JP2015122491A - 静電クランプ方法及び装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理中に誘電体ウェーハを処理テーブルに静電クランプする。【解決手段】第１及び第２の極性の電圧を電極に印加するステップを含み、分極電荷は、それぞれの下部の電極に対して反対の極性でウェーハに誘発され、ウェーハをテーブルに静電クランプし、所定の時間の後で、電圧の極性を反転させて分極を形成し静電クランプを継続するようになっており、ｉ）第１及び第２の極性の各々のオン時間は、ａ）ウェーハがクランプ電圧の除去後少なくとも２秒間、所要の圧力で保持されるように、十分な分極電荷をウェーハに発生させるのに必要な時間（Ｔ1）を上回り、ｂ）一定電圧及びプラズマの存在の間に、ウェーハを第１の所定量だけテーブルから分離する時間（Ｔ2）を下回り、ｃ）印加電圧が印加された後、プラズマが存在しない場合にウェーハを第２の所定量だけ基板から分離する時間（Ｔ3）を下回る、ように予め選択される。【選択図】図１

Description

本発明は、典型的にはプラズマ処理装置で使用する、誘電体ウェーハ（ワークピース）をプロセステーブルに静電クランプする方法及び装置に関する。

プラズマエッチング処理及び蒸着処理は、ウェーハを許容された温度範囲に維持することに依存している。ウェーハの温度制御は、ウェーハを支持テーブルにクランプすることによって達成され、この温度は冷却流体を使用することで維持される。蒸着処理では、典型的には５０〜５００℃、エッチング処理では、典型的には−１００℃〜＋２５０℃の範囲のウェーハ温度を使用する。ウェーハは、温度安定化後に目標温度の数度以内に保つことが望ましい。処理中、特にエッチング処理において、エネルギーは、プラズマ処理によってイオン衝撃及び／又は化学反応の形でウェーハの前面に加えられる。処理中、熱はテーブルからウェーハに又はウェーハからテーブルに流れることができ、エッチングではウェーハ冷却がより一般的であり、蒸着処理ではウェーハ加熱が一般的である。ウェーハとテーブルとの間の熱接触を改善すると、所定の最大ウェーハ温度に関して、温度安定化時間が短くなり、テーブルへの最大熱束が増大する。この両方の作用は、ウェーハのスループットの増大を促す。また、より良好な熱接触によって、他のプロセス変動によって引き起こされるウェーハ温度の変動が低減し、処理の再現性が向上する傾向がある。

これらの処理は、典型的には、プラズマエッチングに関しては０．１〜１００Ｐａ、プラズマ蒸着に関しては１００〜1０００Ｐａの低い圧力で行われる。基板と支持テーブルとの間の熱伝達は、通常、式１に記述されているように熱伝導及び放射によって特徴づけられる。
Ｈ＝ｈ（Ｔ_wafer−Ｔ_table）＋ｅ₁₂ｓ_sb（Ｔ_wafer ⁴−Ｔ_table ⁴）Ｗｍ^-2 （１）
式中、
Ｈ Ｗｍ^-2は、ウェーハとテーブルとの間の熱流束、
Ｔ_wafer Ｋは、ウェーハ温度、
Ｔ_table Ｋは、テーブル温度、
ｈ Ｗｍ^-2Ｋ^-1は、線形伝導熱伝達係数、
ｅ₁₂は、放射熱伝達に関する一対の表面の有効放射率、
Ｓ_sb Ｗｍ^-2Ｋ^-4は、ステファン−ボルツマン定数である。

熱伝達係数は、各表面の間の間隙、各表面の間のガス圧及びガス特性、及び適応係数に依存することは公知であり、適応係数は、各表面と接触するガス粒子がその表面と熱的に平衡になる度合いを表す。熱伝達係数の増大は、通常、ウェーハをテーブルにクランプすることに付随して起こるウェーハとテーブルとの間の圧力を上昇させることによって達成される。半導体処理における熱伝達のためのウェーハの背面に、通常、１００〜３０００Ｐａの範囲のヘリウムガス圧を用いることは、「ヘリウム背面冷却」として知られている。

ウェーハのテーブルへのクランプは、背面圧が処理圧力を超えて上昇する場合に必須である。機械式クランプが可能であるが、基板の前面に対する許容された接触区域によって、及び基板の可撓性によって制限される。また、機械式クランプは、粒子生成に対して脆弱なので、大量生産には適していない。半導体ウェーハの静電クランプは、特にプラズマエッチングにおいて一般的な技術になっている。この技術は、例えば、米国特許第５，１０３，３６７号、ＧＡ Ｗａｒｄｌｙ Ｒｅｖ Ｓｃｉ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ４４（１０）ｐｐ１５０６−１５０９（１９７３）（ＧＡワーディ、Ｒｅｖ Ｓｃｉインストルメンツ４４（１０））１５０６〜１５０９頁、（１９７３年）、米国特許第６，２９７，２７４号といった様々な場所で開示されている。静電クランプ又は「チャック」は、ＥＳＣと略される場合が多い。

ＥＳＣのクランプ力は時間とともに小さくなる傾向があり、ＥＳＣでの電荷移動、又は、通常は静電クランプの上に見出される絶縁層の表面上への電荷の蓄積によって引き起こされると考えられている。これは、一般に、電圧反転時にウェーハを保持する手段が存在する場合には、帯電電圧をウェーハ間で反転させることによって、又は処理中にクランプ電圧を反転させることによって対処される。ウェーハの慣性を電圧反転のタイミングの基準として用いる当該法の１つは、Ｋｅｌｌｅｒｍａｎ（米国特許第６，９４７，２７４Ｂ２号）によって提案されており、電圧は、ウェーハ上の背面圧によってウェーハが再び捕らえるには極端に遠くまで加速される前に再度印加される。このことは、比較的高速の切替えを必要とし、ウェーハの何らかの切替え遷移時にポップオフするリスクが増えるという欠点がある。別の方法は、独立した電圧制御を用いて複数の領域を利用するものであり、１つの領域が切替えられる間に幾つかの領域がウェーハを保持するようになっている。これには、複数の電源及び電圧フィードスルーを必要とする欠点がある。

絶縁材のクランプは、導体又は半導体よりも更に難しい。これは、絶縁材に埋め込まれた、密集して配置された、つまり「互いにかみ合うように配置された」導電性電極を使用してウェーハの誘電材料の分極を引き起こすことに依存している（米国特許第５，８３８，５２９号）。ウェーハをクランプするために必要な電圧は、一般的に非絶縁性ウェーハよりも実質的に高く、そうでなければクランプ力はより限定される。通常、静電クランプ導体は絶縁層で覆われるが、この絶縁層は電気絶縁破壊に対して脆弱な場合もある。全体として、熱伝達を高めるためにウェーハの真下で使用できる最大圧力が制限される。

また、絶縁ウェーハ上の非絶縁層をエッチングする場合にも問題がある。非絶縁層が存在する場合、分極電荷分離だけから得られる力と比較してクランプ力を強化する静電クランプ電極によって、電荷は、非絶縁層内で変位する可能性がある。層がエッチングされるので、クランプ力が更に失われ、熱伝達が低減するか又は静電クランプが完全に失われる。

米国特許第５，１０３，３６７号明細書 米国特許第６，２９７，２７４号明細書 米国特許第６，９４７，２７４号明細書 米国特許第５，８３８，５２９号明細書 米国特許第５，１０３，１６７号明細書

ＧＡ Ｗａｒｄｌｙ Ｒｅｖ Ｓｃｉ Ｉｎｓｔｒｕｍｅｎｔｓ ４４（１０）ｐｐ１５０６−１５０９（１９７３）（ＧＡワーディ、Ｒｅｖ Ｓｃｉインストルメンツ４４（１０））１５０６〜１５０９頁、（１９７３年）

本発明の第１の態様によれば、プラズマ処理中に誘電体ウェーハを互いにかみ合うように配置された電極が埋め込まれた処理テーブルに静電クランプする方法であって、反対の第１及び第２の極性のそれぞれの電圧を隣接する電極に印加するステップを含み、分極電荷が、それぞれの下部の電極に対して反対の極性で前記ウェーハに誘発され、結果的に、ウェーハをテーブルに静電クランプし、所定の時間（ｔ_on）の後に、電圧の極性を反転させて分極を形成し静電クランプを継続するステップを更に含み、
ｉ）第１及び第２の極性の各々のオン時間（ｔ_on）は、
ａ）ウェーハがクランプ電圧の除去後少なくとも２秒間、所要の圧力で保持されるように、十分な分極電荷をウェーハに発生させるのに必要な時間（Ｔ₁）を上回り、
ｂ）定常又は一定電圧及びプラズマの存在の間に、ウェーハを第１の所定量だけテーブルから分離する時間（Ｔ₂）を下回り、
ｃ）印加電圧が印加された後、プラズマが存在しない場合にウェーハを第２の所定量だけ基板から分離する時間（Ｔ₃）を下回る、
ように予め選択され、
ｉｉ）第１及び第２の極性の間で切替わる時間（ｔ_s）は、時間（Ｔ₁）を下回り、２秒未満である、
方法を提供する。

また、内部に互いにかみ合うように配置された電極が埋め込まれた処理テーブルが設けられ、使用時に上部に誘電体ウェーハが配置されるプラズマ発生チャンバと、互いにかみ合うように配置された電極に結合した電圧源と、反対の第１及び第２の極性のそれぞれの電圧を隣接する電極に印加するように電圧源を制御するようにプログラムされた制御システムと、を含み、分極電荷が、それぞれの下部の電極に対して反対の極性で前記ウェーハに誘発され、結果的に、ウェーハをテーブルに静電クランプし、所定の時間（ｔ_on）の後に、電圧の極性を反転させて分極を形成し静電クランプを継続するステップを更に含む、プラズマ処理装置であって、
ｉ）第１及び第２の極性の各々のオン時間（ｔ_on）は、
ａ）ウェーハがクランプ電圧の除去後少なくとも２秒間、所要の圧力で保持されるように、十分な分極電荷をウェーハに発生させるのに必要な時間（Ｔ₁）を上回り、
ｂ）定常又は一定電圧及びプラズマの存在の間に、ウェーハを第１の所定量だけテーブルから分離する時間（Ｔ₂）を下回り、
ｃ）印加電圧が印加された後、プラズマが存在しない場合にウェーハを第２の所定量だけ基板から分離する時間（Ｔ₃）を下回る、
ように予め選択され、
ｉｉ）第１及び第２の極性の間で切替わる時間（ｔ_s）は、時間（Ｔ₁）を下回り、２秒未満である、
装置を提供する。

本発明の第３の態様によれば、本発明によるプラズマ処理装置の制御システムで使用するために命令を生成して記録媒体に記憶する方法であって、反対の第１及び第２の極性のそれぞれの電圧を隣接する電極に印加するステップを含み、分極電荷が、それぞれの下部の電極に対して反対の極性で前記ウェーハに誘発され、結果的に、ウェーハをテーブルに静電クランプし、所定の時間（ｔ_on）の後に、電圧の極性を反転させて分極を形成し静電クランプを継続するステップをさらに含み、
ｉ）第１及び第２の極性の各々のオン時間（ｔ_on）は、
ａ）ウェーハがクランプ電圧の除去後少なくとも２秒間、所要の圧力で保持されるように、十分な分極電荷をウェーハに発生させるのに必要な時間（Ｔ₁）を上回り、
ｂ）定常又は一定電圧及びプラズマの存在の間に、ウェーハを第１の所定量だけテーブルから分離する時間（Ｔ₂）を下回り、
ｃ）印加電圧が印加された後、プラズマが存在しない場合にウェーハを第２の所定量だけ基板から分離する時間（Ｔ₃）を下回る、
ように予め選択され、
ｉｉ）第１及び第２の極性の間で切替わる時間（ｔ_s）は、時間（Ｔ₁）を下回り、２秒未満である、
方法を提供する。

本出願人は、電荷移動に関するプロセスの詳細な調査を行い、予め定めることができ、ウェーハ内での電荷移動並びにプラズマからウェーハとテーブルとの間の界面への直接的な電荷移動の効果を利用する、非常に効率的な電圧切替えプロセスを実現可能できることに気付いた。

静電チャック（テーブル）の表面とウェーハの背面との間の界面での移動電荷の管理には比較的注意が払われていなかった。本発明は、これらの電荷を利用して、ウェーハクランプを極性切替え時に維持する。互いにかみ合うタイプの静電クランプのクランプ電圧を周期的に反転させることによってプラズマ処理中の絶縁ウェーハの確実なクランプが可能であることが分かっている。クランプ力は、２〜３００秒毎に電圧を反転させることによって、実際に採用されるどの処理時間よりも長い１時間又はそれ以上維持することができる。背面冷却圧力を電圧反転時に低減することは不要であり、ウェーハの裏側からのヘリウム漏出流が瞬間的に最大５％まで増加するが、ウェーハはポップオフしないことが分かっている。チャック面（テーブル）とウェーハとの間の電場は、全領域にわたって均一に切替わらず、端部領域は、プラズマからの電荷透過に起因して中央領域と異なる電荷分布を有すると考えている。電圧が反転した際に、表面電荷が１つの位置から別の位置に移動するので、クランプ力を有する何らかの領域が常に存在する。切替え期間は、界面での移動電荷の移動速度に左右される。静電チャックは、接地に対して正又は負の２つの互いにかみ合うように配置された電極のそれぞれを駆動できる１つの電源のみを必要とする。複数の領域の独立した制御は不要であるが、本技術は、このようなデザインにも同じように適用可能である。

バックグラウンド圧力を提供するために使用されるガスは、典型的にはヘリウムといった不活性ガスである。

電圧切替えイベントの間の必須の最短期間は、複数の時間定数に左右され、各々は、ＥＳＣを特定のプラズマ処理で使用する前に決定される。これらは以下の通りである。
Ｔ₁：ウェーハがクランプ電圧の除去後少なくとも２秒間、所要の（背面）圧力で保持されるように、十分な分極電荷をウェーハに発生させるのに必要な時間。
Ｔ₂：定常又は一定電圧を利用するプラズマによるクランプの損失時間（端部電荷移動を特徴付ける）。
Ｔ₃：ＥＳＣ電圧の印加後の、プラズマが存在しない場合のクランプの損失時間（ＥＳＣ電極を取り囲むＥＳＣ誘電体の内部の電荷移動を特徴付ける）。

いずれの場合でも、第１及び第２の所定量によるクランプの損失は、同じ圧力を維持するための対応した背面ガス流の増加によって判定される。これは漸進的な場合があり、クランプの緩慢な損失を示し、この場合、クランプ損失は、ガス流の特定の増加率、例えば２０〜２５％の増加で規定する。また、非常に突然である場合もあり、クランプ機能の完全な損失（「ポップオフ」イベント）を示す。

Ｔ₁は、以下のように決定される。
１．プラズマが存在しない状態でウェーハを定常又は一定電圧下でクランプし、（背面）ガス圧を、低いガス漏出流（好ましくは２ｓｃｃｍ未満の）の５〜１５Ｔｏｒｒの範囲で確立する。
２．所定の期間後、クランプ電圧をゼロに設定し、ガス漏出流を次の瞬間に観察する。
３．クランプ電圧が除去された後、ガス流が２秒で２０％程度増加する最小クランプ電圧オン時間が確立されるまで、繰り返されるクランプイベントで期間を変える。これは、ウェーハを電圧切替え中に保持するのに十分な分極電荷がウェーハ内に存在する時間を規定する。プラズマを用いたクランプ中の各電圧反転イベントの間の期間は、この期間に等しいか又はこれよりも長い。

Ｔ₂は以下のように決定され、ウェーハとテーブルとの間の界面へのプラズマ電荷移動に起因するアンクランプ時間の試験であって、
１．ウェーハを定常又は一定電圧下でクランプしてプラズマを当てる。クランプ損失の時間を記録する。
２．極性を反転して試験を繰り返す。同様に時間を記録する。
３．使用する切替え時間を、２つの時間のうちの短い時間（Ｔ₂）未満になるように選択する。

Ｔ₃は、１つの特定の実施例では、プラズマが存在しない場合に、例えば、１０Ｔｏｒｒのガス（背面）圧力で定常クランプ電圧を印加して、ウェーハがテーブルから分離するまで、即ち、Ｈｅ流が、ウェーハが存在しない場合の最大値に達するまでガス流をモニタすることによって判定される。

これまで試験した状態では、Ｔ₁は、数秒とすること、Ｔ₂は、５秒〜１０分の範囲とすること、Ｔ₃は、１時間を上回ることができる。

プラズマを用いたクランプ中の各電圧反転イベントの間の期間（ｔ_on）は、プラズマ電荷移動に起因したクランプの損失時間（Ｔ₂）又はＥＳＣ誘電体の内部の電荷移動に起因するクランプの損失時間（Ｔ₃）を下回り、ウェーハ分極電荷を確立する時間（Ｔ₁）を上回る。

一方の極性から他方の極性への遷移の時間（電圧反転時間ｔ_s）は、Ｋｅｌｌｅｒｍａｎ他の方法（米国特許第６，９４７，２７４号）に開示されているように、ウェーハ衝突時間又はウェーハ排出時間よりも長くなる場合がある。また、切替え期間は、Ｋｅｌｌｅｒｍａｎ他又はＨｏｒｗｉｔｚ及びＢｏｒｏｎｋａｙ（米国特許第５，１０３，１６７号）の交流電圧による方法で開示されているよりも実質的に長く、本方法では、ほとんどの時間でクランプ電圧は一定である。電圧反転時間ｔ_sは、Ｔ₁又はＴ₂よりも短いことが必要であり、これらの短い方よりもはるかに短いことが好ましい。

絶縁ウェーハ上の非絶縁層をエッチングする場合、非絶縁層層のエッチングがほぼ完了するまで定常又は一定電圧を使用することができ、その後、電圧反転を行うことが必要であることが分かっている。ウェーハの裏側からのヘリウム漏出速度は、非絶縁層が消失すると最大１０％まで高くなるので、遷移点の高感度な指標として使用することができる。発光分光法、反射率測定、反射分光法、又は干渉分光法など光学的技術を指標として使用することもできる。電圧反転を用いない場合、基板は、比較的低い背面圧（＜４００Ｐａ）であってもポップオフしうる可能性がある。

電圧は規則的に切替えることができるが、これは必須ではなく、実際には２つの極性は、好適ではあるが同じ時間で印加される必要はない。

ウェーハ表面は、プラズマの整流特性に起因してＤＣオフセット電圧を獲得できることが知られている。例えば、導電試験ウェーハを使用してこれを測定又は推定する手段が存在する場合、ＥＳＣ電圧を同じ量だけ接地からオフセットすることができる。

また、ウェーハを絶縁するために機械的クランプ及び静電クランプを組み合わせる利点が分かっている。機械的クランプにより、１０００〜２０００Ｐａの範囲で背面ガス圧を増大させて熱伝達を向上させることができるが、静電クランプ力は、ウェーハをテーブルに対して平らにする傾向がある。これによって、ウェーハの下の間隙が均一となり、熱伝達がウェーハの領域全体にわたって均一となる。

表面電荷がウェーハとチャックとの界面で移動する重要性は、ウェーハの周りの、好ましくは０．５〜３ｍｍの距離まで突出するエッジリングの随意的な使用によって明確に示される。このリングを使用する場合、各切替えイベントの間の時間を延ばすことができ、少なくとも一部の電荷がウェーハ端部で導入されることを明示する。

本明細書で説明する方法は、複数のウェーハを保持することができる等価なＥＳＣデザインにも適用できる。

添付図面を参照して本発明によるプラズマ処理装置及び方法の幾つかの実施例を以下に説明する。

静電クランプテーブルを含むプラズマ処理装置の概略図である。 静電クランプテーブルの構造の詳細図である。 典型的な印加電圧波形を示す。 電極セットに印加された電圧波形の第１の実施例を示し、プラズマオン期間中にプラズマＤＣバイアスを補正するように変更された静電クランプ電圧を示す。 電極セットに印加された電圧波形の第１の実施例を示し、プラズマオン期間中にプラズマＤＣバイアスを補正するように変更された静電クランプ電圧を示す。 一方の電圧の遷移を他方の電圧に対して遅延させる更なる位相シフトでもってそれぞれの電極セット印加された一対の電圧波形の第２の実施例を示す。 ウェーハを支持するＥＳＣの概略図であり、処理の各段階での典型的なクランプ電荷の場所を示す。 ウェーハを支持するＥＳＣの概略図であり、処理の各段階での典型的なクランプ電荷の場所を示す。 ウェーハを支持するＥＳＣの概略図であり、処理の各段階での典型的なクランプ電荷の場所を示す。 ウェーハを支持するＥＳＣの概略図であり、処理の各段階での典型的なクランプ電荷の場所を示す。 ウェーハを支持するＥＳＣの概略図であり、処理の各段階での典型的なクランプ電荷の場所を示す。 所望の電圧波形の測定中の時間に対するヘリウム流量を示す。 所望の電圧波形の測定中の時間に対するヘリウム流量を示す。 従来技術の問題点、及び本発明の実施例によるクランプ中の時間に対するガス流量の変動を示すグラフである。 従来技術の問題点、及び本発明の実施例によるクランプ中の時間に対するガス流量及び温度の変動を示すグラフである。 従来技術の問題点、及び本発明の実施例によるクランプ中の時間に対するガス流量の変動を示すグラフである。 従来技術の問題点、及び本発明の実施例によるクランプ中の時間に対する温度の変動を示すグラフである。 図２と類似の図であり、エッジリングを含むプラズマ処理装置の実施例を示す。 図２と類似の図であり、エッジリングを含むプラズマ処理装置の実施例を示す。

図１は、プロセステーブル３が実装された気密ハウジング２を含むプラズマ処理チャンバ１の主要構成要素を示す。ガスは、ハウジング２の上壁４を通って供給され、電源６に結合されハウジング２の上部を取り囲む誘導コイル５によってプラズマに変換される。

プラズマガスは、ポンプ作用でハウジング２の下壁の開口部７を通って抜き出される。

テーブル３は、典型的には１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力源８に接続され、ウェーハ背面熱伝達のためのＥＳＣクランプ電圧及び所定のガス供給量が供給される（図１には示されておらず後述する）。

電源６、８は、制御システム１０に接続される。

使用時、ウェーハ（図示せず）は、テーブル３上に配置される。

プロセスガスは、プラズマ源を通過してイオン化及び分離され、テーブル３上のウェーハと接触して出口ポート７に移動する。通常、テーブルは、１３．５６ＭＨｚのＲＦ電力で駆動される場合が多く、ウェーハ背面熱伝達のためのＥＳＣクランプ電圧及び所定のガス供給量が供給される。

図２は、ＥＳＣテーブル３を更に詳細に示す。これは、埋め込まれた冷却路２２及び上部誘電体絶縁層２４を有する従来式ＲＦ駆動テーブルを含む。この層は、典型的には、アルミナ、水晶、ポリイミド、又は類似の材料から作られる。２つの互いにかみ合うように配置された電極セット２６、２８は層２４内に埋め込まれている（電極２６、２８の一部のみが図示及び記載されている）。

誘電体ウェーハ３０は、絶縁層２４上に示されており、格納式持ち上げピン（図示せず）を用いて絶縁層上に配置されている。電極２６、２８は、絶縁層２４の絶縁材によってウェーハ３０から分離され、また、絶縁層２４の絶縁材は、電極を下部の基部２０から分離する。ＥＳＣ電極２６、２８は、電気フィードスルー（点線で示す）によって１つ又はそれ以上の電源３４、３２に接続され、次に、電源は、制御システム１０（図１）により制御される（図１）。独立して電力が供給される２つのＥＳＣ電極セット２６及び２８が存在し、一般に、隣接する導電トラックは、反対の電位又は極性である。しかしながら、接地に対してどちらか一方の端子が正又は負とすることができる単一電源は、オプションである。

ウェーハ背面圧を維持するヘリウムガスは、テーブル２０及び層２４を貫通して延びる供給管２３によってウェーハ３０と層２４との間の領域に供給される。

使用時、相互接続した一方の電極セット、例えば２６に電圧が印加され、その電圧の極性は、図３Ａに示すように周期的に（＋Ｖと−Ｖの間で）反転される。同時に、相互接続した他方の電極、例えば２８に別の電圧が印加される。通常、各電極２８に印加された電圧は同じ大きさであるが、各電極２６に対して反対極性である。説明を容易にするために、定常状態の電圧が印加される時間はｔ_onと表記し、電圧が一方の極性から他方の極性に切替わる時間はｔ_sと表記する。

図３Ｂ及び図３Ｃは、それぞれの電極セット２６、２８に印加された一対の反対の電圧波形の特定の実施例を示す。理解できように、電圧は同じ位相で変化するが、＋３０００Ｖと−３０００Ｖとの間で反対方向である。プラズマオン期間中のＤＣバイアスの補正も示す。

最初に、電極２６には正電位＋Ｖで電極２８には負電位−Ｖでもって電圧が隣接電極２６、２８に印加される場合（図４）、分極電荷がウェーハ３０の下面に出現し、正の表面電荷が負のＳＣ電極２８の近傍に出現するが、その逆も同様である。これによって、クランプ力が発生する。この最初のクランプを確立する時間は数秒のオーダであり、基板材料の特性に支配される。

典型的には１０〜１００秒の範囲の期間にわたって、電荷が、プラズマからウェーハ３０とＥＳＣ２４との間の界面に移動し始める（図５）。正イオンは、より負のＥＳＣ電極２８に、電子はより正の電極２６に引き寄せられることになる。透過電荷は、より可動性の電子（ｅ^-）である可能性が高いと予想され、図は、電子透過が支配的であると仮定して示されている。ここでの論点は、いずれの極性にも適用される。これらの透過電荷は、ＥＳＣ電場を遮る傾向があり、ＥＳＣ電場がもはやウェーハ３０内に分極電荷を形成せず、十分な遮断が生じる場合にはクランプ機能が失われることになる。

電圧反転の瞬間（ｔ_s及び図６に電圧がゼロである瞬間を示す）において、分極電荷及び透過エッジ電荷の両方は、切替え時に少なくとも部分的にこれらの位置を保持する。端部領域は、クランプのために機能しないままであるが、中央領域のクランプ力は、埋め込まれた電極の電荷状態の変化を遅延させるウェーハ分極によって実質的に維持される。

ＥＳＣ極性が完全に反転した場合（図７）、端部及び中央領域の役割は、クランプ力に関しては逆になる。中央領域では、何らかの残りの分極電荷が局所ＥＳＣ電極の有効性を弱める傾向があり、そこでのクランプ力が低下する。しかしながら、端部では、透過電荷がＥＳＣ電圧を強化する傾向があり、ウェーハ内での分極電荷の形成が強化され、そこでのクランプ力の確立を加速する傾向がある。

更なる時間の経過後（図８）、端部の透過電荷は、変更後のＥＳＣ極性によって追い出されることになり、分極は中央領域で反転して最初のクランプの後と同じ状態が確立されるが、極性は反転している。

ＥＳＣ電圧が瞬間的に取り除かれた場合に十分なクランプ力を維持するために、エッジ電荷透過又は継続的なバルク電荷移動がクランプ解除を引き起こす前に、及び十分なウェーハ分極が発生した後に、極性を反転させる必要がある。ヘリウム背面ガスの漏出量の上昇は、極性を切替えるための必要性を示すために利用できる。極性反転の持続時間は、エッジ電荷又はウェーハ分極固有の時間定数のうちの短い方に比べて短いことが必要である。

前述の内容を考慮すると、電圧波形の形状を判定することが残されている。実際には、波形は、試験ウェーハを用いて判定することができ、ｔ_on及びｔ_sの得られた値が、所望の波形を生成するように電圧源を制御することができる制御システムに記憶される。

ｔ_s及びｔ_onは、前記で定めたＴ₁、Ｔ₂及びＴ₃の決定後に設定される。

Ｔ₁を決定するために、１つの好適な実施例では、以下のステップを実行する。
１．プラズマが存在しない状態でウェーハを定常又は一定電圧下でクランプし、圧力（典型的には背面ガス圧）を低いヘリウム漏出流（２ｓｃｃｍ未満）の５〜１５Ｔｏｒｒの範囲で確立する。
２．所定の期間後、クランプ電圧をゼロに設定し、ヘリウム漏出流を次の瞬間に観察する。
３．クランプ電圧が除去された後、ヘリウム流が２秒で２０％増加する最小クランプ電圧オン時間が確立されるまで、繰り返されるクランプイベントで期間を変える。これは、ウェーハを電圧切替え中に保持するのに十分な分極電荷がウェーハ内に存在する時間を規定する。プラズマを用いたクランプ中の各電圧反転イベントの間の期間は、この期間に等しいか又はこれよりも長い。

このことは図１０に例示されており、定常クランプ電圧をプラズマなしで５秒間印加し、その後、クランプ電圧をゼロに設定した（図１０の時間＝ゼロ）。クランプ機能は２秒で失われた。

時間Ｔ₂を決定するために、１つの好適な実施例では、以下のステップを実行する。
１．ウェーハを定常又は一定電圧下でクランプしてプラズマを当てる。ヘリウム流が急上昇するか（クランプ機能が完全に失われたことを示す）、又は２０％を超えて増加するまで（クランプ機能が部分的な失われたことを示す）、ヘリウム流を観察する。時間を記録する。
２．極性を反転して試験を繰り返す。同様に時間を記録する。端部での静電チャック電極の異なる部分が、界面で透過するより可動性の高い電荷を引き寄せるか又は寄せ付けない傾向がある極性をもつことができるので、時間は異なるであろう。
３．使用する切替え時間を、２つの時間のうちの短い時間未満になるように選択する。

このことは、Ａｒプラズマ（５０ｓｃｃｍのＡｒ、３ｍＴｏｒｒ、２０００ＷのＩＣＰ、１００ＷのＲＩＥ）に関する図９に例示されている。ヘリウム圧１０Ｔｏｒｒ。この場合、ヘリウム流は２００秒で２５％増加した。

Ｔ₃を決定するために、プラズマが存在しない状態で、１０Ｔｏｒｒのヘリウム背面圧で定常クランプ電圧を１時間印加した。ヘリウム流量の有意な変化は観察されず、この場合、Ｔ₃が１時間を上回ること、及び、この場合、ＥＳＣ内の電荷移動は、切替え時間を制限しなかったことを示す。

この特定の実施例では、電圧切替えの間の時間（ｔ_on）は、Ｔ₂未満であることが必要であり、Ｔ₂は２００秒未満（クランプ機能が部分的に失われる）、好ましくは４０秒未満（この時間の２０％）であるが、５秒（分極電荷を確立するＴ₁時間）を上回る必要がある。エッジ電荷移動時間定数は、この場合、絶縁体の大部分の側方電荷移動によるクランプ機能の損失に関する時間定数（＞１時間）よりも短い。

一方の極性と他方の極性との間で切替わる時間（ｔ_s）は、２秒未満（ウェーハ分極電荷の損失）、好ましくは０．４秒未満（この時間の２０％）である必要がある。エッジ電荷移動は、この場合、より長い時間定数を有し、電圧反転の期間を制限するものではない。

制限された電荷漏出がウェーハ端部にある場合、図３Ｂ及び図３Ｃに示すように厳密に一緒に変化する一対の電圧波形を使用すると、いくつかの問題が発生する可能性があることが分かった。この問題を緩和するために、２つの波形の間に位相シフトが導入された変更された一対の波形を使用する方法を開発した。この実施例は図３Ｄに示される。この利点は、一方の経路が切替わり、他方が切替わらないときに、単極クランプ力がスイッチングプロセス中に存在する点である。切替え時間よりも長い位相シフトが好ましい。例えば、３秒の位相シフトを２０秒の完全サイクルに使用したが、切替え時間は、０．５秒未満であった。

プロセステーブル２０をプラズマ損傷から保護するために、エッジリングを少なくともテーブルの周りに、好ましくはウェーハの周りに設けることで時間Ｔ₂を修正、特に延ばすことが可能である。図１５及び図１６にはこれらのエッジリングの２つの実施例が示されている。図１５において、エッジリング４０は、絶縁層２４及びテーブル２０の溝４１の周りに延在し、絶縁層２４の上面４３と同じ高さの上面４２を有する。エッジリング４０は、絶縁層２４の周りに嵌合するが、ウェーハ３０は、エッジリング４０の一部の上に延在する。

図１６に示す実施例において、ウェーハ３０の高さから好ましくは０．５〜３ｍｍの範囲で上方に突出する上部リング４６を有するエッジリング４２が設けられている。この形態のエッジリングは、図１５に示すエッジリングに比べて時間Ｔ₂を最大４倍まで延ばすことができる。このエッジリングは、ウェーハ縁部での電荷の進入を低減する。

エッジリングが高すぎるとウェーハ縁部でのエッチング速度が抑制されるので、実際には、時間の延長はウェーハ端部へのエッチングの均一性とバランスを取る必要がある。

エッジリングは、導電性又は誘電性とすることができる。

図１１は、１０ＴｏｒｒのＨｅ背圧で既存の従来技術を用いた問題点を示すグラフである。

最初に、プロセス開始時に大きなＨｅ流が見られる。これは、ウェーハ持ち上げ機構を収容するためのプロセステーブルの下部の容積の充填に起因する。ウェーハクランプとは無関係である。初期Ｈｅ流ピークの後で、クランプ機能を満たす定常状態が得られる。定常状態になってしばらくして、Ｈｅ流量が増加し始める。この時間は、図１１ではＨｅ漏出時間と定義される。ウェーハは、最終的に約２５０秒後にポップオフすることになる。

本発明の方法を利用することで、何時間もの作動の間にウェーハを保持するクランプを達成することができる。図１２は、１０Ｔｏｒｒの背面圧でのサファイヤウェーハの３０分間の処理に関するＨｅ流及び圧力を示すグラフである。

また、クランプの信頼性は、６０ＲＦ時間の７５０枚のウェーハのマラソン運転で試験を行った。図１３には、ウェーハ毎の平均Ｈｅ流がマラソン運転時に取得したサンプルに関してプロットされている。

Ｈｅ流は、試験全体にわたって２ｓｃｃｍをかなり下回って維持されることが分かる。

図１４は、サファイアウェーハ温度をプロセス時間の関数として示すデータプロットである。ウェーハとＥＳＣとの間の温度差は、定常状態に到達した後に実質的に一定に保たれていること分かる。

１ プラズマ処理チャンバ
２ ハウジング
３ テーブル
４ 上壁
５ 誘導コイル
６ 電源
７ 開口部
８ 電源

Claims (18)

1. プラズマ処理中に誘電体ウェーハを互いにかみ合うように配置された電極が埋め込まれた処理テーブルに静電クランプする方法であって、
   反対の第１及び第２の極性のそれぞれの電圧を隣接する電極に印加するステップを含み、分極電荷が、それぞれの下部の電極に対して反対の極性で前記ウェーハに誘発され、結果的に、前記ウェーハを前記テーブルに静電クランプし、
   所定の時間（ｔ_on）の後に、前記電圧の極性を反転させて分極を形成し静電クランプを継続するステップをさらに含み、
   ｉ）前記第１及び第２の極性の各々のオン時間（ｔ_on）は、
   ａ）前記ウェーハがクランプ電圧の除去後少なくとも２秒間、所要の圧力で保持されるように、十分な分極電荷を前記ウェーハに発生させるのに必要な時間（Ｔ₁）を上回り、
   ｂ）一定電圧及びプラズマの存在の間に、前記ウェーハを第１の所定量だけ前記テーブルから分離する時間（Ｔ₂）を下回り、
   ｃ）印加電圧が印加された後、プラズマが存在しない場合に前記ウェーハを第２の所定量だけ基板から分離する時間（Ｔ₃）を下回る、
   ように予め選択され、
   ｉｉ）前記第１及び第２の極性の間で切替わる時間（ｔ_s）は、前記時間（Ｔ₁）を下回り且つ２秒未満である、
   ことを特徴とする方法。
2. 前記第１及び第２の所定量は、実質的に同じである、請求項１に記載の方法。
3. 前記時間Ｔ₂及びＴ₃は、試験ウェーハに対する実験によって求められる、請求項１又は２に記載の方法。
4. 前記第１及び第２の所定量は、前記テーブルと前記ウェーハ又は試験ウェーハとの間にガスを定圧下で注入することによって規定され、前記第１及び第２の所定量は、ガス流がそれぞれの所定の量だけ、例えば２０〜２５％だけ増加した際の状態に対応する、請求項１から３のいずれかに記載の方法。
5. 前記ガス流量が比較される初期状態は、５〜１５Ｔｏｒｒの範囲のガス圧及び２ｓｃｃｍ未満のガス流を含む、請求項４に記載の方法。
6. 前記ガスは、ヘリウムを含む、請求項４又は５に記載の方法。
7. 前記時間（Ｔ₁）は、以下のステップ、すなわち、
   ｉ．プラズマが存在しない場合にウェーハを一定電圧下でクランプし、（背面）ガス圧を、低いガス漏出流（好ましくは２ｓｃｃｍ未満）でもって好ましくは５〜１５Ｔｏｒｒの範囲で確立すること、
   ｉｉ．ある期間の後、前記クランプ電圧をゼロに設定し、前記ガス漏出流を次の瞬間に観察すること、
   ｉｉｉ．前記クランプ電圧が除去された後、前記ガス流が２秒で２０％増加する最小クランプ電圧オン時間が確立されるまで、繰り返されるクランプイベントで期間を変えること、によって決定する、請求項１から６のいずれかに記載の方法。
8. 前記時間（Ｔ₂）は、
   ｉ）前記ウェーハ又は試験ウェーハを一定電圧の下でクランプし、プラズマを当て、前記ウェーハが前記第１の所定量だけ前記基板から分離する第１の時間を記録し、
   ｉｉ）反転した極性電圧でステップｉ）を繰り返して、前記ウェーハが前記第１の所定量だけ前記基板から分離する第２の時間を記録し、
   ｉｉｉ）前記第１及び第２の時間のうち値の低い方としてＴ₂を選択する、
   ことによって決定する、請求項１から７のいずれかに記載の方法。
9. 前記時間（Ｔ₃）は、プラズマが存在しない場合に、例えば、１０Ｔｏｒｒのガス（背面）圧力で定常クランプ電圧を印加するステップと、前記ウェーハが前記テーブルと分離するまでガス流をモニタするステップとによって求める、請求項１から８のいずれかに記載の方法。
10. 前記電圧の前記極性は、所定の位相オフセットで反転する、請求項１から９のいずれかに記載の方法。
11. 前記ウェーハの基材は、サファイヤ、水晶、ガラス、又は炭化珪素を含む、請求項１から１０のいずれかに記載の方法。
12. 前記ウェーハは、絶縁基部上に非絶縁層を含む、請求項１から１１のいずれかに記載の方法。
13. 前記ウェーハの周りに、好ましくは前記ウェーハの表面より上方に突出するエッジリングを準備するステップを更に含む、請求項１から１２のいずれかに記載の方法。
14. 前記ウェーハが獲得したＤＣオフセット電圧を測定又は推定するステップと、前記電極に印加された電圧を前記オフセット電圧だけ接地からオフセットするステップを更に含む、請求項１から１３のいずれかに記載の方法。
15. 内部に互いにかみ合うように配置された電極が埋め込まれた処理テーブルが設けられ、使用時に上部に誘電体ウェーハが配置されるプラズマ発生チャンバと、
    前記互いにかみ合うように配置された電極に結合された電圧源と、
    反対の第１及び第２の極性のそれぞれの電圧を隣接する電極に印加するように前記電圧源を制御するようにプログラムされた制御システムと、を含み、分極電荷が、それぞれの下部の電極に対して反対の極性で前記ウェーハに誘発され、結果的に、前記ウェーハを前記テーブルに静電クランプし、所定の時間（ｔ_on）の後に、前記電圧の極性を反転させ分極を形成し静電クランプを継続する、プラズマ処理装置であって、
    ｉ）前記第１及び第２の極性の各々のオン時間（ｔ_on）は、
    ａ）前記ウェーハがクランプ電圧の除去後少なくとも２秒間、所要の圧力で保持されるように、十分な分極電荷を前記ウェーハに発生させるのに必要な時間（Ｔ₁）を上回り、
    ｂ）一定電圧及びプラズマの存在の間に、前記ウェーハを第１の所定量だけ前記テーブルから分離する時間（Ｔ₂）を下回り、
    ｃ）印加電圧が印加された後、プラズマが存在しない場合に前記ウェーハを第２の所定量だけ前記基板から分離する時間（Ｔ₃）を下回る、
    ように予め選択され、
    ｉｉ）前記第１及び第２の極性の間で切替わる時間（ｔ_s）は、前記時間（Ｔ₁）を下回り且つ２秒未満である、
    ことを特徴とする装置。
16. 請求項１から１４のいずれかに記載の方法を実行するように構成された請求項１５に記載の装置。
17. 請求項１５又は１６に記載のプラズマ処理装置の制御システムで使用するための命令を生成して記録媒体に記憶する方法であって、
    反対の第１及び第２の極性のそれぞれの電圧を隣接する電極に印加するステップを含み、分極電荷が、それぞれの下部の電極に対して反対の極性で前記ウェーハに誘発され、結果的に、前記ウェーハを前記テーブルに静電クランプし、所定の時間（ｔ_on）の後に、前記電圧の極性を反転させて分極を形成し静電クランプを継続するステップをさらに含み、
    ｉ）前記第１及び第２の極性の各々のオン時間（ｔ_on）は、
    ａ）前記ウェーハがクランプ電圧の除去後少なくとも２秒間、所要の圧力で保持されるように、十分な分極電荷を前記ウェーハに発生させるのに必要な時間（Ｔ₁）を上回り、
    ｂ）一定電圧及びプラズマの存在の間に、前記ウェーハを第１の所定量だけ前記テーブルから分離する時間（Ｔ₂）を下回り、
    ｃ）印加電圧が印加された後、プラズマが存在しない場合に前記ウェーハを第２の所定量だけ前記基板から分離する時間（Ｔ₃）を下回る、
    ように予め選択され、
    ｉｉ）前記第１及び第２の極性の間で切替わる時間（ｔ_s）は、前記時間（Ｔ₁）を下回り且つ２秒未満である、
    ことを特徴とする方法。
18. 請求項１７に記載の方法により生成された命令を記憶する記録媒体。

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