JP4004637B2 - 静電チャック、加熱冷却装置、加熱冷却方法及び真空処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば真空処理槽内において処理対象物である基板を吸着保持するための静電チャックに関し、特に加熱冷却時の熱応力に起因する基板の割れを防止するための技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
従来より、真空中でシリコンウェハ等の基板上に成膜等の処理を行う装置においては、静電気力によって基板を吸着保持する静電チャックが広く用いられている。このような静電チャックとしては、成膜等の処理において基板を所定の温度に維持するため温度制御（加熱又は冷却）可能なホットプレートと一体的に構成されたものが知られている。
【０００３】
従来、このような静電チャック付のホットプレートにおいては、誘電体内に設けられた吸着電極に所定の電圧を印加することによって基板のほぼ全面を吸着保持するようにしているが、吸着保持後の基板の温度上昇又は温度降下が大きい（２５０℃以上）場合には、静電チャックによって束縛された基板が急激に熱膨張又は熱収縮しようとするため、基板に強い応力が発生して基板が割れてしまうという問題があった。
【０００４】
従来、この問題を解決する方法としては、第一に、静電チャックによって基板を吸着保持せずに基板を加熱又は冷却し、基板に割れが生じない温度にまで基板の温度が上昇又は降下した後に吸着電極に電圧を印加して基板を吸着保持する方法と、第二に、吸着電極に小さい電圧を印加すること等により基板を弱い静電吸着力で吸着保持し、基板に割れが生じない温度にまで基板の温度を上昇又は降下させた後に、吸着電極に印加する電圧を大きくして基板に対する静電吸着力を強くする方法が提案されている。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、このような従来の技術においては、次のような問題があった。
すなわち、上述した第一の方法においては、基板を吸着保持していないため基板とホットプレートとの間において熱が伝わりにくく、そのため、基板が所望の温度に達するまで必要以上に時間がかかってしまうという問題があった。
【０００６】
また、基板及びホットプレートの表面には微小な反りが存在するため、上述した第二の方法のような弱い静電吸着力では基板が部分的にしか吸着保持されず、その結果、基板の表面において温度分布にむらが生じ、これが基板の割れの一因となっていた。
【０００７】
本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、被吸着物に割れを生じさせることなく、しかも効率良く被吸着物を加熱及び冷却することが可能な加熱冷却装置及びこれを用いた真空処理装置を提供することを目的とする。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
上記目的を達成するためになされた請求項１記載の発明は、被吸着物を吸着保持するための誘電体からなる静電チャック本体中に独立して制御可能な複数の吸着電極対が同一平面内に設けられ、前記複数の吸着電極対は、それぞれ同心円形渦巻状に形成され極性がその半径方向に交互に配されるように構成されていることを特徴とする静電チャックである。
また、請求項２記載の発明は、請求項１記載の発明において、前記複数の吸着電極対は、独立して所定の電圧が印加される第１の吸着電極対及び第２の吸着電極対を有することを特徴とする。
さらに、請求項３記載の発明は、請求項１又は２のいずれか１項記載の発明において、前記吸着電極対は、その中心点に向かって曲率半径が段階的に小さくなるように形成した半円状の円弧部と、当該円弧部同士を連結する連結部から構成されていることを特徴とする。
さらにまた、請求項４記載の発明は、請求項１乃至３のいずれか１項記載の静電チャック本体に、所定の温度に温度制御可能な加熱冷却手段が一体的に設けられていることを特徴とする加熱冷却装置である。
加えて、請求項５記載の発明は、請求項４記載の加熱冷却装置を用いた加熱冷却方法であって、所定の温度に温度制御された静電チャック本体によって被吸着物を支持した状態で、この静電チャック本体に粗の状態で分布する均一な静電吸着力を発生させ、その後、この静電チャック本体に密の状態で分布する均一な静電吸着力を発生させて上記被吸着物を当該静電チャック本体に吸着保持することを特徴とする加熱冷却方法である。
また、請求項６記載の発明は、真空処理槽内に請求項１乃至３のいずれか１項記載の静電チャックを備え、この静電チャックに吸着保持される基体に対して所定の処理を行うように構成されていることを特徴とする真空処理装置である。
さらに、請求項７記載の発明は、真空処理槽内に請求項６記載の加熱冷却装置を備え、この加熱冷却装置によって加熱冷却される基体に対して所定の処理を行うように構成されていることを特徴とする真空処理装置である。
【０００９】
本発明においては、静電チャック本体中に独立して制御可能な複数の吸着電極対が設けられていることから、特定の吸着電極対に対して電圧を印加すれば、静電チャック本体において部分的な静電吸着力を均一に発生させることが可能になる。
その結果、例えば、本発明のように、所定の温度に温度制御された静電チャック本体によって被吸着物を支持した状態で、静電チャック本体に粗の状態で分布する均一な静電吸着力を発生させれば、被吸着物において静電チャックプレートに束縛されない部分が生じ、熱膨張又は熱収縮に起因する熱応力がこの部分において吸収（緩和）されるため、被吸着物に割れを生じさせることなく被吸着物を所望の温度付近まで加熱又は冷却することができる。
この場合、本発明にあっては、被吸着物及び静電チャック表面の静電吸着された部分において熱が効率良く伝わるため、効率良く被吸着物を加熱又は冷却することが可能になる。
そして、その後、静電チャック本体に密の状態で分布する均一な静電吸着力を発生させて上記被吸着物を当該静電チャック本体に吸着保持するようにすれば、短時間で被吸着物を所望の温度に加熱又は冷却することができる。
また、本発明の場合は、小さい静電吸着力で被吸着物の全面を吸着する従来技術と異なり一定以上の静電吸着力が得られるため、静電チャックに対して被吸着物を密着させることができ、その結果、被吸着物の面内に大きな温度むらが生ずることがなく、均一な加熱又は冷却を行うことが可能になる。
この場合、本発明のように、複数の吸着電極対として、独立して所定の電圧が印加される第１の吸着電極及び第２の吸着電極を有するように構成すれば、簡素な構成で本発明の目的を十分に達成することができる。
また、本発明のように、複数の吸着電極対を、それぞれ同心円形渦巻状に形成し極性がその半径方向に交互に配されるように構成にすれば、静電チャック本体に束縛された部分と静電チャック本体に対して自由な部分が交互に生ずるため、各吸着電極対に電圧を印加して被吸着物の吸着保持を行う際に常に均一な分布の静電吸着力を発生させることができ、これにより被吸着物に発生する熱応力を均一な状態で吸収することが可能になる。
【００１０】
一方、本発明によれば、被吸着物に割れを発生させることなく効率良く加熱又は冷却を行いうる加熱冷却装置を提供することができる。
また、本発明によれば、被吸着物の割れが発生することなく加熱冷却効率を高くすることができるため、真空処理装置の処理能力を向上させることが可能になる。
【００１１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明に係る静電チャック及びこれを用いた加熱冷却装置並びに真空処理装置の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
図１は、本発明に係る真空処理装置の一実施の形態であるプラズマＣＶＤ装置の概略構成を示す概略構成図であり、図２は、本発明に係る静電チャックの第１の実施の形態の電極パターンを示す説明図である。
【００１２】
図１に示すように、本実施の形態のプラズマＣＶＤ装置１は、図示しない真空排気系に接続された真空処理槽２を有し、この真空処理槽２内の上部に放電手段３が設けられる。この放電手段３は、真空処理槽２の外部に設けられた高周波電源４に接続された放電電極３ａを有し、真空処理槽２内に反応ガスＧを導入するように構成されている。
【００１３】
真空処理槽２の下部には、処理対象物であるシリコンウェハ等の基板（被吸着物）５を支持するためのサセプタ６が設けられ、このサセプタ６の上部には、基板５と同等の大きさの円盤形状に形成された静電チャックプレート７ａ（静電チャック本体）を有する静電チャック７が固定されている。
【００１４】
静電チャック７の静電チャックプレート７ａの内部には、基板５を加熱するためのヒーター（加熱冷却手段）Ｈが設けられている。このヒーターＨは、図示しない電源に接続され所定の温度に制御可能に構成されている。
【００１５】
また、静電チャックプレート７ａ内には、例えば水等の冷却媒体を循環させることによって静電チャックプレート７ａを冷却できるように構成され（図示せず）、これにより静電チャック７は加熱冷却装置（ホットプレート）としての機能を有している。
【００１６】
図１及び図２に示すように、本実施の形態の静電チャック７は、いわゆる双極型のもので、誘電体からなる静電チャックプレート７ａ中に、各々独立して制御可能な２組の吸着電極対、すなわち、第１の吸着電極対８と第２の吸着電極対９が設けられている。
【００１７】
ここで、第１の吸着電極対８は、正の極性に帯電する吸着電極８０と、負の極性に帯電する吸着電極８１とから構成され、同様に、第２の吸着電極対９は、正の極性に帯電する吸着電極９０と、負の極性に帯電する吸着電極９１とから構成される。
【００１８】
図１に示すように、第１の吸着電極対８の一方の吸着電極８０は、真空処理槽２の外部に設けられた直流電源１１ａの正の端子にスイッチ１０ａを介して接続され、他方の吸着電極８１は、同様にスイッチ１０ｂを介して直流電源１１ｂの負の端子に接続されている。
【００１９】
また、第２の吸着電極対９の一方の吸着電極９１は、真空処理槽２の外部に設けられた直流電源１２ａの正の端子にスイッチ１３ａを介して接続され、他方の吸着電極９１は、同様にスイッチ１３ｂを介して直流電源１２ｂの負の端子に接続されている。
【００２０】
このような構成により、本実施の形態においては、第１及び第２の吸着電極対８、９に対し、直流電源１１（１１ａ、１１ｂ）及び直流電源１２（１２ａ、１２ｂ）から、それぞれ独立して電圧を印加するように構成されている。
【００２１】
図２に示すように、本実施の形態の静電チャック７においては、静電チャックプレート７ａに、第１の吸着電極対８を構成する吸着電極８０、８１と、第２の吸着電極対９を構成する吸着電極９０、９１とが、それぞれ静電チャックプレート７ａの中心点Ｏを中心として所定の間隔でほぼ渦巻状に形成されている。
【００２２】
この場合、第１の吸着電極対８を構成する吸着電極８０、８１は、それぞれ静電チャックプレート７ａの中心点Ｏに向って曲率半径が段階的に小さくなるように形成した半円状の円弧部８０ａ、８１ａと、これらの円弧部８０ａ、８１ａ同士を連結する連結部８０ｂ、８１ｂとから構成される（図２においては、外周部分のもののみに符号が付されている。）。
【００２３】
ここで、各吸着電極８０、８１は、ほぼ同一の形状に形成されている。そして、これらの吸着電極８０、８１を静電チャックプレート７ａの中心点Ｏを基準として点対称の位置に配することによって各吸着電極８０、８１の対応する円弧部８０ａ、８１ａが同じ円周上に形成されるようになっている。
【００２４】
一方、第２の吸着電極対９を構成する吸着電極９０、９１は、第１の吸着電極対８と同様に、それぞれ静電チャックプレート７ａの中心点Ｏに向って曲率半径が段階的に小さくなるように形成した半円状の円弧部９０ａ、９１ａと、これらの円弧部９０ａ、９１ａ同士を連結する連結部９０ｂ、９１ｂとから構成される（図２においては、外周部分のもののみに符号が付されている。）。
【００２５】
そして、各吸着電極９０、９１もまたほぼ同一の形状に形成され、これらの吸着電極９０、９１を静電チャックプレート７ａの中心点Ｏを基準として点対称の位置に配することによって各吸着電極９０、９１の対応する円弧部９０ａ、９１ａが同じ円周上に形成されるようになっている。
【００２６】
そして、本実施の形態の場合は、上述した構成を有する第１の吸着電極対８と第２の吸着電極対９とが、静電チャックプレート７ａの半径方向に交互に配列されている。
【００２７】
このような構成を有する本実施の形態の静電チャック７においては、第１の吸着電極対８と、第２の吸着電極対９とが、それぞれ静電チャックプレート７ａにおいて均一に分布されるとともに、ほぼ同一の面積を占めるようになっている。
【００２８】
次に、本発明に係る加熱冷却方法の実施の形態を図１に示すプラズマＣＶＤ装置１及び図２に示す静電チャック７を参照して詳細に説明する。
【００２９】
まず、真空処理槽２においてヒーターＨによって静電チャックプレート７ａを所定の温度に加熱した状態で基板５を真空処理槽内に搬入し、図示しない昇降機構によって基板５を静電チャックプレート７ａ上の所定の位置に載置する。
【００３０】
そして、図１に示すように、スイッチ１０ａ、１０ｂを閉じることによって、第１の直流電源１１ａ、１１ｂから第１の吸着電極対８の吸着電極８０、８１に所定の電圧を印加し、静電チャックプレート７ａの第１の吸着電極対８に対応する部分にいわば粗の状態で静電吸着力を発生させる。
【００３１】
これにより、基板５において静電チャックプレート７ａに吸着されない部分が生じ、この束縛されていない部分に基板５の熱膨張成分が逃がされることによって熱応力が吸収（緩和）されるため、基板５に割れを生じさせることなく基板５を所望の温度付近まで効率良く加熱することができる。
【００３２】
その後、スイッチ１３ａ、１３ｂを閉じて第２の直流電源１２ａ、１２ｂから第２の吸着電極９の吸着電極９０、９１に所定の電圧を印加することにより、静電チャックプレート７ａの第２の吸着電極対９に対応する部分にも静電吸着力を発生させる。これにより、静電チャックプレート７ａに密の状態で静電吸着力が発生するため、基板５が静電チャックプレート７ａに吸着保持され、短時間で基板５を所望の温度に加熱することができる。
【００３３】
なお、基板５は既に熱膨張しているため、この後段の加熱の際に基板５に割れが生ずることはない。
【００３４】
その後、真空処理槽２内に反応ガスＧを導入するとともに、放電手段３に高周波電源４から高周波電力を印加することにより、基板５に対して所定の成膜処理を行う。
【００３５】
以上述べたように本実施の形態によれば、基板５に割れを発生させることなく、迅速に基板５を加熱することができる。
【００３６】
しかも、本実施の形態の場合は、静電吸着力を小さくして基板５の全面を吸着する従来技術と異なり、一定以上の静電吸着力で基板５を吸着保持することができることから静電チャックプレート７ａに対して基板５を密着させることができ、その結果、基板５の面内に大きな温度むらが生ずることがなく、均一な加熱が可能になり基板の割れを確実に防止することができる。
【００３７】
また、本実施の形態の場合は、渦巻状の第１及び第２の吸着電極対８、９が静電チャックプレート７ａの半径方向に交互に配されているので、各吸着電極対８、９に電圧を印加して基板５の吸着保持を行う際に常に均一な分布の静電吸着力を発生させることができ、これにより基板５に発生する熱応力を各部分において均一に吸収することができる。
【００３８】
このように、本実施の形態によれば、基板５に割れを発生させることなく基板５を迅速に加熱することができるため、プラズマＣＶＤ装置１の処理能力を向上させることができる。
【００３９】
図３は、本発明に係る静電チャックの参考例の電極パターンを示すものであり、以下、上記第１の実施の形態と対応する部分には同一の符号を付してその詳細な説明を省略する。
【００４０】
本参考例の静電チャック７０は、静電チャックプレート７ａ中に、静電チャックプレート７ａの中心点Ｏを基準とする同心円状の第１及び第２の吸着電極７１、７２が設けられたものである。
【００４１】
すなわち、図３に示すように、静電チャックプレート７ａの外周側から順に、一定の間隔をおいて、第１の吸着電極７１を構成する同心円状の吸着電極７１ａ、７１ｂ、７１ｃ、７１ｄが形成され、これらの吸着電極７１ａ〜７１ｄと交互に、第２の吸着電極７２を構成する吸着電極７２ａ、７２ｂ、７２ｃ、７２ｄが形成されている。
【００４２】
ここで、第１及び第２の吸着電極対７１、７２は、ともに双極型の電極で、第１の吸着電極対７１のうち外周側から奇数番目の吸着電極７１ａ、７１ｃは、例えば、上述したスイッチ１０ａを介して第１の直流電源１１ａの正の端子に接続され、第１の吸着電極対７１のうち外周側から偶数番目の吸着電極７１ｂ、７１ｄは、上述したスイッチ１０ｂを介して第１の直流電源１１ｂの負の端子に接続されている。
【００４３】
一方、第２の吸着電極対７２のうち外周側から奇数番目の吸着電極７２ａ、７２ｃは、例えば、上述したスイッチ１３ａを介して第２の直流電源１２ａの正の端子に接続され、第２の吸着電極対７２のうち外周側から偶数番目の吸着電極７２ｂ、７２ｄは、上述したスイッチ１３ｂを介して第２の直流電源１２ｂの負の端子に接続されている。
【００４４】
このような構成を有する本例においては、同心円状の第１及び第２の吸着電極対７１、７２を静電チャックプレート７ａの半径方向に交互に配したことから、上記第１の実施の形態と同様に、第１及び第２の吸着電極対７１、７２に所定の時間差をおいて電圧を印加することにより、基板５に発生する熱応力を静電チャックプレート７ａに吸着されない部分で均一に吸収（緩和）することができ、その結果、基板５に割れを発生させることなく、迅速に基板５を加熱することができる。その他の構成及び作用効果については上記実施の形態と同一であるのでその詳細な説明を省略する。
【００４５】
なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、吸着電極のパターン、そのパターンにおける吸着電極の数、配列、形状、極性及び吸着電極の組の数は、本発明の範囲内である限り、任意のものとすることができる。
【００４６】
特に、吸着電極のパターンについては、上述の実施の形態のように、円形渦巻形状のものには限られない。ただし、上記実施の形態のように構成すれば、円形の基板に対して確実に基板を吸着保持することができ、特に円形渦巻形状のパターンを用いた場合には、電圧を印加するための接点の数を最も少なくすることができるので、静電チャックの製造工程を簡素化することができるという利点がある。
【００４７】
また、上述の実施の形態においては、第１の吸着電極対に電圧を印加する際に、第２の吸着電極対に対して電圧を印加しないようにしたが、本発明はこれに限られず、例えば、第２の吸着電極対に対して、被吸着物の熱膨張又は熱収縮を逃がすことができる程度の弱い電圧を印加することも可能である。
【００４８】
さらに、上述の実施の形態においては、双極型の吸着電極を用いたが、単極型の吸着電極を用いることも可能である。ただし、上記実施の形態のように双極型の吸着電極を用いれば、プラズマを用いない全てのプロセスにおいて使用することができるというメリットがある。
【００４９】
さらにまた、本発明は被吸着物を加熱する場合には限られず、所定の温度差をもって被吸着物を冷却する場合にも適用することができる。
【００５０】
加えて、上述の実施の形態においては、プラズマＣＶＤ装置を例にとって説明したが、本発明はこれに限られず、静電チャック機構を具備する全ての装置に搭載することができるものである。
【００５１】
【実施例】
以下、本発明の実施例を比較例とともに詳細に説明する。
＜実施例＞
図１に示すホットプレート７を用い、基板５として８インチサイズの室温のシリコンウェハを本発明の方法によって５００℃に昇温させた。この場合のシリコンウェハの温度上昇を図４に示す。
【００５２】
まず、５００℃以上に加熱された静電チャックプレート７ａ上に室温のシリコンウェハを設置し、第１の吸着電極対８に正負の電圧を印加して静電吸着力を発生させ、シリコンウェハを部分的に静電チャック７に吸着させてこれを昇温させた。
【００５３】
そして、第１の吸着電極対８に電圧を印加し始めてから１５秒経過後に第２の吸着電極対９に正負の電圧を印加してシリコンウェハを静電チャック７に全面吸着させた。
【００５４】
図４に示すように、第２の吸着電極対９に電圧を印加した時点では既にシリコンウェハの温度は４８０℃に達しており、第２の吸着電極対９に電圧を印加し始めてから５秒後（第１の吸着電極対８に電圧を印加し始めてから２０秒後）には、シリコンウェハの温度は５００℃の一定温度になった。
【００５５】
以上の加熱試験を繰り返し行ったところ、シリコンウェハに割れは全く生じなかった。
【００５６】
＜比較例１＞
図１に示すプラズマＣＶＤ装置１を用い、実施例と同一のシリコンウェハを静電チャックプレート７ａ上に設置し、第１及び第２の吸着電極対８、９に同時に電圧を印加してシリコンウェハを５００℃に昇温させた。
【００５７】
その結果、比較例１の場合、加熱試験を行ったうちの半数以上のシリコンウェハに割れが生じた。
【００５８】
＜比較例２＞
図１に示すプラズマＣＶＤ装置１を用い、５００℃以上に加熱された静電チャックプレート７ａ上に実施例と同一のシリコンウェハを設置し、第１及び第２の吸着電極対８、９に電圧を印加せずにシリコンウェハを昇温させた。この場合のシリコンウェハの温度上昇を図５に示す。
【００５９】
図５に示すように、比較例２の場合は、シリコンウェハの温度が２５０℃に達するまでに約１８０秒の時間を要した。
【００６０】
以上の実施例及び比較例から理解されるように、本発明によれば、基板５に割れを生じさせることなく、基板５を迅速に加熱又は冷却できることが明らかになった。
【００６１】
【発明の効果】
以上述べたように本発明によれば、被吸着物に割れを生じさせることなく被吸着物を迅速に加熱又は冷却することができる。
したがって、このような加熱冷却装置を有する本発明の真空処理装置によれば、効率良く真空処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る真空処理装置の一実施の形態であるプラズマＣＶＤ装置の概略構成図
【図２】本発明に係る静電チャックの第１の実施の形態の電極パターンを示す説明図
【図３】本発明に係る静電チャックの参考例の電極パターンを示す説明図
【図４】本発明の方法によってシリコンウェハを加熱した場合の結果を示すグラフ
【図５】シリコンウェハを吸着保持せずに加熱した場合の結果を示すグラフ
【符号の説明】
１…プラズマＣＶＤ装置（真空処理装置） ２…真空処理槽 ３…放電手段 ５…基板（被吸着物） ７…静電チャック（加熱冷却装置） ７ａ…静電チャックプレート（静電チャック本体） ８…第１の吸着電極対 ９…第２の吸着電極対 ７０…静電チャック ７１…第１の吸着電極対 ７２…第２の吸着電極対 ８０、８１…吸着電極 ９０、９１…吸着電極 Ｈ…ヒーター（加熱冷却手段）

Claims (7)

1. 被吸着物を吸着保持するための誘電体からなる静電チャック本体中に独立して制御可能な複数の吸着電極対が同一平面内に設けられ、前記複数の吸着電極対は、それぞれ同心円形渦巻状に形成され極性がその半径方向に交互に配されるように構成されていることを特徴とする静電チャック。
2. 前記複数の吸着電極対は、独立して所定の電圧が印加される第１の吸着電極対及び第２の吸着電極対を有することを特徴とする請求項１記載の静電チャック。
3. 前記吸着電極対は、その中心点に向かって曲率半径が段階的に小さくなるように形成した半円状の円弧部と、当該円弧部同士を連結する連結部から構成されていることを特徴とする請求項１又は２のいずれか１項記載の静電チャック。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項記載の静電チャック本体に、所定の温度に温度制御可能な加熱冷却手段が一体的に設けられていることを特徴とする加熱冷却装置。
5. 請求項４記載の加熱冷却装置を用いた加熱冷却方法であって、
   所定の温度に温度制御された静電チャック本体によって被吸着物を支持した状態で、該静電チャック本体に粗の状態で分布する均一な静電吸着力を発生させ、その後、該静電チャック本体に密の状態で分布する均一な静電吸着力を発生させて上記被吸着物を当該静電チャック本体に吸着保持することを特徴とする加熱冷却方法。
6. 真空処理槽内に請求項１乃至３のいずれか１項記載の静電チャックを備え、
   該静電チャックに吸着保持される被吸着物に対して所定の処理を行うように構成されていることを特徴とする真空処理装置。
7. 真空処理槽内に請求項４記載の加熱冷却装置を備え、
   該加熱冷却装置によって加熱冷却される被吸着物に対して所定の処理を行うように構成されていることを特徴とする真空処理装置。

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