JP6520160B2 - 静電チャック装置 - Google Patents
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Description
従来、プラズマエッチング装置等のプラズマを用いた半導体製造装置においては、試料台に簡単にウエハを取付け、固定するとともに、ウエハを所望の温度に維持する装置として静電チャック装置が使用されている。
本発明の静電チャック装置は、供給する前記伝熱ガスの圧力を制御する制御部をさらに有し、前記制御部は、前記板状試料の前記第2領域に載置される部分の温度が前記第1領域に載置される部分の温度より低くなった場合に前記伝熱ガスのガス圧を低くし、前記制御部は、前記板状試料の前記第2領域に載置される部分の温度が前記第1領域に載置される部分の温度より高くなった場合に前記伝熱ガスのガス圧を高くする。
第1領域では、粘性流の特性により、伝熱ガスのガス圧を変えても、その熱伝達率が変わらない。このため、第1領域では、伝熱ガスのガス圧は、板状試料の温度制御に影響を与えない。一方で、第2領域では、分子流の特性により、伝熱ガスのガス圧を変えることで、その熱伝達率が変わり、板状試料の温度制御を行うことができる。
したがって、第1領域の伝熱ガスが粘性流が支配的となるガス圧以上では、ガス圧を変えることで、第1領域の温度制御に影響を与えることなく第2領域の温度制御を行うことができる。
載置面において、外部環境に影響を受けやすい領域を第2領域として、第2領域を第1領域の温度に近づけるように制御することで、載置面の温度分布を均一にできる。また、このような領域ごとの温度制御を、第1領域と第2領域とにそれぞれ伝熱ガスの経路を設けることなく、1系統のガス経路のみで行うことができる。このため、静電チャック装置のガス系統の構造を単純化してコストを低減できる。また、伝熱ガスGの圧力制御が単純化され容易となる。
また、第3領域は、第1領域および第2領域より載置面の底面と板状試料との隙間が0.5μm以上5μm以下と狭いために、伝熱ガスが流出しにくい。このため、第1領域および第2領域に伝熱ガスが留まりやすくなり、第1領域および第2領域に十分に伝熱ガスを行き渡らせることができる。したがって、第1領域および第2領域における伝熱ガスによる冷却効果を十分に高めることができる。
また、第3領域の突起部の単位面積当たりの密度を第2領域の突起部の単位面積当たりの密度より高くする場合には、第2領域から第3領域への伝熱ガスの流出を抑えることができ、第1領域および第2領域に十分に伝熱ガスを行き渡らせることができる。したがって、第1領域および第2領域における伝熱ガスによる冷却効果を十分に高めることができる。
加えて、第3領域において、載置面の底面と板状試料との隙間から伝熱ガスが一定量だけ流出する。伝熱ガスの流出により載置面内の異物が除去され、突起部と板状試料との間に、異物が介在しにくくなる。即ち、異物により突起部と板状試料との接触が不完全となることを防止できるため、載置面全体において、接触熱伝導を安定して行い、温度の不均一化を抑制できる。
なお、ここで1系統とは、一つの圧力制御系統を持つことを意味する。したがって、冷却手段を1系統とする場合には、複数の伝熱ガスの供給経路を有していたとしても、これらの経路中を流れる伝熱ガスのガス圧は、共通している。
なお、以下の説明で用いる図面は、特徴部分を強調する目的で、便宜上特徴となる部分を拡大して示している場合があり、各構成要素の寸法比率などが実際と同じであるとは限らない。また、同様の目的で、特徴とならない部分を省略して図示している場合がある。各図には、Z軸を図示する。本明細書において、Z軸は、必要に応じて載置面と直交するする方向である。また、載置面が向く方向である上面を+Z方向とする。
静電チャック装置1は、冷却ベース部3、樹脂層8、静電チャック部2がこの順に図1の+Z方向(高さ方向)に積層された構造を有する。
以下、各部の詳細について説明する。
リフトピン25は、板状試料Wを載置面19から離脱させるために複数設けられている。リフトピン25は、載置面19から伸長し板状試料Wを支持する。複数のリフトピン25は、収容孔(貫通孔)62に収容されている。収容孔62は、静電チャック装置1を貫通する。収容孔62は、内周面に碍子23が設けられている。碍子23は、収容孔62の冷却ベース部3を貫通する部分から樹脂層8を貫通する部分の中程に亘って設けられている。碍子23は、リフトピン25と冷却ベース部3とが電気的に接続されることを防止する。
冷却手段60は、載置面19に伝熱ガスGを供給する。より具体的には、突起部30A、30B、30Cが形成される載置面19の底面18A、18B、18Cと板状試料Wとの間に、伝熱ガスGを供給する。伝熱ガスGとしては、一例としてHe等の冷却ガスを用いることができる。
貫通孔61は、静電チャック装置1の下面から載置面19に達している。貫通孔61は、載置面19において、第1領域AR1に開口している。本実施形態では、貫通孔61は、載置面19の中央に開口している。収容孔62は、貫通孔61の一形態であり、リフトピン25を収納する以外の機能は貫通孔61と同様である。
静電チャック部2は、円板形状を有する。
静電チャック部2は、上面が半導体ウエハ等の板状試料Wを載置する載置面19とされた載置板11と、載置板11と一体化された支持板12と、これら載置板11と支持板12との間に設けられた静電吸着用内部電極13と、支持板12を貫通するようにして設けられ静電吸着用内部電極13に直流電圧を印加する給電用端子15と、を有している。
伝熱ガスGは、第1領域AR1において、板状試料Wと第1底面18Aとの高さ方向の隙間を流れる。伝熱ガスGは、第2領域AR2において、板状試料Wと第2底面18Bとの高さ方向の隙間を流れる。同様に伝熱ガスGは、第3領域AR3において、板状試料Wと第3底面18Cとの高さ方向の隙間を流れる。
粘性流とは流体の流れにおいて流体を構成する分子同士の衝突が支配的となっている流れである。粘性流においては、伝熱ガスGの熱伝達率はガス圧にほとんど依存しない。即ち、伝熱ガスGの圧力を変えても、熱伝達率は殆ど変わらない。したがって、伝熱ガスGのガス圧を変更した場合であっても、第1突起部30Aに支持される板状試料Wの温度状態は、ほとんど変化しない。
分子流とは、分子と壁面(本実施形態においては、載置面19の底面18B、18C、又は板状試料W)との衝突が支配的となっている流れである。分子流においては、分子と壁面との衝突が支配的であるために、伝熱ガスGの熱伝達率はガス圧と強い相関関係がある。即ち、分子流においては、ガス圧が高めることで熱伝達率を高めることができる。
静電チャック装置1の載置面19に搭載された板状試料Wは、その周縁部に近づくほどに外部からの影響を受け、均一な温度制御が困難となる。伝熱ガスGのガス圧によって温度を制御可能な第2領域AR2を第1領域AR1の周囲を囲むように配置することで、外部からの影響に応じて、ガス圧を制御し、第2領域AR2に載置された板状試料Wの温度分布を均一にすることができる。
板状試料Wの温度制御は、突起部30A、30B、30Cとの熱伝導と、伝熱ガスGによる熱伝達とによって行われる。突起部30A、30B、30Cと板状試料Wとの接触面積の総和の占める比率を載置面の総面積に対して20%以下(より好ましくは10%以下)とすることで、板状試料Wと突起部30A、30B、30Cとの熱伝導の影響を小さくして、伝熱ガスGの熱伝達の影響を相対的に大きくできる。これにより、第2領域AR2の温度制御を、伝熱ガスGのガス圧により容易に行うことができる。
また、突起部30A、30B、30Cと板状試料Wの総和が小さすぎる場合には、接触面積が不足して突起部30A、30B、30Cと接触する板状試料Wが過度に変形する虞がある。突起部30A、30B、30Cと板状試料Wとの接触面積の総和の占める比率を載置面の総面積に対して0.01%以上とすることで、過度に板状試料Wを変形させることのない十分な接触面積を確保して板状試料Wを突起部30A、30B、30Cにより支持できる。
クラックは、セラミック焼結体中のセラミック粒子の粒界に形成される。したがって、セラミック粒子の粒径が大きい場合には、バフ研磨を経ることで、粒界に沿って大きく角部が除去される。セラミック粒子の粒径が大きくなるほど、突起部30A、30B、30Cはより丸みを帯びた形状となる。突起部30A、30B、30Cは、板状試料Wの吸着、離脱を繰り返すことで摩耗する。突起部30A、30B、30Cは、摩耗しても板状試料Wとの接触面積が変わらないことが好ましい。したがって、突起部30A、30B、30Cは、高さ方向に断面積の変化がないことが好ましい。即ち、突起部30A、30B、30Cは丸みを帯びていないことが好ましい。セラミックス粒子の平均粒径は10μm以下(より好ましくは2μm以下)とすることで、高さ方向に沿った断面積の変化を抑制した突起部30A、30B、30Cを載置面19に形成することができる。
静電吸着用内部電極13は、酸化アルミニウム−炭化タンタル(Al2O3−Ta4C5)導電性複合焼結体、酸化アルミニウム−タングステン(Al2O3−W)導電性複合焼結体、酸化アルミニウム−炭化ケイ素(Al2O3−SiC)導電性複合焼結体、窒化アルミニウム−タングステン(AlN−W)導電性複合焼結体、窒化アルミニウム−タンタル(AlN−Ta)導電性複合焼結体、酸化イットリウム−モリブデン(Y2O3−Mo)導電性複合焼結体等の導電性セラミックス、あるいは、タングステン(W)、タンタル(Ta)、モリブデン(Mo)等の高融点金属により形成されている。
静電吸着用内部電極13は、スパッタ法や蒸着法等の成膜法、あるいはスクリーン印刷法等の塗工法により形成できる。
冷却ベース部3としては、例えば、その内部に冷媒として水を循環させる流路(図示略)が形成された水冷ベース等が好適である。
冷却ベース部3を構成する材料としては、熱伝導性、導電性、加工性に優れた金属、またはこれらの金属を含む複合材であれば特に制限はなく、例えば、アルミニウム(Al)、アルミニウム合金、銅(Cu)、銅合金、ステンレス鋼(SUS)等が好適に用いられる。冷却ベース部3の少なくともプラズマに曝される面は、アルマイト処理が施されているか、あるいはアルミナ等の絶縁膜が成膜されていることが好ましい。
なお、伝熱ガスGの圧力による、第2領域AR2および第3領域AR3の温度制御は、第1領域AR1との温度差を抑制し面内の温度分布を均一にするものである。本実施形態の静電チャック装置1は、温度を調整する手段として、さらにヒータエレメント5および冷却ベース部3を有している。第1、第2、第3領域AR1、AR2、AR3に対する一括した温度調整は、ヒータエレメント5に流す電流調整および冷却ベース部3に流す冷媒の流量調整などにより行うことができる。
Claims (9)
- セラミック焼結体を形成材料とし、一主面が板状試料を載置する載置面である静電チャック部と、
前記載置面に載置された前記板状試料を冷却する冷却手段と、を備え、
前記載置面には、前記板状試料を支持する複数の突起部が設けられ、
前記冷却手段は、前記複数の突起部の間に伝熱ガスを供給し、
前記複数の突起部は、複数の第1突起部と、前記第1突起部よりも低い複数の第2突起部と、を有し、
前記複数の第1突起部は、前記載置面において前記複数の第1突起部が集まる第1領域を形成し、前記第1領域における前記伝熱ガスの流れは、粘性流が支配的となる高さに設定され、
前記複数の第2突起部は、前記載置面において前記複数の第2突起部が集まる第2領域を形成し、前記第2領域における前記伝熱ガスの流れは、前記第1領域に比較して分子流が支配的となる高さに設定され、
前記複数の第2突起部の高さは、2μm以上20μm以下であり、
前記複数の第1突起部の高さは、20μm以上80μm以下であり、
供給する前記伝熱ガスの圧力を制御する制御部をさらに有し、
前記制御部は、前記板状試料の前記第2領域に載置される部分の温度が前記第1領域に載置される部分の温度より低くなった場合に前記伝熱ガスのガス圧を低くし、
前記制御部は、前記板状試料の前記第2領域に載置される部分の温度が前記第1領域に載置される部分の温度より高くなった場合に前記伝熱ガスのガス圧を高くする、静電チャック装置。 - 平面視における前記載置面の総面積に対し、平面視における前記突起部と前記板状試料との接触面積の総和が占める比率を0.01%以上、20%以下とする請求項1に記載の静電チャック装置。
- 前記静電チャック部を平面視したとき、前記第2領域は前記第1領域の周囲を囲むように設けられている請求項1又は2に記載の静電チャック装置。
- 前記第1領域および前記第2領域は、平面視で同心円状に設定され、
前記静電チャック部は、平面視で円形を呈する前記第1領域の中央に1つの貫通孔を有し、
前記冷却手段は、前記貫通孔を介して前記伝熱ガスを供給する請求項3に記載の静電チャック装置。 - 前記静電チャック部は、前記第1領域に貫通孔を有し、
前記冷却手段は、前記貫通孔を介して前記伝熱ガスを供給する請求項1から3のいずれか1項に記載の静電チャック装置。 - 前記静電チャック部は、前記載置面から伸長し前記板状試料を支持する複数のリフトピンと、
前記複数のリフトピンをそれぞれ収容する複数の収容孔と、を有し、
前記冷却手段は、前記収容孔を介して前記伝熱ガスを供給する請求項1から5のいずれか1項に記載の静電チャック装置。 - 前記複数の収容孔のうち少なくとも一部の収容孔は、前記第1領域に配置され、
前記冷却手段は、前記第1領域に配置された前記収容孔を介して前記伝熱ガスを供給する請求項6に記載の静電チャック装置。 - 前記静電チャック部を平面視したとき、前記第2領域は前記第1領域の周囲を囲むように設けられ、
前記複数の突起部は、複数の第3突起部を有し、
前記複数の第3突起部の高さは、0.5μm以上5μm以下であり、且つ前記第2突起部と同じ、もしくは低く設定されており、
前記複数の第3突起部が集まる第3領域は、前記静電チャック部を平面視したとき、前記第2領域の周囲を囲むように設けられている請求項1から7のいずれか1項に記載の静電チャック装置。 - 前記冷却手段は、1系統の配管から前記伝熱ガスを供給する請求項1から8のいずれか1項に記載の静電チャック装置。
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