JP6558184B2 - 静電チャック装置 - Google Patents

Description

本発明は、静電チャック装置に関するものである。

プラズマエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置等のプラズマを用いた半導体製造装置においては、従来から、試料台に簡単にウエハを取付け、固定するとともに、この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。

このような静電チャック装置としては、例えば、内部に静電吸着用の板状電極を埋設したセラミック基体と、内部に冷媒循環用の冷媒流路が形成されたベース部と、を接着層にて接合一体化したものが知られている。
近年の半導体の大口径化やパターンの微細化に伴い、静電チャック装置に求められる特性も高まっている。

特許文献１には、ウエハを載置する面の温度分布を均一にするために、セラミック基体とベース部との間に加熱部材を取り付けたヒータ機能付き静電チャック装置が提案されている。加熱部材は、金属箔、またはシート状導電性部材からなる帯状の配線であり、接着材によりセラミック基体の裏面に貼り付けられている。
このヒータ機能付き静電チャック装置は、ウエハ内に局所的に温度分布を作ることができるので、ウエハの面内温度分布を膜堆積速度やプラズマエッチング速度に合わせて設定することにより、ウエハ上へのパターン形成などの局所的な膜形成や局所的なプラズマエッチングを効率よく行なうことができる。

特開２００８−３００４９１号公報

セラミック基体の裏面に接着固定された配線状の加熱部材には、加熱部材に電力を供給するための電極端子が接続される。加熱部材と電極端子との接続には、溶接、導電性接着剤による接着、ろう付け、はんだ付けまたはねじ止め等の接続方法が用いられる。

上述の特許文献１に記載されたような静電チャック装置では、加熱部材の厚さは０．２ｍｍ以下と薄いため、加熱部材と電極端子とを接続する際に、加熱部材が破断する問題があった。

また、加熱部材と電極端子との接続部分には、電力供給に伴う発熱による熱応力、およびセラミック基体等の構成部材の熱膨張係数差に起因する応力が生じる。この応力によって、加熱部材と電極端子との接続部分が破損する問題があった。

以上のことから、加熱部材と電極端子との接続には、上述のような破損を抑制することが求められていた。

本発明の一態様は、加熱部材と電極端子とを接続しやすく、使用時に接続部分が破損しにくい静電チャック装置を提供することを目的の一つとする。

上記の課題を解決するため、本発明の一態様は、一主面が板状試料を載置する載置面である基体と、基体の内部に設けられた静電吸着用電極と、基体において載置面とは反対側の面に設けられた加熱部材と、加熱部材において基体側の面とは反対側に接続された電極端子と、を有し、基体は、反対側の面において電極端子と平面的に重なる位置に凹部が設けられ、凹部の内部には、金属材料を形成材料とする裏打ち材が配置されている静電チャック装置を提供する。

本発明の一態様においては、加熱部材は、Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｎｂおよびこれらの金属を基材料とする非磁性合金からなる群から選ばれる金属材料であることが好ましい。

本発明の一態様においては、電極端子は、加熱部材に、溶接、ろう付け、はんだ付けまたはねじ止めにより固定されていることが好ましい。

本発明の一態様によれば、加熱部材と電極端子とを接続しやすく、使用時に接続部分が破損しにくい静電チャック装置が提供される。

本実施形態に係る静電チャック装置を示す断面図である。 図１に示す静電チャック装置の加熱部材の一例を示す平面図である。

以下に静電チャック装置の各実施形態について、図面に基づき説明する。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。

図１は、本実施形態の静電チャック装置１００を示す断面図である。

静電チャック装置１００は、板状試料Ｗを載置する円板状の静電チャック部２０と、静電チャック部２０を冷却する円板状の冷却ベース部５０と、これらを接着一体化する樹脂層８０と、を有している。換言すると、静電チャック装置１００は、冷却ベース部５０、樹脂層８０、静電チャック部２０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。

また、静電チャック部２０は、静電吸着用電極２３と、静電吸着用電極２３に電圧を印加する静電吸着用電極端子２４と、を有している。

静電チャック部２０は、板状試料Ｗを載置する第１の面（一主面、積載面）２０ａと、その反対側の第２の面２０ｂとを有している。第２の面２０ｂには固定層６により固定された加熱部材（配線、ヒータパターン）７が設けられている。加熱部材７の下面（−Ｚ側の面）には加熱部材７に電力を供給するための電極端子４０が固定されている。

また、静電チャック部２０は、第２の面２０ｂにおいて、電極端子４０と平面的に重なる位置に凹部１０が設けられている。凹部１０の内部には、金属材料を形成材料とする裏打ち材１１が挿入されている。

冷却ベース部５０は、静電チャック部２０と対向する第１の面５０ａと、その反対側であり静電チャック装置１００の取付面となる第２の面５０ｂとを有する。

冷却ベース部５０には、厚さ方向に貫通する貫通孔５１が設けられている。貫通孔５１には、絶縁管（碍子）１５が埋設されている。絶縁管１５には、給電端子３２、固定板１６、接続線３３、並びに電極端子４０が内挿されている。電極端子４０は、静電チャック部２０に内挿された裏打ち材１１とともに、加熱部材７に固定されている。

以下、図１を基に、各部の構成について詳細に説明する。

＜静電チャック部＞
静電チャック部２０は、半導体ウエハ、金属ウエハ、ガラス基板等の板状試料Ｗを載置する載置板２１と、載置板２１に対向配置された支持板２２と、載置板２１と支持板２２の間に挟まれた静電吸着用電極２３と、支持板２２に埋設された静電吸着用電極端子２４と、を有している。

載置板２１および支持板２２を含む構造が、本実施形態における基体である。この基体は、重ね合わせた面の形状を同じくする円板状のものである。載置板２１および支持板２２は、酸化アルミニウム−炭化ケイ素（Ａｌ_２Ｏ_３−ＳｉＣ）複合焼結体、酸化アルミニウム（Ａｌ_２Ｏ_３）焼結体、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体、酸化イットリウム（Ｙ_２Ｏ_３）焼結体等の、機械的な強度と腐食性ガスおよびそのプラズマに対する耐久性を有する絶縁性のセラミックス焼結体からなるものが好ましい。

また、載置板２１を上記のセラミックス焼結体とし、支持板２２をポリイミドなどの絶縁性の樹脂とすることで、安価かつ加工が容易な構造を有していてもよい。

載置板２１の一面であり板状試料Ｗを載置する第１の面２０ａには、直径が板状試料Ｗの厚さより小さい突起部２６が複数個形成されており、突起部２６が板状試料Ｗを支える構成となっている。

支持板２２には、厚さ方向に貫通する孔２２ａが設けられている。孔２２ａには、静電吸着用電極端子２４が挿通する。

静電吸着用電極２３は、電荷を発生させて静電吸着力で板状試料Ｗを固定するための静電チャック用電極として用いられるもので、その用途によって、その形状や、大きさが適宜調整される。

静電吸着用電極２３の材料は、載置板２１および支持板２２に使用する材料との熱膨張差や耐熱性などを考慮して選定される。例えば、静電吸着用電極２３は、酸化アルミニウム−炭化タンタル（Ａｌ_２Ｏ_３−Ｔａ_４Ｃ_５）導電性複合焼結体、酸化アルミニウム−タングステン（Ａｌ_２Ｏ_３−Ｗ）導電性複合焼結体、酸化アルミニウム−炭化ケイ素（Ａｌ_２Ｏ_３−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（Ｙ_２Ｏ_３−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）等の高融点金属や、銀（Ａｇ）、炭素（Ｃ）等を使用することができる。

静電吸着用電極２３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容易に形成することができる。

静電吸着用電極端子２４は、静電吸着用電極２３に直流電圧を印加するために設けられている。静電吸着用電極端子２４は、静電吸着用電極２３から孔２２ａを挿通して厚さ方向に延び、静電チャック部２０の第２の面２０ｂに露出している。静電吸着用電極端子２４には、図示略の直流電源回路が接続され、静電吸着用電極２３に電圧を印加する構成となっている。

静電吸着用電極端子２４の材料は、耐熱性に優れた導電性材料であれば特に制限されるものではないが、熱膨張係数が静電吸着用電極２３および支持板２２の熱膨張係数に近似したものが好ましい。例えば、静電吸着用電極２３を構成している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）、ニオブ（Ｎｂ）、コバール合金等の金属材料が好適に用いられる。

支持板２２の一面であり加熱部材７が接合されている第２の面２０ｂには、加熱部材７に電力を供給する電極端子４０と平面的に重なる位置に、裏打ち材１１が埋設されている。

＜加熱部材＞
加熱部材７は、帯状のヒータであり、静電チャック部２０の第２の面２０ｂに接着材もしくは金属ろう材等の固定層６を介して固着されている。

図２に第２の面２０ｂに形成された加熱部材７の一例を示す。加熱部材７は、例えば、相互に独立した２つのヒータ（７ａ、７ｂ）から構成されていることが好ましい。

ヒータ７ａおよび７ｂは、それぞれが、帯状に蛇行させた金属材料のヒータ、即ち配線であり、第２の面２０ｂ全体に固着されている。ヒータ７ａの端部８Ｂおよびヒータ７ｂの端部８Ａには電極端子４０が接続されている。電極端子４０から供給される電流によって、ヒータ７ａおよび７ｂは発熱する。

加熱部材７は、上記のように相互に独立した２つ以上のヒータにより構成してもよいが、１つのヒータパターンにより構成することもできる。しかしながら、本実施形態のように、複数の相互に独立したヒータにより構成することで、各ヒータを個々に制御して、載置板２１の載置面に静電吸着により載置されている板状試料Ｗの面内温度分布を自由にかつ精度良く制御できる。

加熱部材７は、フォトリソグラフィー法により、金属製板を所望のパターンにエッチング加工することで形成できる。

加熱部材７は、厚さが０．２ｍｍ以下、好ましくは０．１ｍｍ以下の一定の厚さを有する。加熱部材７の厚さが０．２ｍｍを超えると、加熱部材７のパターン形状が板状試料Ｗの温度分布として反映され、板状試料Ｗの面内温度を所望の温度パターンに維持することが困難になる。

また、加熱部材７を一定の厚さとすることで、加熱部材７の発熱量も加熱面全域で一定とすることができる。これにより、静電チャック部２０の第１の面２０ａにおける温度分布を均一化できる。

加熱部材７は、Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｎｂおよびこれらの金属を基材料とする非磁性合金からなる群から選ばれる金属材料からなることが好ましい。

加熱部材７が上述の金属で形成されることによって、本発明の一態様に係る静電チャック装置を、高周波雰囲気中で用いても、加熱部材７が高周波により自己発熱しない。したがって、高周波雰囲気中であっても、板状試料の面内温度を所望の一定温度または一定の温度パターンに維持することが容易となる。

固定層６は、加熱部材７を静電チャック部２０の第２の面２０ｂに接着するために設けられており、加熱部材７と同一の平面形状を有する。

固定層６が接着材である場合には、シート状またはフィルム状の接着性樹脂であり、耐熱性および絶縁性を有するものであることが好ましく、ポリイミド樹脂、シリコーン樹脂、エポキシ樹脂等を採用できる。

固定層６の厚さは５μｍ以上１００μｍ以下が好ましく、より好ましくは１０μｍ以上５０μｍ以下である。固定層６の面内の厚さのバラツキは１０μｍ以内が好ましい。固定層６の面内の厚さのバラツキが１０μｍを超えると、静電チャック部２０と加熱部材７との面内間隔に１０μｍを超えるバラツキが生じる。その結果、加熱部材７から静電チャック部２０に伝達される熱の面内均一性が低下し、静電チャック部２０の載置面における面内温度が不均一となる虞がある。

＜電極端子＞
電極端子４０は、加熱部材７に接合される対向面４１ａ側（＋Ｚ側）に設けられた円形の鍔部４１と、鍔部４１から立設された円柱部４２とを有している。

電極端子４０の材料は金属または金属とセラミックスの複合体であり、加熱部材７の材料と同じ材料、若しくは加熱部材７の材料と同じ材料と他の材料の複合材料とすることが好ましい。

円柱部４２の端面４２ａには、接続線３３が接続される。電極端子４０と接続線３３とは、溶接またははんだ付け等の接続方法で接続する。また、電極端子４０の円柱部４２を雄ネジ部と雌ネジ部の分割構造とする等して、雄ネジ部と雌ネジ部の間に接続線３３を機械的に挟み込んで電気的な接続を行ってもよい。

電極端子４０は、加熱部材７に溶接、ろう付け、はんだ付けまたはねじ止めにより固定されているのが好ましい。また、固定方法によって、電極端子４０を介して加熱部材７に電流を流す際の接続部の発熱量が異なる。したがって、静電チャック装置の温度制御の目標精度や接着材の耐熱温度に合わせて、電極端子と加熱部材との上記の固定方法を選択できる。

しかしながら、加熱部材７と電極端子４０とを接続する製造工程において、加熱部材７が薄いことにより、加熱部材が熱変形または破断する問題があった。

さらに、加熱部材と電極端子との接続部分には、電力供給に伴う発熱による熱応力または熱変形が生じることがあった。また、上述の接続部分には、周辺部材の熱膨張係数差に起因する熱応力または熱変形が生じることがあった。これらの熱応力または熱変形によって、加熱部材と電極端子との接続部分が破損する問題があった。

＜裏打ち材＞
上記の課題を解決するため、裏打ち材１１は、加熱部材７に固定されている。裏打ち材１１によって、加熱部材７と電極端子４０の接続部分を補強することができる。

裏打ち材１１は、静電チャック部２０の第２の面２０ｂと、電極端子４０とが平面的に重なる位置に設けられた凹部１０の内部に挿入され、固定されている。

裏打ち材１１は、凹部１０の内部にシリコーン、エポキシ、ポリイミド等の耐熱性の接着剤もしくはろう材等により固定されているのが好ましい。

裏打ち材１１の材料は、耐熱性および加工性に優れ、高周波雰囲気中で用いても、高周波により自己発熱しない非磁性材料が好ましい。また、裏打ち材１１の熱膨張係数が、固定層６および支持板２２の熱膨張係数に近似したものが好ましく、加熱部材と同質の金属材料であることがより好ましい。

電極端子４０が、加熱部材７に溶接およびねじ止めにより固定されている場合には、電極端子４０を裏打ち材１１とともに固定することができ、上述の接続部分の強度をさらに向上することができる。また、電極端子４０が、加熱部材７に溶接、ろう付けおよびはんだ付けにより固定されている場合には、裏打ち材１１が、これらの固定方法に伴う発熱による加熱部材７の熱変形を抑制することができ、上述の接続部分の破損を抑制することができる。

裏打ち材１１は、製造時における加熱部材７の熱変形または破断や、使用時における加熱部材７と電極端子４０の接続部分の熱応力または熱変形を抑制し、上述する部分の破損を抑制することができる。

＜樹脂層＞
図１に示すように、樹脂層８０は、静電チャック部２０の第２の面２０ｂと冷却ベース部５０の第１の面５０ａの間に介在する。樹脂層８０は、加熱部材７が接着された静電チャック部２０と冷却ベース部５０とを接着一体化するとともに、熱応力の緩和作用を有する。

樹脂層８０は、その内部や、静電チャック部２０の第２の面２０ｂ、加熱部材７の下面（−Ｚ側の面）、並びに冷却ベース部５０の第１の面５０ａとの界面に空隙や欠陥が少ないことが望まれる。空隙や欠陥が形成されていると、熱伝達性が低下して板状試料Ｗの均熱性が阻害される虞がある。

樹脂層８０は、例えば、シリコーン系樹脂組成物を加熱硬化した硬化体またはアクリル樹脂で形成されている。樹脂層８０は、流動性ある樹脂組成物を静電チャック部２０と冷却ベース部５０の間に充填した後に加熱硬化させることで形成することが好ましい。冷却ベース部５０の第１の面５０ａには加熱部材７が設けられており、これにより凹凸が形成されている。また、冷却ベース部５０の第１の面５０ａおよび静電チャック部２０の第２の面２０ｂは必ずしも平坦ではない。流動性の樹脂組成物を冷却ベース部５０と静電チャック部２０の間に充填させた後に硬化させて樹脂層８０を形成することで、静電チャック部２０と冷却ベース部５０の凹凸に起因して樹脂層８０に空隙が生じることを抑制できる。
これにより、樹脂層８０の熱伝導特性を面内に均一にすることが出来、静電チャック部２０の均熱性を高めることが出来る。

なお、加熱部材７が有する端部８Ａ、８Ｂには、加熱部材７に電力を供給するための電極端子４０が固定される。そのため、樹脂層８０を形成する工程では、端部８Ａ、８Ｂに樹脂層８０が回り込まないようにマスクしておくことが好ましい。

＜冷却ベース部＞
冷却ベース部５０は、円板形状を有し、静電チャック部２０を所望の温度に調整する。

冷却ベース部５０としては、例えば、内部に冷媒を循環させる流路（図示略）が形成された液冷ベース等が好適である。

冷却ベース部５０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５０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。

また、冷却ベース部５０の静電チャック部２０と対向する第１の面５０ａに、ポリイミドなどの絶縁性樹脂シートを貼り付け、耐電圧特性を向上させてもよい。

冷却ベース部５０には、貫通孔５１が設けられている。貫通孔５１には、絶縁管１５、給電端子３２、接続線３３、電極端子４０、並びに固定板１６が内挿されている。

またその他に、冷却ベース部５０には、静電吸着用電極端子２４に電圧を印加するための給電部が配置される貫通孔、板状試料Ｗの処理工程でウエハを押し上げるリフトピンを挿通させるための貫通孔、並びに板状試料Ｗと静電チャック部２０との間に供給する冷却ガスを供給するための貫通孔、等の目的に応じて複数の貫通孔が設けられている。

＜絶縁管＞
絶縁管１５は、貫通孔５１に埋設されている。絶縁管１５には、給電端子３２、固定板１６、接続線３３、並びに電極端子４０が内挿されている。

なお、絶縁管１５は、加熱部材７内の端部８Ａ、８Ｂに対応して設けられており、各々の絶縁管１５に、給電端子３２、固定板１６、接続線３３、並びに電極端子４０がそれぞれ内挿され、加熱部材７に電流を供給する。

絶縁管１５の材料は樹脂製であってもセラミックス製であってもよいが、熱伝導、耐熱性、耐電圧、寸法精度、コストなどの面からセラミックス製とすることが好ましく、酸化アルミニウムなどを好適に採用できる。

＜給電端子＞
給電端子３２は、雌型コネクタである。給電端子３２には、外部の電源から静電チャック装置１００に電気を供給するための雄型コネクタ（図示略）を接続することができる。
給電端子３２は導電性のものであればその材料は限定されない。給電端子３２は、固定板１６を介して、冷却ベース部５０の貫通孔５１に固定されている。給電端子３２には、接続線３３が接続されている。

＜固定板＞
固定板１６は、貫通孔５１の下面（−Ｚ側）の開口部に取り付けられている。給電端子３２と固定板１６の固定、並びに固定板１６と冷却ベース部５０との固定は、例えばネジ止めによって行うことができる。また、固定板１６は、絶縁管１５と固定する構造となっていてもよい。固定板１６の材料にはセラミックスや絶縁性樹脂などが適宜選定される。

＜接続線＞
接続線３３は、電極端子４０と給電端子３２を電気的に接続するために設けられている。接続線３３としては、可撓性を有する電気ケーブルを使用し、弛緩した状態で電極端子４０と給電端子３２との間のスペースに収納されることが好ましい。

接続線３３として可撓性を有する電気ケーブルを用い、弛緩させた状態で収納することで、冷却ベース部５０が熱膨張および熱収縮して、電極端子４０と給電端子３２との距離が変わる場合であっても、距離の変化を吸収できる。したがって、電極端子４０、給電端子３２、並びにこれらの接続部に負荷が加わることを抑制できる。また、接続線３３は、給電端子３２に外力や衝撃が加わった場合であっても電極端子４０に伝わることを防ぎ、電極端子４０およびその接続部に破損が生じることを抑制できる。

以上のような構成の静電チャック装置によれば、加熱部材と電極端子とを接続しやすく、使用時に接続部分が破損しにくい効果が得られる。

また、本発明の様々な実施形態を説明したが、各実施形態における各構成およびそれらの組み合わせ等は一例であり、本発明の趣旨から逸脱しない範囲内で、構成の付加、省略、置換、およびその他の変更が可能である。また、本発明は実施形態によって限定されることはない。

６…固定層、７…加熱部材、８Ａ、８Ｂ…端部、１０…凹部、１１…裏打ち材、２０…静電チャック部（基体）、２２…支持板、２３…静電吸着用電極、３２…給電端子、３３…接続線、４０…電極端子、５０…冷却ベース部、５１…貫通孔、８０…樹脂層、１００…静電チャック装置、Ｗ…板状試料

Claims (3)

1. 一主面が板状試料を載置する載置面である基体と、
   前記基体の内部に設けられた静電吸着用電極と、
   前記基体において前記載置面とは反対側の面に設けられた加熱部材と、
   前記加熱部材において前記基体側の面とは反対側の面に接続された電極端子と、を有し、
   前記基体は、前記反対側の面において前記電極端子と平面的に重なる位置に凹部が設けられ、
   前記凹部の内部には、金属材料を形成材料とする裏打ち材が配置されている静電チャック装置。
2. 前記加熱部材は、Ｔｉ，Ａｌ，Ｃｕ，Ｎｉ，Ｎｂおよびこれらの金属を基材料とする非磁性合金からなる群から選ばれる金属材料からなる請求項１に記載の静電チャック装置。
3. 前記電極端子は、前記加熱部材に、溶接、ろう付け、はんだ付けまたはねじ止めにより固定されている請求項１または２に記載の静電チャック装置。

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