JP2000031255A - ドナ―効果を減少させる材料を含む表面を有するセラミック基板支持体及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 酸素、炭素等の溶解した不純物のドナー効果
に抵抗性がある表面を有するセラミック静電チャック。 【解決手段】 支持表面を有するセラミック基板支持体
の表面導電率は、アルカリ金属の酸化物又はイオンを支
持表面へ導入することにより制御される。基板支持体を
製造するため、セラミックがグリーン状態にある時に、
アルカリ金属酸化物が混合される。又は、現存するセラ
ミック基板支持体の支持表面を、アルカリ金属イオンで
ボンバートする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウェハー処
理室内で基板を支持するセラミック基板支持体チャック
に関する。本発明は特に、改善された多層のドーピング
されたセラミック基板支持体と、その製造方法、及び現
存のセラミック基板支持体の表面導電率を変化させる方
法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウェハー処理システム内で、半導
体ウェハー等の基板を保持するため、静電支持体チャッ
クが広く使用されている。このようなチャックは、半導
体ウェハー又は他の基板を処理中に処理室内の静止位置
に保持するため使用される。高温物理蒸着（ＰＶＤ）シ
ステムで使用される特定の種類の基板支持体チャック
は、二極性セラミック静電チャック（Ｅチャック）であ
る。二極性静電チャックは、一般に一体のセラミック体
内に埋め込まれた２つの電極を備える。処理中チャック
により保持されるウェハー又は他の基板を加熱するた
め、ヒーター電極がチャック体内に配置される。セラミ
ックのチャック体は、例えば酸化チタン、酸化クロム等
の金属酸化物をドーピングした窒化アルミニウム、窒化
ホウ素、又はアルミニウム、又は同様の抵抗性を有する
他のセラミック材料でできている。これらの種類のセラ
ミックは、特に高温で導電性がよい（比較的抵抗が低
い）。

【０００３】使用において、チャッキング電圧が電極に
かけられるとき、半導体ウェハーはチャック体の上側表
面に対して位置する。セラミック材料は導電的な性質な
ので、ウェハーは初め、ジョンソン-ラーベック効果に
よりチャック体の上側表面に対して保持される。ジョン
ソン-ラーベック効果により、チャックの上側表面とウ
ェハーの間に小さいけれど高効率の電流が流れる。この
ように単純なクーロン効果により発生するよりずっと大
きいチャッキング力により、ウェハーはチャック体の上
側表面に対して保持される。ジョンソン-ラーベック効
果によるチャックは、1992年5月26日発行の米国特許第
5,117,121号と、1995年10月31日発行の米国特許第5,46
3,526号に開示されている。

【０００４】セラミック製のチャック体を使用すること
の1つの不利な点は、半導体ウェハー処理の結果とし
て、チャック体の表面が、酸素、炭素等の不純物で覆わ
れることである。これらの不純物は、チャックの表面で
セラミック中に導入された電子のドナーとして作用す
る。電子ドナー不純物（電子を供与する不純物）は、チ
ャックの表面でセラミックの導電率を増加させ、それに
より導電性コーティングを形成する。この導電性コーテ
ィングが、電極間の短絡として作用し、チャッキング力
を弱める。導電性コーティングはまた、チャック電極間
にウェハーを通って電流が流れる経路を与える、即ちコ
ーティングにより、チャック表面とウェハーの間に、適
正に作動する（クリーンな）チャックで得られる経路と
比べて導電性の経路を与える。上側表面がより導電性に
なると、チャック体とウェハーの両方にさらに高電流が
流れる。ウェハーは、高電流が流れると損傷を受ける場
合がある。

【０００５】チャッキング力に影響を及ぼす炭素薄膜を
有するチャックを回復させるため、材料を酸素プラズマ
中で酸化することにより、又はチャックを純粋な酸素中
で約100ミリトールの圧力で温度500℃まで加熱すること
により、導電性材料をチャックの表面から除去すること
が出来る。最初の酸化処理により、通常はチャッキング
力が回復する。しかし、高温では、酸化プロセス中に、
酸素、炭素等の不純物がチャック体の表面に溶解する。
窒化アルミニウム等のセラミック材料は、酸素、炭素と
非常に反応し易い。酸素又は炭素がセラミック中に溶解
すると、汚染物質はセラミックをより導電性にする電子
を供与するドーパントのように作用する。その結果、チ
ャックは高温作動中に故障する。さらに、より多いドナ
ー不純物がチャック体の表面に溶解する結果、後続の追
加のクリーニング処理の有効性が減少する。結果とし
て、チャックを交換しなければならず、そのためプロセ
ス室のウェハー処理を停止する必要があり、ウェハー製
造の遅れ、ウェハー当たりのコストが増加し、生産性が
落ちる。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】それゆえ、酸素、炭素
等の溶解した不純物のドナー効果（電子を供与する効
果）に抵抗性がある表面を有するセラミック静電チャッ
クと、その製造方法が必要である。

【０００７】

【課題を解決するための手段】従来技術の欠点は、表面
材料への添加剤により表面導電率が制御される本発明の
静電チャック又はセラミックヒーター等のセラミック基
板支持体により克服することができる。特に、本発明は
基板支持体の支持体表面内にドーパントを導入する。ド
ーパントは、チャックの使用中に存在する酸素又は炭素
と反応し、安定で電子を供与しない（従って非導電性又
は半導電性）混合物をチャックの中に形成し、それによ
り電子のドナー効果を減らし、その結果チャッキング力
が恒久的になくならないようにする。好適なドーピング
材料は、ベリリウム、マグネシウム、カルシウム、スト
ロンチウム、ベリウム等のアルカリ金属である。表面の
導電率を制御するため得られる２つのパラメータは、ア
ルカリをドーピングした領域の深さと、ドーピングした
領域のアルカリ原子の濃度である。アルカリ金属原子の
モル濃度が10ミクロンの厚さまでで、好ましくは1〜10
ミクロンの厚さで、2％より大きければ、基板支持体の
表面で、電子ドナー効果を防ぎ、セラミックに溶解した
酸素、炭素等の不純物によるチャッキング力の恒久的な
損失を防ぐのに十分である。さらに本発明は、表面導電
率が添加剤により制御されるセラミック基板支持体を製
造する方法と、アルカリ金属イオンを支持表面に注入す
ることにより、現存するセラミック基板支持体の表面導
電率を制御する方法を提供する。

【０００８】

【発明の実施の形態及び実施例】図面を参照して次の発
明の詳細な説明を読めば、本発明の教示は容易に分かる
であろう。容易に理解できるようにするため、図面を通
して同じ要素は同じ参照番号を付けてある。本発明は、
基板を支持するのに使用され、セラミック静電チャッ
ク、セラミック基板ヒーター等のセラミック体を含むセ
ラミック基板支持体の性質を改善する。次の開示は、本
発明を例示するセラミック静電チャックについて記述す
る。しかし、本発明の範囲は、基板を支持するのに使用
するどのようなセラミック体をも包含することを意図し
ている。

【０００９】図１は、二極性セラミック静電チャック10
0を例示する基板支持体の概略断面図である。チャック
は、半導体ウェハー処理システム内で半導体ウェハー11
4等の基板を保持する2つの部分102と112に形成されてい
る。チャック100は、２つの部分を有するものが示され
ているが、後述するようにチャック100はどのような数
の層の材料ででも形成することができる。チャック100
は、1つのユニットを形成するように製造された2つの部
分の複合物で、基板114がチャック100の上面120に支持
される。特に、第1部分（即ち層）102は、チャック100
のベースを形成し、室温で中位の抵抗率特性を有する誘
電性材料で出来ているのが好ましい。第1部分は、窒化
アルミニウム等のセラミックが好ましい。

【００１０】さらに、第1部分102は、基板をチャックし
処理するのに必要な色々の要素が設けられている。２つ
のチャッキング電極106と108が、第1部分102内に配置さ
れる。チャッキング電極106と108は、第1部分の上面104
に近接して配置され、またウェハーをチャック100の上
面120に対して保持するのに好適なようにどのようにで
も構成することができる。二極性チャックについて後述
するが、本発明は、一極、二極、三極、かみ合い、帯状
等のどのような数の電極でも、どのような種類のチャッ
キング電極構造でも使用することも出来る。ヒーター電
極110もまた、第1部分102に埋め込まれる。製造中、第1
部分120がグリーン状態（即ち、未硬化のセラミック）
である間に、ヒーター電極が、第1部分に置かれる。1つ
のヒーター電極について示され記述するが、ヒーター電
極のどのような数と配置でも使用でき、例えば１つのヒ
ーター電極、又は2つ又はそれ以上のヒーター電極をゾ
ーン加熱等に使用することができる。

【００１１】又は、基板支持体は、ヒーター電極なしの
チャックとして製造することができ、又はチャッキング
電極なしのセラミックヒーターとして製造することが出
来る。チャッキング電極と加熱電極は、モリブテンとタ
ングステン等の金属で作るのが好ましい。これらの電極
は、付随するフィードスルー（図示せず）と共に、セラ
ミックがグリーン状態にある間にセラミック内に配置さ
れる。第２部分（即ち層）112は、第1層102の上面104上
に配置される。2つの部分が使用される場合は、チャッ
キング表面120は第2層112の上面である。第2層112は、
アルカリ金属酸化物が混合された誘電性材料で出来てい
るのが好ましい。理想的には、第2層112の誘電性材料
は、焼結前状態（グリーン状態）の窒化アルミニウム等
のセラミックであり、アルカリ金属酸化物は酸化カルシ
ウムであり、そのモル比は2％より大きい。第2層112
は、10ミクロンまでの厚さで、1から10ミクロンの間が
好ましい。第1部分102と第2部分112は、熱膨張係数が近
いセラミックでできていれば、窒化ホウ素、アルミナ等
の他のセラミックを使用することが出来る。

【００１２】図２は、図1に示すセラミック静電チャッ
クを製造するプロセス200の第1実施例を示すフローチャ
ートである。理想的には、第１層102は、焼結前状態
（グリーン状態）の窒化アルミニウム等のセラミックで
できている。プロセス200のステップ202で、窒化アルミ
ニウム等のセラミック粉末を混合して、第１グリーン体
部分102を形成する。特に、焼結前のグリーン体の状態
では、第1層102はパテ状で、そのためステップ203で容
易に、チャッキング電極106と108と可能ならヒーター電
極110を追加することができる。チャッキング電極は、
一般にはタングステン又はモリブテンメッシュから出来
ていて、静電的チャックの作動に適したどのようなメッ
シュサイズ又は形状をとることができる。又は、ヒータ
ー電極110は、パテ状のグリーン体内に軽く押し込むこ
とにより、第1部分102に、又は第1部分102の上又は下に
配置された別の層に加えることが出来る。第1層は、プ
レスを使用して型で成形することが出来る。第1部分102
は、グリーン状体のセラミックの複数の積み重ねた層か
ら製造することが出来、追加のヒーターとチャック電極
があってもなくてもよい。

【００１３】表面導電率はまた、一部はグリーン体状態
にある時のセラミックの純度による。即ち、チャック10
0の所望の形状と機構の形成を容易にするため、グリー
ン体にバインダーが加えられる。これらのバインダー、
例えばポリビニルアルコール、ポリビニルブタリル、ポ
リプロピレンカーボネート等は、グリーン体を通じて消
散する。このように、これらはセラミックの第１部分10
2と第２部分112の導電率を変えることができる汚染物質
として作用する。この状態を軽減するため、製造プロセ
スにバインダー除去ステップ204が加えられ、セラミッ
クの純度と密度を増加させ、好適な焼結プロセスを行え
るようにする。バインダー除去ステップは、第２部分11
2に結合する前に、第１部分102を形成するグリーン体に
行われる。例えば、バインダー除去ステップ204は、バ
インダー除去する材料即ち第1部分102を、大気中で約50
0℃の温度で約1時間バーンアウトを行うことからなる。
この条件では、バインダーは材料から蒸発して除去され
る。

【００１４】次にステップ206で、酸化カルシウム（Ｃ
ａＯ）等のアルカリ金属酸化物塩を乳鉢とすりこ木を使
用して窒化アルミニウム等のセラミック粉末に混合し、
アルカリ金属酸化物のモル比が２％より大きいグリーン
体を形成する。グリーン体は、プレスを使用して型内で
成形し、それにより第２部分112を成形する。第２部分
もまた、ステップ204で記述したようにしてバインダー
除去される。ステップ208で、ステップ206で作られたア
ルカリ金属酸化物を含むグリーン体でできた第２部分11
2は、第１部分102の上面104と接触しておかれる。次に
ステップ210で、チャック100は炉内で焼結され、第１部
分102と第２部分112のグリーン体の状態から硬化し結合
する。特に、ステップ210で、チャック100は、約1900〜
2000℃の温度範囲で、約1気圧又はそれ以上の窒素雰囲
気で約8から10時間焼結される。焼結プロセスにより、
第２部分112へ導入されたドーパント材料のレベルを有
する静電チャックが生じ、それが溶解した酸素、炭素等
の不純物と反応することにより表面導電率を制御し、安
定な混合物を形成する。要するに、高濃度の酸素、炭素
等の電子ドナー不純物を含む環境に高温で晒した後も、
ジョンソン-ラーベック効果により、半導体ウェハーを
作動可能な、即ち保持できる多層静電チャックが提供さ
れる。不純物と反応して安定な混合物を形成するドーパ
ントが提供され、それによりドナー効果をなくす。この
ような構成の利点は、表面導電性に悪影響を及ぼさず
に、支持表面120を酸化して導電性材料を除去すること
ができ、その結果チャックの有効寿命が伸び、ウェハー
の均一性がよくなることである。

【００１５】本発明の１実施例をアルカリ金属酸化物ド
ーパントを、焼結前の２部分チャックの上側層のグリー
ン体状態に混合することを記述したが、このようなドー
パントを１つ又はそれ以上の層からなるチャックの何れ
かの層にドーパントを添加する他の方法を除外するもの
ではない。例えば、本発明は、アルカリ金属イオンの導
入により、現存するチャックの表面導電率を変化させる
ことにより実行することが出来る。例えば、当業者は、
イオンボンバートにより、現存する単層又は複数層のチ
ャックの上面にアルカリ金属イオンを追加することが出
来る。図３は本発明の第２実施例によりイオンボンバー
トを受けるセラミック基板支持体を表す。支持体300
は、処理室310等の真空室の内側にある。セラミック支
持体300は、酸素、炭素等の不純物のドナー効果に影響
され易いどのような種類のセラミック基板支持体でもよ
い。イオン源302が支持体上に配置され、アルカリ金属
イオン304を支持体300の支持表面306に向ける。イオン3
04は十分な数だけ注入され、支持体300の支持表面306で
層308内のアルカリ金属イオンのモル濃度が2％より大き
くなるのが好ましい。又は、アルカリ金属は支持表面30
6にアルカリ金属原子又はアルカリ金属酸化物の形で導
入することも出来る。処理した層308の厚さは、10ミク
ロンまでの厚さであることが好ましい。層308の厚さ
は、1から10ミクロンまでが最も好ましい。

【００１６】支持表面306内にイオン304が注入される深
さは、イオン304の運動エネルギーによる。支持体300の
支持表面306内のイオンの濃度は、主に表面306へのイオ
ン304の流量と晒す時間による。イオン源302は、液体金
属イオン源、プラズマトロン源、プラズマ、又は所望の
運動エネルギーのイオンを十分な流速で供給できる同様
な源であってもよい。本発明により製造したセラミック
基板支持体は、酸素又は炭素等の不純物のドナー効果に
抵抗性があるという利点がある。ドナー不純物に抵抗性
がある基板支持体は、従来の基板支持体よりよい性能を
与え、頻繁に交換する必要がなく、ウェハー生産の遅れ
が少ない。本発明の教示を入れた色々の実施例が示さ
れ、詳細に記述するが、当業者は容易にこれらの教示を
入れた多くの他の変形実施例を考えることが出来る。

【図面の簡単な説明】

【図１】 本発明により製造されたセラミック静電チャ
ックの概略断面図。

【図２】 本発明の第１実施例により図１の静電チャッ
クを製造するプロセスのフローチャート。

【図３】 本発明の第２実施例によるアルカリ金属イオ
ンのボンバートを受けている処理室内のセラミックチャ
ックの概略断面図。

【符号の説明】

100 チャック 102 第1部分 104 上面 106,108 チャッキング電極 112 第2部分 114 半導体ウェハー 120 上面

Claims (26)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 ドナー効果を減少させる材料を含む支持
   表面を有するセラミック体を備えることを特徴とする不
   純物のドナー効果に抵抗性がある基板支持体。
2. 【請求項２】 前記材料は、アルカリ金属酸化物である
   請求項１に記載した基板支持体。
3. 【請求項３】 １つ又はそれ以上の金属電極が、前記セ
   ラミック体内に配置される請求項１に記載した基板支持
   体。
4. 【請求項４】 前記アルカリ金属酸化物は、ベリリウ
   ム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、ベリ
   ウムからなる群から選択した金属酸化物である請求項２
   に記載した基板支持体。
5. 【請求項５】 前記セラミック体は第1部分と、前記第1
   部分の上に配置された第２部分とを有し、前記第２部分
   は内部にアルカリ金属酸化物が混合され、前記支持表面
   は前記第２部分の表面である請求項１に記載した基板支
   持体。
6. 【請求項６】 前記第２部分は、1から10ミクロンの間
   の厚さである請求項１に記載した基板支持体。
7. 【請求項７】 前記第２部分で、前記アルカリ金属酸化
   物のモル濃度が2％より大きい請求項１に記載した基板
   支持体。
8. 【請求項８】 不純物のドナー効果に抵抗性がある基板
   支持体において、 a) 第１セラミック部分、 b) 前記第１セラミック部分内に配置された１つ又はそ
   れ以上の金属電極、及び、 c) 前記第1セラミック部分の上に配置され、ドナー効
   果を減少させる材料を含む第２セラミック部分、 を備えることを特徴とする基板支持体。
9. 【請求項９】 前記材料はアルカリ金属酸化物である請
   求項８に記載した基板支持体。
10. 【請求項１０】 前記１つ又はそれ以上の金属電極はチ
    ャック電極であり、前記基板支持体は静電チャックであ
    る請求項１に記載した基板支持体。
11. 【請求項１１】 不純物のドナー効果に抵抗性がある基
    板支持体を製造する方法において、 a) セラミックグリーン体を形成し、 b) 前記セラミックグリーン体にドナー効果を減少させ
    る材料を添加し、 c) 前記セラミックグリーン体を焼結して、ドナー効果
    を減少させる不純物のドナー効果に抵抗性がある基板支
    持体を形成する、 ステップを備えることを特徴とする方法。
12. 【請求項１２】 前記材料はアルカリ金属酸化物である
    請求項１１に記載した方法。
13. 【請求項１３】 前記形成するステップは、 a) 第１セラミックグリーン体の第１部分を形成し、 b) アルカリ金属酸化物を含む第２セラミックグリーン
    体の第２部分を形成し、 c) 前記第１部分と前記第２部分を結合してセラミック
    グリーン体を形成する、 ステップを備える請求項１１に記載した方法。
14. 【請求項１４】 １つ又はそれ以上の金属電極を前記第
    １部分内に埋め込む請求項１３に記載した方法。
15. 【請求項１５】 前記第２層は、1から10ミクロンの間
    の厚さである請求項１３に記載した方法。
16. 【請求項１６】 前記第２セラミックグリーン体で、前
    記アルカリ金属酸化物のモル濃度が2％より大きい請求
    項１３に記載した方法。
17. 【請求項１７】 前記アルカリ金属酸化物は、ベリリウ
    ム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、ベリ
    ウムからなる群から選択した金属酸化物である請求項１
    ３に記載した方法。
18. 【請求項１８】 前記第１部分を形成する前記第１セラ
    ミックグリーン体は、窒化アルミニウムである請求項１
    ３に記載した方法。
19. 【請求項１９】 前記第２部分を形成する前記セラミッ
    クグリーン体は、窒化アルミニウムである請求項１３に
    記載した方法。
20. 【請求項２０】 前記第１部分と前記第２部分とは、共
    に焼結することにより結合される請求項１３に記載した
    方法。
21. 【請求項２１】 前記焼結は、窒素雰囲気中で1900〜20
    00℃の温度範囲で、約8から10時間行われる請求項２０
    に記載した方法。
22. 【請求項２２】 基板支持体の表面導電率を制御する方
    法において、ドナー効果を減少させる材料の複数のイオ
    ンを前記基板支持体の上面に注入するステップを備える
    ことを特徴とする方法。
23. 【請求項２３】 前記材料は、アルカリ金属酸化物であ
    る請求項２２に記載した方法。
24. 【請求項２４】 前記イオンは、十分な数と十分な運動
    エネルギーで注入され、アルカリ金属のモル濃度が2％
    より大きい層を形成する請求項２３に記載した方法。
25. 【請求項２５】 前記層は、10ミクロンまでの厚さを有
    する請求項２４に記載した方法。
26. 【請求項２６】 前記アルカリ金属酸化物は、ベリリウ
    ム、マグネシウム、カルシウム、ストロンチウム、ベリ
    ウムからなる群から選択した金属酸化物である請求項２
    ３に記載した方法。