JP2008153701A

JP2008153701A - 静電チャック

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Publication number: JP2008153701A
Application number: JP2008059285A
Authority: JP
Inventors: Kazuichi Kuchimachi; 和一口町
Original assignee: Kyocera Corp
Current assignee: Kyocera Corp
Priority date: 2008-03-10
Filing date: 2008-03-10
Publication date: 2008-07-03

Abstract

【課題】給電電極の上に絶縁膜を設けた静電チャックにおいて、給電部のボイドにより絶縁破壊が発生する。
【解決手段】板状セラミック体の一方の主面に吸着用電極が形成され、該吸着用電極の上に絶縁膜を備え、その上面をウェハを載せる吸着面とした静電チャックにおいて、該吸着用電極に接続する給電部として、吸着用電極の形成前に形成し、前記板状セラミック体に直径１ｍｍ以下の給電孔を備え、該給電孔にロウ材またははんだを充填したものとする。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体製造工程や液晶製造工程において、半導体ウェハ（以下、ウェハと称す）や液晶ガラスに微細加工を施すエッチング工程や薄膜を形成するための成膜工程、フォトレジスト膜を露光する露光処理工程等において、ウェハや液晶ガラスを保持する静電チャックに関する。

従来、半導体製造工程において、ウェハに微細加工を施すためのエッチング工程や、薄膜を形成するための成膜工程、又はフォトレジスト膜を露光するための露光処理工程等において、ウェハを保持するために静電気的に吸着する静電チャックが使用されている。

この静電チャックは、図５に示すように板状セラミック体23の上面に一対の吸着用電極24を備え、該吸着用電極24を覆うように絶縁膜22が形成され、該絶縁膜22の上面はウェハを載せる吸着面22ａとなっている。

静電チャックは、静電気によるクーロン力を利用するウェハ保持装置で、図５に示すように板状セラミック体23上に一対の吸着用電極24を形成し、その上に、誘電率εの絶縁膜22を厚みｒで形成し、絶縁膜22の上にウェハＷ（不図示）をのせ、吸着用電極24の間にＶボルトの電圧を印加すると、ウェハＷと吸着用電極24の間にその電圧の半分のＶ／２ボルトが印加される。その電圧によりウェハＷを引きつける静電気力Ｆが生じる。
式１Ｆ＝（ε／２）×（Ｖ^２／４ｒ^２）

物体を保持する保持力である静電吸着力Ｆは、絶縁膜22の厚みｒが小さい程大きく、また、電圧Ｖが大きい程大きくなる。電圧Ｖを大きくすればするほど保持力が増すが、あまり大きくすると絶縁膜22の絶縁性が破壊されてしまう。また、絶縁膜22にボイドなどの空隙があると絶縁が破壊される。それで、物体を保持する膜の内部及び表面は、滑らかであること、ボイドがないことが求められる。

特許文献１には、静電チャックを生テープを積層して形成し、その間に吸着用電極を挿入して一体焼成した静電チャックで、その給電部分は図５に示すようにビアホール30やパッド31を使って吸着用電極24と導通をとり、パッド31を貫通させるように穴を開けてその内面をメタライズした後に給電端子28をロウ付けする方法が開示されている。

また、特許文献２にも静電チャックを生テープを積層して形成し、その間に吸着用電極を挿入して一体焼成した静電チャックで、その給電部分は図７に示すように吸着用電極24に電圧を印加する手段としては板状セラミック体23に吸着用電極24を貫通するように穴が開いており、その内面をメタライズした後に給電端子28をロウ付けする方法が開示されている。

特許文献１や２のようにテープを積層して形成する静電チャックにおいては焼成することにより絶縁膜22、板状セラミック体23及び吸着用電極24が一体になるため、焼結体の一方の主面より吸着用電極24やパッド31を貫通するような座ぐり穴を設けて内面をメタライズ・ロウ付けして給電端子を設けることにより電気的導通をとることが可能であり、また、上記座ぐり穴の底に絶縁膜22が存在するため、吸着面22ａと給電端子28は電気的に絶縁されており、静電チャックとして機能することができる。

特許文献３には、板状セラミック体の主面に吸着用電極を形成し、板状セラミック体の主面の全面に数μｍ厚みの絶縁膜をスパッタ、イオンプレーティング、真空蒸着で形成する方法が記載されている。

この場合、図８のように吸着用電極24を形成する前に給電端子28を埋め込んでおく必要があり、板状セラミック体23と熱膨張に近似した金属性の給電端子28をロウ材27によりロウ付けする方法を用いることが多い。

また、特許文献４には絶縁膜22をＣＶＤ等で形成する窒化アルミニウム膜の静電チャックが開示されており、この給電部分は図６のようにビアホール30やパッド31を使って吸着用電極24と導通をとり、パッド31を貫通させるように穴を開けてその内面をメタライズした後に給電端子28をロウ付けする方法が開示されている。
特開平10−189696号公報特開平９−213455号公報特開平４−49879号公報特開平９−237826号公報

しかし、特許文献３や４のように絶縁膜22を薄膜で形成した静電チャック21は給電部分を絶縁する必要があるので、給電部分を形成してから絶縁膜22を形成する工程となる。従って、板状セラミック体23に給電部分を設けてそれを面一に加工した後、吸着用電極24を形成し、その上に絶縁膜22を形成することになる。

スパッタやＣＶＤ等で形成された絶縁膜22は厚みが薄いため母材のセラミックス基体23の表面に大きなボイドがあったり、給電端子をロウ付けしてあるロウ材層に大きなボイドがあったりするとその上に形成される絶縁膜22に欠陥が発生しやすく、静電チャック21の吸着用電極24に電圧を加えると前記欠陥部分で絶縁破壊することがあり、静電チャック21の寿命が短いとの問題があった。特に図８のようにロウ付け部は給電端子28とそれを挿入している穴のクリアランスに毛細管現象によりロウ材27を流すが、穴と給電端子28の芯ズレによりクリアランスが設計値以上に大きくなってボイドが発生したり、クリアランスが小さくなりすぎたりしてロウ材が流れずに空隙になることがあった。

また、図６に示すようなビアホール構造のものはグリーンシートの状態で穴を形成し、その中に導電性ペーストを流してビアホール30を形成し、パッド電極31と繋がるように積層される。そして脱脂焼成することにより板状セラミック体23の中に内蔵一体することができる。しかし、導電性ペーストが乾燥収縮する過程やビアホール30を形成したグリーンシートを積層する過程、その積層体を脱脂、焼成する過程においてビアホール部分にボイドが生じてしまう。その上に薄膜で絶縁膜22を形成するとそのビアホールのボイドより絶縁破壊を起こすことが多かった。

そこで本発明は、板状セラミック体の一方の主面に吸着用電極が形成され、該吸着用電極の上に絶縁膜を備え、その上面をウェハを載せる吸着面とした静電チャックにおいて、前記吸着用電極に接続する給電部は、前記板状セラミック体に形成された直径１ｍｍ以下の給電孔にロウ材またははんだを充填してなり、かつ前記吸着用電極の形成前に形成されてなることを特徴とする。

また、上記給電部に金属製の給電端子を電気的に接続したことを特徴とする。さらに、上記絶縁膜が非晶質セラミック膜で形成されたことを特徴とする。また、上記絶縁膜の厚みが10μｍより大きく100μｍ以下であることを特徴とする。

板状セラミック体の一方の主面に吸着用電極が形成され、該吸着用電極の上に絶縁膜を備え、その上面をウェハを載せる吸着面とした静電チャックにおいて、該吸着用電極に接続した給電部として前記板状セラミック体に直径１ｍｍ以下の給電孔を備え、該給電孔にロウ材またははんだが充填することにより給電部のボイドが低減できるため、その上に形成される絶縁膜の絶縁破壊電圧を向上させることができる。

それにより、絶縁膜が薄い静電チャックを形成できるため、非常に高い吸着力の静電チャックを得ることができる。

以下、本発明の実施形態について説明する。
図１に本発明の静電チャック１の一例を示す。また、図２に図１の給電部７の拡大構造を示す。板状セラミック体３の上面に一対の吸着用電極４が形成され、吸着用電極４の上面には、絶縁膜２が形成されている。その絶縁膜２の上面をウェハを吸着させる吸着面２ａとする。また、吸着用電極４は板状セラミック体３の給電孔５に充填されたロウ材やはんだからなる給電部７により板状セラミック体３の裏面側への電気的な取り出しが可能となっている。

そして、吸着面２ａの上にウェハＷを載せ、一対の給電部７に数百Ｖの電圧を印加し吸着用電極４とウェハＷの間に静電吸着力を発現させ、ウェハＷを吸着することができる。

本発明の静電チャックは給電孔５にロウ材またははんだを充填し給電部７としたものである。

給電孔５の内径は板状セラミック体３と給電部７の熱膨張率が異なるため、小径でなくてはならない。給電孔５の内径としては直径１ｍｍ以下、好ましくは直径0.5ｍｍ以下が好ましい。これは、直径１ｍｍを越えるとロウ材７と板状セラミック体３の熱膨張差による応力で板状セラミック体３の給電孔５周辺にクラックを生じてしまうためである。

しかし径があまり小さくなると加工が困難で、メタライズ層６を給電孔５内面に形成したりやロウ材やはんだを充填するのが困難となってくるため、給電孔５は直径0.2ｍｍ以上必要である。

また、穴の形状は楕円や四角形などもあるが、最大径の大きさが１ｍｍ以内にする必要がある。但し、円形状が、理想的に応力が穴の内面に均一にかかるため最も好ましい形状である。

ロウ材またははんだの充填方法としては途中工程で給電孔５を貫通穴ではなく有底穴にした状態で穴表面にメタライズ層６を形成し、その後ロウ材やはんだを真空中、Ｎ_２中または還元雰囲気で溶融して有底穴に流し込んで溜めて充填し、その後板状セラミック体の一方の主面を研削加工し給電部７を露出させて形成する。このような方法により、小径の給電孔５に対して、良好にロウ材やはんだを充填できる。

また、給電部７のロウ材またははんだの充填具合としては有底穴の底にロウ材やはんだが充填されており、吸着用電極４を板状セラミック体３の表面を研削加工して給電部７を露出させた際に、給電部７のロウ材またははんだが空隙なく充填されていればよい。従って、給電部７の吸着面の反対面側に多少の凹みが生じても、導通の機能上は特に問題とならないため構わない。

ロウ材またははんだの熱膨張率は板状セラミック体３の熱膨張率より大きいため、溶けたロウ材またははんだが給電孔５内で固まってから温度を室温に下げる際に応力を発生する。つまり、熱膨張率に温度差を掛けた物が収縮となることから、高温でロウ材またははんだが固化するほど大きな応力が発生する。そのため、ロウ材またははんだの融点が低い金属を使う方が好ましい。

ロウ材としては銀系、銀銅系、金スズ系、インジウム系のものや、鉛系やスズ系のはんだを用いるのが好ましい。ロウ材またははんだの融点としては850℃以下のものを使うのが好ましい。また、給電孔５にロウ材またははんだを充填した後に絶縁膜２や吸着用電極４を形成するため、絶縁膜２や吸着用電極４を形成するプロセスより高い融点のロウ材またははんだを使う必要がある。この点からロウ材またははんだの融点としては200℃以上のものが好ましい。

ロウ材は直接セラミックとはほとんど濡れないため、板状セラミック体３の給電孔５の内面はロウ材が濡れるように金属化処理が必要である。活性金属法や高融点金属法で給電孔５の内面にメタライズ層６を形成したり、無電界メッキにより給電孔５の内面にメッキ層を形成したりしても構わない。

メタライズ層６やメッキ層の厚みは0.2μｍ以上が好ましい。0.2μｍより薄いとロウ材の流れが悪くなるためである。メッキを使用した場合には10μｍを越えるとメッキの剥がれが発生しやすくなる。メタライズ層６に高融点金属を使用した場合は30μｍを越えるとメタライズ層６の剥離が発生する。しかし、活性金属法を用いる場合はロウ材にＴｉなどの活性金属を添加した組成になっているので、メタライズ材を充填するだけでも同じ効果を得られるため、厚みの上限は限定されない。

板状セラミック体３とロウ材またははんだの熱膨張率が異なるため、ヤング率が大きいロウ材またははんだになるとロウ材またははんだに変形が起こらず、板状セラミック体３に大きな応力がかかってしまう。熱膨張率による応力を緩和できるように軟らかいロウ材やはんだである方が好ましい。ロウ材やはんだのヤング率としては90ＧＰａ以下が望ましく、更に好ましくは80ＧＰａ以下である。このようなロウ材７としては銀系、銀銅系、金スズ系、インジウム系のものや、鉛系やスズ系のはんだを用いるのが好ましい。

また、図３は本発明の静電チャック１の他の実施形態の概略の構造を示す。また、図４に図３の給電部の拡大図を示す。板状セラミック体３の上面に一対の吸着用電極４が形成され、吸着用電極４の上面には、絶縁膜２が形成されている。その絶縁膜２の上面を、ウェハを吸着させる吸着面２ａとする。また、吸着用電極４は板状セラミック体３の給電孔５に充填されたロウ材またははんだにより板状セラミック体３の裏面側の給電端子８へ電気的に接続している。

実際に半導体製造装置に静電チャック１を組み込んで静電チャック１の吸着用電極４に電圧を印加する時には、電源からのリード線と接続する必要がある。リード線を静電チャックに直接接続するには給電部７と電気的導通のとれた雌ネジを設けた給電端子８が必要となる。また、静電チャックの給電部７に給電ピンをバネで押し当てることもあるが、確実に給電を取るには平滑で接触面積が大きな給電端子８が好ましい。給電端子８は給電孔５にロウ材またははんだを充填した給電部７に、ロウ材やはんだまたは導電性接着剤を用いて接合する。給電端子８の固定にロウ材やはんだを用いる場合は充填したロウ材より融点の低いものを用いなければならない。

また、給電端子８の外径が５ｍｍより大きい場合は、低温で付けられる導電性接着剤やはんだが好ましい。導電性接着剤９としては銀エポキシが好ましい。

また、半導体のプロセスでは電子ビームや高周波を使うために磁性材料は問題となることがあるため、給電端子８の材質としては銅、真鍮、チタンモリブデン、タングステンなどの非磁性材料が好ましい。

更に、本発明では上記絶縁膜２が酸化物または窒化物からなる均一な非晶質セラミックから成ると好ましい。均一な非晶質セラミックスからなる絶縁膜２は、吸着用電極４から吸着面２ａの間の体積固有抵抗が一様であるため、絶縁膜２の中を電界が一様に形成され電圧を印加した時に吸着力がすぐに発現し一定の吸着力になる。そして、印加する電圧を切ると、すぐに吸着力が０になりウェハＷを離脱できる。このように吸着／離脱特性が優れたものとすることができる。

尚、均一な非晶質セラミックスとは、絶縁膜２の厚み方向の内部で電荷の分布が不連続となるような複数の絶縁膜層を含むことなく単一の絶縁膜２からなることであり、これによって上記の吸着／離脱特性が優れた絶縁膜２とすることができる。更に、絶縁層２に５μｍ以上のボイドがなく緻密であることから絶縁膜２が絶縁破壊する虞がない。

また、非晶質セラミックからなる絶縁膜２の厚みは10μｍより大きく100μｍ以下が好ましい。絶縁膜２の厚みが10μｍより大きくなると、セラミックス基体３の表面のボイドの影響を受けてボイドの上の絶縁膜２に欠陥が発生しこの欠陥部分の耐電圧が小さくなり、吸着電極４に電圧を印加すると前記欠陥部分で絶縁破壊することがある。そのため、少なくと10μｍより大きくすることが必要である。また、100μｍを越えると絶縁膜２を成膜する時間が数10時間以上となり量産性に乏しく、また内部応力も大きくなりすぎるため絶縁膜２がセラミック基体３から剥離するという問題が発生する。最も好ましい絶縁膜２の厚みとしては30〜70μｍである。

次に本発明の静電チャック１の製法について述べる。ここでは給電孔５の穴径を内径0.5ｍｍとして、給電孔５の内面のメタライズ層６はＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉの活性金属法を用いて、ロウ材にはＢＡＧ８（Ａｇ72％−Ｃｕ28％）を用いたものについて述べる。また、板状セラミック体３として酸化アルミニウムを用いて、絶縁膜２は非晶質の酸化アルミニウム膜をスパッタ法により形成したものを説明する。

大気圧で焼成した板状の酸化アルミニウム基板を用意し、その酸化アルミニウム基板を約1400℃、2000気圧でＨＩＰ（HOT ISOSTATIC PRESS）処理を施し、ボイドを数μｍ程度に小さくした酸化アルミニウム基板を板状セラミック体２として用意する。ボイドを小さくする方法としてはホットプレスにより焼成しても構わない。そして酸化アルミニウム基板を所定の形状に加工する。その際、酸化アルミニウム基板の他方の主面に給電端子８用の直径５ｍｍ、深さ４ｍｍの穴を設けた後、その底面に給電孔５用の直径0.5ｍｍ、深さ２ｍｍの座ぐり穴をマシニング加工にて作製した。直径0.5ｍｍ、直径５ｍｍの座ぐり穴の底面及び内面にＡｇ−Ｃｕ−Ｔｉのペーストを塗布し、直径0.5ｍｍの穴に完全にペーストが入るように、直径0.5ｍｍの座ぐり穴を覆うようにペーストをのせ、それを真空に引くことで穴の中の空気を脱気して、大気圧に戻すことにより座ぐり穴を覆っていたペーストを穴の中に入れることができる。その後、直径0.3ｍｍのＢＡＧ８の線材を直径0.5ｍｍの穴に充填して乾燥させる。それを約850℃の真空炉で処理することでロウ材がつまった座ぐり穴を形成する。

上記はメタライズとロウ付けを同時に行う方法を示しているが、メタライズ・ロウ付けを別々に行っても構わない。

ロウ付け終了後に酸化アルミニウム基板の一方の主面を削ることにより、給電孔５に詰まったロウ材が表れ、所定の厚みに削ることにより、給電部７を形成した板状セラミックス体３を作製する。その後、上記主面を脱粒が起こらないようにラップ加工して吸着用電極４を形成する面を整える。

その後、板状セラミック体３の一方の主面の吸着用電極４を形成する面の全面と給電部７であるロウ材の端面とにＴｉからなるＴｉ膜を成膜する。その後Ｔｉ膜の上にレジストを塗布してエッチング加工して所望の形状のＴｉ膜からなる吸着用電極４を形成する。

板状セラミック体３の表面に吸着用電極４を形成した後、吸着用電極４上に非晶質セラミックからなる絶縁膜２を形成する。この非晶質セラミックからなる絶縁膜２はスパッタによって作製する。平行平板型のスパッタ装置に絶縁膜２として成膜したい材質のターゲットをセットする。ここでは酸化アルミニウム焼結体をターゲットとし、該ターゲットと対向するようにして吸着用電極４を備えた板状セラミック体３をセットする。板状セラミック体３は銅製のホルダーの中にセットする。板状セラミック体３の裏面とホルダー表面はＩｎとＧａからなる液状合金を塗り貼り合わせることにより基板とホルダーの熱伝達が良くなり、板状セラミック体３の冷却効率を上げることができることから良質な非晶質セラミックからなる絶縁膜２を形成することができる。

このように板状セラミック体３をチャンバー内にセットし、真空度を0.001Ｐａとした後、アルゴンガスを25〜75ｓｃｃｍ流す。

そして、ターゲットとホルダーの間にＲＦをかけることによりプラズマが発生する。そして、ターゲットのプレスパッタ及び板状セラミック体２側のエッチングを数分間行いターゲットと板状セラミック体２のクリーニングを行う。

酸化アルミニウムの非晶質セラミックからなる絶縁膜２の成膜は上記のＲＦのパワーを３〜９Ｗ／ｃｍ^２にしてスパッタを行う。また、板状セラミック体３の吸着用電極４側には−100〜−200Ｖ程度のバイアスをかけてターゲットから電離した分子及び電離したアルゴンイオンを引きつける。しかし、板状セラミック体３が絶縁体であると電離したアルゴンイオンにより板状セラミック体３の表面が帯電してしまい、次のアルゴンイオンが入りにくい状態になる。膜中に入ったアルゴンイオンは電荷を放出してアルゴンの状態に戻り、膜中に残留する。アルゴンを膜中に多く取り込むには成膜時に吸着用電極４と給電部７からＩｎＧａ層、ホルダーの経路で電荷を逃がし、常にアルゴンを絶縁膜２に取り込みやすい状態にしておくことが必要である。

また、板状セラミック体３の冷却が悪いと部分的に非晶質セラミックからなる絶縁膜２が結晶化してしまい、部分的に耐電圧が小さくなることがある。板状セラミック体３の冷却は装置の冷却板に冷却水を流すことで基板ホルダー内を充分冷却して板状セラミック体３の温度を数十℃に保つようにしておく。

絶縁膜２の成膜レートは３μｍ／時間にて17時間成膜し、約50μｍの膜厚の非晶質セラミックからなる絶縁膜２を作製した。

その後、リフトピン穴などの加工を施し、板状セラミック体３の裏面等を所定の厚みにして形状を整える。非晶質セラミックからなる絶縁膜２上にブラストや平研やエッチングなどの手法で凹部を形成した後、非晶質セラミックからなる絶縁膜２の表面をポリッシング等で整えることにより静電チャック１を作製する。

最後に直径５ｍｍの座ぐり穴にネジを形成した給電端子８を半田付けや導電性接着剤にて固定して給電部を構成する。

（実施例１）
本発明の静電チャック１として給電孔５の内径を変えた板状セラミック体３と比較例としてセラミック生テープに印刷して作製したビアホール構造の板状セラミック体、また、直径１ｍｍの給電孔にモリブデンのピンを接合して給電部とした板状セラミック体を用意して、各々に吸着用電極４としてＴｉを0.2μｍ成膜して、その上に非晶質酸化アルミニウムからなる絶縁膜２を10〜100μｍの厚みで成膜したものを作製して耐電圧の評価を行った。テスト数を増やすために各条件で作ったサンプルに10ヶずつ給電部を設けてテストを行った。

耐電圧の方法としては各給電部上の非晶質酸化アルミニウムの上に１インチ角のＳｉウェハをのせ、各ウェハと各給電部に３ｋＶの電圧を１分間印加して初期の耐電圧を評価した。その後、３ｋＶの電圧を１分間印加して一旦電圧をＯＦＦにした後にまた電圧を印加するということを100回繰り返すという条件での耐電圧の評価を行った。

また、電極を成膜する前にクラックの有無を目視や双眼で確認し外観として評価した。

その結果を表１に示す。表の数値は上記条件の耐電圧テストで破壊した給電部の数を示している。

従来例の静電チャックはＮｏ．８、９であるが、初期の状態で耐電圧が３ｋＶ以下のものが発生している。

ロウ材を充填したもののうち、穴径が直径1.5ｍｍと直径2.0ｍｍの試料Ｎｏ．６、７は初期から給電孔周辺の板状セラミック体にクラックが発生しており、耐電圧でももたなかった。

本発明の静電チャックはＮｏ．１〜５であるが、全てクラックも発生せずに耐電圧評価結果でも全数絶縁破壊しなかった。

上記実施例では給電部７に金属ピンを押し当てて導通をとったが、給電部７に電気的接続がとれるように雌ねじ付き給電端子８を導電性接着剤で固定したものにリード線を付けた方が確実に導通をとることが可能である。

本発明に係る静電チャックの断面図である。本発明に係る静電チャックの拡大断面図である。本発明に係る静電チャックの断面図である。本発明に係る静電チャックの拡大断面図である。従来の静電チャックの断面図である。従来の静電チャックの拡大断面図である。従来の静電チャックの拡大断面図である。従来の静電チャックの拡大断面図である。

符号の説明

１、21：静電チャック
２、22：絶縁膜、絶縁膜
２ａ、22ａ：吸着面
３、23：板状セラミック体
４、24：吸着用電極
５、25：給電孔
６、26：メタライズ層
７、27：給電部
８、28：給電端子
９、29：導電性接着剤
30：ビアホール
31：パッド電極

Claims

板状セラミック体の一方の主面に吸着用電極が形成され、該吸着用電極の上に絶縁膜を備え、その上面をウェハを載せる吸着面とした静電チャックにおいて、前記吸着用電極に接続する給電部は、前記板状セラミック体に形成された直径１ｍｍ以下の給電孔にロウ材またははんだを充填してなり、かつ前記吸着用電極の形成前に形成されてなることを特徴とする静電チャック。
前記給電部に金属製の給電端子を電気的に接続したことを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
前記絶縁膜が非晶質セラミック膜で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の静電チャック。
前記絶縁膜の厚みが１０μｍより大きく１００μｍ以下であることを特徴とする請求項３に記載の静電チャック。