(57)【要約】【課題】電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックの構成としても、焼結過程においてカーボン治具あるいは静電チャック本体の破損が生じず、しかも低熱膨張を有する静電チャックを提供する。【解決手段】１枚の低熱膨張セラミックス母材の片面に導電性低熱膨張セラミックスを含むペーストを付与することにより電極を形成し、もう１枚の低熱膨張セラミックス母材を該電極を被覆するように該母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材により接合することにより、電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックを得る。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックであって、該電極は１枚の低熱膨張セラミックス母材の片面に導電性低熱膨張セラミックスを含むペーストを付与することにより得られるものであり、かつ、もう１枚の低熱膨張セラミックス母材が該電極を被覆するように該母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材により接合してなることを特徴とする静電チャック。
【請求項２】
電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックであって、該電極が導電性低熱膨張セラミックスからなる焼結体であり、かつ、該電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に挟んで該母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で互いに接合してなることを特徴とする静電チャック。
【請求項３】
前記低熱膨張セラミックス母材を構成する複合材料が、リチウムアルミノシリケート、コーディエライト、から選ばれる１種以上の材料と、炭化珪素、炭化ホウ素、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウムから選ばれる１種以上の材料とからなり、かつ、該低熱膨張セラミックス母材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が−１×１０−６〜１×１０−６／℃であることを特徴とする請求項１または２に記載の静電チャック。
【請求項４】
前記導電性低熱膨張セラミックスを構成する複合材料が、リチウムアルミノシリケート、コーディエライト、から選ばれる１種以上の材料と、炭化珪素、炭化ホウ素、炭化チタン、ホウ化チタン、炭化タングステンから選ばれる１種以上の材料とからなり、かつ、該導電性低熱膨張セラミックスの導電率が、１０−６〜１０−２Ｓ／ｃｍであることを特徴とする請求項１または２または３に記載の静電チャック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置等に用いられる静電チャックに関するもので、さらに詳しくは、低熱膨張セラミックス母材から構成された静電チャックに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来、半導体製造工程で半導体ウエハ等を吸着保持する静電チャックとしては、例えば、窒化アルミニウムを母材とする静電チャックが用いられている。（たとえば、特許文献１参照）
【０００３】
しかし近年、半導体回路は益々精細化する傾向にあり、従来の窒化アルミニウムを母材とする静電チャックでは、周囲の温度上昇変化による熱膨張変形が原因で製品歩留まりの低下を招くことから、半導体製造装置の構成部材としてコーディエライトを主成分とする低熱膨張材料が用いられるようになってきた。（たとえば、特許文献２参照）
【０００４】
【特許文献１】
特開２０００−４４３４５号公報
【特許文献２】
特開平１１−７９８３０号公報
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
従来の静電チャックは、静電チャック本体を構成するセラミックス粉体の内部に電極を配設し、ホットプレス法により製造される。ホットプレスはカーボン治具にセラミックス紛体および電極を入れ、荷重をかけながら高温で焼結させるが、低熱膨張セラミックスの場合、カーボン治具より熱膨張が小さいことから、冷却時にカーボン治具により、焼結体が圧縮され、カーボン治具あるいは焼結体が破損する問題があった。
【０００６】
また、配設される電極は、電極材料として、熱膨張係数が大きなタングステン、モリブデンなどの導電性材料が使用されており、電極形態をメッシュ形状、あるいはパンチングメタル等とすることで、熱膨張を緩和する工夫がなされてはいるが、静電チャックの吸着面の熱膨張を非常に低い水準で維持することは困難であるため、平面度の精度が維持できず、製品歩留まりの低下を招く問題があった。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックの構成としても、焼結過程においてカーボン治具あるいはセラミックス母材の破損が生じず、吸着面が低熱膨張係数であることを特徴とする静電チャックを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の目的は、以下の（１）〜（４）によって達成される。
（１）電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックであって、該電極は１枚の低熱膨張セラミックス母材の片面に導電性低熱膨張セラミックスを含むペーストを付与することにより得られるものであり、かつ、もう１枚の低熱膨張セラミックス母材が該電極を被覆するように該母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材により接合してなることを特徴とする静電チャック。
（２）電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックであって、該電極が導電性低熱膨張セラミックスからなる焼結体であり、かつ、該電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に挟んで該母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で互いに接合してなることを特徴とする静電チャック。
（３）上記（１）、（２）において、  前記低熱膨張セラミックス母材を構成する複合材料が、リチウムアルミノシリケート、コーディエライト、から選ばれる１種以上の材料と、炭化珪素、炭化ホウ素、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウムから選ばれる１種以上の材料とからなり、かつ、該低熱膨張セラミックス母材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が−１×１０−６〜１×１０−６／℃であることを特徴とする静電チャック。
（４）上記（１）、（２）、（３）において、前記導電性低熱膨張セラミックスを構成する複合材料が、リチウムアルミノシリケート、コーディエライト、から選ばれる１種以上の材料と、炭化珪素、炭化ホウ素、炭化チタン、ホウ化チタン、炭化タングステンから選ばれる１種以上の材料とからなり、かつ、該導電性低熱膨張セラミックスの導電率が、１０−６〜１０−２Ｓ／ｃｍであることを特徴とする静電チャック。
【０００９】
【発明の実施の形態】
以下、本発明について詳細に説明する。
本発明に係る静電チャックは、電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックである。
ここで、低熱膨張セラミックス母材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が−１×１０−６〜１×１０−６／℃であることが好ましい。その理由は、この範囲であれば、半導体製造装置部材として用いられた場合に、半導体回路の精細化に適合可能であるからである。
なお、静電吸着としては、クーロン力による吸着もジョンセンラーベック力による吸着も、さらにこれらが複合化した吸着も可能である。
従来の低熱膨張セラミックスを使用した静電チャックでは、電極に熱膨張係数が大きいタングステンやモリブデンを使用しているため、静電チャック製造時に低熱膨張セラミックス内に応力が残留し、クーロン力を発現させるため低熱膨張セラミックスの厚さを０．１〜０．５ｍｍに薄く加工した場合、低熱膨張セラミックス絶縁層が破損するという課題があった。しかし、本発明では電極として導電性低熱膨張セラミックスを使用していることから、静電チャック製作時に低熱膨張セラミックス内には応力が残留しなくなるため、膨張セラミックスを薄く加工しても低熱膨張セラミックス絶縁層が破損しないという作用がある。
また、低熱膨張セラミックス母材の導電率を１０−１４〜１０−８Ｓ／ｃｍに制御することにより、ジョンセンラーベック力を発現させても良い。
【００１０】
次に、低熱膨張セラミックス母材を構成する複合材料としては、リチウムアルミノシリケート、コーディエライトから選ばれる１種以上の第１の材料と、炭化珪素、炭化ホウ素、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウムから選ばれる１種以上の第２の材料とからなるものが好適である。これら構成材料のうち第１の材料は熱膨張が極めて小さく、第２の材料は熱膨張係数は第１の材料よりも大きいがヤング率が高く、これらを複合化することにより、所望の低熱膨張および高剛性を兼備した材料とすることができるからである。
上記第１の材料としては、リチウムアルミノシリケートであるβ−ユークリプタイトやスポジューメンが好ましい。また、その中でもβ−ユークリプタイトはマイナスの熱膨張を示すので、プラスの熱膨張を示す第２の材料と組み合わせることにより、極めて低い熱膨張係数を得ることが可能であるし、また、配合を調節することにより熱膨張係数をマイナスからプラスの広い範囲で調節することが可能となる。なお、β−ユークリプタイトやスポジューメンに代表されるリチウムアルミノシリケートは、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｋ、Ｔｉ、Ｚｎ等の他の成分と固溶体を形成するが、本発明ではこのような固溶体も適用可能である。
【００１１】
次に、本発明では、電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックであって、該電極は１枚の低熱膨張セラミックス母材の片面に導電性低熱膨張セラミックスを含むペーストを付与してから焼結することにより得られるものであり、かつ、もう１枚の低熱膨張セラミックス母材が該電極を被覆するように該母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材により接合してなることを特徴とする静電チャックを提案している。
【００１２】
ここで、電極を構成する複合材料としては、リチウムアルミノシリケート、コーディエライトから選ばれる１種以上の第１の材料と、炭化珪素、炭化ホウ素、炭化チタン、ホウ化チタン、炭化タングステンから選ばれる１種以上の第２の材料とからなるものが好適である。これら構成材料のうち第１の材料は熱膨張が極めて小さく、第２の材料は熱膨張係数は第１の材料よりも大きいが導電率が高く、これらを複合化することにより、所望の低熱膨張および導電率を兼備した材料とすることができるからである。
上記第２の材料としては、β−炭化珪素が好ましい。β−炭化珪素は、他の材料よりも比較的低熱膨張係数を有し、さらに高い導電性を有するので、極めて低い熱膨張係数を有する電極材料を得ることが可能である。
また、電極を構成する複合材料の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数は−１．５×１０−６〜１．５×１０−６／℃であることが好ましい。この範囲であれば、低熱膨張セラミックス母材に影響を与えずに、半導体回路の精細化に適合可能であるからである。
さらに、電極を構成する複合材料の導電率は、１０−６Ｓ／ｃｍ以上であることが望ましい。上限については、特に限定はしないが、１０−２Ｓ／ｃｍ以下であることが望ましい。１０−６Ｓ／ｃｍ以下であると導電率が低すぎて電極としての機能を発現できない。さらに、１０−２Ｓ／ｃｍ以上であると導電性材料として添加する第２の材料の添加量が多くなり、低熱膨張率を維持できない。
このように、電極を構成する第２の材料を、熱膨張係数および導電率が所望の範囲となるように適宜選択すれば本発明の導電性低熱膨張セラミックス粉末を得ることができる。
【００１３】
次に、電極の形成方法を説明する。まず、上述した導電性低熱膨張セラミックス粉末を適宜のバインダーとともに混練して粘糊性のあるペーストとし、このペーストを一方の低熱膨張セラミックス母材の片面に塗布する。次に、後述する方法で調整した接合材ペーストを、電極を形成した低熱膨張セラミックス母材表面ともう１枚の低熱膨張セラミックス母材の表面に塗布し、脱脂する。接合材を塗付した母材面同士を密着させ、接合材は溶融するけれども母材は溶融しない温度で熱処理を行う。これにより、接合材が溶融し、一部は母材に拡散して母材および電極材同士を接合できる。
この際の熱処理雰囲気は、材料が全て酸化物系のものであれば、大気雰囲気を用いることができるが、非酸化物系の材料が含まれている場合には、非酸化雰囲気を用いることが好ましい。
【００１４】
ここで、接合材を構成する複合材料は、リチウムアルミノシリケート、コーディエライトから選ばれる１種以上の第１の材料と、炭化珪素、炭化ホウ素、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウムから選ばれる１種以上の第２の材料とからなる。その際、接合材を構成する第２の材料は、接合材の溶融温度が母材の溶融温度よりも低くなるように上記材料の中から適宜選択される。
次に、接合材ペーストの調整方法について説明する。
本発明の接合材ペーストは、接合材粉末を適宜のバインダーとともに混練して粘糊性のあるペーストとすることにより調整される。このペーストを介して母材同士を接着させ、接合材は溶融するけれども母材は溶融しない温度で熱処理することにより、接合材が溶融し、一部は母材に拡散して母材同士を接合することができるわけである。
【００１５】
なお、電極、接合材および母材を構成する複合材料において、実質的な化学的反応が生じなければ、第１の材料として複数の材料を組み合わせて用いることも可能である。また、第２の材料も同様に、実質的な化学的反応が生じなければ、複数の材料を組み合わせて用いることも可能である。
ここで、母材を構成する複合材料の構成材料のうち１種以上が、接合材を構成する複合材料の構成材料と共通であることが好ましい。これにより、共通の構成材料が拡散しやすく強固に接合することができるからである。
この場合に、母材の組成としてはβ−ユークリプタイト５０〜９５質量％と炭化珪素５〜５０質量％であり、接合材の組成としてはβ−ユークリプタイト４０〜８５質量％と窒化珪素１５〜６０質量％であることが好ましい。
このように接合材として母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスを用いることにより、接合に際して接合材の溶融温度よりも高く、母材の溶融温度よりも低い温度で加熱することにより、接合材のみが溶融して母材同士を接合することができる。この場合に、接合材が低熱膨張セラミックスであるから、接合部に残留する応力が小さく、接合部の剛性が高いため材料全体の剛性が高く、かつ接合部自体の接合強度が大きくなる。
【００１６】
次に、本発明では、電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックであって、該電極が導電性低熱膨張セラミックスからなる焼結体であり、かつ、該電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に挟んで該母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で互いに接合してなることを特徴とする静電チャックを提案している。
【００１７】
ここで、母材、電極および接合材を構成する複合材料は、上述した材料と同様のものが使用できる。
次に、低熱膨張セラミックス母材および電極となる導電性低熱膨張セラミックスの製造方法としては、一般的なセラミックスの成形および焼結方法が適用できる。
また、接合材ペーストの調整方法および接合方法についても上述した方法と同様のものが適用できる。
【００１８】
以下、本発明の実施例について説明する。
（実施例１）
β−ユークリプタイト、炭化珪素を６５：３５の質量割合でポットミル混合して乾燥させ、低熱膨張セラミックス母材用の原料混合粉末を作製した。この混合粉末を一軸加圧成形して円板状成形体を作製し、さらに、この成形体を１５０ＭＰａでＣＩＰ処理した。
このようにして得られた成形体を窒素雰囲気中１３８０℃で焼成して、直径２００ｍｍ×厚さ１０ｍｍと、直径２００ｍｍ×厚み６ｍｍの円盤状焼結体からなるセラミックス母材を得た。
【００１９】
ここで、同様にして焼成して得られた焼結体から試験片を切り出し、レーザー干渉式熱膨張測定装置（アルバック理工社製  ＬＩＸ−１）を用いて室温における熱膨張係数を求めたところ、２０〜３０℃における平均の熱膨張係数は０．４×１０−６／℃と低熱膨張であった。また、共振法にてヤング率を測定したところ、１７０ＧＰａと高剛性であった。一方、セラミックス母材の導電率を三端子法で求めたところ、６．４×１０−１０Ｓ／ｃｍであった。
【００２０】
次に、β−ユークリプタイト粉末と窒化珪素を４０：６０の質量割合でポットミル混合して乾燥させ、接合材用の混合粉末を作製した。この混合粉末を無機分が３０体積％となるようにエチルセルロースの１５％α−テルピネオール溶液と混合し、三本ロールを用いてペースト状にした接合材ペーストを得た。
なお、この接合材について同じ組成の焼結体を作製して前記と同様にして熱膨張係数を求めた。その結果は、２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が０．６５×１０−６／℃、ヤング率は２００ＧＰａであった。
【００２１】
さらに、β−ユークリプタイト粉末とβ−炭化珪素を６５：３５の質量割合でポットミル混合して乾燥させ、電極用の混合粉末を作製した。この混合粉末を前記と同様にペースト状にした。なお、この電極用の混合粉末と同じ組成の焼結体を作製して前記と同様にして熱膨張係数および導電率を求めた。その結果は、２０〜３０℃における平均の熱膨張係数は１．３８×１０−６／℃と低熱膨張であった。また、導電率は２．５×１０−２Ｓ／ｃｍであり、導電性低熱膨張セラミックスであることを確認した。
【００２２】
このようにして得た導電性低熱膨張セラミックス粉末ペーストを一方の低熱膨張セラミックス母材（直径２００ｍｍ×厚さ１０ｍｍ）の片面にスクリーンマスクを用いて、８０μｍの厚さに印刷した。次に、接合材ペーストを電極を形成した低熱膨張セラミックス母材表面ともう１枚の低熱膨張セラミックス母材（直径２００ｍｍ×厚み６ｍｍ）の表面に塗布し、スクリーンマスクを用いて片面８０μｍの厚さに印刷し強制乾燥後、５００℃で脱脂した。次に、接合材を塗付した母材面同士を密着させ、窒素雰囲気で１３４０℃の温度で熱処理し、接合材を溶融させて母材面同士を接合させて、電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造を具備する静電チャックを得た。
【００２３】
図１に本実施例で得られた静電チャックの模式的な断面図を示した。
ここで、１は低熱膨張セラミックス母材からなる基台で、２は、低熱膨張セラミックス母材からなるチャック部であり、３は電極である。また４は、基台とチャック部を接合材で接合した接合部である。
なお、本実施例では基台に電極を形成してからチャック部を接合して静電チャックを得る方法を説明したが、チャック部に電極を形成してから基台を接合して静電チャックを得ても良い。
【００２４】
本実施例で得られた静電チャックは、電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造であって、該電極は導電性低熱膨張セラミックスを含むペーストを付与することにより得られるものであり、かつ、母材同士が母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材により接合しているため、全体の熱膨張係数を小さすることができた。また、母材と接合材との熱膨張差が著しく小さいため接合部に亀裂がなかった。また、母材の剛性を維持し、しかも母材の強度からの大幅な低下を招かない程度の大きな接合強度を有していることが確認できた。
【００２５】
（実施例２）
実施例１と同様の手順で円盤状成形体を得、窒素雰囲気中１３８０℃で焼成して、直径２００ｍｍ×厚さ１０ｍｍと、直径２００ｍｍ×厚み６ｍｍの焼結体からなる低熱膨張セラミックス母材を得た。
次に、β−ユークリプタイト粉末とα−炭化珪素を６０：４０の質量割合でポットミル混合して乾燥させ、電極用の混合粉末を作製し、窒素雰囲気１３８０℃焼成により、焼結体を作製した。実施例１と同様にして得られた試験片の熱膨張係数および導電率を求めたところ、２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が１．４８×１０−６／℃であり、導電率は１．２×１０−３Ｓ／ｃｍであった。よって、得られた電極が、本発明の範囲の導電性低熱膨張セラミックスであることを確認した。
【００２６】
２枚の低熱膨張セラミックス母材の各接合面および電極となる導電性低熱膨張セラミックスの両面に、実施例１と同じ接合材ペーストをスクリーンマスクを用いて片面８０μｍの厚さに印刷し５００℃で脱脂した。
次に、電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に挟んで接合材印刷面同士を密着して０．５ｇ／ｍｍ２の荷重をかけ、窒素雰囲気で１３４０℃の温度で熱処理し、接合材を溶融させて２枚の低熱膨張セラミックス母材と電極とをお互いに接合して静電チャックを得た。
図２に本実施例で得られた静電チャックの模式的な断面図を示した。
ここで、１は低熱膨張セラミックス母材からなる基台で、２は、低熱膨張セラミックス母材からなるチャック部であり、３は電極である。また４は、基台と電極とチャック部をお互いに接合材で接合した接合部である。
【００２７】
本実施例で得られた静電チャックは、電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に配設した構造であって、電極が導電性低熱膨張セラミックスからなる焼結体であり、かつ、電極を２枚の低熱膨張セラミックス母材の間に挟んで母材よりも溶融温度の低い低熱膨張セラミックスからなる接合材で互いに接合しているため、全体の熱膨張係数を小さすることができた。また、母材と接合材との熱膨張差が著しく小さいため接合部に亀裂がなかった。また、母材の剛性を維持し、しかも母材の強度からの大幅な低下を招かない程度の大きな接合強度を有していることが確認できた。さらに、電極の近傍にクラックが発生しないことが確認できた。
【００２８】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、接合材の２０〜３０℃における平均の熱膨張係数が電極と低熱膨張セラミックス母材とほぼ同程度であるので、母材の接合部に亀裂がなく、母材の剛性を維持し、しかも母材の強度からの大幅な低下を招かない程度の大きな接合強度が得られる。さらに、電極の近傍にもクラックが発生しない静電チャックを得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の実施例１の静電チャックの模式的な断面図である。
【図２】本発明の実施例２の静電チャックの模式的な断面図である。
【符号の説明】
１  基台
２  チャック部
３  電極
４  接合部
【図１】
2004335742.tif 000003
【図２】
2004335742.tif 000004