JP5227638B2 - 真空処理装置 - Google Patents

Description

本発明は真空処理装置、更に詳しくは静電チャックを用いた真空処理装置に関する。

一般に、半導体デバイスの製造には、例えばスパッタリングのように、真空中で基板を処理する種々の形式の真空処理装置が用いられている。そしてこのような真空処理装置においては、一般に処理すべき基板を真空チャンバー内に装着し支持するために静電チャックが用いられている。

一般的に、この種の静電チャックは、内部にチャック電極が内蔵されており、外部に設置された直流高圧電源に接続されている。チャック電極に高電圧を印加することで、基板との問にクーロンカが発生し、基板を静電吸着するように構成されている。また、静電チャックには、基板温度を制御するためのガス導入機構が設けられ、ガス導入は、静電吸着された基板の裏面に、例えばＡｒガス等の不活性ガスを導入することで行われ、基板と静電チャック間の熱伝達を向上させて、基板の面内温度分布を向上できるようにしている。この種の静電チャックの先行技術としては、絶縁性基板吸着用のもの（特許文献１参照）、被処理物の保持力に応じて静電気力を補正して、被処理物と絶縁膜との密着度を一定にするように構成したもの（特許文献２参照）、吸着面に被処理物が吸着しているか否かを判別できるようにしたもの（特許文献３参照）などを挙げることができる。

そして、この種の静電チャックを備えた真空処理装置においては、例えばプロセス開始時には、静電チャックに移載された基板を静電吸着させ、次に裏面ガスを導入する。ガス導入時の制御は、ガス系統に付属された制御手段で行われ、配管内が設定の圧力になるようにガス流量を制御する。
プロセスが終了すると、ボックスの動作がまず、配管内に充填したＡｒガスの排気を行い、配管内の圧力が所定の圧力以下になったことを確認後、静電吸着を停止させ、その後にウエハのアンロード動作を行う。
また、プロセス中の基板温度を制御するためには、基板と静電チャック間に充填したＡｒガスの圧力分布を一定にすることが望ましい。

従来の静電チャック機構では、基板を静電チャックに静電吸着することにより、基板と静電チャック間に充填したＡｒガスが真空チャンバーへ漏れないようにしている。
また静電チャックには加熱機構が設けられているのが一般的であり、プロセスによっては５００℃近辺まで加熱されることがある。そのため、基板が静電チャックに吸着される面の材料は耐熱性を持たせる必要があり、かつ放出ガスが少なく、コンタミネーションを起こさないことが重要である。

しかし、基板と静電チャック間に供給されるＡｒガスを確実に封止することには限界がある。また、装置の生産性を向上するためには、一枚の基板に対する処理時間を短縮する必要があり、そのためには短時間で基板温度を昇温・安定させることが求められており、これらを満たすためには、基板と静電チャックとの間にガスを設定圧力まで短時間で充填することが要求され、従って圧力に関してフィードバック制御するのが望ましい。そのため、ガス配管内の圧力が常に一定になるように、真空計を用いてガス配管内の圧力を監視し、圧力状態に応じてガス配管内を流れるＡｒガスの流量を制御するようにしている。

従って、基板と静電チャック間に供給されるＡｒガス流量は常に変動することとなり、
Ａｒガスの変動量について、測定機器の個体差、静電吸着力、配管ボリュームや形状が変動要因になるため、装置間、モジュール間での変動量を予め決めることは不可能である。

また、なんらかの原因で、基板の吸着不良が発生した場合においても、ガス配管内の圧力が制御できていれば、Ａｒガス流量がいかに変動しても、プロセスは実行され、その結果製品不良をだしてしまうといった、異常が発生していた。

そこで、本発明は、このような事情に基づいてなされたものであり、充填したＡｒガスの漏れ量を精度良くモニターして、基板温度異常を防ぐことができる真空処理装置を提供することを目的としている。

本発明による真空処理装置は、真空チャンバーと、一対の電極を備え、上面に基板を吸着する静電チャックと、静電チャックの表面に形成されたリング形状のシール部材と、基板と静電チャックとの間に熱媒体を導入する少なくとも一つの熱媒体導入系と、熱媒体導入系を介して基板と静電チャックとの間に導入される熱媒体の圧力を監視する圧力監視手段と、熱媒体導入系を介して基板と静電チャックとの間に導入される熱媒体の圧力が予め設定されている所定圧力になるように圧力監視手段を制御する制御手段と、シール部と基板との間から真空チャンバーへの熱媒体の漏洩を検知する検知手段とを有し、静電チャックの一対の電極が円形状電極とリング状電極とから成り、リング状電極がシール部材の下に位置し、円形状電極が、リング形状電極の内側に同心状に配置されていることを特徴としている。

さらに、シール部材は、熱媒体の導入される基板と静電チャックとの間の間隔を画定し得る。

本発明による真空処理装置においては、真空チャンバー内に、一対の電極を備え、上面に基板を吸着する静電チャックを配置し、静電チャックの表面にリング形状のシール部材を設け、少なくとも一つの熱媒体導入系を介して基板と静電チャックとの間に熱媒体を導入し、基板と静電チャックとの間に導入される熱媒体の圧力を圧力監視手段で監視し、熱媒体導入系を介して基板と静電チャックとの間に導入される熱媒体の圧力が予め設定されている所定圧力になるように圧力監視手段を制御する制御手段を設け、そしてシール部と基板との間から真空チャンバーへの熱媒体の漏洩を検知する検知手段を設けているので、装置の仕様、特に制御方式に依存することなく、プロセス中の基板と静電チャック間に充填される熱媒体の圧力分布を一定にすることができ、それにより、基板温度を予定の所望レベルに制御することができ、その結果、基板温度異常を防ぐことができるようになる。
また、静電チャックの一対の電極が円形状電極とリング状電極とから成り、リング状電極がシール部材の下に位置し、円形状電極が、リング形状電極の内側に同心状に配置されていることにより、シール部での基板の吸着力が大きく、シール部で基板が吸着されるので、漏洩が少なくなる。

以下添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１には、本発明を実施している真空処理装置を示し、１は真空チャンバーであり、真空チャンバー１は、真空チャンバー１内を高真空に排気するための排気系（図示していない）に接続されている。排気系としては主排気にはターボ分子ポンプが用いられ得る。また、真空チャンバー１の底部には金属製台座２が設けられ、この台座２の上部には静電チャック３が搭載されており、静電チャック３は、処理すべき基板４の受け渡し、及び基板４の加熱を行う機能を備えている。すなわち静電チャック３は、ＥＳＣチャック電極３ａを備え、そして必要に応じてヒーター電極３ｂが内蔵され得る。

図２には、静電チャック３の一実施形態を示し、図示静電チャック３は、円板状の本体３１を有し、円板状の本体３１の上面にはその外周部に沿って環状のシール部材３２すなわちシールリングが設けられている。また円板状の本体３１内の中央部には円形状電極３３が設けられ、この円形状電極３３に同心にリング状電極３４が設けられ、円形状電極３３及びリング状電極３４は実質的に同一平面に位置している。これらの一対の電極３３、３４は、図示していない外部の直流電源に接続される。また、本体３１及び中央の円形状電極３３の中心には厚さ方向にのびる貫通孔３５が形成されている。

再び図１を参照すると、静電チャック３の中心に縦方向に貫通孔５が形成され、この貫通孔５の上端は、静電チャック３の上面、すなわちシール部材３２と基板４とで画定された空間６に開放している。貫通孔５の下端は台座２に設けた貫通孔７を通って熱媒体導入系８に接続されている。

熱媒体導入系８は、真空計から成り得る圧力監視手段９と、バルブ１０と、流量計１１とを備え、圧力監視手段９、バルブ１０及び流量計１１は制御手段１２に接続されている。また、熱媒体導入系８は、バルブ１３を介してＡｒガスのような不活性ガスの供給源（図示していない）に接続される。真空計９は、熱媒体導入系８及び従って静電チャック３と基板４との間に画定される空間６ないの圧力を監視するように構成されている。バルブ１０は、熱媒体導入系８内のＡｒガスのような熱媒体の流量を制御するように機能する。また流量計１１は、熱媒体導入系８におけるＡｒガスの流量をモニターするように機能する。

また、真空チャンバー１には、質量分析器１４が設けられ、この質量分析器１４は、シール部材３２と基板４との間から真空チャンバー１へ漏れる熱媒体を検知する検知手段の働きをしている。すなわち質量分析器１４によって真空チャンバー１内のガスモニターができるようになっている。

このように構成した装置を用いての実施例を以下に説明する。
スパッタリング装置の場合を例に説明すると、スパッタリング処理すべき基板４ｆ搬送ロボット（図示していない）によって、真空チャンバー１内の静電チャック３上へ搬送される。次に、図示していない直流高圧電源より直流電圧を静電チャック３の電極に印加することによって、基板４を静電チャック３に静電吸着させる。この状態では、基板４は静電チャック３のシール部材３２上に密封的に静電吸着されている。

この状態において、処理に先立って基板４の温度を制御するために、基板４と静電チャック３との間の空間６に熱媒体導入系８からＡｒガスを導入する。その後の動作シーケンスについて説明すると次のとおりである。

真空計９には、制御手段１２から設定圧力に相応した電気信号が供給される。この場合の制御方法としては、設定圧力まで１０ｓｅｃで昇圧し、１０ｓｅｃ以後は保持するような制御形態となるようにすることができる。この際の、各構成要素から得られる情報を図３のグラフに示している。図３のグラフにおいて、曲線Ａは真空計９から得られるガスの圧力指示値であり、曲線Ｂは流量計１１から得られるガスの流量指示値である。

Ａｒガスによる基板４と静電チャック３との間の空間６内の昇圧と同時に、曲線ＢのようにＡｒガス流量は増加し、圧力が設定圧力に到達すると、制御手段１２からの流量制御信号の働きでバルブ１０は絞られ、それによりＡｒガス流量は低下し、圧力を維持するのに必要な流量を供給することとなる。

図３のアナログ波形を装置から得られる実際の波形と比較してみると、図４に示すようになり、図４において曲線Ａは曲線Ａ’となり、曲線Ｂは曲線Ｂ’となる，
圧力波形曲線Ａ’は、設定圧力に対して常に同等であるように制御しようとしているが、静電吸着させていても、基板４と静電チャック３との間からガスの漏れが存在しているため、幅Ｃをもって圧力制御されることになる。

その際に、基板４と静電チャック３との間の空間６に供給されるガスの流量も変動することとなり、曲線Ｂ’のように、単位時間あたりに流れる流量が増減を繰り返す波形となる。このように図３のグラフに示す波形が、実際の装置で運用されているものである。
この場合、装置を安定稼動させるために、運用時のインターロックを設定するのであるが、圧力値に対してフィードバックを行っているため、圧力値に対するインターロック設定は、意味をもたないことがわかる。従って、基板４と静電チャック３との間の空間６に供給されるガスの流量に対してインターロック値を設定するのが一般的であるが、本発明では、基板４と静電チャック３との間の空間６に供給されるガスの流量を常時調整して、基板４と静電チャック３との間の空間６内のガス圧力を一定にする。従って、インターロック値として設定することに関しては困難であことが容易に想定できる。真空チャンバー内に漏洩する熱媒体の圧力が所定値を超えると、吸着不良を知らせる表示がディスプレイに表われる。

また、静電吸着力の低下による基板と静電チャックとの間から漏れるガスのリーク量を直接監視しているものではないので、静電吸着力を監視するためのインターロックとしては、ふさわしくないことがわかる。

次に、図５及び図６に示す質量分析器１４による真空チャンバー１内のガス圧をモニターした結果を以下に説明する。
図５及び図６における曲線Ｄ、曲線Ｄ”は、質量分析器１４によるプロセス中の波形である。

図５は、静電吸着された基板４と静電チャック３が正常に動作している場合のグラフである。曲線Ｂ’が変動している状態でも、曲線Ｄで表される質量分析器１４の波形は安定していることがわかる。

図６は、静電チャック３による基板４の吸着力が低下した異常時のグラフである。
吸着力が低下したことにより、曲線Ｂ”の波形に乱れが生じているが、増減を繰り返す波形であることがわかる。しかし、曲線Ｄ”で表される質量分析器１４の波形は、吸着力低下によって、基板４と静電チャック３との間の空間６に供給されるガスの増加したリーク量分が増加している。

そこで、本発明では、質量分析器１４の波形を監視することで、基板にかかる静電吸着力のモニターになることがわかる。

ところで、図示実施形態では、基板４と静電チャック３との間の空間６内へガスを供給するための孔５は静電チャック３の中央部に設けているが、代わりに、静電チャック３における円形状電極３３とリング状電極３４との間の本体部分に一つ以上に孔を設けてガスを導入するようにしてもよい。

また、静電チャック３の輪郭も円形である必要はなく、処理すべき基板の形状に応じて、任意の多角形状に構成することも可能である。

本発明が実施される真空処理装置の一実施形態を示す概略線図。 本発明における静電チャックの一実施形態を拡大して示す概略断面。 静電チャックと基板との間のガス圧力及びガス流量の概念を示すグラフ。 本発明の実施形態による静電チャックと基板との間のガス圧力及びガス流量を示すグラフ。 本発明の実施形態による静電チャックと基板との間のガス圧力の制御が正常である場合の質量分析器のモニター結果を示すグラフ。 本発明の実施形態による静電チャックと基板との間のガス圧力の制御が異常である場合の質量分析器のモニター結果を示すグラフ。

符号の説明

１：真空チャンバー
２：金属製台座
３：静電チャック
３ａ：ＥＳＣチャック電極
３ｂ：ヒーター電極
３１：円板状の本体
３２：環状のシール部材
３３：円形状電極
３４：リング状電極
３５：貫通孔
５：貫通孔
６：シール部材３２と基板４とで画定された空間
７：台座２に設けた貫通孔
８：熱媒体導入系
９：真空計（圧力監視手段）
１０：バルブ
１１：流量計
１２：制御手段
１３：バルブ
１４：質量分析器（検知手段）

Claims (2)

1. 真空チャンバーと、
   一対の電極を備え、上面に基板を吸着する静電チャックと、
   前記静電チャックの表面に形成されたリング形状のシール部材と、
   前記基板と前記静電チャックとの間に熱媒体を導入する少なくとも一つの熱媒体導入系と、
   熱媒体導入系を介して前記基板と前記静電チャックとの間に導入される熱媒体の圧力を監視する圧力監視手段と、
   熱媒体導入系を介して前記基板と前記静電チャックとの間に導入される熱媒体の圧力が予め設定されている所定圧力になるように前記圧力監視手段を制御する制御手段と、
   前記シール部と前記基板との間から前記真空チャンバーへの熱媒体の漏洩を検知する検知手段と
   を有し、
   前記静電チャックの一対の電極が円形状電極とリング状電極とから成り、前記リング状電極が前記シール部材の下に位置し、前記円形状電極が、前記リング形状電極の内側に同心状に配置されていることを特徴とする真空処理装置。
2. 前記シール部材が、熱媒体の導入される前記基板と前記静電チャックとの間の間隔を画定していることを特徴とする請求項１記載の真空処理装置。

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