(57)【要約】 【課題】  セラミック中に埋設された金属製電極を具備し、該セラミック上に被吸着物を吸着する静電チャックであって、該セラミックの熱膨張係数が小さく、かつ、該セラミックが長期にわたり割れない静電チャックを提供する。【解決手段】  セラミック中に埋設された金属製電極を具備し、該セラミック上に被吸着物を吸着する静電チャックであって、該セラミックの２３±３℃における熱膨張係数が−１×１０-6〜１×１０-6／℃であって、かつ、該セラミックの平均粒径が６μｍ以下であることを特徴とする静電チャック。【選択図】        なし【特許請求の範囲】
【請求項１】
セラミック中に埋設された金属製電極を具備し、該セラミック上に被吸着物を吸着する静電チャックであって、該セラミックの２３±３℃における熱膨張係数が−１×１０-6〜１×１０-6／℃であって、かつ、該セラミックの平均粒径が６μｍ以下であることを特徴とする静電チャック。
【請求項２】
前記金属製電極が、タングステンまたはモリブデンであることを特徴とする請求項１記載の静電チャック。
【請求項３】
前記セラミックが、ユークリプタイト、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、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、希土類酸化物から選ばれる１種以上の材料とからなる複合セラミックであることを特徴とする請求項１または請求項２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、たとえば半導体製造装置に使用される半導体保持用の治具、具体的には、たとえば露光装置用、ＣＶＤ用として半導体ウエハ等の被吸着物を吸着保持するときに用いられる静電チャックに関するもので、特に、低熱膨張セラミック中に電極を埋設した静電チャックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体などの製造工程における半導体ウエハを処理する工程において、半導体ウエハ支持治具等の部材には、従来はアルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウムなどのセラミックが広く用いられていた。（たとえば、特許文献１参照。）  
【０００３】
ところが、近年、デバイスの微細化に伴い、その微細化を達成するために高い精度が求められ、たとえば、露光装置においては、位置決めに１０ｎｍ未満の精度が要求されている。したがって、位置合わせ誤差の低減が、今後の製品の品質向上や歩留まり向上、高スループット実現の大きな要素技術として捉えられるようになってきている。しかしながら、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウムでは、熱膨張係数が高いために温度の影響を受けやすく、このような極めて微小な位置決めはできないという問題点があった。
【０００４】
このことは、特にシリコンウェハを固定する静電チャックにおいて、大きな問題となってきた。
このため、低熱膨張のセラミックを用いた静電チャックが考案されている。（たとえば、特許文献２参照。）
【特許文献１】特開昭５３−９６７６２号公報
【特許文献２】特開２００１−３１３３３２号
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
前記した特許文献２の発明の実施の形態には、コージェライト中に電極を埋設し焼成する方法が述べられている。しかし、このようにして作製された静電チャックは、焼成直後は別段問題ないが、時間が経過するとセラミックに割れが発生するという問題が発生していた。
【０００６】
この割れの問題は、特に、２種類以上の材料からなる複合セラミック、たとえば、リチウムアルミノシリケートと炭化珪素といった、熱膨張係数が大きく異なるものを用いた場合に顕著に現れていた。
【０００７】
本発明らは、これら前記した課題を解決するために鋭意検討して完成されたものであり、その目的は、セラミック中に埋設された金属製電極を具備し、該セラミック上に被吸着物を吸着する静電チャックであって、該セラミックの熱膨張係数が小さく、かつ、該セラミックが長期にわたり割れない静電チャックを提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記した、本発明の課題は、下記した手段によって解決される。
（１）セラミック中に埋設された金属製電極を具備し、該セラミック上に被吸着物を吸着する静電チャックであって、該セラミックの２３±３℃における熱膨張係数が−１×１０-6〜１×１０-6／℃であって、かつ、該セラミックの平均粒径が６μｍ以下であることを特徴とする静電チャック。
【０００９】
（２）前記金属製電極が、タングステンまたはモリブデンであることを特徴とする（１）記載の静電チャック。
【００１０】
（３）前記セラミックが、ユークリプタイト、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、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、希土類酸化物から選ばれる１種以上の材料とからなる複合セラミックであることを特徴とする（１）または（２）に記載の静電チャック。
【発明の効果】
【００１１】
以下に具体的に説明するように、本発明によれば、熱膨張係数が小さいために温度変化による位置決め精度の低下がなく、さらには長期にわたり割れの発生しない静電チャックが得られるため製品歩留まりと信頼性の向上が可能となった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、実施例と比較例を示し、本発明を具体的に説明するが、本発明は下記の実施例に制限されるものではない。
【００１３】
本発明では、セラミック中に埋設された金属製電極を具備し、該セラミック上に被吸着物を吸着する静電チャックであって、該セラミックの２３±３℃における熱膨張係数が−１×１０-6〜１×１０-6／℃であって、かつ、該セラミックの平均粒径が６μｍ以下であることを特徴とする静電チャックを提案している。
【００１４】
従来の静電チャックは、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム等のセラミックを基材としているが、これらのセラミックは熱膨張係数が大きく、わずかな温度変化でも形状変化を引き起こしてしまうという課題がある。
しかし、熱膨張係数が本発明の２３±３℃の範囲で、−１×１０-6〜1×１０-6／℃の低熱膨張セラミックであれば、アルミナ、窒化珪素、炭化珪素、窒化アルミニウム等と比較して、大幅に熱膨張係数が小さいことから、温度変化による形状変形を受けにくくすることができ、そのような低熱膨張係数の基材を、精密測定装置や精密加工装置に使用するのは、装置の精度を保つ上で大変好ましい。なかでも、半導体製造装置である露光装置の部品、特に静電チャック用材料として特に適している。
【００１５】
ここで、本発明に係わる静電チャックの模式的な縦断面図を図１に示した。
基材１と基材上に設けられた電極２、およびその電極を被覆する誘電体層３から構成される。先に述べた低熱膨張セラミック製の静電チャックを作製する場合、誘電体層３を低熱膨張セラミックにしなければならない。電極２は金属が一般的に用いられるが、その熱膨張は小さい方が望ましいが、低熱膨張セラミックと比較して十分に熱膨張が大きいことから、その形状として極力薄いものを用いることが望ましい。基材１の材質も低熱膨張セラミックにする必要がある。なぜなら、基材に一般的なアルミナ等のセラミックを使用すると、基材の熱膨張による形状変化が誘電体層の形状変化を引き起こすからである。
【００１６】
この構造の静電チャックの作製方法のひとつとして以下の方法がある。
まず、基材となる低熱膨張セラミックを焼成する。次に、基材上に金属ペーストを焼きつける方法、または、めっき処理方法、または、ＰＶＤやＣＶＤの気相方法とかいずれかの方法により電極を形成する。
次に、この電極を被覆するように、低熱膨張セラミックを気相法で被覆するか、または、接着材で低熱膨張セラミックを貼り付けることにより静電チャックの作製を作成する。
【００１７】
しかし、この方法で作製した静電チャックは、基材と誘電体層が一体化していないため、温度変化による電極の形状変化を押さえ込むことができないという課題がある。
したがって、本発明で提案しているように基材と誘電体層が一体化した、つまり低熱膨張セラミック中に電極を埋設した構造であれば、電極の形状変化を押さえ込むことができるため、この様な構造を有する静電チャックが最も望ましい。
【００１８】
このような基材と誘電体層が一体化した静電チャックとして、コージェライト中に電極を埋設し焼成する方法が述べられている。この際の焼成方法として、ホットプレス法や熱間静水圧焼成法があげられているが、この様にして作製された静電チャックは、焼成直後何も問題はないが、時間が経過すると割れが発生すという課題があった。
【００１９】
本発明者がこの問題を調査した結果、割れは電極付近を起点に発生していた。また、割れが発生したものと発生しなかった静電チャックとの間に、セラミックの焼結平均粒径に差があることが認められた。すなわち、割れが発生したものは、セラミックの平均粒径が６μｍを超えるものであった。特に、２種類以上の材料からなる複合セラミック、たとえば、ユークリプタイトと炭化珪素からなる複合セラミックで顕著に認められた。
【００２０】
これは、ホットプレス法や熱間静水圧焼成法によって電極を埋設して焼成した場合、低熱膨張セラミックと、電極の熱膨張差に起因する応力が残留するが、このとき、セラミックの粒成長が進みすぎると、セラミック粒子間の結合力が弱くなってしまい、この応力によって破壊に至ることが原因であると考えられる。
【００２１】
この現象は、２種類以上の複合セラミックの場合に多くみられ、特に熱膨張係数が大きく違うものについて顕著に現れていた。これは、熱膨張係数が異なる材料の場合、粒成長が進むと、セラミック粒子各々に応力が発生し、最悪の場合には、マイクロクラックが発生してしまう。こうなると、電極が埋設されていなくても、割れが発生してしまうことになる。つまり、電極を埋設した低熱膨張セラミック製静電チャックにおいて、２種類以上の熱膨張係数のことなる材料からなる複合セラミックは、単一組成のセラミックと比較して、割れが発生しやすい。
【００２２】
以上説明したように、本発明者らが詳細に検討した結果、セラミックに割れが発生するか否かの平均粒径の境目は６μｍであり、この値に臨界的な意義があることを見出し本発明を完成したものである。
【００２３】
電極材料についてであるが、これは先に述べたように、割れの原因が低熱膨張セラミックと電極との熱膨張差によるところが大きいため、低熱膨張セラミックとの熱膨張差が少ない金属を用いなければならない。さらに、低熱膨張セラミック中に電極を埋設し、一体焼成するため、その電極は高融点金属である必要がある。このため、電極材料は、タングステンやモリブデンであることが望ましく、これらを主成分とする合金を用いることもできる。（請求項２に係わる事項である。）
【００２４】
その形状であるが、電極として使用するため、面状であることが望ましく、箔やメッシュを使うことができる。焼成時の応力を低減するために、その体積は少なくすることが望ましい。そのため、箔であれば薄いほうがよく、０．３ｍｍ以下のものを用いるのが望ましく、メッシュであれば線径０．３ｍｍ以下のものを用いるのが望ましい。
【００２５】
電極の温度変化による寸法変化を低熱膨張セラミックが押さえ込む必要があるが、このためには、図１でいう基材と誘電体層の接触面積が大きい方がよい。このため、金属箔よりもメッシュの方が好ましく、開孔率としては２５％以上あることが望ましい。金属箔であるならば、パンチングメタルのように中抜き加工をしたものを用いるのが好ましく、開効率が２５％以上あることが望ましい。
【００２６】
低熱膨張のセラミックとしては、コージェライト、ユークリプタイト、リン酸ジルコニル、リン酸ジルコニウムカリウム、スポジューメンを主成分としたものが有名である。しかし、このようなセラミックは剛性が低いため、本発明者等は、前記セラミック複合材料が、ユークリプタイト、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、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ることを特徴とする低熱膨張セラミック複合材料を提案している。（請求項３に係わる事項である。）
【００２７】
その理由は、ユークリプタイト、コーディエライトは、熱膨張係数が極めて小さく、炭化珪素、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、ケイ酸カルシウムは、熱膨張係数はリチウムアルミノシリケート、コーディエライト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、所望の低熱膨張が得られるだけでなく、高剛性を兼備した材料が得られるからである。
そうすることで、熱膨張係数が本発明の２３±３℃の範囲で、−１×１０-6〜1×１０-6／℃であり、室温でのヤング率が１２０ＧＰａ以上のである剛性の高い低熱膨張セラミックを得ることが可能となる。
【００２８】
これらの複合材料に限らず、コージェライト、ユークリプタイト、リン酸ジルコニル、リン酸ジルコニウムカリウム、スポジューメンの単一組成のセラミック、もしくはこれらに焼結助剤として希土類酸化物を加えたものであっても、前記の平均粒径６μｍ以下であることを満たすことで、大幅に割れの発生の低減が期待できる。
【００２９】
以下、実施例と比較例を用いて本発明をさらに詳細に説明する。
（１）原料粉末の配合  
（試験Ｎｏ．１−５）
原料となるユークリプタイト粉末は、市販の粉末をボールミルを用いて平均粒径が１．５μｍ以下になるまで粉砕し、炭化珪素粉末は、平均粒径が０．７μｍのα−ＳｉＣとし、これらを所定量配合し原料粉末とした。
【００３０】
（試験Ｎｏ．６−７）
原料となるコージェライト粉末は、市販の粉末をボールミルで粉砕し、平均粒径が１．５μｍ以下になるまで粉砕し、希土類酸化物粉末は、平均粒径が１．２μｍの酸化イットリウムとし、これらを所定量配合し原料粉末とした。
【００３１】
（２）電極の形成とセラミックの焼成
電極は、線径φ０．１ｍｍで５０メッシュのタングステンメッシュをφ２００の形状に切り出したものを使用した。
この配合原料粉末を所定量φ２２０ｍｍの治具に充填し、プレスした後、その上にタングステンメッシュを配置し、さらにその上から粉末を充填した。粉末の充填量は、焼きあがった焼結体の寸法が、φ２２０×１０ｍｍになり、電極位置が焼き上がった焼結体の片面から３ｍｍの深さに位置するようにした。このようにして、原料が充填された治具をホットプレス焼成することで、電極を埋設した低熱膨張セラミックを得た。
このとき、平均粒径の大きさを制御するために、各試料について、焼成温度、焼成時間、プレス圧を変えて焼成をおこなった。
【００３２】
（３）複合セラミック材料の評価
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を用いて２３±３℃の範囲において試験片の変位量を測定し、複合材料の熱膨張係数を求め、２３±３℃の範囲で、−１×１０-6〜1×１０-6／℃であるものを試験に用いた。
同様に、焼成したセラミックから試験片を切り出し、ＳＥＭ観察をすることで、平均粒径を測定した。
次に、得られた焼結体を、温度２３℃、湿度５０％の恒温恒湿環境下で３０日間静置し、割れが発生するまでの期間を測定した。
以上の平均粒径の測定結果と割れが発生するまでの日数を評価結果を表１にまとめて示した。
【００３３】
【表１】
2005228934.tif 000002
【００３４】
表１の結果から明らかなように、本発明の実施例であるセラミックの平均粒径が６μｍ以下のもの（試験Ｎｏ．１，２，３，６）については、３０日経過後も割れが発生しなかったが、本発明の比較例であるセラミックの平均粒径が６μｍを超えたもの（Ｎｏ．４，５，７）には割れが発生していた。
このことから、本発明によれば、セラミックが長期にわたり割れを抑制できる効果は明らかであった。
【図面の簡単な説明】
【００３５】
【図１】本発明に係る静電チャックの模式的な縦断面図である。
【符号の説明】
【００３６】
１；誘電体層
２；電極
３；基材
【図１】
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