(57)【要約】      （修正有）【課題】  本発明は、ジョンセンラーベック力による静電吸着を安定して行う静電チャックを提供する。【解決手段】  室温での熱膨張係数の絶対値が６×１０-7／Ｋ以下、嵩密度９５％以上、体積抵抗率が１×１０12Ωｃｍ以上１×１０14Ωｃｍ未満であり、実質的に単相からなる材料を誘電体部とすることを特徴とする静電チャックである。また、誘電体部を構成する材料が、ヤング率が１００ＧＰａ以上で比剛性が４０ＧＰａ・ｃｍ3／ｇ以上である。さらに、誘電体部を構成する材料の化学組成が、ＭｇＯ：８．０〜１７．２質量％、Ａｌ2Ｏ3：２２．０〜３８．０質量％、ＳｉＯ2：４９．５〜６５．０質量％、Ｌｉ2Ｏ：０．１〜２．５質量％の範囲にあり、化学組成の質量比が（ＳｉＯ2−８×Ｌｉ2Ｏ）／ＭｇＯ≧３．０、（ＳｉＯ2−８×Ｌｉ2Ｏ）／  Ａｌ2Ｏ3≧１．２からなる。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
室温での熱膨張係数の絶対値が６×１０-7／Ｋ以下、嵩密度９５％以上、体積抵抗率が１×１０12Ωｃｍ以上１×１０14Ωｃｍ未満であり、実質的に単相からなる材料を誘電体部とすることを特徴とする静電チャック。
【請求項２】
誘電体部を構成する材料が、ヤング率が１００ＧＰａ以上で比剛性が４０ＧＰａ・ｃｍ3／ｇ以上とな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】
誘電体部を構成する材料の化学組成が、ＭｇＯ：８．０〜１７．２質量％、Ａｌ2Ｏ3：２２．０〜３８．０質量％、ＳｉＯ2：４９．５〜６５．０質量％、Ｌｉ2Ｏ：０．１〜２．５質量％の範囲にあり、化学組成の質量比が（ＳｉＯ2−８×Ｌｉ2Ｏ）／ＭｇＯ≧３．０、（ＳｉＯ2−８×Ｌｉ2Ｏ）／Ａｌ2Ｏ3≧１．２からなることを特徴とする請求項１又は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、静電力を利用したチャックに関するものであり、特に、露光装置等の高精度位置合せが必要とされるような半導体製造工程等で用いられる静電チャックに関するものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程においては、部材や被加工物の固定のためにチャックが広く使われており、これには真空吸着方式や機械固定式をはじめとして静電吸着方式等、様々な固定方式が提案されている。特に、静電吸着を利用する静電チャックは、大面積ウェハであっても面内均一な力で固定でき、また、真空中での動作が可能なことから、その利用が広がっている。
【０００３】
一方、半導体のデザインルールの微細化に伴って、半導体製造装置を構成する部材には、高度な寸法安定性が要求されるようになってきている。特に、温度変化による部材の変形を抑制するために、低熱膨張であることが求められている。静電チャックにも近年高度な低熱膨張性が求められ、静電チャックの吸着部となる誘電体部を構成する材料を低熱膨張材料とすることが強く望まれている。
【０００４】
さらに、スループット向上のためには部材の軽量化、共振周波数の高周波化が必要とされることから、該誘電体部に高いヤング率の実現をも求められている。
【０００５】
低熱膨張材料としては、低熱膨張ガラス、コーディエライト、スポジューメンあるいはチタン酸アルミニウム等の種々の低熱膨張セラミックスが存在する。低熱膨張ガラスとしては、例えば、特許文献１には、部分結晶化処理を行った低熱膨張ガラスが開示されている。部分結晶化処理を行った材料は、互いに符号の異なる熱膨張係数を持つ結晶部分とガラス部分が材料中に共存することで、材料全体として熱膨張を相殺し、低熱膨張を実現している。これらの低熱膨張ガラスは、熱膨張係数が室温でほぼ零であるが、ヤング率は９０ＧＰａ程度であり、部材として十分なヤング率を有するものではない。また、コーディエライト、スポジューメンあるいはチタン酸アルミニウム等のいわゆる従来の低熱膨張セラミックスも、必ずしも高いヤング率と十分に低い熱膨張係数を併せ持つものではなかった。
【０００６】
この高いヤング率と低熱膨張係数を持つ材料が、特許文献２に開示されている。これは、低熱膨張セラミックスが、負の熱膨張係数の化合物（例えば、β−ユークリプタイトやコーディエライト等）と、正の熱膨張係数の化合物（例えば、炭化珪素や窒化珪素等）を上手く組合わせて、熱膨張係数を−０．５×１０-5〜０．５×１０-5／Ｋの範囲とした上で、ヤング率が１２０ＧＰａ以上とする、と言うものである。また、これらの材料を誘電体として、ジョンセンラーベック力を用いた静電チャックとした旨の記載もある。なお、これらの材料の体積抵抗率は、１×１０8〜１×１０13Ω・ｃｍと記載されている。
【０００７】
しかし、特許文献２の手法では、低熱膨張セラミックスが２相構造となり、正の熱膨張係数の化合物と負の熱膨張係数の化合物との熱膨張係数の差が大きくなると、焼結した際に内部にマイクロクラックが発生して、絶縁耐圧が低下してしまう旨を記載し、負の熱膨張係数の化合物の熱膨張係数の上限を規定している。しかし、２相であるがゆえ、大型品の焼結を行う際等は、マイクロクラック発生を防ぐべく、ゆっくりと昇降温する必要があるため、生産性に問題があった。
【０００８】
また、デザインルールの微細化のためには、ウェハを保持する静電チャックの面精度を高めて、表面粗さを十分に低減することが必須であり、これを実現するためには、静電チャックの誘電体部が均一な材料であることが必要となるが、該手法では、２相の微妙な剛性差から研磨の進行が異なり、著しい場合は粒子毎に段差が発生するため、面粗さが悪化し、十分な面精度が得られない危険があった。
【０００９】
そこで、我々は、特許文献３にあるように、高いヤング率と十分に低い熱膨張係数を併せ持ち、ポアやマイクロクラックが少なく、高い面精度が得られるような実質的に単相となる材料を開発した。
【００１０】
我々が見出した材料は、室温での熱膨張係数の絶対値が６×１０-7／Ｋ以下、ヤング率が１００ＧＰａ以上で比剛性が４０ＧＰａ・ｃｍ3／ｇ以上、実質的に単相からなる材料である。特に、誘電体部を構成する材料の化学組成が、ＭｇＯ：８．０〜１７．２質量％、Ａｌ2Ｏ3：２２．０〜３８．０質量％、ＳｉＯ2：４９．５〜６５．０質量％、Ｌｉ2Ｏ：０．１〜２．５質量％の範囲にあり、化学組成の質量比が（ＳｉＯ2−８×Ｌｉ2Ｏ）／ＭｇＯ≧３．０、（ＳｉＯ2−８×Ｌｉ2Ｏ）／  Ａｌ2Ｏ3≧１．２の範囲を満たし、さらに、焼結助剤として遷移元素の１種又は２種以上：酸化物換算で２．０質量％以下を含む化学組成とすると、実質的に単相の前述特性範囲に入る低熱膨張高比剛性セラミックス焼結体となり、良い特性が得られることを見出した。
【００１１】
しかしながら、この材料は、焼結温度や焼結助剤の残存量等により、体積抵抗値が１０11〜１０14Ω・ｃｍ台と安定しないため、ジョンセンラーベック力を用いた静電チャックを安定して作成するのが困難と考えられた。
【００１２】
【特許文献１】特開昭５０−１３２０１７号公報
【特許文献２】特開２００３−２７３２０３号公報
【特許文献３】特開２００１−１９５４０号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１３】
本発明が解決しようとする課題は、高いヤング率と十分に低い熱膨張係数を併せ持ち、ポアやマイクロクラックが少なく高い面精度が得られるような実質的に単相となる材料で、体積抵抗値を安定化させて、ジョンセンラーベック力による静電吸着を行う静電チャックを安定して提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明の要旨とするところは、以下のとおりである。
（１）  室温での熱膨張係数の絶対値が６×１０-7／Ｋ以下、嵩密度９５％以上、体積抵抗率が１×１０12Ωｃｍ以上１×１０14Ωｃｍ未満であり、実質的に単相からなる材料を誘電体部とすることを特徴とする静電チャック。
（２）  誘電体部を構成する材料が、ヤング率が１００ＧＰａ以上で比剛性が４０ＧＰａ・ｃｍ3／ｇ以上であることを特徴とする（１）に記載の静電チャック。
（３）  誘電体部を構成する材料の化学組成が、ＭｇＯ：８．０〜１７．２質量％、Ａｌ2Ｏ3：２２．０〜３８．０質量％、ＳｉＯ2：４９．５〜６５．０質量％、Ｌｉ2Ｏ：０．１〜２．５質量％の範囲にあり、化学組成の質量比が（ＳｉＯ2−８×Ｌｉ2Ｏ）／ＭｇＯ≧３．０、（ＳｉＯ2−８×Ｌｉ2Ｏ）／  Ａｌ2Ｏ3≧１．２からなることを特徴とする（１）又は（２）に記載の静電チャック。
【発明の効果】
【００１５】
本発明によれば、精密研磨が可能で、寸法安定性に優れると共に、十分な吸着力を有する静電チャックを提供することができる。さらに、該誘電体用セラミックス焼結体の嵩密度を高位安定化させることにより、漏れ電流の少ない静電チャックを歩留まり良く提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１６】
ジョンセンラーベック力による静電吸着の原理図を図１に示す。この力は、ウェハ表面と絶縁層表面の小さなギャップに微小電流を流し、帯電分極して誘起させることにより生じる力である。この小さなギャップに相当するのが、誘電体部で、ガラスやセラミックスで検討されているものである。本発明も、この誘電体部の材料に関するものである。
【００１７】
精密加工技術を最も必要とされる半導体製造装置分野では、精密位置決めを１００ｎｍ以下で実現することが必須となっているが、部材の熱膨張は、これに対する大きな障害の一つである。例えば、１×１０-6／Ｋの熱膨張係数を持つ５００ｍｍの部材の温度が１℃変化すると、部材の端面で５００ｎｍの偏差が発生し、十分な精度での露光を行うことが困難となる。このような影響を避けるため、部材の熱膨張係数の絶対値はできる限り小さいことが求められるが、６×１０-7／Ｋ以下であれば、何とか露光精度を得ることができる範囲に入る。
【００１８】
部材のヤング率は、前述の観点から、出きるだけ高いことが求められるが、特に、１００ＧＰａ以上で比剛性が４０ＧＰａ・ｃｍ3／ｇ以上であると、既存の低熱膨張ガラスを上回る剛性によるメリットを得ることができる。
【００１９】
実質的に単相からなり、かつ室温での熱膨張係数の絶対値が６×１０-7／Ｋ以下、ヤング率が１００ＧＰａ以上で比剛性が４０ＧＰａ・ｃｍ3／ｇ以上である材料としては、コーディエライト近傍の組成からなるセラミックス等、いくつかの材料が本発明の用途に適用可能である。特に、このような特性を全て満足する材料として、誘電体部を構成する材料の化学組成が、ＭｇＯ：８．０〜１７．２質量％、Ａｌ2Ｏ3：２２．０〜３８．０質量％、ＳｉＯ2：４９．５〜６５．０質量％、Ｌｉ2Ｏ：０．１〜２．５質量％の範囲にあり、さらに、化学組成の質量比が（ＳｉＯ2−８×Ｌｉ2Ｏ）／ＭｇＯ≧３．０、（ＳｉＯ2−８×Ｌｉ2Ｏ）／  Ａｌ2Ｏ3≧１．２であることを特徴とする黒色低熱膨張高比剛性セラミックス焼結体である場合に、特に良い結果が得られる。
【００２０】
該組成を有するセラミックスは、実質的に単相のコーディエライト質からなるものである。ここで示すコーディエライト質とは、純粋なコーディエライト以外に、固溶等の効果によって結晶格子面間隔が変化し、Ｘ線回折で観察される回折ピークの位置がシフトしているものの、コーディエライトの構造を保っている物質をも指す。また、本発明で示すところの実質的に単相とは、不可避的に混入する不純物やコーディエライト以外の結晶相、粒界相等の異相の存在を少量であれば許容するものである。この許容可能な異相の量は、２０％以下であり、より望ましくは１０％以下である。
【００２１】
以上の成分範囲については、特許文献３に記載のとおりであるが、この材料を誘電体部として静電チャックを安定して作製する際には、この材料の体積抵抗率を安定させる必要があった。同一条件で焼成したつもりでも、僅かなセッティングの違いから体積抵抗率が１０9〜１０14Ωｃｍ台と、４桁以上に渡り容易に変化してしまうのである。
【００２２】
そこで、我々は、本材料の嵩密度に着目した。即ち、嵩密度が低くなるにつれ体積抵抗率のばらつきが大きくなったことから、嵩密度を高位安定化することで、体積抵抗率を安定させることに成功したのである。そして、体積抵抗率を安定化させることで、静電チャックとしての特性を安定化させることができた。
【００２３】
嵩密度を高位安定化させる方法として、本成分系における焼成温度付近で長時間の熱処理を行うか、圧力を掛けながら焼成を行うといった方法を用いれば良く、特に、一軸の圧力を加えながら焼成するホットプレス焼成や、当方的に圧力を加えながら焼成する熱間静水圧焼成の場合には、圧力が均等に加わることから嵩密度が９５％以上と高位安定させることができ、体積抵抗値も３×１０12〜２×１０13Ωｃｍ程度と、ばらつきが一桁以内で安定させることができ、好適であった。さらに、通常の条件で焼成した後に、再度熱間静水圧焼成を行うことで、嵩密度を９８％以上と非常に緻密にすることができ、体積抵抗値も５×１０12〜１×１０13Ωｃｍ程度と、実質的に半桁内程度で安定させることができた。
【００２４】
体積抵抗値が１０12〜１０13Ωｃｍ台と高いことから、静電チャックとした際の漏れ電流が１０-6台（μＡ）以下となり、被チャック材であるウェハに対し、漏れ電流による破損等を著しく抑えることが可能となった。
【００２５】
なお、嵩密度が低く、体積抵抗率がばらつく材料であっても、静電チャックとして機能はするが、静電チャックとしての吸着力や漏れ電流と言った特性がばらつく。そのため、歩留まりよく特性の安定した静電チャック供給すると言う本発明の目的に対しては好適でない。
【００２６】
また、嵩密度が高くなることにより、焼結体のヤング率は１２０ＧＰａ以上と向上し、比剛性も５０ＧＰａ・ｃｍ3／ｇ以上と、さらに優れた特性を得ることができた。
【実施例】
【００２７】
表１に示す組成、表２に示す焼成条件で、低熱膨張材料を作製し、静電チャックの誘電体とした。実施例１〜３及び比較例１〜３において、原料粉末としては、電融コーディエライト（平均粒径３μｍ）、シリカ（溶融シリカ平均粒径０．７μｍ）、ペタライト（平均粒径４μｍ）、アルミナ（平均粒径０．３μｍ）、β−スポージューメン（平均粒径５μｍ）、ユークリプタイト（平均粒径５μｍ）、ムライト（平均粒径１μｍ）を用い、遷移元素源の原料としては、遷移元素の酸化物・水酸化物・硝酸塩・炭酸塩あるいは金属粉を用いた。
【００２８】
これら原料粉末を調合し、樹脂バインダー３質量部を加え、水を溶媒としてアルミナポットミル中で２４時間混合した。このスラリーを乾燥造粒し、静水圧１．５×１０8Ｐａの圧力で成形した。得られた成形体を空気中で５００℃まで昇温して樹脂バインダーを脱脂した。これら脱脂した成形体を、所定の温度、雰囲気、圧力下で所定時間焼成して焼結体を得た。
【００２９】
【表１】
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【００３０】
【表２】
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【００３１】
上記の方法で得られた焼結体は、表２にあるような特性を有していた。ここで、熱膨張係数は、ＪＩＳ−Ｒ３２５１に基づき、二重光路マイケルソン型レーザー干渉計方式の熱膨張測定器にて室温の値（２３℃）を測定した。ヤング率は、ＪＩＳ−Ｒ１６０２により、超音波パルス法にて室温で測定した。嵩密度は、アルキメデス法により測定、算出した。焼結体の結晶相の比率は、焼結体の研削面のＸ線回折結果より求めた。
【００３２】
この焼結体を１ｍｍまで研削して誘電体部とした後、金蒸着により片面に電極を形成して、電極面と反対側の面を静電吸着部とした静電チャックを作製した。
【００３３】
表３は、それぞれの焼結体の比剛性、体積抵抗率と、静電チャックの吸着力、リーク電流である。吸着力は、吸着面にシリコンウェハを吸着させた後、シリコンウェハを引き剥がすのに要する力を計測して評価を行った。静電チャックの駆動電圧は１０００Ｖとし、リーク電流は、電極とシリコンウェハとの間で流れる電流を微小電流計にて測定した。
【００３４】
【表３】
2005303237.tif 000005
【００３５】
実施例１〜３においては、低熱膨張でかつ高ヤング率で嵩密度の高い材料が得られ、体積抵抗率も、同時に焼成した３サンプルとも、ほぼ１０12Ωｃｍ台で、ばらつきも一桁以内に安定していた。そのため、静電チャックとした時の吸着力も６×１０4Ｐａ程度で、±０．３Ｐａとばらつきのない安定したものとなった。
【００３６】
一方、比較例１及び２においては、低熱膨張でかつ高ヤング率ではあるが、嵩密度がやや低い材料となり、同条件で焼成した３サンプルの体積抵抗率のばらつきは２桁に渡るほど大きく、その結果、静電チャックの吸着力も大きくばらついた。即ち、静電チャックの誘電部を安定供給することが困難となってしまった。
【００３７】
比較例３においては、熱膨張やヤング率と言った特性も悪化しており、嵩密度は比較例１や２よりも高くなったものの、特性のばらつきは否めないものであった。
【００３８】
以上のように、同一条件で焼成した材料でも、嵩密度により大きく特性がばらつくことが分かり、嵩密度を９５％以上と高位安定化させることで、静電チャックとしての特性のばらつきを抑えることができた。さらに、嵩密度９８％以上の場合には、高ヤング率となることも分かった。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】ジョンセンラーベック力による静電吸着を用いた静電チャックの模式図
【図１】
2005303237.tif 000006