JP3623102B2

JP3623102B2 - 静電チャック

Info

Publication number: JP3623102B2
Application number: JP08459798A
Authority: JP
Inventors: 比呂史会田; 裕見子伊東; 一彦三上
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 1998-03-30
Filing date: 1998-03-30
Publication date: 2005-02-23
Anticipated expiration: 2018-03-30
Also published as: JPH11278942A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造装置等においてウエハを静電的に吸着保持して処理したり、搬送するための静電チャックに関するものである。
【０００２】
【従来技術】
従来より、半導体製造用装置において、シリコンウエハに対して成膜を行ったり、エッチングを施す場合には、シリコンウエハを平坦に保持することが必要である。このような保持手段としては、機械式、真空吸着式、静電吸着式が提案されている。
【０００３】
これらの保持手段の中で静電的にシリコンウエハを保持することのできる静電チャックは、シリコンウエハの加工を行うに際して要求される加工面の平坦度や平向度を容易に実現することができ、さらにシリコンウエハを真空中で加工処理することができるため、半導体の製造に際して最も多用されている。
【０００４】
従来の静電チャックは、電極板の上にアルミナ、サファイヤ等からなる絶縁層を形成したもの（特開昭６０−２６１３７７号）、絶縁基板の上に電極層を形成しその上に絶縁層を形成したもの（特開平４−３４９５３号）、絶縁基板内部に電極層を組み込んだもの（特開昭６２−９４９５３号）等が提案されている。
【０００５】
近年、半導体素子の集積回路の集積度が向上するに従い、静電チャックの高精度化とともに、耐食性、耐摩耗性、耐熱衝撃性に優れたセラミックス製静電チャックが要求されている。特に、窒化アルミニウムは他のセラミックス材料に比べて耐プラズマ性に優れていることから、静電吸着面を窒化アルミニウムセラミックスからなる静電チャックが検討されている。
【０００６】
一般に、絶縁体の体積固有抵抗値は温度が上昇するに伴い低下する。例えば窒化アルミニウムの場合には室温では１０^１６Ω・ｃｍから３００℃で１０^１１Ω・ｃｍ以下に減少するため、２５０℃の雰囲気で使用すると残留吸着などの問題が発生して安定した動作を得るのは困難であり、使用温度範囲に制限があった。特に、需要が多い１５０℃以下の使用温度では抵抗が１０^１６Ω・ｃｍ以上であるために大きな吸着力が得られないという問題があった。
【０００７】
これに対して、１５０℃以下の温度でも安定して静電チャックを使用するために、特開平２−１６０４４４号には、絶縁層を２層以上積層するとともにそれぞれの層に対応する電極層及び電気回路、スイッチングを設けて、室温から４００℃までの広い温度領域の使用に耐えられるような構造が提案されている。また、特開平４−３００１３７号には、静電チャック内にヒータ、熱電対などの温度検出器を取付け、外部に制御部を設けて温度変化にともなって電源部を制御して吸着力を安定させ、使用温度範囲を広げることも提案されている。さらに、特開平５−３１５４３５号は、誘電体層を複数の抵抗率の異なる材質で形成し、使用温度によって電圧印加の切り替えを行う方法を提案されている。
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
静電チャックの静電吸着面を形成する誘電性絶縁体として、主として用いられている窒化アルミニウムやアルミナなどのセラミック系誘電性絶縁体では、低温から高温まで安定した吸着力を得るには至っておらず、上述のように静電チャックの構造を変えたり、電気的な制御により使用できる温度範囲を広げようとしてきた。
【０００９】
しかし、前述したような絶縁層を２層以上積層して電極層を増やしたものや複数の抵抗率の異なる材質を誘電体層として用いた場合、電気回路も複雑となり、静電チャック自体の構造が複雑になるために製造工程が煩雑であり、そのために製品の信頼性が低下したり、コストが高くなるといった欠点があった。
【００１０】
また、ヒータを内蔵してその温度を検知し、印加電圧を制御する方法においても静電チャック内に熱電対などの温度検知器を内蔵するために検知器が故障すると使用不可能になるという問題があり、またこの方法においてもセラミック材料の持つ特性は本質的に変化しないことから、その使用範囲には自ずと限界があることには変わりがない。
【００１１】
従って、本発明は、幅広い温度範囲で１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍの抵抗を具備し、簡易な構造を有しながらも幅広い温度範囲で優れた吸着特性を有する静電チャックを提供することを目的とするものである。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記問題点に対して静電チャックの表面を形成するセラミック抵抗体について特に静電チャックを構成する材料の観点から検討を重ねた結果、静電吸着面が窒化アルミニウムを主相とするセラミックスからなる静電チャックにおいて、該セラミックス中に、Ｃｅを酸化物（ＣｅＯ_２）換算で５〜２０容量％の割合で含有せしめるとともに、Ｘ線回折チャートにおいて面間隔が（ａ）２．８±０．１Åおよび（ｂ）２．７±０．１Åの位置にそれぞれピークが存在し、各ピークの強度比（ａ）／（ｂ）が０．０５〜１．２を満足するセラミックスによって形成することにより、５０℃における体積固有抵抗が１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍの特性を有することができ、その結果、少なくとも０〜１００℃の範囲で高い吸着力と、残留吸着力の低減を図ることができることを見いだした。
【００１３】
【作用】
通常、窒化アルミニウムセラミックスは、２５℃において体積固有抵抗が１０^１４Ω・ｃｍ以上の高絶縁体であるが、該セラミックス中にＣｅを含有せしめ、粒界相にＣｅ化合物を形成することによって、セラミックスの抵抗を低下させることができる。これは、生成されたＣｅ化合物が導電性を有するためと考えられる。
【００１４】
本発明によれば、このようなＣｅ含有窒化アルミニウムセラミックスのＸ線回折チャートにおいて、面間隔が（ａ）２．８±０．１Åおよび（ｂ）２．７±０．１Åの位置にピークが存在する。上記（ｂ）のピークは、ＣｅＡｌＯ_３のピークであるり、また上記の（ａ）のピークは、Ｃｅの添加量等によって種々変化することから（ｂ）と同様にＣｅ化合物であると考えられる。
【００１５】
本発明では、この特殊な（ａ）のピークとＣｅＡｌＯ_３とのピーク強度比が、セラミックスの温度に対する抵抗変化に大きく影響を及ぼしていることを知見し、このピーク強度比（ａ）／（ｂ）を０．０５〜１．２を満足するように制御することにより、５０℃で体積固有抵抗が１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍの特性を有し、さらには、少なくとも０〜１００℃において体積固有抵抗を１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍの範囲に制御できる結果、０〜１００℃においてウエハを高い吸着力で固定することができ、また残留吸着力の発生しない静電チャックが得られる。
【００１６】
また、本発明によれば、静電吸着面を上記のような幅広い温度領域で体積固有抵抗の変化を小さくできることから、静電チャックとして格別に複雑な構造をとる必要なく、低コストで広範囲な温度領域において使用可能な静電チャックを提供できる。
【００１７】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の静電チャックを図面をもとに詳述する。図１は、本発明に係る静電チャックの一例を示す概略断面図である。この静電チャック１は、円盤状をしたセラミック基体２の一主面がウエハなどの被固定物Ｗを支持固定するための静電吸着面３を形成している。そして、セラミック基体２の内部には、円板状導体を配設してなる静電吸着用の電極層４が埋設されている。また、上記静電吸着面３の反対側の面には静電吸着用の電極層４と電気的に接続された給電用端子５が配設されている。
【００１８】
本発明において、セラミック基体２は、５０℃における体積固有抵抗が１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍであることが必要であって、この抵抗が１０^７Ω・ｃｍより低いと、漏れ電流が発生し、１０^１２Ω・ｃｍよりも高いと、ジョンソン・ラーベック力による高い吸着性が得られない。
【００１９】
本発明によれば、上記の抵抗特性を得る上で、窒化アルミニウムを主体とし、Ｃｅを酸化物換算で５〜２０容量％、特に１０〜１５容量％の割合で含有する。Ｃｅは、窒化アルミニウム主結晶相の粒界にＣｅ化合物として存在し、Ｃｅ化合物の生成によってセラミックスの抵抗が大きく変化し、Ｃｅ量が多いほど抵抗が低下し、少ないほど抵抗が増大する。従って、Ｃｅ量が酸化物換算で５容量％よりも少ないと、セラミックスの抵抗の低下に効果が少なく目的の抵抗を得にくく、２０容量％を超えると、抵抗が低くなりすぎて静電吸着時に漏れ電流が大きくなってしまう。
【００２０】
さらに、セラミック基体２の抵抗特性、特に抵抗の温度に対する変化は、Ｃｅ量のみならず、焼結体中の全酸素量とも関係しており、特に、所定のＸ線回折測定において検出される特定のピーク強度と相関がある。図２は、本発明におけるセラミックス基体のＣｕ−Ｋα線によるＸ線回折チャート図である。即ち、Ｘ線回折測定において、面間隔が（ａ）２．８±０．１Å（２θ＝３１．７±１．５（°））の領域に現れるＣｅ化合物に由来していると思われるピークがセラミックスの抵抗値を支配している。また、（ｂ）２．７±０．１Å（２θ＝３３．２±１．５（°））はＣｅＡｌＯ_３の（０１１）面のピークである。これらの値は測定するＸ線回折装置により多少ずれるが、標準試料で構成すれば±０．１Å内に入ると考えられる。
【００２１】
本発明によれば、（ａ）ピーク強度と、（ｂ）ピーク強度とのピーク強度比（ａ）／（ｂ）の値を０．０５〜１．２となるように制御することにより、０〜１００℃の温度範囲において１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍの抵抗を有し、セラミックスの抵抗の温度変化を小さくすることができ、その結果、幅広い温度領域で安定した吸着特性を得ることができる。
【００２２】
この（ａ）／（ｂ）ピーク強度比が０．０５より小さいとセラミックスの抵抗が高く、高い吸着力は得られない。また、（ａ）／（ｂ）ピーク強度比が１．２より大きいと抵抗が低すぎて吸着時に漏れ電流が大きくなってしまうことから不適当である。
【００２３】
なお、上記の窒化アルミニウムセラミックスは、抵抗調整剤として、上記Ｃｅ化合物に加え、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ及びＶ等の周期律表第４Ａ，５Ａ族元素の窒化物や炭化物を２２．５容量％以下の範囲で配合させることも可能である。特に、ＴｉＮ、ＴａＮを用いると、抵抗を容易に制御できる。
【００２４】
また、主成分である窒化アルミニウムは難焼結材であるため、焼結性を高めるために、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）等の希土類元素や、Ｃａ等のアルカリ土類元素を酸化物換算で２容量％以下の範囲で含有しても良い。
【００２５】
さらに、セラミックス中における窒化アルミニウムの平均結晶粒子径は５０μｍ以下、好ましくは１０〜３０μｍであるものが良い。これは、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の静電吸着面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、パーティクルが発生し、被固定物Ｗに悪影響を及ぼすためである。
【００２６】
一方、セラミック基体２に埋設する静電吸着用の電極層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。
【００２７】
本発明によれば、上記静電吸着面３に載置する被固定物Ｗと、セラミック基体２内に埋設された静電吸着用の電極層４との間に電圧を印加すれば、上記のようにセラミック基体２が０〜１００℃において体積固有抵抗値が１０^７〜１０^１２Ω・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。
【００２８】
さらに、静電吸着面は耐熱性及び耐プラズマ性、耐食性に優れた窒化アルミニウムセラミックスからなるために、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。
【００２９】
次に、本発明の静電チャックを製造するには、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、ＣｅＯ_２の粉末を５〜２０容量％の範囲で添加するとともに、Ｔｉ，Ｚｒ，Ｈｆ，Ｎｂ，Ｔａ，Ｖ等の周期律表４Ａ，５Ａ族元素の窒化物や炭化物を０〜２２．５容量％の範囲で添加する。また、同時に焼結助剤として、イットリウム（Ｙ），エルビウム（Ｅｒ），イッテルビウム（Ｙｂ）等の希土類元素や、Ｃａ等のアルカリ土類元素の酸化物あるいは焼成によって酸化物を形成し得る炭酸塩、硝酸塩、酢酸塩等を酸化物換算で２容量％以下の範囲で含有する。
【００３０】
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。
【００３１】
また、本発明によれば、上記Ｘ線回折測定において前記（ａ）／（ｂ）のピーク強度比は、上記添加成分に加え、組成系中の焼結助剤として混入する酸素以外の酸素量によって制御することができる。この酸素は、Ａｌ_２Ｏ_３として存在するものと考えられる。ただし、この酸素量に基づくＡｌ_２Ｏ_３量はＡｌＮ粉末表面に存在する不可避的なＡｌ_２Ｏ_３や、意図的にＡｌ_２Ｏ_３を添加することによって制御することができる。具体的には、添加されるＡｌ_２Ｏ_３は、ＡｌＮ粉末の表面にも不可避的に存在するＡｌ_２Ｏ_３を含めた全Ａｌ_２Ｏ_３量とＣｅＯ_２との体積比率（ＣｅＯ_２／Ａｌ_２Ｏ_３）が２〜１５となるように制御することが望ましい。
【００３２】
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層４をなすタングステン、モリブデン等の高融点金属を含む金属ペーストをスクリーン印刷にて所定の電極パターン形状に印刷する。
【００３３】
そして、この電極層パターンを覆うようにグリーンシートを積層し、５０〜１５０℃、３０〜７０ｋｇ／ｃｍ^２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作製したあと、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。しかる後、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。
【００３４】
その後、静電吸着面を表面粗さＲｍａｘが１μｍ以下となるまで研磨加工するとともに、静電吸着面３と反対側の面に前記静電吸着用の電極層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。
【００３５】
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層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層４以外にヒータ用の抵抗体を埋設しても良く、この場合、ヒータ用の抵抗体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、静電吸着面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。
【００３６】
さらに、静電吸着用の電極層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。
【００３７】
また、本実施形態ではセラミック基体２を、０〜１００℃の温度域における体積固有抵抗値が１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍの範囲にある窒化アルミニウム質セラミックス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が上記窒化アルミニウム質焼結体により形成してあれば良い。
【００３８】
本発明によれば、セラミック抵抗体を静電チャックとして使用した場合について説明したが、その他に静電気を防止するための部品として、例えば半導体製造装置におけるウエハ搬送用アーム、ウエハハンドリング用治具の他に、ヒータ材料、真空管外囲管などにも使用することができる。
【００３９】
【実施例】
次に、室温（２５℃）雰囲気下で使用するのに好適な図１の静電チャック１を試作し、その吸着特性について測定を行った。
まず、純度９９％、平均粒径１．２μｍのＡｌＮ粉末に有機バインダーと溶媒のみを加えて泥漿を作製し、ドクターブレード法により厚さ０．５ｍｍ程度のグリーンシートを複数枚成形してそれらを積層してセラミック基板２を形成するための成形体を得た。そして、その一主面にタングステン粉末にＡｌＮ粉末を５体積％混合したタングステンペーストをスクリーン印刷法により印刷塗布して静電吸着用電極層４用の導体層を形成した。
【００４０】
一方、純度９９％、平均粒径１．２μｍ、酸素含有量１重量％のＡｌＮ粉末に対し、平均粒径０．９μｍのＣｅＯ_２、平均粒径１．８μｍのＴｉＮ粉末、平均粒径が０．８μｍのＡｌ_２Ｏ_３粉末を用いて、成形体組成が表１に示す割合となるように、秤量混合した。なお、表１中、Ａｌ_２Ｏ_３量は成形体中の全酸素量から、ＣｅＯ_２に起因する酸素量を差し引いた残りの酸素量をＡｌ_２Ｏ_３換算した量である。
【００４１】
次に、この混合粉末に、さらに成形用バインダーと溶媒を加えて泥漿を製作し、ドクターブレード法により厚さ０．５ｍｍ程度のグリーンシートを成形した。そして、そのグリーンシートの表面に、タングステン粉末にＡｌＮ粉末を５体積％混合したタングステンペーストをスクリーン印刷法により印刷塗布して静電吸着用電極層４用の導体層を形成した。
【００４２】
そして、静電吸着用の電極層４をなす導体層を形成したグリーンシートの表面に、他のグリーンシートを積層して、８０℃、５０ｋｇ／ｃｍ^２の圧力で熱圧着した。しかるのち、上記積層体に切削加工を施して円板状とし、該円板状の積層体を真空脱脂したあと、１９００℃の焼成温度で１０体積％の水素（Ｈ_２）を含む水素／窒素混合雰囲気下で３時間焼成することにより、セラミック基板および誘電体層ともに相対密度９９％以上の、外径２００ｍｍ、厚み８ｍｍで、かつ内部に膜厚１５μｍの静電吸着用電極４を備えた板状焼結体を作製した。
【００４３】
そして、静電吸着面３をなす表面を表面粗さＲｍａｘ１μｍ以下まで研磨して静電吸着面５を形成して静電チャックを形成した。また、抵抗測定用およびＸ線回折測定用として、上記誘電体層と同一組成物の成形体を別途、作製し、上記と同じ焼成条件で焼成した。
【００４４】
まず、抵抗測定として、試料を真空中３００℃で１時間熱処理した後にドライ窒素を導入し、窒素雰囲気中で降温時に測定を行ない、体積固有抵抗が１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍの範囲を満足した温度領域を表１に示した。そして、５０℃での体積固有抵抗を測定し表１に示した。
【００４５】
また、Ｘ線回折測定によって、面間隔が（ａ）２．８±０．１Åおよび（ｂ）２．７±０．１Åの位置に有するピーク強度を測定し、ピーク強度比（ａ）／（ｂ）を求めた。なお、表中、試料Ｎｏ．３および試料Ｎｏ．１（比較例）についてそのＸ線回折チャート図を図２および図３に示した。
【００４６】
さらに、静電吸着力の測定として、作製した静電チャックに対して、室温（２５℃）下において、吸着面５に８インチ径のシリコンウエハを載置して静電吸着用の電極層４との間に５００Ｖの電圧を印加して１分間吸着保持させ、その時の吸着力を測定した。
【００４７】
【表１】

【００４８】
表１の結果から明らかなように、セラミックスの抵抗と吸着力は組成および上記（ａ）／（ｂ）ピーク強度比によって変化し、本発明の試料Ｎｏ．２〜７、１１〜１４は、少なくとも０〜１００℃の温度領域において、１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍの抵抗を有することからジョンソン・ラーベック力が発現でき、吸着力も２００ｇ／ｃｍ^２以上と優れたものであった。
【００４９】
これに対して、（ａ）／（ｂ）ピーク強度比が０．０５よりも小さい試料Ｎｏ．１、９、１０では、５０℃の抵抗が１０^１２Ω・ｃｍよりも高く、試料Ｎｏ．１、９では抵抗が１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍとなる温度領域が２５０℃以上と高く、２５℃で１０^１４Ω・ｃｍ以上となり、従って、２５℃における吸着力も低いものであった。また、（ａ）／（ｂ）ピーク強度比が１．２よりも大きな試料Ｎｏ．８、１５では、５０℃の抵抗が１０^７Ω・ｃｍよりも低く、吸着時に漏れ電流が大きく、吸着力も低下した。
【００５０】
【発明の効果】
以上詳述した通り、本発明によれば、窒化アルミニウムを主成分とし、Ｃｅを所定量含有せしめ、且つＸ線回折測定において特定のピーク強度を所定範囲に制御することにより、所望の抵抗値が得られ、抵抗の温度変化が小さく、幅広い温度範囲でジョンソン・ラーベック力による静電吸着力を発揮し得るセラミック抵抗体を得ることができ、これを静電チャックの静電吸着面に適用することにより、耐食性に優れると同時に、幅広い温度環境下でウエハ等の被固定物を吸着支持することのできる、安価で高信頼性と長期安定性に優れた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の構造を示す断面図である。
【図２】本発明のセラミック抵抗体のＸ線回折チャート図である。
【図３】比較例のセラミック抵抗体のＸ線回折チャート図である。
【符号の説明】
１静電チャック
２セラミック基体
３静電吸着面
４電極層
５給電用端子
Ｗ被固定物

Claims

静電吸着面が窒化アルミニウムを主体とするセラミックスからなる静電チャックにおいて、該セラミックスがＣｅを酸化物（ＣｅＯ_２）換算で５〜２０容量％の割合で含むとともに、Ｘ線回折チャートにおいて面間隔が（ａ）２．８±０．１Åおよび（ｂ）２．７±０．１Åの位置にそれぞれピークが存在し、各ピークの強度比（ａ）／（ｂ）が０．０５〜１．２を満足し、且つ５０℃における体積固有抵抗が１０^７〜１０^１２Ω・ｃｍであることを特徴とする静電チャック。