JP5335421B2 - 真空処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、例えば半導体製造プロセスである、スパッタリング、ケミカルベイパーデポジション（ＣＶＤ）、エッチング、イオンプランテーション等に用いられる真空処理装置内において、処理対象物を静電吸着して温度制御を行う機構をクリーニングする技術に関する。

近年、半導体装置のデザインルールの微細化に伴い、これまで回避できていた問題が、表立って顕著になってきている。
その一例がウエハ裏面に転写されるパーティクルの問題である。
主な問題点として挙げられるのが、ウエハ洗浄時に剥離したパーティクルによる洗浄槽汚染とウエハ間の相互汚染、またリソグラフィ工程でのデフォーカスによるものである。

これら転写パーティクルを低減する目的として、接触率の低い一枚のウエハから得られるチップの良品率を維持するには、減圧下の処理室において処理（以下プロセスと称す）中のウエハ温度を一定に保つことが重要である。
このような処理を可能にする手段の一つとして、従来、静電吸着機能付加熱プレート（以下ホットプレートと称す）が用いられている。

半導体製造装置の一つであるスパッタリング装置は、所定の圧力まで減圧される真空処理室を有し、この真空処理室内には半導体ウエハを加熱・冷却するための機構が配置されている。
成膜プロセス時の温度制御は膜質を安定させるという観点から非常に重要であり、プラズマからウエハに入射される熱量、及びホットプレートからウエハへ供給される熱量の移動（熱伝達）に対し考慮しなければならない。

上記状態を満足させるためには、ホットプレートとウエハ間の熱伝達を最大限にすることが必要であり、このような熱伝達を達成する手法としては、ホットプレートとウエハの接触面積を１：１にすることが有効である。

しかし、実際のプロセスにおいては、複数の工程を経て処理される基板が有する“反り”及び“形状（ノッチ又はオリフラ）”や、装置を構成する部品の加工精度、搬送ロボットの位置精度を考慮しなければならず、ホットプレートの吸着面側への金属膜の付着が発生し搬送パーティクルの増加、異常放電、最悪の場合にはウエハ搬送に支障をきたすおそれがある。

このような事情から、この種の装置では、ウエハ最外径の大きさを、ホットプレートの吸着面最外径の大きさより大きくするのが一般的である。
またプロセス時のウエハ温度を制御するために、プラズマからウエハに入射する熱量を考慮しなければならず、ウエハとホットプレート間の熱伝達を最適化する必要がある。

ウエハとホットプレート間の熱伝達を向上させるためには、ウエハとホットプレートの接触面を増やすことが重要であり、一般的手法としてメカクランプもしくは静電力による吸着等が考えられるが、従来は、発生パーティクルの観点から通常静電吸着方式が採用されている。

しかし、熱伝達を向上させるための接触面積及び吸着力を大きくすることは、被吸着面であるウエハ裏面への転写パーティクルの増大につながり、今後益々微細化した半導体デバイスの歩留まりに対し悪影響を及ぼすことがわかっている。

したがって、今後、裏面転写パーティクルを減らすことを考慮した設計が必要であるが、このような行為は吸着面積を最小限まで減らすということであり、熱伝達を増やすという考えからは逆行している。

そこで、近年、減少した接触面積（熱伝達）を補う目的として、ウエハとホットプレート間にガスを導入し、このガスを介してこれらの間の熱伝達を行うことも実施されている。
この場合には、スパッタリングプロセスの特性上、一台の装置で複数のプロセスモジュールを経由してプロセスを実行するわけであるが、各モジュールにおけるプロセス温度は異なることが多く、このためモジュール搬送直後のウエハ温度とホットプレートの設定温度（プロセス温度）が異なり、静電吸着時に摩擦帯電が発生し、ウエハ脱離不良による搬送エラーが発生するため、吸着面の絶縁抵抗値をジョンソン・ラーベック領域にする必要がある。

また、スパッタリングを行う前までにウエハ温度をプロセス温度まで昇温している必要があるため、静電吸着方式を双極仕様とする必要がある。
半導体ウエハは、露光、成膜、エッチング、洗浄等の様々な工程を繰り返し処理されるが、その過程において、ウエハ裏面に導電性物質が付着することは避けられない。

また、近年Ｌｏｗ−ｋ材のような有機物も半導体構成材料として使用されている。このような材料では、ウエハが装置モジュール内に搭載されたホットプレートにて処理される際にウエハとホットプレート間の静電吸着力を意図的に増大させているため、ウエハ裏面の導電性物質がホットプレート吸着面へ転写されることは容易に想像される。

また、大気開放メンテナンス後の、モジュール立上げの際に行うチャンバーベーキング時に、構成部材（防着板、チャンバー壁）から脱離される物質においても、導電性物質が含まれている。
このようにしてホットプレートに転写された導電性物質は、ホットプレート吸着最表面において低抵抗層を形成することとなる。

これら低抵抗層は、ホットプレート吸着面の絶縁層（以下誘電層という）を下回る抵抗を示すため、抵抗値を制御することにより誘電層最表面への電荷の誘起をし、ＥＳＣ電極間、ウエハ・ＥＳＣ電極間に誘電層抵抗に応じた微小な電流を流すことを利用したジョンソン・ラーベック力による吸着力の場合、導電性物質がＥＳＣ電極間を短絡することとなり、ＥＳＣ電極間のコンデンサ回路が成り立たなくなる。
よって、ウエハ・ＥＳＣ電極間の電気力線が、ＥＳＣ電極で終端してしまい、ウエハ表面の帯電分極が起こらないため吸着力は発現しなくなる。

ところで、この種の装置において使用されるホットプレート吸着面の断面構造を見ると、ウエハ裏面への転写パーティクルを最小限にするためにエンボス構造になっている。
ウエハが直接接触する面は、凸部のトップ面であり、運用上必要な実行静電吸着力が得られる箇所である。

一方、ホットプレート吸着面の凹部の底部においても吸着力は発生しているが、ウエハまでの距離に逆比例するため（ウエハとの電位差が特定不可能である）、非常に弱いものである（一般的に空間力と呼ばれている）。
このエンボス形状のホットプレート吸着面に低抵抗層が付着した場合、断面形状が非常に複雑なため、ｅｘ−ｓｉｔｕでのＷＥＴ洗浄を用いても除去が困難である。

その結果、静電吸着力が生まれない、もしくは低下することにより、所定の時間内でウエハ温度が上昇しない、プラズマプロセス時においてウエハ温度を一定に制御できない等の不都合が生じる。

また、吸着面に形成される低抵抗層は、持ち込まれる量及びホットプレート温度、プロセス時間等の、ユーザ−側のプロセスに依存するため、装置間もしくはモジュール間でのバラツキが大きく、付着状況の確認が困難である。

以上より、常に安定した吸着力を維持するためには、ウエハを介して真空処理装置に持ち込まれた導電性物質を排除する必要がある。
このような課題に鑑み、従来、静電チャックの吸着電極に高周波電力を印加することによってプラズマエッチングを施す工程と、この静電チャック上に基板を搭載する工程と、基部搭載工程において静電チャック上に搭載された基板を搬出するクリーニング方法が提案されている（例えば、特許文献１参照）。
特開２００２−２８０３６５公報

本発明は、このような従来の技術の課題を解決するためになされたもので、その目的とするところは、真空処理装置内において処理対象物を静電吸着する機構の吸着面をクリーニングしてその吸着力を一定に保持する技術を提供することにある。

上記目的を達成するためになされた本発明は、クリーニング用ガスを導入可能な真空処理槽と、前記真空処理槽内に設けられ、処理対象物を静電吸着によって保持する静電吸着部と、前記静電吸着部に近接して配設され、前記静電吸着部を支持するための台座として構成された金属製のクリーニング電極と、前記クリーニング電極と前記静電吸着部との間に設けられ、前記クリーニング電極を前記クリーニング用ガスのイオンから保護するための保護部と、前記クリーニング電極に対して１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加する高周波電源とを備え、前記静電吸着部が前記処理対象物を保持しない状態で、前記クリーニング電極に対し、５０〜１５０Ｗのパワーで、６０〜９０秒の時間、前記高周波電力を印加してプラズマを発生させ、前記静電吸着部を逆スパッタしてクリーニングを行うように構成されている真空処理装置である。
本発明では、前記静電吸着部が、加熱用のヒーターを有することもできる。
本発明では、前記クリーニング電極及び前記保護部は、それぞれの大きさが前記静電吸着部より大きく、かつ、同等の大きさとなるように形成された場合にも効果的である。

本発明の場合、真空処理槽内において、静電吸着部の近傍に金属製のクリーニング電極を配し、真空処理槽内にクリーニング用ガスを導入した状態で、クリーニング電極に対して高周波電力を印加する。
これにより、静電吸着部の吸着面上にプラズマを発生させ、その電離作用により生成された放電ガス種のイオン成分が、カソード面となっている静電吸着部の吸着面に衝突して、引き込まれたイオン成分が、静電吸着部の吸着面に付着した不純物（導電性物質）に高速で衝突し、この不純物が物理的にはじき飛ばされる（一般に「逆スパッタ」と呼ばれる現象である）。

そして、本発明によれば、真空処理装置内の静電吸着部の吸着面のクリーニングを行うことができるので、吸着面の抵抗値を常時一定に保持することができ、すなわち、静電吸着部内の吸着電極間及び当該吸着電極と処理対象物間に流れる電流を常時一定に保持することができるので、プロセスの際に処理対象物を安定して吸着保持することができ、これによりプロセスの信頼性を向上させることができる。
特に、本発明によれば、種々のプロセスの前後において、真空雰囲気で確実かつ迅速に静電吸着部の吸着面のクリーニングを行うことができる。

本発明において、静電吸着部が、加熱用のヒーターを有する場合には、プロセス中にウエハ等の処理対象物の温度を一定に保つことができるので、処理対象物に転写されるパーティクルを低減することが可能になる。

また、本発明においては、クリーニング電極が、静電吸着部を支持するための台座として構成されていることから、静電吸着部の吸着面上において均一にエッチングを行いクリーニングすることができる。

すなわち、高周波電力を印加する電極としては、静電吸着部に埋設された吸着電極に印加することも考えられるが、基板の大型化に伴い本手法を採用した場合、静電吸着部の吸着面内に衝突するイオンにバラツキが生じてしまい、被エッチング物である吸着面上において導電性物質除去程度に差ができてしまい、エッチング効果を十分に発揮させることができない。

また、過度にエッチングしてしまうと、静電吸着部の吸着面の一様でない形状部にプラズマが集中してしまい、急激な温度上昇が発生し、例えばＡｌＮからなる構成基材中において粒界割れ・脱粒を誘発し、絶縁破壊及びパーティクルの原因ともなり得る。

本発明のように、クリーニング電極が、静電吸着部を支持するための台座として構成されている場合には、高周波の表皮効果によって静電吸着部まで高周波を誘導させることによって、静電吸着部全体に高周波が印加されるようになる。

また、本発明においては、クリーニング電極をクリーニング用ガスのイオンから保護するための保護部がクリーニング電極と静電吸着部との間に設けられていることから、電離したイオン成分がクリーニング電極に直接入射することがなく、その金属部分が削られることがない。

本発明によれば、真空処理装置内において処理対象物を静電吸着する機構の吸着面をクリーニングしてその吸着力を一定に保持することができる。

本発明に係る真空処理装置の実施の形態の概略構成図 本発明に係るクリーニング方法の一例を示す工程図 本発明の実施例の結果を示すグラフ

符号の説明

１…真空処理装置
２…真空処理槽
３…ホットプレート（静電吸着加熱部）
３ａ…吸着面
４…サセプタ
６…台座（クリーニング電極）
７…保護部材（保護部）
８、９…吸着電極
１０…制御部
１１…ヒーター

以下、本発明の好ましい実施の形態を図面を参照して詳細に説明する。
なお、本発明は、例えば、スパッタリング装置、ＣＶＤ装置、エッチング装置、イオンプランテーション装置等の種々の真空処理を行う装置に適用することができる。

図１は、本発明に係る真空処理装置の実施の形態の概略構成図、図２は、本発明に係るクリーニング方法の一例を示す工程図である。
図１に示すように、本実施の形態の真空処理装置１は、図示しない真空排気系に接続され、クリーニング用ガスＧを導入可能な真空処理槽２を有している。
真空処理槽２内の下部には、サセプタ４が配設されている。このサセプタ４は、処理対象物（図示せず）を吸着面３ａ上に吸着保持するホットプレート（静電吸着加熱部）３を有している。

本実施の形態の場合、サセプタ４は、真空処理槽２の底部に設けられた絶縁板５上に例えば円板上の台座（クリーニング電極）６が設けられるとともに、この台座６上に薄い円板状の保護部材（保護部）７が全面的に設けられている。

本発明の場合、保護部材７の材料は特に限定されることはないが、プラズマに曝されることによる金属汚染防止の観点からは、石英からなるものを用いることが好ましい。
そして、保護部材７の上にホットプレート３が固定され、これにより保護部材７を挟んでホットプレート３の下方近傍にクリーニング電極としての台座６が近接した状態で配置されている。

本実施の形態に用いるホットプレート３は、例えばアルミニウム（Ａｌ）を主成分とするセラミックスから構成されている。このホットプレート３の内部には、双極型の吸着電極８、９が設けられている。
ここで、各吸着電極８、９は、それぞれ制御部１０に接続され、この制御部１０から所定の電圧が供給されるようになっている。

また、ホットプレート３内には、温度制御（加熱）用のヒーター１１が設けられている。このヒーター１１は、上述した制御部１０に接続され所定の温度に制御されるようになっている（詳細図示せず）。
なお、台座６、保護部材７は、ホットプレート３より大きくなるように例えばほぼ同等の大きさに形成されている。そして、台座６及び保護部材７は、その周囲に設けられた位置決め部材１２、１３によって位置決め固定されている。

本実施の形態の台座６は、例えば、ステンレス等の金属材料からなる。この台座６は、電気的にフローティング状態に保持されるとともに、高周波電源１４に接続されている。
この高周波電源１４は、例えば、リレー方式の高周波スイッチング素子部１５を有し、上述した制御部１０に接続されている。そして、制御部１０からの命令に基づいて、台座６に対して例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加するように構成されている。

さらに、ホットプレート３の周囲には、金属材料からなるリング状の防着板（プラテンリング）１６が配設されている。
この防着板１６は、アース電位となるように接地され、これによりクリーニング時にプラズマの入射を防止するように構成されている。

このような構成を有する本実施の形態においては、図２の工程１に示すように、真空処理槽２内にクリーニング用ガスＧを導入する。
本発明の場合、導入するクリーニング用ガスＧの種類は特に限定されることはないが、パーティクルの発生を最小限にする観点からは、電離した場合に真空処理槽２を構成する部品と化学反応を起こさないガスを用いることが好ましい。
このようなガスとしては、例えば、アルゴン（Ａｒ）、窒素（Ｎ₂）等の不活性ガスがあげられる。

そして、工程２において、真空処理槽２内の圧力を所定の圧力に調整する。
ここで、放電の立ちやすさ及びクリーニング用ガスＧ導入時のホットプレート３の温度低下抑制の観点からは、真空処理槽２内の圧力は１〜２０Ｐａに調整することが好ましい。

次に、工程３において、高周波電源１４から台座６に対し、１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加する。
本発明の場合、特に限定されることはないが、運用上十分なエッチングレートを得る一方で、逆スパッタによってホットプレート３の表面が叩かれることによって発生するパーティクルを抑制する観点からは、高周波電力を印加するパワーは５０〜１５０Ｗ、高周波電力を印加する時間は６０〜９０秒に調整することが好ましい。

以上の条件で台座６に対して高周波電力を印加することにより、ホットプレート３の吸着面３ａ上にプラズマを発生させる。
その結果、このプラズマの電離作用により生成された放電ガス種のイオン成分が、カソード面となっているホットプレート３の吸着面３ａに衝突して、引き込まれたイオン成分が、ホットプレート３の吸着面３ａに付着した不純物（導電性物質）に高速で衝突し、この不純物が物理的にはじき飛ばされる。

このように、本実施の形態によれば、真空処理装置内のホットプレート３の吸着面３ａのクリーニングを行うことができるので、吸着面３ａの抵抗値を常時一定に保持することができる。すなわち、ホットプレート３内の吸着電極８、９間及び当該吸着電極８、９と処理対象物（図示せず）間に流れる電流を常時一定に保持することができるので、プロセスの際に処理対象物を安定して吸着保持することができ、これによりプロセスの信頼性を向上させることができる。

特に、本実施の形態によれば、種々のプロセスの前後において、真空雰囲気で確実かつ迅速にホットプレート３の吸着面３ａのクリーニングを行うことができる。
また、本実施の形態の真空処理装置１は、加熱用のヒーター１１を有するホットプレート３によって処理対象物を吸着するので、プロセス中に処理対象物の温度を一定に保つことができ、これにより処理対象物に転写されるパーティクルを低減することができる。

また、本実施の形態では、ホットプレート３より大きくこれを吸着面３ａと反対側の下方から支持する台座６がクリーニング電極として構成されていることから、ホットプレート３全体に高周波を印加することができ、これによりホットプレート３の吸着面３ａ上においてエッチングによるクリーニングを均一に行うことができる。

また、本実施の形態では、台座６をクリーニング用ガスのイオンから保護するための保護部材７が台座６とホットプレート３との間に設けられていることから、電離したイオン成分が台座６に直接入射することがなく、その金属部分が削られることがない。

なお、本発明は上述の実施の形態に限られることなく、種々の変更を行うことができる。
例えば、上述の実施の形態においては、クリーニングの際にクリーニング電極である台座６に対して高周波電力を印加するようにしたが、本発明はこれに限られず、クリーニング電極に対して高周波電力を印加するとともに、吸着電極に対して高周波電力を印加することも可能である。

ただし、静電吸着部の吸着面内に衝突するイオンにバラツキが生じない程度で過度にエッチングが行われないように高周波電力を印加することが好ましい。
また、本発明によるクリーニングは、スパッタリング等のプロセスの前後いずれにおいても行うことができるものである。

図３は、本発明の実施例の結果を示すグラフである。
この場合、図１に示す構成の真空処理装置を用い、圧力１０Ｐａ、周波数１３．５６ＭＨｚ、パワー０．１ｋＷの条件で台座に対して高周波電力を印加してクリーニングを行った。

ホットプレート表面に導電性物質が付着すると、図３に示すように、吸着電極間の抵抗値が初期値より増大するが、上述したクリーニング処理を行うことにより、吸着電極間の電流が減少し、初期値に戻っている。

以上より、本発明によれば、静電吸着加熱部の吸着面のクリーニングを確実に行うことが確認できた。

Claims (3)

1. クリーニング用ガスを導入可能な真空処理槽と、
   前記真空処理槽内に設けられ、処理対象物を静電吸着によって保持する静電吸着部と、
   前記静電吸着部に近接して配設され、前記静電吸着部を支持するための台座として構成された金属製のクリーニング電極と、
   前記クリーニング電極と前記静電吸着部との間に設けられ、前記クリーニング電極を前記クリーニング用ガスのイオンから保護するための保護部と、
   前記クリーニング電極に対して１３．５６ＭＨｚの高周波電力を印加する高周波電源とを備え、
   前記静電吸着部が前記処理対象物を保持しない状態で、前記クリーニング電極に対し、５０〜１５０Ｗのパワーで、６０〜９０秒の時間、前記高周波電力を印加してプラズマを発生させ、前記静電吸着部を逆スパッタしてクリーニングを行うように構成されている真空処理装置。
2. 前記静電吸着部が、加熱用のヒーターを有する請求項１記載の真空処理装置。
3. 前記クリーニング電極及び前記保護部は、それぞれの大きさが前記静電吸着部より大きく、かつ、同等の大きさとなるように形成された請求項１又は２のいずれか１項記載の真空処理装置。
   

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