KR20240006608A - 웨이퍼 지지체 - Google Patents

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KR20240006608A
KR20240006608A KR1020237042116A KR20237042116A KR20240006608A KR 20240006608 A KR20240006608 A KR 20240006608A KR 1020237042116 A KR1020237042116 A KR 1020237042116A KR 20237042116 A KR20237042116 A KR 20237042116A KR 20240006608 A KR20240006608 A KR 20240006608A
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nitride
substrate
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KR1020237042116A
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와타루 야마기시
가즈마사 모리
히토시 고우노
슌이치 에토
šœ이치 에토
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가부시키가이샤 페로텍 머티리얼 테크놀로지즈
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Abstract

웨이퍼 지지체(10)는, 머시너블 세라믹스로 이루어지는 기재(14)와, 기재의 표면을 덮는 보호층(16)과, 기재에 적어도 일부가 내포된 도전 부재(18, 20)를 구비한다. 보호층(16)은, 기재(14)보다 플라스마에 의한 부식이 적은 재료로 구성되어 있다.

Description

웨이퍼 지지체
본원 발명은, 웨이퍼를 지지하는 지지체에 관한 것이다.
종래의 정전 척 등에 이용되는 세라믹스 재료는, 질화규소나 질화알루미늄과 같이 가공이 어려운 파인 세라믹스가 많아, 절삭 속도나 치핑(결락)의 관점에서 복잡한 가공이 곤란했다. 이에, 가공성이 뛰어난 머시너블 세라믹스를 기재(基材)에 이용한 웨이퍼 지지체가 고안되고 있다(특허문헌 1 참조).
일본국 특허공개 2020-155571호 공보
그러나, 전술한 웨이퍼 지지체는, 반도체 제조 프로세스에 있어서의 부식성의 가스나 플라스마 분위기에 노출되면, 표면에서 파티클이 발생하기 쉽다. 그 파티클이 웨이퍼에 부착되면, 그 후의 반도체 제조 프로세스에 있어서의 불량의 원인이 된다.
본 발명은 이러한 상황을 감안하여 이루어진 것이며, 그 목적으로 하는 바는, 플라스마에 대한 내식성이 뛰어난 새로운 웨이퍼 지지체를 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위하여, 본 발명이 한 양태의 웨이퍼 지지체는, 머시너블 세라믹스로 이루어지는 기재와, 기재의 표면을 덮는 보호층과, 기재에 적어도 일부가 내포된 도전 부재를 구비한다. 보호층은, 기재보다 플라스마에 의한 부식이 적은 재료로 구성되어 있다.
머시너블 세라믹스는, 일반적인 파인 세라믹스와 비교하여 가공이 용이하다. 이에, 이 양태에 의하면, 기재를 제작하는 단계에서 복잡한 형상을 실현하지 않아도, 기재를 제작하고 나서 가공을 할 수 있기 때문에, 다양한 형상의 웨이퍼 지지체의 제조가 가능해진다. 이에 더하여, 이 양태에 의하면, 기재에 대한 플라스마에 의한 부식을 보호층에 의해 저감할 수 있다. 또, 기재를 구성하는 재료가 박리되기 쉬운 경우여도, 보호층에 의해 박리를 저감할 수 있다.
보호층은, 질화알루미늄(AlN), 산화알루미늄(Al2O3), 산화이트륨(Y2O3), 산화마그네슘(MgO), 이트륨알루미늄가닛(YAG: Y3O5Al12) 및 이트륨알루미늄모노클리닉(YAM: Y4Al2O9)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 재료로 구성되어 있어도 된다. 이에 의해, 기재에 대한 플라스마에 의한 부식을 더 저감할 수 있다.
보호층은, 두께가 1~30μm의 범위여도 된다. 이에 의해, 원하는 흡착력과 플라스마에 대한 내식성을 양립할 수 있다. 보호층의 두께는, 바람직하게는 2μm 이상, 보다 바람직하게는 5μm 이상이면, 플라스마에 대해 보다 양호한 내식성이 얻어진다. 또, 보호층의 두께는, 바람직하게는 20μm 이하, 보다 바람직하게는 10μm 이하이면, 보다 충분한 흡착력이 얻어진다.
보호층은, 산술 평균 높이 Sa가 0.07~0.20μm의 범위여도 된다. 이에 의해, 지지하는 웨이퍼와 적절한 접촉이 가능해진다.
보호층은, 99.0% 이상의 AlN을 포함해도 된다. 이에 의해, AlN 본래의 플라스마에 대한 내식성이 얻어진다.
머시너블 세라믹스는, 질화붕소(BN), 산화지르코늄(ZrO2), 질화규소(Si3N4) 및 탄화규소(SiC)로 이루어지는 군으로부터 선택된 질화붕소를 필수로 하는 적어도 2개 이상의 재료로 이루어지는 소결체여도 된다. 질화붕소는, 피삭성이 뛰어나며, 질화붕소를 필수 성분으로 하는 머시너블 세라믹스를 이용함으로써 가공 레이트를 크게 할 수 있다. 또, 기재의 내부에 이종(異種) 재료인 도전 부재가 내포된 웨이퍼 지지체의 경우, 기재와 도전 부재의 물성의 차이에 따라서는 온도 변화에 대해 내부 응력이 발생한다. 또는, 웨이퍼 지지체의 외주부와 중심부의 온도 차에 의해 열 응력이 발생한다. 그러나, 질화붕소는, 뛰어난 내열 충격성을 갖고 있기 때문에, 기재가 갈라지기 어려워진다.
머시너블 세라믹스는, 질화붕소, 산화지르코늄, 질화규소 및 탄화규소의 세라믹스 성분의 합계를 100질량%로 한 경우에, 질화붕소를 10~80질량% 함유하고, 질화규소를 0~80질량% 함유하고, 산화지르코늄을 0~80질량% 함유하고, 탄화규소를 0~40질량% 함유해도 된다. 세라믹스 성분의 합계를 100질량%로 한 경우에, 추가로 소결 조제 성분을 3~25질량% 함유해도 된다.
도전 부재는, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈 및 그들을 포함하는 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 재료로 구성되어 있어도 된다.
또한, 이상의 구성 요소의 임의의 조합, 본 발명의 표현을 방법, 장치, 시스템 등의 사이에서 변환한 것도 또한, 본 발명의 양태로서 유효하다. 또, 상술한 각 요소를 적절히 조합한 것도, 본 건 특허 출원에 의해 특허에 의한 보호를 요구하는 발명의 범위에 포함될 수 있다.
본 발명에 의하면, 플라스마에 대한 내식성이 뛰어난 새로운 웨이퍼 지지체를 실현할 수 있다.
도 1은, 본 실시 형태에 따른 웨이퍼 지지체의 개략 단면도이다.
도 2는, 실시예 1에 따른 웨이퍼 지지체의 단면을 주사형 전자현미경(SEM)에 의해 촬영한 사진을 나타내는 도면이다.
도 3의 (a)는, 질화알루미늄의 기판 표면의 SEM 사진을 나타내는 도면이고, 도 3의 (b)는, 머시너블 세라믹스의 기판 표면의 SEM 사진을 나타내는 도면이고, 도 3의 (c)는, 실시예 1에 따른 웨이퍼 지지체의 보호층 표면의 SEM 사진을 나타내는 도면이다.
도 4의 (a)~도 4의 (c)는, 플라스마 폭로 시험을 설명하기 위한 모식도이다.
이하, 도면을 참조하면서, 본 발명을 실시하기 위한 형태에 대하여 상세히 설명한다. 또한, 도면의 설명에 있어서 동일한 요소에는 동일한 부호를 붙이고, 중복되는 설명을 적절히 생략한다.
(웨이퍼 지지체)
웨이퍼 지지체는, 실리콘 웨이퍼 등의 반도체 기판을 지지할 수 있으면 되고, 흡착 기구나 가열 기구를 구비하고 있어도 된다. 예를 들면, 웨이퍼 지지체는, 단순히 웨이퍼를 탑재하는 서셉터여도 된다. 또, 웨이퍼 지지체는, 탑재된 웨이퍼에 대해 흡착력이 발생하는 정전 척이나, 웨이퍼를 가열하는 히터여도 된다. 또, 웨이퍼 지지체가 지지하는 대상물은, 주로 웨이퍼이지만, 그 외의 부재나 부품을 지지하는 것이어도 된다.
본 실시 형태에서는, 웨이퍼 지지체가 히터가 달린 정전 척인 경우를 일례로 설명한다. 도 1은, 본 실시 형태에 따른 웨이퍼 지지체의 개략 단면도이다.
본 실시 형태에 따른 웨이퍼 지지체(10)는, 플라스마 CVD와 같은 반도체 제조 장치의 챔버(12) 내에서 웨이퍼(W)를 지지하기 위하여 이용된다. 웨이퍼 지지체(10)는, 머시너블 세라믹스로 이루어지는 기재(14)와, 기재(14)의 표면(14a)을 덮는 보호층(16)과, 기재(14)에 적어도 일부가 내포된 도전 부재(18, 20)를 갖는다. 웨이퍼(W)는, 탑재면(16a)인 보호층(16)의 표면에 탑재된다.
도전 부재(18)는, 탑재면(16a)에 웨이퍼(W)를 고정하기 위한 흡착력을 발생시키는 전류가 흐르는 정전 척 전극으로서 기능한다. 또, 도전 부재(20)는, 웨이퍼(W)를 소정의 프로세스 온도까지 가열하기 위한 저항 가열체(히터)로서 기능한다. 또한, 본 실시 형태에 따른 웨이퍼 지지체(10)에 있어서, 도전 부재(18, 20)는, 소결체인 기재(14)에 매설되어 있다. 그 때문에, 도전 부재(18, 20)는, 소성의 단계에서 원료 분말의 내부에 배치되어 있을 필요가 있으며, 소성 온도에서 녹지 않는 고융점 금속인 것이 바람직하다. 예를 들면, 도전 부재의 재료로서는, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈 등의 고융점 금속이나, 그들을 2종 이상 포함하는 합금이 바람직하다.
또, 웨이퍼 지지체(10)는, 챔버 측에 노출되는 탑재면(16a)으로부터 기재(14)의 내부를 통과하여 외부의 가스 공급원(도시하지 않음)까지 연결되어 있는 가스 도입구(22)가 형성되어 있어도 된다. 가스 도입구(22)는, 탑재면(16a)에 흡착된 웨이퍼(W)를 이면 측으로부터 냉각하는 가스를 공급하기 위한 것이다.
(머시너블 세라믹스)
본 발명자는, 웨이퍼 지지체에 적합한 재료를 찾아내기 위하여 예의 검토한 결과, 가공성이 좋은(쾌삭성을 갖는) 이른바 머시너블 세라믹스로 이루어지는 소결체가 바람직하다는 것을 찾아냈다.
머시너블 세라믹스는, 일반적인 파인 세라믹스, 예를 들면 산화알루미늄, 질화규소, 질화알루미늄, 탄화규소 등과 비교하여, 기계 가공이 용이하다. 즉, 머시너블 세라믹스에 있어서는, 세라믹스의 가공에서 문제가 되는 치핑이라고 불리는 결락이 발생하기 어려워, 복잡한 가공이 가능해진다. 또, 머시너블 세라믹스의 가공 시의 연삭량(가공 레이트)은, 파인 세라믹스의 가공 시의 연삭량의 수배에서 수백배이며, 효율적인 가공이 가능하다.
머시너블 세라믹스는 세라믹스 성분이 되는 복수의 원료 화합물이 혼합되어 있는 복합재이며, 예를 들면, 탄화규소의 배합 비율에 따라, 체적 저항률을 조정할 수 있다. 그 결과, 쿨롱형이나 존슨·라벡형과 같은 정전 척의 흡착 기구 중 어느 쪽에도 대응할 수 있다. 또, 히터의 경우는 탄화규소를 첨가하지 않음으로써 절연체로서 사용할 수 있다. 또한, 머시너블 세라믹스는 전체가 균일 조성일 필요는 없고, 웨이퍼(W)가 탑재되는 탑재면(16a)에 가까운 도전 부재(18)를 수용하는 부분, 도전 부재(20)를 수용하는 부분 각각에서, 각 부분의 기능이 최적이 되도록 조성을 상이하게 해도 된다.
또한 주성분의 하나로 질화붕소를 들고 있는데, 일반적인 산화알루미늄, 질화규소, 질화알루미늄, 탄화규소에 비해 뛰어난 내열 충격성을 갖고 있으며, 제품인 웨이퍼 지지체가 되었을 때, 균열에 의한 파손을 방지할 수 있다.
본 실시 형태에 따른 머시너블 세라믹스는, 질화붕소, 산화지르코늄, 질화규소 및 탄화규소로 이루어지는 군으로부터 선택된 질화붕소를 필수로 하는 적어도 2개 이상의 재료로 이루어지는 소결체이다. 질화붕소는, 피삭성도 뛰어나며, 질화붕소를 필수 성분으로 하는 머시너블 세라믹스를 이용함으로써 가공 레이트를 크게 할 수 있다. 또, 기재의 내부에 이종 재료인 도전 부재가 내포된 웨이퍼 지지체의 경우, 기재와 도전 부재의 물성의 차이에 따라서는 온도 변화에 대해 내부 응력이 발생한다. 또는, 웨이퍼 지지체의 외주부와 중심부의 온도 차에 의해 열 응력이 발생한다. 그러나, 질화붕소는, 뛰어난 내열 충격성을 갖고 있기 때문에, 기재가 갈라지기 어려워진다.
본 실시 형태에 따른 머시너블 세라믹스는, 질화붕소, 산화지르코늄, 질화규소 및 탄화규소의 세라믹스 성분의 합계를 100질량%로 한 경우에, 질화붕소를 10~80질량% 함유하고, 질화규소를 0~80질량% 함유하고, 산화지르코늄을 0~80질량% 함유하고, 탄화규소를 0~40질량% 함유하고 있으면 된다.
또, 본 실시 형태에 따른 머시너블 세라믹스는, 소결 조제 성분을 함유하고 있다. 소결 조제는, 질화규소나 질화붕소의 소결에 사용되고 있는 것으로부터 선택할 수 있다. 바람직한 소결 조제는 산화알루미늄(알루미나), 산화마그네슘(마그네시아), 산화이트륨(이트리아), 및 란타노이드 금속의 산화물로부터 얻어진 1종 혹은 2종 이상이다. 보다 바람직하게는 알루미나와 이트리아의 혼합물, 혹은 이것에 추가로 마그네시아를 첨가한 혼합물, 혹은 이트리아와 마그네시아의 혼합물 등이다.
소결 조제 성분의 배합량은, 세라믹스 성분의 합계를 100질량%로 한 경우에, 그 밖에 1~25질량%, 특히 3~25질량%의 범위로 하는 것이 바람직하다. 소결 조제 성분의 배합량이 1질량% 이상, 바람직하게는 3질량% 이상이면, 치밀화되기 쉬워져, 소결체의 밀도 부족이나 기계적 특성의 저하를 억제할 수 있다. 한편, 소결 조제 성분의 배합량이 25질량% 이하이면, 강도가 낮은 입계상이 저감됨으로써, 기계적 강도의 저하나 입계상의 증가에 의한 가공성의 저하를 억제할 수 있다.
또한, 질화붕소는, 피삭성이 뛰어나지만 강도 특성이 나쁘다. 따라서, 소결체 중에 조대한 질화붕소가 존재하면, 그것이 파괴 기점이 되어, 가공 시의 결락, 균열 발생 요인이 된다. 이와 같은 조대한 질화붕소 입자를 형성하지 않기 위해서는, 원료 분말을 미분으로 하는 것이 유효하다. 주원료 분말, 특히 질화붕소의 원료 분말은 평균 입경 2μm 미만의 것을 사용하는 것이 바람직하다. 질화붕소는, 육방정계(h-BN) 저압상의 것이나 입방정계(c-BN) 고압상의 것 등이 존재하는데, 쾌삭성의 관점에서는 육방정계의 질화붕소가 바람직하다. 또, 가공성의 관점에서는, 질화붕소가 많을수록, 또, 질화규소(및 산화지르코늄)가 적을수록 바람직하다. 또, 기계적 강도나 영률은, 질화붕소가 많을수록, 또, 질화규소(및 산화지르코늄)가 적을수록 낮아진다.
머시너블 세라믹스로서는, 예를 들면, BN 함유 질화규소계 세라믹스(「Photoveel II」, 「Photoveel II-k70」: Ferrotec Material Technologies Corporation 제조)를 들 수 있다. 또한, Photoveel II-k70의 조성은, 질화붕소가 38.5질량%, 질화규소가 54.1질량%, 이트리아가 5.5질량%, 마그네시아 1.9질량%이다. 이 BN 함유 질화규소계 세라믹스는, 굽힘 강도가 600MPa 이하, 영률이 250GPa 이하, 비커스 경도가 5GPa 이하이다. 이와 같은 특성을 갖는 머시너블 세라믹스는, 가공 시의 단위 시간당 연삭량(가공 레이트)이 커서, 복잡한 형상의 웨이퍼 지지체여도 효율적으로 생산할 수 있다. 또, 기재를 단순한 형상의 블록으로 하여 제작하고 나서, 원하는 형상으로 절삭 가공함으로써, 일 부품으로 복잡한 웨이퍼 지지체를 제조할 수 있다.
(소결체의 제조 방법)
우선, 후술하는 각 실시예나 각 비교예의 배합량에 따라, 질화붕소, 산화지르코늄, 질화규소 및 탄화규소 등의 세라믹스 성분이 되는 주원료 분말과, 세라믹스 성분의 합계를 100질량%로 한 경우에, 3~25질량%의 소결 조제 분말을 혼합하여 원료 분말을 조제한다. 이 혼합은, 예를 들면, 습식 볼 밀 등에 의해 행할 수 있다.
다음으로, 원료 분말 또는 성형체 혹은 그 양쪽 모두를 고온 가압 하에서 성형하고, 소성함으로써 소결체가 제작된다. 또한, 원료 분말 또는 성형체의 일부를 소결체로 치환해도 된다. 또, 히터를 위한 저항 가열체나 정전 척의 전극을 소결체의 내부에 설치하기 위해서는, 핫 프레스 장치에 원료 분말, 성형체 또는 소결체를 충전할 때에, 소성 후에 도전체가 되는 부재나 재료(예를 들면, 금속판, 금속박, 도전 페이스트, 코일, 메시 등)를 소정 위치에 배치(매설)하면 된다. 또한, 도전체의 형상은 특별히 한정되지 않는다. 이 소성은, 예를 들면, 핫 프레스 장치를 이용하여 행할 수 있다. 핫 프레스는, 비산화성(불활성) 분위기인 예를 들면 질소나 아르곤 분위기 중에서 행하지만, 가압 질소 중에서 행해도 된다. 핫 프레스 온도는 예를 들면, 1300~1950℃의 범위이다. 온도가 지나치게 낮으면 소결이 불충분하게 되고, 지나치게 높으면 주원료의 열 분해가 일어나게 된다. 가압력은 20~50MPa의 범위 내가 적당하다. 핫 프레스의 지속 시간은 온도나 치수에 따르지만, 통상은 1~4시간 정도이다. 고온 가압 소결은, HIP(핫 아이소스태틱 프레스)에 의해 행할 수도 있다. 이 경우의 소결 조건도, 당업자라면 적절히 설정할 수 있다.
그 후, 소결체를 원하는 형상으로 가공하여, 웨이퍼 지지체가 제조된다. 본 실시 형태에 따른 머시너블 세라믹스는, 고강도이며 고머시너블성(쾌삭성)을 가지므로, 복잡한 미세 가공이 공업적으로 현실적인 시간으로 가능하다. 또, 소결체를 제조할 때의 제 조건은, 후술하는 플라스마에 의한 내식성을 고려하여, 머시너블 세라믹스의 평균 결정 입경이 0.5μm 이하가 되도록 선택되어 있으면 된다. 이에 의해, 가령 다결정의 일부가 플라스마 분위기에 있어서의 부식으로 파티클로서 박리된 경우여도, 파티클 자체가 작음으로써 반도체 제조 프로세스에서의 불량을 저감할 수 있다. 또한, 머시너블 세라믹스의 평균 결정 입경은, 0.1μm 이하가 보다 바람직하다.
상술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 기재(14)에 이용되는 머시너블 세라믹스는, 일반적인 파인 세라믹스와 비교하여 가공이 용이하다. 이에, 이 양태에 따르면, 기재(14)를 제작하는 단계에서 복잡한 형상을 실현하지 않아도, 기재를 제작하고 나서 가공을 할 수 있기 때문에, 다양한 형상의 웨이퍼 지지체의 제조가 가능해진다.
한편, 웨이퍼 지지체(10)는, 용도에 따라서는 반도체 제조 프로세스에 있어서 부식성의 가스나 플라스마 분위기에 노출된다. 부식성의 플라스마로서는, CF4, C4F8, SF8, NF3, CHF3 등의 불소계 가스가 예시되며, 이에 더하여, Ar, O2, CO2 등의 가스가 혼합되는 경우가 있다. 규소 성분은 불소계의 플라스마와 반응성이 높기 때문에, 규소를 포함하는 기재는 이들 플라스마에 대해 내성이 낮다. 또, 질화붕소는, O2 플라스마와 반응성이 높다.
전술한 바와 같이, 본 실시 형태에 따른 머시너블 세라믹스는, 주성분에 질화규소, 탄화규소, 질화붕소가 포함되는 경우가 있고, 본원 발명자는, 규소나 질화붕소를 포함하는 머시너블 세라믹스가 부식성의 플라스마 분위기에 있어서 내식성이 낮아지는 가능성을 도출했다. 그리고, 플라스마에 대한 웨이퍼 지지체의 내식성을 향상시키기 위하여, 본 실시 형태에 따른 웨이퍼 지지체(10)의 기재(14)의 표면에 보호층(16)을 형성했다.
(보호층)
본 실시 형태에 따른 보호층(16)은, 기재(14)보다 플라스마에 의한 부식이 적은 재료로 구성되어 있다. 이에 의해, 기재(14)에 대한 플라스마에 의한 부식을 보호층(16)에 의해 저감할 수 있다. 또, 기재(14)를 구성하는 재료가 박리되기 쉬운 경우여도, 보호층(16)에 의해 박리를 저감할 수 있다. 본 실시 형태에 따른 보호층(16)은, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 산화이트륨, 산화마그네슘, 이트륨알루미늄가닛(YAG: Y3O5Al12) 및 이트륨알루미늄모노클리닉(YAM: Y4Al2O9)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 재료로 구성되어 있다. 특히 질화알루미늄은 내열 충격성이 뛰어나기 때문에, 정전 척에 높은 열 충격이 가해지는 프로세스에 있어서 적합한 재료이다.
도 1에 나타내는 바와 같이, 보호층(16)의 표면인 탑재면(16a)과 도전 부재(18) 사이의 두께가 유전체층의 두께 t가 된다. 그 때문에, 보호층(16)의 막 두께가 지나치게 두꺼우면, 유전체층의 두께 t가 커져, 충분한 흡착력이 얻어지지 않게 된다. 또, 두께 t가 지나치게 크면, 높은 열 충격이 가해졌을 때에 보호층(16)에 크랙이 발생하기 쉬워진다. 한편, 보호층(16)의 두께 t가 지나치게 작으면, 플라스마에 대해 충분한 내식성이 얻어지지 않게 된다. 이에, 본 실시 형태에 따른 보호층(16)은, 두께가 1~30μm의 범위이다. 이에 의해, 원하는 흡착력과 플라스마에 대한 내식성을 양립할 수 있다. 보호층(16)의 두께는, 바람직하게는 2μm 이상, 보다 바람직하게는 5μm 이상이면, 플라스마에 대해 보다 양호한 내식성이 얻어진다. 또, 보호층(16)의 두께는, 바람직하게는 20μm 이하, 보다 바람직하게는 10μm 이하이면, 보다 충분한 흡착력이 얻어진다.
(보호층의 성막 방법)
보호층의 성막은, 예를 들면, CVD, PVD(스퍼터링이나 이온 플레이팅), 에어로졸 디포지션과 같은 방법으로 행해진다. 이들 방법은, 막 두께 제어가 뛰어나기 때문에, 전술한 보호층의 두께와 같이 1~30μm의 범위에서 정밀도 높은 성막이 가능하다.
스퍼터링은, 기판과 타겟(막이 되는 재질)을 대향시키고, 10-1~수Pa 정도의 Ar 가스 분위기 중에서, 타겟에 음의 고전압을 인가하여 방전시키고, Ar 이온을 타겟에 충돌시킨다. Ar 이온이 충돌하면, 스퍼터링 현상으로 타겟으로부터 원자가 튀어나온다. 튀어나온 원자가 기재에 퇴적됨으로써 보호층이 형성된다.
본 실시 형태에 따른 보호층(16)의 형성에는, 반응성 스퍼터링법이 적합하다. 산화알루미늄이나 질화알루미늄 등의 화합물을 타겟에 이용하면, 스퍼터율이 현저히 저하되기 때문에, 코팅 속도가 매우 작아지는 것이나, 원소마다 스퍼터율이 상이하기 때문에 타겟의 조성에서 벗어난 막이 형성되는 것이 알려져 있다. 그 때문에, 본 실시 형태에 따른 보호층의 구성 재료가 질화알루미늄인 경우, 단일 금속의 알루미늄의 타겟을 이용하여, 반응성 가스인 N2와 반응시키는 반응성 스퍼터링법이 적합하다.
보호층의 다른 성막 방법인 이온 플레이팅은, 기판과 증발원(막이 되는 재질)을 대향시키고, 10-2~10-4Pa 정도의 진공 중에서 증발원으로부터 막의 원료를 용해·증발시켜 기판에 퇴적시키는 방법이다. 증발시키는 재료의 종류나 반응 가스의 도입으로 다양한 재질의 막을 제작할 수 있다. 진공 증착을 기반으로 한 코팅 기술 중에서, 이온을 이용한 방법 전반을 이온 플레이팅이라고 부른다. 구체적으로는, 고주파 이온 플레이팅, 반응성 이온 플레이팅, 이온 어시스트 증착 등 다양한 수법이 있는데, 모두 채용할 수 있다. 본 실시 형태에 따른 보호층의 구성 재료가 산화이트륨인 경우, 증착원에 금속 이트륨을 사용하고, 반응 가스에 O2를 도입하여 플라스마 분위기 중에서 성막할 수 있다. 또, 이온 어시스트 증착의 경우, 증착원에 산화이트륨을 사용하고, 어시스트 이온에 O2 이온을 사용함으로써, 구성 재료가 산화이트륨의 보호층을 성막할 수 있다. 또한, 구성 재료가 산화마그네슘이나 산화알루미늄의 보호층인 경우도, 고주파 이온 플레이팅, 반응성 이온 플레이팅, 이온 어시스트 증착에 의해 성막할 수 있다.
전술한 스퍼터링이나 이온 플레이팅 등의, 이온을 이용한 성막 방법의 경우, 성막 전에 Ar 이온으로 표면을 클리닝(이온의 충격으로 표면 부착물이나 산화막을 제거)할 수 있기 때문에, 밀착력 높은 막을 얻을 수 있다. N2 이온이나 H2 이온은 특히 유기물의 클리닝(일반적으로 이온 봄바드먼트로 불리는 공정)에 유효하다. 봄바드먼트 공정에 의해, 기재인 머시너블 세라믹스 표면의 극미세한 파티클(초음파 세정 등으로는 다 제거할 수 없는 것)을 제거할 수 있으므로, 보호막을 구비하는 기재는, 보호막이 없는 기재보다 초기의 파티클 발생을 저감할 수 있다. 이들 수법은, 가루를 구워 굳혀서 만드는 벌크 세라믹스와 비교하여, 질화알루미늄의 순도도 높게 할 수 있으므로, 웨이퍼 오염의 우려도 낮아지고, 불량 저감에 기여한다.
또, 머시너블 세라믹스로 이루어지는 기재를 이용한 정전 척은, 기재의 표면 거칠기가 소정의 범위(예를 들면, 산술 평균 거칠기 Ra가 0.02μm≤Ra≤0.2μm의 범위)이면, 웨이퍼와 점접촉하기 때문에, 디척킹 시에 웨이퍼와의 쓸림이 적다. 한편으로 질화붕소의 벽개성 때문에, 물리적인 힘으로 입자의 박리(크랙)가 발생하기 쉽기 때문에, 그대로는 파티클이 발생하기 쉽다. 그러나, 전술한 질화알루미늄 등의 보호층(16)을 기재(14) 표면에 코팅함으로써, 입자의 박리가 저감되어, 파티클의 발생을 저감할 수 있다. 이에 더하여, 본 실시 형태에 따른 성막 방법으로 제작된 보호층(16)은, 기재(14)의 표면 거칠기에 추종하여, 산술 평균 거칠기 Ra가 0.02μm≤Ra≤0.2μm의 범위인 표면을 갖는다. 즉, 플라스마에 대한 내식성이 있는 보호층(16)을 구비하면서, 보호층(16) 자체가 웨이퍼와 점접촉할 수 있기 때문에, 본 실시 형태에 따른 웨이퍼 지지체(10)는, 파티클 저감에 매우 뛰어나다.
또, 각 층이 경질 재료(영률이 높은 재료의 조합)로 구성된 다층 부재인 경우, 어느 층도 변형되기 어렵기 때문에, 열 응력 등으로 크랙이 발생하기 쉽다. 그러나, 본 실시 형태에 따른 웨이퍼 지지체(10)와 같이, 주된 성분으로서 질화붕소를 포함하는 기재(14)를 이용함으로써 응력을 흡수(완화)할 수 있다. 또, 본 실시 형태에 따른 머시너블 세라믹스는 복합 재료이기 때문에, 기재(14)의 열 팽창률을 보호층(16)의 열 팽창률에 맞추는 것이 가능하다. 그 결과, 각 층의 열 팽창률의 차이에 의한 열 응력을 작게 할 수 있어, 크랙의 발생, 즉 파티클의 발생이 억제된다.
[실시예]
다음으로, 각 실시예나 각 비교예에 따른 웨이퍼 지지체의 특성에 대하여 설명한다. 각 실시예 및 각 비교예에 있어서의 세라믹스 성분 및 소결 조제 성분의 함유량은 표 1에 나타내는 바와 같다. 막 두께는 주사형 전자현미경에 의해 촬영한 단면 사진에서 계측했다. 도 2는, 실시예 1에 따른 웨이퍼 지지체의 단면을 주사형 전자현미경(SEM)에 의해 촬영한 사진을 나타내는 도면이다. 도 2에 나타내는 보호층(16)은, 반응성 스퍼터링법에 의해 성막된 두께 5μm의 질화알루미늄막이다. 도 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 1에 따른 보호층(16)은, 보이드가 없고 치밀한 막이다.
실시예 1~6, 비교예 1~3에 따른 웨이퍼 지지체의 시료 표면 특성과 플라스마 폭로 시험의 결과를 표 2에 나타낸다.
(시료 표면 특성)
도 3의 (a)는, 질화알루미늄의 기판 표면의 SEM 사진을 나타내는 도면, 도 3의 (b)는, 머시너블 세라믹스의 기판 표면의 SEM 사진을 나타내는 도면, 도 3의 (c)는, 실시예 1에 따른 웨이퍼 지지체의 보호층 표면의 SEM 사진을 나타내는 도면이다. 시료 표면 상태로서, JIS B 0601에서 규정된 산술 평균 거칠기 Ra를 측정했다. 또, 다른 시료 표면 상태로서, ISO 25178에서 규정된 산술 평균 높이 Sa를, KEYENCE CORPORATION 제조 공초점 현미경 VK-X1050으로 측정했다. 또한, 실시예 1~6에 대해서는 보호층의 표면을, 비교예 1~3에 대해서는 소결체인 기재의 표면을 측정했다.
도 3의 (a)에 나타내는 질화알루미늄의 기재 표면의 Ra는 0.05μm, Sa는 0.061μm이다. 이에 반해, 도 3의 (b)에 나타내는 질화붕소를 포함하는 머시너블 세라믹스의 기재 표면의 Ra는 0.05μm, Sa는 0.116μm이고, 도 3의 (c)에 나타내는 실시예 1에 따른 웨이퍼 지지체의 보호층 표면의 Ra는 0.08μm, Sa는 0.082μm이다. 즉, 적어도 머시너블 세라믹스가 기재인 경우는, 질화알루미늄이 기재인 경우와 비교하여, 보호층의 유무에 관계없이 산술 평균 높이 Sa가 크고, 웨이퍼와의 접촉 면적이 작게 되어 있다. 그 결과, 전술한 바와 같이, 웨이퍼 지지체로부터 발생하는 파티클을 저감할 수 있다. 본 실시 형태에 따른 보호층은, 산술 평균 높이 Sa가 0.07~0.20μm의 범위이면 된다. 이에 의해, 지지하는 웨이퍼와 적절한 접촉이 가능해진다.
(플라스마 폭로 시험)
도 4의 (a)~도 4의 (c)는, 플라스마 폭로 시험을 설명하기 위한 모식도이다. 시험에 이용한 플라스마 발생 장치는, Samco Inc. 제조의 RIE-10N이다. 플라스마 출력은 100W, 가스종은 CF4를 40sccm, O2를 10sccm 혼합한 것이다. 압력은 40Pa, 처리 시간은 240분(30분×8회)이다. 도 4의 (a)에 나타내는 바와 같이, 웨이퍼 지지체를 모방한 시험 대상의 시료(24)의 일부에 캡톤 테이프 등의 마스크(26)를 붙이고, 도 4의 (b)에 나타내는 바와 같이 플라스마 처리를 한다. 소정의 처리 시간 후에 마스크(26)를 제거하고, 마스크(26)가 덮여 있지 않았던 장소와, 마스크(26)로 덮여 있던 장소의 단차(d)를 부식량으로서 측정했다(도 4의 (c) 참조).
표 2에 나타내는 바와 같이, 실시예 1~6에 따른 웨이퍼 지지체는, 단차(d)가 0μm이며 부식이 확인되지 않았다. 한편, 보호막이 없는 비교예 1~3에 따른 웨이퍼 지지체는, 모두 단차(d)가 4μm 이상 발생하고 있었다. 또, 실시예 1~6에 따른 웨이퍼 지지체는, 비교예 1~3에 따른 웨이퍼 지지체와 비교하여, 모두 플라스마 폭로 시험 후의 표면 거칠기를 나타내는 산술 평균 높이 Sa의 값의 증가량이 작다. 즉, 부식량(단차)이 작고, 표면 거칠기(산술 평균 높이)가 작을수록 플라스마 내성이 높기 때문에, 본 실시 형태에 따른 웨이퍼 지지체에 있어서의 보호층의 유용성이 명백해졌다.
(비커스 경도)
플라스마에 대한 내식성에는, 전술한 화학 반응에 의한 에칭 이외에 물리적인 에칭이 영향을 미칠 가능성이 있다. 예를 들면, 불소계(CF4)의 가스를 이용한 플라스마와 반응해도 승화하기 어려운 물질(예를 들면 알루미늄이나 이트륨)을 포함하는 재료를 보호층으로 함으로써, 화학적 반응에 의한 내식성은 향상된다. 이에 더하여, 물리적인 충격에도 강한 고경도의 보호층이면, 플라스마에 대한 더 높은 내식성이 기대된다.
이에, 본원 발명자들은, 보호층의 막 경도에 주목했다. 막 경도는, 나노 인덴테이션법으로 나노 인덴테이션 경도 H_IT를 측정하고, 비커스 경도(GPa)로 환산했다. 예를 들면, 실시예 1, 3, 4에 따른 웨이퍼 지지체는, 비커스 경도가 10GPa 이상이며, 플라스마 폭로 시험에 의한 부식량의 결과와 함께, 플라스마에 대한 더 높은 내식성이 기대된다. 한편, 비교예 2에 따른 웨이퍼 지지체와 같이, 비커스 경도가 작은 경우, 곤포나 장치에 대한 장착 시에 흠집이 생겨, 파티클의 요인이 될 수 있다.
(보호층을 구성하는 재료의 순도)
존슨·라벡(J-R)형의 정전 척에서는, 웨이퍼 지지체에 있어서의 세라믹스의 체적 저항률을 109Ωcm 정도로 제어할 필요가 있다. 성막용(PVD, CVD) 정전 척은, 사용 온도역이 ∼500℃로 높지만, 일반적인 절연성 세라믹스는, 온도가 오르면 저항률이 내려온다. 그 때문에, 사용 온도역마다 저항률을 바꾼 세라믹스를 사용한다.
저항률을 바꾸기 위해서는 첨가물을 넣는 경우가 많으며, 예를 들면, 탄화규소, 카본(C), 산화 티탄(TiO2) 등을 수%~수십% 정도 질화알루미늄에 섞는 것이 행해지고 있다. 그러나, 이들 첨가물에 의해, 플라스마에 대한 내식성이 약해지거나, 불균일하게 에칭(부식)되거나 함으로써 파티클이 발생하는 경우가 있다.
이에, 본 실시 형태에 따른 웨이퍼 지지체는, 기재에서 체적 저항률을 제어하면서, 그 표면을 덮는 보호층의 재료를 고순도로 함으로써, 보호층에 있어서의 첨가물의 영향을 저감하고 있다. 예를 들면, 실시예 1이나 실시예 3에 따른 웨이퍼 지지체와 같이, 고순도의 질화알루미늄을 보호층으로서 구비하고 있어도 된다. 보호층은, 99.0% 이상, 보다 바람직하게는 99.5% 이상의 질화알루미늄을 포함하고 있으면 된다. 이에 의해, 질화알루미늄 본래의 플라스마에 대한 내식성이 얻어진다. 또한, 고순도의 질화알루미늄을 스퍼터링으로 제작하는 경우, 고순도의 알루미늄 금속과 고순도의 N2 가스를 이용하고, 또한 불순물 컨테미네이션이 적은 진공 분위기에서 성막함으로써 실현할 수 있다.
(보호층의 두께)
성막용의 정전 척, 특히 CVD용의 히터가 들어간 정전 척에서는, 처리 온도(히터 온도)가 ∼500℃로 높다. 이와 같은 고온의 정전 척에, 예를 들면 실온(25℃)의 웨이퍼를 반송해 오면, Δ475℃의 열 충격이 가해진다. 이에 반해, 질화알루미늄 세라믹스의 내열 충격은 Δ400℃ 정도이기 때문에, 질화알루미늄이 주성분인 기재만으로 이루어지는 정전 척의 경우, 세라믹스의 파손이 우려된다.
이에 반해, 본 실시 형태에 따른 웨이퍼 지지체와 같이, 머시너블 세라믹스로 이루어지는 기재를 구비하는 경우, 내열 충격성이 뛰어나다. 이에 더하여, 기재 표면을 덮는 보호층이 질화알루미늄, 산화알루미늄, 산화이트륨, YAG와 같은 내열 충격성이 머시너블 세라믹스만큼 높지 않은 재료로 구성되어 있었다고 해도, 1~30μm 정도의 박막이면, 내열 충격성을 해치는 경우가 없다. 또, 기재가 머시너블 세라믹스제인 정전 척에서는 열 전도율의 이방성이 얻어지는데, 보호층이 박막이면 기재에서 얻어지는 이방성을 해치는 경우가 없다.
이상, 본 발명을 상술한 실시 형태나 실시예를 참조하여 설명했으나, 본 발명은 상술한 실시 형태로 한정되는 것이 아니며, 실시 형태의 구성을 적절히 조합한 것이나 치환한 것에 대해서도 본 발명에 포함되는 것이다. 또, 당업자의 지식에 의거하여 실시 형태에 있어서의 조합이나 공정의 순서를 적절히 새로 짜는 것이나 각종 설계 변경 등의 변형을 실시 형태에 대해 가하는 것도 가능하며, 그와 같은 변형이 가해진 실시 형태도 본 발명의 범위에 포함될 수 있다.
본 발명은, 정전 척에 이용할 수 있다.
10: 웨이퍼 지지체
12: 챔버
14: 기재
14a: 표면
16: 보호층
16a: 탑재면
18: 도전 부재
20: 도전 부재
22: 가스 도입구
24: 시료
26: 마스크
W: 웨이퍼

Claims (8)

  1. 머시너블 세라믹스로 이루어지는 기재(基材)와, 상기 기재의 표면을 덮는 보호층과, 상기 기재에 적어도 일부가 내포된 도전 부재를 구비하며,
    상기 보호층은, 상기 기재보다 플라스마에 의한 부식이 적은 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 지지체.
  2. 청구항 1에 있어서,
    상기 보호층은, 질화알루미늄, 산화알루미늄, 산화이트륨, 산화마그네슘, 이트륨알루미늄가닛(YAG: Y3O5Al12) 및 이트륨알루미늄모노클리닉(YAM: Y4Al2O9)으로 이루어지는 군으로부터 선택된 적어도 하나 이상의 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 지지체.
  3. 청구항 1 또는 청구항 2에 있어서,
    상기 보호층은, 두께가 1~30μm의 범위인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 지지체.
  4. 청구항 1 내지 청구항 3 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층은, 산술 평균 높이 Sa가 0.07~0.20μm의 범위인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 지지체.
  5. 청구항 1 내지 청구항 4 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 보호층은, 99.0% 이상의 질화알루미늄을 포함하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 지지체.
  6. 청구항 1 내지 청구항 5 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 머시너블 세라믹스는, 질화붕소, 산화지르코늄, 질화규소 및 탄화규소로 이루어지는 군으로부터 선택된 질화붕소를 필수로 하는 적어도 2개 이상의 재료로 이루어지는 소결체인 것을 특징으로 하는 웨이퍼 지지체.
  7. 청구항 6에 있어서,
    상기 머시너블 세라믹스는,
    질화붕소, 산화지르코늄, 질화규소 및 탄화규소의 세라믹스 성분의 합계를 100질량%로 한 경우에, 질화붕소를 10~80질량% 함유하고, 질화규소를 0~80질량% 함유하고, 산화지르코늄을 0~80질량% 함유하고, 탄화규소를 0~40질량% 함유하며,
    상기 세라믹스 성분의 합계를 100질량%로 한 경우에, 추가로 소결 조제 성분을 3~25질량% 함유하는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 지지체.
  8. 청구항 1 내지 청구항 7 중 어느 한 항에 있어서,
    상기 도전 부재는, 몰리브덴, 텅스텐, 탄탈 및 그들을 포함하는 합금으로 이루어지는 군으로부터 선택되는 금속 재료로 구성되어 있는 것을 특징으로 하는 웨이퍼 지지체.
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