(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部に冷媒通路が形成され、アルミナセラミック部材の冷却に用いられる冷却板であって、
炭化珪素粒子を３７〜６０質量％含有すると共に、珪化チタン、チタンシリコンカーバイド及び炭化チタンをそれぞれ前記炭化珪素粒子の質量％より少量含有し、開気孔率が１％以下である緻密質複合材料で作製された第１基板と、
前記緻密質複合材料で作製され、前記冷媒通路と同じ形状となるように打ち抜かれた打ち抜き部を有する第２基板と、
前記緻密質複合材料で作製された第３基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に金属接合材を挟んで両基板を熱圧接合することにより両基板間に形成された第１金属接合層と、
前記第２基板と前記第３基板との間に金属接合材を挟んで両基板を熱圧接合することにより両基板間に形成された第２金属接合層と、
を備えた冷却板。
【請求項２】
内部に冷媒通路を有し、アルミナセラミック部材の冷却に用いられる冷却板であって、
炭化珪素粒子を３７〜６０質量％含有すると共に、珪化チタン、チタンシリコンカーバイド及び炭化チタンをそれぞれ前記炭化珪素粒子の質量％より少量含有し、開気孔率が１％以下である緻密質複合材料で作製された第１基板と、
前記緻密質複合材料で作製され、前記第１基板と向かい合う面に前記冷媒通路となる溝を有する第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板のうち前記溝が設けられた面との間に金属接合材を挟んで両基板を熱圧接合することにより形成された金属接合層と、
を備えた冷却板。
【請求項３】
前記金属接合層は、前記金属接合材としてＭｇを含有するかＳｉ及びＭｇを含有するアルミニウム合金の接合材を採用し、該接合材の固相線温度以下の温度で熱圧接合することにより形成されたものである、
請求項１又は２に記載の冷却板。
【請求項４】
前記緻密質複合材料は、炭化チタンの質量％が前記珪化チタンの質量％及び前記チタンシリコンカーバイドの質量％より小さい、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の冷却板。
【請求項５】
前記緻密質複合材料は、前記珪化チタンの質量％が前記チタンシリコンカーバイドの質量％より大きい、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の冷却板。
【請求項６】
前記緻密質複合材料は、前記炭化珪素粒子同士の間隙に、前記珪化チタン、前記チタンシリコンカーバイド及び前記炭化チタンの少なくとも１つが前記炭化珪素粒子表面を覆うように存在している、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の冷却板。
【請求項７】
前記緻密質複合材料は、前記炭化チタンが前記珪化チタンの内部に分散している、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の冷却板。
【請求項８】
前記珪化チタンは、ＴｉＳｉ2である、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の冷却板。
【請求項９】
前記緻密質複合材料は、アルミナとの４０℃〜５７０℃の平均線熱膨張係数の差が０．５ｐｐｍ／Ｋ以下である、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の冷却板。
【請求項１０】
前記緻密質複合材料は、４０℃〜５７０℃の平均線熱膨張係数が７．２〜８．２ｐｐｍ／Ｋである、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の冷却板。
【請求項１１】
前記緻密質複合材料は、熱伝導率が７５Ｗ／ｍＫ以上である、
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の冷却板。
【請求項１２】
前記緻密質複合材料は、４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上である、
請求項１〜１１のいずれか１項に記載の冷却板。
【請求項１３】
前記緻密質複合材料は、縦９０μｍ×横１２０μｍの領域を１０００倍に拡大したＳＥＭ像（反射電子像）において長径１０μｍ以上の炭化珪素粒子の数が１６個以上である、
請求項１〜１２のいずれか１項に記載の冷却板。
【請求項１４】
内部に冷媒通路が形成され、アルミナセラミック部材の冷却に用いられる冷却板を製造する方法であって、
（ａ）炭化珪素粒子を３７〜６０質量％含有すると共に、珪化チタン、チタンシリコンカーバイド及び炭化チタンをそれぞれ前記炭化珪素粒子の質量％より少量含有し、開気孔率が１％以下である緻密質複合材料を用いて、第１〜第３基板を作製する工程と、
（ｂ）前記第２基板の一方の面から他方の面まで前記冷媒通路と同じ形状となるように打ち抜いて前記第２基板に打ち抜き部を形成する工程と、
（ｃ）前記第１基板と前記第２基板の一方の面との間および前記第３基板と前記第２基板の他方の面との間にそれぞれ金属接合材を挟んで前記第１〜第３基板を熱圧接合する工程と、
を含む冷却板の製法。
【請求項１５】
内部に冷媒通路を有し、アルミナセラミック部材の冷却に用いられる冷却板を製造する方法であって、
（ａ）炭化珪素粒子を３７〜６０質量％含有すると共に、珪化チタン、チタンシリコンカーバイド及び炭化チタンをそれぞれ前記炭化珪素粒子の質量％より少量含有し、開気孔率が１％以下である緻密質複合材料を用いて、第１基板及び第２基板を作製する工程と、
（ｂ）前記第２基板の一方の面に前記冷媒通路となる溝を形成する工程と、
（ｃ）前記第１基板と前記第２基板のうち前記溝が設けられた面との間に金属接合材を挟んで両基板を熱圧接合する工程と、
を含む冷却板の製法。
【請求項１６】
前記工程（ｃ）では、前記金属接合材としてＭｇを含有するかＳｉ及びＭｇを含有するアルミニウム合金の接合材を採用し、該接合材の固相線温度以下の温度で熱圧接合する、
請求項１４又は１５に記載の冷却板の製法。
【請求項１７】
静電電極及びヒータ電極を内蔵したアルミナ製の静電チャックと、
請求項１〜１３のいずれか１項に記載の冷却板と、
前記冷却板の前記第１基板の表面と前記静電チャックとの間に金属接合材を挟んで両者を熱圧接合することにより形成された冷却板−チャック接合層と、
を備えた半導体製造装置用部材。
【請求項１８】
前記冷却板−チャック接合層は、前記金属接合材としてＭｇを含有するかＳｉ及びＭｇを含有するアルミニウム合金の接合材を採用し、該接合材の固相線温度以下の温度で熱圧接合することにより形成されたものである、
請求項１７に記載の半導体製造装置用部材。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、冷却板、その製法及び半導体製造装置用部材に関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体プロセス中で高温化する静電チャックには、放熱のために冷却板が接合されている。この場合、静電チャックの材料としてはアルミナ、冷却板の材料としてはアルミニウム、接合材としては樹脂が用いられることがある。アルミナとアルミニウムは線熱膨張係数差が非常に大きく、例えば、アルミナの線熱膨張係数は７．９ｐｐｍ／Ｋ（ＲＴ−８００℃：内田老鶴圃  「セラミックの物理」）、アルミニウムの線熱膨張係数は３１．１ｐｐｍ／Ｋ（ＲＴ−８００℃：日本熱物性学会編、「新編熱物性ハンドブック」）である。このような静電チャックでは、接合材として柔らかい樹脂を用いているため、その線熱膨張係数差によって生じる応力を緩和することができる。しかし、樹脂は有機材料であるため、放熱性が低く、高温で分解しやすい、経時劣化しやすいといった特性を有する。そのため、高温プロセスでは長期に亘って使いにくい。こうしたことから、樹脂に代わる高放熱な接合材として、金属接合が有効であることが確認されている。金属接合には、例えばアルミニウム、はんだ、銀ロウなどが接合材として用いられる。しかし、金属には樹脂のような柔らかさがなく、静電チャックと冷却板との間の線熱膨張係数差によって生じる応力を緩和することができない。【０００３】
静電チャックと冷却板との接合に金属接合を採用する場合、冷却板に必要な特性としては、静電チャックとの線熱膨張係数差が小さいこと、放熱性を維持するため熱伝導率が高いこと、冷却液又は冷却ガスを通すため緻密性が高いこと、加工や据付等に耐えるため強度が高いことなどが挙げられる。このような特性をある程度満たす材料として、特許文献１に開示される複合材料が挙げられる。この複合材料は、Ｔｉ3ＳｉＣ2：１．０〜２０．０ｖｏｌ％、ＳｉＣ：０．５〜８．０ｖｏｌ％、残余ＴｉＣからなる相を備えたＴｉＣ基Ｔｉ−Ｓｉ−Ｃ系複合材料である。ここで、ＴｉＣとアルミナとの線熱膨張係数差は小さいため、特許文献１のＴｉＣ基を主相としたＴｉ−Ｓｉ−Ｃ系複合材料とアルミナとの熱膨張係数差も小さいと考えられる。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特許第４８０９０９２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、特許文献１によると、このＴｉＣ基Ｔｉ−Ｓｉ−Ｃ系複合材料は、ＴｉＣの持つ高熱伝導性を十分活用できるとしているが、そもそもＴｉＣの熱伝導率は３１．８Ｗ／ｍＫ（日本熱物性学会編、「新編熱物性ハンドブック」、養賢堂、２００８年３月、ｐ．２９１−２９４）に過ぎず、高熱伝導性と呼べるレベルではない。したがって、ＴｉＣ基Ｔｉ−Ｓｉ−Ｃ系複合材料も高熱伝導性を有しているとはいえない。【０００６】
本発明はこのような課題を解決するためになされたものであり、内部に冷媒通路を有し、アルミナセラミック部材の冷却に用いられる冷却板において、アルミナとの線熱膨張係数差がきわめて小さく、熱伝導率、緻密性及び強度が十分高いものを提供することを主目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
本発明の冷却板は、
内部に冷媒通路を有し、アルミナセラミック部材の冷却に用いられる冷却板であって、
炭化珪素粒子を３７〜６０質量％含有すると共に、珪化チタン、チタンシリコンカーバイド及び炭化チタンをそれぞれ前記炭化珪素粒子の質量％より少量含有し、開気孔率が１％以下である緻密質複合材料で作製された第１基板と、
前記緻密質複合材料で作製され、前記冷媒通路と同じ形状となるように打ち抜かれた打ち抜き部を有する第２基板と、
前記緻密質複合材料で作製された第３基板と、
前記第１基板と前記第２基板との間に金属接合材を挟んで両基板を熱圧接合することにより両基板間に形成された第１金属接合層と、
前記第２基板と前記第３基板との間に金属接合材を挟んで両基板を熱圧接合することにより両基板間に形成された第２金属接合層と、
を備えたものであるか、
又は、
炭化珪素粒子を３７〜６０質量％含有すると共に、珪化チタン、チタンシリコンカーバイド及び炭化チタンをそれぞれ前記炭化珪素粒子の質量％より少量含有し、開気孔率が１％以下である緻密質複合材料で作製された第１基板と、
前記緻密質複合材料で作製され、前記第１基板と向かい合う面に前記冷媒通路となる溝を有する第２基板と、
前記第１基板と前記第２基板のうち前記溝が設けられた面との間に金属接合材を挟んで両基板を熱圧接合することにより形成された金属接合層と、
を備えたものである。【０００８】
この冷却板は、金属接合層によって接合された各基板が上述した緻密質複合材料で作製されている。この緻密質複合材料は、アルミナとの線熱膨張係数差がきわめて小さく、熱伝導率、緻密性及び強度が十分高い。このため、こうした冷却板とアルミナセラミック部材とを接合した半導体製造装置用部材は、低温と高温との間で繰り返し使用したとしても冷却板とアルミナセラミック部材とが剥がれることがなく、高い放熱性能を維持したまま、耐用期間が長くなる。また、上述した緻密質複合材料で作製された基板同士は、電子ビーム溶接などによる接合が難しく、樹脂接着材で接合すると冷却性能が低下してしまうが、ここでは、金属接合材を用いた熱圧接合（Thermal Compression Bonding，ＴＣＢと略す）により接合しているため、比較的容易に接合でき、しかも良好な冷却性能が得られる。【０００９】
本発明の冷却板において、前記金属接合層は、前記金属接合材としてＭｇを含有するかＳｉ及びＭｇを含有するアルミニウム合金の接合材を採用し、該接合材の固相線温度以下の温度で熱圧接合することにより形成されたものであることが好ましい。こうすれば、より良好な冷却性能が得られる。【００１０】
本発明の冷却板において、前記緻密質複合材料は、炭化チタンの質量％が前記珪化チタンの質量％及び前記チタンシリコンカーバイドの質量％より小さいことが好ましい。前記緻密質複合材料は、前記珪化チタンの質量％が前記チタンシリコンカーバイドの質量％より大きいことが好ましい。前記緻密質複合材料は、前記炭化珪素粒子同士の間隙に、前記珪化チタン、前記チタンシリコンカーバイド及び前記炭化チタンの少なくとも１つが前記炭化珪素粒子表面を覆うように存在していることが好ましい。前記緻密質複合材料は、前記炭化チタンが前記珪化チタンの内部に分散していることが好ましい。前記珪化チタンは、ＴｉＳｉ2であることが好ましい。前記緻密質複合材料は、アルミナとの４０℃〜５７０℃の平均線熱膨張係数の差が０．５ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。前記緻密質複合材料は、４０℃〜５７０℃の平均線熱膨張係数が７．２〜８．２ｐｐｍ／Ｋであることが好ましい。前記緻密質複合材料は、熱伝導率が７５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。前記緻密質複合材料は、４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上であることが好ましい。前記緻密質複合材料は、縦９０μｍ×横１２０μｍの領域を１０００倍に拡大したＳＥＭ像（反射電子像）において長径１０μｍ以上の炭化珪素粒子の数が１６個以上であることが好ましい。【００１１】
本発明の冷却板の製法は、
内部に冷媒通路を有し、アルミナセラミック部材の冷却に用いられる冷却板を製造する方法であって、
（ａ）炭化珪素粒子を３７〜６０質量％含有すると共に、珪化チタン、チタンシリコンカーバイド及び炭化チタンをそれぞれ前記炭化珪素粒子の質量％より少量含有し、開気孔率が１％以下である緻密質複合材料を用いて、第１〜第３基板を作製する工程と、
（ｂ）前記第２基板の一方の面から他方の面まで前記冷媒通路と同じ形状となるように打ち抜いて前記第２基板に打ち抜き部を形成する工程と、
（ｃ）前記第１基板と前記第２基板の一方の面との間および前記第３基板と前記第２基板の他方の面との間にそれぞれ金属接合材を挟んで前記第１〜第３基板を熱圧接合する工程と、
を含むものであるか、
又は、
（ａ）炭化珪素粒子を３７〜６０質量％含有すると共に、珪化チタン、チタンシリコンカーバイド及び炭化チタンをそれぞれ前記炭化珪素粒子の質量％より少量含有し、開気孔率が１％以下である緻密質複合材料を用いて、第１基板及び第２基板を作製する工程と、
（ｂ）前記第２基板の一方の面に前記冷媒通路となる溝を形成する工程と、
（ｃ）前記第１基板と前記第２基板のうち前記溝が設けられた面との間に金属接合材を挟んで両基板を熱圧接合する工程と、
を含むものである。【００１２】
この冷却板の製法によれば、上述した冷却板を容易に製造することができる。特に、上述した緻密質複合材料で作製された基板同士は、電子ビーム溶接などによる接合が難しく、樹脂接着材で接合すると冷却性能が低下してしまうが、ここでは、金属接合材を用いた熱圧接合により接合しているため、比較的容易に接合でき、しかも良好な冷却性能が得られる。【００１３】
本発明の冷却板の製法において、前記工程（ｃ）では、前記金属接合材としてＭｇを含有するかＳｉ及びＭｇを含有するアルミニウム合金の接合材を採用し、該接合材の固相線温度以下の温度で熱圧接合するのが好ましい。こうすれば、より良好な冷却性能を持つ冷却板が得られる。【００１４】
本発明の半導体製造装置用部材は、
静電電極及びヒータ電極を内蔵したアルミナ製の静電チャックと、
上述したいずれかの冷却板と、
前記冷却板の前記第１基板の表面と前記静電チャックとの間に金属接合材を挟んで両者を熱圧接合することにより形成された冷却板−チャック接合層と、
を備えたものである。【００１５】
この半導体製造装置用部材によれば、低温と高温との間で繰り返し使用したとしても冷却板とアルミナセラミック部材とが剥がれることがなく、高い放熱性能を維持したまま、耐用期間が長くなる。また、静電チャックの熱を効率よく冷却板へ逃がすことができる。【００１６】
本発明の半導体製造装置用部材において、前記冷却板−チャック接合層は、前記金属接合材としてＭｇを含有するかＳｉ及びＭｇを含有するアルミニウム合金の接合材を採用し、該接合材の固相線温度以下の温度で熱圧接合することにより形成されたものであることが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００１７】
【図１】半導体製造装置用部材１０の平面図。
【図２】図１のＡ−Ａ断面図。
【図３】半導体製造装置用部材１０の製造工程図。
【図４】半導体製造装置用部材１０の製造工程図。
【図５】第２基板３２の説明図。
【図６】半導体製造装置用部材１１０の断面図。
【図７】半導体製造装置用部材１１０の製造工程図。
【図８】第２基板１３２の説明図。
【図９】Ｓｉ−Ｔｉの２成分状態図。
【図１０】実験例２で得られた緻密質複合材料のＳＥＭ像（反射電子像）。
【発明を実施するための形態】
【００１８】
［半導体製造装置用部材−第１実施形態］
以下に、第１実施形態の半導体製造装置用部材１０について説明する。図１は半導体製造装置用部材１０の平面図、図２は図１のＡ−Ａ断面図である。
【００１９】
半導体製造装置用部材１０は、プラズマ処理を施すシリコン製のウエハＷを吸着可能なアルミナ製の静電チャック２０と、線熱膨張係数がアルミナと同程度の緻密質複合材料で作製された冷却板３０と、静電チャック２０と冷却板３０とを接合する冷却板−チャック接合層４０と、を備えている。
【００２０】
静電チャック２０は、外径がウエハＷの外径よりも小さい円盤状のアルミナプレートであり、静電電極２２とヒータ電極２４とを内蔵している。静電電極２２は、棒状の給電端子２３を介して図示しない外部電源により直流電圧を印加可能な平面状の電極である。この静電電極２２に直流電圧が印加されるとウエハＷはクーロン力によりウエハ載置面２０ａに吸着固定され、直流電圧の印加を解除するとウエハＷのウエハ載置面２０ａへの吸着固定が解除される。ヒータ電極２４は、静電チャック２０の全面にわたって配線されるように例えば一筆書きの要領でパターン形成され、電圧を印加すると発熱してウエハＷを加熱する。ヒータ電極２４には、冷却板３０の裏面からヒータ電極２４の一端及び他端にそれぞれ到達する棒状の給電端子２５によって電圧を印加可能である。
【００２１】
冷却板３０は、外径が静電チャック２０と同等かやや大きい円盤状のプレートであり、第１基板３１と、第２基板３２と、第３基板３３と、第１基板３１と第２基板３２との間に形成された第１金属接合層３４と、第２基板３２と第３基板３３との間に形成された第２金属接合層３５と、冷媒が流通可能な冷媒通路３６と、を備えている。第１〜第３基板３１，３２，３３は、緻密質複合材料で形成されている。この緻密質複合材料は、炭化珪素粒子を３７〜６０質量％含有すると共に、珪化チタン、チタンシリコンカーバイド及び炭化チタンをそれぞれ前記炭化珪素粒子の質量％より少量含有し、開気孔率が１％以下であるが、詳しくは後述する。また、第２基板３２には、打ち抜き部３２ａが形成されている。この打ち抜き部３２ａは、第２基板３２の一方の面から他方の面までを冷媒通路３６と同じ形状となるように打ち抜いたものである。第１及び第２金属接合層３４，３５は、第１基板３１と第２基板３２の一方の面との間と、第２基板３２の他方の面と第３基板３３との間に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系又はＡｌ−Ｍｇ系の金属接合材を挟んで各基板３１〜３３を熱圧接合することにより形成されたものである。冷却板３０には、静電チャック２０が接合された面とは反対側の面からウエハ載置面２０ａと直交する方向に延びて冷媒通路３６の入口３６ａ及び出口３６ｂにそれぞれ繋がる冷媒供給孔４６ａ及び冷媒排出孔４６ｂが形成されている。また、冷却板３０には、静電チャック２０が接合された面とその反対側の面とを貫通する端子挿通孔４３，４５が形成されている。端子挿通孔４３は、静電電極２２の給電端子２３を挿通するための孔であり、端子挿通孔４５は、ヒータ電極２４の給電端子２５を挿通するための孔である。
【００２２】
冷却板−チャック接合層４０は、冷却板３０の第１基板３１と静電チャック２０との間にＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系又はＡｌ−Ｍｇ系の金属接合材を挟んで両者を熱圧接合することにより形成されたものである。なお、各給電端子２３，２５は、冷却板３０や第１及び第２金属接合層３４，３５、冷却板−チャック接合層４０と直接接触しないように構成されている。
【００２３】
なお、半導体製造装置用部材１０には、ウエハＷの裏面にＨｅガスを供給するためのガス供給孔やウエハＷをウエハ載置面２０ａから持ち上げるリフトピンを挿通するためのリフトピン挿通孔を、ウエハ載置面２０ａと直交する方向に半導体製造装置用部材１０を貫通するように設けてもよい。
【００２４】
次に、半導体製造装置用部材１０の使用例について説明する。まず、図示しない真空チャンバ内に半導体製造装置用部材１０を設置した状態で、ウエハＷをウエハ載置面２０ａに載置する。そして、真空チャンバ内を真空ポンプにより減圧して所定の真空度になるように調整し、静電電極２２に直流電圧をかけてクーロン力を発生させ、ウエハＷをウエハ載置面２０ａに吸着固定する。次に、真空チャンバ内を所定圧力（例えば数１０〜数１００Ｐａ）の反応ガス雰囲気とし、この状態で、プラズマを発生させる。そして、発生したプラズマによってウエハＷの表面のエッチングを行う。図示しないコントローラは、ウエハＷの温度が予め設定された目標温度となるように、ヒータ電極２４へ供給する電力を制御する。
【００２５】
次に、半導体製造装置用部材１０の製造例について説明する。図３及び図４は半導体製造装置用部材１０の製造工程図である。図５は第２基板３２の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）は（ａ）のＢ−Ｂ断面図である。
【００２６】
まず、上述した緻密質複合材料を用いて、円盤状の薄型プレートである第１〜第３基板３１〜３３を作製する（図３（ａ）参照）。次に、第２基板３２の一方の面から他方の面まで冷媒通路３６と同じ形状となるように打ち抜いて、第２基板３２に打ち抜き部３２ａを形成する（図３（ｂ）及び図５参照）。打ち抜き部３２ａは、マシニングセンタ、ウォータジェット、放電加工などにより形成することができる。次に、第１基板３１と第２基板３２の一方の面との間に金属接合材５１を挟むと共に、第２基板３２の他方の面と第３基板３３との間に金属接合材５２を挟み（図３（ｃ）参照）、第１〜第３基板３１〜３２を熱圧接合する（図３（ｄ）参照）。これにより、打ち抜き部３２ａが冷媒通路３６になり、第１基板３１と第２基板３２との間に第１金属接合層３４が形成され、第２基板３２と第３基板３３との間に第２金属接合層３５が形成され、冷却板３０が完成する。このとき、金属接合材５１，５２としては、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系又はＡｌ−Ｍｇ系接合材を使用するのが好ましい。これらの接合材を用いた熱圧接合（ＴＣＢ）は、真空雰囲気下、固相線温度以下に加熱した状態で各基板を０．５〜２．０ｋｇ／ｍｍ2  の圧力で１〜５時間かけて加圧することにより行う。その後、冷却板３０の裏面側から冷媒通路３６の入口３６ａに至る冷媒供給孔４６ａと、冷却板３０の裏面側から冷媒通路３６の出口３６ｂに至る冷媒排出孔４６ｂとを形成すると共に、冷却板３０の表裏を貫通する端子挿通孔４３，４５を形成する（図３（ｅ）参照、図３（ｅ）には、冷媒通路３６の入口３６ａや出口３６ｂ、冷媒供給孔４６ａ、冷媒排出孔４６ｂは現れていないが、これらについては図１を参照）。
【００２７】
一方、静電電極２２及びヒータ電極２４が埋設され、給電端子２３，２５が取り付けられた静電チャック２０を作製する（図４（ａ）参照）。こうした静電チャック２０は、例えば特開２００６−１９６８６４号公報の記載にしたがって用意することができる。そして、静電チャック２０のウエハ載置面２０ａとは反対側の面と冷却板３０の第１基板３１の表面との間に金属接合材２８を挟み、給電端子２３，２５をそれぞれ端子挿通孔４３，４５に挿通し、静電チャック２０と冷却板３０とを熱圧接合する（図４（ａ）参照）。これにより、静電チャック２０と冷却板３０との間には冷却板−チャック接合層４０が形成され、半導体製造装置用部材１０が完成する（図４（ｂ）参照）。金属接合材２８としては、上述したようにＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系又はＡｌ−Ｍｇ系接合材を使用してＴＣＢを行うのが好ましい。
【００２８】
以上詳述した第１実施形態によれば、冷却板３０は、第１及び第２金属接合層３４，３５によって接合された第１〜第３基板３１〜３３が上述した緻密質複合材料で作製されており、この緻密質複合材料は、アルミナとの線熱膨張係数差がきわめて小さく、熱伝導率、緻密性及び強度が十分高い。このため、こうした冷却板３０とアルミナセラミック部材である静電チャック２０とを接合した半導体製造装置用部材１０は、低温と高温との間で繰り返し使用したとしても冷却板３０と静電チャック２０とが剥がれることがなく、高い放熱性能を維持したまま、耐用期間が長くなる。また、上述した緻密質複合材料で作製された第１〜第３基板３１〜３３は、電子ビーム溶接などによる接合が難しく、樹脂接着材で接合すると冷却性能が低下してしまうが、ここでは、金属接合材を用いたＴＣＢにより接合しているため、比較的容易に接合でき、しかも良好な冷却性能が得られる。
【００２９】
また、第１〜第３基板３１〜３３は緻密性が十分高いため、冷却板３０の内部に冷却液や冷却ガスを通過させることができ、冷却効率が一層向上する。更に、第１〜第３基板３１〜３３は、強度が十分高いため、半導体製造装置用部材１０を製造する際の加工や接合に耐えることができるし、使用時の温度変化によって生じる応力にも十分耐えることができる。
【００３０】
［半導体製造装置用部材−第２実施形態］
以下に、第２実施形態の半導体製造装置用部材１１０について説明する。図６は半導体製造装置用部材１１０の断面図である。
【００３１】
半導体製造装置用部材１１０は、プラズマ処理を施すシリコン製のウエハＷを吸着可能なアルミナ製の静電チャック２０と、線熱膨張係数がアルミナと同程度の緻密質複合材料で作製された冷却板１３０と、冷却板１３０と静電チャック２０とを接合する冷却板−チャック接合層４０と、を備えている。
【００３２】
静電チャック２０は、第１実施形態と同じであるため、第１実施形態と同じ符号を付し、説明を省略する。冷却板１３０は、外径が静電チャック２０と同等かやや大きい円盤状のプレートであり、第１基板１３１と、第２基板１３２と、第１基板１３１と第２基板１３２との間に形成された金属接合層１３４と、冷媒が流通可能な冷媒通路１３６と、を備えている。第１及び第２基板１３１，１３２は、第１実施形態で用いた緻密質複合材料と同じ材料で形成されている。第２基板１３２は、第１基板１３１と向かい合う面に冷媒通路１３６となる溝を有している。金属接合層１３４は、第１基板１３１と第２基板１３２のうち溝１３２ａが設けられた面との間に、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系又はＡｌ−Ｍｇ系の金属接合材を挟んで両基板１３１，１３２を熱圧接合することにより形成されたものである。冷却板１３０には、第１実施形態と同様、冷媒通路１３６の入口及び出口にそれぞれ繋がる冷媒供給孔及び冷媒排出孔が形成されているが、これらの図示は省略する。また、冷却板１３０には、第１実施形態と同様、端子挿通孔４３，４５が形成されている。冷却板−チャック接合層４０は、第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。
【００３３】
半導体製造装置用部材１１０の使用例は、第１実施形態と同じであるため、説明を省略する。
【００３４】
次に、半導体製造装置用部材１１０の製造例について説明する。図７は半導体製造装置用部材１１０の製造工程図、図８は第２基板１３２の説明図であり、（ａ）は平面図、（ｂ）はＣ−Ｃ断面図である。まず、上述した緻密質複合材料を用いて、円盤状の薄型プレートである第１及び第２基板１３１，１３２を作製する（図７（ａ）参照）。次に、第２基板１３２のうち第１基板１３１と向かい合う面に冷媒通路３６となる溝１３２ａを形成する（図７（ｂ）及び図８参照）。溝１３２ａは、マシニングセンタ、ウォータジェット、放電加工などにより形成することができる。次に、第１基板１３１と第２基板１３２の溝１３２ａが形成された面との間に金属接合材６１を挟み（図７（ｃ）参照）、第１及び第２基板１３１，１３２を熱圧接合する（図７（ｄ）参照）。これにより、溝１３２ａが冷媒通路１３６になり、第１基板１３１と第２基板１３２との間に金属接合層１３４が形成され、冷却板１３０が完成する。このとき、金属接合材６１としては、上述したようにＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系又はＡｌ−Ｍｇ系接合材を使用してＴＣＢを行うのが好ましい。この後の工程すなわち静電チャック２０と冷却板１３０との接合工程は、第１実施形態と同様であるため、その説明を省略する。
【００３５】
以上詳述した第２実施形態によれば、冷却板１３０は、金属接合層１３４によって接合された第１及び第２基板１３１，１３２が上述した緻密質複合材料で作製されており、この緻密質複合材料は、アルミナとの線熱膨張係数差がきわめて小さく、熱伝導率、緻密性及び強度が十分高い。このため、こうした冷却板１３０とアルミナセラミック部材である静電チャック２０とを接合した半導体製造装置用部材１１０は、低温と高温との間で繰り返し使用したとしても冷却板１３０と静電チャック２０とが剥がれることがなく、高い放熱性能を維持したまま、耐用期間が長くなる。また、上述した緻密質複合材料で作製された第１及び第２基板１３１，１３２は、電子ビーム溶接などによる接合が難しく、樹脂接着材で接合すると冷却性能が低下してしまうが、ここでは、金属接合材を用いたＴＣＢにより接合しているため、比較的容易に接合でき、しかも良好な冷却性能が得られる。
【００３６】
また、第１及び第２基板１３１，１３２は緻密性が十分高いため、冷却板１３０の内部に冷却液や冷却ガスを通過させることができ、冷却効率が一層向上する。更に、第１及び第２基板１３１，１３２は、強度が十分高いため、半導体製造装置用部材１１０を製造する際の加工や接合に耐えることができるし、使用時の温度変化によって生じる応力にも十分耐えることができる。
【００３７】
［緻密質複合材料］
上述した実施形態で使用する緻密質複合材料は、炭化珪素粒子を３７〜６０質量％含有すると共に、珪化チタン、チタンシリコンカーバイド及び炭化チタンをそれぞれ前記炭化珪素粒子の質量％より少量含有し、開気孔率が１％以下のものである。ここでは、開気孔率は、純水を媒体としたアルキメデス法により測定した値とする。
【００３８】
炭化珪素粒子は、３７〜６０質量％含有されている。ここで、含有量は複合材料のＸ線回折パターンを取得し、データ解析用ソフトウェアを用いた簡易定量により求めた。炭化珪素粒子が３７質量％未満しか含有されていない場合には、熱伝導率を十分高くすることができないため、好ましくない。また、６０質量％を超えると、開気孔率が大きくなったり強度が十分高くならなかったりするため、好ましくない。炭化珪素粒子は、緻密質複合材料の縦９０μｍ×横１２０μｍの領域を１０００倍に拡大したＳＥＭ像（反射電子像）において、長径１０μｍ以上の炭化珪素粒子が１６個以上存在していることが好ましい。この場合、複合材料の焼結が十分であり、十分に緻密化しているからである。
【００３９】
珪化チタン、チタンシリコンカーバイド及び炭化チタンは、炭化珪素粒子の質量％より少量含有されている。珪化チタンとしては、ＴｉＳｉ2，ＴｉＳｉ，Ｔｉ5Ｓｉ4，Ｔｉ5Ｓｉ3などが挙げられるが、このうちＴｉＳｉ2が好ましい。また、チタンシリコンカーバイドとしては、Ｔｉ3ＳｉＣ2 （ＴＳＣ）が好ましく、炭化チタンとしては、ＴｉＣが好ましい。炭化チタンの質量％は、珪化チタンの質量％及びチタンシリコンカーバイドの質量％より小さいことが好ましい。珪化チタンの質量％は、チタンシリコンカーバイドの質量％より大きいことが好ましい。つまり、質量％は、炭化珪素が最も大きく、珪化チタン、チタンシリコンカーバイド、炭化チタンの順に小さくなることが好ましい。例えば、炭化珪素を３７〜６０質量％、珪化チタンを３１〜４１質量％、チタンシリコンカーバイドを５〜２５質量％、炭化チタンを１〜４質量％としてもよい。
【００４０】
炭化珪素粒子同士の間隙には、珪化チタン、チタンシリコンカーバイド及び炭化チタンの少なくとも１つが炭化珪素粒子表面を覆うように存在していることが好ましい。炭化珪素粒子が高頻度に分散している場合、炭化珪素粒子間に気孔が残存しやすくなるが、上述したように炭化珪素粒子表面が他の粒子で覆われていると、その気孔が埋まりやすくなり、緻密且つ高強度な材料となりやすいため、好ましい。また、炭化チタンは炭化珪素粒子の表面を覆う他に、珪化チタン相の内部に分散するように存在していることが好ましい。後出の図１０のＳＥＭ像に示した複合材料の組織では、大きな珪化チタンドメイン内部に炭化チタンが分散している様子が確認できる。珪化チタンドメインが大きな場合には、ドメイン自身が破壊源となり複合材料の強度低下が懸念されるが、珪化チタン内部に炭化チタンが分散することで、珪化チタン相の強度を補填する効果を果たし、複合材料として高強度が維持されると考えられる。
【００４１】
上述した実施形態で使用する緻密質複合材料は、線熱膨張係数がアルミナと同程度である。そのため、本発明の緻密質複合材料で作製された部材とアルミナで作製された部材とを接合（例えば金属接合）した場合、低温と高温との間で繰り返し使用したとしても剥離しにくい。具体的には、本発明の緻密質複合材料は、アルミナとの４０〜５７０℃の平均線熱膨張係数の差が０．５ｐｐｍ／Ｋ以下であることが好ましい。より具体的には、本発明の緻密質複合材料の４０〜５７０℃の平均線熱膨張係数は７．２〜８．２ｐｐｍ／Ｋであることが好ましい。なお、純度９９．９９％以上のアルミナ原料をホットプレス焼成した緻密質アルミナ焼結体の４０〜５７０℃の平均線熱膨張係数を本発明の緻密質複合材料と同じ条件で測定したところ、７．７ｐｐｍ／Ｋであった。
【００４２】
上述した実施形態で使用する緻密質複合材料は、熱伝導性に優れているが、具体的には熱伝導率が７５Ｗ／ｍＫ以上であることが好ましい。こうすれば、この緻密質複合材料で作製された部材とアルミナで作製された部材とを金属接合した場合、アルミナが持つ熱を効率よく逃がすことができる。
【００４３】
上述した実施形態で使用する緻密質複合材料は、強度に優れているが、具体的には４点曲げ強度が２００ＭＰａ以上であることが好ましい。こうすれば、この緻密質複合材料で作製された部材を冷却板等に適用しやすくなる。
【００４４】
上述した実施形態で使用する緻密質複合材料の製法は、（ａ）平均粒径が１０μｍ以上２５μｍ以下の炭化珪素原料粒子を３９〜５１質量％含有すると共に、Ｔｉ及びＳｉが含まれるように選択された１種以上の原料を含有し、炭化珪素を除く原料に由来するＳｉ及びＴｉについてＳｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の質量比が０．２６〜０．５４である粉体混合物を作製する工程と、（ｂ）前記粉体混合物を不活性雰囲気下でホットプレスにより１３７０〜１４６０℃で焼結させる工程と、を含むものである。
【００４５】
工程（ａ）で、ＳｉＣ原料の平均粒径が１０μｍ未満の場合には、ＳｉＣ粒子の表面積が大きくなりすぎて緻密化不足になり、開気孔率を１％以下にすることができないおそれがあるため、好ましくない。また、ＳｉＣ原料の平均粒径が大きくなる場合、ＳｉＣ粒子の表面積は小さくなるので緻密性は向上するが、大きくなり過ぎる場合には強度が不足する恐れがある。後出の図１０のＳＥＭ像に示されるＳｉＣ粒子の粒径は、最大でも２５μｍ程度であるから、あえて平均粒径２５μｍを超える原料粒子を用いる必要はない。また、粉体混合物中の炭化珪素原料粒子を３９質量％未満とした場合には、得られる複合材料の熱伝導率を十分高くすることができないおそれがあるため、好ましくない。また、５１質量％を超える場合には、得られる複合材料が緻密化不足になり開気孔率が１％を超えるおそれがあるため、好ましくない。また、Ｔｉ及びＳｉが含まれるように選択された１種以上の原料としては、例えば、金属Ｔｉと金属Ｓｉの組合せ、金属Ｔｉと金属Ｓｉと二珪化チタンとの組合せ、金属Ｔｉと二珪化チタンとの組合せ、二珪化チタン単独などが挙げられる。また、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の質量比が０．２６未満だと、Ｔｉ及びＳｉ成分によって１３３０℃で生成する液相成分量が多くなり過ぎたり急激に多量に液相化したりするため、ホットプレス焼成によって良好な緻密体を得るのが難しく、好ましくない。すなわち、焼成温度が低い場合は緻密化不足となり、高い場合は多量に生成した液相成分の染み出しが多くなり、開気孔率１％以下の緻密質複合材料が得られにくい。Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の質量比が０．５４を超える場合も液相成分量が多くなるため、同様の問題が生じやすいため、好ましくない。このＳｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の質量比は０．２９〜０．４７であることがより好ましい。
【００４６】
工程（ｂ）で、不活性雰囲気としては、真空雰囲気、アルゴンガス雰囲気やヘリウム雰囲気、窒素雰囲気などが挙げられる。ホットプレス焼成時のプレス圧力は、特に限定するものではないが、５０〜３００ｋｇｆ／ｃｍ2で設定することが好ましい。ホットプレス焼成時の温度は、１３７０〜１４６０℃で焼成させる。１３７０℃未満の温度で焼成した場合には、得られる複合材料が緻密化不足になり開気孔率が１％を超えるおそれがあるため、好ましくない。１４６０℃を超える温度で焼成した場合には、液相成分の染み出しが多くなり、開気孔率１％以下の緻密質複合材料が得られにくいため好ましくない。なお、焼成時間は、焼成条件に応じて適宜設定すればよいが、例えば１〜１０時間の間で適宜設定すればよい。
【実施例】
【００４７】
［半導体製造装置用部材］
実施例の半導体製造装置用部材１０は、静電チャック２０として、アルミナ製のクーロンタイプで、直径が２９７ｍｍ、厚み５がｍｍ、誘電体膜厚（静電電極２２からウエハ載置面２０ａまでの厚み）が０．３５ｍｍ、ヒータ電極２４がＮｂコイルのものを用いた。また、冷却板３０として、後述する実験例１０の緻密質材料で作製した第１〜第３基板３１〜３３を、Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系接合材（８８．５重量％のＡｌ、１０重量％のＳｉ、１．５重量％のＭｇを含有し、固相線温度が約５６０℃）を用いてＴＣＢにより接合した。ＴＣＢは、真空雰囲気下、５４０〜５６０℃に加熱した状態で各基板を１．５ｋｇ／ｍｍ2  の圧力で５時間かけて加圧することにより行った。得られた冷却板３０は、直径が３４０ｍｍ、厚みが３２ｍｍであった。静電チャック２０と冷却板３０との接合も、同じ接合材を用いてＴＣＢにより行った。冷却板−チャック接合層４０の厚みは０．１２ｍｍであった。一方、比較例の半導体製造装置用部材は、アルミニウム製の第１〜第３基板をアクリル樹脂（熱伝導率０．２Ｗ／ｍＫ）により接合した冷却板を用いた以外は、上述した実施例と同様にして作製した。【００４８】
そして、実施例の半導体製造装置用部材１０の冷却板３０の冷媒通路３６に温度２５℃の純水（冷媒）を流量１３Ｌ／ｍｉｎを流し、ヒータ電極２４に所定の電力を投入してヒータ電極２４を発熱させたときのウエハ載置面２０ａの温度を表面温度計でモニターした。比較例の半導体製造装置用部材についても、同様にしてモニターした。その結果を表１に示す。表１から、投入電力にかかわらず、実施例の方が比較例よりも冷却性能が優れていることがわかる。【００４９】
【表１】
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【００５０】
［緻密質複合材料］
以下に、上述した実施形態で使用する緻密質複合材料の好適な適用例について説明する。ＳｉＣ原料は、純度９７％以上、平均粒径１５．５μｍ或いは、６．９μｍの市販品を使用した。平均粒径１０．１μｍのＳｉＣ原料（実験例２８）は、平均粒径１５．５μｍと６．９μｍのＳｉＣ原料を１：１で混合することにより調整した。金属Ｓｉ原料は、純度９７％以上、平均粒径９．０μｍの市販品を使用した。金属Ｔｉ原料は、純度９９．５％以上、平均粒径３１．１μｍの市販品を使用した。二珪化チタンは、純度９９％以上、平均粒径６．９μｍの市販品を使用した。【００５１】
１．製造手順
・調合
ＳｉＣ原料、金属Ｓｉ原料、金属Ｔｉ原料及び二珪化チタン原料を、表２及び表３に示す質量％となるように秤量し、イソプロピルアルコールを溶媒とし、ナイロン製のポット、直径１０ｍｍの鉄芯入りナイロンボールを用いて４時間湿式混合した。混合後スラリーを取り出し、窒素気流中１１０℃で乾燥した。その後、３０メッシュの篩に通し、調合粉末とした。尚、秤量した原料約５００ｇを高速流動混合機（粉体投入部の容量１．８Ｌ）に投入し、攪拌羽根の回転数１５００ｒｐｍで混合した場合にも湿式混合と同様の材料特性が得られることを確認した。
・成形
調合粉末を、２００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で一軸加圧成形し、直径５０ｍｍ、厚さ１7ｍｍ程度の円盤状成形体を作製し、焼成用黒鉛モールドに収納した。
・焼成
円盤状成形体をホットプレス焼成することにより緻密質焼結材料を得た。ホットプレス焼成では、プレス圧力を２００ｋｇｆ／ｃｍ2とし、表２及び表３に示す焼成温度（最高温度）で焼成し、焼成終了まで真空雰囲気とした。焼成温度での保持時間は４時間とした。【００５２】
２．各実験例
表２及び表３には、ａ：各実験例の出発原料組成（質量比）、ｂ：原料中、ＳｉＣを除いたＳｉ，Ｔｉ，ＴｉＳｉ2に由来する、Ｓｉ，Ｔｉの総量に対するＳｉの質量比（Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ））、ｃ：原料ＳｉＣの平均粒径、ｄ：ホットプレス焼成温度、ｅ：焼成時の液相の染み出しの有無、ｆ：緻密質複合材料の縦９０μｍ×横１２０μｍの領域を１０００倍に拡大したＳＥＭ像（反射電子像）における長径１０μｍ以上のＳｉＣ粒子の数、ｇ：ＸＲＤ測定結果から求めた複合材料の構成相とその量比（簡易定量結果）、ｈ：複合材料の基本特性（開気孔率、嵩密度、４点曲げ強度、線熱膨張係数、熱伝導率）を示した。なお、実験例１〜４４のうち、実験例２〜５，７，９〜１２，１４，１６〜１９，２２〜２５，２７，２８，３１〜３４，４３が上述した実施形態で使用するのに適した緻密質複合材料であり、残りは適さない材料である。【００５３】
【表２】
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【００５４】
【表３】
0005666748.tif 000004
【００５５】
３．構成相の簡易定量
複合材料を乳鉢で粉砕し、Ｘ線回折装置により結晶相を同定した。測定条件はＣｕＫα，４０ｋＶ，４０ｍＡ，２θ＝５〜７０°とし、封入管式Ｘ線回折装置（ブルカー・エイエックスエス製  Ｄ８  ＡＤＶＡＮＣＥ）を使用した。また、構成相の簡易定量を行った。この簡易定量は、複合材料に含まれる結晶相の含有量をＸ線回折のピークに基づいて求めた。ここでは、ＳｉＣ、ＴｉＳｉ2、ＴＳＣ（Ｔｉ3ＳｉＣ2）、ＴｉＣおよびＳｉに分けて簡易定量を行い含有量を求めた。簡易定量には、ブルカー・エイエックスエス社の粉末回折データ解析用ソフトウェア「ＥＶＡ」の簡易プロファイルフィッティング機能（ＦＰＭ  Ｅｖａｌ．）を利用した。本機能は定性した結晶相のＩＣＤＤ  ＰＤＦカードのＩ／Ｉcor（コランダムの回折強度に 対する強度比）を用いて構成相の量比を算出するものである。各結晶相のＰＤＦカード番号は、ＳｉＣ：００−０４９−１４２８、ＴｉＳｉ２：０１−０７１−０１８７、ＴＳＣ：  ０１−０７０−６３９７、ＴｉＣ：０１−０７０−９２５８（ＴｉＣ０．６２）、Ｓｉ：００−０２７−１４０２を用いた。【００５６】
４．基本特性の測定
（１）平均粒径
日機装株式会社製、マイクロトラックＭＴ３３００ＥＸを使用し、純水を分散媒として測定した。
（２）開気孔率及び嵩密度
純水を媒体としたアルキメデス法により測定した。
（３）４点曲げ強度
ＪＩＳ−Ｒ１６０１に従って求めた。
（４）線熱膨張係数（４０〜５７０℃の平均線熱膨張係数）
ブルカーエイエックスエス（株）製、ＴＤ５０２０Ｓ（横型示差膨張測定方式）を使用し、アルゴン雰囲気中、昇温速度２０℃／分の条件で６５０℃まで２回昇温し、２回目の測定データから４０〜５７０℃の平均線熱膨張計数を算出した。標準試料には装置付属のアルミナ標準試料（純度９９．７％、嵩密度３．９ｇ／ｃｍ3、長さ２０ｍｍ）を使用した。このアルミナ標準試料をもう１本用意し、同一条件で線熱膨張係数を測定した値は７．７ｐｐｍ／Ｋであった。
（５）熱伝導率
レーザーフラッシュ法により測定した。
（６）ＳＥＭ観察
緻密質複合材料のＳＥＭ観察を行った。ＳＥＭ観察では、緻密質複合材料の断面を電子顕微鏡（ＳＥＭ；フィリップス社製ＸＬ３０）により反射電子像で観察した。反射電子像の観察は、加速電圧２０ｋＶ、スポットサイズ４の条件で行った。【００５７】
５．結果
（１）実験例１〜７
実験例１〜７では、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の値が０．２９８となるように原料を混合した粉体混合物を、表２に記載の温度でホットプレス焼成した。ＳｉＣ原料は平均粒径１５．５μｍのものを用いた。その結果、焼成温度を１３７０〜１４６０℃とした場合には、開気孔率が１％以下であり、４点曲げ強度や熱伝導率が十分高く、アルミナとの線熱膨張係数の差が０．５ｐｐｍ／Ｋ以内の緻密質複合材料が得られた（実験例２〜５，７）。しかし、焼成温度を１４８０℃とした場合には、ホットプレス焼成時に染み出しが発生し、得られた複合材料は開気孔率が１％を超え、緻密性に欠けるものだった（実験例１）。また、焼成温度を１３５０℃とした場合にも、開気孔率が１％を超える非緻密性の複合材料が得られた（実験例６）。なお、染み出しとは、高温下で生じる液相又は気相成分が焼成治具の隙間からはみ出した状態で焼結することである。染み出しの発生は、焼成した材料の組成ずれや緻密化不足の原因となる他、焼成治具の腐食、磨耗に繋がるため好ましくない。【００５８】
（２）実験例８〜１４
実験例８〜１４では、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の値が０．３４２となるように原料を混合した粉体混合物を、表２に記載の温度でホットプレス焼成した。ＳｉＣ原料は平均粒径１５．５μｍのものを用いた。その結果、焼成温度を１３７０〜１４６０℃とした場合には、開気孔率が１％以下であり、４点曲げ強度や熱伝導率が十分高く、アルミナとの線熱膨張係数の差が０．５ｐｐｍ／Ｋ以内の緻密質複合材料が得られた（実験例９〜１２，１４）。しかし、焼成温度を１４８０℃とした場合には、ホットプレス焼成時に染み出しが発生し、得られた複合材料は開気孔率が１％を超え、緻密性に欠けるものだった（実験例８）。また、焼成温度を１３５０℃とした場合にも、開気孔率が１％を超える非緻密性の複合材料が得られた（実験例１３）。【００５９】
（３）実験例１５〜２７
実験例１５〜２７では、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の値が０．３９６となるように原料を混合した粉体混合物を、表２に記載の温度でホットプレス焼成した。ＳｉＣ原料は平均粒径１５．５μｍのものを用いた。なお、実験例１５〜２６では原料としてＳｉＣ，金属Ｓｉ及び金属Ｔｉを用いたが、実験例２７では原料としてＳｉＣ，金属Ｔｉ及びＴｉＳｉ2を用いた。その結果、焼成温度を１３７０〜１４６０℃とした場合には、開気孔率が１％以下であり、４点曲げ強度や熱伝導率が十分高く、アルミナとの線熱膨張係数の差が０．５ｐｐｍ／Ｋ以内の緻密質複合材料が得られた（実験例１６〜１９、２２〜２５、２７）。しかし、焼成温度を１４８０℃とした場合には、ホットプレス焼成時に染み出しが発生し、得られた複合材料は開気孔率が１％を超え、緻密性に欠けるものだった（実験例１５，２１）。また、焼成温度を１３５０℃とした場合にも、開気孔率が１％を超える非緻密性の複合材料が得られた（実験例２０，２６）。なお、実験例２７では、異なる原料を用いたが、実験例２２〜２５と同等の良好な緻密質複合材料が得られた。【００６０】
（４）実験例２８，２９
実験例２８では、表３に示すように、平均粒径１５．５μｍと６．９μｍのＳｉＣ原料を１：１で混合し、平均粒径１０．１μｍとしたＳｉＣ原料を用い、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の値が０．３９６となるように原料を混合した粉体混合物を、１４３０℃でホットプレス焼成した。その結果、開気孔率が１％以下であり、４点曲げ強度や熱伝導率が十分高く、アルミナとの線熱膨張係数の差が０．５ｐｐｍ／Ｋ以内の緻密質複合材料が得られた。一方、実験例２９では、表３に示すように、平均粒径６．９μｍのＳｉＣを用い、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の値が０．３９６となるように原料を混合した粉体混合物を、１４３０℃でホットプレス焼成した。その結果、開気孔率が１％を超える非緻密性の複合材料が得られた。こうしたことから、緻密質複合材料を得るには、ＳｉＣ原料の平均粒径を１０μｍ以上とすべきことがわかった。【００６１】
（５）実験例３０〜３５
実験例３０〜３５では、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の値が０．４６８となるように原料を混合した粉体混合物を、表３に記載の温度でホットプレス焼成した。ＳｉＣ原料は平均粒径１５．５μｍのものを用いた。その結果、焼成温度を１３７０〜１４６０℃とした場合には、開気孔率が１％以下であり、４点曲げ強度や熱伝導率が十分高く、アルミナとの線熱膨張係数の差が０．５ｐｐｍ／Ｋ以内の緻密質複合材料が得られた（実験例３１〜３４）。しかし、焼成温度を１４８０℃とした場合には、ホットプレス焼成時に染み出しが発生し、得られた複合材料は開気孔率が１％を超え、緻密性に欠けるものだった（実験例３０）。また、焼成温度を１３５０℃とした場合にも、得られた複合材料は開気孔率が１％を超える非緻密性のものだった（実験例３５）。【００６２】
（６）実験例３６〜４１
実験例３６〜４１では、表３に示すように、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の値が０．５４を超えるように原料を混合した粉体混合物を、それぞれ異なる温度でホットプレス焼成した。ＳｉＣ原料は平均粒径１５．５μｍのものを用いた。その結果、１３５０℃以上でホットプレス焼成した場合には、焼成時に染み出しが発生した。また、実験例３８を除き、開気孔率が１％を超える非緻密性の複合材料が得られた。これらの複合材料は、構成相としてＴｉＣを含んでおらず、代わりにＳｉを含むものがあった。更に、４点曲げ強度も概して低かった。また、実験例３７と上記の実験例３５を比較すると、いずれも高気孔率であったが、構成相としてＴｉＣを含む実験例３５の方が曲げ強度が高かった。これは、ＴｉＣが珪化チタン内部に分散する為に高強度化しているものと考えられた。【００６３】
（８）実験例４２〜４４，１７，２３
実験例４２〜４４及び実験例１７，２３では、表３に示すように、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の値が０．３９６となるように原料を混合した粉体混合物を、１４３０℃でホットプレス焼成した。但し、原料として用いたＳｉＣ、金属Ｓｉ及び金属Ｔｉの質量％はそれぞれ異なる値になるようにした。その結果、ＳｉＣ原料が５９質量％を超えた場合には、複合材料中のＳｉＣ粒子が６０質量％を超え、４点曲げ強度や熱伝導率は十分高い複合材料が得られたが、開気孔率が１％を超える非緻密性の材料となり、アルミナとの線熱膨張係数差が０．５ｐｐｍ／Ｋを超えた（実験例４２）。一方、ＳｉＣ原料が３０質量％未満の場合には、複合材料中のＳｉＣ粒子が３７質量％未満となり、熱伝導率が十分高い値にならなかった（実験例４４）。これに対して、ＳｉＣ原料の質量％が適正な範囲の場合には、開気孔率が１％以下であり、４点曲げ強度や熱伝導率が十分高く、アルミナとの線熱膨張係数の差が０．５ｐｐｍ／Ｋ以内の緻密質複合材料が得られた（実験例４３，１７，２３）。【００６４】
（９）まとめ
実験例２〜５，７，９〜１２，１４，１６〜１９，２２〜２５，２７，２８，３１〜３４，４３で得られた緻密質複合材料は、アルミナとの線熱膨張係数の差が０．５ｐｐｍ／Ｋ以内であり、熱伝導率、緻密性及び強度が十分高かった。このため、こうした緻密質複合材料からなる第１材と、アルミナからなる第２材とを金属接合した半導体製造装置用部材は、低温と高温との間で繰り返し使用されたとしても、第１材と第２材とが剥がれることがないため、耐用期間が長くなる。なお、これらの実験例をみると、緻密質複合材料を得るための原料組成のＳｉＣは３９〜５１質量％の範囲に入り、緻密質複合材料中のＳｉＣ粒子は３７〜６０質量％の範囲に入る。【００６５】
６．考察
（１）ＳｉＣ原料の平均粒径について
緻密質複合材料を得るうえで、ＳｉＣ原料の平均粒径が１０μｍ以上２５μｍ以下であることが好ましいことがわかった。ＳｉＣ原料の平均粒径が１０μｍ未満の場合には、粒径の小さなＳｉＣ粒子の比率が高まるために、ＳｉＣ粒子の表面積が大きくなりすぎて緻密化不足になり、開気孔率を１％以下にすることができないおそれがある（実験例２９）。なお、ＳｉＣは骨材であり、ＳｉＣの表面において他の成分と反応するため、焼成後のＳｉＣ粒子の平均粒径はＳｉＣ原料の平均粒径よりわずかに小さくなる。ＳｉＣ原料の平均粒径が大きくなる場合、ＳｉＣ粒子の表面積は小さくなるので緻密性は向上するが、大きくなり過ぎる場合には強度が不足する恐れがある。後出の図１０のＳＥＭ像に示されるＳｉＣ粒子の粒径は、最大でも２５μｍ程度であるから、あえて平均粒径２５μｍを超える原料粒子を用いる必要はない。【００６６】
（２）構成相について
緻密質複合材料を得るうえで、構成相としてＳｉＣ粒子を３７〜６０質量％含有すると共に、ＴｉＳｉ2、ＴＳＣ及びＴｉＣをそれぞれＳｉＣの質量％より少量含有していることが必須であった。ＳｉＣ粒子が６０質量％を超えた場合には、開気孔率が１％を超える非緻密性の材料となり、アルミナとの線熱膨張係数差が０．５ｐｐｍ／Ｋ以上の複合材料が得られた（実験例４２）。また、ＳｉＣ粒子が３７質量％未満の場合には、熱伝導率が十分高い値にならなかった（実験例４４）。【００６７】
（３）Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）について
表２，３に示したｂの質量比つまりＳｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）に関して、Ｓｉ−Ｔｉの２成分状態図を図９に示す。Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）は状態図の上側の横軸と一致する。Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の値は適正範囲０．２６〜０．５４（図９の上側の横軸で２６ｗｔ％〜５４ｗｔ％）に入ることが好ましい。この適正範囲に入る場合、焼成中にＴｉＳｉ2，ＴｉＳｉ，Ｔｉ5Ｓｉ4，Ｔｉ5Ｓｉ3の化学式で表される珪化チタンが任意の比率で生成する。そのため、これらの珪化チタンとＳｉＣ粒子の表面とが反応することで二珪化チタン、チタンシリコンカーバイド、チタンカーバイド（ＴｉＣｘ）が生成する。【００６８】
Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）の値が上記適正範囲から外れた場合、すなわち０．５４を超えるか０．２６未満の場合、２成分状態図から明らかなように、Ｔｉ及びＳｉ成分によって１３３０℃で生成する液相成分量が多くなり過ぎたり、急激に多量に液相化したりするため、ホットプレス焼成によって良好な緻密体を得るのが難しく、好ましくない。すなわち、焼成温度が低い場合は緻密化不足となり、高い場合は多量に生成した液相成分の染み出しが多くなり、開気孔率１％以下の緻密質複合材料が得られにくい。更に、この領域では、量産を想定した場合に、必要な焼結可能な温度幅（例えば３０℃以上）が確保できないため、好ましくない。具体的には、実験例３６〜４１のように、Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）が適正範囲の上限を超える場合には、焼成時にＴｉＣが生成せず、染み出しが見られたケースが多かった。また、得られた複合材料も、開気孔率が１％を超えていたり、４点曲げ強度が２００ＭＰａ未満であったりした。Ｓｉ／（Ｓｉ＋Ｔｉ）が上記適正範囲に入る場合、焼成温度が１３７０℃〜１４６０℃の範囲であればホットプレス焼成時に染み出しが発生することはなかった。【００６９】
（４）焼成温度について
焼成温度が１４６０℃を超えた場合には、原料組成が適正であっても、開気孔率が１％を超えてしまい、緻密化しなかった（実験例１，８，１５，２１，３０）。これは、ホットプレス焼成時に染み出しが発生したためと思われる。一方、焼成温度が１３７０℃未満だった場合には、原料組成が適正であっても、やはり開気孔率が１％を超えてしまい、緻密化しなかった（（実験例６，１３，２０，２６，３５）。このため、焼成温度は１３７０〜１４６０℃が好適であることがわかった。【００７０】
（５）ＳＥＭ像（反射電子像）について
図１０は、実験例２の反射電子像の写真である。この写真は、緻密質複合材料の断面研磨後、縦９０μｍ×横１２０μｍの領域を１０００倍に拡大したＳＥＭ像（反射電子像）である。図１０では、濃灰色の粒子がＳｉＣ粒子、ＳｉＣ粒子間の灰色の組織がＴｉＳｉ2、ＳｉＣ粒子間の明灰色の組織がＴＳＣ、ＴｉＳｉ2中に分散する柱状組織がＴｉＣ（明るさはＴＳＣと同レベル）である。図１０から、ＳｉＣ粒子の表面はＴＳＣ、ＴｉＳｉ2、ＴｉＣの少なくとも１つによって覆われていることがわかる。図１０から、全形が視野の範囲内に収まる各ＳｉＣ粒子について、長径（粒子の最大径）を求めた。そうしたところ、長径１０μｍ以上のＳｉＣ粒子の数は、３４個であった。その他の実験例で、上述した実施形態で使用するのに適した緻密質複合材料についても反射電子像の写真を撮影し、長径１０μｍ以上のＳｉＣ粒子の数を求めたところ、表２及び表３に示すように１６個以上であった。【００７１】
本出願は、２０１３年３月１５日に出願された日本国特許出願第２０１３−０５２８６６号を優先権主張の基礎としており、引用によりその内容の全てが本明細書に含まれる。
【産業上の利用可能性】
【００７２】
本発明の冷却板は、例えば、アルミナ製の静電チャックやサセプターなどに金属接合される冷却板に用いられる。
【符号の説明】
【００７３】
１０  半導体製造装置用部材、２０  静電チャック、２０ａ  ウエハ載置面、２２  静電電極、２３  給電端子、２４  ヒータ電極、２５  給電端子、２８  金属接合材、３０  冷却板、３１  第１基板、３２  第２基板、３２ａ  打ち抜き部、３３  第３基板、３４  第１金属接合層、３５  第２金属接合層、３６  冷媒通路、３６ａ  入口、３６ｂ  出口、４０  冷却板−チャック接合層、４３  端子挿通孔、４５  端子挿通孔、４６ａ  冷媒供給孔、４６ｂ  冷媒排出孔、５１  金属接合材、５２  金属接合材、６１  金属接合材、１１０  半導体製造装置用部材、１３０  冷却板、１３１  第１基板、１３２  第２基板、１３２ａ  溝、１３４  金属接合層、１３６  冷媒通路。
【要約】
半導体製造装置用部材（１０）は、アルミナ製の静電チャック（２０）と、冷却板（３０）と、冷却板−チャック接合層（４０）とを備えている。冷却板（３０）は、第１〜第３基板（３１〜３３）と、第１及び第２基板（３１，３２）の間に形成された第１金属接合層（３４）と、第２及び第３基板（３２，３３）の間に形成された第２金属接合層（３５）と、冷媒通路（３６）とを備えている。第１〜第３基板（３１〜３３）は、炭化珪素を最も多く含有すると共に、珪化チタン、チタンシリコンカーバイド及び炭化チタンを含む緻密質複合材料で形成されている。金属接合層（３４，３５）は、第１及び第２基板（３１，３２）の間と第２及び第３基板（３２，３３）の間にＡｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系又はＡｌ−Ｍｇ系の金属接合材を挟んで各基板（３１〜３３）を熱圧接合することにより形成されたものである。【図１】
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【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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