JP4035204B2

JP4035204B2 - 静電チャック上の誘電体被膜としてダイヤモンド膜を用いる方法及び装置

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Publication number: JP4035204B2
Application number: JP17310097A
Authority: JP
Inventors: クラマダッティラヴィ
Original assignee: Applied Materials Inc
Current assignee: Applied Materials Inc
Priority date: 1996-06-14
Filing date: 1997-06-13
Publication date: 2008-01-16
Anticipated expiration: 2017-06-13
Also published as: US5812362A; JPH1070181A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は基板処理設備で用いられる静電チャックに関するものである。特に、本発明は、さまざまな基板処理過程中に用いられるガス種とプラズマ構成物質からの侵食に耐性のある上面を有し、より強い力で基板をクランプ（保持）することができる改良型の静電チャックに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板処理システムは、ローディング（搬入）中やアンローディング（搬出）中、或は処理中における好ましくない基板の動きには敏感である。例えば、ローデング時やアンローディング時にチャックによってしっかり保持されていないと、基板は処理システム内で停滞してしまう恐れがある。このようなことが起こるのは、ローディングされてチャックの中心に置かれた基板が、処理中に動いて中心からずれるときである。そして、アンローディングの際、基板は処理チャンバの一部に接し、基板が破損する恐れがある。たとえ基板が破損しないとしても、オペレータは運転を停止し、逸脱した基板を取り除くために真空チャンバを開かねばならないだろうし、その結果、動作不可能時間が生じコストがかかることになる。処理中に基板が動くと、それによって熱が不均一となり、層の堆積或はエッチングを不均一なものとする。基板の剛性は面積が増加するほど低下するので、大きな基板（例えば直径１２インチの基板）にとってこれは特に深刻な問題となる。さらに、均一な熱伝達を維持するためにもチャックと処理対象の基板とをしっかりと、均一に接触させなくてはならない。チャックに接触しない基板部分は過熱点になる可能性があり、これが歩留まりに悪影響をもたらす。従って、基板とチャックとを強力且つ均一にクランプする力が望まれている。
【０００３】
処理の最中、基板を一定の場所に固定保持する一つの方法に、静電チャックを使用する方法がある。静電チャックは、基板を固定すべく、当該静電チャックと基板との間に静電力（或はクーロン力）を発生させる。いくつかの静電チャックの製造は、典型的には、プロセス互換性のあるアルミニウム等の金属を機械で加工して適当な支持ペディスタルを形成し、このペディスタルの上面にグリッド・ブラスティング（grid blasting）を行う工程を含んでいる。そして、誘電材料からなる層がペディスタルの上面に形成され、基板を保持できるように研磨されて円滑な平面にされる。
【０００４】
基板処理中、基板と金属ペディスタルとの間に電圧が印加され、誘電体層の一方の側に正の電荷を他方に負の電荷を形成する。この電荷が、実質的に均一な吸引クーロン力を基板と基板を所定位置にクランプするペディスタルとの間に発生させる。
【０００５】
静電チャックのクランプ力（すなわち基板を静電チャック上の所定位置に保つ力）は次の式で表わすことができる。
【０００６】
Ｆ＝ＣＶ²／２Ｄ（１）
なお、式中、Ｆはクランプ力、Ｃは２つの導体間の誘電体（ここでは静電チャックのペディスタルと基板との間にある被膜として示している）のキャパシタンス、Ｖは静電チャックに印加される電圧、Ｄはコンデンサプレート間の距離（誘電体の厚さ）である。
【０００７】
クランプ力は、色々な方法で最大化され得る。まず第１に、誘電率（すなわち比誘電率ε_r）の高い被膜を用いることが考えられる。これはキャパシタンスを増加させ、クランプ力を大きくする（式（１））。キャパシタンスは誘電体によって分離した２つの平行なプレートのキャパシタンスを求める次の式で与えられる。
【０００８】
Ｃ＝Ａε_oε_r／Ｄ（２）
なお、式中、Ａはプレートの一つの面積（平方メートル）、Ｄはプレート間の距離（メートル）、ε_oは空スペースの誘電率、ε_rはプレート間の誘電体材料の比誘電率である。第２に、先の誘電体より薄い誘電体被膜を形成して、両式のＤを減らすことが考えられる。クランプ力は静電チャックと基板との間の距離の平方に反比例するので、Ｄ値が減ることでクランプ力を実質的に増加することができる。最後に、ペディスタルと基板との間に印加される電圧を増加させてもよい。基板にかかる力の量は印加される電圧の平方に関連しているので、印加される電圧を増加することもかなりの効果がある。しかし、高電圧に耐えるために、被膜は十分高い誘電耐電圧を持たなくてはならない。
【０００９】
一般的な静電チャックの中には、アルミニウム或はステンレス鋼から製造され、プラズマスプレー或は熱スプレーにより酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）で被覆されたものがある。これらの材料は従来から静電チャックを製造するのに使われているが、さらに特性を向上させることが望まれている。また、「バックサイド・パーティクル（裏面側の粒子）」という問題が、セラミックで被覆されたペディスタルにはある。このような粒子は、基板が静電チャックのセラミック被覆面と接触し或はその面をこすった場合に発生する可能性ある。接触により、セラミック材料がはがれ落ち、ウエハの歩留まりに悪影響を及ぼすような好ましくない粒子と汚染物が生じる恐れがある。
【００１０】
基板の処理では環境を入念に制御して、周辺の化学種からの汚染や、粒子が原因となる欠陥を避けなくてはならない。従って＜多くの基板処理工程は、処理チャンバを制御環境下で、堆積、エッチング、スパッタリング、拡散等の過程を実行する。これらの作業の各々は、完成基板の製造において、ある技術が求めるさまざまな特性の層を形成し、パターニングし、取り扱う等の機能を果たす。基板を載置するペディスタル等の構成要素に対するエッチングは、エッチング工程中と（１〜３枚の基板ごとに行う必要がある）チャンバクリーニング工程中で最も活発に行われる。
【００１１】
例えば、チャンバクリーニング工程は堆積システムにおいて定期的に実行される。膜が基板に堆積すると、堆積する材料の中に処理チャンバ表面に蓄積するものが現われるので、定期的に除去しなくてはならない。こうしたクリーニング工程中、プロセスガスが処理チャンバから排気され、ＣＦ₄やＮＦ₃等のエッチングガスが導入される。それから、処理チャンバの内部に蓄積した残留物をエッチング除去するためのプラズマが生成される。
【００１２】
可能であれば、これらのエッチングガスにさらされる表面を保護して、運転コストを減らしスループットを向上させるようにする。例えば、現在の基板処理システムでは、クリーニング工程中にダミー基板を使って、ペディスタルの上面を保護する。この過程では、ダミー基板をローディングし、位置決めし、その後取り外す作業が必要となる。半導体製造産業におけるように、最大スループットが求められる状況において、保護デバイスの処理システムへの出し入れを繰り返すのは貴重な時間の浪費である。ダミー基板の中には、約１０回のクリーニング周期にしか耐えられずに取り替えなくてはならないものもあるので、ダミー基板を用いることも費用がかかる。ダミー基板がローディング中、アンローディング中につかえて動かなくなる可能性もあり、これが上で述べたような問題を生じさせることにもなりかねない。
【００１３】
【発明が解決しようとする課題】
従って、処理中に基板の動きを減らして、基板全体に均一に熱が行き渡るようにすることが望まれ、しかもそれが効果的である。裏面側粒子のレベルも可能な程度まで減らす必要がある。最終的には、基板処理システムが寿命になるまでの消費コストを減らし、スループットを向上することになるので、ダミー基板を不要にすることもまた望まれる。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
本発明は静電チャックの上面にダイヤモンドを被覆することによりこれらの要件に対処するものである。本発明のダイヤモンド被膜付き静電チャックは、処理される基板にかかるクランプ力を向上させる。クランプ力が向上することで、処理中の基板の動きを減らし、基板全体に均一な熱状態をもたらす。ダイヤモンド被膜はガス反応物、副生物、基板処理やチャンバ洗浄中に一般的に用いられるか生成されるプラズマ構成物質からのエッチングに対して耐性がある。よって、本発明はダミー基板が不要であり、その結果消費コストを減らし、スループットを向上する。また、本発明で用いられるダイヤモンド被膜は剥離を防ぐので、裏面側粒子のレベルを下げる。ダイヤモンドで被覆された本発明の静電チャックはこれらの且つその他の効果をもたらし、単純で費用効率のよいやり方で製造することができる。
【００１６】
また、本発明の静電チャックにおいては、ホウ素等のドーパントでドーピングされたダイヤモンド被膜でペディスタルの上面が被覆される。ドーピングされた被膜は高いコンダクタンスを示し、このため本発明の静電チャックはジョンソン−ラーベク（Ｊ−Ｒ）効果を利用することが可能になる。このＪ−Ｒ効果は、誘電体の厚さを被膜と基板との微視的間隙のサイズにまで減らすことによりクランプ力を増加させる。好ましくは、ジョンソン−ラーベク効果をさらに利用できるように、ドーピングされたダイヤモンド被膜の上面が一定程度の均一な荒さを持つようにするのがよい。
【００１８】
本発明の本質と効果は本明細書の以下の説明と図面を参照することで、さらに理解されるであろう。
【００１９】
【発明の実施の形態】
［Ｉ．高密度プラズマＣＶＤシステムの例］
図１は本発明の静電チャックが用いられる、高密度プラズマ化学気相成長（ＨＤＰ−ＣＶＤ）システム５の一実施形態を示している。ＨＤＰ−ＣＶＤシステム５は、真空チャンバ１０と、真空ポンプ１２と、ソースＲＦ（ＳＲＦ）発生器３２と、バイアスＲＦ（ＢＲＦ）発生器３６と、ＢＲＦ発生器５０と、ペディスタル４４とを有している。
【００２０】
真空チャンバ１０は側壁２２とディスク形天井電極２４とからなる天井２０を有している。側壁２２は石英やセラミック等の絶縁体からなり、コイル状アンテナ２６を支持している。コイル状アンテナ２６の詳細な構造については、１９９３年８月２７日出願のＦａｉｒｂａｉｎとＮｏｗａｋによる、発明の名称「高密度プラズマＣＶＤ及びエッチング反応装置（ＨｉｇｈＤｅｎｓｉｔｙＰｌａｓｍａＣＶＤａｎｄＥｔｃｈｉｎｇＲｅａｃｔｏｒ）」の米国特許出願番号０８／１１３，７７６の明細書、及び当該米国特許出願をパリ条約上の優先権主張の基礎とする特開平７−１６９７０３号公報に開示されている。これらの出願明細書の内容は本明細書で援用することとする。
【００２１】
堆積用のガス及び液体が制御弁（図示しない）を有するライン２７を通して、ガス混合チャンバ２９に供給される。混合ガスチャンバ２９で、これらのガス及び液体は混合され、そして、ガス供給リングマニホールド１６に送られる。ガス注入ノズル１４がガス供給リングマニホールド１６に接続されており、マニホールド１６に導入された堆積用ガスをチャンバ１０内のペディスタル４４に置かれた基板４５に分散するようになっている。ペディスタル４４は処理中に基板を拘束するものであり、また冷却通路や他の部材を有していてもよい。
【００２２】
ガス供給リングマニホールド１６はハウジング１８内に配置されている。ハウジング１８はスカート４６によって反応物質から保護されている。スカート４６は、ＨＤＰ−ＣＶＤプロセスで用いられる反応物質への耐性がある石英、セラミック、シリコン、ポリシリコン等の材料からなる。真空チャンバ１０の底面に、環状ライナ４０を設けてもよい。この環状ライナ４０自体は、取外し可能にしてもよい。
【００２３】
ＳＲＦ発生器３２からコイルアンテナ２６にＲＦエネルギーを印加することによって、堆積用ガスの誘導結合プラズマを基板４５に隣接位置に形成することもできる。ＳＲＦ発生器３２は単一周波数の或は混合周波数のＲＦパワー（又は他の所望なパワー）をコイルアンテナ２６に供給して、真空チャンバ１０に導入される反応種の分解を促進する。堆積用ガスは矢印２５で示された排気ライン２３を経てチャンバ１０から排気される。ガスが排気ライン２３を経て放出される速度はスロットル弁１２ａによって制御される。
【００２４】
天井電極２４は蓋体５６によって所定位置に保たれる。蓋体５６は冷却ジャケット５８によって冷却されるが、天井電極２４は抵抗ヒータ６０によって加熱され、クリーニング速度を速めたりプロセスパラメータを変えることができる。天井電極２４は導体であり、ステッチ３８を適切にセットすることによって、グランド（アース）又はＢＲＦ発生器３６のいずれかに接続され、或は、接続されない（浮遊）状態とされる。同様に、ペディスタル４４も、スイッチ５２を適切にセットすることによって、グランド又はＢＲＦ発生器５０のいずれかに接続され、或は、接続されない（浮遊）状態とされる。これらのスイッチのセットはプラズマの所望な特性に応じてなされる。ＢＲＦ発生器３６，５０は単一周波数か或は混合周波数のＲＦパワー（或は他の所望のパワー）を供給することができる。ＢＲＦ発生器３６，５０は個々独立のＲＦ発生器であっても、或はまた、天井電極２４とペディスタル４４のいずれにも接続した単一のＲＦ発生器であってもよい。ＢＲＦ発生器３６，５０からＲＦエネルギーを印加して、誘電結合プラズマをペディスタル４４の方にバイアスさせることにより、スパッタリングを促進し、プラズマの現在のスパッタリング効果を向上させる（すなわち、膜の間隙充填力を増加させる）。
【００２５】
静電結合を利用して誘電結合プラズマとは別に或は誘電結合プラズマとともに、プラズマを形成してもよい。このようなプラズマはコイルアンテナ２６と、天井電極２４かペディスタル４４のどちらか一方との間に形成されるようにしてもよい。静電結合プラズマも同様に、天井電極２４とペディスタル４４との間で形成するようにしてもよい。これにより、これらの方法で静電結合プラズマを３つの異なる方法で形成することが可能になる。
【００２６】
ＨＤＰ−ＣＶＤシステム５におけるＢＲＦ発生器３６，５０と、ＳＲＦ発生器３２と、スロットル弁１２ａと、ライン２７に接続した制御バルブと、スイッチ３０，３４，３８，５２とその他の要素のすべてが制御ライン３５上のプロセッサ３１によって制御される。これらの一部だけは図示されている。プロセッサ３１はメモリ３３に記憶されたコンピュータプログラムの制御の下で作動する。コンピュータプログラムは特定のプロセスのタイミング、ガスの混合状態、チャンバ圧力、ＲＦパワーレベルやその他のパラメータを指令する。
【００２７】
このようなＨＤＰ−ＣＶＤ装置の例については、３つの静電結合形態のそれぞれの詳細や、誘電結合形態に関する特定の詳細とともに、１９９４年４月２６日出願の、発明の名称「誘電結合と静電結合が組み合わされた高密度プラズマＣＶＤ反応物（ＨｉｇｈＤｅｎｓｉｔｙＰｌａｓｍａＣＶＤＲｅａｃｔｏｒｗｉｔｈＣｏｍｂｉｎｅｄＩｎｄｕｃｔｉｖｅａｎｄＣａｐａｃｉｔｉｖｅＣｏｕｐｌｉｎｇ）」という米国特許出願番号０８／２３４，７４６の明細書に記載されている。この出願の内容は本明細書で援用する。
【００２８】
上記説明は一例を示す目的だけのものであり、本発明の範囲を制限するものと考えるべきではない。上記システムの変形、例えばチャンバのデザイン、ＲＦ出力配線の位置やその他の変形等が可能である。また、本発明は、電子サイクロトロン共振（ＥＣＲ）プラズマＣＶＤデバイス、熱ＣＶＤデバイス、エッチングデバイス、スパッタリング堆積デバイス等の基板処理設備に効果的である。本発明の装置はいかなる特定の基板処理装置に限定されるものではない。
【００２９】
［II．静電チャックのダイヤモンド被膜］
本発明は、さまざまな基板処理チャンバ内での処理中に基板を固定するために用いられる、ダイヤモンドで被覆された静電チャックを提供するものである。例えば、本発明のダイヤモンドで被覆された静電チャックを図１のＨＤＰ−ＣＶＤシステムのペディスタル４４として用いることができる。本発明のダイヤモンドで被覆された静電チャックは一般的な基板処理過程において見られるガス反応物質や副生物からのエッチングに対して耐性があり、以下でより詳細に述べる他の効果があるだけでなく、処理される基板へのクランプ力を高める。
【００３０】
図２は、ペディスタル４４として使うことが可能な本発明に従ってダイヤモンドで被覆された静電チャック１００の一つの実施形態を示したものである。図２に示すように、ダイヤモンド被膜１１０を、ペディスタル１２０の少なくとも上面１１５に形成して、処理中に基板が静電チャック上に固定されるとき、基板がダイヤモンド被膜と接触するようにしている。ダイヤモンド被膜１１０をペディスタル１２０の他の部分、例えばペディスタルの側面や下部に形成してもよい。
【００３１】
ペディスタル１２０は、液体冷却媒体を供給してダイヤモンド被膜付き静電チャック１００から熱を伝達させるための冷却剤チャンネル１３０（１）〜１３０（Ｎ）と、ガスを基板の下面に供給して処理中、基板全体を均一温度にするためのガスチャンネル１４０とを有する。ペディスタル１２０の少なくとも一部は、モリブデン、炭化けい素、窒化けい素、窒化アルミニウム等の導電材料からなる。ペディスタル１２０と基板との間にクランプ電圧を印加できるように電気接触子１５０が設けられている。
【００３２】
ダイヤモンド被膜１１０はペディスタル１２０極めて硬く強い上面を与える。静電チャック１００の構造だけでなく、ダイヤモンド表面１１０の硬度や他の物理的、電気的な特性のおかげで、静電チャック１００は従来の静電チャックに比べて多数の長所を有することになる。
【００３３】
一つには、汚染物や堆積物がダイヤモンド被膜１１０の表面に容易には凝集しないということである。これは表面のエネルギー準位が高いためである。また、ダイヤモンド被膜の硬度と構造により、裏面側粒子の形成を防ぐことができる。ダイヤモンド表面は剥離やチッピングに対する耐性が特に高い。よって、ウエハをローディング、アンローディングしている間に基板が本発明の静電チャックと接触するとき、こうした粒子が生成される可能性は少ない。
【００３４】
本発明のダイヤモンドで被覆された静電チャックは、ガス種、副生物及びさまざまなシステム処理中に一般的に使われるか形成されるプラズマ構成物質からの侵食（エッチング）への耐性がある。例えば、ダイヤモンド被膜１１０は分子酸素と原子酸素、分子と活性化したエッチングガス（ＮＦ₃、ＣＦ₄、ＣｌＦ₃、Ｆ₂等）と、約６００℃以上までの温度で基板処理で一般的に使われる、他のプロセスガスによる侵食に対する耐性がある。ダイヤモンド被膜１１０はまた、上記のガス及び／又はその他のガスから形成されるプラズマ構成物質からの侵食に対する耐性もある。
【００３５】
このようにエッチング耐性が向上していることにより、静電チャック１００は、他の誘電体、例えばセラミックや石英等で被覆された静電チャックよりも信頼性が高く、寿命が長い。現在の多くの静電チャックは、上述のチャンバクリーニング過程中にダミーシリコン基板を用いることで保護されている。本発明によるダイヤモンド被膜付き静電チャックはこのような保護を必要としない。そのことにより、消費コストが低減され、スループットが向上される。これはクリーニング工程のためにチャンバにダミー基板をローディング、アンローディングする必要がないからである。また、基板処理システム内でダミー基板がつまって動かなくなるという問題も回避できる。
【００３６】
従来の多くの静電チャック（例えばＡｌ₂Ｏ₃）を被覆するのに用いられる材料はしばしば極性があり、印加された電界が除去されるとき（例えば基板のクランプを解除するとき）電荷を保持する。この結果、基板が静電チャックに固着する。このような固着は貴重な処理時間の浪費であり、取り除くとき静電チャックの上面と基板がこすれ、裏面側粒子が形成されてしまう。ダイヤモンド被膜１１０には極性がないので、印加された電界が取り除かれるとき電荷を保持しない。よって、静電チャック１００はすぐにクランプを解除し、スループットを向上させる一方で裏面側粒子が形成される可能性を低くする。
【００３７】
ダイヤモンドで被覆された静電チャック１００はまた、従来の静電チャックよりも優れた熱特性を持っている。Ａｌ₂Ｏ₃の熱伝導率が１０．４Ｗ／ｍ−Ｋ、ＳｉＯ₂の熱伝導率が０．００４Ｗ／ｍ−Ｋ、Ｓｉ₃Ｎ₄の熱伝導率が２５Ｗ／ｍ−Ｋ、ＡｌＮの熱伝導率が３２Ｗ／ｍ−Ｋであるのに対して、ダイヤモンドの熱伝導率は２００Ｗ／ｍ−Ｋである。ダイヤモンド被膜１１０の高熱伝導率によって、熱の広がりが容易になり、従って熱の均一性を高める。熱の均一性は、本発明の好ましい実施形態において高クランプ力を基板にかけることによっても向上する。クランプ力の増加の詳細は、本発明の実施形態によって異なる。これについては後でさらに詳細に説明する。
【００３８】
現在製造されている静電チャックの中には、ヘリウムやその他の熱伝達ガスを、処理されている基板の下に導入するものがある。導入されたヘリウムの熱伝達特性は、静電チャックと基板との間の熱伝達をより優れたものにするのに役立つ。これは、基板が静電チャックとしっかりと接触していない領域には特に重要である。うまく熱伝達がなされなければ、加熱点が基板上で発達し、歩留まりの低下につながる。向上したクランプ力は、静電チャックと基板をしっかりと接触させておくのに役立ち、処理中に裏面側でヘリウムの圧力をもっと高くして使うことができる。このように圧力レベルが上がると、より多くのヘリウムが基板の下を循環することになり、これによってこうした加熱点の発生が最小限に抑えられる。
【００３９】
｛Ａ．ダイヤモンド被膜１１０の堆積｝
ダイヤモンド被膜１１０はさまざまな手段でペディスタル１２０上に堆積させることができる。例えば、プラズマ促進式ＣＶＤ（ＰＥＣＶＤ）やホットフィラメントＣＶＤ（ＨＦＣＶＤ）等のＣＶＤプロセスを用いることができる。このようなプロセスにおいて、ペディスタルはＰＥＣＶＤチャンバ或はＨＦＣＶＤチャンバに置かれ、ＣＨ₄やＨ₂等のプロセスガスがチャンバ内に導入される。ＨＦＣＶＤシステムでは、このようなプロセスガスは、被覆されるペディスタルの上方の加熱されたフィラメントに向けられる。加熱されたフィラメントによって放出される電子は、プロセスガスがフィラメント上を通過する際にこのプロセスガスをイオン化し、その後、ペディスタルの表面に衝突させてダイヤモンド膜をペディスタルの上に堆積させる。ダイヤモンド被膜１１０で覆われたペディスタル１２０の通路は、レーザードリル加工等の方法によって形成される。この作業が完了すると、ペディスタルは通常の方法で所望の基板処理システム内に搭載される。
【００４０】
ＰＥＣＶＤやＨＦＣＶＤ等の堆積方法は、ダイヤモンド被膜１１０の厚さを正確に制御して、シリコン、モリブデンやさまざまなセラミック材料等の材料の上に厚さ１ミクロン未満で堆積させることができる。本発明の好ましい実施形態において、被膜１１０は約５ミクロン〜約５０ミクロンの厚さで堆積される。
【００４１】
上記方法のいずれにおいても、ダイヤモンド被膜１１０内の不純物或は汚染物の溶解性と拡散は無視できる程度である。ダイヤモンド被膜１１０は不純物レベルや拡散特性が低いので、被膜に拡散する汚染物の量は無視できる程度でしかない。その結果、本発明の静電チャックを用いた基板処理システムでは現在利用可能なシステムよりも元来清潔な環境を享受する。この低レベル不純物拡散を確実のものとするために、７００℃を超える温度、高濃度の原子水素の存在下でダイヤモンド被膜１１０を形成することが好ましい。このような温度と原子水素の存在下で、被膜はデバイスに損傷を与える例えばアルカリ金属や重金属等の不純物を吸着しない。ダイヤモンド被膜１１０はまた、ペディスタル１２０内にある不純物が基板と処理チャンバに拡散するのを防ぐバリヤの役割を果たしている。
【００４２】
本発明の効果としてさらに加えられるのが、現存の静電チャックを改善して、ダイヤモンド被膜１１０等のダイヤモンドで被覆された表面層を有するようにすることができるという点である。ダイヤモンド層を古い静電チャックの現在ある誘電層に直接堆積させてもよいし、或は古い誘電層を適切に機械的又は化学的に除去してもよい。現在ある層が除去されないと、本発明の静電チャックの効果のいくつかは十分に実現されない。例えば、２つの絶縁層全体の厚さのためにクランプ力は増加しないが、汚染物の減少やエッチングに対する耐性を増加させること等のその他の効果は実現できる。
【００４３】
本発明の静電チャックの別の実施形態においては、ダイヤモンド被膜１１０は、後でより詳細に説明するように、絶縁層又は導電層のいずれかである。
【００４４】
｛Ｂ．ダイヤモンド被膜１１０が絶縁層である実施形態｝
本発明の一実施形態において、静電チャック１００は（ドーピングされていない）絶縁性ダイヤモンド被膜１１０で被覆される。基板を静電チャック１００にクランプするために、基板とペディスタル１２０の間に電圧を印加する。この電圧が、誘電体層として作用するダイヤモンド被膜１１０の一方の側に正の電荷を、他方の側に負の電荷を与える。この電荷の差が、基板とペディスタル１２０の間に吸着性を有した実質的に均一な静電力を発生させ、基板をダイヤモンド被膜１１０上にクランプする。
【００４５】
この実施形態において、ダイヤモンド被膜１１０は上述したようにして堆積することができる。ドーパントやその他のガスはプロセスガスに一切加えられない。このドーピングしていないダイヤモンド層は、静電チャックの上部絶縁層として一般的に用いられている他の材料よりも破壊電圧が向上している（１００Ｖ／μｍ）。例えば、Ａｌ₂Ｏ₃の破壊電圧は１０Ｖ／μｍ、ＳｉＯ₂の破壊電圧は１５〜５９Ｖ／μｍの間、Ｓｉ₃Ｎ₄の破壊電圧は２〜２４Ｖ／μｍの間、ＡｌＮの破壊電圧は１４〜１７Ｖ／μｍの間である。
【００４６】
破壊電圧が高いために、この実施形態の静電チャックは上記の材料で絶縁されたどの静電チャックよりも高い印加電圧に耐えうる。前記の式（１）及び式（２）に示すように、クランプ力は印加される電圧の平方に比例する。よって、印加される電圧が増加すれば、クランプ力は実質的に増加し、その結果基板の動きは少なくなり、熱伝達も向上する。
【００４７】
上述のとおり、被膜１１０が他の誘電体被膜よりも薄く堆積されるように、堆積された絶縁性ダイヤモンド層の厚さを正確に制御することもできる。好ましくは、ダイヤモンド被膜１１０を厚さ約５ミクロン〜約５０ミクロンに堆積するのがよい。この厚さは、酸化アルミニウム（Ａｌ₂Ｏ₃）等、他の静電チャック被膜の厚さが２００ミクロン〜３００ミクロンであるのと比べるとかなり薄いものである。ダイヤモンドはＣＶＤプロセスを使って堆積するので、ダイヤモンド被膜１１０を他の静電チャック被膜よりも薄く堆積することができる。
【００４８】
基板にかかるクランプ力は誘電体層の厚さ（式（１）、式（２）のＤに相当する）の平方に反比例する。よって、本発明で用いられるようなより薄い被膜は基板に印加されるクランプ力を増加させる。さらに、より薄い被膜を用いていることにより、いくつかの静電チャック（Ａｌ₂Ｏ₃で被覆されている静電チャック等）に必須である後で行われるラッピングと研磨が必要なくなる。よって、製造コストが下がる。
【００４９】
ダイヤモンド被膜１１０を確実にできるだけなめらかで平坦に堆積することによって、この実施形態におけるクランプ力をさらに増加させることが可能である。これはクランプ力を（ダイヤモンド被膜１１０と基板が互いに接触しない領域を回避することにより）最大にし、また熱伝達も（静電チャックと基板の間の接触を最大にすることにより）最大にする。ダイヤモンドの静電チャック表面への凝集密度を高くすることにより、なめらかで平坦なダイヤモンド被膜が得られる。凝集密度を高くする方法の一つとして、ダイヤモンドを堆積する前にチャックの表面に高密度の表面損傷場所をつくっておくというものがある。これは、機械的磨滅や超音波技術の利用によって行うことができる。
【００５０】
｛Ｃ．ダイヤモンド被膜が導電層である実施形態｝
本発明の別の実施形態において、ジョンソン−ラーベク効果に従って静電チャックのクランプ力を増加するよう、ダイヤモンド被膜はホウ素或は同様のドーパントでドーピングされている。ドーピングはダイヤモンド被膜の電気特性を変化させて、被膜がもはや絶縁体ではなく半導体となるようにする。例えば、ダイヤモンド被膜をペディスタル１２０に堆積させるのに用いられるＰＥＣＶＤ、ＨＦＣＶＤやその他のプロセス中にジボラン（ＢＨ₃）をプロセスガスに加えることにより、ドーピングを行う。もちろん、他のドーパント源や他のドーパントを用いてもよい。例えば、（その中の一つである）Ｂ₂Ｏ₃をホウ素ドーパント源として用いてもよい。ホウ素がドーピングされたダイヤモンド被膜の好ましい導電率は３Ω−ｃｍ〜５０Ω−ｃｍの範囲である。
【００５１】
この実施形態において、ダイヤモンド被膜２１０の上面は均一な表面粗度を有して、高さの誤差は約２．５ミクロン以下とするのが好ましい。この表面粗度はジョンソン−ラーベク効果によるクランプ力を最大にする。図３に関して後で述べるように、ジョンソン−ラーベク（Ｊ−Ｒ）効果は導電被膜と基板の間の接点（両者間には小さな間隙を有する）の形成に左右される。式（１）及び式（２）の距離Ｄを小さくすると、クランプ力は増加する。しかし、Ｄは、静電チャックと基板との間の距離（すなわち、ダイヤモンド被膜２１０の厚さ）を示しているものの、下で説明するように、平均間隙サイズに狭められている。よって、被覆の厚さではなく荒さが、形成されるクランプ力を決定するので、ダイヤモンド被膜２１０の厚さはそれほど重要ではなくなる。
【００５２】
図３は、基板に印加するクランプ力を増加させるためにジョンソン−ラーベク効果を用いた本発明によるダイヤモンド被膜付き静電チャックの一実施形態を部分的に示す縦断面図である。図３において、静電チャックペディスタル２００はドーピングされたダイヤモンド被膜２１０で覆われている。ダイヤモンド被膜２１０の上面は均一な荒さを有しているので、被膜２１０と基板２２０との間に多数の接点ができる。このような接点は接点２３０，２４０として図３に示されている。ペディスタル２００に印加される電荷は被膜２１０に伝達され、接点２３０や２４０等の接点でリークする。接点２３０と２４０の間には間隙２５０（ドーピングされたダイヤモンド被膜２１０と基板２２０との間の無数のこのような間隙のひとつ）がある。電荷のリークにより、接点２３０と２４０での電位はゼロに近い。対照的に間隙２５０での電界は極端に高い。よって間隙２５０のすべての側面は間隙２５０の中心に向かうクーロン力を受ける。式（１）、式（２）の変数Ｄ（コンデンサプレート間の距離）はダイヤモンド被膜２１０の厚さから間隙２５０の大きさに減じられる。間隙の平均サイズに応じて、Ｄは約０．１ミクロン〜２．０ミクロンとなり、クランプ力が大きくなる。
【００５３】
ダイヤモンド被膜２１０の表面荒さの度合は（ＣＨ₄、Ｈ₂とジボランプロセスガス中の）Ｈ₂の濃度或は被膜が堆積されている時の堆積温度等のパラメータの変化によって、制御される。例えば、ＣＨ₄／Ｈ₂／ジボラン混合ガス中のＨ₂濃度が低下すると、堆積される被膜の表面はより荒くなる。堆積温度が高くなると、同様に被膜の表面はより荒くなる。低温（例えば約６００℃）では、被膜の堆積スピードは比較的遅く、表面は比較的なめらかになる。高温（例えば約１１００℃）では、被膜が急速に形成されるので、表面が荒くなる。表面荒さは、表面形状測定法によって測定できる。クランプ力を最大にする最適な表面荒さが実験的に決定される。
【００５４】
熱伝達が最も頻繁に行われるのは接点においてである。よって、被膜２１０の高熱伝導率（約１００〜２００ｗ／ｍ−Ｋの間）はこの実施形態では特に効果的である。基板２２０に印加されるクランプ力が増加するので、熱伝達も増加する。これらの要因の組み合わせがなければ、基板２２０の温度に大きな勾配が生ずるが、この温度の傾きをその組み合わせによって最小にする。
【００５５】
［II．本発明の好ましい実施形態の製造方法］
上述したように、本発明の静電チャックのペディスタル１２０（図２）は、モリブデン、セラミック材料、アルミニウムやステンレス鋼等の材料を任意の数だけ用いて製造することができる。アルミニウムやステンレス鋼等の材料は単一の材料片を機械で加工して作られ得る。セラミック材料の場合、例えばセラミックを金属に結合する技術を用いて、セラミックペディスタルをモリブデンからなるワイヤーメッシュフレーム上に製造してもよい。別の材料を２つ以上の材料片から製造してもよい。静電チャックを２つの材料片から製造するのにはいくつかの理由がある。例えば、材料のもろさ、材料の組成或は冷却チャンネルの形状等のために、内部チャンネルを削成できないとき等があるからである。電子ビーム溶接等の技術を利用してペディスタルの２つの構成要素を結合させてもよい。しかしながら、好ましい実施形態において、本発明のペディスタルはシリコンビレット（ｂｉｌｌｅｔ）から製造される。使用されるシリコン材料をドーピングして、材料のコンダクタンスを約０．５Ω−ｃｍ〜５Ω−ｃｍに増加させている。
【００５６】
シリコンペディスタルはいくつかの利点がある。その一つが、シリコンを高純度で利用可能であるということである。市販のシリコンの純度は約１０億分の２のオーダーである。これは拡散によって処理チャンバに導入される汚染物の量を減らし、従ってウエハの歩留まりを向上させる。また好ましい実施形態のシリコンペディスタルが傑出しているのは、シリコンの純度の割にコストが低いこと、容易に入手可能であること、シリコンの物理的性質や特性がよく知られていること等の理由による。
【００５７】
本発明の好ましい実施形態で用いられるシリコンペディスタルの別の利点は、ペディスタルを製造する方法によるものである。好ましくは、上述のように別の材料から作られるペディスタル同様、ペディスタルは２つの別個の構成要素から形成されるのがよい。この上部構成部分は、最小限の粒子と汚染物を生成するプロセスにおいて、下部構成部分に拡散結合される。モリブデン等の材料を結合するのに用いられるさまざまな溶接方法とは異なり、拡散結合では（粒子の原因と考えられる）瞬間蒸発やスラグが生じない。また、拡散結合では、ペディスタルが溶接によって形成されるときのように化学汚染の原因となる化学副生物を作ることはない。拡散結合では、いかなる汚染の可能性もこのように低下させるために（ろう付け合金等の）異物を必要としない。
【００５８】
図４は本発明によるダイヤモンド被膜付きシリコン静電チャックの製造工程を示したフローチャートである。図５は図４の工程に従って製造された静電チャックの断面図である。容易に参照できるようにするために、図４の説明は適宜、図５に示された構成要素について行う。図４において、ペディスタル５００は、図５に示すように、シリコン製下部構成要素４００とシリコン製上部構成要素４５０となる２片のシリコンから製造される。工程３００では、シリコン製上部構成要素４５０を切削加工してヘリウムホール４６０（１）〜（Ｎ）を形成する。工程３１０では、シリコン製下部構成要素４００を機械加工して、冷却水チャンネル４１０（１）〜（Ｎ）と、（ヘリウムチャンネル４２０として示される）ヘリウムチャンネルと、クランプ用電圧を印加する電気接続スロット４４０とを形成する。この時点で、一つ以上の（ヘリウム入口４３０として示されている）ヘリウム入口も切削加工してシリコン製下部構成要素４００に形成する。シリコンのもろさ、形成されるべき通路（流路）の形を考慮して、特定の形状が機械加工で形成される。現在利用可能な技術を用いた場合、シリコンには約１インチまでの通路を形成することができ、それ以降は、粉砕の問題が生じる可能性がある。ヘリウムホール４６０（１）〜（Ｎ）等の通路も、比較的短い長さなのでシリコン製上部構成要素４５０に切削加工することができる。しかし、冷却水チャンネル４１０（１）〜（Ｎ）等の通路は、比較的長さがあるので、例えばダイヤモンドソーやレーザを使ってシリコン製下部構成要素４００に機械加工して形成する。さらにこの２片を用いる製造技術により効果的なチャンネル幾何構造が可能になる。シリコン製下部構成要素のレーザ、機械的或はその他の機械加工により、複雑な冷却剤チャンネルパターンを形成することができ、基板処理中の熱均一性を高める。
【００５９】
次に、シリコン製下部構成要素４００とシリコン製上部構成要素４５０を工程３２０〜工程３６０に記載のように拡散結合する。工程３２０では、シリコン製下部構成要素４００の上部接触面４７０とシリコン製上部構成要素４５０の下部接触面４８０とが化学・機械研磨等の技術を使って平坦に研磨される。工程３３０では、上部接触面４７０と下部接触面４８０が、処理前に基板を洗浄するのに用いたのと同様な手順によって洗浄される。例えば、親水性の層をそれぞれの面上に形成して、この層（とそこにある汚染物）をＨＦ等の酸でエッチング除去することによって、これらの接触面を酸洗浄してもよい。工程３４０では、上部接触面４７０と下部接触面４８０を、例えば過酸化水素溶液で処理することによって親水性にする。
【００６０】
工程３５０では、上部接触面４７０と下部接触面４８０とを接触させる。上部と下部の接触面４７０，４８０とが接触している間に、シリコン製上部構成要素４５０とシリコン製下部構成要素４００とを約１０００℃を超える温度に加熱して、ペディスタル５００を形成する（工程３６０）。ペディスタル５００は２時間から４時間、高温下で酸素が流れている環境に保たれる。加熱工程中、上部接触面４７０と下部接触面４８０との間にシリコン原子を拡散する。こうした拡散の結果、この２つの構成要素間に拡散ボンド４９０ができる。
【００６１】
ペディスタル５００の形成は基本的には工程３６０の後完了する。完了すると、ペディスタルは、閉鎖形の冷却水チャンネル４１０（１）〜（Ｎ）とヘリウムチャンネル４２０とを有する。冷却剤チャンネル４１０（１）〜（Ｎ）とヘリウムチャンネル４２０は、上部と下部構成要素を別々に機械加工して、上記拡散結合プロセスでこれらの構成要素を結合させることによって形成されるが、この形成は単一のシリコンビレット内にチャンネルを機械的に切削加工するプロセスよりも好ましい。単一のシリコンビレット内にこうしたチャンネルと通路を機械的に形成すると、とりわけ切削加工される通路が（先に述べたように）約１インチを超える長さになると、ビレットを粉砕する危険性が高くなる。露出面を機械加工する場合、このような粉砕を引き起こすことはまずないし、この方法以外で作ることができるパターンよりも複雑な冷却剤チャンネルパターンを形成することができる。
【００６２】
ついで、工程３７０では、ペディスタル５００は上述のように絶縁性ダイヤモンド膜か導電性ダイヤモンド膜５１０のいずれかで被覆される。ダイヤモンド膜５１０の膜厚は約５ミクロン〜約５０ミクロンの範囲であることが好ましい。工程３８０では、ヘリウムホーム５２０（１）〜（Ｎ）がダイヤモンド被膜にレーザで形成され、これらをシリコンペディスタルのヘリウムホール４６０（１）〜（Ｎ）と一致させる。また、ヘリウムチャンネル（図示しない）をダイヤモンド被膜５１０に機械加工によって形成して、基板の下にヘリウムが分配されるようにする。こうすることにより、処理中に、基板全体に均一な温度を行き渡らせることができる。これらのチャンネルは、機械的に或はレーザー機械加工のような方法で加工される。
【００６３】
［III.実験結果］
本発明の静電チャックはイオン化したガス種による侵食を含めた薬品侵食に耐える。上述のＨＦＣＶＤ方法によって堆積された、ドーピングされていないダイヤモンド被膜について、最高約６００℃までの温度で、このような侵食に対する耐性を検査するための実験を行った。この実験結果から、このようなダイヤモンド被膜は６００℃までの温度で、分子酸素、原子酸素や、ＮＦ₃やＣＦ₄等の分子、活性化エッチングガスや、基板処理で一般的に使われるその他のプロセスガス等による侵食に耐えることがわかった。よって、本発明における静電チャックを、酸化を起こすことなく、１００％酸素が流れている環境下で６００℃を超える温度にまで加熱することができる。このような条件に近づくことは通常の処理中に実際は決してないので、これは極端な例である。原子酸素環境下で行った検査でも同様の結果が示されている。
【００６４】
図６の（Ａ）は別の実験の対象となったドーピングされていないダイヤモンド被膜の表面構造を示したものである。図中の被膜はＨＦＣＶＤ方法を使って、シリコンクーポン（試験片）上に厚さ約５ミクロンで堆積されたものを、倍率１５００倍で示したものである。被覆されたシリコンクーポンはシリコン基板上に載置され、次に静電チャックにより所定の位置に保持された。図６の（Ｂ）は、約４０００ワットのバイアスＲＦパワーと約２５００ワットのソースＲＦパワーで、ＣＦ₄／Ｏ₂プラズマに１０時間さらした後の被膜を示している。ここでの倍率も１５００倍である。図６の（Ｃ）は走査電子顕微鏡で、同一のサンプルをより高い倍率（４０００倍）で示したものである。いずれの顕微鏡写真でも、ＣＦ₄／Ｏ₂プラズマにさらした後、被膜の表面構造にはエッチングされた様子は一切見られない。図６の（Ｂ）と（Ｃ）の顕微鏡写真で見られる白い沈殿物はフッ化アルミニウム堆積物であり、これはプラズマ中でアルミニウムチャンバ壁とフッ素が反応したためにできたものである。
【００６５】
本発明の方法は上記実験で記載した特定のパラメータによって、いかなるやり方でも限定されることを意図したものではない。当業者であれば、本発明の趣旨を逸脱することなくさまざまな処理条件や被覆方法を用いることができることを理解するであろう。
【００６６】
本発明のいくつかの実施形態を詳細に説明してきたが、本発明におけるダイヤモンド被膜のその他の多くの同等な或は代替のタイプの被膜が当業者には明らかであろう。これらの同等物、代替物は本発明の範囲に含まれるものとする。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明が適用され得る基板処理装置の一実施形態を簡略的に示す縦断面図である。
【図２】本発明によるダイヤモンド被膜付き静電チャックの一実施形態を簡略的に示す縦断面図である。
【図３】本発明によるダイヤモンド被膜付き静電チャックの第２実施形態を簡略的に示す縦断面図である。
【図４】拡散結合したシリコンペディスタルを持つ本発明による静電チャックの一実施形態の製造シーケンス工程を示すフローチャートである。
【図５】図４に示された工程のシーケンスに従って製造された拡散結合したシリコンペディスタルを有するダイヤモンド被膜付き静電チャックを簡略的に示す縦断面図である。
【図６】（Ａ）は、プラズマ処理前に本発明の一実施形態に従って堆積したダイヤモンド膜の表面構造を示す、倍率１５００倍の走査電子顕微鏡写真であり、（Ｂ）は（Ａ）で示したダイヤモンド膜の表面構造に与えるＮＦ₃プラズマ処理の影響を示す、倍率１５００倍の走査電子顕微鏡写真であり、（Ｃ）は（Ａ）で示したダイヤモンド膜の表面構造に与えるＮＦ₃プラズマ処理の影響を示す、倍率４０００倍の走査電子顕微鏡写真である。
【符号の説明】
５…ＨＤＰ−ＣＶＤシステム、１０…真空チャンバ、１２…真空ポンプ、１６…ガス供給リングマニホールド、１８…ハウジング、２２…側壁、２３…排気ライン、２４…天井電極、２６…コイル状アンテナ、３１…プロセッサ、３２，３６，５０…ＲＦ発生器、３５…制御ライン、４４，１２０，２００，５００…ペディスタル、１００…静電チャック、１１０，２１０，５１０…ダイヤモンド被膜、１３０…冷却剤チャンネル、１４０…ガスチャンネル、１５０…電気接触子、２２０…基板、２３０，２４０…接点、２５０…間隙、４００…シリコン製上部構成要素、４１０…冷却水チャンネル、４２０…ヘリウムチャンネル、４４０…電気接続スロット、４５０…シリコン製下部構成要素、４６０…ヘリウムホール。

Claims

処理中に処理チャンバ内で基板を保持する静電チャックであって、
上面を有する導電要素と、
前記上面を覆い、前記上面に対向し前記基板を受ける実質的に平坦な表面を有するドーピングされたダイヤモンド層と、
を備え、
前記ダイヤモンド層は、ドーパントでドーピングされ当該ダイヤモンド層のコンダクタンスが増加されている静電チャック。
隣合う第１の接点と第２の接点との間の平均距離は約０．１ミクロン〜約２ミクロンの間であり、前記第１の接点と前記第２の接点は前記ドーピングされたダイヤモンド層と前記基板との間にある請求項１に記載の静電チャック。
前記ドーパントはホウ素である請求項２に記載の静電チャック。
前記実質的に平坦な表面は高さに２．５ミクロン未満の誤差がある請求項２に記載の静電チャック。
前記導電要素は、拡散により結合したシリコン製の上部構成要素と、シリコン製の下部構成要素とを備える請求項２に記載の静電チャック。
前記シリコン製の下部構成要素は、その上面に機械加工される冷却剤チャンネルを有し、当該上面は前記シリコン製の上部構成要素と拡散結合している請求項５に記載の静電チャック。
請求項１に記載の静電チャックを有する基板処理装置。