JP4364593B2 - アルミナ質セラミック板及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明はアルミナ質セラミック板及びその製造方法に関し、更に詳細には静電チャック用に好適に用いることのできるアルミナ質セラミック板及びその製造方法に関する。

半導体装置を製造する製造工程において、シリコンウェーハにプラズマ加工等を施す際に、シリコンウェーハを所定位置に固定する固定手段が必要である。
かかる固定手段として、下記特許文献１には、図３に示す静電チャックを用いることが提案されている。図３に示す静電チャックは、誘電体としてのセラミック基板１０が用いられている。このセラミック基板１０としては、TiO₂やCr₂O₃が配合されたアルミナ質セラミック板が用いられている。
かかるセラミック基板１０には、シリコンウェーハＷを保持する静電荷を基板面１０ａに発生する荷電電極２０と、荷電電極２０から電気的に分離され、基板面１０ａに蓄積した電荷を消散し、シリコンウェーハＷを開放する放電電極２２とが埋め込まれている。
更に、開放されたシリコンウェーハＷを、セラミック基板１０の基板面１０ａから持ち上げるリフト部材２４も設けられている。
特表２００１−５２５６１６号公報 （〔００１３〕、〔００２３〕〜〔００２４〕、図２、図４）

図３に示す静電チャックによれば、荷電電極２０に通電してセラミック基板１０の基板面１０ａに静電荷を発生し、基板面１０ａ上に位置するシリコンウェーハＷを基板面１０ａに保持した後、セラミック基板１０の基板面１０ａに保持されたシリコンウェーハＷの加工面にプラズマ加工等の加工を施す。
シリコンウェーハＷのプラズマ加工等の加工が終了した後、荷電電極２０への通電を遮断し、放電電極２２を接地することによって、基板面１０ａに蓄積していた静電荷を放電し、シリコンウェーハＷを基板面１０ａから開放できる。
その後、リフト部材２４によって、シリコンウェーハＷを基板面１０ａから持ち上げ、シリコンウェーハＷを搬送手段によって次の工程に搬送できる。

図３に示す静電チャックでは、シリコンウェーハＷに対する保持力は、基板面１０ａに蓄積される静荷電量であり、その静荷電量はセラミック基板１０の体積固有抵抗値に因る。かかる保持力を得るためのセラミック基板１０の体積固有抵抗値は、１×１０⁹〜９×１０¹⁴Ω・ｃｍ程必要である。
ところで、プラズマ加工では、プラズマによって雰囲気温度やセラミック基板１０が加熱され、４００℃の高温に達する場合がある。
しかし、セラミック基板１０を形成するアルミナ質セラミック板では、昇温されるに従って体積固有抵抗値が低下するため、シリコンウェーハＷの保持力が変動し、或いはアルミナ質セラミック板の体積固有抵抗値が所定値よりも低下して、充分な保持力を呈しなくなる場合がある。
そこで、本発明の課題は、体積固有抵抗値の温度依存性を可及的に小さくできるアルミナ質セラミック板及びその製造方法を提供することにある。

本発明者等は、前記課題を解決すべく検討を重ねた結果、酸化イットリウムを配合したアルミナ質セラミック板によれば、室温〜４００℃の温度雰囲気下における体積固有抵抗値の温度依存性を可及的に小さくできることを見出し、本発明に到達した。
すなわち、本発明は、酸化アルミニウムの含有量が８２wt％以上で且つ酸化イットリウムが２．４５〜８．０wt％含有されている、酸化チタンが非含有のアルミナ質セラミック板であって、前記アルミナ質セラミック板の室温〜４００℃の温度範囲における体積固有抵抗値が１×１０⁹〜９×１０¹⁴Ω・ｃｍであると共に、前記温度範囲における前記アルミナ質セラミック板の最高体積固有抵抗値（Ｒ_MAX）と最低体積固有抵抗値（Ｒ_MIN）との比（Ｒ_MAX／Ｒ_MIN）が５×１０²以下であることを特徴とするアルミナ質セラミック板である。
或いは、本発明は、酸化アルミニウムの含有量が８２wt％以上で且つ酸化イットリウム及び酸化チタンを含有するアルミナセラミック板であって、前記酸化イットリウムの含有量が２．４５〜８．０wt％であると共に、前記酸化チタンの含有量が０．５wt％以下であり、前記アルミナ質セラミック板の室温〜４００℃の温度範囲における体積固有抵抗値が１×１０ ⁹ 〜９×１０ ¹⁴ Ω・ｃｍであると共に、前記温度範囲における前記アルミナ質セラミック板の最高体積固有抵抗値（Ｒ _MAX ）と最低体積固有抵抗値（Ｒ _MIN ）との比（Ｒ _MAX ／Ｒ _MIN ）が５×１０ ² 以下であることを特徴とするアルミナ質セラミック板でもある。
また、本発明は、酸化アルミニウムの含有量が８２wt％以上で且つ酸化イットリウムの含有量が２．４５〜８．０wt％の無機粉末を用いて成形したグリーンシートを、中性雰囲気中で脱脂した後、焼成雰囲気を水素ガスと水蒸気とから成る還元性雰囲気に保持しつつ１５００〜１６００℃の温度下で焼成してセラミック板を得、次いで、前記セラミック板を、前記焼成の還元性雰囲気よりも還元性の強い水素ガスのみから成る強還元雰囲気に保持しつつ、１４５０〜１５５０℃の温度下で熱処理したことを特徴とするアルミナ質セラミック板の製造方法にある。
或いは、本発明は、酸化アルミニウムの含有量が８２wt％以上で且つ酸化イットリウム及び酸化チタンが含有された無機粉末であって、前記酸化イットリウムの含有量が２．４５〜８．０wt％であり、前記酸化チタンの含有量が０．５wt％以下の無機粉末を用いて成形したグリーンシートを、中性雰囲気中で脱脂した後、焼成雰囲気を水素ガスと水蒸気とから成る還元性雰囲気に保持しつつ１５００〜１６００℃の温度下で焼成してセラミック板を得、次いで、前記セラミック板を、前記焼成の還元性雰囲気よりも還元性の強い水素ガスのみから成る強還元雰囲気に保持しつつ、１４５０〜１５５０℃の温度下で熱処理したことを特徴とするアルミナ質セラミック板の製造方法でもある。

かかる本発明において、アルミナ質セラミック板又は無機粉末としては、酸化チタンの含有量を０．２〜０．５wt％とすることによって、アルミナ質セラミック板の室温〜４００℃の温度範囲における体積固有抵抗値の温度依存性を可及的に小さくできる。

本発明に係るアルミナ質セラミック板は、室温〜４００℃の温度範囲における体積固有抵抗値の温度依存性を、通常のアルミナ質セラミック板よりも可及的に小さくできる。このため、本発明に係るアルミナ質セラミック板を、室温〜４００℃の温度範囲において雰囲気温度が変化する用途、例えば静電チャック用の誘電体として用いることによって、静電チャックを載置した雰囲気温度が変化しても、誘電体としてのアルミナ質セラミック板の体積固有抵抗値の変化が少なく、静電チャックにシリコンウェーハ等の部材を保持する保持力を一定値に保持できる。その結果、静電チャックに確実に保持されたシリコンウェーハ等の部材にプラズマ加工等を安定して施すことができる。

本発明に係るアルミナ質セラミック板は、酸化アルミニウム（Al₂O₃）の含有量が８２wt％以上で且つ酸化チタン（TiO₂）が非含有のアルミナ質セラミック板であって、このアルミナ質セラミック板には、酸化イットリウム(Y₂O₃)が２．４５〜８wt％含有されている。
ここで、酸化イットリウム(Y₂O₃)の含有量が２wt％未満のアルミナ質セラミック板では、室温〜４００℃における体積固有抵抗値の温度依存性が大きくなる。一方、酸化イットリウム(Y₂O₃)の含有量が９wt％を越える場合には、焼成又は熱処理の際に、アルミナ質セラミック板にクラック等が発生し易くなる。
また、酸化チタン（TiO₂）を含有するアルミナ質セラミック板であってもよいが、酸化チタン（TiO₂）の含有量は０．５ｗｔ％以下とすべきである。酸化チタン（TiO₂）の含有量が０．５ｗｔ％を越えるアルミナ質セラミック板では、室温〜４００℃における体積固有抵抗値の温度依存性が大きくなる。
尚、アルミナ質セラミック板に含有される酸化チタン（TiO₂）の含有量の下限は、０．２ｗｔ％とすることが好ましい。

かかるアルミナ質セラミック板は、室温〜４００℃の温度範囲における体積固有抵抗値が１×１０⁹〜９×１０¹⁴Ω・ｃｍ、好ましくは１×１０¹¹〜５×１０¹⁴Ω・ｃｍであることが必要である。体積固有抵抗値が１×１０⁹Ω・ｃｍ未満或いは９×１０¹⁴Ω・ｃｍを越えるアルミナ質セラミック板では、静電チャック用の誘電体として用いた場合、シリコンウェーハ等の部材を充分に保持できないことがある。
更に、室温〜４００℃の温度範囲における体積固有抵抗値が１×１０⁹〜９×１０¹⁴Ω・ｃｍの範囲内に位置するアルミナ質セラミック板であっても、この温度範囲におけるアルミナ質セラミック板の最高体積固有抵抗値（Ｒ_MAX）と最低体積固有抵抗値（Ｒ_MIN）との比（Ｒ_MAX／Ｒ_MIN）が５×１０²以下、好ましくは３×１０²以下であることことが必要である。
この比（Ｒ_MAX／Ｒ_MIN）が５×１０²を越えるアルミナ質セラミック板を、シリコンウェーハ等の部材を保持する静電チャック用の誘電体として用いたとき、静電チャックに保持されたシリコンウェーハ等の部材にプラズマ加工等の加工を施す際に、静電チャックが載置された雰囲気温度がプラズマ等によって昇温されて、アルミナ質セラミック板の体積固有抵抗値が大きく変動し、静電チャックの保持力が大幅に変動する。
尚、アルミナ質セラミック板には、SiO₂、MgO及びCaOから選ばれた単独又は複数の酸化物が配合されていてもよい。

かかる本発明に係るアルミナ質セラミック板を製造する際には、酸化アルミニウム、酸化イットリウム及び焼成助剤が混合された無機粉末に、可塑剤及びバインダーを溶解し混合したペーストを、ドクターブレード法で板状体に成形してグリーンシートとする。
この無機粉末中には、酸化アルミニウムの含有量が８２wt％以上で且つ酸化イットリウムの含有量が２．４５〜８wt％であって、酸化チタンが非含有である。
また、酸化チタンを含有する無機粉末を用いて成形したグリーンシートであってもよいが、無機粉末中の酸化チタン（TiO₂）の含有量は０．５ｗｔ％以下（下限は、０．２ｗｔ％とすることが好ましい）とすべきである。
尚、焼成助剤としては、SiO₂、MgO及びCaOから選ばれた単独又は複数の酸化物を用いることができる。

得られたグリーンシートを、窒素等による中性雰囲気下で５００℃程度の温度で脱脂して、グリーンシートに配合されたバインダー等の有機物を除去した後、焼成してセラミック板とする。この場合、焼成雰囲気を還元性雰囲気に保持しつつ１５００〜１６００℃の温度下で焼成する。かかる焼成雰囲気としては、水素等の還元性ガスから成る雰囲気中に水蒸気を導入することが好ましい。
焼成して得たセラミック板を、焼成の還元性雰囲気よりも還元性の強い強還元雰囲気に保持しつつ、１４５０〜１５５０℃の温度下で熱処理することによって、室温〜４００℃の温度範囲における体積固有抵抗値の温度依存性を可及的に小さいアルミナ質セラミック板を得ることができる。この強還元雰囲気は、セラミック板の熱処理雰囲気を、水素等の還元性ガスのみから成る雰囲気とすることによって形成できる。
尚、グリーンシートの脱脂工程、焼成工程及び熱処理工程を、同一の電気炉等の加熱炉中で連続的におこなってもよい。

酸化アルミニウム、酸化イットリウム及び焼成助剤を混合した無機粉末に、可塑剤及びバインダーを溶解し混合したペーストを、ドクターブレード法で板状体に成形してグリーンシートに成形した。この無機粉末中に配合した無機化合物の種類及び配合量を下記表１に示す。

表１に示す無機粉末の各々を用いて成形したグリーンシートを挿入した電気炉内を、窒素を導入して中性雰囲気としつつ５００℃に維持する脱脂工程によって、グリーンシートに配合されたバインダー等の有機物を除去した後、電気炉内に水素ガスと水蒸気とを導入して還元性雰囲気としつつ１５００〜１５４０℃（ＭＡＸ温度）で焼成してセラミック板とした。
引き続き、得られたセラミック板が挿入された電気炉内に水素ガスのみを導入して、電気炉内を強還元性雰囲気としつつ１４５０〜１５２０℃（ＭＡＸ温度）で焼成してセラミック板に熱処理を施した。
形成されたNo.１〜No.５の各水準のアルミナ質セラミック板は、いずれも良好な外観を呈するものであった。

比較例１

実施例１において、無機粉末中に配合した無機化合物の種類及び配合量を下記表２の様に変更した他は、実施例１と同様にしてアルミナ質セラミック板を作成した。

形成されたNo.７〜No.１０の各水準のアルミナ質セラミック板は、いずれも良好な外観を呈するものであったが、No.１１の水準（Y₂O₃の配合量が９ｗｔ％を越えた水準）のアルミナ質セラミック板には、クラックが発生していた。

実施例１で得られたNo.１〜No.５の各水準のアルミナ質セラミック板について、室温（２５℃）〜４００℃における体積固有抵抗を測定した結果を図１に示す。図１に示す番号（No.）は、表１の番号（No.）と対応する。
また、比較例１で得られたNo.７〜No.１０の各水準のアルミナ質セラミック板について、室温（２５℃）〜４００℃における体積固有抵抗値を測定した結果を図２に示す。図２に示す番号（No.）は、表２の番号（No.）と対応する。
図１及び図２から明らかな様に、実施例１のNo.１〜No.５の各アルミナ質セラミック板は、比較例１のNo.７〜No.１０の各アルミナ質セラミック板に比較して、室温（２５℃）〜４００℃における体積固有抵抗は、略横這い状態、つまり体積固有抵抗値の温度依存性が小さい。
しかも、実施例１のNo.１〜No.５の各アルミナ質セラミック板では、室温（２５℃）〜４００℃における体積固有抵抗が１×１０⁹〜９×１０¹⁴Ω・ｃｍの範囲内で且つ最高体積固有抵抗値（Ｒ_MAX）と最低体積固有抵抗値（Ｒ_MIN）との比（Ｒ_MAX／Ｒ_MIN）が２．４×１０²以下である。
このため、実施例１のNo.１〜No.５の各アルミナ質セラミック板は、室温（２５℃）〜４００℃において、静電チャックの誘電体として好適に用いることができる。

これに対し、比較例１のNo.７〜No.１０の各アルミナ質セラミック板では、いずれも昇温されるに従って体積固有抵抗値が大幅に低下し、体積固有抵抗値の温度依存性が大きいことが判る。
特に、No.７、No.８及びNo.１０の水準のアルミナ質セラミック板では、室温（２５℃）〜４００℃における体積固有抵抗は、１×１０⁹〜９×１０¹⁴Ω・ｃｍから外れる部分が存在する。このため、No.７、No.８及びNo.１０の水準のアルミナ質セラミック板を誘電体に用いた静電チャックでは、室温（２５℃）〜４００℃において静電チャックの保持力が不足する温度帯が生じ、静電チャックに保持した保持体が保持面で移動するおそれがある。
一方、No.９の水準のアルミナ質セラミック板では、室温（２５℃）〜４００℃における体積固有抵抗が１×１０⁹〜９×１０¹⁴Ω・ｃｍの範囲内にあるが、その最高体積固有抵抗値（Ｒ_MAX）と最低体積固有抵抗値（Ｒ_MIN）との比（Ｒ_MAX／Ｒ_MIN）は、１．１×１０³と５×１０²を越える値である。このため、No.９の水準のアルミナ質セラミック板を誘電体に用いた静電チャックでは、室温（２５℃）〜４００℃において静電チャックの保持力を一応満足する場合でも、その保持力が温度と共に大幅に変化し、静電チャックに保持されている保持体に加えられる力を温度によって調整する等の手段が必要となる。

実施例１のNo.１〜No.５の各水準のアルミナ質セラミック板について、室温（２５℃）〜４００℃における体積固有抵抗を測定した結果を示すグラフ。 比較例１のNo.７〜No.１０の各水準のアルミナ質セラミック板について、室温（２５℃）〜４００℃における体積固有抵抗値を測定した結果を示すグラフ。 静電チャックを説明する断面図である。

符号の説明

１０ セラミック基板
１０ａ 基板面
２０ 荷電電極
２２ 放電電極
２４ リフト部材

Claims (7)

1. 酸化アルミニウムの含有量が８２wt％以上で且つ酸化イットリウムが２．４５〜８．０wt％含有されている、酸化チタンが非含有のアルミナ質セラミック板であって、
   前記アルミナ質セラミック板の室温〜４００℃の温度範囲における体積固有抵抗値が１×１０⁹〜９×１０¹⁴Ω・ｃｍであると共に、
   前記温度範囲における前記アルミナ質セラミック板の最高体積固有抵抗値（Ｒ_MAX）と最低体積固有抵抗値（Ｒ_MIN）との比（Ｒ_MAX／Ｒ_MIN）が５×１０²以下であることを特徴とするアルミナ質セラミック板。
2. 酸化アルミニウムの含有量が８２wt％以上で且つ酸化イットリウム及び酸化チタンを含有するアルミナセラミック板であって、
   前記酸化イットリウムの含有量が２．４５〜８．０wt％であると共に、前記酸化チタンの含有量が０．５wt％以下であり、
   前記アルミナ質セラミック板の室温〜４００℃の温度範囲における体積固有抵抗値が１×１０ ⁹ 〜９×１０ ¹⁴ Ω・ｃｍであると共に、
   前記温度範囲における前記アルミナ質セラミック板の最高体積固有抵抗値（Ｒ _MAX ）と最低体積固有抵抗値（Ｒ _MIN ）との比（Ｒ _MAX ／Ｒ _MIN ）が５×１０ ² 以下であることを特徴とするアルミナ質セラミック板。
3. 酸化チタンの含有量が０．２〜０．５wt％である請求項２記載のアルミナ質セラミック板。
4. アルミナ質セラミック板が、静電チャックに用いられる請求項１〜３のいずれか一項記載のアルミナ質セラミック板。
5. 酸化アルミニウムの含有量が８２wt％以上で且つ酸化イットリウムの含有量が２．４５〜８．０wt％である、酸化チタンが非含有の無機粉末を用いて成形したグリーンシートを、中性雰囲気中で脱脂した後、焼成雰囲気を水素ガスと水蒸気とから成る還元性雰囲気に保持しつつ１５００〜１６００℃の温度下で焼成してセラミック板を得、
   次いで、前記セラミック板を、前記焼成の還元性雰囲気よりも還元性の強い水素ガスのみから成る強還元雰囲気に保持しつつ、１４５０〜１５５０℃の温度下で熱処理したことを特徴とするアルミナ質セラミック板の製造方法。
6. 酸化アルミニウムの含有量が８２wt％以上で且つ酸化イットリウム及び酸化チタンが含有された無機粉末であって、前記酸化イットリウムの含有量が２．４５〜８．０wt％であり、前記酸化チタンの含有量が０．５wt％以下の無機粉末を用いて成形したグリーンシートを、中性雰囲気中で脱脂した後、焼成雰囲気を水素ガスと水蒸気とから成る還元性雰囲気に保持しつつ１５００〜１６００℃の温度下で焼成してセラミック板を得、
   次いで、前記セラミック板を、前記焼成の還元性雰囲気よりも還元性の強い水素ガスのみから成る強還元雰囲気に保持しつつ、１４５０〜１５５０℃の温度下で熱処理したことを特徴とするアルミナ質セラミック板の製造方法。
7. 無機粉末中の酸化チタンの含有量を、０．２〜０．５wt％とする請求項６記載のアルミナ質セラミック板の製造方法。

Images