JPH10275854A - 半導体ウェハ下の背面ガス圧力を制御する装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 ウェハを支持部材の表面に均一に保持し、背
面ガス圧をセルフコントロールして、熱伝導性ガスを均
一に供給する装置を得ることを目的とする。 【解決手段】 半導体ウェハプロセスシステムにおい
て、ウェハとウェハ支持部材のウェハ支持表面との間に
自己調節されたガス流を供給する装置である。この装置
は、ウェハ支持部材を貫いて延びガスをウェハ支持表面
に供給するガス導入口と、ウェハ支持部材を貫いてウェ
ハ支持表面から延び、ウェハ支持表面からガスを排気す
る複数の排気口とからなる。複数の排気口は、ウェハ及
びウェハ支持表面の間の背面ガス圧を均一に維持する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、ワークピ
ースを半導体ウェハプロセスシステム内に保持る静電チ
ャックに関するものである。さらに詳しくは、本発明
は、セルフコントロールされた背面ガス圧により、半導
体ウェハがプロセス中に弾け飛ぶ（pop off）のを防止
する、改善されたバイポ―ラ静電チャックに関するもの
である。

【０００２】

【従来の技術】静電チャックは、コンピューターグラフ
ィックスのプロッタに紙を保持したり、半導体ウェハを
半導体ウェハプロセスチャンバー内に保持するなど、ワ
ークピースを保持する種々の応用に使用されている。半
導体ウェハ処理装置において、静電チャックはプロセス
中、半導体ウェハをペデスタルに保持（clamping）する
ために使用される。ペデスタルは、半導体ウェハと親密
に接触するため、ヒートシンク及び半導体ウェハの支持
部材として作用する。いくつかの応用では、ペデスタル
は加熱され、熱源を形成する。これらの静電チャック
は、エッチング、化学的気相堆積（ＣＶＤ）及び物理的
気相堆積（ＰＶＤ）への応用を含む、異なるタイプのウ
ェハプロセスに使用されている。

【０００３】静電チャックは、ワークピースと静電チャ
ックとの間に静電的な引力を生じることによって、ウェ
ハを静電チャックに保持する。静電チャックにおける１
又はそれ以上の電極に電圧が印加され、ワークピース及
び電極にはそれぞれ反対の電荷が印加される。この反対
の電荷によって、ワークピースは静電チャックに引き寄
せられ、ワークピースは保持される。特に、「バイポ―
ラ」静電チャックでは、２つの電極が（同一平面上に）
並んで、所望の電界を発生する。内部チャンバーをグラ
ンドとして、正の電圧は一つの電極に印加され、負の電
圧は他の電極に印加される。反対極性の電圧は、保持さ
れたウェハと静電チャックとの間に静電的な力を生じ
る。

【０００４】ウェハを処理するために使用される材料及
びプロセスは、温度に対し敏感である。これらの材料
は、プロセス中ウェハからの熱伝導が悪いために、過度
な温度変化にさらされなければならず、ウェハプロセス
システムの運転性能は低下ぜざるを得ないかもしれな
い。

【０００５】上述したように、ペデスタルはヒートシン
ク又は熱源を形成しても良い。最適にウェハとチャック
（あるいは、チャックとウェハ）の間を熱伝導するため
に、静電気力が使用され、ウェハ表面を最大限にチャッ
クの支持表面と物理的に接触させる。しかし、ウェハ及
びチャックの表面粗さのために、最適な熱伝達を妨げる
わずかな隙間空間がチャック及びウェハの間に残る。

【０００６】均一な熱伝導特性を促進するために、熱伝
導性ガス（例えばアルゴン）がウェハの下に使用され、
ウェハとチャック表面間の隙間空間に充満されている。
この熱伝導性ガスは、ウェハからチャックへの熱伝導媒
体として作用し、真空よりも優れた熱伝導特性を有す
る。これにより、ウェハの全底面を横切る均一な熱伝導
を促進する。

【０００７】

【発明が解決しようとする課題】しかし、バイポーラ静
電チャックが使用されウェハをペデスタルに静電的に保
持する場合、不均一なバイアス電圧がウェハに印加され
ると、チャック表面を横切る不均一な締付力が発生す
る。言い換えると、ウェハバイアス電圧が不均一である
と不均衡な電荷の蓄積を引き起こすので、チャック中の
一方の電極はより大きな引力を生じ、これにより、他方
の電極よりも強くウェハを引き下げる。この保持する力
における不均衡は、ウェハ下から熱伝導性ガスの漏れを
増加させ、これにより、保持する力が弱くなり、今度は
ウェハ下のガス圧が不均一となる。もしこの圧力不均衡
があまりに大きいと、ウェハはチャックから弾けてペデ
スタルの不適切な位置に配置されることになる。最悪の
場合には、ウェハはペデスタルから完全に弾け、ウェハ
搬送ロボットによって回復できないチャンバー内の位置
に置かれるかもしれない。ウェハが一旦チャックから弾
けると、ウェハは誤って処理されて、意図された最終製
品を製造するためにもはや使用することはできない。さ
らに、ウェハがペデスタルの誤った位置に配置され又は
ペデスタルから完全に除去された場合には、ターゲット
からの粒子は静電チャックの表面に堆積する。チャック
が一旦このようにして汚染された場合には、チャックは
もはや使用することはできず、新しいチャックをペデス
タル上に設置しなければならない。

【０００８】さらに、ウェハが弾ける際の素早いガスの
放出は、静止した粒子を移動させ、最終製品に欠陥をも
たらす破片又は汚染物をウェハ表面に導入することにな
る。加えて、最終製品となる前に、一連のチャンバーに
おいてウェハは処理される。代表的には、ウェハは１つ
のチャンバーから次のチャンバーにウェハ搬送ロボット
のロボットアームによって搬送される。ウェハが一旦弾
けてペデスタル上の位置がずれた場合、ロボットアーム
はウェハを把持しようとするため、ロボットアームの中
心合わせ機構はウェハを誤って整列させる。従って、誤
って整列されたウェハは、次のチャンバーにおいても不
適切な位置に配置され、引き続くチャンバーにおいて静
電チャックを汚染する可能性は増大する。

【０００９】従って、ウェハを支持部材の表面に均一に
保持し、背面ガス圧をセルフコントロールし、熱伝導性
ガスを均一に供給し、これによって、製造コストを付加
することのなくウェハが弾けるのを防止する、半導体ウ
ェハプロセスチャンバーにおける改良された装置が当業
界において求められている。

【００１０】

【課題を解決するための手段】従来技術に関連する欠点
は、本発明による半導体ウェハプロセスシステムにおけ
る静電チャックによって支持されたウェハ下の背面ガス
流れをセルフコントロールする装置によって解消され
る。本発明による装置は、頂部表面及び側壁を有するペ
デスタル、及びこのペデスタルの頂部表面に装着された
静電チャックを備えている。この静電チャックは、誘電
材料中に埋設された一対の電極を備えたバイポーラチャ
ックである。別個なチャックをペデスタルに装着する代
わりに、チャックをペデスタルに一体に、すなわち、電
極をペデスタル表面の下に埋設することができる。

【００１１】静電チャックは、ウェハ支持表面に溝を有
し、熱伝導性ガスを均一に分配する。熱伝導性ガスは、
ペデスタル及びチャックを貫いて延びる少くとも１つの
導入口によって溝に提供される。ガス導入口は、チャッ
クのほぼ中央に配置されている。加えて、ペデスタル
は、ガス分配溝からチャック及びペデスタルを貫いて延
びる背面ガスの排気口を有する。これらの排気口は、チ
ャック表面からの背面ガスをペデスタルを介してペデス
タルの側壁に流す。熱伝導性ガスは、ペデスタル側壁か
らチャンバー内に放射状に排気される。排気口の寸法
は、ウェハ下のわずかな熱伝導性ガス圧を提供し、これ
により、ウェハからチャック又はその逆の十分な熱伝導
を維持する。一つの実施形態において、８個の排気口が
設けられており、各排気口は、約１．６ｍｍの直径を有
し、わずかな背面ガス圧６〜９トル（Ｔｏｒｒ）を生じ
る。

【００１２】本発明は、一つ又はそれ以上の導入口から
複数の排気口に背面ガスを一定の流れを供給する。不均
衡な保持力がウェハに加えられた場合、その場所のウェ
ハ下のガス圧が増加され、相対的に締め付け力が増加す
る。ガス圧が増加するにつれて、排気口を通しての流速
は自動的に増加し、増加したガス圧を軽減する。このよ
うに、ウェハ下のガス圧は実質的に均一となり、これに
より、ウェハが弾ける可能性は実質的に減少する。従っ
て、本発明は、ウェハ下の背面ガス圧を自己調節してウ
ェハが弾けるのを防止する装置を提供するものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明を添付図面に基づい
て、さらに詳細に説明する。図１は、本発明による半導
体ウェハ下の背面ガス圧を制御する装置１００を示す平
面図である。なお、理解を容易にするために、各図中、
同一の図番は、同一又は相当する部材を示す。

【００１４】この装置１００は、半導体ウェハプロセス
システム（図示しない）内のペデスタル上に処理される
ワークピース例えば半導体ウェハを支持し静電的に保持
する静電チャック１０６を含む。図２は、図１の装置１
００の２−２線に沿った断面図であり、ペデスタル１０
２に装着された静電チャック１０６の表面１０８上に、
半導体ウェハ１１０が保持されている。図３は、ウェハ
を除いた本発明による装置を示す斜視図である。本発明
を最良に理解するために、図１、図２及び図３を同時に
参照されたい。

【００１５】より詳細には、本発明の装置は、ペデスタ
ル１０２及び静電チャック１０６を含む。好適には、ペ
デスタル１０２は、耐久性のある金属で作製され、頂部
表面１０４を有する。ウェハを保持するために必要な引
力をつくるために、バイポーラ静電チャック１０６がペ
デスタル１０２の頂部表面１０４に装着されている。静
電チャック及びその動作は、当業界で一般に良く知られ
ている。バイポーラチャックとしては種々の形状であっ
ても適用できるが、図１、図２及び図３は誘電材料内に
埋設された同一平面上の一対の電極１０５を示してい
る。特に、電極は半月状であって、一対のポリイミド層
に挟まれている。換言すれば、電極は、セラミック材料
中に埋設されていても良い。チャック電圧は、電極１０
５に印加される。特に、正の電圧は一方の電極に印加さ
れ、負の電圧は他方の電極に印加される。

【００１６】静電チャック１０６は、半導体ウェハ１１
０のようなワークピースを支持するワークピース支持表
面１０８を有する。印加されたチャック電圧により、半
導体ウェハ１１０は静電チャック１０６のワークピース
支持表面１０８に引っ張られ、静電的に保持される。

【００１７】別個のバイポーラチャックが示されペデス
タルに装着して記述されているが、チャックはペデスタ
ルと一体とすることができる。例えば、ペデスタルは、
セラミックとペデスタル表面下に埋設された電極とから
作製できる。このようなチャック／ペデスタルの組み合
わせは、当業界で一般的である。

【００１８】ペデスタルは、ウェハ裏面とチャック表面
１０８との間の隙間空間１０７に熱伝導性ガス（好適に
はアルゴン又はヘリウム等の不活性ガス）を導入するた
めに、少くとも１つの導入口１１２を備えている。導入
口１１２は、ペデスタル１０２の頂部表面１０４から、
ペデスタル１０２を貫いてプロセスチャンバー（図示し
ない）に延びている。導入口１１２は、外部ガス供給源
からチャンバーへガスを運ぶために必要な配管に接続さ
れている。好適には、この導入口１１２は、ペデスタル
１０２の中央に配置される。開口１１６は、静電チャッ
ク１０６内に形成されており、ガスをペデスタル１０２
からウェハ１１０の裏面に流す。ウェハ１１０の裏面を
横切るガスの分布を均一とするために、静電チャック表
面１０８には、ガス分配溝１１８が設けられている。図
に示すように、これらの溝１１８は、導入口１１２から
外側に放射状に静電チャック１０６の外周１２０の近傍
まで延びている。外周１２０に到達すると、溝は分岐さ
れ、静電チャック１０６の円周の４分の１に延びてＴ字
型を形成する。このような４つのＴ字型の溝は、ガスが
ウェハ１１０の裏面のほぼ全体を覆う範囲を提供する。
Ｔ字型の溝は、本発明に組み合わせて使用されるパター
ンの実施形態の例である。当業者であれば、ガス分配溝
の種々のパターン及び配置（溝が全くない場合も同様）
を実現でき、これらも本発明の範囲に含まれる。

【００１９】また、ペデスタル１０２は、制御された速
度でガスを漏出（又は流出）する排気口１１４を備えて
いる。特に、Ｔ字型溝の外周分岐の端部近傍には、複数
（例えば８個）の開口１１５が設けられている。排気口
１１４は、開口１１５の下に位置して一直線上に並んで
いる。図１の矢印で示すように、ガスは導入口１１２か
らチャック表面１０８を横切り、排気口１１４へ流れ
る。排気口１１４は、ペデスタル１０２中に延び、直角
に曲がって放射状にペデスタル１０２の側壁１２２まで
延びる。また、排気口１１４は、各開口１１５がペデス
タル１０２の側壁１２２に接続するように、斜めに穴を
開けることができる。さらに、排気口１１４は、チャッ
ク及びペデスタルを貫いてペデスタルの下方にガスを排
気するように、垂直に穴が開けられていてもよい。この
ような排気口１１４は、さらに配管に接続され、反応チ
ャンバーからのガスが排気され及び／又はさらにガスを
使用するためにリサイクルされてもよい。

【００２０】不均等な背面ガス圧に起因する過剰なガス
圧は、ウェハの裏面から排除され、プロセスチャンバー
内に発散される。このように、もしバイポーラチャック
が不均一にウェハを保持している場合でも、背面ガス圧
の自己調節によりガスをプロセスチャンバー内に排気す
ることにより、ウェハが弾けるのを防止することができ
る。熱伝導性ガスは不活性又はプロセスガスと同種であ
るため、熱伝導性ガスを過剰にプロセス環境に排気する
ことに起因するプロセス環境を汚染する可能性はない。

【００２１】排気口の目的は、セルフコントロールされ
た背面ガスの漏洩を達成するためである。ウェハの十分
な冷却（又は加熱）を容易にするために、排気口は特定
の寸法を有することが重要であり、これにより、ウェハ
背面の所定の最小熱伝導性ガス圧を維持する。もし排気
口があまりに大きいと、漏れ速度は過大となる。例えば
アルゴン及びヘリウムを使用した温度調節及び熱伝導
は、それ自体効果的でない。もし排気口があまりに小さ
いと、ガス圧の不均衡は、十分高い流速で解消されず、
ウェハはまだ弾けることになる。理想的には、８個の排
気口の各々の直径は、１．６ｍｍ（１／１６″）であ
り、公称の背圧６−９トルを提供する。

【００２２】図４は、本発明による装置の他の実施形態
を示す斜視図である。この実施形態において、排気口の
配置及び数は、第１の実施形態とは変更されており、他
の全ての部材は第１の実施形態と同様である。特に、各
Ｔ字型の分岐（図３）の端部に配置された８個の排気口
は、一連のより小径の排気口１３０で置き換えられてお
り、ペデスタルの側壁を介しての過剰なガスの排気も変
更されている。第１の実施形態におけるように、対応す
る数の開口１３２が静電チャック表面１０８に設けられ
ており、これにより、ガスが排気口１３０に流入する。
この実施形態において、不均一なガス圧への反動は増大
され、より多くの場所で過剰なガスを排気できる。

【００２３】本発明の教示を取り入れた種々の実施形態
を示し詳細に説明したが、当業者であれば、前記の教示
をさらに取り入れた実施形態を容易に工夫することがで
きる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明による装置の平面図である。

【図２】図１の２−２線に沿った断面図である。

【図３】図１に示した装置の斜視図である。

【図４】本発明の第２の実施形態による装置を示す斜視
図である。

【符号の説明】

１００…装置、１０２…ペデスタル、１０４…頂部表
面、１０６…静電チャック、１０７…隙間空間、１０８
…表面、１１０…（半導体）ウェハ、１１２…導入口、
１１４、１３０…排気口、１１５、１３２…開口、１１
８…溝、１２０…外周、１２２…側壁。

Claims (14)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体ウェハプロセスシステムにおける、
   ウェハとウェハ支持部材のウェハ支持表面との間のガス
   流における背面ガス圧を制御する装置であって、 前記ウェハ支持部材を貫いて延び、ガスを前記ウェハ支
   持表面に供給するガス導入口と、及び前記ウェハ支持表
   面から前記ウェハ支持部材を貫いて延び、前記ウェハ支
   持表面からガスを排気する複数の排気口とを備え、 前記複数の排気口は、前記ウェハ及び前記ウェハ支持表
   面の間の背面ガス圧を均一に維持することを特徴とする
   装置。
2. 【請求項２】 前記複数の排気口は、前記ウェハ支持表
   面の外周に近接して均一に配置されていることを特徴と
   する請求項１に記載の装置。
3. 【請求項３】 前記ウェハ支持部材は、ペデスタルと、
   静電チャックとをさらに備え、前記静電チャックは、前
   記ウェハ支持表面を含むことを特徴とする請求項１に記
   載の装置。
4. 【請求項４】 前記ウェハ支持部材の前記ウェハ支持表
   面は、複数のガス分配溝を備えたことを特徴とする請求
   項１に記載の装置。
5. 【請求項５】 前記複数の排気口の直径は、各々約１．
   ６ｍｍであることを特徴とする請求項１に記載の装置。
6. 【請求項６】 前記ガス分配溝は、Ｔ字型のガス分配溝
   であることを特徴とする請求項４に記載の装置。
7. 【請求項７】 前記Ｔ字型のガス分配溝の各分岐は、前
   記ウェハ支持部材の円周の約４分の１に延びていること
   を特徴とする請求項６に記載の装置。
8. 【請求項８】 前記複数のガス分配溝は、４つであるこ
   とを特徴とする請求項１に記載の装置。
9. 【請求項９】 前記排気口の数は、８個であることを特
   徴とする請求項１に記載の装置。
10. 【請求項１０】 前記静電チャックは、バイポーラー型
    であることを特徴とする請求項３に記載の装置。
11. 【請求項１１】 前記ガス分配溝は４つであり、この４
    つのガス分配溝はＴ字型であり、前記Ｔ字型のガス分配
    溝の各分岐は、前記ウェハ支持部材の円周の約４分の１
    に延びており、前記各分岐はその端部に排気口を含むこ
    とを特徴とする請求項４に記載の装置。
12. 【請求項１２】 半導体ウェハプロセスシステムにおけ
    る、ウェハとウェハ支持部材のウェハ支持表面との間の
    自己調節されたガス流を供給する装置であって、 頂部表面及び側壁を有するペデスタルと、 前記ペデスタルの前記頂部表面に装着され、前記ウェハ
    支持表面に溝を有する静電チャックと、 前記ペデスタル及び前記静電チャックを貫いて延び、前
    記溝にガスを供給するガス導入口と、及び前記ペデスタ
    ルを貫いて延びることにより前記溝と前記側壁を接続す
    ると共に、前記ウェハ支持表面からガスの流れを遠ざけ
    る複数の排気口とを備えたことを特徴とする装置。
13. 【請求項１３】 前記複数の排気口は、前記ウェハ支持
    表面の外周に近接して均一に配置されていることを特徴
    とする請求項１２に記載の装置。
14. 【請求項１４】 前記ガス分配溝は４つあり、この４つ
    のガス分配溝はＴ字型であり、前記Ｔ字型のガス分配溝
    の各分岐は、前記ウェハ支持部材の円周の約４分の１に
    延びており、前記各分岐はその端部に排気口を含むこと
    を特徴とする請求項１２に記載の装置。