JP2006179693A - ヒータ付き静電チャック - Google Patents

Abstract

【課題】ウェハ載置面において早急に装置の稼働を可能とし、また、ウェハに均一な温度分布を早急に形成し得るヒータ付き静電チャックを提供する。
【解決手段】熱伝導基材２上にＣＶＤ法で、第一の絶縁体層３、８と、第二の導電パタ−ン層４，９と、第３の絶縁体層５，１０を積層し、その両面もしくは片面に外周縁にまで連通したガス抜き用溝６，１１を設ける。前記第三の絶縁層５，１０の表面形状は、平坦面から前記ガス抜き用溝６，１１に向かって、緩やかな落ち込み形状を有していること、前記ガス抜き用溝６，１１が、幅１〜３ｍｍ、深さ０.０３ｍｍ〜０.２ｍｍで、且つ溝間の距離が５〜１５ｍｍであることが好ましい。
【選択図】図３

Description

本発明は、半導体製造用成膜装置などに用いられるヒータ付き静電チャックであって、急速昇温が可能でかつ昇温中においてヒータ全域を一定の温度に加熱することができる円盤状ヒータ付き静電チャックに関するものである。

半導体素子の製造過程で、主として半導体ウェハの表面に微細配線を形成するために用いられるプラズマＣＶＤ、減圧ＣＶＤ、光ＣＶＤ、ＰＶＤなどの成膜装置や、プラズマエッチング装置においては、半導体ウェハは、反応室内にてヒータ付き静電チャック表面に載置支持される。この時、半導体ウェハ面内での成膜あるいはエッチングの均一性を維持するために、円盤状ヒータに載置された半導体ウェハは均一に加熱されていることが重要となる。

従来、この種の円盤状ヒータでは、アルミナや窒化アルミニウム等のセラミックス等の円盤状の絶縁性基板の上面をウェハ載置面とし、その内部に、ウェハ載置面側に静電チャック電極を、他側にニクロム、タングステン等の高融点金属からなる帯状の発熱抵抗体を埋設したヒータ付き静電チャックが用いられている。この帯状の発熱抵抗体のパターンとしては、通常、略同心円状または渦巻き状に形成したものが用いられている（特許文献１参照）。

静電チャックの吸着力は、被吸着体と静電チャックの静電チャック電極間に静電吸着力を発生させて被吸着体を静電チャックに吸着させるものである。静電吸着力は、クーロン力と、いわゆるジョンセン・ラーベック（Johnsen-Rahbek）力の２種類よりなる。

どちらの力も、静電チャック電極と被吸着体であるウェハとの間の距離の２乗に反比例するとされている。このため、被吸着体と静電チャック表面との距離は、吸着力を管理する上で重要な要素となり、被吸着体（被処理物）の位置によって吸着力に差があると、被処理物たる半導体ウェハ表面の温度分布が大きくなることに繋がると考えられる。

特表２００３−５０４８７１

従来このようなヒータ付き静電チャックでは、温度の均一性を企図して、表面が平坦に仕上げ加工されたものが一般的であった。
ウェハへの微細配線形成工程では、ヒータ付き静電チャックの表面温度を３５０℃から５００℃に維持しており、ゲートバルブを通して反応室に投入されたウェハはヒータ付き静電チャックを貫通して上下にスライド可能に設置されたリフトピン等に載置され、ゆっくりと前記静電チャック表面に降ろされる。

そして、静電チャックの電極に所定の電圧を印加することで、ウェハが静電気力により吸着固定され、発熱抵抗体に通電して加熱昇温される。
ゲートバルブを通して反応室に投入されたウェハは、表面に水分やガスを吸着していることが多い。これを急激に加熱昇温すると、ウェハの裏面に吸着されていたガスや水分が急激に加熱昇温されてウェハから離脱し、前記ヒータ付き静電チャックとウェハの間に滞留し、ウェハの密着性を阻害させることがあり、このことによりウェハの温度分布が部分的に大きく異なることになることがある。
従って、ゲートバルブを通して反応室に投入されたウェハは、直ちに加熱昇温させることができず、時間を掛けて十分にデガスする必要があった。
また、ウェハ処理装置の立ち上げ時には、ヒータ付き静電チャックそのものも吸湿・ガス吸着している可能性があり、ウェハ処理装置の立ち上げ時にも、予熱によってデガスを行う時間をとるのが通常であり、操業開始に準備時間が必要で、操業効率が悪いという問題があった。

本発明は、上記問題点に鑑み、ウェハ載置面において早急に装置の稼働を可能とし、また、ウェハに均一な温度分布を早急に形成し得るヒータ付き静電チャックを提供することを目的とする。

本発明のヒータ付き静電チャックは、両面もしくは片面に外周縁にまで連通したガス抜き用溝を設けたことを特徴とする。本発明のヒータ付き静電チャックの静電チャック機能は、熱伝導基材上にＣＶＤ法で、第一の絶縁体層と、第二の導電パタ−ン層と、第３の絶縁体層が積層されて構成される。前記第三の絶縁層の表面形状が、平坦面から前記ガス抜き用溝に向かって、緩やかな落ち込み形状を有していること、前記ガス抜き用溝が、幅１〜３ｍｍ、深さ０.０３ｍｍ〜０.２ｍｍで、且つ溝間の距離が５〜１５ｍｍであることが好ましい。

本発明によれば、前工程や休止中でのガス環境により吸着したガスや湿分が、加熱昇温に伴う熱膨張・気化・離脱によって、ウェハの静電チャックへの密着性を阻害することがないように通常行われるウェハ処理装置の立ち上げ時やウェハのセッティング時にデガス措置に余分な時間を掛けることなく、早急にウェハの加熱操作を開始することができ、静電チャックからウェハに均一に熱を伝えることが出来るようになり、ヒータ付き静電チャックに載置されたウェハ表面の温度分布を均一にすることができる。

本発明者は、静電チャックを用いた半導体ウェハの処理の操業の迅速化・効率化全般について、また、特にウェハ載置面の温度分布を均一化する方法について、種々検討を重ねた結果、ウェハを載置する面、および発熱抵抗体側の装置フレームないしヒートシンクに接する面に外周縁にまで連通する小さな溝を形成し、この部分の溝を通じてウェハないし静電チャックに吸着されていたガスないし湿分が加熱に伴って離脱した結果生じた圧力を逃がすことにより、デガスのための時間を格別設けなくとも直ちに加熱操作を開始することができ、ウェハの均熱性の向上を図ることが可能であることを見いだし、本発明に至った。
即ち、本発明のヒータ付き静電チャックは、表面に設けた溝を外周縁にまで連通させることにより、ウェハと静電チャック面間ないし静電チャックと装置フレームないしヒートシンク間で発生したデガスによる圧力上昇を、最表面層である絶縁層に形成された溝を通じて圧力を逃がすことを特徴とするものである。

以下、本発明のヒータ付き静電チャックについて、図面をもとに説明する。
図１は、本発明のヒータ付き静電チャックの表面に形成される溝パターンの一実施の形態を示す図である。図２は、本発明のヒータ付き静電チャックの表面に形成される溝パターンの一実施の形態を示す図である。図３は、本発明の静電チャックの表面に形成される溝形状の断面を模式的に示した図である。図４は、溝の縁近傍の形状の詳細を示した図である。図５は、本発明で対象とする半導体製造装置の概略説明図である。

本発明のヒータ付き静電チャックは、その表面に図３および図４に示す断面形状をした溝を有している。
図３において、ヒータ付静電チャック１は、グラファイト等が好適な材料として用いられる熱伝導基材２の一面に、第一の絶縁体層３、第二の導電パターン層（静電チャック電極）４、第三の絶縁体層５がこの順で積層形成され、静電チャック機能を有するようにされている。そして、第三の絶縁体層に、好ましくは幅１〜３ｍｍ、深さ０．０３〜０．２ｍｍのガス抜き用溝６が形成されている。

図４に示されるように、ガス抜き用溝６に向かって、第三の絶縁体層５の表面７は、ほぼ０．５〜１ｍｍ（ｌ₂）に亘って、最大で２〜１０μｍ（ｌ₁）の深さに緩やかな落ち込み形状が形成され、その先は０．５〜３ｍｍのアールが形成される。緩やかな落ち込みとすることによって、ガス抜き用溝６近傍の半導体ウェハに対する固着力の低下を最小限にされている。
ガス抜き用溝６のパターンとしては、適宜に設定できるが、図１、図２に示されるようにすることが例示され得る。図１においては、第三の絶縁体層５の表面７の中心から適宜本数（図示の場合では４本）の直線状のガス抜き用溝６が外周縁にまで連通するように形成され、ガス抜き用溝６の間隔が５〜１５ｍｍとなるように、短い直線上のガス抜き用溝がその間を埋めている。

図２においては、図１の直線状と異なり、螺旋状のガス抜き用溝となっている。
ガス抜き用溝を設けたことにより、半導体ウェハに吸着されていたガス・湿分が加熱に伴って離脱・膨張しても、半導体ウェハと静電チャックとの界面にとどまって圧力上昇を来すことなく系外に排出が可能となるので、この静電チャック１が半導体ウェハ処理装置に組み付けられることにより、半導体ウェハに製膜・エッチング等の処理を行うに際して、半導体ウェハのセッティングの際にデガスのための準備期間を採ることなく直ちに所定温度への加熱操作を開始することができる。

図３に戻って、ヒータ付静電チャック１のヒータ機能側は、静電チャック機能側の反対側で、熱伝導基材２の他面に、（ヒータ機能側）第一の絶縁体層８、ニクロム、タングステン等が好適に用いられ得る第二の発熱体層９、（ヒータ機能側）第三の絶縁体層１０がこの順で積層されており、（ヒータ機能側）第三の絶縁体層１０の表面には、第三の絶縁体層５に設けられているのと同様の（ヒータ機能側）ガス抜き用溝１１が形成されることが好ましい。ヒータ付静電チャック１に（ヒータ機能側）ガス抜き用溝１１を設けることにより、休止後半導体ウェハ処理装置を立ち上げるに際して半導体ウェハ処理装置のデガスをする等の余分の時間を費やすことなく、早急に操業に移ることが可能となる。

本発明の静電チャック、またはヒータ付静電チャックは、図５に示すように、半導体ウェハ処理装置１２の装置フレーム１４ないしヒートシンクに取り付けられる。なお、１３は被処理物たる半導体ウェハ、１５は電源、１６は、処理内容によって異なり得る、ターゲットである。
半導体ウェハ処理装置に取り付けられたヒータ付き静電チャックは、例えば、交流電源をサイリスター制御機能により、図示されていない熱電対でヒータ温度を測定し、図示されていないＰＩＤコントローラにより半導体プロセスとしては比較的高温となる３５０〜５００℃程度で一定に制御される。

この昇温された静電チャック表面に載置されたウェハは、前工程で吸着したガスを放出することが考えられる。しかし、本発明のヒータ付き静電チャックの吸着タイミングは、ウェハ裏面のデガスを待つことなく所定温度にまで昇温させるための加熱を開始することが可能で、ウェハが静電チャック面に接触すると同時に行うことが出来、チャック動作と同時にウェハは加熱昇温されるが、これにより離脱・発生したガス・湿分は、チャック表面に設けられた溝を通じて外部へ排出される。

そのため、チャック表面とウェハ裏面との間にデガスの結果としての気化体が滞留することもなく、デガスによる圧力上昇で、チャック力を低下させることも無く、例えば、８インチウェハ全域を１％以内の温度差で均一に加熱することが出来た。

以上詳述したように、本発明によれば、円盤状のヒータ付き静電チャックのチャック面をウェハ載置面とし、その絶縁層の表面に中心部から外縁に連通した微細な溝を形成することにより、ウェハ裏面とチャック面の閉鎖空間に閉じこめられ加温により生じた圧力上昇を抑制することが可能となり、ウェハと静電チャックの距離も変動することなく、均一な吸着性能が得られるため、載置面に載置されたウェハを均一に加熱することができる。

それにより、ウェハ表面への成膜時に均一な厚みに成膜することができ、また、エッチング加工時に優れた高精度に仕上げることができ、品質の高い半導体素子を製造することができる。
また、前述のごとく、チャック動作を早めることが可能となるため、生産性の向上にも繋がる。
また、この様な溝は、チャック面に限らずヒータ面に形成されていても良く、装置の立ち上げ時は、ヒータ付き静電チャックの交換時等には、これより発生するガス体を確実に排出することが可能となる利点もある。

本発明によれば、半導体デバイスの製造プロセスおよび製造装置において、被処理物たるウェハの交換や、装置休止後の立ち上げに際して、吸着や湿分のデガスを待つ必要が無くなるので、その温度を急速に加熱もしくは冷却することが可能となり、結果として、短時間で安定した温度分布が得られ、生産性の向上につながることから、半導体デバイス製造の技術分野に裨益するところ大である。

本発明のヒータ付き静電チャックの表面に形成される溝パターンの一実施の形態を示す図である。 本発明のヒータ付き静電チャックの表面に形成される溝パターンの一実施の形態を示す図である。 本発明の静電チャックの表面に形成される溝形状の断面を模式的に示した図である。 溝の縁近傍の形状の詳細を示した図である。 本発明で対象とする半導体製造装置の概略説明図である。

符号の説明

１：ヒータ付静電チャック
２：熱伝導基材
３：第一の絶縁体層
４：第二の導電パターン層（静電チャック電極）
５：第三の絶縁体層
６：ガス抜き用溝
７：表面
８：（ヒータ機能側）第一の絶縁体層
９：第一の絶縁体層第二の発熱抵抗体層
１０：（ヒータ機能側）第三の絶縁体層
１１：（ヒータ機能側）ガス抜き用溝
１２：半導体ウェハ処理装置
１３：（被処理物たる）半導体ウェハ
１４：装置フレーム
１５：電源
１６：ターゲット

Claims (4)

1. ヒータ付き静電チャックであって、両表面に絶縁体層を有し、一方の表面に静電チャック機能を有し、かつもう一方の面にヒータ機能を有すると共に、両表面もしくは片方の表面に外周縁にまで連通したガス抜き用溝を設けたことを特徴とするヒータ付き静電チャック。
2. 前記絶縁体層の厚さが６０〜２００μｍである請求項１に記載のヒータ付き静電チャック。
3. 前記静電チャック機能が、熱伝導基材上にＣＶＤ法で、第一の絶縁体層と、第二の導電パタ−ン層と、第三の絶縁体層が積層されて構成される請求項１または請求項２に記載のヒータ付き静電チャック。
4. 前記第三の絶縁体層の表面形状が、平坦面から前記ガス抜き用溝に向かって、緩やかな落ち込み形状を有している請求項１〜３のいずれかに記載のヒータ付き静電チャック。

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