JP2798570B2

JP2798570B2 - 静電チャック

Info

Publication number: JP2798570B2
Application number: JP32207892A
Authority: JP
Inventors: 和一口町; 仁阿多利
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1992-12-01
Filing date: 1992-12-01
Publication date: 1998-09-17
Anticipated expiration: 2013-09-17
Also published as: JPH06177231A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造装置などに
おいてシリコンなどのウェハを固定、搬送するために用
いられる静電チャックに関するものであり、特にＣＶＤ
やＰＶＤ装置などの高温下で使用するための静電チャッ
クに関する。

【０００２】

【従来の技術】従来より半導体製造装置においてシリコ
ンウェハの固定、搬送にはクランプリング、真空チャッ
ク、静電チャックが用いられてきたが、真空チャックは
真空中で使用できず、クランプリングは反り修正能力は
なくウェハサイズが大きくなるほど均熱がとりにくくな
るなどの不都合があった。そこで、電子ビーム描画装
置、ドライエッチング装置、ＣＶＤ装置、ＰＶＤ装置等
でシリコンウェハの固定、搬送に静電チャックが有効と
されている。

【０００３】このような静電チャックは絶縁体中に静電
電極を埋設した構造となっており、その吸着力Ｆは、Ｆ＝Ｓ／２×ε₀×ε_r×（Ｖ／ｄ）² Ｆ：吸着力Ｓ：静電電極面積 ε₀：真空の誘電率 ε_r：絶縁体の比誘電率Ｖ：印加電圧ｄ：絶縁層の厚みで表される。

【０００４】したがって、吸着力を高めるためには、こ
の式より高誘電体で絶縁層を形成する高電圧を印加する絶縁層を薄くするという方法が考えられる。の方法を用いたものとし
て、高誘電体であるチタン酸カルシウムなどを主成分と
するセラミックスを絶縁体とする静電チャックを本出願
人は既に提案した（特開平４−２０６９４８号公報参
照）。また、の方法については絶縁層の絶縁破壊に
つながり、危険を伴うので実用的でない。

【０００５】さらに、上記〜以外にアルミナ原料に
チタンなどの遷移金属を添加したのち還元雰囲気で焼成
し、体積固有抵抗を低下させたセラミックスを用いる静
電チャックもあった（特開平２−２２１６６号公報参
照）。これは、体積固有抵抗の低いセラミックスを絶縁
層とすることによって、電圧印加時に微小な漏れ電流が
発生し、この漏れ電流によって吸着力を増強するという
ものであった。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところが、上記特開平
２−２２１６６号公報にみられるような漏れ電流を利用
した静電チャックは、以下に示すようにさまざまな問題
点があった。

【０００７】まず、この静電チャックは、電子ビーム描
画装置、ドライエッチング装置などの−１００〜１５０
℃付近での使用を前提としたものであって、より高温で
の使用には適さないものであった。即ち、この静電チャ
ックにおいて、絶縁体の体積固有抵抗は温度上昇に伴っ
て低下していくため、ＣＶＤやＰＶＤなどの蒸着装置あ
るいは高温ドライエッチング装置で使用する２５０℃以
上という温度域では漏れ電流が大きくなりすぎてウェハ
上に形成した回路の破壊につながってしまうという欠点
があった。

【０００８】次に、この静電チャックを構成するセラミ
ックスは、焼成条件によって体積固有抵抗を制御してい
るため、炉内全体を完全に同じ雰囲気にする必要があ
り、少しの雰囲気のずれによって体積固有抵抗が異なっ
てくるため、この方法で体積固有抵抗を制御することは
困難であり、均一な製品が得られないことから量産性に
劣るという欠点があった。

【０００９】更に、上記セラミックスは、アルミナとチ
タンの混合物であるため、吸着力に時間依存性があり、
電圧を印加してもすぐに吸着力が得られないという致命
的欠点があった。これはチタンがアルミナ内に均一に分
散されていないことや、チタンが酸化されてチタニアが
生成され、比誘電率が非常に異なる材質（アルミナ＝１
０、チタニア＝４６）のものが分散しているためと考え
られる。そして吸着力に時間依存性があると半導体製造
装置におけるウェハの処理能力の低下につながるという
問題点があった。

【００１０】一方、特開平４−２０６９４８号公報にみ
られるような、高誘電体セラミックスを用いた静電チャ
ックは、高誘電体セラミックス自体の機械的強度が低い
うえに熱衝撃にも弱いため、２５０℃以上で使用するこ
とは実用性に乏しかった。

【００１１】一般に、静電チャックをＣＶＤ装置、ＰＶ
Ｄ装置あるいは高温エッチング装置などの２５０℃以上
という温度下で使用する際には、以下のようないくつか
の特性が求められる。

【００１２】高吸着力を発揮すること吸着・離脱の応答性がよいこと漏れ電流が小さいことアセンブリに耐え得る機械的強度を有し、高剛性を有
していることヒ−トショックに強いこと高熱伝導を有することウェハに悪影響を及ぼさない材料であること上記については、吸着力が高いことによって静電チャ
ックとウェハの接触性を高め、静電チャックの温度にウ
ェハの温度を近づけられるためにウェハの温度分布が小
さくなり、ＣＶＤやＰＶＤではウェハ上への均一な成膜
が、高温エッチングではパターンの高精度化が可能とな
るためである。また、についてはウェハのスループッ
ト能力を向上させるためには不可欠な要素である。

【００１３】については絶縁体の性質の１つとして温
度上昇に伴う体積固有抵抗の低下があり、それに伴い漏
れ電流も大きくなって、漏れ電流が大きすぎるとウェハ
上に形成されたパターンの破壊につながる恐れがあるた
めである。また、については、高温における装置への
静電チャックの組み込みでは接着剤の使用が困難であ
り、ネジ等の機械的固定をしなければならないため、ネ
ジ止め時や装置使用時の熱膨張差に耐え得る機械的強度
を有していなければならない。また、ウェハ上に高精度
のパターンを形成するには静電チャックの表面形状を高
精度に仕上げなければならないため、高剛性も必要とな
ってくる。

【００１４】については、ウェハ温度のコントロール
のために静電チャック下面から冷却する場合や、高温使
用時の静電チャック内の温度分布による熱歪みに耐え得
ることが必要なため、耐熱衝撃性に優れていなければな
らない。また、については、ウェハ加工時に、ウェハ
表面に温度分布ができてしまうと均一な成膜、パターン
の高精度化ができにくくなってしまうため、ウェハに接
触する静電チャックの材質は熱伝導に優れている方が好
ましい。さらに、については、静電チャックはウェハ
と直接接触するため、構成する元素がシリコンウェハの
特性劣下につながらないように、シリコンウェハに悪影
響を及ぼさない元素で構成されていなければならない。

【００１５】ところが、上記したように、従来のアルミ
ナにチタンを添加したセラミックスを用いた静電チャッ
クでは、漏れ電流が大きく、応答性も悪いものであり、
一方高誘電体セラミックスを用いた静電チャックは機械
的特性が劣るものであるため、いずれも上記〜の特
性を満たさなかった。

【００１６】そこで、本発明は、上記特性を満たし、２
５０℃以上の高温領域で好適に用いられる静電チャック
を得ることを目的とする。

【００１７】

【課題を解決するための手段】本発明の静電チャック
は、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素を主成分と
し、アルミニウム、珪素、酸素、窒素以外の元素量が
０．２重量％以下の組成を有し、２５０℃以上の温度域
における体積固有抵抗値が１０⁸〜１０¹³Ωｃｍの範囲
にあり、抗折強度が２０ｋｇ／ｍｍ²以上でかつ耐熱衝
撃性ΔＴが１５０℃以上であるセラミックス体中に静電
電極を埋設したことを特徴とするものである。ここで、
体積固有抵抗値を１０⁸〜１０¹³Ωｃｍとしたのは、１
０¹³Ωｃｍより大きいと、電圧印加時の漏れ電流が小さ
すぎて充分な吸着力が得られないからであり、一方、１
０⁸Ωｃｍより小さいと漏れ電流が大きすぎて吸着した
ウエハの回路を破壊するなどの悪影響を及ぼすためであ
る。また、抗折強度を２０ｋｇ／ｍｍ²以上でかつ耐熱
衝撃性ΔＴを１５０℃以上としたのは、抗折強度が２０
ｋｇ／ｍｍ²未満では、静電チャックを装置にネジなど
で固定する時や高温域における装置使用時にクラックや
割れが生じ、耐熱衝撃性ΔＴが１５０℃未満であると、
急速昇温時にセラミックス内に発生する熱歪みに耐える
ことができず、クラックや割れを生じて破損するからで
ある。

【００１８】なお、上記セラミックスとしては、珪素
（Ｓｉ）、アルミニウム（Ａｌ）の酸化物または窒化物
から構成され、熱伝導率が１０Ｗ／ｍｋ以上の特性を有
するものを用いる。

【００１９】

【実施例】以下、本発明の実施例を説明する。

【００２０】図１に示すように、本発明の静電チャック
はセラミックス体１中に静電電極２を埋設したものであ
り、この静電電極２と被吸着物３に電圧４を印加するこ
とによって吸着力が発生し、吸着面１ａ上に被吸着物３
を固定することができる。上記セラミックス体１は、常
温では体積固有抵抗が１０¹⁴Ωｃｍ以上と大きく、漏れ
電流が非常に小さいため吸着力はほとんど発生しない
が、２５０℃以上の温度域では体積固有抵抗が１０⁸〜
１０¹³Ωｃｍに低下するため、漏れ電流が大きくなって
吸着力が発生する。

【００２１】これらのセラミックスは、アルミナ（Ａｌ
₂Ｏ₃）、アルミナの単結晶体であるサファイア、シリ
カ（ＳｉＯ₂）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、窒化珪
素（Ｓｉ₃Ｎ₄）を主成分とするものであって、上記体
積固有抵抗を示すためには、これらの主成分を８５重量
％以上含むものを用いる。また、後述するようにウェハ
への汚染をなくすためには、アルミニウム（Ａｌ）、珪
素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）以外の元素からな
る成分（不純物）を合計０．２重量％以下とすることが
好ましい。

【００２２】例えば、アルミナセラミックスの場合、主
成分であるＡｌ₂Ｏ₃を８５重量％以上含み、残部がＳ
ｉＯ₂で、その他のＣａやＮａなどの成分を合計０．２
重量％以下としたもの、または主成分であるＡｌ₂Ｏ₃
を９９．８重量％以上としたものが良い。また、窒化ア
ルミニウムセラミックスの場合は、焼結助剤であるＹ₂
Ｏ₃等を焼成時に蒸発させることによって、主成分であ
るＡｌＮを９９．８重量％以上としたものが良い。さら
に、窒化珪素質セラミックスの場合は、主成分であるＳ
ｉ₃Ｎ₄を８５重量％以上含み、残部がＡｌ₂Ｏ₃で、
不純物を０．２重量％以下としたものが良い。

【００２３】そして、これらの組成からなる原料をプレ
ス成形、またはグリーンシートを積層することによって
板状に成形し、所定条件で焼成すれば、上記セラミック
ス体１を得ることができる。また、サファイアで形成す
る場合は、ＥＦＧ法などの製法で板状に引き上げた後、
所定形状に加工することでセラミックス体１を得ること
ができる。

【００２４】さらに、上記セラミックスは、抗折強度が
２０ｋｇ／ｍｍ²以上と機械的強度が高く、耐熱衝撃性
ΔＴが１５０℃以上とヒートショックに強く、熱伝導率
１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上と熱伝導性の良いものを用いる。ま
た、上記のように、これらのセラミックスは、アルミニ
ウム（Ａｌ）、珪素（Ｓｉ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）
の元素からなるため、ウェハに悪影響を及ぼすことはな
い。さらに、上記セラミックスは単一主成分からなる材
料であるため吸着時の応答性がよく、均質な材料を容易
に製造することができる。

【００２５】また、上記実施例では単極型の静電チャッ
クを示したが、静電電極２を複数形成し、これらの静電
電極２間に電圧を印加することにより双極型の静電チャ
ックとすることもできる。

【００２６】さらに、本発明の他の実施例を図２に示す
ように、セラミックス体１中に静電電極２とともにヒー
タ５を埋設して静電チャックを構成することもできる。
この場合は、ヒータ５に電圧６を印加することによっ
て、セラミックス体１を２５０℃以上に加熱し、このと
き静電電極２と被吸着物３との間に電圧４を印加するこ
とで、セラミックス体１中に微小な漏れ電流を生じ、吸
着力を発生させることができる。このように、ヒータ５
を埋設した静電チャックは、所定の吸着力を得られるよ
うにセラミックス体１の温度を制御することが容易であ
り、より好適に使用することができる。

【００２７】実験例１本発明の静電チャックは微少な漏れ電流によって吸着力
を得るものであり、適正な吸着力を得るためには体積固
有抵抗が重要になってくる。そこで常温における体積固
有抵抗が１０¹⁴Ωｃｍ以上のアルミナをセラミック体１
として用い、図２に示すヒータ５を内蔵した単極型の静
電チャックを作製して、１０^-1Ｔｏｒｒの真空中におい
て静電チャックの静電電極２と被吸着物３間に３００Ｖ
の電圧４を印加し、昇温しながら被吸着物３を垂直に剥
すことにより吸着力の測定を行った。

【００２８】その結果、図３に吸着力と温度の関係を示
すように、２５０℃付近で吸着力が急激に大きくなり、
４００℃でほぼ一定になって、１００ｇ／ｃｍ²以上の
充分な吸着力を生じることがわかる。この結果を、上記
アルミナセラミックスの体積固有抵抗と温度の関係を示
すグラフ（図４）と比較すると、温度が２５０℃以上で
体積固有抵抗が１０¹³Ωｃｍ以下の時に充分な吸着力を
発生できることが確認できた。しかし、漏れ電流が大き
くなりすぎるとウェハ上の回路を破壊することを考える
と体積固有抵抗は１０⁸〜１０¹³Ωｃｍが好ましく、上
記アルミナセラミックス製静電チャックは２５０〜５０
０℃の温度域で好適に使用できることがわかる。

【００２９】さらに、図４中に窒化珪素、窒化アルミニ
ウムからなるセラミックスの体積固有抵抗と温度との関
係を示すように、これらのセラミックスも２５０〜５０
０℃の温度域において、体積固有抵抗が１０⁸〜１０¹³
Ωｃｍとなる。そして、これらのセラミックスで静電チ
ャックを構成したところ、上記アルミナセラミックスと
同様に２５０℃以上の温度で吸着力１００ｇ／ｃｍ²以
上の充分な吸着力を生じることが確認された。

【００３０】また、アルミナの単結晶体であるサファイ
アは、体積固有抵抗が大きいことから、５００℃以上の
温度域でも充分使用可能である。

【００３１】実験例２次に、静電チャックの吸着力の時間依存性をみるため
に、常温における体積固有抵抗が１０¹⁴Ωｃｍ以上で、４
００℃になると１０¹¹Ωｃｍに低下するアルミナ静電チ
ャック（本発明実施例）アルミナ原料にチタンなどの遷移金属を添加したのち
還元雰囲気で焼成し、常温における体積固有抵抗を１０
¹¹Ωｃｍにした静電チャック（比較例）の２つの静電チャックを用意した。

【００３２】体積固有抵抗の値をあわせるため、は常
温で、は４００℃において、それぞれ吸着力の時間依
存性の測定を行った（いずれも真空度は１０^-1Ｔｏｒ
ｒ、印加電圧は３００Ｖ）。結果を図５に示すように、
（比較例）においては所定の吸着力が得られるまで２
００秒ほど要するが、（本発明実施例）においてはわ
ずか１秒ほどで所定の吸着力が得られるという結果とな
り、本発明の静電チャックは時間依存性がなく、吸着、
離脱の応答性が良いことがわかった。

【００３３】これは、前記したように、比較例が複合材
料からなるのに対し、本発明実施例は単一材料からなる
ためである。

【００３４】実験例３次に、静電チャックの熱応力の面から高温での使用可能
性を確認するための実験を行った。表１に示すまざまな
特性のセラミックスを用いて、それぞれヒータを内蔵し
たφ６インチの静電チャックを用意し、５００℃まで５０℃／分で急昇温を行うネジ止めで金具とアセンブリ行い、５００℃までゆっ
くり昇温を行う実験を行った。なお、表１中、強度とは常温での抗折強
度のことであり、耐熱衝撃性とは水中投下時にクラック
を生じる温度差ΔＴのことである。

【００３５】結果を表１に示すように、耐熱衝撃性ΔＴ
が１５０℃よりも小さいもの（試料Ｃ、Ｄ）は、実験
でクラックが生じ、また強度が２０ｋｇ／ｍｍ²よりも
小さいもの（試料Ｂ、Ｄ）は実験でクラックが生じ
た。したがって、高温域で用いるためには、強度２０ｋ
ｇ／ｍｍ²以上、耐熱衝撃温度１５０℃以上のセラミッ
クスを用いる必要がある。

【００３６】

【表１】

【００３７】実験例４静電チャックを使用することによる均熱性の向上と均熱
に必要な熱伝導率を確認する実験を行った。表２に示す
ように、種々の熱伝導率をもったセラミックスで、図２
に示すヒータ内蔵のφ６インチ静電チャックを用意し、静電チャック中心を３００℃まで加熱した後ウェハを
静電チャックに載せ、サーモビュア（表面温度計）で表
面の温度分布を確認する静電チャック中心を３００℃まで加熱した後ウェハを
静電チャックに載せ、静電チャックでウェハを吸着して
サーモビュア（表面温度計）で表面の温度分布を確認す
る実験を行った。結果は表２に示す通りである。

【００３８】ウェハの均一成膜が可能であるのは温度差
２０℃以内と考えられるが、この表２より、その範囲に
入っているのは熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の静電チ
ャック（試料Ｃ、Ｄ）を用いて吸着させていた場合のみ
である。したがって、熱伝導率が１０Ｗ／ｍ・Ｋ以上の
セラミックスを用いれば良い。

【００３９】さらに、好ましくは窒化アルミニウムセラ
ミックスを用いれば、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋ以上
と極めて大きいことから、より好適である。

【００４０】

【表２】

【００４１】実験例５静電チャックを構成するセラミックス中の不純物量と、
ウェハに対する汚染度の関係を調べる実験を行った。表
３に示すように、アルミナを主成分とし、不純物である
ＮａとＣａの量が異なるセラミックスで静電チャックを
作製し、ＮａとＣａの量が１ｐｐｍ以下のシリコンウェ
ハを被吸着物として各静電チャックで吸着させた後、ウ
ェハをチェックして汚染度（ＮａとＣａの含有量）を測
定した。

【００４２】結果を表３に示す。この結果より、試料
Ｃ、Ｄに示すように、静電チャックを構成するアルミナ
セラミック中の不純物量が合計２０００ｐｐｍ（０．２
重量％）以下であれば、吸着されたウェハに対する汚染
度が小さいことがわかる。また、この実験例では、アル
ミナセラミックスについてのみ示したが、他のセラミッ
クスであっても、同様に不純物量を極めて少なくするこ
とで、ウェハに対する悪影響を防止でき、特にサファイ
アは好適である。なお、ここで不純物とは、珪素（Ｓ
ｉ）、アルミニウム（Ａｌ）、酸素（Ｏ）、窒素（Ｎ）
以外の元素を含む成分のことである。

【００４３】

【表３】

【００４４】

【発明の効果】このように本発明によれば、２５０℃以
上の温度域における体積固有抵抗が１０⁸〜１０¹³Ωｃ
ｍのセラミックスに静電電極を備えて静電チャックを構
成したことによって、ＣＶＤ装置、ＰＶＤ装置あるいは
高温エッチング装置等の２５０℃以上の温度で使用して
も良好にウェハを吸着することができ、固定、搬送、矯
正を行うことができる。

【００４５】また、上記セラミックスとして珪素（Ｓ
ｉ）、アルミニウム（Ａｌ）の酸化物または窒化物から
構成され、抗折強度２０ｋｇ／ｍｍ²以上、熱伝導率１
０Ｗ／ｍ・Ｋ以上、耐熱衝撃性ΔＴ１５０℃以上の特性
を有するものを用いることによって、２５０℃以上の温
度で使用しても熱応力に耐えられ、また熱伝導率が高い
ことによりウェハの全面均熱をはかられ、ウェハの均一
成膜、加工パターンの高精度化などが可能となり、また
ウェハの処理能力を向上することができ、ウェハに対す
る汚染の問題もなくなるなどの効果をもった高性能の静
電チャックを提供できる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の静電チャックを示す縦断面図である。

【図２】本発明の静電チャックの他の実施例を示す縦断
面図である。

【図３】本発明の静電チャックの吸着力と温度との関係
を示すグラフである。

【図４】本発明の静電チャックを構成するセラミックス
の温度と体積固有抵抗との関係を示すグラフである。

【図５】本発明および比較例の静電チャックの吸着力と
時間との関係を示すグラフである。

【符号の説明】

１・・・セラミックス体２・・・静電電極３・・・被吸着物４・・・電圧５・・・ヒータ６・・・電圧

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素を
主成分とし、アルミニウム、珪素、酸素、窒素以外の元
素量が０．２重量％以下の組成を有し、２５０℃以上の
温度域における体積固有抵抗値が１０⁸〜１０¹³Ωｃ
ｍ、抗折強度が２０ｋｇ／ｍｍ²以上、耐熱衝撃性ΔＴ
が１５０℃以上のセラミックス体中に静電電極を埋設し
てなる静電チャック。