JP5953012B2 - 基板保持装置 - Google Patents

Description

本発明は、シリコンウエハ等の処理すべき基板を保持するために用いられる静電チャック付きの基板保持装置に関する。

半導体製造工程において所望のデバイス構造を得るためにＰＶＤ法、ＣＶＤ法等による成膜処理、イオン注入処理やエッチング処理などの処理が行われ、これらの処理を行う真空処理装置では、真空雰囲気中の処理室にて、処理すべき基板たるシリコンウエハ（以下、「ウエハ」という）を位置決め保持するために所謂静電チャック付きの基板保持装置が設けられている。

上記基板保持装置は、例えば、上記処理室底部に配置されて当該処理室内でウエハの処理面を上方に向けて保持するものとした場合、基板の輪郭に略一致した上面を備える金属製の基台と、基台の上面に設けられる静電チャックとから一般に構成される。静電チャックとしては、正負の電極を埋設した、窒化アルミニウムのセラミックスで構成されたチャック本体を備えたものが例えば特許文献１で従来から知られている。

ところで、上記真空処理装置内で行われる処理によっては、基板を所定温度に制御する場合があり、このような場合には、チャック本体に例えば抵抗加熱式の加熱手段が組み込まれると共に、基台に冷媒の循環を可能とする冷媒循環通路が形成される。ここで、静電チャックにて吸着された基板を、温度制御性よく所定温度まで昇温させるには、加熱手段への通電電流を高めるだけでなく、チャック本体から基台への熱引きを抑制する（即ち、チャック本体の冷却効率が低い）ことが必要となる。他方、上記基板を、温度制御性よく所定温度まで降温させるには、チャック本体から基台への熱引けを促進することが必要となる（チャック本体の冷却効率が高い）。このように上記基板保持装置においては、基板の昇温させる場合と降温させる場合とでは、相反する機能が求められる。

チャック本体から基台への熱引けを促進させる場合、この基台とチャック本体とを直接接触させると、または、両者間に熱伝導性のよい金属プレートを介在させることが提案されるが、基板の昇温及び降温を繰り返したとき、チャック本体内に急激な温度勾配が生じて、当該チャック本体に割れやかけが発生するという不具合が生じる。他方、熱容量が大きく、かつ、熱伝導性の悪い、シリコン酸化物のセラミックスプレート等の絶縁性プレートを、基台とチャック本体との間に介在させることが提案される。然し、このものでは、基板を所定温度に昇温させた後に冷却する場合や真空処理室内で実施される処理により基板に入熱するような場合に所定温度（例えば、１５０℃）以下には降温できない、つまり、ウエハの温度を広範囲に亘って制御できず、温度制御性が悪いという不具合が生じる。

特開２００８−２７７５４５号公報

本発明は、以上の点に鑑み、基板の昇温や降温を繰り返しても、チャック本体に割れやかけ等が発生することを防止できる基板の温度制御性の良い基板保持装置を提供することを課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、処理すべき基板を保持する基板保持装置において、冷却手段を有する基台と、当該基台から基板に向かう方向を上として、基台の上面に固定される、シリコン酸化物で構成される絶縁性プレートと、この絶縁性プレートの上面に設置され、正負の電極と加熱手段とを有する、窒化アルミニウムで構成されるチャック本体であって、全体が誘電体材料で構成されてその上面に基板が載置されるものと、を備え、基台上面と絶縁性プレートの下面との間に、これら基台及びプレートに直接密着して熱抵抗を低下させる所定厚さのシリコーンゴムからなるシート部材を介在させたことを特徴とする。

本発明によれば、チャック本体の下面に、比較的熱容量の大きい絶縁性プレートが存するため、静電チャックの両電極に通電して基板を吸着した後、チャック本体に設けた加熱手段を作動させて基板を加熱すると、均一性よく基板を所定温度まで昇温させることができる。そして、冷却手段を作動して基台を冷却し、基板を降温させるとき、絶縁性プレートの下面と基台上面との間にこれら基台及び絶縁性プレートに密着して熱抵抗を低下させる所定厚さのシート部材を介在させたため、絶縁性プレートを介した基台への熱引けが、当該シート部材を介在しない従来例のものと比較して促進されるようになり（即ち、冷却効率が向上）、上記従来例より低い所定温度まで基板を降温することができ、結果として、制御し得る基板の温度範囲が広がり、温度制御性が向上する。しかも、基板の昇温や降温を繰り返しても、チャック本体に急激な温度勾配が生じることが抑制され、チャック本体での割れやかけの発生を防止できる。なお、本発明においては、絶縁性プレートとしては、熱伝導率が、室温（２５℃）下で０．５〜５５Ｗ／ｍＫのものを用いればよい。また、絶縁性プレートの厚さは、制御すべき温度や当該絶縁性プレートの熱伝導率に応じて適宜設定される。

また、本発明においては、前記シート部材はシリコーンゴムからなることが好ましい。この場合、前記シート部材は、０．１〜３．５ｍｍの範囲の厚さを有することが好ましい。０．１ｍｍより薄いと、絶縁性プレートから基台への熱引けが促進されず、温度制御性が悪くなる。一方、３．５ｍｍを超えた厚さでも、シート部材自体の熱抵抗が大きくなり過ぎて温度制御性が悪くなる。更に、絶縁性プレートは、シリコン酸化物のセラミックスプレートで構成すればよい。

本発明の実施形態の基板保持装置の構成を模式的に示す図。 基板保持装置の温度制御性を確認する実験結果を示すグラフ。 基板保持装置で保持したウエハの温度分布を確認する実験結果を示すグラフ。

以下に図面を参照して、処理すべき基板をウエハＷとし、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法等による成膜処理、イオン注入処理やエッチング処理などの処理を行う真空処理装置の真空チャンバ（処理室：図示せず）の底部に配置されて、ウエハＷの処理面を上方に向けて保持する場合を例に本実施形態の基板保持装置Ｍを説明する。

図１に示すように、基板保持装置Ｍは、真空チャンバ底部に配置される基台１を備える。基台１は、熱伝導率のよいステンレス等の金属製であり、上面がウエハＷの輪郭に略一致した円筒形状である。基台１の内部には冷媒循環通路１１が形成されている。そして、図外のチラーユニットや冷却水循環ポンプにより冷媒循環通路１１内に冷媒を循環させて基台１が冷却される。基台１上面には、当該上面と同一面積でかつ所定厚さを有するシート部材２を介在させて、当該上面と同一面積でかつ所定厚さを有する絶縁性プレート３がボルト（締結手段）Ｂにより基台１上面に着脱自在に固定されている。この場合、ボルトＢによる締結は、絶縁性プレートの外周で２２．５度間隔で行われ、基台１へのボルトＢの締め付けトルクは、１４０〜２８０Ｎ・ｃｍの範囲に設定される。

シート部材２としては、上記の如く、基台１と絶縁性プレート３とを固定した場合、基台１上面と絶縁性プレート３の下面に、その全面に亘って夫々密着して熱抵抗を低下させるものであり、例えば、シリコーンゴム、ポリイミド等が挙げられる。シート部材２の厚さは、０．１〜３．５ｍｍの範囲の厚さを有することが好ましい。０．１ｍｍより薄いと、絶縁性プレート３を介した基台１への熱引けが促進されず、温度制御性が悪くなる。一方、３．５ｍｍを超えた厚さでも、シート部材２自体の熱抵抗が大きくなり過ぎて温度制御性が悪くなる。

他方、絶縁性プレート３としては、熱伝導率が室温（２５℃）下で０．５〜５５Ｗ／ｍＫの範囲であるものが用いられ、例えば、シリコン酸化物のセラミックスプレートが挙げられる。この場合、絶縁性プレート３の熱伝導率が上記範囲外であると、絶縁性プレート３自体の熱抵抗が大きくなり過ぎて温度制御性が悪くなったり、後述のチャック本体内に急激な温度勾配が生じて、このチャック本体に割れやかけが発生するという不具合が生じる。また、絶縁性プレート３の厚さは、真空チャンバ内で実施される処理の際に制御すべきウエハＷの温度（または温度範囲）や絶縁性プレート３自体の熱伝導率に応じて適宜設定することができ、シリコン酸化物のセラミックスプレートを用いる場合には、６〜１２ｍｍの範囲とされる。

絶縁性プレート３の上面には、所定厚さ（例えば１５ｍｍ）のチャック本体４が着脱自在に設置されている。チャック本体４は、例えば窒化アルミニウムのセラミックスで構成される。チャック本体４の下部には、抵抗加熱式のヒータ４１が内蔵され、このチャック本体４を所定温度に加熱、保持できる。また、チャック本体４の上部には、図示省略の絶縁層を介して正負の電極４２ａ、４２ｂが埋設され、図外のチャック電源から直流電圧が印加できるようになっている。

チャック本体４の上面は、ウエハＷの輪郭より一回り小さい輪郭であり、ウエハＷ裏面の外周縁部が面接触可能な環状のリブ部４３と、リブ部４３で囲繞された内部空間で同心状に立設された複数個の棒状の支持部４４とを備える。この場合、支持部４４の高さは、リブ部４３の高さより僅かに小さくなるように設定され、ウエハＷを吸着したときに、外周縁部には確実に接触するようになっている。

上記基板保持装置Ｍにおいて、チャック電源から両電極４２ａ、４２ｂへの電圧印加の制御やヒータ４１への通電等は、マイクロコンピュータ等からなる図外の制御ユニットにより統括制御される。そして、チャック本体４にウエハＷを載置した後、両電極間４２ａ、４２ｂに、図外のチャック電源により直流電圧を印加することで発生する静電気力でウエハＷがチャック本体４の表面で吸着される（この場合、ウエハＷはチャック本体４表面に略平行な状態となる）。以下に、本実施形態の基板保持装置Ｍによる基板の温度制御について説明する。

上記の如く、静電気力によりチャック本体４表面にウエハＷを吸着する。このとき、ウエハＷ裏面の外周縁部がリブ部４３とその全周に亘って面接触してウエハＷが略水平な状態となる。そして、ウエハＷの温度を所定温度（例えば、２５０℃）に昇温し、保持する場合には、チャック本体４に内蔵したヒータ４１を作動して当該チャック本体４を加熱し、チャック本体４からの伝熱によりウエハＷを加熱する。本実施形態のものでは、チャック本体４の下側に、導電性の金属等と比較して熱伝導率の小さい絶縁性プレート３が存するため、チャック本体４からウエハＷへと積極的に伝熱されるようになり、応答性よくウエハＷを所定温度まで昇温させることができる。

次に、所定温度に加熱されたウエハＷの温度を所定温度（例えば１００℃）に降温し、保持する場合、または、真空チャンバ内でのプロセスにより、例えばプラズマの輻射熱を受けて入熱するウエハＷの温度を所定温度まで降温し、保持する場合には、（加熱手段４１の作動時には、当該加熱手段４１の作動を停止した後）基台１に設けた冷媒循環通路１１に冷媒を循環させて、基台１を冷却する。本実施形態のものでは、絶縁性プレート３の下面と基台１上面との間に、これら基台１及びプレート３に密着して熱抵抗を低下させるシリコーンゴム製のシート部材２を介在させているため、絶縁性プレート３から基台１への熱引けが、当該シート部材２を介在しない場合と比較して促進されるようになり、一層低い所定温度までウエハＷを降温できて、制御し得るウエハＷの温度範囲が広がり、温度制御性が向上する。また、ウエハＷを所定温度に加熱した状態から所定温度まで冷却するような場合でも、チャック本体４には急激な温度勾配が生じることが抑制できる。

以上説明した本実施形態の基板保持装置Ｍによれば、ウエハＷを加熱、冷却するときの温度制御性がよく、しかも、チャック本体４に急激な温度勾配が生じることが抑制できるため、チャック本体４に割れやかけが発生するといったことを確実に防止できる。

次に、本発明の効果を確認するため、次の実験を行った。実験１では、基板保持装置Ｍが設置される処理装置としてスパッタリング装置を用いた。また、基板保持装置Ｍとして、ステンレス製の基台と、窒化アルミニウムのセラミックスで構成されたチャック本体との間に、シリコーンゴム製のシート部材及びシリコン酸化物のセラミックスプレートを介在させたもの（発明品）と、シリコン酸化物のセラミックスプレートのみを介在させたもの（比較品１）、窒化アルミニウムのセラミックスプレートのみを介在させたもの（比較品２）、シリコーンゴム製のシート部材及び窒化アルミニウムのセラミックスプレートを介在させたもの（比較品３）とを夫々用意した。この場合、各セラミックスプレートの厚さは、９ｍｍとし、また、シート部材の厚さは、０．２ｍｍとした。

スパッタリング条件として、ターゲットをアルミニウム製とし、ターゲットとウエハＷとの間の距離を、６０ｍｍとした。また、ターゲットへの投入電力を２２ｋＷ、スパッタ時の真空チャンバ内の圧力を６×１０^−１Ｐａに設定した。そして、各基板保持装置における電極への印加電圧を０．６〜０．８ｋＶに設定してウエハを吸着し、基台を循環させる冷媒（冷却水）の温度を、２０℃に設定し、スパッタリングによる成膜時におけるチャックプレート温度（℃）と基台に内蔵したヒータ電力（Ｗ）との関係を確認した。

図２には、測定結果を示すグラフである。図２中、−○−が発明品、−●−が比較品１、−◆−が比較品２、−◇−が比較品３である。これによれば、シリコーンゴム製のシート部材及び窒化アルミニウムのセラミックスプレートを介在させた比較品３では、チャックプレート温度を１００℃にするには、ヒータ電力として９００Ｗが必要となり、チャックプレートの冷却効率が高すぎて、大きなヒータ電力が必要になることが判る。また、比較品２では、ヒータ電力を制御しても成膜中のプラズマからの入熱等により、チャックプレートの温度を１７０℃以下に降温することができなかった。また、比較品２及び比較品３共、昇温及び降温を所定回数繰り返すと、セラミックスプレートに割れが確認された。

比較品１では、ウエハの昇温及び降温を所定時間繰り返しても、チャック本体に割れの発生は確認できなかったものの、ヒータ電力を制御しても成膜中のプラズマからの入熱等により、２２５℃以下の温度にすることはできなかった。それに対して、発明品では、スパッタリング中に１００℃〜３００℃の温度範囲のときのヒータ電力が２５０Ｗ〜９００Ｗであり、制御性よくチャックプレートの温度、ひいてはウエハ（基板）温度を変えることができることが確認された。

次に、上記各基板保持装置にて、チャックプレートの温度に対するウエハ面内の温度分布（最大温度差）を測定した。図３は、その結果を示すグラフである。図３中、−○−が発明品、−●−が比較品１、−◆−が比較品２、−◇−が比較品３である。これによれば、発明品や比較品１の如く、シリコン酸化物のセラミックスプレートを用いる方が、基板内温度の分布がよく、窒化アルミニウムのセラミックスプレートを用いた場合には、冷却効率が高くなる程、分布が悪化することが確認された。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。静電チャックとして、所謂双極型のものを例に説明したが、他の形式のものであっても本発明は適用できる。また、加熱手段や冷却手段を設ける位置や方法も上記に限定されるものではない。更に、上記実施形態では、シート部材２を、基台１上面と絶縁性プレート３の下面にその全面に亘って夫々密着する大きさとしたが、これに限定されるものではなく、局所的に設けるような構成でもよい。

Ｍ…基板保持装置、１…基台、１１…冷媒循環通路、２…シート部材（シリコーンゴム）、３…シリコン酸化物のセラミックスプレート（絶縁性プレート）、４…チャック本体、４１…加熱手段、４２ａ、４２ｂ…電極。

Claims (4)

1. 処理すべき基板を保持する基板保持装置において、
   冷却手段を有する基台と、当該基台から基板に向かう方向を上として、基台の上面に固定される、シリコン酸化物で構成される絶縁性プレートと、
   この絶縁性プレートの上面に設置され、正負の電極と加熱手段とを有する、窒化アルミニウムで構成されるチャック本体であって、全体が誘電体材料で構成されてその上面に基板が載置されるものと、を備え、
   基台上面と絶縁性プレートの下面との間に、これら基台及びプレートに直接密着して熱抵抗を低下させる所定厚さのシリコーンゴムからなるシート部材を介在させたことを特徴とする基板保持装置。
2. 前記シート部材は、０．１〜３．５ｍｍの範囲の厚さを有し、前記絶縁性プレートは、６ｍｍ〜１２ｍｍの厚さを有することを特徴とする請求項１記載の基板保持装置。
3. 前記基台と、前記シート部材と、前記絶縁性プレートとが、締結手段で着脱自在に固定されることを特徴とする請求項１または請求項２記載の基板保持装置。
4. 前記締結手段はボルトであり、その締め付けトルクを１４０〜２８０Ｎ・ｃｍに設定されることを特徴とする請求項３記載の基板保持装置。

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