JP4500515B2 - 半導体製造装置用部品および測長用ミラー - Google Patents

Description

本発明は、高ヤング率かつ低熱膨張性でありながら加工性に優れた半導体製造装置用部品および測長用ミラーに関する。

半導体製造装置のシリコンウエハを処理する処理室には、耐食性や耐熱性に優れた種々のセラミック焼結体を用いた部品が使用されている。例えば、プラズマエッチング装置やプラズマＣＶＤ装置等においては、処理室においてシリコンウエハを保持する静電チャックに、窒化珪素焼結体（Ｓｉ_３Ｎ_４）が用いられている（例えば、特許文献１参照）。
特開平７−１３５２４６号公報（第１図、第２〜４段落）

しかし、窒化珪素焼結体は難加工性であり、所定の形状の部品を作製するための加工コストが高いという問題がある。
そこで発明者らは、このような問題の解決にあたって、サイアロン焼結体に着目した。サイアロン焼結体は、窒化珪素にアルミナを固溶させた材料であるために、窒化珪素に比べて加工性がよく、窒化珪素焼結体と同等の熱膨張係数を有し、しかも緻密な焼結体を容易に得ることができるという特徴を有している。

しかしながら、サイアロン焼結体においては、一般的にアルミナの固溶量を増加させることによって加工性を向上させることができるが、加工性を向上させることは同時にヤング率を低下させることとなり、これによって半導体製造装置用部品等として用いるための機械的強度等の特性を確保できなくなるという問題が生ずる。

本発明はこのような事情に鑑みてなされたものであり、ヤング率の低下が抑制され、かつ、加工性が高められた、サイアロン焼結体からなる半導体製造装置用部品および測長用ミラーを提供することを目的とする。

本発明の第１の観点によれば、組成式がＳｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚで表され、焼結助剤成分としてネオジウム（Ｎｄ）を含むサイアロン焼結体からなる半導体製造装置用部品であって、
窒化珪素粉末、アルミナ粉末、焼結助剤成分の酸化物粉末を、比表面積（ＢＥＴ値）が１４ｍ^２／ｇ以上となるように、均一に混合または粉砕混合した出発原料を用いて得られた、前記組成式に示されるＺの値が２．０以上３．０以下で、ヤング率が２８０〜２９０ＧＰａ、熱膨張係数が、１．１×１０^−６〜１．３×１０^−６／℃であり、かつ気孔率が０．０３％以下のサイアロン焼結体からなり、０．０９８ＭＰａの荷重でラップ盤に押し当て粒径９μｍのダイヤモンドスラリーを供給しつつラップ盤を３０ｒｐｍの速度で回転させて研磨を行った際における単位時間当たりの研磨厚さが、窒化珪素粉末（平均粒径０．２μｍ）９０重量部に、焼結助剤として８重量部の酸化イットリウム粉末（平均粒径０．３μｍ）および２重量部のスピネル粉末（平均粒径０．３μｍ）を加え、これを粉砕混合処理し、その後、２９．４ＭＰａの圧力でプレス成形し、さらに１４７．１ＭＰａの圧力で冷間静水圧成形した後、窒素雰囲気中１７００℃で６時間焼成して形成され、ヤング率が３１５ＧＰａ、アルキメデス法による密度が３．３３×１０^３ｋｇ／ｍ^３、ＳＥＭ観察による平均粒径が１．０μｍ、ビッカース硬度が１７．９ＧＰａ、４点曲げ強度が１１００ＭＰａ、熱膨張係数が１．４×１０^−６／℃の特性を有する窒化珪素焼結体の標準試料に対し、１．５倍以上であり、鏡面研磨処理された表面を有することを特徴とする半導体製造装置用部品、が提供される。

本発明の第２の観点によれば、組成式がＳｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚで表され、焼結助剤成分としてネオジウム（Ｎｄ）を含むサイアロン焼結体からなる測長用ミラーであって、
窒化珪素粉末、アルミナ粉末、焼結助剤成分の酸化物粉末を、比表面積（ＢＥＴ値）が１４ｍ^２／ｇ以上となるように、均一に混合または粉砕混合した出発原料を用いて得られた、前記組成式に示されるＺの値が２．０以上３．０以下で、ヤング率が２８０〜２９０ＧＰａ、熱膨張係数が、１．１×１０^−６〜１．３×１０^−６／℃であり、かつ気孔率が０．０３％以下のサイアロン焼結体からなり、０．０９８ＭＰａの荷重でラップ盤に押し当て粒径９μｍのダイヤモンドスラリーを供給しつつラップ盤を３０ｒｐｍの速度で回転させて研磨を行った際における単位時間当たりの研磨厚さが、窒化珪素粉末（平均粒径０．２μｍ）９０重量部に、焼結助剤として８重量部の酸化イットリウム粉末（平均粒径０．３μｍ）および２重量部のスピネル粉末（平均粒径０．３μｍ）を加え、これを粉砕混合処理し、その後、２９．４ＭＰａの圧力でプレス成形し、さらに１４７．１ＭＰａの圧力で冷間静水圧成形した後、窒素雰囲気中１７００℃で６時間焼成して形成され、ヤング率が３１５ＧＰａ、アルキメデス法による密度が３．３３×１０^３ｋｇ／ｍ^３、ＳＥＭ観察による平均粒径が１．０μｍ、ビッカース硬度が１７．９ＧＰａ、４点曲げ強度が１１００ＭＰａ、熱膨張係数が１．４×１０^−６／℃の特性を有する窒化珪素焼結体の標準試料に対し、１．５倍以上であり、鏡面研磨処理された表面を有することを特徴とする測長用ミラー、が提供される。

本発明によれば、上記特定のサイアロン焼結体を用いることにより、窒化珪素焼結体と比較してヤング率の低下が抑制され、しかも加工性に優れた半導体製造装置用部品および測長用ミラーが提供される。これにより、所望のヤング率を有しながら、加工コストを下げ、製品コストを下げることができる。また、焼結助剤としてネオジムを用いていることにより、窒化珪素焼結体と同等のヤング率が得られ、かつ、窒化珪素焼結体よりも良好な加工性が得られるため、半導体製造装置用部品および測長用ミラーとして特に優れたものとなる。

サイアロン（β型）は、周知の通り、窒化珪素にアルミナを固溶させた材料であり、その組成式は一般的に、Ｓｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚ、で表される。ここで、この組成式に示されるＺの値（以下「Ｚ値」と記す）は、アルミナの固溶量を示している。従来のサイアロン焼結体におけるＺ値は、一般的に、０＜Ｚ値＜４．２の範囲であるが、本発明に係るサイアロン焼結体では、Ｚ値は２．０≦Ｚ値≦３．０の範囲に限定される。これは、Ｚ値が２．０未満の場合には窒化珪素焼結体と同等に加工性が悪く、一方、Ｚ値が３．０超の場合にはヤング率が大きく低下するためである。

一般的に、サイアロン焼結体の製造には緻密化を促進するために焼結助剤が用いられる。本発明に係るサイアロン焼結体は、焼結助剤成分として希土類元素を含む。具体的な希土類元素として、好ましくはランタン（Ｌａ）、セリウム（Ｃｅ）、イットリウム（Ｙ）、イットリビウム（Ｙｂ）、エルビウム（Ｅｒ）、ネオジム（Ｎｄ）が用いられ、特にネオジムが好適に用いられる。なお、希土類元素はこれらに限定されるものではなく、ガドリニウム（Ｇｄ）やディスプロシウム（Ｄｙ）、サマリウム（Ｓｍ）、ユーロピウム（Ｅｕ）を用いることもできる。また、希土類元素以外の成分、例えば、マグネシウム（Ｍｇ）やアルミニウム（Ａｌ）等をさらに含んでいてもよい。

これらの焼結助剤成分は、例えば、サイアロン焼結体を作製するための粉体に酸化物（アルミニウムの場合は窒化物を用いることが好ましい）として添加される。サイアロン粉末と焼結助剤粉末との合計が１００重量部となるようにしたときに、焼結助剤は０．１重量部以上５重量部以下となるようにすることが好ましい。これは、焼結助剤量が０．１重量部未満では焼結体が緻密化せず、５重量部超では後述する加工性が低下するためである。

本発明に係るサイアロン焼結体は、出発原料として、窒化珪素粉末、アルミナ粉末、焼結助剤成分の酸化物粉末を、比表面積（ＢＥＴ値）が１４ｍ^２／ｇ以上となるように、均一に混合または粉砕混合し、得られた粉末を所定圧力でプレス成形し、窒素雰囲気中で１６００℃〜１８００℃で焼成を行うことにより作製することができる。なお、原料粉末の粉砕方法は湿式と乾式のどちらでもよい。また、主成分である窒化珪素粉末として所定の比表面積を有するものを用いる場合には、粉砕処理を行なわずに混合処理で済ませることができる。調整された混合粉末には成形性を高めるために所定量のバインダを加えてもよい。この場合には焼成処理前にまたは焼成時に所定温度で脱脂処理を行う。混合粉末のプレス成形は、一軸プレスにより仮成形した後に冷間静水圧プレス（ＣＩＰ）することが好ましい。

このようにして作製される本発明に係るサイアロン焼結体は、後述する実施例でさらに詳細に説明するように、焼結助剤成分が、イットリウム、イットリビウム、ネオジム、エルビウムの場合に、そのヤング率が２６０ＧＰａ〜２７０ＧＰａであり、一般的な窒化珪素焼結体のヤング率である約３００ＧＰａと比較すると小さいものの、種々の半導体製造装置用部品として十分な特性を備えている。特に、焼結助剤成分がネオジムの場合のヤング率は、２８０ＧＰａ〜２９０ＧＰａであり、窒化珪素焼結体と同等であるという優れた特性を有する。また、熱膨張係数は１．１×１０^−６〜１．３×１０^−６／℃であり、窒化珪素焼結体と同等以下である。

本発明に係るサイアロン焼結体は、このような高いヤング率を有するにもかかわらず加工性に優れており、所定の研磨処理条件による研磨レートが所定の窒化珪素焼結体の場合の１．５倍以上である。特に、焼結助剤成分がネオジムの場合には、前述したように高いヤング率を示しながら、しかもこの研磨レートは窒化珪素焼結体の場合の２倍以上である。

ここで、研磨レートを求める際の基準となる窒化珪素焼結体（以下「基準試料」という）は、次のようにして作製される。つまり、最初に、窒化珪素粉末（粒径０．２μｍ、純度９０％）９０重量部に、焼結助剤として８重量部の酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）粉末（平均粒径０．３μｍ、純度９９．９％）と２重量部のスピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）粉末（平均粒径０．３μｍ、純度９９．９％）を添加し、これに所定量のエタノールを加えて、窒化珪素製ボールを用いてボールミル処理する。このような粉砕混合処理後にエタノールを除去乾燥して得られる混合粉を３００ｋｇｆ／ｃｍ^２（＝２９．４ＭＰａ）で５０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍの角柱形状にプレス成形し、さらにこのプレス成形体を１５００ｋｇｆ／ｃｍ^２（＝１４７．１ＭＰａ）で冷間静水圧成形する。作製した成形体を窒素雰囲気中、昇温速度を１０℃／分として１７００℃に昇温し、６時間焼成する。このようにして得られる焼結体から１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍの試料片を切り出し、これを基準試料とする。

なお、このようにして作製された窒化珪素焼結体は、ヤング率が３１５ＧＰａ、アルキメデス法による密度が３．３３×１０^３ｋｇ／ｍ^３（気孔率：０．００％（測定限界以下））、ＳＥＭ観察による平均粒子径が１．０μｍ、ビッカース硬度が１７．９ＧＰａ、破壊靱性値が８．７ＭＰａｍ^１／２、４点曲げ強度が１１００ＭＰａ、熱膨張係数が１．４×１０^−６／℃、いう特性を有しているものである。

このような基準試料の研磨処理は次のようにして行われる。図１はこの研磨処理の概略すなわち、直径１００ｍｍφのプレートの裏面に、１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍの基準試料３個が略正三角形の頂点に位置するように１０ｍｍ×１０ｍｍの面で固定する。次に、プレートに１ｋｇ／ｃｍ^２（＝０．０９８ＭＰａ）の荷重を掛けることによって、基準試料を銅と鋳物材質とからなる直径２００ｍｍφのラップ盤に押し当てる。プレートはその中心が、例えば、ラップ盤の中心からその半径の半分だけ離れた位置に位置するように配置される。そして、所定の時間間隔でラップ盤に粒径９μｍのダイヤモンドスラリーを所定量吹き付けながら、このラップ盤を３０ｒｐｍの速度で回転させる。研磨レートは、このような研磨処理によって所定時間に研磨された試料の厚さｔ（ｍｍ／分）により求められる。本発明に係るサイアロン焼結体の研磨処理もこれと同様に行われ、その研磨レートが求められる。なお、基準試料が取り付けられたプレートは、ラップ盤の回転時に基準試料とラップ盤との間に働く摩擦によって自由に回転できる状態で保持されている。

このような研磨処理による本発明に係るサイアロン焼結体の研磨レートは、基準試料の研磨レートの１．５倍以上である。本発明に係るサイアロン焼結体も基準試料も、その切断処理や研削処理にはダイヤモンドホイールが使用されるが、このときの処理時間等には大差は生じず、したがって処理コストも同等である。しかし、このような研磨処理によって所望の表面粗度を有する面を出す処理では、その焼結体の特性に依存して、処理時間が大きく異なり、処理コストや生産性に大きな差が生ずる。本発明に係るサイアロン焼結体は研磨レートが高いために、生産性がよく、処理コストが低く抑えられる。

上述した特性を備えた本発明に係るサイアロン焼結体は、半導体製造装置用部品として、例えば、静電チャックや各種リング等として用いることができ、特に、低熱膨張係数であることや緻密な焼結体を得ることが容易であること、さらに鏡面出しを行う研磨処理の加工性が良好であることを活かして、測長用ミラーとして好適に用いることができる。

次に本発明の実施例について説明する。

窒化珪素粉末、アルミナ粉末、焼結助剤成分の酸化物粉末を表１に示す組成となるように秤量し、これにエタノールを混合して、窒化珪素ボールを用いたボールミル処理により、原料粉末の比表面積（ＢＥＴ値）が１４ｍ^２／ｇ以上となるように、均一に粉砕処理した。次に、このような粉砕混合処理後にエタノールを除去乾燥して得られる混合粉を１００ｋｇｆ／ｃｍ^２（＝９．８１ＭＰａ）で５０ｍｍ×５０ｍｍ×１０ｍｍの角柱形状にプレス成形し、さらにこのプレス成形体を１２００ｋｇｆ／ｃｍ^２（＝１１７．６８ＭＰａ）で１分間、冷間静水圧処理する。作製した成形体を窒素雰囲気中、昇温速度を１０℃／分として１５００℃〜１８００℃に昇温し、その温度で３時間焼成した。このようにして得られたサイアロン焼結体から１０ｍｍ×１０ｍｍ×５ｍｍの試料片を切り出し、これを研磨レートを求めるための試料とした。また、得られたサイアロン焼結体について、アルキメデス法により嵩密度を、共振法によりヤング率を、ＳＥＰＢ法により破壊靱性値を、１０００ｇ負荷法によりビッカース硬度を、レーザー干渉法により熱膨張係数を求めた。

表１に示されるように、基準試料である比較例１のヤング率は３１５ＧＰａであるが、実施例１〜３、参考例１〜７についても２６０ＧＰａ以上のヤング率が確保されており、焼結助剤にネオジムを用いた実施例１〜３は、２８０ＧＰａ以上のヤング率が得られている。実施例１〜３、参考例１〜７は嵩密度が高いために微小な窪みのない平滑な面（鏡面）を得ることが容易である。また、実施例１〜３、参考例１〜７の熱膨張係数は、１．１〜１．３×１０^−６／℃であり、比較例１と比べて、僅かではあるが小さくなっている。

比較例１の基準試料の研磨レートは１００μｍ／ｈｒであるのに対して、実施例１〜３、参考例１〜７の研磨レートは１６０〜２６０μｍ／ｈｒとなっており、焼結助剤としてネオジムを用いた実施例１〜３は、２２０μｍ／ｈｒ以上の研磨レートが得られており、極めて良好な加工性が得られている。このように本発明に係るサイアロン焼結体では、基準試料の研磨レートの１．５倍以上の研磨レートが得られており、加工性に優れていることがわかる。このように、焼結助剤としてネオジムを用いることにより、ヤング率が大きいにもかかわらず、研磨レートが高いという特異な特性を示す。

このような特性を考慮すると、本発明に係るサイアロン焼結体は、例えば、半導体製造装置用部品として十分に用いることができ、特に測長用ミラーとして好適に用いることができる。なお、実施例１〜３の破壊靱性値やビッカース硬度は、比較例１の破壊靱性値やビッカース硬度と比べると低いが、これらの特性はその用途を限定する要素となるものの、例えば、本発明に係るサイアロン焼結体を半導体製造装置に用いることの支障となる値ではない。

比較例２〜１０は、破壊靱性値やビッカース硬度で優れた特性を示しているものの、研磨レートは比較例１の１．５倍未満であり、その多くは１．４倍前後となっている。このように比較例２〜１０では加工性の顕著な向上は見られなかった。比較例１〜１０の焼結体は研磨加工の加工コストが高くなるために、特に表面粗度の小さい研磨面を必要と部材として用いることは好ましくないと判断された。

本発明のサイアロン焼結体は種々の半導体製造装置用部品に用いることができ、例えば、サイアロン焼結体の表面を平坦に研磨処理することによって作製される静電チャックや、表面を鏡面研磨処理することによって作製される測長用ミラー等として好適に用いられる。

Claims (2)

1. 組成式がＳｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚで表され、焼結助剤成分としてネオジウム（Ｎｄ）を含むサイアロン焼結体からなる半導体製造装置用部品であって、
   窒化珪素粉末、アルミナ粉末、焼結助剤成分の酸化物粉末を、比表面積（ＢＥＴ値）が１４ｍ^２／ｇ以上となるように、均一に混合または粉砕混合した出発原料を用いて得られた、前記組成式に示されるＺの値が２．０以上３．０以下で、ヤング率が２８０〜２９０ＧＰａ、熱膨張係数が、１．１×１０^−６〜１．３×１０^−６／℃であり、かつ気孔率が０．０３％以下のサイアロン焼結体からなり、０．０９８ＭＰａの荷重でラップ盤に押し当て粒径９μｍのダイヤモンドスラリーを供給しつつラップ盤を３０ｒｐｍの速度で回転させて研磨を行った際における単位時間当たりの研磨厚さが、窒化珪素粉末（平均粒径０．２μｍ）９０重量部に、焼結助剤として８重量部の酸化イットリウム粉末（平均粒径０．３μｍ）および２重量部のスピネル粉末（平均粒径０．３μｍ）を加え、これを粉砕混合処理し、その後、２９．４ＭＰａの圧力でプレス成形し、さらに１４７．１ＭＰａの圧力で冷間静水圧成形した後、窒素雰囲気中１７００℃で６時間焼成して形成され、ヤング率が３１５ＧＰａ、アルキメデス法による密度が３．３３×１０^３ｋｇ／ｍ^３、ＳＥＭ観察による平均粒径が１．０μｍ、ビッカース硬度が１７．９ＧＰａ、４点曲げ強度が１１００ＭＰａ、熱膨張係数が１．４×１０^−６／℃の特性を有する窒化珪素焼結体の標準試料に対し、１．５倍以上であり、鏡面研磨処理された表面を有することを特徴とする半導体製造装置用部品。
2. 組成式がＳｉ_６−ＺＡｌ_ＺＯ_ＺＮ_８−Ｚで表され、焼結助剤成分としてネオジウム（Ｎｄ）を含むサイアロン焼結体からなる測長用ミラーであって、
   窒化珪素粉末、アルミナ粉末、焼結助剤成分の酸化物粉末を、比表面積（ＢＥＴ値）が１４ｍ^２／ｇ以上となるように、均一に混合または粉砕混合した出発原料を用いて得られた、前記組成式に示されるＺの値が２．０以上３．０以下で、ヤング率が２８０〜２９０ＧＰａ、熱膨張係数が、１．１×１０^−６〜１．３×１０^−６／℃であり、かつ気孔率が０．０３％以下のサイアロン焼結体からなり、０．０９８ＭＰａの荷重でラップ盤に押し当て粒径９μｍのダイヤモンドスラリーを供給しつつラップ盤を３０ｒｐｍの速度で回転させて研磨を行った際における単位時間当たりの研磨厚さが、窒化珪素粉末（平均粒径０．２μｍ）９０重量部に、焼結助剤として８重量部の酸化イットリウム粉末（平均粒径０．３μｍ）および２重量部のスピネル粉末（平均粒径０．３μｍ）を加え、これを粉砕混合処理し、その後、２９．４ＭＰａの圧力でプレス成形し、さらに１４７．１ＭＰａの圧力で冷間静水圧成形した後、窒素雰囲気中１７００℃で６時間焼成して形成され、ヤング率が３１５ＧＰａ、アルキメデス法による密度が３．３３×１０^３ｋｇ／ｍ^３、ＳＥＭ観察による平均粒径が１．０μｍ、ビッカース硬度が１７．９ＧＰａ、４点曲げ強度が１１００ＭＰａ、熱膨張係数が１．４×１０^−６／℃の特性を有する窒化珪素焼結体の標準試料に対し、１．５倍以上であり、鏡面研磨処理された表面を有することを特徴とする測長用ミラー。