JP4674792B2

JP4674792B2 - 静電チャック

Info

Publication number: JP4674792B2
Application number: JP2004351448A
Authority: JP
Inventors: 伸也西本; 博之中山; 英利木村
Original assignee: Tokyo Electron Ltd; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd; Sumitomo Osaka Cement Co Ltd
Priority date: 2003-12-05
Filing date: 2004-12-03
Publication date: 2011-04-20
Anticipated expiration: 2024-12-03
Also published as: JP2005191561A

Description

本発明は、被吸着基板を静電気力によって吸着固定する静電チャックに関し、更に詳しくは、被吸着基板の処理時に耐消耗性を高めると共に被吸着基板の面内温度を所望の温度に制御することができる静電チャックに関する。

従来の静電チャック１は、例えば図１２に示すように、被吸着基板（例えば、ウエハ）Ｗのプラズマ処理する際にプラズマ処理装置の載置体の一部として用いられるもので、ウエハＷを載置体２上面に静電気力で吸着、固定するために用いられる。また、載置体２の載置面の周囲にはフォーカスリング３が配置され、このフォーカスリング３によって静電チャック１上のウエハＷを囲んでいる。

また、載置体２には整合器４Ａを介して高周波電源４が接続され、所定の真空度下で高周波電源４から所定の高周波電力を印加して上部電極（図示せず）との間でプロセスガスのプラズマを発生させ、フォーカスリング３によってプラズマをウエハＷ上面に集束させる。載置体２の内部には冷媒通路２Ａが形成され、冷媒通路２Ａを冷媒が循環することにより載置体２を冷却し、ウエハＷを所定の温度に保持する。また、載置体２の内部には熱伝導性ガス（例えば、Ｈｅガス）のガス通路２Ｂが形成され、このガス通路２Ｂは載置体２上面の複数箇所で開口している。

静電チャック１にはガス通路２Ｂに対応する貫通孔１Ａが形成され、ガス通路２Ｂから供給されたＨｅガスを静電チャック１の貫通孔１Ａから載置体２とウエハＷ間の隙間に供給し、静電チャック１とウエハＷ間の細隙に熱伝導性を付与し、載置体２によってウエハＷを効率良く冷却する。静電チャック１は例えばアルミナ焼結体またはアルミナ溶射からなるセラミックによって形成され、その内部には直流電源５に接続された電極板１Ｂが介在している。静電チャック１は直流電源５から印加された高電圧によって発生する静電気力でウエハＷを静電吸着する。また、載置体２には複数のリフタピン（図示せず）が昇降可能に設けられ、これらのリフタピンによって静電チャック１上でウエハＷの受け渡しを行う。

ところで、セラミック溶射による静電チャックは、ウエハＷの吸着面が脆く、その成分からなるパーティクル等を発生し、ウエハＷ裏面にパーティクル等が付着しやすく、ウエハＷの洗浄工程でのクロスコンタミネーションの問題を生じている。更に、ウエハＷの吸着、引き離しの操作を繰り返す間に静電チャック１の表面が徐々に荒れて表面状態が変化し、ウエハ温度を初期の通り制御することができず、ウエハ温度が経時的に変化するという問題もあった。

一方、アルミナ焼結体等によって形成された静電チャック１については、例えば特許文献１及び特許文献２に開示されている。特許文献１にはハロゲン系ガスのプラズマに対する耐腐食性を高めた静電チャックについて記載されている。また、特許文献２には、表面に複数のドットが形成された静電チャックについて記載されている。これらの静電チャックの場合には上述のような問題を解消することができる。

特許第３３４８１４０号公報特開２０００−３３２０９１号公報

しかしながら、特許文献１に記載の静電チャックの場合には、耐プラズマ性を高めることができるが、セラミック溶射の場合と同様に、静電チャックとウエハＷ間の隙間が狭く、しかも静電チャックの静電容量が大きいため、リフタピンを用いてウエハＷを静電チャックから引き離す際、静電チャックの残留電荷による吸着力が原因でリフタピンによってウエハＷが跳ね上げる虞があった。

また、特許文献２に記載の静電チャックの場合には、吸着面に多数のドットが形成されているため、ウエハＷの跳ね上げに関する問題は解消することができる。しかしながら、静電チャックのドットの高さが５μｍ以下と低く、静電チャックとウエハＷ間の隙間に熱伝導性ガスを供給してもウエハＷ全面に均一に行き渡り難いため、ウエハ温度を速やかに制御することができず、静電チャックの表面に放射状の溝を設けて熱伝導性ガスがウエハＷ全面に行き渡るようにしているが、溝部分とそれ以外の部分での熱伝導性ガスによる熱伝達に差を生じやく面内温度を均一に制御することが難しいという課題があった。また、ドットとウエハＷとの接触面積が２０％と大きいため、熱伝導性ガスにより所望の温度あるいは温度分布に制御することができなかった。また、この静電チャックの場合には耐プラズマ性に対しては明らかでない。

本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、残留電荷による被吸着基板の跳ね上げがなく、また、耐プラズマ性を高めて表面祖度を殆ど変化させないようにする共に被吸着基板全面の面内温度を速やかに制御することができ、しかも被吸着基板の温度制御性を安定化することができる静電チャックを提供することを目的としている。

本発明の請求項１に記載の静電チャックは、静電気力を使用して被吸着基板を吸着する静電チャックであって、上記静電チャックは、上記被吸着基板と接触する複数の突起部を有し且つ上記突起部が所定の粒径を有する結晶粒子を含むセラミック誘電体によって形成されていると共に、上記複数の突起部の上記被吸着基板との接触面を、プラズマによるドライクリーニングによって表面処理することにより上記粒径に依存して最終的に安定する一定の表面粗度に形成してなり、且つ、上記セラミック誘電体が酸化アルミニウムを主成分とするものであり、上記所定の粒径が１〜２μｍであり、上記接触面の表面粗度がＲａ０．２〜０．３μｍであることを特徴とするものである。

また、本発明の請求項２に記載の静電チャックは、請求項１に記載の発明において、上記セラミック誘電体は、炭化珪素を含むことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項３に記載の静電チャックは、請求項１または請求項２に記載の発明において、上記突起部の硬度を、ヴィッカース硬度でＨｖ２０００以上に設定したことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項４に記載の静電チャックは、請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の発明において、上記複数の突起部の上記被吸着基板の単位面積当たりの接触面積比率を、１５％以下に設定したことを特徴するものである。

また、本発明の請求項５に記載の静電チャックは、請求項４に記載の発明において、上記突起部を、直径が０．５ｍｍ以下の円柱状の突起として形成したことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項６に記載の静電チャックは、請求項４または請求項５に記載の発明において、上記複数の突起部間の距離を、１ｍｍ以下に設定したことを特徴とするものである。

また、本発明の請求項７に記載の静電チャックは、請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の発明において、上記突起部の高さを、３０μｍ以上に設定したことを特徴とするものである。

本発明によれば、残留電荷による被吸着基板の跳ね上げがなく、また、耐プラズマ性を高めて表面祖度を殆ど変化させないようにする共に被吸着基板全面の面内温度を速やかに制御することができ、しかも被吸着基板の温度制御性を安定化することができる静電チャックを提供することができる。

本発明の静電チャックは、例えばプラズマ処理装置に用いることによって好適な結果が得られた。以下、プラズマ処理装置に用いられた静電チャックを例に挙げて説明する。

以下、図１〜図１１に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。
本実施形態のプラズマ処理装置１０は、例えば図１に示すように、高真空を保持し得るチャンバー１１と、このチャンバー１１内に配置され且つ被吸着基板（例えば、ウエハ）Ｗを載置する載置体１２と、この載置体１２をチャンバー１１から電気的に絶縁する絶縁体１３とを備え、チャンバー１１に排気管１４Ａを介して接続された真空排気系１４によって所定の真空度を保持したチャンバー１１内でウエハＷに対して所定のプラズマ処理を施すように構成されている。

上記載置体１２は、電極１５と、電極１５上に接着剤によって貼り付けられた静電チャック１６とを備えている。電極１５には高周波電源１７が接続され、高周波電源１７から電極１５に所定の高周波電力を印加してチャンバー１１内でプラズマを発生させる。また、電極１５内には冷媒流路１５Ａが形成され、冷媒流路１５Ａ内に所定の冷媒を供給して電極１５及び静電チャック１６を介してウエハＷを所定の温度に制御する。静電チャック１６には後述のように高電圧直流電源１８が接続され、高電圧直流電源１８から静電チャック１６に高電圧を印加して静電チャック１６に静電気力を発生させ、静電チャック１６上にウエハＷを吸着、固定する。

また、上記載置体１２にはＨｅガス等の熱伝導性ガスを供給し、後述するように熱伝導性ガスによって静電チャック１６とウエハＷ間の熱伝導性を高め、ウエハＷ全面の温度を均一に制御するようにしてある。即ち、載置体１２には熱伝導性ガスを供給する供給源１９がガス配管１９Ａを介して接続され、ガス配管１９Ａは二系統の第１、第２の分岐配管１９Ｂ、１９Ｃに分岐している。第１、第２の分岐配管１９Ｂ、１９Ｃにはそれぞれ第１、第２のガス圧力制御器２０Ａ、２０Ｂ及びバルブ２１Ａ、２１Ｂが取り付けられ、これらのバルブ２１Ａ、２１Ｂによって第１、第２の分岐配管１９Ｂ、１９Ｃを開閉すると共にガス圧力制御器２０Ａ、２０Ｂによって熱伝導性ガスの圧力を制御するようにしてある。第１、第２の分岐配管１９Ｂ、１９Ｃは、バルブ２１Ａ、２１Ｂの上流側で更に分岐し、バルブ２２Ａ、２２Ｂ及びオリフィス２３Ａ、２３Ｂを介して真空排気系１４に接続され、真空排気系１４によって熱伝導性ガスを所定の供給圧力に保つようしている。

而して、上記静電チャック１６は、図１、図２及び図４に示すように、電極１５に接着材Ａにより接着されたセラミック誘電体１６Ａと、セラミック誘電体１６Ａ内に形成された電極層１６Ｂとから構成されている。静電チャック１６の吸着面、即ちセラミック誘電体１６Ａの上面には多数の突起部１６Ｃが略全面に均等に分散して形成されている。このように多数の突起部１６Ｃを設けることによって静電チャック１６における残留電荷の影響が軽減し、ウエハＷを静電チャック１６から引き離す際の跳ね上げを防止することができる。これらの突起部１６Ｃは、例えば図２に示すように互いに略等間隔を隔てて配置され、それぞれの上端はウエハＷとの接触面として平坦に形成されている。

上記複数の突起部１６ＣのウエハＷとの接触面積は、ウエハＷの単位面積当たり１５％以下に設定されていることが好ましい。この接触面積のウエハＷに対する割合は小さいほうが熱伝導性ガスによるウエハ温度の制御を容易に行うことができるが、小さすぎると熱伝導性ガスよりも高い熱伝導率を有するセラミックで形成される突起部１６Ｃを介してのウエハＷと冷媒との間の熱伝導が小さくなってウエハＷの平衡温度が上昇する。ウエハＷの単位面積当たりの接触面積比率が１５％を超えると、熱伝導性ガスによる温度制御性が低下するため好ましくない。本実施形態では所望の平衡温度と温度制御性を実現するために１５％に設定されている。

熱伝導性ガスによるウエハ温度の制御性は、突起部１６Ｃ間の底面と突起部１６Ｃの側面との合計の総接ガス面積によって大きく変化する。つまり、熱伝導性ガスによるウエハＷへの熱伝導は、ウエハＷ裏面と直接接触している部分からの熱伝導以外に、突起部１６Ｃ間の底面と突起部１６Ｃの側面とから突起部１６Ｃを経由する熱伝導が存在する。そのため、総接ガス面積が大きいほど熱伝導性ガスによる熱伝導効率が良い。

ウエハＷと突起部１６Ｃの総接触面積が同一の場合、突起部１６Ｃの高さが高いほど突起部１６Ｃの側面の面積が大きくなり、延いては総接ガス面積は大きくなるため好ましい。また、個々の突起部１６Ｃの任意の高さの水平断面が同一形状の突起部が複数形成されている場合には、個々の突起部１６Ｃの水平断面（ウエハＷとの接触面）が小さいほど総接ガス面積が大きくなるため好ましい。

突起部１６Ｃは、ウエハＷと突起部１６Ｃの単位面積当たりの接触面積比率〔（突起部表面接触部／ウエハ面積）×１００％〕を１５％以下に設定することが好ましい。ウエハ温度の制御性を勘案すれば、突起部１６Ｃは、直径０．５ｍｍ以下、高さ３０μｍ以上が好ましく、高さは４０μｍ以上がより好ましい。また、突起部１６Ｃの直径と高さのアスペクト比（高さ／直径）が１より大きくなると、突起部１６ＣがウエハＷとの擦れ等によって破損する虞があるため、直径の下限及び高さの上限はアスペクト比で１以下の範囲に設定することが好ましい。個々の突起部１６Ｃは、例えば、円柱状で、水平断面の直径が０．５ｍｍ、高さが３０μｍに設定されている。

突起部１６Ｃの総側面面積を大きく設定するために、水平断面形状を円形状ではなく楕円形状や方形状にしても良く、また、突起部１６Ｃの側面は垂直面ではなく傾斜あるいは段差を付けて下側の断面が大きい構造にしても良い。また、突起部１６Ｃの先端のエッジ部は削れによるパーティクルの発生を抑制するため、曲面形状にすることが好ましい。この場合、ウエハＷとの接触面は、曲面部分を含まずウエハＷと接触する部分のみである。

また、上記複数の突起部１６Ｃ間の距離δは、図４に示すように、２ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下、更に好ましくはウエハＷの厚みｔと略等しいか、あるいは厚みｔより短くなるように設定されていることが好ましい。距離δと厚みｔとを略等しく設定することにより、突起部１６Ｃ上面からウエハＷの表面まで熱伝達する時間とこの突起部１６Ｃから隣接する突起部１６Ｃまで熱伝達する時間が略等しくなり、ウエハＷ表面での突起部１６Ｃと空間部との温度差が小さくなる。

また、上記突起部１６Ｃの高さは、高い方が静電チャック１６とウエハＷ間の空間全体に熱伝導性ガスが瞬時に到達するため好ましい。このような点を勘案すると突起部１６Ｃの高さは、上述した３０μｍ以上、より好ましくは４０μｍ以上の高さに設定されていることが好ましい。３０μｍ未満では熱伝導性ガスが静電チャック１６とウエハＷ間の空間全体に到達する時間が長くなり、ウエハ温度の制御性が低下する虞がある。このことを実証するデータが図５である。図５は突起部１６Ｃの高さが１０μｍ及び３０μｍにおける、ウエハＷにおける熱伝導性ガスの到達距離と時間との関係を示すグラフである。図５からも明らかなように、突起部１６Ｃの高さが１０μｍの場合にはガス供給部からの距離が長くなると急激に熱伝導性ガスの到達時間が長くなるが、その高さが３０μｍ以上の場合には瞬時にしてウエハＷの全体に到達することが判る。

更に、突起部１６Ｃの高さが１０μｍ程度と低い場合には、突起部１６Ｃが形成される底面部に例えば溝等のガス拡散機構を設け、ガス拡散機構を介して熱伝導性ガスを速やかに拡散させ、短時間でウエハＷ全体に到達させる必要があった。本実施形態では上述したように、突起部１６Ｃの高さを３０μｍ以上に高く設定することにより、ガス拡散機構を設ける必要がなくなり、製造コストを低減し且つ溝での温度不均一などの問題を生じることがない。

また、図１、図３に示すように、静電チャック１６の外周縁部には多数の突起部１６Ｃと同一高さの第１の環状突起部１６Ｄが形成され、この環状突起部１６Ｄによって静電チャック１６とウエハＷ間の隙間に供給される熱伝導性ガスをウエハＷ面内に封止するシールリングとして機能する。また、第１の環状突起部１６Ｄの内側には第１の環状突起部１６Ｄと同心円状に第２の環状突起部１６Ｅが複数の突起部１６Ｃと同一高さに形成され、この環状突起部１６Ｅによって第１の環状突起部１６Ｄ内の領域を二分割している。即ち、図３に示すように、第１の環状突起部１６Ｄと第２の環状突起部１６Ｅとの間にリング状の第１の領域１６Ｆが形成され、第２の環状突起部１６Ｅの内側に円形状の第２の領域１６Ｇが形成され、第２の環状突起部１６Ｅが第１、第２の領域１６Ｆ、１６Ｇ間のシールリングとして機能する。尚、図３では突起部１６Ｃは図示してない。

従って、静電チャック１６でウエハＷを静電吸着すると、ウエハＷは多数の突起部１６Ｃ及び第１、第２の環状突起部１６Ｄ、１６Ｅとそれぞれ接触し、ウエハＷと静電チャック１６の間に第１、第２の領域１６Ｆ、１６Ｇに対応した２つの空間が形成される。以下では、第１、第２の領域１６Ｆ、１６Ｇに対応するそれぞれの空間を必要に応じて第１、第２の空間１６Ｆ、１６Ｇと称する。

而して、第１、第２の領域１６Ｆ、１６Ｇにはそれぞれ図３に示すように第１、第２のガス供給口１６Ｈ、１６Ｉが複数個ずつ形成され、これらのガス供給口１６Ｈ、１６Ｉにはそれぞれ後述するように第１、第２の分岐配管１９Ｂ、１９Ｃが接続されている。尚、図３において、１６Ｊはリフタピン２４が昇降する孔である。

第１、第２の分岐配管１９Ｂ、１９Ｃは、図１に示すように、絶縁体１３上面に形成された第１、第２の環状凹部１３Ａ、１３Ｂに接続され、これらの環状凹部１３Ａ、１３Ｂ内に熱伝導性ガスを供給するようにしてある。また、同図に示すように、電極１５及び静電チャック１６にはそれぞれ第１、第２の領域１６Ｆ、１６Ｇと連通する第１、第２の連通路２５、２６が形成されている。従って、ガス供給源１９の熱伝導性ガスは、第１、第２の分岐配管１９Ｂ、１９Ｃ、第１、第２の環状凹部１３Ａ、１３Ｂ、第１、第２の連通路２５、２６及び第１、第２のガス供給口１６Ｈ、１６Ｉを経由して静電チャック１６の第１、第２の空間１６Ｆ、１６Ｇに達する。

静電チャック１６とウエハＷ間の空間を第１、第２の環状突起部１６Ｄ、１６Ｅによって第１、第２の空間１６Ｆ、１６Ｇに二分割することによって各空間１６Ｆ、１６Ｇ内に供給される熱伝導性ガスの圧力を個別に制御することができる。ウエハＷのプラズマ処理を行うと、ウエハＷの外周縁部がその内側よりも温度が高くなる。そこで、第１の空間１６Ｆ内の熱伝導性ガスの圧力を高く、例えば４０Ｔｏｒｒに設定して熱伝導性を高め、第２の空間１６Ｇ内の熱伝導性ガスの圧力を低く、例えば１０Ｔｏｒｒに設定して第１の空間１６Ｆ内の熱伝導性を第２の空間１６Ｇ内の熱伝導性より高く設定することによってウエハＷ全面の温度を均一に制御することができる。

また、第１、第２の空間１６Ｆ、１６Ｇ内の突起部１６Ｃをそれぞれ第１、第２の突起部と定義すれば、第１の突起部のウエハＷとの接触面積比率を、第２の突起部のウエハＷとの接触面積比率より大きく設定することによって突起部１６Ｃを介したウエハＷと冷媒との間の熱伝導を高めて、ウエハＷ全体の温度を均一に制御することができるが、ウエハ周縁部の熱伝導ガスによる温度制御性はその内側よりも低くなる。この時、同じ接触面積比率で第１の突起部の個数密度を第２の突起部の個数密度より大きく設定することによりウエハＷ周縁部の熱伝導性ガスによる温度制御性を高めることができる。また、第１の突起部の高さを第２の突起部の高さより低く設定することにより同様にウエハ周縁部の温度を低くすることができる。

このように静電チャック１６とウエハＷ間の空間を二分割してそれぞれ独立して熱伝導性ガスの圧力を制御する構成を採用することにより、ウエハＷ周縁部と中心部それぞれにおけるウエハ温度を独立して制御することができるため、例えばプラズマ状態が不均一であってもウエハＷ面内のエッチング速度やエッチング形状等を均一に制御することができる。

第２の環状突起部１６Ｅと第１、第２の空間部１６Ｆ、１６Ｇ内のリング状に配置された最寄りの突起部１６Ｃとの間の距離は、２ｍｍ以下、好ましくは１ｍｍ以下、更に好ましくはウエハＷの厚みｔと略等しいか、あるいは厚みｔより短くなるように設定されていることが好ましい。第２の環状突起部１６Ｅと最寄りの突起部１６Ｃとの隙間が熱伝導に与える影響を観るためにより影響が出やすい構造と考えられる突起部領域間に複数種の幅を持った溝を設けた場合について検証した。

図６の（ａ）、（ｂ）は有限要素法を用いて次の設定条件で行った熱伝導解析の結果を示している。即ち、図６の（ａ）、（ｂ）に示すウエハにおける温度分布及び温度差分布は、突起部領域の接触面積率を１５％、その高さを３０μｍ、バックサイドガス圧力を１５Ｔｏｒｒ、ウエハ厚さを０．７ｍｍに設定し、更にウエハＷの温度が６０℃になるよう、下部電極の温度を２５℃に設定し、ウエハへの入熱量を３．４Ｗ／ｃｍ^２、溝深さ(無限長さ)をより影響の出やすい１００μｍに設定し、溝幅を０ｍｍ、１ｍｍ、２ｍｍ、３ｍｍ及び４ｍｍの５種類に設定して計算した結果を示している。

更に、上記条件でレジストが塗布されたウエハを酸素プラズマによって実際にエッチングし、エッチング速さを測定したところ、溝幅１．７ｍｍの場合にはレジストをエッチングしても溝によるエッチングへの影響のないことを確認した。上記解析結果と実験結果とを比較すると、図６の（ａ）、（ｂ）に示す解析結果では溝幅が２ｍｍの場合にはウエハの溝幅中心とその周辺における温度差は約１℃であることから、溝周辺の温度差を１℃以下に抑えるためには溝幅を２ｍｍ以下に設定することが好ましいことが判る。この際、突起部間の間隔が溝幅以上に大きいと、温度差が大きくなるため、好ましくは１ｍｍ以下、更に好ましくはウエハＷの厚み以下に設定されていることが好ましい。本実施形態では第２の環状突起部１６Ｅと最寄りの突起部１６Ｃの距離が０．５ｍｍに設定されている。従って、ウエハＷ裏面が接触面積比率の小さい突起部１６Ｃによって形成された静電チャック１６であっても第２の環状突起部１６Ｅの影響受けることなく、ウエハＷ全面で所望の温度分布を実現することができる。

ウエハＷと突起部１６Ｃの単位面積当たりの接触面積比率が１５％、個々の突起部１６Ｃが円柱状、水平断面の直径が０．５ｍｍ、高さが３０μｍの条件で、バックサイドガス（Ｈｅ）圧力を中心部で５Ｔｏｒｒ、周縁部で４０Ｔｏｒｒ、ウエハＷの温度が６０℃になるよう、電極の温度を２５℃に設定した状態でウエハＷを吸着させたところ、到達平衡温度の９５％の温度に達するまでの時間は１４．４秒であり、従来のセラミック溶射の静電チャックと略同等の温度応答性があった。従って、温度応答性をより良くするためにはウエハＷと突起部１６Ｃとの単位面積当たりの接触面積比率を１５％以下とし、同一の接触面積比率においては円柱状の突起部１６Ｃの水平断面（ウエハとの接触面）の直径を０．５ｍｍ以下、高さを３０μｍ以上に設定することが好ましいことが実証された。この場合、平衡温度が上昇するため、冷媒温度を下げるなどして冷却能力を高く設定することが好ましい。

また、図７の（ａ）、（ｂ）は有限要素法を用いて次の設定条件で第１、第２の環状突起部１６Ｄ、１６Ｅのシール幅の温度分布への影響について行った熱伝導解析の結果を示している。即ち、図７の（ａ）、（ｂ）に示すウエハにおける温度分布及び温度差分布は、突起部の接触面積率を１５％、その高さを３０μｍ、バックサイドガス圧力を１５Ｔｏｒｒ、ウエハ厚さを０．７ｍｍに設定し、更にウエハＷの温度が６０℃になるよう、下部電極の温度を２５℃に設定し、ウエハへの入熱量を３．４Ｗ／ｃｍ^２、シール高さを３０μｍに設定し、シール幅を０ｍｍ、０．５ｍｍ、１．０ｍｍ、１．５ｍｍ及び２．０ｍｍの５種類に設定して計算した結果を示している。

更に、レジストエッチング速度の点から温度差約１℃以内が好ましいことから、シール幅を１．５ｍｍ以下に設定することが好ましいことが判った。この際、シール幅が狭すぎるとバックサイドガスがリークする虞があるため、１ｍｍ以上に設定することが好ましい。ガスリークに関しては、環状突起部の表面粗度Ｒａが０．２〜０．３μｍの場合にはリーク量を１ｓｃｃｍ以下に抑制するためにはシール幅として３ｍｍ以上が必要である。第２の環状突起部１５Ｅの場合には多少のリークがあっても影響が少ないため、１．０〜１．５ｍｍの範囲に設定することが好ましい。

而して、上記静電チャック１６を形成するセラミック誘電体１６Ａは、所定の平均粒径を有する結晶粒子を含むと共に突起部１６ＣのウエハＷとの接触面（上面）が結晶粒子の平均粒径に依存する表面粗度に形成（加工）されている。結晶粒子の平均粒径に依存する表面粗度とは、セラミック誘電体をプラズマによるドライクリーニングにより表面がスパッタされて経時的に変化し、最終的に一定の表面粗度に到達してそれ以上表面粗度が変化せず安定する時の表面粗度のことを云う。安定する時の表面粗度は、結晶粒子の平均粒径が小さいほど小さく、結晶粒子の平均粒径が大きいほど大きくなる。

本実施形態では、結晶粒子の平均粒径が１〜２μｍであり、プラズマによるドライクリーニングで最終的に到達する表面粗度がＲａ０．２〜０．３μｍになる。従って、突起部１６Ｃの表面粗度を予めＲａ０．２〜０．３μｍに加工しておく。これによりドライクリーニングを複数回繰り返してもこの表面粗度以上に突起部１６Ｃの表面が荒れることはなく、終始安定した熱伝達性能を保持することができ、ウエハ温度の制御性が終始安定する。結晶粒子の平均粒径が２μｍより大きい場合には、プラズマ処理によってスパッタされて経時的に変化し、安定する表面粗度は０．３μｍより大きくなるため、突起部１６Ｃの先端は予め０．３μｍより大きい所定の表面粗度に加工しておく必要がある。一方、結晶粒径の平均粒径が１μｍより小さい場合には、プラズマ処理によってスパッタされて経時的に変化し、安定する表面粗度は０．２μｍより小さくなるため、突起部１６Ｃの先端は予め０．２μｍより小さい所定の表面粗度に加工しておく必要がある。

また、図８は、ヴィッカース硬度の高い本実施形態の静電チャックと、本発明に含まれない静電チャックの運転時間（ウエハＷを載置しない状態で静電チャックをＯ_２プラズマに曝す、ウエハドライクリーニングの積算時間）とそれぞれの突起部１６Ｃの表面粗度を比較したグラフである。尚、図８において、本実施形態の静電チャックは●印で示し、その結晶粒子の平均粒径は１〜２μｍであった。また、本発明に含まれない静電チャックは▲印で示し、その結晶粒子の平均粒径は１２μｍであった。この図からも明らかなように、本発明外の静電チャックは運転時間開始後４０時間で表面粗度が約０．１μｍから０．６μｍまで急激に高くなり、４０時間以降は表面粗度が０．５〜０．６μｍの荒れた状態で悪化して略安定している。これに対して本実施形態の静電チャック１６は運転開始時の表面粗度０．１μｍ弱から運転時間１００時間で０．１μｍ強まで僅かに高くなるが、プラズマによる荒れが軽微であることが判る。

突起部１６Ｃの表面粗度は、結晶粒子の平均粒径が異なっていても結晶粒子の粒径に依存する表面粗度で安定するため、予め安定する表面粗度に加工しておくことによって表面粗度の経時変化をなくすことができる。つまり、図８に示す本実施形態の静電チャックの場合には予め約Ｒａ０．２５μｍ（加工精度にバラツキがあるため、管理幅はＲａ０．２〜０．３μｍになる）に加工し、同図に示す本発明以外の静電チャックの場合には予め約Ｒａ０．５〜０．６μｍに加工しておけば良いことが判る。

上記静電チャック１６を形成するセラミック誘電体１６Ａは、酸化アルミニウムを主成分とするアルミナ焼結体が好ましく、更に、この焼結体は炭化珪素を含んでいることが好ましい。炭化珪素を添加することにより硬度や耐摩耗性を高めることができる。また、この静電チャック１６は、高温高圧下で焼成された焼結体であることがより好ましい。高温高圧下で焼成することによって静電チャック１６の硬度を更に高くすることができ、ヴィッカース硬度Ｈｖ２０００以上の硬度を得ることができ、耐プラズマ性及び耐磨耗性を更に向上させることができ、延いてはウエハＷの吸着、引き離しによる突起部１６Ｃ上面の荒れを防止することができる。

また、図９は本実施形態の静電チャック１６に用いられた焼結体と他のセラミックの耐プラズマ性を比較したグラフである。図９では、本実施形態に用いられた焼結体は炭化珪素を含み高温高圧下で焼成した試料Ｎｏ.３で示してあり、ヴィッカース硬度Ｈｖが２２００であった。他の試料Ｎｏ.１はアルミナ溶射による一般的な静電チャックで、そのヴィッカース硬度Ｈｖが１０００であった。また、試料Ｎｏ.２は常圧下で酸化アルミニウムのグリーンシートを焼結したセラミック誘電体からなる静電チャックで、そのヴィッカース硬度Ｈｖが１０００であった。また、試料Ｎｏ.４は酸化アルミニウムを主成分とし、常圧下でグリーンシートをＮｏ.２とは異なる条件で焼結したセラミック誘電体からなる静電チャックで、そのヴィッカース硬度Ｈｖが１４００であった。図９からも明らかなように、本実施形態以外のいずれの試料もヴィッカース硬度Ｈｖが２０００より低く、プラズマによる消耗速度が速く、耐プラズマ性に劣ることが判る。

また、図１０は本実施形態の静電チャック１６における突起部１６Ｃの表面粗度とウエハレスドライクリーニング時間との関係を示したグラフである。静電チャック１６として焼結体のアルミナ粒子の結晶粒径が約１μｍのものを用い、図１０に示すように表面粗度Ｒａが０．０９〜０．２９μｍの範囲になるように突起部１６Ｃの表面加工を行い、各静電チャック１６とドライクリーニング時間との関係を観た。図１０からも明らかなように、いずれの表面粗度を有する静電チャック１６もクリーニング時間の経過と共に一定の表面粗度に収束することが実証された。そして、この収束値がＲａ０．２５μｍであることが判る。この値は他の表面粗度Ｒｙに換算すると１．７μｍであった。尚、ウエハレスドライクリーニング時のプラズマ電位（Ｖｐｐ）は６００Ｖであった。

また、図１１は熱伝導性ガス（Ｈｅガス）の種々の圧力に対する、突起部１６Ｃの表面粗度とウエハ温度との関係を示している。図１１からも明らかなように、突起部１６Ｃの表面粗度Ｒａが０．２μｍより大きくなるとウエハ温度が徐々に高くなり、載置体１２側からの冷却効率が徐々に低下していることが判る。特に、表面粗度Ｒａが０．２７μｍ前後から急激に冷却効率が低下する傾向にある。しかし、表面粗度Ｒａが０．２μｍよりも小さくなると略一定の冷却効率を示していることが判る。従って、突起部１６Ｃの表面粗度Ｒａが本発明の０．２〜０．２５μｍの範囲で加工にバラツキがでたとしても、熱伝導性ガスの圧力が１０Ｔｏｒｒで８℃、４０Ｔｏｒｒで３℃の変動に抑制することができ、安定した冷却効率を保持することができる。つまり、突起部１６Ｃ先端面の表面粗度Ｒａが０．２５μｍ以下では表面粗度Ｒａの影響が小さくなり、０．２μｍ以下では略一定の冷却効率を示す。尚、４０Ｔｏｒｒ及び１０Ｔｏｒｒは本実施形態の静電チャック１６の第１、第２の空間１６Ｆ、１６Ｇ内の圧力である。

突起部１６Ｃの先端面を仕上げ加工する際に、表面粗度Ｒａを好ましくは０．２５μｍ以下、より好ましくは０．２μｍ以下に設定することにより、加工バラツキ等で表面粗度Ｒａが若干変化しても、冷却効率は表面粗度Ｒａの影響を受け難くなる。突起部１６Ｃの先端面は所定の接触面積に設計されていても、実際は表面粗度Ｒａの影響で実質的な接触面積は実際の設計値よりも小さい。表面粗度Ｒａが大きい場合には同一のバックサイドガス圧力でも図１１に示すようにウエハＷの平衡温度が高くなる。従って、静電チャックを設計する場合には、表面粗度Ｒａを小さく設定して平衡温度を低くする必要がある。この表面粗度Ｒａは、上述したように０．２５μｍ以下、より好ましくは０．２μｍ以下が好ましい。

以上説明したように本実施形態によれば、静電チャック１６は、ウエハＷと接触する複数の突起部１６Ｃを有し、且つ、突起部１６Ｃは１〜２μｍの平均粒径を有するアルミナ結晶粒子を含むセラミック誘電体１６Ａによって形成されていると共に突起部１６ＣのウエハＷとの接触面が平均粒径に依存する表面粗度（０．２〜０．３μｍ）に加工されているため、耐プラズマ性が高く、しかもドライクリーニングを繰り返しても突起部１６Ｃの表面粗度が殆ど変化せず、ウエハ温度の制御性を高めることができると共にウエハ温度の制御性を安定化することができる。また、ウエハＷを静電チャック１６から引き離す際に残留電荷に起因するウエハＷの跳ね上げや静電チャック１６からの汚染がない。

また、本実施形態によれば、静電チャック１６のセラミック誘電体は、炭化珪素を含むため、硬度や耐摩耗性を更に高めることができる。また、突起部１６Ｃのヴィッカース硬度を、Ｈｖ２０００以上に設定したため、プラズマを用いたドライクリーニングによる耐磨耗性を高めることができる。

また、複数の突起部のウエハ単位面積当たりの接触面積比率を１５％以下に設定したため、ウエハ温度の制御性を更に高め、ウエハＷ全面を所望の温度に制御することができる。また、各突起部１６Ｃの接触面は、直径が０．５ｍｍ以下の円柱状に形成されているため、突起部１６Ｃと熱伝導性ガスによる熱伝達性が良く、ウエハＷと接触する熱伝導性ガスからの熱伝達と相俟ってウエハを所望の温度に制御することができる。また、複数の突起部１６Ｃ、１６Ｃ間の距離δをウエハＷの厚みｔに相当する距離以下に設定したため、突起部１６Ｃと接触しないウエハ部分と突起部１６Ｃと接触するウエハ部とを均一に加熱することができ、延いてはウエハＷ全面を所望の温度に冷却することができる。

更に、突起部１６Ｃを３０μｍ以上の高さに設定したため、熱伝導性ガス用の溝を形成せずに短時間で熱伝導性ガスをウエハＷ全体に行き渡らすことができ、ウエハＷ全面の温度の応答性を高めることができる。また、静電チャック１６は、第１、第２の環状突起部１６Ｄ、１６Ｅを有し、且つ、第１、第２の環状突起部１６Ｄ、１６Ｅ間及び第２の環状突起部１６Ｅの内側にそれぞれ形成される第１、第２の空間１６Ｆ、１６Ｇ内に熱伝導用ガスをそれぞれ供給する第１、第２のガス供給口１６Ｈ、１６Ｉを有するため、第１、第２の空間１６Ｆ、１６Ｇ内に供給する熱伝導用ガスの圧力を個別に制御し、第２の空間１６Ｇ内よりも第１の空間１６Ｆ内の熱伝導性ガスの圧力を高く設定することにより、温度が高くなりがちなウエハＷ外周縁部の温度を内側よりも効率良く冷却し、ウエハＷ全面を所望の温度に制御することができる。

尚、本発明は上記実施形態に何等制限されるものではない。本発明の要旨を変更しない限り本発明に包含される。

本発明は、プラズマ処理装置等の静電チャックとして利用することができる。

本発明の静電チャックの一実施形態を適用したプラズマ処理装置を示す構成図である。図１に示す静電チャックの突起部の分布状態を拡大して示す平面図である。図１に示す静電チャックを示す平面図である。図１に示す静電チャックの要部を拡大して示す部分断面図である。図１に示す静電チャックの突起部の高さと、ウエハにおける熱伝導性ガスの到達距離と到達時間との関係を示すグラフである。静電チャックの表面溝のウエハ温度への影響を観るための熱伝導解析結果を示すグラフで、（ａ）は溝幅とその近傍におけるウエハの温度分布を示すグラフ、（ｂ）はその温度差分布を示すグラフである。静電チャックの環状突起部のウエハ温度への影響を観るための熱伝導解析結果を示すグラフで、（ａ）はシール幅とその近傍におけるウエハの温度分布を示すグラフ、（ｂ）はその温度差分布を示すグラフである。図１に示す静電チャックと従来の静電チャックの表面粗度の経時的変化を示すグラフである。図１に示す静電チャック及び従来の静電チャックとプラズマによる消耗速度との関係を示すグラフである。図１に示す静電チャックの表面粗度とドライクリーニングとの関係を示すグラフである。熱伝導性ガスのガス圧と、図１に示す静電チャックの表面粗度と、ウエハＷ温度との関係を示すグラフである。従来の静電チャックを適用したプラズマ処理装置を示す構成図である。

符号の説明

１６静電チャック
１６Ａセラミック誘電体
１６Ｃ突起部
１６Ｄ第１の環状突起部
１６Ｅ第２の環状突起部
１６Ｈ第１のガス供給口
１６Ｉ第２のガス供給口

Claims

静電気力を使用して被吸着基板を吸着する静電チャックであって、
上記静電チャックは、
上記被吸着基板と接触する複数の突起部を有し且つ上記突起部が所定の粒径を有する結晶粒子を含むセラミック誘電体によって形成されていると共に、上記複数の突起部の上記被吸着基板との接触面を、プラズマによるドライクリーニングによって表面処理することにより上記粒径に依存して最終的に安定する一定の表面粗度に形成してなり、且つ、
上記セラミック誘電体が酸化アルミニウムを主成分とするものであり、
上記所定の粒径が１〜２μｍであり、
上記接触面の表面粗度がＲａ０．２〜０．３μｍである
ことを特徴とする静電チャック。
上記セラミック誘電体は、炭化珪素を含むことを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
上記突起部の硬度を、ヴィッカース硬度でＨｖ２０００以上に設定したことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の静電チャック。
上記複数の突起部の上記被吸着基板の単位面積当たりの接触面積比率を、１５％以下に設定したことを特徴する請求項１〜請求項３のいずれか１項に記載の静電チャック。
上記突起部を、直径が０．５ｍｍ以下の円柱状の突起として形成したことを特徴とする請求項４に記載の静電チャック。
上記複数の突起部間の距離を、１ｍｍ以下に設定したことを特徴とする請求項４または請求項５に記載の静電チャック。
上記突起部の高さを、３０μｍ以上に設定したことを特徴とする請求項４〜請求項６のいずれか１項に記載の静電チャック。