JP3888766B2 - 静電チャック及びその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電チャック及びその製造方法に関し、特に金属−セラミックス複合材料から成る静電チャック及びその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
静電チャックは、半導体製造装置などの部品として最近広く使われるようになった。その理由は、機械的なチャッキングや真空チャックに比べ、発塵が少ない、真空中でも使えるなどのメリットが認められてきたためと思われる。
【0003】
この静電チャックは、セラミックスなどで作製された堅固なものも使われ始めているが、まだまだ高価なため、アルミニウム合金などの金属表面にポリイミド膜やAl2O3溶射膜などの絶縁膜を被覆しただけの簡易なものが主流である。このような静電チャックは、当然のことながら、耐久性に欠け、絶縁膜の頻繁な取り替えを必要とするので、メンテナンスが面倒ではあるが、常温に近い比較的低温で用いるならば支障なく十分使用できる。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の傾向としてCVDなどの一部の装置には、より高温でのプロセッシングが求められ、それに伴って静電チャックにも耐熱性が必要となってきており、上述した簡易な静電チャックでは、この要求には全く不十分であった。それは、アルミニウム合金は融点が低く、また剛性も低いため、例えば450℃以上の温度下で繰り返し使用すると、僅かな繰り返し回数で変形を生じ、使用に耐えられなくなるからである。
【0005】
本発明は、上述した静電チャックが有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、耐熱性に優れる静電チャックを提供し、その製造方法も提供することにある。
【0006】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、金属に代えて金属−セラミックス複合材料を用いれば、耐熱性に優れた静電チャックが得られるとの知見を得て本発明を完成した。
【0007】
即ち本発明は、(1)電導体表面に絶縁体が被覆された静電チャックにおいて、該電導体が、セラミックス粉末に無機バインダーを加えて成形し、それを焼成してなるプリフォームに、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料、であり、該絶縁体が、セラミックスであることを特徴とする静電チャックとし、また、(2)電導体表面に絶縁体が被覆された静電チャックにおいて、該電導体が、セラミックス粉末を型枠に充填した充填粉末に、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料であり、該絶縁体が、セラミックスであることを特徴とする静電チャックとし、また、(3)前記セラミックス粉末が、1〜100μmの平均粒径を有するAlN、Al2O3またはSiC粉末であり、前記金属が、Ti、Cr、Mnの少なくとも1種を0.5〜10質量%含むアルミニウム合金であり、前記絶縁体が、10〜100μmの厚さを有するセラミックス溶射膜であることを特徴とする請求項1または2記載の静電チャックとし、さらに、(4)1〜100μmの平均粒径を有するAlN、Al2O3またはSiC粉末に、無機バインダーを加えて成形し、それを焼成してプリフォームを形成し、そのプリフォームにTi、Cr、Mnの少なくとも1種を0.5〜10質量%含むアルミニウム合金を700〜1000℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製した後、その複合材料表面に溶射によりセラミックス膜を形成することを特徴とする静電チャックの製造方法とし、さらにまた、(5)1〜100μmの平均粒径を有するAlN、Al2O3またはSiC粉末を型枠に充填し、その充填粉末にTi、Cr、Mnの少なくとも1種を0.5〜10質量%含むアルミニウム合金を700〜1000℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製した後、その複合材料表面に溶射によりセラミックス膜を形成することを特徴とする静電チャックの製造方法とすることを要旨とする。以下さらに詳細に説明する。
【0008】
上記静電チャックの電導体としては、セラミックス粉末に無機バインダーを加えて成形し、それを焼成してなるプリフォームに、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料、または、セラミックス粉末を型枠に充填した充填粉末に、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料とし、絶縁体としては、セラミックスとする静電チャックとした。金属とセラミックス粉末の複合材料を電導体としたのは、その複合材料が金属に近い電導性を有していることは勿論のこと、金属に比べはるかに耐熱性に優れ、しかも高温でも剛性が高く、耐クリープ性も良いことにある。
【0009】
さらに、熱膨張率が低いことも大きな一因となっている。それは、アルミニウム合金は熱膨張率が極めて大きい金属として知られているが、これにセラミックス粉末を複合化すると、その量に応じて熱膨張率を小さくすることができ、それに伴って絶縁体であるセラミックスとの熱膨張率差を小さくすることができ、その結果、温度の変動に伴って発生する絶縁体内の熱応力をより低く抑えることができ、急激な熱衝撃にも耐えることができるようになることである。さらに、熱膨張率が小さいことにより静電チャックの面積をより広くすることも可能となり、特に半導体製造装置においては、今後予想されるシリコンウェハの大径化にも十分対応できる静電チャックとすることができる。
【0010】
その複合材料中のセラミックス粉末としては、1〜100μmの平均粒径を有するAlN、Al2O3またはSiC粉末とし、金属としては、Ti、Cr、Mnの少なくとも1種を0.5〜10質量%含むアルミニウム合金とし、複合材料を被覆する絶縁体としては、10〜100μmの厚さを有するセラミックス溶射膜とした。
【0011】
セラミックス粉末をAlN、Al2O3またはSiC粉末としたのは、これら粉末が金属に浸透され易いことによる。それら粉末の細かさとしては、平均粒径で1〜100μmが好ましく、1μmより細かいと金属の浸透が難しくなり、100μmより粗いと複合材料の表面が平滑になり難い。
【0012】
また、金属をTi、Cr、Mnを含むアルミニウム合金としたのは、アルミニウム合金の耐熱性を上げることができることによる。それは、例えば、Ti、Cr、Mnを含まない純AlないしはAl−Mg系の合金であるとその耐熱性は600℃程度に過ぎないが、Ti、Cr、Mnを1種以上含むと650℃以上に向上する。その含む量としては、0.5〜10質量%が好ましく、0.5質量%より少ないと耐熱性向上の効果が少なく、10質量%より多いと未含浸等の浸透不良を起こす。
【0013】
さらに、絶縁体をセラミックス溶射膜としたのは、このセラミックス溶射膜が優れた耐熱性を有し、しかも複合材料の表面に容易に形成できることによる。その厚さとしては、10〜100μmが好ましく、10μmより薄いと耐電圧が低くなり絶縁破壊が起こり易く、100μmより厚いと複合材料との熱膨張率差が顕著になり、熱衝撃による亀裂/破損が生じ易く、しかも吸着力も低下する。
【0014】
上記静電チャックを製造する方法としては、1〜100μmの平均粒径を有するAlN、Al2O3またはSiC粉末に、無機バインダーを加えて成形し、それを焼成してプリフォームを形成し、そのプリフォームにTi、Cr、Mnの少なくとも1種を0.5〜10質量%含むアルミニウム合金を700〜1000℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製した後、その複合材料表面に溶射によりセラミックス膜を形成することとする製造方法とした。
【0015】
この方法は、電導体となる複合材料を、プリフォームを形成し、そのプリフォームにアルミニウム合金を浸透させることにより作製する方法で、複合材料中のセラミックス粉末の充填率が50vol%以上と高い場合に適している。そして、この方法で作製された複合材料の表面に溶射によってセラミックス膜を形成することにより静電チャックが作製される。
【0016】
一方、上記以外の他の製造方法としては、1〜100μmの平均粒径を有するAlN、Al2O3またはSiC粉末を型枠に充填し、その充填粉末にTi、Cr、Mnの少なくとも1種を0.5〜10質量%含むアルミニウム合金を700〜1000℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製した後、その複合材料表面に溶射によりセラミックス膜を形成することとする製造方法とした。
【0017】
この方法は、電導体となる複合材料を、型枠に充填したセラミックス粉末にアルミニウム合金を浸透させることにより作製する方法で、複合材料中のセラミックス粉末の充填率が50vol%以下と低い場合に適している。そして、前記したと同様この方法で作製された複合材料の表面に溶射によってセラミックス膜を形成することにより静電チャックが作製される。
【0018】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法をさらに詳しく述べると、先ず強化材として1〜100μmの平均粒径を有するAlN、Al2O3またはSiC粉末を用意する。プリフォームを形成する場合には、これら粉末に無機バインダーを、必要があれば有機バインダーを加えて混合する。混合方法は均一に混合できればどんな方法でも構わない。
【0019】
得られた混合物を成形する。成形方法は、沈降成形、射出成形、CIP成形などがあるが、いずれの方法でも構わない。要は非加圧で金属を浸透するのにプリフォームの形態を保つことができ、かつ浸透を阻害しない方法であれば何でもよい。その一例として沈降成形について述べると、例えば、上述のセラミックス粉末にコロイダルシリカ液などの無機バインダーを所定量添加し、それにイオン交換水を加え、その他必要に応じて消泡剤などを若干加えてポットミルで混合する。得られたスラリーを円板状の成形体が得られる型に振動しながら鋳込む。鋳込んだ後粒子が沈降する間はなるべく振動を加え充填をよくする。それを冷凍して脱型し、成形体を得る。
【0020】
得られた成形体を所定温度で焼成してプリフォームを形成する。形成したプリフォームにTi、Cr、Mnの少なくとも1種を0.5〜10質量%含むアルミニウム合金を700〜1000℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製する。Ti、Cr、Mnについては、それら元素の違いで浸透速度が変化することもあるので、浸透させる温度及び時間は多少調整する必要がある。
【0021】
なお、強化材がSiC粉末の場合、SiC粉末にアルミニウム合金が浸透すると、AlとSiCとが反応して炭化アルミニウム(Al4C3)を生成し、このAl4C3が常温で空気中の水分と容易に反応して水酸化アルミニウムとなり、これが金属中に不純物として存在し、欠陥となるので、あらかじめ合金中にSiを含ませておく必要がある。このSiは、耐熱性を著しく劣化させるため、強化材がSiCでない場合には含ませないが、SiCの場合には前記した理由で含ませる必要があり、耐熱性が500℃程度と低くなる。しかし、この場合にもTi、Cr、Mnの少なくとも1種を含ませることにより550℃以上に向上させることができる。
【0022】
得られた複合材料の表面を必要な面粗さ、平面度になるよう研削加工し、その上面に溶射で10〜100μmの厚さのセラミックス膜を形成して静電チャックを作製する。セラミックス膜の種類は最も一般的なのは、アルミナであるが、これに限定されるものではなく、必要な特性、例えば、高い誘電率が必要であれば、必要な誘電率の大きさに応じてセラミックスの種類を適宜選べばよい。
【0023】
以上の方法で静電チャックを作製すれば、耐熱性に優れた静電チャックが得られる。
【0024】
【実施例】
以下、本発明の実施例を具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【0025】
(実施例1)(1)静電チャックの作製強化材として16μmの平均粒径を有するシリカコーティングしたAlN粉末(ダウケミカル社製)を用い、それにバインダーとしてコロイダルシリカ液をそのシリカ固形分がAlN粉末100質量部に対し2質量部となる量を添加し、さらにイオン交換水を30質量部加え、ポットミルで16時間混合した。得られたスラリーをφ220×厚さ25mmの円板状の成形体が得られるシリコーンゴム型に流し込んで沈降成形を行い、−30℃に冷却して冷凍品を得た。得られた冷凍品を600℃で5時間焼成してプリフォームを形成した。
【0026】
形成したプリフォームとAl−5Ti組成のアルミニウム合金とを組み合わせ、その合金を窒素気流中で850℃の温度で60時間非加圧浸透させた後、冷却して金属−セラミックス複合材料を作製した。得られた複合材料の表面を表面粗さがRmaxで6.3μm以下になるまで#80のダイアモンド砥石で研削した後、その上面にプラズマ溶射でAl2O3膜を20μmの厚さに形成して静電チャックを作製した。
【0027】
(2)評価
得られた静電チャックを電気炉に入れ、大気中650℃の温度で2時間保持し、冷却して取り出し目視観察した。その結果、変形は全く無かった。このことは、本発明の静電チャックが650℃以上の耐熱性を有していることを示している。
【0028】
(実施例2)(1)静電チャックの作製強化材として#180(平均粒径66μm)の市販SiC粉末70質量部と#800(平均粒径14μm)の市販SiC粉末30質量部を用い、それにバインダーとしてコロイダルシリカ液をそのシリカ固形分がSiC粉末100質量部に対し2質量部となる量を添加し、それに消泡剤としてフォーマスタVL(サンノブコ社製)を0.2質量部、イオン交換水を24質量部加え、ポットミルで12時間混合した。得られたスラリーをφ350×厚さ25mmの円板状の成形体が得られるシリコーンゴム型に流し込んで沈降成形を行い、−30℃に冷却して冷凍品を得た。得られた冷凍品を1050℃で3時間焼成してプリフォームを形成した。
【0029】
形成したプリフォームとAl−12Si−3Mg−2Cu−3Ti組成のアルミニウム合金を組み合わせ、その合金を窒素気流中で825℃の温度で60時間非加圧浸透させた後、冷却して金属−セラミックス複合材料を作製した。得られた複合材料の表面を表面粗さがRmaxで6.3μm以下になるまでダイアモンド砥石で研削した後、その上面にプラズマ溶射でAl2O3膜を30μmの厚さに形成して静電チャックを作製した。
【0030】
(2)評価
得られた静電チャックを電気炉に入れ、大気中550℃の温度で2時間保持し、冷却して取り出し目視観察した。その結果、変形は全く無かった。このことは、本発明の静電チャックが550℃以上の耐熱性を有していることを示している。
【0031】
【発明の効果】
以上の通り、本発明にかかる方法で静電チャックを製造すれば、耐熱性に優れた静電チャックを得ることができるようになった。このことにより、軽量、高剛性を維持しつつ、550〜650℃の耐熱性を有する材料はセラミックス以外にはないことから、より幅広い適用が可能となった。特に半導体製造装置の分野では、今後予想されるシリコンウェハの大径化に適応できるものとして多いに期待できる。
Claims (5)
- 電導体表面に絶縁体が被覆された静電チャックにおいて、該電導体が、セラミックス粉末に無機バインダーを加えて成形し、それを焼成してなるプリフォームに、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料であり、該絶縁体が、セラミックスであることを特徴とする静電チャック。
- 電導体表面に絶縁体が被覆された静電チャックにおいて、該電導体が、セラミックス粉末を型枠に充填した充填粉末に、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料であり、該絶縁体が、セラミックスであることを特徴とする静電チャック。
- 前記セラミックス粉末が、1〜100μmの平均粒径を有するAlN、Al2O3またはSiC粉末であり、前記金属が、Ti、Cr、Mnの少なくとも1種を0.5〜10質量%含むアルミニウム合金であり、前記絶縁体が、10〜100μmの厚さを有するセラミックス溶射膜であることを特徴とする請求項1または2記載の静電チャック。
- 1〜100μmの平均粒径を有するAlN、Al2O3またはSiC粉末に、無機バインダーを加えて成形し、それを焼成してプリフォームを形成し、そのプリフォームにTi、Cr、Mnの少なくとも1種を0.5〜10質量%含むアルミニウム合金を700〜1000℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製した後、その複合材料表面に溶射によりセラミックス膜を形成することを特徴とする静電チャックの製造方法。
- 1〜100μmの平均粒径を有するAlN、Al2O3またはSiC粉末を型枠に充填し、その充填粉末にTi、Cr、Mnの少なくとも1種を0.5〜10質量%含むアルミニウム合金を700〜1000℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製した後、その複合材料表面に溶射によりセラミックス膜を形成することを特徴とする静電チャックの製造方法。
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