JP5550602B2 - 静電チャックおよびこれを備えるドライエッチング装置 - Google Patents

Description

本発明は、基板を静電吸着する静電チャック、特に基板と静電チャックとの間に伝熱ガスが供給される静電チャック、および静電チャックを備えるドライエッチング装置に関する。

従来より、基板に対してドライエッチング処理を実行するドライエッチング装置は、例えば特許文献１に記載するように、基板を固定するための静電チャックを有する。静電チャックは、基板を静電吸着する静電吸着面と、静電吸着面に基板を静電吸着させる静電引力を発生するためのＥＳＣ電極（静電吸着用電極）とを備える。

また、静電チャックの静電吸着面に静電吸着されている基板を冷却するために、例えば特許文献１に記載するように、基板と静電吸着面との間に、基板を冷却するための伝熱ガスが供給される。そのために、特許文献１に記載する静電チャックは、静電吸着面に形成された凹部と、凹部の底面から静電吸着面まで延びる円柱形状の複数の突起部を有する。また、この静電チャックは、凹部の中央に、凹部内に伝熱ガスを導入するための導入孔を有する。このような静電チャックにより、基板は、静電吸着面に静電吸着されつつ、凹部に導入された伝熱ガスによって冷却される。

特開２０１０−２２５７７５号公報

しかしながら、特許文献１に記載する静電チャックの場合、凹部の中央に位置する１つの導入孔を介して該凹部内に伝熱ガスが導入されるため、凹部全体に伝熱ガスが十分にいきわたらず、凹部中央の上方に位置する基板の中央部分と他の部分との間に温度差が生じやすい。それにより、基板に非均一な温度分布が発生する可能性がある。例えば、基板の中央部分の温度が他の部分の温度に比べて低い温度分布が基板に生じる可能性がある。

そこで、本発明は、静電チャックの静電吸着面に基板を静電吸着しつつ、基板と静電吸着面との間に供給される伝熱ガスによって基板の温度を全体にわたって均一にすることを課題とする。

上述の課題を解決するために、本発明の第１の態様によれば、
ドライエッチング処理される基板を静電吸着する静電チャックにおいて、
基板と相似形状の静電吸着面を備える基板保持部を有し、
基板保持部が、
静電吸着面の縁に沿って形成された環状溝と、
環状溝に囲まれた静電吸着面の部分に且つ環状溝に沿って形成された凹部と、
凹部の底面の中央に形成されて該凹部内に伝熱ガスを導入する第１の導入孔と、
凹部の底面の縁に沿って形成されて該凹部内に伝熱ガスを導入する複数の第２の導入孔とを備え、
前記環状溝の底面には伝熱ガスを導入するための導入孔が存在しないことを特徴とする、静電チャックが提供される。

本発明の第２の態様によれば、
前記基板が、優弧状縁と直線状縁とから画定される形状であり、
凹部の底面の形状が、基板の形状と相似し、
複数の第２の導入孔が、凹部の底面の優弧状縁のみに沿って等間隔に形成されている、第１の態様に記載の静電チャックが提供される。

本発明の第３の態様によれば、
複数の基板保持部を有し、
各基板保持部が、静電吸着面の直線状縁が静電チャックの外側に向いた状態で配置されている、第２の態様に記載の静電チャックが提供される。

本発明の第４の態様によれば、
第１の導入孔から下方に延びて外部の伝熱ガス源と接続される第１の流路と、
第１の流路と複数の第２の導入孔とを接続する複数の第２の流路とを備える、第１から第３の態様のいずれか一に記載の静電チャックが提供される。

本発明の第５の態様によれば、
複数の第２の流路が、第１の流路から第２の導入孔それぞれに向かって延びる放射状の流路である、第４の態様に記載の静電チャックが提供される。

本発明の第６の態様によれば、
第１の導入孔の開口面積が、第２の導入孔の開口面積に比べて小さい、第４または第５の態様に記載の静電チャックが提供される。

本発明の第７の態様によれば、
第１から第６の態様のいずれか一に記載の静電チャックを有する、ドライエッチング装置が提供される。

本発明によれば、凹部の底面の中央に形成された第１の導入孔と凹部の底面の縁に沿って形成された複数の第２の導入孔とから導入された伝熱ガスは、凹部全体に十分にいきわたる。また、凹部と環状溝とに挟まれた静電吸着面の部分と基板との間を介して凹部外部に漏れ出た伝熱ガスは、環状溝内に入り、基板の縁近傍部分の温度調整に寄与する。これにより、静電チャックは、基板を静電吸着面に静電吸着しつつ、伝熱ガスによって基板全体の温度を均一にすることができる。

本発明に係る一実施の形態のドライエッチング装置の構成を概略的に示す図 静電チャックの上面図 静電チャックの基板載置部の上面図 静電チャックの基板載置部の断面図 サーモラベルの貼り付け位置を説明するための図

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照しながら説明する。図１は、本発明に係る一実施の形態のドライエッチング装置を概略的に示している。図１に示すドライエッチング装置１は、例えばサファイア基板をプラズマ処理するＩＣＰ（誘導結合プラズマ）型プラズマ処理装置である。

ドライエッチング装置１は、基板２にプラズマ処理を実行するための処理室を画定するチャンバ３を備える。チャンバ３の上部開口は、石英等の誘電体から形成された天板４によって閉鎖されている。その天板４上にＩＣＰコイル５が配置されている。ＩＣＰコイル５には、ＩＣＰコイル５に高周波電圧を印加する第１の高周波電源６が接続されている。

チャンバ３はまた、例えば三塩化ホウ素（ＢＣｌ_３）やアルゴン（Ａｒ）などの処理ガスをチャンバ３内に導入するための処理ガス導入口３ａを備える。さらに、チャンバ３内のガスを排気する排気ポンプ７が排気路３ｂを介してチャンバ３に取り付けられている。

また、チャンバ３内には、ドライエッチングされる基板２が載置される基板ステージ１０が設けられている。基板ステージ１０は、基板２を静電吸着する静電チャック１１と、静電チャック１１の下面に接する状態で内蔵された、電極として機能するとともに静電チャック１１を冷却する冷却装置としても機能する金属ブロック１２とを有する。

静電チャック１１は、基板２を保持する基板保持部１３を備え、また、基板保持部１３に基板２を静電吸着させる静電引力を発生させるためのＥＳＣ電極１４を内蔵する。ＥＳＣ電極１４には、ＥＳＣ電極１４に電圧を印加するＥＳＣ駆動ユニット１５が接続されている。

静電チャック１１はさらに、詳細は後述するが、基板２と基板保持部１３との間に、ドライエッチング処理中に基板２を冷却する伝熱ガス、例えば冷却されたＨｅ（ヘリウム）ガスを供給するための伝熱ガス流路１６を内部に備える。伝熱ガス流路１６に対して伝熱ガスを導入する伝熱ガス制御ユニット（伝熱ガス源）１７が、ドライエッチング装置１に設けられている。

金属ブロック１２は、金属ブロック１２に高周波電圧を印加する第２の高周波電源１８に接続されている。また、金属ブロック１２によって静電チャック１１および静電チャック１１に保持されている基板２を冷却できるにように、金属ブロック１２の内部には、冷却ユニット１９から供給される冷媒が流れる冷媒流路２０が形成されている。

図２は、静電チャック１１の上面（ＩＣＰコイル５に対向する面）を示している。図２に示すように、静電チャック１１は、複数の基板保持部１３を有する。各基板保持部１３は、オリフラ（オリエンテーションフラット）を備える円形状の基板２を静電吸着するための静電吸着面１３ａを備える。具体的には、静電吸着面１３ａは、オリフラを備える円形状の基板２と相似する形状であって、優弧状縁１３ｂと直線状縁１３ｃとから画定される形状である。

複数の基板保持部１３は、円形状の静電チャック１１の上面の中心Ｃを中心とする同一円周上に等間隔に配置されている。また、静電吸着面１３ａの直線状縁１３ｃが静電チャック１１の外側、すなわち、チャンバ３の内壁面３ｃに向いた状態で、基板保持部１３は静電チャック１１に設けられている。これにより、静電吸着面１３ａの直線状縁１３ｃが他の方向を向いている場合に比べて、静電チャック１１のサイズ（水平方向の寸法）を小さくすることができる。また、基板ステージ１０のサイズも小さくでき、その結果、基板ステージ１０とチャンバ３の内壁面３ｃとの間が広がり、その間をチャンバ３内のガスが排気ポンプ７に向かって流れやすくなる。

なお、図２に示す静電チャック１１は、４つの基板保持部１３を有するが、本発明はこれに限らない。基板保持部１３が少なくとも２つあって、各基板保持部１３の静電吸着面１３ａの直線状縁１３ｃが静電チャック１１の外側に向いていれば、そうでない場合に比べて、静電チャック１１のサイズ（基板ステージ１０のサイズ）を小さくすることができる。例えば、静電チャック１１の中心Ｃを中心とする第１の円周上に４つの基板保持部１３を等間隔に配置し、第１の円周に比べて大きい第２の円周上に８つの基板保持部１３を等間隔に配置してもよい。この場合、複数の基板保持部１３それぞれの静電吸着面１３ａの直線状縁１３ｃが静電チャック１１の外側に向けられる。

図３は図２に示す静電チャック１１の基板保持部１３の拡大図であり、図４は基板保持部１３の断面図である。

図３および図４に示すように、静電チャック１１の基板保持部１３は、その静電吸着面１３ａに、凹部１３ｄと、環状溝１３ｅとを備える。具体的には、環状溝１３ｅは静電吸着面１３ａの縁（優弧状縁１３ｂと直線状縁１３ｃ）に沿って形成され、凹部１３ｄは環状溝１３ｅに囲まれた静電吸着面１３ａの部分に且つ環状溝１３ｅに沿って形成されている。また、基板保持部１３は、凹部１３ｄの上方に位置する基板２の部分を支持するために、凹部１３ｄの底面１３ｆから静電吸着面１３ａまで延びる円柱形状の複数の突起部１３ｇを備える。静電吸着面１３ａに基板２が静電吸着されると、凹部１３ｄおよび環状溝１３ｅは、基板２によって覆われ、伝熱ガスが充満される閉空間を形成する。

凹部１３ｄは、深さが例えば２０〜３０μｍであって、静電吸着面１３ａの形状と相似する形状の底面１３ｆを備える。すなわち、凹部１３ｄの底面１３ｆは、図３に示すように、静電吸着面１３ａの優弧状縁１３ｂおよび直線状縁１３ｃに対して平行な優弧状縁１３ｈおよび直線状縁１３ｉとによって画定される形状である。

なお、凹部１３ｄの底面１３ｆの形状は、優弧状縁１３ｈと直線状縁１３ｉとによって画定される形状以外の形状でもよいが、図３に示すように、基板２が優弧状縁２ａと直線状縁２ｂとを備える場合（すなわち、オリフラを備える円形状基板の場合）、基板２と相似形状であるのが好ましい。

環状溝１３ｅは、静電吸着面１３ａの縁（優弧状縁１３ｂと直線状縁１３ｃ）と凹部１３ｄとの間の部分に形成されている。なお、環状溝１３ｅの静電吸着面１３ａからの深さは、凹部１３ｄの深さと同一であってもよいし、また異なってもよい。この環状溝１３ｅの役割については後述する。

図３に示すように、凹部１３ｄの底面１３ｆには、凹部１３ｄ内に伝熱ガスを導入する導入孔１３ｊ、１３ｋが形成されている。具体的には、底面１３ｆの中央（静電吸着面１３ａに静電吸着している状態の基板２の中心の直下の位置）に形成された中央導入孔１３ｊと、底面１３ｆの縁に沿って形成された複数の外側導入孔１３ｋとが形成されている。

具体的には、図３に示すように、複数の外側導入孔１３ｋは、中央導入孔１３ｊに対する距離が等しくなるように、凹部１３ｄの底面１３ｆの優弧状縁１３ｈのみに沿って（すなわち直線状縁１３ｉに沿わずに）等間隔に設けられるのが好ましい。これにより、伝熱ガスが凹部１３ｄ全体にわたってより均一にいきわたり、基板２の冷却ムラの発生をより抑制することができる。

中央導入孔１３ｊは、図４に示すように、基板保持部１３の中央に形成された上下方向に延びる伝熱ガス流路１６の主流路１６ａを介して伝熱ガス制御ユニット１７に接続されている。外側導入孔１３ｋは、主流路１６ａから水平方向に延びる副流路１６ｂに接続されている。

なお、外側導入孔１３ｋに接続される伝熱ガス流路１６の副流路１６ｂは、様々な形態が可能である。例えば、１つの副流路１６ｂに複数の外側導入孔１３ｋが接続されてもよい。この場合、副流路１６ｂの数を少なくでき、静電チャック１１全体における空洞部の割合を小さくすることができる。その結果、静電チャック１１の剛性を高めることができる。

また、例えば、主流路１６ａから放射状に延びた複数の副流路１６ｂそれぞれが、１つの外側導入孔１３ｋに接続されてもよい。この場合、副流路１６ｂの長さが短くなり、主流路１６ａから外側導入孔１３ｋまでの間の圧力損失を小さくすることができる。その結果、外側導入孔１３ｋを介して凹部１３ｄ内に多量の伝熱ガスを導入することができる。さらにこの場合、図３に示すように、複数の外側導入孔１３ｋが凹部１３ｄの底面１３ｆの優弧状縁１３ｈのみに沿って等間隔に設けられていると、各外側導入孔１３ｋと主流路１６ａとを接続する複数の副流路１６ｂの長さは等しくなる（直線状縁１３ｉに沿って外側導入孔１３を設けると、その副流路１６ｂの長さが、優弧状縁１３ｈに沿って設けられた外側導入孔１３の副流路１６ｂの長さに比べて短くなる）。その結果、各外側導入孔１３から凹部１３ｄ内に供給される伝熱ガス量が等しくなる。

図３および図４に示すような静電チャック１１（基板保持部１３）によれば、伝熱ガス制御ユニット１７から供給される伝熱ガスは、伝熱ガス流路１６の主流路１６ａに入り、中央導入孔１３ｊに向かうとともに、副流路１６ｂを介して外側導入孔１３ｋに向かう。そして、伝熱ガスは、中央導入孔１３ｊと複数の外側導入孔１３ｋを介して凹部１３ｄ内に流入する。

これに関連して、外側導入孔１３ｋの開口面積は、中央導入孔１３ｊの開口面積に比べて大きくするのが好ましい。これにより、伝熱ガス流路１６の主流路１６ａから副流路１６ｂに伝熱ガスが流入しやすくなる。その結果、中央導入孔１３ｊから多量の伝熱ガスが凹部１３ｄ内に導入され、中央導入孔１３ｊの上方に位置する基板２の中央部分が過剰に冷却されることが抑制される。

複数の外側導入孔１３ｋと中央導入孔１３ｊとから導入された伝熱ガスが凹部１３ｄ全体にいきわたると、伝熱ガスの一部が基板２と静電吸着面１３ａとの間を介して凹部１３ｄの外部に漏れ出る。凹部１３ｄから漏れ出た伝熱ガスは、チャンバ３内ではなく環状溝１３ｅ内に入り、そして環状溝１３ｅ内を流れる。この環状溝１３ｅにより、伝熱ガスがチャンバ３内に漏れ出ることが抑制される。別の観点から見れば、凹部１３ｄと環状溝１３ｅとの間の静電吸着面１３ａの部分と、環状溝１３ｅと縁（優弧状縁１３ｂと直線状縁１３ｃ）との間の静電吸着面１３ａの部分とが、凹部１３ｄを密閉する二重シールとして機能する。環状溝１３ｅ内に入った伝熱ガスは、基板２の縁近傍部分の冷却に寄与することができる。

このような静電チャック１１（基板保持部１３）により、基板２は、全体にわたって均一に冷却される。発明者は、このことを実験により実証している。

静電チャック１１による基板２に対する冷却効果を実証するために、発明者は、ドライエッチング処理中の基板（サファイア基板）２の温度分布を計測した。具体的には、図５に示すように、基板２のオリフラ中央の位置、基板２の中心の位置、および中心を挟んでオリフラ中央に対向する基板２の縁近傍の位置それぞれに、且つ同一直線上に３つのサーモラベルＬ１〜Ｌ３を貼り付けた。サーモラベルＬ１〜Ｌ３は、貼り付け部分の温度に対応する色に不可逆に変化するように構成されている。すなわち、サーモラベルＬ１〜Ｌ３の色は、貼り付けられた部分での最高温度を示す。

また、図３に示す静電チャック１１（実施例）による基板２の冷却効果を示すために、図３に示す基板保持部１３から環状溝１３ｅと複数の外側導入孔１３ｋとを取り除いた形状の基板保持部を備える従来の静電チャック（比較例）も実験に用いた。

実施例および比較例の静電チャックそれぞれについて、処理ガスが三塩化ホウ素とアルゴンの混合ガス、伝熱ガスがヘリウムガス、チャンバ３の内圧が０．６Ｐａ、ＩＣＰコイル５の出力が４５０Ｗ、および金属ブロック（電極）１２の出力が５５０Ｗの条件の下で、ドライエッチング処理を７００秒間実施した。その後、ドライエッチング装置１から基板２を取り出し、基板２に貼り付けられているサーモラベルの色に基づいて、ドライエッチング中における基板２の温度分布（三箇所の最高温度）を計測した。また、実施例として２つの基板の温度分布を計測し、比較例として３つの基板の温度分布を計測した。

表１に、実施例および比較例の静電チャックを用いてドライエッチング処理を実施したときの基板２の各箇所の平均温度を示す。表１に示すように、基板２の中心と他の箇所との間の温度差は、比較例の方が実施例に比べて大きい。このことから、図３に示すように、静電チャック１１の基板保持部１３の静電吸着面１３ａの凹部１３ｄに複数の外側導入孔１３ｋを設けるとともに、凹部１３ｄを囲む環状溝１３ｅを静電吸着面１３ａに設ければ、伝熱ガスによって基板２が全体にわたって均一に冷却されることがわかる。これは、主に、実施例の方が、比較例に比べて、凹部全体にヘリウムガスが十分にいきわたった結果によるものと推測される。

本実施の形態によれば、凹部１３ｄの底面１３ｆの中央に形成された中央導入孔１３ｊと凹部１３ｄの底面１３ｆの縁（優弧状縁１３ｈ）に沿って形成された複数の外側導入孔１３ｋとから導入された伝熱ガスは、凹部１３ｄ全体に十分にいきわたる。また、凹部１３ｄと環状溝１３ｅとに挟まれた静電吸着面１３ａの部分と基板２との間を介して漏れ出た伝熱ガスは、環状溝１３ｅに入り、基板２の縁近傍部分の温度調整に寄与する。これにより、基板２を静電吸着面１３ａによって静電吸着しつつ、伝熱ガスによって基板２の温度を全体にわたって均一にすることができる。

以上、上述の一実施の形態を挙げて本発明を説明したが、本発明は上述の実施の形態に限らない。

例えば、上述の実施の形態の場合、伝熱ガスは基板を冷却するガスであるが、本発明はこれに限らない。本発明は、基板を加熱する伝熱ガスであってもよい。

また、上述の実施の形態の場合、中央導入孔１３ｊと複数の外側導入孔１３ｋは、図４に示すように流路１６を介して連通し、また図１に示すように１つの伝熱ガス制御ユニット１７（伝熱ガス源）に接続されている。この場合、伝熱ガス系の構成がシンプルになる。しかしながら、本発明はこれに限らない。例えば、中央導入孔１３ｊと外側導入孔１３ｋとを連通させず、中央導入孔１３ｊと外側導入孔１３ｋそれぞれに別々の伝熱ガス制御ユニットからの伝熱ガスを供給するようにしてもよい。この場合、中央導入孔１３ｊからの伝熱ガス導入量と外側導入孔１３ｋからの伝熱ガス導入量とを別々に制御することができるため、より効率的に基板２全体の温度を均一にすることができる。

本発明は、サファイア基板のみならず、ドライエッチング処理が必要なあらゆる基板に対して使用可能である。

２ 基板
２ａ 優弧状縁
２ｂ 直線状縁
１１ 静電チャック
１３ 基板保持部
１３ａ 静電吸着面
１３ｂ 優弧状縁
１３ｃ 直線状縁
１３ｄ 凹部
１３ｅ 環状溝
１３ｆ 底面
１３ｇ 突起部
１３ｈ 縁（優弧状縁）
１３ｊ 第１の導入孔（中央導入孔）
１３ｋ 第２の導入孔（外側導入孔）

Claims (7)

1. ドライエッチング処理される基板を静電吸着する静電チャックにおいて、
   基板と相似形状の静電吸着面を備える基板保持部を有し、
   基板保持部が、
   静電吸着面の縁に沿って形成された環状溝と、
   環状溝に囲まれた静電吸着面の部分に且つ環状溝に沿って形成された凹部と、
   凹部の底面の中央に形成されて該凹部内に伝熱ガスを導入する第１の導入孔と、
   凹部の底面の縁に沿って形成されて該凹部内に伝熱ガスを導入する複数の第２の導入孔とを備え、
   前記環状溝の底面には伝熱ガスを導入するための導入孔が存在しないことを特徴とする、静電チャック。
2. 前記基板が、優弧状縁と直線状縁とから画定される形状であり、
   凹部の底面の形状が、基板の形状と相似し、
   複数の第２の導入孔が、凹部の底面の優弧状縁のみに沿って等間隔に形成されている、
   請求項１に記載の静電チャック。
3. 複数の基板保持部を有し、
   各基板保持部が、静電吸着面の直線状縁が静電チャックの外側に向いた状態で配置されている、請求項２に記載の静電チャック。
4. 第１の導入孔から下方に延びて外部の伝熱ガス源と接続される第１の流路と、
   第１の流路と複数の第２の導入孔とを接続する複数の第２の流路とを備える、請求項１から３のいずれか一項に記載の静電チャック。
5. 複数の第２の流路が、第１の流路から第２の導入孔それぞれに向かって延びる放射状の流路である、請求項４に記載の静電チャック。
6. 第１の導入孔の開口面積が、第２の導入孔の開口面積に比べて小さい、請求項４または５に記載の静電チャック。
7. 請求項１から６のいずれか一項に記載の静電チャックを有する、ドライエッチング装置。

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