JP2009302518A

JP2009302518A - 静電チャック

Info

Publication number: JP2009302518A
Application number: JP2009113107A
Authority: JP
Inventors: Masami Ando; 正美安藤; Toshihiro Aoshima; 利裕青島
Original assignee: Toto Ltd
Current assignee: Toto Ltd
Priority date: 2008-05-13
Filing date: 2009-05-08
Publication date: 2009-12-24
Also published as: US20090284893A1

Abstract

【課題】本発明の課題は、吸着力の高いジョンセン・ラーベック力を利用した静電チャックで、ハロゲンガス等を用いたプラズマ照射であっても表面粗さの変化を抑えることができ、静電チャックの特性変化が小さく、プラズマ処理装置において長期間使用可能な静電チャックを提供することである。
【解決手段】本発明の静電チャックは、アルミナと酸化チタンを含む焼結体であって、チタン化合物の偏析物の最大粒子径がアルミナの平均粒子径よりも小さく、体積抵抗率が室温において１０^８Ωｃｍ以上、１０^１３Ωｃｍ以下であるセラミック誘電体を備えたことを特徴とする。
【選択図】図２

Description

本発明の態様は、一般に静電チャックに関する。

エッチング、ＣＶＤ、スパッタリング、イオン注入、アッシングなどを行うプラズマ処理チャンバー内で、半導体ウェーハやガラス基板などの被処理物を吸着保持する手段として、静電チャックが用いられている。

静電チャックにはジョンセン・ラーベック力とクーロン力を利用する２つの方式があるが、大きな吸着力が必要な用途ではジョンセン・ラーベック力を利用した静電チャックが用いられている。このジョンセン・ラーベック力による静電吸着力を発現させるためには、誘電体の体積抵抗率を１０^８Ωｃｍ以上、１０^１３Ωｃｍ以下の範囲に制御する必要がある。

誘電体の体積抵抗率を１０^８Ωｃｍ以上、１０^１３Ωｃｍ以下の範囲に制御する方法として、アルミナに酸化チタンを添加したセラミック誘電体が特許文献１〜５に開示されている。

特開昭６２-９４９５３号公報特開平２-２０６１４７号公報特開平３-１４７８４３号公報特開平３-２０４９２４号公報特開２００６-４９３５６号公報

ここで、プラズマ処理を行った後のチャンバー内面には、半導体ウェーハや堆積膜からの残渣および生成物が付着している。そしてプラズマ処理を繰り返してゆくと、残渣および生成物が次第に堆積し、やがてチャンバー内面から剥離して半導体ウェーハやガラス基板などの被処理物の表面に付着して歩留りを低下させる原因となる。

そこで、従来から定期的にチャンバー内をプラズマによってクリーニングし、チャンバー内面に付着した残渣および生成物を除去するようにしている。このとき、従来にあっては静電チャックの表面がプラズマに曝されるのを防止するために、ダミーウェーハで静電チャックの表面を覆った状態でクリーニングを行っていたが、最近ではタクトタイムを短縮して生産効率を向上させるため、ダミーウェーハで静電チャックの表面を覆うことを行わずに、クリーニングの際に静電チャックの表面を直接Ｏ２ガスやＣＦ４ガスなどのクリーニングプラズマに曝す、いわゆるウェーハレスプラズマクリーニングが業界の動向である。

ところで、通常広く使用されている主成分がアルミナから成るジョンセン・ラーベック力を利用した静電チャックにおいては、平均粒子径が５〜１００μｍと非常に大きなアルミナ粒子から構成されているため、前記ウェーハレスプラズマクリーニングを実施した場合、セラミック表面粒子の脱離および粒界の浸食により、表面粗さが大きくなり、静電吸着力の低下、シールリングのガス漏れ量の増大や半導体ウェーハとの固体接触界面の熱伝達率の低下などの不具合が発生し、短期間に静電チャックを交換しなければならなくなる。

これらを解決する手段として、酸化チタンを微量添加したアルミナ焼結体で、アルミナの平均粒子径を２μｍ以下に抑えた静電チャックが特許文献５に開示されているが、この場合も添加した酸化チタンがチタン化合物の偏析物を形成すると、プラズマ照射により表面粗さの変化が大きくなるという課題があった。

第１の発明の実施形態は、アルミナと酸化チタンを含む焼結体であって、チタン化合物の偏析物の最大粒子径がアルミナの平均粒子径よりも小さく、体積抵抗率が室温において１０^８Ωｃｍ以上、１０^１３Ωｃｍ以下であるセラミック誘電体を備えたことを特徴とする静電チャックである。

この静電チャックによれば、チタン化合物の偏析物の最大粒子径をアルミナの平均粒子径よりも小さくすることにより、プラズマ照射による表面粗さの変化を抑えることができ、静電チャックの特性変化も小さく、プラズマ処理チャンバー内でより長期間使用できるようになる。また、前記誘電体の体積抵抗率を室温において１０^８Ωｃｍ以上、１０^１３Ωｃｍ以下にすることにより、ジョンセン・ラーベック力を利用した静電チャックとすることが可能となる。

また、第２の発明の実施形態は、第１の発明の実施形態において、チタン化合物の偏析物の最大粒子径が２μｍ以下であることを特徴とする静電チャックである。
チタン化合物の偏析物の最大粒子径を小さくすることで、プラズマ照射による表面粗さの変化を抑えることができ、静電チャックの特性変化も小さく、プラズマ処理チャンバー内でより長期間使用できるようになる。

また、第３の発明の実施形態は、第１または第２の発明の実施形態において、前記セラミック誘電体の嵩密度が３．９７ｇ／ｃｍ^３以上であることを特徴とする静電チャックである。
嵩密度を上げることにより、ポアの少ない緻密なセラミック誘電体となり、プラズマ照射による表面粗さの変化を抑えることができる。

本発明によれば、吸着力の高いジョンセン・ラーベック力を利用した静電チャックで、ハロゲンガス等を用いたプラズマ照射であっても表面粗さの変化を抑えることができ、静電チャックの特性変化が小さく、プラズマ処理装置において長期間使用可能な静電チャックを提供することである。

本発明の実施の形態に係る静電チャックを例示するための模式断面図である。実施例４に示すセラミック誘電体の断面ＳＥＭ写真である。比較例２に示すセラミック誘電体の断面ＳＥＭ写真である。

本明細書において、アルミナと酸化チタンとを含むセラミック誘電体とは、アルミナと酸化チタンを混合した粉体を成形した後、焼成することにより得られる焼結体であり、コランダム結晶粒子のアルミナとチタン化合物からなるセラミック焼結体である。
また、アルミナに対する酸化チタンの添加量は、１０^１３Ωｃｍ程度の体積抵抗率を得るためには、酸化チタン添加量が０．１ｗｔ％以上であることが好ましく、０．２ｗｔ％以上であることがより好ましい。一方、酸化チタンの過剰添加はチタン偏析物を形成し、耐プラズマ性を低下させる原因となるため、酸化チタン添加量が１ｗｔ％未満であることが好ましくい。

また、チタン化合物の偏析物とは、前記誘電体中に存在する酸化チタンや、チタン酸アルミニウム等の酸化チタンと酸化アルミニウムとの化合物から成る粒状の偏析物を指し、前記誘電体を切断、研磨し、走査電子顕微鏡（SEM）の観察で確認することができる。

また、チタン化合物の偏析物の最大粒子径とは、前記切断面の走査電子顕微鏡撮影写真において偏析物粒子を１００個以上観察し、その粒子径の最大長さを測定して得られる累積度数で９９％に相当する粒子径を指す。偏析物が観察されないものは、０とした。前記走査電子顕微鏡の観察倍率は４０００倍とし、偏析物の観察個数が１００個以上になるように視野数を調整して撮影した。

また、表面粗さＲａとは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＢ０６０１）に示される中心線平均表面粗さである。

また、嵩密度とは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＲ１６３４）に示されるアルキメデス法により測定した値である。飽水方法は真空法、溶媒には蒸留水を用いて測定した。

また、体積抵抗率とは、ＪＩＳ規格（ＪＩＳＣ２１４１：１９９２電気絶縁用セラミックス材料試験方法）に示される三端子法を用いて測定した値である。測定は室温（２５℃）で行なった。

また、原料の粒子径は次の方法で測定した。アルミナの平均粒子径は、レーザー回折式粒度分布測定装置（日機装株式会社マイクロトラックＭＴ３０００）を用いて測定した。ただし、原料中の凝集粒を解砕、分散処理するために超音波ホモジナイザーを１５〜３０分間照射した後に測定した。
一方、酸化チタンの平均粒子径は光散乱光度計（大塚電子株式会社ＦＰＡＲ―１０００）より求めたキュムラント平均粒子径を用いた。

また、焼成体のアルミナ粒子の平均粒子径は、プラニメトリック法により算出した。測定は、試料を鏡面研磨した後、大気雰囲気中で適切な温度でサーマルエッチングを行い、粒子が見えるようにした後、走査電子顕微鏡（ＳＥＭ）による観察像を用いて行なった。

以下、図面を参照しつつ、本発明の実施の形態について例示をする。
図１は、本発明の実施の形態に係る静電チャックを例示するための模式断面図である。
図１に示すように、静電チャック１には、基台２、セラミック誘電体３、電極４が設けられている。

金属などから形成された基台２の一方の主面には、無機材料などからなる絶縁体層５が設けられている。

また、セラミック誘電体３の半導体ウェーハなどの被処理物を載置する側の主面には、凸部３ａが形成されている。凸部３ａの頂面は、半導体ウェーハなどの被処理物を載置する際に載置面となる。
セラミック誘電体３の凸部３ａが形成された主面と対向する側の主面には、電極４が設けられている。

また、セラミック誘電体３の電極４が設けられた側と、基台２の絶縁体層５が設けられた側とが絶縁性接着剤を用いて接合されている。この絶縁性接着剤が硬化したものが接合層６となる。

電極４と電源１０ａ、電源１０ｂとは、電線９で接続されている。なお、電線９は基台２を貫通するようにして設けられているが、電線９と基台２とは絶縁されている。

図１に例示をしたものは、正極、負極の電極を互いに隣接させるようにしてセラミック誘電体３に形成させたいわゆる双極型静電チャックである。ただし、これに限定されるわけではなく、１つの電極をセラミック誘電体３に設けたいわゆる単極型静電チャックであってもよいし、三極型、その他多極型であってもよい。また、電極の数や配置も適宜変更することができる。

ここで、静電チャック１に設けられるアルミナと酸化チタンを含むセラミック誘電体３においては、チタン化合物の偏析物の最大粒子径をアルミナの平均粒子径よりも小さくすることが好ましい。チタン化合物はアルミナに比べて耐プラズマ性が低く、プラズマ照射により簡単に浸食され、その部分が凹部を形成する。このためチタン化合物の偏析物の大きさをアルミナ粒子の大きさよりも小さくすることで、プラズマ照射による表面粗さの変化を飛躍的に小さくすることができるからである。

また、静電チャック１に設けられるアルミナと酸化チタンを含むセラミック誘電体３においては、チタン化合物の偏析物の最大粒子径を２μｍ以下にすることが好ましく、１．３μｍ以下にすることがより好ましい。チタン化合物はアルミナに比べて耐プラズマ性が低く、プラズマ照射により簡単に浸食され、その部分が凹部を形成する。このためチタン化合物の偏析物の大きさを小さくすることで、プラズマ照射による表面粗さの変化を飛躍的に小さくすることができるからである。なお、好ましいチタン化合物の偏析物の最大粒子径の下限値は０．１μｍである。

次に、本実施の形態に係る本発明の静電チャック１の製造方法について例示をする。
まず、原料としてアルミナと酸化チタンを用意する。用いるアルミナ及び酸化チタンは微粒のものが好ましく、アルミナ粉末は平均粒子径０．３μｍ以下、より好ましくは０．２μｍ以下のものが用いられる。一方、酸化チタン粉末は平均粒子径０．１μｍ以下、より好ましくは０．０５μｍ以下のものが用いられる。原料に微粒粉を用いることで分散が良くなり、粒子径の大きなチタン化合物の偏析物ができにくくなる。
なお、好ましいアルミナ粉末の平均粒子径の下限値は１０ｎｍである。また、好ましい酸化チタン粉末の平均粒子径の下限値は５ｎｍである。

（スラリー調整、造粒、生加工）
前記原料を所定量秤量し、さらに分散剤・バインダー・離型剤を加えてボールミルによる粉砕攪拌混合を行う。混合にはイオン交換水等を用い、不純物が混入しないようにすることが好ましい。混合後スプレードライヤーによる造粒を行い、得られた造粒粉末をプレス成形することで、生成形体を作製することができる。さらに、前記生成形体はＣＩＰ成形を行うことが好ましい。ＣＩＰ成形することで生成形体の密度が上がり、焼成体の密度を上げることができる。また、本発明の実施形態においては、成形は乾式成形に限るものではなく、押し出し成形、射出成形、シート成形、鋳込み成形、ゲルキャスト成形などの成形方法を利用しても生成形体を得ることができる。

（焼成）
前記生成形体を窒素、水素ガス還元雰囲気下で焼成することにより、セラミック誘電体が作製できる。還元焼成を行うことで、酸化チタンが非化学量論組成になり、体積抵抗率を制御することができる。焼成温度としては１１５０℃以上、１３５０℃以下、より好ましくは１１５０℃以上、１２００℃以下の温度範囲が好適である。低温で焼成することにより、アルミナ粒子の粒子成長を抑制し、偏析するチタン化合物の成長も抑えることができ、その最大粒子径をより小さくすることができる。このため、アルミナ粒子の平均粒子径を５μｍ以下、より好ましくは２μｍ以下にすることが望ましい。ここにおいて、好ましいアルミナ粒子の平均粒子径の下限値は１０ｎｍである。
また、焼成の最高温度での保持時間は、焼成体の物性値を安定化するためには２時間以上、より好ましくは４時間以上取ることが望ましい。
得られた焼結体はＨＩＰ処理を施すことが好ましい。これにより緻密質なセラミック誘電体３を得ることができる。

（電極作製）
前記セラミック誘電体３の表面を研削加工した後に、片面側にＣＶＤやＰＶＤによってＴｉＣやＴｉなどの導電膜を形成し、この導電膜をサンドブラスト法やエッチング法などを用いて成形することで、所定の形状の電極４を得ることができる。

（接合）
前記電極４が形成されたセラミック誘電体３と、予めセラミック溶射により主面に絶縁体層５を形成した基台２と、を接合する。
この際、、基台２の絶縁体層５が設けられた側と、セラミック誘電体３の電極４が設けられた側とを対向させるようにして絶縁性接着剤を用いて接合する。この絶縁性接着剤が硬化したものが接合層６となる。
なお、セラミック溶射においては、アルミナやイットリア等のセラミックを用いることが好ましい。

（表面パターン作製）
基台２に接合したセラミック誘電体３が所定の厚みになるように研削加工した後、サンドブラスト法により表面に所定の大きさ、高さの凸部３ａを形成する。

以上のようにすれば、前記セラミック誘電体３の体積抵抗率を室温において１０^８Ωｃｍ以上、１０^１３Ωｃｍ以下とすることができる。そのため、ジョンセン・ラーベック力を利用することができるので、非常に大きな吸着力を発現させることができる。また、表面に凸部３ａが形成された静電チャック１を得ることができる。

（実施例）
以下、実施例に基づきセラミック誘電体３に関してさらに例示をする。
原料としてアルミナ（平均粒子径０．１５μｍ、純度９９．９９％以上）と酸化チタン（平均粒子径０．０３２μｍ）を用意し、酸化チタン添加量を０．２ｗｔ％以上、０．８ｗｔ％以下とし、分散剤・バインダー・離型剤を加えてボールミルによる粉砕攪拌混合を行った。混合後スプレードライヤーによる造粒を行った。得られた造粒粉末はプレス成形を行った後、ＣＩＰ成形を行った。得られた成形体は、窒素、水素ガス還元雰囲気下で、１１５０℃以上、１３５０℃以下で４時間焼成した。さらにＡｒガス１５００気圧、１１３０℃以上、１３００℃以下でＨＩＰ処理を行なった。

得られたセラミック誘電体３の嵩密度、体積抵抗率、チタン化合物の偏析物の最大粒子径、アルミナの平均粒子径を表１に示す。図２に実施例４のセラミック誘電体３の断面SEM写真を示す。写真中の色の白い部分がチタン化合物の偏析物である。

さらに、表面をラップしたサンプルにプラズマを照射し、表面粗さＲａの変化を測定した。サンプルの初期状態の表面粗さはＲａ０．０１μｍ以下にした。プラズマ照射は、リアクティブイオンエッチング装置（アネルバ株式会社ＤＥＡ−５０６）を用いて、エッチングガスはＣＦ４（４０ｓｃｃｍ）＋Ｏ２（１０ｓｃｃｍ）で１０００Ｗ、３０時間行なった。プラズマ照射後のＲａも表１に示す。

実施例１〜４では、体積抵抗率が１０^８Ωｃｍ以上、１０^１３Ωｃｍ以下と、ジョンセン・ラーベック力を利用するのに適したセラミック誘電体３が得られた。さらにチタン化合物の偏析物の最大粒子径はアルミナの平均粒子径よりも小さく、チタン化合物の偏析物の最大粒子径が２μｍ以下のセラミック誘電体が得られ、プラズマ照射後の表面粗さＲａが０．１５μｍ以下と、表面粗さの変化が小さいことがわかる。

比較例１は、酸化チタン添加量を１ｗｔ％としたものである。チタン化合物の偏析物の最大粒子径はアルミナの平均粒子径よりも大きく、チタン化合物の偏析物の最大粒子径は２．４μｍである。プラズマ照射後の表面粗さＲａは０．３０μｍと大きく増加した。

比較例２は、酸化チタン添加量を５ｗｔ％としたものである。断面のＳＥＭ写真を図３に示す。大きなチタン化合物の偏析物が存在していることが分かる。チタン化合物の偏析物の最大粒子径はアルミナの平均粒子径よりも大きく、チタン化合物の偏析物の最大粒子径は４．１μｍである。プラズマ照射後の表面粗さＲａは０．４２μｍと大きく増加した。

以上の結果より、チタン化合物の偏析物の最大粒子径がアルミナの平均粒子径よりも小さく、チタン化合物の偏析物の最大粒子径を２μｍ以下にすることにより、ハロゲンガス等を用いたプラズマ照射であっても表面粗さの変化を抑えることができる。また、静電チャックの特性変化も小さくすることができるので、プラズマ処理装置においてより長期間使用することができるようになる。

１静電チャック
２基台
３セラミック誘電体
３ａ凸部
４電極
５絶縁体層
６接合層
９電線
１０ａ、１０ｂ電源

Claims

アルミナと酸化チタンを含む焼結体であって、チタン化合物の偏析物の最大粒子径がアルミナの平均粒子径よりも小さく、体積抵抗率が室温において１０^８Ωｃｍ以上、１０^１３Ωｃｍ以下であるセラミック誘電体を備えたことを特徴とする静電チャック。
前記チタン化合物の偏析物の最大粒子径が２μｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
前記セラミック誘電体の嵩密度が３．９７ｇ／ｃｍ^３以上である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。