JP4312394B2 - 静電チャックおよび基板処理装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、ウエハーの温度分布を均一化でき、かつパーティクルの発生を抑制できるような静電チャックに関するものである。
【0002】
【従来の技術】
現在、半導体ウエハーの搬送、露光、CVDなどの成膜プロセス、及び洗浄、エッチング、ダイシングなどの微細加工に代表される各工程において、半導体ウエハを吸着し、保持するために静電チャックが使用されている。通常、絶縁層の設置面から突出する多数の突起ないしエンボス部分を設け、この突起の頂面(接触面)を半導体ウエハーに対して接触させる。また、絶縁層内の内部電極に直流電圧を印加し、半導体ウエハーと突起の接触面との接触界面でジョンソン−ラーベック力を発生させ、接触面上の半導体ウエハーを吸着する。このため、突起の接触面(頂面)の面積を大きくすることによって、半導体ウエハーの吸着力を向上させることができる。
【0003】
また、半導体ウエハーに対して成膜等の所定の処理を施すためには、半導体ウエハーの温度を一定温度に保持し、かつ半導体ウエハーの各部分の温度を均一にする必要がある。この際、静電チャックの絶縁層の温度を、内蔵ヒーター等によって上昇させ、突起の接触面と半導体ウエハーの裏面との間の接触領域で、絶縁層から半導体ウエハーへと熱を伝導させる方法がある。しかし、この方法では、突起の接触面の微妙な硬さの変化、表面凹凸の変化等によって、突起と半導体ウエハーとの接触状態が変化し、各突起の各接触面における熱接触抵抗がばらつく。このため、絶縁層からの熱を安定して半導体ウエハーの全体に伝えることができないため、半導体ウエハーの温度均一性が低下しやすい。このため、半導体ウエハーの裏面と絶縁層との隙間に一定圧力のバックサイドガスを流し、このバックサイドガスにおける熱輻射、熱対流によって絶縁層の熱を半導体ウエハーへと伝達する方法がある。この場合には、バックサイドガスの圧力を大きくすると、絶縁層から半導体ウエハーへの熱伝導量が大きくなり、また半導体ウエハーにおける温度の均一性が高まる傾向がある。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、突起の接触面の面積を大きくし、吸着力を向上させると、半導体ウエハーの裏面と突起の接触面との間の擦れによって、パーティクルが発生しやすくなる。このパーティクルは、突起の接触面に堆積し、半導体ウエハーに付着する可能性がある。
【0005】
一方、突起の接触面の面積を減らすと、パーティクルの発生量が減少し、パーティクルの突起への付着も減少する。しかし、この場合には、接触面と半導体ウエハーとの間で作用するジョンソン−ラーベック力が減少するので、結果として半導体ウエハーの吸着力が低下する。
【0006】
この一方、半導体ウエハーの裏面と絶縁層との間に規定圧力のバックサイドガスを流すと、半導体ウエハーにはバックサイドガスによる浮力が作用する。このため、半導体ウエハーへと実際に作用する吸着力は、静電チャックから半導体ウエハーに作用する静電的な吸着力から、半導体ウエハーにバックサイドガスから作用する浮力を引いた値になる。ここで、前述のように突起の接触面の面積を減らすと、浮力の作用が相対的に大きくなり、半導体ウエハーの吸着力が不十分になる。この問題を回避するためにバックサイドガスの圧力を減らすと、バックサイドガスによる熱伝導が不十分になり、半導体ウエハーの温度の均一性が劣化する。
【0007】
本発明の課題は、ウエハー設置面から突出する突起を備えており、ウエハーを吸着した状態で、設置面と突起とウエハーとによって形成された空間内にバックサイドガスを流すことでウエハーの温度分布を均一化させる静電チャックにおいて、突起と半導体ウエハーとの擦れによって発生するパーティクルを低減させると同時に、半導体ウエハーの温度の均一性を向上させ得るような、静電チャックを提供することである。
【0008】
【課題を解決するための手段】
本発明は、ウエハーを設置するための設置面を有する絶縁層と、この絶縁層内に設置されている内部電極と、前記設置面から突出する、前記ウエハーと接触するべき接触面を有する突起を備えており、前記ウエハーを吸着した状態で、前記設置面と前記突起と前記ウエハーとによって形成された空間内にバックサイドガスを流すことで前記ウエハーの温度分布を均一化させる静電チャックであって、前記突起の前記接触面の面積の合計値が、前記内部電極の面積の5%以上、10%以下であり、前記突起の高さが5μm以上、10μm以下であり、単位面積当たりの突起の個数を、0.010−0.140個/mm 2 とすることを特徴とする。
【0009】
また、本発明は、基板の表面に所定の処理を施す基板処理装置であって、内側で所定の処理が行われる処理チャンバと、この処理チャンバ内の所定の位置に基板を静電吸着して保持するための前記静電吸着チャックと、静電チャックに前記基板を静電吸着するための吸着用電源とを備えていることを特徴とする。
【0010】
本発明者は、ウエハーと接触するべき突起の接触面の面積の合計値を、内部電極の面積の10%以下と小さくしてパーティクルの発生を低減した場合であっても、突起の高さを5μm以上、10μm以下に制御すれば、半導体ウエハーへの静電チャックからのバックサイドガスを通じた熱伝導が効率的に行われ、半導体ウエハーの温度の均一性が高く保持されることを発見し、本発明に到達した。
【0011】
これについて更に説明する。従来、静電チャックの突起の高さは、20μm程度であり、絶縁層と半導体ウエハーとの間で熱対流によって伝熱していた。従って、突起の高さを小さくすることは、熱伝導の点では不利であると考えられていた。
【0012】
しかし、実際に突起の高さを5−10μmに制御すると、別の観点から熱伝導に有利であることが判明した。即ち、突起と半導体ウエハーとの接触領域におけるジョンソン−ラーベック力による吸着力の他、絶縁層の表面付近に滞留する電荷と、半導体ウエハーの帯電電荷との間でクーロン力が作用するらしく、半導体ウエハーの静電的な吸着力が、全体として、予想されていたよりも低下しないことが判明した。この結果、半導体ウエハーの裏面と設置面との間のバックサイドガスの圧力を大きくし、バックサイドガスを通じた熱伝導を効率的に行わせ、半導体ウエハーの温度分布を均一化させることに成功した。この作用効果を得るためには、突起の高さを10μm以下にすることが必要であった。この観点からは、突起の高さを8μm以下とすることが一層好ましい。
【0013】
一方、突起の高さを小さくすればするほど、前述したクーロン力の寄与が大きくなり、静電的な吸着力が一層向上することが分かった。しかし、突起の高さが5μm未満になると、今度はバックサイドガスの圧力を高くしても、熱伝導の効率が低下し、半導体ウエハーの温度の均一性が低下した。おそらく、突起の高さが5μm未満になると、熱対流の寄与がなくなり、熱輻射が支配的になるためと思われる。また、設置面2aにあるパーティクルが半導体ウエハーとは直接接触していないものの、静電吸着力によって半導体ウエハーに引きつけられるため、半導体ウエハーへのパーティクルを十分に低減しにくいものと考えられる。これらの観点からは、突起の高さを6μm以上とすることが更に好ましい。
【0014】
また、突起のウエハーと接触するべき接触面の面積の合計値が、内部電極の面積の5%未満になると、前述したクーロン力等による寄与を考慮しても、吸着力が低くなり過ぎ、充分に高い圧力のバックサイドガスを流すことができず、半導体ウエハーの温度の均一性が低下する。
【0015】
前述した観点から、突起のウエハーと接触するべき接触面の面積の合計値を、内部電極の面積の8%以下とすることが更に好ましく、あるいは6%以上とすることが一層好ましい。
【0016】
突起のウエハーと接触するべき接触面の面積は、通常の吸着時にウエハーの裏面と接触する面積を言う。これは、通常、突起の頂面の面積と等しい。ただし、例えば突起の一部が低く、その突起が通常の設置条件ではウエハーの裏面と接触しないような場合には、その突起の頂面の面積は含まれない。
【0017】
また、内部電極の面積、突起の接触面の面積は、いずれも、設置面に対して垂直な方向から測定したときの面積を言う。
【0018】
突起の高さは、ダイヤルゲージもしくは三次元形状測定装置によって測定する。
【0019】
基板に対する処理は限定されないが、露光、CVDなどの成膜プロセス、洗浄、エッチング、ダイシングなどの微細加工を例示できる。
【0020】
基板の種類は限定されないが、半導体ウエハーが好ましい。
【0021】
処理チャンバおよび静電吸着用電源自体は、本分野において知られているものを利用できる。
【0022】
図1は、本発明の実施形態に係る静電チャック1を概略的に示す平面図であり、図2は、図1の静電チャックの一部拡大断面図である。
【0023】
図1によると、静電チャック1は、円盤形状の絶縁層2と、絶縁層2内に埋設されている内部電極12とを備えている。2bは絶縁層2の側面(外周面)であり、2aは絶縁層2の平坦な設置面である。設置面2aから、多数の突起3Aが突出している。各突起3Aは、それぞれ盤状、特に好ましくは円盤状をしている。各突起3Aは互いに離れており、設置面上に分散して存在している。
【0024】
また、絶縁層2の例えば3箇所にガス供給孔6が形成されており、ガス供給孔6の上端部にはガス分配溝5が通じている。ガス分配溝5は、ガス供給孔6の端部に連続している凹部5aと、各凹部5aからそれぞれ側面2aの方へと向かって延びている細長い溝5bと、各溝5bの先端に連続している円環形状の溝5cとからなっている。ガス分配溝5は、設置面2aに対して低い位置に形成されている。このため、図2に示すように、バックサイドガスが、矢印Aのようにガス供給孔6に供給されると、ガスは矢印Bのように凹部5aに入り、溝5b、5cを伝わって流れる。この際、溝5b、5cの全域から、設置面2a、突起3A、半導体ウエハー10によって包囲された空間11へとバックサイドガスが流れる。
【0025】
絶縁層2の中央部には、円形の貫通孔7と、その周囲の3方向へと向かって放射状に延びる溝8とが形成されている。貫通孔7および溝8の周囲には突起は形成されていない。
【0026】
本発明に従って、各突起3Aの頂面(半導体ウエハーへの接触面)14の面積の合計値の、内部電極12の面積に対する割合を、5%以上、10%以下とする。また、突起の高さHを5μm以上、10μm以下とする。
【0027】
本発明においては、個々の各突起の直径φは種々変更できるが、ウエハーの温度の均一性の観点からは、φを1.0−2.0mmとすることが好ましい。
【0028】
また、個々の各突起の平面的形状や平面的寸法は種々変更できる。例えば突起の接触面の形状は、円形の他に、三角形、四角形、六角形、八角形等の多角形であってよい。また、突起の個数についても特に限定されない。しかし、半導体ウエハーに対する吸着力を、半導体ウエハーの全面にわたって均一化するという観点からは、単位面積当たりの突起の個数を、0.010−0.140個/mm2 とすることが特に好ましい。
【0029】
突起を連続的に並んで配列させることが好ましい。これによって、ウエハーの吸着力のムラが生じにくくなり、温度の均一性が一層向上する。突起を連続的に並んで配列させるとは、例えば図3に示すように、吸着面に平行な方向に見たときに、突起3Aと、隣接する突起3Aの間の溝とが、交互に並んでいることを意味している。突起3Aは、好ましくは一定間隔で規則的に配列されている。
【0030】
絶縁層の材質は限定しないが、パーティクルの発生を一層低減させるという観点からは、窒化アルミニウム系セラミックス、窒化アルミニウムを含む複合材料、アルミナ系セラミックス、アルミナを含む複合材料、アルミナと窒化アルミニウムとの複合セラミックスが好ましい。
【0031】
内部電極の材質も限定されず、導電性セラミックスや金属であってよいが、高融点金属が特に好ましく、モリブデン、タングステン、モリブデンとタングステンとの合金が特に好ましい。
【0032】
突起の材質は特に限定されないが、パーティクルの発生を一層低減させるという観点からは、窒化アルミニウム系セラミックス、窒化アルミニウムを含む複合材料、アルミナ系セラミックス、アルミナを含む複合材料、アルミナと窒化アルミニウムとの複合セラミックスが好ましい。突起は、ブラスト加工、化学的気相成長法などによって形成できる。
【0033】
バックサイドガスとしては、公知のガス、例えばヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合ガスを使用できる。
【0034】
バックサイドガスのガス供給孔への供給圧力は、半導体ウエハーへの熱伝導を良好にするためには5Torr以上とすることが好ましく、15Torr以上とすることが一層好ましい。ただし、この圧力が増大し過ぎるとウエハーへの吸着力が低下し、ウエハーが外れやすくなるので、30Torr以下とすることが好ましい。
【0035】
【実施例】
基本的に図1、図2に示したような形状の静電チャックを製造した。具体的には、窒化アルミニウム粉末を所定形状に成形して成形体を形成した後、この成形体上に、モリブデンからなる内部電極を配置し、さらにこの上に窒化アルミニウム粉末を充填し、再度成形し、内部電極を埋設した円盤状の成形体を得た。次いで、この成形体を窒素雰囲気中で焼結することにより、内部電極を埋設した直径200mmの絶縁層2を作製した。
【0036】
絶縁層2の表面側に、ブラスト加工によって、図1に示すような平面円形の多数の突起3Aを形成した。また、貫通孔7、ガス分配溝5を形成した。
【0037】
内部電極12の面積は31000mm2 とした。突起3Aの接触面14の面積と、突起3Aの個数とを種々変更することによって、内部電極12の面積に対する突起3Aの接触面14の面積の合計値の割合を、表1、表2のように種々変更した。また、突起3Aの高さHは、表1、表2に示すように変更した。
【0038】
この静電チャック1の設置面2a上に、直径200mmのシリコンウエハー10を設置した。シリコンウエハー10の裏面が、突起3Aの接触面14に対して接触する。内部電極12に±500ボルトの直流電圧を印加し、シリコンウエハー10を静電チャック1に吸着させた。そして、バックサイドガスを流さない状態で、シリコンウエハーの静電的な吸着力を、圧力(Torr)単位として測定した。
【0039】
次いで、シリコンウエハー10、絶縁層2および突起3Aによって形成された空間11に、前述のようにしてアルゴンガスを供給した。絶縁層2を加熱することによって、シリコンウエハーの平均温度を350℃まで上昇させた。バックサイドガスの供給圧力は、バックサイドガスを供給した後のシリコンウエハーの吸着力が30Torr程度に保持されるように調節した。この状態で、シリコンウエハーの5箇所の温度を熱電対付きウエハーによって測定し、温度の最大値と最小値との差を得た。
【0040】
また、シリコンウエハーを350℃で上記のようにして1分間吸着した後、シリコンウエハーの吸着を解除した。次いで、シリコンウエハーの裏面に付着していたパーティクルの個数を、半導体製造工場において一般的なパーティクルカウンターを使用して計測した。これらの結果を表1、表2に示す。
【0041】
【表1】
【0042】
【表2】
【0043】
【発明の効果】
本発明の静電チャックによれば、突起と半導体ウエハーとの擦れによって発生するパーティクルを低減させると同時に、半導体ウエハーの温度の均一性を向上させ得る。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態に係る静電チャック1を概略的に示す平面図である。
【図2】図1の静電チャック1の一部拡大断面図である。
【図3】静電チャックの表面において突起が並んで配列されている状態を示す図である。
【符号の説明】
1 静電チャック、2 絶縁層、2a 絶縁層の設置面、3A ウエハーに接触する突起、7 貫通孔、5 ガス分配溝、6 ガス供給孔、10ウエハー、11 設置面、2aと突起3A、3Bとウエハー10とによって形成された空間、12 内部電極、14 突起の接触面
Claims (4)
- ウエハーを設置するための設置面を有する絶縁層と、この絶縁層内に設置されている内部電極と、前記設置面から突出する、前記ウエハーと接触するべき接触面を有する突起を備えており、前記ウエハーを吸着した状態で、前記設置面と前記突起と前記ウエハーとによって形成された空間内にバックサイドガスを流すことで前記ウエハーの温度分布を均一化させる静電チャックであって、
前記突起の前記接触面の面積の合計値が、前記内部電極の面積の5%以上、10%以下であり、前記突起の高さが5μm以上、10μm以下であり、単位面積当たりの突起の個数を、0.010−0.140個/mm 2 とすることを特徴とする、静電チャック。 - 吸着面に平行な方向に見たときに、前記突起と、隣接する突起の間の溝とが、交互に並んでいることを特徴とする、請求項1記載の静電チャック。
- 前記絶縁層にはガス供給孔が設けられ、ガス供給孔の上端部に設けたガス分配溝は、ガス供給孔の端部に連続している凹部と、凹部から側面に向かって延びている細長い溝と、前記溝の先端に連続している円環形状の溝からなっていることを特徴とする、請求項1または2に記載の静電チャック。
- 基板の表面に所定の処理を施す基板処理装置であって、内側で前記所定の処理が行われる処理チャンバと、この処理チャンバ内の所定の位置に前記基板を静電吸着して保持するための請求項1−3のいずれか一つの請求項に記載の静電チャックと、前記静電チャックに前記基板を静電吸着するための吸着用電源とを備えていることを特徴とする、基板処理装置。
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