JP2007080898A - 静電チャック、これを備える薄膜製造装置、薄膜製造方法、並びに基板表面処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 酸化物を誘電体層として持つ静電チャックを触媒化学気相成長装置に設置し、静電チャックで保持したワークへシリコン薄膜の堆積を繰り返すうちに、静電チャックの吸着力が低下し、最終的には全く基板を吸着しなくなる課題があった。
【解決手段】 静電チャックのチャック面の誘電体層を窒化珪素や酸化珪素を含有する絶縁膜で被服することにより、触媒化学気相成長装置でシリコン膜を堆積する際に生じた水素ラジカルによるチャック面へのダメージが防止できるので、繰り返しシリコン膜を堆積しても基板の吸着力が低下することなく、シリコン膜堆積時の基板温度が安定する。
【選択図】 図１

Description

本発明は、薄膜製造方法や基板表面処理方法に用いる静電チャックに係り、特にシリコン薄膜等製造時の水素ラジカルを含む高温雰囲気においても吸着力を低下させることなく長期間使用できる静電チャックに関する。

従来の静電チャックとしては、チャック面の誘電体層として様々な絶縁物が提案されているが、特に高温時の吸着力や熱膨張率の制御性（接合面の熱膨張係数の違いによる割れ防止）から、誘電体層にはＡｌ_２Ｏ_３やＭｇＯ等の酸化物が一般に用いられている（例えば特許文献１を参照）。

従来の静電チャックは、半導体プロセス中の特にフッ素ラジカルによるドライエッチングを用途として半導体プロセス中に導入されてきた。一方、近年プラズマダメージの無い化学気相成長法として触媒化学気相成長法が提案され薄膜シリコン形成の有効な手段として注目を集めてきている。しかしながら、触媒化学気相成長法は加熱した触媒体と原料ガスの反応により堆積種を生成し基板に堆積する方法なため、触媒体からの輻射熱の影響により基板温度が堆積中に急上昇し堆積時の基板表面温度が一定にならず、膜厚方向に膜質がバラツク課題を有していた。この基板表面温度の急上昇を防止する解決策して、基板を温度制御可能な静電チャックにより吸着することにより、堆積時の触媒体からの熱輻射による基板温度の急上昇を抑える方策が開示されている（例えば非特許文献１を参照）。

しかしながら、誘電体層としてはＡｌ_２Ｏ_３やＭｇＯといった酸化物を用いた静電チャックを触媒化学気相成長装置に設置して、静電チャックの温度を４００℃、原料ガスとしてＳｉＨ_４とＨ_２を用いてアモルファスシリコンやポリシリコン等のシリコン薄膜の堆積を繰り返すと、次第に静電チャックの吸着力が低下し、最終的には全く基板を吸着しなくなる課題があることが分かった。上述の吸着力の低下した静電チャックを調べたところ、静電チャック表面の抵抗値が著しく低下していることがわかった。さらに表面の組成分析行うと静電チャック表面の酸化物が還元していることがわかった。

また、Ａｌ_２Ｏ_３等の誘電体層に酸化クロムと酸化チタンを添加した静電チャック表面上に薄い絶縁膜をコーティングして、クロムやチタンによる基板の重金属汚染を防止する方法が開示されている（例えば特許文献２参照）。上述の薄い絶縁膜はＡｌ、Ｓｉ、Ｏ、Ｎ、Ｈ中の元素により構成され、例えばＡｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮ、ＳｉＯ_２、Ｓｉ_３Ｎ_４、ａ−Ｓｉ−Ｈなどが使用できる。これらの薄い絶縁膜は基板の重金属汚染を防止する目的で静電チャック上にコーティングされているため、絶縁膜の材料が多岐にわたっていた。例えばＡｌ_２Ｏ_３を静電チャック表面にコーティングしても、触媒化学気相成長法によるシリコン薄膜の堆積を繰り返すと静電チャック表面の薄い酸化物が還元して基板の吸着力が著しく低下する不具合が生じた。
特開２００４−３１１５２２号公報（第５頁、第４図） 特開平７-７４２３３号公報（第３頁、第２図） ＮＥＤＯ大学連携型産業科学技術研究開発プロジェクト、Ｃａｔ−ＣＶＤ法による半導体デバイス製造プロセス 成果報告会・資料、２００１年６月４日（第１９頁−２２頁、第７図、第８図）

誘電体層としてはＡｌ_２Ｏ_３やＭｇＯといった酸化物を用いた静電チャックを触媒化学気相成長装置に設置して、静電チャックの温度を４００℃、原料ガスとしてＳｉＨ_４とＨ_２を用いてアモルファスシリコンやポリシリコン等のシリコン薄膜を触媒化学気相成長装置に静電チャックを導入して堆積を繰り返すと、次第に静電チャックの吸着力が低下し、最終的には全く基板を吸着しなくなる課題があった。

上述の吸着力の低下した静電チャックを調べたところ、静電チャック面の抵抗値が著しく低下していることがわかった。さらに表面の組成分析行うとチャック表面の酸化物が還元していることがわかった。

触媒化学気相成長法を用いて原料ガスとしてＳｉＨ_４とＨ_２を使用してシリコン膜を堆積する際の堆積種には、水素ラジカルが他の化学気相成長法に比べて多いことが知られている。ここで、触媒化学気相成長装置にてＨ_２ガスのみを導入し、熱分解した水素ラジカルにより吸着力の低下していない静電チャックのチャック面を１０分間処理してチャック表面の組成分析をしたところ、水素ラジカルにより静電チャック表面の酸化物が還元されていることがわかった。特に静電チャックが３００℃以上の高温時に還元反応が顕著に確認できた。図４に水素ラジカル処理前後で、印加電圧に対する静電チャックの吸着力を調べた結果を示す。図４から静電チャックのチャック面に水素ラジカル処理がなされると、基板の吸着力が大幅に低下してしまうことがわかる。

還元した静電チャック最表面を研磨することにより、元の還元されていない酸化物のチャック面が露呈することになるので、基板の吸着力を回復することが出来る。しかし、面精度を良くするために一度静電チャックを取り外してから研磨機で研磨せざるを得ない。そのため、メンテナンスの負荷が多大で、小規模な実験レベル以外では触媒化学気相成長装置に静電チャックを用いることが事実上出来なかった。

そこで、様々な材料の絶縁膜を静電チャック表面にコーティングして静電チャックの耐久実験を繰り返し行ったところ、ある特定の絶縁膜のコーティングが触媒化学気相成長法によるシリコン薄膜の堆積の繰り返しに耐える良好な絶縁膜であることを発見し、本発明に至った。

本発明の静電チャックは、水素を含むラジカル雰囲気で基板の吸着に用いられる静電チャックであって、酸化物を含有する誘電体層と、誘電体層を被服する絶縁膜を備え、この絶縁膜は酸化珪素と窒化珪素の少なくとも一方を含有している。このような構成の静電チャックは、水素を含むラジカル雰囲気で基板の吸着に用いても基板の吸着力の低下を防止することが可能である。

さらに、誘電体層が酸化アルミニウムと酸化マグネシウムの少なくとも一方を含有している。さらに、絶縁膜を化学気相成長法または物理気相成長法を用いて形成することとした。

また、本発明の薄膜製造装置は、酸化物を含有する誘電体層とこの誘電体層を被服する絶縁膜とを備える静電チャックと、水素元素を含んだガスを供給する供給機構と、このガスを分解する分解機構とを有しており、絶縁膜が酸化珪素と窒化珪素の少なくとも一方を含有している。そして、分解機構で分解された堆積種が、静電チャックに堆積するように構成されている。

さらに、本発明の薄膜製造方法は、前述のいずれかの構成の静電チャックを用いて基板を吸着する工程と、基板が配されたチャンバー内に水素元素を含んだ原料ガスを供給する工程と、原料ガスを分解して堆積種を発生させて基板の表面に薄膜を形成する工程を有している。さらに、本発明の基板表面処理方法は、前述のいずれかの構成の静電チャックを用いて基板を吸着する工程と、基板が配されたチャンバー内に水素元素を含んだ処理ガスを供給する工程と、処理ガスを分解して処理種を発生させて基板の表面を処理する工程を有している。この薄膜製造方法や基板表面処理方法において、原料ガスまたは処理ガスを触媒化学気相成長法で分解することができる。あるいは、原料ガスまたは処理ガスをプラズマ支援化学気相成長法で分解することができる。

本発明の静電チャックを設置した触媒化学気相成長装置により、繰り返しシリコン膜を堆積しても、静電チャック表面の還元が起こらないため、基板の吸着力が低下しない。したがって、シリコン薄膜堆積時の加熱触媒体からの輻射熱による急激な基板の温度上昇を抑制できるため、膜厚方向に均一な膜質のシリコン膜を長期間安定的に堆積できる効果がある。

本発明の静電チャックは、チャック面の誘電体層を酸化珪素あるいは窒化珪素を含有する絶縁膜で被服する。本発明の静電チャックを用いた触媒化学気相成長法では、ＳｉＨ_４とＨ_２を原料ガスとしてシリコン膜を堆積する際に発生する大量の水素ラジカルによるチャック面へのダメージが防止できるので、繰り返しシリコン膜を堆積しても基板の吸着力が低下することなく、シリコン膜堆積時の基板温度が長期間安定する。

以下、本発明の静電チャック、薄膜製造方法、基板表面処理方法を図面に基づいて詳細に説明する。

本実施例の静電チャックを、図１を用いて説明する。中央部に空洞のあるアルミニウム製の基材１に第１の酸化アルミニウムからなる誘電体層２を溶射し、中央部の空洞部に導体である電極７を治具８とともに設置した（図１ａ）。次いで、タングステン製の内部電極３を溶射して電極７と内部電極３との電気的な接続を行い、第２の誘電体層４として酸化アルミニウムを溶射した。ここでは、第２の誘電体層に酸化アルミニウムを用いたが、酸化マグネシウムを用いることも可能である。さらに、第２の誘電体層４の上に絶縁膜５として窒化珪素を化学気相成長法により形成した（図１ｂ）。絶縁膜５には窒化珪素の他に、窒化珪素や酸化珪素を含有する膜を用いることができる。最後に治具８を外し、内部電極３に外部から電圧を供給するための電源端子部６をろう付けした（図１ｃ）。尚、図示は省略したが、本実施例の静電チャックは双曲型の内部電極３を有し、基板を加熱するためのヒーターが静電チャック内部に設けられている。

本実施例の静電チャック１４を設置した薄膜製造装置の一例として触媒化学気相成長装置を図２と図３を用いて説明する。図２は触媒化学気相成長装置の構成を示す模式図である。真空チャンバー１６内は真空ポンプによる排気１５によって高真空に保たれ、真空度は真空計１９によって計測される。チャンバー１６内のガス圧力を真空計１９でモニターしながら、排気速度を制御して真空チャンバー１６内の圧力を一定に保つ自動圧力制御機構１８が排気系に設けられている。また、マスフローコントローラを介して精密に流量コントロールされた原料ガス１０がシャワーヘッド１１から真空チャンバー１６内に供給される。原料ガス１０を分解するための触媒体１２がシャワーヘッド１１の噴出し部近傍に設けられている。触媒体１２を加熱するために、触媒体１２には電源部１７から電力が供給できる。さらに、基板１３を吸着する静電チャック１４には、５００℃の温度まで任意の温度に制御できる機構が設けられている。また、図示しないバルブを切り替えて、原料ガス１０の代わりに処理ガスを供給することができる。

図３に触媒体１２の形状を模式的に示す。図示するように、本実施例の触媒体１２は、直径０．５ｍｍのタングステンワイヤーを用いて、基板面に平行かつ均一に加工されている。尚、触媒体１２の形状を保つためのテンション機構は記載を省略した。

ここで、静電チャック１４の温度を４００℃、印加電圧を±１０００Ｖとして基板１３を吸着し、触媒体１２の温度を１８００℃、原料ガス１０としてＳｉＨ_４とＨ_２を用いてシリコン薄膜の堆積を繰り返したが、静電チャック１４の吸着力が低下することは無かった。また、静電チャック１４の温度を３００℃とし、原料ガス１０の代わりに処理ガスであるＨ_２を用い、触媒体１２の温度を１２００℃にして、基板１３を置かずに静電チャック最表面の水素ラジカル処理を１０分間実施し、静電チャック１４の吸着力の経時変化を調べた。この結果を図５に示す。図５から、水素ラジカル処理をしても、本実施例の静電チャック１４の吸着力は、印加電圧±２５０Ｖ〜±１０００Ｖの範囲では低下しないことが解る。

本実施例では基板１３を置かずに直接静電チャックの耐水素ラジカル性を試験的に検証したが、本発明の静電チャックは触媒化学気相成長装置に限らず、水素ラジカルが発生するその他の薄膜製造方法や基板表面処理方法に適応可能である。

実施例１で説明した静電チャック１４を触媒化学気相成長装置に用いる場合、触媒化学気相成長装置に静電チャック１４を設置してから、触媒化学気相成長装置により、第二の誘電体層４上に窒化珪素を形成できる。また、静電チャック１４をかなりの長期間使用していると次第に吸着力が低下していくが、吸着力が低下した際には触媒化学気相成長装置により静電チャック１４の表面に窒化珪素を再形成することにより、容易に吸着力を回復することが出来た。吸着力の低下した静電チャックを装置から取り外して再研磨することなく、容易に吸着力を回復することが出来るので、本発明により実用性に優れた静電チャックを提供できる効果がある。ここで本実施例では触媒化学気相成長装置を一例としているが、プラズマ支援化学気相成長装置やその他方式の化学気相成長装置、または物理気相成長装置にも適用できる。

本発明の静電チャックを用いた薄膜製造方法により、ＴＦＴ液晶ディスプレイや薄膜シリコン太陽電池等に用いる良好なシリコン薄膜を堆積できる。また、本発明の静電チャックを用いた基板表面処理方法は水素ラジカルを利用した基板表面の改質やシリコン薄膜の欠陥低減処理、有機物の除去に有効である。

本発明の静電チャックを説明する模式図である。 本発明の装置の構成を示す模式図である。 本発明で用いた触媒体を説明する模式図である。 従来の静電チャックの基板吸着力と印加電圧の関係を示すグラフである 本発明の静電チャックの基板吸着力と印加電圧の関係を示すグラフである。

符号の説明

１ 基材
２ 第一の誘電体層
３ 内部電極
４ 第二の誘電体層
５ 絶縁膜
６ 電源端子部
７ 電極
８ 治具
１０ 原料ガス
１１ シャワーヘッド
１２ 触媒体
１３ 基板
１４ 静電チャック
１５ 排気
１６ 真空チャンバー
１７ 電源部
１８ 自動圧力制御機構
１９ 真空計

Claims (11)

1. 水素を含むラジカル雰囲気で基板の吸着に用いられる静電チャックであって、酸化物を含有する誘電体層と、前記誘電体層を被服する、酸化珪素と窒化珪素の少なくとも一方を含有する絶縁膜を備えることを特徴とする静電チャック。
2. 前記誘電体層が酸化アルミニウムと酸化マグネシウムの少なくとも一方を含有することを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
3. 前記絶縁膜が化学気相成長法または物理気相成長法により形成されたことを特徴とする請求項１または２に記載の静電チャック。
4. 酸化物を含有する誘電体層と前記誘電体層を被服する絶縁膜を有する静電チャックと、水素元素を含んだガスを供給する供給機構と、前記ガスを分解する分解機構とを備え、前記絶縁膜が酸化珪素と窒化珪素の少なくとも一方を含有することを特徴とする薄膜製造装置。
5. 前記分解機構で分解された堆積種が、前記静電チャックに堆積するように構成されたことを特徴とする請求項４に記載の薄膜製造装置。
6. 請求項１〜３のいずれかに記載の構成の静電チャックを用いて基板を吸着し、前記基板が配されたチャンバー内に水素元素を含んだ原料ガスを供給し、前記原料ガスを分解して堆積種を発生させて前記基板の表面に薄膜を形成することを特徴とする薄膜製造方法。
7. 前記原料ガスが触媒化学気相成長法で分解されることを特徴とする請求項６に記載の薄膜製造方法。
8. 前記原料ガスがプラズマ支援化学気相成長法で分解されることを特徴とする請求項６に記載の薄膜製造方法。
9. 請求項１〜３のいずれかに記載の構成の静電チャックを用いて基板を吸着し、前記基板が配されたチャンバー内に水素元素を含んだ処理ガスを供給し、前記処理ガスを分解して処理種を発生させて前記基板の表面を処理することを特徴とする基板表面処理方法。
10. 前記原料ガスまたは前記処理ガスが触媒化学気相成長法で分解されることを特徴とする請求項９に記載の基板表面処理方法。
11. 前記原料ガスまたは前記処理ガスがプラズマ支援化学気相成長法で分解されることを特徴とする請求項９に記載の基板表面処理方法。

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