JP2018101705A - 静電チャック - Google Patents

Abstract

【課題】吸着力の高い静電チャックを提供する。【解決手段】静電チャックは、ウエハが載置される第１面を備え電極を包埋するセラミックスの基体を有する。基体は、第１面の外周縁部から環状に突出してウエハを支持する頂面を有する環状凸部と、各々が環状凸部に囲まれ且つ基体の第１面から突出してウエハを支持する頂面を有する複数の凸部と、を備える。少なくとも環状凸部の頂面は、頂面の粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐと算術平均粗さＲａがＲｐ／Ｒａ≦２．８の関係を充たす表面である。【選択図】図２

Description

本発明は、半導体製造装置向けの静電チャックに関する。

電極上に絶縁層を設けた静電チャックは、絶縁層を介して電極と半導体ウエハ（以下、ウエハ）等の被吸着体の間に電圧を印加し、両者の間に発生した静電気力によってウエハ等の被吸着体を吸着するデバイスである。

静電チャックの使用により、エッチングやＣＶＤ等ための半導体製造装置内で、機械的な保持具を使用せずにウエハ全面を均一に加工できる。よって、静電チャックは、ウエハの保持及び温度制御用にサセプタ等のウエハ固定用デバイスとして広く普及している。

静電チャックとしては、ウエハと絶縁層の間にヘリウム等の不活性ガスを流して両者間の熱伝達を高めるものが知られている（特許文献１）。

特許文献１に開示された静電チャックでは、ヘリウムガス用の凹凸溝を誘電体層に形成して、凹凸溝の凸部の頂面（保持面）の中心線表面粗さＲａ（JIS B0601_1994）を０．３μｍ以下にして、ウエハとの密着時のガスリーク量を小さくしている。

また、ウエハ脱着の迅速化のために静電力を短時間で減衰できる静電チャックとして、静電チャックの等価回路から静電力残留時間と体積固有抵抗、比誘電率、絶縁層又は保護膜の厚さ、具体的には、ウエハと絶縁層表面との間の間隙δや絶縁層表面の最大高さＲｍａｘ（JIS B0601_1982）とを一定の関係に規定するものも提案されている（特許文献２）。

特開平９−２１３７７７号公報 特開平５−６３０６２号公報

しかしながら、特許文献１に開示の技術のように、静電チャックの保持面の中心線表面粗さＲａによって表面粗さを規定していても、ウエハと静電チャックが十分に密着せず、それらの接触界面からのガスリーク量が増えることがあった。

また、特許文献２に開示の技術のように、静電吸着力に影響する静電チャックとウエハの間隙δの代用特性である最大高さＲｚで表面粗さを規定していても、吸着力の評価が適切でなく、最大高さＲｚを小さくしても実際には十分な吸着力が得られない問題があった。

本発明は、以上の従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、静電吸着力の高い静電チャックを提供することを目的とする。さらに、本発明は、ウエハとの接触界面からガスリーク量を抑制できる静電チャックを提供することを目的とする。

本発明の静電チャックは、第１面を備え且つ電極を包埋するセラミックスの基体と、前記第１面の外周縁部から環状に突出してウエハを支持する頂面を有する環状凸部と、各々が前記環状凸部に囲まれ且つ前記基体の第１面から突出して前記ウエハを支持する頂面を有する複数の凸部と、を備える静電チャックであって、少なくとも前記環状凸部の頂面は、前記環状凸部の頂面の粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐと算術平均粗さＲａがＲｐ／Ｒａ≦２．８の関係を充たす表面であることを特徴とする。

前記の本発明の静電チャックにおいて、前記最大山高さＲｐは、Ｒｐ≦１．５μｍであることが好ましい。

前記の本発明の静電チャックにおいて、前記環状凸部の頂面の粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋが負であることが好ましい。

本発明の静電チャックによれば、環状凸部の頂面の状態を（最大山高さＲｐ）／（算術平均粗さＲａ）≦２．８とすることにより当該頂面の粗さ曲線の振幅分布曲線が平均線に対して非対称（粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋが負）になると共に、静電吸着時、算術平均粗さＲａと環状凸部の周長の積によって計算される断面積（ガスが通過する断面積）が一定以下になる故に、密着した静電チャックとウエハの間隙からのガスリーク量が抑制される。

本発明の静電チャックによれば、粗さ曲線の最大山高さＲｐを用いて環状凸部の頂面表面を仕上げ加工することによって、ガスリーク量を、従来の静電チャックより精密に調節することができるようになる。

本発明の実施形態の静電チャックの平面図である。 図１のＡ−Ａ線に沿った断面図である。 実施形態の静電チャックの保持面の表面仕上げ加工前後の粗さ曲線及びその振幅分布曲線の関係を説明するグラフである。 実施例と比較例のガスリーク量に対する算術平均粗さＲａと粗さ曲線の最大山高さＲｐの関係を示すグラフである。 実施例と比較例のガスリーク量に対する（粗さ曲線の最大山高さＲｐ）／（算術平均粗さＲａ）の比率の関係を示すグラフである。

以下に本発明による実施例を、図面を参照しつつ説明する。

（構成）
図１は、本実施例の静電チャック１０を、図示しないウエハを吸着保持する吸着面である第１面（表面）Ｏｂ側から眺めた平面図である。静電チャック１０は、円板状のセラミックス焼結体により形成されている基体１１を備えている。基体１１のセラミックスの材料として、窒化アルミニウム、窒化珪素、サイアロン、炭化珪素、窒化ホウ素、アルミナ等が好ましい。

基体１１には、その外周縁部において第１面Ｏｂから円環状に突出している環状凸部１１Ｒ（以下、リブとも称される）と、第１面Ｏｂの環状凸部１１Ｒに囲まれる領域から突出している複数の凸部１１Ｐ（以下、ピンとも称される）と、が形成されている。

基体１１には第１面の中央に開口している通気路１３が形成されている。通気路１３は、基体１１の第１面と第２面（裏面）の間の貫通孔により構成される。通気路１３は第２面側において、ヘリウム等の熱伝達用ガスの供給装置（図示せず）と接続されている。すなわち、通気路１３を介して基体１１の第２面側から第１面側に熱伝達用ガスを供給することが可能である。通気路１３の個数や開口場所は、所望の熱伝達用ガスの流れに合わせて適宜設計される。

なお、基体１１の平面形状は略円板状のほか、多角形板状又は楕円板状等の形状であってもよい。また、通気路１３から放射方向に延びる溝を環状凸部１１Ｒ及び凸部１１Ｐを除く第１面Ｏｂに形成してもよい。

図２は、図１のＡ−Ａ線に沿った断面図であるが、半径方向と板厚方向の一部を省略して描いている。なお、図１及び図２では静電チャックの構成の明確化のため、凸部等の構成要素のそれぞれはデフォルメされており、各構成要素の図面におけるアスペクト比のほか、幅又は高さと相互の間隔との比率等は実際とは異なり得る。

図２に示すように、基体１１の内部には、静電吸着力を生じさせるための電極１２が埋設されている。なお、図では省略したが、基体１１の第２面（裏面）Ｒｅには、電極１２に電気的に接続されている電極端子が設けられており、この電極端子と電極１２を電気的に接続する金属配線が基体１１の厚さ方向に設けられている。すなわち、電極１２には、当該電極端子を介して電圧を印加することが可能である。

環状凸部１１Ｒは、ウエハ２０を第１面Ｏｂ上に載置した際に、ウエハ２０の外周領域に当接し、ウエハ２０と基体１１の第１面Ｏｂとによって囲繞される空間をその外部から封止する封止部として機能する。環状凸部１１Ｒの頂面１１ＲＴ（ウエハとの当接部分）の径方向の幅は封止部として機能を発揮できるように、例えば、１０００μｍ以上となるように適宜設計されて形成される。なお、環状凸部１１Ｒの幅は、ウエハに接する熱伝達用ガスの面積を確保するため狭いほうが好ましい。

図２に示すように、ウエハ２０を基体１１で静電吸着したとき、ウエハ２０が基体１１の凸部１１Ｐと環状凸部１１Ｒによって支持されることによって形成されるウエハ２０と基体１１の間隙が熱伝達用ガスの流路を形成する。封止部として機能に影響する環状凸部１１Ｒの頂面１１ＲＴは、頂面１１ＲＴの粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐと算術平均粗さＲａの関係が、Ｒｐ／Ｒａ≦２．８となるように形成されている。環状凸部１１Ｒの頂面１１ＲＴは、その粗さ曲線の最大山高さＲｐが、Ｒｐ≦１．５μｍとなるように形成されることがさらに好ましい。

また、環状凸部１１Ｒの頂面１１ＲＴの粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋは負であることが好ましい。かかる環状凸部１１Ｒの頂面１１ＲＴの表面状態の調整により、ウエハとの接触界面からのガスリーク量を抑制できる。なお、スキューネスＲｓｋの測定に関しては、JIS B0601_2001に準拠している。

複数の凸部１１Ｐは、基体１１の周方向及び径方向に均等に配置されている。例えば、複数の凸部１１Ｐは、正三角形状の頂点、正方角形状の頂点等の格子態様やそのほかの格子態様で規則的に配置される。すなわち、凸部１１Ｐの間隔又はピッチは一定になるように形成されている。ウエハを傾かせずに保持するために、凸部１１Ｐの高さは、凸部１１Ｐの頂面１１ＰＴの表面が、環状凸部１１Ｒの頂面１１ＲＴと同一平面に位置するように形成されることが好ましい。

各々の凸部１１Ｐの高さ及びその頂面１１ＰＴ（ウエハとの当接部分）ついては、例えば、パーティクルの低減が主目的となるならば、頂面１１ＰＴの面積を減らした方が望ましい。しかし、頂面１１ＰＴの面積が小さい場合、ガスリーク量が増加する虞がある。ウエハと静電チャックの隙間に働く吸着力を高くするためには、凸部１１Ｐの高さを低く設定することが好ましい。

凸部１１Ｐの各々の形状は、円柱状、角柱状等の柱状のほか、円錐台状、角錐台状等の錘台状であってもよい。また、凸部１１Ｐの形状は、凸部１１Ｐの下部よりも上部の断面積が小さくなるような段差付きの柱状又は錘台状等の形状であってもよい。なお、環状凸部１１Ｒの断面形状は、矩形状でもよいが、その他、台形状、半円状又は半楕円状等、上方に行くにつれて徐々に幅狭となるような形状になるように形成されてもよい。

（作製方法）
静電チャック１０は、例えば次のような手順で作製される。

まず、セラミック静電チャック用のセラミックス焼結体を用意する。例えば、原料粉末から略円板状の成形体が作製され、この成形体が焼成されることで略円板状のセラミックス焼結体が作製される。

なお、セラミックス焼結体は従前の製法で製作できる。例えば電極を包埋したホットプレス焼結法やグリーンシート積層法による常圧焼結法等が好適である。

セラミックス焼結体の作製後、当該セラミックス焼結体の両主面に対して、平行研削加工及び外周の研削加工を行う。その後、セラミックス焼結体に、上記静電チャック１０の基体１１の保持表面（環状凸部１１Ｒの頂面１１ＲＴや凸部１１Ｐの頂面１１ＰＴ）となる面の全面に表面仕上げ加工を行う。セラミックス焼結体の保持表面となる面に対して、その粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐと算術平均粗さＲａの関係がＲｐ／Ｒａ≦２．８となるように研削盤又はラップ盤で表面仕上げ加工が施される。

研削盤又はラップ盤によれば、平面度維持が可能で且つ振幅分布曲線が平均線に対し非対称（すなわち、粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋが負）になる。ただし、例えば、サンドブラスト等の砥粒を衝突させるような振幅分布曲線が対称（又はスキューネスＲｓｋが正）になるような加工方法は、当該表面仕上げ加工から除外され得る。

次に、ブラスト加工又はミーリング加工若しくはマシニング加工等の適当な加工法によって、上記静電チャック１０の環状凸部１１Ｒ及び複数の凸部１１Ｐを形成する。例えば、表面仕上げ加工後のセラミックス焼結体の表面上に、環状凸部１１Ｒ及び複数の凸部１１Ｐに対応する所定のレジストパターンを形成し、レジスト非形成部分（露出部）に、サンドブラスト処理を行い、環状凸部１１Ｒ及び複数の凸部１１Ｐを形成する。その後、レジストを除去する。

Ｒｐ／Ｒａ≦２．８で且つ算術平均粗さＲａが例えば１μｍ以下（好ましくはＲａ０．７μｍ以下）の頂面を有する環状凸部及び複数の凸部を備えた本実施形態の静電チャックが完成する。

本実施形態の表面仕上げ加工された静電チャックの保持表面（環状凸部１１Ｒの頂面１１ＲＴ及び複数の凸部１１Ｐの頂面１１ＰＴ）の粗さ曲線の平均線に対する振幅分布曲線は、平均線に対して対称とならない。すなわち、表面の粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋが負になっている。

図３は、実施形態の静電チャックの保持面の表面仕上げ加工前（ａ）と該加工後（ａ）の粗さ曲線及びその振幅分布曲線の関係を示すグラフである。

図３（ａ）に示すように、表面仕上げ加工前のセラミックス焼結体の表面（第１面）の粗さ曲線には、算術平均粗さＲａは低いものの所々で周囲から突出するピーク（最大山高さＲｐ等）がある。

表面仕上げ加工後においては、図３（ｂ）に示すように、当該ピーク（最大山高さＲｐ）は比較的均一な高さとなる。この加工後においては、粗さ曲線の最大山高さＲｐ自身が小さくなり、その振幅分布曲線は平均線に対して非対称性が顕著となる。その結果、吸着力に影響を及ぼす静電チャックとウエハの間隙δが小さくなり大きな吸着力が発現し、ウエハと静電チャックの良好な密着が実現できる。なお、図３（ｂ）において、該加工前の粗さ曲線と振幅分布曲線を破線で描いてある。

このように、本実施形態では、静電チャックの吸着力を十分に発揮させるために粗さ曲線の最大山高さＲｐを用いて環状凸部１１Ｒの頂面１１ＲＴの状態を規定している。

ちなみに、吸着力は、一般に、最大高さＲｚ（粗さ曲線の最大山高さＲｐと最大谷深さＲｖとの和）（JIS B0601_2001）によって決まるとされてきた。

しかし実際には、粗さ曲線の平均線に対する高さ分布（確率密度関数：振幅分布曲線）すなわち、スキューネスＲｓｋは静電チャックの表面加工に影響されることが本発明の発明者によって見出された。

表面加工によって、静電チャックの表面は、Ｒｓｋ＝０では高さ分布が平均線に対し上下に対称の表面となる。また、Ｒｓｋ＞０では細いピークの山が平均線に対し上に多くあるが多くの山谷が平均線に対し下に多い表面となる。また、Ｒｓｋ＜０では狭い谷が平均線に対し下に多くあるが多くの山谷が平均線に対し上に多い表面となる。実際には非対称（Ｒｓｋ＞０又はＲｓｋ＜０）となるため、算術平均粗さＲａや最大高さＲｚを調節しても十分な吸着力が得られない場合（Ｒｓｋ＞０）が従来は存在していた。

そこで、本実施形態では、最大高さＲｚではなく、少なくとも環状凸部の頂面の粗さ曲線の最大山高さＲｐを調節することにより吸着力を十分発揮させると共に、該最大山高さＲｐと算術平均粗さＲａと組み合わせたパラメータを有する表面形態にすることによってガスリーク量を調節できる静電チャックを実現している。

環状凸部の頂面の粗さ曲線の最大山高さＲｐと算術平均粗さＲａに一定の関係（Ｒｐ／Ｒａ≦２．８）が成立するときに、局所的なハガレ等が生じないウエハと環状凸部の吸着が十分確保され、さらに、熱伝達用ガスのチャンバへの流出を一定以下に制限することができる。

なお、粗さ曲線の最大山高さＲｐは環状凸部上でのウエハとの静電吸着力に直接関連するパラメータである。算術平均粗さＲａは静電チャックとウエハ間の間隙からのガスの通過に関するコンダクタンスに直接関連するパラメータである。

（静電チャック）
実施例の素材として８インチ径（φ２００ｍｍ）のＡｌ_２Ｏ_３セラミックス焼結体を用いた。予めセラミックス焼結体の表面より１０００μｍ下方に電極が埋設された。該セラミックス焼結体の体積抵抗率は１×１０^１１Ω・ｃｍであった。セラミックス焼結体の表面の平面度は５μｍであった。

セラミックス焼結体の表面（第１面）に、内径φ１９０ｍｍ、外径φ１９２ｍｍ及び高さ２５μｍの環状凸部を形成した。内径φ１９０ｍｍより内側の領域には、各々が径φ１ｍｍ、高さ２５μｍの複数の凸部をピッチ間距離８ｍｍの正三角形状の頂点配置で全面に形成した。

算術平均粗さＲａの測定条件は測定長さ４ｍｍ、カットオフ０．８ｍｍとした。各表面の算術平均高さＲａは、市販の接触式又は非接触式の表面粗さ計を用い、ＪＩＳ規格（JIS B0601_2001, JIS B0633_2001, JIS B0031-200 付属書Ｇ，Ｆ）に準拠して、測定した。また、最大山高さＲｐは算術平均粗さＲａと同じ表面粗さ計を用いて同じ測定条件にて測定した。

（加工方法）
まず、第１の表面加工として、研磨装置において、セラミックス焼結体の第１面に遊離砥粒（ＧＣ＃１０００）による研磨加工を行った。

その後、第２の表面加工として、粒度９μｍのダイヤを含む研磨材を用いて手加工にて研磨を実施することで、仕上がりの粗さ曲線の最大山高さＲｐを１〜２μｍ程度、特に１μｍ以下に達成するようにした。

（比較例）
比較例は、第２の表面加工を実施せず、第１の表面加工において遊離砥粒（ＧＣ＃１０００）の研磨加工にて表面加工し、算術平均粗さＲａの１μｍ程度を満たしていれば加工終了とした以外、実施例と同様に加工して得た静電チャックである。

（リーク評価方法）
真空チャンバ内に静電チャックを載置した。

静電チャックにベアシリコンウエハを載置し、静電チャックの電極とベアシリコンウエハ間に電位差４００Ｖを印加して、静電チャックとウエハを静電吸着させた。

静電チャックとウエハの間に、ヘリウムガスを１０Ｔｏｒｒ（1333.22Pa）で供給し、圧力制御バルブで圧力制御した。ヘリウムガスを通気路よりウエハと静電チャックの間隙に放出して充填し、その一部がウエハと環状凸部との間から、それらの密着性の度合いに応じて排出するようにして、ガスリーク量を測定した。

（結果）
実施例１〜４と比較例１〜３の環状凸部の頂面の粗さ曲線の最大山高さＲｐ、算術平均粗さＲａ、及びＲｐ／Ｒａの比率とガスリーク量とについて測定した。その結果を下記表と図４及び図５に示す。なお、粗さ曲線の最大山高さＲｐ、算術平均粗さＲａ及びＲｐ／Ｒａについて、各比較例は第１の表面加工の後に測定し、各実施例は第２の表面加工の後に測定した。

結果として、実施例１の環状凸部の頂面は、Ｒｐ／Ｒａ≦２．８の関係が成立しており、また、Ｒｐ及びＲａが最も小さくなっており、ガスリーク量は最も小さかった。実施例２では、比較例１よりＲａは大きいがＲｐは小さくガスリーク量は小さかった。実施例３では、比較例２よりＲａは大きいがＲｐは小さくガスリーク量は小さかった。実施例４では、Ｒａは大きいが、Ｒｐ／Ｒａが２．８以下にて、ガスリーク量は小さかった。

比較例１〜３では、実施例２〜４よりＲａは小さいがガスリーク量は大きくプロセスでの使用はできなかった。

図４は、実施例１、２、３及び４と比較例１、２及び３の結果をこの順にプロットしたガスリーク量に対するＲａとＲｐの関係を示すグラフである。図４から明らかなようにガスリーク量との相関は、ＲａよりＲｐの方が強いことが分かる。

図５は、実施例１、２、３及び４と比較例１、２及び３の結果をこの順にプロットしたガスリーク量に対するＲｐ／Ｒａの比率の関係を示すグラフである。図５から明らかなようにＲｐ／Ｒａが２．８のポイントで臨界意義があることが分かる。

以上の結果から明らかなように、実施例では、Ｒｐ／Ｒａ≦２．８の範囲で、ガスリーク量は小さかった。それに対し比較例では、Ｒｐ／Ｒａ＞２．８の範囲で、ガスリーク量は大きかった。したがって、本発明による効果が確認された。

１０‥静電チャック、１１‥基体、１１Ｐ‥凸部、１１Ｒ‥環状凸部、１１ＰＴ、１１ＲＴ‥頂面、１２‥電極、２０‥ウエハ、Ｏｂ‥第１面。

Claims (3)

1. 第１面を備え且つ電極を包埋するセラミックスの基体と、前記第１面の外周縁部から環状に突出してウエハを支持する頂面を有する環状凸部と、各々が前記環状凸部に囲まれ且つ前記基体の第１面から突出して前記ウエハを支持する頂面を有する複数の凸部と、を備える静電チャックであって、
   少なくとも前記環状凸部の頂面は、前記環状凸部の頂面の粗さ曲線から求められる最大山高さＲｐと算術平均粗さＲａがＲｐ／Ｒａ≦２．８の関係を充たす表面であることを特徴とする静電チャック。
2. 前記最大山高さＲｐは、Ｒｐ≦１．５μｍ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。
3. 前記環状凸部の頂面の粗さ曲線から求められるスキューネスＲｓｋが負であることを特徴とする請求項１又は請求項２に記載の静電チャック。