JP2008108938A

JP2008108938A - 基板載置装置の評価装置及びその評価方法

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Publication number: JP2008108938A
Application number: JP2006290840A
Authority: JP
Inventors: Yasuharu Sasaki; 康晴佐々木; Takehiro Ueda; 雄大上田; Taketoshi Okashiro; 武敏岡城; Kaoru Ohashi; 薫大橋
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2006-10-26
Filing date: 2006-10-26
Publication date: 2008-05-08
Anticipated expiration: 2026-10-26
Also published as: JP5048300B2

Abstract

【課題】赤外線ヒーターを熱源として用いた基板載置装置の性能を評価する模擬評価装置において、実際のプラズマ処理装置に対応する熱的状態を模擬的に作り出し、簡便に基板載置装置の評価を行うことのできる手段を提供する。
【解決手段】載置面におかれた被処理基板を固定及び温度制御する基板載置装置の評価装置であって、前記基板載置装置を内部に設置する減圧可能な気密チャンバーと、前記載置面に対向して配設され赤外光を照射する熱源と、前記被処理基板に代わって前記載置面に載置され、前記赤外光を吸収する材質で形成され、表面又は内部の複数箇所の温度を計測する手段を有する評価用基板とを備える基板載置装置の評価装置である。
【選択図】図１

Description

本発明は、半導体プロセスにおけるシリコンウェハ等の被処理基板の固定及び温度制御等に使用される基板載置装置の評価装置、及び評価方法に関し、特にプラズマ処理プロセス等で被処理基板が外部から熱を受ける場合の基板載置装置の機能を簡便に評価するための装置及び方法に関する。

半導体の製造分野においては、シリコンウェハ等の被処理基板（以下、基板という。）にプラズマを作用させて、エッチング処理や成膜処理を行うプラズマ処理装置が多用されている。かかるプラズマ処理は減圧下で行われるため、基板の保持に真空チャックを用いることができず、メカニカルクランプや、静電力を利用する静電チャック等の基板載置装置が一般に用いられる。

静電チャックは、基板載置面を絶縁体で構成し、この絶縁体の中に埋め込まれた面状電極に高電位を与え、絶縁体に分布した静電気と基板に分極帯電した電荷による静電気のクーロン力又はジョンソン・ラーベック力によって、基板を基板載置面に固定する方法である。

この静電チャックの基本的機能は、基板を吸着により固定する機能であるが、近年では、シリコンウェハと静電チャックの間にヘリウム等の不活性ガスを流してシリコンウェハを冷却したり、ヒーターと組合わせてシリコンウェハを加熱する等、加工プロセス中のシリコンウェハ温度を制御する目的と組合わせて使用するケースが一般的になってきている。これは成膜スピード、成膜の品質等と成膜温度とが極めて密接に関係するためである。

このため、静電チャックの評価においては、機械的特性、パーティクルの低減、純度の向上、耐プラズマ性、耐薬品性に加え、シリコンウェハの成膜・エッチング時におけるシリコンウェハの温度調節機能、及び温度分布の均一性が極めて重要な評価項目となってきている。

一般に、温度調節機能は、基板や載置台への外部からの入熱に依存し、吸着固定機能に関わる吸着力、リーク電流、脱着応答性等の特性は被処理基板の温度に影響を与える。

したがって、プラズマ処理装置で使用される静電チャックの性能評価は、プラズマから基板や載置台への入熱を考慮した条件で行われなければならず、入熱条件が異なると、実際の使用条件下における結果とはかけ離れたものとなる。

プラズマ処理装置を使って、実際のエッチング等のプロセスと同じ条件で静電チャックの特性を測定すれば、正確な性能評価を行うことは可能である。しかし、この評価のためにのみ、高価で操作が複雑なプラズマ処理装置を使用することは、コストがかかる。また、評価に要する手間と時間が過大になるという問題がある。

そのため、下記特許文献１には、真空排気可能な密閉チャンバー内に静電チャックを設置し、静電チャック上方に配置したランプ加熱手段で基板を加熱し、プラズマ処理装置内の熱的条件を模擬して、静電チャックの評価を行う「静電チャックの評価装置及び静電チャックの評価方法」が開示されている。

特開２００６−８６３０１号公報

特許文献１のように、外部熱源としてのランプ加熱手段（ハロゲンランプ）を用い、プラズマからの入熱を模擬した模擬評価装置で行う静電チャックの評価方法は、きわめて簡便に静電チャックの性能評価を行い得るという点で好ましい方法である。

しかし、本発明者らの検討した結果によれば、文献１が開示する静電チャックの評価方法では、プラズマからの入熱を模擬し難いことが知見された。

その理由は、プラズマからの伝熱と通常の加熱ランプ又は加熱ヒーターからの伝熱との伝熱機構の差異にある。一般に高温のプラズマからの伝熱は、プラズマ化された分子の接触伝熱が主体と考えられる。

これに対して、加熱ランプからの伝熱は熱源から照射された赤外線が、基板において共振吸収され、そのエネルギーが分子の運動（振動）を誘発させて、振動させられた物質間の摩擦より加熱されるものである。

ここで、加熱ランプから照射される赤外線は、主に近赤外線（0.78μm〜2μm）と赤外線（2μm〜4μm）である。一方、被処理基板であるシリコンウェハは図６に示すように、１μｍ前後〜５μｍの波長領域の赤外線（赤外光）をほとんど透過してしまう。このため、赤外線ランプで被処理基板であるシリコンウェハを加熱しようとしても、シリコンウェハは殆ど加熱されず、赤外光はシリコンウェハを透過して、その下側の静電チャックの表面（載置面）を専ら加熱することになる。

図５は静電チャックによりシリコンウェハ（被処理基板）を吸着固定し、これに赤外線ランプにより赤外線を照射した場合のシリコンウェハの加熱状況を示した図である。静電チャックもシリコンウェハもミクロ的に見ればその表面にはフリクがある。このため、図５(a)に示すように静電チャックとシリコンウェハとの接触面は、密着している箇所と空隙の生じる箇所とが生じる。

かかる状態において赤外線ランプからの照射光（赤外光）は、上述した通りシリコンウェハをほとんど透過してしまうため、図５(b)に示すように空隙のあるところでは静電チャックの表面が加熱され、密着箇所では接触面が加熱されることになる。その結果、密着部分においては静電チャックの温度（載置基板の温度）が十分に熱伝導されるが、非密着部分においては十分に熱伝導されないという状況が生じる。

一方、プラズマを使った実プロセスにおいては、高温にプラズマ化された分子がシリコンウェハと接触することで加熱される接触伝熱が主体と考えられる。このため、シリコンウェハはその全面において均一に加熱されることになる。

従って、静電チャック及びシリコンウェハの熱的状態は、赤外光を使用し模擬する模擬評価装置を使った場合と実際のプラズマ処理装置におけるものとはかけ離れたものになると考えられる。

一般に上述の目的に使用する加熱ヒーターとしては、赤外線ヒーターが安価で加熱効率もよく最も望ましい。しかし、赤外線ヒーターを熱源として用いた模擬評価装置によって、プラズマ処理装置の熱的状態を模擬するには、模擬評価装置内の熱的状態が実際のプラズマ処理装置における状態と対応するように、工夫する必要がある。

そこで本発明は、赤外線ヒーターを熱源として用いた基板載置装置の性能を評価する模擬評価装置において、実際のプラズマ処理装置に対応する熱的状態を作り出すことを可能にし、これによりプラズマ処理装置の熱的状態を簡便に模擬して基板載置装置の性能評価を行うことのできる手段を提供することを課題としている。

基板載置装置の性能を簡便に評価する手段として、基板載置装置で固定された被処理基板の温度又は温度分布を測定することが、一般に行われている。かかる温度計測の手段としては、通常は精度良く確実に測定値が得られる埋込み又は貼付け熱電対方式が採られ、予め熱電対を装着した評価専用の基板が用いられることが多い。

本発明者らは、評価専用の基板（以下、評価用基板という）の材質として、赤外光を透過するシリコンウェハではなく、赤外光の透過率が低く吸収係数の大きいものを用いることによって、前記の課題が解決されることに着眼した。

一般に、セラミックス材料は、赤外光を透過しにくい。しかし、評価用基板に用いる材料には、赤外光の透過性が低いだけでなく、その他種々の要件が要請される。その一つは、評価用基板により、基板載置装置を汚染することが無いように配慮すること、他の一つは、熱伝導率、比熱等の材料の熱的特性が、シリコンウェハと類似していることである。本発明者は、かかる要件を満たすセラミックス材料について種々検討を行い、評価用基板の材質として炭化珪素（ＳｉＣ）を用いれば、上記の問題が全て解決されることを知見して、本発明を完成させるに至った。

この知見に基づく本発明は、載置面におかれた被処理基板を固定及び温度制御する基板載置装置の評価装置であって、前記基板載置装置を内部に設置する減圧可能な気密チャンバーと、前記載置面に対向して配設され赤外光を照射する熱源と、前記被処理基板に代わって前記載置面に載置され、前記赤外光を吸収する材質で形成され、表面又は内部の複数箇所の温度を計測する手段を有する評価用基板とを備えたことを特徴とする。

上記基板載置装置は静電チャックであり、上記の評価用基板は炭化珪素で形成されているものであることは特に好ましい。炭化珪素が好ましい第１の理由は、炭化珪素がＳｉとＣのみから形成され、シリコンウェハに対して金属汚染の原因になるおそれが無いためである。これに対して、Ａｌ系、Ｔｉ系等の酸化物、炭化物、窒化物等のセラミックスは赤外光の透過率が低いため使用可能であるが、より高い洗浄度を求められるプロセスでは、汚染原因となる恐れの少ないＳｉＣの使用がより好ましい。

また、炭化珪素が好ましい第２の理由は、その熱伝導率がセラミックスの中では際だって大きく、ほぼシリコンの熱伝導率に近い値を示すことである。また、比熱もシリコンとほぼ同様の値を示す。そのため、静電チャックと基板間の熱伝達現象が、シリコンウェハと炭化珪素製評価用基板でほぼ類似の傾向を示すことが期待され、この特性は、静電チャックの性能評価とくにその熱的特性の評価において、大きな利点となるためである。

本発明は、減圧可能な気密チャンバー内に、載置面におかれた被処理基板を固定及び温度制御する基板載置装置を設け、前記基板載置装置上に赤外光を吸収する材質で形成され、表面又は内部の複数箇所の温度を計測する手段を備えた評価用基板を載置し、前記載置面に赤外光を照射する熱源により前記評価用基板を加熱し、前記温度を計測する手段により得られる前記評価用基板の温度分布を含めて前記基板載置装置の特性を評価することを特徴とする。前記評価用基板の複数箇所の温度を計測し評価することは好ましく、また、基板載置装置が静電チャックであること、上記評価用基板の材質は炭化珪素であることは特に好ましい。

本発明により、例え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、基板載置装置に吸着固定された基板へのプラズマからの入熱と近似する入熱条件を、簡便な手段で模擬することが可能になった。これにより、プラズマ処理装置での実際の使用条件に応じた、より正確な基板載置装置の熱特性の評価を簡便に行うことが可能になった。

実施例の図面を参照して、本発明の好ましい実施形態について説明するが、本発明はこれに限定されるものではない。図１は、本発明の静電チャックの評価装置の実施例である評価装置の断面該要図である。この装置は、気密なチャンバー１、その内部に取り付けられた静電チャック２、静電チャックの載置面３上に載置された評価用基板４、載置面３に対向して配置され、評価用基板４を加熱する赤外線ヒーター５、チャンバー１内を真空に吸引する真空ポンプ６などから構成されている。

静電チャック２は、載置面３を構成する絶縁基体７の内部に電極８が埋め込まれた構造を有し、絶縁基体７は冷却盤９上に固定されている。冷却盤９内には冷媒の流路が形成され、冷媒の流入・流出管を通じて冷媒が流通する。また、電極８には、直流電源１０より高電圧が印加される。

赤外線ヒーター５は断熱柱１１を介して、チャンバー１の天井に取り付けられており、ヒーター５の背面は天井の過熱を防止するため、断熱板１２が配設されている。また、ヒーター５にはチャンバー１の外部の交流電源１３から電力が供給される。供給電力は制御装置（図示していない）によって、適正な値に制御される。

評価用基板４の表面又は内部には、複数箇所（図の例では２箇所）に熱電対１４が取り付けられ、その起電力はチャンバー１の内壁に設けた接続端子を介して外部の温度計１５に伝えられ、評価用基板４各部の温度が測定される。

本発明において、評価の対象となる静電チャック２の形式はとくに限定を要しない。例えば、絶縁基体７は溶射あるいは焼結により形成されるセラミックス基体や、ポリイミド膜等の絶縁樹脂基体のいずれであってもよい。電極８は被処理基板全面にほぼ均等に電圧を印加できるものであればよく、膜状、板状、らせん巻き線状等のいずれの構造であってもよい。

また、冷却盤９と絶縁基体７は、熱伝導を良くするため一体に接着されていることが好ましく、冷却盤９を熱伝導性の高い材質で構成することも好ましい。

また、評価用基板４と絶縁基体７との間にＨｅガス等の冷却媒体を流し、これにより評価用基板４を直接冷却するような方式であってもよい。さらに、冷却盤９内にヒーターを配設して、冷却盤９をヒートシンクではなく、ヒートソースとして用いてもよい。

チャンバー１は、真空ポンプ６により真空吸引して、数Ｔｏｒｒ以下具体的には各種のプラズマ処理炉と同程度の真空を保持できるものであることが好ましい。また、本発明に用いる赤外線ヒーター５の形式等は、とくに限定を要しない。赤外線ヒーター５にはきわめて多数の種類があるが、一般には、金属発熱線、黒鉛又は導電製セラミックス等を加熱し、この熱を赤外線照射体（通常はセラミックス又はカーボン）に伝えて、照射体からの輻射熱で対象物を加熱するものであれば良いが、基板表面全面をほぼ均等に加熱できるような、形状・構造であることが好ましい。

更に炭化珪素はＳｉとＣのみから構成されていることも特に好ましい理由である。これは半導体デバイスの製造過程においては、極めてクリーンなプロセスが要求され、静電チャックに汚染物質が付着することを厳密に防止する必要があるためである。炭化珪素はＳｉとＣのみからなり、Ｓｉはシリコンウェハの構成元素そのものであるためである。また、静電チャック評価時の基板温度では、ＳｉＣのＣが分解して汚染原因となる恐れはないためである。即ち、評価用基板の材質としてＳｉＣを用いることにより、静電チャックを介してシリコンウェハが他の元素で汚染される可能性が皆無に近いと言えるためである。

Ｓｉ以外の金属元素を含まないＳｉ系セラミックスとして、Ｓｉの炭化物の他に酸化物（ＳｉＯ２）や窒化物（Ｓｉ３Ｎ４）があげられる。しかし、これらの中でもとくにＳｉＣが好適である。これはＳｉＣが他のＳｉ系セラミックスより安価で入手し易く、加工も比較的容易なことのほかに、その熱特性が優れているためである。

基板上部のプラズマ（又は赤外線ヒーター）から受けた熱は、シリコンウェハ（又は評価用基板）を通して静電チャックに伝えられるが、この熱伝導は、基板の熱伝導度と比熱に支配される。したがって、これらの熱特性が、評価用基板とシリコンウェハでほぼ類似していることが好ましい。

シリコンの熱伝導度ｋは高く、１５０Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。しかし、通常のセラミックスのｋは著しく低い。例えばアルミナや窒化珪素のｋは２０〜３０Ｗ／ｍ・Ｋ程度であり、シリカのｋはこれらよりさらに低い。したがって、これらの材料を評価用基板に用いると、上部からの熱が円滑に静電チャック側に伝わらず、基板の温度が、シリコンウェハの場合と異なってくるおそれがある。

一方、炭化珪素のｋは、通常のセラミックスのｋより著しく高く、その値は材料の結晶化の程度にもよるが、６０〜２００Ｗ／ｍ・Ｋ程度である。したがって、評価用基板にＳｉＣを用いれば、シリコンウェハに類似の熱伝導条件を確保することができる。なお、シリコンウェハ、炭化珪素、シリカ、窒化珪素、アルミナ等の比熱には、あまり大きな差はなく、通常は０．６〜０．９Ｊ／ｇ・Ｋ程度である。

次に、本実施例の評価装置における作業手順について説明する。図２は、この手順を示すフロー図である。まず、評価対象となる静電チャック（ＥＳＣと略記）を気密チャンバー内の所定の位置にセットし、ボルト止め等により固定する（Ｓ１）。同時に冷媒の流入管、流出管を配管する。次いで、予め熱電対を所定位置に、所定数取り付けた評価用基板を、ＥＳＣの載置面上にセットし、ＥＳＣの電極に高電位を印加して、静電力により評価用基板を吸着固定する（Ｓ２）。熱電対の配線は、気密チャンバーの内壁面に設けた端子ボックスを介して、チャンバー外に取り出すことができる。チャンバーの気密を保った状態で、真空ポンプにより吸引排気し、チャンバー内を０．１Ｐａ程度の真空度とする（Ｓ３）。

次いで、赤外線ヒーターをｏｎにする（Ｓ４）。赤外線ヒーターの電力は、予めブランクテストで、プラズマ処理炉のプラズマからの入熱を模擬するようなレベルに設定しておく。同時に冷却盤に所定流量の冷媒を流し、ＥＳＣ及び評価用基板を冷却する。この条件で所定時間評価用基板を加熱した後、評価用基板に取り付けた熱電対で、基板の温度分布を測定する（Ｓ５）。この温度測定のデータにより、ＥＳＣの温度調節機能のみならず、吸着固定機能の性能評価も行うことができる。

すなわち、ＥＳＣ載置面と評価用基板間の伝熱は、両者の密着性に強く依存しているため、ＥＳＣの吸着力が低ければ、基板の冷却が不十分という結果になって表れる。また、評価用基板の温度の均一性が重要な要件で、ＥＳＣの吸着力が低く、基板全体を均一に吸着していなければ、基板温度に均一性がないという結果になって表れる。したがって、基板温度の測定により、ＥＳＣ機能評価のための種々の情報を得ることができる。なお、温度測定のみならず、ＥＳＣのリーク電流等を同時に測定してもよい。

測定終了後、赤外線ヒーターをｏｆｆにし（Ｓ６）、気密チャンバーを大気開放して、ＥＳＣを取り外せば、一連の測定作業が終了する（Ｓ７、Ｓ８）。

同一形式の静電チャック５基を用いて、本発明の評価装置（図１のような評価装置）で、図２の手順により評価用基板の温度測定をした。比較対象として同じ静電チャック５基で、実プロセス用シリコンウェハに、評価用基板と同様に熱電対を取付け、このＥＳＣとシリコンウェハを、実際のプラズマ処理装置（プラズマエッチング装置、以下実機という）内にセットして、プラズマ発生状態で、シリコンウェハの熱電対の温度測定を行った。

図３に、温度測定の結果を示す。「実機」は、実際のプラズマ処理装置でシリコンウェハの温度測定をした場合、「模擬評価装置」は本発明の装置で評価用基板の温度測定をした場合である。いずれも、ノッチ（ウェハの切り欠き部分）を０度として、半径35mmの円を90度割りにして、４カ所（X軸、Y軸と半径35mmの円との交点）の熱電対温度の平均値である。実機では温度は４０〜４６℃の範囲で変動し、各静電チャック間での温度変動が大きいように見える。一方、模擬評価装置では４３〜４５℃の範囲で温度変動し、各静電チャック間での温度変動が小さいように見える。しかし、変動の傾向は、実機と模擬評価装置で良く対応している。

この対応関係をより明確にするため、実機及び模擬評価装置のそれぞれについて、５基の静電チャックの温度測定値の平均値を求め、平均温度との温度差を下記のように計算した。
温度差ΔＴ（実機）＝実機各チャックでの温度Ｔ−平均温度（実機）
温度差ΔＴ(模擬評価装置)＝模擬評価装置各チャックでの温度Ｔ−平均温度(模擬評価装置)

また、模擬評価装置のΔＴの３倍の値を計算して、実機のΔＴと比較した。温度差ΔＴの値の比較を図４に示す。図に見られるように、３×ΔＴ(模擬評価装置)は、ΔＴ（実機）と非常に良く対応しており、本発明の装置により、実機における温度測定値によく対応した測定値が、模擬評価装置によって得られることが確かめられた。したがって、模擬評価装置により、実機と同様な熱的条件における静電チャック機能の評価が可能と考えられる。なお、模擬評価装置での赤外線ヒーターからの入熱レベルをより高くすれば、実機での温度により近い結果が得られるものと考えられる。

本発明の静電チャックの評価装置の実施例である評価装置の断面概要図である。本発明の静電チャックの評価装置における作業手順の例を示すフロー図である。本実施例における基板温度の測定結果の例を示す図である。図３のデータを平均温度との温度差ΔＴで表示した図である。静電チャックにより被処理基板（シリコンウェハ）を吸着固定し、これに赤外線ランプにより赤外線を照射したときのシリコンウェハの加熱状況を示した図である。珪素（Ｓｉ）光透過率を示した図である。

符号の説明

１気密チャンバー
２静電チャック
３基板載置面
４評価用基板
５赤外線ヒーター
６真空ポンプ
７絶縁基体
８電極
９冷却盤
１０直流電源
１１断熱柱
１２断熱板
１３交流電源
１４熱電対
１５温度計

Claims

載置面におかれた被処理基板を固定及び温度制御する基板載置装置の評価装置であって、
前記基板載置装置を内部に設置する減圧可能な気密チャンバーと、
前記載置面に対向して配設され赤外光を照射する熱源と、
前記被処理基板に代わって前記載置面に載置され、前記赤外光を吸収する材質で形成され、表面又は内部の複数箇所の温度を計測する手段を有する評価用基板と
を備えたことを特徴とする基板載置装置の評価装置。
前記基板載置装置は静電チャックであることを特徴とする請求項１に記載の基板載置装置の評価装置。
前記評価用基板が炭化珪素で形成されていることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板載置装置の評価装置。
減圧可能な気密チャンバー内に、載置面におかれた被処理基板を固定及び温度制御する基板載置装置を設け、
前記基板載置装置上に赤外光を吸収する材質で形成され、表面又は内部の複数箇所の温度を計測する手段を備えた評価用基板を載置し、
前記載置面に赤外光を照射する熱源により前記評価用基板を加熱し、
前記温度を計測する手段により得られる前記評価用基板の温度分布を含めて前記基板載置装置の特性を評価することを特徴とする基板載置装置の評価方法。
前記基板載置装置は静電チャックであることを特徴とする請求項４に記載の基板載置装置の評価方法。
前記評価用基板の材質は炭化珪素であることを特徴とする請求項４又は５に記載の基板載置装置の評価方法。