JP3359582B2

JP3359582B2 - 静電チャック

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Publication number: JP3359582B2
Application number: JP33724398A
Authority: JP
Inventors: 純司大江
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-11-27
Filing date: 1998-11-27
Publication date: 2002-12-24
Anticipated expiration: 2018-11-27
Also published as: JP2000158275A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被吸着物を静電気
力でもって吸着保持する静電チャックに関するものであ
り、特にＰＶＤ、プラズマＣＶＤ、光ＣＶＤ、スパッタ
リングなどの成膜工程やプラズマエチング、光エッチン
グなどのエッチング工程、あるいは露光工程、描画工
程、洗浄工程、ダイシング工程、さらには上記各種処理
工程へ被吸着物を送るための搬送等に好適なものであ
る。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の製造において、半導
体ウエハへの露光処理や描画処理、さらにはＰＶＤ、Ｃ
ＶＤ、スパッタリングなどの成膜処理、洗浄処理、プラ
ズマエッチングや光エッチングなどのエッチング処理、
ダイシング処理あるいは各種処理工程への搬送時には、
半導体ウエハを静電気力でもって吸着保持するセラミッ
ク製の静電チャックが使用されている。

【０００３】図４（ａ）（ｂ）に一般的な静電チャック
１１の構造を示すように、被吸着物である半導体ウエハ
Ｗと略同等の大きさを有する板状セラミック体１２をし
たもので、この板状セラミック体１２の上面を半導体ウ
エハＷの吸着面１３とするとともに、その内部に外形状
が上記吸着面１３と略同形状をした円形の内部電極１４
を埋設したものがあった。なお、１５は板状セラミック
体１２の下面に接合され、上記内部電極１４と電気的に
接続された給電端子である。

【０００４】そして、この静電チャック１１によって半
導体ウエハＷを吸着固定するには、吸着面１３上に半導
体ウエハＷを載置し、内部電極１４と半導体ウエハＷと
の間に直流電圧を印加することにより、静電吸着力とし
て誘電分極によるクーロン力や微少な漏れ電流によるジ
ョンソン・ラーベック力を発現させ、吸着面１３上に半
導体ウエハＷを吸着固定するようになっていた。

【０００５】なお、図４（ａ）（ｂ）では基本的な構造
の静電チャック１１を示したが、目的に応じて上記板状
セラミック体１２中に抵抗発熱体を埋設してヒータ機能
を持たせたものもあった。また、図４（ａ）（ｂ）に示
す静電チャック１１の内部電極１４に対して直流電圧以
外に高周波電力を加え、内部電極１４に静電吸着機能以
外にプラズマ発生機能を持たせたものもあった。さら
に、図４（ａ）（ｂ）では単極型の静電チャック１１を
示したが、この他に板状セラミック体１２中に埋設する
内部電極１４を２つ以上に分割し、それぞれの内部電極
１４間に直流電圧を印加することで静電吸着力を発現さ
せる双極型の静電チャックもあった。

【０００６】ところで、図４（ａ）（ｂ）に示す静電チ
ャック１１を製作するには、複数枚のセラミックグリー
ンシート間に内部電極１４となる導体膜を内蔵したグリ
ーンシート積層体を焼成するか（特開昭６２−２６４６
３８号公報参照）、あるいはセラミック粉末中に内部電
極１４をなす金属板を埋設し、ホットプレスにて一体的
に成形、焼成して、それぞれ内部電極１４を埋設した板
状セラミック体１２を製作し、このようにして得られた
板状セラミック体１２の一方の主面に研磨加工を施して
吸着面１３を形成するとともに、他方の主面に給電端子
１５を接合して内部電極１４と電気的に接続することに
よって製造されていた。

【０００７】このうち積層技術により静電チャック１１
を製作する方法は、複数枚のセラミックグリーンシート
を積層する際に不可避的に圧力の不均一が生じ易く、静
電チャック１１にとって重要な吸着面１３から内部電極
１４間に存在するセラミック部の厚みを均一にすること
が難しいといった課題があった。しかも、内部電極１４
にプラズマ発生用の電極としての機能を持たせ、吸着面
１３上に吸着固定した半導体ウエハＷに対して均一な密
度のプラズマを発生させようとすると、１０μｍ以上の
厚みが必要となるのであるが、積層技術による方法では
１０μｍ以上の厚みを持った内部電極１４を板状セラミ
ック体１２中に埋設することはできなかった。

【０００８】これに対し、ホットプレス技術による静電
チャック１１は、予め吸着面１３から内部電極１４間に
存在するセラミック部を成形しておくことで、厚みを均
一にすることができ、また、１０μｍ以上の厚みをもっ
た内部電極１４を埋設することも可能であることから、
静電チャック１１を比較的容易に製造できるといった利
点がある。

【０００９】ただし、ホットプレス技術により静電チャ
ック１１を製作する場合、内部電極１４として平板状の
金属板を用いると、セラミックスと金属との熱膨張差に
よる剥離の恐れがあるため、内部電極１４には高融点金
属からなるパンチングメタルや金網が用いられていた
（特開平９−１３４９５１号公報参照）。

【００１０】

【発明が解決しようとする課題】ところが、内部電極１
４にパンチングメタルを用いた静電チャック１１では、
内部電極１４として用いられる高融点金属の硬度が高い
ために穴あけ加工が大変であり、加工コストも高くなる
ため実用的ではなかった。

【００１１】一方、内部電極１４に金網を用いた静電チ
ャック１１は、被吸着物である半導体ウエハＷに対し、
内部電極１４をなす金網そのものの占める割合が少なく
なり易く、十分な設計がなされていないと大きな静電吸
着力が得られず、半導体ウエハＷを吸着面１３上で精度
良く固定することができないといった問題があり、これ
まで金網からなる内部電極１４の最適な形状や形態につ
いて十分な検討がなされていなかった。

【００１２】また、本件発明者は、静電吸着力を向上さ
せるため、金網からなる内部電極１４の形状や形態につ
いて検討を進めていたところ、内部電極１４の形状や形
態が通電を止めた時の残留吸着力を逃がすのにも大きな
影響を与えることを知見した。即ち、半導体ウエハＷに
対して内部電極１４をなす金網そのものの占める割合が
少な過ぎると残留吸着力が残り易く、この残留吸着力が
残ると半導体ウエハＷを吸着面１３より直ちに取り外す
ことができず、各種処理工程のスループットを縮めるこ
とができないため、生産効率を高めることができないと
いった課題があった。

【００１３】しかも、金網が線材を編み目状に編み上げ
ただけのものでは、交差する線材間に隙間ができて電気
的導通が得られないことがあり、吸着面１３内において
均一な静電吸着力やプラズマを発生させることができ
ず、品質の安定した静電チャック１１を提供することが
できないといった課題もあった。

【００１４】その為、このような静電チャック１１を例
えば成膜処理やエッチング処理に用いると、半導体ウエ
ハＷに発生する熱を十分に吸収しきれないこととなり、
半導体ウエハＷへの成膜精度やエッチング精度が損なわ
れるといった課題があった。

【００１５】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、被吸着物を保持する吸着面を有する板状セラ
ミック体中に、線材からなる金網状電極を埋設してなる
静電チャックにおいて、上記金網状電極として線材の交
点を接合した金網、又は線材を編組みしたあとに厚み方
向に加圧して塑性変形させた金網を用いるとともに、上
記金網状電極が占める面積に対する開口部の割合を５０
〜８０％とし、かつ各開口部の最短幅を０．２３ｍｍ以
上としたことを特徴とする。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態を、半導
体装置の製造工程で用いる静電チャックを例にとって説
明する。

【００１７】図１（ａ）は本発明の静電チャック１の一
例を示す一部を破断した斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−
Ｘ線断面図で、被吸着物である半導体ウエハＷと略同等
の大きさを有する円盤状をした板状セラミック体２から
なり、この板状セラミック体２の上面を半導体ウエハＷ
を保持する吸着面３とするとともに、板状セラミック体
２の内部に図２に示すような外形状が円形をした格子状
の金網状電極４を埋設したもので、この金網状電極４は
板状セラミック体２の下面に接合された給電端子５と電
気的に接続されている。

【００１８】金網状電極４は、半導体ウエハＷを大きな
静電吸着力でもって固定する観点から、その大きさを板
状セラミック体２中に埋設することができる範囲ででき
るだけ大きくすることが好ましく、また、均一な静電吸
着力や後述するように均一なプラズマを発生させるため
には開口部４ａの大きさができる限り揃ったものを用い
るとともに、金網状電極４を構成する各線材との交点が
離れないように予め電気アーク溶接、スポット溶接、摩
擦接合、メッキ法などの方法でもって接合しておくか、
あるいは３次元的に絡み合うように織ったものを用いる
ことが良い。

【００１９】そして、この静電チャック１によって半導
体ウエハＷを吸着固定するには、吸着面３上に半導体ウ
エハＷを載置し、金網状電極４と半導体ウエハＷとの間
に直流電圧を印加して誘電分極によるクーロン力や微少
な漏れ電流によるジョンソン・ラーベック力を発現させ
ることによって、吸着面３上に半導体ウエハＷを吸着固
定することができる。

【００２０】また、図示していないが、金網状電極４に
直流電圧以外に高周波電力を印加することによって、吸
着面３上の半導体ウエハＷに対してプラズマを発生させ
る機能を設けることもできる。

【００２１】ところで、静電チャック１の静電吸着力を
高めかつ残留吸着力を速やかに逃がすためには、金網状
電極４が占める面積に対する開口部４ａの割合（以下、
開口率という）が重要である。

【００２２】即ち、静電チャック１の静電吸着力は一般
的に数１で示される。

【００２３】

【数１】

【００２４】従って、この数１より静電吸着力を高める
には、（１）金網状電極４の面積を大きくする（２）印加電圧を大きくする（３）吸着面３から金網状電極４間に存在するセラミッ
ク部の誘電率を大きくする（４）吸着面３から金網状電極４間に存在するセラミッ
ク部の厚みを薄くするようにすれば良いのであるが、
（３）は板状セラミック体２を形成する材質固有のもの
であり、（４）も板状セラミック体２の強度の観点から
限界があり、いずれも静電吸着力を大きく向上させ得る
ものではない。また、（２）についても静電チャック１
に使用される高電圧装置の電圧は最大でも１ｋＶ程度が
通常であり、これ以上大きな高電圧装置を用いると感電
等の危険性が高くなるとともに、装置が高額のものとな
り、さらには吸着面３から金網状電極４間におけるセラ
ミック部の耐電圧を超え、板状セラミック体２が絶縁破
壊する恐れがあるなど、実用に適さない。

【００２５】これに対し、（１）の金網状電極４の面積
を大きくすることは設計上可能であり、静電吸着力を高
めるのに有効な手段となる。

【００２６】一方、金網状電極４への通電を止めると、
金網状電極４上に溜まっていた電荷は瞬時に逃がすこと
がきるが、開口部４ａが位置する無電極部上に溜まった
電荷は瞬時に逃がすことができず、残留吸着力として残
るものと考えられ、特に、ジョンソン・ラーベック効果
を利用する静電チャック１に発生し易い。その為、金網
状電極４の面積を大きくすることは、残留吸着力の発生
を抑えるのにも有効な手段となる。

【００２７】そして、金網状電極４の面積を大きくする
には、線材の径を大きくしたり、線材間の間隔を狭くす
れば良く、いずれにおいても金網状電極４の開口率を調
整することによって達成することができる。

【００２８】そして、金網状電極４の開口率が８０％を
越えると、金網状電極４の面積が小さくなり過ぎるた
め、十分な大きさの静電吸着力を発現させることができ
ず、また、残留吸着力が残り易くなるため、半導体ウエ
ハＷの離脱応答性が悪い。

【００２９】ただし、金網状電極４の開口率が５０％よ
りも小さくなると、金網状電極４の面積が大きくなり過
ぎるために、板状セラミック体２の曲げ強度や耐熱衝撃
性が大幅に低下する。

【００３０】従って、静電チャック１の強度や耐熱衝撃
性を大幅に低下させることなく、静電吸着力を高めかつ
残留吸着力を速やかに逃がすためには、金網状電極４の
開口率を５０〜８０％とすることが重要である。

【００３１】また、金網状電極４の開口率が５０〜８０
％の範囲にあっても、各開口部４ａが狭すぎると、静電
チャック１の耐熱衝撃性を低下させることになる。これ
は、金網状電極４を形成する線材と板状セラミック体２
との界面には両者の反応生成物が１〜５０μｍの厚みで
形成されており、この反応生成物が耐熱衝撃性を低下さ
せるからであり、開口部４ａの幅が狭いと、その部分に
熱応力が集中し易いからである。その為、金網状電極４
に開口する各開口部４ａは、その最短幅Ｌを０．２３ｍ
ｍ以上、好ましくは０．３ｍｍ以上とすることが良い。

【００３２】なお、本発明において、金網状電極４が占
める面積とは、開口部４ａを含めた全面積Ｓのことであ
り、金網状電極４の開口率及び各開口部４ａの最短幅Ｌ
は、それぞれＸ線によって板状セラミック体２中に埋設
されている金網状電極４の輪郭を観察し、画像解析によ
って求めることができる。

【００３３】一方、このような板状セラミック体２を形
成する材質としては、アルミナ、窒化珪素、窒化アルミ
ニウム、炭化硼素等を主成分とするセラミックスを用い
ることができる。これらの中でも窒化アルミニウムを主
成分とするセラミックスは、他のセラミックスと比較し
て高い熱伝導率を有するとともに、腐食性の高いハロゲ
ンガスやプラズマに対して優れた耐蝕性、耐プラズマ性
を有することから板状セラミック体２の材質として好適
である。特に、純度が９９．８％以上である高純度の窒
化アルミニウムセラミックスは、焼結体中に粒界が殆ど
なく、耐プラズマ性に優れ、また、Ｙ₂Ｏ₃やＥｒなど
の希土類酸化物を１〜９重量％の範囲で含有する窒化ア
ルミニウムセラミックスは、熱伝導率が１００Ｗ／ｍｋ
以上、高いものでは１５０Ｗ／ｍｋ以上、さらに高いも
のでは２００Ｗ／ｍｋ以上を有することから吸着面３に
保持した半導体ウエハＷの均熱化をより一層高めること
ができる。

【００３４】また、板状セラミック体２中に埋設する内
部電極４の材質としては、タングステン（Ｗ）やモリブ
デン（Ｍｏ）など周期律表第６ａ族元素やＴｉなどの周
期律表第４ａ族元素の高融点金属あるいはこれらの合
金、さらにはＷＣ、ＭｏＣ、ＴｉＮなどの導電性セラミ
ックスを用いることができる。これらの金属、合金、導
電性セラミックスは板状セラミック体２を構成するセラ
ミックスと同程度の熱膨張係数を有することから、製作
時や発熱時における板状セラミック体２の反りや破損を
防ぐことができ、高温に発熱させても断線することがな
い。

【００３５】さらに、板状セラミック体２中の金網状電
極４へ通電するための給電端子５としては、タングステ
ン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニッケル（Ｎｉ）など
の金属や鉄（Ｆｅ）−コバルト（Ｃｏ）−ニッケル（Ｎ
ｉ）合金を用いることができ、特に耐酸化性が要求され
るような時にはニッケル（Ｎｉ）あるいは鉄（Ｆｅ）−
コバルト（Ｃｏ）−ニッケル（Ｎｉ）合金を用いれば良
い。

【００３６】なお、図１では基本的な構造を有する静電
チャック１を例にとって説明したが、目的に応じて板状
セラミック体２中に抵抗発熱体を埋設してヒータ機能を
持たせても良い。また、図１では単極型の静電チャック
１を示したが、この他に板状セラミック体２中に埋設す
る金網状電極４を２つ以上に分割し、各金網状電極４間
に直流電圧を印加することで静電吸着力を発現させる双
極型の静電チャック１とすることもできる。

【００３７】さらに、金網状電極４としては、図２に示
した開口部４ａの形が正方形をしたもの以外に、図３
（ａ）に示すような開口部４ａが三角形をしたもの、図
３（ｂ）に示すような開口部４ａが六角形をしたもの、
図３（ｃ）に示すような開口部４ａが円形をしたもの、
図３（ｄ）に示すような開口部４ａが楕円形をしたも
の、図３（ｅ）に示すような開口部４ａが略菱形をした
ものなど、開口部４ａの形に関係なく網状をしたもので
あれば金網状電極４として用いることができる。

【００３８】金網状電極４を構成する線材としては、断
面形状が円形をしたもの以外に、四角形や六角形など方
形をしたものや楕円形をしたものを用いることができ、
これらの断面形状を有する線材を用いることで交点での
接触面積を増やし、導通不良をより低減することができ
る。ただし、前述した金網状電極４を形成する高融点金
属やそれらの合金は一般に剛性が高く、加工が難しいた
め、例えば、断面形状が円形をした線材を編組みしたあ
とに、厚み方向に加圧して塑性変形させることによって
交点のみを断面形状が楕円形あるいは平板状にしても良
い。

【００３９】次に、図１に示す静電チャック１の製造方
法について説明する。

【００４０】まず、前述した各種セラミックスの造粒粉
を用意し、型内に充填して一軸加圧成型法や等加圧成型
法にて板状の成形体を形成する。そして、この成形体上
に図２に示す金網状電極４を載せたあと、電極４を覆う
ように成形体と同一原料からなる造粒粉を充填し、再度
一軸加圧成型法又は等加圧成型法にて金網状電極４を埋
設した成形体を形成する。この時、必要に応じて切削加
工を施しても良い。しかるのち、成形体を焼結させるこ
とができる温度にて焼成することで、金網状電極４を埋
設した板状セラミック体２を製作し、この一方の主面に
研磨加工を施して吸着面３を形成するとともに、他方の
主面に金網状電極４まで連通する穴を穿孔し、その穴に
給電端子５をロウ付け等の固定手段でもって固着するこ
とによって得ことができる。

【００４１】

【実施例】ここで、金網状電極４が占める面積に対する
開口部４ａの割合（開口率）と、各開口部４の最短幅Ｌ
をそれぞれ異ならせた図１に示す静電チャック１を試作
し、吸着力と残留吸着力、及び静電チャック１の曲げ強
度と耐熱衝撃性について調べる実験を行った。

【００４２】本実験では、純度９９．９％の窒化アルミ
ニウム粉末のみからなる成形体中に、開口率と開口部４
ａの最短幅Ｌを異ならせたモリブデンからなる図２に示
す金網状電極４を埋設し、この成形体をホツトプレス焼
結させて窒化アルミニウムセラミック製の板状セラミッ
ク体２を製作した。なお、ホットプレスの条件は、焼成
温度を１９１０℃、圧力を２００ｋｇ／ｃｍ²とした。

【００４３】そして、この板状セラミック体２の上面に
研削、研磨加工を施して吸着面３を形成するとともに、
板状セラミック体２の下面に金網状電極４が埋設された
深さまで穴を穿孔し、金属製端子５を金網状電極４とロ
ウ付けして静電チャック１を製作した。

【００４４】なお、板状セラミック体２を形成する窒化
アルミニウムセラミックスの特性について調べたとこ
ろ、相対密度９９％、曲げ強度４００ＭＰａ、常温での
体積固有抵抗値１×１０¹¹Ωｃｍ、２００℃での体積固
有抵抗値２×１０⁸Ωｃｍであった。

【００４５】そして、このようにして製作した各静電チ
ャック１を真空チヤンバー内に設置し、２００℃まで加
熱した状態で、１インチ角のシリコンウエハを静電チャ
ック１の吸着面３に載せ、シリコンウエハと金網状電極
４との間に５００Ｖの直流電圧を印加して吸着させた時
の吸着力を１０点測定し、これらの平均値を吸着力とし
た。

【００４６】また、金網状電極４への通電を止めてから
５秒後の吸着力を１０点測定し、これらの平均値を残留
吸着力とした。

【００４７】また、耐熱衝撃性を評価するために、常温
から３０℃／分の昇温速度で４００℃まで加熱したあと
冷却し、蛍光探傷によって板状セラミック体２の割れの
有無を観察した。

【００４８】さらに、板状セラミックス体２から、厚み
方向が長さとなるように３×４の断面を持つテストピー
スを切り出し、＃１５０のダイヤモンドホイールにて研
磨後、４点曲げ強度を測定した。

【００４９】それぞれの結果を表１に示す。

【００５０】

【表１】

【００５１】この結果、吸着力は、金網状電極４の開口
率を８０％以下とすることで急激に向上するとともに、
残留吸着力を殆ど無くすことができることが判る。ただ
し、金網状電極４の開口率が５０％未満では、板状セラ
ミック体２の曲げ強度が２００ＭＰａ以下にまで低下す
るとともに、昇温時に板状セラミック体２に割れが発生
するものがあった。

【００５２】よって、金網状電極４の開口率を５０〜８
０％とすることで、大きな吸着力が得られるとともに、
残留吸着力が殆どなく、曲げ強度や耐熱衝撃性の劣化の
少ない静電チャック１とできることが判る。

【００５３】（実施例２）次に、実施例１と同様の条件
にて、開口率は５０〜８０％とし、各開口部４ａの最短
幅Ｌを異ならせた金網状電極４を埋設した静電チャック
１を試作し、吸着力、残留吸着力、曲げ強度、耐熱衝撃
性について調べる実験を行った。

【００５４】それぞれの結果は表２に示す通りである。

【００５５】

【表２】

【００５６】この結果、金網状電極４の開口率は５０〜
８０％の範囲にあるため、吸着力や残留吸着力には顕著
な差は見られなかったものの、開口部４ａの最短径Ｌが
０．２３ｍｍ未満では昇温時に板状セラミック体２に割
れが発生するものがあった。これに対し、金網状電極４
の各開口部４ａの最短径Ｌが０．２３ｍｍ以上のもの
は、昇温時においても板状セラミック体２に割れは見ら
れなかった。

【００５７】以上の結果より、金網状電極４の開口率を
５０〜８０％とするとともに、金網状電極４の各開口部
４ａの最短径Ｌを０．２３ｍｍ以上とすることで、静電
チャック１の強度や耐熱衝撃性を大幅に低下させること
なく、静電吸着力を高めかつ残留吸着力を速やかに逃が
すことができることが判る。

【００５８】以上のように、本発明によれば、被吸着物
を保持する吸着面を有する板状セラミック体中に、線材
からなる金網状電極を埋設してなる静電チャックにおい
て、上記金網状電極として線材の交点を接合した金網、
又は線材を編組みしたあとに厚み方向に加圧して塑性変
形させた金網を用いるとともに、上記金網状電極が占め
る面積に対する開口部の割合を５０〜８０％とし、かつ
各開口部の最短幅を０．２３ｍｍ以上としたことによっ
て、曲げ強度や耐熱衝撃性を大きく劣化させることな
く、大きな吸着力を安定して発現させることができるた
め、被吸着物を吸着面に倣って高精度に保持することが
できるとともに、残留吸着力が残り難いことから、通電
を止めれば吸着面より直ちに被吸着物を離脱することが
できる。

【００５９】かくして、本発明の静電チャックを、成膜
装置やエッチング装置に用いれば、均一で配向性の高い
成膜処理やエッチング処理を施すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の静電チャックの一例を示す一
部を破断した斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図
である。

【図２】図１の静電チャックに内蔵する金網状電極を示
す平面図である。

【図３】（ａ）〜（ｅ）はさまざまな金網状電極を示す
平面図である。

【図４】（ａ）は従来の静電チャックの一例を示す一部
を破断した斜視図、（ｂ）は（ａ）のＹ−Ｙ線断面図で
ある。

【符号の説明】

１，１１・・・静電チャック２，１２・・・板状セラミック体３，１３・・・吸着面４・・・金網状電極５，１５・・・給電端子１４・・・内部電極Ｗ・・・半導体ウエハ

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】被吸着物を保持する吸着面を有する板状セ
ラミック体中に、線材からなる金網状電極を埋設してな
る静電チャックにおいて、上記金網状電極として線材の
交点を接合した金網、又は線材を編組みしたあとに厚み
方向に加圧して塑性変形させた金網を用いるとともに、
上記金網状電極が占める面積に対する開口部の割合が５
０〜８０％で、かつ各開口部の最短幅が０．２３ｍｍ以
上であることを特徴とする静電チャック。