JP3758979B2

JP3758979B2 - 静電チャック及び処理装置

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Publication number: JP3758979B2
Application number: JP2001053173A
Authority: JP
Inventors: 勝伺坂上; 祥二高坂; 市男清藤; 純司大江; 正喜寺園; 靖右田; 直大東; 仁阿多利
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2001-02-27
Filing date: 2001-02-27
Publication date: 2006-03-22
Anticipated expiration: 2021-02-27
Also published as: JP2002261157A; US6643115B2; US20020176219A1

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電チャックに関し、特に、エッチング、ＣＶＤ、スパッタリング等の半導体製造工程において、ウエハを静電的に吸着保持して行う処理や搬送等に好適に用いられる静電チャック及び処理装置に関する。
【０００２】
【従来技術】
液晶を含む半導体デバイスの製造に用いる半導体製造用装置において、ウエハ等の基板を成膜、エッチング又は露光等により加工したり、搬送するためには、基板を保持する必要がある。特に、静電的に基板を保持する静電チャックは、真空中や腐食性ガス雰囲気での使用が可能であり、半導体の製造に適しているため、多用されている。
【０００３】
しかし、真空中で処理を行うプラズマ処理装置においては、ウエハとそのウエハを載置する静電チャック表面との間が真空状態になり、ウエハと静電チャック間の熱伝達が悪くなるため、プラズマ処理中のイオン照射によってウエハが局部的に加熱され、ウエハ温度が不均一になり、その結果、不良が発生するという問題があった。
【０００４】
そこで、静電チャックのウエハ載置面の中心から外周部に向けて放射状に多くの溝を形成し、この溝に熱伝導の媒体としてガスを導入することによって、ウエハの温度上昇を防止するとともに、ウエハの面内における温度のばらつきを小さくすることが特開平２−１１９１３１号公報で提案されている。
【０００５】
また、静電チャックのウエハ載置面の表面粗さを０．３μｍ以下と小さくし、ウエハと静電チャックの接触面積を増やして熱伝達を改善し、基板の均熱性を向上させることが特開平６−１１２３０２号公報で提案されている。
【０００６】
さらに、ウエハ載置面がガス噴出溝によって載置面中心領域と載置面外周領域とに分離し、前記載置面外周領域の表面粗さが前記載置面中心領域よりも小さく、且つ表面粗さを０．２〜０．５μｍにすることで、ウエハ表面での温度均一性を高めた静電チャックが特開平８−５５９０５号公報に記載されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、特開平２−１１９１３１号公報に記載の静電チャックは、中心から放射状の溝が多数設けられているため、中心部では溝間の間隔が狭く均熱性が高いものの、外周部では溝間の間隔が大きくなり、部位によって温度が変化するため、均熱性が不十分であるという問題があった。
【０００８】
また、特開平６−１１２３０２号公報に記載の静電チャックは、ウエハ載置面の表面粗さが小さく、基板の均熱性が向上するものの、吸着力が高すぎるために、印加電圧を切った時に残留吸着が発生し、被保持物の離脱応答性が悪くなり、スループットを小さくして、生産性が低いという問題があった。
【０００９】
さらに、特開平８−５５９０５号公報に記載した静電チャックは、上記の離脱応答性の問題に加えて、不良率が高くなるという問題があった。即ち、この静電チャックの表面粗さが小さいため温度均一性は高くなるものの、温度上昇によってウエハが反るため、基板の外周エッジに近いガス孔を設けたガス噴出溝からガスのリークが発生し、プラズマ処理の均一性及び再現性に悪影響を及ぼし、不良率が高くなるという問題があった。
【００１０】
このように、従来の静電チャックは、均熱性、吸着力及び離脱応答性の全ての特性に優れるものが得られておらず、その結果、半導体製造工程においてスループットを低下したり、不良率を高めるという問題があった。
【００１１】
従って、本発明は、基板の均熱性と高い吸着力を維持しながら、離脱応答性とガスリークの少ない静電チャック及びそれを用いた処理装置を提供することを目的とする。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明は、載置面外周領域と載置面中心領域の表面粗さ及び位置（高さ）を制御することにより、基板の均熱性と高い吸着力を維持しながら、離脱応答性とガスリークを改善できるという知見に基づくものである。
【００１３】
即ち、本発明の静電チャックは、セラミック誘電体層と、該セラミック誘電体層の表面に設けられ、被保持物を保持するための載置面と、該載置面と反対側の表面に対向するように設けられた保持電極とを具備してなる静電チャックにおいて、前記載置面がガス噴出溝によって載置面外周領域と載置面中心領域とに分離され、表面粗さＲ_ａが、前記載置面中心領域で０．６〜１．５μｍ、前記載置面外周領域で０．７μｍ以下であるとともに、前記載置面外周領域の表面粗さが前記載置面中心領域の表面粗さよりも小さく、且つ前記載置面外周領域の高さが、前記載置面中心領域の高さより０．６μｍ〜１０μｍ高いことを特徴とするものである。
【００１４】
このように、載置面中心領域の表面粗さＲ_ａを０．６〜１．５μｍと大きくするとともに、載置面外周領域と載置面中心領域との水平レベルに０．６μｍ〜１０μｍの高低差を設けたため、ガスが被保持物と載置面中心領域との間隙に入り、均熱性を向上することができる。
【００１５】
また、この高低差の形成により、温度上昇によってウエハ等の被保持物（以下、単にウエハと言う）が反りを生じたとしても、その変形を吸収してウエハ端部が載置面から離れることがなくなるため、載置面外周領域からのガスのリークを防ぐと同時に、載置面外周領域の表面粗さを０．７μｍ以下としたため、載置面外周領域において高い吸着力を得ることができる。
【００１６】
そして、載置面の表面粗さは吸着力及び残留吸着力に大きな影響を及ぼすことを知見し、載置面外周領域を小さな表面粗さ、載置面中心領域を比較的大きな表面粗さにすることにより、十分な吸着力と迅速な離脱応答性を実現することができた。即ち、表面粗さが載置面中心領域で大きく、載置面外周領域で小さいため、ウエハと静電チャックとの接触面積が小さくなり、その結果、載置面外周領域では大きな吸着力を示すものの、載置面中心領域では吸着力が抑制され、被保持物の離脱応答性が改善されるのである。
【００１７】
特に、前記載置面外周領域及び前記載置面中心領域の最大表面粗さＲ_maxが、２μｍ以下であることが好ましい。これにより、局部的なガスリークを防止でき、被保持物の均熱性、吸着力の低下及び離脱応答性をさらに改善できる。
【００１８】
また、前記載置面の周端部から前記ガス噴出溝の外周までの距離が、１０ｍｍ以下であることが好ましい。これにより、載置面外周領域を狭くすると共に載置面中心領域を広くし、ガスによるウエハの均熱領域を拡大し、外周領域のデッドスペースを狭くできるため、１枚の基板から得られる半導体チップの数が増え、生産性を向上できる。
【００１９】
さらに、前記セラミック誘電体層の密度が９８％以上、最大気孔径が２μｍ以下であることが好ましく、これにより、載置面の表面粗さを制御することが容易になるとともに、被処理物との摩擦によって発生するパーティクルを減少させることができる。
【００２０】
さらにまた、前記セラミック誘電体層の５０℃の体積固有抵抗が１０⁷〜１０¹²Ωｃｍであることが好ましく、これにより小さな印加電圧でジョンソン−ラーベック力に基づく高い吸着力を得ることができる。
【００２１】
また、前記セラミック誘電体層が窒化アルミニウムを主成分とすることが好ましく、これにより、フッ素や塩素等を含む腐食性ガスやプラズマによる腐食に強く、製品寿命を延ばすことができる。
【００２２】
さらに、本発明の処理装置は、本発明の静電チャックが内部に設けられてなることを特徴とするもので、生産性を高め、低コストで信頼性の処理を実現できる。
【００２３】
【発明の実施の形態】
本発明の静電チャックを、図１〜４を用いて説明する。
【００２４】
図１（ａ）によれば、本発明の静電チャック１は、セラミック誘電体層２と、該セラミック誘電体層２の表面に設けられた載置面３と、該載置面３と反対の表面に設けられた電極４とを具備している。なお、セラミック誘電体層２は、載置面３と電極４とで挟持されるように設けられている。なお、図示してないが、電極４に電圧を供給するための接続配線を含むことは言うまでもない。
【００２５】
また、載置面３は、Ｓｉウエハ等の被保持物を搭載するための部位であり、ガス噴出溝５によって載置面中心領域３ａ及び載置面外周領域３ｂとに分割されている。この載置面中心領域３ａは、図１（ａ）における１対のガス噴出溝５の間にある載置面３の一部に相当するものであり、また、載置面外周領域３ｂは、ガス噴出溝５より外側の部位を言う。
【００２６】
ガス噴出溝５にはガス孔６が接続しており、このガス孔６を通してガスがガス噴出溝５に供給される。図１（ａ）には、ガス孔６がセラミック誘電体層２を貫通するように設けられているが、ガス孔６は、セラミック誘電体層２の側面にガス供給口を設けても差し支えない。
【００２７】
図１（ｂ）は、図１（ａ）の右側のガス噴出溝５付近の拡大断面図である。この図１（ｂ）によれば、載置面中心領域３ａの表面粗さＲ_a(i)が０．６〜１．５μｍ、載置面外周領域３ｂの表面粗さＲ_a(O)が０．７μｍ以下であり、且つＲ_a(O)がＲ_a(i)よりも小さいことが重要である。
Ｒ_a(i)を０．６〜１．５μｍに設定することにより、ウエハと載置面中心領域３ａとの隙間に存在するガスの熱伝導によって載置面中心領域３ａに位置するウエハの均熱性を高めることができ、エッチング、ＣＶＤ又はスパッタ等の工程においてウエハの広範な領域に渡って均一な処理を行うことができ、かつ良好な離脱応答性を得ることができる。特に、Ｒ_a(i)は、０．７〜１．２μｍ、更には０．８〜１μｍであることが、均熱性と離脱応答性のために好ましい。
【００２８】
Ｒ_a(i)が０．６μｍより小さいと、吸着に関与する電荷量が多くなり、その結果、ウエハを保持する吸着力が必要以上に高すぎてしまい、保持のために電極に印加していた電圧を停止したとき、大量に存在する電荷の除去に時間がかかり、吸着が維持される残留吸着が発生するため、離脱応答性が悪くなり、スループットを低下させる。逆に、Ｒ_a(i)が１．５μｍを越えると、ガスの流れが大きくなってウエハの温度ばらつきが発生してウエハ温度が不均一になり、エッチング、ＣＶＤ、スパッタ等の工程で不良が発生しやすくなる。
【００２９】
また、ガス噴出溝５から導入されたガスは、載置面中心領域３ａとウエハとの隙間に供給されるとともに、載置面外周領域３ｂとウエハとの隙間を通ってウエハ周端部に達し、静電チャック外に放出されるが、Ｒ_a(O)が０．７μｍより大きいと、載置面外周領域３ｂとウエハとの隙間からガスが外部へ放出されやすくなるためにリーク量が増大し、吸着力が急激に低下してしまうので、安定した吸着力を得られない。
【００３０】
特に、Ｒ_a(O)は０．６μｍ以下、更には０．５μｍ以下であることが、高い吸着力とリーク防止のために好ましい。なお、Ｒ_a(O)の下限値は、特に制限されないが、表面粗さを小さくするためのコストを考慮すると、０．０５μｍ、特に０．１μｍ、更には０．２μｍが好ましい。
【００３１】
また、Ｒ_a(O)をＲ_a(i)よりも小さくすることによって、面積の広い載置面中心領域３ａにおける吸着力を必要十分な強さに保ちながら、残留吸着力を小さくできる。即ち、表面粗さが大きくなると吸着に関与する表面積が減少し、吸着力に関与する電荷量が少なくなるため、載置面中心領域３ａにおける吸着力が載置面外周領域３ｂに比べて小さくなるものの、上記の範囲に設定すれば、処理を行うために十分な吸着力を維持できる。
【００３２】
また、面積の小さな載置面外周領域３ｂにおける表面粗さＲ_a(O)をＲ_a(i)よりも小さくし、吸着力を大きくすることによって、載置面外周領域３ｂから外部へ流出するガス量を抑制し、安定した吸着力を得ることができる。このガス流出量が大きくなると、ウエハを載置面外周領域３ｂから引き離す力が吸着力より大きくなってしまい、ウエハが載置面外周領域３ｂから離れ、その結果、吸着力が低下する。この場合には、たとえＲ_a(O)及びＲ_a(i)をそれぞれ上記の値に設定したとしても、Ｒ_a(O)がＲ_a(i)より大きい場合、載置面外周領域３ｂの吸着力が低下し、ウエハ全体の吸着力が低下してしまう。
【００３３】
従って、載置面中心領域３ａの表面粗さＲ_a(i)を０．６〜１．５μｍ、載置面外周領域３ｂの表面粗さＲ_a(O)を０．７μｍ以下、且つＲ_a(O)がＲ_a(i)よりも小さく設定することが重要である。
【００３４】
ここで、表面粗さＲ_aは表面の平均的な凹凸状態を示し、具体的には日本工業規格Ｂ０６０１による中心線平均粗さを接触法により測定する。例えば、東京精密製のハンデイサーフ装置等を使用し、溝中心部と溝外周部をランダムに５箇所選び、それぞれ少なくとも２０点の中心線平均粗さの平均値を測定する。
【００３５】
また、本発明によれば、前記載置面外周領域３ｂの高さが、前記載置面中心領域３ａの高さより０．６μｍ〜１０μｍ高いことが重要である。この高低差が０．６μｍより小さいと、その高低差が表面粗さの誤差範囲になってしまい、この高低差を設けた効果が無くなってしまう。つまり、表面粗さを制御してガスによる均熱性の改善を図っても、上記高低差が０．６μｍ未満では静電チャックと被保持物面の温度差が３０℃以上になり、ウエハとセラミック誘電体との熱膨脹差により、ウエハが基板の外周方向に凸状の反りが発生してしまい、ウエハの端部が反り上がり、ガスリークが発生して急激な吸着力低下を引き起こす。これはウエハサイズが大きい場合に顕著になる。
【００３６】
従って、図１（ｂ）において、前記載置面外周領域３ｂが前記載置面中心領域３ａよりも水平レベルが高く、その高低差ｄが０．６μｍ〜１０μｍであることが必要であり、この高低差ｄが０．６μｍ〜１０μｍで、且つＲ_ａ（ｉ）が０．６〜１．５μｍと大きいため、ウエハと載置面中心領域３ａとの間に間隙が発生し、ガスの熱伝導によりウエハの温度が均一になる。
【００３７】
さらに、Ｒ_a(O)が０．７μｍ以下と小さく、且つ載置面外周領域３ｂが載置面中心領域３ａよりも高い位置にあるため、外周部において高い吸着力が得られ、ガスリークを防止することができる。その結果、均一で再現性の極めて高い処理を行うことができる。
【００３８】
そして、表面粗さの制御により、載置面中心領域３ａの吸着力が、載置面外周領域３ｂの吸着力に比べて小さいため、載置面中心領域３ａにおいて印加電圧を停止した後の残留吸着は発生しにくく、たとえ載置面外周領域３ｂにおいて残留吸着が起こっても、載置面外周領域３ｂの面積が載置面中心領域３ａの面積に対してはるかに小さいため、離脱性に大きな影響を及ぼさず、高い離脱応答性を得ることができる。
【００３９】
高低差ｄは、ウエハの大きさにもよるが、特に１μｍ以上、さらには３μｍ以上、より好適には５μｍ以上が好ましい。また、この高低差ｄを大きくし過ぎると中心部に大きな窪みがあるのと等価になるため、ウエハが大きく変形して割れたり、ウエハの離脱時にウエハの振動が大きくなり、位置ずれが発生するという問題が発生することがある。従って、高低差ｄの上限値は、ウエハの大きさにも依存するが、１０μｍ以下であることが好ましい。
【００４０】
また、本発明によれば、載置面中心領域３ａ及び載置面外周領域３ｂの最大表面粗さＲ_maxが２μｍ以下、特に１．５μｍ以下、さらには１．２μｍ以下であることが好ましい。Ｒ_maxが２μｍを越えると局所的に大きな傷や加工不良がある場合があり、載置面外周領域３ｂにおいてはガスリークの原因となる。
【００４１】
また、載置面中心領域３ａにおいては、Ｒ_maxが２μｍを越えると局所的に大きな傷や加工不良の部位を流れるガスの流れが生じ、部分的にウエハが浮き上がるるため、吸着力が安定しなくなる。また、ウエハにおけるガスの流れる部位と流れない部位との間で温度差が発生するため、ウエハの処理にばらつきが発生し、不良発生率が増加する。従って、Ｒ_maxは２μｍ以下が好ましい。
【００４２】
ここで、最大表面粗さＲ_maxは表面凹凸状態の極大値を示す。例えば、日本工業規格Ｂ０６０１による接触法に基づき、東京精密製のハンデイサーフ装置等を使用し、溝中心部と溝外周部をランダムに５箇所選び、それぞれ少なくとも２０点の最大高さを測定すればよい。
【００４３】
さらに、載置面３の周端部８からガス噴出溝の外周９までの距離ｗが、１０ｍｍ以下、特に８ｍｍ以下、さらには６ｍｍ以下であることが好ましい。ガス噴出溝６に導入されたガスは、ウエハと載置面外周領域３ｂとの間隙を通過して、静電チャックが設けられている処理装置内に放出され、付帯の真空装置によって除去されるが、載置面３の周端部８、即ち載置面外周領域３ｂの最外周からガス噴出溝の外周９までの距離が、１０ｍｍを越え、ガス噴出溝が中心部へ入り込んで来ると、ガスが通過しにくくなり、吸着力が不安定になることがある。また、ｗが大きくなれば、載置面外周領域３ｂの面積が大きくなり、ウエハ全体の吸着力が増加し、印加電圧を停止したときの残留吸着力が大きくなって離脱応答性が悪くなる傾向がある。
【００４４】
さらに、前記セラミック誘電体層２の密度が９８％以上、特に９９％以上、最大気孔径が２μｍ以下、特に１μｍ以下であることが好ましい。表面に存在する気孔の大きさが２μｍ未満と小さく、表面に存在する気孔の数も少ないため、Ｒ_a(O)及びＲ_a(i)を容易に小さくし、最大表面粗さＲ_maxを２μｍ以下に制御することが容易になる。
【００４５】
さらにまた、前記セラミック誘電体層２の５０℃の体積固有抵抗が１０⁷〜１０¹²Ωｃｍであることが好ましく、特に、１０⁸〜１０¹¹Ωｃｍが好ましい。体積固有抵抗が１０⁷Ωｃｍより低いと、セラミック誘電体層２から被保持物へのもれ電流が大きくなり、ウエハ等の保持物にダメージを与える傾向がある。また、体積固有抵抗が１０¹²Ωｃｍより高いと、ジョンソン−ラーベック吸着力が低下し、十分な吸着力を得られないことがある。
【００４６】
また、前記セラミック誘電体層２が窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を主成分とすることが好ましい。ＡｌＮは、フッ素や塩素等を含む腐食性ガスやプラズマによる腐食に強く、パーテイクルの発生を抑制し、製品寿命を延ばすことができる。特に、ＡｌＮの含有する金属不純物は２重量％以下、特に１重量％以下、更には０．５重量％以下であることが好ましい。
【００４７】
さらに、窒化アルミニウムからなる上記静電チャック１の電極４を構成する金属としては、Ｗ、Ｍｏ、Ｐｔ、Ａｕ、Ａｇ、Ｎｉ、ＴｉＮ、ＷＣ、Ｗ₂Ｃ、ＴｉＣ、ＴｉＢ₂、Ｂ₄Ｃ等を用いる事ができるが、載置面３を有する基板の内部に電極４を形成する場合は（以下電極内蔵と略する。）、導電率とセラミックスの焼成温度が高いことを考慮すると、Ｗ、ＷＣ、Ｍｏが好ましい。また、載置面３の裏面に電極４を形成する場合には、上記金属のいずれでもよい。
【００４８】
また、電極４の相対密度は９０％以上特に９５％以上、さらには９７％以上であることが好ましい。このことにより、電極４に大きな気孔の発生を抑制でき、その結果、吸着力の面内分布を均一化しやすくなる。
【００４９】
また、図２は本発明の他の静電チャックの例である。本発明の静電チャック１１は、セラミック誘電体層１２と、該セラミック誘電体層１２の表面に設けられた載置面１３と、該載置面１３と反対の表面に設けられた電極１４とを具備している。なお、図示してないが、電極１４に電圧を供給するための接続配線を含むことは言うまでもない。
【００５０】
また、載置面１３は、Ｓｉウエハ等の被保持物（以下、単にウエハと言う）を搭載するための部位であり、ガス噴出溝１５によって載置面中心領域１３ａ及び載置面外周領域１３ｂとに分割されている。そして、このガス噴出溝１５にガス孔１６が接続しており、このガス孔１６を通してガスが供給される。
【００５１】
また、電極１４は、セラミック誘電体１２と基体１８とによって挟持されてなり、且つセラミック誘電体１２及び基体１８は一体的に形成されている。これらは、強固に接着していれば問題はないが、残留応力を小さくするためにセラミック誘電体１２と基体１８とを同一物質とすることが好ましい。従って、電極１４は、セラミックスの内部に埋設された状態で形成されている。このように、内部に電極１４が設けられた場合、被保持物の近傍に発生するプラズマによる腐食を避けることができ、断線やショートの危険も少ないことから、信頼性の高い静電チャックを実現することができる。
【００５２】
また、図３は、本発明の静電チャックの他の例を示したものであり、架台３０の上に単一電極を用いた静電チャック２１の概略断面構造を示している。即ち、セラミック誘電体層２２の一方の表面に、載置面中心領域２３ａ及び載置面外周領域２３ｂとからなる載置面２３が形成され、他方の表面には電極２４が形成されている。また、載置面２３にはガス噴出溝２５が設けられ、ガス噴出溝２５に外部からガスを導入するためのガス孔２６が接続されている。さらに、上記の構造体は、金属製の架台３０の表面に、接着層３１を介して結合されて静電チャック２１が形成されている。
【００５３】
なお、図示していないが、外部から電極２４に電圧を供給するための接続配線が設けられていることは言うまでもない。そして、載置面２３上のウエハ等の被保持物３２と電極２４との間に電圧を印加すると、被保持物３２は、載置面２３に静電的に吸着される。
【００５４】
また、ロウ材や金属を用いた接合では、接着層に応力が集中してクラックや反りが発生することがあるため、、接着層が有機接着層であることが好ましい。静電チャック２１の反りを緩和し、外周からのガスリークを抑制させ、吸着力を高めることができる。特に、有機接着層３１は、温度差による被保持物３２のそりを緩和できる柔らかいシリコン、エポキシ又はウレタン等の有機接着剤からなることが好ましい。
【００５５】
さらに、図４は、本発明の静電チャックの他の例を示したものであり、架台５０の上に複数の電極を用いた静電チャック４１の概略断面構造を示している。即ち、セラミック誘電体層４２の一方の表面に、載置面中心領域４３ａ及び載置面外周領域４３ｂとからなる載置面４３が形成され、他方の表面には一対の電極４４ａ、４４ｂが形成されている。
【００５６】
また、載置面４３にはガス噴出溝４５が設けられ、ガス噴出溝４５に外部からガスを導入するためのガス孔４６が接続されている。さらに、電極４４は、基体４８表面に一体的に形成されている。つまり、一対の電極４４はセラミック誘電体層４２と基体４８によって挟持された状態にあり、セラミック誘電体層４２と基体４８とが同一物質（セラミックス）の場合、該セラミックス内部に電極が埋設されている。
【００５７】
上記構造体は、金属製の架台５０に、接着層５１を介して結合され、静電チャック４１が形成されている。なお、図示してないが、外部から電極４４に電圧を供給するための接続配線が設けられていることは言うまでもない。そして、電極４４ａ及び４４ｂとの間に電圧を印加すると、載置面４３上のウエハ等の被保持物５２は、載置面４３に静電的に吸着される。
【００５８】
なお、処理装置によってはプラズマを発生する容器内で用いられる場合があり、その場合には、被保持物（３２、５２等）の近傍にプラズマを発生させるために、基体（１８、４８等）の内部または裏面にプラズマ電極が設けられてなることが好ましい。これにより、装置構造の簡略化や小型化に大きく寄与できるとともに、プラズマの制御が容易になる。
【００５９】
以上のように構成された静電チャックは、基板の均熱性と高い吸着力を維持しながら、離脱応答性とガスリークの少なく、均熱性、吸着力及び離脱応答性の全ての特性に優れるという特徴を有し、エッチング、ＣＶＤ、スパッタリング等の半導体製造工程における、ウエハ等の基板を静電的に吸着保持して行う処理や搬送等に好適に応用でき、その結果スループットが大きくなる。
【００６０】
次に、本発明の静電チャックの製造方法を、セラミック誘電体層としてＡｌＮ焼結体を用いて図２の静電チャックを作製する場合を例にとって説明する。
【００６１】
まず、出発原料としてＡｌＮ粉末を用意する。このＡｌＮ粉末は、還元窒化法、又は直接窒化法のいずれの製造方法で作製した粉末でも良く、特に純度９９％以上、平均粒子径が３μｍ以下が高純度焼結体を得るために好ましい。この原料中に含まれる金属不純物は、吸着力に影響のない範囲で含まれていても差し支えないが、耐腐食性に優れた高純度焼結体を得るために、Ａｌ以外の金属が２重量％以下、特に１重量％以下、さらには０．５重量％以下にすることが好ましい。
【００６２】
なお、炭素は焼結性に影響するため、１重量％以下、特に０．５重量％以下、更には０．３重量％以下であることが好ましい。また、焼結体の酸素量は、３重量％以下、特に２重量％以下、更には１重量％以下であることが好ましい。これにより、耐腐食性に優れた高純度焼結体を得ることができる。
【００６３】
上記の窒化アルミニウム粉末を、成形し、内部に電極を設けた所望の形状にする。成形は、金型プレス、ＣＩＰ、テープ成形、鋳込み等の成型方法を用いてもよい。成形体は、所望により、成形の時に必要なバインダー成分を除去した後、仮焼を行うことができる。
【００６４】
電極の形成は、電極内蔵の場合は、例えば、相対密度差が５％以下の一対の成形体及び／又は仮焼体を用意し、一方に印刷法によりＷやＭｏ等の金属及び／又はＴｉＮ等の金属化合物とセラミック焼結体の主成分と、有機バインダ、溶剤とを混合してなるペーストを塗布して電極を形成した後、電極を挟むように重ねればよい。また、他の方法としてテープ成形体上に電極を印刷し、仮焼後に一対のプレス仮焼体間に挿入してもよい。
【００６５】
この時、金型プレスで成形し、仮焼したプレス仮焼体とテープ仮焼体との相対密度差を１０％以下、特に５％以下にしておくことが好ましい。これにより、剥離やクラックの発生を効果的に抑制することができる。
【００６６】
また、電極の形成の際には、あらかじめ焼成後の収縮を確認し、焼結後に電極厚みが７μｍ以上に形成されるように、形成時の電極厚みを決めることが望ましい。例えば、電極形成用ペーストの組成、濃度、粘度やプレス圧等にもよるが、電極厚みが１０μｍ以上、特に２０μｍ以上、さらには３０μｍ以上に形成しておくことが好ましい。
【００６７】
なお、電極ペーストを塗布する成形体又は仮焼体の平面度を２００μｍ以下、特に１００μｍ以下、更には５０μｍ以下にすることが好ましい。これにより、前記載置面から前記電極までの平均距離のばらつきを制御することが容易となる。
【００６８】
次に、内部に電極を設けた成形体からなる構造体を焼成するが、焼成の前に所望によりバインダー成分を除去してもよい。また、焼成はホットプレス法、常圧焼成法、ガス圧焼成を用いることができる。場合によってはＨＩＰや熱処理を施しても良い。
【００６９】
焼成は、ホットプレス法を例として説明する。まず、上記の構造体をホットプレス装置のカーボン型に装填し、構造体の強度未満の圧力を加えてから昇温することが重要である。圧力を加えないと昇温により収縮や変形が生じ、また、圧力が構造体強度以上では、加圧で試料が割れ、電極形成部の断線や大きな変形が起こるため、これを防ぐことができる。
【００７０】
次に、焼成温度未満の温度で保持することが好ましい。この温度保持工程は、構造体の温度を均一にする効果を有し、保持温度は１４００〜１８００℃と収縮開始温度に近いことが好ましい。また、保持時の圧力は、構造体の強度未満の圧力、特に０．１〜３ＭＰａに設定することが好ましい。また、上記温度保持は、構造体の温度を均一にするため、２０分以上、特に１時間以上が好ましい。
【００７１】
上記温度保持工程を終了した後、再度昇温を開始し、収縮開始温度から±１００℃の温度範囲において加圧圧力を構造体の強度以上の圧力に設定する。この圧力は、電極の変形を矯正しながら一次元の収縮を行わせ、電極を平坦に保つことができる。上記の加圧開始温度は、特に、収縮開始温度から±５０℃の温度範囲であることが好ましい。なお、上記温度保持が終了した時点で昇温を再開すると同時に、加圧を行ってもよい。
【００７２】
ここで、収縮開始温度とは、一定の昇温速度における寸法収縮曲線において、未収縮時の直線の外挿線と、収縮時の曲線の接線の外挿線との交点を示す。
【００７３】
そして、２０００〜２２５０℃の温度で焼成し、電極を内蔵したセラミック焼結体を得ることができる。この焼成は、上記の温度で２０分以上、特に１時間以上保持することが好ましく、これにより、緻密体を安定して得ることができる。
【００７４】
さらに、構造体の収縮量の９０％が収縮した時点以降で焼成圧力より高い圧力を加えて、さらに電極の変形を矯正することが好ましい。これにより、焼結体表面から電極までの距離のばらつきを更に小さくすることができる。
【００７５】
また、焼成圧力は０．１ＭＰａ以上であることが、相対密度９９％以上を達成するために好ましい。なお、圧力をかけるスピードは、特に限定されない。
【００７６】
従って、例えば、初期圧力として０．１〜０．２ＭＰａを印加し、１７５０℃で１時間保持後、昇温を再開し、１８００℃で０．５ＭＰａの圧力を加え、２１５０℃で４時間の焼成を行う。また、所望により焼成後に、例えば２２００℃で１ＭＰａ以上の圧力を加え、３０分保持してもよい。
【００７７】
なお、セラミック焼結体が窒化アルミニウム結晶相を主体とする場合、局部的な変形や部位による収縮量の相異、あるいは焼結助剤の不均一分散による応力変形を防ぐため、Ａｌ以外の金属の含有量が１重量％以下であることが好ましい。
【００７８】
本発明にかかる載置面の形成について報告する。まず、載置面を有するセラミック基板を所望の形状に加工する。例えば、研削加工、ドリル加工によってガス孔及びガス噴出溝を形成した後、ロータリー加工や研削加工によって、載置面中心領域及び載置面外周領域を、平均表面粗さＲ_a０．６〜１．５μｍ、最大表面粗さＲ_max２μｍ以下に仕上げる。この際に、載置面外周領域の高さは、載置面中心領域の高さより１０〜１００μｍ程度高くしておくことが好ましい。
【００７９】
次に、載置面外周領域を平均表面粗さＲ_ａ０．７μｍ以下、最大表面粗さＲ_ｍａｘが２μｍ以下にロ―タリーやラップ加工によって仕上げ、載置面外周領域を載置面中心領域よりも０．６μｍ〜１０μｍになるように調整する。
【００８０】
最後に、上記の加工を終了したものを載置面と反対側を有機層によって架台に接着させる。接着層は、イミド樹脂、エポキシ樹脂、シリコーン樹脂、フェノール樹脂といった柔らかい樹脂が用いられる。また、この中に、適宜に金属やセラミックを粉末やバルクとして混入して接着強度を高めても良い。なお、接着後に載置面の加工を行っても良い。
【００８１】
また、本発明の処理装置は、特に液晶を含む半導体の製造用装置として好適に用いられる。即ち、そのような製造工程において、本発明の静電チャックの載置面にウエハ等の被保持物を固定し、搬送、エッチング、成膜等の処理を効率よく行うことができ、生産性が高く、低コストで信頼性の高い半導体を実現できる。
【００８２】
【実施例】
原料として平均粒子径１μｍの還元窒化法の窒化アルミニウム粉末を用いた。また、所望により平均粒子径１μｍの炭素粉末及び平均粒子径１μｍのＡｌ₂Ｏ₃粉末を添加し、Ａｌ以外の金属が１重量％以下になるように混合した。
【００８３】
この混合粉末にエタノールとバインダを加えて混合し、成形用粉末を作製した。これをプレス成形により直径３００ｍｍ、厚み６ｍｍの円板に成形した。また、測定用試料として直径８０ｍｍ、厚み４ｍｍの形状に成形した。ＷＣとＡｌＮと有機バインダからなるペーストを用いて電極を形成した。電極を挟むように一対の円板を重ね、さらにプレス加工を行い、この成形体を脱脂して構造体とした。この構造体をＡｌＮ鉢内に入れ、焼成炉内で焼成した。焼成は、予め収縮開始温度付近の１７５０℃で１時間保持した後、２１５０℃で４時間焼成した。
【００８４】
得られた焼結体の最大気孔径は、焼結体を鏡面状態に研磨し、１０００倍の走査型電子顕微鏡写真により各々１試料につき１０箇所の破面を観察し、最大気孔径を測定した。
【００８５】
また、焼結体の相対密度は、まずアルキメデス法から嵩密度をもとめた後、焼結体を粉砕してＪＩＳＲ１６２０に基づいたＨｅ置換法で得られた真密度と比較して算出した。
【００８６】
体積固有抵抗は、ＪＩＳＣ２１４１に準拠した３端子法により、５０℃で測定した。
【００８７】
次に、上記円板の焼結体の外径加工を行い、３００ｍｍとした。また、ドリル加工によりガス孔及びガス噴出溝を形成し、載置面の周端部からガス噴出溝の外周までの距離ｗを表１のようになるようにした。載置面は、ロータリー加工や研削加工によって、あらかじめ、表１に示すＲ_a(i)及びＲ_maxになるように載置面全面を仕上げた。この際に、溝から外周までの載置面外周領域の高さは、溝から中心にいたる載置面中心領域の高さより２０μｍ程度高くした。その後、溝から外周までの載置面外周領域を平均表面粗さＲ_a(O)及び最大表面粗さＲ_maxを表１に示す値になるようにロータリーやラップ加工によって仕上げた。また、載置面中心領域と載置面外周領域との高低差ｄを表１の値になるように調整した。
【００８８】
そして、アルミニウム製架台と上記焼結体をエポキシ樹脂接着剤を用いて接合し、図４に示した構造を有する静電チャックを作製した。
【００８９】
また、基板の均熱性は、あらかじめ、基板の内外部を１０箇所以上においてプラズマが発生する表面やガスの導入孔付近の載置面知覚に熱電対を挿入しておき、プラズマ発生時やガス導入時の載置面の温度をモニターリングしながら、ばらつきを測定した。
【００９０】
吸着力は、載置面に１インチ角のシリコン片を載せ、５０℃で５００Ｖ（双極電圧２５０Ｖ）を印加し、印加から３０秒後にシリコン片を静電チャックから引き離すために要した力を吸着力として測定した。また、電圧印加から１８０秒後に、電圧の印加を停止し、電荷が２ＫＰａ以下まで低下するのに要した時間を測定し、この除電時間を離脱応答性の値とした。
【００９１】
ガスリークは、真空装置を１０Ｐａに設定し、静電チャックの溝に流れるガス流量を流量計で測定した。結果を表１に示した。
【００９２】
【表１】

【００９３】
本発明の試料Ｎｏ．２〜６、８〜１１、１３〜１６及び１８〜３３は、吸着力が３００ＭＰａ以上と大きく、ガスリークは１５ｓｃｃｍ以下、離脱応答性は２５ｓｅｃ以下、基板の面内ばらつきも２５℃以下と小さかった。
【００９４】
一方、載置面外周領域と載置面中心領域が同じ高さで、ｄが０のである本発明の範囲外の試料Ｎｏ.１７は、離脱応答性は０．５ｓｅｃと良好なものの、吸着力が８０ＭＰａと非常に低いものだった。また、ガスリークは１２０ｓｃｃｍと大きかった。
【００９５】
また、表面粗さＲ_aが、載置面外周領域と載置面中心領域で同じである本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１２は、離脱応答性は０．５ｓｅｃと良好なものの、吸着力が１５０ＭＰａと小さいものだった。また、ガスリークは７０ｓｃｃｍと大きかった。
【００９６】
さらに、載置面外周領域の表面粗さＲ_aが、載置面中心領域の表面粗さＲ_aより大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．１は、面粗さが小さいため、吸着力は６００ＭＰａと高く、ガスリークは０．５ｓｃｃｍと小さいいものの、離脱応答性が１８０ｓｃｃｍと悪かった。
【００９７】
さらにまた、載置面中心領域の平均表面粗さＲ_aが２μｍと大きい本発明の範囲外の試料Ｎｏ．７は、離脱応答性は０．５ｓｅｃと良好なものの、吸着力が２００ＭＰａと低いものだった。
【００９８】
【発明の効果】
本発明は、載置面外周領域及び載置面中心領域のＲ_aを制御するとともに、載置面の表面に高低差を形成することにより、基板の均熱性と高い吸着力を維持しながら、離脱応答性とガスリークの少ない静電チャックを実現できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の静電チャックの構造を示すもので、（ａ）は概略断面図、（ｂ）はガス噴出溝付近の拡大概略断面図である。
【図２】本発明の静電チャックの他の構造を示す断面図である。
【図３】本発明の静電チャックのさらに他の構造を示す断面図である。
【図４】本発明の静電チャックのさらに他の構造を示す断面図である。
【符号の説明】
１、１１、２１、４１・・・静電チャック
２、１２、２２、４２・・・セラミック誘電体層
３、１３、２３、４３・・・載置面
３ａ、１３ａ、２３ａ、４３ａ・・・載置面中心領域
３ｂ、１３ｂ、２３ｂ、４３ｂ・・・載置面外周領域
４、１４、２４、４４ａ、４４ｂ・・・電極
５、１５、２５、４５・・・ガス噴出溝
６、１６、２６、４６・・・ガス孔
７、１７・・・ガス噴出溝底部
８・・・載置面の周端部
９・・・ガス噴出溝の外周
１８、４８・・・基体
３１、５１・・・接着層
３２、５２・・・被保持物
ｄ・・・高低差
ｗ・・・載置面外周領域幅

Claims

セラミック誘電体層と、該セラミック誘電体層の表面に設けられ、被保持物を保持するための載置面と、該載置面と反対側の表面に対向するように設けられた保持電極とを具備してなる静電チャックにおいて、前記載置面がガス噴出溝によって載置面外周領域と載置面中心領域とに分離され、表面粗さＲ_ａが、前記載置面中心領域で０．６〜１．５μｍ、前記載置面外周領域で０．７μｍ以下であるとともに、前記載置面外周領域の表面粗さが前記載置面中心領域の表面粗さよりも小さく、且つ前記載置面外周領域の高さが、前記載置面中心領域の高さより０．６μｍ〜１０μｍ高いことを特徴とする静電チャック。
前記載置面外周領域及び前記載置面中心領域の最大表面粗さＲ_maxが、２μｍ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。
前記載置面の周端部から前記ガス噴出溝の外周までの距離が、１０ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１又は２記載の静電チャック。
前記セラミック誘電体層の密度が９８％以上、最大気孔径が２μｍ以下であることを特徴とする請求項１乃至３のうちいずれかに記載の静電チャック。
前記セラミック誘電体層の５０℃の体積固有抵抗が１０⁷〜１０¹²Ωｃｍであることを特徴とする請求項１乃至４のうちいずれかに記載の静電チャック。
前記セラミック誘電体層が窒化アルミニウムを主成分とすることを特徴とする請求項１乃至５のうちいずれかに記載の静電チャック。
被保持物を保持するために、請求項１乃至６のうちいずれかに記載の静電チャックが設けられてなることを特徴とする処理装置。