JP3810341B2

JP3810341B2 - 静電チャック

Info

Publication number: JP3810341B2
Application number: JP2002145211A
Authority: JP
Inventors: 和一口町
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2002-05-20
Filing date: 2002-05-20
Publication date: 2006-08-16
Anticipated expiration: 2022-05-20
Also published as: JP2003338536A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造工程において、半導体ウエハ（以下、ウエハと称す）に微細加工を施すエッチング工程や薄膜を形成するための成膜工程、フォトレジスト膜を露光する露光処理工程等において、ウエハを保持する静電チャックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造工程において、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、又はフォトレジスト膜を露光するための露光処理工程等において、静電気的にウエハを保持する静電チャックが使用されている。
【０００３】
この静電チャックは、図７に示す板状板状セラミックス体１の上面に吸着用電極３を備え、該吸着用電極３を覆うように絶縁層４が形成され、該絶縁層４の上面がウェハを載せる吸着面４ａとなている。
【０００４】
吸着面４ａにウエハＷを載せ、吸着用電極３とウエハＷとの間に電圧を印加すると、誘電分極によるクーロン力やジョンソン・ラーベック力等の静電気力を発現させてウエハＷを吸着面４ａに吸着保持するものである。
【０００５】
ここで、クーロン力は、絶縁層４を構成する材質の体積固有抵抗値が１０¹³Ω・ｍより大きいと大きな吸着力を発生し、この吸着力は絶縁層４を構成する材質の誘電率や絶縁層４の厚みに依存する。それに対して、ジョンソン・ラーベック力は、絶縁層４を構成する材質の体積固有抵抗値が１０¹⁰Ω・ｍより小さいと大きな吸着力を発生する。従って、絶縁層４の体積固有抵抗値が１０¹³Ω・ｍより大きい時の吸着力はクーロン力により吸着され、絶縁層４の体積固有抵抗値が小さくなるにしたがってジョンソン・ラーベック力が発現し、絶縁層４の体積固有抵抗値が１０¹⁰Ω・ｍ以下になるとクーロン力より大きなジョンソン・ラーベック力が発現することが知られている。
【０００６】
上記の静電チャックとしては、吸着用電極３の上に窒化アルミニウムなどからなる絶縁層４を形成した特開平１１−５４６０３号公報に開示された静電チャックがある。
【０００７】
また、近年、半導体集積回路の配線は、微細化し集積度が向上している。そして、この様な半導体集積回路を製造する上で、ウエハを吸着し固定する静電チャックには、工程中の温度変化に対して寸法変動の小さいことが望まれるようになってきた。
【０００８】
特に、露光工程では１℃の温度変化によって発生する静電チャックの僅かな寸法変化が、半導体集積回路の製造歩留まりを低下させる。そこで、吸着面を備えた静電チャックは低熱膨張材料であることが望まれている。
【０００９】
更に、露光工程では配線パターンの露光を複数回に分けて施すことから、ウエハの位置精度をナノメーターレベルで制御することが必要とされてきた。そのため、温度を出来る限り一定としているが、静電チャックの熱膨張による寸法変化をより小さくする必要が出てきた。
【００１０】
また、露光の際には静電チャックを動かしてウェハ上の各チップ毎に露光するため、静電チャックの移動加速度に耐えうる大きな吸着力が望まれる。また、ウェハと露光のビームがミクロ的に見て略垂直でないとナノメーターレベルの制御ができないとの問題があり、ウェハを静電チャックに倣わせ平坦化する必要があり、静電チャックの吸着面内で均一な大きな吸着力が要求される。
【００１１】
上記静電チャックを構成するセラミックス材料としてコージライトがある。この材料は代表的な低熱膨張材料であり、特公平６−９７６７５号公報には、静電チャックの基体にコージライトを使用する事が開示されている。すなわち、図７に示すように、コージライトなどのセラミックスからなる基体２２の上に吸着用電極２３を形成し、その上にアルミナを主体とする絶縁層２４を設けた静電チャックを構成している。
【００１２】
更に、特開２００１−３１３３３２号公報では、１０〜４０℃の熱膨張係数が１．０×１０^-6／℃以下と小さいコージライトからなる絶縁層２４と同じコージライトからなる板状セラミックス体２２とに吸着用電極２３を埋設した静電チャックが開示されている。
【００１３】
また、特開平４−４９８７９号公報には、板状セラミックス体２の主面に吸着用電極３を形成し、吸着用電極３を覆うように全面に絶縁層４を形成しており、スパッタ、イオンプレーティング、真空蒸着で絶縁層４を形成する方法がとられていた。
【００１４】
【発明が解決しようとする課題】
特公平６−９７６７５号公報や特開平４−４９８７９号公報のように板状セラミックス体２２の主面に形成した吸着用電極２３を覆うように全面に絶縁層４を成膜した構成で、板状セラミックス体２２の直径が２００ｍｍや３００ｍｍと大きくなると、板状セラミックス体２２と絶縁層の熱膨張係数の違いから、板状セラミックス体２２と絶縁層２４の間には応力が発生する。特に、絶縁層２４の成膜時の温度と静電チャック２１の使用温度とが大きく異なると、板状セラミックス体２２と絶縁層２４の間に大きな応力が発生する。そこで、僅かな温度変化で吸着面が変形し平坦度が大きくなる虞があった。
【００１５】
また、特開２００１−３１３３３２号公報のようにセラミックス焼結体であるコージライトの中に吸着用電極を埋設した静電チャックチャックでは、セラミックス焼結体の熱膨張係数が小さいことから温度変化に対する変形が小さく好ましいが、金属としては熱膨張係数の小さいタングステンやモリブデン等からなる吸着用電極をコージライトに埋設しても、セラミックス焼結体と吸着用電極の熱膨張係数の違いから、一体に焼成したときにセラミックス焼結体が変形したりする問題があった。セラミックス焼結体が変形すと、埋設した吸着用電極もセラミックス焼結体の変形と共に変形し、吸着面を形成するためセラミックス焼結体の表面を平坦に機械加工すると、絶縁層の厚みが不均一となり、吸着面内で吸着力が不均一となるとの問題が発生する。
【００１６】
上記の吸着力の不均一によりウェハを均一な力で吸着することができないことからウェハを平坦に固定できない虞があった。ウェハが平坦に固定されないと、ウェハ上のフォトレジストに描画する際にパターンに歪みを発生させることになる。そこで、ウェハ上に作製したデバイスの歩留まりを低下する虞があった。
【００１７】
一方、絶縁層２４としてコージライトを用いることも考えられるが、コージライトはアルミナ、マグネシア、シリカの複雑な構造であるため、スパッタ等の成膜でコージライトのターゲットを作ってもアルミナ、マグネシア、シリカの重量や結合力が違うため均一なコージライト膜を作製できなかった。また、ＣＶＤ法でもコージライト膜を作ることは技術的に困難であった。
【００１８】
【課題を解決するための手段】
そこで、本発明は上記課題に鑑み、板状セラミックス体の一方の主面に吸着用電極を設け、該吸着用電極の上に絶縁層を備え、該絶縁層の上面をウェハを載せる吸着面とした静電チャックにおいて、上記絶縁層が複数に分割されているとともに上記絶縁層で覆われていない上記吸着用電極の表面に有機系の絶縁性被覆層を備えたことを特徴とする。
【００１９】
また、前記の絶縁層の最も大きな径の長さが、前記板状セラミックス体の最大径の１／２より小さいことを特徴とする。
【００２０】
更に、吸着用電極が薄膜であることを特徴とする。特に、上記板状セラミックス体がコージライトからなることを特徴とするか、上記板状セラミックス体がコージライトからなり、上記絶縁層がアルミナからなることを特徴とする。
【００２１】
【発明の実施の形態】
本発明の静電チャック１について以下に説明する。
【００２２】
図１は本発明の静電チャック１の一例を示し、図１(ａ)は本発明の静電チャックの上面図であり、図１（ｂ）はＴ-Ｔ線断面図を示す。
【００２３】
板状セラミックス体２の上面に吸着用電極３が形成され、吸着用電極３に接続した給電端子６が板状セラミックス体２の給電端子孔１１を通し接続されている。吸着用電極３の上面には、分割された複数の絶縁層４が形成されている。そして、絶縁層４の上面をウェハＷを載せる吸着面４ａとしている。板状セラミックス体２にはウェハＷを上下に上げ下げするリフトピンを通すリフトピン穴５が設けられている。
【００２４】
そして、吸着面４ａの上にウェハＷを載せ、給電端子６とウェハＷの間に５００Ｖ程の直流電圧を印加すると吸着用電極３とウェハＷの間に静電吸着力を発現させ、ウェハＷを吸着することができる。
【００２５】
本発明の静電チャック１は複数に分割された絶縁層４を備えることから、静電チャック１の温度が変化しても、板状セラミックス体２と絶縁層４の熱膨張差により発生する応力を緩和することができる。分割された絶縁層４の大きさは、絶縁層４の最も大きい径の長さＬが板状セラミックス体２の最大径Ｄの１／２より小さいと、板状セラミックス体２と絶縁層４の間に働く応力を大きく緩和できる。板状セラミックス体２の一方の主面の平坦度を精度良く加工し、その上に吸着用電極３を形成し、更にその上に分割した絶縁層４を形成しても絶縁層４により前記主面の平坦度を変えることなく、均一な厚みで絶縁層４を形成できる。従って、吸着面４ａのあらゆる場所で吸着力が一定となり、ウェハＷを吸着面に倣って平坦に強固に固定できる。
【００２６】
分割された絶縁層４の最も大きい径の長さＬを板状セラミックス体２の最大径Ｄの１／２より小さくすると、絶縁層４内部の最大応力も半分に軽減される。更にＬを小さくすることにより絶縁層４内部の応力を小さくすることができる。望ましくは、分割された絶縁層４の最も大きな径の長さＬが板状セラミックス体２の最大径Ｄの１／４以下、更に好ましくは１／１０以下にした方がよい。
【００２７】
尚、分割された絶縁層４の最も大きい径の長さＬが０．１ｍｍを下回ると、その絶縁層４の上面に形成した吸着面にエッジが生じやすくなり、ウェハＷを載せた際に、ウェハＷを削りパーティクルを発生する虞がある。分割された絶縁層４の最も大きい径の長さＬは、更に好ましくは１ｍｍ以上である。
【００２８】
また、上記の絶縁層４の上面を吸着面４ａとするが、板状セラミックス体２の他方の主面の面積に対する、吸着面４ａの総面積の比率が１０％以下ではウェハＷを吸着する吸着力が小さく、ウェハを吸着面４ａに平坦に吸着できない虞がある。また、吸着面４ａの総面積の比率が９５％を越えると、絶縁層４の最も大きい径の長さＬを板状セラミックス体２の最大径Ｄの１／２より小さくすることが難しくなる。従って、板状セラミックス体２の他方の主面の面積に対し、吸着面４ａや絶縁層４の面積は１０〜９５％が好ましく、更に好ましくは２０〜８０％である。
【００２９】
絶縁層４を分割した形状は、図１（ａ）のように四角形のブロック状に分割したものに限らず、図２（ａ）に示すように、同心円と放射状を組み合わせた形状としたり、図２（ｂ）のように絶縁層４を複数の円形としたものなどがある。
【００３０】
但し、絶縁層４の分割による効果の大きさは、絶縁層４内の最大長さＬに関係することから、同心円状のリング形状では効果は小さい。
【００３１】
また、図３に示すように吸着用電極３とウェハＷ間で放電し難いように吸着用電極３が絶縁層４で覆われていない表面は、絶縁性の樹脂からなる絶縁性被覆層８を備えることが好ましい。この絶縁性被覆層８としては、シリコン樹脂、エポキシ樹脂、ポリイミド樹脂、テフロン等が好ましい。この絶縁性被覆層８を吸着用電極３の絶縁層４以外の表面に被覆すると吸着用電極３とウェハＷの間の絶縁抵抗を高めるだけでなく、静電チャック１を取り付けた装置の雰囲気ガスによる吸着用電極３の腐食を防止することができる。
【００３２】
また、絶縁層４にボイド等がある場合はボイドに樹脂を含浸させて絶縁を確保する方法もある。
【００３３】
更に、ウェハＷと吸着用電極３の距離を離したり、吸着面４ａに深い溝を形成したいときは、図４のように予め板状セラミックス体２に凹部７を設け、その上に吸着用電極３を備えるとともに、凹部７間の凸部に絶縁層４を設ければよい。
【００３４】
また、静電チャック１の吸着面４ａとウェハＷとの熱伝達を高めるため、ウェハＷ裏面に熱伝達を向上させるガスを流すのであれば、図５のように予め板状セラミックス体２の外周にシール部９を設けてその部分でガスをシールすればよい。
【００３５】
また、図６のように個々の吸着用電極３を分割し、個々の吸着電極３の全面を覆うように絶縁層４を形成して、ウェハＷと吸着用電極３の間の放電を防止することができる。この場合、板状セラミックス体２中に内部電極１２やビアホール１０を埋設し吸着用電極３と給電端子６を接続することもできる。
【００３６】
次に本発明の静電チャック１の製造方法について述べる。
【００３７】
板状セラミックス体２の材質はアルミナ、コージライト、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素、ＹＡＧ（イットリヤアルミナガーネット）等を主成分とするセラミックスが挙げられるが、ユーザーニーズに合わせて板状セラミックス体２の材質を選定すればよい。例えば、露光装置用としては、低熱膨張の材料が望まれるため板状セラミックス体２としてコージライトが選定される。また、熱プロセスで冷却・加熱などの熱伝導特性が必要の場合は、窒化アルミニウムや炭化珪素などの高熱伝導材料を選定すればよい。また、加熱する場合にヒーターが必要であれば、板状セラミックス体２にヒーターを内蔵しても構わない。
【００３８】
板状セラミックス体１としてコージライトを主成分としたセラミックスで作製する製造方法を述べる。粒径５μm以下のコージライト粉末に、平均粒径が３μm以下の希土類元素酸化物粉末を１〜２０質量％、好適には５〜１５質量％、さらに好適には８〜１２質量％の割合で添加することが良い。添加剤を加えないコージライト１００質量％でも、緻密化が可能であるが、焼成温度が高く、焼成可能温度領域が±５℃と非常に狭いために緻密化した材料を安定に作製することが難しい。これに対して、希土類元素を１重量％以上含有すると、焼成時にコージライトの成分と反応して液層を生成することから、焼結性を高める効果があり、低温で焼成可能とすることができる共に、焼成可能温度領域を±２５℃程度まで広げることが出来ることから、量産性を高めることができる。コージライト中に含有させる希土類元素としては、Ｙ、Ｙｂ、Ｌｕ、Ｅｒ、Ｃｅ、Ｎｄ、Ｓｍ等が挙げられる。これらの中でも安価に入手出来る点でＹ、Ｙｂが好適である。
【００３９】
なお、この希土類元素はコージライト結晶の粒界に存在するが、この希土類元素はＲＥ₂Ｏ₃・ＳｉＯ₂またはＲＥ₂Ｏ₃・２ＳｉＯ₂などのシリケート化合物結晶相として存在することが望ましい、これは、粒界相の結晶化により基体１の熱膨張係数を小さくするためである。
次に吸着用電極３について述べる。吸着用電極３の材質は板状セラミックス体２との密着性及び絶縁層４との密着性から選定しなければならない。アルミニウム、金、銀、銅、チタン、クロム、タングステン、モリブデンなど金属でも、窒化チタン、炭化チタン、窒化クロム、炭化タングステンなどの導電性を有する金属化合物でも構わない。吸着用電極３の厚みは板状セラミックス体２や絶縁層４と熱膨張が異なるため薄く形成するのが望ましい。厚くても３μｍ以下、望ましくは１μｍ以下、更に望ましくは０．２μｍ以下である。このような厚みとすることにより、吸着用電極３と板状セラミックス体２の熱膨張係数の違いによる変形や応力を緩和でき、絶縁層４と板状セラミックス体２の熱膨張係数の違いによる吸着面４ａの反りや変形を防止できる。
【００４０】
吸着用電極３は薄く成膜しなければならないことから、その製法はスパッタ法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法などが好ましい。
【００４１】
そして、吸着用電極３の上に形成する絶縁層４は、スパッタ法、ＣＶＤ法、イオンプレーティング法などで形成することが好ましい。絶縁層４の材質としてはアルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、アモルファスシリコン、ＹＡＧなどがある。絶縁層４の材質は、ユーザーニーズに合わせて選定すればよい。例えば、耐プラズマ性を要求される場合はアルミナやＹＡＧなど耐プラズマ性に優れたものを選定すればよい。絶縁層４の厚みとしては吸着力を考えれば薄い方が好ましいが、耐電圧、加工等を考慮に入れると最低でも１０μｍ以上が好ましい。
【００４２】
また、絶縁層４の厚みが３００μｍを越えると、静電吸着力が小さ過ぎてウェハを平坦に吸着することが難しかった。
【００４３】
絶縁層４を分割する方法は、吸着用電極３や板状セラミックス体１の一面に成膜した後に絶縁層をエッチングし分割するという方法もあるが、一面に成膜した時点で絶縁層内の応力が大きくなり絶縁層にクラックや剥離が生じてしまう可能性がある。そのため、予め成膜前に、分割する部分にメタルマスクやポリイミドテープなどの耐熱テープを貼って成膜する方法が好ましい。
【００４４】
【実施例】
次に本発明の実施例について述べる。
【００４５】
露光装置用として、板状セラミックス体２にコージライトを用いて、絶縁層４にアルミナを用いた例を示す。コージライトの室温付近の熱膨張係数は２ｘ１０^-8／℃でアルミナの熱膨張係数は５００ｘ１０^-8／℃である。
【００４６】
平均粒径が３μｍのコージェライト粉末に対し、焼結助剤として平均粒径が１μｍのＹｂ₂Ｏ₃粉末を５％添加して、バインダー及び溶媒を添加して２４時間混合乾燥したあと、９８ＭＰａの圧力にて金型により成形体を作製し生成形体を得た。その後、この生成形体を酸素雰囲気中で１４００℃で焼成して焼結体を得た。得られた焼結体を研削研磨加工して、直径２００ｍｍで厚みが１０ｍｍの板状セラミックス体２を作製した。
【００４７】
このコージライト製の板状セラミックス体２にイオンプレーティングにより０．２μｍ厚みのチタンを成膜して吸着用電極３を形成した。吸着用電極３が形成された板状セラミックス体２に所定の形状に型抜きされたポリイミドテープを貼ってマスキングを施し、そのマスキングされた板状セラミックス体２の表面にスパッタ法でアルミナ膜を１００μｍの厚み成膜した。そして、成膜後にマスキングテープを剥がして絶縁層を分割させ、アルミナ膜からなり絶縁層に含まれる最も大きい直線の長さＬの異なる絶縁層を作製した。更に、絶縁層の上面を所定の面粗度、平面度に研磨に仕上げて複数の静電チャック１を試料Ｎｏ.１〜５として作製した。
【００４８】
また、比較例として直径２００ｍｍで厚み１０ｍｍの上記同様のコージライト製の板状セラミックス体に吸着用電極を形成し、吸着用電極の全面を覆うようにアルミナ製絶縁層を成膜し試料Ｎｏ.６、７を作製した。
【００４９】
作製した静電チャックを厳密に温度管理された雰囲気に設置し、雰囲気温度を１℃変え、吸着面の平坦度の変化を光学式の平面度測定器で測定した。平坦度の変化が０．１μｍ以下を合格とした。
結果は表１に示す。
【００５０】
【表１】

【００５１】
本発明の静電チャック試料Ｎｏ.１〜５は、平坦度が０．１μｍ以下と優れた特性を示す事が分った。
【００５２】
また、試料Ｎｏ.２〜５に示すように絶縁層に含まれる長さＬを板状セラミックス体の外形Ｄの１／４以下とすると平坦度は０．０５μｍ以下と更に優れていることがわかった。
【００５３】
これに対し、試料Ｎｏ.６，７の従来の静電チャックは平坦度が０．１μｍ以上と大きく露光用の静電チャックとしては使えなかった。
【００５４】
【発明の効果】
本発明の板状セラミックス体の一方の主面に吸着用電極を設け、該吸着用電極の上に絶縁層を備え、該絶縁層の上面をウェハを載せる吸着面とした静電チャックにおいて、上記絶縁層が複数に分割されているとともに上記絶縁層で覆われていない上記吸着用電極の表面に有機系の絶縁性被覆層を備えた構造とすることにより、板状セラミックス体と絶縁層の熱膨張差が異なっても、静電チャックの吸着面の平坦度を小さくすることができる。
【００５５】
特に、露光装置で使われる用途では板状セラミックス体にコージライトを用いることにより、低熱膨張であるため温度変化によるウェハの変形を最小限に抑えることができる。
【００５６】
また、静電チャックの吸着面の全面で均一で大きな吸着力を発生させることができる。そのため、ウェハを平坦に矯正することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】（ａ）は本発明に係る静電チャックの平面図であり、（ｂ）は（ａ）中のＴ−Ｔ線断面図である。
【図２】（ａ）（ｂ）は本発明に係る静電チャックの平面図である。
【図３】（ａ）は本発明に係る静電チャックの平面図、（ｂ）は（ａ）中のＴ−Ｔ線断面図である。
【図４】（ａ）は本発明に係る静電チャックの平面図、（ｂ）は（ａ）中のＴ−Ｔ線断面図である。
【図５】（ａ）は本発明に係る静電チャックの平面図、（ｂ）は（ａ）中のＴ−Ｔ線断面図である。
【図６】（ａ）は本発明に係る静電チャックの平面図、（ｂ）は（ａ）中のＴ−Ｔ線断面図である。
【図７】（ａ）は従来の静電チャックの平面図、（ｂ）は（ａ）中のＴ−Ｔ線断面図である。
【符号の説明】
１、２１：静電チャック
２、２２：板状セラミックス体
３、２３：吸着用電極
４、２４：絶縁層
４ａ、２４ａ：吸着面
５、２５：リフトピン穴
６、２６：給電端子
７：基体凹部
８：絶縁性被覆層
９：シールリング
１０：ビアホール
１１、３１：給電端子孔
１２：内部電極

Claims

板状セラミックス体の一方の主面に吸着用電極を設け、該吸着用電極の上に絶縁層を備え、該絶縁層の上面をウェハを載せる吸着面とした静電チャックにおいて、上記絶縁層が複数に分割されているとともに上記絶縁層で覆われていない上記吸着用電極の表面に有機系の絶縁性被覆層を備えたことを特徴とする静電チャック。
上記絶縁層の最も大きな径の長さが、前記板状セラミックス体の最大径の１／２より小さいことを特徴とする請求項１記載の静電チャック。
上記吸着用電極が薄膜であることを特徴とする請求項１または２記載の静電チャック。
上記板状セラミックス体がコージライトからなることを特徴とする請求項１〜３のいずれかに記載の静電チャック。
上記板状セラミックス体がコージライトからなり、上記絶縁層がアルミナからなることを特徴とする請求項１〜４のいずれかに記載の静電チャック。