JP2020021780A - 静電チャック - Google Patents

Abstract

【課題】吸着電源をオフした後に残留する吸着力を小さくすることができる静電チャックを提供すること。【解決手段】静電チャック１は、絶縁性を有する絶縁基板２と、絶縁基板２の表面３に沿って絶縁基板２に埋設された静電吸着電極４と、表面３に設けられた複数の凸部５とを備えている。静電吸着電極４は、絶縁基板２の厚み方向において凸部５に重なる領域から離間している。絶縁基板２における表面３から静電吸着電極４までの絶縁基板２の厚み方向における距離Ｔが、２×１０-3（ｍ）以下である。凸部５に最も近い静電吸着電極４の端部Ａから静電吸着電極４の端部Ａに最も近い凸部５の下端部Ｂに向って延びる第１ベクトルＡＢと、絶縁基板２の厚み方向に沿って第１ベクトルＡＢを静電吸着電極４が配置される平面に投影することにより形成される第２ベクトルＡＣとのなす角度θは、４５°以下である。【選択図】図３

Description

本発明は、静電チャックに関する。

減圧環境下で行われる半導体製造工程では、ウエハステージとして静電チャックが使用される。近年、半導体製造工程の処理の増大に伴い、静電チャックからのウエハの離脱時間の短縮が求められている。この対策として、静電チャックの絶縁層の体積抵抗率を小さくすることの他、静電チャックの表面に凸部を設けてウエハとの接触面積を小さくして吸着力の全圧を小さくし残留する吸着力を小さくするなどの対策が講じられた技術が提案されている（特許文献１）。

特許第４４０７７９３号公報

しかし、特許文献１の技術は、誘電体の内部に静電吸着電極が埋設されており、使用時に静電吸着電極とウエハ間に流れる微小な電流によって、ウエハと静電チャック表面との接触界面に分極が生じて微小電極が流れる。このため、静電チャックとウエハ間に、いわゆるジョンセン・ラ―ベック効果が発現し、静電吸着電極に給電するための吸着電源をオフにしても吸着力が一定時間過渡的に残留するため、残留する吸着力を小さくするさらなる改善が求められる。

本発明は、以上の点に鑑み、吸着電源をオフした後に残留する吸着力を小さくすることができる静電チャックを提供することを目的とする。

［１］上記目的を達成するため、本発明の静電チャックは、
絶縁性を有する絶縁基板と、
前記絶縁基板の表面に沿って前記絶縁基板に埋設された静電吸着電極と、
前記表面に設けられた複数の凸部と、
を備えた静電チャックであって、
前記静電吸着電極は、前記絶縁基板の厚み方向において前記凸部に重なる領域から離間しており、
前記絶縁基板における前記表面から前記静電吸着電極までの前記絶縁基板の厚み方向における距離Ｔが、２×１０^-3（ｍ）以下であり、
前記凸部に最も近い前記静電吸着電極の端部から前記静電吸着電極の端部に最も近い前記凸部の下端部に向って延びる第１ベクトルと、前記絶縁基板の厚み方向に沿って前記第１ベクトルを前記静電吸着電極が配置される平面に投影することにより形成される第２ベクトルとのなす角度θが、４５°以下であることを特徴とする。

かかる構成によれば、絶縁基板における表面から静電吸着電極までの絶縁基板の厚み方向における距離（厚さ）Ｔが２×１０^-3（ｍ）以下である。さらに、凸部に最も近い静電吸着電極の端部から静電吸着電極の端部に最も近い凸部の下端部に向って延びる第１ベクトルと、絶縁基板の厚み方向に沿って第１ベクトルを静電吸着電極が配置される平面に投影することにより形成される第２ベクトルとのなす角度θを、４５°以下である。

このため、静電吸着電極は、絶縁基板の厚み方向において凸部に重なる領域から離間し、凸部に最も近い静電吸着電極の端部から静電吸着電極の端部に最も近い凸部までの距離が大きくなる。凸部に最も近い静電吸着電極の端部から静電吸着電極の端部に最も近い凸部までの距離が大きくなるので、静電チャックの絶縁基板（誘電体）における静電吸着電極の端部から凸部の頂面までの電気抵抗Ｒ２が大きくなる。静電チャックの絶縁基板（誘電体）における電気抵抗Ｒ２によって、静電吸着電極から凸部を介してウエハに流れる電流密度（電気力線）が小さくなる。

凸部とウエハとの接触界面の電気抵抗Ｒ１は変わらないが、凸部を介してウエハに流れる電流密度（電気力線）が小さくなるので、凸部とウエハとの接触界面における電位差Ｖ１が小さくなる。凸部とウエハとの接触界面に形成される静電容量Ｃ１は変わらない状態で、電位差Ｖ１が小さくなるので、接触界面における電気量が小さくなる。そうするとデチャック時に残留する電気量が少なくなるので、ジョンセン・ラーベック効果による残留する吸着力を小さくし、静電チャックからのウエハの離脱時間を短縮することができる。

［２］また、本発明の静電チャックにおいて、前記凸部の高さＨは、３〜１５（μｍ）であることが好ましい。

かかる構成によれば、静電チャックに吸着される吸着物が、シリコンウエハのような半導体である場合は、絶縁基板の表面とシリコンウエハとのギャップである高さＨの部分にクーロン力効果も発現する。静電吸着電極から絶縁基板の表面までの距離（厚さ）Ｔが非常に小さく、静電吸着電極とシリコンウエハとの間に入力される入力電圧は、絶縁基板の表面とシリコンウエハとのギャップである高さＨの部分に分圧される。高さＨを３（μｍ）より小さくすると製造することが難しい。また、高さＨを１５（μｍ）より大きくすると十分な吸着力を得るために過大な電圧が必要となる。このため、高さＨを３〜１５（μｍ）として、クーロン力効果による吸着力を支配的にすることで、静電吸着電極から凸部を介してウエハに流れる電流密度（電気力線）を小さくし、残留する静電吸着力を小さくすることができる。

［３］また、本発明の静電チャックにおいて、前記静電吸着電極と前記凸部に載置される吸着物との間に形成される平行板コンデンサの静電容量を１平方メートル当たりの静電容量に換算した値が１×１０^-8（Ｆ）以上であることが好ましい。かかる構成によれば、静電チャックとして十分な吸着力で吸着物を吸着することができる。

本発明の静電チャックを示す断面図である。 図１のＩＩ−ＩＩ線断面図である。 図１の静電チャックを示す要部拡大図である。 図１の静電チャックを示す等価回路図である。 図５Ａは本発明の実施形態の静電チャックの作用図である。図５Ｂは比較例の静電チャックの作用図である。図５Ｃはさらなる比較例の静電チャックの作用図である。

以下、図面を用いて本発明の実施形態を説明する。なお、図面は、静電チャック１を概念的（模式的）に示すものとする。

図１及び図２に示すように、静電チャック１は、絶縁性を有する絶縁基板２と、絶縁基板２の表面３に沿って絶縁基板２に埋設された静電吸着電極４と、表面３に設けられた複数の凸部５と、を備えている。凸部５の高さＨは、３〜１５（μｍ）であり、凸部５上には半導体としてのウエハ１１が配置されている。静電吸着電極４には、開口部６が形成されており、静電吸着電極４は、絶縁基板２の厚み方向において凸部５に重なる領域Ｓ１から離間している。

図２及び図３に示すように、絶縁基板２における表面３から静電吸着電極４までの絶縁基板２の厚み方向における距離Ｔは、２×１０^-3（ｍ）以下に設定されている。絶縁基板２の表面３から静電吸着電極４までの間は誘電体７である。

絶縁基板２の凸部５に最も近い静電吸着電極４の開口部６の端部Ａから静電吸着電極４の開口部６の端部Ａに最も近い凸部５の下端部Ｂに向って延びる第１ベクトルＡＢと、絶縁基板２の厚み方向に沿って第１ベクトルＡＢを静電吸着電極４が配置される平面に投影することにより形成される第２ベクトルＡＣとのなす角度θは、４５°以下に設定されている。なお、Ｃ点は凸部５の下端部Ｂを静電吸着電極４が設けられる平面に絶縁基板２の厚み方向へ投影した投影点である。

次に等価回路も用いて静電チャック１を説明する。

図４に示すように、図左の模式的に示した静電チャック１は、電源１２からリード線１３を介して絶縁基板２に埋設された静電吸着電極４に給電される。絶縁基板２の凸部５には吸着物としてウエハ１１が載置されている。このように、静電チャック１は、平行板コンデンサのような構成となる。

静電チャック１の吸着力は、静電チャック１の凸部５とウエハ１１との界面で生じるジョンセン・ラーベック力ｆ（ｊ）と、静電吸着電極４とウエハ１１との間で生じるクーロン力ｆ（ｃ）とからなり、吸着力＝ｆ（ｊ）＋ｆ（ｃ）と表わすことができる。

ジョンセン・ラーベック力ｆ（ｊ）は、接触する物体である凸部５とウエハ１１とに電圧を印加して電流を流した際、凸部５とウエハ１１との接点部分の抵抗Ｒ１によって急激な電圧降下が生じることで接触面の間に電荷が蓄積され、物体間に引力が生じる現象による力である。

クーロン力ｆ（ｃ）は、電荷を有する物体間である、静電吸着電極４とウエハ１１とに働く力である。クーロン力ｆ（ｃ）の大きさは、各々の電荷の量に比例し、静電吸着電極４とウエハ１１との距離の二乗に反比例する。

図４中、Ｒ１はジョンセン・ラーベック力に関する凸部５とウエハ１１との接点部分の電気抵抗である。Ｃ１はジョンセン・ラーベック力に関する凸部５とウエハ１１とのギャップδ部分の静電容量である。Ｖ１はジョンセン・ラーベック力に関する凸部５とウエハ１１とのギャップδ部分の電位差である。
また、Ｒ２はクーロン力に関する静電吸着電極４とウエハ１１との間の電気抵抗であり、Ｃ２はクーロン力に関する静電吸着電極４の真上にある絶縁体７の静電容量であり、Ｖ２はジョンセン・ラーベック力に関する静電吸着電極４と凸部５のウエハ１１との接点部分との間の電位差である。全体の電圧Ｖ０は、Ｖ０＝Ｖ１＋Ｖ２と表わすことができる。

静電チャック１に電圧Ｖ０を印加すると、電位差Ｖ１の大きさに応じたジョンセン・ラーベック力ｆ（ｊ）と、電位差Ｖ０の大きさに応じたクーロン力ｆ（ｃ）とが生じる。

ここで、ジョンセン・ラーベック効果は、静電吸着電極４とウエハ１１間に流れる微小な電流によって、ウエハ１１と静電チャック１の凸部５の接触界面に分極せしめるものであるが、静電吸着電極４は絶縁基板２の厚み方向において凸部５に重なる領域Ｓ１から離間しており電気抵抗Ｒ２が大きいため、静電チャック１とウエハ１１間に流れる電流が抑制され、ジョンセン・ラーベック効果が減じられる。

一方、静電吸着電極４とウエハ１１間には、絶縁基板２の厚み方向における凸部５以外の領域では、絶縁層である誘電体７の厚さＴ及び凸部５の高さＨに相当する空間有して対向しているため、静電吸着電極４とウエハ１１の平行板コンデンサを形成し、静電吸着電極４の真上にある誘電体７の静電容量と誘電体７の直上の凸部５の高さＨに相当する空間の静電容量との合成容量Ｃ０に電位差Ｖ０が付加されることでクーロン力が生じ、ウエハ１１が静電チャック１に吸着される。

この際、電流はわずかに凸部５を介してウエハ１１に流れるが、凸部５以外の大部分の領域では誘電体７及びその上の空間によって電流はほとんど流れないので、残留吸着力の原因となる電流自体がほとんど流れず、ジョンセン・ラーベック効果が極小化されて、ウエハ１１の離脱性を向上させることができる。このように、本発明では、吸着電源をオフした後に残留する吸着力を小さくすることができる。

図２〜図４に示すように、静電吸着電極４は、絶縁基板２の厚み方向において凸部５に重なる領域Ｓ１から離間し、凸部５に最も近い静電吸着電極４の端部から静電吸着電極４の端部に最も近い凸部５までの距離が大きくなる。凸部５直下にまで静電吸着電極４を配置した場合の静電吸着電極４から静電吸着電極４に最も近い凸部５までの距離に比較して、凸部５に最も近い静電吸着電極４の端部から静電吸着電極４の端部に最も近い凸部５までの距離が大きくなるので、静電チャック１の絶縁基板（誘電体）２における静電吸着電極４の端部から凸部５の頂面までの電気抵抗Ｒ２が大きくなる。

静電チャック１の絶縁基板２における電気抵抗Ｒ２によって、静電吸着電極４から凸部５を介してウエハ１１に流れる電流密度（電気力線）が小さくなる。凸部５とウエハ１１との接触界面の電気抵抗Ｒ１は変わらないが、電気抵抗Ｒ２が大きいため、凸部５を介してウエハ１１に流れる電流密度（電気力線）が小さくなり、凸部５とウエハ１１との接触界面における電位差Ｖ１が小さくなる。凸部５とウエハ１１との接触界面に形成される静電容量Ｃ１は変わらない状態で、電位差Ｖ１が小さくなるので、接触界面における電気量が小さくなる。そうすると吸着電源をオフにした後に残留する電気量が少なくなるので、ジョンセン・ラーベック効果による残留する吸着力を小さくし、静電チャック１からのウエハ１１の離脱時間を短縮することができる。

次に、ジョンセン・ラーベック効果が極小化してウエハ１１の離脱性を向上させるための、詳細な構成を説明する。静電チャック１は、一例として次のように複数種類作製し、以下の方法で評価した。

[静電チャック１の構成]
静電チャック１の外径は、φ２９８ｍｍである。静電チャック１の表面３に、φｄ／ｍ、高さＨ＝１０μｍの円柱状の凸部５を形成する。凸部５は、絶縁基板２の表面３全体に一辺がピッチＰ／ｍの正三角形の頂点に連続して配置する。

静電吸着電極４は双極型（半月状）とし、表面３に形成される凸部５と絶縁基板２の厚み方向に重ならないように離間させ、φＤ／ｍの円形の空間（開口部６）を形成する。

[製造方法]
円盤状の絶縁層をセラミックス焼結体で作製する。窒化アルミニウム（ＡｌＮ）にモリブデンの静電吸着電極４を埋設しホットプレス焼成（１８００℃、１０ＭＰ、８時間焼成）する。なお、静電チャック１の厚みは１５ｍｍとする。

静電チャック１は、絶縁基板２の誘電体７の厚みＴが、０．３〜３ｍｍのものを複数作製する。静電吸着電極４は、モリブデン箔（直径φ２９０ｍｍ、厚さ０．１ｍｍ）の所定の位置にφＤｍの開口部６を形成することにより作製する。焼成後のセラミックス焼結体に加工を行い、絶縁層である誘電体７の厚みＴの調整及び表面３の凸部５を加工する。

なお、製造方法は上記の方法に限定されず、例えば、絶縁層となる誘電体７を溶射により作製してもよい。この場合、アルミナ基板（φ２９８ｍｍ、厚さ１５ｍｍ）にタングステンをプラズマ溶射し、所定形状にサンドブラスト加工でパターニングして静電吸着電極４を形成する。静電吸着電極４はタングステンとして厚さを３０μｍとする。その上に誘電体７としてアルミナに２５ｗｔ％ＴｉＯ_２を添加した顆粒粉をプラズマ溶射する。絶縁層としての誘電体７の厚さは５００μｍに形成後、加工により所定の厚さにする。

さらに別の製造方法として、アルミナ基板（直径φ２９０ｍｍ、厚さ１５ｍｍ）にチタン及びクロムをＰＶＤにより製膜し、所定形状にエッヂング加工でパターニングして静電吸着電極４を形成する。静電吸着電極４の厚さは、５μｍとし、その上に誘電体７としてのアルミナに３ｗｔ％ＴｉＯ_２を添加して作製した焼結体をターゲットとしてスパッタリングにより作製する。この際、絶縁層としての誘電体７の厚さを６０μｍに形成後、加工により所定の厚さにする。

[評価方法]
作製した静電チャック１を、真空装置内で残留吸着力の測定を行った。試験条件は、吸着物としてのウエハ１１をシリコンウエハ（吸着面側に絶縁性の被膜５００ｎｍを形成したもの）とし、静電チャック１に載置する。印加電圧を±１０００Ｖとし、印加時間を６０秒とし、電圧印加が終了してから５秒経過した時にウエハを静電チャック１より離脱させ、その時に与えた外力による負荷をロードセルで計測した。負荷が１０Ｎ以下の場合は、ウエハ１１が離脱時に跳ね上がり離脱性良好「〇」と判定し、負荷が１０Ｎよりも大きい場合は、ウエハ１１が離脱時に跳ね上がり離脱性不良「×」と判定した。

下表は、以上の評価結果を示している。

この表１を参照すると、実施例１〜実施例１２は、誘電体７の（絶縁層）厚さＴが２mm以下かつ、第１ベクトルＡＢと第２ベクトルＡＣとのなす角度θが４５°以下の場合であり、ウエハ１１の離脱時の負荷が１０Ｎ以下となり、比較例１〜比較例８に比べて残留吸着力が更に小さくなり離脱性良好「〇」であることが示された。
表１で示される合成容量Ｃ０は、静電吸着電極４とウエハ１１との間に形成される平行板コンデンサの静電容量を１平方メートル当たりの静電容量に換算した値を示している。合成容量Ｃ０が大きいほど吸着力は大きくなり、静電チャックの機能として好ましい。良好な吸着を行うには、合成容量Ｃ０が１×１０^-8Ｆ以上であることが好ましく、１×１０^-7Ｆ以上であることがより好ましい。

上記結果は、第１ベクトルＡＢと第２ベクトルＡＣとのなす角度θが４５°より大きくになると残留吸着力が大きくなるが、静電吸着電極４とウエハ間の電流密度が増加して、その分ジョンセン・ラーベック効果が凸部５の接触面で生じているからであると推測される。

なお、比較例９は、第１ベクトルＡＢと第２ベクトルＡＣとのなす角度θが４５°以下であるが、誘電体７の（絶縁層）厚さＴが２mmより大きく、絶縁層自体の静電容量が小さく、その結果、合成容量Ｃ０が１×１０^-8Ｆ未満と小さいため吸着力(クーロン力)自体が小さくなり静電チャックの機能として不適とした。

次に実施例と比較例の作用効果を説明する。

図５Ａは実施例１〜実施例１２の一例の作用を示す図であり、第１ベクトルＡＢと第２ベクトルＡＣとのなす角度θが４５°以下であるので、静電吸着電極４は、絶縁基板２の厚み方向において凸部５に重なる領域Ｓ１から離間している。

このため、静電吸着電極４の開口部６側の端部から、凸部５とウエハ１１との接触部までの距離が大きく、抵抗が大きくなるので、凸部５における電流密度（電気力線）が小さくなり、ジョンセン・ラーベック効果による残留する吸着力をより小さくすることができる。

図５Ｂは比較例１〜比較例７の一例の作用を示す図であり、静電吸着電極４が凸部５に重なる領域Ｓ１から離間しているが、第１ベクトルＡＢと第２ベクトルＡＣとのなす角度θが４５°より大きい。

このため、第１ベクトルＡＢと第２ベクトルＡＣとのなす角度θが４５°以下である場合（実施例１〜１２）と比べて、静電吸着電極４の開口部６側の端部から、凸部５とウエハ１１との接触部までの距離が小さく、抵抗が小さくなる。このため、実施例１〜１２と比較して、凸部５における電流密度（電気力線）が大きくなり、ジョンセン・ラーベック効果による残留する吸着力が大きくなる。

図５Ｃは比較例８の一例の作用を示す図であり、静電吸着電極４には開口がなく、静電吸着電極４が凸部５に重なる領域Ｓ１にも配置されている。

このため、凸部５に重なる領域Ｓ１（凸部５の直下の領域）に静電吸着電極４がない場合と比較して、凸部５における電流密度（電気力線）が大きくなり、ジョンセン・ラーベック効果による残留する吸着力が大きくなる。

なお、実施形態では、凸部５を円柱形状としたが、これに限定されず、凸部５を角柱形状としてもよい。また、実施形態では、静電吸着電極４の開口部６の形状を円形状としたが、これに限定されず、矩形状、楕円、さらには曲線、直線の少なくとも一方が連続する開口形状など、静電吸着電極４が絶縁基板２の厚み方向において凸部５に重なる領域Ｓ１から離間しており、距離Ｔが２×１０^-3（ｍ）以下であり、第１ベクトルＡＢと第２ベクトルＡＣとのなす角度θが４５°以下であれば、静電吸着電極４の開口部６の形状は問わない。

１ … 静電チャック
２ … 絶縁基板
３ … 表面
４ … 静電吸着電極
５ … 凸部
１１… ウエハ
Ｓ１… 凸部に重なる領域
Ｈ … 凸部の高さ
Ｔ … 誘電体の厚み方向の距離
θ … 第１ベクトルと第２ベクトルとのなす角

Claims (3)

1. 絶縁性を有する絶縁基板と、
   前記絶縁基板の表面に沿って前記絶縁基板に埋設された静電吸着電極と、
   前記表面に設けられた複数の凸部と、
   を備えた静電チャックであって、
   前記静電吸着電極は、前記絶縁基板の厚み方向において前記凸部に重なる領域から離間しており、
   前記絶縁基板における前記表面から前記静電吸着電極までの前記絶縁基板の厚み方向における距離Ｔが、２×１０^-3（ｍ）以下であり、
   前記凸部に最も近い前記静電吸着電極の端部から前記静電吸着電極の端部に最も近い前記凸部の下端部に向って延びる第１ベクトルと、前記絶縁基板の厚み方向に沿って前記第１ベクトルを前記静電吸着電極が配置される平面に投影することにより形成される第２ベクトルとのなす角度θが、４５°以下であ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、
   前記凸部の高さＨは、３〜１５（μｍ）であることを特徴とする静電チャック。
3. 請求項１又は２に記載の静電チャックであって、
   前記静電吸着電極と前記凸部に載置される吸着物との間に形成される平行板コンデンサの静電容量を１平方メートル当たりの静電容量に換算した値が１×１０^-8（Ｆ）以上であることを特徴とする静電チャック。