JP7111257B2 - 複合焼結体、静電チャック部材、静電チャック装置および複合焼結体の製造方法 - Google Patents
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Description
本願は、2019年5月22日に、日本に出願された特願2019-096053号、及び、2019年5月22日に、日本に出願された特願2019-096046号に基づき優先権を主張し、その内容をここに援用する。
さらに、上記のような複合焼結体を用いた静電チャック部材、及び静電チャック装置を提供することを目的とする。さらに、このような複合焼結体を容易に製造可能とする複合焼結体の製造方法を提供することを目的とする。
本発明の第一の態様の複合焼結体は、以下の特徴を好ましく有する。以下の特徴は互いに組み合わせることも好ましい。
本発明の第四の態様においては、200Hzの比誘電率について、24℃以上400℃以下の範囲における最大値と最小値との差が6以下である構成としてもよい。
以下の説明では、第一及び第四の態様の複合焼結体の主たる使用目的である静電チャック装置の好ましい構成の例について説明する。その後、複合焼結体の詳細について説明する。
以下の説明において、第一の態様の複合焼結体の好ましい例を第一の実施態様として、第四の態様の複合焼結体の好ましい例を第二の実施態様として、説明することがある。また第一の態様の複合焼結体、及び第四の態様の複合焼結体は、互いの条件や好ましい例を、好ましく共有することができる。
以下、図1を参照しながら、本実施形態に係る静電チャック装置について説明する。なお、以下の全ての図面においては、図面を見やすくするため、各構成要素の寸法や比率などは適宜異ならせてあってもよい。
以下、それぞれの部分について順に説明する。
静電チャック部2は、上面が半導体ウエハ等の板状試料Wを載置する載置面11aである載置板11と、この載置板11と一体化され前記載置板11の底部側を支持する支持板12と、これら載置板11と支持板12との間に設けられた静電吸着用電極13および静電吸着用電極13の周囲を絶縁する絶縁材層14と、を有している。
静電チャック部2は、前記基体を含んでおり、本発明における「静電チャック部材」に該当する。
温度調節用ベース部3は、静電チャック部2を所望の温度に調整するための部材であり、厚い円板状の部材である。この温度調節用ベース部3としては、例えば、その内部に冷媒を循環させる流路3Aが形成された液冷ベース等が好適である。
フォーカスリング10は、温度調節用ベース部3の周縁部に載置される、平面視円環状の部材である。フォーカスリング10は、例えば、載置面に載置されるウエハと同等の電気伝導性を有する材料を形成材料とすることができる。このようなフォーカスリング10を配置することにより、ウエハの周縁部において、プラズマに対する電気的な環境をウエハと略一致させることができ、ウエハの中央部と周縁部とでプラズマ処理の差や偏りを生じにくくすることができる。
静電吸着用電極13には、静電吸着用電極13に直流電圧を印加するための給電用端子15が接続されている。給電用端子15は、温度調節用ベース部3、接着剤層8、支持板12を厚み方向に貫通する貫通孔16の内部に挿入されている。給電用端子15の外周側には、絶縁性を有する碍子15aが設けられ、この碍子15aにより金属製の温度調節用ベース部3に対し給電用端子15が絶縁されている。
静電チャック装置1は、以上のような構成となっている。
本発明の複合焼結体は、主相である金属酸化物と、副相である炭化ケイ素とを含む。
第一の実施形態の複合焼結体は、金属酸化物に含まれる金属元素のケイ酸塩をさらに含み、拡大倍率1000倍での600μm2の視野における前記ケイ酸塩の平均凝集径が5μm以下である。
第二の実施形態の複合焼結体は、金属酸化物に含まれる金属元素のケイ酸塩をさらに含んでも含まなくても良く、200Hzの比誘電率および1MHzの比誘電率は、いずれも24℃以上400℃以下の全範囲で10以上であり、200Hzの誘電正接および1MHzの誘電正接は、いずれも24℃以上400℃以下の全範囲で0.04以下である。
第一の実施形態と、第二の実施形態の複合焼結体は、互いの好ましい例や条件を共有してよい。
(第一の実施形態の複合焼結体)
次に、第一の実施形態の基体(載置板11および支持板12)を好ましく構成する、第一の態様の複合焼結体の好ましい例について、詳述する。
第一の実施形態の複合焼結体は、主相である金属酸化物と、副相である炭化ケイ素と、主相の金属酸化物に含まれる金属元素のケイ酸塩と、を含む。前記基体は、前記金属酸化物と、前記炭化ケイ素と、前記ケイ酸塩を含むセラミックスである複合焼結体を形成材料としている。
次いで、サーマルエッチングを行った焼結体表面について、電子線プローブマイクロアナライザー、具体例を挙げれば電子線プローブマイクロアナライザー(日本電子株式会社製、型番JXA-8530F)、を用いて電子像を撮像する。撮像時の拡大倍率は1000倍である。また、撮像範囲は面積600μm2の矩形である。
前記平均硬度は22423N/mm2以上であり、前記平均ヤング率が383594N/mm2以上であると、より好ましい。また本実施形態の複合焼結体は、ケイ酸塩が凝集した部分、すなわちケイ酸塩を含む部分であるが、ケイ酸塩のみから形成されていることが好ましい。ケイ酸塩は、微細なケイ酸塩であることが好ましく、微結晶であることがさらに好ましい。ケイ酸塩が凝集した部分平均硬度は2×104N/mm2以上であり、平均ヤング率が3.5×105N/mm2以上であることが好ましい。前記平均硬度は22423N/mm2以上であり、前記平均ヤング率が383594N/mm2以上であると、より好ましい。ケイ酸塩が凝集した部分の硬度およびヤング率が大きいと、ウエハレスドライクリーニング時の静電チャックへのイオン衝撃の際に、ケイ酸塩部分からの脱粒が抑制され、パーティクル向上が期待できる。平均硬度及び平均ヤング率は、ISO14577-1に準ずる方法にて算出できる。
第一の実施態様の複合焼結体は、200Hzの比誘電率および1MHzの比誘電率は、いずれも24℃以上400℃以下の全範囲で10以上であり、200Hzの誘電正接および1MHzの誘電正接は、いずれも24℃以上400℃以下の全範囲で0.04以下であることも好ましい。
第一の実施態様の複合焼結体は、200Hzの比誘電率について、24℃以上400℃以下の範囲における最大値と最小値との差が6以下であることも好ましい。
第一の実施態様の複合焼結体は、体積抵抗値が、24℃以上400℃以下の全範囲で1×10-13Ω・cm以上であることも好ましい。
次に、第二の実施形態の基体(載置板11および支持板12)を構成する複合焼結体について、詳述する。
第二の実施形態の複合焼結体は、主相である金属酸化物と、副相である炭化ケイ素と、を含むセラミックスの複合焼結体を形成材料としている。
前記比誘電率は、前記全範囲で、11以上や、12以上であることも好ましい。前記比誘電率の上限値は任意に選択できるが、例えば、18以下であっても良く、16以下や、15以下や、14以下であってもよい。
1×1013Ω・cm以上である場合、優れた特性を得ることができる。
このような複合焼結体を基体に用いた静電チャック装置では、広い温度範囲において静電吸着終了後のウエハの脱離が容易となる。また、このような複合焼結体を基体に用いた静電チャック装置では、静電チャック部2(基体)の表面に溜まった電荷を徐々に逃がすことができる。これにより静電チャック部2の沿面破壊や、絶縁破壊を抑制することができる。
炭化ケイ素の結晶粒は、第一及び第二の実施形態の複合焼結体において、金属酸化物の結晶粒内、および金属酸化物の結晶粒界に、分散していることが好ましい。この場合、金属酸化物の結晶粒内に分散している炭化ケイ素の結晶粒の割合は、金属酸化物の結晶粒内と結晶粒界に存在する炭化ケイ素の結晶粒、すなわち、炭化ケイ素の結晶粒全体に対し、面積比で、25%以上であると好ましい。前記割合は、より好ましくは30%以上であり、さらに好ましくは50%以上であり、100%であってもよい。結晶粒内に含まれない、残りの炭化ケイ素の結晶粒は、金属酸化物の結晶粒界に存在している。
第一及び第二の実施形態に係る複合焼結体の製造方法は、
(a)炭化ケイ素粒子の表面を酸化処理するプレ酸化工程と、
(b)プレ酸化工程で処理した炭化ケイ素粒子と、金属酸化物粒子とを、それぞれ噴射し互いに衝突させながら混合し、分散媒を含むスラリーを得る工程と、
(c)スラリーに分散剤を添加した後、スラリー中の金属酸化物粒子の表面電荷が正となり、スラリー中の前記炭化ケイ素粒子の表面電荷が負となる範囲に含まれるように、スラリーのpHを調整する工程と、
(d)pHを調整した前記スラリーから分散媒を除去し、金属酸化物粒子と炭化ケイ素粒子とを含む顆粒を得る工程と、
(e)得られた顆粒を非酸化性雰囲気下で、300℃以上600℃以下で加熱した後、酸化性雰囲気下で加熱して顆粒の表面を酸化処理する工程と、
(f)酸化処理を施した顆粒を成形し、成形体を得る工程と、
(g)得られた成形体を、非酸化性雰囲気下で、25MPa以上の圧力で押し固めながら1600℃以上に加熱して、加圧焼結する工程と、を有する。
第一及び第二の実施形態に係る複合焼結体の製造方法では、まず、原料として用いる炭化ケイ素粒子について、酸化性雰囲気下で加熱処理を施す。すなわち前記加熱処理によって、予め炭化ケイ素粒子の表面を酸化処理する、プレ酸化工程を有する。以下、上記酸化処理のことを「プレ酸化」と称する場合がある。プレ酸化の温度と時間は任意に選択できる。温度は、例えば250~600℃が好ましく、300~500℃がより好ましい。プレ酸化工程の時間は、例えば1~24時間が好ましく、6~12時間がより好ましい。ただしこれらの例のみに限定されない。例えば、500℃で12時間加熱することにより、プレ加熱を好ましく行うことができる。炭化ケイ素粒子の平均粒子径は、任意に選択できるが、例えば20~100nmであることが好ましく、35~80nmであることがより好ましい。ただしこれらの例のみに限定されない。前記平均粒子径は、粒子の長さ平均径であってよい。
スラリーを得るために混合をする工程においては、粉砕混合装置を、例えば2流粒子衝突型の粉砕混合装置を用いる。分散媒を用意し、これ酸化アルミニウム粒子とプレ酸化後の炭化ケイ素粒子を分散させる。前記装置を用いて、この分散液をそれぞれ加圧することで高速で噴射して、酸化アルミニウム粒子と炭化ケイ素粒子をお互いに衝突させながら、混合する。この混合により、酸化アルミニウム粒子と炭化ケイ素粒子とが粉砕され、これら粒子の粉砕粒子を含む、分散液(スラリー)が得られる。噴射速度は任意に選択できるが、例えば300ml/min~550ml/minであることが好ましい。
原料として使用される酸化アルミニウムなどの金属酸化物粒子の平均粒子径は、任意に選択できるが、例えば0.05~0.3μmであることが好ましく、0.1~0.25μmであることがより好ましい。
金属酸化物粒子と炭化ケイ素粒子の合計に対する、炭化ケイ素粒子の割合は、3~15質量%であることが好ましく、5~10質量%であることがより好ましい。ただしこれらの例のみに限定されない。
スラリー中の金属酸化物粒子と炭化ケイ素粒子の合計量の割合は任意に選択でき、例えば、3~15質量%であってもよく、5~10質量%であってもよい。
pHを調整する工程においては、スラリー中の酸化アルミニウム粒子と炭化ケイ素粒子との表面電荷を考慮して、スラリーのpH調整を行う。上記混合する工程で得られるスラリー(pH調整前のスラリー)は、通常、pH11程度の塩基性を示す。
顆粒を得る工程においては、pH調整後のスラリーから分散媒を除去し、酸化アルミニウム粒子と炭化ケイ素粒子とを含む顆粒を得る。分散媒を除去する方法としては任意に選択でき、例えば公知のスプレードライ法を好適に用いることができる。顆粒の大きさは任意に選択できるが、一般的には、例えば30~100μmや、50~85μmなどであっても良い。
酸化処理する工程においては、2つの雰囲気下において、順次処理を行う。
まず、得られた顆粒を、非酸化性雰囲気下において、常圧で(プレスすることなく)、300℃以上600℃以下(例えば500℃)に加熱し、顆粒に含まれる水分、分散媒、及び分散剤等の夾雑物を除去する。上記温度は、必要に応じて、300~400℃や、400~500℃や、500~600℃であってもよい。加熱時間は任意に選択できるが、例えば、3~8時間や、8~10時間や、10~15時間であってもよい。
このような操作によれば、酸化処理において顆粒に含まれる炭化ケイ素粒子の表面には酸化膜が形成される。酸化膜には、顆粒に含まれる金属不純物が溶け出しやすい。このため、顆粒に含まれる金属不純物が粒子表面に偏って存在することになる。その場合、後述する加圧焼結する工程において、金属不純物を除去しやすいため好ましい。
次いで、目的とする焼結体の形状に応じて、得られた顆粒を成形、好ましくは一軸成形(一軸プレス成形)し、成形体を得る。
加圧焼成する工程においては、最初に予備加熱を行うことが好ましい。まず、上述の成形体を、真空雰囲気において、1600℃よりも低い温度且つ常圧で(プレスすることなく)、加熱(予備加熱)する。このような操作によれば、予備加熱時の温度を適宜設定することにより、顆粒に含まれるアルカリ金属等の金属不純物が蒸発し、金属不純物を容易に除去できる。そのため、このような操作によれば、顆粒の純度を向上しやすくなり、得られる複合焼結体の体積抵抗値(体積抵抗率)を制御しやすくなる。上記温度は、必要に応じて選択でき、800~1000℃や、1000~1500℃などであってもよい。加熱時間は任意に選択でき、例えば1~5時間や、3~8時間や、6~12時間であってもよい。
図6や図8や図11は、図4や図5や図7などで示した粒子を用いて、作成した複合焼結体を示す模式図である。図6や図8や図11において、六角形部分は、主相である酸化アルミニウムの結晶粒を示している。黒丸は、副相である炭化ケイ素の結晶粒を示す。灰色の丸はケイ酸塩の凝集体を示している。
(金属酸化物の結晶粒の平均結晶粒径の測定)
複合酸化物(焼結体)の表面を、砥粒の平均粒径3μm(粒度表示:#8000)のダイヤモンドペーストで鏡面研磨した。その後、アルゴン雰囲気下、1400℃で30分サーマルエッチングを施した。
上記の金属酸化物の結晶粒の平均結晶粒径の測定で得られた電子顕微鏡写真を画像解析式粒度分布測定ソフトウェア(Mac-View Version4、株式会社マウンテック製)に取り込み、200個以上の炭化ケイ素粒子の面積を算出させた。電子顕微鏡写真から各炭化ケイ素粒子について金属酸化物の結晶粒内に存在しているか否かを判断し、面積を求めた炭化ケイ素粒子全体に対する、金属酸化物の結晶粒内に分散している炭化ケイ素の結晶粒の割合を求めた。
複合酸化物(焼結体)の表面を、砥粒の平均粒径3μm(粒度表示:#8000)のダイヤモンドペーストで鏡面研磨した。次いで、鏡面研磨を行った焼結体表面について、電子線プローブマイクロアナライザー(日本電子株式会社製、型番JXA-8530F)を用いて電子像を撮像した。撮像時の拡大倍率は1000倍、撮像範囲は面積600μm2の矩形であった。
上述のようにして得られた電子顕微鏡写真を、画像解析式粒度分布測定ソフトウェア(Mac-View Version4、株式会社マウンテック製)に取り込んだ。そして、金属酸化物と炭化ケイ素が占める領域の合計面積に対する、ケイ酸塩が占める領域の面積の比を算出させた。
ISO14577-1に準ずる方法にて算出した。
複合焼結体の表面をRa0.02μmになるように研磨した。その後、前記表面について、微小硬度計(株式会社エリオニクス製、ENT-2100)を用い、試験荷重100mNにて押し込み硬さとヤング率とを測定した。測定を5回行い、求めた測定値の算術平均値を、それぞれ求める「平均硬度」と「平均ヤング率」とした。
後述の方法で作製した複合酸化物から、20mm×20mm×2mmの板状体を切り出し、一方の面を鏡面研磨して、得られた鏡面を試験面とする試験片を作製した。得られた試験片について、アセトン洗浄した後に、質量を測定した。また、試験面の表面粗さを、下記測定条件で測定した。
表面粗さ評価装置:ブルカー社製Dimension Icon
測定範囲:80μm×80μm
Scan Rate:0.2Hz
解像度:256×256
本実施例においては、直流三端子法により円盤状の焼結体の体積固有抵抗値を測定した。
スクリーン印刷機:MODEL MEC-2400型、ミタニマイクロニクス株式会社製
抵抗率測定装置:西山製作所製
絶縁計:デジタル絶縁計(型式DSM-8103、日置電機株式会社)
測定温度:室温(24℃)、50℃、100℃、150℃、200℃、250℃、300℃
測定雰囲気:大気(流量200ml/分)
印加電圧:1kV
スクリーン印刷機を用いて、銀ペースト(NP-4635、株式会社ノリタケカンパニーリミテッド製)を焼結体の上面及び下面に印刷し、大気中100℃で12時間乾燥させた後、大気中450℃で1時間焼き付け、主電極、ガード電極、対極を形成した。図12は、本実施例で体積固有抵抗値を測定する際の焼結体の様子を示す模式図である。図において、符号100は焼結体、符号110は主電極、符号120はガード電極、符号130は対極を示す。
ρv=S/t×Rv=S/t×V/I …(1)
(S:電極の有効面積(cm2)、t:焼結体の厚み(cm)、Rv:体積抵抗、V:直流電圧(V)、I:電流(A))
本実施例においては、平行平板法にて比誘電率・誘電正接を測定した。
使用機器:インピーダンスアナライザー、型番E4990A、キーサイトテクノロジー社製(100kHz~1MHzの測定範囲)
LCRメーター、型番4274A、キーサイトテクノロジー社製(100Hz~100kHzの測定範囲)
測定雰囲気:大気
測定温度:25℃、100℃、150℃、200℃、300℃、400℃
出発原料として、平均粒子径が0.03μmであり熱プラズマCVDで合成されたβ-SiC型の炭化ケイ素(β-SiC)粒子と、平均粒子径が0.1μmであり金属不純物含有量が95ppmの酸化アルミニウム(Al2O3)粒子とを用いた。
以下の工程においては、プレ酸化処理を施したβ-SiCを用いた。
本操作は、本発明における「pHを調整する工程」に該当する。
本操作は、本発明における「顆粒を得る工程」に該当する。
本操作は、本発明における「酸化処理する工程」に該当する。
本操作は、本発明における「成形する工程」に該当する。
本操作は、本発明における「加圧焼結する工程」に該当する。
顆粒を、大気雰囲気下、300℃で12時間加熱する代わりに、一軸プレス成形して得られた成形体を、大気雰囲気下、300℃で12時間加熱し、その後、黒鉛製のモールドにセットして、加圧焼結を行った。これ以外は、実施例1と同様にして、比較例1の複合焼結体を得た。
また、上述の方法で求めた表面粗さは、プラズマ曝露前は10.3nm、プラズマ曝露後は383nmであった。
2 静電チャック部
3 温度調節用ベース部
3A 流路
3b 貫通孔
4 接着層
5 ヒータエレメント
6 接着層
7 絶縁板
8 接着剤層
10 フォーカスリング
11 載置板(基体)
11a 載置面
11b 突起部
12 支持板(基体)
13 静電吸着用電極
14 絶縁材層
15 給電用端子
15a 碍子
16 貫通孔
17 給電用端子
18 筒状の碍子
19 溝
20 温度センサー
21 設置孔
22 温度計測部
23 励起部
24 蛍光検出器
25 制御部
28 ガス穴
29 筒状の碍子
A 酸化アルミニウム粒子
B 炭化ケイ素粒子
B1 コア
B2 シェル
C 分散剤
D ケイ酸塩
W 板状試料
Claims (9)
- 炭化ケイ素粒子を酸化性雰囲気下で250~600℃に加熱し、前記炭化ケイ素粒子の表面を酸化処理するプレ酸化工程と、
前記プレ酸化工程で処理した前記炭化ケイ素粒子と、酸化アルミニウム粒子とを、それぞれ高速で噴射してお互いに衝突させながら混合し、分散媒を含むスラリーを得る工程と、
前記スラリーに分散剤を添加した後、前記スラリー中の前記酸化アルミニウム粒子の表面電荷が正となり、前記スラリー中の前記炭化ケイ素粒子の表面電荷が負となるpH範囲に含まれるように、前記スラリーのpHを調整する工程と、
pHを調整した前記スラリーから分散媒を除去し、前記酸化アルミニウム粒子と前記炭化ケイ素粒子とを含む顆粒を得る工程と、
前記顆粒を、非酸化性雰囲気下で、300℃以上600℃以下でに加熱した後、酸化性雰囲気下で加熱して前記顆粒の表面を酸化処理する工程と、
酸化処理を施した前記顆粒を成形し成形体を得る工程と、
前記成形体を、非酸化性雰囲気下、25MPa以上の圧力で押し固めながら1600℃以上に加熱して加圧焼結する工程と、を有し、
前記スラリーを得る工程において、前記酸化アルミニウム粒子と前記炭化ケイ素粒子の合計に対する、前記炭化ケイ素粒子の割合は3~15質量%である複合焼結体の製造方法。 - 主相である金属酸化物と、副相である炭化ケイ素とを含む複合焼結体であり、
前記金属酸化物は、酸化アルミニウムであり、
前記複合焼結体全体における炭化ケイ素の割合は、8質量%以下であり、
200Hzの比誘電率および1MHzの比誘電率は、いずれも24℃以上400℃以下の全範囲で10以上であり、
200Hzの誘電正接および1MHzの誘電正接は、いずれも24℃以上400℃以下の全範囲で0.04以下である複合焼結体。 - 200Hzの比誘電率について、24℃以上400℃以下の範囲における最大値と最小値との差が6以下である請求項2に記載の複合焼結体。
- 体積抵抗値が、24℃以上400℃以下の全範囲で1×1013Ω・cm以上である請求項2または3に記載の複合焼結体。
- 前記炭化ケイ素の結晶粒は、前記金属酸化物の結晶粒内および前記金属酸化物の結晶粒界に分散しており、
前記金属酸化物の結晶粒内に分散している前記炭化ケイ素の結晶粒の割合は、前記炭化ケイ素の結晶粒全体に対し面積比で25%以上である請求項2から4のいずれか1項に記載の複合焼結体。 - 前記金属酸化物の平均結晶粒径は、1.2μm以上10μm以下である請求項2から5のいずれか1項に記載の複合焼結体。
- 前記金属酸化物に含まれる金属元素のケイ酸塩をさらに含む、請求項2から6のいずれか1項に記載の複合焼結体。
- 請求項2から7のいずれか1項に記載の複合焼結体を形成材料とし、一主面が板状試料を載置する載置面である板状の基体と、
前記基体の前記載置面とは反対側、または前記基体の内部に設けられた静電吸着用電極と、を有する静電チャック部材。 - 請求項8に記載の静電チャック部材を備える静電チャック装置。
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