JP5126662B2 - 静電チャック - Google Patents

Description

本発明は、主にプラズマＣＶＤ、エッチャー、露光装置等の半導体製造装置において、各種基板を保持するために用いられる静電チャックに関するものである。

半導体製造装置内における基板保持には、真空環境でも基板を吸着可能なこと、またメカチャックに見られるような機構部分からの発塵が無いこと等の理由により、静電気で基板を吸着する静電チャックが広く利用されている。

近年、半導体製造プロセスの微細化に伴い、基板を保持する静電チャックに求められる平面精度は年々厳しくなってきている。静電チャック自体の平面度は言うまでも無いが、それ以上に静電チャック吸着面と基板へとの間に挟み込まれるパーティクルの低減が強く求められるようになった。

パーティクルの発生源は、静電チャックが使用される工程にもよるが、例えば搬送ハンドから発生した摺動異物、レジストを始めとする各種異物等様々であるため、基板裏面に付着するパーティクルを０にすることは実質不可能と言ってよい。

このようなパーティクルの挟み込みにより発生する半導体素子の不良を抑制するためには、特許文献１に示されるように、基板を吸着した際の基板と吸着面の接触面積をできるだけ小さくすることが有効である。即ち吸着面を形成する突起の径を小さくし、またこれら突起を包含するシールリングの幅を狭くすることで、それぞれにおいて基板とほぼ点接触、線接触とみなせるような形状の静電チャックが開発・利用されている。

ところで、近年までの静電チャックは、その吸着原理により大きく２つに分類されていた。一つは電極上に体積抵抗率の非常に大きい誘電層を設け、誘電層の厚みを薄くし且つ吸着電圧を非常に大きくして電極と被吸着体とで構成される並行平板コンデンサモデルによって説明される所謂クーロン力タイプであり、もう一つは誘電体の体積抵抗率,誘電層厚み,表面粗さを一定の範囲に調整することによってジョンセンラーベック効果を生じさせ強い吸着力を発現する所謂ジョンセンラーベック型静電チャックである（特許文献２参照）。

これらは基本的に、静電チャックと基板とが物理的に接触した部分にのみ吸着力が働く構造となっていたため、同様の構造で先述のような接触面積の小さい静電チャックを製作すると、十分な吸着力が得られないという問題があった。これを解決するために、誘電体の体積抵抗率を小さくし、突起高さを低くすることで、基板の被接触部分に対しても吸着力が働き、結果強い吸着力を得ることのできる新しい類型の静電チャックが開発されている（特許文献３参照）。これにより、パーティクル挟み込み防止のために接触面積を小さくしながらも、強い吸着力で基板を保持する静電チャックを実現できる。

本発明者らは上記のような目的から、例えば突起径０．２ｍｍ、ドッ及びシールリングの高さ５０μｍ、シールリング幅０．５ｍｍという条件の下で、それぞれ突起の配置（粗密）が異なる静電チャックを複数種類製作し性能評価を行った。静電チャックの吸着性能に関しては全ての静電チャックにおいて設計どおりの性能が得られたが、突起の配置を疎（突起の間隔１０ｍｍ以上）にした静電チャックにおいては、基板の冷却性能にムラが発生するという現象が見られた。

この原因を調査したところ、静電チャック最外周近くに配置された一部の突起がシールリングに近接している場合、静電チャック吸着力により基板が変形すると図３に示したように最外周突起を支点にウェハの縁が持ち上がり、局所的にシールリングと基板とが非接触となるためその箇所で冷却ガスの漏洩及び固体接触の熱伝導経路が切れることにより冷却性能が落ちていることが判明した。

このような現象は静電チャックと基板の接触面積を小さくする目的で、突起における基板の支持が点支持であること、及びシールリング幅が狭いためシールリング上面と基板との間に働く吸着力が小さいことに起因している。

半導体装置内部では、例えばＣＶＤ成膜装置においては成膜速度不均一による膜厚ばらつきの原因となり、またエッチング装置内部においてはエッチング速度のばらつきの原因となるおそれがある。

特開２００３−８６６６４号公報 特開平７−２８３２９７号公報 特開２０００−３４０６４０号公報

本発明は、上記問題を解決するためになされたもので、本発明の課題は、基板との接触面積の小さい静電チャックにおいて、特にシールリング部における接触ムラに起因する基板の温度ばらつきが起きない静電チャックを提供することである。

上記目的を達成するために本発明によれば、被処理基板を載置し静電気力により吸着固定する静電チャックであって、前記被処理基板を載置する面側に複数の突起と、前記複数の突起を囲むようにシールリングとを備え、前記複数の突起の配置ピッチをａとし、前記複数の突起の内、最も前記シールリングへ近接した突起の中心と前記シールリングの内周部との最短距離をｂとしたとき、ｂ≧ａ×０．３であり、前記複数の突起の配置ピッチａが１２ｍｍ以下であり、かつ前記複数の突起先端と前記シールリングの上面が同一平面上となるように前記複数の突起を配置し、前記複数の突起と前記シールリングとを含む載置面に前記被処理基板を載置し静電気力により吸着固定し、前記複数の突起先端と前記シールリングの上面とが前記被処理基板の前記載置面の側と接触している状態で、前記シールリング内周と前記被処理基板に囲まれた領域に冷却ガスを封入し、前記被処理基板を冷却するものであり、前記被処理基板と前記シールリングの接触部近傍の隙間の大きさを抑え、前記シールリングとの接触部近傍の前記シールリングの周方向に沿った前記被処理基板の局所的な温度ムラの発生を抑える構成とした静電チャックとすることで、吸着時の基板変形によってシールリング部と基板とが非接触となる現象、及びそれに起因する基板の温度ムラを防止することを可能とした。

また、本発明の好ましい形態においては、前記シールリングの内周が円形状であり、前記吸着面上に配置された前記複数の突起の内少なくとも最外周に設けられた突起が、前記シールリングの内周と同心円上に等間隔配置した静電チャックとした。

また、本発明の好ましい形態においては、前記シールリングの幅が１ｍｍ以下である静電チャックとした。

また、本発明の好ましい形態においては、前記シールリング及び前記突起の高さが、２０μｍ以下である静電チャックとした。

また、本発明の好ましい形態においては、前記複数の突起の内、最も前記シールリングへ近接した突起の中心と前記シールリングの内周部との最短距離をｂとしたとき、
ａ≧ｂ≧ａ×０．３ である静電チャックとした。

本発明によれば、基板との接触面積の小さい静電チャックにおいて、特にシールリング部における接触ムラに起因する基板の温度ばらつきが起きない静電チャックを提供することができる。

図２に示したのは微小接触面積を有する静電チャック１の従来例を示す上面図であり、図４は図２に示した静電チャック１の吸着面２の一部（外周部付近）抜粋して拡大したものである。尚、図２においては突起３の配置の概略を示すため突起３の径を拡大して描いており、図４においては静電チャック１の表面形状の理解のため、シールリング４及び突起３の高さ方向のスケールを実際よりも拡大して描いている。

複数の突起３先端及び前記シールリング４上面に接するよう被処理基板を載置し静電気力により吸着固定する。

突起３の径は、φ１ｍｍ以下が好ましい。

実際の突起３の径は例えば０．２ｍｍ、シールリング４の幅は０．５ｍｍ、それに対し突起３及びシールリング４の高さは１０〜２０μｍ程度である。

また突起３の配置パターンは様々なものが製作されているが、図２に示したように互いに正三角形の頂点を形成するような配置が最も一般的である。このような突起３の配置において、以後説明のため突起３の配置ピッチをａとする。更に最もシールリング４へ近接し配置された突起３とシールリング４の内周部との最短距離をｂとする。

接触面積を小さくするためにａを大きく（１０ｍｍ以上）とした場合、基板５は突起３との接触部を支点に大きくたわむ。これは言うまでも無く基板５全体で起きる現象であるが、最外周に設けられた突起３近傍に注目すると、ｂがａに比べて小さい場合、即ちシールリング４に近接するように最外周の突５を設けた場合、図３に示したように突起５よりも外側は基板５の変形により静電チャック１から離れる方向へ変位し、シールリング４と基板５とが一部非接触の状態となってしまう。

この現象で、実際にシールリング４近傍においてどのような基板５の変形が起きるかをＣＡＥ解析にて求めた結果を図５に示した。同図は図４に示された静電チャック１上に基板５を搭載し吸着した際の基板５の変形を示したもので、高さ方向の変形量を拡大して描いている。同図にて明らかなように、突起３が近接したシールリング４近傍においては、基板５とシールリング４とが一部非接触となっている様子がわかる。

ここで、実際に発生する変形量の程度とそれによる問題を述べる。変形量は1μ以下の微小量であり、直接測定することが困難であったため、ＣＡＥにより変形量を算出した。径０．２ｍｍ、高さ１０μｍの突起３を１０ｍｍピッチで配置し、最外周部のシールリング４の幅を０．５ｍｍとした８インチ静電チャック１上に、基板５として厚さ０．７ｍｍのシリコンウェハを吸着し、吸着力が３００００Ｐａ（約１ｋＶの印可電圧に相当）働いたときの基板５の変形を解析したところ、シールリング４と基板５との間で最大０．１４μｍの隙間が開くという結果であった。

この程度の隙間であれば、静電チャック１−基板５間に封入されたガスのリークは１０−５Ｐａｍ３／ｓ台程度であるため、封入ガスの圧力分布及び静電チャック１周辺の圧力分布は影響を受けないが、基板５の変形量は突起３の配置ピッチのほぼ３乗に比例し、更にガスリーク量は隙間（即ち変形量）のほぼ２乗に比例して増加するため、突起３の配置ピッチを１０ｍｍよりも大きく設計した場合、ガスリークの影響は無視できなくなる。

大まかな計算例をあげると、例えば突起３の配置ピッチを１２ｍｍとすると、ガスリーク量は１０^−４Ｐａｍ^３／ｓ台まで増加し、封入ガスの圧力分布は数％のばらつきが見られるようになる。突起３の配置ピッチを１５ｍｍとすると、ガスリーク量は及び封入ガスの圧力分布ばらつきは更に倍増するため、もはやその影響を無視することは出来ない。封入ガスの圧力分布ばらつきに応じた温度ばらつきが基板５上に現れるため、半導体製造装置の性能に悪影響を及ぼしてしまう。

上記のような隙間の大きさは図３から明らかなように、突起３の配置ピッチａ、及び最もシールリングへ近接し配置された突起３とシールリング４の内周部との最短距離ｂとにより変化する。これらａ及びｂにより、隙間の大きさがどのように影響を受けるかについてもＣＡＥ解析により調査した。その結果、基板５にかかる吸着力の大きさが一定の場合、シールリング４近傍に現れる隙間の大きさはａ及びｂの絶対値ではなく、ａ及びｂの比率により決定されることが判明した。この結果を、縦軸を隙間の大きさを示す無次元値、横軸をｂ／ａとしてグラフにしたものが図６である。図６によれば、ｂ／ａが約０．１５のときにおいて隙間は最大となり、ｂ／ａが０．３を超えると最小となることがわかる。

この結果に基づけば、突起３の配置ピッチａを１２ｍｍとした例では、最もシールリング４へ近接し配置された突起３とシールリング４の内周部との最短距離ｂが３．６ｍｍ（＝１２×０．３）以上となるように突起３を配置することで、シールリング４近傍に現れる隙間の大きさを最低限に抑えることができる。

本発明の一実施例を図１に示す。

図２に示したような正三角形を形成するようなパターンで突起３を配置する場合、ｂ≧ａ×０．３を満足するように配置したとしても最外周に配置された突起３とシールリング４との距離は場所により異なりばらついてしまうため、シールリング４における基板５との接触圧も一様でなくなり、シールリング４近傍におけるの固体接触を介した熱流特性の設計精度に悪影響を及ぼす。これに対し本実施例である図１のように同心円状に突起３を配置した場合（この例において、最外周に配置された突起３の位置はａ＝１０ｍｍ、ｂ＝３ｍｍであり、ｂ≧ａ×０．３を満足する）、シールリング４における基板５との接触圧はほぼ一定となるため、設計どおりの熱流特性を得ることができる。

上述のように、シールリング４と基板５との隙間を防止する目的においてはｂ≧ａ×０．３さえ満足すればよく、特にｂの上限は定まらない。しかしながらｂがａより大きくなると基板５の変形量は図７に示したように指数関数的に大きくなるため、結局基板5の冷却性能が均一でなくなってしまう。このため、ｂがａ≧ｂ≧ａ×０．３を満たすように突起を配置するのが理想的である。

基板吸着の際のパーティクル挟み込み防止のために基板との接触面積を微小とした静電チャックにおいて、特にシールリング部における接触圧を均等に発生させ、ガスの漏洩を防止し、基板の温度ムラの発生を防止することができる。

本発明の一実施例である静電チャックにおける突起の配置を示した上面図である。 従来の静電チャックにおける突起の配置を示した上面図である。 基板外周部における基板の変形を模式的に表した断面図である。 基板外周部における静電チャック吸着面の形状を模式的に表した斜視図である。 基板外周部における基板の変形をＣＡＥ解析により描いた図である。 シールリング近傍の突起の配置と、シールリング部において発生する隙間との関係を示したグラフである。 突起間距離と基板変軽量との関係を示したグラフである。

符号の説明

１…静電チャック
２…吸着面
３…突起
４…シールリング
５…基板
６…ベースプレート
７…ボルト穴
８…ガス供給穴

Claims (5)

1. 被処理基板を載置し静電気力により吸着固定する静電チャックであって、前記被処理基板を載置する面側に複数の突起と、前記複数の突起を囲むようにシールリングとを備え、
   前記複数の突起の配置ピッチをａとし、
   前記複数の突起の内、最も前記シールリングへ近接した突起の中心と前記シールリングの内周部との最短距離をｂとしたとき、
   ｂ≧ａ×０．３
   であり、
   前記複数の突起の配置ピッチａが１２ｍｍ以下であり、
   かつ前記複数の突起先端と前記シールリングの上面が同一平面上となるように前記複数の突起を配置し、
   前記複数の突起と前記シールリングとを含む載置面に前記被処理基板を載置し静電気力により吸着固定し、前記複数の突起先端と前記シールリングの上面とが前記被処理基板の前記載置面の側と接触している状態で、前記シールリング内周と前記被処理基板に囲まれた領域に冷却ガスを封入し、前記被処理基板を冷却するものであり、
   前記被処理基板と前記シールリングの接触部近傍の隙間の大きさを抑え、前記シールリングとの接触部近傍の前記シールリングの周方向に沿った前記被処理基板の局所的な温度ムラの発生を抑える構成としたことを特徴とする静電チャック。
2. 前記シールリングの内周が円形状であり、前記吸着面上に配置された前記複数の突起の内
   少なくとも最外周に設けられた突起が、前記シールリングの内周と同心円上に等間隔配置
   してあることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
3. 前記シールリングの幅が１ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の静
   電チャック。
4. 前記シールリング及び前記突起の高さが、２０μｍ以下であることを特徴とする請求項１
   〜３のいずれか１項に記載の静電チャック。
5. 前記複数の突起の内、最も前記シールリングへ近接した突起の中心と前記シールリングの
   内周部との最短距離をｂとしたとき、
   ａ≧ｂ≧ａ×０．３
   であることを特徴とする請求項１〜４のいずれか１項に記載の静電チャック。

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