JP2001172090A

JP2001172090A - セラミックス

Info

Publication number: JP2001172090A
Application number: JP2000309392A
Authority: JP
Inventors: Minori Iwashima; みのり岩島; Susumu Kawakita; 進川北; Tomohiko Ogata; 知彦尾形
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2001-06-26
Anticipated expiration: 2020-10-10
Also published as: JP4719965B2

Abstract

(57)【要約】【課題】本発明の目的は、高緻密性、高剛性、低熱膨張
性、及び高導電性優れた特性を有する、半導体製造用部
品の基材に好適に使用できるセラミックス素材を提供す
ることにある。【解決手段】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、２０〜３０℃における熱膨張係数の絶
対値が３×１０^-7／Ｋ以下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、半導体製造装置用
部材の基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テーブルの部材の基材に
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、半導体の微細パターンを形成する
ためのフォトリソグラフィの中心となる露光プロセスに
おいては、０．１μｍ以下の位置決め精度が要求されて
いる従来のセラミックスを、これら半導体製造装置の部
材に適用すると、要求される特性が不足し、部材の寸法
変化等による露光の位置合わせ誤差が生じ、得られる製
品の品質や歩留まりに大きな影響を及ぼしている。

【０００５】近年、かかる問題を解決するため、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、特開平１１−１００
２７５号公報等に開示されている。

【０００６】また、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１
１−９２２１６号公報に開示されている。また、チタン
酸アルミニウムが、耐熱性、比切削性に優れ、機械加工
が容易な素材であることが、特開平１１−６０２４０号
公報に開示されている。

【０００７】しかしながら、これらセラミックスが基材
に用いられた装置用部材は、室温における熱膨張係数が
大きく、雰囲気温度０．１℃の変化で、数１００ｎｍ
（０．１μｍ）の寸法変化が生じることがあった。

【０００８】また、これら熱膨張係数の大きなセラミッ
クスは気孔率が高く、いわゆる多孔質構造であるために
強度的に脆くなり、塵、埃が気孔中に詰まる等の問題も
あった。

【０００９】さらに、このようなセラミックスを、露光
装置のステージのような、Ｓｉウエハを載置して高速で
移動する部材に適用すると、露光位置に停止後、振動が
減衰せず、露光精度が低下するという問題が生じてい
た。

【００１０】かかる現象は、露光によって半導体に形成
する配線幅が細くなる程、顕著となる傾向があり、特に
精度の高い配線を形成する場合には、上述した従来技術
によるセラミックスを装置部材として適用することは甚
だ困難であった。

【００１１】

【発明が解決しようとする課題】本発明の目的は、高緻
密性、高剛性、低熱膨張性、及び高導電性等の優れた特
性を有する、半導体製造用部品の基材に好適に使用でき
るセラミックス素材を提供することにある。

【００１２】

【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、２０
〜３０℃における熱膨張係数の絶対値が３×１０^-7／Ｋ
以下であるセラミックスである。

【００１３】また、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、前記セラミックスを
基材に使用してなる半導体製造装置用部材である。

【００１４】

【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。

【００１５】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、２０〜３
０℃における熱膨張係数の絶対値が３×１０^-7／Ｋ以下
であるセラミックスである。

【００１６】気孔が上で規定した範囲になく、また、比
剛性が３０未満、若しくは、前記熱膨張係数の絶対値が
３×１０^-7／Ｋを越えると、露光装置用部材に適用した
場合、精度が低下し、高微細な配線回路を形成すること
ができなくなることがある。また、同様な観点から、比
剛性は３５〜７０の範囲内であるのが好ましい。

【００１７】本発明によるセラミックスは、例えば、主
成分として、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のセラミック
スを使用することにより製造されうるものである。

【００１８】ここに「主成分」とは、対象成分が、５５
〜９９重量％、好ましくは６５〜９９重量％、セラミッ
クス中に含まれていることをいう。

【００１９】スポジューメンは、［Ｌｉ₂Ｏ・Ａｌ₂Ｏ
₃・４ＳｉＯ₂］、ユークリプタイトは、［Ｌｉ₂Ｏ・
Ａｌ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂］、リン酸ジルコニルは、[（Ｚｒ
Ｏ）₂Ｐ₂Ｏ₇]、チタン酸アルミニウムは、［ＴｉＯ₂・
Ａｌ₂Ｏ₃］の一般式で、それぞれ表されるものであ
る。

【００２０】これら主成分となるセラミックスは、スポ
ジューメンとユークリプタイトでは、セラミックス１０
０重量％中に、５５〜９０重量％、好ましくは６５〜９
５重量％、リン酸ジルコニル、チタン酸アルミニウムで
は、セラミックス１００重量％中、５５〜９９重量％と
なるように構成されてなるのが好ましい。

【００２１】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、即ち２０〜３０℃にお
ける熱膨張係数が負の値を示し、収縮し易い性質を有す
るセラミックスであり、そのヤング率も、１００ＧＰａ
未満と低く、脆いものであることから、物性向上のた
め、別種のセラミックスが添加されてなるのが好まし
い。

【００２２】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、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。

【００２３】かかる別種のセラミックス（以下、副成分
という）の添加量は、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、及び炭素
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
の場合は、セラミックス１００重量％中、１〜４４重量
％、好ましくは１０〜３５重量％の範囲内であるのが良
く、チタン酸鉄を単独で添加する場合は、１．５〜１０
重量％の範囲内であるのが良い。

【００２４】このような副成分は、正の熱膨張係数を示
し、室温２０〜３０℃で膨張する性質を有するものであ
り、かかる副成分を前記主成分に添加することにより、
本発明によるセラミックスのＪＩＳＲ１６１８によ
る、２０〜３０℃における熱膨張係数の絶対値が、３×
１０^-7／Ｋ以下、好ましくは１×１０^-7／Ｋ以下となり
うるのである。

【００２５】また、副成分の添加量を上記した範囲内と
することにより、本発明によるセラミックスは、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、該気孔の、次式（１）で表される気孔率が７％
以下となりうるものとなり、好ましくは５％以下、より
好ましくは３％以下となりうるものとなる。

【００２６】気孔率（％）＝［１−（実際の密度／理論密度）］×１００・・・（１）尚、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を使用すると、ＪＩＳＲ１
６０２によるヤング率が１００ＧＰａ以上となりうるこ
とから好ましい。

【００２７】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以下の、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、９００〜１９００℃、
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。

【００２８】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
適合した焼結温度等の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。さらに、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。

【００２９】また、これら製造条件における焼結時間
は、１〜１０時間とするのが良い。尚、これら焼結は、
大気中、減圧下、又は不活性ガス雰囲気中のいずれの雰
囲気でも実施することができる。

【００３０】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における基材として好適に使
用できるものとなる。

【００３１】また、かかる基材の表面に炭化ケイ素、炭
化チタン、炭素、窒化チタン及び窒化アルミニウムから
なる群から選ばれる少なくとも１種、好ましくは窒化ア
ルミニウム及び窒化チタンからなる導電性被膜を形成さ
せると、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
としてより好適な特性を発揮するものとなる。

【００３２】尚、かかる導電性被膜は、ＰＶＤ（Physic
al Vapor Deposition、物理蒸着法）やＣＶＤ（Chemica
l Vapor Deposition、化学的気相成長法）等によって、
被膜の厚みが０．５〜２０μmとなるように形成せしめ
るのが好ましい。

【００３３】

【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１〜１１、比較例１〜８）平均粒径５μｍのス
ポジューメン粉末と、平均粒径４μｍの窒化ケイ素粉末
を表１、２に示す割合とし、ボールミル中で２４時間混
合した。

【００３４】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することによ
り平板状のセラミックス材料を得た。

【００３５】上記セラミックス材料に対して、ＪＩＳ
Ｒ１６１８に従い、０〜５０℃、２０〜３０℃の温度範
囲における熱膨張係数を測定した。また、ＪＩＳＲ１
６０２に従い、超音波パルス法により、室温でのヤング
率を測定した。さらに、気孔の平均径は、走査型電子顕
微鏡を用いて観察して定量した。

【００３６】表１に、焼結温度を一定条件とし、スポジ
ューメンと窒化ケイ素の構成比率を変更した内容を示
す。

【００３７】ここに比較例１〜３で得られた平板状セラ
ミックスは、独立気孔の気孔率４％以上、その平均径１
０μｍ以上、比剛性３６以下、２０〜３０℃における熱
膨張係数−０．３８×１０^-6／Ｋ以上、ヤング率８３Ｇ
Ｐａ以下であり、多孔質で脆く、また、室温において収
縮しており、品質の悪いものであった。

【００３８】一方、実施例１〜８では、独立気孔の気孔
率が３％以下、その平均径５μｍ以下、比剛性３８以上
と優れた値を示していた。また、これら実施例では、８
９ＧＰａ以上と高いヤング率を示し、窒化ケイ素の添加
量を増すに従い、ヤング率は高まる傾向があった。中で
も実施例２〜８では１００ＧＰａ以上と非常に高い値と
なった。

【００３９】また、実施例１〜８では、２０〜３０℃に
おける熱膨張係数が−０．２７×１０^-6／Ｋ以下と優れ
た値を示した。

【００４０】さらに、実施例１〜８、比較例１〜３にお
いて、材料の表面に窒化アルミニウムと窒化チタン（Ａ
ｌＮ−ＴｉＮ）の導電性被膜をＰＶＤにより形成せしめ
た所、比較例１〜３では多孔質であったためか、剥離が
生じた。一方、実施例１〜８では、ＪＩＳＫ５４００
で測定しても剥離は一切観察されず、半導体製造用部材
として望ましい表面の導電性についても、表面抵抗率が
１０⁹Ω・ｃｍ以下と低くなり、効果的に付与されてい
ることが確認できた。

【００４１】表２に、スポジューメンと窒化ケイ素の構
成比率を１００：０、又は８９：１１とし、焼結温度を
変化させた内容を示す。ここで、比較例４〜６では、９
００℃以上で焼結したが、多孔質であり、独立気孔の平
均径が大きなものであった。

【００４２】一方、実施例９〜１１では、独立気孔の気
孔率３％以下、その平均径５μｍ以下、比剛性３８以上
であった。また、実施例９〜１０では、ヤング率は８９
ＧＰａ以上、熱膨張係数は−０．３×１０^-6／Ｋ以下と
特に優れた値を示した。

【００４３】

【表１】

【００４４】

【表２】

【００４５】

【発明の効果】本発明によれば、雰囲気の温度変化に対
して寸法変化が極めて小さく、さらに半導体製造装置用
部品の基材に用いた場合に、その基材の表面に導電性被
膜を形成させれば、表面抵抗率が１０⁹Ω・ｃｍ以下と
低くなる等の優れた特性を有するセラミックスが提供で
きる。

【００４６】また、本発明によるセラミックスは、基材
に高い品質特性が要求される、露光装置用ステージ等の
半導体製造装置用部品に好適に使用できるものとなる。

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、２０〜３０℃における熱膨張係数の絶
対値が３×１０^-7／Ｋ以下であるセラミックス。
【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、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。
【請求項６】前記基材の表面に導電性被膜が形成されて
なる請求項５記載の半導体製造装置用部材。
【請求項７】前記導電性被膜が炭化ケイ素、炭化チタ
ン、炭素、窒化チタン及び窒化アルミニウムからなる群
から選ばれる少なくとも１種からなるものである請求項
６記載の半導体製造装置用部材。
【請求項８】前記導電性被膜が窒化アルミニウム及び窒
化チタンからなるものである請求項７記載の半導体製造
装置用部材。