JP3554460B2

JP3554460B2 - Method of manufacturing ceramic member with built-in metal member

Info

Publication number: JP3554460B2
Application number: JP06314897A
Authority: JP
Inventors: 光司池田; 小田　　敏夫; 小林　　廣道
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1997-03-17
Filing date: 1997-03-17
Publication date: 2004-08-18
Anticipated expiration: 2017-03-17
Also published as: JPH10259059A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電チャック等の、金属電極等の金属部材を内蔵するセラミックス部材を製造する方法に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
現在、半導体ウエハーの搬送、露光、化学的気相成長法、物理的気相成長法、スパッタリング等の成膜プロセス、微細加工、洗浄、プラズマエッチング、ダイシング等の工程において、半導体ウエハーを吸着し、保持するために、静電チャックが使用されている。こうした静電チャックの基材として、緻密質セラミックスが注目されており、特に急激な温度変化によって破壊しないような耐熱衝撃性を備えている材料として、緻密質の窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ等が注目されている。
【０００３】
また、ホットプレス法によるセラミックスの加圧焼成法は、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム等の各種のセラミックスの焼結のために使用されてきている。本出願人は、特開平５−３１８４２７号公報において、スリーブの内側面と、パンチの成形体と接触する表面とを、グラファイトホイル等の耐熱性箔片によって被覆することを提案した。これは、高温、高圧下で、スリーブやパンチとセラミックスとの化学反応による生成物や、セラミックスが、スリーブやパンチに強固に付着するのを防止する上で、極めて有効な方法であった。
【０００４】
また、本出願人は、特願平７−２１８１５８号明細書において、セラミックスヒーター、セラミックス静電チャック、セラミックス高周波電極装置、セラミックスサセプター等の半導体製造用装置の基材を製造するために、窒化アルミニウムセラミックスをホットプレスすることを開示している。この公報に記載の方法においては、型内に窒化アルミニウム粉末の成形体を収容するのに際して、成形体とスリーブとの間、成形体とスペーサーとの間に、グラファイトホイルを被覆し、この被覆によって成形体の周囲の雰囲気を制御し、かつ成形体とスリーブおよびスペーサーとの反応を防止している。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、ホットプレス法で、静電チャック電極等の金属電極が埋設されたセラミックス部材を製造していく過程で、次の問題点が新たに発生してくることが判明した。即ち、セラミックス部材を製造し、その基材の内部に金属電極を埋設するためには、通常は、セラミックス粉末の予備成形体を一軸加圧成形法によって製造し、この際予備成形体の内部に予め金属電極を埋設しておく。そして、この予備成形体を、金属電極に対して実質的に垂直な方向に圧力が加わるようにホットプレスすることによって焼結体を得、この焼結体を研磨加工等している。
【０００６】
しかし、例えば静電チャックにおいては、セラミックス部材中の静電チャック電極の平坦度を向上させることが必要である。なぜなら、静電チャック電極と絶縁性誘電層の吸着面との間隔にバラツキがあると、吸着面上の半導体ウエハーの吸着力にバラツキが生ずるからである。また、例えばセラミックス部材の内部のヒーター用電極が基材の表面に対して傾斜していると、ヒーターの表面温度にバラツキが発生する。このように、金属電極が埋設されている各種のセラミックス製品において、セラミックス部材内の金属電極の平坦度を確保することが極めて重要である。
【０００７】
本発明者は、セラミックス部材の内部の金属電極と、セラミックス部材の表面との間隔を一定にするために、次の方法を実施した。即ち、図１に示す焼結体２０の内部には、平板状の金属電極４が埋設されている。焼結体２０は、金属電極４によって、相対的に厚さの小さい第一の部分２２と、相対的に厚さの大きい第二の部分２１とに区分されている。
【０００８】
ここで、金属電極４と、加工後のセラミックス部材の表面との間隔を、金属電極４の全面にわたって一定にすることが要求されている。ここで、金属電極４と表面２０ａとの間隔に誤差を生じさせる要因は二つ考えられる。一つは、金属電極４の全体が表面２０ａに対して傾斜していることである。例えば、金属電極４の中心線Ｃを引いてみたとき、通常は中心線Ｃが、焼結体の表面２０ａに対して傾斜している。
【０００９】
本出願人は、まず、金属電極４の焼結体表面２０ａに対する傾斜をなくするために、焼結体２０の表面２０ａからの金属電極４の距離ｍを、超音波の照射によって測定してみた。この方法では、焼結体表面２０ａの各部分に超音波を照射し、焼結体の内部の金属電極４による超音波の反射を利用し、金属電極４と表面２０ａとの距離を測定する。
【００１０】
この方法によって金属電極４の中心線Ｃの座標を算出できる。そして、平面研削加工ないし平面研磨加工によって、第一の部分２２内に、中心線Ｃの平行線Ａに沿って研磨面を形成し、かつ、第二の部分２１内に、中心線Ｃの平行線Ｂに沿って研磨面を形成できる。これによって、セラミックス部材の表面（研磨面）と金属電極４の中心線Ｃとを平行にすることは可能になった。
【００１１】
しかし、この方法によって加工できるのは、焼結体２０の表面だけであり、焼結体２０の内部に埋設された金属電極４の形状を変化させることはできない。しかし、現実には、金属電極４は中心線Ｃに沿っておらず、中心線Ｃに対して凹凸があるのが通常である。このため、セラミックス部材中に埋設されている金属電極４の中心線Ｃに対する平坦度を、向上させることが必要である。
【００１２】
また、ホットプレス焼結後にセラミックス部材の中に空孔が生ずることがあり、この空孔は、セラミックス部材の研磨加工後にその表面に小穴として現れる。こうした小穴は、パーティクル発生の原因となることがわかってきた。更に、ホットプレス焼結後にセラミックス部材中に微細なクラックが発生することがあり、これが温度の均一性を乱したり、あるいは劣化の開始点となるおそれがある。
【００１３】
本発明の課題は、金属電極等の金属部材が内蔵されているセラミックス部材をホットプレス法によって製造するのに際して、セラミックス部材中にある金属部材の平坦度を向上させ、セラミックス部材中の空孔やクラックの発生を防止できるようにすることである。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属部材が内蔵されているセラミックス部材を製造するのに際して、前記セラミックス部材の原料とバインダーとの混合物を噴霧造粒装置によって造粒して造粒顆粒を得、この造粒顆粒を成形することによって、前記金属部材が埋設されている成形密度１．４ｇ／ｃｍ^３以上、２．５ｇ／ｃｍ^３以下の予備成形体を得、この予備成形体をホットプレスすることによって、金属部材内蔵セラミックス部材を製造する方法であって、前記バインダーがアクリル系バインダーとブチラール系バインダーとの少なくとも一方からなり、前記予備成形体が前記バインダーを０．４重量％以上、５．０重量％以下含有しており、前記金属部材が平面状の金属バルク材からなることを特徴とする、金属部材内蔵セラミックス部材の製造方法に関する。
【００１５】
本発明者は、ホットプレス用の予備成形体を作製する段階で、セラミックス部材の原料とバインダーとの混合物を噴霧造粒装置によって造粒して造粒顆粒を成形することを想到した。こうした造粒顆粒は、流動性が高く、成形密度の高い均一な成形体を作製し易い。従って、予備成形体中に金属部材を埋設したときに、金属部材に加わる圧力が均一になり、金属部材が変形しにくくなる。しかも、ホットプレス段階において、液相生成が均一に起こるので、ここでも金属部材に加わる応力が均一となり、金属部材が変形しにくい。また、予備成形体の成形段階で空気の巻き込みが起こりにくいので、ホットプレス後の焼結体中に空孔が残りにくく、かつ予備成形体中にクラックが発生しにくい。
【００１６】
ただし、このような造粒顆粒を使用し、金属部材が埋設されたホットプレス用の予備成形体を作製する場合には、予備成形体の成形密度を１．４ｇ／ｃｍ^３以上、２．５ｇ／ｃｍ^３以下とすることが必要であった。これが１．４ｇ／ｃｍ^３未満である場合には、金属部材を埋設した後の成形段階やホットプレス段階において、成形体の変形量が大きくなり、この変形に伴って金属部材が変形してしまった。更に、予備成形体中への空気の巻き込みが多く見られ、この空気によって、ホットプレス後の焼結体中に空孔が残留した。
【００１７】
一方、予備成形体の成形密度が２．５ｇ／ｃｍ^３を越える場合には、予備成形体中にクラック、ラミネーションが発生し、埋設した金属部材が局部的に変形し、ホットプレス後の焼結体中にもクラックが残留することが判った。
【００１８】
本発明においては、予備成形体の成形密度を１．７ｇ／ｃｍ^３以上、２．０ｇ／ｃｍ^３以下とすることによって、より緻密で欠陥の少ない成形体を得ることができ、ホットプレス後のセラミックス部材中の金属部材の平坦度が、より一層向上し、焼成体の強度も向上する。
【００１９】
本発明においては、金属部材を予備成形体の内部に所定平面に沿って埋設させるために、所定平面に垂直な方向へと向かって一軸加圧成形する。
【００２０】
また、予備成形体中に含有させるバインダーとしては、熱可塑性樹脂が特に好ましく、具体的にはアクリル系バインダー、ブチラール系バインダーとする。アクリル系バインダー、ブチラール系バインダーは、熱を加えても架橋が進行しないために、比較的に低温で焼失し、ホットプレス前の脱脂時またはホットプレス時に液相が生成され始める前に飛散するため、焼結体の内部に空孔が生成しにくい。また、造粒顆粒の外周に形成されるバインダーの被膜が特に柔らかく、成形時に造粒顆粒がつぶれやすいために、予備成形体の厚さが一定かつ均一になり易く、予備成形体中に埋設される金属部材も平坦になり易い。
【００２１】
これに対して、フェノール等の熱硬化製樹脂は、熱を加えると架橋が進むため、低温では焼失しきれずに、高温まで未分解成分が残留し、ホットプレスの際に液相が生成されてから後で飛散するので、小穴の発生をもたらす。また、各造粒顆粒の外周に形成される樹脂被膜が硬く、成形時に造粒顆粒がつぶれにくいために、凹凸のある不均一な予備成形体ができ、予備成形体中に埋設される金属部材も平坦になりにくい。
【００２２】
また、予備成形体がバインダーを０．４重量％以上含んでおり、１．０重量％以上含有していることが好ましい。これが０．４重量％未満である場合には、造粒顆粒の流動性が十分ではなくなり、予備成形体の厚さが不均一になりやすく、成形密度も不均一になりやすい。このため、予備成形体中に埋設される金属部材が平坦になりにくく、予備成形体にクラックやラミネーションが入りやすい。
【００２３】
また、予備成形体がバインダーを５．０重量％以下含んでおり、３．０重量％以下含有していることが好ましい。これが５．０重量％を越えると、成形時に造粒顆粒間に介在するバインダーの層が厚くなり、予備成形体が柔らかくなり、保形性が悪くなると共に、ホットプレス時にバインダーが飛散しにくくなる傾向がある。このために、予備成形体中に埋設された金属部材が平坦になりにくくなり、空孔ないし小穴も生じ易くなる。
【００２４】
以下、適宜図面を参照しつつ、本発明を更に詳細に説明する。
図２は、本発明を適用できるセラミックス部材を例示する断面図であり、図３（ａ）は、図２のセラミックス部材のうち一部を切り欠いて示す斜視図であり、図３（ｂ）は、金属部材の一種である、金網からなる電極７を示す斜視図である。
【００２５】
例えば略円盤形状のセラミックス部材１の基材６の内部に、金網７からなる金属電極４が埋設されている。半導体ウエハーの設置面１ａ側には、所定厚さの絶縁性誘電層（第一の部分）２が形成されている。基材６のうち支持部分（第二の部分）３側には、端子５が埋設されており、端子５が金属電極４に接続されている。端子５の端面が、基材６の裏面１ｂに露出している。第一の部分２の厚さｔ_１と第二の部分３の厚さｔ_２とが異なっている。
【００２６】
本実施例における金属電極４は、図３（ａ）、（ｂ）に示すような金網７によって形成されている。金網７は、円形の枠線７ａと、枠線７ａの内部に縦横に形成されている線７ｂとからなっており、これらの間に網目８が形成されている。
【００２７】
予備成形体中に金属電極を埋設する工程においては、第一の部分の成形体を一軸加圧成形法によって成形し、第一の部分の成形体の表面に金属電極を設け、次いで第一の部分の上に第二の部分の原料を配置し、一軸加圧成形法によって第二の部分を成形して予備成形体を得ることが特に好ましい。
【００２８】
好適な一軸加圧成形のプロセスについて、図４（ａ）〜（ｃ）を参照しつつ説明する。図４（ａ）に示すように、型９、上パンチ１１、下パンチ１０の中に、本発明による造粒顆粒を充填し、加圧成形することによって、第一の部分の成形体１２Ａを得る。次いで、図４（ｂ）に示すように、第一の部分の成形体１２Ａの上に金属電極４を設ける。成形体１２Ａおよび金属電極４上に、本発明による造粒顆粒１３を充填する。
【００２９】
次いで、図４（ｃ）に示すように、再び一軸加圧成形を行い、成形体１２および金属電極４上に第二の部分の成形体１４を成形し、予備成形体１７を得る。ただし、１７ａ、１７ｂは加圧面であり、１７ｃは非加圧面である。
【００３０】
このように、二段階に分けて造粒顆粒の成形を行う場合には、最初に成形される成形体１２Ａが、金属電極４を設けるための土台となる。ここで、土台となる成形体１２Ａには、後で成形される成形体１４の成形圧力が金属電極４を介して加わったときに、変形することなく耐えうるだけの強度と密度とが要求される。
【００３１】
従って、本発明の好適な態様においては、最初に厚さが相対的に小さい成形体１２Ａを成形しておく。これによって、成形体１２Ａは、後で成形される成形体１４の成形圧力に耐えうるだけの強度と密度を、成形体１２Ａの全体にわたって備えやすいため、後の成形時に成形体１２Ａが変形しにくく、このために金属電極４が変形せず、金属電極の平坦度が向上するものと思われる。
【００３２】
予備成形体中に埋設する金属部材は、平面状の金属バルク材であることが最も好ましい。しかし、印刷法によって製造された電極も含む。金属部材は、セラミックスの焼成温度で安定な高融点金属、例えばタンタル，タングステン，モリブデン，白金，レニウム、ハフニウム及びこれらの合金によって形成することが好ましい。
【００３３】
セラミックス部材を構成するセラミックスとしては、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、窒化ホウ素、アルミナ等を例示できる。
【００３４】
金属部材を構成する金属バルク材としては、例えば、次のものを例示できる。
（１）平板状の金属バルク材。
（２）平板状の金属バルク材の中に多数の小空間が形成されているもの。
これには、多数の小孔を有する板状体からなる金属バルク材や、網状の金属バルク材を含む。多数の小孔を有する板状体としては、エッチングメタル、パンチングメタルを例示できる。
【００３５】
次いで、予備成形体をホットプレスする。この際には、予備成形体を１個ごとにホットプレスすることもできるが、例えば図５の概略断面図に示すように、ホットプレス装置の型内に複数の予備成形体を収容し、複数の予備成形体を同時にホットプレスすることが好ましい。
【００３６】
図５においては、型２７およびスリーブ２８Ａ、２８Ｂの中に、下パンチ３１（一方の加圧用部材）と上パンチ３０（他方の加圧用部材）とが挿入されている。上パンチ３０と下パンチ３１との間に、例えば七枚のスペーサー２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ、２４Ｅ、２４Ｆ、２４Ｇと、六個の予備成形体１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ、１７Ｅ、１７Ｆとが収容されている。上パンチ３０の加圧面３０ａ、下パンチ３１の加圧面３１ａに対して、それぞれスペーサー２４Ａ、２４Ｇが接触している。
【００３７】
本実施形態においては、上パンチ３０と下パンチ３１との中央線Ｄが、ほぼ収縮の中心となる。上パンチ３０に近い各予備成形体１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃは、矢印Ｅで示すように中心線Ｄの方へと向かって収縮する。下パンチ３１に近い各予備成形体１７Ｄ、１７Ｅ、１７Ｆは、矢印Ｆで示すように中心線Ｄの方へと向かって収縮する。
【００３８】
従って、下パンチ３１に近い予備成形体１７Ｄ、１７Ｅ、１７Ｆを、下パンチ３１側に第二の部分の成形体１４が配向するように収容した。また、上パンチ３０に近い予備成形体１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃを、上パンチ３０側に第二の部分の成形体１４が配向するように収容した。
【００３９】
本発明のセラミックス部材は、特に半導体製造用装置として有用である。例えば、セラミックス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、能動型装置として有用である。
【００４０】
【実施例】
以下、更に具体的な実験結果について述べる。
（実施例１〜１２および比較例１〜４）
図４（ａ）〜（ｃ）および図５を参照しつつ説明した前記方法に従って、各セラミックス部材を製造した。窒化アルミニウム粉末にアクリル系樹脂バインダーを０．６〜２．０％添加し、噴霧造粒装置（スプレードライヤー）によって造粒し、造粒顆粒を得た。この造粒顆粒を、図４（ａ）〜（ｃ）に示すようにして成形し、直径２１５ｍｍ、厚さ３０ｍｍの円盤状予備成形体１７を作製した。
【００４１】
ただし、金属電極４としては、モリブデン製の網状電極を使用した。実施例３においては、金属電極４としてモリブデン製のエッチングメタルを使用し、実施例７においては、金属電極４としてモリブデンペーストの印刷層を使用した。第一の部分の厚さｔ_１と第二の部分の厚さｔ_２との比率は、１：４とした。
【００４２】
予備成形体の成形圧力を、第一の部分、第二の部分共に１００：４００ｋｇ／ｃｍ^２の範囲内で変更し、かつ、噴霧造粒装置による造粒顆粒の平均粒径を２０〜２００μｍの範囲内で変更することによって、予備成形体の成形密度を、表１に示すように変更させた。
【００４３】
六枚の予備成形体を、図５に示すように型内に収容した。各スペーサーの直径を２１４．８ｍｍとし、厚さを１４ｍｍとした。各スペーサーと各予備成形体との間に、直径２１４．８ｍｍ、厚さを０．２５ｍｍの柔軟性黒鉛シートを介在させた。また、各スペーサーおよび各予備成形体の非加圧面を覆うように、縦１８０ｍｍ、横６８０ｍｍの柔軟性黒鉛シートを設置した。
【００４４】
ホットプレス段階においては、１８５０℃で２時間保持し、２００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力を加えた。
【００４５】
ホットプレス焼成後の各焼結体について、第一の部分の表面から金属電極までの厚さを、それぞれ２０〜３０点で計測し、平均値を求め、平均値からのバラツキの大きさ（標準偏差）を算出した。六枚のセラミックス部材の各標準偏差の平均を、平坦度とした。
【００４６】
第一の部分の表面から金属電極までの厚さは、次のようにして測定した。即ち、超音波発振子を第一の部分の表面に当て、金属電極で反射して第一の部分の表面に戻ってくる超音波を受信し、金属電極で反射してから表面に戻ってくるまでの時間と音速とから、第一の部分の厚さを算出した。また、各試料を切断し、光学顕微鏡によって第一の部分の厚さを直接に測定することによって、前記した超音波による計測の確からしさを確認した。
【００４７】
また、ホットプレス後の焼結体の表面を研磨仕上げ加工し、この加工面を倍率２０倍の光学顕微鏡によって観察し、肉眼で認められた長径０．１ｍｍ以上の小穴の数を数えた。また、ホットプレス後の焼結体の破壊強度を測定し、破壊面を観察することによって、焼結体の内部のクラックの有無を確認した。これらの結果を表１に示す。
【００４８】
【表１】

【００４９】
表１から判るように、金属電極が内蔵されているセラミックス部材を予備成形体のホットプレスによって製造するのに際して、本発明に従って造粒顆粒で予備成形体を成形し、かつ予備成形体の成形密度を１．４〜２．５ｇ／ｃｍ^３に特定することによって、小穴が消失し、３２０ＭＰａ以上の強度を有し、破壊面にはクラックが観察されない上、焼結体中の金属電極の平坦度が著しく向上し、特に４０μｍ以下の水準にまで急激に向上することを発見した。更に、予備成形体の成形密度を１．７〜２．０ｇ／ｃｍ^３とすることによって、金属電極の平坦度が１５μｍ以下の水準にまで向上し、焼結体の緻密化が進行し、強度が３８０ＭＰａ以上と急激に向上した。
【００５０】
（実施例１３〜１５）
実施例１〜１２と同様にして、本発明に従ってセラミックス部材を製造した。ただし、予備成形体に添加するバインダーを、表２に示すように変更した。また、予備成形体の成形密度を１．８ｇ／ｃｍ^２とし、金属電極としてモリブデン製のメッシュを使用した。この結果を表２に示す。
【００５１】
【表２】

【００５２】
この結果から判るように、フェノール系のバインダーが添加されている造粒顆粒を使用した場合も、クラックがなく、小穴は僅かであり、かつ金属電極の平坦度も４０μｍ以下の水準にできる。しかし、アクリル系バインダーまたはブチラール系バインダーが添加されている造粒顆粒を使用して、予備成形体を成形することによって、小穴がまったく見られなくなり、かつ金属電極の平坦度が１５μｍ以下、特にアクリル系バインダーの場合には１０μｍ以下の水準にまで著しく減少することがわかった。
【００５３】
（参考例１、２、実施例１６〜２４）
実施例１〜１２と同様にして、本発明に従ってセラミックス部材を製造した。ただし、予備成形体にアクリル系バインダーを添加し、予備成形体の成形密度を１．６〜２．１ｇ／ｃｍ^２とし、金属電極としてモリブデン製のメッシュを使用した。予備成形体中のバインダーの濃度を、表３に示すように変更した。この結果を表３に示す。
【００５４】
【表３】

【００５５】
参考例１においては、バインダーの濃度が０．３重量％であるが、小穴は確認されず、クラックはごく僅かであり、焼結体中の金属電極の平坦度は３８μｍであった。参考例２では、小穴は僅かに認められるが、クラックはなく、金属電極の平坦度は３５μｍと良好であった。
【００５６】
しかし、バインダーの濃度を０．４〜５．０重量％の範囲内にすることによって、小穴、クラック共に消失し、ホットプレス焼結体中の金属電極の平坦度も約２０μｍ以下の水準にまで急激に減少することがわかった。更に、バインダーの濃度を１．０〜３．０重量％の範囲内とすることによって、焼結体中の金属電極の平坦度が一層顕著に減少することがわかった。
【００５７】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、金属部材が内蔵されているセラミックス部材をホットプレス法によって製造するのに際して、セラミックス部材中にある金属部材の平坦度を向上させ、セラミックス部材中の空孔やクラックの発生を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】焼結体２０中の金属電極４の状態を説明するための模式図である。
【図２】本発明の一実施形態に係るセラミックス部材１を概略的に示す断面図である。
【図３】（ａ）は、図２のセラミックス部材のうち一部を切り欠いて示す斜視図であり、（ｂ）は、金網７からなる電極を示す斜視図である。
【図４】（ａ）〜（ｃ）は、本発明において予備成形体の成形に適用可能な一軸加圧成形法の各工程を説明するための断面図である。
【図５】ホットプレス工程を実施するために、ホットプレス装置内に複数の予備成形体を収容した状態を概略的に示す断面図である。
【符号の説明】
１セラミックス部材２第一の部分３第二の部分
４金属電極１２第一の部分の成形体１２Ａ第一の部分の成形体（第二の部分の成形前）１４第二の部分の成形体１７、１７Ａ、１７Ｂ、１７Ｃ、１７Ｄ、１７Ｅ、１７Ｆ予備成形体２４Ａ、２４Ｂ、２４Ｃ、２４Ｄ、２４Ｅ、２４Ｆ、２４Ｇスペーサー３０上パンチ（他方の加圧用部材）３１下パンチ（一方の加圧用部材）Ａ、ＢＣの平行線
Ｃ金属電極４の中心線Ｄ予備成形体の収縮の中心Ｅ、Ｆ予備成形体の収縮の方向ｔ_１第一の部分の厚さｔ_２第二の部分の厚さ[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to a method for manufacturing a ceramic member, such as an electrostatic chuck, incorporating a metal member such as a metal electrode.
[0002]
[Prior art]
At present, semiconductor wafers are adsorbed in processes such as semiconductor wafer transport, exposure, chemical vapor deposition, physical vapor deposition, film forming processes such as sputtering, fine processing, cleaning, plasma etching, dicing, etc. An electrostatic chuck is used to hold. Dense ceramics have attracted attention as a base material of such an electrostatic chuck. In particular, dense aluminum nitride, silicon nitride, alumina, and the like are provided as materials having thermal shock resistance so as not to be destroyed by a rapid temperature change. Attention has been paid.
[0003]
In addition, a pressure firing method of ceramics by a hot press method has been used for sintering various ceramics such as silicon nitride, silicon carbide, and aluminum nitride. The present applicant has proposed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 5-318427 that the inner surface of the sleeve and the surface that comes into contact with the molded body of the punch are covered with a heat-resistant foil piece such as graphite foil. This was an extremely effective method for preventing a product produced by a chemical reaction between the sleeve or the punch and the ceramic at a high temperature and a high pressure or a ceramic from firmly adhering to the sleeve or the punch.
[0004]
The present applicant has disclosed in Japanese Patent Application No. 7-218158 that aluminum nitride is used for manufacturing a base material of a semiconductor manufacturing device such as a ceramic heater, a ceramic electrostatic chuck, a ceramic high-frequency electrode device, and a ceramic susceptor. It discloses hot pressing ceramics. In the method described in this publication, when a molded body of aluminum nitride powder is accommodated in a mold, a graphite foil is coated between the molded body and the sleeve, and between the molded body and the spacer. The atmosphere around the molded article is controlled, and the reaction between the molded article, the sleeve and the spacer is prevented.
[0005]
[Problems to be solved by the invention]
However, it has been found that the following problem newly occurs in the process of manufacturing a ceramic member in which a metal electrode such as an electrostatic chuck electrode is embedded by a hot press method. That is, in order to manufacture a ceramic member and bury a metal electrode in the base material, usually, a preform of ceramic powder is manufactured by a uniaxial pressing method, and at this time, a preform is formed inside the preform. A metal electrode is buried in advance. Then, a sintered body is obtained by hot-pressing the preformed body so that pressure is applied in a direction substantially perpendicular to the metal electrode, and the sintered body is subjected to polishing or the like.
[0006]
However, for example, in an electrostatic chuck, it is necessary to improve the flatness of the electrostatic chuck electrode in the ceramic member. This is because if the distance between the electrostatic chuck electrode and the attracting surface of the insulating dielectric layer varies, the attracting force of the semiconductor wafer on the attracting surface varies. Further, for example, if the heater electrode inside the ceramic member is inclined with respect to the surface of the base material, the surface temperature of the heater varies. As described above, in various ceramic products in which the metal electrode is embedded, it is extremely important to ensure the flatness of the metal electrode in the ceramic member.
[0007]
The inventor carried out the following method in order to keep the distance between the metal electrode inside the ceramic member and the surface of the ceramic member constant. That is, the flat metal electrode 4 is embedded inside the sintered body 20 shown in FIG. The sintered body 20 is divided by the metal electrode 4 into a first portion 22 having a relatively small thickness and a second portion 21 having a relatively large thickness.
[0008]
Here, it is required that the distance between the metal electrode 4 and the surface of the processed ceramic member be constant over the entire surface of the metal electrode 4. Here, there are two factors that cause an error in the interval between the metal electrode 4 and the surface 20a. One is that the entire metal electrode 4 is inclined with respect to the surface 20a. For example, when the center line C of the metal electrode 4 is drawn, the center line C is usually inclined with respect to the surface 20a of the sintered body.
[0009]
The applicant first measured the distance m of the metal electrode 4 from the surface 20a of the sintered body 20 by irradiating ultrasonic waves in order to eliminate the inclination of the metal electrode 4 with respect to the sintered body surface 20a. . In this method, each part of the sintered body surface 20a is irradiated with ultrasonic waves, and the distance between the metal electrodes 4 and the surface 20a is measured by utilizing the reflection of ultrasonic waves by the metal electrodes 4 inside the sintered body.
[0010]
With this method, the coordinates of the center line C of the metal electrode 4 can be calculated. Then, a polished surface is formed in the first portion 22 along the parallel line A of the center line C by a surface grinding process or a surface polishing process, and the parallel surface of the center line C is formed in the second portion 21. A polished surface can be formed along the line B. This makes it possible to make the surface (polished surface) of the ceramic member parallel to the center line C of the metal electrode 4.
[0011]
However, only the surface of the sintered body 20 can be processed by this method, and the shape of the metal electrode 4 embedded inside the sintered body 20 cannot be changed. However, in reality, the metal electrode 4 is not along the center line C, and usually has irregularities with respect to the center line C. Therefore, it is necessary to improve the flatness of the metal electrode 4 embedded in the ceramic member with respect to the center line C.
[0012]
In addition, pores may be formed in the ceramic member after hot press sintering, and the pores appear as small holes on the surface of the ceramic member after polishing. These small holes have been found to cause particle generation. Furthermore, fine cracks may be generated in the ceramic member after hot press sintering, which may disturb the temperature uniformity or may be a starting point of deterioration.
[0013]
An object of the present invention is to improve the flatness of a metal member in a ceramic member when manufacturing a ceramic member having a built-in metal member such as a metal electrode by a hot press method, and to improve the porosity in the ceramic member. The purpose is to prevent the occurrence of cracks.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The present invention provides a method of manufacturing a ceramic member in which a metal member is incorporated by granulating a mixture of a raw material of the ceramic member and a binder with a spray granulator to obtain granulated granules, By molding, a preformed body having a molding density of 1.4 g / cm ³ or more and 2.5 g / cm ³ or less in which the metal member is embedded is obtained, and the preformed body is hot pressed to obtain a metal member. A method for producing a built-in ceramic member, wherein the binder comprises at least one of an acrylic binder and a butyral binder, and the preform contains the binder in an amount of 0.4% by weight or more and 5.0% by weight or less. to which the metal member is characterized by comprising a planar metal bulk material, regarding the method for producing a metal member internal ceramic member That.
[0015]
The present inventor has conceived of forming a granulated granule by granulating a mixture of a raw material for a ceramic member and a binder with a spray granulator at the stage of preparing a preformed body for hot pressing. Such granulated granules have high fluidity and can easily produce a uniform molded body having a high molding density. Therefore, when the metal member is embedded in the preform, the pressure applied to the metal member becomes uniform, and the metal member is hardly deformed. In addition, since the liquid phase is uniformly generated in the hot pressing step, the stress applied to the metal member is uniform here, and the metal member is not easily deformed. Further, since air is hardly entrained at the stage of forming the preformed body, pores hardly remain in the sintered body after hot pressing, and cracks are hardly generated in the preformed body.
[0016]
However, when using such granulated granules to prepare a preform for hot pressing in which a metal member is embedded, the molding density of the preform is 1.4 g / cm ³ or more and 2.5 g. / Cm ³ or less. If it is less than 1.4 g / cm ³ , the deformation amount of the molded body becomes large in a molding stage or a hot pressing stage after embedding the metal member, and the metal member is deformed with this deformation. Was. Furthermore, air was often entrained in the preform, and the air left pores in the sintered body after hot pressing.
[0017]
On the other hand, when the molding density of the preform exceeds 2.5 g / cm ³ , cracks and laminations occur in the preform, and the embedded metal member is locally deformed and sintered after hot pressing. It was found that cracks remained in the body.
[0018]
In the present invention, by setting the molding density of the preform to 1.7 g / cm ³ or more and 2.0 g / cm ³ or less, a more compact and less defective product can be obtained, The flatness of the metal member in the ceramic member is further improved, and the strength of the fired body is also improved.
[0019]
In the present invention, in order to embed the metal member inside the preform along a predetermined plane, the metal member is uniaxially pressed in a direction perpendicular to the predetermined plane.
[0020]
As the binder to be contained in the preform, a thermoplastic resin is particularly preferable, and specifically, an acrylic binder and a butyral binder are used. Acrylic binders and butyral binders burn off at a relatively low temperature because crosslinking does not proceed even when heat is applied, and they scatter before the liquid phase begins to be generated during degreasing before hot pressing or hot pressing. In addition, pores are not easily generated inside the sintered body. In addition, since the binder coating formed on the outer periphery of the granulated granules is particularly soft and the granulated granules are easily crushed at the time of molding, the thickness of the preformed body tends to be constant and uniform, and is embedded in the preformed body. Metal members also tend to be flat.
[0021]
On the other hand, thermosetting resins such as phenol are cross-linked when heat is applied, so they cannot be burned down at low temperatures, undecomposed components remain at high temperatures, and a liquid phase is formed during hot pressing. Scattered later, resulting in the formation of small holes. In addition, since the resin coating formed on the outer periphery of each granule is hard and the granule is hardly crushed at the time of molding, an uneven preform having irregularities can be formed, and a metal member embedded in the preform. Is hard to be flat.
[0022]
Further, the preform contains 0.4% by weight or more of the binder, and preferably 1.0% by weight or more. If the content is less than 0.4% by weight, the fluidity of the granulated granules is not sufficient, the thickness of the preform tends to be uneven, and the molding density tends to be uneven. For this reason, the metal member buried in the preform is less likely to be flat, and cracks and laminations are likely to occur in the preform.
[0023]
Further, the preform contains 5.0% by weight or less of the binder, and preferably contains 3.0% by weight or less. If it exceeds 5.0% by weight, the layer of the binder interposed between the granulated granules at the time of molding becomes thick, the preform becomes soft, the shape retention is deteriorated, and the binder is hardly scattered during hot pressing. Tend. For this reason, the metal member buried in the preform is less likely to be flat, and holes or small holes are more likely to occur.
[0024]
Hereinafter, the present invention will be described in more detail with reference to the drawings as appropriate.
FIG. 2 is a cross-sectional view illustrating a ceramic member to which the present invention can be applied. FIG. 3A is a perspective view showing a part of the ceramic member of FIG. FIG. 2 is a perspective view showing an electrode 7 made of a wire mesh, which is a kind of metal member.
[0025]
For example, a metal electrode 4 made of a wire mesh 7 is embedded in a base material 6 of a substantially disc-shaped ceramic member 1. On the installation surface 1a side of the semiconductor wafer, an insulating dielectric layer (first portion) 2 having a predetermined thickness is formed. The terminal 5 is buried on the support portion (second portion) 3 side of the base material 6, and the terminal 5 is connected to the metal electrode 4. The end face of the terminal 5 is exposed on the back surface 1 b of the base material 6. The thickness of the first portion 2 t ₁ and the thickness t ₂ of the second portion 3 is different.
[0026]
The metal electrode 4 in the present embodiment is formed by a wire mesh 7 as shown in FIGS. The wire mesh 7 includes a circular frame line 7a and a line 7b formed vertically and horizontally inside the frame line 7a, and a mesh 8 is formed between these.
[0027]
In the step of embedding the metal electrode in the preformed body, the formed body of the first part is formed by a uniaxial pressing method, and the metal electrode is provided on the surface of the formed body of the first part. It is particularly preferred to place the raw material of the second part on the part and to form the second part by a uniaxial pressing method to obtain a preform.
[0028]
A preferred uniaxial pressure forming process will be described with reference to FIGS. As shown in FIG. 4 (a), the granulated granules according to the present invention are filled in a mold 9, an upper punch 11, and a lower punch 10, and are subjected to pressure molding to form a first portion molded body 12A. obtain. Next, as shown in FIG. 4B, the metal electrode 4 is provided on the molded body 12A of the first portion. The granules 13 according to the present invention are filled on the compact 12A and the metal electrode 4.
[0029]
Next, as shown in FIG. 4C, the uniaxial pressure molding is performed again, and the molded body 14 of the second portion is molded on the molded body 12 and the metal electrode 4 to obtain the preformed body 17. However, 17a and 17b are pressurized surfaces, and 17c is a non-pressurized surface.
[0030]
As described above, when the granulated granules are formed in two stages, the formed body 12A that is formed first becomes a base for providing the metal electrode 4. Here, the molded body 12A serving as a base is required to have strength and density that can withstand without deformation when the molding pressure of the molded body 14 to be molded later is applied via the metal electrode 4. You.
[0031]
Therefore, in a preferred embodiment of the present invention, the compact 12A having a relatively small thickness is molded first. Thereby, the molded body 12A is easily provided with strength and density that can withstand the molding pressure of the molded body 14 to be molded later, over the entire molded body 12A. Therefore, it is considered that the metal electrode 4 is not deformed and the flatness of the metal electrode is improved.
[0032]
The metal member embedded in the preform is most preferably a planar metal bulk material. However, it also includes electrodes manufactured by a printing method. The metal member is preferably formed of a high melting point metal stable at the firing temperature of ceramics, for example, tantalum, tungsten, molybdenum, platinum, rhenium, hafnium, and alloys thereof.
[0033]
Examples of the ceramics constituting the ceramic member include aluminum nitride, silicon nitride, silicon carbide, boron nitride, and alumina.
[0034]
Examples of the metal bulk material constituting the metal member include the following.
(1) A flat metal bulk material.
(2) A large number of small spaces are formed in a flat metal bulk material.
This includes a metal bulk material made of a plate-like body having a large number of small holes and a net-shaped metal bulk material. Examples of the plate having a large number of small holes include an etching metal and a punching metal.
[0035]
Next, the preform is hot pressed. At this time, it is possible to hot-press the preforms one by one. For example, as shown in a schematic sectional view of FIG. It is preferable to hot-press the preform at the same time.
[0036]
In FIG. 5, a lower punch 31 (one pressing member) and an upper punch 30 (the other pressing member) are inserted into the mold 27 and the

sleeves

28A and 28B. Between the upper punch 30 and the lower punch 31, for example, seven

spacers

24A, 24B, 24C, 24D, 24E, 24F, 24G, and six

preforms

17A, 17B, 17C, 17D, 17E, 17F Is housed. The

spacers

24A and 24G are in contact with the pressing surface 30a of the upper punch 30 and the pressing surface 31a of the lower punch 31, respectively.
[0037]
In the present embodiment, the center line D between the upper punch 30 and the lower punch 31 is substantially the center of contraction. Each of the

preforms

17A, 17B and 17C near the upper punch 30 contracts toward the center line D as shown by an arrow E. Each of the preforms 17D, 17E, and 17F near the lower punch 31 contracts toward the center line D as indicated by an arrow F.
[0038]
Therefore, the

preforms

17D, 17E, and 17F close to the lower punch 31 were accommodated so that the second portion of the molded body 14 was oriented toward the lower punch 31. The

preforms

17A, 17B, and 17C near the upper punch 30 were accommodated in the upper punch 30 so that the second portion of the molded body 14 was oriented.
[0039]
The ceramic member of the present invention is particularly useful as a semiconductor manufacturing device. For example, a ceramic heater in which a resistance heating element is embedded in a ceramic base, a ceramic electrostatic chuck in which an electrode for electrostatic chuck is embedded in the base, and a static heater in which a resistance heating element and an electrode for electrostatic chuck are embedded in the base. It is useful as an active device such as a heater with an electric chuck and a high-frequency generation electrode device in which a plasma generation electrode is embedded in a substrate.
[0040]
【Example】
Hereinafter, more specific experimental results will be described.
(Examples 1 to 12 and Comparative Examples 1 to 4)
Each ceramic member was manufactured according to the method described with reference to FIGS. 4A to 4C and FIG. 0.6 to 2.0% of an acrylic resin binder was added to the aluminum nitride powder, and the mixture was granulated by a spray granulator (spray dryer) to obtain granules. The granulated granules were molded as shown in FIGS. 4A to 4C to produce a disk-shaped preform 17 having a diameter of 215 mm and a thickness of 30 mm.
[0041]
However, as the metal electrode 4, a reticulated electrode made of molybdenum was used. In Example 3, an etching metal made of molybdenum was used as the metal electrode 4, and in Example 7, a printed layer of molybdenum paste was used as the metal electrode 4. The thickness t ₁ of the first portion the ratio of the thickness t ₂ of the second portion was 1: 4.
[0042]
The forming pressure of the preformed body is changed within a range of 100: 400 kg / cm ² for both the first part and the second part, and the average particle diameter of the granulated granules by the spray granulator is 20 to 200 μm. By changing within the range, the molding density of the preform was changed as shown in Table 1.
[0043]
Six preforms were housed in a mold as shown in FIG. The diameter of each spacer was 214.8 mm, and the thickness was 14 mm. A flexible graphite sheet having a diameter of 214.8 mm and a thickness of 0.25 mm was interposed between each spacer and each preform. In addition, a flexible graphite sheet having a length of 180 mm and a width of 680 mm was provided so as to cover the non-pressurized surface of each spacer and each preform.
[0044]
In the hot pressing step, the temperature was maintained at 1850 ° C. for 2 hours, and a pressure of 200 kg / cm ² was applied.
[0045]
For each sintered body after hot press firing, the thickness from the surface of the first portion to the metal electrode was measured at each of 20 to 30 points, an average value was obtained, and the magnitude of the variation from the average value (standard Deviation) was calculated. The average of each standard deviation of the six ceramic members was defined as flatness.
[0046]
The thickness from the surface of the first portion to the metal electrode was measured as follows. That is, the ultrasonic oscillator is applied to the surface of the first portion, receives the ultrasonic wave reflected by the metal electrode and returns to the surface of the first portion, and is reflected by the metal electrode and then returns to the surface. The thickness of the first portion was calculated from the time until the sound speed and the sound speed. In addition, each sample was cut, and the thickness of the first portion was directly measured with an optical microscope to confirm the certainty of the measurement by the above-described ultrasonic wave.
[0047]
Further, the surface of the sintered body after hot pressing was polished and finished, and the processed surface was observed with an optical microscope having a magnification of 20 times, and the number of small holes having a major axis of 0.1 mm or more recognized by the naked eye was counted. Further, the fracture strength of the sintered body after hot pressing was measured, and the presence or absence of cracks inside the sintered body was confirmed by observing the fracture surface. Table 1 shows the results.
[0048]
[Table 1]

[0049]
As can be seen from Table 1, when a ceramic member having a built-in metal electrode is manufactured by hot pressing the preformed body, the preformed body is formed from the granulated granules according to the present invention, and the molding density of the preformed body. Is determined to be 1.4 to 2.5 g / cm ³ , small holes disappear, have a strength of 320 MPa or more, no crack is observed on the fracture surface, and the flatness of the metal electrode in the sintered body Has been significantly improved, and in particular, rapidly improved to a level of 40 μm or less. Furthermore, by setting the molding density of the pre-formed body to 1.7 to 2.0 g / cm ³ , the flatness of the metal electrode is improved to a level of 15 μm or less, the densification of the sintered body progresses, and the strength increases. Rapidly increased to 380 MPa or more.
[0050]
(Examples 13 to 15)
In the same manner as in Examples 1 to 12, a ceramic member was manufactured according to the present invention. However, the binder added to the preform was changed as shown in Table 2. The molding density of the preform was 1.8 g / cm ^2, and a mesh made of molybdenum was used as a metal electrode. Table 2 shows the results.
[0051]
[Table 2]

[0052]
As can be seen from the results, even when the granulated granules to which the phenolic binder is added are used, there are no cracks, there are few small holes, and the flatness of the metal electrode can be reduced to a level of 40 μm or less. However, by forming a preform using granulated granules to which an acrylic binder or a butyral-based binder is added, small holes are not observed at all, and the flatness of the metal electrode is 15 μm or less, especially acrylic. In the case of a system binder, it was found that it was significantly reduced to a level of 10 μm or less.
[0053]
(Reference Examples 1 and 2, Examples 16 to 24)
In the same manner as in Examples 1 to 12, a ceramic member was manufactured according to the present invention. However, an acrylic binder was added to the preform, the molding density of the preform was 1.6 to 2.1 g / cm ^2, and a molybdenum mesh was used as the metal electrode. The concentration of the binder in the preform was changed as shown in Table 3. Table 3 shows the results.
[0054]
[Table 3]

[0055]
In Reference Example 1, although the binder concentration was 0.3% by weight, small holes were not observed, cracks were very slight, and the flatness of the metal electrode in the sintered body was 38 μm. In Reference Example 2, small holes were slightly observed, but there were no cracks, and the flatness of the metal electrode was as good as 35 μm.
[0056]
However, by setting the binder concentration in the range of 0.4 to 5.0% by weight, both small holes and cracks disappear, and the flatness of the metal electrode in the hot-press sintered body is reduced to a level of about 20 μm or less. It was found to decrease sharply. Furthermore, it was found that the flatness of the metal electrode in the sintered body was more significantly reduced by setting the concentration of the binder in the range of 1.0 to 3.0% by weight.
[0057]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, when manufacturing a ceramic member having a built-in metal member by a hot press method, the flatness of the metal member in the ceramic member is improved, and the empty space in the ceramic member is improved. The generation of holes and cracks can be prevented.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic diagram for explaining a state of a metal electrode 4 in a sintered body 20.
FIG. 2 is a sectional view schematically showing a ceramic member 1 according to one embodiment of the present invention.
3 (a) is a perspective view showing a part of the ceramic member shown in FIG. 2 with a cutout, and FIG. 3 (b) is a perspective view showing an electrode made of a wire mesh 7. FIG.
FIGS. 4A to 4C are cross-sectional views illustrating each step of a uniaxial pressing method applicable to forming a preform in the present invention.
FIG. 5 is a cross-sectional view schematically showing a state in which a plurality of preforms are accommodated in a hot press apparatus for performing a hot press step.
[Explanation of symbols]
Reference Signs List 1 ceramic member 2 first part 3 second part 4 metal electrode 12 molded part of first part 12A molded part of first part (before molding of second part) 14 molded part of

second part

17 , 17A, 17B, 17C, 17D, 17E,

17F Preforms

24A, 24B, 24C, 24D, 24E, 24F, 24G Spacer 30 Upper punch (other pressing member) 31 Lower punch (one pressing member) A the thickness of the thickness t ₂ a second portion of the center E, the direction of shrinkage of the F preform t ₁ a first portion of the contraction of the center line D preform parallel lines C metal electrode 4 B C

Claims

When manufacturing a ceramic member having a built-in metal member, a mixture of the raw material of the ceramic member and a binder is granulated by a spray granulator to obtain granulated granules, and the granulated granules are formed. A preformed body having a molding density of 1.4 g / cm ³ or more and 2.5 g / cm ³ or less in which the metal member is embedded is obtained, and the preformed body is hot-pressed to obtain a ceramic member with a built-in metal member. A method for producing, wherein the binder comprises at least one of an acrylic binder and a butyral binder, and the preform contains the binder in an amount of 0.4% by weight or more and 5.0% by weight or less, A method for manufacturing a ceramic member with a built-in metal member, wherein the metal member is made of a planar metal bulk material .

2. The metal member according to claim 1, wherein the metal member is uniaxially pressed in a direction perpendicular to the predetermined plane to bury the metal member inside the preform along a predetermined plane. 3. Manufacturing method of built-in ceramic member.

The method for manufacturing a ceramic member with a built-in metal member according to claim 1, wherein a molding density of the preform is 1.7 g / cm ³ or more and 2.0 g / cm ³ or less.

The metal according to any one of claims 1 to 3, wherein the binder is scattered before hot-pressing the preform or before the start of liquid phase generation of ceramics in hot-pressing. A method for manufacturing a ceramic member with a built-in member.

The method for manufacturing a ceramic member with a built-in metal member according to any one of claims 1 to 4, wherein the preform contains the binder in an amount of 1.0% by weight or more and 3.0% by weight or less. .