JP3101354B2 - 静電チャック及びこの静電チャックを備えたプラズマ装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明はウエハ等の被処理体をク
ーロン力により吸着する静電チャック及びこの静電チャ
ックを備えたプラズマ装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】静電チャックの吸着原理は、絶縁層を介
して対向配置されるウエハ等の吸着物と電極との間に電
圧を印加して、吸着物と電極に正、負の電荷を生じさ
せ、この間に働くクーロン力によって吸着物を吸引保持
するものである。

【０００３】この種の静電チャックとしては、チャック
本体とウエハとの間に静電吸着シートを配設したものが
提案されている。この静電吸着用シートには給電用シー
トが接続され、チャック本体の表面が円形である場合に
は、静電吸着シートはこれに合せて円形に形成され、給
電用シートは帯状に形成され、給電用シートはチャック
本体の側面を辿って裏面に引出されている。静電吸着シ
ート及び給電用シートは共に絶縁層としての２枚のポリ
イミドシートの間に銅等の導電性シートを介在配置した
ものであり、各シートは柔軟性を有している。

【０００４】また、他のタイプの静電チャックは、チャ
ック本体を兼ねるセラミックの内部に、ウエハと平行に
導電性シートを配設したもので、この内部の導電性シー
トに給電するための給電用ピンがセラミックの裏面側か
ら直角に挿入されている。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】前者の静電チャックの
最大の問題は、給電用シートの一部がウエハ処理室の内
部に露出することであり、特にプラズマエッチング装置
の場合には、給電用シートの露出部がプラズマダメージ
を受けるという問題がある。このダメージを極力押さえ
るために、給電用シートの露出部上方に環状石英カバー
を設けるものもある。しかし、この石英カバーとウエハ
との間のわずかな隙間を介して給電用シートがプラズマ
ダメージを受け、シートの寿命を大幅に縮めるという問
題がある。プラズマ処理装置においてプラズマの高温に
被処理体が晒され高温になり、この高温により被処理体
が変形するのを防ぐため、ウエハの冷却が行われる。一
般に載置台を冷却し、この載置台によりウエハを冷却す
ることが行われる。この冷却の熱移動を効率的に実行す
るため載置台と被処理体とを強力に密着させることが行
われる。即ち、球曲面にクランプリングにより押し付け
ることが行われる。しかし、均一した接触が得られな
い。そこで静電チャックが極めて有効である。

【０００６】一方、後者の静電チャックでは、給電用シ
ートの露出部がプラズマダメージを受けるという問題は
生じないが、給電用ピンを下方から突き上げて導電性シ
ートと電気的に接続しているため、ウエハを載置するチ
ャックの表面が給電用ピンによって盛り上がり、吸着面
の平面度が失われて、ウエハを静電吸着する際の吸着力
が低下するという問題がある。

【０００７】本発明の目的は、柔軟性の高い静電吸着シ
ートを用いながらも、プラズマダメージを受けず、静電
吸着シートの寿命を大幅に高めることができる静電チャ
ック及び、この静電チャックを備えたプラズマ装置を提
供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】本発明に係る静電チャッ
クは、チャック本体表面側にて、２枚の絶縁シート間に
導電層を介在して成る静電吸着用シートを配設して成る
静電チャックにおいて、２枚の絶縁シート間に導電層を
介在して構成され、上記チャック本体を貫通して配設さ
れる給電用シートを設け、この給電用シート及び上記静
電吸着用シートを平面的に接合して電気的に接続したこ
とを特徴とする。

【０００９】本発明に係るプラズマ装置は、第１の電極
を有するチャンバと、前記チャンバ内にプラズマ発生用
のガスを供給する手段と、上述した本発明に係る静電チ
ャックであって、前記チャンバ内に配置され、前記チャ
ック本体が前記第１の電極と協働してプラズマを発生さ
せる第２の電極として機能する静電チャックと、前記静
電チャックの前記給電用シートを介して前記静電吸着用
シートに電圧を印加し、前記静電チャックに静電気を発
生させる手段と、を有することを特徴とする。

【００１０】

【作用】本発明によれば、チャック本体正面側に配置さ
れた静電吸着用シートと、チャック本体を貫通して設け
た給電用シートとを電気的に接続することにより、給電
部材をチャック本体より露出させずに、柔軟性のある静
電吸着シートに確実に給電を行うことが可能となる。

【００１１】しかも、この静電チャックにて被処理体を
温調しながら保持する場合にあっても、上記シート同士
の平面的な接合により静電吸着シートの表面側の凹凸を
かなり小さくでき、被処理体と静電吸着シート間にガス
を導入して熱伝導率を高めた場合にも、上記静電吸着シ
ートの表面側の凹凸を、ガスのミーンフリーパス以下
（例えば、１０μｍ以下）に押えることができる。

【００１２】

【実施例】以下、本発明の一実施例について図面を参照
しながら説明する。

【００１３】図１は、本発明に係わる静電チャックを備
えたプラズマエッチング装置に適用した実施例の概略構
成を示している。このプラズマエッチング装置は、真空
チャンバ２と、チャンバ２内でウエハ４を保持するため
のテーブル６と、チャンバ２内に電界と直交する方向に
磁界を形成するための例えばマグネット部８と、真空チ
ャンバ２内にプラズマを発生させるためのＲＦ電源１０
とを備えている。

【００１４】真空チャンバ２は、上部構成部材１２と下
部構成部材１４とを容器壁兼用として形成され、上構成
部材１２の下部側壁には排気口１６が設けられ、この排
気口１６には真空ポンプ１７が接続され、この真空ポン
プ１７により真空チャンバ２内の圧力を１０^-6Torr程度
まで減圧することができる。また、上部構成部材１２の
上部側壁にはエッチングガスを供給するためのガス導入
口１８が設けられ、このガス導入口１８には、エッチン
グガス例えば塩素ガス等のエッチングガスを供給するエ
ッチングガス供給ユニット１９が接続されている。

【００１５】テーブル６は耐熱材料例えばセラミックス
で形成された電気絶縁部２０を介して下部構成部材１４
上に設置され、下部構成部材１４とテーブル６とは電気
的に接続されている。このテーブル６には、ウエハ４を
固定し保持する静電チャック２２と、ウエハ４の温度調
節を行う温度調節部２６とが設けられ、温度調節部２６
には冷却流体等を循環させる流体通路２４が形成され
る。

【００１６】静電チャック２２は、第２の電極である下
部電極を構成するチャック本体３２を有し、このチャッ
ク本体３２は、リード線３３、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ３
４、及びコンデンサ３５を介してＲＦ電源１０に接続さ
れている。また、第１の電極である上部電極を構成する
上部構成部材１２は、リード線３６を介して接地されて
いる。つまり、これらの電極は平行平板電極を構成する
ように配置されている。

【００１７】また、下部構成部材１４と電気絶縁部２０
とテーブル６を貫通して、熱伝達ガス供給孔２８が形成
され、このガス供給孔２８には、熱伝達ガス例えば不活
性ガスのＨｅなどを静電チャック２２とウエハ４との間
に供給するための熱伝達ガス供給ユニット３０が接続さ
れている。この熱伝達ガス供給ユニット３０により、熱
伝達ガスとしては例えばＨｅ，Ｏ₂ ，Ａｒ，Ｎ₂ 等から
選択されたガスを、静電チャック２２とウエハ４との間
に、例えば１０Torrの圧力になるよう充填することによ
り、ウエハ４と静電チャック２２との間の温度差を５℃
以下に抑えることができる。

【００１８】上記マグネット部８は、真空チャンバ２内
の電極間に被処理体例えば半導体ウエハ表面に平行な水
平磁場を形成する機能を有し、水平に設けられた支持部
材３７と、この支持部材３７に支持された永久磁石３８
と、これらを図１の矢印方向に回転させるモータ３９と
で構成されている。

【００１９】このように構成された本実施例におけるマ
グネトロンプラズマエッチング装置では、真空チャンバ
２内を真空ポンプ１７によって減圧し、エッチングガス
供給ユニット１９からガス導入口１８を介して真空チャ
ンバ２内にエッチングガスを導入する。そして、ＯＮ／
ＯＦＦスイッチ３４をＯＮしてＲＦ電源１０によって例
えば13.56MHzの高周波電力を上部電極と下部電極との間
に印加すると共に、永久磁石３８をモータ３９によって
回転させて電極間に磁場を形成する。その結果、電極間
に存在する電子がサイクロン運動を行い、電子がエッチ
ングガスの分子に衝突することによって分子が電離して
イオン化し、プラズマが発生する。発生したプラズマ
は、下部電極３２上に保持されているウエハ４の上面に
吸着して、ウエハの表面で化学反応を起し、ケミカルエ
ッチングが行われる。

【００２０】この実施例では、電極間に直交電磁界が存
在するので電子がサイクロイド運動を行い、電子がエッ
チングガスの分子に衝突する回数が増加するので、ガス
分子のイオン化率が向上し、１０^-2〜１０^-3Torrという
比較的低い圧力でも、１μｍ／ｍｉｎという高いエッチ
ング速度を得ることができる。従って、このプラズマエ
ッチング装置では、ウエハ１枚当りの処理時間が短縮さ
れると共に、エッチングの信頼性が向上する。また、イ
オンの平均エネルギが低くなるため、ウエハに対するダ
メージも小さくなる。

【００２１】次に、本発明に係わる静電チャックの一実
施例について説明する。

【００２２】図２に示すように静電チャック２２は、下
部電極を構成するチャック本体３２と、チャック本体３
２の上面に配置される柔軟性を有する静電吸着シート４
０と、この静電吸着シート４０に給電するための給電用
シート４２とを有している。

【００２３】前記チャック本体３２は、例えばアルミニ
ウムで形成され、図３に示すように静電吸着シート４０
を配設する上面４４側に、給電用シート４２の一端部を
上面４４上から突没することなく収容し、平面を形成す
る凹部４６と、この凹部４６と連続して開口し、チャッ
ク本体３２の裏面まで貫通するスリット４８とを有して
いる。

【００２４】上記静電吸着シート４０は、絶縁性の２枚
のポリイミドシート５０と、これらのポリイミドシート
５０の間に介挿された誘電層としての導電性シート５２
とを有し、チャック本体３２の表面形状に合せて円形に
形成されている。２枚のポリイミドシート５０の周縁部
は、導電性シート５２の周縁部を覆うように溶着されて
いる。そして、導電性シート５２は銅等の導電体で形成
されている。本実施例では導電性シート５２は約２０μ
ｍの厚さを有し、ポリイミドシート５０は１枚当り約５
０μｍの厚さを有している。また、静電吸着シート４０
の裏面には、図４に示すように接点５４が形成されてい
る。この接点５４は、ポリイミドシート５０の裏面側を
一部切除して導電性シート５２を露出させることにより
形成されている。さらに、この静電吸着シート４０で
は、シート４０の厚さ方向に貫通する多数のガス導入口
５６が設けられている。そして、チャック本体３２に形
成されたガス供給孔２８から供給される例えばＨｅガス
を、ガス導入口５６を通して静電吸着シート４０とウエ
ハ４との間に供給して充満させることにより、両者間の
熱伝達性を高めることができる。

【００２５】上記給電用シート４２は、静電吸着シート
４０と同様に２枚のポリイミドシート５１の間に導電性
シート５３を介在させて形成されている。なお、給電用
シート４２と静電吸着シート４０とは熱膨脹係数がほぼ
等しい材質であればよく、必ずしも同一材料により形成
する必要はない。また、給電用シート４２は、図５に示
すように帯状に形成され、一端部に幅狭部５８が形成さ
れ、その他の部分は幅広部６０を形成している。そし
て、両端付近には接点６２，６４が設けられている。

【００２６】上記チャック本体３２の凹部４６には、給
電用シート４２の幅狭部６０が収容されるので、チャッ
ク本体３２の凹部４６の寸法は、給電用シート４２の幅
狭部６０の寸法を考慮して設定されている。

【００２７】給電用シート４２は、幅狭部５８と幅広部
６０との境目で９０度折り曲げて使用され、幅狭部５８
をチャック本体３２の凹部４６に収容した後に、幅広部
６０をスリット４８に挿入し、挿入端部をチャック本体
３２の裏面より引き出して折り曲げられている。スリッ
ト４８の形状は少なくとも給電用シート４２における幅
広部６０を挿入できる形状であればよい。幅広部６０の
挿入端部はチャック本体３２の裏面に密着するようにほ
ぼ９０度屈曲されている。

【００２８】給電用シート４２の一端部に形成された第
１の接点６２は、静電吸着シート４０の接点５４に電気
的に接続されている。また、給電用シート４２の他端部
に形成された第２の接点６４は、図１に示すようにリー
ド線６５に電気的に接続され、このリード線６５はＯＮ
／ＯＦＦスイッチ６６を介して直流電源６７に接続され
ている。従って、ＯＮ／ＯＦＦスイッチ６６をＯＮし
て、直流電源６７から例えば２ＫＶの直流電圧を給電用
シート４２を介して静電吸着シート４０に印加すること
ができる。なお、第２の接点６４の付近は図示しないＯ
リング等により気密にシールされている。

【００２９】次に、本実施例に係わる静電チャックの作
用について説明する。

【００３０】上記静電チャック２２では、ウエハ４と、
静電吸着シート４０の導電性シート５２との間に直流電
源６７によって高電圧（約２ＫＶ）を印加し、導電性シ
ート５２とウエハ４に正と負の電荷を生じさせ、この間
に働くクーロン力によってウエハ４を吸着保持すること
ができる。この際の吸着力Ｆは、Ｓ：導電性シート５２
の面積、ε：絶縁膜の誘電率、Ｖ：電圧、ｄ：絶縁膜の
厚みとすると、理論的には下記の式によって表される。

【００３１】Ｆ＝（１／２）Ｓε（Ｖ／ｄ）² 上記吸着力Ｆは、絶縁膜にポリイミドシートを用いた場
合には、Ｆ＝５０ｇ／ｃｍ² 、セラミックを用いた場合
には、２００〜５００ｇ／ｃｍ ² となる。

【００３２】本実施例では、上記吸着力Ｆを得るための
給電手段として、静電吸着シート４０とチャック本体３
２によって覆われている給電用シート４２とを使用して
いる。従って、静電チャックをプラズマエッチング装置
のチャックに使用する場合には、給電用シート４２がプ
ラズマ生成空間に露出していないので、プラズマダメー
ジを受けることがなく、シートの寿命を大幅に伸ばすこ
とができる。

【００３３】さらに、本実施例ではプラズマエッチング
を行う際に、温度調節部２６によってウエハ４の温度調
節、例えば冷却を行っている。このような冷却を行うた
めには、ウエハ４と静電吸着シート４０との間に熱伝達
率を高めるためのガスを充填することが不可欠となる。
つまり、上述した吸着力Ｆではウエハ４の吸着保持は可
能であっても、この程度の吸着力では熱伝達が良好に行
われないからである。そこで、上記吸着力Ｆは、ウエハ
４及び静電吸着シート４０の間に導入される熱伝導性ガ
スの圧力を高めるための密封作用も有している。

【００３４】また、静電吸着シート４０及び給電用シー
ト４２の絶縁層と導電層を形成する絶縁材料、導電材料
としては、ポリイミド、銅に限定されるものではなく、
絶縁層としてはセラミックシートも用いることができ
る。なお、静電吸着シート４０及び給電用シート４２の
材料としては、両者の熱変形によって接点５４，６２間
の電気的接続に支障を生じないような、熱膨脹係数がほ
ぼ等しい材料であればいずれでもよい。

【００３５】なお、上記静電チャックをプラズマエッチ
ング装置に適用した場合には、プラズマが上部電極と下
部電極との間に発生した時に、これらの電極間に配置さ
れたウエハは発生したプラズマを介して上部電極と導通
し、ウエハに負の電荷が蓄積される。そのため、正の電
荷が蓄積される静電吸着シートとウエハとの間のクーロ
ン力が増加し、静電チャックの吸着力が高められる。即
ち、プラズマが発生している期間のみウエハが静電チャ
ックされるていることになる。

【００３６】図６から図１０図は静電吸着シートの変形
例を示している。これらの変形例では、図６に示すよう
に静電吸着シート４０の上面の周辺部に円周溝７０が帯
状に形成されている。これらの円周溝７０は円板状の静
電吸着シートの周面から１０ｍｍ〜１５ｍｍ内側の部位
に形成されている。そして、これらの円周溝７０は周縁
部の導通を確保するための溝無し部７２によって４分割
されている。また、円周溝７０の代りに多数の穴を１０
ｍｍ〜１５ｍｍピッチで形成しても良い。

【００３７】図７に示す第１の変形例は、銅製の導電性
シート５２ａの周縁部を帯状にエッチングによって欠落
させることによりポリイミドシート５０ａの上側を陥没
させ、円周溝７０ａを形成したものである。

【００３８】図８に示す第２の変形例は、上側のポリイ
ミドシート５０ｂの周縁部をエッチングによって凹状に
欠落させることにより、円周溝７０ｂを形成したもので
ある。

【００３９】図９に示す第３の変形例は、銅製の導電性
シート５２の周縁部をエッチングによって欠落させると
共に、上側のポリイミドシート５０ｃの周縁部を凹状に
加工し、円周溝７０ｃを形成したものである。

【００４０】図１０に示す第４の変形例は、銅製の導電
性シート５２ｄの周縁部をエッチングによって欠落させ
ると共に、ポリイミドシート５０ｄの周縁部を帯状に貫
通加工し、円周穴７０ｄを形成したものである。

【００４１】このようにポリイミドシートの周縁部に溝
を形成することにより、ガス導入口５６から供給される
ガスを貯留して、その拡散速度を遅くし、ウエハ４と静
電吸着シート４０との間のガス圧を高めると共に、均一
化させることができる。

【００４２】上述の静電チャックは主にプラズマエッチ
ング装置、プラズマＣＶＤ装置、スパッタリング装置等
に適用されるが、このような温度調節を必要とするチャ
ックに限らず、被処理体の処理時あるいは搬送時にチャ
ック機能を必要とする各種分野に適用可能である。そし
て、静電吸着シート４０の表面側の凹凸を±５μｍ以内
に抑さえることによって、上述した熱伝達率の向上だけ
でなく、被処理体を高精度の平面度を維持して保持する
ことも可能となり、露光用のチャックとしても使用する
ことも可能である。

【００４３】なお、本発明は上記実施例に限定されるも
のではなく、本発明の要旨の範囲内で種々の変形実施が
可能である。

【００４４】

【発明の効果】以上説明したように本発明によれば、チ
ャック本体表面側に配設される静電吸着シートへの給電
部材として、チャック本体を貫通して配設される給電シ
ートを用いることにより、静電吸着シート表面側の凹凸
を極力抑え、かつ、給電用シートをチャック本体の裏面
以外に露出させない構成を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例に係わるプラズマエッチング
装置の部分断面図である。

【図２】本発明の一実施例に係わる静電チャックの断面
図である。

【図３】静電チャックにおけるチャック本体を示す斜視
図である。

【図４】静電チャックにおける静電吸着シートの底面図
である。

【図５】給電用シートの折曲げ前の形状を示す平面図で
ある。

【図６】静電吸着シートの変形例を示す平面図である。

【図７】各々静電吸着シートの変形例を示す図６のＡ−
Ａ線に沿った断面図である。

【図８】各々静電吸着シートの変形例を示す図６のＡ−
Ａ線に沿った断面図である。

【図９】各々静電吸着シートの変形例を示す図６のＡ−
Ａ線に沿った断面図である。

【図１０】各々静電吸着シートの変形例を示す図６のＡ
−Ａ線に沿った断面図である。

【符号の説明】

２２ 静電チャック ３２ チャック本体 ４０ 静電吸着用シート ４２ 給電用シート ４６ 凹部 ４８ スリット ７０ 円周溝
ＴＥ０３８１０１

フロントページの続き (72)発明者 長谷川 功宏 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 総合研究所内 (72)発明者 奥村 勝弥 神奈川県川崎市幸区小向東芝町１番地 株式会社東芝 多摩川工場内 (56)参考文献 特開 平１−298721（ＪＰ，Ａ) 特開 平３−194948（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) B23Q 3/15 H01L 21/3065 H01L 21/68

Claims (4)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 チャック本体表面側にて、２枚の絶縁シ
   ート間に導電層を介在して成る静電吸着用シートを配設
   して成る静電チャックにおいて、 ２枚の絶縁シート間に導電層を介在して構成され、上記
   チャック本体を貫通して配設される給電用シートを設
   け、この給電用シート及び上記静電吸着用シートを平面
   的に接合して電気的に接続したことを特徴とする静電チ
   ャック。
2. 【請求項２】 請求項１において、 上記チャック本体の表面に形成され、上記給電用シート
   をチャック本体表面とほぼ面一にて収容する凹部と、 チャック本体の表面側にて上記凹部に隣接して開口し、
   チャック本体の裏面側まで貫通するスリットと、 を設けたことを特徴とする静電チャック。
3. 【請求項３】 請求項１又は２において、 前記静電吸着用シートは、その上面の周縁部に円周溝を
   有することを特徴とする静電チャック。
4. 【請求項４】 第１の電極を有するチャンバと、 前記チャンバ内にプラズマ発生用のガスを供給する手段
   と、 請求項１乃至３のいずれかに記載の静電チャックであっ
   て、前記チャンバ内に配置され、前記チャック本体が前
   記第１の電極と協働してプラズマを発生させる第２の電
   極として機能する静電チャックと、 前記静電チャックの前記給電用シートを介して前記静電
   吸着用シートに電圧を印加し、前記静電チャックに静電
   気を発生させる手段と、 を有することを特徴とするプラズマ装置。