JP2004079861A - Electrostatic chuck - Google Patents
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Abstract
Description
【0001】
【発明が属する技術分野】
本発明は静電チャックに関する。特に、絶縁層に埋設された状態で、電極を基台上に設けてなる静電チャックの構造に関するものである。
【0002】
【従来の技術】
半導体製造過程における薄膜形成工程あるいはドライエッチング工程では、ウェハなどの平板状の物品に所要の成膜処理あるいはエッチング処理を施すため、載置台上の物品を保持する必要がある。こうした要求に応える保持装置としては、静電作用を利用して物品を密着保持する静電チャックが広く用いられている。
【0003】
従来型の静電チャックは、金属製の円板電極上に、それを被覆するようアルミナなどのセラミックス粉末をプラズマ溶射して絶縁膜を形成することにより構成されている。このため、比較的少ない工程数で製造することができ、その上、得られた静電チャックは、耐熱性や耐久性にも優れるといった利点がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、こうして得られた静電チャックの絶縁膜すなわち溶射皮膜は、微小な気孔が無数に存在する多孔質状となっているため、耐電圧特性があまり高くない。したがって、大きな保持力を得るのは難しい。その上、気孔部分で放電現象が起きることがある。すなわち、吸着保持した物品あるいは基台と電極との間に、気孔を経由して電流が流れるといった不具合が稀に発生することがあり、依然として改善の余地が残されていた。こうした実情に鑑みて、気孔に樹脂を充填して耐電圧特性を高める封孔処理が提案されている(たとえば特開平6−196548号公報)。
【0005】
ところで、液晶パネル製造装置に用いられる静電チャックには、導電性膜が存在しないガラス基板などを吸着できる能力が求められ、近年、このようなニーズが高まりつつある。こうした物品を吸着するには、とりわけ高い電圧を印加する必要があり、その上、導電性膜を持たないガラス基板は電極として用いることができない。このため静電チャックとしては、吸着保持するガラス基板を接地する必要のない双極型のものを用いる必要がある。
【0006】
だが、この双極型静電チャックを機能させるのに必要な高い電圧を印加すると、たとえ上記封孔処理が施されていても、絶縁層、特に基台と電極との間に位置する下部絶縁層の耐電圧能力が不足し、不具合を生じることがある。したがって、本発明が解決しようとする課題は、これまでのものよりも優れた耐電圧特性を有する静電チャックを提供することである。
【0007】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するべく鋭意研究を推し進めた結果、封孔処理では飛躍的な耐電圧特性の向上は望めないことがわかった。これは、基台の上に設けられる下部絶縁層に過剰な封孔処理を施すと、その上に形成される電極層との接合性が急激に悪化するからである。この場合、電極層の剥離が極めて起きやすくなる。
【0008】
こうした実情に基づいて更に研究に取り組んだ結果、気孔率1%以下の焼結体から構成された板状体を、接合層を介して基台上面に配設し、これを下部絶縁層として用いれば、封孔処理によらずに上記不具合が解決されることを見出した。すなわち、こうして得られた下部絶縁層は、溶射などによって形成された従来の膜状のものとは異なり、気孔をほとんど持たないから、その存在に起因した不具合は事実上皆無となる。つまり、耐電圧特性が大幅に向上し、吸着保持能力も増大する。その上、下部絶縁層と電極層とを良好に接合できるので、電極層の剥離といった問題も起きなくなる。こうした構造は、特に静電チャックが、高い電圧が印加される双極型のものである場合に大きな効果を発揮する。
【0009】
本発明は、こうした知見に基づいてなされたものであり、上記の課題は、
基台と、
この基台の上面に配設された下部絶縁層と、
前記基台と前記下部絶縁層との間に配設され、前記下部絶縁層を前記基台に対して固定する接合層と、
前記下部絶縁層の上に形成された電極層と、
この電極層を被覆するよう前記下部絶縁層の上に、溶射により形成された上部絶縁層と
を具備してなる静電チャックであって、
前記基台が金属または金属−セラミックス複合材料から構成されてなり、かつ、前記下部絶縁層が、気孔率1%以下(下限値は0%)の焼結体から構成されてなることを特徴とする静電チャックによって解決される。
【0010】
なお、本発明の静電チャックにおいては、基台の、20〜30℃における平均の熱膨張係数と、下部絶縁層の、20〜30℃における平均の熱膨張係数との差が、2×10−6/℃以下(下限値は0)となるよう設定されることが好ましい。こうすることで、各層間の剥離がいっそう起きにくくなる。
【0011】
また、本発明の静電チャックを構成する下部絶縁層としては、特にマシナブルセラミックス(快削性セラミックス)から構成されたものが好適である。参考までに言うと、マシナブルセラミックスとは、硬度が非常に高く、加工が極めて困難である一般的なセラミックスに比して、機械加工が格段に容易な、すなわち切削などの処理を難なく施すことが可能で、所望の形状に自由自在に加工できる性質を備えた特殊なセラミックスを指す。具体的には、住金セラミックス社製のホトベール(登録商標)や米国Corning社製のマコール(登録商標)が挙げられる。
【0012】
更に、基台と下部絶縁層との接合には、接着剤の他に、ガラスやアルミニウム合金ろう材などを用いることができる。この場合、上記接合層は、当然のことながら、硬化した接着剤やガラス、アルミニウム合金ろう材などから構成されることになる。いかなる接合方法を採用するかは、静電チャックの使用条件を考慮して選定される。
【0013】
【発明の実施の形態】
以下、図1および図2を用いて、本発明の一実施形態を具体的に説明する。なお、図1は本実施形態に係る静電チャックの平面図、図2は図1におけるX−X線での同静電チャックの概略断面図である。
【0014】
本実施形態に係る静電チャック(以下、本静電チャックと言う)は、図1に示すごとく双極型のものであり、矩形平板状の外形を有する。更に、図2からもわかるように本静電チャックは、主要構成要素として、基台1、下部絶縁層2、接合層3、隣り合う二つの電極層4a,4b、そして上部絶縁層(誘電層)5を具備する。このうち基台1は、金属−セラミックス複合材料(MMC)から構成されており、実際には、後述する電極端子を設置するための孔が複数形成されている。ただし基台1の材質は、基本的にいかなるものであってもよく、上記金属−セラミックス複合材料以外にも、たとえばアルミニウムなどの金属単体、あるいはアルミニウム合金、あるいは他の低熱膨張合金などから構成される。いかなる材料を用いるかは、静電チャックの使用温度を考慮して選択される。
【0015】
次に、基台1の上面に配設された下部絶縁層2についてであるが、これは気孔率が1%以下の焼結体から構成されている。更に具体的に言うと、下部絶縁層2は、マシナブルセラミックスから構成された薄板(本実施形態では矩形薄板)であり、接合層3を介して基台1の上に載置されている。基台1と下部絶縁層2との間に配設された接合層3は、両者の間に隙間ができないよう、下部絶縁層2を基台1に対して固定する役割を果たす。ここでは、この接合層3をSi系の耐熱接着剤から構成している。つまり、下部絶縁層2を基台1に対してSi系接着剤で接合した。なお本実施形態では、基台1の、20〜30℃における平均の熱膨張係数と、下部絶縁層2の、20〜30℃における平均の熱膨張係数との差が、2×10−6/℃以下となるように設定している。
【0016】
下部絶縁層2の上に互いに隣接状態で設けられた電極層4a,4bは、基台1と同様、矩形状のものであって、たとえばニッケル(あるいはタングステン、アルミニウム、銀など)を、下部絶縁層2の表面にプラズマ溶射することにより形成されている。これら電極層4a,4bには、一方が正極に、他方が負極となるように電圧が印加されることになる。
【0017】
電極層4a,4bを被覆するよう下部絶縁層2の上に設けられた上部絶縁層5は、たとえば酸化チタンを少量含むアルミナなどを、電極層4a,4bの表面に、したがって下部絶縁層2の表面にプラズマ溶射することにより形成されている。ただし、アルミナ以外にも、要求される誘電率の値などに応じて適切な材料を選定して使用できる。
【0018】
本実施形態では、双極型静電チャックを例に挙げたが、むろん内部電極を一つしか持たない単極型静電チャックについても、本発明の技術を適用できる。また、ここでは、基台や電極層を矩形状としたが、言うまでもなくこれらの形状は任意であり、必要に応じて所望の形状とすることができる。
【0019】
電極層4aおよび電極層4bには、それぞれ給電用の電極端子6aおよび電極端子6bが接続されている。これを用いて電極層4aおよび電極層4bに電圧を印加することで、本静電チャックは上部絶縁層5の表面に物品を吸着できるようになる。また、これら電極端子6a,6bを基台1へ取り付けるのには、セラミックス製の絶縁管7a,7bを用いている。すなわち、上端が絶縁管7a,7bの端面から露出するよう電極端子6a,6bを絶縁管7a,7bに組み付け、更にこれを基台1の孔に嵌入させることで、電極端子6a,6bを基台1に固定している。絶縁管7a,7bとしては、マシナブルセラミックスを加工して得たものを用いた。
【0020】
本実施形態では、マシナブルセラミックスからなる下部絶縁層2の厚さ(図2中、T1で示す)を0.5〜5mm程度とした。厚さがこの範囲内であれば、加工や取り扱いが特に容易である。その上、基台1との熱膨張量の差がまったく問題とならない程度に抑えられるので、熱衝撃による亀裂や破損が起き難い。一方、電極層4a,4bの厚さ(図2中、T2で示す)は、ともに30〜100μm程度である。厚さがこの範囲内であれば、特に均一な溶射皮膜が得られるので、吸着力にムラが生じなくなる。加えて、電極層4a,4bと下部絶縁層2との間の段差が十分に小さく抑えられるので、上部絶縁層5の耐電圧特性が劣化することはない。電極層4aと電極層4bとの間隔(図1中、Dで示す)は、5mm程度である。更に、上部絶縁層5の有効厚さ(図2中、T3で示す)は300μm程度である。そして、この上部絶縁層5の表面粗さRaは、0.1〜2.0μm程度である。
【0021】
続いて、本静電チャックの製造手順について簡単に説明する。本静電チャックを得るには、まず洗浄した基台1の上面に、Si系耐熱接着剤(接合層3)を用いて、マシナブルセラミックス製の薄板(下部絶縁層2)を接着する。また基台1に、絶縁管7a,7bを介して電極端子6a,6bを組み付ける。続いては、アルミナあるいは炭化ケイ素などのブラスト材を用いて、マシナブルセラミックス製の薄板すなわち下部絶縁層2の表面を均一に粗面化する。それを清浄化したならば、下部絶縁層2の表面にニッケルをプラズマ溶射し、二つの電極層4a,4bを形成する。これによって、電極層4aと電極端子6aとが、また、電極層4bと電極端子6bとが、それぞれ接続された状態となる。
【0022】
次に、電極層4a,4bの上に、したがって下部絶縁層2の上に、酸化チタンを少量含むアルミナをプラズマ溶射し、上部絶縁層(誘電層)5を形成する。最後に、上部絶縁層5の表面に封孔処理、研削加工、ラッピングを順に施し、図2に示すような断面を有する本静電チャックが完成する。
【0023】
なお、封孔処理に用いられる物質、つまり気孔に充填される物質としては、シリカゾル、アルミナゾル、マグネシアゾルなどのコロイダル状のスラリーや、SiO2、Al2O3、TiO2などの金属アルコキシド系ポリマー、そしてこれらポリマーの他にメラミン樹脂、フェノール樹脂、フッ素樹脂、シリコン樹脂、アクリル樹脂などの各種樹脂を含有するものが挙げられる。こうした物質の気孔への充填(絶縁層への含浸)は、半完成状態の静電チャックを真空デシケーター内にセットし、真空吸引することにより行う。気孔に充填させたスラリーは、その特性を考慮して乾燥させられ、続いて研削加工が行われることになる。
【0024】
さて、上述したように本実施形態では、下部絶縁層2を、気孔率1%以下の焼結体、すなわちマシナブルセラミックス製の薄板から構成した。こうして得られた下部絶縁層2は、溶射などによって形成された従来の皮膜とは異なり、気孔をほとんど持たないから、放電現象など不具合の発生は事実上皆無となる。この結果、耐電圧特性が大幅に向上し、吸着保持能力が増大する。その上、下部絶縁層2に封孔処理を施す必要はないから、電極層4a,4bとの接合性は良好である。更に言えば、静電チャックが双極型である場合、単極型よりも高い電圧が印加されることになる。このため本発明の技術は、双極型の静電チャックに適用された場合に、特に大きな効果を発揮する。
【0025】
【実施例】
〔実施例1〕
基台の原料として、▲1▼強化材となる#180(平均粒径66μm)の市販のSiC粉末を70重量部、▲2▼同じく強化材となる#800(平均粒径14μm)の市販のSiC粉末を30重量部、▲3▼バインダーとなるコロイダルシリカ液を適量(シリカ固形分が2重量部となる量)、▲4▼消泡材となるフォーマスタVL(サンノプコ社製)を0.2重量部、そして▲5▼イオン交換水を24重量部、それぞれ準備し、これらをポットミルを用いて12時間かけて混合した。次いで、こうして得られたスラリーをメッシュ付き金型(直径350mm、厚さ25mmの円板状成形体が得られるもの)に流し込んでフィルタープレスを行い、脱型後、1000℃で焼成してプリフォームを形成した。
【0026】
続いては、このプリフォーム中にアルミニウム合金(Al−12Si−3Mg−2Cu−3Ti)を、窒素気流中において、825℃で60時間かけて非加圧浸透させ、その後、冷却する。こうして、SiC粉末の含有量が70体積%の金属−セラミックス複合材料からなる基台(縦209mm、横157mm、厚さ10mm)を作製した。ちなみに、この基台の熱膨張係数は6.2×10−6/℃である。
【0027】
次に、密着性を高めるため基台の表面を洗浄し、この基台と縦横寸法は等しく、厚さが0.5mmであるマシナブルセラミックス(ホトベールL 熱膨張係数6.1×10−6/℃)製の薄板を、Si系接着剤で基台に接合し、下部絶縁層を形成した。更に、続いて形成される電極層との密着性を高めるべく、表面粗さがRmaxで少なくとも5μm以上となるまで、この下部絶縁層の表面にブラスト処理を施す。その後、プラズマ溶射によって、下部絶縁層の表面に厚さ50μmのNi電極層を形成する。なお、本実施例では電極層を双極形状とし、両者の間隔を5mmとした(電極層の形状は図1に示すとおり)。更に、この電極層を覆うように、プラズマ溶射によって厚さ400μmのAl2O3の層、すなわち上部絶縁層を形成する。最後に、真空中でSiO2系の金属アルコキシドを用いて封孔処理を実施し、更に研削加工、ラップ処理を順に行い、上部絶縁層の厚さが300μmで、表面粗さRaが0.2μmの静電チャックを得た。
【0028】
〔実施例2〕
上記実施例1と同様にして、以下の条件で、本発明に係る静電チャックを作製した(基本的に他の実施例についても同じ)。
基台の材質:金属(アルミニウム合金)−セラミックス複合材料(SiC含有量55体積%)
基台の熱膨張係数:10.0×10−6/℃
下部絶縁層の材質:ホトベール
下部絶縁層の熱膨張係数:8.5×10−6/℃
下部絶縁層の厚さ:1.0mm
電極層の材質:W
上部絶縁層の材質:Al2O3
【0029】
〔実施例3〕
以下の条件で、本発明に係る静電チャックを作製した。
基台の材質:金属(アルミニウム合金)−セラミックス複合材料(SiC含有量70体積%)
基台の熱膨張係数:6.2×10−6/℃
下部絶縁層の材質:Al2O3
下部絶縁層の熱膨張係数:6.8×10−6/℃
下部絶縁層の厚さ:0.5mm
電極層の材質:Al
上部絶縁層の材質:Al2O3−7.5%TiO2
【0030】
〔実施例4〕
以下の条件で、本発明に係る静電チャックを作製した。
基台の材質:金属(アルミニウム合金)−セラミックス複合材料(SiC含有量55体積%)
基台の熱膨張係数:10.0×10−6/℃
下部絶縁層の材質:マコール
下部絶縁層の熱膨張係数:9.3×10−6/℃
下部絶縁層の厚さ:2.0mm
電極層の材質:Ni
上部絶縁層の材質:Al2O3
【0031】
〔実施例5〕
以下の条件で、本発明に係る静電チャックを作製した。
基台の材質:金属(Si)−セラミックス複合材料(SiC含有量50体積%)
基台の熱膨張係数:2.8×10−6/℃
下部絶縁層の材質:Si3N4
下部絶縁層の熱膨張係数:3.5×10−6/℃
下部絶縁層の厚さ:0.5mm
電極層の材質:W
上部絶縁層の材質:Al2O3
【0032】
〔実施例6〕
以下の条件で、本発明に係る静電チャックを作製した。
基台の材質:金属(Si)−セラミックス複合材料(SiC含有量50体積%)
基台の熱膨張係数:2.8×10−6/℃
下部絶縁層の材質:マコール
下部絶縁層の熱膨張係数:9.3×10−6/℃
下部絶縁層の厚さ:0.5mm
電極層の材質:W
上部絶縁層の材質:Al2O3
【0033】
〔実施例7〕
基台の組成が異なること以外は上記実施例1と同様にして、以下の条件で、本発明に係る静電チャックを作製した。
基台の材質:アルミニウム合金(5052)
基台の熱膨張係数:22.0×10−6/℃
下部絶縁層の材質:Al2O3
下部絶縁層の熱膨張係数:6.8×10−6/℃
下部絶縁層の厚さ:0.5mm
電極層の材質:Ni
上部絶縁層の材質:Al2O3−5%TiO2
【0034】
〔比較例1〕
下部絶縁層をセラミックス溶射皮膜から構成したこと以外は、上記実施例1と同様にして、以下の条件で、比較用の静電チャックを作製した。
基台の材質:金属(アルミニウム合金)−セラミックス複合材料(SiC含有量70体積%)
基台の熱膨張係数:6.2×10−6/℃
下部絶縁層の材質:Al2O3
下部絶縁層の熱膨張係数:6.8×10−6/℃
下部絶縁層の厚さ:0.5mm
電極層の材質:Ni
上部絶縁層の材質:Al2O3−5%TiO2
【0035】
〔比較例2〕
上記比較例1と同様に、以下の条件で、比較用の静電チャックを作製した。
基台の材質:金属(アルミニウム合金)−セラミックス複合材料(SiC含有量55体積%)
基台の熱膨張係数:10.0×10−6/℃
下部絶縁層の材質:Al2O3
下部絶縁層の熱膨張係数:6.8×10−6/℃
下部絶縁層の厚さ:0.4mm
電極層の材質:Ni
上部絶縁層の材質:Al2O3
【0036】
〔比較例3〕
基台の組成が異なること以外は上記比較例1と同様に、以下の条件で、比較用の静電チャックを作製した。
基台の材質:アルミニウム合金(5052)
基台の熱膨張係数:22.0×10−6/℃
下部絶縁層の材質:Al2O3
下部絶縁層の熱膨張係数:6.8×10−6/℃
下部絶縁層の厚さ:0.5mm
電極層の材質:W
上部絶縁層の材質:Al2O3
【0037】
〔比較例4〕
上記比較例1と同様に、以下の条件で、比較用の静電チャックを作製した。
基台の材質:金属(Si)−セラミックス複合材料(SiC含有量50体積%)
基台の熱膨張係数:2.8×10−6/℃
下部絶縁層の材質:Al2O3
下部絶縁層の熱膨張係数:6.8×10−6/℃
下部絶縁層の厚さ:0.5mm
電極層の材質:W
上部絶縁層の材質:Al2O3
【0038】
〔評価〕
上記実施例1〜7の静電チャックと比較例1〜4の静電チャックについて、10kVまでの直流電圧を印加して、耐電圧特性を、吸着力を測定することにより評価した。すなわち、一般的な真空チャンバー試験装置に静電チャックを固定し、この静電チャックと吸着させたガラス基板(縦220mm、横170mm、厚さ5mm)との間にヘリウムガスを導入した。そして、ガラス基板が静電チャックから剥がれた瞬間の圧力を検出し、この値から吸着力を算出した。また、これとは別に、室温(20℃)〜200℃の温度サイクル試験を実施し、絶縁層に剥離などの問題が発生していないかどうかを調べた。その結果は、表1に示すとおりである。ただし表1中、○は良好(問題なし)、△は可(許容範囲)、×は不可(問題あり)をそれぞれ意味する。
【0039】
表1
試料 耐電圧試験 温度サイクル試験
実施例1 ○ ○
実施例2 ○ ○
実施例3 ○ ○
実施例4 ○ ○
実施例5 ○ ○
実施例6 ○ △
実施例7 ○ △
比較例1 × ×
比較例2 × ×
比較例3 × ×
比較例4 × ×
【0040】
この試験結果から、本発明に係る静電チャックは、耐電圧特性に優れ、その上、絶縁層の剥離などの問題が起きず、高い耐久性を有することがわかる。しかも、実施例1〜5のように、基台と下部絶縁層との熱膨張係数の差を2×10−6/℃以下に抑えた場合には、本発明の効果は特に顕著なものとなっている。
【0041】
【発明の効果】
本発明の静電チャックは、従来のものよりも耐電圧特性に優れ、高い吸着保持能力を発揮する。その上、絶縁層の剥離などが起き難く、耐久性にも優れる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の実施形態に係る静電チャックの平面図
【図2】図1におけるX−X線での本発明の実施形態に係る静電チャックの概略断面図
【符号の説明】
1 基台
2 下部絶縁層
3 接合層
4a,4b 電極層
5 上部絶縁層(誘電層)
6a,6b 電極端子
7a,7b 絶縁管[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
The present invention relates to an electrostatic chuck. In particular, the present invention relates to a structure of an electrostatic chuck in which an electrode is provided on a base while being buried in an insulating layer.
[0002]
[Prior art]
In a thin film forming step or a dry etching step in a semiconductor manufacturing process, it is necessary to hold an article on a mounting table in order to perform a required film forming process or etching process on a flat article such as a wafer. As a holding device that meets such demands, an electrostatic chuck that tightly holds an article by using an electrostatic action is widely used.
[0003]
2. Description of the Related Art A conventional electrostatic chuck is configured by forming an insulating film on a metal disk electrode by plasma spraying a ceramic powder such as alumina so as to cover the metal disk electrode. Therefore, the electrostatic chuck can be manufactured with a relatively small number of steps, and furthermore, the obtained electrostatic chuck has an advantage of being excellent in heat resistance and durability.
[0004]
[Problems to be solved by the invention]
However, the thus obtained insulating film of the electrostatic chuck, that is, the sprayed film has a porous state in which minute pores are innumerably present, and thus does not have very high withstand voltage characteristics. Therefore, it is difficult to obtain a large holding force. In addition, a discharge phenomenon may occur in the pore portion. In other words, a problem such as current flowing through the pores between the electrode or the base and the article or the base held by suction may occur rarely, and there is still room for improvement. In view of such circumstances, a sealing process has been proposed in which the pores are filled with a resin to improve the withstand voltage characteristics (for example, Japanese Patent Application Laid-Open No. 6-196548).
[0005]
Incidentally, an electrostatic chuck used in a liquid crystal panel manufacturing apparatus is required to have a capability of adsorbing a glass substrate or the like having no conductive film, and in recent years, such needs have been increasing. In order to adsorb such an article, a particularly high voltage must be applied, and a glass substrate without a conductive film cannot be used as an electrode. For this reason, it is necessary to use a bipolar chuck which does not need to ground the glass substrate to be held by suction as the electrostatic chuck.
[0006]
However, when a high voltage necessary to make this bipolar electrostatic chuck function is applied, even if the above-mentioned sealing process is performed, the insulating layer, especially the lower insulating layer located between the base and the electrode, is applied. May have insufficient withstand voltage capability, and may cause malfunctions. Therefore, an object to be solved by the present invention is to provide an electrostatic chuck having a higher withstand voltage characteristic than before.
[0007]
[Means for Solving the Problems]
As a result of intensive research to solve the above problems, it was found that a drastic improvement in withstand voltage characteristics could not be expected in the sealing treatment. This is because if an excessive sealing treatment is applied to the lower insulating layer provided on the base, the bondability with the electrode layer formed thereon is rapidly deteriorated. In this case, peeling of the electrode layer is extremely likely to occur.
[0008]
As a result of further research based on this situation, a plate-like body composed of a sintered body having a porosity of 1% or less is disposed on the upper surface of the base via a bonding layer, and this is used as a lower insulating layer. For example, it has been found that the above problem can be solved without using the sealing treatment. That is, unlike the conventional film-like layer formed by thermal spraying or the like, the lower insulating layer thus obtained has almost no pores, so that there is virtually no defect caused by its existence. That is, the withstand voltage characteristic is greatly improved, and the suction holding ability is also increased. In addition, since the lower insulating layer and the electrode layer can be satisfactorily bonded, the problem of peeling of the electrode layer does not occur. Such a structure is particularly effective when the electrostatic chuck is of a bipolar type to which a high voltage is applied.
[0009]
The present invention has been made based on such findings, and the above-described problems
A base,
A lower insulating layer disposed on an upper surface of the base;
A bonding layer disposed between the base and the lower insulating layer, and fixing the lower insulating layer to the base;
An electrode layer formed on the lower insulating layer,
An electrostatic chuck comprising an upper insulating layer formed by thermal spraying on the lower insulating layer so as to cover the electrode layer,
The base is made of a metal or a metal-ceramic composite material, and the lower insulating layer is made of a sintered body having a porosity of 1% or less (lower limit is 0%). The problem is solved by an electrostatic chuck.
[0010]
In the electrostatic chuck of the present invention, the difference between the average thermal expansion coefficient of the base at 20 to 30 ° C. and the average thermal expansion coefficient of the lower insulating layer at 20 to 30 ° C. is 2 × 10 It is preferable that the temperature is set to −6 / ° C. or less (the lower limit is 0). By doing so, peeling between the respective layers is less likely to occur.
[0011]
Further, as the lower insulating layer constituting the electrostatic chuck of the present invention, a layer formed of machinable ceramics (free-cutting ceramics) is particularly suitable. For reference, machinable ceramics are extremely easy to machine compared to general ceramics, which have extremely high hardness and are extremely difficult to machine. Refers to special ceramics that have the property that they can be freely processed into a desired shape. Specific examples include Photoveil (registered trademark) manufactured by Sumikin Ceramics Co., Ltd., and Macor (registered trademark) manufactured by Corning Co., USA.
[0012]
Furthermore, in joining the base and the lower insulating layer, glass, an aluminum alloy brazing material, or the like can be used in addition to the adhesive. In this case, the bonding layer is, of course, composed of a cured adhesive, glass, an aluminum alloy brazing material, or the like. Which joining method is adopted is selected in consideration of the use conditions of the electrostatic chuck.
[0013]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
Hereinafter, an embodiment of the present invention will be specifically described with reference to FIGS. 1 is a plan view of the electrostatic chuck according to the present embodiment, and FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the electrostatic chuck taken along line XX in FIG.
[0014]
The electrostatic chuck according to the present embodiment (hereinafter, referred to as the present electrostatic chuck) is of a bipolar type as shown in FIG. 1 and has a rectangular flat outer shape. Further, as can be seen from FIG. 2, the present electrostatic chuck includes, as main components, a
[0015]
Next, the lower insulating
[0016]
The electrode layers 4a and 4b provided adjacent to each other on the lower insulating
[0017]
The upper insulating
[0018]
In the present embodiment, the bipolar electrostatic chuck has been described as an example, but the technique of the present invention can be applied to a single-pole electrostatic chuck having only one internal electrode. Here, the base and the electrode layer have a rectangular shape, but needless to say, these shapes are arbitrary and can be any desired shape as needed.
[0019]
The
[0020]
In the present embodiment, the thickness of the lower insulating
[0021]
Subsequently, a manufacturing procedure of the present electrostatic chuck will be briefly described. In order to obtain the present electrostatic chuck, first, a thin plate made of machinable ceramics (lower insulating layer 2) is bonded to the cleaned upper surface of the
[0022]
Next, alumina containing a small amount of titanium oxide is plasma-sprayed on the electrode layers 4a and 4b, and thus on the lower insulating
[0023]
The substance used for the sealing treatment, that is, the substance filled in the pores may be a colloidal slurry such as silica sol, alumina sol, magnesia sol, or a metal alkoxide-based polymer such as SiO 2 , Al 2 O 3 , and TiO 2. And those containing various resins such as melamine resin, phenol resin, fluorine resin, silicone resin, and acrylic resin in addition to these polymers. The filling of the pores with such a substance (impregnation into the insulating layer) is performed by setting the semi-finished electrostatic chuck in a vacuum desiccator and suctioning the vacuum. The slurry filled in the pores is dried in consideration of its properties, and then subjected to grinding.
[0024]
As described above, in the present embodiment, the lower insulating
[0025]
【Example】
[Example 1]
As base materials, (1) 70 parts by weight of a commercially available SiC powder of # 180 (average particle size 66 μm) as a reinforcing material, and (2) a commercially available SiC powder of # 800 (average particle size 14 μm) also as a reinforcing material 30 parts by weight of SiC powder, (3) an appropriate amount of colloidal silica liquid as a binder (an amount of 2 parts by weight of silica solids), and (4) 0 of Formaster VL (manufactured by San Nopco) as an antifoaming material. 2 parts by weight and (5) 24 parts by weight of ion-exchanged water were prepared, and these were mixed for 12 hours using a pot mill. Next, the slurry thus obtained is poured into a mesh-equipped metal mold (a disk-shaped molded article having a diameter of 350 mm and a thickness of 25 mm is obtained), subjected to a filter press, demolded, and fired at 1000 ° C. to perform a preform. Was formed.
[0026]
Subsequently, an aluminum alloy (Al-12Si-3Mg-2Cu-3Ti) is non-pressurized and infiltrated into the preform at 825 ° C. for 60 hours in a nitrogen stream, and then cooled. Thus, a base (209 mm in length, 157 mm in width, and 10 mm in thickness) made of a metal-ceramic composite material having a SiC powder content of 70% by volume was produced. Incidentally, the thermal expansion coefficient of this base is 6.2 × 10 −6 / ° C.
[0027]
Next, the surface of the base was cleaned to enhance the adhesion, and the base and the horizontal and vertical dimensions were equal and the thickness of the machinable ceramics was 0.5 mm (Photoveel L Coefficient of thermal expansion 6.1 × 10 −6 / C) was bonded to a base with a Si-based adhesive to form a lower insulating layer. Further, in order to enhance the adhesion to the subsequently formed electrode layer, the surface of the lower insulating layer is subjected to blasting until the surface roughness becomes at least 5 μm or more in Rmax. Thereafter, a Ni electrode layer having a thickness of 50 μm is formed on the surface of the lower insulating layer by plasma spraying. In this example, the electrode layer was formed into a bipolar shape, and the distance between the two was set to 5 mm (the shape of the electrode layer is as shown in FIG. 1). Further, an Al 2 O 3 layer having a thickness of 400 μm, that is, an upper insulating layer is formed by plasma spraying so as to cover this electrode layer. Finally, a sealing process is performed using a SiO 2 -based metal alkoxide in a vacuum, and a grinding process and a lapping process are sequentially performed. The thickness of the upper insulating layer is 300 μm, and the surface roughness Ra is 0.2 μm. Was obtained.
[0028]
[Example 2]
An electrostatic chuck according to the present invention was manufactured under the following conditions in the same manner as in Example 1 (basically the same applies to other examples).
Base material: metal (aluminum alloy) -ceramic composite material (SiC content 55% by volume)
Thermal expansion coefficient of base: 10.0 × 10 −6 / ° C
Material of lower insulating layer: Thermal expansion coefficient of lower insulating layer of photoveil: 8.5 × 10 −6 / ° C
Thickness of lower insulating layer: 1.0 mm
Electrode layer material: W
Material of upper insulating layer: Al 2 O 3
[0029]
[Example 3]
The electrostatic chuck according to the present invention was manufactured under the following conditions.
Base material: metal (aluminum alloy) -ceramic composite material (SiC content 70% by volume)
Thermal expansion coefficient of base: 6.2 × 10 −6 / ° C
Material of lower insulating layer: Al 2 O 3
Thermal expansion coefficient of lower insulating layer: 6.8 × 10 −6 / ° C.
Lower insulating layer thickness: 0.5mm
Material of electrode layer: Al
Material of upper insulating layer: Al 2 O 3 -7.5% TiO 2
[0030]
[Example 4]
The electrostatic chuck according to the present invention was manufactured under the following conditions.
Base material: metal (aluminum alloy) -ceramic composite material (SiC content 55% by volume)
Thermal expansion coefficient of base: 10.0 × 10 −6 / ° C
Material of lower insulating layer: coefficient of thermal expansion of lower insulating layer of Macor: 9.3 × 10 −6 / ° C.
Thickness of lower insulating layer: 2.0mm
Material of electrode layer: Ni
Material of upper insulating layer: Al 2 O 3
[0031]
[Example 5]
The electrostatic chuck according to the present invention was manufactured under the following conditions.
Base material: Metal (Si) -ceramic composite material (SiC content 50% by volume)
Thermal expansion coefficient of base: 2.8 × 10 −6 / ° C
Material of lower insulating layer: Si 3 N 4
Thermal expansion coefficient of lower insulating layer: 3.5 × 10 −6 / ° C.
Lower insulating layer thickness: 0.5mm
Electrode layer material: W
Material of upper insulating layer: Al 2 O 3
[0032]
[Example 6]
The electrostatic chuck according to the present invention was manufactured under the following conditions.
Base material: Metal (Si) -ceramic composite material (SiC content 50% by volume)
Thermal expansion coefficient of base: 2.8 × 10 −6 / ° C
Material of lower insulating layer: coefficient of thermal expansion of lower insulating layer of Macor: 9.3 × 10 −6 / ° C.
Lower insulating layer thickness: 0.5mm
Electrode layer material: W
Material of upper insulating layer: Al 2 O 3
[0033]
[Example 7]
An electrostatic chuck according to the present invention was manufactured under the following conditions in the same manner as in Example 1 except that the composition of the base was different.
Base material: Aluminum alloy (5052)
Thermal expansion coefficient of base: 22.0 × 10 −6 / ° C
Material of lower insulating layer: Al 2 O 3
Thermal expansion coefficient of lower insulating layer: 6.8 × 10 −6 / ° C.
Lower insulating layer thickness: 0.5mm
Material of electrode layer: Ni
Material of upper insulating layer: Al 2 O 3 -5% TiO 2
[0034]
[Comparative Example 1]
An electrostatic chuck for comparison was manufactured under the following conditions in the same manner as in Example 1 except that the lower insulating layer was formed of a ceramic sprayed film.
Base material: metal (aluminum alloy) -ceramic composite material (SiC content 70% by volume)
Thermal expansion coefficient of base: 6.2 × 10 −6 / ° C
Material of lower insulating layer: Al 2 O 3
Thermal expansion coefficient of lower insulating layer: 6.8 × 10 −6 / ° C.
Lower insulating layer thickness: 0.5mm
Material of electrode layer: Ni
Material of upper insulating layer: Al 2 O 3 -5% TiO 2
[0035]
[Comparative Example 2]
As in Comparative Example 1, an electrostatic chuck for comparison was manufactured under the following conditions.
Base material: metal (aluminum alloy) -ceramic composite material (SiC content 55% by volume)
Thermal expansion coefficient of base: 10.0 × 10 −6 / ° C
Material of lower insulating layer: Al 2 O 3
Thermal expansion coefficient of lower insulating layer: 6.8 × 10 −6 / ° C.
Lower insulating layer thickness: 0.4mm
Material of electrode layer: Ni
Material of upper insulating layer: Al 2 O 3
[0036]
[Comparative Example 3]
An electrostatic chuck for comparison was produced under the following conditions in the same manner as in Comparative Example 1 except that the composition of the base was different.
Base material: Aluminum alloy (5052)
Thermal expansion coefficient of base: 22.0 × 10 −6 / ° C
Material of lower insulating layer: Al 2 O 3
Thermal expansion coefficient of lower insulating layer: 6.8 × 10 −6 / ° C.
Lower insulating layer thickness: 0.5mm
Electrode layer material: W
Material of upper insulating layer: Al 2 O 3
[0037]
[Comparative Example 4]
As in Comparative Example 1, an electrostatic chuck for comparison was manufactured under the following conditions.
Base material: Metal (Si) -ceramic composite material (SiC content 50% by volume)
Thermal expansion coefficient of base: 2.8 × 10 −6 / ° C
Material of lower insulating layer: Al 2 O 3
Thermal expansion coefficient of lower insulating layer: 6.8 × 10 −6 / ° C.
Lower insulating layer thickness: 0.5mm
Electrode layer material: W
Material of upper insulating layer: Al 2 O 3
[0038]
[Evaluation]
With respect to the electrostatic chucks of Examples 1 to 7 and Comparative Examples 1 to 4, a DC voltage of up to 10 kV was applied, and the withstand voltage characteristics were evaluated by measuring the attraction force. That is, an electrostatic chuck was fixed to a general vacuum chamber test apparatus, and helium gas was introduced between the electrostatic chuck and a sucked glass substrate (length 220 mm, width 170 mm,
[0039]
Table 1
Sample Withstand voltage test Example 1 of temperature cycle test ○ ○
Example 2 ○ ○
Example 3 ○ ○
Example 4 ○ ○
Example 5 ○ ○
Example 6 ○ △
Example 7 ○ △
Comparative Example 1 × ×
Comparative Example 2 × ×
Comparative Example 3 × ×
Comparative Example 4 × ×
[0040]
From the test results, it is understood that the electrostatic chuck according to the present invention has excellent withstand voltage characteristics, has no problem such as peeling of the insulating layer, and has high durability. Moreover, when the difference in the coefficient of thermal expansion between the base and the lower insulating layer is suppressed to 2 × 10 −6 / ° C. or less as in Examples 1 to 5, the effect of the present invention is particularly remarkable. Has become.
[0041]
【The invention's effect】
INDUSTRIAL APPLICABILITY The electrostatic chuck of the present invention is more excellent in withstand voltage characteristics than the conventional one, and exhibits a high suction holding ability. In addition, the insulating layer is hardly peeled off and has excellent durability.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is a plan view of an electrostatic chuck according to an embodiment of the present invention. FIG. 2 is a schematic cross-sectional view of the electrostatic chuck according to the embodiment of the present invention taken along line XX in FIG.
6a,
Claims (3)
この基台の上面に配設された下部絶縁層と、
前記基台と前記下部絶縁層との間に配設され、前記下部絶縁層を前記基台に対して固定する接合層と、
前記下部絶縁層の上に形成された電極層と、
この電極層を被覆するよう前記下部絶縁層の上に、溶射により形成された上部絶縁層と
を具備してなる静電チャックであって、
前記基台が金属または金属−セラミックス複合材料から構成されてなり、かつ、前記下部絶縁層が、気孔率1%以下の焼結体から構成されてなることを特徴とする静電チャック。A base,
A lower insulating layer disposed on an upper surface of the base;
A bonding layer disposed between the base and the lower insulating layer, and fixing the lower insulating layer to the base;
An electrode layer formed on the lower insulating layer,
An electrostatic chuck comprising an upper insulating layer formed by thermal spraying on the lower insulating layer so as to cover the electrode layer,
An electrostatic chuck wherein the base is made of a metal or a metal-ceramic composite material, and the lower insulating layer is made of a sintered body having a porosity of 1% or less.
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