JP4367685B2 - 静電チャック装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【産業上の応用の分野】
本発明は静電チャック装置に関し、特に、半導体産業における半導体デバイスの製造においてプラズマに支援されてまたは支援されないで化学的または物理的にウェハーを処理するため半導体ウェハーを静電的に固定するための静電チャック装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
半導体ウェハーの処理の間、ウェハーの温度を制御するために電極の上でのウェハーの固定は重要なことである。一般的に、静電的な固定（クランプ）は普通プラズマまたは非プラズマのウェハー処理装置の大部分において用いられている。静電チャック（ＥＳＣ）にはユニポーラ型ＥＳＣおよびバイポーラ型ＥＳＣと呼ばれる２つの型がある。ユニポーラ型ＥＳＣの動作にはウェハーの表面の全面に渡りプラズマが必要となる。プラズマは静電力を生成するためウェハーと接地との間の電気的な接続を作る。しかしながら、バイポーラ型ＥＳＣはプラズマがなくても動作し、それ故に、それらはプラズマのない他のウェハープロセスと同様にプラズマプロセスにおいても用いることができる。たとえ静電的な技術が適切に電極の上にウェハーを固定し、より良い熱的伝導性を容易に実現するとしても、この方法に関連するいくつかの問題がある。
【０００３】
主要な問題の１つはウェハーの裏面と静電チャックとの間の摩擦の力によってウェハーの裏面の上にパーティクルが生成されるということである。この問題は次に詳細に説明される。
【０００４】
パーティクルの発生の問題を説明するために、従来のユニポーラ型の静電チャック(ＥＳＣ)が考えられる。このＥＳＣの断面図は図５に示される。
【０００５】
図５において示された静電チャック（ＥＳＣ）８０は誘電体層５１、金属電極５２、絶縁材料５３、側壁５４、およびボトムプレート６２によって構成されている。誘電体層５１は金属電極５２の上に固定されている。ウェハー５７は誘電体層５１の上に配置されている。金属電極５２は電気的に絶縁材料５３の中に配置することによってハードウェアの他の部分から絶縁されている。金属電極５２の厚みは重要なことではなく、通常１ｍｍから数センチメートルの範囲にある。金属電極５２は加熱または冷却の機構を含んでいる。例えば、冷却機構を備えた金属電極５２が図５に示されている。
【０００６】
金属電極５２は二方向切替スイッチ５５ａを介してＤＣ電圧供給器５５または接地のいずれかに接続されることが可能である。金属電極５２はｒｆ発生器６１からｒｆ電流を与えられるようにしても良い。しかしながら、金属電極５２に対してｒｆ電流を供給することは、期待される目的にとって本質的なことではなく、すなわちウェハー固定プロセスにとっては本質的なことではない。もしｒｆ電流が金属電極に与えられているものとすれば、ｒｆ電流の周波数は１００ｋＨｚから５０ＭＨｚの範囲にあり、代表的には２ＭＨｚよりも低い範囲にある。
【０００７】
通常、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ポリイミドなどが誘電体層５１の材料として採用される。誘電体層５１の厚みや抵抗性はウェハーの固定および固定解除（チャック解除）の効率に大きな影響を与える。しかしながら、誘電体層５１の厚みは重要なことではないが、通常、５ｍｍよりもより小さくなるようにされている。誘電体層５１の上面の上には複数のエンボス５６が形成され、これはウェハー５７がＥＳＣ上に配置されるとき、ウェハーの裏面がエンボス５６にのみ接触するようにするためである。エンボス５６の高さは５μｍから２５μｍの範囲にある。これらのエンボス５６のため、ウェハー５７と誘電体層５１の間にはスペース５８が存在し、それは、通常、ウェハー５７とＥＳＣ８０の間のより良い熱伝達のため不活性ガスが満たされている。
【０００８】
作動中、金属電極５２はＤＣ電圧供給器５５に接続されており、適当なＤＣ電圧が与えられている。そのとき、電荷が金属電極５２の上に蓄積する。金属電極５２とＳｉ（シリコン）ウェハー５７の間には誘電体層５１があるので、反対の極性の電荷がウェハー５７の裏面の上に誘導される。ウェハー５７とＥＳＣ８０の上の反対の極性を有したチャージは静電力を形成し、それはＥＳＣ８０の上にウェハーを固定する。
【０００９】
ここに、従来技術として特許文献１が引用される。
【００１０】
【特許文献１】
米国特許第５，５３０，６１６号公報
【００１１】
【発明が解決しようとする課題】
金属電極５２にＤＣ電圧が与えられるとき、金属電極５２の上に電荷が蓄積する。しかしながら、これらの電荷はウェハー５７と金属電極５２の間に強い電界（Ｅ₁）が存在するために誘電体層５１の上面に向かってゆっくりと移動する。この状態は図６に概略的に示されている。誘電体層５１の上面に向かう電荷の移動は、同様にまた、誘電体層５１が通常は完全な絶縁体でないという事実によって支持されている。さらに層５１を作る誘電体材料には、意図的に、電気的抵抗性を減じるために不純物のドーピングが行われている。このことが誘電体層５１の上面への電荷の移動を強める。
【００１２】
顕微鏡レベルの微視的な規模において、Ｓｉウェハー５７の下側表面とエンボス（emboss）５６の上面は粗い表面を有している。それ故にウェハー５７と誘電体層５１の実際の接触は、図７に示されるごとく、２，３の箇所のみでなされている。ウェハー５７と誘電体層５１の間隔はそれらの間の真空またはエアーポケット５１の厚みに限定されている。すなわち、反対の極性を有する電荷の間の距離は極めて小さくなっている。このことがウェハー５７とＥＳＣ８０の間において極めて強い吸引的な静電力の発生を導いている。発生した静電力はウェハーを固定するために要求される実際の力よりもあまりにも強すぎる。この非常に強い力が、Ｓｉウェハー５７および／または誘電体層５１から、摩擦による擦れに起因するパーティクル６０を発生させる原因となっている。
【００１３】
これらのパーティクル６０のいくつかは直ぐにウェハーの裏面に付着する。他のパーティクル６０はエンボス５６の上面から落下し、図６に示されるように、誘電体層５１の表面に蓄積する。ＥＳＣ８０の上におけるＳｉウェハー５７の繰り返される処理に伴なって、誘電体層５１の上における蓄積されるパーティクル６０の数は増大しウェハーの裏面に付着し始める。ウェハーの裏面へのパーティクルの付着は２つの理由に基づいて起こる可能性がある。第１に、これらの蓄積されたパーティクル６０は、金属電極５２にＤＣ電圧を印加されるとき、電荷を与えられるということである。誘導された電荷によって、パーティクル６０は静電力によってウェハーの裏面に付着する。第２のメカニズムは、勢いよく流れる不活性ガスによって、エンボス５６の間でパーティクル６０が浮遊し始めかつ流れ始めるということである。このパーティクル６０は、電荷を与えられた状態にあり、静電的力の吸着力によってウェハーの背面に容易に付着する。
【００１４】
本発明の目的は、ウェハーの裏面上でのパーティクルの発生を最少化することができる静電チャック装置を提供することにある。
【００１５】
【課題を解決するための手段】
本発明に係る静電チャック装置は、上記の目的を達成するため、次のように構成されている。
【００１６】
本発明の第１のチャック装置は、ユニポーラ型であって、その上にウェハーを固定するために用いられ、金属電極と、特定な領域を除いて金属電極を覆う絶縁材料と、金属電極に接続されたＤＣ電圧供給器と、金属電極の特定領域の上に固定され、上面に環状凸部と該環状凸部の内側に設けられた複数の内側エンボスとを有する誘電体層と、ウェハーと誘電体層の間のスペースにガスを導入する少なくとも１つのガス導入口と、スペースからガスを放出する少なくとも１つのガス排出口とを有する。さらに、複数の内側エンボスは、環状凸部の平面内に存する、略等間隔に配置した複数のＸ軸と、Ｘ軸と略直交し、かつ環状凸部の平面内に存する、略等間隔に配置した複数のＹ軸とからなる軸上に配置され、かつ、ガス導入口は、複数のＹ軸のうち、配置された内側エンボスの数が一番少ない軸の外側と環状凸部の内側により形成される第１外側領域に配置され、ガス排出口は、複数のＹ軸のうち、配置された内側エンボスの数が一番少ない軸の外側と環状凸部の内側により形成される第２外側領域に配置されている。
【００１７】
本発明の第２の静電チャック装置は、バイポーラ型であって、その上にウェハーを固定するために用いられ、２つの金属電極と、２つの特定の領域を除いて２つの金属電極を覆う絶縁材料と、２つの金属電極のそれぞれに分離して接続される２つのＤＣ電圧供給器と、２つの金属電極の特定な領域の上に固定され、上面に環状凸部と該環状凸部の内側に設けられた複数の内側エンボスとを有する誘電体層と、ウェハーと誘電体層の間のスペースにガスを導入する少なくとも１つのガス導入口と、スペースからガスを排出する少なくともひとつのガス排出口とを有する。さらに、複数の内側エンボスは、環状凸部の平面内に存する、略等間隔に配置した複数のＸ軸と、Ｘ軸と略直交し、かつ環状凸部の平面内に存する、略等間隔に配置した複数のＹ軸とからなる軸上に配置され、かつ、ガス導入口は、複数のＹ軸のうち、配置された内側エンボスの数が一番少ない軸の外側と環状凸部の内側により形成される第１外側領域に配置され、ガス排出口は、複数のＹ軸のうち、配置された内側エンボスの数が一番少ない軸の外側と環状凸部の内側により形成される第２外側領域に配置されている。
【００１９】
電極上に半導体ウェハーを固定する本発明による静電チャック（ＥＳＣ）は、誘電体層の上面の上に複数のエンボスを備えており、１つまたはいくつかのガス導入口と１つまたはいくつかのガス排出口とを備えている。当該構造において、それらの間により高い圧力を維持しながら、ガスは、ウェハーと誘電体層の間のスペースを通して流される。
【００２０】
【発明の実施の形態】
以下に、添付された図面に従って好ましい実施の形態が説明される。当該実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされるであろう。
【００２１】
本発明の第１の実施形態は図１および図２を参照して説明される。本発明のＥＳＣはユニポーラ型またはバイポーラ型である。説明を容易にするため、この実施形態においてはユニポーラ型ＥＳＣ１０の構成が考えられる。第１実施形態のＥＳＣ１０の断面図は図１に示され、他方、ＥＳＣ１０の上面図が図２に示されている。
【００２２】
ＥＳＣ１０は金属電極１１、誘電体層１２、金属電極１１を覆う絶縁材料１３、外側側壁１４、底壁１５、および外側シールド１６から構成されている。金属電極１１はＥＳＣ１０の中央部である。誘電体層１２は金属電極１１の上に位置している。外側シールド１６はリング形状を有しており、誘電体層１２の周りに配置されている。
【００２３】
ＥＳＣ１０の主要部分は誘電体層１２である。誘電体層１２は金属電極１１に堅く固定されており、それらの間が、より良好な熱伝導性を持つようにしている。金属電極１１の上に誘電体層１２を固定するために、例えば金属結合または機械的なクランピング（clamping）を用いることができる。誘電体層１２の上面の上には複数のエンボス（emboss）１２ａが存在する。エンボス１２ａの高さは重要なことではなく、１μｍから数センチメートルの間にあり得る。エンボス１２ａの断面の形状は、通常、円形形状である。しかしながら、エンボス１２ａに関して異なる断面形状を選択することも可能である。もしエンボスの断面形状が円形形状であるならば、当該エンボスの直径は、通常、１ｍｍから１０ｍｍの範囲にある。
【００２４】
金属電極１１の厚みは、重要な事項ではなく、通常では１ｃｍから１０ｃｍの間にある。金属電極１１は冷却または加熱の機構を持つことが可能である。しかしながら、これは本質的な部分ではない。それ故に、この実施形態に係る静電チャック装置を、たとえ金属電極１１に応用されるいかなる温度制御機構がなくても、用いることができる。図１では、図を明らかにする目的のため、いかなる温度制御機構も示されていない。金属電極１１は二方向切替用スイッチ１９を経由してＤＣ電圧供給器１７または接地１８に接続することができる。加えて、金属電極１１はｒｆ発生器２０に接続することも可能である。しかしながら、金属電極１１へｒｆ電流を与えることは、この発明の期待される結果を得る目的という観点では本質的なことではない。仮にｒｆ電流が金属電極１１に与えられたとするならば、ｒｆカットオフフィルタ２１がＤＣ電気回路に付設されなければならない。ｒｆ電流の周波数は重要なことではないが、１００ｋＨｚから１００ＭＨｚの範囲にあり得る。
【００２５】
図２はＥＳＣ１０の上面図を示している。誘電体層１２の上面の上にエンボスを設けるための基準的な方法は存在しない。図２はまさに１つのタイプのエンボスの配置を示している。誘電体層１２の上面の上におけるエンボス１２ａの配置は、多くの異なる形態を持つことができる。例えば、図３はエンボスの配置の他の構成を示す。
【００２６】
図３において、修正された例が示される。ＥＳＣ１０の上面の構成を除いてすべての他のハードウェアは第１実施形態で説明されたものと同じであるので、ＥＳＣ１０の上面のみが示される。誘電体層１２の上のエンボス３０の構成は特徴を有している。ガス導入口２３およびガス排出口２５は、同様に、形成されている。第１実施形態の修正は、エンボス３０の異なる構成を示す。この構成のエンボス３０を設けたため、ウェハー２２と誘電体層１２の間のスペース２４の１つの領域（zone:ゾーン)３１が形成される。この領域３１は、ガス導入口２３からガス排出口２５へ至る１つのガスの流れ通路を作る。
【００２７】
通常、ＡｌＮ、Ａｌ₂Ｏ₃、ポリイミドなどが、薄い誘電体層１２の材料として採用される。当該材料の電気抵抗性は固定力および固定解除時間に大きな影響を与える。一般的に、誘電体材料の電気抵抗性は適当な不純物をドーピングすることによって低下させられる。低抵抗誘電体材料は短い時間の周期でエンボスの上面における電荷の蓄積を助ける。さらに、低抵抗誘電体材料は、金属電極１１が接地１８に接続されるとき、金属電極１１の電荷再流（リフロー）を止め、そのことはウェハー２２の迅速な固定解除という結果をもたらす。これらのメカニズムは従来技術の部分で詳細に説明されている。
【００２８】
ウェハー２２と誘電体層１２の間に形成されたスペース２４にガスを供給するためのガス導入口２３が存在する。このスペース２４の高さはエンボス１２ａの高さによって決定される。さらに、ウェハー２２と誘電体層１２の間のスペース２４からのガス排出口２５が存在する。それ故に、ガス導入口２３およびガス排出口２５を用いることで、ガスはウェハー２２と誘電体層１２の間のスペース２４を通して流される。ガスの流れを制御するためにガス導入口２３に接続されたガス流量メータ２６が存在する。ガスの流速は、重要なことではなく、１０sccmから５０００sccmの範囲で変化させられる。同様にまた、ガス圧力モニタ計２７と、ガス排出口２５に接続された可変オリフィス２８とが存在する。従ってガス流量メータ２６、圧力モニタ計２７、および可変オリフィス２８を用いて、適当なるガス流速がウェハー２２と誘電体層１２の間の適当なる圧力を維持する間、流される。
【００２９】
上記で説明されたように、パーティクルは、ウェハー処理の間、誘電体層の表面の上に集められる。これらのパーティクルのいくつかはウェハーの裏面に付着する。ＥＳＣ１０において、ガスが、上記で説明されたごとく、ウェハー２２と誘電体層１２の間のスペース２４で流される。適当なガスの流速を採用することによって、これらの蓄積されたパーティクルは、誘電体層１２の表面から飛ばすようにすることができる。ガスは、ウェハーのプロセスの間、連続的に流される。この連続的なガスの流れは誘電体層１２の上におけるパーティクルを減少させる。このことがウェハーの裏面へのパーティクル付着の減少をもたらす。
【００３０】
図４を参照して第２の実施形態が説明される。ここで、ＥＳＣ１０の上面の構成を除いてすべての他のハードウェアは第１実施形態で説明されたものと同じであるので、ＥＳＣ１０の上面図のみが示される。先に説明されたように、誘電体層１２の上のエンボス４０の形成のための決まった構造はない。同様にまた、ガス導入口２３およびガス排出口２５の数は任意に変化させることができる。第２実施形態は、エンボス４０、ガス導入口、ガス排出口の異なる構成を示している。エンボス４０、ガス導入口２３およびガス排出口２５の異なる当該構成によって、ウェハー２２と誘電体層１２の間のスペース２４のいくつかの領域（ゾーン）４１，４２，４３，４４が形成される。これらの領域４０〜４４は互いに分離されている。領域４１〜４４の各々はガス導入口２３およびガス排出口２５を有している。それ故に、異なる圧力および異なるガス流速を領域４１〜４４の各々内で維持することができる。
【００３１】
第２の実施形態でのいくつかのガス導入口２３およびガス排出口２５のため、より多くのパーティクルが誘電体層１２の上面から移動させられる。それ故に、この構成はウェハーの裏面におけるパーティクルのさらなる減少をもたらす。さらに、いくつかの領域４１〜４３の存在のために、ウェハー２２および誘電体層１２の間の熱伝達が各領域内で異なる圧力を採用することによって、より正確に制御することができ、これによってウェハー表面の上で一定な温度に維持することが可能となる。
【００３２】
【発明の効果】
誘電体層上に半導体ウェハーを固定するためのユニポーラ型またはバイポーラ型の本発明による静電チャック装置は、チャック解除効率を改善すると共にウェハーの裏面のパーティクル発生を最少化することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】この図は、本発明の第１の実施形態の静電チャック装置の断面図である。
【図２】この図は、第１実施形態の静電チャック装置の上面図である。
【図３】この図は、ＥＳＣの上面におけるエンボス、ガス導入口、ガス排出口の他の構成を示す上面図である。
【図４】この図は、本発明の第２の実施形態で説明されるＥＳＣの上面を示す上面図である。
【図５】この図は、従来の静電チャック装置の断面図である。
【図６】この図は、エンボスの近傍における電荷の分布を示す部分的に拡大された断面図である。
【図７】この図は、ウェハーの上およびエンボスの上面における表面接触と電荷分布の拡大された断面図である。
【符号の説明】
１０ 静電チャック装置
１１ 金属電極
１２ 環状凸部（誘電体層）
１２ａ 内側エンボス（誘電体層）
１３ 絶縁材料
１６ 外側シールド
２２ ウェハー
２３ ガス導入口
２４ スペース
２５ ガス排出口
３０ エンボス
４０ エンボス
４１−４４ 領域（ゾーン）
１００ 第１外側領域
２００ 第２外側領域

Claims (2)

1. ウェハーを固定するユニポーラ型の静電チャック装置であって、
   金属電極と、
   特定領域を除いて前記金属電極を覆う絶縁材料と、
   前記金属電極に接続されたＤＣ電圧供給器と、
   前記金属電極の前記特定領域の上に固定され、上面に環状凸部と該環状凸部の内側に設けられた複数の内側エンボスとを有する誘電体層と、
   前記ウェハーと前記誘電体層の間のスペースにガスを導入する少なくとも１つのガス導入口と、
   前記スペースから前記ガスを放出する少なくとも１つのガス排出口と、を有し、
   前記複数の内側エンボスは、
   前記環状凸部の平面内に存する、略等間隔に配置した複数のＸ軸と、前記Ｘ軸と略直交し、かつ前記環状凸部の平面内に存する、略等間隔に配置した複数のＹ軸とからなる軸上に配置され、
   かつ、前記ガス導入口は、
   前記複数のＹ軸のうち、配置された前記内側エンボスの数が一番少ない軸の外側と前記環状凸部の内側により形成される第１外側領域に配置され、
   前記ガス排出口は、
   前記複数のＹ軸のうち、配置された前記内側エンボスの数が一番少ない軸の外側と前記環状凸部の内側により形成される第２外側領域に配置されている、
   ことを特徴とする静電チャック装置。
2. ウェハーを固定するバイポーラ型の静電チャック装置であって、
   ２つの金属電極と、
   特定領域を除いて前記２つの金属電極を覆う絶縁材料と、
   前記２つの金属電極のそれぞれに分離して接続された２つのＤＣ電圧供給器と、
   前記２つの金属電極の前記特定領域に固定され、上面に環状凸部と該環状凸部の内側に設けられた複数の内側エンボスとを有する誘電体層と、
   前記ウェハーと前記誘電体層の間のスペースにガスを導入する少なくとも１つのガス導入口と、
   前記スペースから前記ガスを放出する少なくとも１つのガス排出口と、を有し、
   前記複数の内側エンボスは、
   前記環状凸部の平面内に存する、略等間隔に配置した複数のＸ軸と、前記Ｘ軸と略直交し、かつ前記環状凸部の平面内に存する、略等間隔に配置した複数のＹ軸とからなる軸上に配置され、
   かつ、前記ガス導入口は、
   前記複数のＹ軸のうち、配置された前記内側エンボスの数が一番少ない軸の外側と前記環状凸部の内側により形成される第１外側領域に配置され、
   前記ガス排出口は、
   前記複数のＹ軸のうち、配置された前記内側エンボスの数が一番少ない軸の外側と前記環状凸部の内側により形成される第２外側領域に配置されている、
   ことを特徴とする静電チャック装置。

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