JPH08107140A

JPH08107140A - 静電チャック

Info

Publication number: JPH08107140A
Application number: JP27548294A
Authority: JP
Inventors: Yoshiaki Tatsumi; 良昭辰己; Seiichiro Miyata; 征一郎宮田
Original assignee: MIYATA GIKEN KK; SOUZOU KAGAKU KK
Current assignee: MIYATA GIKEN KK; SOUZOU KAGAKU KK
Priority date: 1994-10-03
Filing date: 1994-10-03
Publication date: 1996-04-23

Abstract

(57)【要約】【目的】低温から高温まで広い温度範囲で使用できる
静電チャックの構造およびにプラズマ放電の静電チャッ
ク周囲への回り込みを防止できる構造に関わる。【構成】静電チャックのセラミック誘電体部が、炭素
材料あるいは炭素の複合材料からなる台座の上にロー付
けされた構造からなることを特徴とする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電チャックに関わ
り、さらに詳しくは、低温から高温まで広い温度範囲で
使用できる静電チャックの構造およびにプラズマ放電の
静電チャック周囲への回り込みを防止できる構造に関わ
るものである。

【０００２】

【従来の技術】静電チャックは半導体基板をプラズマ処
理する際の吸着固定に多く利用されている。構造的には
熱伝導に優れた台座の上に誘電体セラミックの円盤が貼
着され、特別な場合を除き、台座の裏面は通常冷却ある
いは加温されて一定温度に調節されている。この台座に
はアルミニウムあるいは窒化アルミニウム等の材料が用
いられている。通常台座には電極を通す孔が穿孔され、
ここに電極が差し込まれ、差し込まれた電極は誘電体セ
ラミックの円盤の内面に形成したメタライズ面と電気的
に接続される。単極、双極方式を問わず、通常外から差
し込んだ電極端子を通して誘電体セラミックに電圧が印
加されることとなる。電極に直流電圧を印加して処理基
板を静電吸着し、この状態でプラズマ処理用の高周波電
界を印加したとき、この差し込んだ電極が発熱して局部
的に温度が上りセラミックそのものが破壊されることが
ある。また、台座とセラミックは通常有機接着剤で接着
されているが、この接着部で熱伝達が阻害され、処理基
板を均一な温度に保持するのは困難である。また、さら
に使用中接着部が剥離するトラブルもある。また、プラ
ズマＣＶＤ処理では処理基板の温度が相当高温になるた
めに、接着タイプの静電チャックは使用できない問題も
ある。また一方、プラズマ処理に際してプラズマ放電が
静電チャックの側面まで回り込んで表面が損傷を受ける
問題もある。

【０００３】

【発明が解決する課題】本発明は、かかる状況に鑑みて
なされたもので、その目的とするところは、上記した電
極の発熱の問題、熱伝達阻害の問題、接着部の剥離の問
題を解決でき、耐久性に優れ、低温から高温まで使用で
きる静電チャックの新しい構造と、併せてプラズマの回
り込みによる損傷を防止できる静電チャックの新しい構
造を提供せんとするものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記問題は次の手段によ
って解決される。すなわち、１．静電チャックの誘電体セラミック部分が、炭素材料
あるいは炭素の複合材料からなる台座の上にロー付けさ
れた構造からなることを特徴とする静電チャック。２．誘電体セラミック部分が、炭素材料あるいは炭素の
複合材料からなる台座の上に貼着されてなる静電チャッ
クにおいて、該台座の底面に冷熱媒循環用の溝が穿設さ
れ、該溝の内面が不透水処理されてなることを特徴とす
る静電チャック。３．誘電体セラミック部分が、炭素材料あるいは炭素の
複合材料からなる台座の上に貼着されてなる静電チャッ
クにおいて、該台座の底面に冷熱媒循環用の溝が穿設さ
れ、該溝の内面に不透水性金属膜が被覆されてなること
を特徴とする静電チャック。４．誘電体セラミック部分が、炭素材料あるいは炭素の
複合材料からなる台座の上に貼着されてなる静電チャッ
クにおいて、該台座の底面に溝が穿設され、該溝の中に
冷熱媒循環用の樋が嵌入されてなることを特徴とする静
電チャック。５．上記樋の内面の冷熱媒循環方向にフィンが取り付け
られてなる上記４に記載の静電チャック。６．上記台座の表面および誘電体セラミックと台座の接
合部側面の露出面の導電体部分にセラミック質の絶縁被
膜を被覆してなる上記１〜５に記載の静電チャック。

【０００５】

【作用】本発明は台座材料として炭素材料あるいは炭素
の複合材料（以後炭素系材料と総称する）を使用するも
のであり、誘電体セラミック板はこの台座にロー付けあ
るいは導電性接着剤で接合されている。

【０００６】接合の際、接合する誘電体セラミックと台
座の炭素系材料との熱膨張差が問題になるが、炭素材料
特に黒鉛は熱伝導性に優れている上に応力吸収性に優
れ、また、熱膨張係数も３〜７×１０^６程度の範囲で変
化させることもできるので、接合するセラミック材料に
熱膨張係数を整合させることができる。また、使用でき
る耐熱限界はプラズマ処理雰囲気では１０００℃以上で
も使用できる。本発明で台座材料に炭素系材料、特に黒
鉛を使用する第一の理由は、上記した黒鉛の性質を利用
して割れのない接合をうるためである。また、黒鉛材料
は熱伝導度はアルミニウムよりは劣るにも関わらずアル
ミニウムに匹敵する温度伝導率を有し、台座内部の温度
分布はアルミニウムとほぼ変わらない均一な温度分布と
なる。誘電体セラミックの部分の温度分布は接着タイ
プ、ロー付けタイプを問わずアルミニウムの台座を使用
する場合よりはむしろより均一になる。また、従来の誘
電体セラミックをアルミニウムの台座に接着した構造の
ものに比べると、本発明の誘電体セラミックを台座の炭
素系材料にロー付けしたタイプのものはセラミック部分
はより強く、より均一に冷却できる。台座材料に炭素系
材料、特に黒鉛を使用する第二の理由は、以上のように
強くて均一な温度分布の冷却を得るためである。なお、
誘電体セラミックをアルミニウムの台座に直接ロー付け
するのは熱膨張係数の関係で非常に困難である。また、
現実使用中にアルミニウムの融点以上に昇温する恐れの
あるものでは使用できない。Ｉｎのようなソフトメタル
で接合できても、高温では使用できない。炭素系材料を
用いる第三の理由は高温まで使用できるためである。ま
た、さらにセラミックと台座を直接接合することによる
利点は、従来構造のように台座に電極を差し込む必要が
なく直接台座に電圧を印加できる点である。これによっ
て電極棒の過熱、セラミックの破壊の問題が解決でき
る。また、従来構造の様にセラミックの裏面に複雑なパ
ターンのメタライズをする必要もなくなり、台座の炭素
系材料そのものが、あるいは中間のロー材、導電性接着
剤がこの代わりをすることとなる。

【０００７】誘電体セラミックとしては窒化ケイ素、炭
化ケイ素、窒化アルミからアルミナの範囲であれば中間
層を用いずに黒鉛と直接接合できるが、必要に応じて応
力吸収のための軟質金属の中間層、あるいは膨脹係数緩
和のための中間層を挟んでも良い。また、膨脹係数を完
全に一致させるために炭素に金属、セラミックを混ぜて
複合材料として使用しても良い。

【０００８】誘電体セラミックと台座材料のろう付けで
は、あらかじめ接合部をメタライズした後、ろう付けし
ても良いし、あるいはセラミック融着性のろう材で直接
ろう付けしても良い。誘電体セラミックと台座材料の接
着では、炭素系材料との接着性を良くするために接合面
をメタライズするのは有効な手段である。メタライズに
は、メッキ、スパッタリング、ペースト焼き付け、活性
金属の融着等、通常のメタライズ手法が適用できる。

【０００９】直接ろう付けの際、ろう材成分は使用する
温度の上限で決められる。３００〜６００℃，あるいは
それ以上の高温で使用する場合には、Ｃｕ，Ａｇ，Ｎ
ｉ，ＡＬ，Ｓｉ等の金属あるいは合金に微量から数％の
活性金属の入った合金が好ましい。活性金属にはＴｉ，
Ｚｒ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ等のＴｉ族、Ｖ族元素から、Ｃ
ｒ，Ｍｎ、Ｙ，ＡＬ等々、通常この種の目的で使用され
ている成分はすべて使用できる。Ｃｕ，Ａｇ，Ｎｉ，Ａ
Ｌ，Ｓｉ等の元素の他、融点、硬さ、伸び、耐蝕性等の
目的でＩｎ，Ｓｎ，Ｚｎ，Ｐｂ，Ｃｄあるいはその他の
元素を適宜添加できる。３００℃以下の用途には、Ｓ
ｎ，Ｉｎ，Ａｌ等のいわゆる軟質金属あるいはこれらの
合金に上記の活性金属の入ったものが好ましい。

【００１０】台座に使用する炭素材料としては黒鉛質の
ものが好ましく特に等方性カーボン材料が好ましい。台
座は温度調節のために通常冷却、加温あるいはヒーター
で加熱されているが、本発明の炭素質台座にあっては、
冷却、加温の場合、台座の中に溝を形成してこの中に冷
熱媒を通すようにしても良い。この場合、台座の中に冷
熱媒が浸透するのを防ぐために、溝の側面を不透水処
理、あるいは不透水性金属膜で被覆するのも有効であ
る。あるいは溝の中に冷熱媒循環用の樋を嵌め込んで、
ここに冷熱媒を通して冷却、加温するのも有効である。
あるいは溝の中に冷熱媒循環用の金属パイプを埋め込む
のも有効である。この際、樋、パイプは溝の側面と隙間
なく接触するように配慮する必要はあるが、必ずしも冶
金的に接合される必要はない。樋、パイプと溝の側面と
の隙間は金属あるいは熱伝導性に優れたセラミック接着
剤、有機接着剤等を充填するのも有効である。金属にあ
ってはＳｎ，Ｐｂ，ＺｎＩｎのようなソフトメタルを溶
かして注入して隙間を埋めても良い。樋、パイプと溝の
側面が冶金的に接合された場合、伝熱性は最も向上す
る。この場合、溝の伝熱面をあらかじめメタライズして
樋、パイプの伝熱面とロー付けしても良いし、また、炭
素に融着性のロー材で直接ロー付けしても良い。樋、パ
イプの構造は、冷却、加温効率を高めるために、樋、パ
イプの中に冷熱媒の進行方向にフインを取り付けて冷熱
媒との接触面積を広くするのも効果がある。樋、パイプ
の材料は、金属とりわけ熱伝導の良い、銅、アルミ、ニ
ッケル等が良い。

【００１１】不誘水性金属膜は、メッキによる電鋳被
膜、金属板の貼着、あるいは溶融金属を融着させること
によって形成する被膜等によって形成できる。あるいは
溶融金属を溝に充填して、この充填金属部に冷熱媒循環
用の溝を加工し、溝の側面、底面には充填した金属を残
す方法でも形成できる。いずれにせよ、台座の底面の溝
の回りに不透水性金属膜が形成できれば、その形成方法
に何等制約があるものではない。また、被膜と台座は必
ずしも冶金的に接合される必要はない。炭素系材料の不
透水処理とは、所定の部分をＳｉＣ化して緻密化する処
理、樹脂含浸、金属含浸、ガラス含浸して緻密化する処
理等である。

【００１２】また台座の冷却法としては、別の循環冷却
機構と台座底面を張り合わせて冷却するようにしても良
い。あるいは台座の底面を冷却機構と当接させて冷却す
るようにしても良い。加熱の場合、台座の中にヒーター
を埋め込んでもよい。この場合、無機質の材料で隙間を
充填するのが有効である。また、別の加熱機構と台座を
張り合わせても良い。また、台座の底面を加熱機構と当
接させて加熱するようにしても良い。

【００１３】本発明では、台座と、台座とセラミックの
接合面の側面（厚さ部分）は外気にむき出しになってい
るためにこの部分はプラズマ処理中、プラズマ雰囲気に
晒され、プラズマの回り込みによる損傷を受けることが
ある。このために、この露出部分がプラズマで損傷され
る。損傷防止のためには、露出部分にセラミック質の絶
縁被膜を被覆するのが有効である。セラミック質の絶縁
被膜としては窒化アルミ、アルミナ等の電気絶縁性セラ
ミックの粉末を無機質のバインダーで塗布して硬化させ
るのが有効である。また、無機質のバインダーそのも
の、例えば、加熱によりアルミナ、シリカ、窒化ケイ
素、窒化アルミ等を生成するアルミナゾル、アルコキシ
ド類、無機金属ポリマー等を含浸、加熱してセラミック
被膜を形成する方法も有効である。

【００１４】

【実施例】

実施例１誘電体セラミック：ＳｉＣ系の誘電体セラミック（φ１
５０×２ｔ）を使用。誘電体セラミックの裏面にＳｉ−
２０％Ｔｉ粉末を２０ミクロン印刷し、真空中（２×１
０^５Ｔｏｒｒ）、１４５０℃で５分加熱してメタライズ
した。台座：熱膨張係数４．５×１０^６の等方性黒鉛材
料を使用して図１に示す形状に加工した。図１で、１は
誘電体セラミック、２は台座、３は接合層台座の接合面にＳｉ粉末を塗布して真空中（２×１０^５
Ｔｏｒｒ）１４５０℃で５分加熱してメタライズした。＜誘電体セラミックと台座の接合＞誘電体セラミックの
接合面（メタライズ面）に、約２０ミクロン厚みＳｉ粉
末を塗布して台座のメタライズ面と重ね合せ真空中（２
×１０^５トール）、１４５０℃で５分加熱して接合し
た。＜結果＞接合部に割れ、剥離は認められなかった。使用状況台座に直接直流電圧を印加してシリコンウエハーを静電
吸着させることができた。台座の底面にアルミニウム製
の冷却板を当接させて台座を冷却した。プラズマＣＶＤ
処理に延べ１０００時間使用した。処理中誘電体セラミ
ックの表面温度は最高約４００℃に上昇したが、接合部
（ＳｉＣセラミックと台座の接合部）の剥離、割れは認
められなかった。

【００１５】実施例２誘電体セラミック：ＡＬＮセラミック（φ１５０×１
ｔ）を使用。台座：熱膨張係数４．５×１０^６の等方性黒鉛材
料を使用して図２に示す形状に加工した。台座の底面に
冷媒循環用の溝を加工し、溝の表面にＮｉを３００ミク
ロン電鋳した。なお、溝加工の際、流れ方向に、図３に
示す構造のフィンを形成して伝熱面積を広くした。図２
で、１はセラミック誘電体、２は台座、３は接合層（ロ
ー材金属）、４は絶縁セラミック被膜である。図３で５
は溝、６はフィンである。＜誘電体セラミックと台座の接合＞誘電体セラミックと
台座の接合面に、Ａｇ−２８％Ｃｕ−５％Ｔｉ合金の５
０ミクロン厚さの箔を挟み、真空中（２×１０^５トー
ル）、８５０℃で１０分加熱して接合した。接合部に割
れはなかった。＜ＡＬＮセラミックの研磨＞いかなる絶縁体でも厚さが
薄くなると静電吸着能が発生する。本例ではこの目的の
ためにＡＬＮセラミックの表面を１００ミクロンの厚さ
になるまで研磨した。＜絶縁被膜の形成＞セラミックと台座のロー付け部分の
側面、台座表面に、アルミナゾル１．２重量部にＡＬＮ
粉末２重量部混合したペースト約１００ミクロン塗布
し、乾燥後、アルゴン雰囲気６００℃で３時間焼成して
ＡＬＮ−ＡＬ_２Ｏ_３膜を被覆した。＜台座の冷却＞冷却溝にアルミ製の蓋をしてＯリングで
シールした。＜結果＞台座の溝に熱媒を流して台座を１００℃に保持
した。実施例１と同じくプラズマＣＶＤ処理に延べ１０
００時間使用した。処理中誘電体セラミックの表面温度
は最高約４００℃に上昇したが、接合部（ＡＬＮと台座
カーボンの接合部）に剥離、割れは認められなかった。
また、セラミック部分にも割れは認められなかった。ま
た、プラズマの回り込みによる電極側面の損傷、台座表
面の損傷もセラミック絶縁被膜によって防止できた。

【００１６】実施例３誘電体セラミック：サファイヤ（φ１５０×０．２
ｔ）。サファイヤの裏面にスパッタリングでクロムを
０．５ミクロンメタライズした。台座：熱膨脹係数６．５×１０^６の等方性黒鉛材
料を使用して図４に示す形状に加工した。台座の接合面
は実施例１と同じ要領でＳｉをメタライズした。図４
で、１はサファイヤ、２は台座、３は接着剤の層、４は
絶縁セラミック被膜である。＜接合操作＞セラミックのメタライズ面と台座のメタラ
イズ面を導電性接着剤で接着した。＜サファイヤの研磨＞接合後０．２ｍｍ厚さのサファイ
ヤを０．１ｍｍまで研磨した。＜結果＞接合部に割れ、剥離は認められなかった。使用状況台座の底面にアルミニウム製の冷却板を当接させて台座
を冷却した。ドライエッチング処理に延べ１０００時間
使用した。処理中誘電体セラミックの表面温度は最高約
８０℃に上昇したが、接合部の剥離、割れは認められな
かった。またサファイヤにも割れは認められなかった。

【００１７】

【発明の効果】

１．電極端子を使用せず台座に直接吸着用の電圧を印加
できる。２．台座の炭素系材料がセラミックとの接合部の熱応力
を吸収でき、割れが発生しない。３．セラミックの部分を強く冷却できる。４．セラミックの部分の温度分布が均一である。５．経済的に安価に製造できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】図１は実施例の構造を説明した図である。

【図２】図２は別の実施例の構造を説明した図である。

【図３】図３は図２の溝の部分の構造を説明した図であ
る。

【図４】図４は別の実施例の構造を説明した図である。

【符号の説明】

図１〜３で、１…セラミック誘電体２…台座３…接合層４…絶縁セラミック
被膜５…溝６…フィン図４で、１…サファイヤ２…台座３…接着剤の層４…絶縁セラミック
被膜電極

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】静電チャックの誘電体セラミック部分が、
炭素材料あるいは炭素の複合材料からなる台座の上にロ
ー付けされた構造からなることを特徴とする静電チャッ
ク。
【請求項２】誘電体セラミック部分が、炭素材料あるい
は炭素の複合材料からなる台座の上に貼着されてなる静
電チャックにおいて、該台座の底面に冷熱媒循環用の溝
が穿設され、該溝の内面が不透水処理されてなることを
特徴とする静電チャック。
【請求項３】誘電体セラミック部分が、炭素材料あるい
は炭素の複合材料からなる台座の上に貼着されてなる静
電チャックにおいて、該台座の底面に冷熱媒循環用の溝
が穿設され、該溝の内面に不透水性金属膜が被覆されて
なることを特徴とする静電チャック。
【請求項４】誘電体セラミック部分が、炭素材料あるい
は炭素の複合材料からなる台座の上に貼着されてなる静
電チャックにおいて、該台座の底面に溝が穿設され、該
溝の中に冷熱媒循環用の樋が嵌入されてなることを特徴
とする静電チャック。
【請求項５】上記樋の内面の冷熱媒循環方向にのフィン
が取り付けられてなる請求項４に記載の静電チャック。
【請求項６】上記台座の表面および誘電体セラミックと
台座の接合部側面の露出面の導電体部分にセラミック質
の絶縁被膜を被覆してなる請求項１〜５に記載の静電チ
ャック。