JP2002321967A

JP2002321967A - 低熱膨張セラミックス

Info

Publication number: JP2002321967A
Application number: JP2001126307A
Authority: JP
Inventors: Minori Iwashima; みのり岩島; Tomohiko Ogata; 知彦尾形
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 2001-04-24
Filing date: 2001-04-24
Publication date: 2002-11-08

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明は、緻密性、高剛性、低熱膨張性、及び
導電性を同時に満足する半導体製造用部品に好適な優れ
たセラミックス素材を提供せんとするものである。【解決手段】気孔率が７％以下であって、該気孔が独立
気孔で、その平均気孔径が５μｍ以下であり、かつ、該
セラミックスの比剛性（ヤング率（ＧＰａ）／密度（ｇ
／ｃｍ³））が３０以上で、ＪＩＳＲ１６１８に基づ
いて測定される熱膨張係数が３×１０ー⁷／Ｋ以下で、さ
らにＪＩＳＣ２１４１による体積固有抵抗値が１０ ⁵
〜１０⁹Ω・ｃｍであるセラミックス。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体露光装置な
どの製造装置用部材として好適に使用できるセラミック
スに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体素子の製造装置用に使
用される部材、例えば、Ｓｉウエハ等の配線を形成する
工程や、ウエハを支持または保持するために使用される
サセプタ、真空チャック、そして絶縁リングやその他の
治具等、また、露光装置のＸＹテーブルの部材において
は、比較的安価で、化学的にも安定であることからセラ
ミックスがそれらの基材に用いられている。

【０００３】一方、近年、半導体素子の回路パターン寸
法の微細化と高集積化は、急速に進化しており、いわゆ
るフォトリソグラフィプロセスに要求される微細化のレ
ベルは、ますます厳しくなりつつある。

【０００４】中でもフォトリソグラフィの中心となる、
半導体の微細パターンを形成するための露光プロセスに
おいては、０．１μｍ以下の位置決め精度が要求されて
きている。

【０００５】従来のセラミックスを、これら半導体製造
装置に適用すると、部材の寸法変化等による露光の位置
合わせ誤差が生じるなど、特性が不足し、得られる製品
の品質や歩留まりに大きな影響が生じることがあった。

【０００６】かかる問題を解決するため、近年、特開平
１１−１００２７５号公報等に開示されているような、
熱膨張係数の小さいコーディエライト系セラミックスを
半導体製造装置用部材に適用する技術が開発されてい
る。

【０００７】また、かかる問題を解決する技術として、
耐熱衝撃性や断熱性が高く、低熱膨張係数を有する素材
であるリチウムアルミノシリケイ酸塩のスポジューメン
を、カルシウムシリケートと複合化して半導体製造装置
用部材に適用する技術が、特開平１１−９２２１６号公
報に開示されており、また、耐熱性、比切削性に優れ、
機械加工が容易なチタン酸アルミニウムを半導体製造装
置用部材に適用する技術が、特開平１１−６０２４０号
公報に開示されている。

【０００８】しかしながら、これら従来技術のセラミッ
クスを、半導体製造装置用部材の基材に用いると、１０
〜４０℃の雰囲気温度範囲において、約０．１℃の雰囲
気温度の変化で、数１００ｎｍ（０．１μｍ）の寸法変
化が生じ、熱膨張係数が大きくなることがあった。

【０００９】また、これら熱膨張係数の大きなセラミッ
クスは一般に気孔率の高い、いわゆる多孔質構造である
ために強度的に脆くなり、さらに塵、埃が気孔中に詰ま
る等の問題もあった。

【００１０】このため、熱間静水圧成形（ＨＩＰ）によ
り、いわば２段の焼成を行ってセラミックスを緻密化す
る方法がとられている。

【００１１】さらに、一般的に上述したセラミックスは
絶縁体であり、半導体製造工程において、ステージ等の
移動によって摩擦が生じ、荷電するおそれがあった。こ
のような荷電したセラミックス部材は塵埃の付着が発生
しやすく、半導体ウエハを汚染する危険があった。

【００１２】かかる現象は、半導体に形成する、露光に
よる配線の幅が細くなる程、顕著となる傾向があり、特
に精度の高い配線を形成する必要がある場合は、上記し
たような従来技術によるセラミックスを適用することは
甚だ困難であった。

【００１３】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、かか
る従来技術の問題点に鑑み、緻密性、高剛性、導電性及
び低熱膨張性を同時に満足し、高精度の材料特性が要求
される半導体製造装置用部材における基材として好適に
用いられるセラミックスを提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】本発明は、かかる課題を
解決するために、次の手段を採用する。即ち、平均径が
５μｍ以下の独立した気孔を有するセラミックスであっ
て、（１）該気孔の気孔率が７％以下であり、（２）比
剛性（ヤング率（ＧＰａ）／密度（ｇ／ｃｍ³））が３
０以上であり、（３）ＪＩＳＲ１６１８による熱膨張
係数が３×１０^-7／Ｋ以下であり、（４）ＪＩＳＣ２
１４１による体積固有抵抗値が１０⁵〜１０⁹Ω・ｃｍで
ある低熱膨張セラミックスである。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明者らは、半導体製造装置用
部材における基材に好適に用いられうるセラミックスに
ついて鋭意検討し、いわゆる独立気孔という特定形態の
気孔を有し、かつ、該気孔の気孔率と平均気孔径とが特
定される範囲にあり、さらに、比剛性と熱膨張係数が特
定される範囲にあるセラミックスにより、かかる課題を
一挙に解決することを見いだしたものである。

【００１６】本発明のセラミックスは、平均径が５μｍ
以下の独立した気孔を有するセラミックスであって、
（１）該気孔の気孔率が７％以下であり、（２）比剛性
（ヤング率（ＧＰａ）／密度（ｇ／ｃｍ³））が３０以
上であり、（３）ＪＩＳＲ１６１８による熱膨張係数
が３×１０^-7／Ｋ以下であり、（４）ＪＩＳＣ２１４
１による体積固有抵抗値が１０⁵〜１０⁹Ω・ｃｍである
低熱膨張性セラミックスである。

【００１７】比剛性が３０未満、又は、熱膨張係数が３
×１０^-7／Ｋを越えると、露光装置用部材に適用した場
合、位置決め時の振動や部材の寸法変化等による露光の
位置合わせ誤差が生じるため精度が低下し、高微細な配
線回路を形成することができないことがある。

【００１８】また、体積固有抵抗値が範囲を超えると帯
電し塵や埃の付着が起こり、範囲を下回ると接触してい
る露光用部材との間に電位差が生じ、スパークを起こし
易くなる。

【００１９】本発明によるセラミックスは、主成分とし
て、例えば、スポジューメン、ユークリプタイト、リン
酸ジルコニル、又はチタン酸アルミニウム等を使用する
ことにより製造されうるものである。

【００２０】ここに「主成分」とは、対象成分が、５０
〜１００重量％、好ましくは５５〜９９重量％、より好
ましくは７０〜９９重量％、セラミックス中に含まれて
いることをいう。

【００２１】ここにスポジューメンとは、［Ｌｉ₂Ｏ・
Ａｌ₂Ｏ₃・４ＳｉＯ₂］、ユークリプタイトは、［Ｌ
ｉ₂Ｏ・Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂］、リン酸ジルコニルは、
[（ＺｒＯ）₂Ｐ₂Ｏ₇]、チタン酸アルミニウムは、［Ｔ
ｉＯ₂・Ａｌ₂Ｏ₃］の一般式で、それぞれ表される、
いわゆる複合酸化物より主としてなるセラミックスをい
う。

【００２２】これら主成分となるセラミックスにおい
て、スポジューメンとユークリプタイトは、セラミック
ス１００重量％中、５５〜９０重量％、好ましくは６０
〜９５重量％、また、リン酸ジルコニル、チタン酸アル
ミニウムは、セラミックス１００重量％中、５５〜９９
重量％、好ましくは６０〜９９重量％となるよう、それ
ぞれ配合するのが良い。

【００２３】これらの主成分は、焼結体を低熱膨張化す
るために機能する重要な成分であり、通常、各組成が範
囲を上回るとヤング率の低いものとなり、また、範囲を
下回ると熱膨張が大きくなる傾向がある。

【００２４】これらスポジューメン、ユークリプタイ
ト、リン酸ジルコニル、チタン酸アルミニウムは、絶縁
性があり、低比重であり、室温での熱膨張係数が負の値
を示し、室温付近での温度上昇に伴って収縮する性質を
有するセラミックスであり、そのヤング率も、１００Ｇ
Ｐａ未満とやや低く、脆いものであることから、物性向
上のため、剛性の高い別種のセラミックスを配合するの
が好ましい。

【００２５】かかる別種のセラミックスの具体例として
は、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウム、窒化
ケイ素ウィスカー、酸化錫、炭素、窒化チタン、炭化チ
タン、ホウ化チタン、及びチタン酸鉄からなる群から選
ばれる少なくとも１種が挙げられる。

【００２６】それら別種のセラミックス（以下、副成分
という）の配合量は、窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化ア
ルミニウム、窒化ケイ素ウィスカー、酸化錫、炭素、窒
化チタン、炭化チタン、ホウ化チタン、及びチタン酸鉄
からなる群から選ばれる少なくとも１種のセラミックス
を配合する場合は、セラミックス１００重量％中、１〜
４４重量％、好ましくは１０〜３５重量％の範囲内、チ
タン酸鉄を単独で配合する場合は、１．５〜１０重量％
の範囲内とするのが良い。このような副成分は、正の熱
膨張係数を示し、室温で膨張する性質を有するものであ
る。また、導電性を有するものもある。このため、各組
成が範囲を下回ると、得られるセラミックスは、通常、
低ヤング率のものや絶縁体となり、範囲を上回ると、熱
膨張が大きくなる。

【００２７】かかる副成分を前記主成分に追加して配合
することにより、熱膨張の加成性によって本発明による
セラミックスのＪＩＳＲ１６１８による熱膨張係数
が、３×１０^-7／Ｋ以下、好ましくは１×１０^-7／Ｋ以
下とすることが可能となる。さらに、それら副成分の中
で、導電性を有するものを適当量配合することにより、
得られるセラミックスに、適正な導電性を付与すること
も可能となる。

【００２８】また、本発明によるセラミックスは、主成
分及び副成分の配合量を上記した範囲内とすることによ
り、材料中の気孔が分離独立した、いわゆる独立気孔を
有するものとなり、次式（１）で表される気孔率が７％
以下、好ましくは３％以下となりうるのである。

【００２９】気孔率（％）＝［１−（実際の密度／理論密度）］×１００・・・（１）また、本発明では、例えば、主成分にスポジューメンを
使用し、副成分に窒化ケイ素及び窒化チタンを使用する
ことにより、ＪＩＳＲ１６０２によるヤング率が１０
０ＧＰａ以上、ＪＩＳＣ２１４１による体積固有抵抗
値が、１０⁵〜１０⁹Ω・ｃｍとなりうることから、好ま
しい。

【００３０】これにより、得られるセラミックスの導電
性が著しく高まり、帯電による塵、埃の付着が効果的に
防止され、異物による露光不良が低減するため、半導体
製造装置用部材に、さらに好適なものとなる。

【００３１】以下、本発明によるセラミックスの製造法
の一例を説明する。本発明によるセラミックスは、例え
ば、粒径が５μｍ以下である、前記したような主成分と
副成分で構成される無機粒子を、ボールミル等により十
分に粉砕、混合し、金型プレス、冷間静水圧プレス、押
し出し成型等の成形手段により任意の形状に成形した
後、加圧焼結法又は常圧焼結法により、９００〜１９０
０℃、好ましくは９００〜１８６０℃の温度範囲で焼結
することによって製造することができる。

【００３２】かかる製造方法においては、混合する主成
分の無機粒子や副成分の無機粒子等の種類に応じて各々
適合した製造条件を選択するのが好ましい。例えば、主
成分の無機粒子にスポジューメン、リン酸ジルコニルを
使用する場合には、９００〜１３５０℃の温度範囲で焼
結するのが良く、ユークリプタイトを使用する場合に
は、９００〜１３００℃の温度範囲で焼結するのが良
い。また、チタン酸アルミニウムを使用する場合には、
１３００〜１８６０℃の温度範囲で焼成するのが良い。

【００３３】また、これら製造条件において、焼結時間
は１〜１０時間の範囲とするのが良い。

【００３４】尚、これら焼結における雰囲気は、大気
中、減圧下、又は不活性ガス雰囲気中のいずれかについ
て、焼成する材料の配合成分によって適宜選択するのが
良い。

【００３５】本発明によるセラミックスは、試料支持台
等の半導体製造装置用部材の基材として好適に使用でき
るものとなる。

【００３６】

【実施例】以下、実施例により、本発明をさらに詳細に
説明する。（実施例１〜６、比較例１〜４）平均粒径５μｍのスポ
ジューメン粉末又はユークリプタイト粉末と、平均粒径
４μｍの窒化ケイ素粉末と、平均粒径１μｍの窒化チタ
ン粉末とを表１、２に示す割合とし、ビーズミルで２時
間混合した。

【００３７】次に、ホットプレスを用いて０．３ＭＰａ
の圧力を加えながら、表１、２に示す条件で加圧して焼
結試料を作成し、この焼結試料を鏡面研磨して平板状に
加工した。上記平板状セラミックスに対して、ＪＩＳ
Ｒ１６１８による、０〜５０℃の温度範囲における熱膨
張係数を測定した。また、ＪＩＳＲ１６０２に従っ
て、超音波パルス法により、室温でのヤング率を測定し
た。また、ＪＩＳＣ２１４１に従って、室温での体積
固有抵抗値を測定した。

【００３８】さらに、気孔の平均径は、走査型電子顕微
鏡により観察して定量した。これら測定結果を表１、２
に纏めて示す。

【００３９】

【表１】

【００４０】

【表２】

【００４１】表１に、焼結温度を一定条件とし、スポジ
ューメン、窒化ケイ素、窒化チタンの配合比を変更した
結果を示す。ここに比較例１では焼結体を得ることがで
きなかった。また、比較例２で得られた平板状セラミッ
クスは、体積固有抵抗値１０ ¹²Ω・ｃｍ以上であり、い
わゆる絶縁体であった。

【００４２】一方、窒化ケイ素、窒化チタンを所定の比
率で配合した実施例１〜３では、独立気孔の気孔率が３
％以下、その平均径１μｍ以下、比剛性４２以上と優れ
た値を示した。

【００４３】また、実施例１〜３では、ヤング率が１１
０ＧＰａ以上と高い値を示し、さらには体積固有抵抗値
が１０⁶〜１０⁹Ω・ｃｍとなった。

【００４４】表２に、焼結温度を一定条件とし、ユーク
リプタイト、窒化ケイ素、窒化チタンの配合比を変更し
た結果を示す。比較例３では焼結体を得ることができな
かった。また、比較例４で得られた平板状セラミックス
は、体積固有抵抗値１０¹²Ω・ｃｍ以上であり、いわゆ
る絶縁体であった。

【００４５】一方、窒化ケイ素、窒化チタンを所定の比
率で配合した実施例４〜６では、独立気孔の気孔率が３
％以下、その平均径１μｍ以下、比剛性４１以上と、優
れた値を示した。

【００４６】また、実施例１〜３では、ヤング率が１１
０ＧＰａ以上と高い値を示し、さらには体積固有抵抗値
が１０⁶〜１０⁹Ω・ｃｍとなった。

【００４７】このように、各実施例に示すセラミックス
では、半導体製造用部材として使用するのに要求される
導電性特性を効果的に付与することができた。

【００４８】

【発明の効果】本発明によれば、雰囲気の温度変化に対
して寸法の変化が僅少な優れた特性を有するセラミック
スを提供できる。

【００４９】また、本発明によるセラミックスは、高微
細な回路を形成するためのウエハ露光処理を行う半導体
製造装置用部品、例えば、露光装置用ステージ等に好適
に提供できるものとなる。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続きＦターム(参考） 4G030 AA16 AA17 AA21 AA27 AA36 AA39 AA41 AA45 AA47 AA49 AA51 AA52 AA54 AA60 BA01 BA02 BA20 BA24 HA16 4G031 AA11 AA12 AA21 AA29 AA31 AA33 AA36 AA37 AA38 AA40 BA01 BA02 BA20 BA24

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】平均径が５μｍ以下の独立した気孔を有す
るセラミックスであって、（１）該気孔の気孔率が７％
以下であり、（２）比剛性（ヤング率（ＧＰａ）／密度
（ｇ／ｃｍ³））が３０以上であり、（３）ＪＩＳＲ
１６１８による熱膨張係数が３×１０^-7／Ｋ以下であ
り、（４）ＪＩＳＣ２１４１による体積固有抵抗値が
１０⁵〜１０⁹Ω・ｃｍである低熱膨張セラミックス。
【請求項２】ＪＩＳＲ１６０２によるヤング率が１０
０ＧＰａ以上である請求項１記載のセラミックス。
【請求項３】スポジューメン、ユークリプタイト、リン
酸ジルコニル、又はチタン酸アルミニウムを主成分とす
る請求項１又は２記載のセラミックス。
【請求項４】窒化ケイ素、炭化ケイ素、窒化アルミニウ
ム、窒化ケイ素ウィスカー、酸化錫、炭素、窒化チタ
ン、炭化チタン、ホウ化チタン、及びチタン酸鉄からな
る群から選ばれる少なくとも１種を含む請求項１〜３の
いずれかに記載のセラミックス。
【請求項５】請求項１〜４のいずれかに記載のセラミッ
クスを基材に使用してなる半導体製造装置用部材。