JP6830030B2 - 静電チャック及び基板固定装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電チャック及び基板固定装置に関する。

LSI(Large Scale Integration)等の半導体装置は、シリコンウエハ等の基板に対してプラズマエッチングやCVD(Chemical Vapor Deposition)等の様々なプロセスを行うことにより製造される。

これらのプロセスは、静電チャックで基板を固定しながらチャンバ内で行われる。静電チャックは、静電力により基板を吸着するデバイスであり、簡単な構造で静電力を発生することができるため広く普及している。

特表２０１１−５１９４８６号公報 特表２０１６−５０３９６２号公報 国際公開第２０１４／０８４３３４号 特開２０００−１９１３６９号公報

しかしながら、プラズマエッチングやCVD等のプロセスは基板を加熱しながら行われるため、加熱時に静電チャックの吸着力が低下すると基板が静電チャックから脱落し、半導体装置の歩留まりが低下するおそれがある。

一側面によれば、本発明は、加熱しても吸着力が低下し難い静電チャック及び基板固定装置を提供することを目的とする。

一側面によれば、アルミナ、及びセリウムが添加されたYAG(Yttrium Aluminum Garnet)のみからなり、かつ基板が載せられる絶縁板と、前記絶縁板に埋め込まれ、前記基板を吸着する静電力を発生させる電極とを有し、前記絶縁板の温度が１５０℃のとき、前記絶縁板の体積抵抗率は１×１０ ^１６ Ω・cmよりも大きい静電チャックが提供される。

一側面によれば、アルミナ、及びセリウムが添加されたYAGのみから絶縁板を形成することにより、絶縁板を加熱してもその体積抵抗率が低下するのを抑制することができる。その結果、絶縁板の体積抵抗率を高い値に維持できるため、電極に発生した電荷が絶縁板にリークし難くなり、静電チャックを加熱してもその吸着力が低下し難くなる。

図１は、本実施形態に係る半導体製造装置の断面図である。 図２は、本実施形態に係る基板固定装置の断面図である。 図３は、本実施形態に係る基板固定装置の平面図である。 図４（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る静電チャックの製造途中の断面図である。 図５は、本実施形態に係る絶縁板に含まれる結晶相の調査結果を示す図である。 図６（ａ）〜（ｄ）は、本実施形態に係る絶縁板における各元素の分布の調査結果を示す図である。 図７は、本実施形態に係る絶縁板の体積抵抗率が温度によってどのように変化するのかについての調査結果を示す図である。 図８（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る絶縁板の体積抵抗率が高められた理由について示す図である。 図９は、本実施形態における基板の取り外し易さの調査結果を示す図である。 図１０は、二酸化セリウムのモル濃度によって焼結後の絶縁板の相対密度がどのように変わるのかを調査して得られた図である。 図１１は、Ce-Al-O系の状態図である。 図１２は、第１の変形例に係る基板固定装置の断面図である。 図１３は、第２の変形例に係る基板固定装置の断面図である。

以下に、本実施形態について添付図面を参照しながら詳細に説明する。

図１は、本実施形態に係る半導体製造装置の断面図である。

この半導体製造装置１は、例えばプラズマエッチング装置であって、チャンバ２とその中に収容された基板固定装置３とを備える。

基板固定装置３は、チャンバ２内において基板Sを固定する装置であり、ベースプレート４とその上に固定された静電チャック５とを備える。

このうち、ベースプレート４は、下部電極を兼ねた導電性のプレートであって、不図示のネジによりチャンバ２の底部に固定される。この例では、ベースプレート４としてアルミニウム板を使用すると共に、ベースプレート４に高周波電源９を接続する。

一方、静電チャック５は、静電力により基板Sを吸着し、これによりチャンバ２内で基板Sを固定する。固定対象の基板Sとしては、例えばシリコンウエハ等の半導体基板がある。

また、チャンバ２の上部には、基板固定装置３と対向するように上部電極８が設けられる。上部電極８は、チャンバ２の内部にエッチングガスGを供給するためのシャワーヘッドを兼ねる。

更に、チャンバ２の下部には排出口２ａが設けられており、その排出口２ａからエッチングガスGが排出される。

実使用下においては、上部電極８を接地電位に維持しながら高周波電源９からベースプレート４に高周波電力を印加することによりエッチングガスGがプラズマ化し、それにより基板Sがエッチングされることになる。

図２は、前述の基板固定装置３の断面図である。

図２に示すように、静電チャック５は、基板Sが載置される絶縁板１０を備える。

絶縁板１０は、エッチングガスによって腐食し難いセラミックス製の板であって、その内部には第１及び第２の電極１１、１２とヒータ１３とが埋め込まれる。

このうち、第１の電極１１には第１の直流電源１５の正電圧が印加され、第２の電極１２には第２の直流電源１６の負電圧が印加される。

これにより、第１の電極１１と第２の電極１２の各々に正と負の電荷が発生すると共に、これらの電荷と極性が反対の電荷が基板Sの裏面に誘起され、基板Sを吸着するクーロン力が各電極１１、１２に発生する。このように基板Sを吸着する静電力がクーロン力である静電チャックはクーロン型の静電チャックとも呼ばれる。

なお、基板Sを吸着する静電力を高めるには絶縁板１０の上面１０ａと各電極１１、１２との間隔dをなるべく狭くするのが好ましく、この例では間隔dを数十〜数百μmとする。

また、ヒータ１３は、各電源１５、１６から供給された電流で発熱する抵抗加熱型のヒータであり、プラズマエッチングの際に基板Sを室温〜２００℃程度の温度に加熱する。

図３は、基板固定装置３の平面図である。

図３に示すように、ベースプレート４と静電チャック５の各々は平面視で円形である。これらの直径は特に限定されないが、ベースプレート４の直径は１１３mm〜４７２mm程度であり、静電チャック５の直径は１０１mm〜４６０mm程度である。

また、ベースプレート４と静電チャック５の各々には、基板Sを上昇させるための不図示のリフトピンが通るホール２０が設けられる。

更に、ベースプレート４には、ベースプレート４をチャンバ２の底部に固定するためのネジ孔２１も設けられる。

次に、上記した静電チャック５の製造方法について説明する。

図４（ａ）、（ｂ）は、本実施形態に係る静電チャック５の製造途中の断面図である。

まず、図４（ａ）に示すように、アルミナ（Al₂O₃）、イットリア（Y₂O₃）、及び二酸化セリウム（CeO₂）の各々の粉末のみからなる厚さが０．５mm〜０．６mm程度の複数のシート１０ｂを積層する。

シート１０ｂにおける各成分の濃度は特に限定されない。シート１０ｂにおけるアルミナのモル濃度をX mol%、イットリアのモル濃度を(１００-X) mol%とするとき、本実施形態ではXの範囲を８０〜９０とする。

また、シート１０ｂにおける二酸化セリウムのモル濃度は０．５mol%〜１mol%とする。この場合、シート１０ｂにおけるセリウム単体のモル濃度は０．４mol%〜０．８mol%となる。

なお、複数のシート１０ｂの途中の層には、各電極１１、１２やヒータ１３として予めタングステン等の金属ペーストを印刷しておく。

更に、シート１０ｂの積層数も特に限定されず、例えば５層〜数１０層のシート１０ｂを積層し得る。

次に、図４（ｂ）に示すように、複数のシート１０ｂを１５００℃程度の温度に加熱する。そして、この状態を数時間保持することにより各シート１０ｂを焼結し、各シート１０ｂの積層体を絶縁板１０とする。

焼結後の絶縁板１０には後述のようにアルミナの他にYAG(Yttrium Aluminum Garnet: Y₃Al₅O₁₂)が生成される。そのYAGの絶縁板１０における濃度は３５wt%となり、アルミナの濃度は６５wt%となる。

更に、焼結の前後でセリウム単体の濃度は変わらないため、絶縁板１０におけるセリウムの濃度は、焼結前のシート１０ｂにおけるのと同じ０．４mol%〜０．８mol%となる。

なお、焼結時に各電極１１、１２やヒータ１３に含まれるタングステンが酸化して導電性が失われるのを防止するために、本工程における焼結を酸素が排除された還元性雰囲気で行うのが好ましい。そのような還元性雰囲気としては、例えば、窒素と水素のみからなる雰囲気がある。

以上により、本実施形態に係る静電チャック５の基本構造が完成する。

上記した本実施形態によれば、前述のように絶縁板１０の材料としてアルミナ、イットリア、及び酸化セリウムのみを使用する。本願発明者は、これにより得られた絶縁板１０について様々な調査を行った。その調査について以下に説明する。

・結晶相について
本願発明者は、絶縁板１０にどのような結晶相が含まれるのかをXRD(X-ray diffraction)により調査した。

その調査結果を図５に示す。

図５の横軸はX線の回折角（２θ）を示し、縦軸は回折X線の強度を示す。

この調査では、アルミナ結晶、YAG結晶、及び絶縁板１０の各々における回折X線の強度プロファイルを調べた。なお、図５においては、これらの強度プロファイルを互いに重ならないように上下にずらして描いてある。

図５に示されるように、絶縁板１０の強度プロファイルには、アルミナ結晶のピークAとYAG結晶のピークBの両方が現れている。一方、イットリウム塊のピークやセリウム塊のピークは絶縁板１０の強度プロファイルには現れなかった。

この結果により、絶縁板１０にはイットリウム塊とセリウム塊が含まれておらず、絶縁板１０はアルミナ結晶とYAG結晶のみからなることが明らかとなった。

・元素分布について
本願発明者は、絶縁板１０における各元素の分布をSEM/EDX(Scanning Electron Microscope/Energy Dispersive X-ray Spectroscopy)法により調査した。

その調査結果を図６（ａ）〜（ｄ）に示す。

このうち、図６（ａ）は、絶縁板１０の表面のSEM像である。

図６（ａ）に示すように、絶縁板１０のSEM像には明部１０ｘと暗部１０ｙが現れる。

一方、図６（ｂ）は、図６（ａ）と同一箇所におけるアルミニウムの分布をEDXで観察した像である。

図６（ｂ）において明るく見える領域にアルミニウムが存在する。その領域と図６（ａ）の暗部１０ｙとを比較すると両者の分布は一致する。このことから、図６（ａ）の暗部１０ｙはアルミナ結晶であることが分る。

また、図６（ｃ）は、図６（ａ）と同一箇所におけるイットリウムの分布をEDXで観察した像である。

図６（ｃ）において明るく見える領域にイットリウムが存在する。その領域と図６（ａ）の明部１０ｘとを比較すると両者の分布は一致する。このことから、図６（ａ）の明部１０ｘはYAG結晶であることが分る。

そして、図６（ｄ）は、図６（ａ）と同一箇所におけるセリウムの分布をEDXで観察した像である。

図６（ｄ）の明るい領域にセリウムが存在するが、その領域の分布は図６（ａ）の明部１０ｘの分布に一致する。前述のように明部１０ｘはYAG結晶を示すため、この結果よりYAG結晶にセリウムが添加されていることが明らかとなった。

なお、図６（ｄ）の暗い領域にはセリウムが存在しない。その領域の分布は図６（ａ）の暗部１０ｙの分布に一致しているため、アルミナ結晶にはセリウムが添加されていないことも分る。

以上の結果より、絶縁板１０は、アルミナ結晶と、セリウムが添加されたYAG結晶のみからなることが明らかとなった。

・体積抵抗率の温度依存性について
本願発明者は絶縁板１０の体積抵抗率が温度によってどのように変化するのかを調査した。

その調査結果を図７に示す。

図７の横軸は絶縁板１０の温度を示し、縦軸は絶縁板１０の体積抵抗率を示す。

なお、その調査では、本実施形態に係る絶縁板１０の他に、第１の比較例と第２の比較例に係る絶縁板１０の体積抵抗率も調査した。

このうち、第１の比較例に係る絶縁板１０は、アルミナ（Al₂O₃）、酸化マグネシウム（MgO）、酸化カルシウム（CaO）、二酸化ケイ素（SiO₂）、及びイットリア（Y₂O₃）の各々の粉末を混合して焼結したセラミックス板である。

一方、第２の比較例に係る絶縁板１０は、本実施形態と同一のモル濃度でアルミナとイットリアを混合してそれらを焼結したセラミックス板である。但し、本実施形態とは異なり、そのセラミックス板にはセリウムは添加していない。

図７に示すように、第１の比較例においては、温度の上昇と共に体積抵抗率が低下している。

このように体積抵抗率が低下すると絶縁板１０を電荷が流れ易くなるため、各電極１１、１２（図２参照）における電荷が絶縁板１０を介して外部に逃げてしまい、基板Sを吸着する吸着力が低下してしまう。

特に、半導体装置を製造するためのプラズマエッチングやCVD等では基板Sを室温以上の温度に加熱して行われるため、このように加熱時に絶縁板１０の吸着力が低下すると静電チャック５から基板Sが脱離して半導体装置の歩留まりが低下してしまう。

基板Sの脱離を防止するには実用的には１×１０^１６Ω・cm以上の体積抵抗率を絶縁板１０が有するのが望ましいが、第１の比較例では１５０℃よりも低い温度で体積抵抗率が１×１０^１６Ω・cmを下回ってしまっている。

一方、第２の比較例においては第１の比較例よりも体積抵抗率の低下が抑えられている。但し、温度が１５０℃になると体積抵抗率が１×１０^１６Ω・cmに近づいてしまっている。

これに対し、本実施形態においては、温度が上昇した際の体積抵抗率の低下が第１の比較例や第２の比較例よりも抑えられており、温度が１５０℃のときでも絶縁板１０の体積抵抗率が実用に耐え得る１×１０^１６Ω・cmを十分に超えている。

特に、絶縁板１０にセリウムを添加しない第２の比較例よりも本実施形態の方が体積抵抗率が高いことから、温度上昇と共に体積抵抗率が低下するのを抑制するのにセリウムの添加が有効であることが明らかとなった。

また、第１の比較例よりも本実施形態の方が体積抵抗率が高いのは以下の理由による。

図８（ａ）、（ｂ）は、その理由について説明するための模式図である。

このうち、図８（ａ）は、本実施形態に係る絶縁板１０の破断面のSEM像を元にして描いた図である。

図８（ａ）に示すように、本実施形態では破断面にアルミナの結晶粒とYAGの結晶粒が明瞭に現れており、これらの結晶粒の粒界に非晶質材料が存在しない。

一方、図８（ｂ）は、第１の比較例に係る絶縁板１０の破断面のSEM像を元にして描いた図である。

図８（ｂ）に示すように、第１の比較例においては絶縁板１０に二酸化ケイ素を添加したため、破断面における結晶粒が非晶質の二酸化ケイ素で覆われてしまっている。非晶質の二酸化ケイ素は、アルミナ結晶やYAG結晶と比較して体積抵抗率が小さく、高温時に絶縁板１０の体積抵抗率が低下する要因となる。

よって、図７のように第１の比較例よりも本実施形態において体積抵抗率の低下が抑えられたのは、本実施形態に係る絶縁板１０においてはアルミナやYAGの結晶粒の粒界に二酸化ケイ素等の非晶質材料が存在しないためと考えられる。

・基板Sの取り外し易さについて
基板Sに対してプラズマエッチングやCVD等のプロセスを終えた後は、各電極１１、１２（図２参照）への電圧の印加を停止することにより絶縁板１０から基板Sを取り外すことになる。このとき、基板Sに対して速やかに次のプロセスを行うことができるようにするために、絶縁板１０から基板Sを容易に取り外せるのが好ましい。

そこで、本願発明者は、基板Sの取り外し易さを以下のように調査した。

図９は、その調査結果を示す図である。

この調査では、各電極１１、１２への電圧の印加を停止した後に、絶縁板１０の表面と各電極１１、１２との間を流れる電流を計測した。

図９の横軸は時間を示し、縦軸は上記の電流を示す。なお、各電極１１、１２への電圧の印加を停止した時刻は６００secである。

更に、この調査では、本実施形態に係る絶縁板１０の他に、図７で説明した第１の比較例と第２の比較例の各々に係る絶縁板１０を流れる電流についても調査した。

図９に示すように、第１の比較例においては各電極１１、１２への電圧の印加を停止した後に大きな電流が流れており、電流が減衰するまでにある程度の時間を要している。その電流は、絶縁板１０に残留している電荷に起因して流れるため、第１の比較例では各電極１１、１２への電圧の印加を停止した後でも絶縁板に電荷が残っており、基板Sを吸着する静電力が残存していることになる。

同様に、本実施形態に係る絶縁板１０からセリウムを排除した第２の比較例においても電流が減衰するまでに長時間を要してしまっている。

これに対し、本実施形態においては、各電極１１、１２への電圧の印加を停止した後に速やかに電流が減衰している。

この結果から、本実施形態のように絶縁板１０のYAG結晶にセリウムを添加することにより、絶縁板１０から基板Sに作用する静電力が速やかに減衰し、絶縁板１０から基板Sを取り外し易くなることが明らかとなった。

・好適なセリウム濃度
図７に示したように、セリウムは、温度上昇に伴う絶縁板１０の体積抵抗率の低下を抑制するのに有効である。また、図９に示したように、絶縁板１０から基板Sを外し易くするのにもセリウムは有効である。

本願発明者は、これらの効果とは別の観点から、どの程度の濃度のセリウムを絶縁板１０に添加するのが好ましいのかを調査した。その調査結果を図１０に示す。

図１０は、シート１０ｂ（図４（ａ）参照）に添加した二酸化セリウムのモル濃度によって焼結後の絶縁板１０の相対密度がどのように変わるのかを調査して得られた図である。

なお、相対密度は、空孔がない理想的な絶縁板１０と、実際に作成した絶縁板１０の各々の密度の比の百分率として定義される。

更に、この調査では二酸化セリウムの濃度が０mol%、０．５mol%、及び１mol%の各場合のサンプルを複数作成し、これらのサンプルの相対密度を図１０のように箱髭図で表した。

図１０に示されるように、セリウムを添加しない０mol%のサンプルにおいては相対密度の平均値が９５%を下回っているのに対し、０．５mol%のサンプルでは相対密度の平均値が９８%を超える程度にまで高められている。このことから、セリウムには絶縁板１０の相対密度を高める作用もあることが明らかとなった。

実用に耐え得る程度の吸着力を絶縁板１０で発生させるには、絶縁板１０の相対密度は９５%以上であるのが好ましい。図１０によれば、二酸化セリウムの濃度を０．５mol%以上とすることで相対密度が９５%以上に高められる。特に、二酸化セリウムの濃度を１mol%とすると、絶縁板１０の相対密度を１００％近くにまで高めることができる。

なお、二酸化セリウムの濃度が０．５mol%のときは、絶縁板１０に含まれるセリウム単体の濃度は０．４mol%となる。よって、絶縁板１０におけるセリウムの濃度を０．４mol%以上とすることにより、上記のように絶縁板１０の相対密度を実用に耐え得る９５%以上にまで高めることが可能となる。

一方、図１１は、Ce-Al-O系の状態図である。なお、図１１の横軸は、Ce-Al-O系におけるアルミニウムの濃度（mol%）である。

図１１に示すように、アルミニウムの濃度を９０mol%程度にまで低くし、相対的にセリウムの濃度を１０mol%程度にまで高めると、CeAl₁₁O₁₈等のセリウム化合物が生成される。

このようにセリウム化合物の生成にセリウムが消費されるとYAG結晶にセリウムを添加するのが困難となり、セリウムによって奏される抵抗減少の抑制（図７）、静電力の速やかな減衰（図９）、及び高い相対密度（図１０）等の各効果が得られ難くなる。

そのため、図１０の調査のように焼結前のシート１０ｂにおける二酸化セリウムの濃度の上限を１mol%以下とすることにより、上記の各効果が確実に奏されるようにするのが好ましい。なお、二酸化セリウムの濃度が１mol%のときは、絶縁板１０に含まれるセリウム単体の濃度は０．８mol%となる。よって、絶縁板１０におけるセリウムの濃度を０．８mol%以下とすることにより、上記の図７、図９、及び図１０に示した各効果が奏され易くなる。

以上説明した本実施形態によれば、絶縁板１０が、アルミナ、及びセリウムが添加されたYAGのみからなる。これにより、図７に示したように、絶縁板１０を加熱してもその体積抵抗率が低下するのを抑制することができる。その結果、絶縁板１０の体積抵抗率を高い値に維持できるため、各電極１１、１２（図２参照）に発生した電荷が絶縁板１０にリークし難くなり、静電チャック５を加熱してもその吸着力が低下し難くなる。

（変形例）
上記した本実施形態では、図２に示したように、基板Sを加熱するためのヒータ１３を絶縁板１０に埋め込んだ。ヒータ１３を設ける部位はこれに限定されず、以下のようにヒータ１３を設けてよい。

図１２は、第１の変形例に係る基板固定装置３の断面図である。

この例では、ベースプレート４と静電チャック５の間にヒータ１３を設ける。

一方、図１３は、第２の変形例に係る基板固定装置３の断面図である。

この例では、ベースプレート４の内部にヒータ１３を設ける。

図１２と図１３のいずれの場合でもヒータ１３により基板Sを加熱しながらエッチングやCVD等のプロセスを行うことができる。

１…半導体製造装置、２…チャンバ、２ａ…排出口、３…基板固定装置、４…ベースプレート、５…静電チャック、８…上部電極、９…高周波電源、１０…絶縁板、１０ａ…上面、１０ｂ…シート、１０ｘ…明部、１０ｙ…暗部、１１…第１の電極、１２…第２の電極、１３…ヒータ、１５…第１の直流電源、１６…第２の直流電源、２０…ホール、２１…ネジ孔。

Claims (5)

1. アルミナ、及びセリウムが添加されたYAG(Yttrium Aluminum Garnet)のみからなり、かつ基板が載せられる絶縁板と、
   前記絶縁板に埋め込まれ、前記基板を吸着する静電力を発生させる電極と、
   を有し、
   前記絶縁板の温度が１５０℃のとき、前記絶縁板の体積抵抗率は１×１０ ^１６ Ω・cmよりも大きいことを特徴とする静電チャック。
2. 前記絶縁板は、前記アルミナの結晶と前記YAGの結晶のみからなることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
3. 前記セリウムの濃度は、０．４mol%以上０．８mol%以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電チャック。
4. 前記アルミナの濃度は６５ｗｔ％であり、前記ＹＡＧの濃度は３５ｗｔ％であることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項に記載の静電チャック。
5. 導電性のベースプレートと、
   前記ベースプレートの上に固定された請求項１乃至４のいずれか１項に記載の静電チャックとを備える基板固定装置。