JP3655309B2 - ハイブリッド静電チャック - Google Patents

Description

発明の分野
本発明は、被加工物体を保持するための静電チャックに係り、より詳細には、半導体層及び絶縁層を有し、集積回路の製造中に半導体ウェハを保持するためのハイブリッド静電チャックに係る。
先行技術の説明
集積回路の製造に用いられるプロセス段階の多くは、処理中にウェハの温度を能動的に制御することを必要とする。これは、通常、ウェハをチャックに対してしっかりとクランプ又は保持し、チャックに埋め込まれたヒータ又は流体流チャンネルを用いるか又は熱エネルギーを制御可能に追加又は除去する他の手段を用いてその温度を制御することにより行われる。
ウェハをチャックに保持するのに用いられる方法は、ウェハの全域にわたって均一な制御力を発揮することが強く要望される。考えられる粒状物の生成及びそれに伴う汚染を最小にするために、クランプ方法は、可動部の数を最小にすると共に、ウェハ表面との接触又は干渉も最小限にすることが所望される。
1960年代以来、紙やその他の軽量で薄い物質を平らな表面に保持するのに静電（ES）力が使用されている。この技術は、1970年代以来、半導体産業においてウェハをクランプするのに適用されている。静電クランプを使用した半導体処理システムは、多数のものが市場で入手できる。
ウェハを静電クランプするための多数の異なる構成が開発されている。ウェハと金属電極との間に電圧が印加された場合には、その印加電圧、ウェハと電極を分離している物質の分離距離及びその誘電率に基づいて吸引力が発生する。
使用する静電構成には２つの一般的な分類がある。それは、（ａ）ウェハと電極との間に純粋な絶縁誘電体を使用するキャパシタ状の構造と、（ｂ）半導体誘電体を使用した構造である。
（ａ）ウェハと電極とを分離している誘電体物質が良好な絶縁体であるときには、絶縁体の移動電荷が僅かである。力は、絶縁層で分離された異なる電位にある導電層の像電荷の静電吸引力に基づくもので、古典的なキャパシタ理論に基づいて計算することができる。クランプ力は、主として、印加電圧、及びウェハと導体との間の間隔に基づいて決定される。この間隔は、所与の誘電体厚み及び材料の絶縁破壊電圧によって限定される。
クランプのための静電力は急速に発生する。充電及び放電時間は、ウェハ及び導通層に所望電位を確立するために誘電体に流れる許容変位電流の関数である。導体の抵抗値は低いので、充電及び放電時間は、充電回路のRC時定数によって制御されるときに短くすることができる。ウェハがダメージを受けないよう電流を制限するために電圧の印加率に対してある考慮が払われる。放電時間は短いので、吸引力は迅速に除去され、ウェハをチャックから容易に且つ素早く取り外すことができる。
適度な電圧（1000V未満）において有用な力（例えば、20g/cm²）を発生するには、絶縁誘電体が非常に薄い（例えば、0.002インチ）ことが必要である。層に１つのかき傷、欠陥又はブレークダウンがあると、ES電位が破壊され、ウェハをクランプ解除させる。大きな面積の欠陥のない層を形成して維持する際に遭遇する問題は、顕著なものである。
（ｂ）誘電体材料が良電気導体である場合には、ウェハとその下の電極との間に大きな電位差が存在することが許されない。その結果、静電力はほとんど又は全く発生できない。
しかしながら、ウェハと電極との間の材料が中程度の抵抗率を有し、即ち半導体又は半絶縁体であるときには、誘電体及び被加工物体の表面電荷の間に吸引力が生じる。これは、ジョンソン・ラーベック（Ｊ−Ｒ）効果と称する。
半導体誘電体にまたがる印加電位は、材料内にある電流又は電荷移動を生じ、表面電荷を確立する。これは、材料内の電位をゆっくりと（比較的抵抗性の高い材料の場合）減少する一方、ウェハと材料の上面との間の電位を増加させる効果を有する。これは、材料の見掛けの厚み又は有効厚みを徐々に減少することに等しい。これが生じる割合は、材料の抵抗率と、ウェハ／材料界面の見掛けのキャパシタンスとによって左右される。得られるクランプ力は、本質的に、材料の厚みには関わりない。
半導体誘電体構造は、ジョンソン・ラーベック効果を使用し、比較的低い印加電圧で高いクランプ力を得ている。ジョンソン・ラーベック効果は、クランプされるべきウェハと金属性電極との間の誘電体として半導体材料又は高抵抗性材料を使用することにより得られる。図１は、参照番号20で一般的に示された単極静電チャックの基本的な構成の概略図である。
ジョンソン・ラーベック効果は、誘電体の移動電荷が誘電体とウェハとの間の界面付近に移動する能力に基づく。これは、ウェハから界面ギャップだけ分離された表面電荷を本質的に形成する。従って、絶縁誘電体の場合に比して、比較的低い電圧で小さな間隔が高い吸引力を与える。
半導体誘電体とウェハとの間には漏れ電流が流れ得る。というのは、誘電体に移動電荷が存在するからである。漏れ電流の流れは、誘電体にまたがる印加電圧及びその抵抗率の関数である。漏れ電流の大きさは、ウェハがチャックからクランプ解除されるのを防止するために充分に低い値に制限されねばならない。
誘電体の導電性（若干）表面とウェハとの間には高い電位が発生するので、それらの間に電流が流れることが予想される。実際の表面の極微の粗い組織は小さなギャップにより分離されている。接触点に実際に電流が流れ、そしてこれらの接触点における表面間の電位（ひいては、吸引力）は、ほぼ０に下がる。誘電体材料の高い抵抗値は、局部的な点におけるこの接触が誘電体材料の表面全体を放電するのを防止する。誘電体の表面にわたる電位分布は、非均一であるが、平均的に高く、大きな正味クランプ力を発生する。
図２は、図１に示されたESチャックの電気等価回路図であり、誘電体層は、隣接接触点間のバルク及びラテラル抵抗値でモデリングされている。これは、ウェハと層との間の界面が高い平均電位差、ひいては、高い吸引力をいかに維持するかを示している。
従って、ジョンソン・ラーベック効果を使用する静電チャック（ESC）のクランプ特性は、表面組織、接触点間の平均分離、表面間の平均ギャップ、表面の電気特性、固有絶縁フィルムの存在、表面漏洩路、スペーサ材料の電気的特性、フィルムの抵抗温度係数、抵抗の均一性、等によって大きく左右される。
これらの依存性は、クランプ力の大きさ、ウェハに流れる漏れ電流の大きさと分布、そしてクランプ及びクランプ解除力の時間依存性といった基本的な属性に影響を及ぼす。
半導体解決策の長所は、厚くて頑丈なフィルムを使用しながらも大きなクランプ力が得られることである。力の時間依存性と、組成、表面トポロジー、温度等の僅かな変化に対する敏感さから、操作上の問題が生じる。
充電及び放電時間は、移動電荷が誘電体とウェハとの界面へ移動しそしてそこから離れるのにどれ程の時間がかかるかに基づいている。これらの充電時間は、誘電体層の抵抗率及び構造体のキャパシタンスの関数である。
低い漏れ電流に対応する高い抵抗率は、所望の力を発生するのに長い充電時間を生じさせる傾向となる。長い充電時間は、電圧、ひいては、ES力がウェハを次のプロセス段階へ移動させるに充分になるまで処理装置が待機しなければならないことを意味する。
長い放電時間は、吸引力が長時間にわたって保持されることを意味する。それ故、ウェハを取り外して次の段階へ搬送することが困難となる。これは、製造用途において生産性の付加的なロスを招く。
誘電体材料の低い抵抗率は、短い充電時間に対応するが、漏れ電流が大きく、そしておそらくは、クランプ力が低くなる。
半導体材料の抵抗率は、絶対温度をＴとすれば1/Tの指数として変化する。高い温度は、大きな電流が流れる点まで抵抗率を低下させ、これにより、界面にまたがる電圧降下を減少する。低い温度は、充電及び放電時間が受け入れられなくなる点まで抵抗率を増加させる。従って、ジョンソン・ラーベック効果の有用な温度範囲は、上記のように漏れ電流限界と、充電／放電時間限界とを考慮することにより束縛される。
絶縁体及び半導体の両誘電体構造は、単極又は双極のいずれかの構成で実施することができる。単極とは、１つの電極が誘電体によりウェハから分離されることを意味し、双極とは、２つ（又はそれ以上）の電極が誘電体により互いに且つウェハから分離されることを意味する。
図１を参照すれば、単極静電チャック（ESC）の実施形態が参照番号20で示されている。ウェハ22は、ESCの上面に接触するように配置される。ESCは、導電層26の上に形成された誘電体層24を含む。導体26及び誘電体層24は、ベース28により支持される。高電圧電源（図示せず）への接続30が導電層26へと形成される。
図１に示すように、ウェハ22及び誘電体24は、幾つかの点34のみにおいて直接接触する。説明上、表面の垂直のスケールは相当に誇張してある。接触点34の数及び間隔は、表面の平坦さ、表面仕上げ等のパラメータによって左右される。ウェハ22及び誘電体24の研磨及びつや出しのような従来の表面処理については、接触点がミリメータ程度の距離で分離されることが知られている。
接触点においては、ウェハ22と誘電体24との間の電圧差が０であり、従って、接触点における力は０である。誘電体24の高いバルク及びラテラル抵抗率により、非常に低い電流が接触点へと流れて、高い電界、ひいては、電圧降下を周囲領域に対して生じさせる。これらの電圧降下は、ウェハ−誘電体エリアのほとんどにわたり電位差を高く保てるようにし、従って、高い平均的な力を保持できるようにする。
接触点34の間及びその周りには、多数のギャップ36がある。環境にもよるが、ギャップ36には、空気、プロセスガス又は冷却ガス、例えば、ヘリウムが充填されてもよいし、或いは真空を維持してもよい。これらギャップは、ウェハ22と誘電体24をミクミロン台からオングストローム台までの小さな距離だけ分離する。
ウェハ22とESC20との間の電位差は、導体層26及びウェハ22の下面の像電荷の間に吸引静電（ES）力を生じさせる。良く知られたように、この力は、電位差の平方に比例すると共に、分離距離の平方に逆比例する。
絶縁誘電体の場合には、分離距離は、誘電体24の合成厚み及びギャップ36の有効厚みである。又、厳密な電圧−力関係は、誘電体24の誘電率の値と、ギャップ36のガスとに基づいたものとなる。
誘電体チャック部材をもつ単極構造の場合の吸引静電力Ｆは、次の式で表される。

但し、ε_０は自由空間の誘電率であり、ε_filmは誘電体フィルム24の誘電率であり、ε_gapはギャップ36内のガスの誘電率であり、Ｖは導体26及びウェハ22間に印加される電圧であり、d_filmは誘電体フィルム24の厚みであり、そしてX_gapは、誘電体フィルム24とウェハ22との間の有効ギャップ36である。
導体26及びウェハへの接続（図示せず）を経てウェハ22と誘電体24との間に電位差を加えると、ウェハ22内の電荷が誘電体24及び基本導体26内の電荷に吸引される。誘電体24が10¹⁶−10¹⁷Ω−cmの範囲の抵抗率をもつ絶縁体である場合には、移動電荷は本質的に存在しない。誘電体24に移動電荷がない状態では、ウェハの静電力は、導体層26及びウェハ22の下面の像電荷により与えられるものに限定される。ES力は、この場合も、上記式で与えられる。
所与の電圧に対するES力は、誘電体層24を薄くすることにより増加できることが明らかである。これは、層24の誘電体ブレークダウンにより1000Vの範囲の電圧に対しほぼ１ないし２ミルの厚みに制限される。
薄い誘電体層は、粒子によるダメージや取り扱いによるかき傷を受ける。穴やかき傷によりウェハと支持導体とが直接接触すると、ウェア及び／又は装置のダメージを招く。新たな又は一新したチャックの交換及び修理コストも１つの要因である。このような薄い誘電体層へのダメージに関連したコストを回避するために更に頑丈な構成が要望される。
少量のアクセプタ又はドナー不純物を誘電体24に添加すると、ジョンソン・ラーベック効果の利点を取り入れるように移動電荷を与えるための所望のレベルに抵抗率を調整することができる。この場合、有効間隔は、丁度X_gapであり、従って、吸引力は比較的低い電圧において大きなものとなる。
ジョンソン・ラーベック効果を用いた静電チャックが、公知技術に開示されている。ジョンソン・ラーベックESチャックの一例が、ワタナベ氏の米国特許第5,117,121号に開示されている。ワタナベ氏は、厚みが約300μｍのアルミナ−二酸化チタン化合物誘電体層を用いた双極又は単極電極をもつESチャックを教示している。充電電圧の1.5ないし２倍の逆電圧を印加することにより５−15秒範囲の放電時間及び数g/cm²未満の吸引力が得られる。充電電圧及び逆バイアス電圧を印加及び制御するためには、「除去電圧」制御装置が必要とされる。最適な除去電圧と、充電及び放電サイクルのタイミング及び形状とを選択して、再現可能なウェハ解除時間をもつためには、使用の環境条件を特徴付けて制御しなければならない。この情報は、制御装置に記憶されて使用される。
製造中に条件が変化すると、制御のロス、ひいては、生産性のロスを招くことになる。プラズマ装置における高い除去電圧の作用も、不所望なプラズマ放電があり得るので、考慮しなければならない。
従って、この技術を用いて迅速な解除時間を得るための簡単な手段が明らかに必要とされる。
ジョンソン・ラーベック効果を用いたESCの別の効果がワタナベ氏の米国特許第5,151,845号に開示されている。該特許は、電極により分離された多数の誘電体層を教示している。上部の誘電体層は、下部の層よりも低い抵抗率を有し、電極間の選択を切り換える。誘電体層は、厚みが約300μｍである。上部層は、室温から200℃まで10¹¹−10¹²Ω−cmの範囲の抵抗率を有するように約１％の二酸化チタンがドープされたアルミナである。下部層は、200から400℃まで同じ抵抗率範囲を得るように約0.3％の二酸化チタンがドープされる。
動作温度に基づいてウェハへのジョンソン・ラーベックES吸引力を得るように適当な層が選択される。
前記'845特許の装置は、広い温度範囲を達成するが、製造上の複雑さの増加と、操作装置（スイッチ及び制御器）の追加を必要とする。この装置の使用にとって抵抗率の範囲が重要である。この厚みのフィルムの場合に広いエリアにわたりこの範囲の抵抗率を均一に制御することは問題である。
従って、厳密な抵抗率の制御を必要とせずに広い動作温度範囲を達成する簡単な構造体が要望される。
ジョンソン・ラーベックESCを用いた別の装置が、カリヤ氏の米国特許第4,667,110号に開示されている。カリヤ氏は、被加工部片即ちウェハと、誘電体分極絶縁層との間に挿入された光導電性層を教示している。絶縁体には、Ｔ字型の電極が埋め込まれる。絶縁体は、光透過能力を有するものとして開示されている。Ｔ字型電極に印加される電圧は、分極層の分極、ひいては、ウェハへのES吸引を生じさせる。
被加工片は、電圧を取り去った後も、絶縁体の残留分極により、絶縁体に取り付けられたままとなる。光導電性層の追加は、分極を放電するための手段を形成する。光導電性層は、光源により高い抵抗率状態と低い抵抗率状態との間で切り換えられる。又、光導電性層は、光透過材料で構成される。光導電性層は、その導電率が光源によって変更され、分極性光導体及び電極の残留静電力から被加工片をシールドし、容易に取り外せるようにする。
光透過性をもつ材料及び付加的な光源の必要性は、欠点であると共に、更にわずらわしいものである。
ジョンソン・ラーベック効果を使用するのは、電荷がウェハ／絶縁体の表面に密接に接近して、ウェハ／絶縁体ギャップ間に低い電圧で高い力を発生できるからである。その欠点は、充電時間が一定である上に、クランプ動作及び電流の制限に対し温度範囲が限定されることである。実際の接触点は、絶縁体のバルク抵抗でしか制限されない潜在的にダメージを及ぼす漏れ電流を生じさせる。抵抗率が低いと、電圧降下が小さく、電流が大きくなり、そして抵抗率が高いと、時定数が長くなって、ウェハの取り外しが困難になり、問題を招く。
クランプ力は、半導体誘電体の抵抗率に密接に関連している。10¹¹−10¹⁷Ω−cm範囲の高い抵抗率のフィルムは、大きなエリアにわたって厳密に制御することが困難である。これは、ウェハのエリアにわたって非均一なクランプ力を生じさせ、ひいては、非均一な熱伝達を生じさせる。厳密なウェハ温度制御に依存する用途の場合には、この作用が欠点となる。
絶縁誘電体を使用する静電チャックが公知技術に開示されている。ES効果を使用するのは、誘電性ウェハ及び基準電極（１つ又は複数）において像形成する電荷によってES力が発生されるので誘電体内を移動する移動電荷が必要ないからである。絶縁体としてウェハと導電性支持体とを分離する誘電体の厚みにより力が制限される。有用であるに充分なフィルム厚みは、粒子によるか又は取り扱い中に容易にダメージを受ける。
ボビック氏の米国特許第5,001,594号は、誘電体に埋設された櫛形導体を有するESCを教示している。導体の間隔は、ウェハの上面の正味電界が誘電体の上部に課せられないように調整される。低い正味電界作用は、導体の形状並びに誘電体の間隔及びウェハの厚みによって左右され、材料の特性には依存しない。この発明の誘電体は、純粋な絶縁体である。
誘電体層は、使用可能な電圧において有用な吸引力を達成するために約4000オングストロームという非常に薄いものでなければならない。
この構造の欠点は、複雑な櫛形パターンが必要とされること及び薄い（約4000オングストローム）誘電体層の使用にある。この厚みの層は、かき傷や刺し傷により故障を受ける。又、二重電極構造は、電圧を1/2に分割し、力と電圧との二次の電力関係により吸引力を1/4に減少する。
他の参考文献、例えば、ワード氏等の米国特許第4,665,463号；コリンズ氏の米国特許第4,962,441号；ブリグリア氏の米国特許第4,184,188号；スズキ氏の米国特許第4,692,836号；及びライポレース氏の米国特許第5,166,856号は、異なる構成の他の単極又は双極電極構造を教示している。有用な吸引力を得るために電荷保持層及び薄い誘電体層が使用される。残留保持力を克服して被加工片を取り外すために、エアブラストのような手段又は物理的な手段を使用する構成が教示されている。ある参考文献は、高電圧即ち3kV以上の使用を教示しているが、これは、プラズマ装置に不所望なアークを生じさせる。
要約すれば、半導体プロセスの用途における実質的な操作上の問題から影響を受けない公知のESC技術は存在しない。絶縁誘電体は、必要な電荷分布を確立するのに移動電荷が高い抵抗率の層を経て移動する必要がないので、迅速な充電及び放電を与える。
ジョンソン・ラーベック装置は、フィルムの抵抗率の厳密な制御を必要とし、及び／又は至近離間された層電荷の放電を制御するための付加的な特殊な装置を必要とする。
それ故、Ｊ−Ｒ層の厳密な温度及びプロセス制御を排除し又はそれにほとんど依存しないESC装置が要望される。又、薄い誘電体層のかき傷及び取り扱いのダメージをほとんど受けないESC装置も要望される。
発明の要旨
一般に、本発明の目的は、絶縁誘電体及びジョンソン・ラーベック効果の両方の主たる利点を保持しそしてそれらの欠点の幾つかを排除するハイブリッド静電チャック誘電体を提供することである。
本発明の更に別の目的は、装置がかき傷や取り扱いのダメージを受け難くしたESC装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、半導体層の抵抗率の厳密な制御の必要性を低減したESC装置を提供することである。
本発明の更に別の目的は、比較的低い電圧において有効なクランプ力を発揮するESC装置を提供することである。
上記目的、及び以下に説明されそして明らかとなる他の目的によれば、本発明は、物体を静電的に吸引しそして保持するハイブリッド静電チャックを備え、該チャックは、
上面及び下面を有する第１層を備え、該第１層は、バルク抵抗率が約10¹⁵Ω−cm以上で、厚みが約0.0005インチないし0.005インチの絶縁材料であって、上記物体をその上面に吸引しそして支持するための絶縁材料で本質的に構成され、
更に、上面及び下面を有する第２層を備え、この第２層は、バルク抵抗率が約10⁸ないし10¹³Ω−cmで、厚みが0.005インチ以上の半導体材料で本質的に構成され、この第２層の上面は、上記第１層の下面に直接接触し、
更に、上記第２層及び第２層を支持するための導電性支持手段と、
上記物体とチャックとの間に吸引静電力が発生されるように上記物体と第２層との間に電位を印加するための電圧供給手段とを備えている。
ESCの第２層は、酸化アルミニウム及び二酸化チタンで本質的に構成され、そして第１層は、酸化アルミニウムで本質的に構成される。
或いは又、２つの電極をもつ双極静電チャックを実現することもできる。この場合に、第２層は、少なくとも２つの電気的に分離された電極へと形成され、そしてこれら少なくとも２つの電気的に分離された電極間に電位が印加される。
【図面の簡単な説明】
本発明の目的及び効果を更に理解するために、同様の部分が同じ参照番号で示された添付図面を参照して、本発明を以下に詳細に説明する。
図１は、従来のESチャックの部分概略断面図である。
図２は、図１に示されたESCチャックの電気回路図である。
図３は、本発明による単極ハイブリッドESチャックの概略断面図である。
図４は、図３のハイブリッド静電チャックの電気回路図である。
図５は、本発明による双極ハイブリッドESチャックの概略断面図である。
好ましい実施形態の詳細な説明
図３を参照すれば、ウェハ102を静電気で吸引しそして保持するための単極静電チャックが参照番号100で一般的に示されている。該チャック100は、Al₂O₃のような絶縁材で作られた薄い上部誘電体層104を有する。この層104の厚みは、約0.001ないし0.002インチである。この層104は上面106及び下面108を有する。ウェハ102は、誘電体104の上面106に接触するよう配置される。表面の粗面性と、限定された数の接触点とを示すために垂直のスケールを誇張してある。
上層104は、厚い半導体層110の上面112に形成される。Al₂O₃の付着及び表面処理は、蒸着や、スパッタリングや、CVD等の公知のプロセスを含む。
層110は、チタンドープされたアルミナのような半導体材料で構成される。層110の厚みは重要ではない。かき傷がつかず且つ機械的に頑丈であるに充分な厚みの層は、通常は、0.005ないし0.050インチ以上の範囲である。これより薄い層又は厚い層も、電流限界及び熱伝達の制約により設定された範囲内で個々の用途の特定の要件に応じて考えられる。
層110の下面114は、電極を形成する導電層118が接触する。電気接点120は、導電層118を電源（図示せず）のような電圧源の１つの端子に接続する。
ベース116は、層118、110、104及びウェハ102を支持する。
第２の電気接点（図示せず）は、ウェハ102から電源（図示せず）の第２の端子への電気的接続を与える。ウェハの接続は、ウェハの前面又は後面に接触するクリップ、フィンガ又は環状リングのような公知の手段により行われる。プラズマ装置の場合には、ウェハと電源の第２端子との間の電気的接触は、機械的な手段に依存せず、プラズマ自体を介して作られる。
ウェハに接触する半導体材料を使用した従来の装置に開示された実施とは異なり、電位差は、上部絶縁層104間に存在するのであって、ウェハ102と絶縁体104の上面106との間のギャップ121間に存在するのではない。
半導体層110は、電源によりウェハ102と導体118との間に電位差が確立されたときに、電荷を、導電層118から、半導体層110と絶縁層104との界面へ移動できるようにする。
上部絶縁層104は、接触点123においてウェハ102と半導体層110との間に電流が流れるのを防止する。ウェハ102と絶縁体104との間のギャップ121により形成された界面を横切って電流は流れない。破損やかき傷による層104へのダメージは、ウェハ102がそのダメージ又はかき傷を受けた点34において半導体110に接触することを許す。ダメージ点の数の制限は、同じ用途に対しそうでない場合に使用できるものよりも相当に多くの導電性半導体材料を使用できるようにする。本発明による層110の抵抗率の拡張された範囲を以下に詳細に述べる。
図４は、図３に示すESCの電気等価回路図である。ウェハ102、及び限定された数の接触点34においてウェハ102へ流れる電流は、抵抗122によって表されたラテラル抵抗、及び半導体層110のバルク抵抗124によって更に制限される。
本発明によれば、層110と直列の組み合わせで絶縁層104が存在することによりウェハへ流れる電流をなくし又は減少したことにより、ウェハ内又はウェハ上の電荷の蓄積又は移動により生じ得るダメージからウェハが保護される。
本発明によれば、層110に比較的高い導電率の材料を使用することにより、クランプ力の時間依存性が減少されると共に、組成、温度等による変動が最小にされる。
半導体層110の高い導電率限界においては、この層が金属として振る舞い、そしてシステムは薄い誘電体層をもつ絶縁誘電体実施の場合と同様に振る舞う。薄い誘電体層104は、ブレークダウンや突発的な故障を受けることがある。
半導体層110の低い導電率限界においては、システムは、あたかも厚い誘電体層があるかのように振る舞い、低い吸引力及び非常に長い放電／充電時間を生じる。
本発明によれば、半導体層110の抵抗率は、迅速で一貫した力の発生及び除去を許すに充分なほど低く、しかも、上部絶縁層104の欠陥又はブレークダウンに関連した突発的な放電や故障を排除するに充分なほど高い中間の範囲が存在する。層110の半導体材料の抵抗率は、絶縁層104の電流及びブレークダウンを制限するように作用しながら、迅速な力の発生及び除去を与えるように選択される。チャック100の性能は、欠陥のない完全な絶縁層を維持することにもはや依存しないので、層104は、そうでない場合に考えられるものよりも相当に薄く作ることができる。
従って、厚くて比較的抵抗値の低い半導体層110と薄い絶縁層104を組み合わせることにより、その各々を単独で用いることにより課せられた主たる問題が、その各々の利点を保持しながら排除される。このハイブリッドESCシステムの特徴は、次の通りである。
1.厚い機械的に頑丈な半導体層。
2.表面の僅かなダメージ及び／又はブレークダウンに不感。
3.迅速な力のクランプ及びクランプ除去。
4.層の組成、温度及び表面の状態に比較的不感。
5.チャックからウェハへ流れる電流が最小。
半導体層110の最適な抵抗率は、次の２つの要件により境界定めされる。
（ａ）力発生のための時定数；及び
（ｂ）上部絶縁層104の局部的な故障により生じる電流を制限する必要性。
上部層104の厚みの範囲も、同様に、その一端は、適度な電圧における最小の許容力によって境界定めされる。この厚み範囲は、その他端では、薄い絶縁層104の所与の欠陥密度において許容できる最大許容漏れ電流によって境界定めされる。
半導体層の抵抗率についての境界を検討することが有用である。約1000Vの電圧において20g/cm²の使用可能な力が得られる。この電圧は、プラズマ装置の用途においてコロナ放電等を最小にするに充分なほど低く、一般的に低コストのオープンフレーム電源及び導体を使用できるようにする。
半導体層110の最適な抵抗率は、次のように確立することができる。
Ｔ−フィルム厚み 0.020インチ（5x10^-2cm）
Ｃ−ウェハ対チャックキャパシタンス 5nF（5x10^-9F）
t_c−最大時定数 １秒
I_P−最大漏れ電流 10nA（1x10^-8A）＠400V
Ｖ−印加電圧 400V
A_C−チャック面積 314cm²
A_P−点欠陥導通面積 cm²
R_P−点欠陥の抵抗 Ω
R_C−全バルク抵抗 Ω
R_b−材料のバルク抵抗率 Ω−cm
R_bの下部境界：
I_P＝V/R_P R_P＝R_b＊T/A_P
A_Pの推定は、表面の点欠陥から絶縁フィルムの厚みを通る円錐状の電流の流れを仮定し、電流の集群化作用を無視することにより行われる。
A_P＝（π＊T²）/2＝3.9x10^-3cm²;
R_P＝R_b＊0.05/3.9X10^-3＝12.8R_b;
I_P≦1x10^-8≦400/（12.8R_b）
従って、半導体装置のダメージレベルより充分に低い10nAの許容漏れに基づくR_bの下部境界は、次のようになる。
R_b≧400/（12.8x10^-8）＝3.1x10⁹Ω−cm
R_bの上部境界：
t_C＝R_C＊Ｃ、R_C＝R_b＊T/A_C＝R_b＊0.05/314＝1.6x10^-4＊R_b
t_C≦1.6x10^-4＊R_b＊5x10^-9
従って、１秒以下の時定数に基づくR_bの上部境界は、次のようになる。
R_b≦1/（1.6x10^-4x5x10⁹）＝1.3x10¹²Ω−cm
本発明によるハイブリッド層ESCの半導体層の抵抗率の上部及び下部境界は公知のものよりも数桁も大きいことに注目するのが重要である。これは、より広い範囲の材料特性又はより広い温度範囲の動作を使用して同じ性能を得られるようにする。これにより、本発明によるESC装置のコストが低減される。
上部及び下部境界は、個々の用途に確立される漏れ電流、フィルム厚み、印加電圧及び漂遊容量に対する異なる要件に基づいて上記で計算されたものより大きくてもよいし小さくてもよい。
上部の絶縁体の厚みの境界は、次の要件によって設定される。上部絶縁層104の最適な厚みは、基本的な材料特性に基づくものではなく、使用する付着方法に対しフィルム厚みの関数として欠陥密度により決定されねばならない。ここでのデータは、薄いフィルムとして現状ではほぼ0.001ないし0.002インチの厚みで充分であることを立証している。フィルム処理に関する技術の進歩により、将来は、許容フィルム厚みが疑いなく減少できるであろう。
本発明の別の実施形態は、双極ハイブリッド静電チャックである。図５には、双極電極構造を用いた別の実施形態が参照番号200で示されている。説明上、垂直のスケールは誇張してある。
ESC200は、ウェハ102を支持する厚みが約0.002インチのAl₂O₃のような絶縁材料の上層104を有している。この層104は、本発明による適当な抵抗率のチタンドープされたアルミナのような適当な厚みの半導体層110の上に付着される。この層110は、約0.005インチ以上の範囲の厚みを有する。
この層110の下面は、ギャップ142で分離された多数の電極118及び140に接触する。電気的接続120及び144は、電源（図示せず）の逆の端子に接続され、電源は、電極118と140との間に電位差を供給する。
絶縁ベース116は、電極118及び140の底面に接続され、ESC構造体200の支持体を形成する。
ウェハ102とESC200との間の静電吸引は、ウェハ102と電極120及び144との間の誘電体104のフリンジ電界によりウェハ102の下面に誘起される像電荷によって生じる。静電気技術において良く知られたように、ウェハ102は、２つの電極120及び144の値の中間の値を有する電位まで荷電される。電極120及び144に対するウェハ102の電位の厳密な値は、ウェハ102と電極120及び144との間の領域重畳の相対的な比に基づく。第１の近似として、ウェハ102と電極120及び144との重畳が等しい面積である場合には、ウェハ102は、電極120と144との間の電位差の1/2まで荷電する。上記の静電力の式から、吸引力は、単極構造の場合の1/4となる。印加電圧は、適当な吸引力を得るように調整することができる。
双極の実施形態は、ウェハに直接的に電気的接触する必要性を排除するので、ある用途においては著しい効果を有する。
本発明によれば、双極の実施形態200は、比較的低い電圧で高い吸引力を与える薄い絶縁フィルム104の効果も発揮する。ウェハには、半導体層110が欠陥34を経てウェハ102に接続されることに対し高い抵抗率の半導体層110で設定された保護電流限界が同時に与えられる。
層110の高い抵抗率は、電気的に分離された電極118及び140を有害な影響を伴わずに橋絡できるようにする。
ベース116は、セラミックのような絶縁材料であってもよい。ベース116は、その頂部にパターン化された導電性被覆を設けて、電極118及び140を形成することができる。この解決策は、高温度の用途において特に有用である。
本発明のハイブリッド層ESCは、複雑な多層電極構成又は付加的な装置を伴うことなく、薄い誘電体フィルム104及び110を用いて、500ないし1000Vの適度な電圧で20g/cm²以上の高いクランプ力を得られるようにする。使用する材料は、アルミナ／チタニア以外のものでもよい。例えば、導電性のプラスチック材料を低い温度で半導体層として使用することができる。所与の力、温度範囲及び形状に対し、必要とされる半導体層110の抵抗率の範囲は、公知技術の場合よりも制約が少ない。
絶縁層104は、化学蒸着（CVD）ダイヤモンドのようないかなるプロセス適合の薄い絶縁体で形成することもできる。或いは又、絶縁層104は、半導体層110の頂部を絶縁体に変換することにより形成することもできる。これは、例えば、半導体層を制御しながら酸化することにより達成できる。
本発明の好ましい実施形態では、アルミナ絶縁層104とチタンドープされたアルミナ半導体層110との熱膨張係数が充分に一致される。これは、著しく異なる熱膨張係数特性の多数の層を使用した公知技術において検討要件であった層剥離の問題を軽減又は排除する。
低い半導体層110の厚みは、上層104の剥離及び再付着を許すものでなければならず、従って、磨耗した又はダメージを受けたESCチャックをコスト効率よく一新することができる。
冷却チャンネル又は流路は、本発明の効果を損なうことなく、ベース116から半導体層110及び絶縁層104を経て上方へと便利に設けることができる。次いで、冷却流体をこのようなチャンネルに与えて、プロセスで発生した熱を抽出し、これにより、ウェハを所望の温度範囲内に保つことができる。このようなチャンネルを設けそして流体をプロセス環境からシールする技術は、この技術において良く知られている。
本発明により低電圧要求で強い力を発生する効果は、特に、バックサイドヘリウム冷却を非常に効率的に使用できるようにする。
以上、本発明のハイブリッド静電チャックの幾つかの実施形態を詳細に説明したが、これは単なる説明に過ぎず、本発明をこれに限定するものではないことを理解されたい。選択された材料、絶縁層の形状及びサイズ、半導体層の形状及びサイズ、電極の形状、サイズ及び数、そしてベースの形状及びサイズを変更することもできるし、又は種々の要素を包含又は除外することもでき、これらは全て本発明の精神及び範囲内に入ることが明らかであろう。従って、本発明は、以下に述べる請求の範囲のみによって限定されるものとする。

Claims (11)

1. 物体を静電気的に吸引かつ保持する静電チャックであって、
   上面および下面を有する第１層を備え、該第１層は、上記物体をその上面に吸引かつ支持するために絶縁材料で本質的に構成され、
   更に、上面および下面を有する第２層を備え、該第２層は、半導体材料で本質的に構成され、該第２層の前記上面は、前記第１層の前記下面に接触し、
   更に、前記第２層の前記下面に形成される電極と、
   前記第１層、前記第２層および前記電極を支持するための支持手段と、
   前記物体と前記電極との間に電位を接続するための電気的接続手段とを備え、
   これにより、前記物体と前記チャックとの間に吸引静電力が発生されることを特徴とする静電チャック。
2. 前記第２層は、バルク抵抗率が10⁸ないし10¹³Ω−cmの半導体であることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
3. 前記第２層は、厚みが0.005インチより大きいことを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
4. 前記第２層は、酸化アルミニウムおよび二酸化チタンで本質的に構成された材料を含むことを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
5. 前記第２層は、５％ないし30％の二酸化チタンを含み、残りは本質的に酸化アルミニウムであることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
6. 前記第１層は、バルク抵抗率が約10¹⁵Ω−cmより大きい材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
7. 前記第１層は、厚みが約0.0005インチないし0.005インチであることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
8. 前記第１層は、本質的に酸化アルミニウムから構成されることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
9. 前記第１層は、本質的に酸化アルミニウムから構成され、かつ、前記第２層は、本質的に酸化アルミニウムおよび二酸化チタンを含む材料から構成されることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
10. 物体を静電気的に吸引かつ保持する静電チャックであって、
    上面および下面を有する第１層を備え、該第１層は、前記物体をその上面に吸引かつ支持するために絶縁材料で本質的に構成され、
    更に、上面および下面を有する第２層を備え、該第２層は、半導体材料で本質的に構成され、該第２層の前記上面は、前記第１層の前記下面に接触し、
    更に、前記第２層の前記下面に形成されてギャップで分離された少なくとも２つの平らな電極を備え、該電極は、該電極と被加工物体との間に第１および第２のキャパシタを形成し、前記第１層および第２層の部分は前記２つのキャパシタの間に直列誘電体を形成し、
    更に、前記電極、前記第２層および前記第１層を支持するための支持手段と、
    前記少なくとも２つの電極の間に電位を接続するための電気的接続手段とを備え、
    これにより、前記物体と前記チャックとの間に吸引静電力が発生されることを特徴とする静電チャック。
11. 前記第２層は、バルク抵抗率が10⁸Ω−cmないし10¹³Ω−cmの半導体であることを特徴とする請求項10に記載の静電チャック。

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