JP2006279057A - 半導体装置の製造装置及び吸着用電極部及び静電チャック - Google Patents

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章二 奥田
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Abstract

【課題】ウェハーが装着される吸着用電極部とウェハーの温度制御を行う温度制御機構部とを有する静電チャックを設けた半導体装置の製造装置に関し、ウェハー温度分布の均一化及び電力効率の向上を図る。
【解決手段】高周波電源に接続されておりウェハーを吸着する吸着用電極部17とウェハーの温度制御を行う加熱する温度制御機構部18とを具備する静電チャック16を、装置本体部19に取り付けた構成を有する半導体装置の製造装置において、吸着用電極部17は、絶縁性を有する第1の絶縁性ハウジング26と、この第1の絶縁性ハウジング26内に設けられたRF電極27とから構成し、RF電極27が温度制御機構部18から独立するよう構成する。
【選択図】図1

Description

本発明は半導体装置の製造装置に係り、特にウェハーが装着される吸着用電極部とウェハーの温度制御を行う温度制御機構部とを有する静電チャックを設けた半導体装置の製造装置に関する。
一般に、ウェハーに対し酸化膜,窒化膜等を形成する半導体装置の製造装置では、ウェハーを保持する手段として静電チャックを具備している。
また、上記のようにウェハーに対し酸化膜,窒化膜等を形成する半導体装置の製造装置として、例えばプラズマCVD(Chemical Vapor Deposition) 装置が知られている。このプラズマCVD装置ではウェハーの温度を一定化させる必要があり、よって静電チャックにはウェハーを加熱する加熱機構が設けられている。
ウェハー上において加熱状態にバラツキがあると、ウェハー上に形成される酸化膜等が不均一となる。また、プラズマCVD装置ではプラズマを発生させるため、プラズマの熱がウェハーに影響を及ぼす。
よって、プラズマの影響に拘わらず静電チャックに装着されたウェハーが均一な温度を有するよう温度制御を行う必要がある。
通常、プラズマCVD装置(半導体装置の製造装置)には、ウェハーを吸着視することによりこれを保持する静電チャックが設けられている(特許文献1参照)。図6は、従来のプラズマCVD装置(半導体装置の製造装置)に設けられていた静電チャックの一例を示している。
同図に示す静電チャック1は、大略するとウェハー2が吸着される吸着用電極部3と、ウェハー2に対し加熱処理を行う加熱機構部4とにより構成されている。また、この静電チャック1は、プラズマCVD装置(図示せず)の装置本体5にボルト6を用いて固定される構成とされている。
吸着用電極部3は高周波交流電源に接続されている。そして、この交流電源は吸着用電極部3に対して高周波(例えば13.56MHz) の交流電圧を印加し、これによりウェハー2の表面に誘起される正負の荷電の静電力によりウェハー2を吸着すると共に、発生するプラズマに対しバイアス効果を発生させる構成とされている。また加熱機構部4はヒータ等により構成されており、ウェハー2に対し加熱処理を行うことによりウェハー2の温度が一定かつ均一となるよう制御を行う。
一方、プラズマCVD装置は、供給される反応ガス分子をグロー放電或いは電子サイクロトロン共鳴(ECR)により分離してプラズマを発生させ、この発生したプラズマ中の励起されたラジカルやイオンの反応を利用し、上記静電チャック1に吸着されたウェハー2に薄膜を形成する構成とされている。この薄膜形成の際、反応速度を向上させるために静電チャック1に吸着されたウェハー2は、所定の温度となるよう加熱機構部4により温度制御される。
特開平05−109876号公報
ところで、上記したようにウェハー2に対する加熱は、薄膜形成時にウェハー2上における薄膜形成速度を向上させるために行われるものであるため、ウェハー2上における熱分布にバラツキがあると、ウェハー2上に形成される薄膜が不均一になるおそれがある。よって、静電チャック1に装着された状態のウェハー2に対し、その熱分布が均一となるよう温度制御を行う必要がある。
従来、この温度制御を行う方法としては、静電チャック1とウェハー2との間に冷却ガスとして例えばヘリウムガス(H2ガス)を流し、これによりウェハー2の温度制御を行うことが行われていた。しかるにこの方法では、ヘリウムガスの流量によってはウェハー2の面内全てを均一な温度となるよう制御するのが困難で、製造されるウェハー2毎に形成される薄膜にバラツキが生じるという問題点があった。
また、上記のようにウェハー2の面内において温度のバラツキが発生する理由は、上記した加熱機構部4による加熱が原因するものではなく、主としてプラズマCVD装置内で生成されるプラズマの熱が影響している。このため、プラズマから受ける熱を逃がすために、静電チャック1を構成するハウジング7及び静電チャック1が取り付けられる装置本体5を熱伝導性に優れた金属材料により形成し、これを金属性のボルト6により接合する構成も提案されている。
しかるに、ハウジング7及び装置本体5を共に金属材料により形成する構成では静電チャック1全体が電極化するため、ウェハー2を吸着するのに必要な電極面積に対し、実際に電極として機能する電極面積が大きくなってしまう。このため、必要とする電力が大となり電力効率が低下するという問題点があった。
更に、従来構成の静電チャック1は、吸着用電極部3と加熱機構部4とを共に同一のハウジング7内に配設した構成とされていたため、吸着用電極部3に印加される交流電源は加熱機構部4にリークしてしまい、電力効率が悪いという問題点もあった。
本発明は上記の点に鑑みてなされたものであり、ウェハー温度分布を均一となるよう制御しうると共に電力効率の向上を図った静電チャックを有した半導体装置の製造装置を提供することを目的とする。
上記の課題を解決するために本発明では、次に述べる各手段を講じたことを特徴とするものである。
請求項1記載の発明は、
高周波電源に接続されておりウェハーを吸着する吸着用電極部と前記ウェハーの温度制御を行う加熱する温度制御機構部とを具備する静電チャックを、装置本体部に取り付けた構成を有する半導体装置の製造装置において、
前記吸着用電極部は、絶縁性を有する第1の絶縁性ハウジングと、該第1の絶縁性ハウジング内に設けられたRF電極とから構成することで、前記温度制御機構部から独立した構成とすることを特徴とするものである。
また、請求項2記載の発明は、
請求項1記載の半導体装置の製造装置において、
前記温度制御機構部は、絶縁性を有する第2の絶縁性ハウジングと、該第2の絶縁性ハウジング内に設けられた温度制御装置とから構成されることを特徴とするものである。
また、請求項3記載の発明は、
請求項1又は請求項2記載の半導体装置の製造装置において、
前記温度制御機構部は、前記吸着用電極部と前記装置本体部との間に介装されることを特徴とするものである。
また、請求項4記載の発明は、
請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造装置において、
前記静電チャックを装置本体部に固定するのに、絶縁材よりなる締結部材を用いることを特徴とするものである。
また、請求項5記載の発明は、
請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造装置において、
前記温度制御機構部は、ヒータ装置又は冷却装置によって構成されることを特徴とするものである。
また、請求項6記載の発明は、
請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造装置において、
前記装置本体部は、プラズマCVD装置であることを特徴とするものである。
また、請求項7記載の発明は、
高周波電源に接続されておりウェハーを吸着する吸着用電極部において、
絶縁性を有する第1の絶縁性ハウジングと、該第1の絶縁性ハウジング部内に設けられたRF電極とから構成されることを特徴とするものである。
また、請求項8記載の発明に係る静電チャックは、
請求項7の吸着用電極部を用いることを特徴とするものである。
また、請求項9記載の発明は、
高周波電源に接続されておりウェハーを吸着する吸着用電極部と前記ウェハーの温度制御を行う温度制御機構部とを具備する静電チャックにおいて、
前記吸着用電極部を、絶縁性を有する第1の絶縁性ハウジングと、該第1の絶縁性ハウジング内に設けられたRF電極とから構成することで、前記温度制御機構部から独立した構成としたことを特徴とするものである。
また、請求項10記載の発明は、
請求項9記載の静電チャックにおいて、
前記温度制御機構部は、絶縁性を有する第2の絶縁性ハウジングと該第2の絶縁性ハウジング内に設けられた温度制御装置とから構成されることを特徴とするものである。
本発明によれば、吸着用電極部と温度制御機構部とが夫々独立した構成となるため、吸着用電極部に設けられたRF電極に印加される高周波電圧が温度制御機構部にリークすることを防止することができ、よって消費電力の低減を図ることができる。
また、吸着用電極部,温度制御機構部は共に絶縁材料よりなる第1又は第2の絶縁性ハウジングを有しており、この絶縁性ハウジングは電極としては機能しない。このため、電極して機能するのはRF電極のみとなり、電極として機能する部分の面積を小さくすることができ、これによっても消費電力の低減を図ることができる。
また、上記のように吸着用電極部及び温度制御機構部に絶縁性ハウジングを設けることにより、プラズマのバイアス電極として機能するのもRF電極のみとなる。よって、バイアス効果の低下を防止でき、ウェハー上に良好な薄膜形成を行うことが可能となる。
次に、本発明を実施するための最良の形態について図面と共に説明する。
図2は、本発明の一実施例である半導体装置の製造装置10(以下、半導体製造装置という)を示す構成図である。本実施例では、半導体製造装置10として電子サイクロトロン共鳴(ECR)方式プラズマCVD装置を例に挙げて説明する。先ず、半導体製造装置10の全体構成について説明する。
半導体製造装置10は、プラズマチャンバー11と反応チャンバー12とを有している。プラズマチャンバー11には導波管13が接続されており、この導波管13からプラズマチャンバー11に対しマイクロ波(2.45GHz)が導入される構成とされている。また、プラズマチャンバー11の周囲には磁気コイル14が配設されており、この磁気コイル14により電子サイクロトロンの条件を決定しうる構成となっている。
一方、反応チャンバー12には、ウェハー15を吸着保持する静電チャック16が配設されている。静電チャック16は、後に詳述するようにウェハー15が吸着される吸着用電極部17と、この吸着されたウェハー15の温度を一定化するための温度制御機構部18とを具備した構成とされている。
吸着用電極部17には高周波電源25が接続されており、吸着用電極部17に対し高周波電圧を印加しうる構成とされている。この高周波電源25より高周波電圧が印加されることにより、吸着用電極部17はウェハー15を吸着すると共に、プラズマのバイアス電極として機能させることができる。尚、吸着用電極部17内には一対の静電電極(図示せず)も配設されており、この静電電極によってもウェハー15は吸着用電極部17に吸着される構成とされている。
また、温度制御機構部18は、加熱を行うためのヒータ装置及び冷却を行うための冷却装置が組み込まれており、ウェハー15の温度或いは吸着用電極部17の温度に応じて適宜作動する。これにより、ウェハー15の温度は、その全面にわたり均一かつ一定の温度となるよう制御される。
上記構成の静電チャック16は、装置本体19に固定された昇降機構20に設けられた昇降ロッド21に配設されている。尚、上記の昇降機構20及び昇降ロッド21は装置本体19の一部を構成するため、後述する図1,図3,及び図4においては昇降機構20及び昇降ロッド21も装置本体19と称して説明する。
また、上記反応チャンバー12は、図示しない反応ガス供給系から反応ガス(例えばSiH4)が供給される構成とされている。また、上記したプラズマチャンバー11で発生したプラズマは、プラズマ引出し窓22を介して反応チャンバー12内に導入される構成とされている。よって、反応チャンバー12に導入された反応ガスは、プラズマ引出し窓22を介して導入されたプラズマより励起或いは化学係合が分解され、ウェハー15上に所定の薄膜(本実施例の場合には窒化膜)が形成される。尚、反応チャンバー12の上部には排気系に接続された排気口23が設けられており、またこの排気口23の周囲には補助磁気コイル24が配設されている。
続いて、本発明の要部となる静電チャック16を図1に拡大して示し、以下詳述する。
前記したように、静電チャック16は吸着用電極部17と温度制御機構部18とにより構成されている。吸着用電極部17は、絶縁性を有するセラミックであるアルミナ又はアルミナイトライドにより形成された絶縁性ハウジング26と、この絶縁性ハウジング26内に設けられたRF電極27とにより構成されている。このRF電極27は前記した高周波電源25に接続されており、ウェハー15を静電的に吸着すると共にプラズマのバイアス電極として機能する。
また、温度制御機構部18は吸着用電極部17と装置本体19との間に介装されるものであり、絶縁性を有するセラミックであるアルミナ又はアルミナイトライドにより形成された絶縁性ハウジング28と、この絶縁性ハウジング28内に設けられた温度制御装置(ヒータ及び冷却装置により構成される)29とにより構成されている。
本実施例においては、上記した吸着用電極部17と温度制御機構部18とは夫々独立した構成とされている。そして、この個々別個の構成とされた吸着用電極部17と温度制御機構部18は、ボルト30を用いて装置本体19に螺着され、これにより吸着用電極部17と温度制御機構部18とは接合されて静電チャック16を形成する構成とされている。
このように、吸着用電極部17と温度制御機構部18とを夫々独立した構成としたことにより、吸着用電極部17に設けられたRF電極27に印加される高周波電圧が温度制御機構部18にリークすることを防止することができ、よって消費電力の低減を図ることができる。また、吸着用電極部17及び温度制御機構部18は共に絶縁材料よりなる絶縁性ハウジング26,28を有しており、この絶縁性ハウジング26,28は電極としては機能しない。このため、電極して機能するのはRF電極27のみとなり、電極として機能する部分の面積を小さくすることができ、これによっても消費電力の低減を図ることができる。
また、上記のように吸着用電極部17及び温度制御機構部18に絶縁性ハウジング26,28を設けることにより、プラズマのバイアス電極として機能するのもRF電極27のみとなる。よって、バイアス効果の低下を防止でき、ウェハー15上に良好な薄膜形成を行うことが可能となる。
また、上記のように吸着用電極部17と温度制御機構部18とを接合することにより、吸着用電極部17と温度制御機構部18とは熱的に接続された構成となる。更に、吸着用電極部17が温度制御機構部18と接合する接合面17aと、温度制御機構部18が吸着用電極部17と接合する接合面18aとは共に鏡面研磨加工がされた構成とされており、従って両者間における接合面積は広くなっている。
即ち、接合面17a,18aが粗面であった場合には、各接合面17a,18aを接合した際に各面17a,18aの間に微細な間隙が多数発生し、実質的な接合面積は小さくなってしまう。しかるに、上記のように接合面17a,18aを鏡面研磨加工することにより、接合面17aと接合面18aとは密着した状態となり接合面積を広くすることができる。接合面17aと接合面18aとの接合面積が広いということは、熱伝導が行われる面積が広いことと等価であり、よって吸着用電極部17と温度制御機構部18との間における熱伝導を効率よく行うことができる。
また、ウェハー15に薄膜を形成する状態下ではプラズマが発生しており、このプラズマの熱は吸着用電極部17にも印加され、この熱が吸着用電極部17にこもることが知られている。この吸着用電極部17にこもった熱がウェハー15に熱伝導した場合、ウェハー15の温度にバラツキが発生し良好な薄膜形成ができなくなってしまう。
しかるに、上記のように吸着用電極部17と温度制御機構部18とを接合し、かつその接合面17a,18aを鏡面研磨することにより、吸着用電極部17と温度制御機構部18との間の熱伝導効率は向上する。よって、プラズマに起因して発生した熱は吸着用電極部17から温度制御機構部18へ効率よく放熱され、ウェハー15にプラズマに起因した熱が影響することを防止できるため、ウェハー15に対し良好な薄膜形成を行うことができる。
また、上記のように温度制御機構部18はウェハー15に対して加熱或いは冷却処理を行いウェハー15が均一で一定の温度となるよう温度制御を行うが、この温度制御時においても吸着用電極部17と温度制御機構部18とが良好な状態で熱的に接続されていることにより、温度制御処理を確実にかつ効率よく行うことができる。
尚、本実施例では、吸着用電極部17と温度制御機構部18とが良好な状態で熱的に接続されるよう、吸着用電極部17及び温度制御機構部18の接合面17a,18aを鏡面研磨する構成としたが、吸着用電極部17と温度制御機構部18とを熱伝導性の高い高熱伝導部材(例えば、高熱伝導シート或いは高熱伝導グリス等)を介して接合することにより吸着用電極部17と温度制御機構部18との間における熱伝導性を向上させる構成としてもよい。
続いて、上記構成とされた静電チャック16と装置本体19との接合構造に注目する。図1に示されるように、静電チャック16は装置本体19に対しボルト30を用いて締結される。このボルト30は、セラミック等よりなる絶縁性ボルトを用いている。よって、吸着用電極部17に設けられたRF電極27に印加された高周波電圧がボルト30、及びボルト30を介して装置本体19にリークすることを防止することができ、これによっても消費電力の低減及びRF電極27によるバイアス効果の向上を図ることができる。
また、静電チャック16と装置本体19との間には、熱伝導性の高い高熱伝導部材31(例えば高熱伝導シート或いは高熱伝導グリス等)が介装されている。このように、静電チャック16と装置本体19との間に高熱伝導部材31を配設することにより、静電チャック16と装置本体19との間における熱伝導性を向上させることができ、吸着用電極部17にこもった熱を温度制御機構部18を介して装置本体19にも放熱することができる。よって、ウェハー15に対する温度制御を更に余裕を持って行うことができる。
尚、静電チャック16と装置本体19との間に高熱伝導部材31を配設する構成に代えて、静電チャック16及び装置本体19の各接合面を鏡面研磨した構成としても熱伝導性を向上することができる。
図5は、本発明の効果を実証するための図である。同図は横軸に薄膜形成におけるプロセス時間を取り、縦軸に薄膜形成におけるウェハー温度を取った特性図である。同図において、●印でプロットしたのは図6に示した従来構成の静電チャック1を用いた場合の特性であり、▲印でプロットしたのは図1に示した本実施例に係る静電チャック16を用いた場合の特性である。
同図より、従来構成の静電チャック1を用いた場合は、プロセス時間の経過に伴いウェハー温度が急激に上昇していることが判る。これは、プラズマの熱が吸着用電極部3にこもり、この熱がウェハー2に印加されることにより発生するものと思われる。
これに対し、本実施例に係る静電チャック16を用いた場合は、プロセス時間の経過に伴い若干の温度少々はあるものの、略ウェハー温度は一定の状態となっている。これは、プラズマの熱が吸着用電極部17から温度制御機構部18へ、また温度制御機構部18から装置本体19へ順次熱伝導していくことに起因している。よって図5の実験結果より、本実施例に係る静電チャック16を用いることにより、ウェハー15に良好な状態で薄膜形成を行いうることが実証された。
図3及び図4は、図1に示した静電チャック16の変形例である静電チャック35を示している。尚、図3及び図4において、図1に示した静電チャック16と同一構成については同一符号を附してその説明を省略する。
図1に示した実施例では、静電チャック16と装置本体19との間に高熱伝導部材31を介装することにより、静電チャック16と装置本体19との間における熱伝導性を向上させる構成とした。これに対し、本変形例では静電チャック16と装置本体19とを接合するのにスライド機構36を用いることにより、静電チャック16と装置本体19との間における熱伝導性を向上させたことを特徴とするものである。
スライド機構36は、静電チャック35(具体的には温度制御機構部18)に形成された第1の楔部37と、装置本体19に形成された第2の楔部38とにより構成されている。この第1及び第2の楔部37,38は、図4に示されるように、スライド接合可能な構成とされている。従って、第1及び第2の楔部37,38をスライド接合させることにより、静電チャック16は装置本体19に接合される。また、上記の第1の楔部37及び第2の楔部38において、スライド接合された際、互いに対峙する部分は鏡面研磨加工がされている。
上記した本変形性の構成とすることにより、静電チャック16と装置本体19との接合面積は広くなり、静電チャック16と装置本体19との間における熱伝導性を更に向上させることができる。
尚、本変形例では、静電チャック16を構成する吸着用電極部17と温度制御機構部18とを高熱伝導性接着剤(図示せず)により接合した構成を例に挙げているが、吸着用電極部17と温度制御機構部18との接合を上記したと同様なスライド機構を用いて接合する構成としてもよい。
また、上記した変形例では、スライド機構36を第1及び第2の楔部38により構成したが、第1及び第2の楔部38の形状は図3及び図4に示される形状に限定されるものではなく、静電チャック16と装置本体19とを確実に接合でき、かつ静電チャック16と装置本体19との接合面積を広くできる形状であれば、他の形状としてもよい。
更に、上記した各実施例では、半導体製造装置としてECR方式プラズマCVD装置を例に挙げて説明したが、本発明の要部となる静電チャック16は、他の構成のCVD装置,スパッタ装置,及び蒸着装置に広く適用できるものである。
図1は、本発明の一実施例である半導体製造装置に配設される静電チャック近傍を拡大して示す図である。 図2は、本発明の一実施例である半導体製造装置の構成図である。 図3は、本発明の一実施例である半導体製造装置に配設される静電チャック近傍の変形例を示す図である。 図4は、図3に示される静電チャックに配設されるスライド機構を拡大して示す図である。 図5は、本発明の効果を示す図である。 図6は、従来の半導体製造装置に配設される静電チャックを拡大して示す図である。
符号の説明
10 半導体製造装置
11 プラズマチャンバー
12 反応チャンバー
13 導波管
15 ウェハー
16,35 静電チャック
17 吸着用電極部
17a,18a 接合面
18 温度制御機構部
19 装置本体
25 高周波電源
26,28 絶縁性ハウジング
27 RF電極
29 温度制御装置
30 ボルト
31 高熱伝導材
36 スライド機構
37 第1の楔部
38 第2の楔部

Claims (10)

  1. 高周波電源に接続されておりウェハーを吸着する吸着用電極部と前記ウェハーの温度制御を行う加熱する温度制御機構部とを具備する静電チャックを、装置本体部に取り付けた構成を有する半導体装置の製造装置において、
    前記吸着用電極部は、絶縁性を有する第1の絶縁性ハウジングと、該第1の絶縁性ハウジング内に設けられたRF電極とから構成することで、前記温度制御機構部から独立した構成とすること
    を特徴とする半導体装置の製造装置。
  2. 請求項1記載の半導体装置の製造装置において、
    前記温度制御機構部は、絶縁性を有する第2の絶縁性ハウジングと、該第2の絶縁性ハウジング内に設けられた温度制御装置とから構成されること
    を特徴とする半導体装置の製造装置。
  3. 請求項1又は請求項2記載の半導体装置の製造装置において、
    前記温度制御機構部は、前記吸着用電極部と前記装置本体部との間に介装されることを特徴とする半導体装置の製造装置。
  4. 請求項1乃至3のいずれか1項に記載の半導体装置の製造装置において、
    前記静電チャックを装置本体部に固定するのに、絶縁材よりなる締結部材を用いることを特徴とする半導体装置の製造装置。
  5. 請求項1乃至4のいずれか1項に記載の半導体装置の製造装置において、
    前記温度制御機構部は、ヒータ装置又は冷却装置によって構成されることを特徴とする半導体装置の製造装置。
  6. 請求項1乃至5のいずれか1項に記載の半導体装置の製造装置において、
    前記装置本体部は、プラズマCVD装置であること
    を特徴とする半導体装置の製造装置。
  7. 高周波電源に接続されておりウェハーを吸着する吸着用電極部において、
    絶縁性を有する第1の絶縁性ハウジングと、該第1の絶縁性ハウジング部内に設けられたRF電極とから構成されること
    を特徴とする吸着用電極部。
  8. 請求項7の吸着用電極部を用いることを特徴とする静電チャック。
  9. 高周波電源に接続されておりウェハーを吸着する吸着用電極部と前記ウェハーの温度制御を行う温度制御機構部とを具備する静電チャックにおいて、
    前記吸着用電極部を、絶縁性を有する第1の絶縁性ハウジングと、該第1の絶縁性ハウジング内に設けられたRF電極とから構成することで、前記温度制御機構部から独立した構成としたこと
    を特徴とする静電チャック。
  10. 請求項9記載の静電チャックにおいて、
    前記温度制御機構部は、絶縁性を有する第2の絶縁性ハウジングと該第2の絶縁性ハウジング内に設けられた温度制御装置とから構成されること
    を特徴とする静電チャック。
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