JP2756944B2 - セラミックス静電チャック - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置の
ウエハプロセスに使用されるセラミックス静電チャック
に関し、特に、化学的気相成長法（以下ＣＶＤと略記す
る）による熱分解窒化ホウ素（以下ＰＢＮと略記する）
を絶縁被膜に用いてなるセラミックス静電チャックに関
する。

【０００２】

【従来の技術】静電チャックの基本構成は図１に示され
る通りであって、絶縁体１の上に導体電極２が配置さ
れ、その表面が絶縁被膜３で被覆されている。シリコン
ウエハ等の被吸着物４を絶縁被膜３の上に配置して、導
体電極２と被吸着物４との間に電源５を接続して電圧を
印加すると、クーロン力により吸着力が発生し、被吸着
物４がチャックされる。

【０００３】また、図２に示されるように、導体電極２
を２つまたはそれ以上に分割し、それぞれの導体電極２
に正または負の電圧を印加した場合にも、同様に、クー
ロン力が働いて被吸着物を吸着することができる。

【０００４】一般に、図１の構造は単極型、図２の構造
は双極型と呼ばれている。

【０００５】このような構造の静電チャックにおいて、
従来は、絶縁体１および絶縁被膜３に強誘電体焼結セラ
ミックスが使用され、導体電極２には金属が使用されて
いた。

【０００６】また、絶縁体１として、基材の上にＣＶＤ
法により絶縁層を形成させたものを用い、絶縁被膜３に
もＣＶＤ法により同質の絶縁層を形成させたものを用い
て静電チャック板とすることも提案されている（特開平
４−３４９５３号公報）。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】ところが、焼結セラミ
ックスを絶縁体１および絶縁被膜３に用いると共に金属
を導体電極２に用いた静電チャックにおいては、これら
各材料の熱膨張率および熱伝導率が異なるため、急速な
加熱冷却を行ったり、これを繰り返し行ったときの熱応
力によって、絶縁体１と導体電極２との間並びに導体電
極２と絶縁被膜３との間で剥離や亀裂が発生するという
問題があった。

【０００８】 また、絶縁被膜３に用いられる焼結セラ
ミックスは誘電率が非常に高いことから強い吸着力が得
られる反面、キューリーポイントが３００℃以下と低
く、キューリーポイントを越える高温域では吸着力が急
速に低下するという欠点があった。

【０００９】絶縁体１と絶縁被膜３をいずれもＣＶＤ法
により同質のものとして形成したものにあっては、上記
欠点は概ね解消される。

【００１０】しかしながら、この従来技術において絶縁
層を構成するものとして好適であるとされているＡｌ
Ｎ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＢＮ等の物質は、いずれも電気抵抗率が
１０¹⁴Ω−ｃｍ以上であってきわめて高い電気絶縁性を
有している。

【００１１】静電チャックにおいて絶縁被膜３を通じて
導体電極２と被吸着物４との間に極微弱電流が流れると
ジョンソンラーベック力によりチャック吸引力が大幅に
増大することが知られている。しかしながら、ＣＶＤ法
により形成された絶縁被膜３を有する静電チャックで
は、上記のように絶縁被膜３を形成する材料の電気絶縁
抵抗が過大であるために極微弱電流を流すことができ
ず、ジョンソンラーベック力によるチャック吸引力の増
大をなすことができない。

【００１２】さらに、絶縁被膜３の電気抵抗率が１０¹⁴
Ω−ｃｍ以上と過大であるため、導体電極２への印加電
圧をＯＦＦにしても帯電した電荷の放電経路ができにく
く、残留電荷が長時間保持される。これは被吸着物４に
対する残留吸着力として働き、被吸着物４を短時間に離
脱させる場合の障害となる。

【００１３】また、特にＣＶＤ法による絶縁体１および
絶縁被膜３を用いた従来のセラミックス静電チャックに
あっては、反りや変形を完全に防止して所定の平滑度を
確保することが困難であり、クーロン力を十分に利用す
ることができないため、所定のチャック力が得られない
という問題があった。

【００１４】

【課題を解決するための手段】 そこで本発明は上記従
来技術の問題点に鑑み、電気抵抗率が１０^８〜１０^１３
Ω−ｃｍの範囲内で利用目的に合致した任意の値に設定
されたカーボン添加ＰＢＮ層を従来の絶縁被膜に代えた
被膜層として用いることにより、高温域においても安定
した強力な静電吸着力を発揮し、且つ、機械的強度およ
び熱衝撃にも強い新規なセラミックス静電チャックを提
供することを目的とする。

【００１５】すなわち、本発明は、黒鉛基材を被覆する
絶縁体の上に導体電極を配置し、導体電極の表面を被膜
層で覆い、被膜層の上に被吸着物を配置して、導体電極
と被吸着物または一対の導体電極の間に電圧を印加する
ことにより被吸着物を被膜層に吸着させる静電チャック
において、上記被膜層として、電気抵抗率が１０⁸〜１
０¹³Ω−ｃｍであって微量のカーボンが添加されてなる
ＰＢＮ被膜層が用いられてなることを特徴とするセラミ
ックス静電チャックである（請求項１）。

【００１６】このセラミックス静電チャックにおける絶
縁体は、黒鉛基材の表面にＰＢＮ被膜による絶縁層が形
成されてなるものとすることが好ましい（請求項２）。

【００１７】また、絶縁体における絶縁層、導体電極お
よび被膜層はいずれも表裏面の面積および厚みを略均等
にして設けられることが好ましい（請求項３）。これに
より、表裏の応力バランスをとり、静電チャック機能に
不可欠な平坦度を確保して、所定のチャック力を発揮す
ることができる。

【００１８】上記被膜層は、ＣＶＤ法によりＰＢＮ被膜
層を生成させる際に、同一反応室内に炭化水素ガスを導
入してＰＧの生成を同時に進行させ、ＰＢＮの結晶内に
微量のカーボンを含有せしめることにより製造すること
ができる（請求項４）。

【００１９】

【発明の実施の形態】アンモニアとハロゲン化ホウ素を
原料として減圧熱ＣＶＤ法により黒鉛基材の上に析出さ
せることにより、黒鉛基材をＰＢＮ被膜による絶縁体で
被覆することができる。

【００２０】本発明のセラミックス静電チャックの被膜
層も概ね上記した公知の減圧熱ＣＶＤ法により生成させ
るものであるが、ＰＢＮの結晶成長中に炭化水素ガス、
例えばメタンガスを同一反応室内に導入することによ
り、炭化水素ガスが熱分解し、該反応室内にカーボンが
存在することとなる。カーボンの一部は他の元素と反応
して系外に排出されるが、成長中のＰＢＮ結晶の中にも
取り込まれるため、生成されたＰＢＮ被膜層には微量の
カーボンが含有される。カーボンは導電性物質であるた
め、このようにして製造される被膜層は、カーボン無添
加のＰＢＮよりなる絶縁層に比べて、その電気抵抗率が
低減されたものとなる。

【００２１】ＰＢＮに添加するカーボンの量は重量比に
して３％以下とすることが好ましい。後述する試験結果
より明らかな通り、３重量％のカーボンを添加したとき
には電気抵抗率が約２×１０⁸Ω−ｃｍとなり、３重量
％以下の範囲でカーボン添加量を調整することにより被
膜層の電気抵抗率を１０⁸〜１０¹³Ω−ｃｍの範囲にお
いて任意の値に設定することができる。カーボン添加量
が３重量％を超えると、得られるＰＢＮ被膜層の機械的
強度が急激に低下することになるので好ましくない。

【００２２】

【実施例】図３に示されるように、厚さ１０ｍｍの円板
型カーボン基材１１の表面にＣＶＤ法により３００μｍ
のＰＢＮ絶縁層１３を形成し、次に、同じくＣＶＤ法に
より５０μｍのＰＧ層を両面に形成した。

【００２３】その後、静電チャックの吸着面となる側の
ＰＧ層を双極型電極（図２参照）となる部分だけ残して
他の部分を除去してチャック電極１２、１２とした。そ
して、膨張係数差による反りや変形を防止するために、
裏面側のＰＧ層についてもチャック電極１２、１２と略
同一面積となるように部分的に除去してヒートパターン
（加熱エレメント）１５、１５を形成し、昇温用加熱電
源として活用した。

【００２４】このようにして同一構成の静電チャック試
験基材を２個作製した。

【００２５】そのうちの１個については、本発明の実施
例として、三塩化ホウ素１モルに対してアンモニア３モ
ルおよびメタンガス２．４モルを０．５Ｔｏｒｒ、温度
１８５０℃で反応させ、試験基材の全面に厚さ１００μ
ｍのカーボン添加ＰＢＮの被膜層１４を形成した。この
被膜層の電気抵抗率を測定したところ、２．８×１０¹²
Ω−ｃｍであった。

【００２６】また、この被膜層１４の誘電率の温度変化
を測定したところ、５００℃付近まではほぼ一定してお
り、５００℃以上になると誘電率が微増する傾向を示し
た（図５）。この測定結果は、カーボン添加ＰＢＮ被膜
層１４には、従来の静電チャックの絶縁被膜層に用いら
れる強誘電体セラミックスに見られるようなキューリー
ポイントが存在しないことを示している。

【００２７】他方の試験基材には、比較例として、三塩
化ホウ素１モルに対してアンモニア３モルのみを０．５
Ｔｏｒｒ、温度１８５０℃で反応させて試験基材の全面
に厚さ１００μｍのＰＢＮの絶縁被膜層を形成した。こ
の絶縁被膜層の電気抵抗率は４．５×１０¹⁵Ω−ｃｍで
あった。

【００２８】これら２つの静電チャックについて、印加
電圧に対する静電吸着力を測定した結果が図６に示され
る。静電吸着力の測定は、図４に示されるように、テス
ト用静電チャック１０の上に直径８インチのシリコンウ
エハ４をセットし、チャック電極２、２にＤＣ５００〜
２０００Ｖの電圧を印加してシリコンウエハ４を吸着さ
せた後、それぞれの印加電圧においてバネ秤１６でシリ
コンウエハ４を引き上げ、シリコンウエハ４が静電チャ
ック１０から離脱するときのバネ秤１６の表示値を読み
取り、吸着面積１ｃｍ²当たりの吸着力に換算した。

【００２９】図６に示される結果から、カーボンが添加
されたＰＢＮ被膜層１４を有する本発明実施例の静電チ
ャックによれば、ジョンソンラーベック効果により、カ
ーボン添加のないＰＢＮ絶縁被膜層を有する比較例に比
べて静電吸着力が大幅に向上されることが実証された。

【００３０】また、上記のようにして製造された本発明
実施例の静電チャックについて、４００℃までの各温度
における静電吸着力の変化を測定したところ、図７に示
されるように、３００℃以上の高温域においても安定し
た静電吸着力が得られることが実証された。これは、図
５に関連して既述したように、本発明のカーボン添加Ｐ
ＢＮよりなる被膜層１４にはキューリーポイントが存在
しないためであると理解される。

【００３１】

【発明の効果】本発明によれば、カーボン添加によりＰ
ＢＮに好適な電気抵抗率を持たせたものを被膜層として
用いたセラミックス静電チャックが提供される。

【００３２】本発明のセラミックス静電チャックは、高
温域に至るまで安定して強力な静電吸着力を発揮する。
また、チャック電極への電圧印加をＯＦＦにした後に被
膜層に残留する電荷量が少ないため、所定のプロセス終
了後短時間に被吸着物を離脱させることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】単極型静電チャックの構造を示す概略断面図で
ある。

【図２】双極型静電チャックの構造を示す概略断面図で
ある。

【図３】本発明実施例および比較例として用いた双極型
静電チャックの構造を示す概略断面図である。

【図４】本発明実施例および比較例として用いた双極型
静電チャックの静電吸着力測定方法を示す説明図であ
る。

【図５】本発明実施例による微量カーボン添加ＰＢＮ被
膜層の誘電率と温度との相関図である。

【図６】本発明実施例による静電チャックの印加電圧に
対する静電吸着力を比較例と比較して示す相関図であ
る。

【図７】本発明実施例による静電チャックの静電吸着力
と温度との相関図である。

【符号の説明】

１ 絶縁体 ２ 導体電極 ３ 絶縁被膜 ４ 被吸着物（シリコンウエハ） ５ 電源 １０ 静電チャック １１ 円板型カーボン基材 １２ チャック電極 １３ ＰＢＮ絶縁層 １４ カーボン添加ＰＢＮ被膜層 １５ 反り防止用ＰＧ層（加熱用ヒータを兼ねる） １６ バネ秤

フロントページの続き (72)発明者 服部 雅毅 東京都渋谷区千駄ケ谷５丁目23番13号 アドバンス・セラミックス・インターナ ショナル コーポレーション内 (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/68 B23Q 3/15

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】黒鉛基材を被覆する絶縁体の上に導体電極
   を配置し、導体電極の表面を被膜層で覆い、被膜層の上
   に被吸着物を配置して、導体電極と被吸着物または一対
   の導体電極の間に電圧を印加することにより被吸着物を
   被膜層に吸着させる静電チャックにおいて、上記被膜層
   が、電気抵抗率が１０⁸〜１０¹³Ω−ｃｍであって微量
   のカーボンが添加されてなる熱分解窒化ホウ素被膜層よ
   りなることを特徴とするセラミックス静電チャック。
2. 【請求項２】上記絶縁体が、黒鉛基材の表面に熱分解窒
   化ホウ素被膜による絶縁層が形成されてなることを特徴
   とする請求項１のセラミックス静電チャック。
3. 【請求項３】上記絶縁体における絶縁層、上記導体電極
   および上記被膜層がいずれも表裏面の面積および厚みを
   略均等にして設けられてなることを特徴とする請求項２
   のセラミックス静電チャック。
4. 【請求項４】上記被膜層が、化学的気相成長法により熱
   分解窒化ホウ素被膜層を生成させる際に、同一反応室内
   に炭化水素ガスを導入して熱分解黒鉛の生成を同時に進
   行させ、熱分解窒化ホウ素の結晶内に微量のカーボンを
   含有せしめることにより製造されるものであることを特
   徴とする請求項１ないし３のいずれかのセラミックス静
   電チャック。