JP5042886B2 - 静電チャック - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造装置や液晶パネルをはじめとするフラットパネルディスプレイ製造装置などに使用される静電チャックに関わる。

半導体製造装置に組み込まれている静電チャックはウエハを静電気力で吸着させるものであり、近年熱伝導性に優れている窒化アルミニウムが素材として用いられている。窒化アルミニウムは難焼結性であるため、焼結助剤を用いて焼結を行っている。焼結のメカニズムは焼結助剤を添加することにより粒界に低融点の反応生成物が生じて液相化し、この相を介して窒化アルミニウムの物質移動が行われるというものである。したがって、焼結体の粒子と粒子の間には粒界層が多く存在し、応力が集中した場合に粒界部分から破壊が進行し、粒子の脱落が発生する。静電チャックの場合、ウエハの吸着離脱を繰り返すと吸着面に応力が生じるため窒化アルミニウム製の静電チャックでは脱粒によるパーティクルが発生し、ウエハを汚染するという問題があった。そこで、パーティクルの発生源となりやすい粒界破壊を抑制した窒化アルミニウムを用いた静電チャックが提案されている（特許文献１、２参照）。また、窒化チタニウム等を添加することにより、パーティクルの発生を抑えた窒化アルミニウムを用いた静電チャックが提案されている（特許文献３参照）。

特開２００１−３１３３３０号公報 特開２００４−２２４６１０号公報 特開平９−１４２４３４号公報

上述のように、窒化アルミニウムを素材として用いた静電チャックにおいて、粒界破壊に起因するパーティクルが大きな問題となっている。そこで、焼結助剤の種類や量を調整することがなされるが、焼結助剤の添加量を少なくすると焼結が不完全となったり、静電チャックの機能として重要な体積抵抗率を制御することが困難となったりする場合があった。

例えば、特許文献１および２に記載された発明では、原料の窒化アルミニウム粉末または原料粉末の成形体を大気中５００〜６００℃で加熱処理した後、焼結させて粒内破壊率の大きい窒化アルミニウム焼結体からなる静電チャックが得られているが、本発明者らの知見によれば、このような大気加熱を行った場合、窒化アルミニウム焼結体に酸素が取りこまれて体積抵抗率の制御が困難になり、静電チャックとして適用できないという問題があった。

また、特許文献３に記載された発明では、窒化チタニウムを添加してパーティクルの発生を抑制している。しかしながら、近年、低パーティクルの要請が厳しくなっており、窒化チタニウムの添加のみでは不十分な場合があった。また、窒化チタニウムを添加してもパーティクルが多く発生する場合があり、問題となっていた。

さらに、静電チャックはウエハ等の種々の処理工程に用いられ、その使用温度も様々である。したがって、窒化アルミニウム焼結体を静電チャックの基材として適用するには、使用温度に適した体積抵抗率が必要である。しかしながら、上記のようなパーティクルの問題もあり、所定温度における体積抵抗率と低パーティクル性とを両立させることは困難であった。

本発明は上記したような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、脱粒によるパーティクルの発生を抑えるために焼結助剤の配合および焼結条件を制御し、液相である粒界層を薄くして粒界強度を向上させ、かつ１００〜３００℃の処理工程に適用できるよう体積抵抗率を制御した静電チャックを提供するものである。

本発明者等は、これらの問題点を解決するため、焼結助剤である酸化イットリウムと窒化チタニウムとあわせて添加し、さらに、焼結体の酸素原子量を調整することにより、窒化アルミニウム焼結体の曲げ強度を高めるとともに、粒内破壊率を向上させることができ、粒子の脱落によるパーティクルの発生が少なく、かつ、所定温度における体積抵抗率を制御した静電チャックを発明した。

すなわち、本発明は、窒化アルミニウム焼結体からなる基材と、基材の内部または表面に配された静電電極と、を備える静電チャックであって、前記窒化アルミニウム焼結体の曲げ強度が５００ＭＰａ以上、粒内破壊率が７０％以上である静電チャックを提供するものである。

本発明の静電チャックは、曲げ強度が５００ＭＰａ以上あるので、静電チャックの吸着面等の加工時に破損するおそれが無い。しかも、粒内破壊率が７０％以上なので、粒子の脱粒が少なく、ウエハの吸着離脱を繰り返し行った場合だけでなく、静電チャックの加工工程に起因するパーティクルの発生を低減することができる。

また、本発明の静電チャックの基材に用いられる窒化アルミニウム焼結体の２００℃における体積抵抗率は１×１０^１３Ωｃｍ以下であり、イットリウムの含有量が０．０２〜０．１質量％である。さらに、窒化チタニウム含有量が３〜１０質量％である。

静電チャックで発生するパーティクルはウエハの汚染をまねき、半導体製造工程では大変嫌われるものであり、その発生を抑える必要がある。パーティクルの発生原因として静電チャック吸着面の粒子脱落（脱粒）が挙げられる。これは静電チャックの素材であるセラミックスが多結晶体であるため、ウエハの吸着離脱を繰り返す際、粒界から粒子が脱落してしまう現象である。特に窒化アルミニウムは難焼結性であり、窒化アルミニウム単独での焼結が困難であることから焼結助剤を用いる。焼結助剤を添加することにより粒界に低融点の反応生成物が生じて液相化し、この相を介して窒化アルミニウムの物質移動が促され液相焼結が進行する。そのため、通常窒化アルミニウム粒子の間には液相である厚い粒界層が存在する。接合層である粒界層が厚い場合、粒子部分と比較すると強度が低下するため、応力がかかった場合、粒界が選択的に破壊され、粒子の脱落を招くという結果が発生する。逆に接合層が薄い場合、接合層の強度が向上する。そのため、粒子と粒子の接合層である粒界層を薄くすれば粒界強度が向上し、脱粒が減少する。粒界層である液相を少なくするためには焼結助剤である酸化イットリウムを少なくし、焼結終了時点でその大部分が排出される必要がある。ただし、焼結助剤が少なすぎると焼結が進行しない。そこで本発明では焼結が進行しつつ、かつ、焼結助剤の排出が確実に行われる焼結助剤の添加量とした。したがって、本発明に用いられる窒化アルミニウム焼結体の焼結助剤成分であるイットリウムの含有量は、０．１質量％以下である。また、焼結体のイットリウムの含有量を０．０２質量％以上とすれば、焼結体を緻密化できる。

本発明の静電チャックは２００℃近辺、具体的には、１００℃から３００℃の温度域での使用に適する。焼結助剤が排出され、窒化アルミニウムの純度が高くなると体積抵抗率の制御が困難となり、このような使用温度域で静電チャックとしての機能を発揮することが出来なくなる。そのため、窒化アルミニウム焼結体の窒化チタニウムの含有量が３〜１０質量％となるように添加して体積抵抗率を制御した。窒化チタニウムは焼結中での排出が少なく、焼結後でも焼結体内に残留する。これにより２００℃での体積抵抗率を静電チャックに最適な値に制御できる。体積抵抗率は、２００℃において、１×１０^１３Ωｃｍ以下であることが望ましい。ただし、体積抵抗率が低すぎるとリーク電流が大きくなり、ウエハの離脱性が低下したり、ウエハに形成されたデバイスに悪影響を与えたりすることから、１×１０^９Ωｃｍ以上の範囲に制御することがより望ましい。窒化チタニウムの含有量を３〜１０質量％に調整することにより、上記使用温度域で静電チャックに適した体積抵抗率に制御できる。

しかも、窒化チタニウムの含有量を適切に制御することは、曲げ強度及び粒内破壊率を高める上でも好ましい。これは、窒化チタニウムが粒界部分で亀裂をトラップしているためと考えられる。すなわち、亀裂進展経路が粒界層ではなく粒内となり、粒子の脱落が減少する。それにより窒化アルミニウムの素材自体の曲げ強度も向上する。

さらに、本発明に用いられる窒化アルミニウム焼結体の酸素原子含有量は２.０質量％以下である。引用文献１及び２に記載されたように、原料の窒化アルミニウム粉末または原料粉末の成形体を大気中５００〜６００℃で加熱処理した場合、窒化アルミニウムの焼結体中に酸素が取り込まれて、静電チャックに適切な体積抵抗率に制御することができなくなる場合がある。さらに、本発明のように酸素の含有量を原料の粉砕や混合の際にも、不純物酸素の混入が起きやすいため、これを制御しなければならない。したがって、本発明では、非酸化雰囲気で加熱を行っている。また、原料の粉砕や混合では、金属や金属酸化物を含まない容器及び媒体を用いて混合することが望ましい。

粒子の脱落によるパーティクルの発生が少なく、かつ、所定温度における体積抵抗率を制御した静電チャックを提供できる。

以下、図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態を説明する。図１は、本発明の好適な実施の形態に係る静電チャックの概略構造を示す断面図である。

静電チャック１０は、基材１１の表面に静電吸着のための静電電極１２を有し、吸着面１１ａに例えばシリコンウエハなどの基板を吸着することができる。図１の例では、基板と静電電極との間に電圧を印加する単極型を示したが、これに限るものではない。例えば、図２に示した静電チャック２０のように、基材２１の内部に双極型の静電電極２２を有し、この双極の電極間に電圧を印加することにより吸着面２１ａに基板を吸着する構造も採用できる。

静電電極の構成材料としては、例えば、タングステン、モリブデン、銀、ニッケルその他の金属材料を採用できる。また、静電電極２２は単極型、双極型のいずれでも良く、その形状は、網状、穴あき状、櫛歯状等のいずれをも採用できる。

また、本発明の静電チャックは、図３に示したように、基材３１と基台３４とを一体焼結した焼結体の内部に発熱抵抗体３４を埋設することにより、または、発熱抵抗体３４が埋設された基台３３と接合することによりヒータ機能を設けても良い。本発明の静電チャックは、１００〜３００℃の工程に好適であり、ヒータ機能により自身の温度調節が可能となる。

発熱抵抗体としては、例えばタングステンやモリブデンなどの高融点金属材料を採用できる。形状は薄板形状もしくは網状等のいずれも採用できる。

図３の構成の場合、基材３１と基台３３は、同一材料としても良いし、別々の素材を接合しても良い。接合は、接着剤やろう付けによる接合の他、ホットプレス法により一体焼結させた構造としても良い。

静電チャックの製法としては、ホットプレス法が好適である。ホットプレス法によれば、静電電極の形成が容易であり、また、ヒータ機能を設ける場合であっても内部に静電電極と発熱抵抗体とが埋設された積層体を容易に作製することができる。図１のような基材の表面に静電電極を形成する場合には、耐熱金属粉末のペーストを窒化アルミニウム焼結体に塗布して焼き付けても良い。

基材の窒化アルミニウム原料については、酸素原子含有量は２.０質量％以下とすることが望ましい。窒化アルミニウム焼結体の酸素原子含有量は２.０質量％以下とすることが望ましいことから、原料粉末の酸化や金属酸化物の混入を防ぐ必要がある。したがって、本発明では、原料粉末の酸素原子含有量が少ないことに加え、非酸化雰囲気でホットプレスを行い、また、原料の粉砕や混合では、金属酸化物が混入するおそれのない樹脂製の容器及び媒体を用いて混合することが望ましい。

焼結助剤の希土類元素酸化物の添加量は０．１〜０．５質量％とすることが望ましい。この範囲で希土類元素酸化物を添加し、ホットプレス法を用いて１７５０〜１８５０℃で焼成することにより焼結が完了すると同時に大部分の焼結助剤の排出がほぼ完了する。これにより粒界層が薄くなり粒界強度が向上していると考えられる。添加量が０．５質量％よりも多い場合は、粒界層が厚くなるため、粒界破壊が起こりやすくなる。また、添加量が０．１質量％よりも少ない場合は、焼結が進み難く緻密化されないため、強度が低く粒界破壊によりパーティクルが増えることになる。焼結体密度としては、相対密度で９８％以上とすることが好ましい。

希土類元素酸化物としては、酸化イットリウム、酸化イッテルビウム、酸化ランタンなどを用いることができる。なかでも、２００℃付近の使用に適した静電チャックを得るには、酸化イットリウムを用いることが望ましい。

窒化チタニウムも同様に、高純度で酸素原子含有量の少ないものを用いることが好ましい。窒化チタニウムは焼結中での排出が少ないため、焼結後でも焼結体内に残留し、２００℃での体積抵抗率を静電チャックに適した値に制御できる。しかしながら、金属酸化物等が不純物として含有されていると、窒化アルミニウム粒子に酸素が取り込まれるため体積抵抗率が制御できなくなる。したがって、酸素原子含有量が２.０質量％以下の窒化チタニウムを用いることが望ましい。

以下に実施例を示して、本発明をより詳細に説明する。

図３に示したような内部に静電電極及び発熱抵抗体を備えた静電チャックを作製した。市販の窒化アルミニウム粉末（酸素原子含有量１.３質量％）に酸化イットリウム粉末（純度９９.９％）、窒化チタニウム粉末（酸素原子含有量１.１質量％）を表１（それぞれY_２O_３、TiNと表記した）の配合で添加し、ナイロンポット及びナイロンボールを用いて混合して、混合粉末を得た。得られた混合粉末を１００ｋｇ／ｃｍ^２（＝９.８ＭＰａ）で一軸加圧し、φ１５０ｍｍ×１０ｍｍの盤状に成形し、その上にモリブデン製の発熱抵抗体３４を配置した。さらに発熱抵抗体の上に混合粉末を充填、加圧成形し、その上にモリブデン製の双極型の静電電極３２を配置した。最後に静電電極上の基台３１となる部分を形成すべく混合粉末を充填して加圧成形した後、焼成温度；１８５０℃、焼成時間；２時間、プレス圧；１００ｋｇ／ｃｍ^２、焼成雰囲気；常圧窒素の条件でホットプレス焼結を行うことで、φ１５０ｍｍ×１５ｍｍの盤状のセラミックスからなる静電チャック用部材を得た。なお、比較例５では、原料粉末を大気中５００℃で２時間加熱した後に、成形を行った。

[曲げ強度]
作製した静電チャックの素材から３×４×４０ｍｍの素材を切り出し、３点曲げ強度（ＪＩＳＲ１６０１準拠）を測定した。

[粒内破壊率]
曲げ強度を測定した試料の断面をSEM観察で写真をとり、３０×３０μｍの測定範囲１０箇所について、粒内破壊している部分の面積（粒内破壊面積）を測定した。各箇所について、測定面積（３０×３０=９００μｍ^２）に対する粒内破壊面積の割合を算出し、１０箇所の平均値を粒内破壊率とした。
[パーティクル数]
測定は真空チャンバー内に作製した静電チャックを設置し、発熱抵抗に電荷を印加して２００℃まで昇温し、さらに双極型の静電電極に４００Ｖの電荷を印加してシリコンウエハを吸着し、１分間吸着後にシリコンウエハの吸着面を光学顕微鏡で観察して粒子数を測定した。１０ｍｍ^２の範囲を１０箇所測定し、５〜１０μｍの大きさのパーティクルについて単位面積（１ｍｍ^２）あたりの個数で評価した。

[イットリウム含有量]
蛍光Ｘ線装置（島津社製：μEDX-1300）を用いて残量イットリウム成分（表２においてYと表記した）の含有量を測定した。

[窒化チタニウム含有量]
蛍光Ｘ線装置（島津社製：μEDX-1300）を用いてチタン成分を測定し、そこから窒化チタニウム量を換算して窒化チタニウム（表２においてTiNと表記した）の含有量を求めた。

[酸素原子含有量]
Ｘ線光電子分光分析装置（ESCA：日本電子社製：JPS-9010MC）で試料の断面を測定し、酸素原子（表２においてＯと表記した）含有量を測定した。

[体積抵抗率]
体積抵抗率は、作成した静電チャックからモリブデン製の静電電極を含まない窒化アルミニウムのみの部分を６０×６０×２ｍｍの大きさに切り出し、大気中で２００℃に加熱して三端子法（ＪＩＳＣ２１４１準拠）により測定した。

（測定結果）
実施例１〜５および比較例１〜５の各測定結果を表２に示す。

曲げ強度が５００ＭＰａ以上、粒内破壊率が７０％以上の実施例１〜５では、パーティクル数が５個/ｍｍ^２以下であった。また、２００℃での体積抵抗率も１×１０^１３Ωｃｍ以下であり、２００℃付近（１００〜３００℃）に用いる静電チャックとして適した体積抵抗率を有するものであった。一方、イットリウム成分の多い比較例１では、体積抵抗率は制御できたものの実施例に比べてパーティクルが多く発生した。イットリウム成分が多いことから、粒界層が厚くなり粒界破壊により強度低下、パーティクル数の増大が起こったと思われる。酸化イットリウムの添加量が少ない比較例２では曲げ強度、および粒内破壊率が実施例と比べて小さく、加工時に研削液と反応しアンモニアが発生したため静電チャックに適用できなかった。これは相対密度が８５％と低く緻密化が不十分であったためと思われる。また、窒化チタニウムの含有量が少ない比較例３、および含有量が多い比較例４では曲げ硬度及び粒内破壊率が不十分であることに加え、２００℃の体積抵抗率を調整できなかったため、ウエハを吸着できなかった。比較例５では、原料粉末の大気加熱を行ったため、体積抵抗率を静電チャックに適したものに制御できなかった。また、曲げ強度、粒内破壊率ともに不十分であった。

本発明の静電チャックを示す概略図である。 本発明の他の静電チャックを示す概略図である。 本発明の他の静電チャックを示す概略図である。

符号の説明

１０、２０、３０：静電チャック
１１、２１、３１：基材
１１ａ、２１ａ、３１ａ：吸着面
１２、２２、３２：静電電極
３３：基台
３４：発熱抵抗体

Claims (2)

1. 窒化アルミニウム焼結体からなる基材と、基材の内部または表面に配された静電電極と、を備える静電チャックであって、
   前記窒化アルミニウム焼結体は、イットリウムの含有量が０．０２〜０．１質量％、窒化チタニウム含有量が３〜１０質量％であり、
   前記窒化アルミニウム焼結体は、曲げ強度が５００ＭＰａ以上、粒内破壊率が７０％以上、２００℃の体積抵抗率が１×１０ ^１３ Ωｃｍ以下である静電チャック。
2. 前記窒化アルミニウム焼結体の酸素原子含有量が２.０質量％以下である請求項１の静電チャック。

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