JP2007317772A - Electrostatic chuck device - Google Patents

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Naoto Hayashi
直人 林
Hitoshi Kaneko
等 金子
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Abstract

<P>PROBLEM TO BE SOLVED: To make it possible to control temperature distribution and temperature gradient for diversification of etching processes and the influence on etching by the variation in plasma density distribution, while carrying out temperature control with high accuracy and making uniform the temperature distribution of a wafer. <P>SOLUTION: A first heater 6 is provided in the lower part of an internal electrode 2 of an electrostatic chuck 1, and further a second heater 8 and a cooling tube 5 are formed in the inside of a base plate 4 provided integrally in the lower part of the electrostatic chuck 1. The temperature control of the wafer is carried out by using these heaters 6 and 8 and the cooling tube 5. <P>COPYRIGHT: (C)2008,JPO&INPIT

Description

本発明は、静電チャック装置に関する発明であり、特に、プラズマを利用したエッチング装置、ＣＶＤ装置のための静電チャックに関する。   The present invention relates to an electrostatic chuck apparatus, and more particularly to an electrostatic chuck for an etching apparatus and a CVD apparatus using plasma.

急速に進展するＩＴ技術を支える半導体産業においては、素子の高集積化や高性能化が求められており、このために微細加工技術の向上が必要とされている。エッチング技術はその微細加工技術の重要な技術の一つであり、エッチング技術の内で、高効率で大面積の微細加工が可能なプラズマエッチングが主流となっている。   In the semiconductor industry that supports rapidly progressing IT technology, higher integration and higher performance of elements are required. For this reason, improvement of microfabrication technology is required. The etching technique is one of the important techniques of the microfabrication technique. Among the etching techniques, plasma etching that enables high-efficiency and large-area microfabrication is the mainstream.

プラズマエッチング技術は半導体のドライエッチング技術の一種で、真空中に反応性ガスを導入し高周波電界を印可することにより加速された電子がガス分子と衝突して正イオン、電子、中性粒子で構成されるプラズマ状態にし、発生するラジカルとイオンを固体材料と反応させて反応生成物として取り除き、微細パターンを形成する技術である。加工対象となる材料の上にレジストでマスクパターンを形成し、これに沿って微細パターンが形成される。
例えばプラズマエッチングの代表例ではフレオン(CF4)ガスを用いて、シリコンをエッチング加工するときには、フレオンの解離により生成した原子状フッ素とウェーハ上のシリコンがSiF4というガスが形成されて固体から気化し、取り除かれる。 Plasma etching technology is a type of dry etching technology for semiconductors. Electrons accelerated by introducing a reactive gas into a vacuum and applying a high-frequency electric field collide with gas molecules, and consist of positive ions, electrons, and neutral particles. In this technique, the generated radicals and ions are reacted with a solid material and removed as reaction products to form a fine pattern. A mask pattern is formed with a resist on the material to be processed, and a fine pattern is formed along the mask pattern.
For example, in a typical example of plasma etching, when freon (CF4) gas is used to etch silicon, atomic fluorine generated by dissociation of freon and silicon on the wafer are vaporized from solid by forming a gas called SiF4, Removed.

プラズマエッチングの利点として、（１）微細加工が可能である。（２）エッチングのコントロールが容易である。（３）１種類のエッチャント（CF4）で、Si、SiO2、Si3N4などのシリコン化合物のエッチングが可能である。（４）フォトレジストをエッチングマスクとして使用できる。等が挙げられる。   As advantages of plasma etching, (1) microfabrication is possible. (2) Etching control is easy. (3) One kind of etchant (CF4) can etch silicon compounds such as Si, SiO2, and Si3N4. (4) A photoresist can be used as an etching mask. Etc.

また、原料ガスをプラズマの働きで化合させ基板の上に堆積させる薄膜成長技術の一つとしてプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）がある。化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition：以下ＣＶＤとも言う)とは石英等で構成された反応管内で加熱した基板物質上に、目的とする薄膜の成分を含む原料ガスを供給し、基板表面又は気相での化学反応により原料分子に含まれる元素を構成要素とする膜を堆積する方法である。ＣＶＤ装置を使って、熱的反応だけで成膜使用としようとしても成膜できない場合、プラズマを用いて反応温度を下げて、成膜する方法がプラズマＣＶＤ法である。この方法は、原料分子を含むガスのプラズマを生成し、そのプラズマ放電中で加速された電子によって原料分子を分解させ、成膜する方法である。低温では熱的励起だけでは起こらなかった反応も、プラズマ放電中では、系内のガスが相互に衝突し活性化されラジカルとなるので、可能となる。   Plasma CVD (Chemical Vapor Deposition) is one of thin film growth techniques in which source gases are combined by the action of plasma and deposited on a substrate. Chemical vapor deposition (hereinafter also referred to as CVD) is a method of supplying a source gas containing a desired thin film component onto a substrate material heated in a reaction tube made of quartz or the like, This is a method of depositing a film having an element contained in a raw material molecule as a constituent element by a chemical reaction in a gas phase. In the case where film formation cannot be performed by using only a thermal reaction using a CVD apparatus, plasma CVD is a method for forming a film by lowering the reaction temperature using plasma. This method is a method of generating a plasma of a gas containing raw material molecules, decomposing the raw material molecules with electrons accelerated in the plasma discharge, and forming a film. Reactions that did not occur only by thermal excitation at low temperatures are also possible during plasma discharge because the gases in the system collide with each other and are activated to become radicals.

プラズマエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置等プラズマを使う半導体製造装置において、従来から、試料台に簡単にウェーハを取付け、固定できる装置として静電チャック（electrostatic chuck）装置が使われている。この装置は、内部に電極を有する、セラミックス等の誘電体で構成された試料台として構成されている。   2. Description of the Related Art Conventionally, in a semiconductor manufacturing apparatus using plasma such as a plasma etching apparatus and a plasma CVD apparatus, an electrostatic chuck apparatus has been used as an apparatus that can easily mount and fix a wafer on a sample stage. This apparatus is configured as a sample stage made of a dielectric material such as ceramics having electrodes inside.

静電チャックの原理と種類
図６に静電チャックの構成と吸着原理を示す。図６（a）において、１は静電チャック、３はウェーハである。静電チャック１は誘電体材料（静電チャックは、例えば、アルミナとＳｉＣ等の誘電材料から構成されている。）から形成され、その内部には金属電極２が設けられている。前記金属電極２とウェーハ３との間に電圧Ｖを印加すると、ウェーハ３と静電チャック１の表面に正・負の電荷が発生し、この間に働く力によってウェーハ３が静電チャック１に固定される。 Principle and type of electrostatic chuck FIG. 6 shows the configuration and suction principle of the electrostatic chuck. In FIG. 6A, 1 is an electrostatic chuck and 3 is a wafer. The electrostatic chuck 1 is made of a dielectric material (the electrostatic chuck is made of a dielectric material such as alumina and SiC, for example), and a metal electrode 2 is provided therein. When a voltage V is applied between the metal electrode 2 and the wafer 3, positive and negative charges are generated on the surfaces of the wafer 3 and the electrostatic chuck 1, and the wafer 3 is fixed to the electrostatic chuck 1 by a force acting therebetween. Is done.

静電チャック１は吸着方式に基づいて２つのタイプに分類される。即ち、誘電体として絶縁材料を使用するクーロン力型と、固有抵抗値が１０8〜１０13Ωｃｍの半導体を使うジョンソン・ラベック力型である。 The electrostatic chuck 1 is classified into two types based on the suction method. That is, a Coulomb force type using an insulating material as a dielectric and a Johnson Labek force type using a semiconductor having a specific resistance value of 10 8 to 10 13 Ωcm.

更に、静電チャック１には電極数により、単極型と双極型の２タイプに分類される。図６（ａ）は単極型の静電チャックを表すものであり、図６（ｂ）は双極型の静電チャックを示す図である。双極型の静電チャックは静電チャックの内部の２つ以上の電極を有し、これらに電圧を与えて使用する。   Furthermore, the electrostatic chuck 1 is classified into two types, a monopolar type and a bipolar type, depending on the number of electrodes. 6A shows a monopolar electrostatic chuck, and FIG. 6B shows a bipolar electrostatic chuck. The bipolar electrostatic chuck has two or more electrodes inside the electrostatic chuck and is used by applying a voltage to them.

静電チャック１は、機械的な保持具を使用しないので、試料台に簡単にウェーハを取付け、取り外しでき、然もウェーハを全面に亘って均一に固定できる装置として、ウェーハの吸着固定用装置として広く使用されている。   Since the electrostatic chuck 1 does not use a mechanical holder, the wafer can be easily attached to and detached from the sample stage, and the wafer can be fixed uniformly over the entire surface. Widely used.

ウェーハの冷却
プラズマ雰囲気において半導体ウェーハにエッチング処理、又は、ＣＶＤ処理を行う場合、プラズマの熱によりウェーハの温度が上昇する。従来、この温度上昇を抑制するため及びウェーハの表面温度を制御するためにクーラントを使って静電チャック１を冷却していた。 When an etching process or a CVD process is performed on a semiconductor wafer in a cooling plasma atmosphere of the wafer, the temperature of the wafer rises due to the heat of the plasma. Conventionally, the electrostatic chuck 1 is cooled using a coolant in order to suppress this temperature rise and to control the surface temperature of the wafer.

図７は、公知の冷却を行う静電チャックの斜視図である。１が静電チャック、４がベースプレートである。ベースプレート４は冷却手段を有し、ウェーハを冷却するために静電チャック１に取り付けたものである。   FIG. 7 is a perspective view of an electrostatic chuck that performs known cooling. 1 is an electrostatic chuck and 4 is a base plate. The base plate 4 has cooling means and is attached to the electrostatic chuck 1 for cooling the wafer.

図８は、図７における切断線ＡＡ′で切断した断面図で、冷却機能つき静電チャックの構成を示す。図中、１は静電チャック、２は静電チャックの内部に埋め込まれた吸着用電極、３は静電チャックの表面に置かれた半導体ウェーハ、４はベースプレート、５はベースプレートの内部に内蔵された冷却を行う冷却管、５′はクーラント流入口、５″はクーラントの出口、７はプラズマ照射を表しており、同ウェーハ３に照射するものである。ベースプレートは例えばアルミニウム等の金属から構成される。   FIG. 8 is a cross-sectional view taken along the cutting line AA ′ in FIG. 7 and shows the configuration of the electrostatic chuck with a cooling function. In the figure, 1 is an electrostatic chuck, 2 is an attracting electrode embedded in the electrostatic chuck, 3 is a semiconductor wafer placed on the surface of the electrostatic chuck, 4 is a base plate, and 5 is built in the base plate. A cooling pipe 5 for performing cooling, 5 ′ is a coolant inlet, 5 ″ is a coolant outlet, 7 represents plasma irradiation, and irradiates the wafer 3. The base plate is made of a metal such as aluminum. The

ベースプレート４は、静電チャック１を冷却するために冷却管５を内部に有する静電チャック１を載置する台である。冷却管５はベースプレート４の内部において渦巻き状に配管されており、管にクーラントを注入して冷却する。矢印はクーラントの流れの向きを示す。この冷却管５によりウェーハ３を冷却させていた。（非特許文献１参照）   The base plate 4 is a table on which the electrostatic chuck 1 having a cooling pipe 5 in order to cool the electrostatic chuck 1 is placed. The cooling pipe 5 is provided in a spiral shape inside the base plate 4, and cools by injecting coolant into the pipe. Arrows indicate the direction of coolant flow. The wafer 3 was cooled by the cooling pipe 5. (See Non-Patent Document 1)

ヒータ内蔵型静電チャック
プラズマ環境を迅速に形成するためのチャックとして、ヒータを内蔵するタイプの静電チャックが公知である（特許文献１ないし２）。このタイプの静電チャックは加熱手段（ヒータ）を使って予備加熱して使うものであり、誘電材料として、熱応答性がよいもの（例えば、熱伝導率１００ｗ/ｍＫ以上のセラミックス；例えば窒化アルミ）が求められてきた。又、窒化アルミ等と比べて熱応答性の悪い材料（例えば酸化アルミ）を使用すると材料の温度分布が均一にならないのでウェーハが破壊されやすかった。そこで、従来のヒータ内蔵型静電チャックとしては熱伝導率がよいものが使われてきた。 2. Description of the Related Art Electrostatic chucks with a built-in heater are known as chucks for quickly forming a plasma environment with a built-in heater (Patent Documents 1 and 2). This type of electrostatic chuck is preheated using a heating means (heater), and has a good thermal response as a dielectric material (for example, ceramics having a thermal conductivity of 100 w / mK or more; for example, aluminum nitride ) Has been requested. In addition, when a material (for example, aluminum oxide) having a poor thermal response compared to aluminum nitride or the like is used, the temperature distribution of the material is not uniform, so that the wafer is easily broken. Therefore, a conventional electrostatic chuck with a built-in heater has been used which has good thermal conductivity.

温度制御手段を有する静電チャックについては、特許文献３に次の技術が開示されている。即ち、静電チャックホールダ(前記ベースプレートに相当する)を設け、成膜時にはウェーハから静電チャックホールダの金属ブロックへの熱伝達を良好にして、プラズマ入射下でウェーハ温度を所定の温度範囲に保持し、且つ、プラズマクリーニング時にはウェーハから静電チャックホールダの金属ブロックへの熱伝達を低くして静電チャックの温度をその表面のクリーニング速度が真空容器内のほかの部位と同等となるまで上昇させる。このホールダは、金属ブロックとその上に結合されヒータを内蔵する絶縁板とを有し、前記絶縁板と前記金属ブロックの表面との間に前記静電チャックのウェーハ保持面に平行な層状の隙間として成る空間を形成し、Ｈｅガスを注入し、温度制御を行う。他に、温度制御機構部を備える静電チャックが特許文献４に開示されている。   Regarding the electrostatic chuck having the temperature control means, Patent Document 3 discloses the following technique. In other words, an electrostatic chuck holder (corresponding to the base plate) is provided to improve heat transfer from the wafer to the metal block of the electrostatic chuck holder during film formation and maintain the wafer temperature within a predetermined temperature range under plasma incidence. At the time of plasma cleaning, heat transfer from the wafer to the metal block of the electrostatic chuck holder is lowered to increase the temperature of the electrostatic chuck until the cleaning speed of the surface becomes equal to that of other parts in the vacuum vessel. . The holder includes a metal block and an insulating plate coupled to the heater and including a heater, and a laminar gap parallel to the wafer holding surface of the electrostatic chuck between the insulating plate and the surface of the metal block. Is formed, and He gas is injected to control the temperature. In addition, Patent Document 4 discloses an electrostatic chuck including a temperature control mechanism.

特許庁編：標準技術集 １５年度「半導体製造装置関連真空・クリーン技術」の「３−７−１ 静電チャック（２）」Patent Office: Standard Technology Collection “3-7-1 Electrostatic Chuck (2)” of “Semiconductor Manufacturing Equipment Related Vacuum / Clean Technology” 特開平９―１７２０５７JP-A-9-172057 特開平１０-８０１６８JP 10-80168 特開平９−９７８３０JP-A-9-97830 特開平９−３６２１３JP-A-9-36213

静電チャックの吸着特性（吸着力、着脱する速度）は温度に極めて大きく影響を受けるという問題がある。つまり、プラズマ照射による静電チャックの温度上昇のために吸着特性が減少し、安定的にウェーハを固定することができなくなる。従って、使用温度の範囲をどのように設定するか、及び、プラズマ照射による静電チャックの温度上昇をどのように制御するかは大きな問題となる。   There is a problem that the adsorption characteristics (adsorption force, attachment / detachment speed) of the electrostatic chuck are greatly influenced by temperature. That is, the adsorption characteristic decreases due to the temperature rise of the electrostatic chuck due to plasma irradiation, and the wafer cannot be stably fixed. Therefore, how to set the operating temperature range and how to control the temperature increase of the electrostatic chuck due to the plasma irradiation are serious problems.

ウェーハ上の温度分布にバラツキがあるとウェーハ上に形成される薄膜が不均一に形成される恐れがある。近年大きな径のウェーハを使用するようになっており、均一な成膜、微細加工、エッチングのコントロールに対する要求が更に高まっており、これらの要求に対応するためには、ウェーハ表面温度を精度よく、これによりプラズマ照射がウェーハ上で均一になるように、所望の温度分布パターンに制御する必要がある。例えばチップの大きさが小さく、厚さが薄くなり、細線加工するためにはウェーハの表面温度を適正な温度に正確に制御しなければならない。このため、ウェーハの温度分布を均一にし、精度の高い温度制御を行い、更に、プラズマ密度分布のバラツキによるエッチングへの影響、エッチングプロセスの多様化のために、温度分布、温度勾配を制御できるようにすることが極めて重要になってきている。又、冷却管からのウェーハの温度制御が困難になっている。このため、いかにウェーハの表面温度分布を制御するか、温度制御をどのように改善するかが問題となっている。   If the temperature distribution on the wafer varies, the thin film formed on the wafer may be unevenly formed. In recent years, wafers with large diameters have been used, and demands for uniform film formation, microfabrication, and control of etching have further increased. To meet these demands, the wafer surface temperature has been accurately adjusted, Thus, it is necessary to control to a desired temperature distribution pattern so that the plasma irradiation is uniform on the wafer. For example, the chip size is small, the thickness is thin, and in order to perform fine wire processing, the surface temperature of the wafer must be accurately controlled to an appropriate temperature. For this reason, the temperature distribution of the wafer is made uniform, high-precision temperature control is performed, and furthermore, the temperature distribution and the temperature gradient can be controlled in order to influence the etching due to the variation in the plasma density distribution and diversify the etching process. It has become extremely important to do so. In addition, it is difficult to control the temperature of the wafer from the cooling pipe. For this reason, there is a problem of how to control the surface temperature distribution of the wafer and how to improve the temperature control.

本発明の装置の特徴は、静電チャックの内部に複数の回路パターンを持つ加熱手段を設けた点及び静電チャックの下部に一体的に構成されるベースプレートに冷却手段と加熱手段を設けた点である。
本発明の第１の態様は、内部電極の下部に複数の回路パターンの加熱手段を設け、それぞれ独立に加熱制御することを特徴とする静電チャック装置であり、第２の態様は、セラミック材料を熱伝導率３０ｗ/ｍＫ以下の材料（例えばアルミナ）とする請求項１に記載の静電チャック装置であり、第３の態様は、静電チャックの下部に一体的に設けられたベースプレートの内部に第２の加熱手段と冷却手段を設け、これら加熱手段と冷却手段を使ってウェーハの温度制御を行うことを特徴とする静電チャック装置であり、第４の態様は、静電チャックの内部電極の下部に複数パターンの第１の加熱手段を設け、それぞれの加熱手段の出力を独立に変化させ、更に、静電チャックの下部に一体的に設けられたベースプレートの内部に第２の加熱手段と冷却手段を設け、これら加熱手段と冷却手段を使ってウェーハの温度制御を行うことを特徴とする静電チャック装置であり、第５の態様は、前記べースプレートは金属製であることを特徴とする請求項３又は４の静電チャック装置であり、第６の態様は、前記加熱手段は、内部ヒータ回路パターンとその外周の外部ヒータ回路パターンを有しており、それぞれのヒータの出力を独立に変化させることによりウェーハの表面温度を制御することを特徴とする請求項１、２又は４記載のいずれか一項に記載の静電チャック装置である。 The feature of the apparatus of the present invention is that a heating means having a plurality of circuit patterns is provided inside the electrostatic chuck, and a cooling means and a heating means are provided on a base plate integrally formed under the electrostatic chuck. It is.
According to a first aspect of the present invention, there is provided an electrostatic chuck device in which heating means for a plurality of circuit patterns is provided below an internal electrode and the heating control is independently performed. The second aspect is a ceramic material. The electrostatic chuck apparatus according to claim 1, wherein the material is made of a material having a thermal conductivity of 30 w / mK or less (for example, alumina), and the third aspect is the interior of a base plate integrally provided at the lower part of the electrostatic chuck. The electrostatic chuck apparatus is provided with a second heating means and a cooling means, and the temperature of the wafer is controlled by using the heating means and the cooling means, and the fourth aspect is the interior of the electrostatic chuck. A plurality of patterns of first heating means are provided below the electrodes, the outputs of the respective heating means are independently changed, and further, the second heating means is provided inside a base plate integrally provided at the lower part of the electrostatic chuck. And an electrostatic chuck apparatus characterized in that the temperature control of the wafer is performed using these heating means and cooling means, and the fifth aspect is characterized in that the base plate is made of metal. The electrostatic chuck apparatus according to claim 3 or 4, wherein the heating means has an internal heater circuit pattern and an external heater circuit pattern on the outer periphery thereof, and outputs the respective heaters. 5. The electrostatic chuck device according to claim 1, wherein the surface temperature of the wafer is controlled by independently changing the temperature.

静電チャックの表面付近にヒータを内蔵させたので表面温度のコントロールを迅速に精度よく行うことができる。又、ベースプレートのヒータは冷却による温度のバラツキを軽減させることができる。更に、ウェーハ表面全体に亘って所定の温度分布パターンを形成し、そのパターンを維持しつつ、全体的に温度変化させることができる。表面温度を変更させる場合に、このヒータにより迅速に変更を行うことができる。   Since the heater is built in the vicinity of the surface of the electrostatic chuck, the surface temperature can be controlled quickly and accurately. Further, the heater of the base plate can reduce temperature variation due to cooling. Furthermore, a predetermined temperature distribution pattern can be formed over the entire wafer surface, and the temperature can be changed as a whole while maintaining the pattern. When the surface temperature is changed, the heater can be changed quickly.

また、静電チャック内部のヒータを使うと、ベースプレート内のヒータに比して、接着剤（静電チャックとベースプレートを接着する接着剤）を介さないのでウェーハの表面温度分布を改善することができる。   In addition, when the heater inside the electrostatic chuck is used, the surface temperature distribution of the wafer can be improved because no adhesive (adhesive for bonding the electrostatic chuck and the base plate) is used as compared with the heater inside the base plate. .

前記ヒータの抵抗値は、配線パターンの長さ、幅、厚さを変えることにより自由に設計できる。同ヒータは、静電チャック又はベースプレートに内蔵されているために断線が起こり難く、劣化し難い。更に、静電チャック電極と同様のプロセスを使って製造できるので、精度がよく製造でき、低コストである。   The resistance value of the heater can be freely designed by changing the length, width and thickness of the wiring pattern. Since the heater is built in the electrostatic chuck or the base plate, disconnection hardly occurs and the heater hardly deteriorates. Furthermore, since it can be manufactured using a process similar to that of the electrostatic chuck electrode, it can be manufactured with high accuracy and at a low cost.

以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。   Embodiments of the present invention will be described below with reference to the drawings.

第１の実施例
図１は、本発明の第１の実施例を示す図であり、本発明の静電チャックを直径で切断した断面図である。図中、（従来のベースプレート付き静電チャックの）図６で使用した符号と同一の符号を用いる。第１実施例の静電チャック１はベースプレートを有せず、静電チャック１に複数の回路パターン（各々独立した回路パターンである）のヒータ６を内蔵している点に特徴がある。図中、静電チャックのヒータ６は外側ヒータ６′と内側ヒータ６″とから構成されている。９は外側ヒータ６′の加熱制御を行う加熱制御手段、１０は内側ヒータ６″の加熱制御を行う加熱制御手段である。 First Embodiment FIG. 1 is a view showing a first embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view of the electrostatic chuck of the present invention cut by a diameter. In the figure, the same reference numerals as those used in FIG. 6 (of the conventional electrostatic chuck with a base plate) are used. The electrostatic chuck 1 according to the first embodiment is characterized in that it does not have a base plate and the electrostatic chuck 1 has built-in heaters 6 having a plurality of circuit patterns (each of which is an independent circuit pattern). In the figure, the heater 6 of the electrostatic chuck comprises an outer heater 6 'and an inner heater 6 ". 9 is a heating control means for controlling the heating of the outer heater 6', and 10 is a heating control for the inner heater 6". It is the heating control means which performs.

前記の通り、従来ヒータ内蔵型の静電チャックは、応答性を高めるために、熱伝導率のよい材料（例えば窒化アルミニウム）を使ってセラミックを製造してきた。しかし熱伝導率のよいセラミックを使うと、温度勾配も少なくなり、セラミック全体に亘り均一な温度分布が生成されるので、所望の温度分布、温度勾配を生成することは出来ない。   As described above, in the conventional electrostatic chuck with a built-in heater, a ceramic is manufactured using a material having a high thermal conductivity (for example, aluminum nitride) in order to improve the responsiveness. However, when a ceramic having a good thermal conductivity is used, the temperature gradient is also reduced, and a uniform temperature distribution is generated throughout the ceramic. Therefore, the desired temperature distribution and temperature gradient cannot be generated.

本発明は、所望の温度分布、温度勾配を求めるために、ヒータ内蔵型の静電チャックとして従来において使用を避けてきた熱伝導率の悪いセラミックを使って、熱制御を行うものである。熱伝導率の悪いセラミックとは例えば、アルミナ９０％〜９５％、アルカリ土類金属１０％〜５％等で構成する。   According to the present invention, in order to obtain a desired temperature distribution and temperature gradient, thermal control is performed using a ceramic with poor thermal conductivity that has been conventionally avoided as an electrostatic chuck with a built-in heater. The ceramic having poor thermal conductivity is composed of, for example, alumina 90% to 95%, alkaline earth metal 10% to 5%, and the like.

ヒータの回路パターン
図２は静電チャックに内部に設けたヒータの回路パターンの一例を示す。図において、６′は外側ヒータ、６″は内側ヒータである。１１ａ、１１ｂは内側ヒータの電極であり、１２ａ、１２ｂは外側ヒータの電極である。これら相互に独立したヒータを別々に制御することによりウェーハの表面温度勾配を自由に変化させることができる。図３は、この静電チャックにおいてヒータ６を使ってウェーハの直径方向の温度分布を示したものである。横軸は直径における位置、縦軸はウェーハの表面温度を表す。ヒータ回路パターン、ヒータ数、ヒータの出力等を変化させることでこの温度分布パターンを自由に変化させることができる。
この例では２つのヒータ構成であるが、これに限定されず、ヒータ数を３以上の複数とすることができ、更に所望の表面温度パターンを得るために、前記ヒータ回路パターンに限定されずヒータ回路パターンを自由に設計することができる。
なお、静電チャックの電極とヒータ電極は静電チャック内に積層して一体的に構成され、具体的には、タングステンペーストを印刷し、静電チャック本体となるアルミナのグリーンシートと同時に焼成することができる。 Circuit pattern diagram 2 of the heater shows an example of a circuit pattern of a heater provided inside the electrostatic chuck. In the figure, 6 'is an outer heater, 6 "is an inner heater, 11a and 11b are inner heater electrodes, and 12a and 12b are outer heater electrodes. These mutually independent heaters are controlled separately. 3 shows the temperature distribution in the diameter direction of the wafer using the heater 6 in this electrostatic chuck, where the horizontal axis indicates the position in the diameter. The vertical axis represents the surface temperature of the wafer, and this temperature distribution pattern can be freely changed by changing the heater circuit pattern, the number of heaters, the heater output, and the like.
In this example, there are two heater configurations. However, the present invention is not limited to this. The number of heaters can be three or more, and in order to obtain a desired surface temperature pattern, the heater circuit pattern is not limited. Circuit patterns can be designed freely.
The electrode and heater electrode of the electrostatic chuck are laminated and integrated in the electrostatic chuck. Specifically, the tungsten paste is printed and fired at the same time as the alumina green sheet serving as the electrostatic chuck body. be able to.

この装置をプラズマ下で使うときは、初めに、吸着用電極とウェーハ３との間に電圧をかけ、吸着力を生成しウェーハ３をチャック１に固定する。ウェーハ３の周囲温度を高めてから、複数のヒータ６を使って所望の温度分布パターンを形成してから、プラズマ照射７を行う。   When this apparatus is used under plasma, first, a voltage is applied between the adsorption electrode and the wafer 3 to generate an adsorption force, and the wafer 3 is fixed to the chuck 1. After the ambient temperature of the wafer 3 is increased, a desired temperature distribution pattern is formed using a plurality of heaters 6, and then the plasma irradiation 7 is performed.

このように複数のパターンのヒータ回路６を静電チャック１に設け、それぞれの出力を独立に変化させることにより、装置、プロセスに応じたウェーハ３の表面温度、その温度勾配を自由に設定することが実現できる。例えば、全表面を均一の温度にしたり、中央部における温度を高く、周辺部の温度を低くする、又は逆に、中央部の温度を低く、周辺部の温度を高くすることができる。
静電チャックに内蔵したヒータ６により、ウェーハ３表面に微細なエッチングプロセスに適応した温度勾配をつける、つまりウェーハ３の表面温度に温度勾配をつけることができるようになった。 As described above, the heater circuit 6 having a plurality of patterns is provided in the electrostatic chuck 1, and the output of each is independently changed, so that the surface temperature of the wafer 3 and the temperature gradient according to the apparatus and the process can be freely set. Can be realized. For example, the entire surface can be set to a uniform temperature, the temperature at the center can be increased and the temperature at the periphery can be decreased, or conversely, the temperature at the center can be decreased and the temperature at the periphery can be increased.
With the heater 6 built in the electrostatic chuck, a temperature gradient suitable for a fine etching process can be applied to the surface of the wafer 3, that is, a temperature gradient can be applied to the surface temperature of the wafer 3.

第２実施例
図４は、本発明の第２の実施例を示す図であり、本発明の静電チャック１の直径で切断した断面図である。図中、（従来のベースプレート付き静電チャックの）図６で使用した符号と同一の符号を用いる。第２実施例は、第１実施例で示される静電チャック内に複数の加熱手段を設ける技術、及びベースプレート内部に冷却手段と加熱手段を設ける技術を組合せたものである。 Second Embodiment FIG. 4 is a view showing a second embodiment of the present invention, and is a cross-sectional view taken along the diameter of the electrostatic chuck 1 of the present invention. In the figure, the same reference numerals as those used in FIG. 6 (of the conventional electrostatic chuck with a base plate) are used. The second embodiment is a combination of the technique of providing a plurality of heating means in the electrostatic chuck shown in the first embodiment and the technique of providing cooling means and heating means inside the base plate.

１は静電チャック、２は静電チャックの内部に埋め込まれた吸着用電極で円環状に形成されており、３は静電チャックの表面に置かれた半導体ウェーハ、４はベースプレート、５はベースプレートの内部に内蔵された冷却管で、渦巻き形に形成されている。図４においてはクーラントの入り口、出口は省略して示した。６は吸着用電極の下部に設けられたヒータ（第１の加熱手段）である。７はプラズマ照射を表している。８はベースプレート４に内蔵されたヒータ（第２の加熱手段）である。ベースプレート４はアルミのような金属で出来ている。   Reference numeral 1 denotes an electrostatic chuck, 2 denotes an attracting electrode embedded in the electrostatic chuck, which is formed in an annular shape, 3 denotes a semiconductor wafer placed on the surface of the electrostatic chuck, 4 denotes a base plate, and 5 denotes a base plate This is a cooling pipe built in the inside of the hood, and is formed in a spiral shape. In FIG. 4, the coolant inlet and outlet are omitted. Reference numeral 6 denotes a heater (first heating means) provided below the adsorption electrode. Reference numeral 7 represents plasma irradiation. Reference numeral 8 denotes a heater (second heating means) built in the base plate 4. The base plate 4 is made of a metal such as aluminum.

吸着用電極２の下部に設けられたヒータ６は、第１実施例と同様である。
ベースプレート４内部に設けられるヒータ８は冷却管５の上部に同冷却管と同様な形状で設けることができる。なお、ヒータ８の位置、大きさ、形状は、自由に設計することができる。ベースプレート４のヒータ８は冷却による温度のバラツキを軽減させることができ、更に、表面温度を変更させる場合に、このヒータ８により迅速に変更を行うことができる。 The heater 6 provided under the adsorption electrode 2 is the same as that in the first embodiment.
The heater 8 provided inside the base plate 4 can be provided in the same shape as the cooling pipe above the cooling pipe 5. The position, size, and shape of the heater 8 can be designed freely. The heater 8 of the base plate 4 can reduce temperature variation due to cooling, and when the surface temperature is changed, the heater 8 can quickly change the temperature.

次にウェーハ３に対するプラズマ処理について説明する。
初めに、吸着用電極２とウェーハ３との間に電圧をかけ、吸着力を生成しウェーハ３をチャック１に固定する。次に、ベースプレート４のヒータ８を使ってウェーハ３を迅速に予め加熱した後、静電チャック（セラミックプレートともいう）１に内蔵したヒータ６を使用して、ウェーハ３の表面温度分布を制御する。 Next, plasma processing for the wafer 3 will be described.
First, a voltage is applied between the chucking electrode 2 and the wafer 3 to generate a chucking force and fix the wafer 3 to the chuck 1. Next, the wafer 3 is quickly preheated using the heater 8 of the base plate 4 and then the surface temperature distribution of the wafer 3 is controlled using the heater 6 built in the electrostatic chuck (also referred to as ceramic plate) 1. .

次に、このようにして得られたウェーハの表面温度分布を最適にするために、ベースプレート４のヒータ８を使って前記ウェーハの表面温度分布全体を上げたり、下げたりして調節を行う。その後、プラズマ照射７を行う。プラズマ照射が始まると高温環境になるが、ベースプレート４のヒータ８を使って前記ウェーハの表面温度分布を維持しながら全体をすばやく上げたり、下げたりして温度シフトできるために、プロセスの大きな変更を伴うことなくエッチング精度を上げることができる。この間、静電チャック１のヒータ６を使って、ウェーハ３の表面温度を最適に維持することは勿論である。   Next, in order to optimize the surface temperature distribution of the wafer thus obtained, adjustment is performed by raising or lowering the entire surface temperature distribution of the wafer using the heater 8 of the base plate 4. Thereafter, plasma irradiation 7 is performed. When the plasma irradiation starts, the environment becomes high temperature, but the temperature can be shifted quickly by raising or lowering the whole while maintaining the surface temperature distribution of the wafer using the heater 8 of the base plate 4. Etching accuracy can be increased without this. During this time, it is a matter of course that the surface temperature of the wafer 3 is optimally maintained by using the heater 6 of the electrostatic chuck 1.

第２実施例では、静電チャック１内の複数のヒータにより、全表面を均一の温度にしたり、中央部の温度を高く、周辺部を低くしたり、或いは逆に、中央部の温度を低く、周辺部を高くしてエッチングに適合するウェーハ表面の温度分布を作ることができる。又、上記の通り、ベースプレート４の内部のヒータ８と冷却管４を使って、前記温度分布、前記温度勾配を維持しながら、ウェーハ全体の温度を上昇させることができる。   In the second embodiment, the plurality of heaters in the electrostatic chuck 1 make the entire surface uniform temperature, raise the temperature of the central part, lower the peripheral part, or conversely lower the temperature of the central part. The temperature distribution on the wafer surface suitable for etching can be created by raising the peripheral portion. Further, as described above, the temperature of the entire wafer can be increased while maintaining the temperature distribution and the temperature gradient using the heater 8 and the cooling pipe 4 inside the base plate 4.

以上のことを図５を使って説明する。静電チャックに内蔵したヒータにより、ウェーハ５表面に微細なエッチングプロセスに適応した温度勾配（実線１３）を形成する、つまり、ウェーハ５の表面温度に温度勾配をつけることができる。また、ベースプレート内部にヒータを加える構成により、このヒータと冷却管を使って前記温度勾配を維持しながら、ウェーハ全体の温度を上昇することが可能になる（破線１４、１５）。結果、プロセスに大きな変更を加えることなく、エッチングの精度を上げることができるようになった。図５から分かるように、本願発明によれば、所定の温度分布を形成したうえで、この特性を維持したまま温度制御を行うことができる。   The above will be described with reference to FIG. With the heater built in the electrostatic chuck, a temperature gradient (solid line 13) adapted to a fine etching process can be formed on the surface of the wafer 5, that is, the temperature gradient of the surface temperature of the wafer 5 can be given. Further, the configuration in which the heater is added inside the base plate makes it possible to increase the temperature of the entire wafer while maintaining the temperature gradient using the heater and the cooling pipe (broken lines 14 and 15). As a result, it has become possible to improve the etching accuracy without making major changes to the process. As can be seen from FIG. 5, according to the present invention, a predetermined temperature distribution can be formed, and temperature control can be performed while maintaining this characteristic.

本発明は、静電チャック、ベースプレートにヒータを設けることにより、極めて精度の高い、迅速な温度制御を行えるために、プラズマを利用する半導体基板処理において広く活用される。   The present invention can be widely used in semiconductor substrate processing using plasma because a heater can be provided on an electrostatic chuck and a base plate to perform temperature control with extremely high accuracy.

本発明の第１実施例の静電チャックの断面図である。It is sectional drawing of the electrostatic chuck of 1st Example of this invention. 本発明の第１実施例における静電チャック内部のヒータの回路パターンである。It is a circuit pattern of the heater inside the electrostatic chuck in 1st Example of this invention. 本発明の第１実施例の静電チャックにおいて、静電チャック内のヒータによる温度制御を行ったときのウェーハの表面温度分布を表すグラフである。4 is a graph showing a surface temperature distribution of a wafer when temperature control is performed by a heater in the electrostatic chuck in the electrostatic chuck of the first embodiment of the present invention. 本発明の第２実施例の静電チャックの断面図である。It is sectional drawing of the electrostatic chuck of 2nd Example of this invention. 本発明の第２実施例の静電チャックにおいて、ベースプレート及び静電チャック内のヒータによる温度制御を行ったときのウェーハの表面温度分布を表すグラフである。6 is a graph showing a surface temperature distribution of a wafer when temperature control is performed by a base plate and a heater in the electrostatic chuck in the electrostatic chuck of the second embodiment of the present invention. 静電チャックの原理を示す静電チャックの概略図である。It is the schematic of the electrostatic chuck which shows the principle of an electrostatic chuck. 従来のベースプレート付き静電チャックの斜視図である。It is a perspective view of the conventional electrostatic chuck with a base plate. 従来の静電チャックの断面図である。It is sectional drawing of the conventional electrostatic chuck.

符号の説明Explanation of symbols

１ 静電チャック
２ 吸着用電極
３ ウェーハ
４ ベースプレート
５ 冷却管
６ ヒータ
７ プラズマ照射
８ ヒータ
９ 加熱制御手段
10 加熱制御手段 DESCRIPTION OF SYMBOLS 1 Electrostatic chuck 2 Electrode for adsorption 3 Wafer 4 Base plate 5 Cooling tube 6 Heater 7 Plasma irradiation 8 Heater 9 Heating control means
10 Heating control means

Claims (6)

吸着用電極の下部に複数の回路パターンの加熱手段を設け、それぞれ独立に加熱制御することを特徴とする静電チャック装置。   An electrostatic chuck device comprising a plurality of circuit pattern heating means provided under the adsorption electrode and independently controlling heating. セラミック材料を熱伝導率３０Ｗ/ｍＫ以下の材料とする請求項１に記載の静電チャック装置。   The electrostatic chuck device according to claim 1, wherein the ceramic material is a material having a thermal conductivity of 30 W / mK or less. 静電チャックの下部に一体的に設けられたベースプレートの内部に第２の加熱手段と冷却手段を設け、これら加熱手段と冷却手段を使ってウェーハの温度制御を行うことを特徴とする静電チャック装置。   An electrostatic chuck characterized in that a second heating means and a cooling means are provided inside a base plate integrally provided at the lower part of the electrostatic chuck, and the temperature of the wafer is controlled using these heating means and cooling means. apparatus. 静電チャックの吸着用電極の下部に複数パターンの第１の加熱手段を設け、それぞれの加熱手段の出力を独立に変化させ、更に、静電チャックの下部に一体的に設けられたベースプレートの内部に第２の加熱手段と冷却手段を設け、これら第１及び第２の加熱手段と冷却手段を使ってウェーハの温度制御を行うことを特徴とする静電チャック装置。   A plurality of patterns of first heating means are provided at the lower part of the chucking electrode of the electrostatic chuck, the outputs of the respective heating means are changed independently, and the interior of the base plate integrally provided at the lower part of the electrostatic chuck is further provided. The electrostatic chuck apparatus is provided with a second heating means and a cooling means, and temperature control of the wafer is performed using the first and second heating means and the cooling means. 前記べースプレートは金属製であることを特徴とする請求項３又は４の静電チャック装置。   5. The electrostatic chuck apparatus according to claim 3, wherein the base plate is made of metal. 前記吸着用電極の下部に設けられた加熱手段は、内部ヒータ回路パターンとその外周の外部ヒータ回路パターンを有しており、それぞれのヒータの出力を独立に変化させることによりウェーハの表面温度を制御することを特徴とする請求項１、２又は４記載のいずれか一項に記載の静電チャック装置。   The heating means provided below the adsorption electrode has an internal heater circuit pattern and an external heater circuit pattern on the outer periphery thereof, and controls the surface temperature of the wafer by independently changing the output of each heater. The electrostatic chuck device according to claim 1, wherein the electrostatic chuck device is characterized in that:
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