JP2005175179A - セラミックチャック - Google Patents

Abstract

【課題】所望のヤング率を保持しつつ、ウエハー保持後にウエハーに付着するパーティクル数を低減するセラミックチャックを提供する。
【解決手段】セラミックチャック１は、ウエハーＷと接触する表面層２、および基体部６を備えている。表面層２と基体部６とが一体焼結によって形成されており、表面層２の気孔率が基体部４の気孔率より大きく、表面層２の気孔率が１％以上、１０％以下である。また、基体部６を構成するセラミックが、ＳｉＣを６７％以上含む。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電チャック、真空チャック等のセラミックチャックに関するものである。

現在、半導体ウエハーの搬送、露光、ＣＶＤ、スパッタリング等の成膜プロセス、微細加工、洗浄、エッチング、ダイシング等の工程において、半導体ウエハーを吸着し、保持するために、静電チャックが使用されている。また、半導体ウエハーを加熱処理するためのセラミックヒーターや、高周波発生用の電極装置が実用化されている。最近、半導体の配線ルールが更に微細化されてきており、例えば０．１３μｍ以下の微細配線が採用されてきている。このために、シリコンウエハー裏面へのパーティクルの付着を一層低減することが求められている。

特許文献１によれば、チャックの表面がＣＶＤ法によるＳｉＣ膜で構成されている。表面層の体積抵抗率は、１×１０¹⁰Ωｃｍと高いことが表１に開示されている。また、特開平９−２６０４７１号公報では、真空チャックの表面に化学蒸着によって炭化珪素膜をコーティングすることによって、真空チャックの耐摩耗性を向上させている。
特開平１１−２８９００３公報

しかし、上記のようなセラミックチャックによれば、表面が緻密すぎ、パーティクルがウエハー裏面に付着し、ウエハー裏面に傷を生じさせ易い。また、ＣＶＤ法では高温での処理が必要なので、チャック基材の変質や変形を引き起こすおそれがある。

チャックには、各種のプロセス、すなわち、成膜、エッチング、熱処理あるいは検査等を行う上でウェハの温度を制御する機能が求められる。ＣＶＤ、ＰＶＤの成膜プロセスでは、ヒータ付きチャックとすることにより、ウエハーを加熱する機能、逆にエッチング工程に代表されるように熱を下方へスムーズに逃がすことも重要である。更に、ウエハーを所定の形状に（多くの場合は平らに）保持することも求められる。

この場合、製品として剛性が高いということは、ウエハー保持において重要な因子である。セラミックチャックの剛性が製品形状に依存することは当然であるが、ウエハー処理用のチャックであれば、形状は概ね円板状といった制約があるので、材料の選択が重要と考えられる。

他方、ウエハーは程度の大小はあるものの前プロセスまでのパーティクルが付着している。多数のプロセスを経てデバイスを形成するにあたり、パーティクルが次第に増加していくと、歩留りに多大な悪影響を与える。パーティクルは洗浄プロセスにより低減することは可能であるが、製造コストの観点から各プロセスで増加させないことが好ましい。

本発明の課題は、ウエハー保持用のセラミックチャックにおいて、所望のヤング率を保持しつつ、ウエハー保持後にウエハーに付着するパーティクル数を低減できるようなセラミックチャックを提供することである。

本発明は、ウエハーと接触する表面層、および基体部を備えているセラミックチャックであって、表面層と基体部とが一体焼結によって形成されており、表面層の気孔率が基体部の気孔率より大きく、表面層の気孔率が１％以上、１０％以下であることを特徴とする。

チャックの表面層に上述のように若干の気孔を付与することにより、ウエハー裏面のパーティクルが気孔内に格納されることが判った。ウエハー裏面に付着しているすべてのパーティクルが表面層内に格納されなくとも、パーティクルの増加傾向が鈍化するだけでも、デバイス歩留り向上に及ぼす影響は大きい。また、ウエハー裏面がパーティクルにより担がれることも少なくなる。これはリソグラフィ等、ウエハーを平面状にチャックする必要がある場合に、特に有益である。この観点からは、表面層の気孔率を１％以上とするが、３％以上とすることが更に好ましい。

表面層の気孔が多すぎると、吸脱着特性に悪影響を及ぼしたり、脱ガス性能低下の問題が生じるおれそがある。また機械的強度が低下するので、微視的には脱粒等の現象が生じ、かえってウェハ裏面のパーティクルを増加させる原因ともなることが判った。この観点からは、表面層の気孔率は１０％以下とするが、５％以下とすることが更に好ましい。

このように、チャックのウエハーへの接触面は、ある程度の気孔を含むようにし、パーティクルによりウェハ位置がずれたり、傷つけたりしない材質とする必要がある。これと共に、基体部は高剛性な材質にするという着想に達した。更に気孔率がヤング率に大きく影響することが判明し、本発明に至った。

本発明によれば、若干の気孔は表面層のみに付与されるので、製品全体としての剛性ないしヤング率が維持される。

また、チャックの表面層と基体部との一体化構造としては、樹脂接合や金属接合が考えられる。しかし、いずれも、セラミックスより柔らかい層を介在させることになり、チャックの剛性を高める上で障害となる。また、表面層をＣＶＤ等のコーティング法によって形成すると、表面層に若干の気孔を付与することが極めて困難になるだけでなく、表面層の剥れやクラックが発生しやすい。

このため、本発明においては、表面層を構成するセラミックスと、基体部を構成するセラミックスとを一体焼結することで接合一体化している。これによって、焼結時に表面層と基体部との界面で応力が緩和されている上、強固に結合されるため剥れにくい。

セラミックチャックの種類は、ウエハーをチャックする機能を有する限り、特に限定されず、静電チャック、真空チャックであってよい。静電チャックの場合には、チャック内部に静電電極を埋設することが好ましいが、静電チャックの背面側に静電電極を設置することもできる。真空チャックにおいては、基板に真空吸引孔を設け、チャック表面に半導体ウエハーを設置し、真空吸引孔から吸引を行い、ウエハー上の雰囲気との圧力差によってウエハーを吸着する。これらのセラミックチャック内には、発熱体、高周波発生用電極を埋設することも可能である。

図１は、本発明の一実施形態に係る真空チャック１を概略的に示す断面図である。チャック１は、平板形状の基体部６と、基体部６の上に設けられた表面層２とを備えている。基体部６の背面６ａから表面層２のウエハー設置面２ａへと向かって、複数の吸引孔３が形成されており、設置面２ａにウエハーＷを吸着可能となっている。5は界面である。

図2は、本発明の他の実施形態に係る静電チャック１Ａを概略的に示す断面図である。チャック１Ａは、平板形状の基体部６と、基体部６の上に設けられた表面層２とを備えている。基体部6内に抵抗発熱体8が埋設されており、抵抗発熱体8の末端に端子9が接続されてり、端子9が背面6ａに露出している。図示しない電力供給手段を端子9に接続する。また表面層2内には所定深さに静電チャック電極7が埋設されており、電極7の末端が端子10に接続されており、端子10が外部の電力供給手段に接続されている。

パーティクル13は、図3の模式図に示すように、粒子11の隙間の開気孔12内にトラップされ、ウエハーは裏面への吸着を免れる。

ウエハーと接触する表面層は、アルカリ元素や遷移元素の金属汚染を回避するために高純度とすることが好ましいが、製品全体を高純度とするのはコスト増を招く。従って、製品コストを下げる意味で、表面層の純度を基体部の純度よりも高くすることが好ましい。この観点からは、表面層を構成するセラミックスにおけるアルカリ元素と遷移元素成分の合計量を５０ｐｐｍ以下とするとこが好ましい。また、基体部を構成するセラミックスにおいては、アルカリ元素と遷移元素成分の合計量は、５０ｐｐｍ以上であってもよい。

表面層、基体部を構成する各セラミックスについては、様々な要求特性から総合的に判断する必要がある。しかし、ＳｉＣをベースとすると、剛性や帯電防止を両立させやすいため、好ましい。ヒーター付きチャックとして適用する場合は、高抵抗ＳｉＣ、あるいはＡｌＮ、アルミナ系とすることが好ましい。これには焼結助剤や添加材を加える場合があるので、主成分が６７％以上を占めることが好ましい。

静電チャック電極、高周波発生用電極、あるいは発熱体(ヒーターエレメント)の材質や形成方法は特に限定されず、公知の材料、公知の方法が適用可能である。例えば材質としては、タングステン、モリブデン、炭化タングステン、炭化モリブデンが例示できるし、埋設法については、金属素線や金網、金属箔を成形時に埋設する方法、ペースト化しスクリーン印刷法や溶射、エアロゾル堆積法等が例示できる。

表面層、基体部の材質がＡｌＮの場合は、電極、ヒーターエレメントの材質はモリブデンが好ましい。表面層、基体部の材質がＳｉＣの場合は、電極、ヒーターエレメントの材質はタングステンが好ましい。電極やヒーターエレメントの形状は、コイルや金網形状が埋設しやすさの観点からは好ましい。素線や金網の線径はφ５０μｍ〜φ５００μｍが好ましい。金網の場合、１０メッシュ〜３２５メッシュが好ましい。これらの金属材質は純度としては９９．５％以上が好ましい。また予めアニ−ルを施し、転位を除去しておくことが好ましい。

チャック表面には、用途に応じて、エンボス加工や溝加工を施しても良い。これらの加工によって設けた隙間にＨｅや窒素等の高熱伝導ガスを、チャック力が確保できる範囲のガス圧力で充満させてもよい。

表面層と基体部とを一体焼結によって接合する方法は特に限定されない。例えば、加圧焼結法を利用し、セラミック微粒を焼結させて表面層を生成させるのと共に、セラミック微粒が高度に焼結するような温度および圧力条件下で多孔体を生成するような粗粒を、微粒と共に一体焼結させることによって、基体部を形成することができる。加圧焼結法としては、代表的には、ホットプレス法、ホットアイソスタティックプレス法が知られている。得られた一体焼結体においては、表面層と基体部とは強固に接合一体化されており、かつ両者の界面は微視的に見ても連続的になる。そして、表面層においても、基体部においても、各セラミック粒子はそれぞれ同様の溶融焼結プロセスを経過していることから、表面層と基体部との界面における残留応力は少ない。従って、表面層分と基体部との接合強度は高く、あるいは安定しており、接合不良は発生しにくい。

好適な実施形態においては、表面層の室温における体積抵抗率が１×１０^９Ω・ｃｍ以下である。これによって室温近くにおいてウエハーを静電力で良好に保持できる。

好適な実施形態においては、表面層の厚さが０．５mm以上である。また、好適な実施形態においては、表面層の厚さがセラミックチャックの厚さの２５％以下であり、このように基体部の割合を大きくすることで、セラミックチャックの製造コストを低減できる。

表面層と基体部との間に界面を設けることができる。あるいは、表面層と基体部との間に一層または二層以上の中間層を設けることができる。中間層の材質は特に限定されないが、表面層及び基体部と主成分が同じで助剤成分、もしくは助剤量が異なるもの、あるいはSiCやAlNを表面層及び基体部とする場合は、サイアロン、窒化珪素、窒化ホウ素、アルミナ、ＡｌＯＮを例示できる。

本発明のセラミックチャックは、半導体製造装置、Ｓｉウェハ、その他デバイス基板、液晶等のＦＰＤ基板のチャックに使用可能である。

(真空チャックの製造例)
図1に示す真空チャック1を製造した。基体部４用として、純度99.9%(Fe 480ppm,
Ti 170ppm, Cr 60ppm, Ni 140ppm, Na <1ppm, K <1ppm)、平均粒径0.2μｍのβ型SiC粉に、焼結助剤として純度98%以上、平均粒径0.8μmの炭化ホウ素粉2%添加し、有機バインダーと混合、造粒の上、φ302mmの金型に充填し、圧力10Mpaにてプレスし、基体部6を成形した。実施例５においては、更に純度99.9%以上のAlN粉を20wt%配合している。

次いで、β型の高純度SiC粉（Fe <1ppm, Ti 2ppm, Cr
<1ppm, Ni <1ppm, Na<1ppm, K <1ppm、平均粒径1.3μm）と純度99.5％以上、平均粒径0.8μmの炭化ホウ素粉、平均粒径0.3μmのカーボン粉を有機バインダーと混合、造粒したものを、基体部6のプレス成形体上に充填し、圧力8Mpaにて再度プレスし、表面層2を成形した。

得られた成形体をホットプレス中で脱脂、焼成し、ＳｉＣハイブリッド焼結体を得た。次いで外径295mm、表層部0.5〜1.5mm厚、全体の厚みを10.5mm厚、及び表面層の平面度が1〜4μmとなるよう加工し、概ね等配となるように12ヶの貫通穴3を設け、真空チャック穴3とした。

これに300mmウエハーＷを３５℃にて吸着させた。吸着後のウェハ裏面のパーティクル個数を、ＫＬＡ-テンコール社製の「ＳＰ１」で測定し、吸着させない場合と比較した。吸着させない場合は、パーティクル数約５００ヶのものを用いた。気孔率は、同様に作製したハイブリッド焼結体から切り出してアルキメデス法により測定した。表面層の純度についてもサンプリングにより求め、アルカリ金属、及び遷移金属の成分が４〜２３ppmであることを確認した。電気抵抗は４端子法で表面電流を測定して求め、1×10⁹Ωcm以下であることを確認した。ヤング率は、表面層、基体部とも含んだ状態で板状に切り出し、共振法にて測定した。焼結助剤である炭化ホウ素の添加量を0〜1.5wt%の範囲内で調整し、カーボン粉を0〜10wt%の範囲で調整し、焼結温度範囲を1900〜2350℃で調整し、プレス圧範囲２〜50Mpaの間で調整することによって、表面層の気孔率を制御した。

このように、本発明によるセラミック真空チャックは、パーティクル数の低減に有効である上、ヤング率を高く保持できる点で有用である。なお、図4は、実施例5の試料において、基体部と表面層との積層体の反射電子像を示す写真であり、図5は、実施例5の試料において、基体部と表面層との積層体のＡｌ元素マッピングの結果を示す写真である。

(静電チャックの製造例)
図2に概略的に示す静電チャック1A
を製造した。基体部6用のSiC粉はα型のSiC粉を用いた。平均粒径は1.5μm、純度は99.9wt％以上（Fe 13ppm, Ti 3ppm, Cr
1ppm, Ni 2ppm, Na<1ppm, K <1ppm）である。これに焼結助剤として純度99％以上、平均粒径0.6μmの窒化ホウ素粉4％添加し、有機バインダーと混合、造粒の上、φ302mmの金型に充填し、圧力10Mpaにてプレスした。実施例８においては、実施例５と同様に、更に純度99.9％以上のAlN粉を20wt％配合している。

次いで、β型の高純度SiC粉（Fe <1ppm, Ti 2ppm, Cr
<1ppm, Ni <1ppm, Na<1ppm, K <1ppm、平均粒径1.3μm）と純度99.5％以上、平均粒径0.8μmの炭化ホウ素粉、平均粒径0.3μmのカーボン粉を有機バインダーと混合、造粒したものを、基体部用のプレス成形体上に充填し、圧力8Mpaにて再度プレスし、表面層を成形してハイブリッド成形体を得た。

この際、チャック表面2ａから深さ約1mmの位置にタングステンの金網7を埋設し、深さ約5mmの位置に、タングステン金網を5mm巾となるよう切断加工した帯状物を抵抗発熱体8として埋設した。最終的に、チャック裏面６ａから静電チャック用の１穴、及びヒーター用に２穴あけ、各々タングステン金具端子9、10を接合して静電チャック電極付きヒータとした。

測定に先立ち、表面の電気抵抗を確認したところ、室温にて8×10⁷〜9×10⁸Ωcmであった。基材の電気抵抗は切り出し後、3端子法にて測定したが室温にて1×10⁹〜1×10¹²Ωcmであった。タングステンの素線径はφ0.1mm、３０メッシュであるが、φ0.05〜φ0.5mmでも埋設可能である。表面は用途に応じて表面にエンボス加工や溝加工を施しても良い。これらの加工によって設けた隙間にＨｅや窒素等の高熱伝導ガスを、チャック力が確保できる範囲のガス圧力で充満させてもよい。

抵抗発熱体8に通電させてチャックを６０℃に加熱した状態で、静電チャック電極7に３００Ｖの直流電圧を印加してチャックした場合のパーティクル数を測定した。

このように、本発明によるセラミック静電チャックは、パーティクル数の低減に有効である上、ヤング率を高く保持できる点で有用である。

本発明の一実施形態に係る真空チャック1を概略的に示す断面図である。 本発明の他の実施形態に係る静電チャック1Ａを示す断面図である。 セラミックチャックの表面層の気孔12へのパーティクル13の取り込みを示す概念図である。 実施例5の試料において、基体部と表面層との積層体の反射電子像を示す写真である。 実施例5の試料において、基体部と表面層との積層体のＡｌ元素マッピングの結果を示す写真である。

符号の説明

１ 真空チャック １Ａ 静電チャック ６ 基体部 ２ 表面層 ２ａ ウエハー設置面 ３ 吸引孔 Ｗ ウエハー ８ 抵抗発熱体 ７ 静電チャック電極 １３ パーティクル １１ 粒子 １２ 開気孔

Claims (9)

1. ウエハーと接触する表面層、および基体部を備えているセラミックチャックであって、
   前記表面層と前記基体部とが一体焼結によって形成されており、前記表面層の気孔率が前記基体部の気孔率より大きく、前記表面層の気孔率が１％以上、１０％以下であることを特徴とする、セラミックチャック。
2. 前記表面層を構成するセラミックスおよび前記基体部を構成するセラミックスが、ＳｉＣを６７％以上含むことを特徴とする、請求項１記載のセラミックチャック。
3. 前記表面層の室温における体積抵抗率が１×１０^９Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする、請求項１または２記載のセラミックチャック。
4. 前記表面層を構成するセラミックスにおけるアルカリ元素と遷移元素成分の合計量が５０ｐｐｍ以下であることを特徴とする、請求項１〜３のいずれか一つの請求項に記載のセラミックチャック。
5. 前記表面層の厚さが０．５mm以上であることを特徴とする、請求項１〜４のいずれか一つの請求項に記載のセラミックチャック。
6. 前記表面層の厚さが前記セラミックチャックの厚さの２５％以下であることを特徴とする、請求項１〜５のいずれか一つの請求項に記載のセラミックチャック。
7. 真空チャックまたは静電チャックであることを特徴とする、請求項１〜６のいずれか一つの請求項に記載のセラミックチャック。
8. ヒータエレメントを備えていることを特徴とする、請求項１〜７のいずれか一つの請求項に記載のセラミックチャック。
9. 高周波発生用電極を備えていることを特徴とする、請求項１〜８のいずれか一つの請求項に記載のセラミックチャック。

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