(57)【要約】【課題】静電チャックからの漏れ電流を均一に被吸着物に分散し、プロセスに用いる荷電粒子の軌道を乱さない、均一な電荷分布を与え、そして十分な吸着力とパーティクル発生あるいはその蓄積の起こらない静電チャックを提供することを課題とする【解決手段】均一な体積抵抗率と、平坦な厚さを有す半導電樹脂を静電チャックの吸着面の全面に用い、この半導電樹脂層内の吸着電極から励起される分極電荷分布を被吸着物に対して均一とし、構造的な凸凹をなくす。また同時に、この半導電樹脂層体積抵抗率を、被吸着物への漏れ電流が流れすぎず、かつ適度の吸着力が得られる値に設定する。【選択図】    図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
誘電体層の片面を保持面とし、前記誘電体層の反対面側に少なくとも二つ以上の電極を有し、前記電極間に直流電圧を印加することにより、前記保持面上に静電引力を発生させて被吸着物を保持する静電チャックにおいて、前記誘電体層を体積抵抗率が１０９〜１０１１Ω・ｃｍの合成樹脂とすることを特徴とする静電チャック。
【請求項２】
前記誘電体層は、ポリイミド系、シリコーン系あるいはフッ素系樹脂に導電性を付与するための導電性フィラーが添加された合成樹脂材料よりなる請求項１記載の静電チャック。
【請求項３】
前記導電性フィラーは、カーボン繊維、カーボン微粒子、カーボンナノチューブから選択された材料で、母材である合成樹脂に対する混合割合が０．３〜１０重量％であることを特徴とする請求項１の静電チャック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体素子製造プロセスで用いられているエッチング処理、化学気相蒸着（ＣＶＤ）による薄膜形成などのプラズマ処理装置、電子露光装置、イオン描写装置、イオン注入装置、また液晶パネル製造に使用されるイオンドーピング装置などに具備されている半導体ウエハの静電吸着機構、いわゆる静電チャックの技術に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体製造装置では被処理物である半導体ウエハをその装置内で位置決め、そして支持面への確固な保持を確保する必要がある。また、同時にこの行為は被処理半導体ウエハになんら損傷を与えるものであってはならない。一世代前には半導体ウエハの表面をなんらかの機構により、爪などで支持面へ抑えるクランプ方式が一般的であった。現在は処理基準が厳しく制限され、被処理半導体ウエハへの汚染量を管理する必要がある。これは、クランプ自身の材質、多くの場合はアルミニウム合金材が処理プラズマ中にさらされることにより遊離、あるいはイオン注入ではそのイオン照射によりクランプ母材からスパッタされ浮遊し、被処理半導体ウエハに降りかかることにより、半導体素子の特性、歩留まりに著しく影響を与えるからである。
【０００３】
そこで考案されたのが前述のような機械的でない、電気的な静電吸着力を利用した被処理ウエハの支持面への保持方法である。この方法では支持面下、いわゆる吸着面下、に組み込まれた電極に高電位を与え、この面を構成する誘電体に分布した静電気と、被処理ウエハに分極帯電した電荷による静電気のクーロン力あるいはジョンソン・ラーベック力によって、被処理ウエハを吸着させる方法である。従い、被処理ウエハの表面上には前述のクランプは存在しない。特許出願の傾向から判断すると、日本国ではこの関連の技術進歩はおよそ１９８０年代の後半から始まっていると考えられ、現在半導体製造装置では不可欠なものに成長している。
【０００４】
静電チャックは静電気力により吸着力を発生するものであるため、電極を必ず有す。この電極構成としては、単極型と双極型があるが、半導体製造装置内における静電チャックの使用環境やプラズマの有無によって使い分けられている。単極型はプラズマ環境下のみ吸着可能であるため、プラズマプロセスであるエッチング、ＣＶＤ、ＰＶＤ、アッシング工程の装置で用いられており、また、双極型は吸着動作させるのにプラズマの有無を問わないため、上記工程のほか、イオン注入や荷電粒子や光の露光工程においても多く使用されている。
【０００５】
静電チャックの吸着面を構成する材質には、アルミナ、炭化ケイ素、窒化アルミニウムなどの焼結セラミック、あるいはアルミナやアルミナに酸化チタンを混ぜたセラミックコーティングなどの無機材料から、ポリイミド樹脂、フッ素樹脂などの有機材料まで様々な材質が使われている。そして、この吸着面を構成する材料は、静電チャックにおける誘電体としても作用するため、その抵抗値や誘電率などの電気特性が静電チャックの性能に大きく影響する。
【０００６】
ところで、近年では、特に半導体素子形成のデザインルールが微細化し、シリコンウエハやガラス基板上に飛来するパーティクルに対して非常に厳密な制御が要求されてきている。ウエハやガラス基板上面に付着したパーティクルは、半導体集積回路の配線を短絡させたり、素子を破壊したりするので、当然、排除されるべきものである。一方、ウエハやガラス基板の裏面に付着したパーティクルは、露光工程においてウエハやガラス基板の平面度を狂わせて露光不良の原因となる。
【０００７】
前述の吸着面を形成する材料が焼結セラミックやセラミックコーティングなどの無機系材料である場合は、セラミック材料そのものからの脱粒を阻止することはきわめて困難であり、また、ウエハやガラス基板の裏面がセラミックと擦れてパーティクルを発生させる要因となるなど、その発生低減は困難である。
【０００８】
また、樹脂系材料によって吸着面を形成する場合は、樹脂そのものからの発塵や、ウエハやガラス基板との摩擦によって生じる発塵はきわめて少ないが、電極構造によっては、大きな吸着力を得にくいという欠点がある。すなわち、一般的な樹脂材料の体積抵抗率は１０１４Ω・ｃｍ以上と非常に大きく、その吸着力はクーロン力が支配的になるため、静電チャックの吸着力は比較的小さい。また、双極型の電極構造は単極型に比べて吸着力が小さく、印加電圧を一定とすると通常単極型の半分程度となることが知られている。誘電体が樹脂系材料の場合、双極型電極では、十分な吸着力が発現しにくい。
【０００９】
特開昭６３−１９４３４５号では、発塵性の少ないとされる高分子フィルムの上に導電性ゴムにより部分的に被吸着物と接触させることにより、残留電荷による被吸着物の剥離性を向上させることが開示されている。また特開２０００−１６４６８４号では、ウエハ裏面のパーティクル付着低減と吸着力確保のため導電性ポリマー樹脂からなるスタンドオフ型パッドと呼ばれる、吸着面が被吸着物と部分的に接触することを特徴とする、静電チャックが例示されている。これら開示例の目的は異なるが、静電チャック表面からウエハ裏面へのパーティクル転移が生じにくい静電チャックを実現するため、ジョンソン・ラーベック効果を有効に利用する手段と考えられが、その部分的接触を具備することによる、被吸着物への弊害、あるいはプロセス処理中の問題、そして近年の更なるパーティクル発生低減の要求への不備が懸念され始めている。以下この問題について説明する。
【００１０】
被吸着物、すなわち集積回路などが形成される半導体ウエハあるいはガラスなどの基盤への弊害としては、静電チャックからの漏れ電流によるものが主である。静電チャックは高電圧電源の出力につながれた電極をその内部に有するため、微少ながら前記基盤に漏れ電流と称しているものが流れる。例えば、単極型の場合は、前記基盤を経由してプラズマ、そして大地に微少ながら漏れ電流が流れ、双極型の場合は、基盤中を一方の電極から、他方の電極へ流れる。この電流は、数十μＡ程度になることもあり、最新の半導体素子、特にキャパシタなどに高誘電体を用いたものに対して、予期せぬ電荷蓄積を起こさせ、素子の破壊が起こることがある。製造装置でのプロセス処理中の問題としては、プロセスに使う荷電粒子の運動エネルギが小さい場合にその問題が表面化する。例えば粒子質量の小さい電子のビーム、あるいは数十エレクトロンボルトの超低エネルギのイオンビームなどは、ごく小さい電気力線によりその軌道が乱れるが、このことによりプロセスの均一性に乱れが生じる。前記実施例のように基盤下の電荷分布がその面内において均一でなく、ある点に局在している場合、そこから発生する電気力線も局在しているため、プロセスに用いる荷電粒子の軌跡は、他の部分と差異が生じる。特にリソグラフィー装置では、この問題は致命的である。パーティクル発生に関しての従来技術の問題は、静電チャックの吸着面はパッドなどで部分的に接触させるため、凸凹している。静電チャックへ装着されるウエハの裏面にはパーティクルが付着しているため、たとえ静電チャックの発塵性がない場合でも、このようなパーティクルが蓄積され易い構造である。蓄積されたパーティクルは、ウエハの装填、離脱、あるいは装置からの輸送時などの気圧変化により、ウエハ上に離散、あるいはその裏面に付着するため、その素子の歩留まりに不測の悪影響を与える。
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
そこで、本発明では前述のように静電チャックからの漏れ電流を均一に被吸着物に分散し、プロセスに用いる荷電粒子の軌道を乱さない、均一な電荷分布を与え、そして十分な吸着力とパーティクル発生あるいはその蓄積の起こらない静電チャックを提供することを課題とする
【００１２】
【課題を解決するための手段】
均一な体積抵抗率と、平坦な厚さを有す半導電樹脂を静電チャックの吸着面の全面に用い、この半導電樹脂層内の吸着電極から励起される分極電荷分布を被吸着物に対して均一とし、構造的な凸凹をなくす。また同時に、この半導電樹脂層体積抵抗率を、被吸着物への漏れ電流が流れすぎず、かつ適度の吸着力が得られる値に設定する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
本発明の実施形態を図１により説明する。基本的に基盤３の上部に吸着電極４を形成し、その上の全面に半導電性樹脂層２を形成し、半導体ウエハあるいは他の材質からなる被吸着物６を設置し吸着電極４にその電源５から直流電圧を印加することにより、半導電静電チャック１に被吸着物６を吸着する。図１の実施形態は双極電極型のみを例示しているが、その他の電極形態、すなわち単極、三極、その他多極型についても同様に実施可能である。
【００１４】
基盤３は絶縁材質で形成する。吸着電極４に印加する電圧は数百〜数ｋＶと高いので、この基盤３内で電流が流れないよう十分抵抗率が高い、アルミナ、あるいは窒化アルミ、チタニアなどからなるセラミック系材質を用いる。またこの基盤はアルミニウムなどの金属材質からなる基盤の上に高耐圧の絶縁シートを貼り付けたもの、あるいはフィルムを気相成長方法などで形成したものも用いられる。基盤３には吸着電極形成後その面が基盤３と同一面になるよう、電極厚さ、通常数μｍ程度の座ぐり加工を施す。電極形成は様々な方法がある。接着剤で金属フィルム、あるいは金属板を貼り付ける方法。あるいは金属をペースト状にしたもの、例えばタングステン、チタン、銅、アルミニウムなど、を塗布し後に熱などで硬化させる方法。さらには、無電界めっき、スパッタやイオンプレーティングなどの成膜技術を使うことも有効な電極形成方法である。図１では双極性の吸着電極４を模式的に表しているため、そのパターンは図示していないが、二つの電極を櫛形に入れ子に配置する、あるいは同心円パターンを互いに交互に配置するなど、その形態は様々である。吸着電極４形成後に基盤３と吸着電極４が凸凹しないよう、研磨作業と表面仕上げが行われ、その平坦度を１０μｍ以下にすることが必要である。
【００１５】
この後、この上面の全面に半導電性樹脂層２を形成する。その方法は以下に記載する材質のシートなどを導電性接着剤などによる張り付け、あるいは高温高圧下での圧接手法などがとられる。半導電性樹脂層２の厚さは０．５〜５ｍｍが適当であり、貼り付け後の平坦度は、例えば８インチの吸着面において１０μｍ以下、好ましくは３μｍ以下である。この平坦度は、貼り付け工程のみで実現することが困難な場合は、貼り付け後の研磨加工によって平坦度を得ることも有効である。半導電性樹脂層２の主材質はポリイミド、テフロン、シリコーン、アラミド系の樹脂で、導電性をもたせるため、カーボンなどの導電性物質を混入させたものを用いる。その例としてはカーボン繊維、カーボン微粒子、カーボンナノチューブなどが揚げられる。特にポリイミドは、−２７０℃〜４００℃までの耐熱性を有し、高弾性、機械的強度も合わせ持ち、また放射線、薬品などに対する耐性があり、物理的、電気的、化学的耐性が強い樹脂材料であるので本発明においては非常に好ましい材料である。この半導電性樹脂層２の重要な電気的特性として体積抵抗率があるが、図２を参照して定性的に説明する。半導電性樹脂層２あるいは被吸着物６への漏れ電流は、単純にその体積抵抗率、すなわち電流の流れにくさに、反比例することは自明である。しかし、吸着力は図２で示すよう、体積抵抗率のある領域で最大になることを本発明者は実験により見出した。一般に静電チャックの吸着力は吸着電極４と被吸着物６の間のクーロン力と、半導電樹脂層２に誘電される電荷と被吸着物６の間のジョンソン・ラーベック力の合成であると考えられるが、半導電樹脂層２に誘電させ、その表面、いわゆる静電チャックの吸着面に滞留させる電荷の量をその体積抵抗率で最適化することが可能で、これにより最大の吸着力を得られるということである。これを前述の被吸着物６への漏れ電流と掛け合わせて考えると、図２で示すように、半導電樹脂層３の体積抵抗率の最適値は１０９〜１０１１Ω・ｃｍである。シリコン製半導体ウエハの同抵抗率は１０１４〜１０１６であるため、被吸着物６の材質の５桁程度低い値が、半導電樹脂層３の最適値であるという推測も成り立つ。また、シリコンの比誘電率は２．７〜３．５であり、ポリイミドの比誘電率は３．４であることから、被吸着物６と半導電樹脂層３の比誘電率も近いことが、誘電電荷の最適な分布に寄与している可能性もある。
【００１６】
【発明の効果】
図３に本発明上述の実施例の電荷分布、そして電気力線の分布を模式的に示す。電源５で出力される電位は吸着電極４に供給される。この電極に励起された電荷は、半導電樹脂層２に誘導電荷を発生させる。プラス（＋）電極に接する半導電樹脂層２にはマイナス（−）電荷が誘起する。半導電樹脂層２の被吸着物６と接触する部分では分極によりプラス（＋）電荷が誘起され、その被吸着部６ではマイナス（−）電荷が誘起される。同様にマイナス（−）電極には反対の電荷が誘起され、それぞれの電気力線は図３中の破線矢印で示すように分布する。ここで半導電樹脂層２を平坦となるよう吸着面の全面に施し、その体積抵抗率を最適化することで、半導電樹脂層２の吸着面側に分布する分極電荷は一様になり、結果、被吸着物６内部の電気力線も同様に均一に分布する。被吸着物６にプロセスで用いる荷電粒子が飛来するとき、これらの軌道は前述の電気力線が均一であるため、被吸着物６に方向の乱れなどが生じることなく一様に、入射することになる。吸着力は半導電樹脂層２の体積抵抗率を前述のように最適化したことにより十分な保持力が得られることが実証されている。吸着力が低いとされる双極型電極の場合でも、低い吸着電圧で従来構造の単極型に匹敵する吸着力が得られ、また同時に、漏れ電流による被吸着物に含まれる素子などの破壊がないことも確認されている。静電チャックの吸着面である半導電樹脂層２は樹脂で形成し全面に渡って平坦であるためパーティクル発生がしにくく、パーティクルの蓄積も原理的に起こらない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例を示す静電チャック構造模式図。
【図２】本発明静電チャックの吸着面誘電体樹脂材質の体積抵抗率に対する吸着力と漏れ電流のグラフ
【図３】本発明静電チャックの吸着電圧印加時の電荷配列、及びこれに伴う電気力線の分布説明図
【符号の説明】
１    半導電静電チャック
２    半導電樹脂層
３    基盤
４    吸着電極
５    電源
６    被吸着物
【図１】
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【図２】
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【図３】
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