(57)【要約】【課題】基板吸着力を正確にモニタすることが可能な基板吸着システム２を提供する。【解決手段】基板５を吸着するホットプレート１２と、ホットプレート１２の表面に形成されたガス充填室２０と、ガス充填室２０に不活性ガスを供給するガス流路２５と、圧力計２３の測定結果に基づいて、流量制御バルブ２４の開度を調節し、ガス充填室２０内のガス圧力を所定圧力に制御する制御部３０と、流量制御バルブ２４の上流側に配置され、ガス流路２５のガス流量を測定する流量センサ２７と、流量センサ２７の上流側に配置され、ガス流路２５を開閉する遮断弁２８と、を有することを特徴とする。【選択図】図１
2008159875.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
基板を吸着するテーブルと、
前記テーブルの表面に形成されたガス充填室と、
前記ガス充填室に不活性ガスを供給するガス流路と、
前記ガス充填室内のガス圧力を測定する圧力計と、
前記ガス充填室に流入するガス流量を制御する流量制御バルブと、
前記圧力計の測定結果に基づいて、前記流量制御バルブの開度を調節し、前記ガス充填室内のガス圧力を所定圧力に制御する制御部と、
前記ガス流路における前記流量制御バルブの上流側に配置され、前記ガス流路のガス流量を測定する流量センサと、
前記ガス流路における前記流量センサの上流側に配置され、前記ガス流路を開閉する遮断弁と、
を有することを特徴とする基板吸着システム。
【請求項２】
前記遮断弁から前記流量制御バルブまでの前記ガス流路の容積が、前記流量制御バルブから前記ガス充填室までの前記ガス流路および前記ガス充填室の容積より、大きくなっていることを特徴とする請求項１に記載の基板吸着システム。
【請求項３】
前記流量制御バルブから前記ガス充填室までの前記ガス流路に、絞り流路が設けられていないことを特徴とする請求項１または請求項２に記載の基板吸着システム。
【請求項４】
一つの不活性ガス供給手段から複数の半導体製造モジュールに対して不活性ガスが供給される半導体製造装置であって、
少なくとも一つの前記半導体製造モジュールに、請求項１ないし請求項３のいずれか１項に記載の基板吸着システムが採用されていることを特徴とする半導体製造装置。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、基板吸着システムおよび半導体製造装置に関するものである。
【背景技術】
【０００２】
真空中で基板を加熱（または冷却）するため、基板を静電吸着する静電チャックホットプレート（以下、単に「ホットプレート」という。）が利用されている。このホットプレートは、セラミックからなる基材中に、加熱電極および静電吸着電極を埋め込んで構成されている。その静電吸着電極に直流電源から電圧を印加することによって、基板を静電吸着しうるようになっている。また、静電吸着された基板とホットプレートとの熱伝達率を向上させるため、基板とホットプレートとの間にガス充填室が形成されている。
【０００３】
ところで、ホットプレートによる基板の静電吸着力の強弱が、半導体製造プロセスに影響を及ぼして、基板上に形成される半導体デバイスの特性を左右する場合がある。そのため、基板の静電吸着力をモニタする必要がある。静電吸着力が低下すると、ホットプレートと基板との間に隙間が生じ、その隙間を通って、ガス充填室に充填された不活性ガスが流出する。そのガス流量を検出することにより、静電吸着力をモニタする方法が採用されている。
【０００４】
例えば特許文献１には、基板−試料台間の隙間に不活性ガスを供給する静電吸着ホルダにおいて、不活性ガスを流す通路に真空計を設け、真空計で計測された圧力が設定値より小さくなったときにのみ不活性ガスを上記隙間に供給するマスフローコントローラを設ける構成が記載されている。そして、不活性ガスの供給量が設定値より大きくなったとき、静電吸着力が低下したと判断している。
【特許文献１】特開平１１−３０７６２１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
しかしながら、一般にマスフローコントローラのようなガス流量測定手段は、その上流側と下流側との圧力差からガス流量を算出している。そのため、マスフローコントローラの上流側に圧力変動が発生した場合には、ガス流量が誤って算出されることになり、静電吸着力の正確なモニタが不可能になるという問題がある。特に、単一の不活性ガス供給源から複数の半導体製造モジュールに不活性ガスを供給する場合には、一部の半導体製造モジュールにおける不活性ガスの利用状態に応じて、不活性ガスの供給圧力が変動するおそれがある。その圧力変動の影響が、前記ホットプレートを設けた半導体製造モジュールに及んで、マスフローコントローラに正確なガス流量を出力させることが困難になる。
【０００６】
なお、マスフローコントローラの上流側に圧力レギュレータを設けて、圧力一定制御を行うことも考えられる。しかしながら、圧力レギュレータは設定圧力を中心に所定幅をもって制御するため、マスフローコントローラが出力する流量は変動することになる。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、基板吸着力を正確にモニタすることが可能な基板吸着システムの提供を目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するため、本発明に係る基板吸着システムは、基板を吸着するテーブルと、前記テーブルの表面に形成されたガス充填室と、前記ガス充填室に不活性ガスを供給するガス流路と、前記ガス充填室内のガス圧力を測定する圧力計と、前記ガス充填室に流入するガス流量を制御する流量制御バルブと、前記圧力計の測定結果に基づいて、前記流量制御バルブの開度を調節し、前記ガス充填室内のガス圧力を所定圧力に制御する制御部と、前記ガス流路における前記流量制御バルブの上流側に配置され、前記ガス流路のガス流量を測定する流量センサと、前記ガス流路における前記流量センサの上流側に配置され、前記ガス流路を開閉する遮断弁と、を有することを特徴とする。
【０００９】
この構成によれば、ガス充填室内のガス圧力を所定圧力に制御する制御部を備えているので、テーブルと基板との熱伝達率を確保することが可能になり、基板の加熱および冷却を効率よく行うことができる。また、流量センサの上流側にガス流路を開閉する遮断弁を備えているので、この遮断弁を閉じることにより、流量センサの上流側の圧力変動が流量センサに及ぶのを防止することが可能になる。したがって、流量センサに正確なガス流量を出力させることが可能になり、基板吸着力を正確にモニタすることができる。
【００１０】
前記遮断弁から前記流量制御バルブまでの前記ガス流路の容積が、前記流量制御バルブから前記ガス充填室までの前記ガス流路および前記ガス充填室の容積より、大きくなっていることが望ましい。
この構成によれば、遮断弁から流量制御バルブまでのガス流路に蓄圧された不活性ガスを利用して、ガス充填室を所定圧力に制御することができる。
【００１１】
前記流量制御バルブから前記ガス充填室までの前記ガス流路に、絞り流路が設けられていないことが望ましい。
この構成によれば、流量制御バルブにおける不活性ガスのリークを正確に検出することができる。
【００１２】
本発明に係る半導体製造装置は、一つの不活性ガス供給手段から複数の半導体製造モジュールに対して前記不活性ガスが供給される半導体製造装置であって、少なくとも一つの前記半導体製造モジュールに、上述した基板吸着システムが採用されていることを特徴とする。
この構成によれば、一部の半導体製造モジュールにおける不活性ガスの利用状態に応じて不活性ガスの供給圧力が変動した場合でも、前記基板吸着システムを採用した半導体製造モジュールにおける流量センサに対して、その圧力変動の影響が及ぶのを防止することができる。したがって、基板吸着力を正確にモニタすることができる。
【発明の効果】
【００１３】
本発明によれば、流量センサの上流側にガス流路を開閉する遮断弁を備えているので、流量センサの上流側の圧力変動が流量センサに及ぶのを防止することができる。したがって、流量センサに正確なガス流量を出力させることが可能になり、基板吸着力を正確にモニタすることが可能な基板吸着システムを提供することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、本発明の実施形態につき、図面を参照して説明する。
図１は、本実施形態に係る基板吸着システムおよび半導体製造装置の概略構成図である。本実施形態に係る基板吸着システム２は、基板５を静電吸着するホットプレート（テーブル）１２と、ホットプレート１２の表面に形成されたガス充填室２０と、ガス充填室２０に不活性ガスを供給するガス流路２５と、ガス充填室２０内のガス圧力を測定する圧力計２３と、ガス充填室２０に流入するガス流量を制御する流量制御バルブ２４と、圧力計２３の測定結果に基づいて、流量制御バルブ２４の開度を調節し、ガス充填室２０内を一定圧力に制御する制御部３０と、ガス流路２５における流量制御バルブ２４の上流側に配置され、ガス流路２５のガス流量を測定する流量センサ２７と、ガス流路２５における流量センサ２７の上流側に配置され、ガス流路２５を開閉する遮断弁２８と、を有するものである。
【００１５】
また本実施形態に係る半導体製造装置１００は、一つの不活性ガス供給手段５０から複数の半導体製造モジュール１，４０に対して不活性ガスが供給される半導体製造装置１００であって、少なくとも一つの半導体製造モジュール１に、上述した基板吸着システム２が採用されているものである。なお以下には、上述した基板吸着システム２をスパッタモジュール１に採用した場合を例にして説明する。
【００１６】
スパッタモジュール１は、チャンバ１０と、チャンバ１０内を減圧する真空ポンプ１８とを備えている。チャンバ１０の内部には、被処理基板（以下、単に基板という。）５を載置するホットプレート１２が金属製台座上に設けられている。ホットプレート１２には、基板５を加熱するためのヒータ電極１４と、基板５を静電吸着するための吸着電極１６とが設けられている。この吸着電極１６に直流電圧を印加することにより、ホットプレート１２の表面に基板５を静電吸着しうるようになっている。
【００１７】
ホットプレート１２の表面には、不活性ガスを充填するガス充填室２０が形成されている。ガス充填室２０は、ホットプレート１２の周縁部以外の領域に、１個または複数個が形成されている。ホットプレート１２の表面に基板５が静電吸着されると、ガス充填室２０が基板５およびホットプレート１２に囲まれて密閉されるようになっている。ガス充填室２０には、アルゴン（Ａｒ）やヘリウム（Ｈｅ）、窒素（Ｎ２）など、基板５に影響を及ぼさず、なおかつ熱伝導率の高い不活性ガスが、伝熱ガスとして充填される。これにより、ホットプレート１２から基板５への熱伝達率を確保しうるようになっている。
【００１８】
ガス充填室２０には、不活性ガスを供給するガス流路２５が接続されている。ガス流路２５には、ガス充填室２０内のガス圧力を測定する圧力計２３と、ガス充填室２０に流入するガス流量を制御する流量制御バルブ２４とが設けられている。流量制御バルブ２４は、電磁弁等で構成されている。また圧力計２３は、流量制御バルブ２４からガス充填室２０までのガス流路２５に接続され、ガス充填室２０内のガス圧力を測定しうるようになっている。圧力計２３および流量制御バルブ２４は、制御部３０に接続されている。制御部３０は、圧力計２３によるガス充填室２０内の圧力測定結果を常時モニタし、ガス充填室２０内が一定圧力となるように流量制御バルブ２４の開度を調節するものである。
【００１９】
ガス流路２５における流量制御バルブ２４の上流側（不活性ガス供給手段５０側）には、流量センサ２７が設けられている。この流量センサ２７は、その上流側と下流側とのガス圧力差を測定し、ガス流路２５を流れるガス流量を算出するものである。ガス流路２５における流量センサ２７の上流側には、ガス流路を開閉する遮断弁２８が設けられている。この遮断弁２８を閉じることにより、流量センサ２７の上流側の圧力変動が流量センサ２７に及ぶの防止することができる。
【００２０】
ここで、遮断弁２８の上流側のガス流路２５を第１ガス流路２５ａと呼び、遮断弁２８から流量制御バルブ２４までのガス流路２５を第２ガス流路２５ｂと呼び、流量制御バルブ２４からガス充填室２０までのガス流路２５を第３ガス流路２５ｃと呼ぶ。第２ガス流路２５ｂの容積Ｖｂは、第３ガス流路２５ｃおよびガス充填室２０の容積Ｖｃより、大きくなっていることが望ましい。これにより、第２ガス流路２５ｂに蓄圧された不活性ガスを利用して、ガス充填室２０を所定圧力に制御することができる。
【００２１】
ところで、ホットプレート１２に基板５が載置されていない状態では、不活性ガスがチャンバ１０内に流出するのを防止するため、流量制御バルブ２４を閉じておく必要がある。ここで、上述した流量センサ２７によるガス流量の算出結果から、流量制御バルブ２４における不活性ガスのリークを検出することができる。なお、第３ガス流路２５ｃには、オリフィス等の絞り流路が形成されていないことに留意されたい。絞り流路が存在するとガス流量が小さくなるので、流量制御バルブ２４のリークを検出できなくなる可能性があるからである。
【００２２】
第１ガス流路２５ａは、不活性ガス供給手段５０に接続されている。なお不活性ガスは、不活性ガスとして利用されるだけでなく、様々な半導体プロセスで利用される。そのため、１個の不活性ガス供給手段５０から複数の半導体製造モジュール１，４０に対して不活性ガスが供給されるようになっている。具体的には、不活性ガス供給手段５０から不活性ガス供給配管５２が延設され、その不活性ガス供給配管５２から分岐された第１ガス流路２５ａがスパッタモジュール１のホットプレート１２に接続され、また不活性ガス供給配管５２から分岐された他のガス流路４５が他の半導体製造モジュール４０に接続されている。なお、他のガス流路４５にも遮断弁４８を設けておくことが望ましい。この遮断弁４８を閉じておけば、他の半導体製造モジュール４０における不活性ガスの利用状態にかかわらず、不活性ガス供給配管５２において不活性ガス供給圧力が変動するのを防止することができる。
【００２３】
（作用）
次に、本実施形態に係る基板吸着システム２および半導体製造装置１００の使用方法および作用について説明する。
まず、真空ポンプ１８によりチャンバ１０の内部を真空引きする。上述したように、ホットプレート１２に基板５が載置されていない状態では、不活性ガスがチャンバ１０内に流出するのを防止するため、流量制御バルブ２４を閉鎖しておく。一方、遮断弁２８は開放して、第２ガス流路２５ｂに不活性ガスを導入する。これにより、第２ガス流路２５ｂのガス圧力Ｐｂが、第３ガス流路２５ｃのガス圧力Ｐｃより大きくなる。
【００２４】
次にホットプレート１２の表面に基板５を載置し、吸着電極１６に直流電圧を印加して、ホットプレート１２の表面に基板５を静電吸着する。これによりガス充填室２０が密閉される。次に遮断弁２８を閉鎖して、第１ガス流路２５ａから第２ガス流路２５ｂを分離する。次に流量制御バルブ２４を開いて、第３ガス流路２５ｃに不活性ガスを導入する。
図２は、ガス流量およびガス圧力の経時変化の一例を示すグラフである。グラフＡに示すように、不活性ガスの導入開始から約２０秒間でガス流量を直線的に増加させ、グラフＣに示すように、ガス充填室２０の圧力を約２００Ｐａまで直線的に上昇させる。
【００２５】
次に、図１に示す制御部３０により、第３ガス流路２５ｃを所定圧力に制御する。具体的には、圧力計２３によるガス充填室２０内の圧力測定結果を常時モニタし、ガス充填室２０内が所定圧力となるように、流量制御バルブ２４の開度を調節する。
図２において、グラフＣに示すようにガス充填室２０の圧力が２００Ｐａとなった時点で、流量制御バルブ２４の開度を絞り、グラフＡに示すようにガス流量を減少させる。その後は、流量制御バルブ２４の開度を調節してガス流量を微調整しつつ、グラフＣに示すようにガス充填室２０の圧力を約２００Ｐａの一定圧力に制御する。
【００２６】
これにより、図１に示すガス充填室２０に所定圧力の不活性ガスが充填される。不活性ガスの熱伝導率は高いので、ガス充填室２０を設けない場合に比べて、ホットプレート１２と基板５との熱伝達率を向上させることができる。これにより、基板５の加熱および冷却を効率よく行うことが可能になり、製造コストを低減することができる。
【００２７】
ところで、ホットプレート１２と基板５との間には、不可避的にわずかな隙間が存在する。この隙間を通って、ガス充填室２０内の不活性ガスが、真空引きされたチャンバ１０内に流出する。これにより、ホットプレート１２と基板５との熱伝達率が低下することになる。
しかしながら、不活性ガスの流出によりガス充填室２０の圧力が低下すると、制御部３０が流量制御バルブ２４の開度を増加させてガス流量を増加させ、ガス充填室２０を所定圧力に復帰させる。これにより、ガス充填室２０を所定圧力に保持することができる。これに伴って、ホットプレート１２と基板５との熱伝達率の低下を抑制することが可能になり、基板の加熱および冷却を効率よく行うことができる。
【００２８】
ただし、基板５および／またはホットプレート１２が変形した場合や、静電吸着力が低下した場合などには、ホットプレート１２と基板５との隙間が大きくなる。これにより、基板５に対する加熱および冷却が不均一となり、基板上に形成される半導体デバイスの特性がばらつくことになる。
ホットプレート１２と基板５との隙間が大きくなると、その隙間を通って流出する不活性ガスの流量が増加する。そこで、流量センサ２７によりガス流量をモニタし、ガス流量が所定値を超えた場合には、基板吸着状態が異常であると判断する。異常と判断した場合には、流量制御バルブ２４の閉鎖や、作業者への警報出力などの措置をとる。これにより、半導体デバイスの不良発生を防止することができる。
【００２９】
上述したように、流量センサ２７は、その上流側と下流側とのガス圧力差に基づいてガス流量を算出するものである。ところが、単一の不活性ガス供給手段５０から複数の半導体製造モジュール１，４０に不活性ガスを供給する場合には、一部の半導体製造モジュール４０における不活性ガスの利用状態に応じて、不活性ガスの供給圧力が変動するおそれがある。その圧力変動の影響は、スパッタモジュール１の第１ガス流路２５ａにも及ぶことになる。そのため、遮断弁２８がない場合には、流量センサ２７が誤ったガス流量を出力するおそれがある。
【００３０】
図３はガス流量の誤検出の説明図であり、流量センサから出力されたガス流量を縦軸にとり、時間を横軸にとっている。上述したようにホットプレート１２と基板５との間には不可避的にわずかな隙間が存在するので、グラフＥに示すように定常的なガス流量が発生している。遮断弁２８がない場合には、時刻Ｔにおいて第１ガス流路２５ａ内のガス圧力Ｐａが低下し、第２ガス流路２５ｂのガス圧力Ｐｂより低くなると、グラフＤに示すように流量センサ２７はマイナス方向（不活性ガス供給手段５０に向かう方向）のガス流量を出力する。逆に、第１ガス流路２５ａ内のガス圧力Ｐａが上昇し、第２ガス流路２５ｂのガス圧力Ｐｂより高くなると、流量センサ２７はプラス方向（流量制御バルブ２４に向かう方向）のガス流量を出力する。現実には流量制御バルブ２４が存在するため、定常的なガス流量のみが発生しているにもかかわらず、流量センサ２７からの出力はそれとは異なるものになる。
【００３１】
ここで、流量センサ２７の上流側に圧力レギュレータを設けて、圧力一定制御を行うことも考えられる。しかしながら、圧力レギュレータは設定圧力を中心に所定幅をもって調圧動作を行うため、図２のグラフＢに示すように、流量センサからの出力波形にはスパイク状の乱れが確認される。近年の半導体製造プロセスでは、各工程の時間短縮が進んでいるため、短時間で静電吸着力の異常を判断する必要がある。したがって、短時間であっても出力波形の乱れる圧力レギュレータを採用することは困難である。
【００３２】
これに対して本実施形態では、流量センサ２７の上流側に、ガス流路２５を開閉する遮断弁２８を設けている。この遮断弁２８を閉じることにより、流量センサ２７の上流側の圧力変動が流量センサ２７に及ぶのを防止することができる。したがって、流量センサ２７に正確なガス流量を出力させることが可能になり、ホットプレートの静電吸着力を正確にモニタすることができる。
【００３３】
なお静電吸着力をモニタする手法として、上述したガス流量をモニタする方法のほかに、（１）基板温度をモニタする方法、（２）基板から吸着電極に流れる直流電流をモニタする方法が考えられる。
（１）の基板温度をモニタする方法では、計測機器のキャリブレーションを行う必要がある。キャリブレーションは、素性のはっきりした温度測定用基板を用いて、使用温度範囲内で、ホットプレートと温度測定用基板との温度を比較することによって行う。しかしながら、半導体基板のように、複数の工程を通過した基板の裏面状態は、温度測定用基板の裏面状態とは異なっていることがほとんどであり、測定値に対して誤差を含んでしまう。また加熱を必要としない（室温に近い）プロセスでは、静電吸着された基板に温度変化がないため、モニタとして使用することは困難である。
【００３４】
（２）の静電吸着時の微小な電流値をモニタする方法では、印加するチャック電圧を一定にした場合でも、基板裏面の膜種・膜厚によって電流値が変化するため、正確なモニタが困難である。なお静電吸着を行う際の吸着原理は、ジョンセンラーベック力とクーロン力に区別される。ジョンセンラーベック力を用いた場合には、基板から吸着電極に微小電流が流れるが、クーロン力を用いた場合には電流が流れないため、モニタすることは不可能である。
これに対して、本実施形態の基板吸着システムを用いてガス流量をモニタすれば、上述したように静電吸着力を正確にモニタすることができるのである。
【００３５】
なお、本発明の技術範囲は、上述した実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において、上述した実施形態に種々の変更を加えたものを含む。すなわち、実施形態で挙げた具体的な材料や構成などはほんの一例に過ぎず、適宜変更が可能である。
【００３６】
例えば、本実施形態ではスパッタモジュールに本発明の基板吸着システムを適用したが、これ以外の基板吸着を伴う半導体製造モジュールに本発明の基板吸着システムを適用することも可能である。また、本実施形態では基板を静電吸着する場合に本発明の基板吸着システムを適用したが、これ以外の吸着原理で基板を吸着する場合に本発明の基板吸着システムを適用することも可能である。
【図面の簡単な説明】
【００３７】
【図１】実施形態に係る半導体製造装置および基板吸着システムの概略構成図である。
【図２】ガス流量およびガス圧力の経時変化の一例を示すグラフである。
【図３】ガス流量の誤検出の説明図である。
【符号の説明】
【００３８】
１…スパッタモジュール（半導体製造モジュール）  ２…基板吸着システム  ５…基板  １２…ホットプレート（テーブル）  ２０…ガス充填室  ２３…圧力計  ２４…流量制御バルブ  ２５…ガス流路  ２７…流量センサ  ２８…遮断弁  ３０…制御部  ４０…半導体製造モジュール  ５０…不活性ガス供給手段  １００…半導体製造装置
【図１】
2008159875.tif 000003
【図２】
2008159875.tif 000004
【図３】
2008159875.tif 000005