JP7430489B2 - 静電チャック、静電チャック装置 - Google Patents

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Description

本開示は、静電チャック、静電チャック装置に関する。
従来、半導体製造装置の工程チャンバー内には、静電気力を利用してウェハを固定する静電チャックが設けられる。静電チャックにおいて、ウェハを固定する吸着板に、サファイア基板を用いることが提案されている（例えば、特許文献１，２参照）。
特開平６－２９１１７５号公報 特開平９－８２７８８号公報
ところで、サファイア基板は、接着材等の接合剤により絶縁板に接合され、その絶縁板は接着材により支持台に接合される。しかしながら、このような静電チャックは、プラズマ処理する工程に用いることが難しい。これは、サファイア基板を接合する接着材が処理のためのプラズマの影響を受け易く、発塵や放電が生じる虞がある。一方、接合剤を用いない場合、サファイア基板を高温で融着する等の処理を必要とする。この処理によってサファイア基板がダメージを受け、特性が低下する虞がある。また、内部に導電材料を埋設することが困難になり、静電チャックとしての機能を付与できない虞がある。
本開示の目的は、耐プラズマ特性を有し、極低温域から高温域において特性の低下が抑制された静電チャック、静電チャック装置を提供することにある。
本開示の静電チャックは、静電気力によってワーク基板を固定する静電チャックであって、前記ワーク基板が載置される誘電板と、前記誘電板を支持するベース板と、前記誘電板と前記ベース板との間に配設され前記ワーク基板を吸着する静電気力を生じさせるための吸着電極と、を備え、前記誘電板はサファイア基板であり、前記ベース板はアルミナセラミックスであり、前記吸着電極は、－２００℃以上、４００℃以下の範囲において抵抗変化率が２０％以下であり、前記誘電板と前記ベース板とが前記吸着電極を介して一体接合されている。
上記の静電チャックにおいて、前記吸着電極は、アルミナセラミックス、導電材料及び酸化物系共晶点材料からなる複合セラミックスであり、前記誘電板及び前記ベース板は、前記吸着電極と再焼結していることが好ましい。
上記の静電チャックにおいて、前記ベース板は、厚さ方向に貫通する貫通孔と、前記貫通孔に配設されて前記吸着電極に電気的に接続される給電電極とを有し、前記給電電極は、前記吸着電極と同じ材料にて形成されていることが好ましい。
上記の静電チャックにおいて、前記誘電板、前記吸着電極、及び前記ベース板の線熱膨張率は８．０×１０－６／Ｋ以下であることが好ましい。
上記の静電チャックにおいて、前記誘電板の上面の表面粗さは、表面粗さＲａで０．０５μｍ以下であることが好ましい。
上記の静電チャックにおいて、前記誘電板は、上面から突出する凸部を有し、前記凸部の直径は０．３ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下であり、前記凸部の高さは０．０５ｍｍ以下であり、前記凸部の上面端部は前記凸部の側面にかけて湾曲した稜線部であり、前記稜線部の半径は０．０３ｍｍ以下であることが好ましい。
上記の静電チャックにおいて、前記誘電板の上面の表面粗さは、表面粗さＲａで０．３μｍ以下であることが好ましい。
本開示の静電チャック装置は、上記の静電チャックと、前記静電チャックを冷却する冷媒が流れる流路を有する支持台と、前記静電チャックを前記支持台に接合する接合剤と、を有する。
本開示の静電チャック装置は、上記の静電チャックと、前記静電チャックを冷却する冷媒が流れる流路を有する支持台と、を備え、前記静電チャックは、前記支持台と直接接合されている。
本開示によれば、耐プラズマ特性を有し、極低温域から高温域において特性の低下が抑制された静電チャック、静電チャック装置を提供することができる。
一実施形態の静電チャックを示す断面図。 静電チャックの一部拡大断面図。 静電チャックの一部拡大平面図。 比較例の静電チャックの断面図。 一実施形態の静電チャックの製造工程を示す断面図。 一実施形態の静電チャックの製造工程を示す断面図。 一実施形態の静電チャックの製造工程を示す断面図。 一実施形態の静電チャックの製造工程を示す断面図。 一実施形態の静電チャックの製造工程を示す断面図。 一実施形態の静電チャックの製造工程を示す断面図。 一実施形態の静電チャックの製造工程を示す断面図。 一実施形態の静電チャックの製造工程を示す断面図。 一実施形態の静電チャックの製造工程を示す断面図。 一実施形態の静電チャックの製造工程を示す断面図。 変更例の静電チャックを示す断面図。
以下、一実施形態を説明する。
なお、添付図面は、理解を容易にするために構成要素を拡大して示している場合がある。構成要素の寸法比率は実際のものと、または別の図面中のものと異なる場合がある。また、断面図では、理解を容易にするために、一部の構成要素のハッチングを省略している場合がある。
図１に示す静電チャック装置１０は、静電気力を利用してワーク基板Ｗを吸着保持する。ワーク基板Ｗは、例えば半導体ウェハである。この静電チャック装置１０は、ワーク基板Ｗを処理する基板処理装置内に設けられる。基板処理装置は、例えば、プラズマを生成してワーク基板Ｗを処理するものである。
本実施形態の静電チャック装置１０は、静電チャック（ＥＳＣ:electrostatic chuck）２０と、接合剤３０と、支持台４０とを有する。
静電チャック２０は、誘電板２１と、吸着電極２２と、絶縁層２３と、ベース板２４とを含む。
本実施形態において、誘電板２１は、サファイア基板である。サファイア基板は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の単結晶材料であり、粒界がなく、耐プラズマ性にすぐれている。誘電板２１は、例えば平面視で円形状である。平面視は、誘電板２１の上面２１ａと垂直な方向から物を視ることをいう。サファイア基板である誘電板２１の熱膨張率は、４００℃以下の範囲において７．７×１０－６／Ｋ（毎ケルビン）である。サファイア基板の体積抵抗値は、１．０×１０１４Ω・ｃｍ以上である。この誘電板２１の厚さは、０．３ｍｍ以上、０．５ｍｍ以下であることが好ましい。
吸着電極２２は、誘電板２１とベース板２４との間に設けられている。本実施形態において、吸着電極２２は、平面視で概略円形状である。なお、吸着電極２２は、所定のパターンにて形成することができる。また、吸着方式によって複数の吸着電極２２が設けられても良い。
吸着電極２２は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）及び導電材料を含む複合セラミックスである。導電材料としては、アルミナチタンカーバイト材（ＡｌＴｉＣ材）を用いることができる。ＡｌＴｉＣ材は、Ａｌ２Ｏ３に炭化チタン（ＴｉＣ）を分散させ、反応焼結で得るものである。ＡｌＴｉＣ材の熱膨張率は、４００℃以下の範囲において７．４×１０－６／Ｋである。ＡｌＴｉＣ材の体積抵抗値は、１．０×１０－３Ω・ｃｍであり、抵抗変化率は、－２００℃以上４００℃以下の範囲において２０％以下である。酸化物系共晶点材料としては、例えば酸化イットリウム（Ｙ２Ｏ３）、酸化イッテルビウム（Ｙｂ２Ｏ３）等を用いることができる。吸着電極２２は、上記のＡｌ２Ｏ３，ＴｉＣ、又はＡｌＴｉＣ粉末を含む導電ペーストを用いて形成される。
絶縁層２３は、誘電板２１とベース板２４との間であって、吸着電極２２の周囲に設けられている。本実施形態において、絶縁層２３は、平面視で概略円環状である。なお、吸着電極２２が所定のパターンや複数設けられている場合には、絶縁層２３はそれらを分離するように設けられる。絶縁層２３は、少なくとも誘電板２１の周縁に沿って設けられる。絶縁層２３は、Ａｌ２Ｏ３を含む。絶縁層２３は、上記のＡｌ２Ｏ３粉末を含む絶縁ペーストを用いて形成される。
ベース板２４は、例えば、平面視で円形状である。ベース板２４は、ベース板２４を厚さ方向に貫通する貫通孔２４ｘを有している。貫通孔２４ｘには、給電電極２５が配設されている。給電電極２５は、吸着電極２２と電気的に接続されている。ベース板２４の材料としては、アルミナセラミックス（Ａｌ２Ｏ３）を用いることができる。このベース板２４の熱膨張率は、４００℃以下の範囲において７．２×１０－６／Ｋである。ベース板２４を構成するＡｌ２Ｏ３の体積抵抗値は、１．０×１０１４Ω・ｃｍ以上である。給電電極２５の材料としては、例えば、上述の吸着電極２２と同様の材料を用いることができる。
上記のように、静電チャック２０は、サファイア基板からなる誘電板２１と、アルミナセラミックスからなるベース板２４との間に、ＡｌＴｉＣ材を含む吸着電極２２が配設された基板である。つまり、本実施形態の静電チャック２０は、接着材等の接合剤を用いていない。
図２及び図３に示すように、誘電板２１は、上面２１ａに複数の凸部２６を有している。凸部２６は、本実施形態では円柱状である。また、各凸部２６の上面端部は側面２６ｂにかけて湾曲した稜線部２６ａである。
本実施形態において、誘電板２１は、凸部２６を含む高さが０．３ｍｍである。なお、凸部２６を含まない高さ、つまり誘電板２１の下面２１ｂから上面２１ａまでの高さを０．３ｍｍとしてもよい。凸部２６の直径は０．３ｍｍ以上、３ｍｍ以下であることが好ましい。また、凸部２６の高さは、０．０３ｍｍ以上、０．０５ｍｍ以下であることが好ましい。上部周縁の円弧の半径は、０．０１ｍｍ以上、０．０３ｍｍ以下であることが好ましい。誘電板２１の表面粗さは、表面粗さＲａで０．０５μｍ以下であることが好ましい。なお、誘電板２１の上面２１ａの表面粗さは、表面粗さＲａで０．３μｍ以下であることがより好ましい。本実施形態において、凸部２６の大きさは、直径０．５ｍｍ、高さ０．０３ｍｍ、周縁の円弧の半径０．０１ｍｍである。
図１に示すように、静電チャック２０は、接合剤３０を介して支持台４０の上面４０ａに接合されている。接合剤３０は、例えば、ポリイミド樹脂、シリコン樹脂、エポキシ樹脂等の耐熱性を有する接着性樹脂の接着剤、ロウ材、等を用いることができる。
支持台４０は、内部に流路４１を有している。流路４１は、冷媒が流れる流路であり、供給源６０から冷媒が流路４１に供給される。冷媒としては、ヘリウム（Ｈｅ）や窒素（Ｎ２）等のガス、水、専用有機溶剤等を用いることができる。これにより、静電チャック装置１０は、静電チャック２０に吸着したワーク基板Ｗを冷却する。
支持台４０は、取出電極４２を有している。取出電極４２は、静電チャック２０の給電電極２５に接続される。取出電極４２は、電源７０に接続される。電源７０は、ワーク基板Ｗを吸着するために必要な電圧を、取出電極４２及び給電電極２５を介して吸着電極２２に供給する。
図１に示す静電チャック２０は、フォーカスリング５０を有する。フォーカスリング５０は静電チャック２０の縁領域に配置される。フォーカスリング５０はリング形状を有し、静電チャック２０の周縁に沿って配置される。フォーカスリング５０の上面は外側部５１が内側部５２より高くなるように段差を有する。フォーカスリング５０の上面の内側部５２は静電チャック２０の上面と同一高さに位置される。フォーカスリング５０の上面の内側部５２は静電チャック２０の外側に位置されたワーク基板Ｗの縁領域を支持する。フォーカスリング５０の上面の外側部５１はワーク基板Ｗの縁領域を囲むように位置される。フォーカスリング５０はプラズマが形成される領域の中心にワーク基板Ｗが位置するように電気場形成領域を拡張させる。これによって、ワーク基板Ｗの全体領域に掛けてプラズマが均一に形成され、ワーク基板Ｗの各領域が均一に処理される。
次に、上記の静電チャック２０の製造工程を説明する。
なお、説明の便宜上、最終的に静電チャック２０の各構成要素となる部材については、最終的な構成要素の符号を付して説明する。
図５に示すように、サファイア板からなる基板２１を、所望の形状に機械加工する。所望の形状としては、例えば円形板状である。
図６に示すように、Ａｌ２Ｏ３の基板２４を所定の形状に機械加工する。所望の形状としては、例えば貫通孔２４ｘを有する円形板状である。
図７に示すように、基板２４の貫通孔２４ｘに、給電電極２５を形成する。給電電極２５は、例えば、貫通孔２４ｘに対応する円柱状の部材を貫通孔２４ｘに挿入して形成することができる。また、給電電極２５は、貫通孔２４ｘに導電ペーストを充填して形成することができる。
図８に示すように、基板２４の上面に、導電ペースト２２及び絶縁ペースト２３を配置する。導電ペースト２２及び絶縁ペースト２３は、例えばスクリーン印刷法等の塗工法にて塗布することができる。
図９に示すように、導電ペースト２２及び絶縁ペースト２３を配置した基板２４の上に、基板２１を載置する。
図１０に示すように、基板２１，２４と、基板２１，２４に挟まれた導電ペースト２２及び絶縁ペースト２３を、焼成炉にて熱処理を行う。焼成炉としては、加圧焼結装置（ホットプレス）、放電プラズマ焼結炉、等を用いることができる。焼成条件として、プレス圧は例えば１０ＭＰａであり、焼成温度は例えば１７００℃であり、焼成時間は例えば２時間である。
図１１に示すように、平面研削及び研磨加工により基板２１，２４を加工し、所望の厚さの誘電板２１及びベース板２４を形成する。誘電板２１の所望の厚さは、例えば０．３ｍｍである。
図１２に示すように、加工マスク２０１を形成する。加工マスク２０１は、図２及び図３に示す凸部２６となる部分を覆うように形成され、基板２１の上面を露出する開口部２０１ｘを有している。
図１３に示すように、サンドブラスト加工によって、加工マスク２０１の開口部２０１ｘから基板２１を部分的に除去し、凸部２６を形成する。凸部２６の大きさは、例えば、直径が０．５ｍｍ、高さが０．０３ｍｍである。加工マスク２０１の形状によって、任意の大きさの凸部２６を形成することができる。なお、加工マスク２０１の形状によって、四角形や六角形等の任意の形状の凸部２６を形成することができる。また、加工時間を調整することで、任意の高さの凸部２６を形成することができる。その後、加工マスク２０１を除去する。
図１４に示すように、凸部２６に例えばエッジ研磨を施すことによって、凸部２６の上端周縁部を円弧状に形成する。誘電板２１の厚さ方向の断面において、円弧状の稜線部２６ａの半径は、例えば０．０１ｍｍとすることができる。
以上の工程により、誘電板２１、吸着電極２２、絶縁層２３、ベース板２４、及び給電電極２５を有する静電チャック２０が形成される。
次に、静電チャック２０を、図１に示す接合剤３０を介して支持台４０に接合する。これにより、静電チャック２０と支持台４０を有する静電チャック装置１０が形成される。
次に、静電チャック装置１０の評価方法を説明する。
上記のように構成した静電チャック装置１０において、静電チャック２０にワーク基板Ｗを吸着固定する。この状態で、環境温度を所定範囲で変化させる。環境温度の範囲としては、例えば、－２００℃から２００℃までとする。
そして、ワーク基板Ｗに流れる電流値を測定することで、サファイア基板よりなる誘電板２１の抵抗値の変化を確認できる。また、ワーク基板Ｗの表面電位の変化、例えば立ち上がりを測定することで、給電電極２５及び吸着電極２２の抵抗値の変化を確認できる。
（作用）
図４は、比較例の静電チャック装置１００を示す。なお、説明の便宜上、この比較例の静電チャック装置１００の構成部材について、上記した本実施形態の静電チャック装置１００と同様の構成部材には同じ符号を付す。
図４に示す比較例の静電チャック装置１００の静電チャック１１０において、誘電板２１は、接合剤１１１を介してベース板２４に接合されている。誘電板２１は、厚さが薄い（例えば０．３ｍｍ）ため、誘電板２１をベース板２４に接合する接合剤１１１は、この静電チャック装置１００を内包した処理装置、例えばプラズマ処理装置において生成するプラズマの影響を強く受ける。これにより、接合剤１１１が腐食されて、発塵や放電が発生し易くなる。
図１に示す本実施形態の静電チャック装置１０は、ワーク基板Ｗを吸着固定する静電チャック２０と、静電チャック２０を冷却する冷媒が流れる流路を有する支持台４０とを有する。静電チャック２０は、ワーク基板Ｗが載置される誘電板２１と、誘電板２１を支持するベース板２４と、誘電板２１とベース板２４との間に配設され、ワーク基板Ｗを吸着する静電気力を生じさせるための吸着電極２２と、を備える。誘電板２１はサファイア基板であり、ベース板２４はアルミナセラミックスである。吸着電極２２は、－２００℃以上、４００℃以下の範囲において抵抗変化率が２０％以下である。そして、誘電板２１とベース板２４とが吸着電極２２を介して一体接合されている。
すなわち、本実施形態の静電チャック装置１０では、静電チャック２０に接合剤が用いられていないため、発塵や放電の発生が抑制される。なお、本実施形態の静電チャック装置１０では、静電チャック２０と支持台４０との接合に接合剤３０を用いている。しかし、この接合剤３０は、静電チャック２０の上面、つまり誘電板２１から離れているためプラズマの影響を受け難く、発塵は発生し難い。
以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）静電チャック２０は、ワーク基板Ｗが載置される誘電板２１と、誘電板２１を支持するベース板２４と、誘電板２１とベース板２４との間に配設され、ワーク基板Ｗを吸着する静電気力を生じさせるための吸着電極２２と、を備える。誘電板２１はサファイア基板であり、ベース板２４はアルミナセラミックスである。吸着電極２２は、－２００℃以上、４００℃以下の範囲において抵抗変化率が２０％以下である。そして、誘電板２１とベース板２４とが吸着電極２２を介して一体接合されている。サファイア基板は、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）の単結晶材料であり、粒界がなく、耐プラズマ性にすぐれている。そして、静電チャック２０に接合剤が用いられていないため、発塵や放電の発生を抑制できる。
（２）本実施形態の静電チャック２０は、サファイア基板よりなる誘電板２１と、アルミナセラミックス（Ａｌ２Ｏ３）のベース板２４と、誘電板２１とベース板２４との間に介在された吸着電極２２を有している。吸着電極２２は、Ａｌ２Ｏ３及び導電材料を含む複合セラミックスであり、導電材料は、ＡｌＴｉＣ材である。この吸着電極２２は、Ａｌ２Ｏ３、導電材料及び酸化粒系共晶点材料を用いて形成される。このため、吸着電極２２を、サファイア基板に対する影響が少ない１７５０℃以下の低温にて焼結できる。１７５０℃以上の焼結温度では、サファイア結晶に変質が生じ、特性の低下を招く。したがって、本実施形態では、吸着電極２２を低温焼結するため、サファイア基板よりなる誘電板２１の耐食性等の特性の低下を抑制できる。
（３）吸着電極２２の導電材料として用いるＡｌＴｉＣ材は、抵抗値の温度依存性が低い。このため、静電チャック２０として、－２００℃～４００℃の広い温度領域において、抵抗変化率が２０％以下に抑えられる。
（４）静電チャック２０を構成する誘電板２１、吸着電極２２及び絶縁層２３、ベース板２４は、熱膨張率が８．０×１０－６／Ｋである。このため、幅広い温度範囲で使用可能であり、種々の処理装置やワーク基板の搬送に用いることができる。
（５）誘電板２１は、上面２１ａに凸部２６を有している。凸部２６の直径は０．３ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下であり、凸部２６の高さは０．０５ｍｍ以下である。凸部２６の上面端部は側面２６ｂにかけて湾曲した稜線部２６ａであり、稜線部２６ａの半径は０．０３ｍｍ以下である。このような凸部２６により、誘電板２１にワーク基板Ｗを吸着し易くすることができる。また、凸部２６により、誘電板２１からワーク基板Ｗを離脱し易くすることができる。
＜変更例＞
尚、上記各実施形態は、以下の態様で実施してもよい。
・上記実施形態に対し、静電チャック２０を支持台４０に直接接合してもよい。
図１５は、変更例の静電チャック装置１０ａを示す。この静電チャック装置１０ａは、支持台４０と静電チャック２０とを有している。この静電チャック２０は、上記実施形態の接合剤３０を用いずに、支持台４０の上面４０ａに直接接合されている。静電チャック２０と支持台４０とを直接接合する方法としては、常温接合を用いることができる。
・上記形態に対し、導電ペーストとして、酸化チタン（ＴｉＯ２）等の他の導電材料を含むものとしてもよい。
・上記実施形態に対し、静電チャック２０にヒータが埋め込まれても良い。なお、ヒータは、支持台４０に埋め込まれもよい。
・上記実施形態では、半導体ウェハをワーク基板Ｗとしたが、他のワーク基板、例えば液晶表示素子等に用いられる基板としてもよい。
・以上の説明は本発明の技術思想を例示的に説明したものに過ぎず、当業者であれば、本発明の本質から逸脱しない範囲で多様な修正及び変形が可能である。したがって、開示した実施形態は本発明の技術思想を限定するためのものでなく、単に説明するためのものであり、このような実施形態によって本発明の技術思想の範囲は限定されない。本発明の保護範囲は特許請求の範囲によって解釈しなければならず、それと同等な範囲内にある全て技術思想は本発明の権利範囲に含まれる。
１０…静電チャック装置、２０…静電チャック、２１…誘電板、２２…吸着電極、２４…ベース板、２６…凸部、４０…支持台、Ｗ…ワーク基板。

Claims (8)

  1. 静電気力によってワーク基板を固定する静電チャックであって、
    前記ワーク基板が載置される誘電板と、
    前記誘電板を支持するベース板と、
    前記誘電板と前記ベース板との間に配設され前記ワーク基板を吸着する静電気力を生じさせるための吸着電極と、
    を備え、
    前記誘電板はサファイア基板であり、
    前記ベース板はアルミナセラミックスであり、
    前記誘電板と前記ベース板とが前記吸着電極を介して一体接合されており、
    前記吸着電極は、アルミナセラミックス、導電材料及び酸化物系共晶点材料からなる複合セラミックスであり、
    前記誘電板及び前記ベース板は、前記吸着電極と再焼結しており、
    前記吸着電極は、－２００℃以上、４００℃以下の範囲において抵抗変化率が２０％以下であり、
    前記導電材料は、アルミナチタンカーバイト材からなる、
    静電チャック。
  2. 前記ベース板は、厚さ方向に貫通する貫通孔と、前記貫通孔に配設されて前記吸着電極に電気的に接続される給電電極とを有し、
    前記給電電極は、前記吸着電極と同じ材料にて形成されている、
    請求項１に記載の静電チャック。
  3. 前記誘電板、前記吸着電極、及び前記ベース板の線熱膨張率は８．０×１０－６／Ｋ以下である、請求項１または請求項２に記載の静電チャック。
  4. 前記誘電板の上面の表面粗さは、表面粗さＲａで０．０５μｍ以下である、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の静電チャック。
  5. 前記誘電板は、上面から突出する凸部を有し、前記凸部の直径は０．３ｍｍ以上、３．０ｍｍ以下であり、前記凸部の高さは０．０５ｍｍ以下であり、前記凸部の上面端部は前記凸部の側面にかけて湾曲した稜線部であり、前記稜線部の半径は０．０３ｍｍ以下である、請求項１～請求項３のいずれか一項に記載の静電チャック。
  6. 前記誘電板の上面の表面粗さは、表面粗さＲａで０．３μｍ以下である、請求項５に記載の静電チャック。
  7. 請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の静電チャックと、
    前記静電チャックを冷却する冷媒が流れる流路を有する支持台と、
    前記静電チャックを前記支持台に接合する接合剤と、
    を有する静電チャック装置。
  8. 請求項１～請求項６のいずれか一項に記載の静電チャックと、
    前記静電チャックを冷却する冷媒が流れる流路を有する支持台と、
    を備え、
    前記静電チャックは、前記支持台と直接接合されている、
    静電チャック装置。
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