JP2007173592A - Electrostatic chuck - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、主に半導体ウェハや液晶基板等のウェハを静電吸着力によって吸着保持する静電チャックに関するものである。 The present invention mainly relates to an electrostatic chuck for attracting and holding a wafer such as a semiconductor wafer or a liquid crystal substrate by electrostatic attraction force.
従来、半導体デバイスを製造する半導体ウェハ（以下、ウェハという）の処理工程であるＣＶＤ、ＰＶＤ、スパッタリング等の成膜工程や微細加工を施すエッチング工程、あるいは各種処理工程間での搬送等においては、ウェハを高精度に保持する必要があることから静電チャックが使用されている。 Conventionally, in a film forming process such as CVD, PVD, sputtering, etc., which is a processing process of a semiconductor wafer for manufacturing a semiconductor device (hereinafter referred to as a wafer), an etching process for performing fine processing, or transportation between various processing processes, An electrostatic chuck is used because it is necessary to hold the wafer with high accuracy.
静電チャックは、セラミック基体の一方の主面（最も広い表面）を、ウェハを載せる吸着面とするとともに、上記セラミック基体中の吸着面側に吸着用電極を備えたもので、ウェハを吸着面に載せ、ウェハと吸着用電極との間に静電吸着力を発現させることによりウェハを吸着面に強制的に固定するようになっている。 The electrostatic chuck has one main surface (the widest surface) of the ceramic substrate as a suction surface on which the wafer is placed, and an adsorption electrode on the suction surface side in the ceramic substrate. The wafer is forcibly fixed to the attracting surface by developing an electrostatic attracting force between the wafer and the attracting electrode.
これらの静電チャックは、セラミック基体中に一つの電極が設けられた単極型静電チャックが主流であったが、近年では、年々多様化する半導体産業の要求特性を満たすため、セラミック基体中に複数の電極が設けられた双極型静電チャックが使用されるようになってきた。セラミック基体に内蔵する吸着用電極とウェハとの間に電圧を印加することにより、ウェハを吸着面に吸着保持する単極型静電チャックに対し、双極型静電チャックは、セラミック基体に内蔵された一対の吸着用電極に正負の電圧を印加することでウェハを吸着面に吸着保持するようになっている。この双極型静電チャックは、単極型静電チャックのようにウェハに通電端子を接触させて直接通電する必要がないため、ウェハ上に形成された回路に与える悪影響が少ないといった利点があった。 These electrostatic chucks were mainly single-pole electrostatic chucks in which one electrode was provided in the ceramic substrate. However, in recent years, in order to satisfy the increasingly diverse characteristics of the semiconductor industry, Bipolar electrostatic chucks having a plurality of electrodes are used. A bipolar electrostatic chuck is built in the ceramic substrate, while a voltage is applied between the chucking electrode built in the ceramic substrate and the wafer to hold the wafer on the adsorption surface. By applying positive and negative voltages to the pair of suction electrodes, the wafer is sucked and held on the suction surface. This bipolar electrostatic chuck has the advantage that there is little adverse effect on the circuit formed on the wafer because it does not need to be directly energized by bringing the current-carrying terminal into contact with the wafer unlike the single-polar electrostatic chuck. .
このような双極型静電チャックの例として、特許文献１には図６に示すように台座６２の上面に下部誘電体層６８、中間部誘電体層６７、上部誘電体層６６がそれぞれ溶射膜により形成され、下部誘電体層６８上に第２の吸着用電極６４ｂが溶射膜によって設けられるとともに中間部誘電体層６７によって被覆されており、また、中間部誘電体層６７上には溶射膜によって第１の吸着用電極６４ａが設けられるとともに上部誘電体層６６によって被覆されており、その上面を吸着面６３とした静電チャック６１が提案されている。
As an example of such a bipolar electrostatic chuck, in
また、特許文献２には図４に示すようにセラミック基体４２の上面に第１の吸着用電極４４ａと第２の吸着用電極４４ｂがそれぞれ備えられており、これらの吸着用電極４４ａ、４４ｂを覆うようにセラミック基体４２の上面にセラミック誘電体層４６が被覆一体化されており、その上面を吸着面４３とし、上記吸着面４３と第１の吸着用電極４４ａとの間のセラミック誘電体層４６の厚みと、吸着面４３と第２の吸着用電極４４ｂとの間のセラミック誘電体層４６の厚みが等しい静電チャック４１が提案されている。
Further, in
また、特許文献３には図５に示すようにセラミック基体５２の上面に第１の吸着用電極５４ａと第２の吸着用電極５４ｂがそれぞれ備えられており、これらの吸着用電極５４ａ、５４ｂを覆うようにセラミック基体５２の上面にセラミック誘電体層５６が被覆一体化されており、正電圧を印加する第１の吸着用電極５４ａの面積が、負電圧を印加する第２の吸着用電極５４ｂの面積より大きい静電チャック５１が提案されている。
近年、半導体産業の急激な拡大のため、ウェハＷ上に形成する回路の微細化技術が進み、ウェハＷ上に微細な回路パターンを正確に形成するためウェハＷを吸着面に均一に吸着させることができる静電チャックが求められている。 In recent years, due to the rapid expansion of the semiconductor industry, circuit miniaturization technology formed on the wafer W has progressed, and the wafer W can be uniformly adsorbed on the adsorption surface in order to accurately form a fine circuit pattern on the wafer W. There is a need for an electrostatic chuck that can achieve this.
特許文献１に示す従来の静電チャック６１は、吸着面６３と第１の吸着用電極６４ａとの間のセラミック誘電体層の厚み（図６中、Ｔｃで示す）と、吸着面６３と第２の吸着用電極６４ｂとの間のセラミック誘電体層の厚み（図６中、Ｔｄで示す）が異なるため、第１の吸着用電極６４ａ側と第２の吸着用電極６４ｂ側とで吸着力の不均一が発生し、ウェハＷを吸着面６３に均一に固定することができないという問題があった。また、各吸着用電極６４ａ、６４ｂは溶射膜によって形成されているためボイドが多く、このボイドにより電極厚みが局部的に薄い部分が生じるため、吸着用電極６４ａ、６４ｂに電圧を印加した際に絶縁破壊を起こすといった問題があった。
The conventional
また、各誘電体層６６、６７、６８は溶射膜によって設けられており、時間的なずれを伴って形成されるため、各誘電体層６６、６７、６８は完全には一体化されず境界面が形成される。この静電チャック６１をプラズマ雰囲気中で使用すると、プラズマが上記境界面を侵すため静電チャック６１の側面方向において放電現象が発生するという問題があった。
In addition, since each
特許文献２に示す従来の静電チャック４１は、第１の吸着用電極４４ａ及び第２の吸着用電極４４ｂをスクリーン印刷法および誘電体層の同時焼成法にて形成していることから、吸着面４３と第１の吸着用電極４４ａとの間のセラミック誘電体層４６の厚みと、吸着面４３と第２の吸着用電極４４ｂとの間のセラミック誘電体層４６の厚みを等しくしても、正電圧を印加した第１の吸着用電極４４ａ側と負電圧を印加した第２の吸着用電極４４ｂ側とで吸着力の不均一が発生し、ウェハＷを吸着面４３上に均一に固定することができないという問題があった。このような吸着力の不均一が発生する原因として、セラミック誘電体層４６の第１の吸着用電極４４ａ側及び第２の吸着用電極４４ｂ側にｎ型半導体の性質が、吸着面４３側にｐ型半導体の性質が現れ、セラミック誘電体層４６がｐｎ結合された半導体と等価な性質を持つためと考えられている。セラミック誘電体層４６がｐｎ結合された半導体と等価な性質を持つ理由としては、静電チャック４１をスクリーン印刷法および誘電体層の同時焼成法によって形成した際に、吸着用電極４４ａ、４４ｂの金属成分がセラミック誘電体層４６の吸着用電極の周囲に拡散することから、吸着面４３側と比べて吸着用電極４４ａ、４４ｂに近いセラミック誘電体層４６の体積固有抵抗値が小さくなっているためと考えられる。このような半導体の性質を持った静電チャック４１の第１の吸着用電極４４ａに正電圧を印加し、第２の吸着用電極４４ｂに負電圧を印加してウェハＷを吸着面４３に保持させると、負電圧を印加した第２の吸着用電極４４ｂ側のウェハＷは正に帯電することから、ｐｎ結合体に対する順方向のバイアス回路を形成することになるため、第２の吸着用電極４４ｂ側の吸着面４３上へ電荷が素早く移動することによって吸着力を高めることができるものの、正電圧を印加した第１の吸着用電極４４ａ側のウェハＷは負に帯電することからｐｎ結合に対する逆方向のバイアス回路が形成されることになり、第１の吸着用電極４４ａ側の吸着面４３上へ電荷がスムーズに移動し難いことから吸着力が小さいというように、正電圧を印加した第１の吸着用電極４４ａ側と負電圧を印加した第２の吸着用電極４４ｂ側とで吸着力の不均一が発生するという問題があった。
In the conventional
また、特許文献３に記載の静電チャックにおいても、正電圧を印加した吸着用電極側と負電圧を印加した吸着用電極側とで吸着力の不均一が発生していた。
Further, in the electrostatic chuck described in
このため、プラズマ雰囲気下でウェハＷにエッチング処理等施す場合、吸着面４３とウェハＷとの間で熱交換効率が不均一となり、ウェハＷ上の温度分布に差が生じるため、成膜工程では、ウェハＷ上に均質な膜を被着することができず、また、エッチング工程では所定の深さに微細加工することができないため、ウェハＷの歩留まりが低下する虞があった。
For this reason, when performing an etching process or the like on the wafer W in a plasma atmosphere, the heat exchange efficiency between the
本発明は、双極型静電チャックにおいてウェハＷを吸着面上に均一に固定するための方法を提供することを目的とする。 An object of the present invention is to provide a method for uniformly fixing a wafer W on a suction surface in a bipolar electrostatic chuck.
そこで、本発明は上記課題に鑑み、セラミック基体上に、被保持物の吸着面を有するセラミック誘電体層と、正電圧が印加される第１の吸着用電極及び負電圧が印加される第２の吸着用電極を備えた静電チャックにおいて、前記セラミック誘電体層が純度９８質量％以上の窒化アルミニウムであり、前記吸着用電極の主成分がＭｏ、Ｗ、Ｔｉまたはこれらの合金、ＴｉＮ、ＷＣ、ＴｉＣの少なくとも一種の焼結体からなり、前記吸着面と前記第１の吸着用電極との間の前記セラミック誘電体層の厚みよりも前記吸着面と前記第２の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みが厚いことを特徴とする。 Therefore, in view of the above problems, the present invention provides a ceramic dielectric layer having an adsorption surface for an object to be held, a first adsorption electrode to which a positive voltage is applied, and a second voltage to which a negative voltage is applied. In the electrostatic chuck including the adsorption electrode, the ceramic dielectric layer is aluminum nitride having a purity of 98% by mass or more, and the main component of the adsorption electrode is Mo, W, Ti, or an alloy thereof, TiN, WC. And made of at least one kind of sintered body of TiC, and between the adsorption surface and the second adsorption electrode rather than the thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the first adsorption electrode. The ceramic dielectric layer is thick.
また、上記構成において、前記セラミック誘電体層は、前記被保持物の吸着時における体積固有抵抗値が１０８〜１０１３Ω・ｃｍであることを特徴とする。 In the above structure, the ceramic dielectric layer has a volume resistivity value of 10 8 to 10 13 Ω · cm when the object to be held is adsorbed.
本発明の静電チャックは、セラミック基体上に、被保持物の吸着面を有するセラミック誘電体層と、正電圧が印加される第１の吸着用電極及び負電圧が印加される第２の吸着用電極を備えた静電チャックにおいて、前記セラミック誘電体層が純度９８質量％以上の窒化アルミニウムであり、前記吸着用電極の主成分がＭｏ、Ｗ、Ｔｉまたはこれらの合金、ＴｉＮ、ＷＣ、ＴｉＣの少なくとも一種の焼結体からなり、前記吸着面と前記第１の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みよりも前記吸着面と第２の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みを厚くすることにより、正電圧を印加した第１の吸着用電極側と負電圧を印加した第２の吸着用電極側とでウェハＷを吸着面上に均一な吸着力で吸着することができる。 The electrostatic chuck according to the present invention has a ceramic dielectric layer having an adsorption surface for an object to be held, a first adsorption electrode to which a positive voltage is applied, and a second adsorption to which a negative voltage is applied. In the electrostatic chuck including the electrode for use, the ceramic dielectric layer is aluminum nitride having a purity of 98% by mass or more, and the main component of the electrode for adsorption is Mo, W, Ti or an alloy thereof, TiN, WC, TiC. A ceramic dielectric between the adsorption surface and the second adsorption electrode rather than a thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the first adsorption electrode By increasing the thickness of the layer, the wafer W is adsorbed on the adsorption surface with a uniform adsorption force between the first adsorption electrode side to which a positive voltage is applied and the second adsorption electrode side to which a negative voltage is applied. be able to.
また、上記構成において、前記セラミック誘電体層は、被保持物の吸着時における体積固有抵抗値が１０８〜１０１３Ω・ｃｍであると吸着力がより大きくなりウェハＷと吸着面との間の熱交換効率が高まる。このため、正電圧が印加される第１の吸着用電極及び負電圧が印加される第２の吸着用電極に対応するそれぞれの吸着面におけるウェハＷと吸着面との間の真実接触面積が同等となり吸着面とウェハＷ間の熱交換効率が同等となり、ウェハＷ表面の面内温度差を小さくすることができることから、成膜工程では、ウェハＷ上に均質な膜を被着することができ、また、エッチング工程では所定の深さに微細加工することが可能となることから、ウェハＷの歩留まりを向上させることができる。 Further, in the above configuration, when the ceramic dielectric layer has a volume resistivity value of 10 8 to 10 13 Ω · cm at the time of attracting the object to be held, the attracting force becomes larger, and the gap between the wafer W and the attracting surface is increased. Heat exchange efficiency increases. For this reason, the true contact area between the wafer W and the suction surface on each suction surface corresponding to the first suction electrode to which a positive voltage is applied and the second suction electrode to which a negative voltage is applied is equivalent. Therefore, the heat exchange efficiency between the adsorption surface and the wafer W becomes equal, and the in-plane temperature difference on the surface of the wafer W can be reduced, so that a uniform film can be deposited on the wafer W in the film formation process. In addition, since it is possible to perform fine processing to a predetermined depth in the etching process, the yield of the wafers W can be improved.
以下、本発明の実施形態について説明する。 Hereinafter, embodiments of the present invention will be described.
図１は本発明の一例である静電チャック１を示す概略図で、（ａ）は概略の斜視図であり、（ｂ）は（ａ）のＸ−Ｘ線の概略断面図を示す。
1A and 1B are schematic views showing an
セラミック基体２の上面に設けられた第２の吸着用電極４ｂを覆うように下部セラミック誘電体層６で被覆され、下部セラミック誘電体層６の上面には第１の吸着用電極４ａが設けられており、第１の吸着用電極４ａを覆うように上部セラミック誘電体層６で被覆され一体化されており、その上面が吸着面３となっている。これらの吸着用電極４ａ、４ｂにはそれぞれ通電用の給電端子５が設けられており、吸着面３上にウェハＷを載せ、給電端子５を通じて第１の吸着用電極４ａに正電圧を印加し、第２の吸着用電極４ｂに負電圧を印加することにより第１の吸着用電極４ａ及び第２の吸着用電極４ｂとウェハＷとの間に静電吸着力を発現させ、ウェハＷを吸着面３に固定することができる。
The lower
本発明の静電チャック１は、セラミック基体２上に、被保持物の吸着面３を有するセラミック誘電体層６と、正電圧が印加される第１の吸着用電極４ａ及び負電圧が印加される第２の吸着用電極４ｂを備えた静電チャック１において、セラミック誘電体層６が純度９８質量％以上の窒化アルミニウムであり、吸着用電極４ａ、４ｂの主成分がＭｏ、Ｗ、Ｔｉまたはこれらの合金、ＴｉＮ、ＷＣ、ＴｉＣの少なくとも一種の焼結体からなり、吸着面３と第１の吸着用電極４ａとの間のセラミック誘電体層６の厚みＴａよりも吸着面３と前記第２の吸着用電極４ｂとの間のセラミック誘電体層６の厚みＴｂが厚いことを特徴とする。
In the
吸着面３と第１の吸着用電極４ａとの間のセラミック誘電体層６の厚みＴａよりも、吸着面３と第２の吸着用電極４ｂとの間のセラミック誘電体層６の厚みＴｂが厚い静電チャック１の第１の吸着用電極４ａに正電圧を印加し、第２の吸着用電極４ｂに負電圧を印加してウェハＷを吸着面３に保持させると、第１の吸着用電極４ａ側のウェハＷはｐｎ結合に対する逆方向のバイアス回路が形成されるため、第１の吸着用電極４ａ側の吸着面３上へ電荷がスムーズに移動しにくいことから厚みＴａが厚みＴｂと同じでは吸着力が吸着用電極４ａより小さくなるが、厚みをＴｂより小さくすることで吸着力を大きくできる。
The thickness Tb of the
一方、第２の吸着用電極４ｂ側のウェハＷはｐｎ結合に対する順方向のバイアス回路が形成されるため、第１の吸着用電極４ａ側と比べて電荷は移動し易く、大きな吸着力を得易いことから、Ｔｂを大きくすることで吸着用電極４ｂの吸着力を小さく調製することで吸着用電極４ａで吸着する吸着力と同等とすることができる。従って、第１の吸着用電極４ａ側における吸着力の大きさを第２の吸着用電極４ｂ側における吸着力の大きさと、同一あるいは近似させることができるため、ウェハＷを吸着面３に吸着した際に吸着用電極４ａと４ｂで吸着力が略等しいことから、吸着面３とウェハＷ間の熱交換効率が均一となってウェハＷ上の温度分布を均一とすることができる。特に、吸着用電極４が左右に半円形に配設された双極型静電チャック１において吸着面３とウェハＷ間の熱交換効率が均一となってウェハＷ上の温度分布を均一とすることができる。そして、このような静電チャック１を成膜工程に使用すると、ウェハＷ上に均質な膜を被着することができ、また、エッチング工程で使用すると所定の深さに微細加工することが可能となることから、ウェハＷの歩留まりを向上させることができる。
On the other hand, the wafer W on the
また、第１の吸着用電極４ａと第２の吸着用電極４ｂはそれぞれ異なるセラミックグリーンシートや溶射膜上に形成できることから、一方の電極から他方の電極に至る絶縁破壊を防ぐことが可能となり、セラミック誘電体層６の耐久性に優れた静電チャック１が得られ好ましい。
Further, since the first adsorption electrode 4a and the
また、吸着面３と第１の吸着用電極４ａとの間のセラミック誘電体層６の厚み（Ｔａ）に対する吸着面３と第２の吸着用電極４ｂとの間のセラミック誘電体層６の厚み（Ｔｂ）の比（Ｔｂ／Ｔａ）は２．０〜５．０であることが好ましい。その理由は、吸着面３と第１の吸着用電極４ａとの間のセラミック誘電体層６の厚みに対する吸着面３と第２の吸着用電極４ｂとの間のセラミック誘電体層６の厚みの比が２．０未満では静電チャックの第１の吸着用電極４ａに正電圧を印加し、第２の吸着用電極４ｂに負電圧を印加してウェハＷを吸着面３に保持させると、第２の吸着用電極４ｂ側においてセラミック誘電体層６に拡散する電荷の量が少ないため、第２の吸着用電極４ｂ側の吸着面３上に移動する電荷の量が多くなることから、第１の吸着用電極４ａ側と第２の吸着用電極４ｂ側とで吸着面３に移動する電荷の量に差が生じるため、吸着力の不均一が発生し、ウェハＷを吸着面３上に均一に吸着することができないからである。
Further, the thickness of the
一方、吸着面３と第１の吸着用電極４ａとの間のセラミック誘電体層６の厚み（Ｔａ）に対する吸着面３と第２の吸着用電極４ｂとの間のセラミック誘電体層６の厚み（Ｔｂ）の比（Ｔｂ／Ｔａ）が５．０を超える静電チャック１の第１の吸着用電極４ａに正電圧を印加し、第２の吸着用電極４ｂに負電圧を印加してウェハＷを吸着面３に保持させると、第２の吸着用電極４ｂ側においてセラミック誘電体層６に拡散する電荷の量が多いため、第２の吸着用電極４ｂ側の吸着面３上に移動する電荷の量が少なくなることから、第１の吸着用電極４ａ側と第２の吸着用電極４ｂ側とで吸着面３に移動する電荷の量に差が生じるため、吸着力の不均一が発生し、ウェハＷを吸着面３上に均一に吸着することができないからである。
On the other hand, the thickness of the
また、本発明の静電チャック１は、セラミック誘電体層６が純度９８％以上の窒化アルミニウムからなり吸着用電極４ａ、４ｂの主成分がＭｏ、Ｗ、Ｔｉまたはこれらの合金、ＴｉＮ、ＷＣ、ＴｉＣの少なくとも一種の焼結体からなることが好ましい。特に、純度９８％以上の窒化アルミニウムと上記の焼結体からなる吸着用電極４の接触界面には前記ＰＮ結合による効果が発生し易いことから、請求項１の構成が正負の吸着用電極における吸着力を等しくする上で好ましいと考えられる。純度９８％以上の窒化アルミニウムは、不純物として酸素や酸窒化アルミニウム、珪素等の酸化物やその他の２族の金属酸化物を含むことができる。また、Ｍｏ、Ｗ、Ｔｉまたはこれらの合金、ＴｉＮ、ＷＣ、ＴｉＣは高融点金属である上、熱膨張係数が窒化アルミニウムからなるセラミックスの熱膨張係数に近いため、焼成時にセラミック誘電体層６と吸着用電極４ａ、４ｂの収縮率の差によって生じる電極剥がれや、セラミック基体２の反りや割れを防ぐことが可能となり、セラミック基体２の耐久性が向上するからである。セラミック基体２の反りが大きいと、セラミック基体２に埋設された吸着用電極４ａ、４ｂも同様に反ってしまうため、セラミック基体２に研削加工を施して吸着面３を平坦にしても、セラミック基体２内部の吸着用電極４ａ、４ｂは反ったままであり、ウェハＷを吸着面３上に吸着させても、面内の吸着力バラツキが生じるため好ましくない。好ましくは、吸着用電極４ａ、４ｂは熱膨張係数が４〜６×１０−６／℃であるＭｏ及びＷが好ましい。
In the
また、吸着用電極４ａ、４ｂの厚みは５０μｍ以下であることが好ましい。その理由は、吸着用電極４ａ、４ｂの厚みが５０μｍを超えると吸着用電極４ａ、４ｂの焼結性が低下し焼成時に電極剥がれを起こす虞があるからである。
The thickness of the
図２（ａ）〜（ｄ）に、吸着用電極４ａ、４ｂのパターン形状の一例を示す。パターン形状には図２（ａ）に示すような半円状をしたもの、図２（ｂ）に示すような櫛歯形状をしたもの、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や、更に図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上に載置するウェハ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、これらの形状だけに限定するものではない。
FIGS. 2A to 2D show examples of pattern shapes of the
ところで、静電吸着力には、クーロン力とジョンソン・ラーベック力があり、セラミック誘電体層６の体積固有抵抗値が１０１４Ω・ｃｍより大きいときの吸着力はクーロン力によって支配され、セラミック誘電体層６の体積固有抵抗値が低下するに従ってジョンソン・ラーベック力が発現し、セラミック誘電体層６の体積固有抵抗値が１０１３Ω・ｃｍ未満となるとクーロン力に比べ大きな吸着力が得られるジョンソン・ラーベック力が発現することによりウェハＷが吸着されることが知られている。
By the way, the electrostatic attraction force includes Coulomb force and Johnson Rabeck force, and the adsorption force when the volume resistivity of the
また、被保持物であるウェハＷ等を吸着面３に吸着時におけるセラミック誘電体層６の体積固有抵抗値は１０８〜１０１３Ω・ｃｍであることが好ましい。その理由は、使用時におけるセラミック誘電体層６の体積固有抵抗値が１０１３Ω・ｃｍを超えると、吸着面３上に移動する電荷の量が少なくなることから吸着力が小さくなるからである。また、クーロン力が発現するようになるため、ウェハＷを吸着面３に強固に固定することができず、吸着面３とウェハＷ間の熱交換効率が悪くなり、ウェハＷの温度が定常状態になるまでの時間も長くなるからである。セラミック誘電体層６の体積固抵抗値が１０８Ω・ｃｍ未満では、吸着面３上に移動する電荷の量が多くなるため大きな吸着力が得られるが、セラミック誘電体層６を流れる漏れ電流が多くなるため、ウェハＷを吸着面３に吸着させた際、ウェハＷ上の微小回路が破壊される虞があるためである。より好ましくは１０９〜１０１２Ω・ｃｍである。
Moreover, it is preferable that the volume specific resistance value of the
また、吸着面３の中心線平均粗さ（Ｒａ）は１．０μｍ以下であることが好ましい。その理由は、吸着面３の中心線平均粗さ（Ｒａ）が１．０μｍを超えると、吸着面３とウェハＷとの接触面積が小さくなるため吸着力が低下し、吸着面３とウェハＷ間の熱交換効率が悪くなるため、ウェハＷの温度が定常状態になるまでの時間が長くなるからである。このことから、吸着面３の中心線平均粗さ（Ｒａ）を１．０μｍ以下とすることにより、吸着力が大きくなるため吸着面３とウェハＷ間の熱交換効率が良くなり、ウェハＷの温度が定常状態になるまでの時間を短縮することが可能となるため、成膜工程やエッチング工程におけるリードタイムを削減することが可能となる。
Moreover, it is preferable that the centerline average roughness (Ra) of the
以下、本発明の静電チャック１のその他の構成について示す。
Hereinafter, other configurations of the
本発明の静電チャック１ではセラミック基体２として静電吸着用の電極４ａ、４ｂを設けた例を示したが、図１に示した構造だけに限定されるものではなく、静電吸着用電極４ａ、４ｂ以外に加熱用電極、プラズマ発生用電極を備えても良く、また、これら全ての電極を備えたものであっても構わない。
In the
更に、本発明の静電チャック１は、図１には図示していないが、吸着用電極４ａ、４ｂへの通電をＯＦＦにしてから吸着面３に保持したウェハＷの離脱応答性を高めるために、吸着面３のうち吸着用電極４ａ、４ｂを形成していない部分に凹溝を形成してウェハＷの接触面積を小さくすることで離脱応答性を高めることができる。更に、上記凹溝にＨｅ等のガスを供給することによって静電チャック１を加熱した時のウェハＷへの熱伝導特性を向上させることもできる。そして、静電チャック１には、ウェハＷとの熱伝達特性を向上させることから抵抗発熱体を埋設したり、備えることが好ましい。また、セラミック基板２の裏面に板状の金属体を結合し、該金属体に形成した冷却媒体通路に冷却媒体を通しセラミック基体２の裏面からウェハＷを冷却することが好ましい。
Further, although not shown in FIG. 1, the
また、静電チャック１を構成するセラミック基体２の材質としては、純度９８％以上の窒化アルミニウムからなる焼結体を用いることができ、これらの中でも耐プラズマ性に優れる純度９８％以上の窒化アルミニウムを主成分とする焼結体を用いることが望ましい。
Further, as the material of the
また、セラミック誘電体層６の熱伝導率は４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）以上であることが好ましい。その理由は、セラミック誘電体層６の熱伝導率が４０Ｗ／（ｍ・Ｋ）未満だと、ウェハＷと吸着面３との熱交換効率が悪いため、ウェハＷの温度が定常状態になるまでの時間が長くなるからである。
Further, the thermal conductivity of the
次に本発明の静電チャック１の製造方法を説明する。
Next, a method for manufacturing the
静電チャック１を構成するセラミック基体２としては、窒化アルミニウム質焼結体を用いることができる。窒化アルミニウム質焼結体の製造に当たっては、酸素量が０．５〜１．５質量％含む窒化アルミニウム粉末と焼結助剤として珪素酸化物を加えることが好ましい。さらに、アクリル系のバインダーと溶媒とを加え、トルエンとセラミックボールを用いてボールミルにより４８時間混合し、得られた窒化アルミニウムの泥漿をドクターブレード法にてテープ成形を行いグリーンシートを複数枚成形する。その後、得られた窒化アルミニウムのグリーンシート上に、導体ペーストにて第１の吸着用電極４ａをスクリーン印刷法で形成する。また他のグリーンシートに第２の吸着用電極４ｂを形成する。この際、第１の吸着用電極４ａの面積と、第２の吸着用電極４ｂの面積はほぼ等しくなるようにしておく。
As the
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、図３に示すように第１の吸着用電極４ａが第２の吸着用電極４ｂより吸着面３に近くなるように敷設する。また、積層する際は、グリーンシートを積み重ねる前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。
After that, the green sheets are stacked in a predetermined order, and as shown in FIG. 3, the first adsorption electrode 4a is laid so as to be closer to the
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とした成形体を非酸化性ガス気流中にて５００℃で５時間程度の脱脂を行い、更に非酸化性雰囲気にて１９００℃で５時間程度の焼成を行い、吸着用電極４ａ、４ｂがそれぞれ埋設された窒化アルミニウム質焼結体を得る。
Then, the green sheets coated with the adhesion liquid are laminated, and a green sheet laminated body is manufactured by thermocompression bonding while applying pressure, and the green sheet laminated body is cut to form a disk-shaped formed body. Degreasing at 500 ° C. for about 5 hours in an oxidizing gas stream, and further firing at 1900 ° C. for about 5 hours in a non-oxidizing atmosphere, and the aluminum nitride material in which the
こうして得られた窒化アルミニウム質焼結体を所望の形状、所望の吸着面３と第１の吸着用電極４ａとの間のセラミック誘電体層６の厚み及び吸着面３と第２の吸着用電極４ｂとの間のセラミック誘電体層６の厚みが得られるように必要に応じて研削加工を施し、セラミック基体２とした。
The aluminum nitride sintered body thus obtained has a desired shape, a desired thickness of the
次いで、セラミック基体２に研削加工を施し、吸着面３と反対側の表面に上記吸着用電極４ａ、４ｂに連通する穴を形成し、これらの穴に給電端子５をロウ付け等にて接合し、更に、吸着面３を所望の中心線平均粗さとなるよう研磨することにより、静電チャック１を得ることができる。
Next, the
まず、酸素含有量１．５質量％の窒化アルミニウム粉末と酸素含有量０．５質量％の窒化アルミニウム粉末とにそれぞれ０．００５〜０．５質量％の酸化珪素を添加した原料に夫々アクリル系のバインダーと溶媒を加え、トルエンとセラミックボールを用いてボールミルにより４８時間混合し、得られた窒化アルミニウムの泥漿をドクターブレード法にてテープ成形を行いグリーンシートを複数枚成形する。得られた窒化アルミニウムのグリーンシート上に、図２（ａ）に示すような半円形状となるように各種の導体ペーストを用い、第１の吸着用電極をスクリーン印刷法で形成する。また、他のグリーンシートに第２の吸着用電極を形成する。この際、第１の吸着用電極と第２の吸着用電極の面積比は１．０となるようにする。 First, acrylic materials were respectively added to raw materials obtained by adding 0.005 to 0.5% by mass of silicon oxide to aluminum nitride powder having an oxygen content of 1.5% by mass and aluminum nitride powder having an oxygen content of 0.5% by mass. The binder and the solvent were added and mixed with toluene and ceramic balls by a ball mill for 48 hours, and the resulting aluminum nitride slurry was formed into a tape by a doctor blade method to form a plurality of green sheets. On the obtained green sheet of aluminum nitride, various conductive pastes are used to form a semicircular shape as shown in FIG. 2A, and the first adsorption electrode is formed by screen printing. Further, a second adsorption electrode is formed on another green sheet. At this time, the area ratio of the first adsorption electrode and the second adsorption electrode is set to 1.0.
しかるのち、第１の吸着用電極が第２の吸着用電極より吸着面に近くなるように敷設した後、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させてグリーンシート積層体を製作し、このグリーンシート積層体に切削加工を施して円板状とした成形体を形成した。 After that, after laying so that the first adsorption electrode is closer to the adsorption surface than the second adsorption electrode, the green sheets to which the adhesion liquid is applied are laminated and thermocompression bonded while applying pressure. A laminate was manufactured, and the green sheet laminate was cut to form a disk-shaped molded body.
上記成形体を非酸化性ガス気流中にて５００℃で５時間程度の脱脂を行い、更に非酸化性雰囲気にて１９００℃で５時間程度の焼成を行い、第１の吸着用電極と第２の吸着用電極がそれぞれ埋設された窒化アルミニウム質焼結体を得た。 The molded body is degreased at 500 ° C. for about 5 hours in a non-oxidizing gas stream, and further baked at 1900 ° C. for about 5 hours in a non-oxidizing atmosphere to obtain the first adsorption electrode and the second electrode. Thus, an aluminum nitride sintered body in which each of the adsorption electrodes was embedded was obtained.
こうして得られた窒化アルミニウム質焼結体に研削加工を施し、外径２００ｍｍ、板厚みが１０ｍｍとし、吸着面と第１の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みと、吸着面と第２の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みをそれぞれ変更した複数のセラミック基体を作製した。 The aluminum nitride sintered body thus obtained is ground to an outer diameter of 200 mm and a plate thickness of 10 mm. The thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the first adsorption electrode, the adsorption surface, A plurality of ceramic substrates each having a different thickness of the ceramic dielectric layer between the second adsorbing electrodes was produced.
その後、各セラミック基体の吸着面と反対側の表面に各吸着用電極に連通する穴を形成し、これらの穴に給電端子をロウ付けした。その後、吸着面を中心線平均粗さ（Ｒａ）で０．１μｍとなるようラッピング研磨をして各種の静電チャックを作製した。 Thereafter, holes communicating with the respective adsorption electrodes were formed on the surface opposite to the adsorption surface of each ceramic substrate, and a power supply terminal was brazed to these holes. Thereafter, lapping polishing was performed so that the attracting surface had a center line average roughness (Ra) of 0.1 μm to produce various electrostatic chucks.
セラミック誘電体層の体積固有抵抗の測定方法は、内部にＷからなる電極が埋設された成形体を静電チャックと同様の方法で形成した後、静電チャックと同時に焼成を行い、得られた焼結体に研削加工を施して外径５０ｍｍ、厚み２ｍｍとし、電極が埋設されている側の表面から電極との間のセラミック誘電体層の厚みが１ｍｍのセラミック基体を作製する。次いで、このセラミック基体に日本工業規格Ｃ２１４１に基づき、銀ペーストを塗布した後、２５０℃で焼成することにより電極を焼き付け、次に電極を焼き付けたセラミック基体を真空中、２５０℃で１時間熱処理した後にドライ窒素を導入し、窒素雰囲気中の室温（２５℃）おいて絶縁計を用いて測定した。セラミック基体の温度を３００℃にして体積固有抵抗値を測定した所、１０１０Ω・ｃｍであった。 The volume resistivity of the ceramic dielectric layer was obtained by forming a molded body in which an electrode made of W was embedded in the same manner as the electrostatic chuck, and then firing it at the same time as the electrostatic chuck. The sintered body is ground to have an outer diameter of 50 mm and a thickness of 2 mm, and a ceramic substrate having a ceramic dielectric layer thickness of 1 mm between the electrode and the surface where the electrode is embedded is produced. Next, after applying a silver paste to this ceramic substrate in accordance with Japanese Industrial Standard C2141, the electrode was baked by firing at 250 ° C., and then the ceramic substrate on which the electrode was baked was heat-treated at 250 ° C. for 1 hour in a vacuum. Thereafter, dry nitrogen was introduced, and measurement was performed using an insulating meter at room temperature (25 ° C.) in a nitrogen atmosphere. When the volume resistivity was measured at a temperature of 300 ° C. of the ceramic substrate, it was 10 10 Ω · cm.
電極材質及び吸着面と第１の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みに対する吸着面と第２の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みの比をそれぞれ変更した場合の、第１の吸着用電極側と第２の吸着用電極側の吸着力及びウェハ面内温度バラツキについてそれぞれ測定を行なった。 When the ratio of the thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the second adsorption electrode to the thickness of the ceramic dielectric layer between the electrode material and the adsorption surface and the first adsorption electrode is changed, respectively The measurement was performed on the adsorption force on the first adsorption electrode side and the second adsorption electrode side and the temperature variation in the wafer surface.
吸着力の測定は、静電チャックを３００℃に加熱した状態で、第１の吸着用電極側の給電端子に＋２５０Ｖ、１インチ角のウェハに−２５０Ｖを印加し、第１の吸着用電極側の吸着面にウェハを吸着させ、このウェハをロードセルにて引き剥がすのに要した力を第１の吸着用電極側の吸着力とした。なお、測定は４回行いその平均値を測定値とした。また、同様に第２の吸着用電極側の給電端子に−２５０Ｖ、１インチ角のウェハに＋２５０Ｖを印加し、第２の吸着用電極側の吸着力を測定した。 The suction force is measured by applying + 250V to the power supply terminal on the first suction electrode side and -250V to the 1 inch square wafer with the electrostatic chuck heated to 300 ° C. The force required to adsorb the wafer to the adsorbing surface and peel off the wafer with the load cell was defined as the adsorbing force on the first adsorbing electrode side. The measurement was performed 4 times, and the average value was taken as the measured value. Similarly, −250 V was applied to the power supply terminal on the second suction electrode side and +250 V was applied to a 1 inch square wafer, and the suction force on the second suction electrode side was measured.
ウェハ面内温度バラツキは、静電チャックを３００℃に加熱した状態で、両給電端子に＋２５０Ｖ、８インチの測温ウェハに−２５０Ｖを印加して吸着面にウェハを吸着させ、測定点１３箇所の最大温度と最小温度と差を測定点１３箇所の平均値で除した値をバラツキとして計算した。面内温度のバラツキが小さい試料ほど、ウェハＷの均熱性が優れていると言える。 The wafer surface temperature variation was measured at 13 points by applying + 250V to both power supply terminals and -250V to the 8-inch temperature measuring wafer while the electrostatic chuck was heated to 300 ° C to attract the wafer to the suction surface. The value obtained by dividing the difference between the maximum temperature and the minimum temperature by the average value of 13 measurement points was calculated as the variation. It can be said that the sample with the smaller variation in the in-plane temperature has better thermal uniformity of the wafer W.
本発明の比較例として、吸着面と第１の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みに対する吸着面と第２の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みの比が０．５及び１．０の試料を準備し、それ以外は他の試料と同様に作製し、評価を行った。 As a comparative example of the present invention, the ratio of the thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the second adsorption electrode to the thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the first adsorption electrode is 0. Samples of .5 and 1.0 were prepared, and other samples were prepared and evaluated in the same manner as other samples.
表１にその結果を示す。
試料Ｎｏ．７は、吸着面と第１の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みに対する吸着面と第２の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みの比が０．５であることから、第２の吸着用電極側の吸着力が第１の吸着用電極側の吸着力の４．２倍と大きいため吸着面とウェハ間の熱交換効率が悪く、ウェハ面内温度バラツキが１５％と大きく劣っていた。 Sample No. 7 is the ratio of the thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the second adsorption electrode to the thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the first adsorption electrode is 0.5. Therefore, the adsorption force on the second adsorption electrode side is 4.2 times larger than the adsorption force on the first adsorption electrode side, so the heat exchange efficiency between the adsorption surface and the wafer is poor, and the temperature variation in the wafer surface is It was inferior at 15%.
試料Ｎｏ．８は、吸着面と第１の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みに対する吸着面と第２の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みの比が１．０であることから、第２の吸着用電極側の吸着力が第１の吸着用電極側の吸着力の３．１倍と大きいため吸着面とウェハ間の熱交換効率が悪く、ウェハ面内温度バラツキが１０％と大きかった。 Sample No. 8, the ratio of the thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the second adsorption electrode to the thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the first adsorption electrode is 1.0. Therefore, since the adsorption force on the second adsorption electrode side is as large as 3.1 times the adsorption force on the first adsorption electrode side, the heat exchange efficiency between the adsorption surface and the wafer is poor, and the in-wafer temperature variation does not occur. It was as large as 10%.
また、試料Ｎｏ．１２は吸着面と第１の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みに対する吸着面と第２の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みの比が６．０で本発明の範囲内であるが、第２の吸着用電極側の吸着力が第１の吸着用電極側の吸着力の０．６７倍であるため、吸着面とウェハ間の熱交換効率が悪く、ウェハ面内温度バラツキが６％と劣っていた。 Sample No. 12 is a ratio of the thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the second adsorption electrode to the thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the first adsorption electrode is 6.0. However, since the adsorption force on the second adsorption electrode side is 0.67 times the adsorption force on the first adsorption electrode side, the heat exchange efficiency between the adsorption surface and the wafer is poor, and the wafer The in-plane temperature variation was inferior at 6%.
これに対し、試料Ｎｏ．１〜Ｎｏ．６及び試料Ｎｏ．９〜Ｎｏ．１１は吸着面と第１の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みに対する吸着面と第２の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みの比が２．０〜５．０であり、第２の吸着用電極側の吸着力が第１の吸着用電極側の吸着力の０．８４〜１．３倍となるため、吸着面とウェハ間の熱交換効率が良くなり、ウェハの面内温度バラツキが６％未満と小さく優れていた。 In contrast, sample no. 1-No. 6 and Sample No. 9-No. 11 is the ratio of the thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the second adsorption electrode to the thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the first adsorption electrode is 2.0-5. 0, the adsorption force on the second adsorption electrode side is 0.84 to 1.3 times the adsorption force on the first adsorption electrode side, so the heat exchange efficiency between the adsorption surface and the wafer is improved. The in-plane temperature variation of the wafer was small and excellent, less than 6%.
実施例１と同様に吸着用電極の形状を半円形の双極形とした。吸着用電極の材質としてＷを用い、第１の吸着用電極と第２の吸着用電極の面積比が１．０、吸着面と第１の吸着用電極との間のセラミック誘電体層の厚みに対する吸着面と第２の吸着用電極の間のセラミック誘電体層の厚みの比を３．０とした窒化アルミニウムからなるセラミック基体を複数作製した。 Similar to Example 1, the shape of the electrode for adsorption was a semicircular bipolar shape. W is used as the material of the adsorption electrode, the area ratio of the first adsorption electrode and the second adsorption electrode is 1.0, and the thickness of the ceramic dielectric layer between the adsorption surface and the first adsorption electrode A plurality of ceramic substrates made of aluminum nitride having a ceramic dielectric layer thickness ratio of 3.0 between the adsorption surface and the second adsorption electrode were prepared.
その後、実施例１と同様に各セラミック基体の吸着面と反対側の表面に各吸着用電極に連通する穴を形成し、これらの穴に給電端子をロウ付けして静電チャックを作製した。 Thereafter, similarly to Example 1, holes communicating with the respective adsorption electrodes were formed on the surface opposite to the adsorption surface of each ceramic substrate, and a power supply terminal was brazed to these holes to produce an electrostatic chuck.
静電チャックの使用温度を変更してセラミック誘電体層の体積固有抵抗値が変化した時の吸着力についてそれぞれ測定を行なった。セラミック誘電体層の体積固有抵抗値は、実施例１と同様に測定した。 The adsorption force was measured when the volume resistivity of the ceramic dielectric layer was changed by changing the operating temperature of the electrostatic chuck. The volume resistivity value of the ceramic dielectric layer was measured in the same manner as in Example 1.
吸着力の測定は、静電チャックをそれぞれの使用温度に加熱した状態で、両給電端子に＋２５０Ｖ、８インチ角のウェハに−２５０Ｖを印加して吸着面にウェハを吸着させ、このウェハ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た。また、この際生じる漏れ電流を微小電流計により測定した。 For the measurement of the suction force, with the electrostatic chuck heated to the respective service temperature, + 250V is applied to both power supply terminals, -250V is applied to the 8-inch square wafer, and the wafer is sucked onto the suction surface. The force required for peeling off with was taken as the adsorption force. Further, the leakage current generated at this time was measured with a microammeter.
表２にその結果を示す。
試料Ｎｏ．１は使用温度６００℃において、セラミック誘電体層の体積固有抵抗値が１０７Ω・ｃｍであることから吸着力が大きく、吸着面とウェハ間の熱交換効率が良くなるため、ウェハ面内温度バラツキが０．３％と優れていたが、漏れ電流が４ｍＡと大きいためウェハ上の回路に悪影響を及ぼす虞があった。 Sample No. No. 1 has a volume resistivity value of 10 7 Ω · cm at a working temperature of 600 ° C., and therefore has a large adsorption force and improves heat exchange efficiency between the adsorption surface and the wafer. The variation was excellent at 0.3%, but the leakage current was as large as 4 mA, which may adversely affect the circuit on the wafer.
試料Ｎｏ．５は使用温度５０℃において、セラミック誘電体層の体積固有抵抗値が１０１４Ω・ｃｍであることから漏れ電流が０．０１ｍＡ未満となり優れていたが、吸着力が小さいため、吸着面とウェハ間の熱交換効率が悪くなり、ウェハ面内温度バラツキが６％と劣っていた。 Sample No. No. 5 had an excellent leakage current of less than 0.01 mA because the volume resistivity value of the ceramic dielectric layer was 10 14 Ω · cm at an operating temperature of 50 ° C. However, since the adsorption power was small, the adsorption surface and the wafer During this period, the heat exchange efficiency deteriorated, and the temperature variation within the wafer surface was inferior at 6%.
これに対し、試料Ｎｏ．２〜Ｎｏ．４は、使用温度１２０℃〜５００℃において、セラミック誘電体層の体積固有抵抗値が１０８Ω・ｃｍ〜１０１３Ω・ｃｍであることから、ジョンソン・ラーベック力により大きな吸着力が得られるため、吸着面とウェハ間の熱交換効率が良くなり、面内温度バラツキが１％以下と優れていた。 In contrast, sample no. 2-No. No. 4 has a volume resistivity of 10 8 Ω · cm to 10 13 Ω · cm at a use temperature of 120 ° C. to 500 ° C., so that a large adsorption force can be obtained by the Johnson-Rahbek force. The heat exchange efficiency between the adsorption surface and the wafer was improved, and the in-plane temperature variation was excellent at 1% or less.
１、４１：静電チャック
２、４２：セラミック基体
３、４３：吸着面
４ａ、４４ａ：第１の吸着用電極
４ｂ、４４ｂ：第２の吸着用電極
５、４５：給電端子
６、４６：セラミック誘電体層
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