JP4837189B2 - 基板保持機構及び基板処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本願の発明は、処理チャンバー内で基板に対して所定の処理を行う基板処理装置に関するものであり、特に、処理チャンバー内の所定位置に基板を保持する基板保持の技術に関するものである。
【０００２】
【従来の技術】
基板に対して所定の処理を行う基板処理装置は、スパッタリング装置や化学蒸着（ＣＶＤ）装置等の成膜装置や、エッチング装置、表面酸化装置などとして良く知られている。このような基板処理装置は、ＬＳＩ（大規模集積回路）等の電子デバイスやＬＣＤ（液晶ディスプレイ）等の表示デバイス、ハードディスク等の情報記録媒体の製造に盛んに使用されている。
【０００３】
このような基板処理装置の多くは、所望の雰囲気で基板を処理するため、処理チャンバー内に基板を配置して処理する構成となっている。そして、処理チャンバー内の所定位置に基板を保持するため、装置は、基板保持機構を備えたものとなっている。基板保持機構は、基板を安定して保持するため、及び、必要に応じて熱の伝導伝達による基板の温度制御を行うため、基板に面接触して保持する基板ホルダーを備えている。
【０００４】
このような基板保持機構において、基板ホルダーは、処理チャンバー内に電界を設定するための電極に兼用される場合が多い。例えば、気体放電によってプラズマを形成し、プラズマの作用を利用して処理を行う基板処理装置では、基板ホルダーを電極に兼用したり、基板ホルダーに対向させてもう一方の電極を設けて平行平板電極構造としたりすることが多い。また、スパッタリング装置では、基板ホルダーと対向させてスパッタリングカソードが設けられるが、基板ホルダーは接地されたり、又は、自己バイアス電圧発生用の高周波電圧が印加されたりすることが多く、基板ホルダーカソードに対してアノードとして作用することが多い。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
基板処理装置の重要な特性の一つに、処理の均一性がある。処理の均一性は、各基板毎の均一性、即ち再現性という観点もあるが、一つの基板における均一性、即ち面内均一性という観点も非常に重要である。ここで、上述したような基板ホルダーが電極として兼用されている場合、基板ホルダーの基板保持面における静電容量の分布の均一性が影響してくる。
具体的に説明すると、基板を静電吸着させたりする目的から、基板保持面は誘電体であることが多い。この場合、基板ホルダーは、導体製のホルダー本体と、ホルダー本体の前面（以下、本明細書において「前」とは基板に近い側の意味である）を覆う誘電体製のカバー部材とから成る構成とされる。
【０００６】
このような基板ホルダーの構成において、カバー部材が有する単位面積当たりの静電容量の分布が、基板保持面の面内方向において不均一になると、その不均一性が基板処理にも現れ易い。この理由は、静電容量の不均一性により、基板に交差する電束密度の分布が基板の面内で不均一になるからである。
本願の発明は、かかる課題を解決するためになされたものであり、基板ホルダーが電極に兼用された基板保持機構及び基板処理装置において、処理が不均一になるのが防止されるという技術的意義を有するものである。
【０００７】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するため、本願の請求項１記載の発明は、基板保持面において基板に面接触した状態で基板を保持する基板ホルダーと、
基板ホルダーへの基板の搭載及び基板ホルダーからの基板の取り外しの際に先端が基板の裏面に接触するリフトピンと、リフトピンを移動させて基板の受け渡しを行う駆動源とを備えており、
前記基板ホルダーは、基板を含む処理チャンバー内の空間に電界を設定する電極に兼用されたものであるとともに、前記リフトピンが挿通されたピン挿通路を有してピン挿通路は前記基板保持面に達しており、
さらに、前記基板ホルダーは、導体製のホルダー本体と、ホルダー本体の前面を覆うよう設けられた誘電体製のカバー部材とから構成されており、カバー部材の前面が前記基板保持面であってホルダー本体の前面と平行となっており、前記ホルダー本体の前面と前記カバー部材の前面との間の静電容量のうち、前記ピン挿通路の部分における単位面積当たりの静電容量と、前記ピン挿通路以外の部分における単位面積当たりの静電容量とは同一であり、
前記駆動源は、前記基板保持面に基板が保持された際には前記リフトピンの先端を前記ピン挿通路内の退避位置に位置させて基板の裏面から所定距離離間した状態とするものであるとともに、
前記リフトピンは、先端が前記退避位置に位置した際に前記ホルダー本体に短絡される短絡部を有しており、
さらに、前記カバー部材の厚さをｄ_１、前記カバー部材の比誘電率をε_１、前記退避位置にある前記リフトピンの先端と基板の裏面との間隔をｄ_２、前記退避位置にある前記リフトピンの先端と基板の裏面との間の空間の比誘電率をε_２としたとき、
ｄ_１＝ε_１・ｄ_２／ε_２
が成立しているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項２記載の発明は、前記請求項１の構成において、前記ピン挿通路は、前記ホルダー本体に形成された部分である本体挿通路と、前記カバー部材に形成された部分であるカバー挿通路とから成るものであり、カバー挿通路の断面積は本体挿通路よりも大きく、且つ、前記リフトピンは、先端側に、断面積がカバー挿通路よりも小さく本体挿通路よりも大きい先端ヘッド部を有しており、この先端ヘッド部の後ろ側の縁が前記短絡部になっているという構成を有する。
また、上記課題を解決するため、請求項３記載の発明は、内部で基板に対して所定の処理が行われる処理チャンバーと、請求項１、又は２記載の基板保持機構とを備えている基板処理装置であるという構成を有する。

【０００８】
【発明の実施の形態】
以下、本願発明の実施の形態（以下、実施形態）について説明する。
図１は、本願発明の実施形態の基板保持機構及びこの基板保持機構を備えた実施形態の基板処理装置の正面断面概略図である。
図１に示す基板処理装置は、内部で基板９に対して所定の処理が行われる処理チャンバー１と、処理チャンバー１内の所定位置に基板９を保持する基板保持機構２とを備えている。処理チャンバー１は、気密な真空容器であって、内部を排気する排気系１１が設けられている。また、処理チャンバー１内にプロセスガス（処理に用いるガス）を導入するガス導入系１２が設けられている。尚、処理チャンバー１は、不図示のゲートバルブを介して不図示のロードロックチャンバー又は不図示の搬送チャンバー等が接続されている。
【０００９】
基板保持機構２は、基板保持面２０において基板９に面接触した状態で基板９を保持する基板ホルダー２１と、基板ホルダー２１への基板９の搭載及び基板ホルダー２１からの基板９の取り外しの際に先端が基板９の裏面に接触するリフトピン２２と、リフトピン２２を移動させて基板９の搭載及び取り外しを行う駆動源２３とを備えている。
【００１０】
基板ホルダー２１は、導体製のホルダー本体２１１と、ホルダー本体２１１の前面を覆うよう設けられた誘電体製のカバー部材２１２とから構成されている。ホルダー本体２１１は、例えばステンレスやアルミニウム製である。カバー部材２１２は、石英ガラス（ＳｉＯ_２）又はアルミナ等で形成されている。カバー部材２１２の前面が基板保持面２０であり、ホルダー本体２１１の前面と平行となっている。従って、基板保持面２０に保持された基板９はホルダー本体２１１の前面と平行となる。尚、基板ホルダー２１は、絶縁体２１３を介して処理チャンバー１の底板部分に気密に取り付けられている。
【００１１】
基板ホルダー２１は、図１に示すように、ピン挿通路２４を有している。ピン挿通路２４は、基板保持面２０に対して垂直な方向（以下、単に垂直方向）に基板ホルダー２１を貫通している。ピン挿通路２４は、基板ホルダー２１の中心軸に対して均等な位置に複数（３〜４つ程度）設けられている。各ピン挿通路２４に、リフトピン２２が挿通されている。
各リフトピン２２は、基板保持面２０に対して垂直な方向に長い姿勢である。各リフトピン２２はみな同じ長さであり、後端が一つのベース板２５に固定されている。ベース板２５は、基板保持面２０と平行である。
【００１２】
駆動源２３は、ベース板２５に連結されている。駆動源２３は、ベース板２５を直線移動させることで各リフトピン２２を同時に垂直方向に直線移動させるようになっている。駆動源２３は、サーボモータとボールネジの組み合わせ、又は、エアシリンダ等である。尚、ベース板２５と処理チャンバー１との底板部分との間にはベローズ２６が設けられており、各リフトピン２２の挿通部分から真空がリークしないようになっている。
【００１３】
各リフトピン２２及び駆動源２３による基板９の受け渡しについて、以下に説明する。まず、未処理の基板９を受け取る際、駆動源２３は、各リフトピン２２の先端が基板保持面２０よりも所定距離上方に突出する位置（以下、上限位置）に各リフトピン２２を位置させている。基板９は、搬送ロボットにより処理チャンバー１内に搬入される。搬送ロボットは、アームの先端部に基板９を載せて保持しながら搬送する。基板９は、基板ホルダー２１の上方で停止する。この際、基板９の中心軸と基板ホルダー２１の中心軸とは一致した状態とされる。
【００１４】
この状態で、搬送ロボットは、基板９を下降させ、基板９を各リフトピン２２に載せる。尚、搬送ロボットのアームの先端部は、各リフトピン２２に干渉しない形状となっている。基板９が各リフトピン２２に載った後、搬送ロボットは、アームの先端部を引き抜き、当初の姿勢に復帰する。そして、駆動源２３は、各リフトピン２２を下降させ、各リフトピン２２の先端が基板保持面２０よりも所定距離下方になる位置（以下、下限位置）に各リフトピン２２を位置させる。この下降の過程で、基板９は基板保持面２０に載置される。
【００１５】
処理済みの基板９を搬送ロボットに渡す場合は、これとは逆の動作となる。即ち、駆動源２３が各リフトピン２２を下限位置から上限位置に上昇させる。この上昇の過程で、基板９は基板保持面２０から離れ、各リフトピン２２の上に載る。各リフトピン２２が上限位置にある状態で、搬送ロボットのアームの先端部が基板９の下側に進入し、その位置から上昇する。この上昇の過程で基板９は各リフトピン２２を離れてアームの先端部の上に載る。搬送ロボットは、アームを駆動して次に位置させるべき位置まで基板９を搬送する。
【００１６】
上述した基板ホルダー２１は、基板９を含む処理チャンバー１内の空間に電界を設定する電極に兼用されたものである。具体的に説明すると、本実施形態の装置は、気体放電により形成されたプラズマの採用を利用してエッチングを行う装置、即ちプラズマエッチング装置となっている。基板ホルダー２１に対向するようにしてもう一方の電極（以下、対向電極）３が設けられており、気体放電は、基板ホルダー２１と対向電極３との間で生ずるようになっている。対向電極３は、絶縁体３１を介して処理チャンバー１の上板部分に気密に取り付けられている。
【００１７】
この実施形態では、プラズマ形成用電源４は、基板ホルダー２１に接続されている。プラズマ形成用電源４は、高周波電源となっており、不図示の整合器を介して基板ホルダー２１に接続されている。尚、対向電極３側にプラズマ形成用電源４を接続する場合もある。
四フッ化炭素（ＣＦ_４）と水素の混合ガスのようなエッチング作用のあるガスを含むプロセスガスをガス導入系１２によって導入しながら、プラズマ形成用電源４を動作させると、高周波放電が生じてプラズマが形成される。プラズマ中ではフッ素ラジカルやフッ素イオンが生成され、これらが基板９に達して基板９がエッチングされる。
【００１８】
このような基板処理装置及び基板保持機構２は、処理の均一性の向上を図る観点から、基板保持面２０とホルダー本体２１１の間の単位面積当たりの静電容量の分布を均一にするための特別の構成を有している。以下、この点について、図１及び図２を使用して説明する。図２は、図１に示す基板保持機構２の要部を示す正面断面概略図である。
【００１９】
まず、ピン挿通路２４は、ホルダー本体２１１に形成された部分である本体挿通路２４１と、カバー部材２１２に形成された部分であるカバー挿通路２４２とから成っている。図１及び図２に示すように、両者は連通しているが、カバー挿通路２４２の断面積は本体挿通路２４１よりも大きい。従って、カバー挿通路２４２と本体挿通路２４１との境界部分には段差が形成された状態となっている（以下、この段差を段差部と呼ぶ）。
【００２０】
そして、リフトピン２２は、ピン本体２２１と、ピン本体２２１の先端に固定した先端ヘッド２２２とから成っている。先端ヘッド２２２は、ピン本体２２１よりも太く、断面積が大きくなっている。先端ヘッド２２２の断面積は、本体挿通路２４１の断面積よりも少し大きく、カバー挿通路２４２の断面積よりも僅かに小さい。従って、リフトピン２２を下降させていくと、先端ヘッド２２２が段差部に当接し、それ以上はリフトピン２２が下降できないようになっている。前述した下限位置は、このように先端ヘッド２２２が段差部に当接する位置に設定されている。
尚、先端ヘッド２２２はアルミ又はステンレス等の金属製である。従って、リフトピン２２が下限位置にあるとき、先端ヘッド２２２はホルダー本体２１１に短絡された状態となる。ピン本体２２１も殆どが金属製であるが、ベース板２５に固定された後端部分は絶縁体より成っている。従って、リフトピン２２が下限位置にあるときでも、ベース板２５はホルダー本体２１１から絶縁される。
【００２１】
さて、前述したように、電束線が基板９に交差するようにして電界を設定しながら処理する場合、処理をより均一にするには、基板９の表面上での電束密度を均一にすることが必要である。そして、基板９の表面上での電束密度分布は、基板９の裏側の空間の静電容量の分布によって影響を受ける。電束密度分布を均一にするには、基板９の一方の縁から径方向に辿って他方の縁に達するまでの間で、基板保持面２０とホルダー本体２１１との間の単位面積当たりの静電容量の分布が一定であることが好ましい。
カバー部材２１２自体において一定した比誘電率が分布するようにすることは、均質な材料でカバー部材２１２を形成すればよく、容易である。問題は、カバー挿通路２４２の部分である。この部分において比誘電率が不均一に分布し易い。
【００２２】
ここで、図２に示すように、カバー部材２１２の比誘電率をε_１、カバー挿通路２４２内の空間の比誘電率をε_２、カバー部材２１２の厚さをｄ_１、リフトピン２２が下限位置にあるときの先端ヘッド２２２から保持面までの距離をｄ_２とする。カバー部材２１２の単位面積当たりの静電容量をＣ_１、カバー挿通路２４２における単位面積当たりの静電容量をＣ_２とすると、
Ｃ_１＝ε_０ε_１／ｄ_１
Ｃ_２＝ε_０ε_２／ｄ_２
である。カバー挿通路２４２内は空間であり、特に、本実施形態では処理チャンバー１内であるので真空圧力である。従って、ε_２は１であるとして良い。従って、Ｃ_１＝Ｃ_２となるためには、
ｄ_１＝ε_１・ｄ_２／ε_２…式（１）
であれば良い。本実施形態では、上記式（１）が成立するよう、ε_１、ｄ_１及びｄ_２を選定している。一例を示すと、カバー部材２１２は石英ガラスより成る場合、その比誘電率は４．７である。この場合、ｄ_１＝４.７ｍｍ程度、ｄ_２＝１．０ｍｍ程度とされる。これにより、Ｃ_１とＣ_２はほぼ等しくなり、従って、基板保持面２０とホルダー本体２１１との間の静電容量はほぼ一定して分布することになる。
【００２３】
尚、リフトピン２２の先端面（先端ヘッド２２２の表面）は、絶縁物で覆われることがある。具体的には、先端面を樹脂製のプレートで覆ったり、絶縁物の被膜を形成したりすることがある。これは、基板９との接触時に基板９の裏面を傷つけてしまうことを防止したり、処理後に基板９とリフトピン２２との間に静電気が生ずるのを防止したりする目的である。このようにリフトピン２２の先端に絶縁物が設けられている場合、上述したε２は、その絶縁物の被誘電率も含んだものとされることが好ましい。
【００２４】
カバー部材２１２が石英ガラスから成ることは、基板９がシリコンウェーハである場合に特に好適な構成となる。即ち、本実施形態のようなエッチング装置では、基板ホルダー２１の露出部分の表面もエッチングされ易い。ここで、カバー部材２１２がアルミナのような材料で形成されていると、エッチングされた際、基板９とは異なる系統の材質よりなる微粒子が放出されることになる。この微粒子が基板９の表面に付着すると、表面を汚損することになる。カバー部材２１２が石英ガラス製であり、基板９がシリコンウェーハである場合、基板９の汚損の問題は無く、エッチングされても問題は無い。
【００２５】
また、リフトピン２２の移動を許容するため、カバー挿通路２４２と先端ヘッド２２２との間には、クリアランスがどうしても必要である。しかしながら、このクリアランスが大きくなると、やはり静電容量の分布が不均一になる問題がある。従って、クリアランスの幅（図２中にｗで示す）は、０.５ｍｍ以下とすることが好ましい。尚、クリアランスの幅ｗが０．２ｍｍ未満になると、リフトピン２２の移動の直線性に対する要求があまりにも厳しくなってしまうので、幅ｗは０．２ｍｍ以上とすることが好ましい。
【００２６】
上述した本実施形態の構成において、カバー部材２１２は、基板９と同系統の材質よる成るものでホルダー本体２１１をカバーすることにより、エッチング時に汚損物質が放出されないようにしたものであるが、カバー部材２１２は、他の目的で設けられることも多い。例えば、基板９を基板ホルダー２１に静電吸着する構成はしばしば採用される。この場合には、カバー部材２１２内に吸着電極を設け、この吸着電極に直流電圧を印加する。吸着電極は一対のものの場合（二極式）もあり、一つのものの場合（単極式）もあり、多数のものの場合（多極式）もある。
【００２７】
また、基板保持機構２が、基板９の温度を制御する機構に兼用される場合もある。具体的には、基板ホルダー２１内に加熱源又は冷却源を設ける。加熱源は、抵抗発熱式ヒータの場合が多く、冷却源は冷媒を流通させる構造の場合が多い。この場合、基板保持面２０と基板９との間にガスを導入して熱交換効率を高めることも多い。基板９の裏面や基板保持面２０はミクロ的には平坦ではなく、微小な凹凸がある。この凹凸によって形成された隙間は真空圧力であるため、熱交換効率が悪い。このため、ヘリウムのような熱伝達率の高いガスを導入して熱交換効率を高める。
【００２８】
上述した本実施形態の構成は、ピン層通路２４内の空間の比誘電率ε_２がカバー部材２１２の材質の比誘電率ε_１とは異なることを考慮し、比誘電率ε_２を有するピン層通路２４２内の空間の厚みｄ_２をカバー部材２１２の厚さｄ_１に対して変更させることで単位面積当たりの静電容量の均一に分布させていく技術思想である。そのための手段として、リフトピン２２とホルダー本体２１１とが短絡する構成を採用している。
【００２９】
本願発明は、このような構成に限られるものではなく、他の多くの変形が可能である。例えば、リフトピン２２をホルダー本体２１１と短絡させるには、先端ヘッド２２２がホルダー本体２１１に接触する構成の他、リフトピン２２とホルダー本体２１１との間に板バネ等で形成された可動接片を設けて短絡するようにしても良い。また、リフトピン２２とベース板２５を短絡させ、伸縮性のある又はフレキシブルな導通部材でベース板２５とホルダー本体２１１とを短絡させても良い。この場合、ベース板２５と駆動源２３との間に絶縁部材を介在させる。
【００３０】
さらに、比誘電率ε_２を有する空間の厚みｄ_２を変更するため、リフトピン２２をホルダー本体２１１に短絡させることは必須条件ではなく、他の導電部材によっても良い。例えば、リフトピン２２は先端ヘッド２２２が無い構成とし、先端ヘッド２２２と同様の寸法形状の導電部材をピン層通路２４２の上側開口からロボット等により落とし込むようにしても良い。
上記説明では、基板処理装置はプラズマエッチングを行うものであったが、その他にも、スパッタリングやプラズマＣＶＤを行う装置に本願発明は適用することができる。このような装置においても、基板ホルダー２１は電極に兼用されることがあるからである。
【００３１】
【発明の効果】
以上説明した通り、本願の各請求項記載の発明によれば、カバー部材が有する単位面積当たりの静電容量が基板保持面の面内方向において均一になるので、基板に交差する電束密度の分布が基板の面内で均一になる。この結果、処理の均一性も向上する。
【図面の簡単な説明】
【図１】本願発明の実施形態の基板保持機構及びこの基板保持機構を備えた実施形態の基板処理装置の正面断面概略図である。
【図２】図１に示す基板保持機構の要部を示す正面断面概略図である。
【符号の説明】
１ 処理チャンバー
１１ 排気系
１２ ガス導入系
２ 基板保持機構
２１ 基板ホルダー
２１１ ホルダー本体
２１２ カバー部材
２２ リフトピン
２３ 駆動源
２４ ピン挿通路
３ 対向電極
４ プラズマ形成用電源

Claims (3)

1. 基板保持面において基板に面接触した状態で基板を保持する基板ホルダーと、基板ホルダーへの基板の搭載及び基板ホルダーからの基板の取り外しの際に先端が基板の裏面に接触するリフトピンと、リフトピンを移動させて基板の受け渡しを行う駆動源とを備えており、前記基板ホルダーは、基板を含む処理チャンバー内の空間に電界を設定する電極に兼用されたものであるとともに、前記リフトピンが挿通されたピン挿通路を有してピン挿通路は前記基板保持面に達しており、
   さらに、前記基板ホルダーは、導体製のホルダー本体と、ホルダー本体の前面を覆うよう設けられた誘電体製のカバー部材とから構成されており、カバー部材の前面が前記基板保持面であってホルダー本体の前面と平行となっており、
   前記ホルダー本体の前面と前記カバー部材の前面との間の静電容量のうち、前記ピン挿通路の部分における単位面積当たりの静電容量と、前記ピン挿通路以外の部分における単位面積当たりの静電容量とは同一であり、
   前記駆動源は、前記基板保持面に基板が保持された際には前記リフトピンの先端を前記ピン挿通路内の退避位置に位置させて基板の裏面から所定距離離間した状態とするものであるとともに、
   前記リフトピンは、先端が前記退避位置に位置した際に前記ホルダー本体に短絡される短絡部を有しており、
   さらに、前記カバー部材の厚さをｄ１、前記カバー部材の比誘電率をε１、前記退避位置にある前記リフトピンの先端と基板の裏面との間隔をｄ２、前記退避位置にある前記リフトピンの先端と基板の裏面との間の空間の比誘電率をε２としたとき、
   ｄ１＝ε１・ｄ２／ε２
   が成立していることを特徴とする基板保持機構。
2. 前記ピン挿通路は、前記ホルダー本体に形成された部分である本体挿通路と、前記カバー部材に形成された部分であるカバー挿通路とから成るものであり、カバー挿通路の断面積は本体挿通路よりも大きく、且つ、前記リフトピンは、先端側に、断面積がカバー挿通路よりも小さく本体挿通路よりも大きい先端ヘッド部を有しており、この先端ヘッド部の後ろ側の縁が前記短絡部になっていることを特徴とする請求項１記載の基板保持機構。
3. 内部で基板に対して所定の処理が行われる処理チャンバーと、請求項１、又は２記載の基板保持機構とを備えていることを特徴とする基板処理装置。

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