JP5186504B2 - 静電チャック装置におけるガス供給構造の製造方法及び静電チャック装置ガス供給構造並びに静電チャック装置 - Google Patents
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Description
本発明は、静電チャック装置におけるガス供給構造の製造方法及び静電チャック装置におけるガス供給構造、並びに静電チャック装置に関し、詳しくは、静電チャックに吸着させた基板を冷却ガスにより冷却するための静電チャック装置におけるガス供給構造に関する。
半導体素子の製造プロセスで用いられるプラズマ処理装置、電子露光装置、イオン注入装置等をはじめ、液晶パネルの製造に用いられるイオンドーピング装置等では、被処理物である半導体ウエハやガラス基板等に損傷を与えることなく、これらの基板を確実に保持することが求められている。特に近時では、処理する対象である半導体ウエハやガラス基板等への汚染が厳しく管理されることから、従来において用いられていた機械的に基板をクランプする方式は、その大部分が電気的な吸着力を利用する静電チャック方式へと置き換えられている。これは、クランプ自身の材質（多くの場合はアルミニウム材である）が、処理プラズマ中に晒されることにより遊離したり、イオン注入処理におけるイオン照射によってクランプがスパッタされて浮遊物を生じたりするためであり、これらの浮遊物が保持した基板に降りかかることなどにより、例えば半導体素子や液晶パネルの特性、歩留まり等に著しく影響を与えるためである。
図５は、一般的な静電チャック装置の断面模式図であり、アルミニウム、銅、ステンレス等からなる金属基盤１の上面側（基板ｗ側）に、下部絶縁層４、吸着電極５、及び上部絶縁層６を備えた静電チャック７が積層されて形成された静電チャック装置の従来例を示す。この静電チャック装置の使用例として、例えばプラズマ装置で半導体ウエハ等の基板ｗをエッチング処理すると、基板ｗの温度は２００℃〜４００℃程度まで上昇してしまう。そのため、処理中の基板温度を適温に冷却する必要があることから、金属基盤１の内部には、通常、純水等の液体冷媒を流すための液体管路２が設けられており、図示外の熱交換器等を経由させながら、外部から供給された液体冷媒を金属基盤内部で巡回させて基板ｗの冷却を行う。また、このように金属基盤１を冷却することで基板ｗを間接的に冷却する手段のほかに、金属基盤１の下面側から供給されたヘリウム等の冷却ガスを、金属基盤１が備えたガス供給経路３を介して基板ｗの裏面側に供給し、基板ｗを直接冷却する手段が採用されている。
後者の冷却手段のために、すなわち、金属基盤１の下面側から供給された冷却ガスを静電チャック７に吸着させた基板ｗの裏面側に送り込んで冷却するために、一般に、金属基盤１の上面側には直径１ｍｍ程度のガス供給経路出口（ガス噴出し孔）3aが形成されており、金属基盤１の上面側に静電チャック７を積層させた後、静電チャック７の上部絶縁層６側からガス供給経路出口3aに向けて貫通孔を形成して基板ｗの裏面に冷却ガスを供給できるようにする。ここで、金属基盤１の上面側のガス供給経路出口3aは、基板ｗに対して均一に冷却ガスを供給する必要があることから、例えば直径３００ｍｍの半導体ウエハを吸着させる金属基盤１の場合に、多いときで２００個程度になることもある。
ところで、ガス供給経路出口3aを有した金属基盤１の上面側に静電チャック７を積層する際、例えばセラミックス粉末を溶射して下部絶縁層４を形成すると、溶射したセラミックス粉末の一部がガス供給出口3aを通じてガス供給経路３に堆積してしまうことがある。このようにガス供給経路３内に溜まった堆積物１０は、静電チャック装置の使用時に、冷却ガスの噴出しを阻害してガスの噴出し量を不均一にさせるばかりではなく、冷却ガスと共に基板ｗ側に噴き出されて汚染源となるおそれがある。そこで、本発明者等は、下部絶縁層４の形成の前に、金属基盤１の各ガス供給経路出口3aに絶縁性の板を貼り付ける方法を提案している（特許文献１の段落0010参照）。しかしながら、ガス供給経路出口3aのすべてに板を接合させる作業が予想以上に労力を伴うため、更なる技術の改良が必要である。
特開２００４−３４９６６４号公報
このような状況の下、本発明者等は、静電チャック装置におけるガス供給構造について更なる検討を加えた結果、下部絶縁層の形成前に、下部絶縁層の形成に用いるセラミックス粉末と同じ材料からなる充填材を含んだ接着剤でガス供給経路出口を塞ぎ、上部絶縁層の形成後に、上部絶縁層側からガス供給経路出口に向けて貫通孔を形成することで、ガス供給構造の生産性が飛躍的に向上すると共に、ガス供給経路出口における金属基盤と下部絶縁層との界面に生じるひび割れの発生等が改善されることを見出し、本発明を完成した。
したがって、本発明の目的は、冷却ガス噴出し量の不均一化や溶射材料等の堆積による汚染化を防ぐことができる静電チャック装置のガス供給構造を簡便に得ることができる方法を提供することにある。
また、本発明の別の目的は、冷却ガス噴出し量の不均一化や溶射材料等の堆積による汚染化を防ぐと共に、ガス供給経路出口において金属基盤と下部絶縁層とが良好な接合界面を有した静電チャック装置のガス供給構造を提供することにある。
すなわち、本発明は、金属基盤の上面側に、下部絶縁層、吸着電極、及び上部絶縁層を備えた静電チャックが積層されて形成された静電チャック装置において、金属基盤の下面側から供給された冷却ガスを、金属基盤が備えるガス供給経路を通じて上部絶縁層側に吸着させた基板の裏面に供給するためのガス供給構造の製造方法であり、金属基盤の上面側にセラミックス粉末を溶射して下部絶縁層を形成する工程、吸着電極を形成する工程、及び上部絶縁層を形成する工程に先駆けて、下部絶縁層の形成に用いるセラミックス粉末と同じ種類のセラミックス粉末からなる充填材を含んだ接着剤で金属基盤の上面側のガス供給経路出口を塞ぎ、上部絶縁層の形成後には、上部絶縁層側から金属基盤のガス供給経路出口に向けて孔を開けてガス供給経路に通ずる貫通孔を形成することを特徴とする静電チャック装置におけるガス供給構造の製造方法である。
また、本発明は、金属基盤の上面側に、下部絶縁層、吸着電極、及び上部絶縁層を備えた静電チャックが積層されて形成された静電チャック装置において、金属基盤の下面側から供給された冷却ガスを、金属基盤が備えるガス供給経路を通じて上部絶縁層側に吸着させた基板の裏面に供給するためのガス供給構造であり、金属基盤の上面側にセラミックス粉末を溶射して下部絶縁層を形成する工程、吸着電極を形成する工程、及び上部絶縁層を形成する工程に先駆けて、下部絶縁層の形成に用いるセラミックス粉末と同じ種類のセラミックス粉末からなる充填材を含んだ接着剤で金属基盤の上面側のガス供給経路出口を塞ぎ、上部絶縁層の形成後には、上部絶縁層側から金属基盤のガス供給経路出口に向けて孔を開けてガス供給経路に通ずる貫通孔を形成して得られたことを特徴とする静電チャック装置におけるガス供給構造である。
更に、本発明は、上記ガス供給構造を備えたことを特徴とする静電チャック装置である。
以下、静電チャック装置におけるガス供給構造の製造方法に関する手順を述べながら本発明の内容を説明する。なお、本発明においては、特に断りのない限り、上面とは吸着・保持する基板側の面を表し、下面とは吸着・保持する基板とは反対側の面を表す。
先ず、図４（ａ）に示すように金属基盤１の上面側にあるガス供給経路出口3aを、図４（ｂ）に示すように接着剤８で塞ぐ。ここで用いる接着剤については、下部絶縁層を溶射により形成する際に使用するセラミックス粉末と同じ材料からなる充填材を含んだものを使用する。すなわち、例えば金属基盤の上面側にアルミナ（Al2O3）粉末を溶射して下部絶縁層を形成する場合には、接着剤にアルミナを含有させるようにする。下部絶縁層の形成に使用するセラミックス粉末と同じ材料からなる充填材を含める理由は、熱膨張係数などの特性を下部絶縁層と近づけて、熱負荷に対して下部絶縁層との界面で生じる応力を最小限にするためである。
また、本発明で用いる接着剤は、好ましくは充填材とアルコキシドとからなるものを使用するのがよい。静電チャック装置の使用例によっては３００℃を超えるような高温環境下に晒されることがあり、仮にガス供給経路出口をエポキシ系の接着剤で塞いだとすると、このような高温環境によって接着剤が昇華したり、炭化してしまう。その場合には、分解した接着剤の一部が冷却ガスと共に噴き出されて汚染を引き起こすおそれがある。上述したような充填材とアルコキシドとからなる接着剤であれば３００℃を超えるような高温環境であってもこれらの問題を引き起こすおそれがない。更に好ましくは、アルコキシドがナトリウム分を含まないものであるのがよい。ナトリウム分を含むと、その分子が高温下で遊離して汚染を引き起こすおそれがあり、特にナトリウムは半導体素子の接合部分におけるポテンシャルを乱して、場合によっては設計値どおりのトランジスタを形成することができなくなる。本発明で用いる接着剤の具体例としては、例えばセラマボンド（米国アレムコ社製商品名）の一群の商品を例示することができる。ナトリウム分を含まないものとしてはセラマボンド５６９（米国アレムコ社製商品名）が挙げられる。なお、アルコキシドがナトリウム分を含まないものとは、アルコキシドを形成する金属がナトリウム以外のものであることを意味し、上述したような問題を生じない程度であって不可避的に混入されるものを排除するものではない。
ガス供給経路出口3aを接着剤８で塞ぎ、接着剤８が硬化したのを確認した後、図４（ｃ）に示すように、金属基盤１の上面側から近い順に下部絶縁層４、吸着電極５及び上部絶縁層６を形成する。ここで、下部絶縁層４、吸着電極５及び上部絶縁層６については、公知の静電チャック装置における場合と同様な形状、膜厚、材料、製造条件等を採用することができる。例えば上部、下部の各絶縁層４、６については、ポリイミド等の絶縁性フィルムやセラミックス板のほか、セラミックス粉末を溶射して所定の形状及び膜厚を有したものを用いることができる。吸着電極５については、金属箔やスパッタ法、イオンプレーティング法等により成膜した金属を所定の形状にエッチングして吸着電極を形成したり、導電性金属の溶射やペースト状の導電性金属の印刷などにより所定の形状の吸着電極を得るようにしてもよい。しかしながら、本発明における効果を最も良く発揮するのは、少なくとも下部絶縁層４が、金属基盤１の上面側にセラミックス粉末を溶射して形成する場合である。下部絶縁層４が絶縁性フィルムからなる場合や、下部絶縁層、吸着電極及び上部絶縁層を備えた静電チャックを別途作製し、これを金属基盤１の上面側に貼着するような場合には、金属基盤１のガス供給経路３に溶射材料が堆積するといった問題が起こり難いため、本発明における効果を十分に確認することができない。
下部絶縁層４を形成するセラミックス粉末については公知のものを用いることができ、例えばアルミナ（Al2O3）粉末、窒化アルミニウム（AlN）粉末、ジルコニア（ZrO2)粉末、シリカ（SiO2）粉末等を挙げることができ、これらは１種で用いてもよく２種以上を混合して用いてもよい。
そして、上部絶縁層６を形成した後には、図４（ｄ）に示すように、上部絶縁層側から金属基盤１のガス供給経路出口3aに向けて孔を開け、ガス供給経路出口3aを塞いだ接着剤８を貫通させて、ガス供給経路３に通ずる貫通孔９を形成する。貫通孔９を形成する手段については特に制限はなく、一般的な機械加工によればよいが、好ましくはダイヤモンドドリル等を用いるのがよい。ダイヤモンドドリルは切削力や耐久性に優れることから、下部絶縁層のみならず上部絶縁層についても溶射により形成したような場合や、多数の貫通孔を形成する必要がある場合などには特に効果的である。また、ダイヤモンドドリルを用いて、ガス供給経路出口3aに向けて圧縮空気を吹き出しながら貫通孔を形成するのがより好ましい。圧縮空気を吹き出しながら孔を開けることで、溜まった切屑をそのままガス供給経路３に落下させることが防げる。圧縮空気の圧力については、作業性等を考慮して２〜５ｋｇ／ｃｍ２の範囲が適当である。
貫通孔９の大きさについては、金属基盤１が備えるガス供給経路出口3aの形状にあわせて適宜設計すればよい。一般的なガス供給経路出口3aの開口径（直径）は１〜５ｍｍ程度であり、例えばガス供給経路出口3aの開口径が１．４ｍｍの場合には、貫通孔９の直径は０．２〜１ｍｍ程度とするのがよい。ガス供給経路出口3aの開口径が貫通孔９の直径よりも大きくすることで、ガス供給経路出口3aを塞いだ接着剤８の一部がガス供給経路出口3aの内側面に沿って残存する。そして、図４（ｄ）において破線の円で囲んだ部分のように、ガス供給経路出口3aの一部において接着剤８と下部絶縁層４との接合界面が形成され、本発明においては下部絶縁層４を形成するセラミックス粉末と同じ材料からなる充填材を含んだ接着剤８を用いることから、良好な接合界面が得られ、熱応力等に対しても強固に接着性を維持することができ、ひび割れや隙間等が生じるおそれをより一層排除することができる。また、図２に示すように、ガス供給経路出口3aが金属基盤１の上面側に向かって漸次増径するようにしたり、図３に示すように、ガス供給経路出口が座ぐり部3bを有するようにしてもよい。このようにすることで、貫通孔９とガス供給経路出口3aの内側面との間により多くの接着剤８が残存し、下部絶縁層４との接合界面がより信頼性のあるものになる。
本発明においては、金属基盤１の上面側のガス供給経路出口3aを接着剤８で塞ぎ、硬化させた後に金属基盤１の上面を研磨したり、貫通孔９を形成した後に基板ｗを吸着させる上部絶縁層６の表面を研磨するような平坦化工程を適宜行うようにしてもよい。また、基板ｗの裏面に冷却ガスが均一に供給されるように、貫通孔９を形成した後に上部絶縁層６に所定の形状のガス溝を形成するようにしてもよい。本発明の効果に影響を及ぼさない範囲であれば、一般的な静電チャック装置における構造や製造工程等を採用することができることは勿論である。そして、本発明によって得られたガス供給構造は、一般的な静電チャック装置で用いられる冷却ガスと同じものを使用することができ、ガス冷却におけるガス量やガス圧等を特に変更する必要もない。
本発明のガス供給構造の製造方法によれば、下部絶縁層を溶射により形成する際に金属基盤のガス供給経路に溶射材料の一部が堆積し、固着してしまうようなおそれを排除することができるため、従来のように堆積物の一部が冷却ガスと共にガス供給経路内を漂い基板側に供給されるガス量を不均一にしたり、基板側に噴き出されて汚染を引き起こすような問題は解消される。本発明における方法は、新規の静電チャック装置を製造する際に採用することができるのみならず、一度製品寿命に達した使用済みの静電チャック装置を再利用してガス供給構造を再生する際にも採用することができる。
また、本発明によって得られたガス供給構造は、冷却ガス噴出し量の不均一化や溶射材料等の堆積による汚染化を防ぐことができると共に、ガス供給経路出口において金属基盤と下部絶縁層とが良好な接合界面を有することから、長期に亘って耐久性に優れる。
１：金属基盤、1a：載置台、２：液体管路、３：ガス供給経路、3a：ガス供給経路出口、3b：座ぐり部、４：下部絶縁層、５：吸着電極、６：上部絶縁層、７：静電チャック、８：接着剤、９：貫通孔、10：堆積物。
以下、添付した図面に基づき、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明する。
図１は、本発明に係るガス供給構造を備えた静電チャック装置の断面説明図であり、図２は、このうちガス供給構造の一部を拡大した断面説明図である。ここでは、主に直径３００ｍｍのシリコンウエハーの吸着に適したアルミニウム製の金属基盤１の例を示し、この金属基盤１の上面側には直径１９６ｍｍの載置台1aを有する。また、この金属基盤１の内部には、下面側から供給された冷却水を巡回させ、再び下面側に流すための液体管路２が形成されており、更には、金属基盤１の下面側から供給された冷却ガス（図中の破線矢印）をその後に形成する静電チャック７に吸着した基板ｗに供給するためのガス供給経路３を備える。このガス供給経路３について、より詳しく説明すると、ガス供給経路３の一部は金属基盤１の内部から金属基盤１の載置台1a側に向かって直径（ｄ２）２．５ｍｍで形成され、載置台1aの表面付近では面取りされる（一般にはｃ面と呼ばれ、C0.2〜2mmの範囲で面取りを行う）。具体的には、載置台1aの深さ５ｍｍ付近から載置台1aの表面に至るまで漸次増径し、載置台1aの表面に直径（ｄ１）３．５ｍｍの開口を有したガス供給経路出口3aを備える。このようなガス供給経路出口3aは載置台1aの表面に合計１５０個形成されており、それらは互いに均一な距離で分布する。
上記金属基盤１をバリの除去や有機溶剤による洗浄を行った後、ディスペンサーを用いて載置台1aの表面からガス供給経路出口3aに接着剤８を適量注入した。ここで用いた接着剤８は、充填材としてアルミナを含有し、かつ、ナトリウム分を含まないセラマボンド５６９（米国アレムコ社製商品名）である。載置台1aの深さ方向に接着剤８が約２ｍｍ充填されるようにし、また、ガス供給経路出口3aの面取り部分についても接着剤を充填し、余分な接着剤を除去して全てのガス供給経路出口3aを接着剤８で塞いだ。そして、常温にて１２時間自然乾燥して接着剤８を固化させた後、金属基盤１の載置台1aに溶融した純度９９．９９％のアルミナ粉末を溶射して、厚さ２００μｍの下部絶縁層４を形成した。次いで、得られた下部絶縁層４の表面に所定のマスクを被せ、純度は９９．９９％のタングステン粉末を溶射して膜厚５０μｍの吸着電極５を形成した。更に、この吸着電極５の上から純度９９．９９％のアルミナ粉末を溶射して、厚さ３００μｍの上部絶縁層６を形成した。
上記のようにして金属基盤１の上面側に下部絶縁層４、吸着電極５、及び上部絶縁層６を備えた静電チャック７を形成した後、上部絶縁層側から金属基盤１のガス供給経路出口3aに対応する位置に向けて垂直方向に孔を開け、固化した接着剤８を貫通させてガス供給経路３に通ずる貫通孔を形成した。この際、ダイヤモンドドリルを用いて約３ｋｇ／ｃｍ２の圧縮空気を送り出しながら、金属基盤１の全てのガス供給経路出口3aに対応させて直径（ｄ３）１ｍｍの貫通孔を形成した。最後に、有機溶剤を用いた超音波洗浄によって切削屑や油分を除去し、本発明に係るガス供給構造を備えた静電チャック装置を完成させた。
次に、使用済み静電チャック装置のガス供給構造を再生する場合の実施例を説明する。
先ず、使用済み静電チャック装置から一部手作業を交えながら機械的研磨により上部絶縁層６、吸着電極５、及び下部絶縁層４を除去した。この際、表層に下部絶縁層４が一部残るようにし、更にサンドブラスト処理を行い０．０５〜０．５ｍｍの範囲で金属基盤１の厚み分が取り除かれるようにして金属基盤面を露出させ、金属基盤１の載置台1aの平坦性が３０μｍ以下となるようにした。次いで、金属基盤１が備えたガス供給経路出口3aをＣ０．２〜２ｍｍの範囲で面取りし、再生用の金属基盤１を準備した。
上記金属基盤１をバリの除去や有機溶剤による洗浄を行った後、実施例１と同様にして、全てのガス供給経路出口3aを接着剤８で塞いだ。そして、接着剤８を固化させた後、金属基盤１の載置台1aに溶融した純度９９．９９％のアルミナ粉末を溶射して下部絶縁層４を形成した。ここで、下部絶縁層４の膜厚は２００μｍ＋α（αは金属基盤１の厚みが取り除かれ分に相当）とした。次いで、実施例１と同様にして吸着電極５及び上部絶縁層６を形成した。
上記のようにして金属基盤１の上面側に下部絶縁層４、吸着電極５、及び上部絶縁層６を備えた静電チャック７を形成した後、実施例１と同様にして金属基盤１の全てのガス供給経路出口3aに対応させて貫通孔を形成した。最後に、有機溶剤を用いた超音波洗浄によって切削屑や油分を除去し、本発明に係るガス供給構造を備えた静電チャック装置を再生した。
本発明に係るガス供給構造は、半導体素子の製造プロセスで用いられるプラズマ処理装置、電子露光装置、イオン注入装置等をはじめ、液晶パネルの製造に用いられるイオンドーピング装置など、種々の静電チャック装置に適用できる。また、新規の静電チャック装置のみならず、既に製品寿命が過ぎたような使用済みの静電チャック装置を再利用するような場合にも本発明に係るガス供給構造を適用することができる。
Claims (9)
- 金属基盤の上面側に、下部絶縁層、吸着電極、及び上部絶縁層を備えた静電チャックが積層されて形成された静電チャック装置において、金属基盤の下面側から供給された冷却ガスを、金属基盤が備えるガス供給経路を通じて上部絶縁層側に吸着させた基板の裏面に供給するためのガス供給構造の製造方法であり、金属基盤の上面側にセラミックス粉末を溶射して下部絶縁層を形成する工程、吸着電極を形成する工程、及び上部絶縁層を形成する工程に先駆けて、下部絶縁層の形成に用いるセラミックス粉末と同じ種類のセラミックス粉末からなる充填材を含んだ接着剤で金属基盤の上面側のガス供給経路出口を塞ぎ、上部絶縁層の形成後には、上部絶縁層側から金属基盤のガス供給経路出口に向けて孔を開けてガス供給経路に通ずる貫通孔を形成することを特徴とする静電チャック装置におけるガス供給構造の製造方法。
- 金属基盤の上面側におけるガス供給経路出口の開口径が貫通孔の直径よりも大きく、ガス供給経路出口を塞いだ接着剤の一部がガス供給経路出口の内側面に沿って残存し、ガス供給経路出口の一部において接着剤と下部絶縁層との接合界面を有する請求項１に記載のガス供給構造の製造方法。
- ガス供給経路出口が金属基盤の上面側に向かって漸次増径している請求項２に記載のガス供給構造の製造方法。
- ガス供給経路出口が座ぐり部を有する請求項２に記載のガス供給構造の製造方法。
- 接着剤が、充填材とアルコキシドとからなる請求項１に記載のガス供給構造の製造方法。
- アルコキシドがナトリウム分を含まないものである請求項５に記載のガス供給構造の製造方法。
- ダイヤモンドドリルを用いて、ガス供給経路出口に向けて圧縮空気を吹き出しながら貫通孔を形成する請求項１に記載のガス供給構造の製造方法。
- 請求項１〜７のいずれかに記載の方法により得られたことを特徴とする静電チャック装置におけるガス供給構造。
- 請求項１〜７のいずれかに記載の方法により得られたガス供給構造を備えたことを特徴とする静電チャック装置。
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