JP6043640B2

JP6043640B2 - 基板吸着検知方法

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Publication number: JP6043640B2
Application number: JP2013015454A
Authority: JP
Inventors: 中村　真也; 真也中村; 藤井　佳詞; 佳詞藤井
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2013-01-30
Filing date: 2013-01-30
Publication date: 2016-12-14
Anticipated expiration: 2033-01-30
Also published as: JP2014146745A

Description

本発明は、基板吸着検知方法に関し、詳細には、吸着手段に吸着された基板に入熱またはこの基板から除熱されたときに、基板が吸着手段に適正に吸着されているか否かを判別するためのものに関する。

例えば、半導体デバイスの製造工程において、シリコンウエハやガラス基板等の処理すべき基板に対して各種処理が施される。この各種の処理中、基板を、ステージ上面に設けた静電チャック等の吸着手段に吸着させ、ステージに組み付けた加熱手段や冷却手段により、基板を加熱または冷却して所定温度に制御する場合がある。このとき、基板が適正に吸着されていないと、つまり、基板が静電チャックのチャックプレートにその全面に亘って確実に吸着されていないと、基板の加熱または冷却時、ステージを介した基板への入熱量または基板からの除熱量が局所的に変化する。このような場合、基板全面に亘って略均一な処理を行うことができない虞がある。

従来、放射温度計を用い、この放射温度計の検出温度に基づき、基板が吸着手段に適正に吸着されているか否か、つまり、吸着不良を判別することが例えば特許文献１で知られている。然し、放射温度計は高価であり、しかも、放射温度計の測定箇所から離れた位置では、基板温度の異常を検知することができないため、基板サイズの大きなものの吸着状態の判別には不向きである。

特開２００４−８７５７１号公報

本発明は、以上の点に鑑み、基板サイズに関係なく、基板が吸着手段に適正に吸着されているか否かを判別することができる簡便な基板吸着検知方法を提供することをその課題としている。

上記課題を解決するために、本発明の基板吸着検知方法は、基板を吸着手段に吸着する吸着工程と、吸着手段に吸着された基板に入熱またはこの基板から除熱されたときに、基板の熱膨張または熱収縮に起因して当該基板が吸着手段から脱離したとき及び脱離した基板が吸着手段に再吸着されたときの少なくとも一方のときに発生する音を集める集音工程と、集音工程で集めた音に基づいて、基板が適正に吸着されているか否かを判別する判別工程とを含むことを特徴とする。

ここで、本発明者らは、鋭意研究を重ね、次のことを知見するのに至った。即ち、吸着手段に吸着された基板に入熱させて所定の処理温度に加熱する場合を例に説明すると、基板が所定温度を超えて加熱されて基板が熱膨張した場合、基板の熱膨張に起因した基板の応力が、吸着手段が基板を吸着する力（拘束力）を超えると、基板が吸着手段から脱離し、その後脱離した基板が吸着手段に再吸着される。このように基板が脱離したときや吸着手段へ再吸着されたときに、特定の強度を持つ音が発生し、また、脱離や再吸着が連続して起こることにより、上記音が所定の期間連続して発生するとの知見をするのに至った。

本発明によれば、上記知見に基づき、基板が吸着手段から脱離したとき及び吸着手段に再吸着されたときの少なくとも一方のときに発生する音を集め、この音に基づいて、基板が適正に吸着されているか否かを判別する。従って、基板サイズに関係なく、基板が吸着手段に適正に吸着されているか否かを関便に判別することができる。この場合、放射温度計に比べて安価な集音手段を設ければよいため、設備コストを低減できる。尚、本発明において、基板が吸着手段から脱離するとは、基板面内のいずれかの箇所にて局所的に脱離する場合だけでなく、基板が跳ね上がって全体的に脱離する場合も含まれるものとする。また、吸着手段に再吸着されたときに発生する音には、基板が跳ね上がって全体的に脱離した後に落下して吸着手段に接触したときに発生する音が含まれるものとする。

本発明において、前記判別工程は、単位時間当たりの音の発生回数及び音の強度のうちの少なくとも一方、または、所定時間内に発生した音の強度を積算した値に基づいて判別を行うことが好ましい。これによれば、吸着手段に基板が適正に吸着されているか否かを確実に判別できることが確認された。尚、単位時間当たりの音の発生回数には、単位時間当たりの音の発生回数の推移が含まれるものとする。同様に、所定時間内に発生した音の強度を積算した値には、その積算値の推移が含まれるものとする。

本発明において、前記吸着手段は酸化アルミニウム製、窒化アルミニウム製または窒化ホウ素製のチャックプレートであることが好ましい。本発明は、このようなチャックプレートにシリコンやガラス製の基板が適正に吸着されているか否かを判別する場合に適している。

本発明の実施形態の基板吸着検知方法を実施する熱処理装置を示す説明図。基板を熱処理する際にチャックプレートで発生する音の波形を示す図。（ａ）〜（ｃ）は、本発明の実験結果を示す図。（ａ）及び（ｂ）は、本発明の実験結果を示す図。

以下、図面を参照して、吸着手段を静電チャックとし、この静電チャックのチャックプレートにシリコンウエハたる基板Ｗを吸着して所定の処理温度（例えば、４００℃）に加熱する工程を含む熱処理を行う際に、基板Ｗが適正に吸着されているか否かを判別する場合を例に、本発明の基板吸着検知方法を説明する。

図１を参照して、Ｍは、本発明の基板吸着検知方法を実施する熱処理装置であり、熱処理装置Ｍは、処理室１０を画成する真空チャンバ１を備える。処理室１０の底部にはステージ２が配置されている。ステージ２は、例えば双極型の静電チャックとして構成され、酸化アルミニウム製、窒化アルミニウム製または窒化ホウ素製のチャックプレート２１と、図示省略の正負の電極が埋設された、例えば、石英板、ステンレス板または銅板で構成されるステージ本体２２とを有する。これら正負の電極には図示省略のチャック電源が接続され、また、チャックプレート２１には加熱手段２１ａたる抵抗加熱式のヒータが組み込まれている。図示省略するが、ステージ２には、昇降自在なリフトピンが組み込まれている。そして、図外の搬送ロボットにより基板Ｗを搬送し、リフトピンの昇降により基板Ｗをその表面を上にしてチャックプレート２１上に載置した後、チャック電源から電極間にチャック電圧（例えば、４００Ｖ）を印加すると、静電吸着により基板Ｗが位置決め保持され、この状態で基板Ｗを所定温度（例えば、４００℃）に加熱保持できるようになっている。

真空チャンバ１の側壁には、アルゴン等の希ガスたる処理ガスを導入するガス管３が接続され、このガス管３には、マスフローコントローラ３１が介設され、図示省略のガス源に連通している。これにより、流量制御された処理ガスを処理室１０に導入できる。

真空チャンバ１の底部には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空排気手段Ｐに通じる排気管４が接続されており、処理室１０内を所定の真空度に保持できるようになっている。

真空チャンバ１の底部開口は、その下側から樹脂やゴムからなる弾性波減衰部材６を介して、ステンレス製で段付きの蓋板５で塞がれており、この蓋板５の上面には上記ステージ２が設置されている。蓋板５の下面には、音Ｓを伝達し得る棒状の伝達手段７１が取り付けられ、この伝達手段７１にはマイク７が取り付けられており、ステージ２で発生した音Ｓを集めることができるようになっている。マイク７の出力は、制御手段Ｃに接続されている。尚、伝達手段７１を介さずにマイク７のみで集音するように構成してもよい。

制御手段Ｃは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備え、マイク７から入力された音Ｓの信号を高速フーリエ変換（ＦＦＴ）して得た周波数スペクトルの波形の各種パラメータに基づいて、マイク７からの音Ｓが対象の音（例えば、５ｋＨｚ〜７ｋＨｚの周波数でピークを持つ音波）であるか否かを判断し、単位時間あたりの対象の音の発生回数及びその音の強度（振幅）の少なくとも一方を算出する。そして、算出した単位時間あたりの音の発生回数及び音の強度の少なくとも一方を、予め求めておいた適正に基板Ｓが吸着された場合のものと比較することにより、ステージ２に基板Ｗが適正に吸着されているか否かを判別する。尚、対象の音の周波数を予め確定できる場合には、上記高速フーリエ変換を使用せず、バンドパスフィルターなどのフィルターを設けて特定周波数の音のみを通過させて制御手段Ｃに取り込むようにしてもよい。また、制御手段Ｃは、上記ヒータ２１ａの稼働、マスフローコントローラ３１の稼働や真空排気手段Ｐの稼働等を統括管理するようになっている。以下、図２も参照して、本実施形態の基板吸着検知方法について、上記熱処理装置Ｍを用いて基板Ｗの熱処理を行う場合を例に説明する。尚、図２には、マイク７で集音される広範囲の周波数の音のうち、特定の周波数の音のみを示している。

先ず、図外の搬送ロボットにより処理室１０に基板Ｗを搬入し、リフトピンを上昇させて基板Ｗを受け渡す。そして、処理室１０から搬送ロボットを退避させた後、リフトピンを下降させて基板Ｗをその表面を上にしてステージ２のチャックプレート２１上に載置する。次いで、時刻ｔ１にて、チャック電源から電極にチャック電圧（ＥＳＣ電圧）を印加する。チャック電圧は目標電圧（例えば４００Ｖ）まで徐々に上昇し、チャック電圧が所定電圧に達する時刻ｔ３にて、基板Ｗがチャックプレート２１に静電吸着される（吸着工程）。ここで、ステージ２をヒータ２２ａにより所定の処理温度（例えば、４００℃）に加熱しておくことで、チャックプレート２１に吸着された基板Ｗに入熱され、基板温度が上昇し始める。

ここで、チャックプレート２１に吸着された基板Ｗに入熱させて所定の熱処理温度に加熱する場合、基板Ｗが所定温度を超えて加熱されて基板Ｗが熱膨張するとき、基板Ｗの熱膨張に起因したチャックプレート２１から脱離しようとする基板の応力が、静電チャックが基板を吸着する力（拘束力）を超えると、基板面内の少なくともいずれかの箇所にてチャックプレート２１から脱離し、その後にチャックプレート２１に再吸着される。尚、基板Ｗの脱離には、局所的に脱離する場合だけでなく、基板が跳ね上がって全体的に脱離する場合も含む。このように基板が脱離したときや再吸着されたときに、特定の強度を持つ音Ｓが発生する。基板温度が目標温度（例えば、４００℃）に近い温度に達する時刻ｔ３までの期間、上記脱離や再吸着が連続して起こることにより、音Ｓが連続して発生する。このように発生した音（音波）Ｓはステージ２及び蓋板５を伝播する。本実施形態では、蓋板５に伝達手段７１を介してマイク７を接続して設け、このマイク７により、基板が脱離したとき及び再吸着されるときの少なくとも一方のときに発生した音Ｓを集めるように構成する（集音工程）。マイク７で集められた音Ｓは制御手段Ｃに入力される。尚、基板温度が目標温度に達した時刻ｔ４にて熱処理を開始し、所定の処理時間が経過した時刻ｔ５にて熱処理を終了した後、時刻ｔ６にてチャック電圧の印加を停止する。

制御手段Ｃでは、上記マイク７からの音信号を高速フーリエ変換して周波数スペクトルの波形を得て、この周波数スペクトルの波形の各種パラメータに基づいて、マイク７からの音Ｓが対象の音（例えば、５ｋＨｚ〜７ｋＨｚの周波数でピークを持つ音波）であるか否かを判断し、対象の音のみを抽出し、単位時間あたりの音の発生回数及びその音の強度のうちの少なくとも一方を算出する。本発明において、音の発生回数とは、音の信号強度が閾値（例えば、０．１Ｖ）を超えた回数をいう。図２に示す例では、音の強度（振幅）は、１Ｖと算出される。

ここで、基板Ｗがチャックプレート２１に適正に吸着されていない場合、適正に吸着されている場合に比べて静電チャックによる基板Ｗの拘束力が弱い。拘束力が弱いと、基板の熱膨張により基板裏面とチャックプレート（吸着手段）表面との間に発生した剪断応力に対してスリップが発生し、これにより応力が緩和されて音の発生回数が減ったり、基板が適正に吸着された場合と比較して基板温度の上昇速度が低下するため、音が発生するタイミングが遅くなったり、スリップが発生しない範囲で拘束力が弱くなった場合には、基板の局所的に脱離する範囲が拡大して音の強度が大きくなったりする。そこで、基板Ｗが適正に吸着されている場合の単位時間当たりの音の発生回数及び音の強度のうちの少なくとも一方を参照データとして予め求めておき、実際の算出データを参照データと比較することによって、基板Ｗが適正に吸着されているか否かを判別することができる（判別工程）。適正に吸着されていないと判別されたときは、チャック電圧の印加を停止し、それ以降の熱処理装置Ｍによる処理（例えば、熱処理）を中止すればよい。

以上説明したように、チャックプレート２１に吸着された基板Ｗに入熱された場合に、基板がチャックプレート２１から脱離したとき及びその後に再吸着されたときの少なくとも一方のときに発生する音Ｓを集めればよいため、基板サイズに関係なく、基板Ｗが適正に吸着されているか否かを簡便に判別することができる。安価なマイク７を設ければよいため、放射温度計を設ける場合に比べて設備コストを低減できる。しかも、チャックプレート２１を交換したときに、面倒なマイク７の校正作業を行う必要がない。

次に、本発明の効果を確認するために、上記構成の熱処理装置Ｍを用いて以下の実験を行った。実験１では、基板Ｗとしてφ３００ｍｍのシリコンウエハ（２５℃）を用い、この基板Ｗを処理室１０内に搬送し、リフトピンを昇降させて基板Ｗを予め４００℃に加熱保持されたチャックプレート２１上に載置し、チャック電圧（４００Ｖ）を印加して基板Ｗを適正に静電吸着し、この吸着した基板Ｗが４００℃に昇温されるまでの間、チャックプレート２１で発生した音Ｓをマイク７で集めた。図３（ａ）に示すように、実験１では、単位時間（１ｓｅｃ）当たりの音の発生回数が３回、音の強度（最大振幅）が１．０Ｖであった。

これに対し、実験２では、基板Ｗを意図的にずらしてチャックプレート２１上に載置し、チャック電圧（４００Ｖ）を印加して、基板Ｗの半分程度しか静電チャックにより吸着されないようにした。このように基板Ｗが適正に吸着されていない場合でも、基板Ｗの温度測定位置が吸着されていれば、図３（ｂ）に示すように、基板温度の上昇速度は上記実験１と同様となり、基板温度に基づき基板Ｗが適正に吸着されているか否かを判別できない。然し、実験２では、上記実験１と比較して、単位時間（１ｓｅｃ）当たりの音の発生回数が１回と少なく、音の強度も０．５Ｖと小さいことが確認された。また、音の発生が終了するタイミング（時刻ｔ３）が、上記実験１と比べて遅いことが確認された。

実験３では、表面に異物が存在するチャックプレート２１上に基板Ｗを載置し、チャック電圧を印加し、マイク７で集音した。この場合、異物により基板Ｗが全く吸着されず、図３（ｃ）に示すように、基板温度は殆ど上昇しない。このため、基板Ｗの熱膨張が起こらず、音が発生しないことが確認された。断線等によりチャック電圧が印加できない場合も同様に、音が発生しないことが確認された。

実験４では、表面全体に薄膜（例えば、１００μｍ程度の窒化ホウ素膜）が形成されたチャックプレート２１上に基板Ｗを載置し、チャック電圧を印加し、マイクで集音した。この場合、基板温度が目標温度（４００℃）付近まで上昇すると、基板Ｗの外周だけが吸着された状態となり、基板Ｗが適正に吸着されない。この場合、基板Ｗが真上に跳ね上がって全体的に脱離し、この脱離した基板Ｗが落下してチャックプレート２１に接触して再吸着されるが、脱離は一瞬だけ起こるため、図４（ａ）に示すように、基板温度の上昇速度は上記実験１と同様になり、基板温度だけでは基板Ｗ適正に吸着されているか否かを判別できない。然し、実験４では、上記実験１と比較して音の強度が２．５Ｖと高いことが確認された。

実験５では、表面に反りのあるチャックプレート上に基板Ｗを載置し、チャック電圧を印加し、マイク７で集音した。このようにチャックプレート表面に反り（又はうねり）がある場合でも、静電チャックの吸着力が強ければ、基板Ｗはチャックプレート表面に沿った形で吸着される。然し、基板Ｗが熱膨張した際には基板Ｗの持つ応力が大きくなるため、チャックプレートの反りが大きな部分で基板の応力が静電チャックの吸着力を超えて、基板Ｗがチャックプレートから脱離する。例えば、中央部よりも外周部が高くなるような反りのあるチャックプレートを用いる場合、基板の中央部は吸着されたままであるが、基板外周部が脱離する。この場合、基板Ｗの中央部が温度測定位置であると、図４（ｂ）に示すように、基板温度の上昇速度は上記実験１と同様になり、基板温度に基づき基板Ｗが適正に吸着されているか否かを判別できない。然し、実験５では、上記実験１と比較して、音の強度が２．５Ｖと高いことが確認された。

上記実験によれば、基板Ｗの昇温過程にて単位時間当たりの音の発生回数及び音の強度の少なくとも一方を求め、基板Ｗが適正に吸着された場合のものと比較することにより、基板Ｗが適正に吸着されているか否かを判別できることが判った。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明はこれに限定されない。例えば、上記実施形態は、シリコンウエハの吸着状態を判別する場合を例に説明したが、基板はシリコンウエハに限らず、ガラスやガリウムヒ素からなる基板の吸着状態を判別する場合にも同様に本発明を適用できる。

上記実施形態では、予め加熱されたチャックプレート２１に基板Ｗを静電吸着して入熱する場合について説明したが、チャックプレート２１に基板Ｗを静電吸着した後、ヒータ２１ａによりチャックプレート２１を加熱して基板Ｗに入熱してもよい。

また、上記実施形態では、チャックプレート２１に吸着された基板Ｗに入熱されたときに基板Ｗの吸着状態を判別する場合について説明したが、チャックプレート２１に吸着された高温の基板Ｗから除熱されたときに基板Ｗの吸着状態を判別する場合にも同様に本発明を適用できる。この場合、基板Ｗの熱収縮に起因した基板Ｗの応力が、静電チャックの吸着力（拘束力）を超えると、基板Ｗがチャックプレート２１から脱離したとき、及び脱離した基板Ｗがチャックプレート２１に再吸着されたときに音が発生する。ここで、基板Ｗが適正に吸着されていない場合、適正に吸着されている場合に比べて静電チャックの拘束力が弱いため、降温（冷却）過程でチャックプレート２１から脱離する回数が多くなって単位時間当たりの音の発生回数が多くなったり、音の強度が大きくなったりする。

ところで、上記実施形態では、単位時間当たりの音の発生回数を求める場合を例に説明したが、単位時間当たりの音の発生回数の推移を求めるようにしてもよい。ここで、基板の昇温速度が速い場合には、単位時間当たりの音の発生回数が急激に増大した後、比較的早期に減少に転じるのに対し、昇温速度が遅い場合には、単位時間当たりの音の発生回数が緩やかに増大し、昇温過程の終了直前でも減少しない。これにより、音の発生回数の推移から昇温速度が適正であるか否かを判別し、その判別結果に基づき基板が適正に吸着されているか否かを判別することができる。また、音の発生回数の推移から、チャックプレート２１の状態変化（経年劣化やゴミ付着）を判別することもできる。

さらに、基板が適正に吸着されているか否かの判別をより精度良く行うために、所定時間内（昇温期間）に発生した音の強度を積算した値、所定時間内の音の発生回数の総数、音強度が閾値を超えてからその閾値または別の閾値を下回るまでの時間、及び、集めた音のＦＦＴ変換後のピーク周波数のうちから選択された少なくとも１つに基づいて、判別を行うようにしてもよく、上記単位時間当たりの音の発生回数や音の強度と組み合わせてもよい。尚、音強度の積算には、閾値を超えた音の強度（振幅）を積算することだけでなく、所定時間の音強度波形を積分することや、この音強度波形のうち閾値を超える部分を積分することも含まれるものとする。

Ｗ…基板、１…処理室、２１…チャックプレート（吸着手段）、７…マイク（集音手段）。

Claims

基板を吸着手段に吸着する吸着工程と、
吸着手段に吸着された基板に入熱またはこの基板から除熱されたときに、基板の熱膨張または熱収縮に起因して当該基板が吸着手段から脱離したとき及び脱離した基板が吸着手段に再吸着されたときの少なくとも一方のときに発生する音を集める集音工程と、
集音工程で集めた音に基づいて、基板が適正に吸着されているか否かを判別する判別工程とを含むことを特徴とする基板吸着検知方法。
前記判別工程は、単位時間当たりの音の発生回数及び音の強度のうちの少なくとも一方、または、所定時間内に発生した音の強度を積算した値に基づいて判別を行うことを特徴とする請求項１記載の基板吸着検知方法。
前記吸着手段は酸化アルミニウム製、窒化アルミニウム製または窒化ホウ素製のチャックプレートであることを特徴とする請求項１または２記載の基板吸着検知方法。