JP6034402B2

JP6034402B2 - 静電チャック

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Publication number: JP6034402B2
Application number: JP2014549907A
Authority: JP
Inventors: 勝伺坂上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2012-11-29
Filing date: 2013-11-29
Publication date: 2016-11-30
Anticipated expiration: 2033-11-29
Also published as: JPWO2014084334A1; WO2014084334A1

Description

本発明は、静電チャックに関するものである。

半導体デバイスの製造プロセスにおいて、半導体ウエハを保持する部材として静電チャックが知られている。静電チャックとしては、例えば、特開２００９−１４１２０４号公報（以下、特許文献１という）に記載された基板保持体が挙げられる。特許文献１に記載の基板保持体は、冷却媒体を流すための流路を備えている。

特許文献１に記載の基板保持体は、流路を構成する部材が窒化アルミニウムから成る。しかしながら、窒化アルミニウムは水等の冷却媒体との濡れ性が悪いことから、冷却媒体と基板保持体との間の熱伝達を向上させることが困難であった。その結果、基板保持体の冷却性能を向上させることが困難であった。

本発明の一態様の静電チャックは、上面が被吸着物の吸着面となるセラミック基体と、該セラミック基体に設けられた吸着用電極と、前記セラミック基体の内部に設けられた流路とを含み、該流路の内面にセリウム化合物が存在していて、該セリウム化合物は膜状に形成されている。

本発明の一実施形態の静電チャックを示す斜視図である。図１に示した静電チャックのＡ−Ａ’断面の断面図である。図１に示した静電チャックのＢ−Ｂ’断面の断面図である。本発明の他の実施形態の静電チャックを示す断面図である。本発明の他の実施形態の静電チャックを示す断面図である。

以下、本発明の静電チャックの実施の形態の一例を図面を参照しつつ説明する。

図１は、本発明の静電チャックについて実施の形態の一例を示す斜視図である。静電チャック１０は、セラミック基体１の内部に流路４が設けられている。流路４の内面には、セリウム化合物５が存在している。

セラミック基体１は、例えば、炭化珪素、窒化珪素、窒化アルミニウムまたは酸化アルミニウムなどを主成分とするセラミック材料からなる。これらの中でも特に、窒化アルミニウムまたは炭化珪素からなることが好ましい。セラミック基体１は、平面視したときの形状が、例えば、円板状または矩形板状である。セラミック基体１が円板状の場合には、厚さは例えば１〜５０ｍｍに設定される。また、セラミック基体１の直径は例えば１０〜５００ｍｍに設定される。なお、セラミック基体１の形状はここに挙げられた形状に限定されず、用途に応じて種々の形状に変更することが可能である。

また、図２および図３に示すように、セラミック基体１の内部には、吸着用電極２が設けられている。吸着用電極２は、半導体ウエハをクーロン力またはジョンソンラーベック力によってセラミック基体１の吸着面３に吸着させるための電極である。吸着用電極２は、例えば、白金またはタングステン等の抵抗が小さい金属材料から成る。また、図示しないが、セラミック基体１には、例えば、ヒータ等の電極が含まれていてもよい。

このセラミック基体１の内部には流路４が設けられている。流路４は、水等の冷却媒体を流すための媒体の通り道である。流路４に冷却媒体を流すことによって、セラミック基体１を冷却し、ひいては静電チャック１０の吸着面３を冷却することができる。流路４は、吸着面３に対して、例えば平行に形成されている。流路４は、複数の屈曲部分６を有することによって、セラミック基体１の内部において広範囲に形成されている。また流路４は、セラミック基体１の内部のほぼ全域に形成されていることが好ましい。

そして、流路４の内面には、セリウム化合物５が存在している。セリウム化合物５は、例えば、粒子として存在している。あるいは、セリウム化合物５の粒子が集合することによって流路４の内面に膜状に存在していてもよい。セリウム化合物５が膜状になっている場合には、その厚みは、例えば、２〜１０００μｍに設定される。セリウム化合物５は水等の冷却媒体との濡れ性が良好である。そのため、冷却媒体として水を用いた際に、水とセラミック基体１との間の熱伝達を良好に行なうことができる。その結果、静電チャック１０の冷却性能を向上させることができる。また、セリウム化合物５は、エチルアルコール、メチルアルコール、イソプロピルアルコール、グリセリンまたはエチレングリコール等のＯＨ基を持つ溶媒との濡れ性も良好である。したがって、これらのＯＨ基を有する溶媒を冷却媒体として用いてもよい。この場合にも、静電チャック１０の冷却性能を向上させることができる。なお、セリウム化合物５は流路４の内面の表面積に対して１０％以上の領域に存在していることが好ましい。これにより、冷却媒体と流路４との濡れ性を良好にすることができる。

ここで、図２に示すように、流路４の内面に存在するセリウム化合物５は、少なくとも吸着面３（セラミック基体１の上面）側にあることが好ましい。流路４の内面のうちこの位置にセリウム化合物５があることで、流路４の内面のうち吸着面側における冷却媒体とセラミック基体１との間の熱伝達を良好に行なうことができる。その結果、吸着面３側の冷却効率を向上させることができる。その結果、静電チャック１０の吸着面３における面方向の熱の分布の偏りを低減できる。

また、セリウム化合物５は、流路４の屈曲部分６にあることが好ましい。なお、図３では便宜上、セリウム化合物５の図示を省略している。屈曲部分６においては、部分的に冷却媒体が停滞しがちであることから、冷却効率が低下しがちな傾向にある。この屈曲部分６において、セリウム化合物を設けておくことによって、屈曲部分６における冷却効率の低下を低減することができる。その結果、吸着面３側の冷却効率を向上させることができる。その結果、静電チャック１０の吸着面３における面方向の熱の分布の偏りを低減できる。

また、図４に示すように、セラミック基体１の内部にもセリウム化合物５があることが好ましい。一般的に、セラミック基体１中に不純物酸素が存在すると、その部分の熱伝導を妨げる可能性がある。ここで、セラミック基体１の内部にセリウム化合物５を設けることによって、セリウム化合物５がセラミック基体１中の不純物酸素源をトラップすることができる。これにより、セラミック基体１の熱伝導率が低下することを低減できる。セラミック基体１の熱伝導率を向上させることができる。その結果、セラミック基体１の冷却効率をさらに良好にできる。

また、図４に示すように、セリウム化合物５は、セラミック基体１の内部よりも流路４の内面に多いことが好ましい。この結果、流路４の内面においてセリウム化合物５の密度が高くなる。流路４の内面におけるセリウム化合物５の密度を高くすることによって、冷却媒体とセラミック基体１との間の熱伝達を良好にできる。これにより、流路４の周囲を良好に冷却できる。

また、セリウム化合物５の分布は、セラミック基体１の内部から流路４の内面に向かって多くなることが好ましい。この結果、流路４の内面の冷却温度分布の勾配を均一にするので、静電チャック１０における熱の分布の偏りを低減できる。セリウム化合物５の分布をセラミック基体１の内部から流路４の内面に向って多くするためには、流路４の表面にセリウム化合物５を膜状に形成し、これを加熱することでセリウム化合物５をセラミック基体１の内部に拡散させればよい。

また、流路４の内面に凹凸があることが好ましい。これにより、凹凸によって冷却媒体に乱流を生じやすくなることから、冷却媒体とセラミック基体１との間の熱伝達を良好にできる。また、流路４の内面に凹凸があることによって、流路４の内面の面積を大きくできる。この点においても、静電チャック１０の冷却効率をさらに良好にできる。なお、流路４の内面の凹凸としては、表面粗さＲａが１〜５μｍの範囲であることが好ましい。

また、流路４の内面に、セリウム化合物５が点在していてもよい。セリウム化合物５が点在していることによって、セリウム化合物５がある部分とセリウム化合物５が無い部分とが存在することになる。これにより、流路４の内面が平坦な場合であっても、セリウム化合物５を凸部として機能することにより、冷却媒体の流れが乱流になりやすくなる。その結果、冷却媒体とセラミック基体１との間の熱伝達を良好にできる。より具体的には、セリウム化合物５は流路４の内面の表面積に対して１０％以上９０％以下の領域に存在していることが好ましい。これにより、流路４の内面に冷却媒体に乱流を引き起こすための凹凸を形成することができる。

また、図５に示すように、セリウム化合物５が流路４の内面の全面において存在していて、膜状に形成されていてもよい。これにより、流路４の内面の全面において流路４と冷却媒体との間の熱伝達を良好にできる。これにより、静電チャック１０の冷却効率をさらに良好にできる。また、セラミック基体１が窒化アルミニウムから成り、冷却媒体として水を用いた場合には、長期間の使用によってセラミック基体１と冷却媒体とが反応してしまう可能性がある。しかしながら、セリウム化合物５が流路４の内面の全面において存在していることによって、セラミック基体１が冷却媒体に接する可能性を低減できるので、セラミック基体１と冷却媒体とが反応してしまう現象を抑制できる。

また、セリウム化合物５を膜状に設けた場合には、セリウム化合物５の膜の厚みは、２〜１００μｍが好ましい。これにより、セリウム化合物５の厚みを２μｍ以上に形成しておくことによって、冷却媒体を流したときに、セリウム化合物５がセラミック基体１から剥がれてしまう可能性を抑制できる。また、セリウム化合物５の厚みを１００μｍ以下に形成することによって、セリウム化合物５の熱抵抗を小さくすることができる。

また、セリウム化合物５が点存している場合には、セリウム化合物５はセラミック基体１を構成するセラミック粒子よりも平均粒径が小さいことが好ましい。このように、セリウム化合物５の粒径を小さくすることによって、セラミック基体１の表面に位置するセラミック粒子の粒子間に、セリウム化合物を入り込ませるように配置させることができる。その結果、流路４を大きく狭めることなく、流路４の内面の表面積を増やすことができる。これにより、静電チャック１０の冷却効率をさらに良好にできる。ここで、セリウム化合物５の粒子の平均粒径は、セラミック基体１を構成するセラミック粒子の平均粒径の２／３以下がよく、１／２以下が好ましい。セラミック粒子の平均粒径が１〜５０μｍ程度の場合には、セリウム化合物５を構成する粒子の平均粒径は、０．２〜１０μｍが好ましい。

平均粒径の比較には以下の方法を用いることができる。セリウム化合物５に関しては、静電チャック１０を流路４を含む断面で切断し、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察する。そして、任意の線分に含まれる粒子の数とこれらの粒子の粒径とを測定し、この粒径の和を粒子の数で割ることによって求めることができる。また、セラミック基体１を構成するセラミック粒子の平均粒径も同様に、静電チャック１０を切断し、断面を走査型電子顕微鏡（ＳＥＭ）により観察する。そして、任意の線分に含まれる粒子の数とこれらの粒子の粒径とを測定し、この粒径の和を粒子の数で割ることによって求めることができる。

セリウム化合物５としては、ＣｅＯ_２（セリア）、Ｃｅ_２Ｏ_３、Ｃｅ_２ＡｌＯ_３またはＣｅ_２ＡｌＯ_３Ｎ等を用いることができる。セリウム化合物５としては、特に、セリウム酸化物（ＣｅＯ_２またはＣｅ_２Ｏ_３）を用いることが好ましい。セリウム酸化物は半導体であることから、吸着用電極２に電圧を加えた際に、ジョンソンラーベック力が働く。これにより、冷却媒体中に不純物として金属粒子が混ざっている場合には、この金属粒子をセリウム化合物５の表面に引きつけることができる。そのため、吸着用電極２に電圧が加えられている間は、金属粒子が流路４の内面をセリウム化合物５ごと覆うことになる。これにより、冷却媒体による流路４の内面に生じる侵食の進行を低減することができる。

次に、本発明の実施の形態の一例の静電チャック１０の製造方法について説明する。ここでは、セラミック基体１の製造方法として、セラミック基体１が窒化アルミニウムから成る場合を例にして説明する。まず、アルカリ金属、重金属または希土類金属等のような不純物金属量が１０００ｐｐｍ以下であるような高純度の窒化アルミニウム粉末を用意する。そして、この窒化アルミニウム粉末に対し、アルミナ、シリカまたは希土類酸化物などの焼結助剤を適宜添加する。混合にはボールミルなどの一般的な方法を用いることができる。セラミック基体１の内部にもセリウム化合物を存在させる場合は、この窒化アルミニウム粉末にセリウム化合物を添加して混合すればよい。さらに、この混合原料に対してバインダーを添加し、溶剤を用いて均一に混合し、乾燥後、ふるいにかけて造粒粉を製作する。

次に、この造粒粉を型内に充填して一軸加圧成形法または等加圧成形法を用いて所定の形状に成形して成形体を作製する。また、鋳込成形法またはドクターブレード法等のテープ成形等を用いてもよい。次に、この造粒粉を型内に充填して９８ＭＰａの成形圧にて厚み１ｍｍの円板状の成形体１枚と３ｍｍの円板状の成形体を３枚成形する。しかる後、流路を作製するため、３ｍｍ厚の１枚の成形体に対して切削加工にて流路４となる溝を形成する。また、１ｍｍ厚の成形体の主面に有機系のバインダーとタングステン粉末とを混ぜた金属ペーストをスクリーン印刷法にて厚み１０μｍで塗布して、吸着用電極２を形成する。次に、溝を形成した成形体を挟み込むため、切削加工していない３ｍｍの成形体２枚の主面のうち、溝を形成した成形体を挟みこむ面に有機バインダーを塗布して、溝を形成した成形体と接触するように配置する。そして、９８ＭＰａの成形圧でプレス成形を行ない、３ｍｍ厚の３枚の成形体を密着させる。さらにその上に１ｍｍ厚の成形体を配置し、９８ＭＰａの成形圧でプレス成形を行ない、上記の４枚の成形体を密着させる。上記のようにして流路４を形成することができる。また、セラミック基体１の流路４の内面に凹凸が設けられた構成とするには、サンドブラストなどで流路４の内面を粗い面とすればよい。なお、冷却媒体に乱流が生じる程度の大きさに流路４の内面が粗い面であれば、これを凹凸と見なすことができる。具体的には、流路４の内面の表面粗さＲａが１μｍ以上の場合には、凹凸が存在すると見なすことができる。

しかる後、成形体を窒素雰囲気中もしくは大気中で脱脂し、次いで窒素雰囲気中で１８００℃以上好ましくは１９００℃以上の温度にて焼結する。このときのガス圧は０．５ＭＰａ以上が好ましい。ここで、焼成温度を１８００℃以上としたのは、１８００℃未満であるとセラミック基体１の緻密化が充分に促進せず、相対密度が９５％よりも低くなって焼結体中に気孔が多数存在することになるため、耐蝕性が低下するからである。また、ガス圧を０．５ＭＰａ以上としたのは、セラミック基体１を緻密に形成するためである。また、１９００℃以上の焼結をした際に、セリウム化合物５は、セラミック基体１の流路４の内面に析出するように拡散移動をする。そのため、流路４の内面にセリウム化合物５を析出させることができる。このセリウム化合物５の拡散は、酸素、窒素または真空の雰囲気中で起こるので、セラミック基体１が窒化アルミニウム以外のセラミック材料から成る場合であっても応用が可能である。

上記の製造方法を用いることによって、セラミック基体１が流路４を含むとともに、流路４の内面にセリウム化合物５が存在する静電チャック１０を得ることができる。

なお、セラミック基体１を製造する際に、上記の成形体の溝すなわち流路４の内面となる部位に、セリウム化合物５の層を直接形成してもよい。具体的には、ＣＶＤ法またはＰＶＤ法等の方法を用いることができる。また、成形体の溝にセリウム化合物を含むペーストを塗布することによって、流路４の内面にセラミック化合物５を設けてもよい。これにより、流路４の内面におけるセリウム化合物５の量を増やすことができる。

本発明の静電チャックの実施例について以下に説明する。

出発原料として、アルミナ還元窒化法によって製造された平均粒径が１．５μｍ、酸素含有量が０．８質量％、炭素含有量が３００ｐｐｍの窒化アルミニウム粉末を用いた。そして、この窒化アルミニウム粉末にセリアの粉末を１０質量％添加した。窒化アルミニウム粉末に有機系のバインダーと溶剤とを混ぜて混合した後、６０℃で乾燥させて造粒粉を製作した。次に、この造粒粉を型内に充填して９８ＭＰａの成形圧にて円板状の成形体を作製した。成形体は、３ｍｍ厚みを３枚、１ｍｍ厚みを１枚作製した。しかる後、流路を作製するため、３ｍｍ厚の１枚の成形体に対して切削加工を施すことで、流路４となる溝を形成した。そして、溝の表面に窒化アルミニウムにセリアを１０質量％添加した混合ペーストをはけ塗りした。さらに、切削加工を施していない３ｍｍの成形体２枚の主面のうち溝を形成した成形体を挟み込む面における流路４になる部分にもセリアを１０質量％添加した混合ペーストをスクリーン印刷した。そして、切削加工していない３ｍｍの成形体２枚の主面のうち溝を形成した成形体を挟みこむ面に有機バインダーを塗布して、溝を形成した成形体と接触するように配置した。そして、９８ＭＰａの成形圧でプレス成形を行ない、３ｍｍ厚の３枚の成形体を密着させた。さらにその上に１ｍｍ厚の成形体を配置し、９８ＭＰａの成形圧でプレス成形を行ない、上記の４枚の成形体を密着させた。しかる後、成形体を大気中で脱脂し、次いで窒素雰囲気中で２０００℃の温度にて２時間かけて焼成した。焼成後の流路４の内面には、セリウム化合物５として、ＣｅＯ_２（セリア）、ＣｅＯ_３、Ｃｅ_２ＡｌＯ_３およびＣｅ_２ＡｌＯ_３Ｎが存在していた。このようにして、本発明の静電チャックの実施例として、試料１を作製した。

また、比較例として、窒化アルミニウム粉末にセリアを添加せずに成形体を作製し、さらに溝の表面にセリアを添加したペーストをはけ塗りすることなくプレス成形、脱脂および焼成を行なった試料２を作製した。

そして、これらの試料の流路に２５℃の水を流して、吸着面の温度のばらつきを確認した。その結果、試料１の静電チャックにおいては、吸着面の温度のばらつきが１０分以内に０．００１℃以下になった。これに対して、試料２の静電チャックにおいては、吸着面の温度ばらつきが１時間たっても０．００１℃以下にはならなかった。これらの結果、本発明の静電チャックにおいては、静電チャックと冷却媒体との間の熱伝達が良好に行なわれることが確認できた。そして、本発明の静電チャックによれば吸着面の温度ばらつきを低減できることが確認できた。

１：セラミック基体
２：吸着用電極
３：吸着面
４：流路
５：セリウム化合物
６：屈曲部分
１０：静電チャック

Claims

上面が被吸着物の吸着面となるセラミック基体と、該セラミック基体に設けられた吸着用電極と、前記セラミック基体の内部に設けられた流路とを含み、該流路の内面にセリウム化合物が存在していて、該セリウム化合物は膜状に形成されている静電チャック。
前記流路の内面のうち少なくとも前記上面側に前記セリウム化合物が存在している請求項１に記載の静電チャック。
前記セリウム化合物は、前記セラミック基体の内部にも存在している請求項１または２に記載の静電チャック。
前記セリウム化合物は、前記セラミック基体の内部よりも前記流路の内面の方が多く存在している請求項３に記載の静電チャック。
前記流路の内面には凹凸があって、少なくとも凸部の表面に前記セリウム化合物が存在している請求項１乃至請求項４のうちのいずれかに記載の静電チャック。
前記流路の内面の全面に前記セリウム化合物が存在している請求項１乃至請求項５のうちのいずれかに記載の静電チャック。
前記セリウム化合物はセリウム酸化物である請求項１乃至請求項６のうちのいずれかに記載の静電チャック。