JPH06302677A - セラミックス製静電チャック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【目的】 本発明は導電性、半導電性または絶縁性の
対象物を強く静電性に吸着保持し、容易に脱着すること
ができることから、半導体や液晶の製造プロセスなどに
有用とされるセラミックス製静電チャックの提供を目的
とするものである。 【構成】 本発明のセラミックス製静電チャックは、
電極の両側を焼結体および／または溶射セラミックスよ
りなる絶縁製誘電体層で被覆し、この絶縁性誘電体層の
一方の面にプレート部を接合してなるセラミックス製静
電チャックにおいて、プレート部をけい素を含む炭化け
い素で形成し、必要に応じプレート部と絶縁性誘電体層
とをアルミニウムまたはアルミニウム合金層で接合して
なることを特徴とするものである。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は静電チャック、特には導
電性、半導電性または絶縁性の対象物を強く静電的に吸
着保持し、容易に脱着することができることから、半導
体や液晶の製造プロセスなどに有用とされるセラミック
ス製静電チャックに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体や液晶の製造プロセス、半導体装
置のドライエッチング、イオン注入、蒸着などの工程に
ついては近年その自動化、ドライ化が進んでおり、した
がって真空条件下で用いられる製造も増加してきてい
る。また、基板としてのシリコーンウェハーやガラスな
どの大口径化が進み、回路の高集積化、微細化に伴なっ
てパターニング時の位置精度も益々重要視されてきてい
る。そのため、基板の搬送や吸着固定には真空チャック
が使用されているが、このものは真空条件下では圧力差
がないために使用できず、これはまた非真空下で基板を
吸着できたとしても吸着部分が局部的に吸引されるため
に、基板に部分的な歪が生じ、高精度な位置合わせがで
きないという不利があり、したがって最近の半導体、液
晶の製造プロセスには不適なものとされている。

【０００３】この欠点を改善したものとして静電気力を
利用して、基板を搬送したり、これを吸着固定する静電
チャックが注目され、使用されはじめているが、最近の
半導体や液晶の製造プロセスでは微細化に伴って基板で
あるウェハーやガラス板の平坦度が重要となってきてい
ることから、その矯正に静電チャックの吸着力を利用す
る事も検討されてきている。この静電チャックは、通常
静電チャックの機能を果たすチャック機能部とこのチャ
ック機能部を装置に固定するためおよび発生した熱を逃
がす働きをなすプレート部によって構成されている。チ
ャック機能部については一般にセラミックスが採用され
てきており、これまで種々検討されており特許出願も多
いが、プレート部についてはこれまであまり考慮されて
なく、熱伝導の良好なアルミニウム製のプレート部が一
般には採用されている。

【０００４】この静電チャックにおける従来の固定方法
としては、クランプ部分によりチャックをプレート部に
ボルトまたはネジ止め固定するメカニカルな方法が一般
的であったが、セラミックス製のチャック機能部は年々
厚みが薄くなってきて、メカニカルなクランプが困難に
なってきており、また微視的にみればチャック機能部と
プレート部との間には大きな隙間が存在し、このため熱
伝導が非常に悪く、ウェハーの冷却効率が悪いという問
題点が生じていた。また、この固定方法についてはメカ
ニカルな方法の他に、有機接着剤やガラスを用いてチャ
ック機能部とプレート部を接合する構造も一般的である
が、アルミニウムと一般的なセラミックスとの間には大
きな熱膨張率差があり、このような接合方法を使用する
と、平面度が必要なチャック機能部に歪が生じたり、割
れが発生するという問題点があった。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】そのため、この静電チ
ャックについては、チャック機能部とプレート部とをシ
リコーン樹脂で接合するということが提案されており
（特開平4-287344号公報参照）、これによればシリコー
ンゴムの軟質な接合部で熱膨張率差が吸収できるし、歪
や割れの生ずることもないが、このものは熱伝導率が金
属やセラミックスに比べて低く、ウェハーの効率的な冷
却には適さないという問題点がある。また、この静電チ
ャックにはチャック機能部とプレート部を一体にしてセ
ラミックス部材で構成したもの（特開昭 59-124140号公
報参照）、プレート部をＡｌＮやＳｉＣなどの熱伝導率
の高いセラミックスにしたもの（特開昭 62-286247号公
報参照）も提案されているが、セラミックスは一般に焼
結あるいは溶射で製造されるために、これらには数μｍ
から数十μｍのポアーが必ず存在しており、このポアー
が存在すると例えばドライエッチング時にエッチングさ
れたゴミが排積し、このゴミがウェハーに吸着されて悪
影響を及ぼすという問題点もある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明はこのような不
利、問題点を解決したセラミックス製静電チャックに関
するものであり、これは電極の両側を焼結体および／ま
たは溶射セラミックスよりなる絶縁性誘電体層で被覆
し、この絶縁性誘電体層の一方の面にプレート部を接合
することにより構成するセラミックス製静電チャックに
おいて、プレート部をけい素を含む炭化けい素からなる
ものとしてなることを特徴とするものである。

【０００７】すなわち、本発明者らは半導体プロセスに
おいても有利に使用できるセラミックス製静電チャック
を開発すべく種々検討した結果、これについては電極の
両側を焼結体および／または溶射セラミックスよりなる
絶縁性誘電体層で被覆し、この絶縁性誘電体層の一方の
面にプレート部を接合したセラミックス製静電チャック
において、このプレート部を従来一般に使用されている
アルミニウム製のものに代えて、けい素を含む炭化けい
素からなるものとすると、このものが炭化けい素の反応
焼結体のポアー部に溶融けい素を含浸させたものでポア
ー部がなく、熱伝導率も金属けい素とほとんど同じであ
ることから、これは半導体プロセスで汚染をもたらすこ
とがないし、熱膨張率もチャック機能部とほぼ同じなの
で反りや割れが発生することがなく、ポアーがないので
プロセス時にゴミの発生も防げるので、物性のすぐれた
セラミックス製静電チャックを得ることができるという
ことを見出し、これについてはこの材質の表面を炭化け
い素のＣＶＤ膜、スパッタ膜などで被覆すれば純度が非
常に高くなり、汚染もほとんどなくなるということを確
認して本発明を完成させた。以下にこれをさらに詳述す
る。

【０００８】

【作用】本発明はセラミックス製静電チャックに関する
ものであり、これは電流が絶縁性誘電体層で被覆され、
電極に電圧を印加することにより試料が絶縁性誘電体層
に静電吸着するセラミックス製静電チャックにおいて、
プレート部をけい素を含炭化けい素からなることを要旨
とするものであるが、これによれば半導体プロセスにお
いて汚染することなく、熱伝導率も良く、熱膨張率もチ
ャック機能部とほぼ同等であり反りや割れが発生するこ
ともなく、ポアーがないためプロセス時のゴミの発生も
防げるセラミックス製静電チャックを得ることができる
という有利性が与えられる。

【０００９】本発明の静電チャックを構成する電極は
銅、アルミニウム、チタン、モリブデン、タングステン
などの導電性金属で作られたものとすればよいが、この
形成はスクリーン印刷法、溶射法、フォトリソグラフィ
ーあるいはメッキなどで行えばよい。また、この電極の
形式は電極の一方を吸着される基板にとり、もう一方を
静電チャック内に構成する単極型であってもよいが、こ
れは内部に二つの電極を対向させる双極式のものであっ
てもよい。

【００１０】また、本発明の静電チャックにおけるチャ
ック機能部の絶縁性誘電体層はセラミックス製とされる
が、これは焼結体またはプラズマによる溶射により作製
した混合物であればよい。具体的には主成分のセラミッ
クスとして、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化アル
ミニウム、窒化けい素、酸化けい素、酸化ジルコニウ
ム、酸化チタニウム、サイアロン、窒化ほう素、炭化け
い素あるいはこれらの混合物からなるセラミックスであ
ればよい。この絶縁性誘電体層の体積固有抵抗値は、使
用する温度により適正な値があり、例えば保持されるウ
ェハーの温度が20℃以下の時の混合物の体積固有抵抗値
は１×10⁸ 以上１×10¹²Ωcm未満程度であれば静電力が
十分発揮し、デバイスダメージもおこさない。

【００１１】また、この体積固有抵抗値については半導
体ウェハーの温度が20℃のときには１×10¹²Ω・cm以上
程度であればウェハーに流れるリーク電流も小さいの
で、ウェハーに描かれた回路を破壊することもないが、
このような最適な体積固有抵抗値を採用すれば微小なリ
ーク電流が絶縁体とウェハーに流れるので、ジョンセン
・ラーベック効果により静電力が強く発生して良好な吸
着保持状態となり、応答特性の良好なチャック機能部が
得られる。

【００１２】なお、この静電チャックにおける静電力は
一般にｆ＝Ａε（Ｅ／ｔ）² （ここでｆ：静電力、ε：
誘電率、Ｅ：電圧、ｔ：厚さ、Ａ：定数）とも表される
ので、この絶縁体中に高誘電体のセラミックス粉末、例
えばチタン酸バリウム、チタン酸鉛、チタン酸ジルコニ
ウム、ＰＬＺＴなどが混入しても、それは半導体デバイ
スに影響しない程度であればかまわない。

【００１３】つぎに本発明の静電チャックではそのプレ
ート部がけい素を含むけい素からなるものとされるので
あるが、これは具体的にはけい素を含浸させた炭化けい
素の焼結体で、炭化けい素の反応焼結体のポアー部分に
溶融けい素を含浸させたものであるが、このものはポア
ー部分がないのでプロセス中にゴミが発生することがな
く、内部に金属けい素が含浸されており、熱伝導率が金
属けい素とほとんど同様な熱伝導率のすぐれたものとな
るし、熱膨張率もチャック機能部とほぼ同じで、反りや
割れの発生することもないので、これをプレート部とし
た静電チャックは物性のすぐれたものになるという有利
性が与えられる。

【００１４】なお、このプレートは上記したようにけい
素を含んだ炭化けい素からなるものとされるが、このプ
レート部と上記した絶縁性誘電体層との間には、アルミ
ニウムまたはアルミニウム合金層を介在させてもよく、
これによればチャック機能部とプレート部とが熱伝導の
ロスなく、強固に接合させるという有利性が与えられ
る。すなわち、内部に電極を有するセラミックス製のチ
ャック機能部とけい素を含む炭化けい素からなるセラミ
ックス製のプレート部との接合をアルミニウムまたはア
ルミニウム合金で行なうのであるが、このアルミニウム
としては厚さが１mm以下、例えば 500μｍ程度のアルミ
ニウム箔を用いて行えばよく、これは純度の高いアルミ
ニウムを蒸着させてもよいし、アルミニウムペーストを
塗布してもよく、これをアルミニウム合金で行なうとき
には半導体プロセスに悪影響を与えないものとすること
からアルミニウムとけい素との合金のロウ材を板状、箔
状、薄膜、ペーストなどとして使用すればよいが、この
アルミニウム合金はアルミニウム含有量が５％以上のも
のとすればよい。

【００１５】このアルミニウムまたはアルミニウム合金
によるチャック機能部とプレート部との接合は、プレー
ト部の上にこのアルミニウムまたはアルミニウム合金を
のせてからこの上にチャック機能部を載置し、この載置
された積層体を不活性雰囲気下に約 600〜 1,000℃に加
熱すればよく、これによればプレート部中のけい素とア
ルミニウムまたはアルミニウム合金中のアルミニウムと
が反応して融液層が発生するが、これを室温まで冷却す
ればこの融液層が凝固し、これによってチャック機能部
とプレート部とが強固に接合されて、本発明のセラミッ
クス製静電チャックが完成される。

【００１６】

【実施例】つぎに本発明の実施例、比較例をあげる。 実施例 酸化アルミニウム粉末92重量％とシリカ粉末４重量％お
よびマグネシア４重量％からなる混合物 100重量部に、
ブチラール樹脂８重量部、エタノール60重量部およびフ
タル酸ジオクチル12重量部を添加した後、ボールミル中
で48時間混練してスラリーを作製し、このスラリーを真
空脱泡機で処理してその溶剤の一部を飛散させて粘度2
5,000センチポイズのものとし、このスラリーからドク
ターブレードを用いて厚さ 0.5mmのグリーンシートを作
り、このグリーンシートから直径が130mmφの円盤を２
枚切り出し、このグリーンシート円盤１枚にタングステ
ンペーストを用いてスクリーン印刷で双極電極を３mmの
間隔で同心円状に印刷した。

【００１７】ついで、この印刷面にもう一枚のグリーン
シートを重ね合わせ、 110℃に加熱したプレスで 120kg
/cm²の圧力をかけて一体化し、その後、水素30％、窒素
70％の雰囲気ガス中で、 1,590℃の温度で焼結したとこ
ろ、焼結体が得られたので、この焼結体の両面を研磨し
て厚さ 0.7mmのものを作製し、電極にリードピンを２本
接合してチャック機能部を作製した。

【００１８】他方、直径 150mm、厚さ20mmのけい素を含
んだ炭化けい素焼結体からプレート部を作り、このプレ
ート部の上に直径 130mm、厚さ 500μｍの純度99.9％の
アルミニウム箔を載せ、このアルミニウム箔を挟むよう
に上記で得たチャック機能部を載せ、この積層体を炉内
に入れて真空雰囲気で 700℃に熱処理したところ、この
チャック機能部とプレート部が一体化されてセラミック
ス製の静電チャックが得られた。

【００１９】つぎに、このようにして作った静電チャッ
クのリード線間にＤＣ±１ＫＶの電圧を印加して直径６
インチのシリコーンウェハーを吸着させ、ウェハー温度
が０℃になるように冷却しながら静電力テスターでその
静電力を測定したところ、これは40g/cm² の大きさで、
ウェハーの平面度矯正に十分なものであった。また冷却
効果を測定するために、プレート部の下面を０℃に冷却
しながらウェハーを吸着させてウェハーの温度を測定し
たところ、約 0.3秒後にウェハーの温度は全面すべて２
℃となりそのまま一定の値を示していた。

【００２０】なお、この静電チャックについては、これ
に 100℃と−20℃の間の熱サイクルを 100回繰り返した
がチャック機能部およびプレート部とも反りおよび割れ
は発生しなかったし、またドライエッチング装置にこの
セラミックス製静電チャックを取り付け、ドライエッチ
ングを 150回行ったがウェハーにプレート部より発生す
るゴミは全く付着しなかった。

【００２１】比較例１ 比較のために、上記のチャック機能部とプレート部をメ
カニカルにクランプするためチャック機能部の外周をク
ランプ部材でボルト止めしようと試みたところ、 0.7mm
のチャック機能部に亀裂が入り、固定することは出来な
かった。また、これについては上記のチャック機能部と
プレート部とを有機物の中でも熱伝導率の良いといわれ
るアルミナフィラー入りのシリコーンゴムで接着して静
電チャックを作製し、その後、実施例と同様に冷却効果
を測定するため、プレート部の下面を０℃に冷却しなが
らウェハーを吸着させてウェハーの温度を測定したとこ
ろ、約10秒後にウェハーの中心部の温度は６℃となりそ
のまま一定の値を示していたし、中心部と外周部の温度
差が１℃になるまで約30秒の時間を必要とし温度差がな
くなることはなかったので、このような熱伝導率では実
作業時間がほぼ１分以内である半導体プロセスには使用
することができないことが判った。

【００２２】比較例２ 比較のために、上記実施例のプロセスで作製したチャッ
ク機能部とプレート部を低融点ガラスを用いて接着して
静電チャックを作製し、その後、実施例と同様に 100℃
と−20℃の間の熱サイクルを行ったところ、これはチャ
ック機能部とプレート部との熱膨張率差により10回のサ
イクル終了後チャック機能部に割れが発生した。また、
チャック機能部と同一のグリーンシートを厚さ１mmで作
製し、これを実施例のチャック機能部の焼成前の寸法と
同一に切断してこれを25枚プレス積層した。その後、電
極パターンを印刷したチャック機能部のグリーンシート
を再びこの25枚積層グリーンシートの上に重ねプレス積
層、焼結を行って静電チャックを作製し、これをドライ
エッチング装置に取り付け、エッチングを行ったとこ
ろ、エッチング処理時に発生するゴミが明らかに静電チ
ャックのポアー部に堆積し、ウェハー汚染していること
がわかった。

【００２３】

【発明の効果】本発明はセラミックス製静電チャックに
関するものであり、これは前記したように電極の両側を
焼結体および／または溶射セラミックスよりなる絶縁性
誘電体層で被覆し、この絶縁性誘電体層の一方の面にプ
レート部を接合することにより構成するセラミックス製
静電チャックにおいて、プレート部をけい素を含む炭化
けい素よりなるものとし、必要に応じプレート部と絶縁
性誘電体層とをアルミニウムまたはアルミニウム合金層
を介して接合させてなることを特徴とするものである
が、このものはプレート部がけい素を含む炭化けい素で
あるために半導体プロセスに悪影響を及ぼすことがない
し、このけい素を含む炭化けい素がポアー部を殆どもた
ないものであって、ここにゴミがたまることはないし、
これは熱伝導性の高いものであるので、効率的にウェハ
ーの加熱、冷却ができ、プレート部と絶縁性誘電体層と
の接合をアルミニウム、アルミニウム合金で行なえば熱
伝導性もよく、熱膨張率差によるチャック機能部の破壊
もなくなるという有利性が与えられる。

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】電極の両側を焼結体および／または溶射セ
   ラミックスよりなる絶縁性誘電体層で被覆し、この絶縁
   性誘電体層の一方の面にプレート部を接合することによ
   り構成するセラミックス製静電チャックにおいて、プレ
   ート部をけい素を含む炭化けい素からなるものとしてな
   ることを特徴とするセラミックス製静電チャック。
2. 【請求項２】電極の両側を焼結体および／または溶射セ
   ラミックスよりなる絶縁性誘電体層で被覆し、この絶縁
   性誘電体層の一方の面にプレート部を接合することによ
   り構成するセラミックス製静電チャックにおいて、プレ
   ート部をけい素を含む炭化けい素とし、プレート部と絶
   縁性誘電体層との間にアルミニウムまたはアルミニウム
   合金層が介在したものとしてなることを特徴とするセラ
   ミックス製静電チャック。
3. 【請求項３】絶縁性誘電体層の主成分が、酸化アルミニ
   ウム、窒化アルミニウム、窒化けい素、酸化けい素、酸
   化ジルコニウム、酸化チタニウム、サイアロン、窒化ほ
   う素、炭化けい素あるいはこれらの混合物からなるもの
   である請求項１または２に記載のセラミックス製静電チ
   ャック。
4. 【請求項４】プレート部をけい素を含浸した炭化けい素
   の焼結体、またはけい素を含む炭化けい素の表面を炭化
   けい素のＣＶＤ膜、スパッター膜等の薄膜で被覆したも
   のからなるものとしてなる請求項１または２に記載のセ
   ラミックス製静電チャック。
5. 【請求項５】アルミニウム合金がアルミニウムとけい素
   との合金である請求項２に記載したセラミックス製静電
   チャック。
6. 【請求項６】アルミニウム合金のアルミニウム含有量が
   ５％以上である請求項２に記載のセラミックス製静電チ
   ャック。