JP4088515B2

JP4088515B2 - 静電チャック

Info

Publication number: JP4088515B2
Application number: JP2002352098A
Authority: JP
Inventors: 昌子片岡; 真仁井口; 基宏梅津; 中村　　浩章; 守石井
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2002-12-04
Filing date: 2002-12-04
Publication date: 2008-05-21
Anticipated expiration: 2022-12-04
Also published as: JP2004186455A

Description

【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体製造装置等に用いられる静電チャックに関するもので、さらに詳しくは、低熱膨張セラミックス母材から構成された静電チャックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
従来、半導体製造工程で半導体ウェハー等を吸着保持する静電チャックとしては、例えば、窒化アルミニウムを母材とする静電チャックが用いられている。（たとえば、特許文献１参照）
【０００３】
しかし近年、半導体回路は益々精細化する傾向にあり、従来の窒化アルミニウムを母材とする静電チャックでは、周囲の温度上昇変化による熱膨張変形が原因で製品歩留まりの低下を招くことから、半導体製造装置の構成部材としてコーディエライトを主成分とする低熱膨張材料が用いられるようになってきた。（たとえば、特許文献２参照）
【特許文献１】
特開２０００−４４３４５号公報
【特許文献２】
特開平１１−７９８３０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００４】
従来の静電チャックは、静電チャック本体を構成するセラミックス粉体の内部に電極を埋設し、ホットプレス法により製造される。ホットプレスはカーボン治具にセラミックス紛体および電極を入れ、荷重をかけながら高温で焼結させるが、低熱膨張セラミックスの場合、カーボン治具より熱膨張が小さいことから、冷却時にカーボン治具により、焼結体が圧縮され、カーボン治具あるいは静電チャック本体が破損する問題があった。
【０００５】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、低熱膨張セラミックス母材から構成されたチャック本体と、このチャック本体に埋設された電極とを具備する静電チャックの構成としても、焼結過程においてカーボン治具あるいは静電チャック本体の破損が生じない静電チャックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００６】
本発明の目的は、以下の（１）〜（４）によって達成される。
（１）２枚の低熱膨張セラミックス母材から構成されたチャック本体と、
前記２枚の低熱膨張セラミックス母材に挟まれて前記チャック本体に埋設された電極と、
前記母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなり、前記２枚の低熱膨張セラミックス母材を接合した接合材と、
を具備する静電チャックであって、
前記母材及び前記接合材は、炭化珪素、炭化ホウ素、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、及びケイ酸カルシウムから選ばれる１種以上の材料と、リチウムアルミノシリケートとからなり、
前記母材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が−１×１０^−６〜１×１０^−６／℃であって、前記接合材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が前記電極と前記低熱膨張セラミックス母材の中間であることを特徴とする静電チャック。
（２）上記（１）において、前記母材は、リチウムアルミノシリケートと炭化珪素とからなり、前記接合材は、リチウムアルミノシリケートと窒化珪素とからなる静電チャック。
（３）上記（２）において、前記リチウムアルミノシリケートは、β−ユークリプタイトである静電チャック。
（４）上記（３）において、前記母材の組成がβ−ユークリプタイト５０〜９５質量％と炭化珪素５〜５０質量％であり、前記接合材の組成がβ−ユークリプタイト４０〜８５質量％と窒化珪素１５〜６０質量％である静電チャック。
【０００７】
本発明によれば、接合材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が電極と低熱膨張セラミックス母材の中間であるので、電極の近傍に母材の低熱膨張セラミックスと熱膨張係数の近い緩衝層を構成したこととなり、低い熱膨張係数を維持しつつ、通常のセラミックスと同程度の剛性を有し、電極の近傍にクラックが発生しない静電チャックを得ることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【０００８】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係る静電チャックは、２枚の低熱膨張セラミックス母材から構成されたチャック本体と、このチャック本体に埋設された電極とを具備する静電チャックの構成としてなる。
【０００９】
ここで、低熱膨張セラミックス母材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が−１×１０^−６〜１×１０^−６／℃であることが好ましい。この範囲であれば、半導体製造装置部材として用いられた場合に、半導体回路の精細化に適合可能であるからである。
【００１０】
また、低熱膨張セラミックス母材を構成する複合材料としては、リチウムアルミノシリケート、リン酸ジルコニウムカリウム、コーディエライトから選ばれる１種以上の第１の材料と、炭化珪素、炭化ホウ素、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウムから選ばれる１種以上の第２の材料とからなるものが好適である。これら構成材料のうち第１の材料は熱膨張が極めて小さく、第２の材料は熱膨張係数は第１の材料よりも大きいがヤング率が高く、これらを複合化することにより、所望の低熱膨張および高剛性を兼備した材料とすることができるからである。
【００１１】
上記第１の材料としては、リチウムアルミノシリケートであるβ−ユークリプタイトやスポジューメンが好ましい。また、その中でもβ−ユークリプタイトはマイナスの熱膨張を示すので、プラスの熱膨張を示す第２の材料と組み合わせることにより、極めて低い熱膨張係数を得ることが可能であるし、また、配合を調節することにより熱膨張係数をマイナスからプラスの広い範囲で調節することが可能となる。なお、β−ユークリプタイトやスポジューメンに代表されるリチウムアルミノシリケートは、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｋ、Ｔｉ、Ｚｎ等の他の成分と固溶体を形成するが、本発明ではこのような固溶体も適用可能である。
【００１２】
次に、本発明では、２枚の低熱膨張セラミックス母材から構成されたチャック本体と、このチャック本体に埋設された電極とを具備する静電チャックであって、２枚の低熱膨張セラミックス母材が該電極を挟んで、該母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で接合してなることを特徴とする静電チャックを提案している。
ここで、電極材料としては、特に限定しないが、低熱膨張導電性材料であるタングステン、モリブデン、カーボンなどが望ましい。また、電極の形態も特に限定しないが、熱膨張差を緩和するために、メッシュ形状、あるいはパンチングメタル等が望ましい。また、母材に溶射、蒸着などにより薄膜を形成して電極とすることもできる。
【００１３】
また、接合材を構成する複合材料は、母材と同様に、リチウムアルミノシリケート、リン酸ジルコニウムカリウム、コーディエライトから選ばれる１種以上の第１の材料と、炭化珪素、炭化ホウ素、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウムから選ばれる１種以上の第２の材料とからなる。その際、接合材を構成する第２の材料は、接合材の溶融温度が母材の溶融温度よりも低くなるように上記材料の中から適宜選択される。
さらに、接合材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が該電極と該低熱膨張セラミックス母材の中間であることが好ましい。その理由は、接合材の熱膨張係数が該電極と該低熱膨張セラミックス母材の中間でないと、接合のための熱処理後、冷却過程で内部応力がたまり、亀裂を発生するおそれがあるからである。
【００１４】
なお、接合材および母材を構成する複合材料において、実質的な化学的反応が生じなければ、第１の材料として複数の材料を組み合わせて用いることも可能である。また、第２の材料も同様に、実質的な化学的反応が生じなければ、複数の材料を組み合わせて用いることも可能である。
【００１５】
ここで、母材を構成する複合材料の構成材料のうち１種以上が、接合材を構成する複合材料の構成材料と共通であることが好ましい。これにより、共通の構成材料が拡散しやすく強固に接合することができるからである。
【００１６】
この場合に、母材の組成としてはβ−ユークリプタイト５０〜９５質量％と炭化珪素５〜５０質量％であり、接合材の組成としてはβ−ユークリプタイト４０〜８５質量％と窒化珪素１５〜６０質量％であることが好ましい。
【００１７】
このように接合材として母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスを用いることにより、接合に際して接合材の溶融温度よりも高く、母材の溶融温度よりも低い温度で加熱することにより、接合材のみが溶融して母材同士を接合することができる。この場合に、接合材が低熱膨張セラミックスであるから、接合部に残留する応力が小さく、接合部の剛性が高いため材料全体の剛性が高く、かつ接合部自体の接合強度が大きくなる。
【００１８】
また、母材同士の接合は、接合材粉末を適宜のバインダーとともに混練して粘糊性のあるペーストとし、このペーストを接合面に塗布し、脱脂後に母材同士を電極を間に介在させて密着させ、接合材は溶融するけれども板材は溶融しない温度で熱処理することによる。これにより、接合材が溶融し、一部は母材に拡散して母材同士を接合できる。
【００１９】
この際の熱処理雰囲気は、材料が全て酸化物系のものであれば、大気雰囲気を用いることができるが、非酸化物系の材料が含まれている場合には、非酸化雰囲気を用いることが好ましい。
【実施例】
【００２０】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
まず、β−ユークリプタイト粉末と炭化珪素粉末とを８０：２０の割合でポットミル混合して乾燥させ、板材セラミックスの原料混合粉末を作製した。この混合粉末を一軸加圧成形して直径２００ｍｍ×厚み１０ｍｍの円板状成形体を作製し、１５０ＭＰａでＣＩＰ処理した。窒素雰囲気において温度１３７０℃で焼成し、基台となる低熱膨張セラミックス母材を得た。同様にして、直径２００ｍｍ×厚み６ｍｍの円板状成形体を作製し、同様に焼成してチャック部となる低熱膨張セラミックス母材を得た。
ここで、同様にし焼成して得られた焼結体から試験片を切り出し、レーザー干渉式熱膨張測定装置（アルバック理工社製ＬＩＸ−１）を用いて室温における熱膨張係数を求めた。また、共振法にてこれら板材のヤング率を測定した。これらの結果は、２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が−０．０３×１０^−６／℃、ヤング率は１４３ＧＰａであった。また、チャック部の体積抵抗率を三端子法で求めたところ、２．２×１０^１１Ω・ｃｍであった。
【００２１】
次に、β−ユークリプタイト粉末と窒化珪素を５５：４５の重量割合でポットミル混合して乾燥させ、接合材用の混合粉末を作製した。この混合粉末を無機分が３０ｖｏｌ％となるようにエチルセルロースの１５％α−テルピネオール溶液と混合し、三本ロールを用いてペースト状にした。なお、この接合材について同じ組成の焼結体を作製して前記と同様にして熱膨張係数を求めた。その結果は、２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が０．４５×１０^−６／℃、ヤング率は１６８ＧＰａであった。
【００２２】
さらに、基台とチャック部の両面に、上記接合材ペーストをスクリーンマスクを用いて片面８０μｍの厚さに印刷し５００℃で脱脂した。
次に、直径１５０ｍｍに切り出した、線径１００μｍで５０メッシュの目開きのタングステンメッシュを挟み、接合材印刷面同士を密着して０．５ｇ／ｍｍ^２の荷重をかけた。引き続き、窒素雰囲気で１３４０℃の温度で熱処理し、接合材を溶融させて基台とチャック部を接合して静電チャックを得た。
【００２３】
図１に本実施例で得られた静電チャックのチャック本体の模式的な断面図を示した。
ここで、１は低熱膨張セラミックスを母材とする基台で、２は、低熱膨張セラミックスを母材とするチャック部であり、３は電極である。また４は、基台とチャック部を接合材で接合した接合部である。
【００２４】
以上の結果より本発明の範囲である、β−ユークリプタイトと炭化珪素との複合材料からなる母材と、β−ユークリプタイトと窒化珪素との複合材料からなる接合材で構成された静電チャックは、全体の熱膨張係数が小さく、また、母材と接合材との熱膨張差が著しく小さいため接合部に亀裂がなく、母材の剛性を維持し、しかも母材の強度からの大幅な低下を招かない程度の大きな接合強度を有していることが確認された。
【００２５】
（実施例２）
β−ユークリプタイト、炭化珪素を６５：３５の重量割合で混合し、実施例１と同様の手順で直径２００ｍｍ×厚さ１０ｍｍ及び、直径２００ｍｍ×厚み６ｍｍの円盤状成形体を得、窒素雰囲気中１３８０℃で焼成して焼結体からなる基台とチャック部を得た。
ここで、チャック部の母材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数は０．４×１０^−６／℃、ヤング率は１７０ＧＰａであった。一方、チャック部の母材の体積抵抗率は、６．４×１０^１０Ω・ｃｍであった。次に、このチャック部の下面（接合面）にプラズマ溶射にて電極となる厚み７０μｍのタングステン膜を形成した。
【００２６】
次に、β−ユークリプタイトと窒化珪素を４０：６０の重量割合でポットミル混合して乾燥させ、接合材用の混合粉末を作製した。この混合粉末を実施例１と同様の方法でペースト状にし、接合材とした。この接合材について同じ組成の焼結体を作製して熱膨張係数を求めた。その結果は、２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が
０．６５×１０^−６／℃、ヤング率は２００ＧＰａであった。
【００２７】
基台とチャック部の各接合面に、上記接合材ペーストをスクリーンマスクを用いて片面８０μｍの厚さに印刷し５００℃で脱脂した。
次に、接合材印刷面同士を密着して０．５ｇ／ｍｍ^２の荷重をかけ、窒素雰囲気で１３４０℃の温度で熱処理し、接合材を溶融させて底板材と上板材を接合して静電チャックを得た。
【００２８】
こうして得られた静電チャックの熱膨張係数は十分に低く、かつ、通常のセラミックスと同程度の剛性を有し、電極の近傍にクラックが発生しないことが確認できた。
【図面の簡単な説明】
【００２９】
【図１】本発明の実施例のチャック本体の模式的な断面図である。
【符号の説明】
【００３０】
１基台
２チャック部
３電極
４接合部

Claims

２枚の低熱膨張セラミックス母材から構成されたチャック本体と、
前記２枚の低熱膨張セラミックス母材に挟まれて前記チャック本体に埋設された電極と、
前記母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなり、前記２枚の低熱膨張セラミックス母材を接合した接合材と、
を具備する静電チャックであって、
前記母材及び前記接合材は、炭化珪素、炭化ホウ素、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、及びケイ酸カルシウムから選ばれる１種以上の材料と、リチウムアルミノシリケートとからなり、
前記母材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が−１×１０^−６〜１×１０^−６／℃であって、前記接合材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が前記電極と前記低熱膨張セラミックス母材の中間であることを特徴とする静電チャック。
前記母材は、リチウムアルミノシリケートと炭化珪素とからなり、前記接合材は、リチウムアルミノシリケートと窒化珪素とからなる請求項１に記載の静電チャック。
前記リチウムアルミノシリケートは、β−ユークリプタイトである請求項２に記載の静電チャック。
前記母材の組成がβ−ユークリプタイト５０〜９５質量％と炭化珪素５〜５０質量％であり、前記接合材の組成がβ−ユークリプタイト４０〜８５質量％と窒化珪素１５〜６０質量％である請求項３に記載の静電チャック。