JP4339306B2 - 吸着方法 - Google Patents

Description

本発明は、吸着装置にかかり、特に、絶縁性の基板を吸着できる吸着装置に関する。

従来より、真空装置内で基板を保持するために、静電吸着装置が使用されている。
図８(ａ)の符号１０１は、スパッタリング装置であり、真空槽１１０を有している。該真空槽１１０内の天井側にはターゲット１０２が配置されており、底壁側には吸着装置１０４が配置されている。

この吸着装置１０４は、誘電体１２１と、該誘電体１２１内に埋め込まれた一対の電極１２２₁、１２２₂とを有しており、誘電体１２１に形成された孔内に、下側からリフトピン１０６が挿通されている。

各電極１２２₁、１２２₂は、真空槽１１０外部に配置されたチャック用電源１０９にそれぞれ接続されている。

吸着装置１０４上に基板１１２を配置すると、基板１１２は、基板１１２と電極１２２₁、１２２₂間に存する厚さ数１０〜数１００μｍの誘電体１２１の層を介して、各電極１２２₁、１２２₂と平行に対向する。

基板１１２がシリコンウェハーやガリウム・ひ素ウェハーの場合、基板１１２は導電性を有している。従って、吸着装置１０４上に基板１１２が配置されると、一方の電極１２２₁と基板１１２の間に、同図(ｂ)の符号１２５₁で示すコンデンサが形成され、また、他方の電極１２２₂と基板１１２の間にも、同図(ｂ)の符号１２５₂で示すコンデンサが形成される。

この２つのコンデンサ１２５₁、１２５₂は、電源１０９に対して互いに直列接続されており、一方の電極１２２₁に正電圧、他方の電極１２２₂に負電圧を印加すると、コンデンサ１２５₁、１２５₂が充電され、基板１１２と一方の電極１２２₁の間、及び基板１１２と他方の電極１２２₂の間に生じる静電吸着力によって基板１１２が吸着装置１０４の表面に静電吸着される。

静電吸着された状態では、基板１１２は吸着装置１０４上に密着されており、基板１１２と吸着装置１０４間の熱伝達率が大きくなり、吸着装置１０４内に設けられたヒータや冷却装置によって基板１１２を所望温度に制御することが可能になる。従って、ターゲット１０２をスパッタリングし、基板１１２表面に薄膜を形成する際に、薄膜の成長温度を精密に制御することができる。

薄膜形成プロセスが終了すると、電極１２２₁、１２２₂への電圧印加を終了させ、基板１１２の吸着を解除してリフトピン１０６を上昇させると、基板１１２を吸着装置１０４上から持ち上げ、真空槽１１０外に搬出する。

上記のように、従来技術の吸着装置１０４では、基板１１２を電極とし、吸着装置１０４内部に配置された電極１２２₁、１２２₂との間でコンデンサ１２５₁、１２５₂を形成し、静電吸着力を発生させている。従って、この吸着装置１０４が静電吸着できる基板１１２は導電性を有している必要がある。

しかしながら近年では、液晶表示装置やプラズマディスプレイ装置を構成させるガラス基板を吸着しながら真空処理したいという要求がある。

半導体の単結晶から成る基板の場合、抵抗値が大きいものの導電性を有しているため静電吸着力が発生するが、ガラス基板の場合には絶縁性が高いため、図８(ｂ)のコンデンサが形成されず、静電チャック１０４上に静電吸着することができない。
米国特許第５，７５１，５３７号公報 米国特許第５，８４７，９１８号公報 米国特許第５，２２９，９１０号公報 米国特許第５，１０３，３６７号公報 台湾発明公告第３９５００６号公報 国際公開ＷＯ９８／５７３７１

本発明は上記従来技術の課題を解決するために創作されたものであり、その目的は、絶縁性の基板を吸着できる吸着装置を提供することにある。

上述したように、従来技術の静電吸着装置の場合、シリコーンウェハ等の導電性を有する基板を静電吸着するために、Ａｌ₂Ｏ₃、ＡｌＮ、ＳｉＣ、ポリイミド、シリコーンゴム等の高誘電率の絶縁材料が電極と基板の間に配置されている(絶縁材料を配置しないと電極間が短絡してしまう)。

従って、基板と電極との間にはコンデンサが形成され、クーロン力が発生する。そのクーロン力による吸着力Ｆは、絶縁材料の誘電率や表面状態に依存する係数をａ、基板と電極間の距離をｄ(詳しくは絶縁材料の厚さ、又は基板と静電チャック表面間のギャップを言う)と基板、電極と基板の間の電圧をＶとすると、次式で表わせる。
Ｆ ＝ １／２・ａ・(Ｖ／ｄ)²

しかし、ガラスのような絶縁性基板の場合には、基板と電極間にはコンデンサが形成されないため、上記のようなクーロン力による静電吸着力Ｆは発生しない。
他方、分極率がαである絶縁性の物質が電場Ｅ中に配置された場合、その物質には、単位体積当たり下記のようなグラディエント力ｆが働くことが知られている。
ｆ ＝ １／２・α・ｇｒａｄ(Ｅ²)
本発明の発明者等は、グラディエント力ｆに着目し、絶縁性の基板も吸着できる吸着装置を発明するに至ったのである。

即ち、誘電体(絶縁性物質)ではα＞０であるから、上式によると絶縁性の基板は電場の強い方に引きつけられることになる。

図７の符号８０は、基板８３に対し、正電圧と負電圧が印加される電極８１、８２間に形成される電場を示しており、電極８１、８２付近では電場が強く、遠い位置では弱いため、基板８３には、電極８１、８２の方向に向いた力ｆが働いている。

また、上式によると、ｇｒａｄ(Ｅ²)が大きい方が基板に大きなグラディエント力ｆが働くから、Ｅの空間変化率が大きい程、グラディエント力ｆも大きくなる。

従って、電極の配置を工夫し、電場の変化率が、基板付近で小さく、電極付近で大きくなるようにすると、基板８３に大きなグラディエント力ｆが働くようになる。

具体的には、吸着装置が配置される真空槽の電位をゼロ(接地電位)とした場合、正電圧を印加する電極と負電圧を印加する電極とを近接して隣り合わせに配置すればよい。

また、電極間に形成される電場を考えると、電極付近に誘電体があった場合には、電束は誘電体(比誘電率εｒ＞１)に引き込まれる。従って、吸着装置の電極と基板との間に誘電体が配置されていると、電気力線は誘電体に引き込まれ易くなり、その結果、基板と電極の間が真空である場合に比べて電場(電気力線の密度)が小さくなってしまう。

従って、その逆に誘電体上に誘電体を配置しなければｇｒａｄ(Ｅ²)が大きくなり、その結果、大きな吸着力(グラディエント力ｆ)を得ることが可能になる。

図７のような正負電圧を印加する電極８１、８２上に誘電体層を配置した場合と配置しない場合とで、絶縁性の基板８３に働く吸着力を測定した。

電極８１、８２の幅は４ｍｍ、電極８１、８２の間隔は１ｍｍ、吸着面の直径は８インチである。比較のために用いた誘電体はＡｌ₂Ｏ₃を主成分とするセラミックスであり、その厚みは５００μｍ、抵抗率は約１０¹¹Ω・ｃｍのものである。

吸着対象物は直径８インチ、厚さ５ｍｍの透明石英ガラスから成る基板であり、その抵抗率は１．０×１０¹⁸Ωｃｍ、比誘電率は３．７０(０〜１ＭＨｚ)である。

吸着力を測定した結果を下記表１に示す。基板と電極８１、８２の間に誘電体が存しない場合には、１．５倍程度の吸着力が得られている。

このように、本発明は従来技術が常識としていた電極上の誘電体層に着目して創作されたものであり、請求項１記載の発明は、絶縁性の板状の基体上に、第１、第２の電極が交互に配置された吸着装置の、前記第１、第２の電極上に絶縁基板を配置し、前記第１、第２の電極に電圧を印加し、前記絶縁基板を吸着する吸着方法であって、前記第１、第２の電極の表面を露出させておき、前記絶縁基板と前記基体の間に前記第１、第２の電極上からの高さが５００×１０ ^-6 ｍ以下の突起を配置し、前記第１、第２の電極と前記絶縁基板とを非接触の状態にして前記第１、第２の電極間に直流電圧を印加して１．０×１０⁶Ｖ／ｍ以上の電界を発生させ、前記絶縁基板をグラディエント力によって吸着する吸着方法である。
請求項２記載の発明は、絶縁性の板状の基体上に、第１、第２の電極が交互に配置された吸着装置の、前記第１、第２の電極上に絶縁基板を配置し、前記第１、第２の電極に電圧を印加し、前記絶縁基板を吸着する吸着方法であって、前記第１、第２の電極の表面を露出させ、前記絶縁基板を前記第１、第２の電極に接触させ、前記第１、第２の電極間に直流電圧を印加して１．０×１０⁶Ｖ／ｍ以上の電界を発生させ、前記絶縁基板をグラディエント力によって吸着する吸着方法である。
請求項３記載の発明は、前記第１、第２の電極の電極幅を４ｍｍ以下、電極間隔を２ｍｍ以下とする請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の吸着方法である。

この基体は、絶縁性の板で構成してもよいし、金属板上に絶縁性の膜を形成して構成することができる。絶縁性の膜は、酸化アルミニウム、窒化アルミニウム、炭化珪素、サイアロン、ダイヤモンド、ポリイミド、シリコーンゴム等の材料を用いることができる。

前記第１、第２の電極表面に導電性を有する保護膜を形成しておくこともでき、この導電性保護膜が電極の上のみを覆うか、又は両電曲が短絡しないように保護膜を付けると、第１、第２の電極は露出しているのと同じ状態である。保護膜はＰＶＤ、ＣＶＤ、イオン注入などによって形成でき、その厚さは吸着力を低下させないために５００μｍ以下が望ましい。
この真空処理装置では、基板裏面と吸着装置の間に形成される隙間内にプラズマが侵入しないので、電極間が短絡するおそれはない。

真空雰囲気中で絶縁性の基板を吸着することができる。

本発明の真空処理装置の一例を図１(ａ)の符号７０に示す。
この真空処理装置７０は、真空槽７２と、チャック用電源７３と、スパッタ用電源７５と、チャック用電源７３及びスパッタ用電源７５のコントローラ(コンピュータ)７４とを有している。

真空槽７２内には、スパッタリングターゲット７６と、本発明の第一例の吸着装置１が配置されている。吸着装置１の平面図を図２(ａ)に示し、そのＡ−Ａ線断面図を同図(ｂ)に示す。

この吸着装置１は、板状の基体１０を有している。基体１０は、金属板１８と、該金属板１８表面に配置された絶縁体１９とで構成されている。絶縁体１９は、酸化アルミニウム等の絶縁性のセラミックスの層で構成されている。

絶縁体１９表面には、導電性のカーボン材から成る第１、第２の電極１１、１２が設けられている。従って、第１、第２の電極１１、１２表面は、基体１０表面よりも突き出されている。

第１、第２の電極１１、１２は、櫛状にパターニングされており、非接触の状態で櫛の歯部分が互いに噛み合うように配置されている。

基体１０の直径は８インチ、第１、第２の電極１１、１２の幅は４ｍｍ、電極間の間隔は１ｍｍである。

このような真空処理装置７０を用いて真空処理を行う場合、先ず、真空槽７２内を真空状態にし、図示しない基板搬送機構によって真空槽７２内に基板を搬入し、基板を吸着装置１表面に配置する。

図１(ｂ)は、吸着装置１の部分の拡大図であり、同図の符号７は、吸着装置１上に配置された絶縁性の基板を示している。

基板７が吸着装置１上に配置されると、基板７の裏面と第１、第２の電極表面とが接触する。この状態では基板７裏面と絶縁体１９表面との間は離間しており、隙間が形成されている。

吸着装置１の周囲にはリング状の保護板９が配置されており、基板７を吸着装置１上に載置すると、基板７の外周部分が保護板９の内周面と接触し、基板７裏面と絶縁体１９の間に形成された隙間は保護板９によって密閉された状態になる。

チャック用電源７３は、第１、第２の電極１１、１２に接続されており、真空槽７２を接地電位に置き、チャック用電源７３を起動し、第１、第２の電極１１、１２のうちの一方に負電圧、他方に正電圧を印加すると、第１、第２の電極１１、１２間に電界が形成される。

図４は、真空槽７２を接地電位に置き、第１の電極１１に正電圧、第２の電極１２に負電圧を印加した場合に、基板７と第１、第２の電極１１、１２間に形成される電場Ｅ、及び基板７に働く力ｆを模式的に示した図である。基板７は絶縁性が高いため、第１、第２の電極１１、１２間には殆ど電流は流れない。

基板７を吸着装置１に吸着した状態で真空槽７２内にスパッタリングガスを導入し、スパッタ用電源７５を起動し、スパッタリングターゲットに高電圧を印加すると、スパッタリングターゲット表面近傍にプラズマが形成され、スパッタリングが始まる。

基板７は吸着装置１上に吸着されているので、基板７と吸着装置１との間の熱伝導率が高いので、基体１０内や基体１０の裏面にヒータや冷却装置を設けておくと、基板７の温度を制御しながら薄膜を形成することが可能になる。

また、基板７周囲には保護板９が配置されているので、スパッタリングの際に真空槽７０内に形成されたプラズマは、基板７裏面と基体１０の間に形成される隙間内に侵入しない。従って、第１の電極１１と第２の電極１２の間にはプラズマがなく、第１、第２の電極間がプラズマによって短絡することがない。

第一例の吸着装置１の模式的な断面図を図３(ａ)に示す。この吸着装置１では、第１、第２の電極１１、１２は絶縁体１９上に形成されており、電極表面は絶縁体表面よりも高くなっている。

同図(ｂ)〜(ｄ)に、第二例〜第四例の吸着装置２〜４を示す。
第二例〜第四例の吸着装置２〜４は、金属板２８、３８、４８をそれぞれ有している。

各金属板２８、３８、４８上には、絶縁体２９、３９、４９が配置されており、これらの絶縁体２９、３９、４９表面には、底部が金属板２８、３８に達しないように凹部２６、３６、４６が形成されている。

各絶縁体２９、３９、４９の凹部２６、３６、４６には、第１、第２の電極２１、２２、３１、３２、４１、４２が互いに絶縁した状態で配置されている。第１、第２の電極２１、２２、３１、３２、４１、４２の下端部は、各凹部２６、３６、４６の底面上に配置されている。

同図(ｂ)の第二例の吸着装置２では、第１、第２の電極２１、２２の上端部は絶縁体２９上から突き出されている。

この第二例の吸着装置２では、第一例の吸着装置１と同様に、吸着装置２上に基板を配置すると、基板裏面は第１、第２の電極２１、２２の上端部分と接触すると共に基板裏面と絶縁体２９の間には隙間が形成される。

同図(ｃ)の第三例の吸着装置３では、第１、第２の電極３１、３２の上端部は、第１、第２の絶縁体３９表面と同じ高さに形成されている。即ち、絶縁体３９表面と第１、第２の電極３１、３２の上端部分は面一に形成されている。この吸着装置３上に基板を配置した場合、基板裏面は第１、第２の電極３１、３２と絶縁体３９表面に接触する。

同図(ｄ)の第四例の吸着装置４では、第１、第２の電極４１、４２の上端部は、絶縁基板４９表面よりも低く形成されている。即ち、第１、第２の電極４１、４２の上端部分は凹部４６内の奥まった部分に位置しており、第１、第２の電極４１、４２間には、絶縁基板４９の表面部分で構成された突部４７が形成されている。

この吸着装置４では、その表面に基板を配置すると基板裏面は突部４７の上端部分と接触するが、第１、第２の電極４１、４２とは接触しないようになっている。

従って、基板は耐磨耗性が高い絶縁体４９表面と接触するが、比較的耐磨耗性の低い第１、第２の電極４１、４２と接触しないため、第１、第２の電極４１、４２の寿命が長くなる。

但し、吸着力を低下させないためには、突部４７の第１、第２の電極４１、４２表面からの高さは、５００μｍ以下にすることが望ましい。

また、電極表面が基板裏面と接触し得る第一例〜第三例の吸着装置１〜３や、この第四例の吸着装置４において、第１、第２の電極１１、２１、３１、４１、１２、２２、３２、４２表面に保護膜を形成し、電極寿命を長くしてもよい。その保護膜は、吸着力を低下させないために、厚さ５００μｍ以下が望ましい。

第一例〜第四例の吸着装置１〜４では、電極を櫛形にパターニングしていたが本発明の吸着装置はそれに限定されるものではない。

第一例〜第四例の吸着装置１〜４では、図５(ａ)〜(ｃ)、図６(ｄ)、(ｅ)のような電極配置をとることもできる。

図５(ａ)の吸着装置５１は、櫛状の第１、第２の電極５１₁、５１₂の櫛の歯部分が同心円上に配置されたものである。

同図(ｂ)の吸着装置５２は、櫛状の８個の電極を有しており、同じ電圧が印加される４個の第１の電極５２A₁、５２B₁、５２C₁、５２D₁と、その電極とは異なる値で同じ大きさの電圧が印加される４個の第２の電極５２A₂、５２B₂、５２C₂、５２D₂とを有している。

第１の電極５２A₁、５２B₁、５２C₁、５２D₁と、第２の電極５２A₂、５２B₂、５２C₂、５２D₂とは、櫛状にパターニングされており、歯の部分が同心円状になっており、第１の電極５２A₁、５２B₁、５２C₁、５２D₁と、第２の電極５２A₂、５２B₂、５２C₂、５２D₂とは、歯の部分が非接触で噛み合うように交互に配置されている。必要に応じ、これら四対の電極に異なる大きさの電圧を印加するようにしてもよい。

同図(ｃ)の吸着装置５３は、第１、第２の電極５３₁、５３₂が、二重渦巻き状に配置されたものである。

次に、図６(ｄ)の吸着装置５４は、表面が４個の領域に分割されており、各領域には、櫛状にパターニングされた第１の電極５４A₁、５４B₁、５４C₁、５４D₁と、同様に櫛状にパターニングされた第２の電極５４A₂、５４B₂、５４C₂、５４D₂とが１対ずつ配置されている。第１の電極５４A₁、５４B₁、５４C₁、５４D₁と、第２の電極５４A₂、５４B₂、５４C₂、５４D₂の櫛の歯部分は噛み合うようにされている。

この吸着装置５４でも、第１の電極５４A₁、５４B₁、５４C₁、５４D₁には同じ電圧が印加され、第２の電極５４A₂、５４B₂、５４C₂、５４D₂には第１の電極５４A₁、５４B₁、５４C₁、５４D₁とは異なる値であって同じ大きさの電圧が印加されるようになっている。必要に応じて吸着力を高めたい部分の電圧を大きくするなど、四対の電極に印加する電圧を変えることもできる。

同図(ｅ)の吸着装置５５は、互いに異なる値の電圧が印加される第１〜第３の電極５５₁〜５５₃が、四重渦巻き状に配置されている。この吸着装置５５では、電極間が２ｍｍの場合、例えば第１の電極５５₁に６０００Ｖ、第２の電極５５₂に０Ｖ、第３の電極５５₃に−６０００Ｖを印加すると、電極間には１．０×１０⁶Ｖ／ｍの電界が形成される。

なお、上記真空処理装置７０はスパッタリング装置であったが、本発明の静電チャック１〜４は、ＣＶＤ装置、エッチング装置、イオン注入装置等、真空中で処理対象物を処理する真空処理装置に広く使用することができる。

また、本発明の静電吸着装置１〜４、５１〜５５では、第１、第２の電極間の電界強度は絶縁破壊が起こらない範囲で大きい方がよく、３×１０⁶Ｖ／ｍ以上の強度の電場を形成することが望ましい。

(ａ)：本発明の真空処理装置の一例 (ｂ)：本発明の吸着装置部分の拡大図 (ａ)：本発明の第一例の吸着装置の電極配置図 (ｂ)：その断面図 (ａ)：第一例の吸着装置の模式的な断面図 (ｂ)：第二例の吸着装置の模式的な断面図 (ｃ)：第三例の吸着装置の模式的な断面図 (ｄ)：第四例の吸着装置の模式的な断面図 本発明の吸着装置の吸着力を説明するための図 (ａ)〜(ｃ)：本発明の吸着装置の電極配置の例 (ｄ)、(ｅ)：本発明の吸着装置の電極配置の他の例 グラディエント力を説明するための図 (ａ)、(ｂ)：従来技術の吸着装置を説明するための図

符号の説明

１〜４、５１〜５５……吸着装置 ７……基板 ９……保護板 １０……基体 １１、２１、３１、４１、５１₁……第１の電極 １２、２２、３２、４２、５１₂、……第２の電極 １８……金属板 １９……絶縁体 ７０……真空処理装置 ７２……真空槽

Claims (3)

1. 絶縁性の板状の基体上に、第１、第２の電極が交互に配置された吸着装置の、前記第１、第２の電極上に絶縁基板を配置し、
   前記第１、第２の電極に電圧を印加し、前記絶縁基板を吸着する吸着方法であって、
   前記第１、第２の電極の表面を露出させておき、
   前記絶縁基板と前記基体の間に前記第１、第２の電極上からの高さが５００×１０ ^-6 ｍ以下の突起を配置し、前記第１、第２の電極と前記絶縁基板とを非接触の状態にして前記第１、第２の電極間に直流電圧を印加して１．０×１０⁶Ｖ／ｍ以上の電界を発生させ、前記絶縁基板をグラディエント力によって吸着する吸着方法。
2. 絶縁性の板状の基体上に、第１、第２の電極が交互に配置された吸着装置の、前記第１、第２の電極上に絶縁基板を配置し、
   前記第１、第２の電極に電圧を印加し、前記絶縁基板を吸着する吸着方法であって、
   前記第１、第２の電極の表面を露出させ、前記絶縁基板を前記第１、第２の電極に接触させ、
   前記第１、第２の電極間に直流電圧を印加して１．０×１０⁶Ｖ／ｍ以上の電界を発生させ、前記絶縁基板をグラディエント力によって吸着する吸着方法。
3. 前記第１、第２の電極の電極幅を４ｍｍ以下、電極間隔を２ｍｍ以下とする請求項１又は請求項２のいずれか１項記載の吸着方法。

Images