JP2004140056A

JP2004140056A - 静電チャック

Info

Publication number: JP2004140056A
Application number: JP2002301398A
Authority: JP
Inventors: Osamu Kobayashi; 小林　修; Hiroaki Kikuchi; 菊地　洋昭; Keisuke Nara; 奈良　圭祐; Mitsuaki Komino; 小美野　光明
Original assignee: Nok Corp; Eagle Industry Co Ltd
Current assignee: Nok Corp; Eagle Industry Co Ltd
Priority date: 2002-10-16
Filing date: 2002-10-16
Publication date: 2004-05-13

Abstract

【課題】被処理体と静電チャックとの熱伝導性が良好で、被処理体の温度分布を均一化することができる静電チャックを提供する。
【解決手段】被処理体を静電力で吸着保持する静電チャックシート１を有する静電チャックＡにおいて、静電チャックシート１上に、フッ素ゴム材料に高熱伝導性充填剤を配合した伝熱シート２０を配置する。
【選択図】　図１

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、被処理体を静電力で吸着保持するための静電チャックシートを設けた静電チャックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来、半導体製造プロセス等に用いる処理装置においては、静電力により被処理体をサセプタ上に吸着保持するための静電チャックが採用されている。特に、最近では、垂直なパターン形状と高い選択比を得るために、被処理体の反応表面を低温化する低温処理方法が注目されている。
【０００３】
かかる低温処理方法では、静電チャックは、被処理体の吸着保持のみならず、被処理体の温度制御の面でも重要な役割を果たすため、その構造に対する研究開発が進められている。
【０００４】
図４及び図５を参照して従来の静電チャックの構造について以下に説明する。引用文献１にあるように、静電チャック１００は、例えばポリイミド樹脂製の静電チャックシート１０１と、例えばアルミニウム製の円形のサセプタ１０２とから構成されている。
【０００５】
静電チャックシート１０１は、一対のポリイミド樹脂フィルム１０３、１０４を重ね合わせ、その中に銅箔などの薄い導電膜１０５を封入してなるもので、サセプタ１０２の上面の高台部分１０６に載置可能なように平坦な円形シート状に形成されている。この静電チャック１００は、使用時には、静電チャックシート１０１と被処理体Ｗ、例えば半導体ウェハーとの間に導電膜１０５を介して電圧を印加し、両者の間に発生したクーロン力により被処理体Ｗを吸着するように作用する。
【０００６】
しかし、処理室などの真空雰囲気において、静電チャック１００を用いて被処理体Ｗを静電チャックシート１０１上に吸着保持すると、被処理体の凹凸等により両者の間に真空断熱層が形成されるので、上述のように被処理体を低温処理する場合には、被処理体Ｗの反応表面の温度制御に対する障害となるおそれがある。
【０００７】
そのため、静電チャックシート１０１と被処理体Ｗとの間に、冷却ガス、例えばヘリウムなどの不活性ガスを供給することにより、伝熱特性を促進する静電チャック構造が提案されている。
【０００８】
図４に示すように、サセプタ１０２の内部には、図示しない冷媒源から冷却ガス供給管路１０７を介して導入された冷却ガスを水平方向に流通させるための第１の流通路１０８と、その第１の流通路１０８から冷却ガスを垂直方向に案内するための第２の流通路１０９が形成されている。第１の流通路１０８は、サセプタ１０２全体に冷却ガスを流通させることが可能なように、格子状に張り巡らされており、上記サセプタ１０２の側面にある加工用開口部は封止部材１１０、例えばプラグなどにより封止されている。
【０００９】
また、第２の流通路１０９は、サセプタ１０２の高台部１０６の表面に冷却ガスを放出するための開口１１１を有している。静電チャックシート１０１は、そのシートを垂直方向に貫通する貫通孔１１２を備えており、その貫通孔１１２の下方開口１１３は、第２の流通路１０９の上方開口１１１と整合する位置に配置され、冷却ガスを、第１の流通路１０８、第２の流通路１０９及び貫通孔１１２を順次介して、静電チャックシート１０１と上記被処理体Ｗとの間の空間に供給するように構成されている。
【００１０】
しかしながら、上記のような構造を有する静電チャック１００を製造するにあたっては、第１の流通路１０８を形成するために、サセプタ１０２の側面に加工用開口部１１０を穿設する必要があり、しかも、最終的にはその加工用開口部１１０を何らかの手段により封止せねばならないため、静電チャック１００の構造が複雑となり、比較的多くの製作工数を必要としていた。
【００１１】
これに対して、冷却媒体である不活性ガスを静電チャックシートの裏面全体にわたり供給可能な溝条を形成することが提案されている。
【００１２】
また、被処理体と静電チャックシート両者の間の真空断熱層の影響を軽減する方法として、ポリイミド樹脂に充填剤を混合した積層体を設け、これらの密着性を高める提案がなされている（例えば、引用文献２参照。）。
【００１３】
また、熱パッドの装着による伝熱性の改善が提案されている（例えば、引用文献３参照。）。
【００１４】
【特許文献１】
特許第３０２１２１７号公報
【特許文献２】
特公平５−８７１７７号公報
【特許文献３】
特開平１１−８７４７１号公報
【００１５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、上記のような従来技術の場合には、下記のような問題が生じていた。
【００１６】
すなわち、冷却媒体である不活性ガスを静電チャックシートの裏面全体にわたり供給可能な溝条を形成する構成では、静電チャックの構造が複雑であるとともに、溝条や開口部の位置・大きさの形状設計や伝熱媒体の流量調整に多くの工程を必要としていた。さらに、静電チャック裏面全体にわたり伝熱媒体を均等にかつ迅速に供給することが難しく、被処理体の反応表面温度の均一性が不十分な状態となり、温度制御に対する障害にもなっていた。
【００１７】
また、被処理体と静電チャックシート両者の間にポリイミド樹脂に充填剤を混合した積層体を設けた構成や、熱パッドを装着した構成においても、誘電損失を小さく保持しながらも、被処理体と静電チャックとの熱伝導性（熱伝導率及び密着性に起因）に関わる上記問題の十分な解決には至らなかった。
【００１８】
本発明は上記の従来技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、被処理体と静電チャックとの熱伝導性が良好で、被処理体の温度分布を均一化することができる静電チャックを提供することにある。
【００１９】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するために本発明にあっては、
被処理体を静電力で吸着保持する静電チャックシートを有する静電チャックにおいて、
前記静電チャックシート上に、フッ素ゴム材料に高熱伝導性充填剤を配合した伝熱シートを配置したことを特徴とする。
【００２０】
この構成によれば、複雑な形状でなく冷却機構を用いない簡易な構成で、静電チャックと被処理体との熱の移動を容易にし、被処理体の表面温度を均一化することができる。
【００２１】
また、被処理体を静電力で吸着保持する静電チャックシートを有する静電チャックにおいて、
前記静電チャックシート上に、ゴム材料と金属材料とを積層した伝熱シートを配置したことを特徴とする。
【００２２】
この構成によれば、積層された金属材料により伝熱シート内での熱の移動が更に容易となり、被処理体の表面温度の均一性が大幅に改善できる。
【００２３】
前記ゴム材料は、フッ素ゴム材料に高熱伝導性充填剤を配合した材料であることが好適である。
【００２４】
この構成によれば、フッ素ゴム材料及び高熱伝導性充填剤により耐プラズマ性の向上及びアウトガス量の抑制を図ることができる。
【００２５】
前記高熱伝導整粒子は、ＳｉＣおよび／またはカーボンファイバーであることが好適である。
【００２６】
この構成によれば、ともに熱伝導率が高いことから、より伝熱性能に優れる伝熱シートが得られる。
【００２７】
【発明の実施の形態】
以下に図面を参照して、この発明の好適な実施の形態を例示的に詳しく説明する。ただし、この実施の形態に記載されている構成部品の寸法、材質、形状、その相対配置などは、特に特定的な記載がない限りは、この発明の範囲をそれらのみに限定する趣旨のものではない。
【００２８】
図１〜図３を参照して、本発明の実施の形態に係る静電チャックについて説明する。図１は本実施の形態に係る静電チャックの概略構成断面図である。
【００２９】
本実施の形態に係る静電チャックＡは、ポリイミド樹脂製の静電チャックシート１と、アルミニウム製の円形のサセプタ２と、誘電損失が小さく熱伝導性に優れた伝熱シート２０とから構成されている。
【００３０】
静電チャックシート１は、一対のポリイミド樹脂フィルム３，４を重ね合わせ、その中に銅箔などの薄い導電膜５を封入してなるもので、サセプタ２の上面の高台部分に載置可能なように平坦な円形シート状に形成されている。この静電チャックＡは、使用時には、静電チャックシート１及び伝熱シート２０と被処理体Ｗ、例えば半導体ウェハーとの間に導電膜５を介して電圧を印加し、両者の間に発生したクーロン力により被処理体Ｗを吸着するように作用する。
【００３１】
したがって、使用時には伝熱シート２０を挟んで静電チャックシート１が被処理体Ｗを吸引するため、伝熱シート２０を通して被処理体Ｗと静電チャックシート１との間で熱が移動し、被処理体の反応表面を低温化できるとともに、被処理体の反応面内での温度分布を均一化することができる。
【００３２】
本実施の形態においては、静電チャックＡ上部（静電チャックシート１がある場合には静電チャックシート１の上、静電チャックシート１が無い場合にはサセプタ２の上）に、エラストマーにシリコン系充填剤、および／またはカーボン系充填剤を混合してなる伝熱シート２０を設けている。
【００３３】
また、ステンレス等の薄い金属箔の上下面に上記エラストマーにシリコン系充填剤、および／またはカーボン系充填剤を混合してなる伝熱シート２０を設けることで、被処理体の表面温度の均一性が大幅に改善できる。
【００３４】
なお、本実施の形態におけるサセプタの形状及び構造は特に限定されていないが、より冷却能力を必要とする場合には、従来技術にあるような冷却ガスを導入するための流通路や貫通孔を設けた構成であっても好適に用いることができるのはもちろんである。また、特に必要のない場合は、冷却機構をもたず上記流通路や貫通孔のような複雑な加工も必要としない形状としてもよい。
【００３５】
伝熱シート２０は、静電チャックの使用目的から誘電損失が小さい特性を有することが必要で、エラストマー及び充填剤等の用いられる材料も誘電損失の小さいものが好ましく、かつ熱伝導性等との兼ね合いから以下に記載の材料を好適に用いることができる。
【００３６】
エラストマーとしては、プラズマを使用するプロセスに用いられることから、耐プラズマ性が要求され、また、真空中下で用いられることから、これら雰囲気中でのアウトガス量及びパーティクル発生量が少ないことも要求される。
【００３７】
したがって、フッ素系ゴム、パーフルオロ系ゴムを用いることが望ましく、フッ化ビニリデン、クロロトリフルオロエチレン、テトラフルオロエチレン、ヘキサフルオロプロピレン、パーフルオロ（メチルビニルエーテル）、パーフルオロ（プロピルビニルエーテル）、などのフッ素系モノマーからなる重合体、共重合体及びそれらの混合物が用いられる。
【００３８】
なお、耐プラズマ性は、使用するガス種、例示すればＯ_２、ＣＦ_４、Ａｒなどのプラズマ中に該材料を置き、その前後での重量変化や体積変化で評価することができる（変化が小さいほど耐プラズマ性が高い）。
【００３９】
また、エラストマーに充填されるシリコン系充填剤としては、耐プラズマ性が高く、かつ熱伝導率が高いことからＳｉＣが最適であるが、Ｓｉも用いることができる。また、カーボン系充填剤は、熱伝導率の観点からカーボンファイバーを用いることが好ましく、特にＰＡＮ系のカーボンファイバーであることが望ましい。そして、静電チャックの機能から伝熱シートは数１０〜１００μｍ程度の厚さとなることから、ファイバーの径は１０μｍ以下であることが望ましい。さらには、このシリコン系充填剤とカーボンファイバーを同時に添加することで、より伝熱性能に優れる伝熱シートが得られる。
【００４０】
また、これらの充填剤の添加量は、少ないと伝熱性が得られず、一方で多過ぎると伝熱シートの成形性が損なわれるので、エラストマーに対して１〜２００ｐｈｒ、好ましくは５〜１００ｐｈｒで用いられる。
【００４１】
上述のように、静電チャックの性質上、伝熱シートの誘電損失は小さい方が良く、シートの厚さは薄くまた硬さ（充填剤の配合量などに依存）は高い方が好ましいが、被処理体等との密着性などの性質と両立するように、厚さ及び硬さは適宜以下の条件内で調節する。この場合、必要な静電チャック力を得るためには、やはり厚さは薄い方が好ましいが、薄過ぎるとシートとしての強度が保持できないため、１〜１００μｍ、好ましくは、１０〜６０μｍとする。また、伝熱シートの熱伝導率は、高い方が好ましく、０．８Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが望ましく、伝熱シートの硬度、粗さを調節することによって達成する。以上のことから、伝熱シートの硬度（ＪＩＳＡ）は２０〜８０、粗さはＲａ＝２０μｍ以下であることが最適である。
【００４２】
【実施例】
次に、図１に示した伝熱シートの実施例について以下に述べる。
【００４３】
（実施例１）
以下の配合をロールで混練し、得られた生地を５０μｍ厚のシート状に加硫（一次加硫１８０℃×４ｍｉｎ、二次加硫２２０℃×２０ｈｒ）した。
【００４４】
（１）フッ素系ゴム（フッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン−パーフルオロ（メチルビニルエーテル）共重合体とフッ化ビニリデン−テトラフルオロエチレン共重合体のブレンドゴム）：１００ｐｈｒ
（２）ＳｉＣ（屋久島電工社製／製品番号０Ｙ−１５）：１０ｐｈｒ
（３）日本油脂社製パーオキサイド（製品名パークミルＤ）：５ｐｈｒ
【００４５】
（実施例２）
実施例１のうち、屋久島電工社製ＳｉＣの代わりに、ＰＡＮ系カーボンファイバー（東レ社製／トレカミルドファイバーＭＬＤ−３０）を１０ｐｈｒ添加して生地を得た。
【００４６】
（実施例３）
実施例１のうち、屋久島電工社製ＳｉＣの添加量を８ｐｈｒにし、さらに、ＰＡＮ系カーボンファイバー（東レ社製／トレカミルドファイバーＭＬＤ−３０）を５ｐｈｒ添加して生地を得た。
【００４７】
（実施例４）
厚さ２０μｍのステンレス箔の表面を塗布型クロメート処理し、これをサンドイッチする形で実施例１の生地を用いて加硫成形して、６０μｍの伝熱シートを得た。
【００４８】
（実施例５）
実施例１のうち、屋久島電工社製ＳｉＣの代わりに、住友大阪セメント社製ＣＶＤ−ＳｉＣ（グレード：Ｔ１）を１０ｐｈｒ添加して生地を得た。
【００４９】
（比較例１）
実施例１のうち、フッ素系ゴムの代わりに、ゼオン社製Ｈ−ＮＢＲ（製品番号：セットポール２０００ＬＬ）を用いて同様の伝熱シートを得た。
【００５０】
（比較例２）
日本メクトロン社製ポリイミドワニスに、（株）アドマテックス社製アルミナ（製品番号：Ａ０−５０２）を１０ｐｈｒ混合し、ＰＴＦＥ板上にキャストさせて乾燥して伝熱シートを得た。
【００５１】
（評価方法）
上記のそれぞれの伝熱シートを、図２に示す２周波励起平行平板ＲＩＥ装置（以下「評価装置」という）５０を用いて、ウェハーの温度測定、及び、伝熱シートの損傷（耐プラズマ性）を評価した。
【００５２】
評価装置５０は、下部電極ホルダー５１の上面を静電チャックステージ５２として、その上部に静電チャックＡを備えている。静電チャックＡと下部電極ホルダー５１との間には静電チャックＡの熱を吸熱するための水冷ジャケット５３が設けられている。そして下部電極と上部電極５４との間に直流電圧に交流電圧を重畳したバイアス電圧を印加し、プラズマを発生させる。
【００５３】
伝熱シートの熱伝達の評価に関しては、温度調節を１００．０℃にセットし、φ３００ｍｍのウェハー温度を中心部、最外周及び径方向の１／２の位置について測定した。伝熱シートの耐プラズマ性に関しては、ウェハーは無しで伝熱シートが直接プラズマに曝されるようにした。その際に用いたエッチングガスはＯ_２及びＣＦ_４であり、プラズマ照射を１２時間行った後の体積変化率を測定した。
【００５４】
また、アウトガス発生量の評価として、同じ表面積の伝熱シートの試料を真空中（１０^−３〜１０^−４ｔｏｒｒ）で２００℃に加熱し、揮発成分を液体窒素を用いて冷却してトラップし、その重量を求めた。
【００５５】
図３は、各実施例及び各比較例に関して上記評価を行った結果を表にまとめたものである。
【００５６】
図３によれば、熱伝導性及びウェハー表面の温度分布の均一化に関しては、実施例１乃至５のいずれも、比較例、特に熱伝導率の低い比較例２と比べて良好な結果となっている。比較例２の結果が各実施例のシートの粗さとほぼ同様にもかかわらず悪いのは、熱伝導率が低く、硬度も大きいため、伝熱シートとウェハーとの密着性が悪く接触面積が小さくなり、熱の伝導がしにくいためである。
【００５７】
また、耐プラズマ性評価及びアウトガスの発生量に関しては、フッ素系ゴムを用いた実施例１乃至５のいずれも、比較例、特にゼオン社製Ｈ−ＮＢＲを用いた比較例１に比べて良好な結果となっている。また、ＳｉＣ及びカーボンファイバーを配合した伝熱シートは熱伝導率が高くウェハーの表面温度の均一性に優れており、また、アウトガスの発生も少ないことがわかる。
【００５８】
したがって、本実施の形態の伝熱シートを被処理体と静電チャックとの間に配置することで、伝熱媒体であるガスの流量調節などの工数を大幅に削減することができるとともに、静電チャックと被処理体との温度差が小さく、かつ被処理体の温度分布が均一になることから、被処理体表面の温度制御性が向上してエッチングレートが均一となり、製品性能の安定化を図ることができる。
【００５９】
また、本実施の形態の伝熱シートでは、材質及び形状寸法の特性から、アウトガス、パーティクルなどの耐プラズマ性に優れ（製品の品質の安定化）、かつ誘電損失が小さく被処理体の保持力を十分に確保できる。
【００６０】
【発明の効果】
以上説明したように、フッ素ゴム材料に高熱伝導性充填剤を配合した伝熱シートを静電チャックシート上に配置することで、基板と静電チャックとの間の熱の移動を容易にし、基板内での温度分布の均一化を促進することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本実施の形態に係る静電チャックの概略断面図である。
【図２】静電チャックの特性を評価するための評価装置の概略断面図である。
【図３】実施例及び比較例の特性をまとめた表である。
【図４】従来の静電チャックの概略断面図である。
【図５】従来の静電チャックの分解斜視図である。
【符号の説明】
１　静電チャックシート
２　サセプタ
３，４　ポリイミド樹脂フィルム
５　導電膜
２０　伝熱シート
５０　評価装置
１００　静電チャック
１０１　静電チャックシート
１０２　サセプタ
１０３，１０４　ポリイミド樹脂フィルム
１０５　導電膜
１０６　高台部分
Ａ　静電チャック
Ｗ　被処理体

Claims

被処理体を静電力で吸着保持する静電チャックシートを有する静電チャックにおいて、
前記静電チャックシート上に、フッ素ゴム材料に高熱伝導性充填剤を配合した伝熱シートを配置したことを特徴とする静電チャック。
被処理体を静電力で吸着保持する静電チャックシートを有する静電チャックにおいて、
前記静電チャックシート上に、ゴム材料と金属材料とを積層した伝熱シートを配置したことを特徴とする静電チャック。
前記ゴム材料は、フッ素ゴム材料に高熱伝導性充填剤を配合した材料であることを特徴とする請求項２に記載の静電チャック。
前記高熱伝導整粒子は、ＳｉＣおよび／またはカーボンファイバーであることを特徴とする請求項１または３に記載の静電チャック。