JPH04295078A - 窒化珪素焼結体の表面改質方法及び焼結体の接合方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、窒化珪素焼結体の表面
改質方法に関し、更にはこれを応用した、窒化珪素焼結
体の他の焼結体への接合方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、窒化珪素焼結体の表面にガラス層
を形成し、表面改質する方法としては、窒化珪素焼結体
を酸化雰囲気中で加熱し、この焼結体の表面に、ＳｉＯ
２及びＡｌ２Ｏ３　、ＭｇＯ　、ＣｅＯ　、ＣａＯ　等
からなる粒界相成分ガラス層を形成する技術がある。し
かし、この方法では、むろん酸化雰囲気中で窒化珪素焼
結体を加熱する必要がある。従って、窒化珪素焼結体中
に金属を埋設した製品については、金属が酸化されるた
め、適用できない。また、酸化雰囲気中で窒化珪素焼結
体を加熱処理する過程で、焼結体の表面に一旦緻密な酸
化被膜が形成されると、その段階で酸化反応が停止する
ので、ガラス層の厚さはある程度以上大きくならない。 例えば、１００℃の酸化雰囲気では３μｍ　が最大であ
った。

【０００３】また、化学的気相成長（ＣＶＤ）法によっ
て窒化珪素焼結体の表面に酸化珪素膜を付着させる方法
がある。この方法によれば、酸化珪素膜の膜厚を変える
ことができる。しかし、この方法では、窒化珪素焼結体
の表面と酸化珪素膜との間に拡散層がないので、酸化珪
素膜の密着力が低い。また、窒化珪素焼結体を酸化雰囲
気中で加熱する必要がある。またＣＶＤ法によるため、
高コストであり、生産性が低い。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】本発明の課題は、窒化
珪素焼結体を酸化雰囲気中で加熱処理する必要がなく、
また焼結体表面のガラス層の厚さを変えることができ、
かつガラス層の窒化珪素焼結体への付着力を大きくでき
るような、窒化珪素焼結体の表面改質方法を提供するこ
とである。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、ガラス質成分
を含有する窒化珪素焼結体を、塩素とフッ素との少なく
とも一方の元素を有する化合物を含んだエッチングガス
に曝露し、次いでこの窒化珪素焼結体を熱処理してこの
焼結体の表面にガラス層を生成させる、窒化珪素焼結体
の表面改質方法に係るものである。

【０００６】また、本発明においては、上記の表面改質
方法を応用し新規な、窒化珪素焼結体の接合方法を提供
する。即ち、本発明は、ガラス質成分を含有する第一の
窒化珪素焼結体を、塩素とフッ素との少なくとも一方の
元素を有する化合物を含んだエッチングガスに曝露し、
第一の窒化珪素焼結体のエッチング面を第二の焼結体の
表面に当接させ、次いでこれらの焼結体を熱処理して少
なくとも第一の窒化珪素焼結体のエッチング面にガラス
層を生成させ、第一の窒化珪素焼結体と第二の焼結体を
接合する、窒化珪素焼結体の接合方法に係るものである
。

【０００７】

【実施例】図１（ａ），　（ｂ）は、本発明によって窒
化珪素焼結体の表面を改質するプロセスを示す断面図、
図２、図３、図４は、各工程における窒化珪素焼結体の
表面状態を示す模式断面図である。まず、図１（ａ）　
に示すような、断面略正方形の窒化珪素焼結体１を準備
する。この表面においては、図２に示すように、多数の
窒化珪素粒子４の隙間に、粒界ガラス相５が形成されて
いる。この粒界ガラス相５の成分は、主として焼結助剤
や他の添加剤からなっており、具体的には、Ａｌ２Ｏ３
　、ＭｇＯ　、ＳｉＯ２、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、ＳｒＯ
　、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３　等からなっている。

【０００８】この窒化珪素焼結体１を、塩素とフッ素と
の少なくとも一方の元素を有するエッチングガスに曝露
する。このエッチングガスとしては、例えば、ＮＦ３，
ＣＦ４，　ＣｌＦ３，　ＷＦ６，　ＳＦ６，　ＨＦ　，
　ＨＣｌ，　Ｆ２　等を例示できる。該ガスによるエッ
チングでは、加熱、プラズマ等によりガスの活性化を行
い、エッチングレートを向上させることができる。この
ようにして窒化珪素焼結体１の表面をエッチングすると
、その表面部分においては粒界ガラス相５の成分はかな
り残る。これに対し、エッチングガス中に酸素が含まれ
ていなければ、焼結体表面の窒化珪素粒子はエッチング
により飛散し、エッチングガス中に酸素が含まれていれ
ば、珪素成分の一部が酸化珪素となって残る。この結果
、図１（ａ）　に示すように、窒化珪素焼結体１の表面
に、非常に多孔質のむしろ粉状のガラス成分層２が露出
する。このガラス成分層２は、前記した各種ガラス成分
からなる。このガラス成分層２を拡大すると、図３に示
すような孔の多い状態となっている。

【０００９】次いで、この窒化珪素焼結体１を熱処理す
る。この熱処理において、ガラス成分層２を軟化させ、
図１（ｂ）　に示すように、窒化珪素焼結体１の表面に
、緻密で強固なガラス層３を生成させる。上記熱処理は
、好ましくは、１２００〜１８００℃で行う。こうして
生成したガラス層３において、図４に示すように、ガラ
ス成分が緻密化している。

【００１０】こうした表面改質方法によれば、窒化珪素
焼結体１を酸化雰囲気中で加熱しないので、窒化珪素焼
結体１中に金属を埋設しても、この埋設金属が劣化しに
くい。また、エッチングガスの種類や条件、エッチング
時間を変えることで、ガラス成分層２の厚さを変えるこ
とができ、これによって最終的にガラス層３の厚さを変
えることができる。しかも、ガラス成分層２は、元来が
窒化珪素焼結体１の材質中に含まれていたものであるか
ら、基材１との連続性が良く、熱処理時に焼結体中へと
拡散する。従って、こうしたガラス成分の拡散により、
窒化珪素焼結体１へのガラス層３の密着強度が大きくな
る。

【００１１】次に、本発明を窒化珪素焼結体と他の焼結
体との接合に適用した実施例について述べる。まず、図
５（ａ）　に示すように、第一の窒化珪素焼結体１Ａを
、塩素とフッ素との少なくとも一方の元素を有する化合
物を含んだエッチングガスに曝露し、窒化珪素焼結体１
Ａの表面にガラス成分層２を生成させる。次いで、窒化
珪素焼結体１Ａの表面に、第二の焼結体１Ｂを当接させ
る。この後、窒化珪素焼結体１Ａ，　１Ｂを前記のよう
に加熱処理し、図５（Ｂ）　に示すように、ガラス層３
を生成させる。この際に、ガラス層３が焼結体１Ｂに対
して強固に付着し、この結果、第一の窒化珪素焼結体１
Ａと第二の窒化珪素焼結体１Ｂとが強固に結合される。 ガラス層３と第二の焼結体１Ｂとの界面においては、第
二の焼結体１Ｂの方へとガラス成分が拡散するので、ガ
ラス層３と第二の焼結体１Ｂとの接合強度が大きい。な
お、図５の例では、焼結体１Ａの表面にガラス層３を生
成させたが、焼結体１Ｂとして窒化珪素焼結体を用いた
際には、焼結体１Ｂの表面にも上記のようにしてガラス
層を生成させてよい。

【００１２】次いで、実際に接合を行った例について述
べる。図５（ａ），　（ｂ）において説明した手順に従
い、第一の窒化珪素焼結体１Ａと第二の窒化珪素焼結体
１Ｂとを接合した。ただし、各焼結体１Ａ，　１Ｂ中に
は、ガラス質成分として、Ｓｉ３Ｎ４　、ＳｉＯ２、Ｙ
ｂ２Ｏ３　、Ｙ２Ｏ３を含有させた。各窒化珪素焼結体
１Ａ，　１Ｂの形状は、一辺２０ｍｍの立方体とした。 エッチングガスはＣｌＦ３　１００％のガスを用い、圧
力を１０ｔｏｒｒとし、ガスの流量を１００　ＳＣＣＭ
とし、エッチング時の温度を２００　℃とし、エッチン
グ時間を１時間とした。 エッチングにより形成されたガラス成分層２の厚さは、
１０〜１５μｍ　であった。また、第一の窒化珪素焼結
体１Ａの表面分析を行い、エッチングの後にＳｉ成分が
減少していることを、エネルギー分散Ｘ線分光法によっ
て測定、確認した。形成されたガラス成分層２にＡｌ２
Ｏ３　、ＭｇＯ　、ＳｉＯ２、ＣｅＯ２、ＺｒＯ２、Ｓ
ｒＯ　、Ｙ２Ｏ３、Ｙｂ２Ｏ３　、Ｓｉ３Ｎ４　、Ｂ２
Ｏ３等のガラス成分をさらに添加して、成分調整を行う
ことも可能である。尚、ガラス成分の添加の方法として
は、パウダーの塗布や、シート状成形物による添加等が
可能である。

【００１３】そして、窒化珪素焼結体１Ａと１Ｂとを当
接させた状態で、１６００℃で１時間熱処理し、図５（
ｂ）　に示す接合体を得た。この接合体から、３×４×
４０ｍｍのサンプルを切り出し、ＪＩＳの四点曲げ試験
によって接合強度を測定した。この結果、接合強度は、
６００　ＭＰａ　±１２０　ＭＰａ　（１０点の測定値
）　となった。また、ガラス層３の膜厚は、８〜１２μ
ｍ　であった。

【００１４】次に、本発明を、窒化珪素製ヒーターに適
用した例について説明する。先に、本発明者は、特願平
２−１９０６９９号明細書（１９９０年７月２０日出願
）において、図６に示したような加熱装置を提案した。 まず、この加熱装置６の概略についてここで述べる。容
器２０の内部にはガス供給孔１８からガスが供給され、
吸引孔１９から真空ポンプにより内部の空気が排出され
る。円筒状支持部１１Ｂ　と円盤状ヒーター部１１Ａ　
とを接合して一体化し、円筒状支持部１１Ｂ　と容器２
０との間を気密にシールする。円盤状ヒーター部１１Ａ
　は、緻密でガスタイトな窒化珪素焼結体の内部にタン
グステン、モリブデン、白金系等の抵抗発熱体９をスパ
イラル状に埋設してなり、その端部には電極端子８を介
して電力が供給され、ウエハー加熱面を例えば最高１１
００℃程度にまで加熱することができる。現在ウエハー
は例えば４〜８インチであるが、ウエハー加熱面はこの
ウエハーの全体を加熱しうるだけの大きさとする。

【００１５】円盤状ヒーター部１１Ａ　の上側には、上
記したように円筒状支持部１１Ｂ　が一体化され、円筒
状支持部１１Ｂ　の外周面と容器２０との間がＯ−リン
グ１０により気密にシールされている。図中、１６は水
冷ジャケットである。電極端子８の上側端面に給電ケー
ブル７が接続され、給電ケーブル７が円筒状支持部１１
Ｂ　の筒内空間を通って外部へ引き出されている。また
、円筒状支持部１１Ｂ　も窒化珪素焼結体とする。

【００１６】ただ、こうした加熱装置について本発明者
が検討を進めると、以下の問題があることが解った。即
ち、半導体製造時には、加熱装置６の表面が、ＣｌＦ３
，　ＮＦ３，　ＣＦ４，　ＨＣｌ，　ＨＦ，　ＳＦ６，
　ＷＦ６　等のエッチングガスに曝露され、ヒーター部
１１Ａ　及び円筒状支持部１１Ｂの表面がエッチングさ
れる。この際、前述したような機構により、窒化珪素粒
子は飛散し、粒界相のガラス成分のみが残留した。この
ガラス成分２が、いわゆるパーティクルとして容器２０
内を飛散し、半導体製造装置を汚染することが判明した
。また、円筒状支持部１１Ｂ　と円盤状ヒーター部１１
Ａ　とを一体焼結することは困難であるため、これらを
効率よく接合するための技術が要請されていた。本発明
者は、残留したガラス成分２がＣｌ，　Ｆ　系のエッチ
ングガスに対して安定なことを突き止め、上記の問題を
解決した。

【００１７】即ち、まず、円盤状ヒーター部１１Ａ　と
円筒状支持部１１Ｂ　とを別々に焼結する。ただし、本
例では、円筒状支持部１１Ｂ　の下端部に、リング状の
フランジ部２１を設け、支持部１１Ｂ　とヒーター部１
１Ａ　との接合面積を大きくする。円盤状ヒーター部１
１Ａ　を作製するには、円盤状成形体に抵抗発熱体９と
電極端子８とを埋設し、次いでこの円盤状成形体を常圧
焼結又はホットプレス焼結する。円筒状支持部１１Ｂを
作製するには、予め射出成形、押し出し成形、プレス成
形、静水圧プレス成形によって成形体を作製し、これを
常圧焼結する。このようにして、図７に示す円盤状ヒー
ター部１１Ａ　と円筒状支持部１１Ｂ　とを得る。

【００１８】次いで、円盤状ヒーター部１１Ａ　と円筒
状支持部１１Ｂ　とをエッチングガスに曝露し、エッチ
ングガスに対して安定なガラス成分層２を析出させる。 そして、図７において、円筒状支持部１１Ｂ　の下端面
を、円盤状ヒーター部１１Ａ　の表面に当接させる。次
いで、この組立体につき、例えば、１　ａｔｍの圧力下
、１６００℃で１時間加熱し、真空下１４００℃で１時
間加熱し、図８に示すように、ガラス層３を生成させる
と共に、円筒状支持部１１Ｂ　と円盤状ヒーター部１１
Ａ　とを接合する。この後、各電極端子８に給電ケーブ
ル７を接合する。

【００１９】こうした製造法によれば、ガラス層３が、
円盤状ヒーター部１１Ａ　と円筒状支持部１１Ｂ　との
表面をガスタイトに覆う。このガラス層３の厚さは、例
えば上記の熱処理条件下で１０μｍ　以上とすることが
できる。これにより、窒化珪素焼結体によって形成され
た円盤状ヒーター部１１Ａ　と円筒状支持部１１Ｂ　と
の耐食性が極めて良好となる。しかも、ヒーター部１１
Ａ　と円筒状支持部１１Ｂ　との接合に際し、これらを
構成する窒化珪素焼結体中に含有されるガラス成分その
ものが接合物質となるため、このガラス成分がヒーター
部１１Ａ　と円筒状支持部１１Ｂ　との内部に安定して
拡散するので、両者の接合強度が高い。

【００２０】図６〜図８において説明した加熱装置につ
いて、更に詳しく説明する。容器２０と支持部１１Ｂ　
との間のシールは、図６に示すＯ−リングの他、拡散接
合、摩擦圧接、表面にスパッタリングで金属薄膜を設け
たうえでの摩擦圧接、ガラス接合、メタルバッキング等
によることができる。ウエハー加熱面は平滑面とするこ
とが好ましく、特にウエハー加熱面にウエハーが直接セ
ットされる場合には、平面度を５００　μｍ　以下とし
てヒーター部１１Ａ　と接するウエハーの裏面へのデボ
ジション用ガスの侵入を防止する必要がある。ヒーター
部１１Ａ　の内部に埋設される抵抗発熱体９としては、
高融点でありしかも窒化珪素焼結体との密着性に優れた
タングステン、モリブデン、白金等を使用することが適
当である。

【００２１】こうした加熱装置によれば、従来の金属ヒ
ーターの場合のような汚染や、間接加熱方式の場合のよ
うな熱効率の悪化の問題を解決できる。しかも、電極端
子８、給電ケーブル７が容器内空間１７内へと露出しな
いので、これらの腐食、汚染、さらには、真空中での給
電ケーブル間又は給電ケーブル７と容器２０との間の放
電、漏電のおそれがない。従って、給電ケーブル７をシ
ールする特別のシール構造は不要であり、また電極材料
としてタングステン以外の高融点金属を使用できる。

【００２２】また、円筒状支持部１１Ｂ　を容器２０に
対して気密にシールすることにより、ヒーター部１１Ａ
　を支持するので、ヒーター部１１Ａ　を支持するため
の特別な支持部材を必要としない。従って、加熱装置全
体の表面積を小さくでき、表面吸着ガスが少なく、高真
空では表面吸着ガスを放出させる必要があることから、
高真空を利用する半導体製造装置において有利である。

【００２３】なお、第二の焼結体としては、窒化珪素焼
結体以外のセラミックス、例えばＡｌ２Ｏ３　、ＡｌＮ
　、ＳｉＣ　、サイアロン等を使用できる。

【００２４】

【発明の効果】本発明によれば、ガラス質成分を含有す
る窒化珪素焼結体をエッチングガスに曝露し、次いでこ
の窒化珪素焼結体を熱処理してこの焼結体の表面にガラ
ス層を生成させるので、窒化珪素焼結体を酸化雰囲気中
で加熱しないため、窒化珪素焼結体中に金属を埋設して
も、この埋設金属が劣化しにくい。また、エッチングガ
スの種類や条件、エッチング時間を変えることで、ガラ
ス成分層の厚さを変えることができ、これによって最終
的にガラス層の厚さを変えることができる。しかも、こ
うしたガラス成分は、元来が窒化珪素焼結体の材質中に
含まれていたものであるから、熱処理時に焼結体中へと
拡散する。従って、こうしたガラス成分の拡散により、
窒化珪素焼結体へのガラス層の付着強度が大きくなる。

【００２５】また、本発明の接合方法によれば、上記の
ようにガラス層が第一の窒化珪素焼結体に強固に付着す
ると共に、第二の焼結体に対しても強固に付着する。こ
の際、ガラス層と第二の焼結体との界面においては、第
二の焼結体の方へとガラス成分が拡散するので、ガラス
層と第二の焼結体との接合強度も大きくできる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）　は、窒化珪素焼結体の表面にガラス成
分層が形成された状態を示す断面図、（ｂ）　はガラス
成分層が熱処理によって緻密なガラス層に変化した後の
状態を示す断面図である。

【図２】窒化珪素焼結体の表面部分を拡大して示す模式
断面図である。

【図３】窒化珪素焼結体をエッチングガスに曝露した後
の表面状態を示す模式断面図である。

【図４】ガラス層を拡大して示す模式断面図である。

【図５】（ａ）　は第一の窒化珪素焼結体に第二の焼結
体を当接させた状態を示す断面図、（ｂ）　は両者を接
合した状態を示す断面図である。

【図６】半導体製造装置に加熱装置を取り付けた状態を
示す概略断面図である。

【図７】円盤状ヒーター部と円筒状支持部とをエッチン
グガスに曝露した後の状態を示す断面図である。

【図８】円盤状ヒーター部と円筒状支持部とを本発明の
方法によって接合した後の状態を示す断面図である。

【符号の説明】

１　　窒化珪素焼結体 １Ａ　　第一の窒化珪素焼結体 １Ｂ　　第二の焼結体 ２　　ガラス成分層 ３　　ガラス層 ４　　窒化珪素粒子

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】　　ガラス質成分を含有する窒化珪素焼結
   体を、塩素とフッ素との少なくとも一方の元素を有する
   化合物を含んだエッチングガスに曝露し、次いでこの窒
   化珪素焼結体を熱処理してこの焼結体の表面にガラス層
   を生成させる、窒化珪素焼結体の表面改質方法。
2. 【請求項２】　　ガラス質成分を含有する第一の窒化珪
   素焼結体を、塩素とフッ素との少なくとも一方の元素を
   有する化合物を含んだエッチングガスに曝露し、第一の
   窒化珪素焼結体のエッチング面を第二の焼結体の表面に
   当接させ、次いで第一の窒化珪素焼結体と第二の焼結体
   とを熱処理して少なくとも第一の窒化珪素焼結体のエッ
   チング面にガラス層を生成させ、第一の窒化珪素焼結体
   と第一の焼結体を接合する、焼結体の接合方法。