JP2022500846A - 静電チャック - Google Patents

Abstract

この開示は、静電チャックを提供し、中に加熱エレメント（７）が備えられた熱伝導層（５）と；熱伝導層（５）の下側に配置される断熱層グループ（８）であって、その断熱層グループ（８）のボトムの温度を設定範囲内にコントロールする断熱層グループ（８）と；を含み、断熱層グループ（８）と熱伝導層（５）が、一体に接続されることによってシールされる。静電チャックの最高温度を高くすることが可能であり、高温における静電チャックの負圧シールを確保することが可能であり、かつこの静電チャックは、下側電極構造と調和することが可能である。

Description

この開示は、半導体製造の分野、特に静電チャックに関する。

静電チャック（ＥＳＣ）は、集積回路（ＩＣ）、特に、プラズマ・エッチング（ＥＴＣＨ）、物理蒸着（ＰＶＤ）、化学蒸着（ＣＶＤ）、およびこれらの類の製造プロセスに広く応用されている。ＥＳＣは、反応チャンバ内のウェファの固定に使用され、また、ウェファに対する直流バイアスの印加、ウェファ温度のコントロール、またはこれらの類のために使用することも可能である。

図１に示されているとおり、静電チャックは、通常、断熱層１、直流電極層２、およびベース３を含む。現時点においては、断熱層１がセラミック材料（Ａｌ_２Ｏ_３）から作られている。直流電極層２は、焼結処理または溶射処理によって断熱層１内に埋められ、ウェファが固定されるように、ウェファのための静電引力を生成するべく構成される。ベース３は、断熱層１を支持するべく構成され、それの中に、熱伝導を用いてウェファの温度がコントロールされることが可能となるように、熱交換媒体が通ることを可能にするチャンネル４を備える。

しかしながら、上記の静電チャックは、特定の（２２０℃より下の）温度範囲内においてのみ使用が可能であり、その範囲を超えて使用すると以下の問題を生じることになる：
第一は、断熱層１およびベース３がシリコン接着剤を用いて互いに接合されているが、シリコン接着剤は、それの特性に起因して（２００℃を超える）高温において弱り、したがって、負圧シール機能を行うことが不可能になり、最終的に静電チャックの能力を失うことであり；
第二は、現時点において、一般に、熱交換媒体として高温循環槽オイルが使用されており、それが２２０℃の高さの温度まで届く可能性があり、その種の高温が、ベース３にとって（１５０℃を超える）高すぎる温度を導くおそれがあり、その結果、ベース３のボトムに配置され、それと接している下側電極システムが耐えることができないその高すぎる温度に起因して損傷することであり；
第三は、ＧａＮエッチング等の特定のプロセスの場合に、ＧａＮエッチング結果のリペアを容易にし、かつデバイスのパフォーマンスを向上させるために３００℃を超える高温のエッチング条件を満たす必要があることである。しかしながら、上記の静電チャックは、その種の高温に届くことが不可能であり、したがって、いくつかの特定のプロセスの要件を満たすことが可能でない。

この開示は、既存の技術における技術的問題の少なくとも１つを解決することをねらいとし、高められた最高温度を有し、高温において信頼性のある負圧シールを達成し、かつ下側電極構造との調和が可能な静電チャックを提供する。

上記のこの開示の目的を達成するために静電チャックが提供され：ウェファを担持するべく構成され、かつ中に加熱エレメントが備えられた熱伝導層と、熱伝導層の下側に配置される断熱層グループであって、当該断熱層グループのボトムの温度を設定範囲内にコントロールするべく構成された断熱層グループと、を含み、断熱層グループと熱伝導層は、一体に接続されることによってシールされる。

オプションにおいては、断熱層グループが、熱伝導率の降順で順次トップからボトムへ配される少なくとも２つの断熱層を含み；最上位の断熱層と熱伝導層が、一体に接続されることによってシールされる。

オプションにおいては、熱伝導層の熱伝導率が、１３０ｗ／（ｍ・ｋ）から１７０ｗ／（ｍ・ｋ）までの範囲に入り；最上位の断熱層熱伝導率が、７０ｗ／（ｍ・ｋ）から９０ｗ／（ｍ・ｋ）までの範囲に入る。

オプションにおいては、熱伝導層の材料が、窒化アルミニウムを含む。

オプションにおいては、最上位の断熱層の材料が、窒化アルミニウムを含み；熱伝導層および／または最上位の断熱層が、最上位の断熱層の熱伝導率が７０ｗ／（ｍ・ｋ）となり、かつ熱伝導層の熱伝導率が１４０ｗ／（ｍ・ｋ）となるように、あらかじめ決定済みの比率において少なくとも１つのトレース・エレメントを用いてドープされる。

オプションにおいては、一体に接続する方法が、焼結を含む。

オプションにおいては、断熱層グループが、２つの断熱層を含み、下側の断熱層の熱伝導率が、１．５ｗ／（ｍ・ｋ）である。

オプションにおいては、下側断熱層の材料が、石英を含む。

オプションにおいては、２つの隣接する断熱層が、ファスナによって固定的に接続され、それらの間の全フッ素置換されたシーリング・リングによって互いにシールされる。

オプションにおいては、熱伝導層が、さらに、ウェファのための静電引力を生成するべく構成された直流電極をそれの中に備え、その直流電極の上側表面と熱伝導層の担持表面の間の距離が１．５ｍｍである。

オプションにおいては、熱伝導層が、さらに、無線周波数電圧および直流電圧を同時に印加するために使用される無線周波数電極をそれの中に備え、その無線周波数電極の上側表面と熱伝導層の担持表面の間の距離が１．５ｍｍである。

オプションにおいては、無線周波数電極が、メッシュ構造に作られ；その無線周波数電極の厚さが、０．２ｍｍから０．４ｍｍまでの範囲に入る。

オプションにおいては、加熱エレメントが加熱電極であり、その加熱電極の上側表面と熱伝導層の担持表面の間の距離が、３ｍｍである。

加熱電極は、シート構造に作られ；その加熱電極の厚さは、０．１ｍｍから０．３ｍｍまでの範囲に入る。

この開示は、以下の有益な効果を有する。

この開示によって提供される静電チャックによれば、熱伝導層の内側に加熱エレメントを配置し、熱伝導層を通じて熱をウェファへ伝達することによって静電チャックの最高温度を事実上（たとえば、３００℃より上まで）高めることが可能であり、それによって、いくつかの特定のプロセスの要件を満たし；その一方においては、断熱層グループを熱伝導層の下側に配置し、断熱層グループのボトムの温度を設定範囲内に（たとえば、１５０℃より下に）コントロールすることによって、高温に起因する下側電極システムの損傷を防止することが可能であり、その結果、静電チャックと下側電極システムが互いに調和することが可能になり；それに加えて、断熱層グループと熱伝導層を一体化された態様でシールする（すなわち、断熱層グループと熱伝導層とを接続して一体に形成する）ことによって、高温における静電チャックの負圧シールの確保が可能になり、かつ高温に起因してシールが弱る問題を回避することが可能になる。

従来の静電チャックの構造図である。 この開示の実施態様に従った静電チャックの断面図である。

この分野の当業者が、この開示の技術的解決策をより良好に理解することを可能にするために、この開示によって提供される静電チャックを、次に、添付図面を参照して詳細に説明する。

図２を参照すると、この開示の実施態様によれば、静電チャックが、熱伝導層５および断熱層グループ８を含む。熱伝導層５は、ウェファを担持するための担持表面を含む。オプションにおいては、熱伝導層５の上側表面に、熱伝導層５上におけるウェファの位置を画定するウェファ凹部５１が形成されており、ウェファ凹部５１のボトム表面が、ウェファを担持するために使用される担持表面である。加熱電極等の加熱エレメント７が、熱伝導層５の内側に配置されており、電力がオンのときに熱を発生することが可能であり、その熱は、熱伝導層５を通じてウェファへ伝達される。したがって、静電チャックの最高温度を事実上（たとえば、３００℃より上まで）高めて、いくつかの特定のプロセスの要件を満たすことが可能である。

実施態様においては、熱伝導層が、さらに、ウェファのための静電引力を生成し、それによってウェファを固定するべく構成された直流電極６をそれの中に備える。

オプションにおいては、静電チャックのボトムに配置される下側電極システムを、ウェファに対して無線周波数バイアスを印加するべく構成し得る。具体的には、下側電極システムが、静電チャックを担持するためのベースを含み、無線周波数電力が、そのベースに印加されて無線周波数エネルギを導入する。しかしながら、この開示がそれに限定されることはない。実用的な応用においては、無線周波数電圧および直流電圧を同時に印加するために使用される無線周波数電極を、直流電極６との置き換えで熱伝導層５の内側に配置してもよい。無線周波数電圧および直流電圧を無線周波数電極に対して同時に印加することによって、静電引力および無線周波数エネルギの導入もまた同時に達成することが可能になる。この方法においては、下側電極システムの構造を単純化することが可能である。それに加えて、無線周波数電極層を熱伝導層５の内側に焼結により配置することによって、ウェファと垂直な方向におけるウェファに対する部分的な圧力を増加させることが可能になり、その結果、ウェファを照射するプラズマのケイパビリティを強化し、それによってエッチング効率を高めることが可能である。

オプションにおいては、直流電極６（または、無線周波数電極）の上側表面と、ウェファを担持するために使用される熱伝導層５の担持表面の間の距離が、１．５ｍｍである。その種の距離は、直流電極６とウェファの間に発生する静電引力によってウェファが堅固に熱伝導層５上に固定されることを確保できる。

オプションにおいては、無線周波数エネルギを均等に導入し、プロセスの一様性が向上するように、無線周波数電極が、メッシュ構造に作られる。

オプションにおいては、直流電極６が、Ｍｏ等の導電材料から作られる。直流電極６の厚さは、０．２ｍｍから０．４ｍｍまでの範囲に入る。

オプションにおいては、加熱エレメント７が、Ｍｏ等の導電材料から作られる。加熱電極７の厚さは、０．１ｍｍから０．３ｍｍまでの範囲に入る。

オプションにおいては、加熱エレメント７が加熱電極であり、その加熱電極の上側表面と、ウェファの担持のために使用される熱伝導層５の担持表面の間の距離が３ｍｍである。その種の距離は、加熱効率を保証することが可能である。

オプションにおいては、加熱電極がシート構造に作られ、シート構造が、熱伝導性の向上を促進し、それによって加熱効率を増加する。オプションにおいては、加熱電極の厚さが０．１ｍｍから０．３ｍｍまでの範囲に入る。その種の厚さ範囲は、熱伝導性の改善に有益であり、その結果、３２０℃から３３０℃までの範囲に入る温度に届くことが可能になる。

断熱層グループ８は、熱伝導層５の下側に配置されて断熱層グループ８のボトムの温度を設定範囲内にコントロールする；それに加えて、断熱層グループ８および熱伝導層５は、たとえば焼結によって、一体化された態様でシールされる（すなわち、一体に接続される）。断熱層グループ８を熱伝導層５の下側に配置し、断熱層グループ８のボトムの温度を設定範囲内に（たとえば、１５０℃より下に）コントロールすることによって、高温に起因する下側電極システムの損傷を防止することが可能であり、その結果、静電チャックと下側電極システムが互いに調和することが可能になる。それに加えて、断熱層グループ８と熱伝導層５とを接続して一体に形成し、それらのシールを実現することによって、高温における静電チャックの負圧シールの確保が可能になり、接着剤およびシーリング・リング等のシール構造によってもたらされる高温における限界の回避が可能になり、その結果、（３００℃を超える）高温において静電チャックが機能することが可能になる；その一方、断熱層グループ８と熱伝導層５の異なる熱膨張度によってもたらされるシールが弱る問題の完全な解決が可能になる。

具体的には、断熱層グループ８が、少なくとも２つの断熱層を含み、それらが、熱伝導率の降順で順次トップからボトムへ配される。したがって、断熱層の温度が、トップからボトムへ漸進的に低下することが可能であり、その結果、最下位の断熱層のボトムの温度を設定範囲内に（たとえば、１５０℃より下に）コントロールすることが可能になる。それに加えて、最上位の断熱層および熱伝導層５が、一体に接続されることによってシールされ、その結果、高温における静電チャックの負圧シールを確保することが可能になる。一体に接続する方法は、たとえば、焼結である。

実施態様においては、上側の第１の断熱層８１および下側の第２の断熱層８２を含む２つの断熱層が提供される。実用的な応用においては、これらの断熱層を、必要に応じて、単一の断熱層、または３、４、またはそれより多くの、漸進的に熱伝導率が変化する断熱層等として設計してもよい。

断熱を確保するためには、すべての断熱層の熱伝導率が、熱伝導層５の熱伝導率より低くなければならないことは容易に理解される。オプションにおいては、熱伝導層５の熱伝導率が１３０ｗ／（ｍ・ｋ）から１７０ｗ／（ｍ・ｋ）までの範囲に入り、第１の断熱層８１の熱伝導率が７０ｗ／（ｍ・ｋ）から９０ｗ／（ｍ・ｋ）までの範囲に入る。これらの範囲は、第１の断熱層８１の温度が熱伝導層５の温度と比較すると低くなるような、有効な断熱効果を保証することが可能である。

好ましくは、熱伝導層５の材料が、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を含む。窒化アルミニウムは、共有結合性化合物であり、絶縁体であり、かつ原子結晶であり、かつダイアモンド窒化物に属する。ダイアモンド窒化物の多結晶材料の熱伝導率は、７０ｗ／（ｍ・ｋ）から２１０ｗ／（ｍ・ｋ）までの範囲に入り、ダイアモンド窒化物の単結晶の熱伝導率は、２７５ｗ／（ｍ・ｋ）の高さまで至ることが可能である。したがって、窒化アルミニウムは、良好な熱伝達キャパシティを有する。窒化アルミニウムから作られる熱伝導層５を用いれば、静電チャックの最高温度を事実上（たとえば、３００℃より上まで）高めて、それによっていくつかの特定のプロセスの要件を満たすことが可能である。

実施態様においては、熱伝導層５の材料および第１の断熱層８１の材料が、両方ともに窒化アルミニウムを含み；第１の断熱層８１の熱伝導率が熱伝導層５のそれより低くなるように、熱伝導層５および／または第１の断熱層８１が、あらかじめ決定済みの比率において少なくとも１つのトレース・エレメントを伴ってドープされる。オプションにおいては、熱伝導層５の熱伝導率が、１４０ｗ／（ｍ・ｋ）であり；第１の断熱層８１の熱伝導率が、７０ｗ／（ｍ・ｋ）である。

第２の断熱層８２は、第１の断熱層８１の下に配置され、第１の断熱層８１より低い熱伝導率を有する。この方法においては、第１の断熱層８１の温度と比較すると第２の断熱層８２の温度がさらに低下し、たとえば、第２の断熱層８２のボトムの温度が１５０℃を下回る。第２の断熱層８２のボトムの温度を１５０℃より下にコントロールすることによって、高温に起因する下側電極システムの損傷を事実上防止することが可能であり、その結果、静電チャックと下側電極システムが互いに調和することが可能になる。

オプションにおいては、第２の断熱層８２の熱伝導率が１．５ｗ／（ｍ・ｋ）であり、それにより第２の断熱層８２のボトムの温度を１５０℃より下にすることができる。好ましくは、第２の断熱層８２の材料が石英を含む。

オプションにおいては、２つの隣接する断熱層が、ファスナによって固定的に接続され、全フッ素置換されたシーリング・リングによって互いにシールされる。たとえば、実施態様においては、第１の断熱層８１および第２の断熱層８２が、ファスナ１１によって固定的に接続され、シーリング・リング１０が、第１の断熱層８１と第２の断熱層８２の間に提供されて、それらの間のギャップをシールし、かつ中心孔１１をシールする。オプションにおいては、シーリング・リング１０が、全フッ素置換されたシーリング・リング等の高温耐性のあるシーリング・リングである。中心孔１１は、直流電極６および加熱電極７のワイヤを引き出すために構成される。

要約すれば、この開示によって提供される静電チャックについては、熱伝導層の内側に加熱エレメントを配置し、熱伝導層を通じて熱をウェファへ伝達することによって静電チャックの最高温度を事実上（たとえば、３００℃より上まで）高めることが可能であり、それによって、いくつかの特定のプロセスの要件が満たされ；その一方においては、断熱層グループを熱伝導層の下側に配置し、断熱層グループのボトムの温度を設定範囲内に（たとえば、１５０℃より下に）コントロールすることによって、高温に起因する下側電極システムの損傷を防止することが可能であり、その結果、静電チャックと下側電極システムを互いに調和させることが可能になり；それに加えて、断熱層グループと熱伝導層とを接続して一体に形成して、それらのシールを実現することによって、高温における静電チャックの負圧シールの確保が可能になり、かつ高温に起因してシールが弱る問題を回避することが可能になる。

理解されるものとするが、上記の実施態様は、この開示の原理を例証するべく採用された例示的な実施態様に過ぎず、この開示がそれに限定されることはない。この開示の精神ならびに本質からの逸脱を伴うことなく、この分野の当業者には、多様な修正および改良を行うことが可能となろうが、それらの修正および改良もまた、この開示の範囲内に入ると見做されるものとする。

１ 断熱層
２ 直流電極層
３ ベース
４ チャンネル
５ 熱伝導層
６ 直流電極
７ 加熱エレメント、加熱電極
８ 断熱層グループ
１０ シーリング・リング
１１ ファスナ、中心孔
５１ ウェファ凹部
８１ 第１の断熱層
８２ 第２の断熱層

Claims (14)

1. 静電チャックであって、
   ウェファを担持するべく構成され、かつ中に加熱エレメントが備えられた熱伝導層と、
   前記熱伝導層の下側に配置される断熱層グループであって、前記断熱層グループのボトムの温度を設定範囲内にコントロールするべく構成された断熱層グループと、
   を包含し、それにおいて、前記断熱層グループと前記熱伝導層は、一体に接続されることによってシールされる、静電チャック。
2. 前記断熱層グループは、熱伝導率の降順で順次トップからボトムへ配される少なくとも２つの断熱層を包含し；前記少なくとも２つの断熱層のうちの最上位の断熱層と前記熱伝導層が一体に接続されることによってシールされる、
   請求項１に記載の静電チャック。
3. 前記熱伝導層の熱伝導率は、１３０ｗ／（ｍ・ｋ）から１７０ｗ／（ｍ・ｋ）までの範囲に入り；前記最上位の断熱層熱伝導率が、７０ｗ／（ｍ・ｋ）から９０ｗ／（ｍ・ｋ）までの範囲に入る、
   請求項２に記載の静電チャック。
4. 前記熱伝導層の材料は、窒化アルミニウムを包含する、請求項３に記載の静電チャック。
5. 前記最上位の断熱層の材料は、窒化アルミニウムを包含し；前記熱伝導層および前記最上位の断熱層のうちの少なくとも１つは、前記最上位の断熱層の熱伝導率が７０ｗ／（ｍ・ｋ）となり、かつ前記熱伝導層の熱伝導率が１４０ｗ／（ｍ・ｋ）となるように、あらかじめ決定済みの比率において少なくとも１つのトレース・エレメントを用いてドープされる、請求項４に記載の静電チャック。
6. 前記一体に接続される方法は、焼結を包含する、請求項１から５のいずれか１項に記載の静電チャック。
7. 前記断熱層グループは、２つの断熱層を包含し、前記２つの断熱層のうちの下側断熱層の熱伝導率は、１．５ｗ／（ｍ・ｋ）である、請求項２から５のいずれか１項に記載の静電チャック。
8. 前記下側断熱層の材料は、石英を包含する、請求項７に記載の静電チャック。
9. 前記少なくとも２つの断熱層のうちの２つの隣接する断熱層は、ファスナによって固定的に接続され、それらの間の全フッ素置換されたシーリング・リングによって互いにシールされる、請求項２に記載の静電チャック。
10. 前記熱伝導層は、さらに、ウェファのための静電引力を生成するべく構成された直流電極をそれの中に備え、前記直流電極の上側表面と前記熱伝導層の担持表面の間の距離は、１．５ｍｍである、請求項１に記載の静電チャック。
11. 前記熱伝導層は、さらに、無線周波数電圧および直流電圧を同時に印加するために使用される無線周波数電極をそれの中に備え、前記無線周波数電極の上側表面と前記熱伝導層の担持表面の間の距離は、１．５ｍｍである、請求項１に記載の静電チャック。
12. 前記無線周波数電極は、メッシュ構造に作られ；前記無線周波数電極の厚さが、０．２ｍｍから０．４ｍｍまでの範囲に入る、請求項１１に記載の静電チャック。
13. 前記加熱エレメントは、加熱電極であり、前記加熱電極の上側表面と前記熱伝導層の前記担持表面の間の距離は、３ｍｍである、請求項１０または１１に記載の静電チャック。
14. 前記加熱電極は、シート構造に作られ；前記加熱電極の厚さは、０．１ｍｍから０．３ｍｍまでの範囲に入る、請求項１３に記載の静電チャック。

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