JP4917715B2

JP4917715B2 - 静電チャック

Info

Publication number: JP4917715B2
Application number: JP2001222701A
Authority: JP
Inventors: 知之小倉; 守石井
Original assignee: Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp
Priority date: 2001-07-24
Filing date: 2001-07-24
Publication date: 2012-04-18
Anticipated expiration: 2021-07-24
Also published as: JP2003037158A

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、特に金属−セラミックス複合材料からなる静電チャックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電チャックは、半導体製造装置などの部品として最近広く使われるようになった。その理由は、機械的なチャッキングや真空チャックに比べ、発塵が少ない、真空中でも使えるなどのメリットが認められてきたと思われる。
【０００３】
この静電チャックは、セラミックスなどで作製された堅固なものも使われ始められているが、高価なため、アルミニウム合金などの基台表面に内部に電極を有するアルミナ溶射層などの絶縁層を被覆しただけの簡易なものが主流である。このような静電チャックは、アルミニウム合金との大きな熱膨張差により、アルミナ溶射層などの絶縁層が強く密着しないという問題があった。
【０００４】
そのため、最近ではアルミニウム合金の代わりに金属とセラミックス粉末とを複合化させた金属−セラミックス複合材料を基台とする静電チャックが提案されている。この複合材料は熱膨張係数の小さいセラミックス粉末を含んでいるので、複合材料も熱膨張係数が小さくなり、基台と絶縁層との熱膨張差を小さくすることができるものである。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、この複合材料からなる基台では、その表面に形成される絶縁層との熱膨張差を小さくすることができるものの、基台と絶縁層との密着性が悪いため、絶縁層が絶縁破壊され剥がれるという問題があった。また、この複合材料からなる基台では、負荷する電荷を遮断しても残留電荷が大きく残るため、残留吸着力が大きく残るという問題もあった。
【０００６】
本発明は、上述した静電チャックが有する課題に鑑みなされたものであって、その目的は、基台と絶縁層との密着性が極めて優れ、かつ残留吸着力が残らない静電チャックを提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記目的を達成するため鋭意研究した結果、基台をその表面に金属層を形成した複合材料とすれば、その上面に被覆する絶縁層との密着性が極めて優れた静電チャックが得られ、また、絶縁層をその上層が１×１０⁸〜５×１０¹³Ω・ｃｍの体積固有抵抗値を有する誘電体からなり、その下層が絶縁体からなる絶縁層とすれば、残留吸着力が残らない静電チャックとなるとの知見を得て本発明を完成した。
【０００８】
即ち本発明は、（１）基台の上面に内部に電極が形成されている絶縁層を被覆してなる静電チャックにおいて、該基台が、研削加工された表面にタングステン層が形成されている金属にセラミックス粉末を複合させた金属−セラミックス複合材料からなり、該絶縁層が、その上層が１×１０^８〜５×１０^１３Ω・ｃｍの体積固有抵抗値を有する、溶射により形成された誘電体からなり、その下層が、溶射により形成された絶縁体からなり、該タングステン層は、溶射により形成され、その表面が研削加工されており、該金属−セラミックス複合材料と該絶縁層との間の線熱膨張係数を有し、厚さが５０〜２００μｍであることを特徴とする静電チャック（請求項１）とし（２）前記誘電体が、アルミナにチタニアを含む複合酸化物からなり、前記絶縁体がアルミナからなることを特徴とする請求項１記載の静電チャック（請求項２）とし、（３）前記アルミナにチタニアを含む量が、２．５〜１０重量％であることを特徴とする請求項２記載の静電チャック（請求項３）とし、（４）前記複合材料中のセラミックス粉末の含有率が、２０〜８０体積％であることを特徴とする請求項１乃至３記載の静電チャック（請求項４）とすることを要旨とする。
また、本発明は、金属−セラミックス複合材料の表面に、面粗さ及び平面度を調整するための研削加工を施す工程と、研削加工を施した前記金属−セラミックス複合材料の上面に溶射で５０〜２００μｍの厚さのタングステン層を形成する工程と、前記タングステン層の表面に、面粗さ及び平面度を調整するための研削加工を施す工程と、研削加工を施した前記タングステン層の上面に溶射で絶縁体を形成する工程と、前記絶縁体の上面に溶射で電極を形成する工程と、前記電極の上面にさらに溶射で１×１０ ^８〜５×１０ ^１３ Ω・ｃｍの体積固有抵抗値を有する誘電体を形成する工程とを含み、前記タングステン層は前記金属−セラミックス複合材料と前記絶縁層との間の線熱膨張係数を有する静電チャックの製造方法（請求項５）とすることを要旨とする。以下さらに詳細に説明する。
【０００９】
上記静電チャックとしては、その基台が、表面に金属層が形成されている金属にセラミックス粉末を複合させた金属−セラミックス複合材料からなり、絶縁層が、その上層が１×１０^８〜５×１０^１３Ω・ｃｍの体積固有抵抗値を有する誘電体からなり、その下層が絶縁体からなる静電チャックとした。
【００１０】
上記で述べたように、基台をその表面に金属層が形成されている複合材料としたのは、複合材料の表面にはセラミックス粉末が存在していることから、その上面に被覆する絶縁層との密着性が悪くなるので、それを表面に金属層を形成することにより、表面に存在するセラミックス粉末を金属で被覆してしまい絶縁層との密着性を良好にしたものである。
【００１１】
複合材料の表面と絶縁層との密着性が悪いのは、複合材料の表面に存在するセラミックス粉末部分の密着性が金属部分に比べてはるかに悪いので、絶縁層の複合材料表面全体への密着性もかなり悪くなるからであり、それが原因して、この複合材料を静電チャックの基台とした場合、その密着性の悪いセラミックス粉末の部分で放電が発生し、絶縁層が絶縁破壊に至り、絶縁層の剥離が生じてしまうこととなる。
【００１２】
その絶縁層としては、その上層が１×１０⁸〜５×１０¹³Ω・ｃｍの体積固有抵抗値を有する誘電体からなり、その下層が絶縁体からなるとした。電極を挟んだ上層を１×１０⁸〜５×１０¹³Ω・ｃｍの体積固有抵抗値を有する誘電体としたのは、その誘電体とすることにより印加している電荷を遮断しても残る残留吸着力が残らない、あるいはほとんど残らない静電チャックとなり、しかも体積固有抵抗値が適切で微小電流が流れるため、ジョンセンラーベック効果によって吸着力が大きくなる静電チャックとなるからであり、上層、下層とも絶縁体としたのでは残留吸着力が大きく残り、しかも吸着力が小さく好ましくなく、また、上層、下層とも先の誘電体としたのでは、同様の吸着力が得られるものの絶縁し難く好ましくない。
【００１３】
その誘電体としては、アルミナにチタニアを含む複合酸化物からなり、絶縁体としては、アルミナからなることとした（請求項２）。誘電体をアルミナにチタニアを含む複合酸化物としたのは、この複合酸化物が極めて容易にかつ安価に得られるためであり、絶縁体をアルミナとしたのは、誘電体と同質であることに加えてこれも極めて容易にかつ安価に得られるためである。
【００１４】
そのアルミナに含むチタニアの量としては、２．５〜１０重量％とした。チタニアの量が２．５重量％より少ないと体積固有抵抗値が５×１０^１３Ω・ｃｍを上回って残留吸着力が残り、しかも吸着力が小さくなるので好ましくなく、１０重量％より多いと体積固有抵抗値が１×１０^８Ω・ｃｍを下回って低くなりすぎ大きなリーク電流が流れウェハ回路に悪影響を及ぼしかねず、しかも半導体製造プロセスにおいて加えたチタニアが不純物として悪影響を及ぼしかねないので好ましくない。
【００１５】
一方、複合材料の表面に形成される金属層の厚さとしては、５０〜２００μｍとした。金属層の厚さが５０μｍより薄いとセラミックス粉末の露出が生じて密着性が悪くなり、２００μｍより厚いと金属層と複合材料との熱膨張差、金属層と絶縁層との熱膨張差が大きくなって金属層、あるいは絶縁層の剥離が生じ易い。
【００１６】
その金属層の線熱膨張係数としては、金属−セラミックス複合材料と同等とした。通常は金属層の線熱膨張係数を他材料に合わせるのは難しいが、本発明の複合材料では、その複合材料中の金属の種類、セラミックスの種類、その混合割合を選ぶことによってかなりの範囲の線熱膨張係数を選択できるので、一方、金属層の線熱膨張係数についても、金属の種類を選ぶことによってかなりの範囲の線熱膨張係数を選択できるので、これらを取捨選択することにより、金属層と複合材料との線熱膨張係数を同等、あるいはほぼ同等とすることができる。この金属層と複合材料との線熱膨張係数を同等、あるいはほぼ同等とすることにより、熱膨張差による障害が少なくなるので、特に好ましいものとなる。
【００１７】
その金属層の金属としては、ニッケル、鉄、シリコン、クロム、タングステンまたはその合金とした。用いる金属としては、アルミニウム、ニッケル、銅、鉄、シリコン、タングステン、タンタル、モリブデン、コバルト、クロムあるいはその合金等の溶射用金属が用いられるが、その中で基台と絶縁層との間の線熱膨張係数を有するニッケル、鉄、シリコン、クロム、タングステンが特に好ましい。
【００１８】
一方、複合材料中のセラミックス粉末としては、その含有率を２０〜８０体積％とした。セラミックス粉末の含有率が２０体積％より低ければ、表面に存在するセラミックス粉末が少ないので、金属層を形成しなくても構わないが、２０体積％以上になれば金属層を形成する必要があり、その含有率が４０体積％以上になれば、金属層を形成した効果が極めて大きくなる。セラミックス粉末の含有率が８０体積％より高いと基台として支障を来たす。
【００１９】
【発明の実施の形態】
本発明の製造方法を述べると、先ずセラミックス粉末として窒化アルミニウム、アルミナ、炭化けい素粉末などのセラミックス粉末を用意し、金属としてアルミニウム合金などを用意する。それらセラミックス粉末及びアルミニウム合金などを用いてセラミックス粉末の含有率が２０〜８０体積％の複合材料を作製するが、その作製方法については、例えば、セラミックス粉末でプリフォームを形成し、そのプリフォームに溶融したアルミニウム合金等を浸透させる浸透法（非加圧、加圧を問わない）などで作製することができる。
【００２０】
得られた複合材料の表面をよく密着するように必要な面粗さ、平面度になるよう研削加工し、その上面に溶射で５０〜２００μｍの厚さのアルミニウム、ニッケル、銅、鉄、シリコン、クロム、タングステン等の金属層を形成したものを基台とし、その表面をよく密着するように前記したと同様必要な面粗さ、平面度になるよう研削加工し、その上面に溶射で絶縁体を形成し、その上面に溶射で電極を形成し、その上面にさらに溶射で１×１０⁸〜５×１０¹³Ω・ｃｍの体積固有抵抗値を有する誘電体を形成して静電チャックを作製する。
【００２１】
形成する絶縁層の厚さは、上層、下層とも１００〜５００μｍ程度が好ましく、１００μｍより薄いと耐電圧が低くなり絶縁破壊が起こり易く、５００μｍより厚いと基台との熱膨張差が顕著になり、熱衝撃による亀裂／破損が生じ易く、しかも吸着力も低下する。
【００２２】
以上の方法で静電チャックを作製すれば、基台と絶縁層との密着性が極めて優れ、かつ残留吸着力が残らない静電チャックが得られる。
【００２３】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例と共に具体的に挙げ、本発明をより詳細に説明する。
【００２４】
（実施例１）
（１）静電チャックの作製
強化材として＃１８０（平均粒径６６μｍ）の市販ＳｉＣ粉末７０重量部と＃５００（平均粒径２５μｍ）の市販ＳｉＣ粉末３０重量部を用い、それにバインダーとしてコロイダルシリカ液をそのシリカ固形分が２重量部となる量を添加し、それに消泡剤としてフォーマスタＶＬ（サンノブコ社製）を０．２重量部、イオン交換水を２４重量部加え、ポットミルで１２時間混合した。得られたスラリーをφ２００×厚さ２５ｍｍの円板状の成形体が得られるメッシュ付金型に流し込んでフィルタープレスし、それを脱型した後、１０００℃で焼成してプリフォームを形成した。
【００２５】
得られたプリフォームとＡｌ−１２Ｓｉ−３Ｍｇ−２Ｃｕ−３Ｔｉ組成のアルミニウム合金とを組み合わせ、その合金をプリフォーム中に窒素気流中で８２５℃の温度で６０時間非加圧浸透させた後、冷却してＳｉＣ粉末の含有率が６５体積％で線熱膨張係数が６．２×１０^-6／℃の金属−セラミックス複合材料を作製した。得られた複合材料の表面をよく密着するために表面粗さがＲｍａｘで５μｍ以上になるまで＃８０のダイヤモンド砥石で研削し、その上面にプラズマ溶射で線熱膨張係数が４．６×１０^-6／℃のタングステンからなる金属層を５０μｍの厚さで形成して基台を作製した。
【００２６】
得られた基台の表面を表面粗さがＲｍａｘで５μｍ以上になるまで＃８０のダイヤモンド砥石で研削した後、その上面にプラズマ溶射でＡｌ₂Ｏ₃層を３００μｍの厚さに形成し、その上面にプラズマ溶射でタングステンからなる電極を形成し、さらにその上面にプラズマ溶射で熱膨張係数が５．３×１０^-6／℃のＡｌ₂Ｏ₃−５ｗｔ％ＴｉＯ₂層を３００μｍの厚さに形成（ＴｉＯ₂粉末を５ｗｔ％含むＡｌ₂Ｏ₃粉末を溶射すれば形成できる）して静電チャックを作製した。
【００２７】
（２）評価
得られた静電チャック上面の誘電体の体積固有抵抗値を調べた。その結果、体積固有抵抗値は２．５×１０¹²Ω・ｃｍと本発明の範囲内であった。また、得られた静電チャックに５ｋＶの直流電圧を印加し、Ａｌ₂Ｏ₃層が密着しているかどうかを調べた。その結果、直流電圧を印加しても基台とＡｌ₂Ｏ₃層との間で放電は発生せず、Ａｌ₂Ｏ₃層の絶縁破壊は認めらず、Ａｌ₂Ｏ₃層は強固に密着していた。さらに、静電チャックに０．５ｋＶの直流電圧を印加し、その時の吸着力を調べた。吸着力の測定方法は図１に示すように静電チャックの下面から所定圧のＨｅガスを流入し、吸着物が剥れる圧力を測定した。その結果、吸着力は５００ｇ／ｃｍ²であり、大きな吸着力であった。さらにまた、印加していた電圧を遮断してからの残留吸着力を吸着物が離脱できるまでの時間を測定し調べた。その結果、１秒未満で残留吸着力はほとんどなく、吸着物はすぐに取り外すことができた。そして最後にリーク電流を調べた。その結果、リーク電流は０．００２ｍＡで微小であった。
【００２８】
（比較例１）
（１）静電チャックの作製
実施例１と同様に複合材料を作製しそれを基台とし、その表面を同様に表面粗さがＲｍａｘで５μｍ以上になるまで＃８０のダイヤモンド砥石で研削し、その上面に金属層を形成しないで直接プラズマ溶射でＡｌ₂Ｏ₃層を３００μｍの厚さに形成し、その上面にプラズマ溶射でタングステンからなる電極を形成し、さらにその上面にプラズマ溶射で熱膨張係数が５．３×１０^-6／℃のＡｌ₂Ｏ₃−５ｗｔ％ＴｉＯ₂層を３００μｍの厚さに形成して静電チャックを作製した。
【００２９】
（２）評価
得られた静電チャックを実施例１と同様に評価した。その結果、体積固有抵抗値は実施例１と同じであったが、Ａｌ₂Ｏ₃層が電圧を上昇中に絶縁破壊を受け基台より剥がれてしまった。
【００３０】
（比較例２）
（１）静電チャックの作製
実施例１と同様に基台を作製し、その表面を同様に表面粗さがＲｍａｘで５μｍ以上になるまで＃８０のダイヤモンド砥石で研削し、その上面にプラズマ溶射でＡｌ₂Ｏ₃層を３００μｍの厚さに形成し、その上面にプラズマ溶射でタングステンからなる電極を形成し、さらにその上面にプラズマ溶射でＡｌ₂Ｏ₃層を３００μｍの厚さに形成して静電チャックを作製した。
【００３１】
（２）評価
得られた静電チャックを実施例１と同様に評価した。その結果、Ａｌ₂Ｏ₃層の絶縁破壊は問題なかったが、体積固有抵抗値が１．０×１０¹⁴Ω・ｃｍと本発明の範囲外にあるため吸着力は２００ｇ／ｃｍ²と実施例１より小さな吸着力であり、残留吸着力は強く残っており、６０秒後でも５０ｇ／ｃｍ²程度の吸着力が残っており直ぐには取り外すことができなかった。
【００３２】
（比較例３）
（１）静電チャックの作製
Ａｌ₂Ｏ₃−５ｗｔ％ＴｉＯ₂層をＡｌ₂Ｏ₃−１．５ｗｔ％ＴｉＯ₂層とした他は実施例１と同様に静電チャックを作製した。
【００３３】
（２）評価
得られた静電チャックを実施例１と同様に評価した。その結果、Ａｌ₂Ｏ₃層の絶縁破壊は実施例１と同様問題なかったが、比較例１と同様体積固有抵抗値が７．１×１０¹³Ω・ｃｍと本発明の範囲外にあるため吸着力は３５０ｇ／ｃｍ²と比較例１より大きかったものの、実施例１よりかなり小さな吸着力であり、残留吸着力は比較例１とより弱かったものの、まだ強く残っており、６０秒後でも３５ｇ／ｃｍ²程度残っており、直ぐには取り外すことができなかった。
【００３４】
（比較例４）
（１）静電チャックの作製
Ａｌ₂Ｏ₃−５ｗｔ％ＴｉＯ₂層をＡｌ₂Ｏ₃−１３ｗｔ％ＴｉＯ₂層とした他は実施例１と同様に静電チャックを作製し、評価した。
【００３５】
（２）評価
得られた静電チャックを実施例１と同様に評価した。その結果、Ａｌ₂Ｏ₃層の絶縁破壊、残留吸着力は実施例１と同様問題なく、また吸着力は６００ｇ／ｃｍ²と大きかったものの、体積固有抵抗値が３．２×１０⁷Ω・ｃｍと１×１０⁸Ω・ｃｍを下回り、リーク電流が１７４ｍＡと実施例１より極めて大きなリーク電流が生じていた。
【００３６】
これらのことは、静電チャックの基台として複合材料を用いる場合、そのまま用いるのは極めて難しく、その表面に金属層を形成することが極めて重要なことであり、しかも基台の上面に形成する絶縁層が適切でないと吸着物の離脱が極めて難しいことを示している。
【００３７】
【発明の効果】
以上の通り、本発明にかかる静電チャックであれば、基台と絶縁層との密着性が極めて優れた静電チャックとすることができるようになり、また、印加している電荷を遮断しても残留吸着力が残らない静電チャックをとすることができるようになった。このことにより、基台が金属−セラミックス複合材料からなる静電チャックであっても、絶縁層が剥がれるようなことのない、また、吸着物をすぐに取り外すことのできる、さらに吸着力の高い極めて優れた静電チャックを提供することができるようになった。
【図面の簡単な説明】
【図１】吸着力を測定するフローを示す図である。

Claims

基台の上面に内部に電極が形成されている絶縁層を被覆してなる静電チャックにおいて、該基台が、研削加工された表面にタングステン層が形成されている金属にセラミックス粉末を複合させた金属−セラミックス複合材料からなり、該絶縁層が、その上層が１×１０^８〜５×１０^１３Ω・ｃｍの体積固有抵抗値を有する、溶射により形成された誘電体からなり、その下層が、溶射により形成された絶縁体からなり、
該タングステン層は、溶射により形成され、その表面が研削加工されており、該金属−セラミックス複合材料と該絶縁層との間の線熱膨張係数を有し、厚さが５０〜２００μｍであることを特徴とする静電チャック。
前記誘電体が、アルミナにチタニアを含む複合酸化物からなり、前記絶縁体が、アルミナからなることを特徴とする請求項１記載の静電チャック。
前記アルミナにチタニアを含む量が、２．５〜１０重量％であることを特徴とする請求項２記載の静電チャック。
前記複合材料中のセラミックス粉末の含有率が、２０〜８０体積％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか一項に記載の静電チャック。
金属−セラミックス複合材料の表面に、面粗さ及び平面度を調整するための研削加工を施す工程と、
研削加工を施した前記金属−セラミックス複合材料の上面に溶射で５０〜２００μｍの厚さのタングステン層を形成する工程と、
前記タングステン層の表面に、面粗さ及び平面度を調整するための研削加工を施す工程と、
研削加工を施した前記タングステン層の上面に溶射で絶縁体を形成する工程と、
前記絶縁体の上面に溶射で電極を形成する工程と、
前記電極の上面にさらに溶射で１×１０^８〜５×１０^１３Ω・ｃｍの体積固有抵抗値を有する誘電体を形成する工程とを含み、
前記タングステン層は前記金属−セラミックス複合材料と前記絶縁層との間の線熱膨張係数を有する静電チャックの製造方法。