JPH02135753A - 試料保持装置 - 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】 Ｌｌ上五且■盪！ 本発明は試料保持装置、より詳細には静電吸着作用を利
用して試料を吸着保持する静電チャックのごとき試料保
持装置に関し、特に、半導体集積回路の製造において、
試料を高真空下において吸着保持する場合などに用いら
れる試料保持装置に関する。

従迷ヱ１術 例えば、電子サイクロトロン共鳴（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ　
Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　Ｒｅ５ｏｎａｎｃｅｌ　を利用し
て生成されるＥＣＲプラズマにより、試料の表面上に所
望の物質の薄膜を形成せしめるＣ　Ｖ　Ｄ　（Ｃｈｅｍ
ｉｃａｌ　Ｖａｐｅｒ　Ｄｅｐ。

５ｉｔｉｏｎ）装置、あるいは試料の表面上に微細な回
路パターンを形成せしめるドライエツチング装置などの
半導体集積回路の製造装置等においては、前記試料を、
高真空状態に維持された処理室内に保持するために、静
電吸着力を利用する静電チャ・ツク式の試料保持装置が
広く用いられている。

従来のこの種試料保持装置は、第１２図に示したような
構造となっている。すなわち、基台ｌＯに試料台ＩＪが
載置されており、この試料台１１には冷却液を循環させ
るための流路１２が形成されている。この流路１２には
導入管１３および導出管１４が接続されており、冷却液
が導入管１３から流路１２を通って導出管１４から排出
されるように構成されている。試料台１１の上方には電
極１５がシリコンゴム等の伝熱体１６を介して載置され
ており、この電極１５の上部に試料１７が載せられるよ
うになっている。電極１５は例λばセラミックなどから
構成される絶縁体１８内部に電極層１９が埋設された格
好で形成されており、この電極層１９には基台１０およ
び試料台１１を貫通して電極棒２０が接続されている。

基台１０および試料台】１に電極棒２０を貫通させる部
分には絶縁筒２１が介装されている。

電極１５の試料台１１に対する固定は、電極１５の下部
外周面に形成されたフランジ部２２と電極層え２３の上
部内周面に形成されたフランジ部２４との接合により、
電極層え２３が試料台１１にボルト止め（図示せず）さ
れることにより行なわれている。

以上のごとく構成された試料保持装置において、被吸着
物たる試料１７を吸着、保持させるには、電極棒２０を
電源（図示せず）に接続する一方、試料１７を電極１５
の上部に載せ、成膜処理あるいはエツチング処理を施す
べく、試料１７の表面にプラズマを照射する。このプラ
ズマ照射により、電極１５は正または負に帯電する一方
、試料１７はプラズマを介して接地される結果、この試
料１７と電極１５との間には静電力が発生し、試料１７
はこの静電力により絶縁体１８の表面上に吸着、保持さ
れることとなる。

このようにプラズマの照射により電極１５に吸着、保持
される試料１７においては、プラズマの影響により、試
料１７の温度上昇は避けられないが、この温度上昇が過
度の場合には、試料１７における成膜あるいはエツチン
グが阻害されることとなる。この温度上昇の制御が、将
来の超微細化ＬＳＩの製造には不可決の要素となってき
ている。

そこで従来においても試料１７の温度を制御すべく、導
入管１３から水あるいは不凍液を流入させ、流路１２内
を通って導出管１４から排出させることにより、試料台
１１を冷却していた。また電極１５と試料台１１との間
には、シリコンゴムなどからなる伝熱体１６を介在させ
て、剛体どうしの接触では極わずかとなる接触伝熱面積
の増大を図っていた。

日が　゛しようとする課題 ところが上記したような、従来の試料保持装置にあって
は、試料台１１と電極１５どの伝熱は良伝熱体１６を介
在させているとはいえ、やはり固体間における伝熱であ
り、伝熱接触面積の増大には限度があるため試料台１１
の冷却に伴う電極１５の冷却には限界があった。この温
度制御の限界により、例えば超ＬＳＩの高集積化、微細
化におＣづるエツチング速度等に限界を生じていた。

本発明は係る問題点に鑑みて発明されたもので、電極上
に載置される試料温度を低温に確実容易に維持制御する
ことのできる試料保持装置を提供し２、例えばＬＳＩの
高集積化、微細化を進めることを容易とすることを目的
とする。

課題を解決するための　段 上記した目的を達成するために、本発明に係る試料保持
装置では、内部に冷却媒体が導入される流路な有する試
料台と、絶縁体あるいは少な（とも該表面が絶縁体層か
ら成る電極とで構成され、該電極の表面に接触する試料
と前記電極との間に電圧が印加され、前記絶縁体と前記
試料との間に生じる静電力により、前記試料が前記電極
上に吸着される静電チャック式の試料保持装置において
、前記試料台と前記電極との間にガスを導入するための
ガス導入部が形成されていることを特徴とし、 また上記試料保持装置において、電極上面に。

試料と電極との間にガスを導入するためのガス導入部が
形成されていることを特徴とし、また内部に冷却媒体が
導入される流路が電極内部に形成される一方、電極に、
試料と電極との間にガスを導入するためのガス導入部が
形成されていることを特徴とするものである。

１■ 上記した構成によれば、前記試料台と前記電極との伝熱
は、シリコンゴムなどの伝熱体を介して行なわれるので
はなく、伝導率の非常に高いガス流動体を介して行な＾
ることとなる。

すなわち自由分子領域における気体の熱伝導率は極めて
高（、例λばヘリウムガス＋　３Ｔｏｒｒ１８３０Ｗ−
ｃｍ−”−’Ｃ−’であり、シリコンゴムにおける０　
、　２４　Ｗ　＝ｃ　ｍ−２・’Ｃ−’に較べると比較
にならない程の高い値となっている。

また電極上面に、試料と電極との間にガスを導入するた
めのガス導入部が形成された場合には、試料台と電極と
の間のみならず、電極と試料との間の伝熱も伝導率の非
常に高いガス流動体を介して行なえることとなる。

また内部に冷却媒体が導入される流路が電極内部に形成
される一方、電極に、試料と電極との間にガスを導入す
るためのガス導入部が形成された場合には、試料が載置
される電極が、冷却媒体により直接冷却されるために、
試料の温度制御がより一層容易確実に行なえることとな
る。

Ｘ鬼立 以下、本発明にかかる実施例を図面に基づいて説明する
。なお従来技術と同じ部分については同一符合を付すこ
ととする。

（Ａ）第１図においてｌＯは基台であり、この基台１０
上に円板形状の試料台１１が載置されており、この試料
台１１内部には冷却液を循環させるための円環状の流路
１２が形成されている。この流路１２には導入管１３お
よび導出管１４が接続されており、冷却液が導入管１３
から流路１２を通り、導出管１４から排出されるように
構成されている。冷却液としては水または不凍液が使わ
れる。

試料台１１の上面には電極１５がスペイサ−３０を介し
て載置されており、このスペイサ−３０により、試料台
１１と電極１５との間にガスを導入させるためのガス導
入部３１となる空間が確保されている。このガス導入部
３１は試料台１１と電極１５との間に挿入されるガスの
分子流が形成され得る、例えば１０μｍ程度の溝状のガ
ス溜りとなっている。使用されるガスの種類としてはガ
スが漏れないようにすることにより、腐食性ガス以外は
使用可能であるが、Ｈｅ、Ａｒなどが取扱上便利である
。スペイサ−３０は電極１５の外周面とほぼ一致する外
周面を有したリング形状に形成されており、また上記ガ
ス導入部３１には基台１０および試料台１１を貫通して
ガス導入管３２が接続されている。試料台１１とスペイ
サ−３０と電極１５との間にはガスが漏れないように十
分なシール（図示せず）が施されている。

電極１５は耐熱性に優れた例えばセラミック（Ａ１□０
３）などから構成される絶縁体１８の内部に、電極層１
９が埋設された格好で形成されており、この電極層１９
には基台ＩＯおよび試料台１１を貫通して電極棒２０が
接続されている。電極１５には試料１７が載せられ吸着
されるので、試料１７の吸着面となる電極１５の上面は
、所定の表面滑らかさを得るために研磨仕−ヒげが施さ
れている。また基台１０および試料台１１に電極棒２０
を貫通させる部分には絶縁筒２１が介装されている。

電極１５の試料台ｉ１に対する固定は、電極１５の下部
外周に形成されたフランジ部２２と、このフランジ部２
２に対向する形で電極層え２３の上部内周に形成された
フランジ部２４とが接合され、この電極層え２３が試料
台１１にボルト止め（図示せず）されることにより行な
われている。

以上のごと（構成された試料保持装置において、被吸着
物たる試料１７を吸着、保持させるには、電極棒２０を
電源（図示せず）に接続する一方、試料１７を試料台１
１の上面に載せ、成膜処理またはエツチング処理を施す
べく、試料１７の表面にプラズマを照射する。　このプ
ラズマ照射により、絶縁体１８は正または負に帯電する
一方、試料１７はプラズマを介して接地される結果、こ
の試料１７と絶縁体１８との間には静電力が発生し、試
料１７はこの静電力により絶縁体１８の表面上に吸着、
保持されることとなる。

また本実施例における試料保持装置では、試料台１１の
流路Ｉ２に冷却液が循環させられ、試料台１１が十分に
冷却されるとともに、試料台１１と電極１５との間の伝
熱は、ガスを介した気体伝導式で行なわれており、電極
１５は十分冷却された試料台１１により効率良く冷却さ
れることとなる。すなわち作用のところでも述べたよう
に、自由分子領域における気体の熱伝導率は極めてたか
く、例えばヘリウムガス：３Ｔｏｒｒ、１８３０Ｗ−ｃ
ｍ−”・℃−１であり、シリコンゴムにおける０、２４
Ｗ−ａｍ−”・℃”１に較べると比較にならない程の高
い値となっている。

またプロセス等に影響を与＾ることか心配されるガスリ
ークも真空技術による対応により、リーク量を最小に抑
太ることができ、悪影響は全く認められない。

なお、本実施例では、電極と試料台へのガス導入につい
て、基台１０および試料台１１を貫通するガス導入管３
２による例を示したが、このガス導入管は試料台１１を
通さずに、電極の側面から電極に入れる形式でもよい。

次に上記した実施例に係る試料保持装置と、試料台１１
と電極１５との間にシリコンゴムを介在させた従来の試
料保持装置とを用いて実験した結果を比較する。

実験方法としては、−旦試料１７の温度を２００℃まで
上げ、これをそれぞれの装置により冷却した場合を比較
した。また流入側の冷却液の温度は常に１０°Ｃになる
ように調節されている。

試料１７の温度変化と戻り側の冷却液の温度変化を第２
図に示す。

この実験によると、試料台１１と電極１５との間にガス
を介在させた本発明に係る場合は従来例と比較して、そ
の冷却時間はおよそ半分程度で同様の効果が得られてい
る。また循環する戻り側冷却液の温度変化については、
従来例の場合にはほとんど変化が見られないのに対し、
本実施例に係る場合には５℃〜１０℃の温度の上昇が見
られ、それだけ十分な冷却効果が得られていることが実
証されている。

また別の実施例としては、スペイサ−３０を用いる代わ
りに、試料台１１の上面あるいは電極１５の下面にＩＯ
μｍ程度の深さを有する溝を形成することにより、試料
台１１と電極１５との間にガスの導入部を形成すること
も容易である（図示せず）。

（Ｂ）次に別の実施例を第３図および第４図に示す。

この実施例においてはガスの導入部３５が電極３４の上
面に形成されており、従って、電極３４と試料１７との
間において特に伝熱効率が高められている。ガス導入部
３５は電極３４の上面に上面周辺部を残して深さ１０μ
ｍ程度の溝３６を形成することにより構成されている。

このガス導入部３５には基台１０、試料台１１および電
極３４を貫通するガス導入路３７が接続されている。電
極３４周辺部上面は研磨仕上げにより滑らかな面となる
ように構成されており、このように電極３４上面周辺部
の滑らかさを増すことにより、電極３４上面と試料１７
下面との間にガス封入が可能となるように構成されてい
る。また満３６以外のガス導入部３５の部分においては
、試料１７を支えることができ試料１７が変形すること
のない構造となっている。

この実施例の場合、電極３４と試料台１１との間には従
来例の場合と同様にシリコンゴムなどからなる伝熱体１
６が介装されている。他の部分における構成は、上記し
た実施例と同様に構成されている。

この実施例により実験した結果を以下に示す。

実験は、常温のヘリウムガスを試料１７であるシリコン
ウェハと電極３４間に封入することにより行なった。電
極３４と試料台１１との間には良伝熱体であるシリコン
ゴムを介在させている。ウェハ温度の測定には蛍光温度
計を使用した。

プラズマの条件は以下のとおりである。

ＣＶ　Ｄにおけるマイクロ波；　２　ｋ　ｗ　＋ガス流
量：０２を１５０５ＣＣＵ、静電チャック電圧；ｌｋＶ
、　冷却液温度；１０℃、　プラズマ照射時間、６ｍ１
ｎ 第５図にこの実験の結果をグラフにしたものを示す。

電極３４と試料１７との間にガスを導入しない場合には
、２００℃近い温度であった試料１７が、同一条件でＨ
ｅガスを導入することにより、導入するＨｅのガス圧が
５　Ｔｏｒｒにおいて１００℃以上温度が下がったこと
が認められた。また試料１７？Ｍ度はガス圧力に対する
依存性が認められ、このことから、ガスが伝熱媒体とし
て有効に作用していることがわかる。

なお図示しないが、Ｈｅガス圧力の代わりに、Ｈｅガス
流量を変＾てウェハ温度を調査した結果、Ｈｅガス流量
が多いほど、ウェハ温度が低くなることを確認した。

さらに別の実施例として、試料台３９と電極３４との間
にもガスを導入した場合の構成を第６図および第７図に
示す、この実施例では、試料台３９の上面に溝４１から
なるガス導入部４０が形成されている。また電極押え４
２は焼きバメなどの締まりバメにて電極３４に密接させ
られており、電極３４と電極押え４２との間からはガス
が漏≦Ｌない構造となっている。さらに試料台３９と電
極押え４２との間にはＯリング４３が介装されており、
試料台３９と電極押え４２との間からもガスが漏れない
構造となっている。

上記した構成にかかる実施例では、試料台３９と電極３
４との間の伝熱がさらに改善され、試料１７の冷却がさ
らに効率よく容易に行なえることとなる。

（Ｃ）さらに別の実施例を第８図および第９図に示す。

この実施例では試料台４５には冷却液を流通させるため
の流路が形成されておらず、電極４６の内部に冷却液流
通のための流路４７が形成されている。そして電極４６
の上面には、溝４９から構成されるガス導入部４８が形
成されており、溝４９以外のガス導入部４８の部分にお
いては試料１７を支えることができ、試料１７が変形す
ることのない構造となっている。この溝４９の深さは、
２０μｍ程度であり、溝４９の電極４６上面における面
積率はおよそ４０％程度に構成されている。

なお、第８図には、図示しＣいないが、冷却液の流通の
ための流路を電極とともに試料台に設けてもよい。

また電極における溝の構成は第９図に示したものではな
く、第１１図に示したように形成しても良い。

第１１図には、電極５１に溝５３が形成され、この溝５
３に連なるガス導入部５２にはガス導入口５４およびガ
ス排出口５５が接続されている例を示したが、ガス排出
口５５は設けずに、試料との間にガスを封入する形式と
してもよい。

なお、溝の面積率は、静電吸着力を考慮して定める必要
があり、試料の吸着力を確保できる範囲で、できるだけ
大きいほうが望ましい、なお溝のパターンは、同心対称
とするのが、試料の均一冷却の点で優れている。

上記した二つの実施例に係る構成では、冷却液が電極４
６（第８図）または電極５１（第１１図）内部に直接供
給され、しかも電極４６　（５１）と試料１７どの伝熱
がガスを介した気体伝導式となっており、きわめて効率
的に試料１７の冷却が行な太るようになっている。

この実施例に係る装置をプラズマ装置に用いた場合の実
験の結果を以下に示す。

実験ではガス導入溝付き電極４６を用い、常温のヘリウ
ムガスな試才、４１７であるシリコンウェハと電極４６
との間に封入することにより行なった。

プラズマ条件 マイクロ波；　１　ｋｗ、ＲＦ　；　４０ｗ、ガス流量
；Ｃｔ、をｌ０３（：ＣＭ、静電チャック電圧；　８０
０ｖ、Ｈｅガス圧力；　２０Ｔｏｒｒ、プラズマ照射時
間：ｍｉｎ 上記した条件により実験を行ない、ヘリウムガスを導入
しない場合と比較すると、ヘリウムガスを導入しない場
合には、試料１７の温度が２００℃以上であったが、ヘ
リウムガスを導入した場合には、５０℃以下となり、１
５０℃以上の温度差が確認できた。さらに電極４６内部
に流通させる冷却液温度を下げることにより、試料１７
温度もそれに応じて下がることが確認できた。

（Ｄ）次に本発明における第１図に示した実施例に係る
場合、第３図に示した実施例に係る場合、第６図に示し
た実施例に係る場合、従来例に係る場合を同一の条件下
で実験比較した結果を示しておく、比較は実験開始から
のウェハ温度の上昇で行なった。

プラズマ照射条件 ０２流量：　１５０５ＣＣＵ、マイクロ波：２ｋｗ。

プラズマ照射時間；６ｍ１ｎ、溝の深さ；５〜１０μｍ
、試料台と電極間のガス導入部厚さ；１０μｍ、ヘリウ
ムガス圧カニ　１０Ｔｏｒｒ、シリコンゴム厚さ；０．
２ｍｍ 第１図に示した実施例に係る場合：２９℃第３図に示し
た実施例に係る場合；４１℃第６図に示した実施例に係
る場合；１８℃従来例に係る場合で伝熱体としてシリコ
ンゴムを用いた場合；７０℃ 従来例に係る場合で伝熱体として真空グリースを用いた
場合；４９°Ｃ 及豆Ω効呈 以上の説明により明らかな如く、本発明にかかる試料保
持装置にあっては、内部に冷却媒体が導入される流路を
有する試料台と、絶縁体あるいは少なくとも該表面が絶
縁体層から成る電極とで構成され、該電極の表面に接触
する試料と前記電極との間に電圧が印加され、前記絶縁
体と前記試料との間に生じる静電力により、前記試料が
前記電極上に吸着される静電チャック式の試料保持装置
において、前記試料台と前記電極との間にガスを導入す
るためのガス導入部が形成されていることを特徴とし、 また電極上面に、試料と電極との間にガスを導入するた
めのガス導入部が形成されていることを特徴とし、 また内部に冷却媒体が導入される流路が電極内部に形成
される一方、電極に、試料と電極との間にガスを導入す
るためのガス導入部が形成されていることを特徴とする
ので、 従来は剛体と弾性体との間における、伝熱接触面積の少
ない効率の悪い伝熱機構となっていたが、本発明に係る
場合は、ガスを介した気体伝導方式とすることにより、
きわめて効率の良い伝熱機構を構成することができ、電
極上に載置される試料温度を容易に低温に維持制御する
ことができることとなる。したがって、例えばＬＳＩの
高集積化、微細化をより容易に進めることができること
となる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明に係る試料保持装置の一実施例を示す概
略断面図、第２図は試料温度と時間との関係および戻り
側冷却液の温度と時間との関係を示すグラフ、第３図は
別の実施例を示す概略断面図、第４図は第３図に示す装
置の平面図、第５図はウェハ温度とヘリウムガス圧力と
の関係を示すグラフ、第６図は別の実施例を示す概略断
面図、第７図は第６図に示す装置の平面図、第８図は別
の実施例を示す概略断面図、第９図は平面図、第１０図
は流入側冷却液温度と試料温度との関係を示ケグラフ、
第１１図は電極の別の実施例を示す平面図、第１２図は
従来例を示す概略断面図である。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）内部に冷却媒体が導入される流路を有する試料台
   と、絶縁体あるいは少なくとも該表面が絶縁体層から成
   る電極とで構成され、該電極の表面に接触する試料と前
   記電極との間に電圧が印加され、前記絶縁体と前記試料
   との間に生じる静電力により、前記試料が前記電極上に
   吸着される静電チャック式の試料保持装置において、前
   記試料台と前記電極との間にガスを導入するためのガス
   導入部が形成されていることを特徴とする試料保持装置
   。
2. （２）電極上面に、試料と電極との間にガスを導入する
   ためのガス導入部が形成されていることを特徴とする請
   求項１記載の試料保持装置。
3. （３）試料台と、絶縁体あるいは少なくとも該表面が絶
   縁体層から成る電極とで構成され、該電極の表面に接触
   する試料と前記電極との間に電圧が印加され、前記絶縁
   体と前記試料との間に生じる静電力により、前記試料が
   前記電極上に吸着される静電チャック式の試料保持装置
   において、前記電極内部に冷却媒体が導入される流路が
   形成され、かつ、電極に試料と電極との間にガスを導入
   するためのガス導入部が形成されていることを特徴とす
   る試料保持装置。