JP3320605B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、例えば半導体ウエ
ハを静電チャックに吸着保持してプラズマ処理を行うプ
ラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】枚葉式の半導体処理装置では、チャンバ
内の載置台上に１枚の半導体（以下ウエハ」という）を
載せてこのウエハの表面に所定の処理を施すようにして
いる。そしてその際には半導体ウエハの処理を確実に行
うために、ウエハを載置台上に保持することが必要であ
り、近年は、クランプ等の機械的な保持手段を使わずに
静電気力でウエハを載置台上に吸着保持するようにした
静電チャック型の載置台構造が採用されつつある。

【０００３】この静電チャックは、図８に示すように、
例えばアルミニウムからなる載置台１１の上面（載置
面）に、静電チャック１２を設けて構成されている。静
電チャック１２は、誘電体１３の中に例えばタングステ
ン箔からなる一対の電極１４を設けて構成され、電極１
４はリード線１５及びスイッチ１６を介して直流電源１
７に接続されている。

【０００４】この種の静電チャックは、例えばプラズマ
ＣＶＤ（Ｃｈｅｍｉｃａｌ Ｖａｖｏｒ Ｄｅｐｏｓｉ
ｔｉｏｎ）やプラズマエッチングのプラズマ処理装置に
適用される。ところで静電チャック１２に用いられる誘
電体１３としては、従来からポリイミドシートなどが用
いられていたが、ＥＣＲプラズマ処理ではプラズマによ
る損傷が大きいため、本発明者等は、Ａｌ2 Ｏ3 やＡｌ
Ｎなどのセラミックスを用いることを検討している。

【０００５】この処理装置では、反応容器内に搬入され
たウエハは静電チャック１２上に載置され、スイッチ１
６をオンにして電極１４、１４間に直流電圧を印加する
ことにより電気力線を形成し、これによってウエハＷと
静電チャック１２との間に静電引力が発生し、載置台１
１上にウエハＷが吸着保持される。そしてプラズマ処理
後にウエハＷを離脱させるときにはスイッチ１６をオフ
にして直流電圧の印加を停止するのであるが、残留電荷
が大きいためプラズマをウエハＷに照射して除電し、そ
の後図示しないプッシャーピンを載置台１１の上面から
突出させてウエハＷを浮上させ、図示しない搬送アーム
によりウエハを搬出するようにしていた。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】ところで誘電体１３と
してＡｌ2 Ｏ3 やＡＩＮなどのセラミックスを用いた場
合、熱酸化処理を経たウエハについは残留吸着力が相当
大きいということが分かった。これは、ウエハが加熱炉
内で熱酸化処理されるときにウエハの裏面にも熱酸化膜
が形成され、この熱酸化膜は絶縁性が高い上、前記セラ
ミックスも誘電率が相当大きい（絶縁性が高い）ことに
起因していると推察される。

【０００７】しかしながらこのように残留吸着力が大き
いと、ウエハＷを静電チャック１２から離脱するために
プッシャーピンを突き上げたときにウエハＷが割れてし
まうおそれがあった。またトランジスタのゲート酸化膜
がウエハＷ上の回路部に既に形成されている場合には、
離脱するときに過大な荷電粒子が流れ込み、これにより
ゲート酸化膜が破壊される場合もあった。

【０００８】ここで上述のような双極タイプの静電チャ
ックの離脱の手法として、特開平４−２３００５１号公
報には、吸着時の直流電圧と逆極性の直流電圧を印加し
て残留電荷を除去する方法が記載されているが、ウエハ
Ｗの裏面に熱酸化膜や熱窒化膜などの絶縁層が形成され
ている場合には、単純に逆電圧を印加しただけでは離脱
が困難であるということを把握している。

【０００９】本発明は、このような事情の下になされた
ものでありその目的は、静電チャックから被処理体の離
脱を容易に行うことのできるプラズマ処理装置を提供す
ることにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】本発明は、例えば熱酸化
膜が裏面側（載置面側）に形成されたウエハを静電チャ
ック装置に吸着させ、吸着時に印加した直流電圧とは逆
極性の直流電圧（逆電圧）を印加して離脱しようとする
場合、逆電圧の値に脱着可能な範囲が存在し、その範囲
が誘電体の材質毎に吸着時の直流電流の値と静電チャッ
クの温度とに依存していることを把握したことに基づい
てなされたものである。具体的には本発明は、載置台の
載置面部を誘電体により構成すると共に、この誘電体の
中に一対の電極を設けて静電チャックを構成し、前記電
極間に吸着用の直流電圧を印加して、被処理体を前記誘
電体に静電吸着し、この被処理体に対してプラズマ処理
を行うプラズマ処理装置において、前記一対の電極間に
吸着用の直流電圧とは逆の極性の直流電圧である逆電圧
を離脱時に印加するための逆電圧印加手段と、吸着用の
直流電圧値と被処理体の温度と離脱可能な逆電圧値との
関係を示すテ−ブルを格納したメモリと、 プロセス時の
被処理体の温度及び吸着用の直流電圧値と前記メモリ内
のテ−ブルとに基づいて前記逆電圧値を調整する手段
と、を備えたことを特徴とするものである。被処理体
は、例えば裏面に絶縁層が形成された半導体ウエハであ
る

【００１１】

【発明の実施の形態】図１は本発明の実施の形態に係る
プラズマ処理装置に用いられる静電チャック装置を示す
図である。図１中２は被処理体例えばウエハＷの載置台
であり、この載置台２は、例えばアルミニウム製の載置
台本体２１の上にヒータ２２と静電チャック３とをこの
順に設けて構成される。載置台２には、図示しない昇降
機構により、載置面より下方側に没入した位置と上方に
突出した位置との間で昇降するプッシャピン２３が設け
られている。また載置台本体２１の中には冷媒流路２４
が形成されており、ヒータ２２と共にウエハの温度調整
手段を構成している。

【００１２】静電チャック３は、載置台２の載置台面部
を成し、例えば厚さ４ｍｍの薄い円形板状の誘電体４１
の中に例えばタングステン箔よりなる一対の電極４Ａ、
４Ｂを埋設して構成される。この電極４Ａ、４Ｂは各々
例えば図２に示すように平面形状が半円状に形成されて
おり、載置台２に上下方向に形成された貫通孔４２内に
通された給電線４３Ａ、４３Ｂの一端側に電気的に接続
されている。

【００１３】給電線４３Ａ、４３Ｂの他端側は、給電部
５に接続されている。この給電部５は、電圧値を可変で
きる直流電源部５１と、この直流電源部５１よりの直流
電圧を給電線４３Ａ、４３Ｂ間に給断するための給断用
スイッチ５２と、前記給電線４３Ａ、４３Ｂ間に印加さ
れる直流電圧の極性を切り替えるための極性切替用スイ
ッチ５３とを備えている。

【００１４】前記極性切替用スイッチ５３は、ウエハＷ
の離脱時に、電極４Ａ、４Ｂに対して吸着時の直流電圧
とは逆極性の直流電圧（逆電圧）を直流電源部５１から
与えるためのものであり、この実施の形態では、このス
イッチ５３及び直流電源部５１は、本発明の構成要素で
ある逆電圧印加手段を構成している。

【００１５】そして直流電源部５１の直流電圧値及び前
記スイッチ５２、５３は、制御手段６によって制御され
るようになっている。制御手段６は、吸着用の直流電圧
値とウエハＷの温度と離脱可能な逆電圧値との関係を示
すテーブルを格納したメモリ６１と、ＣＰＵ（中央処理
部）６２と、スイッチ切替部６３と、電圧調整部６４と
を備えている。

【００１６】ＣＰＵ６２は、所定のシーケンスプログラ
ムに基づいて、給断用スイッチ５２のオン、オフ制御及
び極性切替用スイッチ５３の切替制御を行う制御信号を
スイッチ切替部６３に与えると共に、制御手段６に入力
された、プロセス時のウエハＷの温度及び吸着用の直流
電圧値（吸着時に与える直流電圧値）と前記メモリ６１
内のテーブルとに基づいて、適切な逆電圧の指令値を電
圧調整部６４に与える機能を有する。電圧調整部６４
は、ＣＰＵ６２からの指令値に基づいて直流電源部５１
を制御し、これにより電極４３Ａ、４３Ｂ間の逆電圧値
が適切な値つまり前記指令値に対応するように調整され
る。

【００１７】ただし逆電圧値の設定の手法については、
上述の方法の他、例えば図３に示すように予め吸着用の
直流電圧値、ウエハＷの温度及び逆電圧値を書き込んだ
静電チャック３に関するレシピを、ウエハの処理種別毎
に定めておくと共に、これらレシピをメモリ内に格納し
ておき、ウエハの処理に対応するレシピを選択してその
レシピに書き込まれている逆電圧値に基づいて直流電源
部５１を制御するようにしてもよい。

【００１８】次に上述のメモリ６１内のテーブルデータ
やレシピのデータの設定について説明する。本発明者は
このデータを得るために、６インチウエハの表面にアル
ミニウムブロックを接着し、これを図１に示す静電チャ
ックに静電吸着させ、ワイヤの一端をアルミニウムブロ
ックに取り付けると共に、このワイヤの他端側を滑車に
通して、２Ｋｇの重錘を取り付け、逆電圧を電極間に印
加してからどれくらいの時間でウエハが静電チャックか
ら離脱するかという試験を行った。

【００１９】具体的には吸着用の直流電圧Ｖ１を電極間
に、残留吸着を発生させるに十分長い時間、この例では
２分間印加し、その後電極間に逆電圧Ｖ２を印加し、逆
電圧を印加してからウエハが離脱するまでの時間を測定
した。ウエハとしては、裏面側に約３０００オングスト
ロームの厚さの熱酸化膜が形成されているものを用い
た。

【００２０】図４は、横軸に逆電圧値、縦軸に離脱時間
を夫々とったグラフであり、●印及び■印は、ウエハＷ
の温度が１６０℃であって、Ｖ１を１０００Ｖ及び１６
００Ｖとした場合である。ただし誘電体としてはＡｌＮ
（窒素アルミニウム）を用いている。このグラフから分
かるように逆電圧Ｖ２の値が小さいと、離脱しにくく
（離脱時間が長く）、Ｖ２の値が大きくなるにつれて離
脱しやすくなってくる。しかしながらＶ２の値が大きけ
ればよいというわけではなく、ある領域を越えると、Ｖ
２の値が大きくなるにつれて離脱しにくくなってくる。
つまり離脱可能な逆電圧Ｖ２の範囲が存在することが分
かる。

【００２１】実際の静電チャックにおいてウエハをプッ
シャーピンで突き上げたときにウエハがスムーズに静電
チャックから離脱するためには、上述の実験装置で離脱
時間が６０秒以下であれば十分であることを予め確認し
てある。従って離脱可能な時間を６０秒以下とすると、
離脱可能な逆電圧Ｖ２の範囲は、Ｖ１が１０００Ｖの場
合およそ１００Ｖ〜１２５０Ｖであり、Ｖ２が１６００
Ｖの場合およそ２００Ｖ〜１１００Ｖである。

【００２２】このような試験を吸着用の直流電圧Ｖ１の
値を固定してウエハＷの各温度毎に行うと、例えばＶ１
が１０００Ｖの場合、離脱可能な逆電圧Ｖ２の範囲が温
度によってどのように変わっていくかを把握できる。図
５は、こうしたデータを、Ｖ１が５００Ｖ、１０００
Ｖ、１６００Ｖの各条件下で求めた結果であり、横軸に
ウエハＷの温度、縦軸に逆電圧Ｖ２をとったグラフであ
る。これら各プロットを結ぶグラフの内側が離脱可能な
逆電圧の範囲である。なお図６に、誘電体としてＡｌ2
Ｏ3 （酸化アルミニウム）を用いた場合の試験結果につ
いても示しておく。

【００２３】実際に図１に示すメモリ６１内にデータテ
ーブルあるいはレシピを格納する場合には上述のように
して誘電体の材質と吸着用の直流電圧Ｖ１とウエハＷの
温度とで決まる条件下で離脱可能な逆電圧Ｖ２の値が書
き込まれる。

【００２４】次いで上述の静電チャック装置を適用した
ＥＣＲプラズマ装置の全体構成について図７を参照しな
がら簡単に述べる。このＥＣＲプラズマ装置は、真空容
器７の上部側のプラズマ室７１内に、高周波電源部Ｅ１
よりの例えば２．４５ＧＨＺマイクロ波を導波管７２か
ら透過窓７３を介して導くと共に、プラズマガス用ノズ
ル７４からプラズマ室７１内にＡｒガスやＯ2 ガス等の
プラズマガスを供給し、更にプラズマ室７１の外側に設
けた電磁コイル７５により磁界Ｂを印加して電子サイク
トロン共鳴を発生させるように構成されている。また真
空容器７の下部側の反応室７６においては、反応性ガス
ノズル７７が突入されると共に、底部に既述の載置台２
が設けられている。２３はプッシャピンの昇降機構７８
は排気管、７９はゲートバルブ、Ｅ２はプラズマ引き込
み用電源部である。

【００２５】次に上述の実施の形態の作用について説明
する。先ずウエハＷの温度及び吸着用の直流電圧値を制
御手段６に入力すると、これらの入力条件とメモリ６１
内のデータテーブルとに基づいて逆電圧値が決定され
る。また図３に示すように、プラズマ処理の種別に応じ
たレシピの中に静電チャック３に関する条件が組み込ま
れている場合には、レシピの選択により逆電圧値が決定
される。

【００２６】そして図７に示すゲートバルブ７９を開い
て、図示しない搬送アームとプッシャピン２３との協動
作用によりウエハＷを載置台２上につまり静電チャック
３上に載置すると共に、ゲートバルブ７９を閉じて真空
容器１内を所定の真空度まで真空引きにする。このとき
静電チャック３の電極４Ａ、４Ｂ間には給電部５から例
えば１０００Ｖの直流電圧が印加され、これによりウエ
ハＷは静電チャック３に静電吸着される。そしてヒータ
２２及び冷媒流路２４の冷媒の組み合わせによりウエハ
Ｗを所定の温度例えば１２０℃に加熱すると共に、ノズ
ル７４から例えばＡｒガス及びＯ2 ガスを、ノズル７７
から例えばＳｉＨ4 ガスを夫々真空容器７内に導入し、
反応室７６内に流れ込んだプラズマイオンによりＳｉＨ
4 を活性化させて、ウエハＷ上にＳｉＯ2 膜を成膜す
る。

【００２７】プラズマ処理が終了した後、給電部５のス
イッチ５３のスイッチ接点を切り替えて、静電チャック
３の電極４Ａ、４Ｂ間に逆電圧値を印加する。この逆電
圧値の印加は、既述のようにして決定された逆電圧値を
ＣＰＵ６２が読み込んで電圧調整部６４により直流電源
部５１の電圧値が調整されることによって行われる。こ
れによってウエハＷの残留電荷が少なくなり、残留電荷
による静電吸着力が弱められ、プッシャピン２３を突き
上げることによりウエハＷが静電チャック３から離脱す
る。その後ウエハＷは図示しない搬送アームに受け渡さ
れて真空容器７内から搬出される。

【００２８】上述の実施の形態によれば、ウエハＷが既
に熱酸化処理されていて裏面側に絶縁膜である熱酸化膜
が形成されており、かつ静電チャック３の誘電体４１と
してセラミックスを用いた場合において、吸着用の直流
電圧を切った後にウエハＷに存在する大きな残留電荷を
ウエハＷの離脱に影響がない程度に小さくできる逆電圧
の範囲が、誘電体の材質毎に吸着用の直流電圧値とウエ
ハＷの温度とに依存することを見出だし、予め試験を行
って得たデータに基づいて条件に応じた適切な逆電圧の
値に調整されるように構成しているため、ウエハＷの静
電チャック３からの離脱を常にスムーズに行うことがで
き、従ってウエハＷの割れが起こるおそれがないし、ま
たウエハＷのデバイス中のゲート酸化膜の破壊のおそれ
もない。従って特に誘電体としてセラミックスを用いる
場合、非常に有効である。

【００２９】ただしウエハＷの裏面に形成された絶縁膜
としては、熱酸化膜に限られず、例えば窒化ケイ素膜で
あってもよい。また本発明のプラズマ処理装置はＥＣＲ
プラズマ処理装置に限られるものではなく、ＣＶＤ装
置、エッチング装置などであってもよい。

【００３０】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、静電チャ
ックに被処理体を吸着保持するにあたり、条件に応じた
適切な逆電圧を電極間に印加しているため、被処理体の
離脱が容易であり、被処理体の割れなどを防止できる。
そして本発明は、熱酸化膜などの絶縁膜が形成されたウ
エハを、セラミックスを用いた静電チャックに吸着保持
させる場合に特に有効である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施の形態に係る静電チャック装置を
示す構成図である。

【図２】静電チャックを示す平面図である。

【図３】静電チャックの使用条件を規定するデータを示
す説明図である。

【図４】ウエハの離脱試験における逆電圧と離脱時間と
の関係を示すグラフである。

【図５】誘電体としてＡｌ2 Ｏ3 を用いたときのウエハ
温度と離脱可能な逆電圧の範囲との関係を示すグラフで
ある。

【図６】誘電体としてＡｌＮを用いたときのウエハ温度
と離脱可能な逆電圧の範囲との関係を示すグラフであ
る。

【図７】本発明の実施の形態に係る静電チャック装置を
ＥＣＲプラズマ処理装置に適用した例を示す縦断側面図
である。

【図８】従来の静電チャック装置を示す構成図である。

【符号の説明】

２ 載置台 ２２ ヒータ ２３ プッシャピン ２４ 冷媒流路 ３ 静電チャック ４Ａ、４Ｂ 電極 ４１ 誘電体 ５ 給電部 ５１ 直流電源部 ５２、５３ スイッチ ６ 制御手段 ７ 真空容器 ７１ プラズマ室 ７５ 電磁コイル ７６ 反応室

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 川村 剛平 神奈川県津久井郡城山町町屋１丁目２番 41号 東京エレクトロン東北株式会社 相模事業所内 (56)参考文献 特開 平４−230051（ＪＰ，Ａ) 特開 平７−130825（ＪＰ，Ａ) 特開 平６−275707（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/68 B23Q 3/15 H02N 13/00

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 載置台の載置面部を誘電体により構成す
   ると共に、この誘電体の中に一対の電極を設けて静電チ
   ャックを構成し、前記電極間に吸着用の直流電圧を印加
   して、被処理体を前記誘電体に静電吸着し、この被処理
   体に対してプラズマ処理を行うプラズマ処理装置におい
   て、 前記一対の電極間に吸着用の直流電圧とは逆の極性の直
   流電圧である逆電圧を離脱時に印加するための逆電圧印
   加手段と、吸着用の直流電圧値と被処理体の温度と離脱可能な逆電
   圧値との関係を示すテ−ブルを格納したメモリと、 プロセス時の被処理体の温度及び吸着用の直流電圧値と
   前記メモリ内のテ−ブルとに基づいて前記逆電圧値を調
   整する手段と、 を備えたことを特徴とするプラズマ処理
   装置。
2. 【請求項２】 前記被処理体は、裏面に絶縁層が形成さ
   れた半導体ウエハであることを特徴とする請求項１記載
   のプラズマ処理装置。