静電チャック（ESC）とは？ 真空の装置でウェーハをどう固定し、なぜ裏面にヘリウムを流すのか

静電チャック（ESC）とは？

静電チャック（electrostatic chuck、略してESC。E-chuckとも呼ばれます）は、エッチング、イオン注入、成膜などの真空の装置で、ウェーハを載せる台です。中に電極が埋めこまれていて、電圧をかけると、表面のごく薄い絶縁層ごしに、静電気でウェーハ全体を平らに吸着します。温度の管理も受け持ちます。ウェーハの裏とチャックのあいだにヘリウムを流して（He背圧）、熱を下へ逃がすのです。

なぜ真空では静電気を使うのか、なぜヘリウムなのかは、用語カードに書いてあります。この記事では一歩先へ進んで、静電気でどう吸着するのか、ヘリウムをどう見ているのか、ウェーハをどう吸着してどう離すのかを説明します。

なぜウェーハを固定するのか？ メカニカルクランプと静電チャックの違いは？

ウェーハはチャンバーの中に数十秒から数分とどまり、そのあいだずっと平らで、位置がずれず、温度も安定していなければなりません。大気圧の装置、たとえばレジストの塗布、プローブ検査、ダイシングの装置では、真空吸着のチャックを使います。下から空気を抜き、上の大気がウェーハを押しつけるしくみです。チャンバーの中には押してくれる大気がないので、この方法は使えません。

もう一つの方法がメカニカルクランプです。リングでウェーハの縁を表から押さえます。簡単ですが、困ることが三つあります。

• 押さえた輪の部分は加工できない：リングに覆われたところは、チップになりません。
• 表面に触れる：押さえるとき、外すとき、接触やこすれでパーティクルが出るおそれがあります。
• 縁しか押さえられない：真ん中は何にも押さえられていないので、裏面にガスを流すと、ウェーハ全体の温度がそろいにくくなります。

静電チャックは裏面にしか触れず、全面をいっせいに吸着するので、ウェーハは平らになり、表面もきれいなままです。いまでは多くの真空の装置で使われています。

静電気はどうやってウェーハを吸着するのか？

2枚の金属板のあいだに絶縁体をはさみ、電源につないだところを想像してください。2枚の板は反対の電気を帯び、引き合います。チャックの中の電極が1枚目、シリコンのウェーハが2枚目で、そのあいだにあるのがチャック表面の絶縁層です。

この力は距離にとても敏感です。近いほど強く引き合い、少し離れるだけで力は大きく落ちます。だから絶縁層はごく薄く、表面はとても平らに作られています。ウェーハが反っていたり、裏面にパーティクルが1個はさまっていたりすると、その部分はしっかり吸着されません。

絶縁層が電気を通すかどうかで、よく使われる型は二つに分かれます。

• クーロン型：絶縁層はほとんど電気を通さず、電荷は電極とウェーハの両側にとどまって引き合います。電源を切ると、すぐに離れます。
• ジョンセン・ラーベック型（J-R型）（デンマークの2人の技術者の名前から）：絶縁層をわざとほんの少しだけ電気が通るように作ります。ごく小さな電流がウェーハとチャックの接する面まで流れ、そこに電荷が集まるので、同じ電圧でもより強く吸着します。そのかわり、電源を切ったあとも小さな電流がなかなか止まらず、ウェーハが離れるのが遅くなります。

ほかに、電極を2つに分けて片方をプラス、片方をマイナスにする方式もあり、プラズマがつくのを待たなくても吸着できます。

なぜ裏面にヘリウムを流すのか？

プラズマはウェーハにエネルギーを注ぎつづけるので、ウェーハは熱くなります。温度が少し違うだけで、削れる形が変わってしまいます（「プラズマとは？」を参照）。

真空には、熱を運んでくれる空気がありません（「半導体の装置は、なぜ真空にするのか」を参照）。ウェーハはチャックの上に載っていても、拡大すると両方の面はでこぼこで、本当に触れているのはごく小さな点だけです。紙やすりを2枚重ねたようなものです。点と点のあいだのすき間は真空なので、熱はほとんど渡れません。

そこで、このすき間にヘリウムを流します。気体の原子がウェーハとチャックのあいだを行き来して熱を下へ運び、冷却液が流れる下の金属の台座へ渡します。チャックの表面には細い溝が刻まれていて、ヘリウムを裏面全体に行きわたらせます。

ヘリウムの圧力を少し上げると、熱は少しよく伝わります。けれどもその圧力はチャンバーの中より高く、ウェーハを上へ押し上げます。チャックの吸着力が十分でないと、押さえきれません。

ヘリウムの流量が増えたら、何を意味するのか？

ヘリウムはウェーハの縁から少しずつチャンバーへ漏れていて、少しの漏れはふつうのことです。装置は裏面の圧力を設定値に保ち、漏れた分だけ補うので、補っている流量がそのまま漏れている量です。流量が多いほど、漏れも多いということです。よくある原因は三つです。

• 裏面に何かある：パーティクルが1個あるだけで、ウェーハの一部が浮きます。ある大学のクリーンルームの操作手順書には、ヘリウムの漏れが多すぎて装置がアラームを出したら、試料の裏をきれいにしてもう一度試す、とはっきり書かれています。
• ウェーハが反っている：全体が平らに密着しにくく、裏面にすき間が残ります。
• チャックが古くなった：表面が摩耗したり、ものが付いたりして、吸着力と密着がだんだん落ちていきます。

漏れが多すぎると、温度を制御できなくなります。その先どうなるかは「プラズマとは？」へ。

ウェーハはどう吸着され、どう離されるのか？ 一つずつ見る

1. 載せる：アームがウェーハをチャンバーに運びこむと、チャックの下からリフトピンが伸びて受け取ります。アームが引っこむと、ピンが下りてウェーハをチャックに置きます。ピンでウェーハを浮かせておくから、アームが下から抜けられます。そうしないと、アームがウェーハの下にはさまったままになります。
2. 電圧をかけて吸着する：電極に電圧をかけ、ウェーハを平らに吸着します。平らになってはじめて裏面がガスを閉じこめられます。
3. ヘリウムを流して確かめる：裏面の圧力がちゃんと上がるか、流量が範囲内かを見ます。「本当に吸着できているか」を確かめるひと目です。ここで通らなければ、装置はふつう先へ進まず、アラームを出します。
4. 処理する：プラズマをつけてエッチングし、そのあいだずっとヘリウムの流量を見張ります。温度が安定していれば、ウェーハ全体が同じように削れます。流量が急に上がれば、装置は止まります。
5. ヘリウムを止めて抜く：処理が終わったら、まずヘリウムを止め、裏面に残ったガスを抜きます。
6. 除電する（離脱、デチャック）：電圧を切り、さらにプラズマの中で、プラスとマイナスが交互に入れ替わる電圧をしばらくかけて、残った電荷を打ち消すこともあります。電源を切っても、電荷はすぐに消えるとは限りません。特にJ-R型は時間がかかります。
7. 持ち上げて渡す：リフトピンがウェーハを持ち上げ、アームが入って受け取ります。電荷が消えきっていないと、ウェーハはまだチャックに張りついていて、ピンで押したとたんに滑ったり、跳ねたり、割れたりすることがあります。

吸着できない、離れないとき、現場ではどうするのか？

• 最初から吸着できない：ヘリウムの圧力が上がらず、装置は先へ進まず、「ウェーハが吸着されていない」といったメッセージが出ます。これは装置が自分で止めるインターロックで、リセットを何度押しても解決せず、ウェーハがもう一度押されるだけです（「装置のアラームとワーニングとは？」を参照）。まず確かめるのは、ウェーハの裏がきれいか、反っていないか、チャックの電源とリーク電流、ヘリウムの配管の継手です。
• 流量が日に日に上がる：チャックが少しずつ摩耗していて、1枚ずつ見ればまだ範囲内です。傾向を見なければ気づけません（「FDCとは？」を参照）。
• チャックを交換する：チャンバー開放、部品交換、真空引き、リークチェックのあと、テストランに合格してはじめて製品を流せます（「装置が直ったのに、なぜ『テストラン』をするのか」を参照）。

fab24hrでは

「出勤」を押して「工場の一日」を選び、「今日のあなたは」のカードで「量産工場」を押し、左右にスワイプして装置エンジニアで止め、名前の下の「エッチング」を押します。

• 深夜シフト「電話3件」：03:40、プロセスから電話がかかってきます。ETCH-03のチャンバーAが02:47にHe背圧のアラームを出しました。あなたは自宅にいて、見られるのは夜勤が撮った装置の背面の写真だけです。チャンバーAのHe流量は14.2、チャンバーBはふだん8。でもそれは結果で、探すべきなのはESCのリーク電流ランプです。今すぐ装置メーカーを呼んで朝ESCを持ってきてもらうかどうかは、あなたが決めます。
• 朝シフト「チャンバー開放」：取り外した古いESCの表面は摩耗していて、アークで焼けた跡もあります。7枚目がまだチャンバーに残っていることがあり、手動モードで自分で取り出すこともできます。まずチャックの除電が終わったことを確かめ、それからリフトピンを上げます。新しいESCは8本のねじを対角締めすると、チャックが平らに収まります。リークチェックでは、ESC裏面のHe継手のOリングがきちんと収まっていないのが見つかるかもしれません。リークチェックを省くと、テストウェーハのHe流量が警告ラインを超え、チャンバーをもう一度開けることになります。

左右にスワイプして製造部にすると、深夜シフトに、電話をかける前に一度リセットしてみることもできます。装置は同じアラームを出し、その下に「WAFER NOT CHUCKED」の1行が増えます。

ウェーハがチャックに載る様子は、エッチングチャンバーを開いて、ウェーハの下の静電チャックを押して説明を読み、「動きを見る」を押すと見られます。リフトピンがウェーハをチャックに置き、処理が終わるとまた持ち上げます。

ゲームの会社、人物、装置番号、数字は架空のものです。静電チャックと裏面のヘリウムのしくみは、公開されている一般的な資料をもとに書いています。ほかの用語は「半導体工場の業界用語を、やさしく解説」へ。