(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を保持する保持面側に電極が埋設され、この電極よりも保持面から離れて発熱体が埋設された基板保持部と、
この基板保持部に固着された冷却部とを備え、
前記基板保持部は、前記保持面の中央部を含む中央部部材と、この中央部部材の外周側に設けられて前記保持面の中央部よりも外周側の保持面を含む外周部部材とを有し、この中央部部材及び外周部部材のうち一方の部材は、セラミックス部材からなる低熱伝導率部材であり、他方の部材は、前記冷却部と一体的に成形された金属部材の表面に誘電体薄膜が形成された部材からなる、高熱伝導率部材であることを特徴とする静電チャック。
【請求項２】
前記セラミックス部材は、アルミナ及び窒化アルミニウムから選ばれる少なくとも一種のセラミックスを含み、前記金属部材は、アルミニウムを含むことを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
【請求項３】
前記発熱体が内周側と外周側とで個別に温度を調整可能であることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
【請求項４】
前記低熱伝導率部材の表面に凹凸が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
【請求項５】
前記誘電体薄膜が、アルミナ、ポリイミド、フッ素樹脂のいずれか一つであることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
【請求項６】
前記基板保持部は、前記高熱伝導率部材と前記低熱伝導率部材との間に空隙が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
【請求項７】
前記低熱伝導率部材が中央部に、前記高熱伝導率部材が外周部に設けられていることを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電チャックに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体装置の製造過程においては、基板としての半導体ウェハの表面に成膜、加熱、エッチング及び洗浄などの処理が施される。これらの処理時における半導体ウェハを保持するために、静電チャックが用いられている。この静電チャックは、静電チャックの保持面にセットされた半導体ウェハとの間に静電力を生じさせ、この静電力により半導体ウェハを保持するものである。静電チャックは、真空吸引により半導体ウェハを保持する装置や機械的に半導体ウェハを把持する装置に比べて、使用可能な雰囲気の制限が少なく、また、パーティクルやウェハ汚染のおそれが少ない。
【０００３】
静電チャックは、一般に、基板を保持する保持面近傍に静電力を発生させるための電極が埋設された基板保持部と、この基板保持部に固着されて当該基板保持部を冷却する冷却部とを有している。基板保持部は、例えばセラミックス材料などの高電気抵抗材料からなり、また冷却部は冷媒の流路を有しているアルミニウム等の金属材料からなる。冷却部は、接着剤により基板保持部に固着され、基板保持部に保持された基板の温度を所定の温度に保持する。
【０００４】
近年、半導体装置を生産性高く製造することの要請が強くなっている。そのため、半導体ウェハとして３００ｍｍ径といった大面積ウェハを用い、その大面積ウェハの外周部に形成される半導体装置を、ウェハの中央部に形成される半導体装置と同様の特性で製造することが求められる。そのため、プロセス処理時において、半導体ウェハの中央部と外周部とで温度差が生じないように温度調整が行われる。
【０００５】
最近の半導体装置の製造プロセスは多様化していて、例えば、半導体ウェハの外周部の温度を、中央部の温度よりも低くしないとエッチングが良好に行えないプロセスがある。また、半導体ウェハの外周部の温度を、中央部の温度よりも高くすることが求められる場合もある。例えば、エッチングプロセスでは半導体ウェハ外周近傍でのプラズマの状態が変化しているため、半導体ウェハ外周部での温度制御により半導体ウェハ全体のエッチング均一性を改善することが求められている。そのため、静電チャックには、保持する基板の中央部から外周部に向かう半径方向の温度分布が、外周部分のみ相違する、急峻な温度分布になるものが要求されている。
【０００６】
しかしながら、従来の静電チャックは、セラミックス材料からなる基板保持部と、金属材料からなる冷却部とが、それぞれ別個の部材として作製され、両者が接着剤により固着されていた。そのため、基板支持部の面方向に温度変化を持たせることは困難であり、ウエハの中央部と外周部との温度差を十分に生じさせるのは困難であった。
【０００７】
静電チャックに関し、基板を保持する基板支持体の上面に、シール領域により分離された第１のゾーン及び第２のゾーンを有し、この第１のゾーン及び第２のゾーンのそれぞれの基板との間に圧力の異なるガスを供給可能とした静電チャックがある（特許文献１）。この特許文献１の静電チャックは、第１のゾーンと第２のゾーンの各々に、所望の熱伝達量が得られるようにて、基板の理想の熱伝達プロフィルが得られるとされている。
【特許文献１】特開平１０−４１３７８号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
特許文献１に記載された、基板間を複数ゾーンに分け、各ゾーンに供給するガス圧力を異ならせた静電チャックでは、第１のゾーンと第２のゾーンとで十分な温度差が得られなかった。
【０００９】
本発明は、上記の問題を有利に解決するものであり、保持する基板の中央部と外周部とで、急峻で大きな温度差を生じさせることのできる静電チャックを提供することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
前記目的を達成するために、本発明の静電チャックは、基板を保持する保持面近傍に電極が埋設され、この電極よりも保持面から離れて発熱体が埋設された基板保持部と、この基板保持部に固着された冷却部とを備え、前記基板保持部は、前記保持面の中央部を含む中央部部材と、この中央部部材の外周側に設けられて前記保持面の中央部よりも外周側の保持面を含む外周部部材とを有し、この中央部部材及び外周部部材のうち一方の部材は、セラミックス部材からなる低熱伝導率部材であり、他方の部材は、前記冷却部と一体的に成形された金属部材の表面に誘電体薄膜が形成された部材からなる、高熱伝導率部材であることを特徴とする。
【発明の効果】
【００１１】
本発明の静電チャックによれば、基板保持部で保持した基板の中央部と外周部とで急峻で大きな温度差を生じさせることができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１２】
以下、本発明の静電チャックの実施形態について図面を用いて説明する。
【００１３】
図１は、本発明に係る静電チャックの一実施形態を示す断面図である。なお、以下に述べる図面では、静電チャックの各構成要素の理解を容易にするために、各構成要素については、現実の静電チャックとは寸法比率を異ならせている。したがって、本発明に係る静電チャックは、図面に図示された静電チャックの寸法比率に限定されるものではない。
【００１４】
図１に示された本実施例の静電チャック１は、この静電チャック１に保持される基体としてのウェハＷを保持する基板保持部２と、この基板保持部２の下方で、この基板保持部２に固着された冷却部３とを備えている。
【００１５】
基板保持部２は、保持するウェハＷと対向する表面を含む領域において、中央部と外周部とで異なる部材からなる。中央部は、例えばセラミックス部材１１よりなり、このセラミックス部材１１の表面近傍には静電力を生じさせるための電極１２が、この表面とほぼ平行に埋設されている。また、セラミックス部材１１中で、電極１２よりも下方にはウェハＷを加熱するための発熱体１３が埋設されている。この電極１２及び発熱体１３には、図示しない電源から電力が供給される。
【００１６】
基板保持部２の外周部は、セラミックス部材１１よりも熱伝導率の高い部材である。図示した例では、セラミックス部材１１の周囲に形成された金属部材１４と、この金属部材１４の表面に形成された誘電体薄膜１５からなる。この誘電体薄膜１５の表面１５ａは、セラミックス部材１１の表面１１ａと同一の平面を有している。したがって、基板保持部２の保持面は、この誘電体薄膜１５の表面１５ａとセラミックス部材１１の表面１１ａとで構成されている。
【００１７】
金属部材１４の材料は、例えばアルミニウムであり、また、誘電体薄膜１５は、例えばアルミナの溶射膜である。
【００１８】
冷却部３は、通常、アルミニウムの部材よりなる。図１に示した本実施形態の静電チャックは、基板保持部２の外周部に配設された金属部材１４の材料がアルミニウムであり、冷却部３の材料と同じであり、この冷却部３と基板保持部２の外周部の金属部材１４とを一体に形成している。つまり、本実施形態の静電チャックは、金属部材１４の基板保持部２側の中央部に形成された凹部に、セラミックス部材１１が接着剤１６を介して固着された構成を有している。なお、金属部材１４における冷却部３に相当する領域には、基板保持部２を冷却する冷媒の流路１４ａが形成されている。
【００１９】
図１に示した本実施形態の静電チャックは、基板保持部２における保持面を含む中央部が外周部よりも熱伝導率が低いセラミックス部材１１で構成され、外周部がこのセラミックス部材１１よりも熱伝導率が高い金属部材１４と誘電体薄膜１５とで構成されていることから、基板保持部２の保持面で保持されるウェハＷは、この熱伝導率の相違により、中央部と外周部とで急峻な温度分布を得ることが可能となる。特に、セラミックス部材１１の内部に埋設された発熱体１３により加熱する場合には、発熱体１３により加熱されるセラミックス部材１１に対向する領域のウェハＷの温度と、冷媒の流路が形成されている冷却部３と一体に形成された金属部材１４上の誘電体薄膜１５に対向する領域のウェハＷの温度との温度差は大きく、また、両者の境界での温度変化は急峻となる。
【００２０】
また、本実施形態の静電チャックは、基板保持部２の外周部の金属部材１４に冷却部２を有し一体となっており、誘電体薄膜１５の誘電体を介してウェハＷと接触させているので、効果的な温度差を急峻な温度勾配で生じさせることができる。
【００２１】
また、図１に示した静電チャックは、セラミックス部材１１と金属部材１４とを固着する接着剤１６は、金属部材１４の凹部の底面とセラミックス部材１１の下面との間に形成されるので、ウェハ表面に発生するプラズマから飛来する反応性ラジカルに触れることがない。したがって、従来の静電チャックでは、接着剤が使用環境におけるプラズマや反応性ガスにより損傷を受け、接着強度が低下して寿命の低下を招いていたのに対して、本実施形態の静電チャックでは、使用環境下の腐食性雰囲気に接着剤１６が触れないので、静電チャックの寿命が長いという効果も有している。
【００２２】
本実施形態の静電チャックにおいて、セラミックス部材１１は、アルミナ及び窒化アルミニウムから選ばれる少なくとも一種のセラミックスであることが好ましい。アルミナは、捏伝導率が低く、ウェハＷの内周部と外周部で大きな温度勾配を形成するのに有利である。また、窒化アルミニウムは、アルミナに比べて熱伝導率が高いが、熱伝導率が高いが故にウェハＷ加熱時の中心部における面内均熱性に優れる。したがって、セラミックス部材１１の材料は、使用目的等に応じて選択すればよい。
【００２３】
セラミックス部材１１としては、クーロンタイプでもジョンソンラーベックタイプでも、どちらのタイプの静電吸着力を発生するセラミックス材料でも適宜選択することができる。
【００２４】
セラミックス部材１１の内部に、発熱体１３を埋設することは、必ずしも要しないが、ウェハＷの中央部と外周部とで急峻な温度勾配を生じさせるためには、発熱体１３を埋設することが好ましい。この発熱体１３は更に、内周側と外周側との複数のゾーンで個別に温度調整可能な配線になることが、より好ましい。
【００２５】
また、セラミックス部材１１の表面１１ａに、数十μｍ程度の高さの微細な凹凸を形成することは、セラミックス部材１１とウェハＷとの間の熱抵抗を高め、ウェハＷの外周部での温度分布を一層急峻にするのに役立つ。
【００２６】
金属部材１４は、導電性で熱伝導率の高いアルミニウムを材料とすることができる。金属部材１４の表面に誘電体薄膜１５が形成されることにより、金属部材１４が電極に、また、誘電体薄膜１５が分極して表面にクーロン力を生じさせる誘電体層になって、誘電体薄膜１５上のウェハＷを保持する静電力を生じさせる。図１に示した実施形態では、金属部材１４が冷却部３と一体的に成形されている例を示しているが、金属部材１４と冷却部３とを同一又は異なる金属材料により個別に作製し、両者を接合することで図１に図示した形状とすることもできる。金属部材１４が冷却部３と一体的に成形されることにより、ウェハＷの外周部を効果的に温度低下させることができる。
【００２７】
金属部材１４上に形成される誘電体薄膜１５の膜厚は、特に限定されるものではないが、例えば１００〜５００μｍ程度とすることができる。誘電体薄膜１５の膜厚が、あまりに薄いと使用中の腐食に伴って十分な耐電圧を確保できずアーキングが発生することがあり、また、厚すぎる場合には、クーロン静電力が小さくなると共に誘電体層が熱障壁となって、本発明の効果を薄れさせる。また、誘電体薄膜１５の材料は、例えばポリイミドやフッ素樹脂等の耐食性の高い樹脂を用いることができる。さらには、アルミナの薄膜とすることが熱伝導率の点からより好ましい。アルミナは、溶射により容易に薄膜とすることができる。もっとも、誘電体薄膜１５は、溶射により形成された薄膜に限られず、例えば、スパッタリングやＣＶＤにより形成された薄膜でもよい。誘電体薄膜１５を形成させる金属部材１４としてのアルミニウム部材の表面をアノダイジング処理し、アルミナ薄膜を形成することもできる。この方法では、誘電体薄膜１５の密着性等を向上させるとともに、絶縁破壊特性を向上させることができるので、より好ましい。また、これらのアルミナ薄膜の形成方法の組み合わせでも良い。また、例えば窒化アルミニウム等の薄膜とすることもできる。いずれにしても１×１０9Ωｃｍ以上の抵抗率を有し、プラズマに対する耐性の高い材料で誘電体薄膜１５を形成するのが好ましい。
【００２８】
また、図１に示した実施形態では、金属部材１４とセラミックス部材１１とを固着する接着剤１６は、金属部材１４の凹部の底面とセラミックス部材１１の下面との間に設けられている。この金属部材１４の凹部の側面とセラミックス部材１１の側面との間には、熱障壁となり得る接着剤１６を充填してもよいが、特に接着剤１６を充填しなくてもよい。むしろ、この金属部材１４の凹部の側面とセラミックス部材１１の側面との間に空隙が形成されていることは、この空隙そのものが熱障壁となり得るので、ウェハＷの中央部と外周部との温度勾配を生じさせるのに役立つ。
【００２９】
次に本発明に係る静電チャックの別の実施形態を、図２を用いて説明する。図２は、本発明の別の実施形態を示す断面図である。同図に示された静電チャックは、図１に示された静電チャックとは逆に、基板保持部の中央部部材が高熱伝導率部材からなり、周辺部部材が低熱伝導率部材からなる例である。より具体的には、基板保持部の外周側に、リング状のセラミックス部材２１が設けられている。このセラミックス部材２１の表面近傍には静電力を生じさせるための電極２２が、この表面とほぼ平行に埋設されている。また、セラミックス部材２１中で、電極２２よりも下方にはウェハＷを加熱するための発熱体２３が埋設されている。この電極１２及び発熱体１３には、図示しない電源から電力が供給される。
【００３０】
基板保持部の中央部は、冷却部と一体に成形され、リング状のセラミックス部材２１の内側と嵌まり合う凸部を有する金属部材２４と、この金属部材の表面に形成された誘電体薄膜２５からなる。金属部材２４は、冷却部側において、冷媒の流路２４ａを有している。
【００３１】
セラミックス部材２１、電極２２、発熱体２３及び金属部材２４の材料は、それぞれ図１に示したセラミックス部材１１、電極１２、発熱体１３及び金属部材１４と同じ材料を用いることができる。
【００３２】
図２に示した本実施形態の静電チャックは、基板保持部２における保持面を含む外周部が中央部よりも熱伝導率が低いセラミックス部材２１で構成され、中央部がこのセラミックス部材２１よりも熱伝導率が高い金属部材２４と誘電体薄膜２５と構成されていることから、基板保持部２の保持面で保持されるウェハＷは、この熱伝導率の相違により、中央部と外周部とで急峻な温度分布を得ることが可能となる。特に、セラミックス部材２１の内部に埋設された発熱体２３により加熱する場合には、発熱体２３により加熱されるセラミックス部材２１に対向する領域のウェハＷの温度と、冷媒の流路が形成されている冷却部と一体に形成された金属部材２４上の誘電体薄膜２５に対向する領域のウェハＷの温度との温度差は大きく、また、両者の境界での温度変化は急峻となる。
【００３３】
次に、本発明に係る静電チャックの製造方法の例を、図１に示した実施形態の例で説明する。
【００３４】
まず、金属部材１４の作成においては、まず、セラミックス部材１１がはまり込む凹部と冷媒の流路の上面とを有する部品と、冷媒の流路の下面を有する部品とをそれぞれ作成した後、両部品を接合して、流路１４ａを有する金属部材１４を作成する。次いで、この金属部材１４の全面にアノダイジング処理を行う。次いで、金属部材の凹部にマスキングを行ってから、少なくとも保持面に相当する領域にアルミナの溶射を行って、誘電体薄膜１５を形成する。
【００３５】
また、セラミックス部材１１の作成においては、まずアルミナ又は窒化アルミニウム粉から誘電体層となる部分の焼結体又は仮焼体を作成し、次いでこの焼結体又は仮焼体上に電極を、電極ペーストの印刷やメッシュ状の電極の接着等により配設した後、金型内で、この電極上にアルミナ又は窒化アルミニウム粉を載せ、発熱体を配設したのち、更にこの発熱体上にアルミナ又は窒化アルミニウム粉を載せてから、金型成形し、その後に焼成する。
【００３６】
上記により得られたセラミックス部材１１を、金属部材の凹部に嵌め合わせ、接着剤１６により固着する。次いで、セラミックス部材１１の表面１１ａと金属部材１４上の誘電体薄膜１５の表面１５ａを必要に応じ研削加工して基板の保持面を平面にしてから、誘電体薄膜１５の表面１５ａにマスクをしてセラミックス部材１１の表面１１ａをブラスト処理により凹凸を形成する。以上の工程により、図１に示した静電チャック１を製造することができる。
【実施例】
【００３７】
本発明に係る静電チャックの効果を明らかにするため、本発明に係る静電チャックに保持されたウェハの温度分布の例と、従来例に係る静電チャックに保持された温度分布の例を説明する。
【００３８】
まず、このウェハの加熱保持を行った実施例及び従来例の静電チャックを、それぞれ図３及び図４に示す。図３に示す実施例の静電チャックは、図１に示した静電チャックと同様の構成を有し、ウェハＷを保持する保持面の中央部がセラミックス部材３１、外周部が金属部材３４と誘電体薄膜３５とからなる誘電体薄膜３５は、アルミナ溶射膜であり、厚みは２２０μｍである。セラミックス部材３１の表面近傍には電極３２が埋設され、この電極３２より下方に発熱体３３が埋設されている。セラミックス部材３１は金属部材３４と接着剤３６により固着されている。金属部材３４には、冷媒の流路４２ａが形成されている。この実施例の静電チャックは、発熱体については１ゾーン加熱のものとし、ウェハＷと保持面との間に供給されるガスも１ゾーン制御のものとした。
【００３９】
図４に示す従来例の静電チャックは、図３の静電チャックと比較して、ウェハＷの保持面がセラミックス部材４１のみからなる点で相違している。このセラミックス部材４１の表面近傍には電極４２が埋設され、この電極４２より下方に発熱体４３が埋設されている。セラミックス部材４１は、冷却部としての金属部材４４と接着剤４６により固着されている。この従来例の静電チャックは、発熱体については１ゾーン加熱のものとし、ウェハＷと保持面との間に供給されるガスは、直径２２０ｍｍで２分割された、２ゾーン制御のものとした。
【００４０】
使用したウェハＷは直径３００ｍｍ、厚さ０．８ｍｍのシリコンウェハであり、熱伝導率は８４Ｗ／ｍ・Ｋである。また、実施例のセラミックス部材３１には、アルミナと窒化アルミニウムの２種類をそれぞれ用いた。また、従来例のセラミックス部材４１には、アルミナを用いた。アルミナのセラミックス部材３１、４１はいずれも厚みが６ｍｍ、熱伝導率が３０Ｗ／ｍ・Ｋである。窒化アルミニウムのセラミックス部材３１は厚みが６ｍｍ、熱伝導率が１７０Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００４１】
また、セラミックス部材３１又は４１と金属部材３４、４４とを固着する接着剤には、ポリイミド系接着剤（厚み０．１３ｍｍ、熱伝導率０．２５Ｗ／ｍ・Ｋ）を用いた。また、冷却部に相当する金属部材３４、４４は、アルミニウム製であり、厚みは２６．３ｍｍ、熱伝導率が１８０Ｗ／ｍ・Ｋである。
【００４２】
以上に記述した静電チャックを真空チャンバー内に設置し、実使用条件を模擬した加熱条件の下で、ウェハWの温度分布を調査した。真空チャンバーには静電チャックへの電力供給ライン、冷却水供給ライン、ならびにプラズマによるウェハの加熱を模擬するためのランプヒーターが備えられている。
【００４３】
ウェハＷを保持時の加熱条件は、ランプヒーターからの入熱量がウェハ全体で３００Ｗであり、面内均一入熱条件とし、金属部材３４、４４の流路３４ａ、４４ａ内の冷却水の温度は３０℃とした。セラミックス部材に埋設した発熱体には２ｋWの電力を供給し、加熱した。実施例１においては、セラミックス部材３１内の電極３２および金属部材３４の金属部に１２００Vの電圧を印加し、ウェハＷを吸着した。実施例２においては、電極３２に４００V、金属部材３４の金属部に１２００Vの電圧を印加し、ウェハＷを吸着した。従来例では、セラミックス
部材４１内の電極４２に１２００Vの電圧を印加し、ウェハＷを吸着した。
【００４４】
この加熱条件で吸着したときのウェハＷの半径方向の温度分布を図５に示す。同図において、実施例１の曲線は、図３の静電チャックでセラミックス部材３１がアルミナの例である。この実施例１は半径方向中央部と外周部との温度差ΔＴが１９．４℃あり、かつ曲線が急峻な勾配を有していて、本発明で所期した優れた特性が得られている。
【００４５】
また、図中の実施例２の曲線は、図３の静電チャックでセラミックス部材３１が窒化アルミニウムの例である。この実施例２は、実施例１よりは温度差ΔＴが小さいが、次に述べる従来例よりも大きな温度差、急峻な勾配を示した。また、中央部側の温度分布をみると、温度変化のばらつきが実施例１よりも小さく、中央部の面内温度分布の均一性に優れつつ、外周部のみ急峻な温度勾配を与えることができ、本発明で所期した優れた特性が得られている。
【００４６】
これに対して、従来例の曲線は、図４の静電チャックの例であり、中央部と外周部とで温度差が小さくまた、勾配もなだらかであって、本発明で所期した効果が得られなかった。
【図面の簡単な説明】
【００４７】
【図１】本発明に係る静電チャックの一実施形態を示す断面図である。
【図２】本発明の別の実施形態を示す断面図である。
【図３】実施例の静電チャックの断面図である。
【図４】従来例の静電チャックの断面図である。
【図５】ウェハの半径方向の温度分布を示すグラフである。
【符号の説明】
【００４８】
１  静電チャック
２  基板保持部
３  冷却部
１１  セラミックス部材
１１ａ  表面
１２  電極
１３  発熱体
１４  金属部材
１５  誘電体薄膜
１６  接着剤
【図１】
0004495687.tif 000002
【図２】
0004495687.tif 000003
【図３】
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【図４】
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【図５】
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