JP2004055909A

JP2004055909A - 静電チャックおよび処理装置

Info

Publication number: JP2004055909A
Application number: JP2002212809A
Authority: JP
Inventors: Shinya Nishimoto; 西本　伸也
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2002-07-22
Filing date: 2002-07-22
Publication date: 2004-02-19

Abstract

【課題】被吸着体を吸着保持するための静電チャックにおいて、経時劣化を抑えることができる静電チャックを提供すること。
【解決手段】チャック電圧を印加するためのチャック電極と、前記チャック電極の表面に設けられ、被処理体をその表面に吸着するための誘電体層と、を備えた静電チャックにおいて、前記誘電体層は少なくとも厚さ方向に連続発泡した泡状気孔を有する多孔質セラミックスと、この泡状気孔を埋める低抵抗体とを含む構成する。この場合、例えば溶射により製造した誘電体層のように内部に隙間（ポア）が残らないので例えばシリコーンのような封孔材の注入を必要としない。このため例えば基板との摩擦により静電チャックが経時劣化することが抑えられ、また静電チャックからのパーティクルの発生が少ない。この静電チャックは処理装置の載置台に組み込んでもよい。
【選択図】　　　図４

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、静電チャック及び静電チャックを被処理体の載置台として用いた処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
半導体デバイスの製造工程の中には、例えばエッチングやＣＶＤ（ｃｈｅｍｉｃａｌ　ｖａｐｏｒ　ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ）による成膜処理等のように基板の処理を真空雰囲気にて行うものが多数あり、このような処理を行う真空処理装置に用いられる基板の載置台には一般に静電チャックが用いられている。
【０００３】
この静電チェックの一例について図６を参照しながら説明する。図中１は半導体ウエハ（以下ウエハという）Ｗの載置台であり、支持部１１の上面に静電チャック１２と、この静電チャック１２の側方を囲むように設けられるリング体１３とを設けた構成とされている。この静電チャック１２は導電性を有するシート状のチャック電極１４の表裏を誘電体層１５にて挟んだ構成とされており、直流電源１６からチャック電極１４に直流電圧（チャック電圧）を印加することで生じる静電気力によりウエハＷを吸着保持できるようになっている。また、１７はウエハＷの処理時において、静電チャック１２を介して伝熱して当該ウエハＷの温度を調整するための例えば冷媒流路を備えた温度調整部であり、１８は静電チャック１２からウエハＷを昇降させるための昇降ピン（周方向に沿って３本存在する）である。
【０００４】
上述の誘電体層１５は、例えばチタニア（ＴｉＯ_２）がコーティングされた例えばアルミナなどのセラミックス粒子を溶射して成形したものが用いられている。この誘電体層１５の断面は、微視的にみると図７に示すように、溶射により噴き付けられたセラミックスの粒状体１９ａが重なり合うようにして積層構造をなす溶射皮膜が形成されているが、その粒状体１９ａと粒状体１９ａとの間には僅かながらの隙間（ポア）が残ってしまう。この隙間があると例えば真空雰囲気において絶縁破壊が起きる場合があるので、成形された溶射皮膜を、封孔材１９ｂ例えば液体シリコーンに含浸させた後、乾燥処理などを行って当該隙間をシリコーンで埋めている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながらシリコーンは樹脂状の封孔材であり、その機械強度がさほど大きくないことから上述の誘電体層１５を用いた処理装置にてウエハＷを繰り返し処理していると、例えばセラミックスよりも熱膨張度合の大きいウエハＷが静電吸着された状態で熱伸縮してウエハＷと誘電体層１５の表面とが例えば横方向に擦れ合うことにより表層部にある封孔材がその摩擦力で破壊されて脱落してしまう問題があり（以下、このような脱落現象を経時劣化という）、この脱落した封孔材がパーティクルとなってウエハＷの表面に付着してしまう場合がある。更には、封孔材が脱落すると誘電体層１５表面が凸凹となり、ウエハＷと誘電体層１５との間に隙間が形成されてしまう。そのためウエハＷと誘電体層１５との固体接触面積が小さくなり、誘電体層１５とウエハＷとの間で行われる熱の伝達性が悪くなってウエハＷの面内温度がばらついてしまう懸念がある。また溶射による製造手法において、機械的強度の大きい材質を選択して封孔材として用いることも考えられるが、ぬれ性（毛管現象）に優れるシリコーンなどの樹脂状の封孔材でなければ連続状態と不連続状態とが混在する前記ポアを隙間なく埋めるのは難しい。
【０００６】
本発明はこのような事情に基づいてなされたものであり、その目的は、経時劣化を抑えることができる静電チャックを提供することにある。また他の目的は、この静電チャックを用いることにより被処理体に対してパーティクルの付着を防止することのできる処理装置を提供することにある。更に他の目的は、この静電チャックを用いることにより被処理体に対して面内均一性の高い処理を行うことのできる処理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】
本発明の静電チャックは、チャック電極にチャック電圧を印加し、誘電体層の表面に被吸着体を吸着保持するための静電チャックにおいて、
前記誘電体層は、少なくとも厚さ方向に連続発泡した泡状気孔を有する多孔質セラミックスと、この泡状気孔を埋める前記多孔質セラミックスよりも低抵抗の低抵抗体とを含むことを特徴とする。
【０００８】
前記誘電体層は、例えば体積固有抵抗値が１０^１４Ω・ｃｍよりも小さくてもよい。また前記低抵抗体は、例えばチタニアを主成分として含むようにしてもよい。更に前記連続発泡した泡状気孔は、例えば直径１００μｍ〜１０００μｍの気孔であり、多孔質セラミックスの気孔率が例えば５０％〜９０％を有する構成であってもよい。なお体積固有抵抗値とは、多孔質セラミックスおよび低抵抗体に選択された材質、および多孔質セラミックスの気孔率などにより決まる誘電体層の単位体積あたりの抵抗値を意味する。
【０００９】
本発明の静電チャックによれば、多孔質セラミックスを骨格とし、この多孔質セラミックスが内包する連続発泡した泡状気孔を低抵抗体で埋めた誘電体層を用いることにより、例えば溶射により製造した誘電体層のように内部にポアが残らないので例えばシリコーンのような封孔材を必要としない。このため基板との摩擦により静電チャックが経時劣化することが抑えられ、静電チャックからのパーティクルの発生が少ない。
【００１０】
本発明の処理装置は、被処理体に対して所定の処理を行うための処理容器と、この処理容器内に設けられ、前記被処理体を静電吸着するための上述の静電チャックを備えた載置台と、を有することを特徴とする。前記静電チャックに吸着保持された被処理体の温度を裏面側から調整するための温度調整部を備えた構成であってもよい。
【００１１】
【発明の実施の形態】
本発明に係る静電チャックを用いた処理装置を、処理の一つである真空状態でのエッチングに適用した実施の形態について、図１および図２を参照しながら説明する。図１は処理装置の全体構造を示す縦断面図である。図中２は処理容器をなす真空チャンバであり、例えばアルミニウムにより気密構造をなすように形成されており、接地されている。この真空チャンバ２内には上部電極を兼用し、接地されたガスシャワーヘッド３と、下部電極を兼ねる載置台４とが対向して設けられており、底面には例えばターボ分子ポンプやドライポンプなどからなる真空排気手段２１と連通する真空排気路である排気管２２が接続されている。また真空チャンバ２の側壁部には被処理体（被吸着体）例えばウエハＷを搬入出するための開口部２３が形成されており、ゲートバルブＧにより開閉自在とされている。この側壁部の外方には開口部２３を上下に挟む位置に、例えば夫々リング状をなす永久磁石２４、２５が設けられている。
【００１２】
ガスシャワーヘッド３は、載置台４上のウエハＷに対向する位置に多数の孔部３１が形成され、上部のガス供給管３２から送られる処理ガスを当該孔部３１を介してウエハＷの表面へ均一に供給するように構成されている。
【００１３】
また載置台４は例えばアルミニウムからなり、真空チャンバ２に対して絶縁部材４１ａにより絶縁された円柱状の本体部４１と、この本体部４１の上面に設けられた静電チャック４２と、この静電チャック４２の周囲を囲むリング状の導電部材である導電リング４３と、この導電リング４３と本体部４１との間に設けられたリング状の絶縁部材である絶縁リング４３ａとを備えた構成とされている。載置台４の例えば本体部４１には、コンデンサＣ１及びコイルＬ１を介して高周波電源４０が接続されている。なお導電リング４３はウエハＷの周縁及びその近傍の濃いプラズマを拡散させ、プラズマの均一性を高める役割を果たすものである。また載置台４の側壁部には、排気時においてウエハＷの周方向に均一な排気流を形成するためのバッフル板４４が設けられている。なお、図２は作図の便宜上導電リング４３および絶縁リング４３ａの記載を省略している。
【００１４】
前記本体部４１には、ウエハＷの温度を所定の温度に調整するため温度調整部、例えば温調用の媒体である冷媒の通流室５０が設けられており、冷媒が通流室５０と図示しない外部の温調ユニットとの間を循環するようになっている。更にまた、静電チャック４２あるいはウエハＷには、研磨精度の限界から表面に僅かながら凸凹が形成されており、「発明の解決しようとする課題」に記載の隙間と比べると十分に小さいものではあるが静電チャック４２とウエハＷとの間に隙間（空間）ができる。そして真空チャンバ２内が真空雰囲気になると、このような隙間は熱を殆ど伝えない。そのため載置台４には、例えばヘリウムなどの伝熱用のガスを当該隙間（載置台４の表面とウエハＷの裏面との間）にパージするためのガス供給孔５１（図１に記載せず）が穿設されており、このガス供給孔５１は例えば図示しない供給路を介してガス供給手段と接続されている。従ってこの例では通流室５０、冷媒、ガス供給手段及び伝熱用のガスなどによって、ウエハＷの温度を裏面側から調整するための温度調整手段が構成される。
【００１５】
静電チャック４２は、例えば円形状の誘電体層４５内に箔状のチャック電極４６を設けてなり、チャック電極４６は、スイッチ部ＳＷ１を介して直流電源４７とアースとの間で切り換え接続できるように構成されている。誘電体層４５表面とチャック電極４６との距離は例えば２５０μｍ程度である。
【００１６】
また前記誘電体層４５は、図３の断面図において模式的に示すように、少なくとも誘電体層４５の厚さ方向、例えばチャック電極４６からウエハＷに跨るように連続発泡された微細な泡状気孔を内包すると共に誘電体層４５の骨格をなす多孔質セラミックス４８と、この多孔質セラミックス４８の泡状気孔を隙間なく埋めるようにして充填された低抵抗体４９とを備えている。この泡状気孔は、例えば気孔径Ｌが１００〜１０００μｍ程度の多数の気孔が３次元的に均一に分散し、更に隣接する泡状気孔同士が連通するようにして形成されており、単位体積あたり例えば５０〜９０％程度の気孔率を有している。
【００１７】
前記多孔質セラミックス４８は、例えばアルミナ、ムライト、コージェライト、シリカ、ジルコニア、炭化珪素、窒化珪素、水酸化アパタイトなどのセラミックス系の材質、好ましくはアルミナあるいは炭化珪素、さらに好ましくは高純度なアルミナを主成分とし、また低抵抗体４９は例えばチタニア（ＴｉＯ_２）を主成分とする。この低抵抗体４９はチタニア以外の材質でもよいが、誘電体層４５の体積固有抵抗値が１０^１４Ω・ｃｍよりも小さくなるものが選択され、更には、単位面積当たりの応力が例えば２０ＫＰａ程度の機械的強度を有する材質であることが好ましい。ここで体積固有抵抗値とは、多孔質セラミックス４８および低抵抗体４９の選択された材質、および多孔質セラミックス４８の気孔率などにより決まる誘電体層４５の単位体積あたりの抵抗値を意味する。
【００１８】
続いて誘電体層４５の製造方法の一例について説明する。先ず多孔質セラミックス４８について説明すると、前記したセラミックスの原料粉末例えばアルミナ粉末１ｋｇ、硬化性成分例えばエポキシ樹脂化合物８０ｇ、および気泡剤例えばステアリン酸アンモニウム２５ｇを混合し、所定時間撹拌して気泡保持スラリーを調製する。そしてこのスラリーに硬化剤例えばアミン系化合物を添加して撹拌し、次いで成形型に流し込んで成形体を形成した後に、例えば１６５０℃で焼成することにより多孔質セラミックス４８が得られる。当該多孔質セラミックス４８としては、東芝セラミックス株式会社製の泡セラミックス（商品名）が適用できる。そして低抵抗体４９を多孔質セラミックス４８内に導入するための熱処理が行われる。即ち還元雰囲気または少なくとも非酸化雰囲気中にて約２０００℃で焼成した多孔質セラミックス４８を例えば低抵抗体４９の蒸気と接触させるか、あるいは加熱されて液体状となっている低抵抗体４９、または低抵抗体４９の微粉末を溶媒に混合してなる液体に成形後の多孔質セラミックス４８を含浸させるなどして多孔質セラミックス４８の泡状気孔内に低抵抗体４９を充填して多孔質セラミックス４８および低抵抗体４９を含む誘電体層４５を得る。
【００１９】
載置台４の内部には、外部の図示しない搬送アームとの間でウエハＷの受け渡しを行うための昇降部材である昇降ピン６１が複数例えば３本突没自在に設けられており、この昇降ピン６１は連結部材６２を介して駆動機構６３により昇降できるように構成されている。６４は昇降ピン６１の貫通孔と大気側との間の気密を保持するベローズである。
【００２０】
次いで本実施の形態の作用について説明する。先ずゲートバルブＧを開き、図示しない搬送アームにより被処理体であるウエハＷを真空チャンバ２内に搬入し、昇降ピン６１との協働動作により載置台４の上につまり静電チャック４２の上に載置される。
【００２１】
そしてスイッチＳＷ１を直流電源４７側に切り替えることにより、チャック電極４６に例えば数百Ｖ程度の正電圧（チャック電圧）が印加され、これにより正電荷がチャック電極４６に供給される。誘電体層４５の体積固有抵抗値は１０^１２〜１０^１４Ω・ｃｍ程度であるから誘電体層４５とウエハＷとの間にはクーロン力とジョンソン・ラーベック力と呼ばれる吸引力が作用する。図４はチャック電極４６にチャック電圧を印加したときの電荷の動きを模式的に示した図であり、先ずチャック電極４６の正電荷とウエハＷ内部の自由電子とが互いに引き合うクーロン力が作用してウエハＷへの吸着作用が発生する。更に低抵抗体４７がリーク電流のパスとして作用して、チャック電極４６の正電荷が当該低抵抗体４７を通って誘電体層４５の表面まで移動し、誘電体層４５表面（静電チャック４２表面）が正電荷を帯びてジョンソン・ラーベック力と呼ばれる吸着力が発生する。つまりジョンソン・ラーベック力が支配的に作用してウエハＷに対して強い吸着力が働き、ウエハＷは静電チャック４２に吸着保持される。また、その電気的なメカニズムは完全に把握されていないが、誘電体層４５の多孔質セラミックス４８の内部が分極化されることにより、ある程度の吸着作用も働いていると考えられる。
【００２２】
一方、載置台４の表面は、通流室５０に冷媒が循環しているため所定の温度に設定されており、この表面にウエハＷが吸着されるとガス供給孔５１からウエハＷの裏面と載置台４の表面との間にバックサイドガスなどと呼ばれている伝熱用のガスが供給され、後述のようにプラズマが発生したときに、プラズマからウエハＷに伝熱される熱と、載置台４から伝熱用のガスを介してウエハＷに伝熱される熱とのバランスによってウエハＷが所定のプロセス温度に調整されることとなる。そして真空チャンバ２内はゲートバルブＧを閉じて例えば一旦排気管２２を介して真空引きが行われ、次いでガスシャワーヘッド３から処理ガスをウエハＷに供給して内部圧力が例えば３０ｍＴｏｒｒ〜１００ｍＴｏｒｒ（約４〜１３．３Ｐａ）に維持されるように調節を行う。そして高周波電源４０により下部電極をなす載置台４と上部電極をなすガスシャワーヘッド３との間に高周波電圧を印加して、処理ガスをプラズマ化すると共に磁石２４、２５によりプラズマを高密度化し、ウエハＷ表面の例えばシリコン酸化膜をエッチングする。そしてエッチングが終了すると、高周波電源４０を停止すると共に、ＳＷ１をアース側に切り替えて静電チャック４２の除電が行われる。続いて駆動機構６３により昇降ピン６１を上昇させてウエハＷを裏面側から突き上げるようにして載置台４から脱離され、ゲートバルブＧを介して搬出される。
【００２３】
このような実施の形態によれば、連続発泡した泡状気孔を内包する多孔質セラミックス４８を骨格として用い、この気孔を低抵抗体４９で隙間なく埋めることで得られる誘電体層４５を用いることにより、溶射により製造した誘電体層のように内部にポアが残らないのでシリコーンなどの封孔材を含浸する必要がない。そのため機械的強度が大きい低抵抗体４９は、前記したシリコーンのようにウエハＷとの摩擦で破壊されることが少ないので、経時劣化してパーティクルとなることが抑えられる。また処理時にウエハＷを温調する場合には、ウエハＷに対して面内均一に熱が伝わるので高精度な温度制御をすることができる。
【００２４】
更に本実施の形態によれば、連続発泡されているセラミックス中の気孔を低抵抗体４９により埋めて誘電体層４５を形成しているので、誘電体層４５の厚さ方向に低抵抗体４９が連続するリーク電流のパスが形成され、従ってこのパス群によるトータルのリーク電流を調整することにより、例えば多孔質セラミックス４８の気孔率、気孔径及び低抵抗体の抵抗値を調整することにより、吸着力や遅延時間などを精度良く最適化できる。このようにして吸着力の制御が可能になると、例えば吸着力を大きくして伝熱用のガスの供給圧力を高くし、これにより載置台４からウエハＷへの熱伝達を大きくするといった設定を行うことができ、このためウエハＷの温度調整範囲を広げることができる。従って例えばアルミナ粉末とチタニア粉末との混合物を一緒に焼いて成形した場合に比べて有利である。
【００２５】
ここで誘電体層４５の体積固有抵抗値ρ（Ω・ｃｍ）が１０^１２＜ρ＜１０^１４のときには、クーロン力とジョンソン・ラーベック力との両方が作用し、１０^１２＞ρのときには、チャック電極４６の正電荷の低抵抗体４９内の移動量が多くなってジョンソン・ラーベック力が強く作用する一方、クーロン力による吸着作用はウエハＷの吸着に影響しないほどに小さくなる。なおジョンソン・ラーベック力（Ｆ）及びスイッチＳＷ１をオンにしてチャック電極４６に正電荷を印加してから吸着力が作用するまでの遅延時間（ｔ）は、例えば夫々（１）、（２）式で表わされる。これらの式を用いてジョンソン・ラーベック力（Ｆ）や遅延時間（ｔ）を計算により求めることもできるが、例えば種々の体積固有抵抗値の誘電体層４５を用いて予め試験を行うことにより、これらの値を確認しておくようにしてもよい。
Ｆ＝Ｓ（（１／２）ε_０ε_ｒ（Ｖ／ｄ）＾２＋（１／２）ε_０（Ｖ／ｇ）＾２）　…（１）
ｑ＝ＣＶ（１−εｋ）、ｋ＝−ｔ／（ＲＣ）…（２）
Ｓ：誘電体層表面の面積
ε_ｒ：誘電体層の比誘電率
ε_０：真空中の誘電率
Ｖ：直流電圧（チャック電圧）
ｄ：チャック電極と誘電体層表面との距離
ｇ：ウエハと誘電体層表面との距離
ｑ：誘電体層の電荷量
Ｃ：誘電体層の静電容量
ε：誘電体層の誘電率
Ｒ：誘電体層の抵抗値
【００２６】
また本発明においては、多孔質セラミックス４８の気孔率は面内で均一に限られず、厚さ方向に抵抗の異なる第１の部位と第２の部位を形成することにより、その吸着力について面内分布を持たせるようにしてもよい。その一例としては、例えば図５に示すように、例えばウエハＷの周縁部に対応する部位の気孔率及び／又は気孔径が中心部よりも大きくなるように形成された多孔質セラミックス４８を用いてもよい。このように構成しても、上述の場合と同様の効果を得ることができ、更にはウエハＷの周縁部と静電チャック４２とが強い吸着力で吸着されるので、ウエハＷの周縁部側から伝熱用のガスが漏れるのを抑えることができる。更には、例えばウエハＷの周縁部を埋める低抵抗体４９が中心部を埋める低抵抗体４９よりも低抵抗な材質を選択するようにして、第１の部位と第２の部位を形成するようにしてもよい。この場合であっても、上述と同様の効果を得ることができる。
【００２７】
更にまた、本発明においては、処理の一例としてエッチングを挙げているが、ＣＶＤやアッシング、スパッタ処理などの処理を行う場合にも適用できる。
【００２８】
【発明の効果】
以上のように本発明によれば、静電チャックの経時劣化を抑えることができる。また当該静電チャックを用いることにより被処理体に対してパーティクルの付着を防止することができる。更に当該静電チャックを用いることにより被処理体に対して面内均一性の高い処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る処理装置の実施の形態における全体構成を示す縦断面図である。
【図２】前記処理装置の載置台を示す斜視図である。
【図３】前記載置台が備えた静電チャックの誘電体層の断面構造を示す説明図である。
【図４】前記載置台が備えた静電チャックがウエハを静電吸着する様子を示す説明図である。
【図５】前記載置台が備えた静電チャックの他の誘電体層を示す説明図である。
【図６】従来の技術に係る処理装置の載置台を示す縦断面図である。
【図７】従来の技術に係る処理装置の載置台に用いられる誘電体層の断面構造を示す説明図である。
【符号の説明】
Ｗ　　　ウエハ
ＳＷ１，ＳＷ２　スイッチ部
２　　　真空チャンバ
２１　　上部電極
２２　　排気管
３　　　ガスシャワーヘッド
３３　　高周波電源
４　　　載置台
４１　　本体部
４２　　静電チャック
４５　　誘電体層
４６　　チャック電極
４８　　多孔質セラミックス
４９　　低抵抗体

Claims

チャック電極にチャック電圧を印加し、誘電体層の表面に被吸着体を吸着保持するための静電チャックにおいて、
前記誘電体層は、少なくとも厚さ方向に連続発泡した泡状気孔を有する多孔質セラミックスと、この泡状気孔を埋める前記多孔質セラミックスよりも低抵抗の低抵抗体とを含むことを特徴とする静電チャック。
前記誘電体層は、体積固有抵抗値が１０^１４Ω・ｃｍよりも小さいことを特徴とする請求項１記載の静電チャック。
前記低抵抗体はチタニアを主成分として含むことを特徴とする請求項１又は２記載の静電チャック。
前記連続発泡した泡状気孔は、直径１００μｍ〜１０００μｍの気孔であり、多孔質セラミックスの気孔率が５０％〜９０％を有することを特徴とする請求項１ないし３のいずれかに記載の静電チャック。
被処理体に対して所定の処理を行うための処理容器と、
この処理容器内に設けられ、前記被処理体を静電吸着するための請求項１ないし４のいずれかに記載の静電チャックを備えた載置台と、を有することを特徴とする処理装置。
前記静電チャックに吸着保持された被処理体の温度を裏面側から調整するための温度調整部を備えたことを特徴とする請求項５記載の静電チャック。