JPH11163112A - 静電チャック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】２００℃以下の温度雰囲気下においてジョンソ
ン・ラーベック力による高い吸着力が得られるようにす
るとともに、被固定物Ｗへのプラズマ密度を高め、成膜
やエッチングの処理速度を高めることができる静電チャ
ック１を提供する。 【解決手段】静電チャック１のウエハを静電吸着力によ
り吸着保持する当接面３を、誘電率１３以上を有すると
ともに、２００℃以下の温度域における体積固有抵抗値
が１０⁹ Ω・ｃｍ以上１０¹²Ω・ｃｍ未満の範囲にある
窒化アルミニウム質焼結体により形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、被固定物を静電吸
着力によって吸着保持する静電チャックに関するもので
あり、主に半導体装置の製造工程において半導体ウエハ
などの被固定物を保持するのに使用されるものである。

【０００２】

【従来の技術】従来、半導体製造工程において、半導体
ウエハ（以下、ウエハと称す。）に微細加工を施すため
のエッチング工程や薄膜を形成するための成膜工程等に
おいては、ウエハを精度良く保持するために静電チャッ
クが使用されている。

【０００３】この種の静電チャックとしては、例えば、
静電吸着用の電極板上にアルミナ、サファイアなどから
なるセラミック誘電体層を形成したもの（特開昭６０−
２６１３７７号公報）や、絶縁基体の上に静電吸着用の
電極を形成し、その上にセラミック誘電体層を形成した
もの（特開平４−３４９５３号公報）、さらにはセラミ
ック誘電体の内部に静電吸着用の電極を埋設したもの
（特開昭６２−９４９５３号公報）が提案されており、
いずれもセラミック誘電体の上面をウエハとの当接面と
したものがあった。そして、当接面にウエハを載置して
静電吸着用の電極とウエハとの間に通電することで誘電
分極によるクーロン力やジョンソン・ラーベック力を発
現させてウエハを吸着保持するようになっていた。

【０００４】なお、上記静電チャックには静電吸着用の
電極を複数個に分割し、各電極間に電圧を印加すること
で当接面に載置したウエハを吸着保持するようにした双
極型のものもあった。

【０００５】ところが、近年、半導体素子における集積
回路の集積度が向上するに伴って当接面を構成するセラ
ミック誘電体層には、ウエハの脱着に対する耐摩耗性
と、各種処理工程で使用される腐食性ガスに対する耐食
性に加え、耐プラズマ性が要求されており、さらには高
熱伝導率を有する材料が望まれるようになり、これらの
要求を満足する材料として高純度の窒化アルミニウム質
焼結体や、焼結助剤としてＹ₂ Ｏ₃ やＥｒ₂ Ｏ₃ を含有
した窒化アルミニウム質焼結体を用いることが提案され
ている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、高純度
窒化アルミニウム質焼結体や焼結助剤としてＹ₂ Ｏ₃ や
Ｅｒ₂ Ｏ₃ を含有する窒化アルミニウム質焼結体からな
る静電チャックは、室温域（２５℃）における体積固有
抵抗値が１０¹⁵Ω・ｃｍ以上であるために２００℃以下
の温度域では高い吸着力が得られず、ウエハを精度良く
保持することができなかった。

【０００７】即ち、静電チャックの吸着力には、誘電分
極によるクーロン力と微少な漏れ電流によるジョンソン
・ラーベック力の２種類があり、その吸着力はクーロン
力よりもジョンソン・ラーベック力の方が高いことが知
られているのであるが、このジョンソン・ラーベック力
を発現させるためには静電吸着用の電極とウエハとの間
に介在するセラミックスの体積固有抵抗値を１０¹²Ω・
ｃｍ未満とする必要があった。その為、２００℃以下の
温度域における抵抗値が１０¹²Ω・ｃｍ以上である上記
窒化アルミニウム質焼結体を用いた静電チャックではジ
ョンソン・ラーベック力が得られず、その結果、歪みを
もったウエハを吸着させると、ウエハの全面を当接面に
接触させることができないためにウエハの平坦化及び均
熱化が損なわれ、成膜工程では均一な厚み幅をもった薄
膜を形成することができず、エッチング工程では精度の
良い加工を施すことができなかった。

【０００８】また、上記窒化アルミニウム質焼結体は誘
電率が９程度とそれほど高くないため、プラズマを発生
させると、静電チャックに誘起された電圧とウエハに誘
起された電圧との差が大きく、静電チャックの当接面側
でのプラズマ密度が高くなり、相対的にウエハの表面で
のプラズマ密度が低下するために成膜速度やエッチング
速度が遅く、生産効率を高めることができなかった。

【０００９】

【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、静電チャックの少なくとも被固定物との当接
面を、誘電率１３以上を有するとともに、２００℃以下
の温度域における体積固有抵抗値が１０⁹ Ω・ｃｍ以上
１０¹²Ω・ｃｍの範囲にある窒化アルミニウム質焼結体
により形成したものである。

【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１の一例
を示す図で、（ａ）は斜視図であり、（ｂ）は（ａ）の
Ｘ−Ｘ線断面図である。

【００１２】この静電チャック１は、円盤状をしたセラ
ミック基体２の一主面を被固定物Ｗとの当接面３とし、
セラミック基体２の内部に円板状をした静電吸着用の電
極４を埋設したものであり、上記セラミック基体２は、
誘電率１３以上を有するとともに、２００℃以下の体積
固有抵抗値が１０⁹ Ω・ｃｍ以上１０¹²Ω・ｃｍの範囲
にある窒化アルミニウム質焼結体により形成してある。
また、上記当接面３と反対側の面には静電吸着用の電極
４と電気的に接続された給電端子５を接合してある。

【００１３】そして、上記当接面３に載置する被固定物
Ｗとセラミック基体２内に埋設する静電吸着用の電極４
との間に電圧を印加すれば、２００℃以下におけるセラ
ミック基体２の体積固有抵抗値が１０⁹ Ω・ｃｍ以上１
０¹²Ω・ｃｍの範囲にあるため、この温度域においてジ
ョンソン・ラーベック力を発現させて被固定物Ｗを強固
に吸着保持することができる。

【００１４】また、上記セラミック基体２を構成する窒
化アルミニウム質焼結体は、従来の窒化アルミニウム質
焼結体と比較して誘電率が１３以上と高いことから、被
固定物Ｗに成膜処理やエッチングの処理を施すためにプ
ラズマを発生させれば、静電チャック１に誘起された電
圧と被固定物Ｗに誘起された電圧との差を小さくできる
ため、静電チャック１の当接面側でのプラズマ密度が低
くなり、相対的に被固定物Ｗの表面でのプラズマ密度を
高めることができ、被固定物Ｗへの成膜速度やエッチン
グ速度を高めて生産性を向上させることができる。

【００１５】さらに、静電吸着用の電極４は耐熱性に優
れたセラミック基体２内に完全に埋設された構造である
ことから、比較的高温の２００℃付近においても使用可
能であり、さらには静電チャック１全体が他のセラミッ
クスに比べて優れた耐プラズマ性、耐食性を有する窒化
アルミニウム質焼結体からなるため、成膜工程やエッチ
ング工程などにおいてプラズマや腐食性ガスに曝された
としても腐食摩耗が少なく、長期使用が可能である。

【００１６】ところで、このような誘電率１３以上を有
するとともに、２００℃以下の温度域における体積固有
抵抗値が１０⁹ Ω・ｃｍ以上１０¹²Ω・ｃｍの範囲にあ
る窒化アルミニウム質焼結体としては、ＴｉＮ，Ｚｒ
Ｎ，ＨｆＮ，ＮｂＮ，ＴａＮ，ＶＮ等の周期律表４Ａ，
５Ａ族元素の窒化物やＴｉＣ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，Ｎｂ
Ｃ，ＴａＣ，ＶＣ等の周期律表４Ａ，５Ａ族元素の炭化
物を含む窒化アルミニウム質焼結体を用いれば良い。

【００１７】ここで、周期律表４Ａ，５Ａ族元素の窒化
物や炭化物は、窒化アルミニウム質焼結体の体積固有抵
抗値を下げるとともに、誘電率を高めるために含有した
ものであり、焼結体中において窒化アルミニウム主結晶
相の粒界相に存在するものであるが、この含有量が１２
容量％未満では、粒界相に存在する周期律表４Ａ，５Ａ
族元素の窒化物や炭化物同士の導通がとり難いために焼
結体の抵抗値を下げる効果が小さく、また、焼結体の誘
電率を高める効果も小さいからであり、逆に、含有量が
２２．５容量％より多くなると、焼結体の誘電率を１３
以上とすることができるものの、焼結体の抵抗値が１０
⁹ Ω・ｃｍ未満となり、漏れ電流量が多くなるために被
固定物Ｗがシリコンウエハである場合には悪影響を与え
る恐れがある。

【００１８】従って、上記周期律表４Ａ，５Ａ族元素の
窒化物や炭化物は、１２〜２２．５容量％の範囲で含有
することが良く、好ましくは１５〜２０容量％の範囲が
良い。なお、好ましい窒化アルミニウム質焼結体として
は誘電率が１５以上、抵抗値が１０⁹ Ω・ｃｍ以上１０
¹¹Ω・ｃｍの範囲にあるものが良い。

【００１９】また、上記窒化アルミニウム質焼結体には
セリウム（Ｃｅ）の酸化物を含有することが好ましい。
セリウム（Ｃｅ）は焼成時に主成分をなすＡｌＮと反応
し、Ａｌ，Ｃｅ，Ｏからなる化合物（例えば、ＣｅＡｌ
Ｏ₃ ）を粒界相に生成し、所望の抵抗値を有する焼結体
を再現性良く製造することができるとともに、温度変化
に対する焼結体の抵抗値の変化を小さくする効果もある
ため、広範囲な温度域で使用可能な静電チャック１を提
供できるからである。

【００２０】ただし、セリウム（Ｃｅ）の含有量が酸化
物換算で２容量％より少ないと、抵抗値の急激な低下を
抑えるとともに、抵抗値を制御する効果が得られず、逆
に、２０容量％より多くなると焼結体の抵抗値が１０⁸
Ω・ｍ未満と小さくなりすぎるために吸着時における漏
れ電流量が多くなり、被固定物Ｗがシリコンウエハであ
る場合には悪影響を与えることになる。

【００２１】従って、セリウム（Ｃｅ）は酸化物換算で
２〜２０容量％、特に１０〜１５容量％の範囲で含有す
ることが良い。

【００２２】なお、主成分である窒化アルミニウムは難
焼結材であるため、焼結性を高める観点から焼結助剤と
してイットリウム（Ｙ），エルビウム（Ｅｒ），イッテ
ルビウム（Ｙｂ）等を酸化物換算で２容量％以下の範囲
で含有しても良い。

【００２３】さらに、焼結体中における窒化アルミニウ
ムの平均結晶粒子径は２〜５０μｍ、好ましくは１０〜
３０μｍであるものが良い。これは、窒化アルミニウム
の平均結晶粒子径を２μｍ未満とすることは製造上難し
く、平均結晶粒子径が５０μｍより大きくなると緻密化
することが難しくなり、焼結体の強度、硬度が大幅に低
下することからウエハＷとの脱着に伴う摺動によって静
電チャック１の当接面３が摩耗し易くなり、また、成膜
工程やエッチング工程等におけるプラズマや腐食性ガス
によって腐食摩耗し易くなるために、静電チャック１の
寿命が短くなるとともに、被固定物Ｗにパーティクルを
発生させるからである。

【００２４】一方、セラミック基体２に埋設する静電吸
着用の電極４としては、焼成時及び加熱時におけるセラ
ミック基体２との密着性を高めるために、セラミック基
体２を構成する窒化アルミニウム質焼結体と熱膨張係数
が近似したタングステン（Ｗ）、モリブデン（Ｍｏ）、
白金（Ｐｔ）等の耐熱性金属により形成することが良
く、また、給電端子５もセラミック基体２との熱膨張差
を小さくするために、タングステン（Ｗ）、モリブデン
（Ｍｏ）、白金（Ｐｔ）等の耐熱性金属や鉄−コバルト
−クロム合金により形成すれば良い。

【００２５】ところで、図１に示す静電チャック１を製
造するには、まず、セラミック基板２を構成する窒化ア
ルミニウム質焼結体として、ＡｌＮ粉末に対し、Ｔｉ
Ｎ，ＮｂＮ，ＴａＮ，ＺｒＮ，ＨｆＮ，ＶＮ等の周期律
表４Ａ，５Ａ族元素の窒化物やＴｉＣ，ＮｂＣ，Ｔａ
Ｃ，ＺｒＣ，ＨｆＣ，ＶＣ等の周期律表４Ａ，５Ａ族元
素の炭化物を１２〜２２．５容量％の範囲で添加すると
ともに、ＣｅＯ₂ の粉末を２〜２０容量％の範囲で添加
する。なお、前記周期律表４Ａ，５Ａ族元素の窒化物や
炭化物は、Ｔｉ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｖなどの金
属酸化物の状態で添加しても良く、還元雰囲気中で焼成
することによりそれぞれの炭化物や窒化物とすることが
できる。そして、この混合物にバインダーと溶媒を加え
て泥漿を作製したあと、ドクターブレード法にてグリー
ンシートを複数枚成形し、このうち１枚のグリーンシー
ト上に静電吸着用の電極４をなす金属ペーストをスクリ
ーン印刷機にて所定の電極パターン形状に敷設する。

【００２６】そして、この電極パターンを覆うように残
りのグリーンシートを積層し、５０〜１５０℃、３０〜
７０ｋｇ／ｃｍ² の圧力で熱圧着することによりグリー
ンシート積層体を製作したあと、上記グリーンシート積
層体に切削加工を施して円盤状とする。しかるのち、上
記グリーンシート積層体を真空脱脂したあと、窒素雰囲
気下において１５００〜２０００℃程度の温度で１〜数
時間程度焼成することにより、タングステンからなる静
電吸着用の電極４を埋設してなる円盤状のセラミック基
体２を製作したあと、静電吸着用の電極４が埋設されて
いる側の表面に研磨加工を施して当接面３を形成すると
ともに、当接面３と反対側の面に前記静電吸着用の電極
４と連通する穴を穿孔し、該穴に給電端子５をロウ付け
接合することにより図１に示す静電チャック１を得るこ
とができる。

【００２７】なお、図１に示す静電チャック１では、セ
ラミック基体２の内部に静電吸着用の電極４のみを備え
た例を示したが、例えば、上記静電吸着用の電極４以外
にヒータ用の電極を埋設しても良く、この場合、ヒータ
用の電極により静電チャック１を直接発熱させることが
できるため、間接加熱方式のものに比べて熱損失が少な
く、また、セラミック基体２そのものが高熱伝導特性を
有する窒化アルミニウム質焼結体からなるため、当接面
３に保持した被固定物Ｗをムラなく均一に加熱すること
ができる。さらに、静電吸着用の電極４以外にプラズマ
発生用電極をセラミック基体２内に埋設しても良く、こ
の場合成膜装置やエッチング装置の構造を簡略化するこ
とができる。

【００２８】また、本実施形態ではセラミック基体２の
全体を、誘電率１３以上を有するとともに、２００℃以
下の温度域における体積固有抵抗値が１０⁹ Ω・ｃｍ以
上１０¹²Ω・ｃｍ未満の範囲にある窒化アルミニウム質
焼結体により形成した例を示したが、少なくとも被固定
物Ｗを吸着保持する当接面３が上記誘電率と抵抗値を有
する窒化アルミニウム質焼結体により形成してあれば良
い。

【００２９】（実施例）誘電率及び体積固有抵抗値の異
なる窒化アルミニウム質焼結体によりセラミック基体２
を形成した図１の静電チャック１を試作し、プラズマ機
能を備えたエッチング装置に組み込んでシリコンウエハ
Ｗを加工した時の吸着力とエッチング速度についてそれ
ぞれ実験を行った。

【００３０】本実験では、セラミック基体２を構成する
窒化アルミニウム質焼結体としてＴｉＮ，ＴａＮ，Ｔｉ
Ｃ，ＮｂＮ，ＶＮ，ＺｒＮのいずれか一種とＣｅＯ₂ を
含有したものを用い、これらの含有量を異ならせること
により誘電率と抵抗値の異なるものを製作した。

【００３１】そして、２５℃の温度域でこれらの静電チ
ャック１に５００Ｖの電圧を印加してウエハＷを吸着保
持させ、その時の吸着力を測定するとともに、この状態
でプラズマを発生させてウエハＷをエッチングし、単位
時間あたりの処理速度をエッチング速度として算出し
た。

【００３２】それぞれの結果は表１に示す通りである。

【００３３】

【表１】

【００３４】この結果、試料Ｎｏ．１〜３では、ＴｉＮ
の添加量が少ないために窒化アルミニウム質焼結体の抵
抗値が１０¹³Ω・ｃｍ以上と高く、その結果、クーロン
力による吸着力しか得られず、その吸着力は高いもので
も７０ｇ／ｃｍ² 程度であった。また、誘電率も１３未
満であることから、エッチング速度は高いものでも１１
００Å／ｍｉｎであった。

【００３５】また、試料Ｎｏ．６，８，１０は、窒化ア
ルミニウム質焼結体の抵抗値が１０⁹ Ω・ｃｍであるた
め、ジョンソン・ラーベック力による吸着力を発現させ
ることができ、その吸着力を１００ｇ／ｃｍ² 以上とす
ることができたものの、誘電率が１３未満であることか
ら、エッチング速度は１１００Å／ｍｉｎであった。

【００３６】さらに、試料Ｎｏ．９，11では、ＴｉＮの
添加量が多すぎるために窒化アルミニウム質焼結体の抵
抗値が１０⁵ Ω・ｃｍにまで低下し、吸着力を高めるこ
とができたものの、漏れ電流量が多くウエハＷに悪影響
を与える恐れがあった。

【００３７】これに対し、試料Ｎｏ．４，５，７，12〜
16は、窒化アルミニウム質焼結体の抵抗値が１０⁹ Ω・
ｃｍ以上１０¹²Ω・ｃｍ未満の範囲にあるため、ジョン
ソン・ラーベック力による吸着力を発現させることがで
き、その吸着力を１００ｇ／ｃｍ² 以上とすることがで
きるとともに、誘電率も１３以上であることからエッチ
ング速度を１５００Å／ｍｉｎ以上にまで高めることが
できた。

【００３８】

【発明の効果】以上のように、本発明の静電チャックに
よれば、ウエハを静電吸着力により吸着保持する当接面
が、誘電率１３以上を有するとともに、２００℃以下の
温度域における体積固有抵抗値が１０⁹ Ω・ｃｍ以上１
０¹²Ω・ｃｍ未満の範囲にある窒化アルミニウム質焼結
体からなるため、２００℃以下の温度雰囲気下において
ジョンソン・ラーベック力による吸着力を発現させ、高
い吸着力でもって被固定物を精度良く保持することがで
きることから、被固定物への成膜精度やエッチング精度
を高めることができるとともに、被固定物へのプラズマ
密度を高めることができるため、成膜やエッチングの処
理速度を高めることができ、生産効率を大幅に向上させ
ることができる。

【図面の簡単な説明】

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

【符号の説明】

１・・・静電チャック ２・・・セラミック基体 ３・
・・当接面 ４・・・静電吸着用の電極 ５・・・給電端子 Ｗ・・
・被固定物

Claims (1)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】被固定物を静電吸着力により吸着保持する
   当接面が、誘電率１３以上を有するとともに、２００℃
   以下の温度域における体積固有抵抗値が１０⁹Ω・ｃｍ
   以上１０¹²Ω・ｃｍ未満の範囲にある窒化アルミニウム
   質焼結体からなる静電チャック。