CN102144285A - 静电吸盘装置和基片的吸附状态判断方法 - Google Patents

静电吸盘装置和基片的吸附状态判断方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供具有能够迅速且正确地把握基片的吸附状态的吸附判断单元的静电吸盘装置，并提供能够迅速且正确地把握静电吸盘装置中的基片的吸附状态的基片的吸附状态判断方法。该静电吸盘装置在金属基盘的上表面侧具有吸附基片的静电吸盘，其特征在于：具有用来判断基片的吸附状态的吸附判断单元。该基片的吸附状态判断方法是在静电吸盘装置中判断基片的吸附状态的方法，该静电吸盘装置在金属基盘的上表面侧具有吸附基片的静电吸盘，其特征在于：利用热流束传感器得到通过静电吸盘传递的来自基片的热流，从而判断基片的吸附状态。

Description

静电吸盘装置和基片的吸附状态判断方法
技术领域
本发明涉及静电吸盘装置和判断基片的吸附状态的方法，更具体地，涉及具有用来判断基片的吸附状态的吸附判断单元的静电吸盘装置、和使用了该静电吸盘装置的基片的吸附状态判断方法。
背景技术
在半导体制造工艺所涉及的以离子注入装置、离子掺杂装置、等离子体成像装置为首、使用了电子束、极紫外线(EUV)光刻术等的曝光装置、硅晶片等的晶片检查装置等的各种装置中，使用用来吸附和保持半导体基片的静电吸盘装置。另外，在液晶制造领域中，把液晶压入玻璃基片等中时使用的基片贴合装置、离子掺杂装置等，为了吸附和保持绝缘性基片而使用静电吸盘装置。
静电吸盘装置一般在金属基盘的上表面侧层叠形成吸附半导体基片、玻璃基片等的静电吸盘。然后，通过在静电吸盘所具有的吸附电极上施加预定的电压，在静电吸盘的表面上形成电荷和电场、用电气性的力吸附这些基片。如果用这样的静电吸盘装置进行基片的处理，则基片的温度因等离子体处理、离子注入等而上升，例如，在等离子体装置中蚀刻硅晶片时，基片温度达到200℃左右。虽然多数情况下在离子注入、等离子体处理时用抗蚀剂等掩蔽基片的一部分，但如果变成这样的高温状态则抗蚀剂会硬化过度，在随后的除去操作中成为障碍。
于是，在金属基盘上形成用来循环纯水等液体冷却剂的液体管路，使基片的温度保持合适。可是，由于在把基片保持在静电吸盘上时夹有颗粒等异物，或者基片本来也不是完全平坦的，所以有时基片的一部分不能正常地被吸附。另外，由于静电吸盘所具有的吸附电极的一部分断路或者覆盖吸附电极的绝缘层的一部分破损等，有时也会发生基片的吸附不良。尤其是近年来，随着半导体基片、玻璃基片的大型化，基片的完全平坦化越来越困难，而且在吸附它们的静电吸盘装置中要求进一步提高吸附力。为此，吸附电极的形状更加复杂化，或绝缘层进一步薄膜化，出现上述那样的麻烦的可能性增加。而且，除了在基片不被正常吸附的位置上，不能充分发挥上述那样的冷却效果，基片温度异常上升，抗蚀剂硬化的问题以外，还有可能对在基片上形成的元件等产生影响。
在这样的状况下，迅速且正确地把握静电吸盘装置中的基片的吸附状态是极其重要的，迄今为止进行了各种研究。例如，利用向金属基盘的吸附电极施加电压而产生的电力线一直到达由静电吸盘保持的基片这一点，根据静电电容的变化判断基片的吸附状态的方法(例如，参照专利文献1和2)。即，由于介电常数比真空高的基片的存在导致静电电容增加，所以静电电容会因基片的有无而产生差异，通过检测它来判断基片的吸附状态。另外，还提出了设置从金属基盘的下表面侧到达由静电吸盘吸附的基片的背面的贯通孔，用在该贯通孔内配设的温度计(热电偶、辐射温度计)直接测定基片的温度，并且判断基片的吸附状态的方法(例如，参照专利文献3和4)。该方法涉及根据基片与静电吸盘的接触状况制作基片的温度分布，根据实际测定的基片温度和温度分布判断吸附状态的技术。
但是，在基于静电电容变化的判断方法中，在基片被吸附到静电吸盘上的状态下和解除吸附力而使基片浮起的状态下的静电电容差很小，所以难以正确地判断基片的吸附/脱离状态。假如错误判断基片的吸附/脱离状态，则例如即使由于从金属基盘的下表面侧向上突出的提升销(lift pin)把基片抬起，也可能会脱离失败或对基片施加过大的力而损伤基片等。另一方面，在基于基片的温度分布的判断方法中，由于是在静电吸盘装置上处理基片时一边测定基片温度，一边基于预先得到的温度分布判断基片的吸附状态，所以为了判断，需要监测预定的温度变化。因此，判断需要时间，而且由于在实际的装置的使用中返回去判断基片的吸附状态，所以例如，假如用该方法判断基片的吸附不良，则在检测出异常时已经对基片造成了相当大的损伤了。
而且，在上述各判断方法中，还需要对静电吸盘装置从外部连接某种吸附判断单元(在前者的判断方法中至少需要有静电电容测定器和判断电路，在后者的判断方法中至少需要有辐射温度计和判断电路)，为了判断基片的吸附状态而变成了大型的设备。
<专利文献1>日本特开平7-7074号公报
<专利文献2>日本特开2000-228440号公报
<专利文献3>日本特开平10-150099号公报
<专利文献4>日本特开2004-47512号公报
发明内容
(发明要解决的问题)
于是，本发明人对判断静电吸盘装置中的基片的吸附状态的方法进行了认真研究，结果发现，在使用与金属基盘相比基片侧温度更高的静电吸盘装置时，能够通过得到来自基片的热流束解决上述那样的问题，并且正确且瞬时地判断基片的吸附状态，由此完成了本发明。
因此，本发明的目的在于提供能够迅速且正确地把握静电吸盘装置上的基片的吸附状态的、具有吸附判断单元的静电吸盘装置。
另外，本发明的另一目的在于提供能够迅速且正确地把握静电吸盘装置上的基片的吸附状态的基片的吸附状态判断方法。
(用来解决问题的手段)
即，本发明是一种静电吸盘装置，在金属基盘的上表面侧具有吸附基片的静电吸盘，其特征在于：具有用来判断基片的吸附状态的吸附判断单元。
另外，本发明是一种在静电吸盘装置中判断基片的吸附状态的方法，该静电吸盘装置在金属基盘的上表面侧具有吸附基片的静电吸盘，其特征在于：利用热流束传感器得到通过静电吸盘传递的基片的热流，判断基片的吸附状态。
本发明的静电吸盘装置具有用来判断由静电吸盘吸附的基片的吸附状态的吸附判断单元。关于该吸附判断单元，作为本发明中的优选方式可以使用热流束传感器。与一般的物理学能量同样地，热从高温侧流向低温侧，可以把通过单位面积的热能作为热流束(单位：W/m2)来把握。本发明人着眼于在静电吸盘装置上处理基片时，形成与金属基盘侧相比基片一方温度更高的温度梯度这一点，取得从基片向低温侧流动的热流(热流束)，从而判断基片的吸附状态。
用图1和图2说明该状态的一部分。如果向静电吸盘6所具有的吸附电极4施加电压，把基片w吸附在静电吸盘6的基片吸附面6a上，用例如离子注入装置(未图示)等处理基片w，则由于被注入的离子等在基片内减速而放出动能，所以基片w的温度上升。此时，由于在金属基盘1上，在液体管路2中使冷却剂循环等而进行冷却，所以在基片w的温度Tw与金属基盘侧的温度Tb之间形成温度梯度，产生像图2(A)所示那样从基片w经由静电吸盘6向金属基盘1侧流动的热流。可是，在例如静电吸盘所具有的吸附电极的一部分中产生断路等而产生吸附不良时等，如果由于某种原因在基片w的一部分或全部与基片吸附面6a之间产生间隙d，则基片w的热量不能传递到静电吸盘6侧(通常，由于离子注入等在真空下处理，所以没有或极少有把基片w的热量传递到静电吸盘6侧的物质)，像图2(B)所示那样在基片w的一部分或全部上从基片w经由静电吸盘6向金属基盘1侧流动的热流中断。通过在热流的下游侧将这样的变化作为热流束检测出，能够瞬时且正确地判断基片w相对于基片吸附面6a的离合状态。
获得通过静电吸盘传递的来自基片w的热流的热流束传感器7可以安装在热流的下游侧，也可以安装在静电吸盘6或金属基盘1中的任一者或这两者上，但希望避开阻碍来自基片w的热流的部位而配设热流束传感器7。例如，虽然在金属基盘1上形成流动液体冷却剂的液体管路2等，但如果在来自基片w的热流的路径的中途包含这些部位，则热被吸收，可能不能正确地判断基片w的吸附状态。另外，如果考虑来自热流束传感器7的信号线的引出等，从加工性的角度看优选把热流束传感器7配设在金属基盘侧，更优选地，把热流束传感器7配设成与金属基盘1的上表面在同一面上。关于热流束传感器7的种类、形状等没有特别的限制，可以是薄平型的片状，也可以是圆柱型的。作为具体例，可以举出美国Vatell Corporation公司制的热流束微传感器(HFM系列)、片状BF传感器、热量表、施密德-伯尔特表等一系列商品。
在本发明中，也可以设置多个热流束传感器7，针对基片w的平面区域在多个位置获得热流束。还可以通过在基片w的多个位置获得热流束更详细地把握基片的吸附状态。例如，如果一部分热流束传感器7未检测到热流束，则能够判断至少在与该热流束传感器7对应的基片w的位置处发生吸附不良，在基片w与基片吸附面6a之间产生了间隙。另外，如果全部热流束传感器7都未检测到热流束，则能够判断在与这些热流束传感器7对应的位置处发生了吸附不良，或者已经完成了利用提升销等抬起基片w。在此，作为基片的吸附不良的原因，设想有例如，在基片的背面由于颗粒等异物进入而不能正常吸附的情形、基片自身的凹凸不平造成的情形、发生了静电吸盘中的吸附电极的一部分断路或者覆盖吸附电极的绝缘层的一部分破损的情形等等。另外，作为全部热流束传感器未检测到热流束的情形，除了基片完成脱离以外，还设想有例如，因向吸附电极供给电压的电源的异常、电压供给连接器的不良等造成静电吸盘未正常动作等。另外，图3示出多个热流束传感器7的配置例。虽然随着传感器的数目增多，能够把握更详尽的状况，但还要在考虑加工的麻烦、成本的上升等的同时根据基片w的尺寸适当设定，当然地，不限定于这些。
另外，在本发明中，也可以对由热流束传感器7检测到的值设定预定的阈值，判断基片w的吸附状态。即，如果在静电吸盘装置的使用中测定的热流束低于阈值，则如上所述，能够判断为由于某种原因在基片w与基片吸附面6a之间产生了间隙或者基片w脱离了。另外，作为超过阈值的情况，考虑例如由于吸附电压升高而吸附增强，或者由于某种原因而使水分等整面地附着在基片w的背面、基片吸附面6a上等的要因。
而且，在本发明中，也可以通过以下所述的方法利用从热流束传感器7得到的热流束。例如，能够通过在由热流束传感器7得到的热流束(W/m2)上乘以将该热流束传递来时的材料的每单位面积上的热阻(℃·m2/W)来推定温度。在此，材料的每单位面积上的热阻(℃·m2/W)是“材料的厚度(m)/材料的热传导率(W/m·℃)”。因此，能够通过利用个人计算机等的程序处理以一定的周期对由热流束传感器7得到的热流束进行取样，一边把它置换成温度信息一边进行监视，进行静电吸盘装置的工艺监视。另外，还可以根据取样得到的温度信息获得等离子体装置实时(on-time)的热流束(即离子的流量)。进而，也可以在基片w的吸附状态正常时与另行取样得到的温度数据等比较，判断基片w的吸附状态的好坏，在确认为异常时，则例如向进行基片w的处理的处理装置侧的控制系统传递警告信号而进行警告显示，或作为停止处理的联锁信号使用。而且，还可以成为可以使用多个热流束传感器7推测吸附不良的原因的具有自诊断(故障诊断)功能的静电吸盘装置。即，在例如一部分传感器确认了异常时，考虑在基片w的背面上由于颗粒等的异物存在而不能正确吸附的情形，以及静电吸盘中的吸附电极的一部分断路或者覆盖吸附电极的绝缘层的一部分破损等静电吸盘侧的异常、离子注入量不均匀等基片处理装置侧的异常等。另一方面。在全部传感器都确认了异常时，考虑向静电吸盘的吸附电极供给的电压值、电流值、电压供给等的电源侧的异常、在金属基盘内流动的冷却水的异常、基片处理装置侧的电流值、能量不良等异常等。
(发明的效果)
根据本发明的静电吸盘装置，能够提供迅速且正确地判断基片的吸附状态。另外，本发明的静电吸盘装置不会由于其内部具有吸附判断单元而使设备大型化，在工业上利用价值也极高。而且，根据本发明的基片的吸附状态判断方法，能够正确且瞬时地判断基片的离合和吸附不良等。
附图说明
图1是根据本发明的静电吸盘装置的剖面说明图。
图2是根据本发明的静电吸盘装置的一部分的放大的剖面说明图。
图3是热流束传感器的配置图的一例。
图4是装备了故障诊断功能的静电吸盘装置的剖面说明图。
图5是故障诊断的流程图。
(附图标记说明)
1：金属基盘；1a：载置面；2：液体管路；3：下部绝缘层；4：吸附电极；5：上部绝缘层；6：静电吸盘；6a：基片吸附面；7：热流束传感器(吸附判断单元)；8：放大器；9：A/D变换器；10：个人计算机；w：基片
具体实施方式
下面，基于附图具体地说明本发明的优选实施方式。另外，本发明不限定于下述说明。
<静电吸盘装置的制造>
图1是在金属基盘1的上表面侧具有静电吸盘6的根据本发明的静电吸盘装置的剖面说明图。金属基盘1由铝、铜、不锈钢等构成，具有与吸附保持的半导体基片、玻璃基片等基片w的种类和尺寸对应的载置面1a。例如，适合吸附直径300mm的硅基片的金属基盘1具有直径298mm左右的载置面1a。另外，在金属基盘1上形成用来使液体冷却剂流动的液体管路2，可以一边经由未图示的热交换器等，一边在金属基盘内部循环从外部供给的液体冷却剂，进行基片w的冷却。而且，还可以在金属基盘1上，通过在静电吸盘6上形成的未图示的气体供给孔向基片w的背面供给从下表面侧供给的氦等冷却气体，形成用来冷却基片w的气体供给路径。另外，金属基盘1的上表面侧只要没有特别声明就是指基片w侧，下表面侧表示与基片w相反的一侧。
然后，在上述金属基盘1的上表面侧安装两个热流束传感器7(美国Vatell Corporation公司制：HFM-7E/L)。该热流束传感器7配设成传感器的顶部(取入热流束的部分)与载置面1a在同一面上，通过未图示的布线路径向金属基盘1的下表面侧引出信号线等。图1中示出安装了两个热流束传感器7的例子，但也可以像图3所示那样，根据基片w的形状、尺寸等适当增减传感器的数目，当然也可以是图3以外的传感器的数目、配置等。
在上述金属基盘1的上表面侧形成具有下部绝缘层3、吸附电极4和上部绝缘层5的静电吸盘6。对静电吸盘6没有特别的限制，可以用公知的。例如，关于下部绝缘层3和上部绝缘层5，可以用聚酰亚胺等的绝缘性膜、陶瓷板等具有预定的形状和膜厚的部件，也可以熔射氧化铝(Al2O3)粉末、氮化铝(AlN)粉末、氧化锆(ZrO2)粉末等陶瓷粉末而形成。例如，下部绝缘层3和上部绝缘层5都由陶瓷粉末的熔射层构成时，虽然没有特别的限制，但各自的膜厚为20～300μm左右。另外，由聚酰亚胺等的绝缘性膜构成时，一般为20～300μm左右。另外，由于上部绝缘层5的上表面侧形成吸附基片w的基片吸附面6a，所以也可以根据需要进行研磨等的平坦化处理。
关于吸附电极5，除了金属箔以外，也可以把用溅射法、离子镀法等形成膜的金属蚀刻成预定的形状而形成吸附电极，也可以进行导电性金属的熔射、浆状导电性金属的印刷等获得吸附电极。例如，用溅射法、离子镀法等形成金属膜时，一般吸附电极5的膜厚为0.1～3μm左右，由导电性金属的熔射形成的吸附电极5的膜厚一般为10～50μm左右。如果是这样的膜厚，在用在金属基盘1的载置面1a上配置的热流束传感器检测来自基片w的热流束时不会有特别的障碍，但也可以不在与捕捉来自基片w的热流束的路径相当的部分形成吸附电极5。另外，关于吸附电极5的形状，没有特别的限制，根据吸附的基片w的种类、尺寸等适当设定即可，进而既可以构成向两个电极施加电压的所谓双极型静电吸盘，也可以构成单极型静电吸盘。另外，在制造本发明的静电吸盘装置时，可以在金属基盘1的上表面侧依次层叠下部绝缘层3、吸附电极4和上部绝缘层5而形成，也可以在形成具有下部绝缘层3、吸附电极4和上部绝缘层5的静电吸盘6后用粘接剂等贴合到金属基盘1的上表面侧上而得到静电吸盘装置。
<基片的吸附状态的判断>
以下，说明用图1所示的本发明的静电吸盘装置，在用离子注入装置对直径300mm的硅晶片w进行了离子注入处理时判断基片w的吸附状态的例子。该静电吸盘装置像图3(A)所示的那样，在具有直径298mm的载置面1a的铝制金属基盘1的上表面侧在两个位置安装热流束传感器7(美国Vatell Corporation公司制：HFM-7E/L)，每个热流束传感器7都配设成传感器顶部与载置面1a在同一面上。然后，在该金属基盘1的载置面1a上层叠静电吸盘6，该静电吸盘6具有：熔射纯度99.99％的氧化铝粉末而形成的直径298mm、膜厚100μm的下部绝缘层3、通过掩模形成为由两个直径294mm的半圆形相互以电极间距离2mm相对的膜厚30μm的吸附电极4、和进而熔射纯度99.99％的氧化铝粉末而形成的直径298mm、膜厚50μm的上部绝缘层5。
把上述静电吸盘装置设置于未图示的离子注入装置，在静电吸盘6上载置直径300mm的硅晶片w，在两个吸附电极4间施加2kV的电压，把硅晶片w吸附到基片吸附面6a上。然后，在金属基盘1的液体管路2中以2升/分钟的流量使温度20℃的纯水循环，以离子束能量100kV、恒电流3mA、单位面积上的平均离子束功率0.3W/cm2的条件进行了离子注入处理。在这期间，由两个热流束传感器7得到的值都为0.25W/cm2。另外，在仅用目视确认时，对于硅基片w的吸附状态未看到特别的异常。
离子注入处理结束后，停止对吸附电极4的电压施加，进而开启等离子体枪，充分除去静电吸盘6的基片吸附面6a的残留电荷。然后，在该离子束的照射中利用静电吸盘装置具有的未图示的提升销把硅基片w抬起，同时，由两个热流束传感器7得到的值都为0.01W/cm2。此时，利用目视和红外线接近传感器实际确认了硅基片w的吸附状态，硅基片w从基片吸附面6a完全离开而脱离了，由此确认了可以利用根据本发明的静电吸盘装置所具有的热流束传感器7判断基片的吸附状态。
<具有故障诊断功能的静电吸盘装置>
图4示出在本发明的静电吸盘装置中装备了故障诊断功能的例子。与上述同样地，用离子注入装置对直径300mm的硅晶片w进行离子注入处理，在这期间，用信号放大器8把由热流束传感器7得到的信号放大到不易受噪声影响的最大10V级别的电压水平，通过A/D(模拟到数字)变换器9输入到个人计算机10。个人计算机10内的处理的概要如图5的流程图所示。利用个人计算机10内的程序处理，以一定的周期对放大了的来自热流束传感器7的信号进行取样。对于基片w的处理时间，由于即使是同一离子注入装置也会因处理内容不同而有1秒～1小时左右的宽度，所以考虑个人计算机10所具有的磁盘的容量(例如300GB)而确定即可。在本实施方式中，最小取样周期设定为10ms。由于要测定的物理量是热量，所以其变化比较慢，无须太频繁地测量。
取样后的数值经过例如平滑化、除噪等数据处理而存储到磁盘中。然后，另行监测流向金属基盘1的冷却水的温度及其流量，根据上述磁盘中存储的取样数据以及静电吸盘6的下部绝缘层3和上部绝缘层5的热传导率，基于下式(1)算出静电吸盘6的基片吸附面6a上的温度(推定值)。即，
基片吸附面的温度(℃)＝冷却水的温度(℃)+[1/冷却水的平均热传导率(W/℃·m2)+静电吸盘的热阻(℃·m2/W)]×平均入射功率(W/m2)                   ......式(1)
在此，“冷却水的温度(℃)”是“流入金属基盘的冷却水的温度(℃)”，“冷却水的热传导率”是“其温度和流速的函数”，“静电吸盘的热阻(℃·m2/W)”是“从液体管路2的上部到基片w的背面的总热阻之和”。另外，用热流束即“流入基片w的每单位面积的功率”表示“平均入射功率(W/m2)”，例如在离子注入装置中“其离子束的平均束功率”与其相当，在等离子体装置中“离子的平均入射功率+高频功率”与其相当。
然后，把算出的温度与例如过去的数据、基片w的吸附状态无问题时的标准值比较，如果判断为正常就进行是正常状态的显示，如果判断为异常就进行警告显示。该警告信号也可作为传递给离子注入装置侧的控制系统而停止处理的联锁信号使用。另外，在本实施方式中，由于设置多个热流束传感器7，所以能够根据检测到了异常值的传感器的数目区分诊断吸附不良的要因。如果来自多个热流束传感器的信号示出异常值，则考虑例如(1)与静电吸盘6的吸附电极4连接的吸附电源的异常、(2)电压值的异常、(3)静电吸盘6的电压供给部的异常、(4)处理离子的电流值和能量的异常、(5)冷却水的异常(温度上升、冷却水水量不足)等。即，考虑把静电吸盘装置看作整体时的共同的问题是其要因。而如果来自单个的热流束传感器的信号示出异常值，则考虑例如(1)基片w与静电吸盘6之间有颗粒等的异物存在、(2)处理离子的均匀性异常、(3)静电吸盘所具有的吸附电极4的一部分断路、(4)静电吸盘所具有的上部绝缘层5和/或下部绝缘层3的一部分损伤等局部的问题是其要因。
产业上的可利用性
本发明的静电吸盘装置能够适用于半导体制造工艺、液晶制造工艺等中使用的各种静电吸盘装置，能够正确且瞬时地判断半导体基片、玻璃基片等作为处理对象的基片的吸附状态。尤其是，如果是使用了热流束传感器的基片的吸附状态判断方法，则由于能够利用热流束的变化立即判断基片对于基片吸附面的离合状态，所以在例如半导体制造工艺等中的需要连续处理的情况下效果很好。

Claims (9)

1.一种静电吸盘装置，在金属基盘的上表面侧具有吸附基片的静电吸盘，其特征在于：
具有用来判断基片的吸附状态的吸附判断单元。
2.如权利要求1所述的静电吸盘装置，其特征在于：
吸附判断单元是热流束传感器，利用通过静电吸盘传递的来自基片的热流判断基片的吸附状态。
3.如权利要求2所述的静电吸盘装置，其特征在于：
热流束传感器配设在金属基盘侧。
4.如权利要求3所述的静电吸盘装置，其特征在于：
热流束传感器配设成与金属基盘的上表面在同一面上。
5.如权利要求2～4中任一项所述的静电吸盘装置，其特征在于：
针对基片的平面区域在多个位置获得热流束。
6.一种基片的吸附状态判断方法，是在静电吸盘装置中判断基片的吸附状态的方法，该静电吸盘装置在金属基盘的上表面侧具有吸附基片的静电吸盘，其特征在于：
利用热流束传感器得到通过静电吸盘传递的来自基片的热流，从而判断基片的吸附状态。
7.如权利要求6所述的基片的吸附状态判断方法，其特征在于：
热流束传感器配设在金属基盘侧。
8.如权利要求7所述的基片的吸附状态判断方法，其特征在于：
热流束传感器配设成与金属基盘的上表面在同一面上。
9.如权利要求6～8中任一项所述的基片的吸附状态判断方法，其特征在于：
针对基片的平面区域在多个位置获得热流束。
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