JP3683044B2

JP3683044B2 - 静電チャック板とその製造方法

Info

Publication number: JP3683044B2
Application number: JP22348796A
Authority: JP
Inventors: 良三野々垣; 正浩伊吹山; 徹也和田
Original assignee: Denki Kagaku Kogyo KK
Current assignee: Denka Co Ltd
Priority date: 1996-08-26
Filing date: 1996-08-26
Publication date: 2005-08-17
Anticipated expiration: 2016-08-26
Also published as: JPH1070892A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、導電材料あるいは半導体材料からなるウェハー等の試料を電気的に吸着し固定する静電チャック板に関する。
【０００２】
【従来の技術】
現在、ＬＳＩ等の大規模集積回路の製造において、シリコンウェハーにパターン形成等の微細加工が行なわれるが、これらの過程ではウェハーを平坦な面上に確実に固定することが必要である。このために従来より機械的チャック板、真空式チャック板あるいは電気式チャック板が用いられているが、最近では静電気力を利用する静電チャック板がウェハーの平面度を良くして固定することができ、且つ粒子の発生を抑えることができるという利点があるので、半導体製造技術の分野において特に有用となっている。
【０００３】
従来知られている、静電チャック板の構造は、セラミックスなどの絶縁基板上に導電層を積層し、更にこの導電層上にアルミナ等の誘電層を積層させたものであり、このような構造の静電チャック板の吸着力Ｆは、一般に次の数１式で示される。
【０００４】
【数１】
Ｆ＝（１／２）・ε₀・ｋｒ・（Ｖ／ｄ）²
ここで、ε₀：真空の誘電率
ｋｒ：誘電層の比誘電率
Ｖ：印加電圧
ｄ：誘電層の厚み
である。
【０００５】
【発明が解決しようとする問題点】
数１式から、吸着力Ｆは誘電層の比誘電率に比例し、また誘電層の厚みの２乗に反比例する。従って、高い吸着力を得るためにはこの誘電層の比誘電率を大きくする、及び／または誘電層の厚みを薄くすることが重要であることが判る。しかし、誘電層の厚さがあまり薄すぎると電極板に印加される電圧に耐えられず絶縁破壊を生じるという問題がある。
【０００６】
この問題解決を計るべく、例えば、ＣＶＤ法の窒化物を被覆してなる静電チャック（特開平３−１８３１５１号公報参照）や、高温電気絶縁性に優れ絶縁耐力の大きな窒化硼素被膜を薄く積層したホットプレート（特開平５−１２９２１０号公報参照）等が開発されてきた。しかし、これらはいずれもＣＶＤ温度が高い熱ＣＶＤ法により製造されているので、（１）基材が高融点材料に限定されること、（２）基材とＣＶＤで形成される被膜との熱膨張率差が極めて近くないと、被膜が剥がれたり、酷いときは被膜が破壊したりすること、（３）前記のことが主原因で安定して製品が得られず、歩留まりが低いこと等の問題点がある。
【０００７】
上記問題点の解決することを狙いに、本発明者らは、プラズマＣＶＤ法を適用することで、絶縁耐力が大きく、高温絶縁性に優れる窒化硼素の層を薄く積層することを検討したが、窒化硼素単独組成の場合には、硬さが不十分であり機械的強度に問題があり、長期に渡っての信頼性に欠けるという問題があった。
【０００８】
本発明者らは、上記事情に鑑みていろいろ検討した結果、珪素を含有するＢＮ_x膜を誘電層に適用するときに、その高温での電気抵抗性が高いこと、誘電率が高いこと、更に硬度が高いこと等の性質に原因して、長期に渡って電気的信頼性の高い静電チャック板が得られることを見いだして、本発明に至ったものである。
【０００９】
また、本発明者らは、基板に対向するシート状プラズマを形成しつつ、個別のプラズマを用いて励起した原料ガスを前記シート状プラズマを介して基板に供給する特定のプラズマＣＶＤ法を採用するときに、前記静電チャックを安定して、生産性良く得ることができることを見いだし、本発明に至ったものである。
【００１０】
【問題を解決するための手段】
本発明は、基板上に電極及び誘電層を設けてなる静電チャックであって、基板がアルミナ、マグネシア、窒化硼素、窒化アルミニウムのいずれかからなり、珪素を含有するＢＮxからなる誘電層を有することを特徴とする静電チャックであり、好ましくは、珪素を含有するＢＮxからなる誘電層の８００℃における体積抵抗率が３×１０⁹Ω・ｃｍ以上であり、珪素を含有するＢＮxからなる誘電層中の珪素含有量が１原子％以上１２原子％以下であり、若しくは、珪素を含有するＢＮxからなる誘電層のビッカース硬度が５００ｋｇ／ｍｍ²以上であることを特徴とする前記の静電チャックである。
【００１１】
又、本発明は、基板に対向するシート状プラズマを形成しつつ、個別のプラズマを用いて励起した原料ガスを前記シート状プラズマを介して基板に供給することを特徴とする静電チャックの製造方法である。
【００１２】
【発明の実施の形態】
本発明の静電チャックは、珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層を有するもので、例えば、図１に例示するように、基板４上に電極３及び珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層２を積層させた構造を有すればよいが、これに限定されるものではない。電極３に所定の電位を印加し、前記誘電層２を介して試料１を吸着する機能を発揮できる構造であればどのような構造であっても良いが、前記誘電層２は試料に歪を発生させないように少なくとも前記試料に相対する部分については平面度の高いことが望まれる。
【００１３】
静電チャックは、前記したとおり、半導体の製造工程においてウエハー等の加工時に用いられ、高真空下で概ね６００℃の高温条件下に曝されるので、前記基板４は高温下で電気絶縁性に優れること、ガス放出しないことを満足する材質が適用される。更に、半導体製造工程で発生する熱や電極から発生する熱を容易に逃がすことができるように熱伝導性に優れること等が要求されるし、珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層２等を被覆するに際して、それらの材料との熱膨張差が大きすぎて膜が剥がれたり、酷いときには膜が破壊することのないように適当な熱膨張率を有することが要求される。
【００１４】
本発明者らは、上記の考えに立ちいろいろな材料について実験を繰り返した結果、基板４に用いる材料として、アルミナ、マグネシア、窒化硼素、窒化アルミニウム等を用いることができること、とりわけアルミナが好適であることを見いだした。
【００１５】
電極３に用いる材料としては、基本的には導電性の材料であれば良いが、被覆する珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層２と熱膨張率の大ききは異ならないことが望ましい。その理由は、前記した通り、両者の差があまりにも大きいと、作製時あるいは使用時の温度変化等によって前記誘電層に亀裂が生じたりする問題が生じるからである。電極３に用いる材料としては、銅、アルミニウム、モリブデン等のいろいろな金属や黒鉛が用いられるが、黒鉛特に熱分解黒鉛は珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層と熱膨張率が近く好ましい。尚、電極３は、前記材料を予め所定形状にした後に基板４の上に配置し、そのまま珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層を被覆することもできるし、或いは基板４上にプラズマＣＶＤ等の所定の方法で被覆し、化学的、物理的に形状を整えた後に、珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層を被覆することもできる。
【００１６】
本発明の珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層２については、本発明者らがプラズマＣＶＤ法で得られるＢＮ_x膜について実験的に検討し、珪素（Ｓｉ）を含有するＢＮ_xが８００℃における体積抵抗率が従来得られなかった３×１０⁹Ω・ｃｍ以上もの高い値を有すること、そしてこのような高体積抵抗率のＢＮ_x膜は、珪素を１原子％以上１２原子％以下の特定量含有するとき、ビッカース硬度が５００ｋｇ／ｍｍ²以上もの高硬度を有することを見いだし、本発明に至ったものである。
【００１７】
本発明において、珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層中の珪素の存在量は１原子％以上１２原子％以下が、８００℃での体積抵抗率が３×１０⁹Ω・ｃｍ以上を達成する上で好ましい。珪素含有量が１原子％未満の場合、或いは１２原子％を超える場合は、いずれの場合も３×１０⁹Ω・ｃｍ以上を達成しえないことがある。又、用途においては特に高温での体積抵抗率が更に高いものが望まれ、例えば６×１０⁹Ω・ｃｍ以上を要する場合には、前記珪素含有量は３原子％以上８原子％以下の範囲に特定することで達成できる。また、前記の一層好ましい範囲での珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層のビッカース硬度は９００ｋｇ／ｍｍ²以上を有する。
【００１８】
本発明の珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層は、プラズマＣＶＤ法において、基板に対向するシート状プラズマを形成しつつ、個別のプラズマを用いて励起した原料ガスを前記シート状プラズマを介して基板に供給することで得ることができる。具体的には、例えば図２の構成を有するプラズマＣＶＤ装置を用いれば良い。前記の構成をとらない場合、珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層を得ることがあっても、その成膜速度は高々０．００４μｍ／ｍｉｎであり、本発明の場合の約０．０２μｍ／ｍｉｎに比べて低く、実用的でなくなる。
【００１９】
図２において、１０１は複合陰極型プラズマガン、１０２、１０３は中間電極（中間電極１０２には環状永久磁石１２４が組み込まれている）、１０４は１０ｍｍのスリット状の穴をもつ陽極である。陽極１０４と中間電極１０３の間に差動排気装置が設置されている。
【００２０】
空芯コイル１０６、１０７、１０８、１０９により陰極から陽極に向かう方向に磁場を形成させ、放電ガス導入口１０５よりＡrを導入し、前記陰極と前記陽極との間に電圧を印加することにより電子ビームプラズマを発生させる。１１０は一対の永久磁石のＮ極面を対向させたものであり、電子ビームプラズマがシート状のプラズマに変形される。
【００２１】
シート状に変形された電子ビームプラズマは陽極１０４のスリット状の穴を通過し、成膜部真空容器１２３内にシート状のプラズマ１２２が形成される。前記真空容器内のシート状プラズマの終端の位置に前記陽極から絶縁された金属板（反射板）１１１を配置することで電子流を打ち消し、前記シート状プラズマの捻れを抑制する。また、この方法により前記陽極が成膜容器の外側に位置するので膜の付着・絶縁化による放電の不安定性も抑制している。さらに、中間電極１０３と陽極１０４との間に差動排気装置を設け、この間の圧力を低くすることによって電子と中性種との衝突を減らし、高いエネルギーを持つ電子を効率よく成膜領域に供給することが可能である。
【００２２】
成膜する基材１１２は前記シート状プラズマ面の下数ｃｍに設置された高周波電極１１４に置かれ、必要に応じて、前記高周波電極１１４には１３．５６ＭＨzの高周波バイアスが印加される。また、基材加熱用ヒーター１１３により成膜中の前記基材１１２の温度制御を行なうことができる。原料ガス励起用プラズマ発生装置１１５は、仕切り壁によって仕切られた２つのプラズマ室を有しており、各プラズマ室にはそれぞれ高周波電源１１６に接続された高周波電極１１７が設けられている。この各高周波電極に１３．５６ＭＨzの高周波を印加しつつ各プラズマ室に個々の原料ガスをそれぞれ独立に供給することによって、原料ガスの個別の励起が可能となる。
【００２３】
この原料ガス励起用プラズマ発生装置１１５がシート状プラズマ面の上数ｃｍに２機設置され、前記プラズマ発生装置から２種類ずつの原料ガスを個別にプラズマ励起させた後、前記基材上に供給され、前記基材上に膜が形成される。
【００２４】
以下、実施例を挙げて更に具体的に本発明を説明する。
【実施例】
【００２５】
〔実施例１、２〕
アルミナ基板上にＷ電極をプラズマ溶射により５０μｍ厚さに形成した。プラズマＣＶＤによる珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層の形成は、Ｗ電極の上にシート状の高密度プラズマを形成しつつ、原料ガスを個別の原料ガス励起用プラズマ発生装置を用いて個別にプラズマ励起して前記基材上に導入するすることにより行った。前記シート状のプラズマを発生させる装置および原料ガス励起用プラズマ発生装置については、図２に例示した装置と同じで、電子ビーム発生装置および２つの原料ガス励起用プラズマ発生装置が用いられた。
【００２６】
シート状プラズマ放電用にＡｒガスを２０ｃｃｍ導入し、放電電流８０Ａのシート状プラズマを発生させ、一方の原料ガス励起用プラズマ発生装置にＢＦ₃を１０ｃｃｍ、ＮＨ₃を１０ｃｃｍ供給して、それぞれプラズマ励起させ、また他方の原料ガス励起用プラズマ発生装置にＳｉＨ₄を０．１ｃｃｍ（実施例１のとき）または０．２ｃｃｍ（実施例２のとき）、ＮＨ₃を１０ｃｃｍ供給して、それぞれプラズマ励起させ、Ｗ電極上に珪素を含有するＢＮ_Xからなる誘電層を積層した。ここで、基材温度を３００℃に、成膜部真空容器内の圧力を１０ｍＴｏｒｒとした。
【００２７】
上記操作で得られた静電チャック板の吸着力を測定し、結果を表１に示した。静電チャック板の吸着力は、静電チャック板上に直径５インチのシリコンウェハーをセットし、誘電層と電極の間に直流電源を用いて１ｋＶの電圧を印加し、静電気力によりシリコンウェハーをチャックさせた状態で、引張試験機（東京精機製作所製「ストロングラフＷ」）を用いてシリコンウェハーを静電チャック板から引き剥す際の引張強度を測定し、吸着力（ｇ／ｃｍ²）を求めた。
【００２８】
次に前記静電チャック板について、誘電層の機械的強度としてビッカース硬度を測定した後、誘電層について８００℃での体積抵抗率を求め、更に蛍光Ｘ線分析により誘電層中の珪素含有量を求めた。これらの結果を表１に記載した。尚、珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層の厚さを５０μｍまで薄くしても、１ｋＶの電圧を印加したときに誘電層の絶縁破壊は生じなかった。
【００２９】
【表１】

【００３０】
〔比較例１〕
原料にＳｉＨ₄を用いないことを除いて実施例１、２と同一の方法で、珪素を含有しないＢＮ_x誘電層を５０μｍ堆積して静電チャック板を作製した。この静電チャック板の誘電層と電極の間に直流電源を用いて１ｋＶの電圧を印加し、吸着力並びに機械的強度を測定し、その結果を表１に示した。吸着力は実施例１、実施例２の場合とほぼ同程度であるが、機械的強度が悪く、実用には不向きであることがわかる。
【００３１】
〔比較例２、３〕
原料ガスにＡｌＣｌ₃＋ＣＯ₂＋Ｈ₂を用い、温度１０００℃、圧力１０Ｔｏｒｒの熱ＣＶＤ法でアルミナ質の誘電膜を堆積し、静電チャック板を作製した。その結果、アルミナ質誘電層の厚さが１５０μｍより薄い場合（比較例２のとき）には誘電層の絶縁破壊が生じ、吸着力が急激に低下した。アルミナ誘電層の厚さが１５０μｍの場合（比較例３のとき）の吸着力測定結果を表１に示した。吸着力は実施例１、実施例２の約５分の１と低い。
【００３２】
【発明の効果】
実施例より、本発明の静電チャックは大きな吸着力を有し、しかも機械的強度が十分に高い特性を有し、半導体製造過程に安心して適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の静電チャック板の側面図。
【図２】本発明の珪素を含有するＢＮ_xからなる誘電層を形成するに用いる装置の一例を示す図。
【符号の説明】
１半導体ウェハー（試料）
２誘電層
３電極
４基板
１０１複合陰極型プラズマガン
１０２、１０３中間電極
１０４陽極
１０５放電ガス導入口
１０６、１０７、１０８、１０９
空心コイル
１１０同一極面を対向させた一対の永久磁石
１１１反射板（金属板）
１１２基材
１１３基材加熱用ヒーター
１１４高周波電極
１１５プラズマ発生装置
１１６高周波電源
１１７高周波電極
１１８、１１９原料ガス導入口
１２０直流電源
１２１高周波電源
１２２シート状プラズマ
１２３成膜部真空容器
１２４環状永久磁石

Claims

基板上に電極及び誘電層を設けてなる静電チャックであって、基板がアルミナ、マグネシア、窒化硼素、窒化アルミニウムのいずれかからなり、珪素を含有するＢＮxからなる誘電層を有することを特徴とする静電チャック。
珪素を含有するＢＮxからなる誘電層の８００℃における体積抵抗率が３×１０⁹Ω・ｃｍ以上であることを特徴とする請求項１記載の静電チャック。
珪素を含有するＢＮxからなる誘電層中の珪素含有量が１原子％以上１２原子％以下であることを特徴とする請求項１記載の静電チャック。
珪素を含有するＢＮxからなる誘電層のビッカース硬度が５００ｋｇ／ｍｍ²以上であることを特徴とする請求項１記載の静電チャック。
基板に対向するシート状プラズマを形成しつつ、個別のプラズマを用いて励起した原料ガスを前記シート状プラズマを介して基板に供給することを特徴とする静電チャックの製造方法。