JPH11209171A

JPH11209171A - 緻密質低熱膨張セラミックス及びその製造方法、並びに半導体製造装置用部材

Info

Publication number: JPH11209171A
Application number: JP10009720A
Authority: JP
Inventors: Hirohisa Sechi; 啓久瀬知; Masahiro Sato; 政宏佐藤; Hiroshi Aida; 比呂史会田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-01-21
Filing date: 1998-01-21
Publication date: 1999-08-03

Abstract

(57)【要約】【課題】低熱膨張を有するとともに、ボイドが少ない緻
密質な低熱膨張セラミックスを得る。【解決手段】コージェライトを８０〜９９重量％と、希
土類元素酸化物を１〜２０重量％含有する組成の原料粉
末を所定形状に成形後、相対密度９０％以上に焼結し、
さらに９００℃〜１４００℃の温度で１００気圧以上の
加圧雰囲気で熱処理して、気孔率が０．１％以下、最大
ボイド径５μｍ以下、１０〜４０℃における熱膨張係数
１×１０^-6／℃以下の緻密質低熱膨張セラミックスを得
る。そして、この緻密質低熱膨張セラミックスを露光装
置用真空チャック、ステージ位置測定ミラーなどの半導
体製造装置用部品に適用する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、真空装置構造体、
サセプタ、真空チャック、静電チャックあるいは露光装
置におけるステージや、ステージ位置測定用ミラー、あ
るいはそれらの支持部材、さらには半導体製造プロセス
における各種治具などに適したコージェライトを主体と
する低熱膨張セラミックスとその製造方法に関する。

【０００２】

【従来技術】従来より、コージェライト系焼結体は、低
熱膨張のセラミックスとして知られており、フィルタ
ー、ハニカム、耐火物などに応用されている。このコー
ジェライト系焼結体は、一般には、コージェライト粉
末、あるいはコージェライトを形成するＭｇＯ、Ａｌ₂
Ｏ₃、ＳｉＯ₂粉末を配合して、これに焼結助剤とし
て、希土類元素酸化物や、ＳｉＯ₂、ＣａＯ、ＭｇＯな
どを添加し、所定形状に成形後、１０００〜１４００℃
の温度で焼成することによって作製される（特公昭５７
−３６２９号、特開平２−２２９７６０号）。

【０００３】一方、ＬＳＩなどの半導体装置の製造工程
において、シリコンウエハに配線を形成する工程におい
て、ウエハを支持または保持するためのサセプタ、真空
チャック、静電チャックや絶縁リングとしてあるいはそ
の他の治具等として、これまでアルミナや窒化珪素が比
較的に安価で、化学的にも安定であるため広く用いられ
ている。また、露光装置のＸＹテーブル等としても従来
よりアルミナや窒化珪素などのセラミックスも用いられ
ている。

【０００４】また、最近では、コージェライト等の低熱
膨張セラミックスを半導体製造装置用部品として応用す
ることが特開平１−１９１４２２号や特公平６−９７６
７５号にて提案されている。特開平１−１９１４２２号
によれば、Ｘ線マスクにおけるマスク基板に接着する補
強リングとして、ＳｉＯ₂、インバーなどに加え、コー
ジェライトによって形成しメンブレンの応力を制御する
ことが提案されている。また、特公平６−９７６７５号
では、ウエハを載置する静電チャック用基盤としてアル
ミナやコージェライト系焼結体を使用することが提案さ
れている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】近年、ＬＳＩなどにお
ける高集積化に伴い、回路の微細化が急速に進められ、
その線幅もサブミクロンオーダーのレベルまで高精密化
しつつある。そしてＳｉウエハに高精密回路を形成する
ための露光装置に対して高い精度が要求され、たとえば
露光装置のステージ用部材においては１００ｎｍ（０．
１μｍ）以下の位置決め精度が要求され、露光の位置合
わせ誤差が製品の品質向上や歩留まり向上に大きな影響
を及ぼしているのが現状である。

【０００６】半導体製造装置用として一般に用いられて
きたアルミナ、窒化珪素などのセラミックスは、金属に
比べて熱膨張率が小さいものの、１０〜４０℃の熱膨張
率はそれぞれ５．２×１０^-6／℃、１．５×１０^-6／℃
であり、雰囲気温度が０．１℃変化すると数１００ｎｍ
（０．１μｍ）の変形が発生することになり、露光等の
精密な工程ではこの変化が大きな問題となり、従来のセ
ラミックスでは精度が低く、生産性の低下をもたらして
いる。

【０００７】これに対して、コージェライト系焼結体
は、熱膨張率が０．２×１０^-6／℃程度と、アルミナや
窒化珪素に比較して熱膨張率が低く、上記のような露光
精度に対する問題はある程度解決される。

【０００８】ところが、従来のコージェライトは緻密化
が難しく、ボイドの多いものしか得られていない。その
ため、露光装置の位置測定用ミラーや表面コーティング
が必要な部材のように表面の平滑性が必要となる場合に
は、ボイド等の凹凸の存在は測距用レーザーの乱反射の
原因となり、位置測定に致命的な問題となっていた。こ
のようなボイドは、部材自体の相対密度が低いことによ
って引き起こされるものであることから、これらの部材
に対しては材料の緻密性が要求されている。

【０００９】従って、本発明は、それ自体低熱膨張を有
するとともに、ボイドの少ない緻密質の低熱膨張セラミ
ックスとその製造方法を提供することを目的とするもの
である。また、本発明は、ステージ位置測定用ミラーを
はじめとする表面コーティングが必要な部材の表面平滑
性に優れた、緻密質な半導体製造用部材を提供すること
を目的とするものである。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記課題
に対し鋭意研究を重ねた結果、コージェライトに希土類
元素酸化物を所定の比率で添加した組成物を用いて作製
した緻密体に、さらに高温加圧処理を行うことにより、
低熱膨張特性を阻害することなく相対密度を高め、焼結
体中のボイドを低減させることができることを見いだ
し、本発明に至った。

【００１１】即ち、本発明の緻密質低熱膨張セラミック
スは、コージェライトを８０重量％以上含有し、気孔率
が０．１％以下、最大ボイド径５μｍ以下、１０〜４０
℃における熱膨張係数１×１０^-6／℃以下であることを
特徴とするものであり、かかるセラミックスの製造方法
として、コージェライトを８０重量％以上含有する原料
粉末を所定形状に成形後、相対密度９０％以上に焼結
し、さらに９００℃〜１４００℃の温度で１００気圧以
上の加圧雰囲気で熱処理することを特徴とするものであ
る。

【００１２】さらに、本発明によれば、かかる緻密質低
熱膨張セラミックスを半導体製造装置用部材として用い
ることを特徴とするものである。

【００１３】なお、上記緻密質低熱膨張セラミックスに
おいては、いずれも希土類元素を酸化物換算で１〜２０
重量％含有することが望ましい。

【００１４】

【発明の実施の形態】本発明の低熱膨張セラミックス
は、一般式２ＭｇＯ・２Ａｌ₂Ｏ₃・５ＳｉＯ₂で表さ
れるコージェライトの複合酸化物を主体とするものであ
る。このコージェライト結晶は、平均粒径が１〜１０μ
ｍの結晶粒子として存在する。このコージェライトは、
焼結体中に８０重量％以上、特に８５重量％以上の割合
で存在する。

【００１５】また、この焼結体中には、副成分として希
土類元素を酸化物換算で１〜２０重量％、特に５〜１５
重量％の割合で含有することが望ましい。コージェライ
トが１００重量％であっても、ある程度の緻密化が可能
であっても、その焼成温度が高く、その焼成可能温度領
域が±５℃と非常に狭いために量産には不向きである。
これに対して、希土類元素を１重量％以上含有すると、
焼成時にコージェライトの成分と反応し、液相を生成す
ることから焼結性を高める作用が発揮され、低温焼成化
とともに、焼成可能温度領域を±２５℃程度まで拡げる
ことができるために量産性を高めることができる。従っ
て、上記希土類元素量が１重量％よりも少ないと焼結性
が低下し、２０重量％を越えると熱膨張係数が大きくな
り、１．０×１０^-6／℃以下の特性が達成できない。

【００１６】なお、セラミックス中に含有される希土類
元素としては、Ｙ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｅｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓ
ｍ等が挙げられ、これらの中でも安価に入手できる点
で、Ｙ、Ｙｂが好適に含まれる。

【００１７】上記のようなセラミックスを作製するに
は、平均粒径が１０μｍ以下のコージェライト粉末８０
〜９９重量％、特に８５〜９５重量％に対して、平均粒
径が１０μｍ以下の希土類元素酸化物粉末を１〜２０重
量％、特に５〜１５重量％の割合で添加する。上記の比
率で各成分を配合した後、ボールミルなどにより十分に
混合し、所定形状に所望の成形手段、例えば、金型プレ
ス、冷間静水圧プレス、押出し成形等により任意の形状
に成形する。この時の成形体は、相対密度５５％以上で
あることが望ましく、成形体密度が５５％よりも低い
と、その後の焼結過程で相対密度９０％以上の緻密体を
作製することが困難となる。

【００１８】次に、上記のようにして作製した成形体を
相対密度９０％以上、好ましくは９５％以上に焼成す
る。相対密度９０％以上に緻密化するには、上記の組成
からなる成形体を大気あるいは不活性ガス雰囲気中で１
３００〜１４５０℃で１〜１０時間程度焼成することに
より作製することができる。なお、この焼成にあたって
は、成形体を炭化珪素質またはアルミナ質の匣鉢内に収
納して焼成することが望ましい。

【００１９】得られた焼結体にガス中、例えばＮ₂，Ａ
ｒ，Ａｉｒなどのガスにより１００気圧以上の加圧雰囲
気で熱処理する。次に、この加圧熱処理は、９００〜１
４００℃の温度範囲、好ましくは１１００〜１２００℃
で１〜５時間程度行うことにより相対密度９９．９％以
上、気孔率０．１％以下、最大ボイド径５μｍ以下に緻
密化することができる。つまり、処理温度が９００℃よ
りも低いとボイドを低減することができず、１４００℃
を越えると試料の一部が溶融する。

【００２０】なお、上記の高圧雰囲気中での熱処理を施
す前の焼結体の相対密度が９０％未満では、焼結体中の
気孔中に高圧ガスがトラップされてしまい、その後の高
圧雰囲気中での熱処理を施してもボイドを減少すること
ができないためである。

【００２１】上記のような製造方法によって最終的に、
気孔率が０．１％以下、特に０．０８％以下、最大ボイ
ド径５μｍ以下、特に４．５μｍ以下の緻密質の低熱膨
張のセラミックスを作製することができる。

【００２２】なお、かかる低熱膨張セラミックスにおい
ては、気孔率が０．１％以下、最大ボイド径５μｍ以
下、１０〜４０℃における熱膨張係数１×１０^-6／℃以
下の特性を満足することを条件に、上記のコージェライ
ト成分および希土類元素化合物以外に、製造上の不可避
的不純物や、焼結性や特性向上のために他の成分を含有
してもよい。例えば、Ｗ、Ｍｏ、Ｎｉ、Ｆｅ、Ｚｒ、Ｓ
ｒ等が挙げられる。

【００２３】そして、かかる緻密質低熱膨張セラミック
スは、半導体素子を製造する際に用いられる真空装置構
造体、サセプタ、真空チャック、静電チャックあるいは
露光装置におけるステージや、ステージ位置測定用ミラ
ー、あるいはそれらの支持部材、さらには半導体製造プ
ロセスにおける各種治具などに好適に使用される。特
に、そのセラミック表面に、コーティングが施されるよ
うな部材、例えば、真空チャック、ステージ位置測定用
ミラーに最も好適に使用される。

【００２４】かかる場合、セラミックスの表面に施され
るコーティングとしては、ＴｉＮ、、Ａｌ₂Ｏ₃、ダイ
ヤモンド、ダイヤモンドライクカーボン（ＤＬＣ）等が
０．１〜１０μｍの膜厚で被覆される。

【００２５】このようなコーティングが施される部材に
おいては、気孔率が０．１％以下、最大ボイド径５μｍ
以下であることが必要であり、気孔率が０．１％を越え
たり、最大ボイド径が５μｍを越えると、均質がコーテ
ィングが形成されず、半導体製造装置用部材に適さない
ためである。

【００２６】

【実施例】純度９９％以上、平均粒径が３μｍのコージ
ェライト粉末に対して、平均粒径が１μｍのＹ₂Ｏ₃、
Ｙｂ₂Ｏ₃、Ｅｒ₂Ｏ₃、ＣｅＯ₂の各希土類元素酸化
物粉末を表１および表２に示す割合で調合後、ボールミ
ルで２４時間混合した。その後、この混合粉末を１ｔ／
ｃｍ²の圧力で金型成形して、相対密度５８％の成形体
を作製した。

【００２７】そして、その成形体を炭化珪素質またはア
ルミナ質の匣鉢に入れて大気雰囲気中で表１、表２に示
す温度で５時間焼成した。得られた焼結体に対してアル
キメデス法によって相対密度を測定しその結果を表１、
表２に示した。

【００２８】上記の焼成後、さらに、表１、表２の条件
で高圧雰囲気中での熱処理を１時間施した。なお、加圧
処理条件を表１、表２のように変化させて実施して、種
々のセラミックスを作製した。

【００２９】得られたセラミックスを研磨し、３×４×
１５ｍｍの大きさに研削加工し、このセラミックスの１
０〜４０℃までの熱膨張係数を測定した。また、室温で
のボイド率を測定した。結果は表１、表２に示した。

【００３０】

【表１】

【００３１】

【表２】

【００３２】表１，２にみられるように、本発明に基づ
き、コージェライトを８０重量％以上含み、相対密度９
０％以上の焼結体を、１００気圧以上の９００〜１４０
０℃の条件で加圧処理することにより、相対密度の向上
ならびに気孔率の低減化を図り、気孔率０．１％以下を
達成し、相対密度が高くなる傾向が見られた。

【００３３】しかし、高圧処理時の処理温度が１４００
℃を越える試料Ｎo.２２では、試料の一部が溶融し、ま
た、加圧処理温度が９００℃よりも低い試料Ｎo.１は、
気孔率が０．１％を越えるものであった。また、希土類
元素酸化物の添加量が２０重量％より多い試料Ｎo.３６
は、熱膨張係数が大きくなり、１．０×１０^-6／℃以下
の特性が達成できず、希土類元素酸化物量が１重量％未
満の試料Ｎo.３０では、特性上では問題ないものの、焼
成可能温度領域が±５℃と非常に狭いものであった。

【００３４】さらに、高圧熱処理時の圧力が１００気圧
よりも低い試料Ｎo.２３ではボイド率が低下せず気孔率
０．１％以下が達成されなかった。また、加圧前の相対
密度が９０％よりも低い試料Ｎo.３７、３８を使用する
と、高温加圧処理後の気孔率が０．１％以下、最大ボイ
ド径が５μｍ以下にならなかった。

【００３５】

【発明の効果】以上詳述した通り、本発明の低熱膨張セ
ラミックスは、コージェライトの優れた低熱膨張特性を
維持しつつ、ボイド率、即ち、相対密度を高めることが
できる。その結果、この低熱膨張セラミックスを高微細
な回路を形成するためのウエハに露光処理を行うなどの
半導体製造装置用部品、例えば、露光装置用真空チャッ
ク、ステージ用ミラーなどとして用いることにより、雰
囲気の温度変化に対しても寸法の変化がなく、また、部
品表面の平滑性を向上させることができ、優れた精度が
得られ、半導体素子製造の品質と量産性を高めることが
できる。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】コージェライトを８０重量％以上含有し、
気孔率が０．１％以下、最大ボイド径５μｍ以下、１０
〜４０℃における熱膨張係数１×１０^-6／℃以下である
ことを特徴とする緻密質低熱膨張セラミックス。
【請求項２】希土類元素を酸化物換算で１〜２０重量％
含有する請求項１記載の緻密質低熱膨張セラミックス。
【請求項３】コージェライトを８０重量％以上含有する
原料粉末を所定形状に成形後、相対密度９０％以上に焼
結し、さらに９００℃〜１４００℃の温度で１００気圧
以上の加圧雰囲気で熱処理することを特徴とする緻密質
低熱膨張セラミックスの製造方法。
【請求項４】前記原料粉末が、希土類元素を酸化物換算
で１〜２０重量％含有する請求項３記載の緻密質低熱膨
張セラミックスの製造方法。
【請求項５】コージェライトを８０重量％以上含有し、
気孔率が０．１％以下、熱膨張係数１×１０^-6／℃以下
の緻密質低熱膨張セラミックスからなることを特徴とす
る半導体製造装置用部材。
【請求項６】希土類元素を酸化物換算で１〜２０重量％
含有する請求項５記載の半導体製造装置用部材。