JP2014093467A

JP2014093467A - 電極内蔵型セラミックス焼結体の製造方法

Info

Publication number: JP2014093467A
Application number: JP2012244186A
Authority: JP
Inventors: Hironori Ishida; 弘徳石田; Atsushi Tsuchida; 淳土田; Takumi Okubo; 匠大久保; Akira Kanno; 明管野
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2012-11-06
Filing date: 2012-11-06
Publication date: 2014-05-19
Anticipated expiration: 2032-11-06
Also published as: JP6148845B2

Abstract

【課題】セラミックス焼結体の大型化を図りながらも、内蔵電極の位置および姿勢の制御精度の向上を図りながら、電極内蔵型セラミックス焼結体を製造する方法を提供する。
【解決手段】複数のセラミックス成形体１１および１２が準備される（第１工程）。一のセラミックス成形体１１が他のセラミックス成形体１２との接合面において電極２００の形状に合わせた形状の溝２０を有する。複数のセラミックス成形体１１および１２が、電極２００が溝２０により形成される空間に収容されるように重ね合わせられた上で、加圧焼成かつ接合される（第２工程）。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体製造装置に使用される静電チャック、ヒータまたはサセプタ等、電極が内蔵または埋設されているセラミックス焼結体の製造方法に関する。

半導体装置の製造工程で使用されるＣＶＤもしくはＰＶＤ等の成膜装置またはエッチング装置においては、デポジッション用ガス、エッチング用ガスまたはクリーニング用ガスとして、塩素系またはフッ素系の腐食性ガスが使用されている。当該ガス環境下でシリコンウエハを所定位置に固定しながら適当な温度範囲に加熱するために用いられる静電チャック、ヒータおよびサセプタのそれぞれの構成として、耐食性が高くかつ緻密質なセラミックス焼結体の中に電極が内蔵されている構成が採用されている。

電極内蔵型のセラミックス焼結体の製造方法として、（１）複数のＣＩＰ（コールドアイソスタテッィク）体の間にバルクの金属の電極を設置した上でホットプレス焼成する方法、（２）プレス体を用いてバルクの金属の電極を埋設しホットプレス焼成する方法、および（３）複数のグリーンシートのうち少なくとも１つに金属ペーストで電極が印刷され、当該複数のグリーンシートを積層して焼成する方法が提案されている（たとえば、特許文献１〜３参照）。

特許第２７６６４４３号公報特許第２６９０６６４号公報特許第３２２８５８１号公報

しかし、近年、半導体のデザインルールの厳密化または微細化が進んでいる。このため、成膜処理またはエッチング処理に際して、ウエハの近傍におけるプラズマ発生態様およびウエハの温度分布態様等の因子がより厳密に制御される必要性が高まっている。また、８インチ→１２インチ→１８インチというようにウエハの大型化が進み、これに伴いセラミックス焼結体の大型化も進んでいる。このため、従来技術の製造方法によれば、セラミックス焼結体に生じるうねりまたは反りに由来する内蔵電極のうねりまたは反りが、当該因子の厳密な制御の観点から無視できない程度に大きくなる可能性がある。

そこで、本発明は、セラミックス焼結体の大型化を図りながらも、内蔵電極の位置および姿勢の制御精度の向上を図りながら、電極内蔵型セラミックス焼結体を製造する方法を提供することを目的とする。

本発明の方法は、ウエハを支持するための支持面を有するセラミックス焼結体と、前記セラミックス焼結体に埋設されている電極と、を備えている電極内蔵型セラミックス焼結体を製造する方法であって、少なくとも１つのセラミックス成形体が他のセラミックス成形体との接合面において前記電極の形状に合わせた形状の溝を有するような複数のセラミックス成形体を準備する第１工程と、前記第１工程により準備された前記複数のセラミックス成形体を、前記電極が前記溝により形成される空間に収容されるように重ね合わせた上で、当該重ね合わせ方向に加圧しながら前記電極の融点以下の温度で焼成かつ接合する第２工程と、を含んでいることを特徴とする。

前記第１工程が、前記空間の高さが前記電極の厚さの１〜（１／ａ）倍の範囲に含まれるような形状の溝を有する前記少なくとも１つのセラミックス成形体を準備する工程であり、ａは前記セラミックス焼結体の理論密度に対する前記セラミックス成形体の密度の比率であることが好ましい。

前記第１工程が、前記セラミックス成形体の焼成時における前記電極の熱膨張係数の値が前記セラミックス成形体の熱膨張係数の値より大きい場合、前記空間の幅が前記電極の幅のｂ倍以上の範囲に含まれるような形状の溝を有する前記少なくとも１つのセラミックス成形体を準備する工程であり、ｂは前記電極の熱膨張係数および前記セラミックス成形体の熱膨張係数の差と、前記セラミックス成形体の焼成温度との積であり、前記セラミックス成形体の焼成時における前記電極の熱膨張係数の値が前記セラミックス成形体の熱膨張係数の値以下である場合、前記空間の幅が前記電極の幅と同じになるような形状の溝を有する前記少なくとも１つのセラミックス成形体を準備する工程であることが好ましい。

前記第１工程が、ＣＩＰにしたがって前記複数のセラミックス成形体を作製する工程であることが好ましい。

本発明の電極内蔵型セラミックス焼結体の製造方法によれば、複数のセラミックス成形体が加圧焼成かつ接合される際、当該複数のセラミックス成形体に挟まれている電極は、少なくとも１つのセラミックス成形体が有する溝によって形成される空間に収容されている。このため、接合面における当該電極との接触の有無に由来するセラミックス焼結体の収縮率の高低差、ひいては塑性変形の発生が抑制される。よって、セラミックス焼結体の大型化を図りながらも、内蔵電極の位置および姿勢の制御精度の向上を図りながら、電極内蔵型セラミックス焼結体が製造されうる。

本発明の方法の製造対象の一例としての静電チャックの構成説明図。本発明のセラミックス焼結体の製造方法に関する説明図。セラミックス成形体の密度差の評価方法およびセラミックス焼結体に埋設されている電極のうねり評価方法に関する説明図。本発明のセラミックス焼結体の電極形状に関する説明図。

（電極内蔵型セラミックス焼結体の構成）
本発明の方法による製造対象としての電極内蔵型セラミックス焼結体は、例えば、静電チャックである。図１（ａ）に示されている静電チャックは、ウエハを支持するための支持面１０２を有する略平板状のセラミックス焼結体１００と、当該セラミックス焼結体１００に埋設されている電極２００としての静電チャック電極とを備えている。電極２００は、給電端子（図示略）を介して外部電源に接続されている。電極２００の形状および端子の位置等の構成は任意に選択されうる。図１（ｂ）に示されているように静電チャック電極２００（２）よりも支持面１０２から遠くに他の電極としてのヒータ電極２００（１）が埋設されていてもよい。

静電チャックは、支持面１０２の反対側においてＡｌまたはＣｕ等の金属製の冷却プレート（冷却装置）に接着され、半導体製造過程、特にウエハのエッチング処理に際して用いられる。冷却プレートには、冷却媒体が流される通路が形成されている。

セラミックス焼結体１００の材質は、ハロゲン系のガス（たとえばＣＦ_４、ＳＦ_６、ＮＦ_３、ＣｌＦ_３）に対する耐腐食性の向上を図る観点から選択される。アルミナ、窒化アルミニウム、酸化イットリウム、イットリウムおよびアルミニウムの複合酸化物、酸化マグネシウム、スピネル（ＭｇＡｌ_２Ｏ_４）またはフッ化物が例としてあげられる。同じく耐腐食性の向上を図る観点からセラミックスは高純度であることが好ましい。たとえば、アルミナは９９．４％以上の高純度であることが好ましい。窒化アルミニウムは９５％以上の高純度であり、残部は３Ａ族元素の酸化物が含まれることが好ましい。

耐腐食性の観点からセラミックス焼結体１００は緻密質であって、気孔率が低いこと（たとえば１％以下であること）が好ましい。

電極２００に用いられる金属は、融点はセラミックスの焼成温度以上であるという条件下で、セラミックスの種類および熱膨張に応じて適宜選択される。例えば、タングステン、モリブデン、これら合金、白金、チタン等が電極２００に用いられる。セラミックスおよび電極２００の熱膨張差は小さい方が好ましい。電極２００は平面状に配置される構成であることが好ましい。電極２００は、例えば箔またはメッシュであってもよく、線であってもよい。ただし、線の場合は同一平面状に配置されている構成であって、コイルのような３次元構造はとらない。

電極２００として箔が用いられる場合、無垢よりパンチングメタルのような抜けまたは貫通孔がある方が電極２００のうねりまたは反りを低減させることができる。これは、焼成収縮量が制御されるようにセラミックス成形体１０（個々の成形体が区分される場合のみ数字を添字として付す。）および電極２００が組み合わせられても、ホットプレス焼成におけるセラミックス成形体の焼成収縮挙動および塑性変形が勘案された場合、プレス方向に当該収縮が生じ、かつ、粒子を移動させる方が好ましいからである。

（電極埋設型セラミックス焼結体の製造方法）
本発明の静電チャックの製造方法の一実施形態について説明する。

（第１工程）
原料となるセラミックス粉末に対してバインダー、可塑剤および分散剤が添加された上で、溶媒とともにボールミル等により混合されてスラリーが調整され、このスラリーを基にスプレードライ法により顆粒が生成される。原料には必要に応じて焼結助剤となる粉末が添加されてもよい。顆粒が所定圧力でＣＩＰにより成形されることにより複数のセラミックス成形体１０が作製される。

セラミックス成形体１０における空間的な密度分布は均一であることが好ましいため、ＣＩＰに際して圧力は高い方が好ましい。ＣＩＰに際して、ゴム袋もしくはゴム型に粉末を充填する方法または予め一軸加圧成形された成形体を充填するという方法が採用されてもよい。セラミックス成形体１０の作製法としてはＣＩＰのほか、当該成形体１０の密度差が４．０［％］以下になるという条件が満たされる範囲で、予備成形およびＣＩＰの組み合わせ等の他の方法が採用されてもよい。

機械加工によりセラミックス成形体１０の形状が整えられるとともに、例えば、図２（ａ）に示されているように、一のセラミックス成形体１０（１）の片面（他のセラミックス成形体１０（２）との接合面）に、電極２００の形状に合わせた形状の溝２０が形成される。セラミックス成形体１０（１）および１０（２）の接合面の両方に当該溝２０が形成されてもよい。溝２０がセラミックス成形体１０の加工により形成されるのではなく、型の形状に応じて顆粒成形により溝２０を片面に有するセラミックス成形体１０が形成されてもよい。

溝２０の深さ（正確には電極２００が収容される空間の高さ）の、電極２００の厚さｔに対する比率が、１．０〜１／ａに調節されることが好ましい。「ａ」はセラミックス焼結体１００の理論密度に対するセラミックス成形体１０の密度の比率である。これは、セラミックス焼結体の面内におけるプレス方向に対する焼成収縮量の差を小さくするためである。計算上は溝２００の深さをｔ／ａとすれば面内の焼成収縮量は一定となるが、実際には、電極の変形または熱膨張が考慮されてｔ／ａよりも浅くされてもよい。

セラミックス成形体１０の焼成時における電極２００の熱膨張係数の値がセラミックス成形体１０の熱膨張係数の値より大きい場合、溝２０の幅（正確には電極２００が収容される空間の幅）の、電極２００の幅ｗに対する比率がｂ以上の範囲に調節されることが好ましい。「ｂ」は電極２００の熱膨張係数およびセラミックス成形体１０の熱膨張係数の差と、セラミックス成形体１０の焼成温度との積である。その一方、セラミックス成形体１０の焼成時における電極２００の熱膨張係数の値がセラミックス成形体１０の熱膨張係数の値以下である場合、溝２０の幅が電極２００の幅ｗとほぼ同じ（たとえば１．０〜１．１倍の範囲）に調節されることが好ましい。

（第２工程）
図２（ｂ）に示されているように、セラミックス成形体１０（１）および１０（２）が、電極２００が溝２０により形成される空間に収容されるように重ね合わせられた上で、当該重ね合わせ方向に加圧しながら電極２００の融点以下の温度で焼成かつ接合される。これにより、図１に示されているような電極内蔵型セラミックス焼結体が得られる。

支持面１０２から異なる距離に複数の電極２００がセラミックス焼結体１００に埋設されている電極埋蔵型セラミックス焼結体も、同様の方法により製造されうる。すなわち、電極２００の数Ｎより１つだけ多い複数のセラミックス成形体１０（１），１０（２），‥１０（Ｎ＋１）が作製される。接合対となるセラミックス成形体のうち一方又は両方には溝２０が形成されている。そして、各電極２００（ｋ）（ｋ＝１〜Ｎ）がセラミックス成形体１０（ｋ）および１０（ｋ＋１）の一方または両方に形成された当該溝２０により画定される空間に収容されるように、複数のセラミックス成形体１０（１），１０（２），‥１０（Ｎ＋１）が重ね合わせられた状態で、加圧焼成かつ接合される。

（実施例）
（実施例１）
高純度（９９．９％以上）の窒化アルミニウム粉末に酸化イットリウム粉末が３重量％添加され、かつ、バインダー、可塑剤および分散剤が添加された上で、溶媒としてＩＰＡとともにボールミル混合によりスラリーが調整された。このスラリーを基にスプレードライ法により顆粒が得られた。

当該顆粒が１５０［ＭＰａ］の圧力でＣＩＰ成形され、さらに機械加工されることによりφ３１０×１０［ｍｍ］の円盤形状に整えられた。セラミックス成形体１０の生密度は１．９９であり、セラミック焼結体１００の理論密度に対する比率は「０．６０」であった。円盤状のセラミックス成形体１０（１）の片面が加工され、φ３０１［ｍｍ］、深さ０．１２［ｍｍ］の溝が成形された。

電極２００として、φ３００×０．１［ｍｍ］の円盤状のモリブデン箔のパンチングメタル（ＰＭ）が採用された。このモリブデン箔には、φ２［ｍｍ］の複数の貫通孔が角千鳥６０°かつピッチ３．１［ｍｍ］で配置されている。開口率（無垢の円板面積に対する貫通孔の合計面積の比率）は３７．７％である。

ＣＩＰ成形体１０（１）の溝部２０に電極２００が配置され、その上に溝加工が施されていないφ３１０×１０［ｍｍ］のＣＩＰ成形体１０（２）が重ね合わされ、当該重ね合わせ方向に加圧されながらホットプレス焼成された。焼成条件として、雰囲気が窒素雰囲気であり、温度が１８００［℃］であり、保持時間が６［ｈｒ］であり、かつ、プレス圧が５［ＭＰａ］に調節された。セラミックス焼結体１００の表面（支持面１０２）と電極２００との距離が１［ｍｍ］程度になるように、セラミックス焼結体１００の片面が平面研削加工された。これにより、実施例１の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００が得られた。

（実施例２）
電極２００として、φ３００［ｍｍ］であり、線径φ０．１［ｍｍ］の１００メッシュのモリブデンメッシュ（Ｍ）（開口率は３６．８％）が用いられた。そのほかは、実施例１と同様の製造条件下で実施例２の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００が得られた。

（実施例３）
純度９９．５％のアルミナ粉末に、バインダー、可塑剤および分散剤が添加された上で、溶媒として水とともにボールミル混合によりスラリーが調整された。このスラリーを基にスプレードライにより得られた顆粒のセラミックス成形体１０の生密度は２．３２であり、セラミックス焼結体１００の理論密度に対する比率は「０．５９」であった。焼成条件として、雰囲気が窒素雰囲気であり、温度が１５００［℃］であり、保持時間が６［ｈｒ］であり、かつ、プレス圧が５［ＭＰａ］に調節された。そのほかは、実施例１と同様の製造条件下で実施例３の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００が得られた。

（実施例４）
窒化アルミニウム顆粒が金型に充填されて２０［ＭＰａ］の圧力で成形され、その上でさらに１５０［ＭＰａ］の圧力でＣＩＰ成形されることにより成形体１０（１）および１０（２）が作製された。そのほかは、実施例１と同様の製造条件下で実施例４の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００が得られた。

（実施例５）
アルミナ顆粒が金型に充填されて２０［ＭＰａ］の圧力で成形され、その上でさらに１５０［ＭＰａ］の圧力でＣＩＰ成形されることにより成形体１０（１）および１０（２）が作製された。そのほかは、実施例３と同様の製造条件下で実施例５の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００が得られた。

（比較例）
（比較例１）
溝２０が形成されていないセラミックス成形体１０（１）および１０（２）が、電極２００（穴あきモリブデン箔）を挟んでいる状態でホットプレス焼成されたほかは、実施例１と同様の製造条件下で比較例１の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００が得られた。

（比較例２）
溝２０が形成されていないセラミックス成形体１０（１）および１０（２）が、電極２００（モリブデンメッシュ）を挟んでいる状態でホットプレス焼成されたほかは、実施例２と同様の製造条件下で比較例２の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００が得られた。

（比較例３）
金型に窒化アルミニウム顆粒が充填され、２０［ＭＰａ］の圧力が加えられることにより、φ３１０［ｍｍ］かつｔ１０［ｍｍ］のセラミックス成形体１０（１）および１０（２）が得られた。溝２０が形成されていないセラミックス成形体１０（１）および１０（２）が、電極２００（穴あきモリブデン箔）を挟んでいる状態でホットプレス焼成された。そのほかは、実施例１と同様の製造条件下で比較例３の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００が得られた。

（比較例４）
溝２０が形成されていないセラミックス成形体１０（１）および１０（２）が、電極２００（穴あきモリブデン箔）を挟んでいる状態でホットプレス焼成された。そのほかは、実施例３と同様の製造条件下で比較例４の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００が得られた。この１０２面を研作加工し電極までの距離が約１ｍｍとなる厚さまで加工した。

（比較例５）
窒化アルミニウム顆粒が金型に充填されて２０［ＭＰａ］の圧力で成形されることによりセラミックス成形体１０（１）および１０（２）が成形された。そのほかは、セラミックス成形体１０（１）の片面に電極２００の配置のための溝２０が形成されたことを含め、実施例１と同様の製造条件下で比較例５の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００が得られた。

（比較例６）
窒化アルミニウム顆粒が金型に充填されて５０［ＭＰａ］の圧力で成形されることによりセラミックス成形体１０（１）および１０（２）が成形された。そのほかは、セラミックス成形体１０（１）の片面に電極２００の配置のための溝２０が形成されたことを含め、実施例１と同様の製造条件下で比較例５の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００が得られた。

（比較例７）
アルミナ顆粒が金型に充填されて２０［ＭＰａ］の圧力で成形されることによりセラミックス成形体１０（１）および１０（２）が成形された。そのほかは、セラミックス成形体１０（１）の片面に電極２００の配置のための溝２０が形成されたことを含め、実施例３と同様の製造条件下で比較例５の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００が得られた。

（評価）
各実施例および各比較例のセラミックス成形体１０と同一条件で作製されたセラミックス成形体のサンプルの図３（ａ）に斜線で示されている複数の略円柱状の試験片（φ２０［ｍｍ］×１０［ｍｍ］）が切り出され、当該複数の試験片のそれぞれの密度の測定結果の最大値および最小値の差が当該成形体１０の密度差として測定された。各試験片の密度は、その寸法および重量に基づいて算出された。当該領域の位置は、円盤状のセラミックス成形体１００の中心位置（ｒ＝０）のほか、当該中心を基準とするｒ＝０．４５Ｒ（７０［ｍｍ］）および０．９０Ｒ（１４０［ｍｍ］）のそれぞれの円周上にある４方位に等角に配置されている位置である。「Ｒ」は成形体１０の半径である。

各実施例および各比較例の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００の図３（ｂ）に示されている各位置において、支持面１０２から電極までの距離が渦電流膜厚計を用いて測定された。当該位置は、円盤状のセラミックス成形体１００の中心位置（ｒ＝０）のほか、ｒ＝０．３２Ｒ（５０［ｍｍ］）、０．６５Ｒ（１００［ｍｍ］）および０．９４Ｒ（１４５［ｍｍ］）のそれぞれの円周上にあって８方位に等角に配置されている位置である。当該測定距離のばらつき（標準偏差）が、セラミックス焼結体１００に埋設されている電極２００の反りまたはうねりの尺度または程度として評価された。

表１には、各実施例および各比較例の電極埋蔵型セラミックス焼結体１００の素材、成形体１０（１）および１０（２）の成形条件、成形体１０（１）および１０（２）の密度差、電極２００の種類、電極溝２０の有無、ならびに電極２００のうねりまたは反りの尺度または程度を表わす標準偏差の測定結果がまとめて示されている。

表１によれば、実施例１、２および４の窒化アルミニウム焼結体１００に埋設されている電極２００のうねりは、比較例１〜３、５および６の窒化アルミニウム焼結体１００に埋設されている電極２００のうねりよりも小さい。実施例３および５のアルミナ焼結体１００に埋設されている電極２００のうねりは、比較例４および７のアルミナ焼結体１００に埋設されている電極２００のうねりよりも小さい。

電極２００の開口率が同程度であるにも関わらず、実施例２におけるメッシュ（Ｍ）の電極２００の方が、実施例１および４における金属箔のパンチングメタル（ＰＭ）の電極２００よりもうねりが小さい。実施例３におけるうねりが、実施例１、２および４より大きく、さらに比較例１、２および５と同程度であるのは、アルミナ焼結体１００と、モリブデン電極２００との熱膨張差が大きく、電極２００がひずみやすいからである。

（本発明の他の実施形態）
前記実施形態では図４（ａ）に示されているように、セラミックス成形体１０（１）に円形状の溝２０が形成され、略円形状の輪郭を有する電極２００がこの溝２０に配置されたが、溝２０および電極２００のそれぞれの形状および配置態様がセラミックス焼結体１００の機能または用途等に応じて変更されてもよい。たとえば、図４（ｂ）に示されているように電極２００が一対の別個の櫛歯型電極により構成され、これに合わせてセラミックス成形体１０（１）に一対の櫛歯型の溝２０が形成されてもよい。

１０‥セラミックス成形体、２０‥溝、１００‥セラミック焼結体、１０２‥支持面、２００‥電極。

Claims

ウエハを支持するための支持面を有するセラミックス焼結体と、前記セラミックス焼結体に埋設されている電極と、を備えている電極内蔵型セラミックス焼結体を製造する方法であって、
少なくとも１つのセラミックス成形体が他のセラミックス成形体との接合面において前記電極の形状に合わせた形状の溝を有するような複数のセラミックス成形体を準備する第１工程と、
前記第１工程により準備された前記複数のセラミックス成形体を、前記電極が前記溝により形成される空間に収容されるように重ね合わせた上で、当該重ね合わせ方向に加圧しながら前記電極の融点以下の温度で焼成かつ接合する第２工程と、を含んでいることを特徴とする方法。
請求項１記載の方法において、
前記第１工程が、前記空間の高さが前記電極の厚さの１〜（１／ａ）倍の範囲に含まれるような形状の溝を有する前記少なくとも１つのセラミックス成形体を準備する工程であり、ａは前記セラミックス焼結体の理論密度に対する前記セラミックス成形体の密度の比率であることを特徴とする方法。
請求項１または２記載の方法において、
前記第１工程が、前記セラミックス成形体の焼成時における前記電極の熱膨張係数の値が前記セラミックス成形体の熱膨張係数の値より大きい場合、前記空間の幅が前記電極の幅のｂ倍以上の範囲に含まれるような形状の溝を有する前記少なくとも１つのセラミックス成形体を準備する工程であり、ｂは前記電極の熱膨張係数および前記セラミックス成形体の熱膨張係数の差と、前記セラミックス成形体の焼成温度との積であり、
前記セラミックス成形体の焼成時における前記電極の熱膨張係数の値が前記セラミックス成形体の熱膨張係数の値以下である場合、前記空間の幅が前記電極の幅と同じになるような形状の溝を有する前記少なくとも１つのセラミックス成形体を準備する工程であることを特徴とする方法。
請求項１〜３のうちいずれか１つに記載の方法において、
前記第１工程が、ＣＩＰにしたがって前記複数のセラミックス成形体を作製する工程であることを特徴とする方法。