(57)【要約】【課題】温度変化に対する耐久性と、均熱性とを兼ね揃えたセラミックスヒータを提供する。【解決手段】基体１０は窒化アルミニウム焼結体からなり、発熱体２０は炭化珪素焼結体からなり、窒化アルミニウム焼結体と炭化珪素焼結体とは直接接合されている。炭化珪素焼結体は、珪素含有原料と炭素含有原料とが混合された原料混合物を架橋又は重合して炭化珪素前駆体を生成する工程と、生成した前記炭化珪素前駆体を非酸化性雰囲気下で焼成する工程とを含む製造方法により得られた炭化珪素粉末を原料としている。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
基体と発熱体とを備えるセラミックスヒータにおいて、
前記基体は窒化アルミニウム焼結体からなり、
前記発熱体は炭化珪素焼結体からなり、
前記窒化アルミニウム焼結体と前記炭化珪素焼結体とは直接接合されており、
前記炭化珪素焼結体は、珪素含有原料と炭素含有原料とが混合された原料混合物を架橋又は重合して炭化珪素前駆体を生成する工程と、生成した前記炭化珪素前駆体を非酸化性雰囲気下で焼成する工程とを含む製造方法により得られた炭化珪素粉末を原料としている
ことを特徴とするセラミックスヒータ。
【請求項２】
前記炭化珪素粉末は、不純物となる各元素の含有量が０．５ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載のセラミックスヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、発熱体と、発熱体によって加熱される基体とが共にセラミックスで形成されたセラミックスヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造装置において半導体チップなどの被加熱体に接触して非加熱体を加熱するヒータであって、発熱体（ヒータ）と、発熱体によって加熱される基体（ツール）とがともにセラミックスで形成されたヒータが開示されている（例えば、特許文献１参照）。
【０００３】
特許文献１には、無機接着剤やハンダなどの接合材を使用して発熱体と基体とを接合する方法と、焼きばめ法やネジ止めなどのように、接合材を使用することなく接合する方法とが開示されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００３−１８８２１４号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
一般的に、基体の熱膨張係数、接合材の熱膨張係数、発熱体の熱膨張係数には差がある。このため、温度変化が生じると、熱膨張に起因した応力が、接合材に生じることとなる。これにより、接合材と基体及び発熱体との接合力が低下し、基体や発熱体が接合材から剥離することもあった。
【０００６】
接合材を使用せずに接合する方法では、基体と発熱体とを物理的に接触させているだけであるため、微視的に見ると、接触が不十分な部分が存在し、温度分布が生じることがあった。
【０００７】
このように、温度変化に対する耐久性を有しつつ、基体の部分的な温度差をなくすことは難しかった。
【０００８】
そこで、本発明は、このような状況に鑑みてなされたものであり、温度変化に対する耐久性と、均熱性とを兼ね揃えたセラミックスヒー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】
【０００９】
本発明者らは、発熱体と基体との「熱膨張係数差」を小さくするという観点で、窒化アルミニウム焼結体と炭化珪素焼結体とを用いた。通常、窒化アルミニウムと炭化珪素とを直接接合することは難しいが、本発明者らは、さらに研究を進めた結果、発熱体として用いる炭化珪素焼結体の原料粉の状態によって、窒化アルミニウム焼結体と、炭化珪素焼結体とを直接接合することが可能であることを見出し、本発明を完成した。
【００１０】
すなわち、本発明は、次のような特徴を有している。本発明の第１の特徴は、基体と発熱体を備えるセラミックスヒータにおいて、基体は窒化アルミニウム焼結体からなり、発熱体は炭化珪素焼結体からなり、窒化アルミニウム焼結体と前記炭化珪素焼結体とは直接接合されており、炭化珪素焼結体は、珪素含有原料と炭素含有原料とが混合された原料混合物を架橋又は重合して炭化珪素前駆体を生成する工程と、生成した炭化珪素前駆体を非酸化性雰囲気下で焼成する工程とを含む製造方法により得られた炭化珪素粉末を原料としていることを要旨とする。
【００１１】
本発明の第１の特徴によれば、基体である窒化アルミニウム焼結体と、発熱体である炭化珪素焼結体とは、直接接合されている。窒化アルミニウムも炭化珪素も熱膨張係数は、４．５×１０−６Ｋ−１であるため、熱膨張係数差がない。このため、温度変化が生じても、熱膨張に起因した応力が接合面に働かない。これによって、基体と発熱体とが剥離することもないため、温度変化に対する耐久性に優れている。
【００１２】
窒化アルミニウムの熱伝導率は、７０〜１５０Ｗ／ｍＫである。炭化珪素の熱伝導率は、１０５Ｗ／ｍＫである。従って、基体も発熱体も熱伝導率は良好であるため、温度均熱性が良い。
【００１３】
本発明の第２の特徴によれば、炭化珪素粉末は、不純物となる各元素の含有量が０．５ｐｐｍ以下であることを要旨とする。
【００１４】
ここで、不純物とは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｗ等の重金属元素、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属元素、並びにＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ等のアルカリ土類金属元素若しくは両性金属元素をいう。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、温度変化に対する耐久性と、均熱性とを兼ね揃えたセラミックスヒータを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１６】
【図１】本実施形態に係るセラミックスヒータ１の概略断面図である。
【図２】炭化珪素粉末の製造方法を説明する流れ図である。
【発明を実施するための形態】
【００１７】
本実施の形態に係るセラミックスヒータの一例について、図面を参照しながら説明する。以下の図面の記載において、同一または類似の部分には、同一又は類似の符号を付している。ただし、図面は模式的なのものであり、各寸法の比率などは現実のものとは異なることを留意すべきである。従って、具体的な寸法などは以下の説明を参酌して判断すべきものである。また、図面相互間においても互いの寸法の関係や比率が異なる部分が含まれていることは勿論である。
【００１８】
（１）セラミックスヒータの構成
本発明に係るセラミックスヒータ１の構成について、図１を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るセラミックスヒータ１の概略断面図である。
【００１９】
図１に示すように、セラミックスヒータ１は、基体１０と発熱体２０とを備えている。
【００２０】
基体１０には、発熱体２０が埋設されており、基体１０と発熱体２０とは直接接合されている。発熱体２０は、基体１０に形成された接続孔１４から挿入された給電部材３０と接続されている。発熱体２０には、給電部材３０を通じて、外部から電力が供給される。基体１０は、載置面１２を有している。載置面１２には、被加熱部材（不図示）が載置される。載置された被加熱部材は、発熱体２０から発生した熱によって、加熱される。
【００２１】
基体１０は、窒化アルミニウム焼結体からなる。発熱体２０は、炭化珪素焼結体からなる。
【００２２】
（２）セラミックスヒータ１の製造方法
本実施の形態に係るセラミックスヒータ１の製造方法を説明する。
【００２３】
（２．１）原料の準備
窒化アルミニウム粉末と炭化珪素粉末とを準備する。
【００２４】
窒化アルミニウム粉末（トクヤマ製）には、焼結助剤としてＹ２Ｏ３を加える。この窒化アルミニウム粉末を焼結することで、基体１０が形成される。
【００２５】
炭化珪素粉末は、後述する方法で製造する。この炭化珪素粉末に焼結助剤として、レゾール型フェノール樹脂を８〜１４重量％添加する。その後、機械プレス等を用いて、所望の形状に成形する。成形して得られた炭化珪素成形体を焼結することで、発熱体２０が形成される。
【００２６】
（２．２）ホットプレス焼成
次に、窒化アルミニウム粉末と炭化珪素成形体とを黒鉛性モールドに入れる。まず、黒鉛性モールドに窒化アルミニウム粉末を入れ、その上に炭化珪素成形体を入れる。さらに窒化アルミニウム粉末を加えて、ホットプレス焼成を行う。焼成条件の一例として、焼成温度２０００〜２４００℃、圧力３００〜７００ｋｇ／ｃｍ２、焼成時間は、３〜１０時間である。
【００２７】
これにより、発熱体２０が埋設された基体１０を得ることができる。この基体１０に、必要に応じて、接続孔１４等の加工処理を施してもよい。
【００２８】
（３）炭化珪素粉末
本実施形態に係る炭化珪素焼結体は、珪素含有原料と炭素含有原料とが混合された原料混合物を架橋又は重合して炭化珪素前駆体を生成する工程Ｓ１と、生成した炭化珪素前駆体を非酸化性雰囲気下で焼成する工程Ｓ２とを含む製造方法により得られた炭化珪素粉末を原料としている。以下、詳細に説明する。
【００２９】
（３．１）炭化珪素粉末の原料
（３．１．１）珪素含有原料
炭化珪素粉末の製造に用いられる珪素含有原料（以下、適宜、珪素源と称する）としては、液状の珪素源と固体状の珪素源とを併用することができる。ただし、少なくとも一種は、液状の珪素源から選ばれなくてはならない。
【００３０】
液状の珪素源としては、アルコキシシラン（モノ−、ジ−、トリ−、テトラ−）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アルコキシシランが好適に用いられる。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。ハンドリングの点からは、エトキシシランが好ましい。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いケイ酸ポリマーで液状の珪素源が挙げられる。
【００３１】
これら液状の珪素源と併用可能な固体状の珪素源としては、酸化珪素が挙げられる。酸化珪素には、ＳｉＯの他、シリカゾル（コロイド状超微細シリカ含有液、内部にＯＨ基やアルコキシル基を含む）、二酸化珪素（シリカゲル、微細シリカ、石英粉体）等が挙げられる。
【００３２】
これら珪素源のなかでも、均質性やハンドリング性の観点から、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体シリカとの混合物等が好適である。
【００３３】
高純度の炭化珪素粉末を得るためには、珪素源として、高純度の物質を用いるのが好ましい。具体的には、初期の不純物含有量が２０ｐｐｍ以下であることが好ましく、５ｐｐｍ以下であることがさらに好ましい。
【００３４】
なお、不純物の一例として、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｗ等の重金属元素、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属元素、並びにＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ等のアルカリ土類若しくは両性金属元素などが挙げられる。
【００３５】
（３．１．２）炭素含有原料
炭化珪素粉末の製造に用いられる炭素含有原料（以下、適宜、炭素源と称する）は、不純物元素を含まない触媒を用いて合成され、加熱及び／又は触媒、若しくは架橋剤により重合又は架橋して硬化しうる任意の１種もしくは２種以上の有機化合物から構成されるモノマー、オリゴマー及びポリマーである。
【００３６】
炭素含有原料の好適な具体例としては、不純物元素を含まない触媒を用いて合成されたフェノール樹脂、フラン樹脂、尿素樹脂、エポキシ樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ポリイミド樹脂、ポリウレタン樹脂などの硬化性樹脂が挙げられる。特に、残炭率が高く、作業性に優れているレゾール型またはノボラック型フェノール樹脂が好ましい。
【００３７】
本実施形態に有用なレゾール型フェノール樹脂は、不純物元素を含まない触媒（具体的には、アンモニアまたは有機アミン）の存在下において、フェノール、クレゾール、キシレノール、レゾルシン、ビスフェノールＡなどの１価または２価のフェノール類と、ホルムアルデヒド、アセトアルデヒド、ベンズアルデヒド等のアルデヒド類とを反応させて製造する。
【００３８】
触媒として用いる有機アミンは、第一級、第二級、および第三級アミンのいずれでもよい。有機アミンとしては、ジメチルアミン、トリメチルアミン、ジエチルアミン、トリエチルアミン、ジメチルモノエタノールアミン、モノメチルジエタノールアミン、Ｎ−メチルアニリン、ピリジン、モルホリン等を用いることができる。
【００３９】
フェノール類とアルデヒド類とをアンモニアまたは有機アミンの存在下に反応させてレゾール型フェノール樹脂を合成する方法は、使用触媒が異なる以外は、従来公知の方法を採用できる。
【００４０】
即ち、フェノール類１モルに対し、１〜３モルのアルデヒド類と０．０２〜０．２モルの有機アミン又はアンモニアを加え、６０〜１００℃に加熱する。
【００４１】
一方、本実施形態に有用なノボラック型フェノール樹脂は、上記と同様の１価または２価フェノール類とアルデヒド類とを混合し、不純物元素を含まない酸類（具体的には、塩酸、硫酸、ｐ−トルエンスルホン酸またはシュウ酸など）を触媒として反応させて製造することができる。
【００４２】
ノボラック型フェノール樹脂の製造も従来公知の方法を採用できる。即ち、フェノール類１モルに対し、０．５〜０．９モルのアルデヒド類と０．０２〜０．２モルの不純物元素を含まない無機酸又は有機酸を加え、６０〜１００℃に加熱する。
【００４３】
（３．２）炭化珪素粉末の製造方法
次に、本実施形態に係る炭化珪素粉末の製造方法の全体概略について説明する。図２は、炭化珪素粉末の製造方法を説明する流れ図である。
【００４４】
図２に示すように、本実施形態に係る炭化珪素粉末の製造方法は、上述した珪素含有原料と上述した炭素含有原料とから炭化珪素前駆体を生成する工程Ｓ１と、工程Ｓ１で生成された炭化珪素前駆体を焼成する工程Ｓ２とを有する。
【００４５】
（３．２．１）工程Ｓ１
工程Ｓ１は、上述した珪素含有原料と炭素含有原料とを混合した原料混合物を調製する工程である。工程Ｓ１では、原料混合物に、必要に応じて重合又は架橋用の触媒又は架橋剤を加え、重合又は架橋反応を生じさせて炭化珪素前駆体を生成する。
【００４６】
（３．２．２）工程Ｓ２
工程Ｓ２は、工程Ｓ１で得られた炭化珪素前駆体を不活性気体の雰囲気下で焼成する工程である。工程Ｓ２では、炭化珪素前駆体を不活性気体の雰囲気下で加熱焼成して、炭化珪素前駆体を炭化及び珪化する。不活性気体雰囲気とは、非酸化性雰囲気である。不活性気体は、例えば、真空、窒素、ヘリウムまたはアルゴンを含む。
【００４７】
工程Ｓ２において、炭化珪素前駆体を焼成することにより、目的とする炭化珪素粉末を得る。焼成条件の一例として、加熱温度は、約１６００〜２０００℃であり、焼成時間は、約３０分〜３時間である。
【００４８】
この焼成工程では、炭化珪素前駆体に含まれる炭素が還元剤となって、以下の反応が起こる。
【００４９】
ＳｉＯ２＋Ｃ  →  ＳｉＣ
上記反応が起こるため、上記工程を経て得られた炭化珪素粉末は、通常の製造方法で得られた炭化珪素粉末と比べると、酸化珪素被膜が形成されていない。そのため、窒化アルミニウムと炭化珪素との界面に酸化珪素被膜が介在しないので、直接接合が可能と推測される。
【００５０】
特に高純度の炭化珪素粉末を得る方法としては、本願出願人が先に出願した特開平９−４８６０５号の単結晶の製造方法に記載の原料粉末の製造方法が挙げられる。即ち、高純度のテトラアルコキシシラン、テトラアルコキシシラン重合体から選択される１種以上を珪素源とし、加熱により炭素を生成する高純度有機化合物を炭素源とし、これらを均質に混合して得られた混合物を非酸化性雰囲気下において焼成して炭化珪素粉末を得る炭化珪素生成工程と；得られた炭化珪素粉末を、１７００℃以上２０００℃未満の温度に保持し、上記温度の保持中に、２０００℃〜２１００℃の温度において５〜２０分間にわたり加熱する処理を少なくとも１回行う後処理工程と；を含む。上記２工程を行うことにより、各不純物元素の含有量が０．５ｐｐｍ以下である炭化珪素粉末を得ることができる。この炭化珪素粉末を用いて発熱体２０を形成してもよい。
【００５１】
なお、不純物とは、Ｆｅ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｃｒ、Ｖ、Ｗ等の重金属元素、Ｌｉ、Ｎａ、Ｋ等のアルカリ金属元素、並びにＢｅ、Ｍｇ、Ｃａ、Ｂ、Ａｌ、Ｇａ等のアルカリ土類金属元素若しくは両性金属元素をいう。
【００５２】
（４）作用・効果
以上説明した本実施形態に係るセラミックスヒータによれば、基体である窒化アルミニウム焼結体と、発熱体である炭化珪素焼結体とは、直接接合されている。窒化アルミニウムも炭化珪素も熱膨張係数は、４．５×１０−６Ｋ−１であるため、熱膨張係数差がない。このため、温度変化が生じても、熱膨張に起因した応力が接合面に働かない。これによって、基体と発熱体とが剥離することもないため、温度変化に対する耐久性に優れている。
【００５３】
窒化アルミニウムの熱伝導率は、７０〜１５０Ｗ／ｍＫである。炭化珪素の熱伝導率は、１０５Ｗ／ｍＫである。従って、基体も発熱体も熱伝導率は良好であるため、温度均熱性が良い。
【００５４】
炭化珪素焼結体は、珪素含有原料と炭素含有原料とが混合された原料混合物を架橋又は重合して炭化珪素前駆体を生成する工程と、生成した前記炭化珪素前駆体を非酸化性雰囲気下で焼成する工程とを含む製造方法により得られた炭化珪素粉末を原料としている。
【００５５】
この炭化珪素粉末は、焼成工程において、炭化珪素前駆体に含まれる炭素が還元剤として働くため、通常の製造方法で得られた炭化珪素粉末と比べると、酸化珪素被膜が形成されていない。その結果、窒化アルミニウムと炭化珪素との界面に酸化珪素被膜の介在による影響が少ないため、窒化アルミニウム焼結体と炭化珪素焼結体とを直接接合することができたのではないかと推測される。
【００５６】
また、炭化珪素粉末は、不純物となる各元素の含有量が０．５ｐｐｍ以下である。このため、窒化アルミニウムと炭化珪素との界面に介在する不純物が減少し、より強固に接合することができると推測される。
【符号の説明】
【００５７】
１…セラミックスヒータ、１０…基体、１２…載置面、１４…接続孔、２０…発熱体、３０…給電部材、Ｓ１…炭化珪素前駆体生成工程、Ｓ２…焼成工程
【図１】
2011009170.tif 000003
【図２】
2011009170.tif 000004