JP4314048B2

JP4314048B2 - 静電チャック

Info

Publication number: JP4314048B2
Application number: JP2003096594A
Authority: JP
Inventors: 伸也佐藤; 弘徳石田; 達也塩貝
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2003-03-31
Filing date: 2003-03-31
Publication date: 2009-08-12
Anticipated expiration: 2023-03-31
Also published as: JP2004299990A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、高温における高い体積抵抗率を維持しつつ、明度を小さくし、黒色を呈する窒化アルミニウム焼結体およびそれを用いた半導体製造装置用部材および静電チャックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年、半導体製造装置用部材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使用されている。特にウエハ保持部材として窒化アルミニウム焼結体中に金属電極を埋設したサセプタ、ヒータ、静電チャック等が使用されるようになってきた。このようなウエハ保持部材を使用する際には、リーク電流を低く抑える必要がある。過剰にリーク電流が流れるとデバイスに悪影響を及ぼすからである。ここで、一般的に窒化アルミニウム焼結体は室温で１×１０¹⁴Ω・ｃｍ程度の体積抵抗率を有するが、高温になるほど体積抵抗率は低下するため、高温域で使用するウエハ保持部材には適用できなかった。そのため、高温域でも使用できる体積抵抗率の高い窒化アルミニウム焼結体が求められていた。
【０００３】
また、一般的に窒化アルミニウム焼結体は白色または灰白色を呈するが、静電チャック、サセプタ、ヒータ等の部材には黒色であることが求められる。黒色部材の方が、白色の部材よりも輻射熱量が多く加熱特性が優れているからである。また、静電チャック等の部材に白色または灰白色の窒化アルミニウム焼結体を用いると、製品の表面に色むらが生じやすいため、改善が求められてきた。
【０００４】
このため、窒化アルミニウム焼結体を黒色にするため、酸化チタン等の遷移金属元素やカーボンを原料粉末中に添加し、これを焼成して、黒色の窒化アルミニウム焼結体を製造する方法が提案されている（例えば、特許文献１参照。）。また、焼結助剤を添加することなしに黒色化した窒化アルミニウム焼結体、およびアルミナを添加することにより黒色化した窒化アルミニウム焼結体が提案されている（例えば、特許文献２、３参照。）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−４８６６８号公報
【特許文献２】
特許第２８８３２０７号公報
【特許文献３】
特開平１０−９５６７３号公報
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、遷移金属元素やカーボン等の導電性物質を添加して得られる窒化アルミニウム焼結体は、体積抵抗率が低下するため、ウエハ保持部材として使用した場合にリーク電流の増加によってデバイスを破壊するおそれがある。また、焼結助剤を添加しない場合には、液相への不純物酸素の取込が少ないため不純物酸素に起因する格子欠陥が生じやすくなる。その結果、体積抵抗率は低下し、リーク電流の増加によってデバイスに悪影響を与えるおそれが生じる。アルミナを添加した場合も同様に不純物酸素が増加するため体積抵抗率は低下する。
【０００７】
以上のように、従来の窒化アルミニウム焼結体は加熱特性の低い白色又は灰白色を呈しており、色むらも生じやすく、その対策として黒色化した窒化アルミニウム焼結体は体積抵抗率が低く、高温域で使用する半導体装置用部材として適用できないという問題があった。
【０００８】
本発明は、上記課題に鑑みなされたものであって、その目的は、高温における高い体積抵抗率を維持しつつ、明度を小さくし、黒色を呈する窒化アルミニウム焼結体およびそれを用いた半導体製造装置用部材および静電チャックを提供することにある。
【０００９】
【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研究を重ねた結果、焼結助剤としてアルカリ土類金属およびリチウムを所定量添加してなる相対密度が９８％以上の緻密質な窒化アルミニウム焼結体において、それを構成する結晶粒子の平均粒径を所定の範囲内に制御することにより、高温で高い体積抵抗率をもち、かつ黒色を呈する窒化アルミニウム焼結体が得られることを見出し、本発明を完成するに至った。
【００１０】
即ち本発明は、
（１）相対密度が９８％以上であり、ＪＩＳＺ８７２１に規定する明度がＮ４．０以下の黒色を呈し、５００℃における体積抵抗率が１．０×１０^１０Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする窒化アルミニウム焼結体とし、
（２）焼結助剤としてアルカリ土類金属およびリチウムを酸化物換算でそれぞれ０．０１質量％以上、合計で０．３〜１０質量％添加してなる窒化アルミニウム焼結体であって、該窒化アルミニウム焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径が０．６〜２．０μｍであることを特徴とする上記（１）に記載の窒化アルミニウム焼結体とし、
（３）焼結助剤としてアルカリ土類金属およびリチウムを酸化物換算でそれぞれ０．０１質量％以上、合計で０．３〜１０質量％添加してなる窒化アルミニウム焼結体であって、該窒化アルミニウム焼結体を得るための被焼成体の焼成条件が、焼成温度１５００〜１７００℃、圧力が１１．７ＭＰａ以上であることを特徴とする上記（２）に記載の窒化アルミニウム焼結体とし、
（４）前記アルカリ土類金属がカルシウムであることを特徴とする上記（２）または（３）に記載の窒化アルミニウム焼結体とし、
（５）上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の窒化アルミニウム焼結体を基材として使用していることを特徴とする半導体製造装置用部材とし、
（６）上記（１）〜（４）のいずれか１つに記載の窒化アルミニウム焼結体を用いることを特徴とする静電チャックとすることを要旨とする。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、相対密度が９８％以上であり、ＪＩＳＺ８７２１に規定する明度がＮ４．０以下の黒色を呈し、５００℃における体積抵抗率が１．０×１０¹⁰Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする。
【００１２】
本発明者等は、焼結助剤としてアルカリ土類金属およびリチウムを添加した窒化アルミニウム焼結体の色調および体積抵抗率について研究した結果、相対密度が９８％以上であって、ＪＩＳＺ８７２１に規定する明度がＮ４．０以下の黒色を呈し、５００℃における体積抵抗率が１．０×１０¹⁰Ω・ｃｍ以上である窒化アルミニウム焼結体を得ることに成功した。ＪＩＳＺ８７２１に規定する明度がＮ４．０以下の黒色を呈しているため、輻射熱量が多く加熱特性が優れており、また、色むらがなく焼結体の外観もきわめて良好である。したがって、静電チャック、サセプタ、ヒータ等の半導体製造装置用部材として好適であり、さらに５００℃の高温時でも１０¹⁰Ω・ｃｍ以上の高体積抵抗率を有するため、リーク電流の増加によってデバイスを破壊するおそれがないことから、特に高温で使用される半導体製造装置用部材に最適である。また、窒化アルミニウム焼結体の相対密度を９８％以上とすることにより、熱伝導率や耐プラズマ性の低下を抑えることができる。
【００１３】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、焼結助剤としてアルカリ土類金属およびリチウムを酸化物換算でそれぞれ０．０１質量％以上、合計で０．３〜１０質量％添加してなる窒化アルミニウム焼結体であって、その窒化アルミニウム焼結体の相対密度を９８％以上とし、その窒化アルミニウム焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径を０．６〜２．０μｍに制御することにより得ることができる。
【００１４】
窒化アルミニウム焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径が０．６〜２．０μｍと小さいと、粒界が多いことから、焼成過程で窒化アルミニウム粒子内部もしくは粒子表面から粒界に取込まれた不純物酸素等によって、欠陥が粒界中に多く形成され、この粒界が可視光を吸収することによって黒色を示していると考えられる。さらに、粒成長が極めて少ないため、酸素原子の窒化アルミニウム結晶粒子内への固溶が抑制され、窒化アルミニウム結晶粒子内の格子欠陥による体積抵抗率の低下を防いでいることが考えられる。なお、その機構は定かではないが、窒化アルミニウム焼結体中のアルカリ土類金属成分およびリチウム成分の存在形態も焼結体の明度や体積抵抗率に影響していると考えられる。
【００１５】
アルカリ土類金属とリチウムの酸化物換算による合計添加量を０．３〜１０質量％としたのは、０．３質量％より少ないと焼結体の明度が上昇し、体積抵抗率が低下するからである。また、合計添加量が１０質量％を超えると緻密化し難くなり、相対密度を９８％以上とすることが困難になるからである。
【００１６】
アルカリ土類金属としては、カルシウムが焼結性の点で最も有利であるが、ストロンチウム、バリウムでもよい。これらのアルカリ土類金属は酸化物として添加することが特に好ましく、また焼結条件下で酸化物となる化合物を用いてもよく、炭酸塩、硝酸塩、水酸化物等を使用することができる。アルカリ土類酸化物の添加量は０．０１質量％以上、好ましくは０．１質量％以上、さらに好ましくは０．３質量％以上である。添加量が少なすぎると、明度が上昇し、体積抵抗率が低下する。
【００１７】
リチウムの酸化物換算による添加量は０．０１質量％以上、好ましくは０．１質量％以上である。添加量が少ないと、明度が上昇し、体積抵抗率が低下する。添加するリチウムの形態としては、酸化リチウムの他、炭酸リチウム、硝酸リチウム、水酸化リチウム等が使用できる。
【００１８】
窒化アルミニウムの原料は、直接窒化法または還元窒化法によって得られた粉末が使用できる。得られた窒化アルミニウム焼結体を静電チャック、サセプタ、ヒータ等半導体製造装置の部品として使用する場合には、不純物が半導体汚染の原因になるため、窒化アルミニウム粉末は高純度であることが望ましい。
【００１９】
本発明の窒化アルミニウム焼結体は、ホットプレス焼成によることが好適であり、被焼成体を１１．７ＭＰａ以上の圧力下で焼成温度１５００〜１７００℃でホットプレス焼結させることが好ましい。焼成温度が１５００℃より低いと相対密度９８％に到達せず、１７００℃より高いと焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径が大きくなり、焼結体の明度が上昇するためである。圧力が１１．７ＭＰａより低いと、焼結体の相対密度を９８％以上にするためには１７００℃より高い焼成温度が必要となり、その結果、焼結体を構成する結晶粒子の平均粒径が大きくなり、焼結体の明度が上昇するためである。
【００２０】
以上述べたように、本発明の窒化アルミニウム焼結体は静電チャック、サセプタ、ヒータ等の半導体製造装置用部材として好適であり、特に高温で使用される半導体製造装置用部材に最適である。以下、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の例について説明する。
【００２１】
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シリコンウエハ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の上に載置されたシリコンウエハ１０が静電吸着される。
【００２２】
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絶縁層が形成された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。
【００２３】
【実施例】
以下本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００２４】
還元窒化法で製造された窒化アルミニウム粉末（一次粒子径０．６μｍ）に、表１に示した量で種々の焼結助剤を添加し、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時間混合した。得られたスラリーを乾燥し、メッシュパスして原料粉末を作製した。リチウム源としては炭酸リチウムを添加した。アルカリ土類金属については、カルシウム、ストロンチウム、バリウムともに炭酸塩の形態で添加した。なお、比較例であるＮｏ．１〜６では焼結助剤として炭酸リチウムのみを添加し、Ｎｏ．７〜１２では焼結助剤として炭酸カルシウムのみを添加した。また、Ｎｏ．３４では窒化アルミニウムの一般的な焼結助剤である酸化イットリウムを添加し、Ｎｏ．３５では焼結助剤を添加しないものを使用した。
【００２５】
得られた原料粉末を表１に示す条件で焼成し、φ５０×１０ｍｍの焼結体を得た。なお、焼成温度での保持時間はいずれも２時間、プレス圧力については、Ｎｏ．１〜３１、３４、３５では１１．７ＭＰａとし、Ｎｏ．３２、３３では１０．８ＭＰａとした。
【００２６】
得られた窒化アルミニウム焼結体について、平均粒径、色調、明度、体積抵抗率、密度を測定した。平均粒径は、焼結体の破断面をＳＥＭにより観察し、インターセプト法から求めた。明度の測定は、色差計を用いて、マンセル表示（Ｈ・Ｖ・Ｃ表示）にて数値化した。体積抵抗率は、ＪＩＳＣ２１４１「電気絶縁用セラミック材料試験方法」に従って測定した。焼結体密度は純水を媒体としたアルキメデス法により求め、理論密度に対する百分率である相対密度を算出した。それらの評価結果も表１に示す。
【００２７】
【表１】

【００２８】
試験の結果を説明する。比較例であるＮｏ．１〜１２は、焼結助剤としてアルカリ土類金属もしくはリチウムのどちらか一方のみを添加したものであるが、得られた焼結体の明度はいずれもＮ４．０より大きく、５００℃における体積抵抗率は１．０×１０¹⁰Ω・ｃｍより小さい値を示した。また、比較例であるＮｏ．１３、１５、１８、２１は焼成温度を１８００℃としたものであるが、いずれも明度がＮ４．０より大きく、５００℃における体積抵抗率は１．０×１０¹⁰Ω・ｃｍより小さくなった。比較例であるＮｏ．３４、３５は、焼成時のプレス圧力を１０．８ＭＰａとしたものであるが、焼成温度１７００℃では焼結体の相対密度が９８％に到達せず、明度もＮ４．０より大きく、焼成温度を１８００℃にすると緻密化するが粒成長が進み、明度もＮ４．０より大きくなった。また、Ｎｏ．３４は焼結助剤として酸化イットリウムを添加したもの、Ｎｏ．３５は焼結助剤を添加していないものであるが、焼結体の相対密度を９８％以上にするためには焼成温度を１７００℃より高くする必要があり、得られた焼結体は高い明度と低い体積抵抗率を示した。
【００２９】
これらに対して、Ｎｏ．１６、１７、１９、２０およびＮｏ．２２〜３３は本発明の範囲内の窒化アルミニウム焼結体であるが、これらの焼結体の色調は濃灰色から灰黒色を呈し、明度がＮ４．０以下を示しており、５００℃における体積抵抗率は１．０×１０^１０Ω・ｃｍ以上の高い値を示した。また、本発明の範囲内の焼結体はすべて相対密度９８％以上に緻密化しており、色むら等の不具合もなく、外観に優れたものであった。
【００３０】
また、表１に示す実施例の条件で実際に静電チャックの大きさの焼結体を作製し、５００℃および６００℃において加熱試験および吸着試験を行った結果、十分な吸着力が発生し、リーク電流が低く抑えられていた。また、焼結体が黒色に近いため加熱特性に優れていた。一方、比較例の条件の窒化アルミニウム焼結体を使用したものは、リーク電流が増大し、また加熱特性も劣っていた。
【００３１】
【発明の効果】
本発明によれば、５００℃を超える高温で使用できる静電チャック、サセプタ、ヒータ等の半導体製造装置部材として好適な窒化アルミニウム焼結体を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る単極型静電チャックの構造を示す断面図である。
【図２】本発明の一実施形態に係る双極型静電チャックの構造を示す断面図である。
【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シリコンウエハ

Claims

窒化アルミニウム焼結体を基材とし、５００℃を超える高温で使用される静電チャックであって、
前記窒化アルミニウム焼結体が、焼結助剤としてアルカリ土類金属およびリチウムを酸化物換算でそれぞれ０．０１質量％以上、合計で０．３〜１０質量％添加してなり、
焼成温度１５００〜１７００℃、圧力が１１．７ＭＰａ以上のホットプレス焼結により得られ、
結晶粒子の平均粒径が０．６〜１．２μｍであり、
相対密度が９８％以上であり、ＪＩＳＺ８７２１に規定する明度がＮ４．０以下の黒色を呈し、５００℃における体積抵抗率が１．０×１０^１０Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする静電チャック。
前記アルカリ土類金属がカルシウムであることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。