JP2010034256A - 静電チャック - Google Patents

Abstract

【課題】大形の被吸着物であっても、着脱の繰り返しによって、冷却ガスのリーク量が変化することはなく、吸着面の温度分布の冷却ガスによる制御性を均一に保つことができ、これにより、被吸着物に対するエッチング処理等の処理の均一性、再現性及び歩留まりの向上等を図ることができる静電チャックを提供する。
【解決手段】被吸着物を吸着固定するための吸着面１３を有する絶縁板１１と、絶縁板１１の内部に設けられた静電電極１２とを備えた静電チャック１０であって、絶縁板１１は、ヤング率が１００〜２００ＧＰａのセラミックからなり、かつ吸着面１３の表面粗さ（Ｒａ）が１〜２μｍである。
【選択図】図１

Description

本発明は、例えば半導体ウエハをエッチング加工するプラズマエッチング装置等の半導体製造装置において、半導体ウエハを吸着固定するために使用される静電チャックに関する。

従来より、半導体ウエハをエッチング加工するプラズマエッチング装置において、半導体ウエハを吸着固定するために、静電チャックが使用されている。

この静電チャックは、絶縁板内に静電電極を埋設し、この静電電極と半導体ウエハとの間に作用する静電力によって半導体ウエハをステージ上に吸着固定するものである。機械的なチャックに比べて半導体ウエハ裏面をステージ上に略全面密着でき、半導体ウエハの冷却性能に優れることから多用されている。

そして、この静電チャックにおいては、さらに、半導体ウエハの冷却性能を高めるとともに、半導体ウエハ表面の温度分布を均一化するために、半導体ウエハの裏面に熱伝導性の良好なＨｅ等の冷却ガスが導入されるようになっている。半導体ウエハ表面に温度分布が生じると、エッチング形状やエッチング速度等、エッチング性にバラツキが生ずるからである。

冷却ガスの半導体ウエハの裏面への導入は、絶縁板を貫通して設けられたガス供給孔から、半導体ウエハの吸着面となる絶縁板表面に設けられた例えばリング状の溝に冷却ガスを放出することによって行われる。導入された冷却ガスは、その大部分が絶縁板を貫通して設けられたガス排出孔から排出され、一部は吸着面と半導体ウエハとの間からリークガスとして排出される。（例えば、特許文献１参照。）。

しかしながら、従来の静電チャックでは、初期において良好な温度分布の制御がなされていても、半導体ウエハの着脱を数多く繰り返している間に、摩耗等によって吸着面の性状（特に、表面粗さ）が変化し、半導体ウエハと吸着面との密着性が変化する結果、半導体ウエハと吸着面の間からリークする冷却ガスの量が変化し、吸着面の温度分布の冷却ガスによる制御性が変化するという問題があった。温度分布の制御性が変化すると、前述したようにエッチング性に変化を生じるようになる。そして、近時、半導体ウエハの径は、１２インチ、１８インチとますます大径化しているが、このように径が大きくなるほど、冷却ガスのリーク量の変化が大きくなり、吸着面の温度分布の制御性の変化の度合いが増す傾向があった。
特開平１−２５１７３５号公報

このように従来の静電チャックでは、被吸着物の着脱を繰り返すと、被吸着物と静電チャックの吸着面との間の密着性が変化し、その結果、冷却ガスのリーク量が変化して、吸着面の温度分布の冷却ガスによる制御性が変化するという問題があった。そして、被吸着物が大径化するほど、冷却ガスのリーク量の変化、吸着面の温度分布の冷却ガスによる制御性の変化の度合いが大きくなる傾向があった。

本発明は、上記従来技術の課題に対処してなされたものであり、大形の被吸着物であっても、着脱の繰り返しによって、冷却ガスのリーク量が変化することはなく、吸着面の温度分布の冷却ガスによる制御性を均一に保つことができ、これにより、被吸着物に対するエッチング処理等の処理の均一性、再現性及び歩留まりの向上等を図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。

（１）本発明の静電チャックは、被吸着物を吸着固定するための吸着面を有する絶縁板と、前記絶縁板の内部に設けられた静電電極とを備えた静電チャックであって、前記絶縁板は、ヤング率が１００〜２００ＧＰａのセラミックからなり、かつ前記吸着面の表面粗さ（Ｒａ）が１〜２μｍであることを特徴とする。
ここで、ヤング率は、ＪＩＳ Ｒ １６０２に規定する超音波パルス法により室温で測定された値である。

本発明では、絶縁板が、ヤング率が１００〜２００ＧＰａのセラミックからなり、かつ吸着面の表面粗さ（Ｒａ）が１〜２μｍであるので、被吸着物の着脱を繰り返した後も、吸着面の面粗度の変化が小さく、半導体ウエハと吸着面との密着性の変化が小さくなる。したがって冷却ガスのリーク量の変化を小さくすることが出来、初期と変わらぬ温度制御が可能である。これにより、被吸着物に対するエッチング処理等の処理の均一性、再現性及び歩留まりの向上等を図ることができる。

（２）本発明の静電チャックにおいて、前記絶縁板は、ヤング率が１３０〜１８０ＧＰａのセラミックからなることを特徴とする。

本発明は、絶縁板を構成するセラミックのヤング率の好ましい範囲を示したものであり、被吸着物の着脱を繰り返した後の吸着面の面粗度の変化をより小さくすることができ、より均一な温度制御が可能である。

（３）本発明の静電チャックにおいて、前記セラミックは、イットリアを主体とするものであることを特徴とする。

本発明は、好ましい絶縁板の構成材料を例示したものである。絶縁板の構成材料をイットリアを主体とすることで、被吸着物の着脱を繰り返した後の吸着面の面粗度の変化をより小さくすることができ、より均一な温度制御が可能である。

（４）本発明の静電チャックにおいて、前記絶縁板には、前記吸着面に冷却用のガスを供給するためのガス供給孔が設けられていることを特徴とする。

本発明では、絶縁板に、前記吸着面に冷却用のガスを供給するためのガス供給孔が設けられているので、被吸着物の着脱を繰り返した後の冷却ガスのリーク量の変化をより小さくすることができ、より均一な温度制御が可能である。

（５）本発明の静電チャックにおいて、前記吸着面には、前記被吸着物を吸着したときに該被吸着物との間で冷却用ガスの流路を形成するような溝が設けられていることを特徴とする。

本発明では、吸着面には、被吸着物を吸着したときに該被吸着物との間で冷却用ガスの流路を形成するような溝が設けられているので、被吸着物の着脱を繰り返した後の冷却ガスのリーク量の変化をより小さくすることができ、より均一な温度制御が可能である。

（６）本発明の静電チャックにおいて、前記被吸着物は、前記吸着面との接触面積が５００ｃｍ^２以上のものであることを特徴とする。

本発明の静電チャックは、５００ｃｍ^２以上という吸着面との接触面積の大きい被吸着物であっても、着脱の繰り返しによる冷却ガスのリーク量の変化を抑制し、均一な温度制御を行うことができる。

本発明によれば、大形の被吸着物であっても、着脱の繰り返しによって、冷却ガスのリーク量が変化することはなく、吸着面の温度分布の冷却ガスによる制御性を均一に保つことができ、これにより、被吸着物に対するエッチング処理等の処理の均一性、再現性及び歩留まりの向上等を図ることができる静電チャックを提供できる。

以下、本発明に係る実施の形態について説明する。なお、説明は図面に基づいて行うが、それらの図面は単に図解のために提供されるものであって、本発明はそれらの図面により何ら限定されるものではない。また、図面は模式的なものであり、厚みと平面寸法との関係、各層の厚みの比率等は実際のものとは異なることに留意すべきである。さらに、以下の説明において、同一もしくは略同一の機能及び構成を有する構成要素については、同一符号を付し、重複する説明は省略する。

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静電チャック装置を一部破断して示す斜視図であり、図２（ａ）は、その要部を拡大して示す断面図であり、図２（ｂ）は、さらにその要部を拡大して示す断面図である。

図１に示すように、本実施形態の静電チャック１０は、一定厚さの円板状の絶縁板１１と、その内部に埋設された静電電極１２とを備えている。そして、絶縁板１１の裏面を、例えばアルミニウム、アルミニウム合金等からなる金属製のベース板２０の表面に接合して、静電チャック装置１００が構成されている。

絶縁板１１は、ヤング率が１００〜２００ＧＰａのセラミック、例えばヤング率が１７０ＧＰａのイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を主成分とするセラミックの積層構造の焼結体から構成されている。積層構造の焼結体は、例えばイットリアを主成分とするイットリアグリーンシートを積層圧着し、一体に焼成することにより形成される。この絶縁板１１の形状は特に限定されるものではないが、本実施形態では、例えば厚さ２ｍｍ、直径３００ｍｍの円板状とされている。

また、この絶縁板１１は、表面が半導体ウエハ等の被吸着物（図示無し）を吸着固定する吸着面（チャック面）１３とされている。そして、この吸着面１３は、高平面度で、かつサンドブラス処理等により表面粗さ（Ｒａ）が１〜２μｍの範囲になるように仕上げられている。また、この吸着面１３には、絶縁板１１及びベース板２０を貫通して設けられたガス供給孔１５に連通し、被吸着物を吸着したときに被吸着物との間で冷却用ガスの流路を形成するような溝１４が設けられている。図面の例では、溝１４は、同心円状に設けられた複数の環状の溝１４ａと、これらの複数の環状の溝１４ａを接続する、周方向に間隔をおいて設けられた複数の径方向に伸びる溝１４ｂから構成されている。複数のガス供給孔１５が環状の溝１４ａに略均等に開口している。これらの複数のガス供給孔１５の一部は、ガス排出孔として機能するようになっている。

また、静電電極１２は、吸着面１３に被吸着物を静電力によって吸着するためのもので、本実施形態では、外部に配置された電極（図示無し）との間で電圧を印加することで静電力を発生させる単極型のものが例示されているが、１対の電極からなる双極型のものであってもよい。静電電極１２は、例えばタングステン、モリブデン、白金等の高融点金属の粉末を主成分として含むメタライズペーストを、セラミックグリーンシートにおいて層状に所定のパターンで印刷しておき、同セラミックグリーンシートを積層圧着後、同時焼成することにより形成される。

なお、図示は省略したが、絶縁板１１の裏面には、静電電極１２に電圧を印加するための電極端子が設けられており、この電極端子にはピン端子（図示無し）が接合されている。ピン端子はベース部材の２０を厚さ方向に貫通して設けられた貫通孔（図示無し）内に配置され、このピン端子に外部端子を接合することにより静電電極１２に電圧が印加される。ピン端子を静電電極１２にロー付け等により直接接合する構造としてもよい。その場合には、絶縁体１１の裏面より静電電極１２に向けて貫通孔が設けられる。

静電電極１２は、例えばイットリアを主成分とするセラミックの積層構造の焼結体からなる絶縁板１１の場合には、吸着面１３から０．１〜０．６ｍｍ程度離間した位置に埋設される。

さらに、ベース板２０は、前述したようにアルミニウム、アルミニウム合金等の金属からなり、静電チャック１０の全体を載置するように、静電チャック１０より大径に、例えば厚さ２０．０ｍｍ、直径３５０ｍｍの円板状とされている。そして、ベース板２０の内部には、冷却水を循環させるための流路（図示無し）が設けられている。この流路に冷却水を循環させることにより、ベース板２０を冷却することができる。

次に、本実施形態の静電チャック１０の製造方法の一例を説明する。なお、ここでは絶縁板１１を、ヤング率が１７０ＧＰａのイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）を主成分とするセラミックの積層構造の焼結体で構成し、静電電極１２の材料として白金粉末を用いた静電チャック１０を製造する場合を説明する。

（イットリアグリーンシートの作製）
（１）イットリア粉末：９７．９質量％、分散剤：２．０質量％及びカルシア粉末（ＣａＯ）：０．１質量％を、エタノールとトルエンの混合溶媒（重量比１：１）中で十分に湿式混合した後、バインダ（ブチラール樹脂）を添加し、さらに混合して流動性のあるスラリーとする。
（２）次に、このスラリーから、ドクターブレード法により、厚さ０．２ｍｍのイットリアグリーンシートを得る。

（メタライズペーストの調製）
（３）また、白金粉末とイットリア粉末を体積比で１：１となるように秤量し、分散剤、バインダ（エチルセルロース）及びターピネオールとともに混合し、３本ロールで混練してメタライズペーストを調製する。

（積層体の作製等）
（４）イットリアグリーンシートを４５０ｍｍ角の大きさに切断し、この切断したイットリアグリーンシートを４枚、４０℃、０．５ＭＰａの条件で積層した後、この積層体上に、メタライズペーストを用いて、スクリーン印刷法により、静電電極１２のパターンを印刷する。また、切断したイットリアグリーンシートを１０枚、前記と同様の条件で積層し、この積層体の所定の位置にドリルで冷却ガス供給孔１５用の貫通孔を穿設する。その後、貫通孔を設けた積層体（１０層）上に、静電電極１２のパターンを印刷した積層体（４層）を、パターン印刷面を積層体（１０層）側に向けて積層し、５０℃、６ＭＰａの条件で圧着する。

なお、積層体（１０層）を形成する際、所要のイットリアグリーンシートに、静電電極１２に電圧を印加するための電極端子及びこの電極端子に接続されるべきビア用に設けられたスルーホール内にメタライズペーストを印刷しておく。静電電極１２に直接ピン端子を接続する場合には、積層体（１０層）形成後、静電電極１２に向けてピン端子用の貫通孔を穿設しておく。

（積層体の加工、焼成）
（５）以上のようにして積層圧着したイットリアグリーンシートの積層体を、直径４００ｍｍの円板に加工する。
（６）次に、加工した積層体を、大気中、５００℃で脱脂した後、大気中、１５５０℃で焼成を行い、さらに、大気中、１５００℃で反りの修正を行い、セラミック焼結体を得る。

（セラミック焼結体の表面加工及びベース板との接合）
（７）セラミック焼結体に、平行研削加工及び外周加工を行い、厚さ約２ｍｍ、直径３００ｍｍとした後、金属製のベース板２０の表面に、例えばシリコーン系接着剤を用いて接合し、電極端子又は静電電極１２にピン端子をロー付け又は半田付けする。電極端子又は静電電極１２には、必要に応じて予めニッケルメッキを施しておく。
（８）次に、セラミック焼結体の表面をサンドブラスト処理して、表面粗さ（Ｒａ）を１〜２μｍとした後、所定のレジストパターンを形成し、レジスト非形成部分に再度、サンドブラスト処理を行い、溝１４を形成する。その後、レジストを除去することにより、表面粗さ（Ｒａ）が１〜２μｍの吸着面１３を有する本実施形態の静電チャック１０を備えた静電チャック装置１００が完成する。

このように構成される本実施形態の静電チャック１０を備える静電チャック装置１００は、例えば半導体製造の各種プロセスを行う処理装置内に取り付けられ、その使用に供される。すなわち、静電電極１２に電圧を印加することで、静電力を発生させて半導体ウエハ等の被吸着物を吸着面１３に吸着固定して所望の処理が行われる。そして、その際、例えばＨｅやＮ_２等の冷却ガスを、ガス供給孔１５より供給し、溝１４に放出させることによって、吸着面１３と被吸着物との間に充填して、吸着面１３の温度制御が行われる。

図２（ａ）は、吸着面１３に被吸着物１７が吸着されている状態を示したもので、吸着面１３と被吸着物１７との界面部分の一部を拡大して示した断面図である。また、図２（ｂ）は、その要部をさらに拡大して示した図である。これらの図２（ａ）、（ｂ）から明らかなように、ＨｅやＮ_２等の冷却ガスは、ガス供給孔１５より溝１４に放出され、吸着面１３と被吸着物１７との間に充填され、その一部は吸着面１３と被吸着物１７との間から、それらの密着性の度合いに応じてリークガスとして排出される。

このようにして多数の被吸着物が次々と吸着面１３に対し吸着、脱着が繰り返され、所望の処理が行われる。ここで、このように被吸着物の吸着面１３に対する着脱が繰り返されても、吸着面１３と被吸着物１７との間からリークするガスの量に変化がなければ、初期の被吸着物１７も、多数の着脱を繰り返した後の被吸着物１７も、冷却ガスにより同じ温度制御が行われる。しかし、従来の静電チャックでは、吸着面の性状（特に、表面粗さ）が摩耗等によって変化し、それに伴い、吸着面１３と被吸着物１７との間からリークするガスの量が変化し、冷却ガスによる温度制御も変化するという問題があった。本実施形態では、絶縁板１１が、ヤング率１００〜２００ＧＰａのセラミックからなり、かつ吸着面１３の表面粗さ（Ｒａ）が１〜２μｍとされているので、初期の被吸着物１７に対しても、多数の着脱を繰り返した後の被吸着物１７に対しても均一な温度制御が可能となり、被吸着物１７に対するエッチング処理等の処理の均一性、再現性及び歩留まりの向上等を図ることができる。なお、このような効果を得る上で、絶縁板１１を構成するセラミック材料のヤング率は、１３０〜１８０ＧＰａであることが好ましく、また、吸着面１３の表面粗さ（Ｒａ）は１．１〜１．５μｍであることがより好ましい。

次に、本実施形態の効果を確認するために行った実験及び実験結果について説明する。

まず、前述した製造方法に従い、表１に示すような表面粗さ（Ｒａ）を有する静電チャック装置を製造した（実施例１〜３、比較例１〜３）。但し、実施例３及び比較例２では、それぞれ下記に示すように作製したコーディエライトグリーンシート及びアルミナグリーンシートを用いるとともに、実施例３では、静電電極１２の材料として下記に示すように調製したタングステン粉末を用いたメタライズペーストを使用した。積層後の脱脂、焼成及び反りの修正は、実施例３では、還元雰囲気中、５００℃で脱脂した後、還元雰囲気中、１４００℃で焼成を行い、さらに、還元雰囲気中、１３５０℃で反りの修正を行った。また、比較例２では、実施例１等と同様の条件で行った。

（コーディエライトグリーンシートの作製）
コーディエライト粉末を、高純度アルミナ球石（純度９９．９％以上）を用いてエタノールとトルエンの混合溶媒（重量比１：１）で粉砕混合した後、この粉末に（粉末に対する割合として）、バインダ（ブチラール樹脂）：１０質量％、可塑剤：４質量％を加え、ボールミルで混合して、流動性のあるスラリーとし、このスラリーから、イットリアグリーンシートと同様にして、ドクターブレード法により作製した。

（アルミナグリーンシートの作製）
アルミナ粉末：９２質量％、ＭｇＯ：１質量％、ＣａＯ：１質量％及びＳｉＯ_２：６質量％をボールミルでトルエンとエタノール（重量比１：１）を溶媒として湿式粉砕した後、この粉末に（粉末に対する割合として）、バインダ（ブチラール樹脂）：１０質量％、可塑剤：４質量％を加え、ボールミルで混合して、流動性のあるスラリーとし、このスラリーから、イットリアグリーンシートと同様にして、ドクターブレード法により作製した。

（タングステンメタライズペーストの調製）
タングステン粉末とアルミナ粉末を体積比で１：１となるように秤量し、分散剤、バインダ（エチルセルロース）とともに混合し、３本ロールで混練して調製した。

次に、上記各静電チャック装置を、プラズマエッチング装置の真空チャンバー内に装着し、静電チャックに２ｋＶの電圧を印加して半導体ウエハ（シリコンウエハ）を吸着させた後、電圧をＯＦＦして半導体ウエハを除去した。これを１０００回繰り返した後、静電チャック装置を真空チャンバー内から取り出し、吸着面の表面粗さ（Ｒａ）を測定した。また、この着脱を繰り返す間、冷却ガス供給孔より冷却ガス（Ｈｅ）を供給し、半導体ウエハと吸着面との間からリークする冷却ガスの量を測定した。さらに、１回目及び１０００回後に着脱を行う半導体ウエハとして、６５の測定点を有する温度測定用ウエハを用い、それぞれにおける吸着面の温度分布を測定し、それぞれについて最高温度と最低温度の差（ΔＴ1、ΔＴ2）を求めるとともに、その変化を調べた。

これらの結果を表１に併せ示す。

表１から明らかなように、実施例では、着脱１０００回後も吸着面の表面粗さ（Ｒａ）に大きな変化がなかった。したがって冷却ガスのリーク量の変化が小さく、着脱１０００回後においても初期と変わらぬ温度制御ができていた。それに対し比較例では、吸着面の表面粗さ（Ｒａ）が大きく変化している。したがって着脱１０００回後においては冷却ガスのリーク量の変化も大きく、温度制御も初期と大きな差があり、本発明による効果が確認された。

なお、本発明は以上説明した実施の形態の記載内容に何ら限定されるものではなく、本発明の要旨を逸脱しない範囲で種々の態様で実施し得ることはいうまでもない。

本発明の一実施形態に係る静電チャックを備えた静電チャック装置を一部破断して示す斜視図である。 （ａ）は、図１の要部を拡大して示す断面図であり、（ｂ）は、その要部をさらに拡大して示す図である。

符号の説明

１０…静電チャック、１１…絶縁板、１２…静電電極、１３…吸着面、１４…溝、１５…ガス供給孔、１７…被吸着物、２０…ベース板、１００…静電チャック装置。

Claims (6)

1. 被吸着物を吸着固定するための吸着面を有する絶縁板と、前記絶縁板の内部に設けられた静電電極とを備えた静電チャックであって、
   前記絶縁板は、ヤング率が１００〜２００ＧＰａのセラミックからなり、かつ前記吸着面の表面粗さ（Ｒａ）が１〜２μｍであることを特徴とする静電チャック。
2. 前記絶縁板は、ヤング率が１３０〜１８０ＧＰａのセラミックからなることを特徴とする請求項１記載の静電チャック。
3. 前記セラミックは、イットリアを主体とするものであることを特徴とする請求項１又は２記載の静電チャック。
4. 前記絶縁板には、前記吸着面に冷却用のガスを供給するためのガス供給孔が設けられていることを特徴とする請求項１乃至３のいずれか１項記載の静電チャック。
5. 前記吸着面には、前記被吸着物を吸着したときに該被吸着物との間で冷却用ガスの流路を形成するような溝が設けられていることを特徴とする請求項１乃至４のいずれか１項記載の静電チャック。
6. 前記被吸着物は、前記吸着面との接触面積が５００ｃｍ^２以上のものであることを特徴とする請求項１乃至５のいずれか１項記載の静電チャック。

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