JP2840041B2 - 静電チャック - Google Patents

静電チャック

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JP2840041B2 JP3993895A JP3993895A JP2840041B2 JP 2840041 B2 JP2840041 B2 JP 2840041B2 JP 3993895 A JP3993895 A JP 3993895A JP 3993895 A JP3993895 A JP 3993895A JP 2840041 B2 JP2840041 B2 JP 2840041B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、一般的には、処理室に
おいて半導体ウェハを固定するために用いられる静電チ
ャックに関し、更に詳細には、ウェハの冷却を高め、こ
の種類のチャックの有効寿命を長くする顕著な改良に関
するものである。
【０００２】
【従来の技術】静電チャックは、半導体処理室において
チャンバペデスタル上に個々の半導体基板又はウェハを
保持するために用いられる。静電チャックは、典型的に
は、誘電層及び電極を含む。半導体ウェハを誘電層と接
触させて配置し、直流（ｄｃ）電圧を電極に印加すると
静電吸引力を発生してウェハをチャックに引きつける。
この種類のチャックは、ウェハを所定の位置に保持する
差圧が不十分であったりウェハの機械的固定が好ましく
ない真空処理環境において特に有用である。静電チャッ
クが広く用いられている１つの処理環境はプラズマエッ
チングプロセスである。
【０００３】静電チャックは単一の誘電層と電極だけを
用いて形成されるが、より典型的な構造としては上下誘
電層又はポリイミドのような有機材料間に挟まれた、好
ましくは薄い銅層である電極コアを有する薄い積層部材
を含む。これらの層を一枚の積層シートに組立てかつそ
の積層シートをチャンバペデスタルに装着するために、
ポリイミド接着剤を用いてもよい。
【０００４】上下ポリイミド層は電極の円周辺縁で融合
して(merge) 、通常銅層を損傷するプラズマを含む銅電
極の処理室への露出を防止する。操作中、銅電極は電圧
源に接続され、陽極として機能する。静電チャックの操
作原理は周知であり、本発明に重要なものではない。ペ
デスタル上に形成された電界によりペデスタルと積層板
に接触して配置された半導体ウェハとの間に相互引力が
生じることを留意することだけで十分である。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】ウェハが受ける多くの
処理により熱が発生し、熱損傷を防止するためにウェハ
を許容しうる処理温度に冷却する手段を講じなければな
らない。従来技術のほとんどの静電チャックにおいて
は、ペデスタルの中央の開口を通ってウェハの下にヘリ
ウムガスが導入され、次いでペデスタル上の積層板の溝
型を通って分配される。通常は形が円形であるウェハ面
を横切って一様に冷却ガスを分配する努力として種々の
溝型が用いられてきた。この冷却法に伴う欠点は、ウェ
ハの縁付近で一様な冷却を妨げることである。溝がウェ
ハの縁まで続く場合には、特に縁付近に、ガス漏れの割
合が高くかつ冷却作用の低下になる。ほとんどの設計で
は、縁に達する前に溝が終わっている。ある設計では、
放射状の溝が縁付近で第２の溝に隣接し、その第２の溝
は終わりとなる前の短い距離だけ周辺に広がるか又は終
わりとなる前に種々の方向に伸びている分枝溝の形を取
る。しかしながら、これらの設計ではすべて、ウェハの
その周辺縁付近でなお好ましくない過熱がある。
【０００６】従来技術の静電チャックのもう１つの欠点
は、ポリイミドと銅の積層板がチャックペデスタル上に
形成する方法から生じるものである。ポリイミドの第１
層がペデスタルの上に配置され、次いで銅電極がポリイ
ミドの上に配置される。ポリイミド層が銅の外縁の回り
で重なり封着する(provide a seal)ので、銅層がポリイ
ミドの縁まで伸びることができないことは当然のことで
ある。第２ポリイミド層が銅層の上に配置されると、積
層板の全体の厚さは銅層を含む全体の積層板の厚さより
ポリイミドの縁（ポリイミド２層の厚さ）の回りで小さ
くなる。従って、積層板は銅層の外径の外に環状の段差
を有する。この環状の段差は静電チャックの性能につい
て２つの有害な影響がある。第一に、この段差のために
銅層の外径の向こうでウェハと接触しているチャックは
非常に小さな範囲にすぎない。結果として、ウェハの縁
でヘリウム漏れの確率が高くかつウェハの縁領域の望ま
しくない過熱がある。積層構造の環状段差の第２の影響
は、銅層の外縁がポリイミド上層とほぼ同じ厚さを有す
る非常に薄いポリイミド層によってのみ有害チャンバ環
境から絶縁されることである。この層がチャンバ内の処
理プラズマによって腐食されると、チャックを取り替え
なければならない。ポリイミドと他の有機材料は、多く
の処理ガス及びプラズマに対して比較的許容量が低い。
従って、電極の回りに良好な絶縁層を設置することは重
要な問題である。
【０００７】上記のことから、静電チャックの改良が求
められていることは理解されるであろう。特に必要なこ
とは、ウェハの辺縁付近で冷却を高めかつチャックの有
効寿命を長くする改良されたチャック構造である。本発
明は、下記説明から明らかなようにこの要求を満足させ
るものである。
【０００８】
【課題を解決するための手段】本発明は、チャックペデ
スタル面を横切る複数の点でチャックを介して冷却ガス
を分配することによりウェハとチャックとの間に、特に
チャックの縁部分に著しく改善された熱移動を与える静
電チャックに関する。更に、本発明のチャックは、チャ
ックペデスタルに取り付けられた積層板の縁までウェハ
に対して平らな面を示し、そのことにより更にウェハの
縁部分の冷却を改善しかつチャックの有効寿命を長くす
る。
【０００９】簡単にしかも一般的に言えば、本発明の静
電チャックは、加工部材を支持するためのペデスタル；
ペデスタルに装着された、銅電極に電圧を印加すると加
工部材が積層板に固定される絶縁銅電極を含む積層板；
及び加工部材を下から冷却するガスを送るためにペデス
タルと積層板を通って上に伸びている複数の穴であっ
て、該穴の多くが加工部材の外周付近に配置されている
もの；を含む。ペデスタルは、また、ペデスタルの下に
形成されかつ全ての穴を横切って広がっている冷却ガス
リザーバ及びリザーバへの冷却ガス供給口を含む。穴
は、上端で小さな直径へと先細になることが好ましい。
【００１０】更に詳細には、積層板は、第１絶縁層；第
１絶縁層上に形成された銅電極層；及び銅電極上に形成
されかつ銅電極層の縁の回りで第１絶縁層と融合して静
電チャックが取り付けられる処理環境から銅を絶縁する
第２絶縁層を含む。本発明の１態様によれば、第２絶縁
層は積層板の全体の広さにわたって実質的に平らな上面
を示す。そのことにより、銅電極の外縁の向こうで加工
部材と良好な接触が維持される。更に、銅電極が処理プ
ラズマの影響から広く隔てられて静電チャックの有効寿
命を長くする。
【００１１】この平らな上面を達成するために、ペデス
タルはその上面に形成された溝を有する。従って、第１
絶縁層はペデスタル上に配置されると溝と適合する。銅
電極が実質的に溝を塞ぎ、実質的に平らで第２絶縁層で
覆われる複合上面を示す。
【００１２】本発明の静電チャックは、また、半導体基
板を支持するペデスタル；及びペデスタルに装着された
絶縁銅電極を含む積層板を含み、銅電極に電圧を印加す
ると該基板が積層板に静電的に固定されるように更に特
定して定義される。積層板は、第１誘電層；第１誘電層
上に形成された銅電極層；及び銅電極上に形成されかつ
銅電極層の縁の回りで第１誘電層と融合して静電チャッ
クが取り付けられる処理環境から銅を絶縁する第２誘電
層を含む。第２誘電層は積層板の全体の広さにわたって
実質的に平らな上面を示し、そのことにより、銅電極の
外縁の向こうで基板と良好な接触が維持される。更に、
銅電極が処理プラズマの影響から広く隔てられて静電チ
ャックの有効寿命を長くする。
【００１３】新規な方法に関して、本発明は、ペデスタ
ルの上部に電極の厚さと等しい深さを有する浅い溝を形
成し；ペデスタルを横切って第１誘電層を配置し；第１
誘電層の上に電極層を配置し、そのことにより電極層が
浅い溝と一致し；第１誘電層と電極層を横切って第２誘
電層を配置して比較的平らな面を形成する工程を包含す
る。次いで、電極層を比較的長い絶縁路によって処理環
境を効果的に遮断し、平らな面が電極の外縁の外の領域
で基板と良好に接触する。
【００１４】上記のことから、本発明が静電チャックの
分野で顕著な進展を示すことは理解されるであろう。特
に、本発明は、縁部分の過熱が実際に取り除かれるとと
もに温度勾配が劇的に低下するチャックを提供するもの
である。更に、チャックの積層部材の構造がその外部領
域の回りでウェハとの接触が良好になりかつチャックの
有効寿命が長くなる。
【００１５】本発明の他の態様及び利点は、図面と共に
用いられた下記の詳細な説明から明らかになるであろ
う。
【００１６】
【実施例】説明のための図面に示されているように、本
発明は静電チャックの改良に関する。図１及び図２に示
されているように、典型的な静電チャックは符号１０で
示されるペデスタルを含み、この上に（記載されるべ
き）多層の積層板１２が取り付けられる。ペデスタル１
０内の中央開口１３は積層板１２を通って上に伸び、中
央開口から積層板１２を横切って放射状に広がる複数の
溝１４と通じている。ペデスタル１０は、ねじ１６でペ
デスタル台１５に固定されているように示されている。
環状の絶縁継ぎ輪(insulating collar) １７はペデスタ
ル上に取り付けられる。ペデスタル１０の上部と積層板
１２は、積層板の上に配置される半導体ウェハ１８の輪
郭と一致するように通常円形である。図４に最もよく示
されているように、積層板１２はポリイミド下層２０、
銅電極層２２及びポリイミド上層２４を含む。ポリイミ
ド上層２４は、銅層２２の縁の回りで下層２０と、共に
積層板１２の周辺でかつ１つが図４に示されている溝１
４の各々に沿って融合及び封着する。
【００１７】図３（ａ）及び（ｂ）は、過去に用いられ
ていた別の溝構造を示すものである。図３（ａ）の構造
においては、放射状の溝１４の各々は、積層板１２の回
りにその周辺付近まで伸びている弧状あるいは部分環状
溝１４' と併合する。図３（ｂ）の構造においては、放
射状溝１４の各々は追加の溝分枝１４”に隣接し、異な
った方向に積層板の周辺に向かって伸びている。これら
の及び他の構造は、すべて過度の冷却ガスの漏れが生じ
るような縁付近に溝を配置せずにウェハ１８の縁付近に
十分な冷却ガスを供給する試みである。これらの構造の
すべてが共通の欠点：ウェハ縁領域の過熱を受ける。す
べての場合において、溝領域には熱移動及び静電固定圧
がほとんどなくウェハ縁での温度勾配が大きい。
【００１８】従来技術の静電チャックのもう１つの顕著
な欠点は、積層板１２とウェハ１８の縁領域を詳しく描
いている図７に示されている。積層板１２は、まずペデ
スタル１０の上にポリイミド下層２０を配置し、次にポ
リイミド下層の上に銅電極層２２を配置し、最後に最初
の２層２０及び２２の上にポリイミド上層２４を形成す
ることにより作られる。必然的に、この構造は、２つの
ポリイミド層の厚さが２つのポリイミド層と銅層の合計
の厚さより小さいのでポリイミド上層２４とウェハ１８
との間に環状の隙間が残る。この積層構造は、２つの有
害な影響を有する。第１に、ウェハ１８が隙間３０の領
域では積層板１２で支持されないので、銅層２２の外径
の向こうでウェハ対積層板の接触は非常に小さな範囲の
みである。銅層２２の外縁の向こうで発生された静電チ
ャック力がない。従って、２０トールまでの数トール圧
力で供給された冷却ヘリウムガスはこの小さな範囲を越
えて処理チャンバ内に漏れる。この冷却ガスの漏れによ
り、ガス圧が低下すると共にウェハ縁付近の温度が高く
なる。銅電極２２のサイズは、ペデスタル１０のサイズ
及びポリイミド層２０と２４の最少限の重なり（約1.５
mm) に対する要求によって制限される。
【００１９】環状の隙間３０の第２の有害な影響は、処
理プラズマが隙間に存在するので、積層板によって示さ
れた銅の最少限の絶縁が銅層２２の外縁と環状の隙間３
０との間の距離３１である。既知のチャックでは、この
距離はポリイミド層の１枚の厚さに近く、約0.０２５〜
0.０５０mmである。この小さな絶縁の厚さによりチャッ
クの有効寿命が比較的短くなる。
【００２０】本発明の１つの重要な態様によれば、図８
に示されているように、積層板１２は銅層２２の外径か
ら十分に伸びている平らな上面を示すようにして形成さ
れる。特に、銅層２２’はポリイミド層２０’に埋め込
まれ、これらの２層は平らな面を示しその上にポリイミ
ド上層２４’が形成される。適切な量で銅層２２’を埋
め込む１つの方法は、約0.１〜0.２mmだけ銅電極２２’
の直径より大きいように選ばれた直径の端ぐりを機械加
工することにより、まずペデスタル１０の上部面に環状
の溝を形成することである。溝の深さは、銅電極２２’
の厚さと同じ、即ち、約0.０４０mmである。次いで、ポ
リイミド下層がペデスタル１０の溝を塞ぎ、ポリイミド
下層の上面に対応する溝を残し、その中に銅層２２’が
配置される。
【００２１】この構造は、図７として論じられた従来技
術の欠点を克服する。特に、積層板１２は銅層２２’の
外径から十分に平らな上面を示すので、ウェハ１８の外
部領域は積層板との大きな接触面を有しかつ縁の漏れを
減少させる。また、図７の環状の隙間を図８では取り除
き、銅層２２’とプラズマとの間の最小限の絶縁の厚さ
を約1.５mm、即ち、３０倍以上に増大させる。従って、
チャックの有効寿命が顕著に延長し、その処理性能が改
善される。
【００２２】本発明のもう１つの重要な態様は、ウェハ
１８の下面に冷却ガスを導入するために複数の開口を使
用することである。これは図５及び６に最もよく示され
ており、ペデスタル３４はペデスタルの底を横切って広
がっている冷却材リザーバを備え、ねじ４０でペデスタ
ルに固定された円形プレート３８によって一部形成され
ている。冷却ガスはリザーバの一端にある単一通路４２
を通ってリザーバ３６に導入され、Ｏリング４４がリザ
ーバを封着する。複数の穴４６はペデスタルを通ってそ
の上面に形成される。対応する位置（図示されていな
い）の穴は、溝が従来技術の構造で形成されたように積
層板にも形成される。（図４参照。）１００−２００個
ほどの穴があり、その多くは積層板１２の縁に近接して
配置される。穴４６は直径が小さく、例えば、0.２５−
0.５０mmであり、上端又は出口端で小さな直径に先細に
なることが好ましい。
【００２３】タングステンエッチバック工程における本
発明のプロトタイプテストにより、ウェハの全体の温度
が約１０℃だけ低下しかつウェハの辺縁温度が８０℃か
ら約６０−６５℃に低下した。更に、ウェハの中心とそ
の縁との間の温度勾配が１５−２０℃から６−１０℃に
低下した。従来技術の静電チャックにおける過熱に関連
した欠点とは反対に、反復及び許容しうる工程結果が本
発明のチャックを用いて得られた。
【００２４】本発明のプロトタイプについての試験結果
から、静電チャックが十分な熱コンダクタンスと十分な
ヘリウム供給を与えてウェハ縁に漏出する場合には従来
技術のチャックにおいて過度と見なされていたウェハ縁
のヘリウムの漏れが工程に有害でないことが明らかであ
る。例えば、従来技術のチャックにおける縁の漏れは約
0.２−1.０sccm（１分当たりの標準立方センチメート
ル）であるが、本発明のチャックにおいては９トール圧
における２−５sccmの漏れの存在は工程に検出できる影
響を示さなかった。ほとんどの漏れは、ウェハ縁付近の
穴からであった。これらの穴を塞ぐと、約１０倍、即
ち、0.４−0.６sccm漏れが減少したが、ウェハ縁の過熱
及び選択性の損失が生じた。
【００２５】
【発明の効果】本発明は、以上説明したように構成され
ているので、ウェハ全面、特に辺縁にわたって効率よく
冷却し、縁における固定作用及びウェハ接触を改善し、
有効製品寿命を長くすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】従来技術の静電チャックの平面図であり、チャ
ックペデスタル内の中央冷却供給通路から発散する放射
状冷却溝を示す。
【図２】実質的に２−２に沿った図１の従来技術の断面
図である。
【図３】従来技術の静電チャックの平面図であり、２種
類の冷却溝構造（分図（ａ）、（ｂ））を示す。
【図４】従来技術の静電チャックの断片的拡大断面図で
あり、チャックペデスタルの上に形成された積層ポリイ
ミドと銅層の一部を示す。
【図５】本発明による静電チャックの平面図であり、チ
ャックペデスタル内に形成された複数の冷却穴を示す。
【図６】実質的に６−６に沿った図５の静電チャックの
断面図である。
【図７】図１の実質的に７−７に沿ってポリイミド及び
銅層の積層板がチャックペデスタル上でどのように形成
されているかを示す従来技術の静電チャックの断片的断
面図である。
【図８】図７と同様の断片的断面図であるが、本発明に
よる構造を示す。
【符号の説明】
１０…ペデスタル、１２…積層板、１３…中央開口、１
４、１４’…溝、１６…ねじ、１７…絶縁継ぎ輪、１８
…半導体ウエハ、２０…ポリイミド下層、２２…銅電極
層、２４…ポリイミド上層、３０…隙間、３１…距離、
３４…ペデスタル、３８…円形プレート、４０…ねじ、
４２…単一通路、４４…Ｏリング、４６…穴。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 シャモイル シャモイリアン アメリカ合衆国， カリフォルニア州 95120， サン ノゼ， ワシュー ド ライヴ 1256 (72)発明者 マヌーチャー ビラング アメリカ合衆国， カリフォルニア州 95036， ロス ガトス， ファブレ リッジ ロード 18836 (72)発明者 アルフレッド マク アメリカ合衆国， カリフォルニア州 94587， ユニオン シティ， フェロ ーズ コート 32722 (72)発明者 サイモン ダブリュー． タム アメリカ合衆国， カリフォルニア州 95035， ミルピタス， オレゴン ウ ェイ 1001 (56)参考文献 特開 平４−253356（ＪＰ，Ａ) 特開 平５−121530（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−244144（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.6，ＤＢ名) H01L 21/68

Claims (3)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】 静電チャックであって、 加工部材を支持するための略平坦な上面を有するペデス
    タル； 絶縁された電極層を含む積層板であって、ペデスタルに
    装着され、上記電極層に電圧を印加すると上記加工部材
    が上記積層板に静電的に固定される前記積層板；及び 上記加工部材を下から冷却するガスを送るために上記ペ
    デスタルと上記積層板を通って上に伸びている複数の穴
    であって、該穴の多くが加工部材の外周付近に配置され
    ている前記複数の穴； を備え、 上記ペデスタルが、上記ペデスタルの下に形成されかつ
    全ての穴を横切って広がっている冷却ガスリザーバと上
    記リザーバへの冷却ガス供給口を含み、且つ、上記ペデ
    スタルが、外縁部を除くその上面に形成された凹部を有
    し； 上記積層板が上記ペデスタルの上記上面の上記凹部に倣
    った状態で、上記ペデスタルの上記上面の実質的全面に
    伸びる第１絶縁層； 上記凹部に倣った上記第１絶縁層の部分の中をほぼ埋め
    て、上記第１絶縁層上に配置される電極層；及び 上記電極層と、上記電極層に覆われない上記第１絶縁層
    の部分とに伸びる第２絶縁層； を含み、 上記第２絶縁層が上記積層板の全面にわたって実質的に
    平らな上面を示し、そのことにより上記電極層の外縁を
    越えて加工部材と良好な接触が維持され、かつ上記電極
    層が処理プラズマの影響から広く隔てられて静電チャッ
    クの有効寿命を長くする静電チャック。
  2. 【請求項２】 半導体基板を支持するための略平坦な上
    面を有するペデスタル；及び 絶縁された電極層を含む積層板であって、上記ペデスタ
    ル上に形成され、上記電極層に電圧を印加すると上記加
    工部材が上記積層板に静電的に固定される前記積層板；
    を含む静電チャックであって、上記ペデスタルが、外縁
    部を除くその上面に形成された凹部を有し、該積層板が
    上記ペデスタルの上記上面の上記凹部に倣った状態で、
    上記ペデスタルの上記上面の実質的全面に伸びる第１絶
    縁層； 上記凹部に倣った上記第１の絶縁層の部分の中をほぼ埋
    めて、上記第１絶縁層上に配置される電極層；及び 上記電極層と、上記電極層に覆われない上記第１絶縁層
    の部分とに伸びる第２絶縁層； を含み、 上記第２絶縁層が上記積層板の全面にわたって実質的に
    平らな上面を示し、もって、上記電極層の外縁を越えて
    上記加工部材と良好な接触が維持され、かつ上記電極層
    が処理プラズマ粒子の影響から隔てられて静電チャック
    の有効寿命を長くする静電チャック。
  3. 【請求項３】 絶縁された電極層を備えた積層部材とペ
    デスタルとを有する静電チャックを製造する方法であっ
    て、 上記ペデスタルの、外縁部を除く上部に、上記電極層の
    厚さとほぼ等しい深さを有する浅い凹部を形成するステ
    ップ； ペデスタルの実質的全面に、上記凹部に倣った状態で第
    １誘電層を配置するステップ； 上記第１誘電層上に上記電極層を配置し、もって、上記
    電極層が上記第一誘電層の凹部を充填するステップ； 上記第１誘電層と上記電極層との実質的全面に第２誘電
    層を配置することにより略平坦な面を形成するステッ
    プ； を含む方法。
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