JP2501504B2

JP2501504B2 - 静電チャック

Info

Publication number: JP2501504B2
Application number: JP30183491A
Authority: JP
Inventors: 鍠一梅本; 隆介牛越; 裕介新居
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 1990-12-28
Filing date: 1991-11-18
Publication date: 1996-05-29
Anticipated expiration: 2011-05-29
Also published as: JPH058140A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、誘電材料や半導体材料
等からなる試料を加工あるいは検査するにあたって、こ
れら試料を電気的に固定し保持する静電チャックに関す
るものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体ウエハーを加工あるいは検査する
工程においては、ウエハーを加工機あるいは検査機の所
定の位置に固定し保持する必要がある。従来、このよう
な場合の半導体ウエハー固定技術としては、メカニカル
固定、真空チャック、静電チャックの各方式が知られて
おり、例えば、半導体ウエハーの搬送用、露光、成膜、
微細加工、洗浄、ダイシング等に使用されている。

【０００３】一方、特に、ＣＶＤ、スパッタ等の成膜プ
ロセスにおける半導体ウエハー加熱、温度制御では、半
導体ウエハーの被加熱面の温度を均一化できないと、半
導体生産時の歩留り低下の原因になる。この場合、メカ
ニカル固定では、半導体ウエハーの表面にピンが接触す
るため成膜が不均一になるとともに、例えば平盤状のヒ
ーターのウエハー加熱面に半導体ウエハーを設置して
も、ウエハー加熱時には、この半導体ウエハー全面が均
等に押さえられているわけではないので、半導体ウエハ
ーに反り、歪みが生じ、半導体ウエハーの一部分と平坦
なウエハー加熱面との間に局所的に隙間が生じる。そし
て、例えば10^-3Torr以下の中高真空中では、ガスの対流
による熱伝導が微少であるため、半導体ウエハーのうち
加熱面に接触している部分と隙間が生じている部分との
間で温度差が非常に大きくなる。また、いわゆる真空チ
ャックは、スパッタ、ＣＶＤ装置等のような中高真空の
条件下では使用できない。

【０００４】これに対し、静電チャックは、試料の平坦
度を良くして固定することができ、かつ取扱いが簡単で
あるため、半導体製造分野において特に有用である。

【０００５】静電的に試料を保持する静電チャックは、
二つの互いに反対に荷電されたコンデンサ板の吸引力を
利用するもので、電極、誘電層、および導電性または半
導性の試料から構成される。このような静電チャックに
おける試料の吸着力Ｆは、電極と導電性または半導性試
料との間の誘電層に大きく影響され、一般に次式で表さ
れる。Ｆ＝（１／２）ε_r ²ε_oＳ（Ｖ／ｔ）² (1) 但し、ε_r：誘電層の比誘電率 ε_o：真空の誘電率Ｓ：電極面積Ｖ：印加電圧ｔ：誘電層の厚さ

【０００６】上記(1) 式からわかるように、誘電層の厚
さｔが薄いほど、また誘電層の比誘電率ε_rが大きいほ
ど、低電圧で使用しても一定の吸着力Ｆを得ることがで
きる。また、誘電層の絶縁耐圧が高いほど印加電圧を大
きくすることができる。さらに、誘電層には試料が繰り
返し固定されるため、耐摩耗性が要求される。

【０００７】従来、静電チャックの用途には誘電層とし
てポリイミド膜あるいはセラミック膜が使用されてい
た。（例えば、「応用機械工学」誌１９８９年５月号１
２８〜１３３ページ等）。

【０００８】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、静電チ
ャックの誘電層としてポリイミド膜を用いた場合は耐摩
耗性に問題があった。また、ポリイミド膜、セラミック
膜を用いたいずれの場合も、例えば２００℃以上の高温
では絶縁耐圧の低下が著しいため、大きな電圧を印加す
ることができなくなり、ウエハー等を保持するのに十分
な吸着力が得られないという問題があった。すなわち、
従来の静電チャックは高々２００℃までしか使用できな
いものであった。本発明は上述した課題を解消して、２
００℃以上の高温、好ましくは４００℃以上の温度まで
使用可能な静電チャックを提供しようとするものであ
る。

【０００９】

【課題を解決するための手段】本発明は、電極の一主面
を絶縁性誘電層で被覆して構成され、該絶縁性誘電層上
に試料を静電的に吸着する静電チャックにおいて、前記
絶縁性誘電層が気孔率３％以下、最大気孔の気孔径５μ
ｍ以下のセラミックスからなることを特徴とする静電チ
ャックに係わるものである。

【００１０】

【実施例】（実施例１）図１は、本発明の実施例に係わ
る静電チャック16を示す概略断面図である。図中１は膜
状電極であり、円盤状セラミックス基体４の一方の主面
4aに形成されている。そして、この膜状電極１を覆うよ
うに、円盤状セラミックス基体４の一方の主面4a上に、
窒化珪素からなる絶縁性誘電層２が形成され、一体化さ
れている。これにより、膜状電極１はセラミックス基体
４と絶縁性誘電層２との間に内蔵される。セラミックス
基体４の内部には電極端子５が埋設され、この電極端子
５の一端には膜状電極１が接続され、電極端子５の他端
には電極ケーブル６が接続されている。この電極ケーブ
ル６は直流電源８の正極に接続され、直流電源８の負極
がアース線７に接続される。

【００１１】この静電チャックを動作させる際には、絶
縁性誘電層２の上面に半導体ウエハー３等の被吸着物を
載置し、被吸着物に対してアース線７を接触させ、この
被吸着物と膜状電極１との間に電圧を印加することによ
って、被吸着物を絶縁性誘電層２上に固定、保持するこ
とができる。静電チャックにおいて大きな吸着力を得る
には、ある程度誘電層の抵抗が低いことが条件となり、
具体的には体積抵抗率が10¹⁰〜10¹²Ω・cm程度が最適と
されている。

【００１２】本実施例の絶縁性誘電層は窒化珪素から構
成されているので、例えば熱ＣＶＤ装置等の半導体製造
装置に使用することができる。すなわち、熱ＣＶＤ装置
では、絶縁性誘電層は最大６００℃にも加熱されるが、
この温度に加熱されても窒化珪素で構成された絶縁性誘
電層２の体積抵抗率は10¹⁰Ω・cmであり、静電的に吸着
力を得るに好適な値に留まるからである。さらに、本実
施例では絶縁性誘電層２として、気孔率が３％以下、最
大気孔の気孔径が５μｍ以下の窒化珪素を用いているこ
とから、６００℃の高温でも、絶縁性誘電層２の絶縁耐
圧が高いため、ウエハー等を吸着するに必要な直流電圧
の印加が可能となり、十分な吸着力が得られる。絶縁性
誘電層２に上記の窒化珪素を用いた本実施例では、誘電
層２の膜厚を３００μｍとし、温度６００度としたと
き、印加直流電圧１０００Ｖに対し１０００ｇ／cm²の
吸着力が得られた。

【００１３】これに対し、絶縁性誘電層２に気孔率が１
０％、最大気孔の気孔径が２０μｍの窒化珪素を用いた
場合は、温度６００℃において、吸着力１０００ｇ／cm
²を得る前にセラミックス誘電層が絶縁破壊してしま
い、静電チャックとして使用できなかった。

【００１４】なお、絶縁性誘電層２に用いた窒化珪素の
気孔率は、同一条件で作成した試料をアルキメデス法で
測定して得た。また最大気孔の気孔径は、やはり同一条
件で作成した試料５ケについて、研磨面中の１０ケ所を
走査型電子顕微鏡で観察した最大気孔数５０の平均値で
示した。

【００１５】絶縁性誘電層２に用いた窒化珪素の気孔
率、最大気孔の気孔径によって、上記のように印加でき
る電圧が異なった理由は次のように考えられる。すなわ
ち、セラミックス中の気孔の誘電率は空気のそれと等し
いため、セラミックス中に気孔が多数存在する場合、セ
ラミックスの実効の誘電率が低下することとなる。これ
を対数混和則で考えると、例えば気孔が３％存在する場
合の誘電率の低下は７％程度であるが、気孔が１０％も
存在すると誘電率の低下は２０％にもなる。そのため、
同一電圧を印加しても、得られる静電的吸着力は大きく
低下する。またセラミックス中の気孔には、バルクの部
分と比べると、バルクの比誘電率倍だけの電界がかか
り、それだけ放電しやすいものとなる。さらに、絶縁耐
圧は、発明者等の測定結果では図２に示すように、セラ
ミックス中に存在する最大気孔の気孔径の略1/2 乗に比
例して変化するようである。例えば、比較例に示した最
大気孔の気孔径が20μｍの場合は、実施例の５μｍの場
合と比べると絶縁耐圧が半減した。このため、比較例の
場合は、気孔が多いため実効の誘電率が低下し、さら
に、温度が６００℃と高いため絶縁耐圧が低下するのに
加えて、気孔が大きいため元来の絶縁耐圧が低いことか
ら、所要の吸着力を得るに必要な直流電圧を印加できな
くなったものと思われる。

【００１６】上記の実施例では絶縁性誘電層が窒化珪素
からなる場合を示した。しかし、高温、例えば６００℃
において、体積抵抗率が10¹⁰〜10¹²Ω・cm、比誘電率が
窒化珪素と同等であれば、他の誘電性材料を使用できる
ものであることは、上記の説明から容易に推察されると
ころである。窒化珪素以外の材料としては、例えば、窒
化アルミニウム、ベリリア、マグネシア、スピネル、純
度９７％以上のアルミナ等を挙げることができる。さら
に、体積抵抗率、誘電率、絶縁耐圧を著しく低下させな
い限り、上記の材料を主成分としてその他の成分を含む
セラミックスを用いることも可能である。

【００１７】なお、本実施例では絶縁性誘電層の材料に
ついて示したが、図１に示すセラミックス基体４を上記
絶縁性誘電層と同一の材料で構成することもできる。こ
の場合は、絶縁性誘電層とセラミックス基体の熱膨脹が
一致し、両者を一体に成形することが可能であるから、
より好適である。

【００１８】（実施例２）本発明者は、上記した実施例
１に示す知見に基づいて、特に半導体ウエハーを加熱処
理する技術を中心に研究を進めた。既述したように、一
応６００℃程度もの高温で動作する静電チャックは実現
できた。しかし、実際に半導体ウエハー等を加熱するに
は、問題も残っていることが解った。

【００１９】即ち、本発明者は、まず図４に概略的に示
すような装置を用いて、半導体ウエハー３を吸着しつつ
加熱することを検討した。ここにおいて、静電チャック
16B 自体の構成は、前述した静電チャック16の構成と同
様である。ただし、端子5Aを約90度屈曲させ、端子5Aの
一方の端部を膜状電極１に接続させ、他端を、セラミッ
クス基体４の側周面4cに露出させた。こうした静電チャ
ック16B も、高温、高真空中で良好に使用できる。

【００２０】こうした静電チャック16B （又は16) を前
提とし、半導体ウエハーを吸着しつつ加熱する訳である
が、この加熱を良好に行うことが難しいことが解った。
即ち、本発明者は、ステンレスヒーター13の発熱面13a
に、セラミックス基体４の他方の主面4bを載置した。こ
のステンレスヒーター13においては、円盤状基体14がス
テンレススチールから形成され、円盤状基体14の内部に
抵抗発熱体15が埋設されている。抵抗発熱体15の両端部
に、それぞれケーブル12が接続され、一対のケーブル12
が交流電源11に接続されている。

【００２１】しかし、スーパークリーン状態を必要とす
る半導体製造用装置では、デポジション用ガス、エッチ
ング用ガス、クリーニング用ガスとして塩素系ガス、弗
素系ガス等の腐食性ガスが使用されている。このため、
半導体製造用装置内では、ステンレススチールに高温の
腐食性ガスが暴露されるので、好ましくないパーティク
ルが発生した。

【００２２】更に、絶縁性誘電層２の表面と半導体ウエ
ハー３とは密着している。しかし、ステンレスヒーター
13の発熱面13a と主面4bとは、完全に密着しているわけ
ではなく、100 μm 以下の隙間が生ずる。この僅かな隙
間が、半導体製造装置においては重大である。即ち、１
Torr以上の圧力があれば、ガス分子の挙動は粘性流域に
あり、ガス分子による熱移動（熱伝達）があるので、発
熱面13a の熱が静電チャック16B に比較的良く伝わる。
しかし、10^-3Torr以下の中高真空中では、ガスの挙動が
分子流域に以降し、ガスの対流による伝導が極めて小さ
くなる。

【００２３】このため、中高真空条件下では、発熱面13
a と主面4bとの間で熱が良く伝わらず、熱損失が大きく
なり、しかもステンレスヒーター13の出力を変化させて
も、半導体ウエハー３の温度変化の応答性が悪かった。
しかも、隙間の大きさにも、場所によって大小があり、
かつ隙間の大きさが少し変わっても、温度はかなり著し
く変化する。このため、半導体ウエハー３を全面に亘っ
て均一に加熱することも困難であった。

【００２４】そこで、本発明者は、図３に概略的に示す
ような静電チャック16A を開発した。この静電チャック
16A のうち、膜状電極１、絶縁性誘電層２、端子５等の
構成は、図１に示したものと同様であるので、その説明
は一部省略することがある。

【００２５】円盤状のセラミックス基体４の内部に抵抗
発熱体10が埋設されている。セラミックス基体４自体を
主面4a側から平面的にみると、抵抗発熱体10が渦巻状に
埋設されている。抵抗発熱体10自体の形状をみると、螺
旋状に巻回されている。抵抗発熱体10の両端部には、例
えば円柱形状の端子９がそれぞれ接続され、各端子９が
セラミックス基体４に埋設、固定されている。各端子９
の端面が、主面4bにそれぞれ露出しており、これらの端
面にケーブル12が接合されている。一対のケーブル12
は、それぞれ交流電源11に接続されている。図示省略し
たスイッチを作動させることにより、抵抗発熱体10に通
電し、発熱させる。

【００２６】抵抗発熱体10、端子９の材質はセラミック
ス基体４と熱膨張率が近いものとするのが好ましい。セ
ラミックス基体４を窒化珪素で形成した場合には、抵抗
発熱体の材質をタングステン、モリブデン、白金等とす
ることが好ましい。

【００２７】半導体ウエハー３を加熱処理する際には、
絶縁性誘電層２のウエハー吸着面にウエハー３を設置
し、ウエハー３に対してアース線７を接触させる。そし
て、膜状電極１に正電荷を蓄積して絶縁性誘電層２を分
極させ、絶縁性誘電層２のウエハー吸着面側に正電荷を
蓄積させる。それと共に、ウエハー３に負電荷を蓄積さ
せ、誘電層２とウエハー３との間のクーロン引力によ
り、ウエハー３をウエハー吸着面へと吸着させる。これ
と共に、抵抗発熱体10を発熱させてウエハー吸着面を所
定温度に加熱する。

【００２８】こうした静電チャックによれば、ウエハー
３をウエハー吸着面へとクーロン力によって全面で吸着
しつつ、同時にウエハー吸着面を加熱してウエハーを加
熱することができる。従って、特に中高真空中で、ウエ
ハーの全面に亘って、温度の追従性が良くなり、ウエハ
ー３全体を均熱化させることができ、ウエハー３とウエ
ハー加熱面との間の隙間によるウエハーＷの均熱性の低
下が生じない。従って、ウエハー３の熱処理をウエハー
全面に亘って均一に行うことができ、半導体の歩留り低
下を防止することができる。

【００２９】更に、セラミックス基体４の内部に抵抗発
熱体10が埋設され、また膜状電極１が絶縁性誘電層２と
セラミックス基体４との間に内蔵されているので、ステ
ンレスヒーターを用いる場合のような汚染は生じない。
更に、熱源である抵抗発熱体10をセラミックス基体４内
に埋設してあるので、静電チャックの外部に熱源を設置
するのと比べて、熱効率が格段に高い。特に、10^-3Torr
以下の中高真空下においては、外部熱源からの熱は前述
したように極めて伝わりにくいので、本実施例のように
抵抗発熱体を静電チャックに内蔵させることが、極めて
効果的である。

【００３０】図３、図４に示す各加熱設備について、熱
効率と均熱性を比較する実験を実施した。セラミックス
基体４、絶縁性誘電層２の材質としては、気孔率２％、
最大気孔の気孔径３μm の窒化珪素セラミックスを用い
た。半導体ウエハー３の直径は８インチとした。ステン
レスヒーター13と静電チャック16B とは互いに対して加
圧し、発熱面13a と主面4bとの隙間を100 μm 以下とし
た。半導体製造装置内の圧力を１×10^-6Torrとし、交流
電源11の印加電圧を1000Ｖとした。

【００３１】図３に示す装置においては、半導体ウエハ
ー３表面の平均温度が300 ℃となったとき、絶縁性誘電
層２の表面温度は320 ℃であり、半導体ウエハー３の表
面温度のバラツキは±３℃であった。図４に示す装置に
おいては、半導体ウエハー３の表面の平均温度が300 ℃
となったとき、ステンレスヒーター13の表面温度は580
℃であり、半導体ウエハー３の表面温度のバラツキは±
15℃であった。

【００３２】

【発明の効果】本発明に係わる静電チャックによれば、
絶縁性誘電層を気孔率３％以下、最大気孔の気孔径５μ
ｍ以下の窒化珪素等から構成しているので、例えば熱Ｃ
ＶＤ装置等のような高温、中高真空中でも、絶縁性誘電
層が、静電気的吸着力を発揮するに好適な体積抵抗率、
誘電率を保持し、絶縁耐圧も大きく低下しないため、半
導体ウエハー等の吸着を行なうことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係わる静電チャック16を示す
概略断面図である。

【図２】温度６００℃における、絶縁耐圧と本実施例の
窒化珪素セラミックスの最大気孔の大きさとの関係を示
すグラフである。

【図３】静電チャック16A を示す概略断面図である。

【図４】ステンレスヒーター13と静電チャック16B とを
積み重ねた状態を示す概略断面図である。

【符号の説明】

１膜状電極２絶縁性誘電層３半導体ウエハー４セラミックス基体 4a 一方の主面 4b 他方の主面５，5A 電極端子６電極ケーブル７アース線８直流電源９端子 10 抵抗発熱体 16, 16A, 16B 本発明の実施例に係る静電チャック

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】電極の一主面を絶縁性誘電層で被覆して
構成され、該絶縁性誘電層上に被吸着物を静電的に吸着
する静電チャックにおいて、前記絶縁性誘電層が気孔率
３％以下、最大気孔の気孔径５μｍ以下のセラミックス
からなることを特徴とする静電チャック。
【請求項２】前記セラミックスの材料が窒化珪素、窒
化アルミニウム、ベリリア、マグネシア、スピネル、純
度９７％以上のアルミナのいずれか一種であることを特
徴とする請求項１記載の静電チャック。
【請求項３】前記電極がセラミックス基体の一方の主
面に形成され、更にこの一方の主面に前記絶縁性誘電層
が前記電極を覆うように形成されている、請求項１記載
の静電チャック。
【請求項４】前記電極がセラミックス基体の一方の主
面に形成され、更にこの一方の主面に前記絶縁性誘電層
が前記電極を覆うように形成され、前記セラミックス基
体の内部に抵抗発熱体が埋設され、この抵抗発熱体に通
電して発熱させることにより前記被吸着物を加熱できる
ように構成された、請求項１記載の静電チャック。