JPH1126565A

JPH1126565A - 単結晶セラミック静電チャック

Info

Publication number: JPH1126565A
Application number: JP10098078A
Authority: JP
Inventors: Harald Herchen; ハーシェンハラルド
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1997-03-06
Filing date: 1998-03-06
Publication date: 1999-01-29
Also published as: US6529362B2; EP0863545A3; EP0863545A2; TW416117B; US20010046112A1; KR19980079963A

Abstract

(57)【要約】【課題】高温動作温度で信頼性のある静電チャックを
得ることを目的とする。【解決手段】プロセスチャンバ７０内に基板４０を保
持するための静電チャック２０は、単結晶セラミックモ
ノリス２５を含み、そこに埋め込まれる電極は、電圧を
印加されると、基板４０を静電保持する。セラミックモ
ノリス２５は、溶融物形成プロセスにより形成される単
一の単結晶セラミック又は相互に結合された複数の単結
晶セラミックプレート２２５から作られる。もう１つの
実施形態では、本発明は、下地誘電層２４５上のメッシ
ュ電極２４０を被覆する単結晶セラミック層２３５を含
む静電チャックに向けられる。コネクタ５０は、電圧を
電極４５に供給するために、単結晶セラミックモノリス
２５又は下地誘電層２４５内に延びる。望ましくは、単
結晶セラミックモノリシック構造２５と単結晶セラミッ
ク層２３５は、単結晶サファイアを含み、電極４５は耐
熱金属を含む。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、処理時の基板保持
に有用な静電チャックに関するものである。

【０００２】

【従来の技術】静電チャックは、プロセスチャンバ内の
シリコンウエハなど、半導体基板の保持に用いられる。
典型的な静電チャックは、誘電層により被覆される電極
を含む。単極チャックでは、チャックの電極が電圧によ
り電気的にバイアスがかけられて、チャンバ内の荷電プ
ラズマにより基板内に静電荷が誘起されるとき、静電引
力が発生する。双極チャックは、静電引力を発生させ
るよう相互に電気的バイアスがかけられる双極電極を含
む。

【０００３】また、静電チャックにより発生する静電引
力は、種々の異なったタイプにすることができる。図１
（ａ）中に略図で示した通り、チャック１０ａは高い電
気抵抗を持つ誘電層１１を備え、その結果として、対向
する静電荷が、基板１２内とチャックの電極１３内に蓄
積されるところにクーロン静電力が生じる。クーロン静
電力は、以下の式により説明される。

【０００４】

【数１】ここで、ε₀とετはそれぞれ、誘電層１１の、真空誘
電率と比誘電率であり、Ｖは電極１３に印加される電
圧、Ａは電極の面積、ｔは誘電層の厚さである。

【０００５】図１（ｂ）において、抵抗が低い、つまり
漏出性の誘電層１５と基板１２との間のエアギャップ、
つまりインターフェイス１４が、誘電層１５の抵抗より
も遥かに大きい界面接触抵抗を持つとき、すなわち誘電
層１５の抵抗が、典型的には約１０¹¹から約１０¹⁴Ω／
ｃｍのとき、ジョンソン−ラーベック静電引力がチャッ
ク１０ｂに生ずる。自由静電荷は、印加された電界内の
誘電層１５を通ってドリフトし、誘電層１５と基板１
２とのインターフェイス（境界面）に蓄積する。この
インターフェイスに蓄積される電荷により、下記式で表
される電位降下が発生する。

【数２】ここで、δは、基板１２と低抵抗誘電層１５との間のイ
ンターフェイス１４の接触抵抗を示す。誘電層１５内の
分極と、インターフェイス１４に蓄積される自由電荷と
が結合して静電力を高めるので、ジョンソン−ラーベッ
ク静電引力は、普通、クーロン力により与えられるより
も高い。これにより、基板１２をチャック上に一層しっ
かりと保持することが可能な、更に強い静電力が得ら
れ、インターフェイスにおける熱伝達率が向上する。ま
た、これらのチャックで用いられる低電圧により、基板
１２上の能動デバイスに与えるチャージアップ損傷の可
能性が減少する。

【０００６】これらのチャックの電極１３を被覆する誘
電層１１，１５は、引用して本明細書に組み込まれた、
１９９５年１月３１日に出願された、Ｓｈａｍｏｕｉｌ
ｉａｎ他の「形状追従性絶縁体薄膜を有する静電チャッ
ク」と題する米国特許出願番号第０８／３８１，７８６
号で開示されているような、電極に接着されたポリイミ
ド等の薄いポリマー膜を含むのが一般的である。しか
し、チャック上に保持される基板は破壊したり、欠けた
りして、鋭いエッジを持つ破片でき、ポリマー膜を破壊
して電極を露出させることが多い。誘電層内の電極露出
がたった１つのピンホールで発生しても、電極とプラズ
マ間でのアーク発生の原因になり、チャック全体の交換
が必要になる。またポリマーも、酸素含有ガスやプラズ
マを用いるプロセスなど、腐食性プロセス環境におい
て、寿命が短くなる。また、ポリマー膜をチャックに接
着するために用いられるポリマー又は接着材は、１００
０℃を超える高温では機能しないことが多い。

【０００７】多結晶セラミックも、例えば、引用して本
明細書に組み込んだ、以下全ての文献：Ｎｉｏｒｉに付
与された米国特許第５，２８０，１５６号、米国特許第
４，４８０，２８４号、Ｗａｔａｎａｂｅ他の共著、Ｊ
ｐｎ．Ｊ．Ａｐｐｌ．Ｐｈｙｓ．第３２巻第１部第２号
（１９９３年）の「アルミナ静電チャックの電気抵抗と
静電力との関係」、Ｊ．ｏｆｔｈｅＡｍ．Ｃｅｒ．
Ｓｏｃ．ｏｆＪａｐａｎＩｎｔｌ、第１０１巻第１０
号（１９９３年７月）１１０７−１１１４頁に記載され
ている「還元雰囲気中で焼成されるＴｉＯ₂を添加され
るアルミナセラミックの抵抗とミクロ組織」、に説明さ
れているように、穴あきに対する高い耐性と高温性能を
増すために用いられて、誘電層を形成していた。セラミ
ック誘電層は、典型的には、Ａｌ₂Ｏ₃とＴｉＯ₂、又は
ＢａＴｉＯ₃の混合物のような、導電率の低い多結晶セ
ラミックを含む。しかし、ＴｉＯ₂をドープされたＡｌ₂
Ｏ₃のような多結晶セラミックは、電気抵抗が温度とと
もに変化し、高温では低い、すなわち不十分な電気抵抗
を示すことがある。また多結晶セラミックは、粒子をま
とめて保持するガラス状物質の混合物を含有する結晶粒
界を持つ、直径が典型的には０．１から５０ミクロンの
小さな粒子又は結晶を含む。このようなセラミック層が
フッ素含有プラズマのような腐食性環境に暴露される
と、プラズマによって粒界域がエッチングされ、基板処
理中に、セラミック粒子が緩んではげ落ちてしまう原因
になる。またチャックを背にした基板の摩耗が原因で、
セラミック粒子がチャックからはげ落ちてしまう。これ
らの微粒子状セラミック粒子は、基板及び／又はプロセ
スチャンバを汚染するとともに、基板からの集積回路チ
ップの歩留まりを減少させる。

【０００８】また２，３種類の比較的に大きなセラミッ
ク結晶でできている単結晶セラミックの薄いウエハを含
む誘電層が、電極の被覆に用いられてきた。例えば、Ａ
ｔａｒｉ他に付与された米国特許第５，４１３，３６０
号は、誘電プレート上の電極を被覆する単結晶セラミッ
クウエハから成る静電チャックを記載している。Ａｔ
ａｒｉは、接着剤、又は高温接合法を用いて、単結晶セ
ラミックウエハをチャックの電極に接合することを教示
している。もう１つの例である、１９９４年３月３月に
出願され、Ｓｈｅｒｍａｎに付与された米国特許第５，
５３５，０９０号では、高温真空ろう付装置を用いて、
適切なろう付け合金で電極の表面に接着される単結晶セ
ラミックウエハの小さなセグメントを含む静電チャック
を開示している。例えば、単結晶セラミック層上にプラ
チナ層をスパッタリングさせることができ、プラチナペ
ーストを用いて、単結晶セラミック層を金属電極に接着
することができる。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】このようなチャックに
伴う１つの問題は、間に結合材料層を用いて金属電極に
接着され、別の材料でできた金属プレート又は誘電プレ
ートに支持される、単体の比較的薄い単結晶セラミック
ウエハを普通に備えるチャックの構造に由来する。チャ
ックの結合プロセス、又は腐食性環境での使用中に、単
結晶セラミックウエハと電極との間の熱膨張の不整合に
より、結合の破壊が起こり得る。また結合材料は、反応
プロセスでチャック使用中、熱的に、又は化学的に劣化
する金属系材料であり、処理中でのチャック故障や、基
板が動いてしまったり、ミスアラインメントの原因にな
る。また薄い単結晶セラミックウエハと電極は、熱膨張
係数の不整合から生ずる応力により、高温時に、支持を
行っている誘電プレート又は金属プレートから分離する
ことがある。もう１つの問題は、冷却剤の保持、つまり
基板下方のインターフェイスへのヘリウムガスの供給に
用いられる溝、チャネル、及び他の中空空間は、脆くて
硬く、かつ薄い単結晶セラミック層内に形成するのが困
難であることに起因する。これらの中空形状の形成に用
いられる一連の機械加工や孔明けのステップ中、脆性層
は、割れたり欠けたりして、チャックの損害を招くこと
が多い。単結晶セラミックウエハに微細孔や溝を精密に
機械加工することも困難である。

【００１０】このような従来のチャックに伴うさらに他
の問題は、単結晶セラミックウエハの製造方法に由来す
る。１つの方法であるチョクラルスキータイプ（Czochr
alski-type）の方法では、単結晶セラミックの大結晶
が、ダイ上に取り付けられた種結晶を用いて溶融アルミ
ナから引き抜かれる。引き抜かれた材料は、冷却、固化
して、大型の配向性結晶の円柱を形成する。その後、円
柱をスライスして単結晶セラミックウエハが成形され
る。ＥＦＧプロセス（エッジが画成された膜送り成長プ
ロセス）として普通知られるもう１つの方法は、例え
ば、ＬａＢｅｌｌａ他に付与された米国特許第３，７
０１，６３６号及び第３，９１５，６６２号に教示され
ており、これら両特許とも引用して本明細書に組み込ま
れる。これらの方法では、単結晶セラミックの単一結晶
は、毛管内の溶融アルミナに接触する環状リングのよう
なダイを用いて、溶融アルミナから引き抜かれる。溶融
アルミナは、毛管力により管内を上昇し、ダイは、単結
晶セラミック結晶が成長する種表面を提供する。しか
し、これらの方法により成長する単結晶セラミック結晶
のサイズは、ダイ開口サイズの寸法により制約され、大
きな直径のチャックに必要な大型単結晶セラミック結晶
の成長を阻んでいる。またこれらの製造方法により、比
較的に小さな粒子を有して、ファセット欠陥を伴う結晶
を生成する可能性がある。また、引き抜かれる結晶は、
その引き抜きプロセス中に、ねじれたり、曲がったりし
て、配向性のない、ファセットが刻まれた結晶構造を提
供することにもなりかねない。

【００１１】熱膨張による不整合が少なく、プラズマ環
境での低い腐食率、半導体処理で使用中に微粒子生成が
少ない、単結晶セラミックからできたチャックを提供す
ることが望ましい。また、チャックで用いられる単結晶
セラミックは、高温、望ましくは約１０００℃を超える
高温での動作が安定した、信頼性のある電気的性質を示
すことが望ましい。基板とチャックの温度を調節するた
めに、チャック本体に冷却流体又はヘリウムガスを保持
するための予め決められた形状の溝、スロット、及びチ
ャネルを設けることが、より好ましい。

【００１２】

【課題を解決するための手段】本発明の静電チャック
は、腐食が削減され、微粒子の生成を妨げ、高温動作温
度で信頼性のある、安定した電気的性質を示す単結晶セ
ラミック材料を含む。静電チャックは、基板を受けるた
めの受面を有する単結晶セラミックモノリスを含む。電
極は、基板を静電的に保持するための静電力を生成する
ために、単結晶セラミックモノリスに埋め込まれる。モ
ノリスを貫通して延びる電気コネクタを用いて、電極を
動作させるための電圧を供給する。好ましくは、単結晶
セラミックは、実質的に、単一の結晶方向に相互配向さ
れた、直径が約０．５から約１０ｃｍの大結晶を含む。
チャックの電極は、セラミックプレート内に誘発される
格子欠陥のパターン、セラミックプレート内のドーパン
トのパターン、又は導体金属でできた電極を含む。単結
晶セラミックチャックは、基板の汚染が殆ど、又は全く
生じずに、高温で作動させることができる。

【００１３】静電チャックのもう１つの実施形態は、下
地誘電層上のメッシュ電極を被覆する単結晶セラミック
を含む。単結晶セラミックは、メッシュ電極内の開口部
を貫通して延びて下地誘電層に直接に結合される一体結
合の相互接続部を有する、実質的に相互配向された大結
晶を含む。好ましくは、単結晶セラミック層は、実質的
に何らの接着層を用いることなく、下地誘電層に直接に
結合される。更に好ましくは、単結晶セラミック層と下
地誘電層の１つ以上がサファイアの単一結晶からつくら
れる。

【００１４】基板温度の調節に有用な静電チャックのさ
らに他の実施形態は、埋め込まれた電極と基板を受ける
ための受面とを有する誘電部材を含む。誘電部材は、チ
ャック内の熱伝達流体を循環させるための流体導路を備
える。好ましくは、流体導路は、受面からＤ₁の距離に
ある第１通路、及び受面からＤ₂の距離にある第２通路
を含み、距離Ｄ₁は距離Ｄ₂よりも大きい。好ましくは、
第１通路は、熱伝達流体を導路へ供給する流体入口に隣
接し、第２通路は、熱伝達流体を除去する流体出口に隣
接する。距離Ｄ₁は、熱伝達流体がチャック内を循環す
るときの温度上昇又は冷却を補償するのに十分なほど、
距離Ｄ₂よりも大きい。１つの実施形態では、流体導路
は、受面に対して或る角度をなす中心軸を持つ矩形断面
を持っている。もう１つの実施形態では、流体導路は、
流体入口から流体出口まで、受面へ向かって上がってい
る螺旋導路を備える。もう１つの実施形態の周内縁と周
外縁において、周内縁は受面からＤ_INの距離にあり、周
外縁は受面からＤ_OTの距離にあり、距離Ｄ_INと距離Ｄ_OT
の差を選択することにより、チャック受面の全域にわた
って実質的に均一な熱伝達率を維持する。

【００１５】静電チャックは複数の単結晶セラミック板
を相互に結合して、単体のモノリシック構造を形成した
り、溶融したセラミックを方向性をもって固化させた
り、毛管を動かして、電極上に単結晶層を播種させたり
することを含め、様々な方法で製作される。第１の方法
は、サファイアのような単結晶セラミックプレートを複
数用いて、単結晶セラミックプレートの１つ以上に電極
を形成する。単結晶セラミックプレートは、互いに結合
されて、穴部に埋め込まれた電極を有するモノリシック
構造を形成する。単結晶セラミックプレートは、酸化ア
ルミニウムを含む接着配合物を単結晶セラミックプレー
トに塗布して、接着配合物を熱処理することにより、相
互に結合させることができる。好ましくは、接着配合物
は、酸化アルミニウムと共融成分の共融混合物を含み、
この共融混合物の溶融温度は約２０００℃未満である。

【００１６】静電チャックを形成するもう１つの方法で
は、セラミック材料は、溶融セラミックを形成するため
に、型内で溶解され、型は静電チャックの内側形状を持
つ。電極のチャネルの型、導路の型のうち１つ以上が、
溶融セラミック内に保持され、種晶は、溶融セラミック
との接触が保たれる。溶融セラミックは直冷されて、実
質的に相互に配向された、そして電極の型、チャネルの
型、あるいは導路の型を内部に埋め込まれた、大結晶を
含む単結晶セラミックを形成する。次に、単結晶セラミ
ック内の電極の型、チャネルの型、又は導路の型の１つ
以上は、例えば酸化熱処理又はウエット化学的エッチン
グプロセスなどにより、適切に処理されて、電極、及び
熱伝達流体又は熱伝達ガスを保持するためのチャネル又
は導路をそれぞれ備える単結晶セラミックモノリスを形
成する。この方法は、チャネル及び導路を形成するため
に形取られた１つ以上の、内部に埋め込まれた化学的に
腐食可能な型を１つ以上有する単体モノリシック単結晶
セラミックを含む中間製品が提供される。

【００１７】静電チャックを形成するもう１つの方法で
は、溶融セラミックを形成するためにセラミック材料
が、溶融物リザーバ内で溶解される。毛管が溶融物リザ
ーバ内に位置決めされ、この毛管は、溶融物リザーバの
溶融セラミック中に入口を持ち、ワークピース表面（例
えば、誘電層上に保持されるメッシュ電極）に隣接する
出口を含む。出口は、播種面と第１凸部を有する前縁、
及び第１凸部よりも小さい第２凸部を有する後縁を含
む。毛管の出口は、毛管の前縁が後縁の前方を移動し
て、ワークピース表面全域にわたって溶融セラミック層
を堆積するように、ワークピース表面全域にわたって動
かされる。溶融セラミック材料は、毛管から引き抜か
れ、前縁の播種面上の種晶により播種される。溶融セラ
ミック層は、第１凸部と第２凸部との高低差により実質
的に制御される厚さを持つ。冷却すると、播種された溶
融セラミック層は、実質的に相互に配向されて大結晶を
含む単結晶セラミック層を形成する。好ましくは、毛管
とワークピース表面は、単結晶セラミック層の堆積過程
において連続的に加熱される。

【００１８】本発明のこれらの特長、局面、及び利点
は、以下の説明、付帯請求項、及び本発明の実施形態を
説明する添付図面に関連して理解が深まろう。

【００１９】

【発明の実施の形態】以下、添付図面に基づき、本発明
に係る単結晶セラミック静電チャックの実施形態につい
て説明する。

【００２０】本発明は、図２（ａ）により概略的に表さ
れているように、単一の結晶方向に相互配向される比較
的に大きなセラミック結晶３０を含む単結晶セラミック
モノリス２５の単体構造を備える静電チャック２０に関
する。単結晶セラミック材料の静電チャック２０は、基
板４０を受け取るための受面３５、及び内部に埋め込ま
れて受面下にある１つ以上の電極４５を含む。図２
（ａ）に示されている通り、静電チャック２０は、モノ
リシック構造２５を貫通して延びる電気コネクタ５０を
介して電極４５に電圧印加すると、基板４０を受面３５
に静電保持する。

【００２１】単結晶セラミックモノリス２５は、集積回
路製造に幾つかの利点を持つ化学的に同質組成の単体ブ
ロックを提供する。単一結晶材料を共通的に指す「単結
晶」という用語は、ここでは、同じ結晶方向に配向され
ている、つまり互いに整合してミラー指数をもつ結晶面
を有する、数の少ない（普通は１０以下）大きいセラミ
ック結晶３０を含む材料を指す。単結晶セラミックの大
結晶３０は、普通は平均直径が約０．５から約１０ｃ
ｍ、更に普通には、１から５ｃｍである。対照的に、従
来の多結晶セラミック材料は、０．１から５０ミクロン
オーダの直径の小さな粒子又は結晶を持つが、これは、
少なくとも約１０⁵から約１０⁷の係数だけ小さい。モノ
リシック構造２５内の大型セラミック結晶３０は、実質
的に同じ単一結晶方向に配向され、不純物が殆ど全くな
い、小さな粒子や結晶に見られるように、腐食性ハロゲ
ン含有環境において速やかに腐食するガラス状粒界域を
持つ露出面を示す。モノリス２５の受面３５の連続的に
同質で均一な結晶構造は、腐食性環境において腐食又は
粒子生成が少なく、多結晶セラミックチャックの受面と
違い、高温で変化しない比較的安定した電気抵抗を提供
する。

【００２２】単結晶セラミックモノリス２５の高度に配
向された結晶は、電極４５を電気的に絶縁するのに十分
高い抵抗を持つ。モノリス２５の抵抗は、好ましくは、
約１×１０⁸から約１×１０²⁰Ω／ｃｍ、更に好ましく
は、約１×１０¹¹から約１×１０¹³Ω／ｃｍであり、ま
た、クーロン静電チャック（高抵抗）又はジョンセン−
ラーベック（Johnsen-Rahbek）静電チャック（低抵抗）
のいずれかの形成に適した抵抗を提供するように適合さ
れる。モノリス２５は、処理中の粒子生成を減らし、腐
食性ハロゲン含有プラズマ環境において優れた耐腐食性
を提供し、大きなセラミック結晶が在るので、高温時に
一貫した電気抵抗を示す。適切な単結晶セラミック材料
には、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＢａＴｉＯ₃、ＢｅＯ、Ｂ
Ｎ、ＣａＯ、ＬａＢ₆、ＭｇＯ、ＭｏＳｉ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、
ＳｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＴｉＢ₂、ＴｉＮ、ＴｉＯ₂、Ｔｉ
Ｓｉ₂、ＶＢ₂、Ｗ₂Ｂ₃、ＷＳｉ₂、ＺｒＢ₂又はＺｒＯ₂
の単結晶がある。好ましくは、セラミックモノリス２５
は、腐食性環境、特にハロゲンプラズマ環境において優
れた耐薬品性と耐腐食性を示すアルミナの単結晶形であ
る単結晶サファイアを含む。また単結晶サファイアは、
１０００℃を超える温度、及び多くの場合２０００℃を
超える高温での使用が可能な、非常に高い融点を持つ。
また、セラミックモノリス２５を適切なドーパントと混
合することにより、抵抗や絶縁破壊強さなど、所望の電
気的性質を提供する。例えば、純粋サファイアの抵抗は
１×１０¹⁴Ω／ｃｍのオーダであるため、サファイアに
１から３重量％のＴｉＯ₂を混合することにより、ジョ
ンセン−ラーベックタイプの静電チャックでの使用によ
り適した１×１０¹¹から１×１０¹³Ω／ｃｍのオーダで
ある低い抵抗を提供することができる。

【００２３】静電チャック２０の電極４５は、ドーパン
ト材料のパターン、格子欠陥のパターン又はセラミック
モノリス２５に埋め込まれる金属構造のうちの１つを含
む。適切な金属電極４５は、銅、ニッケル、クロム、ア
ルミニウム、モリブデン及びこれらの組み合わせからつ
くることができる。好ましい実施形態では、電極４５
は、静電チャック２０の成形を容易にするために、少な
くとも約２２００℃の融点を持つ耐熱金属を含み、電極
の厚さは約１μｍから約１００μｍ、より典型的には、
約１μｍから約５０μｍである。直径が２００から３０
０ｍｍ（６から８インチ）の基板４０に対して、電極３
５は、普通、約７，０００から約７０，０００ｍｍ²の
総面積を占める。望ましくは、電極４５は小さな開口を
備え、この開口は、（ｉ）電極へ電圧を印加すると基板
４０を保持する均一静電界が発生することを可能にする
のに十分なだけ小さなサイズであり、また（ｉｉ）単結
晶セラミックモノリス２５が開口を通って延びる相互接
続により結合される強靭な凝集性構造の形成を可能にす
るのに十分なだけ大きなサイズを有する。電極４５をチ
ャッキング電圧電源５５へ電気的に接続するのに用いら
れるコネクタ５０は、セラミックモノリス２５を貫通し
て延びる電気リード６０と、リード端の電気接点６５を
備える。普通は、電気リード６０の長さは、約１０ｍｍ
から約６０ｍｍであり、電気リードの幅は約０．２ｍｍ
から約１０ｍｍである。

【００２４】図３を参照して、単極電極４５を持つ本発
明の静電チャック２０の動作は、プラズマプロセスチャ
ンバ７０内の半導体基板の保持に関係して説明がなされ
よう。図３に説明されているプロセスチャンバ７０は、
１９９２年９月８日に出願され、通常に譲渡され、引用
して本明細書に組み込まれている米国特許第０７／９４
１，５０７号に述べられているような、カリフオルニア
洲サンタクララ市のＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌ
ｓＩｎｃ．から市販で入手できるＣＥＮＴＵＲＡ５２
００酸化物エッチングチャンバを表す。プロセスチャン
バ７０は、典型的には、ガス分配器８０を介してプロセ
スガスをプロセスチャンバへ導入するためのプロセスガ
ス供給装置７５、及びガス状副生成物をプロセスチャン
バから排気するためのスロットル付き排気装置８５を含
む。プラズマは、電界をプロセスチャンバ７０内に結合
するプラズマ発生器を用いて、プロセスガスから形成さ
れる。プラズマ発生器は、コイル電源９５により電力が
供給される時、プロセスチャンバ７０内に誘導電界を形
成できるインダクタコイル９０を備えることができる。
代わりに、プロセス電極電源１１０により電力を供給さ
れる時、プロセスチャンバ７０内に容量電界を発生させ
るために用いられるプロセス電極１００、１０５をプロ
セスチャンバ７０は含むことができる。プロセス電極１
００は、チャック２０（図示しない）内の電極４５と同
じ電極、又は図３で示される静電チャック下方の別の電
極でもよい。電極１００、１０５により形成される容量
性電界は、基板４０の面に対して垂直であり、誘導形成
プラズマ種を基板４０に向けて加速する。プロセス電極
１００、１０５及び／又はインダクタコイル９０に印加
される電圧の周波数は、典型的には、約５０ｋＨｚから
約６０ＭＨｚ、より典型的には、約１３．５６ＭＨｚの
ＲＦ範囲にある。コイル９０又はプロセス電極１００、
１０５に印加されるＲＦ電圧の電力は、約１００から約
５０００ワットである。インダクタコイル９０とプロセ
ス電極１００、１０５双方の組み合わせは、プラズマ密
度と、プラズマイオンのプラズマエネルギー双方の制御
に好ましい。

【００２５】動作中は、プロセスチャンバ７０は排気さ
れ、大気圧よりも低い圧力に保たれ、ロボットアーム
（図示しない）が、スリットバルブを介してロードロッ
クトランスファチャンバ（同じく大気圧よりも低い圧力
で）から基板４０を搬送して、プロセスチャンバ７０に
入れる。ロボットアームは、空圧リフト機構により上昇
して静電チャック２０の受面３５よりも約２から５ｃｍ
上方に延びるリフトフィンガ（図示しない）の先端に基
板４０を載せる。空圧機構は、基板４０を受面３５上に
降ろし、静電チャック２０の電極４５は、チャック電圧
電源５５により、基板に関して電気的にバイアスされて
いる。図３に示され単極電極４５に印加される電圧は、
電極中、又は電極を被覆する単結晶セラミック材料中
に、静電荷を蓄積させる。プロセスチャンバ７０内のプ
ラズマは、基板４０内に蓄積する反対極性を持つ荷電種
を提供する。蓄積した対向する静電荷により、基板４０
を静電チャック２０に静電保持できる静電引力が結果と
してもたらされる。処理が完了すると、基板４０は、電
極４５に加えられる電圧を切ったあとも静電チャック上
に基板を保持する残留電荷を消失させることにより、基
板４０は、静電チャック２０から電気的に結合を解かれ
る、つまりチャックから開放される。次に、空圧リフト
機構は、基板４０を上昇させるリフトピンを上げて、基
板はロボットアームからの取り外されることが可能にな
る。普通は、チャッキング電源５５が切られ、チャッキ
ング電極が接地されて、蓄積されている電荷が除去され
る。基板４０は、接地導体に接触させられることによ
り、又は低電力レベルでプラズマを形成して基板からプ
ロセスチャンバ７０の接地壁までの導電経路を設けるこ
とにより、電気的に接地することができる。

【００２６】図４で説明されている本発明による静電チ
ャック２０を使用できるプロセスチャンバ７０のもう１
つの例は、ＡｐｐｌｉｅｄＭａｔｅｒｉａｌｓから市
販で入手できるＲＰＳプロセスチャンバを備える。この
プロセスチャンバ７０では、プラズマは、マイクロ波ア
プリケータ１２０、マイクロ波チューニングアセンブリ
１２５、及びマグネトロンマイクロ波発生器１３０を備
えるマイクロ波発生器アセンブリ１１５を用いて発生さ
れる。適切なマイクロ波アプリケータ１２０は、引用し
て本明細書に組み込まれている、１９９５年７月１０日
に出願された「マイクロ波プラズマ系アプリケータ」と
題するＨｅｒｃｈｅｎ他によるＡｐｐｌｉｅｄＭａｔ
ｅｒｉａｌｓの米国特許出願第０８／４９９，９８４号
中に説明されている、プロセスガス流路内の遠隔チャン
バ内に位置決めされるマイクロ波導波管を備える。この
プロセスチャンバ７０内に示されている静電チャック２
０は、実質的に等価の静電クランプ力を発生する、少な
くとも２個の実質的に同一平面上の電極を含む双極電極
４５ａ、４５ｂを備えている。双極電極４５ａ、４５ｂ
は、対向する半円形、即ち、間に電気的隔離ボイドを設
けた内側と外側のリングを形成できる。双極電極４５
ａ、４５ｂは、基板４０に対向する静電荷を誘起して基
板を静電チャック２０に静電保持する電極に電位差を印
加することにより動作する。

【００２７】好ましい実施形態では、熱伝達ガス給送装
置１３５は、熱伝達ガスを静電チャック２０の受面３５
に供給して基板４０の温度を制御する。この実施形態で
は、セラミックモノリス２５は、静電チャック２０内に
熱伝達ガスを保持するためのガスチャネル１４０、ガス
チャネルに熱伝達ガスを供給するためのガス供給装置１
４５、及び基板４０下の受面３５に熱伝達ガスを供給す
るために、チャネルから受面３５に延びるガスベント１
５０を備えている。動作中は、熱伝達ガスはガス給送装
置１４５内を流れて、ガスチャネル１４０に入り、ガス
ベント１５０を出て、受面下から出ていく。基板４０は
受面３５上のガスベント１５０を被覆してシールするこ
とにより、熱伝達ガスの基板４０下からの漏れを少なく
する。熱伝達ガスは、基板４０と静電チャック２０間に
十分な熱伝達率を提供して、基板を一定温度に保つ。典
型的には、熱伝達ガスは、約５から約３０Ｔｏｒｒの圧
力で供給されるヘリウム又はアルゴンなどの不活性ガス
である。

【００２８】図４に略示されている本発明のもう１つの
実施形態では、静電チャック２０と基板４０の温度を調
節するために、流体システムが用いられる。この流体シ
ステムは、基板４０を支持するための任意のサポートに
使用可能であり、単結晶セラミック材料を含む静電チャ
ック２０での使用に制限されるものではなく、本発明の
この実施形態の図解例を提供するにすぎないことに留意
されたい。流体システムは、（ｉ）静電チャック２０の
受面３５下に熱伝達流体を保持、又は循環させるための
流体導路１６０、（ｉｉ）熱伝達流体を導路１６０へ供
給するための流体入口１６５、及び（ｉｉｉ）熱伝達流
体を静電チャック２０から除去又は排気するための流体
出口１７０を備える。好ましくは、流体導路１６０が、
静電チャック２０に埋め込まれて、静電チャック２０、
特に、静電チャックが酸化アルミニウム又はサファイア
のような低い熱伝導性のセラミック材料からできている
場合、より良好な温度制御が提供される。動作中は、流
体供給装置１７５は、冷却された流体又は加熱された流
体を、流体導路１６０の流体入口１６５に供給する。流
体入口１６５に圧送される流体は、流体導路１６０を通
って循環することにより、流体と静電チャック間の温度
差に依存して静電チャック２０を加熱又は冷却し、流体
出口１７０から流出する。流体導路１６０は静電チャッ
ク２０内に置かれるので、流体を用いて静電チャック下
の別個の金属ベースの温度を制御し、前記ベースのヒー
トシンクと基板との間により大きな熱インピーダンスが
存在する従来の流体システムと比較すると、温度調整応
答時間が短く、また熱伝達率が大きい。

【００２９】図５（ａ）で示されている通り、好ましく
は、静電チャック２０の本体内の流体導路１６０は、受
面３５から第１の距離Ｄ₁にある第１通路１８０、及び
前記受面から第２の距離Ｄ₂にある第２通路１８５を備
える。距離Ｄ₁とＤ₂間の差△Ｄは、流体が、前記静電チ
ャック内を流れながら静電チャック２０により加熱又は
冷却されていても、受面３５から導路１６０まで、均一
な熱伝達率を提供するように選択される。距離Ｄ₁は、
静電チャック２０を通って流れる流体の温度変化を補償
するのに十分なだけ、距離Ｄ₂よりも大きいか小さい。
換言すれば、距離Ｄ₁は、そうしなければ、受面３５の
異なる部位では異なる熱伝達率になりかねない流体のど
のような温度差△Ｔをも補償するのに十分なだけ、距離
Ｄ₂よりも大きいか小さい。図５（ａ）に示される一実
施形態では、第１通路１８０は、流体入口１６５に隣接
して位置決めされるが、第２通路１８５は受面３５に、
より近い流体出口１７０に隣接して位置決めされる。こ
の配置により、受面３５と、チャック２０から出る流体
との間の温度差よりも大きい、受面３５とチャック２０
の本体に入る流体との間の温度差△Ｔが補償される。チ
ャック２０の受面で実質的に均一な温度を維持するため
に、流体入口１６５は、受面３５からの距離を、流体出
口１７０よりも離して位置決めされる。例えば、図５
（ａ）で示されている１つの配置は、流体入口１６５か
ら流体出口１７０へ進むにつれて、受面３５に向かって
上がる螺旋導路として形成される流体導路１６０を備え
るとともに、距離Ｄ₁を距離Ｄ₂よりも大きくすることに
より、受面３５全域に均一な熱伝達率を提供する。

【００３０】第１通路１８０と第２通路１８５を備える
流体導路１６０は、異なる熱インピーダンスを持つ電
極、チャネル、及び導路など、異なる材料又は内部構造
を含むセラミックチャックに固有な問題である、静電チ
ャック２０全域での熱生成又は熱伝導の変動を補償する
ことにより、基板４０の温度のより精密な制御を提供す
る。第１通路１８０と第２通路１８５は、受面３５全域
での所望の温度差又は温度の不均一性を与える、当該技
術に通常に精通する者には明らかな、連続導路１６０
を、静電チャック２０を貫通して形成するのに適した任
意の構造も備えることができる。例えば、流体導路１６
０は、受面３５下の多面断面又は矩形断面を持つ別個の
セグメント、即ち、受面に対し鋭角又は鈍角を成して位
置決めされるセグメント、又は静電チャック２０の周辺
部から中心部へ螺旋状に上昇する、又はその逆の連続導
路を含むことができる。

【００３１】チャック２０のもう１つの実施形態では、
受面３５上に保持される基板４０全域での温度プロフィ
ールは、受面３５と流体導路１６０の半径方向内側部分
との間の距離である距離Ｄ_INと、受面３５と流体導路の
半径方向外側部分又は周辺部分との間の距離である距離
Ｄ_OTとの間の差を制御することにより、更に制御され
る。距離Ｄ_INとＤ_OTとの差は、受面３５における均衡温
度の差に基づいて選択され、距離Ｄ₁と距離Ｄ₂とを関連
させて、又は独立させて、流体導路１６０を設計するの
に使うことができる。例えば、図５（ｂ）は、距離Ｄ_IN
とＤ_OT、並びに距離Ｄ₁とＤ₂の双方が、受面３５と基板
４０の全域に均一な温度を達成するように設けられた導
路を示す。図５（ｃ）と図５（ｅ）は追加の流体導路１
６０を示し、静電チャック２０の周囲にある外側周径部
Ｄ_OTが、静電チャックの中心近くの内側周径部Ｄ_INより
も受面３５に近くなっている。流体導路１６０のこの配
置は、静電チャック２０周辺部からの熱伝達を増加し、
周辺部が中心部よりも高温の定常温度又は均衡温度で動
作するのに有用であり、従って、冷却流体は周辺部を中
心部よりも高い冷却率で冷却できる。代わりに、静電チ
ャック２０の中心部が周辺部よりも温度が高い場合、流
体導路１６０は図５（ｄ）で示されている形状を持ち、
静電チャックの中心近くの内側周径部Ｄ_INは、外側周径
部Ｄ_OTよりも受面３５に近く、また距離Ｄ_INは距離Ｄ_OT
よりも小さい。

【００３２】１つの好ましい実施形態では、流体導路１
６０は、図５（ｂ）から図５（ｄ）で示されるように、
静電チャック２０内の周方向に延びていて、中心軸が受
面３５の面に対して傾いた矩形断面を持つ環状リングを
含む。受面３５に対する環状リングの角度配向を選択し
て、周囲から中心までの受面３５全域で実質的に均一な
温度を保つ。環状リングは、受面３５からＤ_INの距離に
内周縁を、受面３５からＤ_OTの距離に外周縁を持つ。図
５（ｅ）中に示されているもう１つの実施形態では、流
体導路１６０は、静電チャック２０の中心垂直軸周りに
上昇螺旋を形成する円形断面を持つ１つ以上の通路を備
える。また当該技術に通常に精通する者には明らかな、
他の同等な流体導路構造と構成は本発明の範囲内にあ
る。

【００３３】静電チャック２０を製作する１つの方法
は、内部に埋め込まれた電極４５を有する大結晶３０の
単体構造を造る溶融成形・播種プロセスを含む。溶融プ
ロセスは、図６（ａ）に示されているように、溶融セラ
ミックを形成するために、セラミック材料を溶解するた
めの加熱型２００を含む装置を用いる。加熱型２００の
側壁は、型内に延びる、又は型の周りを包む従来のヒー
タ２０５により加熱される。型２００は、好ましくは、
溶融セラミック材料を均一に濡らす(wet)材料から成形
され、また溶融セラミックが型材料の溶解により汚染さ
れてはならないので、この材料は高い融点を持ち、化学
的に安定している。サファイアから成る静電チャック２
０の製作するためには、型２００は、好ましくは、融点
が２６１７℃で、溶融アルミナを均一に濡らし、また低
い反応性と溶融アルミナとの高い化学的相容性を持つモ
リブデンのような材料からつくられる。また、水又はヘ
リウムガスのような熱伝達流体を含む冷却管（図示しな
い）を型の周りに設置することにより、熱消散源を制御
することも可能である。

【００３４】１つ以上の化学分解可能な型２１０ａ−ｄ
は、静電チャック２０内にガスチャネル１４０、ガス給
送装置１４５、ガスベント１５０、及び流体導路１６０
を成形するために形取られる。化学分解可能な型２１０
ａ−ｄと、電極４５又は静電チャック２０の双極電極４
５ａ、４５ｂは、微細なアルミナファイバにより溶融セ
ラミック材料内に吊るされた状態に保たれる、又はアル
ミナブロックで支持される。

【００３５】型２００内での溶融セラミックの固化の
間、種晶２１５を溶融セラミックの表面に接触させるこ
とにより、溶融セラミック材料中での単結晶セラミック
の成長を播種、つまり核形成させる。種晶２１５は、典
型的には、溶融セラミック材料と同じ成分を持つ結晶を
含む。種晶２１５は、配向された結晶構造を持つので、
単結晶セラミック構造の堆積を開始させる播種面又は核
形成面として働く。次に、溶融セラミックの表面は、徐
冷され、一方、型２００の側壁と底部はヒータ２０５に
より連続的に加熱される。これにより、溶融セラミック
は方向性を持って固化し、種晶２１５から外側に向かっ
て成長して、型２００の内部形状に追従して、内部形状
に倣わされた単結晶構造を形成することができる。型２
００と溶融セラミックの温度は、型２００の側壁と底部
を連続的に加熱する温度制御システム２２０により制御
される。一方、溶融セラミックは、表面から型の底部に
向かって冷却される。溶融材料に加えられる熱をゆっく
りと減らしてゆくことにより、大型で高度に配向された
結晶３０を形成することができる。

【００３６】冷却後、単結晶セラミック材料の固化セラ
ミックモノリス２５は、型２００から外され、化学分解
可能な型２１０ａ−ｄを取り除くために処理されて、静
電チャック２０に損傷を与えることなく、セラミック結
晶３０間に導路とチャネルをつくる。化学分解可能な型
２１０ａ−ｄは、セラミックモノリス２５を約２４時
間、強硝酸に浸漬するなど、適切な化学薬品によりエッ
チングが行われる。代替えとして、化学分解可能な型２
１０ａ−ｄは、セラミックモノリス２５を、酸素含有雰
囲気内で約７００℃の高温になるまで約１２０分間加熱
するだけで酸化により除去できる、グラファイトのよう
な材料でつくることも可能である。化学分解可能な型２
１０ａ−ｄの除去に酸化作用を利用する場合、電極４５
の不必要な酸化を防止するよう注意されたい。例えば、
電極４５が耐熱金属からできている場合、電極型は不活
性ガスによるフラッシング又はパージングを行うことに
より、電極の酸化や割れを防止することが好ましい。

【００３７】幾つかの異なる方法を用いて静電チャック
２０内に電極４５を形成することができる。例えば、図
６（ａ）から図６（ｃ）に示されているように、耐熱金
属を溶融セラミック中に吊るすことにより、単結晶モノ
リス構造２５内に埋め込まれる。適切な電極には、例え
ば、従来のボンディング法、スタンピング法、又は加圧
法を用いて金属箔から形成される電極、導電性ワイヤの
メッシュを形成するために或る相互接続パターンで結合
される金属ワイヤ、又は所望電極パターンを形成するた
めにエッチングされる金属プレートがある。代わりに、
電極は、導電性電極パターンを結晶構造上に形成するた
めに、既定パターンに単結晶セラミックモノリス２５の
結晶格子構造を変更することにより形成することも可能
である。この方法では、格子欠陥が、レーザをセラミッ
クモノリス２５内に焦点を合わせて、単結晶セラミック
中に導入される。適切なレーザ法は、１０⁸ワット／ｃ
ｍ²の強度を持つＮｄＹＡＧレーザを用いて、単結晶セ
ラミック全域を走査させ、導電性格子欠陥を単結晶セラ
ミック内に形成することができる。格子欠陥は、典型的
には、原子がその初晶位置から割り込み格子位置などに
移動したときに生ずる転移を含む。もう１つの方法で
は、電極４５は、抵抗、絶縁破壊強度さなど、所望の電
気的性質を提供するよう、セラミックモノリス２５に適
切なドーパントをドーピングすることにより形成され
る。例えば、サファイア単結晶のセラミック材料に、
０．１から５重量％のＴｉＯ₂を、電極４５としての使
用に適した導電性パターンにドーピングすることができ
る。従来のフオトリソグラフイ法やイオン注入法を用い
ても、ドーパントのパターン化層をサファイア層に形成
することができる。

【００３８】静電チャック２０のもう１つの実施形態
は、図２（ｂ）に示されている通り、静電チャック本体
を形成するため相互に結合された、複数の単結晶セラミ
ックプレート２２５を備える。電極４５は、静電チャッ
ク２０内に埋め込まれ、コネクタ５０は、電極に電圧を
供給するために１つ以上の単結晶セラミックプレートを
貫通して延在する。普通には、単結晶セラミックプレー
ト２２５は、普通、厚さ約０．０００１から０．００５
０インチの単結晶セラミックプレート間に複数の結合域
を持つ、厚さ約０．１から１ｃｍ、より望ましくは０．
１０から０．２５ｃｍ（０．０４から０．１０インチ）
を有する。セラミックモノリス２５は、約２枚から約３
０枚の単結晶セラミックプレート２２５を有する。１つ
以上の単結晶セラミックプレート２５５に、基板４０下
の受面３５に熱伝導ガスを供給するため、（ｉ）ガスチ
ャネル１４０、（ｉｉ）ガス給送装置１４５及び（ｉｉ
ｉ）ガスベント１５０を機械加工した。また、単結晶セ
ラミックプレート２２５に、流体導路１６０、流体入口
１６５、及び流体出口１７０も機械加工した。単結晶セ
ラミックプレート２２５は、ガスチャネル１４０、ガス
給送装置各１４５、及びガスベント１５０が連続的なガ
ス分配経路を形成するように、そして、流体導路１６
０、流体入口１６５、及び流体出口１７０が、静電チャ
ック２０内に別個の連続流路を形成するように、互いに
整列される。

【００３９】図５（ａ）から図５（ｃ）に示されてい
る、複数の単結晶セラミックプレート２２５を有する静
電チャック２０の製作方法を説明する。溶融セラミック
からセラミックの単一結晶に播種するチョクラスキー法
又はＥＦＧ法のような、従来の結晶成長技法を用いて、
単結晶セラミックの大直径単一結晶を成長させる。単結
晶セラミックの単一結晶は、実質的に相互に配向された
大きな酸化アルミニウム結晶３０を有する、多数の単結
晶セラミックプレート２２５に切断される。金属構造、
ドーパントパターン、又は格子欠陥のパターンを有する
電極４５は、前記一枚以上の単結晶セラミックプレート
２２５に形成される。単結晶セラミックプレート２２５
は、酸化アルミニウムと共融成分の混合物を有する共融
結合配合物２３０を用いて互いに結合させることによ
り、セラミックモノリス２５を形成する。結合配合物２
３０は、単結晶セラミックプレート２２５の熱膨張係数
と整合して、比較的に低温で溶融する酸化アルミニウム
を選択、提供する。共融成分とは、純粋な酸化アルミニ
ウムの溶融温度よりも著しく低い融点温度、好ましく
は、約２０００℃未満、より好ましくは、約１５５０℃
未満の溶融温度を持つ、酸化アルミニウムを含む、共融
すなわちガラス状系を形成する添加剤又は添加剤の混合
物をいう。好ましい共融成分は、例えば、Ｂ₂Ｏ₃、Ｐ₂
Ｏ₅、及びＳｉＯ₂などを含む。

【００４０】幾つかの異なる方法を用いて、単結晶セラ
ミックプレート２２５の１つに金属電極４５を形成する
ことができる。１つの方法では、レジストのパターン化
層は、単結晶セラミックプレート２２５の１つに形成さ
れ、レジストフィーチャ（例えば、電気メッキ又はスパ
ッタリングなどによる）間に金属を堆積することによ
り、電極４５の構造を形成する。適切なレジスト材料
は、ＤｕＰｏｎｔｄｅＮｅｍｏｕｒｓＣｈｅｍｉｃ
ａｌＣｏ．が製造する「ＲＩＳＴＯＮ」を含み、また
従来のフオトリソグラフイ法は、１９８６年にカリフオ
ルニア州のLattice Pressが発行したＳｔａｎｌｅｙＷ
ｏｌｆとＲｉｃｈａｒｄ N．Ｔａｕｂｅｒ共著「超大
規模集積回路時代のシリコンプロセス」の第１巻「プロ
セス技術」第１２、１３、１４章に説明されており、こ
れは引用して本明細書に組み込む。代替として、電極４
５は、例えば金属ＣＶＤ又はスパッタリング等、従来の
ＰＶＤやＣＶＤ、又は溶液堆積法を用いてサファイアプ
レート上に堆積される金属層をエッチングすることによ
り製造することができる。従来のフオトリソグラフイ法
とエッチング法は、堆積金属を所望の電極構成にエッチ
ングするため用いられる。電極４５は、既定パターンの
セラミックウエハの格子構造を導電性電極パターンを形
成できるように変更する、又は抵抗、絶縁破壊強さ等の
所望の電気的特性を備えるために、単結晶セラミックに
適切なドーパントをドーピングすることにより、円柱状
の単結晶セラミックから切り取られた単結晶セラミック
材料のウエハ上に形成することも可能である。

【００４１】図８（ａ）に示すように、本発明による静
電チャック２０のさらに他の実施形態は、下地誘電層２
４５上のメッシュ電極２４０を被覆する単結晶セラミッ
ク層２３５を備え、前記メッシュ電極はそれらを貫通す
る予め形成された開口１９５を有する。下地誘電層２４
５は、単結晶セラミック層２３５と同じ材料から形成す
ることができるが、異なるセラミック材料でもよい。メ
ッシュ電極２４０は、導電性のパターン化電極である。
単結晶セラミック層と下地誘電層２４５に適した材料
は、Ａl₂Ｏ₃、ＢｅＯ、ＳｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、ＺｒＯ₂、
ＣａＯ、ＭｇＯ、ＴｉＯ₂、ＢａＴｉＯ₃、ＡｌＮ、Ｔｉ
Ｎ、ＢＮ、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＺｒＢ₂、ＴｉＢ₂、ＶＢ₂、Ｗ₂Ｂ
₃、ＬａＢ₆、ＭｏＳｉ₂、ＷＳｉ_X、又はＴｉＳｉ_Xを含
む。好ましくは、単結晶セラミック層２３５と下地誘電
層２４５はサファイアを含む。より好ましくは単結晶セ
ラミック層２３５の厚さｔは、電界の電極からの拡散を
小さくするために、パターン化メッシュ電極２４０間の
開口１９５の直径の少なくとも約３倍である。

【００４２】好ましくは、単結晶セラミック層２３５
は、下地誘電層２４５を備える単体構造を形成するため
に、メッシュ電極２４０内の開口１９５を貫通して延び
る一体結合の相互接続１９０を更に備える。一体結合の
相互接続１９０は、実質的に接着剤を用いないで下地誘
電体層２４５に直接結合される、配向された大型の結晶
３０を有する単結晶材料のポストを備える。ポストは、
溶融セラミック材料をメッシュ電極２４０の露出面上に
施した時に形成される。溶融材料は、メッシュ電極２４
０の開口１９５に浸透し、下地誘電層２４５と融合し
て、メッシュ電極全体を囲む連続的な化学結合されたセ
ラミック構造を形成する。好ましくは、メッシュ電極２
４０内の開口部１９５は、メッシュ電極に電圧が印加さ
れると、基板４０を保持するための均一な静電界を生じ
るのに十分なだけ小さいサイズであり、またそこに形成
される一体結合の相互接続１９０により単結晶セラミッ
ク層２３５を下地誘電層２４５に堅固に結合するのに十
分大きいサイズである。一体結合の相互接続１９０の使
用により、静電チャック２０の従来の誘電層に用いられ
ていた接着剤の使用をやめることにより、約１０００℃
を超えて、２０００℃を超えることの多い、高い動作温
度でのより安定した、信頼性のある電気的特性が得られ
る。接着剤の使用をやめることにより、腐食性の高いプ
ラズマ環境での耐腐食性も改善される。

【００４３】単結晶セラミック層２３５を備える図８
（ａ）の静電チャック２０の製作方法をここで説明す
る。図８（ｂ）に示すように、結晶成長装置は、溶融セ
ラミックを形成するために、セラミック材料を融解する
ための溶融物リザーバ２５０を備える。溶融物リザーバ
２５０は、セラミックファイバ絶縁２５５により取り囲
まれ、溶融物リザーバ２５０の周りに巻き付けられた、
タングステン又はニクロム線のような従来のヒータ２０
５を含む。溶融物リザーバ２５０は、普通には、溶融点
が２６１７℃のモリブデンなど、セラミック材料の高い
溶融温度に耐える耐腐食性材料から成る。このようなセ
ラミック材料の代表的な溶融は１０００℃を超える場合
が多く、例えば、融点即ち軟化点は、アルミナは２０１
５℃、酸化珪素は１２００から１７００℃、酸化チタン
は１８４０℃である。

【００４４】硬質毛管２６０は、溶融物リザーバ２５０
の溶融セラミック内に位置決めされる。毛管２６０の直
径は、リザーバ２５０内に溶解している特定セラミック
材料の毛管表面張力に基づいて選択される。毛管２６０
の代表的な直径は、約０．２から約２ｍｍである。硬質
毛管２６０は、１つ以上のメッシュ電極２４０の露出面
等、ワークピース表面２６５上に溶融セラミック層を供
給するため、毛管内に働く毛管張力により、溶融セラミ
ック材料を毛管の長さまで引き上げ、自己充填する。

【００４５】毛管２６０は、リザーバ内の溶融セラミッ
クに浸漬された入口２７０、及び例えば、電極の露出面
のような、ワークピース表面２６５に隣接する出口２７
５を含む。出口２７５は、（１）第１凸部と播種面２８
５を持つ前縁２８０と（２）第１凸部よりも小さい第２
凸部を持つ後縁２９０とを備える。ワークピース表面２
６５上に堆積される単結晶セラミック層２３５の厚さｔ
は、出口２７５の前縁と後縁２８０、２９０の高低差、
即ち第１凸部と第２凸部の差により制御される。毛管２
６０の出口２７５は、毛管２６０の前縁２８０が後縁２
９０の前方を移動できるような方向にワークピース表面
２６５全域に移動することにより、ワークピース表面に
溶融セラミック層を堆積する。溶融セラミック層は、毛
管張力により毛管２６０を介して引き出され、前縁２８
０の播種面２８５によって播種されて、単結晶セラミッ
ク層２３５をワークピース表面２６５上に形成する。

【００４６】一体結合の相互接続１９０は、静電チャッ
ク２０の電極の露出表面上での溶融セラミック層堆積中
に形成され、溶融セラミック材料は、メッシュ電極２４
０内の開口１９５内を流れることにより、メッシュ電極
の開口１９５直下に横たわる下地誘電層２４５上の接合
部に直接に結合される。このようにしてできる構造は、
電極下の下地誘電層２４５を、電極を被覆する単結晶セ
ラミック層２３５へ結合するための接着剤のを使用を不
要とする。

【００４７】好ましくは、毛管２６０とワークピース表
面２６５の温度は、単結晶セラミック層２３５の堆積中
に毛管とワークピース表面を加熱する温度制御システム
により均一に維持される。ワークピース表面２６５の加
熱により、同一面のセラミック層は併合し、相互の流入
が可能になって、実質的にワークピース全体を被覆する
連続的なセラミック層を形成する。温度制御システム
は、熱シールド、加熱及び／又は冷却システム、及び温
度コントローラ３００を含む。熱シールドは、毛管２６
０を囲むセラミックファイバ絶縁体２５５のシリンダ及
びワークピース表面２６５を囲むセラミックファイバ絶
縁体２９５のボックスを含み、適切なセラミック絶縁体
は、ＺＩＲＣＡＲ社から市販されて入手可能なＺＩＲＣ
ＡＲファイバを含む。好ましくは、セラミック絶縁内の
ヒートコイルは、管とワークピース表面２６５の温度を
制御するため、閉ループ温度コントローラ３００に接続
される。水又はヘリウムガス等の熱伝達流体を含む冷却
管３０５も、毛管２６０とワークピース表面２６５の周
りに備えられて、高速熱放散源（図示せず）を提供する
ことができる。単結晶セラミック層２３５の堆積速度
は、熱損失を減らし、温度制御システムの使用により堆
積層の熱衝撃を最小にすることにより最大になる。

【００４８】毛管２６０は、化学的に安定し、高い溶融
温度を持ち、約９０°未満の接触角を持つ溶融セラミッ
ク材料を均一に湿潤する材料から製造されるのが好まし
い。適切な高温材料はモリブデンである。モリブデン
も、溶融アルミナを均一に湿潤し、溶融アルミナとの低
反応性と高い化学的相容性とを有する。

【００４９】毛管２６０の高さが高くなるほど、ワーク
ピース面２６５上に堆積される溶融セラミック層に形成
される機械的不安定性と摂動はそれだけ小さくなる。し
かし、毛管２６０の最大許容高さは、毛管内の溶融セラ
ミック材料の表面張力と密度により決まる。殆どのセラ
ミック材料は、高い表面張力、低い接触角、低密度を有
し、比較的高い毛管上昇が得られる。モリブデン毛管内
の溶融アルミナに適した毛管２６０の高さは少なくとも
約２５ｍｍ、より望ましくは、溶融物リザーバ２５０内
の溶融物表面上、約５０ｍｍである。

【００５０】毛管２６０の出口２７５は、播種面２８５
を有する前縁２８０を備える。播種面２８５は、溶融セ
ラミック材料から、単結晶セラミック層２３５を播種す
るか、又はその成長の核をなす。播種面２８５は、普通
は、単結晶セラミック材料と同じ材料の播種結晶２１５
を含み、ワークピース表面２６５上に単結晶セラミック
層２３５の成長を開始させる播種又は核をなす表面とし
て働く。

【００５１】毛管２６０の出口２７５は、ワークピース
表面２６５上に、ワークピース表面全域に移動しながら
溶融セラミック材料のリボンを堆積するので、単結晶セ
ラミック層２３５により被覆される面積の形状にマッチ
させる必要はない。ワークピース表面２６５は、セラミ
ック材料の多数のリボンの堆積中に、そこに堆積される
セラミック材料の溶融温度近傍の温度まで連続的に加熱
され、ワークピース表面２６５の全域にわたり連続的か
つ均一なセラミック層を形成するために、リボンの相互
流入を引き起こす。溶融セラミックの各リボンの幅は、
出口２７５の幅ｗに対応し、リボンの高さｔは、出口開
口を画成する前縁と後縁２８０、２９０の高さの差に対
応する。

【００５２】毛管２６０とワークピース表面２６５は、
相互の方向に相対的に移動して、電極上に溶融セラミッ
ク材料の均一な層を堆積する。普通、毛管２６０を介す
る溶融セラミック材料の移動速度は、１分につき約１０
から１００ｃｍであり、毛管の出口２７５の移動速度
は、しかるべく調整されてワークピース表面２６５上の
単結晶セラミック材料の所望の厚さｔが得られる。好ま
しくは、ワークピース表面２６５は、機械的に安定した
溶融界面を提供するに十分に遅い速度で毛管２６０の出
口２７５の全域を移動する。毛管２６０は溶融物リザー
バ２５０内に固定されるので、管と結晶成長界面内の溶
融セラミック材料の上部は、溶融物リザーバに対して、
共に相対的に静止状態にある。代替として、周囲の加熱
シールドに沿った毛管２６０の出口２７５は、ワークピ
ース表面２６５全域に渡り移動する。相互の上部に積み
重ねられた単結晶セラミック材料の多くの層は、ワーク
ピース表面２６５上に堆積できる。

【００５３】本発明は、特定の好ましい実施形態に関し
て十分詳細に説明したが、他の多くの実施形態は、当該
技術に通常に精通する者にとって明らかだろう。例え
ば、単結晶セラミックは、多結晶セラミック材料の結晶
成長、又は他の適切な溶融物形成法により製造すること
ができる。また、電極や他の形状も、例えば単結晶セラ
ミックに孔明けや機械加工を施したり、所望の型や成形
物をインサートすることによって形成できる。故に、添
付請求項の精神と範囲は、本明細書内に包含される好ま
しい実施形態の説明に限定されるものではない。

【図面の簡単な説明】

【図１】（ａ）はクーロン静電力を用いて動作する静電
チャックの概略図であり、（ｂ）はジョンセン−ラーベ
ック静電力を用いて動作する静電チャックの概略図であ
る。

【図２】（ａ）は本発明の一実施形態による静電チャッ
クの概略断面図であり、（ｂ）は本発明の他の実施形態
による静電チャックの概略断面図である。

【図３】本発明の単極チャックを含むプロセスチャンバ
の概略断面図である。

【図４】本発明の双極チャックを含むプロセスチャンバ
の概略断面図である。

【図５】（ａ）から（ｅ）は、本発明の好ましい流体導
路編成を示す概略断面図である。

【図６】（ａ）から（ｄ）は、リザーバ内の溶融セラミ
ックの方向性固化作用を用いて、図２（ａ）の静電チャ
ックの製造に用いられる逐次ステップを示す概略断面図
である。

【図７】（ａ）から（ｅ）は、図２（ｂ）の静電チャッ
クを形成するために用いられる、プレカットされた単結
晶セラミックプレートと電極のアセンブリの概略分解断
面図である。

【図８】（ａ）は下地誘電は層上のメッシュ電極を被覆
する単結晶セラミック層を備える静電チャックの実施形
態の概略断面図であり、（ｂ）は図８（ａ）の静電チャ
ックの形成に適する装置の概略断面図である。

【符号の説明】

２０…静電チャック、２５…モノリシック構造、３０…
セラミック結晶、３５…受面、４０…基板、４５…金属
電極、４５ａ，４５ｂ…双極電極、５０…電気コネク
タ、５５…チャッキング電極、６０…電気リード、７０
…プロセスチャンバ、７５…プロセスガスの供給、９０
…インダクタコイル、９５…コイル電源、１００，１０
５…プロセス電極、１１０…プロセス電極電源、１１５
…マイクロ波発生器アセンブリ、１２０…マイクロ波ア
プリケータ、１２５…マイクロ波チューニングアセンブ
リ、１３５…熱伝達ガス給送装置、１４０…ガスチャン
ネル、１４５…ガス給送装置、１５０…ガスベント、１
６０…流体導路、１６５…流体入口、１７０…流体出
口、１７５…流体の供給、１８０…第１通路、１８５…
第２通路、１９５…開口、２００…加熱型、２０５…ヒ
ータ、２１０ａ−ｄ…型、２１５…種晶、２２０…温度
コントローラ、２２５…単結晶セラミックプレート、２
３０…結合配合物、２４０…メッシュ電極、２４５…下
地誘電層、２５０…溶融物リザーバ、２５５，２９５…
セラミックファイバ絶縁体、２６０…毛管、２６５…ワ
ークピース表面、２８０…前縁、２８５…播種面、２９
０…後縁、３００…温度コントローラ、３０５…冷却
管。

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】基板を受け取るための受面を有する単結
晶セラミックと、前記単結晶セラミック内に埋め込まれた電極と、プロセスチャンバ内に基板を静電的に保持するために前
記電極に電圧を供給するための、前記単結晶セラミック
を貫通して延びる電気コネクタと、から成ることを特徴とする静電チャック。
【請求項２】前記単結晶セラミックは、０．５から１
０ｃｍの直径を持つ大結晶のモノリスを含み、前記結晶
が実質的に単一の結晶方向に配向されていることを特徴
とする請求項１に記載の静電チャック。
【請求項３】前記単結晶セラミックは、Ａｌ₂Ｏ₃、Ａ
ｌＮ、ＢａＴｉＯ₃、ＢｅＯ、ＢＮ、ＣａＯ、ＬａＢ₆、
ＭｇＯ、ＭｏＳｉ₂、Ｓｉ₃Ｎ₄、ＳｉＯ₂、Ｔａ₂Ｏ₅、Ｔ
ｉＢ₂、ＴｉＮ、ＴｉＯ₂、ＴｉＳｉ₂、ＶＢ₂、Ｗ₂Ｂ₃、
ＷＳｉ₂、ＺｒＢ₂、又はＺｒＯ₂のうちの１つ以上を含
み、前記電極は、（ｉ）少なくとも約２２００℃の融点
を持つ耐熱金属、（ｉｉ）単結晶セラミックプレート中
のドーパントのパターン、又は（ｉｉｉ）単結晶セラミ
ックプレート中の格子欠陥のパターン、のうちの１つを
含むことを特徴とする請求項２に記載の静電チャック。
【請求項４】前記単結晶セラミックは、本質的にサフ
ァイアから成ることを特徴とする請求項３に記載の静電
チャック。
【請求項５】前記単結晶セラミックは、（ｉ）単体モ
ノリシック構造、又は（ｉｉ）相互に結合された複数の
単結晶セラミックプレート、のうち少なくとも１つを含
むことを特徴とする請求項４に記載の静電チャック。
【請求項６】前記単結晶セラミックプレートは、酸化
アルミニウムと共融成分との共融混合物を含む結合配合
物によって結合され、前記共融混合物の融点が約２００
０℃未満であることを特徴とする請求項５に記載の静電
チャック。
【請求項７】単結晶セラミックプレートのうち１枚以
上は、（ｉ）熱伝達ガスを保持するためのガスチャネ
ル、（ｉｉ）熱伝達ガスを前記ガスチャネルに給送する
ガス給送装置、及び（ｉｉｉ）熱伝達ガスを前記基板の
下へ供給するために、前記ガスチャネルから前記受面ま
で延びているガスベント、を画成するために協働する溝
及び孔を含むことを特徴とする請求項５に記載の静電チ
ャック。
【請求項８】熱伝達流体を中を通して循環させるため
の流体導路を更に含み、前記流体導路は、（１）断面が前記受面に対して或る角度をなす中心軸を
持ち、（２）導路が流体入口から流体出口まで前記受面に向か
って延び、（３）第１通路が受面からＤ₁の距離にあり、第２通路
が前記受面からＤ₂の距離にあり、前記距離Ｄ₁は前記距
離Ｄ₂よりも大きく、（４）第１通路は流体入口に隣接し、第２通路は流体出
口に隣接し、又は、（５）周内端と周外端であって、前記周内端は前記受面
からＤ_INの距離にあり、周外端は前記受面からＤ_OTの距
離にあり、前記距離Ｄ_INと距離Ｄ_OTの差を選択すること
により、チャックの受面全域における熱伝達の実質的に
均一な割合を維持することの少なくとも１つを含むこと
を特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
【請求項９】静電チャックを製作する方法であって、
（ａ）型内でセラミック材料を溶解して、溶融セラミッ
クを形成する工程を有し、前記型は静電チャックの内側
形状を持ち、（ｂ）電極の型、チャネルの型又は導路の
型うち１つ以上を、前記溶融セラミック内に保持する工
程と、（ｃ）前記溶融セラミックとの種晶の接触を維持
する工程と、（ｄ）前記溶融セラミックを冷却して、実
質的に相互に配向される大結晶を含むとともに、内部に
埋め込まれた電極、チャネル、又は導路の型を含む単結
晶セラミックを形成する工程と、及び、（ｅ）前記電
極、チャネル、又は導路のうち１つ以上を処理して、電
極、チャネル、又は導路を内部に持つ単結晶セラミック
モノリスを形成する工程と、を含むことを特徴とする方
法。
【請求項１０】前記電極の型は耐熱金属から成り、前
記導路とチャネルの型は、周囲の前記単結晶セラミック
を損傷することなくエッチング除去可能な化学分解性材
料、又は酸化される酸化性材料から作られることを特徴
とする請求項９に記載の方法。
【請求項１１】単結晶静電チャックを形成する方法で
あって、（ａ）直径が０．５から１０ｃｍの大結晶を含
む、複数の単結晶セラミックプレートを形成する工程を
有し、前記大結晶は実質的に単一の結晶方向に配向さ
れ、（ｂ）前記単結晶セラミックプレート間、又はその
上に電極を形成する工程と、（ｃ）単結晶セラミックプ
レートを相互に結合して、前記単結晶セラミックモノリ
スの外部へ延びる電気コネクタを備える埋込電極を持つ
単結晶セラミックモノリスを形成する工程と、を含むこ
とを特徴とする方法。
【請求項１２】前記単結晶セラミックプレートはサフ
ァイアからつくられ、酸化アルミニウムと共融成分との
共融混合物を含む結合配合物を前記単結晶セラミックプ
レートに施し、前記共融混合物は約２０００℃未満の融
点を持ち、前記結合配合物を熱処理することにより、前
記単結晶セラミックプレートを互いに結合することを特
徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１３】（ｉ）メッシュ電極を単結晶セラミッ
クプレートに取り付ける工程と、（ｉｉ）単結晶セラミ
ックプレート上に金属層を堆積させ、前記堆積金属層を
エッチングする工程と、又は、（ｉｉｉ）レジストフイ
ーチャのパターンを単結晶セラミックプレートに形成
し、前記レジストフイーチャ間に金属を堆積させる工程
と、のうち少なくとも１つの工程より電極が形成される
ことを特徴とする請求項１１に記載の方法。
【請求項１４】前記電極は、少なくとも約２２００℃
の融点を持つ耐熱金属を含むことを特徴とする請求項１
３に記載の方法。
【請求項１５】前記電極はメッシュ電極を含み、この
メッシュ電極の開口部は、電極が基板を確実に静電的に
保持するのに十分なだけ小さく、また開口部内の接着剤
が単結晶セラミックプレートを確実に相互接着させるの
に十分なだけ大きい寸法であることを特徴とする請求項
１４に記載の方法。
【請求項１６】プロセスチャンバ内で基板を保持する
ための静電チャックであって、（ａ）内部に埋め込まれ
た電極、及び基板を受け取るための受面とを有する誘電
部材と、及び、（ｂ）前記誘電体内に熱伝達流体を循環
させるための流体導路と、を含むことを特徴とする静電
チャック。
【請求項１７】前記流体導路は、（１）断面が前記受面に対して或る角度をなす中心軸を
持ち、（２）導路が流体入口から流体出口まで前記受面に向か
って延び、（３）第１通路が前記受面からＤ₁の距離にあり、前記
第２通路が前記受面からＤ₂の距離にあり、前記距離Ｄ₁
は前記距離Ｄ₂よりも大きく、（４）第１通路は流体入口に隣接し、第２通路は流体出
口に隣接し、又は、（５）周内端と周外端であって、前記周内端は前記受面
からＤ_INの距離にあり、前記周外端は前記受面からＤ_OT
の距離にあり、前記距離Ｄ_INと距離Ｄ_OTの差を選択する
ことにより、チャックの受面全域で熱伝達の実質的に均
一な率を維持する、ことの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項１
６に記載の静電チャック。
【請求項１８】前記第１距離Ｄ₁は、プロセスチャン
バ内でのチャックの動作時に、熱伝達流体が導路を通っ
て流れるとき前記熱伝達流体の温度上昇を補償するのに
十分なだけ、前記第２距離Ｄ₂よりも大きいことを特徴
とする請求項１７に記載の静電チャック。
【請求項１９】支持体の表面に保持される基板の温度
を調節する方法であって、受面からＤ₁の距離にある第１通路を介して熱伝達流体
を供給する工程と、前記受面からＤ₂の距離にある第２通路から前記熱伝達
流体を除去する工程とを含み、前記距離Ｄ₁は前記距離
Ｄ₂よりも大きいことを特徴とする方法。
【請求項２０】前記第１距離Ｄ₁は、熱伝達流体が導
路を通って流れるとき発生する、前記導路内の前記熱伝
達流体の温度上昇を補償するのに十分なだけ、前記第２
距離Ｄ₂よりも大きいことを特徴とする請求項１９に記
載の方法。
【請求項２１】プロセスチャンバ内の基板を支持する
ための誘電部材であって、前記基板を受け取るための受面と、及び前記受面の下に
熱伝達流体を循環させるための、前記誘電部材に埋め込
まれた流体導路と、を含むことを特徴とする誘電部材。
【請求項２２】前記流体導路は、（１）断面が前記受面に対して或る角度をなす中心軸を
持ち、（２）導路が流体入口から流体出口まで前記受面に向か
って延び、（３）第１通路が前記受面からＤ₁の距離にあり、第２
通路が前記受面からＤ₂の距離にあり、前記距離Ｄ₁は前
記距離Ｄ₂よりも大きく、（４）第１通路は流体入口に隣接し、第２通路は流体出
口に隣接し、又は、（５）周内端と周外端であって、前記周内端は前記受面
からＤ_INの距離にあり、前記周外端は前記受面からＤ_OT
の距離にあり、前記距離Ｄ_INと距離Ｄ_OTの差を選択する
ことにより、チャックの受面全域で熱伝達の実質的に均
一な率を維持する、ことの少なくとも１つを含むことを特徴とする請求項２
１に記載の誘電部材。
【請求項２３】プロセスチャンバ内で基板を保持する
ための静電チャックであって、前記静電チャックは下地誘電層上のメッシュ電極を被覆
する単結晶セラミック層を含み、前記単結晶セラミック
層は、実質的に相互に配向された大結晶と、及び前記メ
ッシュ電極内の開口部を通って延びて、前記下地誘電層
に直接に結合する一体結合を行う相互接続部とを有する
ことを特徴とする静電チャック。
【請求項２４】前記単結晶セラミック層は、実質的に
接着剤を用いることなく、下地誘電層に直接に結合され
ることを特徴とする請求項２３に記載の静電チャック。
【請求項２５】前記単結晶セラミック層又は前記下地
誘電層のうち１つ以上は、サファイアから成ることを特
徴とする請求項２４に記載の静電チャック。
【請求項２６】ワークピース表面上に単結晶セラミッ
ク層を形成する方法であって、（ａ）溶融物リザーバ内
でセラミックを溶融して溶融セラミックを形成する工程
と、（ｂ）前記溶融物リザーバの前記溶融セラミック内
に毛管を位置決めする工程とを含み、前記毛管はリザー
バ内の入口と、ワークピース表面に隣接する出口とを備
え、前記出口は第１の高さと播種面を持つ前縁、及び第
１の高さよりも小さな第２の高さを持つ後縁を含み、
（ｃ）前記前縁が前記後縁の前方を移動するように、前
記毛管の出口をワークピース表面の全域に移動する工程
とを含み、前記毛管から引き抜かれる溶融セラミック層
は、前縁の播種面により播種され、前記第１と第２の高
さの差により実質的に制御される厚さｔを持つ溶融セラ
ミック層を、ワークピースの表面に堆積させ、（ｄ）播
種された溶融セラミック層を冷却して、実質的に相互に
配向された大結晶を含む単結晶セラミック層を形成する
工程と、を含むことを特徴とする方法。
【請求項２７】前記前縁上の前記播種面は単結晶セラ
ミックの種晶を含み、及び前記ワークピース表面は単結
晶セラミック層の堆積時に連続して加熱されることを特
徴とする請求項２６に記載の方法。