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JP4278046B2 - ヒータ機構付き静電チャック - Google Patents

ヒータ機構付き静電チャック Download PDF

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Description

本発明は、半導体、ガラス、サファイア、セラミックなどのウエハ処理工程において好適に用いられるヒータ機構付き静電チャックに関する。
半導体、ガラス、サファイア、セラミックなどのウエハ処理工程においてウエハを固定するためにヒータ機構付き静電チャックが広く用いられている。近年では基板としてのシリコンウエハやガラスの大口径化が進み、回路の高集積化および微細化に伴ってパターニング時の位置精度がますます重要視されてきており、ヒータ機構付き静電チャックにおいても高性能化が求められている。
従来のヒータ機構付き静電チャックは、下記特許文献１に示されるように、絶縁基材の表面に静電チャック層、裏面にヒータ層を設け、これらをＰＢＮなどの絶縁被覆層で被覆して、プレート形状を有するものとして形成されている。
特開平７−３０７３７７号公報
このようなヒータ機構付静電チャック１を用いたウエハ支持装置の概略構成が図３に示されており、ヒータ機構付き静電チャック１の表面（チャック面）にシリコンウエハ等の対象物２を載置して静電チャックに電圧を印加することにより発生するクーロン力によってウエハ２をチャックする。
また、静電チャック１の裏面側に設けられるヒータ層に対して別の回路を介して通電することにより静電チャック層を加熱し、適正なウエハ処理ができる最適温度にウエハ２を昇温させる必要があるが、静電チャック１には微小な反りがあるため、これを防止するために、静電チャック１を金属製（銅、アルミなど）の反り矯正用固定板３にボルト４，４などを用いて機械的に固定している。
ところで、ＭＯＣＶＤ（Metal Organic Chemical Vapor Deposition＝有機金属気相成長法）やイオン注入などによるウエハ処理工程では８００℃を超えるような高温域での処理が必要となるため、ウエハ２を静電チャック１に固定した状態で、ウエハ２をこの温度域まで昇温させなければならない。
しかしながら、上記特許文献１に示されるようなプレート形状の静電チャック１を金属製反り矯正用固定板３に機械的に固定したウエハ支持装置によると、静電チャック１のヒータ面と固定板３とが密着しているため、ヒータ層に与えられた熱量の相当部分が固定板３に移動してしまい、ウエハ２に対する熱伝達を効率的に行うことができない。このため、ウエハを８００℃もの高温まで昇温させることが実際上不可能であり、このような高温域での処理を要するウエハ処理を行うことができなかった。
また、仮に静電チャック１を８００℃またはそれ以上の温度域に昇温させることができたとしても、このような高温域になるとボルト４，４と静電チャック１との熱膨張差によりクランプ力が低下し、静電チャック１の反りを矯正することができなくなる。
さらに、上記特許文献１に示されるようなプレート形状の静電チャック１が８００℃またはそれ以上のような高温域になると、チャック電極に給電するための端子部もほぼ同じような高温となり、電極を構成する金属と静電チャックとの熱膨張差により接触不良の原因となる。
また、上記特許文献１に示されるようなプレート形状の静電チャック１を金属製反り矯正用固定板３に機械的に固定したウエハ支持装置によると、図１から明らかなように、静電チャック１のチャック面（表面）の有効面積がボルト４，４によって減少し、なおかつ、静電チャック外周部から静電チャック周囲への熱移動により、ウエハ２の面内温度分布が不均一になる傾向がある。
さらに、ウエハ処理工程において発生するパーティクルがウエハ２に付着することを防止または極小化するとともに原料ガスを効率的に使用するための手法として、フェイスダウン方式（ウエハを下向きに取り付ける）が近年注目されているが、上記特許文献１に示されるようなプレート形状の静電チャック１を金属製反り矯正用固定板３に機械的に固定したウエア支持装置では、８００℃またはそれ以上の温度域においてフェイスダウン方式を採用することができない。
したがって、本発明が解決しようとする課題は、静電チャックの形状を従来のプレート形状から変更することによって機械的クランプの必要性をなくし、しかも、ウエハを８００℃またはそれ以上の高温域まで昇温させることができ、このような高温域での処理を要するＭＯＣＶＤやイオン注入などによるウエハ処理を行うことを可能にするための新規な構成のヒータ機構付き静電チャックを提供することにある。
本発明が解決しようとする別の課題は、ウエハ吸着面積を有効に利用することができ、また、チャック本体の側面部上端にヒータ層を設けることによりチャック本体から周囲に移動する熱を補い、ウエハの面内温度分布をより均一にすることができる新規な構成のヒータ機構付き静電チャックを提供することにある。
本発明が解決しようとするさらに別の課題は、フェイスダウン方式にも適合可能な新規な構成のヒータ機構付き静電チャックを提供することにある。
これらの課題を解決するための手段として、請求項１にかかる本発明は、絶縁基材を用いて平板部と該平板部の周囲から下方に延長する側面部とを有するカップ形状のチャック本体を一体的に形成し、このチャック本体の平板部の表面側にチャック電極を設けるとともにその表面側および側面部外面側上端部にヒータ層を設け、チャック電極および各ヒータ層に個別に電力を供給するための端子をチャック本体の側面部の下端近辺に設け、且つ、チャック本体の側面部の内側に熱反射板を設けて平板部表面側のヒータ層の熱が下方に逃げることを防止するとともにチャック本体の外側にリング状の熱反射板を設けて側面部外面側上端部のヒータ層の熱が下方に逃げることを防止したことを特徴とするヒータ機構付き静電チャックである。
また、請求項２にかかる本発明は、絶縁基材を用いて平板部と該平板部の周囲から下方に延長する側面部と該側面部の下端から外方に延長する足部とを有するハット形状のチャック本体を一体的に形成し、このチャック本体の平板部の表面側にチャック電極を設けるとともにその表面側および側面部外面側上端部にヒータ層を設け、チャック電極および各ヒータ層に個別に電力を供給するための端子をチャック本体の足部に設け、且つ、チャック本体の側面部の内側に熱反射板を設けて平板部表面側のヒータ層の熱が下方に逃げることを防止するとともにチャック本体の外側にリング状の熱反射板を設けて側面部外面側上端部のヒータ層の熱が下方に逃げることを防止したことを特徴とするヒータ機構付き静電チャックである。


絶縁基材の好適な一例は、グラファイトの周囲をＰＢＮ（熱分解窒化ホウ素）で被覆してなる構造を有する。
本発明によるヒータ機構付き静電チャックによれば、略カップ形状または略ハット形状に形成されたチャック本体の平板部の表面側にチャック電極を設けるとともにその裏面側および側面部上端にヒータ層を設けたので、ヒータ層を８００℃またはそれ以上の高温に加熱でき、反りが生じない。このため、従来技術において必要とされていた反り矯正用の固定板が不要となり、装置の小型化およびコストダウンを図ることができる。
また、この静電チャックは、略カップ形状または略ハット形状を有するチャック本体の側面部下端または足部にて所定ステージ上に載置固定して使用されるが、ヒータ層はステージに密接しておらず、しかも略カップ形状または略ハット形状のチャック本体の内部空間を利用して熱反射板が設けられているので、ヒータ層の高温をステージに逃がすことなく効率的にウエハに熱伝達させることができる。したがって、従来は実際上困難であった８００℃またはそれ以上の高温にウエハを加熱することが可能となり、しかも、急速且つ均一に加熱することができる。
また、チャック電極に電力を供給するための端子がヒータ層から離れた下方位置に設けられるため、ヒータ層を高温に加熱しても電力供給端子はそれ程昇温することがなく、端子部の劣化を低減することができ、金属製電極の熱膨張による接触不良を起こすことがない。
また、ステージ上への固定は略カップ形状または略ハット形状のチャック本体の側面下端部または足部にて行うことができるので、チャック面の有効面積を犠牲にすることなく、ウエハの面内温度分布を均一にすることができる。
また、本発明のヒータ機構付き静電チャックは、ウエハ処理工程において発生するパーティクルがウエハに付着することを防止または極小化するとともに原料ガスを効率的に使用するためのフェイスダウン方式にも適合する。
図１には本発明の一実施形態によるヒータ機構付き静電チャック１０の概略構成が示されている。この実施形態による静電チャック１０は、略カップ形状に成形したグラファイト１１の周囲をＰＢＮ絶縁層１２で被覆してチャック本体１３とし、このチャック本体１３の平板部１３ａの表面側にチャック電極１４を設けるとともにその裏面側および側面部１３ｂの外面上端部に各々ヒータ層１５，１９を設け、チャック電極１４およびヒータ層１５，１９の表面を被覆するオーバーコート層１７を形成し、チャック電極１４およびヒータ層１５，１９に電力を供給するためのＰＧ端子１６をチャック本体１３の側面部１３ｂの下端近辺に露出させ、さらに、チャック本体１３の側面部１３ｂの内側および外側にそれぞれ任意数の熱反射板１８ａ，１８ｂを設けて構成されている。なお、図においてはチャック電極１４およびヒータ層１５，１９に電力を供給するためのＰＧ端子を一括して符号１６で示しているが、チャック電極１４に電力を供給するＰＧ端子とヒータ層１５に電力を供給するＰＧ端子とヒータ層１９に電力を供給するＰＧ端子はそれぞれ個別に設けられる。チャック本体１３をＰＢＮ基材単体で形成してもよい。
グラファイト１１の周囲がＰＢＮ絶縁層１２で被覆された絶縁基材を形成するには、たとえば、市販の黒鉛ブロックを機械加工にて厚さ３〜２０ｍｍ程度の略カップ形状のグラファイト１１とした後、ＣＶＤを用いて、その全表面に１００〜２００μｍ程度のＰＢＮ絶縁層１２を被覆形成することが好ましい。ＰＢＮ基材単体でチャック本体１３を形成する場合は、厚さ０．５〜２ｍｍ程度のＰＢＮを用いることが好ましい。
この絶縁基材を得た後、このチャック本体１３の平板部１３ａの表面にＣＶＤ法により５０μｍ程度のＰＧ（熱分解グラファイト）層を形成し、チャック電極１４となる所定パターンの部分を残して他の部分を除去することによって、平板部１３ａの表面に所定パターンのチャック電極１４を形成する。平板部１３ａの裏面および側面部１３ｂの外面上端部にも同様にしてヒータ層１５，１９を形成する。
電力供給用のＰＧ端子１６はカップ形状のチャック本体１３の側面部１３ｂの下端近辺に設けられ、たとえば図示のように側面部１３ｂの下端外側に設けられる。このようにすることでヒータ層１５，１９との距離が側面部１３ｂによって隔てられ、ヒータ層１５，１９を８００℃またはそれ以上の高温に加熱した場合であってもＰＧ端子１６への熱伝導が最小限に抑制され、ＰＧ端子１６をそれほど昇温させずに済むので、ＰＧ端子１６の劣化および金属製電極の熱膨張による接触不良を起こすことがない。ＰＧ端子１６はＰＧ層にて形成されており、チャック電極１４およびヒータ層１５，１９の形成と同時に形成することができ、後述するオーバーコート層１７を被覆形成した後、ＰＧ端子１６を覆う部分のオーバーコート層を除去することによりＰＧ端子１６を露出させる。
熱反射板１８ａは、ＰＢＮ、高融点金属(モリブデンなど)またはステンレススチールなどの材料を用いて円板状薄板として形成され、ヒータ層１５が高温に加熱されたときにその熱が下方に逃げることを防止し、実質的にすべての熱を静電チャック１０上に載置されるウエハ２１に伝達するために用いられる。チャック本体１３はカップ形状に成形されているので、側面部１３ｂによって閉塞された内部空間を利用して任意枚数の熱反射板１８を設置することが容易である。また、熱反射板１８ｂは、ＰＢＮ、高融点金属(モリブデンなど)またはステンレススチールなどの材料を用いて静電チャック１０の外径寸法よりも若干大きな開口径を有するリング状薄板として形成され、ヒータ層１９が高温に加熱されたときにその熱が下方に逃げることを防止し、実質的にすべての熱を静電チャック１０上に載置されるウエハ２１に伝達するために用いられる。これら熱反射板１８ａ，１８ｂの設置方法としては、たとえば高融点金属製ボルト、セラミックス製ボルトなどでステージ（図示せず）に固定する方法を採用することができる。
チャック電極１４およびヒータ層１５，１９を被覆するように設けられるオーバーコート層１７は絶縁層１２と同様のＰＢＮで形成されるが、１０８〜１０１３Ω・ｃｍ程度の電気抵抗率を有するものとすると、チャック電極１４とウエハ２１との間に微弱電流が流れ、ジョンソンラーベック効果によりチャック吸引力を大幅に増加させることができる。ＣＶＤによるＰＢＮは常温での電気抵抗率は１０１５Ω・ｃｍ程度と高く、クーロン力のみでの弱いチャック吸引力であるが、８００℃またはそれ以上の高温では１０８〜１０１２Ω・ｃｍ程度の電気抵抗率となりジョンソンラーベック効果によりチャック吸引力を大幅に増加させることができる。
図２には本発明の他の実施形態によるヒータ機構付き静電チャック１０‘の概略構成が示されている。この実施形態による静電チャック１０’は、図１に示す実施形態の静電チャック１０とほぼ同様の構成を有しているが、図１のチャック本体１３が平板部１３ａと側面部１３ｂとからなる略カップ形状を有するものとされているのに対し、この実施形態のチャック本体１３‘は、さらに側面部１３ｂの下端から外方に延長する足部１３ｃとを有して略ハット形状に成形されている点で相違している。また、足部１３ｃの下面にＰＧ端子１６を設けることによりＰＧ端子部における放電防止対策が容易となっている点、およびＰＧ端子の代わりにポスト端子２０（仮想線で示す）を取り付けることが可能であってこれにより端子部の劣化や放電防止対策がさらに容易となる点が相違している。これらの相違点以外は図１に示す実施形態の静電チャックと同様であり、その作用も同様である。
なお、図２の実施形態による静電チャック１０‘は、チャック本体１３‘に足部１３ｃが設けられているので、この足部１３ｃにボルトなど（図示せず）を打ち込むことによって所定のステージ（図示せず）に固定することが容易である。
本発明の一実施形態によるヒータ機構付き静電チャックの概略構成図である。 本発明の他の実施形態によるヒータ機構付き静電チャックの概略構成図である。 従来技術によるヒータ機構付静電チャックを用いたウエハ支持装置の概略構成図である。
符号の説明
１０，１０‘ ヒータ機構付き静電チャック
１１ グラファイト
１２ ＰＢＮ絶縁層
１３ 略カップ形状のチャック本体
１３‘ 略ハット形状のチャック本体
１３ａ 平板部
１３ｂ 側面部
１３ｃ 足部
１４ チャック電極
１５ ヒータ層
１６ 電力供給ＰＧ端子
１７ オーバーコート層
１８ 熱反射板
１９ ヒータ層
２０ ポスト端子
２１ ウエハ

Claims (2)

  1. 絶縁基材を用いて平板部と該平板部の周囲から下方に延長する側面部とを有するカップ形状のチャック本体を一体的に形成し、このチャック本体の平板部の表面側にチャック電極を設けるとともにその表面側および側面部外面側上端部にヒータ層を設け、チャック電極および各ヒータ層に個別に電力を供給するための端子をチャック本体の側面部の下端近辺に設け、且つ、チャック本体の側面部の内側に熱反射板を設けて平板部表面側のヒータ層の熱が下方に逃げることを防止するとともにチャック本体の外側にリング状の熱反射板を設けて側面部外面側上端部のヒータ層の熱が下方に逃げることを防止したことを特徴とするヒータ機構付き静電チャック。
  2. 絶縁基材を用いて平板部と該平板部の周囲から下方に延長する側面部と該側面部の下端から外方に延長する足部とを有するハット形状のチャック本体を一体的に形成し、このチャック本体の平板部の表面側にチャック電極を設けるとともにその表面側および側面部外面側上端部にヒータ層を設け、チャック電極および各ヒータ層に個別に電力を供給するための端子をチャック本体の足部に設け、且つ、チャック本体の側面部の内側に熱反射板を設けて平板部表面側のヒータ層の熱が下方に逃げることを防止するとともにチャック本体の外側にリング状の熱反射板を設けて側面部外面側上端部のヒータ層の熱が下方に逃げることを防止したことを特徴とするヒータ機構付き静電チャック。
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