JPH11176920A - 静電吸着装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 （修正有） 【課題】 静電吸着部の絶縁性誘電体層の体積固有抵抗
値を下げて静電力を高めると共に、電圧の印加を止めた
時の離脱能力の劣化がなく、半導体デバイスに対する不
純物汚染がなく、絶縁性誘電体層に微小クラックやポア
が残存しない耐電圧特性にも優れた静電吸着装置を提供
する。 【解決手段】 絶縁性誘電体層２で被覆されている導電
体電極１に電圧を印加して絶縁性誘電体層に試料を静電
吸着させる静電吸着装置７において、絶縁性誘電体層の
主成分が、２５℃における体積固有抵抗値が１×１０¹⁴
Ω・ｃｍ以上の高抵抗セラミックス粉末に、ＴｉＯ₂ を
２．５〜５重量％及び５重量％以下のＴｉＮの粉末を添
加し、混練、成形、焼成した焼結体であり、かつ焼結体
の２５℃における体積固有抵抗値を１×１０⁸ 〜８×１
０¹³Ω・ｃｍとした静電吸着装置。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、静電チャック、特
には導電性、半導電性または絶縁性の対象物を低温から
高温まで強く静電的に吸着保持し、容易に脱着すること
ができる、半導体や液晶の製造プロセス等に有用とされ
る静電吸着装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体や液晶の製造プロセス、特にドラ
イエッチング、イオン注入、蒸着等の工程については近
年その自動化、ドライ化が進んでおり、従って、真空条
件下で行われる製造工程も増加してきている。

【０００３】また、基板としてのシリコンウエーハやガ
ラス基板などはその大口径化が進み、回路の高集積化、
微細化に伴って、パターニング時の位置精度も益々重要
視されてきている。そのため、基板の搬送や吸着固定に
は真空チャックが使用されているが、この真空チャック
は真空条件下では圧力差がないために使用できず、ま
た、非真空下では基板を吸着することはできるが、吸着
部分が局部的に吸引されるために、吸引された基板には
部分的な歪みを生じ、高精度な位置合せができないとい
う欠点があるため、最近の半導体や液晶の製造プロセス
には不適当なものとされている。

【０００４】このような欠点を改善したものとして、静
電気力を利用して、基板を搬送したり、これを吸着固定
する静電吸着装置が注目され、使用され始めており、最
近の半導体、液晶の製造プロセスではデバイスの微細化
に伴って、基板であるウエーハやガラス板の平坦度が益
々重視され、その矯正に静電吸着装置を利用することも
検討されてきている。

【０００５】このような基板の平坦度の矯正には極めて
大きな静電力が必要とされ、そのためにはアルミナのよ
うな絶縁体にチタニア（ＴｉＯ₂ ）を混合して体積固有
抵抗値を下げて静電吸着力を向上させるということが提
案されている（特開昭６２−９４９５３号、特開平２−
２０６１４７号、特開平３−１４７８４３号、特開平３
−２０４９２４号、各公報参照）。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、上記し
たように静電力を高めるために、静電吸着部の絶縁性誘
電体層にチタニアを混ぜたアルミナを使用すると、体積
固有抵抗値が下がり、微小電流が流れ、ジョンソン・ラ
ーベック効果により静電力は向上するが、チタニアが半
導体物質であるために、電荷の移動速度が遅くなって、
体積固有抵抗値を適正化しても電圧の印加を止めた時の
応答特性（飽和吸着力到達時間、残留吸着力消滅時間）
が劣るようになり、試料が吸着面から容易に脱着できな
くなってしまう。この応答特性の劣化は、低温で使用に
した時に顕著になるという欠点がある。

【０００７】また、体積固有抵抗値を例えば、１×１０
⁸ Ω・ｃｍにするためにはＴｉＯ₂を２５重量％程度混
合する必要があるが、半導体の製造プロセスにおいては
このような不純物の混入は極力避けなければならない。
また、吸着する半導体ウエーハが室温以上では、体積固
有抵抗値が低過ぎるために、吸着装置からウエーハに大
きなリーク電流が流れてウエーハの回路が破壊されると
いう問題点があった。さらに、チタニアとアルミナとの
熱膨張係数の差から焼結後のアルミナに微小クラックが
残存していたり、ポアが発生していたりして、耐電圧が
低いという問題点があった。

【０００８】本発明は、このような問題点に鑑みなされ
たもので、絶縁性誘電体層として、半導体デバイスに対
してダメージを与えるような不純物の添加を極力抑える
と共に、静電吸着部の絶縁性誘電体層の体積固有抵抗値
を下げて静電吸着力を高め、電圧の印加を止めた時の脱
着能力の劣化がなく、微小クラックやポアが残存しない
耐電圧特性にも優れた静電吸着装置を提供することを主
目的とする。

【０００９】

【課題を解決するための手段】このような課題を解決す
るため、本発明の請求項１に記載した発明は、絶縁性誘
電体層で被覆されている導電体電極に電圧を印加して、
該絶縁性誘電体層に試料を静電吸着させる静電吸着装置
において、該絶縁性誘電体層の主成分が、２５℃におけ
る体積固有抵抗値が１×１０¹⁴Ω・ｃｍ以上の高抵抗セ
ラミックス粉末に、チタニア（ＴｉＯ₂ ）を２．５〜５
重量％及び５重量％以下の窒化チタン（ＴｉＮ）の粉末
を添加し、混練、成形、焼成した焼結体であり、かつ該
焼結体の２５℃における体積固有抵抗値を１×１０⁸ 〜
８×１０¹³Ω・ｃｍとしたことを特徴とする静電吸着装
置である。

【００１０】このように、絶縁性誘電体層の主成分を、
２５℃における体積固有抵抗値が１×１０¹⁴Ω・ｃｍ以
上の高抵抗セラミックス粉末に、チタニア（ＴｉＯ₂ ）
を２．５〜５重量％及び５重量％以下の窒化チタン（Ｔ
ｉＮ）の粉末を添加し、混練、成形、焼成した焼結体と
すれば、該焼結体中あるいは粒界でＴｉＯ₂ とＴｉＮま
たはＡｌ₂ Ｏ₃ とＴｉＮの間等でオキシナイトライドの
形成が起こり、焼結体の電気的性質が安定化し、該焼結
体の２５℃における体積固有抵抗値を１×１０⁸ 〜８×
１０¹³Ω・ｃｍの範囲内に簡単にかつ正確に制御するこ
とができ、電荷の移動速度がＴｉＯ₂ だけを添加した場
合より速くなり、静電吸着力が強く均一になり、脱着応
答特性が速く、特に離脱が容易であり、熱膨張係数も小
さく、焼結後の絶縁性誘電体層中に微小クラックやポア
が残存しない耐電圧特性の高い静電吸着部を形成するこ
とができる。

【００１１】本発明の請求項２に記載した発明は、前記
高抵抗セラミックスの種類を、少なくともアルミナ、窒
化アルミニウム、酸化ジルコニウムから選択される１種
のセラミックス、または２種以上の混合物とすることが
できる。

【００１２】絶縁性誘電体層のセラミックスとしてこの
ような材質を選択すれば、前記ＴｉＯ₂ とＴｉＮを配合
することによって高い静電吸着力が得られると共に耐熱
性、プラズマ耐久性が高いものとなる。また、セラミッ
クスに配合するＴｉＯ₂ 、ＴｉＮとセラミックスとの間
に存在する熱膨張率の差を出来るだけ小さくすることが
できるので、焼結後の静電吸着部の吸着面に歪みを生じ
たり、割れやクラックを発生することはなく、耐電圧特
性が改善され、ひいては、吸着固定している半導体ウエ
ーハやガラス板等の基板に歪み、割れ、クラック等の欠
陥の発生を大幅に減らすことができる。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を詳細
に説明するが、本発明はこれらに限定されるものではな
い。本発明者らは、静電吸着装置において、静電吸着力
は強いが、脱着が十分機能せず、また、ＴｉＯ₂ の添加
が半導体プロセスに対して不純物の増加となるのを防止
するには、絶縁性誘電体層の材質を改質することが必要
と考え、材質をセラミックスにＴｉＯ₂ 及びＴｉＮを特
定量配合したものとすれば、静電吸着力は強く、脱着が
十分機能すると共に、絶縁性誘電体層に微小クラックや
ポアが発生することなく、耐電圧も低下しない長寿命
で、高性能な静電吸着装置を作製できることを見出し、
諸条件を精査して本発明を完成させたものである。

【００１４】本発明の静電吸着装置の一例として、図１
にその縦断面図を示した。この静電吸着装置７は、双極
型電極１を絶縁性誘電体層２で被覆した板状構造を有す
る静電吸着部４を、プレート部５の上面に接着剤層３を
介して接合したもので、外部電源からリード線６を通し
て電極１に電圧を印加すると、静電吸着部４の上面に置
かれた試料、例えば半導体ウエーハとの間に静電力が発
生し、ウエーハを強力に吸着保持あるいは平坦度を矯正
保持することができる。

【００１５】本発明の静電吸着部４を構成する絶縁性誘
電体層２の主成分は、２５℃における体積固有抵抗値が
１×１０¹⁴Ω・ｃｍ以上の高抵抗セラミックス粉末に、
チタニア（ＴｉＯ₂ ）を２．５〜５重量％及び５重量％
以下の窒化チタン（ＴｉＮ）の粉末を添加し、混練、成
形、焼成した焼結体であり、かつ該焼結体の２５℃にお
ける体積固有抵抗値を１×１０⁸ 〜８×１０¹³Ω・ｃｍ
とするのがよい。

【００１６】このような配合で焼結体を作製すると、該
焼結体中あるいは粒界でＴｉＯ₂ とＴｉＮまたはＡｌ₂
Ｏ₃ とＴｉＮの間等でオキシナイトライドの形成が起こ
り、焼結体の電気的性質が安定化し、該焼結体の２５℃
における体積固有抵抗値を１×１０⁸ 〜８×１０¹³Ω・
ｃｍの範囲内に簡単にかつ正確に制御することができ、
電荷の移動速度がＴｉＯ₂ だけを添加した場合より速く
なり、静電吸着力が強く均一になり、脱着も容易で、熱
膨張係数も小さく、焼結後の絶縁性誘電体層中に微小ク
ラックやポアが残存しない耐電圧特性の高い静電吸着部
４を形成することができる。

【００１７】前述のように、従来の技術では、アルミナ
（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）に対してチタニア（Ｔｉ₂ Ｏ）を数〜２
５重量％混合して絶縁性誘電体層の体積固有抵抗値を常
温で１０⁹ 〜１０¹¹Ω・ｃｍ程度に調整して静電力を向
上させていたが、チタニアが半導体物質であるために、
電荷の移動速度が遅くなって、体積固有抵抗値を適正化
しても電圧の印加を止めた時の応答特性（飽和吸着力到
達時間、残留吸着力消滅時間）が劣るようになり、試料
が吸着面から容易に離脱できなくなってしまう。また、
チタニアとアルミナとの熱膨張係数の差から焼結後のア
ルミナに微小クラックやポアが発生していたりして、耐
電圧が低くなるという問題点があった。

【００１８】このような観点から、セラミックスの体積
固有抵抗値を適性な値に下げるための添加物について、
チタニア以外の化合物について調査、探索した結果、Ｔ
ｉＯ₂ とＴｉＮとを混合添加することが極めて有効であ
ることを見出し、添加量と体積固有抵抗値の関係を求
め、静電吸着部としての諸物性を確認し、さらに半導体
ウエーハに対する影響を調査した上で採用した。

【００１９】また、静電吸着部４の絶縁性誘電体層２の
セラミックスには、２５℃における体積固有抵抗値が１
×１０¹⁴Ω・ｃｍ以上の高抵抗セラミックス粉末がよ
く、酸化アルミニウム（アルミナ）、窒化アルミニウ
ム、酸化ジルコニウムから選択される１種、または、２
種以上の混合物を使用することができる。そして、本発
明では、上記したように、これらのセラミックスにＴｉ
Ｏ₂ 及びＴｉＮを配合して体積固有抵抗値を所望の値に
調整し、静電力の強い絶縁性誘電体層を形成することが
できる。

【００２０】この静電吸着部４を構成する絶縁性誘電体
層２の体積固有抵抗値は、使用する温度により適正な値
があり、例えば、吸着保持される半導体ウエーハの温度
が２５℃以下の時には、絶縁性誘電体層の体積固有抵抗
値が、１×１０⁸ 〜１×１０¹²Ω・ｃｍ程度であれば、
静電力が充分に発揮されデバイスダメージも起こらな
い。

【００２１】静電チャック用の絶縁性誘電体としては、
その２５℃における体積固有抵抗値を１×１０⁸ 〜８×
１０¹³Ω・ｃｍｍの範囲内、特には１０¹⁰〜１０¹²とす
るのが好ましいが、これを実現するために絶縁性セラミ
ックスに添加するＴｉＯ₂ 及びＴｉＮの添加量は、Ｔｉ
Ｏ₂ ２．５重量％未満及びＴｉＮ無添加では少な過ぎて
抵抗値が下がらず、静電力が弱くてウエーハを保持出来
ず、ＴｉＯ₂ ５重量％超過及びＴｉＮ５重量％超過では
抵抗値が下がり過ぎ、静電力が強過ぎて半導体デバイス
にダメージが発生することになるので、ＴｉＯ₂ は２．
５〜５重量％及びＴｉＮは５重量％以下の範囲で添加混
合するのが良い。

【００２２】そして、上記条件下、すなわち、ＴｉＯ₂
及びＴｉＮ混合セラミックスを主成分とする絶縁性誘電
体層は、該絶縁性誘電体層を形成する焼結体中あるいは
粒界でＴｉＯ₂ とＴｉＮまたはＡｌ₂ Ｏ₃ とＴｉＮの間
等でオキシナイトライドの形成が起こり、焼結体の電気
的性質が安定化し、該焼結体の２５℃における体積固有
抵抗値が１×１０⁸ 〜８×１０¹³Ω・ｃｍの範囲内の静
電吸着部について、電荷の移動速度がＴｉＯ₂ だけを添
加した場合より速くなり、静電吸着力が強く均一になる
と共に、そのウエーハの離脱は電圧の印加を切断すると
同時に吸着力は消滅し、容易に離脱できるので、静電気
的吸着・離脱応答特性は極めて良好なものとなってい
る。

【００２３】なお、静電力は、一般に次式、 Ｆ＝Ａ・ε・（Ｖ／ｔ）² ［（ここにＦ：静電力（Ｃ）、ε：誘電率（Ｆ／ｍ）、
Ｖ：印加電圧（ｖ）、ｔ：厚さ（μｍ）、Ａ：定数］で
表される。この絶縁体中には副成分として高誘電体のセ
ラミックス粉末、例えば、チタン酸バリウム、チタン酸
鉛、チタン酸ジルコニウム、ＰＬＺＴ（ジルコン酸チタ
ン酸鉛ランタン）、シリカ、マグネシア等を、被吸着物
である半導体デバイスにダメージを発生させない程度で
あれば添加しても構わない。

【００２４】この静電吸着部４を製造する方法の一例と
しては、先ず、セラミックス粉末にバインダー、溶剤を
混練してグリーンシートを作り、この一面に金属粉末ペ
ーストを用いてスクリーン印刷で電極１を印刷する。次
いで、別のグリーンシートを重ね合せて、高圧プレスで
加圧して一体化し、高温で焼結して焼結体とし、最後に
この焼結体の両面を精密に研磨して板状の静電吸着部４
を得る。別の例としては、電極１として金属板または導
電性セラミックスシートを用意し、この両面に絶縁性セ
ラミックスを所望の厚さまで溶射して板状に成形した
後、この両面を高精度に研磨して静電吸着部４を作るこ
とができる。

【００２５】本発明の静電吸着部４を構成する導電体電
極１の材料としては、アルミニウム、鉄、銅、銀、金、
チタン、タングステン、モリブデン、白金等の金属、グ
ラファイト、カーボン、炭化けい素、窒化チタン、炭化
チタン等の導電性セラミックスから選択される１種また
は２種以上の合金或はこれらの混合焼結体が使用され
る。

【００２６】この電極１を形成するには、スクリーン印
刷法、溶射法、フォトリソグラフィー或はメッキ法等が
使用される。そして、この吸着用電場を形成するには、
被吸着物を一方の電極とし、もう片方の電極を静電吸着
部４内に置いた単極型のものとするか、または、静電吸
着部４内に二つの電極を配置した双極型としてもよい。

【００２７】この静電吸着部４に静電力を発生させるた
めには、内部電極１に電圧を印加する必要があるため、
電極を被覆するセラミックスの一部に内部電極１に通じ
る穴を設け、外部電源から電極にリード線を配線してい
る。電極の材質が、銅、白金、ニッケルメッキや金メッ
キを施したタングステン等のように半田付けが可能な場
合には、静電チャック使用温度以上の融点を持つ半田に
より電極にリード線を半田付けしている。また、この電
極がグラファイト、タングステン、窒化チタン等のよう
に半田付け不可能な材質の場合には、セラミックスの熱
膨張率に合致した合金等でネジ付きピンを孔部に通して
電極に銀ロウ付けする構造がとられている。

【００２８】ここで、プレート部５は、前記静電吸着部
４が薄い板状で破損し易いので、先ず第一に補強材とし
て貼り合わせる補強板であり、次いで一般的には熱伝導
が良好で放熱し易いもの、かつ、熱膨張係数が小さくて
静電吸着部に歪み、反り等を与えないものがよく、酸化
アルミニウム、窒化アルミニウム、窒化けい素、酸化け
い素、酸化ジルコニウム、酸化チタン、サイアロン、窒
化ほう素および炭化けい素等から選択される１種のセラ
ミックス、または２種以上の混合焼結体が好ましい。ま
た、これらセラミックス板とＡｌ、Ｃｕ、Ｔｉ等の金属
板またはステンレス等の合金板とを一体化した積層板も
使用することができる。

【００２９】前記静電吸着部４とプレート部５の接合に
は、通常耐熱性の高い、熱硬化性合成樹脂接着剤が使用
される。特に、常温において液状のものを用いれば、静
電吸着部とプレート部の接合が均一に容易に行えるし、
あらゆる形態のものに適用できる。この液状接着剤の塗
布には、スピンコート、バーコート、スプレーコートな
どの塗装方法が使用される。

【００３０】

【実施例】以下、本発明の実施例を挙げて具体的に説明
するが、本発明はこれらに限定されるものではない。 （実施例）アルミナ（Ａｌ₂ Ｏ₃ ）粉末９３重量％、シ
リカ粉末４重量％、マグネシア３重量％からなるセラミ
ックス混合物１００重量部に、ＴｉＯ₂ 粉末２．５重量
部とＴｉＮ粉末１．５重量部、ブチラール樹脂８重量
部、エタノール６０重量部およびフタル酸ジオクチル１
０重量部を添加した後、ボールミル中で２４時間混練し
てスラリーを作製した。

【００３１】次いで、このスラリーを真空脱泡機で処理
して、その溶剤の一部を蒸発させて粘度３０，０００ｃ
ｐｓとし、ドクターブレードを用いて厚さ１ｍｍのグリ
ーンシートを作り、それから直径が１６０ｍｍの円板２
枚を切り出し、その内１枚にタングステンペーストを用
いてスクリーン印刷により双極型電極を２．５ｍｍの間
隔で同心円状に印刷した。また、残る１枚のグリーンシ
ートの中心部に直径２ｍｍの孔を開け電極との接合部と
した。

【００３２】そして、電極を印刷したグリーンシートの
印刷面上に、前記孔を設けたもう１枚のグリーンシート
を重ね合せ、１００℃に加熱したプレスで３０ｋｇ／ｃ
ｍ²の圧力をかけて一体化し、その後、水素１５容量
％、窒素８５容量％の雰囲気ガス中で１，６５０℃の温
度で焼結し、得られた焼結体の両面を研磨し、厚さ１ｍ
ｍの静電吸着部を作製した。このものの２５℃における
体積固有抵抗値を測定した所、２×１０¹¹Ω・ｃｍであ
った。また、焼結セラミックス層には、微小クラック、
ポア、反り等は見られなかった。

【００３３】次いで、静電吸着部の中心の穴から見える
タングステン電極にニッケルメッキおよび金メッキを施
し、これにリード線を２本、融点３５０℃の半田で半田
付けして、静電吸着装置を作製した。

【００３４】次に、この静電吸着装置に直径６インチの
シリコンウエーハを載置し、ウエーハの温度が０℃とな
るように冷却しながら、リード線間にＤＣ±１ｋＶの電
圧を印加して静電力テスターでその静電力を測定した
所、６ｋｇ／ｃｍ² の大きさで、ウエーハの平坦度矯正
に充分なものであった。また、印加電圧を切断した所、
素早く追従してウエーハを離脱させることができた。

【００３５】（比較例）実施例におけるＴｉＯ₂ 及びＴ
ｉＮの代わりにチタニア（ＴｉＯ₂ ）を５．５重量部添
加混合したものを使用した他は、実施例と同様に処理し
て静電吸着部を作製し、このものの２５℃における体積
固有抵抗値を測定した所、１×１０¹⁴Ω・ｃｍであっ
た。また、耐熱性を見るために、ウエーハ温度が１００
℃になるように加熱しながら静電力テスターでその静電
力を測定したところ、１ｋｇ／ｃｍ² であり、実用上不
十分な値であった。また、静電吸着部の応答が悪かっ
た。

【００３６】なお、本発明は、上記実施形態に限定され
るものではない。上記実施形態は、例示であり、本発明
の特許請求の範囲に記載された技術的思想と実質的に同
一な構成を有し、同様な作用効果を奏するものは、いか
なるものであっても本発明の技術的範囲に包含される。

【００３７】

【発明の効果】本発明の静電吸着装置は、試料を静電吸
着する静電吸着部の絶縁性誘電体層の主な材質を、体積
固有抵抗値が１×１０¹⁴Ω・ｃｍ以上の高抵抗セラミッ
クス粉末に、チタニア（ＴｉＯ₂ ）を２．５〜５重量％
及び５重量％以下の窒化チタン（ＴｉＮ）の粉末を添加
し、混練、成形、焼成した焼結体とし、かつ該焼結体の
体積固有抵抗値を１×１０⁸ 〜８×１０¹³Ω・ｃｍの範
囲に制御したもので、静電吸着力が強く均一で、脱着応
答特性に優れ、不純物が少ないので半導体デバイスにダ
メージを与えることが極めて少ない。また熱膨張係数も
小さいので、焼結後の基材中に微小クラックやポアの残
存しない耐電圧特性にも優れた高性能を発揮するものと
なり、産業上その利用価値は極めて高いものである。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の静電吸着装置の一例を示す縦断面図で
ある。

【符号の説明】

１…電極、 ２…絶縁性誘電体層、 ３…接着剤層、 ４…静電吸着部、 ５…プレート部、 ６…リード線、 ７…静電吸着装置。

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 絶縁性誘電体層で被覆されている導電体
   電極に電圧を印加して、該絶縁性誘電体層に試料を静電
   吸着させる静電吸着装置において、該絶縁性誘電体層の
   主成分が、２５℃における体積固有抵抗値が１×１０¹⁴
   Ω・ｃｍ以上の高抵抗セラミックス粉末に、チタニア
   （ＴｉＯ₂ ）を２．５〜５重量％及び５重量％以下の窒
   化チタン（ＴｉＮ）の粉末を添加し、混練、成形、焼成
   した焼結体であり、かつ該焼結体の２５℃における体積
   固有抵抗値を１×１０⁸ 〜８×１０¹³Ω・ｃｍとしたこ
   とを特徴とする静電吸着装置。
2. 【請求項２】 前記高抵抗セラミックスが、少なくとも
   アルミナ、窒化アルミニウム、酸化ジルコニウムから選
   択される１種のセラミックス、または２種以上の混合物
   であることを特徴とする請求項１に記載した静電吸着装
   置。