JP2008192969A - 静電チャック及びその製造方法 - Google Patents

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Abstract

【課題】絶縁性が確保され、且つ、脱着応答性が良好な状態で広い温度範囲で使用可能な静電チャック及びその製造方法を提供する。
【解決手段】静電チャック1は、平面視で円盤形状のESC電極E1と、平面視でドーナツ形状のESC電極E2と、ESC電極E1,E2表面を被覆するように形成された誘電体層とを備える。誘電体層は、ESC電極E1表面に対応する領域に形成された円形形状の誘電体領域R1と、ECS電極E2表面に対応する領域に形成されたドーナツ形状の誘電体領域R2とを有し、誘電体領域R1と誘電体領域R2は一体でシームレスに焼成されている。誘電体領域R1及び誘電体領域R2は、互いに体積抵抗率が異なる、同じ組成系の材料により形成されている。ESC電極E1及びESC電極E2には個別の電圧印加用端子が接続され、ESC電極E1及びESC電極E2に個別に電圧を印加可能なように構成されている。
【選択図】図1

Description

本発明は、静電力を利用して被固定物を固定する静電チャック及びその製造方法に関する。
一般に、半導体製造プロセスや液晶ディスプレイ製造プロセスでは、シリコンウェハやガラス等の被固定物を固定するために静電チャックが利用される。静電チャックは、静電引力(クーロン力)を利用して被固定物を固定する装置であり、電極の上に誘電体層を積層した構造を有する。静電チャックを利用して被固定物を固定する際は、誘電体層上に被固定物を載置して電極に電圧を印加することにより、被固定物と電極との間に生じる静電力や、被固定物と誘電体層表面との間に生じるジョンソン・ラーベック力と呼ばれる静電力の一種を利用して、誘電体層上に被固定物を固定する。
静電チャックを構成する誘電体層の体積抵抗率は温度に応じて変化する。誘電体層の体積抵抗率が温度変化によってある下限値以下になった場合、電極から被固定物へのリーク電流が増加することにより静電チャックと被固定物間の絶縁性が確保できなくなる。一方、体積抵抗率がある上限値以上になった場合には、被固定物を吸脱着する応答性(脱着応答性)が悪くなる。従って、静電チャックと被固定物間の絶縁性が確保され、且つ、脱着応答性が良好な状態で静電チャックを広い温度範囲で機能させるためには、誘電体層の体積抵抗率を適当な範囲(10〜1012[Ω・cm])内に制御する必要がある。
このような背景から、近年、誘電体層の材料組成を変化させることによって誘電体層の体積抵抗率の温度依存性を小さくすることにより、静電チャックの使用可能温度範囲を広げる工夫がなされている。
特開2005−294648号公報
しかしながら、誘電体層の材料組成を変化させることによって誘電体層の体積抵抗率の温度依存性を小さくすることには限界があるために、静電チャックの使用可能温度範囲は限られる。このため、静電チャックと被固定物間の絶縁性が確保され、且つ、脱着応答性が良好な状態で使用可能温度範囲がより広範な静電チャックの提供が望まれていた。
本発明は、上述の課題を解決するためになされたものであり、その目的は、静電チャックと被固定物間の絶縁性が確保され、且つ、脱着応答性が良好な状態で広い温度範囲で使用可能な静電チャック及びその製造方法を提供することにある。
本発明に係る静電チャックでは、誘電体層は、一体でシームレスに焼成され、且つ、同一組成系の誘電体により形成された複数の体積抵抗率の異なる誘電体領域を面内方向に有し、静電チャック用電極は誘電体領域毎に設けられ、使用温度に応じて電圧を印加する静電チャック用電極を切り換えることにより被固定物を固定する誘電体領域を切り換える。
本発明に係る静電チャックによれば、誘電体層は、一体でシームレスに焼成され、且つ、同一組成系の誘電体により形成された複数の体積抵抗率の異なる誘電体領域により形成され、使用温度に応じて電圧を印加する静電チャック用電極を切り換えることにより被固定物を固定する誘電体領域を切り換えるので、静電チャックと被固定物間の絶縁性が確保され、且つ、脱着応答性が良好な状態で広い温度範囲で使用することができる。
以下、図1,図2を参照して、本発明の実施形態となる静電チャックの構成について説明する。なお、図1は本発明の実施形態となる静電チャックの上面図であり、図2は図1に示す線分AA’における静電チャックの断面図である。
本発明の実施形態となる静電チャック1は、平面視で渦巻形状の抵抗発熱体2が埋設されたベース基板3と、ベース基板3表面上に形成された平面視で円盤形状の静電チャック電極(以下、ESC電極と表記)E1と、ESC電極E1を囲うようにベース基板3表面上に形成された平面視でドーナツ形状のESC電極E2と、ESC電極E1,E2表面を被覆するようにベース基板3表面上に形成された誘電体層4とを備える。誘電体層4は、ESC電極E1表面に対応する領域に形成された円形形状の誘電体領域R1と、ECS電極E2表面に対応する領域に形成されたドーナツ形状の誘電体領域R2とを有し、誘電体領域R1と誘電体領域R2は一体でシームレスに焼成されている。誘電体領域R1及び誘電体領域R2は、互いに体積抵抗率が異なる、同じ組成系の材料(同じ焼成条件で焼成可能であり、且つ、同じ材料特性を有する材料。具体例は実施例参照)により形成されている。またESC電極E1,ESC電極E2,及び抵抗発熱体2にはそれぞれ電圧印加用端子5a,5b,5cが接続され、ESC電極E1,ESC電極E2,及び抵抗発熱体2に個別に電圧を印加可能なように構成されている。なお、抵抗発熱体2は、平面視で同心円状に複数の折り返し部を有する形状であってもよく、任意のデザインを採用することができる。
一般に、誘電体の体積抵抗率は温度に応じて変化するために、静電チャックとして機能する温度範囲は誘電体の組成によって異なる。そこでこの静電チャック1では、使用温度に応じて電圧を印加する電極をESC電極E1とESC電極E2との間で切り替える。具体的には、誘電体領域R1の体積抵抗率が温度T1〜温度T2(>温度T1)の範囲内において静電チャックと被固定物間の絶縁性が確保され、且つ、脱着応答性が良好な状態で静電チャックとして機能する値の範囲内になり、誘電体領域R2の体積抵抗率が温度T3(>温度T2)〜温度T4(>温度T3)の範囲内において静電チャックと被固定物間の絶縁性が確保され、且つ、脱着応答性が良好な状態で静電チャックとして機能する値の範囲内になる場合、温度T1〜温度T2の範囲内では端子5aを介してESC電極E1に電圧を印加し、温度T3〜温度T4の範囲内では端子5bを介してESC電極E2に電圧を印加する。静電チャックと被固定物間の絶縁性が確保され、且つ、脱着応答性が良好な状態で静電チャックとして機能する体積抵抗率の範囲は10〜1012[Ω・cm]、より好ましくは109.5〜1011[Ω・cm]である。この結果、電圧が印加された電極の上部にある誘電体領域表面と被固定物との間にジョンソン・ラーベック力が発生し、このジョンソン・ラーベック力により被固定物は誘電体層4上に固定される。
上述の通り、ESC電極E1及びESC電極E2はそれぞれ体積抵抗率が異なる誘電体領域R1及び誘電体領域R2の下部に形成されているので、上述のように使用温度に応じて電圧を印加する電極をESC電極E1とESC電極E2との間で切り替えることにより、静電チャックと被固定物間の絶縁性が確保され、且つ、脱着応答性が良好な状態で広い温度範囲内において誘電体層4を静電チャックとして機能させることができる。
なお、誘電体領域R1及び誘電体領域R2は、互いに体積抵抗率が異なるが、同じ組成系の材料により形成されているので、誘電体層間の界面は緻密に形成され、誘電体層4の焼成時に割れや焼成不足等の問題が発生することはない。また、誘電体領域R1及び誘電体領域R2は一体でシームレスに焼成され、誘電体層4の面内方向に体積抵抗率の分布があるために、体積抵抗率が異なる複数の誘電体領域をそれぞれ個別に形成した場合とは異なり、均熱性に優れ、誘電体領域間の界面部分のクリアランスからのデガスやパーティクルの発生を抑制することができる。また、平面度が良く被固定物との接触の均一性が高い、寸法精度に優れた静電チャックを提供することができる。
本実施形態では、円形形状の誘電体領域R1と誘電体領域R1を囲うように形成されたドーナツ形状の誘電体領域R2の2つの誘電体領域により誘電体層4を形成したが、本発明は本実施形態に限られることはなく、誘電体領域の数,形状,及びレイアウトはESC電極の数,形状,及びレイアウトや所望する使用温度範囲に応じて適宜変更することができる。具体的には、図3(a)や図3(b)に示すように、周方向に体積抵抗率が異なる複数の誘電体領域を形成してもよいし、図3(c)や図3(d)に示すように、本実施形態の誘電体領域R1,R2内をさらに複数の誘電体領域に分割してもよい。但し、誘電体層4に対する被固定物の吸着バランスを考慮すると異なる誘電体領域はリング状又は対称に配置することが望ましい。
なお、図3(a)に示す例では、誘電体領域R1と誘電体領域R3の下部にあるESC電極の組と誘電体領域R2及び誘電体領域R4の下部にあるESC電極の組との間で印電圧を印加する電極を切り換え、図3(b)に示す例では、誘電体領域R1と誘電体領域R4の下部にあるESC電極の組,誘電体領域R2及び誘電体領域R5の下部にあるESC電極の組,及び誘電体領域R3と誘電体領域R6の下部にあるESC電極の組との間で電圧を印加する電極を切り換える。
また、図3(c)に示す例では、誘電体領域R1と誘電体領域R2の下部にあるESC電極の組と誘電体領域R3及び誘電体領域R4の下部にあるESC電極の組との間で印電圧を印加する電極を切り換え、図3(d)に示す例では、誘電体領域R1と誘電体領域R2の下部にあるESC電極の組,誘電体領域R3及び誘電体領域R6の下部にあるESC電極の組,及び誘電体領域R4と誘電体領域R5の下部にあるESC電極の組との間で電圧を印加する電極を切り換える。
〔実施例〕
以下、上記静電チャック1及び誘電体層4の製造方法を実施例に基づき詳しく説明する。
〔静電チャックの製造方法〕
静電チャック1の製造工程は、大きく(1)原料粉の調合,(2)成形,(3)焼成,及び(4)加工に分けられる。原料粉の調合工程(1)では、窒化アルミニウム原料粉と酸化サマリウム又は酸化ユーロピウムとその他の添加剤を所定の比率で調合し、トロンメル等を用いて混合する。混合は湿式,乾式いずれでもよく、湿式を用いた場合はSD(スプレードライヤ)等を用いて混合後乾燥を行い、原料混合粉を得る。窒化アルミニウム原料は、直接窒化法、還元窒化法、気相合成法等、種々の製造方法で製造されたものを使用できる。好ましくは、99.8wt%以上、より好ましくは99.9wt%以上の高純度の窒化アルミニウム原料粉を使用する。なお、製品の色むらを抑制し、良好な外観を得るために、黒色化剤を添加してもよい。黒色化剤としては、Ti,Zr,Cr等の遷移金属元素を金属単体、又は金属酸化物,窒化物,炭化物の他、硫酸塩,硝酸塩,有機金属化合物等の金属化合物が挙げられる。
成形工程(2)では、調合工程(1)により得られた窒化アルミニウム原料粉を原料混合粉のまま、若しくはバインダを加えて造粒したものを用いて成形を行う。成形方法は限定されず、種々の方法を用いることができる。例えば、金型成形法、CIP(Cold Isostatic Pressing)法,スリップキャスト法等の方法を用いることができる。抵抗発熱体2やESC電極E1,E2は成形時に埋設することが好ましい。具体的には、金型に原料混合粉を入れ、その上に抵抗発熱体2を載せ、さらに原料混合粉を入れ、その上にESC電極E1,E2を載せ、さらに原料混合粉を入れて成形することにより、一体成形品を作製する。
焼成工程(3)は焼成方法に特に限定はないが、ホットプレス焼成法を使用することが好ましい。得られた一体成形品を焼成用の黒鉛モールド内に収納し、プレス圧力200kgf/cm2(1.96×107 Pa)、最高焼成温度1680℃〜1900℃で焼成する。焼成雰囲気は、室温から1000℃までは真空とし、1000℃〜焼成温度までは窒素ガス中とする。なお、誘電体層4の結晶粒内抵抗を結晶粒界抵抗より高くするためには、結晶成長が進行しすぎないようにすることが望ましい。
加工工程(4)では、焼成工程で得られた窒化アルミニウム焼結体を所定形状になるよう研削加工を行う。また、電極の端子を引き出すための開孔を形成し、端子の引き出しを行う。なお、これらの端子の引き出しを収納する円筒状のシャフトを誘電体層4と同一組成系のセラミックスからなるベース基板3の裏面に接合してもよい。このような製造方法によれば、ベース基板3と誘電体層4は一体で焼成され、ESC電極E1,E2はプラズマ耐性が高い材料内に埋設されているので、極めて信頼性が高い、コンタミレスでパーティクルが発生しにくい、静電チャック又は静電チャックヒーターを提供することができる。また、ベース基板3と誘電体層4は同等の熱膨張係数を有するため、反りがなく、長時間の熱サイクルによっても破損しない静電チャックヒーターを提供することができる。
〔誘電体材料〕
始めに、上記誘電体層4を形成する材料の実施例について説明する。
本実施例では、互いに体積抵抗率が異なる、同じ組成系の材料として、図4に示す材料1〜7を調製した。図4に示すように、材料1〜7は窒化アルミニウム(AlN)を主成分とし、燃結助剤としての添加物(Sm,Al,CeO,TiO)の配合率が互いに異なる。このような材料1〜7は、図4及び図5に示すように、体積抵抗率の温度依存性が互いに異なり、静電チャックと被固定物間の絶縁性が確保され、且つ、脱着応答性が良好な状態で静電チャックとして機能する体積抵抗率範囲(図5に示す斜線領域)を示す温度範囲が異なる。従って、各材料の体積抵抗率の温度依存性を考慮して材料1〜7のうちの少なくとも2つにより誘電体層4を形成することにより、静電チャックと被固定物間の絶縁性が確保され、且つ、脱着応答性が良好な状態で広い温度範囲内において誘電体層を静電チャックとして機能させることができる。
なお、図4及び図5に示す各材料の体積抵抗率はJIS_C2141に準じた方法により測定した。具体的には、始めに、各材料のφ300mm×5mm焼成体から□5mm×厚み1mmのサンプルを切り出し、20mm径の主電極と内径30mm及び外径40mmのガード電極とをAgペーストによりサンプル表面上に形成した。次に、サンプルの片面に40mm径の電極を形成し、サンプルを真空雰囲気下に配置した。そして、電極に500Vを印加し、電圧を印加してから1分後の電流を読み取ることにより、室温から高温雰囲気までの体積抵抗率を算出した。
〔誘電体層の構成〕
次に、上記材料1〜7により形成した誘電体層の実施例及び比較例について説明する。
〔実施例1〕
実施例1では、焼成温度を1800℃として、図1及び図2に示す誘電体領域R1及び誘電体領域R2をそれぞれ材料1及び材料3により形成した。そして誘電体領域R1及び誘電体領域R2の下部に個別にESC電極を形成することにより、実施例1の静電チャックを形成した。
〔実施例2〕
実施例2では、焼成温度を1800℃として、図1及び図2に示す誘電体領域R1及び誘電体領域R2をそれぞれ材料1及び材料4により形成した。そして誘電体領域R1及び誘電体領域R2の下部に個別にESC電極を形成することにより、実施例2の静電チャックを形成した。
〔実施例3〕
実施例3では、焼成温度を1800℃として、図1及び図2に示す誘電体領域R1及び誘電体領域R2をそれぞれ材料5及び材料6により形成した。そして誘電体領域R1及び誘電体領域R2の下部に個別にESC電極を形成することにより、実施例3の静電チャックを形成した。
〔比較例1〕
比較例1では、焼成温度を1800℃として材料1のみで誘電体層を形成した。そして誘電体層の下部にESC電極を一つ形成することにより、比較例1の静電チャックを形成した。
〔比較例2〕
比較例2では、焼成温度を1800℃として材料4のみで誘電体層を形成した。そして誘電体層の下部にESC電極を一つ形成することにより、比較例2の静電チャックを形成した。
〔比較例3〕
比較例3では、焼成温度を1800℃として材料6のみで誘電体層を形成した。そして誘電体層の下部にESC電極を一つ形成することにより、比較例3の静電チャックを形成した。
〔比較例4〕
比較例4では、焼成温度を1800℃として材料7のみで誘電体層を形成した。そして誘電体層の下部にESC電極を一つ形成することにより、比較例4の静電チャックを形成した。
〔比較例5〕
比較例5では、焼成温度を1800℃として、図1及び図2に示す誘電体領域R1及び誘電体領域R2をそれぞれ材料1及び材料4により形成した。そして誘電体領域R1と誘電体領域R2に跨る1つのESC電極を形成することにより、比較例5の静電チャックを形成した。
〔比較例6〕
比較例6では、焼成温度を1800℃として、図1及び図2に示す誘電体領域R1及び誘電体領域R2をそれぞれ材料1及び材料7により形成した。そして誘電体領域R1及び誘電体領域R2の下部に個別にESC電極を形成することにより、比較例6の静電チャックを形成した。
〔焼成結果〕
実施例1〜3及び比較例1〜5の静電チャックについては、焼成後に誘電体層の焼成割れや焼成不足が見られなかった。これに対して、比較例6の静電チャックについては、焼成後に材料7領域内に焼成割れや焼成不足が見られた。
〔リーク電流及び脱着応答性の評価〕
図6に示すチャンバー11内に実施例1〜3及び比較例1〜5の静電チャックをそれぞれ静電チャック1としてセットし、静電チャック1の誘電体層上に基板12を載置した。そして、チャンバー11内を真空雰囲気にした後、ESC電極に500Vの電圧を1分間印加し、その時のリーク電流を測定した。また、ESC電極に電圧を印加している状態でチャンバー11内にヘリウムガスを導入し、ESC電極への電圧印加を停止してから誘電体層から基板12が脱離するまでの時間を測定することにより脱着応答性を評価した。
実施例1の静電チャックでは、温度が25〜50℃の範囲内においては材料1領域のリーク電流が小さく、温度75〜100℃の範囲内においては材料3領域のリーク電流が小さかった。また温度が25〜50℃の範囲内においては材料1領域の脱着応答性がよく、温度75〜150℃の範囲内においては材料3領域の脱着応答性がよかった。このことから、実施例1の静電チャックは100℃以下の温度範囲において機能することが知見された。
実施例2の静電チャックでは、温度が25〜50℃の範囲においては材料1領域のリーク電流が小さく、温度75〜150℃の範囲内においては材料4領域のリーク電流が小さかった。また温度が25〜50℃の範囲内においては材料1領域の脱着応答性がよく、温度75〜200℃の範囲内においては材料3領域の脱着応答性がよかった。このことから、実施例2の静電チャックは150℃以下の温度範囲において機能することが知見された。
実施例3の静電チャックでは、温度が100〜200℃の範囲においては材料5領域のリーク電流が小さく、温度250〜350℃の範囲内においては材料6領域のリーク電流が小さかった。また温度が150〜200℃の範囲内においては材料5領域の脱着応答性がよく、温度250〜350℃の範囲内においては材料6領域の脱着応答性がよかった。このことから、実施例3の静電チャックは150〜350℃の温度範囲において機能することが知見された。
比較例1の静電チャックでは、温度が25〜50℃の範囲においてリーク電流が小さく、温度が25〜100℃の範囲内において脱着応答性がよかった。このことから、比較例1の静電チャックは50℃以下の温度範囲において機能することが知見された。
比較例2の静電チャックでは、温度が25〜150℃の範囲においてリーク電流が小さく、温度が75〜200℃の範囲内において脱着応答性がよかった。このことから、比較例2の静電チャックは75〜150℃の温度範囲において機能することが知見された。
比較例3の静電チャックでは、温度が200〜350℃の範囲においてリーク電流が小さく、温度が250〜350℃の範囲内において脱着応答性がよかった。このことから、比較例3の静電チャックは250〜350℃の温度範囲において機能することが知見された。
比較例4の静電チャックでは、温度が25〜100℃の範囲においてリーク電流が小さく、温度が75〜150℃の範囲内において脱着応答性がよかった。このことから、比較例4の静電チャックは75〜100℃の温度範囲において機能することが知見された。
比較例5の静電チャックでは、温度が25〜50℃の範囲においてリーク電流が小さく、温度が75〜200℃の範囲内において脱着応答性がよかった。このことから、比較例5の静電チャックは機能しないことが知見された。
これらの知見から、実施例1〜3の静電チャックは、比較例1〜5の静電チャックと比較して、静電チャックと基板間の絶縁性が確保され、且つ、脱着応答性が良好な状態で広い温度範囲で使用することができることが確認された。
以上、本発明者らによってなされた発明を適用した実施の形態について説明したが、この実施の形態による本発明の開示の一部をなす論述及び図面により本発明は限定されることはない。すなわち、上記実施の形態に基づいて当業者等によりなされる他の実施の形態、実施例及び運用技術等は全て本発明の範疇に含まれることは勿論であることを付け加えておく。
本発明の実施形態となる静電チャックの上面図である。 図1に示す静電チャックの断面図である。 本発明の実施形態となる誘電体層の応用例の構成を示す模式図である。 誘電体層を形成する材料の特性を示す図である。 図4に示す材料の体積抵抗率の温度依存性を示す図である。 静電チャックのリーク電流及び脱着応答性の評価に用いた装置の構成を示す模式図である。 実施例及び比較例の静電チャックのリーク電流及び脱着応答性の評価結果を示す図である。
符号の説明
1…静電チャック
2…抵抗発熱体
3…ベース基板
4…誘電体層
E1,E2…ESC電極
R1,R2…誘電体領域
5a,5b,5c…電圧印加用端子

Claims (7)

  1. ベース基板と、ベース基板表面上に形成された誘電体層と、誘電体層内に埋設された静電チャック用電極とを備え、静電チャック用電極に電圧を印加することによって誘電体層と被固定物間に発生する静電力を利用して誘電体層表面に被固定物を固定する静電チャックにおいて、前記誘電体層は、一体でシームレスに焼成され、且つ、同一組成系の誘電体により形成された複数の体積抵抗率の異なる誘電体領域を面内方向に有し、前記静電チャック用電極は誘電体領域毎に設けられ、使用温度に応じて電圧を印加する静電チャック用電極を切り換えることにより被固定物を固定する誘電体領域を切り換えることを特徴とする静電チャック。
  2. 請求項1に記載の静電チャックであって、前記誘電体層はSm、Al、Ce、及びTiの酸化物のうちの少なくとも1つを燃結助剤として配合した窒化アルミニウムにより形成され、前記複数の誘電体領域間で前記燃結助剤の配合率が異なることを特徴とする静電チャック。
  3. 請求項1又は請求項2に記載の静電チャックであって、前記誘電体層は、体積抵抗率が異なり、且つ、同一組成系の複数の誘電体領域が対称に配置された構造を有することを特徴とする静電チャック。
  4. 請求項3に記載の静電チャックであって、前記誘電体層は、同心円状に配置された複数の前記誘電体領域により形成されていることを特徴とする静電チャック。
  5. 請求項4に記載の静電チャックであって、各誘電体領域はさらに複数の前記誘電体領域を有することを特徴とする静電チャック。
  6. 請求項1乃至請求項5のうち、いずれか1項に記載の静電チャックであって、前記ベース基板と前記誘電体層は、一体でシームレスに焼成され、且つ、同一組成系の材料により形成されていることを特徴とする静電チャック。
  7. 請求項1乃至請求項6のうち、いずれか1項に記載の静電チャックの製造方法であって、互いに体積抵抗率が異なり、且つ、同一組成系の複数の誘電体を同一の焼成条件で焼成することにより前記誘電体層を形成することを特徴とする静電チャックの製造方法。
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