JP2013045989A - 静電チャック及び半導体・液晶製造装置 - Google Patents

静電チャック及び半導体・液晶製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】複数のチャック領域を備え、その外側領域に設けられた凹面部にウェハを搬送するためのトレイが配置される静電チャックにおいて、信頼性を向上させること。
【解決手段】ウェハ２が載置される複数のチャック領域Ｒと、チャック領域Ｒの外側領域に設けられた凹面部Ｃとを備えたチャック機能部１０と、チャック領域Ｒに対応するチャック機能部１０の内部と、凹面部Ｃに対応するチャック機能部１０の内部とにそれぞれ配置された電極４０，４０ａとを含む。
【選択図】図３

Description

ウェハなどの被吸着物を吸着する機構に使用される静電チャック及びそれを備えた半導体・液晶製造装置に関する。
従来、半導体ウェハプロセスなどで使用されるドライエッチング装置やＣＶＤ装置などの半導体製造装置には、各種のプロセスでウェハ温度を制御するためにウェハを静電吸着して載置する静電チャックが備えらえている。
例えば、ドライエッチング装置は、プラズマ処理によってウェハ温度が規定以上に上昇しないように、冷却された静電チャックを備えており、ウェハの温度がある温度で均一になるようにウェハが冷却される。
特開２００５−６４４６０号公報 特開２０１１−１１４１７８号公報
後述する予備的事項の欄で説明するように、複数のチャック領域を備え、その外側領域に設けられた凹面部にウェハを搬送するためのトレイが配置される静電チャックがある。そのような静電チャックをエッチング装置に適用する場合は、トレイは静電チャックに吸着されていないため、ウェハよりもトレイの温度がかなり高くなってしまう。
このため、ウェハ内で周縁部の温度が高くなり、ウェハ内でエッチング特性がばらついて歩留り低下の要因になる。また、トレイが高温になると搬送トラブルが発生しやすくなる。このため、トレイが冷却するまで待つ必要があるので、スループットが低下し、生産効率が悪くなる問題がある。
複数のチャック領域を備え、その外側領域に設けられた凹面部に被吸着物を搬送するためのトレイが配置される静電チャックにおいて、信頼性を向上させることを目的とする。
以下の開示の一観点によれば、被吸着物が載置される複数のチャック領域と、前記チャック領域の外側領域に設けられた凹面部とを備えたチャック機能部と、前記チャック領域に対応する前記チャック機能部の内部と、凹面部に対応する前記チャック機能部の内部とにそれぞれ配置された電極とを有する静電チャックが提供される。
また、その開示の他の観点によれば、チャンバと、前記チャンバに取り付けられた静電チャックと、被吸着物を搬送するためのトレイとを有し、前記静電チャックは、被吸着物が載置される複数のチャック領域と、前記チャック領域の外側領域に設けられた凹面部とを備えたチャック機能部と、前記チャック領域に対応する前記チャック機能部の内部と、凹面部に対応する前記チャック機能部の内部とにそれぞれ配置された電極とを有し、前記被吸着物を搬送するためのトレイは、前記チャック領域に対応する部分に開口部を備え、前記静電チャックの凹面部に配置されている半導体・液晶製造装置が提供される。
以下の開示によれば、静電チャックは、搬送用のトレイを吸着するための電極を備えるため、トレイは静電チャックに十分に吸着した状態となる。これにより、静電チャックがドライエッチング装置に適用される場合は、ウェハ（被吸着物）と同様に、プラズマからトレイにかかる熱は静電チャックから外部に放熱されて十分に冷却される。
このため、ウェハがトレイからの熱の影響を受けなくなるので、ウェハ内において温度の均一性が確保され、ウェハ内でのエッチング処理の歩留りを向上させることができる。
また、トレイが静電チャックで十分に冷却されるため、エッチング処理が完了した後に直ちにアームでトレイを信頼性よく搬送することができる。これにより、エッチング処理のスループットを向上させることができ、生産効率の向上に寄与することができる。
図１は予備的事項を説明する断面図（その１）である。 図２は予備的事項を説明する断面図（その２）である。 図３は第１実施形態の静電チャックを示す断面図である。 図４は第１実施形態の静電チャックを示す平面図である。 図５は第１実施形態の静電チャックにおいてトレイによってウェハが上側に持ち上げられた様子を示す断面図である。 図６は第２実施形態の静電チャックを示す断面図である。 図７は第３実施形態の静電チャックを示す断面図である。 図８は第４実施形態の静電チャックを示す断面図である。 図９は実施形態の静電チャックを備えたドライエッチング装置（半導体・液晶製造装置）を示す断面図である。
以下、実施の形態について、添付の図面を参照して説明する。
実施形態の説明の前に、基礎となる予備的事項について説明する。
図１に示すように、静電チャック１００は複数のチャック領域Ｒを備えており、各チャック領域Ｒにウェハ２００が載置される。静電チャック１００の各チャック領域Ｒの内部には電極３００がそれぞれ設けられている。
また、静電チャック１００の各チャック領域Ｒの外側領域は凹面部Ｃとなっている。そして、静電チャック１００の各チャック領域Ｒに対応する部分に開口部４００ａがそれぞれ設けられた一体型のトレイ４００が静電チャック１００の凹面部Ｃに配置されている。
トレイ４００の開口部４００ａの側壁において厚み方向の下部には内側に突き出るリング状の突出部４２０が設けられている。静電チャック１００の周縁部には、トレイ４００を上下に移動させるための複数のリフトピン５００がリング状に配置されている。
さらに、静電チャック１００は、下側に、冷却水路が設けられたベースプレート（不図示）を備えており、冷却水路に冷却水を流すことにより、各チャック領域Ｒが冷却される。
そして、静電チャック１００の電極３００に電圧を印加すると静電引力によってウェハ２００が静電チャック１００に吸着する。
例えば、静電チャック１００がドライエッチング装置に装着される場合は、チャンバ内にプラズマが生成されて静電チャック１００に載置された複数のウェハ２００が冷却された状態で同時にエッチングされる。
図２に示すように、エッチングが終了すると、リフトピン５００が上側に移動することでトレイ４００が上側に移動し、各ウェハ２００の周縁部がトレイ４００の突出部４２０上に乗って上側に持ち上げられる。さらに、アーム（不図示）によって、ウェハ２００が搭載されたトレイ４００がチャンバから外部に搬送される。
図１の状態でウェハ２００がエッチングされる際に、トレイ４００もプラズマに晒されることになる。このとき、トレイ４００の下には静電チャック１００の電極３００が存在しないため、トレイ４００は静電チャック１００の上に単に置かれた状態となっている。
従って、トレイ４００の冷却が十分に行われないため、トレイ４００がプラズマから熱を吸収して高温になってしまう。高温になったトレイ４００の影響により、ウェハ２００の周縁側の温度が高くなり、各ウェハ２００内の温度の均一性が悪くなる。
これにより、ウェハ２００内でエッチングレートやレジスト又は下地との選択比のばらつきが生じやすくなり、ウェハ２００内のエッチング処理の歩留りが低下する要因になってしまう。
また、トレイ４００が１００℃以上の高温になると、トレイ４００を搬送するアームにトレイ４００から熱伝導し、アームが熱膨張することに起因して搬送トラブルを引き起こすことがある。
このため、エッチング処理が完了した後に、トレイ４００が冷却するまで待つ必要があるため、エッチング処理のスループット（単位時間あたりのウェハ処理能力）の低下につながり、生産効率が悪化する。
以下に説明する実施形態の静電チャックは前述した不具合を解消することができる。
（第１の実施の形態）
図３は第１実施形態の静電チャックを示す断面図、図４は第１実施形態の静電チャックを示す平面図である。
図３に示すように、第１実施形態の静電チャック１は、ベースプレート２０と、ベースプレート２０の上にシリコーン樹脂などの接着剤２６で接着されたチャック機能部１０とを備えている。
ベースプレート２０は、例えばアルミニウムなどの金属から形成され、内部に冷却機構として冷却水路２２が設けられている。チャック機能部１０は、例えばアルミナなどのセラミックスから形成され、表面にウェハ（被吸着物）が載置される複数のチャック領域Ｒを備えている。
各チャック領域Ｒにおいて、表面に、伝熱用ガスを供給するためのガス孔３０とそれに連通して水平方向に延在する凹部３２とが設けられ、凹部３２の中に多数の凸部３４が島状に配置されている。静電チャック１の各チャック領域Ｒの表面の多数の凸部３４上にウェハ２が接触して載置される。
このように、静電チャック１の各チャック領域Ｒの表面は、ガス孔３０に連通する凹部３２と多数の凸部３４とが設けられてエンボス形状（凹凸形状）になっている。これにより、伝熱用ガスがガス孔３０及び凹部３２を通ってウェハ２の裏面全体に均一に供給されるようになっている。
静電チャック１の各チャック領域Ｒの内部には、電圧を印加してウェハ２を吸着するための電極４０がそれぞれ設けられている。電極４０は、好適には、タングステン（Ｗ）などの高融点金属から形成される。
また、静電チャック１のチャック機能部１０は、各チャック領域Ｒの外側領域に設けられた凹面部Ｃを備えている。凹面部Ｃは、チャック領域Ｒを除いてそれらの間の領域から周縁領域までつながって形成されている。凹面部Ｃの底面は、チャック機能部１０の上面より低い位置に配置されている。
そして、静電チャック１の各チャック領域Ｒに対応する部分に開口部５０ａがそれぞれ設けられた一体型のトレイ５０が静電チャック１の凹面部Ｃに配置されている。トレイ５０の開口部５０ａの各側壁において、厚み方向の下部には内側に突き出るリング状の突出部５２がそれぞれ設けられている。
トレイ５０は、アルミナ（Ａｌ2Ｏ3）、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）、シリコン窒化物（ＳｉＮ）、シリコン炭化物（ＳｉＣ）、又はアルミニウム（Ａｌ）などの金属などから形成される。
静電チャック１の周縁部にはトレイ５０を上下に移動させるための複数のリフトピン５４がリング状に配置されている。
また、静電チャック１の外周部には、プラズマを静電チャック１内に封じ込めるための石英からなるフォーカスリング５６が設けられている。
そして、静電チャック１のベースプレート２０の冷却水路２２に冷却水などの冷媒を流すことにより、各チャック領域Ｒが冷却される。
さらに、本実施形態の静電チャック１では、ウェハ２ばかりではなくトレイ５０を十分に冷却できるように、トレイ５０が配置された凹面部Ｃの下のチャック機能部１０の内部に、電圧を印加してトレイ５０を吸着するための電極４０ａが設けられている。
電極４０，４０ａは、１つの電極からなる単極方式であってもよいし、渦巻型やくし歯型などの双電極方式を採用し、双電極にプラス（＋）及びマイナス（−）の電圧をそれぞれ印加するようにしてもよい。
図３の例では、各チャック領域Ｒのウェハ２用の一方の電極４０にプラス（＋）の電圧が印加され、ウェハ２用の他方の電極４０にマイナス（−）の電圧が印加される。また、トレイ５０用の電極４０ａには、プラス（＋）の電圧が印加される。
このようにして、静電チャック１の電極４０，４０ａに所定の電圧を印加すると静電引力によってウェハ２が静電チャック１に吸着する。また同時に、トレイ５０が静電チャック１に吸着する。
図４には、本実施形態の静電チャックを平面からみた様子が示されている。図４の例では、静電チャック１にはチャック領域Ｒが７つ設けられており、各チャック領域Ｒの上にウェハ２が載置されている。そして、複数のチャック領域Ｒを除く斜線ハッチング部にトレイ５０が配置されている。
トレイ５０が配置された領域がチャック機能部１０の凹面部Ｃとなっている。斜線ハッチング部の下の領域にトレイ５０用の電極４０ａ（図３）が設けられている。また、静電チャック１の周縁部に４つのリフトピン５４が配置されており、静電チャック１の外周部にフォーカスリング５６が備えられている。
静電チャック１がドライエッチング装置に装着される場合は、チャンバ内にプラズマが生成されて静電チャック１に載置された複数のウェハ２が冷却された状態で同時にエッチングされる。
図５に示すように、エッチングが終了すると、リフトピン５４が上側に移動することでトレイ５０が上側に移動し、各ウェハ２の周縁部がトレイ５０の突出部５２上に乗って上側に持ち上げられる。さらに、アーム（不図示）によって、ウェハ２が搭載されたトレイ５０がチャンバから外部に搬送される。
前述した図３の状態でウェハ２がエッチングされる際に、トレイ５０もプラズマに晒されるが、トレイ５０の下の静電チャック１には、トレイ５０用の電極４０ａが存在するため、トレイ５０は静電チャック１に十分に吸着した状態となる。
従って、ウェハ２と同様に、プラズマからトレイ５０にかかる熱は静電チャック１から外部に放熱されて十分に冷却される。これにより、エッチング処理中にウェハ２の周縁部の温度が高くなることが回避され、各ウェハ２内において温度の均一性が確保される。
その結果、各ウェハ２内でエッチングレートやレジスト又は下地との選択比のばらつきが抑えられ、ウェハ２内のエッチング処理の歩留りを向上させることができる。
また、トレイ５０が静電チャック１で十分に冷却されるため、トレイ５０の温度はエッチング処理の直後においても１００℃以下に抑えられる。このため、トレイ５０が冷却するまで待つ必要がなく、エッチング処理が完了した後に直ちにアームでトレイ５０を搬送することができる。
これにより、エッチング処理のスループット（単位時間あたりのウェハ処理能力）を向上させることができ、生産効率の向上に寄与することができる。
しかも、アームが熱膨張するおそれもなくなるので、信頼性よくアームでトレイ５０を搬送することができる。
なお、前述した静電チャック１は、ベースプレート２０内に冷却水路２２が設けられて、静電チャック１自体が冷却機構を備えているが、静電チャックは必ずしも冷却機構を備えていなくてもよい。
静電チャックが冷却機構を備えていない場合は、静電チャックが取り付けられる各種製造装置の支持台に冷却機構が設けられおり、その支持台の上に静電チャックが取り付けられて冷却される。以下に説明する第２、第３実施形態においても同様である。
（第２の実施の形態）
図６は第２実施形態の静電チャックを示す断面図である。
前述した第１実施形態の図３の静電チャック１では、トレイ５０と静電チャック１との間に伝熱用ガスを供給しない構造になっている。第２実施形態の特徴は、トレイと静電チャックとの間にも伝熱用ガスを供給して冷却効率を向上させることにある。図６では、第１実施形態と同一要素については同一符号を付してその詳しい説明を省略する。
図６に示すように、第２実施形態の静電チャック１ａでは、トレイ５０が配置される凹面部Ｃの表面にも、伝熱用ガスを供給するためのガス孔３０ａとそれに連通する凹部３２ａとが設けられている。凹面部Ｃのガス孔３０ａはチャック領域Ｒのガス孔３０につながる分岐ラインとして設けられる。
ガス孔３０，３０ａを含むガス経路Ｌからガス孔３０，３０ａに連通する凹部３２，３２ａにヘリウムガスなどの伝熱用ガスを供給することにより、ウェハ２及びトレイ５０の各背面に伝熱用ガスをそれぞれ同時に流すことができる。
これにより、ウェハ２と同様に、プラズマから吸収するトレイ５０の熱を静電チャック１ａ側に伝熱用ガスを介して効率よく逃がして冷却することができる。従って、微細加工を達成するために高密度プラズマを使用する場合であっても、トレイ５０を十分に冷却することができる。
（第３の実施の形態）
図７は第３実施形態の静電チャックを示す断面図である。図７では、第１実施形態と同一要素については同一符号を付してその詳しい説明を省略する。
図７に示す静電チャック１ｂのように、ウェハ２に伝熱用ガスを供給するガス孔３０を含むガス経路Ｌ１と、トレイ５０に伝熱用ガスを供給するガス孔３０ａを含むガス経路Ｌ２とを分離し、別の独立したラインとしてもよい。
このようにすることにより、ウェハ２とトレイ５０との間で伝熱用ガスの流量やガス圧力を独立して調整することができるので、ウェハ４０とトレイ５０との間で冷却効率を変えることができる。例えば、エッチング特性や搬送の安定化などの都合で、ウェハ２よりトレイ５０を積極的に冷却する必要がある場合などに容易に対応することができる。
（第４の実施の形態）
前述した第１〜第３実施形態では、ウェハを冷却するタイプの静電チャックについて説明しており、その場合は伝熱用ガスが冷却用ガスとして機能する。図８に示すように、ベースプレート２０の内部に、冷却水路２２の代わりに加熱機構としてヒータ電極２４を設けることにより、ウェハを加熱するタイプの静電チャック１ｃとしてもよい。
この場合は、伝熱用ガスが加熱用ガスとして機能する。電源（不図示）から電圧をヒータ電極２４に印加することにより、ヒータ電極２４から熱が発生し、ウェハ２やトレイ５０が所定の温度に加熱される。ウェハを加熱するタイプの静電チャック１ｃは、スパッタ装置やプラズマＣＶＤ装置などの半導体・液晶製造装置に適用される。
図８において、ベースプレート２０の内部に冷却水路２２の代わりにヒータ電極２４を設けること以外は、第１実施形態の図３の静電チャック１と同一である。
ウェハを加熱するタイプの静電チャック１ｃとする場合は、ウェハ２と同様にトレイ５０も静電チャック１ｃに吸着するため、ウェハ２とその周辺のトレイ５０とが同一の温度に加熱される。従って、ウェハ２を加熱する場合であってもウェハ２内の温度の均一性を向上させることができ、各種のプロセス処理の信頼性を向上させることができる。
なお、静電チャック１ｃにヒータ電極２４が設けられておらず、静電チャック１ｃが取り付けられる各種製造装置の支持台に加熱機構が設けられて静電チャックが加熱されるようにしてもよい。
また、ウェハを１００℃以上に加熱する高温型の静電チャックとする場合は、搬送トラブルを回避するために、トレイ５０を搬送するアームとして加熱温度に対して十分な耐熱性を有する特別なアームを使用することが好ましい。
（半導体・液晶製造装置）
次に、実施形態の静電チャックを備えた半導体・液晶製造装置について説明する。本実施形態の静電チャック１，１ａ，１ｂ，１ｃは、半導体装置や液晶表示装置の製造プロセスで使用される各種の半導体・液晶製造装置に適用することができる。
以下の説明では、第１実施形態の冷却される静電チャック１を備えたドライエッチング装置を例に挙げて説明する。
図９は実施形態のドライエッチング装置を示す断面図である。図９に示すように、ドライエッチング装置５として平行平板型ＲＩＥ装置が例示されている。ドライエッチング装置５はチャンバ６０を備え、チャンバ６０の下側に下部電極７０が配置されている。
下部電極７０の表面側には前述した第１実施形態の静電チャック１が取り付けられており、静電チャック１には複数のウェハ２（被吸着物）が載置される。
下部電極７０及び静電チャック１にはＲＦ電力を印加するための高周波電源７４が接続されている。高周波電源７４にはＲＦ電力の出力のマッチングをとるためのＲＦマッチャ（不図示）が接続されている。
チャンバ６０の上側には下部電極７０の対向電極となる上部電極８０が配置されており、上部電極８０は接地されている。上部電極８０にはガス導入管８２が連結されており、所定のエッチングガスがチャンバ６０内に導入される。
チャンバ６０の下部には排気管７６が接続され、排気管７６の末端には真空ポンプが取り付けられている。これにより、エッチングにより生成した反応生成物などが排気管７６を通して外部（排ガス処理装置）に排気されるようになっている。
チャンバ６０の近傍の排気管７６にはＡＰＣバルブ７８（自動圧力コントロールバルブ）が設けられており、チャンバ６０内が設定圧力になるようにＡＰＣバルブ７８の開度が自動調整される。
本実施形態のドライエッチング装置５では、ガス導入管８２から所定のエッチングガスがチャンバ６０に導入され、チャンバ６０内がＡＰＣバルブ７８の機能によって所定の圧力に設定される。そして、高周波電源７４から静電チャック１（下部電極７０）にＲＦ電力が印加されることにより、チャンバ６０内にプラズマが生成される。
静電チャック１にＲＦ電力を印加することにより静電チャック１側に負のセルフバイアスが形成され、その結果プラズマ中の正イオンが静電チャック１側に加速される。これに基づいて、ウェハ２に形成された被エッチング層が異方性エッチングされる。
ウェハ２としては、ＬＥＤを製造する場合は、サファイヤ基板、シリコン炭化物（ＳｉＣ）基板、窒化ガリウム（ＧａＮ）基板などが使用される。そして、ウェハ２上に形成された各種の薄膜がレジストをマスクにしてエッチングされる。プロセスガスとしては、フッ素系ガスや塩素系ガスが使用される。
前述したように、本実施形態の静電チャック１（図３など）では、トレイ５０の下の静電チャック１に電極４０ａが設けられており、トレイ５０を静電チャック１に吸着させることができる。これにより、ウェハ２と同様にトレイ５０も十分に冷却される。
従って、トレイ５０の温度上昇によってウェハ２内で温度がばらついたり、トレイ５０を搬送するアームが熱膨張して搬送トラブルが発生することが回避される。
このため、ウェハ２内で被エッチング層のエッチングレート、レジスト及び下地層との選択比などの変動が抑制される。これにより、ウェハ２内においてエッチング後のパターンの幅などのばらつきが抑えられ、ウェハ２内のエッチング処理の歩留りを向上させることができる。
また、微細加工を達成するために高密度プラズマを使用する場合であっても、トレイ５０の温度上昇を抑止できるので、安定したエッチング特性を得ることができる。
図９では、本実施形態の静電チャック１を平行平板型のドライエッチング装置に適用する形態を例示したが、誘導結合型（ＩＣＰ）などのドライエッチング装置に適用してもよい。
１，１ａ，１ｂ，１ｃ…静電チャック、２…ウェハ、５…ドライエッチング装置、１０…チャック機能部、２０…ベースプレート、２２…冷却水路、２４…ヒータ電極、２６…接着剤、３０，３０ａ…ガス孔、３２，３２ａ…凹部、３４…凸部、４０，４０ａ…電極、５０…トレイ、５０ａ…開口部、５２…突出部、５４…リフトピン、５６…フォーカスリング、６０…チャンバ、７０…下部電極、７４…高周波電源、７６…排気管、７８…ＡＰＣバルブ、８０…上部電極、８２…ガス導入管、Ｃ…凹面部、Ｌ，Ｌ１，Ｌ２…ガス経路、Ｒ…チャック領域。

Claims (6)

  1. 被吸着物が載置される複数のチャック領域と、前記チャック領域の外側領域に設けられた凹面部とを備えたチャック機能部と、
    前記チャック領域に対応する前記チャック機能部の内部と、凹面部に対応する前記チャック機能部の内部とにそれぞれ配置された電極とを有することを特徴とする静電チャック。
  2. 前記チャック機能部の下に配置されて、冷却機構を備えたベースプレートをさらに有することを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
  3. 前記チャック領域及び前記凹面部の各表面に、伝熱用ガスが供給されるガス孔とそれに連通する凹部がそれぞれ設けられてい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。
  4. 前記チャック領域の表面に設けられたガス孔を含むガス経路と、前記凹面部の表面に設けられたガス孔を含むガス経路とは、独立した別の経路になっていることを特徴とする請求項３に記載の静電チャック。
  5. チャンバと、
    前記チャンバに取り付けられた静電チャックと、
    被吸着物を搬送するためのトレイとを有し、
    前記静電チャックは、
    前記被吸着物が載置される複数のチャック領域と、前記チャック領域の外側領域に設けられた凹面部とを備えたチャック機能部と、
    前記チャック領域に対応する前記チャック機能部の内部と、凹面部に対応する前記チャック機能部の内部とにそれぞれ配置された電極とを有し、
    前記トレイは、
    前記チャック領域に対応する部分に開口部を備え、前記静電チャックの凹面部に配置されていることを特徴とする半導体・液晶製造装置。
  6. 前記静電チャックは、前記チャック機能部の下に配置されて、冷却機構を備えたベースプレートをさらに有し、
    前記半導体・液晶製造装置は、ドライエッチング装置であることを特徴とする請求項５に記載の半導体・液晶製造装置。
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