発生の少ない窒化アルミニウム焼結体は、耐食性にも優れる。このような窒化アルミニウム焼結体を半導体製造装置の半導体加熱用部品として用いれば、均熱性や信頼性が高く、長期にわたって、その性能を低下させることがなく使用することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【0010】
窒化アルミニウム(AlN)焼結体は、通常希土類化合物やアルカリ土類金属化合物を焼結助剤として所定量添加し、非酸化性雰囲気中で1500〜2000℃程度の温度で焼結して、焼結体を得ている。また焼結助剤を添加せずに焼結する手法も実用化されている。これらの手法においては、いずれも粒径がサブμm〜数μm以内のAlN原料粉の表面に存在する酸化物と反応し、粒界を形成することになる。AlN原料粉の表面に存在するのはアルミニウムの酸化物、もしくは酸窒化物であり、これらのアルミニウム化合物が、焼結助剤を添加した場合では希土類とアルミニウム、アルカリ土類金属とアルミニウムが反応し、酸化物を形成することで粒界層が形成される。この粒界層と、AlN粒子が強固に結合することで焼結体が形成される。
【0011】
そして、焼結の進行と共にAlNの粒子は大きくなり、最終的には数μmから十数μmの粒径になる。そして一般的には、AlN粒子の大きさが20μm程度以内の場合においては、AlN焼結体が破損する場合には、粒内破壊も存在するが、粒界破壊することが多い。このため、AlN焼結体を半導体製造装置用の部品として使用する場合には、この粒界強度を高めることで、AlN粒子の脱落を防ぎ、パーティクルの発生を防ぐ必要がある。
【0012】
通常サセプタには発熱体回路が形成される。スクリーン印刷等による塗布や、金属コイルの埋め込み等の手法によって、抵抗発熱体回路の厚みや配置位置を高度に制御し、ある一定以上の均熱性を達成している。しかし、パーティクルの発生量が多くなると、たとえ所定以上の均熱性を達成しても、歩留まりが低下するため好ましくない。
【0013】
また、抵抗発熱体を形成しないサセプタの場合でも、粒界強度が低下すると、腐食性ガスを使用する場合には、特に粒界層から腐食され、パーティクル発生の原因となりやすい。
【0014】
発明者等は、窒化アルミニウム焼結体から発生するパーティクルに関して、粒界を詳細に分析した結果、粒界には微量のカドミウムとリンが存在することを見出した。カドミウムとリンの含有量と、パーティクルの数との関係を検討した結果、カドミウムの含有量が150ppm以下とし、かつリンの含有量を100ppm以下とすれば、窒化アルミニウム焼結体から発生するパーティクルの数を実質的に問題がでない程度にまで減少させることができることを見出した。
【0015】
カドミウムとリンの含有量は、どちらかの含有量を低減することで、ある程度の効果は得られるが、両方の含有量を共に低減することで、より均熱性に優れた窒化アルミニウム焼結体とすることができる。カドミウムとリンを窒化アルミニウム焼結体から完全に除去することは困難であるが、上記含有量以下とするためには、窒化アルミニウムや焼結助剤などの原料粉末中に含まれるカドミウムやリンが少ない原料を用いればよい。原料粉末中のカドミウムとリンの量は、それぞれ150ppm、100ppmを超える量であっても、焼結時に揮散するので、焼結体中には、それぞれ150ppm、100ppm以下の量にすることができる。
【0016】
カドミウムやリンの含有量が、窒化アルミニウム焼結体の粒界強度に関係する機構は、明らかではないが、発明者等は以下のように推測している。すなわち、カドミウムとリンが、窒化アルミニウム焼結体の焼結中に粒界に排出され、アルミニウムの酸化物や酸窒化物と反応する。このとき生成される反応物の一部が揮散すると共に、これら反応物と窒化アルミニウム粒子との密着性が低いために、粒界強度の低下を引き起こしている。
【0017】
カドミウムやリンの含有量の多い窒化アルミニウム焼結体においては、粒界強度が低下し、窒化アルミニウム粒子の脱落が発生しやすく、このためパーティクルの発生量も多くなる。そして、粒界強度の低下した窒化アルミニウム焼結体を、熱サイクルの加わる半導体製造装置用のサセプタとして使用すると、その熱サイクルによって更に窒化アルミニウム粒子の脱落が促進されるため、パーティクルの発生量は多くなる。
【0018】
窒化アルミニウム(AlN)の原料粉末は、比表面積が2.0〜10.0m/gのものが好ましい。比表面積が2.0m/g未満の場合は、窒化アルミニウムの焼結性が低下する。また、10.0m/gを超えると、粉末の凝集が非常に強くなるので取扱いが困難になる。更に、原料粉末に含まれる酸素量は、2wt%以下が好ましい。酸素量が2wt%を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。また、原料粉末に含まれるアルミニウム以外の金属不純物量は、2000ppm以下が好ましい。金属不純物量がこの範囲を超えると、焼結体の熱伝導率が低下する。特に、金属不純物として、SiなどのIV族元素や、Feなどの鉄族元素は、焼結体の熱伝導率を低下させる作用が高いので、含有量は、それぞれ1000ppm以下であることが好ましい。
【0019】
AlNは難焼結性材料であるので、AlN原料粉末に焼結助剤を添加することが好ましい。添加する焼結助剤は、希土類元素化合物が好ましい。希土類元素化合物は、焼結中に窒化アルミニウム粉末粒子の表面に存在するアルミニウム酸化物あるいはアルミニウム酸窒化物と反応して、窒化アルミニウムの緻密化を促進するとともに、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を低下させる原因となる酸素を除去する働きもあるので、窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率を向上させることができる。
【0020】
希土類元素化合物は、特に酸素を除去する働きが顕著であるイットリウム化合物が好ましい。添加量は、0.01〜5wt%が好ましい。0.01wt%未満であると、緻密な焼結体を得ることが困難であるとともに、焼結体の熱伝導率が低下する。また、5wt%を超えると、窒化アルミニウム焼結体の粒界に焼結助剤が存在することになるので、腐食性雰囲気で使用する場合、この粒界に存在する焼結助剤がエッチングされ、脱粒やパーティクルの原因となる。更に、好ましくは焼結助剤の添加量は、1wt%以下である。1wt%以下であれば、粒界の3重点にも焼結助剤が存在しなくなるので、耐食性が向上する。
【0021】
また、希土類元素化合物は、酸化物、窒化物、フッ化物、ステアリン酸化合物などが使用できる。この中で、酸化物は安価で入手が容易であり好ましい。また、ステアリン酸化合物は、有機溶剤との親和性が高いので、窒化アルミニウム原料粉末と焼結助剤などを有機溶剤で混合する場合には、混合性が高くなるので特に好適である。
【0022】
次に、これら窒化アルミニウム原料粉末や焼結助剤粉末に、所定量の溶剤、バインダー、更には必要に応じて分散剤や邂逅剤を添加し、混合する。混合方法は、ボールミル混合や超音波による混合等が可能である。このような混合によって、原料スラリーを得ることができる。
【0023】
得られたスラリーを成形し、焼結することによって窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。その方法には、コファイアー法とポストメタライズ法の2種類の方法が可能である。
【0024】
まず、ポストメタライズ法について説明する。前記スラリーをスプレードライアー等の手法によって、顆粒を作製する。この顆粒を所定の金型に挿入し、プレス成形を施す。この時、プレス圧力は、9.8MPa以上であることが望ましい。9.8MPa未満の圧力では、成形体の強度が充分に得られないことが多く、ハンドリングなどで破損し易くなる。
【0025】
成形体の密度は、バインダーの含有量や焼結助剤の添加量によって異なるが、1.5g/cm以上であることが好ましい。1.5g/cm未満であると、原料粉末粒子間の距離が相対的に大きくなるので、焼結が進行しにくくなる。また、成形体密度は、2.5g/cm以下であることが好ましい。2.5g/cmを超えると、次工程の脱脂処理で成形体内のバインダーを充分除去することが困難となる。このため、前述のように緻密な焼結体を得ることが困難となる。
【0026】
次に、前記成形体を非酸化性雰囲気中で加熱し、脱脂処理を行う。大気等の酸化性雰囲気で脱脂処理を行うと、AlN粉末の表面が酸化されるので、焼結体の熱伝導率が低下する。非酸化性雰囲気ガスとしては、窒素やアルゴンが好ましい。脱脂処理の加熱温度は、500℃以上、1000℃以下が好ましい。500℃未満の温度では、バインダーを充分除去することができないので、脱脂処理後の積層体中にカーボンが過剰に残存するので、その後の焼結工程での焼結を阻害する。また、1000℃を超える温度では、残存するカーボンの量が少なくなり過ぎるので、AlN粉末表面に存在する酸化被膜の酸素を除去する能力が低下し、焼結体の熱伝導率が低下する。
【0027】
また、脱脂処理後の成形体中に残存する炭素量は、1.0wt%以下であることが好ましい。1.0wt%を超える炭素が残存していると、焼結を阻害するので、緻密な焼結体を得ることができない。
【0028】
次いで、焼結を行う。焼結は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、1700〜2000℃の温度で行う。この時、使用する窒素などの雰囲気ガスに含有する水分は、露点で−30℃以下であることが好ましい。これ以上の水分を含有する場合、焼結時にAlNが雰囲気ガス中の水分と反応して酸窒化物が形成されるので、熱伝導率が低下する可能性がある。また、雰囲気ガス中の酸素量は、0.001vol%以下であることが好ましい。酸素量が多いと、AlNの表面が酸化して、熱伝導率が低下する可能性がある。
【0029】
更に、焼結時に使用する治具は、窒化ホウ素(BN)成形体が好適である。このBN成形体は、前記焼結温度に対し充分な耐熱性を有するとともに、その表面に固体潤滑性があるので、焼結時に積層体が収縮する際の治具と積層体との間の摩擦を小さくすることができるので、歪みの少ない焼結体を得ることができる。
【0030】
得られた焼結体は、必要に応じて加工を施す。次工程の導電ペーストをスクリーン印刷する場合、焼結体の表面粗さは、Raで5μm以下であることが好ましい。5μmを超えるとスクリーン印刷により回路形成した際に、パターンのにじみやピンホールなどの欠陥が発生しやすくなる。表面粗さはRaで1μm以下であればさらに好適である。
【0031】
上記表面粗さを研磨加工する際には、焼結体の両面にスクリーン印刷する場合は当然であるが、片面のみにスクリーン印刷を施す場合でも、スクリーン印刷する面と反対側の面も研磨加工を施す方がよい。スクリーン印刷する面のみを研磨加工した場合、スクリーン印刷時には、研磨加工していない面で焼結体を支持することになる。その時、研磨加工していない面には突起や異物が存在することがあるので、焼結体の固定が不安定になり、スクリーン印刷で回路パターンがうまく描けないことがあるからである。
【0032】
また、この時、両加工面の平行度は0.5mm以下であることが好ましい。平行度が0.5mmを超えるとスクリーン印刷時に導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平行度は0.1mm以下であれば特に好適である。さらに、スクリーン印刷する面の平面度は、0.5mm以下であることが好ましい。0.5mmを超える平面度の場合にも、導電ペーストの厚みのバラツキが大きくなることがある。平面度も0.1mm以下であれば特に好適である。
【0033】
研磨加工を施した焼結体に、スクリーン印刷により導電ペーストを塗布し、電気回路の形成を行う。導電ペーストは、金属粉末と必要に応じて酸化物粉末と、バインダーと溶剤を混合することにより得ることができる。金属粉末は、セラミックスとの熱膨張係数のマッチングから、タングステンやモリブデンあるいはタンタルが好ましい。
【0034】
また、AlNとの密着強度を高めるために、酸化物粉末を添加することもできる。酸化物粉末は、IIa族元素やIIIa族元素の酸化物やAl、SiOなどが好ましい。特に、酸化イットリウムはAlNに対する濡れ性が非常に良好であるので、好ましい。これらの酸化物の添加量は、0.1〜30wt%が好ましい。0.1wt%未満の場合、形成した電気回路である金属層とAlNとの密着強度が低下する。また30wt%を超えると、電気回路である金属層の電気抵抗値が高くなる。
【0035】
導電ペーストの厚みは、乾燥後の厚みで、5μm以上、100μm以下であることが好ましい。厚みが5μm未満の場合は、電気抵抗値が高くなりすぎるとともに、密着強度も低下する。また、100μmを超える場合も、密着強度が低下する。
【0036】
また、形成する回路パターンが、ヒータ回路(発熱体回路)の場合は、パターンの間隔は0.1mm以上とすることが好ましい。0.1mm未満の間隔では、発熱体に電流を流したときに、印加電圧及び温度によっては漏れ電流が発生し、ショートする。特に、500℃以上の温度で使用する場合には、パターン間隔は1mm以上とすることが好ましく、3mm以上であれば更に好ましい。
【0037】
次に、導電ペーストを脱脂した後、焼成する。脱脂は、窒素やアルゴン等の非酸化性雰囲気中で行う。脱脂温度は500℃以上が好ましい。500℃未満では、導電ペースト中のバインダーの除去が不十分で金属層内にカーボンが残留し、焼成したときに金属の炭化物を形成するので、金属層の電気抵抗値が高くなる。
【0038】
焼成は、窒素やアルゴンなどの非酸化性雰囲気中で、1500℃以上の温度で行うのが好適である。1500℃未満の温度では、導電ペースト中の金属粉末の粒成長が進行しないので、焼成後の金属層の電気抵抗値が高くなり過ぎる。また、焼成温度はセラミックスの焼結温度を超えない方がよい。セラミックスの焼結温度を超える温度で導電ペーストを焼成すると、セラミックス中の含有する焼結助剤などが揮散しはじめ、更には導電ペースト中の金属粉末の粒成長が促進されてセラミックスと金属層との密着強度が低下する。
【0039】
次に、形成した金属層の絶縁性を確保するために、金属層の上に絶縁性コートを形成することができる。絶縁性コートの材質は、電気回路との反応性が小さく、AlNとの熱膨張係数差が、5.0×10−6/K以下であれば特に制約はない。例えば、結晶化ガラスやAlN等が使用できる。これらの材料を例えばペースト状にして、所定の厚みのスクリーン印刷を行い、必要に応じて脱脂を行った後、所定の温度で焼成することにより形成することができる。
【0040】
この時、添加する焼結助剤量は、0.01wt%以上であることが好ましい。0.01wt%未満では、絶縁性コートが緻密化せず、金属層の絶縁性を確保することが困難となる。また、焼結助剤量は20wt%を超えないことが好ましい。20wt%を超えると、過剰の焼結助剤が金属層中に浸透するので、金属層の電気抵抗値が変化してしまうことがある。塗布する厚みに特に制限はないが、5μm以上であることが好ましい。5μm未満では、絶縁性を確保することが困難となるからである。
【0041】
また、導電ペーストとして、銀やパラジウム、白金などの混合物や合金を使用することも可能である。これらの金属は、銀の含有量に対してパラジウムや白金を添加することによって、導体の体積抵抗率が増加するため、回路パターンに応じてその添加量を調整すればよい。またこれらの添加物は回路パターン間のマイグレーションを防止する効果があるため、銀100重量部に対して、0.1重量部以上添加することが好ましい。
【0042】
これらの金属粉末に、AlNとの密着性を確保するために、金属酸化物を添加することが好ましい。例えば酸化アルミニウムや酸化ケイ素、酸化銅、酸化ホウ素、酸化亜鉛、酸化鉛、希土類酸化物、遷移金属元素酸化物、アルカリ土類金属酸化物などを添加することができる。添加量としては、0.1wt%以上50wt%以下が好ましい。含有量がこれより少ないと、窒化アルミニウムとの密着性が低下するため好ましくない。また、含有量がこれより多いと、銀等の金属成分の焼結が阻害されるため好ましくない。
【0043】
これら金属粉末と無機物の粉末を混合し、更に有機溶剤やバインダーを添加し、ペースト状にし、上記同様スクリーン印刷により回路形成することができる。この場合、形成した回路パターンに対して、窒素などの不活性ガス雰囲気中もしくは大気中にて700℃から1000℃の温度範囲にて焼成する。
【0044】
更にこの場合、回路間の絶縁を確保するために、結晶化ガラスやグレーズガラス、有機樹脂などを塗布し、焼成、もしくは硬化させることで絶縁層を形成することができる。ガラスの種類としては硼珪酸ガラス、酸化鉛、酸化亜鉛、酸化アルミニウム、酸化ケイ素、などが使用できる。これら粉末に有機溶剤やバインダーを添加し、ペースト状にし、スクリーン印刷により塗布する。塗布する厚みに特に制限はないが、5μm以上であることが好ましい。5μm未満では、絶縁性を確保することが困難となるからである。また焼成温度としては、上記回路形成時の温度より低温であることが好ましい。上記回路焼成時より高い温度で焼成すると、回路パターンの抵抗値が大きく変化するため好ましくない。
【0045】
次に、必要に応じて更にセラミックス基板を積層することができる。積層は、接合剤を介して行うのが良い。接合剤は、酸化アルミニウム粉末や窒化アルミニウム粉末に、IIa族元素化合物やIIIa族元素化合物とバインダーや溶剤を加え、ペースト化したものを接合面にスクリーン印刷等の手法で塗布する。塗布する接合剤の厚みに特に制約はないが、5μm以上であることが好ましい。5μm未満の厚みでは、接合層にピンホールや接合ムラ等の接合欠陥が生じやすくなる。
【0046】
接合剤を塗布したセラミックス基板を、非酸化性雰囲気中、500℃以上の温度で脱脂する。その後、積層するセラミックス基板を重ね合わせ、所定の荷重を加え、非酸化性雰囲気中で加熱することにより、セラミックス基板同士を接合する。荷重は、5kPa以上であることが好ましい。5kPa未満の荷重では、充分な接合強度が得られないか、もしくは前記接合欠陥が生じやすい。
【0047】
接合するための加熱温度は、セラミックス基板同士が接合層を介して十分密着する温度であれば、特に制約はないが、1500℃以上であることが好ましい。1500℃未満では、十分な接合強度が得られにくく、接合欠陥を生じやすい。前記脱脂ならびに接合時の非酸化性雰囲気は、窒素やアルゴンなどを用いることが好ましい。
【0048】
以上のようにして、ウェハ保持体のヒータ部となるセラミックス積層焼結体を得ることができる。なお、電気回路は、導電ペーストを用いずに、例えば、ヒータ回路であれば、モリブデン線(コイル)、静電吸着用電極やRF電極などの場合には、モリブデンやタングステンのメッシュ(網状体)を用いることも可能である。
【0049】
この場合、AlN原料粉末中に上記モリブデンコイルやメッシュを内蔵させ、ホットプレス法により作製することができる。ホットプレスの温度や雰囲気は、前記AlNの焼結温度、雰囲気に準ずればよいが、ホットプレス圧力は、1.0MPa以上加えることが望ましい。1.0MPa未満では、モリブデンコイルやメッシュとAlNの間に隙間が生じることがあるので、ヒータとしての性能が出なくなることがある。
【0050】
次に、コファイアー法について説明する。前述した原料スラリーをドクターブレード法によりシート成形する。シート成形に関して特に制約はないが、シートの厚みは、乾燥後で3mm以下が好ましい。シートの厚みが3mmを超えると、スラリーの乾燥収縮量が大きくなるので、シートに亀裂が発生する確率が高くなる。
【0051】
上述したシート上に所定形状の電気回路となる金属層を、導体ペーストをスクリーン印刷などの手法により塗布することにより形成する。導電ペーストは、ポストメタライズ法で説明したものと同じものを用いることができる。ただし、コファイアー法では、導電ペーストに酸化物粉末を添加しなくても支障はない。
【0052】
次に、回路形成を行ったシート及び回路形成をしていないシートを積層する。積層の方法は、各シートを所定の位置にセットし、重ね合わせる。この時、必要に応じて各シート間に溶剤を塗布しておく。重ね合わせた状態で、必要に応じて加熱する。加熱する場合、加熱温度は、150℃以下であることが好ましい。これを超える温度に加熱すると、積層したシートが大きく変形する。そして、重ね合わせたシートに圧力を加えて一体化する。加える圧力は、1〜100MPaの範囲が好ましい。1MPa未満の圧力では、シートが充分に一体化せず、その後の工程中に剥離することがある。また、100MPaを超える圧力を加えると、シートの変形量が大きくなりすぎる。
【0053】
この積層体を、前述のポストメタライズ法と同様に、脱脂処理並びに焼結を行う。脱脂処理や焼結の温度や、炭素量等はポストメタライズ法と同じである。前述した、導電ペーストをシートに印刷する際に、複数のシートにそれぞれヒータ回路や静電吸着用電極等を印刷し、それらを積層することで、複数の電気回路を有する通電発熱ヒータを容易に作製することも可能である。このようにして、ウェハ保持体のヒータ部となるセラミックス積層焼結体を得ることができる。
【0054】
なお、発熱体回路などの電気回路が、セラミックス積層体の最外層に形成されている場合は、電気回路の保護と絶縁性の確保のために、前述のポストメタライズ法と同様に、電気回路の上に絶縁性コートを形成することができる。
【0055】
得られたセラミックス積層焼結体は、必要に応じて加工を施す。通常、焼結した状態では、半導体製造装置で要求される精度に入らないことが多い。加工精度は、例えば、被処理物搭載面の平面度は0.5mm以下が好ましく、さらには0.1mm以下が特に好ましい。平面度が0.5mmを超えると、被処理物とウェハ保持体との間に隙間が生じやすくなり、ウェハ保持体の熱が被処理物に均一に伝わらなくなり、被処理物の温度ムラが発生しやすくなる。
【0056】
また、ウェハ保持面の面粗さは、Raで5μm以下が好ましい。Raで5μmを超えると、ウェハ保持体とウェハとの摩擦によって、AlNの脱粒が多くなることがある。この時、脱粒した粒子はパーティクルとなり、ウェハ上への成膜やエッチングなどの処理に対して悪影響を与えることになる。さらに、表面粗さは、Raで1μm以下であれば、好適である。
【0057】
以上のようにして、ウェハ保持体であるサセプタのヒータ部を作製することができる。さらに、このヒータ部に支持部を取り付ける。支持部の材質は、ヒータ部のセラミックスの熱膨張係数と大きく違わない熱膨張係数のものであれば特に制約はないが、ヒータ部との熱膨張係数の差が5×10−6/K以下であることが好ましい。
【0058】
熱膨張係数の差が、5×10−6/Kを超えると、取付時にヒータ部と支持部の接合部付近にクラックなどが発生したり、接合時にクラックが発生しなくても、繰り返し使用しているうちに接合部に熱サイクルが加わり、割れやクラックが発生することがある。例えば、ヒータ部がAlNの場合、支持部の材質は、AlNが最も好適であるが、窒化珪素や炭化珪素あるいはムライト等が使用できる。
【0059】
取付は、接合層を介して接合する。接合層の成分は、AlN及びAl並びに希土類酸化物からなることが好ましい。これらの成分は、ヒータ部や支持部の材質であるAlNなどのセラミックスと濡れ性が良好であるので、接合強度が比較的高くなり、また接合面の気密性も得られやすいので好ましい。
【0060】
接合する支持部並びにヒータ部それぞれの接合面の平面度は0.5mm以下であることが好ましい。これを超えると接合面に隙間が生じやすくなり、十分な気密性を持つ接合を得ることが困難となる。平面度は0.1mm以下がさらに好適である。なお、ヒータ部の接合面の平面度は0.02mm以下であればさらに好適である。また、それぞれの接合面の面粗さは、Raで5μm以下であることが好ましい。これを超える面粗さの場合、やはり接合面に隙間が生じやすくなる。面粗さは、Raで1μm以下がさらに好適である。
【0061】
次に、ヒータ部に電極を取り付ける。取付は、公知の手法で行うことができる。例えば、ヒータ部のウェハ保持面と反対側から電気回路までザグリ加工を施し、電気回路にメタライズを施すかあるいはメタライズなしで直接活性金属ろうを用いて、モリブデンやタングステン等の電極を接続すればよい。その後必要に応じて電極にメッキを施し、耐酸化性を向上させることができる。
【0062】
最後に、ヒータ部と支持部との接合部付近とその外側に環状溝を機械加工で形成する。このようにして半導体製造装置用ウェハ保持体(サセプタ)を作製することができる。なお、環状溝は、焼成前の成形体の状態で先に形成しておいてもよいし、支持部を接合する前に形成してもよい。
【0063】
また、本発明のウェハ保持体を半導体装置に組み込んで、半導体ウェハを処理することができる。本発明のウェハ保持体は、ヒータ部と支持部との接合部の信頼性が高いので、長期間に渡って、安定して半導体ウェハを処理することができる。
【実施例1】
【0064】
カドミウムとリンをそれぞれ含有する6種類の窒化アルミニウム原料粉末を用意した。なお、各窒化アルミニウム粉末は、平均粒径0.6μm、比表面積3.4m/gのものを使用した。これらの窒化アルミニウム(AlN)粉末に、酸化イットリウムを、0.7重量%添加し、アクリルバインダー、有機溶剤を加え、ボールミルにて24時間混合して、スラリーを作製した。これらのスラリーをスプレードライにより顆粒状の完粉を作製した。この完粉をプレス成形により成形し、窒素雰囲気中700℃で脱脂し、窒素雰囲気中1850℃で5時間焼結し、AlN焼結体を得た。これらのAlN焼結体中のカドミウム(Cd)とリン(P)の量を化学分析した結果を表1に示す。
【0065】
でき上がった各AlN焼結体を、直径330mm、厚さ15mmに機械加工した。次に、抵抗発熱体として、平均粒径が2.0μmのW粉末に、Yを1重量%を加え、更にバインダーと、溶剤を加えWペーストを作製した。混合にはポットミルと三本ロールを用いた。このWペーストをスクリーン印刷で、前記AlN焼結体上に、ヒータ回路パターンを形成した。
【0066】
ヒータ回路を印刷したAlN焼結体を窒素雰囲気中800℃で脱脂した後、窒素雰囲気中1830℃でヒータ回路を焼成した。このヒータ回路を保護するために、ZnO−B−SiO粉末に、有機溶剤とバインダーを添加し、ペースト状にしたものを、ヒータ回路を形成した面全面に、スクリーン印刷で、厚さ200μm塗布した。これを、大気中350℃で脱脂し、窒素雰囲気中700℃で焼成し、保護層とした。
【0067】
次に、ヒータ回路を形成した面とは反対側の面(ウェハ保持面)を研磨加工し、厚さ14mm、平面度50μmに仕上げた。ウェハ保持面の反対側の面から、前記ヒータ回路までザグリ加工を行い、ヒータ回路を一部露出させた。露出したヒータ回路部にMo製の電極をネジ止めで取り付けた。
【0068】
これらのウェハ保持体のウェハ保持面に、レジストを塗布した直径300mmの半導体ウェハを搭載し、ヒータ回路に給電して、半導体ウェハの中心部の温度が180℃になるように加熱した。ウエハを冷却した後、ウエハに付着したパーティクル(AlN粒子)数をカウントした。調査方法は、1000倍の倍率で任意の箇所100箇所を観察し、脱落したAlN粒子数を調査した。これらの結果を表1に示す。
【0069】
【表1】

【0070】
表1から判るように、窒化アルミニウム焼結体中におけるカドミウムの含有量が150ppm以下であり、リンの含有量が100ppm以下であれば、パーティクル数が少ないことが判る。
【実施例2】
【0071】
実施例1で用いた6種類の窒化アルミニウム原料粉末を用い、酸化イットリウムの添加量を1重量%としたこと以外は、実施例1と同様にしてスラリーを作製した。このスラリーを、ドクターブレード法にてシート成形を行った。次に、平均粒径が2.0μmのW粉末に、バインダーとしてエチレンセルロースを加え、有機溶剤を加え混錬し、Wペーストを作製した。このWペーストをスクリーン印刷で、前記AlNシート上に、ヒータ回路パターンを形成した。その後、焼結後の厚みで15mmとなるように、複数のシートを重ね合わせ、積層体を作製した。この積層体を800℃窒素雰囲気中で脱脂し、窒素雰囲気中1880℃で10時間焼結し、AlN焼結体を作製した。これを、実施例1と同様にウェハ保持面の平面度50μm、厚み14mmのウェハ保持体に仕上げ、実施例1と同様に評価した。これらの結果を表2に示す。
【0072】
【表2】

【0073】
表2から判るように、コファイアー法においても、カドミウムの含有量が150ppm以下であり、リンの含有量が100ppm以下であれば、パーティクル数が少なくなっていることが判る。また焼結温度が実施例1に比較して高かったため、それぞれの元素の含有量は実施例1に比較して少なくなっている。
【実施例3】
【0074】
実施例1で用いた6種類の窒化アルミニウム原料粉末を用い、酸化イットリウムの添加量を3重量%としたこと以外は、実施例1と同様にしてスラリーを作製し、顆粒とした。次に、顆粒をプレス成形し、成形体に溝加工を施した。この溝に、直径4mmのMoコイルを入れ込み、ヒータ回路とした。その後、Moコイルを入れた溝の上に、更に前記AlN顆粒を充填し、焼結後の厚みで15mmとなるように、プレス成形した。この成形体をホットプレス法にて、窒素雰囲気中1880℃、10MPaの荷重で5時間焼結し、AlN焼結体を作製した。これを、実施例1と同様にウェハ保持面の平面度50μm、厚み14mmのウェハ保持体に仕上げ、実施例1と同様に評価した。これらの結果を表3に示す。
【0075】
【表3】

【0076】
表3から判るように、Moコイルを発熱体として用いた場合でも、カドミウムの含有量が150ppm以下であり、リンの含有量が100ppm以下であれば、パーティクル数が少ないことが判る。
【産業上の利用可能性】
【0077】
本発明によれば、窒化アルミニウム焼結体中のカドミウムとリンの量を所定量以下にすることによって、粒界強度の低下を防ぎ、パーティクルの発生量の少ない窒化アルミニウム焼結体を得ることができる。このような窒化アルミニウム焼結体を半導体製造装置の半導体加熱用部品として用いれば、パーティクルの発生量が少なく、従って歩留り良く半導体を製造することができる。

【特許請求の範囲】
【請求項1】
窒化アルミニウムを主成分とする窒化アルミニウム焼結体において、窒化アルミニウム焼結体中のカドミウムの含有量が150ppm以下であり、かつリンの含有量が100ppm以下であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。
【請求項2】
前記窒化アルミニウム焼結体に、抵抗発熱体が形成されていることを特徴とする請求項1に記載の窒化アルミニウム焼結体。
【請求項3】
半導体加熱用部品として使用されることを特徴とする請求項1または2に記載の窒化アルミニウム焼結体。







【公開番号】特開2007−112635(P2007−112635A)
【公開日】平成19年5月10日(2007.5.10)
【国際特許分類】
【出願番号】特願2005−302402(P2005−302402)
【出願日】平成17年10月18日(2005.10.18)
【出願人】(000002130)住友電気工業株式会社 (12,747)
【Fターム(参考)】