(57)【要約】【課題】  本発明の課題は、吸着力の高いジョンセン・ラーベック力を利用した静電チャックで、ハロゲンガス等のプラズマ照射による表面粗さの変化を抑えることができ、体積抵抗率のばらつきの小さな静電チャックを提供することである。【解決手段】  本発明では、アルミナと酸化チタンから成る焼結体で、アルミナ粒子の粒界全体に導電パスが形成され、その導電パスの最大間隔が１０μｍ以下であるセラミック誘電体を備えた静電チャックとすることで、吸着力の高いジョンセン・ラーベック力を利用した静電チャックで、ハロゲンガス等のプラズマ照射による表面粗さの変化を抑えることができ、体積抵抗率のばらつきの小さな静電チャックが提供できる。【選択図】  図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
アルミナと酸化チタンから成る焼結体で、アルミナ粒子の粒界全体に導電パスが形成され、その導電パスの最大間隔が１０μｍ以下であるセラミック誘電体を備えたことを特徴とする静電チャック。
【請求項２】
前記セラミック誘電体において、導電パスがチタン化合物から成ることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
【請求項３】
前記セラミック誘電体の嵩密度が３．９７ｇ／ｃｍ３以上であることを特徴とする請求項１または２のいずれか１項に記載の静電チャック。
【請求項４】
前記セラミック誘電体の作製において、原料粉末の粒子径Ｄ９０が０．５μｍ以下であるアルミナを用いることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の静電チャック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体基板やガラス基板などを吸着する静電チャックに関する。
【背景技術】
【０００２】
エッチング、ＣＶＤ、スパッタリング、イオン注入、アッシングなどを行うプラズマ処理チャンバー内で、半導体基板やガラス基板を吸着保持する手段として、静電チャックが用いられている。
【０００３】
静電チャックにはジョンセン・ラーベック力とクーロン力を利用する２つの方式があるが、大きな吸着力が必要な用途ではジョンセン・ラーベック力を利用した静電チャックが用いられている。このジョンセン・ラーベック力による静電吸着力を発現させるためには、誘電体の体積抵抗率を１０８〜１０１３Ωｃｍの範囲に制御する必要がある。
【０００４】
誘電体の体積抵抗率を１０８〜１０１３Ωｃｍの範囲に制御する方法として、アルミナに酸化チタンを添加したセラミック誘電体が特許文献１〜５に開示されている。
【特許文献１】特開昭６２-９４９５３号公報
【特許文献２】特開平２-２０６１４７号公報
【特許文献３】特開平３-１４７８４３号公報
【特許文献４】特開平３-２０４９２４号公報
【特許文献５】特開２００６-４９３５６号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
ジョンセン・ラーベック力の静電チャックは、セラミック誘電体の体積抵抗率の温度依存性が大きいために、使用される加工プロセスの温度に合わせて、体積抵抗率を制御する必要がある。このため、使用温度に合わせて１０８〜１０１３Ωｃｍ程度の幅広い素材が使用されている。一方、前記セラミック誘電体は一般に還元焼成等の複雑な工程で製造されるため、体積抵抗率には大きなばらつきが発生する。このため、静電チャックの体積抵抗率に合わせて、装置の電源側で調整を行なっていた。しかし、ウエハレスクリーニングが主流となる中で、静電チャックにも直接プラズマが照射されるようになり、静電チャックの特性劣化が激しく、頻繁に交換されるようになってきている。このため、静電チャック間における体積抵抗率のばらつきが大きいと、静電チャック交換時の調整が必要であったり、場合によっては調整できない場合が発生するという課題があった。このため、従来のよりも体積抵抗率のばらつきの小さな静電チャックが求められている。
【０００６】
そこで、本発明では、吸着力の高いジョンセン・ラーベック力を利用した静電チャックで、ハロゲンガス等のプラズマ照射による表面粗さの変化を抑えることができ、体積抵抗率のばらつきの小さな静電チャックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００７】
上記課題を解決するために本発明に係る静電チャックは、アルミナと酸化チタンから成る焼結体で、アルミナ粒子の粒界全体に導電パスが形成され、その導電パスの最大間隔が１０μｍ以下であるセラミック誘電体を備えたことを特徴とする。
【０００８】
前記のようにアルミナ粒子の粒界全体に導電パスを形成することにより、セラミック誘電体に均一な導電パスが形成されるために、体積抵抗率が安定し、ばらつきを小さくできる。さらに、導電パスの最大間隔が１０μｍ以下であることが好ましく、５μｍ以下であることがより好ましい。導電パスの最大間隔を小さくすることで、体積抵抗率のばらつきを小さくすることができる。
【０００９】
前記導電パスとしては、チタン化合物から構成されることが好ましい。酸化チタンを還元した非化学量論組成にすることで、導電性を高めることができ、酸化チタンの添加量を少なくすることができるために、耐プラズマ性を向上することができる。
【００１０】
前記セラミック誘電体としては、嵩密度が３．９７ｇ／ｃｍ３以上であることが好ましい。嵩密度を上げることにより、アルミナ粒界に存在するポアが取り除かれ、均一な導電パスが形成され、体積抵抗率のばらつきを小さくすることができる。また、嵩密度を上げることにより、ハロゲンガス等のプラズマ照射による表面粗さの変化を抑えることができる。なお、好ましい嵩密度の上限値は４．２ｇ／ｃｍ３である。
【００１１】
前記セラミック誘電体の作製において、原料粉末の粒子径Ｄ９０が０．５μｍ以下であるアルミナを用いることが好ましい。原料粉末に均一な微粒アルミナ原料を使用することにより、均一な導電パスが形成でき、体積抵抗率のばらつきを小さくすることができる。なお、好ましい原料粉末の粒子径Ｄ９０の下限値は０．０５μｍである。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、吸着力の高いジョンセン・ラーベック力を利用した静電チャックで、ハロゲンガス等のプラズマ照射による表面粗さの変化を抑えることができ、体積抵抗率のばらつきの小さな静電チャックが提供できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
本発明によればアルミナと酸化チタンから成る焼結体のセラミック誘電体において、アルミナ粒子の粒界全体に導電パスを形成し、その導電パスの最大間隔を１０μｍ以下とすることで、室温における体積抵抗率が１０８〜１０１３Ωｃｍで、体積抵抗率のばらつきの小さな静電チャックが作製できる。
【００１４】
本発明におけるアルミナと酸化チタンから成るセラミック誘電体とは、アルミナと酸化チタンを混合した粉体を成形した後、焼成することにより得られる焼結体であり、コランダム結晶粒子のアルミナとチタン化合物からなるセラミック焼結体である。
また、アルミナに対する酸化チタンの添加量は、１０１３Ωｃｍ程度の体積抵抗率を得るためには、酸化チタン添加量が０．１ｗｔ％以上であることが好ましく、０．２ｗｔ％以上であることがより好ましい。一方、酸化チタンの過剰添加はチタン偏析物を形成し、耐プラズマ性を低下させる原因となるため、酸化チタン添加量が２ｗｔ％以下であることが好ましく、１ｗｔ％以下であることがより好ましい。
【００１５】
本発明における導電パスとは、前記セラミック誘電体において電荷が移動できるパスを指し、原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の電気力顕微鏡モードを用いて漏洩電界勾配像として観察することができる。観察範囲１５μｍ×１５μｍ、リフトアップ３０ｎｍの条件で測定した。
この観察視野において、前記導電パスがアルミナ粒子の粒界部に均一に形成されていることが分かる。これより、導電物質がアルミナ粒子の周囲を取り囲むように存在し、導電物質のネットワークが構成されているものと考えられる。
【００１６】
本発明における導電パスの最大間隔とは、導電パスの間隔で最も離れた箇所の長さを指し、アルミナ粒界を観察できるように前記セラミック誘電体をサーマルエッチングし、走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）の写真を撮り、任意の直線を引き粒界と交差する点の間隔の中で、最も長いものを求めた。なお、サーマルエッチングの処理温度は、焼成温度に対して８０〜１５０℃程度低い温度で行なった。
【００１７】
本発明におけるチタン化合物とはTiO2及び非化学量論組成のチタンと酸素の化合物を指し、酸化チタンを還元雰囲気で焼成することにより形成される導電性物質である。前記導電物質は走査型透過電子顕微鏡（ＳＴＥＭ）の元素分析により確認することができる。
【００１８】
本発明における原料の粒子径は次の方法で測定した。アルミナ原料の粒子径Ｄ９０は、レーザー回折式粒度分布測定装置（日機装株式会社  マイクロトラックＭＴ３０００）で測定した粒度分布データにおける、粒子径の小さい側からの粒子の体積累積値が９０％に達した時の粒子径である。ただし、原料中の凝集粒を解砕、分散処理するために超音波ホモジナイザーを１５〜３０分間照射した後で測定した。
一方、酸化チタンの平均粒子径は光散乱光度計（大塚電子株式会社  ＦＰＡＲ―１０００）より求めたキュムラント平均粒子径を用いた。
【００１９】
本発明における体積抵抗率とは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳ  Ｃ  ２１４１：１９９２電気絶縁用セラミックス材料試験方法）に示される三端子法を用いて測定した値である。測定は室温（２５℃）で行なった。
【００２０】
本発明における嵩密度とは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＲ１６３４）に示されるアルキメデス法により測定した値である。飽水方法は真空法、溶媒には蒸留水を用いて測定した。
【００２１】
次に本発明の静電チャックの作製方法について説明する。
まず、原料としてアルミナと酸化チタンを用意する。用いるアルミナ及び酸化チタンは微粒のものが好ましく、アルミナ粉末の粒子径Ｄ９０が０．５μｍ以下、より好ましくは０．３μｍ以下のものが用いられる。一方、酸化チタンは平均粒子径０．１μｍ以下、より好ましくは０．０５μｍ以下のものが用いられる。アルミナ原料に均一な微粒粉を用いることで、焼成体中のアルミナ粒子の大きさを均一にすることができ、均一な導電パスが形成できるようになる。
【００２２】
（スラリー調整、造粒、生加工）
前記原料を所定量秤量し、さらに分散剤・バインダー・離型剤を加えてボールミルによる粉砕攪拌混合を行う。混合にはイオン交換水等を用い、不純物が混入しないようにすることが好ましい。混合後スプレードライヤーによる造粒を行い、得られた造粒粉末をプレス成形することで、生成形体を作製することができる。さらに、前記生成形体はＣＩＰ成形を行うことが好ましい。ＣＩＰ成形することで生成形体の密度が上がり、焼成体の密度を上げることができる。また、本発明の実施形態においては、成形は乾式成形に限るものではなく、押し出し成形、射出成形、シート成形、鋳込み成形、ゲルキャスト成形などの成形方法を利用しても生成形体を得ることができる。
【００２３】
（焼成）
前記生成形体を窒素、水素ガス還元雰囲気下で焼成することにより、セラミック誘電体が作製できる。還元焼成を行うことで、酸化チタンが非化学量論組成になり、体積抵抗率を制御することができる。焼成温度としては１１５０〜１３５０℃、より好ましくは１１５０〜１２００℃の温度範囲が好適である。低温で焼成することにより、アルミナ粒子の粒子成長を抑制することで、導電パスの最大間隔が１０μｍ以下の均一な導電パスが形成できる。このため、アルミナ粒子の平均粒子径を５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下にすることが望ましい。また、低温で焼成することにより、酸化チタンがアルミナと反応してチタン酸アルミニウム（Ａｌ２ＴｉＯ５）等の化合物を形成しないために、微量の酸化チタンの添加によりセラミック誘電体を得ることができる。なお、その体積抵抗率は室温において１０８〜１０１３Ωｃｍの範囲にすることが好ましい、さらに１０８〜１０１２Ωｃｍの範囲にすることがより好ましい。
また、焼成の最高温度での保持時間は、焼成体の物性値を安定化するためには２時間以上、より好ましくは４時間以上取ることが望ましい。
得られた焼結体はＨＩＰ処理を施すことが好ましい。これにより緻密質なセラミック誘電体を得ることができる。
【００２４】
（電極作製）
前記セラミック誘電体の表面を研削加工した後に、片面側にＣＶＤやＰＶＤによってＴｉＣやＴｉなどの導電膜を形成し、この導電膜をサンドブラストやエッチングすることで、所定の電極パターンを形成することができる。
【００２５】
（接合）
前記電極が形成されたセラミック誘電体を、予めセラミック溶射により絶縁体膜を形成した金属プレートに、金属プレートの絶縁体膜とセラミック誘電体の電極が対向するようにして絶縁性接着剤を介して両者を接合する。セラミック溶射には、アルミナやイットリア等のセラミックを用いることが好ましい。
【００２６】
（表面パターン作製）
金属プレートに接合したセラミック誘電体を所定の厚みになるように研削加工した後、サンドブラストにより表面に所定の大きさ、高さの凸部を形成する。
【００２７】
前記セラミック誘電体の体積抵抗を室温において１０８〜１０１３Ωｃｍにすることにより、ジョンセン・ラーベック効果を用いることができ、非常に大きな吸着力が発現できるようになり、表面への凸部形成が可能な静電チャックが作製できる。
【００２８】
（実施例）
以下、実施例に基づき本発明を詳細に説明する。
原料としてアルミナ（粒子径Ｄ９００．２６μｍ、純度９９．９９％以上）と酸化チタン（平均粒子径０．０３２μｍ）を用意し、酸化チタン添加量を０．２ｗｔ％（実施例１）、０．４ｗｔ％（実施例２、３）、０．８ｗｔ％（実施例４）とし、分散剤・バインダー・離型剤を加えてボールミルによる粉砕攪拌混合を行った。混合後スプレードライヤーによる造粒を行った。得られた造粒粉末はプレス成形を行った後、ＣＩＰ成形を行った。得られた成形体は、窒素、水素ガス還元雰囲気下で、１１５０℃〜１３５０℃で４時間焼成した。さらにＡｒガス１５００気圧、１１００〜１３００℃でＨＩＰ処理を行なった。
実施例２と３は酸化チタン添加量が同じで、焼成温度とＨＩＰ温度を変えたものである。
【００２９】
（比較例）
比較例は、従来の製法により作製したセラミックス誘電体を例示した。アルミナ原料として平均粒子径０．５μｍのアルミナ粉末を用い、酸化チタン添加量を１．５ｗｔ％とした。焼成温度は１５８０℃で、HIP処理していない。
【００３０】
実施例および比較例で得られたセラミック誘電体の嵩密度、体積抵抗率のばらつき、導電パスの最大間隔を表１に示す。体積抵抗のばらつきはサンプル１０個の結果を示す。
本発明においては、導電パスの最大間隔を１０μｍ以下、好ましくは７．９μｍ以下にすることにより、体積抵抗率のばらつきの範囲を従来の半分程度に小さくできることが分かる。なお、好ましい導電パスの最大間隔の下限値は０．１μｍ、より好ましくは２．４μｍである。
【００３１】
【表１】
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【００３２】
さらに、実施例と比較例で得られたセラミック誘電体の原子間力顕微鏡（ＡＦＭ）の電気力顕微鏡モードでの観察写真を図１、２に示す。写真の色の濃い部分が導電パスであることを示している。本発明の実施例においては導電パスが均一にネットワーク状に形成されているが、比較例では導電パスが非常に不均一に形成されていることが分かる。この均一な導電パスの形成により、体積抵抗率のばらつきを小さくできたものである。
【００３３】
また、前記導電パスをＳＴＥＭで観察した写真を図３に示す。アルミナの粒界部に黒い線状に見えるのが導電パスであり、アルミナ粒子の粒界全体に形成されていた。さらに、この導電パスは元素分析よりチタンと酸素から構成されたチタン化合物であることが分かった。
【００３４】
以上の結果より、アルミナ粒子の粒界全体に導電パスを形成することにより、均一な導電パスがネットワーク状に形成されるために、体積抵抗値が安定し、ばらつきを小さくできる。さらに、セラミック誘電体の体積抵抗を室温において１０８〜１０１３Ωｃｍにすることにより、ジョンセン・ラーベック力を利用した静電チャックが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】実施例２に示す本発明のセラミック誘電体の導電パス。
【図２】比較例に示すセラミック誘電体の導電パス。
【図３】実施例２に示す本発明のセラミック誘電体のＳＴＥＭ写真。
【図１】
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【図２】
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【図３】
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