KR20110030364A

KR20110030364A - 정전 척 및 그 제조 방법

Info

Publication number: KR20110030364A
Application number: KR1020100090084A
Authority: KR
Inventors: 마사오 니시오카
Original assignee: 엔지케이 인슐레이터 엘티디
Priority date: 2009-09-17
Filing date: 2010-09-14
Publication date: 2011-03-23
Also published as: JP2011086919A; JP5396353B2; KR101531726B1; US20110063771A1; US8498093B2

Abstract

본 발명은 MgO 세라믹스 기체에 전극을 매설한 정전 척에 있어서, 마이크로 크랙이나 휨의 발생을 억제하고 유전체층으로의 전극 재료의 확산을 방지하는 것을 목적으로 한다.
정전 척(10)은, 웨이퍼(W)를 배치할 수 있는 웨이퍼 배치면(12a)이 형성된 세라믹스 기체(12)에, 정전 전극(14)이 웨이퍼 배치면(12a)과 평행이 되도록 매설된 것이다. 세라믹스 기체(12)는, MgO 함량이 99 중량% 이상인 치밀한 세라믹스로 이루어진다. 정전 전극(14)은, 원반형의 전극이고, 예컨대 Ni, Co 및 Fe로 이루어지 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속으로 형성되어 있다. 이 정전 전극(14)은, 중심에 도전성의 태블릿(16)이 접속되어 있다. 이 태블릿(16)은, 세라믹스 기체(12)의 이면(12b)으로부터 태블릿(16)에 도달하도록 형성된 카운터보어홀(18)의 바닥면에 노출되고, 이 카운터보어홀(18)에 삽입된 Ni제의 급전 단자(20)와 접합되어 있다.

Description

정전 척 및 그 제조 방법{ELECTROSTATIC CHUCK AND METHOD FOR PRODUCING SAME}

본 발명은 정전 척 및 그 제조 방법에 관한 것이다.

반도체 디바이스의 제조 공정에서는, 정전 척의 웨이퍼 배치면에 반도체 웨이퍼를 흡착 유지하고, 그 흡착 유지한 반도체 웨이퍼에 가열 처리나 에칭 처리 등의 각종 처리가 실시된다. 정전 척은, 웨이퍼 배치면이 형성된 원반형의 세라믹스 기체에, 웨이퍼 배치면에 정전기적인 힘을 발생시키기 위한 정전 전극이 매설된 것이고, 필요에 따라 웨이퍼 배치면을 가열하기 위한 히터 전극(저항 발열 소자라고도 함)이 매설되어 있다. 세라믹스 기체는, 알루미나 소결체나 질화알루미늄 소결체로 형성된 것 외에도, 정전 척이 불소를 함유하는 가스와 접촉하는 환경하에서 사용되는 것을 고려하여 불소에 대한 내식성이 높은 재료, 예컨대 이트리아 소결체나 마그네시아 소결체로 형성된 것도 제안되어 있다. 예컨대 특허문헌 1에서는 마그네시아(MgO)를 주성분으로 하는 세라믹스를 이용한 존슨-라벡형 정전 척이 제안되어 있다.

특허문헌 1: 일본 특허 공개 제2001-308167호 공보

그러나, MgO를 주성분으로 하는 세라믹스 기체를 이용한 정전 척에 있어서, 정전 전극이나 히터 전극에 어떠한 재료가 적합한지는 현재는 알려져 있지 않다. 본원 발명자가 검증한 결과, 적절한 전극 재료를 선택하지 않으면, 정전 척에 마이크로 크랙이 생기거나, 정전 척에 휨이 발생하거나, 전극 재료가 정전 척의 유전체층으로 확산되어, 정전 척으로서 기능하지 않는 문제가 생기는 것을 알았다.

본 발명은 이러한 과제를 해결하기 위해 이루어진 것으로, MgO 세라믹스 기체에 전극을 매설한 정전 척에 있어서, 마이크로 크랙이나 휨의 발생을 억제하고 유전체층으로의 전극 재료의 확산을 방지하는 것을 주목적으로 한다.

본 발명의 정전 척 및 그 제조 방법은, 전술한 주목적을 달성하기 위해 이하의 수단을 채용하였다.

본 발명의 정전 척은,

웨이퍼 배치면이 형성된 MgO 세라믹스 기체에 정전 전극이 상기 웨이퍼 배치면과 평행이 되도록 매설된 정전 척으로서,

상기 정전 전극은,

(1) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 소성한 도전 물질,

(2) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 TiC, TaC 및 NbC으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말의 혼합물을 소성한 도전 물질,

(3) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 MgO 분말의 혼합물을 소성한 도전 물질,

(4) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 TiC, TaC 및 Nb으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말과 MgO 분말의 혼합물을 소성한 도전 물질,

(5) Cr₃C₂ 분말과 MgO 분말의 혼합물을 소성한 도전 물질, 또는

(6) WC, TiC, TaC 및 NbC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말과 MgO 분말의 혼합물을 소성한 도전 물질

로 형성되어 있는 것이다.

이러한 정전 척은, 상기 웨이퍼 배치면과 평행이 되도록 매설되고, 상기 (1)∼(6) 중 어느 하나로 형성된 히터 전극을 구비하고 있어도 좋다. 이 히터 전극은 정전 전극과 동일한 재료로 형성되어 있어도 좋다.

본 발명의 정전 척의 제조 방법은,

웨이퍼 배치면이 형성된 MgO 세라믹스 기체(基體)에 정전 전극이 상기 웨이퍼 배치면과 평행이 되도록 매설된 정전 척의 제조 방법으로서,

MgO 세라믹스 소결체의 표면에 정전 전극용의 전극 페이스트로 원반형의 박막을 형성하고, 이 박막 상에 MgO 분말 성형체를 적층하여 적층체로 하고, 이 적층체를 핫 프레스 소성하여 소결시키는 공정을 포함하는 것, 또는

웨이퍼 배치면이 형성된 MgO 세라믹스 기체에 정전 전극 및 히터 전극이 상기 웨이퍼 배치면과 평행이 되도록 매설된 정전 척의 제조 방법으로서,

MgO 세라믹스 소결체의 표면에 정전 전극용 전극 페이스트로 원반형의 박막을 형성하고, 이 박막 상에 MgO 분말 성형체를 적층하여 제1 중간체로 하는 한편, 별도로 MgO 세라믹스 소결체의 표면에 히터 전극용 전극 페이스트로 히터 전극 패턴을 형성하여 제2 중간체로 하며, 상기 제1 중간체의 MgO 분말 성형체 상에 상기 제2 중간체를 상기 히터 전극 패턴이 상기 MgO 분말 성형체와 접하도록 적층하여 적층체로 하고, 이 적층체를 핫 프레스 소성하여 소결시키는 공정을 포함하는 것이며,

각 전극 페이스트는,

(a) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속,

(b) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 TiC, TaC 및 NbC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말의 혼합물,

(c) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 MgO 분말의 혼합물,

(d) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 TiC, TaC 및 NbC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말과 MgO 분말의 혼합물,

(e) Cr₃C₂ 분말과 MgO 분말의 혼합물, 또는

(f) WC, TiC, TaC 및 NbC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말과 MgO 분말의 혼합물

을 포함하는 페이스트이다. 단, 양 전극 페이스트는 같은 것이어도 좋고 상이한 것이어도 좋다.

본 발명의 정전 척에 의하면, MgO 세라믹스 기체에 전극을 매설한 정전 척에 있어서, 마이크로 크랙이나 휨의 발생을 억제하고 유전체층으로의 전극 재료의 확산을 방지할 수 있다. 이러한 정전 척은, 웨이퍼 배치면과 평행이 되도록 히터 전극이 매설되고, 이 히터 전극도 상기 (1)∼(6) 중 어느 하나로 형성된 것으로 하여도 좋다. 정전 전극과 히터 전극 모두를 구비하고 있는 경우, 정전 전극에 인가되는 고압 직류 전력이나 고주파 교류 전압이 히터 전극에 누설되어 누설 전류가 발생하면 웨이퍼 배치면의 온도 분포가 편재화(偏在化)되어 균열성이 악화될 우려가 있지만, 본 발명의 정전 척에서는 정전 전극이나 히터 전극이 상기 (1)∼(6) 중 어느 하나로 형성되어 있기 때문에, 누설 전류의 발생이 억제되고, 웨이퍼 배치면의 균열성이 양호해진다. 특히, 웨이퍼 온도 제어의 신속 응답이 요구되는 경우에는, 정전 척의 열용량을 작게 해야 하기 때문에 정전 척의 두께가 얇아지므로, 즉 정전 전극과 히터 전극과의 간격이 좁아지므로, 전술한 누설 전류가 발생하기 쉬운 상황이 되지만, 이러한 상황에서도 누설 전류의 발생이 억제되어 웨이퍼 배치면의 균열성을 양호하게 유지할 수 있다. 누설 전류의 발생이 억제되는 이유는, 단순히 정전 전극의 열팽창 계수가 MgO와 가깝기 때문에 마이크로 크랙이 발생하지 않을 뿐만 아니라, 이러한 정전 전극과 MgO의 반응성, 즉 정전 전극의 재료의 MgO로의 확산이 일어나지 않는 것에 의한다고 고려된다. 또한, MgO 세라믹스 기체는, 중금속 원소를 포함하지 않는(단, 수 ppm 이하의 불가피적으로 포함되는 것은 허용됨) 것이 바람직하다. 중금속 원소가 포함되면, 웨이퍼 배치면에 웨이퍼를 흡착한 상태에서 정전 전극에 대한 인가 전압을 제로로 하고 나서 웨이퍼의 흡착이 떨어질 때까지의 시간(탈착 응답 시간)이 길게 걸려, 시간당 웨이퍼 처리수(프로세스 작업 처리량)가 악화되기 때문이다. 한편, 본 발명의 정전 척의 제조 방법은, 전술한 정전 척을 제조하는 데 적합하다.

도 1은 제1 실시형태의 정전 척(60)을 중심축을 따라 평행하게 절단했을 때의 단면도.
도 2는 제1 실시형태의 정전 척(60)의 제조 공정도.
도 3은 제2 실시형태의 정전 척(10)을 중심축을 따라 평행하게 절단했을 때의 단면도.
도 4는 제2 실시형태의 정전 척(10)의 제조 공정도.

[제1 실시형태]

다음에, 제1 실시형태의 정전 척(60)에 대해서 설명한다. 도 1은 제1 실시형태의 정전 척(60)을 중심축을 따라 평행하게 절단했을 때의 단면도이고, 도 2는 이 정전 척(60)의 제조 공정도이다.

본 실시형태의 정전 척(60)은, 웨이퍼(W)를 배치할 수 있는 웨이퍼 배치면(62a)이 형성된 세라믹스 기체(62)에, 정전 전극(64) 및 히터 전극(65)이 웨이퍼 배치면(62a)과 평행이 되도록 매설된 것이다.

세라믹스 기체(62)는, MgO 함량이 99 중량% 이상이며 중금속 원소를 포함하지 않는 치밀한 MgO 세라믹스로 이루어지는 원반형의 부재이다. 여기서, 경금속 원소(Al, Si, Ca 등) 및 P, N의 불순물은 MgO 세라믹스에 포함되어 있어도 좋다. 또한, 수 ppm 이하의 불가피적으로 혼입하는 중금속 등이 포함되어 있어도 좋다. 이들은 유전체층의 체적 저항을 저하시키지 않고, 오염원이 되지 않기 때문이다.

정전 전극(64)은, 세라믹스 기체(62)보다 소직경의 원반형 박층 전극이다. 이 정전 전극(64)은, 중심에 도전성의 태블릿(66)이 접속되어 있다. 이 태블릿(66)은 세라믹스 기체(62)의 이면(62b)으로부터 태블릿(66)에 도달하도록 형성된 카운터보어홀(68)의 바닥면에 노출되어 있다. 또한, 세라믹스 기체(62) 중 정전 전극(64)의 상면과 웨이퍼 배치면(62a) 사이의 부분은 정전 척(60)의 유전체층으로서 기능한다. 카운터보어홀(68)에는, Ni제(製)의 급전 단자(70)가 삽입·고정되어 있다.

히터 전극(65)은, 세라믹스 기체(62)의 중심 근방의 일단으로부터, 일필서(一筆書)의 요령으로 세라믹스 기체(62)의 전체면에 걸쳐 둘러쳐진 후 중심 근방의 타단에 이르도록 형성되어 있다. 이 히터 전극(65)은 일단 및 타단에 각각 도전성의 태블릿(72)이 접속되어 있다. 이 태블릿(72)은 세라믹스 기체(62)의 이면(62b)으로부터 태블릿(72)에 도달하도록 형성된 카운터보어홀(74)의 바닥면에서 노출되어 있다. 카운터보어홀(74)에는, Ni제의 급전 단자(76)가 삽입·고정되어 있다.

이러한 정전 전극(64) 및 히터 전극(65)은 하기 표 1의 (1)∼(6) 중 어느 하나로 형성되어 있다. 또한, 표 1의 바람직한 혼합비는, 본 발명의 효과를 확실하게 얻고자 하는 경우에 채용하면 충분한 것으로, 이 범위를 벗어났다고 해도 본 발명의 효과를 전혀 얻지 못하는 것이 아니다. 또한, 정전 전극(64) 및 히터 전극(65)은 양쪽 모두에 동일한 재료를 이용하여도 좋지만, 다른 재료를 이용하여도 좋다.

본 실시형태의 정전 척(60)의 제조 방법에 대해서 도 2를 참조하여 이하에 설명한다. 우선, 후술하는 제2 실시형태의 적층체(124)와 마찬가지로 일축 가압 성형하여, MgO 성형체[MgO 분체(粉體)를 성형한 것](622)와 태블릿(66)이 접착된 전극 페이스트의 박막(640)과 MgO 소결체(620)가 일체화된 제1 중간체(624)로 만든다[도 2의 (a) 참조]. 한편, 제1 중간체(624)와는 별도로, 후술하는 제2 실시형태의 MgO 소결체(120)와 마찬가지로 하여 MgO 소결체(626)를 형성하고, 그 MgO 소결체(626) 중 히터 전극(65)의 일단과 타단에 상당하는 지점에 미리 작은 구멍을 형성해 두며, 각 작은 구멍에 태블릿(72)을 풀을 붙여 끼워 넣고, 그 위로부터 정전 전극(64)과 동일한 원료를 포함하는 전극 페이스트를 이용해 히터 전극(65)의 패턴(650)을 스크린 인쇄 또는 닥터 블레이드에 의해 제작하여, 제2 중간체(628)로 한다[도 2의 (b) 참조].

다음에, 제1 중간체(624)의 MgO 성형체(622) 위에 제2 중간체(628)를 패턴(650)이 MgO 성형체(622)와 접하도록 하여 배치하고, 일축 가압 성형하며 일체화하여 적층체(630)로 만든다[도 2의 (c) 참조]. 그 후, 적층체(630)를 핫 프레스 소성에 의해 전극 내장 소결체(632)로 만든다[도 2의 (d) 참조]. 이것에 의해 MgO 소결체(620)와 MgO 성형체(622)와 MgO 소결체(626)가 하나의 소결체[세라믹스 기체(62)]가 되고, 박막(640)이 정전 전극(64)이 되며, 패턴(650)이 히터 전극(65)이 된다. 핫 프레스 소성의 조건은, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 질소 등의 불활성 가스 분위기하에서 일축 가압 압력 10 MPa∼30 MPa, 소성 온도 1350℃∼1800℃, 소성 시간 2∼8시간으로 할 수 있다. 이 때의 소결 밀도는 99.5% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 얻어진 전극 내장 소결체(632)는, 연삭 가공을 실시하는 것에 의해, 웨이퍼 배치면(62a)의 표면 거칠기(Ra)를 0.01 ㎛∼3 ㎛, 평탄도를 0 ㎛∼10 ㎛, 정전 전극(64)의 상면으로부터 웨이퍼 배치면(62a)까지의 거리를 0.2 ㎜∼1 ㎜로 하는 것이 바람직하다. 또한, 정전 전극(64)과 히터 전극(65)과의 대향면끼리의 간격을 0.8 ㎜∼3 ㎜로 하는 것이 바람직하다. 여기서 평탄도란, 연마한 면 상의 모든 측정 좌표로부터 최소 제곱법에 의해 가상 기준면을 설정하고, 각 측정 좌표로부터 그 가상 기준면까지의 변위의 최대값과 최소값에 기초하여 산출되는 값이며, 예컨대 최대값이 +a, 최소값이 -b일 때에는 평탄도는 a-(-b)=a+b가 된다.

다음에, 전극 내장 소결체(632)의 이면(62b) 중심에 카운터보어홀(68)을 형성하여 태블릿(66)을 노출시키고, 태블릿(72)에 대향하는 위치에 카운터보어홀(74)을 형성하여 태블릿(72)을 노출시킨다[도 2의 (e) 참조]. 또한, 태블릿(66, 72)을 사용하지 않는 경우에는 정전 전극(64)이나 히터 전극(65)을 노출시킨다. 또한, 정전 전극(64)에 리프트핀 삽입 관통 구멍이나 가스 공급 구멍을 형성한 경우에는, 이들에 통하는 관통 구멍을 형성한다. 그 경우에는, 히터 전극(65)은 이들 관통 구멍과 간섭하지 않는 형상으로 제작한다. 그리고, 카운터보어홀(68, 74)에 금속제(예컨대 Ni제)의 급전 단자(70, 76)를 삽입하고, 태블릿(66, 72)의 노출면과 접합하여, 정전 척(60)을 완성시킨다[도 2의 (f) 참조].

본 실시형태의 정전 척(60)의 사용예에 대해서 이하에 간단히 설명한다. 이 정전 척(60)의 웨이퍼 배치면(62a)에 웨이퍼(W)를 배치하고, 정전 전극(64)의 급전 단자(70)를 통해 정전 전극(64)에 직류 고전압을 인가하는 것에 의해 정전기적인 힘을 발생시켜, 그것에 의해 웨이퍼(W)를 웨이퍼 배치면(62a)에 흡착한다. 또한, 히터 전극(65)의 2개의 급전 단자(76, 76)에 히터 전원을 접속하고, 공급하는 전력을 제어하는 것에 의해 웨이퍼(W)를 원하는 온도로 조절한다. 이 상태에서, 웨이퍼(W)에 플라즈마 CVD 성막을 실시하거나 플라즈마 에칭을 실시한다. 구체적으로는, 도시하지 않는 진공 챔버 안에서 급전 단자(70)를 통해 정전 전극(64)에 고주파 전압을 인가하고, 진공 챔버 안의 위쪽에 설치된 도시하지 않는 대향 수평 전극과 정전 척(60)에 매설된 정전 전극(64)으로 이루어지는 평행 평판 전극 사이에 플라즈마를 발생시켜, 그 플라즈마를 이용해 웨이퍼(W)에 CVD 성막을 실시하거나 에칭을 실시한다.

이상에서 상세히 기술한 본 실시형태의 정전 척(60)에 의하면, MgO 세라믹스 기체에 전극을 매설한 정전 척에 있어서, 마이크로 크랙이나 휨의 발생을 억제하고 유전체층으로의 전극 재료의 확산을 방지할 수 있다. 또한, 웨이퍼 배치면(62a)에 배치된 웨이퍼(W)의 메탈 오염을 미량으로 억제할 수 있다. 또한, 탈착 응답 시간이 종래에 비해 단축화되기 때문에, 프로세스 작업 처리량이 양호해진다. 또한, 정전 전극(64)에 인가되는 고압 직류 전력이나 고주파 교류 전압이 히터 전극(65)에 누설되어 누설 전류가 발생하면 웨이퍼 배치면(62a)의 온도 분포가 편재화되어 균열성이 악화될 우려가 있지만, 본 실시형태의 정전 척(60)에서는 전극 재료가 세라믹스 중에 잘 확산되지 않고 밀착성이 높은 전술한 (1)∼(6)으로부터 선택된 것이기 때문에, 누설 전류의 발생이 억제되고, 균일한 열전도가 생기며, 웨이퍼 배치면(62a)의 균열성이 양호해진다. 특히, 웨이퍼 온도 제어의 신속 응답이 요구되는 경우에는, 정전 척(60)의 열용량을 작게 해야 하기 때문에 정전 척(60)의 두께가 얇아지므로, 즉 정전 전극(64)과 히터 전극(65)의 간격이 좁아지므로, 전술한 누설 전류가 발생하기 쉬운 상황이 되지만, 이러한 상황에서도 누설 전류의 발생이 억제되어 웨이퍼 배치면(62a)의 균열성을 양호하게 유지할 수 있다.

[제2 실시형태]

다음에, 제2 실시형태의 정전 척(10)에 대해서 설명한다. 도 3은 제2 실시형태의 정전 척(10)을 중심축을 따라 평행하게 절단했을 때의 단면도이고, 도 4는 이 정전 척(10)의 제조 공정도이다. 제2 실시형태의 정전 척(10)은, 웨이퍼(W)를 배치할 수 있는 웨이퍼 배치면(12a)이 형성된 세라믹스 기체(12)에, 정전 전극(14)이 웨이퍼 배치면(12a)과 평행이 되도록 매설된 것이다.

세라믹스 기체(12)는, MgO 함량이 99 중량% 이상이며 중금속 원소를 포함하지 않는 치밀한 MgO 세라믹스로 이루어지는 원반형의 부재이다. 여기서, 경금속 원소(Al, Si, Ca 등) 및 P, N의 불순물은 MgO 세라믹스에 포함되어 있어도 좋다. 또한, 수 ppm 이하의 불가피적으로 혼입하는 중금속 등이 포함되어 있어도 좋다. 이들은 유전체층의 체적 저항을 저하시키지 않고, 오염원이 되지 않기 때문이다.

정전 전극(14)은, 세라믹스 기체(12)보다 소직경의 원반형의 박층 전극이며, 평판이어도 좋고, 가는 금속선을 그물형으로 짜서 시트형으로 한 메시여도 좋다. 이 정전 전극(14)은, 중심에 도전성의 태블릿(16)이 접속되어 있다. 이 태블릿(16)은, 세라믹스 기체(12)의 웨이퍼 배치면(12a)과는 반대측의 면(이면)(12b)으로부터 태블릿(16)에 도달하도록 형성된 카운터보어홀(18)의 바닥면에 노출되어 있다. 또한, 세라믹스 기체(12) 중 정전 전극(14)의 상면과 웨이퍼 배치면(12a) 사이의 부분은 정전 척(10)의 유전체층으로서 기능한다. 카운터보어홀(18)에는, Ni제의 급전 단자(20)가 삽입·고정되어 있다.

이러한 정전 전극(14)은, 상기 표 1의 재료 (1)∼(6) 중 어느 하나로 형성되어 있다. 또한, 표 1의 바람직한 혼합비는, 본 발명의 효과를 확실하게 얻고자 하는 경우에 채용하면 충분한 것으로, 이 범위를 벗어났다고 해도 본 발명의 효과를 전혀 얻지 못하게 되는 것이 아니다.

본 실시형태의 정전 척(10)의 제조 방법에 대해서 도 4를 참조하여 이하에 설명한다. 우선, MgO 분말을 성형한 후 소성하는 것에 의해 MgO 소결체(120)를 형성한다[도 4의 (a) 참조]. 예컨대, 순도가 99% 이상이며 평균 입경이 0.5 ㎛∼3 ㎛인 MgO 분말을 그대로 또는 조립(造粒)하여 조립분으로 한 후, 일축 가압 성형하여 MgO 성형체로 만들고, 그 MgO 성형체를 핫 프레스 소성에 의해 MgO 소결체(120)로 만든다. 핫 프레스 소성의 조건은, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 질소 등의 불활성 가스 분위기하에서 일축 가압 압력 10 MPa∼30 MPa, 소성 온도 1350℃∼1800℃, 소성 시간 2∼8시간으로 할 수 있다. 이 때의 소결 밀도는 99.5% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 얻어진 MgO 소결체(120)는, 예컨대 연삭 가공을 실시하는 것에 의해, 표면 거칠기(Ra) 0.01 ㎛∼3 ㎛, 평탄도 0 ㎛∼10 ㎛의 원반형으로 만드는 것이 바람직하다.

다음에, MgO 소결체(120) 위에, 정전 전극(14)의 원료를 포함하는 전극 페이스트의 박막(140)을 형성한다[도 4의 (b) 참조]. 구체적으로는, 표 1의 재료 (1)∼(6)의 원료 (a)∼(f) 중 어느 하나를 용매에 분산시켜 전극 페이스트로 하고, 그 전극 페이스트를 MgO 소결체(120)의 표면에 스크린 인쇄나 닥터 블레이드 등의 박막 형성법에 의해 전극 페이스트의 원반형 박막(140)을 형성한다. 이 박막(140)에는, 적절하게, 필요한 지점에 구멍을 형성하여도 좋다. 구멍으로서는, 예컨대 정전 척(10)의 웨이퍼 배치면(12a)에 배치되는 웨이퍼(W)를 들어 올리기 위한 리프트핀을 삽입 관통하는 리프트핀 삽입 관통 구멍이나, 웨이퍼 배치면(12a)에 배치된 웨이퍼(W)의 이면에 He 가스 등의 냉각 가스를 공급하기 위한 가스 공급 구멍 등을 들 수 있다. 전극 페이스트의 박막(140)의 중심에는, 정전 전극(14)의 원료와 같은 것으로 제작한 원반형 부재인 태블릿(16)을 접착한다[도 4의 (c) 참조]. 이 태블릿(16)을 접착해 두는 것에 의해, 뒤의 공정에서 세라믹스 기체(12)의 이면(12b)으로부터 정전 전극(14)을 향해 카운터보어홀(18)을 형성할 때에 정전 전극(14)이 카운터보링 공구에 의해 흡집이 나는 것을 방지할 수 있다. 즉, 태블릿(16)을 카운터보어홀(18)의 바닥면에 노출하도록 하면, 태블릿(16)이 깎이는 경우는 있어도, 박층의 정전 전극(14)이 깎이지는 않는다.

다음에, MgO 소결체(120)의 전극 페이스트의 박막(140)에 MgO 분체를 충전하고, 금형 성형에 의해 일축 가압 성형하여 MgO 성형체(MgO 분체를 성형한 것)(122)와 전극 페이스트의 박막(140)과 MgO 소결체(120)가 일체화된 적층체(124)로 만든다[도 4의 (d) 참조]. MgO 성형체(122)를 제작할 때의 MgO 분체로서는, 예컨대 순도가 99% 이상이며 평균 입경이 0.5 ㎛∼3 ㎛인 MgO 분말을 그대로 또는 조립하여 조립분으로 한 것을 사용할 수 있다.

다음에, 적층체(124)를 핫 프레스 소성에 의해 전극 내장 소결체(126)로 만든다[도 4의 (e) 참조]. 이것에 의해, MgO 소결체(120)와 MgO 성형체(122)가 하나의 소결체[세라믹스 기체(12)]가 되고, 박막(140)이 정전 전극(14)이 된다. 핫 프레스 소성의 조건은, 특별히 한정되지 않지만, 예컨대 질소 등의 불활성 가스 분위기하에서 일축 가압 압력 10 MPa∼30 MPa, 소성 온도 1350℃∼1800℃, 소성 시간 2∼8시간으로 할 수 있다. 이 때의 소결 밀도는 99.5% 이상으로 하는 것이 바람직하다. 얻어진 전극 내장 소결체(126)는 연삭 가공을 실시하는 것에 의해, 웨이퍼 배치면(12a)의 표면 거칠기(Ra)를 0.01 ㎛∼3 ㎛, 평탄도를 0 ㎛∼10 ㎛, 정전 전극(14)의 상면으로부터 웨이퍼 배치면(12a)까지의 거리를 0.2 ㎜∼1 ㎜로 하는 것이 바람직하다.

다음에, 전극 내장 소결체(126)의 이면(12b)의 면 중심에 카운터보어홀(18)을 형성하고, 태블릿(16)을 노출시킨다[도 4의 (f) 참조]. 또한, 태블릿(16)을 사용하지 않는 경우에는 정전 전극(14)을 노출시킨다. 또한, 정전 전극(14)에 리프트핀 삽입 관통 구멍이나 가스 공급 구멍을 형성한 경우에는, 이들에 통하는 관통 구멍을 형성한다. 그리고, 카운터보어홀(18)에 금속제(예컨대 Ni제)의 급전 단자(20)를 삽입하고, 태블릿(16)의 노출면[태블릿(16)을 사용하지 않는 경우에는 정전 전극(14)의 노출면]과 접합하여, 정전 척(10)을 완성시킨다[도 4의 (g) 참조].

본 실시형태의 정전 척(10)의 사용예에 대해서 이하에 간단히 설명한다. 이 정전 척(10)의 웨이퍼 배치면(12a)에 웨이퍼(W)를 배치하고, 급전 단자(20)를 통해 정전 전극(14)에 직류 고전압을 인가하는 것에 의해 정전기적인 힘을 발생시켜, 그것에 의해 웨이퍼(W)를 웨이퍼 배치면(12a)에 흡착한다. 이 상태로, 웨이퍼(W)에 플라즈마 CVD 성막을 실시하거나 플라즈마 에칭을 실시한다. 구체적으로는, 도시하지 않는 진공 챔버 안에서 급전 단자(20)를 통해 정전 전극(14)에 고주파 전압을 인가하고, 진공 챔버 안의 위쪽에 설치된 도시하지 않는 대향 수평 전극과 정전 척(10)에 매설된 정전 전극(14)으로 이루어지는 평행 평판 전극 사이에 플라즈마를 발생시켜, 그 플라즈마를 이용하여 웨이퍼(W)에 CVD 성막을 실시하거나 에칭을 실시한다.

이상 상세히 기술한 본 실시형태의 정전 척(10)에 의하면, MgO 세라믹스 기체에 전극을 매설한 정전 척에 있어서, 마이크로 크랙이나 휨의 발생을 억제하고 유전체층으로의 전극 재료의 확산을 방지할 수 있다. 또한, 웨이퍼 배치면(12a)에 배치된 웨이퍼(W)의 메탈 오염을 미량으로 억제할 수 있다. 또한, 탈착 응답 시간이 종래에 비해 단축화되기 때문에, 프로세스 작업 처리량이 양호해진다.

또한, 본 발명은 전술한 실시형태에 전혀 한정되는 것이 아니라, 본 발명의 기술적 범위에 속하는 한 여러 가지의 양태로 실시할 수 있는 것은 물론이다.

실시예

[실시예 1∼45]

실시예 1∼45는 제1 실시형태의 정전 척(60)의 구체예이다. 순도 99.5%의 MgO 분말(평균 입경 1.2 ㎛) 50 중량부에 폴리비닐 알코올 0.5 중량부, 물 100 중량부를 혼합하여 슬러리로 만들고, 스프레이 드라이법에 의해 MgO 조립분(평균 입경 30 ㎛∼40 ㎛)을 제작하였다. 금형 안에 MgO 조립분을 충전하고, 평평하게 한 후 10 MPa의 압박력으로 일축 가압 성형을 하여, 직경 320 ㎜이며 두께 7 ㎜인 원반형 성형체를 얻었다. 이 성형체를 흑연 다이에 이동시키고, 핫 프레스로에 넣어, 질소 1.01 기압 중에서, 일축 가압 압력 20 MPa, 온도 1800℃로 2시간 소성하여, MgO 소결체를 얻었다. 이 MgO 소결체를 다이아몬드로 연삭 가공하여, 두께 3 ㎜이며 직경 350 ㎜인 원반으로 만들었다. 그 표면 거칠기는 Ra로 2 ㎛이고, 소결 밀도는 99.5% 이상이었다. 직경 350 ㎜의 주면(主面)의 평탄도는 10 ㎛ 이하였다.

다음에, 표 2에 나타내는 전극 재료에 테르피네올을 섞어, 페이스트상으로 하고, 스크린 인쇄법에 의해, MgO 소결체의 원반 표면에 정전 전극을 인쇄하였다. 정전 전극은 원형이고, 외경이 297 ㎜이며, 필요 지점에 구멍이 형성된 것으로 하였다. 구멍은 나중에 리프트핀을 통과시키거나, 가스를 공급하는 관통 구멍이 형성되는 지점이다. 인쇄 후, 공기 중에서 60℃로 건조하여, 정전 전극을 고정하였다. 정전 전극의 중심에 표 3에 나타내는 전극 재료로 이루어지는 직경 2 ㎜이며 두께 1 ㎜인 원판(이하 태블릿이라고 함)을 풀로 접착하였다. 태블릿은 원료 분말의 탭 부피 10 cc를 PVA를 1 중량% 포함하는 수용액 0.5 cc와 유발(乳鉢)에서 혼합한 후, 금형에 넣어 5 MPa의 압력으로 일축 가압 성형하는 것에 의해 제작하였다. 또한, 태블릿은, 분체를 성형한 것뿐만 아니라, 별도로 불활성 분위기(질소, 아르곤 속)에서 성형체를 소성하여, 미리 밀도를 높여 두어도 좋다. 이 때, 완전히 치밀하게 소결시킬 필요는 없고, 기공률이 수%∼수10%여도 좋다. 핸들링상, 성형체보다 소성체가 간편하기 때문이다.

다음에, 정전 전극을 고정한 MgO 소결체를, 정전 전극을 인쇄한 면을 위로 하여 다시 금형 안에 두고, 그 위로부터 MgO 조립분을 금형 안에 충전하며, 10 MPa의 압박력으로 일축 가압 성형하였다. 성형 부분의 두께는 3 ㎜였다. 이 소결체와 성형체로 이루어지는 제1 중간체를 성형체를 위로 하여 흑연 다이에 설치하였다. 한편, 전술한 MgO 소결체와 동일한 방법으로 MgO 소결체를 하나 더 제작하였다. 이 MgO 소결체의 주면에 정전 전극과 동일한 인쇄 페이스트에 의해 히터 전극을 인쇄하였다. 또한, MgO 소결체의 히터 전극의 급전 단자를 부착하는 위치에 상당하는 부분에는, 미리 태블릿을 끼워 넣는 작은 구멍을 형성해 두고, 거기에 태블릿에 풀을 붙여 끼워 넣은 후, 그 위로부터 히터 전극을 인쇄하였다. 히터 전극을 공기 중에서 60℃로 건조하여 고정하고, 제2 중간체로 하였다.

이 제2 중간체를, 히터 전극의 인쇄면이 먼저 흑연 다이에 설치되어 있는 제1 중간체의 성형체측과 접하도록 중첩하여, 적층체로 만들었다. 이 적층체를 넣은 흑연 다이를 핫 프레스로에 넣고, 질소 1.01 기압 중에서, 일축 가압 압력 24 MPa, 표 3에 나타내는 소성 온도, 소성 시간으로 소성하여, 정전 전극 및 히터 전극 모두가 매설된 MgO 소결체를 얻었다. 이 MgO 소결체를 연삭 가공하여 직경 299 ㎜이며 두께 4 ㎜인 원반 형상으로 만들었다. 이 때, 웨이퍼를 흡착·유지하는 면(웨이퍼 배치면)으로부터 매설된 정전 전극의 평면까지의 거리는 0.4 ㎜였다. 또한, 정전 전극으로부터 히터 전극까지의 거리는 1.9 ㎜였다.

다음에, 흡착면과는 반대측의 면 중심에 직경 5 ㎜의 카운터보어홀을 형성하고, 정전 전극에 접속되어 있는 태블릿을 카운터보어홀의 바닥면에 노출시켰다. 또한, 히터 전극에 접속되어 있는 태블릿의 위치에 마찬가지로 직경 5 ㎜의 카운터보어홀을 형성하고, 태블릿을 바닥면에 노출시켰다. 또한, 소정 위치에 관통 구멍을 형성하고, 가스 공급 구멍 및 웨이퍼를 승강하는 리프트핀이 통과하는 구멍을 형성하였다. 그 후, 카운터보어홀에 직경 4.9 ㎜의 Ni 급전 단자를 삽입하고, 태블릿의 노출면 및 카운터보어홀의 내주면의 MgO 세라믹스와 In납으로 접합하였다. In납 접합은 분위기 압력 100 Pa 이하의 진공로 속에서 200℃로 5분 가열함으로써 행하였다. 이상과 같이 하여 실시예 1∼45의 정전 척을 제작하였다. 이들 정전 척은, 웨이퍼 배치면이 형성된 세라믹스 기체에 정전 전극 및 히터 전극이 매설된 것이다. 또한, 실시예 1∼26, 28, 30, 31, 33, 35, 36, 38, 40, 41, 43, 45는 이전의 출원(일본 특허 출원 제2009-215997호) 명세서에 기재되어 있던 것이다.

또한, 표 2의 전극 재료에 이용한 원료는 이하와 같다.

Ni 분말 순도 99.9% 평균 입경 1 ㎛

Co 분말 순도 99.9% 평균 입경 1 ㎛

Fe 분말 순도 99.99% 입경 44 ㎛(325 mesh) 이하

TiC 분말 순도 99% 평균 입경 1.5 ㎛

TaC 분말 순도 99% 평균 입경 5 ㎛

NbC 분말 순도 97% 평균 입경 5 ㎛

Cr₃C₂ 분말 순도 97% 평균 입경 5 ㎛

WC 분말 순도 99% 평균 입경 1 ㎛

W 분말 순도 99.9% 평균 입경 1 ㎛

[비교예 1∼14]

실시예 1∼45와 마찬가지로 하여, 전극 재료와 소성 조건만 표 3과 같이 바꿔 제작하였다. 이 중, 비교예 1∼3, 5, 6, 8, 9, 11, 12, 14의 경우는 소결체를 연삭 가공하고 있을 때에 웨이퍼 배치면에 크랙이 발생했기 때문에, 그 후의 평가를 행하지 않는다. 또한, 비교예 1, 2, 5, 8, 11, 14는 이전의 출원(일본 특허 출원 제2009-215997호) 명세서에 기재되어 있던 것이다.

[평가]

- 평탄도 변위 :

소결체의 연삭 가공을 행하면, 소성에 의한 잔류 응력이나, 전극 재료와 MgO의 열팽창 계수의 차이에 의한다고 고려되는 휨이 발생한다. 즉, 소성 후의 약 8 ㎜ 두께의 소결체를 일단 조(粗)가공으로 평면을 형성해 두고, 이때의 면의 평탄도를 3차원 측정 장치로 측정하여 기록해 둔다. 조가공으로 평면을 형성한 후의 두께는 7 ㎜이다. 이 평탄한 면을 연삭용 원형 정반(평탄도 1 ㎛ 이하)에 왁스로 접착하고, 다이아몬드 지석으로 연삭하며, 두께를 줄여 간다. 소정 두께(여기서는 4 ㎜)가 되고 나서 원형 정반으로부터 왁스를 녹여, 소결체를 제거한 후, 재차 평탄도를 측정하여, 초기의 평탄도로부터의 변위(평탄도 변위)를 산출하였다. 그 결과를 표 2, 3에 나타낸다. 여기서, 평탄도란 직경 299 ㎜의 면(외관은 평면이지만, 완전한 평면이 아님)의 49 측정점의 높이의 최대값과 최소값의 차이다. 덧붙여 말하자면, 각 실시예에서는, 전극 재료의 열팽창 계수가 MgO보다 작기 때문에, 웨이퍼를 흡착하는 면측이 볼록해지게 변형되어 있었다. 이 변형은, 연삭 가공 후의 마무리 가공에 의해 충분히 제거할 수 있고, 최종적인 제품의 면은 평탄도 1 ㎛ 이하로 할 수 있다. 따라서, 평탄도 변위를 작게 억제할 수 있으면, 제작 가공시에 갈라짐 등이 잘 생기지 않게 되기 때문에 수율이 향상된다.

- 흡착력 :

측정 방법은 후술하는 실시예 46과 동일하다. 단, 인가 전압은 모두 500 V로 하였다.

- 탈착 응답 시간 :

- 히터 저항 :

히터 전극의 2개의 급전 단자 사이의 저항을 테스터로 측정하였다. 측정 온도는 25℃였다.

- 균열성 :

후술하는 실시예 46의 흡착력용 진공 챔버에 실시예 46과 마찬가지로 하여 설치하고, 진공 챔버 외부로부터 히터 전원(최대 208 V 50 A, 사이리스터 제어 교류 전원)에 의해, 히터 전극의 급전 단자에 전력을 공급하였다. 진공 챔버의 외측 위쪽에는 적외선 방사 온도계(IR 카메라)가 설치되어 있고 진공 챔버 상부에 마련되어 있는 창을 통해, 정전 척 표면을 관찰할 수 있도록 하였다. 냉각반(冷却盤)에는 60℃의 냉각수를 흘리면서, 히터 전극의 급전 단자에 전력을 공급하여 정전 척 표면 중앙의 온도가 100℃가 되도록 하여, 온도가 안정된 상태에서 IR 카메라에 의해, 정전 척 표면에 흡착시킨 Si 웨이퍼의 온도 분포를 측정하였다.

표 2 및 표 3에 각 실시예 및 각 비교예의 평가 결과를 나타낸다. 실시예 1∼3의 정전 척은, MgO 함량이 99% 이상인 세라믹스에 매설되는 정전 전극 및 히터 전극으로서, Ni, Co, Fe로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 이용한 것이다. 이 실시예 1∼3의 정전 척은, 평탄도 변위가 작고, 흡착력이 높으며, 탈착 응답성이 좋고, 균열성도 양호했다. 그 이유는, Ni, Co, Fe의 금속 분말은 MgO와 반응하지 않고 확산되지 않기 때문에, MgO와 함께 소결되어도, 소결된 금속 분말로 이루어진 전극층이 되고, 양호한 금속 도전성을 가지며, MgO와 열팽창 계수가 비슷하기 때문에 크랙이 발생하지 않았기 때문이라고 고려된다. 한편, 비교예 1, 14의 정전 척에서는, 정전 전극 및 히터 전극으로서 W나 Mo을 이용함으로써, 연삭 가공 중에 크랙이 발생하였다. 그 이유는 W나 Mo은 MgO와 열팽창 계수의 차이가 크고, 소성 중에 발생한 잔류 응력 왜곡이 연삭 가공 동안에 해방되어 크랙이 발생한 것으로 고려된다.

실시예 4∼15의 정전 척은, MgO 함량이 99% 이상인 세라믹스에 매설되는 정전 전극 및 히터 전극으로서, Ni, Co, Fe로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 TiC, TaC, NbC로 이루어지는 탄화물 분말을 소결한 도전 물질을 이용한 것이다. 이 실시예 4∼15의 정전 척은, 평탄도 변위가 작고, 흡착력이 높으며, 탈착 응답성이 좋고, 균열성도 양호했다. 또한, 이들은, 실시예 1∼3의 정전 척과 비교하여, 균열성이 보다 양호해졌다. 그 이유는, TiC, TaC, NbC가 난소결성이며 고경도의 물질이고, 이들을 Ni, Co, Fe의 비교적 부드러운 금속에 분산하는 것에 의해, 3차원적인 골격으로서 작용시켜, 핫 프레스 공정에서 전극층의 면방향의 변형을 억제할 수 있었기 때문이라고 고려된다. 전극층의 면방향의 변형을 억제할 수 없으면 히터 전극의 패턴이 면방향으로 연장되어 버려 발열 밀도가 불균일해지는 하나의 원인이 되지만, 실시예 4∼15에서는 전극층의 면방향의 변형을 억제할 수 있었기 때문에 이와 같은 발열 밀도의 불균일을 억제할 수 있었다고 고려된다. 여기서, 금속 분말과 탄화물 분말의 혼합비는 체적%로 82∼34:18∼66(양자 합계 100%)가 바람직하다. 탄화물 분말의 함유량이 18 체적% 미만인 경우에는 금속이 면방향으로 변형되는 것을 충분히 억제하지 못할 우려가 있다. 한편, 탄화물 분말의 함유량이 66 체적%를 초과하면, 난소결성의 탄화물끼리의 소결이 약해, 강도 저하의 우려가 있다.

실시예 16의 정전 척은, MgO 함량이 99% 이상인 세라믹스에 매설되는 정전 전극 및 히터 전극으로서, Ni, Co, Fe로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말에 MgO 분말을 혼합한 것을 소결한 도전 물질을 이용한 것이다. 이 실시예 16의 정전 척은, 평탄도 변위가 작고, 흡착력이 높으며, 탈착 응답성이 좋고, 균열성도 양호했다. 균열성은, 실시예 1의 정전 척과 비교하여 보다 양호해졌다. 그 이유는 Ni 등의 금속 분말에 MgO 분말을 첨가함으로써, 전극층의 열팽창 계수가 MgO에 근접하고, MgO가 골격이 되어 비교적 부드러운 금속이 면방향으로 변형되는 것을 억제할 수 있었기 때문이라고 고려된다. 여기서, 금속 분말과 MgO의 혼합비는 체적%로 금속: MgO=34∼82:66∼18(양자 합계 100%)이 바람직하다. MgO의 함유량이 18 체적% 미만에서는, 금속이 면방향으로 변형되어 MgO를 혼합하는 효과를 얻지 못할 우려가 있다. 한편, MgO의 함유량이 66 체적%를 초과하면, 금속끼리의 접속이 끊어지고, 전극층의 저항이 갑자기 커져, 잘 제어되지 않게 될 우려가 있다.

실시예 17∼23의 정전 척은, MgO 함량이 99% 이상인 세라믹스에 매설되는 정전 전극 및 히터 전극으로서, Ni, Co, Fe로부터 선택되는 1종 이상의 금속의 분말과, TiC, TaC, NbC로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말과, MgO 분말을 혼합한 것을 소결한 도전 물질을 이용한 것이고, 평탄도 변위가 비교적 작으며, 흡착력이 높고, 탈착 응답성이 좋으며, 균열성도 양호했다. 이들은, 실시예 1∼3의 정전 척과 비교하여, 균열성이 보다 양호하게 되었지만, 그 이유는 실시예 4∼15 및 16과 같다고 고려된다. 여기서, 금속 분말과 탄화물 분말과 MgO 분말의 혼합비는 체적%로 10∼33:33∼70:20∼34(3자 합계 100%)가 되도록 하는 것이 바람직하다. 혼합비가 이 수치 범위를 벗어나면, 전극층이 신장되거나, 전극층의 저항이 너무 커지거나, 평탄도 변위가 너무 커질 우려가 있다.

실시예 24, 25의 정전 척은, MgO 함량이 99% 이상인 세라믹스에 매설되는 정전 전극 및 히터 전극으로서, Cr₃C₂분말과 MgO 분말을 혼합한 것을 소결한 도전 물질을 이용한 것이고, 평탄도 변위가 작으며, 흡착력이 높고, 탈착 응답성이 좋으며, 균열성도 양호했다. 여기서, Cr₃C₂ 분말과 MgO 분말의 혼합비는 체적%로 50∼80:20∼50(양자 합계 100%)으로 하는 것이 바람직하다. MgO 분말의 함유량이 20 체적% 미만인 경우에는, 전극층의 열팽창 계수가 MgO에 충분히 근접하지 않고, 또한 금속이 면방향으로 변형되는 것을 충분히 억제하지 못할 우려가 있다. 한편, MgO 분말의 함유량이 50 체적%를 초과하면, 도전성의 Cr₃C₂의 네트워크가 도중에 끊겨 버리고, 히터 저항이 너무 커져, 동일한 전압을 인가하여도 발열량이 작아져 버릴 우려가 있다.

실시예 26∼45의 정전 척은, MgO 함량이 99% 이상인 세라믹스에 매설되는 정전 전극 및 히터 전극으로서, WC, TiC, TaC, NbC로 이루어지는 군으로부터 선택된 금속 탄화물과 MgO 분말을 혼합한 것을 소결한 도전 물질을 이용한 것이고, 평탄도가 비교적 작으며, 흡착력이 높고, 탈착 응답성이 좋으며, 균열성도 양호했다. 이들의 정전 척은, 금속 탄화물을 이용하고 있기 때문에, 소성 온도를 높게 소성 시간을 짧게 할 수 있어, 흡착력을 보다 높일 수 있다. 그 이유는, MgO가 전극층 안에서 3차원 네트워크를 형성하여 전극층 외의 MgO 소결체와 일체로 소결하기 때문에, 유전체층의 유전율이 상승하고, 흡착력이 높아졌기 때문이라고 고려된다. 실시예 29∼45에서는 금속 탄화물로서 열팽창 계수가 MgO에 보다 가까운 TiC, TaC, NbC를 이용하고 있기 때문에, 더 바람직하다. 여기서, 금속 탄화물과 MgO 분말의 혼합비는 체적%로 34∼80:20∼66(양자 합계 100%)으로 하는 것이 바람직하다. MgO 분말의 함유량이 20 체적% 미만인 경우에는 전극층의 열팽창 계수가 MgO에 충분히 근접하지 않고, 또한 금속이 면방향으로 변형되는 것을 충분히 억제하지 못할 우려가 있다. 한편, MgO 분말의 함유량이 66 체적%를 초과하면, 도전성의 금속 탄화물의 네트워크가 도중에 끊겨 버리고, 히터 저항이 너무 커져, 동일한 전압을 인가하여도 발열량이 작아져 버릴 우려가 있다. 비교예 2, 5, 8, 11의 정전 척은, 정전 전극 및 히터 전극으로서 MgO의 함유량이 0 vol%의 금속 탄화물을 이용한 것이지만, MgO와의 열팽창 계수의 차이에 의한다고 고려되는 크랙이 발생하기 때문에 바람직하지 않다.

또한, 실시예 1∼45의 정전 척에서, 정전 전극에 500 V의 전압을 인가하고 정전 척 온도를 90℃로 조정한 상태로 정전 전극과 히터 전극 사이의 누설 전류를 측정한 바, 0.1 μA 미만이고, 종래의 존슨-라벡 타입의 누설 전류 50 ㎂∼100 ㎂에 비교하여, 매우 작은 값이었다. 또한, 실시예 1∼45의 정전 척에서는, 후술하는 실시예 46과 같은 기체 재료를 이용하고 있기 때문에, 웨이퍼의 메탈 오염이 잘 발생하지 않는다.

[실시예 46]

실시예 46은 제2 실시형태의 정전 척(10)의 구체예이다. 순도 99.5%(불순물로서 미량의 Al, Si, Ca, P, N, 수 ppm 레벨 이하의 그 외의 금속 원소를 포함)의 MgO 분말(평균 입경 1.2 ㎛) 50 중량부에 폴리비닐알코올 0.5 중량부, 물 100 중량부를 혼합하여 슬러리로 만들고, 스프레이 드라이법에 의해 MgO 조립분(평균 입경 30 ㎛∼40 ㎛)을 제작하였다. 금형 안에 MgO 조립분을 충전하고, 평평하게 한 후 10 MPa의 압박력으로 일축 가압 성형을 하여, 직경 320 ㎜이며 두께 7 ㎜인 원반형 성형체를 얻었다. 이 성형체를 흑연 다이에 이동시키고, 핫 프레스로에 넣어, 질소 1.01 기압 중에서, 일축 가압 압력 20 MPa, 온도 1800℃로 2시간 소성하여, MgO 소결체를 얻었다. 이 MgO 소결체를 다이아몬드로 연삭 가공하여, 두께 3 ㎜이며 직경 330 ㎜인 원반으로 만들었다. 그 표면 거칠기는 Ra로 2 ㎛이고, 소결 밀도는 99.5% 이상이었다. 직경 330 ㎜의 주면의 평탄도는 10 ㎛ 이하였다.

다음에, 순도 99.9%의 Ni 분말(입경 3 ㎛)에 테르피네올을 섞어, 전극 페이스트를 조제하고, 스크린 인쇄법에 의해, MgO 소결체의 원반 표면에 정전 전극을 인쇄하였다. 정전 전극은 원형이고, 외경 297 ㎜이며, 필요 지점에 구멍이 형성된 것으로 하였다. 구멍은 나중에 리프트핀을 통과시키거나, 가스를 공급하는 관통 구멍이 형성되는 지점이다. 인쇄 후, 공기 중에서 60℃로 건조하여, 정전 전극을 고정하였다. 정전 전극의 중심에 Ni로 이루어지는 직경 2 ㎜이며 두께 1 ㎜인 원판(이하, Ni 태블릿이라고 함)을 풀(예컨대 전분 풀, 페이퍼 본드 등의 유기계 접착제가 소성 중에 분해 소실하기 때문에 바람직함)로 접착하였다.

다음에, 정전 전극을 고정한 MgO 소결체를, 정전 전극을 인쇄한 면을 위로 하여 다시 금형 안에 두고, 그 위부터 MgO 조립분을 금형 안에 충전하며, 10 MPa의 압박력으로 일축 가압 성형을 하였다. 성형 부분의 두께는 7 ㎜였다. 이 소결체와 성형체로 이루어지는 적층체를 흑연 다이에 설치하고, 핫 프레스로에 넣어, 질소 1.01 기압 중에서, 일축 가압 압력 24 MPa, 온도 1400℃로 6시간 소성하여, 정전 전극이 매설된 MgO 소결체를 얻었다. 그 후, MgO 소결체를 연삭 가공하여 직경 299 ㎜이며 두께 4 ㎜인 원반 형상으로 만들었다. 이 때, 웨이퍼를 흡착·유지하는 면(웨이퍼 배치면)으로부터 매설된 정전 전극의 평면까지의 거리는 0.4 ㎜였다.

다음에, 흡착면과는 반대측의 면 중심에 직경 5 ㎜의 카운터보어홀을 형성하고, Ni 태블릿을 바닥면에 노출시켰다. 또한, 소정 위치에 관통 구멍을 형성하고, 가스 공급 구멍 및 웨이퍼를 승강시키는 리프트핀이 통과하는 구멍을 형성하였다. 그 후, 카운터보어홀에 직경 4.9 ㎜, 길이 7 ㎜의 Ni 급전 단자를 삽입하고, Ni 태블릿의 노출면 및 카운터보어홀의 내주면의 MgO 세라믹스와 금납으로 접합하였다. 금납 접합은 100 Pa 이하의 진공로 속에서 1010℃로 5분 가열함으로써 행하였다. 이상과 같이 하여 실시예 46의 정전 척을 제작하였다. 이 정전 척은, 웨이퍼 배치면이 형성된 세라믹스 기체에 정전 전극이 매설된 것이고, 세라믹스 기체는 MgO 함량이 99 중량% 이상인 세라믹스 소결체로 형성되며, 정전 전극은 Ni로 형성된 것이다.

[비교예 15]

순도 99.5%의 MgO 분말(평균 입경 1.2 ㎛)에 TiC 분말 및 Co₃O₄분말을 혼합하여, TiC를 0.6 vol%, Co₃O₄을 1.7 vol% 포함하는 혼합 원료 분말을 조제하였다. 혼합 원료 분말 50 중량부에 폴리비닐알코올 0.5 중량부, 물 100 중량부를 혼합하여 슬러리로 만들고, 스프레이 드라이법에 의해 조립분(평균 입경 30 ㎛∼40 ㎛)을 제작하였다.

다음에, 금형 안에 혼합 원료의 조립분을 충전하고, 평평하게 한 후 10 MPa의 압박력으로 일축 가압 성형을 하여, 직경 320 ㎜이며 두께 7 ㎜인 원반형 성형체를 얻었다. 이 위에 직경 297 ㎜의 Mo 메시로 이루어지는 정전 전극을 두고, 그 중심에 직경 2 ㎜이며 두께 1 ㎜인 Mo 원판(이하, Mo 태블릿이라고 함)을 풀로 더 접착하였다. 그 위로부터 혼합 원료의 조립분을 금형 안에 충전하고, 10 MPa의 압박력으로 일축 가압 성형을 하였다. 성형 부분의 두께는 7 ㎜였다. 이와 같이 하여 혼합 원료의 조립분으로 이루어지는 성형체에 정전 전극이 매설된 중간체를 얻었다. 이 중간체를 흑연 다이에 설치하고, 핫 프레스로에 넣어, 질소 1.01 기압 중에서, 일축 가압 압력 24 MPa, 온도 1400℃로 6시간 소성하여, 정전 전극이 매설된 MgO 소결체를 얻었다.

다음에, 정전 전극이 매설된 MgO 소결체를 연삭 가공하여 직경 299 ㎜이며 두께 4 ㎜인 원반 형상으로 만들었다. 그러나, 이 단계에서, Mo 메시로 이루어지는 정전 전극으로부터 표면(웨이퍼 배치면)까지의 두께를 1 ㎜로 했을 때, 표면 외주부 근방의 MgO 소결체에 마이크로 크랙이 들어가 있는 것이 판명되었다.

다음에, 흡착면과는 반대측의 면 중심에 직경 5 ㎜의 카운터보어홀을 형성하고, Mo 태블릿을 바닥면에 노출시켰다. 또한, 소정 위치에 관통 구멍을 형성하고, 가스 공급 구멍 및 웨이퍼를 승강시키는 리프트핀이 통과하는 구멍을 형성하였다. 그 후, 카운터보어홀에 직경 4.9 ㎜이며 길이 7 ㎜인 Ni 급전 단자를 삽입하고, Mo 태블릿의 노출면 및 카운터보어홀의 내주면의 MgO 세라믹스와 금납으로 접합하였다. 금납 접합은 100 Pa 이하의 진공로 속에서 1010℃로 5분 가열함으로써 행하였다. 이상과 같이 하여 비교예 15의 정전 척을 제작하였다.

[평가]

- 흡착력과 탈착 응답성 :

실시예 46 및 비교예 15의 정전 척을 각각 Al제의 냉각반에 실리콘 접합 시트로 접착하고, 진공 챔버에 설치하였다. Al제의 냉각반에는, 정전 척의 정전 전극에 전압을 인가하기 위한 전기 접속 커넥터와, 각 가스 공급 구멍에 접속하는 가스 구멍과, 웨이퍼를 승강시키기 위한 리프트핀을 포함하는 승강 장치를 부착하였다. 이 냉각반은, 온도 조절을 위한 냉매를 통과시키는 냉각 수로가 내장되어 있는 것으로 하였다. 다음에, 100 Pa의 진공하에서 Al 냉각반을 60℃의 온도로 유지하고, Si 웨이퍼를 정전 척의 웨이퍼 배치면 상에 두며, 정전 전극에 소정 전압을 인가하여 Si 웨이퍼를 흡착 유지하였다. 다음에, Si 웨이퍼의 이면에 정전 척의 가스 공급 구멍을 통해 Ar 가스를 공급하여, 가스의 유량을 측정하면서, 가스압을 100 Pa로부터 서서히 올려 가며, 가스의 유량이 갑자기 증가할 때의 가스 압력을 측정하였다. 이 가스의 유량이 갑자기 증가할 때의 가스 압력을, 정전 척의 흡착력으로 하였다. 여기서, 정전 척의 웨이퍼 배치면의 외주에는 원환형의 볼록부가 존재하여, 흡착된 Si 웨이퍼와 웨이퍼 배치면의 사이에 폐쇄 공간을 형성하도록 되어 있다. 따라서, 이 폐쇄 공간의 가스 압력은 공급되는 가스의 가스압과 동등하다. 또한, 전압을 정전 전극에 인가하여 웨이퍼를 웨이퍼 배치면에 흡착시킨 상태로, 공급하는 가스의 압력을 500 Pa로 하고, 인가 전압을 0 V로 한 후, 공급하는 가스의 유량이 갑자기 증가할 때까지의 시간을 측정하였다. 즉, 가스의 유량이 갑자기 증가한다는 것은 웨이퍼가 정전 척으로부터 떨어진 것을 나타내고 있다. 이 시간을 탈착 응답 시간으로 하고, 0초에 가까울수록, 웨이퍼가 바로 정전 척으로부터 떨어지기 때문에, 프로세스 작업 처리량이 좋은 것이 된다.

- 웨이퍼 이면의 메탈 오염 :

표리 양면의 메탈 오염이 Si를 제거하는 원소로 0.1×10¹⁰ atoms/㎠이하인 Si 웨이퍼를 이용하고, 클래스 100의 클린룸에 설치된 진공 챔버 안에 부착한 정전 척을 60℃로 유지한 상태에서, Si 웨이퍼를 1 kPa의 흡착력으로 흡착하며, 2분 경과 후, 흡착력을 0으로 하여 Si 웨이퍼를 떼어내고, Si 웨이퍼의 이면, 즉 정전 척과 접촉되어 있던 측의 면의 메탈 오염을 용액 추출 ICP-MS(유도 결합 플라즈마 질량 분석)법으로 측정하였다. 구체적으로는, 측정면에 1 mol% 플루오르화수소산 용액을 1 cc 떨어뜨리고, 1분 후에 플루오르화수소산 용액을 스포이드로 흡취(吸取)하여, 플루오르화수소산 용액을 ICP-MS 장치에 의해 분석하며, 용액 중의 금속 원소의 농도를 측정하였다. 금속 원소의 농도와 용액의 액량, 떨어뜨린 플루오르화수소산 용액의 웨이퍼 상에서의 면적으로부터, 단위 면적당 부착되어 있었던 금속 원소량을 각 금속 원자별로 산출하였다. 또한, 웨이퍼의 흡착으로부터 플루오르화수소산 용액 추출까지의 작업은 클래스 100의 클린룸 안에서 행하고, 시스템으로부터의 오염이 없는 상황에서 행하였다. 메탈 오염은 각 원소로 10×10¹⁰ atoms/㎠이하가 아니면 디바이스의 수율이 악화되는 것으로 판단하였다.

실시예 46 및 비교예 15의 평가 결과를 표 4에 나타낸다.

표 4로부터 명백한 바와 같이, 실시예 46의 정전 척은, 충분한 흡착력을 발생시키고, 탈착 응답 시간이 짧으며, 인가 전압에 대한 흡탈착 응답이 매우 좋았다. 이 정전 척의 유전체층[세라믹스 기체중 웨이퍼 배치면으로부터 정전 전극까지의 영역(즉 두께 0.4 ㎜의 MgO 소결체 부분)]의 체적 저항율은 3×10¹⁵Ω·㎝이고, 쿨롱 타입으로서 충분한 절연 저항을 갖고 있었다. 한편, 비교예 15의 정전 척은, 같은 전압에서의 흡착력은 실시예 46보다 높지만, 탈착 응답 시간이 길고, 작업 처리량이 떨어지거나, 시퀀스의 조합법에 의해서는, 떨어지지 않은 웨이퍼를 리프트핀으로 쳐올려 웨이퍼가 깨질 위험이 있다. 또한, 비교예 15는 800 V의 전압을 걸었을 때에 아킹이 발생하고, 마이크로 크랙 부분의 표면과 정전 전극이 전기적으로 도통하여, 정전 척으로서 사용할 수 없게 되었다.

또한, 실시예 46의 정전 척에서는, Si 웨이퍼의 이면의 메탈 오염은 각 원소 모두 10×10¹⁰ atoms/㎠이하였지만, 비교예 15의 정전 척에서는 세라믹스 중에 함유되어 있는 Co 및 Ti가 Si 웨이퍼의 이면에 전사(轉寫)되어, Co 및 Ti의 메탈 오염을 야기시키고 있었다. 또한, 표 4에는 게재하고 있지 않지만, 아킹을 야기한 비교예 15의 정전 척은, 웨이퍼 배치면에 Mo이 검출되고, 아킹으로 Mo 원소가 웨이퍼 배치면을 오염시키고 있었다. 아킹을 야기시키기 전의 비교예 15의 정전 척에서는 Mo이 거의 검출되지 않았기 때문에, 아킹에 의해 유전체층이 파괴되어, 정전 전극의 Mo이 웨이퍼 배치면에 방산 누출된 것을 알 수 있다.

10: 정전 척 12: 세라믹스 기체,
12a: 웨이퍼 배치면 12b: 이면
14: 정전 전극 16: 태블릿
18: 카운터보어홀 20: 급전 단자
60: 정전 척 62: 세라믹스 기체
62a: 웨이퍼 배치면 62b: 이면
64: 정전 전극 65: 히터 전극
66: 태블릿 68: 카운터보어홀
70: 급전 단자 72: 태블릿
74: 카운터보어홀 76: 급전 단자
120: MgO 소결체 122: MgO 성형체
124: 적층체 126: 전극 내장 소결체
140: 박막 620: MgO 소결체
622 MgO 성형체 624: 제1 중간체
626: MgO 소결체 628: 제2 중간체
630: 적층체 632: 전극 내장 소결체
640: 박막 650: 패턴

Claims

웨이퍼 배치면이 형성된 MgO 세라믹스 기체에 정전 전극이 상기 웨이퍼 배치면과 평행이 되도록 매설된 정전 척으로서,
상기 정전 전극은,
(1) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속을 소성한 도전 물질,
(2) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 TiC, TaC 및 NbC으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말의 혼합물을 소성한 도전 물질,
(3) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 MgO 분말의 혼합물을 소성한 도전 물질,
(4) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 TiC, TaC 및 NbC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말과 MgO 분말의 혼합물을 소성한 도전 물질,
(5) Cr₃C₂ 분말과 MgO 분말의 혼합물을 소성한 도전 물질, 또는
(6) WC, TiC, TaC 및 NbC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말과 MgO 분말의 혼합물을 소성한 도전 물질
로 형성되는 정전 척.
제1항에 있어서, 상기 웨이퍼 배치면과 평행이 되도록 매설되고, 상기 (1)∼(6) 중 어느 하나로 형성된 히터 전극을 포함하는 것인 정전 척.
제2항에 있어서, 상기 히터 전극은, 상기 정전 전극과 동일한 재료로 형성되는 것인 정전 척.
제1항 내지 제3항 중 어느 한 항에 있어서, 상기 MgO 세라믹스 기체는 중금속 원소를 포함하지 않는 것인 정전 척.
웨이퍼 배치면이 형성된 MgO 세라믹스 기체에 정전 전극이 상기 웨이퍼 배치면과 평행이 되도록 매설된 정전 척의 제조 방법으로서,
MgO 세라믹스 소결체의 표면에 정전 전극용 전극 페이스트로 원반형의 박막을 형성하고, 이 박막 상에 MgO 분말 성형체를 적층하여 적층체로 하며, 이 적층체를 핫 프레스 소성하여 소결시키는 공정을 포함하고,
상기 전극 페이스트는,
(a) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속,
(b) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 TiC, TaC 및 NbC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말의 혼합물,
(c) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 MgO 분말의 혼합물,
(d) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 TiC, TaC 및 NbC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말과 MgO 분말의 혼합물,
(e) Cr₃C₂ 분말과 MgO 분말의 혼합물, 또는,
(f) WC, TiC, TaC 및 NbC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 단말과 MgO 분말의 혼합물
을 포함하는 것인 정전 척의 제조 방법.
웨이퍼 배치면이 형성된 MgO 세라믹스 기체에 정전 전극 및 히터 전극이 상기 웨이퍼 배치면과 평행이 되도록 매설된 정전 척의 제조 방법으로서,
MgO 세라믹스 소결체의 표면에 정전 전극용 전극 페이스트로 원반형의 박막을 형성하고, 이 박막 상에 MgO 분말 성형체를 적층하여 제1 중간체로 하는 한편, 별도로 MgO 세라믹스 소결체의 표면에 히터 전극용 전극 페이스트로 히터 전극 패턴을 형성하여 제2 중간체로 하며, 상기 제1 중간체의 MgO 분말 성형체 상에 상기 제2 중간체를 상기 히터 전극 패턴이 상기 MgO 분말 성형체와 접하도록 적층하여 적층체로 하고, 이 적층체를 핫 프레스 소성하여 소결시키는 공정을 포함하며,
각 전극 페이스트는, 각각 독립적으로,
(a) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속,
(b) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 TiC, TaC 및 NbC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말의 혼합물,
(c) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 MgO 분말의 혼합물,
(d) Ni, Co 및 Fe로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 금속 분말과 TiC, TaC 및 NbC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말과 MgO 분말의 혼합물,
(e) Cr₃C₂ 분말과 MgO 분말의 혼합물, 또는,
(f) WC, TiC, TaC 및 NbC로 이루어지는 군으로부터 선택되는 1종 이상의 탄화물 분말과 MgO 분말의 혼합물
을 포함하는 것인 정전 척의 제조 방법.
제5항 또는 제6항에 있어서, 상기 MgO 세라믹스 기체는, 중금속 원소를 포함하지 않는 것인 정전 척의 제조 방법.