JP4043219B2 - 静電チャック - Google Patents

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シリコンウエハ等の被吸着物を静電的に吸着して、被処理体の処理または搬送を行うために用いられる静電チャックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造装置において、半導体基板であるシリコンウエハに対して成膜やエッチング等の処理を行うためには、シリコンウエハの平坦度を保ちながら保持する必要があるが、このような保持手段としては機械式、真空吸着式、静電吸着式が採用されている。
【０００３】
これらの保持手段の中で静電吸着式のもの、すなわち静電チャックは、シリコンウエハを静電的に保持することができるため、チップの収率の向上を図ることができるとともに、加工を行うに際して要求される加工面の平坦度や平行度を容易に実現することができる。さらに、静電チャックは、成膜装置やエッチング装置等の真空処理を行う装置においてもシリコンウエハを保持することができるため、半導体製造装置の保持手段として最も多用されている。
【０００４】
一方、半導体製造プロセスにおいてはフッ素系ガス、塩素系ガス等のハロゲン系腐食ガス雰囲気あるいはそのプラズマ中で使用される。したがって、静電チャックの誘電体層としては、従来、耐腐食性が高い高絶縁性セラミックスであるアルミナ等が用いられている。ところが、静電チャックの誘電体層として窒化アルミニウムやアルミナ等の高絶縁性材料を用いる場合、電極および被吸着体に誘起された電荷の間に発生する静電吸着力（クーロン力）を用いるため、高い吸着力を得るためには、絶縁層の厚さを極めて薄くしなければならず、加工中に破損する可能性が高い。
【０００５】
そこで、誘電体層に多少導電性をもたせて誘電体層中での電荷の移動を生じさせることにより、１〜２ｍｍの厚い絶縁層でも高い静電吸着力（ジョンセン・ラーベック力）が得られることから、誘電体層として主成分のアルミナに酸化チタンを含有させて導電性をもたせた複合セラミックスを用いることが提案されている。
【０００６】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような複合セラミックスは、絶縁性の原料粉末と導電性の原料粉末とを混合して焼結しなければならず、混合性や焼結条件により体積抵抗率がばらつきやすく、また、体積抵抗率の温度変化が大きいという問題点がある。このような複合セラミックスを静電チャックの誘電体層として用いると、吸着特性にばらつきが生じ、また、使用可能温度域が狭いという問題が生じる。
【０００７】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、腐食ガスのプラズマに対する耐食性に優れるとともに導電性成分を添加して吸着性を高めた誘電体層を前提とし、その体積抵抗率のばらつきおよび温度変化が小さく、結果的に吸着特性のばらつきが小さくかつ使用可能温度域の広い静電チャックを提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明者等は、上記課題を解決すべく鋭意研究を重ねた結果、絶縁性でプラズマ耐食性の優れている窒化アルミニウムに、導電性の炭化ケイ素を添加して体積抵抗率を１０^８〜１０^１３Ω・ｃｍに調整した上で、第３成分として、窒化チタン、炭化チタン、および炭化タングステンのうち１種以上を所定量添加した複合セラミックスを誘電体層として用いることにより、体積抵抗率のばらつきおよび体積抵抗率の温度変化を抑制することができ、吸着特性のばらつきが小さくかつ使用可能温度域が広い静電チャックを得ることができることを見出した。つまり、窒化アルミニウムに、導電性の炭化ケイ素を添加しただけでは体積抵抗率にばらつきが生じ、体積抵抗率の温度変化が大きくなるが、窒化チタン、炭化チタン、および炭化タングステンのうち１種以上を第３成分として添加することにより、体積抵抗率の絶対値に影響を及ぼすことなく、原料粉末の状態や焼結条件の微妙なばらつきによる体積抵抗率のばらつきや体積抵抗率の温度変化を生じ難くすることができる。
【０００９】
すなわち、本発明は、電極と、その上に設けられ、該電極に電圧を印加することにより被吸着体を吸着する誘電体層とを有する静電チャックであって、前記誘電体層は、窒化アルミニウムに、全体に対する割合で、炭化ケイ素を０．５〜４５質量％と、窒化チタン、炭化チタンおよび炭化タングステンのうち１種以上を総量で０．１〜１０質量％とを添加してなり、かつ、使用温度での体積抵抗率が１０^８〜１０^１３Ω・ｃｍ、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である複合セラミックスで構成されていることを特徴とする静電チャックを提供する。
【００１０】
上記静電チャックにおいて、誘電体層を構成する複合セラミックスは、−１００〜８００℃での体積抵抗率から計算される活性化エネルギーの絶対値が７×１０^５Ｊ／ｍｏｌ以下であることが好ましい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１および図２は、本発明の実施形態に係る静電チャックを示す断面図であり、図１は単極型のものを示し、図２は双極型ものを示す。
【００１２】
図１の単極型の静電チャック１は、アルミニウム等からなる基台５の上に固定されて設けられており、吸着面を有する誘電体層２と、その下に設けられた電極３と、電極３と基台５との間に設けられた絶縁層４とを有しており、電極３には直流電源６が接続されており、この直流電源６から電極３に給電されることにより、誘電体層２の上に載置された被吸着体であるシリコンウエハ１０が静電吸着される。
【００１３】
図２の双極型の静電チャック１’は、誘電体層２の間に一対の電極３ａ、３ｂが設けられており、これらに直流電源６が接続されており、直流電源６からこれらの電極にそれぞれ逆極性の電荷が供給されて上の誘電体層２の上に載置されたシリコンウエハ１０が静電吸着される。
【００１４】
誘電体層２は、窒化アルミニウムに、全体に対する割合で、炭化ケイ素を０．５〜４５質量％と、窒化チタン、炭化チタンおよび炭化タングステンのうち１種以上を総量で０．１〜１０質量％とを添加してなり、かつ、使用温度での体積抵抗率が１０^８〜１０^１３Ω・ｃｍ、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である複合セラミックスで構成されている。
【００１５】
誘電体層２を構成する複合セラミックスにおいて、絶縁性の窒化アルミニウムに、導電性の炭化ケイ素を添加するのは、適度な導電性が付与されて高い静電吸着性を発揮しつつ、ハロゲン系の腐食ガスやそのプラズマに対する耐食性を高くすることができ、さらに熱伝導性が高いのでプラズマ中で破損し難いからである。また、窒化チタン、炭化チタンおよび炭化タングステンのうち１種以上を添加するのは、絶縁性の窒化アルミニウムと導電性の炭化ケイ素のみでは粒界成分の移動等により体積抵抗率にばらつきが生じ、体積抵抗率の温度変化も大きくなるが、これら成分を添加することによって体積抵抗率のばらつきおよび温度変化を抑制することができるからである。すなわち、これら成分は、複合セラミックス焼結体の粒界に存在することによって粒界成分のトラップ効果を発揮し、このトラップ効果により焼結中に生じる粒界成分の表面近傍への移動が抑制される結果、体積抵抗率のばらつきおよび温度変化が抑制されるものと考えられる。
【００１６】
窒化アルミニウムに添加する炭化ケイ素の量を複合セラミックス全体に対する割合で０．５〜４５質量％にしたのは、０．５質量％未満では炭化ケイ素の体積抵抗率を低下させる効果が発揮されず、４５質量％を超えるとプラズマ環境下で使用した場合の耐食性が不十分であるからである。なお、窒化アルミニウムには、通常用いられるＹ_２Ｏ_３等の焼結助剤が含まれていてもよい。
【００１７】
窒化チタン、炭化チタンおよび炭化タングステンのうち１種以上の総量を複合セラミックス全体に対する割合で０．１〜１０質量％としたのは、０．１質量％未満では体積抵抗率のばらつきを抑制する効果が不十分であり、一方、１０質量％を超えると耐プラズマ性や熱伝導率を低下させてしまうからである。
【００１８】
誘電体層２の体積抵抗率を１０^８〜１０^１３Ω・ｃｍに調整するのは、この範囲であれば、シリコンウエハに形成された回路に悪影響を及ぼすことなく高い吸着力を得ることができるからである。つまり、１０^８Ω・ｃｍ未満では吸着したウエハに大きなリーク電流が流れて、ウエハに形成された回路が破壊されるおそれがあり、また、１０^１３Ω・ｃｍを超えるとジョンセン・ラーベック力が有効に作用せず高い静電吸着力が得られない。
【００１９】
熱伝導率を３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上とするのは、３０Ｗ／ｍ・Ｋ未満では、静電チャックの使用中に誘電体層表面が非常に高温になって熱衝撃により破損したり、プラズマ集中による局部加熱により誘電体層の一部が溶融し欠陥（ポア）が発生し破損に至る場合があるからである。なお、熱伝導率は温度の上昇にともなって低下する傾向にあるが、室温での熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上であれば高温での熱衝撃による破損を有効に防止することができる。
【００２０】
誘電体層２を構成する複合セラミックスは、−１００〜８００℃での体積抵抗率から計算される活性化エネルギーの絶対値が７×１０^５Ｊ／ｍｏｌ以下であることが好ましい。活性化エネルギーの絶対値が７×１０^５Ｊ／ｍｏｌを超えると体積抵抗率のばらつきが大きくなり、かつ体積抵抗率の温度変化が大きくなるため静電チャックの使用可能温度域が狭くなる傾向にある。この活性化エネルギーの絶対値は、窒化チタン、炭化チタン、炭化タングステンの１種以上を添加することにより低下するが、これはこれらが複合セラミックス焼結体の粒界に存在することによって粒界での電子の流れを妨げる障壁となるためであると考えられる。
【００２１】
次に、本発明の静電チャックにおける誘電体層２の製造方法について説明する。
まず、誘電体層２を構成するセラミックス材料の出発原料の調合は、常法によって行うことができる。例えば、所定の配合の原料粉末にアルコール等の有機溶媒または水を加え、ボールミルで混合後、乾燥する方法、所定の配合の塩類、アルコキシド等の溶液から共沈物を分離する方法等がある。これらの原料の混合物には、より緻密化を容易にするため、通常用いられる焼結助剤を添加してもよい。焼結助剤の添加形態に関しては、酸化物粉末、塩類、アルコキシド等、どのような形態であってもよく、特に限定されない。
【００２２】
このようにして得られた、窒化アルミニウムに、炭化ケイ素と、窒化チタン、炭化チタンおよび炭化タングステンの１種以上とを添加した混合粉末を一軸プレスまたは冷間等方圧プレス（ＣＩＰ）によって所定形状に成形する。次いで得られた成形体を還元雰囲気中１６００〜２０００℃で焼成を行う。焼成時間は特に限定しないが、２〜４時間程度でよい。焼成温度が上記範囲未満であると緻密化が不十分となり体積抵抗率がばらつくおそれがあり、上記範囲を超えると分解するおそれがある。
【００２３】
なお、誘電体層２の製造方法としては、上述のようにプレス成形した後に焼成するものに限らず、ドクターブレード法でシートを作成した後に焼成するものや、原料粉末をホットプレス焼成するものであってもよい。
【００２４】
静電チャックの製造方法は、通常の方法を用いることができ特に限定されない。例えば、電極を形成したセラミックス基体（絶縁層４）の上に上述のようにして製造された誘電体層２を接着する方法、上記誘電体層２を形成するためのグリーンシートおよび絶縁層４を形成するためのグリーンシートをドクターブレード法で作成し、焼成前の段階でこれらで電極層を挟んで積層した後に焼成する方法、電極を粉末内に埋没させてホットプレスする方法等を挙げることができる。
【００２５】
なお、静電チャックの構造は特に限定されるものではなく、図１、図２に示す構造の他に、一方の面に電極が形成された誘電体層をセラミックス板あるいはアルミニウム台座に接着剤により貼り付けた構造など、種々の構造を採用することができる。また、電極構造は特に限定されず、上述のように単極型電極でも双極型電極でもよく、その形状も限定されるものではない。
【００２６】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
ここでは、表１に示す実施例１〜９および比較例１〜４の組成の複合セラミックス焼結体を作製した。表１に示す各原料粉末を合計２００ｇ秤量し、ポリエチレンポット中にそれぞれの粉末とメタノール２００ｇとφ１０ｍｍの鉄芯入りナイロンボール２５０ｇとを装入し、１６時間混合した。得られたスラリーをロータリーエバポレータで減圧乾燥した後、得られた粉末を＃１００のナイロンメッシュを用いてメッシュパスした。メッシュパス後の粉末をφ１５０ｍｍの金型を用いて０．９８ＭＰａの圧力で厚さ６ｍｍに一次成形した後、１１７．６ＭＰａの圧力でＣＩＰ成形して成形体を得た。得られた成形体を表１に示す条件で２時間焼成した。なお、実施例５については原料粉末を混合後、圧力１４７ＭＰａでホットプレス成形を行った。
【００２７】
得られた焼結体の各２０個を１００^φ×２^ｔｍｍに加工して、代表的な使用温度での体積抵抗率、室温での熱伝導率を測定した。また、活性化エネルギーは、−１００〜８００℃で体積抵抗率を測定し、温度に対して体積抵抗率をアレニウスプロットして算出した。それらの結果を表１に示す。なお、各サンプルについて、体積抵抗率が１０^８〜１０^１３Ω・ｃｍになりうる温度を使用可能温度として表１に記載した。
【００２８】
また、１００^φ×２^ｔｍｍに加工した焼結体に電極を形成してアルミナ基体の上に無機系の接着剤で接着し、静電チャックを作製した。なお、各組成のセラミックス焼結体を用いた静電チャックを各２０個作製した。
【００２９】
静電チャックの評価は、上述のようにして作製した静電チャックに１２００Ｖの電圧を印加し、φ１００ｍｍのシリコンウエハを吸着させ、吸着特性を測定した。ウエハの吸着特性は、測定ゲージでウエハを上方に引張り、ウエハが剥離したときの最大荷重を面積で割った単位面積当たりの値とした。また、シリコンウエハを吸着した状態の静電チャッを平行平板型ＲＩＥエッチング装置のチャンバー内に設置し、チャンバー内にＣＦ_４＋Ｏ_２（１０％）ガスを０．１Ｌ／ｍｉｎの流量で供給し、チャンバー内の圧力を７．０Ｐａとし、周波数が１３．５６ＭＨｚ、出力が１．５Ｗ／ｃｍ^２の高周波電力を平行平板電極に印加して上記ガスのプラズマを形成し、静電チャックをそのプラズマに４時間暴露する暴露試験を行い、静電チャックの破損、表面の欠陥発生の有無を調査した。これらの評価結果を表１に併記する。
【００３０】
【表１】

【００３１】
表１から明らかなように、実施例１〜９は誘電体層を構成する複合セラミックスの組成が本発明の範囲内であり、体積抵抗率：１０^８〜１０^１３Ω・ｃｍ、熱伝導率：３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上といずれも本発明の範囲内であり、活性化エネルギーの絶対値も７×１０^５Ｊ／ｍｏｌ以下であるため、体積抵抗率のばらつきが小さく、静電チャックの吸着特性のばらつきも小さかった。また、体積抵抗率の温度変化も小さいため静電チャックの使用可能温度域が広いものとなった。さらに、実施例１〜９は吸着特性自体も良好な値を示し、プラズマ暴露試験でも静電チャックの破損や表面欠陥が発生せず、静電チャックとして良好な特性が得られた。
【００３２】
これに対して、比較例１，４は、いずれも窒化チタン、炭化チタンおよび炭化タングステンを含んでいないため、体積抵抗率のばらつきが大きかった。また、体積抵抗率の温度変化が大きいため静電チャックの使用可能温度域が狭いものとなった。また、比較例２，３は、窒化チタン、炭化チタン、炭化タングステンの総量が３０質量％、３５質量％と多いため、熱伝導率が低く、プラズマ暴露試験で半分以上の試料に破損が生じた。
【００３３】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、誘電体層が、窒化アルミニウムに、全体に対する割合で、炭化ケイ素を０．５〜４５質量％と、窒化チタン、炭化チタンおよび炭化タングステンのうち１種以上を総量で０．１〜１０質量％とを添加してなり、かつ、使用温度での体積抵抗率が１０^８〜１０^１３Ω・ｃｍ、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である複合セラミックスで構成されているので、腐食ガスのプラズマに対する耐食性および吸着性が高いことに加え、さらに体積抵抗率のばらつきおよび温度変化が小さい誘電体層を有する静電チャックを得ることができ、結果的に吸着特性のばらつきが小さくかつ使用温度域の広い静電チャックが実現される。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用される単極型の静電チャックを示す断面図。
【図２】本発明が適用される双極型の静電チャックを示す断面図。
【符号の説明】
１，１’……静電チャック
２……誘電体層
３，３ａ，３ｂ……電極
４……絶縁層
５……基台
６……直流電源
１０……シリコンウエハ（被吸着体）

Claims (2)

1. 電極と、その上に設けられ、該電極に電圧を印加することにより被吸着体を吸着する誘電体層とを有する静電チャックであって、前記誘電体層は、窒化アルミニウムに、全体に対する割合で、炭化ケイ素を０．５〜４５質量％と、窒化チタン、炭化チタンおよび炭化タングステンのうち１種以上を総量で０．１〜１０質量％とを添加してなり、かつ、使用温度での体積抵抗率が１０^８〜１０^１３Ω・ｃｍ、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である複合セラミックスで構成されていることを特徴とする静電チャック。
2. 前記誘電体層を構成する複合セラミックスは、−１００〜８００℃での体積抵抗率から計算される活性化エネルギーの絶対値が７×１０^５Ｊ／ｍｏｌ以下であることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。

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