JP2004022585A

JP2004022585A - 静電チャック

Info

Publication number: JP2004022585A
Application number: JP2002171442A
Authority: JP
Inventors: Naotoshi Morita; 森田　直年; Masaaki Nakabayashi; 中林　正明
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: Niterra Co Ltd
Priority date: 2002-06-12
Filing date: 2002-06-12
Publication date: 2004-01-22

Abstract

【課題】半導体ウェハ等に流れる微小電流を低減するとともに、静電チャックの機能である、半導体ウェハ等の固定や平面度矯正の機能を損なうことのない静電チャックを提供すること。
【解決手段】静電チャック（１）は、チャック面（３）側にて半導体ウェハ（５）を吸着するものであり、円盤状の絶縁体（７）と金属ベース（９）とを接合したものである。絶縁体（７）は、その表面に前記チャック面（３）を有し、アルミナ質の焼結体からなるセラミック体である。この絶縁体（７）は、その体積固有抵抗は、１．０×１０^１２Ω・ｃｍを上回り且つ１．０×１０^１５Ω・ｃｍを下回る範囲である。そして、静電チャック（１）を使用する場合には、両内部電極（１５）、（１７）の間に、５００×｛ＬＯＧ（体積固有抵抗）−１１｝Ｖ以上の電圧を印加し、これにより、半導体ウェハ（５）を吸着する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば半導体を製造する際に使用されるドライエッチング装置やイオン注入装置や電子ビーム露光装置などにおいて、半導体ウェハの固定、平面度矯正、搬送用などに用いることができる静電チャックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、静電チャックは、例えば半導体製造装置において、被吸着部材である半導体ウェハ（例えばシリコンウェハ）を固定してドライエッチング等の加工を行ったり、半導体ウェハを吸着固定して反りを矯正したり、半導体ウェハを吸着して搬送するなどの目的で使用されている。
【０００３】
この静電チャックに関しては、例えば特開昭６２−９４９５３号公報には、アルミナに所定の遷移金属層を混合し、還元雰囲気で焼成することで、アルミナ単体で静電チャックを製作したときよりも、低い電圧で、より大きな吸着力（チャック力）が得られることが開示されている。
【０００４】
この様に、前記公報の技術において、低い電圧でチャック力が得られるのは、体積固有抵抗が１．０〜１０^８Ω・ｃｍ〜１．０〜１０^１２Ω・ｃｍと、アルミナ単体に比べて小さいために、ジョンソン−ラーベック力が作用することによると考えられる。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、最近の研究により、ジョンソン−ラーベック力を得るために、体積固有抵抗を小さくして、静電チャックの内部電極に電圧を印加すると、その漏れ電流等により、半導体ウェハ内に微小電流が流れ、それによって、半導体ウェハに形成した集積回路に電気的ダメージを与えること（従って素子の不良率が上昇すること）が分かってきた。
【０００６】
特に近年、集積回路の配線幅が０．１３μｍ以下となった場合に、その傾向が顕著である。
ところが、この対策として、微小電流を抑えるために絶縁体の体積固有抵抗を上げると、チャック力が弱くなるため、静電チャックの機能である、半導体ウェハの固定や平面度矯正の機能が損なわれるという問題がある。
【０００７】
本発明は、前記課題を解決するためになされたものであり、その目的は、半導体ウェハ等に流れる微小電流を低減するとともに、静電チャックの機能である、半導体ウェハ等の固定や平面度矯正の機能を損なうことのな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及び発明の効果】
（１）請求項１の発明は、絶縁体の内部に電極を備えた静電チャックに関するものであり、本発明では、絶縁体の体積固有抵抗が、１．０×１０^１２Ω・ｃｍを上回り且つ１．０×１０^１５Ω・ｃｍを下回る範囲であることを特徴とする。
【０００９】
本発明では、静電チャックの絶縁体の体積固有抵抗が、１．０×１０^１２Ω・ｃｍを上回り且つ１．０×１０^１５Ω・ｃｍを下回る範囲であるので、即ち、従来とは異なる適度な範囲であるので、半導体ウェハ等の被吸着部材に流れる漏れ電流を小さくすることができる。これにより、半導体ウェハ等内に漏れ電流が流れることによる集積回路の電気的ダメージを低減することができるので、素子の不良率が低下するという顕著な効果を奏する。
【００１０】
また、本発明の絶縁体の体積固有抵抗は、従来に比べて過度に大きくはないので、半導体ウェハ等の吸着に必要な大きさのジョンソン−ラーベック力を得ることができる。これにより、半導体ウェハ等を十分な吸着力（チャック力）で吸着できるので、半導体ウェハ等の固定や平面度矯正等の静電チャックの機能を損なうことのないという利点がある。
【００１１】
更に、絶縁体の体積固有抵抗が、本発明の範囲であれば、体積固有抵抗の変化にほぼリニアに適度の大きさでチャック力が変化するので、チャック力の調節が容易であるという効果がある。
つまり、体積固有抵抗が、本発明の範囲より小さい場合には、体積固有抵抗が変化するとチャック力が急激に変化するので、所望のチャック力を生じる絶縁体を製造することが容易でない。一方、体積固有抵抗が、本発明の範囲より大きい場合には、体積固有抵抗が変化してもチャック力があまり変化しないので、この場合も、所望のチャック力を生じる絶縁体を製造することが容易でない。
【００１２】
（２）請求項２の発明では、前記電極に印加する電圧が、５００×｛ＬＯＧ（体積固有抵抗）−１１｝Ｖ以上であることを特徴としている。
本発明は、電極に印加する電圧を例示したものである。
この印加電圧（例えば直流）の範囲であれば、半導体ウェハ等を十分な吸着力で吸着できるので、半導体ウェハ等の固定や平面度矯正等の静電チャックの機能を損なうことがない。また、交流電圧を印加する場合には、その実効電圧が、前記５００×｛ＬＯＧ（体積固有抵抗）−１１｝Ｖ以上であれば良い。
【００１３】
（３）請求項３の発明では、前記静電チャックは、前記絶縁体の内部に一方の電極を備えたモノポーラタイプ、又は、前記絶縁体の内部に一対の電極を備えたバイポーラタイプであることを特徴としている。
本発明は、静電チャックの種類を例示したものであり、本発明は、上述した電極構成を有するする静電チャックに適用することができる。
【００１４】
（４）請求項４の発明では、前記絶縁体は、セラミック材料からなることを特徴としている。
本発明は、絶縁体を構成する材料を例示したものである。
（５）請求項５の発明では、前記絶縁体は、アルミナを主成分とする材料からなることを特徴としている。
【００１５】
本発明は、絶縁体を構成するセラミック材料を例示したものである。
例えばアルミナを主成分とするセラミック原料を還元雰囲気で焼成することで絶縁体が得られるが、このセラミック原料中に、マグネシアとチタニアナの添加物を加えることにより、アルミナの粒子間にマグネシウムアルミニウムチタニウムの層を形成することができる。
【００１６】
尚、前記マグネシウムアルミニウムチタニウムとしては、ＭｇＡｌ_８Ｔｉ_６Ｏ_２５、Ｍｇ_０．３Ａｌ_１．４Ｔｉ_１．３Ｏ_５、Ｍｇ_０．６Ａｌ_０．８Ｔｉ_０．６Ｏ_５等の化合物が挙げられる。
このマグネシウムアルミニウムチタニウムの層は、体積固有抵抗が、１．０×１０^８Ω・ｃｍ〜１．０×１０^１５Ω・ｃｍと、アルミナの体積固有抵抗（１．０×１０^−１６Ω・ｃｍ）に比べて小さいので、アルミナにマグネシウムアルミニウムチタニウムの層を形成することにより、前記請求項１の範囲の体積固有抵抗を有する絶縁体を形成することができる。尚、前記セラミック原料には、必要に応じてシリカ等の焼結助剤を加えてもよい。
【００１７】
また、セラミック焼成時の還元雰囲気としては、Ｎ_２とＨ_２の混合ガスを用いることができるが、Ｎ_２とＨ_２については、Ｎ_２がＨ_２より多いと、絶縁体の体積固有抵抗が大きくなるので、その値を調節することにより、前記請求項１の範囲の体積固有抵抗を有する絶縁体を形成することができる。
【００１８】
例えば体積固有抵抗が１．０×１０^１２Ω・ｃｍを上回る絶縁体を得る場合には、Ｎ_２の割合（体積％）をＨ_２よりも多くする。尚、チタンの量が増加すると体積固有抵抗が低下するので、チタンの量により、体積固有抵抗を調節することも可能である。
【００１９】
この様にして製造された絶縁体を用いた静電チャック（例えばバイポーラタイプ）は、例えば１２インチの静電チャックに１０００Ｖ程度の直流を印加しても、両電極間に流れる電流値は１０μＡ以下であり、半導体ウェハの上に形成したデバイスに悪影響を及ぼすことはない。
【００２０】
尚、この絶縁体の材料としては、アルミナを主成分とし、アルカリ成分が酸化物換算して０．５〜２重量％、チタン又はクロムが酸化物に換算して０．５〜６重量％含まれている材料を採用できる。
（６）請求項６の発明では、更に、ヒータを備えたことを特徴としている。
【００２１】
本発明では、上述した構成に加えて、更に（例えば絶縁体内部に）ヒータを備えているので、静電チャックの加熱（従って半導体ウェハ等の加熱）を行うことができる。
（７）請求項７の発明では、更に、前記電極に電力を供給する電源を備えたことを特徴としている。
【００２２】
本発明では、上述した構成に加えて、更に吸着用電極に電力を供給する電源を備えたものである。尚、更に、前記ヒータに電力を供給する電源を備えていてもよい。
【００２３】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の静電チャックの実施の形態の例（実施例）について説明する。
（実施例１）
ここでは、例えば半導体ウェハを吸着保持できる静電チャックを例に挙げる。
【００２４】
ａ）まず、本実施例の静電チャックの構造について説明する。尚、図１は静電チャックの一部を破断して示す斜視図である、図２は静電チャックの図１におけるＡ−Ａ断面を示す説明図である。
図１に示す様に、本実施例の静電チャック１は、図１の上方の吸着面（チャック面）３側にて半導体ウェハ５を吸着するものであり、（例えば直径３００ｍｍ×厚み３の）円盤状の絶縁体（誘電体）７と、（例えば直径３４０ｍｍ×厚み２０ｍｍの）円盤状の金属ベース９とを、例えばインジウムからなる接合層（図示せず）を介して接合したものである。
【００２５】
前記絶縁体７は、その表面に前記チャック面３を有し、アルミナ質の焼結体からなるセラミック体である。また、前記金属ベース５は、例えばアルミニウム又はアルミニウム合金からなる金属製であり、絶縁体７の全体を載置するように、絶縁体７より大径とされている。
【００２６】
特に本実施例では、絶縁体７は、その体積固有抵抗は、１．０×１０^１２Ω・ｃｍを上回り且つ１．０×１０^１５Ω・ｃｍを下回る範囲（例えば１．０×１０^１３Ω・ｃｍ）である。
また、図２に示す様に、前記静電チャック１には、絶縁体７のチャック面３から金属ベース９の裏面（ベース面）１１に到るトンネルである冷却用ガス穴１３が複数（例えば６箇所）設けられている。この冷却用ガス穴１３は、チャック面３にて保持された半導体ウェハ５を冷却するために、Ｈｅ等の冷却用ガスを、ベース面１１側からチャック面３側に供給するためのものである。
【００２７】
更に、前記絶縁体７の内部には、一対の内部電極１５、１７が配置されており、各内部電極１５、１７は電源１９に接続されている。
そして、上述した構成の静電チャック１を使用する場合には、電源１９を用いて、両内部電極１５、１７の間に、５００×｛ＬＯＧ（体積固有抵抗）−１１｝Ｖ以上の電圧（例えば３ｋＶの直流電圧）を印加し、これにより、半導体ウェハ５を吸着する静電引力（吸着力）を発生させ、この吸着力を用いて半導体ウェハ５を吸着して固定する。
【００２８】
ｂ）次に、本実施例の静電チャック１の製造方法について、図３に基づいて説明する。
本実施例では、アルミナ粒子間のマグネシウムアルミニウムチタニウムの生成のために添加する添加物は、マグネシアとチタニアである。マグネシアは、酸化物や炭酸塩から任意に選択でき、酸化物に換算して０．５〜２重量％の範囲で添加する。チタニアについても酸化物等任意に選択でき、０．５〜６重量％の範囲で添加する。
【００２９】
また、焼成については、還元雰囲気で行うが、雰囲気中のＮ_２ガスとＨ_２ガスとの混合割合が、絶縁体７の体積固有抵抗を決定する重要な要素になる。
以下、具体的に説明する。
（１）原料としては、主成分であるアルミナ粉末：９２重量％に、ＭｇＯ：１重量％、ＳｉＯ_２：４重量％、ＴｉＯ_２：３重量％を混合して、ボールミルで、５０〜８０時間湿式粉砕した後、脱水乾燥する。
【００３０】
（２）次に、この粉末に、メタクリル酸イソブチルエステル：３重量％、ブチルエステル：３重量％、ニトロセルロース：１重量％、ジオクチルフタレート：０．５重量％を加え、更に溶剤として、トリクロール−エチレン、ｎ−ブタノールを加え、ボールミルで混合して、流動性のあるスラリーとする。
【００３１】
（３）次に、このスラリーを、減圧脱泡後平板状に流し出して徐冷し、溶剤を発散させて、厚さ０．８ｍｍの第１〜第６アルミナグリーンシート２１〜３１を形成する。この第１〜第６アルミナグリーンシート２１〜３１には、それぞれ貫通孔３３〜４３を６箇所に開ける。
【００３２】
（４）また、前記アルミナグリーンシート用の原料粉末中にタングステン粉末を混ぜて、前記と同様な方法によりスラリー状にして、メタライズインクとする。
（５）そして、前記第２アルミナグリーンシート２３上に、前記メタライズインクを用いて、通常のスクリーン印刷法により、両内部電極１５、１７の（図の斜線で示す）パターン４５、４７を印刷する。
【００３３】
（６）次に、前記第１〜第６アルミナグリーンシート２１〜３１を、各貫通孔３３〜４３により冷却用ガス穴１３が形成されるように位置合わせして、熱圧着し、全体の厚みを約５ｍｍとした積層シートを形成する。
尚、内部電極１５、１７に関しては、図示しないが、スルーホールにより最下層の第６アルミナグリーンシート３１の裏面に引き出して端子を設ける。
【００３４】
（７）次に、熱圧着した積層シートを、所定の円板形状（例えば８インチサイズの円板形状）にカットする。
（８）次に、カットしたシートを、体積比がＮ_２ガス：Ｈ_２ガス＝２：１の還元雰囲気にて、１４００〜１６００℃にて焼成する。この焼成より、寸法が約２０％小さくなるため、焼成後のセラミック体の厚みは、約４ｍｍとなる。
【００３５】
（９）そして、焼成後に、研磨によって、セラミック体の全厚みを３ｍｍとするとともに、チャック面３の平面度が３０μｍ以下となる加工する。
（１０）次に、端子部にニッケルメッキを施し、更にこのニッケル端子をロー付け又は半田付けして、絶縁体７を完成する。
【００３６】
尚、この絶縁体７は、その後、金属ベース９上に例えばインジウムを用いて接合され、静電チャック１が完成する。
ｃ）次に、本実施例の効果について説明する。
・本実施例では、絶縁体７の体積固有抵抗が、１．０×１０^１２Ω・ｃｍを上回り且つ１．０×１０^１５Ω・ｃｍを下回る適度な範囲であるので、静電チャック１に電圧を印加して半導体ウェハ５を吸着した場合でも、半導体ウェハ５に流れる漏れ電流を小さくすることができる。これにより、半導体ウェハ５内の集積回路の電気的ダメージを低減することができるので、素子の不良率が低下するという顕著な効果を奏する。
【００３７】
また、本実施例では、内部電極１５、１７に印加する電圧が、５００×｛ＬＯＧ（体積固有抵抗）−１１｝Ｖ以上であるので、半導体ウェハ５を十分な吸着力で吸着できる。そのため、半導体ウェハ５の固定や平面度矯正等の静電チャック１の機能を損なうことがないという利点がある。
【００３８】
例えば、１２インチサイズのモノポーラタイプの静電チャック１で、その絶縁層７の体積固有抵抗が、１．０×１０^１２Ω・ｃｍを上回るものの場合に、静電チャック１に印加電圧を５００Ｖとして半導体ウェハ５を吸着すると、半導体ウェハ５を流れる漏れ電流の電流値は１０μＡ以下となる。
【００３９】
従って、漏れ電流が少ないので、半導体ウェハ５に形成したデバイスの破壊を少なくすることができる。また、吸着力（チャック力）に関しても、５０×１０^３Ｎ／ｍ^２以上と大きく、実用に十分に耐えられる。
また、半導体ウェハ５に流れる漏れ電流の電流値を下げて、半導体ウェハ５上のデバイスの破壊を一層効果的に防止するには、体積固有抵抗を１．０〜１０^１４Ω・ｃｍを下回る範囲で上げてもよい。この場合、電流値は０．１μＡと大幅に小さくなるが、チャック力も小さくなるため、印加電圧を上げる必要がある。例えば印加電圧を３０００Ｖにすれば、電流値を０．１μＡで、チャック力は５０×１０^３Ｎ／ｍ^２と実用に耐えられるチャック力が得られる。
【００４０】
・更に、絶縁体７の体積固有抵抗が、上述した範囲であれば、体積固有抵抗の変化にほぼリニアに適度な大きさでチャック力が変化するので、チャック力の調節が容易であるという効果がある。
ｄ）次に、本実施例の効果を確認した実験例について説明する。
【００４１】
前記実施例と同様な方法にて、静電チャック（但し１２インチサイズ）を製造した。尚、ここでは、還元雰囲気を調整して異なる体積固有抵抗の絶縁体を有する静電チャックを製造した。
そして、この静電チャックに、電圧を印加し、その際に半導体ウェハに流れる漏れ電流及び半導体ウェハを吸着するチャック力について調べた。その結果を下記表１に示す。
【００４２】
尚、体積固有抵抗の測定は、ＪＩＳ　ｋ６９１１の方法により行った。漏れ電流の測定は、ＪＩＳ　ｋ６９１１の方法による抵抗を算出する際の電流を測定する方法で行った。
また、チャック力の測定は、静電チャックに３ｋＶの直流電圧を印加し、そのチャック面の中央に半導体ウェハ片（縦３０ｍｍ×横３０ｍｍ×厚み０．６ｍｍ）を吸着した状態で、静かにプッシュプルゲージを引き上げることにより行った。つまり、引き上げる際に、半導体ウェハが静電チャックから離れた時の数値を読み取った。尚、プッシュプルゲージの先端は、半導体ウェハの中心に接合されている。
【００４３】
【表１】

【００４４】
この表１から明らかな様に、本発明の範囲の体積固有抵抗のもの（試料Ｎｏ．１〜３）は、漏れ電流が少なく且つチャック力が十分であり、好適である。
それに対して、比較例のうち、体積固有抵抗が本発明の範囲より小さいもの（試料Ｎｏ．４）は、漏れ電流が大きく、一方、体積固有抵抗が本発明の範囲より大きなもの（試料Ｎｏ．５）は、チャック力が少なく、必ずしも好ましくない。
（実施例２）
次に、実施例２について説明するが、前記実施例１と同様な箇所の説明は省略する。
【００４５】
本実施例の静電チャックは、前記実施例１とは、ヒータの有無が異なる。
図４に静電チャック５１の断面を示す様に、本実施例の静電チャック５１は、前記実施例１と同様に、絶縁体５３と金属ベース５５とを接合したものであり、その内部には冷却用ガス穴５７と内部電極５９、６１とを備えている。
【００４６】
特に本実施例では、絶縁体５３の内部の金属ベース５５側に、ヒータ６３を備えている。
従って、このヒータ６３によって絶縁体５３を加熱することにより、静電チャック５１に吸着された半導体ウェハを加熱することができる。
【００４７】
これにより、本実施例の静電チャック５１は、半導体ウェハの冷却だけでなくその加熱も可能であり、汎用性が高いという特長を有する。
尚、本発明は前記実施例になんら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲において種々の態様で実施しうることはいうまでもない。
【００４８】
例えば本発明は、前記実施例１、２の様なバイポーラ型の静電チャックに限らず、モノポーラ型の静電チャックにも適用できる。
【図面の簡単な説明】
【図１】実施例１の静電チャックを一部破断して示す斜視図である。
【図２】実施例１の静電チャックのＡ−Ａ断面を示す説明図である。
【図３】実施例１の静電チャックを分解して示す説明図である。
【図４】実施例２の静電チャックを示す断面図である。
【符号の説明】
１、５１…静電チャック
３…チャック面
５…半導体ウェハ
７、５３…絶縁体
９、５５…金属ベース
１５、１７、５９、６１…内部電極

Claims

絶縁体の内部に電極を備えた静電チャックにおいて、
前記絶縁体の体積固有抵抗が、１．０×１０^１２Ω・ｃｍを上回り且つ１．０×１０^１５Ω・ｃｍを下回る範囲であることを特徴とする静電チャック。
前記電極に印加する電圧が、５００×｛ＬＯＧ（体積固有抵抗）−１１｝Ｖ以上であることを特徴とする前記請求項１に記載の静電チャック。
前記静電チャックは、前記絶縁体の内部に一方の電極を備えたモノポーラタイプ、又は、前記絶縁体の内部に一対の電極を備えたバイポーラタイプであることを特徴とする前記請求項１又は２に記載の静電チャック。
前記絶縁体は、セラミック材料からなることを特徴とする前記請求項１〜３のいずれかに記載の静電チャック。
前記絶縁体は、アルミナを主成分とする材料からなることを特徴とする前記請求項４に記載の静電チャック。
更に、ヒータを備えたことを特徴とする前記請求項１〜５のいずれかに記載の静電チャック。
更に、前記電極に電力を供給する電源を備えたことを特徴とする前記請求項１〜６のいずれかに記載の静電チャック。