JP2020155571A - Wafer support and method for manufacturing wafer support - Google Patents

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Abstract

To provide a new wafer support in which a ceramic material excellent in workability is used.SOLUTION: A wafer support 10 includes: a substrate 12 made of machinable ceramic; and conductive members 14, 16 that are at least partially included in the substrate. The machinable ceramic comprises a material having a bending strength of 600 MPa or less, a Young's modulus of 250 GPa or less, and a Vickers hardness of 5 GPa or less. The material quality of the machinable ceramic is a sintered body comprising at least two materials which are selected from the group consisting of boron nitride, zirconium oxide, silicon nitride and silicon carbide and which contain boron nitride as essential components.SELECTED DRAWING: Figure 1

Description

本願発明は、ウエハを支持する支持体に関する。 The present invention relates to a support that supports a wafer.

従来、半導体製造プロセスの様々な場面で、ウエハの搬送や加熱に静電チャックや加熱ヒータといったセラミックスからなる部品が用いられている。静電チャックやセラミックスヒータは、基材であるセラミックス材料の中に電極や抵抗加熱体といった異種材料が埋設されている(特許文献1、2参照)。 Conventionally, parts made of ceramics such as electrostatic chucks and heating heaters have been used for conveying and heating wafers in various situations in the semiconductor manufacturing process. In the electrostatic chuck and the ceramic heater, different materials such as electrodes and resistance heating elements are embedded in the ceramic material which is the base material (see Patent Documents 1 and 2).

特許第2967024号公報Japanese Patent No. 2967024 特許第6030045号公報Japanese Patent No. 6030045

しかしながら、従来の静電チャック等に用いられるセラミックス材料は、窒化珪素や窒化アルミニウムといった加工が難しいファインセラミックスが多く、切削速度やチッピング(欠け)の観点から複雑な加工が困難であった。 However, many of the ceramic materials used for conventional electrostatic chucks and the like are fine ceramics such as silicon nitride and aluminum nitride that are difficult to process, and complicated processing is difficult from the viewpoint of cutting speed and chipping (chip).

本発明はこうした状況に鑑みてなされたものであり、その目的とするところは、加工性に優れたセラミックス材料を用いた新たなウエハ支持体を提供することにある。 The present invention has been made in view of these circumstances, and an object of the present invention is to provide a new wafer support using a ceramic material having excellent workability.

上記課題を解決するために、本発明のある態様のウエハ支持体は、マシナブルセラミックスからなる基材と、基材に少なくとも一部が内包された導電部材と、を有する。 In order to solve the above problems, the wafer support according to an embodiment of the present invention includes a base material made of machinable ceramics and a conductive member having at least a part enclosed in the base material.

マシナブルセラミックスは、一般的なファインセラミックスと比較して加工が容易である。そこで、この態様によると、基材を作製する段階で複雑な形状を実現しなくても、基材を作製してから加工ができるため、様々な形状のウエハ支持体の製造が可能となる。 Machinable ceramics are easier to process than general fine ceramics. Therefore, according to this aspect, it is possible to manufacture wafer supports having various shapes because the base material can be manufactured and then processed without realizing a complicated shape at the stage of manufacturing the base material.

マシナブルセラミックスは、曲げ強度が600MPa以下、ヤング率が250GPa以下、ビッカース硬度が5GPa以下である材料からなってもよい。このような特性を有するマシナブルセラミックスは、加工時の単位時間当たりの研削量(加工レート)が大きく、複雑な形状のウエハ支持体であっても効率良く生産できる。また、基材を単純な形状のブロックとして作製してから、所望の形状に切削加工することで、一部品で複雑なウエハ支持体を製造できる。 The machinable ceramic may be made of a material having a bending strength of 600 MPa or less, a Young's modulus of 250 GPa or less, and a Vickers hardness of 5 GPa or less. Machinable ceramics having such characteristics have a large grinding amount (processing rate) per unit time during processing, and even a wafer support having a complicated shape can be efficiently produced. Further, by manufacturing the base material as a block having a simple shape and then cutting it into a desired shape, a complicated wafer support can be manufactured with one component.

マシナブルセラミックスは、窒化硼素、酸化ジルコニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群より選択された窒化硼素を必須とする少なくとも二つ以上の材料からなる焼結体であってもよい。窒化硼素は、被削性に優れており、窒化硼素を必須成分とするマシナブルセラミックスを用いることで加工レートを大きくできる。また、基材の内部に異種材料である導電部材が内包されたウエハ支持体の場合、基材と導電部材の物性の違いによっては温度変化に対して内部応力が生じる。または、ウエハ支持体の外周部と中心部の温度差によって熱応力が生じる。しかしながら、窒化硼素は、優れた耐熱衝撃性を有しているため、基材が割れにくくなる。 The machinable ceramics may be a sintered body made of at least two or more materials that require boron nitride selected from the group consisting of boron nitride, zirconium oxide, silicon nitride and silicon carbide. Boron nitride has excellent machinability, and the processing rate can be increased by using machinable ceramics containing boron nitride as an essential component. Further, in the case of a wafer support in which a conductive member which is a different material is contained inside the base material, an internal stress is generated with respect to a temperature change depending on the difference in physical properties between the base material and the conductive member. Alternatively, thermal stress is generated by the temperature difference between the outer peripheral portion and the central portion of the wafer support. However, since boron nitride has excellent thermal shock resistance, the base material is less likely to crack.

マシナブルセラミックスは、窒化硼素、酸化ジルコニウム、窒化珪素および炭化珪素のセラミックス成分の合計を100質量%とした場合に、窒化硼素を10〜80質量%含有し、窒化珪素を0〜80質量%含有し、酸化ジルコニウムを0〜80質量%含有し、炭化珪素を0〜40質量%含有してもよい。セラミックス成分の合計を100質量%とした場合に、更に焼結助剤成分を3〜25質量%含有してもよい。 Machinable ceramics contain 10 to 80% by mass of boron nitride and 0 to 80% by mass of silicon nitride when the total of the ceramic components of boron nitride, zirconium oxide, silicon nitride and silicon carbide is 100% by mass. However, it may contain 0 to 80% by mass of zirconium oxide and 0 to 40% by mass of silicon carbide. When the total of the ceramic components is 100% by mass, the sintering aid component may be further contained in an amount of 3 to 25% by mass.

導電部材は、モリブデン、タングステン、タンタルおよびそれらを含む合金からなる群から選択される金属材料で構成されていてもよい。 The conductive member may be composed of a metal material selected from the group consisting of molybdenum, tungsten, tantalum and alloys containing them.

基材は、ウエハが搭載される搭載面を有する支持部と、支持部の搭載面と反対側に設けられている柱状部と、を有してもよい。支持部と柱状部とがつなぎ目のない一部品で構成されていてもよい。これにより、ウエハ支持体自体には接合部(つなぎ目)がないため、原理的にリークが生じない。 The base material may have a support portion having a mounting surface on which the wafer is mounted, and a columnar portion provided on the side opposite to the mounting surface of the support portion. The support portion and the columnar portion may be composed of one seamless component. As a result, since the wafer support itself has no joints (joints), leakage does not occur in principle.

搭載面の表面の算術平均粗さRaが0.1〜0.6μmの範囲であってもよい。 The arithmetic mean roughness Ra of the surface of the mounting surface may be in the range of 0.1 to 0.6 μm.

導電部材は、基材の表面にウエハを固定するための吸着力を発生させる電流が流れる電極として機能し、基材は、25〜500℃の温度範囲における体積抵抗率が10〜1016Ωcmの範囲であるセラミックス材料で構成されていてもよい。これにより、ウエハ支持体を静電チャックとして用いることができる。 The conductive member acts as an electrode in which a current flows to generate a suction force to secure the wafer to the surface of the substrate, the substrate has a volume resistivity in the temperature range of 25 to 500 ° C. is 10 6 to 10 16 [Omega] cm It may be composed of a ceramic material within the range of. As a result, the wafer support can be used as an electrostatic chuck.

本発明の他の態様は、ウエハ支持体の製造方法である。この製造方法は、上述のウエハ支持体を、例えばホットプレス装置を用いて、高温加圧焼結することで製造してもよい。ホットプレス装置における焼成温度は、1300℃以上、好ましくは1400℃以上であってもよい。また、窒素またはアルゴンといった不活性ガスの雰囲気中で処理が行われてもよい。 Another aspect of the present invention is a method for manufacturing a wafer support. In this manufacturing method, the above-mentioned wafer support may be manufactured by high-temperature pressure sintering using, for example, a hot press device. The firing temperature in the hot press apparatus may be 1300 ° C. or higher, preferably 1400 ° C. or higher. Further, the treatment may be carried out in an atmosphere of an inert gas such as nitrogen or argon.

この態様によると、マシナブルセラミックスとなる組成の原料を焼結できる。 According to this aspect, a raw material having a composition of machinable ceramics can be sintered.

なお、以上の構成要素の任意の組合せ、本発明の表現を方法、装置、システムなどの間で変換したものもまた、本発明の態様として有効である。また、上述した各要素を適宜組み合わせたものも、本件特許出願によって特許による保護を求める発明の範囲に含まれうる。 It should be noted that any combination of the above components and the conversion of the expression of the present invention between methods, devices, systems and the like are also effective as aspects of the present invention. Further, an appropriate combination of the above-mentioned elements may be included in the scope of the invention for which protection by the patent is sought by the present patent application.

本発明によれば、加工性に優れたセラミックス材料を用いた新たなウエハ支持体を実現できる。 According to the present invention, a new wafer support using a ceramic material having excellent workability can be realized.

本実施の形態に係るウエハ支持体の概略断面図である。It is the schematic sectional drawing of the wafer support which concerns on this embodiment. 本実施の形態に係るウエハ支持体の上面図である。It is a top view of the wafer support which concerns on this embodiment. 所定形状(円柱状)の焼結体から、本実施の形態に係るウエハ支持体が削り出される様子を説明するための模式図である。It is a schematic diagram for demonstrating how the wafer support which concerns on this Embodiment is carved out from the sintered body of a predetermined shape (cylindrical shape). 実施例1〜3、比較例1,2に係るウエハ支持体の温度と体積抵抗率との関係を示す図である。It is a figure which shows the relationship between the temperature and volume resistivity of the wafer support which concerns on Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2.

以下、図面を参照しながら、本発明を実施するための形態について詳細に説明する。なお、図面の説明において同一の要素には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。 Hereinafter, embodiments for carrying out the present invention will be described in detail with reference to the drawings. In the description of the drawings, the same elements are designated by the same reference numerals, and duplicate description will be omitted as appropriate.

(ウエハ支持体)
ウエハ支持体は、シリコンウエハ等の半導体基板を支持できればよく、吸着機構や加熱機構を備えていてもよい。例えば、ウエハ支持体は、単にウエハを搭載するサセプタであってもよい。また、ウエハ支持体は、搭載されたウエハに対して吸着力を生じる静電チャックや、ウエハを加熱するヒータであってもよい。また、ウエハ支持体が支持する対象物は、主にウエハであるが、その他の部材や部品を支持するものであってもよい。
(Wafer support)
The wafer support may be provided with a suction mechanism or a heating mechanism as long as it can support a semiconductor substrate such as a silicon wafer. For example, the wafer support may simply be a susceptor on which the wafer is mounted. Further, the wafer support may be an electrostatic chuck that generates an attractive force with respect to the mounted wafer or a heater that heats the wafer. Further, the object supported by the wafer support is mainly a wafer, but other members and parts may be supported.

本実施の形態では、ウエハ支持体がヒータ付きの静電チャックである場合を一例に説明する。図1は、本実施の形態に係るウエハ支持体の概略断面図である。図2は、本実施の形態に係るウエハ支持体の上面図である。 In the present embodiment, a case where the wafer support is an electrostatic chuck with a heater will be described as an example. FIG. 1 is a schematic cross-sectional view of a wafer support according to the present embodiment. FIG. 2 is a top view of the wafer support according to the present embodiment.

本実施の形態に係るウエハ支持体10は、マシナブルセラミックスからなる基材12と、基材12に少なくとも一部が内包された導電部材14,16と、を有する。基材12は、ウエハWが搭載される搭載面18aを有する支持部18と、支持部18の搭載面18aと反対側に設けられている柱状部20と、を有している。本実施の形態に係る支持部18は円板状であり、柱状部20は円筒状であり、支持部18と柱状部20とがつなぎ目のない一部品で構成されている。 The wafer support 10 according to the present embodiment includes a base material 12 made of machinable ceramics, and conductive members 14 and 16 in which at least a part of the base material 12 is enclosed. The base material 12 has a support portion 18 having a mounting surface 18a on which the wafer W is mounted, and a columnar portion 20 provided on the side opposite to the mounting surface 18a of the support portion 18. The support portion 18 according to the present embodiment has a disk shape, the columnar portion 20 has a cylindrical shape, and the support portion 18 and the columnar portion 20 are composed of one seamless component.

導電部材14は、基材12の搭載面18aにウエハWを固定するための吸着力を発生させる電流が流れる静電チャック電極14a,14bとして機能する。また、導電部材16は抵抗加熱体16aとして機能する。なお、本実施の形態に係るウエハ支持体10において、導電部材14,16は、焼結体である基材12の支持部18に埋設されている。そのため、導電部材14,16は、焼成の段階で原料粉末の内部に配置されている必要があり、焼成温度で溶けないような高融点金属であることが好ましい。例えば、導電部材の材料としては、モリブデン、タングステン、タンタル等の高融点金属や、それらを二種以上含む合金が好ましい。 The conductive member 14 functions as electrostatic chuck electrodes 14a and 14b through which a current for generating an attractive force for fixing the wafer W on the mounting surface 18a of the base material 12 flows. Further, the conductive member 16 functions as a resistance heating element 16a. In the wafer support 10 according to the present embodiment, the conductive members 14 and 16 are embedded in the support portion 18 of the base material 12 which is a sintered body. Therefore, the conductive members 14 and 16 need to be arranged inside the raw material powder at the firing stage, and are preferably high melting point metals that do not melt at the firing temperature. For example, as the material of the conductive member, refractory metals such as molybdenum, tungsten, and tantalum, and alloys containing two or more of them are preferable.

(マシナブルセラミックス)
本発明者は、ウエハ支持体に適した材料を見出すために鋭意検討した結果、加工性がよい(快削性を有する)いわゆるマシナブルセラミックスからなる焼結体が好ましいことを見出した。
(Machinable ceramics)
As a result of diligent studies to find a material suitable for the wafer support, the present inventor has found that a sintered body made of so-called machinable ceramics having good workability (having free-cutting property) is preferable.

マシナブルセラミックスは、一般的なファインセラミックス、例えば酸化アルミニウム、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素等と比較して、機械加工が容易である。つまり、マシナブルセラミックスにおいては、セラミックスの加工で問題になるチッピングと呼ばれる欠けが発生しにくく、複雑な加工が可能となる。また、マシナブルセラミックスの加工時の研削量(加工レート)は、ファインセラミックスの加工時の研削量の数倍から数百倍であり、効率のよい加工が可能である。 Machinable ceramics are easier to machine than general fine ceramics such as aluminum oxide, silicon nitride, aluminum nitride, and silicon carbide. That is, in machinable ceramics, chipping called chipping, which is a problem in ceramics processing, is unlikely to occur, and complicated processing becomes possible. Further, the grinding amount (machining rate) at the time of processing the machinable ceramics is several to several hundred times the grinding amount at the time of processing the fine ceramics, and efficient processing is possible.

マシナブルセラミックスはセラミックス成分となる複数の原料化合物が混合されている複合材であり、例えば、炭化珪素(SiC)の配合割合によって、体積抵抗率を調整できる。その結果、クーロン型やジョンソンラーベック型といった静電チャックの吸着機構のどちらにも対応できる。また、ヒータの場合は炭化珪素を添加しないことで絶縁体として使用できる。なお、マシナブルセラミックスは全体が均一組成である必要はなく、ウエハWが搭載される搭載面18aに近い導電部材14を収容する部分、支持部18の中心部にある導電部材16を収容する部分、柱状部20に近い部分のそれぞれで、各部分の機能が最適になるように組成を異ならせてもよい。 Machinable ceramics is a composite material in which a plurality of raw material compounds as ceramic components are mixed, and the volume resistivity can be adjusted by, for example, the blending ratio of silicon carbide (SiC). As a result, it can be applied to both the adsorption mechanism of the electrostatic chuck such as the Coulomb type and the Johnson Raebeck type. Further, in the case of a heater, it can be used as an insulator by not adding silicon carbide. The machinable ceramics do not have to have a uniform composition as a whole, and a portion for accommodating the conductive member 14 near the mounting surface 18a on which the wafer W is mounted and a portion for accommodating the conductive member 16 in the center of the support portion 18. , The composition of each of the portions close to the columnar portion 20 may be different so that the function of each portion is optimized.

更に主成分の一つに窒化硼素(BN)が挙げられているが、一般的な酸化アルミニウム(Al)、窒化珪素(Si)、窒化アルミニウム(AlN)、炭化珪素(SiC)に比べ優れた耐熱衝撃性を有しており、製品であるウエハ支持体になった際、割れによる破損を防止することができる。 Furthermore, although boron nitride (BN) is mentioned as one of the main components, general aluminum oxide (Al 2 O 3 ), silicon nitride (Si 3 N 4 ), aluminum nitride (Al N), and silicon carbide (SiC) are mentioned. ), It has excellent thermal shock resistance, and when it becomes a product wafer support, it can prevent damage due to cracking.

本実施の形態係るマシナブルセラミックスは、窒化硼素、酸化ジルコニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群より選択された窒化硼素を必須とする少なくとも二つ以上の材料からなる焼結体である。窒化硼素は、被削性にも優れており、窒化硼素を必須成分とするマシナブルセラミックスを用いることで加工レートを大きくできる。また、基材の内部に異種材料である導電部材が内包されたウエハ支持体の場合、基材と導電部材の物性の違いによっては温度変化に対して内部応力が生じる。または、ウエハ支持体の外周部と中心部の温度差によって熱応力が生じる。しかしながら、窒化硼素は、優れた耐熱衝撃性を有しているため、基材が割れにくくなる。 The machinable ceramic according to the present embodiment is a sintered body made of at least two or more materials that require boron nitride selected from the group consisting of boron nitride, zirconium oxide, silicon nitride, and silicon carbide. Boron nitride is also excellent in machinability, and the processing rate can be increased by using machinable ceramics containing boron nitride as an essential component. Further, in the case of a wafer support in which a conductive member which is a different material is contained inside the base material, an internal stress is generated with respect to a temperature change depending on the difference in physical properties between the base material and the conductive member. Alternatively, thermal stress is generated by the temperature difference between the outer peripheral portion and the central portion of the wafer support. However, since boron nitride has excellent thermal shock resistance, the base material is less likely to crack.

本実施の形態に係るマシナブルセラミックスは、窒化硼素、酸化ジルコニウム、窒化珪素および炭化珪素のセラミックス成分の合計を100質量%とした場合に、窒化硼素を10〜80質量%含有し、窒化珪素を0〜80質量%含有し、酸化ジルコニウムを0〜80質量%含有し、炭化珪素を0〜40質量%含有しているとよい。 The machinable ceramics according to the present embodiment contain 10 to 80% by mass of boron nitride and silicon nitride, assuming that the total ceramic components of boron nitride, zirconium oxide, silicon nitride and silicon carbide are 100% by mass. It is preferable that it contains 0 to 80% by mass, zirconium oxide in an amount of 0 to 80% by mass, and silicon carbide in an amount of 0 to 40% by mass.

また、本実施の形態に係るマシナブルセラミックスは、焼結助剤成分を含有している。焼結助剤は、窒化珪素や窒化硼素の焼結に使用されているものから選択することができる。好ましい焼結助剤は酸化アルミニウム(アルミナ)、酸化マグネシウム(マグネシア)、酸化イットリウム(イットリア)、およびランタノイド金属の酸化物から得られた1種若しくは2種以上である。より好ましくはアルミナとイットリアの混合物、若しくはこれに更にマグネシアを添加した混合物、若しくはイットリアとマグネシアの混合物等である。 Further, the machinable ceramics according to the present embodiment contain a sintering aid component. The sintering aid can be selected from those used for sintering silicon nitride and boron nitride. Preferred sintering aids are one or more obtained from oxides of aluminum oxide (alumina), magnesium oxide (magnesia), yttrium oxide (yttria), and lanthanoid metals. More preferably, it is a mixture of alumina and yttria, a mixture obtained by further adding magnesia, or a mixture of yttria and magnesia.

焼結助剤成分の配合量は、セラミックス成分の合計を100質量%とした場合に、外掛けで1〜25質量%、特に3〜25質量%の範囲とすることが望ましい。焼結助剤成分の配合量が1質量%以上、好ましくは3質量%以上であれば、緻密化しやすくなり、焼結体の密度不足や機械的特性の低下を抑制できる。一方、焼結助剤成分の配合量が25質量%以下であれば、強度の低い粒界相が低減されることで、機械的強度の低下や粒界相の増加による加工性の低下が抑制できる。 The blending amount of the sintering aid component is preferably in the range of 1 to 25% by mass, particularly 3 to 25% by mass, when the total of the ceramic components is 100% by mass. When the blending amount of the sintering aid component is 1% by mass or more, preferably 3% by mass or more, it becomes easy to densify, and it is possible to suppress insufficient density of the sintered body and deterioration of mechanical properties. On the other hand, when the blending amount of the sintering aid component is 25% by mass or less, the low-strength grain boundary phase is reduced, so that the decrease in mechanical strength and the decrease in workability due to the increase in the grain boundary phase are suppressed. it can.

なお、窒化硼素は、被削性に優れるものの強度特性が悪い。したがって、焼結体中に粗大な窒化硼素が存在すると、それが破壊起点となって、加工時のカケ、割れ発生要因となる。このような粗大な窒化硼素粒子を形成しないためには、原料粉末を微粉にすることが有効である。主原料粉末、特に窒化硼素の原料粉末は平均粒径2μm未満のものを使用することが望ましい。窒化硼素は、六方晶系(h−BN)低圧相のものや立方晶系(c−BN)高圧相のものなどが存在するが、快削性の観点では六方晶系の窒化硼素が好ましい。また、加工性の観点では、窒化硼素が多いほど、また、窒化珪素(および酸化ジルコニウム)が少ないほど好ましい。また、機械的強度やヤング率は、窒化硼素が多いほど、また、窒化珪素(および酸化ジルコニウム)が少ないほど低くなる。 Boron nitride has excellent machinability but poor strength characteristics. Therefore, if coarse boron nitride is present in the sintered body, it becomes a fracture starting point and causes chipping and cracking during processing. In order not to form such coarse boron nitride particles, it is effective to make the raw material powder into fine powder. It is desirable to use the main raw material powder, particularly the raw material powder of boron nitride, having an average particle size of less than 2 μm. As the boron nitride, there are a hexagonal (h-BN) low-pressure phase and a cubic (c-BN) high-pressure phase, and hexagonal boron nitride is preferable from the viewpoint of free-cutting property. From the viewpoint of processability, it is preferable that the amount of boron nitride is large and the amount of silicon nitride (and zirconium oxide) is small. In addition, the mechanical strength and Young's modulus decrease as the amount of boron nitride increases and the amount of silicon nitride (and zirconium oxide) decreases.

マシナブルセラミックスとしては、例えば、BN含有窒化珪素系セラミックス(「ホトベールII」、「ホトベールII-k70」:株式会社フェローテックセラミックス製)が挙げられる。なお、ホトベールII-k70の組成は、窒化硼素が38.5質量%、窒化珪素が54.1質量%、イットリアが5.5質量%、マグネシア1.9質量%である。このBN含有窒化珪素系セラミックスは、曲げ強度が600MPa以下、ヤング率が250GPa以下、ビッカース硬度が5GPa以下である。このような特性を有するマシナブルセラミックスは、加工時の単位時間当たりの研削量(加工レート)が大きく、複雑な形状のウエハ支持体であっても効率良く生産できる。また、基材を単純な形状のブロックとして作製してから、所望の形状に切削加工することで、一部品で複雑なウエハ支持体を製造できる。 Examples of the machinable ceramics include BN-containing silicon nitride-based ceramics (“Hotvale II”, “Hotvale II-k70”: manufactured by Ferrotec Ceramics Co., Ltd.). The composition of Photober II-k70 is 38.5% by mass of boron nitride, 54.1% by mass of silicon nitride, 5.5% by mass of yttria, and 1.9% by mass of magnesia. This BN-containing silicon nitride-based ceramic has a bending strength of 600 MPa or less, a Young's modulus of 250 GPa or less, and a Vickers hardness of 5 GPa or less. Machinable ceramics having such characteristics have a large grinding amount (processing rate) per unit time during processing, and even a wafer support having a complicated shape can be efficiently produced. Further, by manufacturing the base material as a block having a simple shape and then cutting it into a desired shape, a complicated wafer support can be manufactured with one component.

(焼結体の製造方法)
まず、後述する各実施例や各比較例の配合量に応じて、窒化硼素、酸化ジルコニウム、窒化珪素および炭化珪素等のセラミックス成分となる主原料粉末と、セラミックス成分の合計を100質量%とした場合に、3〜25質量%の焼結助剤粉末と、を混合して原料粉末を調製する。この混合は、例えば、湿式ボールミル等により行うことができる。
(Manufacturing method of sintered body)
First, the total of the main raw material powder as a ceramic component such as boron nitride, zirconium oxide, silicon nitride and silicon carbide and the ceramic component was set to 100% by mass according to the blending amount of each Example and each Comparative Example described later. In some cases, a raw material powder is prepared by mixing with 3 to 25% by mass of a sintering aid powder. This mixing can be performed by, for example, a wet ball mill or the like.

次に、原料粉末または成型体あるいはその両方を高温加圧下で成形し、焼成することで焼結体が作製される。なお、原料粉末または成型体の一部を焼結体に置き換えてもよい。また、ヒータのための抵抗加熱体や静電チャックの電極を焼結体の内部に設けるためには、ホットプレス装置に原料粉末、成型体または焼結体を充填する際に、焼成後に導電体となる部材や材料(例えば、金属板、金属箔、導電ペースト、コイル、メッシュ等)を所定位置に配置(埋設)すればよい。なお、導電体の形状は特に限定されない。この焼成は、例えば、ホットプレス装置を用いて行うことができる。ホットプレスは、非酸化性(不活性)雰囲気である例えば窒素やアルゴン雰囲気中で行うが、加圧窒素中で行ってもよい。ホットプレス温度は例えば、1300〜1950℃の範囲である。温度が低すぎると焼結が不十分となり、高すぎると主原料の熱分解が起こるようになる。加圧力は20〜50MPaの範囲内が適当である。ホットプレスの持続時間は温度や寸法にもよるが、通常は1〜4時間程度である。高温加圧焼結は、HIP(ホットアイソスタティクプレス)により行うこともできる。この場合の焼結条件も、当業者であれば適宜設定できる。 Next, the raw material powder, the molded product, or both are molded under high temperature and pressure and fired to produce a sintered body. The raw material powder or a part of the molded body may be replaced with a sintered body. Further, in order to provide the resistance heater for the heater and the electrode of the electrostatic chuck inside the sintered body, when the hot press device is filled with the raw material powder, the molded body or the sintered body, the conductor is used after firing. Members and materials (for example, metal plates, metal foils, conductive pastes, coils, meshes, etc.) may be arranged (embedded) at predetermined positions. The shape of the conductor is not particularly limited. This firing can be performed using, for example, a hot press device. The hot press is performed in a non-oxidizing (inert) atmosphere, for example, a nitrogen or argon atmosphere, but may be performed in pressurized nitrogen. The hot press temperature is, for example, in the range of 1300 to 1950 ° C. If the temperature is too low, sintering will be insufficient, and if it is too high, thermal decomposition of the main raw material will occur. The pressing force is appropriately in the range of 20 to 50 MPa. The duration of the hot press depends on the temperature and dimensions, but is usually about 1 to 4 hours. High temperature pressure sintering can also be performed by HIP (hot isostatic press). Sintering conditions in this case can also be appropriately set by those skilled in the art.

その後、焼結体を所望の形状に加工し、ウエハ支持体が製造される。本実施の形態に係るマシナブルセラミックスは、高強度で高マシナブル性(快削性)を有するので、複雑な微細加工が工業的に現実的な時間で可能である。図3は、所定形状(円柱状)の焼結体22から、本実施の形態に係るウエハ支持体10が削り出される様子を説明するための模式図である。 Then, the sintered body is processed into a desired shape to manufacture a wafer support. Since the machinable ceramics according to the present embodiment have high strength and high machinability (free-cutting property), complicated microfabrication can be performed in an industrially realistic time. FIG. 3 is a schematic view for explaining how the wafer support 10 according to the present embodiment is carved out from the sintered body 22 having a predetermined shape (cylindrical shape).

図3に示すように、本実施の形態に係る焼結体22は、直径Lが300〜450mm、厚みdが100〜300mm程度の円柱状の部材である。このように単純な形状であれば、ホットプレス装置において複雑な型を用いずに済み、均一で緻密な焼結体を作製できる。その後、切削機械を用いて領域R1〜R3を順次切削することで、所望の形状のウエハ支持体が作製される。 As shown in FIG. 3, the sintered body 22 according to the present embodiment is a columnar member having a diameter L of about 300 to 450 mm and a thickness d of about 100 to 300 mm. With such a simple shape, it is not necessary to use a complicated mold in the hot press apparatus, and a uniform and dense sintered body can be produced. Then, the regions R1 to R3 are sequentially cut using a cutting machine to produce a wafer support having a desired shape.

前述のように、本実施の形態に係るマシナブルセラミックスは加工レートが大きいため、非常に硬く加工レートが小さい一般的なファインセラミックスと比較して、短時間で多くの領域を削ることができる。つまり、ホットプレス装置における焼成によって基材12を作製する段階で複雑な形状を実現しなくても、基材12を作製してから加工ができるため、様々な形状のウエハ支持体の製造が可能となる。 As described above, since the machinable ceramics according to the present embodiment have a high processing rate, many regions can be cut in a short time as compared with general fine ceramics which are very hard and have a small processing rate. That is, it is possible to manufacture wafer supports having various shapes because the base material 12 can be processed and then processed without realizing a complicated shape at the stage of producing the base material 12 by firing in a hot press apparatus. It becomes.

また、ウエハ支持体は、半導体プロセスのような高真空環境下で使用されることが多く、ウエハ支持体を介したリークを抑えることが重要である。特に、ウエハ支持体が、ウエハを搭載する支持部と、その他の部分(シャフト、管、フランジ等)とが別部品で構成されている場合、部品同士を接合処理や機械締結した箇所からのリークが問題となる。しかしながら、本実施の形態に係るウエハ支持体は全体が一部品であり、接合部(つなぎ目)がないため、原理的にリークが生じない。 Further, the wafer support is often used in a high vacuum environment such as a semiconductor process, and it is important to suppress leakage through the wafer support. In particular, when the wafer support is composed of separate parts for the support part on which the wafer is mounted and other parts (shafts, pipes, flanges, etc.), leaks from the parts where the parts are joined or mechanically fastened. Is a problem. However, since the wafer support according to the present embodiment is a single component and has no joints, leaks do not occur in principle.

また、つなぎ目がなく全体が一部品であるウエハ支持体は、ヒートサイクルや熱衝撃に対する耐性が向上し、製品の信頼性向上につながる。更に、半導体プロセス中で腐食ガス等を用いる場合であっても、ウエハ支持体全体がセラミックス一体型であるため、耐腐食性も向上する。 In addition, the wafer support, which has no joints and is a single component as a whole, has improved resistance to heat cycles and thermal shocks, leading to improved product reliability. Further, even when a corrosive gas or the like is used in the semiconductor process, the entire wafer support is integrated with ceramics, so that the corrosion resistance is also improved.

また従来のファインセラミックスの場合、搭載面の表面の算術平均粗さRaが大きいと静電チャックとウエハとの間からガスが漏れやすかった。一方、本実施の形態に係るウエハ支持体10の搭載面18aの表面の算術平均粗さRaは0.1〜0.6μmの範囲であるが、ガスの漏れは検出されていない。 Further, in the case of conventional fine ceramics, if the arithmetic average roughness Ra of the surface of the mounting surface is large, gas easily leaks from between the electrostatic chuck and the wafer. On the other hand, the arithmetic mean roughness Ra of the surface of the mounting surface 18a of the wafer support 10 according to the present embodiment is in the range of 0.1 to 0.6 μm, but no gas leakage has been detected.

[実施例]
次に、各実施例や各比較例に係るウエハ支持体の特性について説明する。各実施例および各比較例におけるセラミックス成分および焼結助剤成分の含有量は表1に示すとおりである。

Figure 2020155571
[Example]
Next, the characteristics of the wafer support according to each example and each comparative example will be described. The contents of the ceramic component and the sintering aid component in each Example and each Comparative Example are as shown in Table 1.
Figure 2020155571

(体積抵抗率の温度依存性)
実施例1〜9、比較例1,2に係るウエハ支持体の各温度における体積抵抗率を表2に示す。

Figure 2020155571
(Temperature dependence of volume resistivity)
Table 2 shows the volume resistivity of the wafer supports according to Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2 at each temperature.
Figure 2020155571

図4は、実施例1〜3、比較例1,2に係るウエハ支持体の温度と体積抵抗率との関係を示す図である。ウエハ支持体を静電チャックとして用いる場合、適正な吸着力を発生させるために支持部18の体積抵抗率が所望の範囲である必要がある。例えば、クーロン型(高抵抗材)の静電チャックの場合、体積抵抗率は1014Ωcm前後が望ましい。一方、ジョンソンラーベック型(低抵抗材)の静電チャックの場合、体積抵抗率は10〜1011Ωcmの範囲が望ましい。そこで、静電チャックとして機能する本実施の形態に係るウエハ支持体の体積抵抗率は、25〜500℃の温度範囲において10〜1016Ωcm程度の範囲となるように調整されている。これにより、ウエハ支持体を静電チャックとして用いることができる。 FIG. 4 is a diagram showing the relationship between the temperature and volume resistivity of the wafer supports according to Examples 1 to 3 and Comparative Examples 1 and 2. When the wafer support is used as an electrostatic chuck, the volume resistivity of the support portion 18 needs to be in a desired range in order to generate an appropriate suction force. For example, in the case of a Coulomb type (high resistance material) electrostatic chuck, the volume resistivity is preferably around 10 14 Ω cm. On the other hand, in the case of a Johnson-Labeck type (low resistance material) electrostatic chuck, the volume resistivity is preferably in the range of 10 9 to 11 Ωcm. Therefore, the volume resistivity of the wafer support according to the present embodiment serves as an electrostatic chuck is adjusted in the range of about 10 6 to 10 16 [Omega] cm in the temperature range of 25 to 500 ° C.. As a result, the wafer support can be used as an electrostatic chuck.

また、ジョンソンラーベック型の静電チャックの場合、体積抵抗率が変化すると、静電吸着力が変化するとされている。そのため、体積抵抗率の温度依存性が少ないウエハ支持体であれば、様々な使用温度において共用できる。例えば、実施例1、2、4、6〜8に係るウエハ支持体の25℃における体積抵抗率は1.5×10〜7.0×1011Ωcmであり、ジョンソンラーベック型の静電チャックとして使用できる。加えて、実施例1、2、4、6、8に係るウエハ支持体は、25〜500℃の温度範囲での体積抵抗率の変化が二桁程度であり、材料の異なるウエハ支持体を使い分けなくても様々なプロセス温度での使用が可能である。また、実施例3に係るウエハ支持体は、少なくとも25〜200℃の温度範囲で、クーロン型の静電チャックとして使用できる。 Further, in the case of the Johnson-Labeck type electrostatic chuck, it is said that the electrostatic adsorption force changes as the volume resistivity changes. Therefore, any wafer support having little temperature dependence of volume resistivity can be shared at various operating temperatures. For example, the volume resistivity of the wafer supports according to Examples 1, 2, 4, 6 to 8 at 25 ° C. is 1.5 × 10 8 to 7.0 × 10 11 Ωcm, and the Johnson-Labeck type electrostatic charge. Can be used as a chuck. In addition, the wafer supports according to Examples 1, 2, 4, 6, and 8 have a change in volume resistivity of about two orders of magnitude in the temperature range of 25 to 500 ° C., and wafer supports made of different materials are used properly. It can be used at various process temperatures without it. Further, the wafer support according to the third embodiment can be used as a Coulomb type electrostatic chuck in a temperature range of at least 25 to 200 ° C.

(吸着力)
次に、実施例1〜9、比較例1,2に係るウエハ支持体の吸着力について説明する。図1に示すように、ウエハ支持体10は、チャンバ側に露出する搭載面18aから柱状部20の内部を通過して外部のガス供給源(不図示)まで繋がっているガス導入口18bが形成されている。ガス導入口18bは、搭載面18aに吸着されたウエハWを裏面側から冷却するガスを供給するためのものである。ガス導入口18bから搭載面18a側に流入したガスは、放射状の溝18c(図2参照)によってウエハWの裏面側全体に供給される。したがって、搭載面18aとウエハWとの間で十分な吸着力が発生していないと、搭載面18aとウエハWとの隙間からガスがリークすることになる。そこで、実施例1に係るウエハ支持体を用いて静電チャック電極に所定の電圧(±350V)を印加してウエハWを吸着したところ、ガス供給源からのArガス圧が25Torrまでリークが発生しないことが確認された。
(Adsorption power)
Next, the adsorption force of the wafer support according to Examples 1 to 9 and Comparative Examples 1 and 2 will be described. As shown in FIG. 1, the wafer support 10 has a gas introduction port 18b formed from a mounting surface 18a exposed on the chamber side, passing through the inside of the columnar portion 20 and connecting to an external gas supply source (not shown). Has been done. The gas introduction port 18b is for supplying gas for cooling the wafer W adsorbed on the mounting surface 18a from the back surface side. The gas that has flowed into the mounting surface 18a from the gas introduction port 18b is supplied to the entire back surface side of the wafer W by the radial grooves 18c (see FIG. 2). Therefore, if a sufficient suction force is not generated between the mounting surface 18a and the wafer W, gas leaks from the gap between the mounting surface 18a and the wafer W. Therefore, when a predetermined voltage (± 350V) was applied to the electrostatic chuck electrode using the wafer support according to the first embodiment to adsorb the wafer W, the Ar gas pressure from the gas supply source leaked up to 25 Torr. It was confirmed not to.

このように、搭載面18aとウエハWとの間からリークしない程度の吸着力を発生させる電圧を印加し、ウエハ支持体の温度を上げると、体積抵抗率が低下することで、ウエハWに流れる電流が増大する。このような電流の増大は、ウエハに対するプロセス上好ましくない。そこで、搭載面18aとウエハWとの間で静電吸着が生じている状態で、25℃〜500℃まで昇温し、室温で調整を行った電圧を一定に維持しながら、電流の変化を測定した。 In this way, when a voltage that generates an attractive force that does not leak from between the mounting surface 18a and the wafer W is applied and the temperature of the wafer support is raised, the volume resistivity decreases and the current flows through the wafer W. The current increases. Such an increase in current is not desirable in the process for wafers. Therefore, in a state where electrostatic adsorption occurs between the mounting surface 18a and the wafer W, the temperature is raised to 25 ° C. to 500 ° C., and the change in current is changed while maintaining the voltage adjusted at room temperature constant. It was measured.

表3の電流上昇量の欄において、許容内の上昇であったものを「〇」、許容を超える上昇のあったものを「×」と判定した。

Figure 2020155571
In the column of the amount of current increase in Table 3, the increase within the permissible amount was judged as "◯", and the amount of increase exceeding the permissible amount was judged as "x".
Figure 2020155571

(リークテスト)
本実施の形態に係るウエハ支持体のように、接合部がないシームレス品のシャフトや筒といった柱状部20の気密性評価を行った。ヘリウムリークディティクターに接続して、シャフトや筒と呼ばれる部分の内部を真空にし、外部からヘリウムを吹き付けた。ヘリウムリークディティクターとして、アルバック株式会社製HERIOT901D2を用いた。実施例1に係るウエハ支持体で評価をした結果、1×1012Pa・m/sec以下のリーク量で装置の検出限界以下であった。表3において、リーク量が1×1012Pa・m/s以下のものを「○」としている。なお、比較例1、2の材料を用いた場合は、複雑な形状のウエハ支持体自体を作製できなかった。一方、少なくとも実施例1〜3、6に係るウエハ支持体はリークが規定量以下であった。
(Leak test)
The airtightness of the columnar portion 20 such as a seamless shaft or cylinder having no joint like the wafer support according to the present embodiment was evaluated. It was connected to a helium leak detector to evacuate the inside of parts called shafts and cylinders, and helium was sprayed from the outside. HERIOT901D2 manufactured by ULVAC, Inc. was used as the helium leak detector. As a result of evaluation using the wafer support according to Example 1, the leakage amount was 1 × 10 12 Pa · m 3 / sec or less, which was below the detection limit of the apparatus. In Table 3, those having a leak amount of 1 × 10 12 Pa · m 3 / s or less are marked with “◯”. When the materials of Comparative Examples 1 and 2 were used, the wafer support itself having a complicated shape could not be produced. On the other hand, at least the wafer supports according to Examples 1 to 6 had leaks of a specified amount or less.

(耐熱衝撃)
ウエハ支持体は、高温プロセスで使われる場合があり、急激な温度変化にどこまで耐えられるかという耐熱衝撃性が求められる。そこで、ウエハ支持体と同じ組成で作製した試験片(40×4×3mm)を大気中で加熱し、所定の温度に保持してから、室温の水中に投下して、クラックや剥離が生じるかを観察した。50℃刻みで加熱温度を上げていき、水中投下を繰り返し、クラックや剥離が発生した時の加熱温度を耐熱衝撃温度とし、表3に記載した。表3の耐熱衝撃性の欄において、耐熱衝撃温度が600℃以上であったものを「〇」、600℃未満であったものを「×」と判定した。表3に示すように、窒化硼素が多く含まれている実施例1〜9に係るウエハ支持体は、一つの焼結体から削り出されたつなぎ目のない一部品であり、良好な耐熱衝撃性が得られた。
(Heat-resistant impact)
Wafer supports are sometimes used in high-temperature processes, and are required to have thermal shock resistance to what extent they can withstand sudden temperature changes. Therefore, a test piece (40 × 4 × 3 mm) prepared with the same composition as the wafer support is heated in the air, held at a predetermined temperature, and then dropped into water at room temperature to cause cracks or peeling. Was observed. The heating temperature was raised in increments of 50 ° C., and the temperature was repeatedly dropped in water, and the heating temperature when cracks or peeling occurred was defined as the heat-resistant impact temperature and is shown in Table 3. In the column of thermal shock resistance in Table 3, those having a thermal shock temperature of 600 ° C. or higher were evaluated as "◯", and those having a thermal shock resistance of less than 600 ° C. were judged as "x". As shown in Table 3, the wafer supports according to Examples 1 to 9 containing a large amount of boron nitride are seamless parts machined from one sintered body, and have good thermal shock resistance. was gotten.

以上、本発明を上述の実施の形態や実施例を参照して説明したが、本発明は上述の実施の形態に限定されるものではなく、各実施の形態の構成を適宜組み合わせたものや置換したものについても本発明に含まれるものである。また、当業者の知識に基づいて実施の形態における組合せや工程の順番を適宜組み替えることや各種の設計変更等の変形を実施の形態に対して加えることも可能であり、そのような変形が加えられた実施の形態も本発明の範囲に含まれうる。 Although the present invention has been described above with reference to the above-described embodiments and examples, the present invention is not limited to the above-described embodiments, and the configurations of the respective embodiments are appropriately combined or substituted. This is also included in the present invention. Further, it is also possible to appropriately rearrange the combinations and the order of the processes in the embodiment based on the knowledge of those skilled in the art, and to add modifications such as various design changes to the embodiments, and such modifications are added. Such embodiments can also be included in the scope of the present invention.

10 ウエハ支持体、 12 基材、 14 導電部材、 14a 静電チャック電極、 16 導電部材、 16a 抵抗加熱体、 18 支持部、 18a 搭載面、 18b 貫通孔、 18c 溝、 20 柱状部、 20a 内部空間、 22 焼結体。 10 Wafer support, 12 base material, 14 conductive member, 14a electrostatic chuck electrode, 16 conductive member, 16a resistance heating element, 18 support part, 18a mounting surface, 18b through hole, 18c groove, 20 columnar part, 20a internal space , 22 Sintered body.

Claims (9)

マシナブルセラミックスからなる基材と、前記基材に少なくとも一部が内包された導電部材と、を有するウエハ支持体。 A wafer support having a base material made of machinable ceramics and a conductive member having at least a part contained in the base material. 前記マシナブルセラミックスは、曲げ強度が600MPa以下、ヤング率が250GPa以下、ビッカース硬度が5GPa以下である材料からなることを特徴とする請求項1に記載のウエハ支持体。 The wafer support according to claim 1, wherein the machinable ceramic is made of a material having a bending strength of 600 MPa or less, a Young's modulus of 250 GPa or less, and a Vickers hardness of 5 GPa or less. 前記マシナブルセラミックスは、窒化硼素、酸化ジルコニウム、窒化珪素および炭化珪素からなる群より選択された窒化硼素を必須とする少なくとも二つ以上の材料からなる焼結体であることを特徴とする請求項1または2に記載のウエハ支持体。 The machinable ceramic is a sintered body made of at least two or more materials that require boron nitride selected from the group consisting of boron nitride, zirconium oxide, silicon nitride, and silicon carbide. The wafer support according to 1 or 2. 前記マシナブルセラミックスは、
窒化硼素、酸化ジルコニウム、窒化珪素および炭化珪素のセラミックス成分の合計を100質量%とした場合に、窒化硼素を10〜80質量%含有し、窒化珪素を0〜80質量%含有し、酸化ジルコニウムを0〜80質量%含有し、炭化珪素を0〜40質量%含有し、
前記セラミックス成分の合計を100質量%とした場合に、更に焼結助剤成分を3〜25質量%含有することを特徴とする請求項3に記載のウエハ支持体。
The machinable ceramics are
When the total of the ceramic components of boron nitride, zirconium oxide, silicon nitride and silicon carbide is 100% by mass, it contains 10 to 80% by mass of boron nitride, 0 to 80% by mass of silicon nitride, and zirconium oxide. Contains 0 to 80% by mass, contains 0 to 40% by mass of silicon carbide,
The wafer support according to claim 3, wherein when the total of the ceramic components is 100% by mass, the sintering aid component is further contained in an amount of 3 to 25% by mass.
前記導電部材は、モリブデン、タングステン、タンタルおよびそれらを含む合金からなる群から選択される金属材料で構成されていることを特徴とする請求項1乃至4のいずれか1項に記載のウエハ支持体。 The wafer support according to any one of claims 1 to 4, wherein the conductive member is made of a metal material selected from the group consisting of molybdenum, tungsten, tantalum and an alloy containing them. .. 前記基材は、
ウエハが搭載される搭載面を有する支持部と、前記支持部の前記搭載面と反対側に設けられている柱状部と、を有し、
前記支持部と前記柱状部とがつなぎ目のない一部品で構成されていることを特徴とする請求項1乃至5のいずれか1項に記載のウエハ支持体。
The base material is
It has a support portion having a mounting surface on which a wafer is mounted, and a columnar portion of the support portion provided on the side opposite to the mounting surface.
The wafer support according to any one of claims 1 to 5, wherein the support portion and the columnar portion are made of one seamless component.
前記搭載面の表面の算術平均粗さRaが0.1〜0.6μmの範囲であることを特徴とする請求項6に記載のウエハ支持体。 The wafer support according to claim 6, wherein the arithmetic average roughness Ra of the surface of the mounting surface is in the range of 0.1 to 0.6 μm. 前記導電部材は、前記基材の表面にウエハを固定するための吸着力を発生させる電流が流れる電極として機能し、
前記基材は、25〜500℃の温度範囲における体積抵抗率が10〜1016Ωcmの範囲であるセラミックス材料で構成されていることを特徴とする請求項1乃至7のいずれか1項に記載のウエハ支持体。
The conductive member functions as an electrode through which a current that generates an attractive force for fixing the wafer on the surface of the base material flows.
The substrate is any one of claims 1 to 7 volume resistivity is characterized by being composed of a ceramic material in the range of 10 6 to 10 16 [Omega] cm in the temperature range of 25 to 500 ° C. The wafer support described.
請求項1乃至8のいずれか1項に記載のウエハ支持体を高温加圧焼結することで製造することを特徴とするウエハ支持体の製造方法。 A method for manufacturing a wafer support, which comprises manufacturing the wafer support according to any one of claims 1 to 8 by high-temperature pressure sintering.
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