プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法
【課題】ステージ温度変化など運用条件の変更に対応し、突入電流の発生や過剰なＥＳＣ電流が流れることを防ぎ、なおかつ伝熱用ガスを導入する時点で裏面圧力以上の静電吸着力を発生させる。
【解決手段】被処理基板をプラズマ処理するための処理室と、該処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、処理室内に設けられ被処理基板を保持する静電吸着膜を備えたステージを具備したプラズマ処理装置において、静電吸着膜と被処理基板間に流れるＥＳＣ電流の電流値を検知し、ＥＳＣ電流の値で吸着条件を設定し、ＥＳＣ電流が設定した制御範囲内に収まるようにＥＳＣ電流を検知しながら吸着電圧を段階的にステージに印加し、ＥＳＣ電流が制御範囲内に収まったことを検知した後に伝熱用ガスを導入する。
【解決手段】被処理基板をプラズマ処理するための処理室と、該処理室内にプラズマを発生させるプラズマ発生手段と、処理室内に設けられ被処理基板を保持する静電吸着膜を備えたステージを具備したプラズマ処理装置において、静電吸着膜と被処理基板間に流れるＥＳＣ電流の電流値を検知し、ＥＳＣ電流の値で吸着条件を設定し、ＥＳＣ電流が設定した制御範囲内に収まるようにＥＳＣ電流を検知しながら吸着電圧を段階的にステージに印加し、ＥＳＣ電流が制御範囲内に収まったことを検知した後に伝熱用ガスを導入する。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電吸着に要する直流電圧を印加した際に発生する突入電流を抑え、プラズマ処理装置を安定に運用し、製品不良の低減およびプロセス性能向上を目的とするものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程における薄膜形成やプラズマエッチング等を行うプラズマ処理装置では、シリコンウエハ等の被処理基板をステージに保持する方法として静電吸着が用いられている。静電吸着は、基板への機械的な接触を必要とせず、基板裏面全体に静電吸着力を発生させることが出来る。特にジョンソンラーベック効果を利用した静電吸着は大きな静電吸着力を得ることが出来る。ジョンソンラーベック効果はステージ表面の静電吸着膜と基板の界面に電流（以下、「ＥＳＣ（Electrostatic Chuck）電流」と呼ぶ。）を流すことで、界面の狭い空間に電荷を蓄えて大きな静電吸着力を得るものである。
【０００３】
ジョンソンラーベック効果による静電吸着は、大きな静電吸着力が得られるものの、強い温度依存性を持つ。これは基板に接触する静電吸着膜が強い温度依存性を持つためである。例えばステージ温度を１６０℃付近まで上昇させた場合、静電吸着膜の抵抗値は常温での抵抗値と比較して、およそ１０００分の１に低下する。よってＥＳＣ電流もステージ温度の上昇に伴い増大する。
【０００４】
一方、プラズマ着火後に吸着に要する吸着電圧を印加した瞬間、定常時に流れるＥＳＣ電流より大きなＥＳＣ電流が流れる現象が発生している。吸着電圧を印加した瞬間に発生する、定常時に流れるＥＳＣ電流より遥かに大きなＥＳＣ電流を突入電流と呼ぶ。ステージ温度を上昇させた場合、静電吸着膜の抵抗値が低下するため、発生する突入電流は常温時に流れる突入電流よりも更に大きな値をとる。
【０００５】
処理中に過剰なＥＳＣ電流が流れることは、装置を運用する上で重大な問題を発生させる。プラズマ着火後、プラズマにＥＳＣ電流が流入することにより、プラズマの電位が上昇する。過剰なＥＳＣ電流がプラズマに供給されプラズマ電位が著しく上昇した場合、処理室内部の微小突起にて局所放電が発生する可能性がある。処理室内部での局所放電は異物発生の原因となる。また、基板に過剰なＥＳＣ電流が流れることにより基板上のデバイス特性に影響を与える可能性が生じる。
【０００６】
図１は、プラズマ処理装置の処理室内部に設置されているステージ４と、ステージ４上に設置された基板３の接触面を拡大した図である。図１にはＥＳＣ電流に関する静電吸着膜１５と基板３の等価回路を図示してある。
【０００７】
図１を用いてジョンソンラーベック効果による静電吸着の原理と、突入電流の発生について説明する。基板を設置するステージ４は、導電体と絶縁性の静電吸着膜１５を積層して構成される。静電吸着膜１５は誘電体から成る。静電吸着膜１５の表面は表面粗さを持つため、実際には微小の凹凸があり、基板と静電吸着膜１５の表面の間には空間１６が存在する。
【０００８】
基板の裏面は静電吸着膜１５の表面に比べれば面仕上げ精度は良いため、模式的に静電吸着膜１５の凹凸と基板３裏面の平面との接触でモデル化することが出来る。等価回路で表すと、静電吸着膜１５の抵抗Ｒｂと容量Ｃｂの並列回路、静電吸着膜１５の凸部と基板裏面の接触抵抗Ｒｇと静電吸着膜１５の凹凸と基板裏面で形成される空間の容量Ｃｇの並列回路、基板３の抵抗Ｒｗと容量Ｃｗの並列回路が、直列につながった回路にモデル化することが出来る。
【０００９】
ジョンソンラーベック効果を利用する静電吸着は、静電吸着膜１５の表面と基板３との間に微小なＥＳＣ電流を流すことが特徴である。静電吸着膜１５と基板３にＥＳＣ電流を流すと、容量Ｃｗ、容量Ｃｇ、容量Ｃｂに電荷が蓄えられる。特に、静電吸着膜１５表面と基板３裏面との空間１６は表面粗さで形成される非常に狭いものであるため、容量Ｃｇは多くの電荷を蓄えることが出来る。よって、吸着電圧を数百ボルト印加することで、基板３とステージ４の間にＥＳＣ電流が流れ吸着力が得られる。
【００１０】
しかし、吸着電圧を印加した直後は、容量Ｃｗ、容量Ｃｇ、容量Ｃｂのいずれの容量にも電荷が蓄積されていない。もしくは、自己バイアス電圧により電荷が蓄積されているとしても僅かであり、容量Ｃｗ、容量Ｃｇ、容量Ｃｂには電荷が貯まりきっていない。そのため、吸着電圧を印加した直後は、容量Ｃｗ、容量Ｃｇ、容量Ｃｂに電荷が貯まるまで大電流が流れる。これが突入電流の原因である。
【００１１】
図１のように抵抗と容量で構成される回路において、回路に流れるＥＳＣ電流は一般的に（１）式で表される。
【数１】
【００１２】
（１）式において、Ｅは直流電源９が出力した電圧、Ｒは回路の合成インピーダンス、Ｃは合成容量である。また、直流電源９自身にも時定数がある。直流電源９が出力する電圧Ｅは（２）式で表される。
【数２】
【００１３】
（２）式にて、τは直流電源９の時定数、Ｅ０は直流電源９の定常電圧である。よって、回路に流れるＥＳＣ電流は以下のように表される。
【数３】
【００１４】
突入電流の発生への対策として、特許文献１に記載されている技術がある。これは直流電源９の時定数τをステージ４上の静電吸着膜１５の特性に合わせて最適化し、吸着電圧をスロープ状に印加することで突入電流を防止するというものである。
【００１５】
一方、ＥＳＣ電流の制御について、特許文献２に記載されている技術がある。これは静電吸着に必要なＥＳＣ電流の値を設定し、処理中に流れるＥＳＣ電流が、設定した値を維持するように吸着電圧を維持するものである。特許文献２によれば、特許文献２の技術を使用すればステージ温度など処理条件が変更された場合でもＥＳＣ電流は設定した範囲内で制御されるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平８−１８１１１８号公報
【特許文献２】特開２００７−４８９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、前記した技術ではステージ温度上昇によるＥＳＣ電流の上昇、特に突入電流の上昇への対策として不十分である。
【００１８】
特許文献１に記載されている技術は、（３）式における時定数τの最適化により突入電流Ｉ（ｔ）の低減を提案している。しかし、静電吸着膜１５の抵抗値（（３）式におけるＲに含まれる）は強い温度依存性があるため、ステージの温度を変更する度に時定数τの最適化が必要になる。また、実際のプラズマ処理装置では、回路の合成インピーダンスＲや合成容量Ｃを正確に測定することは困難である。
【００１９】
特許文献２の技術は、突入電流に対する対策が不十分である。突入電流が特許文献２におけるＥＳＣ電流の設定値を超えないようにした場合、突入電流発生後の定常状態にて流れるＥＳＣ電流が小さくなり、処理に必要な静電吸着力が得られない可能性がある。逆に定常時に流れるＥＳＣ電流が、特許文献２におけるＥＳＣ電流の設定値を超えないように制御した場合、突入電流がＥＳＣ電流の設定値を超える可能性がある。吸着電圧を段階的に印加する方法も提案しているが、下に述べるように、伝熱用ガスの導入について検討されていない。
【００２０】
プラズマ処理装置における基板３裏面への伝熱用ガスの導入について述べる。現在運用されているプラズマ処理装置は、処理中の基板３裏面にヘリウムなど伝熱用ガスを導入することでステージ４と基板３の熱伝導を良くし、基板３の温度を制御する方法が採用されている。基板３の裏面に伝熱用ガスを導入することにより、基板３と静電吸着膜１５で形成される空間１６には圧力が発生する（以下、「裏面圧力」と呼ぶ。）。
【００２１】
この裏面圧力は、基板３の裏面と静電吸着膜１５に発生する静電吸着力より小さくなければならない。もし裏面圧力が静電吸着力を上回った場合、基板３がステージから剥がれ、基板３のずれ、基板３の破損など重大な不具合が発生する可能性がある。このような不具合を防ぐには、伝熱用ガスを導入する時点で、裏面圧力以上の静電吸着力が発生していることが必須である。しかしながら特許文献１、特許文献２は、基板裏面への伝熱用ガスの導入について検討していない。
【００２２】
特許文献１の技術を使用した場合、吸着電圧がスロープ状に印加されている途中に、伝熱用ガスが基板３裏面に導入される可能性がある。もし伝熱用ガスが導入された時点で、静電吸着に必要な吸着電圧が印加されていなかった場合、発生する静電吸着力が裏面圧力に満たず、基板３がステージ４から剥がれる可能性が高い。
【００２３】
特許文献２の技術では、ＥＳＣ電流の制御方法として吸着電圧を段階的に印加し、ＥＳＣ電流を徐々に増加させるという方法を提案している。しかし、吸着電圧を段階的に印加している途中に伝熱用ガスが導入された場合、もし基板３と静電吸着膜１５の間に十分な静電吸着力が発生していなければ、基板３が剥がれる可能性が高い。
【００２４】
以上の点から、ステージ温度変化など運用条件の変更に対応し、突入電流の発生や過剰なＥＳＣ電流が流れることを防ぎ、なおかつ伝熱用ガスを導入する時点で裏面圧力以上の静電吸着力が発生していることを必須とした技術が必要である。
【００２５】
特許文献１及び２では、伝熱ガスが供給開始されるまでの突入電流の抑制については、考慮されていなかった。このため、本発明は、試料の静電吸着力を十分に確保するとともに突入電流を抑制することができるプラズマ処理装置を提供する。
【００２６】
本発明の目的は、上記課題を解決したプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、処理室と、該処理室内に設けられ、試料を載置する試料台と、静電吸着膜を介して前記試料を試料台表面に吸着させるための直流電圧を前記試料台に印加する直流電源とを備え、前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、前記静電吸着膜を介して前記試料台と前記試料間に流れる電流を測定する電流測定手段と、前記電流測定手段により測定された電流値が予め設定された範囲内に収まるまで段階的に前記直流電圧を前記試料台に印加するように直流電源を制御する電圧制御手段と、前記測定された電流値が予め設定された範囲に到達した時点で、前記試料台内部に設けられた溝に流される前記試料の温度調整用の冷媒の温度を前記試料に伝熱し、前記試料と前記静電吸着膜に設けられた溝との間に供給される伝熱用ガスを前記試料と前記溝との間に供給開始する制御部とを具備することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明のプラズマ処理方法は、処理室と、該処理室内に設けられ、試料を載置する試料台と、静電吸着膜を介して前記試料を試料台表面に吸着させるための直流電圧を前記試料台に印加する直流電源とを備え、前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置のプラズマ処理方法あって、電流測定手段により前記静電吸着膜を介して前記試料台と前記試料間に流れる電流を測定し、電圧制御手段により前記電流測定手段により測定された電流値が予め設定された範囲内に収まるまで段階的に前記直流電圧を前記試料台に印加するように直流電源を制御し、制御部により前記測定された電流値が予め設定された範囲に到達した時点で、前記試料台内部に設けられた溝に流される前記試料の温度調整用の冷媒の温度を前記試料に伝熱し、前記試料と前記静電吸着膜に設けられた溝との間に供給される伝熱用ガスを前記試料と前記溝との間に供給開始することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、吸着電圧を印加した時に伝熱ガスが供給開始されるまでに過剰なＥＳＣ電流が流れることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は本発明の実施例にかかるステージの等価回路を説明する図である。
【図２】図２は本発明の実施例にかかるプラズマ処理装置の構造を説明する概略図である。
【図３】図３は本発明におけるプラズマ着火時のフローチャートである。
【図４】図４は本発明におけるプラズマ着火時のタイミングチャートである。
【図５】図５は本発明における試験例１の測定系である。
【図６】図６は本発明における試験例３の結果である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００３２】
図２は本発明のプラズマ処理方法を実施する時に用いるプラズマエッチング装置を示す図である。本プラズマエッチング装置の処理室内部は、プラズマ生成部を形成する石英もしくはセラミックの非導電性材料でなる放電部２と、被処理基板である基板３と、基板３を静電吸着することが可能な静電吸着膜１５を持つステージ４と、処理室内を所定の圧力に真空排気するための排気口５からなる。
【００３３】
放電部は、プラズマ生成用のアンテナ１と、高周波電源６と、整合器７からなる。ステージ４は、高周波電源８と、吸着電圧を出力する直流電源９と、電流センサー１０と、基板裏面に伝熱用ガスを供給する伝熱用ガス導入口１１と、基板３に印加された高周波バイアス電力のピークトゥピーク値（以下、Ｖｐｐと呼ぶ）を検知するＶｐｐセンサー１２と、制御部１３を有している。
【００３４】
プラズマエッチングに際しては、まず真空排気により処理室内を所定の圧力に制御する。次に高周波電源６から整合器７とアンテナ１を介して電磁波が処理室内に導入される。導入された電磁波は処理室内のガスをプラズマ化する。このプラズマ１４を用いエッチングを行う。基板３を設置するステージ４は、加工形状を制御する目的で高周波電源８から高周波バイアスが印加される。
【００３５】
電流センサー１０は、直流電源９、ステージ４、基板３、プラズマ１４、処理室の壁で形成される回路を流れるＥＳＣ電流を計測する。Ｖｐｐセンサー１２は基板３上のＶｐｐを検知し、制御部１３にデータを送る。制御部１３は送られてきたＶｐｐの値から（４）式を元にして自己バイアス電圧を計算する。制御部１３はＥＳＣ電流の値、自己バイアス電圧の計算値から判断し、吸着電圧を制御する。
【実施例１】
【００３６】
本発明の実施例１について、図３のフローチャート、および図４のタイミングチャート図を用いて説明する。実施例１は、本発明を用いて単層膜をエッチングする場合である。
【００３７】
本装置によるプラズマエッチングを開始する前に、ＥＳＣ電流の制御範囲、吸着電圧初期値、吸着電圧の変化幅、吸着電圧の変化間隔、自己バイアス比を設定する必要がある。
【００３８】
以上５つの項目についての詳細な説明を以下に述べる。なお、ＥＳＣ電流の制御範囲、吸着電圧の変化値、吸着電圧の変化間隔の設定は、ステージ温度の変更、エッチングガスの変更、高周波電源の出力値の変更に対して、共通に使用することが可能である。
【００３９】
ＥＳＣ電流の制御範囲とは、基板３のエッチング中に制御するＥＳＣ電流値の範囲である。ＥＳＣ電流は、基板３裏面に導入する伝熱用ガスによる裏面圧力に十分耐えうるだけの静電吸着力が得られるものでなければならない。
【００４０】
吸着電圧初期値とは、プラズマ着火後、最初に出力する吸着電圧の値である。この値は吸着電圧印加時の突入電圧を抑制する目的で印加するため、自己バイアス電圧もしくは０とする。
【００４１】
吸着電圧の変化幅とは、吸着電圧を図４のように段階的に変化させる場合、１回の変化で変化させる吸着電圧の値である。この値が大きいと、吸着電圧を変化させた瞬間、ＥＳＣ電流値に大きなピークが現れる。このＥＳＣ電流値にピークが発生しないように、ＥＳＣ電流の変化幅は極力小さい方が良い。
【００４２】
吸着電圧の変化間隔とは、吸着電圧を図４のように段階的に変化させる場合、吸着電圧の変化から変化までの時間のことを指す。
【００４３】
自己バイアス比とは、基板３上のＶｐｐの値から自己バイアス電圧を算出する時に用いる係数である。自己バイアス電圧とＶｐｐ，自己バイアス比は（４）式の関係である。
【数４】
【００４４】
上記設定を終了後、プラズマエッチングを開始する。図３を用い、エッチングに際する吸着電圧の印加および伝熱用ガス導入の制御方法を説明する。
【００４５】
まず、真空排気により処理室内を所定の圧力に制御する。その後、電流センサー１０とＶｐｐセンサー１２から、ＥＳＣ電流の値とＶｐｐモニター値を随時、制御部１３へ送信する。処理室内が所定の圧力となったことを確認した後、ステップＳ３０１において、高周波電源６から、整合器７とアンテナ１を介して電磁波を導入してプラズマを着火させる。プラズマ着火と同時、あるいは着火後に高周波電源８からステージ４へ高周波バイアスを印加する（図４−Ｔ１）。
【００４６】
高周波バイアス印加開始後、ステップＳ３０２において、Ｖｐｐセンサー１２は高周波バイアス印加後のＶｐｐを検知し、制御部１３へＶｐｐモニター値を送る。ステップＳ３０３において、制御部１３はＶｐｐモニター値から自己バイアス電圧を算出する。算出する計算式は（４）式である。自己バイアス電圧を算出した段階で、ステップＳ３０４において、直流電源９から吸着電圧初期値を出力する（図４−Ｔ２）。
【００４７】
電流センサー１０は、吸着電圧初期値を印加した後、ステップＳ３０５において、回路に流れるＥＳＣ電流の値を検知する。制御部１３は電流センサー１０からＥＳＣ電流の値をインプットする。ステップＳ３０６において、制御部１３は、インプットしたＥＳＣ電流の値が、予め入力していたＥＳＣ電流の制御範囲内か、制御範囲外かを判定する。
【００４８】
ステップＳ３０６において、ＥＳＣ電流の値が制御範囲外だった場合（Ｎｏ）、ステップＳ３０７において、制御部１３は吸着電圧を段階的に印加させるように直流電源９に信号を送る。直流電源９は制御部１３からの信号を受け、吸着電圧を段階的に変化させる。例えば、制御部１３がインプットしたＥＳＣ電流の値が、制御範囲を下回るようであれば、ＥＳＣ電流を増加させるように吸着電圧を段階的に印加させる。逆に、制御部１３がインプットしたＥＳＣ電流の値が、制御範囲を超えるようであれば、ＥＳＣ電流を減少させるように吸着電圧を段階的に印加させる。（図４−Ｔ３〜Ｔ５）。
【００４９】
なお、吸着電圧を変化させる際の判定材料となるＥＳＣ電流値は、吸着電圧を変化させて少なくとも１０ｍｓ以上経過してから取得したデータであることが望ましい。なぜなら、図４のタイミングチャートに記載したように、吸着電圧を変化させた瞬間に僅かながらもＥＳＣ電流にピークが発生している可能性があるためである。
【００５０】
ステップＳ３０６において、ＥＳＣ電流が制御範囲内に収まったことを制御部１３が確認した（Ｙｅｓ）後、ステップＳ３０８において、基板３裏面へ伝熱用ガスの導入を開始する（図４−Ｔ６）。この時点で基板３とステージ４上の静電吸着膜１５の間には裏面への伝熱用ガスの導入に耐えられるだけの十分な静電吸着力が発生している。そのため、基板３裏面に伝熱用ガスを導入しても基板３が剥がれることはない。
【００５１】
制御部１３は、ＥＳＣ電流が設定範囲内で制御された時点での、吸着電圧と基板３の自己バイアス電圧の電圧差ΔＶを記録する。以下のエッチングは、ステップＳ３０９において、制御部１３が記録した電圧差ΔＶを保つように、Ｖｐｐの変動に合わせて吸着電圧を制御しながら行う。
【００５２】
上記のような制御方法を実行し、吸着電圧を段階的に印加させることで、ＥＳＣ電流を少しずつ上昇させ、突入電流を軽減させる。なおかつ、ＥＳＣ電流を検知しながら吸着電圧を印加することで、静電吸着に最適な吸着電圧を自動的に導出することが可能となる。
【００５３】
本発明の有用性を実証するため、発明者らは試験を実施した。なお、以下の試験例では共通して、厚さ０．６ｍｍ、表面粗さ０．８μｍ、抵抗率８．０×１０１１Ω・ｃｍの静電吸着膜を乗せたステージ上に被処理基板として８インチシリコンウエハを設置して試験を実施している。
【００５４】
試験例１、２は静電吸着力を得るために必要なＥＳＣ電流を見積もり、本発明におけるＥＳＣ電流の制御範囲について検討を実施したものである。
【００５５】
［試験例１］
試験例１は十分な静電吸着力を得ることが出来るＥＳＣ電流の値について検討を行ったものである。図５に試験例１に用いた測定系を示す。真空容器外に試験装置１７を用意する。試験装置１７から導線１８をステージ軸１９に繋ぐ。ステージ軸１９とステージ４は等電位である。ステージ４上に基板３として８インチシリコンウエハを設置する。基板３の上に導線２０をＡｌテープで貼り付ける。導線２０はコネクタ２１を通じ真空容器外に出、試験装置１７に接続される。試験装置１７は吸着電圧を印加すると共に、試験装置１７・導線１８・ステージ軸１９・基板３・導線２０で構成される回路に流れるＥＳＣ電流を検知する。
【００５６】
以上の回路を組んだ後、試験装置１７を起動させ、吸着電圧を印加する。吸着電圧を印加して基板３を静電吸着させた後、伝熱用ガスを伝熱用ガス導入口１１から流量５ｍｌ／ｍｉｎで導入する。なお、伝熱用ガスはヘリウムを用いた。この時の、伝熱用ガスを導入する配管内および静電吸着膜１５と基板３の間の空間１６に発生する裏面圧力を、圧力計２２で測定する。伝熱用ガスを導入するにつれ、裏面圧力は上昇する。
【００５７】
しかし、静電吸着力よりも裏面圧力が大きくなったとき、基板３はステージ４から剥がれ、その瞬間裏面圧力は急に低下する。裏面圧力の低下が発生する直前の裏面圧力から基板３の自重分を引いた値が、基板３と静電吸着膜１５の間に発生している静電吸着力である。基板３の自重分は、発明者らの試験によると０．５ｋＰａほどである。
【００５８】
表１は、試験例１の吸着電圧を印加した時に発生するＥＳＣ電流と静電吸着力の関係を示したものである。なお、本試験において自己バイアス電圧は発生していないため、電圧差ΔＶは吸着電圧と同一である。ステージ４の温度は９０℃に制御している。なお、試験例１では裏面圧力が２．５ｋＰａに達した時点で十分な静電吸着力が発生していると見なし、測定を停止している。
【００５９】
表１から、静電吸着力を２．５ｋＰａ以上得るためには、ＥＳＣ電流は０．０５ｍＡ以上必要であることがわかる。
【表１】
【００６０】
［試験例２］
試験例２は、ＥＳＣ電流とステージ温度の関係を示したものである。試験例２の試験条件を表２、試験例２の結果を表３に示す。本試験における電圧差ΔＶを６００Ｖとしたのは、試験例１の結果を反映し、２．５ｋＰａ以上の静電吸着力を得ることができる電圧差ΔＶである３００Ｖから２倍の安全率をとったものである。
【００６１】
表３の結果に示す通り、ステージ温度が高いほどＥＳＣ電流が大きくなる。表２から、ステージ温度４０℃で最適なＥＳＣ電流が得られる条件をステージ温度１８０℃で使用した場合、過剰なＥＳＣ電流が流れることになる。逆に、ステージ温度１８０℃で最適なＥＳＣ電流が得られる条件をステージ温度４０℃で使用した場合、十分な静電吸着力が発生しない可能性が高い。この結果から、ステージ温度を変更する度、最適なＥＳＣ電流が流れる条件を再設定する必要があることがわかる。
【表２】
【表３】
【００６２】
試験例１、２の結果からＥＳＣ電流の制御範囲の１例として、最小値０．０５ｍＡ、最大値０．３ｍＡが考えられる。最小値０．０５ｍＡとは試験例１において２．５ｋＰａの静電吸着力が得られるＥＳＣ電流値である。最大値０．３ｍＡとは、表３の試験結果において、ステージ温度１４０℃の時に流れるＥＳＣ電流０．２６ｍＡを元に検討したものである。
【００６３】
[試験例３］
次に試験例３を記載する。試験例３は、吸着電圧を印加した瞬間に突入電圧が発生することと、突入電圧は吸着電圧を段階的に印加することで低減することが可能であることを検証するものである。試験条件を表４に、試験結果を図６に示す。試験例３では基板３をステージ４に設置した状態で、プラズマ１４を維持しながら吸着電圧を変化させ、その瞬間のＥＳＣ電流の様子を観測した。これは本発明における吸着電圧の印加方法を模擬したものである。
【００６４】
本試験では、電圧差ΔＶが３００Ｖから６００Ｖへ変化するように吸着電圧を制御した。試験例３では基板３裏面に伝熱用ガスを導入しながら試験を実施する。伝熱用ガスは裏面圧力１．０ｋＰａを保つように制御されている。もし吸着電圧を印加して発生する静電吸着力が、裏面圧力より小さかった場合、基板３がステージ４から剥がれてしまい試験ができない。そこで電圧差ΔＶが３００Ｖ以上になるように吸着電圧を制御し、基板３とステージ４の間に常に２．５ｋＰａ以上の静電吸着力が発生するようにした。この設定により、基板３がステージ４から剥がれて正確な測定が出来なくなることを防ぐ。
【００６５】
図６の４つのグラフは横軸に時間、縦軸に吸着電圧およびＥＳＣ電流をとっている。それぞれの測定について吸着電圧を、図６（ａ）は３００Ｖ間隔、図６（ｂ）は１００Ｖ間隔、図６（ｃ）は５０Ｖ間隔、図６（ｄ）は１０Ｖ間隔で変化させた。
【００６６】
図６（ａ）では、吸着電圧を変化させた瞬間にＥＳＣ電流が瞬間的に増加している。しかし図６（ｂ）（ｃ）（ｄ）からわかる通り、ＥＳＣ電流の瞬間的な増加は、吸着電圧を段階的に印加することで軽減できる。また、吸着電圧の変化幅が小さければ、ＥＳＣ電流の瞬間的な増加に対して効果が高い。
【表４】
【００６７】
本試験の結果から吸着電圧の変化幅と変化間隔の一例を検討する。吸着電圧の変化幅を１０Ｖ、変化間隔を４０ｍｓとした場合、吸着電圧初期値を出力してから、およそ１．５秒後に吸着電圧３００Ｖを得ることが出来る。当然、吸着電圧の変化幅は、小さければ小さいほど突入電流に対する対策として有効である。吸着電圧の変化幅と変化間隔は、処理時間や直流電源９の性能等を考慮して設定することが望ましい。
【００６８】
本発明は、吸着電圧を図６（ｂ）（ｃ）（ｄ）の試験例の様に段階的に印加することにより、突入電圧の発生を抑える。また、ＥＳＣ電流を検知しながら最適な吸着電圧を自動的に求める機構を持つことで、ステージ４の温度変化に対応して突入電流の発生を防ぎ、基板３の静電吸着に必要なだけのＥＳＣ電流を流すことが出来る。本発明を用いて過剰なＥＳＣ電流が流れることを防ぐことで、局所放電の発生による異物や、基板３上のデバイスへのダメージを防ぐことが可能である。
【実施例２】
【００６９】
本発明を用いた実施例２は、多層膜をエッチングする場合である。多層膜のエッチングでは、各処理層をエッチングする毎に一旦プラズマ１４を停止する。プラズマ１４を停止して、処理ガス、高周波電力、ステージ温度などの処理条件を変更し、再びプラズマ１４を着火してエッチングを実施する。このようなエッチングを実施する場合、処理層や処理条件の違いにより、基板３上のＶｐｐが変動する場合がある。よって、静電吸着に要するＥＳＣ電流の値、吸着電圧も変化する。また、このようなエッチングでは、プラズマを停止する際に伝熱用ガスの導入や吸着電圧の印加を停止している。
【００７０】
この場合、プラズマ１４を着火する度に、吸着電圧がステージに印加されていない状態で伝熱用ガスが導入され基板がステージから剥がれるという危険性がある。よって、プラズマを着火する際に、必ず本発明の制御方法を実施する。プラズマを着火する時に必ず本発明の制御方法を実施することで、各処理層における最適な吸着電圧を求めながらエッチングを実施することが可能な上、伝熱用ガスを導入した際に基板３がステージ４から剥がれることを防ぐことが出来る。
【実施例３】
【００７１】
本発明を用いた実施例３は、多層膜を一括してエッチングする場合である。多層膜のエッチングにおいて、実施例２で述べた方法と異なり、プラズマを停止させずに各処理層をエッチングする方法がある。この場合、プラズマが着火し各処理層をエッチングし終わってプラズマが停止するまで、吸着電圧は常にステージ４に印加されている。伝熱用ガスもプラズマが着火してから停止するまで、裏面圧力を設定した範囲内で制御するように断続的に流れている。このようなエッチングを実施する場合の、本発明の実施例は以下の通りである。
【００７２】
プラズマ着火前の真空排気から伝熱用ガスを導入する時点までの制御方法は、本発明の実施例１と同様である。この時に求めた電圧差ΔＶを、以後の全ての処理層について維持するように吸着電圧を制御する。これは、吸着電圧がステージ４に印加されていない状態で伝熱用ガスが導入され、基板３がステージ４から剥がれるという危険性があるのが、着火時のみだからである。
【００７３】
この実施例の場合、処理層や処理条件が変化する時に、ＥＳＣ電流の値が増減する現象が発生しうる。しかし多くの場合、静電吸着に要するＥＳＣ電流および処理層や処理条件の変化によるＥＳＣ電流の増減は、異物の発生や基板３上のデバイス特性に影響を与える可能性のあるＥＳＣ電流の値より小さいため問題にならない。また、処理層や処理条件の変化によるＥＳＣ電流の増減を抑えるには、Ｖｐｐの変動に対する吸着電圧の追従の遅れを軽減させることが有効である。
【００７４】
本発明において、装置に予めＥＳＣ電流と電圧差ΔＶの相関を入力しておくことも可能である。この場合、装置の操作者はエッチング前に、ＥＳＣ電流の代りに電圧差ΔＶを入力することになる。
【００７５】
本発明は、被処理基板と被処理基板を設置するステージに発生する静電吸着力が、被処理基板と被処理基板を設置するステージの間に流れる電流に強く依存した静電吸着方法に適用する。
【００７６】
本発明の適用範囲は、被処理基板が、被処理基板と被処理基板を設置するステージの間に流れる電流に強く依存した静電吸着方法で設置されているのであれば、被処理基板の種類、被処理基板の厚さ・面積、ステージ温度、処理圧力、高周波電源の周波数・出力、直流電源の出力、処理ガスの種類などは問わない。
【符号の説明】
【００７７】
１ アンテナ
２ 放電部
３ 基板
４ ステージ
５ 排気口
６ 高周波電源
７ 整合器
８ 高周波電源
９ 直流電源
１０ 電流センサー
１１ 伝熱用ガス導入口
１２ Ｖｐｐセンサー
１３ 制御部
１４ プラズマ
１５ 静電吸着膜
１６ 空間
１７ 試験装置
１８ 導線
１９ ステージ軸
２０ 導線
２１ コネクタ
２２ 圧力計
【技術分野】
【０００１】
本発明は、静電吸着に要する直流電圧を印加した際に発生する突入電流を抑え、プラズマ処理装置を安定に運用し、製品不良の低減およびプロセス性能向上を目的とするものである。
【背景技術】
【０００２】
半導体製造工程における薄膜形成やプラズマエッチング等を行うプラズマ処理装置では、シリコンウエハ等の被処理基板をステージに保持する方法として静電吸着が用いられている。静電吸着は、基板への機械的な接触を必要とせず、基板裏面全体に静電吸着力を発生させることが出来る。特にジョンソンラーベック効果を利用した静電吸着は大きな静電吸着力を得ることが出来る。ジョンソンラーベック効果はステージ表面の静電吸着膜と基板の界面に電流（以下、「ＥＳＣ（Electrostatic Chuck）電流」と呼ぶ。）を流すことで、界面の狭い空間に電荷を蓄えて大きな静電吸着力を得るものである。
【０００３】
ジョンソンラーベック効果による静電吸着は、大きな静電吸着力が得られるものの、強い温度依存性を持つ。これは基板に接触する静電吸着膜が強い温度依存性を持つためである。例えばステージ温度を１６０℃付近まで上昇させた場合、静電吸着膜の抵抗値は常温での抵抗値と比較して、およそ１０００分の１に低下する。よってＥＳＣ電流もステージ温度の上昇に伴い増大する。
【０００４】
一方、プラズマ着火後に吸着に要する吸着電圧を印加した瞬間、定常時に流れるＥＳＣ電流より大きなＥＳＣ電流が流れる現象が発生している。吸着電圧を印加した瞬間に発生する、定常時に流れるＥＳＣ電流より遥かに大きなＥＳＣ電流を突入電流と呼ぶ。ステージ温度を上昇させた場合、静電吸着膜の抵抗値が低下するため、発生する突入電流は常温時に流れる突入電流よりも更に大きな値をとる。
【０００５】
処理中に過剰なＥＳＣ電流が流れることは、装置を運用する上で重大な問題を発生させる。プラズマ着火後、プラズマにＥＳＣ電流が流入することにより、プラズマの電位が上昇する。過剰なＥＳＣ電流がプラズマに供給されプラズマ電位が著しく上昇した場合、処理室内部の微小突起にて局所放電が発生する可能性がある。処理室内部での局所放電は異物発生の原因となる。また、基板に過剰なＥＳＣ電流が流れることにより基板上のデバイス特性に影響を与える可能性が生じる。
【０００６】
図１は、プラズマ処理装置の処理室内部に設置されているステージ４と、ステージ４上に設置された基板３の接触面を拡大した図である。図１にはＥＳＣ電流に関する静電吸着膜１５と基板３の等価回路を図示してある。
【０００７】
図１を用いてジョンソンラーベック効果による静電吸着の原理と、突入電流の発生について説明する。基板を設置するステージ４は、導電体と絶縁性の静電吸着膜１５を積層して構成される。静電吸着膜１５は誘電体から成る。静電吸着膜１５の表面は表面粗さを持つため、実際には微小の凹凸があり、基板と静電吸着膜１５の表面の間には空間１６が存在する。
【０００８】
基板の裏面は静電吸着膜１５の表面に比べれば面仕上げ精度は良いため、模式的に静電吸着膜１５の凹凸と基板３裏面の平面との接触でモデル化することが出来る。等価回路で表すと、静電吸着膜１５の抵抗Ｒｂと容量Ｃｂの並列回路、静電吸着膜１５の凸部と基板裏面の接触抵抗Ｒｇと静電吸着膜１５の凹凸と基板裏面で形成される空間の容量Ｃｇの並列回路、基板３の抵抗Ｒｗと容量Ｃｗの並列回路が、直列につながった回路にモデル化することが出来る。
【０００９】
ジョンソンラーベック効果を利用する静電吸着は、静電吸着膜１５の表面と基板３との間に微小なＥＳＣ電流を流すことが特徴である。静電吸着膜１５と基板３にＥＳＣ電流を流すと、容量Ｃｗ、容量Ｃｇ、容量Ｃｂに電荷が蓄えられる。特に、静電吸着膜１５表面と基板３裏面との空間１６は表面粗さで形成される非常に狭いものであるため、容量Ｃｇは多くの電荷を蓄えることが出来る。よって、吸着電圧を数百ボルト印加することで、基板３とステージ４の間にＥＳＣ電流が流れ吸着力が得られる。
【００１０】
しかし、吸着電圧を印加した直後は、容量Ｃｗ、容量Ｃｇ、容量Ｃｂのいずれの容量にも電荷が蓄積されていない。もしくは、自己バイアス電圧により電荷が蓄積されているとしても僅かであり、容量Ｃｗ、容量Ｃｇ、容量Ｃｂには電荷が貯まりきっていない。そのため、吸着電圧を印加した直後は、容量Ｃｗ、容量Ｃｇ、容量Ｃｂに電荷が貯まるまで大電流が流れる。これが突入電流の原因である。
【００１１】
図１のように抵抗と容量で構成される回路において、回路に流れるＥＳＣ電流は一般的に（１）式で表される。
【数１】
【００１２】
（１）式において、Ｅは直流電源９が出力した電圧、Ｒは回路の合成インピーダンス、Ｃは合成容量である。また、直流電源９自身にも時定数がある。直流電源９が出力する電圧Ｅは（２）式で表される。
【数２】
【００１３】
（２）式にて、τは直流電源９の時定数、Ｅ０は直流電源９の定常電圧である。よって、回路に流れるＥＳＣ電流は以下のように表される。
【数３】
【００１４】
突入電流の発生への対策として、特許文献１に記載されている技術がある。これは直流電源９の時定数τをステージ４上の静電吸着膜１５の特性に合わせて最適化し、吸着電圧をスロープ状に印加することで突入電流を防止するというものである。
【００１５】
一方、ＥＳＣ電流の制御について、特許文献２に記載されている技術がある。これは静電吸着に必要なＥＳＣ電流の値を設定し、処理中に流れるＥＳＣ電流が、設定した値を維持するように吸着電圧を維持するものである。特許文献２によれば、特許文献２の技術を使用すればステージ温度など処理条件が変更された場合でもＥＳＣ電流は設定した範囲内で制御されるとしている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【００１６】
【特許文献１】特開平８−１８１１１８号公報
【特許文献２】特開２００７−４８９８６号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【００１７】
しかしながら、前記した技術ではステージ温度上昇によるＥＳＣ電流の上昇、特に突入電流の上昇への対策として不十分である。
【００１８】
特許文献１に記載されている技術は、（３）式における時定数τの最適化により突入電流Ｉ（ｔ）の低減を提案している。しかし、静電吸着膜１５の抵抗値（（３）式におけるＲに含まれる）は強い温度依存性があるため、ステージの温度を変更する度に時定数τの最適化が必要になる。また、実際のプラズマ処理装置では、回路の合成インピーダンスＲや合成容量Ｃを正確に測定することは困難である。
【００１９】
特許文献２の技術は、突入電流に対する対策が不十分である。突入電流が特許文献２におけるＥＳＣ電流の設定値を超えないようにした場合、突入電流発生後の定常状態にて流れるＥＳＣ電流が小さくなり、処理に必要な静電吸着力が得られない可能性がある。逆に定常時に流れるＥＳＣ電流が、特許文献２におけるＥＳＣ電流の設定値を超えないように制御した場合、突入電流がＥＳＣ電流の設定値を超える可能性がある。吸着電圧を段階的に印加する方法も提案しているが、下に述べるように、伝熱用ガスの導入について検討されていない。
【００２０】
プラズマ処理装置における基板３裏面への伝熱用ガスの導入について述べる。現在運用されているプラズマ処理装置は、処理中の基板３裏面にヘリウムなど伝熱用ガスを導入することでステージ４と基板３の熱伝導を良くし、基板３の温度を制御する方法が採用されている。基板３の裏面に伝熱用ガスを導入することにより、基板３と静電吸着膜１５で形成される空間１６には圧力が発生する（以下、「裏面圧力」と呼ぶ。）。
【００２１】
この裏面圧力は、基板３の裏面と静電吸着膜１５に発生する静電吸着力より小さくなければならない。もし裏面圧力が静電吸着力を上回った場合、基板３がステージから剥がれ、基板３のずれ、基板３の破損など重大な不具合が発生する可能性がある。このような不具合を防ぐには、伝熱用ガスを導入する時点で、裏面圧力以上の静電吸着力が発生していることが必須である。しかしながら特許文献１、特許文献２は、基板裏面への伝熱用ガスの導入について検討していない。
【００２２】
特許文献１の技術を使用した場合、吸着電圧がスロープ状に印加されている途中に、伝熱用ガスが基板３裏面に導入される可能性がある。もし伝熱用ガスが導入された時点で、静電吸着に必要な吸着電圧が印加されていなかった場合、発生する静電吸着力が裏面圧力に満たず、基板３がステージ４から剥がれる可能性が高い。
【００２３】
特許文献２の技術では、ＥＳＣ電流の制御方法として吸着電圧を段階的に印加し、ＥＳＣ電流を徐々に増加させるという方法を提案している。しかし、吸着電圧を段階的に印加している途中に伝熱用ガスが導入された場合、もし基板３と静電吸着膜１５の間に十分な静電吸着力が発生していなければ、基板３が剥がれる可能性が高い。
【００２４】
以上の点から、ステージ温度変化など運用条件の変更に対応し、突入電流の発生や過剰なＥＳＣ電流が流れることを防ぎ、なおかつ伝熱用ガスを導入する時点で裏面圧力以上の静電吸着力が発生していることを必須とした技術が必要である。
【００２５】
特許文献１及び２では、伝熱ガスが供給開始されるまでの突入電流の抑制については、考慮されていなかった。このため、本発明は、試料の静電吸着力を十分に確保するとともに突入電流を抑制することができるプラズマ処理装置を提供する。
【００２６】
本発明の目的は、上記課題を解決したプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００２７】
上記目的を達成するために、本発明のプラズマ処理装置は、処理室と、該処理室内に設けられ、試料を載置する試料台と、静電吸着膜を介して前記試料を試料台表面に吸着させるための直流電圧を前記試料台に印加する直流電源とを備え、前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、前記静電吸着膜を介して前記試料台と前記試料間に流れる電流を測定する電流測定手段と、前記電流測定手段により測定された電流値が予め設定された範囲内に収まるまで段階的に前記直流電圧を前記試料台に印加するように直流電源を制御する電圧制御手段と、前記測定された電流値が予め設定された範囲に到達した時点で、前記試料台内部に設けられた溝に流される前記試料の温度調整用の冷媒の温度を前記試料に伝熱し、前記試料と前記静電吸着膜に設けられた溝との間に供給される伝熱用ガスを前記試料と前記溝との間に供給開始する制御部とを具備することを特徴とする。
【００２８】
また、本発明のプラズマ処理方法は、処理室と、該処理室内に設けられ、試料を載置する試料台と、静電吸着膜を介して前記試料を試料台表面に吸着させるための直流電圧を前記試料台に印加する直流電源とを備え、前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置のプラズマ処理方法あって、電流測定手段により前記静電吸着膜を介して前記試料台と前記試料間に流れる電流を測定し、電圧制御手段により前記電流測定手段により測定された電流値が予め設定された範囲内に収まるまで段階的に前記直流電圧を前記試料台に印加するように直流電源を制御し、制御部により前記測定された電流値が予め設定された範囲に到達した時点で、前記試料台内部に設けられた溝に流される前記試料の温度調整用の冷媒の温度を前記試料に伝熱し、前記試料と前記静電吸着膜に設けられた溝との間に供給される伝熱用ガスを前記試料と前記溝との間に供給開始することを特徴とする。
【発明の効果】
【００２９】
本発明によれば、吸着電圧を印加した時に伝熱ガスが供給開始されるまでに過剰なＥＳＣ電流が流れることを防ぐことができる。
【図面の簡単な説明】
【００３０】
【図１】図１は本発明の実施例にかかるステージの等価回路を説明する図である。
【図２】図２は本発明の実施例にかかるプラズマ処理装置の構造を説明する概略図である。
【図３】図３は本発明におけるプラズマ着火時のフローチャートである。
【図４】図４は本発明におけるプラズマ着火時のタイミングチャートである。
【図５】図５は本発明における試験例１の測定系である。
【図６】図６は本発明における試験例３の結果である。
【発明を実施するための形態】
【００３１】
以下、図面を参照して本発明を実施するための形態を説明する。
【００３２】
図２は本発明のプラズマ処理方法を実施する時に用いるプラズマエッチング装置を示す図である。本プラズマエッチング装置の処理室内部は、プラズマ生成部を形成する石英もしくはセラミックの非導電性材料でなる放電部２と、被処理基板である基板３と、基板３を静電吸着することが可能な静電吸着膜１５を持つステージ４と、処理室内を所定の圧力に真空排気するための排気口５からなる。
【００３３】
放電部は、プラズマ生成用のアンテナ１と、高周波電源６と、整合器７からなる。ステージ４は、高周波電源８と、吸着電圧を出力する直流電源９と、電流センサー１０と、基板裏面に伝熱用ガスを供給する伝熱用ガス導入口１１と、基板３に印加された高周波バイアス電力のピークトゥピーク値（以下、Ｖｐｐと呼ぶ）を検知するＶｐｐセンサー１２と、制御部１３を有している。
【００３４】
プラズマエッチングに際しては、まず真空排気により処理室内を所定の圧力に制御する。次に高周波電源６から整合器７とアンテナ１を介して電磁波が処理室内に導入される。導入された電磁波は処理室内のガスをプラズマ化する。このプラズマ１４を用いエッチングを行う。基板３を設置するステージ４は、加工形状を制御する目的で高周波電源８から高周波バイアスが印加される。
【００３５】
電流センサー１０は、直流電源９、ステージ４、基板３、プラズマ１４、処理室の壁で形成される回路を流れるＥＳＣ電流を計測する。Ｖｐｐセンサー１２は基板３上のＶｐｐを検知し、制御部１３にデータを送る。制御部１３は送られてきたＶｐｐの値から（４）式を元にして自己バイアス電圧を計算する。制御部１３はＥＳＣ電流の値、自己バイアス電圧の計算値から判断し、吸着電圧を制御する。
【実施例１】
【００３６】
本発明の実施例１について、図３のフローチャート、および図４のタイミングチャート図を用いて説明する。実施例１は、本発明を用いて単層膜をエッチングする場合である。
【００３７】
本装置によるプラズマエッチングを開始する前に、ＥＳＣ電流の制御範囲、吸着電圧初期値、吸着電圧の変化幅、吸着電圧の変化間隔、自己バイアス比を設定する必要がある。
【００３８】
以上５つの項目についての詳細な説明を以下に述べる。なお、ＥＳＣ電流の制御範囲、吸着電圧の変化値、吸着電圧の変化間隔の設定は、ステージ温度の変更、エッチングガスの変更、高周波電源の出力値の変更に対して、共通に使用することが可能である。
【００３９】
ＥＳＣ電流の制御範囲とは、基板３のエッチング中に制御するＥＳＣ電流値の範囲である。ＥＳＣ電流は、基板３裏面に導入する伝熱用ガスによる裏面圧力に十分耐えうるだけの静電吸着力が得られるものでなければならない。
【００４０】
吸着電圧初期値とは、プラズマ着火後、最初に出力する吸着電圧の値である。この値は吸着電圧印加時の突入電圧を抑制する目的で印加するため、自己バイアス電圧もしくは０とする。
【００４１】
吸着電圧の変化幅とは、吸着電圧を図４のように段階的に変化させる場合、１回の変化で変化させる吸着電圧の値である。この値が大きいと、吸着電圧を変化させた瞬間、ＥＳＣ電流値に大きなピークが現れる。このＥＳＣ電流値にピークが発生しないように、ＥＳＣ電流の変化幅は極力小さい方が良い。
【００４２】
吸着電圧の変化間隔とは、吸着電圧を図４のように段階的に変化させる場合、吸着電圧の変化から変化までの時間のことを指す。
【００４３】
自己バイアス比とは、基板３上のＶｐｐの値から自己バイアス電圧を算出する時に用いる係数である。自己バイアス電圧とＶｐｐ，自己バイアス比は（４）式の関係である。
【数４】
【００４４】
上記設定を終了後、プラズマエッチングを開始する。図３を用い、エッチングに際する吸着電圧の印加および伝熱用ガス導入の制御方法を説明する。
【００４５】
まず、真空排気により処理室内を所定の圧力に制御する。その後、電流センサー１０とＶｐｐセンサー１２から、ＥＳＣ電流の値とＶｐｐモニター値を随時、制御部１３へ送信する。処理室内が所定の圧力となったことを確認した後、ステップＳ３０１において、高周波電源６から、整合器７とアンテナ１を介して電磁波を導入してプラズマを着火させる。プラズマ着火と同時、あるいは着火後に高周波電源８からステージ４へ高周波バイアスを印加する（図４−Ｔ１）。
【００４６】
高周波バイアス印加開始後、ステップＳ３０２において、Ｖｐｐセンサー１２は高周波バイアス印加後のＶｐｐを検知し、制御部１３へＶｐｐモニター値を送る。ステップＳ３０３において、制御部１３はＶｐｐモニター値から自己バイアス電圧を算出する。算出する計算式は（４）式である。自己バイアス電圧を算出した段階で、ステップＳ３０４において、直流電源９から吸着電圧初期値を出力する（図４−Ｔ２）。
【００４７】
電流センサー１０は、吸着電圧初期値を印加した後、ステップＳ３０５において、回路に流れるＥＳＣ電流の値を検知する。制御部１３は電流センサー１０からＥＳＣ電流の値をインプットする。ステップＳ３０６において、制御部１３は、インプットしたＥＳＣ電流の値が、予め入力していたＥＳＣ電流の制御範囲内か、制御範囲外かを判定する。
【００４８】
ステップＳ３０６において、ＥＳＣ電流の値が制御範囲外だった場合（Ｎｏ）、ステップＳ３０７において、制御部１３は吸着電圧を段階的に印加させるように直流電源９に信号を送る。直流電源９は制御部１３からの信号を受け、吸着電圧を段階的に変化させる。例えば、制御部１３がインプットしたＥＳＣ電流の値が、制御範囲を下回るようであれば、ＥＳＣ電流を増加させるように吸着電圧を段階的に印加させる。逆に、制御部１３がインプットしたＥＳＣ電流の値が、制御範囲を超えるようであれば、ＥＳＣ電流を減少させるように吸着電圧を段階的に印加させる。（図４−Ｔ３〜Ｔ５）。
【００４９】
なお、吸着電圧を変化させる際の判定材料となるＥＳＣ電流値は、吸着電圧を変化させて少なくとも１０ｍｓ以上経過してから取得したデータであることが望ましい。なぜなら、図４のタイミングチャートに記載したように、吸着電圧を変化させた瞬間に僅かながらもＥＳＣ電流にピークが発生している可能性があるためである。
【００５０】
ステップＳ３０６において、ＥＳＣ電流が制御範囲内に収まったことを制御部１３が確認した（Ｙｅｓ）後、ステップＳ３０８において、基板３裏面へ伝熱用ガスの導入を開始する（図４−Ｔ６）。この時点で基板３とステージ４上の静電吸着膜１５の間には裏面への伝熱用ガスの導入に耐えられるだけの十分な静電吸着力が発生している。そのため、基板３裏面に伝熱用ガスを導入しても基板３が剥がれることはない。
【００５１】
制御部１３は、ＥＳＣ電流が設定範囲内で制御された時点での、吸着電圧と基板３の自己バイアス電圧の電圧差ΔＶを記録する。以下のエッチングは、ステップＳ３０９において、制御部１３が記録した電圧差ΔＶを保つように、Ｖｐｐの変動に合わせて吸着電圧を制御しながら行う。
【００５２】
上記のような制御方法を実行し、吸着電圧を段階的に印加させることで、ＥＳＣ電流を少しずつ上昇させ、突入電流を軽減させる。なおかつ、ＥＳＣ電流を検知しながら吸着電圧を印加することで、静電吸着に最適な吸着電圧を自動的に導出することが可能となる。
【００５３】
本発明の有用性を実証するため、発明者らは試験を実施した。なお、以下の試験例では共通して、厚さ０．６ｍｍ、表面粗さ０．８μｍ、抵抗率８．０×１０１１Ω・ｃｍの静電吸着膜を乗せたステージ上に被処理基板として８インチシリコンウエハを設置して試験を実施している。
【００５４】
試験例１、２は静電吸着力を得るために必要なＥＳＣ電流を見積もり、本発明におけるＥＳＣ電流の制御範囲について検討を実施したものである。
【００５５】
［試験例１］
試験例１は十分な静電吸着力を得ることが出来るＥＳＣ電流の値について検討を行ったものである。図５に試験例１に用いた測定系を示す。真空容器外に試験装置１７を用意する。試験装置１７から導線１８をステージ軸１９に繋ぐ。ステージ軸１９とステージ４は等電位である。ステージ４上に基板３として８インチシリコンウエハを設置する。基板３の上に導線２０をＡｌテープで貼り付ける。導線２０はコネクタ２１を通じ真空容器外に出、試験装置１７に接続される。試験装置１７は吸着電圧を印加すると共に、試験装置１７・導線１８・ステージ軸１９・基板３・導線２０で構成される回路に流れるＥＳＣ電流を検知する。
【００５６】
以上の回路を組んだ後、試験装置１７を起動させ、吸着電圧を印加する。吸着電圧を印加して基板３を静電吸着させた後、伝熱用ガスを伝熱用ガス導入口１１から流量５ｍｌ／ｍｉｎで導入する。なお、伝熱用ガスはヘリウムを用いた。この時の、伝熱用ガスを導入する配管内および静電吸着膜１５と基板３の間の空間１６に発生する裏面圧力を、圧力計２２で測定する。伝熱用ガスを導入するにつれ、裏面圧力は上昇する。
【００５７】
しかし、静電吸着力よりも裏面圧力が大きくなったとき、基板３はステージ４から剥がれ、その瞬間裏面圧力は急に低下する。裏面圧力の低下が発生する直前の裏面圧力から基板３の自重分を引いた値が、基板３と静電吸着膜１５の間に発生している静電吸着力である。基板３の自重分は、発明者らの試験によると０．５ｋＰａほどである。
【００５８】
表１は、試験例１の吸着電圧を印加した時に発生するＥＳＣ電流と静電吸着力の関係を示したものである。なお、本試験において自己バイアス電圧は発生していないため、電圧差ΔＶは吸着電圧と同一である。ステージ４の温度は９０℃に制御している。なお、試験例１では裏面圧力が２．５ｋＰａに達した時点で十分な静電吸着力が発生していると見なし、測定を停止している。
【００５９】
表１から、静電吸着力を２．５ｋＰａ以上得るためには、ＥＳＣ電流は０．０５ｍＡ以上必要であることがわかる。
【表１】
【００６０】
［試験例２］
試験例２は、ＥＳＣ電流とステージ温度の関係を示したものである。試験例２の試験条件を表２、試験例２の結果を表３に示す。本試験における電圧差ΔＶを６００Ｖとしたのは、試験例１の結果を反映し、２．５ｋＰａ以上の静電吸着力を得ることができる電圧差ΔＶである３００Ｖから２倍の安全率をとったものである。
【００６１】
表３の結果に示す通り、ステージ温度が高いほどＥＳＣ電流が大きくなる。表２から、ステージ温度４０℃で最適なＥＳＣ電流が得られる条件をステージ温度１８０℃で使用した場合、過剰なＥＳＣ電流が流れることになる。逆に、ステージ温度１８０℃で最適なＥＳＣ電流が得られる条件をステージ温度４０℃で使用した場合、十分な静電吸着力が発生しない可能性が高い。この結果から、ステージ温度を変更する度、最適なＥＳＣ電流が流れる条件を再設定する必要があることがわかる。
【表２】
【表３】
【００６２】
試験例１、２の結果からＥＳＣ電流の制御範囲の１例として、最小値０．０５ｍＡ、最大値０．３ｍＡが考えられる。最小値０．０５ｍＡとは試験例１において２．５ｋＰａの静電吸着力が得られるＥＳＣ電流値である。最大値０．３ｍＡとは、表３の試験結果において、ステージ温度１４０℃の時に流れるＥＳＣ電流０．２６ｍＡを元に検討したものである。
【００６３】
[試験例３］
次に試験例３を記載する。試験例３は、吸着電圧を印加した瞬間に突入電圧が発生することと、突入電圧は吸着電圧を段階的に印加することで低減することが可能であることを検証するものである。試験条件を表４に、試験結果を図６に示す。試験例３では基板３をステージ４に設置した状態で、プラズマ１４を維持しながら吸着電圧を変化させ、その瞬間のＥＳＣ電流の様子を観測した。これは本発明における吸着電圧の印加方法を模擬したものである。
【００６４】
本試験では、電圧差ΔＶが３００Ｖから６００Ｖへ変化するように吸着電圧を制御した。試験例３では基板３裏面に伝熱用ガスを導入しながら試験を実施する。伝熱用ガスは裏面圧力１．０ｋＰａを保つように制御されている。もし吸着電圧を印加して発生する静電吸着力が、裏面圧力より小さかった場合、基板３がステージ４から剥がれてしまい試験ができない。そこで電圧差ΔＶが３００Ｖ以上になるように吸着電圧を制御し、基板３とステージ４の間に常に２．５ｋＰａ以上の静電吸着力が発生するようにした。この設定により、基板３がステージ４から剥がれて正確な測定が出来なくなることを防ぐ。
【００６５】
図６の４つのグラフは横軸に時間、縦軸に吸着電圧およびＥＳＣ電流をとっている。それぞれの測定について吸着電圧を、図６（ａ）は３００Ｖ間隔、図６（ｂ）は１００Ｖ間隔、図６（ｃ）は５０Ｖ間隔、図６（ｄ）は１０Ｖ間隔で変化させた。
【００６６】
図６（ａ）では、吸着電圧を変化させた瞬間にＥＳＣ電流が瞬間的に増加している。しかし図６（ｂ）（ｃ）（ｄ）からわかる通り、ＥＳＣ電流の瞬間的な増加は、吸着電圧を段階的に印加することで軽減できる。また、吸着電圧の変化幅が小さければ、ＥＳＣ電流の瞬間的な増加に対して効果が高い。
【表４】
【００６７】
本試験の結果から吸着電圧の変化幅と変化間隔の一例を検討する。吸着電圧の変化幅を１０Ｖ、変化間隔を４０ｍｓとした場合、吸着電圧初期値を出力してから、およそ１．５秒後に吸着電圧３００Ｖを得ることが出来る。当然、吸着電圧の変化幅は、小さければ小さいほど突入電流に対する対策として有効である。吸着電圧の変化幅と変化間隔は、処理時間や直流電源９の性能等を考慮して設定することが望ましい。
【００６８】
本発明は、吸着電圧を図６（ｂ）（ｃ）（ｄ）の試験例の様に段階的に印加することにより、突入電圧の発生を抑える。また、ＥＳＣ電流を検知しながら最適な吸着電圧を自動的に求める機構を持つことで、ステージ４の温度変化に対応して突入電流の発生を防ぎ、基板３の静電吸着に必要なだけのＥＳＣ電流を流すことが出来る。本発明を用いて過剰なＥＳＣ電流が流れることを防ぐことで、局所放電の発生による異物や、基板３上のデバイスへのダメージを防ぐことが可能である。
【実施例２】
【００６９】
本発明を用いた実施例２は、多層膜をエッチングする場合である。多層膜のエッチングでは、各処理層をエッチングする毎に一旦プラズマ１４を停止する。プラズマ１４を停止して、処理ガス、高周波電力、ステージ温度などの処理条件を変更し、再びプラズマ１４を着火してエッチングを実施する。このようなエッチングを実施する場合、処理層や処理条件の違いにより、基板３上のＶｐｐが変動する場合がある。よって、静電吸着に要するＥＳＣ電流の値、吸着電圧も変化する。また、このようなエッチングでは、プラズマを停止する際に伝熱用ガスの導入や吸着電圧の印加を停止している。
【００７０】
この場合、プラズマ１４を着火する度に、吸着電圧がステージに印加されていない状態で伝熱用ガスが導入され基板がステージから剥がれるという危険性がある。よって、プラズマを着火する際に、必ず本発明の制御方法を実施する。プラズマを着火する時に必ず本発明の制御方法を実施することで、各処理層における最適な吸着電圧を求めながらエッチングを実施することが可能な上、伝熱用ガスを導入した際に基板３がステージ４から剥がれることを防ぐことが出来る。
【実施例３】
【００７１】
本発明を用いた実施例３は、多層膜を一括してエッチングする場合である。多層膜のエッチングにおいて、実施例２で述べた方法と異なり、プラズマを停止させずに各処理層をエッチングする方法がある。この場合、プラズマが着火し各処理層をエッチングし終わってプラズマが停止するまで、吸着電圧は常にステージ４に印加されている。伝熱用ガスもプラズマが着火してから停止するまで、裏面圧力を設定した範囲内で制御するように断続的に流れている。このようなエッチングを実施する場合の、本発明の実施例は以下の通りである。
【００７２】
プラズマ着火前の真空排気から伝熱用ガスを導入する時点までの制御方法は、本発明の実施例１と同様である。この時に求めた電圧差ΔＶを、以後の全ての処理層について維持するように吸着電圧を制御する。これは、吸着電圧がステージ４に印加されていない状態で伝熱用ガスが導入され、基板３がステージ４から剥がれるという危険性があるのが、着火時のみだからである。
【００７３】
この実施例の場合、処理層や処理条件が変化する時に、ＥＳＣ電流の値が増減する現象が発生しうる。しかし多くの場合、静電吸着に要するＥＳＣ電流および処理層や処理条件の変化によるＥＳＣ電流の増減は、異物の発生や基板３上のデバイス特性に影響を与える可能性のあるＥＳＣ電流の値より小さいため問題にならない。また、処理層や処理条件の変化によるＥＳＣ電流の増減を抑えるには、Ｖｐｐの変動に対する吸着電圧の追従の遅れを軽減させることが有効である。
【００７４】
本発明において、装置に予めＥＳＣ電流と電圧差ΔＶの相関を入力しておくことも可能である。この場合、装置の操作者はエッチング前に、ＥＳＣ電流の代りに電圧差ΔＶを入力することになる。
【００７５】
本発明は、被処理基板と被処理基板を設置するステージに発生する静電吸着力が、被処理基板と被処理基板を設置するステージの間に流れる電流に強く依存した静電吸着方法に適用する。
【００７６】
本発明の適用範囲は、被処理基板が、被処理基板と被処理基板を設置するステージの間に流れる電流に強く依存した静電吸着方法で設置されているのであれば、被処理基板の種類、被処理基板の厚さ・面積、ステージ温度、処理圧力、高周波電源の周波数・出力、直流電源の出力、処理ガスの種類などは問わない。
【符号の説明】
【００７７】
１ アンテナ
２ 放電部
３ 基板
４ ステージ
５ 排気口
６ 高周波電源
７ 整合器
８ 高周波電源
９ 直流電源
１０ 電流センサー
１１ 伝熱用ガス導入口
１２ Ｖｐｐセンサー
１３ 制御部
１４ プラズマ
１５ 静電吸着膜
１６ 空間
１７ 試験装置
１８ 導線
１９ ステージ軸
２０ 導線
２１ コネクタ
２２ 圧力計
【特許請求の範囲】
【請求項１】
処理室と、該処理室内に設けられ、試料を載置する試料台と、静電吸着膜を介して前記試料を試料台表面に吸着させるための直流電圧を前記試料台に印加する直流電源とを備え、
前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記静電吸着膜を介して前記試料台と前記試料間に流れる電流を測定する電流測定手段と、
前記電流測定手段により測定された電流値が予め設定された範囲内に収まるまで段階的に前記直流電圧を前記試料台に印加するように直流電源を制御する電圧制御手段と、
前記測定された電流値が予め設定された範囲に到達した時点で、前記試料台内部に設けられた溝に流される前記試料の温度調整用の冷媒の温度を前記試料に伝熱し、前記試料と前記静電吸着膜に設けられた溝との間に供給される伝熱用ガスを前記試料と前記溝との間に供給開始する制御部と
を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記電圧制御手段は、前記伝熱用ガス供給開始後は、前記試料の前記試料台への静電吸着力が予め設定された値を維持するように直流電源を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
処理室と、該処理室内に設けられ、試料を載置する試料台と、静電吸着膜を介して前記試料を試料台表面に吸着させるための直流電圧を前記試料台に印加する直流電源とを備え、
前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置のプラズマ処理方法において、
電流測定手段により前記静電吸着膜を介して前記試料台と前記試料間に流れる電流を測定し、
電圧制御手段により前記電流測定手段により測定された電流値が予め設定された範囲内に収まるまで段階的に前記直流電圧を前記試料台に印加するように直流電源を制御し、
制御部により前記測定された電流値が予め設定された範囲に到達した時点で、前記試料台内部に設けられた溝に流される前記試料の温度調整用の冷媒の温度を前記試料に伝熱し、前記試料と前記静電吸着膜に設けられた溝との間に供給される伝熱用ガスを前記試料と前記溝との間に供給開始する
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
前記電圧制御手段により、前記伝熱用ガス供給開始後は、前記試料の前記試料台への静電吸着力が予め設定された値を維持するように直流電源を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１】
処理室と、該処理室内に設けられ、試料を載置する試料台と、静電吸着膜を介して前記試料を試料台表面に吸着させるための直流電圧を前記試料台に印加する直流電源とを備え、
前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
前記静電吸着膜を介して前記試料台と前記試料間に流れる電流を測定する電流測定手段と、
前記電流測定手段により測定された電流値が予め設定された範囲内に収まるまで段階的に前記直流電圧を前記試料台に印加するように直流電源を制御する電圧制御手段と、
前記測定された電流値が予め設定された範囲に到達した時点で、前記試料台内部に設けられた溝に流される前記試料の温度調整用の冷媒の温度を前記試料に伝熱し、前記試料と前記静電吸着膜に設けられた溝との間に供給される伝熱用ガスを前記試料と前記溝との間に供給開始する制御部と
を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
前記電圧制御手段は、前記伝熱用ガス供給開始後は、前記試料の前記試料台への静電吸着力が予め設定された値を維持するように直流電源を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
処理室と、該処理室内に設けられ、試料を載置する試料台と、静電吸着膜を介して前記試料を試料台表面に吸着させるための直流電圧を前記試料台に印加する直流電源とを備え、
前記試料をプラズマ処理するプラズマ処理装置のプラズマ処理方法において、
電流測定手段により前記静電吸着膜を介して前記試料台と前記試料間に流れる電流を測定し、
電圧制御手段により前記電流測定手段により測定された電流値が予め設定された範囲内に収まるまで段階的に前記直流電圧を前記試料台に印加するように直流電源を制御し、
制御部により前記測定された電流値が予め設定された範囲に到達した時点で、前記試料台内部に設けられた溝に流される前記試料の温度調整用の冷媒の温度を前記試料に伝熱し、前記試料と前記静電吸着膜に設けられた溝との間に供給される伝熱用ガスを前記試料と前記溝との間に供給開始する
ことを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項４】
請求項３に記載のプラズマ処理方法において、
前記電圧制御手段により、前記伝熱用ガス供給開始後は、前記試料の前記試料台への静電吸着力が予め設定された値を維持するように直流電源を制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図６】
【公開番号】特開２０１２−１７４９７８（Ｐ２０１２−１７４９７８Ａ）
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−３７２１３（Ｐ２０１１−３７２１３）
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年９月１０日（２０１２．９．１０）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年２月２３日（２０１１．２．２３）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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