JP5135876B2

JP5135876B2 - 帯電量評価素子

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Publication number: JP5135876B2
Application number: JP2007130284A
Authority: JP
Inventors: 和範丸山; 康浩遠藤; 美隆大嶋; 伸一若菜
Original assignee: Fujitsu Ltd
Current assignee: Fujitsu Ltd
Priority date: 2007-05-16
Filing date: 2007-05-16
Publication date: 2013-02-06
Anticipated expiration: 2027-05-16
Also published as: JP2008288303A

Description

本発明は帯電量評価素子に関するものであり、特に、電子デバイスの製造工程、就中、磁気ディスクヘッド素子等の製造工程においてウエハ表面が享受する電荷量を高感度、高分解能で評価するための構成に特徴のある帯電量評価素子に関するものである。

高密度化が進む磁気ディスクヘッド素子の製造工程では、静電気や電気的ストレスによって磁気ディスクヘッド素子そのものが損傷を受け、このことが磁気ディスクヘッド素子の小型化に伴って歩留り低下の主要因の一つとなっている。

そのため、このような損傷による歩留りの低下を防止するために、組み立て工程では帯電防止措置として、帯電プレートモニターや表面電位計による評価が行われたり、また、プローブを用いたプロセス装置内の帯電量評価も行われている。

このような、帯電量の評価を行うため、半導体製造装置や磁気ディスクヘッド素子製造装置を対象に、対向電極間の絶縁薄膜の絶縁破壊により、帯電量やその帯電による素子ダメージを評価する素子が開示されている。

例えば、一対の電極を絶縁膜を介して積層し、この一対の電極間に挟まれた絶縁膜の絶縁破壊により帯電量を評価することが提案されている（例えば、特許文献１或いは特許文献２参照）。
特開２００４−２５３６１０号公報特開２００１−３４９８６９号公報

しかし、上記の絶縁膜型の素子での帯電量評価では、絶縁膜の材料や膜厚、アンテナの大きさなどで決定される帯電量基準値より大きいか否かの判定しかできないという問題がある。

即ち、磁気ディスクヘッド製造装置や半導体プロセス装置は時系列的に装置状態が悪化し、被加工物への静電気や異常チャージが増加すると考えられるため、製造装置の評価を行う際には定量的な帯電量評価が必要となっているが、絶縁膜型の素子ではこのような定量的な帯電量評価は困難である。

もちろん、絶縁薄膜の膜厚を変えた複数の絶縁膜型素子を近接して配置することにより、素子集合として帯電量を定量的に評価することは可能であるが、感度が離散的である上、複数の素子を一群として用いるため空間分解能の低下に繋がるという問題がある。

さらに、絶縁膜型の素子では、絶縁膜が破壊したことをもって帯電量を評価するため、再使用ができず、そのために、ランニングコストが掛かるという問題もある。

したがって、本発明は、製造装置内の被加工物の帯電量を定量的に、且つ、高い空間分解能で評価可能にするとともに、評価素子の再利用を可能にすることを目的とする。

図１は本発明の原理的構成図であり、ここで図１を参照して、本発明における課題を解決するための手段を説明する。
図１参照
上記の課題を解決するために、本発明は、帯電量評価素子において、被加工基板表面に蓄積される電荷量の総計を定量的に評価する帯電量評価素子であって、少なくとも表面が導電性を有する基体１と、基体１上に配置され電圧により屈折率が変化する強誘電体膜からなる電気光学効果膜５と、電気光学効果膜５上に配置された孤立透明電極６と、基体１の電気光学効果膜５と投影的に重ならない領域を覆う絶縁性保護膜７とからなる帯電量評価部４を具備することを特徴とする。

このように帯電評価のために電気光学効果膜５を用いることによって、孤立透明電極６に蓄積された電荷量を定量的に評価可能となり、且つ、１つの帯電量評価部４で定量的な帯電量の定量評価が行えるので空間分解能が高くなる。

即ち、この帯電量評価素子を製造装置に投入すると、プロセス中、もしくはハンドリング中に発生した電荷が孤立透明電極６に蓄積され、電荷を持たない基体１の表面の導電部との間に電界が生じ、電気光学効果膜５の屈折率が電界の強度に応じて変化するので、その屈折率の変化量を測定することによって、孤立透明電極６に蓄積された電荷量を測定でき、製造装置による帯電量を定量的に評価することが可能となる。

また、孤立透明電極６に蓄積された電荷を逃がすことによって、非破壊的に帯電量を評価しているので、再使用が可能であり、それによって、ランニングコストの削減が可能になる。

この場合の基体１は、透明絶縁基板２と、透明絶縁基板２上に設けられた透明電極３とから構成しても良いし、或いは、ＺｎＯ単結晶等の透明導電性基板自体で構成しても良いものである。

或いは、基体１は、絶縁基板と、絶縁基板上に設けられた反射電極とから構成しても良いし、或いは、Ａｌ基板等の反射性導電基板自体で構成しても良いものである。

また、電気光学効果膜５としては、電圧により屈折率が変化するＰＬＺＴ等の強誘電体膜を用いる。

また、上述の帯電量評価部４を同一基体１上に複数個設けることが望ましく、それによって、被加工基板表面における帯電量の面内分布を精度良く評価することが可能になる。

本発明によれば、磁気ディスクヘッド素子や半導体素子等の電子デバイスの製造装置内で被加工物であるウエハの受ける電荷を定量的に評価することができるため、ウエハ工程における静電気や電気的ストレス、プラズマの不安定性に起因する素子の損傷を評価し、電子デバイスを高歩留りで生産するための指針を得ることができる。
さらに、プロセス条件を短期間でフィードバックできることから、開発工数の削減が可能となる。

また、帯電量の評価を非破壊で行うため、帯電量評価素子の繰り返しの再使用が可能となり、それによって、ランニングコストの削減が可能になる。

本発明の帯電量評価素子は、ガラス等の透明絶縁基板上に透明電極を設けた透明基体或いは透明導電性基板からなる透明基体、或いは、ガラス等の絶縁基板上にＡｌ電極等の反射電極を設けた反射基体或いは反射性導電基板からなる反射基体上に、ＰＬＺＴ等の電圧によって屈折率が変化する強誘電体膜からなる電気光学効果膜を設け、この電気光学効果膜上に孤立透明電極を設けて帯電量評価部を構成するものであり、孤立透明電極に蓄積する電荷により発生する電荷に応じて変化する電気光学効果膜の屈折率の変化量を測定して帯電量を評価するものである。

ここで、電気光学効果膜を用いた場合の帯電量の測定精度を評価する。
電気光学効果膜としてエアロゾルデポジション法によるＰＬＺＴ単結晶薄膜を用いたとすると、その電気光学定数は、光源として６３３ｎｍのＨｅ−Ｎｅレーザーを用いた場合に、１．０２×１０^-10ｍ／Ｖとなる。
したがって、屈折率が０．０００１変化するためには、
０．０００１／１．０２×１０^-10〔ｍ／Ｖ〕＝９．８０３９２１６×１０⁵Ｖ／ｍ
の電界が必要になる。

ここで、透明電極と孤立透明電極との間隔を１μｍとすると、
９．８０３９２１６×１０⁵〔Ｖ／ｍ〕×１０^-6〔ｍ〕＝０．９．８０３９２１６Ｖ
の電位が必要になる。

この時、アンテナとなる孤立透明電極のサイズを２００μｍ×２００μｍとすると、
電気光学効果膜（ここではＰＺＴ）の比誘電率εを１０００
孤立電極の面積Ｓを４×１０^-8ｍ²
電極間隔ｄを１μｍ＝１０^-6ｍ
真空の誘電率ε₀を８．８６×１０^-12
とすると、帯電量評価部の静電容量Ｃは、
Ｃ＝ε₀εＳ／ｄ≒３．５４×１０^-10Ｆ
となる。

ここで、Ｑ＝ＣＶであるので、０．９．８０３９２１６Ｖの電位を発生させるためには、Ｑ＝３．５４×１０^-10Ｆ×０．９．８０３９２１６Ｖ≒０．３４７ｎＣ
の電荷量が蓄積されれば良い。

したがって、屈折率分解能０．０００１は、０．３５ｎＣの帯電量で得られることになり、電極間隔ｄを狭くするか及び／または孤立電極の面積Ｓを大きくすることによって静電容量Ｃは大きくなり、それに伴って必要な電位を発生させるのに必要は電荷量Ｑが小さくなるので感度をさらに向上させることが可能になる。

一方、市販の薄膜屈折率測定装置、例えば、ＦｉｌｍＴｅｋ４０００（ＳＣＩ社製商品型番）では２×１０^-5の分解能での測定は可能であるので、０．０００１（＝１０^-4）の屈折率変化を測定することには何の問題もない。

因に、薄膜磁気ヘッドの破壊電荷量は、例えば、０．２ｎＣであるので、２×１０^-5の分解能を有する薄膜屈折率測定装置を用いれば測定可能であり、また、帯電量評価部の電極間隔ｄを狭くするか及び／または孤立電極の面積Ｓを大きくすることによって屈折率変化に必要な電荷量Ｑを充分小さくすることができるので、分解能が２×１０^-5より低くても薄膜磁気ヘッドの破壊の検出は可能になる。

なお、測定系における光源となるレーザーのスポット径は１０μｍ程度まで小さくすることが可能であるので、孤立透明電極のサイズを２００μｍ□にすることによって、容易に屈折率変化を測定することができる。

以上を前提として、ここで、図２乃至図４を参照して、本発明の実施例１の帯電量評価素子を説明する。
図２参照
まず、ガラスウエハからなる透明絶縁基板１１の表面に蒸着法により、厚さが、例えば、１μｍのＩＴＯ膜からなる透明電極１２を成膜する。

次いで、スパッタ法を用いてＰＬＺＴ膜〔Ｐｂ_1-xＬａ_x（Ｚｒ_1-yＴｉ_y）_1-x/4Ｏ₃（０＜ｘ＜０．３，０＜ｙ＜１）膜〕１３を例えば膜厚０．５μｍ成膜したのち、レジストパターン（図示を省略）をマスクとして反応性イオンエッチング（ＲＩＥ）によるドライエッチングによりＰＬＺＴ膜１３をエッチングして、例えば、２００μｍ×２００μｍのサイズの電気光学効果膜１４を形成する。

次いで、スパッタ法を用いて、ＳｉＯ₂膜１５を例えば膜厚０．７μｍ成膜して、電気光学効果膜１４を完全に埋め込む。

図３参照
次いで、化学機械研磨（ＣＭＰ）により、電気光学効果膜１４の表面が露出するまで平坦に研磨することによって絶縁性保護膜１６とする。

次いで、蒸着法により、ＩＴＯ膜１７を例えば膜厚０．５μｍ成膜したのち、レジストパターン（図示を省略）をマスクとして反応性イオンエッチングによるドライエッチングを施して電気光学効果膜１４と同一位置に同一サイズの孤立透明電極１８を形成することによって本発明の実施例１の帯電量評価素子の基本構成が完成する。

図４参照
図４は、本発明の実施例１の帯電量評価素子の構成説明図であり、透明電極１２と孤立透明電極１８の間に挟まれた電気光学効果膜１４からなる帯電量評価部が二次元マトリクス状に配置された構成となっている。
図においては、透明絶縁基板１１に帯電量評価部を１００個配列した場合を示しているが、配置個数は任意である。

次に、図５を参照して、本発明の実施例１の帯電量評価素子による帯電量評価方法を説明する。
図５参照
図５は、帯電量を評価するための屈折率変化の測定系の構成説明図であり、レーザー光源２１、クロスニコルに配置した２枚の偏光板２２，２３、及び、光検出器２４とからなり、２枚の偏光板２２，２３の間に帯電量評価素子１０を設置し、光検出器２４で帯電量評価素子１０を構成する電気光学効果膜１４の屈折率変化を光強度の変化として測定するものである。

この帯電量評価素子１０をプラズマ装置等の電子デバイス製造装置に搬入すると、プロセス中に発生した電荷が孤立透明電極１８に蓄積されるのに対して、透明電極１２は絶縁性保護膜１６により保護されているため、電荷状態は装置への搬入前と変化しないため、孤立透明電極１８に蓄積された電荷量に応じて電気光学効果膜１４に電界がかかるため、屈折率の変化が生じる。

帯電量評価素子１０を装置から搬出後に、図５に示した測定系の２枚の偏光板２２，２３の間に帯電量評価素子１０を設置し、その屈折率の変化を測定することによって、孤立透明電極１８の帯電量を定量的に評価することができる。
なお、屈折率測定の際には、透明電極１２は接地しておくことが好ましい。

また、帯電量の評価後に、孤立透明電極１８をアース端子に接触させるなどして蓄積された電荷を放出させることによって、この帯電量評価素子の状態は初期状態になるので、再度、帯電量評価に使用することができる。

このように、本発明の実施例１の帯電量評価素子によって、電子デバイス製造装置内の被加工ウエハの帯電量を非破壊で定量的に、且つ、高い空間分解能で評価可能となるとともに、再利用可能であるため、ランニングコストを削減することができる。

なお、評価できる帯電量の範囲は電気光学効果膜１４の膜厚により調整可能であり、空間分解能も孤立透明電極１８の大きさで変更可能である。

次に、図６を参照して、本発明の実施例２の帯電量評価素子を説明する。
図６参照
まず、ＺｎＯ単結晶ウエハからなる透明導電性基板３１上にゾル−ゲル法よりＰＬＺＴ膜を例えば膜厚０．５μｍ成膜したのち、レジストパターン（図示を省略）をマスクとして反応性イオンエッチングによるドライエッチングにより、例えば２００μｍ×２００μｍのサイズの電気光学効果膜３２を形成する。

次いで、ＣＶＤ法によりＳｉＯ₂膜を例えば膜厚０．７μｍ成膜して電気光学効果膜３２を完全に埋め込んだのち、、ＣＭＰ法により、電気光学効果膜３２の表面が露出するまで平坦に研磨することによって絶縁性保護膜３３とする。

次いで、スパッタ法により、ＩＴＯ膜を例えば０．５μｍ成膜したのち、レジストパターン（図示を省略）をマスクとして反応性イオンエッチングによるドライエッチングにより電気光学効果膜３２と同一位置に同一サイズの孤立透明電極３４を形成することによって、本発明の実施例２の帯電量評価素子の基本構成が完成する。

この帯電量評価素子の動作原理は、上記の実施例１の動作原理と全く同じであるが、透明導電性基板３１は装置治具を通じて接地しておく必要がある。
また、屈折率測定の際には、透明導電性基板３１を接地させておくことが好ましい。

このように、本発明の実施例２においては、電位が変化しない透明電極として透明導電性基板３１自体を用いているため、構成が簡素化されるとともに、透明電極の成膜工程が不要になる。

次に、図７及び図８を参照して、本発明の実施例３の帯電量評価素子を説明するが、実施例１の帯電量評価素子における透明電極を反射電極に置き換えたものであり、それに伴って、測定系を反射測定系にしたものである。
図７参照
図７は、本発明の実施例３の帯電量評価素子の構成説明図であり、製造工程自体は、実施例１におけるＩＴＯ膜からなる透明電極１２を、Ａｌ膜からなる反射電極１９に置き換えた以外は実施例１と全く同様である。
なお、図においては、透明絶縁基板１１に帯電量評価部を１００個配列した場合を示しているが、配置個数は任意である。

次に、図８を参照して、本発明の実施例３の帯電量評価素子による帯電量評価方法を説明する。
図８参照
図８は、帯電量を評価するための屈折率変化の測定系の構成説明図であり、レーザー光源２１、偏光板２２、ビームスプリッター２５、偏光板２２に対してビームスプリッター２５を介してクロスニコルに配置した偏光板２３、及び、光検出器２４とからなり、レーザー光がビームスプリッター２５を透過した位置に帯電量評価素子２０を設置し、帯電量評価素子２０からの反射光をビームスプリッター２５で反射させたのち偏光板２３を介して光検出器２４で測定することによって、帯電量評価素子２０を構成する電気光学効果膜１４の屈折率変化を光強度の変化として測定するものである。

この帯電量評価素子２０をプラズマ装置等の電子デバイス製造装置に搬入すると、プロセス中に発生した電荷が孤立透明電極１８に蓄積されるのに対して、反射電極１９は絶縁性保護膜１６により保護されているため、電荷状態は装置への搬入前と変化しないため、孤立透明電極１８に蓄積された電荷量に応じて電気光学効果膜１４に電界がかかるため、屈折率の変化が生じる。

帯電量評価素子２０を装置から搬出後に、図８に示した測定系のレーザー光がビームスプリッター２５を透過した位置に帯電量評価素子２０を設置し、その屈折率の変化を測定することによって、孤立透明電極１８の帯電量を定量的に評価することができる。
なお、屈折率測定の際には、反射電極１９は接地しておくことが好ましい。

このように、本発明の実施例３の帯電量評価素子によっても、電子デバイス製造装置内の被加工ウエハの帯電量を非破壊で定量的に、且つ、高い空間分解能で評価可能となるとともに、再利用可能であるため、ランニングコストを削減することができる。

また、反射光を検出しているので、基板による光吸収等を考慮する必要がなくなる。
なお、この場合も、評価できる帯電量の範囲は電気光学効果膜１４の膜厚により調整可能であり、空間分解能も孤立透明電極１８の大きさで変更可能である。

以上、本発明の各実施例を説明してきたが、本発明は各実施例に記載された構成、製造方法、条件等に限られるものではなく、各種の変更が可能である。例えば、各実施例においては孤立透明電極をＩＴＯで構成しているが、ＩＴＯに限られるものではなく、例えば、酸化亜鉛（ＺｎＯ）、酸化スズ（ＳｎＯ₂）、酸化インジウム（Ｉｎ₂Ｏ₃）等の他の透明導電材料を用いても良いものである。

また、透明電極の成膜方法としても、蒸着法に限られるものではなく、スパッタ法等の他の成膜法を用いても良いものである。
また、ＩＴＯのエッチング方法として反応性イオンエッチングを用いているが、反応性イオンエッチングに限られるものではなく、例えば、塩酸と硝酸の混酸等によるウェットエッチングを用いても良いものである。

また、実施例１或いは実施例２においては、電気光学効果膜としてＰＬＺＴを用いているが、ＰＬＺＴに限られるものではなく、例えば、チタン酸ジルコン酸鉛（ＰＺＴ）、ニオブ酸リチウム（ＬｉＮｂＯ₃）、タンタル酸リチウム（ＬｉＴａＯ₃）、タンタル酸ニオブ酸カリウム（ＫＴＮ）等の他の強誘電体を用いても良いものである。

また、上記の各実施例においては、孤立透明電極と電気光学効果膜のサイズを同一としたが、必ずしも同一である必要はなく異なっていても良いが、電気光学効果膜より孤立透明電極の方が大きい方が望ましく、このような構成にすることによって電気光学効果膜がプラズマ等のダメージを受けることがないので、再使用回数を多くすることができる。

また、上記の各実施例においては、電気光学効果膜の表面が露出するまで絶縁性保護膜を研磨しているが、電気光学効果膜が完全に絶縁性保護膜に埋まっている状態でも良く、この場合には、電気光学効果膜より孤立透明電極の方が小さくても良いものである。

また、上記の各実施例においては、電気光学効果膜をスパッタ法或いはゾル−ゲル法により形成しているが、有機金属気相成長法（ＭＯＣＶＤ法）やエアロゾルデポジション法によって形成しても良いものである。

また、上記の各実施例においては、孤立透明電極及び電気光学効果膜を全面に成膜したのち、エッチングにより適当なサイズに加工しているが、マスクスパッタ法を用いることによって形成しても良く、それによって、フォトエッチング工程が不要になる。

また、上記の各実施例においては、孤立透明電極のサイズを２００μｍ×２００μｍの正方形としているが、形状及びサイズは任意であり、検出しようとする帯電量及び検査環境に応じて適宜変更されうるものである。

また、上記実施例３においては、ガラス等の透明絶縁性基板上にＡｌ膜からなる反射電極を設けているが、Ａｌ膜に限られるものではなく、Ａｇ膜、Ａｕ膜、Ｐｔ膜、或いは、Ｔｉ膜等の反射性に優れる導電膜を用いれば良い。

この様な反射型の帯電量評価素子の場合には、基板は透明である必要はなく、また、上記の実施例２の構成に対応するように、基板をＡｌ基板等の反射性導電基板を用いることによって、反射電極を設ける必要がなくなる。

ここで、再び図１を参照して、改めて、本発明の詳細な特徴を説明する。
再び、図１参照
（付記１）被加工基板表面に蓄積される電荷量の総計を定量的に評価する帯電量評価素子であって、少なくとも表面が導電性を有する基体１と、前記基体１上に配置され電圧により屈折率が変化する強誘電体膜からなる電気光学効果膜５と、前記電気光学効果膜５上に配置された孤立透明電極６と、前記透明基体１の前記電気光学効果膜５と投影的に重ならない領域を覆う絶縁性保護膜７とからなる帯電量評価部４を具備することを特徴とする帯電量評価素子。
（付記２）前記基体１が、光学的に透過性を有することを特徴とする付記１に記載の帯電量評価素子。
（付記３）前記基体１が、透明絶縁基板２と、前記透明絶縁基板２上に設けられた透明電極３とから構成されることを特徴とする付記２に記載の帯電量評価素子。
（付記４）前記基体１が、透明導電性基板から構成されることを特徴とする付記２に記載の帯電量評価素子。
（付記５）前記基体１が、絶縁基板と、前記絶縁基板上に設けられた反射電極とから構成されることを特徴とする付記１に記載の帯電量評価素子。
（付記６）上記基体が、反射性導電基板から構成されることを特徴とする付記１記載の帯電量評価素子。
（付記７）前記帯電量評価部４を同一基体１上に複数個設けたことを特徴とする付記１乃至付記６のいずれか１に記載の帯電量評価素子。

本発明の活用例としては、磁気ディスクヘッドの製造工程における帯電量評価が典型的なものであるが、磁気ディスクヘッドの製造工程に限られるものではなく、半導体、強誘電体デバイス、或いは、超伝導デバイスの製造工程における帯電量の評価にも適用されるものである。

本発明の原理的構成の説明図である。本発明の実施例１の帯電量評価素子の途中までの製造工程の説明図である。本発明の実施例１の帯電量評価素子の図２以降の製造工程の説明図である。本発明の実施例１の帯電量評価素子の構成説明図である。帯電量を評価するための屈折率変化の測定系の構成説明図である。本発明の実施例２の帯電量評価素子の製造工程の説明図である。本発明の実施例３の帯電量評価素子の構成説明図である。本発明の実施例３における帯電量を評価するための屈折率変化の測定系の構成説明図である。

符号の説明

１基体
２透明絶縁基板
３透明電極
４帯電量評価部
５電気光学効果膜
６孤立透明電極
７絶縁性保護膜
１０帯電量評価素子
１１透明絶縁基板
１２透明電極
１３ＰＬＺＴ膜
１４電気光学効果膜
１５ＳｉＯ_２膜
１６絶縁性保護膜
１７ＩＴＯ膜
１８孤立透明電極
１９反射電極
２０帯電量評価素子
２１レーザー光源
２２，２３偏光板
２４光検出器
２５ビームスプリッター
３１透明導電性基板
３２電気光学効果膜
３３絶縁性保護膜
３４孤立透明電極

Claims

被加工基板表面に蓄積される電荷量の総計を定量的に評価する帯電量評価素子であって、少なくとも表面が導電性を有する基体と、前記基体上に配置され電圧により屈折率が変化する強誘電体膜からなる電気光学効果膜と、前記電気光学効果膜上に配置された孤立透明電極と、前記基体の前記電気光学効果膜と投影的に重ならない領域を覆う絶縁性保護膜とからなる帯電量評価部を具備することを特徴とする帯電量評価素子。
前記基体が、光学的に透過性を有することを特徴とする請求項１に記載の帯電量評価素子。
前記帯電量評価部を同一基体上に複数個設けたことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の帯電量評価素子。