TWI852629B

TWI852629B - 氧化鋁燒結體及靜電吸盤

Info

Publication number: TWI852629B
Application number: TW112121965A
Authority: TW
Inventors: 中村希一郎
Original assignee: 日商黑崎播磨股份有限公司
Priority date: 2022-07-27
Filing date: 2023-06-13
Publication date: 2024-08-11

Abstract

本發明之課題在於提供一種在大氣環境下能燒成，實質上不含生物體及環境負荷高的元素，呈現黑色或深灰色，且低電阻之氧化鋁燒結體及使用該氧化鋁燒結體之靜電吸盤。本發明之解決手段為一種Al ₂O ₃的含有率為85質量%以上的氧化鋁燒結體，含有以Fe ₂O ₃換算0.7質量%以上且6.6質量%以下的Fe、以TiO ₂換算1質量%以上且5質量%以下的Ti、以SiO ₂換算1質量%以上且5質量%以下的Si、以Y ₂O ₃換算0.1質量%以上且9質量%以下的Y。將該氧化鋁燒結體使用於靜電吸盤中的載置板(1)。

Description

氧化鋁燒結體及靜電吸盤

本發明係關於氧化鋁燒結體及使用該氧化鋁燒結體之靜電吸盤。

例如於半導體製造裝置中，以形成電路為目的而在矽晶圓上進行曝光･成膜，為了蝕刻矽晶圓，保持對象的晶圓之平坦度，且為了在晶圓不形成溫度分布，必須保持晶圓。作為如此的晶圓之保持手段，機械方式、真空吸附方式、靜電吸附方式係被提出。於該等保持手段之中，靜電吸附方式係藉由靜電吸盤保持晶圓之方式，由於可在真空環境下使用，故被經常使用。

於靜電吸盤中，有利用庫侖力作為吸附力之型(庫侖型)與利用約翰森-拉貝克(Johnsen-Rahbek)力之型(約翰森-拉貝克型)。後者的約翰森-拉貝克力係在介電體與晶圓之界面的小間隙中流動微小電流，藉由誘發帶電極化而產生的力。使用約翰森-拉貝克力，為了確保作為靜電吸盤所需要的吸附力，介電體的體積固有電阻率在10 ⁹～10 ¹²Ω･cm之範圍內者係成為要件。又，靜電吸盤用的介電體，為了能光辨識，必須呈現黑色或深灰色。

作為具備如此特性的介電體，專利文獻1中掲示含有氧化鈦0.8～3質量%、碳化硼0.2～1質量%的氧化鋁系介電體及其製造方法。然而，於專利文獻1之製造方法中，在熱壓或HIP、氣壓燒成等加壓條件下進行燒成，另外燒成環境為還原環境或真空中，因此需要高價的設備。靜電吸盤用的介電體為消耗品，用戶要求提供更低價格的交換用材料。

因此，於大氣環境燒成的氧化鋁燒結體之黑色化中，主要使用添加Cr、Mn、Co或Ni之方法。例如專利文獻2中揭示摻合由Cr ₂O ₃、Mn ₂O ₃、Fe ₂O ₃及CoO所選出的3種或4種，在大氣環境中燒成之方法。又，專利文獻3中揭示添加Mn等，在大氣環境中燒成之方法。然而，Cr、Mn、Co、Ni為高價，再者已知對生物體或環境造成不良影響。因此，近年來檢討不使用該等元素之黑色化方法，例如專利文獻4或專利文獻5中揭示於氧化鋁中摻合氧化鈦及氧化鐵，在大氣環境下能燒成的黑色氧化鋁之製造方法。然而，於該等方法中，體積固有電阻率不降低到約翰森-拉貝克型靜電吸盤用之介電體的要件之10 ⁹～10 ¹²Ω･cm之範圍內。

用於使氧化鋁燒結體的體積固有電阻率降低之製造方法，係到目前為止有許多的提案，但其大部分係如上述專利文獻1在惰性環境或還原環境下燒成，需要特殊的設備。又，雖然大氣環境下的燒成例亦有幾個存在，但如上述專利文獻2、3，添加Cr、Mn、Co、Ni等生物體及環境負荷高的元素。 [先前技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1] 日本發明專利第6738505號公報 [專利文獻2] 日本特開平05-238810號公報 [專利文獻3] 日本發明專利第4248833號公報 [專利文獻4] 日本特開2020-180020號公報 [專利文獻5] 日本發明專利第4994092號公報

[發明所欲解決的課題]

鑒於上述，本發明所欲解決的課題在於提供一種在大氣環境下能燒成，實質上不含生物體及環境負荷高的元素，呈現黑色或深灰色，且低電阻之氧化鋁燒結體及使用該氧化鋁燒結體之靜電吸盤。 [解決課題的手段]

本發明者們為了同時解決氧化鋁燒結體的上述課題，亦即：(1)大氣環境下能燒成、(2)實質上不含生物體及環境負荷高的元素、(3)呈現黑色或深灰色、(4)低電阻之4個課題，而重複試驗及研究，結果得到分別以氧化物換算各含有特定量的Fe、Ti、Si及Y者係有效的知識見解，終於想出本發明。

亦即，根據本發明之一觀點，提供以下的氧化鋁燒結體。一種氧化鋁燒結體，其係Al ₂O ₃的含有率為85質量%以上之氧化鋁燒結體，含有以Fe ₂O ₃換算0.7質量%以上且6.6質量%以下的Fe、以TiO ₂換算1質量%以上且5質量%以下的Ti、以SiO ₂換算1質量%以上且5質量%以下的Si、以Y ₂O ₃換算0.1質量%以上且9質量%以下的Y。

又，根據本發明之其他觀點，提供一種靜電吸盤，其係將上述本發明之氧化鋁燒結體使用於載置板。 [發明的效果]

根據本發明，可提供一種在大氣環境下能燒成，實質上不含生物體及環境負荷高的元素，呈現黑色或深灰色，且低電阻之氧化鋁燒結體及使用該氧化鋁燒結體之靜電吸盤。

[實施發明的形態]

本發明之氧化鋁燒結體含有85質量%以上的Al ₂O ₃作為其主成分。若Al ₂O ₃的含有率未達85質量%，則硬度或強度高，且容積穩定性等亦優異的原本氧化鋁燒結體所具備的優異特性係受到損害。特別地若硬度變低，則在使用於靜電吸盤時所要求的電漿耐性降低，結果得不到充分的耐用性。Al ₂O ₃的含有率較佳為90質量%以上。

本發明之氧化鋁燒結體係除了主成分的Al ₂O ₃之外，還含有以Fe ₂O ₃換算0.7質量%以上且6.6質量%以下的Fe、以TiO ₂換算1質量%以上且5質量%以下的Ti、以SiO ₂換算1質量%以上且5質量%以下的Si、以Y ₂O ₃換算0.1質量%以上且9質量%以下的Y。

若Fe的含有率(稱為Fe ₂O ₃換算值；以下同樣)未達0.7質量%，則不呈現黑色或深灰色(以下，總稱為「黑色系」)，亦即黑色系化變不充分，同時低電阻化變不充分。另一方面，若Fe的含有率超過6.6質量%，則機械特性尤其硬度降低。Fe的含有率較佳為1.9質量%以上且3.3質量%以下。又，若Ti的含有率(稱為TiO ₂換算值；以下同樣)未達1質量%，則黑色系化變不充分，同時低電阻化變不充分。另一方面，若Ti的含有率超過5質量%，則機械特性尤其硬度降低。Ti的含有率較佳為1.5質量%以上且3質量%以下。詳細如後述，但於本發明之氧化鋁燒結體中，Fe及Ti之至少一部分係成為Fe ₂TiO ₅，該Fe ₂TiO ₅被認為有助於黑色系化。

又，若Si的含有率(稱為SiO ₂換算值；以下同樣)未達1質量%，則低電阻化變不充分。另一方面，若Si的含有率超過5質量%，則機械特性尤其硬度降低。Si的含有率較佳為1.2質量%以上且3質量%以下。另外，若Y的含有率(稱為Y ₂O ₃換算值；以下同樣)未達0.1質量%，則低電阻化變不充分。另一方面，若Y的含有率超過9質量%，則黑色系化變不充分，同時機械特性尤其硬度降低。Y的含有率較佳為0.9質量%以上且4.5質量%以下。

如此地，藉由分別以氧化物換算各含有特定量的Fe、Ti、Si及Y，可首次同時解決上述4個課題。

本發明之氧化鋁燒結體可進一步含有Zr。由於含有Zr，可一邊減低Ti及Y的含有率，一邊同時解決上述4個課題。具體而言，可將Zr以ZrO ₂換算之值、Ti以TiO ₂換算之值及Y以Y ₂O ₃換算之值的合計設為7質量%以下。藉此，可在燒成時抑制鈦酸鋁等之副產物過剩地生成，可提高機械特性。又，由於將上述合計設為7質量%以下，可相對地使Al ₂O ₃的含有率增加，從這一點也可提高機械特性。

本發明之氧化鋁燒結體實質上不含生物體及環境負荷高的元素之Cr、Mn、Co及Ni。此處，所謂「實質上不含」，就是不將Cr、Mn、Co及Ni積極地使用於黑色系化等，不是指該等元素的含有率為0，容許雜質水準之含有。實際上，於氧化鋁燒結體之製造所使用的原料中有時含有Cr、Mn、Co或Ni作為雜質，當時，氧化鋁燒結體變成以雜質水準含有該等元素。此處，「雜質水準」之基準是「Cr、Mn、Co及Ni各自的氧化物換算值合計為0.1質量%以下」。

本發明之氧化鋁燒結體，可藉由將氧化鋁原料、氧化鐵原料、氧化鈦原料、二氧化矽原料及氧化釔原料和視需要氧化鋯原料以本發明規定的各元素之氧化物換算的含有率摻合成的摻合物，進行混合、成形後，在大氣環境下燒成而獲得。燒成溫度可設為1300℃以上且1500℃以下。具體而言，本發明之氧化鋁燒結體係藉由燒成到相對密度成為95%以上而獲得。尚且，上述Fe ₂TiO ₅係在大氣環境下的燒成過程中生成。又，使用氧化鋯原料時，於一般的氧化鋯原料中含有Y ₂O ₃等之安定化成分，但於本發明之氧化鋁燒結體中，在各元素之氧化物換算的含有率中亦合計Y ₂O ₃等之安定化成分的含有率。

圖1中示意地顯示將本發明之一實施形態的氧化鋁燒結體使用於載置板的靜電吸盤之構成例。同圖所示的靜電吸盤為約翰森-拉貝克型的靜電吸盤，具備：載置晶圓等之試料的載置板1、與該載置板一體化的基板2、設於該等載置板1與基板2之間的內部電極3與為了供電至該內部電極3而以貫穿基板2的方式設置的供電部4；在載置板1使用本發明之一實施形態的氧化鋁燒結體。

如此地，使用本發明之氧化鋁燒結體作為約翰森-拉貝克型的靜電吸盤之載置板時，其體積固有電阻率係如上述，在10 ⁹～10 ¹²Ω･cm之範圍內者成為要件。因此，使用本發明之氧化鋁燒結體作為約翰森-拉貝克型的靜電吸盤之載置板時，藉由調整上述摻合物的摻合比例等，而使體積固有電阻率成為上述範圍內。尚且，作為約翰森-拉貝克型的靜電吸盤之載置板使用時的體積固有電阻率較佳在超過1×10 ¹¹Ω･cm且為1×10 ¹²Ω･cm以下之範圍內，更佳在超過5×10 ⁹Ω･cm且為1×10 ¹¹Ω･cm以下之範圍內。另一方面，本發明之氧化鋁燒結體亦可使用於約翰森-拉貝克型的靜電吸盤之載置板以外的用途，例如作為在半導體製造裝置中用於去除靜電的構件。於如此的用途中亦需要低電阻化，具體而言體積固有電阻率較佳為10 ¹²Ω･cm以下。尚且，體積固有電阻率之下限值係沒有特的限定，但本發明之氧化鋁燒結體中，Al ₂O ₃的含有率為85質量%以上，另外亦規定有助於低電阻化的Fe、Ti、Si及Y的含有率之上限值，因此體積固有電阻率之下限值自然確定。具體而言，10 ⁶Ω･cm左右係成為下限值。 [實施例]

將氧化鋁原料、氧化鐵原料、氧化鈦原料、二氧化矽原料、氧化釔原料、氧化鋯原料及其他原料摻合成表1所示的各例之氧化物換算值的含有率而得而摻合物，將各例的摻合物分別進行混合、成形、燒成，而得到各例之氧化鋁燒結體。對於所得之氧化鋁燒結體，進行有無Fe ₂TiO ₅、體積固有電阻率、色調判定、維氏硬度之評價。此處，上述「其他原料」係包含Cr、Mn、Co及Ni中的至少1種之原料，僅使用於實施例11。又，燒成係在大氣環境下以1350～1450℃之溫度範圍進行。

各評價項目之評價方法係如以下。有無Fe ₂TiO ₅係藉由Cu-Kα線的粉末X射線繞射，確認Fe ₂TiO ₅的波峰而進行評價。體積固有電阻率係以三端子法測定(施加電壓1000V、室溫)。評價係將體積固有電阻率超過5×10 ⁹Ω･cm且為1×10 ¹¹Ω･cm以下當作◎(優)，將超過1×10 ¹¹Ω･cm且為1×10 ¹²Ω･cm以下當作○(良)，將超過1×10 ¹²Ω･cm當作×(不良)。色調判定係以目視進行。維氏硬度係根據JIS Z2244進行測定(加壓力1kgf)。評價係將維氏硬度(HV)為1350以上當作○(良)，將未達1350當作×(不良)。

表1中，實施例1～12皆為在本發明之範圍內的氧化鋁燒結體，得到良好的評價結果。尤其在本發明的較佳範圍內之實施例9～11中，得到特別良好的評價結果。尚且，雖然於表1之評價中未表示，但實施例1～12之中，Al ₂O ₃的含有率為90質量%以上之實施例1、3、9～11，係與其他實施例相比，有維氏硬度高之傾向。

比較例1係不含Fe之例，不生成Fe ₂TiO ₅，色調仍為白色，同時低電阻化不充分。另一方面，比較例2係Fe的含有率高於本發明的上限值之例，得不到充分的硬度。

比較例3係不含Ti之例，不生成Fe ₂TiO ₅，色調仍為白色，同時低電阻化不充分。另一方面，比較例4係Ti的含有率高於本發明的上限值之例，得不到充分的硬度。

比較例5係不含Si之例，低電阻化不充分。另一方面，比較例6係Si的含有率高於本發明的上限值之例，得不到充分的硬度。

比較例7係不含Y之例，低電阻化不充分。另一方面，比較例8係Y的含有率高於本發明的上限值之例，黑色系化不充分，同時得不到充分的硬度。

1:載置板 2:基板 3:內部電極 4:供電部

[圖1]係顯示將本發明之一實施形態的氧化鋁燒結體使用於載置板之靜電吸盤的構成例之示意圖。

1:載置板

2:基板

3:內部電極

4:供電部

Claims

一種氧化鋁燒結體，其係Al₂O₃的含有率為85質量%以上之氧化鋁燒結體，含有以Fe₂O₃換算0.7質量%以上且6.6質量%以下的Fe、以TiO₂換算1質量%以上且5質量%以下的Ti、以SiO₂換算1質量%以上且5質量%以下的Si、以Y₂O₃換算0.1質量%以上且9質量%以下的Y，其Cr、Mn、Co及Ni各自的氧化物換算值合計為0.1質量%以下。
如請求項1之氧化鋁燒結體，其中前述Fe及前述Ti之至少一部分係成為Fe₂TiO₅。
如請求項1之氧化鋁燒結體，其進一步含有Zr，將Zr換算成ZrO₂的值、將Ti換算成TiO₂的值及將Y換算成Y₂O₃的值之合計為7質量%以下。
如請求項1之氧化鋁燒結體，其體積固有電阻率為10¹²Ω．cm以下。
一種靜電吸盤，其係將如請求項1~4中任一項之氧化鋁燒結體使用於載置板。