JP3851489B2 - 静電チャック - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体の製造プロセスにおいてウエハー等のワークを保持するのに適した静電チャックに関する。
【0002】
【従来の技術】
ワークを所定位置に保持するための手段として、機械式チャックや減圧吸引式チャックあるいは静電式チャックなどが知られている。例えば半導体の製造プロセスにおいて、ウエハーを所定位置に保持するために、静電力を利用した静電チャックが使用されることがある。静電チャックの材料として、所望の静電力を保つためにセラミックス等の電気絶縁体が使用されている。例えば特開平11−260534号公報に記載されているように、主にアルミナ(Al2O3)、あるいは窒化アルミニウム(AlN)系のセラミックス材料を用いた焼結静電チャックが知られている。
【0003】
半導体製造プロセスのように、マイナス数十℃からプラス数百℃という広範囲な雰囲気温度に静電チャックがさらされる場合、特に低温領域において、純粋なアルミナ、あるいは窒化アルミニウムでは、必要とされる静電吸着力が充分に得られない。このためアルミナや窒化アルミニウムに各種の酸化物、窒化物、炭化物などを微量添加し、セラミックスの組成を調整することで、静電チャックとして使用可能な電気抵抗率(1×108〜1×1012Ω・cm)を得ている。また、上記焼結静電チャックの他に、上記セラミックス材料を金属基体上に溶射した静電チャック(溶射静電チャック)も知られている。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
半導体製造プロセスにおいては、主にフッ化物プラズマガス中などの腐食環境に静電チャックがさらされることがある。この場合、静電チャックの表面が腐食され、結晶粒が脱落することでウエハーの汚染や損傷が生じる。
【0005】
また静電チャックは、金属製の基体に、ろう付けやはんだ付け、接着、機械的締結などによって固定されるのが通例である。しかし金属基体と従来のセラミックス静電チャックとでは熱膨張係数が互いに大きく異なっている。例えばアルミナ系セラミックスの熱膨張係数は8×10−6/℃程度、窒化アルミニウム系セラミックスの熱膨張係数は4×10−6/℃程度であるのに対し、アルミニウム合金からなる金属基体の熱膨張係数は、20×10−6/℃程度と大きな値である。
【0006】
このため、半導体の製造プロセス中の急激な温度変化によってセラミックス静電チャックと金属基体との間に大きな熱膨張差が生じる。この熱膨張差によって静電チャックが変形したり、セラミックスと金属基体との接合部に剥離や破壊が生じることがあるなど、半導体の製造プロセスに支障をきたす。
【0007】
【課題を解決するための手段】
前記目的を果たすための本発明は、半導体ウエハー等の被吸着物を静電的に吸着する吸着面を有するチャック本体と、前記吸着面に電圧を印加するための電極とを備えた静電チャックであって、前記チャック本体は、MgOを主成分とし、TiCが添加されかつC o 3 O 4 ,C r 2 O 3 の中から選択された1種以上の酸化物またはNiOが固溶したセラミックスで、使用温度域において電気伝導性を有し、前記電極に電圧を印加した状態において前記吸着面に帯電分極が誘起されることによりジョンセン・ラーベック力に基く吸着力が生じるセラミックスからなることを特徴とする。このMgOを主成分とするセラミックスは、半導体製造プロセスなどで用いられるフッ化物雰囲気に対して優れた耐腐食性を有する。またMgOを主成分とするセラミックスは、金属と熱膨張係数が近いため、金属部材と結合された場合に両者の熱膨張差が低減する。
【0008】
本発明では、静電チャックの使用温度域において、静電チャックに望まれる電気抵抗率(1×108〜1×1012Ω・cm)が得られるように、MgOに1.5%未満の炭化物(例えばTiC)を添加したセラミックスを用いてもよい。TiCは電気伝導性を有する材料であるため、TiCを添加することによって、静電チャックの電気抵抗率を使用温度域に応じた値に調整することができる。ただし、TiCを1.5%以上添加するとセラミックスの焼結密度の低下をまねくため好ましくない。
【0009】
本発明では、静電チャックの使用温度域において、静電チャックに望まれる電気抵抗率が得られるように、MgOに5%未満の遷移金属の酸化物を添加したセラミックスを用いてもよい。ここで言う酸化物は、二酸化チタン(TiO2)、二酸化ジルコニウム(ZrO2)、五酸化二バナジウム(V2O5)、五酸化二ニオブ(Nb2O5)、五酸化二タンタル(Ta2O5)、四酸化三コバルト(Co3O4)、三酸化二クロム(Cr2O3)などが挙げられる。
【0010】
TiO2,ZrO2,V2O5,Nb2O5,Ta2O5,Co3O4,Cr2O3は、MgOと反応し、固溶して電子的欠陥を生じさせることにより、セラミックスの電気伝導性を増加させる。したがってこれらの酸化物をMgOに添加することにより、静電チャックの電気抵抗率を使用温度域に応じた値に調整することができる。ただし5%以上添加するとセラミックスの焼結密度を低下させることになり、また耐腐食性も低下するため好ましくない。
【0011】
さらに本発明では、静電チャックの使用温度域において、静電チャックに望まれる電気抵抗率が得られるように、MgOに15%未満のNiOを添加してもよい。NiOもMgOに固溶してセラミックスの電気伝導性を増加させる効果がある。したがってNiOをMgOに添加することにより、静電チャックの電気抵抗率を使用温度域に応じた値に調整することができる。ただしNiOを15%以上添加すると、セラミックスの焼結密度を低下させることになり、また耐食性も低下するため好ましくない。
【0012】
【発明の実施の形態】
次に、本発明の一実施形態について、図1を参照して説明する。
図1に示された静電チャック10は、例えば半導体の製造プロセスにおいて、半導体ウエハー11を静電力によって吸着し、所定位置に保持するために使用される。この静電チャック10は、気密を維持できるチャンバ12の内部に収容されている。チャンバ12の内部は、必要に応じて減圧雰囲気あるいは特定ガスの雰囲気に保つことができるようになっている。
【0013】
この静電チャック10は、ウエハー11を静電的に吸着するための平坦な吸着面20を有するセラミックス21aからなるチャック本体21と、吸着面20に静電圧を印加するための電極22と、ウエハー11およびチャック本体21を熱伝導によって加熱する電熱部材からなるヒータ23と、チャック本体21に固定された金属部材の一例としての金属基体24等を備えている。図示例の電極22は単極形であるが、双極形の電極が採用されてもよい。電極22はチャック本体21に埋設されている。
【0014】
金属基体24は例えばアルミニウム合金等の金属からなる。この基体24とチャック本体21は、たとえばろう付け、はんだ付け、接着あるいはボルト等の機械的締結などによって互いに固定されている。この図示例の場合、ヒータ23は基体24に埋設されている。ただし、ヒータ23をチャック本体21に埋設してもよいし、あるいはチャック本体21および基体24とは別に構成されたヒータをチャック本体21などに取付けてもよい。
【0015】
電極22は直流電源30に接続されており、電極22に正負いずれかの電圧を印加できるようになっている。ヒータ23にはヒータ用電源31が接続されており、ヒータ23に通電することにより、静電チャック10とウエハー11を加熱できるようになっている。
【0016】
チャック本体21はMgOを主成分とする例えば円盤形のセラミックス21aからなる。このセラミックス21aは、静電チャック10の使用温度域において電極22から吸着面20にわたって電気伝導性を有するようにその組成が調整されている。
【0017】
表1に、いくつかの実施例の構成(化学組成)と抵抗率および使用温度を示した。表1に示されるように、微量な窒化物あるいは酸化物からなる添加物を含有することで、マイナス数十℃〜プラス数百℃といった広範な温度領域において、純粋なMgOよりも電気抵抗率を小さな値にすることができる。
【0018】
表1に示されるように、500℃前後の高い温度域であれば、実質的にMgOのみからなるセラミックスでも、静電チャックとして使用可能な電気伝導性と吸着力が得られるようになる。使用温度が200℃前後の場合は、MgOにNiOを添加したセラミックスが適している。
【0019】
【表1】
【0020】
静電チャック10の吸着面20の所定位置にウエハー11を乗せ、直流電源30によって電極22に電圧を印加する。この静電電圧により、吸着面20とこの吸着面20が対向するウエハー11との間に分極による吸引力が生じることで、ウエハー11が吸着面20に静電力によって吸着される。さらにこの静電電圧により、吸着面20の微小な凹凸に帯電分極が誘起されるため、これらの微小凹凸において、いわゆるジョンセン・ラーベック(Johnsen‐Rahbek)力に基く吸着力が生じる。このジョンセン・ラーベック力によって、従来の絶縁体セラミックスを用いた静電チャック(主としてクーロン力によるもの)よりも強い吸着力を得ることが可能となる。
【0021】
ジョンセン・ラーベック力は、吸着面20の微小な凹凸に生じた帯電分極による静電力であるため、電圧を除くと瞬時に分極が解消される。このため電源30を断ったときに短時間で吸着力が解消し、ウエハー11が吸着面20に貼りついたままになることがない。このジョンセン・ラーベック力とクーロン力とが協働することにより、強力な静電吸着力が得られ、しかも電源30をオフにしたときにウエハー11が速やかに解放されることになる。
【0022】
必要に応じてヒータ用電源31によってヒータ23に通電し、静電チャック10および半導体ウエハー11を加熱する。従来のアルミナ系セラミックスや窒化アルミニウム系セラミックスからなる静電チャックの場合、金属基体とセラミックスの熱膨張差によって両者の接合面が剥離したり、静電チャックが変形あるいは破損することがあった。
【0023】
本発明のMgOを主成分とするセラミックス21aを用いた静電チャック10は、MgOの熱膨張係数(13×10−6/℃)がアルミニウム合金等の金属の熱膨張係数に近い。このため、温度変化が大きくても、チャック本体21と金属基体24との熱膨張差による変形が少なく、両者の接合面に剥離や破壊が生じることを回避できる。
【0024】
MgOを主成分とするセラミックス21aは、半導体の製造プロセス中で使用される腐食雰囲気(主にフッ化物プラズマガス)にさらされた場合でも、これらの腐食環境に対する耐食性に優れている。このため、静電チャック10の表面が腐食されて結晶粒子が脱落したり、結晶粒子の脱落によるウエハー11の汚染や損傷も回避でき、ウエハー11の品質が向上する。
【0025】
なお、この発明を実施するに当たって、被吸着物はウエハーに制約されることはなく、また、チャック本体や吸着面、電極、金属基体など、この発明の構成要素をこの発明の要旨を逸脱しない範囲で適宜に変更して実施できることは言うまでもない。
【0026】
【発明の効果】
請求項1に記載した発明によれば、主成分がMgOからなりかつ使用温度域で電気伝導性を有するセラミックスを使用したことで、例えば半導体ウエハーの製造プロセスで用いるフッ化物等の腐食環境に対して良好な耐食性を発揮できる。また、主成分がMgOからなるセラミックスの熱膨張係数は金属の熱膨張係数と近いため、このセラミックスに固定される金属部材との熱膨張差を少なくすることができる。そしてジョンセン・ラーベック力を利用できることにより、例えば半導体ウエハーの製造プロセスで適用される広い温度域において大きな吸着力を発揮することができる。
【0027】
この発明によれば、MgOにTiCを添加することによって、使用温度域に応じた電気抵抗率が得られる。
また、MgOに遷移金属の酸化物を添加することによって、広い使用温度域に応じた電気抵抗率が得られる。
【0028】
また、MgOにNiOを添加することによって、使用温度域に応じた電気抵抗率が得られる。
請求項2に記載した発明によれば、金属部材とセラミックス製のチャック本体とを有する静電チャックにおいて、熱膨張差によって静電チャックが変形したりセラミックスと金属部材との界面が剥離あるいは破損するなどの不具合を回避でき、耐久性に優れた静電チャックを提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態の静電チャックを示す断面図。
【符号の説明】
10…静電チャック
11…半導体ウエハー
20…吸着面
21…チャック本体
21a…セラミックス
22…電極
23…ヒータ
24…金属基体(金属部材)
30…電源
Claims (2)
- 被吸着物を静電的に吸着する吸着面を有するチャック本体と、前記吸着面に電圧を印加するための電極を備えた静電チャックであって、
前記チャック本体は、MgOを主成分とし、TiCが添加されかつC o 3 O 4 ,C r 2 O 3 の中から選択された1種以上の酸化物またはNiOが固溶したセラミックスで、使用温度域において電気伝導性を有し、前記電極に電圧を印加した状態において前記吸着面に帯電分極が誘起されることによりジョンセン・ラーベック力に基く吸着力が生じるセラミックスからなることを特徴とする静電チャック。 - 前記チャック本体が金属部材に固定されていることを特徴とする請求項1記載の静電チャック。
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