JP2015026700A - センサ一体型吸着チャック及び処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 センサ一体型吸着チャック及び処理装置に関し、被加工試料周辺で発生する微弱な異常放電にともなう超音波やウェーハの跳ね等の機械的振動を精度よく検出する。【解決手段】 吸着機構を備えた吸着チャックと、前記吸着チャックの試料載置面と反対側の面上に一体成膜した導電性シールド層／圧電体層／電極層からなる積層構造を有する音響センサとを設ける。【選択図】 図１

Description

本発明は、センサ一体型吸着チャック及び処理装置に関するもので、基板を吸着させる静電チャック等の吸着チャックにおいて、吸着チャックの表面に吸着されている試料周辺で発生する異常放電や変位などの異常を感度良く検知するための機構を有するセンサ一体型吸着チャック及び処理装置に関する。

現在、半導体製造分野において、プラズマＣＶＤ、アッシング、エッチング、スパッタリング或いは表面処理等を目的として、被処理基体にプラズマ放電を用いて処理するプラズマ処理方法が広く用いられている。

この様なプラズマ処理工程において、プラズマ処理装置内で発生するプラズマの異常放電は、ダスト発生、被処理基体表面の損傷、基体の汚染、基体に設けた電子素子の絶縁破壊等を引き起こすという問題がある。そこで、この様な問題に対処するために異常放電発生の的確な検出が求められている。

この様な要請に応えるために様々な研究がなされており、異常放電においてはプラズマの発光強度の変化、電源の電圧・電流の変化、プラズマ・インピーダンスの変化、或いは、高調波の変化を検出することが試みられている。

また、プラズマの再現性、安定性つまり変動の確認においては、ガス圧の変動、発光スペクトルの変化を検出することによりプラズマの変動の検出が試みられている。また、ＲＦ電源の電圧或いは電流の変化、或いはプラズマ・インピーダンスの変化をモニターするため、電源ラインに検出器を挿入することが行われている。

また、異常放電が発生に伴って超音波（ＡＥ：Ａｃｏｕｓｔｉｃ Ｅｍｉｓｓｉｏｎ）が発生し、発生したＡＥ波が構造体（弾性体）を伝播することを利用して、異常放電発生時に伴う超音波をプロセス・チェンバーの外壁面、上面部或いは下面部の適当な数箇所に取り付けているＡＥセンサで検出することも試みられている。

図７は従来の異常放電検知機構付きプラズマ処理装置の概略的構成図であり、ビューポート８１を備えたプロセス・チャンバー８０内に、上部電極８２とステージを兼ねる下部電極８３を設け、下部電極８３上にシリコンウェーハ８４を載置する。プロセス・チャンバー８０の外壁にＡＥセンサ８５を取り付けるとともに、ピューポートを臨むように光センサ８６を設ける。また、反射波センサ、電流モニタ或いはＥＳＣモニタ等の各種モニタ８７を介してＥＳＣ電源８８から静電吸着用の電圧を印加するとともに、プラズマ電源８９からＲＦ電力を印加する。

上部電極８２と下部電極８３との間にＲＦ電力を印加してプラズマ９０を発生させてシリコンウェーハ８４をプラズマ処理する。この時、異常放電９１が発生すると、ＡＥセンサ８５や各種モニタ８７で異常放電９１の検出を行う。

しかしながら、いずれの方法も、静電チャックに載置されたウェーハ周辺で発生する微弱な異常放電の検出の点で問題がある。従来のプラズマ・インピーダンスの変化やＡＥセンサは、プロセス・チャンバー壁やウェーハ・ステージ部で発生する比較的大きな異常放電に対しては十分な感度を持っている。

しかし、１ｋＷの高周波プラズマ処理中にウェーハ周囲で発生する１ｍＪ以下の微弱な異常放電に対しては、不十分で確実な検出の点で問題がある。静電チャックがプロセス・チェンバー下部の中央で音響的に弱く連結されている装置では、伝播されてきた超音波は連結部で大きく減衰するので、プロセス・チェンバーの外壁面、上部面或いは下面部に設置したＡＥセンサでは、検出することができない。

また、音響的に強く連結されている場合でも、プロセス・チェンバー下部の中央一個所のみで連結されている装置では、連結部分の一個所のみを通過して伝播されてＡＥセンサに到達するので、夫々のＡＥセンサで検出される超音波の到達時間に差は生じない。したがって、静電チャックのウェーハ周辺で発生するプラズマの異常放電は、プロセス・チェンバーの下面の中央で連結されている場所を、異常放電の発生位置として評定してしまう問題がある。その結果、静電チャックに載置されているウェーハの表面、裏面、周辺で発生する異常放電による製品ウェーハへの損傷や製造装置部品の損傷が相変わらず発生しているのが現状である。

即ち、半導体装置の更なる微細化に伴って顕在化しているウェーハ周辺で発生する異常放電は、プラズマ特性のみならずウェーハの状態や、ウェーハに形成されるデバイス構造に依存するところが大きく、製品ウェーハの損傷を引き起こしている。

このようなウェーハ周辺で発生する異常放電は微弱であるため、従来の方法やプロセス・チャンバーに設置されたＡＥセンサでは検出することができなかった。そのため、異常放電により製造途中のウェーハに損傷が発生しても、そのまま、次工程へ送られることになり、製造歩留り低下の大きな要因となっている。

このように、ウェーハ周辺で発生する微弱な異常放電を検出できなければ、多量の不具合品の生産を抑止することができず、ライン全体としての製品歩留まりが著しく低下するという問題がある。また、このような微弱な異常放電を放置すると最も傷みやすい静電吸着ステージが使用不能になる重大損傷に至り、多額の装置保守費用を要することになる。

また、静電チャックにＡＥセンサを直接貼り付けて静電チャック近傍の微弱な異常放電を検出することが考えられる。しかし、静電チャックは、一般に、半導体基板やガラス基板等を吸着させる目的で使用されている。そして、静電チャックが備える吸着電極に所定の電圧を印加することで、静電チャックの表面に電荷や電界が形成され、これらの基板を電気的な力で吸着する。

このような静電チャックを用いて基板の処理を行うと、プラズマ処理やイオン注入等によって基板の温度が上昇し、例えば、プラズマエッチング処理装置でウェーハは、処理中に基板温度が２００℃程度にまで達するので、異常放電検出のためには高温対応のＡＥセンサを静電チャックに取り付けることが必要である。

そこで、本発明者等は、微弱な異常放電を精度良く検出して、不具合品の継続生産を停止するとともに、最も傷みやすい静電吸着ステージの自己診断を可能にするために、高温対応のＡＥセンサを内蔵したセンサ内蔵型ウェーハ・ステージを提案している（例えば、非特許文献１参照）。

図８は本発明者の提案によるセンサ内蔵型ウェーハ・ステージを備えたプラズマ処理装置の概略的構成図であり、ビューポート１０１を備えたプロセス・チャンバー１００内に接地電極となる上部電極１０２とステージ筐体１０３を収容する。ステージ筐体１０３内には電力印加電極１０４が備えられて内部電極を備えた静電チャック１０５と接合する。この時、電力印加電極１０４の凹部を設けてＡＥセンサ１０６を埋め込み、図示しない与圧印加手段により与圧を与える。なお、符号１０８はステージシールドである。

電圧印加電極１０４にＲＦ電源１０９からＲＦ電力を印加すると、上部電極１０２との間にプラズマ１１０が発生して静電チャック１０５に吸着されたシリコンウェーハ１０７をプラズマ処理する。この時、シリコンウェーハ１０７の近傍で微弱な異常放電が発生すると、ＡＥセンサ１０６は５００ＫＨｚ以上の周波数のＡＥ波を検出する。

また、静電吸着力と裏面冷却ガス圧の不均衡によりウェーハ跳ねが発生した場合に、ウェーハ跳ねに伴う突発的なＡＥ波も検知する。この場合のＡＥ波の周波数は数十ＫＨｚ以下の音波であるので、超音波である異常放電との区別は可能である。

図９は、センサ内蔵型ウェーハ・ステージの利点の説明図であり、図９（ａ）は、プロセス・チャンバー外壁を打撃した時の内蔵ＡＥセンサの出力波形であり、図９（ｂ）はプロセス・チャンバー外壁に取り付けたＡＥセンサの出力波形である。図の比較から明らかなように、内蔵ＡＥセンサではプロセス・チャンバー外壁を打撃した時のＡＥ波は検出されないことが分かる。

これは、プロセス・チャンバー外壁からのＡＥ波はウェーハ・ステージには伝搬しないことを意味し、したがって、内蔵ＡＥセンサは低音響ノイズ環境下でウェーハ・ステージ近傍の現象のみを検出できることになる。

第６０回応用物理学会春季学術講演会講演予稿集，２９ａ−Ｂ８−９，ｐ.０８‐０６１，２０１３．０３．２９

しかし、通常のＡＥセンサをウェーハ・ステージの内部に挿入することは容易でなく、そのため、薄型ＡＥセンサをウェーハ・ステージの内部に挿入する方法が検討されている。しかし、微弱な超音波の確実な検出には、静電チャックとの密着性を確保する必要がある。

しかし、密着性を確保する方法として、接着と与圧による手段があるが、ともに、与圧の均一性、安定性、再現性を図ることが困難であり、その結果、微弱な異常放電を高精度で且つ再現性良く検出することが困難であるという問題がある。この事情を図１０を参照して説明する。

図１０は内蔵センサの感度の与圧依存性の説明図であり、異常放電に伴って発生するＡＥ波の周波数帯で与圧が不足した場合に、検出感度が大幅に低下することが分かる。

また、上述のようにプロセス・チャンバー内でウェーハ跳ね等が発生する場合があり、ウェーハ跳ねが発生した場合には初期のプロセスを行うことが困難になるという問題がある。このようなウェーハ跳ねが生じた場合には、微弱な振動（音波）が伴うので、このような微弱な音波の検出も要請されている。

したがって、本発明は、被加工試料周辺で発生する微弱な異常放電にともなう超音波やウェーハの跳ね等の機械的振動を精度よく検出することを目的とする。

（１）上記の課題を解決するために、本発明は、センサ一体型吸着チャック装置において、吸着機構を備えた吸着チャックと、前記吸着チャックの試料載置面と反対側の面上に一体成膜した第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有する音響センサとを有する。

このように、吸着機構を備えた吸着チャックの試料載置面と反対側の面上に一体成膜した第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有する音響センサを設けることで、プロセス温度の問題が解消される。また、音響センサを内蔵するために凹部等を用意する必要がないので、機械的構成が簡素化され、与圧機構も必要としない。さらに、一体形成することにより検出部の固体差は生じるのを防止することができるので、高精度で且つ再現性良く試料周辺の微弱な異常放電や試料跳ね等を検出することが可能になる。

（２）また、本発明は、センサ一体型吸着チャック装置において、吸着機構を備えた吸着チャックと、吸着チャックを冷却する冷却用ベース部材と、前記吸着チャックの試料載置面と反対側の面或いは前記冷却用ベース部材の表面のいずれか一方の面上に一体成膜した第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有する音響センサとを有する。

このように、プラズマ処理装置のように、吸着チャックを冷却する冷却用ベース部材を有する吸着チャック装置の場合には、音響センサを吸着チャックの試料載置面と反対側の面に設けても良いし或いは冷却用ベース部材の表面に設けても良い。

（３）また、本発明は、上記（１）または（２）において、前記音響センサは、ドーナツ状の第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有することを特徴とする。このように、音響センサは、ドーナツ状の第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有するものでも良く、ドーナツの穴部には、リフトピンが挿通する。

（４）また。本発明は、上記（１）または（２）において、前記音響センサは、複数の互いに分離した第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有することを特徴とする。このように、音響センサは、複数の互いに分離した第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有するものでも良く、そのうちの一つを差動用に用いることにより、他の積層構造との間の差動出力を得て異常個所や跳ね箇所の特定が可能になる。

（５）また、本発明は、上記（１）または（２）において、音響センサは、中心円状の第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造と、前記中心円状の積層構造と同心円のドーナツ状の第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有することを特徴とする。このように、音響センサは、中心円状の第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造と、前記中心円状の積層構造と同心円のドーナツ状の第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有するものでも良く、中心円状の積層構造を差動用とし、ドーナツ状の積層構造の第２導電層を分割することで複数個所からの差動出力を得ることが可能になる。

（６）また、本発明は、上記（１）乃至（５）のいずれかにおいて、圧電体層が、窒化アルミニウム、窒化アルミスカンジウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化亜鉛或いはニオブ酸リチウムのいずれかを最大成分とすることを特徴とする。

このように、圧電体層として、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化亜鉛或いはニオブ酸リチウムのいずれかを最大成分とする圧電体を用いることによって、薄膜化が可能になるとともに、耐熱性が向上するので、プロセス条件の自由度が増す。また、圧電体層を分割して直列接続することによって、出力電圧を大きくすることができるので、微弱な出力を増幅して確実に検出することが可能になる。

（７）また、本発明は、上記（１）乃至（６）のいずれかにおいて、前記吸着チャックが、前記吸着機構として絶縁体で被覆された吸着電極を備えた静電チャックであることを特徴とする。このように、吸着チャックとしては、吸着機構として絶縁体で被覆された吸着電極を備えた静電チャックが典型的なものであり、異常放電やウェーハ跳ねを検出することができる。

（８）また、本発明は、上記（１）乃至（６）において、前記吸着チャックが、前記吸着機構として吸気機構を備えた真空チャックであることを特徴とする。このように、真空チャックに音響センサを一体成膜することによって、ウェーハ跳ね等の機械的な微弱な振動を精度良く検出することができる。

（９）また、本発明は、処理装置において、上記（１）乃至（７）のいずれかのセンサ一体型吸着チャック装置を試料載置機構として反応容器内に備えたことを特徴とする。

（１０）また、本発明は、上記（９）において、前記処理装置がプラズマエッチング装置或いはプラズマ気相成長装置のいずれかのプラズマ処理装置であり、前記音響センサが超音響センサであることを特徴とする。このように、プラズマ処理装置に適用した場合には、音響センサとして超音響センサを用いることによって、異常放電に伴う微弱な超音波を精度良く検出することが可能になる。

（１１）また、本発明は、処理装置において、上記（８）に記載のセンサ一体型吸着チャック装置を試料載置機構として備えたことを特徴とする。このように、センサ一体型真空チャックをＣＶＤ装置やスピンコータ装置等の処理装置に設けることにより、不所望な機械的振動を精度良く検出することができる。

開示のセンサ一体型吸着チャック及び処理装置によれば、被加工試料周辺で発生する微弱な異常放電にともなう超音波やウェーハの跳ね等の機械的振動を精度よく検出することが可能になる。

本発明の実施の形態のセンサ一体型吸着チャック装置の概略的構成図である。 本発明の実施例１のセンサ一体型静電チャック装置の概略的構成図である。 本発明の実施例１のセンサ一体型静電チャック装置を用いたプラズマ処理装置の概略的構成図である。 本発明の実施例２のセンサ一体型静電チャック装置の概略的構成図である。 本発明の実施例３のセンサ一体型静電チャック装置の概略的構成図である。 本発明の実施例４のセンサ一体型静電チャック装置の概略的構成図である。 従来の異常放電検知機構付きプラズマ処理装置の概略的構成図である。 本発明者の提案によるセンサ内蔵型ウェーハ・ステージを備えたプラズマ処理装置の概略的構成図である。 センサ内蔵型ウェーハ・ステージの利点の説明図である。 ウェーハ・ステージに内蔵したセンサの感度の与圧依存性の説明図である。

ここで、図１を参照して、本発明の実施の形態のセンサ一体型吸着チャックを説明する。図１は、本発明の実施の形態のセンサ一体型吸着チャック装置の概略的構成図である。このセンサ一体型吸着チャック装置は、吸着機構を備えた吸着チャック１０と、吸着チャック１０の試料載置面と反対側の面上に一体成膜した第１導電層２１／圧電体層２２／第２導電層２３からなる積層構造を有する音響センサ２０を設けたものである。

吸着チャックは、誘電体１２で被覆された内部電極１１を備えた静電チャックでも良いし、吸気口を設けた真空チャックでも良い。なお、プラズマ処理装置に設ける静電チャックのように、吸着チャック１０を冷却する冷却用ベース部材を有する吸着チャック装置の場合には、音響センサ２０を冷却用ベースの表面に設けても良い。なお、静電チャックの場合には、第１導電層２１と後述する第３導電層２５がＲＦ電力に対するシールド層となる。また、内部電極１１には引出電極１４を介してバイアス電源１３が印加される。

音響センサ２０は、ドーナツ状の第１導電層２１／圧電体層２２／第２導電層２３からなる積層構造を有するものでも良く、ドーナツの穴部には、リフトピンが挿通する。また、音響センサ２０は、複数の互いに分離した第１導電層２１／圧電体層２２／第２導電層２３からなる積層構造を有するものでも良い。そのうちの一つを差動用に用いることにより、他の積層構造との間の差動出力を得て異常個所や跳ね箇所の特定が可能になる。

或いは、音響センサ２０は、中心円状の第１導電層２１／圧電体層２２／第２導電層２３からなる積層構造と、前記中心円状の積層構造と同心円のドーナツ状の第１導電層２１／圧電体層２２／第２導電層２３からなる積層構造を有するものでも良い。この場合、中心円状の積層構造を差動用とし、ドーナツ状の積層構造の電極層を分割することで複数個所からの差動出力を得ることが可能になる。また、中心円状の積層構造とドーナツ状の積層構造の間の中空円環状の領域をリフトピンが挿通する。

圧電体層としては、厚さが１００ｎｍ〜１０μｍの窒化アルミニウム、窒化アルミスカンジウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化亜鉛或いはニオブ酸リチウムのいずれかを最大成分とする圧電体が好適であり、スパッタ成膜する。これらの圧電体は薄膜化が可能になるとともに、耐熱性が向上するので、プロセス条件の自由度が増す。また、圧電体層を分割して直列接続することによって、出力電圧を大きくすることができるので、微弱な出力を増幅して確実に検出することが可能になる。

また、この積層構造は、第１絶縁体２４を介して第３導電層２５で被覆され、全体を第２絶縁体２６で被覆され、第３導電層２５から接地引出電極２７が引き出され、第２導電層２３から出力引出電極２８が引き出される。

なお、誘電体１２としては、アルミナ、アルミナ/チタニア、窒化アルミニウム、ジルコニア等のセラミクスや、シリカ等のガラス、或いは、ポリイミド等の高分子を用いる。また、内部電極１１としては、タングステン、タングステン合金等の金属を用いる。

また、第１導電層２１及び第３導電層２５としては、厚さが６０ｎｍ〜５μｍのチタン、やクロム等の金属や、各々を主成分とする合金等をスパッタ成膜或いは真空蒸着等により成膜する。第２導電層２３としては、厚さが６０ｎｍ〜１５μｍのチタン、チタン合金、銅、アルミ、ニッケル等の金属や、各々を主成分とする合金を用いる。第１絶縁体２４としては、厚さが６０ｎｍ〜１５μｍのアルミナ、窒化珪素等のセラミクス、シリカ等のガラスをスパッタやイオンプレーティング等により成膜する。或いは、ガラス材を印刷・塗布し、硬化させて形成する。第２絶縁体２６としては、厚さが１μｍ〜３００μｍのポリイミド等の高分子や、アルミナ等のセラミクスをスパッタ成膜或いは溶射等により成膜する。

また、上記のセンサ一体型吸着チャック装置を試料載置機構として反応容器内に備えることで、ウェーハ周辺の微弱な異常放電や、ウェーハ跳ね等の機械振動を高精度で検出可能な処理装置を構成することができる。なお、処理装置としては、プラズマエッチング装置或いはプラズマ気相成長装置のいずれかのプラズマ処理装置が典型的なものであるが、センサ一体型真空チャックを備えたＣＶＤ装置やスピンコータ装置等の処理装置も対象にする。

上述のように、本発明の実施の形態では、吸着チャックと一体形成される圧電体層を備えた音響センサを異常検出部として設けているので、音響的に結合が強く、超音波が良く伝搬されることから、ウェーハ周辺に発生した微弱な異常放電の検出、位置特定を可能にする。また、ウェーハ跳ねに伴う機械的振動の検出も可能になる。

その結果、被加工物直近での微弱な異常放電を検知できるため、従来問題となっている仕損じ品の多くを止め、多量の不具合品の生産を抑止でき、ライン全体としての製品歩留まりを著しく改善することが可能になる。

また、装置が重大損傷に至る前に不具合の発生を検知することが可能になるため、装置保守費用を大幅に削減することができる。また、異常の発生箇所を特定できるため、装置不具合箇所の調査に要していた膨大な時間が不要になり、装置稼働率を上げることが可能になる。

さらに、被加工物直近での超音波に関する信号等の従来にはない全く新しい情報を取得できるようになり、最も傷みやすい静電吸着ステージの自己診断が可能になり、それにより、静電吸着ステージの交換時期を最適化することが可能になる。

また、プロセス条件の逸脱を検知できるので、プラズマ処理工程の信頼性が向上するとともに、加工レシピを含めた加工条件の改善を通じて仕損じを大幅に低減してプラズマ処理技術の高度化が可能になる。また、装置稼動状態の重要なモニタリングパラメータとして利用することによって、装置保守・管理技術全般を高度化することも可能になる。

具体的には、例えば、最新の大口径ウェーハ上へのフラッシュメモリ製造プロセスの場合、回路を作りこみ付加価値の上がったウェーハ１ロット（２５枚）に回路異常が発生していれば、損失額は甚大である。また、高額なチャンバ部品の交換を要した場合にも、同様に大きな損害を被ることになり、これらが１回の異常放電の発生により同時に生じる虞がある。

しかし、本発明の実施の形態のセンサ一体型吸着チャック装置を用いると、生産過程のその場で異常の発生を検知できるのでウェーハ１枚のみの損害にとどめることができる。本発明の実施の形態のセンサ一体型吸着チャック装置の導入により、ウェーハ破損被害や高額部品の予防交換に要していたコストを著しく低減する効果が期待される。

次に、図２及び図３を参照して、本発明の実施例１のセンサ一体型静電チャック装置を説明する。図２は本発明の実施例１のセンサ一体型静電チャック装置の概略的構成図である。このセンサ一体型静電チャック装置は、静電チャック３０のウェーハ載置面と反対側の裏面にＡＥセンサ４０を一体成膜形成したものである。

静電チャック３０自体は従来の静電チャックと同様であり、タングステン合金からなるドーナツ状の内部電極３１の周囲をアルミナセラミクスからなる被覆誘電体層３２で被覆し、単極型の内部電極３１に引出電極３４を介してバイアス電源３３を接続したものである。

ＡＥセンサ４０は、マスクスパッタリング法を用いて順次成膜して一体形成する。まず、静電チャック３０の裏面の被覆誘電体層３２上にドーナツ状のチタン合金からなる第１シールド層４１、ＡｌＮからなる圧電体層４２及チタン合金からなるセンサ電極４３を順次成膜する。なお、図では、圧電体層４２とセンサ電極４３を同じ大きさにしているが、実際にはセンサ電極４３は圧電体層４２の内側になるサイズである。また、図示は省略しているが、静電チャック部を含めてドーナツの芯の部分にはリフトピンを挿通する挿通孔が設けられている。

次いで、圧電体層４２／センサ電極４３をアルミナセラミクスからなる内部被覆絶縁体層４４で覆ったのち、チタン合金からなる第２シールド層４５で覆う。この時、第１シールド層４１と第２シールド層４５を電気的に接続し、ＲＦ電力からのシールドとする。次いで、全体をアルミナセラミクスからなる外部被覆絶縁体層４６で被覆し、接地引出電極４７及び出力引出電極４８を設ける。なお、各層をスパッタ成膜する際に、接地引出電極４７及び出力引出電極４８に対応する開口部をマスクで覆っておき、且つ、導電性の膜の開口部の露出端面は、外部被覆絶縁体層４６等により絶縁化する。

プラズマ処理中に異常放電が発生した場合には、接地引出電極４７と出力引出電極４８との間にＶ_Ｈ１の電圧が検出されることなる。

図３は、本発明の実施例１のセンサ一体型静電チャック装置を用いたプラズマ処理装置の概略的構成図であり、ＡＥセンサ４０と一体化した静電チャック３０をシリコーン樹脂によってプロセス・チャンバー７０内に固定された冷却用ベースに貼着する。この時、出力引出電極等は信号伝送用ケーブル６１に収容されている電線に接続する。

冷却用ベース６０の内部は冷媒が循環するようになっている。また、冷却用ベース６０の天井面にはＡＥ信号前段増幅器６２が取り付けられており、信号伝送用ケーブル６１を介して伝送されたＡＥ信号を増幅して、信号用電線６４を介して外部に信号を取り出す。なお、このＡＥ信号前段増幅器６２には給電用電線６３も接続されている。

プロセス・チャンバー７０の天井面には接地電極となる上部電極７１が設けられており、ＲＦ電極が印加される下部電極（ウェーハ・ステージ）との間で放電が生じてプラズマ７３を発生させ、このプラズマ７３で静電チャック３０に吸着されているシリコンウェーハ７２をエッチングしたり、成膜を行う。

プラズマ処理中に微弱な異常放電が発生した場合、静電チャック３０を伝搬してきた超音波を静電チャック３０と一体形成したＡＥセンサ４０で精度良く検出することができる。また、プラズマ処理中でシリコンウェーハ７２が動いたり或いは跳ねが生じた場合にもその動きを音波として検出することができる。なお、異常放電に伴う超音波と移動や跳ねに伴う音波は周波数が異なるので、区別して検知することができる。

このように、本発明の実施例１においては、ＡＥセンサ４０を静電チャック３０の裏面に直接一体形成しているので、シリコンウェーハ７２の周辺の微弱な異常放電等を精度良く検出することができる。また、ＡＥセンサ４０に与圧の必要もない。

次に、図４を参照して、本発明の実施例２のセンサ一体型静電チャック装置を説明する。図４は本発明の実施例２のセンサ一体型静電チャック装置の概略的構成図であり、図４（ａ）は概略的断面図であり、図４（ｂ）は概略的平面図である。このセンサ一体型静電チャック装置は、静電チャック３０のウェーハ載置面と反対側の裏面に一体形成したＡＥセンサ４０の圧電体層４２を５つに分割したものである。

静電チャック３０自体は実施例１の静電チャックと同様であり、タングステン合金からなる内部電極３１の周囲をアルミナセラミクスからなる被覆誘電体層３２で被覆し、内部電極３１に引出電極３４を介してバイアス電源３３を接続したものである。

ＡＥセンサ４０は、マスクスパッタリング法を用いて順次成膜して一体形成する。まず、静電チャック３０の裏面の被覆誘電体層３２上に中心円部とドーナツ状のチタン合金からなる第１シールド層４１を設ける。この中心円部とドーナツ状部の間の円環部がリフトピンの挿通個所となる。次いで、ＡｌＮからなる圧電体層４２及チタン合金からなるセンサ電極４３を５か所に順次成膜する。なお、図では、圧電体層４２とセンサ電極４３を同じ大きさにしているが、実際にはセンサ電極４３は圧電体層４２の内側になるサイズである。なお、図４（ｂ）においてはセンサ電極４３の図示を省略しており、また、便宜的に５か所としているが、数は任意である。

次いで、圧電体層４２／センサ電極４３をアルミナセラミクスからなる内部被覆絶縁体層４４で覆ったのち、チタン合金からなる第２シールド層４５で覆う。この時、第１シールド層４１と第２シールド層４５を電気的に接続し、ＲＦ電力からのシールドとする。次いで、全体をアルミナセラミクスからなる外部被覆絶縁体層４６で被覆し、接地引出電極４７及び出力引出電極４８を設ける。

この時、中心円部のセンサ電極４３に対する出力引出電極は、中心部からの検出出力が低いために参照出力引出電極４９とする。なお、各層をスパッタ成膜する際に、接地引出電極４７、出力引出電極４８及び参照出力引出電極４９に対応する開口部をマスクで覆っておき、且つ、導電性の膜の開口部の露出端面は、外部被覆絶縁体層４６等により絶縁化する。

プラズマ処理中に異常放電が発生した場合には、接地引出電極４７と出力引出電極４８及び参照出力引出電極４９との間にＶ_Ｈ１，Ｖ_Ｈ２，Ｖ_Ｌの電圧が検出されることなる。ここで、参照出力引出電極４９の検出電圧Ｖ_Ｌを差動用に用いて（Ｖ_Ｈ１−Ｖ_Ｌ）及び（Ｖ_Ｈ２−Ｖ_Ｌ）の差動出力を得ることにより、一番大きい出力のセンサ電極４３の近傍で異常放電が発生したことが分かる。即ち、異常放電の発生だけではなく、おおまかな発生位置の検出も可能になる。

このように、本発明の実施例２においては、圧電体層及びセンサ電極を分割して複数個所に設けているので、異常放電発生個所や機械的振動の発生個所の特定も可能になる。

次に、図５を参照して、本発明の実施例３のセンサ一体型静電チャック装置を説明する。図５は本発明の実施例３のセンサ一体型静電チャック装置の概略的構成図であり、図５（ａ）は概略的断面図であり、図５（ｂ）は概略的平面図である。このセンサ一体型静電チャック装置は、静電チャック３０のウェーハ載置面と反対側の裏面に一体形成したＡＥセンサ４０の圧電体層４２は中心円部とドーナツ状部にするとともに、センサ電極４３を５つに分割したものである。

静電チャック３０自体は実施例１の静電チャックと同様であり、タングステン合金からなる内部電極３１の周囲をアルミナセラミクスからなる被覆誘電体層３２で被覆し、内部電極３１に引出電極３４を介してバイアス電源３３を接続したものである。

ＡＥセンサ４０は、マスクスパッタリング法を用いて順次成膜して一体形成する。まず、静電チャック３０の裏面の被覆誘電体層３２上に中心円部とドーナツ状のチタン合金からなる第１シールド層４１を設ける。この中心円部とドーナツ状部の間の円環部がリフトピンの挿通個所となる。次いで、ＡｌＮからなる圧電体層４２を中心円部とドーナツ状部に相似形的に設ける。次いで、チタン合金からなるセンサ電極４３を５か所に成膜する。なお、図４（ｂ）においては中心円部のセンサ電極４３の図示を省略しており、また、センサ電極４３を便宜的に５か所としているが、数は任意である。

次いで、圧電体層４２／センサ電極４３をアルミナセラミクスからなる内部被覆絶縁体層４４で覆ったのち、チタン合金からなる第２シールド層４５で覆う。この時、第１シールド層４１と第２シールド層４５を電気的に接続し、ＲＦ電力からのシールドとする。次いで、全体をアルミナセラミクスからなる外部被覆絶縁体層４６で被覆し、接地引出電極４７及び出力引出電極４８を設ける。

ここでも、中心円部のセンサ電極４３に対する出力引出電極は、中心部からの検出出力が低いために参照出力引出電極４９とする。なお、各層をスパッタ成膜する際に、接地引出電極４７、出力引出電極４８及び参照出力引出電極４９に対応する開口部をマスクで覆っておき、且つ、導電性の膜の開口部の露出端面は、外部被覆絶縁体層４６等により絶縁化する。

プラズマ処理中に異常放電が発生した場合には、接地引出電極４７と各出力引出電極４８との間にＶ_Ｈ１，Ｖ_Ｈ２、接地引出電極４７と参照出力引出電極４９との間にＶ_Ｌの電圧が検出されることなる。ここで、参照出力引出電極４９の検出電圧Ｖ_Ｌを差動用に用いて（Ｖ_Ｈ１−Ｖ_Ｌ）及び（Ｖ_Ｈ２−Ｖ_Ｌ）の差動出出力を得ることにより、一番大きい出力のセンサ電極４３の近傍で異常放電が発生したことが分かる。即ち、異常放電の発生だけではなく、おおまかな発生位置の検出も可能になる。

この本発明の実施例３においては、圧電体層はほぼ全面に設けているので、どのような個所で異常放電が生じても確実に検知することが可能になる。但し、位置検出精度は上記の実施例２より劣ることになる。

次に、図６を参照して、本発明の実施例４のセンサ一体型静電チャック装置を説明する。図６は本発明の実施例４のセンサ一体型静電チャック装置の概略的構成図である。このセンサ一体型静電チャック装置は、冷却用ベース６０の表面にＡＥセンサ５０を一体成膜形成したものである。

静電チャック３０自体は実施例１の静電チャックと同様であり、タングステン合金からなるドーナツ状の内部電極３１の周囲をアルミナセラミクスからなる被覆誘電体層３２で被覆し、内部電極３１に引出電極３４を介してバイアス電源３３を接続したものである。

ＡＥセンサ５０は、マスクスパッタリング法を用いて順次成膜して一体形成する。まず、信号伝送用ケーブル６１を挿通させた冷却用ベース６０の表面に、アルミナセラミクスからなる第１絶縁体層５１を形成し、次いで、ドーナツ状のチタン合金からなる第１シールド層５２を形成する。次いで、アルミナセラミクスからなる第２絶縁体層５３を形成したのち、ドーナツ状のチタン合金からなるセンサ電極５４及びＡｌＮからなる圧電体層５５を順次成膜する。

次いで、圧電体層５５をチタン合金からなる第２シールド層５６で覆ったのち、全体をアルミナセラミクスからなる外部被覆絶縁体層５７で覆う。なお、センサ電極５４の形成前に出力引出電極５８を形成し、信号伝送用ケーブル内に設けた電線に接続する。次いで、静電チャック３０とＡＥセンサ５０を圧着する。

このように、本発明の実施例４においては、冷却用ベース６０側にＡＥセンサ５０を一体形成しているので、静電チャック３０が劣化して交換する際にも、ＡＥセンサ５０を廃棄せずに、静電チャック３０部分のみを交換すれば良いので、低コスト化が図れる。

１０ 吸着チャック
１１ 内部電極
１２ 誘電体
１３ バイアス電源
１４ 引出電極
２０ 音響センサ
２１ 第１導電層
２２ 圧電体層
２３ 第２導電層
２４ 第１絶縁体
２５ 第３導電層
２６ 第２絶縁体
２７ 接地引出電極
２８ 出力引出電極
３０ 静電チャック
３１ 内部電極
３２ 被覆誘電体層
３３ バイアス電源
３４ 引出電極
４０ ＡＥセンサ
４１ 第１シールド層
４２ 圧電体層
４３ センサ電極
４４ 内部被覆絶縁体層
４５ 第２シールド層
４６ 外部被覆絶縁体層
４７ 接地引出電極
４８ 出力引出電極
４９ 参照出力引出電極
５０ ＡＥセンサ
５１ 第１絶縁体層
５２ 第１シールド層
５３ 第２絶縁体層
５４ センサ電極
５５ 圧電体層
５６ 第２シールド層
５７ 外部被覆絶縁体層
５８ 出力引出電極
６０ 冷却用ベース
６１ 信号伝送用ケーブル
６２ ＡＥ信号前段増幅器
６３ 給電用電線
６４ 信号用電線
７０ プロセス・チャンバー
７１ 上部電極
７２ シリコンウェーハ
７３ プラズマ
８０ プロセス・チャンバー
８１ ビューポート
８２ 上部電極
８３ 下部電極
８４ シリコンウェーハ
８５ ＡＥセンサ
８６ 光センサ
８７ 各種センサ
８８ ＥＳＣ電源
８９ プラズマ電源
９０ プラズマ
９１ 異常放電
１００ プロセス・チャンバー
１０１ ビューポート
１０２ 上部電極
１０３ ステージ筐体
１０４ 電力印加電極
１０５ 静電チャック
１０６ ＡＥセンサ
１０７ シリコンウェーハ
１０８ ステージシールド
１０９ ＲＦ電源
１１０ プラズマ

Claims (11)

1. 吸着機構を備えた吸着チャックと、
   前記吸着チャックの試料載置面と反対側の面上に一体成膜した第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有する音響センサと
   を有するセンサ一体型吸着チャック装置。
2. 吸着機構を備えた吸着チャックと、
   吸着チャックを冷却する冷却用ベース部材と、
   前記吸着チャックの試料載置面と反対側の面或いは前記冷却用ベース部材の表面のいずれか一方の面上に一体成膜した第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有する音響センサと
   を有するセンサ一体型吸着チャック装置。
3. 前記音響センサは、ドーナツ状の第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ一体型吸着チャック装置。
4. 前記音響センサは、複数の互いに分離した第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ一体型吸着チャック装置。
5. 前記音響センサは、中心円状の第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造と、前記中心円状の積層構造と同心円のドーナツ状の第１導電層／圧電体層／第２導電層からなる積層構造を有することを特徴とする請求項１または請求項２に記載のセンサ一体型吸着チャック装置。
6. 前記圧電体層が、窒化アルミニウム、窒化ガリウム、窒化インジウム、酸化亜鉛或いはニオブ酸リチウムのいずれかを最大成分とすることを特徴とする請求項１乃至請求項５のいずれか１項に記載のセンサ一体型吸着チャック装置。
7. 前記吸着チャックが、前記吸着機構として絶縁体で被覆された吸着電極を備えた静電チャックであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のセンサ一体型吸着チャック装置。
8. 前記吸着チャックが、前記吸着機構として吸気機構を備えた真空チャックであることを特徴とする請求項１乃至請求項６のいずれか１項に記載のセンサ一体型吸着チャック装置。
9. 請求項１乃至請求項７のいずれか１項に記載のセンサ一体型吸着チャック装置を試料載置機構として反応容器内に備えたことを特徴とする処理装置。
10. 前記処理装置がプラズマエッチング装置或いはプラズマ気相成長装置のいずれかのプラズマ処理装置であり、
    前記音響センサが超音波センサであることを特徴とする請求項９に記載の処理装置。
11. 請求項８に記載のセンサ一体型吸着チャック装置を試料載置機構として備えたことを特徴とする処理装置。