(57)【要約】      （修正有）【課題】低熱膨張セラミックスを用いた場合であっても電極との熱膨張差に起因する欠陥が生じ難い静電チャックを提供する。【解決手段】電極３と、この電極３を被覆し、該電極３に電圧を印加することにより被吸着体１０を吸着する誘電性のセラミックス層２とを有する静電チャック１であって、セラミックス層２の２３±３℃の範囲での熱膨張係数が−０．５×１０−６〜０．５×１０−６／℃、体積抵抗率が１×１０９〜１×１０１４Ω・ｃｍであり、電極３がタングステンまたはモリブデンからなる金網またはパンチングメタルで構成されている。【選択図】      図１
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
電極と、この電極を被覆し、該電極に電圧を印加することにより被吸着体を吸着する誘電性のセラミックス層とを有する静電チャックであって、前記セラミックス層の２３±３℃の範囲での熱膨張係数が−０．５×１０−６〜０．５×１０−６／℃、体積抵抗率が１×１０９〜１×１０１４Ω・ｃｍであり、前記電極がタングステンまたはモリブデンからなる金網またはパンチングメタル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】
前記セラミックス層の厚さが０．５ｍｍ以上であり、かつ電極が金網の場合には線径が０．５ｍｍ以下であり、パンチングメタルの場合には厚さが０．５ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
【請求項３】
前記電極の開孔率が２５〜８０％であることを特徴とする請求項２に記載の静電チャック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造等において、室温付近で基板を処理する際に当該基板を吸着保持する静電チャックに関する。
【０００２】
【従来技術】
近年、半導体製造装置や計測機器等においては、微細な加工や計測が行われており、このような装置の部品には、金属と比較してパーティクルの発生が少なく、樹脂と比較して強度が高いセラミックが広く使用されるようになってきた。例えば、半導体製造装置部材としては、アルミナ、窒化アルミニウム、窒化珪素、炭化珪素などのセラミックスが多用されている。
【０００３】
このようなセラミックス製の半導体製造装置部材としては、例えば半導体基板であるシリコンウエハに対して成膜やエッチング等の処理を行うためにシリコンウエハを静電的に保持する静電チャックが挙げられる。
【０００４】
セラミックス製の静電チャックとしては、窒化アルミニウム、アルミナ、炭化珪素等のセラミックス成形体中に高融点金属のメッシュや箔を埋設し焼成するものや、セラミックスグリーンシートに高融点金属のペーストを印刷し、シートを積層・圧着した後に焼結するものが用いられている（例えば特許文献１、２）。
【０００５】
一方、近年、集積回路の集積度が向上するにつれて、形成されるパターンの寸法も小さくなり、高精度なパターン形成が求められるようになってきた。特に露光工程では、高精度なパターン形成が必須であり、基板を載置する静電チャックが温度変化で熱膨張または収縮すると、高精度なパターンの形成が難しくなり、歩留まりの低下を引き起こす。これら室温付近の工程は、処理室内が温度コントロールされているとはいえ、処理中に試料温度が上昇しその熱が静電チャックに伝わったり、静電チャックが稼動している場合にはその稼動部周辺の熱が静電チャックに伝わって、静電チャックが熱膨張もしくは熱収縮してしまうという問題がある。
【０００６】
そのため、従来から使用されている窒化アルミニウム、アルミナ、炭化珪素製静電チャックよりも熱膨張係数が小さいセラミックス製静電チャックが求められるようになってきており、具体的には室温付近で−０．５×１０−６〜０．５×１０−６／℃程度の熱膨張係数のものが求められている。
【０００７】
【特許文献１】
特開平７−２７３１６４号公報
【特許文献２】
特開平２−１６０４４４号公報
【０００８】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、静電チャックを構成しているセラミックスとしてこのように熱膨張係数の小さいものを使用すると、従来のセラミックス製静電チャックと同様の方法で電極を内層し焼成した場合には、セラミックスと電極との熱膨張差から割れが発生しやすいという問題がある。この割れを低減するために、内挿する電極として極力熱膨張係数の低いものを用い、焼成方法として、ホットプレスやＨＩＰ焼成といったセラミックス外部から加圧する方法を採用することが考えられるが、内挿する電極の形状によってはこのような対策をとっても割れの発生が解決しない場合がある。また、割れが発生することなく焼成が完了したとしても、加工時に焼成時の応力が開放されてしまい、特にセラミックス層が電極から剥離してしまうといった問題が発生する。
【０００９】
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、低熱膨張セラミックスを用いた場合であっても電極との熱膨張差に起因する欠陥が生じ難い静電チャックを提供することを目的とする。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために、本発明は、電極と、この電極を被覆し、該電極に電圧を印加することにより被吸着体を吸着する誘電性のセラミックス層とを有する静電チャックであって、前記セラミックス層の２３±３℃の範囲での熱膨張係数が−０．５×１０−６〜０．５×１０−６／℃、体積抵抗率が１×１０９〜１×１０１４Ω・ｃｍであり、前記電極がタングステンまたはモリブデンからなる金網またはパンチングメタルで構成されていることを特徴とする静電チャックを提供する。
【００１１】
本発明によれば、セラミックス層として熱膨張係数が２３±３℃の範囲で−０．５×１０−６〜０．５×１０−６／℃という室温付近で低熱膨張係数を示すものを用いた静電チャックにおいて、電極として、高融点でかつ金属の中では熱膨張係数の小さいタングステンまたはモリブデンを用い、かつ電極の形態を金網またはパンチングメタルとしたので、セラミックス層と電極との間の熱膨張差を極力少なくしつつ、セラミックス層と電極との密着性を良好とすることができ、静電チャックの割れやセラミックス層と電極との間の剥離の問題を生じ難くすることができる。
【００１２】
また、上記静電チャックにおいて、前記セラミックス層の厚さが０．５ｍｍ以上であり、かつ電極が金網の場合には線径が０．５ｍｍ以下であり、パンチングメタルの場合には厚さが０．５ｍｍ以下であることが好ましい。また、前記電極の開孔率が２５〜８０％であることが好ましい。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、添付図面を参照して、本発明の実施の形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係る静電チャックを示す断面図である。
静電チャック１は、アルミニウム等からなる基台５の上に固定されて設けられている。静電チャック１は、電極３と、その上を被覆するように設けられた誘電性を有するセラミックス層２と、電極３の下に設けられた絶縁性を有するセラミックス層４とを有している。すなわち、セラミックス層２、４の間に電極３が埋設された状態となっている。電極３には給電部材６が接続されており、図示しない直流電源から給電部材６を介して電極３に直流電圧が印加されるようになっている。このように電極３に直流電圧が印加されることにより、セラミックス層２の吸着面２ａに被吸着物１０、例えばシリコンウエハが吸着される。
【００１４】
セラミックス層２は、２３±３℃の範囲での熱膨張係数が−０．５×１０−６〜０．５×１０−６／℃、体積抵抗率が１×１０９〜１×１０１４Ω・ｃｍであるセラミックスからなる。
【００１５】
セラミックス層２の２３±３℃の範囲での熱膨張係数を−０．５×１０−６〜０．５×１０−６／℃としたのは、例えば、半導体露光装置への用途を考慮した場合、この範囲を外れると、わずかな温度変化が載置ステージに加わることにより試料載置ステージが変形を生じてしまい、露光精度が落ちるばかりか、被吸着体であるシリコンウエハとの摩擦が生じ、パーティクルを発生してしまうからである。
【００１６】
セラミックス層２の体積抵抗率を１×１０９〜１×１０１４Ω・ｃｍに調整するのは、この範囲であれば、セラミックス層２を現実的な厚さにしてジョンソンラーベック力により高い吸着力を得ることができるからである。クーロン力で吸着する場合には、セラミックス層２の厚さを０．１ｍｍ程度と非常に薄くしなければならず、加工が非常に困難なものとなる。これに対して、体積抵抗率が１×１０９〜１×１０１４Ω・ｃｍの範囲であれば、被吸着体であるシリコンウエハに大きなリーク電流が流れることによる回路の破壊が生じることなく電荷の移動が生じ、ジョンソンラーベック力が有効に作用するので、セラミックス層２の厚さが１ｍｍ程度以上でも十分な吸着力を得ることができる。もちろん、セラミックス層２の厚さをより薄くすれば、クーロン力も発現するようになり、より吸着力を大きくすることができる。
【００１７】
このような特性を満たすセラミックスとしては、ユークリプタイトやスポジューメンに代表されるリチウムアルミノシリケート、コーディエライト、リン酸ジルコニル、リン酸ジルコニウムカリウム等を挙げることができる。また、これら単独に限らず、上記特性を満たす限り、使用目的に応じて、他材料を添加したものでも問題なく使用することができる。
【００１８】
例えば、低熱膨張セラミックスと高ヤング率セラミックスの複合材料で構成することができる。このように低熱膨張セラミックスと高ヤング率セラミックスとを複合化することにより、所望の低熱膨張を維持しつつ、剛性をより高くすることができ、機械的または熱的応力が及ぼされても変形が生じにくいので好ましい。
【００１９】
このような複合材料としては、具体的には、低熱膨張セラミックスとして、リチウムアルミノシリケート、リン酸ジルコニウムカリウム、コーディエライトから選ばれる１種以上を用い、高ヤング率セラミックスとして、炭化珪素、窒化珪素、サイアロン、アルミナ、ジルコニア、ムライト、ジルコン、窒化アルミニウム、ケイ酸カルシウム、Ｂ４Ｃから選ばれる１種以上を用いることが好ましい。これらの組み合わせは相互反応が少なく、各材料の独立性を保っているから熱膨張係数およびヤング率に混合則が成り立つ。これらを組み合わせた複合材料は、２３±３℃の範囲で−０．５×１０−６〜０．５×１０−６／℃の熱膨張係数満たしつつ１２０ＧＰａ以上といった高いヤング率を満たすことが可能である。また、複合材料であるから配合を調整することにより、熱膨張係数および体積抵抗率を制御することができる。
【００２０】
上記複合材料を構成する低熱膨張セラミックスとしては、リチウムアルミノシリケートであるβ−ユークリプタイトやスポジューメンが好ましい。また、その中でもβ−ユークリプタイトはマイナスの熱膨張を示すので、プラスの熱膨張を示す高ヤング率セラミックスと組み合わせることにより、０に近い極めて低い熱膨張係数を得ることが可能である。また、配合を調節することにより熱膨張係数をマイナスからプラスの広い範囲で調節することが可能となる。なお、β−ユークリプタイトやスポジューメンに代表されるリチウムアルミノシリケートは、Ｃａ、Ｍｇ、Ｆｅ、Ｋ、Ｔｉ、Ｚｎ等の他の成分と固溶体を形成するが、本発明ではこのような固溶体も適用可能である。
【００２１】
このような複合材料の中では、βーユークリプタイトと炭化珪素または窒化珪素との組み合わせがより好ましい。上述したようにβ−ユークリプタイトは負の熱膨張係数を有しており、炭化珪素および窒化珪素は正の熱膨張係数を有することから、極めて低熱膨張を実現することができる。また、炭化珪素および窒化珪素は高い剛性を示す。したがって、これらの複合材料は所望の低熱膨張と高ヤング率とを兼備したものとなる。また、これらの配合比を変えることで、マイナス膨張からプラス膨張まで、任意に熱膨張係数を変化させることが可能である。
【００２２】
なお、セラミックス層２を複合材料で構成する場合に、実質的な化学的反応が生じなければ、低熱膨張セラミックスとして複数の材料を組み合わせて用いることも可能である。また、高ヤング率セラミックスも同様に、実質的な化学的反応が生じなければ、複数の材料を組み合わせて用いることも可能である。
【００２３】
セラミックス層２の厚さは０．５〜３ｍｍであることが好ましい。０．５ｍｍ未満の場合には耐電圧性に劣るものとなり、３ｍｍを超えるとジョンソンラーベック力による吸着力が不十分となり、静電チャックに対する被吸着物の吸脱着性能が落ちるるおそれがある。
【００２４】
セラミックス層４は基台５と電極３との間を絶縁する機能を有していればよいが、熱膨張係数の整合性や製造しやすさの点からセラミックス層２と同じ材料であることが好ましい。
【００２５】
電極３は、タングステンまたはモリブデンで構成される。電極の材料としては、セラミックス層２を構成する熱膨張セラミックスの熱膨張係数に近いものが好ましく、セラミックス中に内挿し焼成するため、融点が高いものが好ましい。このような点から、電極材料として特に熱膨張係数が小さくかつ高融点であるタングステン、モリブデンが選ばれる。
【００２６】
しかし、タングステンの熱膨張係数は４．５×１０−６（０〜１００℃）、モリブデンの熱膨張係数は５．１×１０−６（０〜１００℃）であり、セラミックス層２の熱膨張係数の−０．５×１０−６〜０．５×１０−６／℃との熱膨張差は依然として大きく、このように電極材料を選択してもなお、熱膨張差に起因して割れが発生するおそれがある。また、割れが発生することなく焼成が完了したとしても、加工時に焼成時の応力が開放されてしまい、セラミックス層２が電極３から剥離するおそれがある。特に、セラミックス層２がリチウムアルミノシリケートやコーディエライトのような低熱膨張セラミックス単独の場合には、ヤング率等の機械的強度が低いため、割れや剥離が生じやすい。
【００２７】
このようなことを回避するため、電極３の形態として金網またはパンチングメタルを用いる。金網およびパンチングメタルを用いることにより、このような熱膨張差が緩和されるとともに、セラミックス層２と電極３との密着性を良好とすることができるので、静電チャック１の割れやセラミックス層と電極との間の剥離の問題を生じ難くすることができる。
【００２８】
金網としては織金網、亀甲金網、ひし形金網等が知られているが、電極３を構成するモリブデンやタングステンは加工が難加工性のため、加工が比較的容易な織金網、その中でも特に平織や綾織の金網を用いるのが好ましい。
【００２９】
電極３が金網の場合、特に平織りの織り金網の場合、その線径は０．５ｍｍ以下が好ましい。セラミックス層２の厚さが０．５ｍｍ以上の場合に、電極３を構成する金網の線形が０．５ｍｍを超えると、開孔率がどのような値であってもセラミックス層２にクラックが発生しやすくなる。
【００３０】
金網の目開きは線径以上であることが望ましく、金網の開孔率は２５％以上であることが望ましい。開孔率が２５％未満となると、電極３とセラミックス層２との密着性が悪くなり、電極３とセラミックス層２との剥離が発生しやすくなるからである。開孔率の上昇は、クラック発生の低減に大きく寄与するが、開孔率が８０％を超えると、電極面積が非常に小さくなり吸着力が小さくなるから開孔率は８０％以下であることが好ましい。ただし、開孔率が８０％を超えても、セラミックスの体積抵抗率をより低いものにすることや、電極に印加する電圧を上げること等の手段により所望の吸着力を得ることができる。
【００３１】
パンチングメタルとは、金属素材に対し打ち抜き加工を行って所定の形状および配列で複数の孔を形成したものであり、丸孔千鳥抜き４５度、丸孔千鳥抜き６０度、丸孔直列抜き９０度、角孔直列抜き、角孔千鳥抜き、長孔千鳥抜き、長孔直列抜き等が一般的に用いられる。電極３として用いられるパンチングメタルは特に限定されるものではなく、密着性等を考慮して適宜決定すればよい。
【００３２】
電極３がパンチングメタルの場合、その厚さは０．５ｍｍ以下が好ましい。セラミックス層２が０．５ｍｍ以上の場合に、電極３を構成するパンチングメタルの厚さが０．５ｍｍを超えると、開孔率がどのような値であってもセラミックス層２にクラックが発生しやすくなる。
【００３３】
パンチングメタルの開孔率は２５％以上であることが望ましい。開孔率が２５％未満となると、電極３とセラミックス層２との密着性が悪くなり、電極３とセラミックス層２との剥離が発生しやすくなるからである。パンチングメタルの場合にも開孔率の上昇は、クラック発生の低減に大きく寄与するが、開孔率が８０％を超えると、電極面積が非常に小さくなり吸着力が小さくなるから開孔率は８０％以下であることが好ましい。ただし、開孔率が８０％を超えても、セラミックスの体積抵抗率をより低いものにすることや、電極に印加する電圧を上げること等の手段により所望の吸着力を得ることができる。
【００３４】
次に、静電チャックの製造方法について説明する。
上述したように、タングステンの熱膨張係数は４．５×１０−６（０〜１００℃）、モリブデンの熱膨張係数は５．１×１０−６（０〜１００℃）であり、セラミックス層２の熱膨張係数の−０．５×１０−６〜０．５×１０−６／℃との熱膨張差は大きいため、セラミックス原料粉末中に電極を埋設し、外部から圧力をかけながら焼成する方法であるホットプレス焼成法、ＨＩＰ、ガス圧焼成法で焼成することが好ましい。例えば、ホットプレス焼成による場合には、
（１）原料粉末を所定の形状に予備成形しておく
（２）上記予備成形体に、内層する電極を配置する
（３）上記電極を覆うように粉末を被せ、成形する
（４）得られた成形体をホットプレス焼成する
といった手順で作製される。得られた焼結体を所定の形状に加工し、静電チャックが作製される。
【００３５】
すなわち、このような熱膨張係数がセラミックス層よりも高い金属製の電極をセラミックス原料粉末に埋設し、一般的な常圧雰囲気で焼成すると、電極形状として金網やパンチングメタルを採用しても割れの発生を完全に防止することは困難であるが、このように外部から圧力をかけながら焼成することにより、電極を金網やパンチングメタルとすることと相俟って、割れや剥離をより確実に防止することができる。
【００３６】
なお、静電チャックの構造は特に限定されるものではなく、図１に示す構造の他に、一方の面に電極が形成された誘電体層をセラミックス板あるいはアルミニウム台座に接着剤により貼り付けた構造など、種々の構造を採用することができる。また、電極構造は特に限定されず、単極型電極でも双極型電極でもよく、その全体形状も限定されるものではない。
【００３７】
【実施例】
以下、本発明の実施例について説明する。
リチウムアルミノシリケートである平均粒径４μｍ以下の市販の高純度β−ユークリプタイト粉末７８質量部と、平均粒径１．０μｍ以下のα−ＳｉＣ２２質量部を配合し、混合粉末とした。この混合粉末を１００ｋｇ／ｃｍ２で一軸加圧して、φ２００×１０ｍｍの成形体を得た。次に、この成形体の上にφ１９０ｍｍの単極型静電チャック電極となる表１に示す種々の形態のタングステン製の金網（Ｎｏ．１〜９）または表２に示す種々の形態のパンチングメタル（Ｎｏ．１１〜１６）を配置し、これらをカーボン治具中に装入した。カーボン治具中で電極の上方に同様の混合粉末を同質量充填し、さらに一軸加圧してφ２００×２０ｍｍの成形体を得た。この成形体を焼成温度１３５０℃、焼成時間３時間、プレス圧１００ｋｇ／ｃｍ２でホットプレス焼結を行い、電極を挟んで２つのセラミックス層を有する焼結体を得た。
【００３８】
その後、得られた焼結体の上下面を研削した。この際に、電極は、焼結体の厚み方向の中心部にあるため、任意の面を静電チャックの吸着面とし、吸着面を含むセラミックス層の厚さが０．５ｍｍになるように研削し、静電チャックとした。
【００３９】
比較のため、厚さ０．５ｍｍの無垢のタングステン板を電極として用い、他は上述した方法と同様に製造した静電チャックを準備した（Ｎｏ．１０）。
【００４０】
これら静電チャックの研削面を観察し、割れおよび剥離の有無を調べた。評価基準は、割れや剥離が全くなかったものを○、割れまたは剥離が僅かに存在していたものを△、割れまたは剥離が明確に存在していたものを×とした。結果を表１、２に示す。
【００４１】
表１、２に示すように、電極として無垢のタングステン板を電極として用いた比較例であるＮｏ．１０は、明確に電極とセラミックス層との剥離が生じていたが、実施例であるＮｏ．１〜９、１１〜１６は明確な割れや剥離が存在しなかった。
【００４２】
電極として金網を用いた実施例であるＮｏ．１〜９のうち、Ｎｏ．６は開孔率が２０．９％と好ましい範囲から外れ、Ｎｏ．９は線径が０．６ｍｍと好ましい範囲から外れていたため、ごく僅かに剥離が生じていたが、他は線径０．５ｍｍ以下、開孔率２５〜８０％の好ましい範囲を満たしているので、割れや剥離が全く存在しなかった。
【００４３】
電極としてパンチングメタルを用いた実施例であるＮｏ．１１〜１６のうち、Ｎｏ．１３は開孔率が１９．６％と好ましい範囲から外れ、Ｎｏ．１６は板厚が０．６ｍｍと好ましい範囲から外れていたため、ごく僅かに剥離が生じていたが、他は板厚０．５ｍｍ以下、開孔率２５〜８０％の好ましい範囲を満たしているので、割れや剥離が全く存在しなかった。
【００４４】
【表１】
2004260088.tif 000003
【００４５】
【表２】
2004260088.tif 000004
【００４６】
【発明の効果】
以上説明したように、本発明によれば、セラミックス層として熱膨張係数が２３±３℃の範囲で−０．５×１０−６〜０．５×１０−６／℃という室温付近で低熱膨張係数を示すものを用い、電極として、高融点でかつ金属の中では熱膨張係数の小さいタングステンまたはモリブデン製の金網またはパンチングメタルを用いたので、セラミックス層と電極との間の熱膨張差を極力少なくしつつ、セラミックス層と電極との密着性を良好とすることができ、静電チャックの割れやセラミックス層と電極との間の剥離の問題を生じ難くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る静電チャックを示す断面図。
【符号の説明】
１；静電チャック
２，４；セラミックス層
３；電極
５；基台
６；給電部材
１０；被吸着物
【図１】
2004260088.tif 000005