(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
対象物を静電吸着するべく、セラミックからなる下部絶縁層と金属電極層とセラミックからなる上部絶縁層とをこの順番に積層してなる静電チャックと、該静電チャックを保持すると共に冷却または加熱機構が組み込まれた金属製のベース部材とを有する静電チャック装置であって、
前記下部絶縁層と前記ベース部材との間に、前記下部絶縁層の熱膨張率と前記ベース部材の熱膨張率との間の所定の範囲で前記下部絶縁層側から前記ベース部材側に向けて徐々に熱膨張率が高くなるように、マトリックス金属と添加材との割合を変化させた複合材からなる複数のダンパ層を設け、
前記ベース部材と前記ダンパ層の１つとの間及び前記下部絶縁層と前記ダンパ層の他の１つとの間を、その全面でろう付したことを特徴とする静電チャック装置。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、各種加工装置に於て被加工物を保持するための静電チャック装置に関し、特にドライエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、イオン注入装置、スパッタリング装置等の半導体製造装置にて基板を保持するのに適した静電チャック装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来から、例えばドライエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、イオン注入装置、スパッタリング装置等の半導体製造装置に於て、シリコンウエハを保持するのに、セラミック等の絶縁体上に金属電極を形成し、更にその上にセラミック、ガラス、樹脂などからなる絶縁層を形成してなる静電チャック装置が用いられている（例えば、特開平２−２２１６６号、特開平２−２７７４８号、特開昭５８−１２３３８１号公報参照）。
【０００３】
このような静電チャック装置としては、上記した下部絶縁層、金属電極及び上部絶縁層からなる静電チャックを、冷却または加熱機構を具備するアルミニウム合金などからなるベース部材上に設けてモジュール化することが一般的である。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
静電チャックを上記ベース部材上に設けるには、例えば静電チャックを形成した後、ベース部材に対して機械的に締結または接着等により接合する方法があるが、機械的な締結は、締結部分で点または線でしか熱伝達が行われず、熱伝達効率が悪いと云う問題がある。また、熱伝達効率の高い金属ろうでろう付接合すると良いが、ベース部材（アルミニウム合金）と静電チャックの下層絶縁層（セラミック板）との熱膨張率の差から、静電チャックが破壊する虞れがある。更に、接着する場合、有機接着剤を用いると真空中でのガス放出や耐熱性の点で問題があり、無機接着剤を用いると接合強度が低く剥がれ易いと云う問題がある。
【０００５】
そこで、冷却または加熱機構を具備するアルミニウム合金のベース部材上に、溶射や化学蒸着法、物理蒸着法などでセラミックの下部絶縁膜を形成し、その上に金属電極、上部絶縁層を順次成膜する方法も提案されている。この方法によれば、静電チャックとベース部材とが密着していることから熱伝達効率が良いと云う利点があるが、静電チャックが、例えば直径８インチ以上の大きなものの場合には、静電チャックをベース部材にろう付する場合と同様に、ベース部材（アルミニウム合金）と下部絶縁層（セラミック）との熱膨張率の差により静電チャックが剥離したり破壊し易くなる問題がある。
【０００６】
本発明は上記したような従来技術の問題点に鑑みなされたものであり、その主な目的は、熱伝達効率が高く、強度、耐久性に優れた静電チャック装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記した目的は本発明によれば、対象物を静電吸着するべく、セラミックからなる下部絶縁層６と金属電極層７とセラミックからなる上部絶縁層８とをこの順番に積層してなる静電チャック５と、該静電チャックを保持すると共に冷却または加熱機構が組み込まれた金属製のベース部材１とを有する静電チャック装置であって、前記下部絶縁層と前記ベース部材との間に、前記下部絶縁層の熱膨張率と前記ベース部材の熱膨張率との間の所定の範囲で前記下部絶縁層側から前記ベース部材側に向けて徐々に熱膨張率が高くなるように、マトリックス金属と添加材との割合を変化させた複合材からなる複数のダンパ層２・３・４を設け、前記ベース部材と前記ダンパ層の１つ２との間及び前記下部絶縁層と前記ダンパ層の他の１つ４との間を、その全面でろう付したことを特徴とする静電チャック装置を提供することにより達成される。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態について添付の図面を参照して詳しく説明する。
【０００９】
図１は、本発明が適用されたシリコンウエハを保持するための静電チャック装置の構造を示す断面図である。この静電チャック装置は、冷却用のウォータジャケット１ａが設けられたアルミニウムまたはその合金からなるベース部材１と、このベース部材１上に設けられた後記する第１〜第３ダンパ層２〜４と、第３ダンパ層４上に設けられた静電チャック５とを有している。
【００１０】
静電チャック５は、アルミナ、窒化アルミなどをベースとするセラミックからなる下部絶縁層６と、金属電極層７と、上部絶縁層８とから構成されている。金属電極層７には外部から選択的に電源が供給されるようになっている。
【００１１】
ベース部材１と第１ダンパ層２との間及び静電チャック５の下部絶縁層６と第３ダンパ層４との間はその全面でろう付されている。ろう付することにより、機械的な締結や接着剤を用いる場合と比較して、静電チャックからベース部材１に効率良く熱が伝達させることとなる。逆にウォータジャケットに代えてベース部材１にヒータを組み込んだ場合には、シリコンウエハが効率的に加熱されることとなる。
【００１２】
第１〜第３ダンパ層２〜４は、例えばアルミニウムをマトリックス金属とし、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミックを添加材とする複合材からなる。また、ベース部材１側の第１ダンパ層２から下部絶縁層６側の第３ダンパ層４にかけて徐々に熱膨張率が低くなるようにマトリックス金属と添加材との比率が変化している。即ち、熱膨張率の大きなベース部材１と熱膨張率の小さな静電チャック２との間に徐々に熱膨張率の変化する複数のダンパ層２〜４を設けることにより、熱応力が徐々に緩和され、比較的脆い静電チャック５に過大な応力が加わることがない。
【００１３】
尚、本実施形態では第１〜第３ダンパ層２〜４と静電チャック５とを別々に形成してろう付したが、ベース部材１上に各種成膜法により順番に成膜しても良い。その場合にはろう付の必要がなくなることは云うまでもない。また、第１〜第３ダンパ層２〜４を、例えばアルミニウムをマトリックス金属とし、アルミナ、窒化アルミニウムなどのセラミックを添加材とする複合材としたが、これに限定されず、熱膨張率がベース部材の材料と静電チャックの下部絶縁層の材料との間で徐々に変化するように設定可能なもので有れば良い。加えて、ダンパ層を、例えば公知の蒸着法によりその成分を徐々に変化させるように成膜してベース部材側から静電チャック側に向けて徐々に熱膨張率が小さくなるような単一の層として形成し、これを用いても良い。
【００１４】
上記した複合材のマトリックス金属としては、熱伝導率の高い金属が望ましく、更に半導体製造装置に用いるにはシリコンウエハに対する悪影響が少ない例えばアルミニウムが望ましい。更に、この複合材に高い強度を必要とする場合には、純アルミニウムに対して析出硬化による強度向上を目的として、ＪＩＳ規格材５０００系（Ａｌ−Ｍｇ系）、２０００系（Ａｌ−Ｃｕ系）、６０００系（Ａｌ−Ｓｉ−Ｍｇ系）などのように、Ｃｕ、Ｓｉ、Ｍｇを０．２〜５％程度の範囲で添加しても良い。尚、Ｍｇについては、セラミック粉末とアルミニウムマトリックスとの間の密着性を向上させる効果もある。
【００１５】
また、添加材としてのセラミック材料としては、熱伝導率が比較的大きく、かつ熱膨張率がベース部材（本実施形態ではアルミニウム）よりも小さなものが適しており、アルミナ、窒化アルミニウム、炭化珪素、窒化珪素などが考えられる。
【００１６】
【実施例】
上記実施形態の構成で、即ち、第１〜第３のダンパ層を静電チャックと金属ベース部材との間に介在させる構成で、表１及び表２に示すダンパ層の複合材の組成例では、直径２００ｍｍの大きさのもので、静電チャックのセラミック部分、即ち下部絶縁層または上部絶縁層が破壊することなく、アルミニウム合金製のベース部材との接合が可能であった。
【００１７】
【表１】
0004004086.tif 000002
【００１８】
【表２】
0004004086.tif 000003
【００１９】
一方、複合材を使用しない場合、即ち静電チャックをベース部材に直接ろう付する場合、直径１５０ｍｍの大きさのもので静電チャックのセラミック部分、即ち下部絶縁層及び／または上部絶縁層が破壊した。
【００２０】
また、表３に示すように、静電チャックのセラミック部分にアルミナを用い、アルミニウムマトリックスにアルミナ粉末を添加した複合材からなるダンパ層を１層だけ設けた場合、組成比の異なる２層設けた場合、及び組成比の異なるダンパ層を３層設けているもののその組成比が著しくベース部材の熱膨張率寄りとなるように設定されている場合には、熱膨張率の差の緩和が不充分となり、静電チャックのセラミック部分（アルミナ）が破壊した。加えて、表４に示すように、静電チャックのセラミック部分に窒化アルミニウムを用い、アルミニウムマトリックスに窒化アルミニウム粉末を添加した複合材からなり、組成比の異なるダンパ層を３層設けた場合、アルミニウムマトリックスに炭化珪素粉末を添加した複合材からなり、組成比の異なるダンパ層を３層設けた場合及びアルミニウムマトリックスにアルミナ粉末を添加した複合材からなり、組成比の異なるダンパ層を３層設けた場合にも、その組成比が著しくベース部材の熱膨張率寄りとなるように設定されている場合には、熱膨張率の差の緩和が不充分となり、静電チャックのセラミック部分（アルミナ）が破壊した。
【００２１】
【表３】
0004004086.tif 000004
【００２２】
【表４】
0004004086.tif 000005
【００２３】
上記各表から、静電チャックのセラミック部分がアルミナベースの場合、セラミック部分側のダンパ層の熱膨張率が８×１０−６以下であると、セラミック部分より熱膨張が小さくなるため、セラミック部に引っ張りの熱応力が残留して容易に破壊してしまうことがわかる。また、熱膨張率が１２×１０−６以上の場合には、アルミナベースのセラミックとの熱膨張の差が大きすぎて、やはりセラミック部分が破壊してしまうことがわかる。
【００２４】
同様に、静電チャックのセラミック部分が窒化アルミニウムベースの場合も、セラミック部分側のダンパ層の熱膨張率が８×１０−６以下であって、かつ４×１０−６以上となっている必要があることがわかる。
【００２５】
一方、ベース部材側（アルミニウム合金側）のダンパ層の熱膨張率は、アルミニウム合金より小さくする必要があるが、その差が大きすぎるとアルミニウム合金との間で大きな熱歪みが残留する。この場合、両材料とも延性があるために破壊はしないものの変形量が大きくなり、実用上の問題を生じる。このため、アルミニウム合金からなるベース部材側のダンパ層の熱膨張率は１５×１０−６以上であって、かつ２０×１０−６以下となっているこしとが望ましい。
【００２６】
また、ダンパ層の厚さに関し、３層構造の場合、１層の厚さが０．５ｍｍ未満では、熱応力の段階的緩和の効果がほとんど認められず、上記表１、表２の組み合わせに於てもセラミック部分が破壊する。他方、１層の厚さが５ｍｍ以上の場合には、熱応力の段階的緩和の点では充分な効果が望めるものの、例えば２層のダンパ層でも厚さが１０ｍｍ以上となり、冷却／加熱のための熱伝達効率が悪くなるためあまり実用的ではない。
【００２７】
【発明の効果】
上記した説明により明らかなように、本発明による静電チャック装置によれば、静電チャックの下部絶縁層とベース部材との間に、下部絶縁層の熱膨張率とベース部材の熱膨張率との間の所定の範囲で下部絶縁層側からベース部材側に向けて徐々に熱膨張率が高くなるように、マトリックス金属と添加材との割合が変化する複合材からなる複数のダンパ層を設けることにより、両者間の熱膨張率の差を好適に吸収して熱応力の発生を防止して強度、耐久性が向上し、特に静電チャックを、ベース部材上にろう付することで、積層熱伝達効率が高くなり、ウエハなどの被吸着物の冷却／加熱効率が向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用されたシリコンウエハを保持するための静電チャック装置の構造を示す断面図。
【符号の説明】
１  ベース部材
１ａ  ウォータジャケット
２〜４  第１〜第３ダンパ層
５  静電チャック
６  下部絶縁層
７  金属電極層
８  上部絶縁層
【図１】
0004004086.tif 000006