DE60126576T2

DE60126576T2 - Elektrostatische Spannvorrichtung und Verfahren zur Herstellung derselben

Info

Publication number: DE60126576T2
Application number: DE60126576T
Authority: DE
Inventors: Shinsuke Himeji-shi Masuda; Kiyotoshi Himeji-shi Fujii
Original assignee: GE Specialty Materials Japan Co Ltd
Current assignee: GE Specialty Materials Japan Co Ltd
Priority date: 2000-12-11
Filing date: 2001-12-11
Publication date: 2007-11-22
Anticipated expiration: 2021-12-12
Also published as: DE60126576D1; US20020109955A1; US6678143B2; EP1220311A2; ATE354177T1; EP1220311B1; KR20020046214A; TW516155B; EP1220311A3

Description

Hintergrund der Erfindung
Technisches Gebiet der Erfindung
Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine elektrostatische Spannvorrichtung, insbesondere zur Verwendung als eine Aufspannvorrichtung in einem Verarbeitungs- oder Herstellungsprozess von Halbleiter-Wafern, flachen Anzeigetafeln (FPD, Flat Panel Display) und anderen Materialien (Glas, Aluminium, Hochpolymer-Substanzen, usw.) für verschiedene elektronische Geräte.
Elektrostatische Spannvorrichtungen sind weit verbreitet eingesetzt worden, um Silizium-Wafer oder andere Werkstücke während der Verarbeitung des Werkstücks in Beschichtungsprozessen, wie etwa chemische Gasphasenabscheidung (CVD, Chemical Vapor Deposition), physikalische Abscheidung aus der Dampfphase (PVD, Physical Vapor Deposition), Trockenätzen, usw., in einer stationären Position zu halten. Ein typisches Beispiel der elektrostatischen Spannvorrichtung ist in 1 gezeigt und umfasst: einen Spannkörper aus Graphitsubstrat 1 umgeben von einem Isolator 2 aus pyrolytischem Bornitrid (PBN) oder anderen isolierenden Materialien, Elektroden 3 aus pyrolytischem Graphit (PG) oder anderen leitfähigen Materialien, die auf dem Spannkörper aufliegen oder darin in einem vorbestimmten Muster eingebettet sind, und eine isolierende Trenn- oder Beschichtungslage 4, die den Spannkörper zum Trennen der leitfähigen Elektroden 3 von dem Werkstück umgibt. Eine andere Konstruktion der elektrostatischen Spannvorrichtung umfasst ein Keramiksubstrat, wie etwa Oxide und Nitride, leitfähige Elektroden aus Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Wolfram (W) oder jedes andere Metall mit einem hohen Schmelzpunkt, und DLC (diamantähnlicher Kohlenstoff, Diamond Like Carbon) in der Form von Beschichtungslagen, die die Spannvorrichtung umgeben. Obwohl dies in 1 nicht gezeigt ist, sind gegenüberliegende Enden der Elektroden 3 jeweils mit Anschlüssen verbunden, die wiederum mit einem Netzteil verbunden sind.
Wenn ein Silizium-Wafer oder ein anderes Werkstück 5 auf einer oberen Oberfläche (einer Aufspannoberfläche) der Spannvorrichtung der 1 angeordnet wird, und eine Spannungsquelle an die Elektroden angeschlossen wird, um eine Coulomb-Kraft zu erzeugen, dann wird das Werkstück 5 an der Aufspannoberfläche elektrostatisch angezogen oder aufgespannt. In dieser Anordnung dient die elektrostatische Spannvorrich tung auch als eine Heizvorrichtung zum gleichförmigen Heizen des Werkstücks 5 auf eine Temperatur, bei der ein optimaler Beschichtungsbetrieb erwartet werden sollte.
Die elektrostatische Spannvorrichtung der 1 ist von einem bipolaren Typ. Wenn sie in eine monopolare Spannvorrichtung abgeändert wird, dann wird eine einzelne Elektrode auf den Spannkörper aufgelegt oder darin eingebettet und zwischen der einzelnen Elektrode und dem Werkstück auf der Aufspannoberfläche wird eine Aufspann-Spannung angelegt.
Vorzugsweise weist die Beschichtung 4 der elektrostatischen Spannvorrichtung einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich zwischen 10⁸ und 10¹³ Ω-cm (10⁸~10¹³ Ω-cm) auf. Die Beschichtung 4 mit einem spezifischen elektrischen Widerstand, der in einem derartigen Bereich liegt, erlaubt, dass durch die Überbeschichtung 4 und das Werkstück 5 ein schwacher Strom hindurch läuft, was die Anspannkraft stark vergrößert, wie das im Stand der Technik als der "Johnsen-Rahbek" Effekt bekannt ist. U.S. Patent Nr. 5,606,484, erteilt am 5. Mai 1998 an Honma et al., dessen Offenbarung hierin durch Verweis mit aufgenommen wird, lehrt, dass die Beschichtung aus einer Zusammensetzung zusammengesetzt ist, die folgendes enthält: PBN und eine Kohlenstoff-Dotiersubstanz in einer Menge von mehr als 0 Gew.% und weniger als 3 Gew.%, was sicherstellt, dass die Trennschicht den oben beschriebenen Bereich des spezifischen elektrischen Widerstands aufweist. Die Kohlenstoff-Dotierung wird durch eine chemische Gasphasenabscheidung (CVD) bewirkt. Eine mit Kohlenstoff dotierte PBN Beschichtung 4 wird ausgebildet, indem in eine Niedrigdruck-Thermo-CVD-Heizvorrichtung bzw. -ofen ein Kohlenwasserstoffgas, wie etwa Methan (Kohlenstoffquelle), sowie ein Reaktionsgas, wie etwa beispielsweise eine Mischung aus Bortrichlorid und Ammoniak (BN Quelle) zum gemeinsamen Abscheiden der Überzugsbeschichtung 4 eingeführt wird, so dass eine gewisse Menge von Kohlenstoff in die Überzugsbeschichtung 4 dotiert wird.
Für die Beschichtung 4 der elektrostatischen Spannvorrichtung ist es erforderlich, dass sie nicht nur den oben beschriebenen Bereich des spezifischen elektrischen Widerstands aufweist, sondern auch andere wichtige Merkmale, einschließlich der Glattheit der Oberfläche, die Ausbildbarkeit von dünnen Schichten und die Abnutzungsbeständigkeit. Wenn die Spannvorrichtung auch als eine Heizvorrichtung dienen soll, wie in 1 gezeigt, dann sollte sie zusätzliche Anforderungen bezüglich der thermischen Leitfähigkeit, Infrarotpermeabilität, usw. erfüllen.
Obwohl die durch das oben bezeichnete U.S. Patent gelehrte elektrostatische Spannvorrichtung die meisten dieser Anforderungen erfüllt, weist das die Beschichtung bildende, mit Kohlenstoff dotierte PBN (C-PBN) eine Kristallstruktur auf, die dazu neigt, sich von dem Spannkörper abzutrennen, was zu einer verschlechterten Beständigkeit führt. Während der Benutzung kann das kristalline C-PBN Teilchen produzieren. Es ist notwendig, die chemische Reaktion mehrerer Gase (beispielsweise Bortrichlorid und Ammoniak zum Herstellen eines PBN Kompaktsubstrats (Englisch: Compact) und Methan zum Dotieren von Kohlenstoff in das PBN Kompaktsubstrat) zu steuern, jedoch ist eine derartige Kontrollexperiment sehr empfindlich, was es schwierig macht, einen bestimmten Bereich des spezifischen elektrischen Widerstands der Beschichtung des endgültigen Produkts bereitzustellen. Die Technologie aus dem Stand der Technik weist ein anderes Problem dahingehend auf, dass die Beschichtungsdicke dazu neigt, nicht gleichförmig zu sein, was ein Oberflächenschleifen als einen Prozess zur Fertigstellung erforderlich macht.
WO 99/53603 beschreibt eine elektrostatische Aufspannvorrichtung für Wafer mit niedriger Teilchenverunreinigung der Wafer.
US 5748436 beschreibt eine keramische elektrostatische Spannvorrichtung und ein Verfahren.
US 5886863 beschreibt ein Wafer-Trageelement.
EP 0806798 beschreibt eine Substrattragespannvorrichtung mit einer Eingrenzungsschicht für den Kontaminationsstoff und ein Verfahren zum Herstellen derselben.
EP 0692814 beschreibt eine elektrostatische Spannvorrichtung mit mehreren Elektroden.
EP 1001455 beschreibt eine Vorrichtung zum Schützen einer Substrattrageoberfläche und ein Verfahren zum Herstellen derselben.
Zusammenfassung der Erfindung
Nach gründlichen Studien und wiederholten Experimenten und Tests haben die Erfinder gefunden, dass ein nicht-kristalliner Kohlenstoff, der als diamant-ähnlicher Kohlenstoff (DLC, Englisch: Diamond Like Carbon) bezeichnet wird, das am meisten bevorzugte Material für die Beschichtung der elektrostatischen Spannvorrichtung ist, weil DLC im Wesentlichen alle der oben beschriebenen Anforderungen erfüllt.
Insbesondere ist DLC als eine Art eines Kohlenstoffisotops bekannt, das eine Mischung einer Graphitstruktur (SP2) und einer Diamantstruktur (SP3) aufweist. Dementsprechend ist es leicht, seinen spezifischen elektrischen Widerstand innerhalb eines Bereichs von zwischen 10⁸ und 10¹³ Ω-cm (10⁸~10¹³ Ω-cm) zu steuern, was höher ist als der spezifische elektrische Widerstand eines leitfähigen Graphits in der Größenordnung von zwischen 10^–3 Ω-cm und niedriger als die von Diamant, der ein wohl bekanntes isolierendes Material ist, von zwischen 10¹² und 10¹⁶ Ω-cm (10¹²~10¹⁶ Ω-cm). DLC ist ein bevorzugtes Material zur Verwendung als eine schützende Beschichtung für die Oberfläche einer elektrischen, statischen Spannvorrichtung, aufgrund seiner inhärenten Materialeigenschaften, wie etwa hohe Härte, Oberflächenglattheit, niedriger Reibungskoeffizienz, Verschleißfestigkeit und Ausbildbarkeit als dünne Schicht. Zusätzlich ist DLC wegen seiner hervorragenden thermischen Leitfähigkeit und Infrarotpermeabilität ein bevorzugtes Material für thermische Anwendungen.
DLC ist als ein Material für die Oberflächenhärtung für verschiedene Maschinenteile und Werkzeuge, wie etwa Schneidwerkzeuge, Formkörper usw., verwendet worden Es ist auch als Komponente in einem Verarbeitungs- oder Herstellungsprozess von Festplatten, Magnetbändern für VTR (Videobandaufnahme, Englisch: Video Tape Recording)-Systeme und einige andere elektronische Geräte eingesetzt worden. Soweit es den Erfindern bekannt ist, lehrt kein Stand der Technik die Anwendbarkeit von DLC als das Beschichtungsmaterial einer elektrostatischen Spannvorrichtung.
Dementsprechend ist es eine primäre Aufgabe der vorliegenden Erfindung, die Beeinträchtigungen und Nachteile der herkömmlichen elektrostatischen Spannvorrichtungen (ESC, Englisch: Electrostatic Chuck) zu überwinden und eine neuartige Konstruktion der elektrostatischen Spannvorrichtung bereitzustellen, die geeignet ist zur Verwendung als eine Aufspannvorrichtung in Halbleiterwafer-Prozessen, wie etwa PVD, CVD, usw., und in Herstellungsprozessen von flachen Anzeigetafeln, einschließlich Flüssigkristall.
Um diese und andere Aufgaben zu lösen, wird nach einem Aspekt der vorliegenden Erfindung eine elektrostatische Spannvorrichtung zum elektrostatischen Aufspannen eines Werkstücks auf die Spannvorrichtung bereitgestellt, die Vorrichtung umfassend: eine isolierende Schicht, mindestens eine leitfähige Elektrode, die auf der isolierenden Schicht aufliegt oder darin eingebettet ist, eine Beschichtungslage, die die isolierende Schicht und die Elektroden umgibt, und eine Spannungsquelle zum Erzeugen einer Anspannkraft, die an dem Werkstück anliegt, so dass das Werkstück auf einer Spannoberfläche der Spannvorrichtung festgespannt wird, wobei die Beschichtungslage im Wesentlichen aus nicht-kristallinem Kohlenstoff besteht, der aus einer Mischung aus einer Graphit-Struktur und einer Diamant-Struktur besteht und einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 10⁸ bis 10¹³ Ω-cm aufweist.
Nach einem anderen Aspekt der vorliegenden Erfindung wird ein Verfahren zum Herstellen einer elektrostatischen Spannvorrichtung bereitgestellt, umfassend die folgenden Schritte: Ausbilden eines vorbestimmten Musters von leitfähigen Elektroden auf mindestens einer Oberfläche einer isolierenden Schicht; Beschichten der leitfähigen Elektroden mit einer Beschichtungslage, die im Wesentlichen aus nicht-kristallinem Kohlenstoff besteht, der eine Mischung aus einer Graphit-Struktur und einer Diamant-Struktur umfasst und einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 10⁸ bis 10¹³ Ω-cm aufweist.
Kurze Beschreibung der Zeichnungen
Weitere Aufgaben und Vorteile der vorliegenden Erfindung können mit der folgenden Beschreibung verstanden werden, wenn sie zusammen mit den beigefügten Zeichnungen gelesen wird, für die gilt:
1 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine bipolare ESC zeigt, für die die vorliegende Erfindung anwendbar ist;
2 ist eine schematische Querschnittsansicht, die eine andere Konstruktion der bipolaren ESC zeigt, für die die vorliegende Erfindung anwendbar ist;
3 ist ein Schaubild, dass das Ergebnis einer auf DLC Arten angewendeten, Raman-spektroskopischen Analyse zeigt;
4 zeigt ein Prinzip eines Plasma-gestützten Dampfabscheidung (P-CVD) Vorgangs, durch den die Beschichtungslage und/oder Oberflächenschutzlage nach der vorliegenden Erfindung ausgebildet wird; und
5 ist ein Zeitsteurungsschaubild beim Anwenden von Plasma und Impulsspannung in dem Plasma-CVD Prozess der 4
Ausführliche Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform
Eine bevorzugte Ausführungsform der vorliegenden Erfindung wird mit Verweis auf 1 beschrieben. Wie vorgehend beschrieben, umfasst eine in 1 gezeigte elektrostatische Spannvorrichtung ein Graphitsubstrat 1, einen das Graphitsubstrat 1 umgebenden PBN Isolator 2, leitfähige Elektroden 3, die auf dem das Graphitsubstrat 1 und die leitfähigen Elektroden 3 umgebenden PBN Isolator 2 aufliegen oder darin eingebettet sind, eine isolierende Trennung oder Beschichtung 4, die den PBN Isolator 2 und die Elektroden 3 umgibt, und ein Spannungsnetzteil (nicht gezeigt) zum Anlegen einer vorbestimmten Spannung zwischen den gegenüberliegenden Enden der Elektroden 3, um ein Werkstück 5 an der Aufspannoberfläche der Spannvorrichtung aufzuspannen. In einer Ausführungsform der vorliegenden Erfindung umfasst die Beschichtung 4 DLC, welches durch eine Plasma-gestützte chemische Gasphasenabscheidung (P-CVD) Prozess ausgebildet wird.
<Beispiel 1>
Ein 10 mm dickes Graphitsubstrat wurde mit einer 300 Mikrometer dicken PBN Filmlage 2 mittels eines chemischen Gasphasenabscheide (CVD)-Prozesses beschichtet. 50 Mikrometer dickes pyrolytisches Graphit (PG) wurde ebenfalls durch einen CVD Prozess auf die PBN Schicht 2 aufgebracht und dann teilweise entfernt, so dass die verbleibende PG Filmschicht vorbestimmte Muster der leitfähigen Elektroden 3 ausbildet. Dann wurde eine Beschichtungslage 4 auf der PBN Schicht 2 und den Elektroden 3 mittels eines Plasma-gestützten CVD (P-CVD) Prozesses abgeschieden, um eine ESC (elektrostatische Spannvorrichtung) herzustellen. In dem P-CVD Prozess aus diesem Beispiel wurde der Druck des Prozesssystems auf 6 × 10^–3 Torr verringert, ein Wasserstoffgas (in diesem Fall Acetylen C₂H₂) wurde in das System eingeführt, und eine Impulsspannung von –5000 V wurde für den P-CVD Betrieb an beiden Elektroden 3 und dem Graphitsubstrat 1 angelegt. Der spezifische elektrische Widerstand der Beschichtung 4 wurde gemessen und zu näherungsweise 10¹⁰ Ω-cm (10¹⁰ Ω-cm) bestimmt.
<Kontrollexperiment 1>
Zum Vergleich wurde eine andere ESC in der gleichen Weise hergestellt wie die Herstellung der elektrostatischen Spannvorrichtung des Beispiels 1, außer dass die Dicke der DLC Abdeckschicht 4 2 Mikrometer betrug.
<Kontrollexperiment 2>
Nach dem Bereitstellen des Substrats 1 mit einer PBN Schicht 2 und Elektroden 3 auf dessen beiden Oberflächen in der gleichen Weise wie im Beispiel 1 wurde vermittels eines CVD Prozesses nach der Lehre des U.S.-Patents Nr. 5,606,484 eine mit Kohlenstoff dotierte PBN Beschichtungslage 4 ausgebildet zum Umgeben der PBN Schicht 2 und der Elektroden 3, um eine ESC des Kontrollexperiments 2 herzustellen. Insbesondere wurde die mit Kohlenstoff dotierte PBN Beschichtungslage 4 ausgebildet, indem eine Gasmischung in eine Hochvakuum-Thermo-Reaktionskammer eingeführt wurde, wobei die Mischung aus Bortrichlorid (BCl₃), Ammoniak (NH₃) und Methan (CH₄) mit einem Molverhältnis von 1:3:2,4 besteht, um eine chemische Reaktion bei einem Druck von 0,5 Torr und auf einer Temperatur von 1850 Grad Celsius zu bewirken.
<Beispiel 2>
Die ESC des Kontrollexperiments 2 wurde dann einem P-CVD Prozess unterworfen, wobei ein Acetylen (C₂H₂)-Gas mit einer an den Elektroden angelegten Impulsspannung von –5000 V und bei einem Druck von 6 × 10^–3 Torr reagieren gelassen wurde, um eine DLC Oberflächenschutzlage 7 abzuscheiden, wie in 2 gezeigt. Der spezifische elektrische Widerstand der DLC Oberflächenschutzlage 7 wurde gemessen und zu näherungsweise 10¹⁰ Ω-cm bestimmt.
Spannungen von 1000 V und 2000 V wurden an die elektrostatischen Spannvorrichtungen der Beispiele 1, 2 und der Kontrollexperimente 1, 2 im Rahmen von elektrischen Durchschlagtests angelegt. Die ESC des Kontrollexperiments 1 zeigte einen dielektri schen Durchschlag beim Anlegen von 1000 V Spannung, um ihren elektrischen Widerstand zu verringern, wodurch die Spannkraft auf unterhalb eines gewünschten praktischen Niveaus verringert wurde. Die ESC des Beispiels 1 zeigte beim Anlegen von 1000 V Spannung keinen dielektrischen Durchschlag.
Wenn eine dielektrische Stärke mit 400000 V/mm angenommen wird, dann ist die Beschichtungsdicke, die beim Anlegen von 1000 V Spannung nicht dielektrisch durchschlägt (1000 × 1000)/400000 = 2,5 Mikrometer. Dementsprechend ist die Dicke der DLC Beschichtung 4 vorzugsweise mindestens 2,5 Mikrometer.
Gleichzeitig wird die Anspannkraft durch die folgende Gleichung nach dem Gesetz von Coulomb bestimmt: F = (1/2)·ε·(V/d)2
Dabei stellt F die Anspannkraft (g/cm²) zwischen einem Werkstück und einer Aufspannoberfläche dar, ε eine dielektrische Konstante der Beschichtungslage, d die Dicke (cm) der Beschichtungslage und V eine angelegte Spannung.
Die C-PBN Abdecklage muss eine größere Dicke aufweisen. Tatsächlich weist die C-PBN Abdecklage der Spannvorrichtung nach dem Kontrollexperiment 2 150 Mikrometer Dicke auf, wie in Tabelle I gezeigt, was viel dicker ist als die DLC Abdecklage (mit 2,5 Mikrometer Dicke) der ESC des Beispiels 1. Damit die ESC des Kontrollexperiments 2 eine ausreichende Anspannkraft bereitstellt, sollte die anzulegende Spannung auf mindestens 2000 V erhöht werden, wie das aus der oben bezeichneten Gleichung bekannt ist.
Die Spannvorrichtung des Kontrollexperiments 2 zeigte Abtragungsflecken und näherungsweise 1 Mikrometer große Teilchen wurden dadurch auf der C-PBN Abdecklage nach dem Betrieb von 70000 Silikonwafer-Anspannvorgängen erzeugt. Die Spannvorrichtung des Beispiels 2, bei der die C-PBN Abdecklage ferner mit einer Oberflächenbeschichtungsschicht aus DLC beschichtet ist, zeigt eine verbesserte Eigenschaft hinsichtlich ihrer Abriebfestigkeit, die dauerhaft ist bezüglich derselben 70000 Festspannvorgänge.
Der Aufbau des ESC der Beispiele 1, 2 und der Kontrollexperimente 1, 2 werden in der folgenden Tabelle I gezeigt, ebenso wie die Ergebnisse der dielektrischen Durchschlagtests und der Abriebfestigkeitstests.
Tabelle I
Die Ausbildung der DLC Beschichtungen der ESCs des Beispiels 1 und des Kontrollexperiments 1 und die Ausbildung der DLC Oberflächenschutzlage der Spannvorrichtung des Beispiels 2 wurden alle durch einen Plasma-gestützten CVD (P-CVD) Prozess ausgeführt. In dem P-CVD Prozess wird ein Kohlenwasserstoffgas, wie etwa Acetylen und Benzen, in einen Vakuumbehälter eingeführt und einer hohen Energie unterworfen durch Einsatz von Energiequellen, wie etwa Gleichstrom (DC) Entladung und Radiofrequenz (RF), die Hochspannungsimpulse verwenden um das Kohlenwasserstoffgas zu ionisieren, welches Gas elektrisch beschleunigt und auf einem Produkt abgeschieden wird, um eine DLC Beschichtung oder Lage darauf auszubilden. Dieser P-CVD Prozess ist zum Einsatz bei der Ausbildung von DLC Beschichtungen oder Lagen nach der vorliegenden Erfindung geeignet, weil die durch den P-CVD Prozess ausgebildete DLC Beschichtung oder Lage unweigerlich eine kleine Menge von Wasserstoff enthalten würde, was es erleichtert, dass die DLC Abdecklage 4 oder die DLC Oberflächenbeschichtungslage 7 einen bevorzugten Bereich des spezifischen elektrischen Widerstands von 10⁸ bis 10¹³ Ω-cm aufweist. Auch wenn ein anderer Prozess, einschließlich eines Sputterprozesses, der eine Quelle aus festem Kohlenstoff verwendet, als ein Prozess zum Ausbilden einer DLC Beschichtung oder Lage bekannt ist, enthält die durch einen solchen Prozess ausgebildete DLC Beschichtung oder Lage keinen Wasserstoff.
Um einen vorteilhaften Bereich des Wasserstoffgehalts in der DLC Beschichtungslage 4 zu zeigen, wurden verschiedene ESCs hergestellt, indem die Prozessvariablen des P-CVD Prozesses des Beispiels 1 verändert und der spezifische elektrische Widerstand und der Wasserstoffgehalt der resultierenden DLC Beschichtungslage 4 gemessen wurden, wofür die Ergebnisse in der folgenden Tabelle II gezeigt sind.
Tabelle II
Der Wasserstoffgehalt wurde gemessen durch ein ERD (elastische Rückstoßdetektion, Englisch: Elastic Recoil Detection) Verfahren gemessen, wobei Heliumatome (He) beschleunigt und auf eine Probe (d.h. die DLC Beschichtungslage 4 in diesem Fall) bombardiert wurden, um die Anzahl der aus der Probe herauskommenden Wasserstoffatome (H) zu zählen.
Aus den in der Tabelle II gezeigten Ergebnissen kann bestätigt werden, dass der elektrische Widerstand der DLC Beschichtungslage 4 im Wesentlichen proportional mit dem Anwachsen des Wasserstoffanteils abnimmt. Es wird auch gezeigt, dass die DLC Beschichtungslage 4 den Wasserstoffanteil im Bereich von 15 bis 26 Atom-% haben sollte, um den spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 10⁸ bis 10¹³ Ω-cm aufzuweisen.
Weitere Tests und Experimente haben gezeigt, dass eine Korrelation besteht zwischen dem spezifischen elektrischen Widerstand von DLC und einem Verhältnis der Intensitäten bei 1.360 cm^–1 und bei 1.500 cm^–1, welches durch Raman-spektroskopische Analyse der Kohlenstoffstruktur von DLC erhalten wird. Raman-spektroskopische Analyse ist eine bekannte Methode zum Analysieren einer Struktur einer Substanz, bei dem die Substanz mit einem vorbestimmten Laserstrahl bestrahlt wird, so dass Atome in der Substanz oszillieren oder rotieren, um gestreutes Licht oder ein Ramanspektrum zu erzeugen, dessen Intensität gemessen wird.
Ein Beispiel der Ergebnisse der Raman-spektroskopischen Analyse der DLC Proben wird in dem Intensitätsschaubild der 3 gezeigt. Wie zuvor beschrieben, ist die DLC Struktur eine Mischung einer Graphitstruktur (SP2) und einer Diamantstruktur (SP3) und daher liefert der Intensitätspeak von Kohlenwasserstoff bei 1150 cm^–1 und einen Intensitätspeak von irregulärem Graphit bei 1360 cm^–1, einen Intensitätspeak von amorphem Kohlenstoff bei 1500 cm^–1 und einen Intensitätsspeak von regulärem Graphit bei 1590 cm^–1 in seinem Intensitätsschaubild der Raman-spektroskopischen Analyse. Die Erfinder haben gefunden, dass der spezifische elektrische Widerstand von DLC durch ein Intensitätsverhältnis von (b)/(a) stark beeinflusst wird ((a) ist eine Intensität von irregulärem Graphit bei 1260 cm^–1 und (b) ist eine Intensität von amorphem Kohlenstoff bei 1500 cm^–1).
Die Proben 1 bis 16 von ESCs mit der Konstruktion der 1 sind durch Verändern der Prozessvariablen in dem P-CVD Prozess hergestellt worden, um DLC Beschichtungslage 4 nach Beispiel 1 auszubilden, wie in der folgenden Tabelle III gezeigt. Der gemessene spezifische elektrische Widerstand und das Intensitätsverhältnis (b)/(a), wie oben bereits gesagt, werden in Raman-spektroskopischer Analyse der DLC Beschichtungslage 4 von jeder Probe in Tabelle IV gezeigt.
Tabelle III
Tabelle IV
Wie veranschaulicht war bekannt, dass eine Korrelation dahingehend besteht, dass der spezifische elektrische Widerstand der DLC Beschichtungslage 4 im Wesentlichen im Verhältnis mit dem Intensitätsverhältnis (b)/(a) in der Raman-spektroskopischen Analyse ansteigt. Genauer gesagt ist bestätigt worden, dass die DLC Beschichtungslage 4 das Intensitätsverhältnis (b)/(a) in der Raman-spektroskopischen Analyse von 0,7–1,2 aufweisen sollte, um einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 10⁸ bis 10¹³ Ω-cm bereitzustellen.
<Experimente 1>
Nach dem Bereitstellen des Zwischenprodukts mit dem Graphitkompaktmaterial 1, der PBN Isolationsschicht 2 und den Elektroden 3 auf beiden Oberflächen davon in gleicher Weise wie in Beispiel 1, wurden Beschichtungslagen 4 ausgebildet, um die PBN Filmlage 2 und die Elektroden 3 durch einen P-CVD Prozess zu umgeben, um eine ESC herzustellen, wobei in dem P-CVD Prozess verschiedene Kohlenwasserstoff-Zusammensetzungen als eine Plasmaquelle verwendet wurden. Mit Verweis insbesondere auf 3 und 4, wird in einem P-CVD Prozess ein Substrat 6 (auf dem eine DLC Beschichtungslage 4 abgeschieden werden sollte) auf einer Elektrode 11 in einem Vakuumbehälter 10 angeordnet, wobei der Vakuumbehälter 10 durch eine Vakuumpumpe 12 unter reduzierten internen Druckbedingungen gehalten wird, und eine Kohlenwasserstoff-Zusammensetzung (CxHy) im gasförmigen, flüssigen oder festen Zustand dem Behältnis 10 durch den Einlass 17 zugeführt wird. Eine Radiofrequenz (RF) Spannung wird von einer Plasmaleistungsquelle 13 über eine Mischeinheit 16 an das Substrat 6 angelegt, um um dieses herum einen Plasmabereich 14 auszubilden, das die Ionisierung des eingeführten Kohlenwasserstoffs erleichtert. Nach einer vorbestimmten Nachglühzeit (was bedeutet, eine Zeitperiode, nachdem das Anlegen einer Plasma-RF-Spannung vollständig ist und bevor das Anlegen einer Impulsspannung beginnt) wird eine vorbestimmte Impulsspannung von einer Impulsleistungsquelle 15 zugeführt und wird über die Mischeinheit 16 an das Substrat 6 angelegt, so dass der ionisierte Kohlenwasserstoff elektrisch beschleunigt und auf der Oberfläche des Substrats als DLC Beschichtungslage 4 abgeschieden wird. In den Experimenten wurde der interne Druck des Vakuumbehältnisses 10 auf 6–9 × 10^–3 Torr gesteuert und die Gasdurchflussrate war 6 sccm. Der spezifische elektrische Widerstand der DLC Beschichtungslagen 4 des resultierenden ESCs wurden gemessen, und die Ergebnisse davon werden in der folgenden Tabelle V gezeigt.
Tabelle V
Wie in Tabelle 5 gezeigt, waren alle elektrischen Widerstände der DLC Abdeckschichten 4 innerhalb des bevorzugten Bereichs, d.h. von 10⁸ bis 10¹³ Ω-cm. Die Ergebnisse legen auch nahe, dass der spezifische elektrische Widerstand der durch den P-CVD Prozess ausgebildeten DLC Abdecklage mit dem Molekulargewicht der in den Vakuumbehälter 10 eingeführten Kohlenwasserstoff-Zusammensetzung korreliert. Zusätzlich war der spezifische elektrische Widerstand der DLC Beschichtungslage 4, die durch Methan (CH₄) mit dem kleinsten Molekulargewicht unter den in den Experimenten benutzten Kohlenwasserstoff-Zusammensetzungen ausgebildet worden ist, nahezu näherungsweise der unteren Grenze des bevorzugten Bereichs, wohingegen der spezifische elektrische Widerstand der DLC Beschichtungslage, die durch Dekan (C₁₀H₂₂) mit dem größten Molekulargewicht ausgebildet wurde, nahezu näherungsweise der oberen Grenze des bevorzugten Bereichs war. Aus diesen Ergebnissen ist gefunden worden, dass eine Kohlenwasserstoff-Zusammensetzung (CxHy), wobei (x) von 1–10 reicht und (y) von 2–22 reicht, in dem P-CVD Prozess eingesetzt werden sollte, um DLC Beschichtungslagen 4 mit dem spezifischen elektrischen Widerstand innerhalb des bevorzugten Bereichs, d.h. von 10⁸ bis 10¹³ Ω-cm auszubilden.
Tabelle 5 zeigt auch das Intensitätsverhältnis (b)/(a), wie oben genannt, aus der Raman-spektroskopischen Analyse der DLC Beschichtungslagen 4 der resultierenden ESCs. Wie zuvor beschrieben, besteht eine Korrelation zwischen dem spezifischen elektrischen Widerstand der DLC Beschichtungslage und DLC Beschichtungslage sollte das Intensitätsverhältnis (b)/(a) aufweisen, wobei (a) ein Intensitätspeak von irregulärem Graphit bei 1360 cm^–1 und (b) ein Intensitätspeak von amorphem Kohlenstoff bei 1500 cm^–1 in der Raman-spektroskopischen Analyse ist, und es wurde bestätigt, dass das Intensitätsverhältnis (b)/(a) 0,7–1,2 sein sollte, um eine bevorzugte DLC Beschichtungslage mit dem elektrischen Widerstand im Bereich von 10⁸ bis 10¹³ Ω-cm auszubilden.
Wie in Tabelle V gezeigt, weist jede DLC Beschichtungslage 4 der resultierenden ESCs das Intensitätsverhältnis (b)/(a) von 0,7–1,2 auf.
<Experimente 2>
Verschiedene ESCs wurden in der gleichen Weise wie in den Experimenten 1 hergestellt, außer dass Toluen (C₇H₈) in das Vakuumbehältnis 10 eingeführt wurde und die anzulegende Impulsspannung in dem P-CVD Prozess zum Abscheiden der DLC Beschichtungslagen innerhalb eines Bereichs von –1 kV bis –20 kV variiert wurde. Der spezifische elektrische Widerstand der DLC Beschichtungslagen 4 der resultierenden ESCs wurden gemessen, das Ergebnis derselben wird in der folgenden Tabelle VI gezeigt.
Tabelle VI
Wie in Tabelle VI gezeigt waren die elektrischen Widerstände der DLC Beschichtungslagen 4 alle innerhalb des bevorzugten Bereichs, d.h. von 10⁸ bis 10¹³ Ω-cm. Die Ergebnisse legen auch nahe, dass der spezifische elektrische Widerstand der durch die P-CVD Prozess ausgebildeten DLC Beschichtungslage mit der von der Leistungsquelle 15 in dem P-CVD Prozess angelegten Impulsspannung korreliert. Des weiteren war der spezi fische elektrische Widerstand der ausgebildeten DLC Beschichtungslagen, wenn die in dem P-CVD Prozess verwendete Impulsspannung die kleinste war, d.h. –1,0 kV, nahezu näherungsweise dem oberen Grenzwert des bevorzugten Bereichs, wohingegen der spezifische elektrische Widerstand der DLC Beschichtungslage, die ausgebildet worden ist, wenn die Impulsspannung am größten ist, d.h. –20,0 kV, nahezu näherungsweise dem unteren Grenzwert des bevorzugten Bereichs war. Aus diesen Ergebnissen heraus wurde gefunden, dass in dem P-CVD Prozess eine von –1,0 kV bis –20,0 kV reichende Impulsspannung angelegt werden sollte, um die DLC Beschichtungslage 4 mit dem spezifischen elektrischen Widerstand innerhalb des bevorzugten Bereichs, d.h. von 10⁸ bis 10¹³ Ω-cm auszubilden.
<Experimente 3>
Der P-CVD Prozess zum Ausbilden von DLC Beschichtungslagen 4 wurde in der gleichen Weise wie in den Experimenten 1 ausgeführt, außer dass die angelegte Impulsspannung –5 kV betrug und die Nachglühzeit innerhalb eines Bereichs von 70–250 Mikrosekunden variiert wurde. Der spezifisch elektrische Widerstand der DLC Beschichtungslagen 4 der resultierenden ESCs wurde gemessen, und die Ergebnisse davon sind in der folgenden Tabelle VII gezeigt.
Tabelle VII
Wie in Tabelle VII gezeigt waren alle elektrischen Widerstände der DLC Beschichtungslagen 4 innerhalb des bevorzugten Bereichs, d.h. von 10⁸ bis 10¹³ Ω-cm. Die Ergebnisse legen auch nahe, dass der elektrische Widerstand der in dem P-CVD Prozess ausgebildeten DLC Beschichtungslage mit der von der Leistungsquelle 15 in dem P-CVD Prozess angelegten Impulsspannung korreliert. Des weiteren war der spezifische elektrische Widerstand der DLC Beschichtungslage, die mit der längsten Nachglühzeit ausgebildet worden ist, d.h. mit 250 Mikrosekunden, nahezu näherungsweise dem oberen Grenzwert des bevorzugten Bereichs. Entsprechend sollte in dem P-CVD Prozess eine Nachglühzeit von weniger als 250 Mikrosekunden angewendet werden, um DLC Beschichtungslagen 4 mit dem elektrischen Widerstand innerhalb des bevorzugten Bereichs, d.h. von 10⁸ bis 10¹³ Ω-cm auszubilden.
<Experimente 4>
Wenn ein ESC mit der Konstruktion der 2 in der gleichen Weise wie im Beispiel 2 ausgebildet worden ist, wurde eine DLC Oberflächenschutzbeschichtung 7 durch einen P-CVD Prozess ausgebildet, wobei in der gleichen Weise wie in den Experimenten 1 eine als eine Plasmaquelle zu verwendende Kohlenwasserstoffkomponente verschiedenartig verändert wurde, die anzulegende Impulsspannung in der selben Weise wie in den Experimenten 2 variiert wurde und die Nachglühzeit in der gleichen Weise wie in den Experimenten 3 variiert wurde. Die Ergebnisse waren im Wesentlichen die gleichen wie zuvor im Zusammenhang mit den Experimenten 1–3 beschrieben. Damit insbesondere die DLC Lagen 7 einen elektrischen Widerstand innerhalb des bevorzugten Bereichs, d.h. von 10⁸ bis 10¹³ Ω-cm aufweisen, in einem P-CVD Prozess ausgebildet werden, sollte der P-CVD Prozess so ausgeführt werden, dass Kohlenwasserstoffkomponenten (CxHy) eingesetzt werden, von denen (x) von 1–10 reicht und (y) von 2–22 reicht, und die Impulsspannung im Bereich von –1,0 kV bis –20,0 kV angelegt wird mit einer Nachglühzeit von weniger als 250 Mikrosekunden.
Obwohl die vorliegende Erfindung im Zusammenhang mit ihrer spezifischen Ausführungsformen beschrieben worden ist, so sollte verstanden werden, dass die vorliegende Erfindung nicht auf diese Ausführungsformen begrenzt ist. Obwohl beispielsweise die Isolationsschicht der ESC in den vorgenannten Beispielen, Kontrollexperimenten und Experimenten ein Graphitsubstrat 1 umfasst, das von einem PBN Isolator 2 (1 und 2) umgeben ist, so kann es auch nur ein isolierendes Substrat eines keramischen Materials, wie etwa Oxide und Nitride umfassen. Die leitfähigen Elektroden können Molybdän (Mo), Tantal (Ta), Wolfram (W) oder ein beliebiges anderes Material mit einem hohen Schmelzpunkt sein.

Claims

Elektrostatische Spannvorrichtung für das Aufspannen eines Werkstücks (5) auf die Spannvorrichtung, aufweisend eine Isolierschicht (2), mindestens eine leitfähige Elektrode (3), die auf der Isolierschicht aufliegt oder in diese eingebettet ist, eine die Isolierschicht und die Elektroden umgebende Beschichtungslage (4) und eine Spannungsquelle zum Erzeugen einer an dem genannten Werkstück anliegende Spannkraft, um das Werkstück an der Spannoberfläche der Spannvorrichtung fest zuspannen, dadurch gekennzeichnet, dass die Beschichtungslage (4) im wesentlichen aus nicht-kristallinem Kohlenstoff besteht, der eine Mischung aus einer Graphit-Struktur und einer Diamant-Struktur aufweist, und mit einem spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 10⁸ bis 10¹³ Ω cm.
Elektrostatische Spannvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Beschichtungslage (4) eine Dicke von mindestens 2,5 Mikrometern hat.
Elektrostatische Spannvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Beschichtungslage (4) gebildet wird durch einen Prozess der plasma-gestützten chemischen Dampfabscheidung.
Elektrostatische Spannvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Beschichtungslage (4) 15–26 Atom-% Wasserstoff enthält.
Elektrostatische Spannvorrichtung nach Anspruch 1, wobei auf mindestens einer Oberfläche der genannten Beschichtungslage eine Oberflächenschutzschicht gebildet ist.
Elektrostatische Spannvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die genannte Oberflächenschutzschicht 15–26 Atom-% Wasserstoff enthält.
Elektrostatische Spannvorrichtung nach Anspruch 1, wobei die genannte Beschichtungslage (4) ein Intensitätsverhältnis von 0,7–1,2 hat, wobei das genannte Intensitätsverhältnis definiert ist als das Verhältnis einer Intensität bei 1360 cm^–1 zu einer anderen Intensität bei 1500 cm^–1, wenn die genannte Beschichtungslage einer Raman-Spektroskopie-Analyse unterworfen wird.
Elektrostatische Spannvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die genannte Beschichtungslage (4) eine Dicke von mindestens 2,5 Mikrometern hat.
Elektrostatische Spannvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die genannte Beschichtungslage (4) nicht-kristallinen Kohlenstoff aufweist und durch einen Prozess der plasma-gestützten chemischen Dampfabscheidung gebildet wird.
Elektrostatische Spannvorrichtung nach Anspruch 7, wobei die genannte Beschichtungsslage (4) 15–26 Atom-% Wasserstoff enthält.
Elektrostatische Spannvorrichtung nach Anspruch 5, wobei die genannte Oberflächenschutzschicht ein Intensitätsverhältnis von 0,7–1,2 hat, wobei das genannte Intensitätsverhältnis definiert ist als das Verhältnis einer Intensität bei 1360 cm^–1 zu einer anderen Intensität bei 1500 cm^–1, wenn die genannte Oberflächenschutzschicht einer Raman-Spektroskopie-Analyse unterworfen wird.
Elektrostatische Spannvorrichtung nach Anspruch 11, wobei die genannte Oberflächenschutzschicht (4) 15–26 Atom-% Wasserstoff enthält.
Verfahren zur Herstellung einer elektrostatischen Spannvorrichtung die Schritt aufweisend: Bildung eines vorbestimmten Musters von leitfähigen Elektroden (3) auf mindestens einer Seite der Isolierschicht (4) Beschichtung der genannten leitfähigen Elektroden (3) mit einer Beschichtungslage (4), die im Wesentlichen aus nicht-kristallinem Kohlenstoff besteht, der eine Mischung aus einer Graphit-Struktur und einer Diamant-Struktur ist und einen spezifischen elektrischen Widerstand im Bereich von 10⁸ bis 10¹³ Ω cm aufweist.
Verfahren nach Anspruch 13, wobei die Beschichtung der leitfähigen Elektroden (3) beinhaltet, dass das entstehende Produkt dem Prozess der plasma-gestützten chemischen Dampfabscheidung unterworfen wird, wobei Kohlenwasserstoff (CxHy), worin (x) im Bereich von 1–10 und (y) im Bereich 2–22 liegt, in einen Vakuumbehälter eingebracht und darin durch den Ionisierungsprozess ionisiert wird, und der ionisierte Kohlenwasserstoff auf der Oberfläche der genannten Beschichtungslage (4) durch die Anwendung einer vorbestimmten Puls-Spannung auf derselben abgeschieden wird.
Das Verfahren nach Anspruch 14, Kohlenwasserstoff (CxHy) in den Vakuumbehälter eingeleitet und darin durch den Ionisierungsprozess ionisiert wird und ionisierter Kohlenwasserstoff auf der Oberfläche der genannten Beschichtungslage (4) durch die Anwendung einer vorbestimmten Puls-Spannung im Bereich von –1 kV bis –20 kV abgeschieden wird.
Verfahren nach Anspruch 14 oder 15 wobei die vorbestimmte Pulspannung eine Nach-Glühzeit von weniger als 250 Mikrosekunden hat.
Verfahren nach (irgend-)einem der Ansprüche 13 bis 16, aufweisend die Bildung der genannten Beschichtungslage (4) bis zu einer Dicke von mindestens 2,5 Mikrometern.
Verfahren nach (irgend-)einem der Ansprüche 13 bis 17, aufweisend die Bereitstellung der genannten Beschichtungslage (4) mit 15–26 Atom-% Wasserstoff.
Verfahren nach (irgend-)einem der Ansprüche 13 bis 18, wobei die genannte Beschichtungslage (4) mit einem Intensitätsverhältnis von 0,7–1,2 bereitgestellt wird, wobei das genannte Intensitätsverhältnis als das Verhältnis einer Intensität bei 1360 cm^–1 zu einer anderen Intensität bei 1500 cm^–1 definiert ist, wenn die genannte Beschichtungslage einer Raman-Spektroskopie-Analyse unterworfen wird.