JP2008263241A - 静電チャック - Google Patents

Abstract

【課題】絶縁破壊し難く、浅くて被覆性も良い静電チャックを実現する。
【解決手段】伝熱用ガス供給孔４３の形成された電極１２の基板１乗載面に設けられ、導電層５５およびこれを挟む絶縁層を有する静電チャック５００であって、絶縁層のうち電極１２側のもの５３でなく基板１側のものが複数の薄膜層５７１，５７３を含む。薄膜層５７１，５７３の一方に欠損部分があっても絶縁破壊が生じない。また、電極１２は、基板１乗載面に伝熱用ガス送給孔４３に通じる溝が網状に形成され、導電層５５および絶縁層５３，５７１〜５７３は、溝の底も含めて基板１乗載面に対し密着しており且つ伝熱用ガス供給孔４３によって貫通される。溝５１０の底にも、絶縁層５３，５７１〜５７３が存在する。
【選択図】図１

Description

この発明は、ＩＣやＬＣＤなど高精度の製造工程における基板処理に好適な静電チャックに関し、詳しくは、真空チャンバ内で発熱を伴う又は加熱を要するような処理を施す際に処理対象基板を放熱等の熱伝達可能な状態で保持する静電チャックに関する。

真空チャンバ内で発熱を伴う処理を施すものとしては、エッチングやアッシング等のプラズマ処理が挙げられ、加熱を要するものとしてはプラズマＣＶＤ等の成膜処理が挙げられる。そして、これらの処理に用いられるプラズマ処理装置の例としては、対向電極となる一対の平行平板を設けておいてこれらの平行平板間にプラズマ処理空間を形成してシリコンウエハ等の基板を対象にエッチング処理を行ういわゆる平行平板形エッチャー（ＲＩＥ）や成膜処理を行う平行平板形ＰＣＶＤ等が知られている。

図２（ａ）に縦断面構造図を示したが、平行平板形のプラズマ処理装置は、一対の平行平板が真空チャンバ内に設けられていて、両平板間に形成されたプラズマ処理空間にプラズマを発生させ又は導入するとともにそのプラズマ処理空間内に所定の処理ガス等も導入する。そして、プラズマ処理空間にてプラズマ反応を行わせ、これによってプラズマ処理空間内の基板表面に対してエッチング処理等を施すようになっている。

エッチャーを例に詳述すると、この装置は、真空チャンバ本体部２の上に真空チャンバ蓋部３が開閉可能に取着された真空チャンバを備えており、プラズマ処理の対象物である基板１が平板状をしていることから、水平に置かれたカソード部１２が真空チャンバ本体部２内のほぼ中央に設けられ、このカソード部１２の上面が平坦に形成されていて、基板１を乗載しておくことが可能なようになっている。真空チャンバ本体部２の内底中央には筒状のローアーサポート１２ａが貫通して立設されており、カソード部１２はこのローアーサポート１２ａの上端に固着して支持されており、これらによって構成された基板支持体は、真空チャンバ内に植設され上面が基板乗載可能に形成されたものとなっている。

真空チャンバ蓋部３内のほぼ中央であってカソード部１２の上方にはアノード部１１が筒状のアッパーサポート１１ａによって真空チャンバ蓋部３に垂設されており、アノード部１１とカソード部１２とを互いに対向した電極としてＲＦ電源３１によって高周波が印加されると所定の真空圧の下でアノード部１１とカソード部１２との間にプラズマが発生する。そこに、所定の処理ガスが供給されるとカソード部１２上面に載置された基板１にガス状態等に応じたプラズマ処理がなされる。これにより、アノード部１１の下面とカソード部１２の上面との間にプラズマ処理空間１３が形成され、そこに置かれた基板１の表面に対してプラズマ処理が施されるようになっている。

真空チャンバ本体部２には真空チャンバ内ガスを吸い出して適度な真空度を保つために内外貫通した吸引口２ａが加工形成され、この吸引口２ａに対し順にゲートバルブ４ａ、可変バルブ４、真空ポンプ５が連結されている。ゲートバルブ４ａは保守時等に仕切るための手動弁であり通常動作時には開状態にされる。これとターボポンプ等の真空ポンプ５とに介挿された可変バルブ４は、バルブ開度を可変駆動するモータ等が付設されていてこれを電気信号で制御することで遠隔制御可能な通過流体の可変絞りとして機能する。そして、図示しない適宜のＰＩＤ制御回路等の制御に従って可変バルブ４による絞り量が可変駆動されることで、真空チャンバ内の真空圧がプラズマ処理に適した設定圧力になるように自動制御される。

このような処理に際しては、均一な処理結果を得るために、プラズマ処理空間１３の真空圧だけでなく、基板１の温度も適宜の設定温度に維持する必要がある。しかも、基板１全体の温度をできるだけ均一な分布状態に保つ必要がある。ところが、真空状態の下では、気体を媒介とした対流等による熱伝達がほとんど行われない。しかも、微視的にみると、基板１とカソード部１２との真実接触面積が少ないばかりか、接触部はランダムに点在している。このため、直接的な熱伝導と僅かな輻射に頼っていたのでは、放熱量等が不足するうえ、熱分布も不均一となってしまう。

そこで、真空チャンバ内のプラズマ処理空間等に設置される処理対象基板乗載用電極の基板乗載面に、すなわち図２の例で言えばカソード部１２の上面に、基板１をカソード部１２側へ静電力によって引きつける静電チャック５０が、薄く広がった膜状に設けられるとともに（図２（ｂ）参照）、この静電チャック５０とその上の基板１との間にヘリウム（Ｈｅ）等の冷却ガス（伝熱用ガス）が供給されるようになっている。

その冷却ガス供給手段は、真空チャンバ本体部２の外部から送り込んだ冷却ガスが静電チャック５０側から基板１の下面・裏面へ向けて吹き出すように、ローアーサポート１２ａの内腔を通ってカソード部１２内へ延びた又は連通した冷却ガス送給管４１と、基板乗載面に対応した広がりを持ってカソード部１２内に形成された冷却ガス送給腔４２と、静電チャック５０を貫いて冷却ガス送給腔４２に届くように穿孔され而も多数穿孔されてカソード部１２上面に点在・散在する冷却ガス送給孔４３とを具える。これにより、静電チャック５０は、冷却ガス供給孔４３の形成された電極１２の基板乗載面（上面）に設けられたものとなっている。

このような従来の静電チャック５０は、図３（ａ）に平面図を示したが、多数の冷却ガス送給孔４３のうち最外周のもの同士を連ねるように溝５１が形成されている。溝５１は、幾つかの円弧部分に分割・分離して設けられ、全体でほぼ一周分をカバーするようになっている。図３（ｂ）に、溝５１のうち冷却ガス送給孔４３の穿孔された部分について縦断面拡大模式図を示したが、静電チャック５０は、静電気を帯びさせるための導電層と、その静電気を逃がさないようにするためにその導電層を上下両側から挟む一対の絶縁層とを有している。

このような静電チャック５０は、一般に次のようにして作られる。先ず、銅箔等の導電層５５の上面に対してポリイミドフィルム等の絶縁性樹脂シートからなる上部絶縁層５７を接着層５６にて貼り付けるとともに、その導電層５５の下面に対してもやはりポリイミドフィルム等の絶縁性樹脂シートからなる下部絶縁層５３を接着層５４にて貼り付けて、一枚の絶縁シートを形成しておく。次に、プレス等によって、溝５１のところを打ち抜く。それから、溝５１と冷却ガス送給孔４３との相対位置を整合させながら、接着層５２にてカソード部１２の上面に貼り付ける。こうして、幅Ｗが１〜２ｍｍで深さＤが１５０μｍ程度の溝５１を持つ静電チャック５０ができあがる。

このような構造の静電チャック５０を持ったカソード部１２の上に基板１が乗せられると、導電層５５に帯電させることで或いはプラズマ処理に伴う帯電が基板１に生じることで、基板１は静電チャック５０を介してカソード部１２の上面に付勢力を伴って保持される。そして、冷却ガス送給管４１に冷却ガスを送り込むと、その冷却ガスは、冷却ガス送給腔４２及び多数の冷却ガス送給孔４３を介して基板１の下側へ供給される。

こうして、真空雰囲気中であっても、カソード部１２上面における静電チャック５０の上に基板１が保持されるととも、基板１の裏面・下面と静電チャック５０との隙間に冷却ガスが充填される。この冷却ガスは、その隙間内で外向き半径方向へ広がり、基板１の最外周直下のところからプラズマ処理空間１３へ放出されるので、真空状態に影響しないよう、少量だけ供給される。

そのような流れに際して、冷却ガスは、溝５１のところで同一の圧力にされ、基板１及び静電チャック５０間に広がる隙間において、ほぼ均一に分布することとなる。そして、この冷却ガスを媒体として、基板１の裏面ほぼ全域に亘って、基板１とカソード部１２との熱伝達が行われる。

しかしながら、このような従来の静電チャックでは、静電チャックにおける上部絶縁層に用いられる樹脂シートにボイドや傷等があると、そこを起点に絶縁破壊が発生し易く、しかも一旦生じた絶縁破壊はたちまち広がって、使用に耐えない状態に至ってしまうことがある。かかるボイドや傷を持ったシートは使用されないが検査で微小なものまで見つけだすことは難しいうえ、絶縁特性に優れているシートは傷つきやすくて取り扱いが困難であった。そこで、ボイドや傷が全く無い完全無欠な静電チャックを望むのは無理としても、ボイドや傷等の欠損が例え有ったとしても、絶縁破壊が起こり難いような静電チャックを案出することが課題となる。

また、上述のような従来の静電チャックでは、冷却ガス等の伝熱用ガスの充填状態の均一化のために溝が打ち抜き形成されているが、この溝の深さは溝の無いところの間隙に比べれば大きすぎることから、溝のところでは、伝熱用ガスによる熱伝導が悪くなるので、基板の熱分布の均一性・一様性が損なわれていた。しかも、溝底には、良電導体である電極面が露出しているため、溝内で異常放電が発生したり、バイアス電圧にばらつきが生じたり、プラズマ処理等に用いる反応性ガスの種類によっては電極面が腐食するといった問題もあった。そこで、溝深さが従来より浅くなり且つ電極面が露出しないような溝を如何にして形成するかが、課題となる。

さらに、溝が打ち抜き形成される静電チャックでは、溝が完全に一周していると溝で囲まれた部分が分離してバラバラになってしまうのを回避するために、溝の方を幾つかに分割して形成しなければならない。このため、溝の形状に関する設計自由度が制約されることから、電極への貼り付け等に際して取り扱い難いばかりか、伝熱用ガスの圧力分布の均一化についても、例えば中心部と辺縁部とで相違しやすい等、不満があった。しかも、そのような圧力分布の不均一性は、溝の深さを従来より浅くすると、悪化しがちである。そこで、溝の深さを従来より浅くしても、伝熱用ガス圧の均一度を悪化させないどころか、むしろ均一度を向上させるように工夫することも、更なる課題となる。

この発明は、このような課題を解決するためになされたものであり、絶縁破壊し難い静電チャックを実現することを目的とする。また、本発明は、溝が浅くて被覆性も良い静電チャックを実現することも目的とする。さらに、本発明は、溝が浅くても伝熱用ガス圧の均一度が良い静電チャックを実現することをも目的とする。

このような課題を解決するために発明された第１乃至第３の解決手段について、その構成および作用効果を以下に説明する。

［第１の解決手段］
第１の解決手段の静電チャックは、（真空チャンバ内のプラズマ処理空間等の真空雰囲気中に設置される処理対象基板乗載用）電極の基板乗載面に設けられ、導電層およびこれを挟む絶縁層を有する静電チャックにおいて、前記絶縁層のうち前記基板側のものが複数の薄膜層を含んだものである。

このような第１の解決手段の静電チャックにあっては、基板側の絶縁層は、それに含まれている複数の薄膜層の何れかにボイドや傷等の欠損があっても、それが局所的な小さいものであれば、共に積層された他の薄膜層における同様の欠損部分と重なり合うことが滅多に無いので、表裏を貫通するような欠損を生じることがほとんど無い。

これにより、絶縁特性に優れたシートを用いて静電チャックを作った場合でも、傷つきにくく、絶縁耐性に優れた静電チャックができあがり、その寿命が大幅に伸びることとなる。したがって、この発明によれば、絶縁破壊し難い静電チャックを実現することができる。

［第２の解決手段］
第２の解決手段の静電チャックは、（真空チャンバ内のプラズマ処理空間等の真空雰囲気中に設置される処理対象基板乗載用電極であって）伝熱用ガス供給孔の形成された電極の基板乗載面に設けられ、導電層およびこれを挟む絶縁層を有する静電チャックにおいて、前記電極は、前記伝熱用ガス送給孔に通じる溝が前記基板乗載面に形成されたものであり、前記導電層および前記絶縁層は、前記溝の底も含めて前記基板乗載面に対し密着しており且つ前記伝熱用ガス供給孔によって貫通されたものである。

このような第２の解決手段の静電チャックにあっては、電極の基板乗載面に形成された溝に対しても溝の無いところと同じように密着して、導電層および絶縁層からなる静電チャックが設けられることから、その電極表面の溝とほぼ同じ形状の溝が静電チャックの表面に現れる。そして、溝に、伝熱用ガス供給孔を介して伝熱用ガスが供給される。

これにより、電極表面に彫り込む溝を浅く形成しておけば容易に、静電チャック表面の溝を静電チャックの厚さよりも浅くすることができるうえ、その溝底には、打ち抜かれること無く溝形に沿って屈曲・曲折した静電チャックの層が、伝熱用ガス送給孔の貫通部分を除いて、残ることとなる。したがって、この発明によれば、浅くて被覆性も良い静電チャックを実現することができる。

［第３の解決手段］
第３の解決手段の静電チャックは、上記の第２の解決手段の静電チャックであって、前記溝が網状に（分布して形成されたものと）なっていることを特徴とする。

このような第３の解決手段の静電チャックにあっては、静電チャックのシートを打ち抜く必要が無いため、溝の分布形状等に関する制約から解放されたことに基づいて、溝が網状に分布して設けられる。そして、網状に分布した溝のところで伝熱用ガスが同圧にされることから、いたるところで圧力が等しくなるので、伝熱用ガスの均一度が向上する。その働きは、溝が浅くなったことによる圧力傾斜の増加を補って余りあるものとなる。したがって、この発明によれば、溝が浅くても伝熱用ガス圧の均一度が良い静電チャックを実現することができる。

以上の説明から明らかなように、本発明の第１の解決手段の静電チャックにあっては、一部の薄膜層に欠損があってもその貫通を他の薄膜層で抑制するようにしたことにより、絶縁破壊し難い静電チャックを実現することができたという有利な効果が有る。
また、本発明の第２の解決手段の静電チャックにあっては、電極表面に彫り込んだ溝形状が静電チャック表面に転写されるようにしたことにより、溝が浅くて被覆性も良い静電チャックを実現することができたという有利な効果を奏する。

さらに、本発明の第３の解決手段の静電チャックにあっては、圧力勾配が解消されるような分布状態に溝を形成したことにより、溝が浅くても伝熱用ガス圧の均一度が良い静電チャックを実現することができたという有利な効果が有る。

このような解決手段で達成された本発明の静電チャックについて、これを実施するための形態を実施例により具体的に説明する。

図１は、実施例１の構成を示す模式図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が縦断面拡大図である。なお、背景の技術の欄にて既述したこと及び図２はこの例についても同様に言えることであり、また、図１は従来例の図３に対応していて、同様の構成要素には同一の符号を付して示したので、重複する再度の説明は割愛し、以下、従来例との相違点を中心に説明する。

この静電チャック５００が従来の静電チャック５０と相違するのは、複数の同心円に複数の放射状直線が交差しあい連通しあって網状に分布した溝５１０を具える点と（図１（ａ）参照）、従来は一枚であった上部絶縁層５７が第１薄膜層５７１と第２薄膜層５７３との二枚を含むものとなっている点（図１（ｂ）参照）である。

このような静電チャック５００は、次のようにしてカソード部１２の上面（電極の基板乗載面）に作られる。先ず、銅箔等の導電層５５の上面に対してポリイミドフィルム等の絶縁性樹脂シート望ましくは上部絶縁層５７の半分以下の厚さのものからなる第１薄膜層５７１を接着層５６にて貼り付ける。次に、その上面に対して、さらに、もう一枚の薄いポリイミドフィルム等の絶縁性樹脂シートからなる第２薄膜層５７３を層間接着層５７２にて貼り付ける。これにより、第１薄膜層５７１におけるボイドや傷等の欠損部は第２薄膜層５７３によって塞がれる一方、第２薄膜層５７３におけるボイドや傷等の欠損部は第１薄膜層５７１によって塞がれる。後は従来同様に下部絶縁層５３も貼り付けて、多層の絶縁シートを一枚に形成しておく。なお、従来行っていたプレス等による打ち抜きは、行わない。こうして出来た絶縁シート（５３〜５７３）は、上下の絶縁層のうち上の基板１側のものが複数の薄膜層５７１，５７３を含んだものとなる。

一方、カソード部１２に対しては、その上面を平坦に磨きあげた後、そこに彫り込みを入れて、幅Ｗが１〜２ｍｍで深さＤが１０〜５０μｍ程度の浅い溝を形成しておく。それも網状になるよう多数形成しておく。それから、上記の絶縁シート（５３〜５７３）を接着層５２にてカソード部１２の上面に貼り付けるとともに、上方から高圧気体で押しつける。この貼り付け作業は、絶縁シートに打ち抜き跡等の切れ目が無いので、楽に行える。これにより、導電層５５および絶縁層５３，５７１，５７３を有する静電チャック５００は、溝の底も含めてカソード部１２の基板乗載面に対し密着したものとなる。

そして、接着層５２が固まったときには、カソード部１２上面の溝が静電チャック５００の表面に転写されて、同じ網状に分布した溝５１０ができあがる。このような溝５１０は、やはり幅Ｗが１〜２ｍｍで深さが２０〜５０μｍ程度の浅いものとなっている。しかも、溝底までカソード部１２を覆うものにもなっている。

最後に、溝５１０のところに対して上方から静電チャック５００を貫いてカソード部１２内の冷却ガス送給腔４２に至る多数の冷却ガス送給孔４３（伝熱用ガス送給孔）を穿つ。これにより、カソード部１２の基板乗載面における溝が冷却ガス送給孔４３に通じるとともに、静電チャック５００の導電層および絶縁層が冷却ガス送給孔４３によって貫通されて、静電チャック５００表面の溝５１０も、至る所で冷却ガス送給孔４３に通じたものとなる。

この実施例の静電チャックについて、その使用態様及び動作を説明する。上述した構造の静電チャック５００を持ったカソード部１２の上に基板１が乗せられると、導電層５５に帯電させることで或いはプラズマ処理に伴う帯電が基板１に生じることで、基板１は静電チャック５００を介してカソード部１２の上面に付勢力を伴って保持される。そして、冷却ガス送給管４１に冷却ガス（伝熱用ガス）を送り込むと、その冷却ガスは、冷却ガス送給腔４２及び多数の冷却ガス送給孔４３を介して基板１の下側へ供給される。そして、真空雰囲気中であっても、カソード部１２上面における静電チャック５００の上に基板１が保持されるとともに、基板１の裏面・下面と静電チャック５００との隙間に冷却ガスが充填される。

このようにして基板１及び静電チャック５００間における隙間に冷却ガスが冷却ガス送給孔４３を介して充填されるのは従来通りであるが、その充填に際し、冷却ガスは溝５１０に各所から供給され、溝５１０内を縦横無尽に流れて、圧力勾配を解消する。 そして、冷却ガスは、基板１及び静電チャック５００間に広がる隙間において、充分均一な状態で分布することとなる。

その結果、この均一な冷却ガスを媒体として、基板１の裏面ほぼ全域に亘って、基板１とカソード部１２との均一な熱伝達が行われる。また、溝５１０のところでも、溝の深さＤが従来より浅くなっているので、その部分での熱伝達特性も改善され、そこでもほぼ均一な熱伝達が行われる。こうして、基板１の全体に亘って温度分布が均一にされる。

また、カソード部１２の上面は、溝５１０内でも露出することが無く絶縁性の静電チャック５００によって覆われているので、基板１の裏面との間で異常放電が誘発されることが無い。例え異常放電が発生しても速やかに消滅する。さらに、溝５１０内に腐食性ガス等が紛れ込んだときでも、カソード部１２の上面がそのガスに直接曝されることが無くて、カソード部１２の上面が腐食性ガスによって侵されるという不都合は防止されているので、任意の反応性ガスを用いた多様なプラズマ処理等を自由に選択することもできる。

本発明の静電チャックの一実施例について、その構成を示す模式図であり、（ａ）が平面図、（ｂ）が縦断面拡大図である。 静電チャックの使用例を示す縦断面模式図であり、（ａ）が真空チャンバの全体図、（ｂ）が静電チャックを装着した下部電極である。 従来の静電チャックである。

符号の説明

１ 基板（ウエハ、被処理物、処理対象基板）
２ 真空チャンバ本体部（真空チャンバ）
２ａ 吸引口
３ 真空チャンバ蓋部（真空チャンバ）
４ 可変バルブ（可変絞り、圧力制御機構、圧力制御手段）
４ａ ゲートバルブ（仕切弁）
５ 真空ポンプ
１１ アノード部（平行平板の一方、上部電極）
１１ａ アッパーサポート
１２ カソード部（平行平板の他方、下部電極、基板乗載用電極）
１２ａ ローアーサポート
１３ プラズマ処理空間
３１ ＲＦ電源
４１ 冷却ガス送給管（熱媒，媒体，伝熱用ガス充満手段、供給手段）
４２ 冷却ガス送給腔（熱媒，媒体，伝熱用ガス充満手段、供給手段）
４３ 冷却ガス送給孔（熱媒ガス充満、媒体ガス供給、伝熱用ガス供給孔）
５０ 静電チャック
５１ 溝（窪み、凹部、伝熱用ガス均一化手段）
５２ 接着層
５３ 下部絶縁層（電極側絶縁層）
５４ 接着層
５５ 導電層（中間層）
５６ 接着層
５７ 上部絶縁層（基板側絶縁層）
５００ 静電チャック
５１０ 溝（窪み、凹部、伝熱用ガス圧均一化手段）
５７１ 第１薄膜層（積層形絶縁層、上部絶縁層、基板側絶縁層）
５７２ 層間接着層（積層形絶縁層、上部絶縁層、基板側絶縁層）
５７３ 第２薄膜層（積層形絶縁層、上部絶縁層、基板側絶縁層）

Claims (2)

1. 伝熱用ガス供給孔の形成された電極の基板乗載面に設けられ、導電層およびこれを挟む絶縁層を有する静電チャックにおいて、
   前記電極は、前記伝熱用ガス送給孔に通じる溝が前記基板乗載面に形成されたものであり、前記導電層および前記絶縁層は、前記溝の底も含めて前記基板乗載面に対し密着しており、且つ前記伝熱用ガス供給孔が前記導電層および前記絶縁層を貫通していることを特徴とする静電チャック。
2. 前記溝が網状に連結していることを特徴とする請求項１記載の静電チャック。

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