JPH1074826A - 静電チャックから被加工物を解放する方法および装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 被加工物を容易に解放すべく、静電チャック
の電極に振動電圧を印加する装置およびそれに付随する
方法を提供すること。 【解決手段】 この装置は、静電チャック電源装置１２
０と静電チャックの電極１１３との間に接続した切換え
回路からなる。チャック表面からウェハ１０１を解除す
るには、継電器２１０を第１位置から第２位置に切り換
え、電極をインダクタ２１２を介して大地に接続する。
ウェハとチャック電極は平行板コンデンサを形成するの
で、このインダクタとコンデンサの組合せにより、共振
周波数で振動するタンク回路が形成される。したがっ
て、エネルギはコンデンサとインダクタの間またはその
逆に、タンク回路のＱで定義される時間に減衰するよう
に伝達される。この振動エネルギによりウェハ−チャッ
ク界面に振動電圧が発生し、ウェハとチャック間の残留
電荷が放出される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、一般に、被加工物
を保持するための静電チャックに関し、さらに詳しくは
静電チャックから被加工物（例えば半導体ウェハなど）
を解放する方法および装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】静電チャックは、コンピュータ・グラフ
ィックス・プロッタにおける枚葉紙の保持から半導体製
造の反応チャンバにおける半導体ウェハの保持まで、様
々な適用分野で被加工物を保持するために使用される。
静電チャックには様々な設計があるが、それらは全て、
チャック内の１つ以上の電極に電圧を印加し、被加工物
と電極にそれぞれ逆の極性を誘導するという原理に基づ
いている。逆極性の電荷間に静電引力により被加工物を
チャックに吸着し、それによって被加工物を保持する。

【０００３】静電チャックの問題点は、チャックから被
加工物を解放したいときに、被加工物およびチャックか
ら電荷を除去することが難しいことである。１つの従来
の解決方法は、電極および被加工物の両方を大地に接続
し、電荷を放出するというものである。電荷をより素早
く除去すると主張する別の従来の解決方法は、電極に印
加するＤＣ電圧の極性を逆にするものである。この技術
は、チャックに２つの電極がある（バイポーラ・チャッ
ク）という文脈で、渡辺らに発行された米国特許第５，
１１７，１２１号明細書に記載されている。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】これらの従来の電荷除
去法に認められる欠点は、電荷を完全に除去できず、し
たがって被加工物とチャックとの間に多少の静電引力が
残留することである。この残留静電力のため、被加工物
をチャックから切り離すには大きい機械力を使用する必
要がある。さらに、多数の半導体ウェハの着脱を何回も
繰り返すうちに、ウェハとチャックとの間に残留電荷が
蓄積する。したがって、長い間に、ウェハをチャック表
面から取り外すことが、すぐ前の処理済みウェハのとき
より難しくなる。被加工物が半導体ウェハである場合、
取外しに必要な力のために、ときどきウェハに亀裂が入
ったり、その他の損傷が生じることがある。またウェハ
が破損しないまでも、残留静電力を機械的に克服するこ
との難しさのために、予想できない形でウェハがチャッ
クから「突然外れ（pop off）」、従来のウェハ搬送ロ
ボットでは回収しにくい位置にずれることがときどき発
生する。

【０００５】したがって、残留電荷を実質的に除去して
静電チャックから被加工物を解放する方法および装置が
技術上必要である。

【０００６】

【課題を解決するための手段】従来の技術による解放の
方法および装置に伴う従来の不利益は、本発明により克
服される。本発明は、静電チャックに振動電圧を印加し
てウェハとチャックの間の残留電荷を放出する装置およ
びそれに付随する方法である。具体的には、この装置
は、静電チャック電源と静電チャックの電極との間に接
続した継電器ないしはリレーを包含する。この継電器が
第１接点位置のときは、静電チャックの電極にチャック
動作電圧（chucking voltage）が印加される。継電器が
第２接点位置のときは、電源が電極から切断され、電極
はインダクタを介して大地に接続される。この方法で、
ウェハをチャック表面から解放するには、継電器を第１
位置から第２位置に切り換えて電極を大地に接続する。
すると、残留電荷は電極−ウェハ界面からインダクタを
介して大地に放出される。しかし、ウェハとチャック電
極は、プラズマを介して大地に接続したウェハと、継電
器を介してインダクタに接続した電極とから成る平行板
コンデンサを形成するので、このコンデンサとインダク
タとの組合せにより、共振周波数で振動する共振タンク
回路が形成される。したがって、エネルギがコンデンサ
とインダクタとの間をまたはその逆に振動するように伝
達される。コンデンサとインダクタ間の電流は、時間の
経過と共に減衰するように振動する。減衰速度（decay
rate）は、タンク回路のＱによって定義される。この振
動性エネルギ伝達により、ウェハとチャック電極との間
に捕獲された残留電荷が放出される。

【０００７】さらに具体的に述べると、残留電荷を放出
する方法は、静電チャックのチャック動作電圧を切断す
る段階、静電チャックの１つの電極（または複数の電
極）をインダクタを介して大地に接続する段階、および
この接続直後に反応チャンバ内のプラズマへの電力を遮
断する段階を含む。タンク回路は共振周波数で振動し、
ウェハとチャック表面の界面に正電圧と負電圧を繰返し
印加する。その結果、界面に捕獲された電荷は、タンク
回路の振動が減衰するとすぐに消散する。静電チャック
の表面を放電するために外部エネルギを使用しないの
で、本発明の方法を「自己掃引（self-sweeping）」と
いう。

【０００８】１２００Ｖのチャック動作電圧でウェハを
保持する単極チャックの場合、約８ミリ秒で放電できる
ことが、実験的に実証されている。このような高速放電
は、５．４ｍＨのインダクタを使用して達成された。

【０００９】

【発明の実施の形態】本発明の教示は、以下の詳細の説
明を添付の図面と共に考察することによって容易に理解
することができる。

【００１０】理解し易いように、図面に共通する同一要
素を指定する符号は、できるだけ同一符号を使用した。

【００１１】新規なチャック方法および装置は、従来の
静電チャックと組合せて使用するように意図されてい
る。以下で説明するように、本発明はモノポーラ（単
極）、バイポーラ、半導体形、セラミック形、誘電体形
など、どんな種類の静電チャックにも使用することがで
きる。しかし、説明を簡素化するために、以下では、単
極チャック内で本発明を実施する場合に的を絞って説明
する。図１は、半導体ウェハ１０１のプラズマ促進処理
（例えばエッチングまたは化学気相堆積）に使用される
真空チャンバ１００内に構成される、典型的な単極チャ
ック１１０を示す。

【００１２】一般的な真空チャンバ１００は、アルミニ
ウムで形成し接地した、真空が漏れないエンクロージャ
１０５を含む。エンクロージャ１０５の上部壁または蓋
の真下に、円板形の陽極酸化アルミニウム陽極１０４を
取り付け、これを接地したエンクロージャに電気的に接
続する。大抵の真空チャンバでは、接地したエンクロー
ジャの壁が陽極電極を形成する。また場合によっては、
エンクロージャが陰極（印加電極）を形成し、チャック
が陽極（接地電極）を形成することもある。

【００１３】一般的な単極静電チャックは、円形の平坦
な頂面を有する陽極酸化固体アルミニウム陰極ペデスタ
ル１１１、ペデスタルの頂面に接合した下部誘電層１１
２、下部誘電層の頂面に接合した金属チャック電極１１
３、およびチャック電極の頂面に接合した上部誘電層１
１４を包含する。図示する実施形態では、各誘電層は厚
さ約７５ミクロンのポリイミド樹脂層である。

【００１４】陰極ペデスタル１１１は中空陽極酸化アル
ミニウム陰極ベース１３５の頂部に取り付けられてい
る。陰極ベースは、絶縁環状フランジ１４７によってエ
ンクロージャ１０５の下部壁に取り付けられる。陰極の
電気接続は、端部にねじを切った銅棒１３８を陰極ベー
ス１３５の底部のねじ穴にねじ込むことによって行なわ
れる。銅クリップ（図示せず）で銅棒１３８を高周波伝
送線１３４に接続し、これをさらに高周波整合網１３２
に接続し、これをさらに高周波電源装置１３０に接続す
る。

【００１５】チャック電極１１３の電気接続は、絶縁電
線１２２をチャック電極１１３に点１１５の位置で接続
することによって行なわれる。電線１２２は、電極１１
３から陰極ペデスタル１１１に明けた穴１２５の中を下
方に延び、エンクロージャ１０５の底部からフィードス
ルー絶縁体１２４を通して外に出ている。電線１２２は
継電器２１０の共通端子（Ｃ）に接続している。継電器
の常開端子（ＮＯ）は高周波阻止低域フィルタ１２１に
接続し、さらにＤＣ電圧電源１２０に接続している。継
電器の常閉接点（ＮＣ）はインダクタ２１２の１つの端
子に接続している。インダクタ２１２のもう１つの端子
は所定の電位（例えば大地）に接続する。代替的に、破
線で示すように、インダクタ２２２を電線１２２に接続
すること、つまり継電器２１０の共通端子（Ｃ）と電極
１１３との間に接続することもできる。継電器の常閉端
子はさらに所定の電位（例えば大地）に接続する。両実
施形態は同様に機能して、チャックから残留電荷を放電
する。

【００１６】真空チャンバ１００内で半導体ウェハ１０
１を処理する間、ウェハは、図１に示すように、上部誘
電層１１４の上面に載置される。処理が完了すると、ロ
ボット・アーム（図示せず）でウェハは真空チャンバか
ら取り出される。ロボット・アームのブレード端がウェ
ハの下に滑り込みやすいように、幾つかのリフト・ピン
１４２（４個が好ましいが、少なくとも３個）でウェハ
がチャックから２〜５ｃｍ持ち上げられる。各リフト・
ピン１４２は、陰極ペデスタル１１１に形成したそれぞ
れに対応する穴１４４内を垂直方向に滑動する。リフト
・ピン１４２は全てキャリッジ１４０上に取り付け、こ
のキャリッジ１４０はプログラム可能デジタル・コンピ
ュータ２００の制御下で圧縮空気リフト機構１４６によ
り上下運動する。図示した実施形態では、リフト・ピン
１４２およびキャリッジ１４０は真空チャンバ１００内
の陰極ベース１３５の内部に設けると考えられるが、圧
縮空気リフト機構１４６は真空チャンバの外に設けられ
る。これらは、真空密閉を維持しながら垂直方向に運動
できる蛇腹１４３内を通過するリンク装置１４９によ
り、機械的に接続される。

【００１７】真空チャンバ１００の一般的な運転では、
ロボット・アーム（図示せず）でウェハ１０１をスリッ
ト弁１０６から真空チャンバ内に送り込む。ロボットは
ウェハを、このとき圧縮空気リフト機構１４６によって
上昇し静電チャック１１０の頂面より２〜５ｃｍ上に突
出したリフト・ピン１４２の先端に載せる。次に圧縮空
気機構によりリフト・ピン１４２を下降し、これにより
ウェハ１０１はチャック１００の頂面に下ろされる。ウ
ェハの降下時間は一般的に３〜１０秒である。

【００１８】ウェハがチャック上に配置された直後に、
プラズマ・ガスが真空チャンバに流入され、高周波電源
装置から陰極ペデスタルに高周波電力が印加され、ウェ
ハ１０１と陽極１０４との間の空間内でプラズマが点火
される。プラズマは、ウェハから大地への導電経路を形
成する。しかし、電子と陽イオンの移動度に差があるた
め、プラズマにＤＣ電圧降下が発生し、ウェハは接地さ
れたエンクロージャ１０５に対し負にバイアスする。Ｄ
Ｃ電圧電源１２０からチャック電極１１３に印加するチ
ャック動作電圧が正の場合、ウェハとチャック電圧間の
全電圧は、ウェハのバイアス電圧とチャック動作電源電
圧の和となる。したがってウェハのバイアスによって、
ウェハを保持する静電力は増大する。

【００１９】プラズマが励起した後、継電器に通電し、
継電器の接点を開位置にする。したがって、図２のグラ
フの左側に示すように、大地に対し＋１２００ボルト台
の高いＤＣ電圧が、チャック電圧電源１２０からチャッ
ク電極１１３に印加される。この電圧により、ウェハお
よびチャック電極のそれぞれの接面に負電荷および正電
荷が蓄積される。電荷の量は、ウェハとチャック電極間
の静電容量と電圧の積に比例する。ウェハおよびチャッ
ク電極の逆極性の電荷により、ウェハをチャックの上面
に吸着する静電引力が発生する。チャック動作電圧（こ
の例の場合１２００Ｖ）は、その後の処理工程中にウェ
ハが移動するのを防止する適した静電力をウェハとチャ
ックの間に生成するのに充分な高い値に設定する。こう
してチャックに確実に保持されたウェハは、「吸着（ch
ucking）」したという。

【００２０】ウェハを吸着した後、ウェハ上の薄膜の蒸
着やエッチングなど、１つまたはそれ以上の半導体製造
工程段階を真空チャンバ１００内で実行する。また、ウ
ェハを吸着した後、ウェハからペデスタルへの熱伝導を
促進するため、ヘリウムなどの裏面冷却剤をウェハとチ
ャック表面との間に適用することができる。

【００２１】半導体製造工程段階の完了後、裏面冷却剤
を除去し、圧縮空気リフト機構１４６でリフト・ピン１
４２を上昇させてウェハをチャックから持ち上げ、ロボ
ットによりウェハを真空チャンバから取り出すことがで
きるようにする。リフト・ピンでウェハを持ち上げるた
めには、その前にウェハを「吸着解除（dechucking）」
しなければならない。つまり、ウェハをチャック１００
に保持している静電力を除去しなければならない。

【００２２】本発明を使用すれば、ウェハの静電力を本
質的に除去することができ、それによりウェハをチャッ
クから容易に取り外すことができる。本発明の方法は、
ウェハ−チャック界面に振動電圧を印加し、ウェハとチ
ャックの間に蓄積した残留電荷を短時間に放出するもの
である。

【００２３】本発明の装置は、静電チャック電極１１３
と静電チャック電源装置１２０との間に接続した継電器
２１０から成る。継電器２１０の常閉位置（ＮＣ）はチ
ャック電極１１３を、インダクタ２１２を介して大地に
接続する。このインダクタのインダクタンスは１から１
０ｍＨの間である。継電器２１０の常開位置（ＮＯ）は
電源装置１２０を静電チャック電極１１３に接続する。
したがって、ウェハをチャックに吸着する間、継電器は
常開位置にあり、電源装置が静電チャック電極に接続さ
れる。つまり、制御コンピュータ２００によって継電器
のコイルは通電され、接点は常開位置になる。吸着を解
除する必要がある場合、継電器は常閉位置に切り換わ
る。つまり、制御コンピュータは継電器のコイルの電源
を切断し、継電器はチャック電極をインダクタ２１２に
接続する。最初に、電極がインダクタに接続されたと
き、プラズマは真空チャンバ内で励起状態を維持し、ウ
ェハはプラズマを介して上部電極または真空チャンバの
接地表面に効果的に接続される。したがって、プラズマ
が維持される間、ウェハとチャック電極は、インダクタ
と並列に接続された平行板コンデンサを形成する。

【００２４】この吸着解除装置は、インダクタ２１２お
よびウェハ１０１とチャック電極１１３との間に形成さ
れるコンデンサから構成されるＬＣタンク回路を形成す
る。タンク回路は２π（ＬＣ）^1/2の共振周波数を有す
る。タンク回路内の電圧は、ＬＣ回路のＱにより定義さ
れる時間、共振周波数で振動する。短時間の振動後、コ
ンピュータ２００はプラズマを維持する高周波電源を停
止し、プラズマは分離される。静電チャックのチャック
動作電圧を切断した後、プラズマが維持される時間の長
さは、約１秒である。この持続時間は、タンク回路の減
衰時間によって定義される。例えば、チャック表面から
実質的に全ての残留電荷が除去された後、プラズマは継
続しなくなる。

【００２５】ウェハおよび上部誘電層の表面は両方と
も、顕微鏡的レベルでは不完全な平面であるので、ウェ
ハおよび上部誘電層は事実上、何千もの微細な点でのみ
相互に接触しており、ウェハと誘電層との間に何千もの
微細な間隙が存在する。ウェハとチャック電極との間の
チャック動作電圧により、これらの微細な間隙に強い電
界が発生する。ウェハをチャックに確実に保持するのに
充分な高いチャック動作電圧では、この電界のために、
電界放出の物理的メカニズムにより電子がウェハから上
部誘電層の隣接表面に移動すると考えられる。チャック
動作電圧および、したがってその電界を除去すると、誘
電層に蓄積された電子の放電経路が無くなり、したがっ
て電子が誘電層に維持される。本発明を使用すると、イ
ンダクタを介して電子の放電経路が得られるが、ウェハ
とチャック電極の組合せによる平行板の静電容量のた
め、インダクタとコンデンサを組み合わせた回路内の電
圧は、回路内のエネルギが消費し尽くされるまで、正と
負の間で振動する。この振動電圧により、チャック電極
に外部電圧を印加することなく、残留電荷は放出され
る。

【００２６】図２は、ウェハと静電チャックとの間の残
留電荷の放出中に、静電チャックの電極で測定した振動
電圧２５２のグラフ２５０を示す。縦軸２５４は電圧を
表わし、横軸２５６はミリ秒単位の時間を表わす。この
データは、カリフォルニア州サンタクララのアプライド
・マテリアルズ・インコーポレイテッド製造の５３００
型高密度酸化物エッチング・ウェハ処理システムで測定
したものである。放電インダクタの値は５．４ｍＨであ
り、上述の方法を使用して、ウェハとチャック間の残留
電荷を消散した。電圧が約８ミリ秒で約１２００Ｖ（チ
ャック動作電圧）から０Ｖに放電していることに、注目
されたい。この回路例の共振周波数は約５ｋＨｚであ
る。

【００２７】実際問題として、こうした放電過程は、各
ウェハを真空チャンバ内で処理した後で行われ、それに
より、各処理段階の最後の８ミリ秒間に、リフト・ピン
でウェハをチャック表面から解除し、ウェハ移送ロボッ
トでウェハを輸送するための用意ができる。このような
方法で、各ウェハの処理後にウェハとチャックを放電す
ることにより、複数のウェハを順次処理するときに残留
電荷は蓄積しない。

【００２８】本発明の装置は、チャックの各電極に継電
器およびインダクタを設けることにより、バイポーラ・
チャックなど、他の種類の静電チャック用に適応するこ
とができる。したがって、吸着解除中に１対の共振ＬＣ
回路が形成され、電極と被加工物間の残留電荷が放出さ
れる。

【００２９】また、上記開示では、電子をチャックの表
面に蓄積させるチャック動作電圧を正電圧と想定した。
静電チャックの適用例によっては、例えば、高密度プラ
ズマで使用するセラミック・チャックの場合、チャック
動作電圧は負電圧であり、チャックの表面に正電荷が蓄
積することを理解されたい。極性は逆になるが、吸着解
除装置および方法は、上記説明と同じである。

【００３０】さらに、一部のプラズマ反応器はペデスタ
ルに高周波電力を印加せず、あるいは代替的に、反応チ
ャンバを取り囲むアンテナ（コイル）に高周波電力を印
加することにより、ペデスタルに印加されるＲＦ電力を
捕捉する場合もある。このようなシステムにおける吸着
解除法は、吸着電圧を切断したときに、アンテナへの高
周波電力の接続を維持する必要がある。したがって、プ
ラズマが維持された状態で、本発明により残留電荷が除
去される。

【００３１】最後に、上記開示は、ウェハから大地への
導電経路を形成するために真空チャンバ内のプラズマを
使用している。しかし、この経路は、プラズマを使用す
る処理システムでしか利用できない。したがって、プラ
ズマを使用しないシステムや、吸着を解除する前にプラ
ズマを停止する必要のあるシステムでは、物理的導体を
用いて導電経路を設けることができる。例えば、静電チ
ャックの支持表面に導電性トレースを設け、ウェハの裏
面がトレースと接触するようにする。ウェハの吸着を解
放するために、電極がインダクタと接続するように継電
器が切り換わると、トレースが大地に接続される。双極
の場合、双投継電器を使用することにより、同時切換え
機能を達成することもできる。

【００３２】本発明の教示を組み込んだ様々な実施形態
を図に示し、以上で詳細に説明したが、当業者はこれら
の教示を組み込んだ多くの他の変形形態を容易に創案す
ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を示す概略図である。

【図２】残留電荷が本発明により消滅するときのチャッ
ク電極の電圧のグラフである。

【符号の説明】

１００…真空チャンバ、１０１…半導体ウェハ、１０５
…エンクロージャ、１１１…陰極ペデスタル、１１２…
下部誘電層、１１３…チャック電極、１１４…上部誘電
層、１２０…ＤＣ電圧電源、１２１…フィルタ、１３０
…高周波電源装置、１３２…高周波整合フィルタ、２０
０…制御コンピュータ、２１０…継電器、２１２…イン
ダクタ。

Claims (9)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 少なくとも１つの電極、および、前記電
   極と被加工物との間に位置する支持層を具備する静電チ
   ャックから被加工物を解放する装置であって、 インダクタと、 前記インダクタに接続され、前記電極を前記インダクタ
   に選択的に接続して前記被加工物と前記静電チャックと
   の間の残留電荷を放出するための切換え回路と、を備え
   る装置。
2. 【請求項２】 前記インダクタが所定の電位に接続され
   た第１端子を有し、前記切換え回路が、前記静電チャッ
   クの前記電極に接続された１つの端子と、前記インダク
   タの第２端子に接続された別の端子とを有し、前記切換
   え回路が前記インダクタを介して前記電極を前記所定の
   電位に選択的に接続するようになっている、請求項１に
   記載の装置。
3. 【請求項３】 前記インダクタが前記電極に接続された
   第１端子を有し、前記切換え回路が、前記インダクタの
   第２端子に接続された１つの端子と、所定の電位に接続
   された別の端子とを有し、前記切換え回路が前記インダ
   クタを介して前記電極を前記所定の電位に選択的に接続
   するようになっている、請求項１に記載の装置。
4. 【請求項４】 前記切換え回路が継電器である、請求項
   １に記載の装置。
5. 【請求項５】 前記継電器の常閉位置で前記電極を前記
   インダクタの前記第２端子に接続し、前記継電器の常開
   位置で前記電極を電源装置に接続するようになってい
   る、請求項４に記載の装置。
6. 【請求項６】 前記インダクタが１〜１０ｍＨの間のイ
   ンダクタンス値を有する、請求項１に記載の装置。
7. 【請求項７】 少なくとも１つの電極、および、前記電
   極と被加工物との間に位置する支持層を具備する静電チ
   ャックから被加工物を解放する方法であって、 導電経路を介して前記被加工物を大地に接続する段階
   と、 前記電極からチャック動作電源を切断する段階と、 前記電極をインダクタに接続する段階と、 前記被加工物と前記電極との間の残留電荷を、前記イン
   ダクタを介して所定の電位に放出する段階と、を含む方
   法。
8. 【請求項８】 前記導電経路がプラズマであり、 前記電源を前記電極から切断した後で前記プラズマを遮
   断する段階を更に含む、請求項７に記載の方法。
9. 【請求項９】 前記プラズマ遮断の段階が、前記電源を
   前記電極から切断してから約１秒後に発生することを特
   徴とする、請求項８に記載の方法。