TWI764320B - 複合燒結體及複合燒結體的製造方法 - Google Patents

複合燒結體及複合燒結體的製造方法

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Abstract

複合燒結體20係具備有：以陶瓷為主材料的基材(即本體部21)、以及配置於本體部21內部或表面上的電極23。電極23係含有WC與TiN。藉此，可在抑制電極23的電阻率增加情況下，縮小電極23與本體部21的熱膨脹係數差。結果，可抑制因該熱膨脹係數差造成本體部21出現龜裂、斷裂等損傷。

Description

複合燒結體及複合燒結體的製造方法
本發明係關於複合燒結體及複合燒結體的製造方法。
習知半導體基板的製造裝置等，係利用具備有：吸附半導體基板並保持的靜電吸盤、加熱半導體基板的加熱器、組合該等的靜電吸盤加熱器等基座。該基座係具備有：以陶瓷(例如氮化鋁)燒結體為主材料的基材、與配置於該基材內部等之處的電極。
上述製造裝置係對由基座支撐的半導體基板，施行利用激發處理氣體所生成的電漿施行成膜、蝕刻等製程。該基座為能因應上述製程的高溫化，所以在維持高溫下的體積電阻率等目的下，有在基材中添加氧化鎂等添加物的情況。因為該基材的熱膨脹係數會依照添加物的種類、添加率會有所變動，所以會有因與電極的熱膨脹係數差，導致基材出現龜裂、斷裂等的可能性。
所以，日本專利特開平8-236599號公報(文獻1)有提案：就在由氮化鋁質燒結體構成的基體中所埋設發熱電阻體，藉由在90重量%~99重量%的鎢、鉬、碳化鎢、碳化鈦或氮化鈦中，混合1~10重量%的氮化鋁(即基體的材料)，便可降低基體與發熱電阻體的熱膨脹係數差。
再者，日本專利第5032444號公報(文獻2)有提案：就在氮化鋁、氧化鋁或氧化釔等陶瓷基材中埋設的電極，藉由在鎢或鉬等高熔點金屬中，混合5重量%~30重量%的陶瓷基材材料，便可降低基材與電極的熱膨脹係數差。
另一方面，日本專利特開2007-173592號公報(文獻3)有提案：在由氮化鋁所形成陶瓷介電層中埋設的吸附用電極，係由鉬、鎢、鈦、氮化鈦、碳化鎢或碳化鈦的燒結體所形成的雙極性靜電吸盤。該靜電吸盤藉由規定陶瓷介電層各部位的厚度，而將晶圓均勻固定於吸附面上。
但是，文獻1與文獻2，雖藉由在電極中添加基材的材料，便可某程度縮小基材與電極的熱膨脹係數差，但該差的縮小係有極限。又，藉由在電極中添加基材的材料，會有電極的電阻率增加，亦會有導致發熱量降低的可能性。
文獻3的靜電吸盤，並未考慮到縮小陶瓷介電層與吸附用電極的熱膨脹係數差，俾抑制陶瓷介電層出現龜裂、斷裂等情形。又，當該靜電吸盤係由鉬、鎢或鈦形成電極的情況，容易受燒條件與基材的影響，很容易發生氧化、碳化導致電極內呈不均勻狀態。結果，電極特性容易變動，會有導致量產性降低的可能性。另一方面，當由氮化鈦形成電極的情況，因靜電吸盤製造時的高溫燒，導致發生氮化鈦的異常晶粒成長，造成粒子間出現空隙，會有造成電極之電阻率增加的虞慮。
(發明所欲解決之課題)
本發明目的在於：針對複合燒結體，能抑制電極的電阻率增加，且縮小電極與基材的熱膨脹係數差。 (解決課題之手段)
本發明較佳一形態的複合燒結體，係具備有：以陶瓷為主材料的基材、以及配置於上述基材內部或表面上的電極。上述電極係含有：碳化鎢(WC)、與氮化鈦(TiN)。藉此，能抑制電極的電阻率增加，且縮小電極與基材的熱膨脹係數差。
較佳係上述電極與上述基材的熱膨脹係數差絕對值，在40℃以上且1000℃以下範圍內係0.3ppm/℃以下。
較佳係上述電極的室溫電阻率係3.0×10-5 Ω‧cm以下。
較佳係上述電極所含導電體中的上述氮化鈦(TiN)含有率，係5體積%以上且60體積%以下。
較佳係上述電極中，依X射線繞射法所獲得上述碳化鎢(WC)與上述氮化鈦(TiN)的主譜峰強度比，係0.80以上且未滿1.0。
較佳係上述電極所含導電體中的上述碳化鎢(WC)與上述氮化鈦(TiN)合計含有率係100體積%。
較佳係上述電極中的上述碳化鎢(WC)與上述氮化鈦(TiN)合計含有率，係100體積%。
較佳係上述電極中的上述氮化鈦(TiN)之燒結粒徑，係0.7μm以上且1.0μm以下。
較佳係上述基材的主材料係氮化鋁。
較佳係上述基材係圓板狀，在上述基材的主面上載置半導體基板。
本發明亦相關複合燒結體的製造方法。
本發明較佳一形態的複合燒結體的製造方法，係包括有：a)準備以陶瓷為主材料的成形體，屬於初燒體或燒結體的第1構件與第2構件之步驟；b)在上述第1構件上，配置含有碳化鎢(WC)與氮化鈦(TiN)的電極或上述電極之前驅物後，再積層上述第2構件形成積層體的步驟；以及c)將上述積層體施行熱壓燒的步驟。藉此，能抑制電極的電阻率增加，且縮小電極與基材的熱膨脹係數差。
較佳係待上述c)步驟結束後，上述電極與上述第1構件及上述第2構件的熱膨脹係數差絕對值，在40℃以上且1000℃以下範圍內係0.3ppm/℃以下。
較佳係上述c)步驟的燒溫度係1700℃以上且1780℃以下。
上述目的及其他目的、特徵、態樣及優點，經參照所附圖式進行以下本發明的詳細說明便可清楚明瞭。
圖1所示係本發明一實施形態的基座1之剖視圖。基座1係半導體製造裝置所使用的半導體製造裝置構件。基座1係從圖1中的下側支撐著略圓板狀半導體基板9(以下簡稱「基板9」)。以下說明中，將圖1中的上側與下側簡稱為「上側」與「下側」。又，圖1中的上下方向簡稱為「上下方向」。圖1中的上下方向未必一定要與基座1設置於半導體製造裝置時的實際上下方向一致。
基座1係具備有：本體部21、基座部22、以及電極23。本體部21係以陶瓷為主材料的略板狀(例如略圓板狀)基材。在本體部21的上側主面(即上面)上載置基板9。基座部22係平面觀較大於本體部21的略板狀(例如略圓板狀)構件。本體部21係安裝於基座部22上。圖1所示例，電極23係配置於本體部21的內部(即埋設)。電極23係例如略圓板狀構件。電極23較佳係由具較高熔點的材料形成。本體部21與電極23係由複數材料形成的複合燒結體。以下說明亦將本體部21與電極23統稱為「複合燒結體20」。相關本體部21與電極23的材料，容後述。
圖1所示例，基座1係利用藉由對電極23施加直流電壓而產生的熱，而加熱基板9的加熱器。即，電極23係加熱基板9的電阻發熱體。基座1係除電極23之外，亦可在本體部21的內部設置利用庫倫力或Johnsen-Rahbeck力，靜電吸附基板9的吸盤用電極。或者，電極23亦可利用吸盤用電極。
如上述，本體部21係以陶瓷為主材料形成。本體部21中，主材料的該陶瓷含有率係例如50質量%~100質量%。本體部21的主材料係例如：氮化鋁(AlN)。本體部21中，氧化鎂(MgO)及/或鎂鋁尖晶石(MgAl2 O4 )等添加材料亦可添加於AlN中。本體部21中，主材料的AlN含有率係例如50質量%~100質量%，配合所需的本體部21之材料特性調整該含有率。例如本體部21要求高熱導率的情況，AlN含有率較佳係80質量%~100質量%。
電極23係含有導電體，該導電體係含有碳化鎢(WC)、與氮化鈦(TiN)。本案中，記載「碳化鎢」係指依化學式「WC」所示化合物，未包含後述依化學式「W2 C」所示化合物在內的概念。該導電體中的WC與TiN合計含有率係例如90體積%~100體積%。又，電極23中的WC與TiN合計含有率係例如80體積%~100體積%，在不致實質影響電極23性能的程度含有量前提下，容許含有W2 C等異相。本實施形態，電極23係實質僅由導電體形成，該導電體係實質未含WC與TiN以外的物質。換言之，本實施形態，電極23所含導電體中的WC與TiN合計含有率係100體積%，電極23中的WC與TiN合計含有率亦係100體積%。
電極23所含導電體中的TiN含有率係例如5體積%以上且60體積%以下，將電極23與本體部21的熱膨脹係數差調整為實質接近0。又，電極23中，利用X射線繞射法(XRD)所獲得WC與TiN的主譜峰強度比(以下亦稱「WC-TiN尖峰比」)，係例如0.80以上且未滿1.0，將電極23與本體部21的熱膨脹係數差調整為實質接近0。WC-TiN尖峰比係將WC的主譜峰強度，除以WC主譜峰強度與TiN主譜峰強度的合計而計算出的商值。
WC的熱膨脹係數(亦稱「熱膨脹率」)係較低於本體部21的熱膨脹係數、及本體部21主材料的AlN之熱膨脹係數。TiN的熱膨脹係數係較高於本體部21的熱膨脹係數、及本體部21主材料的AlN之熱膨脹係數。電極23與本體部21的熱膨脹係數差絕對值(以下亦稱「CTE差」)，在40℃以上且1000℃以下的範圍內係例如0.5ppm/℃以下、較佳係0.3ppm/℃以下。CTE差的下限並無特別的限定，較佳係0.0ppm/℃以上。又，電極23在室溫下的電阻率係例如3.0×10-5 Ω‧cm以下、較佳係2.5×10-5 Ω‧cm以下。該電阻率的下限並無特別的限定，例如1.0×10-5 Ω‧cm以上。
電極23係如後述，將與本體部21形成燒結體，或在本體部21之外另行利用燒形成的燒結體。燒溫度係例如1700℃以上的高溫。另外，WC的熔點係2870℃，TiN的熔點係2930℃。TiN的燒結粒徑係例如0.7μm以上且1.0μm以下、較佳係0.7μm以上且0.9μm以下。TiN的燒結粒徑係使用SEM(掃描式電子顯微鏡)等進行微構造觀察便可求得。
其次，參照圖2，針對基座1的本體部21與電極23(即複合燒結體20)之製造方法一例進行說明。該例中，製成：本體部21下半部的略圓板狀部位(以下稱「第1構件」)、以及上半部的略圓板狀部位(以下稱「第2構件」)，藉由在第1構件與第2構件之間夾置電極23的材料進行燒，而製造本體部21與電極23。
具體而言，首先，依成為既定組成的方式秤量本體部21(即第1構件與第2構件)的原料粉末，將該原料粉末施行濕式混合，再利用單軸加壓成形等成形為既定形狀的成形體(步驟S11)。步驟S11所成形的成形體便係上述第1構件與第2構件的前驅物。
步驟S11，AlN原料係使用例如市售高純度微粒粉末。又，當本體部21含有MgO的情況，MgO原料係使用例如市售高純度微粒粉末。當本體部21含有MgAl2 O4 的情況，例如將上述市售MgO粉末與市售氧化鋁(Al2 O3)的高純度微粒粉末施行加熱合成，並使用為MgAl2 O4 原料。或者，MgAl2 O4 原料亦可使用市售的MgAl2 O4 高純度微粒粉末。AlN原料、MgO原料及MgAl2 O4 原料的純度及平均粒徑等係可適當決定。
步驟S11，原料粉末的混合條件(例如混合時間、溶劑種類等)係可適當決定。該溶劑係可使用例如：有機溶劑或離子交換水。另外，步驟S11中亦可利用乾式混合進行原料粉末的混合。
步驟S11，成形體的成形條件(例如所賦予的壓力等)係可適當決定。當成形體的形狀係板狀的情況，藉由將原料粉末填充於熱壓模具等之中，亦可成形為成形體。該成形體的成形係在能保持形狀前提下，亦可利用其他的各種方法實施。例如亦可將經濕式混合後的漿料，依具流動性狀態流入塑模中之後，再除去溶劑成分，亦可形成既定形狀的成形體。
接著，步驟S11所形成的2個成形體(即第1構件與第2構件的前驅物)，利用熱壓法等施行燒，再將所獲得燒結體加工為既定形狀，便可獲得第1構件與第2構件(步驟S12)。步驟S12的燒條件(例如：壓合壓力、燒溫度、燒時間等)係可適當決定。步驟S12的成形體燒亦可利用熱壓法以外的方法實施。
其次，依成為既定組成的方式秤量電極23的原料粉末，將該原料粉末施行混合後，再與溶劑及黏結劑等進行混練，生成屬於電極23前驅物的電極糊膏(步驟S13)。步驟S13，WC原料與TiN原料係使用例如市售WC及TiN的高純度微粒粉末。WC原料與TiN原料的純度及平均粒徑等係可適當決定。上述原料粉末的混合係例如利用濕式混合實施。原料粉末的混合條件(例如混合時間、溶劑種類等)係可適當決定。該溶劑係可使用例如：有機溶劑或離子交換水。另外，步驟S13，亦可利用乾式混合進行原料粉末的混合。步驟S13中，與原料粉末一起混練的上述溶劑(例如：有機溶劑)與黏結劑種類，係可適當決定。另外，步驟S13亦可在步驟S11,S12之前實施，或者與步驟S11、S12並行實施。
步驟S13所生成的電極糊膏係在由步驟S12所形成燒結體中其中一者(即第1構件)的上面，利用網版印刷等塗佈成既定形狀。然後，電極糊膏在大氣中等之中施行既定時間(例如1小時)乾燥後，於第1構件與電極糊膏上，積層第2構件形成積層體(步驟S14)。
步驟S14，電極糊膏的塗佈亦可利用網版印刷以外的方法實施。又，步驟S14，亦可在第1構件與電極糊膏上，取代積層第2構件，改為積層第2構件的成形體(即步驟S11所成形的前驅物)。或者，由第2構件的成形體施行初燒後的初燒體，亦可取代第2構件，改為積層於第1構件與電極糊膏上。又，亦可取代屬於燒結體的第1構件，改為使用第1構件的成形體或初燒體。換言之，步驟S14所使用的第1構件與第2構件亦可為燒結體、初燒體及成形體中任一者。
然後，步驟S14所形成的積層體，利用熱壓法等施行燒，使第1構件與第2構件一體化，便形成本體部21與電極23(即複合燒結體20)(步驟S15)。步驟S15的燒條件(例如：壓合壓力、燒溫度、燒時間等)係可適當決定。步驟S15的積層體燒亦可利用熱壓法以外的方法實施。又，上述步驟S14，亦可取代電極糊膏，改為將由電極糊膏單獨施行燒形成的電極23配置於第1構件的上面上，再於第1構件與電極23上積層第2構件的成形體、初燒體或燒結體。
其次，參照表1~表3，針對本發明複合燒結體20(即：本體部21與電極23)的實施例1~16、以及為與複合燒結體20進行比較用的比較例1~4之複合燒結體進行說明。實施例1~16的電極23係含有WC與TiN，相對於此，比較例1~4的電極23係僅含有WC或TiN中之任一者。
[表1]
  本體部
第1構件 (下側) 第2構件 (上側) 主成分 添加成分 熱膨脹係數 (ppm/K)
成分 質量%
比較例1 燒結體 成形體 AlN MgO 1 5.9
比較例2 燒結體 成形體 AlN MgO 1 5.9
比較例3 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 45 7.1
比較例4 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 45 7.1
實施例1 燒結體 成形體 AlN MgO 1 5.9
實施例2 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 5 5.5
實施例3 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 10 5.7
實施例4 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 20 6.1
實施例5 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 30 6.5
實施例6 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 45 7.1
實施例7 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 45 7.1
實施例8 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 45 7.1
實施例9 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 45 7.1
實施例10 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 45 7.1
實施例11 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 45 7.1
實施例12 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 45 7.1
實施例13 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 45 7.1
實施例14 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 45 7.1
實施例15 燒結體 成形體 AlN MgAl2 O4 45 7.1
實施例16 燒結體 燒結體 AlN MgAl2 O4 45 7.1
[表2]
  加熱器電極
構成成分 熱膨脹係數 (ppm/℃)
成分1 成分2
成分 體積% 熱膨脹係數 (ppm/℃) 成分 體積% 熱膨脹係數 (ppm/℃)
比較例1 WC 100 5.3 － － － 5.3
比較例2 TiN 100 9.2 － － － 9.2
比較例3 WC 100 5.3 － － － 5.3
比較例4 TiN 100 9.2 － － － 9.2
實施例1 WC 84.4 5.3 TiN 15.6 9.2 5.9
實施例2 WC 94.6 5.3 TiN 5.4 9.2 5.5
實施例3 WC 89.5 5.3 TiN 10.5 9.2 5.7
實施例4 WC 79.3 5.3 TiN 20.7 9.2 6.1
實施例5 WC 69.1 5.3 TiN 30.9 9.2 6.5
實施例6 WC 53.7 5.3 TiN 46.3 9.2 7.1
實施例7 WC 66.5 5.3 TiN 33.5 9.2 6.6
實施例8 WC 61.4 5.3 TiN 38.6 9.2 6.8
實施例9 WC 56.3 5.3 TiN 43.7 9.2 7.0
實施例10 WC 51.2 5.3 TiN 48.9 9.2 7.2
實施例11 WC 46.0 5.3 TiN 54.0 9.2 7.4
實施例12 WC 40.9 5.3 TiN 59.1 9.2 7.6
實施例13 WC 53.7 5.3 TiN 46.3 9.2 7.1
實施例14 WC 53.7 5.3 TiN 46.3 9.2 7.1
實施例15 WC 53.7 5.3 TiN 46.3 9.2 7.1
實施例16 WC 53.7 5.3 TiN 46.3 9.2 7.1
[表3]
  燒溫度 (℃) CTE差 (ppm/K) WC-TiN尖峰比 TiN燒結粒徑 (μm) 電極之電阻率×10-6 (Ω‧cm)
比較例1 1720 0.60 － － 1.9
比較例2 1720 3.30 － 7.01 5.1
比較例3 1720 1.80 － － 2.0
比較例4 1720 2.10 － 7.06 5.4
實施例1 1720 0.00 0.97 0.78 2.2
實施例2 1720 0.00 0.99 0.74 2.4
實施例3 1720 0.00 0.98 0.77 2.4
實施例4 1720 0.00 0.96 0.79 2.3
實施例5 1720 0.00 0.95 0.80 2.3
實施例6 1720 0.00 0.91 0.82 2.2
實施例7 1720 0.50 0.94 0.81 2.4
實施例8 1720 0.30 0.93 0.82 2.3
實施例9 1720 0.10 0.91 0.82 2.3
實施例10 1720 0.10 0.90 0.84 2.2
實施例11 1720 0.30 0.89 0.87 2.1
實施例12 1720 0.50 0.88 0.96 2.1
實施例13 1700 0.00 0.92 0.81 2.0
實施例14 1740 0.00 0.86 0.83 2.5
實施例15 1780 0.00 0.80 0.86 3.0
實施例16 1720 0.00 0.91 0.81 2.2
實施例1~16及比較例1~4，本體部21及電極23的製造係由上述步驟S11~S15實施。實施例1~16及比較例1~4，在步驟S11中，AlN原料係使用市售AlN的高純度微粒粉末(氧含有率0.8%、平均粒徑1.3μm)。又，MgO原料係使用市售MgO的高純度微粒粉末(純度99%以上、平均粒徑1.2μm)。MgAl2 O4 原料係使用由上述市售MgO粉末與市售氧化鋁(Al2 O3 )的高純度微粒粉末(純度99.99%以上、平均粒徑0.5μm)，依成為莫耳比1：1方式進行混合，在1300℃、大氣環境下施行加熱合成後，再施行粉碎調整為平均粒徑0.2μm。
實施例1~16及比較例1~4，步驟S11中的原料粉末之濕式混合，係利用二氧化鋯磨球與使用多用鍋的球磨機實施。混合時間係20小時，所使用溶劑係有機溶劑。利用濕式混合生成的漿料經乾燥後施行過篩，便獲得本體部21的原料粉末。又，步驟S11中的成形體之成形係藉由將原料粉末填充於單軸加壓成形用模具中而實施。該單軸加壓成形時的壓力係100kgf/cm2 。所獲得成形體係直徑50mm、厚度10mm的略圓板狀。另外，實施例1~16及比較例1~4係製作較實際複合燒結體20更小的測試體使用。
實施例1~16及比較例1~4，步驟S12的燒係利用熱壓法實施。具體而言，將上述成形體收容於熱壓用石墨模具中，安裝於熱壓爐中施行燒。燒時的壓合壓力係200kgf/cm2 。燒溫度(即：燒時的最高溫度)係1700℃以上且1780℃以下。燒時間係8小時。升溫速度及降溫速度係300℃/h。燒環境係在升溫至1000℃時施行抽真空，然後導入氮氣。導入氮氣後的氣體壓力維持於約1.5atm(約0.152MPa)。降溫時在1400℃時停止溫度控制，並進行爐冷卻。所獲得燒結體(即，第1構件及第2構件)分別加工為直徑50mm、厚度5mm的略圓板狀。
實施例1~16及比較例1~4，在步驟S13中，WC原料與TiN原料係使用市售WC的高純度微粒粉末(純度99.9%以上、平均粒徑0.75μm)、及市售TiN的高純度微粒粉末(純度99%以上、平均粒徑0.6μm)。
實施例1~16，步驟S13中的原料粉末之濕式混合，係利用二氧化鋯磨球及使用多用鍋的球磨機實施。混合時間係20小時，所使用溶劑係有機溶劑。由濕式混合生成的漿料經乾燥後施行過篩，獲得電極23的原料粉末。比較例1~4係將上述WC原料或TiN原料使用為電極23的原料粉末。實施例1~16及比較例1~4，電極糊膏生成時將與該原料粉末進行混練的溶劑與黏結劑，係丁基卡必醇及聚甲基丙烯酸正丁酯。
實施例1~16及比較例1~4，步驟S14中的電極糊膏塗佈係利用網版印刷實施。在第1構件上所塗佈電極糊膏的形狀係寬5mm、長15mm的略長方形。電極糊膏的厚度係60μm~70μm。
實施例1~16及比較例1~4，步驟S15中的燒係利用熱壓法實施。具體而言，將上述成形體收容於熱壓用石墨模具中，安裝於熱壓爐中施行燒。燒時的壓合壓力係200kgf/cm2 。燒溫度(即燒時的最高溫度)係1700℃以上且1780℃以下。燒時間係8小時。升溫速度與降溫速度係300℃/h。燒環境係在升溫至1000℃時施行抽真空，然後導入氮氣。導入氮氣後的氣體壓力維持於約1.5atm(約0.152MPa)。降溫時在1400℃時停止溫度控制，並進行爐冷卻。
表1~表3中，基材(即本體部21)的熱膨脹係數係使用從本體部21切取的燒結體試料，依照根據JIS-R1618的方法，在40℃~1000℃範圍內測定。又，WC的熱膨脹係數係使用將步驟S13所使用的市售WC粉末，依照與步驟S12同樣的條件施行熱壓燒而製作的塊材，再依照根據JIS-R1618的方法，於40℃~1000℃範圍內測定。相關TiN的熱膨脹係數亦是依照與WC同樣地測定。電極23的熱膨脹係數係根據上述WC單體的熱膨脹係數、TiN單體的熱膨脹係數、以及電極23的WC與TiN含有率進行求取。具體而言，將WC單體的熱膨脹係數、與電極23的WC含有率之乘積，以及TiN單體的熱膨脹係數與電極23的TiN含有率之乘積合計，設為電極23的熱膨脹係數。CTE差係上述電極23的熱膨脹係數、與本體部21的熱膨脹係數差絕對值。
電極23的電阻率係依如下述求取。首先，從步驟S15所形成的複合燒結體20，切取寬度、長度與厚度分別為9mm的略立方體狀測試片。測試片係切取為在中央處內建寬5mm、長9mm之電極23狀態。在測試片的二端面露出寬5mm的電極23。電極23的截面積S(cm2 )係利用光學顯微鏡測定測試片端面的電極23之寬度與長度而求得。又，利用卡尺測定露出電極23的測試片二端面間的距離，設為電極23的長度L(cm)。電阻測定用電路係在電極23的二端面塗佈導電性糊膏，然後連接引線而構成。接著，在大氣中、室溫，對電極23依0mA~150mA範圍賦予微小電流I(mA)，測定此時生成的微小電壓值V(mV)，利用R=V/I求取電極23的電阻R(Ω)。然後，利用ρ=R×S/L求取電極23的電阻率ρ(Ω‧cm)。
電極23的組成係依如下述實施。首先，除去測試片的上半部或下半部，使電極23的上面或下面裸露出，對露出的電極23施行研磨。然後，針對電極23的研磨面，利用X射線繞射裝置(XRD)鑑定結晶相。該結晶相的鑑定係使用封管式X射線繞射裝置(BRUKER AXS股份有限公司製D8-ADVANCE)。測定條件設為CuKα、40kV、40mA、2θ=10~70°，測定的步進寬設為0.002°。
電極23的WC-TiN尖峰比係由上述XRD測定的WC與TiN之主譜峰強度比。WC-TiN尖峰比係將WC主譜峰的(100)面強度設為I1，TiN主譜峰的(200)面強度設為I2，求取I1/(I1+I2)。
電極23的TiN之燒結粒徑係藉由使用SEM的微構造觀察求取。圖3所示係實施例6的電極23之SEM影像。具體而言，將測試片一面施行拋光加工成鏡面狀，再針對電極23的研磨面使用SEM進行觀察。然後，計算出既定數(例如數十個)燒結粒子的各自長徑與短徑平均之平均直徑，將該既定數燒結粒子的平均直徑之算術平均設為TiN的燒結粒徑。
實施例1及比較例1~2，本體部21的第1構件與第2構件係在AlN中添加MgO而形成。實施例2~16及比較例3~4，本體部21的第1構件與第2構件係在AlN中添加MgAl2 O4 而形成。實施例1~15及比較例1~4的第2構件係步驟S11的成形體，實施例16的第2構件係步驟S12的燒結體。另外，第1構件就所有實施例與所有比較例均係步驟S12的燒結體。
所有實施例的電極23均係含有WC與TiN。另外，電極23係有些微含有由WC所生成W2 C的情況，但該微量的W2 C並不會對電極23的性能構成實質影響。比較例1,3的電極23係含有WC，但並未含有TiN。比較例2,4的電極23係含有TiN，並未含有WC。實施例1~12,16及比較例1~4的電極23之燒溫度係1720℃。實施例13~15的電極23之燒溫度分別係1700℃、1740℃、1780℃。
實施例1,3~4係將本體部21的添加成分變更為MgO與MgAl2 O4 ，而接近本體部21的熱膨脹係數。實施例2~6係使本體部21的添加成分MgAl2 O4 含有率，在5質量%~45質量%範圍內變化，並依CTE差成為0.00ppm/℃的方式變更電極23中的WC與TiN含有率。實施例7~12係將本體部21的添加成分MgAl2 O4 含有率固定於45質量%，變更電極23中的WC與TiN含有率，而變更CTE差。實施例6,13~15係使燒溫度在1700℃~1780℃範圍內變更。實施例6,16，實施例6的本體部21之第2構件係成形體，實施例16的本體部21之第2構件係燒結體。
實施例1~16的電極23與本體部21之熱膨脹係數差絕對值之CTE差，儘管本體部21的熱膨脹係數因添加成分而有出現變化，但均為0.00ppm/℃~0.50ppm/℃的較小值。另一方面，電極23僅由WC形成的比較例1,3，CTE差係0.60ppm/℃~1.80ppm/℃的較大值。又，電極23僅由TiN形成的比較例2,4，CTE差係2.10ppm/℃~3.30ppm/℃的較大值。
實施例1~16的電極23之WC-TiN尖峰比係0.80~0.99。另外，電極23僅由WC形成的比較例1,3，電極23的WC-TiN尖峰比係1.0，電極23僅由TiN形成的比較例2,4，電極23的WC-TiN尖峰比係0.0。
實施例1~16的電極23之TiN燒結粒徑係0.74μm~0.96μm之較小值。另一方面，電極23僅由TiN形成的比較例2,4，電極23的TiN之燒結粒徑係7.01μm~7.06μm的較大值。比較例2,4，因為電極23並未含WC，因而判斷在電極23燒結時有發生TiN的異常晶粒成長。
實施例1~16的電極23在室溫下之電阻率係2.0×10-5 Ω‧cm~3.0×10-5 Ω‧cm的較小值。電極23僅由WC形成的比較例1,3，電極23在室溫下之電阻率係1.9×10-5 Ω‧cm~2.0×10-5 Ω‧cm。另一方面，電極23僅由TiN形成的比較例2,4，電極23在室溫下之電阻率係5.1×10-5 Ω‧cm~5.4×10-5 Ω‧cm的較大值。
如上所說明，複合燒結體20係具備有：以陶瓷為主材料的基材(即本體部21)、以及配置於本體部21內部的電極23。電極23係含有WC與TiN。藉此，可在抑制電極23的電阻率增加情況下，縮小電極23與本體部21的熱膨脹係數差。結果，可抑制因該熱膨脹係數差造成本體部21出現龜裂、斷裂等損傷。又，當電極23係利用為電阻發熱體的情況，可增加由電極23產生的發熱量。當電極23係利用為吸盤用電極的情況，可增加對基板9的吸附力。
另外，複合燒結體20的電極23亦可配置於本體部21的表面。換言之，電極23係配置於本體部21的內部或表面。即使電極23配置於本體部21的內部或表面任一處的情況，複合燒結體20均可如上述，能在抑制電極23的電阻率增加情況下，縮小電極23與本體部21的熱膨脹係數差。
如上述，複合燒結體20的電極23與本體部21之熱膨脹係數差絕對值(即CTE差)，在40℃以上且1000℃以下範圍內較佳係0.3ppm/℃以下。因此，藉由適當縮小電極23與本體部21的熱膨脹係數差，便可更加抑制因熱膨脹係數差所造成本體部21的損傷。
如上述，電極23在室溫下的電阻率較佳係3.0×10-5 Ω‧cm以下。因此，藉由適當縮小電極23的電阻率，當電極23利用為電阻發熱體的情況，便可更增加電極23所產生的發熱量。又，當電極23利用為吸盤用電極的情況，將可更增加對基板9的吸附力。
如上述，電極23中所含導電體中的TiN含有率，較佳係5體積%以上且60體積%以下。藉此，如上述實施例1~16，可在適當抑制電極23的電阻率增加情況下，適當縮小電極23與本體部21的熱膨脹係數差。
如上述，電極23依照X射線繞射法所獲得WC與TiN的主譜峰強度比(即WC-TiN尖峰比)，較佳係0.80以上且未滿1.0。藉此，如上述實施例1~16，可在適當抑制電極23的電阻率增加情況下，適當縮小電極23與本體部21的熱膨脹係數差。
如上述，電極23所含導電體中的WC與TiN合計含有率，較佳係100體積%。藉此，電極23可防止因導電體材料的種類增加所造成製造成本增加情形。更佳電極23中的WC與TiN合計含有率係100體積%。藉此，相較於電極23含有導電體以外的材料(例如本體部21的材料)之情況下，可抑制電極23的電阻率增加。
如上述，電極23中的TiN燒結粒徑較佳係0.7μm以上且1.0μm以下。因此，藉由抑制TiN的異常晶粒成長，便可使電極23緻密化。結果，可適當地抑制電極23的電阻率增加。
如上述，本體部21的主材料較佳係AlN。藉此，可提供能利用於各種處理的高通用性複合燒結體20。
如上述，複合燒結體20係可在抑制電極23的電阻率增加情況下，縮小電極23與本體部21的熱膨脹係數差，因而複合燒結體20適用於半導體製造裝置所使用的半導體製造裝置構件。複合燒結體20特別適用於高功率蝕刻裝置等高輸出半導體製造裝置所使用的半導體製造裝置構件。使用複合燒結體20製成的半導體製造裝置構件較佳一例，係可例如上述基座1。基座1係如上述，本體部21係圓板狀，在本體部21的主面上配置半導體基板。
上述複合燒結體20的製造方法係包括有：準備以陶瓷為主材料的成形體、初燒體或燒結體的第1構件與第2構件之步驟(步驟S11~S12)；在第1構件上配置含有WC與TiN的電極23(或配置電極23的前驅物)之後，積層第2構件形成積層體的步驟(步驟S14)；以及對該積層體施行熱壓燒的步驟(步驟S15)。藉此，同上述，可在抑制電極23的電阻率增加情況下，縮小電極23與本體部21的熱膨脹係數差。結果，可抑制因該熱膨脹係數差造成本體部21出現龜裂、斷裂等損傷。又，當電極23利用為電阻發熱體的情況，便可更增加電極23所產生的發熱量。又，當電極23利用為吸盤用電極的情況，將可更增加對基板9的吸附力。
如上述，待步驟S15結束後，電極23、與第1構件及第2構件的熱膨脹係數差絕對值(即CTE差)，在40℃以上且1000℃以下範圍內較佳係0.3ppm/℃以下。因此，藉由適當地縮小電極23、與第1構件及第2構件的熱膨脹係數差，便可更加抑制因熱膨脹係數差造成第1構件與第2構件(即本體部21)遭損傷。
如上述，步驟S15的燒溫度較佳係1700℃以上且1780℃以下。複合燒結體20即使在此種高溫燒下，仍可抑制TiN的異常晶粒成長，俾提升電極23的緻密性。
上述複合燒結體20與複合燒結體20的製造方法係可進行各種變更。
例如電極23所含導電體中的TiN含有率，係可未滿5體積%，亦可大於60體積%。
電極23依X射線繞射法所獲得WC與TiN的主譜峰強度比(即WC-TiN尖峰比)，亦可未滿0.80。
電極23中的TiN燒結粒徑係可未滿0.7μm，亦可大於1.0μm。
電極23在室溫下的電阻率亦可大於3.0×10-5 Ω‧cm。
電極23與本體部21的熱膨脹係數差絕對值(即CTE差)，在40℃以上且1000℃以下範圍內，亦可大於0.3ppm/℃。
本體部21的主材料亦可為AlN以外的陶瓷。
電極23的導電體亦可含有WC及TiN以外的材料。換言之，該導電體中的WC與TiN合計含有率，亦可未滿100體積%。又，電極23亦可含有導電體以外的材料(例如本體部21主材料的AlN等陶瓷)。換言之，電極23中的導電體含有率亦可未滿100體積%。
複合燒結體20的製造方法，步驟S15中的燒溫度係可未滿1700℃，亦可達1780℃以上。
基座1的電極23亦可為電漿處理用RF電極。
複合燒結體20係除基座1之外，尚亦可使用於半導體製造裝置所設置其他半導體製造裝置構件(例如：環、噴淋頭等)的製作。又，亦可利用複合燒結體20，製作半導體製造裝置以外的裝置所使用構件。例如：複合燒結體20亦可使用於製作半導體基板以外之支撐基板的基座，亦可使用於製作能加熱對象物用的陶瓷加熱器。
上述實施形態及各變化例的構成在不相互矛盾前提下，亦可適當組合。
雖針對發明進行詳細敘述說明，惟前述說明均僅止於例示而已並非限定。所以，可謂在不脫逸本發明範圍前提下，能有多數變化與態樣。 [產業上之可利用性]
本發明係可利用於相關半導體製造裝置領域(例如保持半導體基板並加熱的基座)的製造。
1:基座 9:基板 20:複合燒結體 21:本體部 22:基座部 23:電極 S11~S15:步驟
圖1係基座剖視圖； 圖2係複合燒結體的製造流程圖；以及 圖3係電極研磨面的SEM影像。
1:基座
9:基板
20:複合燒結體
21:本體部
22:基座部
23:電極

Claims (11)

  1. 一種複合燒結體，係具備有：基材，其係以陶瓷為主材料；以及電極，其係配置於上述基材內部或表面上；其中，上述電極係含有：碳化鎢、與氮化鈦，其中，上述電極與上述基材的熱膨脹係數差絕對值，在40℃以上且1000℃以下範圍內係0.3ppm/℃以下。
  2. 如請求項1之複合燒結體，其中，上述電極的室溫電阻率係3.0×10-5Ω．cm以下。
  3. 如請求項1之複合燒結體，其中，上述電極所含導電體中的上述氮化鈦含有率，係5體積%以上且60體積%以下。
  4. 如請求項1之複合燒結體，其中，上述電極中，依X射線繞射法所獲得上述碳化鎢與上述氮化鈦的主譜峰強度比，係0.80以上且未滿1.0。
  5. 如請求項1之複合燒結體，其中，上述電極所含導電體中的上述碳化鎢與上述氮化鈦合計含有率係100體積%。
  6. 如請求項5之複合燒結體，其中，上述電極中的上述碳化鎢與上述氮化鈦合計含有率，係100體積%。
  7. 如請求項1之複合燒結體，其中，上述電極中的上述氮化鈦之燒結粒徑，係0.7μm以上且1.0μm以下。
  8. 如請求項1之複合燒結體，其中，上述基材的主材料係氮化鋁。
  9. 如請求項1至8中任一項之複合燒結體，其中，上述基材係圓 板狀，在上述基材的主面上載置半導體基板。
  10. 一種複合燒結體的製造方法，係包括有：a)準備以陶瓷為主材料的成形體，屬於初煅燒體或燒結體的第1構件與第2構件之步驟；b)在上述第1構件上，配置含有碳化鎢與氮化鈦的電極或上述電極之前驅物後，再積層上述第2構件形成積層體的步驟；以及c)將上述積層體施行熱壓煅燒的步驟，其中，待上述c)步驟結束後，上述電極與上述第1構件及上述第2構件的熱膨脹係數差絕對值，在40℃以上且1000℃以下範圍內係0.3ppm/℃以下。
  11. 如請求項10之複合燒結體的製造方法，其中，上述c)步驟的煅燒溫度係1700℃以上且1780℃以下。
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