JPH0779122B2 - ダイヤモンド・コーティングを施した静電チャック - Google Patents

ダイヤモンド・コーティングを施した静電チャック

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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、広くは半導体デバイス
の加工プロセスに関し、より詳しくは、様々なプロセス
環境の中で半導体ウェーハを保持する静電チャックに関
する。
【０００２】
【従来の技術】半導体デバイスの加工プロセスないし製
造の際には、半導体ウェーハを、様々なプロセス環境の
中において、様々な姿勢で保持することが必要になる。
半導体ウェーハは、一般的な例としては、シリコンや、
ガリウムひ素、或いはその他の類似の材料から形成され
ており、その直径は、５７〜３００ミリメートルの範囲
内にあり、その厚さは、０．３〜０．５ミリメートルの
範囲内にある。また、プロセス環境の例としては、フォ
トリソグラフィ法における露光チャンバ、高温で高真空
のエピタキシャル成長チャンバ、それに、反応性の高い
腐蝕性の環境であるエッチング・チャンバ等がある。
【０００３】これらのプロセス環境の中にウェーハを保
持するための、様々な型式の機構が公知となっており、
それらの機構は一般的に「チャック」と呼ばれている。
それらのうちの第１の型式はメカニカル・チャックであ
り、これは、機械的なアーム即ちクランプを使用して、
ウェーハを支持体の上に押し付けて保持するようにした
ものである。斯かる構成のメカニカル・チャックには、
そのアーム即ちクランプの部分の機構がウェーハの一部
を覆い隠すために、その覆われた部分に対しては所望の
プロセスを施すことが妨げられるという短所がある。更
には、斯かる構成のメカニカル・チャックは、ウェーハ
に不都合な曲り、即ち反りを発生させるおそれがある。
【０００４】第２の型式の保持装置は真空チャックであ
る。真空チャックは、支持体の表面を多孔構造にしてお
き、この表面の裏側を負圧状態にすることによって、ウ
ェーハをその表面に吸着保持するようにしたものであ
る。真空チャックの短所は、エピタキシャル成長チャン
バやエッチング・ツールの内部等の、真空環境下におい
ては使用できないことである。
【０００５】第３の型式の保持装置は、静電チャックで
ある。静電チャックは、ウェーハとチャックとの間に静
電場を発生させ、その静電場を利用してウェーハをチャ
ックに吸着保持するようにしたものである。静電チャッ
クは、概して、望ましいチャック型式であると言うこと
ができ、それは、真空環境下においても機能するからで
ある。更には、真空チャックは一様な保持力を発生する
ため、ウェーハの反りを発生させることもない。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、静電チ
ャックに関する現行の技術水準には、大いに改良の余地
がある。より詳しく説明すると、静電チャックに用いら
れている導体／絶縁体構造は、比較的複雑なものとなる
ことを余儀なくされている。その導体／絶縁体構造は、
製造コストが高くつく上に、過酷な温度環境ないし腐蝕
性環境の下では、剥離を生じ易いものとなっている。更
には、現行の静電チャックの保持能力は比較的弱く、適
当な大きさの静電力を発生させるためには、高電圧を使
用せざるを得ないものとなっている。しかしながら、高
電圧を使用した場合には電弧が発生する可能性があり、
電弧が発生すると、ウェーハないしツールを損傷させる
おそれがある。
【０００７】静電チャックが発達してきた過程におい
て、保持力を向上させることを目的として、多種多様な
電極形態が開発されている。最も簡単な電極の形態で
は、単一の電極とウェーハとの間で、電位を異ならせる
ことによって、静電力を発生させるようにしている（単
極形静電チャック）。より複雑な電極形態としては、互
いに近接させて、ウェーハに対して平行に配設した２枚
の平面形状の電極の間に、電圧を印加することによっ
て、静電力を発生させるようにしている（二極形静電チ
ャック）。
【０００８】アベ（Abe ）に対して発行された米国特許
第４３８４９１８号には、数種類の電極形態が示されて
いる。既述の如く、幾つかの電極形態によって改良はな
されているものの、それでも尚、公知の静電チャックが
発生し得る保持力は、比較的弱いものでしかない。
【０００９】静電チャックを構成するために、これまで
に使用された材料には、様々なものがあり、特に電極自
体は、一般的に、銅やアルミニウム等の金属材料の層と
して形成されていた。また、絶縁材として一般的に使用
されていた材料には、ポリイミド等の有機樹脂材料、窒
化シリコン等の無機絶縁材料、及び／または、アルミナ
ないしカーボン等から成るセラミックス、等々があっ
た。
【００１０】オオシオら（Ooshio et al. ）に対して発
行された米国特許第４６４５２１８号には、静電チャッ
クを構成するために一般的に使用されている種々の材料
が例示されている。この米国特許公報に示されているチ
ャックは、有機樹脂材料４、５で絶縁され、アルミニウ
ム製のボディ１の上に支持された、銅製の電極２を備え
ている。また、ウェーハＡの周囲を、セラミック製のカ
バー・プレート８で囲繞するようにしている。既述の如
く、これらの材料は、過酷な環境の下では剥離を生じ易
い。
【００１１】本発明の目的は、新規にして改良した、ウ
ェーハを支持するための静電チャックを提供することに
ある。本発明の更なる目的は、過酷な温度環境ないし腐
蝕性の化学的環境の下においても剥離を生じにくい材料
で構成した、静電チャックを提供することにある。本発
明の更なる目的は、比較的低い電圧を印加して強い保持
力を発生することができる、静電チャックを提供するこ
とにある。本発明の更なる目的は、比較的低コストで、
簡明な製造方法によって製造することができる、静電チ
ャックを提供することにある。
【００１２】
【課題を解決するための手段】本発明によれば、ウェー
ハを支持するための静電チャックであって、導電性ボデ
ィと、前記導電性ボディの少なくとも一部分をコーティ
ングしているダイヤモンド層と、前記ウェーハを前記ダ
イヤモンド層の表面に吸着保持するための静電力を発生
する静電力発生手段と、を備えたことを特徴とする静電
チャックが提供される。本発明の別の局面によれば、ウ
ェーハを支持するための静電チャックを形成する方法で
あって、導電性ボディを設けるステップと、前記導電性
ボディの少なくとも一部分を覆うダイヤモンド層を形成
するステップと、前記ウェーハを前記ダイヤモンド層の
表面に吸着保持するための静電力を発生する静電力発生
ステップと、を含んでいることを特徴とする方法が提供
される。
【００１３】
【実施例】図１について説明すると、同図は、略々円筒
形の静電チャック１０が、半導体ウェーハ１２を支持し
ているところを、断面図で示した図である。チャック１
０の直径Ｄは、例えば３００ミリメートルとし、この大
きさとするのは、略々同一直径のウェーハ１２を支持す
るためのチャックとする場合である。
【００１４】チャック１０は、導体材料製のボディ１４
を含んでおり、この導体材料は、耐火性金属材料とする
ことが好ましく、モリブデン製とすれば更に好ましい。
ボディ１４は、実質的に平坦な上面１１と、円筒面形状
の側面１３とを備えている。ボディ１４の材質は、少な
くとも９９．９５％の純度を有する純粋なモリブデン
に、１００ｐｐｍ以下のボロンを不純物として含有させ
たものであることが好ましい。ボディ１４は、その直径
が、ウェーハ１２の直径と略々等しく、また、その厚さ
が、約１０〜２５ミリメートルである。ボディ１４の底
面には冷却用フィン１６を形成してあり、これによっ
て、空冷ないし液冷（不図示）の効果を高めている。
【００１５】尚、図中においては、本発明を図解して説
明する上で分かり易いように、ボディ１４上の複数の層
（これらの層については後に詳述する）は、ボディに対
するそれら層の縮尺率を、正確な縮尺率とせずに、それ
よりも厚さを拡大して描いてあることに注意されたい。
【００１６】層１８は、耐火性金属製の層であり、電子
部品材料用の品質等級のモリブデン製の層とするのが好
ましい。この層１８は、ボディ１４の上面１１及び側面
１３を覆うようにして、０．１〜３．０マイクロメート
ルの範囲内の厚さで形成するようにする。この層１８
は、モリブデン製のターゲットを使用したスパッタリン
グによって形成することができる。
【００１７】層２０は、ダイヤモンド製の層である。こ
の層２０は、モリブデン層１８の上に、０．５〜４．０
マイクロメートルの範囲内の厚さで形成するようにし、
その好ましい厚さの範囲は、１．０〜２．０マイクロメ
ートルである。この好ましい厚さの範囲内にあれば、適
当なコストで良好な性能が得られる。このダイヤモンド
層２０は、高純度で一様なダイヤモンド・コーティング
を形成するための標準的なダイヤモンド蒸着形成法を用
いて、形成することができる。利用可能な蒸着形成法に
は、例えば、公知のプラズマ式ダイヤモンド蒸着法や、
熱フィラメント式ダイヤモンド蒸着法等がある。
【００１８】層２２は、耐火性金属製の層であり、電子
部品材料用の品質等級のモリブデン製の層とするのが好
ましい。この層２２は、ダイヤモンド層２０の上に、
０．１〜０．２マイクロメートルの範囲内の厚さで形成
するようにする。このモリブデン層２２は、モリブデン
製のターゲットを使用したスパッタリングによって形成
することができる。
【００１９】次に、図２及び図３を参照して説明を続け
る。モリブデン層２２に対してパターン形成処理を施す
ことによって、一対の略々平坦な形状の電気導体、即ち
電極２２Ａ、２２Ｂを、ボディ１４の上面１１を覆って
いるダイヤモンド層２０の上に画成する。また、この方
法とは別の方法として、マスクを介してモリブデンを蒸
着させることによって、それら電極２２Ａ、２２Ｂを形
成することも可能である。尚、図２及び図３は、当業界
において公知となっている多くの電極形態のうちから、
２種類だけを示したものである。電極２２Ａと２２Ｂと
には、夫々、電気接続部４０Ａと４０Ｂとを形成してあ
り、これら電気接続部を介して、それら電極を直流電圧
源４２の両端子に接続することができる。
【００２０】再び、図１を参照して説明を続ける。層４
４は、ダイヤモンド製の層であり、この層４４を、モリ
ブデン層２２の上に、０．５〜４．０マイクロメートル
の範囲内の厚さで形成するようにし、好ましい厚さの範
囲は、１．０〜２．０マイクロメートルである。上述の
ダイヤモンド層２０と同様に、この好ましい厚さ範囲内
にあれば、最適なコスト・パフォーマンス・レシオが得
られる。また、このダイヤモンド層４４も、上で説明し
たダイヤモンド層２０の形成方法と同じ方法で形成する
ことができる。このダイヤモンド層４４は、電極２２Ａ
及び２２Ｂ、並びにそれら電極の間に露出しているダイ
ヤモンド層２０の部分を、一様に覆うように形成する。
【００２１】チャック１０とウェーハ１２との間に電位
差を発生させる手段を備えており、この電位差発生手段
は、電極２２Ａ、２２Ｂの接続部４０Ａと４０Ｂとの間
に接続した直流電圧源４２を含んでいる。更に、ボディ
１４には高周波電源４６を接続してあり、この電源４６
は、プラズマ環境内において必要な際に使用するための
ものである。後に詳細に説明するように、ウェーハ１２
をダイヤモンド層４４の上面に吸着保持する、即ち固定
支持するための静電力を発生させるには、電極２２Ａと
２２Ｂとの間に、直流電圧を印加するようにする。
【００２２】この静電チャック１０を形成する工程を更
に詳細に説明すると、以下のようになる。 １）モリブデン製ボディ１４を、切削加工によって形成
する。このとき、完成寸法にかなり近い寸法にまで切削
する。 ２）切削して形成したモリブデン製ボディ１４に対し
て、予想される最も高い使用温度に５０℃を上乗せした
温度（例えば６５０℃）で、焼きなまし処理を施す。 ３）モリブデン製ボディ１４に切削加工を施す。この場
合の切削加工は、上面１１及び側面１３に対する、ダイ
ヤモンド研磨加工とするのが好ましい。 ４）ボディ１４に対して、モリブデンを被着形成するた
めの予備浄化処理（モリブデン・プリクリーン）を施
す。このモリブデン・プリクリーンは、例えば、ボディ
１４を、高温の水素ガスから成る還元性雰囲気に曝すこ
と等によって行なう。この後、ボディ１４の上面１１と
側面１３とに、モリブデン層１８をスパッタ・デポジシ
ョンによって形成する。 ５）モリブデン層１８を備えたチャック１０に対して、
ダイヤモンドを蒸着形成するための予備浄化処理（ダイ
ヤモンド・プリクリーン）を施す。このダイヤモンド・
プリクリーンは、例えばスパッタ・クリーニング等によ
って行なう。この後、モリブデン層１８の上にダイヤモ
ンド層２０を蒸着形成する。 ６）モリブデン・プリクリーンを施した後に、上で述べ
た方法を用いて、ダイヤモンド層２０の上に電極２２Ａ
及び２２Ｂを形成する。 ７）ダイヤモンドの蒸着形成を部分的に防止するため
に、電極２２Ａと２２Ｂの接続部４０Ａと４０Ｂをマス
クで覆った後に、層１８、２０、及び２２を形成したチ
ャック１０に、第２回目の、ダイヤモンド・プリクリー
ンを施す。 ８）層２２の上にダイヤモンド層４４を形成した後に、
電極の接続部４４Ａと４０Ｂの上からマスクを取り除
く。 ９）直流電圧源４２と高周波電源４６とに、一般的な方
式で、電気的接続を施す。
【００２３】チャック１０を使用する際には、直流電圧
源４２から電極２２Ａ及び２２Ｂに対して、１０〜１０
００ボルトの範囲内の電圧を印加する。これによって、
チャック１０とウェーハ１２との間に静電力が発生し、
この静電力のために、ウェーハ１２が、ボディ１４の上
面１１を覆っているダイヤモンド層４４の表面に、しっ
かりと吸着保持される。この静電力の特性については、
後に更に詳細に説明する。
【００２４】このチャック１０をプラズマ環境の中で使
用する際には、高周波電源４６からボディ１４へ高周波
信号を印加するようにし、このとき、プラズマが第２の
電極として機能する。従ってこの場合には、チャック１
０を、１枚だけの極板２２を備えた単極形チャックとし
て、或いは、ボディ１４をこのチャック１０の唯一の極
板として使用する単極形チャックとして、構成しておい
ても良い。
【００２５】本発明者らは、ダイヤモンドのコーティン
グ（即ち、層２０及び層４４）と、耐火性金属製の要素
（即ち、ボディ１４及び電極２２Ａ、２２Ｂ）とを組み
合わせて使用することによって、予期せぬ相乗効果が得
られることを発見した。
【００２６】先ずダイヤモンドは、過酷な環境の中にお
いて使用する材料として、非常に優れた特性を有するこ
とが知られている。ダイヤモンドは化学的に不活性であ
り、従って、化学的に過酷な、即ち腐蝕性の環境におい
て使用するのに適している。また、硬さにおいて優れて
いるため、機械的な摩耗や損傷に対する耐性を持ってい
る。更に、融点が高い上に熱伝導率が大きいため、高温
環境の中において使用するのにも適しており、ウェーハ
の表面から熱を除去したり、或いは逆にそこへ熱を加え
ることによって精密な温度制御をするのにも適してい
る。また更に、ダイヤモンドは、電気抵抗率が非常に高
く（約１０ オーム・センチメートル）、誘電率が大き
く（約５．４）、降伏電圧が高い（４×１０ ボルト／
センチメートル以上）ことから、非常に優れた絶縁体で
もある。
【００２７】本発明者らが発見したことは、ダイヤモン
ドは、上述の種類の耐火性金属製の要素と組み合わせた
ならば、これまでの静電チャックの発達の過程において
は予期されなかった、非常に優れた性能特性を呈すると
いうことであり、また、このことは、半導体の製造環境
においてこの種のチャックを使用する場合に、特にいえ
ることである。
【００２８】更に詳しく説明すると、この種のチャック
は、ダイヤモンド・コーティングを施すことによって、
この種のチャックが通常使用される環境であるエッチン
グ、コーティング、及びその他の化学的プロセス等の過
酷な環境において、際立った安定性を示すようになる。
一方、種々の耐火性金属材料は融点が高く、従って、そ
れら材料は高温環境に適している。更に、種々の耐火性
金属材料は、また特にモリブデンは、熱膨張係数がダイ
ヤモンドと殆ど同じであるということもあり、このこと
によって、このチャック１０は、従来のチャックにおい
て一般的に使用されていた層形成材料において見られた
剥離を発生することがなく、特に丈夫なものとなってい
る。本発明者らは、このチャック１０が、非常に広い温
度範囲に亙って、即ち、−２００℃近くの超低温から１
０００℃近くの加工プロセス温度までの温度範囲に亙っ
て、有効に使用できるものであることを、既に確認して
いる。
【００２９】このチャック１０に使用しているダイヤモ
ンド並びに耐火性金属材料の耐久性が非常に優れている
上に、ダイヤモンドそれ自体が優れた絶縁特性を備えて
いるため、使用するダイヤモンド層２０及び４４の厚さ
は、上で述べた、極めて薄い厚さの範囲、即ち、０．５
〜４．０マイクロメートルの範囲内の厚さにすることが
可能になっている。そして、使用するダイヤモンドの層
をこのように薄くできることと、ダイヤモンドが大きな
誘電率を備えていることとによって、非常に低い電圧を
使用して、極めて強力な静電保持力を発生させることが
できるということを、本発明者らは既に確認している。
【００３０】例えば、次の式１を使用することによっ
て、以下のことを確認することができる。 式１： Ｆ＝｛（Ｋ2 ×Ｖ2 ）／（ｄ＋Ｋｂ）2 ｝×Ｃ この式において、 Ｆ＝保持力、 Ｋ＝誘電率、 Ｖ＝印加電圧、 ｄ＝誘電体の厚さ、 ｂ＝静電チャックとウェーハの底面との間の距離、 Ｃ＝電極の面積と自由空間の透磁率とに関係した定数、 である。この式から確認することができるのは、一般的
な例として、厚さが２ミル（約５０マイクロメートル）
の有機絶縁材料ないしは無機絶縁材料を用いて静電チャ
ックの上面層を絶縁している従来例の静電チャックと、
本発明のチャック１０とを比較したときに、両者の間
で、Ｖ及びＣの値は互いに同一とし、また、いずれもｂ
＝０であるとした場合に、本発明のチャック１０は、こ
の従来例のチャックの、約１５６５倍の保持力を発生す
るということである。また、この従来例のチャックと同
一の保持力を得るのであれば、印加電圧を約２．５％に
することができる。
【００３１】
【発明の効果】以上、ダイヤモンド・コーティングを施
した耐火性金属材料で構成した、新規にして改良した静
電チャックの機構について説明した。従来例と比較し
て、本発明のチャックは、以下の優れた利点を提供する
ものである。−広い温度範囲に亙る、腐蝕性の化学的環
境の中で、良好に使用することができる。−誘電体（ダ
イヤモンド）の厚さを薄くできるため、強い保持力を発
生することができ、また、良好な伝熱性、機械的摩耗に
対する耐性、並びに、剥離に対する耐性を備えている。
−低い直流電圧でも大きな保持力を発生させることがで
きるため、電弧が発生する可能性を低減することができ
る。
【００３２】本発明は、ウェーハ形の素材を取り扱う、
あらゆる種類の環境において使用可能であり、特に、半
導体デバイス製造環境において、半導体ウェーハを取り
扱うために使用するのに適している。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に従って構成した静電チャックの機構を
示す断面図である。
【図２】図１の静電チャックの電極として採用すること
のできる、電極の一形態を示した平面図である。
【図３】図１の静電チャックの電極として採用すること
のできる、電極の別形態を示した平面図である。
【符号の説明】 １０ 静電チャック １２ ウェーハ １４ ボディ １８ モリブデン層 ２０ ダイヤモンド層 ２２ モリブデン層 ２２Ａ、２２Ｂ 電極 ４４ ダイヤモンド層
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 ジェームズ・アンソニー・セイアマルコ アメリカ合衆国10511、ニューヨーク州 ブキャナン、バノン・アベニュー 102番 地 (56)参考文献 特開 昭57−148356（ＪＰ，Ａ)

Claims (16)

    【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】ウェーハを支持するための静電チャックに
    おいて、 導体材料製ボディと、 前記ボディの一部分を少なくともコーティングしてい
    る、第１ダイヤモンド層と、 前記第１ダイヤモンド層の上に設けた２枚の電極と、 前記２枚の電極を覆うように設けた第２ダイヤモンド層
    と、 を備えたことを特徴とする静電チャック。
  2. 【請求項２】前記２枚の電極が略々平坦な形状であるこ
    とを特徴とする請求項１の静電チャック。
  3. 【請求項３】前記導体材料製ボディが耐火性金属製であ
    ることを特徴とする請求項１の静電チャック。
  4. 【請求項４】前記２枚の電極の各々が耐火性金属製であ
    ることを特徴とする請求項１の静電チャック。
  5. 【請求項５】前記第１ダイヤモンド層と前記第２ダイヤ
    モンド層の各々の厚さを、０．１から５．０マイクロメ
    ートルまでの範囲内の厚さとしてあることを特徴とする
    請求項１の静電チャック。
  6. 【請求項６】前記第１ダイヤモンド層と前記第２ダイヤ
    モンド層の各々の厚さを、１．０から２．０マイクロメ
    ートルまでの範囲内の厚さとしてあることを特徴とする
    請求項５の静電チャック。
  7. 【請求項７】前記ウェーハを前記第２ダイヤモンド層の
    表面に吸着保持するための静電力を発生する静電力発生
    手段を更に含んでいることを特徴とする請求項１の静電
    チャック。
  8. 【請求項８】前記静電力発生手段が、前記２枚の電極の
    間に電圧を印加する手段を含んでいることを特徴とする
    請求項７の静電チャック。
  9. 【請求項９】ウェーハを支持するための静電チャックに
    おいて、 前記ウェーハを支持できる広さを有する平坦表面を備え
    ている、耐火性金属製のボディと、 前記平坦表面を少なくともコーティングしている、第１
    ダイヤモンド層と、 前記第１ダイヤモンド層の上に設けた、略々平坦な形状
    の耐火性金属製の複数枚の電気導体と、 前記複数枚の電気導体の上を少なくともコーティングし
    ている、第２ダイヤモンド層と、 を備えたことを特徴とする静電チャック。
  10. 【請求項１０】前記第２ダイヤモンド層を、前記複数枚
    の電気導体とそれら電気導体の間に露出している前記第
    １ダイヤモンド層の部分とを覆うように形成してあるこ
    とを特徴とする請求項９の静電チャック。
  11. 【請求項１１】前記ウェーハを前記第２ダイヤモンド層
    の表面に吸着保持するための静電力を発生する静電力発
    生手段を更に含んでいることを特徴とする請求項１０の
    静電チャック。
  12. 【請求項１２】前記静電力発生手段が、前記複数枚の電
    気導体の間に直流電圧を印加する手段を含んでいること
    を特徴とする請求項１１の静電チャック。
  13. 【請求項１３】前記第１ダイヤモンド層と前記第２ダイ
    ヤモンド層の各々の厚さを、０．１から５．０マイクロ
    メートルまでの範囲内の厚さとしてあることを特徴とす
    る請求項９の静電チャック。
  14. 【請求項１４】前記第１ダイヤモンド層と前記第２ダイ
    ヤモンド層の各々の厚さを、１．０から２．０マイクロ
    メートルまでの範囲内の厚さとしてあることを特徴とす
    る請求項１３の静電チャック。
  15. 【請求項１５】前記ボディ及び前記複数枚の電気導体の
    各々が、モリブデン製であることを特徴とする請求項９
    の静電チャック。
  16. 【請求項１６】前記ボディに高周波信号を印加するため
    の手段を更に含んでいることを特徴とする請求項９の静
    電チャック。
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