JP5283704B2 - 静電チャック - Google Patents

Description

この発明は、内部電源を備えた静電チャックに関する。

半導体製造プロセスに係るイオン注入装置、イオンドーピング装置、プラズマイマージョン装置をはじめ、電子ビームや極紫外線（EUV）リソグラフィー等を用いた露光装置、シリコンウエハ等のウエハ検査装置など、種々の装置等において半導体基板を吸着・保持するために静電チャックが使用されている。また、液晶製造分野においては、ガラス基板等に液晶の圧入を行う際に用いる基板張り合わせ装置やイオンドーピング装置など、絶縁性基板を吸着・保持するために静電チャックが使用されている。

静電チャックは、一般に、半導体基板やガラス基板等の基板を吸着させる電極シートを、金属基盤の上面側に積層して形成される。そして、電極シートが備える吸着電極に所定の電圧を印加することで、電極シートの表面に電荷や電界を形成し、この面を基板吸着面として基板を電気的な力で吸着する。吸着対象の基板としては誘電体、半導体又は金属を含むものであれば可能であるが、発生させる吸着力については、吸着対象である基板がガラスやポリイミド樹脂などの不導体の場合、これらについては、静電気は発生するが電流はほとんど流れないため、電界の空間微分によるところのグラディエント力による。また、シリコンウエハなどの半導体基板や金属等の導体の場合、吸着力の更に高いジョンソン・ラーベック力により吸着する。そして、これらの吸着力は、対象となる基板の種類や吸着力を発現せしめる吸着原理等によっても異なるが、一般には数グラム／ｃｍ^２〜数百グラム／ｃｍ^２であると言われ、比較的高い値を示す。

ところで、半導体製造装置や液晶製造装置などの基板処理装置で静電チャックを使用する際には、静電チャックの外部の遠隔に高圧電源を設置し、この外部電源から配線、コネクタ等を介して吸着電極に電力を供給し、所定の吸着力を得るようにする。すなわち、静電チャック側は吸着電極に電力を供給するための入力端子を備えており、外部電源から電力の供給を受けながら基板を吸着保持する。そのため、静電チャックの物理的な使用範囲は、少なからず外部電源の設置位置に影響を受けることになる。そこで、例えば、内部電源としてバッテリを備えた静電チャックが提案されている（特許文献１及び２参照）。これらの静電チャックによれば、静電チャック本体に電源を備えるため、例えば基板の処理中や基板の処理が終了した後に、基板を保持した状態で移動、搬送することが可能になる。

特開２００７−１２９４２号公報 特開２００７−５３３４８号公報

ところが、静電チャックの内部電源としてバッテリや蓄電池等を備えていても、これらの電源だけでは基板処理装置における基板の処理工程の全てをまかなうことができず、途中で充電が必要であったり、電池を交換しなければならないことがある。また、十分な電力を確保するために内部電源が大型化してしまう問題もあり、更には、充電池からの液漏れによる静電チャックを含めた周辺機器への汚染や、漏れ電流による影響等のおそれもある。

そこで、本発明者等は、これらの問題について鋭意検討した結果、内部電源として太陽電池を備えた静電チャックによれば、基板の処理中に基板処理装置から発せられる光エネルギーを、吸着電極に供給される電力に変換しながら基板の処理が行え、電池切れになることもなく、内部電源の大型化を抑制することができると共に、長期にわたって汚染等のおそれもなく使用できることを見出し、本発明を完成した。

したがって、本発明は、吸着電極が使用する電力を基板の処理中に発電しながら供給することができる、電力自己補給型の静電チャックを提供することにある。

すなわち、本発明は、光エネルギーを発生して基板を処理する基板処理装置において基板を吸着保持する静電チャックであり、吸着電極を備えた電極シートと、上面側に電極シートを積層させる金属基盤と、吸着電極に供給する電力を得る内部電源と、内部電源で得られた電力の電圧を昇圧する昇圧回路とを有し、内部電源が太陽電池であって、前記光エネルギーを受光して、基板の処理中に光エネルギーを電力に変換し、電極シートに基板を吸着保持させることを特徴とする、電力自己補給型の静電チャックである。

本発明における静電チャックは内部電源として太陽電池を備え、吸着電極に供給する電力をこの太陽電池が発電する。基板の吸着に必要な電圧については、吸着対象の基板の種類や吸着原理の違い等によって異なるが、例えば直径３００ｍｍ弱の２つの半円形（半月状）をした吸着電極を用いて双極型を構成し、直径３００ｍｍのシリコンウエハを吸着保持する場合を想定すると、一般的に必要な電圧は±１ｋＶ程度である。また、必要な電流については、吸着電極間の絶縁抵抗や大地への漏れ電流により決まるが、静電チャックは高電圧を必要とし、使用される材料の絶縁抵抗はそもそも非常に高いことから、電流値は高々数μＡ程度である。よって、上記のようなシリコンウエハを吸着保持する際に定常的に必要な電力は、両極の吸着電極の合計で２×２μＡ×１ｋＶ＝４ｍＷ程度と見積もることができる。すなわち、必要な電圧はｋＶオーダーの高いものが必要であるが、電力的には比較的小さいものでよい。

その上で、本発明で用いる太陽電池については、可視光及び紫外線領域の自然環境下に存在する光エネルギーのほか、人工的に作られた光エネルギー（後述するような基板処理装置で発生する光エネルギーを含む）を電気エネルギーに変換できるものであれば特に制限はなく、また、いわゆるシリコン型の太陽電池であっても色素増感型の太陽電池であってもよい。例えば太陽光の電力変換効率は全スペクトラムで少なくとも１０％以上を見込むことができ、紫外線領域のみの場合でも２％程度見込むことができる。太陽光であるとその光の全スペクトラムのエネルギー総和は地上で最大０．１Ｗ／ｃｍ^２であることから、太陽光の全スペクトラムでは単位面積当たり０．０１Ｗ／ｃｍ^２（10mW/cm^２）であり、紫外線領域では単位面積当たり０．００２Ｗ／ｃｍ^２（2mW/cm^２）になる。すなわち、一般的な静電チャックの吸着電極に必要な電力（4mW程度）は、太陽電池で得られる電力（2〜10mW/cm^２）によってまかなうことは十分に可能である。

そして、本発明では、光エネルギーを発生して基板を処理する基板処理装置において、基板処理装置で発生する光エネルギーを電気エネルギーに変換する。ここで、光エネルギーを発生して基板を処理する基板処理装置の具体例としては、例えば半導体製造プロセスで使用されるイオン注入装置、イオンドーピング装置、プラズマエッチング装置、プラズマイマージョン装置、プラズマドーピング装置、アッシング装置、ＣＶＤ装置、電子ビームや極紫外線（EUV）リソグラフィーを用いた露光装置、半導体基板のウエハ検査装置、スパッタ装置、光洗浄装置、ランプアニール、酸化処理装置、熱拡散装置などのほか、液晶製造分野においてガラス基板等に液晶の圧入を行う際に用いる基板張り合わせ装置、イオンドーピング装置、エッチング装置、アッシング装置、スパッタ装置、ＣＶＤ装置、熱拡散装置などを挙げることができる。また、これら以外の洗浄あるいは表面処理装置などについてもプリント配線、金属やプラスチック等の基板を静電チャックに吸着させてプラズマやイオン照射等の処理を行うため、基板処理装置の例示に含まれる。

上記で例示したような基板処理装置で発生する光エネルギーは、所定の基板の処理に直接使用するもの、又は基板の処理に使われる他のエネルギーから間接的に発生するものである。例えば、露光装置ではＥＵＶを含んだ紫外線を発生し、イオン注入装置では基板の処理に使用されるイオン源が可視光や紫外線を発生し、プラズマエッチング装置等ではプラズマによって可視光や紫外線が発生し、ランプアニール装置ではキセノンランプやタングステン-ハロゲンランプから可視光や紫外線を発生する。ここで、光の強さを表すのに人間の目の感度を基準にしたルックス（lux：単位lm/m²)がある。一般に野外の太陽光は３０,０００ルックス程度であり、室内の蛍光灯下では１,０００ルックス程度である。例えばイオン注入装置で使われるイオン源やプラズマエッチング装置からは可視光や紫外線を発生し、プラズマを発生しているという点では、蛍光灯やイオン源そしてプラズマエッチング装置は共通する。そのため、イオン源を使用するイオン注入装置やプラズマを利用するプラズマエッチング装置などのような基板処理装置では、少なく見積もっても１０,０００ルックス程度、すなわち太陽光の１／３程度の輝度を有すると考えられる。
なお、本発明の静電チャックは、上記に例示したように、基板の処理に直接使用する光エネルギー、又は基板の処理に使われる他のエネルギーから間接的に光エネルギーを発生する基板処理装置で使用するのがよいが、例えば照明として利用される蛍光灯からの光エネルギーを発生するような基板処理装置で使用してもよい。ただし、太陽電池から得られる電力の観点から、好ましくは前者のような基板処理装置で使用するのがよい。

内部電源とする太陽電池は、静電チャックのいずれの箇所に設けてもよいが、通常、基板処理装置では基板の上部側から光エネルギーが供給されることから、金属基盤の上面側や電極シートの基板吸着面側など、光エネルギーの受光が遮られない箇所に設けるようにするのが好ましい。そして、太陽電池から吸着電極に電力が供給されるように結線されていればよく、吸着電極と太陽電池とを一体的に形成したり、一緒に配置したりするほか、ケーブル等の配線を用いて接続して互いに離間して配置するようにしてもよい。なお、プラズマ等の暴露から保護するために、太陽電池の受光面側に石英ガラス等からなる保護層を設けるようにしてもよい。

また、本発明の静電チャックは昇圧回路を有し、太陽電池から得られた電力の電圧を昇圧回路によって昇圧する。太陽電池から得られる電圧は高々数ボルトである。シリコン型太陽電池では光を電圧に変換するのに光起電力効果とよばれる異種半導体のバンドギャップを利用するため得られる電圧は小さい。色素増感型太陽電池ではその仕組みが普通の電池と同じ化学的なものであるので電圧は小さい。そこで、静電チャックが基板を吸着する吸着力が得られるような電圧にするために太陽電池からの出力を直列に接続するようにしてもよいが、占有面積等の観点から、昇圧型のスイッチング回路等のような昇圧回路を備えるようにする。昇圧回路と太陽電池とは必要に応じて一体的に形成したり、一緒に配置したりするほか、配線等で接続して互いに離間して配置してもよい。更には、大容量コンデンサや充電可能なバッテリ等の蓄電手段を備えて、静電チャックが余剰電力を蓄えられるようにしてもよい。このような蓄電手段は薄型で軽量であるのが望ましい。ここで、大容量コンデンサとは、通常１Ｆ以上のものをいう。このような大容量コンデンサとは、近年、多種用途でバッテリの代替として使われており、電力容量はコンデンサを構成している質量あたり最低でも１０ｍＷｈ／ｇを見込むことができる。例えばコンデンサ質量１０ｇとして換算すると、上述したような静電チャックの消費電力４ｍＷでは、およそ２５時間程度は光エネルギーの供給無しで使用できる計算になる。蓄えられた電力は、吸着電極に供給するなど静電チャックで使用してもよいのは勿論のこと、静電チャック以外の外部装置等に供給できるようにしてもよい。

また、本発明の静電チャックは、公知の静電チャックと同様に、金属基盤の上面側に吸着電極を備えた電極シートが積層されてなる。金属基盤や電極シートの形状、構造、サイズ、各種材質等については特に制限されないが、その一例を示すとすると、例えば金属基盤はアルミニウム、銅、ステンレス等からなり、通常、吸着保持する半導体基板やガラス基板等の基板の種類やサイズに応じた載置面をその上面側に有する。電極シートについては、吸着電極の上下両面側に絶縁層を備えたものが一般的であり、吸着電極が上下二層に分かれて、これらの吸着電極間に電極間絶縁層を介在させるようにしてもよい。このうち、絶縁層については、ポリイミド等の絶縁性フィルムやセラミックス板など所定の形状や膜厚を有したものを用いることができ、アルミナ（Al₂O₃）粉末、窒化アルミニウム（AlN）粉末、ジルコニア（ZrO₂)粉末等のセラミックス粉末を溶射して形成するようにしてもよい。また、吸着電極については、金属箔のほか、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てもよく、導電性金属の溶射やペースト状の導電性金属を印刷するなどして吸着電極を得るようにしてもよい。更に、吸着電極の形状については、吸着させる基板の種類やサイズ等に応じて適宜設定され、例えば２つの吸着電極に電圧を印加するいわゆる双極型の静電チャックを構成するものであってもよく、単極型の静電チャックを構成するものであってもよい。なお、本発明の静電チャックを製造する上では、金属基盤の上面側に接着層を介して電極シートを貼着させてもよく、金属基盤の上面側に下部側絶縁層、吸着電極、及び上部側絶縁層を積層させるようにしてもよい。

本発明の静電チャックによれば、基板処理装置による基板の処理中に発せられる光エネルギーを太陽電池によって電力に変換し、吸着電極に供給して基板を保持することができることから自己発電型であり外部電源を必要とせず、基板を吸着させた状態で移動や搬送を行うことも可能であり、また、内部電源の大型化を抑制することができると共に汚染等のおそれもなく、更には静電チャックの周辺機器を含めた簡略化ができることから故障等を減らすこともでき、長期にわたる使用の信頼性の面でも優れる。

図１は、平行平板型プラズマエッチング装置において本発明の静電チャックで基板を吸着保持し、基板の処理を行う様子を示す斜視断面模式図である。 図２は、太陽電池による起電力を利用して吸着電極に電力を供給する本発明の静電チャックのブロック回路図である。

以下、添付図に基づいて、本発明の好適な実施の形態を具体的に説明する。なお、本発明は下記の説明に限定されるものではない。

図１は、平行平板型プラズマエッチング装置１１において本発明の静電チャックを８用いてシリコンウエハｗを吸着保持し、シリコンウエハｗのエッチング処理を行う様子を示す断面模式図である。本実施の形態に係る静電チャック８は、厚さ１２ｍｍ、直径３４０ｍｍのアルミニウム製の金属基盤１の上面側に電極シート５が貼着されている。電極シート５は、吸着電極３の上下面側に、それぞれ厚さ１００μｍ、直径２９８ｍｍのポリイミドフィルムからなる下部絶縁層２及び上部絶縁層４が積層されてなり、このうち吸着電極３は厚さ１２μｍの銅からなり、直径２９４ｍｍの２つの半円形（半月状）をした電極が互いに直径側を対向させて配置される。また、この電極シート５には、後に基板ｗを吸着させる基板吸着面5aの周縁部であって基板が吸着されない箇所（アルマイト処理をしている）に１０．８ｍｍ×３１．８ｍｍ×厚さ１．１ｍｍのアモルファスシリコン製の太陽電池６（ＳＡＮＹＯ社製ＡＭ−５８１５、総受光面積約３ｃｍ^２）が並列に８個取り付けられ、更に金属基盤１には、昇圧型のスイッチング回路を備えた昇圧部７が内蔵されている。なお、太陽電池６の受光面側には、プラズマの直接暴露から保護する目的で厚さ１００μｍの石英層（図示外）を設けている。

本実施の形態に係る静電チャック８は、上記のように総受光面積が３ｃｍ^２の太陽電池６を８つ備え、発電電圧は自然光にて最大４．５Ｖであり、単位面積あたりの電流量は０．３ｍＡ／ｃｍ^２である。したがって、総電力（mW）＝３×４．５×０．３×８＝３２．４ｍＷに相当する。そして、プラズマ装置では、先に述べたように、この１／３程度の発電が見込めるため、静電チャック８が備える太陽電池６の発電電力は約１１ｍＷである。そこで、本実施の形態に係る静電チャック８では、双極型を構成する２つの吸着電極３を±１０００Ｖの電圧で動作させることを想定し、図２に示した本実施の形態に係る静電チャック（静電チャックシステム）のブロック回路のように、太陽電池６で得られた電力を金属基盤１に内蔵された昇圧部７で昇圧し、±１０００Ｖの両極電位にまで増やす。昇圧回路を経て昇圧された電圧は２つの吸着電極３に供給されるが、静電チャックのチャック動作を遠隔にてＯＮ／ＯＦＦするためのスイッチを昇圧部７に接続するようにした。また、吸着電極３に供給する電圧を制御する目的で外部のポテンショメータ（図示外）に接続するようにした。なお、ポテンショメータは金属基盤１に内蔵させることも可能であり、また、上記ＯＮ／ＯＦＦスイッチを省略してプラズマ装置においてプラズマの発生に連動させて吸着力を発現させるようにしてもよい。

そして、上記静電チャック８で直径３００ｍｍのシリコンウエハｗを吸着保持させながら、プラズマエッチング装置１１にて基板の酸化膜のエッチング処理を行った。先ず、発生したプラズマを効率よく利用するためプラズマエッチング装置１１の処理室内を真空排気しながら、処理室の上部側から反応性ガス（この場合はCF_４を使用）を導入し、高周波電源１３によって上部電極１２と静電チャック８との間でＲＦを励起させてプラズマを発生させた。そして、ＲＦの周波数を１３．５６ＭＨｚ、投入電力を５００Ｗ、反応性ガスのガス流量はアルゴンを２００ｓｃｃｍ及びＣＦ_４を５０ｓｃｃｍ、処理室内の真空度を０．１Ｐａ、及び基板温度を３０℃とした条件下でシリコンウエハｗのエッチング処理をエッチレイト８Ｋオングストローム/分にして３分間行ったところ、基板の異常加熱、真空度の異常や位置のズレもなく高周波電力が安定に投入できたことが確認された。また、処理後のシリコンウエハｗについて、電子顕微鏡にてエッチング溝の深さを確認したところ平均２３Ｋオングストロームであった。更に溝の幅の偏差を確認したところ、±２％と良好であった。

以上のことから、内部電源として太陽電池を備えた本実施の形態に係る静電チャック８によれば、プラズマ処理装置を用いたシリコンウエハのエッチング処理において、基板を静電チャックに吸着させるのに必要な吸着電極で使用される電力を、プラズマエッチング装置で発せられる光エネルギーから全て得ることができる。

本発明の静電チャックは、所定の基板の処理を行う際に光エネルギーを発する装置であれば、半導体製造プロセスや液晶製造プロセス等で使用される種々の基板処理装置で用いることができる。特に、本発明の静電チャックは外部電源を使用しなくても基板を吸着保持することができることから、例えば基板を吸着させたまま移動や搬送が可能になり、基板処理装置において従来使用されている静電チャックの用途に制限されずに新たな使用態様を生み出す可能性を有する。

１ ：金属基盤
２ ：下部絶縁層
３ ：吸着電極
４ ：上部絶縁層
５ ：電極シート
5a ：基板吸着面
６ ：太陽電池
７ ：昇圧部（昇圧型スイッチング回路）
８ ：静電チャック
11 ：プラズマエッチング装置
12 ：上部電極
13 ：高周波電源
ｗ ：基板

Claims (6)

1. 光エネルギーを発生して基板を処理する基板処理装置において基板を吸着保持する静電チャックであり、
   吸着電極を備えた電極シートと、上面側に電極シートを積層させる金属基盤と、吸着電極に供給する電力を得る内部電源と、内部電源で得られた電力の電圧を昇圧する昇圧回路とを有し、
   内部電源が太陽電池であって、前記光エネルギーを受光して、基板の処理中に光エネルギーを電力に変換し、電極シートに基板を吸着保持させることを特徴とする、電力自己補給型の静電チャック。
2. 光エネルギーは、基板の処理の際のイオン注入、プラズマ照射、露光、スパッタ、洗浄、アニール、酸化、又は拡散によって得られる請求項１に記載の静電チャック。
3. 蓄電手段を更に備える請求項１又は２に記載の静電チャック。
4. 蓄電手段が、大容量コンデンサ又は充電可能なバッテリである請求項３に記載の静電チャック。
5. 太陽電池が、受光面側に石英ガラスからなる保護層を有する請求項１〜４のいずれかに記載の静電チャック。
6. 太陽電池が、金属基盤の上面側、又は、基板を吸着保持する電極シートの基板吸着面側に配設される請求項１〜５のいずれかに記載の静電チャック。

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