JP2023021622A - 静電チャック、基板固定装置 - Google Patents

静電チャック、基板固定装置 Download PDF

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Abstract

【課題】異常放電の発生をさらに抑制する静電チャック及び基板固定装置を提供する。【解決手段】基板固定装置１において、静電チャック３０は、一方の面が吸着対象物の載置面である基体３１と、基体を貫通する貫通孔であるガス孔３３と、を備える。貫通孔には、角状セラミック粒子を含む多孔質体６０が配置されている。基体と角状セラミック粒子は、同一の酸化物セラミックスを含む。酸化物セラミックスは、アルミナである。さらに、基体と多孔質体は、同一の２種以上の元素の酸化物を含み、基体内の酸化物の組成比は、多孔質体の内の酸化物の組成比と同じに設定される。【選択図】図１

Description

本発明は、静電チャック、基板固定装置に関する。
従来、ＩＣやＬＳＩ等の半導体装置を製造する際に使用される成膜装置（例えば、ＣＶＤ装置やＰＶＤ装置等）やプラズマエッチング装置は、ウェハを真空の処理室内に精度良く保持するためのステージを有する。
このようなステージとして、例えば、ベースプレートに搭載された静電チャックにより、吸着対象物であるウェハを吸着保持する基板固定装置が提案されている。基板固定装置の一例として、ウェハを冷却するためのガス供給部を設けた構造のものが挙げられる。ガスは、例えば、ベースプレート内部のガス流路と、静電チャックに設けられた球状セラミック粒子を含む多孔質体や貫通孔を介して、静電チャックの表面に供給される。
特開２０１７－２１８３５２号公報
ところで、静電チャックを有する基板固定装置をプラズマエッチング装置に用いる場合、ウェハのエッチング処理中に静電チャックで異常放電が発生し、ウェハやプラズマエッチング装置自身を破壊する問題がある。
異常放電対策として、上記のような球状セラミック粒子を含む多孔質体を設けることも有効ではあるが、ガス孔内に生じる空隙全体の体積を十分に小さくできないため、さらなる改善が求められている。
本発明は、上記の点に鑑みてなされたものであり、静電チャックにおいて、異常放電の発生をさらに抑制することを課題とする。
本静電チャックは、一方の面が吸着対象物の載置面である基体と、前記基体を貫通する貫通孔と、を備え、前記貫通孔に、角状セラミック粒子を含む多孔質体が配置されている。
開示の技術によれば、静電チャックにおいて、異常放電の発生をさらに抑制できる。
本実施形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する断面図である。 角状セラミック粒子の一例である粗粒アルミナのＳＥＭ写真である。 本実施形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図（その１）である。 本実施形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図（その２）である。 球状セラミック粒子と角状セラミック粒子を比較するＳＥＭ写真である。 ガス孔の直径とガス流量との関係を調べた実験結果である。
以下、図面を参照して発明を実施するための形態について説明する。なお、各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
図１は、本実施形態に係る基板固定装置を簡略化して例示する断面図である。図１を参照すると、基板固定装置１は、主要な構成要素として、ベースプレート１０と、接着層２０と、静電チャック３０とを有している。
ベースプレート１０は、静電チャック３０を搭載するための部材である。ベースプレート１０の厚さは、例えば、２０～４０ｍｍ程度である。ベースプレート１０は、例えば、アルミニウムから形成され、プラズマを制御するための電極等として利用できる。ベースプレート１０に所定の高周波電力を給電することで、発生したプラズマ状態にあるイオン等を静電チャック３０上に吸着されたウェハに衝突させるためのエネルギーを制御し、エッチング処理を効果的に行うことができる。
ベースプレート１０の内部には、静電チャック３０に吸着保持されるウェハを冷却するガスを供給するガス供給部１１が設けられている。ガス供給部１１は、ガス流路１１１と、ガス注入部１１２と、ガス排出部１１３とを備えている。
ガス流路１１１は、例えば、ベースプレート１０の内部に環状に形成された孔である。ガス注入部１１２は、一端がガス流路１１１に連通し、他端がベースプレート１０の下面１０ｂから外部に露出する孔であり、基板固定装置１の外部からガス流路１１１に不活性ガス（例えば、ＨｅやＡｒ等）を導入する。ガス排出部１１３は、一端がガス流路１１１に連通し、他端がベースプレート１０の上面１０ａから外部に露出して接着層２０を貫通する孔であり、ガス流路１１１に導入された不活性ガスを排出する。ガス排出部１１３は、平面視において、ベースプレート１０の上面１０ａに点在している。ガス排出部１１３の個数は、必要に応じて適宜決定できるが、例えば、数１０個～数１００個程度である。
なお、平面視とは対象物を基体３１の載置面３１ａの法線方向から視ることを指し、平面形状とは対象物を基体３１の載置面３１ａの法線方向から視た形状を指すものとする。
ベースプレート１０の内部には、例えば、冷却機構１５が設けられている。冷却機構１５は冷媒流路１５１と、冷媒導入部１５２と、冷媒排出部１５３とを備えている。冷媒流路１５１は、例えば、ベースプレート１０の内部に環状に形成された孔である。冷媒導入部１５２は、一端が冷媒流路１５１に連通し、他端がベースプレート１０の下面１０ｂから外部に露出する孔であり、基板固定装置１の外部から冷媒流路１５１に冷媒（例えば、冷却水やガルデン等）を導入する。冷媒排出部１５３は、一端が冷媒流路１５１に連通し、他端がベースプレート１０の下面１０ｂから外部に露出する孔であり、冷媒流路１５１に導入された冷媒を排出する。
冷却機構１５は、基板固定装置１の外部に設けられた冷媒制御装置（図示せず）に接続される。冷媒制御装置（図示せず）は、冷媒導入部１５２から冷媒流路１５１に冷媒を導入し、冷媒排出部１５３から冷媒を排出する。冷却機構１５に冷媒を循環させベースプレート１０を冷却することで、静電チャック３０上に吸着されたウェハを冷却できる。
静電チャック３０は、吸着対象物であるウェハを吸着保持する部分である。静電チャック３０の平面形状は、例えば、円形である。静電チャック３０の吸着対象物であるウェハの直径は、例えば、８、１２、又は１８インチである。
静電チャック３０は、接着層２０を介して、ベースプレート１０の上面１０ａに設けられている。接着層２０は、例えば、シリコーン系接着剤である。接着層２０の厚さは、例えば、０．１～１．０ｍｍ程度である。接着層２０は、ベースプレート１０と静電チャック３０を接着すると共に、セラミックス製の静電チャック３０とアルミニウム製のベースプレート１０との熱膨張率の差から生じるストレスを低減させる効果を有する。
静電チャック３０は、基体３１と、静電電極３２とを有している。基体３１の上面は、吸着対象物の載置面３１ａである。静電チャック３０は、例えば、ジョンセン・ラーベック型静電チャックである。但し、静電チャック３０は、クーロン力型静電チャックであってもよい。
基体３１は誘電体であり、基体３１としては、例えば、酸化アルミニウム（Ａｌ２Ｏ３）や窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックスを用いる。基体３１は、助剤として、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びイットリウム（Ｙ）から選択される２種以上の元素の酸化物を含んでもよい。基体３１の厚さは、例えば、５～１０ｍｍ程度、基体３１の比誘電率（１ｋＨｚ）は、例えば、９～１０程度である。
静電電極３２は、薄膜電極であり、基体３１に内蔵されている。静電電極３２は、基板固定装置１の外部に設けられた電源に接続され、電源から所定の電圧が印加されると、ウェハとの間に静電気による吸着力を発生させる。これにより、静電チャック３０の基体３１の載置面３１ａ上にウェハを吸着保持できる。吸着保持力は、静電電極３２に印加される電圧が高いほど強くなる。静電電極３２は、単極形状でも、双極形状でも構わない。静電電極３２の材料としては、例えば、タングステン、モリブデン等を用いる。
基体３１の内部に、基板固定装置１の外部から電圧を印加することで発熱し、基体３１の載置面３１ａが所定の温度となるように加熱する発熱体を設けてもよい。
基体３１の各ガス排出部１１３に対応する位置には、基体３１を貫通してガス排出部１１３の他端を露出する貫通孔であるガス孔３３が設けられている。ガス孔３３は、ガス供給部１１と連通するため、ガス供給部１１及びガス孔３３を介して、載置面３１ａにガスが供給される。ガス孔３３に、多孔質体６０が配置されている。多孔質体６０は、複数の角状セラミック粒子と、複数の角状セラミック粒子を結着して一体化する混合酸化物とを含む。
図２は、角状セラミック粒子の一例である粗粒アルミナのＳＥＭ写真である。図２に示すように、角状セラミック粒子は、球状セラミック粒子とは異なり、少なくとも１つの角部を有し、全体的に角ばった形状の多面体である。角状セラミック粒子としては、例えば半導体装置の製造工程で研磨剤として用いられる材料で適度な粒度分布を有するもの等を使用できる。角状セラミック粒子の好ましい例は粗粒アルミナであるが、粗粒アルミナの他に、二酸化ジルコニウム（ＺｒＯ２）や炭化ケイ素（ＳｉＣ）のような高融点の無機材料等を用いることもできる。
角状セラミック粒子の粒子サイズは、１０μｍ以上１００μｍ以下であることが好ましく、１０μｍ以上５０μｍ以下であることがより好ましい。図２の例では、角状セラミック粒子の平均粒子サイズは３０μｍ程度である。ここで、角状セラミックの粒子サイズとは、対象となる粒子の最も長い部分の長さを指す。角状セラミック粒子は、８０重量％以上９７重量％以下の重量比で多孔質体６０内に含有されていることが好ましい。
混合酸化物は、複数の角状セラミック粒子の外面の一部に固着してそれらを支持している。混合酸化物は、例えば、ケイ素（Ｓｉ）、マグネシウム（Ｍｇ）、カルシウム（Ｃａ）、アルミニウム（Ａｌ）、及びイットリウム（Ｙ）から選択される２種以上の元素の酸化物から形成される。
多孔質体６０の内部には気孔が形成されている。気孔は、多孔質体６０の下側から上側に向けてガスが通過できるように外部と連通している。多孔質体６０の中に形成される気孔の気孔率は、多孔質体６０の全体の体積の２０％～５０％の範囲であることが好ましい。気孔の内面には、角状セラミック粒子の外面の一部と混合酸化物とが露出している。
なお、基体３１が酸化アルミニウムから形成される場合、基体３１は他の成分として、ケイ素、マグネシウム、カルシウム、及びイットリウムから選択される２種以上の元素の酸化物を含有していることが好ましい。そして、基体３１内のケイ素、マグネシウム、カルシウム、及びイットリウムから選択される２種以上の元素の酸化物の組成比は、多孔質体６０の混合酸化物内のケイ素、マグネシウム、カルシウム、及びイットリウムから選択される２種以上の元素の酸化物の組成比と同じに設定されることが好ましい。
このように、基体３１と多孔質体６０の混合酸化物との間で酸化物の組成比を同じにすることにより、多孔質体６０を焼結する際に相互間で物質移動が発生しないため、基体３１と多孔質体６０との界面の平坦性を確保できる。基体３１と多孔質体６０の熱膨張係数が同程度になるため、応力による破壊等を防止できる。
［基板固定装置の製造方法］
図３及び図４は、本実施形態に係る基板固定装置の製造工程を例示する図であり、図１に示す基体３１等を簡略化して示している。ここでは、図３及び図４を参照しながら、静電チャック３０にガス孔３３及び多孔質体６０を形成する工程等を中心に説明する。
まず、図３（ａ）に示すように、グリーンシートにビア加工を行う工程、ビアに導電ペーストを充填する工程、静電電極となるパターンを形成する工程、他のグリーンシートを積層して焼成する工程、表面を平坦化する工程等を含む周知の製造方法により、静電電極３２（図３では図示を省略）を内蔵する基体３１を作製する。そして、図３（ｂ）に示すように、基体３１を貫通するように、ガス孔３３を形成する。ガス孔３３は、例えば、ドリル加工により形成される。
次に、図３（ｃ）に示すように、ステージ１００の上に剥離シート（不図示）を介して基体３１を配置する。そして、多孔質体６０の前駆体となるペースト６０ａを用意し、スキージ１１０でペースト６０ａを掃き取るように横方向に移動させることにより、基体３１のガス孔３３にペースト６０ａを充填する。このとき、ペースト６０ａに圧力をかけて、充填量を増やしてもよい。多孔質体６０の前駆体となるペースト６０ａは、例えば、角状セラミック粒子を所定の重量比で含有する。ペースト６０ａの残部は、例えば、ケイ素、マグネシウム、カルシウム、アルミニウム及びイットリウムから選択される２種以上の元素の酸化物を含み、更に有機バインダや溶剤を含む。有機バインダとしては、例えば、ポリビニルブチラールを使用できる。溶剤としては、例えば、アルコールを使用できる。
このようにして、図４（ａ）に示すように、基体３１の複数のガス孔３３にペースト６０ａがそれぞれ充填される。基体３１は既に焼結されているため、後の焼成工程で収縮などによってガス孔３３のサイズや位置がずれるおそれがない。また、ガス孔３３の直径が３ｍｍ以下に小さくなっても、ガス孔３３にペースト６０ａを容易に充填することができる。
次いで、図４（ｂ）に示すように、基体３１の焼成温度よりも１００℃程度低い１４００℃程度の温度で、ペースト６０ａを焼成することにより、基体３１のガス孔３３に多孔質体６０を形成する。このとき、基体３１とペースト６０ａの複合酸化物との間で、ケイ素、マグネシウム、カルシウム、及びイットリウムの組成比が同じに設定される。これにより、焼成時に、基体３１とペースト６０ａとの間で物質移動が発生しないため、基体３１のガス孔３３の内壁と多孔質体６０との界面の平坦性を確保できる。
なお、多孔質体６０は、基体３１のガス孔３３の上端から上側に突出して形成される。このため、図４（ｃ）に示すように、基体３１及び多孔質体６０の各上面を平面研削することにより、基体３１の上面と多孔質体６０の上面とを面一にして平坦化する。また、必要に応じて、基体３１及び多孔質体６０の各下面においても、平面研削して平坦化する。このようにして、基体３１のガス孔３３に多孔質体６０を配置することができる。
次に、予め冷却機構１５等を形成したベースプレート１０を準備し、ベースプレート１０上に接着層２０（未硬化）を形成する。そして、図４（ｃ）に示す基体３１を、接着層２０を介してベースプレート１０上に配置し、接着層２０を硬化させる。以上の工程により、図１に示す基板固定装置１が完成する。
ここで、比較例を交えながら、基板固定装置１が奏する効果について説明する。図５（ａ）は、比較例であり、ガス孔に球状セラミック粒子を充填した様子を示すＳＥＭ写真である。一方、図５（ｂ）は、第１実施形態に係るガス孔の実施例であり、ガス孔に角状セラミック粒子を充填した様子を示すＳＥＭ写真である。図５（ａ）と図５（ｂ）を比較すると、両者のレンジは不一致であるが、図５（ｂ）は図５（ａ）に比べて明らかに空隙が少ないことがわかる。このように、ガス孔に角状セラミック粒子を充填することで、球状セラミック粒子を充填する場合に比べて空隙全体の体積を減らすことができる。
ガス孔に球状セラミック粒子や角状セラミック粒子が充填されていない中空構造の場合、静電チャックが高密度なプラズマ環境下に晒されると、ガス孔が異常放電の起源になり、基体上に載置されるウェハと静電チャックの破損につながる。異常放電は、ガス孔に球状セラミック粒子を充填することで、ある程度対策ができるが、球状セラミック粒子では、その形状の特徴からガス孔内の空隙全体の体積を十分に減らすことができない。
これに対して、ガス孔に角状セラミック粒子を充填する場合、角状セラミック粒子は球状セラミック粒子に比べて互いに近接できるため、図５に示すように、空隙全体の体積を大幅に減らすことができる。その結果、異常放電を大幅に減らすことができる。
一方、空隙がなくなるとガスが通らなくなり、ガス孔本来の目的を果たせなくなる。しかし、ガス孔に角状セラミック粒子を充填しても空隙は適度に生じるため、ガス孔として機能することができる。図６は、ガス孔の直径とガス流量との関係を調べた実験結果である。ここでは、基体に直径１ｍｍのガス孔を１８個設け、各ガス孔に平均粒子サイズが３０μｍ程度の角状セラミック粒子を充填して、各ガス孔を通過するガス流量を調べた。また、基体に直径２ｍｍのガス孔を１８個設け、各ガス孔に平均粒子サイズが３０μｍ程度の角状セラミック粒子を充填して、各ガス孔を通過するガス流量を調べた。
図６より、ガス孔の直径が１ｍｍの場合、ガス流量は平均で３ｓｃｃｍ程度であった。また、ガス孔の直径が２ｍｍの場合、ガス流量は平均で１０ｓｃｃｍ程度であった。何れの場合も、静電チャックのガス孔のガス流量としては十分である。また、ガス孔の直径とガス流量の関係に相関があるため、目的とするガス流量に対するガス孔の設計が容易である。
以上、好ましい実施形態等について詳説したが、上述した実施形態等に制限されることはなく、特許請求の範囲に記載された範囲を逸脱することなく、上述した実施形態等に種々の変形及び置換を加えることができる。
例えば、本発明に係る基板固定装置の吸着対象物としては、半導体ウェハ（シリコンウェハ等）以外に、液晶パネル等の製造工程で使用されるガラス基板等を例示できる。
１ 基板固定装置
１０ ベースプレート
１０ａ 上面
１０ｂ 下面
１１ ガス供給部
１５ 冷却機構
２０ 接着層
３０ 静電チャック
３１ 基体
３１ａ 載置面
３２ 静電電極
３３ ガス孔
６０ 多孔質体
６０ａ ペースト
１１１ ガス流路
１１２ ガス注入部
１１３ ガス排出部
１５１ 冷媒流路
１５２ 冷媒導入部
１５３ 冷媒排出部

Claims (8)

  1. 一方の面が吸着対象物の載置面である基体と、
    前記基体を貫通する貫通孔と、を備え、
    前記貫通孔に、角状セラミック粒子を含む多孔質体が配置されている、静電チャック。
  2. 前記基体と前記角状セラミック粒子は、同一の酸化物セラミックスを含む請求項１に記載の静電チャック。
  3. 前記酸化物セラミックスは、アルミナである請求項２に記載の静電チャック。
  4. 前記基体と前記多孔質体は、同一の２種以上の元素の酸化物を含み、
    前記基体内の前記酸化物の組成比は、前記多孔質体の内の前記酸化物の組成比と同じに設定されている請求項１乃至３の何れか一項に記載の静電チャック。
  5. 前記２種以上の元素は、ケイ素、マグネシウム、カルシウム、及びイットリウムから選択される、請求項４に記載の静電チャック。
  6. 前記角状セラミック粒子は、粗粒アルミナである、請求項１乃至５の何れか一項に記載の静電チャック。
  7. 前記角状セラミック粒子の粒子サイズは、１０μｍ以上１００μｍ以下である、請求項１乃至６の何れか一項に記載の静電チャック。
  8. 内部にガス供給部を備えたベースプレートと、
    前記ベースプレート上に設けられた請求項１乃至７の何れか一項に記載の静電チャックと、を有し、
    前記貫通孔は、前記ガス供給部に連通し、
    前記ガス供給部及び前記貫通孔を介して、前記載置面にガスが供給される、基板固定装置。
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