JP2015103691A - Electrostatic chuck - Google Patents
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Abstract
Description
本発明は、例えば半導体デバイスや光学薄膜等の製造工程におけるスパッタリング装置、真空蒸着装置、化学蒸着（ＣＶＤ）装置、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置、プラズマエッチング装置等の真空処理装置において、被処理体を静電吸着する静電チャックに関する。 The present invention relates to an object to be processed in a vacuum processing apparatus such as a sputtering apparatus, a vacuum deposition apparatus, a chemical vapor deposition (CVD) apparatus, a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus, or a plasma etching apparatus in a manufacturing process of a semiconductor device or an optical thin film. The present invention relates to an electrostatic chuck that electrostatically adsorbs.
従来、半導体デバイス等の製造過程における薄膜形成工程またはドライエッチング工程においては、半導体ウエハ等の平板状の被処理体に所要の成膜処理またはエッチング処理を施すために、スパッタリング装置、真空蒸着装置、化学蒸着（ＣＶＤ）装置、分子線エピタキシー（ＭＢＥ）装置、プラズマエッチング装置等の真空処理装置が用いられる。これらの真空処理装置においては、被処理体を載置する載置台上に被処理体を確実に密着させる必要がある。このような要求を満たす保持機構として、静電作用を利用して被処理体を載置台上に密着・保持する静電チャックが広く用いられている。 Conventionally, in a thin film forming process or a dry etching process in the manufacturing process of a semiconductor device or the like, a sputtering apparatus, a vacuum evaporation apparatus, A vacuum processing apparatus such as a chemical vapor deposition (CVD) apparatus, a molecular beam epitaxy (MBE) apparatus, or a plasma etching apparatus is used. In these vacuum processing apparatuses, it is necessary to securely attach the object to be processed on a mounting table on which the object to be processed is mounted. As a holding mechanism that satisfies such a requirement, an electrostatic chuck that uses an electrostatic action to closely attach and hold an object to be placed on a mounting table is widely used.
このような静電チャックとしては、冷却構造の電極となるアルミニウム製の基材にアルミナのようなセラミック粉末を溶射する方法によって絶縁膜を被覆して構成されるものが知られている（例えば特許文献１）。このような構成の静電チャックは、少ない工程で製造することができるというメリットがある。 As such an electrostatic chuck, an electrostatic chuck having a structure in which an insulating film is coated by a method of spraying ceramic powder such as alumina on an aluminum base material serving as a cooling structure electrode is known (for example, a patent). Reference 1). The electrostatic chuck having such a configuration has an advantage that it can be manufactured with fewer steps.
しかしながら、真空蒸着装置やドライエッチング装置においては、真空容器内にプラズマが形成され、その中が比較的高温となっているため、アルミニウム製の基材とその上面に形成された絶縁膜との熱膨張差が大きくなって、絶縁膜にクラック、剥離等が生じ、吸着性能が劣化してしまうといった問題があった。 However, in the vacuum evaporation apparatus and the dry etching apparatus, plasma is formed in the vacuum vessel, and the temperature inside the vacuum container is relatively high. Therefore, the heat generated between the aluminum base material and the insulating film formed on the upper surface thereof. There has been a problem that the expansion difference is increased, cracking, peeling and the like are generated in the insulating film, and the adsorption performance is deteriorated.
本発明は、かかる事情に鑑みてなされたものであって、電極となる基台と絶縁膜とを有する構成を維持しつつ、高温プロセス時において吸着性能の劣化が生じ難い静電チャックを提供することを課題とする。 The present invention has been made in view of such circumstances, and provides an electrostatic chuck that is unlikely to deteriorate in adsorption performance during a high-temperature process while maintaining a configuration having a base serving as an electrode and an insulating film. This is the issue.
本発明者らは、上記課題を解決すべく検討を重ねた結果、基台の表面とその上の絶縁膜との間の室温から２００℃までの平均熱膨張係数の差が９×１０−６／℃以下であれば、高温プロセス時において、絶縁膜にクラックや剥離等が生じることによる吸着性能の劣化が生じ難くなることを見出した。そして、そのためには、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基材の上に、所定組成のセラミックスとアルミニウムとの複合材からなる複合材膜を形成したものを基台として用いることにより、複合材膜を基材と絶縁膜との間の熱膨張差を緩衝する熱膨張緩衝層として機能させることが有効であることを見出した。 As a result of repeated studies to solve the above problems, the present inventors have found that the difference in average thermal expansion coefficient from the room temperature to 200 ° C. between the surface of the base and the insulating film thereon is 9 × 10 −6. It has been found that if the temperature is less than / ° C., the adsorption performance is hardly deteriorated due to cracks or peeling in the insulating film during a high temperature process. For this purpose, a composite film made of a composite material of ceramic and aluminum having a predetermined composition on a base material made of aluminum or an aluminum alloy is used as a base. It has been found that it is effective to function as a thermal expansion buffer layer that buffers the thermal expansion difference between the material and the insulating film.
また、複合材膜と絶縁膜とをいずれも溶射膜で形成することにより、複合材膜を基材に対して密着性良く形成することができ、さらに絶縁膜も密着性良く形成できることを見出した。 Further, it has been found that by forming both the composite material film and the insulating film as a sprayed film, the composite material film can be formed with good adhesion to the substrate, and further the insulating film can be formed with good adhesion. .
本発明は、このような知見に基づいて完成されたものであり、以下の（１）〜（３）を提供するものである。
（１） 電極となるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基材の上に、セラミックスとアルミニウムとの複合材からなる複合材膜を形成してなる基台と、前記基台の上に形成されたセラミックス製の絶縁膜とを有し、
前記複合材膜は、セラミックスの含有量が３０〜７０体積％であることを特徴とする静電チャック。
（２） 前記複合材膜および前記絶縁膜が、溶射によって形成されることを特徴とする（１）に記載の静電チャック。
（３） 前記複合材膜と前記絶縁膜の、室温から２００℃までの平均熱膨張係数の差が９×１０−６／℃以下であることを特徴とする（１）または（２）に記載の静電チャック。
The present invention has been completed based on such findings and provides the following (1) to (3).
(1) A base made by forming a composite material film made of a composite material of ceramics and aluminum on a base made of aluminum or an aluminum alloy to be an electrode, and a ceramic made on the base And having an insulating film
The electrostatic chuck according to claim 1, wherein the composite material film has a ceramic content of 30 to 70% by volume.
(2) The electrostatic chuck according to (1), wherein the composite film and the insulating film are formed by thermal spraying.
(3) The difference in average thermal expansion coefficient from room temperature to 200 ° C. between the composite material film and the insulating film is 9 × 10 −6 / ° C. or less, as described in (1) or (2) Electrostatic chuck.
本発明によれば、基台として、電極となるアルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基材の上に、セラミックスとアルミニウムとの複合材からなる複合材膜を形成したものを用い、その基台の上に絶縁膜を形成したので、複合材膜が基材と絶縁膜との間の熱膨張緩衝層として機能し、高温プロセス時において、絶縁膜にクラックや剥離等が生じることによる吸着性能の劣化を生じ難くすることができる。 According to the present invention, as a base, a base material made of aluminum or an aluminum alloy serving as an electrode and a composite material film made of a composite material of ceramics and aluminum is used. Since the insulating film is formed, the composite film functions as a thermal expansion buffer layer between the base material and the insulating film, resulting in deterioration of adsorption performance due to cracks and peeling in the insulating film during high-temperature processes. Can be difficult.
以下、添付図面を参照して、本発明の実施形態について具体的に説明する。
本実施形態に係る静電チャックは、プラズマエッチング装置や真空蒸着装置等の被処理体の処理中に処理容器内が比較的高温になる真空処理装置に用いられる。
Embodiments of the present invention will be specifically described below with reference to the accompanying drawings.
The electrostatic chuck according to the present embodiment is used in a vacuum processing apparatus such as a plasma etching apparatus or a vacuum vapor deposition apparatus in which a processing container is relatively hot during processing of an object to be processed.
図１は、本発明の一実施形態に係る静電チャックの概略構成を模式的に示す断面図である。図１に示すように、静電チャック１は、基台１１とその上に形成された絶縁膜１２からなる。そして、絶縁膜１２の上に半導体ウエハ等の被処理体２０が吸着される。
FIG. 1 is a cross-sectional view schematically showing a schematic configuration of an electrostatic chuck according to an embodiment of the present invention. As shown in FIG. 1, the electrostatic chuck 1 includes a
基台１１は、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基材１３の上に、セラミックスとアルミニウムとの複合材からなる複合材膜１４を形成して構成される。基材１３は電極として機能し、直流電源１５から静電吸着のための直流電圧が印加される。基材１３内には冷却水流路１６が形成されている。
The
複合材膜１４を構成するセラミックスとアルミニウムとの複合材中のセラミックスとしては、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）、炭化珪素（ＳｉＣ）が例示されるが、それに限るものではない。他に、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を挙げることができる。複合材中のセラミックスの含有量は３０〜７０体積％であることが好ましい。セラミックスの含有量が３０％未満では、その上に形成される絶縁膜との間の、室温から２００℃までの平均熱膨張係数の差が９×１０−６／℃を超えて大きくなって熱膨張係数の差に起因する絶縁膜のクラック、剥離等を解消できなくなる。一方、セラミックスの含有量が７０％を超えると基材１３との密着力が低下する。
Examples of the ceramic in the composite material of ceramic and aluminum constituting the
複合材を膜として形成するのは、セラミックスとアルミニウムとの複合材がバルク材である場合、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基材１３に対して接着・接合することは困難であるのに対し、膜であれば基材１３に対して容易に一体化することができるからである。複合材膜１４の形成方法は限定されないが、溶射により形成することが好ましい。溶射を用いる場合には、所定組成のセラミックス原料とアルミニウム原料を溶融状態として基材１３に噴射することにより形成されるので、比較的簡易にかつ基材１３に対して密着性良く膜を形成することができる。溶射の手法は限定されないが、フレーム溶射が好ましい。複合材膜１４の厚さは２５０〜７００μｍの範囲が好ましい。
The composite material is formed as a film when the composite material of ceramics and aluminum is a bulk material, whereas it is difficult to adhere and bond to the
絶縁膜１２は、絶縁性のセラミックスで構成される。絶縁膜１２を構成するセラミックスは静電チャックとして機能する絶縁性を有するものであれば特に限定されないが、アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）が好適である。他のセラミックスとしては、ジルコニア（ＺｒＯ２）、アルミナ−ジルコニア（Ａｌ２Ｏ３−ＺｒＯ２）、スピネル（ＭｇＡｌ２Ｏ４）等を挙げることができる。絶縁膜１２の形成方法は限定されないが、溶射により形成することが好ましい。溶射により絶縁膜１２を形成する場合には、セラミックス原料を溶融状態として基材１３に噴射する。これにより比較的容易にかつ複合材膜１４に対して密着性良く溶射被膜を形成することができる。溶射の手法は限定されないが、プラズマ溶射が好ましい。絶縁膜１２の厚さは２００〜６００μｍの範囲が好ましい。
The
以上のように構成された静電チャック１は、プラズマエッチング装置や真空蒸着装置等の真空処理装置の処理容器内に配置され、被処理体２０の処理に際して、基台１１の基材１３に直流電圧を印加することにより被処理体２０を絶縁膜１２の表面に静電吸着させる。
The electrostatic chuck 1 configured as described above is disposed in a processing container of a vacuum processing apparatus such as a plasma etching apparatus or a vacuum deposition apparatus, and a direct current is applied to the
このような真空処理装置における処理においては、プラズマ等の影響により、処理容器内（静電チャック表面）が１５０〜２５０℃という比較的高温になる。この場合に、従来のようにアルミニウム製の基台の上にセラミックスからなる絶縁膜を形成した静電チャックを用いた場合には、金属とセラミックスの大きな熱膨張差に起因して、絶縁膜にクラックや剥離等が生じる可能性が高くなるが、本実施形態では、基台１１として、アルミニウムまたはアルミニウム合金からなる基材１３の上に複合材膜１４を形成したものを用い、絶縁膜１２はこの複合材膜１４に形成するので、複合材膜１４が熱膨張緩衝層として機能し、絶縁膜にクラックや剥離等が生じることによる吸着性能の劣化を生じ難くすることができる。
In processing in such a vacuum processing apparatus, the inside of the processing container (electrostatic chuck surface) becomes a relatively high temperature of 150 to 250 ° C. due to the influence of plasma or the like. In this case, when an electrostatic chuck in which an insulating film made of ceramics is formed on an aluminum base as in the prior art, the insulating film is caused by a large thermal expansion difference between metal and ceramics. In this embodiment, the
なお、本発明は、上記実施形態に限定されることなく、種々変形することが可能である。例えば、上記実施形態では、静電チャックの構造を典型例として模式的に描いたが、実際の適用においては、種々の形態をとり得る。 In addition, this invention is not limited to the said embodiment, A various deformation | transformation is possible. For example, in the above-described embodiment, the structure of the electrostatic chuck is schematically illustrated as a typical example, but various forms may be taken in actual application.
以下、本発明の実施例について説明する。
ここでは、直径２８５ｍｍ、厚さ３０ｍｍのアルミニウム合金（Ａ６０６１）製の基材を用い、Ａｌ２Ｏ３粒子（＃６０）を使用して基材に対して粗面化処理および清浄化処理を施した。この時、密着性を高めるために、表面粗さはＲmaxで少なくとも３μｍ以上とした。その後、基材上にセラミックスとアルミニウムとの複合材からなる複合材膜を溶射により形成し、その上に絶縁膜としてアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）膜を溶射により形成して静電チャック試料を製造し、このような静電チャック試料を、種々の組成の複合材膜について複数作製した。また、比較のため、アルミニウム製の基材上に、直接アルミナ（Ａｌ２Ｏ３）膜を溶射した静電チャック試料も作製した。なお、複合材膜の厚さは４００μｍとし、絶縁膜の厚さは３００μｍとした。なお、絶縁膜については、溶射時の厚さを５００μｍとし、その後、表面の研削加工、ラッピングを行って、所望の厚さとするとともに表面粗さＲａを０．１〜２．０μｍとした。
Examples of the present invention will be described below.
Here, a base material made of an aluminum alloy (A6061) having a diameter of 285 mm and a thickness of 30 mm is used, and the base material is roughened and cleaned using Al 2 O 3 particles (# 60). did. At this time, in order to improve the adhesion, the surface roughness was set to at least 3 μm in Rmax. Thereafter, a composite film made of a composite of ceramics and aluminum is formed on the substrate by thermal spraying, and an alumina (Al 2 O 3 ) film is formed thereon as the insulating film by thermal spraying to produce an electrostatic chuck sample. A plurality of such electrostatic chuck samples were prepared for composite films having various compositions. For comparison, an electrostatic chuck sample in which an alumina (Al 2 O 3 ) film was sprayed directly on an aluminum substrate was also produced. Note that the thickness of the composite film was 400 μm, and the thickness of the insulating film was 300 μm. In addition, about the insulating film, the thickness at the time of thermal spraying was 500 μm, and then the surface was ground and lapped to obtain a desired thickness and the surface roughness Ra was set to 0.1 to 2.0 μm.
複合材膜の溶射にはフレーム溶射を用いた。溶射材料としては造粒焼結粉または造粒粉を用いた。溶射の際の条件は、以下の通りである。
溶射ガン：サーモスプレイガン
使用ガス：アセチレン・酸素
アセチレン圧力：０．１８ＭＰａ
酸素圧力：０．４５ＭＰａ
Flame spraying was used for spraying the composite film. Granulated sintered powder or granulated powder was used as the thermal spray material. The conditions for thermal spraying are as follows.
Thermal spray gun: Thermo spray gun Gas used: Acetylene / oxygen Acetylene pressure: 0.18 MPa
Oxygen pressure: 0.45 MPa
アルミナ膜の溶射にはプラズマ溶射を用いた。その際の条件は、以下の通りである。
プラズマ作動ガス：空気・アルゴン
電流／電圧：９５Ａ／２６０Ｖ
Plasma spraying was used for spraying the alumina film. The conditions at that time are as follows.
Plasma working gas: Air / Argon Current / Voltage: 95A / 260V
複合材膜に用いた複合材の材質・組成・熱膨張係数を表１に示す。なお、表１には、基材であるアルミニウム合金（Ａ６０６１）の熱膨張係数、および絶縁膜として形成されたアルミナ溶射皮膜の熱膨張係数も併記する。 Table 1 shows the material, composition, and thermal expansion coefficient of the composite material used for the composite material film. Table 1 also shows the thermal expansion coefficient of the aluminum alloy (A6061) as the base material and the thermal expansion coefficient of the alumina sprayed coating formed as the insulating film.
このように製造された静電チャックサンプルについて、以下の条件により熱サイクル試験を行った。
熱サイクル試験条件：室温⇔３００℃ ５０回（加熱レート：３℃／ｍｉｎ）
また、熱サイクル試験の結果が良好であったものについて、以下のような耐圧試験を行った。
耐圧試験：１．５ｋＶ−１０分
The thus produced electrostatic chuck sample was subjected to a thermal cycle test under the following conditions.
Thermal cycle test conditions: room temperature to 300 ° C. 50 times (heating rate: 3 ° C./min)
Moreover, the following pressure | voltage resistant tests were done about what had the result of the heat cycle test favorable.
Pressure test: 1.5 kV-10 minutes
表２に、各静電チャック試料の構成、ならびに熱サイクル試験および耐圧試験の結果を示す。熱サイクル試験については、試験後に絶縁膜にクラックや剥離等の欠陥がないものを○、欠陥が生じたものを×とした。 Table 2 shows the configuration of each electrostatic chuck sample and the results of the thermal cycle test and the pressure test. For the thermal cycle test, a test sample in which no defects such as cracks or peeling occurred in the insulating film after the test was evaluated as “◯”, and a test sample in which a defect was generated was evaluated as “X”.
表２に示すように、複合材膜のセラミックスの含有量を３０〜７０体積％としたＮｏ．１〜４は、熱サイクル試験において欠陥が発生せず、良好な結果が得られた。これに対し、複合材膜を設けなかったＮｏ．５および複合材膜のセラミックスの含有量が３０体積％未満であるＮｏ．７は、熱サイクル試験において欠陥が発生した。また、複合材膜のセラミックスの含有量が７０体積％を超えるＮｏ．６は、複合材膜の溶射時に剥離が生じた。熱サイクル試験の結果が良好であったＮｏ．１〜４については耐電圧試験も良好な結果となった。 As shown in Table 2, No. 1 in which the ceramic content of the composite film was 30 to 70% by volume. In Nos. 1 to 4, no defects occurred in the thermal cycle test, and good results were obtained. On the other hand, no. No. 5 and the ceramics content of the composite film is less than 30% by volume. No. 7 was defective in the thermal cycle test. Further, in the composite film, the ceramic content exceeds 70 vol. In No. 6, peeling occurred during thermal spraying of the composite material film. The result of the heat cycle test was good. With regard to 1-4, the withstand voltage test also showed good results.
１…静電チャック
１１…基台
１２…絶縁膜
１３…基材
１４…複合材膜
１５…直流電源
１６…冷却水流路
２０…被処理体
DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 ...
Claims (3)
前記複合材膜は、セラミックスの含有量が３０〜７０体積％であることを特徴とする静電チャック。 A base formed by forming a composite film made of a composite material of ceramic and aluminum on a base made of aluminum or an aluminum alloy to be an electrode, and a ceramic insulating film formed on the base And
The electrostatic chuck according to claim 1, wherein the composite material film has a ceramic content of 30 to 70% by volume.
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