JPH10107132A - 静電チャック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】成膜に伴う反応膜や油脂類が加熱されることに
伴う炭化膜、さらには金属薄膜などの導電性をもった膜
が吸着面に付着したとしても被吸着物を安定して吸着保
持することが可能な静電チャックを提供する。 【解決手段】静電電極４を内蔵した静電チャック１に上
面が吸着面３ａより突出する支持部９を設け、該支持部
により被吸着物を上記吸着面３ａと隙間を設けて配設す
るとともに、上記支持部における被吸着物との当接面を
導電性材料で構成し、上記被吸着物と前記静電電極４と
の間に通電することで被吸着物を静電的に吸着保持する
ようにする。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体装置や液晶
基板などの製造工程中において、半導体ウエハやガラス
基板などの被吸着物を静電的に吸着保持する静電チャッ
クに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体装置の製造工程において、
半導体ウエハに膜付けを行うための成膜装置や微細加工
を施すためのドライエッチング装置などの半導体製造装
置においては、上記ウエハを保持するために静電チャッ
クが使用されている。

【０００３】図５に一般的な静電チャック３１の構造を
示すように、セラミック基体３２の表面に静電電極３４
を備えるとともに、該静電電極３４を覆うように誘電体
層３３で被覆し、その上面を吸着面３３ａとしたものが
あった。また、上記セラミック基体３２中にヒータ電極
を埋設して吸着面３３ａに保持したウエハ１０を加熱し
たり、プラズマ発生用電極を埋設して処理室内に配置す
るもう一方のプラズマ発生用電極との間でプラズマを発
生させるようにしたものも使用されている。

【０００４】このような静電チャック３１の誘電体層３
３を構成する材質としては、アルミナ、窒化珪素等のセ
ラミックスやサファイアが使用されており、近年では、
ハロゲン系腐食性ガスとの耐蝕性に優れるとともに、高
い熱伝導率を有する窒化アルミニウム質セラミックスを
使用することも提案されている（特公平７−５０７３６
号公報、特開平５−２５１３６５号公報参照）。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】ところが、高温の真空
雰囲気下において静電チャック３１によりウエハ１０を
吸着保持して各種の処理を繰り返すと、吸着面３３ａに
導電性をもった薄膜が付着してウエハ１０を吸着保持す
ることができなくなるといった課題があった。

【０００６】例えば、ＰＶＤやＣＶＤなどの成膜装置を
用いての成膜工程では、静電チャック３１の吸着面３３
ａはウエハ１０により覆われているものの、反応性の強
いプラズマ発生下では吸着面３３ａとウエハ１０との間
の微小な隙間から反応ガスが入り込み、吸着面３３ａに
反応膜を形成したり、ウエハ１０の搬送時において静電
チャック３１の吸着面３３ａが処理室内に露出するため
に、残留する成膜成分が付着することは避けられなかっ
た。そして、１回のウエハ処理では吸着面３３ａに形成
される反応膜や成膜成分は極めて薄いものであるもの
の、ウエハ処理を重ねるうちに上記反応膜や成膜成分の
膜厚みが厚くなり、この反応膜や成膜成分が導電性をも
った膜である時には、反応膜や成膜成分と静電チャック
３１中の静電電極３４との間に静電吸着力が働くだけ
で、ウエハ１０との間には静電吸着力が働かず、ウエハ
１０を吸着保持することができなかった。

【０００７】また、成膜工程以外に真空加熱工程等にお
いても、洗浄不足による油脂類の付着、処理室に設置す
る真空ポンプ等からのオイルバックや処理室を構成する
金属成分のベーパーなどにより油脂類や金属が静電チャ
ック３１の吸着面３３ａに付着し、油脂類においては加
熱されると炭化されて導電性をもった薄膜が形成される
ことから吸着力が得られなくなるといった課題もあっ
た。

【０００８】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、誘電体層の一方の表面に静電電極を備えると
ともに、他方の表面を吸着面としてなる静電チャック
に、上記吸着面より突出する支持部材を設けて被吸着物
を吸着面と隙間を設けて支持するとともに、上記支持部
材における被吸着物との保持面を導電性材料で構成し、
前記被吸着物と静電電極との間に電圧を印加して被吸着
物を静電的に吸着保持するようにしたものである。

【０００９】また、本発明は、上記支持部材の保持面か
ら吸着面までの高さを５０μｍ以下として構成したもの
である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１１】図１は本発明に係る静電チャックの一例を
示す図であり、（ａ）は斜視図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ線
断面図である。

【００１２】図１に示す静電チャック１は、周縁に段差
部２ａを有するセラミックス基体２の表面に静電電極４
を備えるとともに、該静電電極４を覆うように誘電体層
３で被覆してセラミック基体２と誘電体層３との間に静
電電極４を内蔵したものであり、上記誘電体層３の上面
を吸着面３ａとしてある。

【００１３】上記セラミックス基体２の段差部２ａに
は、上面が吸着面３ａより突出するリング状の支持体９
を取着してあり、該支持体９の上面をなす保持面９ａに
被吸着物であるウエハ１０の周縁を載置してウエハ１０
を吸着面３ａと微小隙間を設けて支持するようにしてあ
る。また、保持面９ａを含む支持体９は導電性材料によ
り形成してあり、アース線１１を接続することで支持体
９及びその保持面９ａで支持するウエハ１０をアースす
るようにしてある。なお、この支持体９をセラミック基
体２に取り付ける手段としては、機械的な嵌め合いやネ
ジ等による締結により取着すれば良い。

【００１４】また、上記セラミック基体２の内部にはヒ
ータ電極５を埋設してあり、ヒータ電極５を発熱させる
ことにより支持体９で支持するウエハ１０を加熱すると
ともに、上記セラミック基体２及び誘電体層３の中央に
穿設するガス供給孔８からウエハ１０の裏面、支持体９
の側面、及び吸着面３ａとで構成される微小空間ＲにＨ
ｅ等のガスを供給することでウエハ１０の均熱性を高め
るようにしてある。

【００１５】なお、静電電極４及びヒータ電極５への通
電は給電部材６、７を介して通電するようにしてあり、
直流電源の正極を静電電極４の給電部材６に接続し、負
極をアース線に接続するとともに、ヒータ電極５の給電
部材７を交流電源に接続してある。

【００１６】そして、この静電チャック１を用いてウエ
ハ１０を保持するには、ウエハ１０の周縁を支持体９の
保持面９ａに載置して吸着面３ａと隙間を設けて支持す
る。

【００１７】この時、支持体９及びウエハ１０は共にア
ースされており、同電位に保たれることになる。

【００１８】次に、被吸着物であるウエハ１０と静電電
極４との間に直流電圧を印加することにより、該静電電
極４とウエハ１０との間に誘電分極によるクーロン力が
発生するため、ウエハ１０を吸着面３ａ側に引き付ける
力が働き吸着保持するようになっている。即ち、ウエハ
１０は吸着面３ａと微小隙間を設けて支持してあるもの
の、このウエハ１０、支持体９、及び吸着面３ａとで構
成される微小空間Ｒが誘電体層として作用するため、静
電電極４とウエハ１０との間にクーロン力を発生させて
ウエハ１０を吸着保持することができる。なお、この時
ウエハ１０の一部が吸着面３ａと接触していても良い。

【００１９】また、静電チャック１のガス供給孔８から
ウエハ１０、支持体９、吸着面３ａとで構成される微小
空間ＲにＨｅ等のガスを供給するとともに、ヒータ電極
５に通電して発熱させることで静電チャック１の輻射熱
をＨｅ等のガスを介して伝達し、ウエハ１０を所定の温
度に加熱するようにしてある。

【００２０】そして、この静電チャック１を用いてウエ
ハ１０に成膜や微細加工を施す場合、処理室内にフッ素
系あるいは塩素系ガスとともに成膜ガスやエッチングガ
スを供給し、プラズマを発生させることで静電チャック
１により保持したウエハ１０の表面上に所望の薄膜を形
成したり、微細加工を施すことができる。

【００２１】また、成膜処理や微細加工処理を繰り返す
と、真空ポンプのオイルミストが処理室に逆流するオイ
ルバックにより油脂類が付着し、この油脂類が付着した
状態で加熱されると油脂類が炭化され、導電性をもった
薄膜が静電チャック１の吸着面３ａや支持体９の保持面
９ａに形成されることになる。

【００２２】さらに、成膜処理においては、ウエハ１０
と支持体９の保持面９ａとの間の僅かな隙間から成膜ガ
スが入り込み、吸着面３ａや支持体９の保持面９ａに反
応膜が堆積したり、ウエハ１０の搬送時に静電チャック
１の表面が処理室内に露出することから処理室内に残留
する成膜成分が付着し、これらが導電性をもったもので
ある時には静電チャック１の吸着面３ａや支持体９の保
持面９ａに導電性をもった薄膜が形成されることにな
る。

【００２３】しかしながら、本発明の静電チャック１
は、ウエハ１０の周縁を支持体９により支持し、吸着面
３ａとの間に微小隙間を設けて保持するようにしてある
ことから、吸着面３ａに導電性をもった薄膜が形成され
たとしても静電電極４とウエハ１０との間の電位差を保
って吸着力を維持することができるため、常にウエハ１
０を安定して吸着保持することができる。

【００２４】なお、上記誘電体層３を構成する材質とし
ては、アルミナ、窒化珪素、チタン酸バリウム、チタン
酸カルシウム、イットリウム・アルミニウム・ガーネッ
ト、窒化アルミニウムなどのセラミックスやサファイア
などを用いることができ、使用目的に応じて各種材料に
より構成すれば良いが、これらの中でも窒化アルミニウ
ムは加工性に優れるとともに、高い熱伝導率と優れた耐
蝕性を有することから、ウエハ１０を短時間で所定の温
度に加熱することができるとともに、ハロゲン系腐食性
ガスに対する耐蝕性に優れることから繰り返し使用する
ことができ、半導体製造工程において好適に用いること
ができる。

【００２５】また、セラミック基体２も誘電体層３を構
成する上記セラミックスにより形成すれば良く、特にセ
ラミック基体２中にヒータ電極５を埋設する場合、窒化
アルミニウムで形成すれば優れた熱伝導率を有すること
からウエハ１０を短時間でかつ均一に加熱することがで
き好適である。また、セラミック基体２と誘電体層３を
同じセラミックスで形成すれば互いの熱膨張差が少ない
ため接合強度及び静電チャック１の変形を抑えることが
できるため好ましい。

【００２６】さらに、上記支持体９を構成する導電性材
料としては、Ｓｉ（珪素）、チタン（Ｔｉ）、銅（Ｃ
ｕ）、タングステン（Ｗ）、金（Ａｕ）、銀（Ａｇ）、
アルミニウム（Ａｌ）などの金属やこれらの合金、ある
いは上記金属の酸化物、窒化物、炭化物など被吸着物と
同等あるいはそれより小さい抵抗値を持った導電性材料
で形成してあれば良く、例えば被吸着物が半導体ウエハ
１０である場合、１０⁶Ω・ｃｍ以下の体積固有抵抗値
を有する導電性材料を使用すれば良い。

【００２７】ただし、図１においては支持体９の全体を
導電性材料で形成したが、少なくとも被吸着物と接する
保持面９ａのみを導電性材料で形成してあれば良く、例
えば、支持体９を絶縁性のセラミックスにより形成し、
その少なくとも保持面９ａに前記導電性材料からなる金
属膜やセラミック膜を被着したものであっても構わな
い。

【００２８】ところで、静電チャック１の吸着力は誘電
体層３の厚みの２乗に反比例し、通電する電圧の２乗に
比例することから、上記支持体９の保持面９ａから吸着
面３ａまでの高さｈが高すぎると吸着力が大きく低下
し、十分な保持力が得られなくなる。

【００２９】その為、支持体９の保持面９ａから吸着面
３ａまでの高さｈは５０μｍ以下とすることが必要であ
る。

【００３０】即ち、静電チャック１に通電する電力は一
般的に１ｋＷ程度であり、これより大きくなると消費電
力が多くなり不経済である。従って、ウエハ１０と静電
電極４との間の距離が吸着力に大きく影響することにな
るが、誘電体層３の厚みはセラミックスやサファイアの
持つ機械的強度との関係から凡そ０．１〜０．５ｍｍ程
度であることから、基本的に支持体９の保持面９ａから
吸着面３ａまでの高さｈが吸着力に大きな影響を与える
ことになる。そして、上記高さｈが５０μｍより大きく
なると、吸着力が５０ｇ／ｃｍ² 未満となり、ウエハ１
０と支持体９との間のシール性が低下することからウエ
ハ１０、支持体９、及び吸着面３ａとで構成される微小
空間Ｒに供給したＨｅ等のガスがウエハ１０と支持体９
との間よりリークするとともに、ウエハ１０の均熱性が
大幅に低下するからである。なお、加工精度を加味する
と支持体９の保持面９ａから吸着面３ａまでの高さｈは
２０〜４０μｍの範囲で設けることが望ましい。

【００３１】次に、本発明の他の実施形態を図２及び図
３に示す。

【００３２】図２（ａ）、（ｂ）に示す静電チャック１
は、円盤状をしたセラミックス基体２の表面に静電電極
４を備えるとともに、その表面に上記静電電極４を覆う
ように誘電体層３を成膜でもって被覆し、該誘電体層３
の上面を吸着面３ａとしてある。また、上記吸着面３ａ
の周縁には厚さｈ５０μｍ以下の範囲でリング状の前記
導電性材料からなる導電膜１１を被覆して支持部材９を
構成してあり、該支持部材９の上面をなす保持面９ａで
被吸着物であるウエハ１０の周縁を支持し、ウエハ１０
を吸着面３ａと隙間を設けて支持するようにしてある。

【００３３】このように、吸着面３ａより突出させる支
持部材９は成膜により形成しても良く、厚さｈ５０μｍ
以下の範囲であれば、均一な膜を被覆することができる
ため、ウエハ１０を支持する保持面９ａを平坦に仕上げ
ることができる。

【００３４】図３（ａ）、（ｂ）に示す静電チャック１
は、円盤状をしたセラミックス基体２の表面に静電電極
４を備えるとともに、その表面に上記静電電極４を覆う
ように誘電体層３を被覆し、該誘電体層３の上面を保持
面９ａとしてある。また、この保持面９ａにはサンドブ
ラスト等により深さｈ５０μｍ以下の範囲で同心円状の
溝３ｂを刻設し、該溝３ｂの底面を吸着面３ａとすると
ともに、上記吸着面３ａより突出する部分を支持部材９
としてある。そして、上記保持面９ａを含む誘電体層３
の表面全体には前記導電性材料からなる導電膜１２を被
着してある。

【００３５】この静電チャック１であれば、従来より使
用されている溝付き静電チャックの誘電体層３表面に導
電膜１２を被着するだけで良いため、経済的である。

【００３６】なお、図１乃至図３に本発明の実施形態を
示したが、本発明に係る静電チャック１はこれらの構造
だけに限定されるものではなく、少なくとも吸着面３ａ
より突出する支持部材９を備え、該支持部材９により被
吸着物を上記吸着面３ａと隙間を設けて支持するととも
に、支持部材９における被吸着物との保持面９ａを導電
性材料で構成したものであれば良い。

【００３７】（実施例）ここで図１に示す静電チャック
１を試作し、支持体９の保持面９ａから吸着面３ａまで
の高さｈをそれぞれ異ならせた時の吸着特性について測
定を行った。

【００３８】本実験では誘電体層３に窒化アルミニウム
質セラミックスを用い、その厚みを０．３ｍｍ程度とし
た外径２００ｍｍの静電チャック１を用意した。

【００３９】この静電チャック１を得るには、まず、平
均結晶粒子径１．２μｍ程度でかつ不純物としてＳｉが
１０００ｐｐｍ以下、Ｎａ、Ｃａ、Ｆｅ等が２０００ｐ
ｐｍ以下である純度９９％以上のＡｌＮ粉末にバインダ
ー及び溶媒を添加混合して泥漿を得たあと、ドクターブ
レード法にて厚さ０．４ｍｍ程度のグリーンシートを複
数枚製作する。

【００４０】このうち２枚のグリーンシートに比表面積
（ＢＥＴ）が２ｍ² ／ｇ以上のＷ、Ｍｏ、ＷＣ、Ｔｉ
Ｎ、ＴｉＣの少なくとも一種の粉末とＡｌＮ粉末を混合
して粘度調整したベーストをそれぞれスクーン印刷して
静電電極４をなす導体層及びヒータ電極５をなす導体層
をそれぞれ形成する。

【００４１】そして、各導体層を敷設したグリーンシー
トと他のグリーンシートとを積み重ねて３０〜５０ｋｇ
／ｃｍ² 程度の圧力にて熱圧着させて積層体を形成し、
切削加工により周縁に段差部２ａを備えた略円柱体に形
成したのち、２０００℃程度の真空雰囲気下で５時間焼
成することで静電電極４とヒータ電極５を埋設してなる
窒化アルミニウムからなる静電チャック１を形成した。

【００４２】しかるのち、静電チャック１内に内蔵する
各電極４、５に連通する内孔をそれぞれ穿設し、該内孔
の表面にモリブデン−マンガン合金からなるメタライズ
層を敷設するとともに、タングステンやモリブデンなど
の金属製給電端子６、７を銀を含むロウ材を介して接合
するとともに、静電チャック１の段差部２ａに保持面９
ａが吸着面３ａより突出したリング状の炭化珪素（体積
固有抵抗値：８×１０⁴ Ω・ｃｍ）からなる支持体９を
嵌め合いにより取着することで図１に示す静電チャック
１を試作した。

【００４３】そして、支持体９の保持面９ａから吸着面
３ａまでの高さｈを表１に示すように異ならせた静電チ
ャック１を、真空度が１０^-3ｔｏｒｒの処理室内に配置
し、８インチのシリコンウエハ１０を載置してウエハ１
０と静電電極４との間に１ｋＶの直流電圧を印加するこ
とでウエハ１０を吸着保持させるとともに、ヒータ電極
５に通電してウエハ１０を２００℃に加熱した状態から
ウエハ１０を剥がすのに要する力を吸着力として測定し
た。そして、ウエハ１０、支持体９、吸着面３ａとで構
成される微小空間ＲからＨｅガスをリークさせずにウエ
ハ１０を保持するには５０ｇ／ｃｍ² 以上の吸着力が必
要であることから、基準値を５０ｇ／ｃｍ² に設定して
吸着特性を判断した。

【００４４】なお、支持体９の保持面９ａから吸着面３
ａまでの高さｈがゼロのものは支持体９を備えていない
従来の静電チャック３１である。

【００４５】それぞれの結果は表１に示す通りである。

【００４６】

【表１】

【００４７】この結果、支持体９の保持面９ａから吸着
面３ａまでの高さｈが大きくなるに従って吸着力が低下
することが判る。そして、支持体９の保持面９ａから吸
着面３ａまでの高さｈが５０μｍより大きくなると吸着
力が４０ｇ／ｃｍ² と基準より小さくなった。

【００４８】従って、支持体９の保持面９ａから吸着面
３ａまでの高さｈは５０μｍ以下の範囲で設けることが
望ましいことが判る。

【００４９】（実施例２）次に、試料Ｎｏ．５（表１）
の本発明に係る静電チャック１を成膜装置に組み込み、
ウエハ１０にアルミニウム膜を被覆する実験を繰り返
し、静電チャック１の吸着特性について測定を行った。

【００５０】具体的には１０^-3ｔｏｒｒの真空度に設定
した処理室内で、ウエハ１０を静電チャック１の支持体
９に載置し、ウエハ１０と静電電極４との間に１ｋＶの
電圧を印加することでウエハ１０を保持するとともに、
ウエハ１０、支持体９、吸着面３ａとで構成される微小
空間Ｒに２０ｔｏｒｒのＨｅガスを供給し、ヒータ電極
５に通電して保持するウエハ１０を２５０℃に加熱し
た。ここで、ウエハ１０の温度を２５０℃としたのはこ
の時最もスパッタ効率が良いからである。

【００５１】そして、この状態から静電電極４への通電
をＯＦＦにすると、ウエハ１０がプラズマエネルギーに
よって４００℃の高温に加熱され、再び、静電電極４へ
の通電を開始すると、ウエハ１０の温度が２５０℃に保
たれることを確認した。

【００５２】このことから、ウエハ１０の温度変化を測
定することで吸着特性を確認できることが判る。

【００５３】そこで、本発明に係る静電チャック１
（Ａ）、支持体を備えた双極型静電チャック（Ｂ）、従
来の単極型静電チャック３１（Ｃ）、支持体を持たない
双極型静電チャック（Ｄ）をそれぞれ用意して、吸着特
性を測定した。

【００５４】それぞれの結果は図４に示す通りである。

【００５５】この結果、ウエハ１０の処理枚数が５００
０枚まではいずれも吸着特性に大きな影響は見られなか
ったものの、ウエハ処理枚数が５０００枚を越えると、
本発明に係る静電チャック１（Ａ）以外は全てウエハ１
０の温度が上昇し、吸着力が低下することが判った。な
お、本実験で使用した静電チャック１（Ａ）の中でも、
支持体を備えていないものは特に吸着力の低下が激しか
った。

【００５６】そこで、従来の単極型静電チャック３１
（Ｃ）の吸着面３３ａを観察したところ、吸着面３３ａ
に薄膜が付着しており、この薄膜をＥＰＭＡで測定した
ところ、アルミニウム膜であることが判った。

【００５７】これに対し、本発明に係る静電チャック１
（Ａ）の吸着面３ａや支持体９の保持面９ａにもアルミ
ニウム膜が付着していたものの、支持体９の保持面９ａ
はウエハ１０とともにアースしてあり、ウエハ１０と吸
着面３ａとの間には微小な隙間を設けてあることから、
吸着力に何ら影響がなく、１５０００枚以上のウエハ処
理においてもウエハ１０を安定して吸着保持することが
できた。

【００５８】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、誘電体
層の一方の表面に静電電極を備えるとともに、他方の表
面を吸着面としてなる静電チャックに、上記吸着面より
突出する支持部材を設けて被吸着物を吸着面と隙間を設
けて支持するとともに、上記支持部材における被吸着物
との保持面を導電性材料で構成し、前記被吸着物と静電
電極との間に電圧を印加して被吸着物を静電的に吸着保
持するようにしたことにより、成膜装置やドライエッチ
ング装置など高温の真空雰囲気下で使用し、各種処理の
繰り返しに伴い反応膜、炭化膜、金属膜などの導電性を
もった薄膜が吸着面に付着したとしても被吸着物を安定
して吸着保持させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係る静電チャックの一例を示す図で、
（ａ）は斜視図、（ｂ）はそのＸ−Ｘ線断面図である。

【図２】本発明に係る静電チャックの他の例を示す図
で、（ａ）は斜視図、（ｂ）はそのＹ−Ｙ線断面図であ
る。

【図３】本発明に係る静電チャックの他の例を示す図
で、（ａ）は斜視図、（ｂ）はそのＺ−Ｚ線断面図であ
る。

【図４】成膜処理を施した時のウエハ温度とウエハ処理
枚数との関係を示すグラフである。

【図５】一般的な静電チャックの一例を示す縦断面図で
ある。

【符号の説明】

１・・・静電チャック、 ２・・・セラミック基体、
３・・・誘電体層、３ａ・・・吸着面、 ４・・・静電
電極、 ５・・・ヒータ電極、６、７・・・給電端子、
８・・・ガス供給孔、 ９・・・支持体、10・・・ウ
エハ

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】誘電体層の一方の表面に静電電極を備える
   とともに、他方の表面を吸着面としてなる静電チャック
   において、該静電チャックに吸着面より突出する支持部
   材を設け、被吸着物を吸着面と隙間を設けて支持すると
   ともに、上記支持部材における被吸着物との保持面を導
   電性材料で構成してなり、前記被吸着物と静電電極との
   間に電圧を印加して被吸着物を静電的に吸着保持してな
   る静電チャック。
2. 【請求項２】上記支持部材の保持面から吸着面までの高
   さを５０μｍ以下としてなる請求項１に記載の静電チャ
   ック。