JPH06506318A - セラミック静電チャック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるため要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 セラミック静電チャック ［技術分野］ 本発明は、半導体の製造においてウェーハを締め付けるために利用されるチャッ クに関し、詳しくは広い温度範囲にわたって作動可能なセラミック静電チャック に関する。

［背景技術］ 静電チャックは、半導体ウェーハを製造工程中に締め付けるために、半導体の分 野で広範囲に使用されている装置である。このチャックを使用すれば、しばしば 不格好で処理チャンバ内に汚染物質を導入する機械式締付は機構が不要になる。

従来の技術で使用される典型尚な静電チャックは、米国特許第４１８４１８８号 、第４３８４９１８号、第４７２４５１０号、及び第４６６５４６３号に出てい る。

米国特許第４１８４１８８号明細書は、シリコーン・ゴム層の間に配置され、水 冷式ベースに取り付けられたアルミニウム板で支持された、交互嵌合式分極電極 を有する静電チャックを開示している。加工中のウェーハはシリコーン・ゴム層 の上面に置かれ、下にある電極によって発生する磁界によって締め付けられる。

同特許はまた、アルミニウム電極がアルミナ支持体上に配置され、酸化によって 絶縁される、代替実施例を開示している。電極構造は、「水冷板」によって［機 械的に、かつ良好な熱伝導性をもって」固定される。

米国特許第４３８４９１８号明細書は、アルミニウム締付は電極がポリテトラフ ルオロエチレン、ポリエチレン、またはシリコーン・ゴムによって絶縁されてい る、静電チャックを開示している。電極は、水冷式支持ベースまたは加熱支持ベ ースによって支持される。

米国特許第４７２４５１０号明細書は、締付は電極が半導体ウェーハ上に配置さ れ、ＣＶＤ酸化物、ポリイミド、または適当なガラスによって絶縁されている、 静電チャックを開示している。クランプは「導電性支持体」によって支持される 。

米国特許第４６６５４６３号明細書は、中心の円形締付は電極が、粒状のアルミ ナまたは雲母を加えたアラルダイトなどのエポキシ樹脂層によって絶縁されてい る、静電チャックを開示している。中心電極は、加工中のウェーハのヒート・シ ンクとしても役立つ。

上述の静電チャックはすべて、不確定の冷却用「支持体」によって支持された絶 縁された電極を有する。しかし、これらのチャックやその他の既知のチャックに は、電気絶縁体用に利用される材料の熱膨張特性が、冷却用支持体用に利用され る材料と大幅に異なるという問題がある。したがって、これらのチャックを、広 範囲に変化する温度サイクルにかけると、異なる材料間で分離が発生する。その 結果、チャックは非常に狭い温度範囲内でしか利用できず、そのため各チャック の選択的製造工程への適用が制限される。この制限の範囲内でさえ、これらのチ ャックは短い寿命、低い信頼性、及びコスト高という欠点を有する。これらのチ ャックは製造ラインにおける「動作不能時間」の主な原因となるので、これらの 問題は増幅される。

したがって、上述の欠点を克服する静電チャックが強く望まれる。

［発明の開示］ 本発明の１つの目的は、広範囲に変化する温度サイクルにわたって利用可能な、 改良された静電チャックを提供することである。

本発明の他の目的は、ウェーハへの電気的接触を必要とせずにウェーハを締め付 ける、改良された静電チャックを提供することである。

本発明の他の目的は、優れた伝熱能力を有する改良された静電チャックを提供す ることである。

本発明によれば、改良された静電半導体チャックは、多層セラミック（ＭＬＣ） 支持構造体に接着された多層セラミック（ＭＬＣ）基板上に配置された導電性静 電パターンを含む。

ヒート・シンク・ベースが全体構造を支持し、ＭＬＣＰＡ縁層が静電金属パター ンの上面に置かれ、ウェーハを金属パターンと接触しないように分離する。

本発明によって、広（変化する温度範囲を伴う様々な製造工程で使用可能な、連 動チャックが提供される。これは軽量で、製造が容易である。さらに、本発明に よる製品は例外的な平坦度仕様の範囲内で製造することができ、このために最小 の電力で優れた締付は力が得られる。

本発明の上記及びその他の目的、特徴、及び利点は、図面に示した本発明の実施 例の詳細な説明に照らせばさらに明らかになろう。

［図面の簡単な説明］ 第１図は、本発明による静電チャックの第１実施例の分解断面図である。

第２図は、本発明による静電チャックの第１実施例の分解斜視図である。

第３図は、本発明による静電チャックの金属パターン層の上面図である。

第４図は、本発明による静電チャックの第２実施例の分解断面図である。

［発明の好ましい実施例コ 本発明では、従来技術で周知の多層セラミック　（ＭＬＣ）パッケージ・テクノ ロジーを利用する。ＭＬＣテクノロジーに関する教示は、本出願人の所有する米 国特許第３５１８７５６号、第３８３８２０４％、第４０８０４１４％、第４２ ３４３６７号、第４４３０３６５号、第４６７７２５４号、及び第４７９９９８ ３号に出ている。これらの特許明細書を参照により本明細書に合体する。これら の特許を以下では総称してｒＭＬＣ特許」と呼ぶ。

第１図を参照すると、本発明の第１実施例による静電チャックは、上部絶縁層１ ０を有し、この上部絶縁層に、加工中の半導体ウェーハ（図示せず）が締め付け られる。

上部絶縁層１０は、導電性静電パターン１６が上面に配置された多層セラミック （ＭＬＣ）基板１４からなる、静電パターン層１２の上面に配置されている。金 属バイアすなわちバイア線１８が基板１４を貫通して延び、電気エネルギーを静 電パターン１６に伝える手段となる。基板１４の製造は、前記のＭＬＣ特許の教 示に従って行われる。簡単に言えば、構造１０，１４．２０は熱と圧力で接着さ れた複数のセラミック「グリーン・シート」から製造される。各「グリーン・シ ート」は、その中に複数の金属バイアが作成されている。

ＭＬＣ製造の結果、電気エネルギーを導電性パターン１６に伝えるための金属バ イア２４がその中を貫通して延びる、比較的薄いセラミック・ブロックすなわち 基板２２が得られる。

ＭＬＣ製造工程では、基板１４．２２を貫通して延びその上に僅かにはみ出した 金属バイア１８．２４が得られ、これによって本発明による各部分１２．２０， ３０の間を相互接続する便利な手段が提供されることに留意されたい。

静電パターン１６は、対称的に分布するパターンの形の２つの等面積の導電性材 料からなる。このパターンは、幅約０゜７５ｍｍの導電性「ストリップ」を約０ ．２５ｍｍの間隔で交互に配列することによって形成される。各導電性「ストリ ップ」には、交互に反対の直流電位が印加され、これによって交互の導電性「ス トリップ」間に静電容量が生じる。導電性パターン１６については、後で第４図 に示し、さらに詳しく説明する。多層セラミック基板１４上に導電性パターン１ ６を形成するための教示は、前掲の米国特許第３８３８２０４号及び第４２３４ ３６７号明細書に出ている。

絶縁層１０用の好ましい材料は、前記のＭ、　Ｌ　Ｃ特許の教示に従って製造さ れたＭＬＣである。しかし、多層セラミックに匹敵する熱機械的特性（すなわち 熱膨張率及び熱伝導率）を有する他の電気絶縁性熱伝導性誘電体材料も利用でき る。

これらの材料には、例えばポリイミド、アルミナ、石英、ダイヤモンドのコーテ ィングが含まれる。もちろん、どの材料を利用するかの選択は、温度、エツチン グ剤、及びチャックがさらされる処理環境によって支配される。多層セラミック 以外の材料を層に使用する場合、絶縁層１０を製造するには２つの好ましい方法 がある。第１の方法は、ＭＬＣ特許に従った方法でＭＬＣ基板を静電パターン層 ２ｏの上面に接着し、次いで絶縁層１ｏをＭＬＣの上面に接着して、静電パター ン層２ｏを覆うものである。第２の方法は、ＭＬＣ特許に従った方法でＭＬＣ基 板を静電パターン層２０の上面に接着し、次いでＭＬＣ基板を研磨しラップ仕上 げして静電パターン１６を露出させ、パターンの導電性ストリップ間のセラミッ クで充てんされた領域はそのまま残し、次いで絶縁層１０を静電パターン層２０ の上面に接着するものである。絶縁層１０を製造するためのこれら２通りの方法 は、本発明のチャック製造の最終段階で完了すべきである。というのは、後で詳 しく述べるように、チャックの他の部分を完成するために利用する温度が高（な るからである。

絶縁層１０の厚さは２つの要素に依存することに留意されたい。第１に、厚さは 、ウェーハを十分に締め付けるのに不当に高い電圧が必要になるほど大きくては ならない。好ましい実施例では、完成した絶縁層１０の厚さは約０．０５ｍｍで ある。この特定の厚さは、ＭＬＣ処理の後に層を研磨しラップ仕上げすることに よって得られる。厚さが０．２５ｍｍを越える絶縁層では、ウェーハを十分に締 め付けるのに非実用的な電圧が必要となることがわ２５）った。第２に、この厚 さは、交互の導電性「ストリップ」間の間隔より小さくなければならない。そう しないと、ウェーハ締付けに必要な電圧で、パターン１６の隣接する導電性スト リップ間に誘電破壊が発生する。

静電パターン層１２は、前記のＭＬＣ特許に従一つで製造されたＭＬＣ材料２２ からなるＭＬＣ支持体２ｏの上面に配置されている。ＭＬＣ支持体２０には、静 電パターン層１２の金属バイア１８に電気エネルギーを伝えるための金属バイア ２４が、それを貫通して配置されている。

ＭＬＣ支持体２０は、熱伝導性のブロックすなわち基板３２からなるヒート・シ ンク・ベース３０の上面に配置され、ベース３ｏの底部からＭＬＣ支持体２０の 金属バイア２４への電気的接触を容易にするためのクリアランス・ホール３４が それを貫通して延びる。ヒート・シンク・ベース３０には、チャック８から熱を 運び去るための冷却液を循環させるためのチャネル３６も設けられている。

ヒート・シンク・ベース３ｏの材料はＭＬＣ基板２２．１４．１ｏの熱膨張率に 合致しなければならないので、その選択は重要である。コバール、すなわち鉄／ ニッケル／コバルト合金（２９Ｎｉ／１７Ｃｏ１５３Ｆｅ）は、その熱膨張特性 がＭＬＣ構造の熱膨張特性と合致し、かつ良好な熱伝導体であるので、この目的 に使用するのに好ましい材料である。

コバールはウニスティングハウス・エレクトリック社の登録商標である。

絶縁層１０、静電パターン層１２、及び支持体２０は、前記のＭＬＣ特許に従っ て互いに接着される。好ましい実施例では、接着前には、絶縁層１０の厚さは約 ０．２８ｍｍ、静電パターン層１２の厚さは０　、２８ｍｍ、　ＭＬ　Ｃ支持体 ２０の厚さは約１．５０ｍｍである。これらの層の寸法はその後ＭＬＣ加工中に 収縮する。

ろう付けは、ヒート・シンク３０を支持体２０の底部に接着する好ましい方法で ある。これは、金の接触パッドを各接着面上に付着し、部品を互いに組み立て、 組立品をろう付は炉中で約８５０℃で約３ｏ分間加熱することによって行う。

支持体２０をヒート・シンク３ｏにろう付けする前に、部分１ｏ、１２．２ｏを 互いに接着しなければならない。支持体２０をヒート・シンク３ｏに接着または 取り付けるための他の技法も利用できるが、ろう付けは優れた熱膨張特性及び熱 伝達特性をもたらすことがわかったことに留意されたい。

第２図を参照すると、本発明の第１実施例の静電チャックは、上部絶縁層ＩＯ１ 導電性パターン１６がその上面に配置された静電パターン層１２、支持体２０、 及びヒート・シンク３ｏを含む。電気エネルギーを導電性パターン１６に伝える ための金属バイア線１８．２４が、層１２と支持体２ｏを貫通して配置されてい る。ヒート・シンク・ベース３０は、ベース３ｏの底部からバイア線２４への電 気的接触を容易にするためのクリアランス・ホール３２を有する。

第２図の構造は、セラミック・グリーン・シートが正方形であるので、正方形状 を有している。しかし、前述の接着段階やろう付は段階の前に、機械加工や切削 によってこの構造を異なる形状にすることができることに留意されたい。特に、 締め付けられるウェーハの形状に合わせて円形の静電チャックを形成するのが望 ましいことがある。

第３図を参照すると、静電パターン層１２上に配置された導電性パターン１６は 、対称形に分布するパターンとして形成された２つの等面積の導体から構成され ている。パターン１６は最小ストリップ間距離で最大量のストリップを有し、か つ適切な厚さの絶縁層１０を維持することが好ましい。導電性材料は、前記のＭ ＬＣ特許、特に米国特許第３８３８２０４号及び第４２３４３６７号で教示され る、いくつかの導電性材料のうちのどれでもよい。しかし、利用される材料ζよ 、パターンが基板から分離しないように、静電パターン層基板１４の材料に近い 熱伝導率を持たなければならない。例えば、モリブデンはこれに適した材料であ ることがわかっている。

第４図を参照すると、本発明の第２実施例による静電チャック９０は、静電パタ ーン層９４の上面に配置された絶縁層９２を含む。静電パターン層９４は多層セ ラミック基板９６からなり、多層セラミック基板９６は、その上に導電性静電パ ターン９８が配置され、またそれを貫通して静電パターン９８に接続された導電 性バイア１００が延びる。静電ノくターン層９４は、コバール基板１０４からな るヒート・シンク・ベース１０２上に配置され、ｈバール基板１０４は、その中 に冷却液を循環させるための冷却チャネル１０６が機械加工され、かつそれを貫 通して導電性バイア１００にアクセスするためのクリアランス・ホール１０８が 延びる。層９４．９２は、前記のＭＬＣ特許の教示を利用して製造し接着される 。

金の接触パッド１１０を各接着面上に付着し、部品を互いに組み立て、組立品を ろう付は炉中で加熱することによって、静電パターン層９４をヒート・シンク・ ベース１０２にろう付けする。

前記の第２実施例は、前に第１図に関して説明した実施例に類似しているが、静 電パターン層９４が十分に厚し）ので、多層支持体（第１図の参照番号２０）が 必要でなし１とし１う点が異なるだけである。したがって層９４は、ヒート・シ ンク・ベース１０２に適切に接着するのに十分な機械的安定性を有する。

本発明を、その例示的実施例に関して図示し説明した力く、本発明の意図及び範 囲を逸脱することなく、本発明ζ二前記及びその他の様々な変更、省略、及び追 加が可能であることを、当業者は理解するであろう。

フロントページの続き ト・ヴアレイ、ホワイトフォード・ドライブ　（番地なし） （７２）発明者　ウニスターフィルド、ロバート、ビイ−ター、ジュニア アメリカ合衆国ニューヨーク州モントゴメリイ、ワシントン・アヴエニュー９０

Claims (20)

【特許請求の範囲】
1. １．上部から底部に向かつて 電気絶縁性かつ熱伝導性である絶縁層と、静電力を発生させるための導電性パタ ーンがその上面に配置され、電気エネルギーを前記導電性パターンに伝えるため の第１導電性バイアがそれを貫通して配置された、多層セラミック静電パターン 層と、 電気エネルギーを前記の第１バイアに伝えるための第２導電性バイアがそれを貫 通して配置された、多層セラミック支持体と、 前記の第２バイアにアクセスするためのアクセス・ホールがそれを貫通して設け られた、ヒート・シンク・ベースとを含む、半導体ウェーハを締め付けるための 静電チャック。
2. ２．前記ヒート・シンク・ベースがさらに、冷媒を循環させるための冷却チャネ ルを含むことを特徴とする、請求項１に記載の半導体ウェーハを締め付けるため の静電チャック。
3. ３．前記絶縁層が多層セラミックから成ることを特徴とする、請求項１に記載の 半導体ウェーハを締め付けるための静電チャック。
4. ４．前記絶縁層がポリイミドから成ることを特徴とする、請求項１に記載の半導 体ウェーハを締め付けるための静電チャック。
5. ５．前記絶縁層がアルミナから成ることを特徴とする、請求項１に記載の半導体 ウェーハを締め付けるための静電チャック。
6. ６．前記絶縁層が石英から成ることを特徴とする、請求項１に記載の半導体ウエ ーハを締め付けるための静電チャック。
7. ７．前記絶縁層がダイヤモンドから成ることを特徴とする、請求項１に記載の半 導体ウェーハを締め付けるための静電チャック。
8. ８．前記導電性パターンが複数の交互に配列された導電性ストリップからなり、 各導電性ストリップに、隣接するストリップの直流電位とは反対の直流電位が印 加されることを特徴とする、請求項１に記載の半導体ウェーハを締め付けるため の静電チャック。
9. ９．前記の導電性パターンがモリブデンから成ることを特徴とする、請求項１に 記載の半導体ウェーハを締め付けるための静電チャック。
10. １０．前記絶縁層、静電層、及び支持体が圧縮と加熱によって互いに接着される ことを特徴とする、請求項１に記載の半導体ウェーハを締め付けるための静電チ ャック。
11. １１．前記支持体と前記ヒート・シンク・ベースが互いにろう付けされることを 特徴とする、請求項１に記載の半導体ウェーハを締め付けるための静電チャツク 。
12. １２．前記ヒート・シンク・ベースが鉄／ニッケル／コバルト合金から成ること を特徴とする、請求項１に記載の半導体ウェーハを締め付けるための静電チャッ ク。
13. １３．前記ヒート・シンク・ベースがコバールから成ることを特徴とする、請求 項１に記載の半導体ウェーハを締め付けるための静電チャック。
14. １４．上部から底部に向かつて 多層セラミック絶縁層と、 静電力を発生させるための導電性パターンがその上面に配置され、電気エネルギ ーを前記導電性パターンに導くための導電性バイアがそれを貫通して配置された 、多層セラミック静電パターン層と、 導電性バイアにアクセスするためのアクセス・ホールがそれを貫通して配置され た、前記絶縁層と静電層を支持し冷却するためのヒート・シンク・ベースと を含む、半導体ウエーハを締め付けるための静電チャック。
15. １５．前記ヒート・シンク・ベースが鉄／ニッケル／コバルト合金から成ること を特徴とする、請求項１４に記載の半導体ウエーハを締め付けるための静電チャ ック。
16. １６．前記ヒート・シンク・ベースがさらに、その中に配置された冷却剤を循環 させるための冷却チャネルを含むことを特徴とする、請求項１４に記載の半導体 ウエーハを締め付ける静電チャック。
17. １７．前記絶縁層と前記静電層が圧縮と加熱によって互いに接着されることを特 徴とする、請求項１４に記載の半導体ウェーハを締め付けるための静電チャック 。
18. １８．前記静電層が前記ヒート・シンク・ベースにろう付けされることを特徴と する、請求項１４に記載の半導体ウェーハを締め付けるための静電チャック。
19. １９．上部から底部に向かつて 多層セラミック絶縁層と、 複数の交互に配置された導電性ストリップから成り、各導電性ストリップが隣接 するストリップの直流電位とは反対の直流電位で印加される、静電力を発生させ るための導電性パターンがその上面に配置され、かつ電気エネルギーを前記の導 電性パターンに伝えるための第１導電性バイアがそれを貫通して配置された、多 層セラミック静電パターン層と、電気エネルギーを前記の第１バイアに伝えるた めの第２導電性バイアがそれを貫通して配置された、多層セラミック支持体と、 鉄／ニッケル／コバルト合金から成り、前記第２バイアにアクセスするためのア クセス・ホールがそれを貫通して設けられ、冷却剤を循環させるための冷却チャ ネルがその中に配置された、ヒート・シンク・ベースとを含み、前記絶縁層、静 電層、及び支持体が圧縮と加熱によつて互いに接着され、前記支持体とヒート・ シンク・ベースが互いにろう付けされることを特徴とする、 半導体ウェーハを締め付けるための静電チャック。
20. ２０．上部から底部に向かつて 多層セラミック絶縁層と、 複数の交互に配置された導電性ストリップから成り、各導電性ストリップが隣接 するストリップの直流電位とは反対の直流電位で印加される、静電力を発生させ るための導電性パターンがその上面に配置され、電気エネルギーを前記の導電性 パターンに伝えるための第１導電性バイアがそれを貫通して配置された、多層セ ラミック静電パターン層と、鉄／ニッケル／コバルト合金から成り、前記の第１ バイアにアクセスするためのアクセス・ホールがそれを貫通して設けられ、冷却 剤を循環させるための冷却チャネルがその中に配置された、ヒート・シンク・ベ ースとを含み、前記絶縁層と静電層が圧縮と加熱によつて互いに接着され、前記 静電層とヒート・シンク・ベースが互いにろう付けされることを特徴とする、 半導体ウエーハを締め付けるための静電チャック。