JP2000077508A - 静電チャック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】２５０〜４５０℃の高温下で静電吸着用の電極
より下側に存在するセラミック部の絶縁性を維持した状
態で、ジョンソン・ラーベック効果による大きく吸着力
を発現できる静電チャックを提供する。 【解決手段】吸着面３を有し、静電吸着用の電極４を埋
設した板状セラミック体２を、導体ペーストを印刷した
グリーンシートと導体ペーストを印刷していないグリー
ンシートを密着液を介して所定の順序で熱圧着し、焼成
することにより、静電吸着用の電極４の導体成分が、こ
の電極４から吸着面３までの間に存在するセラミック部
Ｐに拡散させて静電チャック１を構成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体ウエハ等の
被保持物を静電気力でもって吸着保持する静電チャック
に関するものであり、特に高温下において大きな吸着力
を有するものである。

【０００２】

【従来の技術及び発明が解決しようとする課題】従来、
半導体装置の製造工程において、半導体ウエハ（以下、
ウエハと称す。）に薄膜を形成するＰＶＤ、ＣＶＤ、ス
パッタリング等の成膜装置やウエハに微細加工を施すド
ライエッチング装置などの半導体製造装置では、ウエハ
を反応処理室内に精度良く保持するために静電チャック
が使用されている。

【０００３】ところで、半導体製造装置では、デポジッ
ション用ガス、エッチング用ガス、クリーニング用ガス
としてフッ素系や塩素系など腐食性の高いハロゲンガス
が使用されており、さらにプラズマを発生させることも
ある。そして、静電チャックはこのような過酷な条件下
で使用されることから、電極を耐プラズマ性やハロゲン
ガスに対する耐蝕性に優れた材質により覆う必要があ
り、近年、板状セラミック体中に板状や膜状の電極を埋
設した静電チャックが提案されている。

【０００４】一方、静電チャックによりウエハ等の被保
持物を吸着させる静電気力には、誘電分極によるクーロ
ン力と微小な漏れ電流によるジョンソン・ラーベック力
があり、大きな吸着力が得られるジョンソン・ラーベッ
ク効果を利用することが望まれている。

【０００５】このジョンソン・ラーベック効果を得るに
は、静電チャック中の電極から吸着面までの間に存在す
るセラミック部の体積固有抵抗値が、各種処理温度域に
おいて１×１０⁹ Ω・ｃｍ以上でかつ１×１０¹¹Ω・ｃ
ｍ未満の範囲にあることが必要があり、例えば静電チャ
ックを構成する板状セラミック体を、遷移金属を含有し
た低抵抗のアルミナセラミックスにより形成したもの
（特公平６−９７６７５号公報参照）や、板状セラミッ
ク体を、不純物を添加した低抵抗のセラミックスと不純
物を添加していない高抵抗のセラミックスとを接合して
構成したもの（特開平４−３９５６号公報参照）があっ
た。

【０００６】ところが、これらの静電チャックは主に室
温域での使用を目的としたものであり、２５０〜４５０
℃の高温下で使用すると、電極から吸着面までの間に存
在するセラミック部の抵抗値がさらに低下して漏れ電流
量が多くなるために、被保持物が半導体ウエハである
と、ウエハ上の微少回路が絶縁破壊されるといった課題
があった。

【０００７】また、遷移金属や不純物の添加量を調整
し、各種処理温度域においてジョンソン・ラーベック効
果が利用できるように抵抗値を制御することも考えられ
るが、抵抗値のバラツキが発生し易く、２５０〜４５０
℃の温度域において１×１０⁹Ω・ｃｍ以上でかつ１×
１０¹¹Ω・ｃｍ未満の抵抗値を有する板状セラミック体
を製作することは難しいものであった。

【０００８】さらに、特公平６−９７６７５号公報に示
されているように、静電チャックを構成する板状セラミ
ック体全体を、低抵抗のセラミックスにより形成したも
のでは、高温下において、板状セラミック体全体の抵抗
値が低下することから、静電チャックの下面にプラズマ
発生用の電極を固定するような場合、絶縁性が確保でき
ないといった課題があり、また、特開平４−３９５６号
公報に示されているように、静電チャックを構成する板
状セラミック体を、低抵抗のセラミック体と高抵抗のセ
ラミック体を接合して形成したものでは、耐蝕性や耐プ
ラズマ性を得るために両セラミック体を焼結によって接
合しようとすると、両者の主成分を同じ材料で構成して
も不純物の有無によって熱膨張係数や焼成時における収
縮度合いが異なり、これらの特性により板状セラミック
体を製作することは難しいものであった。

【０００９】

【発明の目的】本発明の目的は、２５０〜４５０℃の高
温下において、電極より下側の絶縁性は確保したまま、
ジョンソン・ラーベック効果を利用した被保持物の吸着
保持が可能なセラミック製の静電チャックを提供するこ
とにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】そこで、本発明は上記課
題に鑑み、板状セラミック体の一主面を吸着面とすると
ともに、その内部に電極を埋設してなり、上記吸着面上
に載置する被保持物と前記電極との間の電位差により発
生する静電気力でもって上記被保持物を吸着保持する静
電チャックにおいて、少なくとも上記電極から吸着面ま
での間に存在するセラミック部に上記電極の導体成分を
拡散させたことを特徴とする。

【００１１】特に、本発明は、上記板状セラミック体を
窒化アルミニウムを主成分とするセラミックスにより形
成し、前記電極から吸着面までの間に存在するセラミッ
ク部の体積固有抵抗値を、２５０〜４５０℃の温度域に
おいて１×１０⁹ Ω・ｃｍ以上でかつ１×１０¹¹Ω・ｃ
ｍ未満としたものである。

【００１２】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施形態について
説明する。

【００１３】図１は本発明の静電チャックをベース基体
に固定した構造を示す図で、（ａ）は斜視図、（ｂ）は
（ａ）のＸ−Ｘ線断面図であり、円盤状をした板状セラ
ミック体２の上面を半導体ウエハ等の被保持物Ｗの吸着
面３とするとともに、その内部に静電吸着用としての２
枚の電極４と、加熱用としての電極５をそれぞれ埋設し
てある。静電吸着用の電極パターンは図２（ａ）に示す
ように半円状をなし、２枚の電極４によって円を構成す
るように配置してあり、板状セラミック体２の吸着面３
側に埋設するとともに、加熱用の電極パターンは図３
（ａ）に示すように略同心円状としてあり、板状セラミ
ック体２の下面側に埋設してある。そして、各電極４、
５は板状セラミック体２の下面に接合した給電端子６、
７とそれぞれ電気的に接合してある。

【００１４】なお、静電吸着用の電極パターン及び加熱
用の電極パターンは図２（ａ）や図３（ａ）に示したパ
ターン形状だけに限定するものではなく、静電吸着用の
電極４にあっては図２（ｂ）に示すような櫛型状をした
ものを組み合わせたものや、図２（ｃ）に示すような円
とリングを同心円状に組み合わせたもの、さらには図２
（ｄ）に示すような扇状をしたものを円を構成するよう
に組み合わせたものなど、吸着面３上に載置する被保持
物Ｗを均一に吸着できるようなパターン形状であれば良
く、また、加熱用の電極５にあっても図３（ｂ）に示す
ような螺旋状をしたものなど、吸着面３上に載置する被
保持物Ｗをほぼ均一に加熱できるようなパターン形状で
あれば良い。

【００１５】また、静電チャック１の下面には金属製の
ベース基体１１をロウ付け等の方法により接合してあ
り、このベース基体１１はヒートシンクやプラズマ電極
として使用するようになっている。

【００１６】そして、本発明の静電チャック１において
は、静電吸着用の電極４の周囲、特に電極４から吸着面
３までの間に存在するセラミック部Ｐに電極４の導体成
分を拡散させてある。このセラミック部Ｐは被保持物Ｗ
の吸着力を左右する重要な部分で、通常、８０〜１００
０μｍ、好ましくは１００〜５００μｍに設定されてお
り、電極４の導体成分は電極４から１０００μｍ以下の
範囲で分散させることができる。その為、接合部のない
一体物の板状セラミック体２であるものの、電極４の導
体成分が拡散した電極４の周囲のセラミック部Ｐは、そ
の抵抗値を電極４の導体成分が拡散していない他のセラ
ミック部Ｑより小さくすることができる。

【００１７】ところで、板状セラミック体２を構成する
セラミックスとしては、耐蝕性や耐プラズマ性を有する
ことは勿論のこと、吸着面３に保持する被保持物Ｗの温
度分布を均一化する観点から、熱伝達特性や耐熱性等の
熱的特性にも優れたものが良く、アルミナや窒化珪素等
を主成分とする絶縁性のセラミックスを用いることもで
きるが、窒化アルミニウムを主成分とする絶縁性のセラ
ミックスが好適である。

【００１８】特に、窒化アルミニウムの含有量が９８．
５重量％以上、さらには９９．５重量％を有するセラミ
ックスは、焼結体中に殆ど粒界相が存在しないため、耐
食性に優れたものとすることができ、また、窒化アルミ
ニウムを主成分とし、焼結助剤としてＹやＥｒ等の希土
類酸化物を１〜９重量％の範囲で含有したセラミックス
は、熱伝導性に優れたものとすることができる。なお、
いずれのセラミックスにおいても不純物成分として含ま
れるＳｉの含有量を１５００ｐｐｍ以下、Ｎａ、Ｃａ、
Ｆｅ等を合計で２０００ｐｐｍ以下とすることによりよ
り一層耐食性を高めることができる。

【００１９】このような窒化アルミニウムを主成分とす
る絶縁性のセラミックスの体積固有抵抗値（以下、抵抗
値という）は、２５０〜４５０℃の高温下でも１×１０
11Ω・ｃｍ以上を有し、ジョンソン・ラーベック効果を
利用することができない。

【００２０】しかしながら、本発明のように静電吸着用
の電極４の周囲、特に電極４から吸着面３までの間に存
在するセラミック部Ｐに電極４の導体成分を拡散させる
ことにより、上記セラミック部Ｐの抵抗値を、２５０〜
４５０℃の高温下において１０⁹ Ω・ｃｍ以上でかつ１
０¹¹Ω・ｃｍ未満の範囲に容易に制御することができる
ため、上記高温下においてジョンソン・ラーベック効果
を利用して被保持物Ｗを吸着面３に精度良く吸着保持す
ることができる。

【００２１】また、電極４の導体成分が拡散していない
セラミック部Ｑは、２５０〜４５０℃の高温下において
１×１０¹¹Ω・ｃｍ以上を有することから絶縁性を保つ
ことができ、静電吸着用の電極４からの漏れ電流がベー
ス基体１１に流れることを防ぐことができる。

【００２２】なお、本件発明者が窒化アルミニウムを主
成分とするセラミックスに拡散させ易い電極４の導体成
分について実験を繰り返したところ、タングステン
（Ｗ）を主体とするものが最も拡散させやすくかつ拡散
による抵抗値の制御がし易いものであり、 例えば、板
状セラミック体２に窒化アルミニウムを主成分とするセ
ラミックス（ＡｌＮ含有量：９９重量％）を、電極４の
導体成分にタングステン（Ｗ）を用いた時の電極４成分
の拡散度合いを図４に示すように、静電吸着用の電極４
から離れるにつれて傾斜的にタングステン（Ｗ）の拡散
量が減少する。そして、電極４の導体成分が拡散してい
ない場合（Ｗ／Ｎ＝０％）の４００℃における抵抗値は
１０¹¹Ω・ｃｍ台にあり、タングステン（Ｗ）をＷ／Ｎ
＝１％以上の範囲で拡散させることで、その抵抗値を１
×１０¹¹Ω・ｃｍ未満とできる。

【００２３】なお、静電吸着用の電極４の他の導体成分
として、炭化タングステン（ＷＣ）、モルブデン（Ｍ
ｏ）、チタン（Ｔｉ）、窒化チタン（ＴｉＮ）等を主体
とするものも用いることができ、これら電極４の導体成
分の拡散度合いについてはＳＩＭＳ（２次イオン質量分
析）装置により確認することができる。

【００２４】ところで、このような静電チャック１を製
作するには、各種セラミック原料に対してバインダー及
び溶媒を添加混合して泥漿を製作し、ドクターブレード
法等のテープ成型法にてグリーンシートを複数枚形成す
る。そして、図５に示すように、静電吸着用の電極４及
び加熱用の電極５をなす導体ペーストを所望のパターン
形状となるように所定のグリーンシートにそれぞれ敷設
する。

【００２５】しかるのち、各グリーンシートを所定の順
序で積層するのであるが、この際、グリーンシートを積
み重ねるまえに、密着液を塗布しておく。ここで、密着
液とは、強い溶解力を持ち、グリーンシートの表面に塗
布すると、その表面を侵して活性化させ、グリーンシー
ト同士を熱圧着させ易くする作用を有するものである。

【００２６】そして、密着液を塗布した各グリーンシー
トを積層し、圧力を加えながら熱圧着することによりグ
リーンシート積層体を製作するのであるが、この時、密
着液は静電吸着用の電極４及び加熱用の電極５をなす導
体ペーストも侵すため、導体ペースト上のグリーンシー
トに導体成分が拡散し易くなる。なお、図５では後述す
るように、加熱用の電極５の周囲にも電極５の導体成分
が拡散することになるが、その拡散量はせいぜい１００
０μｍ程度であるため、静電吸着用の電極４やベース基
体１１との絶縁性を良好に保つことができ、互いの電流
が干渉し合ったり、漏電することを防ぐことができる。

【００２７】そして、積層したグリーンシートに圧力を
加えながら熱圧着させてグリーンシート積層体を形成
し、このグリーンシート積層体に切削加工を施して円盤
状をした板状体としたあと、脱脂し、次いで各種セラミ
ック原料を焼結させることができる温度にて焼成するこ
とにより、静電吸着用の電極４と加熱用の電極５がそれ
ぞれ埋設され、各電極４，５の周囲に電極４，５の導体
成分が拡散した板状セラミック体２が得られる。

【００２８】次いで、必要に応じて板状セラミック体２
に研削加工を施し、静電吸着用の電極４が埋設されてい
る側の表面から電極４までの距離を８０〜１０００μｍ
とし、さらに電極４が埋設されている側の表面を中心線
平均粗さ（Ｒａ）で０．５μｍ以下に研磨して吸着面３
とするとともに、吸着面３と反対側の表面に上記静電吸
着用の電極４及び加熱用の電極５に連通する穴を形成
し、これらの穴に給電端子６，７をロウ付け等にて接合
してそれぞれ電気的に接続することにより得ることがで
きる。

【００２９】このように、静電チャック１の板状セラミ
ック体２を、グリーンシートの積層にて形成するととも
に、積層する際に密着液を塗布することで、接合部のな
い一体物であるものの、電極４，５の周囲に電極４，５
の導体成分が拡散した板状セラミック体２を容易に製造
することができる。

【００３０】

【実施例】以下、本発明に係る静電チャックの具体例を
図１をもとに説明する。

【００３１】平均粒子径が１. ２μｍ程度である純度９
９％以上のＡｌＮ粉末に、バインダー及び溶媒を添加混
合して泥漿を製作し、ドクターブレード法にて厚さ０.
４ｍｍ程度のグリーンシートを複数枚形成した。このう
ちの１枚のグリーンシートには図２（ａ）示すようなパ
ターン形状となるように静電吸着用の電極４としての導
体ペーストを、もう１枚のグリーンシートには図３
（ａ）に示すようなパターン形状となるように加熱用の
電極５としての導体ペーストをそれぞれスクリーン印刷
にて敷設した。なお、導体ペーストには、ＷＣ粉末とＡ
ｌＮ粉末とを７：３の割合に混合して粘度調整したもの
を用いた。

【００３２】そして、これらのグリーンシートを所定の
順序で積層するのであるが、この際、各グリーンシート
には、エチルヘキシルエーテルとフタル酸ジエチルを
３：１の割合で調合した密着液を塗布したあと順次積み
重ね、８０℃、５０Ｋｇ／ｃｍ ² の圧力で熱圧着してグ
リーンシート積層体を形成し、切削加工を施して円盤状
をした板状体とした。

【００３３】次に、得られた板状体を真空脱脂を施し、
次いで、２０００℃程度の真空雰囲気下で５０Ｋｇ／ｃ
ｍ² の圧力をかけながら焼成することにより、静電吸着
用の電極４と加熱用の電極５をそれぞれ埋設してなり、
各電極４，５の周囲に電極４，５の導体成分を拡散させ
た窒化アルミニウム製の板状セラミック体２を得た。な
お、板状セラミック体２を構成する窒化アルミニウムセ
ラミックスの組成及び特性について調べたところ、純度
９９％、平均結晶粒径３μｍ、平均気孔径０．５μｍ、
比重３．２、熱伝導率１００Ｗ／ｍ・Ｋであった。

【００３４】しかるのち、得られた板状セラミック体２
に研削加工を施して外径が２００ｍｍ、板厚みが１５ｍ
ｍ、静電吸着用の電極４が埋設されている側の表面から
電極４までの距離が５００μｍとなるような最終形状に
加工したあと、静電吸着用の電極４が埋設されている側
の表面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．２μｍに仕上げ
て吸着面３とし、吸着面３と反対側の表面に各電極４，
５に連通する穴を設け、この穴に給電端子６，７をロウ
付け固定して静電チャック１を得た。

【００３５】そこで、静電吸着用の電極４の周囲に電極
４の導体成分が拡散した本発明実施例に係る静電チャッ
クＡと、電極４の導体成分が拡散していない従来の静電
チャックＢ、及び板状セラミック体を低抵抗のセラミッ
クスにより形成した従来の静電チャックＣをそれぞれ用
意し、これらの静電チャックＡ，Ｂ，Ｃをアルミニウム
からなるベース基体１１に固定した。そして、各静電チ
ャックＡ，Ｂ，Ｃを真空中で４００℃に加熱した時の板
状セラミック体２の抵抗値、吸着力、及び電極４とベー
ス基体１１間に流れる漏れ電流量をそれぞれ測定する実
験を行った。

【００３６】なお、本実験にあたって静電チャックＢを
構成する板状セラミック体２には、静電吸着用の電極４
の導体成分が拡散していないだけで本発明の静電チャッ
クＡと同一の窒化アルミニウムセラミックスにより形成
し、静電チャックＣを構成する板状セラミック体２は、
本発明の静電チャックＡを形成する窒化アルミニウムセ
ラミックスにＴｉを添加したものを使用し、寸法は全て
同一寸法とした。

【００３７】なお、吸着力の測定にあたっては、１ｃｍ
角のシリコン基板を吸着させ、このシリコン基板をロー
ドセルにて引き剥がすのに要した力を吸着力とし、漏れ
電流量の測定にあたっては、静電吸着用の電極４とベー
ス基体１１間に流れる電流をＪＩＳ Ｃ２１４１の規格
にしたがって微少電流計により測定し、板状セラミック
体２の抵抗値については静電吸着用の電極４を境とし、
電極４とベース基体１１に流れる電流値から電極４とベ
ース基体１１間に存在するセラミック部Ｑの抵抗値を、
電極４とシリコン基板に流れる電流値から電極４とシリ
コン基板間に存在するセラミック部Ｐの抵抗値をそれぞ
れ測定した。

【００３８】結果は表１に示す通りである。

【００３９】

【表１】

【００４０】この結果、静電チャックＢは、静電吸着用
の電極４から吸着面３までの間に存在するセラミック部
Ｐの抵抗値が１×１０¹¹Ω・ｃｍであるため、ションソ
ン・ラーベック効果が得られず、吸着力が４０ｇ／ｃｍ
² と最も小さかった。これに対し、静電チャックＡ及び
Ｃはいずれも静電吸着用の電極４とシリコン基板との間
に介在するセラミック部Ｐの抵抗値が１×１０¹¹Ω・ｃ
ｍ未満であるため、ションソン・ラーベック効果が得ら
れ、実用的な１００g/ｃｍ² の吸着力が得られた。

【００４１】ただし、静電チャックＣは、板状セラミッ
ク体２全体の抵抗値が１×１０⁸ Ω・ｃｍ以下と小さい
ために、電極４からベース基体１１への漏れ電流が、電
気用品取締法において定められている１ｍＡ以下を大き
く上回り、使用することができなかった。しかも、静電
チャックＣにおいては漏れ電流量が多いため、被保持物
Ｗが半導体ウエハである場合、被保持物Ｗに悪影響を与
える恐れもあった。

【００４２】これらの結果、本発明に係る静電チャック
Ａのみが、４００℃の高温下において十分な吸着力と絶
縁性を満足しうるものであった。

【００４３】なお、本実施例では、静電チャック１を構
成する板状セラミック体２の材質として、窒化アルミニ
ウムを主成分とするセラミックスを例にとって説明した
が、アルミナや窒化珪素を主成分とするセラミックスで
あっても良いこと言うまでもない。

【００４４】

【発明の効果】以上のように、本発明によれば、板状セ
ラミック体の一主面を吸着面とするとともに、その内部
に電極を埋設してなり、上記吸着面上に載置する被保持
物と前記電極との間の電位差により発生する静電気力で
もって上記被保持物を吸着保持する静電チャックにおい
て、少なくとも上記電極から吸着面までの間に存在する
セラミック部に上記電極の導体成分を拡散させたことか
ら、静電吸着用の電極の周囲に存在するセラミック部の
抵抗値を他のセラミック部の抵抗値より部分的に小さく
することができる。その為、電極の導体成分の拡散量を
制御することにより２５０〜４５０℃の高温下におい
て、電極から吸着面までの間に存在するセラミック部の
抵抗値を１×１０⁹ Ω・ｃｍ以上でかつ１×１０¹¹Ω・
ｃｍ未満とし、ションソン・ラーベック効果による大き
な吸着力が得られ、被保持物を精度良く強固に吸着固定
することができるとともに、静電吸着用の電極より下側
に存在するセラミック部の絶縁性を確保することができ
る。

【００４５】しかも、板状セラミック体には接合部がな
く一体的に形成されているため、本発明の静電チャック
を半導体製造装置に用いれば、デポジッション用ガス、
エッチング用ガス、クリーニング用ガスとして使用され
るフッ素系や塩素系などのハロゲンガスやプラズマに対
し、耐食性及び耐プラズマ性に優れ、静電チャックの寿
命を高めることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）は本発明の静電チャックをベース基体に
固定した状態を示す斜視図、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線
断面図である。

【図２】（ａ）〜（ｄ）は静電吸着用の電極のさまざま
なパターン形状を示す平面図である。

【図３】（ａ）（ｂ）は加熱用の電極のさまざまなパタ
ーン形状を示す平面図である。

【図４】静電吸着用の電極からの距離と電極を構成する
タングステンの拡散度合いを示すグラフである。

【図５】本発明に係る静電チャックの製造工程を説明す
るための図である。

【符号の説明】

１ ・・・静電チャック ２ ・・・板状セラミック体 ３ ・・・吸着面 ４ ・・・静電吸着用の電極 ５ ・・・加熱用の電極 ６，７・・・給電端子 Ｐ ・・・静電吸着用の電極から吸着面までの間に介
在するセラミック部 Ｑ ・・・静電吸着用の電極から下側に存在するセラ
ミック部 Ｗ ・・・被保持物

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】板状セラミック体の一主面を吸着面とすべ
   く、その内部に電極を埋設してなり、上記吸着面上に載
   置する被保持物と前記電極との間に生じる静電気力によ
   って上記被保持物を吸着保持する静電チャックにおい
   て、少なくとも上記電極から吸着面までのセラミック部
   に上記電極の導体成分を拡散させたことを特徴とする静
   電チャック。
2. 【請求項２】上記板状セラミック体が窒化アルミニウム
   を主成分とするセラミックスからなり、前記電極から吸
   着面までのセラミック部の体積固有抵抗値が、２５０〜
   ４５０℃の温度域において１×１０⁹ Ω・ｃｍ以上でか
   つ１×１０¹¹Ω・ｃｍ未満の範囲にあることを特徴とす
   る請求項１に記載の静電チャック。