JP2022086147A - 吸着部材の製造方法および吸着部材 - Google Patents

Abstract

【課題】 被吸着体へのパーティクルの付着を低減でき、かつ比較的機械強度が強い吸着部材を提供する。【解決手段】 セラミック焼結体からなる基部と、前記基部の表面から突出した複数の凸部とを備える吸着部材の製造方法であって、セラミック焼結体からなる板状体を準備する準備工程と、前記板状体の上に、前記板状体と同種の材質からなり前記板状体よりも緻密な膜を形成する製膜工程と、ブラスト加工により、前記膜の厚みよりも高い複数の前駆凸部を形成するブラスト加工工程と、レーザ加工により、前記前駆凸部の側面を加工して前記凸部を形成するレーザ加工工程とを有する。【選択図】 図２

Description

本開示は、半導体基板やガラス基板などの被吸着体を吸着して保持するための吸着部材に関する。

半導体、液晶などの製造工程等において、シリコン基板などの被吸着体が製造装置や検査装置の吸着部材上に、吸着・保持される。その際に、吸着部材からのパーティクルの発生が問題になることがある。例えば露光工程において、被吸着体と吸着部材の載置面との間にパーティクルが挟み込まれると、被吸着体の局所的な盛り上がりが発生し、露光の焦点が合わなくなり、被吸着体に形成する回路パターンに不良が発生することがある。

被吸着体と吸着部材との接触により生じるパーティクルを低減するためには、被吸着体と吸着部材の載置面との接触面積を小さくすることが有効である。そのため、特許文献１、２には、炭化珪素質焼結体からなる基体の表面に多数の支持用凸部を形成した吸着部材が提案されている。

さらに、特許文献１には、セラミック表面の、傷、クラック、ボイド等からのパーティクルの発生を低減するために、凸部の表面に保護膜を設けることが記載されている。しかし、吸着部材の本体と保護膜とで、材質、密度、気孔率等が異なると、熱膨張率に差が生じるため、使用中の温度変化によって、吸着部材に変形が生じる場合がある。また、保護膜形成時の温度履歴によって、吸着部材に応力や変形が生じる場合がある。

基体上に凸部を加工する方法としては、研削加工（砥石研削加工、ブラスト加工など）、レーザ加工、放電加工などの方法がある。研削加工は安価で生産性も優れるが、加工ダメージも大きく、傷やクラックが発生しやすい。また、本体と膜との界面の加工ダメージは、膜の剥離の原因となる。レーザ加工は、加工ダメージは小さく、加工によりボイドが減少することも知られているが、コストや生産性に課題がある。放電加工もコストや生産性に課題がある。また、被加工物に通電する必要があるので、比較的抵抗が小さい材質に限られる。特許文献２には、基体の表面にレーザ加工で載置面を含む凸部上部を形成した後、ブラスト加工により凸部下部を形成することが記載されている。

特開２００９－５４７２３号公報 特開２０１２－１１９３７８号公報

ブラスト加工によって凸部を形成すると、傷、クラック、ボイド等が凸部の表面に残存し易いため、パーティクルが発生しやすい。レーザ加工によって凸部を形成すると、コストや生産性が悪化する。さらに、凸部を高くしようとすると大きな照射エネルギーが必要となり、凸部の根本部分に溝（トレンチ）が生じやすく、凸部が根本から折れやすい。

セラミック基体の表面をより緻密な膜で被覆すると、パーティクルは低減するが、基体との熱膨張係数差による反りや変形が発生する。また、加工によって膜の一部を除去すると、膜と基体との間の残留応力が解放されるので、加工精度が低下する。

本発明は、このような課題に鑑みてなされたものであり、比較的安価で生産性の高い方法で、被吸着体からのパーティクルの発生を低減でき、かつ機械的強度が高い吸着部材を加工精度よく提供することを目的とする。

本開示の吸着部材の製造方法は、セラミック焼結体からなる基部と、前記基部の表面から突出した複数の凸部とを備える吸着部材を製造する方法であって、
セラミック焼結体からなる板状体を準備する準備工程と、前記板状体の上に、前記板状体と同種の材質からなり前記板状体よりも緻密な膜を形成する製膜工程と、ブラスト加工により、前記膜の厚みよりも高い複数の前駆凸部を形成するブラスト加工工程と、レーザ加工により、前記前駆凸部の側面を加工して前記凸部を形成するレーザ加工工程とを有する。

本開示の吸着部材は、炭化珪素セラミック焼結体からなる基部と、前記基部の表面から突出した複数の凸部とを備えるものであって、
前記凸部のうち、被吸着体を載置する頂面を含む上部は前記基部よりも緻密な炭化珪素を含み、前記基部の前記表面と接続する底面を含む下部は、前記基部と一体の焼結体からなり、前記凸部の側面に、前記基部の表面よりも算術平均粗さが小さい酸化膜を有する。

比較的安価で生産性の高い方法で、被吸着体からのパーティクルの発生を低減でき、かつ機械的強度が強い吸着部材を加工精度よく提供できる。

（ａ）は本開示の一実施形態に係る吸着部材の一部切り欠き斜視図、（ｂ）は（ａ）のＡ部における凸部を示す拡大断面図である。 本開示の吸着部材の製造方法を示す概略説明図である。 凸部形状の変形例を示す断面図である。 凸部形状の変形例を示す断面図である。 凸部形状の変形例を示す断面図である。

本開示の吸着部材および本開示の吸着部材の製造方法について図を参照しながら説明する。図１（ａ）は、本開示の吸着部材１０の一部切り欠き斜視図、図１（ｂ）は図１（ａ）のＡ部における拡大断面図であり、凸部２の形状について説明する図である。図２は、本開示の吸着部材の製造方法を示す概略説明図である。図３および４は、凸部２の形状の変形例を説明する断面図である。

本開示の吸着部材１０は、セラミック焼結体からなる基部１と、基部１の表面１ａから突出した複数の凸部２とを備える。凸部２は、頂面２ａと、頂面２ａおよび表面１ａを接続する側面２ｂとを有する。凸部２のうち、被吸着体を載置する頂面２ａを含む上部は基部１よりも緻密な同種の材質からなり、基部１の表面１ａと接続する底面２ｃ（図１では点線で示す）を含む下部は、基部１と一体の焼結体からなる。基部１と凸部２が炭化珪素からなる場合、凸部２の側面２ｂには、基部１の表面１ａよりも算術平均粗さが小さい酸化膜が形成される。

本開示の吸着部材の製造方法は、基部１と、基部１の表面１ａから突出した複数の凸部２とを備える吸着部材を製造する方法であって、図２（ａ）～（ｄ）に示すように、セラミック焼結体からなる板状体１５を準備する準備工程と、板状体１５の上に、板状体１５と同種の材質からなり板状体１５よりも緻密な膜１３を形成する製膜工程と、ブラスト加工により、膜１３の厚みよりも高い複数の前駆凸部１２を形成するブラスト加工工程と、レーザ加工により、前駆凸部１２の側面を加工して凸部２を形成するレーザ加工工程とを有する。その結果、比較的安価で生産性の高い方法で、吸着部材１０からのパーティクルの発生を低減でき、かつ機械的強度が強い吸着部材１０を加工精度よく提供することができる。

吸着部材１０では、凸部２の頂面２ａが被吸着体との当接面となる。複数の凸部２を形成することにより、吸着部材１０と被吸着体との接触面積が小さくなり、パーティクルの発生を低減できる。さらに、凸部２のうち、頂面２ａを含む上部３が基体５よりも緻密なので、耐摩耗性が良好で、被吸着体と吸着部材１０との接触により生じるパーティクルの発生も比較的少ない。

凸部２のうち、上部３を除く部分（下部）は、基部１と一体のセラミック基体５（以下、単に基体５という）の一部である。つまり、吸着部材１０は、基体５と上部３とを積層してなり、凸部２の内部に基体５と上部３との界面が存在する。本開示の製造方法では、上部３のみを基体５よりも緻密に形成するので、吸着部材１０全体を上部３と同等に緻密な材質で形成する方法と比べて、安価で生産性よく吸着部材１０を製造できる。

同種の材質とは、焼結助剤などの添加物や不可避不純物を除いた主成分となる材質が同じことをいう。上部３と基体５とが同種の材質であれば物性の違いは比較的小さくなるが、添加物の量、密度、気孔率等が異なると、熱膨張率に差が生じるため、使用中の温度変化によって、吸着部材１０に変形が生じることがある。本開示の吸着部材１０は、面積の大きい基部１の表面１ａは膜１３で被覆されておらず、凸部２の上部３のみが膜１３で形成されているので、熱膨張率差による反りや変形が少なく、また、凸部２の下部と基部１とが一体の焼結体なので、凸部２が底面２ｃから折れにくい。

本開示の製造方法は、ブラスト加工工程とレーザ加工工程とを備える。ブラスト加工が粗加工、レーザ加工が仕上げ加工に相当する。基部１の表面１ａおよび前駆凸部１２の側面はブラスト加工で形成され、凸部２の側面２ｂはレーザ加工で形成される。面積の大きい、基部１の表面１ａをブラスト加工することで、安価で生産性よく吸着部材１０を製造することができる。レーザ加工は、加工ダメージが少なく、パーティクル発生の少ない、表面粗さの小さい加工面が得られる。本開示では、凸部２の高さは膜１３の厚みよりも大きいので、基体５と膜１３との界面が凸部２の内部に存在するとともに、側面２ｂに表出する。表出した界面は剥離の起点となりやすいが、レーザ加工は、機械的加工（ブラスト等）と比較して加工ダメージが小さいので、界面からの剥離が生じにくい。また、側面２ｂは、被吸着体の載置面である頂面２ａからの距離が近いので、側面２ｂからのパーティクル発生の低減を低減することで、頂面２ａおよび被吸着体へのパーティクルの影響が低減される。一方、表面１ａは、頂面２ａからの距離が離れているので、側面２ｂと比べれば、パーティクルの発生は問題になりにくい。逆に、表面１ａが頂面２ａよりも表面粗さ（算術平均粗さ）が大きければ、表面１ａの放熱性が高くなるので、温度変化による吸着部材１０の変形を低減する効果がある。表面１ａの算術平均面粗さＳａが、頂面２ａの算術平均面粗さＳａの２倍以上であるとよい。このような吸着部材１０では、被吸着体と頂面２ａとの接触によるパーティクルの発生が低減され、側面２ｂからのパーティクルの発生が少なく、表面１ａの放熱性が高い。表面粗さの各パラメータは、ＪＩＳ規格ＪＩＳ Ｂ ０６０１：２００１に記載されている。

表面粗さ測定方法は特に限定されないが、例えば、キーエンス社のレーザ顕微鏡ＶＫ－９５００を用いて、表面粗さを３点以上測定し、各パラメータ（例えば算術平均面粗さＳａ）のそれぞれ平均値を求めるとよい。測定条件は、例えば、測定モードをカラー超深度、測定倍率を１０００倍～４００倍、測定ピッチを０．０５μｍ～０．２０μｍ、カットオフフィルタλｓを２．５μｍ、カットオフフィルタλｃを０．０８ｍｍとし、線粗さ測定は測定長さを１００μｍ～５００μｍ、面粗さ測定は測定領域を一辺１００μｍ～５００μｍの矩形状とするとよい。

吸着部材１０は、高剛性、高硬度、高強度であることが望まれており、基部１および凸部２は、コージェライト、ジルコニア、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミニウム、炭化珪素などのセラミックからなることが好ましい。特に、炭化珪素を主成分とするセラミック（炭化珪素セラミック）が好適である。炭化珪素セラミックは、熱伝導率が高く放熱性に優れており、被吸着体の温度変化が少ない。炭化珪素セラミックはまた、電気伝導性を備え静電気が発生しにくいので、吸着部材１０は、パーティクルが静電付着しにくい。なお、主成分とは、セラミックを構成する成分のうち、５０質量％以上、典型的には８０質量％を占める成分のことをいう。

炭化珪素セラミックからなる吸着部材１０は、基部１の密度が３．１８ｇ／ｃｍ³以上、ヤング率が４４０ＧＰａ以上、比剛性が１３５ＧＰａ・ｃｍ³／ｇ以上となっている。このような吸着部材１０は、頂面２ａに載置される被吸着体の平面度を精度良く保つことができる。また、室温における熱伝導率が１５０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であり、放熱性能も高い。炭化珪素セラミックからなる吸着部材１０は、高温環境、例えば６００℃以上においても、熱伝導率を６０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上と、高い値で保つことができる。

機械的強度を向上させ、パーティクルをさらに低減するためには、炭化珪素を主成分とするセラミックの平均結晶粒径は３～１０μｍの範囲が好ましい。平均結晶粒径が３μｍ以上であると、機械的強度、剛性が高くなるため、載置された被吸着体の平面度を精度良く保つことができる。また、平均結晶粒径が１０μｍよりも小さいと、結晶粒子間にボイドが残留しにくいため、ボイド内に残留したパーティクルが被吸着体に付着しにくい。

凸部２の側面２ｂに酸化膜等からなる保護層（不図示）が形成されていてもよい。例えば炭化珪素セラミックからなる凸部２をレーザ加工で形成すると、加工面が酸化されて側面２ｂが炭化珪素の酸化膜で覆われる。この酸化膜がセラミック粒子等の脱粒を抑制する。また、酸化により炭化珪素セラミック表面の活性なボンドが不活性化するので、パーティクルを吸着しにくくなる。表面領域が酸化膜等の保護層で覆われているかの判定は、例えばＥＤＳ法（energy dispersive X-ray spectrometry）等による元素分析で実施することができる。

凸部２の側面２ｂには、レーザ加工による局所的な加熱によって焼結が促進したり、溶融、固化した改質領域が形成されたりする。凸部２が炭化珪素セラミックからなる場合、レーザ加工による加熱領域が昇華することで側面２ｂが形成される。側面２ｂは加工時には高温になっており、焼結の促進による、結晶粒の成長およびボイド消失が見られる。したがって、側面２ｂと表面１ａの気孔率は上部３の側面で小さく、下部の側面、表面１ａの順で大きくなる。

凸部２の形状は錐台状で、頂面２ａの面積は底面２ｃの面積以下である。側面２ｂの形状および、表面形状はレーザ光の照射条件によって調節可能である。加工に用いるレーザに特に制限はないが、レーザパルス幅がピコ秒領域にあるピコ秒レーザが好ましい。側面２ｂの上部と下部とで、レーザ照射条件を調整してもよい。

図３、図４、図５は、凸部２の形状の実施形態を示す断面図である。側面２ｂは、図３、図４、図５のように、表面１ａに垂直な平面による断面視において、屈曲または湾曲していてもよい。側面２ｂのうち、屈曲部や曲率の変化点よりも上方をより垂直に近づけることで、側面２ｂから脱離したパーティクルの、頂面２ａおよび被載置体への付着を低減することができる。

吸着部材１０の凸部２は、図３に示すように、側面２ｂが屈曲部を境にして上方（頂面２ａに近い側）の側面と、下方（表面１ａに近い側）の側面とがいずれも、頂面２ａに近づくにしたがって傾斜が大きくなる形状であってもよい。図４に示す実施形態のように、複数の屈曲部を有してもよい。図５に示す実施形態のように、ブラスト加工によって、側面２ｂとの接続部に隅Ｒ形状を有する表面１ａを形成し、レーザ加工によって、表面１ａとの接続部に表面１ａとほぼ平行な平坦面２ｄを有する側面２ｂを形成してもよい。凸部２がこのような形状であれば凸部２が底面２ｃから折れにくくなる。

パーティクルの付着を充分に抑制し、かつ凸部２の強度を保つには、凸部２の高さは凸部２の頂面２ａの径の２倍以上１０倍以下が好ましく、凸部２の頂面２ａの径は、凸部２の底面２ｃの径の１／１０以上１倍以下が好ましい。また、側面２ｂと表面１ａの接続部が隅Ｒ形状となっているとさらに好ましい。

本実施形態による吸着部材１０を用いて被吸着体を吸着・保持する方法は、真空吸着、またはジョンソン・ラーベック力型静電吸着が好適である。吸着部材１０を、被吸着体を真空吸着する、いわゆる真空チャックとして使用する場合、凸部２を高く形成すると、被吸着体を真空吸着する際の真空応答性（被吸着体を吸着部材１０に載置してから真空吸着されるまでの時間を短くすること）が比較的高くなる。真空応答性を良好にする観点で、凸部２の頂面２ａの径が２００μｍ以下、特に好ましくは１００μｍ以下、高さが１００μ以上、特に好ましくは３００μｍ以上であることが好ましい。

吸着部材１０の製造方法の詳細について図２を参照しながら説明する。まず、（ａ）基体５となる、炭化珪素セラミックからなる板状体１５を準備する（準備工程）。次に、（ｂ）板状体１５の上に、板状体１５と同種の材質である炭化珪素からなり板状体１５よりも緻密な膜１３を製膜して積層体を形成する（製膜工程）。次に、（ｃ）積層体に砥粒を噴射して、膜１３の厚みよりも高い複数の前駆凸部１２を形成する（ブラスト加工工程）。そして、（ｄ）積層体にレーザ光を照射して、前駆凸部１２の側面を加工して、凸部２を形成する（レーザ加工工程）。

製膜工程では、例えば、ＣＶＤ法（化学気相製膜法）、ＰＶＤ法（物理気相製膜法）などの方法で、膜１３を形成する。膜１３の厚みは、例えば５０μｍ以上５００μｍ以下である。

ブラスト加工工程では、研削対象領域に開口を有するマスクを通して、砥粒を噴射することで、表面１ａと、凸部２よりも大きい前駆凸部１２の側面とを形成する。砥粒が噴射された領域は表面１ａとなり、マスクで遮蔽された領域は前駆凸部１２となる。ブラスト加工により、表面１ａ上の膜１３が除去され、膜１３は前駆凸部１２にのみ残ることになるため、製膜によって生じた応力および反りが低減し、この後のレーザ加工を精度よく実施することができる。

ブラスト加工工程で形成した前駆凸部１２は、直径が１００μｍ～１０００μｍ、高さが１００μｍ～１０００μｍとなっている。前駆凸部１２と表面１ａとの接続部が隅Ｒ形状となるように、加工するとよい。接続部が隅Ｒ形状であれば、接続部に生じる応力が低減できる。隅Ｒ形状を粗加工であるブラスト加工時に形成すれば、生産性、コストの面で、有利である。

レーザ加工工程は、前駆凸部１２の表面からレーザ光を照射することで、凸部２の側面２ｂを形成する。具体的には、凸部２となる所定領域を取り囲むようにレーザ光を照射し、レーザ光を照射した領域を除去する。

上部３および基体５が炭化珪素セラミックからなる場合、レーザ照射によって加熱された領域は昇華して除去される。昇華せずに残った凸部２の側面２ｂは、加熱により焼結が促進されて、結晶粒の成長およびボイド消失が起こり、ブラスト加工で形成された表面１ａよりも気孔率が小さくなる。また、レーザ加工を酸化雰囲気中で行うことにより、側面２ｂには、酸化炭化珪素の被膜が形成される。加工に用いるレーザに特に制限はないが、レーザパルス幅がピコ秒領域にあるピコ秒レーザが好ましい。

レーザ加工工程により、例えば頂面２ａの径が５０μｍ～２００μｍ、高さが１００μｍ～１０００μｍである凸部２を形成する。レーザ加工工程は、凸部２の下部領域を形成するための第１加工工程と、上部領域を形成するための第２加工工程とを有していてもよい。第２加工工程でのレーザ出力を、第１加工工程でのレーザ出力に比べて小さくすると、凸部２を所望の形状に加工しやすい。

レーザ加工工程では、レーザ加工パターンに合わせてレーザ光源２０を移動させたり、レーザ光を走査したりしてもよいし、板状体１５を載置したステージを移動させてもよい。凸部２の形成をレーザ加工で行うことにより、ブラスト加工などの方法と比べて、加工ダメージの小さい、表面粗さの小さい側面２ｂが形成できる。

凸部２の頂面２ａはラッピング装置などを用いて研磨する。表面１ａおよび側面２ｂをブラシ研磨などの方法で研磨加工してもよい。

以下、本発明の実施例を説明する。まず、外径３００ｍｍ、厚み１０ｍｍの円板状の炭化珪素セラミック焼結体を準備した。そして、この焼結体の外周面を円筒加工、厚みを平面研削加工によって整えた後、円形状の主面に対して粒径１０μｍ以下のダイヤモンド砥粒を用いてラッピング加工を施すことにより、板状体１５を作製した。

次に、ＣＶＤ法を用いて板状体１５の主面に厚みが２５０μｍの炭化珪素膜１３を形成した。

次に、マスクを用いたブラスト加工により、頂面の径が５００μｍ、高さが５００μｍの複数の前駆凸部１２を形成した。

さらに、レーザ加工により、前駆凸部１２の側面を加工して図１に示す形状で、頂面２ａの直径が約１５０μｍ、高さＬ１が約５００μｍの複数の凸部２を形成した。レーザ加工は、ピーク波長が５３２ｎｍ、スポット径２０μｍのピコ秒レーザ光源２０を用い、酸化雰囲気で行った。レーザ加工により、側面２ｂが変質し、気孔率が小さく、酸化炭化珪素を含んだ表面領域が形成された。

その後、凸部２の頂面２ａをラップ加工して平面度を３μｍ以下とし、吸着部材１０を得た。

１ ：基部
１ａ：表面
２ ：凸部
２ａ：頂面
２ｂ：側面
２ｃ：底面
２ｄ：平坦面
３ ：凸部上部（上部）
５ ：セラミック基体（基体）
１０：吸着部材
１２：前駆凸部
１３：膜
１５：板状体

Claims (6)

1. セラミック焼結体からなる基部と、前記基部の表面から突出した複数の凸部とを備える吸着部材の製造方法であって、
   セラミック焼結体からなる板状体を準備する準備工程と、
   前記板状体の上に、前記板状体と同種の材質からなり前記板状体よりも緻密な膜を形成する製膜工程と、
   ブラスト加工により、前記膜の厚みよりも高い複数の前駆凸部を形成するブラスト加工工程と、
   レーザ加工により、前記前駆凸部の側面を加工して前記凸部を形成するレーザ加工工程とを有する、吸着部材の製造方法。
2. 前記製膜工程は、ＰＶＤ法またはＣＶＤ法による、請求項１に記載の吸着部材の製造方法。
3. 前記レーザ加工工程は、前記前駆凸部の下部を加工する下部レーザ加工工程と前記前駆凸部の上部を加工する上部レーザ加工工程とを有する、請求項１または２に記載の吸着部材の製造方法。
4. 前記レーザ加工工程が酸化雰囲気で行われる、請求項１から３のいずれかに記載の吸着部材の製造方法。
5. 前記基部および前記膜は、炭化珪素からなる、請求項１から４のいずれかに記載の吸着部材の製造方法。
6. 炭化珪素セラミック焼結体からなる基部と、前記基部の表面から突出した複数の凸部とを備える吸着部材であって、
   前記凸部のうち、被吸着体を載置する頂面を含む上部は前記基部よりも緻密な炭化珪素を含み、前記基部の前記表面と接続する底面を含む下部は、前記基部と一体の焼結体からなり、前記凸部の側面に、前記基部の表面よりも算術平均粗さが小さい酸化膜を有する吸着部材。

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