JP3907256B2 - 真空処理装置の静電チャック装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空処理装置の静電チャック装置に係り、特に絶縁層が成膜されたシリコンウエハをプラズマ式ドライエッチングする真空処理装置に好適な静電チャック装置に関する
【0002】
【従来の技術】
半導体装置の製造工程ではドライエッチング装置やCVD装置などの種々の真空処理装置が使用されている。このドライエッチング装置の一種であるプラズマ式のドライエッチング装置は、酸素ガスとCF4ガスなどの混合ガスからなる反応性ガスをプラズマ発生装置に導入し中性活性なラジカルを生成した後に、真空チャンバー内に流入し、シリコンウエハをエッチングする。このウエハは、温度制御されたウエハ載置台に載置されており、このウエハ載置台からの熱伝達によって所定の温度に温度制御される。ウエハ載置台はウエハへの熱伝達の効率を高めるために、静電チャック装置を有し、この静電チャック装置は直流高電圧の印加によってウエハを静電吸着する。
【0003】
ウエハ載置台及び静電チャック装置にはウエハ冷却用ガスが流通するガス導入配管が貫通し、このガス導入配管は静電チャックに静電吸着されたウエハに冷却用ガスを導入してウエハを冷却する。
【0004】
【発明が解決しようとする課題】
ところが、従来の真空処理装置の静電チャック装置は、直流高電圧の印加によって、静電チャックと接地されている真空チャンバー壁との間において反応性ガスが火花放電することがあり、これによってウエハの静電吸着不良が発生したり、半導体装置の絶縁破壊を生ずるといった問題がある。
【0005】
これを更に詳細に説明すると、静電チャック装置に印加する直流高電圧の大きさやこの直流高電圧印加時の真空チャンバーの真空圧や静電チャック装置と真空チャンバー側壁及びウエハとの距離などの条件によっては、直流高電圧の印加時に、火花放電が静電チャックと真空チャンバーの側壁との間において発生する。この火花放電によって、静電チャック装置の表面に帯電が起こり吸着力が弱まり、ウエハの吸着不良が生ずると共に、ウエハに形成されたデバイスの絶縁破壊が発生する。
【0006】
図6は、火花放電の有無と静電吸着力との関係を示したグラフであり、このグラフから分かるように、火花放電が発生した場合には、静電チャック装置の静電吸着力が大幅に低減する。また、図7は火花放電の有無と半導体装置のゲート酸化膜の不良率との関係を示したグラフであり、このグラフから分かるように、火花放電が発生した場合には、半導体装置のゲート酸化膜の不良率が大幅に悪化する。
【0007】
このような火花放電を防止するためには、静電チャック装置に印加する直流高電圧を低下することや、直流高電圧の印加時の真空チャンバーの真空度を高める、即ち真空チャンバー内の圧力を更に低下することなどが考えられる。しかしながら、直流高電圧の低下は静電吸着力の低下をもたらすため望ましくなく、また直流高電圧の印加時の真空チャンバーの真空度を高めることは、真空排気に長時間を要し、真空処理装置のスループットの低下を招来するため望ましくない。
【0008】
そこで、本発明の目的は、充分な静電吸着力及び真空処理装置の高スループットを夫々保持しながら、花火放電の発生を防止することができる真空処理装置の静電チャック装置を提供することである。
【0009】
【課題を解決するための手段】
この目的を達成するために請求項1に記載された発明は、真空チャンバー内に配置され、被処理物を静電吸着する静電チャック部と、上記真空チャンバーの外部から上記被処理物を受取ることができる上部位置と上記被処理物を上記静電チャック部に載置することができる下部位置との間で昇降する昇降装置とを具備する真空処理装置の静電チャック装置において、上記昇降装置が上記上部位置から降下して上記下部位置よりも僅かに上方の所定位置に達したことを検出して検出信号を発生する検出装置と、上記検出信号に応じて直流高電圧を上記静電チャック部に印加する直流電源とを具備することを特徴とするものである。
【0010】
被処理物を保持した昇降装置が上部位置から降下して、下部位置よりも僅かに上方の所定位置に達すると、検出装置はこの昇降装置の所定位置への到達を検出し、検出信号を発生する。直流電源はこの検出信号に応じて直流高電圧を静電チャック部に印加する。この後に、昇降装置が更に降下を続行して下部位置に達して被処理物を静電チャック部に載置すると、静電チャック部は被処理物を静電吸着する。
【0011】
被処理物と静電チャック部との間隔が小さい状態で直流高電圧が静電チャック部に印加されるため、真空チャンバー内の真空度を特別に高めることなく、かつ静電チャック装置に印加する直流高電圧を特別に低下させることなく、火花放電の発生を防止することができる。従って、真空処理装置の高スループットを維持することができると共に、充分な静電吸着力を保つことができる。
【0012】
請求項2に記載された発明は、請求項1に記載の真空処理装置の静電チャック装置において、上記直流高電圧が印加された時の上記真空チャンバー内の圧力は約2Pa以下であり、上記検出装置は上記昇降装置に保持された被処理物と上記静電チャック部との距離が約5mm以下になったことを検出して上記検出信号を発生し、上記直流電源が印加する上記直流高電圧は約3000V以下であることを特徴とするものである。
約3000V以下の直流高電圧の印加時に、真空チャンバー内の圧力が約2Pa以下でありかつ被処理物と静電チャック部との距離が約5mm以下であれば、火花放電は発生しない。
約2Pa以下の真空度は比較的短時間で達成することができ、約3000Vの直流高電圧は、充分な静電吸着力を発生する。
【0013】
請求項3に記載された発明は、請求項2に記載の真空処理装置の静電チャック装置において、上記真空処理装置はプラズマ式のドライエッチング装置であり、上記被処理物はシリコンウエハであり、表面に厚さが約2μm以下の絶縁層が成膜されていることを特徴とするものである。
本静電チャック装置は、厚さが約2μm以下の絶縁層を有するシリコンウエハをドライエッチングするプラズマ式のドライエッチング装置に好適である。
【0014】
【発明の実施の形態】
以下に本発明による真空処理装置の静電チャック装置の実施例を図1乃至図2を参照して説明する。
図1において、真空チャンバー1は接地され、この真空チャンバー1の内部には反応性ガス分散板2が配置され、この反応性ガス分散板2には反応性ガス導入管3が接続されている。この反応性ガスガス導入管3は真空チャンバー1の外部に延在し、その途中にプラズマ発生装置4が設置されている。真空チャンバー1には、排気管5が接続されると共に、真空チャンバー1の内部の圧力を検出する圧力計6が設置されている。また、真空チャンバー1の底部にはウエハ載置台7が気密に固定され、このウエハ載置台7の内部には温度制御機構の一部を構成する媒体通路8が形成されている。この媒体通路8にはその入口配管9及び出口配管10が夫々接続されている。温度調節用の媒体が入口配管9から流入し媒体通路8を流通し出口配管10から流出して、これによってウエハ載置台7の温度を所定の温度に制御する。
【0015】
ウエハ載置台7の上には静電チャック部11が接着剤によって接着固定され、この静電チャック部11は、金属薄膜製の静電電極12と、この静電電極12の全面を被覆するポリイミド樹脂のような高分子有機材料からなる絶縁膜13と、この絶縁膜13の上面に接着剤によって接着された弗素樹脂14とから構成される。なお、ウエハWが接触する弗素樹脂14は、絶縁膜13の上面だけでなく載置台7の上面にも延在している。静電電極12には電流計15を介して直流の高圧電源16に接続され、この直流高圧電源16は約3000Vの直流の高電圧を発生する。直流高圧電源16は、スイッチ装置SWを有し、このスイッチ装置SWの閉成によって静電電極12に約3000Vの直流高電圧を印加する。また、電流計15は電極12に流れる電流を検出して、火花放電の有無を検出することができる。
【0016】
ウエハ載置台7の中央及び静電チャック部11の中央には冷却用ガスの導入配管17が貫通し、この導入配管17の上端は静電チャック部11の表面に開口している。導入配管17の途中には圧力計18及び流量制御弁19が設置され、更に導入配管17は流量制御弁19よりも下流側において分岐し排出配管20が接続され、この排出配管20には可変弁21が設置されている。ウエハ冷却用のガスが導入配管17に流入し流量制御弁19を通って、静電チャック部11に載置されるウエハWを冷却する。なお、このウエハ冷却用のガスの圧力は、圧力計18の測定値で約1000Paである。
【0017】
図1及び図2に示したように、ウエハ載置台7及び静電チャック部11には3本のウエハ昇降ピン22が貫通している。これらのウエハ昇降ピン22の下端は連結板23を介して昇降シャフト24に固定され、この昇降シャフト24は駆動モーター25によって上下方向に昇降移動される。駆動モーター25は昇降ピン22を、ウエハWの受渡しを行う上部位置とウエハWを静電チャック部11に載置することができる下部位置との間で昇降する。
【0018】
昇降シャフト24には所定の位置に検出用の突起26が突設され、三個の位置検出センサー27、28、29は、突起26が夫々に対向したことを検出することによって、ウエハ昇降ピン22の上下方向位置を検出する。具体的には、上部位置検出センサー27は突起26の位置に基づき、ウエハ昇降ピン22がウエハWの受渡しを行う上部位置にあることを検出して、検出信号を発生する。下部位置検出センサー28は突起26の位置に基づき、ウエハ昇降ピン22がウエハWを静電チャック部11に載置する下部位置にあることを検出して、検出信号を発生する。直流高電圧印加位置検出センサー29は、昇降ピン22が上部位置から下降してウエハWと静電チャック部11との距離が非常に小さくなったこと、具体的には約5mmになったことを突起26の位置に基づき検出して、検出信号を発生する。
【0019】
図2に示したように、真空チャンバー1の外部にはウエハ搬送装置30が設置され、このウエハ搬送装置30の搬送アーム31は真空チャンバー1に設けられた不図示のゲートを介してウエハWを搬送して、上部位置にあるウエハ昇降ピン22に載置する。
【0020】
次に、この実施例の作用を説明する。
図2に示したウエハ搬送装置30がウエハWを、上部位置にある昇降ピン22に載置する。また、真空チャンバー1の内部が真空排気され、その圧力が約2Paに達すると、モーター25が昇降シャフト24を介して昇降ピン22を下降駆動する。こうして、昇降ピン22が降下して検出用の突起26が直流高電圧印加位置検出センサー29に対向する位置に達すると、即ちウエハWと静電チャック部11との間隔が約5mmに達すると、直流高電圧印加位置検出センサー29がこの突起26を検出し、検出信号を発生する。この検出信号に応じて、図示を省略した制御装置が直流高電圧源16のスイッチ装置SWを閉成して、約3000Vの直流高電圧を静電電極12に印加する。
【0021】
その後、更に昇降ピン22が降下して下部位置に達すると、ウエハWは静電チャック部11に載置され静電チャック部11によって静電吸着される。モーター25は、昇降ピン22の下部位置への到達を検出した下部位置検出センサー28の検出信号に基づき停止される。また、ウエハWはウエハ載置台7からの熱伝導によって所定温度に温度制御される。
【0022】
その後に、プラズマによって活性化された反応性ガスがガス導入管3からガス分散板2を介して真空チャンバー1の室内に導入され、静電チャック部11に静電吸着されたウエハWをエッチングする。このエッチングが終了すると、静電チャック部11の電極12への通電が断たれ、その後に、モーター25が昇降ピン22を上昇させる。昇降ピン22が上部位置に達すると、モーター25は上部位置検出センサー27の検出信号に基づき停止される。エッチング済みのウエハWは、真空チャンバー1から外部に搬出される。
【0023】
以上の実施例では、静電電極12に印加する直流電圧を約3000Vとし、この直流電圧印加時の真空チャンバー内の圧力を約2Paとし、かつ直流電圧印加時のウエハWと静電電極12との距離を約5mmとした。このような条件設定が火花放電の発生を防止し、かつ真空処理装置のスループットを向上することを例証した実験結果を、図3乃至図5に基づき次に説明する。
【0024】
なお、以下の実験は、図1に示したウエハWと真空チャンバー1の側壁との間隔Dが100mmであった。また、図3乃至図5のグラフにおいて、プロット値を結んだ折れ線よりも低い圧力では火花放電が発生しないことを示している。
【0025】
図3は、静電チャック電極12に印加される直流電圧と真空チャンバー(処理室)内の圧力との関係を示したグラフである。なお、使用した被処理物は熱酸化膜、即ち絶縁膜の厚さが2μmのシリコンウエハであり、図1に示したシリコンウエハWと静電電極12との距離Hを約30mmとした。
【0026】
このグラフから明らかなように、充分な静電吸着力を発生する3000Vの直流電圧を印加した時に、火花放電の発生を防止するには真空チャンバー内の圧力を0.5Pa以下にする必要がある。しかしながら、本実施例で使用した2Paの圧力から0.5Paの圧力まで排気するために要する時間は、2Paまでの排気に要する時間の約10倍である。従って、0.5Paまで減圧することは、スループットの大幅な低下をもたらし望ましくない。
【0027】
図4は、シリコンウエハの熱酸化膜の厚さと真空チャンバー(処理室)内の圧力との関係を示したグラフである。なお、静電電極12に印加する直流電圧は約3000Vとし、シリコンウエハWと静電電極12との間の距離Hは約30mmであった。
このグラフから明らかなように、シリコンウエハの絶縁膜の厚さが2μmであっても、真空チャンバー内の圧力を0.5Pa以下にすれば、火花放電の発生を防止することができる。しかしながら、上述のように、0.5Paまでの減圧はスループットの大幅な低下をもたらし望ましくない。
図5は、被処理物Wと静電チャック電極12との距離Hと真空チャンバー(処理室)内の圧力との関係を示したグラフである。なお、使用した被処理物は熱酸化膜、即ち絶縁膜の厚さが2μmのシリコンウエハであり、直流電圧は3000Vであった。
【0028】
このグラフから明らかなように、被処理物Wと静電チャック電極12との距離Hを5mm以下にすることによって、真空チャンバー内の圧力が2Paであっても火花放電が発生しない。
以上の図3乃至図5に示した実験結果のグラフから明らかなように、被処理物Wと静電チャック電極12との距離Hが5mm以下になった時点で、3000Vの直流電圧を静電電極12に印加すれば、真空チャンバー内の圧力が2Paであっても火花放電の発生を防止することができる。
【0029】
【発明の効果】
以上の説明から明らかなように本発明によれば、被処理物と静電チャック部との間隔が小さい状態で直流高電圧を静電チャック部に印加することによって、真空チャンバー内の圧力を特別に減圧することなく、かつ直流高電圧を特別に低下させることなく、火花放電の発生を防止することができる。従って、真空処理装置の高スループットを図ることができると共に、充分な静電吸着力を保つことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明による真空処理装置の静電チャック装置の実施例を概略的に示した断面図。
【図2】実施例の一部を拡大して示した詳細断面図。
【図3】静電チャック電極に印加される直流電圧と処理室内の圧力との関係を示したグラフ。
【図4】被処理物の熱酸化膜の厚さと処理室内の圧力との関係を示したグラフ。
【図5】被処理物と静電チャック電極との距離Hと処理室内の圧力との関係を示したグラフ。
【図6】火花放電の有無と静電吸着力との関係を示したグラフ。
【図7】火花放電の有無と半導体装置のゲート酸化膜の不良率との関係を示したグラフ。
【符号の説明】
1 真空チャンバー
11 静電チャック部
16 直流高圧電源
22 ウエハ昇降装置(ウエハ昇降ピン)
29 検出装置(直流高電圧印加位置検出センサー)
W 被処理物(ウエハ)
Claims (3)
- 真空チャンバー内に配置され、被処理物を静電吸着する静電チャック部と、上記真空チャンバーの外部から上記被処理物を受取ることができる上部位置と上記被処理物を上記静電チャック部に載置することができる下部位置との間で昇降する昇降装置とを具備する真空処理装置の静電チャック装置において、上記昇降装置が上記上部位置から降下して上記下部位置よりも僅かに上方の所定位置に達したことを検出して検出信号を発生する検出装置と、上記検出信号に応じて直流高電圧を上記静電チャック部に印加する直流電源とを具備することを特徴とする真空処理装置の静電チャック装置。
- 上記直流高電圧が印加された時の上記真空チャンバー内の圧力は約2Pa以下であり、上記検出装置は上記昇降装置に保持された被処理物と上記静電チャック部との距離が約5mm以下になったことを検出して上記検出信号を発生し、上記直流電源が印加する上記直流高電圧は約3000V以下であることを特徴とする請求項1に記載の真空処理装置の静電チャック装置。
- 上記真空処理装置はプラズマ式のドライエッチング装置であり、上記被処理物はシリコンウエハであり、表面に厚さが約2μm以下の絶縁層が成膜されていることを特徴とする請求項2に記載の真空処理装置の静電チャック装置。
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