JP2021187703A - 静電チャック用誘電体 - Google Patents

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Abstract

【課題】ジョンセン・ラーベック型の静電チャック用誘電体に要求される体積固有抵抗率等の基本特性を確保しつつ、十分な硬度を確保できる静電チャック用誘電体を提供する。【解決手段】主結晶相がコランダムからなり、その他の結晶相としてＡｌ５ＢＯ９を含み、粉末Ｘ線回折によるＡｌ５ＢＯ９の（０２１面）ピーク強度：ＩＡとコランダムの（０１２面）ピーク強度：ＩＢとの比：ＩＡ／ＩＢが、０．０４以上０．４以下である、静電チャック用誘電体。【選択図】図１

Description

本発明は、シリコンウェーハ等の半導体ウェーハやＬＣＤ基板ガラス等の各種基板を高精度に位置決めして固定する静電チャックに使用する誘電体に関する。
例えば半導体製造装置において、回路形成を目的としてシリコンウェーハ上に露光・成膜し、シリコンウェーハをエッチングするためには、対象とするウェーハの平坦度を保ち、かつウェーハに温度分布がつかないように、ウェーハを保持する必要がある。このようなウェーハの保持手段としては機械方式、真空吸着方式、静電吸着方式が提案されている。これらの保持手段のうち、静電吸着方式は静電チャックによりウェーハを保持する方式であり、真空雰囲気下で使用することができるため多用されている。
静電チャックには吸着力としてクーロン力を利用する型（クーロン型）と、ジョンセン・ラーベック力を利用する型（ジョンセン・ラーベック型）とがある。後者のジョンセン・ラーベック力は誘電体とウェーハとの界面の小さなギャップに微小電流が流れ、帯電分極して誘起させることによって生じる力であり、誘電体の体積固有抵抗率が１０１２〜１０１３Ω・ｃｍ以下になると発生する。そして、ジョンセン・ラーベック力を用いて静電チャックとして必要な吸着力を確保するためには、誘電体の体積固有抵抗率が１０９〜１０１３Ω・ｃｍの範囲内にあることが要件となる。
従来、ジョンセン・ラーベック型の静電チャック用誘電体としては、アルミナに遷移金属元素を添加したセラミックス、例えばＡｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２系などが知られている（例えば、特許文献１参照）。
特許第４３５４１３８号公報
本発明者らが特許文献１のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２系の誘電体を、エッチング装置の静電チャックに使用したところ、耐用性が十分でないことがわかった。すなわち、エッチング装置において静電チャックはプラズマ雰囲気下で使用されるところ、特許文献１のＡｌ２Ｏ３−ＴｉＯ２系の誘電体は硬度が十分でないことからプラズマ耐性が低下し、その結果、十分な耐用性が得られないことがわかった。
そこで本発明が解決しようとする課題は、ジョンセン・ラーベック型の静電チャック用誘電体に要求される体積固有抵抗率等の基本特性を確保しつつ、十分な硬度を確保できる静電チャック用誘電体を提供することにある。
上記課題を解決するために本発明者らが試験及び検討を重ねた結果、主結晶相がコランダムからなる静電チャック用誘電体においてその他の結晶相としてＡｌ５ＢＯ９を適量含むことで、ジョンセン・ラーベック型の静電チャック用誘電体に要求される体積固有抵抗率等の基本特性を確保しつつ、十分な硬度を確保できることがわかった。
すなわち、本発明によれば次の１〜３の静電チャック用誘電体が提供される。
１．
主結晶相がコランダムからなり、その他の結晶相としてＡｌ５ＢＯ９を含み、粉末Ｘ線回折によるＡｌ５ＢＯ９の（０２１面）ピーク強度：ＩＡとコランダムの（０１２面）ピーク強度：ＩＢとの比：ＩＡ／ＩＢが、０．０４以上０．４以下である、静電チャック用誘電体。
２．
ビッカース硬度が１６ＧＰａ以上である、前記１に記載の静電チャック用誘電体。
３．
チタニアを０．８質量％以上３質量％以下、炭化ホウ素を０．２質量％以上１質量％以下含有し、残部が主としてアルミナ原料からなる配合物を混合、成形、焼成して得られる、前記１又は２に記載の静電チャック用誘電体。
本発明によれば、ジョンセン・ラーベック型の静電チャック用誘電体に要求される体積固有抵抗率等の基本特性を確保しつつ、十分な硬度を確保できる。
本発明例である実施例１の粉末Ｘ線回折強度データ。 ジョンセン・ラーベック型の静電チャックの一例の概念的な断面図。
本発明の静電チャック用誘電体は、主結晶相がコランダムからなり、その他の結晶相としてＡｌ５ＢＯ９を含む。そして、粉末Ｘ線回折によるＡｌ５ＢＯ９の（０２１面）ピーク強度をＩＡ、粉末Ｘ線回折によるコランダムの（０１２面）ピーク強度をＩＢとして、そのピーク強度比（ＩＡ／ＩＢ）は０．０４以上０．４以下である。
ＩＡ／ＩＢが０．０４未満であると、十分な硬度を確保することができない。
一方、ＩＡ／ＩＢが０．４超であると、粒界にＡｌ５ＢＯ９が多量に生成されるため体積固有抵抗率が上昇し、吸着力が低下する。すなわち、ジョンセン・ラーベック型の静電チャック用誘電体では、粒界に低抵抗な粒界相を形成することにより適度な導電性を確保し、体積固有抵抗率を低下させるが、粒界にＡｌ５ＢＯ９が多量に生成されると、Ａｌ５ＢＯ９が低抵抗な粒界相の導電性を阻害し、結果として体積固有抵抗率が上昇する。
本発明の静電チャック用誘電体の硬度は、ビッカース硬度が１６ＧＰａ以上とすることができる。すなわち、「ビッカース硬度が１６ＧＰａ以上」が十分な硬度を確保することの一つの目安である。より十分な硬度を確保する点からは、本発明の静電チャック用誘電体の硬度は、ビッカース硬度が１８ＧＰａ以上とすることもできる。ビッカース硬度が１８ＧＰａ以上を確保するには、ＩＡ／ＩＢは０．１８以上０．４以下とすることが好ましい。
このような本発明の静電チャック用誘電体は、チタニアを０．８質量％以上３質量％以下、炭化ホウ素を０．２質量％以上１質量％以下含有し、残部が主としてアルミナ原料からなる配合物を混合、成形、焼成することにより製造することができる。
配合物中のチタニアの含有率が０．８質量％未満であると、Ｔｉ３＋の生成量が少なくなって体積固有抵抗率が上昇し、吸着力が低下する懸念がある。すなわち、チタニア（ＴｉＯ２）は、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）原料粒子の粒界相に固溶し体積固有抵抗率を低下させる。具体的には、焼成中にＴｉＯ２のＴｉ４＋の一部がＴｉ３＋に還元され、このＴｉ３＋がＡｌ２Ｏ３のＡｌ３＋のサイトに置換固溶することで低抵抗な粒界相（（Ａｌ、Ｔｉ）２Ｏ３）を形成する。このため、配合物中のチタニアの含有率が０．８質量％未満であると、Ｔｉ３＋の生成量が少なくなって体積固有抵抗率が上昇し、吸着力が低下する懸念がある。
一方、配合物中のチタニアの含有率が３質量％超となると、体積固有抵抗率が低くなりすぎてリーク電流が大きくなり、ウェーハの回路等に悪影響を及ぼす懸念がある。
配合物中の炭化ホウ素（Ｂ４Ｃ）の含有率が０．２質量％未満であると、十分な硬度を確保できない懸念がある。特に、静電チャックがプラズマ雰囲気下で使用される場合、十分な硬度を確保できないと、劣化が早くなり耐用性が低下するおそれがある。また、配合物中の炭化ホウ素の含有率が０．２質量％未満であると、静電チャックの黒色化が不十分となり、汚れが目立つようになってしまうおそれがある。
一方、配合物中の炭化ホウ素の含有率が１量％超となると、粒界にＡｌ５ＢＯ９が多量に生成されるため体積固有抵抗率が上昇し、吸着力が低下する懸念がある。
配合物中の炭化ホウ素の含有率は、より十分な硬度を確保する点から０．４質量％以上１質量％以下であることが好ましい。
本発明の静電チャック用誘電体は、上述の通り、チタニア、炭化ホウ素及びアルミナ原料を所定量混合後、プレス成形、ＣＩＰ（静水圧加圧）成形、ドクターブレード成形等により所定形状に成形し、必要に応じて脱脂した後、焼成して得られる。
焼成は通常の常圧焼結で行ってもよいが相対的に低密度になりやすいため、ホットプレス、ＨＩＰ、ガス圧焼成などの加圧焼結を行うことが好ましい。焼成雰囲気はアルゴン等の不活性ガス雰囲気や水素等の還元ガス雰囲気（すなわち、非酸化性雰囲気）、あるいは真空中とすることができる。焼成温度は１２００℃以上１７００℃以下とすることができる。
なお、本発明の配合物においてチタニア及び炭化ホウ素以外の残部は主としてアルミナ原料からなるが、この残部にはアルミナ原料以外に焼結助剤として酸化マグネシウム（ＭｇＯ）、シリカ（ＳｉＯ２）、酸化ランタン（Ｌａ２Ｏ３）、酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化カルシウム（ＣａＯ）、酸化セリウム（Ｃｅ２Ｏ３）等を含み得る。ただし、これらの含有率は合計で３質量％以下（０を含む。）とすることが好ましい。
チタニア、炭化ホウ素及びアルミナ原料を表１に示す各例の含有率となるように配合して配合物を得、各例の配合物をそれぞれ混合、成形、焼成して、各例の静電チャック用誘電体を得た。
得られた各例の静電チャック用誘電体について、Ｃｕ−Ｋα線による粉末Ｘ線回折によりＡｌ５ＢＯ９の（０２１面）ピーク強度：ＩＡとコランダムの（０１２面）ピーク強度：ＩＢとの比：ＩＡ／ＩＢを評価すると共に、ビッカース硬度、体積固有抵抗率及び吸着力を評価し、併せて色調判定を行った。
Figure 2021187703
図１に、粉末Ｘ線回折の一例として、本発明例である実施例１の粉末Ｘ線回折強度データを示している。このような粉末Ｘ線回折強度データに基づき、Ａｌ５ＢＯ９の（０２１面）ピーク強度：ＩＡとコランダム（Ａｌ２Ｏ３）の（０１２面）ピーク強度：ＩＢとの比：ＩＡ／ＩＢを評価した。なお、各例のピーク強度比（ＩＡ／ＩＢ）は、主として配合物中の炭化ホウ素の含有率を調整することにより調整した。
ビッカース硬度は、ＪＩＳ Ｚ２２４４に基づき測定した（加圧力１ｋｇｆ）。評価は、ビッカース硬度が１８ＧＰａ以上を◎（優）、１６ＧＰａ以上１８ＧＰａ未満を○（良）、１６ＧＰａ未満を×（不良）とした。
体積固有抵抗率は三端子法で測定した（印加電圧５００Ｖ、室温）。評価は、体積固有抵抗率が９．７×１０９Ω・ｃｍ以上３．８×１０１０Ω・ｃｍ以下を◎（優）、３．８×１０１０Ω・ｃｍ超１．３×１０１１Ω・ｃｍ以下又は３．８×１０９Ω・ｃｍ以上９．７×１０９Ω・ｃｍ未満を○（良）、１．３×１０１１Ω・ｃｍ超又は３．８×１０９Ω・ｃｍ未満を×（不良）とした。
なお、表１では、○（良）のうち３．８×１０１０Ω・ｃｍ超１．３×１０１１Ω・ｃｍ以下を○（Ｈ）、３．８×１０９Ω・ｃｍ以上９．７×１０９Ω・ｃｍ未満を○（Ｌ）、また、×（不良）のうち１．３×１０１１Ω・ｃｍ超を×（Ｈ）、３．８×１０９Ω・ｃｍ未満を×（Ｌ）と表記した。
吸着力は各例の誘電体を図２に示すようなジョンセン・ラーベック型の静電チャックに組み込んで測定した。すなわち、図２に示すように、誘電体１の片方の表面にＴｉをスパッタし、導体層３としての電極を付与した。これに絶縁体基板２（アルミナ）を導体層３が中間に挟まれるようにエポキシ系接着剤４で接着した。この際、絶縁体基板２の中心にはリード電極用としてあらかじめ穴を開けておき、最後に誘電体１を２ｍｍの厚みまで研削、ラップ加工し、リード電極５を付けて静電チャックを作製した。そして、この静電チャックに真空中で電源７により３００Ｖの直流電圧を６０秒間印加し、真空中でシリコンウェ−ハ６を吸着したときの吸着力を測定した。評価は、吸着力が４０ｇ／ｃｍ２以上を◎（優）、２０ｇ／ｃｍ２以上４０ｇ／ｃｍ２未満を○（良）、２０ｇ／ｃｍ２未満を×（不良）とした。
色調判定は目視にて行った。
表１中、実施例１〜７は、本発明の範囲内にある誘電体であり、各評価は◎（優）又は○（良）で良好であり、色調判定も黒又は藍色で良好であった。なかでも、ピーク強度比（ＩＡ／ＩＢ）が０．１８以上０．４以下である実施例１，３，４，６，７はビッカース硬度が１８ＧＰａ以上（◎（優））と特に良好であり、色調判定も黒で特に良好であった。
これに対して比較例１はピーク強度比（ＩＡ／ＩＢ）が小さすぎる例で、ビッカース硬度が１６ＧＰａ未満（×（不良））となり、十分な硬度が得られなかった。また、色調判定も青で不良であった。
一方、比較例２はピーク強度比（ＩＡ／ＩＢ）が大きすぎる例で、体積固有抵抗率が１．３×１０１１Ω・ｃｍ超まで上昇し、吸着力が低下した。
１ 誘電体
２ 絶縁体基板
３ 導体層（電極）
４ エポキシ系接着剤
５ リード電極
６ シリコンウェ−ハ
７ 電源

Claims (3)

  1. 主結晶相がコランダムからなり、その他の結晶相としてＡｌ５ＢＯ９を含み、粉末Ｘ線回折によるＡｌ５ＢＯ９の（０２１面）ピーク強度：ＩＡとコランダムの（０１２面）ピーク強度：ＩＢとの比：ＩＡ／ＩＢが、０．０４以上０．４以下である、静電チャック用誘電体。
  2. ビッカース硬度が１６ＧＰａ以上である、請求項１に記載の静電チャック用誘電体。
  3. チタニアを０．８質量％以上３質量％以下、炭化ホウ素を０．２質量％以上１質量％以下含有し、残部が主としてアルミナ原料からなる配合物を混合、成形、焼成して得られる、請求項１又は２に記載の静電チャック用誘電体。
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