JP6085090B2

JP6085090B2 - ヒータ付き静電チャック

Info

Publication number: JP6085090B2
Application number: JP2012019256A
Authority: JP
Inventors: 石田　弘徳; 弘徳石田; 北林　徹夫; 徹夫北林; 俊哉梅木; 淳土田
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2012-01-31
Filing date: 2012-01-31
Publication date: 2017-02-22
Anticipated expiration: 2032-01-31
Also published as: JP2013157570A

Description

本発明は、ヒータ付き静電チャックに関する。

セラミックス焼結体からなり、半導体ウエハが載置される載置面を有する基体と、当該基体に埋設されている静電チャック電極及び発熱抵抗体とを備えているヒータ付き静電チャックが提案されている（特許文献１参照）。

特許第４５９７２５３号公報

基体が窒化アルミニウム焼結体からなり、その原料にマグネシウム等の２Ａ族元素又はイットリウム等の３Ａ族元素が添加された場合、窒化アルミニウムの粒界に当該元素及びアルミニウムの複合酸化物が形成される。この複合酸化物は窒化アルミニウムよりも耐食性が高いため、基体がその載置面に載せられている半導体ウエハエッチングのためのハロゲン系プラズマに曝された場合、当該複合酸化物の化合物が析出する。

そして、当該析出化合物が基体から離脱し、離脱した化合物が粗大なパーティクルとなってウエハ表面を汚染する可能性がある。さらに、化合物が離脱した場所から基体の腐食が進行するため、基体の表面が粗くなり、載置面の温度分布制御が困難になる可能性がある。また、基体に遷移金属の化合物が含まれていると、当該化合物はＡｌＮよりもハロゲン系プラズマに対する耐食性が低いので、基体表面の当該化合物の存在箇所から基体の腐食が進行する可能性がある。基体の腐食が進行することによって静電チャック電極又は発熱抵抗体が外部に曝されてしまう可能性が高まる。

そこで、本発明は、載置面の温度分布制御の容易さを確保しながら、埋設構成要素の暴露につながるような基体の腐食の抑制を図ることができるヒータ付き静電チャックを提供することを課題とする。

前記課題を解決するための本発明のヒータ付き静電チャックは、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス焼結体からなり、半導体ウエハが載置される載置面を有する基体と、第１外部電源に対して接続される第１接続端子を除いて前記基体に埋設されている静電チャック電極と、第２外部電源に対して接続される第２接続端子を除いて前記基体に埋設されている発熱抵抗体とを備えているヒータ付き静電チャックであって、前記静電チャック電極が埋設された状態で一体焼成されることにより構成され、前記載置面を有する第１基体部分と、前記発熱抵抗体が埋設された状態で一体焼成されることにより構成されている第２基体部分とが間隙なく一体化されることにより前記基体が構成され、前記第１基体部分における主成分と比較して耐食性が異なる副成分の含有量が、前記第２基体部分における主成分と比較して耐食性が異なる副成分の含有量よりも少なく、前記第２基体部分の側面から前記発熱抵抗体までの最短距離が、前記第１基体部分の側面から前記静電チャック電極までの最短距離よりも長く、前記第２基体部分の前記第１基体部分との境界面から前記発熱抵抗体までの最短距離、及び当該境界面とは反対側の端面から前記発熱抵抗体までの最短距離のうち少なくとも一方が、前記第１基体部分の側面から前記静電チャック電極までの最短距離よりも長く、前記第１基体部分の存在範囲が前記発熱抵抗体の存在範囲に包含され、かつ、前記第２基体部分が前記第１基体部分よりも大径であることを特徴とする。

本発明のヒータ付き静電チャックによれば、第１基体部分における副成分の含有量が、第２基体部分部おける副成分の含有量よりも少ない分だけ、第１基体部分がハロゲン系プラズマ等により腐食されることが抑制される。このため、第１基体部分が有する載置面が当該腐食によって粗くなり、その結果として載置面の温度分布制御が困難になる状況が回避されうる。また、第１基体部分が、静電チャック電極が埋設された状態で一体焼成されることにより構成されているので、当該電極が第１基体部分の腐食によって暴露される可能性の低減が図られる。

さらに、第２基体部分における副成分の含有量が、第１基体部分における副成分の含有量よりも多い分だけ、当該副成分の寄与による第２基体部分の熱伝導率の向上が図られている場合がある。また、第１基体部分と第２基体部分とが間隙なく一体化されている。このため、このような場合、発熱抵抗体から第２基体部分経由で第１基体部分に対して熱を伝達する効率の向上が図られ、その結果として載置面の温度分布制御の容易化が図られる。

当該構成のヒータ付き静電チャックによれば、第２基体部分における副成分の含有量が、第１基体部分における副成分の含有量よりも多い分だけ、第２基体部分がハロゲン系プラズマ等により腐食されやすいものの、第２基体部分の側面と発熱抵抗体との最短距離の延長を通じて、当該発熱抵抗体が第２基体部分の腐食によって暴露される可能性の低減が図られる。

当該構成のヒータ付き静電チャックによれば、発熱抵抗体から、第２基体部分の縁部を通じて外気に放出される熱量の影響が軽減されるので、第１基体部分の加熱の均等化、さらには載置面の温度分布制御の容易化が図られる。

本発明の第１実施形態としてのヒータ付き静電チャックの構成説明図。本発明の第２実施形態としてのヒータ付き静電チャックの構成説明図。

（第１実施形態）
図１に示されている本発明の第１実施形態としてのヒータ付き静電チャックは、基体１０と、静電チャック電極２１と、発熱抵抗体２２とを備えている。基体１は、窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス焼結体からなる第１基体部分１１と第２基体部分１２とが間隙なく（接合界面に空隙が存在しない状態で）一体化されることにより構成されている。

第１基体部分１１は、静電チャック電極２１が埋設された状態で一体焼成されることにより構成されている。基体１０の上面、すなわち第１基体部分１１の上面は、半導体ウエハが載置される載置面Ｓを構成する。略円盤状の第１基体部分１１の直径φ及び厚さｄ₁を基準とすると、静電チャック電極２１の外郭は略円形の外郭の直径はγ₁φ（０＜γ₁＜１）であり、基体１０の上面（載置面Ｓ）から深さα₁ｄ₁（０＜α₁＜１）の位置に静電チャック電極２１が配置されている。

第２基体部分１２は、発熱抵抗体２２が埋設された状態で一体焼成されることにより構成されている。略円盤状の第２基体部分１２の直径φ及び厚さｄ₂を基準とすると、発熱抵抗体２２の略円形の外郭の直径はγ₂φ（０＜γ₂＜１）であり、基体１０の下面から深さα₂ｄ₂（０＜α₂＜１）の位置に発熱抵抗体２２が配置されている。

第２基体部分１２の側面と発熱抵抗体２２の略円形の外郭との最短距離（１−γ₂）φ／２が、第１基体部分１１の側面と静電チャック電極２１の略円形の外郭との最短距離（１−γ₁）φ／２よりも大きくされている。当該距離は等しくてもよく、大小関係が逆であってもよい。

第２基体部分１２の第１基体部分１１との接合界面（境界面）から発熱抵抗体２２との最短距離（１−α_２）ｄ_２及び第２基体部分１２の当該接合界面とは反対側の端面から発熱抵抗体２２との最短距離α_２ｄ_２が、第１基体部分１１の側面と静電チャック電極２１の略円形の外郭との最短距離（１−γ₁）φ／２よりも大きくされている。前者２つの距離（１−α_２）ｄ_２及びα_２ｄ_２うち少なくとも一方が、後者の距離（１−γ₁）φ／２と等しくてもよく、大小関係が逆であってもよい。

例えば、φ＝３２０［ｍｍ］、γ₁φ＝３００［ｍｍ］、γ₂φ＝３１０［ｍｍ］、ｄ₁＝２［ｍｍ］、α₁ｄ₁＝１［ｍｍ］、ｄ₂＝９［ｍｍ］、α₂ｄ₂＝４［ｍｍ］である。

基体１０には、その下面、すなわち第２基体部分１２の下面から、静電チャック電極２１を第１外部電源に対して接続するための第１接続端子に連通する貫通孔が形成されている（図示略）。また、基体１０には、その下面から、発熱抵抗体２２を第２外部電源に対して接続するための第２接続端子に連通する貫通孔が形成されている（図示略）。すなわち、静電チャック電極２１は、第１接続端子を除いてセラミック焼結体と密接した状態で基体１０に埋設されている。同様に、発熱抵抗体２２は、第２接続端子を除いてセラミック焼結体と密接した状態で基体１０に埋設されている。

第１基体部分１１における副成分の含有量が、第２基体部分１２における副成分の含有量よりも少なく調節されている。副成分とは、主成分である窒化アルミニウムより耐食性が異なる成分を意味する。副成分には、酸化イットリウム（Ｙ₂Ｏ₃）等の焼結助剤由来のもののほか、その他の添加物由来のものが含まれる。

Ｘ線回折法により３Ａ族元素の化合物等の副成分が同定された。ＩＣＰ（誘導結合プラズマ）により３Ａ族元素及びその他添加物の濃度が測定され、当該測定結果を基に含有量（体積％）が求められた。例えば、第１基体部分１１におけるイットリウムの含有量は酸化物換算で０．５［体積％］である一方、第２基体部分１２におけるイットリウムの含有量は酸化物換算で５［体積％］である。

例えば、マグネシウム（Ｍｇ）等の２Ａ族元素、イットリウム（Ｙ）等の３Ａ族元素、チタン（Ｔｉ）、セリウム（Ｃｅ）等の４Ａ族元素、サマリウム（Ｓｍ）等の鉄族元素、若しくはＶ、Ｃｒ、Ｆｅ、Ｃｏ、Ｎｉ等の遷移金属又はこれらの任意の組み合わせと、アルミニウムとの複合金属化合物が副成分に該当する。

第１基体部分１１及び第２基体部分１２のそれぞれに含有されている副成分の種類は同一である必要はなく、異なっていてもよい。例えば、第１基体部分１１にはサマリウム（Ｓｍ）及びアルミニウムの複合酸化物が指定物質として含まれ、第２基体部分１２にはイットリウム（Ｙ）及びアルミニウムの複合酸化物が指定物質として含まれていてもよい。また第１基体部分１１にはセリウム（Ｃｅ）及びアルミニウムの複合酸化物が指定物質として含まれ、第２基体部分１２にはイットリウム（Ｙ）及びアルミニウムの複合酸化物が指定物質として含まれていてもよい。

第１基体部分１１及び第２基体部分１２はともに窒化アルミニウムを主成分とするが、両者の熱膨張係数が過度に相違すると焼成後に第１基体部分１１と第２基体部分１２とが剥離する可能性が高くなる。そこで、第１基体部分１１と第２基体部分１２との熱膨張係数の差が２×１０^−６（２３〜１０００℃）以下になるように制御される。

静電チャック電極２１及び発熱抵抗体２２のそれぞれは高融点金属により構成される。高融点金属としてはモリブデン若しくはタングステン、又はこれらの合金の箔又はメッシュ等のバルク体が一般的に用いられる。バルク体の箔には、パンチングメタルも含まれる。電極が高融点金属を含有するペーストにより構成される場合、モリブデン又はタングステンのほか、基体１０の主成分である窒化アルミニウム及び副成分又はこれを構成する元素が混合されたものが用いられてもよい。

（第２実施形態）
図２に示されている本発明の第２実施形態としてのヒータ付き静電チャックは、第２基体部分１２の直径φ₂及び発熱抵抗体２２の外郭の直径γ₂φ₂のそれぞれが、第１基体部分１１の直径φ₁より大径であることを除き、図１に示されている第１実施形態のヒータ付き静電チャックと構成が共通するので、当該共通構成に関する説明を省略する。第１基体部分１１の略円形状の存在範囲の全部が、発熱抵抗体２２の略円形の存在範囲に含まれている。

第２基体部分１２の側面と発熱抵抗体２２の略円形の外郭との最短距離（１−γ₂）φ₂／２が、第１基体部分１１の側面と静電チャック電極２１の略円形の外郭との最短距離（１−γ₁）φ₁／２よりも大きくされている。

第２基体部分１２の第１基体部分１１との境界面から発熱抵抗体２２との最短距離（１−α_２）ｄ_２及び第２基体部分１２の当該境界面とは反対側の端面から発熱抵抗体２２との最短距離α_２ｄ_２が、第１基体部分１１の側面と静電チャック電極２１の略円形の外郭との最短距離（１−γ₁）φ₁／２よりも大きくされている。

例えば、φ₁＝３０４［ｍｍ］、γ₁φ₁＝３００［ｍｍ］、φ₂＝３１６［ｍｍ］、γ₂φ₂＝３１０［ｍｍ］、ｄ₁＝２［ｍｍ］、α₁ｄ₁＝１［ｍｍ］、ｄ₂＝９［ｍｍ］、α₂ｄ₂＝４［ｍｍ］である。

（ヒータ付き静電チャックの製造方法）
（実施例１）
静電チャック電極が埋設されている第１原料粉末の成形体と、発熱抵抗体が埋設されている第２原料粉末の成形体とが重ね合わせられた状態で、まとめてホットプレス焼結されることによりヒータ付き静電チャックが製造される。

高純度（例えば純度９９．９％以上）の窒化アルミニウム粉末が第１原料粉末として準備された。高純度の窒化アルミニウム粉末に対して５重量％の酸化イットリウム粉末が添加された原料粉末が、溶媒（ＩＰＡ）とともにボールミルにより混合された上で乾燥された結果得られた粉末が第２原料粉末として準備された。外郭が略円形状のＭｏ箔（例えば厚さ０．１［ｍｍ］）が静電チャック電極２１及び発熱抵抗体２２のそれぞれとして準備された。

第２原料粉末が、カーボン製のモールドに形成されている円柱状のモールド空間に投入された上で押圧され、これにより得られた成形体の上に発熱抵抗体２２が同心に（中心が一致するように）に設置された。さらに、第２原料粉末がモールド空間に所定量だけ投入された上で押圧された。これにより、発熱抵抗体２２が埋設されている第２原料粉末の略円盤状の成形体が形成された。

さらに、第１原料粉末がモールド空間に投入された上で押圧され、これにより得られた成形体の上に静電チャック電極２１が同心に設置された。その上から第１原料粉末がモールド空間にさらに投入された上で押圧された。これにより、前記のように発熱抵抗体２２が埋設されている第２原料粉末の成形体と、静電チャック電極２１が埋設された第１原料粉末の略円盤状の成形体とが積み重ねられた成形体が形成された。

第１原料粉末及び第２原料粉末のそれぞれのモールド空間に対する投入量は、当該成形体の焼結により得られるヒータ付き静電チャックにおける静電チャック電極２１及び発熱抵抗体２２のそれぞれの位置α₁ｄ₁及びα₂ｄ₂、並びに第１基体部分１１及び第２基体部分１２のそれぞれの厚さｄ₁及びｄ₂に応じて適当に調節される（図１及び図２参照）。

その上で、当該成形体がホットプレス焼結法によって焼結された。すなわち、モールド空間の軸方向について所定の圧力下で、窒素等の非酸化性雰囲気下で高温に維持された。このようにして得られた焼結体が研削加工によって整形されることによりヒータ付き静電チャックが製造された。

（実施例２）
静電チャック電極２１及びこれを挟む一対の第１原料粉末の成形体と、発熱抵抗体２２及びこれを挟む一対の第２原料粉末の成形体とが重ね合わせられた状態で、まとめてホットプレス焼結されることによりヒータ付き静電チャックが製造された。

高純度の窒化アルミニウム粉末に対して１重量％の酸化サマリウム粉末及び３重量％の窒化チタンが添加された原料粉末が、バインダー、分散剤及び溶媒（ＩＰＡ）とともにボールミルにより混合されてスラリーが調整され、このスラリーからスプレードライ法によって得られた顆粒が第１原料粉末として準備された。

高純度の窒化アルミニウム粉末に対して５重量％の酸化イットリウム粉末が添加された原料粉末が、バインダー、分散剤及び溶媒（ＩＰＡ）とともにボールミルにより混合されてスラリーが調製され、このスラリーからスプレードライ法によって得られた顆粒が第２原料粉末として準備された。

第１原料粉末がＣＩＰ成形された上で研削加工されることにより、径Ｒが同一の２つの略円盤状の成形体が作製された。第２原料粉末がＣＩＰ成形された上で研削加工されることにより、第１原料粉末の２つの成形体と同径の２つの略円盤状の成形体が作製された。また、第１原料粉末の成形体及び第２原料粉末の成形体のそれぞれが脱脂された。

静電チャック電極及び発熱抵抗体のそれぞれとしてＭｏ箔（例えば厚さ０．１［ｍｍ］）が準備された。

その上で、カーボン製のモールドに形成されている円柱状のモールド空間に、第２原料粉末の一方の成形体、発熱抵抗体、第２原料粉末の他方の成形体、第１原料粉末の一方（厚い方）の成形体、静電チャック電極及び第１原料粉末の他方の成形体が、下から順に積み重ねられるように同心に設置される。成形体は鋳込み成形によって作製されてもよい。

そして、当該同心に積み重ねられた成形体等がホットプレス焼結法によって焼結された。このようにして得られた焼結体が研削加工によって整形されることによりヒータ付き静電チャックが製造された。

（実施例３）
静電チャック電極が埋設されている第１原料粉末の成形体と、発熱抵抗体が埋設されている第２原料粉末の成形体とが別個にホットプレス焼結されることにより第１基体部分１１及び第２基体部分１２が作製された上で、両基体部分１１及び１２が接合されることによりヒータ付き静電チャックが製造された。

高純度の窒化アルミニウム粉末に対して１重量％の酸化イットリウム粉末が添加された原料粉末が、溶媒（ＩＰＡ）とともにボールミルにより混合された上で乾燥されることにより得られた粉末が第１原料粉末として準備された。高純度の窒化アルミニウム粉末に対して５重量％の酸化イットリウム粉末が添加された原料粉末が、溶媒（ＩＰＡ）とともにボールミルによって混合された上で乾燥されることにより得られた粉末が第２原料粉末として準備された。

外郭が略円形状のＭｏ箔（例えば厚さ０．１［ｍｍ］）が静電チャック電極２１及び発熱抵抗体２２のそれぞれとして準備された。

第１原料粉末が、カーボン製のモールドに形成されている円柱状のモールド空間に投入された上で押圧され、これにより得られた成形体の上に静電チャック電極２１が同心に（中心が一致するように）に設置された。その上から第１原料粉末がモールド空間にさらに投入された上で押圧された。これにより、静電チャック電極が埋設された第１原料粉末の略円盤状の成形体が形成される。その上で、当該成形体がホットプレス焼結法によって焼結されることにより、静電チャック電極２１が埋設された第１基体部分１１が作製された。

第２原料粉末が、カーボン製のモールドに形成されている円柱状のモールド空間に投入された上で押圧され、これにより得られた成形体の上に発熱抵抗体２２が同心に設置された。さらに、その上から第２原料粉末がモールド空間に所定量だけ投入された上で押圧された。これにより、発熱抵抗体２２が埋設されている第２原料粉末の略円盤状の成形体が形成された。その上で、当該成形体がホットプレス焼結法によって焼結されることにより、発熱抵抗体２２が埋設された第２基体部分１２が作製された。

第１基体部分１１及び第２基体部分１２のそれぞれの接合面の少なくとも一方に接合材が塗布された上で、第１基体部分１１及び第２基体部分１２が当該接合面において接合された。窒化アルミニウム焼結体の接合材として、その焼結助剤と希土類との共晶組成が使用される。本実施例では第１原料粉末及び第２原料粉末の両方に酸化イットリウムが添加されているので、アルミナ−酸化イットリウム系の接合材が用いられた。例えばアルミナ及び酸化イットリウムがモル比５：３で混合された粉末が、バインダー及び溶媒によりペースト化されたものが接合材として用いられた。アルミナ及び酸化イットリウムの混合比は５：３のほか１：１等、適宜変更されてもよい。

また、第１原料粉末として高純度の窒化アルミニウム粉末が用いられ、第２原料粉末として高純度の窒化アルミニウム粉末に酸化イットリウムの粉末が添加されたものが用いられる場合も、アルミナ及び酸化イットリウム系の接合材が用いられてもよい。

第１原料粉末として窒化アルミニウム粉末に酸化セリウム粉末が添加されたものが用いられ、第２原料粉末として窒化アルミニウム粉末に酸化イットリウム粉末が添加されたたものが用いられる場合、アルミナ−酸化セリウム、アルミナ−酸化イットリウム、アルミナ−酸化セリウム−酸化イットリウムという組成系が接合材として用いられてもよい。

接合材が用いられずに、拡散接合法によって第１基体部分と第２基体部分とが接合されてもよい。

このようにして得られた接合焼結体が研削加工によって整形されることによりヒータ付き静電チャックが製造された。

（ヒータ付き静電チャックの評価結果）
実施例１〜３のいずれの方法で製造されたヒータ付き静電チャックにおいても、その外観からクラックがないことが確認された。また、超音波探傷機が用いられることにより、第１基体部分１１と第２基体部分１２との接合界面に空隙又は隙間が存在しないことが確認された。

１０‥基体、１１‥第１基体部分、１２‥第２基体部分、２１‥静電チャック電極、２２‥発熱抵抗体、Ｓ‥載置面。

Claims

窒化アルミニウムを主成分とするセラミックス焼結体からなり、半導体ウエハが載置される載置面を有する基体と、第１外部電源に対して接続される第１接続端子を除いて前記基体に埋設されている静電チャック電極と、第２外部電源に対して接続される第２接続端子を除いて前記基体に埋設されている発熱抵抗体とを備えているヒータ付き静電チャックであって、
前記静電チャック電極が埋設された状態で一体焼成されることにより構成され、前記載置面を有する第１基体部分と、前記発熱抵抗体が埋設された状態で一体焼成されることにより構成されている第２基体部分とが間隙なく一体化されることにより前記基体が構成され、前記第１基体部分における主成分と比較して耐食性が異なる副成分の含有量が、前記第２基体部分における主成分と比較して耐食性が異なる副成分の含有量よりも少なく、
前記第２基体部分の側面から前記発熱抵抗体までの最短距離が、前記第１基体部分の側面から前記静電チャック電極までの最短距離よりも長く、
前記第２基体部分の前記第１基体部分との境界面から前記発熱抵抗体までの最短距離、及び当該境界面とは反対側の端面から前記発熱抵抗体までの最短距離のうち少なくとも一方が、前記第１基体部分の側面から前記静電チャック電極までの最短距離よりも長く、
前記第１基体部分の存在範囲が前記発熱抵抗体の存在範囲に包含され、かつ、
前記第２基体部分が前記第１基体部分よりも大径であることを特徴とするヒータ付き静電チャック。