JP4402862B2 - 静電チャックおよびその製造方法 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造用エッチング装置などに用いられる静電チャックおよびその製造方法に関する。
【0002】
【従来の技術】
半導体製造プロセスにおいては、絶縁膜形成、拡散工程および露光リソグラフィ工程などと共にエッチング工程が複数回行われる。このエッチング工程としては、ウェットエッチングとドライエッチングの2種類があるが、ドライエッチングは、例えば図4に示すようなプラズマエッチング装置を用いて実施される。すなわち、エッチング装置の処理チャンバ11内のチャック12上に半導体ウェハWを保持した状態で、導入口13より前記チャンバ11内に反応ガスを導入し、同時に下部電極を兼ねる前記チャック12と上部電極14間に高周波電力15を印加して前記処理チャンバ11内にプラズマを発生させることにより、プラズマ中のラジカルによる化学的反応や加速されたイオンなどにより半導体ウェハW、より詳しくは半導体ウェハWそれ自体や、ウェハW上の図示しない絶縁膜などがエッチングされる。
【0003】
このようなドライエッチングにおいて、半導体ウェハWは前記のようにチャック12上に保持される。そのチャック12として、最近、真空プラズマ処理装置において、優れた特性を示すことから静電チャックが指定される。
静電チャックは、被吸着体とチャック間に静電吸着力を発生させて被吸着体をチャックに吸着させるものである。静電吸着力は、クーロン力と、いわゆるジョンセン・ラーベック(Johnsen−Rahbek)力の2種類よりなる。
この静電チャックには2つの型がある。1つは、図5に示すように、誘電体21中にプラス電極22のみを形成し、装置とプラズマ電位をマイナス極とした単極型である。もう1つは、図6に示すように、誘電体31中にプラス電極32とマイナス電極33の2つの電極を形成した双極型である。
【0004】
図7は、従来の実際の静電チャックの一例を示す断面図である。この静電チャックは、円板状アルミ電極41の表面に誘電体としてアルマイト膜42を50〜60μmと薄く形成して構成される。このアルマイト膜42は、その上に半導体ウェハWが載置される材料である。また、アルマイト膜42で覆われたアルミ電極41の表面には、該電極の円周方向に延びた冷却ガス溝43が形成される。この冷却ガス溝43には、アルマイト膜42およびアルミ電極41を貫通する図示しないガス供給孔より冷却ガスとしてヘリウムガスが供給される。溝43に供給されたヘリウムガスは、溝43内を流れて溝43内に充満した後、アルマイト膜42表面の粗面により該アルマイト膜42と半導体ウェハW間に形成された微細な隙間を介してアルマイト膜42と半導体ウェハW間の界面の全面に沿って拡散し、それによって半導体ウェハWを冷却する。図4の装置によるドライエッチングにおいて、半導体ウェハWの温度はエッチング特性に大きな影響を与える。前記ヘリウムガスを熱伝導媒体として半導体ウェハWを30°C〜60°Cに冷却することにより、エッチング特性、特に均一性が向上する。
【0005】
しかるに、上記のような従来の静電チャックでは、エッチング後、半導体ウェハWがチャック上から除去されたとき、図4のチャンバ11内に浮遊していたかさもなければ投与された反応生成物がアルマイト膜42の表面に付着して静電吸着力が弱くなる欠点があった。また、反応生成物がアルマイト膜42の表面に付着すると、該アルマイト膜42と半導体ウェハW間の隙間が増えてアルミ電極41の外周端部からヘリウムガスの漏れが発生するので、該ヘリウムガスによる半導体ウェハWの冷却が不十分となり、エッチング特性が悪化する問題点があった。さらに、エッチング中に半導体ウェハWの端部を回って到達した反応性のガスやイオンによりアルマイト膜42が劣化するので、静電吸着力も弱くなる。
【0006】
そこで、図8に示すように、誘電体としてセラミック層を使用した静電チャックが考えられた。この静電チャックは、円板状金属基板51上に接着剤層52によってセラミック層53を接着したもので、このセラミック層53中に高融点電極54が埋設される。この構成では、静電吸着力を増大させるという観点から、電極54は、セラミック層53中に、その表面寄りに配置されている。具体的には、例えば、セラミック層53の厚さを1mmとすると、セラミック層53の表面より0.3mm、セラミック層53の下面より0.7mmの位置に電極54が埋設される。また、セラミック層53の表面には、図7の静電チャックと同様に、セラミック層53の円周方向に延びた冷却ガス溝55が形成される。この溝55は、ヘリウムガスの流れを考慮すると、ある程度の深さが必要である。したがって、セラミック層53の表面寄りに配置した電極54の形成位置に前記溝55を形成すると、溝55の底部と電極54との距離が短かくなり、セラミック層53の絶縁耐圧が不十分となる。そこで、この例では、セラミック層53の端部から1〜2mm内側の位置に溝55が形成され、その溝55より内側に電極54が形成されている。
【0007】
しかるに、上記の静電チャックでは、セラミック層53と線熱膨張係数の異なる電極54がセラミック層53内に、その表面側に寄って配置されているため、電極54内のセラミック層53を焼成で形成すると、セラミック層53が反ってしまうという問題点が頻繁に起こる。また、溝55に供給されたヘリウムガスのセラミック層53端部からの漏れは、溝55とセラミック層53端部間の、セラミック層53と半導体ウェハWの密着部により防止されるが、この密着部の距離(シール距離)が1〜2mmと短いため、ガス漏れが発生することがあった。
【0008】
このガス漏れを防止するために、図9に示すように、溝55をセラミック層53の端部から3〜10mm程度内側に形成して、シール距離を大きくとることも行われている。しかし、この場合は、セラミック層53端部から内側の溝55より更に内側に電極54が形成されることになって、電極54の面積が効果的に小さくなり、ヘリウムガスをシールする部分において充分な静電吸着力を得られなくなるという問題点があった。
【0009】
また、従来の静電チャックには、ウェハWを吸着してエッチング等の処理が終了した後にこのウェハWを離脱させる時に必ずしも容易に離脱、すなわち“デチャック”することが出来ないものが多くある。場合によっては、ウェハWの離脱にかなりの時間がかかる。
【0010】
【発明が解決しようとする課題】
本発明は、従来技術による構成に関連する問題を克服し、セラミック層の反りおよび冷却ガスの漏れを防止し、しかも静電吸着力を大きくすると同時に離脱にも時間を要しない静電チャックおよびその製造方法を提供することを目的とする。
【0011】
【課題を解決するための手段】
本発明は、金属基板上に接着剤層を介して所定厚さの円板状のセラミック層が接着され、このセラミック層の厚さ方向の中央で該セラミック層内に平面状の電極が配置され、この電極の外側端部より内側で、かつ電極の上部で前記セラミック層の表面に冷却ガス溝が形成され、この冷却ガス溝より外側に前記電極が延在していることを特徴とする静電チャックを提供する。
【0012】
また、本発明の別の態様は、完成セラミック層の約2分の1の厚さを有する円板状の第1のセラミック材料成形体を用意する工程と、前記第1のセラミック材料成形体の表面に電極を形成する工程と、完成セラミック層の約2分の1の厚さであり、かつ前記電極より内側位置で表面に冷却ガス溝を有する円板状の第2のセラミック材料成形体を用意する工程と、前記第2のセラミック材料成形体を前記第1のセラミック材料成形体上に積層し、全体を焼成してセラミック層を完成させる工程と、完成したセラミック層を接着剤層により金属基板上に接着する工程とを具備することを特徴とする静電チャックの製造方法を提供する。
【0013】
【発明の実施の形態】
次に、添付図面を参照して本発明による静電チャックおよびその製造方法の実施の形態を詳細に説明する。本発明の静電チャックはドライエッチング装置に使用される。ドライエッチング装置の全体的構成は図4に示す。そこで、ドライエッチング装置の全体的構成の説明は省略し、以下静電チャックのみ詳細に説明する。
【0014】
図1は、本発明の実施の形態の静電チャックを示す断面図である。この図に示すように、本実施の形態の静電チャックにおいては、円板状金属基板60上に接着剤層70を介して所定厚さの円板状のセラミック層80が接着される。このセラミック層80内には、該セラミック層80の表面と平行に例えばタングステンからなる平面状の電極90が埋設される。この際、電極90は、セラミック層80の厚さの2分の1の深さに、すなわち厚さ方向の中央で該セラミック層80内に形成される。
【0015】
この電極90の平面図を図2に示す。この電極90は、第1電極91と第2電極92とからなる。したがって、本実施の形態の静電チャックは、図6に示す双極型である。第1電極91は、セラミック層80の中心に設けられた円板部91aと、この円板部91aの一部からセラミック層80の外周端部に向けて直線的に延びた直線部91bとからなる。第1電極91は、さらに、この直線部91bから両側に前記円板部91aを囲むように“C”字状に延在した直径の異なる所定間隔の複数の“C形”環状部91cとからなる。第2電極92は、前記第1電極91の円板部91aを挟んで第1電極91の直線部91bの反対側に位置し、第1電極91の複数の“C形”環状部91cを補完するように配置された直線部92bと、この直線部92bから両側に“C”字状に延在し、前記第1電極91の複数のC形環状部91cと噛み合う直径の異なる所定間隔の複数のC形環状部92cとからなる。また、電極92は、前記直線部92bの外側端部に連結され、電極の最外周部を構成する円形環状部92dからなる。
【0016】
図1に戻って、セラミック層80の表面には、冷却ガス溝81が形成される。この冷却ガス溝81は、図3の平面図に示すように、セラミック層80の外周端部に沿って環状に設けられる。しかも、この溝81は、図1に示すように、前記電極90の外周端部より内側で、かつ電極90の上部に形成される。したがって、電極90は、溝81の下部を通って、溝81の外側に、セラミック層80の外周側面近くまで延在している。
【0017】
この溝81の底面には、図3に示すように、円周方向の複数の位置においてガス供給孔82が開口する。また、セラミック層80の中心側表面にも、一円周上の複数の位置にガス供給孔83が開口する。これらガス供給孔82,83は、セラミック層80、接着剤層70および基板60を通って、基板60の下面まで延びる。基板60の下面から冷却ガス、例えばヘリウムガスが供給される。ガス供給孔82,83に供給されたヘリウムガスは、溝81の底面およびセラミック層80の中心表面から噴出し、セラミック層80の外周部と中心から、セラミック層80と図1に示す半導体ウェハW間の界面全体に拡散し、半導体ウェハWを冷却する。
【0018】
以上のような本実施の形態の静電チャックによれば、セラミック層80と線熱膨張係数の異なる高融点金属からなる電極90がセラミック層80の厚さ方向の中央で該セラミック層80に配置されている。したがって、電極90埋設のセラミック層80を焼成で形成しても、このセラミック層80が反ることがなく、セラミック層80を平坦に形成できる。そして、セラミック層80の平坦性が向上すれば、半導体ウェハWの吸着性が向上することは勿論のこと、半導体ウェハWのエッチング特性(例えば、均一性)を向上させることができる。
【0019】
また、電極90の外側端部より内側で、かつ電極90の上部で冷却ガス溝81が形成されている。したがって、電極90は溝81の外側、すなわちガスのシール部まで延びている。したがって、シール部においても電極90により矢印で示すように静電吸着力が作用するようになり、この静電吸着力でシール部からのガス漏れを防止できる。そして、ガス漏れを防止できれば、半導体ウェハWの冷却が改善され、ウェハ上で測定される中心から端までの均一性などのエッチング特性が向上する。
【0020】
さらに、電極90をセラミック層80の厚さ方向の中央(深い位置)に配置することにより、溝81が電極90の上部に位置しても、この溝81の深さを充分とることができ、ヘリウムガスの流れが良好となり、半導体ウェハWを良好に冷却できる。また、溝81を電極90の上部に形成できれば、溝81をセラミック層80の内側位置に設けてシール部の距離それ自体を長くとって、ガス漏れをより確実に防止できるとともに、電極面積が溝81の位置によって狭くなることも防止できる。加えて、電極90がセラミック層80の深い位置にあっても、前記のようにシール部でも静電吸着力が作用するので、静電吸着力を充分に確保することができる。
【0021】
さらに、電極90の第1および第2電極91,92を図2のパターンとすることにより、第1および第2電極91,92を同一面積で、セラミック層80の全面に均一に形成することができ、セラミック層80の全体で均一な静電吸着力を得ることができる。さらに、セラミック層80の面積に対する電極91の面積の比率も高めることができ、静電吸着力を増大させることができる。さらに、本発明のESCを使用すれば、従来のドーナツ状やクシ歯状のパターンを使用したESCと比較して、処理後のウェハの離脱すなわち“デチェッキング”性能が向上する。
これは従来のパターン形状では第1電極と第2電極との面積比が不均一で、したがって、電荷の偏在が起こり、離脱性能を低下させていた。
【0022】
実施例
基板60は、例えばアルミニウム6061を用いて形成するのが好ましい。この基板60には、図4の装置のチャンバ11内にプラズマを発生させるために高周波(RF)電力が供給される。高周波電力は、周波数1〜40MHz、電力15〜3000Wの範囲が使用される。
接着剤層70としては、適当な、柔軟性を有する、好ましくは有機系接着剤が使用される。基板60上に柔軟性を有する有機系接着剤でセラミック層80を接着することにより、線熱膨張係数の相違による差応力が引き起こすセラミック層80のひび割れを防止できる。
【0023】
セラミック層80は、アルミナ、例えば、窒化アルミ又はマグネシアに導電性を有する添加物を加えて形成される。本実施例ではAl2 O3 を主成分とし、TiO2 とガラス焼成助材を添加物とする材料より形成される。TiO2 は、静電吸着力発生用の電荷を電極90からセラミック層80の表面まで浮き上がらせるためにセラミック層80に僅かに導電性をもたせるために添加される。セラミック層80の抵抗率は、1011〜1012〔Ω/cm〕の範囲内、好ましくは1.0〜2.0×1011〔Ω/cm〕となるよう選択される。
【0024】
セラミック層80の直径は、半導体ウェハWの直径より僅かに小さい大きさとし、厚さは絶縁破壊と高周波電力のエネルギ損失を考慮して1mm程度の厚さに設定する。また、セラミック層80の面粗さはRa≒0.8μm、平面度は5ミクロン以下である。セラミック層80の表面外周端部には0.2〜0.25mmの面取りが形成される。
【0025】
冷却ガス溝81は、セラミック層80の外周端部より5mm内側に幅1mm、深さ0.25mmで形成される。冷却ガス溝81の底面には、円周方向に45°間隔で8個、ガス供給孔82が形成される。セラミック層80の中心側表面には、直径0.35mmの円周上に90°間隔に4個、ガス供給孔83が形成される。冷却ガス溝81の底面のガス供給孔82は直径0.32mm、セラミック層80の中心側表面のガス供給孔83は直径0.35mmである。セラミック層80の中心側表面のガス供給孔83は半導体ウェハWリフト用のピンの挿通孔を兼ねるため、溝81底面のガス供給孔82より僅かに大きく形成される。
【0026】
電極90(第1、第2電極91,92から構成される)は、厚さ10〜20μmのタングステンからなる。この電極90は、セラミック層80より半径で約1mm小さく形成され、厚さ1mmのセラミック層80の表面から0.5mm、下面から0.5mm、すなわちセラミック層80の厚さ方向の中央に配置される。
【0027】
図2の第1電極91の円板部91aは直径30mmである。第1電極91の直線部91bおよび第2電極92の直線部92bは幅が約6.0mmである。連続的に増大する直径を有する第1電極91のC形環状部91cは7本あり、連続的に増大する直径を有する第2電極92のC形環状部92cも7本ある。第2電極92の円形環状部92dは最外周に1本設けられる。第1電極91のC形環状部91cの各々、第2電極92のC形環状部92cの各々および円形環状部92dはごく僅かずつ幅が異なるが、幅は平均で5.0mmである。第1電極91の各部と第2電極92の各部間の隙間は1.0mmである。第1電極91の総面積は128.3cm2 、第2電極92の総面積は128.4cm2 でほぼ同一と言える。
【0028】
〈製造方法〉
セラミック層80の半分の厚さを有する円板状の第1のセラミック材料成形体を用意する。この第1のセラミック材料成形体の表面にスクリーン印刷法で電極を形成する。セラミック層80の半分の厚さであり、かつ前記電極より内側位置で表面に冷却ガス溝を有する円板状の第2のセラミック材料成形体を用意し、この第2のセラミック材料成形体を前記第1のセラミック材料成形体上に積層し、圧着する。その後、全体を焼成しセラミック層80を完成させる。このとき、電極がセラミック層80の厚さ方向の中央に位置するため、反りは発生しない。その後、セラミック層80を接着剤層70によりアルミ基板60上に接着する。
【0029】
〈他の応用例〉
上記の説明では、本発明の静電チャックをドライエッチング装置に応用した場合を説明したが、本発明の静電チャックは、例えばターゲットなどのCVD装置などにも利用できる。また、半導体ウェハ以外の、例えばセラミック基板などの被吸着体の静電吸着用チャックとして利用することができる。
【0030】
以上詳細に説明したように本発明の静電チャックおよびその製造方法によれば、セラミック層の反りを防止することができる。さらに、冷却ガスの漏れを防止することができるとともに、静電吸着力を大きくすることができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】 本発明による静電チャックの実施の形態を示す断面図。
【図2】 図1の静電チャックの電極平面図。
【図3】 図1の静電チャックのセラミック層平面図。
【図4】 ドライエッチング装置を示す概略図。
【図5】 単極型静電チャックを示す概略図。
【図6】 双極型静電チャックを示す概略図。
【図7】 従来の第1の静電チャックを示す断面図。
【図8】 従来の第2の静電チャックを示す断面図。
【図9】 従来の第3の静電チャックを示す断面図。
Claims (12)
- 静電チャックであって、
金属基板と、
前記金属基板上に接着剤層を介して接着される所定の厚さを有するセラミック円板と、
前記セラミック円板の厚さ方向の中央で前記セラミック円板内に埋設された平面状の電極と、
前記電極の上部で、かつ前記電極の外側端部より内側で前記セラミック円板の上面に形成され、前記セラミック円板周辺部のガスシール部の内側境界を画定する冷却ガス溝と、を具備し、
前記平面状の電極が前記冷却ガス溝より外側に延在しており、
前記平面状の電極は第1電極および第2電極からなり、
前記第1電極は、
前記セラミック層の中心に設けられた円板部と、
前記円板部の一部から前記セラミック層の外周端部に向けて延在する第1延在部とからなり、
前記第2電極は、
前記第1電極の前記円板部を挟んで前記第1延在部と反対側に設けられた第2延在部と、
前記第2延在部の外側端部に連結され、前記ガスシール部の下部位置に前記第2電極の最外周部を構成する閉鎖円形環状部とからなり、前記ガスシール部において前記閉鎖円形環状部により提供される静電吸着力が前記ガスシール部からのガス漏れを防止することを特徴とする静電チャック。 - 請求項1に記載の静電チャックにおいて、
前記冷却ガス溝は前記セラミック円板の外周端部に沿って環状に設けられ、前記チャックは、さらに、前記冷却ガス溝の底面の複数の位置に開口されたガス供給孔と、前記チャックの中心側の前記セラミック円板の表面においても一円周上の複数の位置に開口されたガス供給孔を具備することを特徴とする静電チャック。 - 請求項1に記載の静電チャックにおいて、
前記第1電極は、さらに、
前記第1延在部から両側に前記円板部を囲むようにC字状に延在した直径の異なる所定間隔の複数の第1C形環状部からなることを特徴とする静電チャック。 - 請求項3に記載の静電チャックにおいて、
前記第2電極は、さらに、
前記第2延在部から両側にC字状に延在し、前記第1電極の複数の第1C形環状部と噛み合う直径の異なる所定間隔の複数の第2C形環状部からなることを特徴とする静電チャック。 - 静電チャックの製造方法であって、
完成セラミック層の半分の厚さを有する円板状の第1のセラミック材料成形体を用意する工程を具備し、
前記第1のセラミック材料成形体の表面に第1電極および第2電極を形成する工程を具備し、
前記第1電極は、
前記セラミック材料成形体の中心に設けられた円板部と、
前記円板部の一部から前記セラミック材料成形体の外周端部に向けて延在する第1延在部とからなり、
前記第2電極は、
前記第1電極の前記円板部を挟んで前記第1延在部と反対側に設けられた第2延在部と、
前記第2延在部の外側端部に連結され、前記第2電極の最外周部を構成する閉鎖円形環状部とからなり、
完成セラミック層の半分の厚さを有する円板状の第2のセラミック材料成形体を用意する工程を具備し、前記第2のセラミック材料成形体周辺部のガスシール部の内側境界を画定するように前記第2のセラミック材料成形体の表面に冷却ガス溝を有し、
前記第2のセラミック材料成形体を前記第1のセラミック材料成形体上に積層して積層板を形成する工程を具備し、前記第2電極の前記閉鎖円形環状部は、前記ガスシール部の上部に静電吸着力を提供して前記ガスシール部からのガス漏れを防止するように、前記積層板内で前記冷却ガス溝より外側に延在し、
前記積層板全体を焼成してセラミック層を完成させる工程を具備し、
前記完成したセラミック層を接着剤層により金属基板上に接着する工程を具備することを特徴とする静電チャックの製造方法。 - 請求項5に記載の方法において、前記接着剤層は柔軟性を有することを特徴とする方法。
- 静電チャックであって、
ウェハを支持するよう構成された上面を有する円板状のセラミック層を具備し、
前記セラミック層の厚さ方向の中央に位置し、前記セラミック層の上面とほぼ平行に配向された第1の平面状の電極を具備し、前記第1の平面状の電極は、
前記セラミック層の中心に配置された円形部を含み、
前記円形部から前記セラミック層の外周端部に向けて延在する直線部を含み、
前記直線部から延在し前記円形部の中心からの半径距離が次第に増大する複数のC形部を含み、それぞれが円形部の中心から一定の距離を保ち、
前記第1の平面状の電極と同一平面上に画定され、前記第1の平面状の電極の直線部とC形部との間に画定された部分と、前記第1の平面状の電極の直線部とC形部とを取り囲むよう画定された外側閉鎖環状部とからなる第2の平面状の電極を具備し、
前記第1の平面状の電極と前記第2の平面状の電極とは互いに物理的に接触せず、
さらに、前記円板状のセラミック層の上面には、前記外側閉鎖環状部の外側周辺端より内側に冷却ガス溝が形成され、
前記外側閉鎖環状部は、該冷却ガス溝を越えて延在し、
前記冷却ガス溝は、前記円板状のセラミック層の外周においてガスシール部の内側境界を画定し、
前記ガスシール部において前記外側閉鎖環状部により提供される静電吸着力が前記ガスシール部からのガス漏れを防止することを特徴とする静電チャック。 - 請求項7に記載の静電チャックにおいて、前記第2の平面状の電極の外側閉鎖環状部は、前記円板状のセラミック層の外周端部の約1mm内側に放射状に延在することを特徴とする静電チャック。
- 請求項7に記載の静電チャックにおいて、前記第1の平面状の電極と前記第2の平面状の電極が、約10〜20μmの厚さのタングステンからなることを特徴とする静電チャック。
- 請求項7に記載の静電チャックにおいて、前記第1の平面状の電極の円形部の直径は約30mmであり、前記第1の平面状の電極の複数のC形部、前記第1の平面状の電極の直線部、および前記第2の平面状の電極の部分は、平均約5mmの幅を有することを特徴とする静電チャック。
- 請求項10に記載の静電チャックにおいて、前記第1の平面状の電極の各部と前記第2の平面状の電極の各部間には約1mmの隙間を保つことを特徴とする静電チャック。
- 請求項7に記載の静電チャックにおいて、前記第1の平面状の電極の総面積は、前記第2の平面状の電極の総面積とほとんど等しいことを特徴とする静電チャック。
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