JP6159982B2 - 静電チャックの製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、アルミナで形成され、半導体製造工程で被吸着体を保持する静電チャックの製造方法に関する。

半導体製造工程中に静電チャックにシリコンウエハを吸着させるとウエハ裏面にパーティクルが付着する。このパーティクルは静電チャック由来であることが多く、これを低減するため静電チャックの表面粗さ、ウエハとの接触面積または組織等が検討されてきた。

たとえば、特許文献１には、静電チャックの表面粗さと接触面積を制御することでパーティクルを低減することが開示されている。また、特許文献２には、ジョンセンラーベック型の静電チャックの組織を制御し、パーティクルを低減することが開示されている。特許文献３には、静電チャック表面の腐食によるパーティクルの発生を、表面粗さで制御することが開示されている。

特開２００７−１７３５９６号公報 特許４２４４２２９号公報 特開２００８−１５６１６０号公報

しかしながら、上記の特許文献に記載されるような取組みでもパーティクルの発生を十分に低減しているとはいえない。たとえば、上記の特許文献１記載の静電チャックであっても、発生するパーティクル数は約１０００個に上る。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたものであり、半導体製造工程で被吸着体を吸着するときに発生するパーティクルを低減できる静電チャックの製造方法を提供することを目的とする。

（１）上記の目的を達成するため、本発明の静電チャックの製造方法は、アルミナで形成され、半導体製造工程で被吸着体を保持する静電チャックの製造方法であって、２枚のアルミナ板に電極および接合材を挟んで１４００℃以上で加熱処理を行なう工程と、前記加熱処理後に１００℃／ｈ以下で降温する工程と、を含むことを特徴としている。このように１００℃／ｈ以下で降温するため、粒界に残留する応力を低減でき、半導体製造工程で被吸着体を吸着するときに発生するパーティクルを低減できる。

（２）また、本発明の静電チャックの製造方法は、アルミナで形成され、半導体製造工程で被吸着体を保持する静電チャックの製造方法であって、アルミナ粉体に電極を埋設し１４００℃以上でホットプレス焼成により加熱処理を行なう工程と、前記加熱処理後に１００℃／ｈ以下で降温する工程と、を含むことを特徴としている。このように１００℃／ｈ以下で降温するため、粒界に残留する応力を低減でき、半導体製造工程で被吸着体を吸着するときに発生するパーティクルを低減できる。

（３）また、本発明の静電チャックの製造方法は、前記加熱処理後の降温時において、被加熱体への圧力を０．０１ＭＰａ以下に維持することを特徴としている。これにより、圧力が緩和されることでアルミナの粒界の応力が開放され、パーティクルの発生を低減できる。

本発明によれば、半導体製造工程で発生する静電チャック由来のパーティクルを低減できる。

（ａ）、（ｂ）本発明の製造方法において、接合のための加熱処理の前後の状態を模式的に表わす断面図である。 （ａ）、（ｂ）本発明の製造方法において、ホットプレスによる加圧加熱処理の前後の状態を模式的に表わす断面図である。 （ａ）、（ｂ）それぞれジョンセンラーベック型の静電チャックとクーロン型の静電チャックとの電位勾配を模式的に表わす断面図である。

次に、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。

［静電チャックの構成］
本発明の静電チャックは主にアルミナで形成され、半導体製造工程でシリコンウエハ（被吸着体）を吸着できるよう金属製の電極が設けられている。アルミナは耐食性が高く、このような静電チャック用の素材として好適である。静電チャックを構成するアルミナは、粒界に残留する応力が従来のものより小さいことを特徴としている。

静電チャックは、半導体ウエハの吸着面を有し、吸着面から所定の深さに平面状の電極が形成された基板を備えている。基板は、電極を挟んで２枚のアルミナ板を接合して形成されていることが好ましいが、一体の板に電極が埋設されたものであってもよい。２枚の板の接合により形成された基板は電極面付近には、接合層が形成されている。電極には直流電源が接続されており、この直流電源から電極に給電されることにより、基板の吸着面に載置されているシリコンウエハ等の被吸着体が静電吸着される。なお、電極は単極であっても双極であってもよい。

［静電チャックの製造方法］
このように構成された静電チャックの製造方法は、大きく分けて２タイプある。すなわち焼結体を用いる方法および溶射による方法である。アルミナ溶射により製造された静電チャックは、焼結体を用いたものと比べて緻密性に劣るため、パーティクルが生じやすい。

また、焼結体を用いる方法には、グリーンシートの積層体を準備して焼成する方法やホットプレスにより焼成する方法がある。近年、静電チャックの材料となるアルミナには、耐食性を高めるため高純度かつ高緻密質であることが求められることが多いため、ホットプレス焼成による製法の方が、高緻密質なアルミナを製作しやすいため好ましい。また、予め高緻密化したアルミナ焼結体の間に電極を設置し、接合する方法も好適である。

本発明者等は、上記の各製法を研究する中で、特に純度が９９．５％以上のアルミナで形成された静電チャックにおいて、一定の製作条件を満たすことでパーティクルが低減することを見出した。本発明の製造方法は、上記のように接合によるものおよびホットプレスによるものを対象としており、これらについて以下に説明する。

（１）接合による製造方法
純度９９．５％以上、相対密度９９％、平均粒径６μｍのアルミナ製で所定の寸法に形成された２枚の板を準備し電極および接合材を所定位置に挟んで接合の加熱処理を行なう。接合による場合には、必ずしも加熱処理時の加圧は必要ない。

図１（ａ）、（ｂ）は、接合のための加熱処理の前後の状態を模式的に表わす断面図である。図１（ａ）に示すように、アルミナ板６上に接合材７および電極５を設置し、さらにアルミナ板８を設置して、加熱処理することで、図１（ｂ）に示すような静電チャック１を得ることができる。

電極５を構成する材料としては、ＷやＭｏなどの高融点金属が望ましい。電極は、金属ペーストの印刷による形成、もしくは箔やメッシュ等のバルク体によるもののどちらでも良く、特に金属ペーストを用いた場合は複雑な電極パターンの形成が容易であるばかりでなく、溶融した接合材が金属の焼結に寄与することから印刷法による電極の形成が望ましい。

このような接合材料は、溶融することでアルミナ焼結体の粒界に一部拡散し、アルミナ焼結体と一体化することにより接合層７ａを形成するものが望ましい。例えば、酸化アルミニウムに酸化イットリウムを添加したもの、酸化アルミニウムに酸化マグネシウムや酸化カルシウムを添加したものを用いることができる。

（２）ホットプレスによる製造方法
まず、アルミナ粉体を準備する。たとえばカーボン製治具をセッティングして有底穴を形成しアルミナ粉末を充填する。その際には、粉末に代えて成形体を充填してもよい。粉体内には電極を所定位置に埋設する。電極材料等は接合の場合と同様である。そして、パンチを穴に嵌入させてホットプレスにより加圧しつつ所定の温度に加熱する。また、アルミナ焼結体に電極を印刷しその上からアルミナ粉末を充填して、上記と同様にホットプレスすることにより加圧しつつ所定の温度に加熱してもよい。

図２（ａ）、（ｂ）は、ホットプレスによる加圧加熱処理の前後の状態を模式的に表わす断面図である。図２（ａ）に示すように、アルミナ粉体９に電極５を埋設し、加圧加熱処理することで、図２（ｂ）に示すような静電チャック１を得ることができる。

焼成工程において降温速度は、少なくとも焼成温度から１０００℃までを１００℃／ｈ以下とする。１０００℃より下の温度でも降温速度を１００℃／ｈ以下とすることが好ましい。さらには、降温中は焼結体にかかる拘束を小さくすることが望ましい。

［降温時の制御］
上記のように、ホットプレス焼成による製造方法では、加圧加熱処理の後、降温時に加圧制御を止める。アルミナ板を接合する製造方法では、加熱時に加圧しなくてもよいがホットプレス焼成のように加圧しながら接合してもよい。この場合には降温時に加圧制御を止めるのが好ましい。

加圧制御を止めても、焼結体に治具が載っている場合には、完全に圧力がゼロになるわけではない。このとき、焼結体にかかる圧力が０．０１ＭＰａ以下であれば、アルミナの粒界の応力が開放される。すなわち、１ＭＰａ以上の加圧によって発生する応力は開放できる。１ＭＰａで加圧した場合だけでなく、例えば１０ＭＰａで加圧した場合であっても同じく応力開放の効果がある。

加熱処理時の加圧を１ＭＰａ以上としたホットプレス焼成や加圧接合の場合、粒界に応力が溜まる。特に、１４００℃以上の場合は、アルミナが粒成長をする温度であるにも関わらず、純度が９９．５％以上のような純度の高いアルミナは、不純物による液相の生成も極僅かであるため、粒子の滑りも悪く加圧が高いほど粒界に応力が溜まりやすくなる。

ホットプレス焼成による製造方法では、１ＭＰａ以上をかけた加熱処理が必要になることが多い。接合による製造方法でも、接合時に１ＭＰａ以上の加圧をかけながら接合することが好ましく、そのときに生じる応力を開放することには効果がある。

［パーティクル低減のメカニズム］
シリコンウエハとアルミナ製の静電チャックの表面が接触すると、アルミナ粒子が脱粒し、これがウエハ裏面のパーティクルとなる。アルミナが緻密で、かつその粒径のバラツキが小さければ、粒界に溜まった応力が小さいほど脱粒は少なくなる。ホットプレス焼成のような加圧しながら焼成する方法では、粒界に応力が溜まるため、この応力を溜めないもしくは小さくできれば脱粒が減り、パーティクルの低減につながる。

特に、クーロン型の静電チャックには、この方法によるパーティクルの低減に効果がある。ジョンセンラーベック型の静電チャックでは、シリコンウエハと静電チャック間に発生する電位の勾配が大きいため、接触による脱粒だけでなく電気的な力によっても脱粒が発生する。これに対し、クーロン型の静電チャックでは接触のみが主な脱粒の原因となっている。

ジョンセンラーベック型の静電チャックとクーロン型の静電チャックのそれぞれの電極に同じ電位を与えても、電極とウエハとの間の電位の分布は同じではない。図３（ａ）、（ｂ）は、それぞれジョンセンラーベック型の静電チャック１ａとクーロン型の静電チャック１ｂとの電位勾配を模式的に表わす断面図である。

図３（ａ）に示すように、ジョンセンラーベック型の静電チャック１ａでは、静電チャック１ａの表面に生じる電荷によりシリコンウエハｗを吸着するため、その電荷とシリコンウエハｗ表面に生じる電荷との距離が数μｍ程度となる。

一方、図３（ｂ）に示すように、クーロン型の静電チャック１ｂでは、電極付近の電荷によりシリコンウエハｗを吸着するため、その電荷とシリコンウエハｗ表面に生じる電荷との距離が０．５ｍｍ程度となる。シリコンウエハｗと静電チャック１ｂ表面との電位の勾配は、ジョンセンラーベック型の静電チャック１ｂの方が大きい。なお、シリコンウエハｗと静電チャック１ｂとの距離は表面粗さで決まる。

なお、上記の製造方法は、静電チャックに特に好適であるが、セラミックヒータやサセプタの製造にも適用可能である。

［第１の実施例］
アルミナ９９．５％、相対密度９９％、平均粒径が６μｍである、φ２００×５ｍｍの円板を準備した。このように準備された円板２枚に、スクリーン印刷でＷペーストを印刷し、静電チャックの電極とした。なお、電極は櫛歯状の単極電極とした。この２枚の円板を加圧しながら接合した。図１（ａ）に示すように、円板を設置し、１７００℃×１ｈで加熱処理し、図１（ｂ）に示すように静電チャック１を得た。その際には１ＭＰａで加圧した。降温時の条件を変えてＮｏ．１〜７の静電チャックを作製した。１０００℃までは表１記載の降温速度で制御し、１０００℃より低い温度では自然冷却とした。

加熱処理後は、Ｎｏ．１〜５ではプレス制御を止め、治具の重さによる圧力のみが焼結体にかかる状態で降温した。また、Ｎｏ．６〜８ではプレス制御を維持したまま降温した。降温速度は、後述の表１の通り、それぞれ３０℃／ｈ〜２００℃／ｈの一定速度となるように制御した。得られた接合体は、その表面と電極との距離が０．５ｍｍとなるように片面を研削加工した。そして、その表面にブラスト加工を行ない、φ１ｍｍで高さが３０μｍのピンを形成した。ピンは、６０度千鳥、１０ｍｍピッチで配置した。なお、上記の例では接合材を使用しなかったが、実際は接合材を用いてもよい。

このようにして作製した静電チャックの機能を評価した。まず、大気雰囲気中で電極５に１０００Ｖの電圧を印加し、１分間、ウエハを吸着させた。そして、パーティクルカウンターでウエハ裏面のパーティクル数を測定した。その際には１μｍ以上のパーティクル数で評価した。表１は、実施例の作製条件およびパーティクル数を示す表である。

表１に示すように、降温速度を１００℃／ｈ以下とした静電チャックでは、降温速度を１５０℃／ｈ以上のものに比べてパーティクル数が顕著に少なくなっており、８００以下となった。また、その中でも特に圧力制御を止め、治具の重みのみの圧力で降温したもののパーティクル数は４００以下となり、顕著な効果が得られた。

［第２の実施例］
９９．９９％アルミナ粉末の圧粉体中にＷ箔からなる電極を設置し、ホットプレス焼成した。図１（ａ）に示すように、アルミナ粉体に電極を埋設し、２ＭＰａ、１５００℃×１ｈで加圧加熱処理することで、図１（ｂ）に示すような静電チャック１を得た。

加熱処理後は、Ｎｏ．９〜１３ではプレス制御を止め、治具の重さによる圧力のみが焼結体にかかる状態で降温した。また、Ｎｏ．１４〜１６ではプレス制御を維持したまま降温した。降温速度は、後述の表２の通り、それぞれ３０℃／ｈ〜２００℃／ｈの１０００℃まで一定速度となるように制御した。１０００℃より低い温度では自然冷却とした。得られた焼結体の平均粒径は３μｍであった。焼結体を第１の実施例と同様の寸法に加工し、同様に評価した。表２は、実施例の作製条件およびパーティクル数を示す表である。

表２に示すように、降温速度を１００℃／ｈ以下とした静電チャックでは、降温速度を１５０℃／ｈ以上のものに比べてパーティクル数が顕著に少なくなっている。その中でも特に圧力制御を止め、治具の重みのみの圧力で降温したもの（０．００８ＭＰａ）のパーティクル数は７００以下となり、顕著な効果が得られた。

１、１ａ、１ｂ 静電チャック
５ 電極
６、８ アルミナ板
７ 接合材
７ａ 接合層
９ アルミナ粉体

Claims (2)

1. アルミナで形成され、半導体製造工程で被吸着体を保持する静電チャックの製造方法であって、
   ２枚のアルミナ板に電極および接合材を挟んで１４００℃以上で１〜２ＭＰａに加圧しつつ加熱処理を行なう工程と、
   前記加熱処理後に、少なくとも前記加熱処理の温度から１０００℃までを１００℃／ｈ以下で降温する工程と、を含み、
   前記加熱処理後の降温時において、被加熱体への圧力を０．０１ＭＰａ以下に維持することを特徴とする静電チャックの製造方法。
2. アルミナで形成され、半導体製造工程で被吸着体を保持する静電チャックの製造方法であって、
   アルミナ粉体に電極を埋設し１４００℃以上で１〜２ＭＰａに加圧しつつホットプレス焼成により加熱処理を行なう工程と、
   前記加熱処理後に、少なくとも前記加熱処理の温度から１０００℃までを１００℃／ｈ以下で降温する工程と、を含み、
   前記加熱処理後の降温時において、被加熱体への圧力を０．０１ＭＰａ以下に維持することを特徴とする静電チャックの製造方法。

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