JP2008103753A - 半導体製造装置用静電吸着ステージ - Google Patents

Abstract

【課題】装置稼働率やコストパフォーマンスを高めながら、広範囲の温度領域で使用できる半導体製造装置用静電吸着ステージを提供する。
【解決手段】ステージ母材として絶縁部材１１を備え、この絶縁部材の内部に電極１２を設け、電極１２に電圧を印加することによって、ステージの表面に静電吸着力を発生させる半導体製造装置用静電吸着ステージ１０であって、電極１２の上側領域を第１絶縁層１１ａとし、第１絶縁層１１ａの上に体積抵抗の異なる第２絶縁層１３が設けられており、第２絶縁層１３の２５℃から７００℃の温度範囲における体積抵抗は、第１絶縁層１１ａの２５℃から７００℃の温度範囲における体積抵抗よりも大きいように構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明は半導体製造装置用静電吸着ステージに関し、特に、ウェハを電気的に吸着してウェハホルダに固定する半導体製造装置用吸着ステージに関する。

シリコンウェハ等にパターンニング等の各種微細加工を施して多数のトランジスタを含む集積回路を作製するときには、当該ウェハを平坦な面に確実に固定することが必要となる。確実な固定を行うため、従来では、機械的チャック、真空式あるいは電気式のチャックが用いられていた。これらのチャックの中で電気式チャックは、ウェハを吸着固定する静電吸着板を利用するもので、ウェハの平坦度を良好に保って固定でき、ウェハに押え代を取る必要がなく、しかも真空中での使用が可能であるため、半導体製造技術分野において特に有用である。

従来の静電吸着ステージの一例を図６と図７を参照して説明する。静電吸着ステージ６１は、円板状の絶縁部材６２と、その内部に埋め込まれた電極６３とから構成される。絶縁部材６２における電極６３の上側部分には絶縁層６２ａの領域が形成される。また電極６３には所要電圧を印加する直流電源６４が接続される。静電吸着ステージ６１はメタルステージ６５の上に配置され、メタルステージ６５は絶縁部材６２を支持する。メタルステージ６５の下方にはヒータ６６が配置される。メタルステージ６５はヒータ６６によって加熱され、熱を受けて温度が上昇したメタルステージ６５はさらに静電吸着ステージ６１を加熱する。

絶縁部材６２の上面はウェハ６７が載置されるステージ面となる。電極６３とウェハ６７の間には上記絶縁層６２ａが存在する。直流電源６４により電極６３に電圧が印加されると、絶縁層６２ａの表面に静電力が生成され、ウェハ６７は絶縁部材６２上に静電吸着される。ヒータ６６は、図示しない外部電源から電力が投入されると、熱を発生し、メタルステージ６５を加熱し、さらに絶縁部材６２上のウェハ６７を所定温度に昇温する。

従来の静電吸着ステージ６１による吸着方法では、Ｊ・Ｒ（ジョンソン・ラーベック）方式を採用しているので、数μＡ〜数ｍＡの漏れ電流が必要となる。ここで「Ｊ・Ｒ力（ジョンソン・ラーベック力）」とは、絶縁層６２ａ内を微少電流が流れることによって絶縁層６２ａの表面近傍に電荷が生じ、これによって大きな吸着力を発生させ、静電吸着ステージ６１上にウェハ６７を吸着する方式である（非特許文献１参照）。
Ｎｉｋｋｅｉ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ １９８６，６，１６，Ｐ１２９〜Ｐ１３３

従来の静電吸着ステージ６１は、ウェハ６７と電極６３の間の絶縁層が単層構造の静電吸着ステージである。この静電吸着ステージ６１によってウェハ６７を固定する場合、絶縁層６２ａの体積抵抗が、吸着性能を決定する上で重要な要因となる。

ここで「体積抵抗」とは、Ｒ＝ρ×Ｌ／Ｓ〔オーム（Ω）〕の式で与えられる抵抗値Ｒを、物質の単位面積で割った値である。なお上記式でρは抵抗率、Ｌは距離、Ｓは面積を意味する。

また抵抗と温度との関係は、Ｒ_b＝Ｒ_a（１＋α１（ｔ_b−ｔ_a）｝の式で与えられる。この式でα１は温度係数、ｔ_aとｔ_bは温度、ｔ_b＞ｔ_aである。

上記関係より絶縁層６２ａの体積抵抗は温度に依存して大幅に変化する。なお本明細書中および図中では体積抵抗を「Ｒ」として示すこととする。

一般的に体積抵抗Ｒは、常温では１０¹⁰Ωｃｍと高くなり、高温になると１０⁷Ωｃｍと低くなる。

すでに述べたように、従来の静電吸着ステージ６１による吸着方法では、Ｊ・Ｒ（ジョンソン・ラーベック）方式を採用しているので、数μＡ〜数ｍＡの漏れ電流が必要となる。ここで「Ｊ・Ｒ力（ジョンソン・ラーベック力）」とは、絶縁層６２ａ内を微少電流が流れることによって絶縁層６２ａの表面近傍に電荷が生じ、これによって大きな吸着力を発生させ、静電吸着ステージ６１上にウェハ６７を吸着する方式である。

ところで、上記静電吸着ステージの絶縁部材６２の体積抵抗Ｒは図７に示すごとく温度による体積抵抗の変化量が大きく、そのため、使用温度に応じて上記の漏れ電流が大きく変化する。漏れ電流が大きく変化すると、吸着力の範囲が限定される。

一例として図７に示した直線７１の例を説明する。直線７１の特性を有する静電吸着ステージは低温タイプのものである。低温タイプでは、常温領域では体積抵抗は高くなり（１０¹⁰Ωｃｍ以上）、漏れ電流は数μＡ（アンペア）以下となって吸着力が低下する。また高温領域（５００℃）では体積抵抗が低くなりすぎ（１０⁷Ωｃｍ以下）、漏れ電流が数百ｍＡ以上となり、直流電源６４の定格容量をオーバーし、電極６３に印加される電圧が低下し、吸着力が低下する。静電吸着ステージでは適正な漏れ電流（数百μＡ〜数十ｍＡ）が必要であり、従って図７に示す直線７１に示す低温タイプの静電吸着ステージの使用温度は２５〜２００℃となる。

上記と同様に考えることにより、図７で、さらに直線７２は高温タイプの静電吸着ステージの特性を示し、直線７３は中温タイプの静電吸着ステージの特性を示している。高温タイプの静電吸着ステージの使用温度は３００〜５００℃であり、中温タイプの静電吸着ステージの使用温度は１００〜３００℃である。

従って、静電吸着ステージを常温領域（約２５℃）から高温領域（５００℃以上）までの温度範囲で使用するには、低温タイプ、中温タイプ、高温タイプの３種類の異なった体積抵抗を有する静電吸着ステージが必要であった。

そこで従来の半導体製造装置の静電吸着ステージ方式では、広範囲な温度領域を必要とするプロセスに対応させるため、第１に１つのプロセスチャンバにおいてプロセス条件ごとに静電吸着ステージを交換する方式、第２に温度条件に合ったプロセスチャンバを複数用意し、温度条件に応じたプロセスチャンバを使用する方式が採用された。このような方式によれば、装置的には使用することが可能となるが、装置の稼働率が大幅に低下し、コストパフォーマンスが悪くなるという問題があった。

本発明の目的は、上記の問題を解決することにあり、装置稼働率やコストパフォーマンスを高めながら、広範囲の温度領域で使用できる半導体製造装置用静電吸着ステージを提供することにある。

本発明に係る半導体製造装置用静電吸着ステージは、上記目的を達成するために、次のように構成される。

第１の静電吸着ステージ（請求項１に対応）は、ステージ母材として絶縁部材を備え、この絶縁部材の内部に電極を設け、該電極に電圧を印加することによって、ステージの表面に静電吸着力を発生させる半導体製造装置用静電吸着ステージであって、前記電極の上側領域を第１絶縁層とし、該第１絶縁層の上に体積抵抗の異なる第２絶縁層が設けられており、前記第２絶縁層の２５℃から７００℃の温度範囲における体積抵抗は、前記第１絶縁層の２５℃から７００℃の温度範囲における体積抵抗よりも大きいように構成される。

上記第１の構成において、好ましくは、第２絶縁層は、絶縁部材上にイオンプレーティング法でコーティングされることを特徴とする。

静電吸着ステージである第１絶縁層の表面に、第１絶縁層と異なる体積抵抗を有する第２絶縁層を形成することで、低温域ではクーロン力が増加し静電吸着が可能となり、高温域では体積抵抗の低下を抑制し、漏れ電流の増加を防止しＪ・Ｒ力で静電吸着力を高めている。これにより、１台の静電吸着ステージを利用して広範囲な温度領域で使用することができ、温度領域に依存した静電吸着ステージの交換が不要となり、プロセスチャンバで異なった温度プロセスの使用が可能となり、装置のコストパフォーマンスを高めることが可能となる。

以上の説明で明らかなように本発明によれば、次のような効果を奏する。

使用できる温度領域が広範囲になり、プロセス条件（温度）ごとに静電吸着ステージを交換する必要がなくなるので、生産性が向上する。

１つの処理チャンバで多種類の温度条件でのプロセス使用が可能となり、プロセスチャンバの数を低減できるため、コストパフォーマンスを向上できる。

静電吸着ステージの標準化が達成できるため、コストパフォーマンスを向上できる。

以下に、本発明の好適な実施形態を添付した図１〜図５を参照して説明する。図１は本発明に係る静電吸着ステージの代表的実施形態を示し、図２は当該静電吸着ステージにおける温度（横軸）と体積抵抗（縦軸）の関係を示し、図３は当該静電吸着ステージの等価回路を示し、図４は低温時における等価回路を示し、図５は高温時における等価回路を示す。

図１に示すように、本実施形態による静電吸着ステージ１０は、ステージ母材としての円板状の絶縁部材１１と、その内部に埋め込まれた電極１２と、絶縁部材１１の上に形成された絶縁層１３とから構成される。絶縁部材１１において、電極１２の上側部分には絶縁層１１ａの領域が形成される。以下では絶縁層１１ａを第１絶縁層といい、絶縁層１３を第２絶縁層という。電極１２には所要電圧を印加する直流電源１４が接続される。静電吸着ステージ１０はメタルステージ１５の上に配置され、メタルステージ１５は絶縁部材１１を下側から支持する。メタルステージ１５の下方にはヒータ１６が配置される。メタルステージ１５はヒータ１６によって加熱され、熱を受けて温度が上昇したメタルステージ１５はさらに静電吸着ステージ１０を加熱する。

第２絶縁層１３の上面にはウェハ１７が載置され、静電吸着ステージ１０のステージ面となっている。電極１２とウェハ１７の間には上記の第１絶縁層１１ａと第２絶縁層１３からなる絶縁層部分が設けられ、２層の絶縁層が存在する。直流電源１４により電極１２に電圧が印加されると、第２絶縁層１３の表面に静電吸着力が生成され、ウェハ１７は第２絶縁層１３の表面上に吸着される。ヒータ１６は、図示しない外部電源から電力が投入されると、熱を発生し、メタルステージ１５を加熱し、さらに絶縁部材１１等を経由してウェハ１７を所定温度に昇温させる。

上記構成を有する静電吸着ステージ１０において、ステージ母材となる絶縁部材１１は中温タイプ（好ましくは１００〜３００℃）の体積抵抗を有する材質で作られている。従って第１絶縁層１１ａは中温タイプの体積抵抗材である。第１絶縁層１１ａの体積抵抗の温度特性は、図２においてグラフＡで示される。

また第２絶縁層１３は高温タイプ（好ましくは３００〜５００℃）の体積抵抗を有する材質で作られている。第２絶縁層１３は、実際上、例えばイオンプレーティング法で絶縁部材１１の上面、すなわち第１絶縁層１１ａの表面にコーティングされている。高温タイプの体積抵抗材としては、例えばアルミナ材を使用している。第２絶縁層１３の厚みは、後述するように低温時に吸着力として十分なクーロン力を生じさせる極薄い厚みであり、例えば数μｍ程度である。第２絶縁層１３の体積抵抗の温度特性は、図２においてグラフＢで示される。

上記のように第１絶縁層１１ａと第２絶縁層１３を備えてなる静電吸着ステージ１０の吸着動作を図３〜図５を参照して説明する。

図２で、グラフＡは第１絶縁層１１ａの体積抵抗（Ｒ₁とする）の温度特性を示し、グラフＢは第２絶縁層１３の体積抵抗（Ｒ₂とする）の温度特性を示す。さらにグラフＣは第１絶縁層１１ａの体積抵抗Ｒ₁と第２絶縁層１３の体積抵抗Ｒ₂を合成した体積抵抗（Ｒ₁＋Ｒ₂）を示している。図２で明らかなように、結論的には、合成された体積抵抗は、第２絶縁層１３の体積抵抗と類似した温度特性を有している。その理由を以下に述べる。

静電吸着力には前述のＪ・Ｒ力とクーロン力の２種類の力がある。ここで「クーロン力」とは、吸着物が導体または半導体であるときに、当該吸着物に垂直に形成された電界に基づき生じ、下記の関係式で表される力である（詳細は、Ｎｉｋｋｅｉ Ｍｅｃｈａｎｉｃａｌ １９８６，６，１６のＰ１２９〜Ｐ１３３を参照）。
Ｆｃ＝１／２ε（Ｖ／ｄ）²

前述のごとく第１絶縁層１１ａの体積抵抗Ｒ₁とし、第２絶縁層１３の体積抵抗Ｒ₂とするとき、図３に示すように、等価回路としては、合成された体積抵抗はＲ₁＋Ｒ₂で与えられる。この場合において、低温の場合の等価回路を考察すると、上記実施形態の構成を有する静電吸着ステージ１０では、中温タイプとして構成された静電吸着ステージのウェハ吸着面に、高温タイプの体積抵抗材（アルミナ材）からなる第２絶縁層１３を形成したため、低温領域の体積抵抗の値は高温タイプである第２絶縁層１３の体積抵抗値Ｒ₂で決まることになる。このときの等価回路を図４に示している。図４に示す通り、電極とウェハの間の絶縁層部分の厚みは等価的に第２絶縁層１３の厚みとなり、数μｍとなる。その結果、電極１２とウェハ１７の間の絶縁層部分の厚みが数μｍと非常に薄くなり、当該厚みに反比例するクーロン力Ｆｃが大きくなり、これにより静電吸着力は増加することになる。この場合にはクーロン力が効いて静電吸着力が高められる。

一方、高温の場合（例えば温度７００℃）の等価回路を考察すると、上記実施形態の構成を有する静電吸着ステージ１０では、第２絶縁層１３の体積抵抗Ｒ₂と第１絶縁層１１ａの体積抵抗Ｒ₁がほぼ等しい値（温度７００℃では約７×１０⁸Ωｃｍ）となるので、合成した体積抵抗の値は、２つの体積抵抗の和Ｒ₁＋Ｒ₂として示すことができる。このときの等価回路は、図５に示される。

高温領域では、電極１２とウェハ１７の間の絶縁層部分は図５に示す通りの等価回路となり、かつ第１絶縁層１１ａと第２絶縁層１３の体積抵抗Ｒ₁，Ｒ₂がほぼ等しくなるので、合成抵抗はＲ₁＋Ｒ₂＝２Ｒ₁となり、漏れ電流を１／２以下に抑制できる。

この結果、高温領域で、従来では漏れ電流ＩはＶ／Ｒ₁となっていたが、本実施形態では漏れ電流ＩはＶ／２Ｒ₁となり、体積抵抗が従来の体積抵抗Ｒ₁の２倍となった分、漏れ電流を１／２以下に抑制できるのである。

さらに高温領域では、電極１２とウェハ１７の間の上記絶縁層部分の厚みが図５に示す通り等価的に第１絶縁層１１ａの厚みと第２絶縁層１３の厚みとの和となり、約１ｍｍ程度となる。従って、高温領域での静電吸着ステージ１０でもクーロン力は発生するが、絶縁層部分の厚みが１ｍｍ程度となるので、クーロン力は距離が大きくなると微少となり、吸着力としての影響は小さいものとなる。

以上のように本実施形態による静電吸着ステージ１０では、高温領域ではＪ・Ｒ力が支配的となるが、低温領域ではクーロン力が支配的となる。

上記のごとく、本実施形態の静電吸着ステージによれば、中温タイプの静電吸着ステージのウェハ吸着面に第２絶縁層として高温タイプ抵抗材を数μｍの厚みで形成したため、低温域ではクーロン力を増加して吸着を可能とし、高温域では漏れ電流を抑制してＪ・Ｒ力で吸着を可能とした。これにより、例えば２５〜７００℃という広範囲の温度領域での使用を可能とした。

また、静電吸着ステージのウェハを吸着する表面上に形成する高温タイプの体積抵抗材（第２絶縁層）の厚みを制御することによって、吸着可能な温度領域を変化させることができる。一例として１００〜４００℃、または２００〜６００℃の範囲に設定することが可能である。

また上記実施形態では第２絶縁層を一層としたが、必要に応じて複数層にすることも可能である。

本発明に係る静電吸着ステージの模式的構成図である。 本発明による静電吸着ステージの体積抵抗・温度特性を示すグラフである。 本発明による静電吸着ステージの等価回路を示す図である。 低温時の等価回路を示す図である。 高温時の等価回路を示す図である。 従来の静電吸着ステージの模式的構成図である。 従来の静電吸着ステージの体積抵抗・温度特性を示すグラフである。

符号の説明

１０ 静電吸着ステージ
１１ 絶縁部材
１１ａ 第１絶縁層
１２ 電極
１３ 第２絶縁層
１４ 電源
１５ メタルプレート
１６ ヒータ
１７ ウェハ

Claims (2)

1. ステージ母材として絶縁部材を備え、この絶縁部材の内部に電極を設け、該電極に電圧を印加することによって、ステージの表面に静電吸着力を発生させる半導体製造装置用静電吸着ステージであって、
   前記電極の上側領域を第１絶縁層とし、該第１絶縁層の上に体積抵抗の異なる第２絶縁層が設けられており、
   前記第２絶縁層の２５℃から７００℃の温度範囲における体積抵抗は、前記第１絶縁層の２５℃から７００℃の温度範囲における体積抵抗よりも大きいことを特徴とする半導体製造装置用静電吸着ステージ。
2. 前記第２の絶縁層は、前記第１の絶縁層上にイオンプレーティング法でコーティングされることを特徴とする請求項１記載の半導体製造装置用静電吸着ステージ。

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