JP3172671B2

JP3172671B2 - 静電チャック

Info

Publication number: JP3172671B2
Application number: JP6232596A
Authority: JP
Inventors: 一彦都丸; 隆一半田; 勉米山
Original assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Current assignee: Shin Etsu Chemical Co Ltd
Priority date: 1996-03-19
Filing date: 1996-03-19
Publication date: 2001-06-04
Anticipated expiration: 2016-03-19
Also published as: JPH09260473A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体集積回路の
製造において基板の保持に用いられる静電チャックに関
するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体集積回路の製造におけ
るプラズマエッチング工程において、静電吸着方式や、
ジャンセン・ラーベック力方式のウエハーチャック、い
わゆる静電チャックが用いられているが、チャックの絶
縁層としてポリイミドなどのプラスチック、アルミナ、
窒化アルミニウムなどのセラミックス、シリコーンゴム
などのゴム弾性体が提案されており、実用化されてい
る。一方、プラズマエッチング工程においてはプラズマ
より供給される熱によるウエハの温度上昇を抑えてウエ
ハの温度を均一かつ一定にし、高精度のエッチングを行
うために静電チャックの裏面に冷却チラーを流すなどの
冷却機構を設けてウエハを冷却し、ウエハの温度を均一
に保ち、マスク材及びエッチング対象物の下地との選択
性を高くし、異方性形状を得ることが行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】セラミックス製の静電
チャックは、絶縁層がプラズマガスに対する耐久性に優
れており、かつ高熱伝導性であることにより実用化され
ているが、ウエハと接触する絶縁層が硬いためにウエハ
との密着性が悪く、接触熱抵抗が大きいことから、十分
な放熱特性が得られないという問題がある。上記問題を
解決するために、ウエハと絶縁層の間にヘリウム等の不
活性ガスを流し、ウエハと絶縁層の熱移動の仲介をさせ
る方式が一般的に用いられている。しかしこの方法では
ガスを流すための溝を絶縁層表面に設けるなどの微細加
工が必要となるため、チャックのコストが高くなる。ま
た不活性ガスを流すための設備が必要となるなどコスト
が高くなるという問題がある。

【０００４】ポリイミドなどのプラスチック製の静電チ
ャックは、プラズマガスに対する耐久性は十分とはいえ
ないが、製造が容易であり安価であることより、現在最
も広く使用されているが、熱伝導率が低く、かつ硬いこ
とにより、セラミックス製静電チャックと同様、ウエハ
との密着性が悪く、接触熱抵抗が大きいことから、十分
な放熱特性が得られない。また、特開昭５９−６４２４
５号公報等に開示されているシリコーンゴム製の静電チ
ャックは、ウエハとの密着性はよいが、放熱特性は十分
でなく、プラズマガスに対する耐久性も十分でない。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明者等は上記問題点
に鑑み鋭意検討を重ねた結果、本発明を完成させたもの
で、本発明は、金属基板上にセラミックスからなる第１
絶縁層と、該第１絶縁層上に電極として形成された導電
性パターンと、該導電性パターン上にシリコーンゴム組
成物の硬化物からなる第２絶縁層が設けられてなり、第
２絶縁層の熱伝導率が０．０００５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅ
ｃ・℃以上で、厚みが５０〜１０００μｍ、表面粗さが
１０μｍ未満であり、かつＪＩＳ−Ａによる硬度が３０
〜９０°であることを特徴とする静電チャックである。
前記セラミックスからなる第１絶縁層が、窒化アルミニ
ウム、アルミナ、窒化ホウ素、窒化珪素より選ばれたも
のであることが、望ましい。さらに、少なくとも前記金
属基板と前記第１絶縁層、および前記第２絶縁層と前記
導電性パターンとが接着剤で接着されていることが好ま
しい。本発明によれば、プラズマガスに対する耐久性が
あり、ウエハとの密着性がよく、熱伝導性のよいものが
得られる。

【０００６】

【発明の実施の形態】以下に本発明を図１、２に基いて
詳述する。図１及び図２は、本発明の双極型静電チャッ
クの例を示したもので、第２絶縁層１、接着剤層２、第
１絶縁層３、接着剤層４、金属基板５、導電性パターン
６、リード線７よりなり、リード線７に通電してウエハ
を第２絶縁層１に吸着させるものである。金属基板５は
プラズマを発生させる場合に印加する高周波電源の電極
として働くものであり、材質としては、プラズマガスに
対して耐久性があり、発塵により半導体集積回路を汚染
しないものであればよく、例えばアルミニウム、アルマ
イト、ジュラルミンなどが例示される。

【０００７】第１絶縁層３に使用されるセラミックス
は、静電チャックの熱伝導性を高めるために高熱伝導性
のものが好ましく、熱伝導率は０．０５ｃａｌ／ｃｍ・
ｓｅｃ・℃以上のものがよく、なかでも窒化アルミニウ
ム、アルミナ、窒化ホウ素、窒化珪素であることが好ま
しい。セラミックスの熱伝導率が０．０５ｃａｌ／ｃｍ
・ｓｅｃ・℃以上では、プラズマより供給される熱によ
るウエハの温度上昇を抑えてウエハの温度を均一かつ一
定にし、高精度のエッチングを行うことができるが、
０．０５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃未満ではウエハの冷
却効率が低下し、ウエハ温度が上昇し、一定温度に制御
できなくなり、集積回路の歩留が悪くなる。セラミック
ス層の厚みは１００〜２０００μｍとすることがよく、
１００μｍ未満では絶縁耐圧が不足し静電チャックが絶
縁破壊を起こす確率が高くなり、半導体デバイスの歩留
の上で不利であり、また２０００μｍを超えると放熱性
が低下するため、ウエハの冷却効率が悪くなり半導体デ
バイスの歩留の上で不利である。

【０００８】導電性パターン６は、静電チャックのウエ
ハ吸着のための電極として作用するもので、材質として
は銅、アルミニウム、ニッケル、銀、タングステンなど
の金属系の導電体、または窒化チタンなどのセラミック
ス系の導電体が例示され、膜厚は１〜１００μｍとすれ
ばよく、好ましくは５〜５０μｍとすればよい。１μｍ
未満では導電性パターンの機械的強度が低下し、第２絶
縁層を積層する工程や電圧供給用のリード線を導電性パ
ターンに半田などで接合する時の半田コテの印圧により
破損するなどの問題が発生し、また１００μｍを超える
と導電性パターンの機械的強度や電気的性能が一定とな
り、それ以上に向上せず、材料コスト的に不利となる。
導電性パターンの形状は、公知のものでよく、これは単
極型（一般的には正極となる）と双極型（正極と負極を
均等に印加する）の２種に大別されるが、いずれの型と
しても良い。双極型の導電性パターンの一例を図３に示
す。

【０００９】第２絶縁層としては、高熱伝導性の弾性体
が用いられ、熱伝導率は０．０００５ｃａｌ／ｃｍ・ｓ
ｅｃ・℃以上がよく、好ましくは０．００１ｃａｌ／ｃ
ｍ・ｓｅｃ・℃以上である。熱伝導率が、０．０００５
ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上では、プラズマより供給
される熱によるウエハの温度上昇を抑えてウエハの温度
を均一かつ一定にし、高精度のエッチングを行うことが
できるが、０．０００５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃未満
ではウエハの冷却効率が低下し、ウエハ温度が上昇し、
一定温度に制御できなくなり、集積回路の歩留が悪くな
る。なお熱伝導率は高いほど好ましいが、これはフィラ
ー量に依存し、多ければ熱伝導率は大きくなるが、フィ
ラー量を多くすると弾性体の硬度が固くなり、９０°を
超えてしまうため、ウエハとの密着性が悪くなるという
問題があるために、０．０５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃
以上とすることは困難である。上記弾性体組成物に高熱
伝導性を付与するためのフィラーとしては、アルミナ
粉、窒化アルミニウム粉、窒化ホウ素粉、窒化珪素粉、
酸化マグネシウム粉、シリカ粉などの高熱伝導性セラミ
ックス粉が好ましく、上記フィラーの配合量は、０．０
００５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅｃ・℃以上の熱伝導性を付与
するのに必要な量とされ、公知の方法で混合される。

【００１０】また第２絶縁層としては、ウエハと第２絶
縁層の密着性を良くして接触熱抵抗を低下させることが
重要であり、ウエハに働く吸着力により弾性体表面形状
が容易にウエハ裏面形状に追従するよう変形することが
必要である。そのため、該弾性体の硬度はＪＩＳ−Ａに
おいて３０〜９０°とすることがよく、３０°未満では
第２絶縁層表面とウエハ裏面との密着性が高くなり、プ
ラズマエッチング処理終了後にウエハを静電チャックか
ら剥離する場合にウエハが密着力により強く密着するの
で、剥離が困難となる問題があり、また９０°を超える
と、吸着力による第２絶縁層の硬化物の変形が少なくな
り、ウエハ裏面への追従性が低下し、接触熱抵抗が大き
くなるという問題がある。

【００１１】弾性体としては、シリコーンゴム、ＥＰＤ
Ｍ、フッ素ゴム、ニトリルゴム、天然ゴム等が例示され
る。なかでもシリコーンゴム組成物の硬化物が、導電性
の不純物やアウトガス成分が少なく、半導体集積回路の
プロセスで使用するには好ましい。シリコーンゴム組成
物としては、硬化前の性状はミラブルの固形タイプ、液
状タイプのいずれのものでもよく、硬化方法は、過酸化
物硬化型、付加反応硬化型、縮合硬化型、紫外線硬化型
などのものでよい。

【００１２】第２絶縁層の厚みは、放熱性の点で極力薄
い方が好ましく、５０〜１０００μｍの範囲のものがよ
い。５０μｍ未満では絶縁耐圧が低下するため、静電チ
ャックが絶縁破壊を起こす確率が高くなり、半導体デバ
イスの歩留の上で不利となり、また１０００μｍを超え
ると放熱性が低下するため、ウエハの冷却効率が悪くな
り、集積回路の歩留の上で不利である。さらに、第２絶
縁層表面の平坦度及び表面粗さは、ウエハとの密着性に
影響し、ウエハと第２絶縁層表面の接触熱抵抗に影響を
与えるが、平坦度は５０μｍ以下とすることが、ウエハ
との密着性を良くする上で好ましい。５０μｍを超える
とウエハとの密着性が低下し、放熱性が低下するため、
ウエハの冷却効率が悪くなり、集積回路の歩留の上で不
利である。表面粗さ（Ｒａ）は１０μｍ未満とすること
が、ウエハとの密着性を良くする上で好ましい。１０μ
ｍを超えると放熱性が低下するため、ウエハの冷却効率
が悪くなり、集積回路の歩留の上で不利である。

【００１３】また、上記ゴム組成物の硬化物は、ウエハ
と直接接触するため導電性不純物が極力少ないことが好
ましく、アルカリ金属、アルカリ土類金属、及び鉄、ニ
ッケル、銅、クロムなどの重金属含有量が１ppm 以下と
することが好ましく、さらにこれらの不純物成分がウエ
ハに移行しないことが必要とされる。

【００１４】ゴム組成物の硬化物の強度及び硬度を調整
する目的でゴム組成物に公知の各種充填材、着色剤及び
難燃性付与剤等を配合することができる。

【００１５】本発明の静電チャックの各層は接着または
密着により積層すればよいが、接着剤を用いることが好
ましく、接着剤としては、公知のシリコーンゴム系接着
剤が好ましい。また、第１絶縁層への導電性パターンの
形成は、導電性ペーストの印刷、メッキなどの方法、ま
たは導電性金属フィルムの接着などの方法により形成す
ることができる。リード線は導電性パターンに電圧を印
加するために電源への接続用に設置するものであるが、
取り付けは半田付けなどにより導電性パターンに接合す
れば良い。また、リード線間及びリード線と金属基板間
の電気絶縁は公知のシリコーン系封止材、エポキシ系の
封止材により行えば良い。

【００１６】

【実施例】次に、本発明の実施例、比較例について説明
するがこれらは本発明を限定するものではない。組成例１〜４原材料が下記Ａ〜Ｆより選ばれる表１に示す組成例１〜
４のシリコーンゴム組成物をロールで配合し、プレス圧
力５kg/cm²、温度１７０℃、時間３０分の条件でプレス
成型を行い、シートを作製した。得られたシリコーンゴ
ムシートを使用し、静電チャックを表２の構成で製造し
た。

【００１７】Ａ：ジメチルシロキサン単位 99.85モル
％、メチルビニルシロキサン単位0.15モル％からなる平
均重合度8000のメチルビニルポリシロキサンＢ：ジ−ｔ−ブチルパーオキサイドＣ：アルミナ粉（AL24、昭和電工社製商品名）Ｄ：窒化アルミニウム粉（XUS-35548 、ダウケミカル社
製商品名）Ｅ：窒化ホウ素粉（KBN(h)10、信越化学工業社製商品
名）Ｆ：シリカ粉（クリスタライト、龍森社製商品名）

【００１８】

【表１】

【００１９】実施例１表２に示す構成で静電チャックを製造する。すなわち、
第１絶縁層のアルミナ板に、銅メッキにより膜厚２０μ
ｍの図３に示す双極型電極パターンを形成し、次に第２
絶縁層の組成例１のシリコーンゴムシートにスクリーン
印刷でシリコーン系接着剤KE1801（信越化学工業社製商
品名）を膜厚２５μｍに塗布し、アルミナ板の銅パター
ン側と貼り合わせ、圧力０．１kgf/cm² 、温度１２０
℃、時間１０分の条件でプレス接着した。ついでアルミ
ニウム基板にスクリーン印刷にてシリコーン系接着剤KE
1801（前出）を膜厚１０μｍ塗布し、上記アルミナ板／
銅パターン／組成例１シリコーンゴムシートの複合シー
トのアルミナ側を貼り合わせ、圧力０．０１kgf/cm² 、
温度１２０℃、時間１０分の条件でプレス接着した。２
本のリード線を銅パターンより半田付けにより引き出し
リード線間及びアルミニウム基板とリード線間を絶縁す
るために、シリコーン系ポッティング剤KJR632（信越化
学工業社製商品名）にて封止し、図２に示す静電チャッ
クが得られた。

【００２０】

【表２】

【００２１】次に、図４に示す冷却性能試験器１５に、
上記静電チャック９を装着し、静電チャックの冷却性能
を試験した。試験方法は圧力０．０１Torrの減圧下のチ
ャンバー内に静電チャックを装着し、これにＤＣ＋０．
５ｋＶを電源１４より供給し、ウエハ１０を静電チャッ
ク９に静電吸着固定し、ヒーター１１によりウエハ１０
を１５０℃に加熱した後４℃の冷却水１３を循環させ、
ウエハ１０の温度が平衡状態になったときの温度を表面
温度計１２により測定した。結果を表２に併記するが、
この結果からウエハ温度は５０℃を示し、静電チャック
は冷却性能に優れることが確認された。

【００２２】実施例２第１絶縁層の窒化アルミニウム板に、図３に示す双極型
電極パターンを、導電性印刷用銀ペーストをスクリーン
印刷で膜厚１０μｍに塗布した後に、炉内温度８００
℃、３時間で焼き付けして形成した。ついで第２絶縁層
の組成例２のシリコーンゴムシートにスクリーン印刷で
シリコーン系接着剤KE44（信越化学工業社製商品名）を
膜厚２０μｍに塗布し、窒化アルミニウム板の銀パター
ン側と貼り合わせ、圧力０．１kgf/cm² 、温度２０℃、
時間４８時間の条件でプレス接着した。次に、アルミニ
ウム基板にスクリーン印刷でシリコーン系接着剤KE44
（前出）を膜厚１０μｍに塗布し、上記窒化アルミニウ
ム板／銀パターン／組成例２シリコーンゴムシートより
なる複合シートの窒化アルミニウム板側を貼り合わせ、
圧力０．０１kgf/cm² 、温度２０℃、時間４８時間の条
件でプレス接着して、２本のリード線を銀パターンより
半田付けにより引き出し、リード線間及びアルミニウム
基板とリード線間を絶縁するために、エポキシ系ポッテ
ィング剤セミコート114 （信越化学工業社製商品名）で
封止し、図２に示す静電チャックが得られた。この静電
チャックについて実施例１と同様に冷却性能を試験し
た。結果を表２に併記するが、ウエハ温度は３０℃を示
し、得られた静電チャックは冷却性能に優れることが確
認された。

【００２３】実施例３第１絶縁層の窒化ホウ素板に、導電性印刷用タングステ
ンペーストをスクリーン印刷にて膜厚１５μｍに塗布し
た後、炉内温度１０００℃、３時間の条件で焼き付け
て、図３に示す双極型電極パターンを形成した。ついで
第２絶縁層の組成例３のシリコーンゴムシートにスクリ
ーン印刷でシリコーン系接着剤KE1801（前出）を膜厚２
０μｍに塗布し、窒化アルミニウム板のタングステンパ
ターン側と貼り合わせ、圧力０．１kgf/cm² 、温度１２
０℃、時間１０分の条件でプレス接着した。次にジュラ
ルミン基板にスクリーン印刷でシリコーン系接着剤KE18
01（前出）を膜厚１０μｍに塗布し、上記窒化ホウ素板
／タングステンパターン／組成例３シリコーンゴムシー
トよりなる複合シートの窒化ホウ素板側を貼り合わせ、
圧力０．０１kgf/cm² 、温度１２０℃、時間１０分でプ
レス接着し、２本のリード線をタングステンパターンよ
り半田付けにより引き出し、リード線間及びジュラルミ
ン基板とリード線間を絶縁するために、シリコーン系ポ
ッティング剤KJR632（前出）にて封止し、図２に示す静
電チャックが得られた。この静電チャックにつき実施例
１と同様に冷却性能を試験した。結果を表２に併記する
が、ウエハ温度は４０℃を示し、得られた静電チャック
は冷却性能に優れることが確認された。

【００２４】実施例４第２絶縁層の組成例４のシリコーンゴムシートにスクリ
ーン印刷でシリコーン系接着剤KE1825（信越化学工業社
製商品名）を膜厚２０μｍに塗布し、次に厚み３５μｍ
の銅箔を塗布面に貼り合わせ、圧力０．１kgf/cm² 、温
度１２０℃、時間１０分の条件でプレス接着した。次い
で、化学エッチング処理により図３に示す双極型電極パ
ターンを形成した。ついで第１絶縁層の石英板に、スク
リーン印刷にてシリコーン系接着剤KE1825（前出）を膜
厚２０μｍに塗布し、第２絶縁層の銅パターン側に貼り
合わせ、圧力０．１kgf/cm² 、温度１２０℃、時間１０
分の条件でプレス接着した。次にジュラルミン基板にス
クリーン印刷でシリコーン系接着剤KE1825（前出）を塗
布し、上記石英板／銅パターン／組成例４のシリコーン
ゴムシートの複合シートの石英板側に貼り合わせ、圧力
０．０１kgf/cm² 、温度１２０℃、時間１０分の条件で
プレス接着した。ついで２本のリード線を銅パターンよ
り半田付けにより引き出し、リード線間及びジュラルミ
ン基板とリード線間を絶縁するために、シリコーン系ポ
ッティング剤KJR632（前出）にて封止し、図１に示す静
電チャックが得られた。この静電チャックにつき実施例
１と同様に冷却性能を試験した。結果を表２に併記する
が、ウエハ温度は６５℃を示し、得られた静電チャック
は冷却性能に優れることが確認された。

【００２５】実施例１〜４で作製した静電チャックをプ
ラズマエッチング装置に実装し、反応ガスとして、ＣＦ
₄ 、Ｏ₂ （酸素分圧＝ 0.1）を使用し、温度７０℃、圧
力０．８Torr、マイクロ波入力 400Ｗ、ウエハ１枚当た
りの処理時間６０秒という条件でシリコンウエハ4000枚
を処理したが、いずれの静電チャックにおいてもウエハ
の温度上昇、温度分布のばらつきは認められず、良好な
異方性形状に加工できたことにより、本発明の静電チャ
ックは耐久性にも優れることが確認された。

【００２６】比較例１比較のために、表３中の比較例１欄に示す構成とした以
外は、実施例４と同じ条件で、ポリイミド製静電チャッ
クを作製し、冷却性能を試験した結果、ウエハ温度は１
２０℃を示し、冷却性能が悪いことが確認された。

【００２７】

【表３】

【００２８】比較例２表３中の比較例２欄に示す構成とした以外は、実施例１
と同じ条件で、導電性パターン内蔵の一体焼成型アルミ
ナ製静電チャックを作製し、冷却性能を試験した結果、
ウエハ温度は１１０℃を示し、冷却性能が悪いことが確
認された。

【００２９】比較例３表３中の比較例３欄に示す構成とした以外は、実施例４
と同じ条件で、シリコーンゴム製静電チャックを作製
し、冷却性能を試験した結果、ウエハ温度は９０℃を示
し、冷却性能が悪いことが確認された。

【００３０】

【発明の効果】本発明によれば、耐プラズマ性がよく、
ウエハとの密着性も良好で、熱伝導性がよいので、冷却
性能に優れ、かつ耐久性の高い静電チャックが提供され
る。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の静電チャックの実施例の側面模式図で
ある。

【図２】本発明の静電チャックの別の実施例の側面模式
図である。

【図３】本発明における導電性パターンの一例の上面模
式図である。

【図４】冷却性能試験器の断面模式図である。

【符号の説明】

１ ‥‥‥第２絶縁層２ ‥‥‥接着剤層３ ‥‥‥第１絶縁層４ ‥‥‥接着剤層５ ‥‥‥金属基板６ ‥‥‥導電性パ
ターン７ ‥‥‥リード線８ ‥‥‥封止剤９ ‥‥‥静電チャック１０ ‥‥ウエハ１１ ‥‥ヒーター１２ ‥‥表面温度
計１３ ‥‥冷却水１４ ‥‥電源１５ ‥‥冷却性能試験器

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者米山勉群馬県碓氷郡松井田町大字人見１番地10 信越化学工業株式会社シリコーン電子材料技術研究所内 (56)参考文献特開平４−342155（ＪＰ，Ａ) 特開平５−21585（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/68

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】金属基板上にセラミックスからなる第１
絶縁層と、該第１絶縁層上に電極として形成された導電
性パターンと、該導電性パターン上にシリコーンゴム組
成物の硬化物からなる第２絶縁層が設けられてなり、第
２絶縁層の熱伝導率が０．０００５ｃａｌ／ｃｍ・ｓｅ
ｃ・℃以上で、厚みが５０〜１０００μｍ、表面粗さが
１０μｍ未満であり、かつＪＩＳ−Ａによる硬度が３０
〜９０°であることを特徴とする静電チャック。
【請求項２】前記セラミックスからなる第１絶縁層
が、窒化アルミニウム、アルミナ、窒化ホウ素、窒化珪
素より選ばれたものである請求項１に記載の静電チャッ
ク。
【請求項３】少なくとも前記金属基板と前記第１絶縁
層、および前記第２絶縁層と前記導電性パターンとが接
着剤で接着されている請求項１または２に記載の静電チ
ャック。