JP2007258615A

JP2007258615A - 静電チャック

Info

Publication number: JP2007258615A
Application number: JP2006084219A
Authority: JP
Inventors: Ikuhisa Morioka; 育久森岡; Yasufumi Aihara; 靖文相原; Hideyoshi Tsuruta; 英芳鶴田
Original assignee: NGK Insulators Ltd
Current assignee: NGK Insulators Ltd
Priority date: 2006-03-24
Filing date: 2006-03-24
Publication date: 2007-10-04
Also published as: KR101032663B1; US7576967B2; KR20070096891A; CN101043017A; US20070223175A1

Abstract

【課題】ウェハの均熱性と絶縁部材の絶縁性とを共に良好な特性で得ることができる静電チャックを提供する。
【解決手段】静電チャック１はウェハＷを保持する保持面近傍に電極１２が埋設されたセラミックス基材１１を有している。このセラミックス基材１１の裏面側には電極２と接続する端子１３と、ウェハＷの温度調節部材１４と、この端子１３及び温度調節部材１４の絶縁部材１５とが設けられている。この絶縁部材１５は、セラミックス基材１１と接する端部にフランジ部１５ａを有していて、高熱伝導性セラミックスよりなる。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電チャックに関する。

半導体装置の製造過程においては、基板としての半導体ウェハの表面に成膜、加熱、エッチング及び洗浄などの処理が施される。これらの処理時において半導体ウェハを保持するために、静電チャックが用いられている。この静電チャックは、静電チャックの保持面にセットされた半導体ウェハとの間に静電力を生じさせ、この静電力により半導体ウェハを保持するものである。静電チャックは、真空吸引により半導体ウェハを保持する装置や機械的に半導体ウェハを把持する装置に比べて、使用可能な雰囲気の制限が少なく、また、パーティクルやウェハ汚染のおそれが少ない。

静電チャックは、一般に、基板を保持する保持面近傍に静電力を発生させるための電極が埋設されたセラミックス基材を備えている。このセラミックス基材の電極は、保持面とは反対側の裏面に形成された導通孔より挿入された端子と接続されている。この端子に外部から電力が供給されることにより、セラミックス基材の保持面に静電力が生じる。このような静電チャックは、例えば特許文献１に記載されている。

半導体装置の製造過程で、静電チャックに保持された半導体基板に各種の処理を施す際は、この半導体基板を所定の温度に維持することが必要である。そのため、静電チャックの裏面に接するようにヒータ又は冷却ジャケット等の温度調節部材が設けられ、この温度調節部材により静電チャックを介して半導体基板の表面を一定の温度に調整している。この温度調節部材には、上述した端子が挿通される貫通孔が形成されている。

この温度調節部材は、静電チャックに対し良好に熱を伝達すべく、金属の部品が用いられていることが多い。そのため、静電チャックの裏面に取り付けられ、電力が供給される端子は、温度調節部材とは電気絶縁される必要がある。したがって、端子が配設された温度調節部材の貫通孔及びその近傍には、この端子を覆うように絶縁部材が配設されている。
特許第２８３６９８６号明細書

端子と温度調節部材との間に配設される絶縁部材に求められる特性の一つは、端子と温度調節部材との絶縁特性である。セラミックス基材の保持面に所望の静電力を生じさせるために、端子には、例えばジョンソン−ラーベックタイプの静電チャックでは５００Ｖ程度、クーロンタイプの静電チャックでは３０００Ｖ程度の電圧が給電される。絶縁部材は、このような電圧が給電される端子を、温度調節部材と十分に絶縁できることが求められる。

近年、より確実で安定した絶縁のために、絶縁部材による絶縁性を高めることが求められつつある。ここに、高い絶縁性を実現するには、絶縁部材自体の絶縁耐圧が高いことと、この絶縁部材の端面がセラミックス基材の裏面と当接している領域で沿面放電が発生しないことが必要である。前者の絶縁部材自体の絶縁耐圧を高めるには、絶縁部材に絶縁耐圧の高い材料を使用するか、絶縁部材の肉厚を厚くすることが有効である。また、後者の沿面放電の発生防止のためには、沿面距離を十分に確保することことが有効である。

しかしながら、絶縁部材を厚くしたり沿面距離を大きくしたりするには、温度調節部材に形成された、端子及び絶縁部材用の貫通孔の孔径を大きくする必要がある。この貫通孔の孔径を大きくしたのでは、この貫通孔に対向する部分のセラミックス基材は、温度調節部材とは接触していないことになるから、この部分のみ他の部分よりも加熱温度が局所的に異なってしまう。そのため、静電チャックに保持されたウェハの均熱性が悪化し、結果として例えばエッチング処理におけるエッチングレートやエッチング形状の悪化を招き、処理を施したウェハのデバイス不良が発生する。

一方、上述した貫通孔の孔径を小さくすると、上述したウェハの均熱性の悪化はないが、端子と温度調節部材との間に介在する絶縁部材の肉厚または沿面距離が不十分となり、絶縁不良が発生するおそれがある。

このため、ウェハの均熱性と絶縁部材の絶縁性とを共に良好な特性で両立させることは従来技術では困難であった。

本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、ウェハの均熱性と絶縁部材の絶縁性とを共に良好な特性で得ることができる静電チャックを提供することを目的とする。

前記目的を達成するために、本発明の静電チャックは、基板を保持する保持面とほぼ平行に、近接して埋設された電極を有するセラミックス基材と、このセラミックス基材の保持面とは反対側の裏面に形成された導通孔に挿入され、前記電極と接続する端子と、このセラミックス基材の裏面と接する温度調節部材と、この端子の周囲に設けられ、この端子と温度調節部材とを絶縁する絶縁部材とを備え、この絶縁部材は、前記セラミックス基材と接する端部にフランジ部を有することを特徴とする。

本発明の静電チャックによれば、端子−温度調節部材間の高い絶縁性とウェハの高均熱性を両立することが可能となり、静電チャックの信頼性向上、ウェハエッチング等のプロセス処理時の面内均一性を実現できる。

以下、本発明の静電チャックの実施形態について図面を用いて説明する。

図１は、本発明に係る静電チャックの一実施形態を示す断面図である。図１に示す静電チャックは、基板としてのウェハＷを静電力により保持する円盤状のセラミックス基材１１を有している。図２は、このセラミックス基材１１の中央部近傍の拡大断面図である。この図１及び図２において、セラミックス基材１１の表面は、このウェハＷを保持する保持面となる。この保持面１１ａに静電力を生じさせるための電極１２が、セラミックス基材１１の内部で、この保持面１１ａとほぼ平行に、かつ近接して埋設されている。セラミックス基材１１の裏面１１ｂには、電極１２近傍まで達する導通孔１１ｃが形成されていて、この導通孔１１ｃに端子１３が挿通されて、電極１２と電気的に接続されている。図示しない電源から端子１３を介して電極１２に電力が供給されると、この電極と保持面１１ａとの間の領域のセラミックス基材１１が誘電体層となり、保持面１１ａに静電力を生じさせる。なお、セラミックス基材１１は、ジョンソン−ラーベックタイプの静電チャックの構成であってもよいし、また、クーロンタイプの静電チャックの構成であってもよい。また、セラミックス基材１１の内部には、ウェハWを加熱するための発熱体を埋設してもよい。

ウェハＷを保持しているときに、このウェハＷの全面を所定の均一な温度に調整するための温度調節部材１４が、セラミックス基材１１の裏面１１ｂのほぼ全面に接して設けられている。この温度調節部材１４は、例えば発熱体を内蔵した加熱ヒータであり、例えば冷媒の流路が形成された冷却ジャケットである。また、温度調節部材１４は加熱ヒータと冷却ジャケットの組み合わせであってもよい。

この温度調節部材１４の中央部には、上述した端子１３を挿通する貫通孔１４ａが形成されている。この貫通孔１４ａの内部及びその近傍で、端子１３と温度調節部材１４とを絶縁するための概略円筒形状の絶縁部材１５が、この端子１３の周囲に配設されている。

そして、この絶縁部材１５は、セラミックス基材１１と対向する側の端部にフランジ部１５ａを有している。このフランジ部１５ａの端面とセラミックス基材１１の裏面との間に接着剤１６が塗布されて、この接着剤１６により絶縁部材１５はセラミックス基材１１と固着している。この絶縁部材１５は、例えば、窒化アルミニウムからなる。

本実施形態の静電チャックは、上述のとおり絶縁部材１５がセラミックス基材１１と対向する側の端部にフランジ部１５ａを有している。このフランジ部１５ａの半径方向の長さＬ１が、絶縁部材１５の沿面距離に相当するから、本実施形態の静電チャックは、フランジ部１５ａを有しない従来の静電チャックに比べて沿面距離が長く、よって、絶縁性の高い静電チャックとなる。

また、フランジ部１５ａの厚さｔ１は０．５mm以上２ｍｍ以下になっていることが好ましい。この厚みの範囲内であれば、フランジ部１５ａに加わる応力に耐え得る強度を確保することが可能で、且つ、温度調節部材１４からセラミックス基材１１への熱の移動に対して障壁とならない。すなわち、端子１３近傍のセラミックス基材１１の表面に対し、温度調節部材１４の加熱もしくは冷却を速やかに且つ効率的に伝達させることができる。従い、ウェハ上の温度分布が均一とすることが可能になる。

絶縁部材１５の耐電圧特性は、静電チャックの寸法、形状にもよるが、５ｋＶ／ｍｍ以上であることが好ましい。５ｋＶ／ｍｍ以上もあれば、クーロンタイプの静電チャックに本発明の静電チャックを適用しても、余裕のある安定した絶縁性を維持できる。また、フランジ部１５ａを有しない従来の静電チャックでは、５ｋＶ／ｍｍ以上の耐電圧特性を、均熱性を損なうことなく確保するのが困難であり、この点に５ｋＶ／ｍｍ以上の耐電圧特性を、均熱性を損なうことなく確保できる本発明に係る静電チャックの利点がある。

また、絶縁部材１５のフランジ部１５ａの半径方向の長さＬ１は、セラミックス基材１１の材質や絶縁部材１５の材質や接着剤１６の種類にもよるが、例えば３ｍｍ以上とすることができる。もっとも、フランジ部１５ａの長さＬ１があまりに長いと、ウェハの均熱性が悪化するおそれがあるので、フランジ部１５ａの長さＬ１は絶縁部材１５の材質等に応じて、適宜定めることができる。

また、絶縁部材１５は、高熱伝導性セラミックスよりなることが好ましい。絶縁部材１５が高熱伝導性セラミックスよりなることにより、セラミックス基材１１に対向する端面の面積が、フランジ部１５ａにより大きくなったとしても、沿面距離を保ちつつ温度調節装置に設ける穴を小さくすることによって均熱性を損なうことなく、絶縁を確保することが可能となる。高熱伝導性セラミックスとしては、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）、窒化珪素（ＳｉＮ）、高抵抗炭化珪素（ＳｉＣ）等を主成分とするセラミックスが好適に適用される。

特に絶縁部材１５に窒化アルミニウムを用いた場合は、窒化アルミニウムが高熱伝導性であるので、セラミックス基材１１表面の均熱性をより均一にするのに有利である。

絶縁部材１５をセラミックス基材１１と固着する接着剤１６は、高絶縁性接着剤であることが、より好ましい。接着剤１６が高絶縁性の接着剤であることにより、絶縁性をいっそう向上させることができる。また、接着剤１６が高絶縁性の接着剤であることにより、所定の絶縁性を維持しつつ沿面距離（Ｌ１）を短くして、ウェハ均熱性を向上させることもできる。高絶縁性の接着剤は、具体的には、接着剤１６の絶縁耐圧が１０ｋＶ／ｍｍ以上であることが好ましい。このような特性を具備する接着剤としては、例えば、シアノアクリレート樹脂系接着剤、エポキシ樹脂系接着剤、シリコーン樹脂系接着剤などがある。

なお、温度調節部材１４の貫通孔１４ａの孔径に関し、この絶縁部材１５のフランジ部１５ａ以外の部分に対面する部分の孔径は、従来と同様に、例えば５ｍｍ以下とすることによりウェハ均熱性の悪化を抑制することができる。

図３は、比較例としての従来の静電チャックのセラミックス基材１１の中央部近傍の断面図である。なお、図３において、図１及び図２に図示した部材と同種の部材には同一の符号を付しており、以下では重複する説明を省略する。この図３に示した静電チャックは、絶縁部材２５が、セラミックス基材１１に対向する端部にフランジ部を有していない円筒形状である例である。このような絶縁部材２５を具備する静電チャックは、絶縁に十分な沿面距離Ｌ０を有する場合には、温度調節部材１４の貫通孔１４ａの孔径Ｄ０が大きくなり、均熱性が悪化する。また、貫通孔１４ａの孔径Ｄ０を小さくしてウェハの均熱性を確保しようとすると、絶縁部材２５の厚さすなわち沿面距離Ｌ０を小さくする必要があり、絶縁性が悪化する。

［実施例１］
セラミックス基材１１としてアルミナを用い、温度調節部材としてAl製の円盤中に冷媒流路を設けた冷却盤を用いて、静電チャックを作製した。表１に示す種々の材質、サイズになる絶縁部材を作製し、これらの絶縁部材を備える静電チャックを組み立てて、プラズマからの入熱を模擬するランプヒーターを備えた真空チャンバー内に設置し、絶縁性及びウェハ均熱性を調べた。この絶縁性は、端子に３ｋＶの電圧を給電したときに、絶縁破壊や沿面放電が生じたか否かを調べた。また、ウェハ均熱性は、ランプヒーターにより７０℃に加熱したのときの３００ｍｍウェハ上の温度を、端子近傍の領域と、それ以外の領域とでそれぞれ測定し、温度差を調べた。その結果を表１に併記する。なお、絶縁部材をセラミックス基材に固着する接着剤には、絶縁耐圧５０ｋＶ／ｍｍで熱伝導率０．２Ｗ／ｍ・Ｋのエポキシ樹脂を使用した。

セラミックスの表面における沿面放電試験を実施した結果、３ｋV以上の電圧に対して絶縁を確保するためには、端子と温度調節部材との距離は３mm以上が必要であった。そこで、実施例１〜８では、フランジ部の半径方向の長さ、すなわち表１の沿面距離（Ｌ_１）を３ｍｍにしたところ、絶縁破壊も沿面放電も生じなかった。また、実施例１〜８は、温度調節部材の貫通孔の孔径に関し、絶縁部材１５のフランジ部以外の部分に対面する部分の孔径が６ｍｍであって、優れたウェハ均熱性が得られていた。そして、実施例１〜８のなかでも、絶縁部材の材質がＡｌＮである実施例１〜４は、ウェハ均熱性の指標である温度差が２．０℃以下であり、デバイスの歩留がさらに良好であった。

これに対して比較例１は、材質がアルミナで、フランジ部を有しない絶縁部材の例であり、端子と温度調節部材との距離（Ｌ_０）は３mmとしたため、絶縁破壊及び沿面放電は生じなかったが、この３ｍｍの距離を確保するため、温度調節部材にはφ10mmの貫通孔を設けた。そのため、ウェハ温度を測定したところ端子部が６．１℃のホットスポットとなり、デバイスのエッチング不良が発生した。

また、絶縁部材の材質を熱伝導率０．２Ｗ／ｍ・Ｋの樹脂にした比較例は、熱伝導率が悪いため７℃のホットスポットが端子部に発生しデバイス不良であった。

なお、比較例６にあるように、フランジの厚みを３mmとした場合にも、端子部が6℃のホットスポットとなり、デバイスのエッチング不良が発生した。

［実施例２］
次に、絶縁部材をセラミックス基材に固定するための接着剤に、表２に示す種々の接着剤を用いた場合について、絶縁性及びウェハ均熱性を調べた。この調査では、絶縁部材はＡｌＮ製（熱伝導率１７０Ｗ／ｍ・Ｋ）であり、フランジ部の厚さが０．５ｍｍである。また、接着剤の種類による効果の相違を明確するために、絶縁部材のフランジ部の長さすなわち沿面距離（Ｌ_１）を２ｍｍとしている。その調査結果を表２に併記する。

表２の結果から分かるように高絶縁性の接着剤を使用すると、沿面距離を小さくしても沿面放電を防止でき、絶縁破壊が発生しなかった。そして、沿面距離を２ｍｍとした場合でも十分な絶縁性は確保しつつ、均熱性の指標となる温度差を０．５℃に改善することができた。

従い、高絶縁性の接着剤を用いることにより、本発明の効果をより良く得ることが可能となり、静電チャックの均熱性をより良くするとともに、絶縁性もさらに高くなるため、長期的な信頼性もより高くすることができる。

以上、本発明に係る静電チャックを、図示した実施形態及び実施例を用いて具体的に説明したが、本発明に係る静電チャックは、これらの実施形態及び実施例に限定されるものではない。例えば、図１及び図２に示した静電チャックでは、絶縁部材１５は、セラミックス基材１１の裏面に形成された凹部に嵌まり合うように取り付けられているが、このセラミックス基材１１の裏面の凹部が形成されてなく、絶縁部材１５が、温度調節部材１４の表面と同一平面上でセラミックス基材１１と固着される構成であってもよい。この構成においても、本発明に従い、絶縁性が高く、ウェハ均熱性に優れた静電チャックとなる。

本発明に係る静電チャックの一実施形態を示す断面図である。図１の静電チャックのセラミックス基材中央部近傍の拡大断面図である。従来の静電チャックのセラミックス基材中央部近傍の拡大断面図である。

符号の説明

１１セラミックス基材
１２電極
１３端子
１４温度調節部材
１５絶縁部材
１６接着剤

Claims

基板を保持する保持面とほぼ平行に、近接して埋設された電極を有するセラミックス基材と、
このセラミックス基材の保持面とは反対側の裏面に形成された導通孔に挿入され、前記電極と接続する端子と、
このセラミックス基材の裏面と接する温度調節部材と、
この端子の周囲に設けられ、この端子と温度調節部材とを絶縁する絶縁部材と
を備え、
この絶縁部材は、前記セラミックス基材と接する端部にフランジ部を有することを特徴とする静電チャック。
前記絶縁部材の耐電圧特性が、５ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
前記絶縁部材が、高熱伝導性セラミックスよりなることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電チャック。
前記絶縁部材のフランジ部の厚さが、０．５mm以上２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１〜３のいずれか１項に記載の静電チャック。
前記絶縁部材が、前記セラミックス基材に高絶縁性接着剤により固定されていることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電チャック。
前記接着剤の絶縁耐圧が１０ｋＶ／ｍｍ以上であることを特徴とする請求項５に記載の静電チャック。