JP5281480B2

JP5281480B2 - 静電チャック

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Publication number: JP5281480B2
Application number: JP2009124092A
Authority: JP
Inventors: 寛米倉; 治郎川合; 和之小椋
Original assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Current assignee: Shinko Electric Industries Co Ltd
Priority date: 2009-05-22
Filing date: 2009-05-22
Publication date: 2013-09-04
Anticipated expiration: 2029-05-22
Also published as: JP2010272730A

Description

本発明は静電チャックに係り、さらに詳しくは、半導体ウェハプロセスなどで基板の温度を制御するために各種製造装置に採用される静電チャックに関する。

従来、半導体ウェハプロセスなどで使用される製造装置（プラズマＣＶＤ装置やドライエッチング装置など）では、ウェハ処理時のウェハ温度を制御するためにウェハを静電吸着して載置する静電チャックが設けられている。

特許文献１には、セラミックス製静電チャックにおいて、絶縁性誘電体層とプレート部との接合層をＧｅ−Ａｌ共晶組成合金層あるいはＳｉ−Ａｌ共晶組成合金層から形成することが記載されている。

また、特許文献２には、チャック機能部とそれを支持するプレート部を接合してなる静電チャックにおいて、プレート部の非接合面側に凹部が形成され、その凹部にヒータが配設されていることが記載されている。

特開２０００−３１２５４号公報特開２００１−７７１８５号公報

後述する関連技術で説明するように、高温（２００〜４００℃）で使用する静電チャックの場合、耐熱性を確保するためアルミニウムベースとセラミックスチャック部とをねじ止めして固定する方法が採用される。

しかしながら、ねじ止め方式では、高温による熱膨張の影響によってねじ止め部近傍のセラミックスチャック部にクラックが発生しやすい問題がある。

本発明は以上の課題を鑑みて創作されたものであり、アルミニウムベースの上にセラミックスチャック部がねじ止めされて構成される静電チャックにおいて、高温になってもセラミックスチャック部にクラックが発生することが防止されて高い信頼性が得られる静電チャックを提供することを目的とする。

上記課題を解決するため、本発明は静電チャックに係り、アルミニウムベースと、前記アルミニウムベースの上に配置され、基板が載置されるセラミックスチャック部と、前記アルミニウムベースに設けられた開口部と、前記開口部に挿入され、ろう材によって前記セラミックスチャック部の下面に接合されて、銅から形成された止めねじと、前記止めねじに締め込まれて、前記アルミニウムベースの下面を押し込むナットと、前記アルミニウムベースの開口部の周囲の部分に設けられた凹部と、前記凹部に配置され、前記アルミニウムベースと前記セラミックスチャック部とをシールするＯリングとを有し、ヒータによって加熱されて使用されることを特徴とする静電チャック。

本発明の静電チャックでは、アルミニウムベースの上にセラミックスチャック部が配置されている。アルミニウムベースの開口部に止めねじが挿入され、止めねじの先端部がろう材によってセラミックスチャック部の下面に接合されている。そして、ナットが止めねじに締め込まれてアルミニウムベースの下面を押し込んで固定されている。

本発明では、止めねじは、アルミニウムベースの熱膨張係数に近似する銅から形成される。このため、ヒータによって静電チャックを高温（例えば２００〜４００℃）に設定して使用する際に、アルミニウムベースと止めねじの間で熱応力の発生が抑制される。その結果、セラミックスチャック部にクラックが発生することが防止され、十分な信頼性が得られる。

上記発明において、ヒータは、セラミックスチャック部又はアルミニウムベースに内蔵させてもよいし、あるいは、静電チャックの下に配置してもよい。

以上説明したように、本発明の静電チャックでは、高温になってもセラミックスチャック部にクラックが発生することが防止されて高い信頼性が得られる。

図１は関連技術の静電チャックを示す断面図である。図２は本発明の実施形態の静電チャックを示す断面図である。図３は本発明の実施形態の静電チャックを示す平面図である。図４（ａ）〜（ｄ）は本発明の実施形態の双極タイプのＥＳＣ電極を示す平面図である。図５は本発明の実施形態の静電チャックのクラックの発生を調査するための工程フローチャートである。図６（ａ）は高温試験を行う前の静電チャックの表面うねりをろ波うねり曲線で示した図、図６（ｂ）は高温試験を行った後の静電チャックの表面うねりをろ波うねり曲線で示した図である。図７は本発明の実施形態のヒータ機能を備えた静電チャックを示す断面図（その１）である。図８は本発明の実施形態のヒータ機能を備えた静電チャックを示す断面図（その２）である。図９は本発明の実施形態のヒータ機能を備えた静電チャックを示す断面図（その３）である。

以下、本発明の実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。

（関連技術）
静電チャックは、半導体ウェハプロセスなどでウェハの温度を制御するために各種の製造装置に備えられている。静電チャックには、ウェハを高温（２００〜４００℃）に制御する高温タイプのものがある。

一般的に、静電チャックはアルミニウムベースの上にセラミックスチャック部がシリコーン接着剤によって固着されて基本構成される。高温（２００〜４００℃）タイプの静電チャックでは、シリコーン接着剤がそのような高温に耐えられないことから、アルミニウムベースとセラミックスチャック部とをねじ止めして固定する方法が採用される。

図１には、関連技術のねじ止めタイプの静電チャックが示されている。図１に示すように、関連技術の静電チャックでは、アルミニウムベース１００の上にセラミックスチャック部２００が配置されている。セラミックスチャック部２００には不図示のＥＳＣ電極が内蔵されている。

アルミニウムベース１００には、側面に段差面Ｓを有する開口部１００ａが設けられている。

そして、アルミニウムベース１００の開口部１００ａに、止めねじ３００が挿入され、ろう材（不図示）によって止めねじ３００の先端部がセラミックスチャック部２００の下面に接合される。関連技術の静電チャックでは、止めねじ３００はコバール（鉄（Ｆｅ）・ニッケル（Ｎｉ）・コバルト（Ｃｏ）合金）から形成される。

さらに、ナット４００を止めねじ３００に回し込んで締め付けることにより、ナット４００をアルミニウムベース１００の開口部１００ａの段差面Ｓに固定する。これにより、アルミニウムベース１００がねじ止めによってセラミックスチャック部２００に固定される。

関連技術の静電チャックでは、温度：２５０℃、処理時間：２時間の高温試験を行うと、止めねじ３００が接合された近傍のセラミックスチャック部２００にクラックが発生する問題がある。セラミックスチャック部２００にクラックが発生すると、止めねじ３００が浮いてくることがあり、アルミニウムベース１００とセラミックスチャック部２００との接続の信頼性が得られなくなる。

これは、実際に半導体製造装置のチャンバに静電チャックを取り付け、ウェハを高温処理（２００〜４００℃）すると同様な問題が発生することを意味する。

ここで、止めねじ３００（コバール）の熱膨張係数が３．７×１０^-6／℃であり、アルミニウムベース１００の熱膨張係数が２０×１０^-6／℃であり、両者においてかなり熱膨張係数が異なっている。

本願発明者はこの点に注目し、止めねじ３００（コバール）とアルミニウムベース１００の熱膨張係数の差によって高温時に熱応力が発生し、この熱応力の影響で比較的強度の弱いセラミックスチャック部２００にクラックが発生すると推測し、その対策を検討した。

以下に説明する本実施形態の静電チャックではそのような問題を解消することができる。

（実施の形態）
図２は本発明の実施形態の静電チャックを示す断面図、図３は同じく静電チャックを示す平面図である。

図２に示すように、本実施形態の静電チャック1では、アルミニウムベース１０の上にセラミックスチャック部２０が配置されている。セラミックスチャック部２０は、セラミックス部２２とその中に内蔵されたＥＳＣ電極２４とにより構成される。セラミックスチャック部２０の上にウェハ５（基板）が載置される。

アルミニウムベース１０は、アルミニウムのみから形成されていてもよいし、あるいは、アルミニウム合金から形成されていてもよい。セラミックスチャック部２０のセラミックス部２２は好適にはアルミナ（Ａｌ₂Ｏ₃）系が使用されるが、他のセラミックス材料を使用してもよい。

アルミニウムベース１０には、ねじ止め用開口部１０ａが設けられている。ねじ止め用開口部１０ａは大径の円柱穴の上に小径の円柱穴が配置されて構成され、側面途中にリング状の段差面Ｓが設けられている。ねじ止め用開口部１０ａの段差面Ｓは、アルミニウムベース１０の基板方向（水平方向）と平行となって形成されている。

図２の部分拡大図を参照すると、セラミックスチャック部２０の下面側において、アルミニウムベース１０のねじ止め用開口部１０ａに対応する部分には、ねじ止め用開口部１０ａより一回り大きな径の凹部２０ａが設けられている。

そして、アルミニウムベース１０のねじ止め用開口部１０ａに止めねじ３０（ボルト）が挿入されている。止めねじ３０は、棒状のねじ部３０ａとそれより径大のヘッド部３０ｂとから構成され、ねじ部３０ａの外面にはねじ山（不図示）が刻まれている。止めねじ３０のヘッド部３０ｂがろう材３２によってセラミックスチャック部２０の凹部２０ａの底面に接合されている。

セラミックスチャック部２０の凹部２０ａに止めねじ３０の径大のヘッド部３０ｂをろう材３２で接合することにより、アンカー効果によって止めねじ３０の接合強度を強くすることができる。

止めねじ３０をろう材３２でセラミックスチャック部２０に接合するには、まず、セラミックスチャック部２０の凹部２０ａに銀・銅合金板（銀ろう）を配置した状態で、アルミニウムベース１０のねじ止め用開口部１０ａに止めねじ３０のヘッド部３０ｂを配置する。さらに、８４０℃程度の温度で熱処理することによって銀・銅合金板を溶融させることにより、止めねじ３０のヘッド部３０ｂがろう材３２によってセラミックスチャック部２０に接合される。

また、中央部に開口部が設けられた平座金（平ワッシャー）４０が止めねじ３０に挿通されて、アルミニウムベース１０のねじ止め用開口部１０ａの段差面Ｓに配置されている。さらに、中央部の開口部の側面に止めねじ３０に対応するねじ山（不図示）が刻まれたＵナット５０が止めねじ３０のねじ部３０ａに回し込まれて締め付けられている。Ｕナット５０は平座金４０を介してねじ止め用開口部１０ａの段差面Ｓに固定され、アルミニウムベース１０の下面を上側に押し込んでいる。

このようにして、セラミックスチャック部２０の下面に連結された止めねじ３０がＵナット５０及び平座金４０によってアルミニウムベース１０側に締め付けられることにより、アルミニウムベース１０がセラミックスチャック部２０にねじ止めされている。

本実施形態では、止めねじ３０は銅（Ｃｕ）から形成される。銅から形成される止めねじ３０とは、銅のみから形成されていてもよいし、あるいは銅合金から形成されていてもよく、銅を主成分とする金属から形成されることを意味する。また、平座金４０及びＵナット５０はステンレス鋼（ＳＵＳ）から形成される。

後述するように、本実施形態では、止めねじ３０をコバールよりもアルミニウムベース１０の熱膨張係数に近似する銅から形成することにより、高温に設定する際の熱応力の発生を抑制してセラミックスチャック部２０へのクラック発生を防止するようにしている。

また、アルミニウムベース１０の上面側において、ねじ止め用開口部１０ａを取り囲むようにリング状に凹部１０ｂが設けられている。そして、アルミニウムベース１０の凹部１０ｂにＯリング１２が配置されており、アルミニウムベース１０とセラミックスチャック部２０とがＯリング１２でシールされている。

静電チャック１を製造装置の真空チャンバに取り付ける際に、アルミニウムベース１０の開口部１０ａから空気が真空チャンバにリークしないようにＯリング１２でシールされて、真空チャンバ内のリークの発生を防止することができる。

図３に示すように、図２の静電チャック１を上側からみると、円盤状のセラミックスベース１０の上にその周縁部が露出するようにそれより小さな面積の円盤状のセラミックスチャック部２０が配置されている。

アルミニウムベース１０の露出する周縁側には、製造装置の真空チャンバに取り付けるための取り付け穴１４がリング状に並んで設けられている。また、アルミニウムベース１０のねじ止め用開口部１０ａはセラミックスチャック部２０の周縁部に対応する位置にリング状に並んで配置されている。

また、セラミックスチャック部２０及びアルミニウムベース１０の中央部には、ウェハを上下に移動するためのリフトピンが挿通されるリフトピン用開口部１６が３つ設けられている。リフトピンでウェハを上下に移動することにより、搬送ロボットによってウェハを自動搬送することができる。

また、リフトピン用開口部１６からヘリウム（Ｈｅ）などの不活性ガスをセラミックスチャック部２０の上側に供給してもよい。セラミックスチャック部２０とウェハとの間に不活性ガスを流すことにより、加熱された静電チャックの熱を効率よくウェハに伝導することができる。あるいは、不活性ガスを供給するガス用開口部を別途設けるようにしてもよい。

図２及び図３の例では、セラミックスチャック部２０に内蔵されるＥＳＣ電極２４（図３の円状破線部）は単極タイプであり、セラミックスチャック部２０の主要部に１つの電極として設けられる。

あるいは、図４（ａ）〜（ｄ）に示すような双極タイプのＥＳＣ電極を使用してもよい。図４（ａ）〜（ｄ）ではＥＳＣ電極のみが示されている。図４（ａ）では、図３のセラミックスチャック部２０の左右に２つのＥＳＣ電極２４ａ，２４ｂが分離されて配置されている。図４（ｂ）では、図３のセラミックスチャック部２０の中心側と周縁側で２つのＥＳＣ電極２４ａ，２４ｂが分離されて配置されている。

図４（ｃ）では、図３のセラミックスチャック部２０の左右側から２つのＥＳＣ電極２４ａ，２４ｂがくし歯状に延在して分離されて配置されている。また、図４（ｄ）では、図３のセラミックスチャック部２０に渦巻状に２つのＥＳＣ電極２４ａ，２４ｂが湾曲して分離されて配置されている。

図４（ａ）〜（ｄ）に示すような双極タイプのＥＳＣ電極２４ａ，２４ｂを採用する場合は、２つの分離されたＥＳＣ電極２４ａ，２４ｂにプラス（＋）及びマイナス（−）の電圧がそれぞれ印加される。

本願発明者は、前述した関連技術の問題点を解消すべく鋭意研究した結果、止めねじ３０の材料として、コバール（熱膨張係数：３．７×１０^-6／℃）よりもアルミニウムベース１０の熱膨張係数（２０×１０^-6／℃）に近似した熱膨張係数（１７×１０^-6／℃）を有する銅を使用することを見出した。

アルミニウムベース１０と止めねじ３０と間で熱膨張係数を近似させることにより、静電チャック１を高温にする際に、熱応力の発生を抑制することができる。その結果、セラミックスチャック部２０にクラックが発生することが防止される。

本願発明者は、前述した図２及び図３の静電チャック１を実際に作成し、作成工程及び高温試験においてセラミックスチャック部２０にクラックが発生するかどうか調査した。

図５の工程フローチャートに示すように、まず、アルミニウムベース１０上にセラミックスチャック部２０をねじ止めする工程（ステップＳ１）、その後のセラミックスチャック部２０の表面を研磨して平坦化する工程（ステップＳ２）では、クラックが発生していないことを確認した。

その後に、温度：２５０℃、処理時間：２時間の高温試験を５回繰り返したところ（ステップ３〜ステップ７）、各ステップＳ３〜Ｓ７後においてセラミックスチャック部２０にクラックは発生しなかった。さらに、試験温度を上昇させ、温度：３００℃、処理時間：２時間の高温試験（ステップＳ８）を行っても、セラミックスチャック部２０にクラックは発生しなかった。

このように、止めねじ３０を銅から形成することにより、セラミックスチャック部２０にクラックが発生することが防止される。前述したように、アルミニウムベース１０と止めねじ３０と間で熱膨張係数を近似させることにより、熱応力の発生を抑制できるからである。

また、本願発明者は、静電チャックの高温試験を行う前後において（図５のステップＳ２の後とステップ８の後）、セラミックスチャック部２０の直径方向の表面形状をろ波うねり曲線によって調査した。

図６（ａ）に示すように、高温試験を行う前では、セラミックスチャック部２０の表面うねりは直径方向において２〜３μｍ以下であった。図６（ｂ）に示すように、高温試験を行った後では、表面うねりは高温試験前からほとんど変化せず、セラミックスチャック部２０の表面うねりは直径方向において２〜３μｍ以下であった。

このように、本実施形態の静電チャック１は、高温になるとしても、セラミックスチャック部２０へのクラック発生が防止される共に、表面の平滑性が維持され、静電吸着の十分な信頼性が得られることが分かった。

なお、前述した図２の静電チャック１において、止めねじ３０を締め付けて固定する平座金４０やＵナット５０はステンレス鋼（熱膨張係数：１８×１０^-6／℃）からなる。セラミックスチャック部２０へのクラックの発生は、止めねじ３０とアルミニウムベース１０との熱膨張係数によって概ね決まるので、平座金４０やＵナット５０は各種の金属材料から形成することができる。平座金４０やＵナット５０を止めねじ３０と同様に銅から形成してもよい。

本実施形態の静電チャック１は２００〜４００℃の温度に加熱されて使用されるため、内部に又は外部にヒータ機能を備えている。図７に示すように、前述した図２の静電チャック１のようにヒータが内蔵されていない場合は、その下側にヒータ部６０が別途配置される。ヒータ部６０としてはヒータ電極やランプヒータなどが使用される。

ヒータ部６０が下側に取り付けられたヒータ付静電チャックを製造装置のチャンバに取り付けてもよいし、あるいはランプヒータなどからなるヒータ部６０が備えられた製造装置のチャンバに静電チャック１を取り付けてもよい。

図８及び図９には、静電チャックにヒータが内蔵された形態が示されている。図８に示すように、セラミックスチャック部２０内のＥＳＣ電極２４の下にヒータとしてヒータ電極６２が内蔵されていてもよい。つまり、セラミックスチャック部２０は、セラミックス部２２、ＥＳＣ電極２４及びヒータ電極６２から構成される。

この場合は、セラミックスチャック部２０を形成するためのグリーンシートでＥＳＣ電極２４及びヒータ電極６２をそれぞれ挟み、その積層体を焼結することによりＥＳＣ電極２４及びヒータ電極６２が内蔵されたセラミックスチャック部２０を得ることができる。ＥＳＣ電極２４及びヒータ電極６２の材料としては、タングステンペーストなどが使用される。

あるいは、図９に示すように、アルミニウムベース１０内にヒータとしてヒータ電極６２を内蔵させることも可能である。

ヒータ電極６２は、１つの電極として設けてもよいし、ヒータゾーンを複数に分割して独立させ、発熱させるヒータゾーンを任意に選択できるようにしてもよい。例えば、静電チャックの中心部と周縁部とにヒータ電極６２を分離して設けることにより、静電チャックの全体、中心部のみ又は周縁部のみを選択して発熱させることができる。あるいは、ヒータ電極６２が分離されたそれぞれ領域の設定温度を変えて制御することも可能である。

本実施形態の静電チャック１では、セラミックスチャック部２０の上にウェハ５（基板）が載置され、ＥＳＣ電極２４に所定の電圧が印加され、両者の間に発生した力によってウェハ５がセラミックスチャック部２０の上に静電吸着される。さらに、ヒータ部６０又はヒータ電極６２に所定の電圧が印加されて熱が発生し、ウェハ５が加熱されて所定の温度に制御される。

前述したように、本実施形態の静電チャック１では、高温（２００〜４００℃）に設定されるとしてもセラミックスチャック部２０にクラックが発生しないので、ウェハ５を高温に制御した状態で信頼性よく処理することができる。

本実施形態の静電チャックは、半導体ウェハプロセス又は液晶ディスプレイの素子基板の製造プロセスなどで使用されるＣＶＤ装置、ＰＶＤ装置又はドライエッチング装置などに好適に使用される。

１…静電チャック、５…ウェハ（基板）、１０…アルミニウムベース、１０ａ…ねじ止め用開口部、１０ｂ，２０ａ…凹部、１２…Ｏリング、１４…取り付け穴、１６…リフトピン用開口部、２０…セラミックスチャック部、２２‥セラミックス部、２４，２４ａ，２４ｂ…ＥＳＣ電極、３０…止めねじ、３２…ろう材、４０…平座金、５０…Ｕナット、６０…ヒータ部、６２…ヒータ電極、Ｓ…段差面。

Claims

アルミニウムベースと、
前記アルミニウムベースの上に配置され、基板が載置されるセラミックスチャック部と、
前記アルミニウムベースに設けられた開口部と、
前記開口部に挿入され、ろう材によって前記セラミックスチャック部の下面に接合されて、銅から形成された止めねじと、
前記止めねじに締め込まれて、前記アルミニウムベースの下面を押し込むナットと、
前記アルミニウムベースの開口部の周囲の部分に設けられた凹部と、
前記凹部に配置され、前記アルミニウムベースと前記セラミックスチャック部とをシールするＯリングとを有し、
ヒータによって加熱されて使用されることを特徴とする静電チャック。
前記ヒータは、前記セラミックスチャック部又は前記アルミニウムベースに内蔵されるか、あるいは、前記静電チャックの下に配置されることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
前記セラミックスチャック部の下面側において、前記アルミニウムベースの開口部に対応する部分に凹部が設けられており、
前記止めねじは前記セラミックスチャック部の凹部の底面に接合されていることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
前記アルミニウムベースの開口部の側面途中にリング状の段差面が設けられており、前記ナットは平座金を介して前記段差面に固定されていることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
前記静電チャックは、２００乃至４００℃の温度に加熱されることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか一項に記載の静電チャック。
前記ナットは、銅又はステンレス鋼から形成されることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか一項に記載の静電チャック。