JP2003168726A

JP2003168726A - 半導体製造装置用静電チャックおよびその製造方法

Info

Publication number: JP2003168726A
Application number: JP2001366152A
Authority: JP
Inventors: Takashi Morita; 敬司森田
Original assignee: Toshiba Ceramics Co Ltd
Current assignee: Coorstek KK
Priority date: 2001-11-30
Filing date: 2001-11-30
Publication date: 2003-06-13

Abstract

(57)【要約】（修正有）【課題】耐熱性、耐食性、耐プラズマ性等に優れた半
導体製造装置用静電チャックおよびその製造方法を提供
する。【解決手段】アルミナ材からなる天板１および底板３
との間に、金属電極層２を挟み込み、前記天板と底板と
を接合させて、半導体製造装置用静電チャックを製造す
る方法において、前記天板と底板との接合は、イットリ
ウム酸化物系化合物を接合材４として用いて、水素雰囲
気中にて、１７００℃以上１８５０℃以下で熱処理する
ことにより行うことを特徴とする製造方法により得られ
た半導体製造装置用静電チャックを用いる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置用
静電チャックおよびその製造方法に関し、より詳細に
は、半導体製造装置において用いられ、シリコンウエハ
等を静電的に吸着保持するアルミナセラミックス製静電
チャックおよびその製造方法に関する。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造工程において使用されるＣＶ
Ｄ装置、スパッタリング装置等の成膜装置あるいは微細
加工を施すためのエッチング装置等においては、半導体
ウエハを保持するため、あるいは、保持しながら加熱す
るために、静電チャックが用いられている。この静電チ
ャックは、一般に、金属等の導電体からなる薄い電極層
の両面を誘電体層で被覆したもの、または、導電体が誘
電体中に浅く埋設された構成からなるものである。そし
て、支持筒等の支持部材を介して、処理室内に配設さ
れ、半導体ウエハを静電引力（クーロン力）により吸着
保持する。すなわち、静電チャックの電極に直流電圧が
印加されると、静電チャックのウエハ載置面（天板の上
面）に正または負の静電気が生じ、この静電気によっ
て、載置面上のウエハは吸着保持される。

【０００３】前記静電チャックを構成する誘電体層とし
ては、従来、電極をポリイミド樹脂等の耐熱性樹脂で被
覆したものが一般に用いられていた。しかしながら、表
面が樹脂層によって形成された静電チャックは、耐熱性
が低く、また、熱伝導率も低いものであった。そのた
め、近年、静電チャックを構成する誘電体層は、樹脂か
ら窒化アルミニウムやアルミナ、サファイヤ等のセラミ
ックス材に置き換えられる傾向にある。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】前記セラミックス製静
電チャックにおいては、プラズマ等の活性ガスによる電
極の腐食防止や、高温下での電極の酸化防止等を図るた
め、電極を内部に形成して、金属等の導電体が表面に露
出しないようにすることが重要である。また、ウエハを
強固に吸着保持させるためには、セラミックスの絶縁抵
抗値が高いことが必要である。さらに、半導体ウエハに
対する吸着保持安定性等の観点から、絶縁抵抗値が温度
変化によって急激に変化しないこと、すなわち、絶縁抵
抗値の温度依存性が小さいことが好ましい。

【０００５】しかしながら、上記セラミックス材のう
ち、例えば、窒化アルミニウムの体積抵抗は、１×１０
¹⁵Ω・ｃｍが限界（上限）であり、しかも、温度依存性
が大きいため、５０〜１００℃にかけて急激に体積抵抗
値が低下してしまう。そこで、５０〜１００℃において
も１×１０¹⁵Ω・ｃｍよりも高い体積抵抗値が得られる
セラミックス材としては、高純度アルミナセラミック
ス、特に透光性アルミナセラミックスが挙げられる。こ
の透光性アルミナセラミックスは、同じアルミナの一種
であるサファイヤに比べて、安価かつ高品質のものを容
易に入手することができるため、工業的に有用なセラミ
ック材である。

【０００６】ところで、静電チャックにおいて誘電体層
を構成するセラミックス材は、上記のように、電極を露
出させないように、電極層を挟み込むように接合した
り、あるいは、電極層を被覆する等により、一体化させ
る必要がある。この際、窒化アルミニウム材同士は、直
接接合することが可能であるのに対して、アルミナ材同
士は、それだけでは直接接合することができないため、
樹脂系接着剤やガラスフリット等を用いて接合してい
た。

【０００７】しかしながら、この接着部分は、活性ガス
やプラズマ活性種によって腐食されやすく、しかも、加
熱により樹脂が軟化して剥離を生じるという課題を有し
ていた。これに対しては、接着剤を用いずに、ホットプ
レス法により、アルミナ材同士を強制接合させて一体化
させる方法が提案されているが、この方法によっても、
接合部分の密着性は十分であるとは言えず、耐食性や耐
プラズマ性は十分でなく、しかも、ホットプレス法は高
コストを要するものであった。

【０００８】本発明は、上記技術的課題を解決するため
になされたものであり、耐熱性、耐食性、耐プラズマ性
等に優れた半導体製造装置用静電チャックおよびその製
造方法を提供することを目的とするものである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明に係る半導体製造
装置用静電チャックは、金属電極層と、前記電極層を挟
み込むアルミナセラミックス製の天板および底板とから
なり、前記天板および底板は、イットリウム酸化物系化
合物からなる接合材を介して接合されていることを特徴
とする。上記のように、本発明に係る静電チャックは、
イットリウム酸化物系化合物を接合材として用いて、ア
ルミナセラミックス材が接合されて一体化形成されてい
るため、接合部分の密着性、耐食性等に優れたものであ
る。

【００１０】前記アルミナセラミックスは、純度９９．
８％以上、かつ、−５０〜１００℃における体積抵抗率
が１×１０¹⁶Ω・ｃｍ以上であることが好ましい。接触
するウエハの汚染防止、耐食性等の観点から、高純度の
アルミナセラミックスであることが好ましく、また、ウ
エハの吸着保持に必要とされる静電引力を担保する観点
から、絶縁抵抗も高いことが好ましい。

【００１１】また、前記金属電極層は、タングステン、
モリブデンまたはニオブのうちのいずれかにより構成さ
れていることが好ましい。天板および底板の接合の際、
アルミナセラミックスの焼成温度と同等の温度での高温
処理がなされ、また、静電チャックを実際に使用する際
も、高温下に曝されるため、前記金属電極層は、処理温
度よりも高融点の金属により形成されることが好まし
い。

【００１２】さらに、前記イットリウム酸化物系化合物
は、ＹＡＧまたはイットリアであることが好ましい。Ｙ
ＡＧ、イットリアは、イットリウム酸化物系化合物の中
でも特に、フッ素系化合物や塩素系化合物等の活性ガス
やプラズマ活性種に対する耐食性が高く、しかも、比較
的低温で溶融できるため、アルミナセラミックス同士を
強固に接合することができる。

【００１３】また、本発明に係る半導体製造装置用静電
チャックの製造方法は、アルミナ材からなる天板および
底板との間に、金属電極層を挟み込み、前記天板と底板
とを接合させて、半導体製造装置用静電チャックを製造
する方法において、前記天板と底板との接合は、イット
リウム酸化物系化合物を接合材として用いて、水素雰囲
気中にて、１７００℃以上１８５０℃以下で熱処理する
ことにより行われることを特徴とする。この方法によれ
ば、アルミナ材同士を接合する際、ＹＡＧ等のイットリ
ウム酸化物系化合物を接合材として用いて、水素雰囲気
下にて熱処理することにより、アルミナセラミックスの
焼成温度以下の温度で溶融化させることができ、アルミ
ナ材同士を強固に接合させることができる。

【００１４】

【発明の実施の形態】以下、本発明に係る半導体製造装
置用静電チャックについて、一部図面を参照してより詳
細に説明する。図１は、本発明に係る静電チャックの一
態様を示す概略断面図である。図１に示したように、本
発明に係る静電チャックは、アルミナセラミックス製の
底板３の接合面に金属電極層２の形状に合わせて凹部が
形成されており、前記凹部に金属電極層２がはめ込まれ
ている。そして、前記金属電極層２が設けられた底板３
は、イットリウム酸化物系化合物からなる接合材４を介
して、アルミナセラミックス製の天板１と接合されてい
る。なお、前記底板３には、金属電極層２を外部から電
流を供給するための電極端子５が設けられる。また、図
２は、本発明に係る静電チャックの他の態様を示したも
のであり、特に金属電極層２が薄いものである場合、ア
ルミナセラミックス製の天板１および底板３との接合面
に金属電極層２を単に配置し、前記天板１と底板３と
が、イットリウム酸化物系化合物からなる接合材４を介
して接合されている構造のものである。図１、２に示し
たような構成からなる静電チャックは、前記金属電極層
２に電圧が印加されると、誘電体層である前記天板１
は、その上面に載置されたウエハを吸着保持する。

【００１５】本発明に係る静電チャックは、イットリウ
ム・アルミナ・ガーネット（ＹＡＧ；３Ｙ₂Ｏ₃・５Ａｌ
₂Ｏ₃）、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）等のイットリウム酸化物
系化合物を接合材として用いて、アルミナセラミックス
材が接合されて一体化形成されている点に特徴を有する
ものである。前記イットリウム酸化物系化合物を接合材
として用いることにより、接合部分の密着性、耐食性等
に優れた静電チャックが得られる。

【００１６】本発明に係る静電チャックの天板および底
板には、耐食性、入手容易性等の観点から、アルミナセ
ラミックスが用いられる。このアルミナセラミックス
は、アルミナの純度が９９．８％以上、より好ましく
は、９９．９％以上の高純度のものが用いられる。静電
チャックは、ウエハと直接接触するものであるため、ウ
エハの汚染防止の観点から、上記のように、高純度のア
ルミナセラミックス製であることが好ましい。

【００１７】また、前記天板は、静電チャックの誘電体
層であるため、それを構成するアルミナセラミックスの
絶縁抵抗は、−５０〜１００℃における体積抵抗値が１
×１０¹⁶Ω・ｃｍ以上であることが、ウエハの吸着保持
に必要とされる静電引力を担保する観点から好ましい。
さらに、前記体積抵抗値は、温度変化による影響が小さ
いことが好ましく、特に、５０〜１５０℃の範囲におい
て、ほぼ一定であることが好ましい。このように、加熱
状態においても、体積抵抗値が一定であれば、天板上面
に載置されるウエハを安定して吸着保持することがで
き、その制御も容易となる。

【００１８】本発明において用いられる金属電極層を構
成する金属としては、タングステン（Ｗ：m.p.３４００
℃）、モリブデン（Ｍｏ：m.p.２６２０℃）、ニオブ
（Ｎｂ：m.p.２４７０℃）等の高融点金属を用いること
が好ましい。天板および底板の接合の際、アルミナセラ
ミックスの焼成温度と同等の温度での高温処理がなさ
れ、また、静電チャックを実際に使用する際も、高温下
に曝されるため、処理温度よりも融点が高いことが必要
である。

【００１９】また、本発明に係る静電チャックの製造方
法は、アルミナ材からなる天板および底板との間に、金
属電極層を挟み込み、前記天板と底板とを接合させる
際、イットリウム酸化物系化合物を接合材として用い
て、水素雰囲気中にて、１７００℃以上１８５０℃以下
で熱処理することにより行うことを特徴とするものであ
る。このように、水素雰囲気中で、イットリウム酸化物
系化合物によりアルミナ材同士の接合を行うことによっ
て、イットリウム酸化物系化合物の融点が低下し、１８
５０℃以下のアルミナセラミックスの焼成温度以下で、
イットリウム酸化物系化合物を溶融させることができ、
アルミナ材同士を強固に接合させることができる。

【００２０】本発明に係る製造方法においては、イット
リウム酸化物系化合物を、アルミナ材と直接接触させな
がら水素雰囲気中にて熱処理することにより、イットリ
ウム酸化物系化合物からなる接合材の本来の融点よりも
低温で溶融させることができる。したがって、イットリ
ウム酸化物系化合物が、アルミナ材と接触していない場
合、例えば、金属電極層を構成するタングステンやモリ
ブデン等と接触させて水素雰囲気中で熱処理した場合に
は、１８５０℃以下では、イットリウム酸化物系化合物
は溶融しない。

【００２１】また、イットリウム酸化物系化合物のう
ち、例えば、ＹＡＧは、融点が１９７０℃であり、ＹＡ
Ｇを挟み込んだアルミナ材を、大気中にて、１７００〜
１８５０℃で単に熱処理した場合も、ＹＡＧは溶融せ
ず、アルミナ材同士の接合は不可能である。ところが、
水素等の還元性雰囲気中でアルミナ材と接触したＹＡＧ
は、その構成元素のイットリウムがアルミナと反応し
て、生成した化合物により接合界面部分の組成が変化し
て融点が低下する。このため、ＹＡＧは本来の融点より
も低温で溶融し、アルミナ材（m.p.：２０５０℃）を溶
融や変形させることなく、強固に接合させることが可能
となる。

【００２２】本発明においては、熱処理温度は、１７０
０℃以上１８５０℃以下の範囲とする。１７００℃未満
である場合は、接合材として用いられるイットリウム酸
化物系化合物を十分に溶融させることが困難である。一
方、１８５０℃超える場合には、アルミナセラミックス
の焼成温度に近づくため、アルミナ材の変形や過大な熱
歪みが発生してしまう。

【００２３】接合材として用いられる前記イットリウム
酸化物系化合物としては、例えば、イットリウム・アル
ミニウム・ガーネット（ＹＡＧ；３Ｙ₂Ｏ₃・５Ａｌ
₂Ｏ₃）、イットリウム・鉄・ガーネット（ＹＩＧ；３Ｙ
₂Ｏ₃・５Ｆｅ₂Ｏ₃）、イットリア（Ｙ₂Ｏ₃）、酸化硫化
イットリウム（Ｙ₂Ｏ₂Ｓ）等が挙げられる。これらのう
ち、特に、ＹＡＧ、イットリアを用いることが好まし
い。ＹＡＧ、イットリアは、フッ素系化合物や塩素系化
合物等の活性ガスやプラズマ活性種に対する耐性に極め
て優れており、これを接合材として用いることにより、
半導体製造工程において前記の腐食性ガス等を使用する
チャンバー内でも、静電チャックを長期間安定して使用
することが可能となる。

【００２４】接合前の前記天板および底板を構成するア
ルミナ材はそれぞれ、８００〜１３００℃で仮焼したア
ルミナ仮焼体、または、１５００〜１６００℃で焼成し
て、体積収縮がほぼ完了したアルミナ焼成体でもよく、
さらに、１８００℃以上で十分に焼成させたアルミナセ
ラミックス（アルミナ焼結体）であってもよい。これら
は、挟み込む金属電極層の形状、性状等に応じて、適宜
選択して用いることができるが、コスト面から、アルミ
ナ仮焼体からなる天板および底板を接合することが好ま
しい。また、金属電極層が複雑な形状を有する場合に
は、体積収縮したアルミナセラミックスを用いることが
好ましい。この場合、アルミナセラミックスには、予め
研削加工により平坦部や凹部等を形成しておいてもよ
い。また、アルミナ仮焼体からなる天板および底板を、
水素雰囲気中にて熱処理して接合させる場合は、このア
ルミナ仮焼体を同時に水素焼成することになるため、気
孔がほとんど存在せず、ほぼ真密度の透光性アルミナセ
ラミックスが得られる。この透光性アルミナセラミック
スは、アルミナセラミックスの中でも特に高い体積抵抗
値を有するため、静電チャックに好適である。

【００２５】また、前記金属電極の形成方法は、特に制
限されるものではなく、例えば、タングステン（Ｗ）電
極の場合、タングステン箔を用いてもよく、また、スラ
リーにして印刷してもよい。さらに、所定の電極形状に
形成したものを埋め込んでもよい。タングステン、モリ
ブデン、ニオブ等の高融点金属により構成される金属電
極層も、水素雰囲気中にて熱処理されるため、酸化劣化
することなく、接合と同時に形成させることが可能であ
り、アルミナ材および金属電極層の密着性の向上を図る
ことができ、しかも、コストの低減を図ることもでき
る。

【００２６】なお、金属電極層を棒状や板状の金属材料
により形成する場合、底板の電極端子用の孔から一端を
予め引き出しておけば、電極端子を容易に形成すること
が可能である。また、電極端子は、焼成による体積収縮
を利用した焼き嵌めにより形成することもできる。

【００２７】

【実施例】以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的
に説明するが、本発明は下記の実施例により制限される
ものではない。［実施例］純度９９．９９％のアルミナ粉末原料（ＡＫ
Ｐ−３０（住友化学工業株式会社製：中心粒径０．３μ
ｍ）に、マグネシアに換算して５００ｐｐｍに相当する
量の硫酸マグネシウムを添加し、さらに、成形助剤とし
てＰＶＡと、純水を適量混合し、スラリーを得た。この
スラリーをスプレードライヤーで造粒し、得られた造粒
粉を成形型に充填し、プレス成形により、円板状の成形
体を得た。この成形体を、大気中にて１０００℃で仮焼
し、脱脂した後、タングステンスラリーをスクリーン印
刷することにより、金属電極層を形成した。なお、この
タングステンスラリーは、焼成時に、アルミナ仮焼体と
ほぼ同等に収縮するものを使用した。上記タングステン
電極を形成したアルミナ仮焼体を天板仮焼体とした。ま
た、電極端子としてモリブデン棒を嵌め込んだ底板アル
ミナ仮焼体を、同様にして作製した。これらの天板と底
板の仮焼体の接合面に、ＹＡＧスラリーを塗布して重ね
合わせ、水素雰囲気中、１８２０℃で４時間焼成した。
得られた焼成体は、接合部のＹＡＧが溶融し、天板と底
板は、完全に接合されていた。得られた静電チャック
を、半導体製造装置のチャンバー内でフッ素系プラズマ
に４時間曝露したところ、接合部のＹＡＧは全く侵食さ
れていなかった。

【００２８】［比較例］実施例と同様にして、円板状の
成形体を得た。この成形体を、大気中にて１７５００℃
で焼成し、脱脂した後、その接合面側にタングステンス
ラリーをスクリーン印刷することにより、金属電極層を
形成し、アルミナセラミックス製の天板を得た。また、
電極端子としてモリブデン棒を嵌め込んだアルミナセラ
ミックス製の底板を、同様にして作製した。これらの天
板と底板の接合面に、エポキシ樹脂を塗布して重ね合わ
せ、静電チャックを得た。得られた静電チャックを、半
導体製造装置のチャンバー内でフッ素系プラズマに１時
間曝露したところ、エポキシ樹脂部は焦げた状態とな
り、脱ガスが発生した痕跡が認められた。

【００２９】

【発明の効果】本発明に係る半導体製造装置用静電チャ
ックは、絶縁抵抗が高く、しかも、温度変化依存性が小
さいため、ウエハを安定かつ強固に吸着保持することが
できる。また、本発明に係る製造方法によれば、耐熱
性、耐食性、耐プラズマ性等に優れた半導体製造装置用
静電チャックが得られる。したがって、本発明に係る半
導体製造装置用静電チャックは、高温下で、フッ素系や
塩素系等の腐食性ガス、プラズマ等を使用するチャンバ
ー内でも、長期間安定して使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る半導体製造装置用静電チャックの
一態様を示す概略断面図である。

【図２】本発明に係る半導体製造装置用静電チャックの
他の態様を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１天板２金属電極層３底板４接合材５電極端子

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】金属電極層と、前記電極層を挟み込むア
ルミナセラミックス製の天板および底板とからなり、前記天板および底板は、イットリウム酸化物系化合物か
らなる接合材を介して接合されていることを特徴とする
半導体製造装置用静電チャック。
【請求項２】前記アルミナセラミックスは、純度９
９．８％以上、かつ、−５０〜１００℃における体積抵
抗率が１×１０¹⁶Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする
請求項１記載の半導体製造装置用静電チャック。
【請求項３】前記金属電極層は、タングステン、モリ
ブデンまたはニオブのうちのいずれかにより構成されて
いることを特徴とする請求項１または請求項２記載の半
導体製造装置用静電チャック。
【請求項４】前記イットリウム酸化物系化合物が、Ｙ
ＡＧまたはイットリアであることを特徴とする請求項１
から請求項３までのいずれかに記載の半導体製造装置用
静電チャック。
【請求項５】アルミナ材からなる天板および底板との
間に、金属電極層を挟み込み、前記天板と底板とを接合
させて、半導体製造装置用静電チャックを製造する方法
において、前記天板と底板との接合は、イットリウム酸化物系化合
物を接合材として用いて、水素雰囲気中にて、１７００
℃以上１８５０℃以下で熱処理することにより行われる
ことを特徴とする半導体製造装置用静電チャックの製造
方法。