JP5851131B2 - 静電チャック、真空処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電チャック、真空処理装置に係り、特に、基板の離脱を容易にする技術に用いて好適な技術に関する。

静電チャックは、載置台の上に誘電体層を設け、載置台とウェーハ（基板）の間に電圧を印加し、両者の間に発生した力によってウェーハを吸着する機構である。吸着方式の違いによって、誘電体として絶縁材料を使用するクーロン力型と、ジョンソン・ラベック力型に分類される。低電圧で強い吸着力を発揮するジョンソン・ラベック力型は、アルミナなどのセラミック製静電チャックに多く、耐熱性と耐プラズマ性の面で優れ、普及している。

このような静電チャックは、例えば半導体製造プロセスにおけるシリコンウェーハの固定のような真空プロセスで平面度よく吸着させたい場合などに利用されている。
特に、静電チャックは、ウェーハの保持および温度制御のために載置台、搬送系に用いられる。おもにエッチングやＣＶＤなどの装置で、機械的な保持具を使用しないためにウェーハ全面を均一に加工できることから、ウェーハの吸着固定用デバイスとして広く普及しており、ウェーハと静電チャックの間にＨｅなどの不活性ガスを流してウェーハを冷却させたり、ヒータと組み合わせてウェーハを加熱したりと、加工中のウェーハの温度を制御する目的と併せて使用されるケースがある。現在では、ＬＣＤガラスやプリント基板の固定用としても利用範囲が拡大している。

静電チャックは、機械的特性だけでなく、パーティクルの低減、純度の向上、耐プラズマ性、耐薬品性の向上に加え、成膜、エッチング時の温度の均一性と冷却特性の向上も求められている。そのため静電チャックの材質の改良と同時に、大型化するウェーハを均一に温度制御することが要請されている。
従来の静電チャック装置は、静電気を発生させる静電吸着用電極を吸着面の近傍に配置し、該静電吸着用電極を絶縁体で覆う構造としている。

しかし、プラズマ処理を繰り返し行うことにより静電チャック上に半導体ウェーハを多数回吸着させると、静電チャックの絶縁体表面や半導体ウェーハ自体に電荷が残留して、静電チャック上からウェーハを円滑に取り外すことができなかった。

残存電荷による影響を排除するために特別な機構を有する例として、ウェーハをチャックから離間するための機構を有するもの（特許文献１）、基板とチャックとの間にガスを導入するもの（特許文献２）、静電チャック内に帯電制御用の電極を別に有するもの（特許文献３）が知られている。

特開２００８−２０５４０７号公報 特開２００１−１８９３０１号公報 特開２００８−２５１７３７号公報

しかし、特許文献１、２に記載されるような従来の静電チャック装置では、容易に基板を離間させるために、特殊な電源を使用したりガス供給をしたり複雑な操作をしなくてはならないという問題を有していた。さらに、特許文献３の例においては、帯電制御用の電極を設けたことによりチャックが充分にされない、あるいは、チャック解除が迅速におこなえない、などの問題を有していた。
さらに、静電チャック上の基板において、処理特性の向上のため、面内熱均一性を保ったまま帯電チャックから逃げる熱量の低減を図りたいという要求があった。

本発明は、上記の事情に鑑みてなされたもので、熱状体の向上を図るとともに、静電チャックでチャックした基板からの除電を確実におこなうことで、静電チャックに吸着した基板の吸着解除および離脱を、特殊な電源を使用したり複雑な操作をしなくても容易に行うことができる汎用性の高い静電チャック、真空処理装置を提供するという目的を達成しようとするものである。

本発明の静電チャックは、被処理基板を吸着する誘電体層と、断熱プレートとが積層されてなる静電チャックであって、
前記断熱プレートの前記誘電体層側上面と側面とが帯電電荷逃避用導体膜で覆われてなるとにより上記課題を解決した。
本発明の真空処理装置は、上記の静電チャックが内部に設けられ気密性を有するチャンバと、
電気的にフローティング状態とされて導体からなるステージと、を有し、
該ステージに前記静電チャックが載置されて、前記帯電電荷逃避用導体膜の下端がその全周で前記ステージに接続され、
前記ステージの電気的容量を増大するために、該ステージは、平面視して、前記誘電体層よりも大きな径寸法で、かつ、該誘電体層よりも大きな厚み寸法を有することが可能である。
また、本発明において、前記ステージが電気的に絶縁した状態で保持されて高周波電力を供給するマッチングボックスが接続されるとともに、前記ステージには、高周波電力が供給されてない静電チャックの帯電逃避時に、前記ステージをアース状態に接続する切り替え手段が設けられてなる手段を採用することもできる。
また、前記静電チャックへの吸着用電力供給と前記ステージのアース接続状態を維持しながら前記ステージを回転可能とする回転手段を有することができる。

本発明の静電チャックは、被処理基板を吸着する誘電体層と、断熱プレートとが積層されてなる静電チャックであって、前記断熱プレートの前記誘電体層側上面と側面とが帯電電荷逃避用導体膜で覆われてなるとにより、前記誘電体層の下端部全周が、前記帯電電荷逃避用導体膜で断熱プレートの全周にわたって断熱プレートの下端側の外部と接続可能であるため、吸着していた基板を離間する際に、帯電した電荷を帯電電荷逃避用導体膜によって、速やかに外部に逃がすことができるため、短時間で誘電体層と基板との吸着を解除することができるとともに、電荷によって予期しない動きが発生することがない。
また、本発明において、前記誘電体層には、被処理基板の温度を設定するための温度調節手段が設けられてなることができる。なお、本発明において、静電チャックの誘電体層とは厳密に誘電体からなる部分だけではなく、被処理基板を吸着する静電吸着用電極およびその付近の帯電可能な部分を示すものである。また、被処理基板としては、半導体基板、ガラス基板他を適応することができる。

本発明の真空処理装置は、上記の静電チャックが内部に設けられ気密性を有するチャンバと、電気的にフローティング状態とされて導体からなるステージと、を有し、該ステージに前記静電チャックが載置されて、前記導体膜の下端がその全周で前記ステージに接続され、前記ステージの電気的容量を増大するために、該ステージの面積および厚さが前記静電チャックより大きく設定されてなることにより、静電チャックに帯電していた電荷を帯電電荷逃避用導体膜を介して速やかにステージに逃がすことが可能な程度にステージが大きな電気容量を有しているため、静電チャックを含む部分が真空処理装置内で電気的に絶縁状態とされた状態であっても、短時間で誘電体層と基板との吸着を充分に解除することができる程度に静電チャックに帯電していた電荷を速やかにステージに逃がすことが可能となり、したがって、電荷によって予期しない動きが発生することがなく、安定した位置設定をおこなうことが可能である。

また、本発明において、前記ステージには、前記静電チャックの帯電逃避時に、前記ステージをアース状態に接続する切り替え手段が設けられてなることにより、ステージに高周波が供給されるように、静電チャックを含む部分が真空処理装置内で電気的に絶縁状態とされている状態であっても、静電チャックが充分な容量と接続されているため、短時間で誘電体層と基板との吸着を解除することができるとともに、電荷によって予期しない動きが発生することがなく、安定した位置設定をおこなうことが可能である。

また、前記静電チャックへの吸着用電力供給と前記ステージのアース接続状態を維持しながら前記ステージを回転可能とする回転手段を有することで、回転可能な状態で、短時間で誘電体層と基板との吸着を解除することができる。

本発明によれば、ステージに載置された静電チャックが導体膜によってその全周でステージに電気的に接続され、かつ、ステージの電気的容量が大きく設定されていることにより、基板吸着解除時に、静電チャックに残余していた電荷を帯電電荷逃避用導体膜を介して速やかにステージに逃がすことが可能なため、静電チャックを含む部分が真空処理装置内で電気的に絶縁状態とされた状態であっても、短時間で確実に誘電体層と基板との吸着を充分に解除することができ、電荷によって予期しない動きが基板に発生することがなく、安定した基板の位置設定をおこなうことが可能であるという効果を奏することができる。

本発明に係る静電チャック、真空処理装置の第１実施形態を示す模式断面図である。 本発明に係る静電チャック、真空処理装置の他の実施形態を示す模式断面図である。 本発明に係る静電チャック、真空処理装置の第２実施形態を示す模式断面図である。

以下、本発明に係る静電チャック、真空処理装置の第１実施形態を、図面に基づいて説明する。
図１は、本実施形態における真空処理装置を模式的に示す正断面図であり、図において、符号１０は、真空処理装置である。

本実施形態における真空処理装置１０は、例えばプラズマ処理装置とされる。
真空処理装置１０には、図１に示すように、気密性を有して半導体ウェーハ（基板）１３に対してスパッタ、エッチング、成膜など所望のプラズマ処理を行う真空チャンバ（チャンバ）１２が設けられ、真空チャンバ１２内には、半導体ウェーハ１３を吸着する静電チャック１４が設けられる。さらに、真空チャンバ１２は、静電チャック１４が載置される導体からなるステージ１５と、このステージ１５に対向しステージ１５とともにプラズマ処理を行うための図示しない上電極と、チャンバ１２内に所定のガスを供給するガス供給口１６と、図示しない排気口とを有している。

真空処理装置１０においては、真空チャンバ２が、グランドに接続されたシャーシ１２ａと、電気的にフローティング状態とされて導体からなるステージ１５と、このステージ１５を電気的に絶縁状態として支持する絶縁支持部材１２ｂと、絶縁支持部材１２ｂに対してステージ１５を絶縁状態かつ密閉状態として支持するＯリング等の密閉支持部材１２ｃとからなっている。絶縁支持部材１２ｂは、ステージ１５の全周下側を密閉支持部材１２ｃを介して支持しており、絶縁支持部材１２ｂの外側はシャーシ１２に接続されている。
ステージ１５と絶縁支持部材１２ｂとは、密閉支持部材１２ｃを介した部分以外は互いに接触していない。
ステージ１５は、マッチングボックス１５ｂを介して高周波電源１５Ａに接続されている。

静電チャック１４は、静電力を利用して半導体ウェーハ１３を吸着させるためのアルミナセラミック等の誘電体層１４ａと、半導体ウェーハ１３および誘電体層１４ａから熱がステージ１５側に逃げることを防止する断熱プレート１４ｂと、この断熱プレート１４ｂを覆う帯電電荷逃避用導体膜１４ｃとからなる。

静電チャック１４の誘電体層１４ａは、半導体ウェーハ１３と略同等の径寸法とされる円盤状とされ、誘電体層１４ａ内部には、図示しないパターン形成された静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎおよびヒータ（温度調節手段）１４ｄ、１４ｄが埋め込まれて、この静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎおよびヒータ１４ｄ、１４ｄが、絶縁性材料よりなる誘電体層１４ａに被覆されるようにして設けられている。静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎは、半導体ウェーハ１３の主面と平行をなすようにパターン状に形成された導電部からなっている。また、静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎは、所望の印加電圧を発生してウェーハ１３を吸着するための静電チャック電源１４ｋに接続されている。ヒータ１４ｄは静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎよりも断熱プレート１４ｂ側深度に位置して、温度調節用に制御した供給電力をヒータ１４ｄに供給するヒータ電源１４ｅに接続されている。ヒータ１４ｄは、ウェーハ１３を面内均一な温度など所望の温度状態に加熱できるように、面内分布位置形状および面内加熱状態を制御可能とされている。

断熱プレート１４ｂは、石英、セラミック等の断熱材料からなり、誘電体層１４ａと略同等の径寸法とされる円盤状とされ、誘電体層１４ａと同心位置となるよう誘電体層１４ａと貼り合わせている。
断熱プレート１４ｂの上面１４ｆと側面１４ｇとは、帯電電荷逃避用導体膜１４ｃによって被覆されている。帯電電荷逃避用導体膜１４ｃの材質は、銅、アルミニウム、ニッケルなど各種の金属材料、導電性ペースト、インジウムスズ酸化物（ＩＴＯ）などの各種透明電極材料などから選択することができる。

帯電電荷逃避用導体膜１４ｃの形成方法は特に限定されず、例えば、銅箔などの金属薄膜を断熱プレート表面１４ｂに接着もしくは融着する方法、導電性ペーストをスクリーン印刷する方法、溶射により金属を断熱プレート表面１４ｂに堆積させる方法、スパッタリングにより金属を断熱プレート表面１４ｂに堆積させる方法、蒸着により金属を堆積させる方法、めっきにより金属を堆積させる方法、エッチングにより所定の金属パターンを形成する方法、サンドブラストにより不要部分を削り取る方法などを組み合わせることで形成することができる。

帯電電荷逃避用導体膜１４ｃの上面はその全体が誘電体層１４ａに接続されるとともに、帯電電荷逃避用導体膜１４ｃの下端部は、その全周が例えばＳＵＳとされる導電体からなるステージ１５に接続されている。
帯電電荷逃避用導体膜１４ｃの厚さ寸法は０．５〜２ｍｍ程度とされることが好ましい。
ステージ１５は、平面視して、少なくとも誘電体層１４ａよりも大きな径寸法で、かつ、誘電体層１４ａよりも大きな厚み寸法を有するように設定される。これらの帯電電荷逃避用導体膜１４ｃおよびステージ１５の寸法は、誘電体層１４ａでウェーハ１３を吸着解除した際に、残余の電荷が速やかに移動してウェーハ１３の吸着を短時間に解除できる程度に電荷が帯電電荷逃避用導体膜１４ｃを移動可能でステージ１５が大きな静電容量を有するように設定される。

次に、本実施形態の真空処理装置１０において、静電チャック１４が半導体ウェーハ１３を吸着する動作について説明する。
先ず静電チャック１４上に半導体ウェーハ１３を図示しないロボットハンド等の搬送手段によって載置する。

静電チャック電源１４ｋは、図示しない制御手段によって制御されて、印加電圧を静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎに出力する。定常の印加電圧を受けると、誘電体層１４ａの静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎ上側位置が帯電し静電チャック４と半導体ウェーハ１３との間で吸着力が働く。これにより、半導体ウェーハ１３は静電チャック１４に吸着される。本実施形態では、双極タイプの静電チャック１４としているが、単極タイプの静電チャックとすることもできる。

半導体ウェーハ１３が吸着された状態で、ガス供給口１６から所定のガスを供給し、マッチングボックス１５ｂを介して高周波電源１５Ａからステージ１５に高周波電力を供給してプラズマを発生させ、同時に図示しないヒータ等の温度制御手段によって温度状態を制御した半導体ウェーハ３の表面に所定の処理を施す。この際、断熱プレート１４ｂにより半導体ウェーハ１３からの熱がステージ１５側に逃げてしまうことが低減され、半導体ウェーハ１３の温度状態が面内均一となり、処理を確実におこなうことができる。

次に、静電チャック１４が半導体ウェーハ１３を離脱する本発明の動作について説明する。
プラズマによる半導体ウェーハ１３表面処理が終了すると、静電チャック電源１４ｋは、静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎへの電圧印加を解除し、誘電体層１４ａの静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎ上側位置に帯電している電荷を静電チャック電源１４ｋを介してアースに逃がして、静電チャック４と半導体ウェーハ１３との間における吸着力を解除する。
この際、静電チャック電源１４ｋを介してアースに逃げずに誘電体層１４ａに残留した電荷は、帯電電荷逃避用導体膜１４ｃを介してステージ１５に退避する。これにより、静電チャック４と半導体ウェーハ１３との間における吸着力を確実に低減して、半導体ウェーハ１３の離脱をほぼ確実におこなうことができる。
静電チャック１４上の半導体ウェーハ１３を図示しないロボットハンド等の搬送手段によって容易に搬出することができる。

本実施形態の静電チャック１４、真空処理装置１０は、吸着していた半導体ウェーハ１３の離脱時に誘電体層１４ａの残余電荷を帯電電荷逃避用導体膜からステージに移動可能なことにより、短時間で誘電体層１４ａとウェーハ１３との吸着を解除することができるとともに、電荷によってウェーハ１３の予期しない動きを防止できる。
この際、誘電体層１４ａの残余電荷を、帯電電荷逃避用導体膜１４ｃを介して速やかにステージ１５に逃がすことが可能な程度にステージ１５が大きな電気容量を有しているため、ステージ１５が真空処理装置１０内で電気的に絶縁状態とされた状態であっても、短時間で誘電体層１４ａとウェーハ１３との吸着を充分に解除することができる。
同時に、帯電電荷逃避用導体膜１４ｃと誘電体層１４ａとが平面視した全面で接続されるとともに、帯電電荷逃避用導体膜１４ｃの下端部全周がステージ１５に接続されていることにより、誘電体層１４ａの残余電荷を速やかにステージ１５に逃がすことが可能となる。これにより、電荷によるウェーハ１３に発生する予期しない動きを防止でき、安定した位置設定をおこなうことが可能である。

さらに、本実施形態において、図２に示すように、ステージ１５には、静電チャック１４の吸着解除時、つまり、誘電体層１４ａの帯電逃避時に、ステージ１５をアース状態に接続する切り替え手段１５ｋが設けられ、このステージ１５アース状態の切り替えは、静電チャック電源１４ｋによる静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎへの電圧印加解除と同期するように制御されることができる。なお図２ではヒータ１４ｄおよびその関係する構成を省略して図示している。
これにより、ステージ１５が真空処理装置１０内で電気的に絶縁状態とされている状態であっても、誘電体層１４ａの帯電逃避時に静電チャック１４をアースして、短時間で誘電体層１４ａとウェーハ１３との吸着を解除することができるとともに、帯電によってウェーハ１３に発生する予期しない動きを防止でき、より一層安定した位置設定をおこなうことが可能となる。

以下、本発明に係る静電チャック、真空処理装置の第２実施形態を、図面に基づいて説明する。
図３は、本実施形態における真空処理装置２０を模式的に示す正断面図であり、本実施形態において、図１または図２に示した第１実施形態と異なるのは回転手段に関する点であり、これ以外の対応する構成には同一の符号を付してその説明を省略する。

本実施形態において、ステージ１５Ａは、平面視して静電チャック１４と略等しい大きさとされる。また、ステージ１５Ａはシース１２ａに固定支持されていない。
本実施形態においては、ステージ１５Ａ、静電チャック１４を、吸着した半導体ウェーハ１３ごと回転可能とするために、ステージ１５Ａ裏面に固着された回転軸１５ｒと、この回転軸１５ｒを回転可能に軸支するとともに、密閉性を保持する磁性流体シール部１５ｊと、回転軸１５ｒ内に導かれた各導線を回転時に電気的接続を維持するための集電環（回転子）とブラシ（固定子）とからなる多極のスリップリング１５ｓと、回転軸１５ｒを回転駆動する回転駆動源であるモータ１５Ｍとが設けられている。これら回転軸１５ｒと、磁性流体シール部１５ｊと、スリップリング１５ｓと、モータ１５Ｍとは回転手段を構成する。
スリップリング１５ｓは、静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎと静電チャック電源１４ｋ、ヒータ１４ｄとータ電源１４ｅ、帯電電荷逃避用導体膜１４ｃと切り替え手段１５ｋ、ステージ１５Ａと高周波電源１５Ａとをそれぞれ接続するために必要な極数が設けられるが、図３には図示していない。

本実施形態において、図示しない制御部によりモータ１５Ｍを駆動して、ステージ１５Ａ、静電チャック１４を、吸着した半導体ウェーハ１３ごと回転する。これにより、プラズマ処理時に、ウェーハ１３表面を所望の状態に処理することが可能となる。また、静電チャック１４からのウェーハ１３離脱時に、ウェーハ１３を回転したまま、誘電体層１４ａに帯電した電荷を速やかに外部に逃がすことが可能となる。
これによりウェーハ１３の回転を維持した状態で、静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎへの電圧印加と、誘電体層１４ａから帯電退避させ、静電チャック１４からのウェーハ１３の離脱を速やかに行うことができる。

なお、本実施形態においては、図３に示すように、静電チャック１４において、例えばグラファイト等からなる板体の導電性基材１４ｑ周囲となる表面に静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎを、また、裏面にヒータ（温度調節手段）１４ｄを形成し、これら導体からなる静電吸着用電極１４ｍ、１４ｎ、ヒータ１４ｄをＰＢＮ（パイロリティックボロンナイトライド）やポリイミド等からなる絶縁膜で被覆して誘電体層１４ａを形成することができる。

さらに、断熱プレート１５においては、少なくとも、帯電した電荷を逃がすための導電性が必要な上面１４ｆおよび側面１４ｇを含む部分、例えばその表面の少なくとも厚さ数ｍｍの範囲から断熱プレート１５全体までの範囲で所定の割合が、導電性セラミック（アルミナやジルコニアに金属等の導電性物質を混合あるいは内包させたもの）からなることができる。

１０，２０…真空処理装置
１２…チャンバ
１２ｂ…絶縁支持部材１２ｂ
１３…半導体ウェーハ（基板）
１４…静電チャック
１４ａ…誘電体層
１４ｂ…断熱プレート
１４ｃ…帯電電荷逃避用導体膜
１４ｄ…ヒータ（温度調節手段）
１４ｆ…上面
１４ｇ…側面
１４ｋ…静電チャック電源
１５、１５Ａ…ステージ
１５ｋ…切り替え手段
１５ｊ…磁性流体シール部（回転手段）
１５Ｍ…モータ（回転手段）
１５ｒ…回転軸（回転手段）
１５ｓ…スリップリング（回転手段）

Claims (4)

1. 被処理基板を吸着する誘電体層と、断熱プレートとが積層されてなる静電チャックであって、
   前記断熱プレートの前記誘電体層側上面と側面とが帯電電荷逃避用導体膜で覆われてなることを特徴とする静電チャック。
2. 請求項１記載の静電チャックが内部に設けられ気密性を有するチャンバと、
   電気的にフローティング状態とされて導体からなるステージと、を有し、
   該ステージに前記静電チャックが載置されて、前記帯電電荷逃避用導体膜の下端がその全周で前記ステージに接続され、
   前記ステージの電気的容量を増大するために、該ステージは、平面視して、前記誘電体層よりも大きな径寸法で、かつ、該誘電体層よりも大きな厚み寸法を有することを特徴とする真空処理装置。
3. 前記ステージには、前記静電チャックの帯電逃避時に、前記ステージをアース状態に接続する切り替え手段が設けられてなることを特徴とする請求項２記載の真空処理装置。
4. 前記静電チャックへの吸着用電力供給と前記ステージのアース接続状態を維持しながら前記ステージを回転可能とする回転手段を有することを特徴とする請求項３記載の真空処理装置。

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