JP3805134B2

JP3805134B2 - 絶縁性基板吸着用静電チャック

Info

Publication number: JP3805134B2
Application number: JP14550799A
Authority: JP
Inventors: 徹夫北林; 裕明堀; 健志内村; 範昭建野; 耕不破; 謙前平
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 1999-05-25
Filing date: 1999-05-25
Publication date: 2006-08-02
Anticipated expiration: 2019-05-25
Also published as: US20040218340A1; US7209339B2; DE60037885D1; CN1595631A; JP2000332091A; EP1191581B1; KR20090100455A; EP1852907B1; AU4781300A; EP1852907A1; EP1191581A1; KR100933727B1; TW508716B; CN1179407C; KR20070049689A; KR20090003347A; DE60037885T2; EP1191581A4; WO2000072376A1; CN1595632A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はＰＤＰ（プラズマディスプレー）製造装置、ＤＶＤ（デジタルビデオディスク）マスタライタ製造装置、ハードディスク製造装置に使用される基板処理装置及びＥＢ（エレクトロンビーム）露光装置におけるレチクル固定装置、更にＳＯＳ（シリコンオンサファイア）やＳＯＩ（シリコンオンインシュレータ）ウェハ上に形成される素子を製造するＣＶＤ、エッチング装置やスパッタリング装置に使用される絶縁性基板処理装置に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
ＤＶＤやＰＤＰ製造装置等においては、被処理体がガラス基板であり電気絶縁性を示す。そのため従来はこれらの基板を真空中で静電吸着することができずその製造装置においてステージ上に平置きされたり、機械的な機構により固定され処理されていた。ＥＢ露光機のレチクルは石英製であり同様に電気絶縁性を示す。そのため真空下でレチクルを固定するために従来は機械的な機構により固定されていた。シリコンウェハの次世代代替品として注目されているＳＯＳ基板やＳＯＩ基板はステージ載置面が電気絶縁性を示す。そのため従来はこれらのウェハ上に素子を形成する製造装置においてシリコンウェハの場合のような静電チャックを用いた固定方法を採用することができなかった。シリコンウェハを静電吸着する手段および原理は特開平５−６３０６２に開示されているがその原理によると絶縁性基板は静電吸着することができない。また静電プロッタのように紙を静電気的に吸引する装置があった。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
ＤＶＤ、ＰＤＰ、ハードディスク用の基板上やＳＯＳ、ＳＯＩ上に形成される素子等のプロセスの高度化、高集積化にともないこれらのプロセスの温度管理が非常に重要になってきた。従来から用いられているシリコンウェハ上に形成する素子のプロセスには静電チャックを用いたプロセスの温度管理が実施されている。しかし従来の静電チャックは導体、半導体しか吸着できなかったため被処理体が電気絶縁性の場合、静電吸着固定することができずプロセスの高精度な温度管理は不可能であった。
【０００４】
そこで、絶縁性基板をも静電吸着できる静電チャック及び静電チャックを用いた絶縁性基板処理装置が要望されている。ＥＢ露光機のレチクル固定についても機械式固定より簡単な構造でパーティクル発塵の問題も少ない静電チャック方式が要望されている。
【０００５】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、本発明の目的は、ガラス基板などの絶縁性基板を静電吸着することができる静電チャック、その静電チャックを用いた絶縁性基板加熱冷却装置および絶縁性基板の温度制御方法を提供することである。
【０００６】
【課題を解決するための手段】
本発明の静電チャックは、静電チャックを構成する誘電体の一方の側にある複数の電極間の距離を小さく誘電体の厚さを薄くした。そして電極間に電位差を与え誘電体の吸着面上に不均一電界を形成させた。その不均一電界に存在する被処理体である絶縁体は一部分極し、電界強度の強い方向へ引き寄せられるGradient力（グラジエント力）を発生する。Gradient力はＦ∝α・gradＥ²（ＦはGradient力、αは誘導分極電荷、Ｅは電界）となり本発明はこの効果を利用したものである。
【０００７】
上記の効果を発揮させるために請求項１〜５は、誘電体の形状、物性、電極の形状、を規定し絶縁性基板吸着用静電チャックを開示した。
【００１０】
【発明の実施の形態】
本発明の好適な実施例を図を用いて説明する。図１は本発明に係る静電チャックの一例を示す平面図であり、図２はその断面図である。
【００１１】
図３は絶縁性支持基盤１ｂを誘電体基板１ａと同質の材料とし積層構造にすることで一体化した実施例であり、静電チャック１に絶縁性基板１０を吸着した状態を示す断面図である。同図において電圧印可用導線１２を通じて電極７に電圧を印可することで、絶縁性基板１０と静電チャック１との間に吸着力を発生させ、ドット２及び外周シールリング３（以下、まとめて固体接触部と記す）において絶縁性基板１０を吸着する。また静電チャック１は接合部１１を通じて金属製プレート６と接合されており、金属製プレート６内部に設けられた媒体流路８に媒体を流すことで静電チャック１の加熱冷却を行う。
【００１２】
図４〜図６は前記実施例に代表される誘電体の一方の面に形成される電極７のパターンの一例である。電極７を複数の対にすることにより、ＳＯＳやＳＯＩウェハのプラズマプロセスにおいて使用される高周波電流を各々の電極に分散させ導電性端子等１ケあたりの負荷を減じることができる。ガス供給配管１３を通じてガス供給口５からガスが供給され、ガス封入部９に封入される。このときにガスを素早く均一に封入するために静電チャック１の表面に溝４が設けられている。このガス封入部９及び固体接触部を通じて絶縁性基板１０と静電チャック１の間の熱伝達が行われる。ガス供給配管近傍にガス圧力計１６が設置され圧力によって信号電圧を０〜１０Ｖの範囲で出力する。ガス配管には圧力コントロールバルブ１７が設置され、ガス圧力計１６の信号電圧と設定値を比較しバルブの開閉を行うことでガスの圧力を設定値に調節することができる。
【００１３】
以下表１に誘電体の特性を変えたときの静電吸着力を測定した結果を示す。
【００１４】
【表１】
【００１５】
尚、静電吸着力の測定は面積が５ｃｍ²の被吸着体を用意し、静電チャックにＤＣ電圧を３〜１０ＫＶ印可した。そのときに被吸着体を横方向から力を加え被吸着体が静電吸着力に抗して動き出すときの力をバネばかりで計測した。バネばかりの最大荷重が３００ｇであったためそれ以上の力は計測できなかったが、誘電体と被吸着体の静止摩擦係数を０．２としても計測値の約５倍の抗力に相当する静電吸着力が現していることになる。よって計測値３００ｇ／５ｃｍ²で約３００ｇ／ｃｍ²の引張り強度に相当する。この値は約３０ＫＰａに相当し真空チャンバ内で被吸着体を吸着するには十分な力である。誘電体の形状は一定にするため表１の試験は全て電極巾１ｍｍ、電極間隔１ｍｍ、誘電体厚さ０．５ｍｍとした。
【００１６】
１Ａ〜１Ｄ、２は誘電体基板の抵抗率を変えたときの静電吸着力の関係である。抵抗率はあまり静電力に影響を受けないようであるが１０^１３Ω・ｃｍ以下であるほうが大きい静電吸着力が発現するようであり使用しやすいといえる。
【００１７】
１Ｆ、１Ｇは絶縁性基板の表面粗さを変えたときの静電吸着力である。１Ｂと比較すると表面粗さはＲａ０．２５μｍ以下が望ましいことがわかった。本実施例で使用した絶縁性基板の表面粗さは１Ｐの多結晶アルミナ基板を除きＲａ０．１μｍ以下であった。
【００１８】
１Ｂ、２〜６は誘電体の材料を変えたときの静電吸着力の関係である。誘電体の物性として比誘電率よりも抵抗率と関連が大きいようであった。材料はアルミナに酸化クロム、酸化チタンを添加したセラミックス焼結体およびそれに焼結助材を加えた材料が最も安定し大きな吸着力が得られた。
【００１９】
１Ｂ、１Ｈ〜１Ｎは被吸着体の種類を変えて静電吸着力を測定した。その結果、他の絶縁性材料であっても静電吸着できることが確認され、比誘電率の大きな被吸着体ほど大きな力が発現した。
【００２０】
１Ｏ、１Ｐは被吸着体を多結晶アルミナ基板にし、表面粗さを変えたときの静電吸着力を測定した。その結果、被吸着体の表面粗さがＲａ０．４μｍ程度であるならば吸着力が十分得られることがわかった。被吸着体の比誘電率が大きくなるほど被吸着体の表面粗さが粗くできることがわかった。
【００２１】
誘電体の材料をかえたときの静電吸着力を２〜７に示した。アルミナに酸化クロム、酸化チタンを添加したセラミックス焼結体以外でも静電吸着することが示された。被吸着体がＰＤＰ用ガラスの場合は、その視認性の点からもガラスに傷が入りにくいゴム系の材料が有効である。本実施例ではシリコンゴムを用いたが天然ゴム、クロロプレンゴム、ブチルゴム、ニトリルゴム、フッ素ゴム更にポリウレタン、ＰＴＦＥ等の樹脂であっても良い。この場合体積抵抗率が１０^１３Ω・ｃｍ以下が望ましい。
【００２２】
表２は、アルミナに酸化クロム、酸化チタンを添加したセラミックス焼結体からなる材料を用い、本発明にかかる静電チャックの電極パターンを変えたときのガラス基板の静電吸着力と印可電圧（１０ＫＶ印可）との関係である。
【００２３】
【表２】
【００２４】
同一の電極巾、電極間距離のパターンでは誘電体の厚さは０．３ｍｍがもっとも静電吸着力が大きく、薄くすれば静電吸着力が大きくなる傾向にある。電極巾、間隔とも０．５ｍｍ以上であれば静電吸着力が可能であることがわかったが、電極間隔が０．５ｍｍより狭い場合は電極間の絶縁が十分得られなくなり結果として静電吸着できない場合もあった。
【００２５】
同一誘電体厚さで比較すると電極巾が狭いほど大きな静電吸着力が得られた。
【００２６】
電極間距離が２ｍｍより大きい場合はほとんど静電吸着力が得られなかった。今回の試験では印可電圧を１０ＫＶまで印可したが更に大きな電圧を印可すれば電極間距離２ｍｍでも静電吸着力が発現することが期待される。
【００２７】
同一誘電体厚さ、同一電極巾で比較すると電極間隔が誘電体の厚さより大きくなると静電吸着力が小さくなる傾向にあった。
【００２８】
以上をまとめると、誘電体の厚さは薄く、電極の巾は狭く、電極間は電極の巾と同程度である場合に大きな静電吸着力が得られることがわかった。
【００２９】
被吸着体としてガラス基板を静電吸着する場合は誘電体厚さは０．３ｍｍ〜２．０ｍｍ、電極間隔が０．５〜１ｍｍ以下、電極巾は０．５ｍｍ〜４ｍｍ、誘電体の抵抗率１０^１３Ω・ｃｍ以下で実用化できるが、更により好ましくは誘電体厚さは０．３ｍｍ〜１．０ｍｍ、電極間隔が０．５〜１ｍｍ以下、電極巾は０．５ｍｍ〜１ｍｍ、誘電体の抵抗率１０^１３Ω・ｃｍ以下が望ましい。
【００３０】
次に基板加熱冷却装置の実施例について記載する。図７〜９は各種熱吸着試験データおよび絶縁性基板冷却試験特性の実験データを示すグラフであり、各グラフの説明を以下に示す。絶縁性基板１０は、ガラス基板（低アルカリガラス）を用いた。
【００３１】
図７は真空チャンバ内に設置した基板加熱冷却装置に絶縁性ガラス基板を設置し、絶縁性基板の温度と絶縁性基板と誘電体吸着面の間隙に供給される加熱冷却用ガスの圧力との関係である。絶縁性基板１０の上面から２Ｗ／ｃｍ^２の熱流を与えたときの熱特性を、横軸に上記ガスの圧力、縦軸に絶縁性基板１０の表面温度として表した。ガス封入部９のガス圧力を変化させることで絶縁性基板１０の温度を制御できる様子が確認できる。本実験では主にＨｅガスをもちいたがＡｒやＮ_２を用いても同様の加熱冷却効果が発揮される。
【００３２】
より高い圧力を供給し加熱冷却の効率を大きくするにはガスの圧力を分子流領域とするため、誘電体吸着面１９のドット２の高さを低く設定する必要がある。例えば上記ガスにおいて０〜１００Torrまで分子流領域とするにはドット２の高さを５μｍ以下にすればよい。このとき上記ガスを素早く均一に封入するためにドット２と同時に溝４の形成が重要となる。
【００３３】
静電チャック表面に凸状のドットのみが設けられた場合は、ドットの高さによっては隙間空間内の圧力が均一になるまでに時間がかかる。そこでガス供給口から溝を掘ることによって隙間空間内の圧力が均一になるまでの時間を低減させている。溝の形状、パターンはガス供給口から放射状であり巾１ｍｍ以上、深さは５０μｍ以上で効果を奏する。好ましくは巾１．５ｍｍ以上、深さ２５０μｍ以上でありこの場合隙間の圧力分布が均一になるまで５秒以下となる。溝のパターンは放射状と同心円状を組み合わせることにより更に効果が増加する。
【００３４】
印可電圧を変化させると絶縁性基板１０の温度を変化させられる。このとき静電チャックの表面粗さを変化させることによって図８のように絶縁性基板温度を調節できる。
【００３５】
更に、接触面積比率を変えることで絶縁性基板１０の温度が変化することを確認した実験結果を図９に示した。接触面積比率をかえるにはドットの数及びドットの直径をかえる必要がある。本実施例に用いたドットの直径は５ｍｍで、シールリング巾は４ｍｍであった。ドットの数は接触面積比率から換算した。ドットは静電チャック表面上に概略等分散に配置した。
【００３６】
本実施例により、ガス封入部９に５０Torrという高いガス圧力を封入することで絶縁性基板１０に対する大きな加熱冷却効果を得られることがわかったが、そのためには強い吸着力を発生する静電チャックが必要である。例えば、接触面積比率を２０％にして１０Torrのガス圧力を封入するには、理論上１３ｇ／ｃｍ^２の吸着力が最低限必要である。よって吸着力が非常に大きい静電チャックが必要となる。ここでは静電チャックの絶縁層の材料としてアルミナを主成分とし、酸化クロム（Ｃｒ₂Ｏ₃）、酸化チタン（ＴｉＯ₂）および焼結助材を適量添加したセラミック焼結体を用いた。この材料の吸着力は１Ａ〜１Ｃと同じく１０ＫＶ印可で約３００ｇ／５ｃｍ^２であり垂直方向の引張り強度が３００ｇ／ｃｍ^２と推定される。接触面積比率が２０％であっても６０ｇ／ｃｍ^２以上が確保でき十分に絶縁性基板を吸着できる。
【００３７】
本実施例では、絶縁性基板１０として、低アルカリガラス基板を用いたが、本発明の静電チャックは、電気絶縁性基板およびフィルム一般に適用できる。
【００３８】
また絶縁性基板加熱冷却装置の絶縁性支持基盤内にヒーターを設け、被吸着体を測温する手段として光温度計、熱電対、その他非接触温度計を設けその計測器から出力される信号と予め設定した値とを比較することにより被吸着体の温度制御が容易になる。また絶縁性基板を直接測温できない場合は予め蓄積されたガス圧力、印可電圧、固体接触面積比率、入射熱エネルギー、媒体流量、媒体温度等の関連を記載されたデータベースに基づき絶縁性基板の温度を一定に保つ調整が可能になる。
【００３９】
本実施例で開示した絶縁性基板加熱冷却装置を反応チャンバ内に設置することにより、ＳＯＳやＳＯＩウェハのプラズマＣＶＤ、プラズマエッチングやスパッタリング等の半導体製造プロセスでの温度管理が非常に容易になる。
【００４０】
【発明の効果】
以上に説明した如く本発明によれば、被処理体が絶縁体である場合も静電チャックを用いて吸着することができるため、静電チャックを組み込んだ加熱冷却装置を用いれば絶縁性基板の加熱、冷却が容易になり絶縁性基板を所定の温度に制御することが可能となる。
【図面の簡単な説明】
【図１】静電チャックの一例を示す平面図である。
【図２】Ａ−Ａに沿った図１の断面図である。
【図３】静電チャックにより絶縁性基板を吸着した別実施例の断面図である。
【図４】誘電体に設けられた電極のパターン例である。
【図５】誘電体に設けられた電極のパターン例である。
【図６】誘電体に設けられた電極のパターン例である。
【図７】加熱冷却ガス圧力と絶縁性基板の温度との関係を示すグラフである。
【図８】静電チャックの印可電圧と絶縁性基板の温度との関係を示すグラフである。
【図９】静電チャックの固体接触部の面積比率と絶縁性基板の温度との関係を示すグラフである。
【符号の説明】
１…静電チャック
１a…誘電体基板
１b…絶縁性支持基盤
２…ドット
３…外周シールリング
４…溝
５…ガス供給口
６…金属製プレート
７…電極
８…媒体流路
９…ガス封入部
１０…絶縁性基板
１１…プレート接合部
１２…電圧印可用導線
１３…ガス供給配管
１４…媒体供給口
１５…媒体排出口
１６…ガス圧力計
１７…圧力コントロールバルブ
１８…コンダクタンスバルブ
１９…吸着面
２０…導電性端子
２１…高圧電源

Claims

一方の面が絶縁性基板を吸着する吸着面とされ、他方の面に複数の電極が交互に隣接するように入り組んで設けられた誘電体基板を備えた絶縁性基板吸着用静電チャックであって、前記複数の電極の隣接する電極間の距離と前記誘電体基板の厚さと電極の幅を、電極間に電位差を与えた場合に不均一電界によって前記絶縁性基板がグラジエント力（gradient力）にて吸着される距離と厚さで、前記電極間の距離は０．５ｍｍ以上２ｍｍ以下、前記誘電体基板の厚さは０．３ｍｍ以上２ｍｍ以下、且つ前記電極の幅は０．５ｍｍ以上４ｍｍ以下に設定することで、上面及び静電チャックへの載置面が電気絶縁性を示す絶縁性基板を吸着可能としたことを特徴とする静電チャック。
請求項１に記載の静電チャックにおいて、前記電極間にはＤＣ３〜１０ｋＶの電位差が与えられることを特徴とする静電チャック。
請求項１または請求項２のいずれかに記載の静電チャックにおいて、前記誘電体基板の体積抵抗率は１０^１３Ω・ｃｍ以下であることを特徴とする静電チャック。
請求項１乃至請求項３のいずれかに記載の静電チャックにおいて、前記誘電体基板の材料はセラミックス焼結体であることを特徴とする静電チャック。
請求項１乃至請求項４のいずれかに記載の静電チャックにおいて、前記絶縁性基板はガラスであることを特徴とする静電チャック。