JPH09219442A - 静電チャックおよびその製造方法 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 静電チャックに対して面内温度分布を均一化
させるのに適当した態様の溝を加工することにより信頼
性及び耐久性の向上を図りながら、試料基板の面内にお
ける処理の均一性確保に資する。 【解決手段】 試料基板１１とチャック本体の間にガス
が充填されて使用され、静電気力で試料基板１１を吸着
する静電チャック１９において、チャック本体の試料基
板１１に接する面に使用ガスの充填圧力における平均自
由行程以下の深さの溝２２が加工されている。この溝２
２の深さが１０μｍ以下であり、また、深さの均一性が
±１０％の誤差範囲内であることが良い。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造装置に
用いられる静電チャックおよびその製造方法、特にチャ
ック面の溝加工方法に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】半導体製造装置によって半導体基板のよ
うな試料基板を真空中で処理する際、この試料基板の温
度制御を精度良く行うためとして静電チャックが用いら
れている。この場合、静電チャックは処理対象の試料基
板と熱的に緊密に結合していることが必要であり、従っ
て、試料基板との熱伝導を促進するために、通常は、静
電チャックと試料基板との間にはＨe などのガスが充填
されるようになっている。ところで、半導体基板をその
面内で均一にプラズマ処理するためには、半導体基板の
面内温度分布状態が重要な要素となる。そのために、典
型的な先行技術の一つである特開平 6−318566号公報に
示されるように、半導体基板（試料基板）と静電チャッ
クの間にガスを充填させ処理対象の半導体基板と静電チ
ャックの間の熱伝導を促進させることによって、半導体
基板の温度制御を行っている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】このようなガス充填方
式によるものでは、試料基板と静電チャックの間に導入
されるガスの流通を助長するためとして、従来は静電チ
ャックの試料基板に接する表面（チャック面）に複数条
の溝を設けているが、現に使用されている静電チャック
の溝は必要以上に深くて、試料基板の面内温度分布の不
均一をもたらすのと、また、機械加工を用いたものでは
溝加工の際にマイクロクラックが発生し易くて製品の信
頼性が劣るのとが問題であった。

【０００４】一方、特開平 6−318566号公報に開示され
るようにレーザー加工を用いたものでは、溝の大きさが
小さく、特に溝の深さ及び幅が狭いことから、多くの溝
が必要となり、そのためにクロスハッチ模様の溝を形成
する等、製作工程が複雑となり、装置コストが上昇する
などの不利は免れ得なかった。

【０００５】本発明は、このような問題点の解消を図る
ために成されたものであり、本発明の目的は、この種の
静電チャックに対して面内温度分布を均一化させるのに
適当した態様の溝を加工し得ることにより信頼性及び耐
久性の向上を図るとともに、試料基板の面内における処
理の均一性確保に資することが可能な静電チャックを提
供することにある。

【０００６】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記の目的を
達成するため以下に述べる構成としたものである。即
ち、本発明は、試料基板とチャック本体の間にガスが充
填されて使用され、静電気力で試料基板を吸着する静電
チャックにおいて、チャック本体の試料基板に接する面
に前記使用ガスの充填圧力における平均自由行程以下の
深さの溝が加工されていることを特徴とする。

【０００７】本発明はまた、上記静電チャックにおい
て、チャック本体の試料基板に接する面に加工される溝
の深さが１０μｍ以下であることを特徴とする。また本
発明は、上記静電チャックにおいて、チャック本体の試
料基板に接する面に加工される溝の１０μｍ以下の深さ
の均一性が±１０％の誤差範囲内であることを特徴とす
る。

【０００８】さらに本発明は、試料基板とチャック本体
の間にガスが充填されて使用され、静電気力で試料基板
を吸着する静電チャックにおける試料基板に接する面
に、薬液あるいはプラズマによるエッチングを行って、
前記使用ガスの充填圧力における平均自由行程以下の深
さの溝を前記面に加工することを特徴とする静電チャッ
クの製造方法である。

【０００９】

【発明の実施の形態】上述の手段を備える本発明による
と、試料基板例えば半導体基板を処理する際、静電チャ
ックのチャック面である表面の溝によってガスを静電チ
ャックと半導体基板との間に速やかに充填することがで
きる。この場合のガスの伝熱動態としては、ガスの圧力
に応じた平均自由行程とガスが充填されている二つの物
体間の代表長さの比に応じて大きく３つに分けられる。

【００１０】その一つ目は、ガスが固体と同じように熱
を伝える態様である。すなわち、２つの物体間の距離が
ガスの平均自由行程よりも長い場合には、熱は先ず片方
の物体からガスに伝わり、そしてガスの分子間で伝熱を
行い、次いで反対側の物体に熱を伝えるようになる。二
つ目は、ガスの対流による一般的な熱伝達の態様であ
る。そして三つ目は、真空中の熱伝達であるガスの平均
自由行程が２つの物体間より長い場合の伝熱動態であ
り、このときはガスの分子同士での衝突が少なくなり、
ガスが２つの物体間で衝突するので、ガスが物体に衝突
したときに物体に熱を伝える効率で表される適応係数が
伝熱の大きさに関わってくるようになる。この伝熱は下
記式（１）で表される。

【００１１】下記式（１）の仮定として２つの物体間の
距離がガスの平均自由行程より非常に短いことがある。
若し、２つの物体間の距離がガスの平均自由行程より長
くなればガス分子同士の衝突が起こり易くなり熱伝導の
効率は低下する。２つの物質の間に充填されたガスの平
均自由行程よりもこの２つの物質の間の距離が短い場合
の熱伝導は式（１）に示されるように、これらの物質間
の距離には関係なく一定である。

【００１２】

【数１】 Ｇ＝（ａ1 ×ａ2 ×Λ×Ｐ）／｛ａ1 ＋ａ2 −（ａ1 ×ａ2 ）｝…（１） ここで、 Λ＝3.5 ×10^-3×Ｍ^-0.5×｛（γ＋1)／（γ−1)｝×(273／Ｔ）^0.5 ａ1 、ａ2 ：適応係数 γ：気体の比熱比 Ｍ：気体の分子量 Ｐ：気体の圧力 Ｔ：気体の絶対温度

【００１３】すなわち、ここでは溝の深さがガスの平均
自由行程よりも短いことが熱伝導を低下させないための
前提であり、このことが重要なポイントである。また、
図５には圧力と平均自由行程の関係が表されるが、この
図５からＨe の約1300Ｐa (10Torr)での平均自由行程は
１０μｍであり、また、約4000Ｐa (30Torr)では４．５
μｍである。なお、ここで半導体基板と静電チャックの
間に充填するガスはＨe に限定する必要はなく、（１）
式に他のガスの物性値を当てはめると酸素や窒素の方が
熱伝導は大きくなり、実際に熱伝導効率を高めることが
できる。

【００１４】静電チャックとこれがチャッキングする半
導体基板とのギャップは通常約１μｍであり、冷却ガス
として用いるガスの圧力は約1300Ｐa で、その場合の平
均自由行程は約１０μｍであり、上記の仮定条件を満た
している。一方、本発明に係る静電チャックの溝の深さ
は１０μｍ以下であるということは溝の有る部分と無い
部分との熱伝導の効率の差を極力なくするようにして熱
伝導の面内均一化を果たすことが目的であるから、溝の
深さは、使用するガスの圧力における平均自由行程より
浅くすることが必要である。従って、そのような条件を
持つ溝はガスの平均自由行程より短いので熱伝導を低下
させることは決してない。

【００１５】また、溝の深さが浅いことから静電チャッ
クの吸着力は溝がないものと比して殆ど低下しない。さ
らに、溝の深さが浅く、かつ均一であるために、プラズ
マ処理を行う場合においても溝部分におけるインピーダ
ンスの変化が小さいために、半導体基板を溝の影響を受
けないで均一に処理することが可能である。

【００１６】また、本発明に係る製造方法においては、
薬液またはプラズマによるエッチングを用いることによ
って、溝深さを均一にすることが容易である。さらに、
静電チャックに対してマイクロクラック等の損傷を与え
ることがないので、装置の信頼性並びに耐久性が向上す
る利点がある。

【００１７】

【実施例】以下、本発明の実施例について添付図面を参
照しながら説明する。図１には本発明の実施例に係る静
電チャックを用いたエッチング装置の基本構成の一つが
示される。図１において、１は、マイクロ波を発生する
マイクロ波発振器であり、具体的には、２．４５ＧＨz
の周波数で出力は０〜１ kＷのものが用いられる。２
は、マイクロ波を効率良くプラズマに吸収させるための
マッチング回路、３は、マイクロ波を伝播する導波管で
あり、４は、マイクロ波を円偏波させるための素子であ
る。

【００１８】７は試料基板である半導体ウエハ１１が収
容される真空容器であって、マイクロ波導入窓５、排気
チャンバ８、ロードロック室９等を備えており、マイク
ロ波導入窓５は、真空容器７内の真空状態を保持した状
態で導波管３及び素子４を経たマイクロ波を真空容器７
内に伝播させるように設けられたものであり、石英ガラ
ス又はセラミックにより形成される。なお、６は処理ガ
スを真空容器７内に導入するための配管である。

【００１９】１０は、電磁コイルであって、ＥＣＲ条件
（電子サイクロトロン共鳴条件：この場合は８７５ガウ
ス）を満たす磁場を真空容器７内に発生することができ
るようになっている。すなわち、前記マイクロ波が磁場
印加状態での真空容器７内に導入されることによりＥＣ
Ｒプラズマを発生させる。前記半導体ウエハ１１は、真
空容器７内において保持装置１２によって例えば水平に
保持されている。この保持装置１２の構成は図２に示さ
れている。

【００２０】上記保持装置１２において材質がアルミニ
ウムであって、冷媒１６により冷却されている電極ブロ
ック１３上に、静電チャック１９が接着固定されてい
て、その上に半導体ウエハ１１が保持される。静電チャ
ック１９の周囲には石英あるいはセラミック製のリング
２５が配設されている。静電チャック１９の導電対層は
高周波をカットするためのフィルタ２４を介して静電チ
ャック１９用の直流電源１８に接続される。

【００２１】静電チャック１９は、半導体ウエハ１１を
プラズマ処理するときの温度調整をするためのものであ
って、プラズマ処理中は直流電源１８の印加によって半
導体ウエハ１１をチャック面に吸着し、ガス導入ユニッ
ト１５から半導体ウエハ１１と静電チャック１９との間
にガスが導入されて、静電チャック１９と半導体ウエハ
１１の間の熱伝導が促進されることによって、半導体ウ
エハ１１を冷却された電極ブロック１３の温度に対して
一定の温度差に保つことかできる。また、電極ブロック
１３は、セラミック等からなる絶縁体１４によって他の
真空容器２６から絶縁されており、高周波電源（１００
ｋＨｚ〜２ＭＨｚ用）２１からの高周波電力がマッチン
グボックス２０を介して印加される。

【００２２】図３には静電チャック１９における溝２２
が設けられてなるチャック面が平面で示される。同図に
おいて、静電チャック１９の直径は１９６mmで、８イン
チウエハ用のものである。ハッチングを付した部分が溝
２２であって、この溝２２は静電チャック１９のの中心
軸を心とした同心に配置された溝幅２mmの３条のリング
状溝と、前記中心軸を通る径に沿った放射状に延びて３
条の前記リング状溝間に亘る溝幅２mmの８個の直線溝と
によって形成される。この装置では、充填するＨe ガス
の圧力は約4000Ｐa (30Torr)であるので、溝２２の深さ
は１０μｍ±１０％で加工されている。

【００２３】上記溝２２の加工方法が図４に工程図で示
されている。先ず、静電チャック１９上に設ける溝パタ
ーン（図３参照）のマスクを製作する。図４において
（ａ）〜（ｄ）の各態様は溝パターンをエッチングする
ためのマスクを製作する工程である。工程（ａ）で、Ｓ
ＯＧ（スピン−オン−グラス）を静電チャック１９の上
全面に塗布し、工程（ｂ）で、さらにその上にレジスト
を塗布し、次いで、工程（ｃ）で、前記マスクを用いて
レジストを感光し、現像した後、工程（ｄ）に移行して
プラズマエッチングあるいはフッ酸溶液によるエッチン
グでＳＯＧをエッチングする。ここまでで静電チャック
１９上のマスクができあがる。

【００２４】この後に薬液又はプラズマによってエッチ
ングを行う。このエッチング処理は図４において工程
（ｅ），（ｆ）により示される通り、工程（ｅ）で前記
マスクが施された状態の静電チャック１９をに対してエ
ッチングを行った後、工程（ｆ）に移行してマスクを取
り除く。このようにして、所定のパターンを持つ溝２２
の加工が完了する。なお、薬液でエッチングを行うか又
はプラズマでエッチングを行うはエッチングする材料に
よって異なる。ここでは静電チャック１９のチャック本
体にアルミナを用いているので、プラズマエッチングを
用いて加工している。この場合のガスとしては、塩素お
よび水素の混合ガスを用いてプラズマエッチング加工し
ている。

【００２５】

【発明の効果】以上述べた通り、本発明に係る静電チャ
ックおよびその製造方法によれば、静電チャックの製作
再現性に優れているとともに、耐久性の向上が図れ、さ
らに、この静電チャックを用いることによって、半導体
基板等の試料基板の処理の際の熱伝導を促進し、また、
試料基板の面内における処理の均一性を安定向上化させ
ることが可能である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係る静電チャックを用いたエ
ッチング装置の概要示基本構造図である。

【図２】図１における保持装置１２の概要示構造図であ
る。

【図３】図１における静電チャック１９のチャック面を
示す平面図である。

【図４】図１における静電チャック１９に溝２２を形成
する方法を順序的に示す工程図である。

【図５】各種気体の平均自由行程線図である。

【符号の説明】

１１…試料基板 １９…静電チャック ２２…溝

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 池田 貢基 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 金丸 守賀 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内 (72)発明者 大西 隆 兵庫県神戸市西区高塚台１丁目５番５号 株式会社神戸製鋼所神戸総合技術研究所内

Claims (4)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 試料基板とチャック本体の間にガスが充
   填されて使用され、静電気力で試料基板を吸着する静電
   チャックにおいて、チャック本体の試料基板に接する面
   に前記使用ガスの充填圧力における平均自由行程以下の
   深さの溝が加工されていることを特徴とする静電チャッ
   ク。
2. 【請求項２】 チャック本体の試料基板に接する面に加
   工される溝の深さが１０μｍ以下である請求項１記載の
   静電チャック。
3. 【請求項３】 チャック本体の試料基板に接する面に加
   工される溝の深さの均一性が±１０％の誤差範囲内であ
   る請求項２記載の静電チャック。
4. 【請求項４】 試料基板とチャック本体の間にガスが充
   填されて使用され、静電気力で試料基板を吸着する静電
   チャックにおける試料基板に接する面に、薬液あるいは
   プラズマによるエッチングを行って、前記使用ガスの充
   填圧力における平均自由行程以下の深さの溝を前記面に
   加工することを特徴とする静電チャックの製造方法。