JP4448860B2 - ワークピースを保持する双極静電チャック - Google Patents

Description

本発明は、支持面にワークピースを静電的に保持する基板支持チャックに関し、特に、チャックに支持されるワークピースに与えられる静電力をバランスさせる装置を備えた双極静電チャックに関する。

基板支持チャックが、半導体処理システム内で基板を支持するために広く用いられている。静電チャックの１つの例が、本件出願人に譲渡された、特許文献１に開示されている。この静電チャックは、埋め込まれた一対の共面電極を有する誘電性材料を含んだ従来のチャック体を備える。この電極は、半月状すなわちＤ形状であって、各電極が、チャック体の支持面に支持されるワークピースの半分に締付け力を与える。

動作中、チャック電圧が各電極に与えられ、電極の間に電界を生成させる。この電界は、チャック面にある電荷に対して逆の極性に分極化されたウェハの下面に電荷を分散させる。ウェハの電荷とチャック面の電荷の間のクーロン力が、ウェハをチャックに引き付ける。このようにして、ウェハは、チャック面に保持（締付）される。

ウェハを保持する静電力は、ウェハの下面全体にわたって均一であるのが理想的である。しかしながら、現実には、この静電力は、ウェハにわたってかなり変化する。この力は、誘電体厚さ、ウェハ裏面粗さ、チャック面粗さの相違、チャック面導電率の変動などにより変化する。これらの違いは、各電極に対する締付け電圧を不均一に分布させる。

例えば、上述の欧州特許で示されたような双極誘電静電チャックにおいて、２つの電極とウェハの組合せが、事実上、一対の直列接続されたコンデンサを形成する。例えば、ウェハと各電極との間の間隔が均一でない場合、一方の電極からウェハ（第１コンデンサ）までの電圧降下は、他方の電極とウェハの間の間隔（第２コンデンサ）にわたる電圧降下とは異なる。これらの異なる電圧降下が、ウェハの半分にそれぞれ与えられる締付け力を等しくないものとする。

別の例として、双極セラミック静電チャック（例えば、特許文献２）においては、各電極とウェハが、事実上、一対の直列接続された抵抗を形成する。例えば、ウェハと各電極の間隔が等しくない場合には、一方の電極からウェハ（第１抵抗）までの電圧降下が、他方の電極とウェハの間の間隔（第２抵抗）にわたる電圧降下とは異なる。これらの電圧降下が等しくないために、異なる締付け力が、ウェハの半分のそれぞれに与えられる。

これらの静電力をバランスさせるために用いられる装置の１つの例が、上述した欧州特許に開示されている。この特許は、２(dual)電源により駆動される双極誘電チャックを開示する。２電源の中心タップは、ウェハ処理中にウェハに近接して形成されるプラズマに延びる基準電極に接続される。

そのために、電源の中心タップは、プラズマ電圧に到達し、すなわち、電極に与えられる電源電圧が、プラズマ電位に対して基準とされる。従って、全体としてプラズマに接触するウェハは、基準接点に間接的に接続される。結果として、ウェハから各電極までの等しくない電圧降下が、等しくない電圧降下を補償するように中心タップ電圧が変化するときに、等しい電圧を実現するように調節される。

しかしながら、このバランスを実現するために、プラズマが、プラズマに曝される基準接点及びウェハに近接して生成されなければならない。物理気相成長法（ＰＶＤ）のような半導体処理の場合において、ウェハが、プラズマに曝される前に、例えば加熱などの処理を行われる。従って、処理が始まるまで、プラズマの存在を必要とする上述のチャック装置は有効ではない。このように、このチャック装置は、プラズマを利用しない又はプロセス周期全体にわたりプラズマを利用しないプロセスに対して有用でない。

欧州特許出願 0 439 000 B1 米国特許第 5,117,121号 米国特許第 4,184,188号 米国特許第 4,384,918号

そのために、該分野において、ワークピースに近接するプラズマの存在に依存せずに、静電チャックとワークピースの間で静電力を自動的にバランスさせる装置及びそれに付随する方法に対する必要性がある。

従来技術の不利益は、チャックがチャック上に位置するワークピースに与える静電力をバランスさせる装置を備えた本発明の静電チャックにより解消される。
特に、本発明は、一対の埋め込まれた共面電極を有するチャック体を含む双極静電チャックである。さらに、このチャックは、チャック体の支持面上にある複数の支持部材を有するウェハ離間用マスクを備える。ウェハ離間用マスクは、チタン、チタン窒化物、ステンレス鋼等の導電性材料により製造される。この支持部材は、チャックの支持面に対して離間した関係でウェハ又は別のワークピースを保持する。ウェハの下側面とチャックの間の距離は、支持部材の厚さにより定められる。

双極チャック内の各電極は、中心タップを有する２電源の端子にそれぞれ接続される。電源の中心タップは、ウェハ離間用マスクに接続される。このように、誘電体厚さ、ウェハ裏面粗さ、チャック面粗さ、チャック面導電性の相違又は静電力に変化を生じさせる別の物理的差異によるウェハ及び電極の間の距離の変化が、電源の中心タップに接続される離間用マスクを有することによってバランスされる。実際に、フィードバックループが生成され、ウェハの一面に対するウェハのもう一面にかかる静電力の上昇が、相対的な中心タップ電圧値を上昇させる。このように、静電力を生じさせる電圧差が、ウェハの両面において一定に維持される。櫛形電極が用いられるとき、静電力は、ウェハの下面全体にわたりより均一に分布される。

ウェハが処理チャンバで処理された後、ウェハがチャックから取り除かれる前に、ウェハがチャックを外される。チャックを外すことは、電源を非作動にすること、例えば出力端子及び中心タップと、電極及び離間用マスクとの接続をそれぞれ断つことによって実現される。しかしながら、電源が非作動にされた後でも、チャック面及びウェハ下面の両方に蓄積された電荷は保持される。この余分な電荷を取り除くために、電極とウェハ離間用マスクの両方が接地される。短時間で、余分な電荷が取り除かれ、ウェハがチャックから容易に外される。

図１は、静電チャック１００のチャック体１１０の支持面１２２上に位置するウェハ離間用マスク１０２の垂直横断面を示す。本発明の用途を例示するために、図１は、半導体ウェハ１０８を支持する離間用マスク１０２と、チャック内の両方の電極及びウェハ離間用マスクをバイアスするために用いられる電源１２６の概要を示す。図２は、（ウェハ１０８を外した）図１のウェハ離間用マスク１０２の頂面図を示す。本発明をよく理解するために、以下の説明を読むにあたって、図１及び２の両方を参照されたい。

好適な具体例においては、静電チャック１００が、セラミック又は誘電チャック体１１０に埋め込まれた少なくとも２つの電極１０６を有する。このチャック体は、例えばアルミニウム窒化物、窒化硼素又はアルミナにより製造される。高温処理中に、チャック体のセラミック材料が半導電性になり、ウェハをチャックに保持するジョンセン・ラーベック効果を促進する。チャックが低温でのみ用いられる場合には、セラミック又は誘電性材料のいずれかがチャック体を形成するために用いられる。例えば、セラミック静電チャックが、1992年５月26日に発行された特許文献２に開示されており、本願明細書の一部として組み込まれる。誘電静電チャックの例が、1980年１月15日に発行された特許文献３及び1983年５月24日に発行された特許文献４に開示されており、両方とも本願明細書の一部として組み込まれる。

ウェハ離間用マスク１０２が、典型的には物理気相成長法（ＰＶＤ）を用いて、チャック体１１０の支持面１２２上に堆積される。この材料は、化学気相成長法（ＣＶＤ）、プラズマスプレー堆積法、ろう付、溶射堆積法等により堆積される。典型的には、マスクの形成に用いられる材料は、チタン、チタン窒化物、ステンレス鋼等の金属である。
離間用マスク材料は、支持面１２２上の汚染粒子がウェハに接触しないように、支持面上にウェハ１０８又はワークピースを保持する所定の厚さに堆積される。例えばその厚さは、２ミクロンである。

図２は、堆積材料の複数の離間パッド１１８として形成された支持部材を有するマスクパターンを例として示す。各パッド１１８は、およそ0.25cm（0.1インチ）の径を有する。点線で示されている同心リングが、0.64cm（0.25インチ）だけ間隔を開けられ、各リング内のパッドが、およそ0.64cm（0.25インチ）だけ互いに間隔を開けられる。一般的には、パッドの数、間隔およびサイズは、静電チャックにより与えられる締付け力により定められる。例えば、力が大きく、パッドが互いに比較的離されている場合には、ウェハは、パッドの間でたわむ。一方で、チャックの表面上に多くのパッドを配置しすぎる場合には、締付け力を促進する静電フィールドに干渉するおそれがある。そのために、パッドは、最適に支持し、且つ締付け力への干渉を制限するように、慎重に配置されなければならない。

高温でセラミックチャックを用いるときには、このチャックは、高温（例えば300℃以上）で半導電性となる。このような場合、導電性パッドは、電極上に配置されるべきではない。締付け力を生成するジョンセン・ラーベック効果を生成するために、電流がウェハからセラミックチャックに流されなければならない。

しかしながら、これらの電流は、ウェハの損傷を避けるために比較的低いレベルに維持されなければならない。そのようなものとして、パッドは一般に電極位置の間に配置され、非常に強い静電フィールド内に存在しないようにし、十分な電流をウェハを通ってウェハ接触点、マスクに流さないようにする。図１及び２に示された本発明の具体例において、電極構造（例えば、２つの半月状電極）が、離間するマスクパッド１１８に同心状に整列するホール１１２を備える。各ホール１１２の径は、対応するパッド１１８の径よりも（例えばおよそ0.25cm(0.1インチ)だけ）僅かに大きい。また、マスクとウェハの間の接触領域のサイズを最小にすることが、ウェハを流れる電流を小さくするのに加えられ、役立つ。

一方で、（例えば３００℃より低い）低温では、セラミックチャックが、電流をほとんど流さないか、又は全く流さず、本発明のこれらの用途に対して、支持部材が、チャック支持面上のどこにでも配置されることができる。さらに、誘電チャック上の離間用マスクの用途、電極に対する支持部材の配置は、一般に無関係である。チャック上のウェハの適切かつ均一な支持を確実にするために、支持部材が、離間用マスクを有さずにウェハの下面に接触するチャックの表面全体にわたって均一に分散されるべきである。

ウェハに対するチャック電圧の接続を容易にするために、少なくとも１つの支持部材１２０が、電源１２６の中心タップに接続される。一般的に、ウェハの下面に対して電源の信頼性の高い接続を実現するために、複数の（例えば４つの）支持部材１２０−１２０が、電源１２６の１つの端子に接続される。支持部材１２０−１２０から電源１２６への導電性接続が、多くの方法によって達成されることができる。示された具体例は、チャック体支持面１２２の回りに均一に分布する４つの「バイアスされた」支持部材１２０−１２０を備える。しかしながら、ウェハに対する接続を確実にするためには、ウェハが非常に反りかえっている場合でも、多くの（例えば９個の）バイアスされた支持部材を用いることができる。さらに、チャック体の内部にある支持部材が、トレース１５０及び１５２のような任意的な連結トレースにより相互接続されることができる。

電源への接続に適したバイアスされた支持部材１２０は、平面図の形式では卵形であり、チャック体の支持面１２２に「張り出し」ている。このように、離間用マスクの堆積中には、これらの支持部材が、チャック体１１０の支持面１２２、側壁１１４及びフランジ１１６に沿って形成される。さらに、堆積中に、導電性トレース１２４が、全てのバイアスされた支持部材１２０−１２０を相互接続するために形成される。特に、導電性トレース１２４が、フランジ１１６上に形成され、チャック体全体を取り囲む。当然のことながら、付加的な支持部材が、選択された部材を、チャック体の表面上に堆積された導電性トレースに相互接続することによってバイアスされることができる。支持部材１２０をバイアスするために、導電性トレース１２４が、高電圧電源１２６の１つの端子（中心タップ）に接続される導電性ワイヤに接続される。

各電極が、２電圧電源１２６内のそれぞれの電源の１つの端子に接続される。電極１０６₁が電源１２８の負の端子に接続され、一方で電極１０６₂が電源１３０の正の端子に接続される。電源１２８の正の端子と電源１３０の負の端子は、共通の端子すなわち中心タップ１３２を形成するように互いに接続される。この中心タップは、ワイヤ１３４を介してウェハ離間用マスク１０２に接続される。ワイヤ１３４の末端は導電性トレース１２４に接続され、中心タップでの電位が、「バイアスされた」支持部材１２０−１２０に与えられる。このように、チャック体１１０のフランジ１１６上の共通の端子が、ウェハ離間用マスク１０２の全てのバイアスされた支持部材１２０−１２０を相互接続する。各電源に対する典型的な電圧は、３００ボルトＤＣである。

動作中、ウェハがチャックされるとき、ウェハを保持する静電力がバランスされるように、変動中心タップ電圧が、ウェハと各電極の間の電圧が比較的等しくなることを保証する。変動中心タップ電圧が、ウェハに対する各電極の電圧降下を等しく維持するように調節する。従って、ウェハを保持する静電力が、自己バランスする。このように、ウェハ全面にわたる力が、実質的に均一な大きさに維持される。

ウェハが、チャックから取り除かれる、すなわちチャックから外されるときに、電源１２６は、非作動になる。しかしながら、余分な電荷がウェハ及びチャックの支持面上に残る。この余分な電荷は、ウェハをチャックに保持する。この余分な電荷を「放出」させる又は放電させるために、スイッチ１３６が設けられる。スイッチ１３６は、中心タップ１３２と地面とを接続する。このスイッチは、閉じているときには、バイアスされた支持部材１２０、及び電極１０６を接地する。支持部材１２０は直接的に接地されているが、電極は、それぞれの電源（比較的低いインピーダンス）を通って接地される。このように、余分な電荷は、比較的素早く除去され、ウェハは、チャックから取り外されることができる。

代わりに、２つのスイッチ１３８及び１４０が、電極１０６を直接的に接地し、マスクを電源を介して接地するために用いられることができる。この構成もまた、余分な電荷を除去する。又、３つのスイッチ１３６、１３８及び１４０の全てが、マスク及び電極を直接的に接地するために用いられることが可能であり、電源インピーダンスを通る放電を避けることができる。

チャックを外す多くの別の技術が、双極チャックの余分な電荷を迅速に除去するために有用である。例えば、1995年10月17日に発行された米国特許第5,459,632号は、本願明細書の一部として組み込まれており、余分な電荷を最適に流出するために、特定のチャックを外す電圧レベルを電極に与える別の技術を開示する。この積極的にチャックを外す技術は、他のものと同じく、本発明の一部に使用してもよいことが分かる。

本発明の教示を組み込んだ様々な具体例が、詳細に示され説明されてきたが、当業者であれば、これらの教示に含まれている別の様々な具体例を容易に考え出すことができる。

本発明に従ってバイアスされている静電チャックの垂直横断面を示す。 ウェハ離間用マスクに関するパターンの頂面を示す。

Claims (7)

1. ワークピースを保持する双極静電チャックであって、
   少なくとも２つの電極を備えた、支持表面をもつチャック体と、
   前記チャック体の前記支持表面の上に設けられた導電性材料のウェハ離間用マスクと、
   を備え、
   前記ウェハ離間用マスクが、前記チャック体の前記支持表面の上方に離間して前記ワークピースを支持する複数の支持部材を備え、
   前記複数の支持部材の少なくとも１つの支持部材が電源の１つの端子にワイヤで接続されることを特徴とする双極静電チャック。
2. 前記電源の１つの端子にワイヤで接続される前記少なくとも１つの支持部材が、前記チャック体の縁に隣接して配置されることを特徴とする請求項１に記載の双極静電チャック。
3. 前記電源の１つの端子にワイヤで接続される前記少なくとも１つの支持部材が、前記複数の支持部材のサブセットを含むことを特徴とする請求項２に記載の双極静電チャック。
4. 前記サブセットに含まれる各支持部材が、前記チャック体の縁に隣接して配置され、縁に張り出しており、
   前記サブセットにおける各支持部材の第１部分が前記ワークピースに接触し、前記サブセットにおける前記支持部材の第２部分が電気的に相互接続されることを特徴とする請求項３に記載の双極静電チャック。
5. 前記複数の支持部材のサブセットにおける各支持部材が、相互接続トレースにより電気的に相互接続されることを特徴とする請求項４に記載の双極静電チャック。
6. 前記電源の１つの端子にワイヤで接続される前記支持部材の少なくとも１つを、支持部材の少なくとも別の１つに電気的に接続する相互接続トレースを備えることを特徴とする請求項１に記載の双極静電チャック。
7. ワークピースを保持する双極静電チャックであって、
   少なくとも２つの電極を備えた、表面を有するチャック体と、
   前記チャック体の前記表面の上に設けられた導電性材料のウェハ離間用マスクと、
   を備え、
   前記ウェハ離間用マスクが電源の１つの端子にワイヤで接続されることを特徴とする双極静電チャック。

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