JPH0948668A

JPH0948668A - 窒化アルミニウム焼結体、その製造方法および半導体製造用装置

Info

Publication number: JPH0948668A
Application number: JP7218158A
Authority: JP
Inventors: Hiromichi Kobayashi; 小林　　廣道; Hiroki Bessho; 裕樹別所; Yukimasa Mori; 行正森
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1995-08-03
Filing date: 1995-08-03
Publication date: 1997-02-18
Anticipated expiration: 2015-08-03
Also published as: JP3037883B2

Abstract

(57)【要約】【課題】窒化アルミニウム焼結体に焼結助剤や黒色化剤
のような金属化合物、特に重金属化合物を添加すること
なく、窒化アルミニウム焼結体の明度を小さくし、その
色を黒色に近づけること。【解決手段】窒化アルミニウム焼結体の主結晶相のＸ線
回折チャートにおいて、主結晶相である窒化アルミニウ
ムのピークの他に、Ｘ線回折角度２θ＝４４°〜４５°
にカーボンのピークが検出されることを特徴とする。好
ましくは、窒化アルミニウム焼結体の結晶相が、ＡｌＮ
の主結晶相と、ＡＬＯＮからなる副結晶相と、カーボン
相とを備えており、（ＡｌＮ）_x（Ａｌ₂ＯＣ）_1-x相
を実質的に含有せず、ＪＩＳＺ８７２１に規定する
明度がＮ４以下であり、窒化アルミニウム焼結体に含有
されている炭素原子の割合が５００ｐｐｍ〜５０００ｐ
ｐｍである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の技術分野】本発明は、窒化アルミニウム焼結体
およびその製造方法に関するものであり、またこうした
窒化アルミニウム焼結体を基材として利用した半導体製
造用装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】エッチング装置、化学的気相成長装置等
の半導体装置においては、いわゆるステンレスヒーター
や、間接加熱方式のヒーターが一般的であった。しか
し、これらの熱源を用いると、ハロゲン系腐食性ガスの
作用によってパーティクルが発生することがあり、また
熱効率が悪かった。こうした問題を解決するため、本出
願人は、緻密質セラミックス基材の内部に、高融点金属
からなるワイヤーを埋設したセラミックスヒーターを開
示した（特開平３−２６１１３１号公報）。このワイヤ
ーは、円盤状基材の内部で螺旋状に巻回されており、か
つこのワイヤーの両端に端子を接続する。こうしたセラ
ミックスヒーターは、特に半導体製造用として優れた特
性を有していることが判った。

【０００３】セラミックスヒーターの基体を構成するセ
ラミックスとしては、窒化珪素、窒化アルミニウム、サ
イアロン等の窒化物系セラミックスが好ましいと考えら
れている。また、セラミックスヒーター上にサセプター
を設置し、このサセプターの上に半導体ウエハーを設置
して、半導体ウエハーを加熱する場合がある。本出願人
は、こうしたセラミックスヒーターやサセプターの基材
として、窒化アルミニウムが好ましいことを開示した
（特開平５−１０１８７１号公報）。特に半導体製造装
置においては、エッチングガスやクリーニングガスとし
て、ＣＦ₃等のハロゲン系腐食性ガスを多用するが、こ
れらのハロゲン系腐食性ガスに対する耐蝕性の点で、窒
化アルミニウムがきわめて高度の耐食性を有しているこ
とが確認されたからである。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、窒化アルミニ
ウム焼結体自体は、一般的に白色又は灰白色を呈すると
いう特徴がある。しかし、前記のようなヒーター、サセ
プターとして使用される基材は、黒色であることが望ま
れる。黒色の基材の方が、白色の基材よりも輻射熱量が
多く、加熱特性が優れているからである。また、こうし
た種類の製品においては、白色や灰色の基材を使用する
と、製品の表面に色ムラが出やすいという欠点があり、
改善が要求されていた。更に、顧客の嗜好という点で、
白色や灰色の基材よりも、黒色、黒褐色、黒灰色等の黒
色度の高い、明度の小さな基材が望まれている。しか
も、白色や灰色の基材は、輻射特性が劣っている。

【０００５】窒化アルミニウム焼結体を黒色にするため
には、原料粉末中に適切な金属元素（黒色化剤）を添加
し、これを焼成して、黒色の窒化アルミニウム焼結体を
製造することが知られている（特公平５−６４６９７号
公報）。この添加物としては、タングステン、酸化チタ
ン、ニッケル、パラジウム等が知られている。

【０００６】しかし、このように、金属元素を黒色化剤
として窒化アルミニウム焼結体中に添加すると、この添
加物の影響により、当然、窒化アルミニウム焼結体中の
金属不純物の含有量が大きくなる。特に、半導体製造プ
ロセスにおいては、窒化アルミニウム焼結体中に、Ｉａ
族元素、ＩＩａ族元素、遷移金属元素が存在している
と、たとえその存在量が微量であっても、半導体ウエハ
ーや装置自体に対して、重大な悪影響を与えうる（例え
ば、半導体の欠陥等の原因となりうる）。このため、上
記のような黒色化剤を添加することなく、窒化アルミニ
ウム焼結体の明度を小さくすることが求められている。

【０００７】本発明の課題は、窒化アルミニウム焼結体
に焼結助剤や黒色化剤のような金属化合物、特に重金属
化合物を添加することなく、窒化アルミニウム焼結体の
明度を小さくし、その色を黒色に近づけることである。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明は、窒化アルミニ
ウムのＸ線回折チャートにおいて、主結晶相である窒化
アルミニウムのピークの他に、Ｘ線回折角度２θ＝４４
°〜４５°にカーボンのピークが検出されることを特徴
とする、窒化アルミニウム焼結体に係るものである。

【０００９】また、本発明は、半導体製造用装置におい
て、窒化アルミニウム焼結体を基材として使用している
ことを特徴とする。また、本発明は、炭素含有量が５０
０ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍである窒化アルミニウム粉末
からなる原料を、１７３０℃以上、１９２０℃以下の温
度および８０ｋｇ／ｃｍ²以上の圧力で焼結させること
によって窒化アルミニウム焼結体を得ることを特徴とす
る、窒化アルミニウム焼結体の製造方法に係るものであ
る。

【００１０】本発明者は、窒化アルミニウム焼結体を研
究する過程で、アルミニウム以外には黒色化剤等の金属
元素をほとんど含有しておらず、しかも、特に好ましく
はＪＩＳＺ８７２１に規定する明度がＮ４以下の黒
色を呈する、きわめて明度の低い黒灰色ないし黒褐色の
窒化アルミニウム焼結体を製造することに成功した。

【００１１】こうした窒化アルミニウム焼結体によれ
ば、好適な態様においては、ＪＩＳＺ８７２１に規
定する明度がＮ４以下の黒色を呈しているので、輻射熱
量が大きく、加熱特性が優れている。従って、セラミッ
クスヒーター、サセプター等の発熱材を構成する基材と
して、好適である。しかも、アルミニウムを除く金属元
素の含有量を非常に少なくすることができるので、半導
体汚染等を起こすおそれがない。特に、半導体製造プロ
セスにおいて、半導体ウエハーや装置自体に対して悪影
響を与えるおそれがない。しかも、本発明の窒化アルミ
ニウム焼結体の表面では、色ムラがほとんど目立つこと
はなく、窒化アルミニウム焼結体の外観がきわめて良好
となるし、しかも黒色度が高いことから、著しく商品価
値が向上した。

【００１２】具体的に説明すると、本発明者は、炭素含
有量が５００ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍである窒化アルミ
ニウム粉末からなる原料を準備し、これをホットプレス
法によって、１７３０℃以上の温度および８０ｋｇ／ｃ
ｍ²以上の圧力で焼結させた。これによって、前記した
ように明度の小さい、黒褐色や黒灰色の窒化アルミニウ
ム基材を製造することに成功した。

【００１３】ここで、炭素含有量が５００ｐｐｍ〜５０
００ｐｐｍである窒化アルミニウム粉末からなる原料を
準備するためには、次の方法がある。（１）窒化アルミニウム粉末に対して、炭素源を所定量
添加することによって、粉末中の炭素含有量を５００〜
５０００ｐｐｍに調整する。（２）炭素含有量が異なる複数種の窒化アルミニウム粉
末を互いに混合混合することによって、炭素含有量が５
００ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍである窒化アルミニウム粉
末からなる原料を製造する。この際には、３種類以上の
窒化アルミニウム粉末を混合することができる。しか
し、好適例では、炭素含有量が相対的に少ない第一の窒
化アルミニウム粉末と、炭素含有量が相対的に多い第二
の窒化アルミニウム粉末とを混合することによって、炭
素含有量が５００ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍである窒化ア
ルミニウム粉末からなる原料を製造する。

【００１４】このように、所定割合の炭素を含有する窒
化アルミニウム粉末を、高い圧力と所定範囲の温度下と
において焼結させることによって、明度の低い窒化アル
ミニウム焼結体を安定して製造することに成功した。こ
こで、炭素の割合が５００ｐｐｍ未満であると、焼結体
の明度が大きくなり、また５０００ｐｐｍを越えると、
窒化アルミニウム焼結体の相対密度が低くなり、９２％
未満となり、その色調が灰色になった。

【００１５】また、焼成温度が１７３０℃未満である
と、焼結体の緻密化が十分ではなく、窒化アルミニウム
焼結体が白色となり、明度も７以上にまで上昇すること
が判った。上記粉末の焼成温度が１９２０℃を越える
と、やはりポリタイプ相が発生し、窒化アルミニウム焼
結体の明度が上昇した。この焼成温度が１７５０〜１９
００℃の範囲で、特に窒化アルミニウム焼結体の明度が
減少した。

【００１６】また、焼成時の圧力が８０ｋｇ／ｃｍ²未
満となると、ＡｌＮ−Ａｌ₂ＣＯ結晶相が発生したり、
ＡｌＮ結晶相以外にポリタイプ相が生成したりして、窒
化アルミニウム焼結体の明度が上昇することがわかっ
た。この圧力は、後述する理由から、１５０ｋｇ／ｃｍ
²以上とすることが好ましく、２００ｋｇ／ｃｍ²以上
とすることが一層好ましい。ただし、この圧力は、実際
の装置の能力から見ると、０．５ｔｏｎ／ｃｍ²以下と
することが好ましい。

【００１７】窒化アルミニウム焼結体は、ＪＩＳＺ
８７２１に規定する明度がＮ３以下の黒色を呈している
ことが、更に好ましい。

【００１８】窒化アルミニウム粉末からなる原料中に
は、アルミニウム以外の金属元素の添加を避けるべきで
あり、好ましくは１００ｐｐｍ以下とする。ここで「ア
ルミニウム以外の金属元素」とは、周期律表のＩａ〜Ｖ
ＩＩａ、ＶＩＩＩ、Ｉｂ、ＩＩｂに属する金属元素およ
びＩＩＩｂ、ＩＶｂに属する元素の一部（Ｓｉ、Ｇａ、
Ｇｅ等）をいう。

【００１９】ここで、明度（lightness ）について説明
する。物体の表面色は、色知覚の３属性である色相、明
度および彩度によって表示されている。このうち明度と
は、物体表面の反射率が大きいか、小さいかを判定する
視覚の属性を示す尺度である。これらの３属性の尺度の
表示方法は、「ＪＩＳＺ８７２１」に規定されてい
る。明度Ｖは、無彩色を基準としており、理想的な黒の
明度を０とし、理想的な白の明度を１０とする。理想的
な黒と理想的な白との間で、その色の明るさの知覚が等
歩度となるように各色を１０分割し、Ｎ０〜Ｎ１０の記
号で表示する。実際の窒化アルミニウム焼結体の明度を
測定する際には、Ｎ０〜Ｎ１０に対応する各標準色票
と、窒化アルミニウム焼結体の表面色とを比較し、窒化
アルミニウム焼結体の明度を決定する。この際、原則と
して小数点一位まで明度を決定し、かつ小数点一位の値
は０または５とする。

【００２０】窒化アルミニウム焼結体の相対密度とは、
〔相対密度＝嵩密度／理論密度〕の式によって定義され
る値であり、その単位は「％」である。

【００２１】更に、本発明者は、上記と同様の条件下
で、ホットアイソスタティックプレス法を使用した場合
でも、前述した温度および圧力と同じ温度及び圧力条件
下であれば、明度Ｎ４以下の高純度窒化アルミニウム焼
結体を製造できることを確認した。

【００２２】本発明者は、上記のようにして得られた窒
化アルミニウム焼結体について、その黒色化が高く、明
度が低くなっている理由について研究した。この結果、
次の事実を見いだし、本発明を完成するに至った。

【００２３】即ち、明度が４以下の黒褐色または黒灰色
となっている試料については、主結晶相はＡｌＮである
が、副結晶相としてＡＬＯＮが生成しており、他の結晶
相は見いだすことはできなかった。これについて、Ｘ線
回折分析を行った結果、例えば図１に示すように、明確
にカーボンのピークが現れることが判明した。これは、
上記の主要なＡｌＮ結晶相およびＡＬＯＮ結晶相の他
に、カーボン相が生成していることを示している。

【００２４】また、このＸ線回折分析チャートからは、
ｃ軸面に対応するピークは検出されなかった。これは、
炭素原子からなる層状に積層する平面的構造が、僅か数
層程度しか存在しておらず、このためにカーボンの厚さ
がきわめて薄いことを意味している。このカーボンは、
ＡｌＮ結晶層の粒界近辺に存在するものと考えられる。

【００２５】こうした明度の低い試料を，窒素雰囲気下
で、例えば１８５０℃で熱処理すると、図２に示すＸ線
回折チャートから判るように、ＡｌＮ結晶相は残留する
が、ＡｌＯＮ相およびカーボンのピークは消滅し、検出
されなくなった。これは、ＡｌＯＮ相の酸素やカーボン
がＡｌＮ結晶粒に雇用したものと考えられる。例えば、
Ｎサイトに酸素原子が置換し、これが短波長の光を吸収
する色中心を生成している。

【００２６】また、上記の本発明の窒化アルミニウム焼
結体の微構造を図３に示す。図３に示すように、ＡｌＮ
結晶粒内に微小なＡｌＯＮ結晶が存在しており、各結晶
相の間にはほとんど粒界が見られず、また各結晶が接触
する境界部分は緻密で隙間のない状態になっている。図
４は、本発明の範囲内の窒化アルミニウム焼結体につい
て、ＡｌＮからなる結晶の粒界部分を拡大して示す電子
顕微鏡写真であり、図５は、黄白色の試料について、Ａ
ｌＮからなる結晶の粒界部分を拡大して示す電子顕微鏡
写真である。ＡｌＮ結晶の間には、異相は見られない。

【００２７】窒化アルミニウム粉末の製造方法として
は、還元窒化法と直接窒化法とが知られている。本願発
明においては、いずれの方法で作成した原料粉末を使用
した場合にも、明度の低い窒化アルミニウム焼結体を製
造できる。各方法で採用する化学式を、以下に列挙す
る。還元窒化法：Ａｌ₂Ｏ₃＋３Ｃ＋Ｎ₂→２ＡｌＮ＋３Ｃ
Ｏ直接窒化法：Ａｌ（Ｃ₂Ｈ₅）₃＋ＮＨ₃→ＡｌＮ＋３
Ｃ₂Ｈ₆（気相法）２Ａｌ＋Ｎ₂→２ＡｌＮ

【００２８】窒化アルミニウム粉末を焼結させる際に
は、所定割合のカーボンを添加し、これを高い圧力下で
加熱し、焼結させるが、この際に、添加されたカーボン
によって窒化アルミニウム粉末の表面付近に存在するＡ
ｌ₂Ｏ₃の還元が生じ、ＡｌＮが生成する。この還元が
下記の式（１）、（２）、（３）によって進行する過程
で、ＡｌＮ粒子の表面に、広い範囲の可視光を連続的に
吸収するバンドが生成し、明度の低下を生ずるものと考
えられる。ただし、この時点ではまだカーボン相が粒界
付近に残存していなければならない。焼成温度が１９５
０℃を越えて高くなると、（Ａｌ₂Ｏ＋Ｃ→Ａｌ₂ＯＣ
の反応によってＡｌ₂ＯＣ相の生成が進行し、カーボン
相が減少し、式（１）、（２）、（３）によって生成す
る相対的に不安定なＡｌＮ粒子表面のバンドが減少した
ものと考えられる。また、保持時間が長すぎる場合も、
同様にカーボンの減少が生ずるものと考えられる。

【００２９】（１）Ａｌ₂Ｏ₃＋Ｃ→Ａｌ₂Ｏ₂＋ＣＯ（２）Ａｌ₂Ｏ₃＋２Ｃ→Ａｌ₂Ｏ＋２ＣＯ（３）Ａｌ₂Ｏ₃＋３Ｃ→Ａｌ₂＋３ＣＯ

【００３０】本発明の窒化アルミニウム焼結体は、通常
は、ＡｌＮからなる主結晶相と、ＡＬＯＮからなる副結
晶相と、カーボン相とを備えている。ここで、（Ａｌ
Ｎ）_x（Ａｌ₂ＯＣ）_1-x相を実質的に含有せず、ＪＩ
ＳＺ８７２１に規定する明度がＮ４以下であること
が特に好ましい。

【００３１】即ち、８０〜１００ｋｇ／ｃｍ²程度の圧
力で窒化アルミニウム粉末を焼結させると、明度４〜５
の灰色の窒化アルミニウム焼結体が生成することがあ
る。この結晶相のＸ線回折分析結果および他のスペクト
ルによる分析結果からは、このマトリックスは基本的に
ＡｌＮからなる主結晶相と、ＡＬＯＮからなる副結晶相
と、カーボン相とを備えていた。一方、１５０ｋｇ／ｃ
ｍ²以上の圧力を採用すると、一層焼結体の明度が低下
し、Ｎ４以下のものが安定して得られた。

【００３２】そして、上記の両者の間の基本的なマトリ
ックスの微構造等の間には相違は見られなかった。しか
し、図６および図７の各電子顕微鏡写真に示すように、
灰色品については（ＡｌＮ）_x（Ａｌ₂ＯＣ）_1-x相が
若干生成していることが判明した。この相の周辺では、
ＡｌＮ結晶相との間に微小な隙間が生成しており、この
隙間で光が散乱し、この散乱光が明度の上昇の原因とな
っていた。従って、このような（ＡｌＮ）_x（Ａｌ₂Ｏ
Ｃ）_1-x相が生成しないようにすることで、窒化アルミ
ニウム焼結体の明度を４以下、更には３．５以下へと一
層低下させることができる。

【００３３】窒化アルミニウム粉末に対して添加するカ
ーボン源としては、次のものを好適に使用できる。（１）炭素を含有する樹脂。例えばフェノール樹脂等の
有機樹脂の粉末からなる飛散性の有機樹脂。（２）カーボンブラック、グラファイト等の炭素の粉
末。（３）還元窒化法等の過程で産出するカーボン濃度の高
い、窒化アルミニウムの中間生成物。

【００３４】窒化アルミニウム粉末とカーボン源とを混
合する方法は、乾式袋混合、ボールミル、振動ミル等の
乾式混合、有機溶剤を使用した湿式混合を利用できる。

【００３５】本発明の窒化アルミニウム焼結体は、輻射
熱量が大きく、加熱特性が優れている。また、表面の色
ムラがほとんど目立たず、黒褐色や黒灰色をしているの
で、商品価値が高い。このため、各種の加熱用装置に対
して特に好適に利用できる。また、本窒化アルミニウム
焼結体は、アルミニウムを除く金属元素の供給源となる
焼結助剤や黒色化剤を使用せず、アルミニウム以外の金
属原子の含有量を、いずれも１００ｐｐｍ以下にできる
ので、汚染を起こすおそれがない。従って、高純度プロ
セス用の材料として最適である。特に、半導体製造プロ
セスにおいて、半導体ウエハーや装置自体に対して、重
大な悪影響を与えるおそれがない。

【００３６】本発明の窒化アルミニウム焼結体を基材と
して使用する半導体製造用装置としては、窒化アルミニ
ウム基材中に抵抗発熱体を埋設したセラミックスヒータ
ー、基材中に静電チャック用電極を埋設したセラミック
静電チャック、基材中に抵抗発熱体と静電チャック用電
極を埋設した静電チャック付きヒーター、基材中にプラ
ズマ発生用電極を埋設した高周波発生用電極装置のよう
な能動型装置を例示することができる。

【００３７】更に、半導体ウエハーを設置するためのサ
セプター、ダミーウエハー、シャドーリング、高周波プ
ラズマを発生させるためのチューブ、高周波プラズマを
発生させるためのドーム、高周波透過窓、赤外線透過
窓、半導体ウエハーを支持するためのリフトピン、シャ
ワー板等の各半導体製造用装置を例示することができ
る。

【００３８】窒化アルミニウム焼結体の熱伝導率は、特
に、セラミックスヒーター、静電チャック付きヒータ
ー、半導体ウエハー保持用サセプター等の加熱用部材の
基材としての用途において、９０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とする
ことが好ましい。

【００３９】

【実施例】（実験Ａ）以下のようにして、実際に、表１および表２の実験Ａ１
〜Ａ１２の各窒化アルミニウム焼結体を製造した。窒化
アルミニウム原料としては、還元窒化法または直接窒化
法によって製造した高純度粉末を使用した。各粉末にお
いて、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｎａ、Ｃｒ、Ｍ
ｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、Ｗ、Ｂ、Ｙの含有量はそれぞれ
１００ｐｐｍ以下であり、アルミニウム以外の金属は、
これら以外は検出されなかった。各実験例について、カ
ーボン含有量を、表１、表２に示す。

【００４０】各原料粉末を一軸加圧成形することによっ
て、円盤形状の予備成形体を製造し、これを密封状態で
ホットプレス焼成した。この焼成段階における焼成温
度、各焼成温度での保持時間、圧力を、表１、表２に示
すように変更した。各例の窒化アルミニウム焼結体につ
いて、焼結体の主結晶相、その他の結晶相をＸ線回折分
析によって測定した。また、焼結体の相対密度は、嵩密
度／理論密度から算出し、この嵩密度をアルキメデス法
によって測定した。焼結体の理論密度は、密度が大きな
焼結助剤を含有していないことから、３．２６ｇ／ｃｃ
である。焼結体中のカーボン量を元素分析によって測定
した。焼結体の色調は目視によって測定し、明度は、前
述のように測定した。

【００４１】

【表１】

【００４２】

【表２】

【００４３】本発明外の実験Ａ１においては、カーボン
の量を１５０ｐｐｍとし、焼成温度を１８００℃とし、
圧力を２００ｋｇ／ｃｍ²とした。得られた焼結体にお
いて、ＡｌＮ結晶相以外の結晶相はＡｌＯＮのみであ
り、カーボン相はＸ線回折分析によって検出されなかっ
た。この色調は灰色であった。本発明の範囲内の実験Ａ
２においては、カーボンの量を５００ｐｐｍとし、焼成
温度を１８００℃とし、圧力を１００ｋｇ／ｃｍ²とし
た。得られた焼結体において、ＡｌＯＮ結晶相およびカ
ーボン相が検出された。この焼結体の色調は黒灰色であ
り、明度はＮ３．５であった。本発明外の実験Ａ３にお
いては、カーボンの量を７５０ｐｐｍとし、焼成温度を
１７００℃とし、圧力を２００ｋｇ／ｃｍ²とした。得
られた焼結体においては、カーボン相は検出されなかっ
た。この焼結体の色調は白色であった。

【００４４】本発明内の実験Ａ４では、カーボンの量を
７５０ｐｐｍとし、焼成温度を１７５０℃とし、圧力を
１５０ｋｇ／ｃｍ²とした。得られた焼結体において、
ＡｌＯＮ結晶相およびカーボン相が検出された。この焼
結体の色調は黒灰色であり、明度はＮ４であった。本発
明内の実験Ａ５では、カーボンの量を７５０ｐｐｍと
し、焼成温度を１８５０℃とし、圧力を５０ｋｇ／ｃｍ
²とした。得られた焼結体において、ＡｌＯＮ結晶相、
カーボン相の他に、（ＡｌＮ）_x（Ａｌ₂ＯＣ）_1-x相
が検出された。このために、焼結体の色調は灰色になっ
ていたが、前述したように、マトリックスの黒色化は顕
著に進行していることを確認した。本発明内の実験Ａ
６、Ａ７でも良好な結果が得られた。

【００４５】本発明外の実験Ａ８では、カーボンの量を
７５０ｐｐｍとし、焼成温度を１９５０℃とし、圧力を
１５０ｋｇ／ｃｍ²とした。得られた焼結体において、
ＡｌＮ結晶相以外はポリタイプになっていた。この焼結
体の色調は乳白色であり、明度はＮ８であった。本発明
内の実験Ａ９、実験Ａ１０、実験Ａ１１では、良好な結
果が得られた。本発明内の実験Ａ１２では、カーボンの
量を１００００ｐｐｍとし、焼成温度を１８００℃と
し、圧力を２００ｋｇ／ｃｍ²とした。得られた焼結体
において、カーボン相は生成しており、マトリックスの
黒色化は顕著に進行していた。しかし、気孔率が増大し
たことから、その分、焼結体全体の明度はＮ５になって
いた。

【００４６】このうち、実験Ａ６の焼結体のＸ線回折チ
ャートを図１に示す。ＡｌＮ、ＡｌＮＯおよびカーボン
相を示す各ピークが確認される。また、実験Ａ６の焼結
体のセラミックス組織を示す顕微鏡写真を図３に示し、
この粒界付近のセラミックス組織を図４に示す。実験Ａ
２、実験Ａ４、実験Ａ７、実験Ａ９、実験Ａ１０、実験
Ａ１１の焼結体についても、同様のＸ線回折チャートお
よび結晶組織が確認された。

【００４７】実験Ａ５の焼結体のセラミックス組織を図
６に示し、図７にこの拡大図を示す。この組織中におい
て、マトリックス部分のＸ線回折分析結果、および可視
光の吸収スペクトルの分析結果は、実験Ａ６のものと同
様であった。しかし、このマトリックス中に、黒く見え
る（ＡｌＮ）_x（Ａｌ₂ＯＣ）_1-x相が存在しており、
この結晶粒子とＡｌＮ結晶相との間に僅かな空隙が存在
し、この空隙において光が散乱され、白く光っている。
この焼結体のマトリックスの組織は、基本的には、本願
発明の窒化アルミニウム焼結体のものであり、黒色化は
相対的に見て進行している。しかし、前記の散乱光によ
って焼結体の明度がＮ５まで上昇している。

【００４８】次いで、前記の実験Ａ６の焼結体を窒素雰
囲気中で熱処理する実験を行った。この焼結体を１８５
０℃で２時間熱処理すると、焼結体の外周部分のみが黄
白色に変化し、中心部分の色調および明度は変化しなか
った。黄白色に変色した部分のＸ線回折分析結果から、
この主結晶相はＡｌＮ結晶相であり、ＡｌＯＮ相および
カーボンのピークは消滅し、検出されなくなった。相対
密度および格子定数比には変化は見られなかった。

【００４９】実験Ａ６の焼結体の表面付近では、窒素雰
囲気中の酸素やＡｌＯＮ相の酸素、さらにカーボンがＡ
ｌＮ結晶粒に固溶したものと考えられる。焼結体の内部
では、こうした反応の進行が遅いものと考えられる。

【００５０】（実験Ｂ）実験Ａと同様にして、実際に、
表３、表４、表５の実験Ｂ１〜Ｂ１５の各窒化アルミニ
ウム焼結体を製造した。窒化アルミニウム原料として
は、還元窒化法または直接窒化法によって製造した高純
度粉末を使用した。各粉末において、Ｓｉ、Ｆｅ、Ｃ
ａ、Ｍｇ、Ｋ、Ｎａ、Ｃｒ、Ｍｎ、Ｎｉ、Ｃｕ、Ｚｎ、
Ｗ、Ｂ、Ｙの含有量は、それぞれ１００ｐｐｍ以下であ
り、アルミニウム以外の金属は、これら以外は検出され
なかった。

【００５１】実験Ｂ１においては、還元窒化法によって
得られた窒化アルミニウム粉末（カーボン量５００ｐｐ
ｍ）を使用した。他の実験においては、各カーボン含有
量の窒化アルミニウム粉末に対して、カーボン含有量の
相対的に多い添加物を添加した。この添加物としては、
一部の実験例では樹脂を使用し、他の実験例では、カー
ボン含有量の相対的に多い窒化アルミニウム粉末を使用
した。前記の樹脂としては、フェノール樹脂の粉末を使
用し、その添加量を表示した。前記の窒化アルミニウム
粉末としては、還元窒化法によって得られたものを使用
し、そのカーボン含有量および添加量を表示した。ま
た、混合後の原料粉末の総カーボン量（ｐｐｍ）を表示
した。

【００５２】各原料粉末を一軸加圧成形することによっ
て、円盤形状の予備成形体を製造し、これを密封状態で
ホットプレス焼成した。この焼成段階における焼成温
度、各焼成温度での保持時間、圧力を、表３、表４、表
５に示すように変更した。各例の窒化アルミニウム焼結
体について、焼結体の主結晶相、その他の結晶相をＸ線
回折分析によって測定した。また、焼結体の相対密度、
色調、明度を、実験Ａと同様の方法で測定した。

【００５３】

【表３】

【００５４】

【表４】

【００５５】

【表５】

【００５６】本発明内の実験Ｂ１では黒灰色の窒化アル
ミニウム焼結体が得られた。本発明内の実験Ｂ２、Ｂ
３、Ｂ４、Ｂ５、Ｂ６では、いずれも黒灰色の色調を有
する窒化アルミニウム焼結体が得られた。本発明外の実
験Ｂ７では、焼成温度が１６５０℃と低いために、焼結
体の緻密化が進行せず、かつカーボン相が生成しないた
めに、焼結体の色調が白色になった。本発明内の実験Ｂ
８、Ｂ９では黒灰色の焼結体が得られた。本発明内の実
験Ｂ１０では、圧力が７０ｋｇ／ｃｍ²であるが、得ら
れた焼結体において、カーボン相は生成しており、マト
リックスの黒色化は進行していたが、焼結体全体の明度
は上昇していた。この焼結体のセラミックス組織は、実
験Ａ５の焼結体と同様に、マトリックスの間に、黒く見
える（ＡｌＮ）_x（Ａｌ₂ＯＣ）_1-x相が存在してお
り、この結晶粒子とＡｌＮ結晶相との間に僅かな空隙が
存在し、この空隙において光が散乱され、白く光ってい
た。

【００５７】本発明外の実験Ｂ１１においては、焼成温
度が高すぎるために、ＡｌＮ結晶相以外はポリタイプと
なり、焼結体の色調は乳白色になった。本発明内の実験
Ｂ１２、Ｂ１３、Ｂ１４においては、黒灰色の色調を有
する窒化アルミニウム焼結体が得られた。本発明内の実
験Ｂ１５においては、窒化アルミニウム原料粉末の全体
の総カーボン量が７６００ｐｐｍであり、ＡｌＮ結晶相
以外の結晶相としてはＡｌＯＮ結晶相とカーボン相とが
生成していた。しかし、焼結体の焼結が進行せず、相対
密度が８８．０％に止まっているために、明度はＮ５で
あった。

【００５８】（ウエハーの加熱実験）本発明の実験Ａ６
によって製造した窒化アルミニウム焼結体によって、直
径２１０ｍｍ、厚さ１０ｍｍのプレートを用意し、この
プレートを、赤外線ランプによる加熱機構を備えた真空
チャンバー内に設置した。このプレートの上に直径８イ
ンチのシリコンウエハーを乗せ、プレートとシリコンウ
エハーとの各温度を同時に測定するための熱電対を取り
付けた。この赤外線ランプとしては、５００Ｗの波長１
μｍ前後に赤外線のピークを有するものを、アルミニウ
ム製の反射板に２０本取り付け、この反射板および各ラ
ンプを真空チャンバーの外側に設置した。

【００５９】各赤外線ランプより放射される赤外線は、
直接に、または反射板によって反射された後に、真空チ
ャンバーに設けられた円形の石英窓（直径２５０ｍｍ、
厚さ５ｍｍ）を通過し、窒化アルミニウムプレートに到
達し、このプレートを加熱する。

【００６０】この加熱装置において、各赤外線ランプを
発熱させ、室温から７００℃まで１１分間でプレートの
温度を上昇させ、７００℃で１時間保持し、この後に赤
外線ランプを停止し、プレートを徐々に冷却させた。こ
の結果、赤外線ランプの消費電力は、最大８６００Ｗで
あり、安定した温度コントロールが可能であった。ま
た、シリコンウエハーの温度を測定したところ、プレー
トの温度を７００℃に保持しているときには、シリコン
ウエハーの温度は６１１℃であった。

【００６１】また、実験Ａ２、Ａ９、Ａ１０、Ａ１１の
窒化アルミニウム焼結体について同様の実験を行ったと
ころ、上記と同様の結果を得た。

【００６２】（比較例による加熱実験）次に、還元窒化
法によって得た、カーボン含有量が７５０ｐｐｍの窒化
アルミニウム粉末を使用し、この粉末をコールドアイソ
スタティックプレス法によって３トン／ｃｍ²の圧力下
で加圧して円盤形状の成形体を製造し、この成形体を１
９００℃で２時間焼成し、密度が９９．４％の白色窒化
アルミニウム焼結体を製造した。この焼結体を使用し、
上記と同様にしてシリコンウエハーの加熱実験を行っ
た。

【００６３】この結果、消費電力は最大１０ｋＷとな
り、温度上昇時間にも２分間程度の遅れが見られた。ま
た、上記のようにして、室温と７００℃との間での温度
上昇および下降の熱サイクルを繰り返したところ、赤外
線ランプの断線が生じやすかった。また、シリコンウ
エハーの温度を測定したところ、プレートの温度を７０
０℃に保持しているときには、シリコンウエハーの温度
は５９３℃であり、上記の本発明例と比較すると、シリ
コンウエハーの温度も低下していることが判明した。

【００６４】（電極および抵抗発熱体の埋設実験）本発
明の実験Ａ６と同様に、還元窒化法によって製造したカ
ーボン含有量７５０ｐｐｍの窒化アルミニウム粉末を使
用し、この粉末の中に、モリブデン製の直径０．５ｍｍ
のワイヤーからなるコイル（抵抗発熱線）を埋設し、か
つこのコイルに直径５ｍｍ、長さ１０ｍｍの円柱形状の
モリブデン製の電極を接続し、埋設した。この埋設体を
一軸加圧成形し、円盤形状の成形体を得た。この際、成
形体中に埋設されたコイルの平面的形状を渦巻き形状と
した。

【００６５】円盤形状の成形体を、ホットプレス法によ
って、１８００℃で３時間、２００ｋｇ／ｃｍ²の圧力
下で保持することによって、窒化アルミニウム焼結体を
得た。この窒化アルミニウム焼結体中には、前記の抵抗
発熱体とモリブデン電極とが埋設されている。このモリ
ブデン電極は、静電チャック電極として使用でき、また
高周波用電極として使用できる。

【００６６】

【発明の効果】以上述べたように、本発明によれば、窒
化アルミニウムに焼結助剤や黒色化剤のような金属化合
物、特に重金属化合物を添加することなく、窒化アルミ
ニウム焼結体の明度を小さくし、その色を黒色に近づけ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る窒化アルミニウム焼結体
のＸ線回折分析の結果を示すチャートである。

【図２】比較例に係る窒化アルミニウム焼結体のＸ線回
折分析の結果を示すチャートである。

【図３】本発明の実施例に係る窒化アルミニウム焼結体
のセラミックス組織を示す電子顕微鏡写真である。

【図４】本発明の実施例に係る窒化アルミニウム焼結体
において、ＡｌＮ結晶相の粒子の粒界の周辺のセラミッ
クス組織を示す電子顕微鏡写真である。

【図５】比較例に係る窒化アルミニウム焼結体におい
て、ＡｌＮ結晶相の粒子の粒界の周辺のセラミックス組
織を示す電子顕微鏡写真である。

【図６】ＡｌＮ結晶相の粒子からなるマトリックス間に
（ＡｌＮ）_x（Ａｌ₂ＯＣ）_1-x相の粒子が生成してい
る状態のセラミックス組織を示す電子顕微鏡写真であ
る。

【図７】図６のマトリックスおよび（ＡｌＮ）_x（Ａｌ
₂ＯＣ）_1-x相の粒子を拡大して示す、セラミックス組
織の電子顕微鏡写真である。

フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０５Ｂ 3/02 Ｈ０５Ｂ 3/20 ３５６ 3/20 ３５６Ｈ０１Ｌ 21/302 Ｇ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】窒化アルミニウムのＸ線回折チャートにお
いて、主結晶相である窒化アルミニウムピークの他に、
Ｘ線回折角度２θ＝４４°〜４５°にカーボンのピーク
が検出されることを特徴とする、窒化アルミニウム焼結
体。
【請求項２】前記主結晶相と、ＡＬＯＮからなる副結晶
相と、カーボン相とを備えていることを特徴とする、請
求項１記載の窒化アルミニウム焼結体。
【請求項３】（ＡｌＮ）_x（Ａｌ₂ＯＣ）_1-x相を実質
的に含有せず、ＪＩＳＺ８７２１に規定する明度がＮ
４以下であることを特徴とする、請求項１または２記載
の窒化アルミニウム焼結体。
【請求項４】前記窒化アルミニウム焼結体に含有されて
いる炭素原子の割合が５００ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍで
あることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの
請求項に記載の窒化アルミニウム焼結体。
【請求項５】請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記
載の窒化アルミニウム焼結体を基材として使用している
ことを特徴とする、半導体製造用装置。
【請求項６】炭素含有量が５００ｐｐｍ〜５０００ｐｐ
ｍである窒化アルミニウム粉末からなる原料を、１７３
０℃以上、１９２０℃以下の温度および８０ｋｇ／ｃｍ
²以上の圧力で焼結させることによって窒化アルミニウ
ム焼結体を得ることを特徴とする、窒化アルミニウム焼
結体の製造方法。
【請求項７】窒化アルミニウム粉末に対して、炭素また
は炭素源となる化合物を添加することによって、炭素含
有量が５００ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍである窒化アルミ
ニウム粉末からなる前記原料を製造することを特徴とす
る、請求項６記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方
法。
【請求項８】炭素含有量が異なる複数種の窒化アルミニ
ウム粉末を混合することによって、炭素含有量が５００
ｐｐｍ〜５０００ｐｐｍである窒化アルミニウム粉末か
らなる前記原料を製造することを特徴とする、請求項６
記載の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。
【請求項９】前記第二の窒化アルミニウム粉末を還元窒
化法によって製造することを特徴とする、請求項８記載
の窒化アルミニウム焼結体の製造方法。