JP4355159B2

JP4355159B2 - 静電吸着ホルダー及び基板処理装置

Info

Publication number: JP4355159B2
Application number: JP2003110701A
Authority: JP
Inventors: 康実佐護; 一秋金子; 拓士岡田; 真義池田
Original assignee: Canon Anelva Corp
Current assignee: Canon Anelva Corp
Priority date: 2002-04-16
Filing date: 2003-04-15
Publication date: 2009-10-28
Anticipated expiration: 2023-04-15
Also published as: JP2004006813A; KR100886120B1; KR20030082473A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、基板を静電吸着して保持する静電吸着ホルダーに関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板を静電吸着して保持する静電吸着ホルダーは、基板の表面に所定の処理を施す基板処理の分野で盛んに使用されている。例えば、ＬＳＩ（大規模集積回路）をはじめとする各種半導体デバイスや液晶ディスプレイ等の製造においては、製品の元になる基板を処理する工程が多々存在している。この際、処理の均一性や再現性のため、処理中に基板を所定の位置に保持すべく、静電吸着ホルダーが使用される。例えば、レジストパターンをマスクとしたエッチング処理では、プラズマ中で生成されるイオンや活性種の作用を利用してエッチングが行われる。この際、プラズマに対して最適な空間位置に基板を保持するため、静電吸着ホルダーが使用される。
静電吸着ホルダーは、大まかには、静電吸着のための電圧が印加される吸着電極と、吸着電極に印加された電圧によって誘電分極する部材であって基板が直接接する部材である誘電体プレートとから構成されている。基板は、誘電体プレートの表面に誘起された静電気により吸着されて保持される。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
上述した静電吸着ホルダーにおいては、吸着した基板が安定した状態であることが要請される。例えば、基板の処理中に基板の位置が変化したり基板の姿勢が変化したりすると、処理の再現性や均一性が低下する問題がある。
処理の再現性や均一性の観点から基板処理の際に問題となるのは、静電吸着ホルダーの熱変形や熱膨張である。室温より高い温度に基板を保持して処理したり、基板が処理の際に熱を受けて温度上昇したりする場合、静電吸着ホルダーも基板と同様に温度上昇する。この際、静電吸着ホルダーに熱変形や熱膨張が生ずると、吸着保持している基板にも変形や位置ずれが生ずる恐れがある。
本願の発明は、かかる課題を解決するため成されたものであり、基板の変形や位置ずれを抑えた優れた性能の静電吸着ホルダーを提供する技術的意義がある。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、板状の対象物を静電吸着して保持する静電吸着ホルダーであって、
表面が静電吸着面である誘電体プレートと、
吸着電極と、
誘電体プレートと吸着電極との間に設けられているとともに誘電体プレートと吸着電極との中間の熱膨張率を持つ材料より成る第一の層と、
吸着電極の誘電体プレートとは反対側に設けられているともに誘電体プレートと吸着電極との中間の熱膨張率を持つ材料より成る第二の層と、
金属製のホルダー本体と
を備えおり、
前記誘電体プレートはアルミナより成るものであって、前記吸着電極はアルミニウムより成るものであり、前記第一の層はシリコンカーバイドとアルミニウムの複合材より成るものであり、
前記誘電体プレートと前記第一の層とは、インジウムを主成分とするろう材でろう付けされており、
前記吸着電極は前記ホルダー本体に短絡されており、吸着電源がホルダー本体に接続された際、吸着電源による電圧がホルダー本体を介して吸着電極に印加されるものであるという構成を有する。
【０００５】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態について説明する。
まず、静電吸着ホルダーの発明の実施形態について説明する。図１は、静電吸着ホルダーの発明の実施形態の正面断面概略図である。図１に示す静電吸着ホルダーは、ホルダー本体４１と、表面が静電吸着面である誘電体プレート４２と、静電吸着用の電圧が印加される吸着電極４３とから主に構成されている。
【０００６】
本実施形態の静電吸着ホルダーは、全体としては台状であり、上面に板状の対象物９を載置して保持するものである。ホルダー本体４１はアルミニウム又はステンレスなどの金属製である。ホルダー本体４１は、高さの低いほぼ円柱状である。
吸着電極４３は、ホルダー本体４１上に固定されている。図１に示すように、吸着電極４３は、下端部の周囲にフランジ状の部分（以下、電極フランジ）を有する。吸着電極４３は、この電極フランジの部分においてホルダー本体４１に対してネジ止めされることでホルダー本体４１に対して固定されている。尚、吸着電極４３は、ホルダー本体４１に対して電気的に短絡された状態で固定されている。
【０００７】
また、ネジ止めされた電極フランジの部分を覆うようにして保護リング４９が設けられている。保護リング４９は、酸化シリコンのような絶縁物で形成されている。保護リング４９は、吸着電極４３の側面や電極フランジの表面を覆って保護するものである。後述するように、静電吸着ホルダーがプラズマが存在する環境下や放電用の電極として使用される場合、保護リング４９は、吸着電極４３の側面や保護リング４９の表面をプラズマや放電による損傷から保護する。また、静電吸着ホルダーが基板処理に使用される場合、基板がシリコンウェーハであれば、酸化シリコン製の保護リング４９を設けることで、保護リング４９がエッチングされても基板を汚損する可能性は低くなる。
【０００８】
誘電体プレート４２は、吸着電極４３の上側に位置している。吸着電極４３は、図１に示すように、上方に突出した凸部と、その周囲のフランジ状の部分（以下、プレートフランジ）とから成っている。誘電体プレート４２は、吸着電極４３とほぼ同径の円盤状である。
【０００９】
上記静電吸着ホルダーには、吸着電源４０が接続される。吸着電源４０のタイプは、吸着の方式によって多少異なるが、本実施形態では、単極式となっており、正の直流電源が吸着電源４０として採用されている。吸着電源４０は、ホルダー本体４１に接続されており、ホルダー本体４１を介して正の直流電圧を吸着電極４３に印加するようになっている。
吸着電極４３に電圧が印加されると、前述したように、誘電体プレート４２に誘電分極が生じ、対象物９が静電吸着される。本実施形態では、正の直流電圧が印加されるので、誘電体プレート４２の表面には正の電荷が誘起され、これにより対象物９が静電吸着される。
【００１０】
尚、静電吸着のメカニズムとしては、二つのものが知られている。一つは、クーロン力によるものであり、もう一つはジョンソンラーベク力によるものである。ジョンソンラーベク力は、微小な領域に電流が集中することにより生ずる吸着力である。即ち、誘電体プレート４２の表面や対象物９の裏面は、微視的には小さな凹凸があり、対象物９が誘電体プレート４２に載置された際には、これらの凹凸が接触している。吸着電源４０が動作して誘電体プレート４２の表面に電荷が誘起されると、これらの微小な凹凸の接触箇所に電流が集中して流れ、この結果、ジョンソンラーベク力による吸着力が生ずる。本実施形態のような静電吸着ホルダーは、クーロン力よりもジョンソンラーベク力の方が支配的であり、主にジョンソンラーベク力により静電吸着が成される。但し、ジョンソンラーベク力が支配的であるものに本願発明が限定される訳ではない。
【００１１】
さて、本実施形態の静電吸着ホルダーの大きな特徴点は、静電吸着中に熱による対象物９の変位や変形を抑えるための効果的な構成を備えている点である。以下、この点について説明する。
本実施形態のような静電吸着ホルダーは、室温より高い温度の環境下で対象物９の保持を行うことが想定されている。これは、後述するような基板処理装置の場合の他、高温環境下での試験のために対象物９を吸着保持するような場合があげられる。本実施形態の静電吸着ホルダーは、高温状態においても、対象物９の変位や変形が抑制されている。
【００１２】
具体的に説明すると、まず、図１に示すように、誘電体プレート４２と吸着電極４３との間には、第一の層として緩和層４４が挟み込まれている。緩和層４４は、誘電体プレート４２と吸着電極４３との熱膨張率の差を緩和し、誘電体プレート４２の熱による変形や変位を抑制するものである。より具体的には、緩和層４４は、吸着電極４３と誘電体プレート４２の中間の熱膨張率を有する。「中間の熱膨張率」とは、例えば吸着電極４３の熱膨張率の方が誘電体プレート４２より大きい場合、吸着電極４３より小さく且つ誘電体プレート４２より大きい熱膨張率ということである。また、誘電体プレート４２の熱膨張率が吸着電極４３よりより大きい場合、誘電体プレート４２より小さく且つ吸着電極４３より大きい熱膨張率ということである。
【００１３】
さらに具体的に説明すると、本実施形態では、吸着電極４３は、アルミニウムで形成されている。また、誘電体プレート４２は、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）で形成されている。そして、緩和層４４は、セラミックスと金属の複合材で形成されている。
アルミニウムとアルミナとの中間の熱膨張率を持つ複合材としては、シリコンカーバイド（ＳｉＣ）とアルミニウムの複合材（以下、ＳｉＣ−Ａｌ複合材）があげられる。アルミニウムの熱膨張率は、０．２３７１０^−４／Ｋ、アルミナの熱膨張率は７．３×１０^−６／Ｋである。この場合、１０×１０^−６／Ｋ程度の熱膨張率を有するＳｉＣ＋Ａｌ複合材が、緩和層４４の材料として選定される。
【００１４】
このようなＳｉＣ＋Ａｌ複合材としては、ＳｉＣ粉末を高温高圧で焼結させてポーラスな（多孔性の）部材（以下、多孔性セラッミクス）を成形し、融解したアルミニウムをその中に流し込んで充填し、その後に冷却したものが使用できる。多孔性セラミックスの焼結時の温度と圧力を適宜選定することにより、多孔性セラミックスの体積開口率が調整できる。この結果、充填するアルミニウムの量も調整できる。尚、体積開口率は、ポーラスでないセラッミクスの密度に対する多孔性セラミックスの密度の比により求められる。尚、このようにして得られた複合材を機械加工することで、図１に示すような形状の緩和層４４が製作される。このようにして製作するＳｉＣ＋Ａｌ複合材の熱膨張率は、両者の成分比によって異なる。体積開口率を調整して所望の成分比を得ることで、上述した１０×１０^−６／Ｋの熱膨張率とすることができる。
【００１５】
また、どちらかというと、緩和層４４の熱膨張率は誘電体プレート４２に近い方が好ましい。アルミニウムの熱膨張率が０．２３７×１０^−４／Ｋ、アルミナの熱膨張率が７．３×１０^−６／Ｋであることを考慮すると、緩和層４４の熱膨張率は９．５×１０^−６／Ｋ以上であって１０．５×１０^−６／Ｋ以下とすることが好ましい。これには、全体に対してシリコンカーバイドの体積比を５０％〜６０％にしておけば良い。このようにすると、誘電体プレート４２の熱による変形や変位を抑制する効果がさらに高く得られる。尚、「誘電体プレート４２に近い熱膨張率」とは、誘電体プレート４２と吸着電極４３とのちょうど中間の熱膨張率よりも誘電体プレート４２の熱膨張率に近い、という意味である。
【００１６】
また、図１に示すように、本実施形態の静電吸着ホルダーでは、吸着電極４３の誘電体プレート４２とは反対側の表面に、第二の層として被覆層４５が設けられている。つまり、吸着電極４３が緩和層４４と被覆層４５によって挟まれた構造となっている。本実施形態では、被覆層４５は、吸着電極４３とホルダー本体４１との間に挟み込まれた状態となっている。
この被覆層４５も、誘電体プレート４２と吸着電極４３との中間の熱膨張率を持つ材料より形成されている。被覆層４５の材料を緩和層４４と同じにすればこの要件を満足するが、被覆層４５の材料に緩和層４４とは異なる材料を用いても良い。
【００１７】
このように、誘電体プレート４２と吸着電極４３との中間の熱膨張率を持つ材料よりなる緩和層４４と被覆層４５で吸着電極４３を挟んだ構造にしておくと、静電吸着される対象物９の熱による変形や変位を効果的に抑制できる。以下、この点について、図２を使用して詳細に説明する。図２は、図１に示す静電吸着ホルダーの技術的意義について模式的に示した図である。
【００１８】
吸着電極４３は金属であり、誘電体プレート４２はその名の通り誘電体製であるから、一般的に熱膨張率の差が大きい。そして、誘電体プレート４２が吸着電極４３に対して固定されているため、静電吸着ホルダーが熱を受けて全体に温度上昇した際、両者の熱膨張率の違いから、吸着電極４３が大きく変形し易い。この結果、図２（１）に示すように誘電体プレート４２も凸状に変形したり、図２（２）に示すように凹状に変形したりすることがある。このような誘電体プレート４２の変形が生ずると、吸着されている対象物９に変形や変位が生ずる恐れがある。
【００１９】
このような場合、図２（３）に示すように、吸着電極４３と静電吸着ホルダーの間に、中間の熱膨張率を持つ緩和層４４を挿入してやると、熱膨張率の差が緩和され、誘電体プレート４２の変形は抑制される。本願の発明者の研究によると、このような緩和層４４に加え、図２（４）に示すように、さらに反対側にも同様の層（被覆層４５）を設けてやると、さらに誘電体プレート４２の変形が抑えられることが判明した。この理由は、完全に明らかになった訳ではないが、一つには、同様の熱膨張率を持つ層により吸着電極４３がサンドイッチされることで、両側の面の熱膨張のバランスが取れた状態になることが考えられる。また、同様の熱膨張率を持つ層により吸着電極４３がサンドイッチされることで、吸着電極４３の内部応力のバランスが均一になることが原因であるとも考えられる。
【００２０】
内部応力に着目すると、緩和層４４や被覆層４５の内部応力が吸着電極４３の変形を抑制する働きを有しているとも考えられる。例えば、吸着電極４３が上に凸になるように変形しようとした場合、緩和層４４や被覆層４５の内部応力はそれを抑える向きに、つまり下に凸になるように変形するよう作用することがあり得る。また、吸着電極４３に圧縮応力が発生した際、緩和層４４や被覆層４５に引っ張り応力が発生したり、逆に、吸着電極４３に引っ張りが発生した際、緩和層４４や被覆層４５に圧縮が発生することがあり得ると考えられる。一般的に言えば、吸着電極４３の内部応力とは逆向きの内部応力を緩和層４４や被覆層４５が有するということである。この場合の逆向きとは、完全に逆向きでなくともよい。ベクトルで言えば、吸着電極４３の内部応力に対し緩和層４４や被覆層４５の内部応力が９０度を越える角度を成すということである。
【００２１】
いずれにしても、被覆層４５を設けることで、吸着電極４３の変形がさらに抑制され、誘電体プレート４２の変形、及びこれに起因した対象物９の変形や変位がさらに抑制される。尚、被覆層４５が緩和層４４と同様の熱膨張率を持つとは、熱膨張率の値が一致しているということではなく、吸着電極４３と誘電体プレート４２の中間の熱膨張率を持つ、という点で「同様」ということに過ぎない。とはいえ、本実施形態では、緩和層４４と同様のセラッミクスと金属の複合材（例えばＳｉＣ−Ａｌ複合材）が被覆層４５の材料に用いられている。被覆層４５に用いた複合材は、充分な金属含有量を有し、導電性である。これは、被覆層４５が吸着電極４３とホルダー本体４１との間を絶縁しないようにするためである。
【００２２】
尚、誘電体プレート４２の固定の仕方も、誘電体プレート４２の変形等を抑制する上で重要である。ねじ止めのようなスポット的な方法で誘電体プレート４２を固定した場合、固定箇所でピンチされた状態となるとともに固定箇所において局所的に熱伝達性が向上するため、誘電体プレート４２の熱変形が助長される問題がある。
【００２３】
本実施形態では、誘電体プレート４２は、インジウムを主成分とするろう付けにより緩和層４４を挟んで吸着電極４３に接合されている。この場合の「主成分とする」とは、１００％インジウムでも良いし、何らかの添加物が入っていても良い。
例えばインジウムで形成された薄いシート状の部材を誘電体プレート４２と緩和層４４との間に挟み込み、１２０〜１３０℃程度に加熱した後に冷却して全面ろう付けすることで、接合が行われる。
【００２４】
尚、熱接触性や機械的強度を向上させる観点から、ろう付けの際、機械的に圧力をかけて界面での拡散を生じさせる拡散接合の手法を採用することが好ましい。例えば、５７０〜５９０℃程度に加熱し、１〜２ＭＰａ（メガパスカル）程度の圧力をかけて接合する。
このようなろう付けにより誘電体プレート４２が接合されているため、誘電体プレート４２の熱変形がさらに効果的に抑制されている。尚、ろう材としては、尚、緩和層４４と吸着電極４３との固定、吸着電極４３と被覆層４５との固定についても、同様のろう付けとすることができる。
【００２５】
また、誘電体プレート４２、吸着電極４３、緩和層４４及び被覆層４５の合計の厚さ（以下、全体厚さ）は、２８ｍｍ以上３２ｍｍ以下であることが好ましい。これは、次のような理由による。全体厚さが２８ｍｍ未満であると、まず全体に薄くなるので、前述したような熱変形が生じやすくなる。また、２８ｍｍ未満であると、後述するように吸着電極４３内に冷媒流通用の空洞が設けられる場合、その空洞の容積や冷媒が接触する面の面積が足りずに冷却が充分できなかったりする問題がある。一方、全体厚さが３２ｍｍを越えると、必要以上に大きくなり、占有スペース上の問題やコスト上の問題が発生する。吸着電極３２を固定するネジとして長いものが必要になってしまう問題や、保護リング４９も大きなものが必要になってしまう問題も発生する。このようなことから、全体厚さは、２８ｍｍ以上３２ｍｍ以下とすることが好ましい。
【００２６】
次に、基板処理装置の発明の実施形態について説明する。本願発明の基板処理装置は、基板を室温より高い所定の温度に維持しつつ処理する装置である。以下の説明では、このような装置の一例として、プラズマエッチング装置を採り上げる。また、以下の説明では、「対象物」をその下位概念である「基板」に言い換える。
【００２７】
図３は、基板処理装置の発明の実施形態の正面断面概略図である。図３に示す装置は、内部で基板９の表面のエッチングがなされる処理容器１と、処理容器１内に所定のプロセスガスを導入するプロセスガス導入系２と、プロセスガスにエネルギーを与えて処理容器１内にプラズマを形成するプラズマ形成手段３と、プラズマの作用によってエッチングされる処理容器１内の所定の位置に基板９を静電吸着して保持する静電吸着ホルダー４とから主に構成されている。静電吸着ホルダー４は、上述した実施形態のものとほぼ同様である。
【００２８】
処理容器１は、気密な真空容器であり、排気系１１によって内部が排気されるようになっている。処理容器１は、ステンレス等の金属で形成されたおり、電気的には接地されている。排気系１１は、ドライポンプ等の真空ポンプ１１１及び排気速度調整器１１２を備えており、処理容器１内を１０^−３Ｐａ〜１０Ｐａ程度の真空圧力に維持することが可能になっている。
【００２９】
プロセスガス導入系２は、プラズマエッチングに必要なプロセスガスを所定の流量で導入できるようになっている。本実施形態では、ＣＨＦ_３等の反応性ガスをプロセスガスとして処理容器１内に導入するようになっている。プロセスガス導入系２は、ＣＨＦ_３のようなフッ素系ガスのプロセスガスを溜めた不図示のガスボンベと、ガスボンベと処理容器１とを繋ぐ配管等から構成されている。
【００３０】
プラズマ形成手段３は、導入されたプロセスガスに高周波エネルギーを与えてプラズマを形成するようになっている。即ち、プラズマ形成手段３は、静電吸着ホルダー４に対向するようにして処理容器１内に設けられた対向電極３０と、対向電極３０に高周波電圧を印加するプラズマ用高周波電源３１により構成されている。プラズマ用高周波電源３１は、周波数が数１００ｋＨｚ〜数１０ＭＨｚ程度のものであり、不図示の整合器を介して対向電極３０に接続されている。プラズマ用高周波電源３１の出力は、３００〜２５００Ｗ程度でよい。対向電極３０は、絶縁部３２を介在させながら処理容器１に気密に取り付けられている。
【００３１】
プラズマ用高周波電源３１が対向電極３０に高周波電圧を印加すると、処理容器１内に高周波電界が設定され、導入されたプロセスガスに高周波放電が生じ、プラズマが形成される。フッ素系ガスのプラズマ中では、フッ素又はフッ素化合物のイオンや活性種が盛んに生成され、これらのイオンや活性種が基板９に到達することにより基板９の表面がエッチングされる。
尚、静電吸着ホルダー４には、基板９に効率よくイオンを入射させるためのイオン入射用高周波電源６がキャパシタンスを介して接続されている。プラズマが形成されている状態でイオン入射用高周波電源６が動作すると、プラズマと高周波電界の相互作用により、負の直流分の電圧である自己バイアス電圧が基板９に与えられる。この自己バイアス電圧によりイオンが効率良く基板９に入射するため、エッチングが効率よく行われる。
【００３２】
また、本実施形態における静電吸着ホルダー４は、誘電体プレート４２のプレートフランジに、補正リング４６が設けられている。補正リング４６は、誘電体プレート４２上の基板９とほぼ面一になるよう設けられている。補正リング４６は、単結晶シリコン等の基板９と同じ又は類似した材料で形成されている。補正リング４６は、基板９の周辺部分における処理の不均一化を防止するものである。
本実施形態の装置において、基板９の周辺部分は、基板９の端面からの熱放散があるため、中央部分に比べて温度が低くなり易い。そこで、端面からの熱の放散に見合うだけの熱が与えられるように、基板９と同じ材料で形成された補正リング４６を基板９の周囲に設けて基板９の温度を均一にしている。
【００３３】
また、処理容器１内に形成されたプラズマは、エッチングの過程で基板９から放出されるイオンや電子によっても維持されている。プラズマが形成された空間全体のうち基板９の周辺部分を臨む部分は、基板９の中央部分を臨む部分に比べてイオンや電子の供給が少なく、プラズマ密度が低くなっている。このため、基板９と同じ材料で形成された補正リング４６を周囲に設けることにより、基板９の周辺部分を臨む空間部分への電子やイオンの供給量を相対的に多くしてプラズマ密度を均一にしている。
【００３４】
静電吸着ホルダー４は、絶縁ブロック４７を介して処理容器１に取り付けられている。絶縁ブロック４７は、アルミナ等の絶縁材で形成されており、ホルダー本体４１と処理容器１とを絶縁するとともに、ホルダー本体４１をプラズマから保護するようになっている。尚、処理容器１内に真空リークが生じないようにするため、静電吸着ホルダー４と絶縁ブロック４７との間及び処理容器１と絶縁ブロック４７との間にＯリング等の封止部材が設けられている。
【００３５】
また、本実施形態では、処理中に基板９を冷却しながら温度制御する温度制御手段５が設けられている。エッチングの際に維持すべき基板９の温度（以下、最適温度）は、室温より高いある程度の高温である場合が多い。しかしながら、基板９はエッチング中にプラズマからの熱を受けて温度上昇し、最適温度を超えてしまう場合が多い。温度制御手段５は、エッチング中に基板９を冷却し、最適温度に維持するようにしている。
【００３６】
図３に示すように、吸着電極４３は、内部に空洞を有している。温度制御手段５は、この空洞に冷媒を流通させて吸着電極４３を冷却し、間接的に基板９を冷却するものである。温度制御手段５は、吸着電極４３内の空洞に冷媒を供給する冷媒供給管５１と、空洞から冷媒を排出する冷媒排出管５２と、冷媒の温度調節を行いながら冷媒を循環させるサーキュレータ５３等から構成されている。冷媒としては、流体が用いられ、例えば３Ｍ社製のフロリナート（商品名）が使用される。温度制御手段５は、冷媒を３０〜４０℃程度にして循環させることで、基板９を室温より高い８０〜９０℃程度に冷却するよう構成されている。
【００３７】
尚、静電吸着された基板９と誘電体プレート４２との間にガスを供給して熱伝達性を向上させる不図示の熱伝達用ガス導入系が設けられている。基板９の裏面の微小な凹凸及び誘電体プレート４２の表面の微小な凹凸により形成される微小な空間は、真空圧力となり、熱伝達性が悪い。熱伝達用ガス導入系は、この微小な空間にヘリウムのようなガスを導入して熱伝達性を改善する。
また、静電吸着ホルダー４は、基板９の受け渡しのためのリフトピン４８を内蔵している。リフトピン４８は、不図示の昇降機構によって昇降するようになっている。リフトピン４８は、図３では一本のみが示されているが、実際には三本程度設けられている。
【００３８】
次に、上記実施形態の基板処理装置の動作について説明する。
不図示の搬送機構によって基板９が処理容器１内に搬入され静電吸着ホルダー４上に載置されると、吸着電源４０が動作し、基板９は静電吸着ホルダー４に静電吸着される。排気系１１によって処理容器１内は予め所定の圧力まで排気されている。この状態で、プロセスガス導入系２が動作し、所定のプロセスガスが導入される。そして、プラズマ用高周波電源３１が動作し、前述したようにプラズマが生成されてエッチングが行われる。温度制御手段５は、基板９を冷却しながら最適温度に維持する。このようにして所定時間エッチングを行った後、プロセスガス導入系２、プラズマ用高周波電源３１、イオン入射用高周波電源６の動作を停止する。そして、吸着電源４０の動作を停止させて静電吸着を解除し、処理容器１内を排気した後、不図示の搬送機構によって基板９が搬出される。
【００３９】
上記基板処理装置では、エッチング中に吸着電極４３は室温より高い温度となるものの、前述したように、緩和層４４と被覆層４５により変形が抑えられる。このため、誘電体プレート４２の変形及びこれに起因した基板９の変形や変位も抑制される。従って、処理の均一性や再現性が高くなる。
【００４０】
緩和層４４及び被覆層４５による熱変形の抑制の技術的意義は、本実施形態のように補正リング４６を使用する場合に著しい。以下、この点について説明する。
補正リング４６は、基板９を外側に向けて実質的に延長した（大きくした）構成とするものであり、前述したように基板９と同様の材質であって基板９とほぼ面一となるものである。このため、誘電体プレート４２は、プレートフランジを有し、この部分に補正リング４６が配置される。補正リング４６は、基板９と同様に静電吸着され、前述した作用効果を奏する。
【００４１】
ここで、補正リング４６が置かれたプレートフランジは、厚さが薄く、また周縁部であるため、熱変形し易く変形量も大きくなり易い。もし、補正リング４６に変形や変位が生ずると、基板９の端面からの熱放散を補償する作用が不均一になってしまう。また、変形や変位によって補正リング４６の誘電体プレート４２に対する熱接触性が低下し、基板９に比べて温度が高くなってしまう。特に問題なのは、補正リング４６の誘電体プレート４２に対する熱接触性の低下がランダムに生ずると、補正リング４６が基板９を加熱する作用もランダムに生じ、処理の際の基板９の温度の再現性が大きく低下してしまう点である。
本実施形態では、前述したように吸着電極４３の変形を抑え込むことで誘電体プレート４２の変形や変位を抑制しているので、補正リング４６の変形や変位もまた抑制されている。このため、上述した基板９の温度の不均一化や再現性低下が抑制されている。
【００４２】
次に、上記本実施形態の構成による効果について確認した実験の結果について説明する。図４から図７は、実施形態の構成による効果について確認した実験の結果について概略的に示した図である。
図４から図７に結果を示す実験は、前述した実施形態の静電吸着ホルダー４を異なる温度（又は温度履歴）にした状態で、誘電体プレート４２の表面の変形又は変位を測定したものである。測定は、静電吸着ホルダー４の上方に一定の高さを設定し、この高さから誘電体プレート４２の表面の各点までの距離を距離計により計測することにより行われた。
【００４３】
図４及び図５は、誘電体プレート４２の凸部の表面の各点の高さを示している。このうち、図４は、緩和層４４及び被覆層４５のない従来タイプの静電吸着ホルダーの場合、図５は、緩和層４４及び被覆層４５のある実施形態のタイプの静電吸着ホルダー４の場合である。また、図６及び図７は、誘電体プレート４２のフランジ部の表面の各点の高さを示している。図６は、緩和層４４及び被覆層４５のない従来タイプの静電吸着ホルダーの場合、図７は、緩和層４４及び被覆層４５のある実施形態のタイプの静電吸着ホルダー４の場合である。尚、図６及び図７におけるプレートフランジの表面上の点（▲１▼，▲２▼，▲３▼，▲４▼）が具体的にどこであるのか、同様の符号（▲１▼，▲２▼，▲３▼，▲４▼）で図１中に指し示されている。
【００４４】
図４から図７において、Ａは、２０℃の状態で一晩放置してからそのまま２０℃の条件で測定したデータ、Ｂは５℃に維持して測定したデータ、Ｃは、５℃にした後に加熱して２０℃にして測定したデータ、Ｄは、５０℃に維持して測定したデータ、Ｅは５０℃にした後に強制冷却して２０℃にして測定したデータである。尚、静電吸着ホルダー４は、リフトピン４８等のような内蔵部材のため表面に開口を有するが、開口の部分に相当するデータは図４から図７では無視されている。
【００４５】
まず、図４から図７に示すデータにおいて、一般的に、温度が高い方が誘電体プレート４２の表面は高い位置に位置している。これは、静電吸着ホルダー４全体の熱膨張に主に起因しており、ある意味で当然の結果である。問題なのは、誘電体プレート４２の表面の変位又は変形の仕方が温度又は温度履歴によって異なることである。
即ち、図５に示す、静電吸着ホルダー４の表面の各点の高さを結んだ線（以下、表面高さ分布）は、同様の形状を描きながら、温度又は温度履歴によって上昇したり下降したりしている。つまり、平行移動している。これは、誘電体プレート４２が、基本的には変形せず、全体に均一に熱膨張していることを示していると考えられる。
【００４６】
しかし、図４では、表面高さ分布は、異なる形状を描きながら温度又は温度履歴によって上昇したり下降したりしている。つまり、平行移動していない。これは、誘電体プレート４２の変形が生じていることを示していると考えられる。特に問題なのは、温度履歴によって表面高さ分布が異なる形状になってしまうことである。つまり、同じ２０℃の場合の測定であっても、一晩放置して自然になった場合と、５℃の後に加熱してなった場合と、５０℃の後に強制冷却してなった場合とでは、表面高さ分布は異なった曲線になってしまっている。
【００４７】
プレートフランジにおけるデータについても、同様のことがいえる。即ち、図６及び図７とを比較すると解るように、緩和層４４及び被覆層４５がある場合は、表面高さ分布は平行移動しながら上昇したり下降したりしているが、それらが無い従来の構成では、そうはなっていない。そして、温度履歴が相違する場合も、表面高さ分布は異なる曲線となっている。
【００４８】
温度履歴によって表面高さ分布が異なってしまうことは、基板処理の再現性という点で深刻な問題をもたらす。基板処理装置は、製造メーカーで製造され、出荷テスト等を経て生産ラインに組み込まれて使用される。しかしながら、実際に基板処理が行われるまでの静電吸着ホルダー４の温度履歴は、常に同じという訳にはいかない。たとえ全く同じ処理を行う装置であっても、出荷テストや生産ラインでの稼働テスト等において、異なる温度履歴になることが殆どである。さらに、基板９の枚葉処理を考えてみると、ある基板９が処理される際のそれまでの静電吸着ホルダー４の温度履歴と、別の基板９が処理される際のそれまでの静電吸着ホルダー４の温度履歴とが相違することは、往々にしてありうる。例えば、枚葉処理が連続して行われている場合と、定期メンテナンスがあり、装置の稼働が相当時間停止した後に最初に処理する場合とでは、温度履歴が相違してしまうことは容易に想像がつく。
【００４９】
温度履歴によって表面高さ分布が異なるということは、温度制御手段５によって静電吸着ホルダー４を一定の温度に維持していても、温度履歴によって基板９の位置や形状が変化してしまうことを意味する。つまり、処理の再現性の点で深刻な問題となってしまう。一方、緩和層４４及び被覆層４５がある構成では、温度履歴によって表面高さ分布が異なることはなく、基板９の位置や形状は変化しない。従って、静電吸着ホルダー４をある定められた温度に維持するだけで再現性の高い処理が行えることになる。
【００５０】
次に、本願発明の別の実施形態について説明する。
図８は、本願発明の別の実施形態に係る静電吸着ホルダーの正面断面概略図である。図８に示す静電吸着ホルダー４は、吸着電極４３の構造が異なっている。この実施形態では、吸着電極４３は、一対の電極板４３１，４３２から構成されている。
【００５１】
下側の電極板４３１は、上側の電極板４３２に向かい合った面に上方に突出した多数のフィンを有している。これらのフィンは、静電吸着ホルダー４と同軸の円周上に延びる円弧状又は円周状である。これらのフィンは、冷却フィンと同様の機能を有する。上側の電極板４３２は、下側の電極板４３１に向かい合った面に下方に突出した多数のフィンを有している。これらのフィンも、静電吸着ホルダー４と同軸の円周上に延びる円弧状又は円周状で、冷却フィンと同様の機能を有する。図８に示すように、一対の電極板４３１，４３２のフィンは、互い違いに入り込んでいる。即ち、下側の電極板４３１の各フィンは、上側の電極板４３２の二つのフィンの間に入り込み、上側の電極板４３２の各フィンは、下側の電極板４３１の二つのフィンの間に入り込んでいる。
【００５２】
このような両側の電極板４３１，４３２のフィンにより、図８に示すような複雑な形状の空洞４３０が形成されている。そして、この空洞に冷媒を流通させて吸着電極４３を冷却し、間接的に基板９を冷却する温度制御手段が設けられている。温度制御手段は、空洞４３０に冷媒を供給する冷媒供給管５１と、空洞４３０から冷媒を排出する冷媒排出管５２と、冷媒の温度調節を行いながら冷媒を循環させる図８中不図示のサーキュレータ等から構成されている。
【００５３】
この実施形態によれば、冷媒が接触する吸着電極４３の表面積がより大きいので、冷却の効率が高くなっている。このため、投入電力を大きくしてプラズマ密度を高くすることで処理速度を高くした場合でも、基板９の温度を所定の低温に保持することが容易であり、処理の高速化に貢献できる。また、フィンが、静電吸着ホルダー４と同軸の円周上に延びる円弧状又は円周状である構成は、吸着電極４３を均一に冷却するに役立ち、この点は、基板９の温度を均一にして均一な処理を行うのに貢献する。
【００５４】
尚、このような技術的意義は、本実施形態のように緩和層４４と被覆層４５とを有するものではない静電吸着ホルダーの場合でも同様に妥当する。従って、図８についての上記説明は、請求項８及び請求項９の発明の実施形態の説明でもある。尚、プラズマを形成しない場合の例としては、例えば処理後に基板９を冷却する場合があり、このような場合に用いられる静電吸着ホルダーとして、上記構成は好適に採用され得る。尚、吸着電極４３が上下に配置された一対の電極板４３１，４３２から成ることは、必ずしも必要ではなく、左右に一対の電極板が配置されていても良い。
【００５５】
【実施例】
上述した実施形態に属する実施例について、以下に説明する。
静電吸着ホルダーの実施例として、以下の構成があげられる。
吸着電極４３の材料：アルミニウム
誘電体プレート４２の材料：アルミナ
誘電体プレート４２の固定：インジウムによるろう付け
緩和層４４の材料：ＳｉＣ＋Ａｌ複合材
緩和層４４の厚さ：１２ｍｍ
被覆層４５の材料：ＳｉＣ＋Ａｌ複合材
被覆層４５の厚さ：１２ｍｍ
吸着用電圧：５００Ｖ
上記構成の静電吸着ホルダー４を使用し、直径３００ｍｍの基板９を静電吸着しながらプラズマエッチングを行う装置が、基板処理装置の実施例としてあげられる。
【００５６】
上述した実施形態及び実施例において、緩和層４４及び被覆層４５の材料として、ＳｉＣ＋Ａｌの複合材が使用されたが、他のセラミックスと金属の複合材でも良い。例えば、シリコンカーバイドと銅の複合材や、ニッケルとＳｉＣとの複合材、鉄−ニッケル−コバルト合金とＳｉＣとの複合材、鉄−ニッケル合金とＳｉＣとの複合材、ニッケルとＳｉ_３Ｎ_４との複合材、鉄−ニッケル−コバルト合金とＳｉ_３Ｎ_４との複合材、鉄−ニッケル合金とＳｉ_３Ｎ_４との複合材等である。また、セラミックスと金属の複合材に限定される訳ではなく、吸着電極４３と誘電体プレート４２の中間の熱膨張率を有するものであれば良い。
【００５７】
また、静電吸着のタイプとして、前述した単極式の他、双極式や多極式がある。双極式は、一対の吸着電極を設け、正負の電圧（互いに極性の異なる電圧）を印加するタイプである。多極式は、多数対の吸着電極を設け、対を構成する電極に正負の電圧を印加するタイプである。双極式や多極式のタイプでは、吸着電極が誘電体プレートの中に埋設される場合もある。また、単極式の場合、負の直流電圧を印加するタイプもある。このようなタイプの場合であっても、本願発明は同様に実施できる。
さらに、上述した静電吸着ホルダー４は、対象物又は基板９を上面に載置して保持するものであったが、静電吸着面を下方に向けて保持する構成や、側方に向けて保持する（対象物又は基板９を立てて保持する）構成が採用されることもある。
【００５８】
また、上述した説明では、基板処理の例として、プラズマエッチング装置をとりあげたが、プラズマ化学蒸着（ＣＶＤ）装置、スパッタリング装置など、他の基板処理装置についても同様に実施できる。尚、温度制御手段５は、処理中に基板９を加熱しながら所定の温度に維持する場合もある。また、静電吸着ホルダー４の用途としては、基板処理の他、環境試験装置のように対象物９の試験を行う場合などがあげられる。
【００５９】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の請求項１の発明によれば、吸着電極の変形が抑制されるので、対象物を安定して吸着することができる。
また、請求項２の発明によれば、上記効果に加え、吸着電極の熱変形が生じにくく、吸着電極内に冷媒流通用の空洞が設けられる場合、その空洞の容積や冷媒が接触する面の面積が足りずに冷却が充分できなかったりする問題がない。また、占有スペース上の問題、コスト上の問題、吸着電極を固定する際の問題なども発生しない。
また、請求項３又は４の発明によれば、上記効果に加え、誘電体プレートの熱による変形や変位を抑制する効果がさらに高く得られる。
また、請求項８の発明によれば、静電吸着ホルダーが室温より高い温度に加熱される場合でも、再現性や均一性の点で優れた基板処理を行うことができる。
また、請求項９の発明によれば、上記効果に加え、補正リングを使用する効果が損なわれないという効果が得られる。
【図面の簡単な説明】
【図１】静電吸着ホルダーの発明の実施形態の正面断面概略図である。
【図２】図１に示す静電吸着ホルダーの技術的意義について模式的に示した図である。
【図３】基板処理装置の発明の実施形態の正面断面概略図である。
【図４】実施形態の構成による効果について確認した実験の結果について概略的に示した図である。
【図５】実施形態の構成による効果について確認した実験の結果について概略的に示した図である。
【図６】実施形態の構成による効果について確認した実験の結果について概略的に示した図である。
【図７】実施形態の構成による効果について確認した実験の結果について概略的に示した図である。
【図８】本願発明の別の実施形態に係る静電吸着ホルダーの正面断面概略図である。
【符号の説明】
１処理容器
１１排気系
２プロセスガス導入系
３プラズマ形成手段
３０対向電極
３１プラズマ用高周波電源
４静電吸着ホルダー
４０吸着電源
４１ホルダー本体
４２誘電体プレート
４３吸着電極
４３０空洞
４３１電極板
４３２電極板
５温度制御手段
５イオン入射用高周波電源
９対象物又は基板

Claims

板状の対象物を静電吸着して保持する静電吸着ホルダーであって、
表面が静電吸着面である誘電体プレートと、
吸着電極と、
誘電体プレートと吸着電極との間に設けられているとともに誘電体プレートと吸着電極との中間の熱膨張率を持つ材料より成る第一の層と、
吸着電極の誘電体プレートとは反対側に設けられているともに誘電体プレートと吸着電極との中間の熱膨張率を持つ材料より成る第二の層と、
金属製のホルダー本体と
を備えており、
前記誘電体プレートはアルミナより成るものであって、前記吸着電極はアルミニウムより成るものであり、前記第一の層はシリコンカーバイドとアルミニウムの複合材より成るものであり、
前記誘電体プレートと前記第一の層とは、インジウムを主成分とするろう材でろう付けされており、
前記吸着電極は前記ホルダー本体に短絡されており、吸着電源がホルダー本体に接続された際、吸着電源による電圧がホルダー本体を介して吸着電極に印加されるものであることを特徴とする静電吸着ホルダー。
前記誘電体プレート、前記吸着電極、前記第一の層及び前記第二の層の合計の厚さは、２８ｍｍ以上３２ｍｍ以下であることを特徴とする請求項１記載の静電吸着ホルダー。
前記複合材は、全体に対するシリコンカーバイドの体積比が５０％以上６０％以下であることを特徴とする請求項１又は２に記載の静電吸着ホルダー。
前記複合材の熱膨張率は、９．５×１０^−６／Ｋ以上であって１０．５×１０^−６／Ｋ以下であることを特徴とする請求項１乃至３いずれかに記載の静電吸着ホルダー。
前記吸着電極はホルダー本体側の端部の周囲に電極フランジを有しており、この電極フランジはホルダー本体側に突出しており、前記第二の層は電極フランジの内側に設けられていることを特徴とする請求項１乃至４いずれかに記載の静電吸着ホルダー。
前記吸着電極は、前記電極フランジにおいて前記ホルダー本体に対してネジ止めされていることを特徴とする請求項５に記載の静電吸着ホルダー。
前記ネジは、前記第二の層を貫通していないことを特徴とする請求項６に記載の静電吸着ホルダー。
基板を室温より高い所定の温度に維持しつつ基板の表面に所定の処理を施す基板処理装置であって、前記請求項１乃至７いずれかの静電吸着ホルダーを備えており、当該静電吸着ホルダーに基板を保持させつつ処理するものであることを特徴とする基板処理装置。
前記誘電体プレートは、基板が静電吸着される部分の周囲に段差が設けられていて低くなっており、この低くなった部分には、静電吸着される基板を取り囲む補正リングが設けられており、補正リングは、基板の周辺部における処理の不均一化を防止するものであることを特徴とする請求項８記載の基板処理装置。