JPH06302678A

JPH06302678A - 静電チャック

Info

Publication number: JPH06302678A
Application number: JP10736493A
Authority: JP
Inventors: Tamio Endo; 民夫遠藤
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1993-04-09
Filing date: 1993-04-09
Publication date: 1994-10-28
Anticipated expiration: 2017-08-05
Also published as: JP3311812B2

Abstract

(57)【要約】【目的】処理中に被処理体の温度分布が不均一になる
のを防止する。【構成】上下両側から絶縁体１６、１７によって挟持
される導電層１５において、その周辺部から絶縁体１６
表面までの距離を、中央部から絶縁体１６表面までの距
離よりも短くし、高圧直流電源１８からの印加によって
生ずる静電吸着力を周辺部の方をより強くする。【効果】周辺部における熱伝達率が改善され、温度分
布が均一化される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、静電チャックに関する
ものである。

【０００２】

【従来の技術】例えば枚葉式の半導体処理装置では、減
圧雰囲気の処理室内でサセプタと呼ばれる導電性の台の
上に例えば半導体ウエハが載置され、当該半導体ウエハ
の表面にエッチングやアッシングなどの処理が施される
が、当該半導体ウエハをサセプタ上の所定の位置に保持
するため、近年は機械的な構造を有するクランプに代え
て静電気力を利用した静電チャックが上記サセプタ上に
設けられている。

【０００３】上記静電チャックは、例えば電界箔銅から
なる１枚の平坦なシート状の導電体を上下両側から適宜
の絶縁体で挟んだ構成を有しており、処理室外部に設け
られている高圧直流電源によって直流電圧が上記導電体
に印加されると、静電チャック上に載置された当該半導
体ウエハは、クーロン力によって静電チャック上に吸引
保持されるように構成されている。

【０００４】そして処理室内にプラズマを発生させた状
態で上記のようなエッチング処理などを施す場合には、
静電チャック上の半導体ウエハが極めて高温になるた
め、これをコントロールする目的で、従来は上記半導体
ウエハの裏面と上記静電チャックの上面（載置面）との
間に、例えばＨｅガスなどの冷却ガスを放出させるよう
にしていた。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら上記のよ
うにＨｅガスなどの冷却ガスを放出させる場合、これら
冷却ガスは半導体ウエハの周辺から処理室内へと抜け出
てしまうため、周辺部の熱伝達率［ｗ／ｍ²ｋ］が悪化
してしまい、その結果、静電チャック上の半導体ウエハ
の温度分布が不均一になってしまっていた。

【０００６】処理中にそのような温度分布の不均一が起
こると、例えばエッチング処理においては場所によって
エッチング速度形状に差が生じ、所期の設計通りの処理
が行えず、歩留まりの低下を招いてしまう。

【０００７】本発明はかかる点に鑑みてなされたもので
あり、半導体ウエハなどの被処理体における温度分布の
均一性を向上させる新しい静電チャックを提供して、上
記従来の問題の解決を図ることを目的とするものであ
る。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するた
め、請求項１においては、導電体の上下面に絶縁体を有
し、当該導電体に電圧が印加された際に発生する静電気
力によって自体の上面に載置される被処理体を吸着保持
する如く構成された静電チャックにおいて、周辺部にお
ける導電体から上記上側の絶縁体の表面までの距離を、
中央部における導電体から上記上側の絶縁体の表面まで
の距離よりも短くしたことを特徴とする、静電チャック
を提供する。

【０００９】この場合、周辺部における導電体から上記
上側の絶縁体の表面までの距離を中央部におけるそれよ
りも短くするには、例えば導電体を周辺部にいくにした
がって上側に湾曲する構成としたり、あるいは段差を持
たせて周辺部の方をより絶縁体表面に近接するように構
成することが提案できる。

【００１０】また請求項２では、導電体の上下面に絶縁
体を有し、当該導電体に電圧が印加された際に発生する
静電気力によって自体の上面に載置される被処理体を吸
着保持する如く構成された静電チャックにおいて、導電
体は中心軸を共通にする複数の径の異なった環状導電体
によって構成され、さらに周辺部の環状導電体から上記
上側の絶縁体の表面までの距離を、中央部の環状導電体
から上記上側の絶縁体の表面までの距離よりも短くした
静電チャックを提供する。

【００１１】上記の場合、請求項３に記載したように、
各環状導電体に印加するための電源を各環状導電体毎に
独立して設けてもよい。

【００１２】

【作用】一般的にこの種の静電チャックによる吸着力Ｆ
は、次式によって与えられる。即ち、εを絶縁体の誘電
率、Ｖを印加電圧、ｄを絶縁距離（導電体から上側の絶
縁体の表面までの距離）、Ｓを導電体の面積とすると、Ｆ＝ε/２・(Ｖ/ｄ)²・Ｓである。したがって周辺部の方が導電体から絶縁体表面
までの距離が短いということは、周辺部の方が絶縁距離
ｄが小さいことになり、上式から得られるＦは、結果的
にそれに対応して中心部より大きくなる。

【００１３】そのように吸着力が大きくなると半導体ウ
エハなどの被処理体と静電チャック表面との接触が強く
なり、それに対応して熱伝達率が改善され、その結果、
中心部と周辺部との温度差が改善されて均一化される。
より具体的に説明すると、半導体ウエハなどの被処理体
と静電チャックとの間の熱伝達率を左右するパラメータ
には次の３つがある。即ち、（ａ）輻射による熱伝達、
（ｂ）気体分子（例えばＨｅなど）による熱伝達、
（ｃ）固体接触による熱伝達である。このうち（ａ）の
輻射による熱伝達は、常温以下では無視できるものであ
り、また（ｂ）の気体分子による熱伝達と、（ｃ）の固
体接触による熱伝達については、測定の結果それぞれの
寄与率の比が、気体：固体でほぼ２：１であることが判
明した。従って上記のように吸着力を変化させることに
より熱伝達率を向上させて、中心部と周辺部との温度差
を改善することが可能なのである。

【００１４】請求項１ではそのような作用を１つの導電
体で担っている。これに対し、請求項２では複数の環状
導電体によって上記作用を実現している。また請求項３
によれば、各環状導電体に電圧を印加する電源が、各環
状導電体毎に設けられているので、個別にしかも小さい
エリア毎に吸着力の調整が可能となり、したがって熱伝
達率も場所に応じた改善が可能となる。

【００１５】

【実施例】以下、本発明の実施例を図面に基づいて説明
すると、図１は本実施例を使用したエッチング処理装置
１の構成を模式的に示しており、このエッチング処理装
置１は、アルミ等の材質で構成され電気的に接地された
気密容器である処理室２を有している。

【００１６】上記処理室２内の底部に設けられた排気口
３には、真空ポンプなどの排気手段（図示せず）に通ず
る排気管４が接続され、この排気手段によって上記処理
室２内はその底部周辺部から均等に真空引きして、所定
の減圧雰囲気、例えば数ｍＴｏｒｒ〜数十Ｔｏｒｒの範
囲の間の任意の値に設定維持できるように構成されてい
る。

【００１７】上記処理室２内の底部中央には、セラミッ
ク等の絶縁板５を介してサセプタ支持台６が設けられ、
さらにこのサセプタ支持台６の上面には、アルミ等の材
質からなり下部電極を構成するサセプタ７が設けられて
いる。

【００１８】上記サセプタ支持台６の内部には冷却室８
が形成されており、この冷却室８内には、上記処理室２
の底部に設けられた冷媒導入管９から導入されかつ冷媒
排出管１０から排出される冷却冷媒が循環するように構
成されている。

【００１９】上記サセプタ７には、上記処理室２の外部
に設けられている高周波電源１１からの、例えば周波数
が１３．５６ＭＨｚでパワーが１００〜２５００ｗの高
周波電力が、マッチング回路１２、ブロッキングコンデ
ンサ１３を介して供給されるように構成されている。

【００２０】また上記サセプタ７の上面には、被処理体
である半導体ウエハＷが直接載置されて吸引保持され
る、静電チャック１４が設けられている。この静電チャ
ック１４は、図２にその詳細を示したように、例えば電
界箔銅からなる導電層１５を上下両側からセラミックや
ポリイミド・フィルム等の絶縁体１６、１７で挟んで接
着した構成を有している。

【００２１】さらに本実施例における上記導電層１５
は、その中心部１５ａよりも周縁部１５ｂの方が少し高
い位置になるような形態を有しており、その結果、上記
導電層１５の中心部１５ａから絶縁体１６の表面までの
厚さよりも、周辺部１５ｂから絶縁体１６の表面までの
厚さの方が薄くなっている。即ち、導電層１５における
周辺部１５ｂの絶縁距離の方が、中心部１５ａの絶縁距
離よりも短くなっている。そして上記処理室２の外部に
設けられている高圧直流電源１８によって、例えば２０
０Ｖ〜３ｋＶの直流電圧が上記導電層１５に印加される
と、クーロン力によって上記半導体ウエハＷは上記静電
チャック１４の上面、即ち上記絶縁体１６の表面に吸引
保持されるようになっている。

【００２２】上記静電チャック１４、及びサセプタ７、
サセプタ支持台６、絶縁板５、処理室２の底部には、こ
れらを上下方向に貫通する複数の伝熱媒体流路１９が形
成され、この伝熱媒体流路１９内には上記半導体ウエハ
Ｗを上下動させるためのプッシャーピン２０が挿通自在
に挿入されている。

【００２３】これら各プッシャーピン２０は、その下端
部が処理室２の外部で上下動プレート２１の各支持部２
２に固着されており、この上下動プレート２１は例えば
パルスモータなどの駆動機構２３によって上下動自在に
なるように構成されている。したがってこの駆動機構２
３を作動させて上記上下動プレート２１を上下動させる
と、それに伴って上記各プッシャーピン２０が上昇、下
降し、これら各プッシャーピン２０の上端面は、図２に
示したように上記静電チャック１４の上側の絶縁体１６
の表面から突出したり、図１に示したように伝熱媒体流
路１９内に納まったりするようになっている。

【００２４】そして被処理体である上記半導体ウエハＷ
は、図２に示したようにプッシャーピン２０の上端面が
上記静電チャック１４の上側の絶縁体１６の表面から突
出した状態のときに、当該上端面に載置されたり、ある
いは当該上端面から搬出されたりする。

【００２５】なお上記上下動プレート２１の各支持部２
２と、上記処理室２の底部外側面との間には、ベローズ
２４が夫々設けられており、これら各ベローズ２４によ
って上記各プッシャーピン２０の上下動経路となる上記
伝熱媒体流路１９は、大気に対して気密構造となってい
る。

【００２６】上記伝熱媒体流路１９は、処理室２外部か
ら絶縁板５、サセプタ支持台６、サセプタ７内を通じて
導入されているガス供給管２５と通じており、別設のガ
ス供給装置（図示せず）によって、例えばＨｅガスをこ
のガス供給管２５内に流すと、当該Ｈｅガスには、前出
冷却冷媒の冷熱がサセプタ支持台６及びサセプタ７を介
して熱電導される。そしてそのようにして冷却されたＨ
ｅガスは、上記伝熱媒体流路１９を通じて上記静電チャ
ック１４の絶縁体１６の表面にまで達し、その結果当該
絶縁体１６表面に載置される半導体ウエハＷを所定温
度、例えば６０゜Ｃ〜−１５０゜Ｃまでの任意の温度に
調整できる構成となっている。

【００２７】また上記サセプタ７の上面には、上記静電
チャック１４を囲むようにして絶縁体からなる環状のフ
ォーカスリング２６が設けられており、このフォーカス
リング２６の高さは、上記静電チャック１４に載置され
る半導体ウエハＷの高さと略同一になるように設定され
ている。このような構成を有するフォーカスリング２６
の存在によって、プラズマの発生に伴って処理室２内に
発生した反応性イオンは、上記半導体ウエハＷに効果的
に入射されるものである。

【００２８】一方上記処理室２内の上部には、接地線３
１によって接地されている上部電極３２が設けられてい
る。この上部電極３２は全体として中空構造を有してお
り、また上記静電チャック１４との対向面３２ａの材質
は例えばアモルファスカーボンからなっている。そして
この対向面３２ａには、多数のガス拡散孔３３が設けら
れており、上記上部電極３２の中心上部に設けられてい
るガス導入口３４から供給される処理ガスは、これら各
ガス拡散孔３３から、上記静電チャック１４上に載置さ
れる半導ウエハＷに対して均等に吐出される構成となっ
ている。

【００２９】本実施例を使用したエッチング処理装置１
は以上のような構成を有しており、次のその動作につい
て説明すると、まずエッチング処理対象となる半導体ウ
エハＷは、このエッチング処理装置１にゲートバルブ
（図示せず）を介して設けられているロードロック室
（図示せず）から処理室２内に搬入され、図２に示した
ように静電チャック１４上から突出しているプッシャー
ピン２０の上に載置される。このとき予め高圧直流電源
１８によって上記静電チャック１４の導電層１５には、
直流電圧を印加しておけば、上記静電チャック１４の上
側の絶縁体にプラスの電荷が帯電し、一方上記半導体ウ
エハＷの裏面にはマイナスの電荷が帯電する。

【００３０】この状態で上記プッシャーピン２０を下降
させると、上記のプラスの電荷とマイナスの電荷によっ
て生じた静電吸着力によって上記半導体ウエハＷは上記
静電チャック１４の上側の絶縁体１６の表面に吸着保持
される。

【００３１】この場合、既述の如く、導電層１５におけ
る周辺部１５ｂの絶縁距離の方が、中心部１５ａの絶縁
距離よりも短くなっているので、静電チャック１４にお
いては、その周辺部の方が中心部よりもプラスの電荷が
多く帯電し、その結果、上記静電吸着力は半導体ウエハ
Ｗの周辺部の方がより強くなっている。

【００３２】次にガス導入口３４からエッチング反応ガ
スとして例えばＣＦ₄エッチングガスがガス拡散孔３３
を介して処理室２内に導入され、また同時にガス供給管
２５からのＨｅガスを上記伝熱媒体流路１９を通じて上
記半導体ウエハＷの裏面に放出させ、処理室２内の圧力
を所定の値、例えば１Ｔｏｒｒに維持させる。

【００３３】その後、高周波電源１１から、例えば周波
数が１３．５６ＭＨｚでパワーが１０００ｗの高周波電
力を上記サセプタ７に印加させると、上部電極３２と上
記半導体ウエハＷとの間にプラズマが発生し、このプラ
ズマ雰囲気の中で上記半導体ウエハＷにはエッチング処
理がなされるのである。なおプラズマが発生した際に
は、上記半導体ウエハＷは疑似接地されるので、上記静
電チャック１４による半導体ウエハＷの吸着保持はより
強固なものとなる。

【００３４】そのようなエッチング処理中においてはプ
ラズマによって処理室２内の温度が上昇し、それに伴っ
て上記半導体ウエハＷの温度も上昇するが、上記半導体
ウエハＷの裏面には冷却されたＨｅガスが伝熱媒体流路
１９を通じて放出されているので、所定温度に維持され
ている。

【００３５】この場合、上記Ｈｅガスは中心から周辺方
向に抜け出ようとするため、半導体ウエハＷの周辺部の
熱伝達率が低下し、それに伴って半導体ウエハＷの周辺
部の方が温度が高くなろうとするが、既述の如く上記半
導体ウエハＷの周辺部の方が中心部よりも強固に吸着さ
れているので、周辺部の熱伝達率は中心部より高くなっ
ており、その結果周辺部の方がより冷熱が伝わりやすく
なり、周辺部における上記の温度上昇は防止される。し
たがって上記半導体ウエハＷの温度分布は均一化される
のである。それゆえ上記のエッチング処理についても、
上記半導体ウエハＷに対して均一に施されるものであ
る。

【００３６】なお上記実施例における静電チャック１４
の導電層１５は、周辺部で一段高くするようにして段差
を設け、それによって周辺部における上側の絶縁体１６
の表面までの絶縁距離を短くするようにしていたが、こ
れに代えて、例えば図３に示した第２実施例のように、
周辺部にいくにつれて上側に湾曲するような形態の導電
層４１の上下面に、夫々絶縁体４２、４３を設けた構成
の静電チャック４４としてもよい。なお説明の都合上、
上記実施例でみられたようなプッシャーピンが挿通して
いる伝熱媒体流路の図示は省略している。

【００３７】この第２実施例によれば、高圧直流電源４
５の印加によって発生する静電吸着力が、中央部から周
辺部にいくにつれて連続して次第に強くなるという作用
効果が得られる。

【００３８】さらにまた図４に示した第３実施例のよう
に、導電層を複数に分け、中央部に配される環状の導電
層５１よりも、周辺部に配される環状の導電層５２の方
を高い位置に設けた静電チャック５３とすれば、上記導
電層５２における絶縁体５４表面までの絶縁距離を短く
して、周辺部の静電吸着力を中央部よりも強くして周辺
部の熱伝達率の改善を図ることが可能である。この場合
図４に示したように、中央部の導電層５１に印加する高
圧直流電源５５と、周辺部の導電層５２に印加する高圧
直流電源５６とを独立したものとすれば、各高圧直流電
源からの電圧を夫々個別に調整することによって、中央
部と周辺部の静電吸着力を各々独立して調整することが
できる。さらにこの場合、図４に示したように、中央部
の導電層５１に印加する高圧直流電源５５と、周辺部の
導電層５２に印加する高圧直流電源５６との極性を相互
に逆にしておけば、プラズマの発生の有無に関係なく、
常に安定した静電吸着力が得られるものである。

【００３９】なお上記第３実施例においては、導電層の
数を２つとしていたが、もちろん３以上の環状の導電層
によって構成してもよい。その場合には、より小さいエ
リアの調整を個別に行うことが可能である。

【００４０】また図５に示した第４実施例のように、中
央部に配される導電層６１は上記第２実施例にみられた
ような湾曲した形態とし、周辺部に配される導電層６２
はフラットな環状の導電層としてこれら各導電層６１、
６２の上下面に絶縁体６３を設けた静電チャック６４と
して構成してもよい。この場合にも図５に示したよう
に、各導電層６１、６２に対して直流電圧を印加する高
圧直流電源を夫々高圧直流電源６５、６６とに分け、さ
らに各高圧直流電源６５、６６の印加する電圧の極性を
相互に逆にしてもよい。

【００４１】このような構成にかかる静電チャック６３
によれば、中央部の静電吸着力を周辺に向かうにつれて
連続的に強くすることができ、一方周辺部における静電
吸着についてはこれを均一なものとすることができる。
この場合にも、各高圧直流電源６４、６５の個別の調整
により、中央部と周辺部における静電吸着力を独立して
調整でき、しかもプラズマの発生の有無に関係なく、常
に安定した静電吸着力が得られるものである。

【００４２】なお既述の実施例は、エッチング処理装置
のサセプタ上に設けたものであったが、もちろんこれに
限らず、被処理体が載置され、この被処理体を吸着保持
する必要がある他の処理装置、例えばアッシング装置や
ＣＶＤ、ＬＣＤ等の各種処理装置に対して本発明は適用
可能である。

【００４３】

【発明の効果】請求項１、２によれば、１の導電体によ
って周辺部の静電吸着力を強くすることができ、その結
果周辺部における熱伝達率が改善され、中心部と周辺部
との温度差を是正して、被処理体における処理中の温度
分布を均一にすることができる。またそれを実現するた
めの構成が極めて簡易であり、既存の各種プラズマ処理
装置に対して適用可能である。請求項３では、さらに個
々の導電体に対してそれぞれ独立した電源から電圧を印
加しているので、個別にしかも小さいエリア毎に吸着力
利調整が可能となり、それに応じてまた熱伝達率も場所
に応じた改善が可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例を用いたに用いたエッチング処
理装置の側面断面の様子を模式的に示した説明図であ
る。

【図２】本発明の実施例の要部を示した説明図である。

【図３】本発明の第２実施例の側面断面図である。

【図４】本発明の第３実施例の側面断面図である。

【図５】本発明の第４実施例の側面断面図である。

【符号の説明】

１エッチング処理装置２処理室７サセプタ１４静電チャック１５導電層１６、１７絶縁体１８高圧直流電源１９伝熱媒体流路２０プッシャーピン２５ガス供給管Ｗ半導体ウエハ

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】導電体の上下面に絶縁体を有し、当該導
電体に電圧が印加された際に発生する静電気力によって
自体の上面に載置される被処理体を吸着保持する如く構
成された静電チャックにおいて、周辺部における導電体
から上記上側の絶縁体の表面までの距離を、中央部にお
ける導電体から上記上側の絶縁体の表面までの距離より
も短くしたことを特徴とする、静電チャック。
【請求項２】導電体の上下面に絶縁体を有し、当該導
電体に電圧が印加された際に発生する静電気力によって
自体の上面に載置される被処理体を吸着保持する如く構
成された静電チャックにおいて、導電体は中心軸を共通
にする複数の径の異なった環状導電体によって構成さ
れ、さらに周辺部の環状導電体から上記上側の絶縁体の
表面までの距離を、中央部の環状導電体から上記上側の
絶縁体の表面までの距離よりも短くしたことを特徴とす
る、静電チャック。
【請求項３】各環状導電体に印加するための電源を、
各環状導電体毎に独立して設けたことを特徴とする、請
求項２に記載の静電チャック。