JP2001525617A - セラミック静電チャック及びその製造方法。 - Google Patents

セラミック静電チャック及びその製造方法。

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JP2001525617A JP2000523753A JP2000523753A JP2001525617A JP 2001525617 A JP2001525617 A JP 2001525617A JP 2000523753 A JP2000523753 A JP 2000523753A JP 2000523753 A JP2000523753 A JP 2000523753A JP 2001525617 A JP2001525617 A JP 2001525617A
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Abstract

(57)【要約】 処理装置内に基板を保持するための、多層化されたセラミック静電チャックが提供される。このチャックは、上面を有する第１の層と、この第１の層の上面に設けられた第２の層と、第２の層の上部に設けられた第３の層を有する。この第２の層はチャックの製造工程中に第３の層の固有抵抗を変へる。チャックの固有抵抗はジョンセン−ラーベック効果の確立を容易にする値へ減少され、室温でのウエハ処理を向上する。

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体処理装置内に半導体ウエハを支持するためのセラミック基板
の支持チャックに関する。特に、本発明は、ジョンセン−ラーベック効果によっ
て室温で動作するために、チャックの一部の固有抵抗を減少するための、改良さ
れた多層化され、ドープされたセラミック静電チャック、及びその製造方法に関
する。
【０００２】
【従来の技術】
基板支持チャックは、半導体処理装置内に基板を支持するために広く用いられ
る。例えば高温の物理的気相堆積(physical vapor deposition: PVD)のような高
温の半導体処理装置に用いられる特別な形式のチャックに、セラミック静電チャ
ックがある。これらのチャックは、処理中に処理チャンバの静止位置に半導体、
または他の基板を保持するために用いられる。図１は代表的なセラミック静電チ
ャック１００を示す。これらの静電チャックは、単位のセラミックチャック体１
０２内に埋め込まれた１以上の電極１０４と１０６をそれぞれ有している。この
セラミックチャック体１０２は、例えば、アルミニウムナイトライド、ボロンナ
イトライド、または酸化チタンまたは酸化クロムのような金属酸化物でドープさ
れたアルミナ、または同じ抵抗特性をもつ他のセラミック材料から作られる。セ
ラミックのこの形状は、高温で部分導電性である。
【０００３】 使用において、チャック電圧が電極に加えられると、チャック体の表面に対し
てウエハを平に保持する。高温でセラミック材料の導電性の性質のために、ウエ
ハは、ジョンセン−ラーベック効果によってセラミック支持体に対して基本的に
保持される。ジョンセン−ラーベック効果は、基板支持体の表面と保持される基
板の間に小さいが、しかし非常に効果的な電流を確立する。このように、純粋に
クーロン効果の静電チャックによって発生された力より非常に大きいチャク力が
基板を支持体の表面に保持する。ジョンセン−ラーベック効果は、１９９２年５
月２６日に発行された米国特許第5,117,121号及び１９９５年１０月３１日に発 行された米国特許第5,463,526号に開示されている。
【０００４】 セラミックから作られたチャック体を使用する一つの利点は、チャックの固有
抵抗が温度の関数として変化することである。ウエハの処理中に、チャックは温
度の広い範囲、例えば、２０−１５０℃の範囲に曝され、また他の形式の処理に
対しては３００−４００℃程度高くされる。室温（約２０℃）において、チャッ
クの固有抵抗は約１０14ohm-cmのオーダであり、約１５０℃の温度では約１０13 ohm-cmに減少する。固有抵抗のこの減少は、ジョンセン−ラーベック効果による
生死チャック力を向上する。しかし、チャンバの温度が上昇すると、固有抵抗レ
ベルが減少しづづける。ジョンセン−ラーベック効果に寄与するチャック体、従
ってウエハ内の電流は大きくなる。高い電流を有するチャックの支持表面にクラ
ンプされるウエハ、または同様な基板は、低い歩留まりを有し、すなわち全体的
に使用できないと言う点で損害を受ける。
【０００５】 バルク材料の固有抵抗を制御することは、ジョンセン−ラーベック効果の静電
チャックを作り、使用するのに本質的なことである。固有抵抗を制御するために
利用できる２つのパラメータは、処理温度とチャックの材料である。都合悪いこ
とに、処理温度を下げることは、ジョンセン−ラーベック効果を確立する最適な
固有抵抗を与えない。従って、チャック体を有する材料を変えることが必要であ
る。バルク材料をドーピングすることは現実的な解決法であるが、ドーピングの
量を制御することが極めて重要なことである。例えば、非常にドープされたバル
ク材料を有する静電チャックはチャック電極を短くし、残留電荷の増加によるデ
チャッキングを妨げる過剰な電荷を発生する。
【０００６】 したがって、基盤を支持体表面に静電的にクランプするために、ジョンセン−
ラーベック効果を確立するのに適した抵抗レベルを有する装置及びその製造方法
の必要性がある。
【０００７】
【発明の概要】
従来技術に関連した欠点は、本発明の多層化されたセラミック静電チャックに
よって克服される。特に、本発明は、上部表面を有する第１の層，第１の層の上
面上に設けられた第２の層、及び第２の層の上部に設けられた第３の層を有する
、処理チャンバ内に基板を保持するためのセラミック静電チャックを提供する。
第２の層は、チャックの製造プロセス中に第１の層の固有抵抗を変える。特に、
チャックの固有抵抗は、ジョンセン−ラーベック効果の確立を容易に＿、室温で
ウエハ処理を増進する値まで減少される。
【０００８】 更に、本発明は、処理チャンバ内に基板を保持するための多層化されたセラミ
ック静電チャックを製造する方法を提供する。この方法は、第１の層を備えるス
テップ、第３の層の底面に第２の層を設けるステップ、第１の層上に設けられた
第２の層とともに第３の層を設けるステップ、及び多層化されたチャックを燒結
するステップを有する。
【０００９】 このような構成の利点は、適切なチャック力の確立、減少したデチャック（チ
ャックをはずす）時間、チャンバ要素の減少した熱ストレスと疲労、及び処理さ
れたウエハのバッチと続くウエハスループット間の信頼できるウエハの取扱いと
均一性を生じるウエハである。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の理解を容易にするために、可能な限り、図面に共通な同一素子を指示
するために、同一の参照番号が用いられる。
【００１１】 図２は、半導体ウエハの処理装置の処理チャンバ内に基板、例えば半導体ウエ
ハ（図示せず）を保持するための、静電チャック２００の複数の層の分解断面図
を示す。このチャック２００は、好ましくは、チャック２００の上面２２０上に
保持される半導体ウエハを伴う、単一ユニットに製造される３層構成である。特
に、第１の層２０２はチャック２００のベースを形成する。この第１の層２０２
は、好ましくは、室温で適度の固有抵抗特性を有する誘電体材料である。理想的
には、第１の層２０２は燒結前の状態でアルミニウムナイトライドのようなセラ
ミックである。本発明の好適な実施の形態では、第１の層２０２は約１０ｍｍの
厚さである。
【００１２】 さらに、第１の層２０２は半導体ウエハを製造するのに必要ないろいろな素子
が提供される。特に、燒結前の、未処理状態では、第１の層２０２は、硬さがパ
テ状で、１以上のチャック電極２１０と１以上の加熱電極２０８を加えることを
容易にする。チャック電極２１０は第１の層２０２の上面２１４の近くに配置さ
れ、チャック２００の上面２２０にウエハを保持するのに適した方法で配列、ま
たは構成される。例えば、それらはモノポーラ電極、２以上のバイポーラ電極、
多重ゾーン化されたバイポーラ電極等である。同様に、加熱電極も単一ヒータ、
ゾーン化された加熱用の２以上のヒータ等である。チャック及び加熱電極は、モ
リブデン、タングステンからなるグループから選択される。これらの電極は、付
随するフィードスルー（図示せず）とともに未処理状態の第１の層内に配置され
、電極から電源（図示せず）への接続を行なう。
【００１３】 第２の層２１２は第３の層の底面２０４に設けられる。この第２の層２１２は
チャック２００の固有抵抗を変えることができるドーパント材料である。このド
ーパントは、室温におけるチャック固有抵抗を約１０10-12ohm-cmの値に減少す ることができる材料である。本発明の好適な実施の形態では、ドーパントはカー
ボンである。特に、カーボンは、第３の層２０６の底面２０４に設けられる。本
発明の好適な実施の形態では、カーボンはスパッタ技術によって設けられる。ス
パッタリングは完成されたチャックの合成固有抵抗における高度の堆積制御を可
能にする。すなわち、ドーパントのスパッタされた層の厚さは、チャックの所望
の固有抵抗を変化するために変えられる。このように、いろいろな固有抵抗特性
を有する広い範囲のチャックをいろいろな形式の仕様書に従うように作ることが
できる。例えば、本装置において、ドーパントの厚さは約１００−１００００Å
の範囲にある。本発明の好適な実施の形態では、ドーパントの厚さは約５０００
Åである。材料を堆積するために用いられる全ての他の方法は、ドーパントの層
を形成するのに適している。例えば、ドーパント層２１２は、スクリーンプリン
ティング、真空アーク堆積等の技術によって形成することもできるが、これらに
限定されるものでない。同様に、カーボンを酸素、シリコン、ベリリウム、カド
ミウム、亜鉛及びマグネシュウムのようないろいろなドーパントで置き換えるこ
とができる。
【００１４】 第３の層２０６が第１の層２０２上に堆積されて、完全なチャック２００を生
成する。この第３の層２０６は、誘電体材料であるのが好ましい。ウエハの処理
中の異変またはチャックの早期の故障を避けるために、第１の層２０２と第３の
層２０６は、同じ材料か、少なくとも値が比較的近い熱膨張係数を有する材料で
あるのが好ましい。理想的には、第３の層２０６は、完全に硬化された、すなわ
ち燒結後の状態でのアルミニュウムナイトライドのようなセラミックである。本
発明の好適な実施の形態では、第３の層２０６は約２−１０ｍｍ厚のディスクで
ある。代わりに、第３の層はボロンナイトライドでもよい。
【００１５】 多層化されたチャックを形成するために、燒結後の第３の層２０６は、第２の
層２１２が第１の層２０２上に設けられ、第１の層２０２と第３の層２０６間に
あるように仕向けられる。特に、第３の層２０６の底面２０４は堆積された第２
の層２１２を有していて、第１の層２０２の上面２１４と接触して配置される。
次に、多層化されたチャック２００は、未加工状態の第１の層２０２を硬化する
ために、炉のなかで燒結される。特に、チャック２００は、窒素ガス中において
、約１気圧以上の圧力、約１９００−２０００℃の範囲の温度で、約８−１０時
間燒結される。
【００１６】 燒結プロセスは、固有抵抗を減少する、本体に内蔵されたドーパント材料のレ
ベルを有する静電チャックを生成する。図３は、完全に組立てられ、製造された
状態の図２のチャックを示す。ドーパント材料、例えば、カーボンは燒結プロセ
ス中に未加工状態の第１の層２０２へ拡散する。殆どの拡散が第１の層２０２の
上面２１４とチャック電極２１０間に生じるので、チャック電極２１０は、拡散
障壁として働く。こうして、固有抵抗の低い値は第１の層２０２において実現さ
れる。例えば、アルミニュウムナイトライドは、室温において１０14ohm-cmのオ
ーダーの固有抵抗を有する。ここに開示された本方法により製造された静電チャ
ックは室温で１０10-12ohm-cmのオーダーの固有抵抗を有する。固有抵抗のこの 減少は非常に望ましいチャック及びデチャック状態を提供する。特に、ジョンセ
ン−ラーベック効果は、クーロンのチャック(Coulombic chuck)によって与えら れるチャック力より大きな理想的なチャク力を確立する。第１の層２０２のドー
ピングは適切に制御されるので、上面２２０からウエハを効率的にデチャックす
るために、除去される必要のあるチャックにおける過剰な電荷がない。さらに、
低い処理温度は、処理されるウエハばかりでなく、チャンバの要素に熱ストレス
を殆ど与えない。このような状態は、処理されたウエハのバッチと大きなウエハ
のスループット間で優れた均一性に結びつく。
【００１７】 固有抵抗の減少は、未加工状態にあるとき、アルミニウムナイトライドの純度
に部分的に依存する。すなわち、チャック対の必要な形状及び特徴の形成を容易
にするために、バインダーが、未加工のチャック体に加えら得る。これらのバイ
ンダー、例えば、ポリビニルアルコール、ポリビニルブチラール、ポリプロピレ
ンカルボネート等は、至る所で未加工体である。このように、これらは固有抵抗
を変える汚染物質として働く。この状態を軽減するために、バインダーを除くス
テップがアルミニウムナイトライドの純度および密度を増加し、適切な処理プロ
セスを可能にするために、製造プロセスに加えられる。バインダーを除くステッ
プは未加工の第１の層２０２を第２の層２１２及び第３の層２０６に加える前に
未加工の第１の層２０２について行なわれる。例えば、バインダーを除くステッ
プは、約５００℃の温度の空気中で約１時間、バインダーを除くべき材料、すな
わち第１の層２０２を加熱するステップからなる。これらの条件の下で、バイン
ダーは除去され、すなわち材料から蒸発する。
【００１８】 換言すれば、室温においてジョンセン−ラーベック効果によって処理されるべ
き半導体ウエハを操作、すなわち保持することができる多層化された静電チャッ
クが提供される。ドーパントが最終の燒結ステップ前に燒結前後の材料に与えら
れる。最終の燒結ステップは過熱電極やチャック電極のような適合した処理素子
を保持する燒結前の材料を硬化するばかりでなく、燒結後の材料へドーパント材
料の注入を促進して、材料の固有抵抗特性を減少する。この構成の利点は、非常
に短いランプアップ時間(ramp up time)であり、必要なチャンバ環境、減少され
た熱ストレスとチャンバ要素の疲労、及び処理されたウエハのバッチと大きなウ
エハのスループット間で優れた均一性に結びつく。
【００１９】 本発明は、燒結後の層の底面にドーパントを堆積することによって説明された
けれども、これはあらゆるドーパント層の、全ての多層化されたチャック及びそ
の製造する方法ヘ適用することを妨げない。例えば、この分野の通常の知識を有
すル者が燒結前の材料にドーパントを加えることができるし、製造プロセス中の
あらゆるステップにおいて、スパッタされない底側を有する第３の層を配置する
ことができる。換言すれば、第３の層は堆積ステップ前の底面にカーボンの層が
与えられる。このように、堆積されたカーボンは燒結後のあらかじめ所望の状態
に置かれた層以外の燒結前の層に容易に拡散する。
【００２０】 本発明の教示を取り込んだいろいろな実施の形態が示され、詳細に説明された
けれども、当業者はこれらの教示を取り込んだ他の多くの変更された実施の形態
を容易に考えることができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】 従来のセラミック静電チャックの断面図を示す。
【図２】 本発明の教示によるセラミック静電チャックの層の分解断面図を示す。
【図３】 完全に製造されたセラミック静電チャックの断面図を示す。

Claims (19)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 処理チャンバないに基板を保持するための多層化されたセラ
    ミック静電チャックであって、 上面を有する第１の層と、 前記第１の層の上面上に設けられた第２の層と、 前記第２の層の上部に設けられた第３の層とを有し、 前記第２の層は第１の層の固有抵抗を変えることを特徴とする静電チャック。
  2. 【請求項２】 前記第１の層はアルミニウムナイトライドであることを特徴
    とする請求項１に記載の静電チャック。
  3. 【請求項３】 前記第２の層はドーパントであることを特徴とする請求項２
    に記載の静電チャック。
  4. 【請求項４】 前記ドーパントは前記第３の層の底面にスパッタされること
    を特徴とする請求項３に記載の静電チャック。
  5. 【請求項５】 前記ドーパントはカーボンであることを特徴とする請求項４
    に記載の静電チャック。
  6. 【請求項６】 前記第３の層はアルミニウムナイトライドであることを特徴
    とする請求項５に記載の静電チャック。
  7. 【請求項７】 アルミニウムナイトライドである第１の層は燒結前の状態に
    あり、アルミニウムナイトライドである第３の層は燒結後の状態にあることを特
    徴とする請求項６に記載の静電チャック。
  8. 【請求項８】 多層化された静電チャックは約１９００−２０００℃の範囲
    の温度で燒結されることを特徴とする請求項７に記載に記載の静電チャック。
  9. 【請求項９】 処理チャンバない基板を保持するための多層化されたセラミ
    ック静電チャックを製造する方法であって、 前記チャックは、上面を有する第１の層、前記第１の層の上面上に設けられた
    第２の層、および前記第２の層の上部に設けられた第３の層を有し、前記第２の
    層は前記第１の層の固有抵抗を変化し、 前記第１の層を設けるステップと、 前記第３の層の底面に前記第２の層を設けるステップと、 前記第１の層をデバインダするステップと、 前記デバインダされた第１の層に設けられた第２の層を有する第３の層を設け
    るステップと、 多層化されたチャックを燒結するステップと、 を有することを特徴とする方法。
  10. 【請求項１０】 前記第１の層に設けられた第２の層を有する第３の層を設
    けるステップは、さらに、前記だ３の層の底面が前記第１の層の上面に接触して
    いることを特徴する請求項９に記載の方法。
  11. 【請求項１１】 前記第１の層はアルミニウムナイトライドであることを特
    徴する請求項１０に記載の方法。
  12. 【請求項１２】 前記第２の層はスパッタリングによって前記第３の層の底
    面に設けられることを特徴する請求項１１に記載の方法。
  13. 【請求項１３】 前記第２の層はドーパントであることを特徴とする請求項
    １２に記載の方法。
  14. 【請求項１４】 前記ドーパントはカーボンであることを特徴とする請求項
    １３に記載の方法。
  15. 【請求項１５】 前記第３の層はアルミニウムナイトライドであることを特
    徴とする請求項１４に記載の方法。
  16. 【請求項１６】 アルミニウムナイトライドである前記第１の層は、燒結前
    の状態にあり、アルミニウムナイトライドである前記第３の層は、燒結後の状態
    にあることを特徴とする請求項１５に記載の方法。
  17. 【請求項１７】 多層化された静電チャックは約１９００−２０００℃の範
    囲の温度で燒結されることを特徴とする請求項１６に記載の方法。
  18. 【請求項１８】 前記バインダーをはずすステップは、更に、約５００℃の
    温度の空気内で約１時間前記第１の層を焼くステップを含むことを特徴とする請
    求項１７に記載の方法。
  19. 【請求項１９】 半導体ウエハの処理装置の処理チャンバ内に基板を保持す
    るための多層化されたセラミック静電チャックであって、 上面を有する燒結前のアルミニウムナイトライドの第１の層と、 前記燒結前のアルミニウムナイトライドの第１の層の前記上面と接触するカー
    ボンの第２のドーパント層と、 前記カーボンの第２のドーパント層の上部に設けられたディスク形状の燒結後
    のアルミニウムナイトライドの第３の層とを有し、 前記カーボンの第２のドーパント層は前記第３の層の燒結後のアルミニウムナ
    イトライドの底面にスパッタされ、前記チャックが約１９００−２０００℃の範
    囲の温度で燒結されると、前記燒結前のアルミニウムナイトライドの第１の層の
    固有抵抗を変えることを特徴とする静電チャック。
JP2000523753A 1997-12-02 1998-10-26 セラミック静電チャック及びその製造方法。 Withdrawn JP2001525617A (ja)

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