JP2004281680A

JP2004281680A - 静電チャック及び静電チャック装置

Info

Publication number: JP2004281680A
Application number: JP2003070440A
Authority: JP
Inventors: Naotoshi Morita; 直年森田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2003-03-14
Filing date: 2003-03-14
Publication date: 2004-10-07

Abstract

【課題】フッ素ガス等の雰囲気ガスにても、長期間にわたり安定して使用可能な静電チャック及び静電チャック装置を提供すること。
【解決手段】静電チャック（５）のセラミック部（１１）の表面のうち、チャック面１９側の表面には、アルミナ純度の高い表面層（２５）が形成されている。つまり、セラミック部（１１）のうち、表面層（２５）以外の大部分を占めるセラミック部本体（２７）は、アルミナ純度が９８％未満と低純度であるが、表面層（２５）のアルミナ純度は９８％以上と高純度とされている。また、表面層（２５）とセラミック部本体（２７）との間に、表面層（２５）とセラミック部本体（２７）との接合性を向上させるために、ガラス成分を１０重量％以上含む中間層（３３）を備えている。
【選択図】図２

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えばエッチング装置、イオン注入装置、電子ビーム露光装置等において、半導体ウェハの固定、平面度矯正、搬送用等に用いることができる静電チャック及び静電チャック装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、静電チャックは、例えば半導体製造装置において、被吸着物である半導体ウェハー（シリコンウェハー）を固定してドライエッチング等の加工を行ったり、半導体ウェハーを吸着固定して反りを矯正したり、半導体ウェハーを吸着して搬送するなどの目的で使用されている。
【０００３】
前記静電チャックとしては、例えば円盤状のセラミック製の絶縁体（又は誘電体）の表面に、半導体ウェハーを吸着する吸着面（チャック面）を備えるとともに、絶縁体の内部に単一の電極や一対の電極を埋設したものが知られている。
この静電チャック（例えば一対の電極を備えたもの）によって、半導体ウェハーを固定する場合には、一対の電極間に直流の高電圧を印加し、クーロン力又はジョンソンラーベック力を発生させ、この力を利用して半導体ウェハーを吸着して固定する。
【０００４】
そして、上述した静電チャックとしては、窒化アルミニウムやアルミナ等の材料を用いたものが一般的であり、特に、アルミナ（例えば純度９５重量％以下の低純度アルミナ）を用いたものは、低コストで性能が高いという利点がある。
前記低純度アルミナからなる静電チャックは、例えば常圧下において焼成することにより製造できるが、常圧での焼成が可能なように、通常は、５重量％以上のシリカを含むガラス成分を含有している。（特許文献１参照）。
【０００５】
【特許文献１】
特開平９−４５７５７号公報（第２頁、図１）
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、近年では、例えば静電チャックが使用されるエッチング装置において、エッチングのための雰囲気ガスとして、フッ素系のガスを用いることが増加しているので、上述した従来の低純度アルミナからなる静電チャックでは、必ずしも十分ではない。
【０００７】
つまり、静電チャックがフッ素ガスに晒されたときに、低純度アルミナの場合には、アルミナ中のシリカがフッ化物（ＳｉＦ_４）となって消失することがあるので、長期間使用していると、静電チャックの表面粗度が悪化したり、絶縁耐圧が低下する可能性がある。
【０００８】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、フッ素ガス等の雰囲気ガスにおいても、長期間にわたり安定して使用可能な静電チャック及び静電チャック装置を提供することにある。
【０００９】
【課題を解決するための手段及び発明の効果】
（１）請求項１の発明は、絶縁性を有するセラミック部と該セラミック部の内部に配置された電極とを備え、被吸着部材をチャック面にて吸着する静電チャックにおいて、前記セラミック部を構成する主成分のセラミックに関して、前記チャック面側及び／又は側面側の表面層の純度を、前記表面層以外の他のセラミック部の純度より高くしたことを特徴とする。
【００１０】
本発明では、静電チャックのチャック面側や側面側の表面部分を構成する表面層の純度を、他のセラミック部（例えば表面層より内側のセラミック部本体）の純度より高くしたので、フッ素ガス等の雰囲気ガスに晒されても、静電チャックの表面が劣化（表面粗度が悪化）しにくく、絶縁耐圧の低下も抑制できる。よって、長期間にわたり安定して静電チャック（従って静電チャック装置）を使用することができる。
【００１１】
また、本発明の様に、表面層に他の部分より高純度のセラミックを用いることによって、製造コストを大きく低減できるという利点がある。また、例えば高純度のセラミック材料からなるグリーンシートを用いる方法や、高純度のセラミック材料を用いた溶射などの方法により、低純度のセラミック材料からなる基体の表面に高純度のセラミック材料からなる表面層を形成できるので、その製造が容易である。
【００１２】
尚、前記表面層としては、セラミック表面から０．３ｍｍ以内の厚みの部分とセラミック表面からメタライズ面（内部電極）までの部分の薄い方を採用でき、この表面層の純度としては、表面層における平均値を採用できる。
（２）請求項２の発明では、前記表面層のセラミックの純度が、９８重量％以上であることを特徴とする。
【００１３】
本発明では、表面層のセラミックの純度が９８重量％以上と高純度であるので、例えばエッチングのための雰囲気ガスとして、フッ素系等のガスを用いる場合でも、静電チャックの表面が劣化しにくく、絶縁耐圧も低下しにくいという効果がある。
【００１４】
（３）請求項３の発明では、前記表面層以外の他のセラミック部のセラミックの純度が、９２〜９５重量％であることを特徴とする。
本発明では、表面層以外の他のセラミック部のセラミックの純度が９２〜９５重量％であるので、静電チャックの大部分を占める表面層以外のセラミックの材料として、低コストの低純度のセラミック（例えば低純度アルミナ）を採用することができる。
【００１５】
（４）請求項４の発明は、前記表面層と他のセラミック部との間に、ガラス成分を５重量％以上含む中間層を備えたことを特徴とする。
本発明は、表面層と他のセラミック部との間に、ガラス成分を５重量％以上（好ましくは８〜１５重量％の範囲）含む中間層を備えているので、ガラス成分による接着力によって、表面層と他のセラミック部とが強固に接合する。
【００１６】
従って、表面層として接合しにくい高純度のセラミック材料を採用した場合でも、表面層が剥離することを防止できる。
（５）請求項５の発明では、前記セラミックが、アルミナであることを特徴とする。
【００１７】
本発明では、静電チャックを構成するセラミックとしてアルミナを用いるので、常圧下において焼成することが可能で製造が容易であり、しかも、低コストであるという利点がある。
（６）請求項６の発明は、前記請求項１〜５のいずれかに記載の静電チャックのチャック面と反対側のベース面側に、ベース部材を接合したことを特徴とする静電チャック装置である。
【００１８】
本発明は、上述した静電チャックにベース部材（例えばベース板）を接合した静電チャック装置を例示している。これにより、前記請求項１〜５の静電チャックと同様な効果を奏する。
【００１９】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の静電チャック及び静電チャック装置の実施の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例１）
ここでは、例えば半導体ウェハーを吸着保持できる静電チャックとベース板とを接合した静電チャック装置を例に挙げる。
【００２０】
ａ）まず、本実施例の静電チャック装置の構造について説明する。尚、図１は静電チャック装置及び半導体ウェハーの断面を示す説明図、図２は静電チャック装置及び半導体ウェハーの分解斜視図である。
図１に示す様に、本実施例の静電チャック装置１は、円盤状のベース板３上に、ベース板３より小径で円盤状の静電チャック５が、シリコン樹脂からなる接合層７により接合されたものであり、ベース板３上には、静電チャック５の外側端部に係合するように絶縁リング９が配置されている。
【００２１】
前記ベース板３は、例えば直径３５０ｍｍ×厚み２０ｍｍのアルミニウム製の板材であり、静電チャック５を介して半導体ウェハー１７側からの熱を逃がすために使用される。
前記静電チャック５は、アルミナ質焼結体からなる絶縁性のセラミック部（誘電体）１１内に、一対の内部電極１３、１５が埋設されたものであり、静電チャック５の表面（同図上方）は、半導体ウェハー１７を吸着固定する吸着面（チャック面）１９とされている。尚、チャック面１９と反対側の面がベース面２０である。
【００２２】
この静電チャック５は、例えば直径３００ｍｍ×厚み３ｍｍの円盤状の板材であるが、その側方の外周に沿って、チャック面１９の表面から２ｍｍの位置まで、径方向に３ｍｍ切りかかれて、段差部（チャック側段差部）２１が形成されている。また、静電チャック５のチャック面１９の外径は、チャック面１９に吸着される半導体ウェハー１７の外径より小さく設定されている。
【００２３】
尚、静電チャック５には、加熱処理を必要とする工程に対応するために、ヒータ電極（図示せず）が埋設されている。
特に実施例では、図２に段差部２１近傍を拡大して示す様に、静電チャック５のセラミック部１１の表面のうち、チャック面１９側の表面には、アルミナ純度の高い表面層２５が形成されている。
【００２４】
つまり、セラミック部１１のうち、表面層２５以外の同図下方のセラミック部本体２７は、アルミナ純度が９８重量％未満（例えば９２重量％）と低純度であるが、厚み０．２ｍｍの表面層２５のアルミナ純度は９８重量％以上（例えば９９重量％）と高純度とされている。
【００２５】
また、本実施例では、表面層２５とセラミック部本体２７との間に、表面層２５とセラミック部本体２７との接合性を向上させるために、ガラス成分（例えばＡｉ_２Ｏ_３−ＳｉＯ−ＭｇＯ−ＣａＯ）を５重量％以上含む中間層２９を備えている。尚、接合強度が十分な場合には、この中間層２９は省略することができる。
【００２６】
図１に戻り、前記絶縁リング９は、例えばアルミナ質の焼結体からなるセラミック製の絶縁体であり、その（中心軸に沿った）断面が略Ｌ字状となっている。
つまり、絶縁リング９は、例えば外径３５０ｍｍ×内径２９４ｍｍ×厚み２ｍｍの環状の部材であるが、その内周面に沿って、ベース板３側から１ｍｍの位置まで、径方向に２５ｍｍ切り欠かれて、段差部（リング側段差部）３１が形成されている。
【００２７】
従って、図３に示す様に、静電チャック５の上方より絶縁リング９を填め込むことにより、チャック側段差部２１とリング側段差部３１とが（接触して又は微小な間隔を保って）係合する構成となる。
そして、上述した構成の静電チャック装置１を使用する場合には、両内部電極１３、１５間に、±１５００Ｖの直流電圧を印加し、これにより、半導体ウェハー１７を吸着する吸着力（クーロン力及びジョンソンラーベック力）を発生させ、この吸着力を用いて半導体ウェハー１７を吸着して固定する。
【００２８】
ｂ）次に、本実施例の静電チャック装置１の製造方法について、図４に基づいて説明する。
▲１▼まず、静電チャック５の製造方法を説明する。
（１）（低純度アルミナの製造方法）
原料としては、主成分であるアルミナ粉末：９２重量％に、ＭｇＯ：１重量％、ＣａＯ：１重量％、ＳｉＯ_２：６重量％を混合して、ボールミルで、５０〜８０時間湿式粉砕した後、脱水乾燥する。
【００２９】
この粉末に（粉末に対する割合（外重量％）として）、メタクリル酸イソブチルエステル：３重量％、ブチルエステル：３重量％、ニトロセルロース：１重量％、ジオクチルフタレート：０．５重量％を加え、更に溶剤として、トリクロール−エチレン、ｎ−ブタノールを加え、ボールミルで混合して、流動性のあるスラリーとする。
【００３０】
次に、このスラリーを、減圧脱泡後平板状に流し出して徐冷し、溶剤を発散させて、厚さ０．８ｍｍの低純度の第４アルミナグリーンシート３３を形成する。
（２）（高純度アルミナの製造方法）
前記低純度アルミナとは別に、主成分であるアルミナ粉末：９９重量％に、ＭｇＯ：０．５重量％、ＣａＯ：０．５重量％を混合して、ボールミルで、５０〜８０時間湿式粉砕した後、脱水乾燥する。
【００３１】
この粉末に、前記低純度アルミナと同様に（同様な割合で）、メタクリル酸イソブチルエステル、ブチルエステル、ニトロセルロース、ジオクチルフタレートを加え、更に溶剤として、トリクロール−エチレン、ｎ−ブタノールを加え、ボールミルで混合して、流動性のあるスラリーとする。
【００３２】
次に、このスラリーを、減圧脱泡後平板状に流し出して徐冷し、溶剤を発散させて、厚さ０．８ｍｍの高純度の第１アルミナグリーンシート３５を形成する。
（３）また、タングステン粉末にセラミック成分を若干混ぜて、前記と同様な方法によりスラリー状にして、メタライズインクとする。
【００３３】
そして、前記第４アルミナグリーンシート３３上に、前記メタライズインクを用いて、通常のスクリーン印刷法により、ヒータ電極のヒータパターン３７を印刷する。
（４）次に、ヒータパターン３７を印刷した前記第４アルミナグリーンシート３３の表面に、第４アルミナグリーンシート３３と同様にして製造した低純度の第３アルミナグリーンシート３９を載置する。
【００３４】
（５）次に、第３アルミナグリーンシート３９上に、タングステン単体を使用したメタライズインク、又はタングステンとモリブデンを混ぜてスラリー状としたメタライズインクを用いて、スクリーン印刷法により、静電チャックパターン、即ち内部電極１３、１５の電極パターン４１、４３を印刷する。
【００３５】
（６）次に、静電チャックパターン４１、４３を印刷した第３アルミナグリーンシート３９上と、第４アルミナグリーンシート３７の下面側に、それぞれ同様な低純度の第２アルミナグリーンシート４５及び第５アルミナグリーンシート４７を重ねるとともに、第２アルミナグリーンシート４５上に、前記高純度の第１アルミナグリーンシート３５を重ねて熱圧着し、全体の厚みを約５ｍｍとする。
【００３６】
尚、内部電極１３、１５は、スルーホール４９、５１により、最下層の第５アルミナグリーンシート４７裏面の引き出して、各内部電極１３、１５に電圧を印加するための端子（図示せず）を設ける。また、ヒータ電極に関しても、同様にスルーホール（図示せず）を構成する。
【００３７】
（７）次に、熱圧着したシートを、所定の円板形状（例えば８インチサイズの円板形状）にカットする。
（８）次に、カットしたシートを、還元雰囲気にて、１４００〜１６００℃にて焼成する。この焼成により、寸法が約２０％小さくなるため、焼成後のセラミック体の厚みは、約４ｍｍとなる。
【００３８】
（９）そして、焼成後に、研磨によって、セラミック体の全厚みを３ｍｍとするとともに、チャック面１９の平面度が３０μｍ以下となる加工する。
また、円筒研磨によって、チャック側段差部２１を形成する様に、静電チャック５の外周面のチャック面１９側の径を小径にする加工を行う。
【００３９】
（１０）次に、端子部にニッケルメッキを施し、更にこのニッケル端子をロー付け又は半田付けする。
（１１）次に、シリコン樹脂を、静電チャック５側、又はベース板３側、或いはその両方に塗布した後に、静電チャック５とベース板３との軸中心が一致する様に接合し、その乾燥させて、静電チャック装置１を完成する。
【００４０】
▲２▼次に、絶縁リング９の製造方法を説明する。
ここでは、円盤状の石英ガラスを研磨して所定の厚みとし、また、平面度を３０μｍ以下とした後、マニシング加工によりリング状とする。
そして、上述した様にして製造された絶縁リング９を、前記図３に示す様に、静電チャック装置１の上方から填め込んでベース板３上に載置する。これにより、静電チャック５のチャック側段差部２１と絶縁リング９のリング側段差部３１とが係合して配置されることになる。
【００４１】
ｃ）次に、本実施例の効果について説明する。
本実施例では、静電チャック５のチャック面９側の表面層２５のアルミナ純度を９８重量％以上とし、それ以外のセラミック部本体２７のアルミナ純度より高くしたので、表面層２５には、アルミナ以外の（フッ素ガス等により影響される）他の成分（ガラス成分等）が極めて少ない。
【００４２】
よって、半導体ウェハー１７をエッチングする際に、フッ素ガスの雰囲気ガスに晒されても、静電チャック５の表面が劣化（表面粗度の悪化）しにくくなり、絶縁耐圧の低下を抑制できる。よって、長期間にわたり安定して静電チャック５（従って静電チャック装置１）を使用することができる。
【００４３】
また、本実施例では、静電チャック１を構成するセラミックとしてアルミナを用いるので、常圧下において焼成することが可能で製造が容易であり、しかも、低コストであるという利点がある。
更に、本実施例では、表面層２５とセラミック部本体２７との間に、ガラス成分を１０重量％以上含む中間層２９を備えているので、表面層２５はセラミック部本体２７から剥離し難いという効果がある。
【００４４】
ｄ）次に、本実施例の効果を確認するために行った実験例について説明する。
前記実施例１の製造方法にて製造した静電チャック装置、即ち静電チャックの表面に高純度アルミナからなる表面層を備えた装置（本発明例）と、従来の静電チャックの全体が低純度アルミナ（アルミナ９２重量％）からなる装置を製造した。
【００４５】
そして、本発明例と比較例の静電チャック装置を、（通常のエッチング雰囲気と同様な）フッ素系ガス雰囲気において放電させて、その表面の状態を評価した。
具体的には、フッ素：３０体積％、窒素：７０体積％の雰囲気ガス中にて、３００時間にわたり、Ｒｆ１０００Ｗによる放電を行い、静電チャックの表面の中心線表面粗さＲａを測定した（ＪＩＳＢ０６０１−１９９４）。その結果を、下記表１に記す。
【００４６】
【表１】

【００４７】
この表１から明らかなように、本発明例では、試験後でもＲａは０．２μｍまでしか増加ぜす、好適であったが、比較例では、試験後にはＲａは０．６μｍに増加しており好ましくない。
（実施例２）
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な内容の説明は省略する。
【００４８】
本実施例では、静電チャックのチャック面だけでなくその側面も高純度アルミナで構成されている。
▲１▼図５に示す様に、本実施例の静電チャック６１は、静電チャック６１のチャック面６３側だけでなく側面６５側の全体も、アルミナ純度が高い表面層６７で覆われている。
【００４９】
つまり、低純度（アルミナ純度９８重量％未満）のセラミック部本体６９のチャック面６３側を覆うように、高純度（アルミナ純度９８重量％以上）のチャック面側表面層７１が形成されている。また、セラミック部本体６９の側面６５全体、即ち段差部７３の上表面７４、段差部７３上部の第１側面７５、及び段差部７３下部の第２側面７６を覆うように、同様な高純度（アルミナ純度９８重量％以上）の側面側表面層７８が形成されている。
【００５０】
▲２▼本実施例の静電チャック６１を製造方法は、基本的に、前記実施例１と同様であるが、高純度アルミナからなる第１アルミナグリーンシートを使用しない点が大きく異なる。
つまり、まず、低純度の第２〜第５アルミナグリーンシートを用いて、前記実施例１とほぼ同様な方法で、静電チャック６１のセラミック部本体６９を製造する。
【００５１】
その後、低純度アルミナからなるセラミック部本体６９の表面に、例えば周知のプラズマ溶射法等の溶射技術により、高純度アルミナからなる表面層６７を形成する。尚、溶射材料としては、アルミナ以外に、イットリア等の材料を用いることができる。
【００５２】
この様に、本実施例では、静電チャック６１の表面のうち、ベース板７７側の表面（底部表面：ベース面）７９以外が全て表面層６７で覆われているので、フッ素系ガス等による表面劣化を防止する能力が一層高いという利点がある。
尚、静電チャック６１の側面全体ではなく、その一部の表面（特にチャック面６３側に近い第１側面７５の表面）のみを覆うように、表面層を設けてもよい。
【００５３】
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
（１）例えば、前記実施例では、静電チャック内に１対の内部電極を設けたが、それ以外に、静電チャック内に１つの電極を埋設し、この埋設電極と被吸着物（半導体ウェハー）側との間に電圧を加えて、クーロン力により、被吸着物をチャック面に吸着するようにしてもよい。
【００５４】
（２）また、静電チャックの側面に段差部を設けなくてもよい。
（３）更に、静電チャックのチェック面側の外径は、半導体ウェハーの外径より小さくなくてもよい。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の静電チャック装置及び半導体ウェハーを破断して示す説明図である。
【図２】実施例１の静電チャックの段差部の近傍を拡大して示す断面図である。
【図３】実施例１の静電チャック装置及び半導体ウェハーの分解斜視図である。
【図４】実施例１の静電チャックを分解して示す説明図である。
【図５】実施例２の静電チャックの段差部の近傍を拡大して示す断面図である。
【符号の説明】
１…静電チャック装置
３、７７…ベース板
５、６１…静電チャック
７…接合層
９…絶縁リング
１１…セラミック部
１７…半導体ウェハー
１９、６３…チャック面
２１、７３…段差部
２５、６７…表面層
２７、６９…セラミック部本体
２９…中間層

Claims

絶縁性を有するセラミック部と該セラミック部の内部に配置された電極とを備え、被吸着部材をチャック面にて吸着する静電チャックにおいて、
前記セラミック部を構成する主成分のセラミックに関して、前記チャック面側及び／又は側面側の表面層の純度を、前記表面層以外の他のセラミック部の純度より高くしたことを特徴とする静電チャック。
前記表面層のセラミックの純度が、９８重量％以上であることを特徴とする前記請求項１に記載の静電チャック。
前記表面層以外の他のセラミック部のセラミックの純度が、９２〜９５重量％であることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の静電チャック。
前記表面層と他のセラミック部との間に、ガラス成分を５重量％以上含む中間層を備えたことを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の静電チャック。
前記セラミックが、アルミナであることを特徴とする前記請求項１〜４のいずれかに記載の静電チャック。
前記請求項１〜５のいずれかに記載の静電チャックのチャック面と反対側のベース面側に、ベース部材を接合したことを特徴とする静電チャック装置。