JP2006237348A - 静電チャック及びこれを備えた真空処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 構造の簡素化とメンテナンス性の向上が図られ、伝熱ガスのシール性も確保できる静電チャック及びこれを備えた真空処理装置を提供する。
【解決手段】 ホットプレート１７とステージ１８との間に中間体１９を挟持させ、ホットプレート１７と中間体１９の各々の接触面１７Ａ，１９Ａを表面粗さ（Ｒａ）１０ｎｍ以下とすることにより、これらホットプレート１７と中間体１９とを直に接触させて両者間の所定のシール性を得るようにしている。これにより、耐熱性のあるシール材を用いることなく、ホットプレート１７とステージ１８間の接触界面を介しての伝熱ガスの外部への漏洩を抑制でき、構造の簡素化及び低コスト化を図ることができる。
【選択図】 図２

Description

本発明は、基板を吸着する静電チャック及びこれを備えた真空処理装置に関する。

半導体進化の代表例として挙げられるデザインルールの微細化とともに、近年ではウェーハの大口径化に伴い半導体製造装置の稼働率向上が強く要求されている。一枚のウェーハからとれるチップの良品率を維持するためには、減圧下の処理中（プロセス中）のウェーハ温度を一定に保つことが重要である。その有効な手段の一つとして、静電吸着機能付き加熱プレート（以下「ホットプレート」ともいう）が用いられている。

例えば、半導体製造装置の一つであるスパッタリング装置は、所定の真空度まで減圧される処理室を有し、処理室の内部には半導体ウェーハを吸着、加熱・冷却するための基板支持装置（静電チャック）が設置されている。プロセス時、ホットプレートを使用する際には、プロセスによりウェーハに入射される熱量と、ホットプレートからウェーハへ供給される熱量とを考慮しなければならない。このため従来では、ホットプレートとウェーハ間の熱伝導を考慮して、ウェーハの吸着面積を最大限確保するようにしていた。

しかしながら、吸着面積を増やすと、ウェーハ裏面及びホットプレートの吸着面を傷つける可能性が高くなり、また、摩擦によって発塵した汚染物により処理室内が汚染され、チップの良品率が低下する要因となる。

一方、これを回避するための手段として、ホットプレートとウェーハ間に熱伝導率の高いガスを封入することにより、吸着面積を低減でき、かつウェーハ温度も一定に保つことが可能となる。そこで、ホットプレートには通常、ウェーハの温度制御を目的とした伝熱ガス（裏面ガス）の供給流路とホットプレート自体を発熱、吸着、冷却させるのに必要な電力等の用力を導入するアダプタ等が設けられた金属製の台座（以下「ステージ」ともいう）が接合されている（下記特許文献１参照）。

ステージに求められる条件としては、処理室との間の所定の真空シール機能と、内部に冷却水を循環させることでホットプレートを冷却する機能と、処理室内に漏れることなくホットプレートとウェーハ間へ裏面ガスを導入する機能とが求められ、高温環境下に強く加工しやすい等の理由から、主に金属材料で構成されることが多い。また、ホットプレートに内蔵されている加熱機構（ヒータ等）、静電吸着電極へ用力を供給する高圧回路も付属されている。

特開２００１−６８５３８号公報

さて、従来の静電チャックにおいて、処理室とステージとの間のシール手段にはＯリングシールが用いられるが、ホットプレートとステージとの間のシール手段には、ホットプレートからの熱が伝わるため、耐熱性、放出ガスを考慮しなければならず、よってＯリングシールは採用できない。このため、ロウ付け又はメタルボンディングと呼ばれる手法を用いることで、ホットプレートとステージ間を接合することが考えられる。

しかしながら、セラミックス製のホットプレートと金属製のステージとは互いに熱膨張係数が異なるため、ホットプレートとステージとをロウ付け又はメタルボンディング法で接合するとなると、接合段階における接合不良、割れ等の不具合が発生し、製品の歩留まりを著しく低下させ、同時に半導体製造装置に搭載後のプロセス実施においても同様の不具合を発生し、処理中のデバイス及び装置に対して致命的なダメージを与えるおそれがある。このため、熱膨張係数が等しくなるような材料を選定することと、熱膨張差を最小限にするようホットプレートの昇温時間を管理する必要がある。

また、処理室内にて製品を処理する場合に必要な用力、及び冷却水の用力は、ステージを介しての導入となる。よって、メンテナンス時にホットプレートを交換しようとする場合、まずステージへ導入している全ての用力を遮断し系統から切断する必要がある。このため装置のダウンタイムが増大し、これが原因でランニングコストの増大を招くという問題がある。

一方、ホットプレートとステージとを分離可能に別体構造とした静電チャックが有利である。しかし、半導体プロセスにおいて、装置の稼働率を向上させ、デバイスの歩留まりを向上させるためには、ウェーハの温度制御が必須であると同時に、アスペクト比の高いホールに対して面内均一なカバレージを必要とする。カバレージ性を高めるためには低圧力でのプロセスが必須であるが、その反面、ウェーハの温度制御性を確保するためにはウェーハとホットプレート間に裏面ガス圧力を導入する必要がある。この場合、裏面ガスを導入することで、処理室内に裏面ガスが漏れてしまい、その後のウェーハ処理が実行できなくなる不都合が考えられる。

このため、処理室内に設置された静電チャックに、裏面ガスが漏れないような構造が要求されるが、異種材料の接合、耐熱性、機械強度、電気絶縁性等の項目に配慮する必要があり、これが原因で構造が複雑となってしまい、製作コストの増大、構造物の大型化を招くという問題が発生する。

例えば、上記特許文献１には、図４に示すような構成の静電チャック１が開示されている。図において、２は、内部に加熱ヒータ２Ａと静電吸着用の電極（図示略）が組み込まれたホットプレート、３は、内部に冷却水の循環通路３Ａが形成されたステージ、４は、ホットプレート２とステージ３との間に配置された中間体、５は、ホットプレート２と中間体４との間に装着されたメタルシール、６は、ステージ３と中間体４との間に装着されたメタルシール、７は、ホットプレート２の表面に形成され基板Ｗの裏面へ導入される伝熱ガス（裏面ガス）のガス流路形成溝、８は、ホットプレート２と中間体４との間に区画された伝熱空間、９は、ステージ３と中間体４との間に区画された伝熱空間、そして１０は、ガス流路形成溝７及び伝熱空間８，９に供給される伝熱ガスの供給ボンベである。

このような構成の従来の静電チャック１は、ホットプレート２とステージ４との間の熱抵抗を低減するために、ホットプレート２と中間体４との間、及びステージ３と中間体４との間に伝熱ガスを導入するための伝熱空間８，９を設け、これら伝熱空間８，９と中間体４を介して、ホットプレート２とステージ３間の熱伝導を行わせるようにしている。

しかしながら、伝熱空間８，９を密封するために、ホットプレート２と中間体４との間、及びステージ３と中間体４との間にそれぞれメタルシール５，６を配置させる必要が生じ、これが原因で構造の複雑化、メンテナンス作業性の低下、部品交換頻度の増大等を招くという問題がある。

本発明は上述の問題に鑑みてなされ、構造の簡素化とメンテナンス性の向上が図られ、伝熱ガスのシール性も確保できる静電チャック及びこれを備えた真空処理装置を提供することを課題とする。

以上の課題を解決するに当たり、本発明の静電チャックは、基板を静電吸着する電極と当該基板を加熱する加熱機構とが組み込まれたプレートと、このプレートを冷却するステージと、プレートとステージとの間に挟持された中間体と、プレート、中間体及びステージの内部に形成されプレートの表面に伝熱ガスを供給するためのガス供給流路とを備え、少なくともプレートと中間体の各々の接触面を表面粗さ１０ｎｍ以下としている。

即ち本発明では、プレートとステージとの間に中間体を挟持させた静電チャック構造において、少なくともプレートと中間体の各々の接触面を表面粗さ（Ｒａ）１０ｎｍ以下とすることにより、これらプレートと中間体とを直に接触させて両者間の所定のシール性を得るようにしている。これにより、耐熱性のあるシール材を用いることなく、プレートとステージ間の接触界面を介しての伝熱ガスの外部への漏洩を抑制でき、構造の簡素化及び低コスト化を図ることができる。

上記接触面の表面粗さが１０ｎｍの場合、少なくとも１×１０^-5Ｐａ以下の圧力の下で行われるプロセス条件において、プロセスに悪影響を与えない程度のシール性を確保できることが確認されている。従って、当該接触面の表面粗さを１０ｎｍ以下とすることにより、更に高真空下における接触面のシール性を得ることが可能となる。

同様に、ステージと中間体の各々の接触面を表面粗さ１０ｎｍ以下とすることにより、これらステージと中間体とを直に接触させて両者間の所定のシール性を得ることができる。なお、プレート側からの熱を直接受けることがないことから、必要に応じてステージと中間体間にＯリングシール材を介装させてシール性を確保するようにしてもよい。

中間体の材質は特に限定されず、金属材料や絶縁性材料を用いることができる。特に、絶縁性材料としては、石英や炭化珪素、アルミナ、ジルコニア等の伝熱特性に優れたセラミック材料が好適である。

また、プレート、中間体及びステージは、固定治具を介して各々一体化することができる。固定治具としては、汎用のボルト部材を用いることができる。これにより、メンテナンス時に各要素ごとに容易に分離、交換等を行うことができる。

以上述べたように、本発明によれば、耐熱性のあるシール材を用いることなく、プレートとステージ間の接触界面を介しての伝熱ガスの漏洩を抑制できる。また、静電チャック自体の構造の簡素化とメンテナンス性の向上を図ることができる。

以下、本発明の実施の形態について図面を参照して説明する。

図１は、本発明の一実施形態に係る静電チャックを備えた真空処理装置の概略構成図である。本実施の形態の真空処理装置１１は、真空処理室１２を形成する真空チャンバ１３と、この真空処理室１２に設置された静電チャック１４と、この静電チャック１４に支持された半導体ウェーハ等の基板Ｗに対して成膜処理を行うためのスパッタターゲット１５とを備えている。

真空チャンバ１３には、図示せずとも真空ポンプ１６等の真空排気手段が接続されており、真空処理室１２を所定の真空度にまで減圧させることが可能となっている。

スパッタターゲット１５は、プロセスガスの導入管やプラズマ発生源（ともに図示略）とともに本発明の真空処理手段を構成する。なお、スパッタ法以外の他の成膜法、例えば真空蒸着法では蒸発源がこれに該当し、ＣＶＤ法等も適用可能である。また、成膜手段に限らず、ドライエッチングやイオン注入等の他の真空処理手段も適用可能である。

静電チャック１４は、基板Ｗを静電吸着する電極（図示略）と当該基板Ｗを加熱するヒータ等の加熱機構（図示略）とが組み込まれたホットプレート１７と、このホットプレート１７を冷却するステージ１８と、ホットプレート１７とステージ１８との間に挟持された中間体１９と、ホットプレート１７、中間体１９及びステージ１８との間に形成されホットプレート１７の表面に伝熱ガス（本例ではヘリウムガス）を供給するためのガス供給流路２０とを備えている。

図２は、静電チャック１４の断面構造を模式的に示す側断面図である。

ホットプレート１７は本発明の「プレート」に対応するもので、全体としてセラミック等の電気絶縁材料で形成されており、このホットプレート１７の内部には上述した静電吸着用電極および加熱機構が設けられている。また、ホットプレート１７の内部には、ガス供給流路２０の一部を構成する流路１７Ｈが当該ホットプレート１７の厚さ方向に貫通して形成されている。流路１７Ｈの一端はホットプレート１７の表面に開口しており、ホットプレート１７の表面に吸着された基板Ｗの裏面に導入される。

なお、ホットプレート１７の表面には、流路１７Ｈの一端に連絡する溝１７Ｓが二次元的に形成されており、基板Ｗの裏面径方向にわたって伝熱ガスを導入できるようになっている。ホットプレート１７の表面は、基板Ｗの裏面との間に一定のシール性が得られる程度の面精度で形成されている。

ステージ１８は、ステンレスやアルミニウム合金等の金属材料で形成された台座で、真空チャンバ１３の底壁部に真空シール部材（図示略）を介して固定されている。ステージ１８の内部には冷却水の循環通路（図示略）が形成され、後述する中間体１９を介してホットプレート１７及び基板Ｗを冷却する。また、ステージ１８の内部には、ガス供給流路２０の一部を構成する流路１８Ｈが当該ステージ１８の厚さ方向に貫通して形成されている。

なお図示せずとも、ステージ１８には、ホットプレート１７に内蔵されている加熱機構や静電吸着電極へ用力を供給するための高圧回路が接続されている。

中間体１９は、耐熱性を有するとともに、ステージ１８の温度をホットプレート１７側へ伝達し基板Ｗ温度を制御することが可能な程度の熱伝導率を有する材料で構成されている。また、中間体１９は導電材および非導電材のいずれも適用可能であり、プロセスに応じて選定される。非導電性材料としては、例えば石英、炭化珪素、アルミナ、ジルコニア等の電気的絶縁性を有するセラミック材料が好適である。また、導電性材料としては、金属材料を用いることができる。

中間体１９の内部には、ガス供給流路２０の一部を構成する流路１９Ｈが当該中間体１９の厚さ方向に貫通して形成されている。流路１９Ｈの一端はステージ１８側の流路１８Ｈに連通し、流路１９Ｈの他端はホットプレート１７側の流路１７Ｈに連通している。なお、流路１９Ｈは、流路１８Ｈと流路１７Ｈとの間を直線的に接続する場合に限らず、図２に示したように、流路１９Ｈを中間体１９のホットプレート１７側表面１９Ａの一部に沿うように屈曲して形成するようにしてもよい。

静電チャック１４に対して、伝熱ガスは、真空チャンバ１３の外部に設置されたボンベ２６から配管２４および流量調整バルブ２５を介して供給される（図１）。配管２４は、静電チャック１４のステージ１８に形成された流路１９Ｈに接続されており、ガス供給流路２０を介して基板Ｗの裏面に導入される。そこで、静電チャック１４における伝熱ガスのシール機能は、以下のようにして得るようにしている。

まず、ステージ１８と中間体１９との間は、流路１８Ｈを囲むように装着された環状のＯリングシール２１でシールされている。この場合、Ｏリングシール２１は、常に冷却水温度で冷却されているステージ１８の上に装着されているので、ゴム等の弾性材料で形成されていても所期のシール機能を長期にわたって維持することができる。

一方、ホットプレート１７と中間体１９との間は、これらの接触界面の表面粗さを制御することによって、一定のシール機能を得るようにしている。即ち、ホットプレート１７の裏面（中間体１９側の面）１７Ａと、中間体１９の表面（ホットプレート１７側の面）１９Ａの各々の接触面が、表面粗さ（Ｒａ）１０ｎｍ以下とされている。

即ち本実施の形態では、ホットプレート裏面１７Ａと中間体表面１９Ａの各々の接触面を表面粗さ１０ｎｍ以下の平滑度で形成することにより、ホットプレート１７と中間体１９との間の接触面積を高め、減圧雰囲気下で使用される場合においても両者間に一定のシール機能が得られるようにしている。

なお、ステージ１８と中間体１９との間のシール構造にも上述のシール機構を採用することが可能である。この場合、ステージ１８の表面（中間体１９側の面）１８Ｂと、中間体１９の裏面（ステージ１８側の面）１９Ｂの各々の接触面が、表面粗さ（Ｒａ）１０ｎｍ以下に形成する。この場合、Ｏリングシール２１を省略することができる。

ホットプレート１７、中間体１９及びステージ１８は、固定治具を介して各々一体化されている。固定治具として本実施の形態では、複数本のボルト部材２２，２３が用いられており、これらを所定トルクで締め付けることによって、ホットプレート１７と中間体１９の間およびステージ１８と中間体１９との間に、所定のシール性をもたせている。なおボルト部材に限らず、メカクランプ等の他の固定治具を用いてもよい。

ボルト部材２２，２３の締結位置は、ホットプレート１７表面の基板Ｗの径範囲内（吸着領域内）と、径範囲外（吸着領域外）の２つのエリアに分割されている。これにより、ホットプレート１７の加熱時に発生する熱応力を緩和することができる。

以上のように構成される本実施の形態の静電チャック１４においては、ホットプレート１７と中間体１９の各々の接触面の面精度を１０ｎｍ以下に向上させることにより、両者間の接触界面における伝熱ガスのシール機能を確保するようにしている。これにより、ホットプレート１７と中間体１９との間に耐熱性を有するシール部品を介装させる必要をなくして、構造の簡素化と低コスト化を図ることが可能となる。

図３は、本実施の形態の静電チャック１４において、ホットプレート１７と中間体１９との間の接触面（表面粗さ１０ｎｍ）を介して放出される伝熱ガスのガス量を、真空処理室１２内に設置した圧力モニター（イオンゲージ）でモニタリングしたときのデータを示している。ガス供給流路２０に導入した伝熱ガス圧力は１０００Ｐａ（ゲージ圧）で、処理室内の圧力は８×１０^-6Ｐａ付近に減圧されている。実験開始から３０分経過後も殆ど圧力変動は認められず、処理室内の減圧雰囲気を安定して保持できることが確認された。

従って本実施の形態の静電チャック１４によれば、プロセス条件（真空度等）に悪影響を与えない程度のシール性を確保することができる。なお、ホットプレート１７と中間体１９の各々の接触界面の面精度を更に向上させることにより、更なる高真空状態においてもシール性を発揮させることができると推察できる。

また、本実施の形態の静電チャック１４によれば、ホットプレート１７と、中間体１９と、ステージ１８とを、それぞれボルト部材２２，２３で一体固定しているので、ホットプレート１７単独の脱着が可能となり、メンテナンス性の向上を図ることができる。またこのときステージ１８の取外し作業を必要としないので、用力供給用の高圧回路や、冷却水供給系統等との遮断作業が不要となり、これにより作業性および作業時間の短縮を図ることができ、真空処理装置１１のダウンタイムの削減を実現することができる。

更に本実施の形態によれば、ホットプレート１７とステージ１８との間に中間体１９を挟み込んでいるので、ホットプレート１７とステージ１８の各々の熱膨張係数の相違に起因するホットプレート１７の変形、破損等を防止できる。

以上、本発明の実施の形態について説明したが、勿論、本発明はこれに限定されることなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。

例えば以上の実施の形態では、伝熱ガスとしてＨｅガスを用いたが、プロセスの種類に応じて例えばアルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ２）等のガスを用いてもよい。

また以上の実施の形態では、真空処理装置１１としてスパッタ装置を例に挙げて説明したが、これに限らず、ＣＶＤ装置やプラズマエッチング装置、イオン注入装置等にも本発明は適用可能である。

本発明の実施の形態による真空処理装置１１の概略構成図である。 本発明の実施の形態による静電チャック１４の側断面図である。 静電チャック１４のシール機能を示す実験データである。 従来の静電チャックの構成を示す側断面図である。

符号の説明

１１ 真空処理装置
１２ 真空処理室
１３ 真空チャンバ
１４ 静電チャック
１５ スパッタターゲット（真空処理手段）
１６ 真空ポンプ
１７ ホットプレート
１８ ステージ
１９ 中間体
２０ ガス供給流路
２１ Ｏリングシール
２２ ボルト
２３ ボルト

Claims (8)

1. 基板を吸着する静電チャックであって、
   前記基板を静電吸着する電極と当該基板を加熱する加熱機構とが組み込まれたプレートと、
   前記プレートを冷却するステージと、
   前記プレートと前記ステージとの間に挟持された中間体と、
   前記プレート、前記中間体及び前記ステージの内部に形成され前記プレートの表面に伝熱ガスを供給するためのガス供給流路とを備え、
   少なくとも前記プレートと前記中間体の各々の接触面が表面粗さ１０ｎｍ以下であることを特徴とする静電チャック。
2. 前記中間体は、絶縁性材料である請求項１に記載の静電チャック。
3. 前記プレート、前記中間体及び前記ステージは、固定治具を介して各々一体化されている請求項１に記載の静電チャック。
4. 前記固定治具は、ボルト部材である請求項３に記載の静電チャック。
5. 前記中間体と前記ステージとの間には環状シール部材が介装されている請求項１に記載の静電チャック。
6. 前記ステージには、冷却水循環通路が内蔵されている請求項１に記載の静電チャック。
7. 前記ステージは金属製である請求項１に記載の静電チャック。
8. 真空処理室と、この真空処理室内に設置され基板を吸着する静電チャックと、前記基板に対して所定の真空処理を行う真空処理手段とを備えた真空処理装置において、
   前記静電チャックは、
   前記基板を静電吸着する電極と当該基板を加熱する加熱機構とが一体的に組み込まれたプレートと、
   前記プレートを冷却するステージと、
   前記プレートと前記ステージとの間に挟持された中間体と、
   前記プレート、前記中間体及び前記ステージの内部に形成され前記プレートの表面に伝熱ガスを供給するためのガス供給流路とを備え、
   少なくとも前記プレートと前記中間体の各々の接触面が表面粗さ１０ｎｍ以下であることを特徴とする真空処理装置。
   
   

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