(57)【要約】  【課題】  第２の金属層が剥離しにくく、長期間にわたる使用が可能な流路部材およびこれを備える半導体製造装置を提供する。  【解決手段】  本発明の流路部材１０は、炭化珪素質セラミックスからなり、内部に流路１を有する基体２と、該基体２に接する第１の金属層３と、該第１の金属層３に接する第２の金属層４とを備える。そして、前記第１の金属層３は、主成分が金属珪素であり、かつセラミック粒子５を含有してなり、前記第１の金属層３における前記第２の金属層４との接触面６のピークカウントＰｃが８０以上２５０以下である。【選択図】  図１
2017084972.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
炭化珪素質セラミックスからなり、内部に流路を有する基体と、該基体に接する第１の金属層と、該第１の金属層に接する第２の金属層とを備える流路部材であって、前記第１の金属層は、主成分が金属珪素であり、かつセラミック粒子を含有してなり、前記第１の金属層における前記第２の金属層との接触面のピークカウントＰｃが８０以上２５０以下であることを特徴とする流路部材。
【請求項２】
前記接触面における算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上０．８μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の流路部材。
【請求項３】
前記セラミック粒子は、炭化珪素からなることを特徴とする請求項１または請求項２に記載の流路部材。
【請求項４】
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の流路部材を備えており、前記第２の金属層がウェハを吸着するための電極であることを特徴とする半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、流路部材およびこれを備える半導体製造装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
炭化珪素質セラミックスは、機械的強度が高く、耐熱性や耐食性等の優れた特性を有していることから、幅広い分野で用いられている。例えば、各種製造装置における冷却または加熱システム等には、内部に流体を流す流路が設けられた炭化珪素質セラミックスからなる流路部材が用いられている。そして、流路部材の流路に低温または高温の流体を流すことにより、流路部材へ載置する物や流路部材の外側にあたる外気等の被処理体との熱交換が行なわれ、被処理体を冷却または加熱することができる。
【０００３】
ここで、腐食性のガスおよび液体の使用環境下で使用する場合は、耐食性を高めるために、耐食性の高いＮｉやＣｒ等の金属で流路部材の表面を被覆するメッキ処理が行なわれる。また、流路部材の表面に電気伝導率が高いＡｌやＣｕ等の金属を溶射することで、ウェハ等の被処理体を静電吸着力によって吸着・保持するために必要な電極を形成する場合もある。
【０００４】
しかしながら、上述したメッキや電極等の金属層と炭化珪素質セラミックスとの密着強度は弱く、剥離しやすい。そこで、炭化珪素質セラミックスと金属層との密着強度の向上が検討され、例えば、特許文献１には、炭化珪素焼結体と金属膜との間に金属珪素が設けられた金属膜積層炭化珪素焼結体が提案されている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００５】
【特許文献１】特開昭６１−１５１０８２号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
近年において流路部材では、生産効率を向上させるために、被処理体の急速な冷却または加熱が行なわれており、急速な冷却または加熱が繰り返されることで、金属珪素から金属層が剥離するという問題が発生していた。そこで、金属珪素と金属層との密着強度をより向上させ、金属層が剥離しにくい流路部材が求められている。
【０００７】
本発明は、このような事情に鑑みて案出されたものであり、金属珪素と金属層との密着強度をより向上させ、金属層が剥離しにくい流路部材およびこれを備える半導体製造装置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】
【０００８】
本発明の流路部材は、炭化珪素質セラミックスからなり、内部に流路を有する基体と、該基体に接する第１の金属層と、該第１の金属層に接する第２の金属層とを備える流路部材であって、前記第１の金属層は、主成分が金属珪素であり、かつセラミック粒子を含有してなり、前記第１の金属層における前記第２の金属層との接触面のピークカウントＰｃが８０以上２５０以下であることを特徴とする。
【０００９】
また、本発明の半導体製造装置は、上記の流路部材を備えており、前記第２の金属層がウェハを吸着するための電極であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１０】
本発明の流路部材は、第２の金属層が第１の金属層から剥離しにくいため、長期間にわたる使用が可能である。
【００１１】
また、本発明の半導体製造装置は、流路部材の長期間にわたる使用が可能であることから、高い信頼性を有する。
【図面の簡単な説明】
【００１２】
【図１】本実施形態の流路部材の一例を示す、（ａ）は断面図であり、（ｂ）は（ａ）におけるＳ部の拡大図である。
【図２】本実施形態の流路部材を備える半導体製造装置の一例を示す概略図である。
【発明を実施するための形態】
【００１３】
以下に本実施形態の流路部材およびこれを備える半導体製造装置について、図面を参照しながら詳細に説明する。
【００１４】
まず、本実施形態の流路部材の一例について、図１を参照しながら説明する。
【００１５】
本実施形態の流路部材１０は、炭化珪素質セラミックスからなり、内部に流路１を有する基体２と、基体２に接する第１の金属層３と、第１の金属層３に接する第２の金属層４とを備えている。ここで、炭化珪素質セラミックスとは、炭化珪素質セラミックスを構成する全成分１００質量％のうち、炭化珪素が８０質量％以上を占めるものである。
【００１６】
そして、第１の金属層３は、主成分が金属珪素であり、かつセラミック粒子５を含有してなり、第１の金属層３における第２の金属層４との接触面６のピークカウントＰｃが８０以上２５０以下である。このような構成を満たしていることで、第２の金属層４は剥離しにくいために、長期間にわたる使用が可能となる。
【００１７】
ここで、金属珪素が主成分である第１の金属層３とは、第１の金属層３を構成する全成分１００質量％のうち、金属珪素が７０質量％以上を占めている金属層のことである。金属珪素は、炭化珪素質セラミックスと金属との両方に対する化学親和性が高い。よって、第１の金属層３の主成分が金属珪素であることで、炭化珪素質セラミックスからなる基体２および第２の金属層４の両方において高い密着強度を有する。
【００１８】
そして、本実施形態の流路部材１０を構成する第１の金属層３は、セラミック粒子５を含有しており、第１の金属層３における第２の金属層４との接触面６が、ピークカウントＰｃが８０以上２５０以下という表面性状を有している。高い化学親和性と、前述の表面性状を有していることによるアンカー効果により、第1金属層３と第２金属層４とは高い
密着強度を有する。なお、第１の金属層３における第２の金属層４との接触面６とは、第２金属層４が形成される前、若しくは除いた場合において第１の金属層３の表面のことである。また、第１の金属層３は、Ｎｉ、Ｃｒ、Ａｌ等の金属を含有していても構わないが、金属珪素およびセラミック粒子５のみで構成されることが望ましい。
【００１９】
次に、図１（ａ）におけるＳ部の拡大図である図１（ｂ）を用いて、第１の金属層３について説明する。図１（ｂ）に示すように、本実施形態の流路部材１０を構成する第１の金属層３は、接触面６において、セラミック粒子５の存在によって接触面６に凹凸が形成されている。
【００２０】
そして、ピークカウントＰｃとは、単位長さ（１０ｍｍ）における山の個数を示す指標である。なお、山には、セラミック粒子５の突出による山およびセラミック粒子５の存在
によって凹んでいるが故に形成される山を含む。
【００２１】
これに対し、接触面６のピークカウントＰｃが８０未満であれば、接触面６における山の個数が少ないため、第１の金属層４と第２の金属層４との密着強度が低下する。一方、接触面６のピークカウントＰｃが２５０を超えれば、接触面６の山の個数は増えるものの、山の間隔が狭くなり、谷となる部分に第２の金属層４が入りにくく空隙が形成されるため、第１の金属層３と第２の金属層４との密着強度が低下する。
【００２２】
また、本実施形態の流路部材１０は、接触面６のピークカウントＰｃが１０６以上２０５以下であることが好ましい。ピークカウントＰｃが上記範囲内であれば、第１の金属層３と第２の金属層４との密着強度をより向上させることができる。
【００２３】
ここで、接触面６のピークカウントＰｃは、接触型の表面粗さ計を用い、ＪＩＳ  Ｂ  ０６０１（２００１）に準拠して測定することにより求めることができる。測定条件としては、例えば、測定長さを４ｍｍ、カットオフ値を０．２５ｍｍとし、触針半径を２μｍとして触針の走査速度を０．２５ｍｍ／秒に設定して測定すればよい。そして、接触面６において、少なくとも３ヵ所測定し、この平均値をピークカウントＰｃとすればよい。
【００２４】
なお、接触面６を測定するためには、溶解液を用いて第２の金属層４のみを溶解し、接触面６を露出させればよい。例えば、第２の金属層４がＮｉ、Ｃｕ、ＡｌまたはＣｒである場合、６０〜９０℃に加熱した塩酸水溶液中に流路部材１０を浸漬することで、第２の金属層４のみを溶解させることができる。ここで、塩酸水溶液としては、塩酸濃度が２０質量％であるｐＨ１程度の溶液を用いればよい。なお、図１（ａ）に示すように、第１の金属層３の一部が第２の金属層４に被覆されず外部に露出している場合は、第１の金属層３の露出している箇所のピークカウントＰｃを、接触面６のピークカウントＰｃとみなしても構わない。
【００２５】
また、第２の金属層４には、必要とする特性を有する金属を選択すればよい。例えば、腐食性のガスおよび液体の使用環境下で使用するために、耐食性を高めたいならば、第２の金属層４には耐食性の高いＮｉやＣｒ等の金属を選択すればよい。また、第２の金属層４をウェハ等の被処理体を静電吸着力によって吸着・保持するために必要な電極とするならば、第２の金属層４には電気伝導率が高いＡｌやＣｒ等の金属を選択すればよい。
【００２６】
また、本実施形態の流路部材１０は、接触面６における算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上０．８μｍ以下であることが好ましい。このように、接触面６おける算術平均粗さＲａが上記範囲内であるならば、アンカー効果を得られつつ、第１の金属層３と第２の金属層４との間に空隙が形成されにくいため、第１の金属層３と第２の金属層４との密着強度がさらに向上する。なお、接触面６における算術平均粗さＲａは、上述したピークカウントＰｃと同様の方法で測定することにより求めることができる。
【００２７】
また、セラミック粒子５は、アルミナ、ジルコニア、窒化珪素、炭化珪素、炭化硼素等であればよいが、特に炭化珪素であることが好ましい。このように、セラミック粒子５が炭化珪素からなるならば、被処理体の冷却または加熱を繰り返し行なったとしても、炭化珪素と金属珪素との化学親和性が高く、セラミック粒子５と金属珪素とが強固に結合しているため、セラミック粒子５が第１の金属層３から外れたり、第２の金属層４の剥離の要因となる亀裂が第１の金属層３に生じにくい。それゆえ、セラミック粒子５が炭化珪素であるときには、第２の金属層４の剥離がより一層抑制される。
【００２８】
また、流路１は、特に限定されるものではないが、流体が一つの経路で流れるように形成されていることが好ましい。例えば、流体が複数の経路に分配されるときには、流体に
係る圧力が低い流路１に流体が流れやすい傾向があり、被処理体との熱交換においてムラを生じるおそれがある。これに対し、流体が流れる流路１が一つの経路で形成されていれば、被処理体との熱交換においてムラを生じるおそれが少ないため、温度ばらつきが少ないことが求められる用途において好適に用いることができる。
【００２９】
次に、本実施形態の半導体製造装置２０の一例について、図２を参照しながら説明する。
【００３０】
本実施形態の半導体製造装置２０は、本実施形態の流路部材１０を備えており、第２の金属層４がウェハ７を吸着するための電極となっている。ここで、図示はしていないが、ウェハ７と第２の金属層４との間には誘電体層が設けられている。ここで、第２の金属層４に電圧を印加することで、ウェハ７と誘電体層との間に生じるクローン力やジョンソン・ラーベック力などの静電吸着力によってウェハ７を吸着・保持することができる。
【００３１】
さらに、この半導体製造装置２０をプラズマ処理装置として用いた場合は、第２の金属層４を、プラズマを発生させるための下部電極として利用することができ、ウェハ７の上方にプラズマを発生させるために設けられた上部電極８と第２の金属層４との間に電圧を印加することにより、上部電極８と第２の金属層４との間に生じさせたプラズマをウェハ７に当てることができる。そして、半導体製造装置２０が本実施形態の流路部材１０を備えていることから、プラズマ処理を行なう際に高温となるウエハ７を冷却する工程を繰り返し行なっても、第１の金属層３から第２の金属層４が剥離しにくいため、高い信頼性を有するものとなる。
【００３２】
また、本実施形態の半導体製造装置２０としては、その一例を示す図２のプラズマ処理装置の他にスパッタ装置、レジスト塗布装置、ＣＶＤ装置やエッチング処理装置等があり、これらの装置においても第１の金属層３から第２の金属層４が剥離しにくいため、長期間にわたる使用が可能であることから、高い信頼性を有するものとなる。
【００３３】
以下、本実施形態の流路部材１０の製造方法の一例について示す。なお、以降の説明においては、炭化珪素からなるセラミック粒子５を用いた場合で説明する。
【００３４】
まず、主成分である炭化珪素粉末を用意し、これに溶媒、焼結助剤、バインダを所定量添加して、ボールミルやビーズミル等を用いて所定の粒径となるまで粉砕することで、スラリーを作製する。なお、添加する焼結助剤としては、Ｂ４Ｃ系、希土類酸化物−Ａｌ２Ｏ３系の焼結助剤を用いることができる。また、添加するバインダとしては、合成樹脂であればよい。
【００３５】
なお、ミルで用いるボールやビーズについては、流路部材１０の特性に影響を及ぼさないものを用いることが好ましいため、例えば、ボールやビーズは、炭化珪素質セラミックスと同様もしくは近似する組成のセラミックスからなることが好ましい。
【００３６】
次に、このスラリーを公知のドクターブレード法またはロールコンパクション法によりグリーンシートを形成し、これを金型加工またはレーザー加工により所望の形状とする。そして、上述したスラリーを接合剤として所望の形状とした複数のグリーンシートを積み重ねることで成形体を得る。なお、上述したスラリーを噴霧乾燥した造粒粉を用いて、粉末プレス法やラバープレス（ＣＩＰ）法の後に切削加工を施すことにより成形体を得てもよい。
【００３７】
ここで、成形体は、流路部材１０の用途に応じて形状を選択することができる。例えば、流路部材１０を半導体製造装置２０に用いるならば、流路部材１０の形状はウェハ７と
同じ形状の円板状であることが好ましい。
【００３８】
そして、成形体を乾燥させた後、窒素ガス中において所定の温度に保持し脱脂を行なう。その後、これをアルゴン等の不活性ガス雰囲気中において、１９００℃以上２０５０℃以下の温度で、３時間以上１０時間以下保持して焼成することで、炭化珪素質セラミックスからなる基板２を得る。
【００３９】
次に、第１の金属層３となるペーストを準備する。なお、ここでは、セラミック粒子５となる材質として炭化珪素を用いた例について説明する。第１の金属層３となるペーストとしては、金属珪素粉末および炭化珪素粉末を用意し、これに溶媒、バインダを所定量添加して、混合することで作製できる。ここで、炭化珪素粉末の添加量および炭化珪素粉末の平均粒径を調整することで、接触面６のピークカウントＰｃを８０以上２５０以下にできる。例えば、ピークカウントＰｃを８０とする場合の炭化珪素粉末の添加量は３質量％、炭化珪素粉末の平均粒径は１２μｍであり、ピークカウントＰｃを２５０とする場合の炭化珪素粉末の添加量は２５質量％、炭化珪素粉末の平均粒径は３μｍである。なお、添加するバインダとしては、エチルセルロースまたはアクリル系のバインダを用いることができる。
【００４０】
そして、基体２の表面に、スクリーン印刷法等により第１の金属層３となるペーストを塗布し、８０℃以上２００℃以下の温度で、８時間以上１４時間以下保持することにより乾燥させる。その後、アルゴン等の不活性ガス雰囲気中において、１４００℃以上１５００℃以下の温度で、３０分以上９０分以下保持して熱処理することで、第１の金属層３を得る。
【００４１】
なお、接触面６における算術平均粗さＲａを０．２μｍ以上０．８μｍ以下とするには、第１の金属層３の表面に対して、研磨加工を行なえばよい。ここで、研磨加工には、ダイヤモンド砥粒を埋設したレジンボンド砥石を用い、ダイヤモンド砥粒の平均粒径を変えることで、任意の算術平均粗さＲａにすることができる。
【００４２】
次に、第１の金属層３上に第２の金属層４を形成することで、本実施形態の流路部材１０を得る。ここで、第２の金属層４は、必要とする特性を有する金属を選択すればよい。
【００４３】
例えば、第２の金属層４として、耐食性を高めるためにＮｉやＣｒを選択するならば、無電解めっき法により、第１の金属層３上にＮｉまたはＣｒをめっきすればよい。この場合、第２の金属層４の厚みは、５〜２０μｍ程度であればよい。また、第２の金属層４を電極とするために、電気伝導率が高いＡｌやＣｕを選択するならば、プラズマ溶射法やガス溶射法により、第１の金属層３上にＡｌまたはＣｕを溶射し、電極としての第２の金属層４を形成すればよい。この場合の第２の金属層４の厚みは、０．１〜１ｍｍ程度であればよい。
【００４４】
なお、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の変更、改良等が可能である。
【実施例１】
【００４５】
まず、主成分である炭化珪素粉末を用意し、これに溶媒としての水、焼結助剤、バインダを所定量添加して、ボールミルを用いて所定の粒径となるまで粉砕することで、スラリーを作製した。なお、焼結助剤としては、希土類酸化物−Ａｌ２Ｏ３系の焼結助剤を用いた。また、バインダとしては、アクリル樹脂およびポリエチレングリコールを用いた。
【００４６】
次に、このスラリーを噴霧乾燥することで造粒粉を作製し、造粒粉を金型に充填し、プ
レス成形を行なうことで、内部に流路を有する円板状の成形体を得た。そして、窒素ガス中において５００℃で脱脂した後、アルゴンガス中において、２０００℃の温度で５時間保持し焼成することにより、炭化珪素質セラミックスからなる基体を得た。基体の大きさは、直径３０ｍｍ、厚さ３ｍｍであった。
【００４７】
次に、平均粒径６μｍの金属珪素粉末と、セラミック粒子となるアルミナ粉末および炭化珪素粉末を用意し、溶媒としてのテルピオネールと、バインダとしてのエチルセルロースとを添加し、混合することでペーストを作製した。ここで、セラミック粒子となるために添加した粉末、平均粒径および含有量は、表１に示す通りとした。
【００４８】
そして、作製したペーストを、スクリーン印刷法によって基体の表面に塗布し、１２０℃の温度で、１０時間保持してペーストを乾燥させた。その後、アルゴンガス中で、１４５０℃の温度で、６０分間保持して熱処理することにより、第１の金属層を形成した。第１の金属層の厚みは、１ｍｍとなるようにした。
【００４９】
次に、第１の金属層の表面の研磨加工を行なった。研磨加工に用いた砥石は、ダイヤモンド砥粒を埋設したレジンボンド砥石である。ダイヤモンド砥粒は、平均粒径が１４９μｍのものを用いた。
【００５０】
そして、第２の金属層を形成した際に接触面となる、第１の金属層の表面のピークカウントＰｃおよび算術平均粗さＲａをＪＩＳ  Ｂ  ０６０１（２００１）に準拠して測定した。測定条件は、測定長さを４ｍｍ、カットオフ値を０．２５ｍｍ、触針半径を２μｍ、触針の走査速度を０．２５ｍｍ／秒に設定した。そして、第１の金属層の表面において、３ヵ所測定し、この平均値をピークカウントＰｃおよび算術平均粗さＲａとした。なお、各試料の算術平均粗さＲａは、全て０．９μｍであった。
【００５１】
次に、第１の金属層上に、Ａｌをガス溶射することで第２の金属層を形成し、各試料を得た。第２の金属層の厚みは、０．５ｍｍとなるようにした。なお、各試料をそれぞれ２個作製した。
【００５２】
次に、各試料における１つを恒温槽に入れて、加熱と冷却とを繰り返すサイクル試験を行なった。サイクル試験の条件は、最高温度１００℃まで加熱して１０分間保持後、最低温度２０℃まで冷却して１０分間保持するサイクルを、１００サイクル繰り返した。
【００５３】
その後、目視および倍率１０倍とした顕微鏡により各試料を観察した。観察の結果、第２の金属層の表面に幅が０．１ｍｍ以上の亀裂が入っている場合、剥離ありとした。
【００５４】
また、第２の金属層の表面に高さ０．５ｍｍ以上の突起が有るか否かをマイクロメータにより測定した。その結果、第２の金属層の表面に幅が０．１ｍｍ以上の亀裂が入っていない場合でも、第２の金属層の表面に、高さが０．５ｍｍ以上の突起が有る場合は、剥離ありとした。そして、第２の金属層の表面に幅が０．１ｍｍ以上の亀裂が入ってなく、高さ０．５ｍｍ以上の突起がない場合のみ、剥離なしとした。
【００５５】
また、最高温度１００℃のサイクル試験を行なった試料とは別の試料で、最高温度のみを２００℃に変更したサイクル試験を行ない、同様の評価を行なった。
【００５６】
結果を表１に示す。なお、表１には、第２の金属層において、剥離があった試料には×印を、剥離がなかった試料には○印を付けている。
【００５７】
【表１】
2017084972.tif 000003
【００５８】
表１に示す結果から、ピークカウントＰｃが８０以上２５０以下である試料Ｎｏ．２〜７および１０〜１５は、最高温度１００℃のサイクル試験を行なっても、第２の金属層の剥離がなく、高い密着強度を有していることが分かった。また、ピークカウントＰｃが１０６以上２０５以下の試料Ｎｏ．４、５および１１〜１３は、最高温度２００℃のサイクル試験を行なっても、第２の金属層の剥離がなく、より高い密着強度を有していることが分かった。
【実施例２】
【００５９】
次に、接触面における算術平均粗さＲａが異なる試料を作製し、第１の金属層と第２の金属層との密着強度を評価した。なお、作製方法としては、第１の金属層の表面の研磨加工において使用するダイヤモンド砥粒の平均粒径を表２に示すものとなるように変更した以外は実施例１の試料Ｎо．４または試料Ｎｏ．１２の作製方法と同様であり、試料Ｎо．２１は実施例１の試料Ｎо．４と、試料Ｎｏ．２６は実施例１の試料Ｎｏ．１２と同じ試料である。
【００６０】
そして、実施例１と同様に接触面における算術平均粗さＲａを測定し、最高温度を３００℃および４００℃に変更したサイクル試験を行なうことで、密着強度を評価した。
【００６１】
結果を表２に示す。
【００６２】
【表２】
2017084972.tif 000004
【００６３】
表２に示す結果から、算術平均粗さＲａが０．２μｍ以上０．８μｍ以下である試料Ｎｏ．１８〜２０および２３〜２５は、最高温度３００℃のサイクル試験を行なっても、第２の金属層の剥離がなく、さらに高い密着強度を有していることが分かった。さらに、最高温度４００℃のサイクル試験を行なった際、セラミック粒子がアルミナである試料Ｎｏ．１８〜２０は、第２の金属層の剥離が確認されたのに対し、セラミック粒子が炭化珪素である試料Ｎｏ．２３〜２５は、第２の金属層の剥離が確認されなかったことから、セラミック粒子が炭化珪素からなることで、第２の金属層の剥離を抑制できることが分かった。
【符号の説明】
【００６４】
１：流路
２：基体
３：第１の金属層
４：第２の金属層
５：セラミック粒子
６：接触面
７：ウェハ
８：上部電極
１０：流路部材
２０：半導体製造装置
【図１】
2017084972.tif 000005
【図２】
2017084972.tif 000006