JP2016143760A - 静電チャック装置 - Google Patents

Abstract

【課題】板状試料の温度分布を均一にする静電チャック装置の提供。
【解決手段】セラミック焼結体を形成材料とし、一主面が板状試料を載置する載置面である静電チャック部と、前記載置面に載置された前記板状試料を冷却する冷却手段と、を備え、前記載置面には、前記板状試料を支持する複数の突起部が設けられ、前記冷却手段は、前記複数の突起部の間に伝熱ガスを供給し、前記複数の突起部は、複数の第１突起部と、前記第１突起部よりも低い複数の第２突起部と、を有し、前記複数の第１突起部は、前記載置面において前記複数の第１突起部が集まる第１領域を形成し、前記第１領域における前記伝熱ガスの流れが粘性流となる高さに設定され、前記複数の第２突起部は、前記載置面において前記複数の第２突起部が集まる第２領域を形成し、前記第２領域における前記伝熱ガスの流れが分子流となる高さに設定されている静電チャック装置。
【選択図】図１

Description

本発明は、静電チャック装置に関するものである。

近年、半導体製造プロセスにおいては、素子の高集積化や高性能化に伴い、微細加工技術の更なる向上が求められている。半導体製造プロセスの中でもエッチング技術は、微細加工技術の重要な一つであり、近年では、エッチング技術の内でも、高効率かつ大面積の微細加工が可能なプラズマエッチング技術が主流となっている。
従来、プラズマエッチング装置等のプラズマを用いた半導体製造装置においては、試料台に簡単にウエハを取付け、固定するとともに、ウエハを所望の温度に維持する装置として静電チャック装置が使用されている。

静電チャック装置としては、板状試料が載置される載置面に複数の突起部が設けられたものが知られている（特許文献１〜４）。このような静電チャック装置は、突起部に支持された板状試料の下面側に伝熱ガスを導入する構造を有する。静電チャック装置は、載置面に板状試料を静電吸着するとともに、伝熱ガスの流動により板状試料を一定の温度に維持する。

特開２００５−１９１５６１号公報 特開２００３−８６６６４号公報 特開２００２−３２９７７６号公報 特開２０１４−２７２０７号公報

プラズマエッチング装置において、静電チャック装置に固定された板状試料にプラズマを照射すると、板状試料の表面温度が上昇する。静電チャック装置は、載置面において板状試料との間の伝熱ガスの流動により一定の温度を維持されるが、板状試料の面内で温度分布が発生する。例えば、載置面の周縁は、周囲から放熱されやすくなるため温度が低くなりやすい。更に、プラズマエッチング装置の構造や方式の違い等により、プラズマの生成状態が変化するのでウエハの面内温度分布に差が生じる。また、ウエハに各種の成膜を行う装置にしても成膜条件や成膜室内の雰囲気制御に影響を受けてウエハ面内に温度分布が生じる。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたものであって、板状試料の温度分布を均一にする静電チャック装置の提供を目的とする。

本発明の静電チャック装置は、セラミック焼結体を形成材料とし、一主面が板状試料を載置する載置面である静電チャック部と、前記載置面に載置された前記板状試料を冷却する冷却手段と、を備え、前記載置面には、前記板状試料を支持する複数の突起部が設けられ、前記冷却手段は、前記複数の突起部の間に伝熱ガスを供給し、前記複数の突起部は、複数の第１突起部と、前記第１突起部よりも低い複数の第２突起部と、を有し、前記複数の第１突起部は、前記載置面において前記複数の第１突起部が集まる第１領域を形成し、前記第１領域における前記伝熱ガスの流れは粘性流が支配的となる高さに設定され、前記複数の第２突起部は、前記載置面において前記複数の第２突起部が集まる第２領域を形成し、前記第２領域における前記伝熱ガスの流れが前記第１領域に比較して分子流が支配となる高さに設定されている。

上述の構成によれば、載置面には、高さの異なる第１突起部と第２突起部とにより第１領域と第２領域とが形成されている。第１領域では、伝熱ガスは粘性流が支配的となる。また、第２領域では、伝熱ガスは分子流が第１領域に比較して支配的となる。
第１領域では、粘性流の特性により、伝熱ガスのガス圧を変えても、その熱伝達率が変わらない。このため、第１領域では、伝熱ガスのガス圧は、板状試料の温度制御に影響を与えない。一方で、第２領域では、分子流の特性により、伝熱ガスのガス圧を変えることで、その熱伝達率が変わり、板状試料の温度制御を行うことができる。
したがって、第１領域の伝熱ガスが粘性流が支配的となるガス圧以上では、ガス圧を変えることで、第１領域の温度制御に影響を与えることなく第２領域の温度制御を行うことができる。
載置面において、外部環境に影響を受けやすい領域を第２領域として、第２領域を第１領域の温度に近づけるように制御することで、載置面の温度分布を均一にできる。また、このような領域ごとの温度制御を、第１領域と第２領域とにそれぞれ伝熱ガスの経路を設けることなく、１系統のガス経路のみで行うことができる。このため、静電チャック装置のガス系統の構造を単純化してコストを低減できる。また、伝熱ガスＧの圧力制御が単純化され容易となる。

また、上記の静電チャック装置において、前記複数の第２突起部の高さは、２μｍ以上２０μｍ以下としてもよい。

上述の構成によれば、第１領域に比較して高いガス圧まで、第２突起部が集まる第２領域を流れる伝熱ガスの流れを分子流が支配的にすることができる。

また、上記の静電チャック装置において、前記複数の第１突起部の高さは、２０μｍ以上８０μｍ以下としてもよい。

上述の構成によれば、第１突起部が集まる第１領域を流れる伝熱ガスの流れを粘性流とすることができる。

また、上記の静電チャック装置において、平面視における前記載置面の総面積に対し、平面視における前記突起部と前記板状試料との接触面積の総和が占める比率を０．０１％以上、２０％以下としてもよい。

上述の構成の静電チャック装置において、板状試料の温度制御は、突起部との熱伝導と、伝熱ガスによる熱伝達とによって行われる。上述の構成によれば、突起部と板状試料との接触面積の総和の占める比率を載置面の総面積に対して２０％以下とする。これにより、板状試料の温度制御における板状試料と突起部との熱伝導の影響を小さくして、伝熱ガスの熱伝達による影響を相対的に大きくできる。第２領域の温度制御を、伝熱ガスのガス圧により容易に行うことができる。また、上述の構成によれば、突起部と板状試料との接触面積の総和の占める比率を載置面の総面積に対して０．０１％以上とする。これにより、突起部と板状試料との接触面積を十分に確保して板状試料を確実に支持できる。

また、上記の静電チャック装置において、前記静電チャック部を平面視したとき、前記第２領域は前記第１領域の周囲を囲むように設けられていてもよい。

静電チャック装置の載置面は、その周縁部に近づくほどに外部からの影響を受け、均一な温度制御が困難となる。したがって、伝熱ガスのガス圧によって温度を制御可能な第２領域を第１領域の周囲を囲むように配置することで、外部からの影響に応じて、第２領域を制御して温度分布を均一にすることができる。

また、上記の静電チャック装置において、前記第１領域および前記第２領域は、平面視で同心円状に設定され、前記静電チャック部は、平面視で円形を呈する前記第１領域の中央に１つの貫通孔を有し、前記冷却手段は、前記貫通孔を介して前記伝熱ガスを供給する。

上述の構成によれば、第１領域および第２領域が同心円状に設定され、伝熱ガスの供給路としての貫通孔が載置面の中央に設けられている。これにより、載置面の対称性が高まり、伝熱ガスを静電チャック部の径方向に向かって均一に流動させることができる。これにより、伝熱ガスの圧力による、載置面内の均一な温度制御が可能となる。

また、上記の静電チャック装置において、前記静電チャック部は、前記第１領域に貫通孔を有し、前記冷却手段は、前記貫通孔を介して前記伝熱ガスを供給してもよい。

上述の構成によれば、貫通孔は、伝熱ガスの供給路として第１領域に開口する。第１領域では、突起部が高く載置面の底面と板状試料との隙間が大きいため伝熱ガスが流れやすく、載置面の面内において各方向に均一に広がりやすい。したがって、第１領域に貫通孔を設けることで、載置面の面内に均一にガスが広がるため、載置面の温度制御が容易となる。

また、上記の静電チャック装置において、前記静電チャック部は、前記載置面から伸長し前記板状試料を支持する複数のリフトピンと、前記複数のリフトピンをそれぞれ収容する複数の収容孔と、を有し、前記冷却手段は、前記収容孔を介して前記伝熱ガスを供給してもよい。

一般的に、冷却効率を高めるためには、載置面に対して複数の孔から伝熱ガスを供給することが好ましい。一方で、載置面に複数の孔を設けると、孔が載置面の特異点となるため、孔の上に位置する板状試料の温度の制御が難しくなるという問題がある。上述の構成によれば、リフトピンを収容する収容孔を伝熱ガスの経路として利用する為に、載置面の特異点を増加させることなく、伝熱ガスの供給路を確保し、冷却効率を高めることができる。

また、上記の静電チャック装置において、前記複数の収容孔のうち少なくとも一部の収容孔は、前記第１領域に配置され、前記冷却手段は、前記第１領域に配置された前記収容孔を介して前記伝熱ガスを供給してもよい。

上述の構成によれば、高い突起部を有する第１領域の収容孔から伝熱ガスを供給することで、載置面の面内に均一にガスが広がるため、載置面の温度制御が容易となる。

また、上記の静電チャック装置において、前記静電チャック部を平面視したとき、前記第２領域は前記第１領域の周囲を囲むように設けられ、前記複数の突起部は、複数の第３突起部を有し、前記複数の第３突起部の高さは、０．５μｍ以上５μｍ以下であり、且つ前記第２突起部と同じ、もしくは低く設定されており、前記複数の第３突起部が集まる第３領域は、前記静電チャック部を平面視したとき、前記第２領域の周囲を囲むように設けられていてもよい。

上述の構成によれば、第２領域の周囲に第２突起部より低い第３突起部が集まる第３領域を形成する。第３突起部が第２突起部より低いことで、第３領域を流れる伝熱ガスの流れは、分子流となる。したがって、第３領域は、ガス圧により伝熱ガスの熱伝達率を変化させることができ、板状試料の温度制御を行うことができる。
また、第３領域は、第１領域および第２領域より載置面の底面と板状試料との隙間が０．５μｍ以上５μｍ以下と狭いために、伝熱ガスが流出しにくい。このため、第１領域および第２領域に伝熱ガスが留まりやすくなり、第１領域および第２領域に十分に伝熱ガスを行き渡らせることができる。したがって、第１領域および第２領域における伝熱ガスによる冷却効果を十分に高めることができる。
また、第３領域の突起部の単位面積当たりの密度を第２領域の突起部の単位面積当たりの密度より高くする場合には、第２領域から第３領域への伝熱ガスの流出を抑えることができ、第１領域および第２領域に十分に伝熱ガスを行き渡らせることができる。したがって、第１領域および第２領域における伝熱ガスによる冷却効果を十分に高めることができる。
加えて、第３領域において、載置面の底面と板状試料との隙間から伝熱ガスが一定量だけ流出する。伝熱ガスの流出により載置面内の異物が除去され、突起部と板状試料との間に、異物が介在しにくくなる。即ち、異物により突起部と板状試料との接触が不完全となることを防止できるため、載置面全体において、接触熱伝導を安定して行い、温度の不均一化を抑制できる。

また、上記の静電チャック装置において、前記冷却手段は、１系統の配管から前記伝熱ガスを供給してもよい。

上述の構成によれば、冷却手段を１系統として、第１領域の温度に近づけるように第２領域の温度を制御できる。即ち、領域ごとの温度制御を、第１領域と第２領域とにそれぞれ伝熱ガスの経路を設けることなく、１系統のガス経路のみで行うことができる。このため、静電チャック装置のガス系統の構造を単純化してコストを低減できる。
なお、ここで１系統とは、一つの圧力制御系統を持つことを意味する。したがって、冷却手段を１系統とする場合には、複数の伝熱ガスの供給経路を有していたとしても、これらの経路中を流れる伝熱ガスのガス圧は、共通している。

また、上記の静電チャック装置は、供給する前記伝熱ガスの圧力を制御する制御部をさらに有し、前記制御部は、前記圧力を制御することで前記第２領域における熱伝達率を制御して、前記第１領域における熱伝達量と前記第２領域における熱伝達量との大小関係を変化させ、前記板状試料の温度を制御してもよい。

上述の構成によれば、第１領域と第２領域を伝熱ガスのガス圧を制御することで温度制御できる。

本発明の静電チャック装置によれば、板状試料の温度分布を均一にする静電チャック装置を提供できる。

実施形態の静電チャック装置を示す断面図である。 実施形態の静電チャック装置を示す平面図である。 実施形態の静電チャック装置の第１領域および第２領域における、伝熱ガスの圧力と伝熱ガスの熱伝達率の関係を示す図である。

以下に、本発明の一実施形態である静電チャック装置１について、図面に基づき説明する。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴部分を強調する目的で、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、同様の目的で、特徴とならない部分を省略して図示している場合がある。各図には、Ｚ軸を図示する。本明細書において、Ｚ軸は、必要に応じて載置面と直交するする方向である。また、載置面が向く方向である上面を＋Ｚ方向とする。

図１は、静電チャック装置１の断面図であり、図２は、静電チャック装置１の平面図である。なお、本実施形態において、平面視とは、静電チャック装置１の載置面１９に対向する方向から見ることを意味する。

静電チャック装置１は、セラミック焼結体を形成材料とし、一主面が板状試料Ｗを載置する載置面１９である静電チャック部２と、前記載置面に載置された前記板状試料Ｗを冷却する冷却手段６０と、を備える。また、静電チャック装置１は、冷却ベース部３と、ヒータエレメント５と、絶縁部材７と、樹脂層８と、リフトピン２５と、を有している。
静電チャック装置１は、冷却ベース部３、樹脂層８、静電チャック部２がこの順に図１の＋Ｚ方向（高さ方向）に積層された構造を有する。
以下、各部の詳細について説明する。

＜リフトピン＞
リフトピン２５は、板状試料Ｗを載置面１９から離脱させるために複数設けられている。リフトピン２５は、載置面１９から伸長し板状試料Ｗを支持する。複数のリフトピン２５は、収容孔（貫通孔）６２に収容されている。収容孔６２は、静電チャック装置１を貫通する。収容孔６２は、内周面に碍子２３が設けられている。碍子２３は、収容孔６２の冷却ベース部３を貫通する部分から樹脂層８を貫通する部分の中程に亘って設けられている。碍子２３は、リフトピン２５と冷却ベース部３とが電気的に接続されることを防止する。

リフトピン２５の下端には、リフトピン動作機構２６が設けられている。リフトピン動作機構２６は、板状試料Ｗを載置面１９から離脱させるタイミングでリフトピン２５を上方に移動させて伸長させる。

リフトピン２５の外周面と収容孔６２の内周面との間には、隙間が設けられている。後段において説明するように、収容孔６２は、冷却手段６０の一部として、貫通孔６１とともに、伝熱ガスＧを載置面１９に供給する供給路として機能する。

＜冷却手段＞
冷却手段６０は、載置面１９に伝熱ガスＧを供給する。より具体的には、突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃが形成される載置面１９の底面１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃと板状試料Ｗとの間に、伝熱ガスＧを供給する。伝熱ガスＧとしては、一例としてＨｅ等の冷却ガスを用いることができる。

冷却手段６０は、静電チャック装置１を貫通する貫通孔６１および収容孔６２と、供給管路６３と、ガス供給装置６５と、を有する。
貫通孔６１は、静電チャック装置１の下面から載置面１９に達している。貫通孔６１は、載置面１９において、第１領域ＡＲ１に開口している。本実施形態では、貫通孔６１は、載置面１９の中央に開口している。収容孔６２は、貫通孔６１の一形態であり、リフトピン２５を収納する以外の機能は貫通孔６１と同様である。

ガス供給装置６５は、供給管路６３を介して、貫通孔６１及び収容孔６２に伝熱ガスＧを供給する。ガス供給装置６５は、板状試料Ｗの面内温度に応じて、供給する伝熱ガスＧのガス圧を制御する制御部６５ａを有している。

供給管路６３は、静電チャック装置１の冷却ベース部３側の、貫通孔６１および収容孔６２の開口に接続されている。供給管路６３は、ガス供給装置６５から送られた伝熱ガスＧを貫通孔６１および収容孔６２に供給する供給路として機能する。供給管路６３は、ガス供給装置６５に接続される１本の主管路６３ａと、主管路６３ａから二股に分かれそれぞれ、貫通孔６１および収容孔６２に接続される分岐管路６３ｂを有する。貫通孔６１および収容孔６２には、一つのガス供給装置６５から供給された伝熱ガスＧが分岐して供給されるため、同じ圧力の伝熱ガスＧが供給される。

上述したように、冷却手段６０は、１系統の配管から伝熱ガスＧを供給する。１系統とは、供給する伝熱ガスＧのガス圧が１種のみ設定されていることを意味する。したがって、複数の供給路（本実施形態における複数の貫通孔６１および複数の収容孔６２）から伝熱ガスＧが供給されているとしてもこれらのガス圧は共通していることを意味する。

＜静電チャック部＞
静電チャック部２は、円板形状を有する。
静電チャック部２は、上面が半導体ウエハ等の板状試料Ｗを載置する載置面１９とされた載置板１１と、載置板１１と一体化された支持板１２と、これら載置板１１と支持板１２との間に設けられた静電吸着用内部電極１３と、支持板１２を貫通するようにして設けられ静電吸着用内部電極１３に直流電圧を印加する給電用端子１５と、を有している。

静電チャック部２の載置面１９には、板状試料Ｗを支持する複数の突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃが設けられている。突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、それぞれ載置面１９の底面１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃから上方に突出して形成されている。本実施形態において、突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、円柱形状とするが、この形状に限定されるものではない。例えば、突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、底面に向かって裾野が広がる略円錐台形状であってもよい。また、突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃの断面形状は、円形状に制限されず、矩形状、三角形状であってもよい。

複数の突起部は、複数の第１突起部３０Ａと、第１突起部３０Ａよりも低い複数の第２突起部３０Ｂと、第２突起部３０Ｂよりさらに低い第３突起部３０Ｃを有する。第１突起部３０Ａ、第２突起部３０Ｂおよび第３突起部３０Ｃの直径は、同じであっても異なっていてもよいが、それぞれ板状試料Ｗの厚みより小さいことが好ましい。

複数の第１突起部３０Ａは、載置面１９において複数の第１突起部３０Ａが集まる第１領域ＡＲ１を形成する。複数の第２突起部３０Ｂは、載置面１９において複数の第２突起部３０Ｂが集まる第２領域ＡＲ２を形成する。複数の第３突起部３０Ｃは、載置面１９において複数の第３突起部３０Ｃが集まる第３領域ＡＲ３を形成する。

載置面１９は、高さの異なる第１底面１８Ａ、第２底面１８Ｂおよび第３底面１８Ｃを有する。第１底面１８Ａは、第１領域ＡＲ１に位置し、第２底面１８Ｂは、第２領域ＡＲ２に位置し、第３底面１８Ｃは、第３領域ＡＲ３に位置する。第１底面１８Ａ、第２底面１８Ｂおよび第３底面１８Ｃは、第１突起部３０Ａ、第２突起部３０Ｂおよび第３突起部３０Ｃの高さの差分に応じて異なる高さに設けられている。したがって、第１突起部３０Ａ、第２突起部３０Ｂおよび第３突起部３０Ｃの上面は、Ｚ軸と直交する面内で一致しており、突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃはこの面内で板状試料Ｗを支持する。

冷却手段６０によって第１突起部３０Ａ、第２突起部３０Ｂおよび第３突起部３０Ｃの間には、伝熱ガスＧが供給される。
伝熱ガスＧは、第１領域ＡＲ１において、板状試料Ｗと第１底面１８Ａとの高さ方向の隙間を流れる。伝熱ガスＧは、第２領域ＡＲ２において、板状試料Ｗと第２底面１８Ｂとの高さ方向の隙間を流れる。同様に伝熱ガスＧは、第３領域ＡＲ３において、板状試料Ｗと第３底面１８Ｃとの高さ方向の隙間を流れる。

第１領域ＡＲ１において、板状試料Ｗと第１底面１８Ａとは、第１突起部３０Ａの高さだけ離間している。第１突起部３０Ａは、第１領域ＡＲ１における伝熱ガスＧの流れが粘性流が支配的となる高さに設定されている。即ち、第１突起部３０Ａの高さは、伝熱ガスＧの平均自由行程よりも長く設定されている。より具体的には、第１突起部３０Ａの高さは、２０μｍ以上８０μｍ以下である。
粘性流とは流体の流れにおいて流体を構成する分子同士の衝突が支配的となっている流れである。粘性流においては、伝熱ガスＧの熱伝達率はガス圧にほとんど依存しない。即ち、伝熱ガスＧの圧力を変えても、熱伝達率は殆ど変わらない。したがって、伝熱ガスＧのガス圧を変更した場合であっても、第１突起部３０Ａに支持される板状試料Ｗの温度状態は、ほとんど変化しない。

第２領域ＡＲ２において、板状試料Ｗと第２底面１８Ｂとは、第２突起部３０Ｂの高さだけ離間している。また、第３領域ＡＲ３において、板状試料Ｗと第３底面１８Ｃとは、第３突起部３０Ｃの高さだけ離間している。第２突起部３０Ｂおよび第３突起部３０Ｃは、第２領域ＡＲ２および第３領域ＡＲ３における伝熱ガスＧの流れが、第１領域ＡＲ１に比較して分子流が支配的となる高さに設定されている。即ち、第２突起部３０Ｂの高さは、伝熱ガスＧの平均自由行程よりも低く設定されている。より具体的には、第２突起部３０Ｂの高さは、２μｍ以上２０μｍ以下である。また、第３突起部３０Ｃの高さは、０．５μｍ以上５μｍ以下であり、且つ第２突起部３０Ｂと同じ、もしくは低く設定されている。
分子流とは、分子と壁面（本実施形態においては、載置面１９の底面１８Ｂ、１８Ｃ、又は板状試料Ｗ）との衝突が支配的となっている流れである。分子流においては、分子と壁面との衝突が支配的であるために、伝熱ガスＧの熱伝達率はガス圧と強い相関関係がある。即ち、分子流においては、ガス圧が高めることで熱伝達率を高めることができる。

第１領域ＡＲ１では、伝熱ガスＧの流れが、粘性流（が支配的）であるために、ガス圧を変えても伝熱ガスＧの熱伝達率が変わらず、板状試料Ｗの温度制御に影響を与えない。また、第２領域ＡＲ２および第３領域ＡＲ３では、伝熱ガスＧの流れが、分子流（が支配的）であるために、ガス圧を変えることで伝熱ガスＧの熱伝達率が変わり、板状試料Ｗの温度制御を行うことができる。したがって、伝熱ガスＧのガス圧を変えることで、第１領域ＡＲ１の温度制御に影響を与えることなく第２領域ＡＲ２および第３領域ＡＲ３の温度制御を行うことができる。

図２に示すように、静電チャック部２を平面視したとき、第２領域ＡＲ２は第１領域ＡＲ１の周囲を囲むように設けられていていることが好ましい。なお、図２において、突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃの図示は、省略されている。
静電チャック装置１の載置面１９に搭載された板状試料Ｗは、その周縁部に近づくほどに外部からの影響を受け、均一な温度制御が困難となる。伝熱ガスＧのガス圧によって温度を制御可能な第２領域ＡＲ２を第１領域ＡＲ１の周囲を囲むように配置することで、外部からの影響に応じて、ガス圧を制御し、第２領域ＡＲ２に載置された板状試料Ｗの温度分布を均一にすることができる。

より具体的には、第１領域ＡＲ１および第２領域ＡＲ２において載置される板状試料Ｗの温度を測定し、温度の差分に応じて、冷却手段６０の制御部６５ａにより、伝熱ガスＧのガス圧（圧力）を制御する。制御部６５ａは、ガス圧（圧力）を制御することで第２領域ＡＲ２における伝熱ガスＧの熱伝達率を制御する。これにより、第１領域ＡＲ１における熱伝達量と第２領域ＡＲ２における熱伝達量との大小関係を変化させ、前記板状試料Ｗの温度を制御する。

図３は、第１領域ＡＲ１および第２領域ＡＲ２における、伝熱ガスＧの圧力と伝熱ガスＧの熱伝達率の関係を示す図である。伝熱ガスＧの圧力を基準値ＳＰとした場合には、第１領域ＡＲ１および第２領域ＡＲ２における伝熱ガスＧの熱伝達率は、同じとなる。したがって、初期状態では、伝熱ガスＧの圧力を基準値ＳＰとする。静電チャック装置１に固定された板状試料Ｗにプラズマを照射すると、板状試料Ｗの表面温度が上昇する。ことのき、板状試料Ｗの面内で温度分布が発生する。板状試料Ｗの第２領域ＡＲ２に載置される部分の温度が第１領域ＡＲ１に載置される部分の温度より低くなった場合には、伝熱ガスＧのガス圧を低くする。これにより、第１領域ＡＲ１の冷却を相対的に強くして、載置面１９全体を均一にする。逆に、板状試料Ｗの第２領域ＡＲ２に載置される部分の温度が第１領域ＡＲ１に載置される部分の温度より高くなった場合には、伝熱ガスＧのガス圧を高くする。これにより、第２領域ＡＲ２の冷却を相対的に強くして、載置面１９全体を均一にする。

また、本実施形態において、静電チャック部２は、第１領域ＡＲ１に貫通孔６１を有し、冷却手段６０は、貫通孔６１を介して前記伝熱ガスＧを供給する。即ち、貫通孔６１は、第１領域ＡＲ１に開口し、第１領域ＡＲ１に伝熱ガスＧを供給する。第１領域ＡＲ１では、突起部３０Ａが高く載置面１９の底面１８Ａと板状試料Ｗとの隙間が大きいため伝熱ガスＧが流れやすい。第１領域ＡＲ１に伝熱ガスＧを供給することで、載置面１９の面内において各方向に伝熱ガスＧが均一に広がりやすい。したがって、伝熱ガスＧを載置面内に均一に流すことができ、面内の温度制御が容易となる。

図２に示すように、本実施形態では、第１領域ＡＲ１および第２領域ＡＲ２は、平面視で同心円状に設定されている。また、静電チャック部２は、平面視で円形を呈する前記第１領域ＡＲ１の中央に１つの貫通孔６１を有する。第１領域ＡＲ１および第２領域ＡＲ２が同心円状に設定され、貫通孔６１が載置面１９の中央に設けられているために、載置面１９の対称性が高まる。したがって、貫通孔６１から導入された伝熱ガスＧは、載置面１９の面内の径方向外側に向かって均一に広がる。これにより、伝熱ガスＧの圧力による温度制御がさらに容易となる。

本実施形態において、収容孔６２は、第１領域ＡＲ１に配置され、冷却手段６０は、第１領域ＡＲ１に配置された前記収容孔６２を介して伝熱ガスＧを供給する。上述したように、第１領域ＡＲ１に伝熱ガスＧを供給することで、載置面の面内に均一にガスが広がりやすくなり、載置面の温度制御が容易となる。

一般的に、冷却効率を高めるためには、載置面１９に対して複数の孔から伝熱ガスＧを供給することが好ましい。一方で、載置面に複数の孔を設けると、孔が載置面の特異点となるため、孔の上に位置する板状試料Ｗの温度の制御が難しくなるという問題がある。即ち、孔の上に位置する板状試料Ｗの温度が他の部分に対して、均一でなくなる虞がある。本実施形態に示す様に、リフトピン２５を収容する収容孔６２を伝熱ガスＧの経路として利用することで、載置面１９の特異点を増加させることなく、伝熱ガスＧの供給路を確保し、冷却効率を高めることができる。

また、本実施形態に示すように、載置面１９が、第３領域ＡＲ３を有する場合には、静電チャック部２を平面視したとき、第３領域ＡＲ３が、さらに第２領域ＡＲ２の周囲を囲むように設けられていることが好ましい。これにより、外部からの影響を受けやすい第３領域ＡＲ３に載置される板状試料Ｗの温度をガス圧によって制御できる。

第３領域ＡＲ３に形成される第３突起部３０Ｃは、第２突起部３０Ｂより低く、０．５μｍ以上５μｍ以下とされている。第３領域ＡＲ３では、載置面１９の底面１８Ｃと板状試料Ｗとの隙間が狭いために、伝熱ガスＧが流入しにくい。即ち、第３領域ＡＲ３は、シール部として機能する。このため、第１領域ＡＲ１および第２領域ＡＲ２に伝熱ガスＧが留まりやすくなる。即ち、第１領域ＡＲ１および第２領域ＡＲ２の板状試料Ｗと底面１８Ａ、１８Ｂとの間に十分に伝熱ガスＧを行き渡らせることができる。これにより、第１領域ＡＲ１および第２領域ＡＲ２における伝熱ガスＧによる冷却効果を十分に高めることができる。

また、本実施形態によれば、シール部としての第３領域ＡＲ３に、第３突起部３０Ｃが設けられ、第３突起部３０Ｃにより板状試料を支持する。これにより、板状試料Ｗの第３領域ＡＲ３に載置される部分と載置面１９の底面１８Ｃとの間に伝熱ガスＧを流すことができる。したがって、シール部としての第３領域ＡＲ３においても、伝熱ガスＧによる冷却を行うことができ、板状試料Ｗの周縁の温度制御を行うことができる。

第３領域ＡＲ３における第３突起部３０Ｃの単位面積当たりの密度は、第２領域ＡＲ２における第２突起部３０Ｂの単位面積当たりの密度より高くすることが好ましい。これにより、第２領域ＡＲ２から第３領域ＡＲ３への伝熱ガスＧの流出を抑えることができ、第１領域ＡＲ１および第２領域ＡＲ２に十分に伝熱ガスＧを行き渡らせることができる。したがって、第１領域ＡＲ１および第２領域ＡＲ２における伝熱ガスによる冷却効果を十分に高めることができる。

第３領域ＡＲ３において、載置面１９の底面１８Ｃと板状試料Ｗとの隙間から伝熱ガスＧが一定量だけ流出する。伝熱ガスＧの流出により載置面１９内の異物が除去され、突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃと板状試料Ｗとの間に、異物が介在しにくくなる。即ち、異物により突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃと板状試料Ｗとの接触が不完全となることを防止できるため、載置面１９全体において、接触熱伝導を安定して行い、異物に起因する温度の不均一化を抑制できる。

平面視における載置面１９の総面積に対し、平面視における突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃと板状試料Ｗとの接触面積の総和が占める比率は、０．０１％以上、２０％以下とすることが好ましい。
板状試料Ｗの温度制御は、突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃとの熱伝導と、伝熱ガスＧによる熱伝達とによって行われる。突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃと板状試料Ｗとの接触面積の総和の占める比率を載置面の総面積に対して２０％以下（より好ましくは１０％以下）とすることで、板状試料Ｗと突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃとの熱伝導の影響を小さくして、伝熱ガスＧの熱伝達の影響を相対的に大きくできる。これにより、第２領域ＡＲ２の温度制御を、伝熱ガスＧのガス圧により容易に行うことができる。
また、突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃと板状試料Ｗの総和が小さすぎる場合には、接触面積が不足して突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃと接触する板状試料Ｗが過度に変形する虞がある。突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃと板状試料Ｗとの接触面積の総和の占める比率を載置面の総面積に対して０．０１％以上とすることで、過度に板状試料Ｗを変形させることのない十分な接触面積を確保して板状試料Ｗを突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃにより支持できる。

載置板１１と支持板１２は、静電吸着用内部電極１３の周縁において一体化されている。載置板１１および支持板１２は、酸化アルミニウム−炭化ケイ素（Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＣ）複合焼結体、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）焼結体等の機械的な強度を有し、かつ腐食性ガス及びそのプラズマに対する耐久性を有する絶縁性のセラミックス焼結体からなるものである。

セラミックス焼結体中のセラミックス粒子の平均粒径は１０μｍ以下が好ましく、２μｍ以下がより好ましい。静電チャック部２の載置面１９に設けられる突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃの形成過程でサンドブラスト加工を行う。サンドブラスト工程は、載置面１９の表面にダメージを与えて、掘削する工程であるため、突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃの内部にクラックが残留する。クラックは、サンドブラスト工程の後に行われるバフ研磨によって、強制的に進行され、事前に除去される。
クラックは、セラミック焼結体中のセラミック粒子の粒界に形成される。したがって、セラミック粒子の粒径が大きい場合には、バフ研磨を経ることで、粒界に沿って大きく角部が除去される。セラミック粒子の粒径が大きくなるほど、突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃはより丸みを帯びた形状となる。突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、板状試料Ｗの吸着、離脱を繰り返すことで摩耗する。突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、摩耗しても板状試料Ｗとの接触面積が変わらないことが好ましい。したがって、突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは、高さ方向に断面積の変化がないことが好ましい。即ち、突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃは丸みを帯びていないことが好ましい。セラミックス粒子の平均粒径は１０μｍ以下（より好ましくは２μｍ以下）とすることで、高さ方向に沿った断面積の変化を抑制した突起部３０Ａ、３０Ｂ、３０Ｃを載置面１９に形成することができる。

静電吸着用内部電極１３は、電荷を発生させて静電吸着力で板状試料Ｗを固定するための静電チャック用電極として用いられるもので、その用途によって、その形状や、大きさが適宜調整される。
静電吸着用内部電極１３は、酸化アルミニウム−炭化タンタル（Ａｌ_２Ｏ_３−Ｔａ_４Ｃ_５）導電性複合焼結体、酸化アルミニウム−タングステン（Ａｌ_２Ｏ_３−Ｗ）導電性複合焼結体、酸化アルミニウム−炭化ケイ素（Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＣ）導電性複合焼結体、窒化アルミニウム−タングステン（ＡｌＮ−Ｗ）導電性複合焼結体、窒化アルミニウム−タンタル（ＡｌＮ−Ｔａ）導電性複合焼結体、酸化イットリウム−モリブデン（Ｙ_２Ｏ_３−Ｍｏ）導電性複合焼結体等の導電性セラミックス、あるいは、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）等の高融点金属により形成されている。
静電吸着用内部電極１３は、スパッタ法や蒸着法等の成膜法、あるいはスクリーン印刷法等の塗工法により形成できる。

給電用端子１５は、静電吸着用内部電極１３に直流電圧を印加するために設けられた棒状のもので、給電用端子１５の材料としては、耐熱性に優れた導電性材料であれば特に制限されるものではない。給電用端子１５は、熱膨張係数が静電吸着用内部電極１３及び支持板１２の熱膨張係数に近似したものが好ましく、例えば、静電吸着用内部電極１３を構成している導電性セラミックス、あるいは、タングステン（Ｗ）、タンタル（Ｔａ）、モリブデン（Ｍｏ）、ニオブ（Ｎｂ）、コバール合金等の金属材料が好適に用いられる。

給電用端子１５は、絶縁性を有する碍子２３により冷却ベース部３に対して絶縁されている。給電用端子１５は支持板１２に接合一体化され、さらに、載置板１１と支持板１２とは、静電吸着用内部電極１３を挟んで接合一体化されて静電チャック部２を構成している。

冷却ベース部３は、静電チャック部２を所望の温度に調整するためのもので、厚みのある円板状のものである。
冷却ベース部３としては、例えば、その内部に冷媒として水を循環させる流路（図示略）が形成された水冷ベース等が好適である。
冷却ベース部３を構成する材料としては、熱伝導性、導電性、加工性に優れた金属、またはこれらの金属を含む複合材であれば特に制限はなく、例えば、アルミニウム（Ａｌ）、アルミニウム合金、銅（Ｃｕ）、銅合金、ステンレス鋼（ＳＵＳ）等が好適に用いられる。冷却ベース部３の少なくともプラズマに曝される面は、アルマイト処理が施されているか、あるいはアルミナ等の絶縁膜が成膜されていることが好ましい。

ヒータエレメント５は、支持板１２の下面に接着材４により接着固定されている。ヒータエレメント５は、幅の狭い帯状の金属材料を蛇行させた１つの連続した帯状のヒータパターンである。帯状のヒータエレメント５の両端部には、図１に示す給電用端子２２が接続され、給電用端子２２は、絶縁性を有する碍子２３により冷却ベース部３に対して絶縁されている。

ヒータエレメント５のヒータパターンは、１つのヒータパターンにより構成してもよいが、相互に独立した２つ以上のヒータパターンにより構成してもよい。相互に独立した複数のヒータパターンを個々に制御することにより、処理中の板状試料Ｗの温度を自由に制御できる。

また、ヒータエレメント５を非磁性金属で形成すると、静電チャック装置１を高周波雰囲気中で用いてもヒータエレメント５が高周波により自己発熱せず、したがって、板状試料Ｗの面内温度を所望の一定温度または一定の温度パターンに維持することが容易となるので好ましい。

接着材６は、冷却ベース部３の上面に絶縁部材７を接着するためのもので、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の耐熱性及び絶縁性を有するシート状またはフィルム状の接着性樹脂であり、厚みは５μｍ〜１００μｍが好ましく、より好ましくは１０μｍ〜５０μｍである。

絶縁部材７は、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等の絶縁性及び耐電圧性を有するフィルム状またはシート状の樹脂であり、絶縁部材７の面内の厚みのバラツキは１０μｍ以内が好ましい。絶縁部材７の面内の厚みのバラツキが１０μｍを超えると、厚みの大小により温度分布に高低の差が生じる。その結果、絶縁部材７の厚み調整による温度制御に悪影響を及ぼすので、好ましくない。

樹脂層８は、静電チャック部２の下面と冷却ベース部３の上面との間に介在する。樹脂層８は、ヒータエレメント５が接着された静電チャック部２と冷却ベース部３とを接着一体化するとともに、熱応力の緩和作用を有する。

本実施形態の静電チャック装置１によれば、載置面１９には、高さの異なる第１突起部３０Ａと第２突起部３０Ｂと第３突起部３０Ｃにより第１領域ＡＲ１と第２領域ＡＲ２と第３領域ＡＲ３が形成されている。第１領域ＡＲ１では、伝熱ガスＧが粘性流となる。また、第２領域ＡＲ２、第３領域ＡＲ３では、伝熱ガスＧが分子流となる。伝熱ガスＧのガス圧を変えることで、第１領域ＡＲ１の温度制御に影響を与えることなく第２領域ＡＲ２の温度制御を行うことができる。

また、このような領域ごとの温度制御を、第１領域ＡＲ１と第２領域ＡＲ２とにそれぞれ伝熱ガスＧの経路を設けることなく、１系統のガス経路のみで行うことができる。このため、静電チャック装置１のガス系統の構造を単純化してコストを低減できる。また、伝熱ガスＧの圧力制御が単純化され容易となる。
なお、伝熱ガスＧの圧力による、第２領域ＡＲ２および第３領域ＡＲ３の温度制御は、第１領域ＡＲ１との温度差を抑制し面内の温度分布を均一にするものである。本実施形態の静電チャック装置１は、温度を調整する手段として、さらにヒータエレメント５および冷却ベース部３を有している。第１、第２、第３領域ＡＲ１、ＡＲ２、ＡＲ３に対する一括した温度調整は、ヒータエレメント５に流す電流調整および冷却ベース部３に流す冷媒の流量調整などにより行うことができる。

なお、本実施形態の静電チャック装置１は、ヒータエレメント５を有するが、これを有さなくても良い。静電チャック装置１に搭載されているために、板状試料Ｗにはプラズマにより常に入熱が行われている。ヒータエレメント５は、相互に独立した２つ以上のヒータパターンを面内に構成し、それぞれのヒータパターンに対する電流制御により面内の温度分布を調整する為に用いられている。本実施形態の静電チャック装置１は、伝熱ガスＧのガス圧により、面内の温度分布を均一にできる。即ち、ヒータエレメント５を用いることなく、面内の温度制御が可能であり、ヒータエレメント５を用いない構成が可能となる。ヒータエレメント５を有さない場合には、静電チャック装置１のコストを削減することができる。なお、ヒータエレメント５を有する場合には、より細かい領域に対する温度制御を行うことができる。

以上に、本発明の様々な実施形態を説明したが、各実施形態における各構成及びそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、及びその他の変更が可能である。

１…静電チャック装置、２…静電チャック部、１８Ａ、１８Ｂ、１８Ｃ…底面、１９…載置面、２５…リフトピン、２６…リフトピン動作機構、３０Ａ…第１突起部、３０Ｂ…第２突起部、３０Ｃ…第３突起部、６０…冷却手段、６１…貫通孔、６２…収容孔（貫通孔）、６３…供給管路、６５…ガス供給装置、６５ａ…制御部、ＡＲ１…第１領域、ＡＲ２…第２領域、ＡＲ３…第３領域（シール部）、Ｇ…伝熱ガス、ＳＰ…基準値、Ｗ…板状試料

Claims (12)

1. セラミック焼結体を形成材料とし、一主面が板状試料を載置する載置面である静電チャック部と、
   前記載置面に載置された前記板状試料を冷却する冷却手段と、を備え、
   前記載置面には、前記板状試料を支持する複数の突起部が設けられ、
   前記冷却手段は、前記複数の突起部の間に伝熱ガスを供給し、
   前記複数の突起部は、複数の第１突起部と、前記第１突起部よりも低い複数の第２突起部と、を有し、
   前記複数の第１突起部は、前記載置面において前記複数の第１突起部が集まる第１領域を形成し、前記第１領域における前記伝熱ガスの流れは、粘性流が支配的となる高さに設定され、
   前記複数の第２突起部は、前記載置面において前記複数の第２突起部が集まる第２領域を形成し、前記第２領域における前記伝熱ガスの流れは、前記第１領域に比較して分子流が支配的となる高さに設定されている静電チャック装置。
2. 前記複数の第２突起部の高さは、２μｍ以上２０μｍ以下である請求項１に記載の静電チャック装置。
3. 前記複数の第１突起部の高さは、２０μｍ以上８０μｍ以下である請求項１または２に記載の静電チャック装置。
4. 平面視における前記載置面の総面積に対し、平面視における前記突起部と前記板状試料との接触面積の総和が占める比率を０．０１％以上、２０％以下とする請求項１から３のいずれか１項に記載の静電チャック装置。
5. 前記静電チャック部を平面視したとき、前記第２領域は前記第１領域の周囲を囲むように設けられている請求項１から４のいずれか１項に記載の静電チャック装置。
6. 前記第１領域および前記第２領域は、平面視で同心円状に設定され、
   前記静電チャック部は、平面視で円形を呈する前記第１領域の中央に１つの貫通孔を有し、
   前記冷却手段は、前記貫通孔を介して前記伝熱ガスを供給する請求項５に記載の静電チャック装置。
7. 前記静電チャック部は、前記第１領域に貫通孔を有し、
   前記冷却手段は、前記貫通孔を介して前記伝熱ガスを供給する請求項１から５のいずれか１項に記載の静電チャック装置。
8. 前記静電チャック部は、前記載置面から伸長し前記板状試料を支持する複数のリフトピンと、
   前記複数のリフトピンをそれぞれ収容する複数の収容孔と、を有し、
   前記冷却手段は、前記収容孔を介して前記伝熱ガスを供給する請求項１から７のいずれか１項に記載の静電チャック装置。
9. 前記複数の収容孔のうち少なくとも一部の収容孔は、前記第１領域に配置され、
   前記冷却手段は、前記第１領域に配置された前記収容孔を介して前記伝熱ガスを供給する請求項８に記載の静電チャック装置。
10. 前記静電チャック部を平面視したとき、前記第２領域は前記第１領域の周囲を囲むように設けられ、
    前記複数の突起部は、複数の第３突起部を有し、
    前記複数の第３突起部の高さは、０．５μｍ以上５μｍ以下であり、且つ前記第２突起部と同じ、もしくは低く設定されており、
    前記複数の第３突起部が集まる第３領域は、前記静電チャック部を平面視したとき、前記第２領域の周囲を囲むように設けられている請求項１から９のいずれか１項に記載の静電チャック装置。
11. 前記冷却手段は、１系統の配管から前記伝熱ガスを供給する請求項１から１０のいずれか１項に記載の静電チャック装置。
12. 供給する前記伝熱ガスの圧力を制御する制御部をさらに有し、
    前記制御部は、前記圧力を制御することで前記第２領域における熱伝達率を制御して、前記第１領域における熱伝達量と前記第２領域における熱伝達量との大小関係を変化させ、前記板状試料の温度を制御する請求項１から１１のいずれか１項に記載の静電チャック装置。

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