JP3586034B2 - 静電チャック - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体ウエハー、金属ウエハー、ガラス板等を静電気力によって吸着し、保持するための、静電チャックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
例えば、半導体や液晶等の製造時においては、半導体ウエハーやガラス板の固定方法として、真空チャックもしくはクランプによる固定方法が採用されている。しかし、真空チャックによる固定方法は、真空条件下では、圧力差がないため採用できない。また、クランプによる機械的固定方法では、半導体ウエハーやガラス板のうち固定部分がデバイスとして使用することができず、また半導体ウエハーやガラス板に部分的な歪みを生じる他、クランプの昇降によるパーティクル発生の問題を有している。
【０００３】
こうした従来の技術が有する問題点を解決するものとして、静電気力を利用したセラミックス静電チャックが注目され始めている。セラミックス静電チャックの材質としては、酸化チタンをアルミナに含有させた複合焼結体（特開昭６２−９４９５３号公報、特開平３−２０４９２４号公報）、窒化チタンをアルミナ等のセラミックスに含有させた複合焼結体（特開平６−８０８９号公報）が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、酸化チタンをアルミナに含有させてなる絶縁部を備えた静電チャックにあっては、この複合焼結体の抵抗値の温度依存性が大きいため、プラズマ等により静電チャックの温度が上昇した場合、絶縁部の抵抗値が低下し、ウエハーに過度の電流が流れ、ウエハーの回路が破壊されるという問題点を有している。
【０００５】
また、酸化チタンは、ＣＦ_４ ，ＢＣｌ_３ 等のハロゲン系ガスのプラズマに対する耐蝕性が乏しく、これらのハロゲン系ガスをエッチングもしくはクリーニングガスとして使用するプラズマエッチング装置、ＣＶＤ装置等への使用には、制約がある。更に、酸化チタンを含有するアルミナは、酸化チタンを含有しないアルミナと比較して、強度が低い。また、熱膨張係数が大きいことから、耐熱衝撃性が乏しく、高温下の使用時に、熱応力による破損の危険性が高い。
【０００６】
一方、窒化チタンをアルミナ等のセラミックスに含有させてなる絶縁部を備えた静電チャックにあっては、酸素を含むエッチングガス雰囲気下では、窒化チタンの酸化に起因する表面劣化が著しい。また、酸化チタンを含有させたアルミナと同様に、ＣＦ_４ ，ＢＣｌ_３ 等のハロゲン系ガスのプラズマに対する耐蝕性が乏しく、これらのガスをエッチングもしくはクリーニングガスとして使用するプラズマエッチング装置、ＣＶＤ装置等への使用には、制約がある。
【０００７】
本発明は、静電チャックの温度が上昇した場合に、絶縁部の抵抗値が過度に低下することを防止し、静電チャックのハロゲン系ガスのプラズマに対する耐蝕性を向上させ、かつその強度および耐熱衝撃性をも向上させることである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明は、電極と、この電極の両側にそれぞれ設けられている絶縁部とを備えている静電チャックであって、少なくとも吸着面側の絶縁部が複合焼結体によって形成されており、この複合焼結体が、実質的に１重量％以上、１０重量％以下の炭化珪素と酸化アルミニウムとからなり、この複合焼結体の室温における体積固有抵抗値が１×１０ ⁸ Ω・cm以上、１×１０ ¹⁵ Ω・cm以下であり、前記複合焼結体中の炭化珪素粒子の平均粒子径が０．２μｍ以下であり、前記複合焼結体中におけるアルミニウム及び珪素以外の金属不純物含有量が０．１重量％以下であることを特徴とする、静電チャックに係るものである。
【０００９】
本発明者は、電気伝導度の温度依存性が少なく、ハロゲンガスに対する耐食性に優れ、強度、硬度が大きく、かつ耐熱衝撃性に富む静電チャックを開発すべく、種々検討した結果、静電チャックの材質として、酸化アルミニウムと炭化珪素を含む特定の複合焼結体が適することを見い出した。
【００１０】
即ち、静電チャックの絶縁部の少なくとも吸着面側を、実質的に１重量％以上、１０重量％以下の炭化珪素と酸化アルミニウムとからなり、かつ室温における体積固有抵抗値が１×１０^８Ω・ｃｍ以上、１×１０^{１ ５} Ω・ｃｍ以下であり、該複合焼結体中の炭化珪素粒子の平均粒子径が０．２μｍ以下であり、前記複合焼結体中におけるアルミニウム及び珪素以外の金属不純物含有量が０．１重量％以下である複合焼結体により形成することとした。
【００１１】
即ち、この複合焼結体により形成された静電チャックは、電気伝導度の温度依存性が少なく、ハロゲンガスに対する耐蝕性に優れ、かつアルミナと比較して強度、硬度ともに優れるため、パーティクルの発生も少なく、かつ耐熱性、耐熱衝撃性に富み、高温下の使用において熱応力による破損の危険性がない。
【００１２】
そして、複合焼結体中の炭化珪素量を制御することにより、体積固有抵抗値を１×１０^８ Ω・ｃｍ以上、１×１０^{１ ５} Ω・ｃｍ以下に制御したものである。即ち、焼結体の粒子径等にも依存するが、炭化珪素の含有量を１重量％以上とすることによって、炭化珪素の添加による複合焼結体の硬度、強度の増加が顕著になり、かつ複合焼結体の体積固有抵抗値が１×１０^{１ ５} Ω・ｃｍ以下となり、ウエハー等の吸着、脱着時の応答性が著しく向上する。
【００１３】
一方、炭化珪素の含有量を１０重量％以下とすることによって、複合焼結体の体積固有抵抗値が１×１０^８ Ω・ｃｍ以上となるので、静電チャックからウエハー等へのリーク電流を抑制でき、リーク電流によってデバイスを破壊する危険性がなくなる。
【００１４】
なお、前記複合焼結体においては、少量の不純物は許容される。しかし、半導体の製造工程における、ライフタイムおよびゲイト電圧の低下は、遷移金属元素やアルカリ金属に起因する。更に、アルミニウム、珪素以外の金属不純物が０．１重量％を越えると、半導体ウエハーを汚染する可能性が高くなるのとともに、静電チャックの電気抵抗の温度依存性が大きくなるので、好ましくない。従って、前記絶縁部を構成する複合焼結体中のアルミニウムおよび珪素以外の金属不純物含有量は、０．１重量％以下とする。
【００１５】
また、複合焼結体中の炭化珪素粒子の平均粒子径を０．２μｍ以下とする。即ち、炭化珪素の添加による強度向上の効果、プラズマ照射時の電場が炭化珪素粒子の部分に集中することによる炭化珪素粒子の周辺の損傷、炭化珪素添加によりプラズマに対する耐蝕性の向上ということに鑑みて、複合焼結体中の炭化珪素粒子の平均粒子径を０．２μｍ以下とする。
【００１６】
また、前記複合焼結体を製造するにあたって、焼結する際の雰囲気としては、非酸化性雰囲気が好ましい。
【００１７】
なお、使用する炭化珪素原料粉末としては、プラズマＣＶＤ法によって得た粉末が好ましい。特に、非酸化性雰囲気のプラズマ中にシラン化合物またはハロゲン化珪素と炭化水素の原料ガスを導入し、反応系の圧力を１気圧未満から０．１Ｔｏｒｒの範囲で制御しつつ気相反応させて得られた、平均粒子径０．１μｍ以下の超微粉末が、焼結性に優れており、高純度であり、粒子形状が球状であるために成形時の分散性が良好である。
【００１８】
一方、酸化アルミニウム原料粉末は、特段限定されず、高純度のものであればよい。また、焼結時の雰囲気を非酸化性雰囲気とすることによって、焼結時における炭化珪素の過度の酸化を抑制し得る。なお、前記複合焼結体の作製時における成形法、焼結法に関しては、公知の手段を採用することができる。
【００１９】
本発明のセラミックス静電チャックの具体的形態および製造方法は、特に限定されない。好適な静電チャックの形態および製造方法について、図１および図２を参照しつつ、説明する。図１（ａ）は、吸着面側の円板状絶縁部１を示す平面図であり、図１（ｂ）は、静電チャックの基体側の円盤状絶縁部２を示す平面図である。図１（ａ）の円盤状絶縁体１を製造するためには、まず円盤状焼結体を製造し、この円盤状焼結体に機械加工によって貫通孔１ａを形成する。図１（ｂ）の円盤状絶縁体２を製造するためには、まず円盤状焼結体を製造し、この円盤状焼結体に機械加工によって貫通孔２ａおよび電極挿入孔２ｂを形成する。少なくとも絶縁体１を本発明の複合焼結体によって形成する。
【００２０】
そして、図２（ａ）に示すように、円盤状絶縁部２の中心から半径９０ｍｍの円内の領域Ａには、導電性材料を塗布して塗布層１５を形成し、この円形の領域Ａの外側の外周縁領域Ｂには、絶縁性材料を塗布して塗布層１６を形成する。こうした導電性材料としては、炭化タンタル、窒化チタン等の導電セラミックス粉末と酸化アルミニウム−二酸化ケイ素系ガラス粉末との混合粉末を例示できる。こうした絶縁性材料としては、酸化アルミニウム−二酸化ケイ素系ガラス等の各種ガラス粉末を例示できる。この状態で、円盤状絶縁部１と２とを重ね合わせ、熱処理することにより、両者を接合し、図２（ｂ）に示すような静電チャック８を得る。
【００２１】
図２（ｂ）においては、導電性材料が円形の電極３を形成しており、電極３から見て吸着面６側には絶縁部１が設けられている。円盤状絶縁部２の電極挿入孔２ｂ中に、炭化タンタル、窒化チタン等の導電性セラミックス等からなる取り出し電極１４を挿入し、活性金属、銀ろう等のろう材によって取り出し電極１４を電極３に対して接合する。
【００２２】
【実施例】
（実施例１）
〈静電チャックの作製〉
図１、図２を参照しつつ説明した方法に従って、図２（ｂ）に示す静電チャックを製造した。ただし、平均粒子径０．０５μｍの炭化珪素超微粉末を、プラズマＣＶＤ法により気相合成した。この炭化珪素超微粉末５重量％と、平均粒子径０．５μｍの酸化アルミニウム粉末９５重量％とを、超音波分散機を用いて５時間混合し、この混合粉末を、乾燥、成形し、アルゴン雰囲気、温度１７００℃の条件下で３時間焼結することにより、直径１９５ｍｍ、厚み４ｍｍの円板状の複合焼結体を２枚得た。
【００２３】
そして、この複合焼結体中の炭化珪素粒子の平均粒子径、体積固有抵抗値をそれぞれ測定し、その結果を表１に示した。なお、炭化珪素粒子の平均粒子径の測定方法はＳＥＭ観察法、体積固有抵抗値の測定方法はＪＩＳ Ｃ２１４１に規定された方法に準じて測定した。なお、別途作成した上記複合焼結体のビッカース硬さ、室温４点曲げ強度（ＪＩＳ Ｒ１６０１に規定された方法に準じて測定）を測定した。その結果を表１に示す。
【００２４】
次いで、上記円盤状焼結体を機械加工し、図１（ａ）および（ｂ）に示す各円盤状絶縁部を製造した。ただし、図１（ａ）においては、絶縁部１の中心部に直径１５ｍｍの貫通孔１ａを形成した。図１（ｂ）においては、絶縁部２の中心部に直径１５ｍｍの貫通孔２ａを形成し、中心部より２５ｍｍ離れた場所に、直径１０ｍｍの電極挿入孔２ｂを形成した。
【００２５】
そして、円盤状絶縁部２の中心から半径９０ｍｍ内の円状領域Ａには、炭化タンタル（３０ｖｏｌ％）と酸化アルミニウム−二酸化珪素系ガラス粉末（７０ｖｏｌ％）との混合粉末を、スクリーン印刷によって、塗布した。外周縁領域Ｂ（半径９０〜半径９７．５ｍｍの領域）には、酸化アルミニウム−二酸化珪素系ガラス粉末をスクリーン印刷によって塗布した。次いで、円盤状絶縁部１を１．３ｍｍ研削した後、絶縁部２の電極挿入孔２ｂに、炭化タンタル製の取り出し電極１４を挿入し、銀ろう剤を用いて接合した。
【００２６】
〈静電特性の測定〉
このようにして作製された静電チャックの静電吸着力、吸着時間、脱離時間を、室温および４００℃の各温度下で、図３に示す測定装置を用いて測定した。
【００２７】
即ち、台１０の上にヒーター９を設置し、ヒーター９上に静電チャック８を設置した。台１０の貫通孔１０ａ、ヒーター９の貫通孔９ａおよび静電チャック８の貫通孔に、押圧部材１１を挿通させた。静電チャック８の吸着面６に８インチのシリコンウエハー１８を載置した。シリコンウエハー１８に対して押圧部材１１の上端部を接触させた。シリコンウエハー１８と取り出し電極１４との間に、直流３００Ｖの電圧を印加し、シリコンウエハー１８を静電吸着させて５分経過した後、リフター１２により、静電吸着されたシリコンウエハー１８を持ち上げることにより脱着させた。この際に要する脱着力を、ロードセルにより測定し、静電吸着力とした。
【００２８】
また、吸着時間とは、直流３００Ｖの電圧を印加したときに、静電吸着力が１０ｋｇｆ／ｃｍ^２ になるまでの時間であり、脱離時間とは、直流３００Ｖの電圧を５分間印加した後に印加を中止し、その時から静電吸着力が５０ｇｆ／ｃｍ^２ となるまでの時間である。この測定結果を表２に示す。
【００２９】
次いで、静電チャックをプラズマＣＶＤ装置内に装着し、１．０ＴｏｒｒのＣＦ_４ ２０ｖｏｌ％、Ｏ_２ ８０ｖｏｌ％からなる混合ガス雰囲気下でのプラズマに２０時間曝した後、上記と同様の静電吸着性試験を実施した。この結果を表３に示す。
【００３０】
また、静電チャックをプラズマに暴露する前後の各静電吸着特性試験において、４００℃まで８０℃／分の昇温速度で昇温した。この結果、静電チャックには、熱応力による破損、損傷は生じなかったので、表２、３の熱応力耐性の項目に「良好」と記載した。
【００３１】
（参照例１）
実施例１に準じて複合焼結体を得た。なお、複合焼結体の組成は炭化珪素超微粉末３重量％、酸化アルミニウム９７重量％であり、焼結条件は、アルゴン雰囲気、焼結温度１７５０℃、焼結時間７時間である。この複合焼結体中の炭化珪素粒子の平均粒子径、体積固有抵抗値を実施例１に準じて測定した。その結果を表１に示す。また、別途作成した上記複合焼結体のビッカース硬さ、室温４点曲げ強度を実施例１に準じて測定した。その結果を表１に示す。
【００３２】
次いで、この複合焼結体を用い、実施例１に準じて静電チャックを作製し、同じく実施例１に準じてハロゲンガスのプラズマ暴露前、暴露後にそれぞれ静電吸着特性を測定した。その結果を表２、表３に示す。
【００３３】
なお、ハロゲンガスのプラズマ暴露前、暴露後の静電吸着特性試験の際に、いずれも４００℃まで８０℃／分の昇温速度で昇温したが、静電チャックには、いずれの場合にも熱応力による破損、損傷は生じなかったので、表２、３の熱応力耐性の項目に「良好」と記載した。
【００３４】
（比較例１）
実施例１に準じて、複合焼結体を得た。ただし、複合焼結体の組成を炭化珪素１５重量％、酸化アルミニウム８５重量％とし、炭化珪素原料粉末の平均粒子径を０．８μｍとした。
【００３５】
この複合焼結体中の炭化珪素粒子の平均粒子径、体積固有抵抗値を、実施例１に準じて測定した。その結果を表１に示す。また、別途作成した上記複合焼結体のビッカース硬さ、室温４点曲げ強度を、実施例１に準じて測定した。その結果を表１に示す。
【００３６】
そして、この複合焼結体を用い、実施例１に準じて静電チャックを作製し、同じく実施例１に準じて、ハロゲンガスのプラズマ暴露前、暴露後にそれぞれ静電吸着特性を測定した。その結果を表２、表３に示す。
【００３７】
なお、ハロゲンガスのプラズマ暴露前、暴露後の各静電吸着特性試験の際には、いずれも４００℃まで８０℃／分の昇温速度で昇温した。この結果、プラズマ暴露前には、熱応力による破損、損傷は生じなかった。しかし、ハロゲンガスのプラズマ暴露後の静電吸着特性試験の際には、静電チャックの周縁部が一部欠損した。
【００３８】
（比較例２）
複合焼結体の組成を、酸化アルミニウム１００重量％としたこと以外、実施例１に準じて複合焼結体を得た。
【００３９】
この複合焼結体の体積固有抵抗値を、実施例１に準じて測定した。その結果を表１に示す。また、別途作成した上記複合焼結体のビッカース硬さ、室温４点曲げ強度を実施例１に準じて測定した。その結果を表１に示す。そして、この複合焼結体を用い、実施例１に準じて静電チャックを作製し、ハロゲンガスのプラズマ暴露前、暴露後にそれぞれ静電吸着特性を測定した。その結果を表２、表３に示す。
【００４０】
なお、ハロゲンガスのプラズマ暴露前、暴露後の各静電吸着特性試験の際には、いずれも４００℃まで８０℃／分の昇温速度で昇温したが、いずれの場合も、静電チャックの周縁部が一部欠損した。
【００４１】
【表１】

【００４２】
【表２】

【００４３】
【表３】

【００４４】
実施例１及び参照例１においては、プラズマ暴露前後の双方において、静電吸着力が高く、吸着時間、脱離時間が短く、熱応力耐性も優れている。特に、実施例１においては、複合焼結体中の炭化珪素粒子の平均粒子径も０．２μｍであるため、プラズマ暴露後の静電吸着力が一層高く、吸着時間、脱離時間が一層短い。
【００４５】
これに対して、比較例１においては、炭化珪素が１５重量％であり、炭化珪素粒子の平均粒子径が１．２μｍであるため、プラズマ暴露前にはいずれの特性も優れているが、プラズマ暴露後には静電吸着力が著しく減少し、吸着時間も長く、４００℃までの昇温時に静電チャックの周縁部が一部欠損した。比較例２においては、アルミナを使用しており、プラズマ暴露前においても、静電吸着力が低く、４００℃までの昇温時に静電チャックの周縁部が一部欠損した。
【００４６】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明によれば、電気伝導度の温度依存性が少なく、ハロゲンガスに対する耐食性に優れ、硬度が大きく、かつ耐熱性に富み、吸脱着の応答性に優れた静電チャックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は、吸着面側の円盤状絶縁部を示す平面図であり、（ｂ）は、基体側の円盤状絶縁部を示す平面図である。
【図２】（ａ）は、円盤状絶縁部２の上に導電性材料および絶縁性材料を塗布した状態を示す平面図であり、（ｂ）は、静電チャックの断面図である。
【図３】静電チャックの吸着力の測定装置を示す概略図である。
【符合の説明】
１ 吸着面側の円盤状絶縁部
１ａ 貫通孔
２ 基体側の円盤状絶縁部
２ｂ 電極挿入孔
３ 円形の電極
４ 絶縁性の接合層
６ 吸着面
８ 静電チャック
１５ 導電性材料の塗布層
１６ 絶縁性材料の塗布層
１８ 半導体ウエハー

Claims (2)

1. 電極と、この電極の両側にそれぞれ設けられている絶縁部とを備えている静電チャックであって、少なくとも吸着面側の前記絶縁部が複合焼結体によって形成されており、この複合焼結体が、実質的に、１重量％以上、１０重量％以下の炭化珪素と残部が酸化アルミニウムとからなり、この複合焼結体の室温における体積固有抵抗値が１×１０⁸Ω・cm以上、１×１０ ¹⁵ Ω・cm以下であり、前記複合焼結体中の炭化珪素粒子の平均粒子径が０．２μｍ以下であり、前記複合焼結体中におけるアルミニウム及び珪素以外の金属不純物含有量が０．１重量％以下であることを特徴とする静電チャック。
2. 前記複合焼結体は、平均粒子径０．１μｍ以下の炭化珪素粉末と、酸化アルミニウム粉末との混合粉末を非酸化性雰囲気下、焼結助剤無添加で焼結した複合焼結体であることを特徴とする請求項１記載の静電チャック。

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