JPH07273164A

JPH07273164A - 電極埋設品及びその製造方法

Info

Publication number: JPH07273164A
Application number: JP5907794A
Authority: JP
Inventors: Yusuke Arai; 裕介新居; Kouichi Umemoto; 鍠一梅本
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1994-03-29
Filing date: 1994-03-29
Publication date: 1995-10-20
Anticipated expiration: 2014-10-25
Also published as: JP2967024B2

Abstract

(57)【要約】【目的】電極埋設品において、絶縁破壊やショートを防
止するという点について信頼性を向上させ、かつ電極の
抵抗値を小さくする。製造工程数を少なくし、ろう付け
等の煩雑な工程をなくし、量産に適した製造方法を提供
する。【構成】電極埋設品は、緻密質セラミックスからなる基
体１と、基体１中に埋設された金属バルク体からなる電
極９とを備えている。電極９を包囲する基体１が、接合
面のない一体焼結品である。セラミックス成形体と、金
属バルクからなる電極９とを、電極９の厚さ方向に向か
って圧力を加えつつホットプレス焼結することにより、
接合面のない一体焼結品からなる緻密質の基体１内に電
極９を埋設する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、電極埋設品及びその製
造方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】現在、半導体ウエハーの搬送，露光，成
膜，微細加工，洗浄，ダイシング等のために、静電チャ
ックが使用されている。かかる静電チャックとしては、
次のものが知られている。（１）円盤状のセラミックスグリーンシート上に膜状電
極をスクリーン印刷し、この膜状電極を覆うように、他
の円盤状セラミックスグリーンシートを載せ、プレス成
形し、こうして得た円盤状成形体を焼結させたものが知
られている。しかし、成形体に圧力をかける際、不可避
的に圧力の不均一が生じ、静電チャックの誘電体層の厚
みが不均一になるため、製造が難しく、歩留りが悪い。

【０００３】（２）この問題を解決するため、本出願人
は、図７に概略的に示すような静電チャック３５を開発
した。即ち、緻密質の絶縁性セラミックスからなる円盤
状誘電体板３６と、絶縁性セラミックスからなる円盤状
支持体３７とを準備する。円盤状支持体３７には貫通孔
３９が設けられている。そして、導電性接合剤からなる
円形シートと、円柱状端子１６とを準備する。円盤状支
持体３７と誘電体板３６の裏面との間に、円形シートを
挟む。円柱状端子１６を貫通孔３９に挿通させる。この
状態で、組立体に加熱処理を施し、図７に示すように、
導電性接合剤層３８によって、誘電体板３６と円盤状支
持体３７とを接合する。次いで、誘電体板３６を研磨加
工し、ウエハー吸着面３６ａを平坦にする。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、（１）の場合
には、製造上の制約から、誘電体層の厚みが不均一にな
り易い。この点について補足する。グリーンシート上に
印刷電極を形成した後、グリーンシートを積層してプレ
ス成形、焼成を行う方法では、プレス成形段階や焼成段
階で、誘電体層の厚さのバラツキや密着不良が不可避的
に生じる。即ち、焼成体の内部における印刷電極の位置
が変動している。従って、一体焼結後に誘電体層の表面
をいくら精密に平面加工しても、誘電体層の厚さを均一
にすることは困難である。また、こうした常圧焼結方法
では、特に大型になってくると、誘電体層の緻密性を１
００％確保することが困難であり、絶縁破壊を防止する
という観点から見た信頼性が低下してくる。更に、電極
がスクリーン印刷法によって形成されているので、電極
の抵抗値が比較的に大きい。従って、静電チャックの作
働時における立ち上がり速度を向上させることは困難で
ある。

【０００５】一方、（２）の場合には、円盤状支持体３
７と誘電体板３６とを、双方ともに成形し、焼成した
後、研削機械によって表面をそれぞれ研削加工し、特に
誘電体板の方については、その厚さを一定にする平面加
工を施す必要がある。しかも、両者の間に銀ろう等から
なる円形シートを挟み、加熱処理することで、両者を接
合する必要がある。従って、円盤状支持体３７及び誘電
体板３６の研削加工、厚さの調整及び特に面倒なろう接
合工程が必要なので、製造工程数が多く、量産に支障が
ある。しかも、銀ろう等の導電性接合剤によって円盤状
支持体３７と誘電体板３６とを接合すると、導電性接合
剤層３８に沿って必ず接合面が残る。しかし、高真空等
の条件では、この接合面が絶縁破壊の原因となる。

【０００６】本発明の課題は、電極埋設品において、絶
縁破壊やショートを防止するという点で信頼性を向上さ
せ、かつ電極の抵抗値を小さくすることである。また、
本発明の課題は、製造工程数を少なくし、ろう付け等の
煩雑な工程をなくし、量産に適した製造方法を提供する
ことである。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明に係る電極埋設品
は、緻密質セラミックスからなる基体と、この基体中に
埋設された面状の金属バルク体からなる電極とを備えて
おり、この電極を包囲する基体が、接合面のない一体焼
結品であることを特徴とする。

【０００８】また、本発明に係る電極埋設品の製造方法
は、セラミックス成形体と面状の金属バルク体からなる
電極とを、電極の厚さ方向に向かって圧力を加えつつホ
ットプレス焼結することにより、接合面のない一体焼結
品からなる緻密質基体内に電極を埋設することを特徴と
する。

【０００９】

【作用】本発明の電極埋設品によれば、埋設された面状
の電極が金属バルク体からなっているので、電極の抵抗
値が小さい。この点について補足すると、スクリーン印
刷電極は、厚さが高々数十μｍ程度なので、抵抗値が必
然的に大きくなる。

【００１０】しかも、電極を包囲する基体が、接合面の
ない一体焼結品であるので、高真空等の放電し易い条件
下においても、接合面からの放電、絶縁破壊は生じ得な
い。従って、電極埋設品の信頼性が飛躍的に向上する。

【００１１】本発明に係る製造方法によれば、金属バル
ク体からなる面状の電極が埋設されたセラミックス成形
体を、電極の厚さ方向に向かって圧力を加えつつホット
プレス焼結することにより、本発明の電極埋設品を製造
することができる。しかも、製造工程が少なく、ろう付
け等の接合工程が存在していないので、量産に適してい
る。

【００１２】

【実施例】本発明に係る電極埋設品としては、電気集塵
機、電磁シールド、高周波電極、静電チャックが好まし
い。特に、電極埋設品が高周波電極である場合には、例
えば電極がタングステンであり、周波数が１３．５６Ｍ
Ｈｚの場合、電極の厚さは４３０μｍ以上が望ましい。
しかし、この厚さの電極を、スクリーン印刷法で形成す
ることは困難である。また、電極埋設品が静電チャッ
ク、電気集塵機である場合には、電極を面状の金属バル
ク体とすることにより、チャック、集塵の応答速度の向
上が可能である。

【００１３】電極埋設品が、ハロゲン系腐食性ガスを使
用する半導体製造装置内に設置される電極埋設品である
場合には、次の作用がある。図７に示すような静電チャ
ックにおいては、ハロゲン系腐食性ガスによって、膜状
電極３８が腐食することがあった。更に、膜状電極３８
は、重金属を含むろうで形成されているので、半導体に
重金属汚染が生じるおそれがあった。

【００１４】この点、本発明によれば、電極を包囲する
基体が、接合面のない一体焼結品であるので、電極の腐
食及び半導体製造装置内の汚染を、防止することができ
る。ハロゲン系腐食性ガスを使用する半導体製造装置内
に設置される電極埋設品としては、静電チャック、高周
波電極がある。

【００１５】基体を構成するセラミックスとしては、窒
化珪素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素、サイアロン等
の窒化物系セラミックス、炭化珪素及びアルミナ−炭化
珪素複合材料が好ましい。本発明者の研究によれば、耐
熱衝撃性の観点からは、窒化珪素が特に好ましく、ハロ
ゲン系腐食性ガス等に対する耐蝕性の点では、窒化アル
ミニウムが好ましい。

【００１６】ただし、窒化アルミニウムは特に焼結しに
くい材料である。このため、特に従来の常圧焼結方法で
は、高い相対密度を有する焼結体を得ることは困難であ
る。従って、従来は、窒化アルミニウム粉末中に多量の
焼結助材を含有させてその焼結を促進することが行われ
ていた。しかし、特に半導体製造装置内に設置されるで
場合には、こうした焼結助材等が不純物となり、半導体
汚染の原因になりうる。

【００１７】この点、本発明によれば、窒化アルミニウ
ム粉末をホットプレス焼結することにより、窒化アルミ
ニウム粉末における不純物の含有量が１％以下である場
合においても、９９％を越える極めて高い相対密度を有
する基体を製造することができた。

【００１８】電極埋設品が静電チャックであり、かつ静
電チャックを半導体製造装置内で使用する場合には、次
の問題がある。セラミックスは温度が高くなるにつれて
体積抵抗率が低くなるという特性があるので、温度が高
くなるにつれて、吸着した半導体ウエハーに流れる電流
が増加し、半導体ウエハーが破損する可能性が出てく
る。

【００１９】従って、半導体ウエハーの破損を防止する
という観点からは、基体の体積抵抗率は、１０¹¹Ω・ｃ
ｍ以上とすることが好ましい。この点で、更に最高６０
０°Ｃ以上の高温用途の場合には、例えば５００〜６０
０°Ｃの高温域においても１０¹¹Ω・ｃｍ以上の体積抵
抗率を有するものが好ましい。この点では、アルミナ、
ベリリア、マグネシア、窒化珪素、窒化ホウ素が好まし
い。

【００２０】本発明の製造方法においては、セラミック
ス成形体に、金属バルク体からなる面状の電極を埋設す
る。この過程では、次の方法を例示できる。方法（１）予備成形体を製造し、この予備成形体の上
に前記電極を設置する。次いで、この予備成形体及び電
極の上にセラミックス粉末を充填し、一軸プレス成形す
る。

【００２１】方法（２）コールドアイソスタティック
プレス法によって、平板状の成形体を２つ製造し、２つ
の平板状成形体の間に電極を挟む。この状態で２つの成
形体及び電極をホットプレスする。この方法では、コー
ルドアイソスタティックプレス法によって、予め成形体
の密度が大きくなっており、かつ成形体中における密度
のバラツキが、方法（１）の場合に比べて少なくなって
いる。従って、方法（１）の場合に比べて、ホットプレ
ス時における成形体の収縮量が小さくなり、かつ焼成後
におけるバラツキも小さい。この結果、基体の平均絶縁
耐圧が、相対的に大きくなる。

【００２２】この作用効果は、特に、電極埋設品が静電
チャックである場合に、極めて重要である。なぜなら、
上記した理由から、静電チャックの誘電体層における平
均絶縁耐圧を、より一層大きくし、その信頼性を飛躍的
に向上させることができるからである。

【００２３】この意味で、コールドアイソスタティック
プレス法によって得られた成形体の相対密度は、６０％
以上とすることが最も好ましい。

【００２４】更に、コールドアイソスタティックプレス
法によって得られた成形体の表面に、電極をスクリーン
印刷する方法は、印刷後、非酸化性雰囲気下において長
時間の脱脂工程を実施する必要がある。この点、コール
ドアイソスタティックプレス法によって得られた成形体
の間に電極を挟む態様では、こうした長時間の脱脂工程
が存在しないので、量産の観点から有利である。

【００２５】更に、電極埋設品が静電チャックである場
合には、仮にスクリーン印刷によって電極膜を形成した
と仮定すると、ホットプレス工程の際に電極膜が変形
し、この結果、電極膜の上にある誘電体層の厚さが不均
一となるという問題が生ずると考えられる。この点、本
発明におけるように、面状の金属バルク体からなる電極
を埋設すれば、ホットプレスの際に電極の剛性によって
電極の変形を防止できるので、誘電体層の厚さの不均一
を防止できる。特に、静電チャックの場合には、この誘
電体層の厚さがチャック性能を決定するので、重要であ
る。また、本発明における面状の金属バルク体とは、例
えば、線体あるいは板体をらせん状、蛇行状に配置する
ことなく、例えば、図３、図６に示すような一体の面状
として形成したものをいう。

【００２６】電極としては、その厚さ方向に向かってホ
ットプレスをするため、ホットプレス時の歪みを防止す
るという観点から、平板形状の電極が好ましい。この電
極としては、最高６００°Ｃ以上の高温にまで温度が上
昇する用途においては、高融点金属で形成することが好
ましい。こうした用途としては、半導体製造装置用の静
電チャックがある。

【００２７】こうした高融点金属としては、タンタル，
タングステン，モリブデン，白金，レニウム、ハフニウ
ム及びこれらの合金を例示できる。半導体汚染防止の観
点から、更に、タンタル、タングステン、モリブデン、
白金及びこれらの合金が好ましい。

【００２８】特に、電極がタングステンであり、基体が
窒化珪素である場合には、両者の熱膨張係数が大きく異
なるので、従来のように、スクリーン印刷によって膜を
形成し、常圧焼結する方法では、熱膨張の不整合のため
に、一体化が困難であった。この点、本発明の製造方法
によれば、このように熱膨張係数が大きく異なる基体と
電極との組み合わせであっても、一体化することが可能
である。なぜなら、電極の厚さ方向へと向かって成形体
をホットプレスしているからである。

【００２９】電極の形態は、薄板からなる面状の電極の
他、多数の小孔を有する板状体からなる面状の電極も含
む。電極が、多数の小孔を有する板状体である場合に
は、これらの多数の小孔にセラミックス粉末が流動して
回り込むので、板状体の両側におけるセラミックスの接
合力が大きくなり、基体の強度が向上する。

【００３０】こうした板状体としては、パンチングメタ
ル、金網を例示できる。ただし、電極が高融点金属から
なり、かつパンチングメタルである場合には、金属の硬
度が高いので、高融点金属からなる板に多数の小孔をパ
ンチによって開けることは困難であり、加工コストも非
常に高くなる。

【００３１】この点、電極が金網である場合には、高融
点金属からなる線材が容易に入手できるので、この線材
を編組すれば金網を製造できる。従って、電極の製造が
容易である。

【００３２】また、電極の形態が薄板である場合には、
電極と基体との熱膨張係数の差によって、電極の周縁部
分に特に大きな応力が加わり、この応力のために基体が
破損することがあった。しかし、電極が、多数の小孔を
有する板状体である場合には、この応力が多数の小孔に
よって分散される。

【００３３】金網のメッシュ形状、線径等は特に限定し
ない。しかし、線径φ０．０３ｍｍ、１５０メッシュ〜
線径φ０．５ｍｍ、６メッシュにおいて、特に問題なく
使用できた。また、金網を構成する線材の幅方向断面形
状は、円形の他、楕円形、長方形等、種々の圧延形状で
あってよい。

【００３４】以下、図面を参照しつつ、本発明の実施例
を説明する。図１は、静電チャックを概略的に示す断面
図である。図２は、図１の静電チャックのうち一部を切
り欠いて示す斜視図である。図３は、金網３を示す斜視
図である。図４（ａ）は、一軸プレス型における成形工
程を説明するための模式的断面図であり、図４（ｂ）
は、成形体１５を示す断面図であり、図４（ｃ）は、静
電チャックを概略的に示す断面図である。図５は、コー
ルドアイソスタティックプレス法による成形体を示す断
面図である。

【００３５】本実施例の静電チャックを製造するには、
まず図４（ａ）に示すようなプレス成形機を準備する。
プレス成形機の下型１４に、型枠１０が嵌め合わされて
いる。セラミックス粉末を型枠１０の内部空間１１に充
填し、下型１４及び図示しない上型によって一軸プレス
成形し、予備成形体１２Ａを製造する。予備成形体１２
Ａの上に金網３を設置する。金網３は、図３に示すよう
に、円形をなしている。

【００３６】次いで、金網３の上にセラミックス粉末１
３を充填し、金網３を埋設する。図示しない上型によっ
て粉末１３を一軸加圧成形し、図４（ｂ）に示す成形体
１５を作成する。成形体１５においては、予備成形体１
２Ａと予備成形体１２Ｂとの間に金網３が埋設された状
態となっている。次いで、この成形体１５をホットプレ
ス焼結し、所定の研削加工を施し、図４（ｃ）に示す静
電チャック本体を得る。

【００３７】図４（ｃ）においては、略円盤形状の基体
１の側周面１ｄにリング状のフランジ１ｃが設けられて
おり、基体１の内部に、金網３からなる電極９が埋設さ
れている。半導体ウエハー等の被固定物の設置面１ａ側
には、所定厚さの誘電体層４が形成されている。支持部
分８側には端子１６が埋設されており、端子１６が電極
９に接続されている。端子１６の端面が、基体１の裏面
１ｂに露出している。

【００３８】また、他の方法では、セラミックス粉末１
３をコールドアイソスタティックプレスによって成形
し、図５に示すような平板形状の成形体１７Ａと１７Ｂ
とを製造する。次いで、成形体１７Ａと１７Ｂとの間に
金網３を挟み、この状態で、成形体１７Ａ、１７Ｂをホ
ットプレス焼結させる。

【００３９】前記した方法によって図１、図２に示す静
電チャックを製造した。まず、セラミックス粉末１３と
して、イットリアを５重量％含有する窒化アルミニウム
粉末を使用した。コールドアイソスタティックプレスに
よって７トン／ｃｍ²の圧力を加えて成形し、２枚の成
形体１７Ａ、１７Ｂを製造した。各成形体の嵩密度は
２．５１ｇ／ｃｍ³であった。

【００４０】金属モリブデンからなる金網３を準備し
た。金網３のメッシュはφ０．１８ｍｍの圧延品であ
る。これを成形体１７Ａと１７Ｂとの間に挟み、１９０
０°Ｃ、２００ｋｇ／ｃｍ²でホットプレス焼結した。
この後、機械加工によって誘電体層の厚さを平均３００
μｍに設定した。実測では、誘電体層の厚さは、３０６
±５０μｍであった。この後、裏面側より超音波加工に
よって基体に孔をあけ、端子１６を接合した。なお、基
体１の４箇所に、半導体ウエハーを昇降するためのピン
を通す孔２を形成した。

【００４１】この静電チャックの動作試験を行った。端
子１６に電線５を接続し、またステンレス製おもり６を
設置面１ａ上に設置し、ステンレス製おもり６に電線
（アース線）５を接触させた。これらの電線５を直流電
源７に接続した。また、ステンレス製おもり６を、荷重
測定用のロードセル４０に接続した。１ＫＶの電圧を印
加し、ステッピングモーター４１によって、ロードセル
４０に接続されたステンレス製おもり６を、矢印Ａ方向
へと引き上げた。吸着力は、（ロードセルが剥離したと
きの荷重−重りの質量）／（重りの吸着面の断面積）に
よって求めた。この結果、５０ｇ／ｃｍ²の吸着力を得
た。

【００４２】また、基体１の相対密度は９９．９％以上
であり、φ１４６ｍｍの面内において、最低絶縁耐圧が
１０ＫＶ／ｍｍであり、平均２８ＫＶ／ｍｍであった。

【００４３】一方、従来の常圧焼結窒化アルミニウム製
の静電チャックについては、嵩密度が最高のもので、９
９．０％であった。また、φ１５０ｍｍの面内におい
て、最低絶縁耐圧が３ＫＶ／ｍｍであり、平均１５ＫＶ
／ｍｍであった。

【００４４】図６（ａ）はパンチングメタル２１を示す
斜視図である。パンチングメタル２１は円形をしてお
り、円形の平板２１ａ内に多数の円形孔２１ｂが、碁盤
目形状に多数形成されている。

【００４５】図６（ｂ）は、電極として使用できる円形
の薄板２２を示す斜視図である。図６（ｃ）は、電極と
して使用できる薄板２３を示す平面図である。薄板２３
内には、細長い直線状の切り込み２３ｂ、２３ｃが、互
いに平行に合計６列形成されている。

【００４６】このうち、３列の切り込み２３ｂは、図６
（ｃ）において下側に開口しており、残り３列の切り込
み２３ｃは、図６（ｃ）において上側に開口している。
切り込み２３ｂと２３ｃとは、交互に配置されている。

【００４７】こうした形状を採用した結果、薄板によっ
て細長い導電路が形成されている。従って、この導電路
の両端２３ａに端子を接続する。

【００４８】

【発明の効果】以上述べたように、本発明の電極埋設品
によれば、埋設された電極が面状の一体化した金属バル
ク体からなっているので、線体や板体をらせん状や蛇行
状に配置した場合に比べ、電極の抵抗値が小さい。しか
も、電極を包囲する基体が、接合面のない一体焼結品で
あるので、高真空等の放電し易い条件下においても、接
合面からの放電、絶縁破壊は生じ得ない。従って、電極
埋設品の信頼性が飛躍的に向上する。

【００４９】本発明に係る製造方法によれば、面状の金
属バルク体からなる電極が埋設されたセラミックス成形
体を、電極の厚さ方向に向かって圧力を加えつつホット
プレス焼結することにより、本発明の電極埋設品を製造
することができる。しかも、製造工程が少なく、ろう付
け等の接合工程が存在していないので、量産に適してい
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】静電チャック及びその吸着力の測定機構を、概
略的に示す断面図である。

【図２】図１の静電チャックのうち一部を切り欠いて示
す斜視図である。

【図３】金網３を示す斜視図である。

【図４】（ａ）は、一軸プレス型における成形工程を説
明するための模式的断面図であり、（ｂ）は、成形体１
５を示す断面図であり、（ｃ）は、静電チャックを概略
的に示す断面図である。

【図５】コールドアイソスタティックプレス法による成
形体を示す断面図である。

【図６】（ａ）はパンチングメタル２１を示す斜視図で
ある。（ｂ）は、電極として使用できる円形の薄板２２
を示す斜視図である。（ｃ）は、電極として使用できる
薄板２３を示す平面図である。

【図７】従来の静電チャックの一例を概略的に示す断面
図である。

【符号の説明】

１、３１基体１ａ、３１ａ設置面３金網４
誘電体層９電極１２Ａ、１２Ｂ一軸プレスに
よる成形体１３セラミックス粉末１５金網３が
埋設された成形体１６端子１７Ａ、１７Ｂコー
ルドアイソスタティックプレス法による成形体２１
パンチングメタル２２薄板状の電極２３切り込み
が形成された薄板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (51)Int.Cl.⁶ 識別記号庁内整理番号ＦＩ技術表示箇所Ｈ０１Ｌ 21/304 ３４１Ｃ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】緻密質セラミックスからなる基体と、この
基体中に埋設された面状の金属バルク体からなる電極と
を備えており、この電極を包囲する前記基体が、接合面
のない一体焼結品であることを特徴とする、電極埋設
品。
【請求項２】セラミックス成形体と面状の金属バルク体
からなる電極とを、前記電極の厚さ方向に向かって圧力
を加えつつホットプレス焼結することにより、接合面の
ない一体焼結品からなる緻密質の基体内に前記電極を埋
設することを特徴とする、電極埋設品の製造方法。