JP4719965B2

JP4719965B2 - セラミックス

Info

Publication number: JP4719965B2
Application number: JP2000309392A
Authority: JP
Inventors: みのり岩島; 進川北; 知彦尾形
Original assignee: Toray Industries Inc
Current assignee: Toray Industries Inc
Priority date: 1999-10-08
Filing date: 2000-10-10
Publication date: 2011-07-06
Anticipated expiration: 2020-10-10
Also published as: JP2001172090A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置用部材の基材として好適に使用できるセラミックスに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、半導体素子の製造装置用に使用される部材、例えば、Ｓｉウエハ等の配線を形成する工程や、ウエハを支持または保持するために使用されるサセプタ、真空チャック、そして絶縁リングやその他の治具等、また、露光装置のＸＹテーブルの部材の基材には、比較的安価で、化学的にも安定であることからセラミックスが用いられている。
【０００３】
一方、近年、半導体素子の回路パターン寸法の微細化と高集積化は、急速に進化しており、いわゆるフォトリソグラフィプロセスに要求される微細化のレベルは、ますます厳しくなりつつある。
【０００４】
中でも、半導体の微細パターンを形成するためのフォトリソグラフィの中心となる露光プロセスにおいては、０．１μｍ以下の位置決め精度が要求されている従来のセラミックスを、これら半導体製造装置の部材に適用すると、要求される特性が不足し、部材の寸法変化等による露光の位置合わせ誤差が生じ、得られる製品の品質や歩留まりに大きな影響を及ぼしている。
【０００５】
近年、かかる問題を解決するため、熱膨張係数の小さいコーディエライト系セラミックスを半導体製造装置用部材に適用する技術が、特開平１１−１００２７５号公報等に開示されている。
【０００６】
また、耐熱衝撃性や断熱性が高く、低熱膨張係数を有する素材であるリチウムアルミノシリケイ酸塩のスポジューメンを、カルシウムシリケートと複合化して半導体製造装置用部材に適用する技術が、特開平１１−９２２１６号公報に開示されている。また、チタン酸アルミニウムが、耐熱性、比切削性に優れ、機械加工が容易な素材であることが、特開平１１−６０２４０号公報に開示されている。
【０００７】
しかしながら、これらセラミックスが基材に用いられた装置用部材は、室温における熱膨張係数が大きく、雰囲気温度０．１℃の変化で、数１００ｎｍ（０．１μｍ）の寸法変化が生じることがあった。
【０００８】
また、これら熱膨張係数の大きなセラミックスは気孔率が高く、いわゆる多孔質構造であるために強度的に脆くなり、塵、埃が気孔中に詰まる等の問題もあった。
【０００９】
さらに、このようなセラミックスを、露光装置のステージのような、Ｓｉウエハを載置して高速で移動する部材に適用すると、露光位置に停止後、振動が減衰せず、露光精度が低下するという問題が生じていた。
【００１０】
かかる現象は、露光によって半導体に形成する配線幅が細くなる程、顕著となる傾向があり、特に精度の高い配線を形成する場合には、上述した従来技術によるセラミックスを装置部材として適用することは甚だ困難であった。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
本発明の目的は、高緻密性、高剛性、低熱膨張性、及び高導電性等の優れた特性を有する、半導体製造用部品の基材に好適に使用できるセラミックス素材を提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、かかる課題を解決するために、次の手段を採用する。即ち、平均径が５μｍ以下の独立した気孔を有し、スポジューメンを主成分とし、窒化ケイ素を副成分として含むセラミックスであって、（１）該気孔の気孔率が７％以下であり、（２）比剛性（ヤング率（ＧＰａ）／密度（ｇ／ｃｍ³ ））が３０以上であり、（３）ＪＩＳＲ１６１８による、２０〜３０℃における熱膨張係数の絶対値が３×１０^-7／Ｋ以下であるセラミックスである。
【００１３】
また、本発明は、かかる課題を解決するために、次の手段を採用する。即ち、前記セラミックスを基材に使用してなる半導体製造装置用部材である。
【００１４】
【発明の実施の形態】
本発明者らは、半導体製造装置用部材における基材に好適に用いられるセラミックスについて鋭意検討し、いわゆる独立気孔という特定形態の気孔を有し、かつ、該気孔の気孔率と平均気孔径とが特定される範囲にあり、さらに、比剛性と熱膨張係数が特定される範囲にあるセラミックスにより、かかる課題を一挙に解決することを見いだしたものである。
【００１５】
本発明のセラミックスは、平均径が５μｍ以下の独立した気孔を有し、スポジューメンを主成分とし、窒化ケイ素を副成分として含むセラミックスであって、（１）該気孔の気孔率が７％以下であり、（２）比剛性（ヤング率（ＧＰａ）／密度（ｇ／ｃｍ³ ））が３０以上であり、（３）ＪＩＳＲ１６１８による、２０〜３０℃における熱膨張係数の絶対値が３×１０^-7／Ｋ以下であるセラミックスである。
【００１６】
気孔が上で規定した範囲になく、また、比剛性が３０未満、若しくは、前記熱膨張係数の絶対値が３×１０^-7／Ｋを越えると、露光装置用部材に適用した場合、精度が低下し、高微細な配線回路を形成することができなくなることがある。また、同様な観点から、比剛性は３５〜７０の範囲内であるのが好ましい。
【００１７】
本発明によるセラミックスは、主成分として、スポジューメンを使用することにより製造されうるものである。
【００１８】
ここに「主成分」とは、対象成分が、５５〜９９重量％、好ましくは６５〜９９重量％、セラミックス中に含まれていることをいう。
【００１９】
スポジューメンは、［Ｌｉ₂ Ｏ・Ａｌ₂ Ｏ₃ ・４ＳｉＯ₂ ］の一般式で、表されるものである。
【００２０】
主成分となるセラミックスは、スポジューメンでは、セラミックス１００重量％中に、５５〜９０重量％、好ましくは６５〜９５重量％となるように構成されてなるのが好ましい。
【００２１】
スポジューメンは、絶縁性があり、低比重であり、室温、即ち２０〜３０℃における熱膨張係数が負の値を示し、収縮し易い性質を有するセラミックスであり、そのヤング率も、１００ＧＰａ未満と低く、脆いものであることから、物性向上のため、別種のセラミックスが添加されてなる。
【００２２】
かかる別種のセラミックスとしては、窒化ケイ素が挙げられる。
【００２３】
かかる別種のセラミックス（以下、副成分という）の添加量は、窒化ケイ素の場合は、セラミックス１００重量％中、１〜４４重量％、好ましくは１０〜３５重量％の範囲内であるのが良い。
【００２４】
このような副成分は、正の熱膨張係数を示し、室温２０〜３０℃で膨張する性質を有するものであり、かかる副成分を前記主成分に添加することにより、本発明によるセラミックスのＪＩＳＲ１６１８による、２０〜３０℃における熱膨張係数の絶対値が、３×１０^-7／Ｋ以下、好ましくは１×１０^-7／Ｋ以下となりうるのである。
【００２５】
また、副成分の添加量を上記した範囲内とすることにより、本発明によるセラミックスは、材料中の気孔が分離独立した、いわゆる独立気孔を有するものとなり、該気孔の、次式（１）で表される気孔率が７％以下となりうるものとなり、好ましくは５％以下、より好ましくは３％以下となりうるものとなる。
【００２６】
気孔率（％）＝［１−（実際の密度／理論密度）］×１００・・・（１）
尚、本発明では、例えば、主成分にスポジューメンを使用し、副成分に窒化ケイ素を使用すると、ＪＩＳＲ１６０２によるヤング率が１００ＧＰａ以上となりうる。
【００２７】
以下、本発明によるセラミックスの製造法の一例を説明する。本発明によるセラミックスは、例えば、粒径が５μｍ以下の、前記したような主成分と副成分で構成される無機粒子を、ボールミル等により十分に粉砕、混合し、金型プレス、冷間静水圧プレス、押し出し成型等の成形手段により任意の形状に成形した後、加圧焼結法又は常圧焼結法により、９００〜１９００℃、好ましくは９００〜１８６０℃の温度範囲で焼結することによって製造することができる。
【００２８】
かかる製造方法においては、混合する主成分の無機粒子や副成分の無機粒子等の種類に応じて各々適合した焼結温度等の条件を選択するのが好ましい。例えば、主成分の無機粒子にスポジューメンを使用する場合には、９００〜１３５０℃の温度範囲で焼結するのが良い。
【００２９】
また、これら製造条件における焼結時間は、１〜１０時間とするのが良い。尚、これら焼結は、大気中、減圧下、又は不活性ガス雰囲気中のいずれの雰囲気でも実施することができる。
【００３０】
本発明によるセラミックスは、試料支持台等の半導体製造装置用部材における基材として好適に使用できるものとなる。
【００３１】
また、かかる基材の表面に炭化ケイ素、炭化チタン、炭素、窒化チタン及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも１種、好ましくは窒化アルミニウム及び窒化チタンからなる導電性被膜を形成させると、得られるセラミックスの導電性が著しく高まり、帯電による塵、埃の付着が効果的に防止され、異物による露光不良が低減するため、半導体製造装置用部材としてより好適な特性を発揮するものとなる。
【００３２】
尚、かかる導電性被膜は、ＰＶＤ（Physical Vapor Deposition、物理蒸着法）やＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition、化学的気相成長法）等によって、被膜の厚みが０．５〜２０μmとなるように形成せしめるのが好ましい。
【００３３】
【実施例】
以下、実施例により、本発明をさらに詳細に説明する。
（実施例１〜１１、比較例１〜８）
平均粒径５μｍのスポジューメン粉末と、平均粒径４μｍの窒化ケイ素粉末を表１、２に示す割合とし、ボールミル中で２４時間混合した。
【００３４】
次に、ホットプレスを用いて０．３ＭＰａの圧力を加えながら、表１、２に示す条件で加圧して焼結試料を作成し、この焼結試料を鏡面研磨することにより平板状のセラミックス材料を得た。
【００３５】
上記セラミックス材料に対して、ＪＩＳＲ１６１８に従い、０〜５０℃、２０〜３０℃の温度範囲における熱膨張係数を測定した。また、ＪＩＳＲ１６０２に従い、超音波パルス法により、室温でのヤング率を測定した。さらに、気孔の平均径は、走査型電子顕微鏡を用いて観察して定量した。
【００３６】
表１に、焼結温度を一定条件とし、スポジューメンと窒化ケイ素の構成比率を変更した内容を示す。
【００３７】
ここに比較例１〜３で得られた平板状セラミックスは、独立気孔の気孔率４％以上、その平均径１０μｍ以上、比剛性３６以下、２０〜３０℃における熱膨張係数−０．３８×１０^-6／Ｋ以上、ヤング率８３ＧＰａ以下であり、多孔質で脆く、また、室温において収縮しており、品質の悪いものであった。
【００３８】
一方、実施例１〜８では、独立気孔の気孔率が３％以下、その平均径５μｍ以下、比剛性３８以上と優れた値を示していた。また、これら実施例では、８９ＧＰａ以上と高いヤング率を示し、窒化ケイ素の添加量を増すに従い、ヤング率は高まる傾向があった。中でも実施例２〜８では１００ＧＰａ以上と非常に高い値となった。
【００３９】
また、実施例１〜８では、２０〜３０℃における熱膨張係数が−０．２７×１０^-6／Ｋ以下と優れた値を示した。
【００４０】
さらに、実施例１〜８、比較例１〜３において、材料の表面に窒化アルミニウムと窒化チタン（ＡｌＮ−ＴｉＮ）の導電性被膜をＰＶＤにより形成せしめた所、比較例１〜３では多孔質であったためか、剥離が生じた。一方、実施例１〜８では、ＪＩＳＫ５４００で測定しても剥離は一切観察されず、半導体製造用部材として望ましい表面の導電性についても、表面抵抗率が１０⁹Ω・ｃｍ以下と低くなり、効果的に付与されていることが確認できた。
【００４１】
表２に、スポジューメンと窒化ケイ素の構成比率を１００：０、又は８９：１１とし、焼結温度を変化させた内容を示す。ここで、比較例４〜６では、９００℃以上で焼結したが、多孔質であり、独立気孔の平均径が大きなものであった。
【００４２】
一方、実施例９〜１１では、独立気孔の気孔率３％以下、その平均径５μｍ以下、比剛性３８以上であった。また、実施例９〜１０では、ヤング率は８９ＧＰａ以上、熱膨張係数は−０．３×１０^-6／Ｋ以下と特に優れた値を示した。
【００４３】
【表１】

【００４４】
【表２】

【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、雰囲気の温度変化に対して寸法変化が極めて小さく、さらに半導体製造装置用部品の基材に用いた場合に、その基材の表面に導電性被膜を形成させれば、表面抵抗率が１０⁹Ω・ｃｍ以下と低くなる等の優れた特性を有するセラミックスが提供できる。
【００４６】
また、本発明によるセラミックスは、基材に高い品質特性が要求される、露光装置用ステージ等の半導体製造装置用部品に好適に使用できるものとなる。

Claims

平均径が５μｍ以下の独立した気孔を有し、スポジューメンを主成分とし、窒化ケイ素を副成分として含むセラミックスであって、（１）該気孔の気孔率が７％以下であり、（２）比剛性（ヤング率（ＧＰａ）／密度（ｇ／ｃｍ^３））が３０以上であり、（３）ＪＩＳＲ１６１８による、２０〜３０℃における熱膨張係数の絶対値が３×１０^−７／Ｋ以下であるセラミックス。
ＪＩＳＲ１６０２によるヤング率が１００ＧＰａ以上である請求項１記載のセラミックス。
副成分の含有量が１〜４４重量％である請求項１または２記載のセラミックス。
請求項１〜３のいずれかに記載のセラミックスを基材に使用してなる半導体製造装置用部材。
前記基材の表面に導電性被膜が形成されてなる請求項４記載の半導体製造装置用部材。
前記導電性被膜が炭化ケイ素、炭化チタン、炭素、窒化チタン及び窒化アルミニウムからなる群から選ばれる少なくとも１種からなるものである請求項５記載の半導体製造装置用部材。
前記導電性被膜が窒化アルミニウム及び窒化チタンからなるものである請求項６記載の半導体製造装置用部材。