JP7828225B2 - 静電チャック及びその製造方法 - Google Patents

Description

本発明は、基台表面に設けられて被吸着物を吸着保持する静電チャック及びその製造方法に関する。

例えば、フラットパネルディプレイの製造工程においては、ガラス、石英や樹脂製で比較的大面積の基板に対してプラズマ雰囲気を利用した成膜処理、イオン注入処理やエッチング処理といった各種の真空処理が施される。このような真空処理を行う真空処理装置では、真空雰囲気中の真空チャンバ内で基板を位置決め保持する静電チャックを備えるステージが一般に設けられている。真空処理中には、ステージとの熱交換で静電チャックに吸着された被吸着物としての基板を所定温度以下に冷却保持する場合があり、これには、真空処理の終了までの間、静電チャックに基板をその全面に亘って密着した状態で吸着保持できることが求められる。

この種の静電チャックは、例えば特許文献１で知られている。このものは、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を主成分とし、体積抵抗率が１０^８Ωｃｍ～１０^１４Ωｃｍの範囲のセラミックス材で構成される誘電層（保持台）を有し、その内部には正負一対の電極層が組み込まれている。そして、誘電層の基板の吸着面側を上とし、電極層より上方に位置する誘電層の部分の厚さを薄くすることで、ジョンソン・ラーベック力が支配的な吸着力を発現させて基板を吸着できるようにしている。このとき、各電極をジョンソン・ラーベック力に加えてグラディエント力も発現するように電極層を構成することができる。

上記構成を採用すれば、例えば、絶縁性の基板に対する成膜処理によりその表面に導電膜を成膜するような場合、分極が起こり難い真空処理開始前の基板は、グラディエント力が支配的な吸着力により吸着でき、基板表面に導電膜が成膜されてくると、ジョンソン・ラーベック力が支配的な吸着力により基板の保持状態を維持することができる。然し、ジョンソン・ラーベック力及びグラディエント力による吸着力を発現可能にした場合、電極層より上方に位置する誘電層の部分が同質のセラミック材で構成されていると、ジョンソン・ラーベック力とグラディエント力とのいずれか一方が支配的な吸着力を発現させときの当該吸着力を効果的に強めることができないという問題がある。

特許第４９７６９１１号公報

本発明は、以上の点に鑑みなされたものであり、ジョンソン・ラーベック力またはグラディエント力が支配的な吸着力を発現させて被吸着物を吸着する際に、常時、同等の吸着力が得られるようにした静電チャック及びその製法を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、基台表面に設けられて被吸着物を吸着する本発明の静電チャックは、体積抵抗率が１０^１２Ωｃｍ以上の誘電層とこの誘電層内に組み込まれる電極層とを備え、前記電極層が、平板状の第１電極部とこの第１電極部より狭い線幅を有すると共に互いに近接配置される正負一対の第２電極部とを有し、前記誘電層の被吸着物の吸着面側を上として、前記第１電極部の上方に位置する前記誘電層の部分が体積抵抗率を局所的に低下させた低体積抵抗率層で構成されることを特徴とする。

以上によれば、例えば、被吸着物としてのガラス等の絶縁性の基板に対して導電膜を成膜するような場合、静電チャックに基板を載置した後、第２電極部の正極と負極との間に直流電圧（例えば、１ｋＶ～５ｋＶ）を印加すると、グラディエント力が支配的な吸着力を発現させて基板が誘電層上面に吸着される。そして、基板表面に導電膜が成膜されてくると、第１電極部に直流電圧（例えば、１０Ｖ～１００００Ｖ）を印加し、ジョンソン・ラーベック力が支配的な吸着力を発現させて基板の誘電層上面への吸着状態が維持される。このように本発明では、第１電極部及び第２電極部より上方に位置する誘電層の部分を体積抵抗率の異なる層とする構成を採用することで、ジョンソン・ラーベック力またはグラディエント力が支配的な吸着力を発現させて被吸着物を吸着する場合でも、常時、同等の吸着力が得られる。このため、基板に対して導電膜を成膜する間、略一定の吸着力で基板Ｓｗを吸着保持することができる。この場合、第２電極部の上方に位置する誘電層の体積抵抗率が１０^１２Ωｃｍより小さいと、正極と負極との間に印加する直流電圧を高くしても、グラディエント力が支配的な強い吸着力が発現しない。一方、第１電極部の上方に位置する誘電層の体積抵抗率もまた１０^６Ωｃｍ～１０^１２Ωｃｍの範囲から外れると、ジョンソン・ラーベック力が支配的な強い吸着力が発現しない。なお、第１電極部としては、通常、同等の面積を持つ一対の電極で構成されるが（双極型）、プラズマ雰囲気を利用して成膜処理を施すような場合には、単極型としてもよい。

本発明において、低体積抵抗率層が前記誘電層にドープ材をドープすることで形成され、このとき、前記誘電層及び前記低体積抵抗率層が溶射膜で構成されることが好ましい。ここで、例えば、Ａｌ_２Ｏ_３を主成分とするもので誘電層を形成する場合、その製作には焼結法を用いることが考えられる。然し、このような焼結法では、焼結時の熱膨張や熱収縮によって一様な界面を持って体積抵抗率の異なる層を形成することが困難であり、例えば、絶縁破壊を招来するといった問題が招来する。それに対して、誘電層及び低体積抵抗率層を溶射膜とすれば、一様な界面を持って体積抵抗率の異なる層を容易に形成することができ、有利である。なお、誘電層がＡｌ_２Ｏ_３を主成分とする場合、前記ドープ材がＴｉＯ_２、Ｃｒ、Ｃａ、Ｍｇ、ＳｉＯ_２及びＣの中から選択される少なくとも１種であれば、体積抵抗率が１０^６Ωｃｍ～１０^１２Ωｃｍの範囲内の誘電層を簡単に実現することができる。

また、上記課題を解決するために、基台表面に設けられて被吸着物を吸着保持する静電チャックの本発明の製造方法は、基台表面に体積抵抗率が１０^１２Ωｃｍ以上の第１誘電層部を溶射によって形成する第１工程と、第１誘電層部の表面に、平板状の第１電極部と、この第１電極部より狭い線幅を有すると共に互いに近接配置される正負一対の第２電極部とを形成する第２工程と、前記第２電極部を覆うように第１誘電層部と同等の体積抵抗率が持つ第２誘電層部を、且つ、前記第１電極部を覆うように第１誘電層部より低い体積抵抗率が持つ第３誘電層部を、溶射によって第１誘電層部の表面に形成する第３工程とを含むことを特徴とする。

本発明においては、前記第１誘電層部及び前記第２誘電層部の溶射材料として同一の誘電性材料を用い、前記第３誘電層部の溶射材料として前記誘電性材料に所定の重量比でドープ材をドープしたものを用いることが好ましく、前記誘電層がＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするような場合には、前記ドープ材がＴｉＯ_２、Ｃｒ、Ｃａ、Ｍｇ、ＳｉＯ_２及びＣの中から選択される少なくとも１種とすることができる。

本実施形態の静電チャックを基板の吸着状態で示す模式断面図。 図１のＩＩ－ＩＩ線に沿う断面図。 （ａ）～（ｄ）は、図１に示す静電チャックの製作手順を示す図。 本発明の効果を示す実験結果のグラフ。

以下、図面を参照して、被吸着物をガラス製基板（以下「基板Ｓｗ」という）とし、図外の真空チャンバ内で基板Ｓｗを吸着するための本発明の静電チャック及びその製造方法の実施形態を説明する。以下においては、上、下、左、右といった方向を示す用語は図１を基準とする。

図１及び図２を参照して、本実施形態の静電チャックＥＣは、基板Ｓｗに対応する矩形の輪郭を有し且つ上面が平坦面に形成されるチタンやアルミニウムといった金属製の基台Ｂｐ上面に設けられる誘電層１とこの誘電層１内に組み込まれる電極層２とを備える。誘電層１は、１０^１２Ωｃｍ以上の体積抵抗率を有するように、Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）、ＡｌＮ（窒化アルミ）やＳｉＣ（炭化ケイ素）といった誘電性材料を溶射材料とし、この溶射材料を溶射することで形成された５０μｍ以上の膜厚の溶射膜で構成される。なお、溶射膜の形成に利用できる溶射装置としては、公知のものが利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。

電極層２は、誘電層１の長手方向（図１中、左右方向）両側に夫々設けられる正負一対の第１電極部２１ａ，２１ｂと、第１電極部２１ａ，２１ｂの間に位置する中央領域に設けられる正負一対の第２電極部２２ａ，２２ｂとを有する。同一面積を持つ第１電極部２１ａ，２１ｂは、タングステンやモリブデン等の比較的電気伝導率に優れた高融点材料を真空蒸着法やスパッタリング法によって平板状に成膜した１μｍ以上の膜厚の金属膜で夫々構成される。第１電極部２１ａ，２１ｂの面積（線幅：図１中、左右方向の幅）は、基板Ｓｗの面積、基板Ｓｗを吸着するのに必要な吸着力、後述の低体積抵抗率層の厚さ及び体積抵抗率などを考慮して適宜設定される。第２電極部２２ａ，２２ｂもまた、タングステンやモリブデン等の比較的電気伝導率に優れた高融点材料を真空蒸着法、スパッタリング法やＣＶＤ法によって所定のパターンで成膜した１μｍ以上の膜厚の金属膜で構成される。本実施形態では、電圧を印加したときに効率よく電界が発生するように、正の第２電極部２２ａと負の第２電極部２２ｂとが、第１電極部２１ａ，２１ｂより狭い（細い）線幅で互いに対向して直線状にのびるように狭い間隔で交互に配置されるパターンで形成されている。この場合、線路長が、好ましくは５ｃｍ／ｃｍ^２以下となるように設定される。なお、正の第２電極部２２ａと負の第２電極部２２ａとのパターンは、対向面の長さを長くできるものであれば、これに限定されるものではなく、曲線状、櫛歯状や円周状にしてもよい。

第１電極部２１ａ，２１ｂ及び第２電極部２２ａ，２２ｂの上方に位置する誘電層１の厚さは、例えば、ジョンソン・ラーベック力が支配的な吸着力が基板Ｓｗと第１電極部２１ａ，２１ｂとの間の距離の二乗で変化することを考慮して５０μｍ以上に設定される。これに加えて、第１電極部２１ａ，２１ｂの上方に位置する誘電層１の部分が体積抵抗率を局所的に低下させた低体積抵抗率層（後述の第３誘電層部１ｃ）で構成される。低体積抵抗率層１ｃの体積抵抗率は、ジョンソン・ラーベック力が支配的な吸着力を発現させたときの吸着力を効果的に強めるために、１０^６Ωｃｍ～１０^１２Ωｃｍの範囲に設定される。そして、直流電源Ｅ１によって、正負一対の第１電極部２１ａ，２１ｂ間に所定電圧（例えば、１０Ｖ～１００００Ｖ）を印加すると、ジョンソン・ラーベック力が支配的な吸着力が発現する。他方、直流電源Ｅ２によって、正負一対の第２電極部２２ａ，２２ｂ間に所定電圧（例えば、１ｋＶ～５ｋＶ）を印加すると、グラディエント力が支配的な吸着力が発現する。

ここで、誘電層１（具体的には、第２電極部２２ａ，２２ｂが形成された領域の上方に位置する部分）の体積抵抗率が１０^１２Ωｃｍより小さいと、第２電極部２２ａ，２２ｂに印加する直流電圧を高くしても、効果的にグラディエント力が支配的な吸着力を発現させることができない。同様に、低体積抵抗率層の体積抵抗率が１０^６Ωｃｍ～１０^１２Ωｃｍの範囲から外れると、ジョンソン・ラーベック力が支配的な吸着力を発現させることができない。また、低体積抵抗率層１ｃは、例えば、上記誘電性材料に所定のドープ材を予めドープ（添加）したもの溶射材料とし、これを溶射することで形成することができる。誘電性材料がＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするような場合、ドープ材としては、ＴｉＯ_２、Ｃｒ、Ｃａ、Ｍｇ、ＳｉＯ_２及びＣの中から選択される少なくとも１種を用いることができる。なお、低体積抵抗率層１ｃの形成方法は、これに限定されるものではなく、例えば、イオン注入装置を用いてドープ材をドーブ（注入）することもできる。以下に、図３を参照して、本実施形態の静電チャックＥＣの製造方法の一例を説明する。

Ａｌ_２Ｏ_３（アルミナ）を主成分とする誘電性材料を溶射材料とし、図３（ａ）に示すように、公知の溶射装置を用い、基台Ｂｐの上面にその全面に亘って溶射することで体積抵抗率が１０^１２Ωｃｍ以上の誘電層（これを第１誘電層１ａとする）を所定膜厚で形成する（第１工程）。次に、モリブデンを主成分とする金属材料をスパッタリングターゲットとし、図３（ｂ）に示すように、公知のスパッタリング装置を用い、第１誘電層１ａの上面に正負一対の第１電極部２１ａ，２１ｂと、正負一対の第２電極部２２ａ，２２ｂとを同時にパターニング形成する（第２工程）。パターニング形成には、第１電極部２１ａ，２１ｂ及び第２電極部２２ａ，２２ｂに対応する開口を開設したマスクプレートを利用すればよい。

次に、図３（ｃ）に示すように、第１誘電層部１ａの上面と同等の面積を有し、第２電極部２２ａ，２２ｂが形成された領域に上下方向で合致する開口Ｍｏを設けたマスクプレートＭｐ１を第１電極部２１ａ，２１ｂ及び第２電極部２２ａ，２２ｂが形成された第１誘電層部１ａ上に設置する。この状態で、第１工程で使用されたものと同質の誘電性材料を溶射材料とし、公知の溶射装置を用い、第１誘電層部１ａの上面に、第２電極部２２ａ，２２ｂが形成された領域を覆うように溶射することで体積抵抗率が１０^１２Ωｃｍ以上の誘電層（これを第２誘電層１ｂとする）を所定膜厚で形成する。このとき、（図１中、左右方向で）互いに隣接する第１電極部２１ａ，２１ｂと第２電極部２２ａ，２２ｂとの間にも溶射材料が充填されるようになる。

次に、図３（ｄ）に示すように、第２誘電層部１ｂの上面に合致する面積を有するプレートＭｐ２を第２誘電層部１ｂ上に設置する。この状態で、第１工程で使用される導電性材料に所定の重量比でドープ材を添加したものを溶射材料とし、公知の溶射装置を用い、第１誘電層部１ａの上面に、第１電極部２１ａ，２１ｂが形成された領域を覆うように溶射することで体積抵抗率が１０^６Ωｃｍ～１０^１２Ωｃｍの範囲の低体抵抗率層としての誘電層（第３誘電層部１ｃとする）を所定膜厚で形成する（第３工程）。ドープ材としては、ＴｉＯ_２，Ｃｒ，Ｃａ，Ｍｇ，ＳｉＯ_２及びＣの中から選択される少なくとも１種が用いられ、所定の重量比で添加される。最後に、第２誘電層部１ｂ及び第３誘電層部１ｃの上面が平坦になるように機械加工が施される。

以上の実施形態によれば、基板Ｓｗに対して導電膜を成膜するような場合、静電チャックＥｃに基板を載置した後、第１電源Ｅ１によって正負一対の第２電極部２２ａ，２２ｂの間に直流電圧が印加されると、グラディエント力が支配的な吸着力を発現させて基板Ｓｗが誘電層１の上面に吸着される。そして、基板Ｓｗ表面に導電膜が成膜されてくると、第１電極部２１ａ，２１ｂの間に直流電圧を印加し、ジョンソン・ラーベック力が支配的な吸着力を発現させて基板Ｓｗの誘電層１の上面への吸着状態が維持される。このように本実施形態の静電チャックＥＣでは、第１電極部２１ａ，２１ｂ及び第２電極部２２ａ，２２ｂより上方に位置する誘電層の部分を体積抵抗率の異なる（第２誘電層部１ｂ及び第３誘電層部１ｃで構成することで、ジョンソン・ラーベック力またはグラディエント力が支配的な吸着力を発現させて基板Ｓｗを吸着する場合でも、常時、同等の吸着力が得られる。このため、基板Ｓｗに対して導電膜を成膜する間、略一定の吸着力で基板Ｓｗを吸着保持することができる。また、溶射により第２誘電層１ｂと第３誘電層１ｃとを形成したことで、上下方向に一様な界面を持って体積抵抗率の異なる第２誘電層１ｂと第３誘電層１ｃとが形成されるため、絶縁破壊が生じるといった不具合は生じない。なお、第２誘電層１ｃと第３誘電層１ｂの界面は、互いに隣接する第１電極部２１ａ，２１ｂと第２電極部２２ａ，２２ｂとの略中間点を通る上下線に沿って位置することが好ましい。

次に、本発明の効果を確認するため、誘電性材料がＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするもの、低体積抵抗率層を構成する誘電性材料が上記誘電性材料にＴｉＯ_２を所定の重量比で添加したものとし、上記製造方法により作製した静電チャック（発明品）を用いて、基板Ｓｗを吸着したときの吸着力を測定した。なお、比較品として、上記第３工程で、第１工程で使用された同質の誘電性材料を溶射材料とし、公知の溶射装置を用い、第１誘電層１ｃ上にその全面に亘って誘電層を一体に形成したものを作製した。これによれば、図４に示すように、比較品では、直流電源Ｅ１により第１電極部２１ａ，２１ｂに３Ｖの電圧を印加したときの吸着力は５００Ｐａ程度であった。それに対して、発明品では、直流電源Ｅ１により第１電極部２１ａ，２１ｂに印加する電圧が高くなるのに従い、吸着力が増加し、電圧が３Ｖのときには、２０００Ｐａ程度の強い吸着力が得られることが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、第１電極部２１ａ，２１ｂとしては、所謂双極型のものを例に説明したが、プラズマ雰囲気を利用して成膜処理を施す装置に適用されるような場合には、所謂単極型として構成することもできる。また、上記実施形態では、中央に第２電極部２２ａ，２２ｂを、その両側に第１電極部２１ａ，２１ｂを配置したものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、ジョンソン・ラーベック力またはグラディエント力が支配的な吸着力を発現させて吸着しようとする基板Ｓｗのサイズや形状に応じて電極配置を適宜変更することができる。また、第１及び第２の各電極部２１ａ，２１ｂ，２２ａ，２２ｂの形成方法は上記に例示したものに限定されるものではなく、溶射やメッキ法により形成することもできる。

ＥＣ…静電チャック、１…誘電層、１ａ…第１誘電層部（誘電層の構成要素）、１ｂ…第２誘電層部（誘電層の構成要素）、１ｃ…第３誘電層部（低体積抵抗値層：誘電層の構成要素）、２…電極層、２１ａ，２１ｂ…第１電極部、２２ａ，２２ｂ…第２電極部、Ｂｐ…基台、Ｓｗ…基板。

Claims (8)

1. 絶縁性の被吸着物表面に導電膜を成膜する真空チャンバ内に配置される基台表面に設けられてこの被吸着物を吸着する静電チャックであって、
   体積抵抗率が１０^１２Ωｃｍ以上の誘電層とこの誘電層内に組み込まれる電極層とを備え、前記電極層が、平板状の第１電極部とこの第１電極部より狭い線幅を有すると共に互いに近接配置される正負一対の第２電極部とを有するものにおいて、
   前記誘電層の被吸着物の吸着面側を上として、前記第１電極部の上方に位置する前記誘電層の部分が体積抵抗率を局所的に低下させた低体積抵抗率層で構成され、
   第２電極部の正極と負極との間への直流電圧の印加によりグラディエント力が支配的な吸着力を発現させて前記被吸着物を前記誘電層上面に吸着し、第１電極部への直流電圧の印加により前記被吸着物表面に導電膜が成膜されてくると、ジョンソン・ラーベック力が支配的な吸着力を発現させて前記被吸着物が前記誘電層上面に吸着されるように構成したことを特徴とする静電チャック。
2. 前記低体積抵抗率層の体積抵抗率が１０^６Ωｃｍ～１０^１２Ωｃｍの範囲に設定されることを特徴とする請求項１記載の静電チャック。
3. 前記低体積抵抗率層が前記誘電層にドープ材をドープすることで形成されることを特徴とする請求項１記載の静電チャック。
4. 前記誘電層及び前記低体積抵抗率層が溶射膜で構成されることを特徴とする請求項３記載の静電チャック。
5. 請求項４記載の静電チャックであって、前記誘電層がＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするものにおいて、前記ドープ材がＴｉＯ_２、Ｃｒ、Ｃａ、Ｍｇ、ＳｉＯ_２及びＣの中から選択される少なくとも１種であることを特徴とする静電チャック。
6. 請求項１～請求項５のいずれか１項に記載の静電チャックの製造方法において、
   前記誘電層が第１誘電層部、第２誘電層部及び第３誘電層部から構成されるものとし、前記基台表面に体積抵抗率が１０^１２Ωｃｍ以上の前記第１誘電層部を溶射によって形成する第１工程と、
   前記第１誘電層部の表面に、平板状の前記第１電極部と、この第１電極部より狭い線幅を有すると共に互いに近接配置される正負一対の前記第２電極部とを形成する第２工程と、
   前記第２電極部を覆うように前記第１誘電層部と同等の体積抵抗率が持つ前記第２誘電層部を、且つ、前記第１電極部を覆うように第１誘電層部より低い体積抵抗率が持つ前記低体積抵抗率層としての第３誘電層部を、溶射によって前記第１誘電層部の表面に形成する第３工程とを含むことを特徴とする静電チャックの製造方法。
7. 前記第１誘電層部及び前記第２誘電層部の溶射材料として同一の誘電性材料を用い、前記第３誘電層部の溶射材料として前記誘電性材料に所定の重量比でドープ材をドープしたものを用いることを特徴とする請求項６記載の静電チャックの製造方法。
8. 請求項７記載の静電チャックの製造方法であって、前記第３誘電層部がＡｌ_２Ｏ_３を主成分とするものにおいて、前記ドープ材がＴｉＯ_２、Ｃｒ、Ｃａ、Ｍｇ、ＳｉＯ_２及びＣの中から選択される少なくとも１種であることを特徴とする静電チャックの製造方法。