JPH0741359A

JPH0741359A - 静電チャック用セラミックス及びその製造用組成物

Info

Publication number: JPH0741359A
Application number: JP20838693A
Authority: JP
Inventors: Naoaki Taga; 直昭多賀; Otojiro Kida; 音次郎木田; Nobuhiro Shinohara; 伸広篠原
Original assignee: Asahi Glass Co Ltd
Current assignee: AGC Inc
Priority date: 1993-07-30
Filing date: 1993-07-30
Publication date: 1995-02-10

Abstract

(57)【要約】【目的】静電チャック用材料として好適な体積固有抵
抗、機械的強度及び熱的な安定性を具備し、汚染の原因
となる成分を含まない材料を提供する。【構成】１０μｍ以下のアルミナと金属Ｓｉの粉末を原
料とする、アルミナを主成分とし、マトリックス中に金
属Ｓｉを０．１７５〜１１．４重量％含み、かつ体積固
有抵抗が１０¹⁰〜１０¹³Ω・ｃｍであるセラミックス焼
結体を使用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体装置製造
プロセス等において、例えばドライエッチング装置やＣ
ＶＤ装置におけるウエハの冷却用ステージや、露光装置
のウエハの平面度矯正を行う試料ステージ等に使われる
静電チャック用セラミックス及びその製造用組成物に関
する。

【０００２】

【従来の技術】最近の半導体装置の集積度の増大にとも
ない、半導体装置等の製造プロセスが高度化し、シリコ
ン等のウエハ（以下単にウエハという）の保持精度や、
保持温度に多くの制限が生じてきている。しかし、従来
からある機械的なチャック方法では、ウエハを冷却した
り平面度を矯正するなどの機能を付加できない。また、
真空チャックは真空中で使用できないために、利用でき
るプロセスに制約がある。

【０００３】一方、静電力によってウエハを吸着する静
電チャックでは、ウエハと試料ステージの密着性を制御
することができ、真空中でも吸着力を維持できるため
に、この分野における静電チャックの優位性は明らかで
ある。

【０００４】静電チャック用セラミックスとしては、例
えば特公昭６０−５９１０４にアルミナ、酸化チタン、
チタン酸バリウムの複合材料を溶射して形成したもの
が、また、特開平２−２２１６６にはアルミナにアルカ
リ土類金属の酸化物と遷移金属の酸化物を組み合わせた
セラミックスが提案されている。

【０００５】しかし、静電チャックに前述のような優位
性があっても、従来静電チャックの吸着力が十分に大き
くなかったため、あるいは安定して狭い範囲の体積固有
抵抗を再現できる材料が得られなかったため、期待され
た機能を発揮できなかったり、機械的、熱的な信頼性に
欠けていたりし、今のところ静電チャックはあまり普及
していない。

【０００６】また、静電チャックを使用するうえで問題
になる吸着力の強さと応答特性は、使用される材料の体
積固有抵抗が小さいほどよく、吸着力が残留するなどの
問題も少ないが、体積固有抵抗が小さいと、被吸着物に
流れる電流量が大きくなる。この電流は、半導体装置の
製造工程で被吸着物である半導体素子に流入してその破
壊原因になるという問題がある。

【０００７】このため静電チャック用として体積固有抵
抗がある程度大きく、吸着力を発揮できる体積固有抵抗
を有する静電チャック用材料、すなわち体積固有抵抗が
１０¹¹Ω・ｃｍレベルにあり、機械的強度と熱的な安定
性があり、ウエハを汚したり、ウエハと反応しない新た
な材料の開発が待たれている。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】本発明は、１０¹¹Ω・
ｃｍレベルの体積固有抵抗を再現性よく示す材料を、複
合されたセラミックスで実現し、静電チャック用材料に
要求される機械的強度と熱的な安定性を備え、使用され
る温度でウエハと反応しない静電チャック用セラミック
スを提供しようとするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は前述の課題を解
決すべくなされたものであり、本発明の静電チャック用
セラミックスは、アルミナを主成分とするマトリックス
中に金属シリコン（Ｓｉ）を含む焼結体であり、体積固
有抵抗が１０¹⁰〜１０¹³Ω・ｃｍであることを特徴とす
る。

【００１０】ここにおいて、本発明は、導電性のセラミ
ックス成分であるＳｉと、絶縁性のセラミックス成分で
あるアルミナとを組み合わせた焼結体によって目的とす
る狭い範囲（１０¹⁰〜１０¹³Ω・ｃｍ）の体積固有抵抗
を再現性よく示し、かつ機械的強度と熱的な安定性があ
り、ウエハと反応しない静電チャック用セラミックスの
実現に成功したものである。

【００１１】すなわち、この静電チャック用セラミック
スの体積固有抵抗を１０¹⁰Ω・ｃｍ以上１０¹³Ω・ｃｍ
以下に制御されていることにより、静電チャックに被吸
着物が吸着されたときに被吸着物に流れる電流量をＭＯ
Ｓ−ＩＣ等の半導体素子が破壊しない程度に小さく抑え
ると同時に、静電チャックにある程度高い電圧を印加す
ることによって、強い吸着力を発現することができる。

【００１２】本発明の静電チャック用セラミックス製造
用組成物は、上記静電チャック用セラミックスの製造用
原料となる組成物であり、Ｓｉ粉末を０．１７５〜１
１．４重量％含み、残部が実質的にアルミナ粉末である
粉末の混合物からなり、両粉末の平均粒径がいずれも１
０μｍ以下であることを特徴とする。

【００１３】この場合、Ｓｉ粉末の含有量が０．１７５
重量％より少ないと、これから得られるセラミックス焼
結体の体積固有抵抗が１０¹³Ω・ｃｍより大きくなり、
強い吸着力を発現することができない。また、Ｓｉの含
有量が１１．４重量％よりも多いと、体積固有抵抗が１
０¹⁰Ω・ｃｍより小さくなり、被吸着物を吸着するとき
に被吸着物に大きな電流が流れ、被吸着物を電気的に破
壊する恐れが増すため、半導体装置の製造プロセス等に
使用できなくなる。また、Ｓｉの含有量が１１．４重量
％よりも多いと、得られるセラミックス焼結体の機械的
強度が低下し、静電チャック用部材としての信頼性が欠
如することとになる。

【００１４】使用上十分な機械的強度を確保するため、
Ｓｉ粉末の含有量は０．２３〜６．０９重量％とするの
が特に好ましい。また、各粉末の平均粒径が１０μｍよ
り大きいと、所望の体積固有抵抗が得難くなるととも
に、セラミックスの焼結が進みにくくなるため、強度不
足や強度のバラツキが増す問題が起き、摩耗により塵が
発生しやすくなる等好ましくない結果をもたらす。各粉
末の平均粒径は、より好ましくは５μｍ以下である。

【００１５】本発明の静電チャック用セラミックスは、
優れた強度と耐摩耗性及び耐熱性を有する絶縁性材料で
あるアルミナセラミックス（体積固有抵抗抗は約１０¹⁴
Ω・ｃｍ）に導電性を有する材料である金属Ｓｉ（体積
固有抵抗は１０³ Ω・ｃｍより小さい）を複合し、体積
固有抵抗を１０¹⁰〜１０¹³Ω・ｃｍの適切な範囲に制御
したものであり、かつ静電チャック用セラミックスとし
て使用上十分な強度と耐摩耗性を備えた材料である。

【００１６】この静電チャック用セラミックスを製造す
るには、平均粒径が１０μｍ以下の粒子からなるＳｉ粉
末を０．１７５〜１１．４重量％と、残部の平均粒径１
０μｍ以下のアルミナ粒子の粉末を混合した組成物を出
発原料とし、常法によって成形後焼結すればよい。Ｓｉ
粉末の混合量の範囲が広いので、その製造は容易であ
る。

【００１７】静電チャック用セラミックスの原料粉末に
は、通常市販されている粉末が使用できる。しかし、Ｓ
ｉ粉末の純度によって、Ｓｉの体積固有抵抗に顕著な変
動があり、結果的にＳｉを含んだ静電チャック用セラミ
ックスの体積固有抵抗に影響するため、Ｓｉ粉末の純度
を把握、かつ管理する必要がある。

【００１８】また、焼結体に所要の体積固有抵抗が得ら
れたとしても、半導体装置等の製造プロセス向けの静電
チャックに使用する場合、被吸着物を汚す恐れのある不
純物を多く含むことは好ましくない。したがって、原料
Ｓｉの純度は、９９．９％以上であることが好ましい。
純度の高いＳｉは、半導体の原料として流通していて、
入手は容易である。

【００１９】これらの粉末原料は、必要に応じて純度を
落とさないように注意しながら粉砕し、いずれも平均粒
径１０μｍ以下の粉末としているが、焼結性を高めて強
度の大きいセラミックスを得るため、特には平均粒径が
０．１〜２μｍのものを使用するのが好ましい。

【００２０】アルミナ粉末と導電性のＳｉ粉末との混合
は、通常セラミックスの製造用に使用されている回転ボ
ールミルや振動ミル、アトリションミルが使用できる
他、懸濁液としておいて撹拌機で撹拌してもよい。ま
た、より均一に分散された細かい混合粉末を得るには、
特にアルコールなどの溶媒を用いる湿式の回転ボールミ
ルやアトリションミルを使用して混合するのが好まし
い。

【００２１】アルミナの焼結助剤として、マグネシア
（ＭｇＯ）等の微粉末を含有することが行われている
が、ＭｇＯを１０００ｐｐｍ程度含有していても静電チ
ャック用セラミックスとしての特性が劣化する等の支障
はない。

【００２２】本発明の静電チャック用セラミックス製造
用組成物であるアルミナとＳｉの混合粉末を所望の形状
に成形するには、セラミックスの製造で通常行われてい
るプレス成形法、スリップキャスト成形法、射出成形法
などによる。ただし、射出成形法による成形体では、た
いてい多量の有機結合剤を含んでいるので、焼結に先立
って空気中５００℃程度の温度まで長時間かけて昇温す
る脱脂処理を行う必要がある。

【００２３】こうして得られた成形体の焼結は、導電性
のＳｉ粉末が酸化されないように、あるいは窒化されて
体積固有抵抗が大きくなってしまわないように、窒素を
含まない非酸化性雰囲気中において行う。焼結手段はホ
ットプレスや無加圧焼結などによるが、複雑な形状を有
する焼結体を得るためには無加圧焼結法によるのが便利
である。

【００２４】緻密なセラミックス焼結体を得るには、無
加圧焼結を行って９０％以上の密度の焼結体とした後に
熱間静水圧焼結（ＨＩＰ）を行うとよい。炉内を窒素を
含まない非酸化性の雰囲気とするためには、炉内にアル
ゴン、ヘリウム等のガスを導入し、無加圧焼結では焼結
温度を１２００〜１４００℃とし、この温度に１〜５時
間保持して焼結するのが好ましい。

【００２５】

【実施例】以下本発明を実施例によって具体的に説明す
るが、実施例は本発明の一例であり、本発明をなんら限
定するものではない。

【００２６】実施例１平均粒径０．２６μｍ、純度９９．９９％のアルミナ粉
末（住友化学工業社製ＡＫＰ−５０）に、平均粒径１〜
２μｍで純度が９９．９％以上のＳｉ粉末を、表１に示
したように０．２３重量％配合し、ナイロン製ポットと
ナイロン製ボールからなる振動ミルを使用し、エチルア
ルコールを媒体として湿式混合した。

【００２７】得られたスラリーを約６０℃に加温しつつ
減圧下で乾燥してアルコールを除いた乾燥物を解砕して
粉末状のセラミックス製造用組成物を得た。この組成物
を、金型プレスによって１００ｋｇ／ｃｍ² でプレス成
形し、寸法が７０ｍｍ×１２０ｍｍ×１０ｍｍの予備成
形体とし、さらに２０００ｋｇ／ｃｍ² の圧力で静水圧
プレスして成形体とした。

【００２８】次いでこの成形体を、アルゴンを導入して
非酸化性雰囲気とした電気炉中において１３５０℃で３
時間焼成し、緻密なアルミナとＳｉの複合セラミックス
焼結体を得た。

【００２９】この焼結体の嵩比重をアルキメデス法にて
求め、次にこの焼結体から３０ｍｍ×３０ｍｍ×２ｍｍ
の試験片を５個切り出して３点曲げ強度の測定を行っ
た。

【００３０】焼結体の体積固有抵抗は、外径２０ｍｍ、
厚さ１ｍｍの試料を３個切り出し、３端子法によって測
定した。

【００３１】また、得られた静電チャック用セラミック
スを使用した静電チャックの吸着力の試験として、セラ
ミックス焼結体から外径２インチ、厚み４００μｍの円
板状の試験片を切り出し、各試験片の平面の平坦度を１
μｍ以下、面粗度（Ｒ_a ）０．２５μｍ以下に研磨し、
円板状の静電チャック用セラミックスとした。

【００３２】また、別にアルミナ質の焼結体から外径２
インチ、厚み４ｍｍの円盤を切り出し、この円盤を支持
台に使用した。円盤の支持台と前述の円板状の静電チャ
ック用セラミックスとの間に挟み込む形で、有機バイン
ダと混合された生シートの状態で外径２インチのタング
ステンの電極を熱圧着し、全体を焼成して一体化し、静
電チャックを形成した。

【００３３】電極に、コバール（熱膨張率が小さい合
金）を銀ろう付けして端子とし、この静電チャックの上
（静電チャック用セラミックスの上）にＳｉウエハ（外
径２インチ、厚み０．５ｍｍ、ｐ型、体積固有抵抗０．
２Ω・ｃｍ）をのせ、このウエハをアースに接続した。

【００３４】各静電チャックの電極に３ｋＶの電圧を印
加して１００秒経過した後に、このＳｉウエハが吸着さ
れている吸着力を測定した。この際、吸着力が４００ｋ
ｇ／ｃｍ² 以上のときは優秀（◎）、吸着力が１００ｋ
ｇ／ｃｍ² 以上４００ｋｇ／ｃｍ² 未満のときは良好
（○）吸着力が２０ｋｇ／ｃｍ² 以上１００ｋｇ／ｃｍ
² 未満のときは可（△）、吸着力が２０ｋｇ／ｃｍ² 未
満のときは不良（×）と評価した。

【００３５】残留吸着力は、前記の静電チャックに３ｋ
Ｖの電圧を印加した後、電圧印加を停止して上記静電チ
ャックの端子をアースしておき、１分後の接着力を測定
して残留吸着力が半減しなかった場合は不良（×）、半
減はしたが１０％以上残った場合は可（△）、残留吸着
力が１０〜３％の場合は良好（○）、３％未満の場合は
優秀（◎）と評価した。

【００３６】実施例２〜６表１に示したように、Ｓｉの含有量を０．２３重量％、
１．７７重量％、２．９８重量％、６．０９重量％及び
９．３４重量％とした以外は、実施例１と同様の試験を
実施した。

【００３７】比較例１〜３表１に示したように、Ｓｉの含有量を０（ゼロ）重量
％、０．０．０６重量％及び２０重量％とした以外は、
実施例１と同様の試験を実施した。

【００３８】

【表１】

【００３９】得られたセラミックス焼結体について諸特
性の評価結果を表２にまとめて示した。

【００４０】

【表２】

【００４１】以上の試験結果から、本発明の組成物を用
いて製造されたアルミナとＳｉの複合されたセラミック
ス焼結体は、いずれも体積固有抵抗が１０¹⁰〜１０¹³Ω
・ｃｍの範囲にはいり、静電チャックとして実用上好ま
しい特性を示した。

【００４２】また、曲げ強度も３５〜４１ｋｇ／ｍｍ²
と比較的高いレベルにある焼結体が得られ、本発明のセ
ラミックスが静電チャック用の材料として好適であるこ
とが示された。

【００４３】

【発明の効果】本発明による静電チャック用セラッミッ
クスは被吸着物を吸着する吸着力が十分に大きく、吸着
時に放電して被吸着物を破壊せず、十分な強度を備えて
いて破損の恐れがなく、重金属などの半導体素子を汚す
成分を含まないので、半導体装置等の製造プロセス用に
好適である。

【００４４】また、セラミックスの主成分がアルミナで
あるため、通常使われている金属材料や高分子材料に比
べてヤング率が高く、化学的に安定であり、耐摩耗性に
優れていて塵を放出することがなく、耐久性と信頼性に
優れた静電チャックが得られ、露光装置で重要となる吸
着面の平坦度は、最高０．０５μｍ、通常０．３μｍ以
下に加工することも可能である。

【００４５】さらに、アルミナとＳｉの粉末は純度が良
好な市販品の入手が容易であり、この両成分を複合して
再現性よく１０¹⁰〜１０¹³Ω・ｃｍの体積固有抵抗を示
す静電チャック用セラミックスが得られたことにより、
静電チャックを安定して製造、供給できることになっ
た。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミナを主成分とするマトリックス中に
金属Ｓｉを含む焼結体であり、体積固有抵抗が１０¹⁰〜
１０¹³Ω・ｃｍであることを特徴とする静電チャック用
セラミックス。
【請求項２】焼結体中に金属Ｓｉを０．１７５〜１１．
４重量％含む請求項１に記載の静電チャック用セラミッ
クス。
【請求項３】Ｓｉ粉末を０．１７５〜１１．４重量％含
み、残部が実質的にアルミナ粉末である粉末の混合物で
あり、両粉末の平均粒径がいずれも１０μｍ以下である
ことを特徴とする静電チャック用セラミックス製造用組
成物。