(57)【要約】      （修正有）【課題】ウェーハの温度分布を均一にし、精度の高い温度制御を行い、更に、プラズマ密度分布のバラツキによるエッチングへの影響、エッチングプロセスの多様化のために、温度分布、温度勾配を制御できるようにする。【解決手段】静電チャック１の内部電極２の下部に第１のヒータ６を設け、更に、静電チャック１の下部に一体的に設けられたベースプレート４の内部に第２のヒータ８と冷却管５を設けて、これらヒータ６、８と冷却手段５を使ってウェーハの温度制御を行う。【選択図】図４
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
吸着用電極の下部に複数の回路パターンの加熱手段を設け、それぞれ独立に加熱制御することを特徴とする静電チャック装置。
【請求項２】
セラミック材料を熱伝導率３０Ｗ/ｍＫ以下の材料とする請求項１に記載の静電チャック装置。
【請求項３】
静電チャックの下部に一体的に設けられたベースプレートの内部に第２の加熱手段と冷却手段を設け、これら加熱手段と冷却手段を使ってウェーハの温度制御を行うことを特徴とする静電チャック装置。
【請求項４】
静電チャックの吸着用電極の下部に複数パターンの第１の加熱手段を設け、それぞれの加熱手段の出力を独立に変化させ、更に、静電チャックの下部に一体的に設けられたベースプレートの内部に第２の加熱手段と冷却手段を設け、これら第１及び第２の加熱手段と冷却手段を使ってウェーハの温度制御を行うことを特徴とする静電チャック装置。
【請求項５】
前記べースプレートは金属製であることを特徴とする請求項３又は４の静電チャック装置。
【請求項６】
前記吸着用電極の下部に設けられた加熱手段は、内部ヒータ回路パターンとその外周の外部ヒータ回路パターンを有しており、それぞれのヒータの出力を独立に変化させることによりウェーハの表面温度を制御することを特徴とする請求項１、２又は４記載のいずれか一項に記載の静電チャック装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電チャック装置に関する発明であり、特に、プラズマを利用したエッチング装置、ＣＶＤ装置のための静電チャックに関する。
【背景技術】
【０００２】
急速に進展するＩＴ技術を支える半導体産業においては、素子の高集積化や高性能化が求められており、このために微細加工技術の向上が必要とされている。エッチング技術はその微細加工技術の重要な技術の一つであり、エッチング技術の内で、高効率で大面積の微細加工が可能なプラズマエッチングが主流となっている。
【０００３】
プラズマエッチング技術は半導体のドライエッチング技術の一種で、真空中に反応性ガスを導入し高周波電界を印可することにより加速された電子がガス分子と衝突して正イオン、電子、中性粒子で構成されるプラズマ状態にし、発生するラジカルとイオンを固体材料と反応させて反応生成物として取り除き、微細パターンを形成する技術である。加工対象となる材料の上にレジストでマスクパターンを形成し、これに沿って微細パターンが形成される。
例えばプラズマエッチングの代表例ではフレオン(CF4)ガスを用いて、シリコンをエッチング加工するときには、フレオンの解離により生成した原子状フッ素とウェーハ上のシリコンがSiF4というガスが形成されて固体から気化し、取り除かれる。
【０００４】
プラズマエッチングの利点として、（１）微細加工が可能である。（２）エッチングのコントロールが容易である。（３）１種類のエッチャント（CF4）で、Si、SiO2、Si3N4などのシリコン化合物のエッチングが可能である。（４）フォトレジストをエッチングマスクとして使用できる。等が挙げられる。
【０００５】
また、原料ガスをプラズマの働きで化合させ基板の上に堆積させる薄膜成長技術の一つとしてプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）がある。化学気相成長法(Chemical Vapor Deposition：以下ＣＶＤとも言う)とは石英等で構成された反応管内で加熱した基板物質上に、目的とする薄膜の成分を含む原料ガスを供給し、基板表面又は気相での化学反応により原料分子に含まれる元素を構成要素とする膜を堆積する方法である。ＣＶＤ装置を使って、熱的反応だけで成膜使用としようとしても成膜できない場合、プラズマを用いて反応温度を下げて、成膜する方法がプラズマＣＶＤ法である。この方法は、原料分子を含むガスのプラズマを生成し、そのプラズマ放電中で加速された電子によって原料分子を分解させ、成膜する方法である。低温では熱的励起だけでは起こらなかった反応も、プラズマ放電中では、系内のガスが相互に衝突し活性化されラジカルとなるので、可能となる。
【０００６】
プラズマエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置等プラズマを使う半導体製造装置において、従来から、試料台に簡単にウェーハを取付け、固定できる装置として静電チャック（electrostatic chuck）装置が使われている。この装置は、内部に電極を有する、セラミックス等の誘電体で構成された試料台として構成されている。
【０００７】
静電チャックの原理と種類
図６に静電チャックの構成と吸着原理を示す。図６（a）において、１は静電チャック、３はウェーハである。静電チャック１は誘電体材料（静電チャックは、例えば、アルミナとＳｉＣ等の誘電材料から構成されている。）から形成され、その内部には金属電極２が設けられている。前記金属電極２とウェーハ３との間に電圧Ｖを印加すると、ウェーハ３と静電チャック１の表面に正・負の電荷が発生し、この間に働く力によってウェーハ３が静電チャック１に固定される。
【０００８】
静電チャック１は吸着方式に基づいて２つのタイプに分類される。即ち、誘電体として絶縁材料を使用するクーロン力型と、固有抵抗値が１０8〜１０13Ωｃｍの半導体を使うジョンソン・ラベック力型である。
【０００９】
更に、静電チャック１には電極数により、単極型と双極型の２タイプに分類される。図６（ａ）は単極型の静電チャックを表すものであり、図６（ｂ）は双極型の静電チャックを示す図である。双極型の静電チャックは静電チャックの内部の２つ以上の電極を有し、これらに電圧を与えて使用する。
【００１０】
静電チャック１は、機械的な保持具を使用しないので、試料台に簡単にウェーハを取付け、取り外しでき、然もウェーハを全面に亘って均一に固定できる装置として、ウェーハの吸着固定用装置として広く使用されている。
【００１１】
ウェーハの冷却
プラズマ雰囲気において半導体ウェーハにエッチング処理、又は、ＣＶＤ処理を行う場合、プラズマの熱によりウェーハの温度が上昇する。従来、この温度上昇を抑制するため及びウェーハの表面温度を制御するためにクーラントを使って静電チャック１を冷却していた。
【００１２】
図７は、公知の冷却を行う静電チャックの斜視図である。１が静電チャック、４がベースプレートである。ベースプレート４は冷却手段を有し、ウェーハを冷却するために静電チャック１に取り付けたものである。
【００１３】
図８は、図７における切断線ＡＡ′で切断した断面図で、冷却機能つき静電チャックの構成を示す。図中、１は静電チャック、２は静電チャックの内部に埋め込まれた吸着用電極、３は静電チャックの表面に置かれた半導体ウェーハ、４はベースプレート、５はベースプレートの内部に内蔵された冷却を行う冷却管、５′はクーラント流入口、５″はクーラントの出口、７はプラズマ照射を表しており、同ウェーハ３に照射するものである。ベースプレートは例えばアルミニウム等の金属から構成される。
【００１４】
ベースプレート４は、静電チャック１を冷却するために冷却管５を内部に有する静電チャック１を載置する台である。冷却管５はベースプレート４の内部において渦巻き状に配管されており、管にクーラントを注入して冷却する。矢印はクーラントの流れの向きを示す。この冷却管５によりウェーハ３を冷却させていた。（非特許文献１参照）
【００１５】
ヒータ内蔵型静電チャック
プラズマ環境を迅速に形成するためのチャックとして、ヒータを内蔵するタイプの静電チャックが公知である（特許文献１ないし２）。このタイプの静電チャックは加熱手段（ヒータ）を使って予備加熱して使うものであり、誘電材料として、熱応答性がよいもの（例えば、熱伝導率１００ｗ/ｍＫ以上のセラミックス；例えば窒化アルミ）が求められてきた。又、窒化アルミ等と比べて熱応答性の悪い材料（例えば酸化アルミ）を使用すると材料の温度分布が均一にならないのでウェーハが破壊されやすかった。そこで、従来のヒータ内蔵型静電チャックとしては熱伝導率がよいものが使われてきた。
【００１６】
温度制御手段を有する静電チャックについては、特許文献３に次の技術が開示されている。即ち、静電チャックホールダ(前記ベースプレートに相当する)を設け、成膜時にはウェーハから静電チャックホールダの金属ブロックへの熱伝達を良好にして、プラズマ入射下でウェーハ温度を所定の温度範囲に保持し、且つ、プラズマクリーニング時にはウェーハから静電チャックホールダの金属ブロックへの熱伝達を低くして静電チャックの温度をその表面のクリーニング速度が真空容器内のほかの部位と同等となるまで上昇させる。このホールダは、金属ブロックとその上に結合されヒータを内蔵する絶縁板とを有し、前記絶縁板と前記金属ブロックの表面との間に前記静電チャックのウェーハ保持面に平行な層状の隙間として成る空間を形成し、Ｈｅガスを注入し、温度制御を行う。他に、温度制御機構部を備える静電チャックが特許文献４に開示されている。
【００１７】
【非特許文献１】特許庁編：標準技術集  １５年度「半導体製造装置関連真空・クリーン技術」の「３−７−１ 静電チャック（２）」
【特許文献１】特開平９―１７２０５７
【特許文献２】特開平１０-８０１６８
【特許文献３】特開平９−９７８３０
【特許文献４】特開平９−３６２１３
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【００１８】
静電チャックの吸着特性（吸着力、着脱する速度）は温度に極めて大きく影響を受けるという問題がある。つまり、プラズマ照射による静電チャックの温度上昇のために吸着特性が減少し、安定的にウェーハを固定することができなくなる。従って、使用温度の範囲をどのように設定するか、及び、プラズマ照射による静電チャックの温度上昇をどのように制御するかは大きな問題となる。
【００１９】
ウェーハ上の温度分布にバラツキがあるとウェーハ上に形成される薄膜が不均一に形成される恐れがある。近年大きな径のウェーハを使用するようになっており、均一な成膜、微細加工、エッチングのコントロールに対する要求が更に高まっており、これらの要求に対応するためには、ウェーハ表面温度を精度よく、これによりプラズマ照射がウェーハ上で均一になるように、所望の温度分布パターンに制御する必要がある。例えばチップの大きさが小さく、厚さが薄くなり、細線加工するためにはウェーハの表面温度を適正な温度に正確に制御しなければならない。このため、ウェーハの温度分布を均一にし、精度の高い温度制御を行い、更に、プラズマ密度分布のバラツキによるエッチングへの影響、エッチングプロセスの多様化のために、温度分布、温度勾配を制御できるようにすることが極めて重要になってきている。又、冷却管からのウェーハの温度制御が困難になっている。このため、いかにウェーハの表面温度分布を制御するか、温度制御をどのように改善するかが問題となっている。
【課題を解決するための手段】
【００２０】
本発明の装置の特徴は、静電チャックの内部に複数の回路パターンを持つ加熱手段を設けた点及び静電チャックの下部に一体的に構成されるベースプレートに冷却手段と加熱手段を設けた点である。
本発明の第１の態様は、内部電極の下部に複数の回路パターンの加熱手段を設け、それぞれ独立に加熱制御することを特徴とする静電チャック装置であり、第２の態様は、セラミック材料を熱伝導率３０ｗ/ｍＫ以下の材料（例えばアルミナ）とする請求項１に記載の静電チャック装置であり、第３の態様は、静電チャックの下部に一体的に設けられたベースプレートの内部に第２の加熱手段と冷却手段を設け、これら加熱手段と冷却手段を使ってウェーハの温度制御を行うことを特徴とする静電チャック装置であり、第４の態様は、静電チャックの内部電極の下部に複数パターンの第１の加熱手段を設け、それぞれの加熱手段の出力を独立に変化させ、更に、静電チャックの下部に一体的に設けられたベースプレートの内部に第２の加熱手段と冷却手段を設け、これら加熱手段と冷却手段を使ってウェーハの温度制御を行うことを特徴とする静電チャック装置であり、第５の態様は、前記べースプレートは金属製であることを特徴とする請求項３又は４の静電チャック装置であり、第６の態様は、前記加熱手段は、内部ヒータ回路パターンとその外周の外部ヒータ回路パターンを有しており、それぞれのヒータの出力を独立に変化させることによりウェーハの表面温度を制御することを特徴とする請求項１、２又は４記載のいずれか一項に記載の静電チャック装置である。
【発明の効果】
【００２１】
静電チャックの表面付近にヒータを内蔵させたので表面温度のコントロールを迅速に精度よく行うことができる。又、ベースプレートのヒータは冷却による温度のバラツキを軽減させることができる。更に、ウェーハ表面全体に亘って所定の温度分布パターンを形成し、そのパターンを維持しつつ、全体的に温度変化させることができる。表面温度を変更させる場合に、このヒータにより迅速に変更を行うことができる。
【００２２】
また、静電チャック内部のヒータを使うと、ベースプレート内のヒータに比して、接着剤（静電チャックとベースプレートを接着する接着剤）を介さないのでウェーハの表面温度分布を改善することができる。
【００２３】
前記ヒータの抵抗値は、配線パターンの長さ、幅、厚さを変えることにより自由に設計できる。同ヒータは、静電チャック又はベースプレートに内蔵されているために断線が起こり難く、劣化し難い。更に、静電チャック電極と同様のプロセスを使って製造できるので、精度がよく製造でき、低コストである。
【発明を実施するための最良の形態】
【００２４】
以下、図を用いて本発明の実施例を説明する。
【００２５】
第１の実施例
図１は、本発明の第１の実施例を示す図であり、本発明の静電チャックを直径で切断した断面図である。図中、（従来のベースプレート付き静電チャックの）図６で使用した符号と同一の符号を用いる。第１実施例の静電チャック１はベースプレートを有せず、静電チャック１に複数の回路パターン（各々独立した回路パターンである）のヒータ６を内蔵している点に特徴がある。図中、静電チャックのヒータ６は外側ヒータ６′と内側ヒータ６″とから構成されている。９は外側ヒータ６′の加熱制御を行う加熱制御手段、１０は内側ヒータ６″の加熱制御を行う加熱制御手段である。
【００２６】
前記の通り、従来ヒータ内蔵型の静電チャックは、応答性を高めるために、熱伝導率のよい材料（例えば窒化アルミニウム）を使ってセラミックを製造してきた。しかし熱伝導率のよいセラミックを使うと、温度勾配も少なくなり、セラミック全体に亘り均一な温度分布が生成されるので、所望の温度分布、温度勾配を生成することは出来ない。
【００２７】
本発明は、所望の温度分布、温度勾配を求めるために、ヒータ内蔵型の静電チャックとして従来において使用を避けてきた熱伝導率の悪いセラミックを使って、熱制御を行うものである。熱伝導率の悪いセラミックとは例えば、アルミナ９０％〜９５％、アルカリ土類金属１０％〜５％等で構成する。
【００２８】
ヒータの回路パターン
図２は静電チャックに内部に設けたヒータの回路パターンの一例を示す。図において、６′は外側ヒータ、６″は内側ヒータである。１１ａ、１１ｂは内側ヒータの電極であり、１２ａ、１２ｂは外側ヒータの電極である。これら相互に独立したヒータを別々に制御することによりウェーハの表面温度勾配を自由に変化させることができる。図３は、この静電チャックにおいてヒータ６を使ってウェーハの直径方向の温度分布を示したものである。横軸は直径における位置、縦軸はウェーハの表面温度を表す。ヒータ回路パターン、ヒータ数、ヒータの出力等を変化させることでこの温度分布パターンを自由に変化させることができる。
この例では２つのヒータ構成であるが、これに限定されず、ヒータ数を３以上の複数とすることができ、更に所望の表面温度パターンを得るために、前記ヒータ回路パターンに限定されずヒータ回路パターンを自由に設計することができる。
なお、静電チャックの電極とヒータ電極は静電チャック内に積層して一体的に構成され、具体的には、タングステンペーストを印刷し、静電チャック本体となるアルミナのグリーンシートと同時に焼成することができる。
【００２９】
この装置をプラズマ下で使うときは、初めに、吸着用電極とウェーハ３との間に電圧をかけ、吸着力を生成しウェーハ３をチャック１に固定する。ウェーハ３の周囲温度を高めてから、複数のヒータ６を使って所望の温度分布パターンを形成してから、プラズマ照射７を行う。
【００３０】
このように複数のパターンのヒータ回路６を静電チャック１に設け、それぞれの出力を独立に変化させることにより、装置、プロセスに応じたウェーハ３の表面温度、その温度勾配を自由に設定することが実現できる。例えば、全表面を均一の温度にしたり、中央部における温度を高く、周辺部の温度を低くする、又は逆に、中央部の温度を低く、周辺部の温度を高くすることができる。
静電チャックに内蔵したヒータ６により、ウェーハ３表面に微細なエッチングプロセスに適応した温度勾配をつける、つまりウェーハ３の表面温度に温度勾配をつけることができるようになった。
【００３１】
第２実施例
図４は、本発明の第２の実施例を示す図であり、本発明の静電チャック１の直径で切断した断面図である。図中、（従来のベースプレート付き静電チャックの）図６で使用した符号と同一の符号を用いる。第２実施例は、第１実施例で示される静電チャック内に複数の加熱手段を設ける技術、及びベースプレート内部に冷却手段と加熱手段を設ける技術を組合せたものである。
【００３２】
１は静電チャック、２は静電チャックの内部に埋め込まれた吸着用電極で円環状に形成されており、３は静電チャックの表面に置かれた半導体ウェーハ、４はベースプレート、５はベースプレートの内部に内蔵された冷却管で、渦巻き形に形成されている。図４においてはクーラントの入り口、出口は省略して示した。６は吸着用電極の下部に設けられたヒータ（第１の加熱手段）である。７はプラズマ照射を表している。８はベースプレート４に内蔵されたヒータ（第２の加熱手段）である。ベースプレート４はアルミのような金属で出来ている。
【００３３】
吸着用電極２の下部に設けられたヒータ６は、第１実施例と同様である。
ベースプレート４内部に設けられるヒータ８は冷却管５の上部に同冷却管と同様な形状で設けることができる。なお、ヒータ８の位置、大きさ、形状は、自由に設計することができる。ベースプレート４のヒータ８は冷却による温度のバラツキを軽減させることができ、更に、表面温度を変更させる場合に、このヒータ８により迅速に変更を行うことができる。
【００３４】
次にウェーハ３に対するプラズマ処理について説明する。
初めに、吸着用電極２とウェーハ３との間に電圧をかけ、吸着力を生成しウェーハ３をチャック１に固定する。次に、ベースプレート４のヒータ８を使ってウェーハ３を迅速に予め加熱した後、静電チャック（セラミックプレートともいう）１に内蔵したヒータ６を使用して、ウェーハ３の表面温度分布を制御する。
【００３５】
次に、このようにして得られたウェーハの表面温度分布を最適にするために、ベースプレート４のヒータ８を使って前記ウェーハの表面温度分布全体を上げたり、下げたりして調節を行う。その後、プラズマ照射７を行う。プラズマ照射が始まると高温環境になるが、ベースプレート４のヒータ８を使って前記ウェーハの表面温度分布を維持しながら全体をすばやく上げたり、下げたりして温度シフトできるために、プロセスの大きな変更を伴うことなくエッチング精度を上げることができる。この間、静電チャック１のヒータ６を使って、ウェーハ３の表面温度を最適に維持することは勿論である。
【００３６】
第２実施例では、静電チャック１内の複数のヒータにより、全表面を均一の温度にしたり、中央部の温度を高く、周辺部を低くしたり、或いは逆に、中央部の温度を低く、周辺部を高くしてエッチングに適合するウェーハ表面の温度分布を作ることができる。又、上記の通り、ベースプレート４の内部のヒータ８と冷却管４を使って、前記温度分布、前記温度勾配を維持しながら、ウェーハ全体の温度を上昇させることができる。
【００３７】
以上のことを図５を使って説明する。静電チャックに内蔵したヒータにより、ウェーハ５表面に微細なエッチングプロセスに適応した温度勾配（実線１３）を形成する、つまり、ウェーハ５の表面温度に温度勾配をつけることができる。また、ベースプレート内部にヒータを加える構成により、このヒータと冷却管を使って前記温度勾配を維持しながら、ウェーハ全体の温度を上昇することが可能になる（破線１４、１５）。結果、プロセスに大きな変更を加えることなく、エッチングの精度を上げることができるようになった。図５から分かるように、本願発明によれば、所定の温度分布を形成したうえで、この特性を維持したまま温度制御を行うことができる。
【産業上の利用可能性】
【００３８】
本発明は、静電チャック、ベースプレートにヒータを設けることにより、極めて精度の高い、迅速な温度制御を行えるために、プラズマを利用する半導体基板処理において広く活用される。
【図面の簡単な説明】
【００３９】
【図１】本発明の第１実施例の静電チャックの断面図である。
【図２】本発明の第１実施例における静電チャック内部のヒータの回路パターンである。
【図３】本発明の第１実施例の静電チャックにおいて、静電チャック内のヒータによる温度制御を行ったときのウェーハの表面温度分布を表すグラフである。
【図４】本発明の第２実施例の静電チャックの断面図である。
【図５】本発明の第２実施例の静電チャックにおいて、ベースプレート及び静電チャック内のヒータによる温度制御を行ったときのウェーハの表面温度分布を表すグラフである。
【図６】静電チャックの原理を示す静電チャックの概略図である。
【図７】従来のベースプレート付き静電チャックの斜視図である。
【図８】従来の静電チャックの断面図である。
【符号の説明】
【００４０】
１    静電チャック
２    吸着用電極
３    ウェーハ
４    ベースプレート
５    冷却管
６    ヒータ
７    プラズマ照射
８    ヒータ
９    加熱制御手段
10    加熱制御手段
【図１】
2007317772.tif 000003
【図２】
2007317772.tif 000004
【図３】
2007317772.tif 000005
【図４】
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【図５】
2007317772.tif 000007
【図６】
2007317772.tif 000008
【図７】
2007317772.tif 000009
【図８】
2007317772.tif 000010