CN102738041B - 上部电极板以及基板处理装置 - Google Patents

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Abstract

一种上部电极板以及基板处理装置，提供一种能够从开始产生等离子体起就使上部电极板的温度稳定，能够对多个晶圆实施均匀的蚀刻处理的上部电极板。在等离子体处理装置(10)中，隔着处理空间(S)与基板载置台(12)相向地配置的上部电极板(31)经由冷却板(32)与电极支承体(33)相抵接并被该电极支承体(33)支承，在与冷却板(32)相抵接的抵接面上形成传热薄片(38)。传热薄片(38)的热导率处于0.5～2.0W/m·k的范围，该传热薄片(38)的材料是在成分中包含硅的耐热性的粘合剂、橡胶，以及在粘合剂、橡胶中含有25％～60％体积的氧化物、氮化物或者碳化物的陶瓷填料，该传热薄片(38)的膜厚例如是30μm～80μm，以避开上部电极板(31)的各气孔(34)的附近的规定区域的方式涂布并形成该传热薄片(38)。

Description

上部电极板以及基板处理装置
技术领域
本发明涉及一种上部电极板以及基板处理装置，特别是涉及一种隔着处理空间与基板载置台相向地配置的上部电极板。
背景技术
对作为基板的晶圆实施蚀刻处理的基板处理装置具备：收容晶圆且能够减压的腔室、配置在该腔室内以载置晶圆的基板载置台以及隔着处理空间与该基板载置台相向地配置的上部电极板(CEL)。在减压的腔室内产生等离子体，该等离子体对晶圆进行蚀刻。上部电极板经由作为热扩散板而发挥功能的冷却板而被电极支承体(UEL)支承。
在对晶圆实施等离子体处理、例如蚀刻处理的情况下，晶圆的各部位的蚀刻率(E/R)分别受到各部位的温度的影响，因此在蚀刻处理中需要使基板载置台、上部电极板等腔室内部件的表面温度保持均匀。然而，存在以下问题：由于腔室内保持真空，因此腔室内部件相互之间难以传递热量，在各部件的温度稳定之前需要时间。
另外，当对晶圆实施蚀刻处理时，被配置在用于载置晶圆的基板载置台上部的上部电极板从等离子体接收热量而使其温度发生变化。上部电极板的温度会影响处理空间内的等离子体中的自由基的分布，因此在对同一批内的多个晶圆进行处理期间，如果上部电极板的温度发生变化，则难以对同一批内的多个晶圆实施均匀的蚀刻处理。因此，在用于支承上部电极板的电极支承体上设置制冷流路来作为温度调节机构，该制冷流路例如使以冷却水为主的制冷剂流通，该制冷流路经由作为热扩散板而发挥功能的冷却板来冷却上部电极板，由此对直接受到来自等离子体的热量的影响的上部电极板的温度进行调整。
另外，上部电极板与冷却板的抵接面、冷却板与电极支承体的抵接面的密合度并不高，另外由于真空环境导致这些部件相互间的热传递效率低。因而，在上部电极板的温度控制中产生时间上的偏差，难以从开始产生等离子体起就将上部电极板的温度调整为期望的温度，这成为导致每个晶圆的蚀刻率等的处理属性不稳定的原因。
对此，近年来，本申请人开发了一种改善等离子体处理装置的构成部件间的热传递效率的温度调整技术(例如参照专利文献1)。在该技术中，在等离子体处理装置中的各构成部件之间、例如聚焦环和基座之间配置传热薄片来改善热传递效率。
专利文献1：日本特开2002-16126号公报
发明内容
发明要解决的问题
然而，存在以下问题：关于上述现有技术中的传热薄片，其应用技术未必确立，特别是适用于直接接收等离子体的热量而被加热的上部电极板的技术还没有充分确立。
本发明的目的在于提供一种能够从开始产生等离子体起就使上部电极板的温度稳定，能够对多个晶圆实施均匀的蚀刻处理的上部电极板以及基板处理装置。
用于解决问题的方案
为了解决上述问题，第一方面所记载的上部电极板是一种上部电极板，具有温度调整机构的电极支承体悬吊支承该上部电极板，该上部电极板的特征在于，该上部电极板经由冷却板抵接于上述电极支承体，在与该冷却板相抵接的抵接面上形成传热薄片。
第二方面所记载的上部电极板的特征在于，在第一方面所记载的上部电极板中，在上述上部电极板中设置多个气孔，以避开上述气孔的附近的规定区域的方式形成上述传热薄片。
第三方面所记载的上部电极板的特征在于，在第二方面所记载的上部电极板中，以避开将上述气孔的中心作为中心且半径为1.5mm至2.5mm的圆形区域的方式来形成上述传热薄片。
第四方面所记载的上部电极板的特征在于，在第一方面至第三方面中的任一项所记载的上部电极板中，上述传热薄片的膜厚为100μm以下。
第五方面所记载的上部电极板的特征在于，在第四方面所记载的上部电极板中，上述传热薄片的膜厚为30μm至80μm。
第六方面所记载的上部电极板的特征在于，在第四方面或者第五方面所记载的上部电极板中，上述上部电极板隔着处理空间与基板载置台相向地配置，在与上述基板载置台的中心部相向的位置处和与上述基板载置台的周边部相向的位置处，上述传热薄片的膜厚不同。
第七方面所记载的上部电极板的特征在于，在第一方面至第六方面中的任一项所记载的上部电极板中，对上述冷却板的与上述传热薄片相抵接的抵接面涂布脱模剂。
第八方面所记载的上部电极板的特征在于，在第一方面至第七方面中的任一项所记载的上部电极板中，在上述电极支承体与上述冷却板的抵接面上存在上述传热薄片。
第九方面所记载的上部电极板的特征在于，在第一方面至第八方面中的任一项所记载的上部电极板中，上述传热薄片的热导率是0.5W/m·k～2.0W/m·k。
为了解决上述问题，第十方面所记载一种基板处理装置，具有上部电极板和隔着处理空间与该上部电极板相向地配置的基板载置台，对载置在该基板载置台上的基板实施规定的处理，该基板处理装置的特征在于，上述上部电极板是第一方面至第九方面中的任一项所记载的上部电极板。
发明的效果
根据本发明，上部电极板经由冷却板与电极支承体相抵接，在上部电极板的与冷却板相抵接的抵接面上形成传热薄片，因此良好地显现出如下功能：能够提高上部电极板与冷却板之间的热传递效率，并且利用电极支承体对上部电极板进行温度调整，由此，能够使上部电极板的温度加快稳定，从开始产生等离子体起就使上部电极板的温度稳定，能够对多个晶圆实施均匀的蚀刻处理。
附图说明
图1是示意性地表示具备本发明的实施方式所涉及的上部电极板的等离子体处理装置的结构的剖视图。
图2是表示图1的等离子体处理装置中的上部电极板的与冷却板相抵接的抵接面的图。
图3是图2的上部电极板的局部放大俯视图。
图4是图2的上部电极板的侧视图。
图5是表示上部电极板与冷却板的抵接部的局部放大剖视图。
附图标记说明
W：晶圆；S：处理空间；10：等离子体处理装置；11：腔室；12：基座；30：簇射头；31：上部电极板；32：冷却板；33：电极支承体；34：气孔；38：传热薄片；40：螺栓用的孔；41：开口部
具体实施方式
下面，参照附图对本发明的实施方式进行详细地说明。
图1是示意性地表示具备本实施方式所涉及的上部电极板的等离子体处理装置的结构的剖视图。该等离子体处理装置对作为基板的半导体器件用的晶圆(以下简称为“晶圆”)实施等离子体蚀刻处理。
在图l中，作为基板处理装置的等离子体处理装置10具有收容例如直径为300mm的晶圆W的腔室11，在该腔室11内配置有用于载置半导体器件用的晶圆W的圆柱状的基座12。在等离子体处理装置10中，利用腔室11的内部侧壁和基座12的侧面形成侧部排气通路13。在该侧部排气通路13的中段配置有排气板14。
排气板14是具有多个通孔的板状构件，作为将腔室11内部分隔成上部和下部的分隔板而发挥功能。在由排气板14分隔出的腔室11内部的上部(以下称为“处理室”)15中如后述那样产生等离子体。另外，用于排出腔室11内的气体的排气管17与腔室11内部的下部(以下称为“排气室(歧管)”)16相连接。排气板14捕捉或反射在处理室15中产生的等离子体，防止该等离子体向歧管16泄漏。
TMP(Turbo Molecular Pump：涡轮分子泵)和DP(Dry Pump：干泵)(均未图示)与排气管17相连接，这些泵将腔室11内抽成真空而使腔室11的内部减压。具体地说，DP使腔室11内从大气压状态减压至内部真空状态(例如1.3×10Pa(0.1Torr)以下)，TMP与DP相配合使腔室11内减压至压力低于内部真空状态的高真空状态(例如1.3×10-3Pa(1.0×10-5Torr)以下)。此外，腔室11内的压力由APC阀(未图示)控制。
第一高频电源18经由第一匹配器19与腔室11内的基座12相连接，且第二高频电源20经由第二匹配器21与该基座12相连接，第一高频电源18将比较低的频率、例如2MHz的离子引入用高频电力施加到基座12，第二高频电源20将比较高的频率、例如60MHz的等离子体产生用高频电力施加到基座12，。由此，基座12作为电极发挥功能。另外，第一匹配器19和第二匹配器21降低来自基座12的高频电力的反射，使高频电力向基座12的施加效率达到最大。
基座12的上部配置有在内部具有静电电极板22的由陶瓷构成的静电吸盘23。直流电源24与静电电极板22相连接，当对静电电极板22施加正的直流电压时，晶圆W在静电吸盘侧的面(以下称为“背面”)产生负电位，在静电电极板22与晶圆W的背面之间产生电场，利用由该电场引发的库仑力或约翰逊·拉别克力将晶圆W吸附保持于静电吸盘23。
另外，在基座12上以将吸附保持于静电吸盘23的晶圆W包围起来的方式载置有聚焦环25。聚焦环25由硅(Si)、碳化硅素(SiC)等构成。即，聚焦环25由半导体构成，因此使等离子体的分布区域不局限于晶圆W上而是扩大至该聚焦环25上，从而将晶圆W的周缘部上的等离子体的密度维持在与该晶圆W的中央部上的等离子体的密度相同程度。由此，确保对整面的晶圆W实施的等离子体蚀刻处理的均匀性。
在基座12的内部例如设置有沿圆周方向延伸的环状的制冷剂室26。从冷却单元经由制冷剂用配管(省略图示)对该制冷剂室26循环供给低温的制冷剂、例如冷却水、羟色胺(注册商标)。被该低温的制冷剂冷却后的基座12对晶圆W和聚焦环25进行冷却。
静电吸盘23具有朝向静电吸附着的晶圆W开口的多个传热气体供给孔(省略图示)。这些多个传热气体供给孔经由传热气体供给线与传热气体供给部(都省略图示)相连接，该传热气体供给部将作为传热气体的He(氦)气经由传热气体供给孔提供至吸附面和晶圆W的里背面的间隙。被提供至吸附面和晶圆W的背面的间隙的氦气将晶圆W的热量高效地传递给基座12。
在处理腔室11的上部，隔着处理空间S与基座12相向地配置有簇射头(showerhead)30。簇射头30具有：上部电极板31；电极支承体33，其以可拆卸上部电极板31的方式悬吊支承该上部电极板31；以及冷却板32，其配置成被夹持在该电极支承体33与上部电极板31之间。冷却板32和上部电极板31由圆板状构件构成，该圆板状构件具有沿厚度方向贯通的多个气孔34，例如由硅、SiC(碳化硅素)、石英等构成。另外，在电极支承体33的内部设置有温度调整用的制冷流路(省略图示)和缓冲室35，处理气体导入管(省略图示)与缓冲室35相连接。
另外，直流电源37与簇射头30的上部电极板31相连接，对上部电极板31施加负的直流电压。此时，上部电极板31放出二次电子来防止处理室15内部的电子密度的下降。
另外，在上部电极板31与冷却板32的抵接面和冷却板32与电极支承体33的抵接面上存在后述的传热薄片38。传热薄片38对在上部电极板31与冷却板32的抵接面和冷却板32与电极支承体33的抵接面上产生的细小的缝隙进行填充，改善各抵接面的热传递效率，经由冷却板32将上部电极板31的热量高效地传递给电极支承体33。
在等离子体处理装置10中，从处理气体导入管提供至缓冲室35的处理气体经由气孔34被导入到处理室15内部的处理空间S，所导入的该处理气体被等离子体生成用高频电力激励后生成等离子体，从第二高频电源20经由基座12对处理室15内部施加该等离子体生成用高频电力。利用第一高频电源18对基座12施加的离子引入用高频电力将该等离子体中的离子引入到晶圆W，该等离子体中的离子对该晶圆W实施等离子体蚀刻处理。
等离子体处理装置10所具备的控制部(省略图示)的CPU根据与等离子体蚀刻处理相对应的程序来对上述等离子体处理装置10的各构成部件的动作进行控制。
图2是表示图1的等离子体处理装置中的上部电极板的与冷却板相抵接的抵接面的图，图3是图2的上部电极板的局部放大俯视图，图4是图2的上部电极板的侧视图。
在图2中，上部电极板31呈圆形板状体，其直径例如与用于载置晶圆W的基座12的直径大致相同。另外，其厚度例如为5mm～20mm。上部电极板31的与冷却板32相抵接的抵接面上涂布、形成传热薄片38。
传热薄片38例如通过如下方式形成，即、作为聚有机硅氧烷，使用XE14-B8530(A)(Momentive Performance Materials制造)和XE14-B8530(B)(Momentive Performance Materials制造)，对以重量比1∶1混合两者而得到的液体(下面将该液体称为(混合液A))进行调制，接着以使混合液A∶氧化铝填料＝60∶40(体积比)的方式对混合液A添加作为氧化铝填料的DAM5(电化学工业制造，平均粒径为5μm)，并且，以使RD-1的重量相对于混合液A和氧化铝填料的重量总和为0.04重量％的方式添加作为交联聚有机硅氧烷系固化剂的RD-1(Dow Corning Toray silicone制造)，将得到的液体(以下将该液体称为“混合液B”)经由用于形成与后述的气孔34相对应的开口部41的规定的掩模材料、并且以期望的膜厚例如丝网印刷到上部电极板31的与冷却板32相抵接的抵接面31a上，之后，例如以150℃加热30小时后进行固化。此外，使用仅使混合液B固化而得到的试验片来以激光闪光法来测量传热薄片38的热导率，其测量结果是1.2W/m·k。
在图3和图4中，在上部电极板31中设置有多个气孔34，在上部电极板31的与冷却板32相抵接的抵接面31a上形成的传热薄片38中也设置有与气孔34相对应的开口部41。被设置在上部电极板31中的气孔34例如是Φ0.5mm的通孔，被设置在传热薄片38中的开口部41例如是Φ3mm～Φ5mm的圆形的孔。以使气孔34位于开口部41的中心部的方式形成传热薄片38。因而，传热薄片38的开口部41与气孔34形成为同心状，气孔34的附近的规定区域、即以气孔34的中心为中心、例如半径1.5mm至2.5mm的圆形区域是不存在传热薄片38的区域。
图5是表示上部电极板31与冷却板32的抵接部的局部放大剖视图。
在图5中，在上部电极板31和冷却板32上例如以相等间隔且互相连通的方式分别设置气孔34。在上部电极板31的与冷却板32相抵接的抵接面上形成传热薄片38，在与该传热薄片38的气孔34相应的位置处形成开口部41。即，配置为传热薄片38的开口部41与上部电极板31的气孔34互相连通，且气孔34与开口部41的大致中央处相连接。由此，从气孔34进入的等离子体的到达传热薄片38的到达路径成为曲折状。因而，即使等离子体从气孔34进入也难以到达传热薄片38，能够防止传热薄片38暴露于等离子体，从而避免传热薄片38的损坏以及产生微粒等问题。
在上部电极板31中设置有用于将该上部电极板31抵接、固定到冷却板32上的螺栓用的孔40(参照图2、图3)，以避开螺栓用的孔40的方式形成传热薄片38。此外，不用担心等离子体进入螺栓用的孔40，因此对应于螺栓用的孔40的传热薄片38的开口部成为与螺栓用的孔40大致相同的尺寸。
这种结构的上部电极板31经由冷却板32被电极支承体33悬吊支承，并被固定在腔室内的规定位置(参照图1)。
根据本实施方式，在上部电极板31的与冷却板32相抵接的抵接面31a上形成了传热薄片38，因此能够对在上部电极板31与冷却板32的抵接面上产生的细小的缝隙进行填充，并且能够改善上部电极板31与冷却板32之间的热传递效率，从而能够将上部电极板31的热量经由冷却板32高效地传递至电极支承体33。因而，能够利用电极支承体33高效地冷却上部电极板31而使其温度稳定，例如使对同一批中的第一片晶圆进行处理时和对第五片晶圆进行处理时的上部电极板31的温度稳定。另外，由此使上部电极板31所面对的处理空间S内的自由基的活性稳定，每个晶圆的蚀刻率的平均值也稳定。另外，例如即使腔室内温度达到200℃或者200℃以上，也能够将上部电极板31的温度维持为100℃左右，由此，能够实现抑制上部电极板31的热膨胀、能够不考虑构件之间的空隙来进行设计。另外，还能够抑制由等离子体进入腔室内部件的间隙而导致的异常放电、或者产生微粒等问题。
并且，根据本实施方式，通过在上部电极板31的与冷却板32相抵接的抵接面31a上形成传热薄片38，能够改善上部电极板31与冷却板32之间的热传递效率，上部电极板31能够经由冷却板32扩散热量，从而能够实现上部电极板31的热量分布的均匀化。
根据本实施方式，传热薄片38的有机材料例如是在成分中包含硅的耐热性的粘合剂、橡胶，因此即使传热薄片38发生挠性地变形而导致上部电极板31的与冷却板32相抵接的抵接面多少发生弯曲，也能够可靠地贴合。另外，传热薄片38的传热材料是氧化物、氮化物或者碳化物的陶瓷填料，在上述耐热性的粘合剂、橡胶中例如含有25％～60％体积的填料，因此传热薄片能够遍及整个区域大致均匀地传递热量，其结果是，能够大致均匀地对整个上部电极板31进行温度调整。
传热薄片38的热导率例如是0.5W/m·k～2.0W/m·k。如果热导率在该范围内，则如上所述，能够遍及传热薄片38整个区域大致均匀地传递热量，能够大致均匀地对整个上部电极板31进行温度调整。
在本实施方式中，关于构成传热薄片38的、成分中包含硅的耐热性的粘合剂、橡胶，只要含有硅就不作特别地限制，优选列举出为主链骨架由硅氧烷单元构成的的聚有机硅氧烷、且具有交联结构的物质。聚有机硅氧烷中，优选热固化的聚有机硅氧烷，除了主要材料聚有机硅氧烷之外，还优选使用固化剂(交联性聚有机硅氧烷)。聚有机硅氧烷的重复单元结构可以列举出二甲基硅氧烷单元、苯基甲基硅氧烷单元、二苯基硅氧烷单元等。另外，也可以使用具有乙烯基、环氧基等官能团的改性聚有机硅氧烷。
在本实施方式中，作为传热薄片38中的填料的传热材料是氧化物、氮化物或者碳化物的陶瓷填料，具体例示时，可以列举出作为氧化物的氧化铝、氧化镁、氧化锌、二氧化硅等，作为氮化物的氮化铝、氮化硼、氮化硅等，作为碳化物的碳化硅等。该陶瓷填料优选具有球形结构，优选以使传热特性最大的方式对形状存在各向异性的填料进行定向。作为特别优选的陶瓷填料，可列举出氧化铝、氧化锌、氮化铝、氮化硼、氮化硅、碳化硅等。
在本实施方式中，传热薄片38的膜厚为100μm以下，优选为30μm～80μm。
在上部电极板31与冷却板32的抵接面上残留有由成型加工导致的某种程度的弯曲或者表面粗糙。因而，如果传热薄片38过薄，则该传热薄片38不能确保对上部电极板31与冷却板32的抵接面的缝隙进行填充来实现热的整体性。另一方面，如果传热薄片38的膜厚变厚，则上部电极板31与传热薄片38的合成热容量变大，担心等离子体蚀刻处理中的上部电极板31的升温方式恐怕不适于该等离子体蚀刻处理。如果传热薄片38的膜厚在30μm～80μm范围内，则能够将传热薄片38可靠地贴合于上部电极板31，从而使上部电极板31热稳定。
在本实施方式中，在上部电极板31的与冷却板相抵接的抵接面31a上形成的传热薄片38能够使与基板载置台的中心部相向的位置处的膜厚不同于与周边部相向的位置处的膜厚，该基板载置台隔着处理空间与上部电极板31相向地配置。即，与基座12的中心部相向的上部电极板31的中心部与等离子体密度高的处理空间S相向，因此易于变为高温。因而，使上部电极板31的中心部的传热薄片38的膜厚比除此之外的其它部分的膜厚薄而将热阻抑制得较低，并且调整热传递效率，由此，还能够实现上部电极板31的表面内温度的均匀化以及蚀刻率的均匀化。
此外，在本实施方式中，在上部电极板31的中心部分也可以不形成传热薄片38。
在本实施方式中，优选在电极支承体33与冷却板32的抵接面上也存在传热薄片38。由此，电极支承体33与冷却板32之间的热传递效率提高，利用电极支承体33使隔着冷却板32的上部电极板31的冷却效果提高，上部电极板31的温度更为稳定。另外，能够改善腔室内的热分布，还能够实现节能。
在本实施方式中，优选在冷却板32的与上部电极板31相抵接的抵接面、更为详细地说是在冷却板32的与传热薄片38相抵接的抵接面上涂布脱模剂。这是由于，上部电极板31是耗材，在使用规定时间后要更换为新品，但冷却板32能够继续使用，将去掉达到寿命的上部电极板31后，冷却板32的表面要保持洁净。作为脱模剂，适合使用例如将氟涂层、导热性良好的粉末、例如碳、氮化硼等作为主要成分的脱模剂。
以上，利用实施方式对本发明进行了详细地说明，但本发明并不限定于这些实施方式。
另外，在上述实施方式中，被实施等离子体蚀刻处理的基板并不限于半导体器件用的晶圆，也可以是包括LCD(LiquidCrystal Display，液晶显示器)等的FPD(Flat Panel Display：平板显示器)等所用的各种基板、光掩模、CD基板、印刷电路板等。

Claims (9)

1.一种上部电极板，具有温度调整机构的电极支承体悬吊支承该上部电极板，该上部电极板的特征在于，
该上部电极板经由冷却板抵接于上述电极支承体，在与该冷却板相抵接的抵接面上形成传热薄片，
其中，上述上部电极板隔着处理空间与基板载置台相向地配置，在与上述基板载置台的中心部相向的位置处和与上述基板载置台的周边部相向的位置处，上述传热薄片的膜厚不同。
2.根据权利要求1所述的上部电极板，其特征在于，
在上述上部电极板中设置多个气孔，以避开上述气孔的附近的规定区域的方式形成上述传热薄片。
3.根据权利要求2所述的上部电极板，其特征在于，
以避开将上述气孔的中心作为中心且半径为1.5mm至2.5mm的圆形区域的方式来形成上述传热薄片。
4.根据权利要求1至3中的任一项所述的上部电极板，其特征在于，
上述传热薄片的膜厚为100μm以下。
5.根据权利要求4所述的上部电极板，其特征在于，
上述传热薄片的膜厚为30μm至80μm。
6.根据权利要求1至3中的任一项所述的上部电极板，其特征在于，
对上述冷却板的与上述传热薄片相抵接的抵接面涂布脱模剂。
7.根据权利要求1至3中的任一项所述的上部电极板，其特征在于，
在上述电极支承体与上述冷却板的抵接面上存在上述传热薄片。
8.根据权利要求1至3中的任一项所述的上部电极板，其特征在于，
上述传热薄片的热导率是0.5W/m·k～2.0W/m·k。
9.一种基板处理装置，具有上部电极板和隔着处理空间与该上部电极板相向地配置的基板载置台，对载置在该基板载置台上的基板实施规定的处理，该基板处理装置的特征在于，
上述上部电极板是权利要求1至8中的任一项所述的上部电极板。
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