JP2006056731A

JP2006056731A - 窒化アルミニウム焼結体およびそれを用いた静電チャック

Info

Publication number: JP2006056731A
Application number: JP2004238497A
Authority: JP
Inventors: Hironori Ishida; 弘徳石田; Mamoru Ishii; 守石井
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2004-08-18
Filing date: 2004-08-18
Publication date: 2006-03-02

Abstract

【課題】耐フッ酸性に優れた窒化アルミニウム焼結体、およびそれを用いた静電チャックを提供する。
【解決手段】窒化アルミニウム焼結体は、IIIａ族元素から選択される少なくとも１種の元素の酸化物を０．５〜５質量％含有し、表面粗さがＲａ０．２μｍ以下に調整された面を備えている。また、この面に４６質量％フッ酸溶液を接触させて１時間放置した後のその接触面の表面粗さはＲａ０．２μｍ以下に維持される。このような窒化アルミニウム焼結体を誘電体層２として用い、その下に設けられた電極３に電圧を印加することにより半導体ウエハ１０を吸着する。
【選択図】図１

Description

本発明は、耐フッ酸性に優れた窒化アルミニウム焼結体およびそれを用いた静電チャックに関する。

セラミックスは金属と比較して、耐薬品や耐ガス性などの耐食性に優れることから、厳しい環境で用いられることが多い。なかでも、半導体製造装置や液晶およびプラズマディスプレイをはじめとするフラットパネルディスプレイ製造装置、化学薬品処理装置には、激しい腐食環境の工程があり、そのような工程で使用される装置の部品としてセラミックスが多用されている。

近年、このような環境下で使用されるセラミック部品として、熱伝導性に優れ、耐食性にも優れる窒化アルミニウム製部品が注目されており、特に半導体製造装置においては、窒化アルミニウム焼結体中に電極を埋設した静電チャックが使用されるようになってきている（例えば、特許文献１参照）。

ここで半導体装置の製造工程に着目すると、そこにはＳｉ酸化膜を除去するために半導体ウエハをフッ酸で処理する洗浄工程やエッチング工程がある。当然に、半導体ウエハには、フッ酸による処理の後に純水によるリンス処理が施されるが、リンス処理が不十分であると、極微量のフッ酸が半導体ウエハに残留する。こうして半導体ウエハの裏面（静電チャックへの吸着面）にフッ酸が残留した状態で半導体ウエハを静電チャックに吸着させると、静電チャック（つまり、窒化アルミニウム焼結体）が腐食される。これは、窒化アルミニウム焼結体には不可避的にＳｉ成分が含まれているために、Ｓｉ成分がフッ酸と反応して窒化アルミニウムの脱粒が生じることによる。

このようにして脱粒した窒化アルミニウム粒子はパーティクルとなって半導体ウエハを汚染する。また、このような脱粒によって静電チャックの吸着面が荒れると、半導体ウエハの吸脱着の際に窒化アルミニウム粒子の脱粒が起こりやすくなり、これによって半導体ウエハが汚染されるという問題を生ずる。
特開平１１−３５４６２０号公報

本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであり、耐フッ酸性に優れた窒化アルミニウム焼結体と、これを用いた静電チャックを提供することを目的とする。

本発明によれば、半導体製造に使用され、IIIａ族元素から選択される少なくとも１種の元素の酸化物を０．５〜５質量％含有する窒化アルミニウム焼結体であって、表面粗さがＲａ０．２μｍ以下に調整された面に４６質量％フッ酸溶液を接触させて１時間放置した後のその接触面の表面粗さがＲａ０．２μｍ以下であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体、が提供される。

また、本発明によれば、上記窒化アルミニウム焼結体を用いた静電チャック、すなわち、半導体製造に使用され、IIIａ族元素から選択される少なくとも１種の元素の酸化物を０．５〜５質量％含有する窒化アルミニウム焼結体を半導体ウエハの吸着面に用いてなる静電チャックであって、半導体ウエハとの接触面の表面粗さをＲａ０．２μｍ以下とし、前記接触面に４６質量％フッ酸溶液を接触させて１時間放置した後のその接触面の表面粗さがＲａ０．２μｍ以下であることを特徴とする静電チャック、が提供される。

この静電チャックにおいて、窒化アルミニウム焼結体のＳｉ成分濃度は２００ｐｐｍ以下であることが好ましい。

本発明に係る窒化アルミニウム焼結体は、耐フッ酸性に優れているので、長期使用においても腐食し難い。このため、この窒化アルミニウム焼結体を用いた静電チャックでは、優れた耐久性が得られ、腐食によるパーティクルの発生が抑制される。これにより半導体ウエハの汚染が抑制され、高品質な半導体デバイスを製造することができる。

本発明に係る窒化アルミニウム焼結体は、半導体製造に使用され、IIIａ族元素から選択される少なくとも１種の元素の酸化物を０．５〜５質量％含有する。IIIａ族元素酸化物は、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の焼結助剤として用いられるものである。

その含有量を０．５質量％以上５質量％以下としたのは、０．５質量％未満では焼結助剤としての効果が小さく、緻密な焼結体を得ることが困難であるからである。緻密な焼結体でなければ、例えば、気孔を起点として脱粒が発生したり、表面粗さを小さくすることが困難となる。一方、５質量％超では、ＡｌＮの特性である高熱伝導性を保つことが困難になり、また、焼結助剤は焼結時にＡｌＮ粒界に液相を形成するが、この液相が流れ出ることによって組成の制御が困難になったり、焼成時に成形体の形状が維持できなくなる等の問題が生ずる。

なお、IIIａ族元素酸化物のうち実用的な材料としては、Ｓｃ₂Ｏ₃、Ｙ₂Ｏ₃、Ｌａ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂、Ｐｒ₂Ｏ₃、Ｎｄ₂Ｏ₃、Ｐｍ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｅｕ₂Ｏ₃、Ｇｄ₂Ｏ₃、Ｔｂ₂Ｏ₃、Ｄｙ₂Ｏ₃、Ｈｏ₂Ｏ₃、Ｔｍ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｌｕ₂Ｏ₃、が挙げられる。これらは上記質量％の範囲であれば、複数が含まれていてもよい。

窒化アルミニウム焼結体には、例えば、焼結体製造の原料として用いられるＡｌＮ粉末の製造の都合上、不可避的にＳｉが混入する。このＳｉ成分には、焼結体を構成するＡｌＮ粒子中に固溶しているものと、ＡｌＮ粒子間の粒界相に酸化物や他元素（例えば、焼結助剤）との複合酸化物として存在しているものとがある。フッ酸溶液はＳｉ酸化物との反応性に富むために、窒化アルミニウム焼結体の表面にフッ酸溶液を接触させると（例えば、フッ酸溶液を滴下等すると）、ＡｌＮ粒子中に存在しているＳｉ成分よりも、粒界相に存在しているＳｉ酸化物やＳｉとＡｌとの複合酸化物との反応の方が起こりやすい。このために、粒界相が選択的に腐食されることとなり、ＡｌＮ粒子の脱粒を引き起こす。

このような窒化アルミニウム焼結体のフッ酸溶液による腐食を回避する観点から、本発明に係る窒化アルミニウム焼結体は、表面粗さがＲａ０．２μｍ以下に調整された面に４６質量％フッ酸溶液を接触させて１時間放置した後のその接触面の表面粗さがＲａ０．２μｍ以下に保たれるという特性を有する。

窒化アルミニウム焼結体の表面粗さの初期値をＲａ０．２μｍ以下に調整するとしたのは、窒化アルミニウム焼結体を静電チャックにおける誘電体層（吸着面部材）として用いた場合に、パーティクルの発生を抑制するためであり、市場の要求でもある。また、表面粗さの初期値がＲａ０．２μｍを超えている場合には、後に説明する実施例・比較例に示されるように、フッ酸溶液による腐食が進行しやすいからである。

４６質量％のフッ酸溶液を用いるのは、加速試験を行うためである。このようなフッ酸溶液と接触した面における表面粗さが、パーティクルを発生し難いＲａ０．２μｍ未満に抑えられるような窒化アルミニウム焼結体では、耐フッ酸性が良好であるから、通常の半導体デバイスの製造工程で、大きな問題は生じず、優れた耐久性が発揮される。

窒化アルミニウム焼結体のフッ酸溶液による腐食をより効果的に回避するためには、窒化アルミニウム焼結体はできる限りＳｉ成分を含んでいないことが好ましく、Ｓｉ成分濃度（Ａｌに対するＳｉの濃度をいう）は２００ｐｐｍ以下であることが好ましい。Ｓｉ成分濃度が２００ｐｐｍを超えると、窒化アルミニウム焼結体におけるＡｌＮ粒子の脱粒が顕著に生じるようになる。

また、粒界相が少ない方がフッ酸溶液による腐食をより効果的に回避することができるため、粒界相を形成する焼結助剤の添加量は、上記範囲の中でも、液相が必要最小限に形成される範囲とすることが好ましい。さらに、窒化アルミニウム焼結体には、その電気的特性、機械的特性、色調等を調整する観点から、上記焼結助剤以外に添加物（例えば、窒化チタン（ＴｉＮ））を加えることがある。その場合には、このような添加物として、耐フッ酸性が高いものを用いることが好ましい。

本発明に係る窒化アルミニウム焼結体は、フッ酸溶液に対する耐食性が高いが、例えば硝フッ酸溶液のような、フッ酸と他の酸との混合溶液に対しても、上記と同様の耐食性を示す。

次に、上述した窒化アルミニウム焼結体の製造方法について説明する。ＡｌＮ粉末にＬａ_２Ｏ_３等のIIIａ族元素酸化物を所定量添加し、混合する。ＡｌＮ粉末としては還元窒化法、直接窒化法のいずれの製造方法によるものでも使用できるが、Ｓｉ含有量が少ない粉末を選ぶことが好ましい。ＡｌＮ粉末にIIIａ族元素酸化物を混合する際には、成形性を向上させるためにＰＶＡ（ポリビニルアルコール）等の有機バインダーを添加してもよい。この場合には、焼成前に有機バインダーの脱脂工程が必要になる。

こうして調製された混合粉末の成形は、例えば、プレス成形（一軸プレス成形やＣＩＰ成形）により行われる。なお、作製する焼結体の形状に応じて、押出成形法や射出成形法、鋳込み成形法等の各種の成形方法を選択できることは言うまでもなく、混合粉末を各成形方法に適した形態（例えば、押出成形であれば粘土状、鋳込み成形法ではスリップ状）に調製すればよいことはいうまでもない。

作製された成形体は、通常、１６００〜１９５０℃の非酸化雰囲気で焼成される。非酸化雰囲気としては、窒素雰囲気やアルゴン雰囲気が例として挙げられる。ＡｌＮ自体は難焼結性であるが、添加されたIIIａ族元素酸化物が焼成時に焼結助剤として作用するため、常圧焼成が可能である。また、プレスを加えながら焼結するホットプレス焼成法を用いてもよく、その場合には常圧焼成と比較して、より低い温度、短い時間で焼成することができる。さらに常圧焼成により得られた焼結体をさらにＨＩＰ処理してもよい。

なお、窒化アルミニウム粒子表面に存在する酸素（Ｏ）とIIIａ族元素酸化物とＡｌが複合酸化物を生成し液相成分となることで、窒化アルミニウム結晶が高純度化し、熱伝導性が向上するという効果が得られる。

焼成温度は１６５０〜１９５０℃であることが望ましく、１６５０〜１８５０℃であることがより好ましい。焼成温度が１６５０℃より低いと、液相成分が生成し難いために緻密化が促進されず、気孔が多くなるために、所望の表面粗さを得ることが困難となり、また機械的強度も不十分となる。このため、窒化アルミニウム焼結体の開気孔率は０．２％以下であることが好ましい。一方、焼成温度が１９５０℃より高いと、液相成分が排出されやすくなり、組成制御や形状維持が困難となる。

１６５０℃〜１８５０℃の範囲では、十分に緻密化が促進され、かつ、液相成分が窒化アルミニウム焼結体からほとんど排出されず、原料粉末調製時の組成がそのまま焼結体に反映される。これにより、IIIａ族元素酸化物の添加量（含有量）の制御が容易となる。焼成温度が１８５０〜１９５０℃では、液相成分の排出が若干生じるが、その場合にはIIIａ族元素酸化物を目的の含有量より少し多めに添加することにより、容易に組成ずれに対応することができる。

本発明に係る窒化アルミニウム焼結体の平均粒径は、３〜１０μｍ程度であることが望ましい。平均粒径が１０μｍより大きくなると、焼結体の加工段階でチッピング等の欠けが生じやすくなるといった製造上の問題が発生する。一方、平均粒径が３μｍ未満の場合には、粒界相が弱いために研磨加工で脱粒が生じやすくなり、仕上げ面に気孔が残ってしまうという問題が生ずる。これは、粒径が小さい場合には、密度が十分であっても焼成温度が必要最低温度付近である場合が多いため、粒界相が多く、その強度が弱いものとなりやすいからである。

こうして作製された窒化アルミニウム焼結体を所定形状に加工し、さらにその表面を表面粗さがＲａ０．２μｍ以下となるように研磨加工する。これにより、研磨面に４６質量％フッ酸溶液を接触させて１時間放置した後のその接触面の表面粗さがＲａ０．２μｍ以下という特性を示す加工体を得ることができる。このような窒化アルミニウム焼結体からなる加工体を誘電体層として用いた静電チャックでは、耐フッ酸性に優れるので、腐食の進行とこれに伴うパーティクルの発生が抑制される。

次に、上記窒化アルミニウム焼結体を用いた静電チャックの例について説明する。図１および図２は、本発明の窒化アルミニウム焼結体を用いた静電チャックを示す断面図であり、図１は単極型のものを示し、図２は双極型のものを示す。

図１の単極型の静電チャック１は、アルミニウム等からなる基台５の上に固定されて設けられており、吸着面を有し、本発明の窒化アルミニウム焼結体で構成された誘電体層２と、その下に設けられた電極３と、電極３と基台５との間に設けられた絶縁層４とを有しており、電極３には直流電源６が接続されており、この直流電源６から電極３に給電されることにより、誘電体層２の上に載置された被吸着体である半導体ウエハ１０が静電吸着される。

図２の双極型の静電チャック１’は、誘電体層２と絶縁層４との間に一対の電極３ａ、３ｂが設けられており、これらに直流電源６が接続されており、直流電源６からこれらの電極にそれぞれ逆極性の電荷が供給されて誘電体層２の上に載置された半導体ウエハ１０が静電吸着される。

なお、静電チャックの構造は特に限定されるものではなく、図１、図２に示す構造の他に、一方の面に電極が形成された誘電体層をセラミックス板あるいはアルミニウム台座に接着剤により貼り付けた構造など、種々の構造を採用することができる。また、電極構造は特に限定されず、上述のように単極型電極でも双極型電極でもよく、その形状も限定されるものではない。

次に、実施例により本発明についてさらに詳細に説明する。還元窒化法で製造された窒化アルミニウム粉末に、表１に示すIIIａ族元素の酸化物とＳｉを所定量添加し、樹脂ボールを混合媒体とし、適量のＩＰＡ（イソプロピルアルコール）を溶媒として加え、２４時間、ボールミル混合した。得られたスラリーを乾燥し、１００メッシュをパスさせた原料粉末を作製した。

得られた原料をプレス成形し、窒素ガス雰囲気下、１９００℃で３時間焼成し、約５０ｍｍφ×１０ｍｍの焼結体を得た。焼結体の一部を切り出して、IIIａ族元素とＳｉの含有量をＩＣＰ発光分析法により測定した。また、焼結体の残りの部分について、その表面（５０ｍｍφの円形の面）の一方を平面研削し、さらに表１に示す表面粗さとなるように、ラッピング（研磨）処理した。なお、この表面粗さは触針式表面粗さ計により測定した。この研磨面に、４６質量％のフッ酸溶液を滴下して１時間放置し、その後に純水でフッ酸溶液を洗い流して、フッ酸溶液に接触していた部分の表面粗さを測定した。その結果を表１に併記する。

表１に示されるように、実施例１〜４では、フッ酸溶液による処理前後での表面粗さに殆ど変化はなく、良好な耐食性が確認された。これに対して、実施例５は、Ｓｉ含有量が２００ｐｐｍを超えているために、実施例１〜４と比較すると、腐食が顕著に進行していることがわかる。このような焼結体を用いる場合には、フッ酸溶液による処理後に表面粗さがＲａ０．２μｍ以下であるという条件を満足させるためには、ラッピング処理において、表面粗さをできる限り小さくしておく必要がある。

比較例１では、表面粗さの初期値がＲａ０．２μｍを超えていたために、腐食が進行したと考えられる。この理由としては、表面粗さが大きいと、フッ酸溶液との接触面積が増え、粒界が侵されやすくなることが考えられる。また、比較例２では、表面粗さの初期値がＲａ０．２μｍを超えているだけでなく、フッ酸溶液に侵されやすいＳｉ成分の含有量が２００ｐｐｍを超えていることから、比較例１よりもさらに腐食が進行しやすいという結果となった。

本発明に係る窒化アルミニウム焼結体は、半導体ウエハを保持するための静電チャックに好適であるが、それに限られず、腐食環境下で用いられる種々のセラミック部品、例えば、サセプタ、ヒータ、治具等にも好適である。

本発明に係る単極型の静電チャックを示す断面図。本発明に係る双極型の静電チャックを示す断面図。

符号の説明

１，１’；静電チャック
２；誘電体層
３，３ａ，３ｂ；電極
４；絶縁層
５；基台
６；直流電源
１０；半導体ウエハ（被吸着体）

Claims

半導体製造に使用され、IIIａ族元素から選択される少なくとも１種の元素の酸化物を０．５〜５質量％含有する窒化アルミニウム焼結体であって、
表面粗さがＲａ０．２μｍ以下に調整された面に４６質量％フッ酸溶液を接触させて１時間放置した後のその接触面の表面粗さがＲａ０．２μｍ以下であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体。
半導体製造に使用され、IIIａ族元素から選択される少なくとも１種の元素の酸化物を０．５〜５質量％含有する窒化アルミニウム焼結体を半導体ウエハの吸着面に用いてなる静電チャックであって、
半導体ウエハとの接触面の表面粗さをＲａ０．２μｍ以下とし、前記接触面に４６質量％フッ酸溶液を接触させて１時間放置した後のその接触面の表面粗さがＲａ０．２μｍ以下であることを特徴とする静電チャック。
前記窒化アルミニウム焼結体のＳｉ成分濃度が２００ｐｐｍ以下であることを特徴とする請求項２に記載の静電チャック。