JP2017008374A - ずれ量の測定方法 - Google Patents

Abstract

【課題】簡単な構成で、膜厚分布の偏りを効果的に抑制することができるずれ量の測定方法の提供。【解決手段】上部に複数の電極５１ａ〜５１ｄが周方向及び径方向の少なくとも一方に等間隔で設けられた基台５１とこの基台上面を覆う誘電体５２とを備える静電チャック５にて、互いに隣接する電極に極性の異なる電位が印加されるように対をなす電極間毎に直流電圧を印加して誘電体５２表面で基板Ｗを静電吸着する際に、対をなす電極間毎に交流電圧を印加し、電極５１ａ〜５１ｄと基板Ｗとの間の静電容量を測定し、この測定した静電容量の変化量から基台５１上面に対する基板Ｗの相対的な位置ずれ量を測定するずれ量の測定方法。【選択図】図１

Description

本発明は、静電チャックの基台上面に対する基板の相対的な位置ずれ量を測定するずれ量の測定方法に関する。

半導体デバイスの製造工程において、基板に対して成膜処理やエッチング処理などの各種処理が行われる。このような処理を行う処理装置では、真空処理室内で基板を位置決め保持するために、静電チャックが広く用いられる。静電チャックとしては、上部に複数の電極が設けられた基台とこの基体の上面を覆う誘電体とを備えるものが、例えば特許文献１で知られている。このものでは、互いに隣接する電極に極性の異なる電位が印加されるように対をなす電極間毎に直流電圧を印加して誘電体表面で基板を静電吸着している。

ところで、静電吸着される基板の中心位置が基台の中心と重なるように、基板は位置決め保持されることが一般であるが、何らかの原因により、基板の中心位置が基台の中心から大きくずれることがある。この場合、スパッタリング法を用いた成膜を行う場合を例に説明すると、基板に膜厚や膜質の面内分布よく成膜することができなくなる。このため、成膜に先立って、基台上面に対する基板の相対的な位置ずれ量を測定することが望まれている。

本願発明者らは鋭意研究を重ね、基台の上面、ひいては複数の電極に対して基板が径方向または周方向にずれていると、基板と電極との間の静電容量が変化し、このとき、静電容量とずれ量との間には相関があることを知見するのに至った。

特開平１０−１４４７７１号公報

本発明は、上記知見に基づき、基台上面に対する基板の相対的な位置ずれ量を測定することが可能なずれ量の測定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、上部に複数の電極が周方向及び径方向の少なくとも一方に等間隔で設けられた基台とこの基台上面を覆う誘電体とを備える静電チャックにて、互いに隣接する電極に極性の異なる電位が印加されるように対をなす電極間毎に直流電圧を印加して誘電体表面で基板を静電吸着する際に、基台上面に対する基板の相対的な位置ずれ量を測定する本発明のずれ量の測定方法は、対をなす電極間毎に交流電圧を印加し、電極と基板との間の静電容量を測定し、この測定した静電容量の変化量から基台上面に対する基板の相対的な位置ずれ量を測定することを特徴とする。本発明において、基板を静電吸着する際とは、直流電圧を印加して誘電体表面に基板を静電吸着している状態と、直流電圧を印加する前の誘電体表面に基板を載置している状態とを含むものとする。

本発明によれば、対をなす電極間毎に交流電圧を印加したときの電極と基板との間の静電容量の変化量を求めることで、基台の上面に対する基板の相対的な位置ずれ量を測定することができる。

本発明において、前記複数の電極の中から選択される一対の電極毎に交流電圧を印加して静電容量を測定する工程を繰り返して基台上面に対する基板の相対的な位置ずれ方向を推定することが好ましい。

本発明において、前記複数の電極に直流電圧を印加した状態で交流電力を重畳させて印加することが好ましい。これによれば、誘電体表面に基板を静電吸着した状態で静電容量を測定するため、基板の反りを可及的に抑制した状態で静電容量を測定することができ、位置ずれ量をより精度よく測定することができる。

本発明の実施形態のずれ量の測定方法を実施するマグネトロンスパッタリング装置を示す模式図。 基台に設けられる電極と基台上面に対して相対的に位置ずれした基板を示す模式図。 電極の変形例を示す模式図。 本発明の効果を確認する実験結果を示すグラフ。

図１は、本発明の実施形態のずれ量の測定方法を実施するマグネトロンスパッタリング装置ＳＭを示す。マグネトロンスパッタリング装置ＳＭは、処理室１ａを画成する真空チャンバ１を備える。以下においては、図１を基準とし、真空チャンバ１の天井部側を「上」、その底部側を「下」として説明する。

真空チャンバ１の底部には排気口１１が設けられ、この排気口１１は排気管１２を介してターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空ポンプＰが接続され、処理室１ａを所定圧力（例えば１×１０^−５Ｐａ）まで真空引きできるようにしている。真空チャンバ１の側壁にはガス導入口１３が設けられ、このガス導入口１３には、図示省略のガス源に連通し、マスフローコントローラ１４が介設されたガス管１５が接続され、Ａｒなどの希ガスからなるスパッタガスを処理室１ａ内に所定流量で導入できるようになっている。

真空チャンバ１の天井部には、カソードユニットＣが着脱自在に設けられている。カソードユニットＣは、真空チャンバ１内（処理室１ａ）を臨むように設置されるターゲット２と、ターゲット２のスパッタ面２ａと背向する上面にインジウムやスズ等のボンディング材を介して接合されるバッキングプレート３と、ターゲット２の上側に配置されてスパッタ面２ａ側に漏洩磁場を発生させる磁石ユニット４とを有する。ターゲット２は、成膜しようとする薄膜の組成に応じて適宜選択される例えばアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）等の絶縁物や銅等の金属製であり、公知の方法を用いて例えば平面視円形に作製されている。ターゲット２にはスパッタ電源Ｅの出力が接続され、スパッタ電源Ｅとしては、高周波電源や直流電源を用いることができる。バッキングプレート３は、熱伝導の良いＣｕ等の金属製であり、絶縁部材Ｉ１を介して真空チャンバ１の上壁に取り付けられている。バッキングプレート３の内部に図示省略の冷媒循環通路が形成され、図外のチラーから冷媒循環通路に冷媒を供給することで、成膜中、ターゲット２を冷却できるようになっている。磁石ユニット４は、ヨーク４１と、ヨーク４１の下面に環状に列設した同磁化の複数個の第１磁石４２と、第１磁石４２の周囲を囲うように環状に列設した第１磁石４２と同磁化の複数個の第２磁石４３とを有する。ヨーク４１の上面には、駆動源４４の駆動軸４４ａが接続され、ターゲット２をスパッタリングして成膜する間、ターゲット２中心を回転中心として磁石ユニット４を回転駆動できるようになっている。

真空チャンバ１の底部には、ターゲット２と対向させて基板ステージ５たる静電チャックが絶縁部材Ｉ２を介して配置されている。静電チャック５は、基台５１と基台５１上面を覆う誘電体５２とを備える。図２も参照して、基台５１の上部には、複数（図２では４個）の電極５１ａ〜５１ｄが周方向に等間隔で設けられている。尚、基台５１に設けられる複数の電極は、周方向及び径方向の少なくとも一方に等間隔で設けられていればよい。誘電体５２は、例えば、公知のシリコンラバー等で構成することができる。そして、互いに隣接する電極に極性の異なる電位が印加されるように対をなす電極間毎に直流電源５３から直流電圧を印加する。これにより、誘電体５２表面で基板Ｗがその成膜面を上にして静電吸着される。

ところで、何らかの原因により、基板Ｗが基台５１上面に対して相対的に大きく位置ずれを起こすことがある。図２において、Ｗ１は適正な位置の基板を示し、Ｗ２は図中の左方向にｄだけ位置ずれを起こした基板を示す。このように基板Ｗが位置ずれを起こした状態で成膜処理を行うと、基板Ｗに膜厚や膜質の面内分布よく成膜することができなくなる虞がある。

そこで、上記マグネトロンスパッタリング装置ＳＭは、上記対をなす電極間毎に直流電圧を印加した状態で交流電圧を夫々重畳させて印加する交流電源５４と、電極５１ａ〜５１ｄと基板Ｗとの間の静電容量を測定する容量計５５と、複数の電極５１ａ〜５１ｄの中から直流電圧及び交流電圧を印加する電極を選択する切換手段５６とを更に備え、後述するように基板Ｗのずれ量を測定できるようになっている。上記マグネトロンスパッタリング装置ＳＭは、公知のマイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた制御手段Ｃｕを有し、マスフローコントローラ１４の稼働、真空排気手段Ｐの稼働、駆動源４４の駆動、スパッタ電源Ｅの稼働、チラーの稼働のほか、直流電源５３、交流電源５４、容量計５５及び切換手段５６等を統括制御するようにしている。制御手段Ｃｕは、詳細は後述するが、容量計５５により測定した静電容量の変化量から基台５１上面に対する基板Ｗの相対的な位置ずれ量を測定する。以下、上記スパッタリング装置ＳＭを用いた本発明の実施形態のずれ量の測定方法について説明する。

真空チャンバ１内を所定の真空度（例えば、１×１０^−５Ｐａ）まで真空引きし、図外の搬送ロボットにより真空チャンバ１内に基板Ｗを搬送し、基板ステージ５の絶縁体５２上に基板Ｗを受け渡す。そして、電極５１ａ〜５１ｄに対して、互いに隣接する電極に極性の異なる電位が印加されるように対をなす電極間毎に直流電源５３から直流電圧を印加する。このとき、例えば、電極５１ａ，５１ｃがプラス電位、電極５１ｂ，５１ｄがマイナス電位となるように直流電圧を印加することにより、誘電体５２表面に基板Ｗが静電吸着される。

本実施形態では、上記直流電圧を印加した状態で、上記対をなす電極間毎に交流電源５４から交流電圧を夫々重畳させて印加し、容量計５５により電極５１ａ〜５１ｄと基板Ｗとの間の静電容量を測定する。

ここで、図２に示すように、基台５１の上面、ひいては複数の電極５１ａ〜５１ｄに対して基板Ｗ２が径方向または周方向にずれていると、電極間の隙間Ｓの上方に基板Ｗ２が存しない部分が存するため、基板Ｗ２と電極５１ａ〜５１ｄとの間の静電容量が変化し（小さくなり）、このとき、静電容量とずれ量との間には相関がある。従って、静電容量とずれ量との相関関係（検量線や計算式）を予め実験等により求めておくことで、容量計５５により測定した静電容量の変化量から基板Ｗのずれ量ｄを求めることができる。

このように求めた基板Ｗのずれ量ｄが所定の基準値未満の場合、成膜処理を行う。具体的には、真空チャンバ１内にスパッタガスたるアルゴンガスを所定流量（例えば、１５０ｓｃｃｍ）で導入し、スパッタ電源Ｅからターゲット２に高周波電力（例えば、１３．５６ＭＨｚ、４ｋＷ）を投入して真空チャンバ１内にプラズマを形成する。これにより、ターゲット２のスパッタ面２ａがスパッタされ、飛散したスパッタ粒子を基板Ｗの表面に付着、堆積させ、膜厚や膜質の面内分布よくアルミナ膜が成膜される。

一方、上記求めた基板Ｗのずれ量ｄが所定の基準値以上の場合には、膜厚や膜質の面内分布が悪化する虞があるため、成膜処理を行わず、基板ステージ５への基板Ｗの搬送をやり直すことが好ましい。このとき、位置ずれ方向を予め推定できれば、搬送ロボットの搬送位置を簡単に修正できるため、真空チャンバ１を大気開放して搬送位置を調整する必要がなく有利である。位置ずれ方向は、以下の方法で推定することができる。

複数の電極５１ａ〜５１ｄの中から切換手段５６により選択される一対の電極毎に交流電圧を重畳させて印加して容量計５５により静電容量を測定する工程を繰り返す。例えば、最初に電極５１ａ，５１ｂに交流電圧を重畳させて静電容量を測定し、次に電極５１ｂ,５１ｃに交流電圧を重畳させて静電容量を測定し、次に電極５１ｃ，５１ｄに交流電圧を重畳させて静電容量を測定し、最後に電極５１ｄ，５１ａに交流電圧を重畳させて静電容量を測定する。測定値から基板Ｗの位置ずれ方向を推定することができる。このとき、位置ずれ方向を変えて静電容量を予め測定しておけば、精度よく位置ずれ方向を推定することができる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明は上記に限定されるものではない。上記実施形態では、直流電圧を印加した状態で交流電圧を重畳させて印加して静電容量の測定を行う場合を例に説明したが、誘電体５２表面に基板Ｗを載置した状態で交流電圧のみを印加して静電容量の測定を行ってもよい。この場合も、静電容量とずれ量との相関関係を求めておくことで、静電容量の変化量から基板Ｗのずれ量ｄを求めることができる。ここで、直流電圧を印加しないと、基板Ｗは静電吸着されていないため、測定した静電容量には基板Ｗの反り等による誤差を含むこととなる。このため、上記実施形態の如く直流電圧を印加した状態で交流電圧を重畳させて印加することにより、基板の反りを可及的に抑制した状態で静電容量を測定することができるため、位置ずれ量をより精度よく測定することができる。また、基板Ｗの反りを含めた形状を公知のレーザ変位センサ等で測定し、その測定値から基板Ｗと誘電体５２との間の隙間を求め、隙間に応じた静電容量の変化量ひいてはずれ量ｄの変化量を予め測定しておくことで、基板Ｗと誘電体５２の間に基板Ｗの反り等に起因した隙間があったとしても、ずれ量ｄを補正することが可能となる。ここで、基板Ｗは主として凹状又は凸状に反ることから、例えばφ３００ｍｍの基板Ｗの場合、基板の中心Ｏにて直交する２方向における＋１４０ｍｍ、＋７５ｍｍ、０ｍｍ（中心）、−７５ｍｍ、−１４０ｍｍの計９点での変位を上記レーザ変位センサにより測定し、測定した変位から基板Ｗと誘電体５２との間の隙間量（及びその平均値）を求めることができ、各隙間量に応じて静電容量の変化量を適宜補正すればよい。

また、上記実施形態では、基台５１上部に４個の電極５１ａ〜５１ｄを周方向に等間隔で設ける場合を例に説明したが、少なくとも１対（２個）の電極が基台５１に設けられていれば、本発明を適用することができ、位置ずれ量を求めることができる。例えば、図３に示すように、基台５１に８個の電極５１ａ１〜５１ｈ１を周方向に等間隔で設けてもよく、これらの電極５１ａ１〜５１ｈ１の径方向外側に間隔Ｓを存して更に８個の電極５１ａ２〜５１ｈ２を設けてもよい。この場合、隙間Ｓが基台５１の外周部（例えば、基台５１のエッジから１．５〜１５ｍｍの位置）に存するように電極５１ａ１〜５１ｈ１，５１ａ２〜５２ｈ２を設けることが好ましい。これによれば、間隔Ｓに基板Ｗ２のエッジがかかったときに静電容量の変化が大きくなり、基板Ｗ２の位置ずれ量ｄを精度よく測定することができる。

次に、上記効果を確認するために、上記マグネトロンスパッタリング装置ＳＭを用いて次の実験を行った。本実験では、基板Ｗとしてφ３００ｍｍのシリコン基板を用い、基板Ｗと同一面積を有する基台５１に基板Ｗを搬送して直流電圧を２ｋＶ印加して静電吸着させ、３ｋＨｚの交流電圧を１０Ｖ重畳して印加して静電容量を測定した。この静電容量の測定を基台５１上面に対して基板Ｗを一方向（図２、３中、左方向）にずらしながら行った。その測定結果を図４に示す。図４には、図２に示すように電極５１ａ〜５１ｄが設けられた基台５１を用いた場合の測定結果を「発明１」として示すと共に、図３に示すように電極５１ａ１〜５１ｈ１，５１ａ２〜５１ｈ２が設けられた基台５１を用いた場合の測定結果を「発明２」として示している。いずれの場合も、基台５１上面に対する基板Ｗのずれ量ｄと、静電容量との間に相関があることが確認された。これにより、静電容量の変化量を測定すれば、基板Ｗのずれ量を求めることができることが判った。また、発明１と比較して発明２の方が、位置ずれ量ｄが１５〜３０ｍｍのときの変化量が大きいことが確認された。これは、基台５１のエッジから１３ｍｍの位置に設けられた幅２ｍｍの隙間Ｓに基板Ｗのエッジがかかることによるものである。これによれば、発生する可能性のある基板Ｗの位置ずれ量ｄに応じて電極及びその隙間の位置を設計すれば、位置ずれ量を精度よく測定できることが判った。また、図示は省略するが、直流電圧を印加せず、交流電圧のみを印加して静電容量を測定したところ、基板Ｗのずれ量ｄと静電容量との間に相関があることが確認され、この場合も静電容量の変化量を測定すれば、基板Ｗのずれ量を求められることが判った。

５…基板ステージ（静電チャック）、５１…基台、５１ａ〜５１ｄ，５１ａ１〜５１ｈ１，５１ａ２〜５１ｈ２…電極、５２…誘電体。

Claims (3)

1. 上部に複数の電極が周方向及び径方向の少なくとも一方に等間隔で設けられた基台とこの基台上面を覆う誘電体とを備える静電チャックにて、互いに隣接する電極に極性の異なる電位が印加されるように対をなす電極間毎に直流電圧を印加して誘電体表面で基板を静電吸着する際に、基台上面に対する基板の相対的な位置ずれ量を測定するずれ量の測定方法であって、
   対をなす電極間毎に交流電圧を印加し、電極と基板との間の静電容量を測定し、この測定した静電容量の変化量から基台上面に対する基板の相対的な位置ずれ量を測定することを特徴とするずれ量の測定方法。
2. 前記複数の電極の中から選択される一対の電極毎に交流電圧を印加して静電容量を測定する工程を繰り返して基台上面に対する基板の相対的な位置ずれ方向を推定することを特徴とする請求項１記載のずれ量の測定方法。
3. 前記複数の電極に直流電圧を印加した状態で交流電力を重畳させて印加することを特徴とする請求項１または請求項２記載のずれ量の測定方法。

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