JP2010123810A - 基板保持装置及び基板温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】 基板の反り状態に応じて適切な吸着電力で基板を吸着して、加熱冷却時に基板温度をその面内で均一にできる基板保持装置を提供する。
【解決手段】 基板保持装置ＥＣは、正負の電極３ａ、３ｂとを有するチャック本体１と、基板Ｓの外周縁部が面接するリブ部２ａ及びリブ部で囲繞された内部空間２ｂに所定の間隔を存して立設された支持部２ｃを有するチャックプレート２と、内部空間に所定のガスを導入するガス供給手段とを備え、両電極間への直流電圧の印加で基板を吸着した後、加熱冷却により所定温度に基板を制御する。チャックプレートの静電容量を通る交流電流を流し、その電流値を測定する第１の測定手段Ｍと、ガス流量を測定する第２の測定手段９と、両測定手段で測定した電流値及びガス流量のうち少なくとも一方が所定の範囲内となるよう直流電圧を制御する制御手段Ｃとを備える。
【選択図】 図１

Description

本発明は、静電チャックを用いた基板保持装置にて基板を吸着した状態で、基板を加熱または冷却して一定の温度に制御する場合、その温度分布の面内均一性を高めることができるようにした基板保持装置及び基板温度制御方法に関する。

半導体製造工程において所望のデバイス構造を得るためにＰＶＤ法、ＣＶＤ法等による成膜処理、イオン注入処理やエッチング処理などの処理が行われ、これらの処理を行う真空処理装置では、真空雰囲気中の処理室にてシリコンウエハ（以下、「ウエハ」という）を位置決め保持するために所謂静電チャックを備えた基板保持装置が設けられている。従来、静電チャックとしては、正負の電極を埋設したチャック本体の上面に誘電体たるチャックプレートを装着してなる所謂双極型のものが例えば特許文献１で知られている。

また、真空処理装置内で行われる処理によっては、基板を所定温度に制御する場合があり、このような場合には、チャック本体（または基台）に例えば抵抗加熱式の加熱手段を組み込むと共に、ウエハの裏面（所定の処理が行われる面と反対側）の外周縁部と面接触するリブ部を形成し、このリブ部で囲繞された内部空間に例えば同心状に複数個の支持部を立設してチャックプレートを構成することが知られている。そして、ウエハの加熱、冷却時には、上記内部空間にチャック本体に形成したガス通路を介してＡｒガスなどの不活性ガスを供給し、リブ部とウエハ裏面とで画成される内部空間に不活性ガス雰囲気を形成することで、チャック本体からウエハへの熱伝達をアシストして、効率よくウエハの加熱、冷却できるようにしている。

ところで、近年では生産性の更なる向上のため、ウエハを大径かつ薄肉のもの（７００μｍ以下の厚さ）にする傾向がある。このようなウエハには、反りが生じており、また、いずれかの処理中においてもウエハの加熱や冷却、または基板表面に形成された薄膜の応力によりウエハの反り状態が変化する。

ここで、このような反りのある基板を吸着する際に、正負の電極に印加する電圧を一定にすると、基板によっては反った状態のままチャックプレートで吸着されている場合がある。このとき、チャック本体上面から基板裏面までの距離が基板の反り状態に応じて基板面内で一致しないため、加熱冷却時、不活性ガス雰囲気を介した熱伝達量が変化し、結果として、基板温度がその面内で不均一になるという不具合がある。このように基板温度が不均一な状態で所定の処理を行うと、膜厚や膜質が変化することになり、製品歩留まりが悪くなる。このため、吸着電圧を予め高く設定することで、反りが大きな基板でもチャックプレートにその全面に亘って確実に吸着されるようにすることが考えられるが、これでは、極薄かつ反りの生じた基板を吸着したときに破損を招く虞がある。
特開平１−３２１１３６号公報

本発明は、以上の点に鑑み、基板の反り状態に応じて適切な吸着電力で基板を吸着して、加熱冷却時に基板温度をその面内で均一にできる基板保持装置及び基板温度制御方法を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明の基板保持装置は、正負の電極とを有するチャック本体と、基板の外周縁部が面接触可能なリブ部及び前記リブ部で囲繞された内部空間に所定の間隔を存して立設された複数個の支持部を有する誘電体たるチャックプレートと、前記内部空間に所定のガスを導入するガス供給手段とを備え、両電極間に直流電圧を印加してチャックプレートで処理すべき基板を吸着した後、基板の加熱冷却により所定温度に基板を制御する基板保持装置において、チャックプレートの静電容量を通る交流電流を流す交流電源と、そのときの電流値を測定する第１の測定手段と、ガス導入手段を介して前記ガスを流したときの当該ガス流量を測定する第２の測定手段と、第１及び第２の両測定手段で測定した電流値及びガス流量のうち少なくとも一方が所定の範囲内となるように両電極間に印加する直流電圧を制御する制御手段とを更に備えたことを特徴とする。

本発明によれば、吸着すべき基板に、その中央部が内部空間から離間する方向（圧縮方向）への反りがあると、静電容量が変化することでインピーダンスが変化し、これにより、第１の測定手段で測定した交流電流値が変化する。他方、リブ部と基板の外周面との間の間隙が大きくなる方向（引張方向）への反りがあると、チャックプレートに基板を吸着させると、上記隙間を介した内部空間からのガスの漏洩量が変化することで、第１の測定手段で測定したガス供給手段からのガスの供給量が変化する。

このことから、チャックプレートにて基板を吸着したとき、基板がいずれかの方向に反りが生じていても、ガス流量及び／またはインピーダンス、ひいては交流電流値から基板状態が的確に把握できる。そして、制御手段に、反りのない状態で基板を吸着したときのガス流量及び／または交流電流値の範囲を予め記憶させ、これに基づき、第１及び第２の両測定手段で測定した電流値及びガス流量のうち少なくとも一方が所定の範囲内となるように両電極間に印加する直流電圧を制御すれば、基板の反り状態に応じて適切な吸着電力で基板を吸着して、加熱冷却時に基板温度をその面内で均一にできるようになる。その結果、本発明の基板保持装置を上記各種の処理装置に適用すれば、基板温度が均一な状態で所定の処理が行われ、例えば膜厚や膜質を基板面内で均一にできる。

なお、本発明は、所定の処理中に基板表面に形成された薄膜の応力によりウエハの反り状態が変化するような場合にも適用できる。

また、本発明においては、前記測定した電流値及びガス流量のうち少なくとも一方が所定の範囲を超えている場合、両電極間への直流電圧の印加及び内部空間へのガス導入を停止状態とするように構成しておけば、基板に無理な応力が加わることを防止して処理室内での基板の破損を防止できる。

さらに、上記課題を解決するために、本発明の基板温度制御方法は、正負の電極とを有するチャック本体と、基板板の外周縁部が面接触可能なリブ部及び前記リブ部で囲繞された内部空間に所定の間隔を存して立設された複数個の支持部を有する誘電体たるチャックプレートとを備えた基板保持装置にて両電極間に直流電圧を印加して処理すべき基板を吸着し、前記内部空間に所定のガスを導入した後、加熱冷却により基板を所定温度に制御する基板温度制御方法であって、交流電源を介してチャックプレートの静電容量を通る交流電流を印加したときの電流値及びガス導入手段を介して前記ガスを流したときの当該ガス流量との少なくとも一方が所定範囲となるように前記直流電圧を制御することを特徴する。

以下に図面を参照して、処理すべき基板をウエハＷとし、ＰＶＤ法、ＣＶＤ法等による成膜処理、イオン注入処理やエッチング処理などの処理を行う真空処理装置内に配置される本実施形態の基板保持装置たる静電チャックＥＣと、当該静電チャックＥＣにてウエハＷを吸着し、ウエハＷ温度を制御する本実施形態の基板温度制御方法を説明する。

図１に示すように、静電チャックＥＣは、図示省略の処理室内の底部に直接または基台を介して配置されるチャック本体１と、このチャック本体１の上面に設けられた誘電体たるチャックプレート２とから構成される。チャック本体１は、例えば窒化アルミ製であり、図示省略の絶縁層を介して正負の電極３ａ、３ｂが組み込まれ、公知のチャック電源Ｅの直流電源Ｅ１から直流電圧が印加できるようになっている。

また、チャック本体１には、上下方向に貫通するガス通路４が形成され、このガス通路４の下端は、マスフローコントローラ５を介設したガス管６を介してＡｒガス等の不活性ガスを収容したガス源７に連通し、これらの部品が本実施形態のガス供給手段を構成する。さらに、チャック本体１には、公知の構造を有する抵抗加熱式のヒータ８が内蔵され、ウエハＷを所定温度に加熱保持できるようになっている。

チャックプレート２は、例えば窒化アルミ製であり、ウエハＷ裏面の外周縁部が面接触可能な環状のリブ部２ａと、リブ部２ａで囲繞された内部空間２ｂで同心状に立設された複数個の棒状の支持部２ｃとを備える。この場合、支持部２ｃの高さは、リブ部２ａの高さより僅かに小さくなるように設定され、チャックプレート２表面でウエハＷを吸着したときに、各支持部２ｃでウエハＷを支持されるようになっている。

そして、チャックプレート２にウエハＷを載置した後、両電極３ａ、３ｂ間に、チャック電源Ｅを介して直流電圧を印加することで発生する静電気力でウエハＷがチャックプレート２の表面で吸着される（この場合、ウエハＷはチャックプレート２表面に略平行な状態となる）。このとき、ウエハＷ裏面の外周縁部がリブ部２ａとその全周に亘って面接触することで内部空間２ｂが略密閉される。この状態で、ガス供給手段を介してＡｒガスを供給すると内部空間２ｂに不活性ガス雰囲気の形成される。これにより、ヒータ８を作動させてウエハＷを加熱する場合、リブ部２ａとウエハＷ裏面とで画成される内部空間２ｂに不活性ガス雰囲気を形成することで、ウエハＷへの熱伝達をアシストして効率よくウエハＷの加熱できる。

上記静電チャックＥＣでは、チャック電源Ｅ１から両電極３ａ、３ｂへの電圧印加の制御やそのときの電圧、ガス供給手段による不活性ガス供給の制御やその流量及びヒータ８の作動やそのときの加熱温度は、マイクロコンピュータなどからなる制御手段Ｃにより統括制御されるようになっている。

なお、ウエハＷ裏面の外周縁部とリブ部２ａとの間にはシール部材を設けていないので、ウエハＷ裏面の外周縁部がリブ部２ａとその全周に亘って面接触している場合でも微量（例えば０．０１〜０．０３ｓｃｃｍ）の不活性ガスが漏れることとなる。

ところで、ウエハＷには、図２（ａ）及び（ｂ）に示すように、例えばそれ自体の応力やウエハＷ表面に形成した薄膜の応力により圧縮方向または引張方向の反りが生じている。このため、制御手段Ｃに予め登録された一定の設定電圧に基づき、両電極３ａ、３ｂへの電圧印加を制御してウエハＷを吸着すると、ウエハＷによっては反った状態のままチャックプレート２で吸着される場合が生じる。

このとき、圧縮方向の反りが生じているウエハＷを例に説明すると、チャック本体１上面からチャックプレート２上のウエハ裏面までの距離Ｄ１、Ｄ２は、ウエハＷの中央部（距離Ｄ１）と、ウエハＷの周辺部（距離Ｄ２）とで一致しなくなる（図２（ａ）参照）。このような場合、ヒータ８を作動してウエハＷを加熱すると、不活性ガス雰囲気を介したウエハＷへの熱伝達量がウエハＷ面内で異なり、結果として、ウエハＷの温度がその面内で不均一になるという不具合が生じる。

そこで、本実施の形態では、チャック電源Ｅ内の直流電源Ｅ１に交流電源Ｅ２を直列に接続し、制御手段Ｃにより交流電源Ｅ２から静電チャック１の静電容量を通る交流電流を流し、図示省略の公知の電流計（第１の測定手段）Ｍにて測定した電流値からインピーダンスを監視すると共に、マスフローコントローラ５の下流側でガス管６に公知のマスフロメータ（第２の測定手段）９を介設してガス流量を監視することとした。そして、インピーダンス及びガス流量の少なくとも一方が所定の範囲を超えて変化すると、制御手段Ｃにより直流電源Ｅ１からの吸着電圧を変化させることでウエハＷの吸着力を変化させ、ウエハＷがチャックプレート２表面に略平行な状態、即ち、チャック本体１上面からウエハＷ裏面までの距離Ｄ１、Ｄ２を相互に一致させるようにした。

次に、本実施形態の基板温度制御方法について説明する。製品たるウエハＷへの処理に先立って、チャックプレート２表面に、処理に用いられるものと同一のウエハＷを載置した後、チャックプレート２表面にウエハＷを載置した後に交流電源Ｅ２を介して交流電流を流し、そのときの電流値から静電容量のインピーダンスを測定する。次に、チャック電源Ｅの直流電源Ｅ１を介して両電極３ａ、３ｂ間に所定の直流電圧を印加してチャックプレート２表面にウエハＷを吸着する。このとき、ウエハＷ裏面の外周縁部がリブ部２ａとその全周に亘って面接触してウエハＷが略水平な状態となるように直流電圧を制御する（図１参照）。そして、このように面接触して吸着されたときのインピーダンスを測定し、この測定結果（基準値）が制御手段Ｃに登録される。なお、ウエハＷが略水平な状態か否かは、例えば公知の変位計を用いて判断すればよい。

この状態で、ガス供給手段を介してＡｒガスを内部空間２ｂに一定の流量で導入してそのガス流量をマスフロメータ９で測定すると、その当初の流量が多くなり、時間の経過と共に一定の値を示すようになり、この測定結果（他の基準値）が制御手段Ｃに登録される。そして、上記各基準値から、ウエハＷを温度制御する上で許容できる所定の範囲が決められ、制御手段Ｃに登録され、基板温度制御準備が完了する。

次に、製品たるウエハＷがチャックプレート２上に搬送されて位置決めされた後、チャックプレート２表面に吸着する。このとき、電流計Ｍにてインピーダンスが測定されると共に、マスフロメータ９にてガス流量が測定される。

ここで、ウエハＷに圧縮方向の反りが生じている場合、インピーダンスが変化して高くなる。他方で、ウエハＷが引張方向の反りを生じている場合には、チャックプレート２にウエハＷを吸着しても、リブ部とウエハＷの外周縁部とは面接触せず、両者の間の隙間が大きくなって漏洩するガス量が大きくなるため、マスフロメータ９で測定しているガス流量が変化して多くなる。

そして、上記のように測定されたインピーダンス及びガス流量が制御手段Ｃにて上記所定の範囲内に存するかが判断される。その結果、いずれか一方の測定値が所定の範囲を超えていると、制御手段Ｃにより直流電源Ｅ１を介して両電極３ａ、３ｂ間に印加する直流電圧が変更され、その測定値が所定の範囲内に存するように制御される。

他方で、各測定値が所定の範囲内に存すると、ヒータ９が作動されてウエハＷが所定温度（例えば４００℃）に加熱され、所定温度に保持される。また、ウエハＷの加熱中、インピーダンスやガス流量が所定の範囲内にあるかが間欠または連続して測定され、いずれか一方の測定値が所定の範囲を超えていると、制御手段Ｃにより直流電源Ｅ１が更に制御される。なお、電流値及びガス流量のうち少なくとも一方が所定の範囲を超えている場合、直流電源Ｅ１の制御を行うと、反りのある基板Ｓが破損し得ると判断し、両電極３ａ、３ｂ間への直流電圧の印加及び内部空間２ｂへのガス導入を停止状態とし、当該ウエハＷへの処理を中止するように構成してもよい。

また、ウエハＷをチャックプレート２に載置した後、電極３ａ、３ｂに直流電圧を印加する前に交流電流を流して電流値、ひいてはインピーダンスを監視し、所定の閾値を超えていると、必要以上の反りがウエハＷに生じており、静電チャックＣにて無理矢理吸着すれば破損し得ると判断し、当該ウエハＷへの処理を中止するように構成してもよい。

以上、説明したように、チャックプレート２にてウエハＷを吸着したとき、ウエハＷがいずれかの方向に反りが生じていても、ガス流量及び／またはインピーダンス、ひいては交流電流値からウエハＷの反り状態が的確に把握できる。そして、電流計Ｍ及びマスフロメータ９にて測定した電流値及びガス流量のうち少なくとも一方が所定の範囲内となるように両電極３ａ、３ｂ間に印加する直流電圧を制御することで、ウエハＷの反り状態に応じて適切な吸着電力でウエハＷを吸着できる。これにより、チャック本体１上面からウエハＷ裏面までの距離Ｄ１、Ｄ２を相互に一致させることができる。このため、ヒータ８を作動させて加熱する際、不活性ガス雰囲気を介したウエハＷへの熱伝達量をウエハＷ面内で略一致させることができ、ウエハＷ温度をその面内で均一にできる。その結果、本実施形態の静電チャックＥＣをウエハＷを所定温度に保持したまま所定の処理が行われる上記各種の処理装置に適用すれば、ウエハＷ温度が均一な状態で所定の処理が行われ、例えば膜厚や膜質を基板面内で均一にできる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、これに限定されるものではない。例えば、上記実施の形態では、ヒータ８のみを設けたものを例に説明しているが、公知の冷却手段を組み付けて構成し、冷却処理の際に本発明を適用して基板温度の面内均一性を保持することができる。

本発明の実施形態の静電チャックの構成を模式的に説明する図。 基板の反りを模式的に説明する図。

符号の説明

ＥＣ 静電チャック（基板保持装置）
１ チャック本体
２ チャックプレート
２ａ リブ部
２ｂ 内部空間
２ｃ 支持部
３ａ、３ｂ 電極
５、６、７ ガス導入手段
８ ヒータ（加熱手段）
９ マスフロメータ
Ｃ 制御手段
Ｅ１ 直流電源
Ｅ２ 交流電源
Ｍ 電流計

Claims (3)

1. 正負の電極とを有するチャック本体と、基板の外周縁部が面接触可能なリブ部及び前記リブ部で囲繞された内部空間に所定の間隔を存して立設された複数個の支持部を有する誘電体たるチャックプレートと、前記内部空間に所定のガスを導入するガス供給手段とを備え、両電極間に直流電圧を印加してチャックプレートで処理すべき基板を吸着した後、基板の加熱冷却により所定温度に基板を制御する基板保持装置において、
   チャックプレートの静電容量を通る交流電流を流す交流電源と、そのときの電流値を測定する第１の測定手段と、ガス導入手段を介して前記ガスを流したときの当該ガス流量を測定する第２の測定手段と、第１及び第２の両測定手段で測定した電流値及びガス流量のうち少なくとも一方が所定の範囲内となるように両電極間に印加する直流電圧を制御する制御手段とを更に備えたことを特徴とする基板保持装置。
2. 前記測定した電流値及びガス流量のうち少なくとも一方が所定の範囲を超えている場合、両電極間への直流電圧の印加及び内部空間へのガス導入を停止状態とするように構成したことを特徴とする請求項１記載の基板保持装置。
3. 正負の電極とを有するチャック本体と、基板板の外周縁部が面接触可能なリブ部及び前記リブ部で囲繞された内部空間に所定の間隔を存して立設された複数個の支持部を有する誘電体たるチャックプレートとを備えた基板保持装置にて両電極間に直流電圧を印加して処理すべき基板を吸着し、
   前記内部空間に所定のガスを導入した後、加熱冷却により基板を所定温度に制御する基板温度制御方法であって、
   交流電源を介してチャックプレートの静電容量を通る交流電流を印加したときの電流値及びガス導入手段を介して前記ガスを流したときの当該ガス流量との少なくとも一方が所定範囲となるように前記直流電圧を制御することを特徴する基板温度制御方法。
   
   

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