JPH1179830A

JPH1179830A - 低熱膨張セラミックスおよびその製造方法、並びに半導体製造用部品

Info

Publication number: JPH1179830A
Application number: JP9234635A
Authority: JP
Inventors: Masahiro Sato; 政宏佐藤; Hirohisa Sechi; 啓久瀬知
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1997-08-29
Filing date: 1997-08-29
Publication date: 1999-03-23
Anticipated expiration: 2017-08-29
Also published as: JP4416191B2

Abstract

(57)【要約】【課題】低熱膨張を有するとともに高剛性を有する低熱
膨張セラミックスとその製造方法を提供する。【解決手段】コージェライト粉末を３０〜９０重量％、
窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素の中から少なくとも１
種を１０〜７０重量％の割合で配合した成形体、さらに
は、これにイットリアまたは希土類酸化物および／また
はリチウム化合物を０．１〜１０重量％添加した成形体
を真空もしくは不活性ガス雰囲気中で１２００〜１５０
０℃の温度で焼成して、１０〜４０℃における熱膨張率
が１×１０^-6／℃以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以上の
低熱膨張セラミックスを得る。また、この低熱膨張セラ
ミックスを露光装置用ステージなどの半導体製造用部品
に応用することにより、高微細回路形成の精度を高め品
質、量産性を高める。

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、静電チャックあるいはステージや半導体製造
プロセスにおける治具などに適したコージェライトを主
体とする低熱膨張セラミックスとその製造方法、並びに
半導体製造用部品に関する。

【０００２】

【従来技術】従来より、コージェライト系焼結体は、従
来から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、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、Ａｌ₂Ｏ₃、
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などの添加
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５７−３６２
９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、静電
チャックや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、コージェライトの低熱膨
張性を利用し、半導体製造装置部品として応用すること
が、特開平１−１９１４２２号や特公平６−９７６７５
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
窒化ケイ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。

【０００８】ところが、露光装置のステージのように、
Ｓｉウエハを載置した支持体が露光処理を施す位置まで
高速移動を伴うような場合には、移動後の支持体自体が
所定位置に停止後も振動しており、そのために、その振
動した状態で露光処理を施すと露光精度が低下するとい
う問題があった。これは、露光によって形成する配線幅
が細くなるほど顕著であり、高微細な配線回路を形成す
る上では致命的な問題となっていた。

【０００９】このような振動は、部材自体の剛性が低い
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高い剛性、即ち高ヤング率が要求さ
れている。

【００１０】従って、本発明は、それ自体低熱膨張を有
するとともに、高剛性を有する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、ステージなどの高速駆動される場合に
おいても振動が生じにくい半導体製造用部品を提供する
ことを目的とするものである。

【００１１】

【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、コージェライトにヤング
率の高い、窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素粒子を所定
の比率で複合化することにより、低熱膨張特性を阻害す
ることなくヤング率を大幅に高めることができることを
見いだし、本発明に至った。

【００１２】即ち、本発明の低熱膨張セラミックスは、
コージェライトを３０〜９０重量％、窒化珪素、炭化珪
素、酸窒化珪素の中から少なくとも一種を１０〜７０重
量％含み、１０〜４０℃における熱膨張率が１×１０^-6
／℃以下、ヤング率が１５０ＧＰａ以上であることを特
徴とするものであり、さらに、焼結助剤として、イット
リアまたは希土類酸化物を０．１〜１０重量％および／
またはリチウム化合物を酸化物換算で０．１〜１０重量
％の割合で含有することにより、緻密化を促進させ、さ
らに高いヤング率が得られるものである。

【００１３】また、かかるセラミックスは、コージェラ
イト粉末を３０〜９０重量％と、窒化珪素、炭化珪素、
酸窒化珪素の中から少なくとも一種を１０〜７０重量％
の割合で配合した成形体を、真空もしくは不活性ガス雰
囲気中で１２００〜１５００℃の温度で焼成することに
よって製造されるもので、さらには、前記コージェライ
ト粉末に対して、イットリアまたは希土類酸化物を０．
１〜１０重量％および／またはリチウム化合物を酸化物
換算で０．１〜１０重量％の割合で添加することを特徴
とするものである。

【００１４】また、本発明は、上記の低熱膨張セラミッ
クスを半導体製造装置における各種部品として採用する
ことによって、半導体素子の製造の精度を高め、量産性
を高めることができる。

【００１５】

【発明の実施の形態】本発明の低熱膨張セラミックス
は、コージェライトは、２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５Ｓ
ｉＯ₂で表される複合酸化物を主体とするものであり、
平均粒径が１〜１０μｍ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、３０〜９０重量％の
割合で存在することが望ましい。

【００１６】また、この焼結体中には、副成分として窒
化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素の中から選ばれる少なく
とも１種を１０〜７０重量％、特に２０〜５０重量％の
割合で含有するものである。このような副成分は、それ
自体のヤング率が高いために、これらを含有せしめるこ
とにより、焼結体のヤング率を１５０ＧＰａ以上に高め
ることができる。また、これらの副成分は、焼結体中に
粒子として存在する。これらの副成分の中でも窒化珪素
が最も効果的である。なお、酸窒化珪素とは、Ｓｉ−Ｎ
−Ｏ系化合物であり、例えばＳｉ₂Ｎ₂Ｏである。

【００１７】なお、上記の副成分の含有量を上記の比率
に限定したのは、副成分の量が１０重量％よりも少ない
と、焼結体のヤング率を高める作用が望めず、ヤング率
１５０ＧＰａ以上を達成することが困難となり、７０重
量％よりも大きいと、焼結体の熱膨張率が大きくなり、
コージェライトの優れた低熱膨張特性が発揮されないた
めである。なお、この焼結体の熱膨張率は、１０〜４０
℃において１×１０^-6／℃以下、特に０．７×１０^-6／
℃以下である。

【００１８】また、この焼結体中には、焼結助剤成分と
して、イットリアまたは希土類酸化物および／またはリ
チウム化合物を含有することが望ましい。これらは、い
ずれも０．１〜１０重量％、特に０．５〜７重量％の割
合で含有することにより、焼結性を高める作用が発揮さ
れ、焼結体中には、上記のコージェライト結晶粒子、副
成分により結晶粒子の粒界に、ガラス相もしくは結晶相
として存在する。

【００１９】このような焼結助剤の添加により、焼結体
の相対密度を９８％以上まで高めることができる。焼結
助剤量が０．１重量％よりも少ないと焼結性が悪く、高
い温度で焼成する必要があり、または相対密度が低くな
る。また１０重量％を越えると、熱膨張係数が大きくな
り、１×１０^-6／℃以下の特性が達成できない。なお、
イットリアまたは希土類酸化物およびリチウム化合物を
両方添加する場合には、焼結助剤としての総量が０．１
〜１０重量％、特に０．５〜７重量％の割合となるよう
制御する。

【００２０】上記のような焼結体を作製するには、平均
粒径が１０μｍ以下のコージェライト粉末に対して、平
均粒径が１０μｍ以下の窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪
素粉末を１０〜７０重量％の割合で添加する。また、焼
結性を高めるために、イットリアまたは希土類酸化物お
よび／またはリチウム化合物を総量で０．１〜１０重量
％、特に０．５〜７重量％の割合で含有させる。添加す
るリチウム化合物としては、Ｌｉ₂Ｏ、Ｌｉ₂ＣＯ₃、
ＬｉＯＨなどの形態で添加することが望ましい。

【００２１】上記の比率で各成分を配合した後、ボール
ミルなどにより十分に混合し、所定形状に所望の成形手
段、例えば、金型プレス，冷間静水圧プレス，押出し成
形等により任意の形状に成形後、焼成する。

【００２２】焼成は、真空もしくはＡｒ、Ｎ₂などの不
活性ガス雰囲気中で１２００〜１５００℃の温度範囲で
１〜１０時間程度焼結することにより相対密度９８％以
上に緻密化することができる。このときの温度が１２０
０℃よりも低いと緻密化できず、１５００℃を越える
と、成形体が溶融してしまう。また、大気などの酸化性
雰囲気で焼成すると、副成分として配合した窒化珪素、
炭化珪素、酸窒化珪素が酸化されてしまい、ヤング率を
高める効果が発揮されない。

【００２３】

【実施例】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の窒化珪素粉末、炭化珪素粉
末、酸窒化珪素（Ｓｉ₂Ｎ₂Ｏ，表中ではＳＮＯと記載
した。）を表１乃至表４に示す割合で添加し、さらに、
焼結助剤成分として、Ｙ₂Ｏ₃、Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ
₃、Ｌｕ₂Ｏ₃、Ｓｍ₂Ｏ₃、Ｄｙ₂Ｏ₃の各粉末、あ
るいはＬｉＣＯ₃粉末を表１乃至表４に示す割合で調合
後、ボールミルで２４時間混合した後、１ｔ／ｃｍ²の
圧力で金型成形した。そして、その成形体を炭化珪素質
の匣鉢に入れて表１の条件で焼成した。

【００２４】得られた焼結体を研磨し、３×４×１５ｍ
ｍの大きさに研削加工し、この試料の１０〜４０℃まで
の熱膨張係数を測定した。また、超音波パルス法によ
り、室温でのヤング率を測定した。結果は、表１乃至表
４に示した。

【００２５】

【表１】

【００２６】

【表２】

【００２７】

【表３】

【００２８】

【表４】

【００２９】表１〜４の結果から明らかなように、コー
ジェライトに希土類酸化物を添加した従来のコージェラ
イト焼結体である試料Ｎo.１では、熱膨張率が０．２×
１０^-6／℃と非常に低熱膨張であるが、ヤング率が１２
０ＧＰａと低い。

【００３０】これに対して、本発明に基づき、窒化珪
素、炭化珪素、酸窒化珪素等を所定比率で添加すること
によりヤング率を１５０ＧＰａ以上に高めることがで
き、その添加量が増加するに従いヤング率が高くなる傾
向が見られた。

【００３１】しかし、これらの副成分の量が１０重量％
よりも少ない試料Ｎo.２、３８、４５、５４、６１、６
７は、いずれもヤング率が１５０ＧＰａよりも低く、７
０重量％を越える試料Ｎo.９、４４、５１、６０、６
６、７２では、熱膨張率が１×１０^-6／℃よりも大きい
ものであった。

【００３２】なお、焼結助剤として、副成分を所定量配
合した系に、Ｙおよび希土類元素化合物やＬｉ化合物を
添加することによりヤング率の向上が見られた。しか
し、その量が１０重量％を越える試料Ｎo.２３、８５で
は、熱膨張率が１×１０^-6／℃を越えてしまい目的に適
さないものであった。

【００３３】また、焼成温度については、１２００℃よ
りも低い試料Ｎo.２４、７６では、緻密化することがで
きず、１５００℃よりも高い試料Ｎo.２８、７９では、
成形体の溶融が見られた。

【００３４】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の低熱膨張セ
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、剛性、即ち、ヤング率を高めることができ
る。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
体製造用部品、例えば、露光装置用ステージなどとして
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、優れた精度が得られるとともに、振動に伴
う精度の低下をも防止することができ、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３０〜９０重量％、窒化
珪素、炭化珪素、酸窒化珪素の中から少なくとも一種を
１０〜７０重量％の割合で含み、１０〜４０℃における
熱膨張率が１×１０^-6／℃以下、ヤング率が１５０ＧＰ
ａ以上であることを特徴とする低熱膨張セラミックス。
【請求項２】前記セラミックスが、イットリアまたは希
土類酸化物を０．１〜１０重量％の割合で含有すること
を特徴とする請求項１記載の低熱膨張セラミックス。
【請求項３】前記セラミックスが、リチウム化合物を酸
化物換算で０．１〜１０重量％の割合で含有することを
特徴とする請求項１または請求項２記載の低熱膨張セラ
ミックス。
【請求項４】コージェライト粉末を３０〜９０重量％、
窒化珪素、炭化珪素、酸窒化珪素の中から少なくとも１
種を１０〜７０重量％の割合で配合した成形体を、真空
もしくは不活性ガス雰囲気中で１２００〜１５００℃の
温度で焼成することを特徴とする低熱膨張セラミックス
の製造方法。
【請求項５】前記成形体が、イットリアまたは希土類酸
化物を０．１〜１０重量％の割合で含むことを特徴とす
る請求項４記載の低熱膨張セラミックスの製造方法。
【請求項６】前記成形体が、リチウム化合物を酸化物換
算で０．１〜１０重量％の割合で含むことを特徴とする
請求項４または請求項５記載の低熱膨張セラミックスの
製造方法。
【請求項７】請求項１乃至請求項３のいずれか１つの低
熱膨張セラミックスからなる半導体製造用部品。