(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
電導体表面に絶縁体が被覆された静電チャックにおいて、該電導体が、セラミックス粉末に無機バインダーを加えて成形し、それを焼成してなるプリフォームに、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料であり、該絶縁体が、セラミックスであることを特徴とする静電チャック。
【請求項２】
電導体表面に絶縁体が被覆された静電チャックにおいて、該電導体が、セラミックス粉末を型枠に充填した充填粉末に、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料であり、該絶縁体が、セラミックスであることを特徴とする静電チャック。
【請求項３】
前記セラミックス粉末が、１〜１００μｍの平均粒径を有するＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＣ粉末であり、前記金属が、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎの少なくとも１種を０．５〜１０質量％含むアルミニウム合金であり、前記絶縁体が、１０〜１００μｍの厚さを有するセラミックス溶射膜であることを特徴とする請求項１または２記載の静電チャック。
【請求項４】
１〜１００μｍの平均粒径を有するＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＣ粉末に、無機バインダーを加えて成形し、それを焼成してプリフォームを形成し、そのプリフォームにＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎの少なくとも１種を０．５〜１０質量％含むアルミニウム合金を７００〜１０００℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製した後、その複合材料表面に溶射によりセラミックス膜を形成することを特徴とする静電チャックの製造方法。
【請求項５】
１〜１００μｍの平均粒径を有するＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＣ粉末を型枠に充填し、その充填粉末にＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎの少なくとも１種を０．５〜１０質量％含むアルミニウム合金を７００〜１０００℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製した後、その複合材料表面に溶射によりセラミックス膜を形成することを特徴とする静電チャックの製造方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電チャック及びその製造方法に関し、特に金属−セラミックス複合材料から成る静電チャック及びその製造方法に関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電チャックは、半導体製造装置などの部品として最近広く使われるようになった。その理由は、機械的なチャッキングや真空チャックに比べ、発塵が少ない、真空中でも使えるなどのメリットが認められてきたためと思われる。
【０００３】
この静電チャックは、セラミックスなどで作製された堅固なものも使われ始めているが、まだまだ高価なため、アルミニウム合金などの金属表面にポリイミド膜やＡｌ2Ｏ3溶射膜などの絶縁膜を被覆しただけの簡易なものが主流である。このような静電チャックは、当然のことながら、耐久性に欠け、絶縁膜の頻繁な取り替えを必要とするので、メンテナンスが面倒ではあるが、常温に近い比較的低温で用いるならば支障なく十分使用できる。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の傾向としてＣＶＤなどの一部の装置には、より高温でのプロセッシングが求められ、それに伴って静電チャックにも耐熱性が必要となってきており、上述した簡易な静電チャックでは、この要求には全く不十分であった。それは、アルミニウム合金は融点が低く、また剛性も低いため、例えば４５０℃以上の温度下で繰り返し使用すると、僅かな繰り返し回数で変形を生じ、使用に耐えられなくなるからである。
【０００５】
本発明は、上述した静電チャックが有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、耐熱性に優れる静電チャックを提供し、その製造方法も提供することにある。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、金属に代えて金属−セラミックス複合材料を用いれば、耐熱性に優れた静電チャックが得られるとの知見を得て本発明を完成した。
【０００７】
即ち本発明は、（１）電導体表面に絶縁体が被覆された静電チャックにおいて、該電導体が、セラミックス粉末に無機バインダーを加えて成形し、それを焼成してなるプリフォームに、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料、であり、該絶縁体が、セラミックスであることを特徴とする静電チャックとし、また、（２）電導体表面に絶縁体が被覆された静電チャックにおいて、該電導体が、セラミックス粉末を型枠に充填した充填粉末に、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料であり、該絶縁体が、セラミックスであることを特徴とする静電チャックとし、また、（３）前記セラミックス粉末が、１〜１００μｍの平均粒径を有するＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＣ粉末であり、前記金属が、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎの少なくとも１種を０．５〜１０質量％含むアルミニウム合金であり、前記絶縁体が、１０〜１００μｍの厚さを有するセラミックス溶射膜であることを特徴とする請求項１または２記載の静電チャックとし、さらに、（４）１〜１００μｍの平均粒径を有するＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＣ粉末に、無機バインダーを加えて成形し、それを焼成してプリフォームを形成し、そのプリフォームにＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎの少なくとも１種を０．５〜１０質量％含むアルミニウム合金を７００〜１０００℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製した後、その複合材料表面に溶射によりセラミックス膜を形成することを特徴とする静電チャックの製造方法とし、さらにまた、（５）１〜１００μｍの平均粒径を有するＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＣ粉末を型枠に充填し、その充填粉末にＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎの少なくとも１種を０．５〜１０質量％含むアルミニウム合金を７００〜１０００℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製した後、その複合材料表面に溶射によりセラミックス膜を形成することを特徴とする静電チャックの製造方法とすることを要旨とする。以下さらに詳細に説明する。
【０００８】
上記静電チャックの電導体としては、セラミックス粉末に無機バインダーを加えて成形し、それを焼成してなるプリフォームに、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料、または、セラミックス粉末を型枠に充填した充填粉末に、金属を浸透させてなる金属−セラミックス複合材料とし、絶縁体としては、セラミックスとする静電チャックとした。金属とセラミックス粉末の複合材料を電導体としたのは、その複合材料が金属に近い電導性を有していることは勿論のこと、金属に比べはるかに耐熱性に優れ、しかも高温でも剛性が高く、耐クリープ性も良いことにある。
【０００９】
さらに、熱膨張率が低いことも大きな一因となっている。それは、アルミニウム合金は熱膨張率が極めて大きい金属として知られているが、これにセラミックス粉末を複合化すると、その量に応じて熱膨張率を小さくすることができ、それに伴って絶縁体であるセラミックスとの熱膨張率差を小さくすることができ、その結果、温度の変動に伴って発生する絶縁体内の熱応力をより低く抑えることができ、急激な熱衝撃にも耐えることができるようになることである。さらに、熱膨張率が小さいことにより静電チャックの面積をより広くすることも可能となり、特に半導体製造装置においては、今後予想されるシリコンウェハの大径化にも十分対応できる静電チャックとすることができる。
【００１０】
その複合材料中のセラミックス粉末としては、１〜１００μｍの平均粒径を有するＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＣ粉末とし、金属としては、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎの少なくとも１種を０．５〜１０質量％含むアルミニウム合金とし、複合材料を被覆する絶縁体としては、１０〜１００μｍの厚さを有するセラミックス溶射膜とした。
【００１１】
セラミックス粉末をＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＣ粉末としたのは、これら粉末が金属に浸透され易いことによる。それら粉末の細かさとしては、平均粒径で１〜１００μｍが好ましく、１μｍより細かいと金属の浸透が難しくなり、１００μｍより粗いと複合材料の表面が平滑になり難い。
【００１２】
また、金属をＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎを含むアルミニウム合金としたのは、アルミニウム合金の耐熱性を上げることができることによる。それは、例えば、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎを含まない純ＡｌないしはＡｌ−Ｍｇ系の合金であるとその耐熱性は６００℃程度に過ぎないが、Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎを１種以上含むと６５０℃以上に向上する。その含む量としては、０．５〜１０質量％が好ましく、０．５質量％より少ないと耐熱性向上の効果が少なく、１０質量％より多いと未含浸等の浸透不良を起こす。
【００１３】
さらに、絶縁体をセラミックス溶射膜としたのは、このセラミックス溶射膜が優れた耐熱性を有し、しかも複合材料の表面に容易に形成できることによる。その厚さとしては、１０〜１００μｍが好ましく、１０μｍより薄いと耐電圧が低くなり絶縁破壊が起こり易く、１００μｍより厚いと複合材料との熱膨張率差が顕著になり、熱衝撃による亀裂／破損が生じ易く、しかも吸着力も低下する。
【００１４】
上記静電チャックを製造する方法としては、１〜１００μｍの平均粒径を有するＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＣ粉末に、無機バインダーを加えて成形し、それを焼成してプリフォームを形成し、そのプリフォームにＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎの少なくとも１種を０．５〜１０質量％含むアルミニウム合金を７００〜１０００℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製した後、その複合材料表面に溶射によりセラミックス膜を形成することとする製造方法とした。
【００１５】
この方法は、電導体となる複合材料を、プリフォームを形成し、そのプリフォームにアルミニウム合金を浸透させることにより作製する方法で、複合材料中のセラミックス粉末の充填率が５０ｖｏｌ％以上と高い場合に適している。そして、この方法で作製された複合材料の表面に溶射によってセラミックス膜を形成することにより静電チャックが作製される。
【００１６】
一方、上記以外の他の製造方法としては、１〜１００μｍの平均粒径を有するＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＣ粉末を型枠に充填し、その充填粉末にＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎの少なくとも１種を０．５〜１０質量％含むアルミニウム合金を７００〜１０００℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製した後、その複合材料表面に溶射によりセラミックス膜を形成することとする製造方法とした。
【００１７】
この方法は、電導体となる複合材料を、型枠に充填したセラミックス粉末にアルミニウム合金を浸透させることにより作製する方法で、複合材料中のセラミックス粉末の充填率が５０ｖｏｌ％以下と低い場合に適している。そして、前記したと同様この方法で作製された複合材料の表面に溶射によってセラミックス膜を形成することにより静電チャックが作製される。
【００１８】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法をさらに詳しく述べると、先ず強化材として１〜１００μｍの平均粒径を有するＡｌＮ、Ａｌ2Ｏ3またはＳｉＣ粉末を用意する。プリフォームを形成する場合には、これら粉末に無機バインダーを、必要があれば有機バインダーを加えて混合する。混合方法は均一に混合できればどんな方法でも構わない。
【００１９】
得られた混合物を成形する。成形方法は、沈降成形、射出成形、ＣＩＰ成形などがあるが、いずれの方法でも構わない。要は非加圧で金属を浸透するのにプリフォームの形態を保つことができ、かつ浸透を阻害しない方法であれば何でもよい。その一例として沈降成形について述べると、例えば、上述のセラミックス粉末にコロイダルシリカ液などの無機バインダーを所定量添加し、それにイオン交換水を加え、その他必要に応じて消泡剤などを若干加えてポットミルで混合する。得られたスラリーを円板状の成形体が得られる型に振動しながら鋳込む。鋳込んだ後粒子が沈降する間はなるべく振動を加え充填をよくする。それを冷凍して脱型し、成形体を得る。
【００２０】
得られた成形体を所定温度で焼成してプリフォームを形成する。形成したプリフォームにＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎの少なくとも１種を０．５〜１０質量％含むアルミニウム合金を７００〜１０００℃の温度で非加圧で浸透させることにより電導体となる金属−セラミックス複合材料を作製する。Ｔｉ、Ｃｒ、Ｍｎについては、それら元素の違いで浸透速度が変化することもあるので、浸透させる温度及び時間は多少調整する必要がある。
【００２１】
なお、強化材がＳｉＣ粉末の場合、ＳｉＣ粉末にアルミニウム合金が浸透すると、ＡｌとＳｉＣとが反応して炭化アルミニウム（Ａｌ4Ｃ3）を生成し、このＡｌ4Ｃ3が常温で空気中の水分と容易に反応して水酸化アルミニウムとなり、これが金属中に不純物として存在し、欠陥となるので、あらかじめ合金中にＳｉを含ませておく必要がある。このＳｉは、耐熱性を著しく劣化させるため、強化材がＳｉＣでない場合には含ませないが、ＳｉＣの場合には前記した理由で含ませる必要があり、耐熱性が５００℃程度と低くなる。しかし、この場合にもＴｉ、Ｃｒ、Ｍｎの少なくとも１種を含ませることにより５５０℃以上に向上させることができる。
【００２２】
得られた複合材料の表面を必要な面粗さ、平面度になるよう研削加工し、その上面に溶射で１０〜１００μｍの厚さのセラミックス膜を形成して静電チャックを作製する。セラミックス膜の種類は最も一般的なのは、アルミナであるが、これに限定されるものではなく、必要な特性、例えば、高い誘電率が必要であれば、必要な誘電率の大きさに応じてセラミックスの種類を適宜選べばよい。
【００２３】
以上の方法で静電チャックを作製すれば、耐熱性に優れた静電チャックが得られる。
【００２４】
【実施例】
以下、本発明の実施例を具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００２５】
（実施例１）（１）静電チャックの作製強化材として１６μｍの平均粒径を有するシリカコーティングしたＡｌＮ粉末（ダウケミカル社製）を用い、それにバインダーとしてコロイダルシリカ液をそのシリカ固形分がＡｌＮ粉末１００質量部に対し２質量部となる量を添加し、さらにイオン交換水を３０質量部加え、ポットミルで１６時間混合した。得られたスラリーをφ２２０×厚さ２５ｍｍの円板状の成形体が得られるシリコーンゴム型に流し込んで沈降成形を行い、−３０℃に冷却して冷凍品を得た。得られた冷凍品を６００℃で５時間焼成してプリフォームを形成した。
【００２６】
形成したプリフォームとＡｌ−５Ｔｉ組成のアルミニウム合金とを組み合わせ、その合金を窒素気流中で８５０℃の温度で６０時間非加圧浸透させた後、冷却して金属−セラミックス複合材料を作製した。得られた複合材料の表面を表面粗さがＲｍａｘで６．３μｍ以下になるまで＃８０のダイアモンド砥石で研削した後、その上面にプラズマ溶射でＡｌ2Ｏ3膜を２０μｍの厚さに形成して静電チャックを作製した。
【００２７】
（２）評価
得られた静電チャックを電気炉に入れ、大気中６５０℃の温度で２時間保持し、冷却して取り出し目視観察した。その結果、変形は全く無かった。このことは、本発明の静電チャックが６５０℃以上の耐熱性を有していることを示している。
【００２８】
（実施例２）（１）静電チャックの作製強化材として＃１８０（平均粒径６６μｍ）の市販ＳｉＣ粉末７０質量部と＃８００（平均粒径１４μｍ）の市販ＳｉＣ粉末３０質量部を用い、それにバインダーとしてコロイダルシリカ液をそのシリカ固形分がＳｉＣ粉末１００質量部に対し２質量部となる量を添加し、それに消泡剤としてフォーマスタＶＬ（サンノブコ社製）を０．２質量部、イオン交換水を２４質量部加え、ポットミルで１２時間混合した。得られたスラリーをφ３５０×厚さ２５ｍｍの円板状の成形体が得られるシリコーンゴム型に流し込んで沈降成形を行い、−３０℃に冷却して冷凍品を得た。得られた冷凍品を１０５０℃で３時間焼成してプリフォームを形成した。
【００２９】
形成したプリフォームとＡｌ−１２Ｓｉ−３Ｍｇ−２Ｃｕ−３Ｔｉ組成のアルミニウム合金を組み合わせ、その合金を窒素気流中で８２５℃の温度で６０時間非加圧浸透させた後、冷却して金属−セラミックス複合材料を作製した。得られた複合材料の表面を表面粗さがＲｍａｘで６．３μｍ以下になるまでダイアモンド砥石で研削した後、その上面にプラズマ溶射でＡｌ2Ｏ3膜を３０μｍの厚さに形成して静電チャックを作製した。
【００３０】
（２）評価
得られた静電チャックを電気炉に入れ、大気中５５０℃の温度で２時間保持し、冷却して取り出し目視観察した。その結果、変形は全く無かった。このことは、本発明の静電チャックが５５０℃以上の耐熱性を有していることを示している。
【００３１】
【発明の効果】
以上の通り、本発明にかかる方法で静電チャックを製造すれば、耐熱性に優れた静電チャックを得ることができるようになった。このことにより、軽量、高剛性を維持しつつ、５５０〜６５０℃の耐熱性を有する材料はセラミックス以外にはないことから、より幅広い適用が可能となった。特に半導体製造装置の分野では、今後予想されるシリコンウェハの大径化に適応できるものとして多いに期待できる。