(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャック本体と、チャック本体の表面に形成され、かつウエハーを設置するための設置面を有する絶縁層と、この絶縁層内に設置されている内部電極と、前記設置面から突出する、前記ウエハーと接触するべき接触面を有する突起を備えており、前記ウエハーを吸着した状態で前記設置面と前記突起と前記ウエハーとによって形成された空間内にバックサイドガスを流し、前記ウエハーへと熱量を供給し、このウエハーの熱を前記突起および前記バックサイドガスを通じて静電チャック側へと伝導させる静電チャックであって、
前記突起の前記接触面の面積の合計値が、前記内部電極の面積の１％以下であり、前記突起の高さが１μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする、静電チャック。
【発明の詳細な説明】
【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、プラズマ等からウエハーへと入熱させてウエハーの温度を制御する型の静電チャックにおいて、ウエハーの温度分布を均一化することである。
【０００２】
【従来の技術】
静電チャックにおいては、通常、絶縁層の設置面から突出する多数の突起ないしエンボス部分を設け、この突起の頂面（接触面）を半導体ウエハーに対して接触させる。また、絶縁層内の内部電極に直流電圧を印加し、半導体ウエハーと突起の接触面との接触界面でジョンソン−ラーベック力を発生させ、接触面上の半導体ウエハーを吸着する。このため、突起の接触面（頂面）の面積を大きくすることによって、半導体ウエハーの吸着力を向上させることができる。
【０００３】
現在、半導体ウエハーの熱ＣＶＤやエッチングの際には、半導体ウエハー上に高密度プラズマを生成させている。そして、エッチングの場合には、半導体ウエハーを静電チャックによって吸着し、静電チャックの下側に冷却フランジを設ける。そして、高密度プラズマから半導体ウエハーへと入熱した熱量を静電チャック側へと逃がすことで、半導体ウエハーの温度上昇を防止している。また、熱ＣＶＤの際には、高密度プラズマから半導体ウエハーへと入熱する熱量を、半導体ウエハーから一定速度で静電チャックに逃がすことで、半導体ウエハーの温度を所望温度に制御している。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかし、このような半導体ウエハーの温度制御方式には、以下の問題点がある。即ち、上記のような静電チャックにおいては、高密度プラズマから半導体ウエハーへと入熱したときに、半導体ウエハーから静電チャックへの熱の伝導の度合いを制御することが、一般的に困難である。
【０００５】
なぜなら、半導体ウエハーに対する吸着力を向上させるためには、一般に突起の接触面の面積を大きくする必要がある。しかし、突起の占める割合が大きくなると、次の問題がある。
【０００６】
まず、突起の接触面の微妙な硬さの変化、表面凹凸の変化等によって、突起と半導体ウエハーとの接触状態が変化し、各突起の各接触面における熱接触抵抗がばらつく。このため、半導体ウエハーからの熱を安定して静電チャック側へと逃がすことができないため、半導体ウエハーの温度均一性が低下しやすい。
【０００７】
その上、半導体ウエハーと突起の接触面との間は接触熱伝導であるので、熱が伝わりやすい。このため、突起の接触面の面積を大きくすると、特に１００℃以上、更には３００℃−４００℃といった温度範囲に半導体ウエハーの温度を制御しようと試みた場合、半導体ウエハーから突起を通じた接触熱伝導によって半導体ウエハーの温度が大きく下がり、半導体ウエハーの温度を高くすることができない。
【０００８】
この問題を解決するためには、個々の突起の接触面の面積を小さくし、あるいは突起の個数を少なくすることによって、半導体ウエハーから突起を通じた接触熱伝導によって静電チャックへと伝わる熱を、減少させることが考えられる。しかし、この場合には、半導体ウエハーのうち突起に接触する部分の面積が小さくなるし、半導体ウエハーから設置面への熱輻射による熱伝導量は非常に少ないので、半導体ウエハーの温度分布が大きくなる。
【０００９】
更に、この問題を解決するためには、半導体ウエハーの裏面と絶縁層との隙間に一定圧力のバックサイドガスを流し、このバックサイドガスにおける熱伝達によって半導体ウエハーの熱を絶縁層へと伝達する方法がある。この場合には、半導体ウエハーへと入った熱は、突起の接触面との接触を通じた接触熱伝導と、バックサイドガスを通じた熱伝達との双方の経路によって、静電チャックに伝わる。これによって、半導体ウエハーの温度分布を小さくできるはずである。
【００１０】
ところが、突起の接触面の面積が小さくなると、接触面と半導体ウエハーとの間で作用するジョンソン−ラーベック力が減少するので、結果として半導体ウエハーの静電的な吸着力が低下する。
【００１１】
この一方、半導体ウエハーの裏面と絶縁層との間に規定圧力のバックサイドガスを流すと、半導体ウエハーにはバックサイドガスによる浮力が作用する。このため、半導体ウエハーへと実際に作用する吸着力は、静電チャックから半導体ウエハーに作用する静電的な吸着力から、半導体ウエハーにバックサイドガスから作用する浮力を引いた値になる。ここで、前述のように突起の接触面の面積を減らすと、浮力の作用が相対的に大きくなり、半導体ウエハーの吸着力が不十分になる。この問題を回避するためにバックサイドガスの圧力を減らすと、バックサイドガスによる熱伝達が不十分になり、半導体ウエハーの温度の均一性が劣化する。
【００１２】
本発明の課題は、ウエハーを吸着した状態でバックサイドガスを流し、ウエハーへと熱量を供給し、ウエハーの熱を突起およびバックサイドガスを通じて静電チャック側へと伝導させる静電チャックであって、ウエハーの温度制御、特に高温領域での温度制御を容易とし、かつウエハーの温度の均一性を向上させることである。
【００１３】
【課題を解決するための手段】
本発明は、チャック本体と、チャック本体の表面に形成され、かつウエハーを設置するための設置面を有する絶縁層と、絶縁層内に設置されている内部電極と、設置面から突出する、ウエハーと接触するべき接触面を有する突起を備えており、ウエハーを吸着した状態で設置面と突起とウエハーとによって形成された空間内にバックサイドガスを流し、ウエハーへと熱量を供給し、ウエハーの熱を突起およびバックサイドガスを通じて静電チャック側へと伝導させる静電チャックであって、突起の接触面の面積の合計値が、内部電極の面積の１％以下であり、突起の高さが１μｍ以上、１０μｍ以下であることを特徴とする。
【００１４】
本発明者は、ウエハーと接触するべき突起の接触面の面積の合計値を、内部電極の面積の１％以下と非常に小さくすることによって、接触熱伝導による熱伝達の割合を大きく減らし、これによって半導体ウエハーの温度制御、特に高温領域における温度制御を容易にした。
【００１５】
これと共に、突起の接触面の割合をこのように著しく小さくした場合であっても、突起の高さを１μｍ以上、１０μｍ以下に制御すれば、半導体ウエハーへの静電チャックからのバックサイドガスを通じた熱伝達が効率的に行われ、半導体ウエハーの温度の均一性が高く保持されることを発見し、本発明に到達した。特に、突起の高さは５−１０μｍが好ましい。
【００１６】
これについて更に説明する。従来、静電チャックの突起の高さは、１５−５０μｍ程度であり、絶縁層と半導体ウエハーとの間でガスの熱対流によって伝熱していた。従って、突起の高さを小さくすることは、熱伝導の点では不利であると考えられていた。
【００１７】
しかし、実際に突起の高さを１−１０μｍに制御すると、別の観点から熱伝導に有利であることが判明した。特に、突起の高さは５−１０μｍが好ましい。即ち、突起と半導体ウエハーとの接触領域におけるジョンソン−ラーベック力による吸着力の他、絶縁層の表面付近に滞留する電荷と、半導体ウエハーの帯電電荷との間でクーロン力が作用するらしく、半導体ウエハーの静電的な吸着力が、全体として、予想されていたよりも低下しないことが判明した。この結果、半導体ウエハーの裏面と絶縁層の設置面との間のバックサイドガスの圧力を大きくし、バックサイドガスを通じた熱伝達を効率的に行わせ、半導体ウエハーの温度分布を均一化させることに成功した。この作用効果を得るためには、突起の高さを１０μｍ以下にすることが必要であった。この観点からは、突起の高さを８μｍ以下とすることが一層好ましい。
【００１８】
一方、突起の高さを小さくすればするほど、前述したクーロン力の寄与が大きくなり、静電的な吸着力が一層向上することが分かった。しかし、突起の高さが１μｍ未満になると、突起以外の部分でも吸着することになるので、１μｍ以上の高さが必要となる。また、突起の高さが５μｍ未満になると、今度はバックサイドガスの圧力を高くしても、ガスが全面に行き渡らず、熱伝達の効率が低下し、半導体ウエハーの温度の均一性が低下する可能性がある。おそらく、突起の高さが５μｍ未満になると、熱対流の寄与がなくなり、熱輻射が支配的になるためと思われる。この観点からは、突起の高さを５μｍ以上とすることが更に好ましい。
【００１９】
突起を通じた接触熱伝導を更に抑制するという観点からは、突起の接触面の面積の合計値が、内部電極の面積の０．９％以下であることが更に好ましく、０．６％以下であることが一層好ましい。
【００２０】
また、ウエハーを安定して支持、吸着するという観点からは、突起の接触面の面積の合計値が、内部電極の面積の０．２％以上であることが更に好ましく、０．４％以上であることが一層好ましい。
【００２１】
突起のウエハーと接触するべき接触面の面積は、通常の吸着時にウエハーの裏面と接触する面積を言う。これは、通常、突起の頂面の面積と等しい。ただし、例えば突起の一部が低く、その突起が通常の設置条件ではウエハーの裏面と接触しないような場合には、その突起の頂面の面積は含まれない。
【００２２】
また、内部電極の面積、突起の接触面の面積は、いずれも、設置面に対して垂直な方向から測定したときの面積を言う。
【００２３】
突起の高さは、ダイヤルゲージもしくは三次元形状測定装置によって測定する。
【００２４】
半導体ウエハーへの入熱は、プラズマ、特に好ましくは高密度プラズマによって行われるが、熱輻射によって行っても良い。
【００２５】
図１は、本発明の実施形態に係る静電チャック１を概略的に示す平面図であり、図２は、図１の静電チャックの一部拡大断面図である。
【００２６】
静電チャック１は、円盤形状の絶縁層２と、絶縁層２内に埋設されている内部電極１２とを備えている。２ｂは絶縁層２の側面（外周面）であり、２ａは絶縁層２の平坦な設置面である。設置面２ａから、多数の突起３Ａが突出している。各突起３Ａは、それぞれ盤状、特に好ましくは円盤状をしている。各突起３Ａは互いに離れており、設置面上に分散して存在している。また、本例では、設置面２ａのエッジ（外周面）２ｂ近くに、円環形状の突起３Ｂが形成されている。
【００２７】
絶縁層２の例えば中央部にガス供給孔６が形成されており、ガス供給孔６の上端部にはガス分配溝５が通じている。本例では、各ガス分配溝５は、ガス供給孔６から三方向へと向かって放射状に延びている。また、円環形状の突起３Ｂのすぐに内側には、円環形状のガス分配溝９が形成されている。各ガス分配溝５の先端は、それぞれガス分配溝９に連通している。溝５、９は、設置面２ａに対して低い位置に形成されている。このため、バックサイドガスが、矢印Ａのようにガス供給孔６に供給されると、ガスは矢印Ｂのようにガス供給孔６から排出されて溝５に入り、更に溝９へと流れる。この際、溝５、９の全域から、設置面２ａ、突起３Ａ、３Ｂ、半導体ウエハー１０によって包囲された空間１１へと、バックサイドガスが流れる。
【００２８】
本発明に従って、各突起３Ａ、３Ｂの頂面（半導体ウエハーへの接触面）１４の面積の合計値の、内部電極１２の面積に対する割合を、１％以下とする。また、突起の高さＨを５μｍ以上、１０μｍ以下とする。
【００２９】
本発明においては、個々の各突起の直径φは種々変更できるが、ウエハーの温度の均一性の観点からは  φを０．２−１．０ｍｍとすることが好ましい。
【００３０】
また、個々の各突起の平面的形状や平面的寸法は種々変更できる。例えば突起の接触面の形状は三角形、四角形、六角形、八角形等の多角形であってよい。また、突起の個数についても特に限定されない。しかし、半導体ウエハーに対する吸着力を、半導体ウエハーの全面にわたって均一化するという観点からは、単位面積当たりの突起の個数を、０．００２５−０．３２個／ｍｍ2 とすることが特に好ましい。
【００３１】
絶縁層の材質は限定しないが、パーティクルの発生を一層低減させるという観点からは、窒化アルミニウム系セラミックス、窒化アルミニウムを含む複合材料、アルミナ系セラミックス、アルミナを含む複合材料、アルミナと窒化アルミニウムとの複合セラミックスが好ましい。
【００３２】
内部電極の材質も限定されず、導電性セラミックスや金属であってよいが、高融点金属が特に好ましく、モリブデン、タングステン、モリブデンとタングステンとの合金が特に好ましい。
【００３３】
突起の材質は特に限定されないが、パーティクルの発生を一層低減させるという観点からは、窒化アルミニウム系セラミックス、窒化アルミニウムを含む複合材料、アルミナ系セラミックス、アルミナを含む複合材料、アルミナと窒化アルミニウムとの複合セラミックスが好ましい。突起は、ブラスト加工、化学的気相成長法などによって形成できる。
【００３４】
突起の接触面の面積の合計値及び突起の高さは以下のように制御する。
絶縁層の設置面をラップ加工し（粗加工）、ラップ面を研磨し（超鏡面加工）、ラップ面をブラスト加工（突起、ガス溝形成）することによって突起を形成する。ブラスト加工時に、図1 に示す突起の配置に対応する突起原画を静電チャックの絶縁層のラップ面に貼付け、突起部以外の部分をブラスト加工する。突起の高さは、ブラスト加工時間によって制御する。即ち、突起の高さは、ブラスト加工時間に依存する。突起の高さは表面粗さ計を用いて計測により確認する。
【００３５】
バックサイドガスとしては、公知のガス、例えばヘリウム、アルゴン、ヘリウムとアルゴンとの混合ガスを使用できる。
【００３６】
バックサイドガスのガス供給孔への供給圧力は、半導体ウエハーから静電チャックへの熱伝導を良好にするためには５Ｔｏｒｒ以上とすることが好ましく、１５Ｔｏｒｒ以上とすることが一層好ましい。ただし、この圧力が増大し過ぎるとウエハーへの吸着力が低下し、ウエハーが外れやすくなるので、３０Ｔｏｒｒ以下とすることが好ましい。
【００３７】
【実施例】
基本的に図１、図２に示したような形状の静電チャックを製造した。具体的には、窒化アルミニウム粉末を所定形状に成形して成形体を形成した後、この成形体上に、モリブデンからなる内部電極を配置し、さらにこの上に窒化アルミニウム粉末を充填し、再度成形し、内部電極を埋設した円盤状の成形体を得た。次いで、この成形体を窒素雰囲気中で焼結することにより、内部電極を埋設した直径２００ｍｍの絶縁層２を作製した。
【００３８】
絶縁層２の表面側に、ブラスト加工によって、図１に示すような平面円形の多数の突起３Ａと、円環形状の突起３Ｂとを形成した。また、ガス分配溝５、９を形成した。
【００３９】
内部電極１２の面積は２８０００ｍｍ2 とした。突起３Ａの接触面１４の面積、突起３Ａの個数、および突起３Ｂの幅（接触面の面積）を種々変更することによって、内部電極１２の面積に対する突起３Ａ、３Ｂの接触面１４の面積の合計値の割合を、表１、表２のように種々変更した。また、突起３Ａの高さＨは、表１、表２に示すように変更した。
【００４０】
この静電チャック１の設置面２ａ上に、直径２００ｍｍのシリコンウエハー１０を設置した。双極式の内部電極１２に±５００ボルトの直流電圧を印加し、シリコンウエハー１０を静電チャック１に吸着させた。そして、シリコンウエハーの静電的な吸着力を、圧力（Ｔｏｒｒ単位）として測定した。この測定結果を表１、表２に示す。
【００４１】
【表１】
0004317329.tif 000002
【００４２】
【表２】
0004317329.tif 000003
【００４３】
静電チャックの下に冷却フランジを設置した。静電チャックの上に、熱電対付きのシリコンウエハーを設置した。シリコンウエハーの上側の空間に、ウエハーと直接接触しないようにヒーターを設置した。冷却フランジ、静電チャック、熱電対付きシリコンウエハー、ヒーターの全体を、反射板で包囲した。内部電極１２に±４００ボルトの直流電圧を印加し、シリコンウエハー１０を静電チャック１に吸着させた。シリコンウエハー１０、絶縁層２および突起３Ａ、３Ｂによって形成された空間１１に、前述のようにしてアルゴンガスを供給した。ヒーターから、２５００Ｗの熱量をシリコンウエハーに入熱させた。バックサイドガスの供給圧力は表３に示す。この状態で、シリコンウエハーの５箇所の温度を熱電対付きウエハーによって測定し、温度の平均値、および最大値と最小値との差を得た。
【００４４】
【表３】
0004317329.tif 000004
【００４５】
【発明の効果】
本発明の静電チャックによれば、ウエハーの温度制御、特に高温領域での温度制御が容易になり、ウエハーの温度の均一性を向上させ得る。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施形態に係る静電チャック１を概略的に示す平面図である。
【図２】図１の静電チャック１の一部拡大断面図である。
【符号の説明】
１  静電チャック      ２  絶縁層      ２ａ  絶縁層の設置面３Ａ、３Ｂ  ウエハーに接触する突起        ５、９  ガス分配溝６  ガス供給孔      １０  ウエハー      １１  設置面２ａと突起３Ａ、３Ｂとウエハー１０とによって形成された空間      １２  内部電極      １４  突起の接触面
【図１】
0004317329.tif 000005
【図２】
0004317329.tif 000006