JP5058438B2 - 静電ウェハクランプ装置のための進歩したプラテン - Google Patents

静電ウェハクランプ装置のための進歩したプラテン Download PDF

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Description

本発明の背景
この発明は、半導体デバイスの製造技術に関し、特に半導体デバイスの製造に使用される静電ウェハクランプ装置のための新規かつ進歩したプラテンに関する。
製造中に半導体ウェハをクランプする(clamping)周知の技術は、静電チャックの使用を必要とする。静電チャックは設計がいろいろであるが、それらの全ては同じ物理的原理、すなわち、プラテン表面と半導体ウェハとの間での静電力の発生に基づいている。典型的な静電チャックは、ペデスタル上に裁置されかつ電気絶縁／誘電材料すなわちプラテンによって被覆された導電性電極を含む。半導体ウェハは絶縁材料の上面に装着させる。電源が電極に電気的バイアスをかけるので電荷が電極と絶縁材料中に蓄積する。その時、印加電圧がウェハの背面に等価なかつ正反対の電荷を誘導する。この蓄積した電荷が、絶縁材料すなわちプラテンに対してウェハを引きつけてクランプさせる静電力を生み出す。次に、半導体ウェハをクランプしている間に様々な処理をウェハに対して行うことができる（例えば化学蒸着、イオン注入、イオンビームミリングおよびリアクティブイオンエッチング）。
静電チャックのためのプラテンの設計において重要な考慮事項は、静電クランプ力を増加させることである。他の重要な考慮事項は、環境条件にかかわらず高いクランプ力を維持することである。さらに他の重要な考慮事項は、クランプされたウェハ(water)に対する製造作業が完了したとき、静電チャックからのウェハ(water)の解除の速度を増加させることである。
本発明の概要
本発明は、誘電材料の焼結されたプラテン体と誘電材料の中に拡散した導電性材料の粒子とを含む静電ウェハクランプ装置のためのプラテンであって、焼結されたプラテンは、焼結されず誘電材料の中に拡散した導電性材料の粒子を含まないプラテンと比較して、導電性粒子の拡散により大きな静電容量をもつことを特徴とするプラテンを提供する。本発明の他の態様によれば、減少した印加電圧で一定のクランプ力を維持し、プラテン上の残留電圧を除去し、およびウェハ(water)の解除の速度を増加させるのに十分な量だけプラテン体の厚みを減少させることができる。導電性材料の粒子はプラテン体の体積当り2.5％〜15.0％の量で存在し、かつ導電性材料の粒子は炭素化遷移金属、窒素化遷移金属および炭素化粒子からなる群から選択される。誘電材料は好ましくはAl2O3であり、導電性材料の粒子は好ましくはTiCであり、好ましくはプラテンの体積当り5%の量で存在する。
本発明の前述および追加の利点および特徴点は、添付した図面とともに次の詳細な説明を読むことではっきりと明らかになるだろう。
図解付きの実施例の詳細な説明
図１は、本発明によるプラテン12を含む基本的な静電チャック10を図示する。プラテン12は誘電材料でできており（今からさらに詳細に説明していく）、図１に示したような上部14と下部16の表面をもつ。プラテン12の外縁部18は、図２に示したような円形であり、プラテン12は全体としてディスクの形状をなしている。電極20および22の１対がプラテン12の下面16と接触している。電極20および22は、適切なやり方で表面16に接着され、リード線24および26を介して電源28に接続されている。電極の数および形状は設計上の選択の問題にすぎない。電極20, 22と接触したプラテン12は電極とともに電気絶縁材料でできた支持板30上に支持されている。リード線24および26はそれぞれ支持板30の開口部32および34を通して伸びている。処理される半導体ウェハ38は、図１に示したようにプラテン上面14上に支持される。所定の処理位置でウェハ38をしっかりと支えることが望まれるとき、電源28を操作してチャック10上の所定の位置にあるウェハ38を維持するのに十分な静電引力をウェハ38とプラテン12との間に加える。ウェハ38の処理が完了した後、電源28をオフにしてウェハ38のチャック10からの解除と取り外しを可能にする。このような静電チャックの操作は当業者によく知られている。
本発明によるプラテン12は、Al2O3またはこれに類する絶縁材料の中に炭素化、窒素化遷移金属及び／又は導電性炭素化粒子が拡散している絶縁体の本体または層の形態の新規材料(すなわち静電チャックのプラテンのための複合セラミック材料)に特徴がある。本発明によるAl2O3-TiC複合体であってその中におけるTiCの体積フラクションが2.5〜15%と異なっているものの走査電子顕微鏡写真である図3(a)-3(d)にこの材料を示した。
本発明は、Al2O3の誘電層であってその中に導電性材料でできた粒子が2.5〜15％の体積含量で拡散しているもの（非常に特徴的な(typical)硬質セラミック複合材料）を含む静電チャック(E-チャック)プラテンを提供する。好ましくはAl2O3-TiCをE-チャックプラテン材料として使用する。この材料(Al2O3-TiC)は、優れた機械的特性および静電クランプ能力を有する。
本発明による静電チャックプラテン12は、上記に説明したように導電性粒子の拡散により比較的大きな静電容量をもつ。プラテン12のAl2O3-TiC複合材料の電気的特性を表示する図４に表としてこれを記した。本発明によるE-チャックプラテン12では、導電性粒子が多結晶化したAl2O3の粒界の周りで十分に拡散し、実質的に電極領域を広げて静電容量を増やす。静電容量の増加に比例して、Al2O3-TiCの場合における事実上の比誘電率はTiCを加えると24％増加し、5％のTiCを加えると35％増加した。
本発明によるプラテン12の増加した静電容量は、結果としてE-チャックプラテンにおけるクランプ力を実質的に増加させる。本発明のE-チャックプラテン12は、静電荷の量の増加により実質的に強いクランプ力を実現する。Al2O3-TiCの場合において、0.3mm厚のプラテンのクランプ力は1,500V DCでは44g/cm2、1,500V AC p-pでは28g/cm2であり、TiCを含まないAl2O3プラテンのクランプ力と比較して60％および100％増のクランプ力である。誘電複合体中のTiC含量の関数として静電力をグラフ化した図５の曲線50および52によってこれを図示した。1,500VのDC電圧および1,500V(V p-p)のAC電圧を空気中で加えた。誘電層の厚みは0.3mmである。
本発明の静電チャックプラテン12は、有利には周囲湿度にかかわらず実質的に強力なウェハクランプ力を与える。図6(a)の曲線60および62は、印加したDC電圧の関数として静電力を示し、図6(b)の曲線64および66は、印加したAC電圧(２乗平均値)の関数として静電力を示す。図6(a)および6(b)のデータは、空気(46％の相対湿度)またはN2(46％の相対湿度)中でAl2O3+TiC 5%を含むプラテン12に関するものである。上述の情報を導いたプラテン12の厚みは0.3mmである。すなわち、本発明は、クランプ力が約2％〜約40％の相対湿度範囲のもとでウェハをクランプするのに十分な強さをもつ静電チャックプラテン12を提供する。
本発明のプラテン12は、ウェハクランプ力を得るためにプラテンに加える電圧を、その誘電層の厚みを薄くすることによって減少させることができるというさらなる特徴がある。図7(a)の曲線70は、0.3mm厚のAl2O3+TiC 5%のプラテン材料の静電力を印加電圧の関数として示す。図7(b)の曲線72は、0.1mm厚の同じプラテン材料の静電力を印加電圧の関数として示す。このように、このプラテンは600V程度の低い印加電圧および0.1mmの厚みをもつ誘電層で同量のクランプ力を達成する。
本発明による静電チャックプラテン12は、有利には実質的にその上に残留電圧がない。特に、プラテンの誘電層の厚みを0.1mmの厚みまで減少させることによって、一連の印加電圧の増加及び／又は減少によるプラテン上の残留表面電位がプラテン上に残らなくなる。これを図８および９のグラフに図示した。
図8(a)および8(b)は、空気中における印加電圧の関数として0.3mmの厚みをもつ本発明のAl2O3+TiC 5%プラテン材料についての表面電位を示す。静電チャックデバイスに電圧を印加した後にシリコンウェハをプラテンから剥離した。曲線84は+1000V時の剥離についての表面電位 vs 印加電圧の関係を示し、曲線86は-1000V時の剥離についてのその関係を示す。図9(a)および9(b)は、空気中における印加電圧の関数として0.1mmの厚みをもつ本発明のAl2O3+TiC 5%プラテン材料についての表面電位を示す。静電チャックデバイスに電圧を印加した後にシリコンウェハをプラテンから剥離した。曲線88は+600V時の剥離についての表面電位 vs 印加電圧の関係を示し、曲線90は-600V時の剥離についてのその関係を示す。
本発明によるプラテン12が非常に迅速なウェハ解除能力をもつのは、ウェハクランプ力を得るためにプラテン12に印加する電圧を誘電層の厚みを薄くすることによって減少させることができるという前述の事実によるものである。ウェハの解除は１秒間以内に達成することができ、誘電層の厚みを減少させなかったウェハプラテンと比較して残留クランプ力を約60％減少させることができる。図10(a)および10(b)のグラフは、時間の関数として静電力を示し、曲線94および96は、それぞれ0.3mm厚および0.1mm厚の本発明によるプラテン12を含む静電チャックの解除応答を示す。時間=0秒で印加電圧を切った。減少した厚みのプラテン12がより迅速な解除応答を示すことがはっきりとわかる。
この減少した厚みという追加の特徴をもつ本発明のプラテン12は、DC電圧またはDC電圧と等しい2乗平均の大きさのAC電圧のいずれかを印加することによって同じ強さをもつウェハクランプ力を提供する。図11(a)および11(b)のグラフは、印加電圧の関数として静電力を示し、曲線100はDC電圧についてであり、曲線102はAC電圧(2乗平均値)についてである。いずれも0.1mmの厚みをもつAl2O3+TiC5％のプラテン12を含む静電チャックについてである。グラフに示すように、プラテン12は、プラテンに対して400Vの印加DC電圧及び／又は400V（2乗平均）の印加電圧で20g/cm2のウェハクランプ力を生み出す。
この減少した厚みという追加の特徴をもつ本発明のプラテン12は、垂直力すなわち表面14に対する垂直方向の力と比較すると、せん断力について力の減少率がより小さい。図12(a)および12(b)の曲線106および108は、それぞれ印加したDC電圧および印加したAC電圧(2乗平均値)の関数として0.1mmの厚みをもつAl2O3+TiC5％のプラテン12についてのせん断方向の静電力を示す。プラテンは、それぞれ同じDC電圧およびAC電圧による各垂直力と比較すると、印加DC電圧で66％のせん断力の成分をもち、印加AC電圧で32％のせん断力の成分をもつ。
本発明のプラテン12の前述の特性に加えて、TiCの追加は、プラテン12の次の望ましい特性を提供する。1つはより高い硬度である。ビッカース硬度スケール上での500℃でのAl2O3-TiC(30％TiC濃度)の硬さは約1800であり、一方、同一条件下でのAl2O3自体は1600である。従って、Al2O3-TiCはAl2O3と比較して16％硬い。硬さの増加は、上述のウェハプラテンのより少ない磨耗特性及び／又はその材料のより少ない磨耗特性によってクリーンルーム環境におけるより少ない汚染の発生に寄与する。
他の望ましい特性はより高い温度伝達特性である。Al2O3-TiC(30％濃度)の熱伝導率は約21W/mkであり、一方、同一条件下でのAl2O3自体は17W/mkである。従って、Al2O3-TiCはAl2O3と比較して24％良好な熱伝導特性をもつ。より良好な熱伝導特性は、クランプされたウェハに対し、ウェハ(water)の全表面にわたる熱の均一な分布に寄与する。
また、他の望ましい特性は、高い抗破断力(anti-breaking-force)である。Al2O3-TiC(30％TiC濃度)の抗破断力は700〜800MPaであり、一方、同一条件下でのAl2O3自体は400〜500Mpaである。すなわち、Al2O3-TiCは、Al2O3と比較して60〜70％強い抗破断力特性をもつ。より良い抗破断力特性は、上述したプラテンの強度に寄与する。
本発明のプラテン12はまた、良好な防錆、耐プラズマおよび耐熱特性をもつ。
図13は、本発明によるプラテンを製造する方法を図示する。本方法の開始工程120および122において、それぞれ誘電セラミック材料および導電性材料を用意する。好ましくは、誘電セラミック材料は粒子サイズ約0.2μmのアルミナセラミック粉末であり、好ましくは導電性セラミック材料は約0.5μmの粒子サイズでかつ約2.5体積％〜約15.0体積％の量で存在する炭化チタンセラミック粉末である。次の工程124において、溶媒好ましくはエタノールの中で約72時間にわたって2つの材料を混合する。生成混合物を工程126で乾燥させた。成形工程128では、乾燥した混合物を鋳型またはこれに類するものの中で成形する(forming or shaping)。生成形状は、プラテンのために望ましい形状、好ましくはディスク形状である。その後、次工程130において、約20MPaの圧力のもと約1600℃の温度で約１時間にわたってプラテンを焼結する。これは、従来のホットプレス工程によって行う。焼結後、半導体ウェハと接触するであろう主にプラテンの表面上での研削および研磨工程132がある。生成プラテンの厚みは、用途に応じて約0.1mm〜約2.0mmの範囲とすることができる。工程134は、単層構造の形状における完成したプラテンを示す。
本発明の実施例について詳細に説明してきたけれども、例証の目的で説明してきたものであって、これに限定されない。
本発明によるプラテンを含む静電チャックの模式的な正面図。 図１のプラテンの模式的な平面図。 本発明による静電チャックプラテンの材料を示す走査電子顕微鏡写真。 本発明による静電チャックプラテンの材料を示す走査電子顕微鏡写真。 本発明による静電チャックプラテンの材料を示す走査電子顕微鏡写真。 本発明による静電チャックプラテンの材料を示す走査電子顕微鏡写真。 本発明の静電チャックの材料の静電特性を示す表。 本発明の静電チャックプラテンの材料の静電力特性のグラフ。 本発明の静電チャックプラテンをさらに示す印加電圧の関数としての静電力のグラフ。 本発明の２つの異なる厚みのプラテンについての印加電圧の関数としての静電力のグラフ。 本発明の静電チャックプラテンをさらに示す印加電圧の関数としての表面電位のグラフ。 異なるプラテンの厚みについての図８(a)および８(b)と同様のグラフ。 本発明の静電チャックプラテンをさらに示す時間の関数としての静電力のグラフ。 本発明の静電チャックプラテンをさらに示す印加電圧の関数としての静電力のグラフ。 本発明の静電チャックプラテンをさらに示す印加電圧の関数としてのせん断方向の静電力のグラフ。 本発明によるプラテンを作る方法を図示するブロック図。

Claims (7)

  1. Ａｌ2Ｏ3を含む誘電材料で焼結されたプラテン体と、
    前記焼結されたプラテン体の体積当り２．５％〜１５．０％の量で誘電材料の中に拡散したＴｉＣの粒子とを含み、
    前記プラテン体は、溶媒としてエタノールを使用してＡｌ 2 Ｏ 3 の粒子とＴｉＣの粒子とを混合し焼結して形成されて、多結晶化したＡｌ 2 Ｏ 3 の粒界にＴｉＣの粒子が拡散していることを特徴とする静電ウェハクランプ装置のためのプラテン。
  2. ＴｉＣがプラテン体の体積当り５．０％の量で存在する請求項１に記載のプラテン。
  3. プラテン体が０．３ｍｍの厚みをもつ請求項１または２に記載のプラテン。
  4. プラテン体が０．１ｍｍの厚みをもつ請求項１または２に記載のプラテン。
  5. ａ）Ａｌ2Ｏ3を含む誘電セラミック粉末とＴｉＣのセラミック粉末とを、エタノールの溶媒中で混合して生成混合物を形成し、
    ｂ）前記生成混合物を乾燥させ、
    ｃ）前記生成混合物をプラテンの形状に成形し、
    ｄ）その成形品を焼結して、多結晶化したＡｌ 2 Ｏ 3 の粒界にＴｉＣの粒子を拡散させたプラテン体を得る
    ことを特徴とする静電ウェハクランプ装置のためのプラテンを製造する方法。
  6. 焼結を１６００℃の温度で行う請求項５に記載のプラテンを製造する方法。
  7. 焼結後の生成品を研削および研磨する請求項５に記載のプラテンを製造する方法。
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