JP2016063005A - 半導体製造装置、および静電チャックの制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】静電チャックを交換する頻度を低減可能とする半導体製造装置、および静電チャックの制御方法を提供すること。【解決手段】実施形態によれば、半導体製造装置であるプラズマ処理装置１は、静電チャック３および制御部１２を有する。静電チャック３は、電極９を備える。電極９は、静電力を発生させる。静電チャック３は、被加工物であるウェハ６が載置される。被加工物は、静電力によって吸着される。制御部１２は、電極９へ供給される電圧を制御する。制御部１２は、静電チャック３に載置される被加工物への処理に伴う静電チャック３への被加工物の吸着力の変化に応じて、電圧を調整する。【選択図】図１

Description

本実施形態は、半導体製造装置、および静電チャックの制御方法に関する。

静電チャックは、半導体製造装置における被加工物の保持に用いられている。被加工物は、静電力によって、静電チャックの表面に吸着される。半導体製造装置では、被加工物の搬入と、処理後の被加工物の搬出とが繰り返される。静電チャックでは、被加工物の載置と持ち上げとが繰り返される。半導体製造装置における被加工物の処理数が多くなるにしたがい、静電チャックは、被加工物との摩擦による摩耗が徐々に進行する。

静電チャックの摩耗が進行することで、静電チャックに載置される被加工物と、静電力を発生させる電極との距離が短くなる。被加工物と電極との距離が近くなるにしたがい、被加工物には過大な静電力がかかるようになる。被加工物に過大な静電力がかかることで、被加工物が破損する場合がある。過大な静電力によって、静電チャックからの被加工物の取り上げが困難となる場合がある。このため、静電チャックは、ある程度まで静電力が増大することとなった時点で交換される。半導体製造装置は、静電チャックの交換時期の到来を遅らせることにより、静電チャックの交換の頻度を少なくできることが望まれる。

特開２００８−１１２７５１号公報

一つの実施形態は、静電チャックを交換する頻度を低減可能とする半導体製造装置、および静電チャックの制御方法を提供することを目的とする。

一つの実施形態によれば、半導体製造装置は、静電チャックおよび制御部を有する。静電チャックは、電極を備える。電極は、静電力を発生させる。静電チャックは、被加工物が載置される。被加工物は、静電力によって吸着される。制御部は、電極へ供給される電圧を制御する。制御部は、静電チャックに載置される被加工物への処理に伴う静電チャックへの被加工物の吸着力の変化に応じて、電圧を調整する。

図１は、第１の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す図である。 図２は、図１に示す誘電体およびパッドの構成を模式的に示す側面図である。 図３は、図２に示す柱状体のうち上面付近の一部を拡大して示す図である。 図４は、第１の実施形態における吸着力とウェハの処理枚数との関係を示す図である。 図５は、第１の実施形態における温度の変化量と処理枚数の関係、および電圧と処理枚数の関係を示す図である。 図６は、第３の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す図である。

以下に添付図面を参照して、実施形態にかかる半導体製造装置、および静電チャックの制御方法を詳細に説明する。なお、これらの実施形態により本発明が限定されるものではない。

（第１の実施形態）
図１は、第１の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す図である。半導体製造装置であるプラズマ処理装置１は、被加工物であるウェハ６へのプラズマ処理を実施する。プラズマ処理装置１は、エッチング装置、ＣＶＤ装置、スパッタ装置等である。プラズマ処理装置１は、ウェハ６への薄膜形成あるいはパターン形成に使用される。

プラズマ処理装置１は、真空チャンバ２、静電チャック３、載置台４および上部電極５を備える。真空チャンバ２は、プラズマ処理が実施される密閉空間を構成する。真空チャンバ２内には、プロセスガスが流入される。真空チャンバ２内の圧力は、放電可能な圧力に調整される。プロセスガスの流入および排出のための構成と、圧力調整のための構成については、図示を省略している。

載置台４は、真空チャンバ２内に配置されている。静電チャック３は、載置台４の上面に設けられている。載置台４は、静電チャック３上のウェハ６を水平に支持する。また、載置台４は、下部電極として機能する。上部電極５は、載置台４の上面に対向させて配置されている。載置台４および上部電極５は、一対の平行平板電極を構成している。

静電チャック３は、パッド７、誘電体８および電極９を備える。第１の部材である誘電体８は、絶縁性材料からなる。電極９は、誘電体８の内部に埋め込まれている。第２の部材であるパッド７は、導電体である。パッド７は、誘電体８の上に配置されている。

図２は、図１に示す誘電体およびパッドの構成を模式的に示す側面図である。パッド７は、導電性材料からなる複数の柱状体１４を備える。柱状体１４は、それぞれ円柱形状をなしている。柱状体１４は、誘電体８の上面において二次元方向へ配列されている。ウェハ６は、パッド７上に載置される。

静電チャック３、温度計測装置１１、制御部１２および電源１３は、ウェハ６を保持するための機構としての静電チャック装置を構成する。電源１３は、電極９へ電圧を供給する直流高圧電源である。

温度計測装置１１は、誘電体８の内部の温度を計測する。温度計測装置１１は、温度の計測結果を制御部１２へ出力する。制御部１２は、温度計測装置１１からの計測結果に応じて、電源１３から電極９へ供給される電圧を制御する。

次に、プラズマ処理装置１における処理の概要を説明する。真空チャンバ２内へ搬入されたウェハ６は、パッド７上に載置される。電源１３は、制御部１２による制御に応じた電圧を電極９へ供給する。電極９へ電圧が供給されることで、電極９とウェハ６との間には静電力が発生する。ウェハ６は、静電力によって静電チャック３へ吸着される。

プラズマ処理装置１は、真空チャンバ２内の真空引きを行う。プラズマ処理装置１は、真空とされた真空チャンバ２内へプロセスガスを供給する。プラズマ処理装置１は、真空チャンバ２内が放電可能な圧力となるように、プロセスガスの流量を調整する。プラズマ処理装置１は、真空チャンバ２および上部電極５を接地した状態で、載置台４へ高周波電圧を印加する。これにより、プラズマ処理装置１は、真空チャンバ２内にてプラズマを発生させる。プラズマ処理装置１は、ウェハ６へのプラズマ処理を実施する。ウェハ６への加工を終えると、プラズマ処理装置１は、真空チャンバ２内からウェハ６を搬出する。

図３は、図２に示す柱状体のうち上面付近の一部を拡大して示す図である。図２に示すｄは、パッド７の厚みであって、柱状体１４の高さとする。図３に示すｇは、柱状体１４の上面の表面粗さとする。表面粗さは、柱状体１４の表面に含まれる凹凸の高低差を示すパラメータとする。表面粗さは、いずれの手法によって定義されたパラメータであっても良い。

パッド７へウェハ６を吸着させる吸着力（チャック力）Ｐは、以下の式（１）により表される。
Ｐ＝α×（Ｖ／ｇ）^２＋β×（Ｖ／Ｄ）^２ ・・・（１）

なお、Ｄは、誘電体８とウェハ６との間隔とする。ウェハ６が平坦であるとき、Ｄ＝ｄの関係が成り立つ。ウェハ６に反りが生じている場合、ウェハ６のうち柱状体１４と接触する位置にて、Ｄ＝ｄの関係が成り立つ。その他の位置では、Ｄ＞ｄの関係が成り立つ。ｇは柱状体１４の上面の表面粗さとする。Ｖは、電極９へ印加される電圧とする。αおよびβは、係数とする。

プラズマ処理装置１は、処理対象とされる各ウェハ６に対し、真空チャンバ２内への搬入、プラズマ処理、および真空チャンバ２内からの搬出を実施する。静電チャック３では、ウェハ６の載置と持ち上げとが繰り返される。静電チャック３にウェハ６が載置されるときと、静電チャック３からウェハ６が取り上げられるときに、パッド７は、ウェハ６との摩擦を受ける。

加工を終えたウェハ６を真空チャンバ２から搬出してから、新たなウェハ６が真空チャンバ２内へ搬入される。新たなウェハ６が搬入されるとき、真空チャンバ２内は、前のウェハ６の加工時から、高温な状態を維持している。かかる高温環境の中に、常温とされた新たなウェハ６が搬入される。ウェハ６は、静電チャック３に載置されてから、急激に温度が上昇することによって膨張する。かかる膨張によっても、パッド７は、ウェハ６との摩擦を受けることになる。

このようにして、パッド７は、プラズマ処理装置１にてウェハ６が処理されるごとに、ウェハ６との摩擦を受ける。プラズマ処理装置１におけるウェハ６の処理枚数が多くなるにしたがい、パッド７は、ウェハ６との摩擦による摩耗が進行していく。

図３に示すように柱状体１４の上面に凹凸が存在する状態の場合、パッド７の摩耗は、凸部の頂点から進行する。パッド７の摩耗が進行していくことで、ｇは徐々に減少する。柱状体１４の上面の凹凸が平坦化され、ｇがおよそゼロとなってからは、柱状体１４の上面全体において摩耗が進行していく。Ｄは徐々に減少する。このようにしてパッド７の摩耗が進行することで、静電チャック３に載置されるウェハ６と電極９との距離が短くなる。

上記の式（１）によると、ｇおよびＤが減少することで、吸着力Ｐは増加することとなる。ｇおよびＤの減少によって、ウェハ６と電極９との距離が近くなるにしたがい、ウェハ６には過大な吸着力がかかるようになる。ウェハ６に過大な吸着力がかかることで、ウェハ６が破損する場合がある。過大な吸着力によって、静電チャック３からのウェハ６の取り上げが困難となる場合がある。

高温環境の中に搬入された新たなウェハ６が静電チャック３に載置されると、高温の静電チャック３から低温のウェハ６への熱の伝播が生じる。このため、静電チャック３の温度は一時的に低下することとなる。ウェハ６にかかる吸着力が強いほど、静電チャック３からウェハ６への熱伝播が促進される。吸着力が強いほど、静電チャック３の温度の低下幅は大きくなる。

制御部１２は、温度計測装置１１からの計測結果を基に、静電チャック３にウェハ６が載置される前後における誘電体８の温度の変化量を求める。温度の変化量は、吸着力の強さを観測するための指標であるものとする。制御部１２は、求めた変化量に応じて、電極９へ供給する電圧を調整する。静電チャック３に順次載置されるウェハ６への処理が進められるに伴い、静電チャック３へのウェハ６の吸着力は変化する。制御部１２は、静電チャック３に載置されるウェハ６への処理に伴う静電チャック３へのウェハ６の吸着力の変化に応じて、電圧を調整する。

図４は、第１の実施形態における吸着力とウェハの処理枚数との関係を示す図である。破線で示す曲線は、比較例の場合における関係を示す。実線で示す曲線は、第１の実施形態の場合における関係を示す。

比較例では、プラズマ処理装置１は、電源１３から電極９へ一定の電圧を供給しているものとする。プラズマ処理装置１におけるウェハ６の累積処理枚数が多くなるにしたがい、パッド７の摩耗が進行することにより、吸着力が増加していく。吸着力が強くなるほど、パッド７は、ウェハ６から強い力で摩擦を受けることとなる。このため、処理枚数が多くなるほど、吸着力は加速度的に増加していく。

図５は、第１の実施形態における温度の変化量と処理枚数の関係、および電圧と処理枚数の関係を示す図である。実線で示す曲線は、温度の変化量（ΔＴ）と処理枚数との関係を示す。一点鎖線で示す曲線は、電極９へ供給される電圧（Ｖ）と処理枚数との関係を示す。

制御部１２は、温度の変化量の増加を検知することで、ウェハ６の吸着力が増加したことを把握する。制御部１２は、温度の変化量の増加分に応じて、電圧を減少させる。これにより、制御部１２は、ウェハ６に印加される吸着力の増加を抑制させる。

制御部１２は、温度の変化量を求めた結果に応じて電圧を調整するフィードバック制御を実施する。制御部１２は、電圧を調整することで、温度の変化量を、それまでの増加前のレベルに収束させる。制御部１２は、常時あるいは任意の頻度で電圧を調整する。制御部１２は、温度の変化量の増加を抑制させるように電圧を調整するフィードフォワード制御を実施しても良い、また、制御部１２は、処理枚数と温度の変化量との関係をあらかじめ取得しておき、処理枚数に応じて電圧を調整することとしても良い。

パッド７の摩耗が進行するにしたがい、吸着力が徐々に増大していく。処理枚数が多くなるほど、温度の変化量の増加分も大きくなる。制御部１２は、処理枚数が多くなるほど、電圧を減少させる。

制御部１２によるこのような制御により、プラズマ処理装置１は、処理枚数の増加に応じた吸着力の加速度的な増加を緩和させることができる。図４において、破線で示す直線のレベルにまで吸着力が達したときが、静電チャック３の交換時期であるものとする。図４に示すように、第１の実施形態では、比較例の場合に比べて、静電チャック３の交換時期を遅らせることができる。

第１の実施形態によれば、プラズマ処理装置１は、ウェハ６を載置する前後における静電チャック３の温度の変化量を、吸着力の強さを観測するための指標として求める。制御部１２は、静電チャック３に載置されるウェハ６への処理に伴う静電チャック３へのウェハ６の吸着力の変化に応じて、電圧を調整する。

プラズマ処理装置１は、ウェハ６の処理枚数が増えることによる吸着力の増大を遅らせる。プラズマ処理装置１は、静電チャック３の交換時期の到来を遅らせることができる。以上により、プラズマ処理装置１は、静電チャック３を交換する頻度を低減できるという効果を奏する。プラズマ処理装置１は、静電チャック３を交換する頻度を低減できることで、運転コストを低減できる。また、プラズマ処理装置１は、過大な吸着力がウェハ６にかかることによる不具合を抑制できる。

（第２の実施形態）
第２の実施形態の半導体製造装置であるプラズマ処理装置１は、第１の実施形態のプラズマ処理装置１と同様の構成を備える。第１の実施形態と重複する説明は適宜省略する。

第２の実施形態では、誘電体８とウェハ６との間隔と、柱状体１４の上面の表面粗さとを、吸着力の強さを観測するための指標とする。第２の実施形態では、第１の実施形態における温度計測装置１１を省略しても良い。

誘電体８とウェハ６との間隔（Ｄ）と、パッド７の表面粗さ（ｇ）は、いずれの手法によって計測されることとしても良い。制御部１２は、Ｄおよびｇの各実測データが入力される。誘電体８とウェハ６との間隔としては、柱状体１４の高さ（ｄ）を適用しても良い。制御部１２は、入力された間隔および表面粗さのデータに応じて電圧を調整するフィードバック制御を実施する。制御部１２は、いずれの頻度で電圧を調整することとしても良い。

第２の実施形態によれば、制御部１２は、吸着力の強さを観測するための指標として、誘電体８とウェハ６との間隔と、パッド７のうちウェハ６と接触する面の表面粗さとの各データが入力される。制御部１２は、誘電体８とウェハ６との間隔と、パッド７の表面粗さとに応じて、電圧を調整する。制御部１２は、パッド７の摩耗の進行度合いを直接把握したうえで、電圧を調整できる。第２の実施形態においても、プラズマ処理装置１は、静電チャック３を交換する頻度を低減できるという効果を奏する。

（第３の実施形態）
図６は、第３の実施形態の半導体製造装置の構成を模式的に示す図である。半導体製造装置であるプラズマ処理装置１は、静電容量センサ１５を備える。上記の第１の実施形態と同一の部分には同一の符号を付し、重複する説明を適宜省略する。

静電容量計測装置である静電容量センサ１５は、静電チャック３およびウェハ６の間の静電容量を計測する。静電容量センサ１５は、計測結果を制御部１２へ出力する。制御部１２は、静電チャック３にウェハ６が載置されたときの静電容量を取得する。静電容量は、吸着力の強さを観測するための指標であるものとする。制御部１２は、静電チャック３に載置されるウェハ６が処理されたときの静電容量の変化に応じて、電圧を調整する。

パッド７の摩耗が進行していくことで、誘電体８とウェハ６との間隔（Ｄ）と、柱状体１４の上面の表面粗さ（ｇ）とは減少する。ウェハ６と電極９との距離が短くなることで、静電容量センサ１５で計測される静電容量が大きくなる。制御部１２は、処理枚数が多くなるほど、電圧を減少させる。

第３の実施形態によれば、プラズマ処理装置１は、吸着力の強さを観測するための指標として、静電チャック３およびウェハ６の間の静電容量のデータが入力される。制御部１２は、静電容量の変化に応じて電圧を調整する。制御部１２は、パッド７の摩耗の進行度合いを把握したうえで、電圧を調整できる。第３の実施形態においても、プラズマ処理装置１は、静電チャック３を交換する頻度を低減できるという効果を奏する。

本発明のいくつかの実施形態を説明したが、これらの実施形態は、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。

１ プラズマ処理装置、３ 静電チャック、７ パッド、８ 誘電体、９ 電極、１１ 温度計測装置、１２ 制御部、１４ 柱状体、１５ 静電容量センサ。

Claims (5)

1. 静電力を発生させる電極を備え、前記静電力によって吸着させた被加工物が載置される静電チャックと、
   前記電極へ供給される電圧を制御する制御部と、を有し、
   前記制御部は、前記静電チャックに載置される被加工物への処理に伴う前記静電チャックへの被加工物の吸着力の変化に応じて、前記電圧を調整することを特徴とする半導体製造装置。
2. 前記静電チャックの温度を計測する温度計測装置をさらに有し、
   前記制御部は、前記静電チャックに載置される被加工物への処理に伴う前記静電チャックの温度の変化量を求め、前記変化量が変化したことに応じて前記電圧を調整することを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
3. 前記静電チャックは、
   誘電体である第１の部材と、
   導電体で構成され、前記第１の部材の上に配置された第２の部材と、を備え、
   前記制御部は、前記第２の部材の上に載置された被加工物および前記第１の部材の間隔と、前記第２の部材のうち前記被加工物と接触する面の表面粗さとに応じて、前記電圧を調整することを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
4. 前記静電チャックおよび前記被加工物の間の静電容量を計測する静電容量計測装置をさらに有し、
   前記制御部は、前記静電チャックに載置される前記被加工物が処理されたときの前記静電容量の変化に応じて、前記電圧を調整することを特徴とする請求項１に記載の半導体製造装置。
5. 静電チャックに備えられた電極への電圧供給により、前記静電チャックに載置された被加工物と前記電極との間に静電力を発生させ、
   前記静電力によって前記静電チャックに前記被加工物を吸着させ、
   前記静電チャックにおける被加工物の処理に伴う前記静電チャックへの被加工物の吸着力の変化に応じて、前記電圧を調整することを特徴とする静電チャックの制御方法。

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