JPH04236449A - 静電チャック - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【産業上の利用分野】この発明は、半導体製造工程等で
プラズマＣＶＤやプラズマエッチング等を利用して薄膜
形成あるいは食刻加工を行う場合にウエーハ保持を行う
静電チャックに関するものであり、特にウエーハ温度の
均一化に関する。 【０００２】 【従来の技術】プラズマＣＶＤ装置やプラズマエッチン
グ装置においては、近年、被加工ウエーハの保持装置と
して、平面状電極の一方の面に、静電気力により、該面
と一体的に形成された絶縁層を介して平面状被吸着物を
吸着する静電チャックが実用化されつつある。これは、
従来のプラズマＣＶＤ装置やプラズマエッチング装置で
は、ウエーハがウエーハステージに重力を利用して載置
されるか、機械的クランプ方式によってその周縁部が平
面のステージに固定されるウエーハ保持構造となってお
り、重力を利用した載置方式では、ウエーハとウエーハ
ステージとの接触が数点で行われているに過ぎず、ウエ
ーハとステージとの間の熱伝達が悪いため、加工エネル
ギーの増大に伴うウエーハ温度の上昇が大きく、前工程
でウエーハに形成されていたパターンの損傷が生ずるた
め、加工速度を大きくできない問題があること、また、
機械的なクランプ方式では、ウエーハの周縁部のみが平
面のステージに固定されるに過ぎないため、クランプ治
具近傍以外のウエーハとステージとの接触面積が少なく
、ステージのウエーハに対する冷却効果が重力利用の場
合と殆んど変わらないという問題があること、などのた
めである。 【０００３】しかしながら、実用化されつつある静電チ
ャックにおいても、ウエーハの温度分布の均一性が問題
となっており、例えば特願平１−２５１７３５号におい
ては、この問題を解決するために、ウエーハと静電チャ
ックとの間に圧力調整可能にガスを導入するといった複
雑な構造を採用している。また、本願出願人から出願さ
れた出願：特願平２−６１６８１　号では温度分布均一
化のため、静電チャックのウエーハとの接触面を凹凸形
状にし、その凸部面積比率を面内で変化させることによ
り、温度が高くなるウエーハ中央部の熱伝達率を周辺部
より高くする工夫がなされている。 【０００４】 【発明が解決しようとする課題】このように、従来技術
では、特願平１−２５１７３５号による静電チャックの
ように構造が複雑であり、あるいは、特願平２−６１６
８１　号による静電チャックのように、ウエーハがプラ
ズマから受ける熱量の分布が変化した場合、その静電チ
ャックを交換しなければならず、幾つもの静電チャック
を準備しておく必要がある、などの問題があった。また
、通常の静電チャックは、図５に示すように、絶縁体ベ
ース２ａ上に、平面状電極１，　絶縁層２ｂを順に積層
して形成され、絶縁層２ｂの平坦な面にウエーハが吸着
，　保持されるのであるが、保持されるウエーハは、す
べてが平坦度の良いものばかりとは限らず、凸状に反っ
たものや、凹状に反ったものが存在する。 【０００５】図６のように、凹状に反ったウエーハが吸
着される場合、電極に最も近い中央部に作用する静電吸
着力が最も大きい。電極とウエーハとの間に作用する静
電吸着力Ｆは、電極とウエーハとの対向部の単位面積当
り、次式： 【０００６】 【数１】 Ｆ＝１／２・ε・（　Ｖ／ｄ）　２　　　　　　　　　
　　（１）　【０００７】に示されるように、電極とウ
エーハとの対向間隔ｄが小さいほど大きい。ここで、ε
は、ウエーハが絶縁層に接触している場合には絶縁層の
誘電率、ｄは同じく絶縁層の厚みとなる。また、Ｖは電
極とウエーハとの間に印加されている電圧である。従っ
て、凹状に反ったウエーハが吸着される場合、まず中央
部が吸着され、順に外周部の空隙が小さくなることによ
り、外周部の吸着力が増す。つまり吸着は中央部から外
周部へと進行するため、密着性よく保持することが可能
である。 【０００８】これに対し、図７のように凸状に反ったウ
エーハが吸着される場合は、外周部と電極との空隙が最
も小さいことから、まず外周部が吸着される。その後、
外周部から中央部に向かって吸着が進行するが、自由度
の大きい外周部がまず固定されるため中央部は絶縁層側
へ移動できず平坦に吸着することはできない。その結果
、ウエーハ中央部の接触熱伝導は極めて小さく面内温度
分布の悪化を招く。 【０００９】この発明の目的は、ウエーハの反りの向き
にかかわりなく平坦度良くウエーハを吸着，　保持する
ことができ、また、ウエーハがプラズマから受ける熱量
が不均一の場合など、ウエーハ面の温度分布が不均一な
場合に、ウエーハの温度分布をより均一にすることので
きる静電チャックの構成を提供することである。 【００１０】 【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に、この発明においては、平面状電極の一方の面に、静
電気力により、該面と一体的に形成された絶縁層を介し
て平面状被吸着物を吸着する静電チャックを、該平面状
電極が、同一平面内に同心に配された複数のリング状電
極からなるとともに、該各リング状電極と大地との間も
しくは隣り合うリング状電極相互間にそれぞれ電圧を印
加することができかつ印加される各電圧の大きさまたは
各電圧それぞれの時間経過を制御できるように構成され
た静電チャックとするものとする。この場合、各リング
状電極と大地との間もしくは隣り合うリング状電極相互
間に印加される各電圧それぞれの時間経過の制御は、各
電圧が同じ大きさの最終到達電圧に向かって外側のリン
グ状電極側ほど緩慢に上昇するように行われるものとす
る。そして、各リング状電極と大地との間に印加される
電圧が、同じ大きさの最終到達電圧に向かって外側のリ
ング状電極側ほど緩慢に上昇するようにする制御は、電
圧源回路を、１個の直流電源と、該直流電源の非接地側
端子から共通のスイッチを介して各リング状電極に接続
される，リング状電極と同数の抵抗と、各リング状電極
と大地との間に接続される，リング状電極と同数のコン
デンサとを用いて構成するとともに、同一のリング状電
極に接続された抵抗とコンデンサとによる時定数が外側
のリング状電極側ほど大きくなるようにそれぞれの抵抗
の抵抗値とコンデンサの静電容量とを設定することによ
り行うものとする。また、隣り合うリング状電極相互間
に印加される電圧が、同じ大きさの最終到達電圧に向か
って外側のリング状電極側ほど緩慢に上昇するようにす
る制御は、電圧源回路が、非接地側端子が共通のスイッ
チを介して１つ置きにリング状電極に接続される１個の
直流電源と、直流電源に接続されない各リング状電極と
大地との間に接続される抵抗と、隣り合うリング状電極
の間に接続されるコンデンサまたはコンデンサと抵抗と
からなる直列回路とを用いて構成されるとともに、前記
スイッチ投入後の各コンデンサの端子電圧の上昇が外側
のリング状電極側ほど緩慢となるように各コンデンサの
静電容量と各抵抗の抵抗値とを設定することにより行う
ものとする。 【００１１】また、各リング状電極と大地との間もしく
は隣り合うリング状電極相互間に印加される電圧の大き
さの制御は、隣り合うリング状電極の間に、吸着された
平面状被吸着物に測温点が接触するように熱電対が配さ
れ、該熱電対により検出された温度が高いほどその部位
の熱電対を挟むリング状電極の一方または両方による被
吸着物への吸着力が増すように行うものとする。この場
合、被吸着物の高温の部位ほど吸着力が増すように電圧
を制御される電源は、出力電圧が可変の直列電源をリン
グ状電極と同数備えるとともに、該直列電源がそれぞれ
、隣り合うリング状電極の対地電位が互いに逆極性とな
るように、各リング状電極と大地との間に接続される電
源とするものとする。 【００１２】 【作用】この発明は、静電チャックによるウエーハの冷
却効果を高めるためには、まず、ウエーハが、静電チャ
ックの平坦な絶縁層表面に全面密着状態に吸着，　保持
される必要があること、ウエーハと静電チャックとの間
の熱伝達率はウエーハと絶縁層との接触圧力によって変
わり、接触圧力が大きいほどウエーハと絶縁層との接触
点の数が増して熱伝達率が大きくなることに着目したも
のである。 【００１３】そこで、前記手段の項で述べたように、ウ
エーハを吸引する静電チャックの平面状電極を、同一平
面内に同心に配される複数のリング状電極で構成すると
ともに、各リング状電極と大地との間もしくは隣り合う
リング状電極相互間に電圧を印加したときの各電圧の大
きさまたは各電圧それぞれの時間経過を制御できるよう
に電圧源回路を構成し、各電圧それぞれの時間経過の制
御を、各電圧が同じ大きさの最終到達電圧に向かって外
側のリング状電極側ほど緩慢に上昇するように行うこと
により、静電チャックによるウエーハの吸着が、電圧が
最も速く上昇するウエーハの中央部から初まり、この吸
着が時間とともに中央部から外周部へと進行するため、
ウエーハに凸状の反りがあってもウエーハは常に全面密
着状態に吸着，　保持される。 【００１４】そして、このような時間経過を与える電圧
源回路は、抵抗とコンデンサとのみによる簡単な回路で
実現することができ、さほどコスト上昇を伴うことなく
ウエーハの反りに影響されない密着保持が可能になる。 【００１５】また、上記各電圧の大きさの制御を、ウエ
ーハ温度の面分布を熱電対で検出しながら温度の高い部
位ほど、その部位を挟む２つのリング状電極の一方もし
くは両方によるウエーハへの吸着力が増すように行うこ
とにより、その部位のウエーハと静電チャックの絶縁層
との接触圧力が増加して熱伝達率が大きくなり、ウエー
ハ温度の面分布がより均一化される。 【００１６】なお、前記各手段において、平面状電極を
構成する複数のリング状電極のうち、最も内側の電極は
これをリング状電極とせず、円板状電極としても本発明
の課題を十分達成することができる。 【００１７】 【実施例】図１に本発明の第１の実施例による静電チャ
ックの構成を示す。この構成では、静電チャック本体に
おける平面状電極を構成する複数のリング状電極のうち
、最も内側の電極を、これと実質的に同一の作用，　効
果を有する円板状電極で置き換え、また各電極１０，　
１１，　１２には、図４に示すように、それぞれ対地電
圧Ｖ１　，Ｖ２　，　Ｖ３　が印加されるとともに、こ
れらの電圧が各電極に同時に印加されたときに、印加初
期ではＶ１　＞Ｖ２　＞Ｖ３　となり、ある時間経過後
に実質的にＶ１　＝Ｖ２　＝Ｖ３　となるように電圧源
回路が構成されている。すなわち、第１図において、電
圧源回路は、直流電源３と、この直流電源３の非接地側
端子からスイッチ５を介して各電極１０，　１１，　１
２に接続される抵抗Ｒ１　，　Ｒ２　，　Ｒ３　と、各
電極と大地との間に接続されるコンデンサＣ１　，Ｃ２
　，　Ｃ３　とを用いて構成され、ウエーハ４を静電チ
ャックの絶縁層表面に吸着する際には、ウエーハを静電
チャックに載置した後、あるいは静電チャックがウエー
ハを被加工面が鉛直方向下向きとなるように保持するプ
ラズマＣＶＤ装置あるいはプラズマエッチング装置の場
合にはウエーハと静電チャックとを接触させた後、スイ
ッチ５を閉じる。このとき、各電極１０，　１１，　１
２とウエーハ４との間にはコンデンサＣ１　，　Ｃ２　
，　Ｃ３　の端子電圧がかかるが、各コンデンサＣ１　
，　Ｃ２　，　Ｃ３　の端子電圧は、スイッチ投入後、
直流電源３の端子電圧に向かって、それぞれ時定数Ｃ１
　Ｒ１　，Ｃ２　Ｒ２　，　Ｃ３　Ｒ３　によって与え
られる速さで上昇する。各時定数は、Ｃ１　Ｒ１　＜Ｃ
２　Ｒ２　＜Ｃ３Ｒ３　の関係に設定されているため、
コンデンサＣ１　の電圧が最も速く上昇し、コンデンサ
Ｃ２　，　Ｃ３　と、外側のリング状電極側ほど端子電
圧の上昇が遅れる。これにより、ウエーハ４の吸着がそ
の中央部から初まり、吸着が外周部へ向かって進行し、
ウエーハ４に凸状の反りがあっても、ウエーハは静電チ
ャックの平坦な絶縁層表面に全面にわたり密着状態に吸
着，　保持される。 【００１８】図２に本発明の第２の実施例による静電チ
ャックの構成を示す。この構成は、図１のようにウエー
ハの接地をとることは通常困難なことから、複数のリン
グ状電極中、隣り合う電極相互間に電圧を印加し、静電
吸引力を発生する電気力線を、一方の電極からウエーハ
を介して他方の電極へ導くようにしたものである。この
実施例では、複数のリング状電極を１０，　１１，　１
２，１３，　１４の５個とし、これらの電極相互間に電
圧を供給する電圧源回路は、直流電源３と、スイッチ５
と、リング状電極を１つ置きに大地に接続する抵抗ＲＡ
　，　ＲＢ　，　ＲＣ　と隣り合うリング状電極相互間
に接続される，　抵抗ｒｎ　とコンデンサＣｎ　（　ｎ
＝１０，　１１，　１２，　１３）　との直列回路とを
用いて構成される。なお、直流電源３の非接地側端子は
スイッチ５を介してリング状電極１１，　１３に接続さ
れている。この回路構成において、ＲＡ　，　ＲＢ　，
　ＲＣ　，　ｒ１０，　ｒ１１，　ｒ１２，　ｒ１３，
　Ｃ１０，　Ｃ１１，　Ｃ１２，　Ｃ１３の大きさを適
宜に設定することにより、スイッチ５の投入瞬時に電極
１０，　１１間に印加される電圧と、印加後の電圧上昇
速度を、電極１１，　１２間よりも大きくすることがで
きる。同様に、電極１１，　１２間のこれら電圧瞬時値
および電圧上昇率を電極１２，　１３間よりも大きく、
また電極１２，　１３間のこれらの大きさを電極１３，
　１４間よりも大きくすることができる。 【００１９】図３に、図２の実施例の変形例を示す。図
に示すように、図２における抵抗ｒ１０，　ｒ１１，　
ｒ１２，　ｒ１３を零とすれば、スイッチ５の投入瞬時
に、隣り合う電極相互間に印加される電圧瞬時値にｒ１
０，　ｒ１１，　ｒ１２，　ｒ１３を零としない場合の
ような明確な差異を与えることはできないが、印加後の
電圧上昇が、外側の電極側ほど遅くなるようにＲＤ　，
　ＲＥ　，　ＲＦ　，　Ｃ１４，　Ｃ１５，Ｃ１６，　
Ｃ１７のそれぞれの大きさを設定することにより、ウエ
ーハの吸着を中央部から外周部へ進行させることができ
る。 【００２０】図８ないし図１０に本発明の第３の実施例
を示す。この実施例では、静電チャック本体の平面状電
極は１０，　１１，　１２，　１３，１４，　１５の合
計６個のリング状電極からなり、そのそれぞれに、図９
に示すように、対地電位が交互に逆極性となるように直
流電源２１，　２２，　２３，　２４，　２５，　２６
が接続されている。そして、図１０に示すように、隣り
合う２つのリング状電極の中間位置に、絶縁体２を貫通
して測温点がウエーハ４に接触するように熱電対３０が
配され、これらの熱電対３０が検出した温度が熱電対制
御信号ケーブル３４を介して制御ユニット３６に入力さ
れ、入力された温度が高いほど高い電圧が、その温度を
検出した熱電対を挟む２つのリング状電極の一方または
両方に供給されるように電源ユニット３７が制御される
。なお、図１０において、符号３１は給電ケーブル３３
，　熱電対制御信号ケーブル３４を静電チャック内の所
定の位置へ導くための複数の孔を備えたスペーサ、３２
は静電チャックを保持するアームである。 【００２１】 【発明の効果】本発明においては、静電チャックを以上
のように構成したので、以下に記載するような効果が奏
せられる。 【００２２】請求項１の静電チャックでは、各リング状
電極または隣り合うリング状電極相互間に印加される各
電圧それぞれの時間経過を制御することにより、ウエー
ハに反りがあってもこの反りの向きに対応してウエーハ
が静電チャックの平坦な絶縁層表面に全面密着状態に吸
着，　保持されるようにウエーハの吸着進行方向を制御
することができ、ウエーハを常に最良の状態で冷却する
ことができる。また、ウエーハが平坦な絶縁層表面に全
面密着状態に吸着，　保持されることから、プラズマＣ
装置やプラズマエッチング装置だけでなく、露光装置な
ど、ウエーハの平坦度を重要視する用途への適用も可能
になる。また、各リング状電極または隣り合うリング状
電圧相互間に印加される各電圧の大きさを制御すること
により、ウエーハ面の部位ごとに吸着力が変わり、熱伝
達率が変わるため、ウエーハがプラズマから受ける熱量
分布あるいはウエーハ面の温度分布に対応して、ウエー
ハ面の温度分布がより均一化される温度分布制御が可能
になる。 【００２３】請求項２の静電チャックでは、ウエーハの
反りが凹状の場合はもちろん、凸状の場合にもウエーハ
を静電チャックの平坦な絶縁層表面に全面密着状態に吸
着，保持することができる。 【００２４】請求項３の静電チャックでは、ウエーハの
反りが凸状の場合に、ウエーハの静電チャックの絶縁層
表面に全面密着状態に吸着，　保持させるための電圧源
回路を、抵抗とコンデンサとのみにより簡単な回路で構
成することができ、さほどコスト上昇を伴うことなくウ
エーハの全面密着保持が可能になる。 【００２５】請求項４の静電チャックでは、請求項３に
よる静電チャックの場合と同様に電圧源回路を安価に構
成することができるほか、ウエーハ接地を必要とするこ
となくウエーハの全面密着保持が可能になる。 【００２６】請求項５の静電チャックでは、ウエーハ温
度の面分布において、温度が高い部位ほど吸着力を高め
て熱伝達率を大きくすることができ、温度の高い部位を
選択的に冷却して温度分布をより均一化することができ
る。 【００２７】請求項６の静電チャックでは、ウエーハ接
地の有無にかかわらず、共通にこの電源構成を適用する
ことができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第１の実施例による静電チャックの構
成図

【図２】本発明の第２の実施例による静電チャックの構
成図

【図３】第２の実施例の変形例を示す静電チャック構成
図

【図４】図１に示す構成の静電チャックの動作原理を示
す説明図

【図５】従来の通常の静電チャックの構造例を示す説明
図

【図６】凹状の反りを有するウエーハを従来の通常構造
の静電チャックでその平坦な絶縁層表面に吸着するとき
の吸着部位の進行方向を示す説明図

【図７】凸状の反りを有するウエーハを従来の通常構造
の静電チャックでその平坦な絶縁層表面に吸着するとき
の吸着部位の進行方向を示す説明図

【図８】本発明の第３の実施例による静電チャックの電
極構成を示す部分断面平面図と側面断面図

【図９】本発
明の第３の実施例による静電チャックの基本構成を示す
図

【図１０】本発明の第３の実施例による静電チャック本
体の具体構造を示す，静電チャック全体の具体構成図

【符号の説明】

１　　　　電極（平面状電極） ２　　　　絶縁体 ２ｂ　　絶縁層 ３　　　　直流電源 ４　　　　ウエーハ（平面状被吸着物）５　　　　スイ
ッチ １０　　　　電極（リング状電極） １１　　　　電極（リング状電極） １２　　　　電極（リング状電極） １３　　　　電極（リング状電極） １４　　　　電極（リング状電極） １５　　　　電極（リング状電極） ２１　　　　直流電源 ２２　　　　直流電源 ２３　　　　直流電源 ２４　　　　直流電源 ２５　　　　直流電源 ２６　　　　直流電源 ３０　　　　熱電対

Claims (6)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】平面状電極の一方の面に、静電気力により
   、該面と一体的に形成された絶縁層を介して平面状被吸
   着物を吸着する静電チャックにおいて、該平面状電極が
   、同一平面内に同心に配された複数のリング状電極から
   なるとともに、該各リング状電極と大地との間もしくは
   隣り合うリング状電極相互間にそれぞれ電圧を印加する
   ことができかつ印加される各電圧の大きさまたは各電圧
   それぞれの時間経過を制御できるように構成された電圧
   源回路を備えていることを特徴とする静電チャック。
2. 【請求項２】請求項第１項に記載の静電チャックにおい
   て、各リング状電極と大地との間もしくは隣り合うリン
   グ状電極相互間に印加される各電圧それぞれの時間経過
   の制御は、各電圧が同じ大きさの最終到達電圧に向かっ
   て外側のリング状電極側ほど緩慢に上昇するように行わ
   れることを特徴とする静電チャック。
3. 【請求項３】請求項第２項記載の静電チャックにおいて
   、各リング状電極と大地との間に印加される電圧が、同
   じ大きさの最終到達電圧に向かって外側のリング状電極
   側ほど緩慢に上昇するようにする制御は、電圧源回路が
   、１個の直流電源と、該直流電源の非接地側端子から共
   通のスイッチを介して各リング状電極に接続される，リ
   ング状電極と同数の抵抗と、各リング状電極と大地との
   間に接続される，リング状電極と同数のコンデンサとを
   用いて構成されるとともに、同一のリング状電極に接続
   された抵抗とコンデンサとによる時定数が外側のリング
   状電極側ほど大きくなるようにそれぞれの抵抗の抵抗値
   とコンデンサの静電容量とが設定されることにより行わ
   れることを特徴とする静電チャック。
4. 【請求項４】請求項第２項に記載の静電チャックにおい
   て、隣り合うリング状電極相互間に印加される電圧が、
   同じ大きさの最終到達電圧に向かって外側のリング状電
   極側ほど緩慢に上昇するようにする制御は、電圧源回路
   が、非接地側端子が共通のスイッチを介して１つ置きに
   リング状電極に接続される１個の直流電源と、直流電源
   に接続されない各リング状電極と大地との間に接続され
   る抵抗と、隣り合うリング状電極の間に接続されるコン
   デンサまたはコンデンサと抵抗とからなる直列回路とを
   用いて構成されるとともに、前記スイッチ投入後の各コ
   ンデンサの端子電圧の上昇が外側のリング状電極側ほど
   緩慢となるように各コンデンサの静電容量と各抵抗の抵
   抗値とが設定されることにより行われることを特徴とす
   る静電チャック。
5. 【請求項５】請求項第１項に記載の静電チャックにおい
   て、各リング状電極と大地との間もしくは隣り合うリン
   グ状電極相互間に印加される電圧の大きさの制御は、隣
   り合うリング状電極の間に、吸着された平面状被吸着物
   に測温点が接触するように熱電対が配され、該熱電対に
   より検出された温度が高いほどその部位の熱電対を挟む
   リング状電極の一方または両方による被吸着物への吸着
   力が増すように行われることを特徴とする静電チャック
   。
6. 【請求項６】請求項第５項に記載の静電チャックにおい
   て、被吸着物の高温の部位ほど吸着力が増すように電圧
   を制御される電源は、出力電圧が可変の直列電源をリン
   グ状電極と同数備えるとともに、該直列電源がそれぞれ
   、隣り合うリング状電極の対地電位が互いに逆極性とな
   るように、各リング状電極と大地との間に接続されるこ
   とを特徴とする静電チャック。