JP3527840B2 - 静電チャック - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被固定物を静電吸
着力によって吸着保持する静電チャックに関するもので
あり、主に半導体装置や液晶基板などの製造工程におい
て半導体ウエハやガラス基板などの被固定物を保持する
のに用いるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製造工程において、半導体
ウエハに微細加工を施すためのエッチング工程や薄膜を
形成するための成膜工程、あるいはフォトレジストに対
する露光処理工程等においては、半導体ウエハを保持す
るために静電チャックが使用されている。

【０００３】この種の静電チャックは、絶縁基体と誘電
体層との間に静電吸着用電極を備え、上記誘電体層の上
面を吸着面としたものであり、この吸着面に被固定物で
ある半導体ウエハを載置して静電吸着用電極と半導体ウ
エハとの間に電圧を印加することで誘電分極によるクー
ロン力やジョンソンラーベック力を発現させてウエハを
吸着保持するものである。

【０００４】また、絶縁基体と誘電体層との間に複数枚
の静電吸着用電極を設け、これらの電極間に電圧を印加
することで吸着面に載置したウエハを吸着保持するよう
にした双極型のものも知られている。

【０００５】そして、これらの静電チャックを構成する
誘電体層には、ウエハの脱着に伴う摺動摩耗が少なく、
また、各種処理工程で使用される腐食性ガスによって腐
食し難いことが要求され、このような要求特性を満足す
る材質として従来から高い耐摩耗性、耐食性を有するア
ルミナや窒化珪素等の絶縁性セラミックスが用いられて
いた。

【０００６】しかしながら、近年、集積回路の集積度が
向上するに伴って吸着面を構成する誘電体層には耐摩耗
性や耐食性に加え、耐プラズマ性に優れるとともに、高
い熱伝導率を有する材料が望まれるようになり、このよ
うな材料として窒化アルミニウムを用いることが提案さ
れている（特開昭６２−２８６２４７号）。

【０００７】

【発明が解決しようとする問題点】ところが、窒化アル
ミニウムは、３００℃以上の高温雰囲気下においては高
い吸着力が得られるものの、それよりも低い温度雰囲気
下で行われる成膜工程や室温雰囲気下（２５℃程度）で
行われる露光処理工程、あるいは０℃程度の低温雰囲気
下で行われるエッチング工程などのように２００℃以
下、特に０〜５０℃の温度雰囲気下においては十分な吸
着力が得られないといった課題があった。

【０００８】即ち、ウエハを吸着させる静電吸着力には
クローン力とジョンソン・ラーベック力の２種類があ
り、クローン力は誘電体層を構成する材質の誘電率に依
存し、ジョンソン・ラーベック力は誘電体層を構成する
材質の体積固有抵抗値に依存することが知られている。

【０００９】具体的には、誘電体層の体積固有抵抗値が
１０¹⁵Ω−ｃｍより大きい時の吸着力はクーロン力によ
り支配され、誘電体層の体積固有抵抗値が低下するにし
たがってジョンソン・ラーベック力が発現し、誘電体層
の体積固有抵抗値が１０¹¹Ω−ｃｍ未満となると吸着力
はクーロン力に比べて大きな吸着力が得られるジョンソ
ン・ラーベック力により支配されることになる。

【００１０】一方、セラミックスの体積固有抵抗値は温
度が上昇するに伴って低下するため、例えば、窒化アル
ミニウムの場合、３００℃以上の温度雰囲気下における
体積固有抵抗値は１０¹²Ω−ｃｍ程度であることからジ
ョンソン・ラーベック力による高い吸着力が得られるも
のの、室温（２５℃）付近における体積固有抵抗値は１
０¹⁶Ω−ｃｍ以上と高く、クーロン力による吸着力しか
得られず、また、誘電率もそれほど高くないことから２
００℃以下の温度雰囲気下では充分な吸着力を得ること
ができないものであった。

【００１１】その為、歪みをもったウエハを吸着した時
には、ウエハの全面を吸着面に当接させることができな
いためにウエハの平坦化及び均熱化等が損なわれ、その
結果、成膜工程ではウエハ上に均一な厚みをもった薄膜
を形成することができず、露光処理工程やエッチング工
程では精度の良い処理を施すことができないといった課
題があり、限られた温度雰囲気でしか使用できなかっ
た。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明者等は、上記問題
点に対して静電チャックの被固定物吸着面を形成するセ
ラミック抵抗体について特に静電チャックを構成する材
料の観点から検討を重ねた結果、窒化アルミニウムを主
成分として、抵抗制御剤として少なくともセリウム（Ｃ
ｅ）を含有せしめること、そしてＣｅによる価数が３価
と４価の比率を特定範囲に制御することにより、少なく
とも０〜５０℃の温度領域においても、温度依存性の小
さな抵抗特性を得ることが出来、その結果として低温領
域でも安定した吸着力が得られることを見出した。

【００１３】即ち、本発明の静電チャックは、被固定物
吸着面が、窒化アルミニウムを主成分とするセラミック
スからなるものであって、前記セラミックスが、少なく
ともセリウム（Ｃｅ）を含むとともに、Ｃｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺
の原子比を１〜３の範囲に制御することを特徴とするも
のである。

【００１４】

【発明の実施の形態】図１（ａ），（ｂ）は本発明に係
る静電チャック１を示す斜視図及びそのＸ−Ｘ線断面図
であり、絶縁性を有するセラミック基板２の表面に静電
吸着用電極４を備え、この静電吸着用電極４を覆うよう
に上記セラミック基板２の表面に誘電体層３が設けられ
ており、誘電体層３の上面が被固定物１０の吸着面５を
形成している。

【００１５】本発明によれば、上記誘電体層３を窒化ア
ルミニウムを主成分とするセラミックスによって形成す
るものであるが、この窒化アルミニウム質セラミックス
中には、少なくともセリウム（Ｃｅ）を焼結助剤あるい
は抵抗調整剤として含有されるものである。

【００１６】通常、窒化アルミニウムに対して、Ｃｅの
酸化物を含有せしめた場合、窒化アルミニウム主結晶相
の粒界には、ＣｅＡｌＯ₃ やＣｅＯ₂ 等のＣｅ化合物が
形成される。これらＣｅ化合物の形成により導電性が発
現すると考えられる。

【００１７】本発明によれば、これらＣｅ化合物におけ
るＣｅの価数には３価と４価が存在し、このＣｅ³⁺／Ｃ
ｅ⁴⁺の比を制御することにより窒化アルミニウム質焼結
体の体積固有抵抗を制御するものであり、かかる観点か
らＣｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比を１〜３、特に１．２〜２．５の
範囲に制御することが重要である。

【００１８】つまり、抵抗値はＣｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比に依
存し、Ｃｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比が３を越えると、抵抗低下に
効果が少なく目的の抵抗を得にくい。また、Ｃｅ³⁺／Ｃ
ｅ⁴⁺の比が１未満では、抵抗が低すぎて吸着時に漏れ電
流が大きくなってしまうことから不適当である。

【００１９】また、本発明における窒化アルミニウム質
セラミックス中におけるＣｅの含有量は酸化物換算で５
〜２０体積％、特に７〜１５体積％であることが望まし
い。

【００２０】これは、Ｃｅ量が酸化物換算で５体積％未
満では抵抗低下に効果が少なく、目的の抵抗を得にく
く、２０体積％を越えると、Ｃｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比の制御
が困難となり、抵抗値が低くなりすぎる傾向にあり、そ
の結果、吸着時に漏れ電流が発生してしまう可能性が大
きいためである。

【００２１】本発明において、被固定物吸着面を具備す
る誘電体層を形成する上記特性の窒化アルミニウム質セ
ラミックス作製するには、窒化アルミニウム粉末に対し
て、ＣｅＯ₂ 、ＣｅＡｌＯ₃ 等のＣｅ化合物を酸化物換
算で５〜２０体積％、特に７〜１５体積％となる割合で
混合した後、所定形状に周知の成形手段、例えば、金型
プレス，冷間静水圧プレス，押出し成形等により任意の
形状に成形する。その後のその成形体を窒素等の非酸化
性雰囲気中で１７５０〜２１００℃の温度で０．５〜５
時間程度焼成して相対密度９５％以上に緻密化すること
により作製される。

【００２２】本発明において上記セラミックスのＣｅ³⁺
／Ｃｅ⁴⁺の比を制御するには、焼成雰囲気中の酸素分圧
等の制御により酸化／還元雰囲気の制御によって容易に
制御することができる。すなわち、Ｃｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比
を２以上に制御する時は、０〜３０％の水素を含む窒素
／水素混合ガスを用い、Ｃｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比を１．５以
下に制御する場合には、成形体を入れた焼成用ケース中
にＣｅＯ₂ 粉末を入れ、ケース単位容積中のＣｅＯ₂ を
コントロールすれば良い。また、Ｃｅ³⁺/ Ｃｅ⁴⁺の比を
１．５〜２に制御する時は、上記２つの方法を適宜併用
することにより制御できる。

【００２３】また、吸着面を構成する誘電体層３の抵抗
値は吸着力と密接な関係にあり、誘電体層３の抵抗値が
温度に対する変化が小さいことが望まれる。かかる観点
から、本発明の静電チャックによれば、誘電体層３を形
成する窒化アルミニウム質セラミックスの０℃から５０
℃の体積固有抵抗が１０⁸ 〜１０¹²Ω−ｃｍであること
が望ましい。

【００２４】この窒化アルミニウム質焼結体は０℃から
５０℃の温度範囲においてその抵抗値を１０⁸ 〜１０¹²
Ω−ｃｍの範囲となるように適宜調整することができる
ため、静電チャック１の静電吸着用電極４と吸着面５に
載置した被固定物１０との間に電圧を印加することで、
被固定物１０と静電吸着用電極４との間に微小な漏れ電
流が流れることからジョンソン・ラーベック力による吸
着力を発現させることができ、被固定物１０を吸着面５
に強固に吸着保持することができる。

【００２５】また、本発明によれば、静電チャック１
は、セラミック基板２と誘電体層３とが焼結により一体
化して形成されていることが望ましく、その結果、２０
０℃の温度雰囲気下においても使用可能であり、さらに
は静電チャック１全体がプラズマや腐食性ガスに強いセ
ラミックスからなるため、成膜工程やエッチング工程な
どにおいて好適に使用することができる。

【００２６】なお、セラミック基板２は、アルミナ、窒
化ケイ素、窒化アルミニウムなどの絶縁性を有するセラ
ミックスで形成すれば良いが、特に窒化アルミニウム質
セラミックスで形成すれば、誘電体層３を構成する窒化
アルミニム質セラミックスとの熱膨張差を無くすことが
できるため、焼成時における反りや歪みなどを生じるこ
とがなく信頼性の高い静電チャックを得ることができ
る。

【００２７】なお、本実施形態では単極型の静電チャッ
クの例を示したが、双極型の静電チャックにも適用でき
ることは言うまでもない。

【００２８】

【実施例】（実施例１）次に、室温（２５℃）雰囲気下
で使用するのに好適な図１の静電チャック１を試作し、
その吸着特性について測定を行った。まず、純度９９
％、平均粒径１．２μｍのＡｌＮ粉末に有機バインダー
と溶媒のみを加えて泥漿を作製し、ドクターブレード法
により厚さ０．５ｍｍ程度のグリーンシートを複数枚成
形してそれらを積層してセラミック基板２を形成するた
めの成形体を得た。そして、その一主面にタングステン
粉末にＡｌＮ粉末を５体積％混合したタングステンペー
ストをスクリーン印刷法により印刷塗布して静電吸着用
電極４をなす金属膜を形成した。

【００２９】一方、純度９９％、平均粒径１．２μｍの
ＡｌＮ粉末を９３体積％に対し、平均粒径０．９μｍの
ＣｅＯ₂ を７体積％添加し、さらにバインダーと溶媒を
加えて泥漿を製作し、ドクターブレード法により厚さ
０．５ｍｍ程度のグリーンシートを成形し、誘電体層３
用の成形体を得た。

【００３０】そして、静電吸着用電極４をなす金属膜を
備えたセラミック基板２用成形体の表面に、誘電体層３
用の成形体を積層して、８０℃、５０ｋｇ／ｃｍ² の圧
力で熱圧着した。しかるのち、上記積層体に切削加工を
施して円板状とし、該円板状の積層体を真空脱脂したあ
と、１９００℃程度の焼成温度で１０体積％の水素（Ｈ
₂ ）を含む水素／窒素混合雰囲気下で３時間焼成するこ
とにより、セラミック基板および誘電体層ともに相対密
度９９％以上の、外径２００ｍｍ、厚み８ｍｍで、かつ
内部に膜厚１５μｍの静電吸着用電極４を備えた板状体
を形成した。そして、誘電体層３をなす窒化アルミニウ
ム質セラミックスの表面を研磨して吸着面５を形成して
静電チャックを形成した。

【００３１】作製した静電チャックにおける誘電体層の
Ｃｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比をＸ線光電子分光装置（ＸＰＳ）
（アルバックファイ製ＱＵＡＮＴＵＭ２０００）により
Ｃｅの状態分析を行い、狭域スペクトルにおけるＣｅ³⁺
とＣｅ⁴⁺のピークを分離処理した後、それぞれの面積比
率からＣｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比を算出した結果、２．３であ
った。

【００３２】作製した静電チャックに対して、室温（２
５℃）下において、吸着面５に８インチ径のシリコンウ
エハを載置して静電吸着用電極４との間に３００Ｖの電
圧を印加することによりウエハ１０を吸着面５に吸着保
持させ、この状態でシリコンウエハを剥がすのに必要な
力を吸着力として測定したところ、５２０ｇ／ｃｍ²の
吸着力が得られた。

【００３３】比較例 これに対し、比較のためにセラミック基板２と同様の材
質からなる高純度窒化アルミニウム質セラミックスを誘
電体層とした静電チャック（比較例１）、及びＣｅ³⁺／
Ｃｅ⁴⁺の比が０．５（比較例２）、あるいは４（比較例
３）の窒化アルミニウム質セラミックスを誘電体層とし
た静電チャックをそれぞれ作製し、実施例１と同様の条
件にてシリコンウエハを剥がすのに必要な力（吸着力）
について測定した。

【００３４】その結果、誘電体層が高純度の窒化アルミ
ニウム質セラミックスからなる比較例１は、室温（２５
℃）における体積固有抵抗値が１０¹⁶Ω−ｃｍ以上であ
るため、１０ｇ／ｃｍ² の吸着力しか得られなかった。

【００３５】また、誘電体層のＣｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比が４
の窒化アルミニウム質セラミックスからなる比較例３
は、室温（２５℃）における体積固有抵抗値が１０¹⁴Ω
−ｃｍ程度であるため、吸着力は１５０ｇ／ｃｍ² と低
いものであったが、残留吸着があり、実用上問題があっ
た。

【００３６】また、誘電体層がＣｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比が
０．５の窒化アルミニウム質セラミックスからなる比較
例２では、吸着力については本発明に係る実施例１と同
程度であったものの、室温（２５℃）における体積固有
抵抗値が１０⁵ Ω−ｃｍ程度と１０⁸ Ω−ｃｍ未満であ
るために漏れ電流量が多く、ウエハに悪影響を与える恐
れがあった。

【００３７】しかも、比較例１の高純度窒化アルミニム
質セラミックスは、３００℃で体積固有抵抗が１×１０
¹²Ω−ｃｍ、５００℃で５×１０⁹ Ω−ｃｍであり、比
較例３の誘電体層のＣｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比が４の窒化アル
ミニム質セラミックスは２５℃で１×１０¹⁴Ω−ｃｍ、
５０℃で５×１０¹¹Ω−ｃｍと、いずれも抵抗値の変化
率が大きいために狭い温度範囲でしか使用できないもの
であった。

【００３８】（実施例２）次に、セリウム（Ｃｅ）の含
有量（酸化物換算）およびＣｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比をそれぞ
れ変化させた窒化アルミニウム質セラミックス（直径６
０ｍｍ、厚み２ｍｍの円盤）を実施例１と同様にして作
製し、２５℃、０〜５０℃における体積固有抵抗値を３
端子法にて測定した。Ｃｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比は焼成時の雰
囲気中の水素ガス量を変えたり、成形体を収納する匣鉢
内にＣｅＯ₂ 粉末を所定量配置して制御した。それぞれ
の結果は表１に示す通りである。

【００３９】

【表１】

【００４０】この結果、表１より判るように、Ｃｅ³⁺／
Ｃｅ⁴⁺の比が０．５と１より小さい試料Ｎo.４，１３は
５０℃の体積固有抵抗がいずれも１×１０⁵ Ω−ｃｍ以
下と小さく漏れ電流が大きかった。一方、Ｃｅ³⁺／Ｃｅ
⁴⁺の比が４よりも大きい試料Ｎo.２、９は、０〜５０℃
の温度範囲内で体積固有抵抗値を１×１０⁸ 〜１×１０
¹²Ω−ｃｍとすることができなかった。

【００４１】これに対し、Ｃｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の比が１〜３
の試料Ｎo.３、５〜８、１０〜１２は、０〜５０℃の温
度雰囲気下において体積固有抵抗値を１×１０⁸ 〜１×
１０¹²Ω−ｃｍの範囲に設定することができた。

【００４２】このことから、本発明に係る静電チャック
を用いれば、０〜５０℃の温度雰囲気下で行われる各種
処理工程においてジョンソン・ラーベック力による吸着
力が得られ、被固定物を高い吸着力でもって保持できる
ことが判る。

【００４３】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、被固定
物を吸着保持する吸着面を、Ｃｅを含有する窒化アルミ
ニウム質セラミックスにより形成し、Ｃｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺比
を特定範囲に制御することにより、５０℃以下の温度雰
囲気下においてジョンソン・ラーベック力による吸着力
を発現させ、高い吸着力でもって被固定物を保持するこ
とが可能であるとともに、温度変化に対する誘電体層の
抵抗値の変化が小さいため、広範囲の温度領域をカバー
することができる静電チャックを提供することができ
る。

【００４４】その為、例えば、本発明の静電チャックを
成膜処理工程に用いれば、被固定物上に均一な厚みをも
った薄膜を被覆することができ、露光処理工程やエッチ
ング処理工程に用いれば、被固定物に精度の良い露光や
加工を施すことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明に係る静電チャックを示す斜視
図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線断面図である。

【符号の説明】

１・・・静電チャック ２・・・セラミック基板 ３・・・誘電体層 ４・・・静電吸着用電極 ５・・・吸着面 １０・・被固定物

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平９−315867（ＪＰ，Ａ) 特開 平10−4083（ＪＰ，Ａ) 特開 昭62−17074（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−221761（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/68 B23Q 3/15 C04B 35/581 H02N 13/00

Claims (3)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被固定物吸着面が、窒化アルミニウムを主
   成分とするセラミックスからなる静電チャックであっ
   て、前記セラミックスが、少なくともセリウム（Ｃｅ）
   を含むとともに、Ｃｅ³⁺／Ｃｅ⁴⁺の原子比が１〜３であ
   ることを特徴とする静電チャック。
2. 【請求項２】前記セラミックス中にセリウム（Ｃｅ）を
   酸化物換算で５〜２０体積％を含むことを特徴とする請
   求項１記載の静電チャック。
3. 【請求項３】前記セラミックスの０℃から５０℃の体積
   固有抵抗が１０⁸ 〜１０¹²Ω−ｃｍであることを特徴と
   する請求項１記載の静電チャック。