JP6924196B2 - 基板製造用のパターンチャック - Google Patents

Description

本出願は、２０１６年１月１９日に出願された米国仮出願番号第６２／２８０，６３８号に基づく優先権の利益を享受するものであり、前記仮出願の開示内容は参照により全て本明細書内に包含される。

本発明は、例えば半導体基板用の静電チャックなど、加工工程中に基板を支持するためのチャックに関する。本発明は、比較的薄いシリコンウエハが使用される太陽電池の製造に特に有益である。

静電チャック（ＥＳＣ）は、半導体産業において周知である。多くの静電チャックは、ウエハと接触する表面として平坦で滑らかな天面部を有する。逆に、天面部にメサを有する静電チャックもある。例えば、高抵抗性誘電体の薄膜堆積から形成されたメサを開示する特許文献１を参照されたい。薄い高抵抗性膜は、過剰なＤＣスタンバイ電流を防止するとともに、ウエハの裏面形態及び組成にかかる静電チャック性能の依存性を低減するものである。別の例としては、特許文献２が挙げられ、当該文献では静電チャックの絶縁層のメサ形状の高さの調整または初期製造によって静電チャックの容量プロファイルを修正する方法を開示している。図１および図２は、メサを有する従来の静電チャックを示すものである。従来技術では、メサ１０６は、チャック１００の天面１１０から所定の高さ１１４にウエハ１０８を保持するために使用される、概ね円形の「島」である。電極１０４は、メサ１０６の下方に吸引力を引加する。このような構成では、ウエハの裏面は、静電チャックの天面ではなくメサに接触するだけである。静電チャックの天面から離間してウエハを保持する主な理由の１つは、チャッキング力を低減することによって、工程後にウエハをより取り外ししやすくするものである。したがって、メサの高さおよびチャッキング力は、チャックの天面から離れて、メサの上部にウエハを保持するように設計されている。

加工工程によっては、当該加工工程中に、ウエハの温度が上昇することがある。これは、例えばプラズマ処理中またはイオン注入中に主に起こる現象である。ほとんどの加工工程は、ウエハの表面全体に渡って実施されるので、ウエハの熱膨張が当該加工工程に影響を与えることはない。しかし、加工工程によっては、ウエハ表面の一部だけが加工工程に曝されるように実施されるケースもある。例えば、いわゆるシャドウマスクを使用してイオン注入を行う場合、当該シャドウマスク内の開口部を通過するイオンのみがウエハに到達し、その結果、得られるインプラントがシャドウマスク内の開口部に沿ってパターニングされる。シャドウマスクの開口部を高精度にウエハの特定の領域に位置取りしなければならない場合を除いて、ウエハの熱膨張は問題にならない。ある温度でウエハに対するシャドウマスクの位置取りをしたが、ウエハの熱膨張によりマスクの位置取りが失敗するような場合には、熱膨張が問題となる可能性がある。

米国特許第５９０３４２８号明細書 米国特許第７８６９１８４号明細書

したがって、ウエハの熱膨張によるウエハの位置ずれを加工工程中に引き起こさないようにすることが、当技術分野で必要とされている。

本開示の以下の概要は、本発明のいくつかの態様および特徴の基本的な理解を促すために含まれるものである。当該概要は、本発明の広範な概観ではなく、本発明の必須の手段または重要な要素を特に特定すること、または本発明の範囲を画定することを意図するものではない。概要の唯一の目的は、以下に示す本発明のより詳細な説明の前置きとして、本発明のいくつかの概念を簡略化した形で提示することである。

開示される実施形態は、ウエハの熱膨張による悪影響を打ち消すウエハ加工用のチャックを提供する。開示される実施態様は、ウエハの熱膨張の有無にかかわらず、シャドウマスク内の開口部とウエハとの間の相対的な位置取りを維持する、チャックの配置およびシャドウマスクの配置との組み合わせを含むものである。

開示される本発明の実施態様は、ウエハが熱膨張している間、インプラントされるフィーチャーの相対的な位置取りを維持しながら、イオン注入によって太陽電池を製造する方法を提供する。

追加の態様には、チャックおよびウエハが熱膨張している間に位置取りを維持するように機械的に運動を制限する固定システムを提供するチャック配置を含む。

開示される態様は、半導体ウエハ用のチャックを提供し、前記チャックは、絶縁性の天面部を有する本体と；熱膨張で半導体ウエハが屈曲して前記ウエハが波型形状を呈するようにそれぞれ構成され、かつ全て互いに平行に設置された、複数の細長の屈曲手段と；前記本体内に埋設された電極と、を含む。電極は、複数の細長い電極板を含むことができ、各電極板は、２つの細長い屈曲手段の間に設置されるか、または、チャックの全領域に渡って設けられる１つの単一の板を備えてもよい。細長い屈曲手段の各々は、絶縁性の天面部の全長に渡って延在してもよく、または絶縁性の天面部の一部に渡って延在してもよく、その結果、内部に細長い屈曲手段を有さない天面部上に固定領域が画定される。細長い屈曲手段の各々は、直線メサ、単一の列に沿って配置された複数の線状メサ、絶縁性の天面部の全長に渡ってまたは前記天面部の全長の一部に渡って延在する直線状の溝を含んでもよい。半導体ウエハ用のチャックは、片側における前記チャックの動きを機械的に制限し、かつ対向側におけるチャックの熱膨張を可能にする、アンカーをさらに有してもよい。

他の実施態様によれば、半導体ウエハ加工用のチャックを提供するものであり、前記半導体ウエハ用チャックは、天面部を有する板状体、複数の細長い直線状リブ、前記チャックの天面部の全長に延在する前記細長い直線状リブの各々を有し、前記各細長い直線状リブの幅及び高さは、チャッキング電位が前記チャックに印加される際、前記ウエハが各細長い直線状リブの周りに屈曲してウエハの裏面とチャックの天面部とが接触するように構成されており、かつ前記細長い直線状リブの数は、加熱におけるウエハの熱膨張を補償するための膨張補償を生ずるように構成されている。前記チャックは、当該チャック内部に埋設された複数の細長い電極と、２つの細長いリブの間に設置された各電極とをさらに含んでもよい。前記チャックは、片側における前記チャックの動きを機械的に制限し、かつ対向側におけるチャックの熱膨張を可能にする、アンカーをさらに有してもよい。天面部および／または直線状リブは、絶縁体であってもよく、かつ陽極酸化されたアルミニウムであってもよい。前記各細長いリブの幅および高さは、最大１０°の偏向角にウエハを屈曲することができるよう構成されており、前記偏向角は、前記チャックの天面部から前記ウエハの屈曲によって生じる凸部と接する直線までの角度によって定義される。

また、半導体ウエハを加工する方法を提供するものであり、前記半導体ウエハの加工方法は、天面部および前記天面部上に形成された複数の細長い屈曲手段を有するチャックを準備することと、前記チャック上に前記ウエハを置くことと、前記ウエハの熱膨張を決定することと、前記ウエハが波型トポグラフィをとるよう前記ウエハを前記細長い屈曲手段の各々を中心に屈曲させる目的でチャッキング電位を前記チャックに印加すること、を含む。前記方法は、前記ウエハの温度上昇に応じて前記チャッキング電位を増加させることをさらに含んでもよい。前記方法は、チャックの片側を機械的に固定することをさらに含んでもよい。

添付の図面は、本明細書に組み込まれ、本明細書の一部を構成し、本発明の実施形態を例示し、明細書の説明と共に、本発明の原理を説明し、図解する役割を果たすものである。図面は、例示的な実施形態の主要な特徴を図式的に示すことを意図している。図面は、実際の実施形態のすべての特徴または図示された要素の相対的な寸法を示すものではなく、一定の縮尺で描かれているものではない。

図１および図２は、メサを有する従来のチャックを示す。 図１および図２は、メサを有する従来のチャックを示す。 図３は、一実施形態によるチャックの側面図を示す。 図４は、図３の点線円の内側に示された領域の拡大図である。 図５は一実施形態によるチャックの平面図を示し、図５Ａは別の実施形態による上面図を示し、各直線状メサの配置は単一の線に沿って配置された４つの細長いメサを含む。 図６は、一実施形態としてリブ上に牽引されたウエハを備えるチャックの断面を示す側面図である。 図７Ａおよび７Ｂは、ウエハの熱膨張によってフィンガー電極の幅を超えてドーパント分布が拡大した例を示す。 図８は、２次元で熱膨張制御が得られる実施形態を示す。 図９は、熱膨張によるウエハの位置ずれを打ち消す別の実施形態を示し、図９Ａは、熱膨張制御が２次元で得られる実施形態を示す。

詳細な開示
本発明の実施態様は、半導体デバイスの製造におけるウエハの熱膨張の悪影響を打ち消すことに関する。開示された実施形態の特徴は、様々なアプリケーションおよびプロセスで実施することができ、また特徴によっては、単独で、または他の開示された特徴と組み合わせて使用することもできる。可能性のあるすべての応用例および変形例を論議するのではなく、以下の開示では、開示された特徴の構造、使用および利点を最もよく説明できる実施形態に焦点を当てている。本発明の実施態様から利益を得ることができる１つの用途は、選択的エミッタ太陽電池の製造である。

選択エミッタ型太陽電池は、前面金属被覆グリッド線（バスバー電極およびフィンガー電極）の直下に高濃度ドープされた領域と、前記前面グリッド線の間に低濃度ドープされた領域とを有する。本発明者らは、シリコンウエハへのイオン注入（例えば、太陽電池の選択エミッタ用のイオン注入）のためのシステムであって、イオンが太陽電池のバスバー電極およびフィンガー電極の形状で注入されるものを設計した。このようなイオン注入、および多くの他のパターン化された注入は、イオン注入された領域が金属被膜を形成しようとする位置および形状となることを確実にするために、ウエハに注入されるイオンの位置が高精度であることを要する。しかし、本発明者らは、加工工程の間、ウエハおよびチャックの温度が上昇し、それによってウエハおよび／またはチャックの熱膨張を誘発させて、その結果、注入領域の位置ずれを引き起こすことに気づいた。本発明の実施形態は、ウエハおよび／またはチャックの熱膨張を打ち消し、ウエハが加工工程全体においてイオン注入のために位置取りした状態を維持するものである。

選択エミッタにおけるイオン注入の間、対象となる直径は、ウエハの上面投影、すなわちウエハの天面のイオンストリームの部分である。一実施形態によれば、チャックの天面部には、細長いメサまたはリブなどの細長い突起部が設けられており、当該突起部は、チャックの全長または全幅を実質的に横断する。チャッキング電位をチャックに印加すると、ウエハがチャックの方に引き付けられ、ウエハの一部が突起の間のチャックの天面部に接触するように前記ウエハが屈曲して、これにより波形形状を呈するように、前記突出部の高さ、幅、間隔、および数が構成される。波型形状とは、波状の表面を有すること、または交互の溝や隆起を有する表面を有することを意味するものである。波型形状は、ウエハの上面投影を縮小する。しかし、ウエハを破損しないように、波型形状（溝や隆起部）は非常に浅くする必要がある。

図３は実施形態の側面断面を示すものであり、ウエハ３０８が細長いメサ３０６の上に置かれ、かつチャック３００の天面部３１０に接触していないことを示すものである。この実施形態では、電源Ｐから十分なチャッキング電位が電極板３０４に印加されると、ウエハ３０８が屈曲し、かつメサ３０６の間の領域でチャック３００の天面部３１０と接触できるくらいまで前記電極板３０４がウエハ３０８を引き寄せるように、メサ３０６のプロファイルである、幅および高さを算出するものである。すなわち、メサ３０６のプロファイルおよびメサ間の距離は、ウエハ３０８が破損することなく、ウエハが屈曲してチャック３００の天面部３１０と接触するよう構成される必要が生じる。図３で示す実施形態では、チャッキング電極が複数の電極板３０４の形態で設けられており、ウエハの過剰な撓みを防止するために、各々の電極板は、中央の電極が中央のメサの下方にも延在することを除き、２つのメサ間の領域にのみ設けられている。中央メサが設けられていない場合、電極３０４をメサの間の領域にのみ設けてもよいが、その場合、当該中央の位置ではウエハに対するチャッキング力が加えられない。チャックの天面部３１０またはチャックの上面は、例えば陽極酸化アルミニウムのような絶縁体であってもよい。同様に、細長いメサ３０６は、例えば陽極酸化アルミニウムのような絶縁体で形成してもよい。

図４の拡大断面図に示すように、電極板４０４に印加されるチャッキング電位に応じてウエハ４０８は細長いメサ４０６の周りで屈曲し、その結果、ウエハは様々な量でチャックの天面部４１０に接触する。当該屈曲は、ウエハの凸部がチャック４００の平坦な天面部４１０となす角度によって特徴付けられてもよい。この偏向角は、図４の一点鎖線によって示されるように、チャックの平坦な天面部４１０から凸部の勾配の接線までの角度を測定することによって定義される。３つの異なる例が図４中に重ねて示されており、図４によれば、様々なチャッキング力による屈曲状態を表し、当該チャッキング力によって偏向角が４°から９．８°に大きくなることが示される。この角度は、ウエハが破損する点まで大きくできず、この実施形態では１０°に制限される。また、いくつかの実施形態では、メサの上側の角部は、拡大図で示されるように、屈曲したときにウエハを傷つけないように丸くされている。

ウエハを波型形状に屈曲させるためには、メサは細長く、チャックの全長または大部分を横断して直線的かつ互いに平行に配置される必要がある。図５は、各細長いメサ５０６がチャックの全長に延在する一例を示す上面図である。図示のように、全メサ５０６が、一方向に直線的に配置され、互いに平行に設置されている。従って、チャッキング力が電極板５０４（破線で示される部分）に加えられると、ウエハは屈曲して、波状または波型の金属シートのような凸部をいくつか形成する。開示された実施形態では、長さおよび幅が交換可能であるように、チャックは正方形（または擬似正方形）であることに留意されたい。

メサは、必ずしもチャックの全長にわたって延在する単一のメサとして形成される必要はない。しかし、メサは、チャックの全長方向に延びる線に沿って位置取りされる必要があり、かつその線は互いに平行でなければならない。一例として、図５Ａに示すように、各直線状のメサの配置は、チャックの全長を横断して延伸される単一の線に沿って配置された４つの細長いメサを含むものである。

図６は、ウエハ６０８がリブ６０６上に牽引された状態のチャック断面の側面図を示すものである。図６において、Ｆ／Ａは、電極板６０４上の電位によってウエハ上に作用する単位面積当たりの静電気力を表わし、Ｏは第１（または最後の）リブからウエハの縁までの距離を表わし、Ｘはリブ間の距離を表わし、Ｌはチャックの天面部とのウエハの接触面積（例えば、ウエハの百分率）を表わし、また、当該接触面積は電極に印加される電位Ｐを変化させ、それによって、Ｆ／Ａが変化することによって制御可能であり、Ｚはリブの高さを示すものである。図６に示すように、本明細書ではリブとも呼ばれる細長いメサ６０６の構成は、数学的には以下の関係式を満たす：Ｚ＝ｆ（ｘ、Ｌ、Ｆ）。ウエハの熱膨張後の全面積がＡであり、各リブによって生じる膨張補償値がＢである場合、必要なリブ数Ｎは、Ｎ＝Ａ／Ｂとして表わされる。そして、ｘは、（基板の全幅）／（Ｎ＋１）または（基板の全幅−０）／（Ｎ−１）で与えられる。

記載された本発明の実施形態は、ウエハの熱膨張の有害な影響を打ち消すものである。これは、インプラントされるフィーチャーが一方向に全て構造化されている状況において、大きな利益をもたらすものである。１つの例としては、選択エミッタのフィンガー電極の位置の下方にドーパントを注入することである。補償を備えていない場合、インプラントが進行してウエハ温度が上昇すると、設計されたフィンガー電極よりも広いフィンガー電極を形成するようウエハが膨張する。また、熱膨張のために、フィンガー電極の幅方向におけるドーパント分布は均一ではない。これについては、図７Ａおよび図７Ｂに示している。

図７Ａでは、所定のビームを使用して、設計された幅Ｗの線にドーパントを注入する様子を示している。インプラントが進むにつれて、図７Ｂに示すように、ウエハの熱膨張が進行する。その結果、線の幅はＷ＋ΔＷまで広がる。この問題は、メサを使用して熱膨張を打ち消す量だけウエハの射影面積を減少させる上述の実施形態によって解消される。熱膨張を打ち消す量は、チャック電極に印加される電力によって制御される。図６は、シャドウマスクを使用して、イオンによって注入される領域を画定する様子を示すものである。例えば、シャドウマスクは、選択エミッタのフィンガー電極の下方の領域を画定することができる。ウエハの温度が上がっても、チャックマスクの開口部の下方の領域の射影面積が同じままであるために、ウエハの屈曲度を上げるためにチャッキング力を上げることができる。その結果、注入線の幅は一定のままである。

実施例１
チャックは、その真下に電極を有する１つの中央メサおよび前記電極の両側にある各３つのメサである、７つのメサを、前記メサの真下ではなく前記メサ同士の間にのみにある電極と併せて有するよう設計されている。チャック電圧を印加して４°の偏向角が生じると、メサ当たり２．８ミクロンの収縮が生じ、チャック電圧を上げて８°の偏向角が生じると、メサ当たり７．４ミクロンの収縮を生じ、チャック電圧を上げて９．８°の偏向角が生じると、ウエハの破損なしにメサ当たり１０．５ミクロンの収縮を生じた。したがって、このチャックを使用した利用可能な総収縮は、７×１０．５ミクロン＝７３．５ミクロンであった。

熱制御を２次元で所望する場合、１つの次元は、上記の方法を用いて制御され、もう１つの次元は、図８に示す方法によって制御される。図８は、チャックの幅方向の熱膨張をリブ８０６により打ち消すことを示すものである。チャックの長手方向の熱膨張を打ち消すため、アンカー８１８でチャックの片側を固定して、片側のチャックの動きを機械的に制限し、同時に反対側の方向における動きが制限されるようにウエハをアンカー８１６によって固定する。従って、チャックが一方向に延びると、ウエハは反対方向に延びることから、それによって熱膨張による位置ずれを打ち消す。

図９は、熱膨張によるウエハの位置ずれを打ち消すための別の実施形態を示す。図９の実施形態では、メサは利用されない。当該実施形態は、メサを使用しない代わりに、不均一なチャッキング力がウエハに加えられ、それによってウエハの一部が膨張するようになり、ウエハを屈曲させるものである。その効果は以下のようにして達成される。チャック９００の天面部９１０には、線状の溝９０７が数個設けられている。そのため、ウエハをチャック上に置くと、ウエハの大部分がチャック上部の誘電体層に接触するが、図９の拡大図に示されるように、溝の部分においては、実施される加工工程に応じて空気中または真空中、ウエハは誘電体から距離ｄだけ離間している。ウエハ上のチャッキング力は、誘電率と、印加チャッキング電位と、ウエハ上の電荷からチャックの電極上の電荷までの距離の逆二乗との関数で表わされる。溝における誘電率は１であり、溝から離間するとその誘電率は、チャックの誘電材料に依存し、例えば、陽極酸化されたアルミニウムであれば９−１０である。そのため、溝９０７から離間したウエハにかかるチャッキング力Ｆは、溝９０７の場合よりも約１０倍大きい。したがって、ウエハが熱膨張すると、溝の両側における強力なチャッキング力で固定されるが、溝の上方に低いチャッキング力を受けるので、拡大図におけるＢで示される方向の溝９０７の上方にウエハが撓むことになる。

図９における熱制御膨張は、図９Ａに示す実施形態によって図８の熱膨張制御と統合することができる。図９Ａに示すように、直線状の溝９０７は、チャックを部分的にしか横切って延在していないため、これにより、溝が無い領域９１６が形成されている。このように、領域９１６において溝が存在しないため、当該領域上のウエハにかかるチャッキング力が不均一になる。その結果、領域９１６はウエハのアンカーとして機能する。反対に、溝が残っているチャックの残りの部分に対するチャック力はより低くなるため、ウエハは領域９１６から離れる方向に拡張することになる。チャックを領域９１６とは反対の方向に機械的に固定することにより、チャックはウエハ拡張とは反対の方向に熱膨張することができる。これにより、ウエハの熱膨張とチャックとを相殺することができる。

本発明は、特定の材料の例示的な実施形態および特定の製造工程に関して議論されているが、当業者にとっては、これらの特定の実施例の変形が製造されうること、および／または使用されうるものであると理解すべきであり、またそのような構造および方法は、添付の特許請求の範囲によって規定される本発明の範囲から逸脱することなく、説明および図示された実施によって与えられた理解だけでなく、作成される可能性のある改変を容易にするための操作の議論からも追試されうることを理解すべきである。

Claims (19)

1. 半導体ウエハ用チャックであって、
   絶縁性の天面部を有する本体と；
   熱膨張時に半導体ウエハを屈曲させて前記ウエハが波型形状を呈するようにそれぞれ構成され、かつ全て互いに平行に設置された、複数の細長の屈曲手段と；
   前記本体内に埋設された電極と、
   片側における前記チャックの動きを機械的に制限し、かつ対向側における前記チャックの熱膨張を可能にする、アンカーと、
   を備える半導体ウエハ用チャック。
2. 前記電極は、複数の細長の電極板を有し、前記電極板のそれぞれは２つの細長の屈曲手段間に設置される、請求項１に記載のチャック。
3. 前記細長の屈曲手段のそれぞれは、前記絶縁性の天面部の全長に渡って延在する、請求項２に記載のチャック。
4. 前記細長の屈曲手段のそれぞれは、直線状のメサを有する、請求項３に記載のチャック。
5. 前記細長の屈曲手段のそれぞれは、単一列に沿って配置された複数の直線状のメサを有する、請求項３に記載のチャック。
6. 前記電極は、単一の電極板を有する、請求項１に記載のチャック。
7. 前記細長の屈曲手段のそれぞれは、前記絶縁性の天面部の全長に渡って延在する直線状の溝を有する、請求項６に記載のチャック。
8. 前記細長の屈曲手段のそれぞれは、前記絶縁性の天面部の一部に渡って延在し、それにより、固定領域が細長い屈曲手段をその内部に有さない前記天面部上に画定される、請求項６に記載のチャック。
9. 前記細長の屈曲手段のそれぞれは、直線状の溝を有する、請求項８に記載のチャック。
10. 片側におけるチャックの動きを機械的に制限し、かつ他方におけるチャックの熱膨張を可能にする、アンカーをさらに有する、請求項９に記載のチャック。
11. 半導体ウエハ用チャックであって、
    天面部を有する板状体、複数の細長い直線状リブを有し、
    前記細長い直線状リブの各々が前記チャックの天面部の全長に延在し、
    前記各細長い直線状リブの幅及び高さは、チャッキング電位が前記チャックに印加される際、前記ウエハが前記各細長い直線状リブの中心に屈曲して前記ウエハの裏面と前記チャックの天面部とが接触するように構成されており、かつ前記細長い直線状リブの数は、加熱における前記ウエハの熱膨張を補償するための膨張補償を生ずるように構成されており、
    片側における前記チャックの動きを機械的に制限し、かつ対向側における前記チャックの熱膨張を可能にする、アンカーをさらに有する、
    半導体ウエハ用チャック。
12. 前記チャック内部に埋設された複数の細長い電極と、２つの細長いリブの間に設置された各電極とをさらに含む、請求項１１に記載のチャック。
13. 前記天面部は、絶縁体である、請求項１１に記載のチャック。
14. 前記天面部は、陽極酸化アルミニウムを含む、請求項１１に記載のチャック。
15. 前記細長い直線状リブの表面は絶縁体である、請求項１１に記載のチャック。
16. 前記細長い直線状リブは、陽極酸化アルミニウムを含む、請求項１１に記載のチャック。
17. 前記各直線状リブの幅及び高さは、最大１０°の偏向角にウエハを屈曲することができるよう構成されており、前記偏向角は、前記チャックの天面部から前記ウエハの屈曲によって生じる凸部の接線までの角度によって定義される、請求項１１に記載のチャック。
18. 半導体ウエハの加工方法であって、
    天面部および前記天面部上に形成された複数の細長い屈曲手段を有するチャックを準備することと、
    前記チャック上にウエハを置くことと、
    前記ウエハの熱膨張を決定することと、
    前記ウエハが波型トポグラフィをとるよう前記ウエハを前記細長い屈曲手段の各々の周りに屈曲させる目的でチャッキング電位を前記チャックに印加すること、
    前記ウエハの温度上昇による前記チャッキング電位の上昇、
    を含む、半導体ウエハの加工方法。
19. 前記チャックの片側を機械的に固定することをさらに含む、請求項１８に記載の半導体ウエハの加工方法。
    

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