JP2009235536A - 静電チャック、及びその製造方法 - Google Patents

Abstract

【課題】導電体層とこれを挟み込む絶縁体層とで構成される積層構造を有する静電チャックの周囲に形成されたセラミックス溶射膜と基材との密着性がよく、かつハンドリングの際に外部衝撃力が作用しても、容易に溶射膜が破損しない静電チャックを提供する。
【解決手段】絶縁体層に挟み込まれた金属層を含む積層構造の静電チャックであって、前記金属層の周縁の露出部分に形成された凹部が絶縁性の溶射膜によって被覆されている。この静電チャックの溶射膜は、少なくとも前記凹部の内側に露出する前記金属層を被覆し、かつ前記凹部より突出しないよう被覆されていることが好適である。これにより、金属層からの漏電や、金属層の腐食を防止できるとともに、ハンドリングの際に溶射膜に外部衝撃力が作用しても、溶射膜の破損を防止することができる。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウェハ等の被処理基板の載置台に用いられる静電チャックに関し、特にセラミックスの溶射膜（以下、溶射層ともいう）を備えた静電チャック、及びその製造方法に関する。

シリコンウェハ等の被処理基板にプラズマエッチング等の処理を行う半導体処理装置においては、被処理基板は処理チャンバーの中央に設置された載置台上に載置される。かかる載置台においては、熱伝導性のよい金属材料で構成された支持体の上部に静電チャック（以下、ＥＳＣ）が設けられることが多い。

一般的に、静電チャックは積層構造になっており、その最表面には絶縁（誘電）体層が、その下側には導電体層である膜状電極が設けられ、さらにその下側にも絶縁体層が設けられている。絶縁体層にはアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）が用いられ、膜状電極にはアルミニウムの薄板、箔又は接合層が用いられることが多い。膜状電極は、ウェハを静電力で固定させるための電圧印加用電極としての機能を有する。
また、膜状電極とは別に、ＥＳＣの均熱化を図るため金属材料から成る伝熱層をＥＳＣに設けることがある。

膜状電極及び伝熱層はいずれも導電性の金属材料からなる金属層であり、これらはいずれもＥＳＣの側面において外部に露出した状態となっている。このように金属層の端部がＥＳＣの側面に露出状態になっていると、例えば半導体製造用途に使用するハロゲン系等の腐食ガスにより金属層が腐食するという問題がある。また、腐食された金属が汚染（コンタミネーション）の問題を引き起こすという問題がある。

さらに、膜状電極がＥＳＣの電極として使用される場合は、これに高電圧が印加されるため、これに近接する金属体、例えばＥＳＣの周縁に配設されるフォーカスリング等に放電又は漏電するおそれが生じるという問題がある。

そのため、金属層が露出している側面に絶縁性のセラミックスやアルミナを溶射することで、上述した問題の発生を防止することが多い。
例えば下記特許文献１には、導電体と絶縁性セラミックス基材とを有する半導体製造用サセプターにおいて、セラミックス基材からの導電体の露出部分が絶縁性の溶射膜によって被覆されていることを特徴とする半導体製造用サセプターが開示されている。
特開平０６−２７９９７４号公報

静電チャックは、一般に導電体層と導電体層を挟み込む絶縁体層とで構成される積層構造を有する。かかる導電体層が露出していると、そこからの漏電や、雰囲気ガスによる金属の腐食が問題となる。このため導電体層の露出面すなわち静電チャックの側面にセラミックス等の絶縁材から成る溶射膜をつくり、それにより金属層の露出面を被覆している。しかし、かかる目的で形成される溶射膜は、破損し易いという問題がある。

図５は、従来の技術において静電チャックの側面に形成されるセラミックス溶射膜（溶射層）の形状の一例を示した図である。一般には、図５(ａ)に示すように、導電体層２０を含む静電チャック（ＥＳＣ）２１の側面のほぼ全面に、平面状のセラミックス溶射層６を形成する。しかし、このセラミックス溶射層６は脆いため、ＥＳＣの取付け、取外し等のハンドリングの際に、これに外部衝撃が加わると、容易に破損してしまうという問題があることが判明した。

本発明者らは、上述したセラミックス溶射層の剥離し易さを改善するため、その形状や被覆範囲を変える溶射方法の効果について検討した。すなわち、ひとつは図５(ｂ)に示すように、セラミックス溶射層６を上下水平面に拡大して、ＥＳＣの側面と絶縁体層の上下一体にセラミックス溶射層６を形成した場合である。他のひとつは図５(ｃ)に示すように、セラミックス溶射層６の下側のみ拡大して、ＥＳＣの側面と絶縁体層の下面側に一体にセラミックス溶射層６を形成した場合である。これらの形状についてセラミックス溶射層の剥離性の改善について検討を行った。

その結果、接着面積の増大により剥離性については改善されたが、セラミックス溶射層が薄くかつ脆いため、外部衝撃により、セラミックス溶射層のコーナー部が破損する。そのため、セラミックス溶射層を図５(ｂ)又は(ｃ)のような形状にしても、外部衝撃による破損を完全に防止することはできないことが知見された。

また、前記特許文献１には、かかるセラミックス溶射膜の形成方法についての工夫が示されている。以下この溶射膜の形成方法について、図を用いて説明する。この文献の実施例において、サセプター上部は、図６(ａ)に示すように、円板状のセラミックス基材２２とセラミックスの円板状支持体２３との間に膜状電極２４が挟まれた構造を有する。

また、溶射膜（溶射層）の形成にあたっては、図６(ａ)に示すように、まず膜状電極２４の周縁部をエッチング等により除去加工し、これにより形成された溝２５の中に絶縁性セラミックスを溶射する。溶射に際しては、この溝２５を埋めさらに上下のセラミックス円板の側表面から盛り上がるようなセラミックス溶射層６を形成する。

これにより溝２５の中に根の生えたセラミックス溶射層６が形成され、円板状セラミックスとセラミックス溶射層６の密着性が向上することが期待される。しかし、本発明者らの知見によれば、このセラミックス溶射層６は、盛上り部分があるため、周囲の物体とぶつかり易いという問題がある。この盛上り部分が周囲の剛体にぶつかって、外部から衝撃力が加わると、セラミックス溶射層６が破損して容易に剥離することが知られた。

さらに、前記特許文献１に記載のような膜状電極２４の周縁部のエッチング加工では、セラミックスが加工部の内部まで十分に入り込まない。このため、金属層を完全に被覆することが難しく、かつ溶射セラミックスと加工部との接触面積が十分でないため、密着性が悪く剥離してしまうという問題が明らかになった。

そこで、本発明の課題は、導電体層とこれを挟み込む絶縁体層とで構成される積層構造を有する静電チャックの周囲に形成されたセラミックス溶射膜と基材との密着性がよく、かつハンドリングの際に静電チャックに外部衝撃力が作用しても、容易に溶射膜が破損しない静電チャックを提供することを課題とする。

上記課題を解決するための本発明の静電チャックは、絶縁体層に挟み込まれた金属層を含む積層構造の静電チャックであって、前記金属層の周縁の露出部分に形成された凹部が絶縁性の溶射膜によって被覆されていることを特徴とする。

この静電チャックの溶射膜は、少なくとも前記凹部の内側に露出する前記金属層を被覆し、かつ前記凹部より突出しないよう被覆されていることが好適である。これにより、金属層からの漏電や、金属層の腐食を防止できるとともに、ハンドリングの際に溶射膜に外部衝撃力が作用しても、溶射膜の破損を防止することができる。

前記金属層は導電層、又は均熱層であってもよい。また、前記凹部の断面形状が、漏斗状、放物線状、平皿状、楕円弧状、円弧状のいずれかの外側が拡大した形状であることが好ましい。これにより、金属層の幅が０．５ｍｍから１．０ｍｍと狭い場合であっても凹部に溶射セラミックスが陥入され、溶射膜の剥離を防止することができる。

また、前記溶射膜が、アルミナを含有するセラミックス製の絶縁膜であることは好適である。また、前記溶射膜は、イットリア溶射により形成されることが好ましい。

また、前記凹部にセラミックスを溶射した際に、溶射膜が凹部から突出した場合、溶射膜の表面を研削することで凹部からの突出部をなくし、溶射膜に外部の衝撃が加わらないようにすることで、溶射膜の破損を防止することができる。

本発明の静電チャックは、前記凹部の幅が０．５ｍｍ以上１．０ｍｍ以下の場合であっても溶射膜を形成することができる。

本発明の静電チャックの製造方法は、絶縁体層に挟み込まれた金属層を含む積層構造の静電チャックの製造方法であって、前記金属層の周縁に凹部を形成し、少なくとも前記凹部に露出する前記金属層を覆うように絶縁性の溶射膜を形成し、前記溶射膜が前記凹部より突出しないよう前記溶射膜を研削することを特徴とする。

これにより、金属層からの漏電や、金属層の腐食を防止できるとともに、ハンドリングの際に溶射膜に外部衝撃力が作用しても、溶射膜の破損を防止可能な静電チャックを製造することができる。また、前記金属層が導電層、又は均熱層であっても適用することができる。

前記凹部の断面形状を漏斗状、放物線状、平皿状、楕円弧状、円弧状のいずれかの外側が拡大した形状で形成することは好適である。このような形状とすることにより、金属層の幅が０．５ｍｍから１．０ｍｍと狭い場合であっても凹部に溶射セラミックスを陥入することができ、溶射膜が容易に剥離しない静電チャックを製造することができる。

アルミナを含有するセラミックス製の材料を溶射し、前記溶射膜を形成することは好ましい。また、イットリア溶射により前記溶射膜を形成することは好適である。

本発明によれば、金属層を被覆する溶射セラミックスを含む静電チャックにおいて、かかる静電チャックに外部衝撃力が作用しても、容易に溶射膜が破損しない静電チャックを提供することが可能になった。

以下、実施例の図面を参照して本発明を説明する。図１は、本発明の実施例で用いられた静電チャックの上部構造を示す図で、図１(ａ)は垂直断面図、図１(ｂ)は図１(ａ)のＡ部拡大図である。支持体２は、半導体ウェハ１と接触して熱交換を行うことにより、半導体ウェハ１の温度を調節する熱交換プレートとして用いられる。支持体２は、アルミニウム等の導電性及び熱伝導性に富む材質からなる。

支持体２の最上部には、円板型の静電チャック層３が設けられ、その下側にセラミックス製の円板型のヒーター層４が設けられる。静電チャック層３とヒーター層４の間には、アルミニウム接合層５が設けられている。

アルミニウム接合層５は、半導体ウェハ１の温度を均一にするための温度均一化層としての機能を有する。静電チャック層３、ヒーター層４及びアルミニウム接合層５の外周にセラミックス溶射層６が形成されている。

静電チャック層３は、半導体ウェハ１を静電吸着力で保持するために、セラミックス等の誘電体からなり、その内部には、導電体例えば銅、タングステン等の導電膜からなる内部電極７が埋め込まれている。内部電極７に給電棒８を介して高電圧、例えば２５００Ｖ，３０００Ｖ等の直流電圧が印加され、クーロン力又はジョンソン・ラーベック力により半導体ウェハ１が吸着保持される。

ヒーター層４は、セラミックスの円板の内部に膜状の抵抗発熱体層９が形成されているもので、その両端に給電線１０ａ，１０ｂが取り付けられ商用交流又は直流電源（図示していない）から加熱用電力が供給される。

支持体２の内部には、熱媒体（流体）流路１１が設けられる。この熱媒体流路１１には、温度調節ユニット及び配管（ともに図示していない）により、所定温度の熱媒体、例えば熱水又は冷水が循環供給される。

静電チャック層３と半導体ウェハ１の裏面との間には、伝熱ガス供給部（図示していない）から伝熱ガス、例えばＨｅガスがガス供給管１２を介して供給され、この伝熱ガスは、静電チャック層３と半導体ウェハ１の間の熱伝導を促進させる。

上述のように本実施例においては、ヒーター付きの静電チャックが用いられ、静電チャック（ＥＳＣ）は、静電チャック層３とヒーター層４を構成するほぼ同径の２枚のセラミックス円板をアルミニウム接合層５で接合した積層構造体からなっている。本実施例では、静電チャック層３とヒーター層４のセラミックスとしてアルミナが用いられ、これら両層の厚みは１〜２ｍｍ、アルミニウム接合層５の厚みは０．５〜１ｍｍ程度であり、ＥＳＣ全体で厚みは３〜６ｍｍ程度である。アルミニウム接合層５は、ヒーター層４により半導体ウェハ１が偏って加熱されないように、温度を均一化させる機能を有する。

この円板形の積層構造体の外周全周にセラミックス溶射層６を形成するに際して、アルミニウム接合層５の外縁が露出するような凹部を形成し、セラミックス溶射層６をこの凹部に埋め込み、その上部が積層構造体の側面から突出することのないようにその高さを調整する。

以下、本発明において、積層構造体の側面に形成する凹部の好ましい断面形状について説明する。図２は、本実施例において静電チャック側面に形成されたセラミックス溶射層６の断面形状を示す断面図である。

図２に見られるように、静電チャック層３の下半分とヒーター層４の上半分が削られて平な傾斜面になっており、その底部にアルミニウム接合層５が露出するように凹部が形成されている。

凹部の断面は、底の浅い漏斗状又は平皿状である。セラミックス溶射層６がこの凹部全体を覆うように、セラミックス溶射材料を溶射する。溶射材料としては、イットリアもしくはアルミナが好適であるが、セラミックスを形成するものであればこれに限らない。溶射後は溶射材料が凹部の表面に盛り上がるので、この盛り上がり部分を研削して、セラミックス溶射層６の上部が積層構造体の側面から突出することのないようにその高さを調整する。

本発明においては、セラミックス溶射層６の基材への密着性を高めるために、以下の２点の工夫が施されている。第一の工夫は、凹部の断面を外側が拡大した形状（口の開いた状態）にして、溶射時の融液が凹部の底部（内側）まで這入り込み易いようにしている点である。また第二の工夫は、後述するように、凹部の断面における凹部周辺長を１．４２ｍｍ以上にして、セラミックス溶射層６の基材との接着面積を大きくしている点である。

上記第一の工夫において、凹部の断面形状は図２の例に限られない。図３は、本発明における凹部断面形状の他の例を示す図である。凹部１３の断面形状は、図３(ａ)に示すような漏斗状であっても、図３(ｂ)に示すような平皿状であってもよい。また、図３(ｃ)に示すように漏斗の底部コーナーに丸みＲを付けた形状でも、図３(ｄ)に示すような円弧状の断面形状であってもよい。あるいは、図示していないが、凹部の断面形状が楕円弧状や、放物線状であってもよい。このような、断面形状が曲線を含む場合には、アルミニウム接合層５の露出部を含む凹部の底部は平面であってもよい。

また、上記第二の工夫においては、凹部の断面における凹部周辺長を１．４２ｍｍにすることが好ましい。これにより、セラミックス溶射層６と静電チャック層３・ヒーター層４との密着性を向上させることができ、セラミックス溶射層６の剥離性を低減することができる。

また、セラミックス溶射部の盛上りを除去し、セラミックス溶射層６が積層構造体の側面から突出することのないように、その高さを調整することで、ハンドリング時に盛上り部分が周囲の剛体と衝突して破損するのを防止することができる。なお、溶射部の盛上りを除去する方法としては、機械研削等の従来技術でよく、特に限定する必要はない。

本発明における静電チャックの製造方法、すなわちセラミックス溶射層６の形成方法について説明する。図４は、本発明におけるセラミックス溶射層６の形成方法の説明図である。まず、図４(ａ)に示すように、静電チャック層３とヒーター層４の２枚のセラミックス円板をアルミニウム接合層５で接合して積層構造体１４を作成する。次いで、図４(ｂ)に示すように、積層構造体１４の外周全周を研削して、所定の断面形状の凹部１３を形成する。

次いで、図４(ｃ)に示すように、積層構造体１４の外周の凹部１３全体が埋まりかつその表面がやや盛り上がるように、セラミックスの溶射材料を溶射して、セラミックス溶射層６を形成する。本実施例においては、溶射材料としてイットリアまたはアルミナの粉末を用いた。セラミックス溶射層６が冷却固化した後、その表面を機械研削又は研磨して、セラミックス溶射層６の上部が積層構造体１４の側面から突出することのないように、その高さを調整する。これらの工程により、セラミックス溶射層６の形成が完了する。

本発明の実施例で用いられた静電チャックの上部構造を示す図である。 本実施例において静電チャック側面に形成されたセラミックス溶射層の断面形状を示す断面図である。 本発明において静電チャックの側面に形成される凹部の断面形状の他の例を示す図である。 本発明におけるセラミックス溶射層の形成方法の説明図である。 従来の静電チャックの側面に形成されたセラミックス溶射層の形状の例を示す説明図である。 特許文献におけるセラミックス溶射層の形成方法の説明図である。

符号の説明

１ 半導体ウェハ
２ 支持体
３ 静電チャック層
４ ヒーター層
５ アルミニウム接合層
６ セラミックス溶射層
７ 内部電極
８ 給電棒
９ 抵抗発熱体層
１０ａ，１０ｂ 給電線
１１ 熱媒体流路
１２ ガス供給管
１３ 凹部
１４ 積層構造体
２０ 導電体層
２１ 静電チャック（ＥＳＣ）
２２ セラミックス基材
２３ 円板状支持体
２４ 膜状電極
２５ 溝

Claims (13)

1. 絶縁体層に挟み込まれた金属層を含む積層構造の静電チャックであって、
   前記金属層の周縁の露出部分に形成された凹部が絶縁性の溶射膜によって被覆されていることを特徴とする静電チャック。
2. 前記溶射膜は、少なくとも前記凹部の内側に露出する前記金属層を被覆し、かつ前記凹部より突出しないよう被覆されていることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
3. 前記金属層が導電層、又は均熱層であることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電チャック。
4. 前記凹部の断面形状が、漏斗状、放物線状、平皿状、楕円弧状、円弧状のいずれかであることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の静電チャック。
5. 前記溶射膜が、アルミナを含有するセラミックス製の絶縁膜であることを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の静電チャック。
6. 前記溶射膜は、イットリア溶射により形成されたことを特徴とする請求項１から４のいずれかに記載の静電チャック。
7. 前記溶射膜の表面が研削されていることを特徴とする請求項１から６のいずれかに記載の静電チャック。
8. 前記凹部の幅が１．０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１から７のいずれかに記載の静電チャック。
9. 絶縁体層に挟み込まれた金属層を含む積層構造の静電チャックの製造方法であって、
   前記金属層の周縁に凹部を形成し、
   少なくとも前記凹部に露出する前記金属層を覆うように絶縁性の溶射膜を形成し、
   前記溶射膜が前記凹部より突出しないよう前記溶射膜を研削することを特徴とする静電チャックの製造方法。
10. 前記金属層が導電層、又は均熱層であることを特徴とする請求項９に記載の静電チャックの製造方法。
11. 前記凹部の断面形状を漏斗状、放物線状、平皿状、楕円弧状、円弧状のいずれかに形成することを特徴とする請求項９又は１０に記載の静電チャックの製造方法。
12. アルミナを含有するセラミックス製の材料を溶射し、前記溶射膜を形成することを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載の静電チャックの製造方法。
13. イットリア溶射により前記溶射膜を形成することを特徴とする請求項９から１１のいずれかに記載の静電チャックの製造方法。

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