JP3254701B2

JP3254701B2 - 静電チャック及びその製造方法

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Publication number: JP3254701B2
Application number: JP30349091A
Authority: JP
Inventors: 一夫菊池
Original assignee: Sony Corp
Current assignee: Sony Corp
Priority date: 1991-11-19
Filing date: 1991-11-19
Publication date: 2002-02-12
Anticipated expiration: 2017-02-12
Also published as: JPH05144929A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、例えば半導体装置の製
造工程において、ウェーハ等を静電引力（クーロン力）
により吸着して保持する静電チャック及びその製造方法
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体製造工程においては、
ドライエッチング、ＣＶＤ装置におけるウェーハの冷却
用ステージ又は露光装置におけるウェーハの平面度矯正
を行う試料ステージ等に静電チャックが用いられてい
る。そして、このような静電チャックの吸着部の構成と
しては、高分子材料系の絶縁膜であるポリイミドシート
を銅箔の表裏に接着剤で貼り付けたもの、２枚の絶縁性
セラミック板間に金属箔をはさみ焼結させたもの、絶縁
性セラミック基材上の金属箔を溶射により絶縁性セラミ
ック薄膜で被覆したものなどが知られている。この場
合、絶縁性セラミックとしてはアルミナ等が用いられ
る。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、かかる静電
チャックの吸着力は、電極と吸着物（ウェーハ）の間に
働くクーロン力、即ち次式で示される力に依存する。

【０００４】

【数１】

【０００５】すなわち、この吸着力は、印加電圧の２
乗、絶縁層の厚みの−２乗、絶縁層の誘電率の１乗に比
例する。従って、吸着力の強い静電チャックを得るため
には、絶縁層の厚みをできるだけ薄くする一方、絶縁層
の絶縁破壊電圧が高いことが要求される。また、静電チ
ャックはＣＶＤ装置等内で使用されるので、脱ガス特性
すなわち真空特性が良いことも要求される。さらに、半
導体装置の各製造工程において、ウェーハを効率良く加
熱、冷却するため絶縁層の熱伝導率が高いことも要求さ
れる。しかしながら、上述した従来例にあっては、次の
ような問題が生じていた。すなわち、ポリイミド膜を絶
縁膜として用いたタイプは、厚みが０．１ｍｍ程度の薄
いシート状の静電チャックを構成できるものの、ポリイ
ミド膜や接着剤が高分子材料からなるので真空特性が悪
く、また、耐プラズマ性も良くない。一方、２枚の絶縁
性セラミック板間に金属箔をはさんだタイプは、接着剤
を必要とせず、全て無機材料からなるので真空特性は良
いものの、絶縁性セラミック板の厚みが０．５ｍｍ以上
あるため、薄い静電チャックを構成することが困難であ
る。従って、静電チャックとしての吸着力が弱く、また
熱伝導効率も良くない。さらに、絶縁性セラミックを溶
射して薄膜にしたタイプは、絶縁層の厚みを薄くするこ
とはできるが、溶射したセラミック薄膜の表面は多孔質
で粗く、これを平坦化するために機械加工又は高分子溶
液への含浸が必要である。また、このような薄膜は絶縁
破壊電圧が低いという問題もある。

【０００６】本発明は従来例のかかる点に鑑みてなされ
たもので、その目的とするところは、吸着力が強いとと
もに真空特性が良く、しかも効率良く試料を加熱、冷却
しうる静電チャック及びその製造方法を提供することに
ある。

【０００７】

【課題を解決するための手段】本発明の静電チャック
は、例えば図１に示すように、基板１上の例えば導体又
は半導体からなる電極層５を被覆する絶縁性誘電層９上
に載置した例えば非磁性、導電性、半導電性、又は絶縁
性等からなる試料１０を電気的に吸着する静電チャック
において、電極層５を基板１上に直接又はダイヤモンド
薄膜からなる絶縁性誘電層４を介して形成されたｎ型又
はｐ型の不純物をドーピングしたダイヤモンド薄膜とす
ると共に、絶縁性誘電層９がダイヤモンド薄膜であり、
その膜厚が５〜２５μｍであることを特徴とするもので
ある。電極層５及び絶縁性誘電層９をダイヤモンド薄膜
とした本発明の静電チャックを製造する場合には、基板
１上に、直接又はダイヤモンド薄膜からなる絶縁性誘電
層４を介してｎ型又はｐ型の不純物をドーピングしたダ
イヤモンド薄膜からなる電極層５を形成した後、この電
極層５上にダイヤモンド薄膜９を形成する。本発明の他
の静電チャックは、電極層を、例えば図４に示すように
基板２０上に直接形成された電極層２６、又は例えば図
３に示すように基板３０上にＡｌＮ薄膜からなる絶縁性
誘電層３１を介して形成された電極層３２として、電極
層２６又は３２を被覆する絶縁性誘電層４０又は３３
を、膜厚が５〜２５μｍであるＡｌＮ薄膜により形成し
たものである。本発明のさらに他の静電チャックは、絶
縁性誘電層をダイヤモンドライクカーボンとしたもので
ある。

【０００８】

【作用】かかる構成を有する本発明の静電チャックは、
絶縁性誘電層９がダイヤモンド薄膜であり、アルミナに
比して高い熱伝導率を有するので、この絶縁性誘電層９
上に試料を載置して吸着した場合に、試料１０及び絶縁
性誘電層９相互間において従来例より多くの熱交換が行
われる。また、絶縁性誘電層９の膜厚は５〜２５μｍと
極めて薄いことから、試料１０に対する吸着力を高める
ことができる。ダイヤモンド薄膜は銅の２倍以上の熱伝
導率を有し、また、絶縁破壊電圧が高く膜厚を薄くする
ことができる。さらに、ダイヤモンド薄膜は耐高音性を
有するので、高温下での静電チャックの使用が可能にな
る。加えて、ダイヤモンド薄膜は耐摩耗性及び耐プラズ
マ性に優れているので、くり返して使用しても性能が低
下しない。そして、電極層５をｎ型又はｐ型の不純物を
ドーピングしたダイヤモンド薄膜とすることにより、電
極層５及び絶縁性誘電層９の積層を連続して行うことが
できる。また、本発明の他の静電チャックは、絶縁性誘
電層９をＡｌＮ薄膜としたものであるが、このＡｌＮ薄
膜はアルミニウムの２／３の熱伝導率と低熱膨張率を有
する絶縁性セラミックであり、膜質は緻密で、下地が鏡
面であれば薄膜表面もほぼ鏡面になるという性質を有す
る。また、ＡｌＮ薄膜は耐摩耗性及び耐プラズマ性に優
れている。また、本発明のさらに他の静電チャックは、
絶縁性誘電層をダイヤモンドライクカーボンとしたもの
であるが、このダイヤモンドライクカーボンは硬度が高
く、電気抵抗が大きいなどダイヤモンドに類似した性質
を有する。また、イオンプレーティングやマグネトロン
スパッタリング等のＰＶＤで成膜することができ、室温
付近の低温でしかも鏡面状態のままで皮膜を得ることが
できる。さらに、かかる静電チャックを製造する場合に
は、接着剤を使わずイオンプレーティングによって電極
５上にＡｌＮ薄膜９を形成することができ、これにより
真空特性が良くなり、またＡｌＮ薄膜９の耐摩耗性が良
いため使用時のパーティクルの発生が少なくなる。

【０００９】

【実施例】以下、本発明に係る静電チャック及びその製
造方法の実施例について図面を参照して説明する。

【００１０】図１は本発明の第１実施例装置（静電チャ
ック）Ａの全体構成を示すものである。本実施例装置Ａ
は、例えばＣＶＤ装置、ドライエッチング装置等におい
て用いられるもので、例えばＳｉＣ等の導電性セラミッ
ク又は高純度カーボンからなる厚みが１０〜２０ｍｍの
電極基板１を備えている。そして、電極基板１内には、
ウェーハの処理プロセスに応じて加熱、冷却するための
温度センサ付の加熱ヒーター２及び冷却水路３が設けら
れている。そして、電極基板１上には後述の方法により
絶縁膜として厚み数μｍのダイヤモンド薄膜４が形成さ
れている。

【００１１】ダイヤモンド薄膜４上には、Ｃｕ，Ａｌ等
からなる金属箔５が電極として形成されている。この金
属箔５の厚みは数μｍである。尚、金属箔５はダイヤモ
ンド薄膜４より若干小さくパターニングされている。

【００１２】一方、電極基板１内には金属箔５に直流電
圧を印加するための給電部材６が埋め込まれ、この給電
部材６は金属箔５に接続されている。給電部材６と上述
の電極基板１とは絶縁材７により絶縁され、さらに給電
部材６は直流電源８の正極に接続されている。

【００１３】金属箔５上には、金属箔５が完全に覆われ
るように絶縁性誘電層としてダイヤモンド薄膜９が形成
されている。このダイヤモンド薄膜９の厚みは１０〜２
０μｍである。そして、ダイヤモンド薄膜９上には、吸
着すべきウェーハ等の非磁性体１０が載せられる。この
非磁性体１０は、直流電源８の負極に接続されるように
なっている。

【００１４】次に、本実施例装置Ａの製造方法について
説明する。まず、プラズマＣＶＤ装置（図示せず）のチ
ャンバー内に電極基板１を配置し、ＣＨ₄＋Ｈ₂の混合
ガスを用いてダイヤモンド薄膜４を成膜する。この場
合、電極基板１内には予め給電部材６及び加熱ヒーター
２を設けておく。次いで、プラズマＣＶＤ装置又はイオ
ンプレーティング装置（図示せず）のチャンバー内にこ
の電極基板１を配置し、金属箔５を成膜させる。さら
に、上述のプラズマＣＶＤ装置により、金属箔５上に絶
縁性誘電層となるダイヤモンド薄膜９を形成する。この
場合、ダイヤモンド薄膜９の厚みはダイヤモンド薄膜４
の厚みよりも厚目に形成する。最後に、ダイヤモンド薄
膜９の表面を研磨して表面粗さを小さくし、面接触状態
による熱伝導効率の向上を図る。

【００１５】本実施例装置Ａを用いてウェーハ等の非磁
性体１０を吸着する場合には、ダイヤモンド薄膜９上に
非磁性体１０を載せ、給電部材６を介して直流電圧（３
００Ｖ）を印加する。この場合、陰極の印加部１１を図
１に示すように非磁性体１０に直接接触させてもよい
が、装置構成の制約から接触できない場合には、エレク
トロンシャワー等により電子を供給しても良い。また、
プラズマを発生させても良い。

【００１６】本実施例装置Ａに用いられるダイヤモンド
薄膜９は、銅の２倍以上すなわちアルミナより高い熱伝
導率とセラミック以上の絶縁破壊電圧３×１０⁶Ｖ／ｃ
ｍ）を有し、高温での使用も可能である。従って、広い
温度領域で効率の良い温度調整ができる静電チャックを
得ることができる。また、このように絶縁破壊電圧が高
いため、絶縁性誘電層の厚みを数十μｍ程度と極めて薄
くでき、この結果、吸着力（クーロン力）が強く、必要
に応じて印加電圧を低減することができる。さらに、ダ
イヤモンド薄膜は耐摩耗性及び耐プラズマ性に優れてい
るため、静電チャックの寿命を長くすることができる。
さらにまた、半導体製造のドライエッチング工程におい
てはウェーハの温度調整が必要であることから、従来、
静電チャックによる温度調整に加えＨｅガスによる冷却
及びヒーターによる加熱を行っていたが、本実施例の装
置によれば、冷却Ｈｅガスをチャンバー内に導入しなく
とも十分に温度調整を行うことができるので、よりクリ
ーンな雰囲気を保つことができ、またＨｅ供給手段等が
不要となることから電極構造を簡単にすることができ
る。加えて、本実施例の方法においては、接着剤を使わ
ずプラズマＣＶＤ等の蒸着によりダイヤモンド薄膜４，
９及び金属箔５を積層できることから、真空特性が良
く、またダイヤモンド薄膜９の耐摩耗性の良さからパー
ティクルの発生も少ないので、半導体製造工程における
クリーン度を高めることができる。尚、上述の実施例に
おいては、電極層を金属で構成したが、本発明はこれに
限られることはなく、ｎ型又はｐ型の不純物（例えば臭
素）をドーピングしたダイヤモンド薄膜で電極層を構成
することも可能である。この場合、電極層及び絶縁性誘
電層の積層を連続して行うことができ、製造工程を単純
にすることができる。

【００１７】図２は本発明の第２実施例装置（静電チャ
ック）Ｂを示すものである。本実施例装置Ｂは、半導体
製造の各工程においてウェーハを搬送するための搬送ア
ームに本発明を適用したものである。搬送アーム２０
は、ＡｌＮ等の高熱伝導性の絶縁性セラミックからな
る。そして、搬送アーム２０内には、２つの給電部材２
１，２２が絶縁材２３，２４を隔てて設けられ、給電部
材２２は直流電源２５の正極に、給電部材２１は直流電
源２５の負極にそれぞれ接続されている。搬送アーム２
０上には、熱膨張係数がセラミックに近い金属であるＭ
ｏ，Ｔｉ等の金属箔２６が形成されている。この金属箔
２６はイオンプレーティングにより形成される。さら
に、金属箔２６の表面を覆うようにダイヤモンド薄膜２
７がプラズマＣＶＤにより形成されている。尚、金属箔
２６の厚みは数μｍ、ダイヤモンド薄膜２７の厚みは１
０〜２０μｍである。ダイヤモンド薄膜２７の表面は、
成膜後に研磨される。一方、搬送アーム２０上には、ダ
イヤモンド薄膜２７に近接するようにウェーハガイド２
８が設けられている。このウェーハガイド２８は例えば
ＳｉＣ等の導電性セラミックからなり、上述の給電部材
２１に接続されている。

【００１８】本実施例装置Ｂによってウェーハ等の非磁
性体２９を吸着する場合には、非磁性体２９をダイヤモ
ンド薄膜２７上に載せ、その一端部をウェーハガイド２
８に接触させる。そして、２つの給電部材２１，２２に
直流電圧を印加することにより非磁性体２９が吸着され
る。

【００１９】本実施例装置Ｂは、第１実施例装置Ａと同
様に絶縁性誘電層にダイヤモンド薄膜２７を使用してい
るので、熱伝導率が良く、このため半導体装置の製造工
程に応じて加熱、冷却された非磁性体２９を搬送する際
に十分熱が吸収されることから、熱衝撃を低減すること
ができる。従って、安定したウェーハ等の搬送を行うこ
とができる。また、吸着部分がダイヤモンド薄膜２７か
らなるので、耐摩耗性に富むことは第１実施例の場合と
同様である。さらに、絶縁性誘電層としてのダイヤモン
ド薄膜２７は非常に薄いので、本実施例装置Ｂの吸着力
は従来例の装置に比べてかなり強い。従って、搬送時に
非磁性体２９を確実に保持できるために印加電圧を上げ
る必要がなく、この結果、例えばウェーハ上のデバイス
の損傷を防止することができる。さらにまた、このよう
に吸着力が強いので、非磁性体２９として、ウェーハの
みならず石英等のガラスも搬送することができる。

【００２０】図３は本発明の第３実施例装置（静電チャ
ック）Ｃを示すものである。本実施例装置Ｃは、第１実
施例装置Ａにおいて、絶縁性誘電層としてダイヤモンド
薄膜９の代わりにＡｌＮ薄膜３３を形成したもので、以
下第１実施例装置Ａと対応する部分には同一符号を付し
て説明する。

【００２１】本実施例装置Ｃの電極基板３０は、アルミ
ニウム又はＳｉＣ等の導電性セラミックからなり、その
厚みは１０〜２０ｍｍである。電極基板３０の表面は研
磨により鏡面に近い状態にされている。電極基板３０上
には、絶縁膜としてＡｌＮ薄膜３１が数μｍの膜厚で形
成されている。この成膜方法はイオンプレーティングで
ある。そして、ＡｌＮ薄膜３１上にはイオンプレーティ
ングによって金属箔３２が形成されている。この金属箔
３２の厚みは数μｍで、その熱膨張係数がセラミックに
近いＭｏ，Ｔｉ等の金属を用いることが好ましい。金属
箔３２上には、イオンプレーティングによってＡｌＮ薄
膜３３が形成されている。このＡｌＮ薄膜３３の厚みは
１０〜２０μｍで、金属箔３２が完全に覆われるように
形成されている。尚、ＡｌＮ薄膜３３は緻密で下地の表
面粗さに倣うので、特に研磨は行わない。尚、第１実施
例装置Ａと同様に、電極基板３０には加熱ヒーター２、
冷却水路３等が設けられている。

【００２２】本実施例装置Ｃに用いられるＡｌＮ薄膜３
１，３３は、アルミニウムの２／３の熱伝導率と低熱膨
張率を有する絶縁性セラミックであり、膜質は緻密で下
地が鏡面であれば薄膜表面もほぼ鏡面になるという性質
を有する。従って、本実施例によれば、薄膜を研磨する
ことなく積層できるという効果がある。また、ＡｌＮ薄
膜３３は耐摩耗性、耐プラズマ性に優れているので、寿
命の長い静電チャックを構成することができる。尚、そ
の他の構成及び作用については第１実施例と同様である
のでその詳細な説明を省略する。

【００２３】図４は本発明の第４実施例装置（静電チャ
ック）Ｄを示すものである。本実施例装置Ｄは、第２実
施例装置Ｂにおいて、絶縁性誘電層としてダイヤモンド
薄膜２７の代わりにＡｌＮ薄膜４０を形成したもので、
以下第２実施例装置Ｂと対応する部分には同一の符号を
付して説明する。

【００２４】本実施例装置ＤのＡｌＮ薄膜４０は、イオ
ンプレーティングにより形成され、その厚みは１０〜２
０μｍである。そして、第２実施例装置Ｂの場合と同様
に金属箔２６を覆うようにＡｌＮ薄膜４０が形成されて
いる。また、ＡｌＮ薄膜４０上の非磁性体２９には給電
部材２２及びウェーハガイド２８を介して直流電圧が印
加されるようになっている。

【００２５】絶縁性誘電層にＡｌＮ薄膜４０を用いた本
実施例装置Ｄは吸着力が強く、かつ熱伝導率も高いこと
から、第２実施例装置Ｂと同様に搬送用の静電チャック
として優れたものを提供することができ、加えて薄膜を
研磨することなく積層できるという効果もある。その他
の構成及び作用については第２及び第３実施例と同一で
あるのでその詳細な説明を省略する。

【００２６】尚、上述の実施例においては、絶縁性誘電
層としてダイヤモンド薄膜又はＡｌＮ薄膜を用いたが、
本発明はこれに限られることはなく、例えばダイヤモン
ドライクカーボン、ＢｅＯ（ベリリア）、ＭｇＯ（マグ
ネシア）等を使用することもできる。このうち、ダイヤ
モンドライクカーボンは硬度が高く、電気抵抗が大きい
など、性質はダイヤモンドに類似する。そして、その成
膜方法はイオンプレーティングやマグネトロンスパッタ
リング等のＰＶＤであり、室温付近の低温でしかも鏡面
状態のままで皮膜を得ることができるものである。

【００２７】また、上述の実施例においては絶縁性誘電
層の厚みを１０〜２０μｍとしたが、本発明はこれに限
られるものではなく、５〜２５μｍであれば本発明の効
果を得ることができる。もっとも、上述の実施例のよう
に１０〜２０μｍとすることが最も効果的である。

【００２８】

【発明の効果】以上述べたように本発明の静電チャック
は、絶縁性誘電層がアルミナに比して高い熱伝導率を有
し、その膜厚が５〜２５μｍと極めて薄いことから、従
来の静電チャックに比べ効率良く試料を加熱又は冷却す
ることができ、また試料に対する吸着力が高いので種々
の試料を確実に保持することができる。この場合、絶縁
性誘電層を絶縁破壊電圧の高いダイヤモンド薄膜とする
ことにより、静電チャックの吸着力を一層高めるととも
に、必要に応じて印加電圧を低減することができる。ま
た、ダイヤモンド薄膜は耐高温性を有することから、広
い温度領域で効率良く試料を加熱又は冷却することがで
きる。さらに、ダイヤモンド薄膜は耐摩耗性及び耐プラ
ズマ性に優れているため、静電チャックの寿命を長くす
ることができる。そして、電極層をｎ型又はｐ型の不純
物をドーピングしたダイヤモンド薄膜とすることによ
り、電極層及び絶縁性誘電層の積層を連続して行うこと
ができ、製造工程を単純にすることができる。一方、本
発明の静電チャックを製造する場合に、接着剤を使わず
蒸着によって電極層上にダイヤモンド薄膜を形成するよ
うにすれば、半導体製造工程のクリーン度を高めること
ができる。また、本発明に係る他の静電チャックにあっ
ては、絶縁性誘電層をＡｌＮ薄膜とすることにより、薄
膜を研磨することなく積層でき、製造工程を単純にする
ことができる。そして、この静電チャックを製造する場
合に、接着剤を使わずイオンプレーティングによって電
極上にＡｌＮ薄膜を形成するようにすれば、半導体製造
工程のクリーン度を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１実施例装置の全体構成を示す縦断
面図である。

【図２】本発明の第２実施例装置の全体構成を示す縦断
面図である。

【図３】本発明の第３実施例装置の全体構成を示す縦断
面図である。

【図４】本発明の第４実施例装置の全体構成を示す縦断
面図である。

【符号の説明】

１電極基板４，９ダイヤモンド薄膜５金属箔１０非磁性体

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献特開昭62−286247（ＪＰ，Ａ) 特開昭61−246942（ＪＰ，Ａ) 特開昭62−58050（ＪＰ，Ａ) 特開平４−277648（ＪＰ，Ａ) 特開平４−367247（ＪＰ，Ａ) 特開平５−8140（ＪＰ，Ａ) 特開平３−183151（ＪＰ，Ａ) 特開平４−186653（ＪＰ，Ａ) 特開平４−206755（ＪＰ，Ａ) 特開平３−194948（ＪＰ，Ａ) 特開平４−367247（ＪＰ，Ａ) 実開平３−109340（ＪＰ，Ｕ) (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】基板上の電極層を被覆する絶縁性誘電層
上に載置した試料を電気的に吸着する静電チャックにお
いて、上記電極層が上記基板上に直接又はダイヤモンド薄膜か
らなる絶縁性誘電層を介して形成されたｎ型又はｐ型の
不純物をドーピングしたダイヤモンド薄膜であり、上記絶縁性誘電層がダイヤモンド薄膜であり、その膜厚
が５〜２５μｍであることを特徴とする静電チャック。
【請求項２】基板上の電極層を被覆する絶縁性誘電層
上に載置した試料を電気的に吸着する静電チャックにお
いて、上記電極層が上記基板上に直接又はＡｌＮ薄膜からなる
絶縁性誘電層を介して形成され、上記電極層を被覆する絶縁性誘電層が、膜厚が５〜２５
μｍであるＡｌＮ薄膜により形成されていることを特徴
とする静電チャック。
【請求項３】基板上の電極層を被覆する絶縁性誘電層
上に載置した試料を電気的に吸着する静電チャックにお
いて、上記絶縁性誘電層がダイヤモンドライクカーボンである
ことを特徴とする静電チャック。
【請求項４】基板上の電極層を被覆する絶縁性誘電層
上に載置した試料を電気的に吸着する静電チャックの製
造方法において、上記基板上に、直接又はダイヤモンド薄膜からなる絶縁
性誘電層を介してｎ型又はｐ型の不純物をドーピングし
たダイヤモンド薄膜からなる上記電極層を形成する工程
と、その後、上記電極層上にダイヤモンド薄膜からなる上記
絶縁性誘電層を形成する工程とを有することを特徴とす
る静電チャックの製造方法。