JP7610345B2 - 複合焼結体および複合焼結体の製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、複合焼結体および複合焼結体の製造方法に関する。

従来、半導体基板の製造装置等において、半導体基板を吸着して保持する静電チャック、半導体基板を加熱するヒーター、これらを組み合わせた静電チャックヒーター等の、サセプターが利用されている。当該サセプターは、セラミック（例えば、窒化アルミニウム）の焼結体を主材料とする基材と、当該基材の内部等に配置される電極とを備える。

上述の製造装置では、サセプターにより支持された半導体基板に対して、処理ガスを励起して生成されたプラズマによる成膜やエッチング等のプロセスが施される。当該サセプターでは、上記プロセスの高温化に対応するために、高温における体積抵抗率の維持等を目的として、酸化マグネシウム等の添加物が基材に添加される場合がある。当該基材の熱膨張係数は、添加物の種類や添加率によって変動するため、電極との熱膨張係数の差に起因する基材のクラックや割れ等が発生する可能性がある。

そこで、特許文献１では、窒化アルミニウム質焼結体から成る基体中に埋設された発熱抵抗体において、９０重量％～９９重量％のタングステン、モリブデン、炭化タングステン、炭化チタンまたは窒化チタンに、１～１０重量％の窒化アルミニウム（すなわち、基体の材料）を混合することにより、基体と発熱抵抗体との熱膨張係数の差を低減することが提案されている。

また、特許文献２では、窒化アルミニウム、酸化アルミニウムまたは酸化イットリウム等のセラミック基材中に埋設された電極において、タングステンまたはモリブデン等の高融点金属に、５重量％～３０重量％のセラミック基材の材料を混合することにより、基材と電極との熱膨張係数の差を低減することが提案されている。

一方、特許文献３では、窒化アルミニウムにより形成されたセラミック誘電体層に埋設された吸着用電極を、モリブデン、タングステン、チタン、窒化チタン、炭化タングステンまたは炭化チタンの焼結体により形成した双極型の静電チャックが提案されている。当該静電チャックでは、セラミック誘電体層の各部の厚さを規定することにより、ウエハが吸着面上に均一に固定される。

特開平８－２３６５９９号公報 特許第５０３２４４４号公報 特開２００７－１７３５９２号公報

ところで、特許文献１および特許文献２では、電極に基材の材料を添加することにより、基材と電極との熱膨張係数の差をある程度まで小さくすることはできるが、当該差の低減に限界がある。また、電極に基材の材料を添加することにより、電極の抵抗率が増大し、発熱量が低下するおそれもある。

特許文献３の静電チャックでは、セラミック誘電体層と吸着用電極との熱膨張係数の差を低減してセラミック誘電体層のクラックや割れ等を抑制することは考慮されていない。また、当該静電チャックにおいて、モリブデン、タングステンまたはチタンにより電極を形成する場合、焼成条件や基材からの影響を受けやすく、酸化や炭化が生じて電極内が不均一になりやすい。その結果、電極特性がばらつきやすく、量産性が低下するおそれがある。一方、窒化チタンにより電極を形成する場合、静電チャックの製造時における高温焼成により、窒化チタンの異常粒成長が発生して粒子間に空隙が生じ、電極の抵抗率が増大するおそれがある。

本発明は、複合焼結体に向けられており、電極の抵抗率の増大を抑制しつつ、電極と基材との熱膨張係数の差を小さくすることを目的としている。

本発明の好ましい一の形態に係る複合焼結体は、５質量％～４５質量％のマグネシウムアルミニウムスピネルを含むとともに残部が窒化アルミニウムであり、主面に半導体基板が載置される円板状の基材と、前記基材の内部または表面に配置される電極と、を備える。前記電極は、炭化タングステン（ＷＣ）と、窒化チタン（ＴｉＮ）と、を含む。前記電極と前記基材との熱膨張係数の差の絶対値は、４０℃以上かつ１０００℃以下の範囲において、０．３ｐｐｍ／℃以下である。これにより、電極の抵抗率の増大を抑制しつつ、電極と基材との熱膨張係数の差を小さくすることができる。
好ましくは、前記電極に含まれる導電体における前記炭化タングステン（ＷＣ）および前記窒化チタン（ＴｉＮ）の合計含有率は、１００体積％である。
本発明の好ましい他の形態に係る複合焼結体は、５０質量％～１００質量％の窒化アルミニウムを含有するとともに主面に半導体基板が載置される円板状の基材と、前記基材の内部または表面に配置される電極と、を備える。前記電極は、炭化タングステン（ＷＣ）と、窒化チタン（ＴｉＮ）と、を含む。前記電極に含まれる導電体における前記炭化タングステン（ＷＣ）および前記窒化チタン（ＴｉＮ）の合計含有率は、１００体積％である。前記電極と前記基材との熱膨張係数の差の絶対値は、４０℃以上かつ１０００℃以下の範囲において、０．３ｐｐｍ／℃以下である。これにより、電極の抵抗率の増大を抑制しつつ、電極と基材との熱膨張係数の差を小さくすることができる。
好ましくは、前記電極における前記炭化タングステン（ＷＣ）および前記窒化チタン（ＴｉＮ）の合計含有率は、１００体積％である。

好ましくは、前記電極の室温における抵抗率は、３．０×１０^－５Ω・ｃｍ以下である。

好ましくは、前記電極に含まれる導電体における前記窒化チタン（ＴｉＮ）の含有率は、５体積％以上かつ６０体積％以下である。

好ましくは、前記電極において、Ｘ線回折法により得られる前記炭化タングステン（ＷＣ）と前記窒化チタン（ＴｉＮ）とのメインピークの強度比は、０．８０以上かつ１．０未満である。

好ましくは、前記電極における前記窒化チタン（ＴｉＮ）の焼結粒径は、０．７μｍ以上かつ１．０μｍ以下である。

本発明は、主面に半導体基板が載置される円板状の基材および前記基材の内部に配置される電極を備える複合焼結体の製造方法にも向けられている。本発明の好ましい一の形態に係る複合焼結体の製造方法は、ａ）セラミックを主材料とする成形体、仮焼体または焼結体である第１部材および第２部材を準備する工程と、ｂ）前記第１部材上に、炭化タングステン（ＷＣ）および窒化チタン（ＴｉＮ）を含む電極または前記電極の前駆体を配置した後、前記第２部材を積層して積層体を形成する工程と、ｃ）前記積層体をホットプレス焼成する工程と、を備える。前記ｃ）工程の終了後における前記第１部材および前記第２部材は、５質量％～４５質量％のマグネシウムアルミニウムスピネルを含むとともに残部が窒化アルミニウムである。前記ｃ）工程の終了後における前記電極と前記第１部材および前記第２部材との熱膨張係数の差の絶対値は、４０℃以上かつ１０００℃以下の範囲において、０．３ｐｐｍ／℃以下である。これにより、電極の抵抗率の増大を抑制しつつ、電極と基材との熱膨張係数の差を小さくすることができる。
本発明の好ましい他の形態に係る複合焼結体の製造方法は、ａ）セラミックを主材料とする成形体、仮焼体または焼結体である第１部材および第２部材を準備する工程と、ｂ）前記第１部材上に、炭化タングステン（ＷＣ）および窒化チタン（ＴｉＮ）を含む電極または前記電極の前駆体を配置した後、前記第２部材を積層して積層体を形成する工程と、ｃ）前記積層体をホットプレス焼成する工程と、を備える。前記ｃ）工程の終了後における前記第１部材および前記第２部材は、５０質量％～１００質量％の窒化アルミニウムを含有する。前記ｃ）工程の終了後において、前記電極に含まれる導電体における前記炭化タングステンおよび前記窒化チタンの合計含有率は、１００体積％である。前記ｃ）工程の終了後における前記電極と前記第１部材および前記第２部材との熱膨張係数の差の絶対値は、４０℃以上かつ１０００℃以下の範囲において、０．３ｐｐｍ／℃以下である。これにより、電極の抵抗率の増大を抑制しつつ、電極と基材との熱膨張係数の差を小さくすることができる。

好ましくは、前記ｃ）工程における焼成温度は、１７００℃以上かつ１７８０℃以下である。

本発明では、電極の抵抗率の増大を抑制しつつ、電極と基材との熱膨張係数の差を小さくすることができる。

サセプターの断面図である。 複合焼結体の製造の流れを示す図である。 電極の研磨面のＳＥＭ画像である。

図１は、本発明の一の実施の形態に係るサセプター１の断面図である。サセプター１は、半導体製造装置において使用される半導体製造装置部材である。サセプター１は、略円板状の半導体基板９（以下、単に「基板９」と呼ぶ。）を、図１中の下側から支持する。以下の説明では、図１中の上側および下側を、単に「上側」および「下側」と呼ぶ。また、図１中の上下方向を、単に「上下方向」と呼ぶ。図１中の上下方向は、サセプター１が半導体製造装置に設置される際の実際の上下方向と必ずしも一致する必要はない。

サセプター１は、本体部２１と、ベース部２２と、電極２３とを備える。本体部２１は、セラミックを主材料とする略板状（例えば、略円板状）の基材である。本体部２１の上側の主面（すなわち、上面）上には基板９が載置される。ベース部２２は、平面視において本体部２１よりも大きい略板状（例えば、略円板状）の部材である。本体部２１は、ベース部２２上に取り付けられる。図１に示す例では、電極２３は、本体部２１の内部に配置（すなわち、埋設）される。電極２３は、例えば、略円板状の部材である。電極２３は、比較的高い融点を有する材料により形成されることが好ましい。本体部２１および電極２３は、複数の材料により形成された複合焼結体である。以下の説明では、本体部２１および電極２３をまとめて「複合焼結体２０」とも呼ぶ。本体部２１および電極２３の材料については後述する。

図１に示す例では、サセプター１は、電極２３に直流電圧が印加されることにより発生する熱によって基板９を加熱するヒータである。すなわち、電極２３は、基板９を加熱する抵抗発熱体である。サセプター１では、電極２３に加えて、クーロン力またはジョンソン・ラーベック力を利用して基板９を静電吸着するチャック用電極が、本体部２１の内部に設けられてもよい。あるいは、電極２３がチャック用電極として利用されてもよい。

上述のように、本体部２１は、セラミックを主材料として形成されている。本体部２１では、主材料である当該セラミックの含有率は、例えば、５０質量％～１００質量％である。本体部２１の主材料は、例えば、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）である。本体部２１では、酸化マグネシウム（ＭｇＯ）および／またはマグネシウムアルミニウムスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）等の添加材料が、ＡｌＮに添加されていてもよい。本体部２１では、主材料であるＡｌＮの含有率は、例えば５０質量％～１００質量％であり、所望する本体部２１の材料特性に合わせて当該含有率は調整される。例えば、本体部２１に高い熱伝導率が求められる場合のＡｌＮの含有率は、好ましくは８０質量％～１００質量％である。

電極２３は導電体を含み、当該導電体は、炭化タングステン（ＷＣ）と、窒化チタン（ＴｉＮ）とを含む。本願では、「炭化タングステン」との記載は、化学式「ＷＣ」にて表される化合物を意味し、後述する化学式「Ｗ_２Ｃ」にて表される化合物を含まない概念である。当該導電体におけるＷＣおよびＴｉＮの合計含有率は、例えば、９０体積％～１００体積％である。また、電極２３におけるＷＣおよびＴｉＮの合計含有率は、例えば、８０体積％～１００体積％であり、電極２３の性能に実質的な影響を与えない程度の含有量であれば、Ｗ_２Ｃ等の異相の含有は許容される。本実施の形態では、電極２３は、実質的に導電体のみにより形成されており、当該導電体は、実質的にＷＣおよびＴｉＮ以外の物質を含んでいない。換言すれば、本実施の形態では、電極２３に含まれる導電体におけるＷＣおよびＴｉＮの合計含有率は１００体積％であり、電極２３におけるＷＣおよびＴｉＮの合計含有率も１００体積％である。

電極２３に含まれる導電体におけるＴｉＮの含有率は、例えば、５体積％以上かつ６０体積％以下であり、電極２３と本体部２１との熱膨張係数の差が実質的に０に近づくように調整される。また、電極２３において、Ｘ線回折法（ＸＲＤ）により得られるＷＣとＴｉＮとのメインピークの強度比（以下、「ＷＣ－ＴｉＮピーク比」とも呼ぶ。）は、例えば、０．８０以上かつ１．０未満であり、電極２３と本体部２１との熱膨張係数の差が実質的に０に近づくように調整される。ＷＣ－ＴｉＮピーク比は、ＷＣのメインピーク強度を、ＷＣのメインピーク強度とＴｉＮのメインピーク強度との合計により除算した値である。

ＷＣの熱膨張係数（熱膨張率ともいう。）は、本体部２１の熱膨張係数、および、本体部２１の主材料であるＡｌＮの熱膨張係数よりも低い。ＴｉＮの熱膨張係数は、本体部２１の熱膨張係数、および、本体部２１の主材料であるＡｌＮの熱膨張係数よりも高い。電極２３と本体部２１との熱膨張係数の差の絶対値（以下、「ＣＴＥ差」とも呼ぶ。）は、４０℃以上かつ１０００℃以下の範囲において、例えば０．５ｐｐｍ／℃以下であり、好ましくは０．３ｐｐｍ／℃以下である。ＣＴＥ差の下限は特に限定されないが、０．０ｐｐｍ／℃以上である。また、電極２３の室温における抵抗率は、例えば３．０×１０^－５Ω・ｃｍ以下であり、好ましくはは２．５×１０^－５Ω・ｃｍ以下である。当該抵抗率の下限は特に限定されないが、例えば１．０×１０^－５Ω・ｃｍ以上である。

電極２３は、後述するように、本体部２１と共に、あるいは、本体部２１とは別に焼成されることにより形成される焼結体である。焼成温度は、例えば、１７００℃以上の高温である。なお、ＷＣの融点は２８７０℃であり、ＴｉＮの融点は２９３０℃である。ＴｉＮの焼結粒径は、例えば、０．７μｍ以上かつ１．０μｍ以下であり、好ましくは、０．７μｍ以上かつ０．９μｍ以下である。ＴｉＮの焼結粒径は、ＳＥＭ（走査型電子顕微鏡）等を用いた微構造観察により求めることが可能である。

次に、図２を参照しつつサセプター１の本体部２１および電極２３（すなわち、複合焼結体２０）の製造方法の一例について説明する。当該例では、本体部２１の下半分の略円板状の部位（以下、「第１部材」と呼ぶ。）と、上半分の略円板状の部位（以下、「第２部材」と呼ぶ。）とを作成し、第１部材と第２部材との間に電極２３の材料を挟んで焼成を行うことにより、本体部２１および電極２３を製造する。

具体的には、まず、本体部２１（すなわち、第１部材および第２部材）の原料粉末を所定の組成となるように秤量し、当該原料粉末を湿式混合した上で、一軸加圧成形等により所定形状の成形体に成形する（ステップＳ１１）。ステップＳ１１で成形される成形体は、上述の第１部材および第２部材の前駆体である。

ステップＳ１１では、ＡｌＮ原料として、例えば、市販の高純度微粒粉末が使用される。また、本体部２１にＭｇＯが含まれる場合、ＭｇＯ原料として、例えば、市販の高純度微粒粉末が使用される。本体部２１にＭｇＡｌ_２Ｏ_４が含まれる場合、例えば、上述の市販のＭｇＯ粉末と市販の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の高純度微粒粉末とを加熱合成したものが、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４原料として使用される。あるいは、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４原料として、市販のＭｇＡｌ_２Ｏ_４の高純度微粒粉末が使用されてもよい。ＡｌＮ原料、ＭｇＯ原料およびＭｇＡｌ_２Ｏ_４原料の純度および平均粒径等は、適宜決定される。

ステップＳ１１では、原料粉末の混合条件（例えば、混合時間、溶媒種類等）は、適宜決定される。当該溶媒としては、例えば、有機溶媒またはイオン交換水が使用可能である。なお、ステップＳ１１では、乾式混合により原料粉末が混合されてもよい。

ステップＳ１１では、成形体の成形条件（例えば、付与される圧力等）は、適宜決定される。成形体の形状が板状である場合には、原料粉末がホットプレスダイス等に充填されることにより、成形体が成形されてもよい。当該成形体の成形は、形状を保持できるのであれば、他の様々な方法により行われてもよい。例えば、湿式混合後のスラリーを、流動性のある状態のままモールドに流し込んだ後に溶媒成分を除去し、所定形状の成形体としてもよい。

続いて、ステップＳ１１にて形成された２つの成形体（すなわち、第１部材および第２部材の前駆体）が、ホットプレス法等により焼成され、得られた焼結体が所定形状に加工されることにより、第１部材および第２部材が得られる（ステップＳ１２）。ステップＳ１２における焼成条件（例えば、プレス圧、焼成温度、焼成時間等）は、適宜決定される。ステップＳ１２における成形体の焼成は、ホットプレス法以外の方法により行われてもよい。

次に、電極２３の原料粉末を所定の組成となるように秤量し、当該原料粉末を混合した上で、溶媒およびバインダ等と混練して、電極２３の前駆体である電極ペーストを生成する（ステップＳ１３）。ステップＳ１３では、ＷＣ原料およびＴｉＮ原料として、例えば、市販のＷＣおよびＴｉＮの高純度微粒粉末が使用される。ＷＣ原料およびＴｉＮ原料の純度および平均粒径等は、適宜決定される。上述の原料粉末の混合は、例えば、湿式混合により行われる。原料粉末の混合条件（例えば、混合時間、溶媒種類等）は、適宜決定される。当該溶媒としては、例えば、有機溶媒またはイオン交換水が使用可能である。なお、ステップＳ１３では、乾式混合により原料粉末が混合されてもよい。ステップＳ１３では、原料粉末と共に混練される上記溶媒（例えば、有機溶媒）およびバインダの種類は、適宜決定される。なお、ステップＳ１３は、ステップＳ１１，Ｓ１２よりも前に、または、ステップＳ１１，Ｓ１２と並行して行われてもよい。

ステップＳ１３にて生成された電極ペーストは、ステップＳ１２にて形成された焼結体のうちの一方（すなわち、第１部材）の上面に、スクリーン印刷等により所定の形状に塗布される。そして、電極ペーストが大気中等において所定時間（例えば、１時間）乾燥された後、第１部材および電極ペーストの上に、第２部材が積層されて積層体が形成される（ステップＳ１４）。

ステップＳ１４では、電極ペーストの塗布は、スクリーン印刷以外の方法により行われてもよい。また、ステップＳ１４では、第１部材および電極ペーストの上に、第２部材の成形体（すなわち、ステップＳ１１にて成形された前駆体）が、第２部材に代えて積層されてもよい。あるいは、第２部材の成形体を仮焼成した仮焼体が、第２部材に代えて第１部材および電極ペーストの上に積層されてもよい。また、焼結体である第１部材に代えて、第１部材の成形体または仮焼体が用いられてもよい。換言すれば、ステップＳ１４で使用される第１部材および第２部材は、焼結体、仮焼体および成形体のうちいずれであってもよい。

その後、ステップＳ１４にて形成された積層体が、ホットプレス法等により焼成されることにより、第１部材と第２部材とが一体化し、本体部２１および電極２３（すなわち、複合焼結体２０）が形成される（ステップＳ１５）。ステップＳ１５における焼成条件（例えば、プレス圧、焼成温度、焼成時間等）は、適宜決定される。ステップＳ１５における積層体の焼成は、ホットプレス法以外の方法により行われてもよい。また、上述のステップＳ１４では、電極ペーストに代えて、電極ペーストを単体で焼成して形成された電極２３が第１部材の上面上に配置され、第１部材および電極２３上に、第２部材の成形体、仮焼体または焼結体が積層されてもよい。

次に、表１～表３を参照しつつ、本発明に係る複合焼結体２０（すなわち、本体部２１および電極２３）の実施例１～１６、および、複合焼結体２０と比較するための比較例１～４の複合焼結体について説明する。実施例１～１６では、電極２３がＷＣおよびＴｉＮを含むのに対し、比較例１～４では、電極２３はＷＣおよびＴｉＮのいずれか一方のみを含む。

実施例１～１６、および、比較例１～４では、本体部２１および電極２３の製造は、上述のステップＳ１１～Ｓ１５により行った。実施例１～１６、および、比較例１～４では、ステップＳ１１において、ＡｌＮ原料として、市販のＡｌＮの高純度微粒粉末（酸素含有率０．８％、平均粒径１．３μｍ）を使用した。また、ＭｇＯ原料として、市販のＭｇＯの高純度微粒粉末（純度９９％以上、平均粒径１．２μｍ）を使用した。ＭｇＡｌ_２Ｏ_４原料としては、上述の市販のＭｇＯ粉末と市販の酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）の高純度微粒粉末（純度９９．９９％以上、平均粒径０．５μｍ）とをモル比で１：１になるように混合し、１３００℃、大気雰囲気にて加熱合成後に粉砕して平均粒径０．２μｍに調整したものを使用した。

実施例１～１６、および、比較例１～４では、ステップＳ１１における原料粉末の湿式混合は、ジルコニアボールおよびポリポットを用いたボールミルにより行った。混合時間は２０時間であり、使用した溶媒は有機溶媒である。湿式混合により生成されたスラリーを、乾燥させた後に篩にかけることにより、本体部２１の原料粉末を得た。また、ステップＳ１１における成形体の成形は、一軸加圧成形用の金型に原料粉末を充填することにより行った。当該一軸加圧成形時の圧力は、１００ｋｇｆ／ｃｍ^２である。得られた成形体は、直径５０ｍｍ、厚さ１０ｍｍの略円板状である。なお、実施例１～１６、および、比較例１～４では、実際の複合焼結体２０よりも小さい試験体を作製、使用する。

実施例１～１６、および、比較例１～４では、ステップＳ１２における焼成は、ホットプレス法により行った。具体的には、上述の成形体をホットプレス用の黒鉛型に収容し、ホットプレス炉にセットして焼成を行った。焼成時のプレス圧は、２００ｋｇｆ／ｃｍ^２である。焼成温度（すなわち、焼成時の最高温度）は、１７００℃以上かつ１７８０℃以下である。焼成時間は、８時間である。昇温速度および降温速度は、３００℃／ｈである。焼成雰囲気は、１０００℃までの昇温時は真空引きを行い、その後は窒素ガスを導入した。窒素ガスの導入後のガス圧力は、約１．５ａｔｍ（約０．１５２ＭＰａ）に維持した。降温時は、１４００℃で温度制御を停止し、炉冷した。得られた焼結体（すなわち、第１部材および第２部材）はそれぞれ、直径５０ｍｍ、厚さ５ｍｍの略円板状に加工した。

実施例１～１６、および、比較例１～４では、ステップＳ１３において、ＷＣ原料およびＴｉＮ原料として、市販のＷＣの高純度微粒粉末（純度９９．９％以上、平均粒径０．７５μｍ）、および、市販のＴｉＮの高純度微粒粉末（純度９９％以上、平均粒径０．６μｍ）を使用した。

実施例１～１６では、ステップＳ１３における原料粉末の湿式混合は、ジルコニアボールおよびポリポットを用いたボールミルにより行った。混合時間は２０時間であり、使用した溶媒は有機溶媒である。湿式混合により生成されたスラリーを、乾燥させた後に篩にかけることにより、電極２３の原料粉末を得た。比較例１～４では、上述のＷＣ原料またはＴｉＮ原料を、電極２３の原料粉末として使用した。実施例１～１６、および、比較例１～４では、電極ペーストの生成時に当該原料粉末と混練される溶媒およびバインダとして、ブチルカルビトールおよびポリメタクリル酸－ｎ－ブチルを使用した。

実施例１～１６、および、比較例１～４では、ステップＳ１４における電極ペーストの塗布は、スクリーン印刷により行われる。第１部材上に塗布された電極ペーストの形状は、幅５ｍｍ、長さ１５ｍｍの略長方形である。電極ペーストの厚さは、６０μｍ～７０μｍである。

実施例１～１６、および、比較例１～４では、ステップＳ１５における焼成は、ホットプレス法により行った。具体的には、上述の成形体をホットプレス用の黒鉛型に収容し、ホットプレス炉にセットして焼成を行った。焼成時のプレス圧は、２００ｋｇｆ／ｃｍ^２である。焼成温度（すなわち、焼成時の最高温度）は、１７００℃以上かつ１７８０℃以下である。焼成時間は、８時間である。昇温速度および降温速度は、３００℃／ｈである。焼成雰囲気は、１０００℃までの昇温時は真空引きを行い、その後は窒素ガスを導入した。窒素ガスの導入後のガス圧力は、約１．５ａｔｍ（約０．１５２ＭＰａ）に維持した。降温時は、１４００℃で温度制御を停止し、炉冷した。

表１～表３において、基材（すなわち、本体部２１）の熱膨張係数は、本体部２１から切り出した焼結体試料を用いて、ＪＩＳ－Ｒ１６１８に準じた方法により、４０℃～１０００℃の範囲で測定した。また、ＷＣの熱膨張係数は、ステップＳ１３で使用した市販のＷＣ粉末を、ステップＳ１２と同様の条件でホットプレス焼成して作製されたバルク材を用いて、ＪＩＳ－Ｒ１６１８に準じた方法により、４０℃～１０００℃の範囲で測定した。ＴｉＮの熱膨張係数についても、ＷＣと同様に測定した。電極２３の熱膨張係数は、上述のＷＣ単体の熱膨張係数、および、ＴｉＮ単体の熱膨張係数と、電極２３におけるＷＣおよびＴｉＮの含有率とに基づいて求めた。具体的には、ＷＣ単体の熱膨張係数と電極２３におけるＷＣの含有率との積、および、ＴｉＮ単体の熱膨張係数と電極２３におけるＴｉＮの含有率との積の合計を、電極２３の熱膨張係数とした。ＣＴＥ差は、上述の電極２３の熱膨張係数と本体部２１の熱膨張係数の差の絶対値である。

電極２３の抵抗率は、次のように求めた。まず、ステップＳ１５にて形成された複合焼結体２０から、幅、長さおよび厚さがそれぞれ９ｍｍの略直方体状の試験片を切り出す。試験片は、中央部に幅５ｍｍ、長さ９ｍｍの電極２３が内蔵されるように切り出される。試験片の両端面には、幅５ｍｍの電極２３が露出している。電極２３の断面積Ｓ（ｃｍ^２）は、試験片の端面における電極２３の幅および長さを光学顕微鏡により測定して求めた。また、電極２３が露出する試験片の両端面間の距離をノギスにより測定し、電極２３の長さＬ（ｃｍ）とした。抵抗測定用の回路は、電極２３の両端面に導電性ペーストを塗布した上でリード線を接続して構成した。そして、大気中、室温において、電極２３に微少電流Ｉ（ｍＡ）を０ｍＡ～１５０ｍＡの範囲で付与し、その際に発生する微小電圧値Ｖ（ｍＶ）を測定し、電極２３の抵抗Ｒ（Ω）をＲ＝Ｖ／Ｉにより求めた。その後、電極２３の抵抗率ρ（Ω・ｃｍ）を、ρ＝Ｒ×Ｓ／Ｌにより求めた。

電極２３の組成は、次のように求めた。まず、試験片の上半分または下半分を除去して電極２３の上面または下面を露出させ、露出した電極２３を研磨した。そして、電極２３の研磨面において、Ｘ線回折装置（ＸＲＤ）により結晶相を同定した。当該結晶相の同定では、封入管式Ｘ線回折装置（ブルカー・エイエックスエス株式会社製 Ｄ８－ＡＤＶＡＮＣＥ）を使用した。測定条件はＣｕＫα，４０ｋＶ，４０ｍＡ，２θ＝１０～７０°とし、測定のステップ幅は０．００２°とした。

電極２３におけるＷＣ－ＴｉＮピーク比は、上述のＸＲＤにより測定されたＷＣとＴｉＮとのメインピークの強度比である。ＷＣ－ＴｉＮピーク比は、ＷＣのメインピークである（１００）面の強度をＩ１とし、ＴｉＮのメインピークである（２００）面の強度をＩ２として、Ｉ１／（Ｉ１＋Ｉ２）として求めた。

電極２３におけるＴｉＮの焼結粒径は、ＳＥＭを用いた微構造観察により求めた。図３は、実施例６の電極２３のＳＥＭ画像である。具体的には、試験片の一面を鏡面状に研磨仕上げし、電極２３の研磨面をＳＥＭを用いて観察する。そして、所定数（例えば、数十個）の焼結粒子のそれぞれの長径および短径の平均である平均径を算出し、当該所定数の焼結粒子の平均径の算術平均をＴｉＮの焼結粒径とした。

実施例１、および、比較例１～２では、本体部２１の第１部材および第２部材は、ＡｌＮにＭｇＯが添加されて形成されている。実施例２～１６、および、比較例３～４では、本体部２１の第１部材および第２部材は、ＡｌＮにＭｇＡｌ_２Ｏ_４が添加されて形成されている。実施例１～１５、および、比較例１～４では、第２部材はステップＳ１１の成形体であり、実施例１６では、第２部材はステップＳ１２の焼結体である。なお、第１部材は、全実施例および全比較例において、ステップＳ１２の焼結体である。

全実施例において、電極２３はＷＣおよびＴｉＮを含む。なお、電極２３は、ＷＣから生成されたＷ_２Ｃを僅かに含む場合もあるが、当該微量のＷ_２Ｃは、電極２３の性能には実質的に影響を与えない。比較例１，３では、電極２３はＷＣを含み、ＴｉＮは含まない。比較例２，４では、電極２３はＴｉＮを含み、ＷＣは含まない。実施例１～１２，１６、および、比較例１～４では、電極２３の焼成温度は１７２０℃である。実施例１３～１５ではそれぞれ、電極２３の焼成温度は１７００℃、１７４０℃、１７８０℃である。

実施例１，３～４では、本体部２１における添加成分をＭｇＯとＭｇＡｌ_２Ｏ_４とに変更しつつ、本体部２１の熱膨張係数を近づけた。実施例２～６では、本体部２１における添加成分ＭｇＡｌ_２Ｏ_４の含有率を５質量％～４５質量％の範囲で変化させ、ＣＴＥ差が０．００ｐｐｍ／℃となるように、電極２３におけるＷＣおよびＴｉＮの含有率を変更した。実施例７～１２では、本体部２１における添加成分ＭｇＡｌ_２Ｏ_４の含有率を４５質量％で固定し、電極２３におけるＷＣおよびＴｉＮの含有率を変更してＣＴＥ差を変更した。実施例６，１３～１５では、焼成温度を１７００℃～１７８０℃の範囲で変更した。実施例６，１６では、実施例６の本体部２１の第２部材を成形体とし、実施例１６の本体部２１の第２部材を焼結体とした。

実施例１～１６では、電極２３と本体部２１との熱膨張係数の差の絶対値であるＣＴＥ差は、本体部２１の熱膨張係数が添加成分により変化しているにも関わらず、０．００ｐｐｍ／℃～０．５０ｐｐｍ／℃と小さかった。一方、電極２３がＷＣのみにより形成されている比較例１，３では、ＣＴＥ差は０．６０ｐｐｍ／℃～１．８０ｐｐｍ／℃と大きかった。また、電極２３がＴｉＮのみにより形成されている比較例２，４では、ＣＴＥ差は２．１０ｐｐｍ／℃～３．３０ｐｐｍ／℃と大きかった。

実施例１～１６では、電極２３におけるＷＣ－ＴｉＮピーク比は、０．８０～０．９９であった。なお、電極２３がＷＣのみにより形成されている比較例１，３では、電極２３におけるＷＣ－ＴｉＮピーク比は１．０であり、電極２３がＴｉＮのみにより形成されている比較例２，４では、電極２３におけるＷＣ－ＴｉＮピーク比は０．０である。

実施例１～１６では、電極２３におけるＴｉＮの焼結粒径は、０．７４μｍ～０．９６μｍと小さかった。一方、電極２３がＴｉＮのみにより形成されている比較例２，４では、電極２３におけるＴｉＮの焼結粒径は、７．０１μｍ～７．０６μｍと大きかった。比較例２，４では、電極２３にＷＣが含まれていないため、電極２３の焼結時にＴｉＮの異常粒成長が生じたものと考えられる。

実施例１～１６では、電極２３の室温における抵抗率は、２．０×１０^－５Ω・ｃｍ～３．０×１０^－５Ω・ｃｍと小さかった。電極２３がＷＣのみにより形成されている比較例１，３では、電極２３の室温における抵抗率は、１．９×１０^－５Ω・ｃｍ～２．０×１０^－５Ω・ｃｍであった。一方、電極２３がＴｉＮのみにより形成されている比較例２，４では、電極２３の室温における抵抗率は、５．１×１０^－５Ω・ｃｍ～５．４×１０^－５Ω・ｃｍと大きかった。

以上に説明したように、複合焼結体２０は、セラミックを主材料とする基材（すなわち、本体部２１）と、本体部２１の内部に配置される電極２３とを備える。電極２３は、ＷＣと、ＴｉＮとを含む。これにより、電極２３の抵抗率の増大を抑制しつつ、電極２３と本体部２１との熱膨張係数の差を小さくすることができる。その結果、当該熱膨張係数の差に起因する本体部２１のクラックや割れ等の損傷を抑制することができる。また、電極２３が抵抗発熱体として利用される場合、電極２３による発熱量を大きくすることができる。電極２３がチャック用電極として利用される場合、基板９に対する吸着力を大きくすることができる。

なお、複合焼結体２０では、電極２３は、本体部２１の表面に配置されてもよい。換言すれば、電極２３は、本体部２１の内部または表面に配置される。電極２３が本体部２１の内部および表面のいずれに配置される場合であっても、複合焼結体２０では、上述のように、電極２３の抵抗率の増大を抑制しつつ、電極２３と本体部２１との熱膨張係数の差を小さくすることができる。

上述のように、複合焼結体２０では、電極２３と本体部２１との熱膨張係数の差の絶対値（すなわち、ＣＴＥ差）は、４０℃以上かつ１０００℃以下の範囲において、０．３ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。このように、電極２３と本体部２１との熱膨張係数の差を好適に小さくすることにより、熱膨張係数の差に起因する本体部２１の損傷をさらに抑制することができる。

上述のように、電極２３の室温における抵抗率は、３．０×１０^－５Ω・ｃｍ以下であることが好ましい。このように、電極２３の抵抗率を好適に小さくすることにより、電極２３が抵抗発熱体として利用される場合、電極２３による発熱量をさらに大きくすることができる。また、電極２３がチャック用電極として利用される場合、基板９に対する吸着力をさらに大きくすることができる。

上述のように、電極２３に含まれる導電体におけるＴｉＮの含有率は、５体積％以上かつ６０体積％以下であることが好ましい。これにより、上記実施例１～１６のように、電極２３の抵抗率の増大を好適に抑制しつつ、電極２３と本体部２１との熱膨張係数の差を好適に小さくすることができる。

上述のように、電極２３において、Ｘ線回折法により得られるＷＣとＴｉＮとのメインピークの強度比（すなわち、ＷＣ－ＴｉＮピーク比）は、０．８０以上かつ１．０未満であることが好ましい。これにより、上記実施例１～１６のように、電極２３の抵抗率の増大を好適に抑制しつつ、電極２３と本体部２１との熱膨張係数の差を好適に小さくすることができる。

上述のように、電極２３に含まれる導電体におけるＷＣおよびＴｉＮの合計含有率は、１００体積％であることが好ましい。これにより、電極２３において、導電体の材料の種類増加による製造コスト増大を防止することができる。より好ましくは、電極２３におけるＷＣおよびＴｉＮの合計含有率は、１００体積％である。これにより、電極２３に導電体以外の材料（例えば、本体部２１の材料）が含まれる場合に比べて、電極２３の抵抗率の増大を抑制することができる。

上述のように、電極２３におけるＴｉＮの焼結粒径は、０．７μｍ以上かつ１．０μｍ以下であることが好ましい。このように、ＴｉＮの異常粒成長を抑制することにより、電極２３を緻密化することができる。その結果、電極２３の抵抗率の増大を好適に抑制することができる。

上述のように、本体部２１の主材料はＡｌＮであることが好ましい。これにより、様々な処理に利用可能な汎用性が高い複合焼結体２０を提供することができる。

上述のように、複合焼結体２０では、電極２３の抵抗率の増大を抑制しつつ、電極２３と本体部２１との熱膨張係数の差を小さくすることができるため、複合焼結体２０は、半導体製造装置において使用される半導体製造装置部材に適している。複合焼結体２０は、特に、ハイパワーエッチング装置等の高出力半導体製造装置において使用される半導体製造装置部材に適している。複合焼結体２０を用いて作成される半導体製造装置部材の好適な一例として、上述のサセプター１が挙げられる。サセプター１では、上述のように、本体部２１は円板状であり、本体部２１の主面に半導体基板が載置される。

上述の複合焼結体２０の製造方法は、セラミックを主材料とする成形体、仮焼体または焼結体である第１部材および第２部材を準備する工程（ステップＳ１１～Ｓ１２）と、第１部材上に、ＷＣおよびＴｉＮを含む電極２３、または、電極２３の前駆体を配置した後、第２部材を積層して積層体を形成する工程（ステップＳ１４）と、当該積層体をホットプレス焼成する工程（ステップＳ１５）と、を備える。これにより、上記と同様に、電極２３の抵抗率の増大を抑制しつつ、電極２３と本体部２１との熱膨張係数の差を小さくすることができる。その結果、当該熱膨張係数の差に起因する本体部２１のクラックや割れ等の損傷を抑制することができる。また、電極２３が抵抗発熱体として利用される場合、電極２３による発熱量を大きくすることができる。電極２３がチャック用電極として利用される場合、基板９に対する吸着力を大きくすることができる。

上述のように、ステップＳ１５終了後における電極２３と第１部材および第２部材との熱膨張係数の差の絶対値（すなわち、ＣＴＥ差）は、４０℃以上かつ１０００℃以下の範囲において、０．３ｐｐｍ／℃以下であることが好ましい。このように、電極２３と第１部材および第２部材との熱膨張係数の差を好適に小さくすることにより、熱膨張係数の差に起因する第１部材および第２部材（すなわち、本体部２１）の損傷をさらに抑制することができる。

上述のように、ステップＳ１５における焼成温度は、１７００℃以上かつ１７８０℃以下であることが好ましい。複合焼結体２０では、このような高温焼成においても、ＴｉＮの異常粒成長を抑制し、電極２３の緻密性を向上することができる。

上述の複合焼結体２０および複合焼結体２０の製造方法では、様々な変更が可能である。

例えば、電極２３に含まれる導電体におけるＴｉＮの含有率は、５体積％未満であってもよく、６０体積％よりも大きくてもよい。

電極２３において、Ｘ線回折法により得られるＷＣとＴｉＮとのメインピークの強度比（すなわち、ＷＣ－ＴｉＮピーク比）は、０．８０未満であってもよい。

電極２３におけるＴｉＮの焼結粒径は、０．７μｍ未満であってもよく、１．０μｍよりも大きくてもよい。

電極２３の室温における抵抗率は、３．０×１０^－５Ω・ｃｍよりも大きくてもよい。

電極２３と本体部２１との熱膨張係数の差の絶対値（すなわち、ＣＴＥ差）は、４０℃以上かつ１０００℃以下の範囲において、０．３ｐｐｍ／℃よりも大きくてもよい。

本体部２１の主材料は、ＡｌＮ以外のセラミックであってもよい。

電極２３の導電体は、ＷＣおよびＴｉＮ以外の材料を含んでいてもよい。換言すれば、当該導電体におけるＷＣおよびＴｉＮの合計含有率は、１００体積％未満であってもよい。また、電極２３は、導電体以外の材料（例えば、本体部２１の主材料であるＡｌＮ等のセラミック）を含んでいてもよい。換言すれば、電極２３における導電体の含有率は、１００体積％未満であってもよい。

複合焼結体２０の製造方法では、ステップＳ１５における焼成温度は、１７００℃未満であってもよく、１７８０℃以上であってもよい。

サセプター１では、電極２３は、プラズマ処理用のＲＦ電極であってもよい。

複合焼結体２０は、サセプター１以外にも、半導体製造装置に設けられる他の半導体製造装置部材（例えば、リング、シャワーヘッド等）の作製に用いられてよい。また、複合焼結体２０により半導体製造装置以外の装置にて使用される部材が作製されてもよい。例えば、複合焼結体２０は、半導体基板以外の基板を支持するサセプターの作製に用いられてもよく、対象物を加熱するセラミックヒーターの作製に用いられてもよい。

上記実施の形態および各変形例における構成は、相互に矛盾しない限り適宜組み合わされてよい。

本発明は、半導体製造装置に関する分野、例えば、半導体基板を保持して加熱するサセプターの製造に利用可能である。

９ 基板
２０ 複合焼結体
２１ 本体部
２３ 電極
Ｓ１１～Ｓ１５ ステップ

Claims (11)

1. 複合焼結体であって、
   ５質量％～４５質量％のマグネシウムアルミニウムスピネルを含むとともに残部が窒化アルミニウムであり、主面に半導体基板が載置される円板状の基材と、
   前記基材の内部または表面に配置される電極と、
   を備え、
   前記電極は、
   炭化タングステンと、
   窒化チタンと、
   を含み、
   前記電極と前記基材との熱膨張係数の差の絶対値は、４０℃以上かつ１０００℃以下の範囲において、０．３ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする複合焼結体。
2. 請求項１に記載の複合焼結体であって、
   前記電極に含まれる導電体における前記炭化タングステンおよび前記窒化チタンの合計含有率は、１００体積％であることを特徴とする複合焼結体。
3. 複合焼結体であって、
   ５０質量％～１００質量％の窒化アルミニウムを含有するとともに主面に半導体基板が載置される円板状の基材と、
   前記基材の内部または表面に配置される電極と、
   を備え、
   前記電極は、
   炭化タングステンと、
   窒化チタンと、
   を含み、
   前記電極に含まれる導電体における前記炭化タングステンおよび前記窒化チタンの合計含有率は、１００体積％であり、
   前記電極と前記基材との熱膨張係数の差の絶対値は、４０℃以上かつ１０００℃以下の範囲において、０．３ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする複合焼結体。
4. 請求項２または３に記載の複合焼結体であって、
   前記電極における前記炭化タングステンおよび前記窒化チタンの合計含有率は、１００体積％であることを特徴とする複合焼結体。
5. 請求項１ないし４のいずれか１つに記載の複合焼結体であって、
   前記電極の室温における抵抗率は、３．０×１０^－５Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする複合焼結体。
6. 請求項１ないし５のいずれか１つに記載の複合焼結体であって、
   前記電極に含まれる導電体における前記窒化チタンの含有率は、５体積％以上かつ６０体積％以下であることを特徴とする複合焼結体。
7. 請求項１ないし６のいずれか１つに記載の複合焼結体であって、
   前記電極において、Ｘ線回折法により得られる前記炭化タングステンと前記窒化チタンとのメインピークの強度比は、０．８０以上かつ１．０未満であることを特徴とする複合焼結体。
8. 請求項１ないし７のいずれか１つに記載の複合焼結体であって、
   前記電極における前記窒化チタンの焼結粒径は、０．７μｍ以上かつ１．０μｍ以下であることを特徴とする複合焼結体。
9. 主面に半導体基板が載置される円板状の基材および前記基材の内部に配置される電極を備える複合焼結体の製造方法であって、
   ａ）セラミックを主材料とする成形体、仮焼体または焼結体である第１部材および第２部材を準備する工程と、
   ｂ）前記第１部材上に、炭化タングステンおよび窒化チタンを含む電極または前記電極の前駆体を配置した後、前記第２部材を積層して積層体を形成する工程と、
   ｃ）前記積層体をホットプレス焼成する工程と、
   を備え、
   前記ｃ）工程の終了後における前記第１部材および前記第２部材は、５質量％～４５質量％のマグネシウムアルミニウムスピネルを含むとともに残部が窒化アルミニウムであり、
   前記ｃ）工程の終了後における前記電極と前記第１部材および前記第２部材との熱膨張係数の差の絶対値は、４０℃以上かつ１０００℃以下の範囲において、０．３ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする複合焼結体の製造方法。
10. 主面に半導体基板が載置される円板状の基材および前記基材の内部に配置される電極を備える複合焼結体の製造方法であって、
    ａ）セラミックを主材料とする成形体、仮焼体または焼結体である第１部材および第２部材を準備する工程と、
    ｂ）前記第１部材上に、炭化タングステンおよび窒化チタンを含む電極または前記電極の前駆体を配置した後、前記第２部材を積層して積層体を形成する工程と、
    ｃ）前記積層体をホットプレス焼成する工程と、
    を備え、
    前記ｃ）工程の終了後における前記第１部材および前記第２部材は、５０質量％～１００質量％の窒化アルミニウムを含有し、
    前記ｃ）工程の終了後において、前記電極に含まれる導電体における前記炭化タングステンおよび前記窒化チタンの合計含有率は、１００体積％であり、
    前記ｃ）工程の終了後における前記電極と前記第１部材および前記第２部材との熱膨張係数の差の絶対値は、４０℃以上かつ１０００℃以下の範囲において、０．３ｐｐｍ／℃以下であることを特徴とする複合焼結体の製造方法。
11. 請求項９または１０に記載の複合焼結体の製造方法であって、
    前記ｃ）工程における焼成温度は、１７００℃以上かつ１７８０℃以下であることを特徴とする複合焼結体の製造方法。

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