JP3129452B2 - 静電チャック - Google Patents

静電チャック

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JP3129452B2 JP481191A JP481191A JP3129452B2 JP 3129452 B2 JP3129452 B2 JP 3129452B2 JP 481191 A JP481191 A JP 481191A JP 481191 A JP481191 A JP 481191A JP 3129452 B2 JP3129452 B2 JP 3129452B2
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    • Y10T279/23—Chucks or sockets with magnetic or electrostatic means

Description

【発明の詳細な説明】
【０００１】
【産業上の利用分野】本発明は、半導体製造工程等でプ
ラズマＣＶＤやプラズマエッチング等を利用して薄膜の
形成あるいは食刻加工を行う場合にウエハ保持を行う静
電チャックに関するものであって、特にウエハ温度の均
一化に関する。
【０００２】
【従来の技術】従来、プラズマＣＶＤ装置やプラズマエ
ッチング装置においては、被加工ウエハは基板台に重力
を利用して載置するか、または機械的にクランプする構
造となっていた。
【０００３】このようなウエハの装着方法、例えば重力
を利用した載置方式では、真空中の熱伝達率が小さいた
め、加工エネルギーの増大に伴うウエハの温度上昇が大
きく、前工程でウエハに形成されていたパターンの損傷
を生ずるので、加工速度を大きく出来ない問題がある。
また、機械的なクランプ法では、クランプ治具近傍の加
工精度が悪くなることから、ウエハ周辺部の部分的な押
さえしか許されず、ウエハと冷却台座との接触圧力が小
さく、冷却効果は重力利用と殆ど変わらないこと、ウエ
ハと冷却台座との間に伝熱媒体としてガスを導入して
も、ウエハの機械的歪みを発生するため、温度分布の均
一性に欠ける問題がある。
【０００４】そこで、このような問題を解決するため
に、およびウエハ加工の微細化, 均一化の要求により、
低温加工が必要となったことから、静電吸着力を利用し
た静電チャックが実用化されつつある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】しかしながら、実用化
されつつある静電チャックについても、ウエハ温度分布
の均一化が問題とされており、例えば特開平１−251735
号公報においては、この問題を解決するために、ウエハ
と静電チャックとの間に、圧力調整可能にガスを導入す
るといった複雑な構造を採用している。
【０００６】本発明の目的は、簡素な構造でかつウエハ
の温度分布の均一化を実現可能な、静電チャックを提供
することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段】本発明は、ウエハと静電
チャックとの熱伝達機構が、真空中では、ウエハと静電
チャックとの接触熱伝達であること、ウエハの無いとき
の加工エネルギー流入に伴う静電チャック表面の温度分
布が、本質的に中心から半径方向に同心的に低下するこ
とに着目したもので、ウエハと静電チャックとの有効接
触面積を中心から半径方向に漸次低減して、ウエハ温度
の均一性を得ようとするものである。すなわち、上記の
目的を達成するために、本発明によれば、静電吸着力を
利用してウエハを保持し、冷却が液体媒体を介する放熱
により行われる静電チャックであって、保持すべき前記
ウエハと部分的に接触するように、前記静電チャック表
面に凹凸形状の加工を施したものにおいて、該凹凸形状
として、前記静電チャックの表面のうち相対的に内側の
領域である中央部における凸部面積比率に対し、前記静
電チャックの表面のうち相対的に外側の領域である外周
部における凸部面積比率を小さくして、ウエハと静電チ
ャックとの間の熱伝達率を変化させるように形成したも
のであり、中央部における凸部面積比率に対する外周部
における凸部面積比率を５０％以下となるように形成す
るとともに、中央部における凸部面積比率が２５％ない
し１００％であるように形成し、かつ、静電チャックの
直径の１０％ないし５０％内の領域を、凸部面積比率の
大きい中央部とするように形成するものとする。尚、凹
凸形状の段差を１０μｍないし７０μｍとなるように形
成すると良い。
【０００８】
【０００９】
【００１０】
【作用】円板状の静電チャックの裏面に、均熱された冷
却ジャケットを周辺部締めつけで取付け、ウエハが無い
状態で静電チャック表面に均一なエネルギーを流入させ
た場合、このエネルギーは熱流として水冷ジャケットへ
向かう一方、静電チャックが通常厚みのある絶縁体ベー
ス上に平板状電極と絶縁層とを順に積層して一体化した
構造を有することから、静電チャックの側面も放熱面を
形成し、水冷ジャケットへ向かった残りのエネルギーが
熱流として半径方向外方へ向かう。この熱流の断面積は
半径方向位置の半径に比例して大きくなるが、一方、こ
の半径の内側のエネルギーは半径の自乗して大きくなる
ため、半径方向外方へ向かう熱流密度が半径方向に大き
くなり、静電チャックを構成する絶縁材の熱伝導率が小
さいことから、半径方向の温度分布として、温度勾配が
中央部で小さく、外周へ近づくにつれて大きくなる温度
分布が生じる。ウエハが有る場合、まず、ウエハと静電
チャックとの間に微小な隙間を仮定すれば、ウエハに流
入した均一なエネルギーは輻射により静電チャックに伝
達され、静電チャック内でウエハが無い場合と同様な温
度分布が形成される。一方、この輻射による熱伝達は、
ウエハが無い静電チャックにおける水冷ジャケットへの
熱伝達に相当するから、ウエハ内でも、ウエハが無い静
電チャックの場合と同様な温度分布が生じる。この温度
分布は、ウエハ全体の温度が静電チャックより高いこと
はもちろんであるが、温度勾配も、ウエハの熱伝導率自
体は大きいが厚さが薄いことから熱抵抗が大きく、半径
方向の温度勾配が静電チャック表面の半径方向温度勾配
よりも大きくなる温度勾配を示す。従って、ウエハと静
電チャックとの温度差は中央部で大きく外周部へ進むに
つれて小さくなる。従って、ウエハと、熱容量の大きい
静電チャックとの接触面積を中央部で大きくとり、周辺
部で小さくとると、中央部での接触熱抵抗が周辺部より
小さくなり、ウエハ中央部の温度の下がり方が周辺部よ
り大きくなるため、ウエハ内での温度勾配が小さくな
り、ウエハ温度をより均一化することが可能になる。
【００１１】なお、静電チャックの中央部および外周部
に形成する凸部の高さを10μｍないし70μｍとする理由
は、静電チャックが通常磁器からなる絶縁材中に平板状
電極を埋め込んだ構造であり、ウエハが吸着される磁器
表面は、表面粗さがμｍオーダに研磨されることから、
10μｍ以下では加工の精度を出しにくいこと、また、70
μｍ以上では、ウエハの吸着, 保持が必ずしも確実に行
われ得ないことによるものである。
【００１２】
【実施例】図１に、本発明になる静電チャックを用いた
ウエハ保持装置全体の断面図を示す。静電チャック１と
冷却用の水冷ジャケット２とは、周辺部をボルト３にて
取付けられている。水冷ジャケット２の中央部には、静
電チャック１に吸着用の電圧を供給するための給電端子
４が真空シールにて取付けられた絶縁板５が真空シール
にて配置されている。ピン６は吸着されたウエハを離脱
するためのものである。
【００１３】本実施例において、静電チャック１は、全
体が凸部7Aとしてなる中央部1Aと、部分的に凸部7Bが形
成された外周部1Bとから成る。
【００１４】図１において、ｈは凹凸形状の段差を示す
もので、本実施例においては10μｍないし70μｍとなっ
ている (図ではｈの厚さを誇張して描いてある) 。
【００１５】図２ないし図７に、本発明による静電チャ
ックの第１ないし第６の実施例を示す。図８および図９
は本発明の実施例と比較するために示す比較例である。
図２ないし図９において、静電チャックの直径は180 mm
である。
【００１６】図２の静電チャック１は、同図(a) に示す
ように、その中央部1Aは直径が40mmの円形であり、中央
部1A全体が凸部7Aとなっている。一方、外周部1Bには、
同図(a) には図示を省略しているが、同図(b) に示すよ
うな等間隔ピッチ1.５mmのドットパターンで、直径0.57
mmの凸部7Bが設けられている。本実施例では、静電チャ
ック１の直径に対する中央部1Aの直径の比率は約22％で
ある。
【００１７】図３の静電チャック１は、同図(a) に示す
ように、その中央部1Aは直径が60mmの円形であり、中央
部1A全体が凸部7Aとなっている。一方、外周部1Bには、
同図(a) には図示を省略しているが、同図(b) に示すよ
うな等間隔ピッチ2.０mmのドットパターンで、直径1.13
mmの凸部7Bが設けられている。本実施例では、静電チャ
ック１の直径に対する中央部1Aの直径の比率は約33％で
ある。
【００１８】図４の静電チャック１は、同図(a) に示す
ように、その中央部1Aは直径が40mmの円形であり、この
領域に、同図(b) に示すように、等間隔ピッチ2.０mmの
ドットパターンで、直径1.０mmの凹部7Aが設けられ、残
りの平坦な面が凸部を構成する。一方、外周部1Bには、
同図(a) には図示を省略しているが、同図(c) に示すよ
うに、等間隔ピッチ1.５mmのドットパターンで、直径0.
57mmの凸部7Bが設けられている。本実施例では、静電チ
ャック１の直径に対する中央部1Aの直径の比率は約22％
である。
【００１９】図５の静電チャック１は、同図(a) に示す
ように、その中央部1Aは直径が40mmの円形であり、この
領域に、同図(b) に示すように、等間隔ピッチ5.０mmの
ドットパターンで、直径3.５mmの凹部7Aが設けられ、残
りの平坦な面が凸部を構成する。一方、外周部1Bには、
同図(a) には図示を省略しているが、同図(c) に示すよ
うに、等間隔ピッチ1.５mmのドットパターンで、直径0.
57mmの凸部7Bが設けられている。本実施例では、静電チ
ャック１の直径に対する中央部1Aの直径の比率は約22％
である。
【００２０】図６の静電チャック１は、同図(a) に示す
ように、その中央部1Aは直径が60mmの円形であり、この
領域に、同図(b) に示すように、等間隔ピッチ2.０mmの
ドットパターンで、直径1.０mmの凹部7Aが設けられ、残
りの平坦な面が凸部を構成する。一方、外周部1Bには、
同図(a) には図示を省略しているが、同図(c) に示すよ
うに、等間隔ピッチ2.０mmのドットパターンで、直径1.
13mmの凸部7Bが設けられている。本実施例では、静電チ
ャック１の直径に対する中央部1Aの直径の比率は約33％
である。
【００２１】図７の静電チャック１は、同図(a) に示す
ように、その中央部1Aは直径が60mmの円形であり、この
領域に、同図(b) に示すように、等間隔ピッチ5.０mmの
ドットパターンで、直径3.5 mmの凹部7Aが設けられ、残
りの平坦な面が凸部を構成する。一方、外周部1Bには、
同図(a) には図示を省略しているが、同図(c) に示すよ
うに、等間隔ピッチ2.０mmのドットパターンで、直径1.
13mmの凸部7Bが設けられている。本実施例では、静電チ
ャック１の直径に対する中央部1Aの直径の比率は約33％
である。
【００２２】一方、比較例である図８の静電チャック１
は、同図(a) には図示していないが、同図(b) に示すよ
うな等間隔ピッチ1.５mmのドットパターンで、中央部1A
と外周部1Bとの全域にわたって均等に、直径0.57mmの凸
部7Aおよび7Bが設けられている。
【００２３】別の比較例である図９の静電チャック１に
は、中央部1A,外周部1Bともに凸部は設けられておら
ず、全面が平面になっている。
【００２４】図２ないし図７の実施例および図８, 図９
の比較例に示す静電チャック１を用いて、本発明者らが
実験したところ、プラズマエネルギーが均一に流入した
ときのウエハおよび静電チャックの温度分布につき、下
記の表に示す結果が得られた。
【００２５】
【表１】
【００２６】このように、比較例である図８, 図９の静
電チャックによっては、ウエハの温度が、中央部と外周
部とで100 ℃以上も異なるのに対し、本発明の実施例で
ある図２ないし図７の静電チャックによれば、この温度
差が低減され、温度分布が均一化されていることが明ら
かである。特に図２の実施例においてはその効果が顕著
である。
【００２７】なお、発明者らの吸脱着試験によると、図
９の静電チャックの場合には、ウエハ温度は最も低くな
る (冷却性がよい) のであるが、ウエハ裏面の状態変化
による吸着力の変動が大きく、また離脱時の残留吸着力
が極めて大きく安定性に欠けるという別の問題もあり、
実用的でない。
【００２８】そこで、冷却性能を重視した静電チャック
の, 上記実施例と異なる実施例を図10に示す。図10の静
電チャックは、同図(a) に示すように、静電チャック表
面は４種類のパターンからなり、そのパターンは同心状
に形成されている。中央部1Aは直径Ｄ1 が76mmの円形で
あり、中央部1A全体が凸部となっている。一方、外周部
1Bは３つのリング状領域1B1 , 1B2 , 1B3 からなり、直
径Ｄ1 〜Ｄ2 (76mm〜106mm)の第１領域1B1 は、同図
(a) には図示を省略しているが、同図(b) に示すような
等間隔ピッチ５mmのドットパターンで、直径4.88mmの凸
部が設けられている。直径Ｄ2 〜Ｄ3 (106mm〜130mm)の
第２領域1B2 は同図(c) に示すような等間隔ピッチ２mm
のドットパターンで、直径1.６mmの凸部が設けられてい
る。さらに、直径Ｄ3 〜Ｄ (130mm 〜180mm)の第３領域
1B3 は同図(d) に示すような等間隔ピッチ２mmのドット
パターンで、直径1.13mmの凸部が設けられている。
【００２９】図１０の実施例では、静電チャック１の直
径に対する中央部１Ａの直径の比率は約４２％である。
図１０の静電チャックと前述の図９の静電チャックとを
用いて行った別の実験結果を下記の表に示す。
【００３０】
【表２】
【００３１】このように、ウエハ温度については、図10
の静電チャックを用いたときと図９の静電チャックを用
いたときとでほとんど差がなく、温度分布については図
10の静電チャックが若干ではあるが優っている。
【００３２】以上の温度特性と吸脱着特性の結果から、
凹凸の段差は１０μｍないし７０μｍ、中央部の最大接
触面積率（凸部面積比率）は２５〜１００％、中央部に
対する外周部の接触面積率の比率は５０％以下、静電チ
ャックの直径の１０〜５０％内の領域を凸部面積比率の
大きい中央部とするように形成すること、が良い。
【００３３】
【発明の効果】本発明では、ウエハホルダーとして静電
チャックを利用し、ウエハの処理表面に接触することな
くウエハを保持し、かつ静電チャックを強制的に冷却す
ると同時に、ウエハと静電チャックとの接触面積を径方
向に変化させて、熱伝達率を制御しているので、温度制
御のための複雑な構造・補助手段を使用する必要がな
い。それ故、低廉な装置コストで安定性の高いウエハホ
ルダーが実現できた。
【００３４】更に、ウエハの処理表面に接触することな
くウエハを保持しているので、半導体マイクロデバイス
の特性変動要因となるコンタミネーションを大幅に低減
できた。
【００３５】なお、特に例示はしていないが、静電チャ
ックの強制冷却の冷媒温度を制御すれば、容易にウエハ
加工の最適温度を得られることは言うまでもない。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明になる静電チャックを用いたウエハ保持
装置の全体構成を示す断面図
【図２】本発明になる静電チャックの第１の実施例の表
面形状を示す図
【図３】本発明になる静電チャックの第２の実施例の表
面形状を示す図
【図４】本発明になる静電チャックの第３の実施例の表
面形状を示す図
【図５】本発明になる静電チャックの第４の実施例の表
面形状を示す図
【図６】本発明になる静電チャックの第５の実施例の表
面形状を示す図
【図７】本発明になる静電チャックの第６の実施例の表
面形状を示す図
【図８】本発明になる静電チャックの表面形状と比較す
るために示す第１の比較例の静電チャックの表面形状を
示す図
【図９】本発明になる静電チャックの表面形状と比較す
るために示す第２の比較例の静電チャックの表面形状を
示す図
【図１０】本発明による表面形状を冷却性に重点を置い
て形成した静電チャックの一実施例の表面形状を示す図
【符号の説明】
１ 静電チャック １Ａ 中央部 １Ｂ 外周部 ７Ａ 中央部の凸部 ７Ｂ 外周部の凸部
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 榊原 康史 神奈川県川崎市川崎区田辺新田１番１号 富士電機株式会社内 (56)参考文献 特開 平１−313954（ＪＰ，Ａ) 特開 平１−251735（ＪＰ，Ａ)

Claims (2)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項１】静電吸着力を利用してウエハを保持し、冷
    却が液体媒体を介する放熱により行われる静電チャック
    であって、 保持すべき前記ウエハと部分的に接触するように、前記
    静電チャック表面に凹凸形状の加工を施したものにおい
    て、 該凹凸形状として、前記静電チャックの表面のうち相対
    的に内側の領域である中央部における凸部面積比率に対
    し、前記静電チャックの表面のうち相対的に外側の領域
    である外周部における凸部面積比率を小さくして、ウエ
    ハと静電チャックとの間の熱伝達率を変化させるように
    形成したものであり、 中央部における凸部面積比率に対する外周部における凸
    部面積比率を５０％以下となるように形成するととも
    に、中央部における凸部面積比率が２５％ないし１００
    ％であるように形成し、かつ、静電チャックの直径の１
    ０％ないし５０％内の領域を、凸部面積比率の大きい中
    央部とするように形成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に記載の静電チャックにおいて、
    凹凸形状の段差を１０μｍないし７０μｍとなるように
    形成したことを特徴とする静電チャック。
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