(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
窒化アルミニウム基部材に接合される半導体製造装置用部材であって、
材料として、窒化アルミニウムと、ケイ素、アルミニウム、酸素及び窒素を含む窒化アルミニウム擬似多形とを主たる構成相とする複合材料が用いられ、
前記窒化アルミニウム擬似多形が２７Ｒ相及び２１Ｒ相の少なくとも一方の周期構造を有し、前記複合材料の室温での熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以下である、
半導体製造装置用部材。
【請求項２】
窒化アルミニウム基部材に接合される半導体製造装置用部材であって、
材料として、窒化アルミニウムと、ケイ素、アルミニウム、酸素及び窒素を含む窒化アルミニウム擬似多形とを主たる構成相とする複合材料が用いられ、
前記窒化アルミニウム擬似多形のＸ線回折ピークが少なくとも２θ＝５９．８〜６０．８°に現れ、前記複合材料の熱伝導率が室温で５０Ｗ／ｍＫ以下である、
半導体製造装置用部材。
【請求項３】
前記複合材料の窒化アルミニウムには、ケイ素及び酸素の少なくとも１つの元素が固溶している、
請求項１又は２に記載の半導体製造装置用部材。
【請求項４】
前記複合材料のＡｌ，Ｎ，Ｓｉ，Ｏの質量割合は、Ａｌ，Ｎ，Ｓｉ，Ｏの総質量を１００としたとき、Ａｌ：Ｎ：Ｓｉ：Ｏ＝５９〜６３：２９〜３４：１〜５：２〜８である、
請求項１〜３のいずれか１項に記載の半導体製造装置用部材。
【請求項５】
前記複合材料は、希土類金属の酸化物及び希土類金属の酸窒化物の少なくとも一方を含有し、前記希土類金属元素を除く元素の総質量を１００としたときの前記希土類金属元素の質量割合が０より大きく３．０以下である、
請求項１〜４のいずれか１項に記載の半導体製造装置用部材。
【請求項６】
前記複合材料の５５０℃での熱伝導率は３０Ｗ／ｍＫ以下である、
請求項１〜５のいずれか１項に記載の半導体製造装置用部材。
【請求項７】
前記複合材料の４０〜１０００℃での熱膨張係数は５．５〜６．０ｐｐｍ／℃である、
請求項１〜６のいずれか１項に記載の半導体製造装置用部材。
【請求項８】
前記複合材料の開気孔率は０．５％以下である、
請求項１〜７のいずれか１項に記載の半導体製造装置用部材。
【請求項９】
前記複合材料の４点曲げ強度は２５０ＭＰａ以上である、
請求項１〜８のいずれか１項に記載の半導体製造装置用部材。
【請求項１０】
前記窒化アルミニウム基部材の室温での熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫ以上である、
請求項１〜９のいずれか１項に記載の半導体製造装置用部材。
【請求項１１】
窒化アルミニウムとアルミナと窒化ケイ素との合計質量に対して窒化アルミニウムが８１〜９５質量％、アルミナが３〜１３質量％、窒化ケイ素が２〜９質量％となるように混合して調合粉末とし、該調合粉末を成形して成形体とし、該成形体を１７５０〜１８５０℃で焼成することにより、請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体製造装置用部材を得る、
半導体製造装置用部材の製法。
【請求項１２】
前記調合粉末には焼結助剤成分として希土類酸化物が添加される、
請求項１１に記載の半導体製造装置用部材の製法。
【請求項１３】
請求項１〜１０のいずれか１項に記載の半導体製造装置用部材であるシャフトと、
前記シャフトに接合され、窒化アルミニウム基材料を材料として用いたウエハ支持ヒータと、
を備えたシャフト付きヒータ。
【請求項１４】
前記シャフトと前記ウエハ支持ヒータとの４０〜１０００℃での熱膨張係数差は０．３ｐｐｍ／℃以下である、
請求項１３に記載のシャフト付きヒータ。
【請求項１５】
前記シャフトと前記ウエハ支持ヒータとを接合する接合層は、窒化アルミニウム、スピネル及び希土類酸フッ化物を含む、
請求項１３又は１４に記載のシャフト付きヒータ。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置用部材、その製法及びシャフト付きヒータに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来、抵抗発熱体を有するセラミックス製のウエハ保持部と、ウエハ保持部を支持する支持体とを備えたシャフト付きヒータが知られている。こうしたシャフト付きヒータとして、支持体の熱伝導率がウエハ保持部よりも低いものが提案されている（特許文献１参照）。具体的には、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫのＡｌＮ製のウエハ保持部に、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫのＡｌＮ製の支持体や熱伝導率が４Ｗ／ｍＫのムライト製の支持体をガラス接合したシャフト付きヒータが開示されている。これらのウエハ保持部と支持体との熱膨張係数差は０．１〜０．５ｐｐｍ／℃である。このような保持体について、ウエハを保持する面全体の均熱性を測定したところ、±０．５％以内とすることができたと説明されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００３】
【特許文献１】特許第４３１１９１０号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
しかしながら、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫのＡｌＮ製のウエハ保持部に、熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫのＡｌＮ製の支持体をガラス接合したシャフト付きヒータでは、均熱性が十分高いとは言い難かった。また、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍＫのＡｌＮ製のウエハ保持部に、熱伝導率が４Ｗ／ｍＫのムライト製の支持体をガラス接合したシャフト付きヒータでは、均熱性は優れるものの、ムライト製支持体の耐食性が低いことが問題になる。特に、ムライトに含まれるシリコン成分はハロゲンガスに対する耐食性が極めて低く、使用中にエッチングが進んだり、パーティクルの発生源になったりすることが懸念される。
【０００５】
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、窒化アルミニウム基部材に接合されたときに、その窒化アルミニウム基部材の均熱性を十分高くすることができ、耐食性にも優れる半導体製造装置用部材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】
【０００６】
本発明の第１の半導体製造装置用部材は、
窒化アルミニウム基部材に接合される半導体製造装置用部材であって、
材料として、窒化アルミニウムと、ケイ素、アルミニウム、酸素及び窒素を含む窒化アルミニウム擬似多形とを主たる構成相とする複合材料が用いられ、
前記窒化アルミニウム擬似多形が２７Ｒ相及び２１Ｒ相の少なくとも一方の周期構造を有し、前記複合材料の室温での熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以下である、
ものである。
【０００７】
この半導体製造装置用部材に含まれる窒化アルミニウム擬似多形は、低熱伝導率の２７Ｒ相及び／又は２１Ｒ相であるため、室温での熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以下と低い。そのため、この半導体製造装置用部材を窒化アルミニウム基部材に接合したときに、窒化アルミニウム基部材の熱が半導体製造装置用部材へ逃げるのを抑制することができる。したがって、この半導体製造装置用部材によれば、窒化アルミニウム基部材の均熱性を十分高くすることができる。あるいは窒化アルミニウム基部材からの熱を断熱することができる。更に、擬似多形の熱膨張係数が窒化アルミニウム基部材に近いため、複合材料の熱膨張係数も窒化アルミニウム基部材に近づけ易い。また、この半導体製造装置用部材は、ムライトなどシリコン成分を多量に含有した部材に比べて耐食性に優れている。なお、窒化アルミニウムと窒化アルミニウム擬似多形とを主たる構成相とするとは、ＸＲＤプロファイルで確認される構成相をピーク強度が高いものから順に見たとき、窒化アルミニウム及び窒化アルミニウム擬似多形の一方が最も高く、もう一方が次に高いことを意味する。また、周期構造とは、六方晶層状構造におけるＡｌを含む層又はＡｌ及びＳｉを含む層と、Ｎを含む層又はＮ及びＯを含む層とが一定の順序で積層されていることをいう。
【０００８】
本発明の第２の半導体製造装置用部材は、
窒化アルミニウム基部材に接合される半導体製造装置用部材であって、
材料として、窒化アルミニウムと、ケイ素、アルミニウム、酸素及び窒素を含む窒化アルミニウム擬似多形とを主たる構成相とする複合材料が用いられ、
前記窒化アルミニウム擬似多形のＸ線回折ピークが少なくとも２θ＝５９．８〜６０．８°に現れ、前記複合材料の熱伝導率が室温で５０Ｗ／ｍＫ以下である、
ものである。
【０００９】
この半導体製造装置用部材は、Ｘ線回折ピークが少なくとも２θ＝５９．８〜６０．８°に現れる低熱伝導率の窒化アルミニウム擬似多形を有し、室温での熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫ以下と低い。そのため、この半導体製造装置用部材を窒化アルミニウム基部材に接合したときに、窒化アルミニウム基部材の熱が半導体製造装置用部材へ逃げるのを抑制することができる。したがって、この半導体製造装置用部材によれば、窒化アルミニウム基部材の均熱性を十分高くすることができる。あるいは窒化アルミニウム基部材の熱を断熱することができる。更に、擬似多形の熱膨張係数が窒化アルミニウム基部材に近いため、複合材料の熱膨張係数も窒化アルミニウム基部材に近づけ易い。また、この半導体製造装置用部材は、ムライトなどシリコン成分を多量に含有した部材に比べて耐食性に優れている。
【００１０】
なお、擬似多形とは、ＡｌＮ（２Ｈ）の結晶構造をベースに、Ａｌの一部にＳｉが固溶し、Ｎの一部にＯが固溶した構造を有するものであり、ＡｌＮの周期構造が少しずつ変化した材料群をいう。この擬似多形は、ＡｌＮが多い側から、２７Ｒ相（ＳｉＡｌ8Ｏ2Ｎ8
）、２１Ｒ相（ＳｉＡｌ6Ｏ2Ｎ6）、１２Ｈ相（ＳｉＡｌ5Ｏ2Ｎ5）、１５Ｒ相（ＳｉＡｌ4Ｏ2Ｎ4）などが存在する。本発明の第１及び第２の半導体製造装置用部材としては、半
導体製造装置において窒化アルミニウム基部材と接合されるものであれば特に限定されるものではなく、例えば、ヒータ、静電チャック等のサセプターやプレートなどが挙げられる。また、窒化アルミニウム基部材とは、窒化アルミニウムを主成分（例えば全体の質量に対してアルミニウムと窒素の合計が７０質量％以上）とする部材である。
【００１１】
本発明の第１及び第２の半導体製造装置用部材において、前記複合材料の窒化アルミニウムにはケイ素及び酸素の少なくとも１つの元素が固溶していることが好ましい。この場合、窒化アルミニウム結晶自体の熱伝導率を小さくすることができ、複合相として導入する擬似多形の割合を少なくすることができる。この擬似多形の割合が少ないと、複合材料の熱膨張係数の窒化アルミニウムからのずれを更に小さくできる利点がある。またハロゲンプラズマ耐食性においても、擬似多形は窒化アルミニウムよりもやや劣る。そのため、擬似多形の割合が少ない方がより高い耐食性が得られるため望ましい。
【００１２】
本発明の第１及び第２の半導体製造装置用部材において、前記複合材料のＡｌ，Ｎ，Ｓｉ，Ｏの質量割合は、Ａｌ，Ｎ，Ｓｉ，Ｏの総質量を１００としたとき、Ａｌ：Ｎ：Ｓｉ：Ｏ＝５９〜６３：２９〜３４：１〜５：２〜８であることが好ましい。各元素の質量割合がこの範囲内にあれば、半導体製造装置用部材の熱伝導率を確実に５０Ｗ／ｍＫ以下にすることができる。前記複合材料のＡｌ，Ｎ，Ｓｉ，Ｏの質量割合は、Ａｌ，Ｎ，Ｓｉ，Ｏの総質量を１００としたとき、Ａｌ：Ｎ：Ｓｉ：Ｏ＝５９．６〜６２．７：２９．９〜３３．１：１．５〜４．５：２．７〜７．１であることがより好ましい。
【００１３】
本発明の第１及び第２の半導体製造装置用部材において、前記複合材料は、希土類金属の酸化物及び希土類金属の酸窒化物の少なくとも一方を含有し、前記希土類金属元素を除く元素の総質量を１００としたときの前記希土類金属元素の質量割合が０より大きく３．０以下であることが好ましい。この場合、希土類金属元素含有成分が複合材料の焼結を促進するため、常圧にて緻密な複合材料を作製することができる。なお、希土類金属元素の有無によらず、ホットプレスやＨＩＰ等加圧下にて焼結を進め、緻密な複合材料を得てもなんら問題ない。
【００１４】
本発明の第１及び第２の半導体製造装置用部材において、前記複合材料の５５０℃での熱伝導率は３０Ｗ／ｍＫ以下であることが好ましい。この場合、ヒータ用部材等、高温で使われる部材にて特に効果が高い。
【００１５】
本発明の第１及び第２の半導体製造装置用部材において、前記複合材料の４０〜１０００℃での熱膨張係数は５．５〜６．０ｐｐｍ／℃であることが好ましい。この場合、窒化アルミニウムの熱膨張係数との差が小さくなるため、窒化アルミニウム基部材に接合したときに熱膨張係数のミスマッチによって生じる応力が小さくなり、接合状態を良好に維持することができる。特にヒータ等、加熱と冷却が繰り返されるような部材にて、亀裂等の入りにくいものができる。
【００１６】
本発明の第１及び第２の半導体製造装置用部材において、前記複合材料の開気孔率は０．５％以下であることが好ましい。この場合、部材の表面を平滑に仕上げることができると共に、複合材料自身や他材との接合部位近傍でのガスリークを無くすことができる。更に、ハロゲンガスプラズマの接触等によるパーティクルの発生にも強いものになる。
【００１７】
本発明の第１及び第２の半導体製造装置用部材において、前記複合材料の４点曲げ強度は２５０ＭＰａ以上であることが好ましい。この場合、既存の半導体製造装置に使用されているセラミック部材と同等、或いはそれ以上の強度であるため、構造用部材として十分である。
【００１８】
本発明の半導体製造装置用部材の製法は、
窒化アルミニウムとアルミナと窒化ケイ素との合計質量に対して窒化アルミニウムが８１〜９５質量％、アルミナが３〜１３質量％、窒化ケイ素が２〜９質量％となるように混合して調合粉末とし、該調合粉末を成形して成形体とし、該成形体を１７５０〜１８５０℃で焼成することにより、上述したいずれかの半導体製造装置用部材を得る、
ものである。
【００１９】
この製法によれば、上述したいずれかの半導体製造装置用部材を比較的容易に製造することができる。例えば、常圧焼成を採用する場合、調合粉末を一軸加圧成形、静水圧加圧成形、押出成形やキャスティング成形したあと、その成形体を焼成炉で不活性雰囲気（窒素、アルゴンなど）下、温度１７５０〜１８５０℃で常圧焼成してもよい。また、ホットプレス焼成を採用する場合、調合粉末を一軸加圧成形等によって成形体とし、その成形体を焼成用モールドに収納し、真空雰囲気下又は不活性雰囲気下、プレス圧力１００〜４００ｋｇｆ／ｃｍ2、温度１７５０〜１８５０℃でホットプレス焼成してもよい。半導体製造装置用部材の形状が複雑な場合には、常圧焼成を採用することが好ましい。調合粉末は、窒化アルミニウムとアルミナと窒化ケイ素との合計質量に対して窒化アルミニウムが８１．４〜９４．２質量％、アルミナが３．０〜１２．６質量％、窒化ケイ素が２．８〜８．２質量％となるように混合するのが好ましい。
【００２０】
本発明の半導体製造装置用部材の製法において、前記調合粉末には焼結助剤成分として希土類酸化物が添加されてもよい。希土類酸化物としては、Ｙ2Ｏ3，Ｌａ2Ｏ3，ＣｅＯ2，Ｓｍ2Ｏ3，Ｅｕ2Ｏ3，Ｇｄ2Ｏ3，Ｄｙ2Ｏ3，Ｈｏ2Ｏ3，Ｅｒ2Ｏ3，Ｙｂ2Ｏ3などが挙げられるが、このうちＹ2Ｏ3，Ｙｂ2Ｏ3が好ましい。希土類酸化物の添加量が多くなりすぎると複合材料の熱膨張係数が高くなるため、その添加量は、調合粉末全体の質量に対して３質量％以下であることが好ましい。
【００２１】
本発明のシャフト付きヒータは、
上述したいずれかの半導体製造装置用部材であるシャフトと、
前記シャフトに接合され、窒化アルミニウム基材料を材料として用いたウエハ支持ヒータと、
を備えたものである。
【００２２】
このシャフト付きヒータによれば、ウエハ支持ヒータの均熱性を十分高くすることができる。また、シャフト部の低い熱伝導率によりシャフト自体を短くすることができ、シャフト付きヒータを小さくできる。更に、耐食性にも優れている。
【００２３】
本発明のシャフト付きヒータにおいて、前記シャフトと前記ウエハ支持ヒータとの４０〜１０００℃での熱膨張係数差が０．３ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。この場合、接合部に熱応力が発生しないか発生したとしても微小なため、加熱と冷却が繰り返される使用下において、亀裂が入るのを抑えることができる。
【００２４】
本発明のシャフト付きヒータにおいて、前記シャフトと前記ウエハ支持ヒータとを接合する接合層は、窒化アルミニウム、スピネル及び希土類酸フッ化物を含むことが好ましい。希土類酸フッ化物としては、ＹＯＦ，ＬａＯＦ，ＣｅＯＦ，ＮｄＯＦ，ＴｂＯＦ，ＹｂＯＦ，ＬｕＯＦなどが好ましく、特にＹＯＦ，ＹｂＯＦが好ましい。
【図面の簡単な説明】
【００２５】
【図１】シャフト付きヒータ１０の断面図。
【図２】筒状シャフト３０の斜視図。
【図３】実験例１の焼結体材料のＸＲＤプロファイルを示すグラフ。
【図４】実験例２の焼結体材料のＸＲＤプロファイルを示すグラフ。
【図５】実験例３の焼結体材料のＸＲＤプロファイルを示すグラフ。
【図６】実験例５の焼結体材料のＸＲＤプロファイルを示すグラフ。
【図７】実験例１１の焼結体材料のＸＲＤプロファイルを示すグラフ。
【図８】実験例１８の焼結体材料のＸＲＤプロファイルを示すグラフ。
【図９】実験例７の焼結体材料のＥＰＭＡ画像。
【図１０】実験例７の焼結体材料のＥＰＭＡ画像。
【図１１】積層構造体の斜視図。
【発明を実施するための形態】
【００２６】
本発明の好適な実施形態について、以下に説明する。図１は本実施形態のシャフト付きヒータ１０の断面図、図２は筒状シャフト３０の斜視図である。
【００２７】
シャフト付きヒータ１０は、プラズマＣＶＤ工程などの加熱処理を施すウエハを加熱するのに用いられるものであり、図示しない真空チャンバ内に設置される。このシャフト付きヒータ１０は、ウエハを載置可能で抵抗発熱体２２が埋設されたウエハ支持ヒータ２０と、このウエハ支持ヒータ２０の背面に接合された筒状シャフト３０とを備えている。
【００２８】
ウエハ支持ヒータ２０は、窒化アルミニウム製の円板部材（窒化アルミニウム基部材）である。ウエハ支持ヒータ２０の一例は、窒化アルミニウム粉末に焼結助剤のイットリアが添加されて焼結されたものであり、室温での熱伝導率は１５０Ｗ／ｍＫ以上、５５０℃での熱伝導率は８０Ｗ／ｍＫ以上、熱膨張係数は５．７ｐｐｍ／℃である。このウエハ支持ヒータ２０は、抵抗発熱体２２としてモリブデン抵抗発熱体が埋設されている。また、ウエハ支持ヒータ２０の背面の中央付近には、第１孔２４と第２孔２６が開けられている。抵抗発熱体２２は、ウエハ支持ヒータ２０の略中央に位置する一端２２ａから端を発し、いわゆる一筆書きの要領でウエハ支持ヒータ２０のほぼ全面にわたって配線されたあと、ウエハ支持ヒータ２０の略中央に位置する他端２２ｂに至っている。この抵抗発熱体２２の一端２２ａ及び他端２２ｂは、それぞれウエハ支持ヒータ２０の第１孔２４及び第２孔２６から外部に露出している。なお、ウエハ支持ヒータ２０には、高周波電極として平板電極２３も埋設されている。
【００２９】
筒状シャフト３０は、材料として、窒化アルミニウムと窒化アルミニウム擬似多形とを主たる構成相とする複合材料が用いられた半導体製造装置用部材である。窒化アルミニウム擬似多形は、ケイ素、アルミニウム、酸素及び窒素を含み、２７Ｒ相及び２１Ｒ相の少なくとも一方の周期構造を有する。あるいは、窒化アルミニウム擬似多形は、Ｘ線回折ピークが少なくとも２θ＝５９．８〜６０．８°に現れるものである。複合材料の室温での熱伝導率は、好ましくは５０Ｗ／ｍＫ以下、より好ましくは４０Ｗ／ｍＫ以下である。複合材料の作動温度（５５０℃）での熱伝導率は、好ましくは３０Ｗ／ｍＫ以下、より好ましくは２５Ｗ／ｍＫ以下、更に好ましくは２０Ｗ／ｍＫ以下である。複合材料の窒化アルミニウムには、ケイ素及び酸素の少なくとも１つの元素が固溶していることが好ましい。複合材料のＡｌ，Ｎ，Ｓｉ，Ｏの質量割合は、Ａｌ：Ｎ：Ｓｉ：Ｏ＝５９〜６３：２９〜３４：１〜５：２〜８であることが好ましく、Ａｌ：Ｎ：Ｓｉ：Ｏ＝５９．６〜６２．７：２９．９〜３３．１：１．５〜４．５：２．７〜７．１であることがより好ましい。複合材料は、４０〜１０００℃での熱膨張係数（ＣＴＥ）が５．５〜６．０ｐｐｍ／℃であることが好ましく、開気孔率が０．５％以下であることが好ましく、４点曲げ強度が２５０ＭＰａ以上であることが好ましい。複合材料は、希土類金属の酸化物及び希土類金属の酸窒化物の少なくとも一方を含有していてもよい。その場合、希土類金属元素を除く元素の総質量を１００としたときの希土類金属元素の質量割合は０より大きく３．０以下であることが好ましい。筒状シャフト３０とウエハ支持ヒータ２０との４０〜１０００℃での熱膨張係数差は０．３ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。
【００３０】
この筒状シャフト３０は、途中に段差３２を有しており、段差３２を境にしてウエハ支持ヒータ２０側が大径部３４、ウエハ支持ヒータ２０と反対側が小径部３６となっている。大径部３４の端部及び小径部３６の端部には、それぞれフランジ３４ａ，３６ａが形成されている。そして、筒状シャフト３０のうち大径部３４の端部がウエハ支持ヒータ２０の背面に接合されている。筒状シャフト３０の内部空間には、抵抗発熱体２２の一端２２ａ及び他端２２ｂにそれぞれ接合された給電ロッド３８，３８が軸方向に沿って設けられている。ウエハ支持ヒータ２０の抵抗発熱体２２には、この給電ロッド３８，３８を介して電力が供給される。
【００３１】
筒状シャフト３０の製法の一例を以下に説明する。ここでは、筒状シャフト３０の形状が図２に示す通りやや複雑なため、常圧焼成を採用した例を示す。まず、窒化アルミニウムとアルミナと窒化ケイ素との合計質量に対して窒化アルミニウムが８１〜９５質量％、アルミナが３〜１３質量％、窒化ケイ素が２〜９質量％となるように混合して調合粉末とする。好ましくは、窒化アルミニウムが８１．４〜９４．２質量％、アルミナが３．０〜１２．６質量％、窒化ケイ素が２．８〜８．２質量％となるように混合して調合粉末とする。次に、この調合粉末を型に充填し、冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）を用いて筒状の成形体にする。こうして得られたシャフトの成形体を常圧焼成炉を用いて、１７５０〜１８５０℃で焼成することにより、筒状シャフト３０を得る。なお、調合粉末には、焼結助剤成分として希土類酸化物(例えばＹ2Ｏ3，Ｙｂ2Ｏ3など）を添加してもよい。希土類酸化物の添加量は、調合粉末全体の質量に対して３質量％以下とすることが好ましい。また必要に応じて、加工をすることにより所望の形状を有した筒状のシャフトにする。
【００３２】
筒状シャフト３０は、ウエハ支持ヒータ２０に接合層４０を介して接合されている。ウエハ支持ヒータ２０と筒状シャフト３０との接合は、例えば以下のようにして行う。窒化アルミニウム原料として、窒化アルミニウム粉末（粒径０．８μｍ、酸素含有量４．８質量％）を用いる。そして、窒化アルミニウム原料５０〜９０質量％と、市販のフッ化マグネシウム（純度９９．９％以上）１０〜５０質量％を合計１００質量％となるように秤量し、アルミナ乳鉢を用いて混合し、接合材組成物を得る。アクリル系樹脂をテルピネオールに溶解させ４５質量％溶液としたものをバインダーとして、接合材組成物に対して３０％の質量比で加え、アルミナ乳鉢で混合することにより、接合材ペーストを得る。接合材ペーストを、ウエハ支持ヒータ２０の接合面及び筒状シャフト３０の接合面の少なくとも一方に塗布し、乾燥し、接合材ペーストの溶媒を揮発させることにより、接合材組成物を接合面に固着させる。その後、ウエハ支持ヒータ２０の接合面と筒状シャフト３０の接合面とを重ね合わせ、窒素ガス中で、接合温度（最高温度）１４００℃で２時間保持する。このとき、接合面と垂直な方向から両者がくっつく方向に加圧する。こうすることにより、筒状シャフト３０はウエハ支持ヒータ２０に接合層４０を介して接合される。接合層４０の結晶相には、ＡｌＮ，ＭｇＡｌ2Ｏ4（スピネル）及びＹＯＦ（希土類酸フッ化物）が含まれる。ＭｇＡｌ2Ｏ4やＹＯＦに含まれるＯ元素は、窒化アルミニウム原料中のＯ元素や焼結助剤として添加されたＹ2Ｏ3に由来するものであり、ＹＯＦに含まれるＹ元素は焼結助剤として添加されたＹ2Ｏ3に由来するものであると推察される。
【００３３】
ここで、筒状シャフト３０の熱伝導率を変化させた場合のシャフト付きヒータ１０の筒状シャフト３０からの放熱量をシミュレーションにより求めた。筒状シャフト３０の室温での熱伝導率が８０Ｗ／ｍＫ、作動温度（５５０℃）での熱伝導率が５０Ｗ／ｍＫのものを比較対象とした。筒状シャフト３０の室温での熱伝導率を４０Ｗ／ｍＫ、５５０℃での熱伝導率を３０Ｗ／ｍＫとした場合、比較対象と比べて放熱量が７０％に低減された。筒状シャフト３０の室温での熱伝導率を４０Ｗ／ｍＫ、作動温度である５５０℃での熱伝導率を２５Ｗ／ｍＫとした場合、比較対象と比べて放熱量が６５％に低減された。筒状シャフト３０の室温での熱伝導率を４０Ｗ／ｍＫ、作動温度である５５０℃での熱伝導率を２０Ｗ／ｍＫとした場合、比較対象と比べて放熱量が６０％に低減された。筒状シャフト３０からの放熱量が比較対象よりも少ないことから、ウエハ支持ヒータ２０のうち筒状シャフト３０との接合部分から熱が逃げてその部分がクールスポットになるのを防止でき、その結果、ウエハ支持ヒータ２０の均熱性が比較対象よりも向上する。
【００３４】
以上説明した本実施形態によれば、筒状シャフト３０の熱伝導率が低いため、窒化アルミニウム基部材であるウエハ支持ヒータ２０の熱が筒状シャフト３０へ逃げるのを抑制することができる。したがって、ウエハ支持ヒータ２０の均熱性を十分高くすることができる。また、特許文献１で用いられるムライトに比べてＳｉの含有量が少ないため、耐食性にも優れている。
【００３５】
なお、本発明は上述した実施形態に何ら限定されることはなく、本発明の技術的範囲に属する限り種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。
【００３６】
例えば、上述した実施形態では、本発明の半導体製造装置用部材の一例としてウエハ支持ヒータ２０に接合される筒状シャフト３０を例示したが、特にこれに限定されるものではなく、窒化アルミニウム基部材に接合される半導体製造装置用部材であればよい。
【００３７】
上述した実施形態では、ＡｌＮ，スピネル及びＹＯＦを含む接合層４０を介してウエハ支持ヒータ２０と筒状シャフト３０とを接合したが、特にこれに限定されるものではなく、例えばロウ材を利用して接合してもよいし、直接接合により接合してもよい。
【実施例】
【００３８】
Ｉ．実験例１−２１
実験例５−２０が本発明の実施例に相当し、実験例１−４，２１が比較例に相当する。なお、以下の実施例は本発明を何ら限定するものではない。
【００３９】
１．製造条件
（原料）
ＡｌＮ原料は、市販の高純度微粒粉末（酸素含有量０．９％、酸素を除く不純物成分含有量０．１％以下、平均粒径１．１μｍ）を使用した。Ａｌ2Ｏ3原料は、市販の高純度微粒粉末（純度９９．９９％以上、平均粒径０．５μｍ）を使用した。Ｓｉ3Ｎ4原料は、市販の高純度微粒粉末（酸素含有量１．３％、酸素を除く不純物成分含有量０．１％以下、平均粒径０．６μｍ）を使用した。Ｙ2Ｏ3原料は、市販の高純度微粒粉末（純度９９．９％以上、平均粒径１μｍ）を使用した。
【００４０】
（調合）
ＡｌＮ原料、Ａｌ2Ｏ3原料及びＳｉ3Ｎ4原料（場合によってはＹ2Ｏ3も）を表１に示した原料組成の割合で秤量し、ナイロン製のポット、φ２０ｍｍの鉄芯入りナイロン玉石を用いてアルコールを溶媒として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。
【００４１】
（成型）
調合粉末を１００ｋｇｆ／ｃｍ2の圧力で一軸加圧成形し、φ６５ｍｍ、厚さ２０ｍｍ程度の円柱状の成形体を作製した。その後、２．５ｔｏｎ／ｃｍ2の圧力で冷間静水圧プレスを行った。なお、筒状のシャフトの代わりとして、円柱状の成形体を用いて材料を作製し、各種特性を評価した。
【００４２】
（焼成）
成形体をＢＮ製のるつぼ（焼成容器）に入れ、カーボン製のヒータからなる雰囲気焼成炉にて表１に示した焼成温度（最高温度）及び焼成温度での保持時間で焼成した。なお、室温から９００℃までは真空とし、９００℃到達後に窒素を導入して最高温度で所定時間焼成した後、１４００℃まで冷却し、焼成を終了した。窒素の圧力は１．５気圧、昇温降温速度は１００〜３００℃／時間とした。
【００４３】
【表１】
0006697363.tif 000002
【００４４】
２．基本特性の測定
得られた各実験例の焼結体について、各種試験片を作製し、以下の基本特性を測定した。その結果を表２及び表３に示す。
【００４５】
（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。
【００４６】
（４点曲げ強度）
ＪＩＳ−Ｒ１６０１にしたがって求めた。
【００４７】
（線熱膨張係数）
リガク（株）製、熱機械分析装置ＴＭＡ８３１０を使用し、アルゴン雰囲気中、昇温速度２０℃／分の条件で１０００℃までの熱膨張曲線を測定し、４０〜１０００℃の平均線
熱膨張係数（ＣＴＥ）を算出した。標準試料にはアルミナを使用した。表２及び表３において、△ＣＴＥは、各実験例で得られた焼結体のＣＴＥと窒化アルミニウム基部材（ここでは実験例１の焼結体）のＣＴＥとの差を表す。
【００４８】
（熱伝導率（ＴＣ））
比熱を示差走査熱量法（ＤＳＣ）、熱拡散率をレーザーフラッシュ法により測定し、熱伝導率（ＴＣ）＝比熱×熱拡散率×嵩密度の計算式により算出した。ＴＣは、室温及び５５０℃のそれぞれについて算出した。
【００４９】
（構成相の同定）
複合材料を乳鉢で粉砕し内部標準（Ｓｉ）を添加混合した粉末について、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。
【００５０】
（構成元素比率）
Ａｌ、Ｙ：焼結体を粉砕後、融解、酸分解して溶液化したのち、キレート滴定法、或いは高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法により定量した。
Ｓｉ：焼結体を粉砕後、重量法により定量した（ＪＩＳ  Ｒ  １６１６準拠）。なお、含有量が少ない場合にはＡｌ、Ｙと同様に高周波誘導結合プラズマ発光分光分析法による測定を行った。
Ｎ：焼結体を粗粉砕後、不活性ガス融解−熱伝導度法にて定量した。
Ｏ：焼結体を粗粉砕後、不活性ガス融解−非分散型赤外線吸収法にて定量した。
【００５１】
【表２】
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【００５２】
【表３】
0006697363.tif 000004
【００５３】
３．評価
（実験例１）
実験例１の焼結体材料は、ＡｌＮに焼結助剤としてＹ2Ｏ3を添加し焼成した材料で、ＡｌＮ、Ａｌ2Ｙ4Ｏ9（ＹＡＭ）、ＹＡｌＯ3（ＹＡＬ）から構成されていた。調合粉末にＡｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4を含まない場合には、擬似多形は生成せず、ＡｌＮへのＳｉ、Ｏの固溶が少ないため、熱伝導率が高くなった。実験例１の焼結体材料のＸＲＤプロファイルを図３に示す。図中の＊は、焼結体のＸＲＤ測定用に内部標準として添加したＳｉによるものである。
【００５４】
（実験例２）
実験例２の焼結体材料は、ＡｌＮにＳｉ3Ｎ4とＹ2Ｏ3を添加して焼成した材料であり、ＡｌＮ、Ｙ2Ｓｉ3Ｏ3Ｎ4と微量の擬似多形としての２７Ｒ相から構成されていた。但し、調合粉末にＡｌ2Ｏ3を添加していないため十分な量の擬似多形は生成せず、ＡｌＮへのＳｉ、Ｏの固溶も起こるが程度が軽微であるため、熱伝導率の低下が不十分であった。実験例２の焼結体材料のＸＲＤプロファイルを図４に示す。
【００５５】
（実験例３）
実験例３の焼結体材料は、ＡｌＮにＡｌ2Ｏ3を添加して焼成した材料であり、ＡｌＮ、Ａｌ5Ｏ6Ｎから構成されていた。調合粉末にＹ2Ｏ3を添加しておらず焼結性が悪いため、ホットプレス（２０ＭＰａ）にて作製した材料である。この材料ではＳｉ3Ｎ4成分を添加していないため擬似多形は生成せず、ＡｌＮへのＳｉ、Ｏの固溶も少ないため、熱伝導率の低下が不十分であった。実験例３の焼結体材料のＸＲＤプロファイルを図５に示す。
【００５６】
（実験例４）
実験例４の焼結体材料は、ＡｌＮにＡｌ2Ｏ3とＳｉ3Ｎ4とＹ2Ｏ3を添加して焼成した材料であり、ＡｌＮ、Ａｌ5Ｙ3Ｏ12（ＹＡＧ）及び２７Ｒ相から構成されていた。本材料は、調合粉末におけるＳｉ3Ｎ4、Ａｌ2Ｏ3の質量％が低く、擬似多形の生成量が少ないと共に、ＡｌＮへのＳｉ、Ｏの固溶が不十分となり、熱伝導率の低下が不十分となったと考察される。
【００５７】
（実験例５〜２０）
実験例５〜２０の焼結体材料は、構成相としてＡｌＮのほか、２７Ｒ相及び２１Ｒ相の少なくとも一方の擬似多形を含んでいた。つまり、２７Ｒ相及び２１Ｒ相の少なくとも一方の周期構造を有していた。また、２θ＝５９．８〜６０．８°にＸ線回折ピークが見られた。実験例５，７〜９，１１〜１５，１８〜２０は、Ｙ2Ｏ3を原料に添加しているため、構成相としてＹＡＧも含んでいた。なお、実験例６，１０，１６，１７はＹ2Ｏ3を原料に添加していないため、ホットプレス(２０ＭＰａ)にて焼結を行った材料である。実験例５〜２０では、調合粉末におけるＡｌＮ，Ａｌ2Ｏ3，Ｓｉ3Ｎ4の質量割合が適切であり、得られた焼結体材料におけるＡｌ，Ｓｉ，Ｎ，Ｏの質量割合も適切であったため、擬似多形の生成とＡｌＮへのＳｉ、Ｏの固溶が適量となり、熱伝導率が十分に低下したと考察される。また、特許文献１で用いられたムライトに比べてＳｉ含有量が少ないため、ハロゲンガス等に対する耐食性に優れる。
【００５８】
代表例として、実験例５，１１，１８の焼結体材料のＸＲＤプロファイルを図６〜８に示す。図６〜８から、これらはいずれもＡｌＮ、２７Ｒ相、ＹＡＧを構成相として含み、更に図７，８では２１Ｒ相も含んでいた。また、２θ＝５９．８〜６０．８°にＸ線回折ピークが見られた。実験例５，１１，１８の順に、調合粉末中のＡｌＮの質量％は低く、Ａｌ2Ｏ3とＳｉ3Ｎ4の質量％は高くなっており、焼結体材料中のＯ，Ｓｉの質量％も順に高くなっている。焼結体材料のＸＲＤプロファイルを見ると、ＡｌＮのピーク強度や擬似多形のピーク強度は調合粉末中のＡｌＮの質量％や焼結体材料中のＯ，Ｓｉの質量％に伴って変化していることがわかる。つまりＸＲＤプロファイルのピーク強度の関係から、実験例５の材料ではＡｌＮが主相であり、実験例１１の材料では擬似多形の割合が増加し、実験例１８の材料ではＡｌＮよりも擬似多形が主相になっていると推察される。これら各材料の熱伝導率は、Ｓｉ、Ｏの構成元素比率が高い程低下していることより、擬似多形相の含有量及びＡｌＮへのＳｉ、Ｏの固溶量が多い材料程熱伝導率が低下すると考察された。また、これら実験例５〜２０の材料は熱膨張係数が５．５〜６．０ｐｐｍ／℃に制御できており、実験例１に示すような高熱伝導率の窒化アルミニウム材料（５．７ｐｐｍ／℃）との熱膨張係数差が０．３ｐｐｍ／℃以下で非常に小さい。更に、いずれも２５０ＭＰａ以上の曲げ強度を有しており、半導体製造装置用部材として十分構成に耐えられる特性である。つまり、これらの材料は、高熱伝導率の窒化アルミニウム材料に対する熱膨張係数のマッチング性が非常に高く、十分な強度を有した低熱伝導材料と言える。
【００５９】
図９は、実験例７の焼結体材料のＥＰＭＡ画像である。図９では、濃度を表すカラースケールは、便宜上白黒で表されているが、実際には、最も高濃度の場合は赤、そこから濃度が低くなるにつれて、橙、黄、黄緑、水色、青、紺の順に色分けされ、最も低濃度の場合は黒で示される。図９（ａ）は全体的な元素分布を示したものである。図９（ｂ）は、Ｎの分布を示したものであり、グレーの濃淡の画素が点描画のように全体に散らばっているが、実際には青と黄緑の画素が全体に散らばっている。図９（ｃ）は、Ｏの分布を示したものであり、黒っぽく見える部分は実際には紺か黒でＡｌＮが存在しており、やや明るいグレーの柱状部分は実際には水色で擬似多形（２７Ｒ相）が存在している。柱状部分のうち一段と明るいグレーは実際には黄緑から黄であり、その中に赤も点在しＹＡＧが存在している。図９（ｄ）は、Ａｌの分布を示したものであり、全体に明るいグレーであるが、実際には黄緑、黄、赤が全体に散らばっており、全体にＡｌが存在することがわかる。赤い部分がＡｌＮである。図９（ｅ）は、Ｓｉの分布を示したものであり、黒っぽく見える部分は実際には紺か黒でＳｉが少ない部分であり、明るいグレーの柱状部分は実際には黄緑から黄で擬似多形（２７Ｒ相）が存在している。図９（ｆ）は、Ｙの分布を示したものであり、黒っぽく見える部分は実際には紺か黒、明るいグレーの点状部分は実際には黄緑（一部赤）でＹＡＧが存在している。暗いグレーの部分は、ＡｌＮのマトリックスの中の擬似多形の２７Ｒ相が柱状に生成している部分と一致しており、ＹはＹＡＧの部分以外に一部が２７Ｒ相へ固溶していることが示唆される。
【００６０】
図９（ｃ）や図９（ｅ）では、ＡｌＮマトリックス中にＯやＳｉが固溶しているか否か十分判断できない。そのため、カラースケールの濃度範囲を低濃度が分かるように変更したのが図１０（ｃ’）と図１０（ｅ’）である。図１０（ｃ’）では、ＡｌＮマトリックスの部分が明るいグレーであるが、実際には青や黄緑、黄であり、Ｏが存在していることがわかる。図１０（ｅ’）でも、ＡｌＮマトリックスの部分が明るいグレーであるが、実際には青や黄緑、黄であり、Ｓｉが存在していることがわかる。これらの画像から、実験例７の焼結体材料のＡｌＮには、Ｏ及びＳｉが固溶していることがわかる。ＡｌＮ部の熱伝導率はＯやＳｉの固溶によって低くなっていると考えられ、２７Ｒ相等の熱伝導率の低い粒界相の複合化と併せて、実験例７の焼結体材料の低熱伝導率に寄与していると言える。特に、ＡｌＮ部の熱伝導率を下げることは、熱膨張係数をＡｌＮと同程度に維持するために重要であるため、この固溶によってＡｌＮ以外の低熱伝導率の相の導入量を減らすことができる。
【００６１】
（実験例２１）
実験例２１の焼結体材料は、更に調合粉末のＡｌ2Ｏ3、Ｓｉ3Ｎ4の質量％を高くしたものであり、２１Ｒ相、１２Ｈ相から構成されていた。この実験例２１はＹ2Ｏ3を原料に添加していないため、ホットプレス(２０ＭＰａ)にて焼結を行った。本材料は、構成相にＡｌＮを含まないため、熱伝導率は十分低いが熱膨張係数が増加して６．１ｐｐｍ／℃となり、窒化アルミニウムとの熱膨張係数差が０．４ｐｐｍ／℃となった。
【００６２】
４．耐食性
本発明の実施例に相当する実験例１１の試験片と、比較例に相当する実験例１の試験片（窒化アルミニウム製の試験片）と、ムライト製の試験片とを用意した。試験片としては、１５ｍｍ×１５ｍｍ×２ｍｍの柱状体を用意し、その柱状体の１５ｍｍ×１５ｍｍの面の一方を研磨によって鏡面状に仕上げたものを用いた。ムライト製の試験片は、市販のムライト粉末（純度９９．９％以上）を直径５０ｍｍ、厚さ２０ｍｍ程度に成形し、ホットプレス炉を用いて、プレス圧力２００ｋｇｆ／ｃｍ2、１６００℃で５時間、Ａｒ雰囲気下で焼結したものから切り出した。このムライト製の試験片は、嵩密度が３．１５ｇ／ｃｍ3、開気孔率が０．０１％以下で、十分緻密化したものであった。
【００６３】
耐食性試験は、以下の手順で行った。まず、試験片の鏡面仕上げした面の一部をアルミナ焼結材料で覆い残部を露出させた。次に、その試験片を、希釈ガスとしてＡｒガス、ハロゲンガスとしてＮＦ3を使用し、試験温度５５０℃、ガス圧０．１Ｔｏｒｒ下で５時間暴露した。そして、ハロゲンガスが暴露された面とアルミナで覆われ暴露されなかった面との段差を測定し、エッチング量とした。
【００６４】
その結果、実験例１１の試験片と実験例１の試験片では顕著な段差ができず、エッチング量はゼロであったのに対し、ムライト製の試験片は０．２μｍの段差が見られ、耐食性に相違が見られた。すなわち、本発明の実施例に相当する実験例１１の試験片のハロゲンガス耐食性は、ムライトよりも十分高く、かつ、窒化アルミニウム材料と同等であることから、半導体製造装置用部材として、高い適性があることが確認できた。
【００６５】
II．実験例２２〜２５
実験例２２では、実験例１の窒化アルミニウム焼結体からなる第１構造体と、実験例１１の焼結体からなる第２構造体とを、それぞれφ５０ｍｍ、厚み１０ｍｍに加工し、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、フッ化マグネシウム（ＭｇＦ2）、酸化アルミニウム（Ａｌ2Ｏ3）を６７．３質量％、１９．０質量％、４．７質量％の割合で混合した粉末と溶媒、有機バインダーを任意の割合で混合したペーストを片方の構造体に塗布、乾燥させた後、もう一方の構造体を積層し、黒鉛モールドに収めて１４３０℃、５時間ホットプレス焼成（荷重６０ｋｇｆ／ｃｍ2）して積層構造体を得た。この積層構造体の斜視図を図１１に示す。実験例２３では、第２構造体として実験例１８の焼結体を用い、実験例２４では、第２構造体として実験例２１の焼結体を用い、実験例２５では、第２構造体として実験例９の焼結体を用いた以外は、実験例２２と同様にして積層構造体を得た。
【００６６】
実験例２２〜２５で得られた積層構造体は、外観上亀裂等は認められず、良好に接合されていた。しかし、各積層構造体につき、接合面に対し垂直に切断加工を行ったところ、実験例２２，２３，２５の積層構造体では亀裂が認められなかったのに対し、実験例２４の積層構造体では第１構造体の端部に亀裂が認められた（表４参照）。実験例２２，２３，２５の積層構造体では第１構造体と第２構造体の熱膨張係数差（ΔＣＴＥ）が０．３ｐｐｍ／℃以下だったのに対し、実験例２４では熱膨張係数差が０．４ｐｐｍ／℃と大きかったため接合時に熱応力が発生し、切断加工時に応力が開放されることで亀裂が生じたと考えられる。つまり、より安定性や信頼性の高い接合体を得るには、両構造体の熱膨張係数差は０．３ｐｐｍ／℃以下であることが望ましいと言える。なお、実験例２２，２３，２５は本発明の実施例に相当し、実験例２４は比較例に相当する。
【００６７】
【表４】
0006697363.tif 000005
【符号の説明】
【００６８】
１０  シャフト付きヒータ、２０  ウエハ支持ヒータ、２２  抵抗発熱体、２２ａ  一端、２２ｂ  他端、２３  平板電極、２４  第１孔、２６  第２孔、３０  筒状シャフト、３２  段差、３４  大径部、３４ａ  フランジ、３６  小径部、３６ａ  フランジ、３８  給電ロッド、４０  接合層。
【図１】
0006697363.tif 000006
【図２】
0006697363.tif 000007
【図３】
0006697363.tif 000008
【図４】
0006697363.tif 000009
【図５】
0006697363.tif 000010
【図６】
0006697363.tif 000011
【図７】
0006697363.tif 000012
【図８】
0006697363.tif 000013
【図９】
0006697363.tif 000014
【図１０】
0006697363.tif 000015
【図１１】
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