JP5090281B2 - 基板電位測定装置及び基板電位測定方法 - Google Patents

Description

本発明は、被処理基板の電位を測定するための基板電位測定装置及び基板電位測定方法に関し、特に、処理室内でステージに保持されている被処理基板の電位を処理中または処理後に可及的速やかに測定できる基板電位測定装置及び基板電位測定方法に関する。

例えば半導体素子の製造工程で用いられるスパッタリング法やＣＶＤ法による真空成膜処理またはエッチング処理等の真空処理装置ではプラズマを用いることが一般に知られている。これらの真空処理装置を用いて処理する場合、近年のデバイスの微細化、高集積化の進展に伴い、異常放電等によるプラズマダメージで半導体素子が破壊され易いため、プラズマダメージを如何に抑制するかが問題となっている。

従来、処理室にて第１及び第２の両電極を相互に離間して対向配置し、両電極のうち少なくとも一方をアース接地し、かつ、他方にプラズマ発生用の電力を印加することによりプラズマを発生させ、両電極のうち少なくとも一方に載置したシリコンウエハ等の被処理基板をプラズマを用いて処理するように構成したものにおいて、接地電位に対するプラズマ電位と、接地電位に対する基板表面の電位の差変動を測定し、測定した値の変動に基づいて異常放電の有無を判断することが特許文献１で知られている。

具体的には、高周波電源に接続された一方の電極に、当該電極の電位を測定する電圧モニタ部を接続し、異常放電が発生するときには基板を保持した他方の電極を接地していることで、一方の電極の電位が変動することを利用して異常放電の有無が判断できるようになっている。

然し、上記特許文献１記載のものは、両電極のうち少なくとも一方をアース接地した真空処理装置にしか適用できないという問題がある。ここで、処理中に被処理基板にて異常放電が発生したときには当該被処理基板自体の電位が変動している。このことから、処理中に基板電位を直接監視できれば、プラズマを用いた処理が安定して行われているか否かが明確に管理できるようになる。

また、上記真空処理装置においては、被処理基板を位置決めして保持するために静電吸着方式の所謂静電チャックを用いることが一般に知られている（例えば、特許文献２参照）。静電チャック表面に配置されている誘電体層は通常高抵抗（１Ｅ７〜１Ｅ１４Ω・ｃｍ）であることが多く、電荷の放電に時間を要することが知られている。

然し、半導体製造においては、生産性を重視して残留電荷の放電を長時間待つことなく、処理後直ちに基板を次工程へと搬送することが求められている。このため、基板搬送時に残留電荷の影響を受けて基板の搬送不良が発生し得ることから、処理後に基板電位を直接監視できれば、搬送不良の発生を回避しつつ、被処理基板を可及的速やかに次工程へと搬送できる。
特開２００７−２１４１７６号公報 特開平１０−３３５４３９号公報

そこで、本発明は、以上の点に鑑み、処理中または処理後に可及的速やかに基板電位を測定できるようにした簡単な構成の基板電位測定装置及び基板電位測定方法を提供することをその課題とする。

上記課題を解決するために、本発明の基板電位測定装置は、処理室内のステージに、アースに対して絶縁状態で保持された被処理基板の電位を測定する基板電位測定装置であって、前記被処理基板に接触可能な導電性の接触手段と、抵抗を介して前記接触手段をアース接地して前記抵抗間に発生する電位を測定する測定手段とを備え、被処理基板の電位と同等の基準電位を前記接触手段に印加する電源を更に備えたことを特徴とする。

本発明によれば、アースに対して絶縁された被処理基板に接触手段を接触させると、当該被処理基板が電位を持っていればアースに対して電流が流れる。その際、抵抗により電流の流れを制限しながら抵抗間に発生した電位を測定手段にて測定すれば、被処理基板の電位が測定される。なお、本発明において、アースに対して絶縁とは被処理基板が１０ｋΩ以上絶縁された状態を言う。

このように本発明によれば、処理中または処理後に必要に応じて接触手段を接触させるだけで、簡単な構成で被処理基板の電位を測定し得る。従って、例えば基板電位がプラズマ電位に対してマイナスになるようにバイアス電位を印加しながら、被処理基板に対しＡｒ等の陽イオンを引き込んでエッチング処理する真空処理装置においても、処理中に基板電位を適宜測定することで異常放電の発生を監視でき、その上、エッチング速度をも事実上管理できるようになる。

それに加えて、被処理基板が静電チャックを備えたステージで保持されている場合においては、残留電荷と吸着力との関係とを予め取得しておけば、処理後の基板電位を測定することで、搬送不良の発生を回避しつつ、可及的速やかに基板を次工程へと搬送できる。

本発明においては、前記接触手段をステージ内に組み付けた構成を採用すれば、ステージに載置された基板によりプラズマから遮蔽されることで、接触手段の表面が荒れたり、また、反応生成物が堆積したりする不具合は生じない。

また、前記被処理基板の非処理面に対し前記接触手段を進退自在に駆動する駆動手段を備えた構成を採用すれば、基板電位を測定する場合のみ接触手段を基板に接触させるようにできてよい。

ところで、接触手段を被処理基板に接触させようとするとき、被処理基板に滞留する電荷が接触手段に飛び移って火花放電を発生し、基板に損傷を与えてしまう虞がある。そこで、スイッチ手段を更に備え、前記接触手段を前記被処理基板に接触させた後、前記スイッチ手段を作動させて前記抵抗間に生じる電位を測定する構成を採用すれば、接触手段の被処理基板への接触時に火花放電が発生することを防止できる。

なお、本発明においては、被処理基板の電位と同等の基準電位を前記接触手段に印加する電源を更に備える構成を採用すれば、接触手段を基板に接触させたときに流れる電流を最小限に抑制しつつ基板電位を測定できる。

さらに、上記課題を解決するために、本発明の基板電位測定方法は、処理室内のステージに、アースに対して絶縁状態で被処理基板を保持させ、前記被処理基板に、被処理基板の電位と同等の基準電位を印加した導電性の接触手段を接触させ、前記接触手段を、抵抗を介してアース接地し、抵抗間に発生する電位から基板の電位を測定するようにしたことを特徴とする。

以下、図面を参照して本発明の実施の形態の基板電位測定装置を組み付ける処理装置として反応性イオンエッチング装置（以下、「ＲＩＥ装置」という）を例に説明する。

ＲＩＥ装置は、公知の構造を有し、処理室を構成する真空チャンバ１を有する。真空チャンバ１の天井部１ａ中央には、当該真空チャンバ１にエッチングガスを導入するガス導入部２が設けられている。ガス導入部２は、真空チャンバ１の天上部１ａから内方に向かって突出させた環状の突出部２ａと、その先端に装着され、複数個の孔Ｈが開設されたシャワープレート２ｂとを有し、突出部２ａとシャワープレート２ｂとで区画された空間がガス拡散室２ｃとしての役割を果たす。

ガス導入部２には少なくとも１本のガス管２ｄが接続され、このガス管２ｄの他端が、図示省略したマスフローコントローラを介してガス源に連通している。そして、エッチング処理しようとする被処理基板Ｓに応じて適宜選択されたエッチングガスやこれに不活性ガスなどのキャリアガスを所定の混合比で混合したガスが所定の流量で拡散室２ｃに供給されるようになっている。ここで、例えばエッチング処理される被処理基板Ｓとしてシリコンウエハを用いる場合には、エッチングガスとしてＳＦ_６、Ｏ_２等が用いられる。

真空チャンバ１の天井部１ａは電極として構成され、当該天井部１ａは、公知の構造を有するマッチングボックスＭ１を介して高周波電源Ｅ１に接続され、真空チャンバ１に導入されたエッチングガスに高周波電位を印加してプラズマ化させるようになっている。また、真空チャンバ１の底部には、被処理基板Ｓが載置されるステージ３が、図示省略した絶縁体３ａを介してシャワープレート２ｂと同心に対向配置され、被処理基板Ｓの処理すべき面を上側にして（他面を非処理面という）、当該被処理基板Ｓが載置されるようになっている。

円筒形状のステージ３は、公知の構造を有するマッチングボックスＭ２を介して高周波電源Ｅ２に接続され、処理中にプラズマ電位に対してプラスまたはマイナスになるようにバイアス電位を印加し、基板Ｓに対しの陽イオンまたは陰イオンを引き込むようになっている。なお、ステージ３には、基板Ｓに対するエッチング処理に応じて基板Ｓを適宜加熱、冷却できるように、公知の構造を有する抵抗加熱式ヒータや冷媒循環手段（図示せず）を組み付ける構成を採用することができる。

図２を参照して、ステージ３の上面たる基板載置面には、静電チャック４が備えられている。静電チャック４は、公知の構造を有し、基板ステージ３の上面に設けた絶縁層４１と、絶縁層４１上面にパターニングして形成した電極４２と、この電極４２を覆うように絶縁層４１上に設けた誘電層４３とから構成され、図示省略した電源から電極４２に通電することで静電吸着式により被処理基板Ｓを吸着保持する。この場合、被処理基板Ｓはアースから絶縁状態で保持されることになる。

また、ステージ３には、本実施の形態の基板電位測定装置５が組み付けられている。基板電位測定装置５は、ＣｕやＡｌ等の導電性金属からなる棒状の接触ピン（接触手段）６を備え、当該接触ピン６は、静電チャック４を含むステージ３の所定位置で上下に貫通させて形成した貫通孔７に移動自在に挿設されている。ステージ３の下面より下方に突出した接触ピンの下端は、エアーシリンダや直動モータ等の駆動手段８の駆動軸８ａに連結されている。そして、駆動手段８によって、接触ピン６の上端が貫通孔７内まで下降して被処理基板Ｓと離間する待機位置と、接触ピン６の上端が貫通孔７上方に上昇して被処理基板Ｓの非処理面に接触する接触位置との間で昇降自在となる。

駆動手段８は、その駆動軸８ａが真空チャンバ１１内まで突出するように真空チャンバ１の底壁外側にシール手段（図示せず）を介して取付けられ、駆動軸８ａの先端にはフランジ８ｂが形成されている。そして、フランジ８ｂとステージ３の裏面所定位置に取付けた環状の絶縁部材３ｂとの間にはベローズ９が縮設され、ベローズ９により接触ピン６が真空シールされている。上記構成を採用することで、ステージ３に載置された被処理基板Ｓにより、処理中にプラズマから接触ピン６が遮蔽されることで、その表面が荒れたり、また、反応生成物が堆積したりする不具合は生じない。

接触ピン６は、所定の抵抗値を有する抵抗１０を介設した電線１１によりアース接地されている。抵抗１０は、少なくとも被処理基板Ｓ自体の抵抗値より高い抵抗値を有するものが用いられる。この場合、アースと被処理基板Ｓとを電気的に接続したときに、基板電位の低下が極力抑制されると共に、抵抗１０と被処理基板Ｓ自体が有する抵抗値とによって発生する電位が分圧されないように抵抗値を選択することが好ましい。また、被処理基板Ｓの種類に応じて抵抗値が変更できるように可変抵抗を用いるようにしてもよい。
抵抗１０の両端には、当該抵抗１０間に発生する電位を測定する公知の構造を有する電位モニタ（測定手段）１１が接続されている。また、抵抗１０の片端とアースとの間にはスイッチ手段１２が設けられ、接触ピン６とアースとを適宜接続できるようになっている。

次に、本実施の形態の基板電位測定装置５を用いた基板電位測定方法について説明する。先ず、被処理基板Ｓをステージ３に位置決めして載置し、静電チャックの電極４２に通電して被処理基板Ｓを吸着する。この場合、接触ピン６は待機位置に存し、また、スイッチ手段１２により接触ピン６とアースとの接続が遮断されている。そして、真空チャンバ１内を所定の圧力まで真空引きした後、エッチングガスを導入しつつ高周波電源Ｅ１を介して電力投入し、エッチングガスに高周波電位を印加してプラズマ化させる。それと同時に、高周波電源Ｅ２を介してステージに電力投入してバイアス電位を印加し、被処理基板Ｓに対してイオンを引き込みながら、エッチング処理を実施する。

このようなエッチング処理中に被処理基板Ｓの電位を測定する場合、駆動手段８を作動させて接触ピン６を待機位置から接触位置に移動させる。このとき、接触ピン６の上端が被処理基板Ｓの非処理面に当接する。次いで、スイッチ手段１２を作動させて接触ピン６とアースとを接続する。

接触ピン６とアースとが接続されると、被処理基板Ｓが電位を持っていればアースに対して電流が流れる。このとき、抵抗１０により電流の流れを制限しながら抵抗１０の両端に接続された電位モニタ１１によりその電位が測定される。この測定した電位は、電流の流れを制限していることで基板電位に相当し、これにより、基板電位が測定される。ここで、本実施の形態では、接触ピン６を被処理基板Ｓに接触させた後に、スイッチ手段１２を作動させてアース接地しているため、被処理基板Ｓに滞留する電荷が接触ピン６に飛び移って火花放電を発生し、被処理基板Ｓに損傷を与えることが防止できる。

処理中に基板電位の測定が不要となった場合には、スイッチ手段１２を作動させて接触ピン６とアースとの接続を遮断した後、駆動手段８を作動させて接触ピン６を接触位置から待機位置に移動させ、両者の接触を遮断する。

このように本実施の形態では、絶縁状態の被処理基板Ｓが電位を持っている限り、簡単な構造で必要に応じて処理中に基板電位を可及的速やかに測定できる。その結果、被処理基板Ｓにバイアス電位を印加しながらエッチング処理する上記ＲＩＥ装置においても、測定した基板電位から異常放電の発生を監視でき、それに加えて、エッチング速度をも事実上管理できるようになる。

他方で、処理後において基板電位を測定したい場合には、静電チャック４の電極４２への通電を停止して吸着を解除した後、上記と同じ手順で接触ピン６の駆動手段８及びスイッチ１１を作動させる。このとき、被処理基板Ｓが例えばマイナスに帯電していると、電圧計にはマイナスの電位が発生する。従って、静電チャック４の電極４２への通電を停止して吸着を解除したときの残留電荷と吸着力との関係を予め取得しておけば、処理後の基板電位を測定することで、搬送不良の発生を回避しつつ、処理後の被処理基板Ｓを次工程へと可及的速やかに搬送できる。

尚、本実施の形態では、ＲＩＥ装置に基板電位測定装置５を組み付けたものを例に説明したが、これに限定されるものではなく、スパッタリング法やＣＶＤ法による真空成膜処理または他のエッチングに適用でき、被処理基板Ｓが電位を持っている限り、必要に応じて処理中または処理後に基板電位を可及的速やかに測定できる。

また、本実施の形態では、接触ピン６をステージ３に組み付け、被処理基板Ｓの非処理面に接触させるものを例として説明したが、これに限定されるものではなく、接触ピン６の位置は任意に設定できる。また、接触ピン６を駆動手段８に連結したものを例に説明したが、これに限定されるものではない。

図３に示すように、ステージ３の所定の位置に、ステージ３の上面に凹部２０を形成し、当該凹部２０にコイルバネ等の付勢手段２１を介して接触手段２２を設ける構成を採用してもよい。この場合、ステージ３に被処理基板Ｓが載置されていない状態では、接触ピン２２の上端が付勢手段２１による付勢力でステージ３から上面から上方に突出し、ステージ３に被処理基板Ｓを載置して静電チャック４で吸着すると、接触ピン２２の上端が基板の裏面の当接し、付勢手段２１の付勢力に抗して接触ピンが凹部２０内で下降しつつ接触ピン２２の上端が被処理基板Ｓの非処理面に接触した状態となる。

さらに、本実施の形態では、接触ピン６をアース接地した場合を例に説明したが、これに限定されるものではなく、それに加えて、接触ピン６をブロッキングコンデンサーＣを介して被処理基板Ｓの電位と同等の電位を印加する電源に接続する構成を採用してもよい（図１に点線で示されている）。これにより、接触ピン６を被処理基板Ｓに接触させたときに、流れる電流を最小限に抑制しつつ基板電位を測定できるようになる。

本発明の実施の形態の基板電位測定装置が組み込まれたＲＩＥ装置を模式的に示す断面図。 図１の部分拡大断面図。 本発明の基板電位測定装置の変形例を模式的に説明する断面図。

符号の説明

３ ステージ
４ 静電チャック
５ 基板電位測定装置
６ 接触ピン（接触手段）
７ 貫通孔
８ 駆動手段
１０ 抵抗
１１ 電位モニタ（測定手段）
１２ スイッチ手段

Claims (5)

1. 処理室内のステージに、アースに対して絶縁状態で保持された被処理基板の電位を測定する基板電位測定装置であって、
   前記被処理基板に接触可能な導電性の接触手段と、抵抗を介して前記接触手段をアース接地して前記抵抗間に発生する電位を測定する測定手段とを備え、被処理基板の電位と同等の基準電位を前記接触手段に印加する電源を更に備えたことを特徴とする基板電位測定装置。
2. 前記接触手段をステージ内に組み付けたことを特徴とする請求項１記載の基板電位測定装置。
3. 前記被処理基板の非処理面に対し前記接触手段を進退自在に駆動する駆動手段を備えたことを特徴とする請求項２記載の基板電位測定装置。
4. スイッチ手段を更に備え、前記接触手段を前記被処理基板に接触させた後、前記スイッチ手段を作動させて前記抵抗間に生じる電位を測定することを特徴とする請求項１乃至請求項３のいずれか１項に記載の基板電位測定装置。
5. 処理室内のステージに、アースに対して絶縁状態で被処理基板を保持させ、前記被処理基板に、被処理基板の電位と同等の基準電位を印加した導電性の接触手段を接触させ、前記接触手段を、抵抗を介してアース接地し、抵抗間に発生する電位から基板の電位を測定するようにしたことを特徴とする基板電位測定方法。
   

Images