JP2009141220A

JP2009141220A - 静電チャック

Info

Publication number: JP2009141220A
Application number: JP2007317624A
Authority: JP
Inventors: Tetsuo Kitabayashi; 徹夫北林; Toshiya Umeki; 俊哉梅木; Chikashi Saito; 千可士齊藤; Atsushi Tsuchida; 淳土田; Hironori Ishida; 弘徳石田
Original assignee: Nihon Ceratec Co Ltd; Taiheiyo Cement Corp
Current assignee: Taiheiyo Cement Corp; NTK Ceratec Co Ltd
Priority date: 2007-12-07
Filing date: 2007-12-07
Publication date: 2009-06-25
Anticipated expiration: 2027-12-07
Also published as: JP4890428B2

Abstract

【課題】ガラス基板などの絶縁性基板をプラズマ処理装置内で処理する場合に、絶縁性基板が吸着でき、高周波電力負荷に対するインピーダンスの小さい静電チャックを提供する。
【解決手段】セラミックス焼結体からなる誘電体層と、前記誘電体層の一方の面に設けられた一対の櫛歯状の電極と、該電極が設けられた面を覆う絶縁膜と、温度調節手段が設けられた金属製プレートと、を備え、前記誘電体層の一方の面と前記金属製プレートとが接合された静電チャック。
【選択図】図１

Description

本発明は、主にMEMSプロセスやFPDプロセスに係り、特にガラス基板や絶縁膜が形成されたシリコンウエハのプラズマエッチング工程において使用される絶縁性基板吸着用静電チャックに関する。

絶縁性基板を静電吸着するには、グレーディエント力を用いた静電チャックが用いられる。グレーディエント力を用いた静電チャックは、誘電体層の厚さ及び電極間隔が小さく形成される。例えば、緻密なセラミックス膜のコーティングにより誘電体層の厚さを３μｍ〜１００μｍ、電極間隔を１０〜３００μｍとした静電チャックが開示されている（例えば、特許文献１）。また、プラズマ処理装置内で絶縁性基板の温度をコントロールするために静電チャックの下部に冷却媒体が流れる流路を内蔵したプレートやヒーターを内蔵したプレートと接合した静電チャックが開示されている（例えば、特許文献２）。
特開２００５−２２３１８５号公報特開２００２−３６８０６９号公報

上述のようにグレーディエント力を用いた静電チャックで大きな吸着力を得るには特許文献１に記載された例のように、誘電体層の厚さや電極間隔等を非常に小さくし、電極間に働く電界強度を高める必要があった。特許文献１のようなセラミックス膜コーティングの場合、誘電体層の厚さは薄くできるもののセラミックス膜自身にピンホールが形成される可能性が高いため、ピンホールの部分から放電したり、エッチングガスによる腐食が生じたりするおそれがあった。

一方、セラミックス焼結体を誘電体層とした場合は、ピンホールは生じないものの電極間距離、誘電体層の厚さを小さくすることは困難であった。特許文献２の静電チャックの例では、電極間の絶縁性を向上させるために、電極間に溝を形成した構成を採用しているが、このような構成では、電極間の絶縁性を得るためには、０．５ｍｍ以上の電極間距離が必要であり、絶縁性基板を吸着できるグレーディエント力を用いた静電チャックとすることができなかった。さらに、電極間に溝を形成しなければならないので、必然的に誘電体の厚さが大きくなるため、高周波電力を負荷するプラズマ処理装置内で使用すると、インピーダンスが大きくなり電力のロスが大きいという問題があった。

本発明は、上記の複数の問題を同時に解決するためになされたもので、ガラス基板などの絶縁性基板をプラズマ処理装置内で処理する場合に、絶縁性基板が吸着でき、高周波電力負荷に対するインピーダンスの小さい静電チャックを提供する。

本発明は、上記問題を解決するために、セラミックス焼結体からなる誘電体層と、前記誘電体層の一方の面に設けられた一対の櫛歯状の電極と、該電極が設けられた面を覆う絶縁膜と、温度調節手段が設けられた金属製プレートと、を備え、前記誘電体層の一方の面と前記金属製プレートとが接合された静電チャックを提供する。

また、本発明は、前記電極は、前記誘電体層の一方の面に設けられた櫛歯状の溝部の少なくとも底面に設けられたことを特徴とする。

本発明では、電極が櫛歯状の溝部の底面に設けられているので、誘電体層の他方の面、すなわち吸着面、と電極との間の距離を極めて小さくすることができる。したがって、グレーディエント力を発現する絶縁性基板の静電吸着に適した静電チャックを得ることができる。また、吸着面と電極との距離が小さくなれば、セラミックス焼結体からなる誘電体層の厚さを小さくできるので、高周波電力を負荷したときのインピーダンスを小さくすることができ、電力のロスを抑えることが可能となる。また、誘電体層は、セラミックス焼結体からなるので、セラミックス膜コーティングのようにピンホールが無く、エッチングガスに対する耐食性にも優れている。

また、本発明は、前記誘電体層の厚さが１０００μｍ以下、前記一対の櫛歯状の電極の電極間隔が５０μｍ以上５００μｍ未満、電極幅が５０μｍ以上２０００μｍ未満、前記絶縁膜の厚さが５０μｍ以上５００μｍ未満である静電チャックを提供する。

絶縁性基板を吸着するグレーディエント力を大きくするためには、電極間隔（μｍ）と誘電体層厚さ（μｍ）の関係は１０：１〜１：２の範囲であることが好ましい。これより誘電体層厚さの比率が小さくなると接合後の誘電体層の加工により誘電体層の破損の可能性が著しく高くなる。また誘電体層厚さの比率が大きくなると、不平等電界の傾きが小さくなってグレーディエント力が小さくなり絶縁性ガラス基板の室温での吸着力が低下する。より好適なのは電極間隔と誘電体層の関係が３：１〜１：１である。本発明では、電極を櫛歯状の溝部の底面に設けられているので、誘電体層厚さを小さくすることができ、電極間隔と誘電体層の関係を適切に調整することが可能となる。

本発明では、電極が櫛歯状の溝部の底面に設けられているので、隣接する電極との絶縁性を十分に高めることができると共にグレーディエント力による吸着力を大きくすることができる。これは、電極と電極との間は、誘電率の高い誘電体層によって仕切られているため、特許文献２の静電チャックのように誘電率の低い有機系接着剤によって仕切られている場合と比べて、不平等電界の効果が大きくなるためである。

さらに、前記絶縁膜はポリイミド蒸着膜、ポリイミドワニスの硬化物またはポリイミドフィルムである静電チャックを提供する。

本発明において、絶縁膜としてポリイミド蒸着膜等を用いるのは、これらの膜はボイドが生じ難いため絶縁性が良好であり、また、絶縁膜の形成が簡易だからである。

本発明によれば、セラミックス焼結体からなる誘電体層の一方の面に櫛歯状の電極を設け、絶縁膜で絶縁して作製された誘電体層を金属製プレートに接合することにより、ガラス基板などの絶縁性基板をプラズマ処理装置内で処理する場合に、絶縁性基板が吸着でき、高周波電力負荷に対するインピーダンスの小さい静電チャックを提供できる。

図１は本発明の代表的な静電チャックの概略断面図である。本発明の静電チャックは、セラミックス焼結体からなる誘電体層１、一対の櫛歯状の電極２、電極と外部の電気接続を可能にするために設けられた端子６、温度調節手段として加熱または冷却媒体の流路を有する金属製プレート４とから構成され、誘電体層１と金属製プレート４とは接着剤３で接合されている。

セラミックス焼結体からなる誘電体層１としてエッチングガスに対する耐食性のよいＡｌＮセラミックス焼結体やＭｇＡｌ_２Ｏ_４セラミックス焼結体を２〜５ｍｍ程度に薄く平板状に加工したものが最適である。エッチング特性が若干劣るもののＡｌ_２Ｏ_３セラミックス焼結体でもかまわない。

図２は、本発明の誘電体層１の一方の面に形成された櫛歯状の電極２を表す該略図である。また、図３はその断面概略図である。セラミックス焼結体からなる誘電体層の一方の面に櫛歯状の電極を形成する手段としては、一方の面にブラスト加工により５〜５００μｍ程度の深さの櫛歯状の溝部７を形成し、溝部７の溝幅が２０μｍ〜４５０μｍ、溝間隔が２０μｍ〜４５０μｍとしておく。その上からイオンプレーティングなどの比較的低温で成膜できるドライプロセスによりＣｒ、Ｔｉの導電性薄膜を形成し、必要であれば更にＮｉメッキなどで厚い電極を溝内部に形成することができる。こうして導電性膜が形成された誘電体層の一方の面を研削加工することにより、イオンプレーティング等により溝部の間に付着した導電性膜は除去され、溝部の導電性膜のみが電極として形成される。溝部のみに電極を形成する方法としては、研削加工の他、マスキングやブラスト加工等が適用できる。

電極２は図３に示したように、少なくとも溝部７の底面に形成される。電極間の絶縁のためには、溝部の底面にのみ電極が形成されることが好ましいが、絶縁性を損なわない範囲で溝部の側面に電極が形成されても良い。

溝部７の溝幅や溝間隔を上記範囲としたのは、溝部に形成される電極の電極幅や電極間隔が微細であるためこのような溝を形成することで、精度良く形成できるためである。また、上記範囲よりも大きくなると絶縁性基板を吸着するのに必要な静電チャック電極の端子間に印加する電圧の絶対値が大きくなるためである。必要な電圧が大きくなると、電極間のみならず電極と金属製プレートとの間でも放電が生じやすくなるため好ましくない。また、高電圧電源を用いなければならないので実現性が希薄になる。

セラミックス焼結体からなる誘電体層１の一方の面に形成された櫛歯状の電極２の一部は外部電源との接続のため電極面積を大きくしておくことが望ましい。この部分を図３に電極パッド８として表した。

図４は、本発明の静電チャックの断面概略図である。電極と外部電源と接続のための端子が設けられる箇所を除いて、この電極が形成された一方の面に絶縁膜９を形成する。

絶縁膜９としてはポリイミド樹脂が簡易かつ有効である。ポリイミドテープの場合、アクリル系またはシリコーン系の粘着材が塗布されているため容易にポリイミドフィルムを平板の一方の面に貼り付けることが可能である。薄くかつピンホールなく絶縁膜が形成されるのであれば、溶射、ＣＶＤ、スパッタリングや蒸着による方法でもかまわない。またポリイミドワニスをスクリーン印刷法やバーコーターで一定厚さに塗布後１５０〜１８０℃程度で硬化して絶縁膜を形成することも有効である。特に電極を完全に誘電体層の内部に形成する場合、ワニス等で電極形成のされている溝部を埋めることができ、端子部を除き電極が一方の面に露出しないため電極間の耐電圧特性が向上する。

こうして電極が形成され、電極間が絶縁されたセラミックス焼結体からなる誘電体層１を金属製プレート４とを接着剤３により接合する。金属製プレートには、冷却媒体が流れる流路が設けられており、これを誘電体層と接合することで、プロセス温度を一定にコントロールすることが可能となる。

接合にはシリコーン樹脂等による方法が簡便であるがＩｎ接合や両面に粘着材の付着したポリイミドの両面テープを利用する方法もある。ポリイミドの両面テープを使用する場合は、誘電体層の絶縁膜９は不要になる。

誘電体層と金属製プレートを接合後に誘電体層の他方の面、すなわち、吸着面を研削加工し最終的な誘電体層の厚さにすることで高周波電力印加時のインピーダンスを小さくできる。最終的な誘電体層の厚さとしては、１ｍｍ以下、より好ましくは０．５ｍｍ以下が望ましい。

金属製プレート４には電極と外部電源とを接続するための端子６が設けられる。端子６と金属製プレート４は電気絶縁する必要があるためアルミナや樹脂製スリーブに端子を挿入する方法が簡便である。また端子の直径は０．３ｍｍ以上、配線間隔の４０倍以下が望ましい。それより小さいと端子の加工が難しくなるからである。

また、図１に示したように、金属製プレート４の側面領域はプラズマ処理装置内での異状放電を防ぐため絶縁性コーティング５を施すことが望ましい。コーティング手段としては金属製プレートがＡｌまたはＡｌ合金の場合はアルマイト処理が適用できる。また、金属製プレートの材質を問わずＡｌ_２Ｏ_３やＹ_２Ｏ_３等のセラミック溶射を適用することもできる。

外部電源は直流電源、交流電源、またはその両方が重畳したもののどれであってもかまわない。電極間の電界強度が１×１０^６Ｖ／ｍ以上５×１０^７Ｖ／ｍ未満になるように出力電圧を設定すれば吸着物が絶縁性のガラス基板であっても室温で静電吸着することができる。特に硼珪酸ガラスのように室温近傍での体積抵抗率が１×１０^１５Ωｃｍ以上と非常に高いものであっても４×１０^６Ｖ／ｍ以上の電界強度を与えれば静電吸着が可能である。

絶縁性基板を吸着するグレーディエント力を大きくするために電極間隔と誘電体層厚さの関係はおおむね１０：１〜１：２程度にすることが適当である。これより誘電体層厚さの比率が小さくなると接合後の誘電体層の加工により誘電体層の破損の可能性が著しく高くなる。また誘電体層厚さの比率が大きくなると、不平等電界の傾きが小さくなりグレーディエント力が小さくなり絶縁性ガラス基板の室温での吸着力が低下する。好適なのは電極間隔と誘電体層の関係が３：１〜１：１である。

本発明は絶縁性基板の静電吸着だけでなく、直流電圧印加の場合は導電性または半導電性基板の静電吸着にも適用できる。このとき、誘電体層の体積抵抗率が１×１０^１４Ωｃｍ以上のときは主にクーロン力により、１×１０^１４Ωｃｍ未満ではジョンセンラーベック力による吸着力がグレーディエント力に付加される。

以下、試験例を挙げ、本発明をより詳細に説明する。

静電チャックを作製し吸着評価した。ＡｌＮセラミックス焼結体を誘電体層として用い、誘電体層厚さ、電極幅、電極間隔は表１の試験番号１〜６のようにした。

櫛歯状の溝部はセラミックス焼結体の誘電体層にマスクをした後にエッチング、サンドブラストを行って形成した。溝部の深さは５〜５００μｍとし、溝幅及び溝間隔は表１に示した電極幅及び電極間隔と等しくなるように形成した。電極はＣｒを下地形成の後、Ｔｉをイオンプレーティングで形成し、その後Ｎｉめっきを行った。電極の厚さは０．５〜３０μｍの範囲とした。

電極が形成された誘電体層の一方の面を覆う絶縁膜としてポリイミドフィルム（厚さ５０μｍ）を用いた。絶縁膜を形成した面に熱硬化性シリコーン接着剤を１２０μｍ塗布して、内部に冷媒流路を設けた温度調節のためのＡ６０６１（Ａｌ合金）製プレートと接合した。吸着面は研磨仕上げにより表面粗さ（JIS規定の中心線平均粗さRa）０．１μｍ以下とした。

比較のため従来の製法（ホットプレス法）で作製したセラミックス製静電チャックを試験番号７として記載した。

静電チャックの構造は図１のような構造に統一し、端子寸法はφ８ｍｍとし外部電源との接続用のため片側端面にＭ３のネジ穴を設けた。電極と端子の接着はφ８ｍｍSUS端子を導電性接着剤で120℃30分で硬化させ接着した。端子の位置はPCD160ｍｍの位置に２等配した。これにより吸着力が働かない領域を端子一個当たり多くとも８ｍｍ×２０ｍｍ以下とした。

吸着力の測定環境は大気中（クリーンルームクラス１０００）とした。電極端子間には直流電圧および交流電圧（50Hz）を印加した。印加電圧は電極間の電界強度が１×１０^６Ｖ／ｍ〜３×１０^７Ｖ／ｍになるように出力を調整した。吸着力の測定は、絶縁性基板を静電吸着させた後、プッシュプルゲージを用い、絶縁性基板の側面を横方向から押し、絶縁性基板がずれるときの値を読み、吸着面積あたりに換算した静止摩擦力に相当する値を求める方法をとった。目安として静止摩擦力が０．２gf／ｃｍ^２（垂直方向の吸着力に換算すると摩擦係数を約０．２として約１gf／ｃｍ^２に相当）以上の値がでれば吸着物を静電吸着できていると判定し、表１において「○」と表し、それ未満は「×」と表した。絶縁性基板として素ガラス基板（テンパックス、ショット製）、シリコンウエハ（厚さ０．７ｍｍ）の裏面にポリイミドフィルム（カプトン、デュポン製、厚さ５０μｍ）が貼り付けてあるものを用意した。

Ａｌ製プレートとシリコンウエハ間のインピーダンス測定は、アジレント製インピーダンスアナライザ４２９４を用いて測定した。周波数は１３．５６ＭＨｚとした。

なお、ＣＦ_４ガスによるプラズマエッチング試験において出力５００ＷでエッチングレートがＡｌＮセラミックスで５ｎｍ／ｍｉｎ以下、ＭｇＡｌ_２Ｏ_４セラミックス焼結体で２ｎｍ／ｍｉｎ以下、Ａｌ_２Ｏ_３セラミックス焼結体で１０ｎｍ／ｍｉｎ以下であった。比較のために半導体プロセスでよく使われている石英は１５０ｎｍ／ｍｉｎであり、プラズマ耐性としても十分良好である静電チャックとして機能することが確かめられた。

（評価結果）
本発明の静電チャックを用いた試験番号１〜６では、電極が櫛歯状の溝部の底面に設けられた構成とし、電極幅および電極間隔を所定の値の範囲にすることにより絶縁性基板が室温で静電吸着できるようになった。一方、試験番号７の従来の静電チャックでは、絶縁性基板を静電吸着することはできなかった。

また、試験番号１〜６の静電チャックのインピーダンスは従来の静電チャックに比べ非常に小さく、低い高周波電力によってエッチングが可能になることが示された。

本発明の静電チャックの概略断面図櫛歯状の電極を表す概略図電極が形成された誘電体層を表す概略断面図本発明の静電チャックの拡大断面概略図

符号の説明

１…誘電体層
２…電極
３…接着剤
４…金属製プレート
５…絶縁性コーティング
６…端子
７…溝部
８…電極パッド
９…絶縁膜

Claims

セラミックス焼結体からなる誘電体層と、
前記誘電体層の一方の面に設けられた一対の櫛歯状の電極と、
該電極が設けられた面を覆う絶縁膜と、
温度調節手段が設けられた金属製プレートと、
を備え、
前記誘電体層の一方の面と前記金属製プレートとが接合された静電チャック。
前記電極は、前記誘電体層の一方の面に設けられた櫛歯状の溝部の少なくとも底面に設けられたことを特徴とする請求項１に記載の静電チャック。
前記誘電体層の厚さが１０００μｍ以下、前記一対の櫛歯状の電極の電極間隔が５０μｍ以上５００μｍ未満、電極幅が５０μｍ以上２０００μｍ未満、前記絶縁膜の厚さが５０μｍ以上５００μｍ未満である請求項１または２記載の静電チャック。
前記絶縁膜はポリイミド蒸着膜、ポリイミドワニスの硬化物またはポリイミドフィルムである請求項１〜３に記載の静電チャック。