JP4030030B2

JP4030030B2 - 静電吸着ホルダの吸着力検出方法と装置

Info

Publication number: JP4030030B2
Application number: JP13138598A
Authority: JP
Inventors: 武一篠原
Original assignee: Canon Anelva Corp; Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Canon Anelva Corp; Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1998-04-24
Filing date: 1998-04-24
Publication date: 2008-01-09
Anticipated expiration: 2018-04-24
Also published as: JPH11307621A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、真空処理室内で試料台上に試料を静電吸着力で保持し試料の裏面に伝熱ガスを流しながら当該試料を処理する半導体製造装置において試料を保持する静電吸着ホルダの当該吸着力を検出する方法および装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
スパッタリング装置等の半導体製造装置では、真空処理室内で試料ホルダの試料台上に基板等の試料を保持し、かかる試料に対してプラズマ等を利用して成膜処理あるいはエッチング処理などを行う。このような処理の際に、試料はプラズマの熱により当初の設定温度よりも高温となり、その結果、試料に堆積される薄膜の膜質やエッチングによる加工形状について高い温度に起因する悪影響を受ける場合がある。このため、従来装置では、試料ホルダに温度調整機構を設け、さらに試料の裏面側に伝熱ガスを流すなどして試料と試料台の間の熱伝導を高め、試料の温度を所望温度に正確に制御する構成を持たせていた。
【０００３】
従来、試料と試料台の熱伝導を高める方法として静電吸着力を利用して試料を試料台上に保持する方法がある。例えば特公平６−２２２１３号公報に示されているように、試料を保持する機構として静電吸着ホルダを備え、静電吸着ホルダの試料台と試料を静電吸着作用によって熱接触させ、さらに試料の裏面に伝熱ガスを流すガス供給路を設けた方法が提案されている。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
上記の従来の静電吸着ホルダによれば、試料裏面に伝熱ガスを流す構成を採用しているため、伝熱ガスの圧力によって試料が浮き上がろうとする。そこで、かかる試料の浮き上がりを防ぐように静電吸着ホルダの静電吸着力で試料を押え、試料を保持している。ところが、静電吸着ホルダに関しては、従来一般的に、試料裏面の汚染、パーティクルやプロセスガスによる試料台表面の汚染、あるいは試料台表面の化学的変質等が原因となって静電吸着ホルダの当該吸着力が低下することが知られている。静電吸着ホルダによる吸着力が低下すると、試料裏面を流れる伝熱ガスの圧力による浮力が吸着力による押え力を上回り、試料が浮き上がり、静電吸着ホルダの試料台で試料の位置がずれるという問題が発生する。
【０００５】
また半導体製造装置では、試料の処理を行うとき、複数の試料を一度にまとめて処理室内に搬送し、複数の処理を連続して行うことが一般的である。従って、上記のごとく、半導体製造装置の真空処理室内に搬入した複数の試料を静電吸着ホルダに保持した状態において一旦試料が浮き上がってその位置がずれると、処理中のずれた試料だけではなく、その後、真空処理室での処理を待っているロット内の他の試料までも不良品になるという問題が発生する。
【０００６】
本発明の目的は、上記の問題を解決することにあり、静電吸着ホルダに固定された試料の裏面に伝熱ガスを流す構成において、静電吸着ホルダの吸着力の状態を事前に知り、試料の位置ずれの発生を予防し、不良品の発生を低減するようにした静電吸着ホルダの吸着力検出方法と装置を提供することにある。
【０００７】
【課題を解決するための手段および作用】
本発明に係る静電吸着ホルダの吸着力検出方法と装置は、上記目的を達成するために、次のように構成される。
第１の吸着力検出方法（請求項１に対応）は、真空処理室内で試料を処理するとき、試料を試料台上に静電吸着力で保持し、試料と試料台の間の隙間に伝熱ガスを流すように構成した静電吸着ホルダに適用され、試料と試料台の間の隙間の圧力を真空処理室内の圧力よりも高くし、隙間を通して伝熱ガスが真空処理室内に漏れることにより真空計で検出される圧力が設定圧力を下回るときに、マスフローコントローラによって隙間に対して伝熱ガスが間欠的かつパルス的に供給される時間間隔をカウントして静電吸着力を検出する方法である。
静電吸着力で試料を試料台に保持し、さらに試料と試料台の間に隙間を形成してこの隙間に伝熱ガスを流すように構成したものでは、試料と試料台の隙間に伝熱ガスを流す際、隙間の圧力が真空処理室の圧力よりも十分高い場合、伝熱ガスが真空処理室の内部空間に漏れる量と静電吸着力との間で相関があることが見出された。上記吸着力検出方法では、当該相関関係を利用し、この関係に基づいて試料の静電吸着力の強弱の程度を検出するようにした。
第２の吸着力検出方法（請求項２に対応）は、上記第１の方法において、静電吸着力が低下して設定値以下になったとき、試料の処理を停止し、保守・交換のための警告を発生する方法である。試料の位置ずれが生じる静電吸着力低下の前に試料台の保守・交換を行うことが可能であり、不良品の発生を防止することが可能となる。
第１の吸着力検出装置（請求項３に対応）は、真空処理室内で試料を処理するとき、試料を試料台上に静電吸着力で保持し、試料と試料台の間の隙間に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給部が付設された静電吸着ホルダに設けられるものであり、伝熱ガス供給部から隙間へ伝熱ガスを流す通路に付設され、実質的に当該隙間の圧力を計測する真空計と、真空計で計測された圧力が設定値より小さくなったときにのみ伝熱ガス供給部から与えられる伝熱ガスを上記隙間に供給する制御機構（マスフローコントローラ２２と制御手段３１）と、隙間に対して伝熱ガスが間欠的かつパルス的に供給される時間間隔が短くなったとき静電吸着力が低下したと判断する判断手段（判定手段３２）とから構成される。
上記吸着力検出装置では、伝熱ガスの漏れ量と静電吸着力との間の上記相関関係を利用して構成され、具体的に試料と試料台の間の隙間の圧力を計測し、この圧力の低下に伴って伝熱ガス供給部から隙間へ伝熱ガスを間欠的かつパルス的に供給するように構成する。そして、判断手段によって伝熱ガス供給部から隙間への伝熱ガスの供給量を監視することにより、静電吸着力の低下を検出するように構成した。
第２の吸着力検出装置（請求項４に対応）は、第１の装置において、さらに保守・交換のための警告を与える警告手段を備え、判断手段は、静電吸着力が低下したと判断したとき、試料の処理を停止すると共に、警告手段を動作させるように構成される。これにより、試料の処理中に試料の位置ずれが生じる前に試料台の交換・保守を行い、吸着力の低下した試料台で新しいロットの処理を行うことを防止する。
【０００８】
【発明の実施の形態】
以下に、本発明の好適な実施形態を添付図面に基づいて説明する。この実施形態ではスパッタリング装置に適用した例について説明する。
【０００９】
図１は本発明に係る吸着力検出装置を備えたスパッタリング装置の構成を示す。スパッタリング装置１１は内部に処理空間を有する真空処理室１２を備える。真空処理室１２の内部には上側にスパッタリングカソード１３、下側に基板ホルダ１４を備えている。スパッタリングカソード１３には電源１５から給電ライン１６を介して必要な電圧が印加されている。基板ホルダ１４は静電吸着力（吸着力）によって基板（試料）１７を保持する静電吸着ホルダである。以下、基板ホルダ１４を静電吸着ホルダ１４と呼ぶことにする。図１では、静電吸着ホルダ１４の全体の詳細構造は示さず、静電吸着を行う試料台１４ａの部分のみを示している。静電吸着ホルダ１４には、試料台１４ａと基板１７の温度を所望温度に制御するための温度調整機構が設けられている。試料台１４ａと、試料台１４ａ上に配置される基板１７との間には隙間１８が形成されている。隙間１８は、静電吸着力で基板１７が試料台１４ａに保持されるとき、試料台１４ａと基板１７の間の伝熱性を良くするため伝熱ガスを流す通路である。従って試料台１４ａと基板１７の裏面との間の接触面積は１００％未満となっており、伝熱ガスは隙間１８内に封止される構造となっている。試料台１４ａと基板１７の接触部の外周部は原則として密着している。この場合において、隙間１８における圧力（Ｐ₂）は真空処理室１２の内部空間の圧力（Ｐ₁）よりも高くなるように設定されている。試料台１４ａと基板１７の密着性は、静電吸着ホルダ１４による静電吸着力が十分に生じているときには非常に高いものである。しかしながら、静電吸着ホルダ１４による静電吸着力が低下したときには、両者の接触部の外周部に隙間１９が形成される。かかる隙間１９が生じると、上記隙間１８内の圧力と真空処理室１２内の圧力の関係に基づいて伝熱ガスが隙間１９を通って真空処理室１２の内部空間に漏れることになる。なお真空処理室１２には、基板１７を搬入・搬出するためのゲートバルブ２０が設けられている。
【００１０】
前述の伝熱ガスを隙間１８に供給するため、試料台１４ａに伝熱ガス供給パイプ２１が接続されている。伝熱ガス供給パイプ２１の先端のガス吐出口は上記隙間１８に対して開いていると共に、その基端部はマスフローコントローラ２２を介してガス供給部２３に接続されている。ガス供給部２３は伝熱ガスを与えるための装置であり、マスフローコントローラ２０はガス供給部２３から与えられる伝熱ガスを制御して隙間１８に供給される伝熱ガス流量を所望の値に調整する手段である。また伝熱ガス供給パイプ２１の途中には例えば隔膜真空計２４が設けられ、この隔膜真空計２４は伝熱ガス供給パイプ内における圧力（Ｐ₃）を検出する。
【００１１】
前述したスパッタリング装置１１とこれに付設された伝熱ガス供給機構に対して演算処理装置３０が設けられる。演算処理装置３０は、本来的に、伝熱ガスの供給量を制御する機能を有している。この機能を実現するのが制御手段３１である。さらに演算処理装置３０は上記静電吸着ホルダ１４における静電吸着力の強弱の程度を検出し、必要の場合にはオペレータに警告を発したり、あるいはスパッタリング装置の動作を停止させる機能を内蔵する。この機能を実現するのが判定手段３２である。制御手段３１は、上記隔膜真空計２４によって検出された圧力信号を入力し、その圧力の変化状態を調べることによってマスフローコントローラ２２の調整動作を制御し、マスフローコントローラ２２で調整される伝熱ガスの供給流量を制御する。また判定手段３２は、制御手段３１による伝熱ガスの供給流量（漏れ量に対応する）の制御状態を検査し、これにより上記静電吸着ホルダ１４における静電吸着力の強弱程度を判定する。判定手段３２は、伝熱ガスの供給流量に基づいて静電吸着ホルダ１４における静電吸着力が低下したと判断した場合には、警告装置３３を駆動する信号３４を出力する。また判定手段３２は制御信号３５を出力して次の処理の受付けを停止する。
【００１２】
スパッタリング装置１１では放電が生じていないときにも試料台１４ａ上で基板１７を保持しかつ基板温度を適切に制御する必要があるので、上記静電吸着ホルダ１４では正負両極の電極板を備えている。
【００１３】
次に、図１に示された構成を有する静電吸着ホルダの吸着力検出装置の動作、検出の原理を説明する。試料台１４ａと静電吸着された基板１７の間の隙間１９から漏れる伝熱ガスの流量と試料台１４ａの静電吸着力との間には図３に示された関係が存在する。図３において横軸は静電吸着力を意味し、縦軸は伝熱ガスの流量を意味している。当該関係を示すグラフ４１によれば、静電吸着力がＢ以上であるときには、伝熱ガスの流量（伝熱ガスの漏れに応じて供給される流量）は一定であり、変化しない。これに対して静電吸着力が低下しＢよりも小さい値になると、伝熱ガスの流量は大きくなる。すなわち、伝熱ガスの流量は静電吸着力の関数となっている。グラフ４１における点４１ａでは静電吸着力はＡ、伝熱ガスの流量はａとなっている。静電吸着力がＡ以下になると、グラフ４１で明らかなように、伝熱ガスの流量は極めて大きな値に増大する。従って、静電吸着力がＡ以下であれば、試料台１４ａでは基板１７を保持することができず、基板１７は浮き上がり、試料台１４ａ上でずれてしまうということが分かる。従って静電吸着力がＡ以下になる前の段階でスパッタリング装置１１の新たな処理の受付けを停止させなければならない。そこで、このような観点からグラフ４１において点４１ｂが設定される。点４１ｂは、Ａに至る直前の状態であり、この点４１ｂを検出すれば、基板１７の浮き上がりと位置ずれの発生を予防することが可能となる。そこで上記演算処理装置３０の判定手段３２は点４１ｂの状態を判定・検出し、スパッタリング装置１１の新たな処理の受付けを停止し、静電基板ホルダ１４の保守を図り、警告装置３３を動作させてオペレータに状態を知らせる。警告装置３３では、例えば、ユーザ画面にメンテナンスを促すメッセージを表示する。
【００１４】
上記グラフ４１における点４１ｂを検出するため、演算処理装置３０で次のような処理が行われる。上記点４１ｂを検出するための構成は、原理的に図２に示された特性を利用して実現される。図２に示されたグラフでは、横軸が時間であり、左側縦軸が圧力であり、右側縦軸が流量を示している。図２のグラフとしては、圧力変化を表す圧力グラフ５１と、伝熱ガスの供給量に関する流量グラフ５２の２つのグラフが示されている。圧力グラフ５１は、隔膜真空計２４で検出された圧力（Ｐ₃）をＰ₀（例えば１３３０Ｐａ（＝１０Torr））に制御するときの変化状態を示している。流量グラフ５２は、基板１７と試料台１４ａの間に形成された上記隙間１９を通して伝熱ガスが真空処理室１２内に漏れることにより隔膜真空計２４で検出される圧力（Ｐ₃）がＰ₀を下回るときに、マスフローコントローラ２２によって上記隙間１８に対して伝熱ガスが間欠的かつパルス的に供給される場合の状態変化を示している。隔膜真空計２４で検出される圧力がＰ₀を下回る頻度が高くなってくると、すなわち伝熱ガスの隙間１９を通して内部空間へ漏れる量が大きくなると、伝熱ガスのパルス的供給の頻度が多くなり、パルス的供給の時間間隔ｔ_nが短くなることが圧力グラフ５１と流量グラフ５２の関係から明らかになる。
【００１５】
図２に示された圧力グラフ５１と流量グラフ５２の特性に基づいて、演算処理装置３０の判定手段３２では、制御手段３１による伝熱ガス供給の制御状態を監視・判定する。これにより、判定手段３２は上記時間間隔ｔ_nの変化状態を知ることができ、時間間隔ｔ_nを基準にして前述の点４１ｂを検出することが可能となる。すなわち、図３において伝熱ガスの供給流量ｘを時間間隔ｔ_nに基づき各種手法で判断することにより、流量ｘに対応する静電吸着力Ｘを見出すことが可能となる。
【００１６】
上記のことを、図１に示した真空処理室１２内の圧力Ｐ₁、隙間１８内の圧力Ｐ₂、隔膜真空計２４で検出する伝熱ガス供給パイプ２１内の圧力Ｐ₃を用いて説明すると、以下の通りになる。
【００１７】
上記圧力Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃の間には｜Ｐ₁−Ｐ₂｜＞＞｜Ｐ₂−Ｐ₃｜という関係が満たされるように、試料台１４ａと基板１７の間に形成された隙間１８の間隔、両者の接触面積が選ばれる。上記式は次のようにして得られた。マスフローコントローラ２２から伝熱ガス供給パイプ２１を通って試料台１４ａと基板１７の間の隙間１８に流れる伝熱ガスの流量は、試料台１４ａと基板１７の隙間１９から漏れるガス流量に等しい。このガス流量をＩとすると、Ｐ₁＝Ｐ₂−ＩＣ₁₂とＰ₂＝Ｐ₃−ＩＣ₂₃が成り立つ。Ｐ₁，Ｐ₂，Ｐ₃は各部の圧力でＰ₁＜Ｐ₂＜Ｐ₃の関係が成り立ち、Ｃ₁₂，Ｃ₂₃はそれぞれ伝熱ガス供給パイプのコンダクタンス、基板１７と試料台１４ａの間の隙間１８と隙間１９の合成コンダクタンスである。上記２つの式に基づきＩを消去すると、（Ｐ₁−Ｐ₂）／Ｃ₁₂＝（Ｐ₂−Ｐ₃）／Ｃ₂₃となる。この装置における目的によれば、Ｃ₁₂＞＞Ｃ₂₃（＞０）である必要があるため、その結果、上記の式Ｐ₁−Ｐ₂＞＞Ｐ₂−Ｐ₃が導き出される。
【００１８】
具体的に説明する。ガス供給パイプ２１の圧力Ｐ_３を約１３３０Ｐａとする。圧力Ｐ_３を約１３３０Ｐａに制御するため、隔膜真空計２４の検出圧力を演算処理装置３０の制御手段３１を通してマスフローコントローラ２２へフィードバックしている。実際は、マスフローコントローラ２２に一定流量を設定し、隔膜真空計２４の値が約１３３０Ｐａを下回ると設定流量の伝熱ガスを流し、約１３３０Ｐａを上回ると伝熱ガスを止めるという制御を行っている。この状態が、図２に示した前述の圧力グラフ５１と流量グラフ５２である。このように圧力Ｐ_３を約１３３０Ｐａを維持するために、上記のごとく時間間隔ｔ_ｎで伝熱ガスが流れている。伝熱ガスの流れる頻度は、隙間１９を通って真空処理室内に漏洩する伝熱ガスの流量に対応し、試料台１４ａが基板１７を静電吸着している力を表している。従って判定手段３２は、上記時間間隔ｔ_ｎの平均、または時間当たり何回伝熱ガスが供給されたことをカウントすることで、静電吸着ホルダ１４の試料台１４ａによる吸着力を検出する。
【００１９】
前記実施形態では基板で説明したが、試料は基板に限定されない。さらに本発明に係る吸着力検出装置が適用される装置は上記スパッタリング装置には限定されない。
【００２０】
【発明の効果】
以上の説明で明らかなように本発明によれば、試料を静電吸着力で固定し試料の背面に伝熱ガスを流すように構成された静電吸着ホルダにおいて、静電吸着力の強弱程度を伝熱ガスの漏れ流量を監視することにより検出し、試料台上で試料が位置ずれが生じる前に試料台の交換・保守を行い、不具合が生じる可能性の高い試料台での新しいロットの処理を行わないようにしたため、不良品の発生を防止することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明に係る静電吸着ホルダの吸着力検出装置の一例を示す構成図である。
【図２】静電吸着ホルダが基板を保持しているとき基板裏面のガス圧の変化と伝熱ガスの供給流量の関係を示す図である。
【図３】静電吸着ホルダの試料台と基板との間の隙間から漏れる伝熱ガスの流量と静電吸着力の関係を示す図である。
【符号の説明】
１１スパッタリング装置
１２真空処理室
１４基板ホルダ（静電吸着ホルダ）
１４ａ試料台
１７基板
１８隙間
１９隙間
２１伝熱ガス供給パイプ
２２マスフローコントローラ
２３ガス供給部
２４隔膜真空計

Claims

真空処理室内で試料を処理するとき、前記試料を試料台上に静電吸着力で保持し、前記試料と前記試料台の間の隙間に伝熱ガスを流すように構成した静電吸着ホルダにおいて、
前記試料と前記試料台の間の前記隙間の圧力を前記真空処理室内の圧力よりも高くし、前記隙間を通して前記伝熱ガスが前記真空処理室内に漏れることにより真空計で検出される圧力が設定圧力を下回るときに、マスフローコントローラによって前記隙間に対して前記伝熱ガスが間欠的かつパルス的に供給される時間間隔をカウントして前記静電吸着力を検出したことを特徴とする静電吸着ホルダの吸着力検出方法。
前記静電吸着力が低下して設定値以下になったとき、前記試料の処理を停止し、保守・交換のための警告を発生することを特徴とする請求項１記載の静電吸着ホルダの吸着力検出方法。
真空処理室内で試料を処理するとき、前記試料を試料台上に静電吸着力で保持し、前記試料と前記試料台の間の隙間に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給部が付設された静電吸着ホルダにおいて、
前記伝熱ガス供給部から前記隙間へ伝熱ガスを流す通路に付設され、前記隙間の圧力を計測する真空計と、
前記真空計で計測された前記圧力が設定値より小さくなったときにのみ前記伝熱ガス供給部から与えられる前記伝熱ガスを前記隙間に供給する制御機構と、
前記隙間に対して伝熱ガスが間欠的かつパルス的に供給される時間間隔が短くなったとき前記静電吸着力が低下したと判断する判断手段と、
からなることを特徴とする静電吸着ホルダの吸着力検出装置。
保守・交換のための警告を与える警告手段を備え、前記判断手段は、前記静電吸着力が低下したと判断したとき、前記試料の処理を停止すると共に前記警告手段を動作させることを特徴とする請求項３記載の静電吸着ホルダの吸着力検出装置。