JP6705637B2

JP6705637B2 - 静電チャックの温度検出機構

Info

Publication number: JP6705637B2
Application number: JP2015215136A
Authority: JP
Inventors: 俊哉梅木
Original assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Current assignee: NGK Spark Plug Co Ltd
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2020-06-03
Anticipated expiration: 2035-10-30
Also published as: JP2017083409A

Description

本発明は、静電チャックの温度を検出する機構に関する。

半導体デバイス、液晶デバイスなどを製造する場合、導電性基板に形成された所定の膜をＦ_２などのハロゲン系の腐食性ガスを用いプラズマ環境下で処理するエッチング工程が存在する。

エッチング工程では、エッチング効率の向上のために基板の温度を上昇させることが必要である一方、エッチング時におけるプラズマの入熱による基板の温度上昇を抑制する必要がある。エッチング時における基板の温度が不適切であると、基板の歩留り率が低下する。

そこで、基板を吸着する静電チャックに、基板を加熱するためのヒーター機構、及び、基板を冷却するための冷却機構を設け、静電チャックの温度を計測して、静電チャックの温度を管理している。

静電チャックの温度を計測する方法として、光温度計を用いて、静電チャックの表面の温度を非接触で計測することがある。しかしながら、光温度計は、非常に高価であると共に、静電チャックに汚れなどが付着していると正確な温度を計測できないという問題がある。

そこで、静電チャックの金属製の基材にシース熱電対の固定部を螺合により固定して、静電チャックの被計測層（表面層）の裏面にシース熱電対の先端部を接触させることにより、静電チャックの温度を計測することが行われている。

例えば、特許文献１には、静電チャックの温度検出センサとして、手法として接触温度計（熱電対など）や非接触温度計（蛍光温度計やＩＲセンサなど）が挙げられているが、非接触温度計は被測定部分の熱を奪うことがないため好ましいと記載されている。

特開２０１４−１３２５６０号公報

しかしながら、従来のシース熱電対の固定部はステンレス鋼などの金属材料からなるので、この固定部を介してシース熱電対から基材に熱逃げが生じる。そのため、シース熱電対で計測される温度は正確なものではなかった。

そこで、本発明は、シース熱電対により静電チャックの温度をより正確に計測するための温度検出機構を提供することを目的とする。

本発明の静電チャックの温度検出機構は、基材と、前記基材の表面に形成された断熱層と、前記断熱層の表面に形成された被計測層とを備えた静電チャックにおいて、先端部が前記被計測層の裏面と接触するシース熱電対と、前記シース熱電対に設けられ、ステンレス鋼の熱伝導率より低い熱伝導率を有する樹脂からなり、前記基材に形成された被固定部に固定される固定部材とを備えたことを特徴とする。

本発明の静電チャックの温度検出機構によれば、固定部材が、従来の固定部材の材料であるステンレス鋼の熱伝導率より低い熱伝導率を有する樹脂から形成されている。そのため、従来と比較して、固定部材を介してシース熱電対から基材に逃げる熱を抑制することが可能となる。これにより、シース熱電対による被計測層の温度のより正確な計測を図ることが可能となる。

例えば、基体に形成された被固定部は雌ねじ部であり、固定部材の外周面に雄ねじ部が形成され、雌ねじ部に雄ねじ部が螺合することにより、基体に固定部材が固定されるものであってもよい。さらに、基体に形成された被固定部は穴であり、この穴に固定部材を圧入することにより、基体に固定部材が固定されるものであってもよい。また、基体の被固定部は基体の裏面に設けた凹部などの被係止部であり、この係止部に固定部材の突起などの係止部が係止されて、基体に固定部材が固定されるものであってもよい。また、接着剤などを用いて、基体に固定部材が固定されるものであってもよい。

本発明の静電チャックの温度検出機構において、前記シース熱電対の前記先端部に装着され、ステンレス鋼の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、前記先端部の先端面の面積よりも面積が大きな先端面を有するパッドを備えることが好ましい。

この場合、シース熱電対の先端部に先端面の面積が大きいパッドが装着されているので、このようなパッドが装着されていない従来と比較して、シース熱電対の先端部の被計測面に対する接触の安定化を図ることが可能となる。そして、パッドは熱伝導率が高いので、シース熱電対によって被計測層の温度を正確に計測することの妨げにならない。

また、本発明の静電チャックの温度検出機構は、前記シース熱電対の前記先端部を付勢して前記被計測層の裏面に押し付ける付勢機構を備える。

これにより、このような付勢機構を有しない従来と比較して、シース熱電対の先端部の被計測面に対する接触の安定化を図ることが可能となる。

また、本発明の静電チャックの温度検出機構において、前記被計測層の裏面と前記固定部材との間であって前記シース熱電対が存在する周囲の空間の気圧を減圧させる減圧機構を備える。

これにより、減圧機構を備えない従来と比較して、前記空間が減圧されて断熱効果が生じるので、さらに、シース熱電対による被計測層の温度のより正確な計測を図ることが可能となる。減圧機構は、例えば、前記空間と連通するように基体に形成された通路、及び、この通路の出口に接続された真空ポンプ、減圧器などからなるものであればよい。

本発明の実施形態に係る静電チャックの温度検出機構を示す模式断面図。本発明の実施例に係る静電チャックの温度検出機構を示す模式上面図。

本発明の実施形態に係る静電チャック１０の温度検出機構２０について説明する。

図１に示すように、静電チャック１０は、基材１１と、基材１１の表面に形成された断熱層１２と、断熱層１２の表面に形成された被計測層１３とを備えている。

基材１１は、アルミニウム（Ａｌ）などの熱伝導率の高い金属から形成されている。図示しないが、基材１１には、冷却水などの冷却用の流体が流れる流路が内部に形成されており、この流路の出入口には、流路に冷却用の流体を供給し、この流体を排出させる冷却機構が接続されている。

基材１１の裏面側には、垂直方向に中心軸が延びる雌ねじ部１１ａが形成されている。そして、雌ねじ部１１ａと同軸に、基材１１の表面まで連続する断面円形状の穴１１ｂが形成されている。

断熱層１２は、断熱性シリコーン樹脂、ポリテトラフルオロエチレン(polytetrafluoroethylene, PTFE)などの熱伝導率が小さい材料からなっている。断熱層１２には、基材１１の穴１１ｂと同軸心に、断面円形状の穴１２ａが貫通して形成されている。ここでは、穴１２ａの断面の直径は、穴１１ｂの断面の直径と比較して少し小さくなっているが、穴１１ｂの断面の直径と同じであっても、大きくてもよい。

また、穴１１ｂ，１２ａの断面は、円形に限定されず、三角形、四角形、六角形などの多角形、楕円形などであってもよい。また、穴１１ｂ，１２ａの断面は相似形でなくともよく、例えば、穴１１ｂの断面が円形で、穴１２ａの断面が多角形であってもよい。

被計測層１３は、裏面にポリイミドヒーターを接着、もしくはヒーターを内部に埋設したアルミナなどの高抵抗材料からなっている。被計測層１３には静電チャック電極に電圧を給電するための２つの端子３０（図２参照）、及び、ポリイミドヒーターや内部に埋設されたヒーターに電圧を給電するための２つの端子３１（図２参照）が接着剤などによって接続されており、図示しないが、この端子３０、３１は外部電源に接続されている。

端子３０を介して静電チャック電極に電圧が印加されると、被計測層１３が誘電層として機能して、電荷が発生し、自由電子を有する導電性の基板が帯電して、被計測層１３の電荷とウェハの電荷との間でクーロン力が発生する。このクーロン力によって、基板が静電チャック１０に吸着される。

ただし、静電チャック１０は、ジョンセン・ラーベック力又はグラジエント力によって、基板を吸着するものであってもよい。

端子３１を介してヒーター電極に電圧が印加されると、ポリイミドヒーター、もしくは内部に埋設されたヒーターの発熱体がジュール発熱し被計測層１３が加熱される。

静電チャック１０の温度検出機構２０には、シース熱電対２１が用いられる。シース熱電対２１は、金属保護管（シース）の内部に、熱電対素線が挿入され、高純度酸化マグネシウムなどの無機絶縁物の粉末が充填されたうえで、密封されたものである。シース熱電対２１は、光温度計と比較して非常に安価であり、様々な雰囲気の中で長時間連続使用することが可能である。

なお、シース熱電対２１のシースの外表面には、周囲との断熱のために、ポリテトラフルオロエチレンなどの低い熱伝導率を有する樹脂が被覆されている。

シース熱電対２１には、固定部材２２が固定されている。固定部材２２は、基材１１の被固定部１１ａに固定される。ここでは、被固定部１１ａは、穴１１ｂと同軸心に形成された雌ねじ部１１ａであり、固定部材２２の外周面に雌ねじ部１１ａに螺合する雄ねじ部２２ａが形成されている。

ただし、基材１１に固定部材２２を固定する構成はこれに限定されない。例えば、被固定部は基材１１に形成された穴であり、この穴に固定部材２２を圧入することにより、基材１１に固定部材２２を固定してもよい。また、基材１１の被固定部は基体の裏面に設けた凹部などの被係止部であり、この被係止部に固定部材２２に設けた突起などの係止部を係止して、基材１１を固定部材２２に固定してもよい。また、接着剤などを用いて、基材１１に固定部材２２を固定してもよい。

固定部材２２は、ポリエーテルエーテルケトン(polyetheretherketone, PEEK)、ポリテトラフルオロエチレンなど、ステンレス鋼の熱伝導率より低い熱伝導率を有する樹脂から形成されている。固定部材２２の中心軸に沿って形成された穴内を、シース熱電対２１が挿通している。

シース熱電対２１を固定する従来の固定部材は、ステンレス鋼などの熱伝導率が比較的高い金属から形成されていた。そのため、この固定部材を介してシース熱電対２１から基材１１に逃げる熱が多かった。本実施形態では、固定部材２２は、ステンレス鋼の熱伝導率より低い熱伝導率を有する樹脂から形成されているので、従来と比較して、固定部材２２を介してシース熱電対２１から基材１１に逃げる熱を抑制することが可能となる。これにより、シース熱電対２１による被計測層１３の温度のより正確な計測を図ることが可能となる。

温度検出機構２０は、さらに、シース熱電対２１の先端部２１ａに装着され、先端部２１ａの先端面の面積よりも大きな面積を先端面に有するパッド２３を備えている。ただし、温度検出機構２０は、パッド２３を備えず、シース熱電対２１の先端部２１ａが直接被計測層１３と接触するものであってもよい。なお、パッド２３の先端面は、平面であっても、上方に突出する曲面などであってもよい。

パッド２３は、銅（Ｃｕ）、アルミニウム（Ａｌ）などのステンレス鋼の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有する金属から形成されている。ただし、半導体製造工程において、銅は汚染物質となり得るので、パッド２３はアルミニウムから形成されていることが好ましい。

ここでは、パッド２３の先端面は、平らな円形状となっている。パッド２３は、シース熱電対２１の先端部２１ａにロウ付などによって固定されている。ただし、パッド２３の形状は、円板状に限定されず、三角形、四角形、六角形などの多角形板、楕円板、直方体などの形状であってもよい。また、パッド２３は、ロウ付以外の方法、例えば、圧入、螺合、熱伝導性接着剤を用いた接着などで先端部２１ａに固定されていてもよい。

従来、シース熱電対２１の先端部２１ａが直接、被計測層１３の裏面に接触しており、接触面積が小さいため、その接触が不安定となるおそれがあった。本実施形態では、シース熱電対２１の先端部２１ａに先端面の面積が大きいパッド２３が装着されているので、従来と比較して、接触の安定化を図ることが可能となる。そして、パッド２３は高熱伝導率を有する金属からなるので、シース熱電対２１による被計測層１３の温度の正確な計測の妨げにならない。

温度検出機構２０は、さらに、シース熱電対２１の先端部２１ａを付勢して被計測層１３の裏面に押し付ける付勢機構２４を備えている。ただし、温度検出機構２０は、付勢機構２４を備えず、シース熱電対２１の先端部２１ａが付勢力なく被計測層１３と接触するものであってもよい。

この付勢機構２４は、シース熱電対２１の先端部２１ａと固定部材２２との間においてシース熱電対２１に固定された押え部材２５と、固定部材２２と押え部材２５との間に配置された付勢部材２６とから構成されている。

押え部材２５は、ポリエーテルエーテルケトン、ポリテトラフルオロエチレンなど、ステンレス鋼の熱伝導率より低い熱伝導率を有する樹脂から形成されており、穴１１ｂの断面の内径よりも小さな外径を有する略円環状の部材からなっている。押え部材２５は、その中央に形成された貫通穴をシース熱電対２１が挿通された状態で、シース熱電対２１の外周面に接着剤などで固定されている。

付勢部材２６は、コイルバネなどのバネであり、固定部材２２と押え部材２５とが互いに離れる方向に付勢している。

付勢部材２６による付勢圧力は、０．９８Ｎ／ｍ^２〜９．８Ｎ／ｍ^２であることが好ましい。付勢圧力が０．９８Ｎ／ｍ^２未満であると、シース熱電対２１の先端部２１ａの被計測層１３への接触圧力が不十分となり、被計測層１３の温度が正確に計測できないおそれが生じる。一方、付勢圧力が９．８Ｎ／ｍ^２を超えると、シース熱電対２１の先端部２１ａが被計測層１３を強く押し過ぎ、被計測層１３などに割れなどが発生するおそれが生じる。付勢圧力は、固定部材２２の雄ねじ部２２ａの雌ねじ部１１ａに対する螺合長さによって調整することが可能である。

本実施形態では、付勢機構２４によって、シース熱電対２１の先端部２１ａを被計測層１３の裏面に押し付けているので、このような付勢機構２４を有しない従来と比較して、接触の安定化を図ることが可能となる。

さらに、被計測層１３の裏面と固定部材２２との間であってシース熱電対２１が存在する周囲の空間、すなわち、穴１１ｂ及び穴１２ａ内の気圧を減圧させる減圧機構を備えることが好ましい。

ここでは、図示しないが、減圧機構は、前記空間と連通するように基体に形成された通路、及び、この通路の出口に接続された真空ポンプ、減圧器などからなる。ただし、温度検出機構２０は、前記空間の気圧は外部の気圧と同じであってもよい。

減圧機構により前記空間を外部の気圧より低くすることより、この空間内が大気圧である場合と比較して、この空間において断熱効果が生じるので、さらにシース熱電対２１の計測精度の向上を図ることが可能となる。

（実施例１）
静電チャック１０として、外径が３００ｍｍで厚さが３４．３ｍｍのものを用意した。基材１１は、アルミニウムからなり、厚さは３０ｍｍであった。断熱層１２は、断熱性シリコーン樹脂からなり、厚さは３ｍｍであった。被計測層１３は、厚さ０．２５ｍｍのポリイミドヒーターを裏面に接着した厚さ１．００ｍｍのアルミナからなり、ポリイミドヒーターとアルミナの総厚は１．３０ｍｍ（熱伝導性シリコーン接着層の厚さ０．０５ｍｍを含む）であった。

基材１１には、冷却用の流路を設け、その出入口に冷却機構を接続した。

図２に示すように、静電チャック１０には、中心から５０ｍｍの円周上に均等に間隔を開けて静電チャック電極に電圧を給電するための２つの端子３０、及び、ポリイミドヒーターに電圧を給電するための２つの端子３１を設けた。

そして、静電チャック１０には、中心から４０ｍｍ、８０ｍｍ、１２５ｍｍ離れた位置が中心軸と一致するように、３つの温度検出機構２０を設けた。

各温度検出機構２０に用いたシース熱電対２１は、助川電気工業株式会社製のＴ１４−ＳＫ−２−Ｃ−１．６ーＧ−２５０を使用した。このシース熱電対２１のシース外径は１．６ｍｍであった。

固定部材２２は、ポリエーテルエーテルケトンからなり、ねじ径が８ｍｍであり、高さが８ｍｍであった。パッド２３は使用しなかった。

押え部材２５は、ポリエーテルエーテルケトンからなり、外径が５ｍｍであり、厚さが２．５ｍｍであった。

基材１１の雌ねじ部１１ａは、ねじ径が８ｍｍであり、深さが１０ｍｍであった。基材１１の穴１１ｂの内径は、６ｍｍであった、断熱層１２の穴１２ａの内径は、５．５ｍｍであった。

そして、固定部材２２の雄ねじ部２２ａを基材１１の雌ねじ部１１ａに螺合させて、付勢部材２６を使用せずシース熱電対２１を静電チャック１０に固定した。温度検出機構２０は、減圧機構を備えておらず、穴１１ｂ及び穴１２ａの内部は、外部と同じく大気圧であった。

この状態で、前記冷却機構によって前記流路内に２０℃の冷却水を流した状態で、シース熱電対２１によって、被計測層１３の温度を計測した。

（実施例２）
付勢部材２６を使用し、付勢部材２６によるシース熱電対２１の先端部２１ａの被計測層１３に対する接触圧力を０．９８Ｎ／ｍ^２とした状態で、シース熱電対２１を静電チャック１０に固定したほかは、実施例１と同条件で計測層１３の温度を計測した。

（実施例３）
シース熱電対の先端に銅（Ｃｕ）からなるパッド２３をロウ付により固定されたほかは、実施例２と同条件で被計測層１３の温度を計測した。

（実施例４）
穴１１ｂ及び穴１２ａ内を真空にしたほかは、実施例３と同条件で被計測層１３の温度を計測した。

表１から分かるように、実施例１から実施例４の静電チャック１０においては、固定部材２２を断熱材料であるポリエーテルエーテルケトンとしたことにより、実温度と計測温度との温度差は１０℃以下と小さかった。

実施例２の静電チャック１０においては、付勢部材２６を使用したことにより、実温度と計測温度との温度差は８．１℃まで低減した。

実施例３の静電チャック１０においては、付勢部材２６及びパッド２３を使用したことにより、実温度と計測温度との温度差は７．１℃まで低減した。

実施例４の静電チャック１０においては、付勢部材２６、パッド２３及び穴１１ｂ，１２ａ内を真空にしたことにより、実温度と計測温度との温度差は４．７℃まで低減した。

（比較例１）
固定部材２２をステンレス鋼からなるものとしたほかは、実施例１と同条件で被計測層１３の温度を計測した。

（比較例２）
付勢部材２６を使用し、付勢部材２６によるシース熱電対２１の先端部２１ａの被計測層１３に対する接触圧力を０．９８Ｎ／ｍ^２とした状態で、シース熱電対２１を静電チャック１０に固定し、シース熱電対の先端に銅（Ｃｕ）からなるパッド２３をロウ付により固定されたほかは、比較例１と同条件で被計測層１３の温度を計測した。

表２から分かるように、比較例１の静電チャック１０においては、実温度と計測温度との温度差が１６．８℃と、実施例１と比較して大きくなった。これは、固定部材２２を熱伝導率が比較的高いステンレス鋼からなるものとしたので、基材１１に熱逃げが発生したためであると考えられる。

比較例２の静電チャック１０においては、実温度と計測温度の温度差が１５．４℃と、比較例１と比較して大きくなった。これは、比較例１とは異なり付勢部材２６、及びパッド２３を使用しているが、固定部材２２からの基材１１への熱逃げが大きいからであると考えられる。

表１及び表２から分かるように、実施例１から実施例４は、比較例１及び比較例２と比べて、計測温度が実温度に５℃程度近いことが分かる。

これから、固定部材２２の材質を熱伝導性に劣るものとして熱逃げを抑制することにより、温度計測精度が向上することが分かる。

１０…静電チャック、１１…基材、１１ａ…雌ねじ部（被固定部）、１１ｂ…穴、１２…断熱層、１２ａ…穴、１３…被計測層、２０…温度検出機構、２１…シース熱電対、２１ａ…先端部、２２…固定部材、２２ａ…雄ねじ部、２３…パッド、２４…付勢部材、２５…押え部材、２６…付勢部材、３０…静電チャック電極用端子、３１…ヒーター電極用端子。

Claims

基材と、前記基材の表面に形成された断熱層と、前記断熱層の表面に形成された被計測層とを備えた静電チャックにおいて、
先端部が前記被計測層の裏面と接触するシース熱電対と、
前記シース熱電対に設けられ、ステンレス鋼の熱伝導率より低い熱伝導率を有する樹脂からなり、前記基材に形成された被固定部に固定される固定部材と、
前記シース熱電対の前記先端部を付勢して前記被計測層の裏面に押し付ける付勢機構と、
前記被計測層の裏面と前記固定部材との間であって前記シース熱電対が存在する周囲の空間の気圧を減圧させる減圧機構とを備えたことを特徴とする静電チャックの温度検出機構。
請求項１に記載の静電チャックの温度検出機構であって、
前記シース熱電対の前記先端部に装着され、ステンレス鋼の熱伝導率よりも高い熱伝導率を有し、前記先端部の先端面の表面積よりも表面積が大きな先端面を有するパッドを備えることを特徴とする静電チャックの温度検出機構。
請求項２に記載の静電チャックの温度検出機構であって、
前記パッドの先端面は、前記被計測層側に突出する曲面であることを特徴とする静電チャックの温度検出機構。