JP4540252B2

JP4540252B2 - 静電チャックおよび静電吸着構造

Info

Publication number: JP4540252B2
Application number: JP2001140916A
Authority: JP
Inventors: 英芳鶴田; 直仁山田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-05-19
Filing date: 2001-05-11
Publication date: 2010-09-08
Anticipated expiration: 2021-05-11
Also published as: JP2002050676A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、複数の静電チャック電極を備えており、各静電チャック電極に対して相異なる電位を印加する静電チャックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電チャックにおいては、通常、絶縁層の設置面から突出する多数の突起ないしエンボス部分を設け、この突起の頂面（接触面）を半導体ウエハーに対して接触させる。また、絶縁層内の内部電極に直流電圧を印加し、半導体ウエハーと突起の接触面との接触界面でジョンソン−ラーベック力を発生させ、接触面上の半導体ウエハーを吸着する。
【０００３】
現在、半導体ウエハーの高密度プラズマ（ＨＤＰ）ＣＶＤやエッチングの際には、半導体ウエハー上に高密度プラズマを生成させている。そして、エッチングの場合には、半導体ウエハーを静電チャックによって吸着し、静電チャックの下側に冷却用部材を設ける。そして、高密度プラズマから半導体ウエハーへと入熱した熱量を静電チャック側へと逃がすことで、半導体ウエハーの温度上昇を防止している。また、ＨＤＰＣＶＤの際には、高密度プラズマから半導体ウエハーへと入熱する熱量を、半導体ウエハーから一定速度で静電チャックに逃がすことで、半導体ウエハーの温度を所望温度に制御している。
【０００４】
このようにジョンソン−ラーベック力を利用するタイプの静電チャックにおいては、基体を半導体によって構成し、基体内で電子または正孔を移動させる。例えば、窒化アルミニウム系セラミックスによって基体を形成した場合には、窒化アルミニウム質セラミックスはｎ型半導体となる。ｎ型半導体の導電メカニズムは、主として電子の移動により、正孔の移動はほとんどない。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
本発明者はジョンソン−ラーベックタイプの静電チャックを作製していたが、この過程で、静電チャックを冷却用部材へと接合した後にウエハーの吸着力が低下することがあった。特に、１００ボルト程度の電圧ではこうした問題はほとんど生じないが、３００ボルト以上、更には５００ボルト以上の高電圧領域になると、吸着力が目的値に達しないという現象が見られた。
【０００６】
本発明の課題は、静電チャックを導電性部材へと接合した後に生ずる吸着力の低下を防止することである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ウエハー設置面とこのウエハー設置面とは反対側の背面とが設けられている基体と、前記基体内に埋設された静電チャック電極とを備え、ジョンソン−ラーベック力を利用してウエハーを前記ウエハー設置面に吸着する静電チャックであって、
前記基体の前記背面側に設けた絶縁層を更に有し、
前記基体が、少なくとも前記ウエハー設置面を有しかつ静電チャック電極を包囲する誘電体層を含み、
前記絶縁層が、前記誘電体層の体積抵抗率よりも高い体積抵抗率を有する絶縁性材料からなると共に、当該絶縁層の背面側には導電性の冷却部材が接合され、
更に、前記誘電層の体積抵抗率に対する前記絶縁層の堆積抵抗率の倍率が１０倍以上である、ことを特徴とする、静電チャックに係るものである。
【０００９】
本発明者は、導電性部材へと静電チャックを接合した後に生ずる吸着力の低下について検討した結果、次の仮説に至った。
【００１０】
例えば図２の模式図に示すように、静電チャック２Ａの背面２ｂ側に冷却用部材５を接合すると、冷却用部材５は通常接地されているので、静電チャック電極４から冷却用部材５へと向かって電流Ｂ１、Ｂ２が流れる。なお、Ａ１、Ａ２は、電極４からウエハー設置面２ａ側へと流れるジョンソン−ラーベック電流である。しかし、当業者の常識に従って考えると、こうした冷却用部材５への漏れ電流は吸着力には影響を及ぼさないと考えられる。なぜなら、電極４を中心として見たとき、電極４からウエハー設置面２ａへと電流が流れるのと共に、電極２から背面２ｂ側へも電流が流れるが、これら２つの電流経路は互いに並列接続の関係にある。従って、かりに背面２ｂ側への漏れ電流Ｂ１、Ｂ２が非常に大きくなったものと仮定しても、電極とウエハー設置面との間の電位差は何ら変わらないのであるから、電極とウエハー設置面との間のジョンソン−ラーベック電流にも影響がなく、吸着力を低下させないと考えられる。
【００１１】
しかし、本発明者は、こうした常識を再検討し、次の仮説に至った。即ち、電極４の周囲に何らかの高抵抗領域１０が存在しており，この領域１０における抵抗率が周囲の誘電体層３の抵抗率よりも大きいものと仮定した。かりにこの仮定が正しいものとすると、背面側への漏れ電流Ｂ１、Ｂ２の増加による吸着力の低下が説明できるものと思われる。なぜなら、電極４の電位をＶＯとし、高抵抗領域１０の周縁における電位をＶＲとし、設置面２ａにおける電位をＶＳとする。高抵抗領域１０の周縁における電位ＶＲと電極の電位ＶＯとの電位差（ＶＯ−ＶＲ）は、ジョンソン−ラーベック電流Ａ１、Ａ２と漏れ電流Ｂ１、Ｂ２との総和に対して、高抵抗領域１０における抵抗を乗じた値となる。ここで、高抵抗領域１０における体積抵抗率が周囲の体積抵抗率よりも充分に大きいものとすると、電位差（ＶＯ−ＶＲ）が電位差（ＶＲ−ＶＳ）に比べて大きくなる。これと共に、漏れ電流Ｂ１、Ｂ２が充分に大きいものとすると、電位差（ＶＯ−ＶＲ）は主として漏れ電流Ｂ１、Ｂ２の大きさによって支配される。この結果、漏れ電流Ｂ１、Ｂ２の値が大きくなるほど、電極から高抵抗領域１０の周縁へと至る間の電位降下が大きくなり、その分ジョンソン−ラーベック電流Ａ１、Ａ２は小さくなり、吸着力が低下する。
【００１２】
本発明者は、こうした仮説に基づき、図１、図３に示すように、静電チャック２の背面２ｂ側に絶縁層７を設けた。この結果、前述した静電チャックの冷却用部材への接合に伴う吸着力の低下は見られなくなった。これは、Ｂ１、Ｂ２のような漏れ電流が絶縁層７によって大きく低減したからであろう。
【００１３】
なお、図１において、１はウエハーであり、４Ａ、４Ｂは電極であり、５ａは冷却媒体の通路であり、Ｐはウエハーへの入熱である。
【００１４】
絶縁層７は、誘電体層の体積抵抗率よりも高い体積抵抗率を有する絶縁性材料からなる。ここで、静電チャックの使用温度において、誘電体の体積抵抗率に対する絶縁性材料の体積抵抗率の倍率は、１０倍以上であることが好ましい。また、誘電体の体積抵抗率は、使用温度領域において、１０^８−１０^１２Ω・ｃｍであることが好ましい。静電チャックの使用温度範囲における絶縁層の体積抵抗率は、１０^１２−１０^１５Ω・ｃｍであることが好ましい。
【００１５】
本発明において好ましくは、静電チャック電極が互いに負荷電位の異なる少なくとも二つの電極からなる。
【００１６】
誘電体は特に限定されないが、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、炭化珪素が好ましい。絶縁性材料は、窒化アルミニウム、窒化珪素、アルミナ、窒化ホウ素、マグネシアが好ましい。
【００１７】
特に好ましくは、誘電体と絶縁性材料とが同種のセラミックスからなる。ここで、同種のセラミックスとは、セラミックスの基材が同じであることを言い、添加成分は異動がある。特に好ましくは、誘電体と絶縁性材料とが窒化アルミニウム、窒化珪素またはアルミナであり、更に好ましくは窒化アルミニウムである。
【００１８】
静電チャック内における高抵抗領域１０の形態や材質、組織はいまだ明らかではない。しかし、セラミックスを焼成する過程で生じやすいものと思われる。また、誘電体が窒化アルミニウムである場合には特に高抵抗領域が発生し易い傾向が見られる。また、特に、電極をモリブデン金属またはモリブデン合金によって形成した場合に特に発生し易い。窒化アルミニウム質セラミックスはｎ型半導体であり、電子がキャリアとして働いている。従って、モリブデン金属がセラミックス内に拡散し、カウンタードープ材として作用し、キャリアである電子の数を減少させたものと考えられる。
【００１９】
モリブデン金属の窒化アルミニウム質セラミックス中への拡散現象も明確には理解されていないが、窒化アルミニウム粒子の表面の酸素とモリブデンが反応して酸化モリブデンを生成し、酸化モリブデンが焼成工程において揮発し、窒化アルミニウム粒子中に拡散している可能性がある。
【００２０】
静電チャック電極の材質は限定されないが、金属モリブデンあるいはモリブデン合金が好ましい。モリブデン合金としては、モリブデンとタングステン、アルミニウム、白金との合金が好ましい。モリブデン合金の場合には、モリブデンの割合の上限は特になく、１００重量％（純金属）まで増やしてよいが、モリブデンの割合の下限は５０重量％が好ましい。
【００２１】
また、モリブデン金属または合金以外に、タングステン、アルミニウム、白金の純金属または合金が好ましい。
【００２２】
静電チャックの背面と導電性部材との接合方法は限定されず、ろう接合、ガラス接合、樹脂接合、固相拡散法による接合等であってよい。
【００２３】
電極の形態は限定されないが、特に網状またはパンチングメタル状である場合に前述の問題が生じやすく、本発明が有効である。これは、電極の形状効果によるものと思われる。
【００２４】
本発明の静電チャックの製作方法は限定されないが、次のいずれかの方法を採用できる。
【００２５】
（１）誘電体用セラミックス粉末をプレス成形し、その上に電極を設置し、その上に誘電体用セラミックス粉末を更に充填し、プレス成形する。次いで、この成形体の上に、絶縁層用のセラミックス粉末を充填し、更にプレス成形し、成形体を得る。この成形体を一体焼成して焼成体を得、焼成体を加工して静電チャックを得る。
【００２６】
（２）誘電体層用のセラミックス粉末をプレス成形し、その上に電極を載せ、その上に誘電体層用のセラミックス粉末を充填し、プレス成形する。この粉末成形体の上に絶縁層用のセラミックスバルク体を載せ、粉末成形体とバルク体とを一体焼成することによって焼成体を得、この焼成体を加工する。
【００２７】
（３）誘電体層用のセラミックス粉末をプレス成形し、その上に電極を載せ、更にその上に誘電体層用のセラミックス粉末を載せ、プレス成形し、一体焼成して焼成体を得る。絶縁層用のセラミックスバルク体を、この焼成体に対して接合し、所定形状に加工して静電チャックを得る。この際の接合方法は、ガラス接合、樹脂接合、拡散接合等であってよい。
【００２８】
【実施例】
（実施例１）
前述の（１）の製法に従い、図１に示す形態の双極型の静電チャックを製造した。具体的には、還元窒化法によって得られた誘電体層用の窒化アルミニウム粉末を使用し、この粉末にアクリル系樹脂バインダーを添加し、噴霧造粒装置によって造粒し、造粒顆粒を得た。この造粒顆粒を成形し、直径２００ｍｍ、厚さ３０ｍｍの円盤状予備成形体を作製した。この際、成形体の中に電極を埋設した。この際の成形圧力を２００ｋｇ／ｃｍ^２とした。電極としては、モリブデン製の金網を使用した。この金網としては、直径φ０．２０ｍｍのモリブデン線を、１インチ当たり５０本の密度で編んだ金網を使用した。この成形体の上に、絶縁層用の、同じ焼成条件によって体積抵抗の異なる物が得られるような窒化アルミニウム粉末を載せ、２００ｋｇ／ｃｍ^２の圧力でプレス成形した。
【００２９】
この円盤状成形体をホットプレス型中に収容し、密封した。昇温速度３００℃／時間で温度を上昇させ、この際、室温〜１３００℃の温度範囲で減圧を行った。この温度の上昇と同時にプレス圧力を上昇させた。最高温度を１９００℃とし、最高温度で５時間保持し、焼結体を得た。この焼結体の吸着面側に、ブラスト加工によって、平面円形の多数の突起を形成し、実施例１の静電チャックを得た。ただし、ウエハー設置面からの電極の深さは１ｍｍとし、誘電体層の体積抵抗率を室温で１×１０^１０Ω・ｃｍに調節し、絶縁層の体積抵抗率を約１×１０^１３Ω・ｃｍに調節した。
【００３０】
この静電チャックの吸着力を測定した。負荷電圧は、＋３００ボルトおよび−３００ボルトとした。この静電チャックのシリコンウエハーに対する吸着力を圧力（Ｔｏｒｒ）単位で測定した。この結果、吸着力は室温で５０−７０Ｔｏｒｒの値を示した。
【００３１】
次いで、静電チャックの背面側に銀ペーストを塗布し、４００℃で焼き付けた。この後、前述のように吸着力を測定したところ、室温で５０−７０Ｔｏｒｒの値を示した。
【００３２】
（実施例２）
実施例１と同様にして静電チャックを製作した。ただし、前述の（２）に示す方法を採用した。そして、誘電体層用の窒化アルミニウム成形体の中に電極を埋設すると共に、絶縁層用の窒化アルミニウム焼結体の平板（厚さ３ｍｍ）を用意し、成形体と平板とを積層した。こうして得られた積層体をホットプレス型中に収容し、実施例１と同様にして焼成した。
【００３３】
こうして得られた静電チャックは、誘電体層の体積抵抗が１×１０^１０Ω・ｃｍであり、絶縁体層の体積抵抗は２×１０^１３Ω・ｃｍであった。この静電チャックについてシリコンウエハーに対する吸着力を測定したところ、５０−７０Ｔｏｒｒの値を示した。また、静電チャックの背面に銀ペーストを焼き付けた後、吸着力を測定したところ、５０−７０Ｔｏｒｒの値を示した。
【００３４】
（実施例３）
実施例１と同様にして静電チャックを製作した。ただし、前述の（３）に示す方法を採用した。そして、誘電体層用の窒化アルミニウム成形体の中に電極を埋設して成形体を得た後、この成形体を実施例１と同様にして焼成し、体積抵抗が３×１０^１０Ω・ｃｍの焼成体を得た。これと共に、絶縁層用の窒化アルミニウム焼結体の平板（厚さ５ｍｍ：体積抵抗１×１０^１４Ω・ｃｍ）を用意した。前述の電極が埋設された焼成体と絶縁層用の平板とを積層し、固相接合法によって接合した。
【００３５】
こうして得られた静電チャックについて、シリコンウエハーに対する吸着力を測定したところ、５０−７０Ｔｏｒｒの値を示した。また、静電チャックの背面に銀ペーストを焼き付けた後、吸着力を測定したところ、５０−７０Ｔｏｒｒの値を示した。
【００３６】
（比較例）
実施例１と同様にして静電チャックを製作した。ただし、静電チャックの基体の全体を、前述した誘電体層用の窒化アルミニウムによって形成し、絶縁層用の窒化アルミニウムは使用しなかった。
【００３７】
こうして得られた静電チャックについて、シリコンウエハーに対する吸着力を測定したところ、５０−７０Ｔｏｒｒの値を示した。また、静電チャックの背面に銀ペーストを焼き付けた後、吸着力を測定したところ、３８Ｔｏｒｒであった。
【００３８】
【発明の効果】
以上述べたように、本発明の静電チャックによれば、静電チャックを導電性部材へと接合した後に生ずる吸着力の低下を防止できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の静電吸着構造の一例を示す模式図である。
【図２】比較例の静電吸着構造を示す模式図である。
【図３】本発明例の静電吸着構造を示す模式図である。
【符号の説明】
１ウエハー、２静電チャック、２Ａ従来の静電チャック、２ａウエハー設置面、２ｂ背面、３誘電体層、４、４Ａ，４Ｂ静電チャック電極、５冷却用部材、７絶縁層、１０高抵領域、Ａ１，Ａ２ジョンソン−ラーベック電流、Ｂ１，Ｂ２背面への漏れ電流、ＶＯ電極の電位、ＶＲ高抵抗領域１０の周縁の電位、ＶＳウエハー設置面２ａにおける電位

Claims

ウエハー設置面とこのウエハー設置面とは反対側の背面とが設けられている基体と、前記基体内に埋設された静電チャック電極とを備え、ジョンソン−ラーベック力を利用してウエハーを前記ウエハー設置面に吸着する静電チャックであって、
前記基体の前記背面側に設けた絶縁層を更に有し、
前記基体が、少なくとも前記ウエハー設置面を有しかつ静電チャック電極を包囲する誘電体層を含み、
前記絶縁層が、前記誘電体層の体積抵抗率よりも高い体積抵抗率を有する絶縁性材料からなると共に、当該絶縁層の背面側には導電性の冷却部材が接合され、
更に、前記誘電層の体積抵抗率に対する前記絶縁層の堆積抵抗率の倍率が１０倍以上である、ことを特徴とする、静電チャック。
前記誘電体層の体積抵抗率が１０ ^８ −１０ ^１２ Ω・ｃｍであると共に、前記絶縁層の体積抵抗率が１０ ^１２ −１０ ^１５ Ω・ｃｍである、ことを特徴とする、請求項１記載の静電チャック。
前記静電チャック電極が互いに負荷電位の異なる少なくとも二つの電極からなることを特徴とする、請求項１また２記載の静電チャック。
前記静電チャック電極が網またはパンチングメタルからなることを特徴とする、請求項１−３のいずれか一つの請求項に記載の静電チャック。
前記静電チャック電極がモリブデン金属またはモリブデン合金からなることを特徴とする、請求項１−４のいずれか一つの請求項に記載の静電チャック。
前記絶縁層はセラミックスであることを特徴とする、請求項１−５のいずれか一つの請求項に記載の静電チャック。
ウエハーを吸着するための静電チャック及び該静電チャックの背面側に配置される導電性の冷却部材とを備えている静電吸着構造であって、
前記静電チャックが、ウエハー設置面とこのウエハー設置面とは反対側の背面とが設けられている基体と、前記基体内に埋設された静電チャック電極とを備え、ジョンソン−ラーベック力を利用してウエハーを前記ウエハー設置面に吸着する静電チャックであって、
前記基体の前記背面側に設けた絶縁層を更に有し、
前記基体が、少なくとも前記ウエハー設置面を有しかつ静電チャック電極を包囲する誘電体層を含み、
前記絶縁層が、前記誘電体層の体積抵抗率よりも高い体積抵抗率を有する絶縁性材料からなると共に、当該絶縁層の背面側には前記導電性の冷却部材が接合され、
更に、前記誘電層の体積抵抗率に対する前記絶縁層の堆積抵抗率の倍率が１０倍以上である、ことを特徴とする、静電吸着構造。
前記静電チャック電極が互いに負荷電位の異なる少なくとも二つの電極からなることを特徴とする、請求項７記載の静電吸着構造。
前記静電チャック電極が網またはパンチングメタルからなることを特徴とする、請求項７または８記載の静電吸着構造。
前記静電チャック電極がモリブデン金属またはモリブデン合金からなることを特徴とする、請求項７−９のいずれか一つの請求項に記載の静電吸着構造。
前記絶縁層はセラミックスであることを特徴とする、請求項７−１０のいずれか一つの請求項に記載の静電吸着構造。