JP2006086301A - 静電チャックの評価装置及び静電チャックの評価方法 - Google Patents

Abstract

【課題】実際の使用状態と近似する条件下で特性評価を簡易に行なうことのできる静電チャックの評価装置と評価方法を提供する。
【解決手段】密閉可能なチャンバと、チャンバ内に備えた、静電チャック用設置手段と、設置手段上に載置される静電チャック上方に配置されるランプ加熱装置と、静電チャック上に載置される基板表面温度を測定する測定手段と、チャンバ内を真空排気する排気装置とを有する静電チャック評価装置である。密閉可能なチャンバ内に静電チャックを載置する工程と、静電チャック上に基板を載置する工程と、密閉チャンバ内を真空排気する工程と、基板表面をランプ加熱装置で加熱する工程と、静電チャックの特性を評価する工程とを有する静電チャックの評価方法である。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体プロセス等で基板の固定等に使用される、静電チャックの評価装置及び静電チャックの評価方法に関する。

半導体プロセスや液晶ディスプレイ製造プロセスでは、シリコンウエハやガラス等の基板を固定するため、静電チャックが広く使用されている。

一般的な静電チャックは、基板載置面を有する板状の絶縁基体中に面状の電極を備えたものであり、クーロン力により或いはジョンソン・ラーベック力により基板を載置面上に固定する。最近は、固定機能のみならず、固定された基板を加熱するため、ヒータと一体になったものやヒートシンク機能を有する冷却盤と一体になった静電チャックも使用されている。静電チャックの吸着特性に加えて、一体として付加されるヒータや冷却盤は、静電チャック上に載置される基板の温度特性に大きく影響を与える。

静電チャックの基本的な性能としては、吸着力、リーク電流、脱着応答性等があり、これらは、静電チャックの品質を評価する上で重要な特性であるため、従来より種々の装置を用いて評価されてきたが（特許文献）、これらの性能評価に加えて、静電チャックの熱特性、特に静電チャック上に載置された基板の温度分布についても正確な評価が望まれている。半導体プロセスにおいて、基板表面の面内温度分布は、作製される薄膜の膜質やエッチング特性の面内ばらつきに大きく影響するためである。
特開２０００−２３４９７３号公報（図１等）

しかしながら、吸着力、リーク電流、脱着応答性等は主に静電チャック自身の性能であるため、比較的簡便な評価装置を用いて評価されているが、静電チャックの熱特性については、これまで適当な評価装置がなく、正確な評価がなされていなかった。

特に、静電チャックが、プラズマＣＶＤ装置やプラズマエッチング装置等のプラズマ処理装置で使用される場合、基板面内における温度分布は、静電チャック自身に起因する温度分布のみならず、プラズマからの入熱分布等の影響を大きく受ける。例えば、特に基板加熱を行わない場合でも、プラズマの発生により、基板表面は５０℃〜１００℃昇温する。

よって、大気中で静電チャックを動作させ、静電チャック上に載置された基板の表面温度を測定し、基板表面の到達温度や表面温度分布を評価しても、プラズマ処理装置中で静電チャックが使用される場合には、プラズマ衝撃による外的要因が加わるため、実際の使用条件と評価結果がかけ離れたものになっていることが多い。

一方、実際のプラズマ処理装置を使用して、実際の使用状態と同じ条件で、静電チャックの熱特性を測定すれば、正確な熱評価を行なうことは可能である。しかし、静電チャックの評価のためのみに高額で複雑なプラズマＣＶＤ装置やプラズマエッチング装置を使用するのは、静電チャックメーカーにとってはコストの負担が大きいとともに、評価に手間と時間がかかる。

そこで、本発明の目的は、プラズマ処理装置中で静電チャックを使用する場合と近似する条件で静電チャックの特性評価が可能な簡易な構成の静電チャックの評価装置と簡便な評価方法を提供することである。

本発明の第１の態様の静電チャック評価装置は、密閉可能なチャンバと、チャンバ内に備えた静電チャック用設置手段と、設置手段上に載置される静電チャック上方に配置されるランプ加熱装置と、静電チャック上に載置される基板表面温度を測定する測定手段と、チャンバ内を真空排気する排気装置とを有することを特徴とする。

上記第１の態様の静電チャック評価装置によれば、真空中で、ランプ加熱装置からの光照射により、上方から基板への入熱が生じる環境を簡易な装置構成で形成できる。

上記第１の態様の静電チャックには、さらに静電チャックに冷却液を供給する冷却液配管を備えてもよい。また、静電チャックにガスを供給する配管を備えてもよい。

上記ランプ加熱装置は、ハロゲンランプであることが好ましい。また、上記ランプ加熱装置は、基板表面の全面に略均一に照射する略面状光源を持つことが好ましい。

上記測定手段は、静電チャック上に載置される熱電対測定子を表面の測定位置に固定した測定用基板と、熱電対測定子に接続された引き出し線をチャンバ外に取り出す接続端子とを有するものであってもよい。

本発明の第２の態様の静電チャック評価方法は、密閉チャンバ内の静電チャック用設置台上に静電チャックを設置する工程と、静電チャック上に熱電対測定子を表面の測定位置に固定した測定用基板を静電チャック上に載置し固定する工程と、密閉チャンバ内を真空雰囲気に調整する工程と、測定用基板表面を、基板上方に配置したランプ加熱装置から光照射を行なう工程と、熱電対測定子を用いて、測定用基板上の温度をモニターする工程とを有することを特徴とする。

上記第２の態様の静電チャック評価方法によれば、真空中で、ランプ加熱装置からの光照射により、上方から基板への入熱が生じる環境下で静電チャックの特性評価を簡易な方法で行うことができる。

上記第２の態様の静電チャックの評価方法において、測定する静電チャックの特性は熱特性であってもよい。

また、ランプ加熱装置としては、ハロゲンランプを使用することが好ましい。

さらに、静電チャックの特性を評価する工程後、ランプ加熱装置の加熱を停止する工程と、基板表面をランプ加熱装置で加熱する工程と、静電チャックの特性を評価する工程とを繰り返し行なってもよい。

本発明の第１の態様による静電チャック評価装置によれば、プラズマ処理装置中で静電チャックを使用する場合に、静電チャック上に載置された基板に生じるプラズマからの入熱と近似する条件を、簡易な装置構成を用いて再現できる。よって、実使用条件に応じたより正確な静電チャックの熱特性評価結果を提供できる。

また、本発明の第２の態様による静電チャックの評価方法によれば、プラズマ処理装置中で静電チャックを使用する場合に、静電チャック上に載置された基板に生じるプラズマからの入熱と近似する条件下で、簡易にしかも短時間に静電チャック特性の評価が可能になる。

本実施の形態に係る静電チャックの評価装置の主たる特徴は、真空チャンバとランプ加熱装置を備えることであり、静電チャック上に載置された基板の表面をランプ加熱装置を用いて加熱することで、プラズマ装置内で静電チャックを使用する場合と近似した使用条件の下で、静電チャックの熱特性を簡便に測定することが可能になる。

以下、図面を参照しながら、本発明の実施の形態に係る静電チャックの評価装置、及びその装置を用いた評価方法について説明する。

図１は、本発明の実施の形態に係る静電チャックの評価装置の構造を示す概略的な断面図である。

評価の対象となる静電チャック１０は、特に限定されるものでなく、基本的に絶縁基体１４中に膜状、板状、線状の電極１２を埋設した構造を有し、基板を固定する機能を有するものであればよい。絶縁基体１４としては、セラミックス基体のほか、ポリイミド膜等の絶縁樹脂を使用することもできる。埋設された電極１２は、静電チャック用電極として使用されるほか、高周波プラズマ発生用電極等の機能を有するものであってもよい。

また、絶縁基体１４中に、ヒータを備えるものであってもよい。或いは、図１に示すように、冷却機能を備えた冷却盤１８と一体となった静電チャック１０を使用してもよい。冷却盤１８としては、例えばヒートシンク材となりうる熱伝導性の高い材料を用いてもよい。冷却盤１８内に冷却水管３２を備えたものが使用できる。冷却盤１８とセラミックス基体１４とは、有機或いは無機の接着剤１６で一体とされるものであってもよい。

本実施の形態に係る静電チャックの評価装置は、排気手段１４０を備えた真空チャンバ１００を有する。真空チャンバ１００内部には静電チャック用設置冶具２０を備え、この設置治具２０上に静電チャック１０が設置される。真空チャンバ１００は、数Torr（数100Pa）以下、好ましくはプラズマ処理装置内で静電チャックを使用する場合と同程度の真空度を到達できるものが好ましい。真空条件は、基板からの伝熱による熱の放出特性に影響を与えるため、できるだけ使用状態に近似する真空条件とすることが好ましいからである。

静電チャック１０の上方にはランプ加熱装置１２０が配置されており、静電チャック１０上に載置される基板の表面を略均一に加熱する。なお、ランプ加熱装置１２０の設置場所は、真空チャンバ１００の内部でも外部でもかまわないが、好ましくは、メンテナンス等がし易いよう、真空チャンバ１００の外に備え、透明窓を通して真空チャンバ内に光照射し、基板加熱を行なう構成が好ましい。また、ランプ加熱装置１２０としては、応答性がよく加熱効率が高いハロゲンランプを使用することが好ましい。

ランプ加熱装置１２０は、プラズマによる加熱条件に擬似化させるため、基板表面を略均一な強度で光照射するよう略面状の光源を備えることが望ましい。直線状のランプ管を複数本ならべて略面状のランプ光源を形成してもよいし、環状型のランプ管を同心円状に配置し略面状のランプ光源を形成してもよい。

静電チャック１０の表面上には、熱電対測定子９２を所定の位置に固定した測定用基板８０を載置する。熱電対測定子９２に接続された引き出し線は、真空チャンバ１００の壁に設けた接続端子９０を介して外部に取り出せるようにする。さらに必要に応じて、外部に取り出した引き出し線は、プリンターやモニター等の出力装置に接続し、そこから基板温度の測定値を出力することが好ましい。

静電チャック１０が図１に示すように冷却盤１８を備えている場合は、静電チャック評価装置に冷却水供給用の冷却水配管３２を備えることが好ましい。

また、静電チャック１０として、基板載置面にガス溝を備え、ヘリウム等の熱伝導性の良いガスを基板と静電チャック表面に充填することで、基板の均熱効果を高める効果を備えるものを使用する場合は、静電チャック評価装置にガスの供給配管を備えることが好ましい。

上記本実施の形態に係る静電チャック用評価装置によれば、簡易な装置構成で、真空中で、基板表面をランプ加熱装置を用いて加熱できるため、プラズマＣＶＤやプラズマエッチング装置等で静電チャックを使用する場合と同様に、真空中で上方から基板に入熱が生じる条件を形成できる。また、ランプ加熱装置としてハロゲンヒータを用いる場合は、実際のプラズマ装置を使用する場合に較べ、短時間で基板の加熱を行なうことができる。真空チャンバに光源ランプを備えた簡易な構成で、プラズマ処理装置中で静電チャックを使用する場合と同様な測定環境を形成することができるので、高価なプラズマ処理装置を使用することなく、簡易で安価な評価装置を使用することにより、実際の使用環境に擬似化させた条件で測定を行なうことができる。

次に、図１に示す静電チャックの評価装置を使用した静電チャックの熱特性の評価方法について説明する。

まず、真空チャンバ１００内の静電チャック設置治具２０上に静電チャック１０を載置する。静電チャック１０は、接着剤１６を介して冷却盤１８を備えており、冷却盤１８中の冷却管に、静電チャック評価装置の冷却水配管３２を接続し、冷却盤１８中に所定温度の冷却水を循環させる。冷却水の温度や冷却水量は冷却能力に影響を与えるものであるから、適宜各条件に合わせて選択する。

静電チャック１０上に、表面の所定位置に熱電対測定子９２が埋め込まれた測定用基板８０を載置する。なお、測定用基板８０はGNDに接続されており、熱電対測定子９２は接続端子９０を介して外部の出力器に接続されている。なお、基板表面の温度分布を測定したい場合は、基板上の複数の位置に熱電対測定子を固定しておく。

真空チャンバ１００内を真空排気し、チャンバ内の真空度をプラズマの発生条件に近似する、例えば１〜１０Torr（1.33〜13.33×10²Pa）の真空度に調整する。静電チャック８０の電極に直流電流を印加し、測定用基板８０を静電チャック１０上に吸着固定する。

測定用基板８０の温度が安定したところで、ランプ加熱装置１２０の光源を点灯し、測定用基板８０表面を加熱し、基板表面温度を測定する。測定は、熱電対測定子９２から接続端子９０を介して外部に取り出した引き出し線をプリンターやモニター等の出力装置に出力することで行なう。この温度測定結果より、測定用基板８０表面の温度分布、平均温度、冷却盤１８の冷却能力の評価が可能となる。こうして得られる結果は、プラズマＣＶＤ装置やプラズマエッチング装置で静電チャックを使用する場合と同様に、真空中で基板の上方から入熱が生じる状態を簡易に再現することができる。したがって、実際の使用状態に近い条件で、静電チャックの熱特性評価が得られるため、ユーザーにより有意義な評価結果を提供できる。

実際のプラズマ処理装置を用いて測定する場合は、チャンバ内に安定にプラズマを発生させるための長い準備時間が必要であるが、本実施の形態に係る静電チャックの評価方法によれば、ランプ加熱装置１２０による加熱は立ち上がりが早いため、短時間で実際の使用条件に近似した測定環境を得ることができ、１回の測定を短時間に済ませることができる。したがって、サイクル試験を行なう場合は、実際のプラズマＣＶＤ装置を使用して試験を行なう場合に比べ、顕著な時間短縮効果を得ることができる。

さらに、本実施の形態に係る静電チャックの評価装置を用いて測定できる特性は、熱特性に限らず、リーク電流等の他の特性を合わせて測定することも可能である。

なお、本実施の形態に係る静電チャックの評価装置とその評価方法は、静電チャックのみならず、プラズマ処理装置中で使用される、静電チャック以外の種々の基板載置装置をも評価対象として扱うことができる。例えば、セラミックス絶縁基体にヒータを内蔵したセラミックスヒータや、冷却機能を備えたサセプター等の温度分布等の評価に使用することもできる。

＜実施例１＞
図２に、実施例で使用した静電チャックの評価装置の断面構造を示す。

評価対象としては、基板載置面と反対の面に有機接着樹脂層１７を介して冷却盤１９が固定された、冷却盤一体型の静電チャック１１を使用した。具体的には、Ｍｏ製のメッシュ電極１５を埋設した窒化アルミニウム製の絶縁体層１５にアルミニウム製冷却盤１７を樹脂接着層で固定したの静電チャック１１を使用した。

静電チャックの吸着面径はφ３００mm、絶縁体層１５の厚みは１０mmであり、基板吸着表面に、ガス溝とエンボス加工が形成されているものを使用した。アルミニウム製冷却盤１９中には、冷却水の冷却配管が形成されている。

真空チャンバ１０１内の静電チャック用設置治具２１に冷却盤付き静電チャック１１を設置し、真空チャンバに付属する冷却水の配管、Ｈｅガス配管を静電チャック１１の各配管に接続し、さらに、基板の離脱を補助するリフトピン１３０を所定位置に配置させた。その後６５℃に設定した冷却水を、３．８l/minで循環させた。また、静電チャック動作に必要な電源との接続を行った。

一方、中心の１点及び半径140mmの円周上に等間隔に４点と半径70mmの円周上に等間隔に４点、合計９点に、熱電対測定子を埋め込んだφ３００mmのシリコン基板、即ち測定用基板８１を静電チャック１１の基板載置面上に載置した。

この後、真空チャンバ１０１内を真空排気した。静電チャック１１に、直流電圧８００Vを印加し、測定用基板８１を静電チャック載置面上に吸着固定するとともに、Ｈｅガスを静電チャックと測定用基板８１の間の静電チャック表面の溝に充填し、Ｈｅガス圧を20Torrに調整した。

ランプ加熱装置としては、複数の環状ハロゲンランプ管を同心円上に配置した、略面状の光源を使用した。ランプ光源の出力は２ｋＷ、測定用基板表面との距離は１００ｍｍに設定した。点灯から約１０分後、測定用基板上の９点における温度を測定した。結果を表１に示す。

上記表１に示すように、静電チャック上に載置された基板の温度は、平均温度１１０．８℃、温度幅は１３．７℃であった。

なお、大気雰囲気でランプ加熱装置を点灯させずに、静電チャック上に載置させた測定用基板８１の表面温度を測定したところ、測定用基板表面の平均温度は５８℃であり、温度幅は１℃であった。

一方、上記測定対象となった、冷却盤１８付き静電チャック１１を、実際の使用環境であるプラズマドライエッチング装置内に載置し、プラズマを発生させた状態で、静電チャック上に載置した基板表面の温度測定を行ったところ、基板表面の平均温度は９０．３℃、温度幅は５．６℃であった。

図２に示す、本実施例の静電チャック評価装置を使用した場合には、実際のプラズマ環境使用条件下での基板温度特性と近い測定結果が得られることを確認できた。

＜実施例２＞
実施例２では、実施例１と同じ静電チャック１１及び静電チャック評価装置を用いて、静電チャックのサイクル試験を行った。測定条件としては、冷却水温度を６０℃、３．８l/minで循環させた。Ｈｅガスの充填圧力を１２Torr（1.59×10³Pa）、静電チャックの電極への印加電圧を１０００Vとした。

上記実施例１と同様な手順で、静電チャック１１を評価装置に設置し、冷却盤１８中に冷却水を循環させるとともに、ランプ加熱装置のランプを点灯し測定用基板の平均温度を測定した。また、基板表面の平均温度（Ａ）とともに、周囲より温度が下がりがちになるリフトピン用ホールの周囲の温度（上部（Ｂ）と下部（Ｃ）の２箇所）、及び冷却盤（Ｄ）、冷却水入口（Ｅ）、冷却水出口（Ｆ）の温度を測定した。なお、測定に際しては、各測定ポイントに熱電対測定子を固定し、その引き出し線を接続端子９０を介して外部に引き出した。

ランプ加熱装置の出力は２ｋＷ、オン状態を１０分間維持した後、３分間オフにし、これを１０回繰り返し、各回のオン時の温度を測定した。

また、同様の条件に、ランプ加熱装置のオンオフを繰り返し、静電チャックのリーク電流、即ち、電極と測定基板間に流れる電流を測定した。なお、リーク電流は、印加電圧１０００Ｖにおける値を測定した。結果を表２及び図３に示す。

本発明の実施例に係る静電チャックの評価装置によれば、プラズマＣＶＤ装置もしくはプラズマエッチング装置で実際に静電チャックを使用している場合と同様の温度条件のもとで、サイクル試験を行なうことができた。また、ランプ加熱装置は、短時間で基板表面温度を立ち上げることができるため、実際のプラズマ装置を用いてサイクル試験を行なう場合に比較し、極めて短時間にサイクル試験の結果を得ることができた。

以上、本発明の基板載置装置及び基板温度調整方法の実施の形態及び実施例について説明したが、本発明の内容は、上述する実施の形態及び実施例の記載に限定されるものではない。種々の変形や改良が可能であることは当業者には自明であろう。

本発明の実施の形態に係る静電チャックの評価装置の構造を示す概略断面図である。 実施例で使用した静電チャックの評価装置の構造を示す装置断面図である。 実施例に係る静電チャックの評価装置を使用したサイクル試験結果を示すグラフである。

符号の説明

１０、１１ 静電チャック
１２、１３ 電極
１４、１５ セラミックス基体
１６、１７ 接着材層
１８、１９ 冷却盤
２０、２１ 静電チャックの載置手段
３１、３２ 冷却水配管
８０、８１ 測定用基板
９０、９１ 接続端子
１００、１０１ 真空チャンバ
１２０、１２１ ランプ加熱装置
１２５ 窓

Claims (10)

1. 密閉可能なチャンバと、
   前記チャンバ内に備えた、静電チャック用設置手段と、
   前記設置手段上に載置される静電チャック上方に配置されるランプ加熱装置と、
   前記静電チャック上に載置される基板表面温度を測定する測定手段と、
   前記チャンバ内を真空排気する排気装置と
   を有する静電チャック評価装置。
2. さらに、前記静電チャックに冷却液を供給する冷却液配管を有する請求項１に記載の静電チャック評価装置。
3. 前記静電チャックにガスを供給するガス配管を備える請求項１又は２に記載の静電チャック評価装置。
4. 前記ランプ加熱装置は、ハロゲンランプである請求項１に記載の静電チャック評価装置。
5. 前記測定手段は、
   熱電対測定子を表面の測定位置に固定した測定用基板と、
   前記熱電対測定子に接続された引き出し線を前記チャンバ外に取り出す接続端子と
   を有する、請求項１から４のいずれか１項に記載の静電チャック評価装置。
6. 前記ランプ加熱装置は、前記基板表面の全面に略均一に照射する、略面状光源を持つ請求項１〜５のいずれか１項に記載の静電チャック評価装置。
7. 密閉可能なチャンバ内に静電チャックを載置する工程と、
   前記静電チャック上に基板を載置する工程と、
   前記密閉チャンバ内を真空排気する工程と、
   前記基板表面をランプ加熱装置で加熱する工程と、
   前記静電チャックの特性を評価する工程と
   を有する静電チャックの評価方法。
8. 前記静電チャックの特性は、熱特性である請求項７に記載の静電チャックの評価方法。
9. 前記ランプ加熱装置として、ハロゲンランプを使用する請求項７に記載の静電チャックの評価方法。
10. 前記静電チャックの特性を評価する工程後、
    前記ランプ加熱装置の加熱を停止する工程と、前記基板表面をランプ加熱装置で加熱する工程と、前記静電チャックの特性を評価する工程とを繰り返し行なう、前記請求項７〜９のいずれか１項に記載の静電チャックの評価方法。
    
    

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