(57)【要約】【課題】誘電層に無機材料を用い、無機材料の利点である耐熱性や耐食性、表面平坦性等の特性を損なうことなく、かつ、ポリイミド等の有機材料を誘電層に用いた静電チャックと同等程度の吸着力を発生することができる静電チャックを提供する。【解決手段】導電性を有するシリコン基板１からなる基材上に誘電層３を備えた静電チャックにおいて、前記誘電層３を、シリコン基板１上にバッファ層２を介して、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのうちのいずれかからなる絶縁破壊電界強度が１ＭＶ／ｃｍ以上の単結晶薄膜により形成し、前記バッファ層２を、前記シリコン基板１上に形成された第１の窒化物半導体単結晶層と、前記第１の窒化物半導体単結晶層と異なる材料または組成からなる第２の窒化物半導体単結晶層とがこの順に交互に積層された多重積層構造で構成する。【選択図】図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
導電性を有するシリコン基板からなる基材上に誘電層を備えた静電チャックであって、
前記誘電層は、前記シリコン基板上にバッファ層を介して形成され、絶縁破壊電界強度が１ＭＶ／ｃｍ以上の単結晶薄膜であり、
前記バッファ層は、前記シリコン基板上に形成された第１の窒化物半導体単結晶層と、前記第１の窒化物半導体単結晶層と異なる材料または組成からなる第２の窒化物半導体単結晶層とが、この順に交互に積層された多重積層構造で構成されていることを特徴とする静電チャック。
【請求項２】
前記バッファ層として、前記シリコン基板と前記多重積層構造との間に、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層がさらに設けられていることを特徴とする請求項１記載の静電チャック。
【請求項３】
前記単結晶薄膜が、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのうちのいずれかからな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。
【請求項４】
前記第１の窒化物半導体単結晶層および前記第２の窒化物半導体単結晶層は、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのうちのいずれかからなることを特徴とする請求項３記載の静電チャック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体・液晶製造装置等において、基板等の保持、固定、搬送等に用いられる静電チャックに関する。
【背景技術】
【０００２】
従来から、半導体・液晶製造装置等においては、半導体基板やガラス基板等を吸着して保持するための静電チャックが使用されている。この静電チャックは、真空中でも使用することができ、ドライエッチング装置内での基板保持、反りの矯正、また、真空中での基板の搬送等にも広く用いられている。
【０００３】
静電チャックは、一般に、図４に示すように、給電端子１５に接続された吸着力発生用電極７と、前記電極７の上面に形成され、被吸着物を載置する誘電層１３と、前記電極７の背面の支持部６との３つの部品から構成されている。
これらの３つの部品を一体化させる方法は、誘電層の材質によって様々である。誘電層の材質は、Ａｌ2Ｏ3、ＡｌＮ、ＳｉＣ等のセラミックス（多結晶）、または、ポリイミド等の樹脂が一般的である。
【０００４】
例えば、特許文献１には、ポリイミド系樹脂のフィルムおよび接着剤を用いて誘電層を構成し、一体化させる方法が記載されている。
また、特許文献２には、高温環境で利用可能とするために、誘電層、電極および基体を、ホットプレスにて焼結、接合して、一体化させた無機材料のみで構成された静電チャックが記載されている。
さらに、特許文献３には、電極を配置した基材上に、エアロゾルデポジション法等によって、アルミナ微粒子等からなる誘電層を形成した静電チャックが記載されている。
【０００５】
このような各種構成からなる静電チャックのうち、耐熱性や耐食性、表面平坦性等が求められる用途においては、上記特許文献２，３に記載されているようなセラミックス製の静電チャックが好適に用いられている。
【０００６】
【特許文献１】特開平５−３４７３５２号公報
【特許文献２】特開２００６−２６９８２６号公報
【特許文献３】特開２００５−２２３１８５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００７】
ところで、上記のような誘電層を備えたクーロン力型の静電チャックにおいては、その吸着力は、該静電チャック内の電極に電圧を印加した際に生じる分極電荷間のクーロン力によって発生し、吸着力の大きさＦは、ε（Ｖ／ｄ）2に比例する（Ｖ：印加電圧、ε：誘電層の誘電率、ｄ：誘電層厚）。
被吸着物の反りの矯正や、重量物の搬送等の観点からは、静電チャックの吸着力は、できる限り強いことが好ましい。より強い吸着力を発生させるためには、ε（Ｖ／ｄ）2の値が大きい誘電層材料が求められる。
【０００８】
（Ｖ／ｄ）2の値は、印加電圧Ｖを高くするか、あるいはまた、誘電層厚ｄを薄くすることにより大きくなるが、（Ｖ／ｄ）2の最大値は、その材料の絶縁破壊電界強度Ｅｃで与えられる。このため、強い吸着力を発生させるには、誘電率εおよび絶縁破壊電界強度Ｅｃが大きい材料を誘電層として用いる必要がある。
【０００９】
静電チャックの誘電層材料として用いられている代表的な材料の諸物性を表１に示す。
【００１０】
【表１】
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【００１１】
表１に示したように、アルミナセラミックス、ＡｌＮセラミックス等の無機材料は、ポリイミド樹脂に比べると、Ｅｃが低く、εＥｃ2の値も小さい。すなわち、これらの無機材料は、ポリイミド樹脂等の有機材料に比べて、耐熱性や耐食性、表面平坦性等の点では優れた特性を示すものの、静電チャックの誘電層として用いた場合、吸着力の点では、ポリイミド樹脂に劣る。
【００１２】
また、製造方法に関しても、上記特許文献２に記載されているような無機材料を高温・高圧下で一体化させるタイプの静電チャックは、特許文献１に記載されているような有機系の材料や接着剤を用いて、接合、一体化させるタイプに比べて、ホットプレス等の専用の製造装置が必要であり、工程が煩雑となる。
これに比べて、上記特許文献３に記載されたような静電チャックは、製造工程を簡略することができるが、誘電層がセラミックス粒子からなる薄膜であるため、Ｅｃは、従来のセラミックス系のものと基本的に変わらず、吸着力を根本的に向上させることは困難である。
【００１３】
本発明は、上記技術的課題を解決するためになされたものであり、誘電層に無機材料を用い、無機材料の利点である耐熱性や耐食性、表面平坦性等の特性を損なうことなく、かつ、ポリイミド等の有機材料を誘電層に用いた静電チャックと同等程度の吸着力を発生することができる静電チャックを提供することを目的とするものである。
【課題を解決するための手段】
【００１４】
本発明に係る静電チャックは、導電性を有するシリコン基板からなる基材上に誘電層を備えた静電チャックであって、前記誘電層は、前記シリコン基板上にバッファ層を介して形成され、絶縁破壊電界強度が１ＭＶ／ｃｍ以上の単結晶薄膜であり、前記バッファ層は、前記シリコン基板上に形成された第１の窒化物半導体単結晶層と、前記第１の窒化物半導体単結晶層と異なる材料または組成からなる第２の窒化物半導体単結晶層とが、この順に交互に積層された多重積層構造で構成されていることを特徴とする。
無機材料からなる誘電層材料として、上記のような単結晶薄膜を用いることにより、耐熱性や耐食性、表面平坦性等に優れ、かつ、ポリイミド等の有機材料からなる誘電層を備えた静電チャックと同等程度の吸着力を得ることができる。
また、バッファ層を多重積層構造で構成しているため、誘電層の割れや欠けを防止することができ、誘電層を厚く形成することができる。
【００１５】
前記バッファ層として、前記シリコン基板と前記多重積層構造との間に、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層がさらに設けられていることが好ましい。
このような構成とすることにより、誘電層の割れや欠けをより防止することができ、誘電層を厚く形成することができる。
【００１６】
前記静電チャックにおいては、前記単結晶薄膜が、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのうちのいずれかからなることが好ましい。
これらの材料は、絶縁破壊電界強度が高く、誘電層材料として好適に用いることができる。
【００１７】
また、前記第１の窒化物半導体単結晶層及び前記第２の窒化物半導体単結晶層は、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのうちのいずれかからなることが好ましい。
これらの材料は、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのうちのいずれかからなる誘電層とシリコン基板のシリコンとの格子定数や熱膨張係数の違いを緩和することができるため、誘電層の割れや欠けを防止することができ、誘電層を厚く形成することができる。
【発明の効果】
【００１８】
本発明に係る静電チャックによれば、誘電層材料として、無機材料の単結晶薄膜を用いることにより、耐熱性や耐食性、表面平坦性等に優れた無機材料の特性を備え、かつ、誘電層にポリイミド等の有機材料を用いた静電チャックと同等程度の吸着力を得ることができる。
また、本発明に係る静電チャックは、製造工程において、ホットプレス、表面平坦化処理等が不要であり、従来よりも容易に、吸着面の平滑性や剛性等の特性に優れた静電チャックとすることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１９】
以下、本発明について、より詳細に説明する。
図１に、本発明に係る静電チャックの概略構成を示す。図１に示した静電チャックは、導電性を有するシリコン基板からなる基材１上に、バッファ層２を介して、単結晶薄膜からなる誘電層３が形成されている。また、前記基材１の背面には冷却ベース４が設けられ、前記基材１は、背面で給電端子５に接続されている。
すなわち、本発明に係る静電チャックは、単結晶薄膜を誘電層材料として用いることに特徴を有するものである。
【００２０】
前記誘電層となる単結晶薄膜は、絶縁破壊電界強度Ｅｃが１ＭＶ／ｃｍ以上であることが好ましく、具体的には、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等が好ましい。
このような化合物半導体にも用いられる材料である窒化物の単結晶薄膜により誘電層を形成することにより、ポリイミド等の有機材料からなる誘電層を備えた静電チャックと同等程度の吸着力を得ることができる。
【００２１】
前記絶縁破壊電界強度Ｅｃが１ＭＶ／ｃｍ未満である場合、従来のセラミックス系の誘電層を備えた静電チャックと同様であり、十分な吸着力が得られない。
吸着力に関しては、例えば、Ｅｃ＝２．０ＭＶ／ｃｍ、ε＝９．５のＧａＮ単結晶により誘電層を形成した場合、εＥｃ2＝３８．０であり、表１と比較して分かるように、従来のセラミックス製静電チャックの吸着力を大きく上回り、ポリイミドを誘電層に用いた静電チャックと同等程度の吸着力を得ることが可能となる。
【００２２】
前記単結晶薄膜は、高品質かつ高平坦度の膜が得られるＣＶＤ等のエピタキシャル成長法（気相成長法）により形成する。
前記単結晶薄膜を形成する際に、ＣＶＤ等のエピタキシャル成長の条件を制御することにより、成膜後、特に、研削や研磨加工等の平坦度向上のための処理を施すことなく、シリコン基板の平坦度に準じた表面平坦度を得ることができる。
したがって、誘電層として、このような方法により形成した単結晶薄膜を適用することは、表面平坦性の観点からも好ましい。
【００２３】
上記のような単結晶薄膜のエピタキシャル成長には、単結晶基板が必要となるが、基板には、結晶性が高く、かつ、高平坦で、高品質であり、大口径品が容易に得られるシリコン基板を用いることが好ましい。
本発明においては、ｎ型またはｐ型の導電性シリコン基板を用い、この上に、バッファ層を形成した後、厚さ数μｍ〜数十μｍのＧａＮ、ＡｌＧａＮ、ＡｌＮ等からなる単結晶薄膜を形成する。
これにより、特別な接合等の工程を要することなく、電極および支持部の役割を兼ねるシリコン基板上に、単結晶薄膜からなる誘電層を形成することができ、誘電層、電極および支持部の静電チャックの基本構造を容易に得ることができる。
【００２４】
また、基材であるシリコン基板の厚さは、吸着面の面積、必要な吸着力等に応じて、面精度を維持するのに必要な強度が得られるように適宜定められるが、前記シリコン基板は、電極兼支持部として機能するものであることから、静電チャックにある程度の剛性を付与するために、厚さは数ｍｍオーダーであることが好ましい。
なお、静電チャックに、より高い剛性や被吸着物の温度制御等の性能が求められる場合には、単結晶薄膜を形成したシリコン基板を、温度制御可能な支持体にハンダ付け、ロウ付け等により接合してもよい。
【００２５】
前記シリコン基板上には、前記単結晶薄膜を形成する前に、バッファ層を形成しておく。
シリコン基板上に直接、前記単結晶薄膜を形成すると、前記単結晶薄膜とシリコン基板との熱膨張係数の相違により、単結晶薄膜に割れが生じ、また、シリコンと前記単結晶材料との結晶格子定数の差に起因して、多数の結晶欠陥が生じるため、厚さ１μｍ以上の単結晶膜を形成することは困難である。
したがって、前記単結晶薄膜とシリコン基板との熱膨張係数差および結晶格子不整合を緩和するために、両者間にはバッファ層を介在させることが好ましい。
【００２６】
図２に、前記バッファ層２の具体的な構成を示す。バッファ層２は、シリコン基板からなる基材１上に形成された第１の窒化物半導体単結晶層２ａ１と、前記第１の窒化物半導体単結晶層２ａ１と異なる材料または組成を有する第２の窒化物半導体単結晶層２ａ２とがこの順に交互に積層された多重積層構造２ａで構成されていることが好ましい。
【００２７】
なお、ここでいう「異なる材料」とは、例えば、ＡｌＮ、ＧａＮ、ＡｌＧａＮ等の材料として異なる場合を意味し、また、「異なる組成」とは、例えば、Ａｌ0.3Ｇａ0.7ＮとＡｌ0.2Ｇａ0.8Ｎ等、材料としては同じであるが、組成のみが異なる場合を意味する。
前記第１および第２の窒化物半導体単結晶層を同じ材料または組成で構成した場合は、前記バッファ層としての機能を有しないため、好ましくない。
【００２８】
また、前記多重積層構造２ａは、その最上層が、図２に示すように、第２の窒化物半導体単結晶層２ａ２であっても、あるいはまた、第１の窒化物半導体単結晶層２ａ１であってもよい。
このように、バッファ層が多重積層構造で構成されているため、誘電層の割れや欠けを防止することができ、誘電層を厚く形成することができる。
【００２９】
前記多重積層構造２ａにおいて、第１の窒化物半導体単結晶層２ａ１および第２の窒化物半導体単結晶層２ａ２をそれぞれ１層とした場合の積層数は、特に限定されないが、５０層以上であることが好ましい。
このような構成とすることにより、誘電層の割れや欠けを確実に防止することができ、誘電層を厚く形成することができる。
【００３０】
前記第１および第２の窒化物半導体単結晶層は、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのうちのいずれかからなることが好ましい。
これらの材料は、ＡｌＮ、ＧａＮおよびＡｌＧａＮのうちのいずれかからなる誘電層とシリコン基板のシリコンとの格子定数や熱膨張係数の違いを緩和することができるため、誘電層の割れや欠けを防止することができ、誘電層を厚く形成することができる。
【００３１】
また、図３に、前記バッファ層２の他の態様の構成を示す。前記バッファ層３は、図３に示すように、前記シリコン基板からなる基材１と前記多重積層構造２ａとの間に、３Ｃ−ＳｉＣ単結晶層２ｂがさらに設けられていることが好ましい。
このような構成とすることにより、誘電層の割れや欠けをより防止することができ、誘電層を厚く形成することができる。
なお、前記バッファ層２の形成は、窒化物半導体単結晶基板を製造する際と同様の方法を適用することができ、例えば、シリコン基板を炭化させたＳｉＣ層や、ＳｉＣやＢＰ等のＣＶＤ法等のエピタキシャル成長により形成することができる。
【実施例】
【００３２】
以下、本発明を実施例に基づきさらに具体的に説明するが、本発明は下記実施例により制限されるものではない。
［実施例１］
直径１２インチ、厚さ３ｍｍ、抵抗率０．０２Ω・ｃｍのＳｉ（１１１）ミラー基板をＭＯＣＶＤ成膜装置にセットし、所定の熱クリーニングした後、この基板上にバッファ層としてＡｌＮ層およびＧａＮ層を、図２に示すように、この順に交互に合計１００層（ＡｌＮ層厚さ：５ｎｍ、ＧａＮ層厚さ２０ｎｍ）堆積させ、その上にＧａＮ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させ、厚さ１０μｍの誘電層を形成した。
【００３３】
この誘電層が形成された基板の厚さ方向の耐圧は２ｋＶであった。その他の電気特性評価の結果と照合して、ＧａＮ単結晶薄膜の絶縁破壊電界強度を計算した結果、２ＭＶ／ｃｍであった。
この誘電層が形成された基板を高熱伝導セラミックス製の水冷ブロックにロウ付けし、基板裏面を直流高圧電源に接続し、単極型の単結晶薄膜静電チャックを作製した。
【００３４】
［実施例２］
直径１２インチ、厚さ３ｍｍ、抵抗率０．０２Ω・ｃｍのＳｉ（１１１）ミラー基板をＭＯＣＶＤ成膜装置にセットし、所定の熱クリーニングした後、図３に示すように、この基板上にバッファ層として炭化ＳｉＣ層および３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル層を合計厚さ０．５μｍ堆積させ、さらに、その上に、ＡｌＮ層およびＧａＮ層を、この順に交互に合計１００層（ＡｌＮ層厚さ：５ｎｍ、ＧａＮ層厚さ２０ｎｍ）堆積させ、その上にＧａＮ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させ、厚さ１０μｍの誘電層を形成した。
【００３５】
この誘電層が形成された基板の厚さ方向の耐圧は２ｋＶであった。その他の電気特性評価の結果と照合して、ＧａＮ単結晶薄膜の絶縁破壊電界強度を計算した結果、２ＭＶ／ｃｍであった。
この誘電層が形成された基板を高熱伝導セラミックス製の水冷ブロックにロウ付けし、基板裏面を直流高圧電源に接続し、単極型の単結晶薄膜静電チャックを作製した。
【００３６】
［比較例１］
直径１２インチ、厚さ３ｍｍ、抵抗率０．０２Ω・ｃｍのＳｉ（１１１）ミラー基板をＭＯＣＶＤ成膜装置にセットし、所定の熱クリーニングした後、この基板全体にバッファ層として炭化ＳｉＣ層および３Ｃ−ＳｉＣエピタキシャル層を厚さ０．５μｍ堆積させ、その上にＧａＮ単結晶薄膜をエピタキシャル成長させ、厚さ１０μｍの誘電層を形成した。
【００３７】
この誘電層が形成された基板の厚さ方向の耐圧は２ｋＶであった。その他の電気特性評価の結果と照合して、ＧａＮ単結晶薄膜の絶縁破壊電界強度を計算した結果、２ＭＶ／ｃｍであった。
この誘電層が形成された基板を高熱伝導セラミックス製の水冷ブロックにロウ付けし、基板裏面を直流高圧電源に接続し、単極型の単結晶薄膜静電チャックを作製した。
【００３８】
［比較例２］
実施例１と同様のＳｉ（１１１）ミラー基板上に、バッファ層を形成せず、エアロゾルデポジション法により、アルミナセラミックス薄膜を厚さ１０μｍ堆積させて誘電層を形成した。
この誘電層が形成された基板を高熱伝導アルミナセラミックス製の水冷ブロックにロウ付けし、基板裏面を直流電圧電源に接続して、単極型のセラミックス静電チャックを作製した。
【００３９】
［比較例３］
実施例１と同様のＳｉ（１１１）ミラー基板上に、バッファ層を形成せず、厚さ１０μｍのポリイミド薄膜をポリイミド系接着剤で貼り付け、誘電層を形成した。
この誘電層が形成された基板を高熱伝導アルミナセラミックス製の水冷ブロックにロウ付けし、基板裏面を直流電圧電源に接続して、単極型のポリイミド静電チャックを作製した。
【００４０】
［比較例４］
直径１２インチのモリブデンメッシュを窒化アルミニウムセラミックスの原料粉中に埋設した状態でプレス成型し、直径１３インチ、厚さ１０ｍｍのセラミックス成型体を得た。この成型体を、ホットプレス炉にて、１８００℃、０．１ｔ／ｃｍ2で焼結させた。
得られた焼結体を、基板の積載面（表面）とモリブデンメッシュ（電極）の間隔、すなわち、誘電層厚が１００μｍになるように調整し、形状加工した。また、裏面の一部をモリブデンメッシュが露出するまで穿孔して、電源接続用端子を設けた。
この端子を設けた焼結体を、高熱伝導アルミナセラミックス製の水冷ブロックにロウ付けし、前記端子を直流電圧電源に接続して、単極型のセラミックス静電チャックを作製した。
【００４１】
上記実施例および比較例において得られた各静電チャックを、８インチウェーハ用プラズマエッチング装置に装着し、シリコンウェーハを被吸着物として、プラズマおよび高圧を印加して、吸着力の評価を行った。
５００Ｖの電圧を印加して、ウェーハを吸着させ、リフトピンによりウェーハを剥離する際のリフトピンの負荷から、静電チャックの吸着力を計算した。
これらの評価結果を表２にまとめて示す。
【００４２】
【表２】
2010073722.tif 000004
【００４３】
表２に示したように、単結晶薄膜からなる誘電層及びバッファ層を備えた静電チャック（実施例１、２）は、誘電層がポリイミドからなる静電チャック（比較例３）と同等程度の吸着力が得られることが認められた。
【図面の簡単な説明】
【００４４】
【図１】本発明に係る静電チャックの構成を示す概略断面図である。
【図２】本発明に係る静電チャックのバッファ層２の構成を拡大して示した断面図である。
【図３】本発明に係る静電チャックのバッファ層２の他の形態の構成を拡大して示した断面図である。
【図４】従来の静電チャックの構成を示す概略断面図である。
【符号の説明】
【００４５】
１        シリコン基板（基材）
２        バッファ層
３，１３  誘電層
４        冷却ベース
５，１５  給電端子
６        支持部
７        電極
【図１】
2010073722.tif 000005
【図２】
2010073722.tif 000006
【図３】
2010073722.tif 000007
【図４】
2010073722.tif 000008