(57)【要約】      （修正有）【課題】適正な通気性、強度を兼備した状態で、圧力損失が低く、熱応答性、放熱性の良好な珪素−炭化珪素複合部材を提供する。【解決手段】複数の炭化珪素の結晶粒子１を３次元的に配置させるとともに、隣り合う炭化珪素の結晶粒子１間を珪素相３により接合した立体的な網目構造を形成した珪素−炭化珪素複合部材であって、珪素相３の間隙および気泡を非連結部とし、珪素−炭化珪素複合部材の断面を平面視したときの２２００μｍ×１７００μｍの範囲における非連結部の面積比率＝（非連結部の面積）／（珪素相３の面積＋非連結部の面積）×１００（％）が３．５％以下であること。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
複数の炭化珪素の結晶粒子を３次元的に配置させるとともに、隣り合う炭化珪素の結晶粒子間を珪素相により接合した立体的な網目構造を形成した珪素−炭化珪素複合部材であって、前記珪素相の間隙および気泡を非連結部として該珪素−炭化珪素複合部材の断面を平面視したときの該非連結部の面積比率＝（非連結部の面積）／（珪素相の面積＋非連結部の面積）×１００（％）が３．５％以下であることを特徴とする珪素−炭化珪素複合部材。
【請求項２】
前記炭化珪素の結晶粒子の平均粒径が１０５〜３５０μｍであることを特徴とする請求項１に記載の珪素−炭化珪素複合部材。
【請求項３】
前記珪素−炭化珪素系複合部材の気孔率が３０〜４０％であることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の珪素−炭化珪素複合部材。
【請求項４】
前記珪素−炭化珪素系複合部材の平均気孔径が４０〜１２０μｍであることを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の珪素−炭化珪素複合部材。
【請求項５】
前記炭化珪素の結晶粒子が多面体であって、六面体以上の多面体である炭化珪素の結晶粒子の個数が全炭化珪素の結晶粒子の個数に対し８０％以上を占めることを特徴とする請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の珪素−炭化珪素複合部材。
【請求項６】
前記珪素相を挟んで対向する炭化珪素の結晶粒子間の最短距離が３５０μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれかに記載の珪素−炭化珪素複合部材。
【請求項７】
３点曲げ強度が３０ＭＰａ以上、ヤング率が３０ＧＰａ以上であることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれかに記載の珪素−炭化珪素複合部材。
【請求項８】
平均粒径１０５〜３５０μｍのα型炭化珪素粉末１００重量部に対して、平均粒径１〜９０μｍの珪素粉末１５〜３０重量部を調合し、混合、造粒して顆粒を得る工程と、
前記顆粒を所定形状に成形して成形体を得る工程と、
前記成形体を非酸化雰囲気中１４００〜１４５０℃で熱処理する工程と、
を含むことを特徴とする珪素−炭化珪素複合部材の製造方法。
【請求項９】
請求項１乃至請求項７のいずれかに記載の珪素−炭化珪素複合部材からなる吸着面を有することを特徴とする半導体ウエハの吸着部材。
【請求項１０】
請求項９に記載の半導体ウエハの吸着部材が、ガラスまたは珪素を主成分とする接合層を介して、炭化珪素を主成分とする焼結体からなる支持部材に固定されたことを特徴とする真空吸着装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、珪素−炭化珪素複合部材とその製造方法並びにこれを用いた半導体ウエハの吸着部材及び真空吸着装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
従来より、半導体ウエハのデバイス形成面の裏面を研削するために、吸着面を備え、その吸着面上に真空吸引することで半導体ウエハを固定する吸着部材と、半導体ウエハをグラインド加工するダイヤモンドホイールとを備えるウエハ研削装置が用いられている。真空吸引により吸着部材に固定された半導体ウエハは、ダイヤモンドホイールで研削されるが、加工された面には通常加工変質層が発生する。近年、半導体ウエハの極薄化に伴い、加工変質層の影響が相対的に大きくなり、半導体ウエハから半導体素子を形成する工程で、この加工変質層の影響を受け、半導体素子にクラックが入りやすいという問題が顕在化しつつある。
【０００３】
近年では加工変質層を除去するため、半導体ウェハのデバイス形成面の裏面を、例えば砥粒が付着した研磨布で磨くというドライポリッシュ方式による追加研磨が提案されている。当初、ドライポリッシュ方式のウエハ研磨装置の吸着部材には、ウエハ研削装置で用いられた、アルミナ質焼結体からなる吸着部材を転用していたが、アルミナ質焼結体の熱伝導率が低いために、ダイヤモンドホイールによる研削中に半導体ウエハから十分熱を逃がすことができず、デバイス形成面を保護するために用いられていた樹脂フィルムが溶けて、デバイス形成面が損傷するという問題が発生していた。
【０００４】
この問題を解決するために、炭化珪素の高い熱伝導性に注目し、以下の特許文献１〜４で提案される炭化珪素を含むセラミック部材が上記吸着部材の検討対象として挙げられる。
【０００５】
特許文献１では、平均結晶粒径が０．３〜１００μｍ、開気孔率が１０〜６０体積％の多孔質炭化珪素焼結体が提案されている。
【０００６】
また、特許文献２では、平均結晶粒径が５〜１００μｍ、気孔径が１〜３０μｍ、気孔率が２０〜６０％の多孔質炭化珪素焼結体が提案されている。
【０００７】
また、特許文献３では、炭化珪素結晶の平均粒径が２０〜１００μｍ、気孔率が４０％以下、熱伝導率が８０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上の多孔質炭化珪素焼結体が提案されている。
【０００８】
また、特許文献４では、平均結晶粒径２０〜１００μｍ、気孔率１０〜５０％、熱伝導率１６０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上の炭化珪素に、金属珪素を含浸した珪素−炭化珪素複合部材が提案されている。
【特許文献１】特開昭６２−１００４７７号公報
【特許文献２】特開２０００−１６８７２号公報
【特許文献３】特開２００１−１５８６７４号公報
【特許文献４】特開２００２−１１６５３号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、特許文献１〜３で提案された多孔質炭化珪素焼結体や特許文献４で提案された珪素−炭化珪素複合部材は、いずれも平均粒径が１００μｍ以下の小さな炭化珪素結晶粒で構成されているため、直線性の高い貫通孔を形成することができず、その結果圧力損失が高くなり、真空吸着装置用吸着部材として用いた場合、半導体ウエハを精度良く固定することができないという問題があった。
【００１０】
加えて、特許文献１で提案された多孔質炭化珪素焼結体は、ドライ・エッチング装置用部品を対象としたものであり、腐食性ガスに対する耐食性は良好であるものの、熱応答性や放熱性が低く、ドライ・エッチング装置用部品等限定された用途にしか用いることができなかった。
【００１１】
また、特許文献２で提案された多孔質炭化珪素焼結体は、気孔径が１〜３０μｍと小さく、微粒子を捕集、集塵するようなハニカムフィルタに適用すると、良好な集塵特性が示されるものの、熱応答性や放熱性を考慮したものではなかった。
【００１２】
また、特許文献４で提案された珪素−炭化珪素複合部材は予め、平均粒径５０〜１００μｍのα型炭化珪素粉末と平均粒径０．１〜１．０μｍのα型炭化珪素粉末を混合した後、造粒、成形、焼成を行って、多孔質炭化珪素焼結体とした後、金属珪素を含浸させて緻密質体としたものであって、緻密質体に対しては製造条件の設定が容易であっても多孔質体に対しては製造条件の設定が難しく、特に吸着部材としての強度を確保することが難しかった。
【００１３】
特に従来は前記珪素相の間隙および気泡を非連結部とし、該珪素−炭化珪素複合部材の特定範囲の断面を平面視したとき、該非連結部の面積比率＝（非連結部の面積）／（珪素相の面積＋非連結部の面積）×１００（％）が４％となるのを境に、急激に非連結部の面積比率が増加しやすくなるいう問題がある。
【００１４】
本発明は、適正な通気性、強度を兼備した状態で、圧力損失が低く、熱応答性、放熱性の良好な珪素−炭化珪素複合部材及びその製造方法並びにこれを用いた吸着部材や真空吸着装置を安価に提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１５】
上記に鑑みて本発明は、複数の炭化珪素の結晶粒子を３次元的に配置させるとともに、隣り合う炭化珪素の結晶粒子間を珪素相により接合した立体的な網目構造を形成した珪素−炭化珪素複合部材であって、前記珪素相の間隙および気泡を非連結部とし、該珪素−炭化珪素複合部材の断面を平面視したときの該非連結部の面積比率＝（非連結部の面積）／（珪素相の面積＋非連結部の面積）×１００（％）が３．５％以下であることを特徴とする。
【００１６】
さらに前記炭化珪素の結晶粒子の平均粒径が１０５〜３５０μｍであることを特徴とする。
【００１７】
さらに前記珪素−炭化珪素系複合部材の気孔率が３０〜４０％であることを特徴とする。
【００１８】
さらに前記珪素−炭化珪素系複合部材の平均気孔径が４０〜１２０μｍであることを特徴とする。
【００１９】
さらに前記炭化珪素の結晶粒子が多面体であって、六面体以上の多面体である炭化珪素の結晶粒子の個数が全炭化珪素の結晶粒子の個数に対し８０％以上を占めることを特徴とする。
【００２０】
さらに前記珪素相を挟んで対向する炭化珪素の結晶粒子間の最短距離が３５０μｍ以下であることを特徴とする。
【００２１】
さらに３点曲げ強度が３０ＭＰａ以上、ヤング率が３０ＧＰａ以上であることを特徴とする。
【００２２】
さらに、上記珪素−炭化珪素複合部材の製造方法は、平均粒径１０５〜３５０μｍのα型炭化珪素粉末１００重量部に対して、平均粒径１〜９０μｍの珪素粉末１５〜３０重量部を調合し、混合、造粒して顆粒を得る工程と、前記顆粒を所定形状に成形して成形体を得る工程と、前記成形体を非酸化雰囲気中１４００〜１４５０℃で熱処理する工程と、
を含むことを特徴とする。
【００２３】
さらに上記珪素−炭化珪素複合部材からなる吸着面を有することを特徴とする。
【００２４】
さらに上記半導体ウエハの吸着部材が、ガラスまたは珪素を主成分とする接合層を介して、炭化珪素を主成分とする焼結体からなる支持部材に固定されたことを特徴とする。
【発明の効果】
【００２５】
本発明の珪素−炭化珪素複合部材は、複数の炭化珪素の結晶粒子を３次元的に配置させるとともに、隣り合う炭化珪素の結晶粒子間を珪素相により接合した立体的な網目構造を形成した珪素−炭化珪素複合部材であって、前記珪素相の間隙および気泡を非連結部とし、該珪素−炭化珪素複合部材の断面を平面視したときの２２００μｍ×１７００μｍの範囲における該非連結部の面積比率＝（非連結部の面積）／（珪素相の面積＋非連結部の面積）×１００（％）が３．５％以下であることで、炭化珪素より熱伝導が高く、炭化珪素結晶粒子間の熱伝導に寄与する珪素相が十分機能し、熱応答性、放熱性が良好であって、しかも強度の高い珪素−炭化珪素複合部材とすることができる。
【００２６】
また、炭化珪素の結晶粒子の平均粒径を１０５〜３５０μｍとすることで、真空吸着に寄与しない閉気孔の形成を防止できるとともに、極端に大きな気孔も形成されないため、強度低下することのない珪素−炭化珪素複合部材とすることができる。
【００２７】
さらに、気孔率を３０〜４０％とすることで、強度を維持できるとともに、圧力損失を招くことのない、熱応答性、放熱性の良好な珪素−炭化珪素複合部材とすることができる。
【００２８】
またさらに、平均径が４０〜１２０μｍの気孔を形成することで、強度を維持できるとともに、圧力損失を招くことのない珪素−炭化珪素複合部材とすることができる。
【００２９】
さらにまた、上記炭化珪素の結晶粒子が多面体であって、六面体以上の多面体である炭化珪素の結晶粒子の個数が全炭化珪素の結晶粒子の個数に対し８０％以上を占めることで、炭化珪素の結晶粒子同士の接触も増えるので、熱応答性、放熱性のより良好な珪素−炭化珪素複合部材とすることができる。
【００３０】
さらに、珪素相を挟み、対向する炭化珪素粒子間の距離を３５０μｍ以下とすることで、強度低下を招くことのない珪素−炭化珪素複合部材とすることができる。
【００３１】
またさらに、３点曲げ強度を３０ＭＰａ以上、ヤング率を３０ＧＰａ以上とすることで
用途に応じて珪素−炭化珪素複合部材を薄くできるとともに、吸着部材に用い、真空吸引する場合においても吸着面が撓んだり、吸着面から脱粒したりすることがない。
【００３２】
また、上記珪素−炭化珪素複合部材の製造方法を、平均粒径１０５〜３５０μｍのα型炭化珪素粉末１００重量部に対して、平均粒径１〜９０μｍの珪素粉末１５〜３０重量部を調合し、均一に混合、造粒して顆粒を得る工程と、顆粒を所定形状に成形して成形体を得る工程と、前記成形体を、非酸化雰囲気中、１４００〜１４５０℃で熱処理する工程とを含む製造方法とすることで、低圧損性、熱応答性、放熱性を兼備した珪素−炭化珪素複合部材を安価に効率よく製造することができる。
【００３３】
また、上記珪素−炭化珪素複合部材を、吸着面を備え、その吸着面上に真空吸引することで半導体ウエハを固定する吸着部材に用いた場合、圧力損失が低くかつ放熱性が良好であるため、半導体ウエハを均一に安定して固定することができるとともに、半導体ウエハを保持する樹脂フィルムを溶かすことがないので好適である。
【００３４】
さらに、上記吸着部材が接合層を介して支持部材に固定されてなる真空吸着装置であって、接合層をガラスまたは珪素を主成分とするとともに、支持部材を炭化珪素を主成分とする焼結体とすることで、樹脂で接合した場合に比べ、接合強度の低下、接合層の剛性低下及び熱抵抗の増大が発生しにくく、信頼性の高いものにすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００３５】
以下、本発明の実施形態を図を用いて説明する。
【００３６】
図１は、本発明の珪素―炭化珪素複合部材の内部を示す模式図である。
【００３７】
本発明の珪素−炭化珪素複合部材は、複数の炭化珪素の結晶粒子を３次元的に配置させるとともに、隣り合う炭化珪素の結晶粒子間を珪素相により接合した立体的な網目構造を形成したものであり、また炭化珪素の結晶粒子を珪素相で取り囲んだ場合なども含むが、図１に示すように炭化珪素の結晶粒子１が気孔２ａ、２ｂ間を連続する珪素相３を介して連結されるとともに、複数の炭化珪素の結晶粒子を３次元的に配置させるとともに、隣り合う炭化珪素の結晶粒子間を珪素相により接合した立体的な網目構造を形成した珪素−炭化珪素複合部材であって、前記珪素相の間隙および気泡を非連結部とし、該珪素−炭化珪素複合部材の断面を平面視したときの２２００μｍ×１７００μｍの範囲における該非連結部の面積比率＝（非連結部の面積）／（珪素相の面積＋非連結部の面積）×１００（％）が３．５％以下であることを特徴とするものである。
【００３８】
なお炭化珪素の結晶粒子１間の珪素相３が空孔を有していたり、珪素相３がＵ字状となり一方の炭化珪素の結晶粒子とは２点で接合していても、炭化珪素の結晶粒子１と珪素相３との接合面積がトータルで同じもの同士であれば熱伝導度の差は殆ど無い。ただし珪素相３が複数に分岐してしまうと、珪素相３はその分だけ接合面積が必要になるため、できるだけ分岐していない一塊の珪素相３で接合されることが好ましい。
【００３９】
炭化珪素の結晶粒子１、珪素相３とも熱応答性、放熱性は良好で、本発明の珪素−炭化珪素複合部材では珪素相３は炭化珪素の結晶粒子１を連結する。炭化珪素に対し、珪素の濡れ性は良好で、炭化珪素の結晶粒子１に容易に被着し、この被着した珪素は互いに連結して珪素相３を形成する。この形成過程で、珪素相３の内部には、図２に示されるような非連結部４、即ち珪素相３の内部に空隙４ａおよび気泡４ｂを極力発生させないようにすることが重要である。このような非連結部４は熱応答性、放熱性を低下させるからである。
【００４０】
非連結部４の有無は、例えば走査型電子顕微鏡を用い、倍率５０〜５０００倍とし、１．８ｍｍ×２．０ｍｍの範囲で観察することができる。
【００４１】
非連結部４の面積比率は、以下の式（１）で定義される比率であって、以下のような方法で測定、算出することができ、珪素−炭化珪素複合部材の熱応答性、放熱性は非連結部の面積比率を小さくするほうが好ましく、その上限を３．５％とすることが重要である。
【００４２】
非連結部の面積比率＝（非連結部の面積）／（珪素相の面積＋非連結部の面積）
×１００（％）  ・・・（１）
即ち、珪素−炭化珪素複合部材の一部を真空中で樹脂に埋め込んで円柱状の試料とし、
この試料の平面をダイヤモンド砥粒を用いて研磨して鏡面とした後、工業用顕微鏡（Nikon  ECLIPSE LV150）を用いて、この鏡面を５〜５０倍にて撮影した画像をＪＰＥＧ形式にて保存する。
【００４３】
次に、ＰＥＧ形式で保存した画像ファイルをAdobe Photoshop Elements（登録商標）というソフトを用いて画像処理を施し、ＢＭＰ形式にて保存する。具体的には画像上の有彩色を削除し、白黒の二階調化（白黒化）を行う。この二階調化では、工業用顕微鏡（Nikon  ECLIPSE LV150）で撮影した画像と比べながら、炭化珪素の結晶粒子１と珪素相３が識別できる閾値を設定する。
【００４４】
閾値を設定した後、この二階調化された画像を「画像から面積」というフリーソフトを用いて、珪素相３の面積をピクセル単位で読みとる。
【００４５】
非連結部４についても上述と同様の方法で読みとり、式（１）で算出する。
【００４６】
炭化珪素成形体に溶融した珪素を含浸させる場合、毛細管現象により成形体を構成する顆粒内部に存在する亀裂に選択的に充填し、珪素相は炭化珪素の結晶粒子を十分接合させることができず、好適な強度、熱応答性、放熱性を得ることができない。
【００４７】
また、珪素−炭化珪素複合部材を構成する炭化珪素の結晶粒子の平均粒径を１０５〜３５０μｍとすることが好適である。
【００４８】
炭化珪素の結晶粒子の平均粒径を１０５μｍ以上としたのは、１０５μｍ未満では、
小さな気孔が形成されたり、あるいは真空吸着に寄与しない閉気孔が形成されたりすることがあり、吸着部材として用いた場合にも、十分な吸着力が得られないことがあるからである。一方、上記平均粒径を３５０μｍ以下としたのは、３５０μｍを超えると、極端に大きな気孔が形成されることがあり、強度低下のおそれがあるからである。炭化珪素の結晶粒子の平均粒径を１０５〜３５０μｍとすることで、真空吸着に寄与しない閉気孔の形成を防止できるため、十分な吸着力が得られるとともに、極端に大きな気孔も形成されないため、強度低下することのない珪素−炭化珪素複合部材とすることができる。
【００４９】
炭化珪素の結晶粒子の平均粒径は、例えば倍率２０〜８００倍の走査型電子顕微鏡（以下、走査型電子顕微鏡をＳＥＭと称す。）写真を用いたインターセプト法により測定するか、あるいはＳＥＭで得られた倍率２０〜８００倍の観察画像を数値解析することで求めることができる。インターセプト法を用いる場合、具体的には、サンプル数が１０以上、好ましくは２０以上となるように数枚のＳＥＭ写真より一定長さの直線上にある結晶粒界の個数から粒径を測定し、その平均を算出する。
【００５０】
さらに、珪素−炭化珪素複合部材の気孔率を３０〜４０％にすることが好適である。
【００５１】
上記気孔率を３０％以上としたのは、３０％未満にすると、圧力損失の増大を引き起こすおそれがあるからである。一方、上記気孔率を４０％以下としたのは、４０％を超えると、熱伝導率や強度が低下するおそれがあるからである。
【００５２】
気孔率を３０〜４０％にすることで圧力損失の増大を引き起こしたり、熱伝導率や強度が低下したりすることのない珪素−炭化珪素複合部材とすることができる。
【００５３】
上記珪素−炭化珪素複合部材の気孔率はアルキメデス法により求めることができる。
【００５４】
また、気孔の平均径を４０〜１２０μｍにしても好適である。
【００５５】
気孔の平均径を４０μｍ以上としたのは、４０μｍ未満にすると、気孔率３０％未満と同様、圧力損失を引き起こすおそれがあるからである。一方、１２０μｍ以下としたのは、１２０μｍを超えると、気孔率が４０％を超えた場合と同様、強度が低下するおそれがあるからである。また、半導体ウエハを固定する吸着部材に用いた場合、真空吸引中、吸着面が部分的に凹み、半導体ウエハはその凹みに倣って固定されるため、研磨後の半導体ウエハ表面の平坦性が悪く場合もある。気孔径を４０〜１２０μｍにすることで圧力損失を引き起こしたり、強度が低下したりすることのない珪素−炭化珪素複合部材とすることができる。また、気孔の平均径が４０〜１２０μｍの珪素−炭化珪素複合部材を吸着部材に用い、半導体ウエハを真空吸引により固定、研磨しても表面の平坦性が良好な半導体ウエハとすることができる。
【００５６】
上記珪素−炭化珪素複合部材の気孔の平均径はＪＩＳ  Ｒ  １６５５−２００３に準拠した水銀圧入法により求めることができる。
【００５７】
さらに、上記炭化珪素の結晶粒子が多面体であって、六面体以上の個数の比率を８０％以上とすることで、炭化珪素の結晶粒子同士の接触も増えるので、熱応答性、放熱性のより良好な珪素−炭化珪素複合部材とすることができる。
【００５８】
８０％未満では炭化珪素の結晶粒子同士の接触が不十分な場合もあり、局部的に熱応答性、放熱性が低下するおそれもある。
【００５９】
特に、六面体以上の個数の比率を９０％以上とすることがより好適である。
【００６０】
またさらに、図３は本発明の珪素−炭化珪素複合部材の拡大図を示すが、この拡大図に示される炭化珪素の結晶粒子１と珪素相３との接合部の幅（ｗ）を炭化珪素の結晶粒子１を形成する多面体の最小辺の長さ（Ｌ）の０．２倍以上にすれば、炭化珪素の結晶粒子１と珪素相との接合強度は増加するので、珪素−炭化珪素複合部材としての強度も向上する。また、珪素相３の面積（Ｓ）も増えるので、熱応答性、放熱性は良好となり、特に上記幅（ｗ）は、長さ（Ｌ）の０．５倍以上であることが好適である。
【００６１】
０．２倍未満では炭化珪素の結晶粒子と珪素相との接合強度が不十分な場合もあり、局部的に接合強度が低下するおそれもある。
【００６２】
さらにまた、珪素相を挟み、対向する炭化珪素粒子間の距離（ｄ）が３５０μｍ以下とすることで珪素相より機械的強度の高い炭化珪素粒子の比率を高くすることができるので、珪素−炭化珪素複合部材としての強度も向上する。
【００６３】
３５０μｍより大きいと珪素相より融点の高い炭化珪素粒子の比率が低く、相対的に珪素相の比率が高くなるために、高温環境下では使用しにくいという不具合が発生する。
【００６４】
接合部の幅（ｗ）、最小辺の長さ（Ｌ）及び炭化珪素粒子間の距離（ｄ）は倍率２０〜８００倍のＳＥＭ写真から求めることができ、より正確な測定を要する場合には、ポリエステル系樹脂等冷間埋込樹脂で気孔を埋め、鏡面加工した面のＳＥＭ写真を用いればよい。
【００６５】
また、上記珪素−炭化珪素複合部材の３点曲げ強度及びヤング率をそれぞれ３０ＭＰａ以上、３０ＧＰａ以上であることが好適である。
【００６６】
３点曲げ強度が３０ＭＰａ未満あるいはヤング率が３０ＧＰａ未満では、珪素−炭化珪素複合部材を半導体ウエハを真空吸引により固定する吸着部材に用いた場合、到達真空度によっては、珪素−炭化珪素複合部材に発生する微小振動を抑えられないからであり、珪素−炭化珪素複合部材の３点曲げ強度及びヤング率をそれぞれ３０ＭＰａ以上、３０ＧＰａ以上とすることで、到達真空度の自由度を高められ、半導体ウエハを安定的に固定することができ、加工性能も向上する。
【００６７】
３点曲げ強度については、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１−１９９５に準拠して測定し、ヤング率についてはＪＩＳ  Ｒ  １６０２−１９９５に規定された３点曲げ試験における荷重点の変位量または試験片中央部の変位量から算出すればよい。
【００６８】
さらに、炭化珪素の結晶粒子を珪素で被覆することが好適である。炭化珪素の結晶粒子を珪素で被覆することで、使用中、炭化珪素が脱粒するおそれが亡くなるからである。
【００６９】
次いで、本発明の珪素−炭化珪素複合部材の製造方法について説明する。           
本発明の珪素−炭化珪素複合部材を得るには、先ず平均粒径１０５〜３５０μｍのα型炭化珪素粉末１００重量部に対して、平均粒径１〜９０μｍの珪素粉末１５〜３０重量部を調合し、成形助剤として後の脱脂処理後の残炭率が３０％以上となるような熱硬化性樹脂、例えば、フェノール樹脂、エポキシ樹脂、フラン樹脂、フェノキシ樹脂、メラミン樹脂、尿素樹脂、アニリン樹脂、不飽和ポリエステル樹脂、ウレタン樹脂、メタクリル樹脂の少なくともいずれか１種を添加し、ボールミル、振動ミル、コロイドミル、アトライター、高速ミキサー等で均一に混合する。特に、上記成形助剤として、熱硬化後の低収縮性の点からレゾール型またはノボラック型のフェノール樹脂が好適である。
【００７０】
成形助剤の添加量は、成形体の生密度を左右するため、珪素−炭化珪素複合部材の気孔率にも強く影響する。珪素−炭化珪素複合部材の気孔率を３０〜４０％とするには、α型炭化珪素粉末１００重量部に対し、成形助剤の添加量を１〜２重量部とすればよい。
【００７１】
ところで、炭化珪素にはα型とβ型が存在し、一般的にα型はβ型より耐酸化性が高く、粒子内部には残留炭素や残留珪素を殆ど含まない。このような理由から出発原料にはα型炭化珪素を用いる。また、このα型炭化珪素粉末の平均粒径を１０５〜３５０μｍとすることが重要で、平均粒径が１０５μｍ以下では、径の小さな粉末が閉気孔を形成したり、気孔自体を小さくしたりすることで圧力損失が高くなり、一方、３５０μｍを超えると、珪素−炭化珪素複合部材の密度が低下することで、強度が低下するからである。α型炭化珪素粉末の平均粒径を１０５〜３５０μｍとすることで、圧力損失が低く、強度低下を招くことのない珪素−炭化珪素複合部材とすることができる。また、珪素粉末は、後の熱処理で珪素層となって、炭化珪素の結晶粒子を連結する。珪素粉末は、平均粒径１〜９０μｍの粉末を用い、α型炭化珪素粉末１００重量部に対し、その比率を１５〜３０重量部とすることが重要である。珪素粉末の平均粒径が１μｍ未満では、珪素粉末の分散性が悪く、局部的にしか炭化珪素の結晶粒子を連結することができないからである。一方、９０μｍを超えると、後の熱処理で珪素粉末は溶融して炭化珪素粉末を被覆するように移動するので、珪素粉末が部分的に凝集して占有していた空間は大きな気孔として残り、強度低下を招くからである。
【００７２】
また、α型炭化珪素粉末１００重量部に対し、珪素粉末の比率を１５〜３０重量部としたのは、珪素粉末の比率が１５重量部未満では、炭化珪素の結晶粒子に対する比率が低く、前記結晶粒子を十分連結させられないからである。一方、比率が３０重量部を超えると、珪素が偏析しやすく、相対的に機械的特性の良好な炭化珪素の比率が下がり、十分な機械的特性を得られないからである。珪素粉末の比率を１５〜３０重量部とすることで、十分な機械的特性を備えた均質な組織を有する珪素−炭化珪素複合部材とすることができる。
【００７３】
上述の通り、炭化珪素の結晶粒子と珪素相との接合部の幅は、珪素粉末の比率によって左右され、炭化珪素の結晶粒子と珪素相との接合部の幅が、炭化珪素の結晶粒子を形成する多面体の最小辺の長さの０．２倍以上とするには、その比率を２０〜３０重量部とすればよい。
【００７４】
なお、珪素粉末の純度は高いほうが望ましく、９５％以上の純度のものが好適で、９９％以上の高純度珪素の使用が特に好ましい。なお、使用する珪素粉末の形状は特に限定されず、球形又はそれに近い形状のみならず、不規則形状であっても好適に用いることができる。
【００７５】
上記炭化珪素粉末、珪素粉末の各平均粒径は液相沈降法、光投下法、レーザー散乱回折法等により測定することができる。
【００７６】
次に、混合した原料を転動造粒機、スプレードライヤー、圧縮造粒機、押し出し造粒機等各種造粒機を用いて顆粒にする。特に、粒径の大きな顆粒、例えば粒径０．４〜１．６μｍの顆粒を得るには、転動造粒機の使用が好適である。
【００７７】
珪素−炭化珪素複合部材を形成する炭化珪素の結晶粒子は、造粒時間によってその形状が支配され、造粒時間を長くすれば、楕円球体に近くなり、短くすれば、多面体となる。
【００７８】
炭化珪素の結晶粒子が多面体であって、六面体以上の個数の比率を８０％以上とするには、造粒時間を４０分以下にし、成形体の潰れ性を考慮すると３０分以上にすることが好適である。
【００７９】
また、この造粒で得られる顆粒の粒径は、０．４〜１．６ｍｍとすることが好適で、０．４ｍｍ未満あるいは１．６ｍｍを超えても成形体の潰れ性が悪くなったり、ハンドリングが難しくなったりするが、顆粒の粒径を０．４〜１．６ｍｍとすることで成形体の潰れ性もハンドリングも向上する。特に、上記顆粒の粒径は０．５〜１．５ｍｍとすることが好適である。
【００８０】
次に、顆粒を乾式加圧成形、冷間等方静水圧成形等の成形手段で所望の形状に成形して成形体とし、必要に応じて、アルゴン、ヘリウム、ネオン、窒素、真空等の非酸化雰囲気中、４００〜６００℃で脱脂処理を行った後、脱脂処理と同様、非酸化雰囲気中、１４００〜１４５０℃で熱処理することで珪素−炭化珪素複合部材とすることができる。
【００８１】
なお、熱処理の温度を下げるには、珪素の純度を９９．５〜９９．８質量％とすることが好適である。
【００８２】
珪素−炭化珪素複合部材を形成する炭化珪素の結晶粒子の平均粒径、気孔の平均径、珪素相を挟んで対向する炭化珪素粒子間の距離、３点曲げ強度及びヤング率は、成形圧によって左右される。成形圧を高くすれば、炭化珪素の結晶粒子、気孔の平均径及び炭化珪素粒子間の距離は短くなり、成形圧を低くすれば、長くなる。また、３点曲げ強度、ヤング率とも成形圧とは正の相関関係を有する。このような関係に基づき、炭化珪素の結晶粒子の平均粒径を１０５〜３５０μｍにするには、１６０ＭＰａ以下にすればよい。また、気孔の平均径を４０〜１２０μｍとするには、成形圧を８０〜１４０ＭＰａにすればよく、炭化珪素粒子間の距離を３５０μｍ以下にするには、成形圧を１００ＭＰａ以上にすればよい。さらに、３点曲げ強度を３０ＭＰａ以上、ヤング率を３０ＧＰa以上にするには、ともに成形圧を１２０ＭＰａ以上にすればよい。
【００８３】
熱処理では、その温度を１４００〜１４５０℃とすることが重要で、１４００℃未満では、珪素粉末が十分溶融しないため、炭化珪素の結晶粒子を珪素相として連結することができないからであり、１４５０℃を超えると、珪素が蒸発することで強度低下を招きやすいとともに、製造コストが高くなるからである。熱処理温度を１４００〜１４５０℃とすることで、珪素粉末は蒸発することなく適度に溶融するため、隣り合う炭化珪素の結晶粒子間に空洞部が介在して２箇所以上の接合部を発生することなく、炭化珪素の結晶粒子を珪素相として連結することができ、適切な強度及び熱伝導率が得られ、製造コストも削減することができる。特に、熱処理温度を１４２０〜１４５０℃にすることが好適で、この温度範囲で熱処理することで３点曲げ強度が３０ＭＰａ以上、ヤング率が３０ＧＰａ以上の珪素−炭化珪素複合部材を得ることができる。また炭化珪素の結晶粒子を珪素で被覆するには、珪素粉末を十分溶融させた上で、珪素が蒸発したり、雰囲気内で浮遊する炭素と一部反応して炭化珪素に変化したりすることのないようにしなければならない。このような観点から炭化珪素の結晶粒子を珪素で被覆するには、１４２０〜１４４０℃にすればよい。
【００８４】
このような製造方法で得られた珪素−炭化珪素複合部材は、必要に応じて研削、研磨等の機械加工を施し、所望の製品にすることができる。
【００８５】
特に上記珪素−炭化珪素複合部材は、研削、研磨によって吸着面を作製し、この吸着面上に真空吸引することで半導体ウエハを固定する吸着部材として利用することが好適である。
【００８６】
なお、吸着面はその面状態が加工後の半導体ウエハの精度に影響を与えることから極力平坦化する必要があり、少なくとも平坦度１μｍ以下、好ましくは平坦度０．３μｍ以下とすることが望まれる。
【００８７】
また、上記吸着部材を接合層を介して支持部材に固定されてなる真空吸着装置において、接合層がガラスまたは珪素を主成分とするとともに、支持部材を炭化珪素を主成分とする焼結体とすることが好適である。
【００８８】
接合層がガラスを主成分とする場合、熱膨張係数が比較的炭化珪素や珪素の熱膨張係数に近似していることが好ましく、例えば熱膨張係数が３．０〜５．５×１０−６／℃であることが好適である。
【００８９】
また、上記ガラスの軟化点は、炭化珪素や珪素の融点より低ければよく、軟化点が例えば９００〜９２０℃のものを用いればよく、具体的にはホウケイ酸ガラス、ケイ酸系ガラスが好適である。
【００９０】
本発明の珪素−炭化珪素複合部材を用いた吸着部材と、炭化珪素を主成分とする焼結体よりなる支持部材とを、ガラスまたは珪素を主成分とする接合層を介して固定することで、接合界面におけるクラックや剥がれの発生を防止することができる。従って、ヒートサイクルを受けても破壊しにくく、長期信頼性に優れた真空吸着装置とすることができる。特に、接合層が珪素を主成分とする場合、一般的な樹脂系の接着剤で接合層を形成した場合に比べ、熱伝導率が高く、良好である。
【実施例】
【００９１】
以下本発明の実施例を具体的に説明するが、本発明はこれらの実施例により限定されるものではない。
【００９２】
（実施例１）
先ず、α型炭化珪素粉末、珪素粉末及び成形助剤となるフェノール樹脂を均一に混合し、調合原料を作製した。この調合原料を転動造粒機に投入し、顆粒とした後、乾式加圧成形にて成形体を得た。次にこの成形体を窒素雰囲気中、５００℃で脱脂処理した後、温度を上げ同じく窒素雰囲気中で熱処理した。
【００９３】
なお、上述の方法で用いたα型炭化珪素粉末、珪素粉末の各平均粒径、α型炭化珪素粉末に対する珪素粉末及びフェノール樹脂の比率、造粒時間、乾式加圧成形における成形圧及び熱処理の温度は、表１に示す通りである。
【００９４】
得られた試料については、走査型電子顕微鏡を用い、試料の各評価項目に応じて、倍率２０〜８００倍あるいは３００〜５０００倍の中から最適な倍率を選択して、気孔間を連通する珪素相の有無、非連結部の有無、炭化珪素の結晶粒子の六面体以上の個数の比率、炭化珪素の結晶粒子と珪素相との接合部の幅、珪素相を挟み、対向する炭化珪素粒子間の距離及び珪素による炭化珪素結晶粒子の被覆状態を評価した。表１では、気孔間を連通する珪素相が観察されたものを○、観察されなかったものを×とした。また、非連結部の面積比率については、以下の方法、数式で算出し、その値を表１に示した。
【００９５】
非連結部の面積比率＝（非連結部の面積）／（珪素相の面積＋非連結部の面積）
×１００（％）・・・（１）
即ち、珪素−炭化珪素複合部材の一部を真空中で樹脂に埋め込んで円柱状の試料とし、
この試料の平面をダイヤモンド砥粒を用いて研磨して鏡面とした後、工業用顕微鏡（Nikon  ECLIPSE LV150）を用いて、この鏡面を５倍にて撮影した画像をＪＰＥＧ形式にて保存した。次に、ＰＥＧ形式で保存した画像ファイルをAdobe Photoshop Elements（登録商標）というソフトを用いて画像処理を施し、ＢＭＰ形式にて保存した。具体的には画像上の有彩色を削除し、白黒の二階調化（白黒化）を行った。この二階調化では、工業用顕微鏡（Nikon  ECLIPSE LV150）で撮影した画像と比べながら、炭化珪素の結晶粒子１と珪素相３が識別できる閾値を設定した。閾値を設定した後、この二階調化された画像を「画像から面積」というフリーソフトを用いて、珪素相３の面積をピクセル単位で読みとった。
【００９６】
非連結部４についても上述と同様の方法で読みとり、式（１）で算出した。
【００９７】
また、珪素が炭化珪素結晶粒子を完全に被覆しているものを○、一部被覆されていないものを△で示した。
【００９８】
上記試料の気孔率、気孔の平均径、３点曲げ強度、ヤング率、熱伝導率についてはそれぞれアルキメデス法、ＪＩＳ  Ｒ  １６５５−２００３、ＪＩＳ  Ｒ  １６０１−１９９５、ＪＩＳ  Ｒ  １６０２−１９９５に規定されたレーザーフラッシュ法に準拠して測定した。
【００９９】
また、圧力損失については、直径６０ｍｍ、高さ１０ｍｍの円柱体に形成され、この円柱体の一方の端面より空気を導入し、予め反対側の端面のみから空気が排出されるように側面を覆った試料を準備し、流量９Ｌ／分の空気導入前後に発生する圧力差を圧力ゲージにより圧力損失として検出した。
【表１】
2007005762.tif 000003
【０１００】
表１に示す通り、試料Ｎｏ．１は、α型炭化珪素粉末の平均粒径が１０５μｍ未満であるため、気孔の平均径が４８μｍと小さく、その結果、圧力損失も１．０５ｋＰａと高かった。また、試料Ｎｏ．３２は、α型炭化珪素粉末の平均粒径が３５０μｍより大きいため、３点曲げ強度が１２ＭＰａと低かった。
【０１０１】
試料Ｎｏ．３は、珪素粉末の平均粒径が１μｍ未満であるため、非連結部の面積比率が３．７％と大きく、３点曲げ強度、熱伝導率ともそれぞれ１３ＭＰａ、５８Ｗ／（ｍ・ｋ）と低かった。また、試料Ｎｏ．３０は、珪素粉末の平均粒径が９０μｍより大きいため、気孔の平均径が１４０μｍと大きく、３点曲げ強度が１３ＭＰａと低かった。
【０１０２】
試料Ｎｏ．５は、α型炭化珪素粉末１００重量部に対し、珪素粉末の比率が１５重量部未満であるため、非連結部の面積比率が３．７％と大きく、３点曲げ強度、熱伝導率ともそれぞれ１３ＭＰａ、６０Ｗ／（ｍ・ｋ）と低かった。また、試料Ｎｏ．２８は、α型炭化珪素粉末１００重量部に対し、珪素粉末の比率が２５３０重量部を超えているため、珪素の偏析が観察され、３点曲げ強度も１４ＭＰａと低かった。
【０１０３】
試料Ｎｏ．７は、熱処理温度が１４００℃未満であるため、珪素粉末を十分溶融させることができなかったため、珪素−炭化珪素複合部材を形成することができなかった。また、試料Ｎｏ．２６は、熱処理温度が１４５０℃を超えているため、珪素が蒸発し、強度低下を招き、３点曲げ強度は１０ＭＰａと低かった。
【０１０４】
一方、本発明の範囲内の試料Ｎｏ．２，４，６，８〜２５，２７，２９，３１，３３は、３点曲げ強度２２ＭＰａ以上、ヤング率２２ＧＰａ以上、熱伝導率７０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上といずれも高い上、圧力損失は０．８５ｋＰａ以下と低く、良好であることがわかる。
【０１０５】
特に、気孔率が３０〜４０％である試料Ｎｏ.２，４，６，８〜１２，１４〜２０，２２〜２５，２７，２９，３１，３３は３点曲げ強度２３ＭＰａ以上、ヤング率２４ＧＰａ以上、熱伝導率７０Ｗ／（ｍ・ｋ）以上といずれも高い上、圧力損失は０．８５ｋＰａ以下と低く好適であることがわかる。
【０１０６】
さらに、気孔率が３０〜４０％であって、気孔の平均径が４０〜１２０μｍである試料Ｎｏ．２，４，６，８，９，１２，１４〜１９，２２〜２５，２７，２９，３３は３点曲げ強度２５ＭＰａ以上、ヤング率２６ＧＰａ以上、熱伝導率７１Ｗ／（ｍ・ｋ）以上といずれも高い上、圧力損失は０．４３ｋＰa以下と低く、さらに好適であることがわかる。
【０１０７】
ところで、試料Ｎｏ．９，２２，２３は造粒時間のみを変更することにより、多面体を形成する炭化珪素結晶粒子のうち、六面体以上の結晶粒子の個数の比率変化を調べた試料であり、造粒時間が長くなれば、その比率が減少し、炭化珪素の結晶粒子同士の接触も減り、熱伝導率も減少することがわかる。
【０１０８】
また、気孔率が３０〜４０％、気孔の平均径が４０〜１２０μｍであって、炭化珪素の結晶粒子と珪素相との接合部の幅が、炭化珪素の結晶粒子を形成する多面体の最小辺の長さの０．２倍以上の試料Ｎｏ．２，４，８，９，１２，１４〜１９，２２〜２５，２７，２９，３３は、３点曲げ強度２５ＭＰａ以上、ヤング率２６ＧＰａ以上、熱伝導率７３Ｗ／（ｍ・ｋ）以上といずれも高い上、圧力損失は０．８５ｋＰａ以下と低く良好である。
【０１０９】
なお、今回の実施例では、珪素相を挟み、対向する炭化珪素粒子間の距離が３５０μｍ以下の試料は、炭化珪素の結晶粒子と珪素相との接合部の幅が、炭化珪素の結晶粒子を形成する多面体の最小辺の長さの０．２倍以上の試料Ｎｏ．２，４，８，９，１２，１４〜１９，２２〜２５，２７，２９，３３と一致した。
【図面の簡単な説明】
【０１１０】
【図１】本発明の珪素−炭化珪素複合部材内部を示す模式図である。
【図２】非連結部を示す模式図である。
【図３】本発明の珪素−炭化珪素複合部材内部の拡大図であり、炭化珪素の結晶粒子と珪素相との接合部の幅（ｗ）、炭化珪素粒子間の距離（ｄ）を示す模式図である。
【符号の説明】
【０１１１】
１：炭化珪素結晶粒子
２：気孔
３：珪素相
４：非連結部
【図１】
2007005762.tif 000004
【図２】
2007005762.tif 000005
【図３】
2007005762.tif 000006