JP2001274228A

JP2001274228A - 静電チャック

Info

Publication number: JP2001274228A
Application number: JP2001011081A
Authority: JP
Inventors: Hideyoshi Tsuruta; 英芳鶴田; Kazuaki Yamaguchi; 和明山口
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2000-01-20
Filing date: 2001-01-19
Publication date: 2001-10-05
Anticipated expiration: 2021-01-19
Also published as: JP4317329B2

Abstract

(57)【要約】【課題】ウエハーへ熱量を供給し、ウエハーの熱を突起
およびバックサイドガスを通じて静電チャック側へと伝
導させる静電チャックであって、ウエハーの温度制御を
容易とし、ウエハーの温度の均一性を向上させる。【解決手段】静電チャック１は、ウエハー１０を設置す
る設置面２ａを有する絶縁層２と、絶縁層内に設置され
ている内部電極と、設置面から突出する、ウエハーと接
触するべき接触面１４を有する突起３Ａを備える。ウエ
ハーを吸着した状態で空間１１内にバックサイドガスを
流す。ウエハーへと熱量を供給し、ウエハーの熱を突起
およびバックサイドガスを通じて静電チャック側へ伝導
させる。突起の接触面１４の面積の合計値が、内部電極
の面積の１％以下である。突起の高さＨが１μｍ以上、
１０μｍ以下である。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、プラズマ等からウ
エハーへと入熱させてウエハーの温度を制御する型の静
電チャックにおいて、ウエハーの温度分布を均一化する
ことである。

【０００２】

【従来の技術】静電チャックにおいては、通常、絶縁層
の設置面から突出する多数の突起ないしエンボス部分を
設け、この突起の頂面（接触面）を半導体ウエハーに対
して接触させる。また、絶縁層内の内部電極に直流電圧
を印加し、半導体ウエハーと突起の接触面との接触界面
でジョンソン−ラーベック力を発生させ、接触面上の半
導体ウエハーを吸着する。このため、突起の接触面（頂
面）の面積を大きくすることによって、半導体ウエハー
の吸着力を向上させることができる。

【０００３】現在、半導体ウエハーの熱ＣＶＤやエッチ
ングの際には、半導体ウエハー上に高密度プラズマを生
成させている。そして、エッチングの場合には、半導体
ウエハーを静電チャックによって吸着し、静電チャック
の下側に冷却フランジを設ける。そして、高密度プラズ
マから半導体ウエハーへと入熱した熱量を静電チャック
側へと逃がすことで、半導体ウエハーの温度上昇を防止
している。また、熱ＣＶＤの際には、高密度プラズマか
ら半導体ウエハーへと入熱する熱量を、半導体ウエハー
から一定速度で静電チャックに逃がすことで、半導体ウ
エハーの温度を所望温度に制御している。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかし、このような半
導体ウエハーの温度制御方式には、以下の問題点があ
る。即ち、上記のような静電チャックにおいては、高密
度プラズマから半導体ウエハーへと入熱したときに、半
導体ウエハーから静電チャックへの熱の伝導の度合いを
制御することが、一般的に困難である。

【０００５】なぜなら、半導体ウエハーに対する吸着力
を向上させるためには、一般に突起の接触面の面積を大
きくする必要がある。しかし、突起の占める割合が大き
くなると、次の問題がある。

【０００６】まず、突起の接触面の微妙な硬さの変化、
表面凹凸の変化等によって、突起と半導体ウエハーとの
接触状態が変化し、各突起の各接触面における熱接触抵
抗がばらつく。このため、半導体ウエハーからの熱を安
定して静電チャック側へと逃がすことができないため、
半導体ウエハーの温度均一性が低下しやすい。

【０００７】その上、半導体ウエハーと突起の接触面と
の間は接触熱伝導であるので、熱が伝わりやすい。この
ため、突起の接触面の面積を大きくすると、特に１００
℃以上、更には３００℃−４００℃といった温度範囲に
半導体ウエハーの温度を制御しようと試みた場合、半導
体ウエハーから突起を通じた接触熱伝導によって半導体
ウエハーの温度が大きく下がり、半導体ウエハーの温度
を高くすることができない。

【０００８】この問題を解決するためには、個々の突起
の接触面の面積を小さくし、あるいは突起の個数を少な
くすることによって、半導体ウエハーから突起を通じた
接触熱伝導によって静電チャックへと伝わる熱を、減少
させることが考えられる。しかし、この場合には、半導
体ウエハーのうち突起に接触する部分の面積が小さくな
るし、半導体ウエハーから設置面への熱輻射による熱伝
導量は非常に少ないので、半導体ウエハーの温度分布が
大きくなる。

【０００９】更に、この問題を解決するためには、半導
体ウエハーの裏面と絶縁層との隙間に一定圧力のバック
サイドガスを流し、このバックサイドガスにおける熱伝
達によって半導体ウエハーの熱を絶縁層へと伝達する方
法がある。この場合には、半導体ウエハーへと入った熱
は、突起の接触面との接触を通じた接触熱伝導と、バッ
クサイドガスを通じた熱伝達との双方の経路によって、
静電チャックに伝わる。これによって、半導体ウエハー
の温度分布を小さくできるはずである。

【００１０】ところが、突起の接触面の面積が小さくな
ると、接触面と半導体ウエハーとの間で作用するジョン
ソン−ラーベック力が減少するので、結果として半導体
ウエハーの静電的な吸着力が低下する。

【００１１】この一方、半導体ウエハーの裏面と絶縁層
との間に規定圧力のバックサイドガスを流すと、半導体
ウエハーにはバックサイドガスによる浮力が作用する。
このため、半導体ウエハーへと実際に作用する吸着力
は、静電チャックから半導体ウエハーに作用する静電的
な吸着力から、半導体ウエハーにバックサイドガスから
作用する浮力を引いた値になる。ここで、前述のように
突起の接触面の面積を減らすと、浮力の作用が相対的に
大きくなり、半導体ウエハーの吸着力が不十分になる。
この問題を回避するためにバックサイドガスの圧力を減
らすと、バックサイドガスによる熱伝達が不十分にな
り、半導体ウエハーの温度の均一性が劣化する。

【００１２】本発明の課題は、ウエハーを吸着した状態
でバックサイドガスを流し、ウエハーへと熱量を供給
し、ウエハーの熱を突起およびバックサイドガスを通じ
て静電チャック側へと伝導させる静電チャックであっ
て、ウエハーの温度制御、特に高温領域での温度制御を
容易とし、かつウエハーの温度の均一性を向上させるこ
とである。

【００１３】

【課題を解決するための手段】本発明は、チャック本体
と、チャック本体の表面に形成され、かつウエハーを設
置するための設置面を有する絶縁層と、絶縁層内に設置
されている内部電極と、設置面から突出する、ウエハー
と接触するべき接触面を有する突起を備えており、ウエ
ハーを吸着した状態で設置面と突起とウエハーとによっ
て形成された空間内にバックサイドガスを流し、ウエハ
ーへと熱量を供給し、ウエハーの熱を突起およびバック
サイドガスを通じて静電チャック側へと伝導させる静電
チャックであって、突起の接触面の面積の合計値が、内
部電極の面積の１％以下であり、突起の高さが１μｍ以
上、１０μｍ以下であることを特徴とする。

【００１４】本発明者は、ウエハーと接触するべき突起
の接触面の面積の合計値を、内部電極の面積の１％以下
と非常に小さくすることによって、接触熱伝導による熱
伝達の割合を大きく減らし、これによって半導体ウエハ
ーの温度制御、特に高温領域における温度制御を容易に
した。

【００１５】これと共に、突起の接触面の割合をこのよ
うに著しく小さくした場合であっても、突起の高さを１
μｍ以上、１０μｍ以下に制御すれば、半導体ウエハー
への静電チャックからのバックサイドガスを通じた熱伝
達が効率的に行われ、半導体ウエハーの温度の均一性が
高く保持されることを発見し、本発明に到達した。特
に、突起の高さは５−１０μｍが好ましい。

【００１６】これについて更に説明する。従来、静電チ
ャックの突起の高さは、１５−５０μｍ程度であり、絶
縁層と半導体ウエハーとの間でガスの熱対流によって伝
熱していた。従って、突起の高さを小さくすることは、
熱伝導の点では不利であると考えられていた。

【００１７】しかし、実際に突起の高さを１−１０μｍ
に制御すると、別の観点から熱伝導に有利であることが
判明した。特に、突起の高さは５−１０μｍが好まし
い。即ち、突起と半導体ウエハーとの接触領域における
ジョンソン−ラーベック力による吸着力の他、絶縁層の
表面付近に滞留する電荷と、半導体ウエハーの帯電電荷
との間でクーロン力が作用するらしく、半導体ウエハー
の静電的な吸着力が、全体として、予想されていたより
も低下しないことが判明した。この結果、半導体ウエハ
ーの裏面と絶縁層の設置面との間のバックサイドガスの
圧力を大きくし、バックサイドガスを通じた熱伝達を効
率的に行わせ、半導体ウエハーの温度分布を均一化させ
ることに成功した。この作用効果を得るためには、突起
の高さを１０μｍ以下にすることが必要であった。この
観点からは、突起の高さを８μｍ以下とすることが一層
好ましい。

【００１８】一方、突起の高さを小さくすればするほ
ど、前述したクーロン力の寄与が大きくなり、静電的な
吸着力が一層向上することが分かった。しかし、突起の
高さが１μｍ未満になると、突起以外の部分でも吸着す
ることになるので、１μｍ以上の高さが必要となる。ま
た、突起の高さが５μｍ未満になると、今度はバックサ
イドガスの圧力を高くしても、ガスが全面に行き渡ら
ず、熱伝達の効率が低下し、半導体ウエハーの温度の均
一性が低下する可能性がある。おそらく、突起の高さが
５μｍ未満になると、熱対流の寄与がなくなり、熱輻射
が支配的になるためと思われる。この観点からは、突起
の高さを５μｍ以上とすることが更に好ましい。

【００１９】突起を通じた接触熱伝導を更に抑制すると
いう観点からは、突起の接触面の面積の合計値が、内部
電極の面積の０．９％以下であることが更に好ましく、
０．６％以下であることが一層好ましい。

【００２０】また、ウエハーを安定して支持、吸着する
という観点からは、突起の接触面の面積の合計値が、内
部電極の面積の０．２％以上であることが更に好まし
く、０．４％以上であることが一層好ましい。

【００２１】突起のウエハーと接触するべき接触面の面
積は、通常の吸着時にウエハーの裏面と接触する面積を
言う。これは、通常、突起の頂面の面積と等しい。ただ
し、例えば突起の一部が低く、その突起が通常の設置条
件ではウエハーの裏面と接触しないような場合には、そ
の突起の頂面の面積は含まれない。

【００２２】また、内部電極の面積、突起の接触面の面
積は、いずれも、設置面に対して垂直な方向から測定し
たときの面積を言う。

【００２３】突起の高さは、ダイヤルゲージもしくは三
次元形状測定装置によって測定する。

【００２４】半導体ウエハーへの入熱は、プラズマ、特
に好ましくは高密度プラズマによって行われるが、熱輻
射によって行っても良い。

【００２５】図１は、本発明の実施形態に係る静電チャ
ック１を概略的に示す平面図であり、図２は、図１の静
電チャックの一部拡大断面図である。

【００２６】静電チャック１は、円盤形状の絶縁層２
と、絶縁層２内に埋設されている内部電極１２とを備え
ている。２ｂは絶縁層２の側面（外周面）であり、２ａ
は絶縁層２の平坦な設置面である。設置面２ａから、多
数の突起３Ａが突出している。各突起３Ａは、それぞれ
盤状、特に好ましくは円盤状をしている。各突起３Ａは
互いに離れており、設置面上に分散して存在している。
また、本例では、設置面２ａのエッジ（外周面）２ｂ近
くに、円環形状の突起３Ｂが形成されている。

【００２７】絶縁層２の例えば中央部にガス供給孔６が
形成されており、ガス供給孔６の上端部にはガス分配溝
５が通じている。本例では、各ガス分配溝５は、ガス供
給孔６から三方向へと向かって放射状に延びている。ま
た、円環形状の突起３Ｂのすぐに内側には、円環形状の
ガス分配溝９が形成されている。各ガス分配溝５の先端
は、それぞれガス分配溝９に連通している。溝５、９
は、設置面２ａに対して低い位置に形成されている。こ
のため、バックサイドガスが、矢印Ａのようにガス供給
孔６に供給されると、ガスは矢印Ｂのようにガス供給孔
６から排出されて溝５に入り、更に溝９へと流れる。こ
の際、溝５、９の全域から、設置面２ａ、突起３Ａ、３
Ｂ、半導体ウエハー１０によって包囲された空間１１へ
と、バックサイドガスが流れる。

【００２８】本発明に従って、各突起３Ａ、３Ｂの頂面
（半導体ウエハーへの接触面）１４の面積の合計値の、
内部電極１２の面積に対する割合を、１％以下とする。
また、突起の高さＨを５μｍ以上、１０μｍ以下とす
る。

【００２９】本発明においては、個々の各突起の直径φ
は種々変更できるが、ウエハーの温度の均一性の観点か
らは φを０．２−１．０ｍｍとすることが好ましい。

【００３０】また、個々の各突起の平面的形状や平面的
寸法は種々変更できる。例えば突起の接触面の形状は三
角形、四角形、六角形、八角形等の多角形であってよ
い。また、突起の個数についても特に限定されない。し
かし、半導体ウエハーに対する吸着力を、半導体ウエハ
ーの全面にわたって均一化するという観点からは、単位
面積当たりの突起の個数を、０．００２５−０．３２個
／ｍｍ² とすることが特に好ましい。

【００３１】絶縁層の材質は限定しないが、パーティク
ルの発生を一層低減させるという観点からは、窒化アル
ミニウム系セラミックス、窒化アルミニウムを含む複合
材料、アルミナ系セラミックス、アルミナを含む複合材
料、アルミナと窒化アルミニウムとの複合セラミックス
が好ましい。

【００３２】内部電極の材質も限定されず、導電性セラ
ミックスや金属であってよいが、高融点金属が特に好ま
しく、モリブデン、タングステン、モリブデンとタング
ステンとの合金が特に好ましい。

【００３３】突起の材質は特に限定されないが、パーテ
ィクルの発生を一層低減させるという観点からは、窒化
アルミニウム系セラミックス、窒化アルミニウムを含む
複合材料、アルミナ系セラミックス、アルミナを含む複
合材料、アルミナと窒化アルミニウムとの複合セラミッ
クスが好ましい。突起は、ブラスト加工、化学的気相成
長法などによって形成できる。

【００３４】突起の接触面の面積の合計値及び突起の高
さは以下のように制御する。絶縁層の設置面をラップ加
工し（粗加工）、ラップ面を研磨し（超鏡面加工）、ラ
ップ面をブラスト加工（突起、ガス溝形成）することに
よって突起を形成する。ブラスト加工時に、図1 に示す
突起の配置に対応する突起原画を静電チャックの絶縁層
のラップ面に貼付け、突起部以外の部分をブラスト加工
する。突起の高さは、ブラスト加工時間によって制御す
る。即ち、突起の高さは、ブラスト加工時間に依存す
る。突起の高さは表面粗さ計を用いて計測により確認す
る。

【００３５】バックサイドガスとしては、公知のガス、
例えばヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混
合ガスを使用できる。

【００３６】バックサイドガスのガス供給孔への供給圧
力は、半導体ウエハーから静電チャックへの熱伝導を良
好にするためには５Ｔｏｒｒ以上とすることが好まし
く、１５Ｔｏｒｒ以上とすることが一層好ましい。ただ
し、この圧力が増大し過ぎるとウエハーへの吸着力が低
下し、ウエハーが外れやすくなるので、３０Ｔｏｒｒ以
下とすることが好ましい。

【００３７】

【実施例】基本的に図１、図２に示したような形状の静
電チャックを製造した。具体的には、窒化アルミニウム
粉末を所定形状に成形して成形体を形成した後、この成
形体上に、モリブデンからなる内部電極を配置し、さら
にこの上に窒化アルミニウム粉末を充填し、再度成形
し、内部電極を埋設した円盤状の成形体を得た。次い
で、この成形体を窒素雰囲気中で焼結することにより、
内部電極を埋設した直径２００ｍｍの絶縁層２を作製し
た。

【００３８】絶縁層２の表面側に、ブラスト加工によっ
て、図１に示すような平面円形の多数の突起３Ａと、円
環形状の突起３Ｂとを形成した。また、ガス分配溝５、
９を形成した。

【００３９】内部電極１２の面積は２８０００ｍｍ² と
した。突起３Ａの接触面１４の面積、突起３Ａの個数、
および突起３Ｂの幅（接触面の面積）を種々変更するこ
とによって、内部電極１２の面積に対する突起３Ａ、３
Ｂの接触面１４の面積の合計値の割合を、表１、表２の
ように種々変更した。また、突起３Ａの高さＨは、表
１、表２に示すように変更した。

【００４０】この静電チャック１の設置面２ａ上に、直
径２００ｍｍのシリコンウエハー１０を設置した。双極
式の内部電極１２に±５００ボルトの直流電圧を印加
し、シリコンウエハー１０を静電チャック１に吸着させ
た。そして、シリコンウエハーの静電的な吸着力を、圧
力（Ｔｏｒｒ単位）として測定した。この測定結果を表
１、表２に示す。

【００４１】

【表１】

【００４２】

【表２】

【００４３】静電チャックの下に冷却フランジを設置し
た。静電チャックの上に、熱電対付きのシリコンウエハ
ーを設置した。シリコンウエハーの上側の空間に、ウエ
ハーと直接接触しないようにヒーターを設置した。冷却
フランジ、静電チャック、熱電対付きシリコンウエハ
ー、ヒーターの全体を、反射板で包囲した。内部電極１
２に±４００ボルトの直流電圧を印加し、シリコンウエ
ハー１０を静電チャック１に吸着させた。シリコンウエ
ハー１０、絶縁層２および突起３Ａ、３Ｂによって形成
された空間１１に、前述のようにしてアルゴンガスを供
給した。ヒーターから、２５００Ｗの熱量をシリコンウ
エハーに入熱させた。バックサイドガスの供給圧力は表
３に示す。この状態で、シリコンウエハーの５箇所の温
度を熱電対付きウエハーによって測定し、温度の平均
値、および最大値と最小値との差を得た。

【００４４】

【表３】

【００４５】

【発明の効果】本発明の静電チャックによれば、ウエハ
ーの温度制御、特に高温領域での温度制御が容易にな
り、ウエハーの温度の均一性を向上させ得る。

【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１を概
略的に示す平面図である。

【図２】図１の静電チャック１の一部拡大断面図であ
る。

【符号の説明】

１静電チャック２絶縁層２ａ絶縁層
の設置面３Ａ、３Ｂウエハーに接触する突起５、９
ガス分配溝６ガス供給孔１０ウエハー
１１設置面２ａと突起３Ａ、３Ｂとウエハー１０とに
よって形成された空間１２内部電極１４
突起の接触面

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】チャック本体と、チャック本体の表面に形
成され、かつウエハーを設置するための設置面を有する
絶縁層と、この絶縁層内に設置されている内部電極と、
前記設置面から突出する、前記ウエハーと接触するべき
接触面を有する突起を備えており、前記ウエハーを吸着
した状態で前記設置面と前記突起と前記ウエハーとによ
って形成された空間内にバックサイドガスを流し、前記
ウエハーへと熱量を供給し、このウエハーの熱を前記突
起および前記バックサイドガスを通じて静電チャック側
へと伝導させる静電チャックであって、前記突起の前記接触面の面積の合計値が、前記内部電極
の面積の１％以下であり、前記突起の高さが１μｍ以
上、１０μｍ以下であることを特徴とする、静電チャッ
ク。