JPH0774233A - 静電チャック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【目的】半導体基板に絶縁体を介して静電気力を作用さ
せることにより絶縁体表面に半導体基板を吸着保持する
静電チャックを、基板処理後に吸着力を消滅させて基板
を絶縁体表面から離脱させたとき、重金属汚染物質を含
む絶縁体母材を基板裏面に付着させない静電チャックと
する。 【構成】絶縁体表面を絶縁膜でコーティングしたものと
する。コーティングの厚さは０．３〜５μｍとして、吸
着力を損なうことなく汚染防止効果が得られるようにす
る。また、絶縁膜はＡｌ，Ｓｉ，Ｏ，Ｎ，Ｈ中の元素の
みで構成し、基板に作り込まれデバイスの歩留り低下を
防止する。絶縁膜は静電チャックを用いるＣＶＤ装置を
基板無しで成膜操作して形成し、形成前にクリーニング
操作して均一な絶縁膜を形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】この発明は、半導体集積回路、特
にＬＳＩ等の微細加工によるＤＲＡＭ製造装置に用いら
れ、半導体基板への薄膜形成，食刻処理等、基板表面の
処理のために半導体基板を静電気力でみずからの絶縁体
表面に吸着保持する静電チャックに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来、この種の静電チャックとして、例
えば図２に示す構造のものが知られている。図は静電チ
ャックが半導体基板台として基板処理装置内に取り付け
られた状態で画かれている。また、図３に、この種静電
チャックが半導体基板の保持手段として用いられる基板
処理装置本体の全体構成の一例を示す。

【０００３】静電チャック９は、この例では、例えばＡ
ｌ₂ Ｏ₃ を主成分とするセラミックス円板からなる絶縁
体９１内に１対の箔状もしくは膜状電極９２，９３を同
一平面内に、かつ絶縁体９１の表面（図の下面）側に１
００μｍ単位の厚さの絶縁層が形成されるように埋め込
んで成るもので、電極９２，９３はそれぞれ直流電源１
５の正極と負極とに接続される。被処理基板１０を吸
着，保持するために、図示されない基板搬送手段を用い
て基板１０を絶縁体９１の表面（図の下面）へ当接状態
にもたらし、電極９２，９３の間に直流電源１５から直
流電圧を印加すると、各電極９２，９３と基板１０との
間に電界が生じ、各電極９２，９３と基板１０との間に
静電吸引力が作用し、基板１０は絶縁体９１の表面に吸
着，保持される。図中の符号１６は、静電チャック９が
取り付けられるベースであり、静電チャック９の取付け
面は、研磨された絶縁体９１の上面と密着状態に接触す
る。ベース１６は熱媒が通流可能に形成され、静電チャ
ック９を介して基板１０を所望温度に保持する。

【０００４】このように構成される静電チャック９を、
被処理基板保持手段として用いられる基板処理装置は、
例えば図３に示すように、基板に形成する薄膜の原料ガ
スの反応活性化のためにマイクロ波を用いるマイクロ波
プラズマＣＶＤ装置として形成される。図は、このマイ
クロ波プラズマＣＶＤ装置として、原料ガスのプラズマ
化を効率よく行うためにソレノイド４を備えた，いわゆ
るＥＣＲ（電子サイクロトロン共鳴）プラズマＣＶＤ装
置として形成されたものを示している。

【０００５】成膜時にガス導入管５から第１の真空容器
３内へ導入されたプラズマ生成用ガス，例えばＯ₂ は、
導波管１を介して導入されたマイクロ波と，ソレノイド
４が形成する磁界とによりマイクロ波導入窓２の近傍に
形成されたＥＣＲ領域で効率よくプラズマ化され、ソレ
ノイド４が形成する軸対称の発散磁界に沿って輸送され
て開口６を通過し、ガス導入管８から第２の真空容器７
内へ導入された反応ガス，例えばＳｉＨ₄ を活性化，分
解して活性種を生成し、基板１０の表面にＳｉＯ₂ 膜を
形成する。このとき、基板１０はプラズマ照射を受けて
温度が上昇するので、基板温度を所望値に保持するため
に静電チャック９のベース１６（図２）に冷媒が供給さ
れ、静電チャック９を介してプラズマの熱を奪う。基板
温度は、ＬＳＩを対象とした基板表面の微細配線の断線
防止のため、普通、３００℃以下に保持される。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】この種の静電チャック
を半導体基板台として、かつ基板からベースへの伝熱媒
体として利用するには、静電チャックが真空中で使用さ
れ、基板と静電チャック吸着面との間に介在するガスの
伝熱能力が小さいことから、静電チャックの基板吸着力
が１００ｇ／ｃｍ² 程度以上でないと吸着面の接触熱伝
達率が十分でなく、これ以上でレスポンスの良い基板温
度制御が可能になる。しかし、基板温度３００℃以下で
高吸着力の静電チャックとするには静電チャック製造上
の制約がある。すなわち、静電チャックが高吸着力をも
つためには、静電チャックの絶縁体内に埋め込んだ電極
（以下吸引電極と記す）と絶縁体表面との間の絶縁層内
の真電荷移動速度が適度に大きいことが必要である。真
電荷移動速度の小さい，絶縁性の高い絶縁体を用いる
と、吸引電極間に電圧を印加してから所要吸着力が現れ
るまでに長時間を必要とし、実用面で問題が生じる。し
かし、静電チャックの絶縁体はＡｌ₂ Ｏ₃ のような、フ
ァインセラミックス系のものを母材としており、セラミ
ックス自体が低温において高抵抗である。このため、常
温〜３００℃程度の温度範囲で体積抵抗率を下げる必要
があり、このために、例えばＡｌ₂ Ｏ₃ に酸化クロムと
酸化チタンとを不純物として添加するのが一般的であ
る。

【０００７】このようにして、基板を静電チャックに高
吸着力で吸着させると、吸引電極間への電圧供給を断っ
て基板を吸着面から離脱させたときに絶縁体母材が剥
げ、ごみとして基板の裏面に数万個以上付着する。この
とき、母材であるＡｌ₂ Ｏ₃ に固溶体として含まれる酸
化クロムや、酸化チタンおよび製作時（研削加工時）に
混入するＦｅ，Ｎｉが基板裏面に付着し、基板を重金属
汚染する。後工程で基板を洗浄すれば、洗浄槽や基板表
面を汚染したり、また、裏面が汚染された基板を他の装
置で処理すると装置まで汚染されてしまう。このような
重金属汚染は、基板表面に作り込まれるデバイスの信頼
性および歩留りを低下させるという問題があった。

【０００８】本発明の目的は、基板への重金属汚染が顕
著に少なくなる静電チャックを提供することである。

【０００９】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するた
め、本発明においては、静電チャックを、半導体基板を
吸着保持する絶縁体表面が薄い絶縁膜でコーティングさ
れたものとする。また、絶縁体表面をコーティングして
いる薄い絶縁膜が、Ａｌ，Ｓｉ，Ｏ，Ｎ，Ｈ中の元素の
みを構成成分としたものとすれば好適である。

【００１０】また、絶縁体表面をコーティングする薄い
絶縁膜は、静電チャックがＣＶＤ装置の半導体基板台を
構成する場合には、半導体基板無しでＣＶＤ装置を成膜
操作して形成するようにするとよい。また、半導体基板
無しでＣＶＤ装置を成膜操作して絶縁体表面に形成され
る絶縁膜は、ＣＶＤ装置のクリーニング操作を先行させ
てクリーニングされた絶縁体表面に形成するようにすれ
ば好適である。

【００１１】

【作用】すでに述べたように、真空中、特に１Ｔｏｒｒ
未満の低圧力領域で静電チャックをレスポンスのよい伝
熱媒体として用いることができるためには、吸着力とし
て１００ｇ／ｃｍ² 以上を必要とし、さらにこの高吸着
力を３００℃以下の温度で得るためには、静電チャック
絶縁体母材中に重金属を不純物として添加する必要が生
じる。一方、このような高吸着力で吸着した場合には、
吸引電極間への電圧供給を断って基板を吸着面から離脱
させたときに基板裏面に多数の絶縁体母材（０．３μｍ
以上の粒径のパーティクルで数万個）が付着し、付着し
た絶縁体母材中に酸化クロム，酸化チタン，Ｆｅ，Ｎｉ
等の粒子が含まれる。そこで、上述のように、静電チャ
ックの絶縁体表面を薄い絶縁膜でコーティングすると、
絶縁膜は基板離脱時に剥離しないので、厚みが極度に薄
くないかぎり、基板着脱時の操作で絶縁膜が磨耗して内
部が露出することがなく、内部の絶縁母材が基板裏面に
付着することがなくなる。

【００１２】そこで、この絶縁膜の厚さを０．３〜５μ
ｍとすれば、基板離脱時に基板裏面に付着する絶縁体母
材は実質的に無くなり、かつ吸引電極の絶縁体吸着面側
絶縁層の厚み（３００〜５００μｍ）と比べると厚さは
極めて小さく、吸引電極と基板との間の静電容量の変化
は実質的に生じないので、所要吸着力に到達する時間も
実質的に変化が生じない。従って、温度制御のレスポン
スを左右する接触面の熱伝導率も変化せず、絶縁膜は重
金属汚染防止の機能のみを静電チャックに付与すること
になる。

【００１３】また、絶縁体表面をコーティングしている
薄い絶縁膜が、Ａｌ，Ｓｉ，Ｏ，Ｎ，Ｈ中の元素のみを
構成成分としたもの例えばＡｌ₂ Ｏ₃ ，ＡｌＮ，ＳｉＯ
₂ ，Ｓｉ₃ Ｎ₄ ，ａ−Ｓｉ−Ｈなどとすれば、それらの
膜質は、基板表面に作り込まれるデバイスの特性に影響
を与えないので、これらの絶縁膜は重金属汚染を防止す
るとともにそれ自体デバイスの歩留り低下を生じさせる
ことがない。 そして絶縁体表面をコーティングする薄
い絶縁膜は、静電チャックがＣＶＤ装置の半導体基板台
を構成する場合には、半導体基板無しでＣＶＤ装置を成
膜操作して形成するようにすれば、絶縁膜を簡易に形成
することができる。

【００１４】また、さらに、半導体基板無しでＣＶＤ装
置を成膜操作して絶縁体表面に形成される絶縁膜は、Ｃ
ＶＤ装置のクリーニング操作を先行させてクリーニング
された絶縁体表面に形成するようにすると、磨耗等で表
面状態が変化した絶縁膜が除去されて平坦に仕上げられ
た絶縁体表面に絶縁膜が形成されるので、基板表面に形
成する薄膜の膜厚分布が改善され、かつ安定化する。ま
た、この絶縁膜更新方法により、装置のメンテナンス周
期を延ばすことが可能になる。

【００１５】

【実施例】本発明の実施例の説明に入る前に、実施例に
よって示される本発明の効果をよりよく理解できるよ
う、従来の静電チャックに対して行われている重金属汚
染除去方法の効果をみるための実験例につき説明する。
従来は、重金属汚染除去方法として、静電チャック表面
をＨＦで十分洗浄することにより、重金属汚染を低減さ
せていたが、汚染を皆無とすることはできていなかっ
た。これは、静電チャックの絶縁体を焼結する際、絶縁
体母材であるＡｌ ₂ Ｏ₃ と不純物である酸化チタンとの
結合材として、またＡｌ₂ Ｏ₃ の粒子間を埋めてＡｌ₂
Ｏ₃ 粒子相互を結合させるための結合材としてＳｉＯ₂
粒子を混合するので、ＨＦの洗浄により、表面から１０
μｍ程度まで浸食させると、酸化チタンや製作時に混入
するＦｅ，Ｎｉは洗浄されて汚染量が低減するが、酸化
クロムは固溶体としてＡｌ₂ Ｏ₃ 粒子中に含まれている
ため、次表に示すように基本的に汚染を無くすることが
できないためである。

【００１６】 フッ酸処理時間 Fe Ni Cr Ti 無し 505 55 511 37 単位10¹⁰個/cｍ² １分処理 509 ─ 4534 595 ４分処理 172 17 178 0 また、表面の粒子は２〜５（平均３）μｍであり、１０
μｍまで浸食すると、３粒子層分の結合が弱くなり、熱
伝達が低下し、且つ表面の熱伝達率分布が大きくなり、
実用上問題となっていた。

【００１７】本発明の実施例として、静電チャック絶縁
膜表面のコーティング膜をＳｉＯ₂膜としたときの膜の
基本特性と重金属汚染評価結果とにつき説明する。Ｓｉ
Ｏ₂ 膜は、静電チャックをＥＣＲプラズマＣＶＤ装置の
基板台として用い、基板無しの状態で絶縁体表面に基板
表面への成膜時と同一条件で成膜した。得られた膜の基
本特性と重金属汚染評価結果とは以下の通りである。な
お、重金属汚染の評価は全反射蛍光Ｘ線測定装置を用い
て行った。

【００１８】 基本特性： 屈折率 １．５ エッチング速度 ３００Å／ｍｉｎ（２．５％ＨＦ溶液使用、なお 、熱酸化膜では約１７０Å／ｍｉｎとなった） 膜応力 １．３×１０⁹ ｄｙｎ／ｃｍ² （圧縮） 耐透水性 １００時間以上（相対湿度１００％，１２０℃） 重金属汚染評価結果： コーティング厚さ Fe Ni Cr Ti ０(コーティンク゛ 無し） 505 55 551 37 単位10¹⁰個/cｍ² 0.3 μｍ 10 5 20 3 1 μｍ 0 0 0 0 3 μｍ 0 0 0 0 5 μｍ 0 0 0 0 ５μｍ程度の厚みにコーティングすると所要吸着力の発
現時間が若干遅れるため、実用的な膜厚を２μｍと想定
し、この膜厚で汚染量に関する耐久試験を行った。試験
は静電チャックを基板台として用いるとともに、４００
ｇ／ｃｍ² の吸着力で基板を吸着するようにして行っ
た。基板には両面ミラーウエハを用い、基板表面にＳｉ
Ｏ₂ 膜を連続して成膜して処理枚数１０枚ごとに全反射
蛍光Ｘ線装置を用いて汚染量の変化を評価した。この結
果、全評価点において、Ｆｅ，Ｎｉ，Ｃｒ，Ｔｉは検出
されず、コーティング膜の汚染防止効果が大きいことを
確認した。

【００１９】また、耐久試験は汚染量のほか、基板と静
電チャック誘電体表面間の接触熱伝達率についても行う
こととし、この場合には、コーティング膜厚が薄いと、
磨耗等により、真の熱伝達率変化が得られないことが考
えられるため、コーティング膜厚を１μｍとして試験を
行った。熱伝達率耐久性の評価は、基板表面に形成する
ＳｉＯ₂ 膜の成長速度および成長速度の面内分布の連続
処理枚数による変化により行った。結果を図１に示す。
なお、熱伝達率耐久性試験の場合も重金属汚染評価の場
合と同様、基板表面に形成するＳｉＯ₂ 膜と、静電チャ
ック絶縁体表面をコーティングするＳｉＯ₂ 膜とは同一
成膜条件で形成した。具体的には、図３に示す装置を用
い、ガス導入管５からＯ₂ を９３ＳＣＣＭの流量で導入
し、ガス導入管８からＳｉＨ₄ を７２ＳＣＣＭの流量で
導入するとともに、導波管１を介して導入するマイクロ
波電力を３００Ｗとし、かつ静電チャック９の両電極に
は共通の高周波電源から総電力１７００Ｗを並列に分岐
して供給した。

【００２０】図１にみられるように、初期熱伝達率の耐
久性は、基板上成長速度が６０枚処理でほぼ安定してお
り、高吸着力により、熱伝達率の絶対値には変化のない
ことが確認された。一方、成長速度の面内分布は処理枚
数とともに若干変化がみられ、処理枚数とともにコーテ
ィング膜の表面状態が若干変化したことがうかがわれ
る。しかし、成長速度の面内均一性の変化は、膜をクリ
ーニングして再クリーニングすることにより初期状態に
戻ることを確認した。

【００２１】また、コーティング膜の素材としては、Ｓ
ｉＮ膜や不純物を含まない絶縁物が良いことを確認し
た。特にＳｉＮ膜は耐透水性に優れているためコーティ
ング後の静電チャック保管の際の水分吸着による吸着力
の低下もなく、硬度も大きく優れた素材であった。使用
したＳｉＮ膜の硬度は、２５００ｈｇｆ／ｃｍ² （２５
ｇ荷重のヌープ硬度）である。ＳｉＯ₂ 膜が特に高温で
重金属を時間とともに透過させるのに対し、ＳｉＮ膜に
は経時変化がみられず、すぐれた汚損防止性能を示し
た。また、基板裏面のパーティクル付着個数もＳｉＯ₂
の１／３以下（１〜２万個）と小さかった。

【００２２】なお、ＳｉＯ₂ 膜やＳｉ基板は硬度が１０
００未満と低い。ＳｉＮ膜のような高硬度のコーティン
グ膜は、特にエッチング装置のように高い熱伝達率を必
要としない場合に効果があり、また、静電チャックのメ
ンテナンス周期を延ばすのに効果的である。運用上、コ
ーティング膜の劣化が避けられないＣＶＤ装置では、装
置を成膜操作してのコーティング膜形成に先立ち、クリ
ーニング操作により先行成膜したコーティング膜を落と
して再コーティングすることにより、装置のメンテナン
ス周期を延ばすことが可能である。

【００２３】

【発明の効果】以上に述べたように、本発明において
は、被処理基板を静電気力でみずからの絶縁体表面に吸
着，保持する静電チャックを、絶縁体表面に絶縁膜がコ
ーティングされたものとしたので、高吸着力で吸着され
た基板を、吸引電極間への電圧供給を停止して絶縁体表
面から離脱させても、絶縁体母材の基板裏面への付着は
絶縁膜で阻止され、基板への重金属汚染が防止され、基
板処理後の製品歩留りと、装置の生産性とが向上する。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明により静電チャック絶縁体表面にコーテ
ィングされる絶縁膜の接触熱伝達率耐久性を、絶縁膜コ
ーティングされた静電チャックに吸着された基板に形成
するＳｉＯ₂ 膜成長速度および成長速度の面内分布の基
板処理枚数による変化でみた試験結果を示す図

【図２】静電チャックの構造例を基板処理装置内に取り
付けた状態で示す正面断面図

【図３】静電チャックが基板台として用いられる基板処
理装置の一例としてＥＣＲプラズマＣＶＤ装置本体の全
体構成例を示す縦断面図

【符号の説明】

９ 静電チャック １０ 基板（半導体基板） ９１ 絶縁体

Claims (5)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体基板に絶縁体を介して静電気力を作
   用させることにより絶縁体表面に半導体基板を吸着保持
   する静電チャックにおいて、半導体基板を吸着保持する
   絶縁体表面が薄い絶縁膜でコーティングされていること
   を特徴とする静電チャック。
2. 【請求項２】請求項第１項に記載の静電チャックにおい
   て、絶縁体表面をコーティングしている薄い絶縁膜の厚
   さが０．３〜５μｍであることを特徴とする静電チャッ
   ク。
3. 【請求項３】請求項第１項に記載の静電チャックにおい
   て、絶縁体表面をコーティングしている薄い絶縁膜が、
   Ａｌ，Ｓｉ，Ｏ，Ｎ，Ｈ中の元素のみを構成成分として
   いることを特徴とする静電チャック。
4. 【請求項４】請求項第１項に記載の静電チャックにおい
   て、絶縁体表面をコーティングする薄い絶縁膜は、静電
   チャックがＣＶＤ装置の半導体基板台を構成する場合に
   は、半導体基板無しでＣＶＤ装置を成膜操作して形成さ
   れることを特徴とする静電チャック。
5. 【請求項５】請求項第４項に記載の静電チャックにおい
   て、半導体基板無しでＣＶＤ装置を成膜操作して絶縁体
   表面に形成される絶縁膜は、ＣＶＤ装置のクリーニング
   操作を先行させてクリーニングされた絶縁体表面に形成
   されることを特徴とする静電チャック。