(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
輪郭面を有する静電チャックを形成する方法であって、
（ａ）導電体層、第２の誘電体層、及び耐破壊性層を含む積層体を設けるステップと、
（ｂ）電極パターンを形成するために、前記積層体の前記導電体層をエッチングするステップと、
（ｃ）第１の誘電体層をエッチングされた前記導電体層に接着して、フレキシブル回路を形成するステップと、
（ｄ）前記フレキシブル回路の前記第１の誘電体層を少なくとも１つの突出領域を有するペデスタル面に接着するステップと、
を有することを特徴とする方法。
【請求項２】
前記耐破壊性層は、ポリマーマトリックスに埋め込まれたアラミド繊維を有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項３】
前記第１と第２の誘電体層の物質は、ポリイミドから作られていることを特徴とする請求項１に記載の方法。
【請求項４】
更に、フレキシブル回路をペデスタル面に接着する前に前記突出領域を形成するために、ペデスタル面をマシニングするステップを有することを特徴とする請求項１に記載の方法。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、一般にワークピースを保持するための静電チャックに関し、特に、改善された破壊抵抗及び半導体ウエハからチャックへ熱伝達を促進する表面技術を有するフレキシブル回路を有する静電チャックに関する。
【０００２】
【従来の技術】
静電チャックは、コンピュータグラフッィクスプロッタにおける一枚の紙を保持することから半導体ウエハの処理チャンバ内で半導体ウエハを保持することまでのいろいろな応用範囲において、ワークピースを保持するために用いられる。静電チャックは、ワークピースとチャック間に静電吸引力を生成することによってワークピースをしっかり保持する。ワークピースと電極に反対極性の電荷を誘起するように、チャックにある一以上の電極に電圧が印加される。反対の電荷は、チャックに対してワークピースを引きつけ、それによりワークピースを保持する。半導体上は処理装置において、静電チャックは、処理中にウエハを支持体にクランプするために用いられる。この支持体は、電極（静電チャックの適用において）及びヒートシンクを形成する。これらのチャックは、エッチング、化学気相堆積（ＣＶＤ）、イオン打ち込み、及び物理気相堆積（ＰＶＤ）の応用に使用することができる。
【０００３】
ウエハを処理するために使用される物質及びプロセスは極めて温度に敏感である。これらの物質が、処理中にウエハからの熱伝達が僅かであることによる過剰な温度変動に曝されると、ウエハの処理システムの性能は、ウエハの損傷を引き起こすことになるかも知れない。ウエハとチャック間で熱を最適に伝達するために、非常に大きな静電力が用いられて、ウエハの表面の大部分がチャックの支持面に物理的に接触するようにする。しかし、ウエハとチャックの表面の粗さによって、ウエハとチャック間に、最適な熱伝達を妨げる小さな隙間空間が残る。
【０００４】
処理中にウエハの冷却を更に行なうために、ヘリウムのような不活性ガスが、ウエハと支持面の間に形成される隙間空間へ送り込まれる。このガスは、ウエハからチャックへ、真空より良好な熱伝達特性を有する熱伝達媒体として作用する。チャックは、一般に輪郭表面を有し、熱伝達を最大にし、熱伝達ガスが周囲の低圧環境（即ち反応チャンバ）へ逃げるのを阻止する。冷却プロセスを更に増進するために、一般に、チャックは支持体内の通路を介して水冷される。この冷却技術は背面ガス冷却として知られている。
【０００５】
静電チャックは、しばしばポリイミドのようなフレキシブルな誘電体物質に包まれた導電性物質、例えば銅からなるフレキシブル回路を有する。このフレキシブル回路は、ウエハの全底面を横切って、隙間空間へ熱伝達ガスを運ぶ特別なチャネル、即ち窪みを与えることによって背面のガス冷却を増大する彫刻模様の表面を有している。このフレキシブル回路は、ウエハの全底面を横切って熱伝達ガスをにガスために、一連の同心円または、放射アームとして、支持面の大部分を横切る平らな板のようないろいろな形状に形成することができる。フレキシブル回路の彫刻模様の面は、更に熱伝達ガスの流れを一様にするために、そこに設けられたリブ、溝、或いはチャネルのような輪郭を有する。
【０００６】
彫刻模様の面を有する積層されたフレキシブル回路を利用する従来のチャックの欠点は、一般に存在するフレキシブル回路に用いられた誘電体物質、例えばポリイミドがウエハ処理システムにおいてウエハを繰返しクランプした後に、破壊する可能性のあることである。静電チャックのフレキシブル回路の上方誘電体における破壊は、チャック電極とウエハ間に短絡回路を導く。チャック電極が付勢されると、このような短絡回路はウエハを損傷する、そのウエハを通して流れる大きな電流を生じる。このような短絡回路は、チャックの取り替えによって修理されるが、生産の停止及び生産性の低下は免れない。
【０００７】
したがって、破壊しにくいフレキシブル回を有する半導体ウエハを処理するチャック及びそれを製造する方法に対する技術の必要性がある。
【０００８】
【発明の概要】
上述の従来技術に関連した欠点は、ウエハの背面を支持するために、少なくとも１つの突出した領域と接触するワークピース支持面を有する耐破壊性の静電チャックによって解決される。
【０００９】
本装置は、少なくとも１つの突出した領域を有する面及びペデスタル面上に配置された耐破壊性のフレキシブル回路を有するペデスタルを有する。この耐破壊性のフレキシブル回路は、導電性層の下にある第１誘電体層及び導電性層の上にある破壊抵抗層を有する。好ましくは、破壊抵抗層はアラミド繊維の織物材料を有する。耐破壊性層の上にある第２の誘電体層が接触するワークピースの支持面を画定する。
【００１０】
更に、静電チャックは、静電チャックを通してワークピース支持面まで伸びる少なくとも１つの熱伝達ガスのポートを有する。突出領域が、チャックされたとき、ワークピースがウエハの裏側への熱伝達ガスの流れを阻止しないように配列される。このように、ガスは、チャック面の突出していない全ての領域へ一様に広がり、ウエハとチャック面の間の空間を満たす。
【００１１】
耐破壊性のフレキシブル回路を利用する静電チャックを製造する方法は、誘電耐層、耐破壊性層及び導電性層の積層体を形成するステップ、前記導電性層上に電極パターンをエッチングするステップ、その後他の誘電体層を前記電極に接着し、フレキシブル回路を形成するステップ、形状を静電チャックのペデスタル面にマシニング(machining)するステップ、及び前記フレキシブル回路を形成された（マシニングされた）ペデスタル面に積層するステップを有する。マシニングによって形成された全体的特徴は、突出領域と非突出領域を有する。フレキシブル回路はペデスタルの表面に接着され、それらの特徴と一致する。このように、静電チャックの支持面は、突出領域と非突出領域を有する。この場合、突出領域の全体の面が非突出領域の全体の面より少ない。
【００１２】
本発明は、ウエハを静電チャックに効率よくクランプし、改善された熱伝達特性を与えることができる耐破壊性装置に対して、長期間要望されていた必要性を満たすものである。特に、フレキシブル回路の耐破壊性層は、ウエハへの短絡回路から電極を保護する。これによって、長寿命の有用なチャック、損傷の少ないウエハ、少ないチャンバのダウン時間及び増大した生産性を得ることができる。
【００１３】
【発明の実施の形態】
図１及び図２は、高密度プラズマ反応チャンバ（図示せず）内でペデスタル１０２上で、例えば半導体ウエハのような処理されるべきワークピースを支持し、静電的に保持するのに適した静電チャック１００の上面図及び断面図をそれぞれ示す。特に、図２は点線で示された半導体ウエハ１１１を伴う図１の２−２線に沿った静電チャックの断面図を示す。本発明を最もよく理解するために、読者は図１と図２の両方を同時に参照するべきである。
【００１４】
ウエハの処理おけるプラズマ反応チャンバとその動作を詳細に理解するために、読者は、１９８９年６月２７に発行され、ここにレファレンスによって取りこまれた米国特許第4,842,683号に含まれる詳細な説明及び図面を参照されたい。この特許は、カルフォルニア州、サンタモニカのアプライドマテリアルズ社によって製造された、バイアスされた高密度プラズマエッチ反応チャンバを開示している。
【００１５】
静電チャック１００は、ウエハが載るフレキシブル回路１２０を有する。特に、チャック１００は、フレキシブル回路１２０が付着される輪郭面１０１を有するペデスタル１０２を有する。フレキシブル回路は、第１の誘電体層１１４、導電体層１１２、耐破壊性層１１６、及び第２の誘電体層１１８を有する。
【００１６】
第２の誘電体層１１８、耐破壊性層１１６、及び導電体層１１２を有する積層体は以下に説明されるように組立てられる。導電体層１１２は、約５ミクロンの一様な厚さを有する、例えば銅のような導電物質である。この層１１２は、静電チャック用の電極を形成するために用いられる。即ち、この導電体層は、電極パターンを形成するためにマスクされ、エッチングされる。接着層１１５は、積層体の導電体層側を第１の誘電体層１１４へ接着し、第１の誘電体層１１４は他の接着層１１３によってペデスタル面１０１へ接着される。
【００１７】
耐破壊性層１１６は、例えばウエハ１１１のような基板が処理中に欠けるとき、形成される鋭いエッジ片による破壊に対して保護する。耐破壊層１１６は、高い引張り強さ、靭性、剛性、及び破壊靭性を有するポリマーを含むのが好ましい。高い剛性や靭性は、鋭いエッジ片による耐破壊性層１１６の貫通や破壊が減少することにつながる。
【００１８】
高硬度、剛性、靭性と靭性値、優れた化学的互換性、及びポリマー物質を有する強力な接着性を提供する好適な物質は、アミド、即ち−ＣＯＮＨ−分子グループを含む炭化水素鎖を有する高分子量ポリマーを有するポリアミド物質である。更に好適には、耐破壊性層は、増大した耐破壊性を示す芳香族性の高いポリアミドを有しており、それらが高硬度であるが故に、従来のポリアミド物質と比較される。芳香族性の高いポリアミドは、電極上に直接配置され、電極を覆っている連続した平面層の形状であり、又は電極を覆っているかみ合った繊維層の形状であることができる。最も好適には、芳香族性の高いポリアミドは、アミド物質を有する。耐破壊性層はアミドのシートか、アミド繊維の層で形成されている。アミドのシート及び／又は繊維は、好適にはシートの平面に、又は繊維の長手軸に平行に配向された芳香族性の高いポリアミド鎖を有する。アミドの芳香族性の高いポリアミド鎖は、優れた耐破壊性を示す硬いポリマーを提供する。好適には、アミドのシート、又は繊維層は、デラウエア州、ウイルミントンのDuPont De Nemours Company によって製造されたKEVLAR（登録商標）又はNOMEX（登録商標）を有する。例えば、KEVLARは、４００×１０3psiの引張り強さ、２２g/denierのドライ靭性、２.５％のパーセント破断点伸び、及び９７５g/denierの剛性を有する。NOMEXは、９０×１０3psiの引張り強さ、４−５.３g/denierのドライ靭性、及び０.８５g-cmの靭性を有する。アミド物質は、フェニレンジアミンとテレフタロイル・クロライドから一般に誘導される。
【００１９】
好適なバージョンでは、芳香族ポリアミド層は、例えば、ペーパ、フェルト、布、又は織物構造のような繊維のかみ合った層を有する。かみ合った繊維を含む層は、増大した固さ、破壊靭性、耐破壊性を備えていることが分かった。この繊維を含む層は、ポリマーマトリックスに埋め込まれたポリアミドの繊維を有する織られていない、ランダムに向いた、短い繊維を有するペーパ又は繊維構造である。芳香族ポリアミドが繊維の形で存在すると、周りのマトリックス物質は、繊維を一緒に保持するために用いられる。好適には、マトリックス物質は、コンフォーマルな保持面を有する物質と芳香族ポリアミド繊維間に良好な接着性と化学的互換性を与える。
【００２０】
好適な形状においては、アラミド繊維はペーパを形成し、又は、フェルト構造はチャックに作り上げるのが容易でる。何故ならば、このランダムに向いた構造を切断したり、レーザ切除することが容易であるからである。代わりに、アラミド繊維は、布や織物パターンのように配向された織物構造を有している。好ましい布は、４０−６０の番手、４０−６０のデニール、５０−６０のよこ糸(fill)、および６０−８０のたて糸(warp)を有する、デラウエア州、ウイルミントンのDuPont De Nemours Company によって製造された"THERMOUNT（登録商標）"布である。配向された織物構造は切断するのが困難であるけれども、織物構造は、繊維の所定の非ランダム配向によって、繊維に平行な面において予測可能な特性を与える。
【００２１】
本発明の好適な実施の形態では、耐破壊性層１１６は"Thermount（登録商標）"である。"Thermount"は、DuPont De Nemours Companyの登録商標であり、その寸法の安定性と軽い重量のために好適である。"Thermount（登録商標）"は、約８０×１０3psiの引張り強さ、約１０g/denierのドライ靭性、約１０−５００g/denierの剛性及び約０.７９g-cmの破壊靭性を有している。代わりに、例えば、Kevlarのような同様な物理的特性と誘電体特性を有する他の耐破壊性物質が体破壊性層１１６のために用いられてもよい。
【００２２】
積層体を形成するために、第２の誘電体層１１８が導電体層１１２の上部に配置された体破壊性層１１６の上部に配置される。これらの層は、積層体を形成するために一緒に過熱され、プレスされる。"Thernount（登録商標）"は、エポキシ樹脂内に組み込まれたKevler布を有するエポキシベースの物質である。従って、"Thernount（登録商標）"は、これらの層が１５０と１７５℃の間に加熱され、１７０−２２０psiの圧力を用いてプレスされると、接着ボンドを導電性層１１２と誘電体層１１８に形成する。第２の誘電体層１１８は、ワークピースの支持面１０７を画定する上面を有する。
【００２３】
誘電体層１１４と１１８は、例えば、ポリイミド、ポリケトン、ポリエーテルケトン、ポリスルフォン、ポリカーボネート、ポリスチレン、ナイロン、ポリ塩化ビニール、ポリプロピレン、ポリエーテルスルフォン、ポリエチレン、テレフタレート、フルオロエチレン、ポリエチレンテレフタレート、フルオロエチレンプロピレンのコポリマー、セルロース、トリアセテート、シリコン、及びゴムのような電気的絶縁高分子材料であるのが好ましい。コンフォーマルな保持表面を形成する好適な物質はポリイミドの層を有する。ポリイミドは、熱伝達流体が基板１１１と弾性ポリイミド層１１８間の空間１０９に導かれると、増大した熱伝達を与えるために静電クランプ圧力の下で、僅かに変形するのに充分な弾性を有している。ポリイミドは、又、優れた温度抵抗と優れた誘電体特性を備える。例えば、ポリイミドは、３,０００−３,５００volts/milの範囲の高い誘電破壊強さを有し、静電引力を最大にする薄い層の使用を可能にする。又、ポリイミドは１００℃を越え、そしてより好ましくは２００℃を越える温度にも耐え、高温プロセス用のチャックの使用を可能にする。好ましくは、ポリイミド物質は、処理中に基板に発生した熱がチャックを通して散逸するように高い熱伝導度を有している。適した熱伝導度は、少なくとも約０.１０Watts/m/°Kである。更に、誘電体層１１４と１１８は、５０を超える温度で安定していなければならない。好ましくは、第１と第２の誘電体層１１４と１１８に対して用いられる誘電体物質は、UPILEXョのブランド名として販売されているポリイミドのシートである。UPILEXョは、日本国山口県の宇部産業株式会社の登録商標である。誘電体層１１４と１１８の好適な厚さは、０.００２インチ（約０.００５センチ）である。
【００２４】
フレキシブル回路１２０をペデスタル１０２へ取付ける前に、チャックの形状構造は、ペデスタル面１０１をマシニングすることによって、１つ又はそれ以上のリブ１０６と１１０のような輪郭を形成するようにされる。このような静電チャックは、１９９６年１１月５日に出願された米国特許出願番号08/744,039号に開示されている。ペデスタル面１０１は、その上にフレキシブル回路がパターン形状をとるように特定の形状パターンへマシニングされる。特に約１ミル及び１.５−２mmの幅のリムが図２に好適なパターンとして示されている。高さは、フレキシブル回路１２０の厚さに依存して変えることができる。幅は、適当な冷却を行うために、裏面ガスに曝されるようにウエハの面積の所望した大きさに依存して変えることができる。
【００２５】
形状の例として、ペデスタル１０２はその外径に立ち上がったリム１０４が設けられる。リムの直径は、処理すべきウエハの直径にほぼ等しい。このように、フレキシブル回路１２０の周りのエッジは、ウエハ１１１がフレキシブル回路１２０の周りのエッジ１２２との接触を介してリムによって部分的に支持されるように、リム１０４の輪郭に従う。チャック１００は、チャック１００を通って熱伝達ガスをウエハの底面へ通すために、少なくとも１つのポート１０８を有する。本発明の好適な実施の形態では、３６のポートが周辺エッジ１２２の周りに等間隔にあけられており、６つのポートが周辺エッジ１２２の内側に放射状に等間隔にあけられており、且つ１つのポートがフレキシブル回路１２０の中央に設けられている。ウエハ１１１がチャック１００上に置かれると、ウエハはリム１０４によって単独で保持される。このように、スペース１０９の大きさがウエハの下とウエハの支持面１０７の上に形成される。
【００２６】
電源が電極（即ち導電体層１１２）へ印加されると、電極は、ウエハ支持面１０７にウエハを引きつける静電力を発生する。この静電力は、クランピング力として知られている。フレキシブル回路１２０の誘電体物質は、しなやかであるので、比較的密なシールがウエハコンタクト面１０３のリムに形成される。このように、ウエハ１１１がチャック１００にクランプされると、ウエハとウエハ支持面１０７を覆ったフレキシブル回路間のスペース１０９の大きさは、チャンバの真空からシールされる。
【００２７】
クランプされたとき、ウエハを載せるウエハ支持面１０７に対してある形を形成するために、ペデスタル１０２の面１０１は、共通レベル上に立ち上がる１又はそれ以上のリブ１０６と１１０のような一連の突出した、及び突出しない領域にマシニングされるのが好ましい。リブ１０６と１１０は、ペデスタル１０２の周りの半径部分に断続している。ウエハの背面に接触している支持面の突出領域は、非突出領域の面積より小さい領域を有している。このように、ウエハの裏側は、熱伝達媒体、例えば、アルゴンやヘリウムガスによって大部分接触される。
【００２８】
図３（A）−(E)は、フレキシブル回路１２０を形成し、この回路１２０をペデスタル１０２に接着するために用いられるステップを示す。工程は、誘電体層１１８、耐破壊層１１６及び導電体層１１２の事前に作られた積層体３００によって開始する。この積層体は層１１８、１１６及び１１２を積み重ね、耐破壊静層１１６におけるエポキシが誘電耐層１１８と導電体層１１２を接着するように、それらを圧力の下で加熱（例えば、２００psiの下で１６５℃に加熱）することによって作られる。図３（B）に示されるように、導電体層は電極構造を形成するためにマスクされ、エッチングされる。従来の銅のホトレジスト及びウエットエッチングプロセスが用いられる。図３（C）において、接着層１１５が積層体３００の電極側に与えられ、そして第１の誘電耐層１１４がその接着層に加えられる。適切な接着材は、例えば、メタクリレート、ポリエステル、ポリイミド、ポリウレタン、エポキシ、シリコン含有接着剤、及びそれらの混合物のようなアクリル系誘導体を含む。フレキシブル回路１２０は、１７０−２２０psiの圧力、１５０−１７５℃の温度で、６０−９０分間、回路を圧縮することによって完成される。
【００２９】
適切な圧力を形成する装置は、オートクレーブ(autoclaves)、段プレス(platen presses)、又は等圧プレス(isostatic presses)を含む。オートクレーブは、それらがフレキシブル回路アッセンブリ上により均一な圧力を加えることができるために好適である。代表的なオートクレーブは、約１フィートから１０フィート（約３０センチから３メートル）までの範囲の直径を有する耐圧力スチールチャンバを有する。例えば、二酸化炭素や窒素のような圧力のかけられた非反応性ガスがオートクレーブに圧力をかけるために用いられる。適切なオートクレーブは、カルフォルニア州、サンタフェスプリングスにある"BARON AUTOCLAVES"、カルフォルニア州、アナハイムにある"AOV INDUATRIES"及びカルフォルニア州、アズサにある"MELCO STEEL"によって製造されたオートクレーブを含む。オートクレーブを使用する代わりに、段プレス、又は等圧プレスをを使用してフレキシブル回路１２０を完成することもできる。段プレスが使用される場合、シリコンやステンレススチール板のような圧力分布シートが電気的な絶縁フィル上に置かれ、フレキシブル回路を横切って段圧力を一様に分配する。等圧プレスは、適切な等圧モールディングバッグにフレキシブル回路を配置し、等圧プレスを用いてそのバッグ上に十分な圧力を加えることによって用いられる。
【００３０】
フレキシブル回路１２０が形成された後、それはペデスタル面１０１に積層される。例えば、図３（D）において、第２の接着層１１５がペデスタル面１０１に加えられ、図３（E）において、フレキシブル回路１２０は、約１６３℃の温度で約２０００psiの圧力がペデスタル面１０１に対してかけられる。一般に、第２の接着材は、第１の接着材と同じ接着材である。フレキシブル回路１２０は約６０分間、又は第２の接着層１１５がセットされるまでの間ペデスタル面１０１に対して圧力がかけられる。耐破壊性層１１６は既に硬化されているので、積層プロセスの過熱及び圧力の下で流れることはない。しかし、耐破壊性層は、依然としてフレキシブルであり、従って、ペデスタル面１０１にマシニングされた形状に順応する。フレキシブル回路はオートクレーブ、段プレス、又は等圧プレスのような圧力を用いてペデスタル面に積層することができる。
【００３１】
その結果は、追加の支持をクランプされたウエハ１１１へ加えるウエハ支持面１０７を横切る形状となる。特に、ウエハ１１１（図２）は、外径のリム接触面積１０３において、及びそれらから放射状に内方へ少なくとも１つの点（例えば、リブ１０６と１１０）において支持される。従って、形成された輪郭化されたワークピースの支持面１０７は、連続している（即ち、チャネル又は溝を形成するためにカットされない。
【００３２】
処理中にウエハの冷却を行なうために、熱伝達ガス、好ましくはヘリウムが熱伝達ガスポート１０８を介してウエハ１１１の背面とウエハ支持面１０７間の空間へポンプで送り込まれる。リブ１０６と１１０の追加によって、ウエハとウエハ支持面１０７間の制御されない隙間空間が減少される。従って、熱伝達ガスに曝されるウエハの表面積は、大幅に増加される。これは、従来技術によって経験されるより大きく均一なガス圧力分配に貢献する。この結果、ウエハからペデスタルへの熱伝達は、均一となる。この改善された形状は、ウエハを横切って約５℃までウエハ温度の不均一性を減少することができる。
【００３３】
ウエハ支持面は、ウエハ支持面１０７上に分布するアイランドのパターン、一連の同心円又はセグメント、又はそれらの組合せとして形成されるてもよい。このパターンは、ウエハの全ての面積へヘリウムの一様な分配及び流れに貢献するばかりでなく、外形のリムによって与えられる支持の及ばないところへウエハへの追加の支持を加える。例えば、もし、ウエハが従来の支持面上に置かれたならば、ウエハは、ウエハのフレキシブル性のために、ヘリウムのポートの１つ又はそれ以上を阻止するかもしれない。本発明のリブは、阻止を避け、ガスの分配を増進するために、ポート上にウエハを保持するようにパターン化される。しかし、本発明の教示によれば、チャックの支持面に物理的に接触するウエハの面積は、熱伝達ガスに曝されるウエハの面積より実質的に少ない。
【００３４】
本発明の教示を含むいろいろな実施形態が詳細に説明され、図示されたが、この分野の通常の知識を有するものはこれらの教示を含む他の多くの変更された実施形態を容易に考えることができるであろう。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のフレキシブル回路を有する静電チャックの上面図を示す。
【図２】図１の２−２線に沿った静電チャックの断面図を示す。
【図３】（Ａ）−（Ｅ）は、本発明による静電チャックの実施形態の製造における連続したステップを示す断面図である。
【図１】
0004833390.tif 000002
【図２】
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【図３】
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