JP4697833B2 - 静電吸着機構及び表面処理装置 - Google Patents
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Description
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、対象物を静電気によって吸着する静電吸着機構に関し、特に、表面処理装置等に備えられるもののように、対象物との間で熱交換する機能を有する静電吸着機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電気によって対象物を吸着する静電吸着機構は、対象物に対して損傷を与えずに対象物の位置を自動的に保持する技術として多用されている。特に、ＬＳＩ等の電子デバイスを製造する際に用いられる各種表面処理装置では、処理対象である基板（半導体ウェーハ）を所定位置で保持する技術として、静電吸着の技術が多用されている。
【０００３】
図８は、従来の静電吸着機構に備えた表面処理装置の正面断面概略図である。
表面処理装置は、対象物９を所定の雰囲気で処理するため、処理チャンバー１と、処理チャンバー１内を排気する排気系１１と、処理チャンバー１内に所定のプロセスガスを導入するプロセスガス導入系１２とを有している。そして、対象物９を処理チャンバー１内の所定位置に保持するため、静電吸着機構を備えている。
【０００４】
静電吸着機構は、処理チャンバー１内に設けられた静電吸着ステージ２と、静電吸着ステージ２に静電吸着用の電圧を与える吸着電源３とから成っている。静電吸着ステージ２は、ステージ本体２１と、ステージ本体２１に固定した誘電体ブロック２２と、誘電体ブロック２２内に設けた一対の吸着電極２３，２３とから成る構成である。
一対の吸着電極２３，２３には、互いに極性の異なる直流電圧を与えるようになっている。一対の吸着電極２３，２３に電圧が与えられると、誘電体ブロック２２が誘電分極して表面に静電気が誘起され、対象物９が静電吸着される。
【０００５】
このような静電吸着機構では、対象物９の温度制御等の目的から、対象物９と静電吸着ステージ２との間で熱交換する機能が備えられる場合がある。例えば、表面処理装置では、処理中の対象物９の温度を所定の範囲に維持するため、静電吸着ステージ２内にヒータを設けてこのヒータを負帰還制御したり、静電吸着ステージ２内の空洞に所定の温度の冷媒を流通させてこの冷媒の温度を制御したりする場合がある。
【０００６】
このような温度制御を行う場合、静電吸着ステージ２と対象物９との間の熱交換が充分でないと、温度制御の精度が低下したり効率が悪くなったりする問題がある。特に、表面処理装置では、処理チャンバー１内が真空雰囲気であることがあり、この場合には、対象物９である対象物９と静電吸着ステージ２との間の隙間も真空である。従って、大気圧下に比べて熱交換の効率が悪い。
【０００７】
このような問題を解決するため、従来の静電吸着機構の中には、静電吸着ステージ２と対象物９との間に熱交換用のガスを導入する構成が採られることがある。図８に示す機構は、この例を示している。即ち、静電吸着ステージ２の吸着面には、凹部が形成されており、対象物９を吸着した際、凹部と対象物９とによって閉空間が形成されるようになっている。そして、静電吸着ステージ２には、この閉空間内にガスを導入するガス導入路２０が貫通して設けられている。また、ガス導入路２０からガス導入する熱交換用ガス導入系４が設けられている。熱交換用ガス導入系４は、ヘリウム等の熱伝導率の高いガスを導入するようになっている。
【０００８】
尚、「閉空間」とは、ガス導入路２０の開口を除いて本質的に開口が無い空間という意味である。また、「吸着面」とは、静電吸着ステージ２のうち、対象物９を吸着する側の面という意味である。吸着面のすべての箇所において対象物９が接触して吸着される訳ではないが、便宜上この名称を使用する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の静電吸着機構において、吸着面の方向に垂直な方向で見た閉空間の幅は、できるだけ小さいことが望ましい。尚、「吸着面の方向」とは、吸着面のうち、対象物９と接触している部分の面方向という意味で使用している。閉空間の幅が大きくなると、熱を伝達するために熱交換用ガスの分子が移動する必要がある距離が長くなり、分子同士が衝突して散乱する可能性が高くなってしまう。従って、熱交換の効率が低くなってしまう。
【００１０】
しかしながら、閉空間の幅が限度以上に小さくなると、ガス導入の際のコンダクタンスが小さくなり、閉空間内に充分均一にガスが導入されないという問題が生ずる。この結果、閉空間内の圧力分布が吸着面の方向で不均一になり、このため、対象物９の温度も不均一になってしまう。対象物９の温度が不均一になるということは、表面処理装置においては対象物９の処理が不均一になることを意味する場合が多い。
【００１１】
本願の発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、対象物との間で熱交換する機能を有する静電吸着機構において、熱交換の効率を低下させることなく対象物の温度の均一性が高く維持されるという技術的意義を有する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、表面が吸着面である誘電体ブロックと誘電体ブロック内に設けられた吸着電極とを有して吸着面に対象物を静電吸着するとともに、対象物を加熱又は冷却して温度制御する温度制御手段を有する静電吸着ステージと、吸着電極に静電吸着用の電圧を与える吸着電源とから成る静電吸着機構であって、
前記吸着面は、対象物が静電吸着された際に対象物とともに閉空間を形成するよう凹部を有しているとともに、この凹部内に熱交換用ガスを導入して圧力を上昇させる熱交換用ガス導入系が設けられており、
さらに、前記凹部は、圧力の上昇により熱交換効率を促進させる空間を形成する凹部である熱交換用凹部と、熱交換用ガスを拡散させて熱交換用凹部に導入する空間を形成するガス拡散用凹部とから成っており、ガス拡散用凹部の深さは、熱交換用凹部の深さより深くなっており、
前記熱交換用ガス導入系は、前記誘電体ブロックを貫通して前記拡散用凹部に達するガス導入路を含んでおり、
前記ガス拡散用凹部は、静電吸着ステージの中心軸から放射状に延びる複数の放射状部と、中心軸と同軸な円周状に延びる円周状部とから成っており、前記ガス導入路は、円周状部と放射状部とが交差する部分においてガス拡散用凹部に達しており、このガス拡散用凹部に達した部分のガス導入路の出口開口はガス拡散用凹部の幅よりも大きくなっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記ガス拡散用凹部は、前記静電吸着ステージの中心軸に対して軸対称な形状であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記熱交換用凹部の深さは、１〜２０μｍの範囲であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記吸着面のうちの対象物に接触する面の面積は、対象物の被吸着面の面積の３〜２０％の範囲であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記ガス拡散用凹部の吸着面の方向における全断面積は、対象物の被吸着面の５〜３０％の範囲であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記ガス拡散用凹部の深さは、５０〜１０００μｍの範囲であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、前記請求項１乃至６いずれかの構成において、前記静電吸着ステージへの前記対象物の受け渡しの際に昇降する昇降ピンを備えており、この昇降ピンは、前記円周状部と放射状部とが交差する部分においてガス拡散用凹部に達するガス導入路の内部に設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項８記載の発明は、前記請求項７の構成において、前記ガス導入路は複数設けられていて前記円周状部と前記複数の放射状部との交差部分のそれぞれにおいて前記ガス拡散用凹部に達しており、前記昇降ピンは、前記拡散用凹部に達する各ガス導入路に設けられており、前記昇降ピンが設けられていないガス導入路は存在しないという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項９記載の発明は、前記請求項８の構成において、前記昇降ピンは、前記ガス導入路内に設けられたもの以外には存在しないという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１０記載の発明は、前記請求項７乃至９いずれかの構成において、前記ガス導入路は、昇降ピンの長さ方向である縦方向に前記静電吸着ステージを貫通して前記ガス拡散用凹部に達しており、前記ガス導入路の途中には横穴が設けられており、熱交換用ガス導入系はその横穴から熱交換用ガスを導入するようになっており、前記ガス導入路の前記ガス拡散用凹部とは反対側の端部には、前記昇降ピンの長さ方向への移動を許容しつつガス封止を行う封止部材が設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１１記載の発明は、内部で対象物の表面に所定の処理を施す処理チャンバーと、請求項１乃至１０いずれかに記載の静電吸着機構とを備えた表面処理装置であって、処理チャンバー内の所定位置で対象物を保持されるよう前記静電吸着機構の静電吸着ステージが処理チャンバー内の所定位置に設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１２記載の発明は、前記請求項１１の構成において、前記処理チャンバー内にエッチング作用のあるプロセスガスを導入するプロセスガス導入系を備えており、前記静電吸着機構により前記対象物を保持しながら前記対象物をエッチングするエッチング装置となっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１３記載の発明は、前記請求項１２の構成において、前記処理チャンバー内には、前記プロセスガス導入系により導入されたガスのプラズマを形成するための電圧が印加される処理用電極が設けられており、エッチング中にプラズマによって加熱される前記対象物が冷却されるよう前記静電吸着ステージに冷媒を流通させる温度制御手段が設けられているという構成を有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の実施形態に係る静電吸着機構の概略構成を示す図である。図１に示す静電吸着機構も、従来と同様に、静電吸着ステージ２と、静電吸着ステージ２に静電吸着用の電圧を与える吸着電源３とから成っている。静電吸着ステージ２は、ステージ本体２１と、ステージ本体２１に固定した誘電体ブロック２２と、誘電体ブロック２２内に設けた一対の吸着電極２３，２３とから成る構成である。
【００１４】
ステージ本体２１は、ステンレス又はアルミニウム等の金属製である。誘電体ブロック２２は、アルミナ等の誘電体製である。ステージ本体２１と誘電体ブロック２２との間にはインジウム等より成る共晶合金のシート２９が介在されている。シート２９は、ステージ本体２１と誘電体ブロック２２との隙間を埋めて熱伝達性を向上させるものである。一対の吸着電極２３，２３は、吸着面の方向に平行な姿勢で設けられた板状である。一対の吸着電極２３，２３の形状としては、静電吸着ステージ２の中心軸に対して軸対称な形状及び配置であることが好ましい。
【００１５】
本実施形態の静電吸着機構の大きな特徴点は、静電吸着ステージ２の吸着面の形状にある。以下、この点について図１及び図２を使用して説明する。図２は、図１に示す静電吸着ステージ２の平面図である。
図１では、静電吸着ステージ２の吸着面は平坦面となっているが、実際には、微小な凹凸が形成されている。図２は、この凹凸の平面視の形状を示している。図３から図５を使用して、吸着面の凹凸の形状についてさらに詳しく説明する。図３から図５は、静電吸着ステージ２の吸着面の凹凸の形状について説明する断面図である。このうち、図３は図２に示すＡ−Ａでの断面図、図４は図２に示すＢ−Ｂでの断面図、図５は図２に示すＣ−Ｃでの断面図である。
【００１６】
静電吸着ステージ２のうち、誘電体ブロック２２の上側の表面が吸着面となっている。誘電体ブロック２２は、図１に示すように、全体としては上に向いた凸部を有している。そして、この凸部の表面に対象物９が吸着されるようになっており、この凸部の表面が吸着面である。
【００１７】
吸着面の平面視の形状は、図２に示すように全体としては円形である。そして、対象物９も円形であり、両者の径はほぼ一致している。誘電体ブロック２２は、この円形の輪郭に沿って延びる円環状の凸部（以下、周縁凸部）２４を有している。そして、周縁凸部２４の内側には、小さな円柱状の凸部（以下、小円柱凸部）２５が多数形成されている。図４に示すように、周縁凸部２４の上面の高さと、各小円柱凸部２５の上面の高さとは等しい。静電吸着時には、対象物９は周縁凸部２４の上面と各小円柱凸部２５の上面とに接触するようになっている。従って、吸着面のうち対象物に接触する面とは、本実施形態では、周縁凸部２４の上面と各小円柱凸部２５の上面とから成っている。このようにして対象物９が吸着されると、周縁凸部２４の内側の空間が対象物９によって塞がれ、閉空間が形成されるようになっている。
【００１８】
上記周縁凸部２４及び小円柱凸部２５により形成される凹部２６は、主に対象物９に対する熱交換を促進させるための空間である（以下、この凹部２６を熱交換用凹部と呼ぶ）。本実施形態の大きな特徴点は、熱交換用凹部２６に加え、熱交換用ガスを効率良く拡散させて熱交換用凹部２６に均一に導入するための凹部（以下、ガス拡散用凹部）２７が形成されている点である。
【００１９】
図２に示すように、ガス拡散用凹部２７は、静電吸着ステージ２の中心軸から放射状に延びる溝状の部分（以下、放射状部）２７１と、中心軸と同軸な円周状に延びる複数の部分（以下、円周状部）２７２から成っている。尚、円周状部２７２のうちの最も外側のものは、周縁凸部２４のすぐ内側に形成されている。
【００２０】
図３〜図５に示すように、ガス拡散用凹部２７は、熱交換用凹部２６よりも深さが深くなっている。そして、ガス拡散用凹部２７の底面に出口側の開口が位置するようにしてガス導入路２０が設けられている。ガス導入路２０は、吸着面に対して垂直に延びている。本実施形態では、ガス導入路２０は、静電吸着ステージ２内で四つに分岐しており、出口側の開口は四つとなっている。そして、出口側の四つの開口は、図２に示すように、外側から二番目の放射状部２７１において９０度間隔で位置している。尚、図２及び図４から解るように、ガス導入路２０の開口の直径は、放射状部２７１の幅よりも若干大きい。
【００２１】
また、図１に示すように、静電吸着機構は、同様に閉空間内にガスを導入する熱交換用ガス導入系４を備えている。熱交換用ガス導入系４は、ガス導入路２０の入り口側の開口に接続されたガス導入管４１と、ガス導入管４１がつながる不図示のガスボンベと、ガス導入管４１上に設けられたバルブ４２や不図示の流量調整器、不図示のフィルタ等から構成されている。本実施形態でも、熱交換用ガスとしては、ヘリウムが用いられている。
【００２２】
一方、本実施形態の静電吸着ステージ２は、対象物９を冷却しながら温度制御する温度制御手段５を備えている。温度制御手段５は、静電吸着ステージ２内の空洞に冷媒を流通させる構成である。具体的には、ステージ本体２１内に空洞２００が形成されている。図６は、ステージ本体２１内の冷却用の空洞２００の形状について説明する平面断面図である。
【００２３】
図６に示すように、空洞２００は、静電吸着ステージ２が均一に冷却されるように蛇行させた形状である。そして、その一端には冷媒導入口２０１が形成され、他端には冷媒排出口２０２が形成されている。
冷媒導入口２０１には、冷媒導入管５２がつながっており、冷媒排出口２０２には冷媒排出管５３がつながっている。そして、冷媒排出管５３から排出されて冷媒を温度制御して冷媒導入管５２に送るサーキュレータ５４が設けられている。空洞２００に所定の低温に維持された冷媒が流通する結果、静電吸着ステージ２全体が所定の低温に維持され、この結果、対象物９が冷却されるようになっている。
【００２４】
次に、本実施形態の静電吸着機構の動作について説明する。
まず、対象物９を静電吸着ステージ２の上に載せる。この際、静電吸着ステージ２の中心軸と対象物９の中心軸とが一致した状態とする。この状態では、誘電体ブロック２２の凸部の輪郭と対象物９の輪郭とが一致する。そして、対象物９により周縁凸部２４の内側の空間が塞がれ、閉空間が形成される。
【００２５】
次に、吸着電源３が動作し、一対の吸着電極２３，２３に電圧が与えられる。この結果、吸着面に静電気が誘起されて対象物９が静電吸着される。予め温度制御手段５が動作しており、静電吸着された対象物９が冷却されるとともに、熱交換用ガス導入系４が動作して閉空間内に熱交換用ガスが導入される。この結果、閉空間の圧力が上昇して熱交換が促進され、対象物９が効率良く冷却される。
【００２６】
対象物９を取り去る際には、熱交換用ガス導入系４の動作を停止させた後、吸着電源３を止める。尚、温度制御手段５は常時動作させておく。次に、対象物９を吸着面から引き離す。この際、吸着面の残留電荷が問題となるのであれば、一対の吸着電極２３，２３に吸着時とは逆極性の電圧を与え、電荷の消滅を促進させる。
【００２７】
上述した構成及び動作に係る本実施形態の静電吸着機構では、静電吸着ステージ２の吸着面に、熱交換用凹部２６に加えてガス拡散用凹部２７が設けられているので、熱交換の効率を低下させることなく対象物９の温度の均一性を高く維持することができる。
即ち、熱交換用凹部２６のみである場合、吸着面の方向でのコンダクタンスが小さくなり、閉空間内に充分均一にガスが行き渡らず、閉空間内の圧力分布が不均一になる。このため、対象物９の温度も不均一になる。この問題を解決するには、熱交換用凹部２６の深さを深く（周縁凸部２４及び小円柱凸部２５の高さを高く）すれば良いが、熱交換用凹部２６の深さを深くすると、熱を伝達するために熱交換用ガスの分子が移動する必要がある距離が長くなり、熱交換の効率が低くなってしまう。
【００２８】
本実施形態では、ガスはガス導入路２０から最初にガス拡散用凹部２７に達し、ガス拡散用凹部２７内で拡散しながら熱交換用凹部２６に導入される。ガス拡散用凹部２７は、熱交換用凹部２６より深さが深く、従ってコンダクタンスが大きい。このため、ガスが熱交換用凹部２６に効率良く導入され、熱交換用凹部２６の圧力が効率良く高められる。従って、上述したような問題はなく、熱交換の効率を低下させることなく対象物９の温度の均一性を高く維持することができる。
【００２９】
次に、図３及び図４を使用して、熱交換用凹部２６及びガス拡散用凹部２７等の寸法について説明する。
まず、周縁凸部２４及び小円柱凸部２５の高さｈは、１〜２０μｍ程度であることが好ましい。高さｈが２０μｍを越えると、上述したのと同様に熱を伝達するために熱交換用ガスの分子が移動する必要がある距離が長くなり、熱交換の効率が低くなってしまう。ｈが１μｍより小さくなると、熱交換用凹部２６のコンダクタンスがあまりにも小さくなってしまい、対象物９の温度が不均一になる問題がある。即ち、ガス拡散用凹部２７に近い場所では圧力が高いものの、ガス拡散用凹部２７から離れた場所ではガスが不足し、圧力が低くなってしまう。この結果、対象物９の温度が不均一になる。
【００３０】
次に、周縁凸部２４の上面及び各小円柱凸部２５の上面の面積の合計については、充分な吸着力を確保する観点から、慎重な検討が必要である。一般的に表現すれば、吸着の際に対象物９が静電吸着ステージ２に接触する面積と、対象物９の静電吸着ステージ２に対向する面の全面積の比（以下、単に面積比）は、３〜２０％の範囲とすることが好ましい。本実施形態では、周縁凸部２４の上面の面積をＳ１、各小円柱凸部２５の上面の面積をＳ２、対象物９の静電吸着ステージ２に向かい合う面（本実施形態では下面）の面積をＳ３とし、小円柱凸部２５の数をｎとすると、面積比Ｐ＝｛（Ｓ１＋Ｓ２・ｎ）／Ｓ３｝・１００は、３〜２０（％）であることが好ましい。
【００３１】
面積比Ｐが小さくなると、静電吸着が作用する面積が小さくなるから、全体の静電吸着力が小さくなってしまう。熱交換効率を向上させる程度に閉空間の圧力を上昇させた場合、面積比が３％を下回ってしまうと、実用上困難な程度に非常に高い電圧で静電吸着を行わなければならなくなってしまう。一方、面積比Ｐが大きくなり、２０％を越えると、閉空間があまりにも小さくなってしまい、圧力の高い閉空間の存在による熱交換効率の向上という効果が充分得られなくなってしまう。
【００３２】
次に、ガス拡散用凹部２７の大きさについても、充分な熱交換効率を得る観点から、慎重な検討が必要である。ガス拡散用凹部２７は、熱交換効率を犠牲にしつつガスの拡散効率を高めるための空間であるから、これがあまり大きくなると、充分な熱交換効率が得られなくなってしまう。この観点から、吸着面の方向におけるガス拡散用凹部２７の大きさ（以下、断面積）をＳ４とすると、断面積Ｓ４は、吸着面の全面積（本実施形態では対象物９の下面の面積Ｓ３に相当）に対して３０％以下とすることが好ましい。尚、断面積Ｓ４は、図２に示す八つの放射状部２７１及び三つの円周状部２７２の断面積の合計である。
【００３３】
また、ガス拡散用凹部２７の断面積Ｓ４があまり小さくなると、コンダクタンスの向上によるガス導入の均一化の効果が充分に得られなくなってしまう。ガスのコンダクタンスは、ある空間におけるガスの拡散方向に垂直な断面の面積に比例する。本実施形態では、断面積Ｓ４が小さくなると、ガスが拡散する経路の幅が小さくなることになり、結果的にコンダクタンスが低下する。このようなことから、ガス拡散用凹部２７の断面積Ｓ４は、吸着面の全面積の５％以上とすることが好ましい。また、Ｓ４が吸着面の全面積に対して３０％を越えると、相対的に熱交換用凹部２６の面積があまりにも小さくなり、熱交換効率が限度以上に低下してしまう。従って、Ｓ４は吸着面の全面積に対して３０％以下であることが好ましい。尚、熱交換用凹部２６の断面積をＳ５とすると、本実施形態における吸着面の全面積Ｓは、Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２・ｎ＋Ｓ４＋Ｓ５＝Ｓ３である。
【００３４】
次に、ガス拡散用凹部２７の深さ（図３にｄで示す）は、５０〜１０００μｍ程度とすることが好ましい。深さｄが５０μｍより小さいと、熱交換用凹部２６と比較したコンダクタンス向上の効果があまり得られず、温度分布均一化の効果が充分に得られない。また、深さｄが１０００μｍより大きいと、コンダクタンスが大きくなり過ぎる問題がある。コンダクタンスが大きくなり過ぎると、熱交換用凹部２６の圧力が充分に上昇せず、熱交換効率が充分に改善されない問題が生ずる。
【００３５】
また、前述した静電吸着機構の動作において、熱交換用ガスは、閉空間内に閉じ込められることが好ましい。熱交換用ガスが閉空間内に閉じ込められないということは、熱交換用ガスの圧力により対象物９が静電吸着面から浮き上がることを意味する。このような浮き上がりがあると、対象物９の静電吸着が不安定になる。加えて、静電吸着ステージ２と対象物９との間の熱接触性も不充分になるので、熱交換の効率も悪化する。従って、前述した熱交換用ガス導入系４による熱交換用ガスの導入は、熱交換用ガスが閉空間から漏れない範囲で止めるか、又は、問題の無い範囲で僅かに漏れるよう導入圧力を制御するようにすることが好ましい。
【００３６】
次に、表面処理装置の発明の実施形態について説明する。
図７は、本願発明の実施形態に係る表面処理装置の正面断面概略図である。
実施形態に係る表面処理装置は、前述した実施形態の静電吸着機構を備えた装置である。このような静電吸着機構は、各種の表面処理装置に利用が可能であるが、以下の説明では、一例としてエッチング装置に利用する場合を採り上げる。従って、図７に示す装置は、エッチング装置となっている。
【００３７】
具体的に説明すると、図７に示す装置は、排気系１１及びプロセスガス導入系１２を備えた処理チャンバー１と、処理チャンバー１内の所定位置に対象物９を保持する静電吸着機構と、処理チャンバー１内にプラズマを形成して対象物９の表面をエッチングするための電力を供給する電力供給系６等から主に構成されている。
【００３８】
処理チャンバー１は気密な真空容器であり、不図示のゲートバルブを介して不図示のロードロックチャンバーが接続されている。排気系１１は、ターボ分子ポンプ又は拡散ポンプ等により処理チャンバー１内を所定の真空圧力まで排気できるようになっている。プロセスガス導入系１２は、バルブ１２１や流量調整器１２２を備え、プロセスガスとしてエッチング作用のある四フッ化炭素等のフッ素系ガスを所定の流量で導入するようになっている。
【００３９】
静電吸着機構の構成は、前述したものと本質的に同様である。静電吸着ステージ２は、絶縁材１３を介して処理チャンバー１の開口を気密に塞ぐよう設けられている。また、本実施形態では、対象物９の受け渡しのため、静電吸着ステージ２内に昇降ピン７が設けられている。
昇降ピン７は、垂直な姿勢であり、静電吸着ステージ２と同軸の円周上に等間隔で複数設けられている。本実施形態では、静電吸着ステージ２の構造の複雑化を避けるため、ガス導入路２０内に昇降ピン７が設けられている。従って、昇降ピン７は四つである。
【００４０】
各昇降ピン７の下端は、水平な姿勢のベース板７１に固定されている。ベース板７１には、直線移動機構７２が付設されている。直線移動機構７２が動作すると、四つの昇降ピン７が一体に上昇又は下降するようになっている。
尚、各ガス導入路２０は、途中に横穴が設けられており、熱交換用ガス導入系４はそこから熱交換用ガスを導入するようになっている。また、ガス導入路２０の下端には、昇降ピン７の上下動を許容しつつガス封止を行うメカニカルシール等の封止部材７３が設けられている。
【００４１】
電力供給系６は、処理チャンバー１内に設けられた処理用電極６１と、処理用電極６１を保持した垂直な保持棒６２と、保持棒６２を介して処理用電極６１に電圧を印加する処理用電源６３とから主に構成されている。
処理用電極６１は、高さの低い円筒状であり、静電吸着ステージ２と同軸になるよう設けられている。保持棒６２は、絶縁材１４を介して処理チャンバー１を気密に貫通している。処理用電極６１は、プロセスガスを均一に導入する部材としても兼用されている。即ち、処理用電極６１の下面には、ガス吹き出し孔６１１が多数均一に形成されている。プロセスガス導入系１２は、保持棒６２内を経由して処理用電極６１内にプロセスガスを導入するようになっている。プロセスガスは、処理用電極６１内に一旦溜まった後、ガス吹き出し孔６１１から均一に吹き出る。
【００４２】
処理用電源６３としては、高周波電源が使用されている。高周波電源により処理用電極６１に高周波電圧が与えられると、プロセスガスに高周波放電が生じ、プラズマが形成される。例えばプロセスガスがフッ素系ガスである場合、プラズマ中ではフッ素活性種やフッ素イオンが形成され、これら活性種やイオンが対象物９の表面に達して対象物９の表面をエッチングする。
【００４３】
また、本実施形態では、エッチングを効率良く行うため、対象物９に自己バイアス電圧を与える構成が採用されている。具体的に説明すると、静電吸着ステージ２内の吸着電極２３，２３には吸着電源３が同様に接続され、対象物９が静電吸着されるようになっている。そして、これとは別に、金属製のステージ本体２１には、バイアス用高周波電源８が接続されている。
【００４４】
バイアス用高周波電源８によりステージ本体２１を介して高周波電界が設定されると、プラズマと高周波との相互作用により、負の直流分の電圧である自己バイアス電圧が対象物９に与えられる。この結果、プラズマ中のイオンが引き出されて効率良く対象物９に入射する。この結果、リアクティブイオンエッチング等の効率の良いエッチングが行われる。
【００４５】
上記エッチングの際、対象物９は、プラズマによって加熱されて温度上昇する。温度上昇が限度を越えると、対象物９が熱的損傷を受ける場合がある。例えば、対象物９が半導体ウェーハである場合、既に形成されている素子や配線等が熱により変性して機能に障害が生じたりする場合がある。
【００４６】
このような問題を防止するため、静電吸着機構は、エッチング中に対象物９を所定温度に冷却する。即ち、前述したように温度制御された冷媒を流通させ、静電吸着ステージ２を介して対象物９を冷却する。この際、前述したように、静電吸着ステージ２の吸着面が、熱交換用凹部２６に加えてガス拡散用凹部２７を有することから、冷却が効率良く行われるとともに、対象物９の温度の均一性が高く維持される。このため、エッチング処理も高い均一性となる。
【００４７】
上記実施形態では、温度制御手段５は対象物を冷却するものであったが、対象物を加熱して温度制御するものであっても良い。この場合には、抵抗発熱方式のヒータや輻射加熱ランプ等が静電吸着ステージに設けられる。
【００４８】
また、上記実施形態では、双極式の静電吸着機構であったが、単極式即ち一つの吸着電極のみを使用した構成でも良い。単極式でも、正又は負の直流電圧を印加すると、プラズマがもう一方の電極として働くため、静電吸着は可能である。また、一対の吸着電極を多数設けた多極式の構成でも良い。さらには、対象物９を臨む空間にプラズマが形成される場合、吸着電極に高周波電圧を印加しても静電吸着は可能である。
【００４９】
上記実施形態の説明では、表面処理の一例としてエッチングを採り上げたが、スパッタリングや化学蒸着（ＣＶＤ）等の成膜処理、表面酸化や表面窒化等の表面改質処理、さらにはアッシング処理等を行う装置についても、同様に実施することができる。
対象物９の例としては、半導体ウェーハの他、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等の表示デバイス用の基板、磁気ヘッド等の磁気デバイス用の基板等を対象物９とすることができる。また、静電吸着機構の実施形態としては、製造プロセスだけではなく、分析装置等にも利用することができる。即ち、対象物９を静電吸着しながら分析する装置である。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１記載の発明によれば、熱交換用凹部と、熱交換用ガスより深さの深いガス拡散用凹部とによって閉空間が形成されるので、熱交換の効率を低下させることなく対象物の温度の均一性を高く維持することが可能となる。
また、請求項２記載の発明によれば、上記効果に加え、ガス拡散用凹部が静電吸着ステージの中心軸に対して軸対称な形状であるので、対象物の温度の均一性がさらに高くなる。
また、請求項３記載の発明によれば、上記効果に加え、熱交換用凹部の深さが１〜２０μｍの範囲であるので、対象物の温度の不均一化や熱交換効率の悪化がこの点でさらに防止される。
また、請求項４記載の発明によれば、上記効果に加え、吸着面のうちの対象物に接触する面の面積が対象物の被吸着面の面積の３〜２０％の範囲であるので、実用上困難な程度に非常に高い電圧で静電吸着を行わなければならなくなったり、熱交換効率の向上という効果が充分得られなくなったりする問題が防止される。
また、請求項５記載の発明によれば、上記効果に加え、ガス拡散用凹部の吸着面の方向における全断面積が対象物の被吸着面の５〜３０％の範囲であるので、この点で、充分な熱交換効率が得られなくなる問題や対象物の温度が不均一になる問題が防止される。
また、請求項６記載の発明によれば、上記効果に加え、ガス拡散用凹部の深さが５０〜１０００μｍの範囲であるので、この点で、充分な熱交換効率が得られなくなる問題や対象物の温度が不均一になる問題が防止される。
また、請求項７記載の発明によれば、上記効果に加え、静電吸着ステージへの対象物の受け渡しの際に昇降する昇降ピンがガス導入路内に設けられているので、静電吸着ステージの構造が簡略化される。
また、請求項１１記載の発明によれば、上記請求項１乃至１０いずれかの効果を得ながら対象物の表面に所定の処理を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施形態に係る静電吸着機構の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す静電吸着ステージ２の平面図である。
【図３】静電吸着ステージ２の吸着面の凹凸の形状について説明する断面図であり、図２に示すＡ−Ａでの断面図である。
【図４】静電吸着ステージ２の吸着面の凹凸の形状について説明する断面図であり、図２に示すＢ−Ｂでの断面図である。
【図５】静電吸着ステージ２の吸着面の凹凸の形状について説明する断面図であり、図２に示すＣ−Ｃでの断面図である。
【図６】ステージ本体２１内の冷却用の空洞２００の形状について説明する平面断面図である。
【図７】本願発明の実施形態に係る表面処理装置の正面断面概略図である。
【図８】従来の静電吸着機構に備えた表面処理装置の正面断面概略図である。
【符号の説明】
１ 処理チャンバー
１１ 排気系
１２ プロセスガス導入系
２ 静電吸着ステージ
２０ ガス導入路
２００ 空洞
２１ ステージ本体
２２ 誘電体ブロック
２３ 吸着電極
２４ 周縁凸部
２５ 小円柱凸部
２６ 熱交換用凹部
２７ ガス拡散用凹部
３ 吸着電源
４ 熱交換用ガス導入系
５ 温度制御手段
６ 電力供給系
６１ 処理用電極
６３ 処理用電源
７ 昇降ピン
９ 対象物
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、対象物を静電気によって吸着する静電吸着機構に関し、特に、表面処理装置等に備えられるもののように、対象物との間で熱交換する機能を有する静電吸着機構に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
静電気によって対象物を吸着する静電吸着機構は、対象物に対して損傷を与えずに対象物の位置を自動的に保持する技術として多用されている。特に、ＬＳＩ等の電子デバイスを製造する際に用いられる各種表面処理装置では、処理対象である基板（半導体ウェーハ）を所定位置で保持する技術として、静電吸着の技術が多用されている。
【０００３】
図８は、従来の静電吸着機構に備えた表面処理装置の正面断面概略図である。
表面処理装置は、対象物９を所定の雰囲気で処理するため、処理チャンバー１と、処理チャンバー１内を排気する排気系１１と、処理チャンバー１内に所定のプロセスガスを導入するプロセスガス導入系１２とを有している。そして、対象物９を処理チャンバー１内の所定位置に保持するため、静電吸着機構を備えている。
【０００４】
静電吸着機構は、処理チャンバー１内に設けられた静電吸着ステージ２と、静電吸着ステージ２に静電吸着用の電圧を与える吸着電源３とから成っている。静電吸着ステージ２は、ステージ本体２１と、ステージ本体２１に固定した誘電体ブロック２２と、誘電体ブロック２２内に設けた一対の吸着電極２３，２３とから成る構成である。
一対の吸着電極２３，２３には、互いに極性の異なる直流電圧を与えるようになっている。一対の吸着電極２３，２３に電圧が与えられると、誘電体ブロック２２が誘電分極して表面に静電気が誘起され、対象物９が静電吸着される。
【０００５】
このような静電吸着機構では、対象物９の温度制御等の目的から、対象物９と静電吸着ステージ２との間で熱交換する機能が備えられる場合がある。例えば、表面処理装置では、処理中の対象物９の温度を所定の範囲に維持するため、静電吸着ステージ２内にヒータを設けてこのヒータを負帰還制御したり、静電吸着ステージ２内の空洞に所定の温度の冷媒を流通させてこの冷媒の温度を制御したりする場合がある。
【０００６】
このような温度制御を行う場合、静電吸着ステージ２と対象物９との間の熱交換が充分でないと、温度制御の精度が低下したり効率が悪くなったりする問題がある。特に、表面処理装置では、処理チャンバー１内が真空雰囲気であることがあり、この場合には、対象物９である対象物９と静電吸着ステージ２との間の隙間も真空である。従って、大気圧下に比べて熱交換の効率が悪い。
【０００７】
このような問題を解決するため、従来の静電吸着機構の中には、静電吸着ステージ２と対象物９との間に熱交換用のガスを導入する構成が採られることがある。図８に示す機構は、この例を示している。即ち、静電吸着ステージ２の吸着面には、凹部が形成されており、対象物９を吸着した際、凹部と対象物９とによって閉空間が形成されるようになっている。そして、静電吸着ステージ２には、この閉空間内にガスを導入するガス導入路２０が貫通して設けられている。また、ガス導入路２０からガス導入する熱交換用ガス導入系４が設けられている。熱交換用ガス導入系４は、ヘリウム等の熱伝導率の高いガスを導入するようになっている。
【０００８】
尚、「閉空間」とは、ガス導入路２０の開口を除いて本質的に開口が無い空間という意味である。また、「吸着面」とは、静電吸着ステージ２のうち、対象物９を吸着する側の面という意味である。吸着面のすべての箇所において対象物９が接触して吸着される訳ではないが、便宜上この名称を使用する。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上述した従来の静電吸着機構において、吸着面の方向に垂直な方向で見た閉空間の幅は、できるだけ小さいことが望ましい。尚、「吸着面の方向」とは、吸着面のうち、対象物９と接触している部分の面方向という意味で使用している。閉空間の幅が大きくなると、熱を伝達するために熱交換用ガスの分子が移動する必要がある距離が長くなり、分子同士が衝突して散乱する可能性が高くなってしまう。従って、熱交換の効率が低くなってしまう。
【００１０】
しかしながら、閉空間の幅が限度以上に小さくなると、ガス導入の際のコンダクタンスが小さくなり、閉空間内に充分均一にガスが導入されないという問題が生ずる。この結果、閉空間内の圧力分布が吸着面の方向で不均一になり、このため、対象物９の温度も不均一になってしまう。対象物９の温度が不均一になるということは、表面処理装置においては対象物９の処理が不均一になることを意味する場合が多い。
【００１１】
本願の発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、対象物との間で熱交換する機能を有する静電吸着機構において、熱交換の効率を低下させることなく対象物の温度の均一性が高く維持されるという技術的意義を有する。
【００１２】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、表面が吸着面である誘電体ブロックと誘電体ブロック内に設けられた吸着電極とを有して吸着面に対象物を静電吸着するとともに、対象物を加熱又は冷却して温度制御する温度制御手段を有する静電吸着ステージと、吸着電極に静電吸着用の電圧を与える吸着電源とから成る静電吸着機構であって、
前記吸着面は、対象物が静電吸着された際に対象物とともに閉空間を形成するよう凹部を有しているとともに、この凹部内に熱交換用ガスを導入して圧力を上昇させる熱交換用ガス導入系が設けられており、
さらに、前記凹部は、圧力の上昇により熱交換効率を促進させる空間を形成する凹部である熱交換用凹部と、熱交換用ガスを拡散させて熱交換用凹部に導入する空間を形成するガス拡散用凹部とから成っており、ガス拡散用凹部の深さは、熱交換用凹部の深さより深くなっており、
前記熱交換用ガス導入系は、前記誘電体ブロックを貫通して前記拡散用凹部に達するガス導入路を含んでおり、
前記ガス拡散用凹部は、静電吸着ステージの中心軸から放射状に延びる複数の放射状部と、中心軸と同軸な円周状に延びる円周状部とから成っており、前記ガス導入路は、円周状部と放射状部とが交差する部分においてガス拡散用凹部に達しており、このガス拡散用凹部に達した部分のガス導入路の出口開口はガス拡散用凹部の幅よりも大きくなっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記ガス拡散用凹部は、前記静電吸着ステージの中心軸に対して軸対称な形状であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記熱交換用凹部の深さは、１〜２０μｍの範囲であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項４記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記吸着面のうちの対象物に接触する面の面積は、対象物の被吸着面の面積の３〜２０％の範囲であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項５記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記ガス拡散用凹部の吸着面の方向における全断面積は、対象物の被吸着面の５〜３０％の範囲であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項６記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記ガス拡散用凹部の深さは、５０〜１０００μｍの範囲であるという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項７記載の発明は、前記請求項１乃至６いずれかの構成において、前記静電吸着ステージへの前記対象物の受け渡しの際に昇降する昇降ピンを備えており、この昇降ピンは、前記円周状部と放射状部とが交差する部分においてガス拡散用凹部に達するガス導入路の内部に設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項８記載の発明は、前記請求項７の構成において、前記ガス導入路は複数設けられていて前記円周状部と前記複数の放射状部との交差部分のそれぞれにおいて前記ガス拡散用凹部に達しており、前記昇降ピンは、前記拡散用凹部に達する各ガス導入路に設けられており、前記昇降ピンが設けられていないガス導入路は存在しないという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項９記載の発明は、前記請求項８の構成において、前記昇降ピンは、前記ガス導入路内に設けられたもの以外には存在しないという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１０記載の発明は、前記請求項７乃至９いずれかの構成において、前記ガス導入路は、昇降ピンの長さ方向である縦方向に前記静電吸着ステージを貫通して前記ガス拡散用凹部に達しており、前記ガス導入路の途中には横穴が設けられており、熱交換用ガス導入系はその横穴から熱交換用ガスを導入するようになっており、前記ガス導入路の前記ガス拡散用凹部とは反対側の端部には、前記昇降ピンの長さ方向への移動を許容しつつガス封止を行う封止部材が設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１１記載の発明は、内部で対象物の表面に所定の処理を施す処理チャンバーと、請求項１乃至１０いずれかに記載の静電吸着機構とを備えた表面処理装置であって、処理チャンバー内の所定位置で対象物を保持されるよう前記静電吸着機構の静電吸着ステージが処理チャンバー内の所定位置に設けられているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１２記載の発明は、前記請求項１１の構成において、前記処理チャンバー内にエッチング作用のあるプロセスガスを導入するプロセスガス導入系を備えており、前記静電吸着機構により前記対象物を保持しながら前記対象物をエッチングするエッチング装置となっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項１３記載の発明は、前記請求項１２の構成において、前記処理チャンバー内には、前記プロセスガス導入系により導入されたガスのプラズマを形成するための電圧が印加される処理用電極が設けられており、エッチング中にプラズマによって加熱される前記対象物が冷却されるよう前記静電吸着ステージに冷媒を流通させる温度制御手段が設けられているという構成を有する。
【００１３】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
図１は、本願発明の実施形態に係る静電吸着機構の概略構成を示す図である。図１に示す静電吸着機構も、従来と同様に、静電吸着ステージ２と、静電吸着ステージ２に静電吸着用の電圧を与える吸着電源３とから成っている。静電吸着ステージ２は、ステージ本体２１と、ステージ本体２１に固定した誘電体ブロック２２と、誘電体ブロック２２内に設けた一対の吸着電極２３，２３とから成る構成である。
【００１４】
ステージ本体２１は、ステンレス又はアルミニウム等の金属製である。誘電体ブロック２２は、アルミナ等の誘電体製である。ステージ本体２１と誘電体ブロック２２との間にはインジウム等より成る共晶合金のシート２９が介在されている。シート２９は、ステージ本体２１と誘電体ブロック２２との隙間を埋めて熱伝達性を向上させるものである。一対の吸着電極２３，２３は、吸着面の方向に平行な姿勢で設けられた板状である。一対の吸着電極２３，２３の形状としては、静電吸着ステージ２の中心軸に対して軸対称な形状及び配置であることが好ましい。
【００１５】
本実施形態の静電吸着機構の大きな特徴点は、静電吸着ステージ２の吸着面の形状にある。以下、この点について図１及び図２を使用して説明する。図２は、図１に示す静電吸着ステージ２の平面図である。
図１では、静電吸着ステージ２の吸着面は平坦面となっているが、実際には、微小な凹凸が形成されている。図２は、この凹凸の平面視の形状を示している。図３から図５を使用して、吸着面の凹凸の形状についてさらに詳しく説明する。図３から図５は、静電吸着ステージ２の吸着面の凹凸の形状について説明する断面図である。このうち、図３は図２に示すＡ−Ａでの断面図、図４は図２に示すＢ−Ｂでの断面図、図５は図２に示すＣ−Ｃでの断面図である。
【００１６】
静電吸着ステージ２のうち、誘電体ブロック２２の上側の表面が吸着面となっている。誘電体ブロック２２は、図１に示すように、全体としては上に向いた凸部を有している。そして、この凸部の表面に対象物９が吸着されるようになっており、この凸部の表面が吸着面である。
【００１７】
吸着面の平面視の形状は、図２に示すように全体としては円形である。そして、対象物９も円形であり、両者の径はほぼ一致している。誘電体ブロック２２は、この円形の輪郭に沿って延びる円環状の凸部（以下、周縁凸部）２４を有している。そして、周縁凸部２４の内側には、小さな円柱状の凸部（以下、小円柱凸部）２５が多数形成されている。図４に示すように、周縁凸部２４の上面の高さと、各小円柱凸部２５の上面の高さとは等しい。静電吸着時には、対象物９は周縁凸部２４の上面と各小円柱凸部２５の上面とに接触するようになっている。従って、吸着面のうち対象物に接触する面とは、本実施形態では、周縁凸部２４の上面と各小円柱凸部２５の上面とから成っている。このようにして対象物９が吸着されると、周縁凸部２４の内側の空間が対象物９によって塞がれ、閉空間が形成されるようになっている。
【００１８】
上記周縁凸部２４及び小円柱凸部２５により形成される凹部２６は、主に対象物９に対する熱交換を促進させるための空間である（以下、この凹部２６を熱交換用凹部と呼ぶ）。本実施形態の大きな特徴点は、熱交換用凹部２６に加え、熱交換用ガスを効率良く拡散させて熱交換用凹部２６に均一に導入するための凹部（以下、ガス拡散用凹部）２７が形成されている点である。
【００１９】
図２に示すように、ガス拡散用凹部２７は、静電吸着ステージ２の中心軸から放射状に延びる溝状の部分（以下、放射状部）２７１と、中心軸と同軸な円周状に延びる複数の部分（以下、円周状部）２７２から成っている。尚、円周状部２７２のうちの最も外側のものは、周縁凸部２４のすぐ内側に形成されている。
【００２０】
図３〜図５に示すように、ガス拡散用凹部２７は、熱交換用凹部２６よりも深さが深くなっている。そして、ガス拡散用凹部２７の底面に出口側の開口が位置するようにしてガス導入路２０が設けられている。ガス導入路２０は、吸着面に対して垂直に延びている。本実施形態では、ガス導入路２０は、静電吸着ステージ２内で四つに分岐しており、出口側の開口は四つとなっている。そして、出口側の四つの開口は、図２に示すように、外側から二番目の放射状部２７１において９０度間隔で位置している。尚、図２及び図４から解るように、ガス導入路２０の開口の直径は、放射状部２７１の幅よりも若干大きい。
【００２１】
また、図１に示すように、静電吸着機構は、同様に閉空間内にガスを導入する熱交換用ガス導入系４を備えている。熱交換用ガス導入系４は、ガス導入路２０の入り口側の開口に接続されたガス導入管４１と、ガス導入管４１がつながる不図示のガスボンベと、ガス導入管４１上に設けられたバルブ４２や不図示の流量調整器、不図示のフィルタ等から構成されている。本実施形態でも、熱交換用ガスとしては、ヘリウムが用いられている。
【００２２】
一方、本実施形態の静電吸着ステージ２は、対象物９を冷却しながら温度制御する温度制御手段５を備えている。温度制御手段５は、静電吸着ステージ２内の空洞に冷媒を流通させる構成である。具体的には、ステージ本体２１内に空洞２００が形成されている。図６は、ステージ本体２１内の冷却用の空洞２００の形状について説明する平面断面図である。
【００２３】
図６に示すように、空洞２００は、静電吸着ステージ２が均一に冷却されるように蛇行させた形状である。そして、その一端には冷媒導入口２０１が形成され、他端には冷媒排出口２０２が形成されている。
冷媒導入口２０１には、冷媒導入管５２がつながっており、冷媒排出口２０２には冷媒排出管５３がつながっている。そして、冷媒排出管５３から排出されて冷媒を温度制御して冷媒導入管５２に送るサーキュレータ５４が設けられている。空洞２００に所定の低温に維持された冷媒が流通する結果、静電吸着ステージ２全体が所定の低温に維持され、この結果、対象物９が冷却されるようになっている。
【００２４】
次に、本実施形態の静電吸着機構の動作について説明する。
まず、対象物９を静電吸着ステージ２の上に載せる。この際、静電吸着ステージ２の中心軸と対象物９の中心軸とが一致した状態とする。この状態では、誘電体ブロック２２の凸部の輪郭と対象物９の輪郭とが一致する。そして、対象物９により周縁凸部２４の内側の空間が塞がれ、閉空間が形成される。
【００２５】
次に、吸着電源３が動作し、一対の吸着電極２３，２３に電圧が与えられる。この結果、吸着面に静電気が誘起されて対象物９が静電吸着される。予め温度制御手段５が動作しており、静電吸着された対象物９が冷却されるとともに、熱交換用ガス導入系４が動作して閉空間内に熱交換用ガスが導入される。この結果、閉空間の圧力が上昇して熱交換が促進され、対象物９が効率良く冷却される。
【００２６】
対象物９を取り去る際には、熱交換用ガス導入系４の動作を停止させた後、吸着電源３を止める。尚、温度制御手段５は常時動作させておく。次に、対象物９を吸着面から引き離す。この際、吸着面の残留電荷が問題となるのであれば、一対の吸着電極２３，２３に吸着時とは逆極性の電圧を与え、電荷の消滅を促進させる。
【００２７】
上述した構成及び動作に係る本実施形態の静電吸着機構では、静電吸着ステージ２の吸着面に、熱交換用凹部２６に加えてガス拡散用凹部２７が設けられているので、熱交換の効率を低下させることなく対象物９の温度の均一性を高く維持することができる。
即ち、熱交換用凹部２６のみである場合、吸着面の方向でのコンダクタンスが小さくなり、閉空間内に充分均一にガスが行き渡らず、閉空間内の圧力分布が不均一になる。このため、対象物９の温度も不均一になる。この問題を解決するには、熱交換用凹部２６の深さを深く（周縁凸部２４及び小円柱凸部２５の高さを高く）すれば良いが、熱交換用凹部２６の深さを深くすると、熱を伝達するために熱交換用ガスの分子が移動する必要がある距離が長くなり、熱交換の効率が低くなってしまう。
【００２８】
本実施形態では、ガスはガス導入路２０から最初にガス拡散用凹部２７に達し、ガス拡散用凹部２７内で拡散しながら熱交換用凹部２６に導入される。ガス拡散用凹部２７は、熱交換用凹部２６より深さが深く、従ってコンダクタンスが大きい。このため、ガスが熱交換用凹部２６に効率良く導入され、熱交換用凹部２６の圧力が効率良く高められる。従って、上述したような問題はなく、熱交換の効率を低下させることなく対象物９の温度の均一性を高く維持することができる。
【００２９】
次に、図３及び図４を使用して、熱交換用凹部２６及びガス拡散用凹部２７等の寸法について説明する。
まず、周縁凸部２４及び小円柱凸部２５の高さｈは、１〜２０μｍ程度であることが好ましい。高さｈが２０μｍを越えると、上述したのと同様に熱を伝達するために熱交換用ガスの分子が移動する必要がある距離が長くなり、熱交換の効率が低くなってしまう。ｈが１μｍより小さくなると、熱交換用凹部２６のコンダクタンスがあまりにも小さくなってしまい、対象物９の温度が不均一になる問題がある。即ち、ガス拡散用凹部２７に近い場所では圧力が高いものの、ガス拡散用凹部２７から離れた場所ではガスが不足し、圧力が低くなってしまう。この結果、対象物９の温度が不均一になる。
【００３０】
次に、周縁凸部２４の上面及び各小円柱凸部２５の上面の面積の合計については、充分な吸着力を確保する観点から、慎重な検討が必要である。一般的に表現すれば、吸着の際に対象物９が静電吸着ステージ２に接触する面積と、対象物９の静電吸着ステージ２に対向する面の全面積の比（以下、単に面積比）は、３〜２０％の範囲とすることが好ましい。本実施形態では、周縁凸部２４の上面の面積をＳ１、各小円柱凸部２５の上面の面積をＳ２、対象物９の静電吸着ステージ２に向かい合う面（本実施形態では下面）の面積をＳ３とし、小円柱凸部２５の数をｎとすると、面積比Ｐ＝｛（Ｓ１＋Ｓ２・ｎ）／Ｓ３｝・１００は、３〜２０（％）であることが好ましい。
【００３１】
面積比Ｐが小さくなると、静電吸着が作用する面積が小さくなるから、全体の静電吸着力が小さくなってしまう。熱交換効率を向上させる程度に閉空間の圧力を上昇させた場合、面積比が３％を下回ってしまうと、実用上困難な程度に非常に高い電圧で静電吸着を行わなければならなくなってしまう。一方、面積比Ｐが大きくなり、２０％を越えると、閉空間があまりにも小さくなってしまい、圧力の高い閉空間の存在による熱交換効率の向上という効果が充分得られなくなってしまう。
【００３２】
次に、ガス拡散用凹部２７の大きさについても、充分な熱交換効率を得る観点から、慎重な検討が必要である。ガス拡散用凹部２７は、熱交換効率を犠牲にしつつガスの拡散効率を高めるための空間であるから、これがあまり大きくなると、充分な熱交換効率が得られなくなってしまう。この観点から、吸着面の方向におけるガス拡散用凹部２７の大きさ（以下、断面積）をＳ４とすると、断面積Ｓ４は、吸着面の全面積（本実施形態では対象物９の下面の面積Ｓ３に相当）に対して３０％以下とすることが好ましい。尚、断面積Ｓ４は、図２に示す八つの放射状部２７１及び三つの円周状部２７２の断面積の合計である。
【００３３】
また、ガス拡散用凹部２７の断面積Ｓ４があまり小さくなると、コンダクタンスの向上によるガス導入の均一化の効果が充分に得られなくなってしまう。ガスのコンダクタンスは、ある空間におけるガスの拡散方向に垂直な断面の面積に比例する。本実施形態では、断面積Ｓ４が小さくなると、ガスが拡散する経路の幅が小さくなることになり、結果的にコンダクタンスが低下する。このようなことから、ガス拡散用凹部２７の断面積Ｓ４は、吸着面の全面積の５％以上とすることが好ましい。また、Ｓ４が吸着面の全面積に対して３０％を越えると、相対的に熱交換用凹部２６の面積があまりにも小さくなり、熱交換効率が限度以上に低下してしまう。従って、Ｓ４は吸着面の全面積に対して３０％以下であることが好ましい。尚、熱交換用凹部２６の断面積をＳ５とすると、本実施形態における吸着面の全面積Ｓは、Ｓ＝Ｓ１＋Ｓ２・ｎ＋Ｓ４＋Ｓ５＝Ｓ３である。
【００３４】
次に、ガス拡散用凹部２７の深さ（図３にｄで示す）は、５０〜１０００μｍ程度とすることが好ましい。深さｄが５０μｍより小さいと、熱交換用凹部２６と比較したコンダクタンス向上の効果があまり得られず、温度分布均一化の効果が充分に得られない。また、深さｄが１０００μｍより大きいと、コンダクタンスが大きくなり過ぎる問題がある。コンダクタンスが大きくなり過ぎると、熱交換用凹部２６の圧力が充分に上昇せず、熱交換効率が充分に改善されない問題が生ずる。
【００３５】
また、前述した静電吸着機構の動作において、熱交換用ガスは、閉空間内に閉じ込められることが好ましい。熱交換用ガスが閉空間内に閉じ込められないということは、熱交換用ガスの圧力により対象物９が静電吸着面から浮き上がることを意味する。このような浮き上がりがあると、対象物９の静電吸着が不安定になる。加えて、静電吸着ステージ２と対象物９との間の熱接触性も不充分になるので、熱交換の効率も悪化する。従って、前述した熱交換用ガス導入系４による熱交換用ガスの導入は、熱交換用ガスが閉空間から漏れない範囲で止めるか、又は、問題の無い範囲で僅かに漏れるよう導入圧力を制御するようにすることが好ましい。
【００３６】
次に、表面処理装置の発明の実施形態について説明する。
図７は、本願発明の実施形態に係る表面処理装置の正面断面概略図である。
実施形態に係る表面処理装置は、前述した実施形態の静電吸着機構を備えた装置である。このような静電吸着機構は、各種の表面処理装置に利用が可能であるが、以下の説明では、一例としてエッチング装置に利用する場合を採り上げる。従って、図７に示す装置は、エッチング装置となっている。
【００３７】
具体的に説明すると、図７に示す装置は、排気系１１及びプロセスガス導入系１２を備えた処理チャンバー１と、処理チャンバー１内の所定位置に対象物９を保持する静電吸着機構と、処理チャンバー１内にプラズマを形成して対象物９の表面をエッチングするための電力を供給する電力供給系６等から主に構成されている。
【００３８】
処理チャンバー１は気密な真空容器であり、不図示のゲートバルブを介して不図示のロードロックチャンバーが接続されている。排気系１１は、ターボ分子ポンプ又は拡散ポンプ等により処理チャンバー１内を所定の真空圧力まで排気できるようになっている。プロセスガス導入系１２は、バルブ１２１や流量調整器１２２を備え、プロセスガスとしてエッチング作用のある四フッ化炭素等のフッ素系ガスを所定の流量で導入するようになっている。
【００３９】
静電吸着機構の構成は、前述したものと本質的に同様である。静電吸着ステージ２は、絶縁材１３を介して処理チャンバー１の開口を気密に塞ぐよう設けられている。また、本実施形態では、対象物９の受け渡しのため、静電吸着ステージ２内に昇降ピン７が設けられている。
昇降ピン７は、垂直な姿勢であり、静電吸着ステージ２と同軸の円周上に等間隔で複数設けられている。本実施形態では、静電吸着ステージ２の構造の複雑化を避けるため、ガス導入路２０内に昇降ピン７が設けられている。従って、昇降ピン７は四つである。
【００４０】
各昇降ピン７の下端は、水平な姿勢のベース板７１に固定されている。ベース板７１には、直線移動機構７２が付設されている。直線移動機構７２が動作すると、四つの昇降ピン７が一体に上昇又は下降するようになっている。
尚、各ガス導入路２０は、途中に横穴が設けられており、熱交換用ガス導入系４はそこから熱交換用ガスを導入するようになっている。また、ガス導入路２０の下端には、昇降ピン７の上下動を許容しつつガス封止を行うメカニカルシール等の封止部材７３が設けられている。
【００４１】
電力供給系６は、処理チャンバー１内に設けられた処理用電極６１と、処理用電極６１を保持した垂直な保持棒６２と、保持棒６２を介して処理用電極６１に電圧を印加する処理用電源６３とから主に構成されている。
処理用電極６１は、高さの低い円筒状であり、静電吸着ステージ２と同軸になるよう設けられている。保持棒６２は、絶縁材１４を介して処理チャンバー１を気密に貫通している。処理用電極６１は、プロセスガスを均一に導入する部材としても兼用されている。即ち、処理用電極６１の下面には、ガス吹き出し孔６１１が多数均一に形成されている。プロセスガス導入系１２は、保持棒６２内を経由して処理用電極６１内にプロセスガスを導入するようになっている。プロセスガスは、処理用電極６１内に一旦溜まった後、ガス吹き出し孔６１１から均一に吹き出る。
【００４２】
処理用電源６３としては、高周波電源が使用されている。高周波電源により処理用電極６１に高周波電圧が与えられると、プロセスガスに高周波放電が生じ、プラズマが形成される。例えばプロセスガスがフッ素系ガスである場合、プラズマ中ではフッ素活性種やフッ素イオンが形成され、これら活性種やイオンが対象物９の表面に達して対象物９の表面をエッチングする。
【００４３】
また、本実施形態では、エッチングを効率良く行うため、対象物９に自己バイアス電圧を与える構成が採用されている。具体的に説明すると、静電吸着ステージ２内の吸着電極２３，２３には吸着電源３が同様に接続され、対象物９が静電吸着されるようになっている。そして、これとは別に、金属製のステージ本体２１には、バイアス用高周波電源８が接続されている。
【００４４】
バイアス用高周波電源８によりステージ本体２１を介して高周波電界が設定されると、プラズマと高周波との相互作用により、負の直流分の電圧である自己バイアス電圧が対象物９に与えられる。この結果、プラズマ中のイオンが引き出されて効率良く対象物９に入射する。この結果、リアクティブイオンエッチング等の効率の良いエッチングが行われる。
【００４５】
上記エッチングの際、対象物９は、プラズマによって加熱されて温度上昇する。温度上昇が限度を越えると、対象物９が熱的損傷を受ける場合がある。例えば、対象物９が半導体ウェーハである場合、既に形成されている素子や配線等が熱により変性して機能に障害が生じたりする場合がある。
【００４６】
このような問題を防止するため、静電吸着機構は、エッチング中に対象物９を所定温度に冷却する。即ち、前述したように温度制御された冷媒を流通させ、静電吸着ステージ２を介して対象物９を冷却する。この際、前述したように、静電吸着ステージ２の吸着面が、熱交換用凹部２６に加えてガス拡散用凹部２７を有することから、冷却が効率良く行われるとともに、対象物９の温度の均一性が高く維持される。このため、エッチング処理も高い均一性となる。
【００４７】
上記実施形態では、温度制御手段５は対象物を冷却するものであったが、対象物を加熱して温度制御するものであっても良い。この場合には、抵抗発熱方式のヒータや輻射加熱ランプ等が静電吸着ステージに設けられる。
【００４８】
また、上記実施形態では、双極式の静電吸着機構であったが、単極式即ち一つの吸着電極のみを使用した構成でも良い。単極式でも、正又は負の直流電圧を印加すると、プラズマがもう一方の電極として働くため、静電吸着は可能である。また、一対の吸着電極を多数設けた多極式の構成でも良い。さらには、対象物９を臨む空間にプラズマが形成される場合、吸着電極に高周波電圧を印加しても静電吸着は可能である。
【００４９】
上記実施形態の説明では、表面処理の一例としてエッチングを採り上げたが、スパッタリングや化学蒸着（ＣＶＤ）等の成膜処理、表面酸化や表面窒化等の表面改質処理、さらにはアッシング処理等を行う装置についても、同様に実施することができる。
対象物９の例としては、半導体ウェーハの他、液晶ディスプレイやプラズマディスプレイ等の表示デバイス用の基板、磁気ヘッド等の磁気デバイス用の基板等を対象物９とすることができる。また、静電吸着機構の実施形態としては、製造プロセスだけではなく、分析装置等にも利用することができる。即ち、対象物９を静電吸着しながら分析する装置である。
【００５０】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１記載の発明によれば、熱交換用凹部と、熱交換用ガスより深さの深いガス拡散用凹部とによって閉空間が形成されるので、熱交換の効率を低下させることなく対象物の温度の均一性を高く維持することが可能となる。
また、請求項２記載の発明によれば、上記効果に加え、ガス拡散用凹部が静電吸着ステージの中心軸に対して軸対称な形状であるので、対象物の温度の均一性がさらに高くなる。
また、請求項３記載の発明によれば、上記効果に加え、熱交換用凹部の深さが１〜２０μｍの範囲であるので、対象物の温度の不均一化や熱交換効率の悪化がこの点でさらに防止される。
また、請求項４記載の発明によれば、上記効果に加え、吸着面のうちの対象物に接触する面の面積が対象物の被吸着面の面積の３〜２０％の範囲であるので、実用上困難な程度に非常に高い電圧で静電吸着を行わなければならなくなったり、熱交換効率の向上という効果が充分得られなくなったりする問題が防止される。
また、請求項５記載の発明によれば、上記効果に加え、ガス拡散用凹部の吸着面の方向における全断面積が対象物の被吸着面の５〜３０％の範囲であるので、この点で、充分な熱交換効率が得られなくなる問題や対象物の温度が不均一になる問題が防止される。
また、請求項６記載の発明によれば、上記効果に加え、ガス拡散用凹部の深さが５０〜１０００μｍの範囲であるので、この点で、充分な熱交換効率が得られなくなる問題や対象物の温度が不均一になる問題が防止される。
また、請求項７記載の発明によれば、上記効果に加え、静電吸着ステージへの対象物の受け渡しの際に昇降する昇降ピンがガス導入路内に設けられているので、静電吸着ステージの構造が簡略化される。
また、請求項１１記載の発明によれば、上記請求項１乃至１０いずれかの効果を得ながら対象物の表面に所定の処理を施すことができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施形態に係る静電吸着機構の概略構成を示す図である。
【図２】図１に示す静電吸着ステージ２の平面図である。
【図３】静電吸着ステージ２の吸着面の凹凸の形状について説明する断面図であり、図２に示すＡ−Ａでの断面図である。
【図４】静電吸着ステージ２の吸着面の凹凸の形状について説明する断面図であり、図２に示すＢ−Ｂでの断面図である。
【図５】静電吸着ステージ２の吸着面の凹凸の形状について説明する断面図であり、図２に示すＣ−Ｃでの断面図である。
【図６】ステージ本体２１内の冷却用の空洞２００の形状について説明する平面断面図である。
【図７】本願発明の実施形態に係る表面処理装置の正面断面概略図である。
【図８】従来の静電吸着機構に備えた表面処理装置の正面断面概略図である。
【符号の説明】
１ 処理チャンバー
１１ 排気系
１２ プロセスガス導入系
２ 静電吸着ステージ
２０ ガス導入路
２００ 空洞
２１ ステージ本体
２２ 誘電体ブロック
２３ 吸着電極
２４ 周縁凸部
２５ 小円柱凸部
２６ 熱交換用凹部
２７ ガス拡散用凹部
３ 吸着電源
４ 熱交換用ガス導入系
５ 温度制御手段
６ 電力供給系
６１ 処理用電極
６３ 処理用電源
７ 昇降ピン
９ 対象物
Claims (13)
- 表面が吸着面である誘電体ブロックと誘電体ブロック内に設けられた吸着電極とを有して吸着面に対象物を静電吸着するとともに、対象物を加熱又は冷却して温度制御する温度制御手段を有する静電吸着ステージと、吸着電極に静電吸着用の電圧を与える吸着電源とから成る静電吸着機構であって、
前記吸着面は、対象物が静電吸着された際に対象物とともに閉空間を形成するよう凹部を有しているとともに、この凹部内に熱交換用ガスを導入して圧力を上昇させる熱交換用ガス導入系が設けられており、
さらに、前記凹部は、圧力の上昇により熱交換効率を促進させる空間を形成する凹部である熱交換用凹部と、熱交換用ガスを拡散させて熱交換用凹部に導入する空間を形成するガス拡散用凹部とから成っており、ガス拡散用凹部の深さは、熱交換用凹部の深さより深くなっており、
前記熱交換用ガス導入系は、前記誘電体ブロックを貫通して前記拡散用凹部に達するガス導入路を含んでおり、
前記ガス拡散用凹部は、静電吸着ステージの中心軸から放射状に延びる複数の放射状部と、中心軸と同軸な円周状に延びる円周状部とから成っており、前記ガス導入路は、円周状部と放射状部とが交差する部分においてガス拡散用凹部に達しており、このガス拡散用凹部に達した部分のガス導入路の出口開口はガス拡散用凹部の幅よりも大きくなっていることを特徴とする静電吸着機構。 - 前記ガス拡散用凹部は、前記静電吸着ステージの中心軸に対して軸対称な形状であることを特徴とする請求項１記載の静電吸着機構。
- 前記熱交換用凹部の深さは、１〜２０μｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の静電吸着機構。
- 前記吸着面のうちの対象物に接触する面の面積は、対象物の被吸着面の面積の３〜２０％の範囲であることを特徴とする請求項１記載の静電吸着機構。
- 前記ガス拡散用凹部の吸着面の方向における全断面積は、対象物の被吸着面の５〜３０％の範囲であることを特徴とする請求項１記載の静電吸着機構。
- 前記ガス拡散用凹部の深さは、５０〜１０００μｍの範囲であることを特徴とする請求項１記載の静電吸着機構。
- 前記静電吸着ステージへの前記対象物の受け渡しの際に昇降する昇降ピンを備えており、この昇降ピンは、前記円周状部と放射状部とが交差する部分においてガス拡散用凹部に達するガス導入路の内部に設けられていることを特徴とする請求項１乃至６いずれかに記載の静電吸着機構。
- 前記ガス導入路は複数設けられていて前記円周状部と前記複数の放射状部との交差部分のそれぞれにおいて前記ガス拡散用凹部に達しており、前記昇降ピンは、前記拡散用凹部に達する各ガス導入路に設けられており、前記昇降ピンが設けられていないガス導入路は存在しないことを特徴とする請求項７記載の静電吸着機構。
- 前記昇降ピンは、前記ガス導入路内に設けられたもの以外には存在しないことを特徴とする請求項８記載の静電吸着機構。
- 前記ガス導入路は、昇降ピンの長さ方向である縦方向に前記静電吸着ステージを貫通して前記ガス拡散用凹部に達しており、前記ガス導入路の途中には横穴が設けられており、熱交換用ガス導入系はその横穴から熱交換用ガスを導入するようになっており、前記ガス導入路の前記ガス拡散用凹部とは反対側の端部には、前記昇降ピンの長さ方向への移動を許容しつつガス封止を行う封止部材が設けられていることを特徴とする請求項７乃至９いずれかに記載の静電吸着機構。
- 内部で対象物の表面に所定の処理を施す処理チャンバーと、請求項１乃至１０いずれかに記載の静電吸着機構とを備えた表面処理装置であって、処理チャンバー内の所定位置で対象物を保持されるよう前記静電吸着機構の静電吸着ステージが処理チャンバー内の所定位置に設けられていることを特徴とする表面処理装置。
- 前記処理チャンバー内にエッチング作用のあるプロセスガスを導入するプロセスガス導入系を備えており、前記静電吸着機構により前記対象物を保持しながら前記対象物をエッチングするエッチング装置となっていることを特徴とする請求項１１記載の表面処理装置。
- 前記処理チャンバー内には、前記プロセスガス導入系により導入されたガスのプラズマを形成するための電圧が印加される処理用電極が設けられており、エッチング中にプラズマによって加熱される前記対象物が冷却されるよう前記静電吸着ステージに冷媒を流通させる温度制御手段が設けられていることを特徴とする請求項１２記載の表面処理装置。
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