JPH11343168A

JPH11343168A - 低熱膨張黒色セラミックス及びその製造方法、並びに半導体製造装置用部材

Info

Publication number: JPH11343168A
Application number: JP10149384A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Sechi; 啓久瀬知; Shoji Kosaka; 祥二高坂
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-05-29
Filing date: 1998-05-29
Publication date: 1999-12-14

Abstract

(57)【要約】【課題】低熱膨張を有するとともに、気孔が少ない緻密
質でかつ黒色の低熱膨張セラミックスを得る。【解決手段】コージェライトを８０重量％以上、望まし
くは希土類元素を酸化物換算で１〜２０重量％含有する
組成の原料粉末を酸素分圧０．２気圧以下のカーボン雰
囲気下で１０００℃〜１４００℃の温度で１００ｋｇ／
ｃｍ²以上の加圧下で焼成し、気孔率が０．５％以下、
特に最大ボイド径５μｍ以下、カーボン含有量０．１〜
２．０重量％、１０〜４０℃における熱膨張係数１×１
０^-6／℃以下の緻密質黒色低熱膨張セラミックスを得、
この緻密質黒色低熱膨張セラミックスを特に露光用ブラ
インドや鏡筒などの遮光性部材や、露光装置用真空チャ
ック、ステージ位置測定ミラーなどの半導体製造装置用
部品に適用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空装置構造体、
サセプタ、真空チャック、静電チャック、ラップ盤ある
いは露光装置におけるステージや、ステージ位置測定用
ミラー、あるいはそれらの支持部材、さらには半導体製
造プロセスにおける各種治具などに適したコージェライ
トを主体とする低熱膨張黒色セラミックスとその製造方
法、並びに半導体製造装置用部材に関する。

【０００２】

【従来技術】従来より、コージェライト系焼結体は、低
熱膨張のセラミックスとして知られており、フィルタ
ー、ハニカム、耐火物などに応用されている。このコー
ジェライト系焼結体は、一般には、コージェライト粉
末、あるいはコージェライトを形成するＭｇＯ、Ａｌ₂
Ｏ₃、ＳｉＯ₂粉末を配合して、これに焼結助剤とし
て、希土類元素酸化物や、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、ＭｇＯな
どを添加し、所定形状に成形後、１０００〜１４００℃
の温度で焼成することによって作製される（特公昭５７
−３６２９号、特開平２−２２９７６０号）。

【０００３】一方、ＬＳＩなどの半導体装置の製造工程
において、シリコンウエハに配線を形成する工程におい
て、ウエハを支持または保持するためのサセプタ、真空
チャック、静電チャックやラップ盤、絶縁リングとして
あるいはその他の治具等として、これまでアルミナや窒
化珪素が比較的に安価で、化学的にも安定であるため広
く用いられている。また、露光装置のＸＹテーブル等と
しても従来よりアルミナや窒化珪素などのセラミックス
も用いられている。

【０００４】また、最近では、コージェライト等の低熱
膨張セラミックスを半導体製造装置用部品として応用す
ることが特開平１−１９１４２２号や特公平６−９７６
７５号にて提案されている。特開平１−１９１４２２号
によれば、Ｘ線マスクにおけるマスク基板に接着する補
強リングとして、ＳｉＯ₂、インバーなどに加え、コー
ジェライトによって形成しメンブレンの応力を制御する
ことが提案されている。また、特公平６−９７６７５号
では、ウエハを載置する静電チャック用基盤としてアル
ミナやコージェライト系焼結体を使用することが提案さ
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、ＬＳＩなどにお
ける高集積化に伴い、回路の微細化が急速に進められ、
その線幅もサブミクロンオーダーのレベルまで高精密化
しつつある。そしてＳｉウエハに高精密回路を形成する
ための露光装置に対して高い精度が要求され、たとえば
露光装置のステージ用部材においては１００ｎｍ（０．
１μｍ）以下の位置決め精度が要求され、露光の位置合
わせ誤差が製品の品質向上や歩留まり向上に大きな影響
を及ぼしているのが現状である。

【０００６】半導体製造装置用として一般に用いられて
きたアルミナ、窒化珪素などのセラミックスは、金属に
比べて熱膨張率が小さいものの、１０〜４０℃の熱膨張
率はそれぞれ５．２×１０^-6／℃、１．５×１０^-6／℃
であり、雰囲気温度が０．１℃変化すると数１００ｎｍ
（０．１μｍ）の変形が発生することになり、露光等の
精密な工程ではこの変化が大きな問題となり、従来のセ
ラミックスでは精度が低く、生産性の低下をもたらして
いる。

【０００７】これに対して、コージェライト系焼結体
は、熱膨張率が０．２×１０^-6／℃程度と、アルミナや
窒化珪素に比較して熱膨張率が低く、上記のような露光
精度に対する問題はある程度解決される。ところが、従
来のコージェライトは緻密化が難しく、ボイドの多いも
のしか得られていない。そのため、露光装置の位置測定
用ミラーや表面コーティングが必要な部材のように表面
の平滑性が必要となる場合には、ボイド等の凹凸の存在
は測距用レーザーの乱反射の原因となり、位置測定に致
命的な問題となっていた。このようなボイドは、部材自
体の相対密度が低いことによって引き起こされるもので
あることから、これらの部材に対しては材料の緻密性が
要求されている。また、露光装置における鏡筒など、部
材によっては遮光性が要求されることから黒色の部材が
要求されている。

【０００８】従って、本発明は、それ自体低熱膨張を有
するとともに、ボイドの少ない緻密質の黒色の低熱膨張
セラミックスとその製造方法を提供することを目的とす
るものである。また、本発明は、ステージ位置測定用ミ
ラーをはじめとする表面コーティングが必要な部材の表
面平滑性に優れた、緻密質な半導体製造用部材を提供す
ることを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
に対し鋭意研究を重ねた結果、コージェライトを主成分
とする粉末を用いて焼成する際に、所定のカーボン雰囲
気下で加圧焼成を行うことにより、低熱膨張特性を阻害
することなく相対密度を高め、焼結体中のボイドを低減
させることができることを見いだし、本発明に至った。

【００１０】即ち、本発明の低熱膨張黒色セラミックス
は、コージェライトを８０重量％以上の割合で含有し、
気孔率が０．５％以下、カーボン含有量０．１〜２．０
重量％、１０〜４０℃における熱膨張係数１×１０^-6／
℃以下であることを特徴とするものであり、さらには最
大ボイド径が５μｍ以下であることを特徴とするもので
ある。

【００１１】また、かかるセラミックスの製造方法とし
て、コージェライトを８０重量％以上の割合で含有する
原料粉末を、カーボン含有雰囲気にて酸素分圧０．２気
圧以下、１０００℃〜１４００℃の温度で１００ｋｇ／
ｃｍ²以上の加圧下で焼成することを特徴とするもので
ある。

【００１２】さらに、本発明の半導体製造装置用部材
は、コージェライトを８０重量％以上の割合で含有し、
気孔率が０．５％以下、カーボン含有量０．１〜２．０
重量％、１０〜４０℃における熱膨張係数１×１０^-6／
℃以下の低熱膨張黒色セラミックスからなることを特徴
とするものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】本発明の低熱膨張セラミックス
は、一般式２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂で表さ
れるコージェライトの複合酸化物を主体とするものであ
る。このコージェライト結晶は、平均粒径が１〜１０μ
ｍの結晶粒子として存在する。このコージェライトは、
焼結体中に８０重量％以上、特に８５重量％以上の割合
で存在する。

【００１４】また、この焼結体中には、副成分として希
土類元素を酸化物換算で２０重量％以下、特に１〜１５
重量％の割合で含有することが望ましい。コージェライ
トが１００重量％であっても、緻密化が可能であるが、
その焼成温度が高く、その焼成可能温度領域が±５℃と
非常に狭いために量産には不向きである。これに対し
て、希土類元素を１重量％以上含有すると、焼成時にコ
ージェライトの成分と反応し、液相を生成することから
焼結性を高める作用が発揮され、低温焼成化とともに、
焼成可能温度領域を±２５℃程度まで拡げることができ
るために量産性を高めることができる。但し、希土類元
素量が２０重量％を越えると熱膨張係数が大きくなり、
１．０×１０^-6／℃以下の特性が達成できない。

【００１５】なお、セラミックス中に含有される希土類
元素としては、Ｙ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｅｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓ
ｍ等が挙げられ、これらの中でも安価に入手できる点
で、Ｙ、Ｙｂが好適に含まれる。

【００１６】また、本発明のセラミックスは、カーボン
を全量中に０．１〜２．０重量％、特に０．５〜１．５
重量％の割合で含有することにより、黒色化しているこ
とが特徴である。このカーボン量が０．１重量％よりも
少ないと十分な黒色化が達成されず、２．０重量％より
も多いと、緻密体の熱膨張係数が１×１０^-6／℃を超え
てしまい目的に適合しない。

【００１７】さらに、本発明のセラミックスは、気孔率
が０．５％以下、特に０．１％以下、さらには０．０８
％以下、１０〜４０℃における熱膨張係数１×１０^-6／
℃以下、特に０．５×１０^-6／℃以下の緻密、且つ低熱
膨張特性を有するものである。これにより、セラミック
ス表面を研磨加工したり、コーティングを施す場合にお
いて優れた平滑性に優れた表面を形成することができ
る。なお、優れた表面平滑性を達成する上では、セラミ
ックスの最大ボイド径が５μｍ以下、特に４．５μｍ以
下であることが望ましい。

【００１８】またさらに、本発明のセラミックスにおい
ては、コージェライト結晶の粒界は、希土類元素とＳｉ
を含有する、ＲＥ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂、ＲＥ₂Ｏ₃・２Ｓ
ｉＯ₂などの結晶相が析出されることが望ましい。この
ような結晶相の析出によって、ヤング率などの機械的特
性を効用できる点から望ましい。

【００１９】なお、かかる低熱膨張黒色セラミックスに
おいては、気孔率が０．５％以下、最大ボイド径５μｍ
以下、１０〜４０℃における熱膨張係数１×１０^-6／℃
以下の特性を満足することを条件に、上記のコージェラ
イト成分および希土類元素化合物以外に、製造上の不可
避的不純物や、焼結性や特性向上のために、例えば、
Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｓｒ等の単独またはそれ
らの化合物などの他の成分を含有してもよい。

【００２０】上記のようなセラミックスを作製するに
は、平均粒径が１０μｍ以下のコージェライト粉末８０
〜９９重量％、特に８５〜９５重量％に対して、適宜、
平均粒径が１０μｍ以下の希土類元素酸化物粉末を２０
重量％以下、特に１〜１５重量％、さらにはカーボン粉
末を適量添加し、ボールミルなどにより十分に混合す
る。

【００２１】その後、この混合物を所望の成形手段、例
えば、金型プレス、冷間静水圧プレス、射出成形、押出
し成形等により任意の形状に成形するか、または混合粉
末を型内に充填して焼成する。

【００２２】焼成は、酸素分圧０．２気圧以下、好まし
くは０．１気圧以下、カーボンを含有する雰囲気中で１
００ｋｇ／ｃｍ²以上、特に１５０ｋｇ／ｃｍ²以上の
加圧下で、１０００〜１４００℃、特に１１００〜１３
５０℃の温度範囲で焼成する。

【００２３】この時の焼成温度が１０００℃よりも低
い、あるいは圧力が１００ｋｇ／ｃｍ²よりも低いと、
気孔率０．５％以下まで緻密化することができず、１４
００℃を越えると試料の一部が溶融してしまう。

【００２４】また、加圧焼成中の酸素分圧が０．１気圧
を超えると、成形体中のカーボンが酸素と反応して系外
に放出されるために、混合粉末中にカーボン粉末を添加
混合してもセラミックス中のカーボン含有量を０．１重
量％以上に残存させることは困難であり、黒色に着色す
ることができないためである。また、カーボン含有量が
２．０重量％以上となる雰囲気では、緻密体の熱膨張係
数が大きくなる。

【００２５】カーボン含有雰囲気は、混合粉末中にカー
ボンを添加して酸素分圧０．１気圧以下に維持するか、
粉末または成形体をカーボン製型内にて加圧焼成する
か、または成形体をカーボン粉末中に埋め込んで焼成す
ればよく、雰囲気としては、窒素、アルゴン、ＣＯ／Ｃ
Ｏ₂混合ガスを流しながら焼成すればよい。このような
低酸素分圧のカーボン雰囲気中で焼成することにより、
カーボンを成形体中に残存、あるいはカーボンを系外か
ら成形体内に侵入させることができる。

【００２６】本発明によれば、上記の製造方法によっ
て、最終的に、相対密度９９．５％以上、即ち、気孔率
が０．５％以下、特に０．１％以下、さらには０．０８
％以下、最大ボイド径５μｍ以下、特に４．５μｍ以
下、熱膨張係数が１．０×１０^-6／℃以下、特に０．５
×１０^-6／℃以下の緻密質の黒色低熱膨張のセラミック
スを作製することができる。

【００２７】そして、かかる緻密質黒色低熱膨張セラミ
ックスは、半導体集積回路素子を製造する際に用いられ
る真空装置構造体、サセプタ、真空チャック、静電チャ
ック、ラップ盤あるいは露光装置におけるステージや、
ステージ位置測定用ミラー、あるいはそれらの支持部
材、さらには半導体製造プロセスにおける各種治具など
に好適に使用される。特に、そのセラミック表面に、コ
ーティングが施されるような部材並びに遮光性が要求さ
れる部材、例えば、露光装置用鏡筒、遮光板等に最も好
適に使用される。

【００２８】セラミックスの表面に施されるコーティン
グとしては、ＴｉＮ、Ａｌ、ダイヤモンド、ダイヤモン
ドライクカーボン（ＤＬＣ）等が０．１〜１０μｍの膜
厚で被覆される。このようなコーティングが施される部
材においては、気孔率が０．１％以下であることが必要
であり、気孔率が０．１％を越えると均質なコーティン
グ膜が形成されず、半導体製造装置用部材に適さないた
めである。好適には、最大ボイド径が５μｍ以下、特に
４．５μｍ以下が望ましい。

【００２９】

【実施例】純度９９％以上、平均粒径が３μｍのコージ
ェライト粉末に対して、平均粒径が１μｍのＹ₂Ｏ₃、
Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂の各希土類元素酸化
物粉末を表１，表２に示す割合で調合後、ボールミルで
２４時間混合した。そして、この混合粉末をプレス成形
した後、この成形体をカーボン粉末中に埋めて、表１，
表２の酸素分圧のＡｒ気流中で、表１，表２の圧力、温
度でホットプレス焼成して、種々の焼結体を作製した。

【００３０】得られた焼結体に対してアルキメデス法に
よって相対密度を測定しその結果から気孔率を算出し表
１，表２に示し、さらに電子顕微鏡写真から、倍率２０
０倍で任意の１０点の組織を観察し、最大ボイド径を測
定した。また、得られたセラミックスを研磨し、３×４
×１５ｍｍの大きさに研削加工し、このセラミックスの
１０〜４０℃までの熱膨張係数を測定した。結果は表
１，表２に示した。

【００３１】

【表１】

【００３２】

【表２】

【００３３】表１、表２の結果から、本発明に基づき、
コージェライトを８０重量％以上、希土類元素を酸化物
換算で１〜２０重量％含有する原料粉末を、酸素分圧
０．１気圧以下のカーボン雰囲気で１０００℃〜１４０
０℃の温度で１００ｋｇ／ｃｍ ²以上の加圧下で焼成す
ることにより、気孔率の低減化および黒色化を図ること
ができた。

【００３４】しかし、酸素分圧の高い試料Ｎo.１７では
カーボン量を０．１重量％以上とすることができず、黒
色化できなかった。また、焼成温度が１０００℃よりも
低い試料Ｎo.１５では、気孔率を０．５％以下にするこ
とができず、さらに、焼成時の加圧が１００ｋｇ／ｃｍ
²未満の試料Ｎo.２２は、気孔率が０．５％を越え緻密
化できなかった。また、希土類元素酸化物の添加量が２
０重量％より多い試料Ｎo.３１は、熱膨張係数が１．０
×１０^-6／℃を超え、１重量％未満の試料Ｎo.２６で
は、特性上は問題ないものの、焼成可能温度領域は±５
℃と非常に狭いものであった。

【００３５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の低熱膨張着
色セラミックスは、コージェライトの優れた低熱膨張特
性を維持しつつ、ボイド率、即ち、相対密度を高めるこ
とができるとともに、黒色化を図ることができた。その
結果、この低熱膨張セラミックスを高微細な回路を形成
するためのウエハに露光処理を行うなどの半導体製造装
置用部品、例えば、露光装置用真空チャック、ステージ
用ミラーなどとして用いることにより、雰囲気の温度変
化に対しても寸法の変化がなく、また、部品表面の平滑
性を向上させることができ、さらには遮光性を有するこ
とから、優れた精度が得られ、半導体素子製造の品質と
量産性を高めることができる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コージェライトを８０重量％以上含有し、
気孔率が０．５％以下、カーボン含有量０．１〜２．０
重量％、１０〜４０℃における熱膨張係数１×１０^-6／
℃以下であることを特徴とする低熱膨張黒色セラミック
ス。
【請求項２】最大ボイド径が５μｍ以下である請求項１
記載の低熱膨張黒色セラミックス。
【請求項３】コージェライトを８０重量％以上含有する
原料粉末を、カーボン含有雰囲気にて酸素分圧０．２気
圧以下、１０００℃〜１４００℃の温度で１００ｋｇ／
ｃｍ²以上の加圧下で焼成することを特徴とする低熱膨
張黒色セラミックスの製造方法。
【請求項４】コージェライトを８０重量％以上含有し、
気孔率が０．５％以下、カーボン含有量０．１〜２．０
重量％、１０〜４０℃における熱膨張係数１×１０^-6／
℃以下の低熱膨張黒色セラミックスからなることを特徴
とする半導体製造装置用部材。