JP3588253B2

JP3588253B2 - Electrostatic chuck

Info

Publication number: JP3588253B2
Application number: JP15566598A
Authority: JP
Inventors: 武郎福留; 裕見子伊東; 比呂史会田
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-06-04
Filing date: 1998-06-04
Publication date: 2004-11-10
Anticipated expiration: 2018-06-04
Also published as: JPH11354620A

Description

【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課題】
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ーロン力とジョンソン・ラーベック力の２種類があり、クーロ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１０^１５Ω・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１０^１２Ω・ｃｍ以下に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１０^１１Ω・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１０^１６Ω・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２００℃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】
そのため、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チタニウム（Ｔｉ）とセリウム（Ｃｅ）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でき、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、少なくともチタニウム（Ｔｉ）とセリウム（Ｃｅ）を含有するとともに、Ｃｅ^３＋／Ｃｅ^４＋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】
また、かかる静電チャックにおいては、前記セラミックス中にチタニウム（Ｔｉ）を窒化物換算で２５体積％以下、セリウム（Ｃｅ）を酸化物換算で２〜２０体積％を含むこと、前記セラミックスの０℃から５０℃の体積固有抵抗が１０^８〜１０^１２Ω・ｃｍであることを特徴とするものである。
【００１５】
【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。
【００１６】
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、少なくともチタニウム（Ｔｉ）とセリウム（Ｃｅ）を焼結助剤あるいは抵抗調整剤として含有するものである。
【００１７】
チタニウムは、セラミックス中において窒化チタンの形態で含有されることが望ましい。この窒化チタンはそれ自体体積固有抵抗が低いため、この窒化チタンを含有することにより窒化アルミニウムの体積固有抵抗を低下させることが可能である。
【００１８】
また、窒化チタンを含有せしめることによりセラミックスの緻密化が促進されるとともに、表面の硬度が高くなるため、耐食性および耐摩耗性が向上し、静電チャックとして用いた場合、セラミックス表面から発生する脱粒等によるパーティクルの発生を低減できるため、静電チャックとしての信頼性が向上する。
【００１９】
しかし、窒化チタンの含有量が窒化物換算で２５体積％より多くなると、急激な抵抗値の低下がみられ抵抗値を所望の範囲に制御することが難しいことから、窒化チタンの含有量を窒化物換算で２５体積％以下とすることが望ましい。特に、磁器の緻密化および硬度向上の観点から、窒化チタンの含有量は、窒化物換算で１〜２５体積％、さらには窒化物換算で１０〜２０体積％であることが望ましい。
【００２０】
本発明によれば、窒化アルミニウムと窒化チタンのみの組成では、急激な抵抗値の低下がみられ、焼結体の抵抗値を制御することが難しいため、窒化チタン（ＴｉＮ）以外に酸化セリウム（ＣｅＯ_２）を含有し、かつ含有されるＣｅの３＋と４＋の価数を特定範囲に制御することが重要である。
【００２１】
本発明における窒化アルミニウム質焼結体によれば、チタニウムおよびセリウムは、窒化アルミニウム主結晶相の粒界に、窒化チタンとして粒状に存在し、ＣｅはＣｅＡｌＯ_３やＣｅＯ_２等のＣｅ化合物として主結晶相および窒化チタン粒子をとりまくように存在する。これら窒化チタンおよびＣｅ化合物の形成により導電性が発現すると考えられる。
【００２２】
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Ｃｅ^３＋／Ｃｅ^４＋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Ｃｅ^３＋／Ｃｅ^４＋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。
【００２３】
つまり、抵抗値はＣｅ^３＋／Ｃｅ^４＋の比に依存し、Ｃｅ^３＋／Ｃｅ^４＋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、Ｃｅ^３＋／Ｃｅ^４＋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。
【００２４】
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、上記の作用を発揮させる上で酸化物（ＣｅＯ_２）換算で２〜２０体積％、特に５〜１５体積％であることが望ましい。
【００２５】
これは、Ｃｅ量が酸化物換算で２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、Ｃｅ^３＋／Ｃｅ^４＋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。
【００２６】
これにより抵抗値の急激な低下を抑え抵抗値を所望の値に容易に制御することができるとともに、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できる。
【００２７】
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を作製するには、窒化アルミニウム粉末に対して、ＴｉＯ_２、ＴｉＣ、ＴｉＮ等のＴｉ化合物を窒化物換算で２５体積％以下、特に１〜２５体積％以下、さらには窒化物換算で１０〜２０体積％、ＣｅＯ_２、ＣｅＡｌＯ_３等のＣｅ化合物を酸化物換算で２〜２０体積％、特に５〜１５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、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９６％以上に緻密化することにより作製される。
【００２８】
本発明において、上記セラミックスのＣｅ^３＋／Ｃｅ^４＋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、Ｃｅ^３＋／Ｃｅ^４＋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、Ｃｅ^３＋／Ｃｅ^４＋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ＣｅＯ_２粉末を入れ、ケース単位容積中のＣｅＯ_２をコントロールすれば良い。また、Ｃｅ^３＋／Ｃｅ^４＋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。
【００２９】
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セラミックス焼結体の０℃から５０℃の体積固有抵抗が１０^８〜１０^１２Ω・ｃｍであることが望ましい。
【００３０】
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１０^８〜１０^１２Ω・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。
【００３１】
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とが同時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、２００℃の温度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。
【００３２】
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ウム質セラミックスと同時焼成が可能で、両者間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。
【００３３】
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。
【００３４】
【実施例】
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。
【００３５】
一方、純度９９％、平均粒径１．２μｍのＡｌＮ粉末、平均粒径１．５μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径０．９μｍのＣｅＯ_２粉末を表１に示す組成にて混合し、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。
【００３６】
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／ｃｍ^２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℃程度の焼成温度で表１に示す焼成雰囲気下（表１に示す量の水素ガスを含む水素／窒素ガス混合雰囲気または成形体を収納する匣鉢内にＣｅＯ_２粉末を所定量配置する）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。
【００３７】
作製した静電チャックにおける誘電体層のＣｅ^３＋／Ｃｅ^４＋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Ｃｅ^３＋とＣｅ^４＋のピークを分離処理した後、それぞれのピーク強度比率からＣｅ^３＋／Ｃｅ^４＋の比を算出した。また、作製した静電チャックに対して、室温（２５℃）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。
【００３８】
さらに、誘電体単体のセラミックスを上記静電チャックと同様な条件で作製し、０℃から５０℃における体積固有抵抗を測定した。また、アルキメデス法により焼結体の密度を測定し、理論密度に対する比率である相対密度（％）を算出した。さらに、焼結体を鏡面研磨し、ビッカース硬度計によって硬度を測定した（荷重１５ｋｇ）。結果は、表１に示した。
【００３９】
【表１】

【００４０】
表１より、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試料Ｎｏ．１は、室温（２５℃）における体積固有抵抗値が１０^１６Ω・ｃｍ以上であるため、吸着力は１０ｇ／ｃｍ^２しか得られなかった。また、Ｃｅ^３＋／Ｃｅ^４＋の比が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１×１０^５Ω・ｃｍ以下と小さく漏れ電流が多く、ウエハに悪影響を与える恐れがあった。一方、Ｃｅ^３＋／Ｃｅ^４＋の比が４よりも大きい試料Ｎｏ．２、９は、０℃で体積固有抵抗値が１０^１４Ω・ｃｍよりも大きくなるため、吸着力は１５０ｇ／ｃｍ^２以下と低いものであったうえ、残留吸着があり実用上問題があった。また、Ｔｉを添加しない試料Ｎｏ．１６では緻密化せず、また硬度が１０．５ＧＰａと低くなり、実用上腐食性および耐摩耗性に問題があった。
【００４１】
これに対し、本発明の範囲のものは、いずれも相対密度９６％以上、硬度１０．５ＧＰａ以上、０〜５０℃の温度雰囲気下における体積固有抵抗値を１×１０^８〜１×１０^１２Ω・ｃｍ、吸着力３００ｇ／ｃｍ^２以上を有する静電チャックが得られた。
【００４２】
【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、少なくともＴｉと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、Ｃｅ^３＋／Ｃｅ^４＋比を特定範囲に制御することにより、５０℃以下の温度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。
【００４３】
そのため、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[0001]
TECHNICAL FIELD OF THE INVENTION
TECHNICAL FIELD The present invention relates to an electrostatic chuck that holds an object to be fixed by electrostatic attraction, and holds an object to be fixed such as a semiconductor wafer or a glass substrate in a manufacturing process of a semiconductor device or a liquid crystal substrate. It is used for.
[0002]
[Prior art]
2. Description of the Related Art Conventionally, in a semiconductor manufacturing process, an electrostatic chuck for holding a semiconductor wafer has been used in an etching process for performing fine processing on a semiconductor wafer, a film forming process for forming a thin film, or an exposure process process on a photoresist. Is used.
[0003]
This type of electrostatic chuck includes an electrode for electrostatic attraction between an insulating base and a dielectric layer, and has an upper surface of the dielectric layer as an attraction surface, and an object to be fixed to the attraction surface. A semiconductor wafer is mounted and a voltage is applied between the electrode for electrostatic attraction and the semiconductor wafer, thereby generating a Coulomb force or a Johnson-Rahbek force due to dielectric polarization to attract and hold the wafer.
[0004]
Further, a bipolar type in which a plurality of electrostatic attraction electrodes are provided between the insulating base and the dielectric layer, and a voltage is applied between these electrodes to attract and hold the wafer placed on the attraction surface. Are also known.
[0005]
The dielectric layers constituting these electrostatic chucks are required to have less sliding wear due to the detachment of the wafer and to be hardly corroded by corrosive gas used in various processing steps. Conventionally, insulating ceramics such as alumina and silicon nitride having high wear resistance and corrosion resistance have been used as materials satisfying the required characteristics.
[0006]
However, in recent years, as the degree of integration of an integrated circuit has been improved, a material having excellent plasma resistance and high thermal conductivity in addition to abrasion resistance and corrosion resistance has been desired for the dielectric layer constituting the suction surface. Thus, it has been proposed to use aluminum nitride as such a material (Japanese Patent Application Laid-Open No. 62-286247).
[0007]
[Problems to be solved by the invention]
However, aluminum nitride can provide a high attraction force in a high-temperature atmosphere of 300 ° C. or higher, but a film-forming process performed in a lower-temperature atmosphere or an exposure process performed in a room-temperature atmosphere (about 25 ° C.) There is a problem that a sufficient adsorptive power cannot be obtained in a temperature atmosphere of 200 ° C. or lower, especially in a temperature atmosphere of 0 to 50 ° C. as in a process or an etching step performed in a low temperature atmosphere of about 0 ° C.
[0008]
That is, there are two types of electrostatic chucking force for chucking a wafer: Coulomb force and Johnson-Rahbek force. Coulomb force depends on the dielectric constant of the material constituting the dielectric layer. It is known that it depends on the volume resistivity of the material constituting.
[0009]
Specifically, when the volume resistivity of the dielectric layer is greater than 10 ¹⁵ Ω · cm, the attraction force is governed by Coulomb force, and as the volume resistivity of the dielectric layer decreases, the Johnson-Rahbek force increases. When the volume resistivity of the dielectric layer becomes 10 ¹² Ω · cm or less, the attraction force is controlled by the Johnson-Rahbek force, which provides a greater attraction force than the Coulomb force.
[0010]
On the other hand, since the volume resistivity of ceramics decreases as the temperature rises, for example, in the case of aluminum nitride, the volume resistivity in a temperature atmosphere of 300 ° C. or more is about 10 ¹¹ Ω · cm. Although a high adsorption force is obtained by the Johnson-Rahbek force, the volume resistivity near room temperature (25 ° C.) is as high as 10 ¹⁶ Ω · cm or more, and only the adsorption force by the Coulomb force is obtained, and the dielectric constant is not so high. Since it is not high, sufficient adsorbing power cannot be obtained in an atmosphere at a temperature of 200 ° C. or lower.
[0011]
Therefore, when a wafer with a distortion is sucked, the entire surface of the wafer cannot be brought into contact with the suction surface, so that the flattening and soaking of the wafer are impaired. There was a problem that a thin film having a uniform thickness could not be formed, and high-precision processing could not be performed in the exposure step and the etching step, so that it could be used only at a limited temperature.
[0012]
[Means for Solving the Problems]
The present inventors have repeatedly studied the ceramic resistor that forms the object-to-be-fixed adsorption surface of the electrostatic chuck with respect to the above problem, particularly from the viewpoint of the material forming the electrostatic chuck. As a component, at least titanium (Ti) and cerium (Ce) are contained as resistance control agents, and the valence by Ce is controlled at a ratio of trivalent to tetravalent within a specific range, so that at least 0 to 50 ° C. It has been found that even in the temperature region, resistance characteristics with small temperature dependence can be obtained, and as a result, a stable adsorption force can be obtained even in the low temperature region.
[0013]
That is, in the electrostatic chuck of the present invention, the object-adsorbing surface is made of a ceramic mainly composed of aluminum nitride, and the ceramic contains at least titanium (Ti) and cerium (Ce). , Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ is controlled in the range of 1 to 3.
[0014]
In the electrostatic chuck, the ceramic contains 25% by volume or less of titanium (Ti) in terms of nitride and 2 to 20% by volume of cerium (Ce) in terms of oxide. A volume resistivity from 10 < ⁸ > to 10 < ¹² > [Omega] .cm.
[0015]
BEST MODE FOR CARRYING OUT THE INVENTION
FIGS. 1A and 1B are a perspective view and a sectional view taken along line XX of an electrostatic chuck 1 according to the present invention, in which an electrostatic chucking electrode 4 is provided on a surface of an insulating ceramic substrate 2. The dielectric layer 3 is provided on the surface of the ceramic substrate 2 so as to cover the electrode 4 for electrostatic adsorption, and the upper surface of the dielectric layer 3 forms the adsorption surface 5 of the fixed object 10. .
[0016]
According to the present invention, the dielectric layer 3 is formed of ceramics containing aluminum nitride as a main component. In this aluminum nitride ceramic, at least titanium (Ti) and cerium (Ce) are sintered. It is contained as an auxiliary or a resistance adjuster.
[0017]
Titanium is desirably contained in ceramics in the form of titanium nitride. Since the titanium nitride itself has a low volume resistivity, the volume resistivity of the aluminum nitride can be reduced by containing the titanium nitride.
[0018]
In addition, the inclusion of titanium nitride promotes the densification of ceramics and increases the hardness of the surface, thereby improving corrosion resistance and wear resistance. When used as an electrostatic chuck, degranulation generated from the ceramic surface Since the generation of particles due to the above-mentioned factors can be reduced, the reliability as an electrostatic chuck is improved.
[0019]
However, when the content of titanium nitride is more than 25% by volume in terms of nitride, a sharp decrease in resistance is observed and it is difficult to control the resistance to a desired range. It is desirable that the content is 25% by volume or less in terms of material. In particular, from the viewpoint of densification and improvement of hardness of the porcelain, the content of titanium nitride is preferably 1 to 25% by volume in terms of nitride, and more preferably 10 to 20% by volume in terms of nitride.
[0020]
According to the present invention, in a composition containing only aluminum nitride and titanium nitride, a sharp decrease in resistance is observed, and it is difficult to control the resistance of the sintered body. Therefore, in addition to titanium nitride (TiN), cerium oxide ( It is important to contain CeO ₂ ) and to control the 3+ and 4+ valences of the contained Ce to a specific range.
[0021]
According to the aluminum nitride sintered body of the present invention, titanium and cerium are present in the form of titanium nitride at the grain boundaries of the main crystal phase of aluminum nitride in the form of titanium nitride, and Ce is the main crystal as a Ce compound such as CeAlO ₃ or CeO _2. Present around the phase and the titanium nitride particles. It is considered that the formation of the titanium nitride and the Ce compound provides conductivity.
[0022]
According to the present invention, the Ce valence of these Ce compounds is trivalent or tetravalent, and the volume specific resistance of the aluminum nitride sintered body is controlled by controlling the ratio of Ce ³⁺ / Ce ^4+. From such a viewpoint, it is important to control the ratio of Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ to a range of 1 to 3, particularly 1.2 to 2.5.
[0023]
That is, the resistance value depends on the ratio of Ce ³⁺ / Ce ^{4+, and when} the ratio of Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ exceeds 3, the effect of reducing the resistance is small, and it is difficult to obtain the target resistance. On the other hand, if the ratio of Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ is less than 1, the resistance is too low and the leakage current at the time of adsorption becomes large, which is inappropriate.
[0024]
The content of Ce in the aluminum nitride ceramics according to the present invention, the oxide on to exert the effect of the (CeO ₂₎ 2 to 20% by volume in terms, it is desirable in particular 5 to 15% by volume .
[0025]
If the Ce content is less than 2% by volume in terms of oxide, the effect of reducing the resistance is small and it is difficult to obtain the desired resistance. If it exceeds 20% by volume, it becomes difficult to control the ratio of Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ , This is because the value tends to be too low, and as a result, there is a high possibility that a leakage current will occur during adsorption.
[0026]
This makes it possible to suppress a sharp decrease in the resistance value, easily control the resistance value to a desired value, and obtain a resistance characteristic with small temperature dependence even in a temperature range of at least 0 to 50 ° C.
[0027]
In the present invention, in order to produce an aluminum nitride ceramic having the above-mentioned characteristics for forming a dielectric layer having an object-adsorbing surface, a Ti compound such as TiO ₂ , TiC, or TiN is nitrided on aluminum nitride powder. 25% by volume object terms or less, particularly 1 to 25% by volume or less, still more 10 to _20% by volume of a nitride terms, 2-20 vol% of Ce compounds such CeO 2, CEALO ₃ in terms of oxide, in particular 5 After mixing at a ratio of １５15% by volume, the mixture is formed into an arbitrary shape by a well-known molding means, for example, a die press, a cold isostatic press, or extrusion molding. Thereafter, the compact is fired at a temperature of 1750 to 2100 ° C. for about 0.5 to 5 hours in a non-oxidizing atmosphere such as nitrogen and densified to a relative density of 96% or more.
[0028]
In the present invention, the ratio of Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ of the ceramics can be easily controlled by controlling the oxidation / reduction atmosphere by controlling the oxygen partial pressure in the firing atmosphere. That is, when controlling the ratio of Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ to 2 or more, a nitrogen / hydrogen mixed gas containing 0 to 30% of hydrogen is used to control the ratio of Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ to 1.5 or less. to put a CeO ₂ powder during firing case for containing the molded body may be controlled CeO ₂ cases units in volume. In addition, when the ratio of Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ is controlled to 1.5 to 2, it can be controlled by appropriately using the above two methods.
[0029]
Further, the resistance value of the dielectric layer 3 constituting the suction surface is closely related to the suction force, and it is desired that the resistance value of the dielectric layer 3 has a small change with respect to temperature. From this point of view, according to the electrostatic chuck of the present invention, the aluminum nitride ceramic sintered body forming the dielectric layer 3 may have a volume resistivity at 0 ° C. to 50 ° C. of 10 ⁸ to 10 ¹² Ω · cm. desirable.
[0030]
Since the resistance of the aluminum nitride sintered body can be appropriately adjusted so that the resistance thereof is in the range of 10 ⁸ to 10 ¹² Ω · cm in the temperature range of 0 ° C. to 50 ° C., the electrostatic chuck 1 When a voltage is applied between the suction electrode 4 and the fixed object 10 placed on the suction surface 5, a minute leakage current flows between the fixed object 10 and the electrostatic suction electrode 4. The adsorption force by the Johnson-Rahbek force can be developed, and the fixed object 10 can be strongly adsorbed and held on the adsorption surface 5.
[0031]
Further, according to the present invention, it is desirable that the electrostatic chuck 1 is formed integrally with the ceramic substrate 2 and the dielectric layer 3 by simultaneous sintering. As a result, the electrostatic chuck 1 can be used even at a temperature of 200 ° C. Further, since the entire electrostatic chuck 1 is made of ceramics resistant to plasma and corrosive gas, it can be suitably used in a film forming process, an etching process, and the like.
[0032]
Note that the ceramic substrate 2 may be formed of an insulating ceramic such as alumina, silicon nitride, or aluminum nitride. In particular, if the ceramic substrate 2 is formed of aluminum nitride ceramic, the ceramic substrate 2 may be formed of aluminum nitride ceramic. Simultaneous firing is possible, and a difference in thermal expansion between the two can be eliminated, so that a highly reliable electrostatic chuck can be obtained without warping or distortion during firing.
[0033]
In the present embodiment, an example of a monopolar electrostatic chuck has been described. However, it is needless to say that the present invention can be applied to a bipolar electrostatic chuck.
[0034]
【Example】
Next, a prototype of the electrostatic chuck 1 of FIG. 1 suitable for use in a room temperature (25 ° C.) atmosphere was manufactured, and its adsorption characteristics were measured.
First, an organic binder and a solvent are added to AlN powder having a purity of 99% and an average particle diameter of 1.2 μm to prepare a slurry, and a plurality of green sheets having a thickness of about 0.5 mm are formed by a doctor blade method. A molded body for forming the ceramic substrate 2 by lamination was obtained. Then, on one main surface, a tungsten paste in which 5% by volume of AlN powder was mixed with tungsten powder was applied by screen printing to form a metal film forming the electrode 4 for electrostatic adsorption.
[0035]
On the other hand, an AlN powder having a purity of 99% and an average particle diameter of 1.2 μm, a TiN powder having an average particle diameter of 1.5 μm, and a CeO ₂ powder having an average particle diameter of 0.9 μm were mixed in the composition shown in Table 1, and further mixed with a binder. A solvent was added to produce a slurry, and a green sheet having a thickness of about 0.5 mm was formed by a doctor blade method, to obtain a formed body for the dielectric layer 3.
[0036]
Then, the molded body for the dielectric layer 3 is laminated on the surface of the molded body for the ceramic substrate 2 provided with the metal film forming the electrode 4 for electrostatic adsorption, and thermocompression-bonded at 80 ° C. and a pressure of 50 kg / cm ^2. did. Thereafter, the laminate was subjected to a cutting process to form a disc, and the disc-shaped laminate was degreased under vacuum. Then, at a firing temperature of about 1900 ° C. in a firing atmosphere shown in Table 1 (the amount shown in Table 1). (A predetermined amount of CeO ₂ powder is placed in a hydrogen / nitrogen gas mixed atmosphere containing hydrogen gas or in a sagger containing a compact) for 3 hours, so that the relative density of both the ceramic substrate and the dielectric layer is 99% or more. A plate-like body having an outer diameter of 200 mm, a thickness of 8 mm, and a 15 μm-thick electrostatic chucking electrode 4 inside was formed. Then, the surface of the aluminum nitride ceramics forming the dielectric layer 3 was polished to form the suction surface 5 to form an electrostatic chuck.
[0037]
The ratio of ^Ce 3+ / ^{Ce 4+} dielectric layer of the electrostatic chuck produced X-ray photoelectron spectrometer (XPS) (ULVAC-PHI Ltd. QUANTUM2000) performs state analysis of Ce, the ^{Ce 3+} and ^{Ce 4+} in narrow spectrum After the peaks were separated, the ratio of Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ was calculated from each peak intensity ratio. At room temperature (25 ° C.), an 8-inch diameter silicon wafer is placed on the suction surface 5 and a voltage of 300 V is applied between the silicon chuck and the electrostatic chucking electrode 4 at room temperature (25 ° C.). Thus, the wafer 10 was suction-held on the suction surface 5, and in this state, the force required to peel off the silicon wafer was measured as the suction force.
[0038]
Further, ceramics of a dielectric substance alone were produced under the same conditions as the above-mentioned electrostatic chuck, and the volume resistivity at 0 ° C. to 50 ° C. was measured. Further, the density of the sintered body was measured by the Archimedes method, and the relative density (%), which is a ratio to the theoretical density, was calculated. Further, the sintered body was mirror-polished, and the hardness was measured with a Vickers hardness meter (load: 15 kg). The results are shown in Table 1.
[0039]
[Table 1]

[0040]
From Table 1, it can be seen that Sample No. in which the dielectric layer was made of high-purity aluminum nitride ceramics. Sample No. 1 had a volume specific resistance at room temperature (25 ° C.) of 10 ¹⁶ Ω · cm or more, and thus could only obtain an adsorption force of 10 g / cm ² . Sample No. 1 in which the ratio of Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ was smaller than 1 Samples Nos. 4 and 13 each had a volume resistivity at 50 ° C. of as low as 1 × 10 ⁵ Ω · cm or less and had a large leakage current, which might adversely affect the wafer. On the other hand, the sample No. having a ratio of Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ larger than 4 was obtained. In Nos. 2 and 9, since the volume specific resistance at 0 ° C. was larger than 10 ¹⁴ Ω · cm, the adsorption power was as low as 150 g / cm ² or less, and there was a residual adsorption and there was a practical problem. . Sample No. to which Ti was not added was used. In No. 16, the film was not densified and had a low hardness of 10.5 GPa, which had problems in practical use in corrosion resistance and wear resistance.
[0041]
On the other hand, those in the range of the present invention have a relative volume density of 96% or more, a hardness of 10.5 GPa or more, and a volume resistivity of 1 × 10 ⁸ to 1 × 10 ¹² Ω in a temperature atmosphere of 0 to 50 ° C. An electrostatic chuck having a cm and a suction force of 300 g / cm ² or more was obtained.
[0042]
【The invention's effect】
As described above, according to the present invention, an adsorption surface for adsorbing and holding an object is formed of an aluminum nitride ceramic containing at least Ti and Ce, and the Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ ratio is controlled to a specific range. Accordingly, at a temperature of 50 ° C. or less, the adsorption force due to the Johnson-Rahbek force can be developed, and the object can be held with a high adsorption force, and the change in the resistance value of the dielectric layer with respect to the temperature change is small. Therefore, an electrostatic chuck that can cover a wide temperature range can be provided.
[0043]
Therefore, for example, when the electrostatic chuck of the present invention is used in the film forming process, a thin film having a uniform thickness can be coated on the object to be fixed. An object can be subjected to accurate exposure and processing.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1A is a perspective view showing an electrostatic chuck according to the present invention, and FIG. 1B is a sectional view taken along line XX of FIG.
[Explanation of symbols]
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ... Electrostatic chuck 2 ... Ceramic substrate 3 ... Dielectric layer 4 ... Electrostatic suction electrode 5 ... Suction surface 10 ... Fixed object

Claims

An object chucking surface is an electrostatic chuck made of ceramics containing aluminum nitride as a main component, wherein the ceramics contains at least titanium (Ti) and cerium (Ce) and has Ce ³⁺ / Ce ⁴⁺ atoms. An electrostatic chuck having a ratio of 1 to 3.

2. The electrostatic chuck according to claim 1, wherein the ceramic contains 25% by volume or less of titanium (Ti) in terms of nitride and 2 to 20% by volume of cerium (Ce) in terms of oxide.

2. The electrostatic chuck according to claim 1, wherein the ceramic has a volume resistivity at 0 ° C. to 50 ° C. of 10 ⁸ to 10 ¹² Ω · cm.