JP2001127046A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 対向電極の温度分布が均一化し，かつ対向電
極の温度上昇が抑制される，プラズマ処理装置を提供す
る。 【解決手段】 プラズマ処理装置１は，ウェハＷが載置
される下部電極３１と，プラズマ空間７１１を挟んで下
部電極３１に対向配置される上部電極５１と，熱伝達を
利用して上部電極５１を冷却する冷却板５３と，を備え
ている。上部電極５１と冷却板５３とは，その内側領域
（５１５，５３５）において第１ねじ９１によって相互
固定されている。第１ねじ９１は，冷却板５３を上面側
から下面側に貫通し上部電極５１に上面側から挿入され
て上部電極５１下面に露出せずに，上部電極５１と冷却
板５３とを相互固定する。かかる構成を有するプラズマ
処理装置１では，上部電極５１と冷却板５３との間にお
けるすき間の形成が防止され，上部電極５１の温度分布
の均一化および温度上昇が抑制される。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は，プラズマ処理装置
に関する。

【０００２】

【従来の技術】従来のプラズマ処理装置において，上部
電極は，プラズマ空間側からねじ止めすることにより冷
却板に固定されている。上記従来のプラズマ処理装置で
は，上部電極を固定するねじがプラズマ空間に露出する
と，励起プラズマによりねじが削られてプラズマ処理の
精度が劣化するおそれがある。したがって，従来のプラ
ズマ処理装置では，プラズマ空間側に露出したねじの頭
を絶縁部材で覆うことのできる位置にしかねじを設ける
ことができない。結果として，従来のプラズマ処理装置
では，上部電極と冷却板とが両者の周縁部でのみ相互固
定されていた。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら，かかる
構成を有する従来のプラズマ処理装置では，ねじ止めさ
れた周縁部から離れるに従って，上部電極と冷却板との
間にすき間が発生し易くなり，上部電極から冷却板への
熱伝達が劣化する。その結果，上部電極において周縁部
と中央部付近とに大きな温度差が発生し，プロセスの不
均一化を招くおそれがある。かかる問題は，例えば３０
０ｍｍウェハなどの大きな被処理体を処理する場合に重
大な問題となる。また，プロセスが進行するに伴い上部
電極の温度が上昇し，被処理体の処理枚数によってプロ
セスが不均一化するおそれがある。本発明は、従来のプ
ラズマ処理装置が有する上記その他の問題点に鑑みて成
されたものである。

【０００４】

【課題を解決するための手段】上記課題を解決するため
に，請求項１に記載の発明は，被処理体が載置される下
部電極と，前記下部電極に対向配置される上部電極と，
前記上部電極の上に配置され熱伝達により前記上部電極
を冷却する冷却板とを備え，前記上部電極または前記下
部電極の少なくとも一方には高周波電源が接続されてお
り，前記上部電極と前記冷却板とには処理ガスを導入す
るガス孔（ガス吐出孔）が形成されている，プラズマ処
理装置において，前記ガス孔以外のところで前記冷却板
の上から前記上部電極の途中まで挿入されて，前記上部
電極と前記冷却板とを相互固定する固定手段を備える構
成を採用する。

【０００５】本項記載の発明では，固定手段をプラズマ
が発生する空間に露出させることなく，冷却板と上部電
極とを相互固定することができる。したがって，本項記
載の発明では，プラズマ処理への影響を考えることな
く，固定手段の設置位置および設置数を設定することが
できる。すなわち，本項記載の発明では，例えば固定手
段の設置位置を均一に分布させる構成や上部電極の変形
し易い部位に固定手段を相対的に多く設置する構成等を
採用することができる。そのため，上部電極と冷却板と
の強固な相互固定が可能となり，両者間でのすき間の発
生を防止することができる。結果として，本項記載の発
明によれば，上部電極から冷却板への熱伝達効率の劣化
が防止され，プロセスの不均一化の防止および上部電極
の冷却効率の向上を図ることができる。

【０００６】また，本項記載の発明では，必ずしも，固
定手段のプラズマが発生する空間への露出を防止する絶
縁物を設ける必要がない。したがって，本項記載の発明
によれば，プラズマ処理装置について，構成部材数の減
少および設計自由度の向上を実現し，製造コスト削減を
図ることができる。さらにまた，本項記載の発明では，
冷却板側から挿入される固定手段を採用するために，必
ずしも，例えばねじ止め用の貫通孔などを上部電極に形
成する必要がない。したがって，上部電極の製造プロセ
スにおける破損の可能性を低減することができる。

【０００７】さらに，請求項２に記載の発明は，固定手
段がねじである構成を採用する。本項記載の発明では，
ねじ止めによって，上部電極と冷却板との強固な相互固
定を比較的簡単に実現することができる。したがって，
プラズマ処理装置の製造・組立が容易になる。さらに，
本項記載の発明では，ねじを外すことにより，上部電極
と冷却板とを容易に分離することができる。したがっ
て，本項記載の発明によれば，上部電極のメンテナンス
を簡単化することができる。

【０００８】また，本項記載の発明では，ねじ締めトル
クを調整することにより，上部電極と冷却板との固定力
の分布を調整し，効果的にすき間の発生を防止すること
ができる。具体的には，本項記載の発明では，例えば中
心付近などの上部電極の温度が上昇し易い部分でねじ締
めトルクを大きくし例えば周縁部など比較的上部電極の
温度が上昇し難い部分でねじ締めトルクを小さくするこ
とにより，効果的にすき間の発生を防止することができ
る。

【０００９】さらに，請求項３に記載の発明は，上部電
極と冷却板との間に熱伝達部材が挟み込まれている構成
を採用する。本項記載の発明では，熱伝達部材により，
冷却板と上部電極との間におけるすき間の発生を一層抑
制することができる。したがって，上部電極上の各位置
でほぼ均一に冷却板への熱伝達を行うことができるよう
になり，例えば上部電極の変形や励起プラズマの不均一
分布等，上部電極上の不均一な温度分布による問題の発
生を確実に防止することができる。なお，熱伝達部材に
は，少なくとも冷却板または上部電極のいずれかよりも
軟らかい部材を適用することが好適である。

【００１０】

【発明の実施の形態】以下，本発明の好適な実施の形態
について，添付図面を参照しながら詳細に説明する。な
お，以下の説明及び添付図面において，同一の機能及び
構成を有する構成要素については，同一符号を付するこ
とにより，重複説明を省略する。

【００１１】（第１の実施の形態）まず，図１および図
２を参照しながら，第１の実施の形態について説明す
る。なお，図１は，本実施の形態に係るプラズマ処理装
置１の概略構成を示す断面図である。図２は，固定ユニ
ット７５および上部電極ユニット５の周辺におけるプラ
ズマ処理装置１の概略的な分解図である。図１に示すよ
うに，プラズマ処理装置１は，下部電極ユニット３と上
部電極ユニット５と処理容器７とを備えている。

【００１２】プラズマ処理装置１において，処理容器７
下部には下部電極ユニット３が設置される。また，処理
容器７上部には固定ユニット７５によって上部電極ユニ
ット５が設置される。さらに，処理容器７内に形成され
る処理室７１では，下部電極ユニット３の下部電極３１
と上部電極ユニット５の上部電極５１との間に，プラズ
マ空間７１１が形成される。なお，プラズマ処理装置１
において，処理容器７は保安接地されており，その処理
容器７下部には排気系７３が設けられている。

【００１３】プラズマ処理装置１において，下部電極ユ
ニット３は，載置電極に相当する下部電極３１と下部電
極３１上面に設置された静電チャック３３とを備えてい
る。かかる構成を有するプラズマ処理装置１では，下部
電極３１上に，静電チャック３３を介して，被処理体に
相当するウェハＷが載置される。下部電極３１の側面お
よび下面は，絶縁物３１１で被覆されている。

【００１４】さらに，下部電極ユニット３は，下部電極
３１上に載置されたウェハＷを囲むリング体３５を備え
ている。さらにまた，下部電極ユニット３は，静電チャ
ック３３に定電圧を印加する定電圧供給系３７と下部電
極３１に高周波電圧を印加する高周波電圧供給系３９と
を備えている。下部電極ユニット３において，定電圧供
給系３７では，定電圧源３７１の一方の端子が静電チャ
ック３３内部の導体３３１に接続され，定電圧源３７１
の他方の端子が接地されている。また，高周波電圧供給
系３９では，高周波電圧源３９３の一方の端子が接地さ
れ，高周波電圧源３９３の他方の端子が整合器３９１を
介して下部電極３１に接続されている。

【００１５】プラズマ処理装置１において，上部電極ユ
ニット５は，プラズマ空間７１１を挟んで下部電極３１
に対向配置される上部電極５１と上部電極５１上方に配
置される冷却板５３とを備えている。さらに，上部電極
ユニット５は，冷却板５３上方に配され冷却板５３上面
との間にガス導入空間５５１を形成する中央部天板５５
を備えている。中央部天板５５は，その周縁部におい
て，冷却板５３に接触している。なお，本実施の形態で
は，上部電極５１を例えばシリコンから形成し，冷却板
５３を例えばアルミニウムから形成し，中央部天板５５
を例えばアルミニウムから形成することができる。

【００１６】さらに，上部電極ユニット５は，中央部天
板５５に高周波電圧を印加する高周波電圧供給系５７と
ガス導入空間５５１に処理ガスを供給するガス供給系５
９と中央部天板５５に内装された冷媒循環路５５３に冷
媒を供給する冷媒供給系６１とを備えている。上部電極
ユニット５において，高周波電圧供給系５７では，高周
波電圧源５７３の一方の端子が接地されており，高周波
電圧源５７３の他方の端子が整合器５７１を介して中央
部天板５５に接続されている。また，ガス供給系５９に
おいて，ガス源５９５は，流量調整弁５９３と開閉弁５
９１とを介して，ガス導入空間５５１に接続されてい
る。

【００１７】ここで，本実施の形態にかかるプラズマ処
理装置１の上部電極５１および冷却板５３について詳細
に説明する。対向電極に相当する上部電極５１には，上
面側から下面側に貫通する複数のガス孔５１１が形成さ
れている。ここで，ガス孔５１１は，周縁部５１３の内
側に形成される上部電極５１の内側領域５１５に形成さ
れている。

【００１８】同様に，冷却板５３にも，上面側から下面
側に貫通する複数のガス孔５３１が形成されている。こ
こで，ガス孔５３１は，周縁部５３３の内側に形成され
る冷却板５３の内側領域５３５に形成されている。上部
電極ユニット５において，ガス孔５１１とガス孔５３１
とは相互に連通している。したがって，処理装置１で
は，ガス導入空間５５１に供給された処理ガスが，ガス
孔５１１，５３１を介してプラズマ空間７１１に供給さ
れる。

【００１９】上部電極ユニット５において，冷却板５３
は，熱伝達により中央部天板５５に上部電極５１の熱を
逃がし，上部電極５１を冷却する。上部電極５１と冷却
板５３とは，上部電極５１上面と冷却板５３下面とが密
着するよう，第１ねじ９１と第２ねじ９３とによって相
互固定される。

【００２０】固定手段に相当する第１ねじ９１は，冷却
板５３を上面側から下面側に貫通し，上部電極５１に上
面側から挿入されて，上部電極５１下面に露出せずに上
部電極５１内部で終端する。すなわち，第１ねじ９１
は，冷却板５３をガス導入空間５５１側から上部電極５
１側に貫通し，冷却板５３側から上部電極５１に挿入さ
れ，プラズマ空間７１１に露出せずに上部電極５１内部
で終端する。

【００２１】本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１
において，第１ねじ９１は，冷却板５３では内側領域５
３５に，上部電極５１では内側領域５１５に設けられ
る。かかる構成により，第１ねじ９１は，内側領域５１
５と内側領域５３５とにおいて，上部電極５１と冷却板
５３とを相互固定することができる。なお，第１ねじ９
１は，上部電極５１および冷却板５３の中央部付近を中
心として同心円状に分布させることができる。かかる場
合，同心円を構成する各円の円周上に配される第１ねじ
９１の数を，中心部に近い円ほど少なくし，周縁部に近
い円ほど多くする構成を採用することができる。

【００２２】ここで，第１ねじ９１のねじ締めトルク，
第１ねじ９１の配置パターン，上部電極５１上面と冷却
板５３下面における第１ねじ９１の配置密度・配置数等
を調整することにより，上部電極５１と冷却板５３との
固定の強さを調節することができる。すなわち，第１ね
じ９１のねじ止めの仕方を調整することにより，冷却板
５３および中央部天板５５による上部電極５１の冷却効
率を調節することができる。

【００２３】一方，第２ねじ９３は，他の固定手段であ
り，上部電極５１を下面側から上面側に貫通し，冷却板
５３に下面側から挿入される。すなわち，第２ねじ９３
は，上部電極５１をプラズマ空間７１１側から冷却板５
３側に貫通し，上部電極５１側から冷却板５３に挿入さ
れる。

【００２４】本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１
において，第２ねじ９３は，上部電極５１では周縁部５
１３に，冷却板５３では周縁部５３３に設けられてい
る。かかる構成により，第２ねじ９３は，周縁部５１３
と周縁部５３３とにおいて，上部電極５１と冷却板５３
とを相互固定する。

【００２５】次に，図２を参照しながら，固定ユニット
７５による上部電極ユニット５の取り付けについて説明
する。本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１におい
て，上部電極５１と冷却板５３とは，プラズマ処理装置
１に設置する前に，予め，第１ねじ９１と第２ねじ９３
（図１参照）とにより相互固定しておく。図２に示すよ
うに，固定ユニット７５は，周縁部天板７５１と固定リ
ング７５３と脱落防止プレート７５５と第２絶縁リング
７５９とを備えている。

【００２６】図２に示すように，まず，処理容器７上部
に開閉可能に周縁部天板７５１を設置する。なお，図２
中，ＲはＯリングであり，７９は，処理容器７上部に固
定された第１絶縁リングである。次に，周縁部天板７５
１の内側に処理容器７外部側から固定リング７５３を装
着する。次に，固定リング７５３の内側に処理容器７外
部側から中央部天板５５を装着する。

【００２７】次に，第３ねじ９５によって周縁部天板７
５１上部に脱落防止プレート７５５を固定する。かかる
脱落防止プレート７５５は，固定リング７５３上部と中
央部天板５５の周縁部上部とを覆う。したがって，中央
部天板５５と固定リング７５３とは，かかる脱落防止プ
レート７５５によって周縁部天板７５１に固定される。

【００２８】次に，天板（５５，７５１）を開いて，第
４ねじ９７によって，中央部天板５５下部に，上部電極
５１と冷却板５３とを固定する。第４ねじ９７は，上部
電極５１の周縁部５１３に形成された固定構造に相当す
る貫通孔（座ぶり孔）５１７を介して冷却板５３に挿入
される。次に，第４ねじ９７の頭部のすき間を埋めるよ
うに，貫通孔５１７をキャップ部材７５７によって塞
ぐ。

【００２９】次に，下部電極５１下部に周縁部５１３を
被覆する第２絶縁リング７５９を設置する。第２絶縁リ
ング７５９は，固定リング７５３の外側に第５ねじ９９
によってねじ止めする。次に，天板（５５，７５１）を
閉じて，第１絶縁リング７９の内側の面と第２絶縁リン
グ７５９の外側の面とを合わせ，処理容器７内部を密閉
する。

【００３０】次に，図１を参照しながら，プラズマ処理
装置１の動作について説明する。動作時には，定電圧供
給系３７から静電チャック３３に定電圧が印加され，ウ
ェハＷが下部電極３１上に載置固定される。さらに，高
周波電圧供給系５７から上部電極５１に，中央部天板５
５と冷却板５３とを介して高周波電圧が印加され，高周
波電圧供給系３９から下部電極３１に高周波電圧が印加
される。さらにまた，中央部天板５５の冷媒循環路５５
３には，冷媒供給系６１から冷媒が供給される。

【００３１】ガス供給系５９からガス導入空間５５１に
処理ガスが供給されると，処理ガスはガス導入空間５５
１からガス孔（５３１，５１１）を介してプラズマ空間
７１１に供給される。プラズマ空間５７１では，処理ガ
スが，上部電極５１で発生する高周波電界と下部電極３
１で発生する高周波電界とによりプラズマ励起される。
プラズマ処理装置１では，かかる励起プラズマによりウ
ェハに所定の処理が施され，プラズマ処理後のガスが排
気系７３から処理室７１外部に排出される。

【００３２】以上説明したプラズマ処理装置１の動作時
には，プラズマ空間７１１で発生する励起プラズマによ
って，上部電極５１の温度が上昇する。冷却板５３は，
熱伝達を利用して上部電極５１を冷却し，上部電極５１
の熱変形や上部電極５１の温度分布の不均一化等を防止
する。本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１では，
上部電極５１と冷却板５３との間にすき間が形成されな
いように，第１ねじ９１によって内側領域５１５と内側
領域５３５とを相互固定している。したがって，冷却板
５３による上部電極５１の冷却効率が劣化せず，上部電
極５１の温度上昇を確実に防止することができる。

【００３３】以上説明したように，本実施の形態によれ
ば，内側領域（５１５，５３５）において，上部電極５
１と冷却板５３とを，冷却板５３側から上部電極５１に
挿入される第１ねじ９１により相互固定する。したがっ
て，上部電極５１の中心部付近においても，上部電極５
１から冷却板５３への熱伝達を円滑に行うことができ
る。結果として，本実施の形態によれば，上部電極にお
ける不均一な温度上昇を抑制し，プラズマ処理の均一化
および上部電極の寿命向上を図ることができる。

【００３４】さらに，本実施の形態では，プラズマ処理
装置１の組立過程において，上部電極５１と冷却板５３
とを，プラズマ処理装置１に設置する前に予め相互固定
しておくことができる。したがって，本実施の形態によ
れば，プラズマ処理装置の製造やメンテナンス作業を簡
素化することができる。

【００３５】（第２の実施の形態）次に，図３を参照し
ながら，第２の実施の形態について説明する。図３は，
本実施の形態に係るプラズマ処理装置１’の概略構成を
示す断面図である。図３に示すように，本実施の形態に
かかるプラズマ処理装置１’は，実質的に，上記第１の
実施の形態にかかるプラズマ処理装置１’に熱伝達部材
に相当する熱伝達部材４を加えたものである。

【００３６】プラズマ処理装置１’において，熱伝達部
材４は，上部電極ユニット５に備えられている。上部電
極ユニット５において，熱伝達部材４は，上部電極５１
と冷却板５３との間に挟み込まれている。熱伝達部材４
の内側領域には，ガス孔５１１，５３１に連通するガス
孔４１が形成されている。第１ねじ９１は，熱伝達部材
４の内側領域を貫通し，第２ねじ９３は，熱伝達部材４
の周縁部を貫通する。なお，熱伝達部材４は，上部電極
５１および冷却板５３よりも軟らかい材料から形成する
ことが好適である。熱伝達部材４としては，例えばシリ
コンシートや樹脂シート等を適用することができる。

【００３７】以上説明した本実施の形態では，熱伝達部
材４を設けることによって，上記第１の実施の形態より
も確実に，冷却板５１と上部電極５３との間におけるす
き間の形成を防止することができる。したがって，本実
施の形態によれば，より一層，プラズマ処理の均一化お
よび上部電極の寿命向上を図ることができる。

【００３８】以上，本発明に係る好適な実施の形態につ
いて説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。
当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術思想
の範囲内において，各種の修正例及び変更例を想定し得
るものであり，それら修正例及び変更例についても本発
明の技術範囲に包含されるものと了解される。

【００３９】例えば，上記実施の形態においては，載置
電極と対応電極との双方に高周波電圧を印加する構成を
有するプラズマ処理装置を例に挙げたが，本発明はかか
る構成に限定されない。本発明は，例えば載置電極また
は対応電極のいずれか一方に高周波電圧を印加する構成
を有するプラズマ処理装置に対しても適用することがで
きる。なお，本発明を載置電極または対応電極のいずれ
か一方に高周波電圧を印加する構成を有するプラズマ処
理装置に適用した場合において，高周波電圧を印加して
いない電極は，例えば接地などにより電位を固定しても
よいし，フローティングなどにより電位を固定しなくて
もよい。

【００４０】また，上記実施の形態においては，熱伝達
部材として一枚のシリコンシートを適用したプラズマ処
理装置を例に挙げたが，本発明はかかる構成に限定され
ない。本発明は，他の様々な熱伝達部材，例えば，対向
電極の温度が比較的上昇し易い部分と比較的上昇し難い
部分とで熱伝導率の異なる熱伝達部材，同心円状に配さ
れる複数のリング状の熱伝達部材，或いはシリコン以外
の熱伝達部材等を適用したプラズマ処理装置に対しても
適用することができる。

【００４１】さらに，上記実施の形態においては，固定
手段として対向電極内部で終端するねじを適用したプラ
ズマ処理装置を例に挙げたが，本発明はかかる構成に限
定されない。本発明は，他の様々な固定手段，例えば，
対向電極内部で終端せずに対向電極の側方に突き抜ける
ねじ，或いは冷却板に設けた突起や打ち込みピンなどの
他の固定手段等を適用したプラズマ処理装置に対しても
適用することができる。

【００４２】

【発明の効果】本発明では，対向電極と冷却板との間に
おけるすき間の形成を防ぐことにより，対向電極の温度
分布バラツキを大幅に減少することができる。したがっ
て，本発明によれば，プラズマ処理におけるプロセス特
性の面内均一性を向上させることができる。さらに，複
数の被処理体を処理する場合に，ウェハ間での処理バラ
ツキを減少させることができる。さらにまた，プラズマ
処理を開始する際のシージング時間を短縮することがで
きる。

【００４３】また，本発明では，対向電極と冷却板との
間におけるすき間の形成を防ぐことにより，対向電極か
ら冷却板への熱伝達を全体として向上させることができ
る。したがって，本発明によれば，対向電極の冷却効率
が向上し，冷却システムの簡素化を図ることができる。
さらに，温度制御に対する対向電極のレスポンスを向上
させることができる。さらにまた，対向電極の温度制御
範囲を低温側に拡大し，対向電極の寿命向上を図ること
ができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明を適用可能なプラズマ処理装置の概略構
成を示す断面図である。

【図２】図１に示すプラズマ処理装置の部分的・概略的
な分解図である。

【図３】本発明を適用可能な他のプラズマ処理装置の概
略構成を示す断面図である。

【符号の説明】

１ プラズマ処理装置 ４ 熱伝達部材 ７ 処理容器 ３１ 載置電極 ５１ 上部電極 ５３ 冷却板 ９１ 第１ねじ ５１１ ガス孔 ５１３ 周縁部 ５１５ 内側領域 ５１７ 貫通孔 ７１１ プラズマ空間 Ｗ ウェハ

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き Ｆターム(参考） 5F004 BA04 BB32 5F045 DP03 EB02 EH13 EJ05

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 被処理体が載置される下部電極と，前記
   下部電極に対向配置される上部電極と，前記上部電極の
   上に配置され熱伝達により前記上部電極を冷却する冷却
   板とを備え，前記上部電極または前記下部電極の少なく
   とも一方には高周波電源が接続されており，前記上部電
   極と前記冷却板とには処理ガスを導入するガス孔が形成
   されている，プラズマ処理装置であって：前記ガス孔以
   外のところで前記冷却板の上から前記上部電極の途中ま
   で挿入されて，前記上部電極と前記冷却板とを相互固定
   する固定手段を備えることを特徴とする，プラズマ処理
   装置。
2. 【請求項２】 前記固定手段は，ねじであることを特徴
   とする，請求項１に記載のプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 前記上部電極と前記冷却板との間には，
   熱伝達部材が挟み込まれていることを特徴とする，請求
   項１または２に記載のプラズマ処理装置。