DE69801626T2

DE69801626T2 - Sinterkörper aus Aluminiumnitrid, elektronisches Funktionsmaterial und elektrostatische Einspannvorrichtung

Info

Publication number: DE69801626T2
Application number: DE69801626T
Authority: DE
Inventors: Kiyoshi Araki; Yuji Katsuda; Tsuneaki Ohashi
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-09-29
Filing date: 1998-09-28
Publication date: 2002-06-27
Anticipated expiration: 2018-09-29
Also published as: EP0905106B1; US5998321A; JPH11100270A; DE69801626D1; KR100345083B1; EP0905106A3; TW494093B; EP0905106A2; KR19990030057A; JP3433063B2

Description

HINTERGRUND DER ERFINDUNG

1. Gebiet der Erfindung

Die vorliegende Erfindung betrifft einen Aluminiumnitrid-Sinterkörper, dessen volumsspezifischer Widerstand relativ geringe Temperaturabhängigkeit aufweist, sowie ein elektronisches Funktionsmaterial bzw. eine elektrostatische Einspannvorrichtung, bei der er eingesetzt wird.

2. Beschreibung des Standes der Technik

Gegenwärtig wird eine elektrostatische Einspannvorrichtung verwendet, um einen Halbleiter-Wafer bei Filmausbildungsverfahren für den Halbleiter-Wafer, wie Transport, Belichtung, chemische Dampfabscheidung (CVD), Sputtern und dergleichen, oder bei Schritten zum Mikrobearbeiten, Reinigen, Ätzen, Stanzen und dergleichen, zum Anziehen und Halten zu verwendet. Als Substrat für die elektrostatische Einspannvorrichtung sind dichte Keramikmaterialien beobachtet worden. Insbesondere wird als Ätzgas oder Reinigungsgas in einer Vorrichtung zur Herstellung des Halbleiters häufig ein korrodierendes Halogengas wie CIF&sub3; oder dergleichen verwendet. Dichtes Aluminiumnitrid weist hohe Korrosionsbeständigkeit gegen das obige korrodierende Halogengas auf. Und es ist auch bekannt, dass Aluminiumnitrid ein stark wärmeleitendes Material ist und hohe Thermoschockbeständigkeit aufweist. Daher wird angenommen, dass es vorzuziehen ist, das Substrat der elektrostatischen Einspannvorrichtung für die Halbleiter-Herstellungsvorrichtung aus einem Aluminiumnitrid-Sinterkörper herzustellen.
Im Allgemeinen ist es, wenn das Aluminiumnitrid als Substratmaterial für die elektrostatische Einspannvorrichtung verwendet wird, vorzuziehen, dass der volumsspezifische Widerstand bei Betriebstemperaturen in einem Bereich von 10&sup8; bis 10¹³ Ω·cm liegt. Der volumsspezifische Widerstand von Aluminiumnitrid nimmt jedoch über einen Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 600ºC extrem ab, beispielsweise von 10¹&sup6; Ω·cm auf nicht mehr als 10&sup7; Ω·cm, so dass es unmöglich ist, den stabilen Betrieb als elektrostatische Einspannvorrichtung in einem solchen weiten Temperaturbereich zu entwickeln. Daher ist die Betriebstemperatur der elektrostatischen Einspannvorrichtung auf einen Bereich von beispielsweise 200 bis 400ºC beschränkt.

ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG

Es ist daher ein Ziel der Erfindung, einen neuen Aluminiumnitrid-Sinterkörper bereitzustellen, der im Vergleich zu den herkömmlichen über einen weiteren Temperaturbereich eine geringe Änderung des volumsspezifischen Widerstands aufweist.
Es ist ein weiteres Ziel der Erfindung, einen Aluminiumnitrid-Sinterkörper mit niedriger Temperaturabhängigkeit des volumsspezifischen Widerstands, wie oben erwähnt bereitzustellen, der eine solche Zusammensetzung aufweist, dass der Gehalt an Metall- Verunreinigungen gering ist und keine Verunreinigung im Halbleiter verursacht wird.
Gemäß vorliegender Erfindung wird ein Aluminiumnitrid-Sinterkörper bereitgestellt, wie in Anspruch 1 dargelegt.

KURZE BESCHREIBUNG DER ZEICHNUNG

Die Erfindung wird nun unter Bezugnahme auf die beiliegende Zeichnung beschrieben, worin:
Fig. 1 ein Graph ist, der ein Kathodenlumineszenzspektrum zeigt, das an einem Sinterkörper von Beispiel 4 gemäß vorliegender Erfindung gemessen wurde.

BESCHREIBUNG DER BEVORZUGTEN AUSFÜHRUNGSFORMEN

Die Erfinder haben versucht, ein Rohmaterial mit einer solchen spezifischen Zusammensetzung zu verwenden, dass der Gehalt an einem Seltenerdelement (ein Umwandlungsgehalt als Oxid davon) nicht geringer als 0,05 Gew.-% aber nicht größer als 0,5 Gew.-% ist, und es dann unter ausreichenden Bedingungen zu sintern, um die relative Dichte in einem niedrigen Temperaturbereich durch ein Pressverfahren, wie Heißpressverfahren oder dergleichen, hoch zu machen, und bestätigt, welche Veränderung im resultierenden Sinterkörper auftritt. Als Ergebnis ist es gelungen, einen Aluminiumnitrid- Sinterkörper zu erhalten, dessen volumsspezifischer Widerstand im Vergleich zu herkömmlichen äußerst geringfügig von der Temperatur abhängig ist, wobei dessen Änderung insbesondere im Temperaturbereich von 100 bis 500ºC oder dergleichen extrem gering ist, indem das Ausmaß an Spin pro mg-Einheit Aluminium, erhalten aus einem Spektrum, wie nach einem Elektronenspin-Resonanzverfahren gemessen, unter der Bedingung , dass eine mittlere Korngröße von Aluminiumnitrid-Kristallkörnern nicht mehr als 3 um beträgt, auf nicht mehr als 5 · 10¹² Spin/mg reguliert wird.
Ein solcher Aluminiumnitrid-Sinterkörper kann nach einem Heißpress-Sinterverfahren hergestellt werden, auch wenn die Menge an anderen Metallverunreinigungen als dem Seltenerdelement auf einen sehr geringen Wert eingeschränkt ist, so dass die Verunreinigung im Halbleiter stark eingedämmt werden kann.
Obwohl der Grund dafür, dass die obige bemerkenswerte Funktion und Wirkung erzielt wird, nicht klar ist, wird im Grunde angenommen, dass der Widerstand des Aluminiumnitrid-Sinterkörpers als Widerstand einer Schaltung berechnet ist, die durch Zusammenschalten von Widerständen aus Aluminiumnitridkristall mit Korngrenzenwiderständen in Serie und parallel gebildet ist. Die Erfinder haben versucht, Aluminiumnitridkörner mit hoher Reinheit zu verwenden und eine geringe Menge an Seltenerdelement hinzuzufügen, um die Verdichtung des Sinterkörpers nach einem Verfahren unter Einsatz eines hohen Drucks, wie Heißpressverfahren oder dergleichen, zu beschleunigen.
Wenn die Menge des compoundierten Seltenerdelements nicht mehr als 0,5 Gew.-% beträgt, diffundiert in diesem Fall Sauerstoff, der in den Körnern des Ausgangsmaterials vorliegt, während des Brennens zur Außenseite der Körner hin. Im Gegensatz dazu ist gemäß vorliegender Erfindung die Menge der Seltenerdelementverbindung auf einen geringen Wert eingestellt, und während des Sinterns wird hoher Druck ausgeübt, wodurch Sauerstoff im Zustand fester Lösung in den Aluminiumnitrid-Kristallkörnern erhalten bleibt. Dieser in den Kristallkörnern vorhandene Sauerstoff ersetzt ein Stickstoffatom in AIN, wodurch ein Bandabstand auf Donor-Niveau gebracht wird und eine Verbesserung der Elektronenleitfähigkeit in den Körnern herbeigeführt wird. Das heißt, gemäß vorliegender Erfindung wird Sauerstoff als Donor beibehalten, um den inneren Widerstand eines jeden Kristallkorns zu verringern, indem die Menge der Seltenerdelementverbindung eingestellt und der Druck während des Sinterns erhöht wird, um die Menge an Sauerstoff zu regulieren, die nach dem Sintern unter Druck in den Körnern vorliegt.
Von diesem Standpunkt aus ist es vorzuziehen dass der Gehalt des Seltenerdelements nicht mehr als 0,5 Gew.-% und mehr bevorzugt nicht mehr als 0,4 Gew.-% beträgt. Und außerdem ist, um einen homogenen Sinterkörper zu erhalten, der Gehalt des Seltenerdelements nicht geringer als 0,05 Gew.-%.
Die Untergrenze der mittleren Korngröße von Aluminiumnitrid-Kristallkörnern unterliegt keiner speziellen Einschränkung, ist aber allgemein bevorzugt nicht geringer als 1,0 um. Die mittlere Korngröße beträgt vorzugsweise 2,2 bis 2,9 um.
Als Seltenerdelement werden Lanthan, Praseodym, Neodym, Gadolinium und Ytterbium bevorzugt, und noch mehr bevorzugt wird Yttrium.
Um den Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß vorliegender Erfindung zu erhalten, ist es erforderlich, ein Press-Sinterverfahren wie Heißpressverfahren und isostatisches Heißpressverfahren einzusetzen. Der Aluminiumnitrid-Sinterkörper kann nach diesem Verfahren verdichtet werden, ohne dass viel Sinterhilfe erforderlich ist.
Gleichzeitig wird das Kristallkornwachstum auf einem solchen Niveau angehalten, dass die mittlere Korngröße des Aluminiumnitrid-Kristallkorns nicht größer als 3 um ist, wodurch der Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß vorliegender Erfindung erhalten wird.
Um im Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß vorliegender Erfindung Defektstrukturen im Inneren der kristallinen Phase und an deren Korngrenze zu untersuchen, haben die Erfinder ein Spektrum verwendet, wie durch ein Elektronenspin-Resonanzverfahren (ESR-Verfahren) in Bezug auf jede Probe davon gemessen. Das Prinzip des ESR- Verfahrens wird kurz wie folgt erklärt. Ein Energieniveau eines ungepaarten Elektrons wird unter einem Magnetfeld aufgrund des Zeeman-Effekts gesplittet. Auf dieses Energieniveau spricht eine Wechselwirkung zwischen einer Elektronen-Orbitalbewegung und einer kernmagnetischen Größe eines Atoms in seiner Nähe an. Das gesplittete Energieniveau wird nach dem ESR-Verfahren gemessen, wodurch es möglich ist, Informationen über Atome, chemische Bindung und dergleichen in der Nähe eines Atoms mit dem ungepaarten Elektron zu erhalten.
Es ist erforderlich, dass das aus dem Spektrum, wie durch Elektronenspin- Resonanzverfahren gemessen, erhaltene Spin-Ausmaß pro mg-Einheit Aluminium nicht mehr als 5 · 10¹² Spins/mg beträgt. Vorzugsweise ist das Spin-Ausmaß nicht geringer als 1 · 10¹² Spins/mg.
Darüber hinaus wird die Messung des Spin-Ausmaßes nach dem Verfahren durchgeführt, das von Hiroaki Ohya und Jun Yamauchi: "Electron Spin Resonance" (veröffentlicht von Kodansha Co., Ltd.) beschrieben wurde. Die Erfinder quantifizieren eine einzelne ultrafeine Linie von Mn²&spplus;/MgO unter Verwendung einer Lösung von TEMPOL (4-Hydroxy-2,2,6,6-tetramethylpyperidin-1-oxyl) mit einem bekannten Spin-Ausmaß und berechnen ein Spin-Ausmaß aus einem Flächenverhältnis von Peaks, indem Spin- Ausmaß durch die quantifizierte Linie verglichen werden.
Im Aluminiumnitrid ändert sich der g-Wert des ungepaarten Elektrons von Aluminium gemäß einem Kristallfeld, das das ungepaarte Elektron umfasst. Dieser g-Wert ist theoretisch in einem freien Elektron gleich 2,0000 und nach einer relativistischen Korrektur gleich 2,002316. Da Al-Atom und N-Atom in der kristallinen Aluminiumnitrid-Phase eine Vier-Koordination-Wurtzit-Struktur aufweisen, wird aus einem Aluminiumatom und drei Stickstoffatomen ein sp³&supmin;hybridisiertes Orbit gebildet. Es ist möglich, aufgrund des g-Werts einer jeden Probe zu wissen, in welcher kristallinen Koordination diese ungepaarte Elektron im Gitterdefekt vorliegt oder welche Art von Elementen um das ungepaarte Elektron herum vorliegt.
Beim Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß vorliegender Erfindung wird vorgezogen, dass der g-Wert nicht geringer als 2,0001 aber nicht größer als 2,0009 ist. Als Ergebnis der Entdeckung der Erfinder hat, wenn der Druck während des Sinters der gleiche ist, der g-Wert die Tendenz abzunehmen, und der volumsspezifische Widerstand bei Raumtemperatur verringert sich tendenziell, wenn eine maximale Temperatur beim Brennen zunimmt. Es ist jedoch erforderlich, den g-Wert auf den obigen Bereich einzuschränken, um die Veränderung des volumsspezifischen Widerstands in einem Temperaturbereich, der so groß wie möglich ist, insbesondere über einen weiten Temperaturbereich von 100 bis 500ºC, zu verringern. Es wird angenommen, dass eine solche Änderung des g- Werts durch einen Einfluss von Sauerstoff verursacht wird, der in den Aluminiumnitrid- Kristallkörnern vorliegt.
Wenn die Aluminiumnitrid-Sinterkörper gemäß vorliegender Erfindung für ein Halbleiter-Verfahren eingesetzt werden, ist es ungünstig, dem Sinterkörper ein Alkalimetall oder ein Übergangsmetall zuzugeben, das im obigen Verfahren als Verunreinigung betrachtet wird. Gemäß vorliegender Erfindung ist es daher vorteilhaft, ein Rohmaterial mit hoher Reinheit zu verwenden, und konkret ist die Menge an Metallverunreinigungen mit Ausnahme des Seltenerdelements vorzugsweise nicht größer als 500 ppm. Mehr bevorzugt ist die Menge der Metallverunreinigungen mit Ausnahme des Seltenerdelements nicht größer als 100 ppm, was 0 ppm oder nicht mehr als die Detektionsgrenze umfasst.
Im Sinterkörper ist die Differenz zwischen dem Gesamt-Sauerstoffgehalt und dem Sauerstoff-Gehalt des Seltenerdelements, als in sein Oxid umgewandelt betrachtet, nicht größer als 1,0 Gew.-%.
Die Erfinder haben geschätzt, dass ein Zustand von Elektronen in einem Bandabstand einen Einfluss auf die elektrischen Eigenschaften des Aluminiumnitrid-Sinterkörpers ausübt und ein Kathodenlumineszenzspektrum gemessen, um die Merkmale des Sinterkörpers gemäß vorliegender Erfindung weiter zu klären.
Im Allgemeinen ist die Kathodenlumineszenz eine Welle, die von einer Probe reflektiert wird, wenn die Probe mit einem Elektronenstrahl bestrahlt wird. Wenn ein Elektron von einem Valenzband zu einem Leitfähigkeitsband angeregt wird, wird im Valenzband ein Loch gebildet. Dann wird eine Strahlung mit einer Wellenlänge, die einem Bandabstand zwischen dem Leitfähigkeitsband und dem Valenzband entspricht, erzeugt, wenn das angeregte Elektron vom Leitfähigkeitsband auf das Valenzband zurückfällt und mit dem Loch im Valenzband rekombiniert wird. Außerdem wird, wenn durch Wirkungen von Defekten und Verunreinigungen, die im Kristall enthalten sind, ein anderes lokales Elektronen-Niveau als das Leitfähigkeitsband erzeugt wird, eine Strahlung erzeugt, wenn ein angeregtes Elektron vom lokalen Elektronen-Niveau auf das Valenzband übergeht und mit dem Loch rekombiniert wird. Daher ist es möglich, aus dem Kathodenlumineszenzspektrum Informationen über eine Energiebandstruktur, eine Kristallisierbarkeit und Defekte und Verunreinigungen, die im Kristall vorhanden sind, zu erhalten.
Wenn das Kathodenlumineszenzspektrum in Bezug auf den Sinterkörper gemäß vorliegender Erfindung gemessen wird, liegt ein starker Hauptpeak innerhalb eines Wellenlängenbereich von 350 bis 370 nm vor, wie in Fig. 1 gezeigt. Und innerhalb eines Wellenlängenbereichs von 650 bis 750 nm wird auch ein schwacher Peak detektiert, der als Doppelmehrfachwelle des Hauptpeaks betrachtet wird.
Zum Vergleich stellen die Erfinder einen hochdichten Sinterkörper bereit, der durch Ergänzen von Aluminiumnitridpulver mit 5 Gew.-% Yttriumoxidpulver und deren Brennen hergestellt ist, und messen dessen Kathodenlumineszenzspektrum. Als Ergebnis werden bei Wellenlängen von etwa 340 nm, 500 nm bzw. 600 nm schwache Peaks beobachtet.
Eine solche Differenz in den Emissionswellenlängen weist auf eine Differenz in der Art der Emissionen (Elektronen-Niveaus im Bandabstand) hin. Eine Differenz in den Emissionsintensitäten weist auf eine Differenz in den Elektronendichten hin, die auf den Verunreinigungen basiert. Im Fall des Sinterkörpers gemäß vorliegender Erfindung wird ein sehr starker und spitzer/ausgeprägter Peak in einem Wellenlängenbereich von 350 bis 370 nm beobachtet, was das Vorliegen eines sehr starken neuen Elektronen-Niveaus anzeigt und bedeutet, dass die Elektronendichte auf Basis einer angegebenen Verunreinigung hoch ist.
Bei der Herstellung des Sinterkörpers gemäß vorliegender Erfindung kann das Seltenerdelement dem Rohmaterialpulver in verschiedenen Formen zugegeben werden. Beispielsweise kann Pulver aus dem Seltenerdelement selbst oder einer Verbindung davon dem Aluminiumnitrid-Rohmaterialpulver zugegeben werden.
Im Allgemeinen ist am leichtesten ein Seltenerdelementoxid verfügbar. Im Fall der Verwendung des Seltenerdelementoxids ist es jedoch, da die Menge des zugegebenen Seltenerdelements gemäß vorliegender Erfindung gering ist, wenn die Dispersion des Seltenerdelementoxids unzureichend ist, schwierig, das Seltenerdelement über den gesamten Sinterkörper zu verteilen, was zum Auftreten von Streuung in Bezug auf verschiedene Eigenschaften, wie volumsspezifischer Widerstand und dergleichen, in allen Abschnitten des Sinterkörpers führt.
Gemäß vorliegender Erfindung ist daher eine Verbindung des Seltenerdelements, wie Nitrat, Sulfat, Alkoxid oder dergleichen in einem geeigneten Lösungsmittel gelöst, um eine Lösung zu erhalten, die eine solche Verbindung enthält, die dem Aluminiumnitrid- Rohmaterialpulver zugegeben wird. In diesem Fall wird, auch wenn die Menge des zugegebenen Seltenerdelements gering ist, das Seltenerdelement in allen Abschnitten des Sinterkörpers gleichmäßig dispergiert. Und außerdem wird das Seltenerdelement vermutlich als sehr dünne Schicht auf der Oberfläche eines jenen Korns dispergiert, so dass sich die Verbindung de Seltenerdelements mit hohen spezifischen Widerstand kaum abtrennt. Wenn die Dispersion unzureichend ist, kann der das Seltenerdelement enthaltende Kristall lokal gefällt werden.
Im Fall des Einsatzes eines Trockenpress-Formungsverfahrens kann als Verfahren zum Trocknen des Rohmaterialpulvers ein Sprühtrocknungsverfahren vorgeschlagen werden. Dieses ist insbesondere als Sofort-Trocknungsverfahren für die Verwendung der Verbindung des Seltenerdelements als Spurenadditiv einsetzbar.
Alternativ dazu kann ein Bandformungsverfahren eingesetzt werden. In diesem Fall kann die Lösung, die durch Auflösen der Verbindung des Seltenerdelements, wie Nitrat, Sulfat, Alkoxid oder dergleichen, im Lösungsmittel erhalten wird, als Additiv in einem herkömmlichen Bandformungsschritt zugegeben werden. Da die Zugabemenge gering ist, gibt es keinen Einfluss auf die Formbarkeit und Entfettbarkeit.
Im Herstellungsschritt wird das Aluminiumnitrid-Rohmaterialpulver in das Lösungsmittel dispergiert, dem die Verbindung des Seltenerdelements in Form von Oxidpulver oder Lösung wie oben erwähnt zugegeben werden kann. Das Mischen kann durch einfaches Rühren erfolgen, aber wenn es erforderlich ist, Aggregate im Rohmaterialpulver zu pulverisieren, kann eine Misch- und Pulverisierungsmaschine, wie eine Topfmühle, Trommel, Reibmühle oder dergleichen, eingesetzt werden. Für den Fall, dass zum Pulverisieren ein im Lösungsmittel lösliches Additiv verwendet wird, kann die Zeit zur Durchführung des Mischungs- und Pulverisierungsschritt die kürzeste Zeit sein, die zum Pulverisieren des Pulvers erforderlich ist. Darüber hinaus kann ein Bindemittel wie Polyvinylalkohol oder dergleichen zugegeben werden.
Für den Schritt des Trocknens des Lösungsmittels zum Pulverisieren wird ein Sprühtrocknungsverfahren bevorzugt. Es ist auch vorteilhaft, eine Korngröße eines getrockneten Pulvers nach der Durchführung eines Vakuumtrocknungsverfahrens durch ein Sieb einzustellen.
Im Pulverformungsschritt kann für die Herstellung eines scheibenförmigen Körpers ein Formpressverfahren eingesetzt werden. In diesem Fall beträgt ein Formungsdruck vorzugsweise nicht weniger als 100 kp/cm², ist aber nicht besonders eingeschränkt, solange es möglich ist, das Formen beizubehalten. Und das Formungsmaterial kann auch in Pulverform in eine Heißpressform gefüllt werden.
Wenn dem Formkörper ein Bindemittel zugegeben wird, kann das Entfetten vor dem Brennen bei einer Temperatur von 200 bis 800ºC in einer oxidierenden Atmosphäre durchgeführt werden.
Wenn ein Additiv, das das Seltenerdelement enthält, in Form von Nitrat, Sulfat oder Karbonat zugegeben wird, können das pulverförmige Rohmaterial oder der Pulverformkörper vor dem Brennen einer Denitrifizierungs-, Desulfurierungs- oder Decarboxylierungsbehandlung unterzogen werden.
Ein solcher Entgasungsschritt kann durch Erhitzen des oben genannten gepulverten Rohmaterials oder Formkörpers in einer oxidierenden Atmosphäre genau wie bei der Entfettung durchgeführt werden. In diesem Fall muß auf mögliche Beschädigung des Ofens durch entstehendes NOx-Gas SOx-Gas und dergleichen Rücksicht genommen werden.
Weiterhin kann die Entgasung während des Brennens erfolgen, ohne die Entgasung zur Denitrifizierumg, Desulfurierung, Decarboxylierung oder dergleichen in einem gesonderten Schritt durchzuführen.
Dann wird der Formkörper durch ein Heißpressverfahren geformt. Der Druck beim Heißpressen darf nicht geringer als 50 kp/cm² sein und ist vorzugsweise nicht geringer als 100 kp/cm². Die Obergrenze unterliegt keiner speziellen Einschränkung, beträgt aber in der Praxis nicht mehr als 1000 kp/cm², um das Beschädigen des Ofenwerkzeugs, wie einer Form oder dergleichen, zu verhindern.
Es ist möglich, den Druck sofort auf einen maximalen Druck anzuheben. Es wird jedoch besonders bevorzugt, den Druck entsprechend dem Temperaturanstieg schrittweise anzuheben, um die Abmessungsgenauigkeit des Sinterkörpers zu verbessern.
Wenn der scheibenförmige Körper nach dem Heißpressverfahren gebrannt wird, ist es vorzuziehen, den Formkörper in einer Hülse unterzubringen, deren Innendurchmesser etwas größer ist als ein Außendurchmesser des Formkörpers.
Wenn das Entgasen zur Zeit des Anhebens der Temperatur erforderlich ist, wird das Abgeben von Gas vorzugsweise durch Erhitzen unter Vakuum über einen Temperaturbereich von Raumtemperatur bis 1.600ºC gefördert.
Weiters wird es mehr bevorzugt, die Temperatur beim Brennen mit einer Temperaturanstiegsrate von nicht weniger als 50ºC/h, aber nicht mehr als 1.500ºC/h auf eine maximale Temperatur anzuheben. Die maximale Temperatur beträgt vorzugsweise 1.650 bis 1.850ºC.
Im Heißpressverfahren wird nun ein Verfahren zum Aufbringen von Bornitrid als Trennmittel zwischen dem Formkörper oder Rohmaterialpulver und einer Kohlenstoff- Aufspannvorrichtung vorgeschlagen. Gemäß vorliegender Erfindung wird jedoch die Verwendung des Trennmittels nicht bevorzugt, weil die Gefahr besteht, dass Bor in den Sinterkörper gelangt.
In den Sinterkörper gemäß vorliegender Erfindung kann ein Metall eingebettet sein, wodurch er besonders als Elektrodeneinbettungserzeugnis geeignet ist, das in einer Umgebung verwendet wird, die keine Verunreinigungen verträgt. Als derartige Anwendung können eine elektrostatische Einspannvorrichtung aus Keramik, ein Keramikheizgerät, eine Hochfrequenzelektrodenvorrichtung und dergleichen genannt werden. Vorzugsweise kann er in der elektrostatischen Einspannvorrichtung verwendet werden.
Wenn der Sinterkörper gemäß vorliegender Erfindung als elektrostatische Einspannvorrichtung zum Anziehen eines Halbleiter-Wafers verwendet wird, kann die Anziehungseigenschaft der elektrostatischen Einspannvorrichtung über einen Temperaturbereich von etwa Raumtemperatur bis 600ºC, vorzugsweise etwa 100ºC bis 500ºC, beträchtlich verbessert werden. Das Ansprechverhalten zum Abnehmen des Wafers ist gut, weil elektrische Ladung mit einer ausreichenden Rate unmittelbar nach dem Abschalten der Spannung verloren geht.
Ein Metallelement, das in den Aluminiumnitrid-Sinterkörper eingebettet ist, ist vorzugsweise ein Massivelement vom Plattentyp. Wenn das Metalleinbettungserzeugnis eine elektrostatische Aufspannvorrichtung ist, ist das Metallelement eine Elektrode vom Plattentyp, die aus dem Massivelement besteht.
Da das Metallelement gemeinsam mit dem Aluminiumnitridpulver gebrannt wird, besteht es vorzugsweise aus einem Metall mit hohem Schmelzpunkt. Als solches Material mit hohem Schmelzpunkt können Tantal, Wolfram, Molybdän, Platin, Rhenium, Hafnium und Legierungen davon genannt werden. Vom Standpunkt der Verhinderung der Verunreinigung von Halbleitern werden Tantal, Wolfram, Molybdän, Platin und Legierungen davon bevorzugt.
Wenn die Erfindung auf die elektrostatische Einspannvorrichtung angewandt wird, können Elektroden der elektrostatischen Einspannvorrichtung als Elektrode zur Plasmaerzeugung verwendet werden, indem eine Hochfrequenz-Stromquelle an die Elektroden angeschlossen wird und eine Hochfrequenzspannung gemeinsam mit einer Gleichspannung zugeführt wird.
Weiters kann der Sinterkörper gemäß vorliegender Erfindung als Substrat für die Halbleiter-Herstellungsvorrichtung, wie als Träger zum Halten von Halbleiterwafern, Dummywafer, Schattenringe, Röhren zur Erzeugung von Hochfrequenzplasma, Glocken zur Erzeugung von Hochfrequenzplasma, Hochfrequenz-durchlässige Fenster, Infrarotdurchlässige Fenster, Hebestifte zum Tragen von Halbleiterwafern, Berieselungsplatten usw. eingesetzt werden.
Als elektronisches Funktionsmaterial, bei dem der Sinterkörper gemäß vorliegender Erfindung eingesetzt werden kann, kann eine Heizquelle zur Induktionserwärmung (ein Heizgerätematerial) genannt werden. Das heißt, der Sinterkörper gemäß vorliegender Erfindung weist hohe Reinheit und hohe Korrosionsbeständigkeit gegen Plasma auf, so dass er als Heizquelle für Induktionserwärmung verwendet werden kann, die in einer Plasmaatmosphäre eingesetzt wird.
Die Erfindung wird unter Bezugnahme auf die folgenden konkreten Versuchsergebnisse beschrieben.
In den in den Tabellen 1 bis 4 gezeigten Beispielen und Vergleichsbeispielen werden verschiedene Aluminiumnitrid-Sinterkörper hergestellt.
Als Rohmaterialpulver wird Aluminiumnitridpulver verwendet, das durch ein Reduktionsnitrierungsverfahren erhalten wird. Eine Additivlösung wird hergestellt, indem Yttriumnitrat in Isopropylalkohol gelöst und in einer Topfmühle mit dem Aluminiumnitridpulver gemischt wird. Der Mischungsanteil von Yttrium, umgewandelt in Y&sub2;O&sub3;, wird in den Tabellen 1 und 3 gezeigt.
Ein scheibenförmiger Körper mit einem Durchmesser von 200 mm wird durch uniaxiales Pressen des Rohmaterialpulvergemisches unter einem Druck von 200 kp/cm² hergestellt. Der scheibenförmige Körper wird in eine Heißpressform gelegt und hermetisch abgedichtet. Die Temperatur in der Form wird mit einer Temperaturanstiegsrate von 300ºC/h über einen Bereich von Raumtemperatur bis 1.000ºC angehoben, während der Druck reduziert wird. Nachdem die Temperatur 1.000ºC erreicht hat, wird der Druck schrittweise auf 200 kp/cm² angehoben, während Stickstoffgas mit einer Rate von 2,5 kp/cm² eingeleitet wird. Eine Maximaltemperatur beim Brennen wird geändert, wie in den Tabellen 1 und 3 gezeigt. Nachdem die Maximaltemperatur für eine Haltezeit, wie in den Tabellen 1 und 3 gezeigt, gehalten worden ist, wird der Formkörper mit einer Abkühlungsrate von 300ºC/h auf 1.000ºC gekühlt und dann spontan im Inneren des Ofens gekühlt.
In Bezug auf jeden der so erhaltenen Sinterkörper wird der Gehalt an Yttrium (Y- Gehalt), der Sauerstoff-Gesamtgehalt (O-Gehalt) und die Differenz zwischen Sauerstoff- Gesamtgehalt und dem Gehalt an Sauerstoff, umgewandelt in Y&sub2;O&sub3;, in den Tabellen 2 und 4 gezeigt.
Weiters werden in jedem Beispiel oder Vergleichsbeispiel die folgenden Messungen in Bezug auf den Sinterkörper durchgeführt:

(Mittlere Korngröße)

Sie wird ermittelt, indem ein Elektronenmikrophoto des Sinterkörpers verwendet und ein Mittelwert der Hauptlängen von Körnern berechnet wird, die im Elektronenmikrophoto zu sehen sind (Tabellen und 3).

(ESR-Spin-Ausmaß (Spins/mg))

Es wird aus einer Resonanzzustandsformel von ESR wie zuvor erwähnt berechnet (Tabellen 1 und 3). In den Tabellen bedeutet beispielsweise "1,8 E + 12" "1,8 · 10¹²" (g-Wert).
Es wird gemessen, wie zuvor erwähnt.

(Volumsspezifischer Widerstand bei 100ºC bzw. 500ºC)

Er wird nach einem Verfahren gemessen, bei dem ein volumsspezifischer Widerstand einer isolierenden Substanz nach der JIS C 2141 gemessen wird. In jeder Tabelle wird der volumsspezifische Widerstand dargestellt, indem eine Abkürzung verwendet wird. Beispielsweise bedeutet "3,6E + 13" "3,6 · 10¹³". Hier wird die Messung mit einer angelegten elektrischen Feldstärke von 500 V/mm durchgeführt, nachdem eine Silberpaste auf eine halbkreisförmige Probe mit einem Durchmesser von 100 mm und einer Dicke von 0,8 mm auf einer Fläche von 3,14 cm² aufgetragen worden ist.

(Hauptpeak im Kathodenlumineszenzspektrum)

Die Kathodenlumineszenz wird wie zuvor erwähnt gemessen, um eine Position des Hauptpeaks zu erhalten (Tabellen 2 und 4).

(Helligkeit und Chromatizität)

Die Helligkeit wird nach der JIS Z 8721 gemessen, und die Chromatizität wird visuell beobachtet (Tabellen 2 und 4). Tabelle 1 Tabelle 2 Tabelle 3 Tabelle 4
Wie aus den Ergebnissen der Tabellen 3 und 4 zu entnehmen, enthält jeder Sinterkörper in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 kein Yttriumoxid und weist eine mittlere Korngröße von weniger als 3 um und ein Spin-Ausmaß von nicht mehr als 10¹² Spins/mg auf, so dass der volumsspezifische Widerstand bei 100ºC zu hoch ist. In den Vergleichsbeispielen 3 und 4 werden die Körner bis zu einer mittleren Korngröße von nicht weniger als 3,8 um gezüchtet, indem die Sintertemperatur gegenüber jener in den Vergleichsbeispielen 1 und 2 erhöht wird. In diesem Fall nimmt das Spin-Ausmaß zu und insbesondere der volumsspezifische Widerstand wird bei einer hohen Temperatur extrem niedrig.
In den Vergleichsbeispielen 5, 6 und 7 ist die mittlere Korngröße der Körner hoch, und das Kornwachstum schreitet einigermaßen voran und auch das Spin-Ausmaß wird groß. Diese Sinterkörper sind eigentümliche Materialien, die einen sehr niedrigen volumsspezifischen Widerstand bei 100ºC zeigen, was die Tendenz hat, den volumsspezifischen Widerstand in einem hohen Temperaturbereich von nicht weniger als 500 ºC deutlich zu verringern. In diesen Beispielen ist auch festzustellen, dass sich der g- Wert verringert.
In den Vergleichsbeispielen 8, 9 und 10 wird beobachtet, dass der volumsspezifische Widerstand in einem hohen Temperaturbereich hauptsächlich aufgrund des Kornwachstums abnimmt.
Andererseits liegen, wie aus den Tabellen 1 und 2 zu entnehmen, wenn der Gehalt an Yttriumoxid, die mittlere Korngröße und das Spin-Ausmaß den gemäß vorliegender Erfindung definierten Bedingugnen entsprechen, die volumsspezifischen Widerstände bei 100ºC und 500ºC in einem relativ engen Bereich. Diese Sinterkörper entsprechen jenen in einem Stadium des Unterbrechens des Sinterns bevor das Kornwachstum durch das Voranschreiten des Sinterns im Materialsystem ausreichend abläuft, wie in den Vergleichsbeispielen 5 bis 7 gezeigt, und daher wird angenommen, dass sie eine eigentümliche Eigenschaft zeigen, nämlich linearen volumsspezifischen Widerstand.
Wie oben erwähnt, stellt die Erfindung einen neuen Aluminiumnitrid-Sinterkörper bereit, der über einen Temperaturbereich, der größer ist als bei einem herkömmlichen, eine geringere Änderung des volumsspezifischen Widerstand aufweist.
Die Erfindung besteht auch in Verfahren zur Herstellung der hier beschriebenen Aluminiumnitrid-Sinterkörper.

Claims

1. Aluminiumnitrid-Sinterkörper, umfassend Aluminiumnitrid-Kristallkörner, worin der Gehalt eines Seltenerdelements (berechnet als Gehalt des Oxids) in einem Bereich von 0,05 bis 0,5 Gew.-% liegt, die mittlere Korngröße der Aluminiumnitrid-Kristallkörner nicht größer als 3 um ist, das Spin-Ausmaß pro mg-Einheit Aluminium, erhalten aus seinem nach einem Elektronenspin-Resonanzverfahren gemessenen Spektrum, nicht mehr als 5 · 10¹² Spin/mg beträgt, und die Differenz zwischen dem Gesamt-Sauerstoffgehalt im Sinterkörper und dem Sauerstoff-Gehalt des Seltenerdelements, berechnet als Oxid, nicht mehr als 1,0 Gew.-% beträgt.

2. Aluminiumnitrid-Sinterkörper nach Anspruch 1, worin der volumsspezifische Widerstand des Aluminiumnitrid-Sinterkörpers zwischen 100ºC und 500ºC in einem Bereich von 1 · 10¹&sup4; bis 1 · 10&sup7; Ω cm liegt.

3. Aluminiumnitrid-Sinterkörper nach Anspruch 2, worin der volumsspezifische Widerstand des Aluminiumnitrid-Sinterkörpers zwischen 100ºC und 500ºC in einem Bereich von 5 · 10¹³ bis 1 · 10&sup8; Ω·cm liegt.

4. Aluminiumnitrid-Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 3, worin der G- Wert ungepaarter Aluminium-Elektronen, erhalten aus dem nach dem Elektronenspin- Resonanzverfahren gemessenen Spektrum, im Aluminiumnitrid-Sinterkörper nicht geringer als 2,0001, aber nicht höher als 2,0009 ist.

5. Aluminiumnitrid-Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 4, worin der Gehalt an Metallverunreinigungen mit Ausnahme des Seltenerdelements im Aluminiumnitrid-Sinterkörper nicht größer als 500 ppm ist.

6. Aluminiumnitrid-Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 Eis 5, worin der Aluminiumnitrid-Sinterkörper einen Hauptpeak im durch Kathodenlumineszenz erhaltenen Spektrum in einem Bereich von 350 bis 370 nm aufweist.

Aluminiumnitrid-Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 6, worin die in der JIS Z 8721 definierte Helligkeit des Aluminiumnitrid-Sinterkörpers nicht größer als N4 ist.

8. Elektronisches Funktionsmaterial, das ein Substrat umfasst, das aus einem Aluminiumnitrid-Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7 besteht.

9. Elektrostatische Halterung, die mit einer anziehenden Oberfläche zum Anziehen und Haften eines Halbleiter-Wafers versehen ist, welcher ein Substrat aus einem Aluminiumnitrid-Sinterkörper nach einem der Ansprüche 1 bis 7, eine in das Substrat eingebettete Planelektrode und eine Stromquelle zur Zufuhr von Gleichstrom zur Planelektrode umfasst.