JP4939379B2 - 静電チャック用窒化アルミニウム焼結体 - Google Patents

Description

本発明は、静電チャック用窒化アルミニウム焼結体に関する。より詳細に、本発明は、半導体ウェーハを支持する静電チャックに利用される窒化アルミニウム焼結体に関する。

半導体製造工程や液晶製造工程で半導体基板又はガラス基板を支持する静電チャックが使用されている。静電チャックは、大きくクーロン力を利用する方式とジョンソンラーベク力（Ｊｏｈｎｓｏｎ−Ｒａｈｂｅｋ‘ｓ ｆｏｒｃｅ）を利用する方式とに分類することができる。

クーロン力を利用する方式の静電チャックは、誘電体上下面に存在する互いに異なる電荷を有する粒子間の静電気的引力を利用してウェーハを固定する。この場合、誘電体は１×１０^１５Ωｃｍ以上が好ましい。しかし、半導体基板又はガラス基板が大型化されることにより、十分に大きい静電吸着力をウェーハ接触面全体に均一に形成しないという問題がある。

ジョンソンラーベク力を利用する方式の静電チャックは、相対的に低い体積抵抗率、例えば、１×１０^８〜１×１０^１５Ωｃｍの体積抵抗率を有する誘電体を利用して十分な吸着力を提供することができる。しかし、誘電体の体積抵抗率が１×１０^８Ωｃｍ以下である場合、漏洩電流が発生することがあり、誘電体の体積抵抗率を１×１０^１１〜１×１０^１５Ωｃｍの範囲に維持されることが必要である。

静電チャックは、これまでに多くの提案があり、例えば、クーロン力を利用した方式の静電チャックとして、十分な吸着力を得ることが可能で、加工中にクラックの生じない静電チャック〔特許文献１参照〕、吸着力を維持しつつ、基板に付着するパーティクルを低減した静電チャック〔特許文献２参照〕などがあり、ジョンソン−ラーベック力を利用した方式の静電チャックとして、セラミックス層と樹脂層の誘電体層と、静電吸着力を発生させる電極を備えて、過剰なリーク電流の発生を抑制し、吸着特性の長期維持、及び基板の脱着応答性の向上を図った静電チャック〔特許文献３参照〕、通常２５０℃以上の高温雰囲気下においては高い吸着力が得られる窒化アルミニウム静電チャックに対し、窒化アルミニウム焼結体中に窒化チタンと、その他酸化イットリウム、酸化エルビウム、酸化イッテルビウムなどを含有させて２００℃以下の温度雰囲気下においても十分な吸着力が得られるようにした静電チャック〔特許文献４参照〕などがある。
また、温度変化に伴う体積抵抗率の変化が小さい窒化アルミニウム焼結体として、サマリウムとランタンの少なくとも１種、鉄およびニッケルを含む窒化アルミニウム焼結体〔特許文献５参照〕、希土類元素を含む窒化アルミニウム焼結体〔特許文献６参照〕の提案がある。

特開２００７−２１４２８８号公報 特開２００７−１７３５９６号公報 特開２００６−２８７２１０号公報 特開２００２−３２４８３２号公報 特開２００６−０４５０００号公報 特開平１１−１００２７０号公報

又、静電チャックに所定の電圧を印加すると漏洩電流が非線形的に増加する。この時の漏洩電流（Ｉ）と印加電圧（Ｖ）は下記の式１（式中、Ｉは漏洩電流、Ｖは印加電圧、ａは非線形係数、ｋは比例常数）である。

式１において、印加電圧Ｖに対する漏洩電流Ｉの増加係数である非線形係数ａの値が１．０以下の値を有することが好ましい。

従って、本発明の目的は、従来技術における問題点を解決すべく、印加された電圧に対して一定範囲の体積抵抗率を有することができる静電チャック用窒化アルミニウム焼結体を提供することにある。

上記目的を達成すべく本発明の静電チャック用窒化アルミニウム焼結体は、化学式がＣｒ _２ Ｏ _３ で示されるクロム酸化物０．１〜１．０重量％と、化学式がＹ _２ Ｏ _３ で示されるイットリウム酸化物１．０〜３．０重量％と、残部が窒化アルミニウムで全体を１００重量％とした組成でなることを特徴とする。

また、本発明の窒化アルミニウム焼結体は、体積抵抗率が常温で１×１０^１３〜１×１０^１５Ωｃｍであり、１００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率に対し、３０００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率の変化率が、５％以内であることを特徴とする。

本発明による静電チャック用窒化アルミニウム焼結体は、アルミニウム窒化物を主成分とし、クロム酸化物０．１〜１．０重量％を加えて全体で１００重量％とした組成でなっており、窒化アルミニウム焼結体の体積抵抗率は、常温で１×１０^１３Ωｃｍ〜１×１０^１５Ωｃｍである。

窒化アルミニウム焼結体の組成において、クロム酸化物が０．１重量％未満であるとき、窒化アルミニウム焼結体の高印加電圧時の体積抵抗率が１×１０^１３Ωｃｍ以下に低下し、１．０重量％を超えても窒化アルミニウム焼結体でも高印加電圧時に体積抵抗率が１×１０^１３Ωｃｍ以下に低下する。又、０．１重量％未満又は１．０重量％超過のクロム酸化物を含む窒化アルミニウム焼結体では、１００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率に対し、３０００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率の変化率が大きくなる。

また、本発明による静電チャック用窒化アルミニウム焼結体は、その焼結性を向上させるために、さらに酸化イットリウムを加えることとし、窒化アルミニウムを主成分とし、これにクロム酸化物０．１〜１．０重量％と、酸化イットリウム１．０〜３．０重量％を加えて全体で１００重量％とした組成とすることもできる。

この組成で、酸化イットリウムが１．０重量％未満のとき、窒化アルミニウム焼結体の焼結性が悪くなり、相対密度が低下することがあり、酸化イットリウムが３．０重量％を超えたときには、窒化アルミニウム焼結体の体積抵抗率は増加する反面、１００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率に対し、３０００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率の変化率が大きくなることがある。

次に窒化アルミニウム焼結体の形成方法について述べる。まず、クロム酸０．１〜１．０重量％と、残部が窒化アルミニウムで全体を１００重量％とした組成割合で窒化アルミニウム粉末とクロム酸化物粉末を混合し、さらに溶媒に入れて混合した後、乾燥粉砕する。溶媒の例として、無水エタノールが挙げられる。

また、別の実施の形態では、クロム酸０．１〜１．０重量％と、イットリウム酸化物１．０〜３．０重量％と、残部が窒化アルミニウムで全体を１００重量％とした組成割合で窒化アルミニウム粉末とクロム酸化物粉末、およびイットリウム酸化物粉末を混合し、さらに溶媒に入れて混合した後、乾燥粉砕する。

次いで、窒化アルミニウム粉末にクロム酸化物粉末、第二の実施の形態ではさらにイットリウム酸化物粉末が加えられた粉末混合物を焼結して窒化アルミニウム焼結体とする。

焼結工程における焼結温度は、好ましくは１７００〜１８５０℃、さらに好ましくは１７５０〜１８００℃とし、好ましくは１〜１０時間、さらに好ましくは２〜５時間焼成する。焼結維持時間が１時間未満では窒化アルミニウム焼結体の相対密度が低下することがある。また、焼結時間が１０時間を超えることは焼結体の性状には実質弊害がないが、長時間行うことの利点もなく、経済的に不利になる。

このように製造された本発明による窒化アルミニウム焼結体は常温で１×１０^１３Ωｃｍ〜１×１０^１５Ωｃｍ範囲の体積抵抗率を有する。又、この焼結体は、低電場に比べて、高電場での体積抵抗率の変化が小さい特徴をもつ。すなわち、１００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率（Ａ）と、３０００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）が小さく、電圧の影響が少ないことが確認された。

１．窒化アルミニウム焼結体の製造
窒化アルミニウム：
９９．９％以上の酸素を除き、平均粒径が１．２９μｍの高純度還元窒化アルミニウム粉末を使用した。この高純度還元窒化アルミニウム中の主な不純物は、酸素；０．８４重量％、炭素；３１．０×１０^−３重量％、カリウム；０．８×１０^−３重量％、シリコン；０．９×１０^−３重量％、及び鉄；０．４×１０^−３重量％であることを確認した。

窒化アルミニウム焼結体用粉末の調製：
窒化アルミニウム粉末に、クロム酸化物（Ｃｒ_２Ｏ_３）０．１重量％と、イットリウム酸化物（Ｙ_２Ｏ_３）１．０重量％を混合して全体を１００重量％とした原料粉末混合物とし、ナイロン製の容器中、無水エタノールを加えてアルミナボールを利用して２０時間ウェット混合した。混合後、溶媒を除いてから８０℃で乾燥した後、アルミナ乳鉢を利用して粉砕した。８０メッシュ篩を通して、窒化アルミニウム焼結体用粉末とした。

窒化アルミニウム焼結体の製造：
実施例１；窒化アルミニウム焼結体用粉末を、直径２１０ｍｍの黒鉛モールドに装入し、高温加圧焼結炉でプレス圧力０．１ＭＰａ下で１７５０℃の焼結温度で３時間焼成した後、自然冷却させて窒化アルミニウム焼結体とした。

実施例２、３；クロム酸化物の含量を除いては、実施例１と同じ方法で窒化アルミニウム焼結体を製造した。各実施例による組成を表１に示す。

比較例１、２；クロム酸化物の含量を除いては、実施例１と同じ方法で窒化アルミニウム焼結体を製造した。各比較例による組成を表１に示す。

実施例４〜６；クロム酸化物及びイットリウム酸化物の含量を除いて実施例１と同じ方法で窒化アルミニウム焼結体を製造した。各実施例による組成を表２に示す。

比較例３〜８； クロム酸化物及びイットリウム酸化物の含量を除いて実施例１と同じ方法で窒化アルミニウム焼結体を製造した。各比較例による組成を表２に示す

２．窒化アルミニウム焼結体の体積抵抗率
測定方法；窒化アルミニウム焼結体を、直径２１０ｍｍ、厚さ０．５ｍｍの円板状試験片を製作し、電極形状を主電極直径２６ｍｍ、保護電極直径３８ｍｍとし、電場を印加した。この場合、電場は１００、２５０、５００、１０００、２０００、及び３０００Ｖ／ｍｍになるように設定し、電圧印加時間は６０秒を基準として体積抵抗率を測定した。又、印加電圧による漏洩電流値を測定した後、漏洩電流値に対するログ（ｌｏｇ）値を最小自乗法を利用して得られた１次関数の傾きで非線形係数（ａ）を求めた。
結果；実施例及び比較例で製造された窒化アルミニウム焼結体を用いて静電チャック用窒化アルミニウム焼結体の体積抵抗率を測定した結果を、表３及び図１〜図５に示す。

表３及び図１〜図５を参照すると、全組成１００重量％に対し、クロム酸化物０．１重量％未満又は１．０重量％を超える比較例１及び２では、クロム酸化物０．１〜１．０重量％を含む窒化アルミニウム焼結体である実施例に比べて、高印加電場で体積抵抗率が顕著に減少していることが確認できる。特に、比較例１及び２では、窒化アルミニウム焼結体の試片に３０００Ｖ／ｍｍの電場が印加されると、１００Ｖ／ｍｍの電場の場合と比較して、顕著に体積抵抗率が小さくなっていることが確認できる。

具体的に、比較例１による窒化アルミニウム焼結体に１００Ｖ／ｍｍの電場が印加されたとき体積抵抗率が２．９３×１０^１４Ωｃｍである反面、３０００Ｖ／ｍｍの電場が印加されたとき体積抵抗率が８．９５×１０^１２Ωｃｍである。従って、１００Ｖ／ｍｍの電場に対する体積抵抗率（Ａ）と３０００Ｖ／ｍｍの電場に対するそれぞれの体積抵抗率（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）は３２．７であり、高電場が印加されたとき体積抵抗率が顕著に減少することが確認できる。

比較例２による窒化アルミニウム焼結体に１００Ｖ／ｍｍの電場が印加されたとき体積抵抗率が７．４３×１０^１４Ωｃｍである反面、３０００Ｖ／ｍｍの電場が印加されたとき３．７３×１０^１２Ωｃｍとなる。従って、体積抵抗率の比（Ａ／Ｂ）は１９９である。比較例２による窒化アルミニウム焼結体に高電場が印加されたとき体積抵抗率が顕著に減少することが確認できる。

一方、イットリウム酸化物１．０重量％未満又は３．０重量％を超える比較例３〜５及び比較例６〜８では、本発明によるイットリウム酸化物１．０〜３．０重量％を含む窒化アルミニウム焼結体に比べて、体積抵抗率が減少していることが確認できる。特に、３０００Ｖ／ｍｍの電場が窒化アルミニウム焼結体の試片に印加されたとき、１００Ｖ／ｍｍの電場の場合と比較して体積抵抗率が減少している。

比較例３の窒化アルミニウム焼結体に１００Ｖ／ｍｍの電場が印加されたとき、体積抵抗率が２．０１×１０^１４Ωｃｍである反面、３０００Ｖ／ｍｍの電場が印加されたときの体積抵抗率は８．９１×１０^１３Ωｃｍである。従って、１００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率（Ａ）と３０００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）は２．２６である。比較例３の窒化アルミニウム焼結体に高電場が印加されたとき、体積抵抗率が小さくなることが確認できる。比較例４では、１００Ｖ／ｍｍの電場が印加されたとき、体積抵抗率が２．１３×１０^１４Ωｃｍであり、３０００Ｖ／ｍｍの電場が印加されたとき、９．２６×１０^１３Ωｃｍとなり、体積抵抗率の比（Ａ／Ｂ）は２．３０である。

比較例５では、１００Ｖ／ｍｍの電場が印加されたとき、体積抵抗率が２．１８×１０^１４Ωｃｍであり、３０００Ｖ／ｍｍの電場が印加されたとき、９．５６×１０^１３Ωｃｍであり、体積抵抗率の比（Ａ／Ｂ）は２．２８である。

イットリウム酸化物が３．０重量％を超える窒化アルミニウム焼結体の場合、比較例６の窒化アルミニウム焼結体に１００Ｖ／ｍｍの電場が印加されたとき、体積抵抗率が２．３１×１０^１５Ωｃｍであり、３０００Ｖ／ｍｍの電場が印加されると９．７０×１０^１４Ωｃｍとなる。従って、１００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率（Ａ）と３０００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）は、２．３８である。

比較例６による窒化アルミニウム焼結体に高電場が印加されると、体積抵抗率が顕著に減少することが確認できる。
比較例７では、１００Ｖ／ｍｍの電場では体積抵抗率が２．３５×１０^１５Ωｃｍであり、３０００Ｖ／ｍｍの電場では９．９０×１０^１４Ωｃｍであり、体積抵抗率の比（Ａ／Ｂ）は、２．３７である。比較例７による窒化アルミニウム焼結体に高電場が印加されると、体積抵抗率が顕著に減少することが確認できる。

比較例８では、１００Ｖ／ｍｍの電場での体積抵抗率が２．６５×１０^１５Ωｃｍであり、３０００Ｖ／ｍｍの電場では８．３８×１０^１４Ωｃｍとなり、体積抵抗率の比（Ａ／Ｂ）は３．１６である。比較例８による窒化アルミニウム焼結体に高電場が印加されると、体積抵抗率が顕著に減少することが確認できる。

一方、本発明による窒化アルミニウム焼結体（実施例１〜６）では、１００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率と、３０００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率との変化率、すなわち、１００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率（Ａ）と３０００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率（Ｂ）の比（Ａ／Ｂ）は１．５以下であり、印加電圧場による変化が小さく、非線形係数が０．１以下である。従って、印加電圧が増加しときも漏洩電流の増加を相対的に低くすることができる。

以上に説明したように、本発明による窒化アルミニウム焼結体は、体積抵抗率が常温で１×１０^１３〜１×１０^１５Ωｃｍであり、１００Ｖ／ｍｍから３０００Ｖ／ｍｍに印加電圧を高くしても、体積抵抗率の変化が小さく、体積抵抗率の変化率が相対的に低い窒化アルミニウム焼結体である。
又、この静電チャック用窒化アルミニウム焼結体は、優れた漏洩電流特性を有する。

以上、本発明の実施例によって詳細に説明したが、本発明はこれに限定されず、本発明が属する技術分野において通常の知識を有するものであれば本発明の思想と精神を離れることなく、本発明を修正または変更できる。

本発明の実施例１〜３で印加電場に対する体積抵抗率を示すグラフである。 本発明の実施例４〜６で印加電場に対する体積抵抗率を示すグラフである。 比較例１，２で印加電場に対する体積抵抗率を示すグラフである。 比較例３〜５で印加電場に対する体積抵抗率を示すグラフである。 比較例６〜８で印加電場に対する体積抵抗率を示すグラフである。

Claims (2)

1. 化学式がＣｒ _２ Ｏ _３ で示されるクロム酸化物０．１〜１．０重量％と、化学式がＹ _２ Ｏ _３ で示されるイットリウム酸化物１．０〜３．０重量％と、残部が窒化アルミニウムで全体を１００重量％とした組成でなることを特徴とする静電チャック用窒化アルミニウム焼結体。
2. 体積抵抗率が、常温で１×１０ ^１３ 〜１×１０ ^１５ Ωｃｍであり、１００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率に対し、３０００Ｖ／ｍｍの電場における体積抵抗率の変化率が、５％以内であることを特徴とする請求項１記載の静電チャック用窒化アルミニウム焼結体。

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