JPH0477365A - 半導体製造装置用セラミックス材およびその製造方法 - 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】 （産業上の利用分野） 本発明は、プラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、プラズマエツ
チング、光エツチング装置等の半導体製造装置に使用で
きる半導体ウェハー加熱ヒーターサセプター、セラミッ
クストレイ等を形成するためのセラミックス材に関する
ものである。

（従来の技術及びその問題点） スーパークリーン状態を必要とする半導体製造用装置で
は、デポジション用ガス、エツチング用ガス、クリーニ
ング用ガスとして塩素系ガス、弗素系ガス等の腐食性ガ
スか使用されている。このため、ウェハーをこれらの腐
食性ガスに接触させた状態で加熱するための加熱装置と
して、抵抗発熱体の表面をステンレススチール、インコ
ネル等の金属により被覆した従来のヒーターを使用する
と、これらのガスの曝露によって、塩化物、酸化物、弗
化物等の粒形数μｍの、好ましくないパーティクルが発
生する。

そこで、デポジション用ガス等に曝露される容器の外側
に赤外線ランプを設置し、容器外壁に赤外線透過窓を設
け、グラファイト等の耐食性良好な材質からなる被加熱
体　赤外線を放射し、被加熱体の上面に置かれたウェハ
ーを加熱する、間接加熱方式のウェハー加熱装置か開発
されている。

ところかこの方式のものは、直接加熱式のものに比較し
て熱損失が大きいこと、温度上昇に時間がかかること、
赤外線透過窓へのＣＶＤ膜の付着により赤外線の透過が
次第に妨げられ、赤外線透過窓で熱吸収が生じて窓か過
熱し、均一に加熱できなくなること等の問題かあった。

（発明に至る経過） 上記の問題を解決するため、本発明者等は、新たに円盤
状の緻密セラミックス内に抵抗発熱体を埋設し、このセ
ラミックスヒーターをグラファイトの支持部に保持した
加熱装置について検討した。

その結果この加熱装置は、上述のような問題点を一掃し
た極めて優れた装置であることが判明した。

しかし、ＩＭ、４Ｍ、１６Ｍなどの極めて高密度の半導
体素子を製造するには、未だ不純物による汚染の問題も
残り、新たなセラミックスヒーター用のセラミックス基
材を探索する必要か生じた。

（発明か解決しようとする課題） 本発明の課題は、強度か高く、腐食に強く、耐熱衝撃性
に優れ、高密度半導体の汚染も防止できるような、半導
体製造装置用セラミックス材及びその製造方法を提供す
る二とである。

（課題を解決するための手段） 本発明は、ナトリウム及びカリウムの不純物としての含
有量かいずれも０．５ＰＰλ１以下である窒化珪素から
なる、半導体製造装置用セラミックス材に係るものであ
る。

また、本発明は、ナトリウム及びカリウムの不純物とし
ての含有量かいずれも３０ＰＰＭ　Ｊ）、下である窒化
珪素原料素粉末を、超純水を用いて混合することを特徴
とする、半導体製造装置用セラミックス材の製造方法に
係るものである。

（作　用） 本発明者は、半導体ウェハー加熱用ヒーターに最適なセ
ラミックス基材を求め探索を重ねた結果、ナトリウム及
びカリウムの不純物としての含有量か、いずれも０．５
ＰＰＭ以下である窒化珪素が非常に優れていることを見
出した。

即ち、こうした窒化珪素材の内部に抵抗発熱体を埋設し
てセラミックスヒーターを作製し、急熱、急冷試験など
を行ってみたところ、ヒーターの強度か高く、窒化珪素
の熱膨張率の小ささからヒーターの耐熱衝撃性も高く、
高温への急熱、急冷を繰り返して行ってもヒーターが破
損しないことを見出したのである。また、窒化珪素が耐
食性に優れていることから、熱ＣＶＤ装置内等の腐食性
ガス条件下でもヒーターの耐久性が高く、寿命が長くな
る。

しかも、窒化珪素の不純物であるナトリウム及びカリウ
ムの含有量をいずれも０．５ＰＰＭ以下としたことが重
要であり、後述するようにＳＩＭＳ（二次イオン質量分
析計）で測定を行ったところ、上記の限定を行うことに
よって半導体ウェハーを汚染することなく加熱できたの
である。

本発明者は、更に、サセプター、いわゆる間接加熱方式
によってウェハーを直接載せ、加熱するためのセラミッ
クストレイについても上記の窒化珪素材で形成し、実験
を行ったところ同様の結果を得た。

また、半導体ウェハー加熱用セラミックスヒーターに上
記の窒化珪素材を適用する場合、二の窒化珪素材は、少
なくとも表面を黒色化することが好ましい。即ち、窒化
珪素焼結体においては、希土類元素を焼結助剤として添
加するため、希土類元素特有の着色、色ムラを生じ、更
に希土類元素による着色部は、酸素を含む雰囲気にさら
されると色か変化する場合かある。そして、このように
部分的に変色したヒーターは、商品価値力１低下してし
まううえ、赤外線放射にも色ムラに伴う不均一を生じ、
半導体ウェハーを均一に加熱できなくなるおそれかある
。この点、窒化珪素材の少なくとも表面か黒色を呈する
ようにすれば、こうした部分的変色による商品価値の低
下や、放射の不均一は防止できる。

このように窒化珪素材を黒色化するための黒色化材とし
ては、タングステン化合物又はモリブデン化合物か好ま
しく、更に炭化タングステン又は炭化モリブデンか好ま
しい。

焼結助材としてはＹ２Ｏ３，Ｙｂ２Ｏ３，Ｌｕ２Ｏ３，
Ｔｍ２０３Ｅｒ２０ｓか好ましい。

Ｓｉ３Ｎ４原料はα含有率の大きいものの方か焼結性の
点から好ましい。含有酸素量は１〜３重量％か好ましい
。

炭化タングステンおよび炭化モリブデンの添加量は、窒
化珪素と希土類酸化物の調合物に対し、外配置て０．５
〜３重量％か望ましい。０．５重量％以下では充分な黒
色化の効果かない。さらに好ましくは１〜２重量％であ
る。

本発明の製造方法では、まずナトリウム及びカリウムの
不純物としての含有量かいずれも３０ＰＰＭ以下である
窒化珪素原料素粉末を用意する。仮に、窒化珪素原料素
粉末のナトリウム、カリウム含有量かこの範囲内であれ
はそのまま窒化珪素原料素粉末として利用してもよい。

仮にナトリウム１．カリウム含有量か上記範囲を超える
ときは、この原料素粉末を減圧下に加熱し、ナトリウム
、カリウム含有量かいずれも３０ＰＰＭ以下となるよう
に前処理する。このときの前処理温度は７００〜１００
０°Ｃか好ましく、圧力は１０−’Ｔｏｒｒ以下が好ま
しい。

窒化珪素原料素粉末中のナトリウムおよびカリウムの不
純物としての含有量は、更に１０　ｐｐｍ以下が好まし
く、５　ｐｐｍ以下とすると更に好ましい。

従って、例えば最初の原料素粉米中のナトリウム含有量
か２８ｐｐｍであるとき、これに上記のような減圧下で
の加熱処理を施して、ナトリウム含有量を予め更に低減
しておく二ともてきる（カリウムについても同様）。

次いて、上記の窒化珪素原料素粉末と希土類酸化物と、
タングステン化合物及び／又はモリブデン化合物との混
合物を調製する。この混合工程で超純水を使用すること
も極めて重要である。即ち、超純水とは、イオン交換と
フィルター通過だけを行わせた「純水」を更に逆浸透圧
法（ＲｅｖｅｒｓｅＯｓｍｏｓｉｓ）等により高純度化
したものを示しており、ＬＳＩ製造において用いられて
きたものである。

こうした特殊処理水を窒化珪素原料素粉末の混合段階で
使用したところ、最終的に得られる窒化珪素材中のナト
リウム、カリウム含有量をいずれも０、５ｐｐｍという
極微量に抑える二とかできたのである。しかも、この効
果は原料粉末の純度とも密接な関連かあったのであり、
原料粉末中のナトリウム、カリウム含有量か３０ｐｐｍ
を超えていると、たとえ混合時に超純水で処理しても、
最終的に窒化珪素材中のナトリウム、カリウム含有量を
０．５ｐｐｍ以下に抑えることはできなかった。

次いて得られた混合粉末をスプレートライ等により乾燥
し、造粒する。造粒時には通常、バインダーを添加する
。

次いて、造粒後、従来は成形体を作製し、この成形体を
大気中で仮焼してバインダーを除去していた。しかし、
本発明者か、例えば半導体ウェハー加熱用セラミックス
ヒーターのように抵抗発熱体を埋設した複雑な成形体に
ついてこの通例の工程を実施したところ。成形体に予想
外のクラックか入ることか判明した。これは、炭化タン
グステン、炭化モリブデンを成形体中に含有させた場合
、大気中で加熱処理（仮焼）中に酸化反応か進行して体
積膨張を生したためと考えられる。

このため、タングステン化合物、モリブデン化合物を添
加したセラミックスヒーターの場合には、造粒後にまず
仮焼を行い。この仮焼後に、抵抗発熱体を埋設して成形
体を作製することとし、これによりクラックの発生を防
止した。そして、この成形体をホットプレス等によって
焼成した。

なお、タングステン化合物、モリブデン化合物を添加し
たセラミックスヒーターを製造する場合は、仮焼温度を
２００〜６００°Ｃとするのか好ましい。

３００°Ｃ以下ではバインダー除去か不完全となり、５
００°Ｃを越えると窒化珪素粉末の酸化か進行するから
である。

また、仮焼後に成形を行う際には、成形圧力を１００ｋ
ｇ／ｃイ〜５００　ｋｇ／ｃｎとすることか好ましい。

１００　ｋｇ／７以下では十分な成形体強度か得られず
、５００　ｋｇ／ｃｄ′を越えると離型が困難になり、
また離型時にクラックか発生するからである。

（実施例） 実施例１ 酸素含有量２．２重量％、平均粒径０．６μｍ、ＢＥＴ
比表面積１７ｍ２／ｇ、α含有率９５９６の窒化珪素原
料素粉末を用いた。原料粉末中のナトリウム、カリウム
含有量は下記表に示すように変更し、また−部の原料粗
粉末については、１Ｏ−２Ｔｏｒｒの圧力下に１０００
°Ｃで１時間前処理を行った。焼結助剤としては、平均
粒径０．：３−２．０　μｍのＹ２Ｏ５，Ｙｂ２０ｓを
用いた。そして、更に平均粒径１．０μｍの炭化タング
ステンをも添加し、水を媒体としてポットミルにより混
合した。この混合時に使用する水は、蒸留水又は超純水
とした。混合後の粉末をスプレードライヤーにより乾燥
し、造粒した後、ホットプレスにより２００ｋｇ／ｃ１
１２の圧力下、１８００°Ｃで２時間行った。こうして
得られた各焼結体について、原子吸光法によりＮａ、　
Ｋの化学分析を行った。また、得られた各焼結体につい
て、表面粗さがＲａ＝０．４μｍとなるように加工し、
加工面にＳｉウェハーを密着させ、真空中８００°Ｃて
５分間加熱した。加熱後、Ｓｉウェハーの窒化珪素焼結
体との接触面をＳｌ〜ＩＳ（二次イオン質量分析計）で
分析し、Ｋ、Ｎａについてピークの有無を判定した。こ
れらの結果を表１に示す。

表１から解るように、各焼結体中に含まれるＮａ。

Ｋ含有量は、いずれも窒化珪素原料に含まれるＮａ。

Ｋ含有量より減少している。また、窒化珪素原料に加熱
処理を施すと、Ｎａ、　Ｋ含有量か減少している。

そして窒化珪素焼結体中のＮａ、　Ｋの含有量かいずれ
も０．５ＰＰＭ以下であれば、半導体欠陥の原因となる
Ｎａ、　　ＫがＳｉウェハーに拡散しないことか明らか
になった。また、窒化珪素焼結体中のＮａ、　Ｋ含有量
をいずれも０．５ＰＰＭ以下とするには、窒化珪素原料
としてＮａ、　Ｋ含有量が３０ＰＰＭ以下のものを用い
、混合溶媒として超純水を使用すればよいことか解る。

更に、仮に窒化珪素原料中のＮａ、　Ｋ含有量か非常に
多くても、この原料を減圧下に加熱処理することにより
、Ｎａ、　　Ｋの含有量を減少させ得ることも解る。

実施例２ 実施例１において、Ｎａ、　Ｋ含有量か共に５　　ｐｐ
ｍである窒化珪素原料素粉末を用い、Ｙ２Ｏ３，Ｙｂ、
Ｏ，を焼結助剤として添加し、超純水媒体中、ボールミ
ルを用いて混合した。この混合の際、炭化タングステン
粉末を同時に添加したものと添加しないものとを作製し
た。

これらの混合物をスプレードライで乾燥、造粒し、径１
５０ｍｍ　、厚さ５０ｍｍ　　の円板となるように成形
した。成形の際に予めタングステン製の発熱体を成形体
中に埋設した。そして、この成形体からバインダーを除
去するため、成形体を大気中で５００　’Ｃて１０時間
仮焼したところ、炭化タングステンを添加した方の成形
体にはクラックか発生した。

一方、上記の混合物をスプレードライで乾燥、造粒し、
５００°Ｃて１０時間まず仮焼を行い、次いて仮焼後の
混合粉末を３００ｋｇ／ｃｍ２て成形したところ、炭化
タングステンを窒化珪素原料に添加した場合であっても
、クラックのない成形体か得られた。

次いて、この成形体を用い、実施例１のようにホットプ
レスを行った。こうしてタングステン発熱体を埋め込ん
だセラミックスヒーターを作製したところ、窒化珪素原
料に炭化タングステンを添加した場合にはヒーターは均
一な黒色を呈したか、炭化タングステンを添加しなかっ
た場合には、ヒーターはムラのある緑色を呈した。

こうして作製した各セラミックスヒーターについて、半
導体ウェハー加熱面を６００°Ｃに加熱し、放射温度計
でウェハー加熱面のうち１０点の表面温度を測定した。

その結果、炭化タングステンを添加した場合は、各点の
表面温度は６００±５°Ｃであったか、炭化タングステ
ンを添加しなかった場合は、各点の表面温度は６００±
１５°Ｃてあった。これは、ヒーター表面を均一に黒色
化することにより、ウェハー加熱面全体の熱放射率か均
一化したためと考えられる。

上記において、炭化モリブデンを窒化珪素原料素粉末中
へと混合した場合にも同様の結果が得られた。

（発明の効果） 本発明に係る半導体製造装置用セラミックス材によれば
、窒化珪素を採用しているので半導体装置にとりわけ重
要な耐熱衝撃性と耐食性とをセラミックス材に付与する
ことかでき、従ってセラミックス材が安定、長寿命とな
る。

しかも、この窒化珪素の不純物であるナトリウム及びカ
リウムの含有量をいずれも０．５ＰＰＭＪＪ下としたの
で、半導体製造装置内において半導体ウェハを汚染する
ことなく加熱、保持することができた。

また、本発明に係る半導体製造装置用セラミックス材の
製造方法によれば、ナトリウム及びカリウムの不純物と
しての含有量かいずれも３０ＰＰＭ以下である窒化珪素
原料素粉末を用い、これを超純水を用いて混合したので
、最終的に得られる窒化珪素材中のナトリウム、カリウ
ム含有量をいずれも０、５ＰＰＭ以下に抑えることかで
きた。

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、ナトリウム及びカリウムの不純物としての含有量が
   いずれも０．５ＰＰＭ以下てある窒化珪素からなる、半
   導体製造装置用セラミックス材。 ２、少なくとも表面が黒色を呈し、半導体ウェハー加熱
   用セラミックスヒーターの基材に使用される。請求項１
   記載の半導体製造装置用セラミックス材。 ３、ナトリウム及びカリウムの不純物としての含有量か
   いずれも３０ＰＰＭ以下である窒化珪素原料粉末を、超
   純水を用いて混合することを特徴とする、半導体製造用
   セラミックス材の製造方法。 ４、窒化珪素原料素粉末を減圧下に加熱することによっ
   て前記窒化珪素原料粉末を調製する請求項３記載の半導
   体製造装置用セラミックス材の製造方法。