JP5345583B2 - 静電チャック - Google Patents

Description

本発明は、静電チャックに関する。

半導体製造装置に用いられるセラミックス静電チャックがある。セラミックス静電チャックは、セラミックスの中に金属電極を埋設した構成となっており、電極よりウエハー側のセラミックス部分を誘電体層と呼び、その反対側のセラミックスを支持体層と呼ぶ。誘電体層の体積抵抗率を１０⁸〜１０¹³Ωｃｍ程度に制御すると、ジョンソン・ラーベック型の静電チャックとなる。

本出願人は、支持体層の体積抵抗率を誘電体層の体積抵抗率よりも高くすることによって、導電性下部高周波電極に静電チャックを接合した場合でも安定して吸着力を発生させられる静電チャックが得られることを発明した（特許文献１参照）。また、窒化アルミニウムを主成分とし、Ｓｍを添加することによって、ジョンソン・ラーベック吸着力を発生させるに効果的な体積抵抗率を有するセラミックス材料を発明した（特許文献２参照）。

特開２００２−５０６７６号公報 特開２００５−２９４６４８号公報

特許文献１，２を組み合わせた静電チャックとして、Ｓｍを含む窒化アルミニウムを誘電体層とし、純度９９．９％の窒化アルミニウムを支持体層として静電チャックを作成したところ、吸着力は高いものの、電極への高電圧の印加を停止してから吸着されたウエハーが剥がれるまでの時間（脱着時間）が長いという問題が生じた。この時間が長いと、ウエハーの処理後に無駄な時間が発生するため、ウエハーの処理速度を上げられないという問題があった。また、支持体層の厚みを薄くすると製造工程中に反りが発生するため、平面度を維持するために修正加工が余儀なくされるという問題が生じた。さらに、その静電チャックを高温と低温のサイクルに曝した場合、長時間の使用で薄い誘電体層の接合強度が劣化するという問題が生じた。機械的強度の劣化は、静電チャックの下面を大気圧とし、上面を真空に曝された場合に誘電体層の破損を生じさせる可能性があり問題であった。

本発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、高い吸着力を持ちながら、脱着時間が短く、製造時に反りが発生しにくく、熱サイクル後の機械的強度の劣化が少ない静電チャックを提供することを目的とする。

本発明の静電チャックは、
電極が埋設されたセラミックス製の静電チャックであって、
表面にウエハーを載置可能であり、Ｓｍを含む窒化アルミニウム焼結体からなり、室温における体積抵抗率が４×１０⁹〜４×１０¹⁰Ωｃｍである誘電体層と、
該誘電体層の裏面に接しており、ＳｍとＣｅを含む窒化アルミニウム焼結体からなり、室温における体積抵抗率は１×１０¹³Ωｃｍ以上である支持体層と、
を備えたものである。

この静電チャックによれば、ウエハーを載置した状態で電極に高電圧を印加したときのウエハー吸着力が高く、製造時に反りが発生しにくく、電極への高電圧の印加を停止してからウエハーが剥がれるまでの時間（脱着時間）が短く、熱サイクル後の機械的強度の劣化が少ない。

本発明の静電チャックにおいて、前記誘電体層は、Ａｌ−Ｓｍ−Ｏ化合物を含み、ＳｍをＳｍ₂Ｏ₃換算で１．２〜４ｗｔ％含み、Ａｌ及びＳｍをそれぞれＡｌ₂Ｏ₃換算及びＳｍ₂Ｏ₃換算したときのＡｌ₂Ｏ₃／Ｓｍ₂Ｏ₃の重量比は０．８〜１．５である窒化アルミニウム焼結体であり、前記支持体層は、Ｓｍ及びＣｅの酸化物を含み、ＳｍをＳｍ₂Ｏ₃換算で０．９６〜２．２ｗｔ％、ＣｅをＣｅＯ₂換算で０．２〜０．５ｗｔ％含む窒化アルミニウム焼結体であることが好ましい。この場合、本発明の効果、すなわち、吸着力が高く、脱着時間が短く、熱サイクル後の強度劣化が少ないという効果を確実に得ることができる。

本発明の静電チャックにおいて、前記電極は、モリブデン金属製又はモリブデン合金製であり、前記誘電体層の内部、前記支持体層の内部又は前記誘電体層と前記支持体層との界面部分に配置されていることが好ましい。電極がモリブデン金属又はモリブデン合金の場合、特許文献１（特開２００２−５０６７６号公報）に記載されているように、電極の周りに高抵抗領域が発生しやすく、吸着力が低下しやすい傾向にあるため、本発明を適用する意義が高い。

本発明の静電チャックにおいて、前記支持体層は、抵抗発熱体（ヒーター）を内蔵していてもよい。支持体層は、体積抵抗率が高いため、ここに抵抗発熱体を埋設することでウエハーを吸着しながら効率的に接触熱伝導加熱をすることができる。

図２のＳＥＭ写真を撮影した部分を表す説明図である。 実施例１と比較例１の微構造を表すＳＥＭ写真である。

［一般的製造手順］
支持体層として利用する窒化アルミニウム焼結体を用意した。この窒化アルミニウム焼結体は、Ｓｍ₂Ｏ₃及びＣｅＯ₂を含む窒化アルミニウム粉末を成形し、ホットプレス法で焼成することにより製造した。このときのホットプレス荷重は５０ｋｇ／ｃｍ²，焼成温度は１８００〜２１００℃、焼成時間は４時間以下とした。次に、支持体層の上面を研削し平面を出したところに金属メッシュからなる静電電極を設置した。次に、その静電電極の上に、誘電体層の原料粉を載せてプレス成形し、支持体層を含む成形体とした。この原料粉は、Ｓｍ₂Ｏ₃及びＡｌ₂Ｏ₃を含む窒化アルミニウム粉体とした。そして、得られた成形体をホットプレス法で焼成することにより、静電チャックを得た。このときのホットプレス荷重は７０ｋｇ／ｃｍ²、焼成温度は１８００〜２１００℃、焼成時間は４時間以下とした。

［実施例１〜８，比較例１〜５］
実施例１〜８，比較例１〜５の静電チャックを、下記表１に示す組成を持つように、上記一般的製造手順にしたがって作製した。各静電チャックは、直径２９８ｍｍ、支持体層厚み３ｍｍ、誘電体層厚み１．０ｍｍであり、双極型の静電電極（電極材料はＭｏメッシュ）を備えたものとした。なお、誘電体層上のウエハー載置面には直径１ｍｍ、高さ８μｍの円形状の突起をウエハー載置面上にほぼ均等に分布するように形成すると共に、そのウエハー載置面の外周に沿った幅１ｍｍの環状突起を高さ８μｍとなるように形成した。ウエハー載置面にはガスを導入する直径１ｍｍのガス孔を貫通させた。支持体層側には内部の静電電極に到達する座繰り孔を開け、給電端子を静電電極にロウ付けした。次にこのセラミックス静電チャックをＡｌ製の冷却板（下部ＲＦ電極を兼ねている）に接着剤で接合した。なお、表１に示す各組成は、以下のようにして測定した。すなわち、ＳｍおよびＣｅについてはＡｌＮ焼結体を溶解して溶解液とした後にＩＣＰ（誘導結合プラズマ）原子発光分析法で測定した。酸素については不活性ガス融解−赤外線吸収法によって測定した。測定されたＳｍ，Ｃｅ量から、Ｓｍ₂Ｏ₃，ＣｅＯ₂の換算量を算出した。Ｓｍ₂Ｏ₃とＣｅＯ₂の換算量から、これらに含まれる酸素量を算出し、実測された酸素量との差分からＡｌ₂Ｏ₃量を算出した。

以上のようにして作製した静電チャックを以下のように評価した。評価結果を表２にまとめた。

＜評価方法＞
・吸着力の測定方法：
静電チャックのウエハー載置面に直径２ｃｍのＳｉ製の円柱（Ｓｉプローブ）を置き、静電電極に電圧２００Ｖを印加したのち、引張荷重測定器にてＳｉプローブを垂直上方に引き上げ、Ｓｉプローブが静電チャックから離れる時の荷重を測定し、吸着力を測定した。
・脱着時間の測定方法：
静電チャックを真空容器中に設置し、１０Ｐａ以下の圧力で、Ｓｉウエハーを静電電極への印加電圧＋／−３００Ｖで吸着し、１分間維持した後、ウエハーのバックサイド（静電チャック表面とウエハーの間にできる空間）に圧力６００ＰａのＨｅガスを導入してから、印加電圧を０にし、それから、バックサイドのＨｅガス圧力が急激に下がるまでの時間を計測し、脱着時間とした。ウエハーが静電チャックからはがれると、バックサイドガスが真空容器内に逃げるので、Ｈｅガス圧力が急激に下がることを用いて、静電チャックの吸着力が十分に下がるまでの時間を知ることができる。
・反りの測定方法
焼成した焼成体を粗加工して厚みを約８ｍｍとした。この時点で、支持体層側の厚みは６ｍｍで誘電体層側の厚みは２ｍｍであった。支持体層となる側を平面冶具に接着して、誘電体層側を１ｍｍ研削することで全体の厚みを７ｍｍとした。次に誘電体層側を平面冶具に接着して、支持体層側を２ｍｍ研削することで全体の厚みを５ｍｍとした。全部で３ｍｍ削ったあと、焼成体を平面冶具から外すと、焼成体の残存内在応力により、焼成体が反った。そのときの反りを３次元測定装置で測定した。
・熱サイクル後の強度の測定方法
上記の静電チャックの作製方法と同様にして、支持体層側５ｍｍ、誘電体層側５ｍｍの焼成体を得たのち、これを熱サイクル試験機に入れ、空気中で３００℃と室温（約２５℃）の間を５０００サイクル加熱冷却した。その後、５ｍｍ角で厚み１０ｍｍの試料を１０個切り出し、５ｍｍ角で５ｍｍ深さの凹みを有する鋼鉄冶具に支持体層側と誘電体層側をそれぞれはめ込み、電極接合界面のせん断方向に荷重を掛けて破損したときの荷重からせん断強度を測定した。

表２から明らかなように、実施例１〜８によれば、脱着時間が短く、反りが少なく、長期間熱サイクル後も強度の高い静電チャックを得ることができる。

次に、各静電チャックにつき、誘電体層側に導電性ゴムシートからなる平面電極を配置し、その平面電極と静電電極との間に電圧を印加し、誘電体層の体積抵抗率を測定した。また、支持体層側に同様の平面電極を配置し、その平面電極と静電電極との間に電圧を印加し、支持体層の体積抵抗率を測定した。その結果を表３に示す。実施例１〜８の静電チャックの誘電体層は、いずれもジョンソン・ラーベック力を発生させる体積抵抗率を有していた（４×１０⁹〜４×１０¹⁰Ωｃｍ）。また、実施例１〜８の静電チャックの支持体層は、誘電体層に比べて絶縁性が高かった（２×１０¹³Ωｃｍ）。一方、比較例１〜５の静電チャックでは、ジョンソン・ラーベック力を発生させるには誘電体層の体積抵抗率が高すぎたり低すぎたりすることがあり、支持体層の絶縁性も十分高くないことがあった。

また、各静電チャックのリーク電流を測定した。リーク電流は次のようにして測定した。すなわち、まず、静電チャック上にシリコンウエハーを載せ、シリコンウエハーを電気的に接地することでシリコンウエハーと静電電極との間に回路を形成した。そして、静電電極に３００Ｖの直流電圧を印加してシリコンウエハーを誘電体層の表面に吸着したときに、静電電極からシリコンウエハーに流れるリーク電流を測定した。その結果を表３に示す。リーク電流が大きすぎると、装置として漏電状態となるばかりでなく、シリコンウエハー上のデバイスを破壊することがあるため、リーク電流は１０００μＡ以下に抑える必要がある。各実施例の静電チャックは、いずれもリーク電流が１０００μＡ以下、特に１５０μＡ以下であるため、漏電やデバイス破壊等のおそれがない。

各実施例の静電チャックと各比較例の静電チャックとで、どうして上記のような差異が発生するのかを、実施例１と比較例１の誘電体層の微構造を観察して考察した（図１及び図２参照）。図１の部分Ｐの微構造を図２に二つの倍率（２５０倍、１５００倍）で示す。図２において、白い部分がＳｍの多いところである。図２から、比較例１の方は、電極に近い部分で誘電体層のＳｍを含む粒界相（Ｓｍ−Ａｌ−Ｏ相）が実施例１に比べて少なく、Ｓｍが誘電体層から支持体層に拡散していることがわかった。Ｓｍは比較的低抵抗なため導電パスとなっていると考えられるが、比較例１では誘電体層中のＳｍが実施例１と比べて少ないため、誘電体層の体積抵抗率が部分的に上昇しているらしいことがわかった。そして、その体積抵抗率が上昇した部分に電荷がトラップされるため、誘電体層の電荷が抜けにくく、誘電体層に電荷がしばらく残存するため、電圧印加除去後も吸着力がすぐ消失しないものと思われる。さらに、比較例１では、Ｓｍの拡散に伴う物質移動で、誘電体層の電極界面付近の強度が低下したと考えられる。

［実施例９］
実施例１の静電チャックについて、支持体層にＭｏからなる抵抗発熱体つまりヒーターを埋設した静電チャックを作製し、静電チャック自体を抵抗発熱体で６０℃に維持しながら、上記と同じ評価を行った。その結果、吸着力は４０００（Ｐａ）、脱着時間は１（秒）、反りは０．０１（ｍｍ）、熱サイクル後の強度は２４０（Ｐａ）、誘電体層の体積抵抗率２×１０^-10（Ωｃｍ）、支持体層の体積抵抗率２×１０^-13（Ωｃｍ）、リーク電流１３０（μＡ）であり、静電チャックとして良好な性能を発揮するとともに、抵抗発熱体への静電電極からのリーク電流も小さく、ヒーター電源等に異常電流が流れることなく加熱することができた。こうしたことから、本発明の静電チャックの構成によれば、支持体層の体積抵抗率が高いので、ここに抵抗発熱体を直接埋設でき、ウエハーを吸着しながら効率的に接触熱伝導加熱を行うことができる。

本発明は、例えばシリコンウエハーを加工する半導体製造装置に利用可能である。

Claims (3)

1. 電極が埋設されたセラミックス製の静電チャックであって、
   表面にウエハーを載置可能であり、Ｓｍを含む窒化アルミニウム焼結体からなり、室温における体積抵抗率が４×１０⁹〜４×１０¹⁰Ωｃｍである誘電体層と、
   該誘電体層の裏面に接しており、ＳｍとＣｅを含む窒化アルミニウム焼結体からなる支持体層と、
   を備え、
   前記誘電体層は、Ａｌ−Ｓｍ−Ｏ化合物を含み、ＳｍをＳｍ ₂ Ｏ ₃ 換算で１．２〜４ｗｔ％含み、Ａｌ及びＳｍをそれぞれＡｌ ₂ Ｏ ₃ 換算及びＳｍ ₂ Ｏ ₃ 換算したときのＡｌ ₂ Ｏ ₃ ／Ｓｍ ₂ Ｏ ₃ の重量比は０．８〜１．５である窒化アルミニウム焼結体であり、
   前記支持体層は、Ｓｍ及びＣｅの酸化物を含み、ＳｍをＳｍ ₂ Ｏ ₃ 換算で０．９６〜２．２ｗｔ％、ＣｅをＣｅＯ ₂ 換算で０．２〜０．５ｗｔ％含む窒化アルミニウム焼結体である、
   静電チャック。
2. 前記電極は、モリブデン金属製又はモリブデン合金製であり、前記誘電体層の内部、前記支持体層の内部又は前記誘電体層と前記支持体層との界面部分に配置されている、
   請求項１に記載の静電チャック。
3. 前記支持体層は、抵抗発熱体を内蔵している、
   請求項１又は２に記載の静電チャック。