JP2004335742A - Electrostatic chuck - Google Patents

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JP2004335742A
JP2004335742A JP2003129689A JP2003129689A JP2004335742A JP 2004335742 A JP2004335742 A JP 2004335742A JP 2003129689 A JP2003129689 A JP 2003129689A JP 2003129689 A JP2003129689 A JP 2003129689A JP 2004335742 A JP2004335742 A JP 2004335742A
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low
thermal expansion
expansion ceramic
base material
thermal
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Application number
JP2003129689A
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Japanese (ja)
Inventor
Motohiro Umetsu
基宏 梅津
Masahito Iguchi
真仁 井口
Masako Kataoka
昌子 片岡
Mamoru Ishii
守 石井
Hiroaki Nakamura
中村  浩章
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Taiheiyo Cement Corp
Original Assignee
Taiheiyo Cement Corp
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To provide an electrostatic chuck wherein no breakage occurs in a carbon jig or the body of itself in a sintering process and has a low thermal expansion, as an electrostatic chuck having such a structure that an electrode is located between two low-thermal-expansion ceramic base materials. <P>SOLUTION: A paste containing conductive ceramic of low thermal expansion is applied on one surface of one low-thermal-expansion ceramic base material to form the electrode. Then, the other low-thermal-expansion ceramic base material is so joined to the low-thermal-expansion ceramic base material as to cover the electrode using a bonding material made of low-thermal-expansion ceramic having a melting point lower than that of the base material. Thus, the electrostatic chuck having such a structure that the electrode is located between the two low-thermal-expansion ceramic base materials can be obtained. <P>COPYRIGHT: (C)2005,JPO&NCIPI

Description

【0001】
【発明の属する技術分野】
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。
【0002】
【従来技術】
従来、半導体製造工程で半導体ウエハ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)
【0004】
【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
【0005】
【発明が解決しようとする課題】
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配設し、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焼結体が破損する問題があった。
【0006】
また、配設される電極は、電極材料として、熱膨張係数が大きなタングステン、モリブデンなどの導電性材料が使用されており、電極形態をメッシュ形状、あるいはパンチングメタル等とすることで、熱膨張を緩和する工夫がなされてはいるが、静電チャックの吸着面の熱膨張を非常に低い水準で維持することは困難であるため、平面度の精度が維持できず、製品歩留まりの低下を招く問題があった。
【0007】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造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セラミックス母材の破損が生じず、吸着面が低熱膨張係数であることを特徴とする静電チャックを提供することを目的とする。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、以下の(1)〜(4)によって達成される。
(1)電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックであって、該電極は1枚の低熱膨張セラミックス母材の片面に導電性低熱膨張セラミックスを含むペーストを付与することにより得られるものであり、かつ、もう1枚の低熱膨張セラミックス母材が該電極を被覆するように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により接合してなることを特徴とする静電チャック。
(2)電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックであって、該電極が導電性低熱膨張セラミックスからなる焼結体であり、かつ、該電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に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互いに接合してなることを特徴とする静電チャック。
(3)上記(1)、(2)において、 前記低熱膨張セラミックス母材を構成する複合材料が、リチウムアルミノシリケート、コーディエライト、から選ばれる1種以上の材料と、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種以上の材料とからなり、かつ、該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/℃であることを特徴とする静電チャック。
(4)上記(1)、(2)、(3)において、前記導電性低熱膨張セラミックスを構成する複合材料が、リチウムアルミノシリケート、コーディエライト、から選ばれる1種以上の材料と、炭化珪素、炭化ホウ素、炭化チタン、ホウ化チタン、炭化タングステンから選ばれる1種以上の材料とからなり、かつ、該導電性低熱膨張セラミックスの導電率が、10−6〜10−2S/cmであることを特徴とする静電チャック。
【0009】
【発明の実施の形態】
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、電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックである。
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。その理由は、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。
なお、静電吸着としては、クーロン力による吸着もジョンセンラーベック力による吸着も、さらにこれらが複合化した吸着も可能である。
従来の低熱膨張セラミックスを使用した静電チャックでは、電極に熱膨張係数が大きいタングステンやモリブデンを使用しているため、静電チャック製造時に低熱膨張セラミックス内に応力が残留し、クーロン力を発現させるため低熱膨張セラミックスの厚さを0.1〜0.5mmに薄く加工した場合、低熱膨張セラミックス絶縁層が破損するという課題があった。しかし、本発明では電極として導電性低熱膨張セラミックスを使用していることから、静電チャック製作時に低熱膨張セラミックス内には応力が残留しなくなるため、膨張セラミックスを薄く加工しても低熱膨張セラミックス絶縁層が破損しないという作用がある。
また、低熱膨張セラミックス母材の導電率を10−14〜10−8S/cmに制御することにより、ジョンセンラーベック力を発現させても良い。
【0010】
次に、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、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。
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。
【0011】
次に、本発明では、電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックであって、該電極は1枚の低熱膨張セラミックス母材の片面に導電性低熱膨張セラミックスを含むペーストを付与してから焼結することにより得られるものであり、かつ、もう1枚の低熱膨張セラミックス母材が該電極を被覆するように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により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。
【0012】
ここで、電極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、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、炭化チタン、ホウ化チタン、炭化タングステンから選ばれる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導電率が高く、これらを複合化することにより、所望の低熱膨張および導電率を兼備した材料とすることができるからである。
上記第2の材料としては、β−炭化珪素が好ましい。β−炭化珪素は、他の材料よりも比較的低熱膨張係数を有し、さらに高い導電性を有するので、極めて低い熱膨張係数を有する電極材料を得ることが可能である。
また、電極を構成する複合材料の20〜30℃における平均の熱膨張係数は−1.5×10−6〜1.5×10−6/℃であることが好ましい。この範囲であれば、低熱膨張セラミックス母材に影響を与えずに、半導体回路の精細化に適合可能であるからである。
さらに、電極を構成する複合材料の導電率は、10−6S/cm以上であることが望ましい。上限については、特に限定はしないが、10−2S/cm以下であることが望ましい。10−6S/cm以下であると導電率が低すぎて電極としての機能を発現できない。さらに、10−2S/cm以上であると導電性材料として添加する第2の材料の添加量が多くなり、低熱膨張率を維持できない。
このように、電極を構成する第2の材料を、熱膨張係数および導電率が所望の範囲となるように適宜選択すれば本発明の導電性低熱膨張セラミックス粉末を得ることができる。
【0013】
次に、電極の形成方法を説明する。まず、上述した導電性低熱膨張セラミックス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、このペーストを一方の低熱膨張セラミックス母材の片面に塗布する。次に、後述する方法で調整した接合材ペーストを、電極を形成した低熱膨張セラミックス母材表面ともう1枚の低熱膨張セラミックス母材の表面に塗布し、脱脂する。接合材を塗付した母材面同士を密着させ、接合材は溶融するけれども母材は溶融しない温度で熱処理を行う。これにより、接合材が溶融し、一部は母材に拡散して母材および電極材同士を接合できる。
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。
【0014】
ここで、接合材を構成する複合材料は、リチウムアルミノシリケート、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。
次に、接合材ペーストの調整方法について説明する。
本発明の接合材ペーストは、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することにより調整される。このペーストを介して母材同士を接着させ、接合材は溶融するけれども母材は溶融しない温度で熱処理することにより、接合材が溶融し、一部は母材に拡散して母材同士を接合することができるわけである。
【0015】
なお、電極、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。
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。
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。
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。
【0016】
次に、本発明では、電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックであって、該電極が導電性低熱膨張セラミックスからなる焼結体であり、かつ、該電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に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互いに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。
【0017】
ここで、母材、電極および接合材を構成する複合材料は、上述した材料と同様のものが使用できる。
次に、低熱膨張セラミックス母材および電極となる導電性低熱膨張セラミックスの製造方法としては、一般的なセラミックスの成形および焼結方法が適用できる。
また、接合材ペーストの調整方法および接合方法についても上述した方法と同様のものが適用できる。
【0018】
以下、本発明の実施例について説明する。
(実施例1)
β−ユークリプタイト、炭化珪素を65:35の質量割合でポットミル混合して乾燥させ、低熱膨張セラミックス母材用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円板状成形体を作製し、さらに、この成形体を150MPaでCIP処理した。
このようにして得られた成形体を窒素雰囲気中1380℃で焼成して、直径200mm×厚さ10mmと、直径200mm×厚み6mmの円盤状焼結体からなるセラミックス母材を得た。
【0019】
ここで、同様にして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ところ、20〜30℃における平均の熱膨張係数は0.4×10−6/℃と低熱膨張であった。また、共振法にてヤング率を測定したところ、170GPaと高剛性であった。一方、セラミックス母材の導電率を三端子法で求めたところ、6.4×10−10S/cmであった。
【0020】
次に、β−ユークリプタイト粉末と窒化珪素を40:60の質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30体積%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接合材ペーストを得た。
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0.65×10−6/℃、ヤング率は200GPaであった。
【0021】
さらに、β−ユークリプタイト粉末とβ−炭化珪素を65:35の質量割合でポットミル混合して乾燥させ、電極用の混合粉末を作製した。この混合粉末を前記と同様にペースト状にした。なお、この電極用の混合粉末と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および導電率を求めた。その結果は、20〜30℃における平均の熱膨張係数は1.38×10−6/℃と低熱膨張であった。また、導電率は2.5×10−2S/cmであり、導電性低熱膨張セラミックスであることを確認した。
【0022】
このようにして得た導電性低熱膨張セラミックス粉末ペーストを一方の低熱膨張セラミックス母材(直径200mm×厚さ10mm)の片面にスクリーンマスクを用いて、80μmの厚さに印刷した。次に、接合材ペーストを電極を形成した低熱膨張セラミックス母材表面ともう1枚の低熱膨張セラミックス母材(直径200mm×厚み6mm)の表面に塗布し、スクリーンマスクを用いて片面80μmの厚さに印刷し強制乾燥後、500℃で脱脂した。次に、接合材を塗付した母材面同士を密着させ、窒素雰囲気で1340℃の温度で熱処理し、接合材を溶融させて母材面同士を接合させて、電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する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母材からなる基台で、2は、低熱膨張セラミックス母材からな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。
なお、本実施例では基台に電極を形成してからチャック部を接合して静電チャックを得る方法を説明したが、チャック部に電極を形成してから基台を接合して静電チャックを得ても良い。
【0024】
本実施例で得られた静電チャックは、電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造であって、該電極は導電性低熱膨張セラミックスを含むペーストを付与することにより得られるものであり、かつ、母材同士が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により接合しているため、全体の熱膨張係数を小さすることができた。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かった。また、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できた。
【0025】
(実施例2)
実施例1と同様の手順で円盤状成形体を得、窒素雰囲気中1380℃で焼成して、直径200mm×厚さ10mmと、直径200mm×厚み6mmの焼結体からなる低熱膨張セラミックス母材を得た。
次に、β−ユークリプタイト粉末とα−炭化珪素を60:40の質量割合でポットミル混合して乾燥させ、電極用の混合粉末を作製し、窒素雰囲気1380℃焼成により、焼結体を作製した。実施例1と同様にして得られた試験片の熱膨張係数および導電率を求めたところ、20〜30℃における平均の熱膨張係数が1.48×10−6/℃であり、導電率は1.2×10−3S/cmであった。よって、得られた電極が、本発明の範囲の導電性低熱膨張セラミックスであることを確認した。
【0026】
2枚の低熱膨張セラミックス母材の各接合面および電極となる導電性低熱膨張セラミックスの両面に、実施例1と同じ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、電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に挟んで接合材印刷面同士を密着して0.5g/mm2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2枚の低熱膨張セラミックス母材と電極とをお互いに接合して静電チャックを得た。
図2に本実施例で得られた静電チャック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母材からなる基台で、2は、低熱膨張セラミックス母材からなるチャック部であり、3は電極である。また4は、基台と電極とチャック部をお互いに接合材で接合した接合部である。
【0027】
本実施例で得られた静電チャックは、電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造であって、電極が導電性低熱膨張セラミックスからなる焼結体であり、かつ、電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に挟んで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互いに接合しているため、全体の熱膨張係数を小さすることができた。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かった。また、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できた。さらに、電極の近傍にクラックが発生しないことが確認できた。
【0028】
【発明の効果】
以上説明したように、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とほぼ同程度であるので、母材の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が得られる。さらに、電極の近傍にも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。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施例1の静電チャックの模式的な断面図である。
【図2】本発明の実施例2の静電チャックの模式的な断面図である。
【符号の説明】
1 基台
2 チャック部
3 電極
4 接合部
[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrostatic chuck used for a semiconductor manufacturing apparatus or the like, and more particularly, to an electrostatic chuck made of a low thermal expansion ceramic base material.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, as an electrostatic chuck for attracting and holding a semiconductor wafer or the like in a semiconductor manufacturing process, for example, an electrostatic chuck using aluminum nitride as a base material has been used. (For example, see Patent Document 1)
[0003]
However, in recent years, semiconductor circuits have tended to become more and more fine, and in conventional electrostatic chucks based on aluminum nitride, a decrease in product yield has been caused due to thermal expansion deformation due to a change in ambient temperature. A low thermal expansion material containing cordierite as a main component has been used as a constituent member of a manufacturing apparatus. (For example, see Patent Document 2)
[0004]
[Patent Document 1]
Japanese Patent Application Laid-Open No. 2000-44345 [Patent Document 2]
JP-A-11-79830
[Problems to be solved by the invention]
2. Description of the Related Art A conventional electrostatic chuck is manufactured by a hot press method in which electrodes are provided inside ceramic powder constituting an electrostatic chuck body. In hot pressing, ceramic powder and electrodes are placed in a carbon jig and sintering is performed at a high temperature while applying a load.However, in the case of low thermal expansion ceramics, since the thermal expansion is smaller than that of the carbon jig, the ceramic is fired by the carbon jig during cooling. There was a problem that the compact was compressed and the carbon jig or the sintered body was damaged.
[0006]
The electrodes to be provided are made of a conductive material such as tungsten or molybdenum having a large coefficient of thermal expansion as an electrode material. Although some measures have been taken to mitigate the problem, it is difficult to maintain the thermal expansion of the suction surface of the electrostatic chuck at a very low level, so that flatness accuracy cannot be maintained and the product yield is reduced. was there.
[0007]
The present invention has been made in view of such circumstances, and even when an electrostatic chuck having a structure in which an electrode is disposed between two low thermal expansion ceramic base materials is used, a carbon jig is used in a sintering process. Alternatively, it is another object of the present invention to provide an electrostatic chuck characterized in that the ceramic base material is not damaged and the suction surface has a low coefficient of thermal expansion.
[0008]
[Means for Solving the Problems]
The object of the present invention is achieved by the following (1) to (4).
(1) An electrostatic chuck having a structure in which an electrode is disposed between two low-thermal-expansion ceramic base materials, wherein the electrode has conductive low-thermal-expansion ceramic on one surface of one low-thermal-expansion ceramic base material. A low-thermal-expansion ceramic material having a lower melting temperature than the base material so that another low-thermal-expansion ceramic base material covers the electrode. An electrostatic chuck, comprising:
(2) An electrostatic chuck having a structure in which an electrode is disposed between two low thermal expansion ceramic base materials, wherein the electrode is a sintered body made of conductive low thermal expansion ceramic, and Characterized by being sandwiched between two low-thermal-expansion ceramic base materials and bonded to each other with a bonding material made of low-thermal-expansion ceramics having a lower melting temperature than the base material.
(3) In the above (1) and (2), the composite material constituting the low thermal expansion ceramic matrix is at least one material selected from lithium aluminosilicate and cordierite, and silicon carbide, boron carbide, An average coefficient of thermal expansion of the low thermal expansion ceramic base material at 20 to 30 ° C., comprising at least one material selected from silicon nitride, sialon, alumina, zirconia, mullite, zircon, aluminum nitride, and calcium silicate. Is -1 × 10 −6 to 1 × 10 −6 / ° C.
(4) In the above (1), (2) and (3), the composite material constituting the conductive low thermal expansion ceramic is at least one material selected from lithium aluminosilicate and cordierite, and silicon carbide. And at least one material selected from boron carbide, titanium carbide, titanium boride, and tungsten carbide, and the conductivity of the conductive low thermal expansion ceramic is 10 −6 to 10 −2 S / cm. An electrostatic chuck characterized in that:
[0009]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, the present invention will be described in detail.
The electrostatic chuck according to the present invention is an electrostatic chuck having a structure in which electrodes are disposed between two low thermal expansion ceramic base materials.
Here, it is preferable that the average thermal expansion coefficient of the low thermal expansion ceramic base material at 20 to 30 ° C. is −1 × 10 −6 to 1 × 10 −6 / ° C. The reason is that within this range, when used as a member of a semiconductor manufacturing apparatus, it can be adapted to refinement of a semiconductor circuit.
In addition, as electrostatic adsorption, adsorption by Coulomb force, adsorption by Johnsen-Lahbek force, and adsorption in which these are combined are also possible.
Conventional electrostatic chucks using low-thermal-expansion ceramics use tungsten or molybdenum with a large thermal expansion coefficient for the electrodes, so stress remains in the low-thermal-expansion ceramics during the manufacture of the electrostatic chuck, and a Coulomb force is developed. Therefore, when the thickness of the low thermal expansion ceramic is reduced to 0.1 to 0.5 mm, there is a problem that the low thermal expansion ceramic insulating layer is damaged. However, in the present invention, since the conductive low thermal expansion ceramic is used as the electrode, no stress remains in the low thermal expansion ceramic when the electrostatic chuck is manufactured. It has the effect that the layer is not damaged.
The Johnsen-Rahbek force may be developed by controlling the conductivity of the low thermal expansion ceramic base material to 10 −14 to 10 −8 S / cm.
[0010]
Next, as a composite material constituting the low thermal expansion ceramic base material, at least one first material selected from lithium aluminosilicate and cordierite, and silicon carbide, boron carbide, silicon nitride, sialon, alumina, zirconia It is preferable to use one or more second materials selected from, mullite, zircon, aluminum nitride, and calcium silicate. Of these constituent materials, the first material has a very low thermal expansion, and the second material has a higher thermal expansion coefficient than the first material but a higher Young's modulus. This is because a material having both high rigidity can be obtained.
As the first material, β-eucryptite or spodumene, which is lithium aluminosilicate, is preferable. Among them, β-eucryptite exhibits a negative thermal expansion. Therefore, by combining it with a second material exhibiting a positive thermal expansion, it is possible to obtain an extremely low thermal expansion coefficient. It is possible to adjust the thermal expansion coefficient in a wide range from minus to plus by adjusting. In addition, lithium aluminosilicate represented by β-eucryptite and spojumen forms a solid solution with other components such as Ca, Mg, Fe, K, Ti, and Zn. In the present invention, such a solid solution is also applied. It is possible.
[0011]
Next, according to the present invention, there is provided an electrostatic chuck having a structure in which an electrode is disposed between two low thermal expansion ceramic base materials, wherein the electrode is electrically conductive on one surface of one low thermal expansion ceramic base material. It is obtained by applying a paste containing low thermal expansion ceramics and then sintering, and has a lower melting temperature than that of another low thermal expansion ceramic base material so as to cover the electrode. An electrostatic chuck characterized by being joined with a joining material made of low thermal expansion ceramics has been proposed.
[0012]
Here, the composite material forming the electrode is selected from one or more first materials selected from lithium aluminosilicate and cordierite, and selected from silicon carbide, boron carbide, titanium carbide, titanium boride, and tungsten carbide. Those comprising one or more second materials are preferred. Of these constituent materials, the first material has a very low thermal expansion, and the second material has a higher thermal expansion coefficient than the first material but a higher electrical conductivity. And a material having both electric conductivity.
As the second material, β-silicon carbide is preferable. Since β-silicon carbide has a relatively low coefficient of thermal expansion compared to other materials and has higher conductivity, it is possible to obtain an electrode material having an extremely low coefficient of thermal expansion.
Further, the average thermal expansion coefficient of the composite material constituting the electrode at 20 to 30 ° C. is preferably −1.5 × 10 −6 to 1.5 × 10 −6 / ° C. This is because if it is in this range, it can be adapted to the refinement of the semiconductor circuit without affecting the low thermal expansion ceramic base material.
Further, the conductivity of the composite material constituting the electrode is desirably 10 −6 S / cm or more. The upper limit is not particularly limited, but is desirably 10 −2 S / cm or less. If it is less than 10 −6 S / cm, the conductivity is too low to function as an electrode. Further, when the content is 10 −2 S / cm or more, the amount of the second material added as the conductive material increases, and a low coefficient of thermal expansion cannot be maintained.
Thus, the conductive low thermal expansion ceramic powder of the present invention can be obtained by appropriately selecting the second material constituting the electrode so that the thermal expansion coefficient and the electrical conductivity are in the desired ranges.
[0013]
Next, a method for forming an electrode will be described. First, the above-mentioned conductive low thermal expansion ceramic powder is kneaded with an appropriate binder to form a paste having adhesive properties, and this paste is applied to one surface of one of the low thermal expansion ceramic base materials. Next, the bonding material paste prepared by a method described later is applied to the surface of the low thermal expansion ceramic base material on which the electrodes are formed and the surface of another low thermal expansion ceramic base material, and degreased. The surfaces of the base materials to which the bonding material is applied are brought into close contact with each other, and heat treatment is performed at a temperature at which the bonding material melts but the base material does not melt. As a result, the bonding material is melted, and a part of the bonding material is diffused into the base material, so that the base material and the electrode material can be bonded to each other.
As the heat treatment atmosphere at this time, an air atmosphere can be used as long as all the materials are oxide-based, but a non-oxidation atmosphere can be used when non-oxide-based materials are included. preferable.
[0014]
Here, the composite material forming the bonding material is at least one first material selected from lithium aluminosilicate and cordierite, and silicon carbide, boron carbide, silicon nitride, sialon, alumina, zirconia, mullite, and zirconium. , Aluminum nitride, and one or more second materials selected from calcium silicate. At this time, the second material forming the joining material is appropriately selected from the above materials so that the melting temperature of the joining material is lower than the melting temperature of the base material.
Next, a method for adjusting the bonding material paste will be described.
The bonding material paste of the present invention is prepared by kneading the bonding material powder with an appropriate binder to form a paste having a sticky property. The base materials are bonded to each other through this paste, and the bonding material is melted but the base material is heat-treated at a temperature that does not melt, so that the bonding material is melted and partly diffused into the base material to join the base materials together. You can do it.
[0015]
Note that in the composite material forming the electrode, the bonding material, and the base material, a plurality of materials can be used in combination as the first material unless a substantial chemical reaction occurs. Similarly, the second material can be used in combination of a plurality of materials as long as no substantial chemical reaction occurs.
Here, it is preferable that at least one of the constituent materials of the composite material forming the base material is the same as the constituent material of the composite material forming the joining material. Thereby, the common constituent material is easily diffused and can be firmly joined.
In this case, the composition of the base material is 50 to 95% by mass of β-eucryptite and 5 to 50% by mass of silicon carbide, and the composition of the bonding material is 40 to 85% by mass of β-eucryptite and silicon nitride. It is preferably 15 to 60% by mass.
By using a low thermal expansion ceramic having a lower melting temperature than the base material as the joining material, the joining material is heated at a temperature higher than the melting temperature of the joining material and lower than the melting temperature of the base material during joining. Only the base material can be melted and joined together. In this case, since the joining material is a low thermal expansion ceramic, the stress remaining in the joining portion is small, and the rigidity of the joining portion is high, so that the rigidity of the entire material is high and the joining strength of the joining portion itself is large.
[0016]
Next, according to the present invention, there is provided an electrostatic chuck having a structure in which an electrode is provided between two low thermal expansion ceramic base materials, wherein the electrode is a sintered body made of conductive low thermal expansion ceramic, In addition, an electrostatic chuck characterized in that the electrode is sandwiched between two low thermal expansion ceramic base materials and bonded to each other with a bonding material made of low thermal expansion ceramic having a lower melting temperature than the base material. are doing.
[0017]
Here, as the composite material forming the base material, the electrode, and the bonding material, the same materials as those described above can be used.
Next, as a method for producing the low thermal expansion ceramic base material and the conductive low thermal expansion ceramics to be electrodes, general ceramic molding and sintering methods can be applied.
Also, the same method as described above can be applied to the method of adjusting the bonding material paste and the bonding method.
[0018]
Hereinafter, examples of the present invention will be described.
(Example 1)
β-eucryptite and silicon carbide were mixed in a pot mill at a mass ratio of 65:35 and dried to prepare a raw material mixed powder for a low thermal expansion ceramic base material. The mixed powder was uniaxially pressed to form a disc-shaped molded body, and the molded body was subjected to a CIP treatment at 150 MPa.
The thus obtained molded body was fired at 1380 ° C. in a nitrogen atmosphere to obtain a ceramic base material composed of a disc-shaped sintered body having a diameter of 200 mm × thickness of 10 mm and a diameter of 200 mm × thickness of 6 mm.
[0019]
Here, a test piece was cut out from the sintered body obtained by firing in the same manner, and the thermal expansion coefficient at room temperature was determined using a laser interference type thermal expansion measurement device (LIX-1 manufactured by ULVAC-RIKO). The average coefficient of thermal expansion at 20 to 30 ° C. was 0.4 × 10 −6 / ° C., which was low. When the Young's modulus was measured by the resonance method, the rigidity was 170 GPa, which was high. On the other hand, when the conductivity of the ceramic base material was determined by the three-terminal method, it was 6.4 × 10 −10 S / cm.
[0020]
Next, β-eucryptite powder and silicon nitride were mixed in a pot mill at a mass ratio of 40:60 and dried to prepare a mixed powder for a bonding material. This mixed powder was mixed with a 15% α-terpineol solution of ethyl cellulose so as to have an inorganic content of 30% by volume, and a three-roll roll was used to obtain a bonding material paste.
A sintered body having the same composition was prepared for this joining material, and the thermal expansion coefficient was determined in the same manner as described above. As a result, the average coefficient of thermal expansion at 20 to 30 ° C. was 0.65 × 10 −6 / ° C., and the Young's modulus was 200 GPa.
[0021]
Further, β-eucryptite powder and β-silicon carbide were mixed in a pot mill at a mass ratio of 65:35 and dried to prepare a mixed powder for an electrode. This mixed powder was made into a paste as described above. A sintered body having the same composition as the mixed powder for an electrode was prepared, and the thermal expansion coefficient and the electrical conductivity were determined in the same manner as described above. As a result, the average thermal expansion coefficient at 20 to 30 ° C. was 1.38 × 10 −6 / ° C., which was a low thermal expansion. Further, the conductivity was 2.5 × 10 −2 S / cm, and it was confirmed that the ceramic was a conductive low thermal expansion ceramic.
[0022]
The conductive low thermal expansion ceramic powder paste thus obtained was printed on one surface of one of the low thermal expansion ceramic base materials (200 mm in diameter × 10 mm in thickness) to a thickness of 80 μm using a screen mask. Next, the bonding material paste is applied to the surface of the low-thermal-expansion ceramic base material on which the electrodes are formed and the surface of another low-thermal-expansion ceramic base material (200 mm in diameter x 6 mm in thickness), and has a thickness of 80 μm on one side using a screen mask. And forcibly dried, and then degreased at 500 ° C. Next, the surfaces of the base materials to which the bonding material is applied are brought into close contact with each other, and heat treatment is performed at a temperature of 1340 ° C. in a nitrogen atmosphere to melt the bonding material and bond the surfaces of the base materials. An electrostatic chuck having a structure disposed between ceramic base materials was obtained.
[0023]
FIG. 1 shows a schematic sectional view of the electrostatic chuck obtained in this embodiment.
Here, 1 is a base made of a low thermal expansion ceramic base material, 2 is a chuck portion made of a low thermal expansion ceramic base material, and 3 is an electrode. Reference numeral 4 denotes a joining portion in which the base and the chuck portion are joined with a joining material.
In this embodiment, the method of forming an electrode on the base and then joining the chuck portion to obtain an electrostatic chuck has been described. However, the electrodes are formed on the chuck portion and then the base is joined and the electrostatic chuck is joined. You may get.
[0024]
The electrostatic chuck obtained in this embodiment has a structure in which electrodes are disposed between two low thermal expansion ceramic base materials, and the electrodes are obtained by applying a paste containing conductive low thermal expansion ceramics. In addition, since the base materials are joined to each other by a joining material made of low thermal expansion ceramics having a lower melting temperature than the base material, the overall thermal expansion coefficient can be reduced. Further, since the difference in thermal expansion between the base material and the joining material was extremely small, there was no crack at the joining portion. In addition, it was confirmed that the joint material had a large joint strength that maintained the rigidity of the base material and did not cause a significant decrease in the strength of the base material.
[0025]
(Example 2)
A disc-shaped molded body was obtained in the same procedure as in Example 1 and fired at 1380 ° C. in a nitrogen atmosphere to obtain a low-thermal-expansion ceramic base material having a diameter of 200 mm × thickness of 10 mm and a diameter of 200 mm × thickness of 6 mm. Obtained.
Next, β-eucryptite powder and α-silicon carbide are mixed in a pot mill at a mass ratio of 60:40 and dried to prepare a mixed powder for an electrode, and a sintered body is prepared by firing at 1380 ° C. in a nitrogen atmosphere. did. When the coefficient of thermal expansion and the electrical conductivity of the test piece obtained in the same manner as in Example 1 were determined, the average coefficient of thermal expansion at 20 to 30 ° C. was 1.48 × 10 −6 / ° C., and the electrical conductivity was 1.2 × 10 −3 S / cm. Therefore, it was confirmed that the obtained electrode was a conductive low thermal expansion ceramic within the scope of the present invention.
[0026]
The same bonding material paste as in Example 1 was printed to a thickness of 80 μm on one side using a screen mask on each bonding surface of the two low thermal expansion ceramic base materials and on both surfaces of the conductive low thermal expansion ceramics serving as electrodes at 500 ° C. Defatted.
Next, the electrodes are sandwiched between two low-thermal-expansion ceramic base materials, the printed surfaces of the bonding materials are closely adhered to each other, a load of 0.5 g / mm2 is applied, and heat treatment is performed at a temperature of 1340 ° C. in a nitrogen atmosphere. Was melted, and the two low thermal expansion ceramic base materials and the electrode were joined to each other to obtain an electrostatic chuck.
FIG. 2 shows a schematic sectional view of the electrostatic chuck obtained in this embodiment.
Here, 1 is a base made of a low thermal expansion ceramic base material, 2 is a chuck portion made of a low thermal expansion ceramic base material, and 3 is an electrode. Reference numeral 4 denotes a joining portion in which the base, the electrode, and the chuck portion are joined to each other with a joining material.
[0027]
The electrostatic chuck obtained in the present embodiment has a structure in which electrodes are disposed between two low thermal expansion ceramic base materials, and the electrodes are sintered bodies made of conductive low thermal expansion ceramics, and Since the electrodes are sandwiched between two low-thermal-expansion ceramic base materials and bonded to each other with a bonding material made of low-thermal-expansion ceramics having a lower melting temperature than the base material, the overall thermal expansion coefficient can be reduced. . Further, since the difference in thermal expansion between the base material and the joining material was extremely small, there was no crack at the joining portion. In addition, it was confirmed that the base material had a large joint strength that maintained the rigidity of the base material and did not cause a significant decrease in the strength of the base material. Furthermore, it was confirmed that cracks did not occur near the electrodes.
[0028]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, since the average thermal expansion coefficient at 20 to 30 ° C. of the joining material is substantially the same as that of the electrode and the low thermal expansion ceramic base material, the joining portion of the base material has no crack. In addition, it is possible to obtain a large joint strength that maintains the rigidity of the base material and does not cause a significant decrease in the strength of the base material. Further, it is possible to obtain an electrostatic chuck in which cracks do not occur near the electrodes.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a schematic sectional view of an electrostatic chuck according to a first embodiment of the present invention.
FIG. 2 is a schematic sectional view of an electrostatic chuck according to a second embodiment of the present invention.
[Explanation of symbols]
1 Base 2 Chuck 3 Electrode 4 Joint

Claims (4)

電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックであって、該電極は1枚の低熱膨張セラミックス母材の片面に導電性低熱膨張セラミックスを含むペーストを付与することにより得られるものであり、かつ、もう1枚の低熱膨張セラミックス母材が該電極を被覆するように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により接合してなることを特徴とする静電チャック。An electrostatic chuck having a structure in which an electrode is disposed between two low-thermal-expansion ceramic base materials, wherein the electrode comprises a paste containing conductive low-thermal-expansion ceramic on one surface of one low-thermal-expansion ceramic base material. And a second low-thermal-expansion ceramic base material joined by a bonding material made of low-thermal-expansion ceramic having a lower melting temperature than the base material so as to cover the electrode. An electrostatic chuck characterized in that: 電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックであって、該電極が導電性低熱膨張セラミックスからなる焼結体であり、かつ、該電極を2枚の低熱膨張セラミックス母材の間に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互いに接合してなることを特徴とする静電チャック。An electrostatic chuck having a structure in which an electrode is disposed between two low thermal expansion ceramic base materials, wherein the electrode is a sintered body made of conductive low thermal expansion ceramic, and the two electrodes are An electrostatic chuck comprising a low-thermal-expansion ceramic base material and a low-thermal-expansion ceramic base material having a lower melting temperature than the base material. 前記低熱膨張セラミックス母材を構成する複合材料が、リチウムアルミノシリケート、コーディエライト、から選ばれる1種以上の材料と、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種以上の材料とからなり、かつ、該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/℃であることを特徴とする請求項1または2に記載の静電チャック。The composite material constituting the low thermal expansion ceramic matrix is one or more materials selected from lithium aluminosilicate and cordierite, and silicon carbide, boron carbide, silicon nitride, sialon, alumina, zirconia, mullite, zircon, It is made of at least one material selected from aluminum nitride and calcium silicate, and the low thermal expansion ceramic base material has an average thermal expansion coefficient at 20 to 30 ° C. of −1 × 10 −6 to 1 × 10 −6. The electrostatic chuck according to claim 1 or 2, wherein the temperature is / ° C. 前記導電性低熱膨張セラミックスを構成する複合材料が、リチウムアルミノシリケート、コーディエライト、から選ばれる1種以上の材料と、炭化珪素、炭化ホウ素、炭化チタン、ホウ化チタン、炭化タングステンから選ばれる1種以上の材料とからなり、かつ、該導電性低熱膨張セラミックスの導電率が、10−6〜10−2S/cmであることを特徴とする請求項1または2または3に記載の静電チャック。The composite material constituting the conductive low thermal expansion ceramic is at least one material selected from lithium aluminosilicate and cordierite, and one or more materials selected from silicon carbide, boron carbide, titanium carbide, titanium boride, and tungsten carbide. 4. The electrostatic device according to claim 1, wherein the material is made of at least one kind of material, and the conductivity of the conductive low thermal expansion ceramic is 10 −6 to 10 −2 S / cm. 5. Chuck.
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