JPH0969555A

JPH0969555A - 静電チャック

Info

Publication number: JPH0969555A
Application number: JP22412895A
Authority: JP
Inventors: Koichi Nagasaki; 浩一長崎; Saburo Nagano; 三郎永野
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1995-08-31
Filing date: 1995-08-31
Publication date: 1997-03-11
Anticipated expiration: 2015-08-31
Also published as: JP3370489B2

Abstract

(57)【要約】【課題】セラミックス製の基体中に、静電吸着用電極、
抵抗発熱体、プラズマ発生用電極の３層の金属層を埋設
すると、焼結時の熱膨張差によって基体に亀裂が生じた
り各電極が剥離または断線する等の問題点があった。【解決手段】厚みＴ₁が３ｍｍ以上のセラミックスから
なる基体１上に、厚みＴ₂が０．５ｍｍ以上の金属製の
電極板２を接合し、さらに該電極板２の表面に厚みＴ₃
が０．０１〜０．５ｍｍの窒化アルミニウム膜３を被着
して吸着面３ａを形成し、静電チャックを構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造装置等にお
けるシリコンウェハの固定、加熱、成膜加工等に用いる
静電チャックに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来より、半導体製造装置において、シ
リコンウェハのステージとして用いられる静電チャック
は、一般真空中で該ウェハの各種微細加工を行う際に要
求される加工面の平坦度や平行度を容易に実現すること
ができるため、好適に使用されている。

【０００３】また、半導体素子の集積度が向上するに伴
い、静電チャックに要求される精度もより高度化してき
たため、セラミックス製静電チャックも使用されるよう
になってきている。

【０００４】このような高精度のセラミックス製静電チ
ャックとしては、アルミナセラミックス中に内部電極と
して導電層を組み込んで一体焼結させるものがこれまで
よく知られている（特開昭６２−２６４６３８号公報等
参照）。

【０００５】ところで、蒸着やドライエッチングを行う
半導体の製造工程においては、ハロゲン系プラズマを利
用することが多いため、静電チャックの材質として耐プ
ラズマ性に優れた窒化アルミニウム質セラミックスを用
いることが、近年提案されている（特開平６−１５１３
３２号公報等参照）。

【０００６】また、このようなプラズマを利用した半導
体製造プロセスにおいては、ウェハを載置するステージ
にさまざまな機能が求められている。例えば、ウェハ温
度を一定に保つための温度制御機能、ウェハをステージ
に密着させるための静電吸着機能、さらにはプラズマ発
生用電極などである。

【０００７】そして、これらの機能の全てを一体化され
た１つのステージでまかなえれば、コンパクトで極めて
効率の高いシステムができあがる。

【０００８】このため、セラミックス製基体の内部に、
抵抗発熱体と静電吸着用電極およびプラズマ発生用電極
の三つの金属層を全て内蔵したオールインワン型の静電
チャックが研究されている。従来、このような静電チャ
ックは、各電極となる金属ペーストを窒化アルミニウム
のグリーンシート上に所定のパターンで印刷し、これを
積層して一体焼成することが一般的に行われている。

【０００９】

【従来技術の課題】ところが、上記窒化アルミニウムか
らなる基体中に異質の金属層を三層も挟み込むと、焼結
時に熱膨張差によって基体に亀裂が生じたり金属層が剥
離または断線する等の問題点があった。

【００１０】特に、抵抗発熱体は帯状パターンであるの
に対して、静電吸着用電極とプラズマ発生用電極は全面
パターンとする必要があるため、これら２つの全面パタ
ーンはセラミックス基体に対して、熱膨張差による影響
がより大きかった。

【００１１】このような問題点を少しでも改善するため
に、電極厚みを３０μｍ以下にまで薄くすることが考え
られるが、このようにするとプラズマ発生用電極に印加
可能な高周波電力が制限されるといった弊害が生じてい
た。

【００１２】すなわち、３０μｍ以下の電極に、２００
Ｗ以上のプラズマを印加すると、電極自身が異常発熱す
ることによって十分なエッチングなどの加工を行うこと
ができないばかりか、ついには電極が焼き切れたり、セ
ラミックス基体が破損するなどの問題が生じていた。

【００１３】

【課題を解決するための手段】そこで本発明は、厚さ３
ｍｍ以上のセラミックスからなる基体上に厚さ０．５ｍ
ｍ以上の金属製の電極板を接合し、さらに該電極板の表
面に厚さ０．０１〜０．５ｍｍの窒化アルミニウム膜を
形成して吸着面とすることにより静電チャックを構成し
たものである。

【００１４】即ち、本発明は、静電吸着用電極及びプラ
ズマ発生電極を厚さ０．５ｍｍ以上の金属製の電極板で
構成し、セラミックス製基体と金属製の電極板は互いの
熱膨張差を緩和できるような緩衝構造によって接合した
ものである。そのため、プラズマ発生用電極は十分な厚
みを持った電極板であることから、高周波に対して発熱
したり焼切れるような恐れもない。

【００１５】また、本発明の静電チャックによれば、基
体へは厚み２０μｍ以下の帯状薄膜パターンが抵抗発熱
体として一層だけ埋設したものであるため、一般的なセ
ラミックスヒータ同様極めて高い信頼性が得られる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下本発明の実施形態を図によっ
て説明する。

【００１７】図１に斜視図を、図２に断面図をそれぞれ
示すように、本発明の静電チャックは、セラミックス製
の基体１の上部に形成した凹部１ａに金属製の電極板２
を配置し、この電極板２の表面に窒化アルミニウム膜３
を被着して吸着面３ａを形成したものである。そして、
上記電極板２が静電吸着用電極となり、この電極板２に
通電すれば窒化アルミニウム膜３上の吸着面３ａに、シ
リコンウェハ等の被吸着物を吸着させることができる。

【００１８】上記基体１の材質としては、１０¹⁰Ω・ｃ
ｍ以上の体積固有抵抗値と２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導
率を有するセラミックスを用いるが、これは電極板２を
直接接合するうえで電気絶縁性を確保する必要があるこ
こと、シリコンウェハを高精度に加工するために均熱性
の良いことが欠かせないためである。そして、このよう
な特性を満たすものとして、窒化アルミニウム又はアル
ミナを主成分とするセラミックスを用いる。ただし、好
ましくは、より熱伝導率が高く均熱性に優れ、かつプラ
ズマに対する安定性の高い窒化アルミニウムを主成分と
するセラミックスを選定すべきである。

【００１９】また、この基体１の厚みＴ₁は、後述する
電極板２を接合するときの応力に耐え得るために３ｍｍ
以上必要であり、かつ電極板２を配置する凹部１ａを形
成できるように、電極板２の厚みＴ₂よりも基体１の厚
みＴ₁を大きくする必要がある。

【００２０】この基体１の内部には抵抗発熱体４を埋設
し、これに通電するための給電端子５を備えている。た
とえば、基体１を成す窒化アルミニウム質セラミックス
の熱膨張率は５×１０^-6／℃であるため、抵抗発熱体４
の材質としては、基体１に近似した熱膨張率４〜６×１
０^-6／℃を有するタングステン等の金属を用い、好まし
くはこれらの金属に窒化アルミニウム成分を微量添加し
て基体１との密着性を高めたものを用いる。さらに、抵
抗発熱体４の厚みを３０μｍ以下と薄くすることによっ
て、基体１との熱膨張差による影響を極めて小さくでき
る。

【００２１】この抵抗発熱体４に通電することによっ
て、セラミックス製の基体１は所望の温度に保持するこ
とができる。

【００２２】さらに、基体１には、電極板２への給電端
子６や、ガスを供給するためのパイプ７を備えている。

【００２３】一方電極板２は、タングステン、モリブデ
ン、コバール等の熱膨張率が４〜６×１０^-6／℃の金属
からなっており、中央に貫通孔２ａを有し上面に溝２ｂ
を備えている。また、電極板２には給電端子６より通電
することによって、静電吸着用電極だけでなくプラズマ
発生用電極としても作用させることができる。この時高
圧のプラズマ発生用電圧を印加しても破損等を生じない
ようにするため、電極板２の厚みＴ₂は０．５ｍｍ以上
としてある。

【００２４】この電極板２とセラミックス製の基体１と
の接合構造は、基体１に形成した凹部１ａに電極板２を
嵌め込み、電極板２の下面を部分的にメタライズ部８で
接合してある。なお、メタライズ部８の代わりにネジ止
め等で機械的に接合してもよい。

【００２５】このように、電極板２の材質として基体１
と熱膨張率が近似したものを用いるとともに、基体１と
電極板２を全面で接合せずに部分的に接合したことによ
って、両者の熱膨張差を緩和することができる。

【００２６】なお、電極板２を基体１の凹部１ａ中に嵌
め込む構造としたのは、電極板２が半導体製造装置内へ
暴露してしまうと、プラズマによる異常放電が生じる可
能性があるためである。

【００２７】また、基体１の下部に備えたパイプ３から
は、ヘリウムまたはアルゴンガスを導入することが可能
であり、これらのガスは基体１と電極板２との接合部の
隙間に導かれて両者間の熱伝導率を高くすることができ
る。さらに、これらのガスは貫通孔２ａを通って吸着面
３ａとシリコンウェハ等の被吸着物との間にも導かれ、
互いの熱伝達率を著しく高められることから、基体１の
温度をシリコンウェハ等の被吸着物に効果的に伝えるこ
とができる。なお、電極板２の上面には溝２ｂを形成し
てあることから、窒化アルミニウム膜３を形成した後の
吸着面３ａにも溝３ｂが形成され、この溝３ｂ中に上記
のガスが導かれて熱伝達をより高めることが可能であ
る。

【００２８】一方、電極板２の上面及び基体１の周辺部
上面には窒化アルミニウム膜３を形成しているが、この
窒化アルミニウム膜３は周知の気相成長法、たとえば、
スパッタリング、イオンプレーティングなどのＰＶＤ法
や、プラズマＣＶＤ、ＭｏＣＶＤ、熱ＣＶＤなどのＣＶ
Ｄ法により形成することができる。このような、窒化ア
ルミニウム膜３は９９％以上の窒化アルミニウム純度と
なるが、成膜過程で酸素が含まれる可能性がある。しか
し、酸素量が多すぎると、金属板２との密着性が低下す
る場合があるため、窒化アルミニウム膜３中の酸素含有
量は２０原子％以下に制御することが望ましい。

【００２９】また、窒化アルミニウム膜３の厚みＴ₃は
０．０１〜０．５ｍｍの範囲が良く、さらに望ましくは
０．２〜０．４ｍｍが良い。この理由は、厚さが０．０
１ｍｍ未満になると耐電圧が小さくなるために絶縁破壊
を起こして耐久性が悪くなり、逆に厚みＴ₃が０．５ｍ
ｍを越えると窒化アルミニウム膜３を形成するための時
間が長くなり、生産性が劣るからである。

【００３０】次に、この静電チャックの作動について説
明する。

【００３１】図３に示すように、電極板２に通電するた
めの給電端子６に静電吸着用電源１０より１０００Ｖ程
度の直流高電圧を印加すると、窒化アルミニウム膜３が
絶縁層として機能し、吸着面３ａにシリコンウェハ等の
被吸着物９を静電吸着させることが可能となる。

【００３２】また、上記給電端子６を介して電極板２に
プラズマ発生用電源１２より高周波電圧を印加すること
もでき、真空装置内に静電チャックをセットすることに
より、プラズマを発生させることが可能となる。このと
き、電極板２は０．５ｍｍ以上の十分な厚みＴ₂を持っ
た金属単板であるため、上記高周波電圧を印加しても発
熱したり焼き切れるような恐れはない。

【００３３】なお、電極板２に静電吸着用電源１０の直
流高電圧とプラズマ発生用電源１２の高周波電圧の両方
を印加する場合には、高周波をカットできるようなフィ
ルター１１を静電吸着用電源１０と給電端子６間に設置
すれば良い。

【００３４】また、上記窒化アルミニウム膜３は高純度
で耐プラズマ性にも優れることから、吸着面３ａ上の被
吸着物９に悪影響を及ぼすことがなく、かつ長寿命とす
ることができる。

【００３５】さらに、セラミックス製の基体１中に備え
た抵抗発熱体４は、３０μｍ以下の厚みの帯状薄膜パタ
ーンが一層埋設されているだけであるため、一般的なセ
ラミックスヒータと同様に、極めて高い信頼性が得られ
る。

【００３６】

【実施例】実験例１ここで、実際に図１，２に示す本発明の静電チャックを
試作して、その効果を調べる実験を行った。

【００３７】まず、窒化アルミニウム粉末に成形助剤お
よび溶媒を添加混合してスラリーを得た後、ドクターブ
レード法にて厚さ０．５ｍｍのグリーンシートを複数枚
成形し、そのうちの１枚に、タングステン粉末と窒化ア
ルミニウム粉末を混合して粘度調整した抵抗体ペースト
をスクリーン印刷して抵抗発熱体４を形成する。

【００３８】そして、上記抵抗発熱体４上に複数枚のグ
リーンシートを積層して８０℃，５０Ｋｇ／ｃｍ²の圧
力で熱圧着し、その後切削加工を施して円盤状の板状体
としたのち真空脱脂を施し、２０００℃程の温度で還元
焼成することによって、熱伝導率が１００Ｗ／ｍ・Ｋ、
体積固有抵抗値が１０¹³Ω・ｃｍ、外形約φ８インチ、
厚みＴ₁が１０ｍｍの窒化アルミニウム質セラミックス
製の基体１を得た。

【００３９】他にも、既に知られているようなそれぞれ
のセラミックスに見合った手法を用いて、表１に示す純
度９９％の高純度アルミナ、窒化珪素および炭化珪素の
各セラミックスを用いた基体を製作した。

【００４０】例えば、アルミナと窒化珪素はドクターブ
レード法で、炭化珪素はホットプレス法で製作するなど
したが、結果的に得られる基体はそれぞれの材料理論密
度の９８％以上とした。また抵抗発熱体４の印刷パター
ンは全て同一とし、抵抗値は５Ω、厚みは３０μｍ以下
とした。

【００４１】得られた基体１の抵抗発熱体４に対して、
まず１００Ｖの電圧を印加し４００℃に発熱させるよう
な実験を行った。その後、基体１の表面の温度分布を温
度画像処理装置で確認したところ、窒化珪素からなる基
体１の温度分布は極端に悪く、実用に耐えないことが分
かった。この結果より、基体１の熱伝導率は２０Ｗ／ｍ
・Ｋ以上が必要であるといえる。

【００４２】次に、厚みＴ₂が３ｍｍのモリブデンから
なる電極板２を準備し、各々のセラミックス製の基体１
とボルトで部分的に締結し、再度加熱実験を行った。す
ると、炭化珪素製の基体１と締結した電極板２には抵抗
発熱体４への通電電流が漏れていることが確認され、炭
化珪素製の基体１では絶縁性が確保できないことがわか
った。ゆえに、基体１の体積固有抵抗値は少なくとも１
０¹⁰Ω・ｃｍ以上が必要であるといえる。

【００４３】

【表１】

【００４４】実験例２以上の実験において、セラミックス製の基体１の厚みＴ
₁は１０ｍｍに統一してきたが、ここで基体１の厚みＴ
₁と電極板２の厚みＴ₂を変更する実験を行った。

【００４５】厚みＴ₂を種々に変化させた直径２００ｍ
ｍのモリブデン製の電極板２を用意し、同じように厚み
Ｔ₁を種々に変化させた直径２１０ｍｍの窒化アルミニ
ウム製の基体１の上面に、上記電極板２と同じ大きさの
凹部１ａを形成し、この凹部１ａに電極板２を嵌め込ん
だ。

【００４６】そして、電極板２の外周部のみにチタン、
銅、銀等の一種以上からなる粉末ペーストを塗布し、真
空中で１０００℃まで加熱することによって、基体１と
部分的なメタライズ接合を行った。

【００４７】この結果、セラミックス製の基体１の厚み
Ｔ₁が３ｍｍより薄くなると、メタライズによって基体
１に反りが生じてしまったり、割れが発生したりして接
合不能であった。しかし、基体１の厚みＴ₁を３ｍｍ以
上にすると、反りもなく良好な接合体を得ることができ
た。一方、電極板２の厚みＴ₂を０．５ｍｍ以下にする
と、取扱いが困難であるばかりか、平坦度などの表面精
度が悪化し、実用に耐えられないことが分かった。

【００４８】したがって、基体１の厚みＴ₁は３ｍｍ以
上、電極板２の厚みＴ₂は０．５ｍｍ以上必要である。

【００４９】また、電極板２の材質については、モリブ
デン以外にタングステンまたはコバールであっても同様
の結果であった。さらに、基体１の材質については、ア
ルミナであっても窒化アルミニウムと同様の結果であっ
た。

【００５０】ところで、セラミックス製の基体１と電極
板２との接合面積が全接触面積に対して２０％を超える
と、加熱や冷却時にバイメタル効果によって大きな反り
が発生することが分かった。ゆえに、セラミックス製の
基体１と電極板２は、メタライズまたはネジ止めによっ
て全接触面積比２０％以下、好ましくは１０％以下の部
分的接合とすることが好ましい。

【００５１】以上のようにして、セラミックス製の基体
１と電極板２を接合したサンプルを得た。

【００５２】次に、モリブデンからなる電極板２の表面
に対して、熱ＣＶＤ法により窒化アルミニウム膜３を成
膜した。反応ガスには塩化アルミニウムとアンモニア、
水素及び窒素を使用して、８００〜１０００℃の温度
で、５０ｔｏｒｒ程の減圧下で窒化アルミニウム膜３を
形成した。形成される窒化アルミニウム膜３の厚みＴ_３
は成膜時間を制御することによって、所望の寸法に仕上
げることができるため、表２のようなさまざまな厚みＴ
_３の膜を得た。

【００５３】これらに対し、実際に直流１０００Ｖを印
加してシリコンウェハの被吸着物９を吸着させたとこ
ろ、厚みＴ₃が０．００５ｍｍ以下のものは容易に絶縁
破壊してしまった。

【００５４】これに対し、厚みＴ₃が０．０１ｍｍ以上
のものは、絶縁破壊することなく安定して吸着可能であ
った。しかし、厚みＴ₃が０．５ｍｍを越えると窒化ア
ルミニウム膜３の形成時間が長くなり、生産性が悪化す
ることが分かった。

【００５５】また、吸着力も厚みＴ₃と関連があり、厚
みＴ₃が０．２〜０．４ｍｍの範囲であればほぼ一定の
吸着力を得られるため静電チャックとして扱いやすいこ
ともわかった。

【００５６】ゆえに、窒化アルミニウム膜３の厚みＴ₃
は０．０１〜０．５ｍｍの範囲が良く、望ましくは０．
２〜０．４ｍｍが良いといえる。

【００５７】なお、電極板２の材質として、モリブデン
以外にタングステンおよびコバールを用いても同様の結
果であった。さらに、基体１が窒化アルミニウムでな
く、アルミナであっても同結果であったことはいうまで
もない。

【００５８】

【表２】

【００５９】実験例３次に、本発明による静電チャックを実際にプラズマ発生
装置に組み込んで使用試験を行った。図３に示すよう
に、電極板２に通電するための給電端子６に、静電吸着
用電源１０とプラズマ発生用電源１２として１３．５６
ＭＨｚの高周波電源を接続し、また基体１の下部に設け
たパイプ７はアルゴンのガス供給ラインに接続した。

【００６０】まず、静電吸着用電源１０より１０００Ｖ
の直流電圧を印加すると、６０ｇ／ｃｍ²以上の吸着力
でシリコンウェハからなる被吸着物９が固定されるた
め、パイプ７から１０ｇ／ｃｍ²程度の圧力でアルゴン
ガスを導入しても被吸着物９は固定されたままであっ
た。

【００６１】この状態で、被吸着物９と窒化アルミニウ
ム膜３の隙間、および電極板２と基体１の隙間にはアル
ゴンガスが充填されるため、高い熱伝達率が確保され
る。そのため、抵抗発熱体４に電圧を印加することによ
って得られる静電チャックの熱は、被吸着物９へ効率よ
く伝達される。

【００６２】ここで、装置内にフッ素系のガスを導き、
プラズマ発生用電源１２から８００Ｗ、１３．５６ＭＨ
ｚの高周波電力を電極板２に印加したところ、プラズマ
が発生した。このとき、電極板２は０．５ｍｍ以上の十
分な厚みＴ₂を持った金属単板であるため、高周波に対
して発熱したり焼き切れることはなかった。そのため、
被吸着物９であるシリコンウェハには所望の集積回路形
成が可能であることが確認された。

【００６３】また、電極板２はモリブデン、タングステ
ン、コバールのいずれも同様に機能することを確認し
た。

【００６４】一方、比較のために、従来技術からなる厚
み２０μｍのプラズマ発生用電極を埋設した一体焼結型
窒化アルミニウム静電チャックをテストしたところ、高
周波電力をＯＮしたとたんにプラズマ発生用電極が焼き
切れ、テストの継続は不可能であった。

【００６５】

【発明の効果】叙上のように、本発明の静電チャック
は、厚さ３ｍｍ以上のセラミックスからなる基体上に厚
さ０．５ｍｍ以上の金属製の電極板を接合し、さらに該
電極板の表面に厚さ０．０１〜０．５ｍｍの窒化アルミ
ニウム膜を形成して吸着面としたことによって、十分な
厚みを持った電極板を静電吸着用電極とともにプラズマ
発生用電極としても用いられることから、高周波に対し
て発熱したり焼切れるような恐れもない。

【００６６】また、基体には加熱用の抵抗発熱体として
厚み３０μｍ以下の帯状薄膜パターンを一層だけ埋設す
れば良いことから、一般的なセラミックスヒータ同様極
めて高い信頼性が得られる。

【００６７】また、上記基体と電極板は部分的に接合
し、互いの接合界面にはヘリウムまたはアルゴンガスを
導入することによって、基体と電極板間の熱伝導率を高
くするとができ、被吸着物を好適に加熱することができ
る。

【００６８】さらに、上記窒化アルミニウム膜は耐プラ
ズマ性に優れるため長寿命とできるとともに、気相成長
法により形成した窒化アルミニウム膜は高純度であるか
ら、被吸着物に悪影響を及ぼすことがない。

【００６９】したがって、本発明の静電チャックは、特
に半導体製造工程におけるシリコンウェハの吸着固定に
好適に使用することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の静電チャックを示す斜視図である。

【図２】図１中のＸ−Ｘ線断面図である。

【図３】本発明の静電チャックの配線図である。

【符号の説明】

１：基体２：電極板３：窒化アルミニウム膜４：抵抗発熱体５：給電端子６：給電端子７：パイプ８：メタライズ部９：被吸着物１０：静電吸着用電源１１：フィルタ１２：プラズマ発生用電源

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】厚さ３ｍｍ以上のセラミックスからなる基
体上に厚さ０．５ｍｍ以上の金属製の電極板を接合し、
さらに該電極板の表面に厚さ０．０１〜０．５ｍｍの窒
化アルミニウム膜を被着した吸着面を具備したことを特
徴とする静電チャック。
【請求項２】上記基体の内部には、加熱用の抵抗発熱体
が埋設されていることを特徴とする請求項１に記載の静
電チャック。
【請求項３】上記電極板には、静電吸着用の直流高電圧
及び／又はプラズマ発生用の高周波電圧を印加し、静電
吸着作用と共にプラズマ発生電極としても作用させるこ
とを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
【請求項４】上記基体と電極板は部分的に接合し、互い
の接合界面にはヘリウムまたはアルゴンガスを導入でき
るようにしたことを特徴とする請求項１に記載の静電チ
ャック。
【請求項５】上記基体は、１０¹⁰Ω・ｃｍ以上の体積固
有抵抗値を有し、２０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の熱伝導率を有す
るセラミックスからなり、電極板はタングステン、モリ
ブデンまたはコバールからなることを特徴とする請求項
１に記載の静電チャック。