特開 2024-148470 張力発生装置および半導体製造装置

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】公開特許公報(A)

(11)【公開番号】P2024148470

(43)【公開日】2024-10-18

(54)【発明の名称】張力発生装置および半導体製造装置

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/683 20060101AFI20241010BHJP

   H02N 13/00 20060101ALI20241010BHJP

【ＦＩ】

H01L21/68 R

H02N13/00 D

【審査請求】未請求

【請求項の数】11

【出願形態】ＯＬ

(21)【出願番号】P 2023061643

(22)【出願日】2023-04-05

(71)【出願人】

【識別番号】000006013

【氏名又は名称】三菱電機株式会社

(74)【代理人】

【識別番号】110003199

【氏名又は名称】弁理士法人高田・高橋国際特許事務所

(72)【発明者】

【氏名】安井 智史

【テーマコード（参考）】

5F131

【Ｆターム（参考）】

5F131AA21

5F131AA22

5F131BA03

5F131CA07

5F131CA09

5F131DA33

5F131DA42

5F131EA03

5F131EB11

5F131EB15

5F131EB17

5F131EB18

5F131JA33

(57)【要約】

【課題】ウエハ表面の傷または凹みを抑制できる張力発生装置および半導体製造装置を得ることを目的とする。
【解決手段】本開示に係る張力発生装置は、各々が第１電極と第２電極とを有する複数の電極対と、前記複数の電極対の各々が、ウエハの主面と垂直な方向で前記第１電極と前記第２電極によって前記ウエハの端部を挟み込むように配置され、前記ウエハの主面と垂直な方向から見て前記第１電極と前記第２電極が前記ウエハよりも外側に突出した状態で、前記複数の電極対の各々の前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加するように構成された電圧印加部と、を備える。
【選択図】図２

【特許請求の範囲】

【請求項1】

各々が第１電極と第２電極とを有する複数の電極対と、
前記複数の電極対の各々が、ウエハの主面と垂直な方向で前記第１電極と前記第２電極によって前記ウエハの端部を挟み込むように配置され、前記ウエハの主面と垂直な方向から見て前記第１電極と前記第２電極が前記ウエハよりも外側に突出した状態で、前記複数の電極対の各々の前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加するように構成された電圧印加部と、
を備えることを特徴とする張力発生装置。

【請求項2】

前記第１電極と前記第２電極との間に前記電圧が印加されることで、前記ウエハに張力が及ぼされることを特徴とする請求項１に記載の張力発生装置。

【請求項3】

前記第１電極と前記第２電極は、前記ウエハの前記主面と垂直な方向に前記電圧を印加するように構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の張力発生装置。

【請求項4】

前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方は、前記ウエハと離れていることを特徴とする請求項１または２に記載の張力発生装置。

【請求項5】

前記電圧を印加している状態で、前記第１電極と前記第２電極の間隔は、４０μｍ以上～２００μｍ以下であることを特徴とする請求項１または２に記載の張力発生装置。

【請求項6】

前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方の前記ウエハと対向する面には、絶縁層が設けられ、
前記絶縁層は１３０ＧＰａより低いヤング率を有することを特徴とする請求項１または２に記載の張力発生装置。

【請求項7】

前記電圧印加部は、前記複数の電極対に異なる大きさの電圧を印加可能に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の張力発生装置。

【請求項8】

前記電圧印加部は、前記複数の電極対に異なるタイミングで電圧を印加可能に構成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の張力発生装置。

【請求項9】

前記ウエハは、ワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする請求項１または２に記載の張力発生装置。

【請求項10】

前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする請求項９に記載の張力発生装置。

【請求項11】

請求項１または２に記載の張力発生装置と、
チャックステージと、
前記張力発生装置により張力が及ぼされた状態の前記ウエハを前記チャックステージに配置するように構成された移動機構と、
を備えることを特徴とする半導体製造装置。

【発明の詳細な説明】

【技術分野】

【0001】

本開示は、張力発生装置および半導体製造装置に関する。

【背景技術】

【0002】

特許文献１には、半導体露光装置が開示されている。この装置では、変形したウエハを静電チャックに吸着させる際、前もってウエハの半径方向に力を加え、機械的に平面に近い状態まで強制的に変形させる。その状態のままウエハを静電チャックに載置し、静電吸着することにより、所定の平面度まで平面矯正することができる。強制変形手段の一例としては、ウエハ搬送ハンド上に設け、ウエハの外周端の複数点を機械的にクランプし、ウエハの半径方向に力を加える、などの構成が考えられる。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0003】

【特許文献1】特開２００３－２２４０５４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0004】

特許文献１では、機械的クランプによってウエハを保持して力を加えている。このため、ウエハの法線方向に機械的な力が働き、ウエハ表面に傷または凹みが発生してウエハの割れを引き起こすおそれがある。

【0005】

本開示は、上述の課題を解決するためになされたもので、ウエハ表面の傷または凹みを抑制できる張力発生装置および半導体製造装置を得ることを目的とする。

【課題を解決するための手段】

【0006】

本開示に係る張力発生装置は、各々が第１電極と第２電極とを有する複数の電極対と、前記複数の電極対の各々が、ウエハの主面と垂直な方向で前記第１電極と前記第２電極によって前記ウエハの端部を挟み込むように配置され、前記ウエハの主面と垂直な方向から見て前記第１電極と前記第２電極が前記ウエハよりも外側に突出した状態で、前記複数の電極対の各々の前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加するように構成された電圧印加部と、を備える。

【発明の効果】

【0007】

本開示に係る張力発生装置および半導体製造装置では、電圧の印加によりウエハの半径方向にのみ張力を発生させることができる。従って、ウエハ表面の傷または凹みを抑制できる。

【図面の簡単な説明】

【0008】

【図1】実施の形態１に係る張力発生装置の平面図である。

【図2】実施の形態１に係る張力発生機構の断面図である。

【図3】実施の形態１に係る張力発生のメカニズムを説明する図である。

【図4】実施の形態１に係る張力発生のメカニズムを説明する図である。

【図5】実施の形態１に係る半導体製造装置の構成を説明する図である。

【図6】実施の形態１に係る半導体製造装置がスパッタ装置である場合の構成を説明する図である。

【図7】実施の形態１に係る移動機構の例を説明する図である。

【発明を実施するための形態】

【0009】

各実施の形態に係る張力発生装置および半導体製造装置について図面を参照して説明する。同じまたは対応する構成要素には同じ符号を付し、説明の繰り返しを省略する場合がある。

【0010】

実施の形態１．
図１は、実施の形態１に係る張力発生装置１００の平面図である。図１では、張力発生装置１００にウエハ１が載置された状態を示している。張力発生装置１００は、例えば後述する半導体製造装置の一部である。張力発生装置１００は、例えば静電チャックに半導体ウエハ等の基板を固定、保持する際に用いられる。特に、張力発生装置１００は、基板の反りを良好に矯正するために用いられる。

【0011】

張力発生装置１００は複数の張力発生機構２を有する。図１の例では、ウエハ１を引っ張るための張力発生機構２として、ウエハ１のうち１８０度対向する位置に２つの張力発生機構２ａ、２ｂを配置している。ウエハ１を半径方向に均一に引っ張るために、張力発生機構２はウエハ１の３か所以上に配置されても良い。本実施の形態では、ウエハ１をステージ上に搬送する際の受け渡しの便宜のために、２個の張力発生機構２ａ、２ｂを設けることとする。

【0012】

図２は、実施の形態１に係る張力発生機構２の断面図である。図２には、ウエハ１の外周部が示されている。複数の張力発生機構２はそれぞれ電極対１０を有する。電極対１０の各々は、第１電極１１と第２電極１２とを有する。第１電極１１と第２電極１２の表面には、絶縁層１４が設けられる。図２の例では、第１電極１１は絶縁層１４を介してウエハ１と接し、第２電極１２はウエハ１と離れている。張力発生機構２がウエハ１を支持する部分は、ウエハ１のうち一般に通常チップとして使用されない、最外周から数ミリの部分であると良い。

【0013】

絶縁層１４は、例えばシリコンより柔らかい材料である。このような材料で第１電極１１および第２電極１２をコーティングすることにより、ウエハ１へのキズおよび凹みの発生を抑制できる。絶縁層１４は、具体的には１３０ＧＰａより低いヤング率を有すると良い。絶縁層１４は、例えばＰＩ（Ｐｏｌｙｉｍｉｄｅ）系、フッ素系、シリコーン系またはアクリル系の材料から形成される。絶縁層１４は、第１電極１１と第２電極１２の少なくとも一方のウエハ１と対向する面に設けられても良い。例えば、絶縁層１４は図２においてウエハ１と接している第２電極１２のみに設けられても良い。また、絶縁層１４は設けられなくても良い。

【0014】

第１電極１１と第２電極１２は、それぞれベース部材２１、２２に保持されている。ベース部材２１はウエハ１の端部を支持している。ベース部材２２は、ウエハ１の端部の上方に配置されている。ベース部材２２は庇状の形状を有する。

【0015】

電圧印加部は、複数の電極対１０の各々の第１電極１１と第２電極１２との間に電圧を印加するように構成されている。電圧印加部は、例えば第１電極１１と第２電極１２の間に電圧を印加するための電源５０である。電圧印加部は、電源５０と第１電極１１および第２電極１２とを接続する配線等の回路であっても良い。電源５０は、直流電源、交流電源、パルス電源等である。

【0016】

図２に示されるように、電極対１０の各々は、ウエハの主面と垂直な方向で第１電極１１と第２電極１２によってウエハ１の端部を挟み込むように配置される。また、ウエハ１の主面と垂直な方向から見て、第１電極１１と第２電極１２は、ウエハ１よりも外側に突出している。このように電極対１０を配置した状態で、電圧印加部は、複数の電極対１０の各々の第１電極１１と第２電極１２との間に電圧を印加するように構成されている。

【0017】

また、第１電極１１と第２電極１２は、ウエハ１の主面と垂直な方向に電圧を印加するように構成されていることが好ましい。つまり、ウエハ１の法線方向に電界が発生するように、電圧が印加されると良い。

【0018】

図３、４は、実施の形態１に係る張力発生のメカニズムを説明する図である。図３に示されるように、電極対１０に電圧を印加すると、第１電極１１と第２電極１２の間に静電エネルギーが蓄積される。また、ウエハ１内部の正電荷と負電荷がそれぞれ負極と正極に引き寄せられ、分極が発生する。このとき、図３で矢印８１に示される上下方向の静電力は相殺し合う。一方、矢印８２に示される静電力により、ウエハ半径方向においてウエハ１に張力Ｆが及ぼされる。

【0019】

図４を用いて、張力Ｆについてさらに説明する。図２、４において、Ｌは第１電極１１および第２電極１２の長さ、ｘはウエハ１の挟み込み長さ、ｄは電極対１０間の距離である。部分的にウエハ１が電極対１０間に入り込んだとき、つまりＬ＞ｘのとき、ウエハ１の分極により電極対１０間の静電エネルギーが下がる。ウエハ１が電極対１０間に深く入り込んでいるほど、電極対１０間に蓄積される静電エネルギーが低下する。このため、ウエハ１には静電エネルギーを下げる方向に力が発生する。この力は、ウエハ１を電極対１０間に引き込むように働く。つまり、ウエハ１に張力Ｆが及ぼされる。これにより、ウエハ１は外周方向に引っ張られ、ウエハ１の反りを矯正できる。

【0020】

なお、電源５０と接続方向と張力Ｆの発生方向に関連性はない。つまり、第１電極１１と第２電極１２の何れを正極としても良い。

【0021】

ウエハ１に発生する張力Ｆは以下の式（１）で表すことができる。ここで、ε_ｒはＳｉ比誘電率＝１２、ε_０は真空の誘電率＝８．８×１０^－１２、ａは電極幅、Ｖは第１電極１１と第２電極１２との間に印加される電圧である。

【0022】

【数1】

【0023】

また、Ｌ＝ｘとなると、それ以上深く電極対１０にウエハ１が入り込んでも静電エネルギーが下がらなくなる。このため、ウエハ１を電極対１０間に引き込む力Ｆは発生しなくなる。従って、Ｌ＞ｘ、つまりウエハ１の主面と垂直な方向から見て第１電極１１と第２電極１２がウエハ１よりも外側に突出していることが必要となる。

【0024】

ウエハ１の曲げを矯正するには、最小座屈荷重と同じ大きさで半径方向に張力を発生させればよい。最小座屈荷重は、以下の式（２）で表される。

【0025】

【数2】

【0026】

ここで、Ｓｉヤング率Ｅ＝２００ＧＰａ、ｄ＝ウエハ厚＝１００μｍ、ａ＝３０ｍｍ、ウエハ１の直径ｌ＝３００ｍｍ、Ｖ＝２ｋＶとすると、式（１）、（２）から、張力Ｆと、最小座屈荷重Ｆ_ｍは共に～６×１０^－２［Ｎ］となる。このため、例えばｄ＝１００μｍとすれば反りを抑制できることが分かる。式（１）に示されるように、距離ｄが広がると、同じ張力Ｆを発生させるために必要な印加電圧Ｖが大きくなる。また、数ｋＶ程度の電源は、一般に静電吸着ステージで使用される汎用的な電源である。電圧Ｖ、距離ｄ等のパラメータを考慮すると、電圧Ｖを印加している状態での第１電極１１と第２電極１２の間隔ｄが、例えば４０μｍ以上～２００μｍ以下であれば反りを抑制できる。

【0027】

図５は、実施の形態１に係る半導体製造装置２００の構成を説明する図である。半導体製造装置２００は、張力発生装置１００とチャックステージ５を備える。チャックステージ５は例えば静電チャックである。本実施の形態の張力発生装置１００によれば、変形したウエハ１’の半径方向に張力Ｆを加え、ウエハ１のように変形を矯正できる。図４に示されるように、ウエハ１は例えばチャックステージ５の上方で変形を矯正された後、チャックステージ５に搭載される。これにより、チャックステージ５によってウエハ１を均一に吸着することができる。

【0028】

図６は、実施の形態１に係る半導体製造装置２００がスパッタ装置である場合の構成を説明する図である。半導体製造装置２００において、筐体３には、スパッタターゲット４、チャックステージ５および張力発生機構２が収納されている。筐体３内は、真空ポンプ３６により真空引きされる。ウエハ１は、図示しない搬送ハンドによりベース部材２１に載置される。その後、ベース部材２２がウエハ１へ接近する。

【0029】

この状態で、電源５０により電極対１０間に直流電圧を印加する。これにより、ウエハ１に張力を発生させ、ウエハ１の反りを矯正する。ウエハ１は張力が及ぼされた状態のまま、移動機構３０によりチャックステージ５に載置され、チャックステージ５で保持される。この状態で、電源５０の電圧をオフすることにより、ウエハ１の反りを抑制した状態でウエハ１をチャックステージ５に載置できる。従って、ウエハ１を均一に静電チャックステージへ載置できる。

【0030】

図６の例では、移動機構３０は、ベース部材２１を上下に移動させる部分３１と、ベース部材２２を上下に移動させる部分３２を有する。本実施の形態では、ウエハ１はチャックステージ５の上方で反りを矯正される。このため、移動機構３０は、ベース部材２１、２２を上下に移動させることができれば良い。

【0031】

図７は、実施の形態１に係る移動機構３０の例を説明する図である。移動機構３０の部分３１、３２は、例えば伸縮性のあるベローズ３４と、ステッピングモーター等のアクチュエータ３５の組み合わせにより実現できる。

【0032】

張力発生機構２はチャックステージ５の上方に設けられなくても良く、チャックステージ５に対するウエハ１の反りを矯正する位置は限定されない。移動機構３０は、上下に移動するものに限定されず、張力発生装置１００により張力が及ぼされた状態のウエハ１をチャックステージ５に配置できるように構成されていれば良い。また、図６の例では、各々の張力発生機構２に移動機構３０が設けられる。これに限らず、複数の張力発生機構２に共通の移動機構３０が設けられても良い。

【0033】

以上説明したように、本実施の形態によれば、機械的な力でウエハを変形させるのではなく、電圧の印加によりウエハ１の半径方向にのみ張力を発生させることができる。従って、ウエハ表面の傷または凹みを抑制しながら、ウエハ１の反りを矯正できる。

【0034】

本実施の形態では、第１電極１１にウエハ１が搭載され、第２電極１２がウエハ１と離れている構成を例に説明した。第１電極１１と第２電極１２の少なくとも一方がウエハ１と離れていることで、ウエハ１にキズまたは凹みが発生することをさらに抑制できる。これに限らず、第１電極１１と第２電極１２の両方がウエハ１と離れている状態で、電極対１０に電圧が印加されても良い。この場合、ウエハ１を保持する部材が別に設けられても良い。また、ウエハ１に傷または凹みが生じない範囲で、第１電極１１と第２電極１２の両方がウエハ１と接した状態で、電極対１０に電圧が印加されても良い。

【0035】

電圧印加部は、複数の電極対１０に異なる大きさの電圧を印加可能に構成されていても良い。また電圧印加部は、複数の電極対１０に異なるタイミングで電圧を印加可能に構成されていても良い。これにより、ウエハに及ぼされる張力のバランスおよびウエハ位置の調整が可能になる。また、上述の例では、各々の張力発生機構２に電源５０が設けられているが、複数の張力発生機構２に共通の電源５０が設けられても良い。

【0036】

本実施の形態では、ウエハ１がシリコンウエハである例について説明した。これに限らず、ウエハ１はワイドバンドギャップ半導体で形成されていても良い。ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドである。

【0037】

なお、本実施の形態で説明した技術的特徴は適宜に組み合わせて用いても良い。

【0038】

以下、本開示の諸態様を付記としてまとめて記載する。
（付記１）
各々が第１電極と第２電極とを有する複数の電極対と、
前記複数の電極対の各々が、ウエハの主面と垂直な方向で前記第１電極と前記第２電極によって前記ウエハの端部を挟み込むように配置され、前記ウエハの主面と垂直な方向から見て前記第１電極と前記第２電極が前記ウエハよりも外側に突出した状態で、前記複数の電極対の各々の前記第１電極と前記第２電極との間に電圧を印加するように構成された電圧印加部と、
を備えることを特徴とする張力発生装置。
（付記２）
前記第１電極と前記第２電極との間に前記電圧が印加されることで、前記ウエハに張力が及ぼされることを特徴とする付記１に記載の張力発生装置。
（付記３）
前記第１電極と前記第２電極は、前記ウエハの前記主面と垂直な方向に前記電圧を印加するように構成されていることを特徴とする付記１または２に記載の張力発生装置。
（付記４）
前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方は、前記ウエハと離れていることを特徴とする付記１から３の何れか１項に記載の張力発生装置。
（付記５）
前記電圧を印加している状態で、前記第１電極と前記第２電極の間隔は、４０μｍ以上～２００μｍ以下であることを特徴とする付記１から４の何れか１項に記載の張力発生装置。
（付記６）
前記第１電極と前記第２電極の少なくとも一方の前記ウエハと対向する面には、絶縁層が設けられ、
前記絶縁層は１３０ＧＰａより低いヤング率を有することを特徴とする付記１から５の何れか１項に記載の張力発生装置。
（付記７）
前記電圧印加部は、前記複数の電極対に異なる大きさの電圧を印加可能に構成されていることを特徴とする付記１から６の何れか１項に記載の張力発生装置。
（付記８）
前記電圧印加部は、前記複数の電極対に異なるタイミングで電圧を印加可能に構成されていることを特徴とする付記１から７の何れか１項に記載の張力発生装置。
（付記９）
前記ウエハは、ワイドバンドギャップ半導体で形成されていることを特徴とする付記１から８の何れか１項に記載の張力発生装置。
（付記１０）
前記ワイドバンドギャップ半導体は、炭化珪素、窒化ガリウム系材料またはダイヤモンドであることを特徴とする付記９に記載の半導体装置。
（付記１１）
付記１から１０の何れか１項に記載の張力発生装置と、
チャックステージと、
前記張力発生装置により張力が及ぼされた状態の前記ウエハを前記チャックステージに配置するように構成された移動機構と、
を備えることを特徴とする半導体製造装置。

【符号の説明】

【0039】

１、１’ ウエハ、２、２ａ、２ｂ 張力発生機構、３ 筐体、４ スパッタターゲット、５ チャックステージ、１０ 電極対、１１ 第１電極、１２ 第２電極、１４ 絶縁層、２１、２２ ベース部材、３０ 移動機構、３１、３２ 部分、３４ ベローズ、３５ アクチュエータ、３６ 真空ポンプ、５０ 電源、１００ 張力発生装置、２００ 半導体製造装置

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】