JP2005123359A

JP2005123359A - 半導体処理装置のチャッキング構造

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Publication number: JP2005123359A
Application number: JP2003355873A
Authority: JP
Inventors: Hidenaru Kafuku; 秀考加福; Tadashi Shimazu; 正嶋津; Hisashi Yanagida; 尚志柳田
Original assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Current assignee: Mitsubishi Heavy Industries Ltd
Priority date: 2003-10-16
Filing date: 2003-10-16
Publication date: 2005-05-12

Abstract

【課題】吸着力を変更することなくウェハー温度を容易且つ適切に制御することができる半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造を提供する。
【解決手段】静電チャック２６のテーブル２６ａの表面に載置したウェハー５をその裏面側から吸着固定するとともに、冷媒通路１０を流通する冷媒により前記ウェハー５を裏面側から冷却してその温度を制御するプラズマＣＶＤ装置において、前記テーブル２６ａの表面が均一に粗くなるように表面処理をした。
【選択図】図２

Description

本発明は半導体処理装置のチャッキング構造に関し、例えばプラズマＣＶＤ装置である半導体処理装置において、ウェハーの温度を制御する場合に用いて有用なものである。

図４は半導体処理装置の一種である従来技術に係るプラズマＣＶＤ装置の構成図である。同図に示すように、基部１上にはアルミニウム製で円筒状の真空容器であるチャンバ２が設けられており、このチャンバ２の内部が成膜室３となっている。成膜室３の上部には電磁波透過窓である円板状の天井板４が設けられ、成膜室３の内部にはウェハー５の支持台である静電チャック６が配設してある。この静電チャック６は、ウェハー５を載置するための円盤状の部材であるテーブル６ａを有しており、支持台８を介して支持軸７に支持されている。ここで、テーブル６ａは、通常Ａｌ₂ Ｏ₃ やＡｌＮなどのセラミック材料（絶縁材料）で形成してある。

また、静電チャック６のテーブル６ａの内部には、ウェハー５を静電的に吸着保持する静電チャック用電極６ｂが埋設してある。この静電チャック用電極６ｂには、ローパスフィルタ１１を介して直流電源１２の出力電圧である所定の直流電圧が印加され、このことにより発生するウェハー５と静電チャック用電極６ｂとの間の電位差に基づくクーロン力によりウェハー５を静電チャック６のテーブル６ａの表面に吸着する。ここで、直流電源１２はその出力電圧を調整し得る可変電圧電源として構成してある。

静電チャック６を一体的に支持している支持台８の内部には、ウェハー５を所定の温度に保持するための加熱手段であるヒータ９を埋設するとともに、冷却手段として冷媒を流通させるための冷媒通路１０を形成してある。ここで、ヒータ９による加熱は、当該プラズマＣＶＤ装置による成膜工程の立ち上げ時においてウェハー５の温度を所定の温度迄加熱する際に主に利用され、冷媒通路１０に冷媒を流通させての冷却は、成膜中のプラズマにより加熱されるウェハー５の温度を所定の温度に維持する際に主に利用される。

図４に示すプラズマＣＶＤ装置における前記静電チャック用電極６ｂには、インピーダンスマッチングを行うための整合器１３及びコンデンサ１４を介してバイアス用高周波電源１５が接続されている。すなわち、静電チャック用電極６ｂは、表面反応の促進、異方性エッチング、膜質向上等の種々の効果を得ることができるバイアス電極としても機能している。ここで、前記ローパスフィルタ１１はバイアス用高周波電源１５の交流分を遮断するフィルタとして機能する。

基部１には排気口１６が設けられ、この排気口１６を介して図示しない真空排気系へ成膜室３内のガスを排気することにより成膜室３内を低圧環境とし、この低圧環境下の成膜室３内にノズル（図示せず。）を介して成膜を行うための各種のガスが供給される。例えば、ウェハー５上に窒化珪素（ＳｉＮ）の膜を形成する場合には、原料ガスとして例えばＳｉＨ₄ を供給し、窒化ガスとして例えばＮＨ₃ 又はＮ₂ を供給する。

天井板４の上面にはスパイラル状の給電アンテナ１７が設置され、この給電アンテナ１７にはインピーダンスマッチングを行うための整合器１８を介してプラズマ発生用高周波電源１９が接続されている。このプラズマ発生用高周波電源１９から給電アンテナ１７へ高周波電力を供給することにより、給電アンテナ１７から天井板４を透過して成膜室３内に電磁波２０を入射し、この電磁波２０のエネルギー（高周波パワー）によって成膜室３内に供給する各種のガスをプラズマ状態にする。このプラズマを利用してウェハー５上に所定の金属膜を成膜する等の処理を行う。かかる製膜工程においては、冷媒通路１０を流通する冷媒でテーブル6ａを冷却することにより、成膜室３のプラズマからの入熱により加熱されるウェハー５を所定温度に維持している。

上記プラズマＣＶＤ装置を用いる成膜工程において、成膜時のプロセス条件（ＲＦパワー、ガス量、成膜位置等）を変更せずに、成膜中のウェハー５の温度を制御するには、静電チャック用電極６ｂに印加する直流電圧を変化させることでウェハー５と静電チャック６との間の吸着力を制御する方法と、表面に凸部（例えばφ４ｍｍ、ピッチ１０ｍｍ）を形成したテーブル６ａを採用するという方法が採られている。

なお、静電チャックに関する公知技術として下記の特許文献１が、また本願に関連する公知技術として特許文献２が存在する。

特許第２５１３９９５号公報特公平７−２７９６１号公報

上述の如き従来技術に係るウェハー５の温度の制御・調整方法のうち、静電チャック用電極６ｂの印加電圧を制御してウェハー５の温度を高温側に制御する場合には、印加電圧を低下させ、静電チャック６の吸着力を減少させて静電チャック６からウェハー５側への冷媒に起因する熱移動を低減させている。ただ、このようにウェハー５に作用する静電チャック６の吸着力を低下させているので、ウェハー５の温度の再現性が十分でなく、十分な製品品質を確保するためのさらなる工夫が待望されている。

一方、静電チャック６のテーブル６ａに凸部を設ける方法では、凸部に接するウェハー５の裏面部分と、凹部に対向するだけで接することはないウェハー５の裏面部分とでは熱移動が異なる。このため、ウェハー５の温度分布にばらつきを生起してしまい、製品品質のバラツキを生起するという問題がある。

本発明は、上記従来技術に鑑み、吸着力を変更することなくウェハー温度を容易且つ適切に制御するとともに均一で良質の成膜を行う等、所定の良好な処理を行うことができる半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造を提供することを目的とする。

上記目的を達成する本発明は、次の知見を基礎とするものである。図１は、図４に示すプラズマＣＶＤ装置のテーブル６ａの表面を均一に粗すとともに、その粗度の大小に応じたウェハー５の温度特性を調べたものである。すなわち、プロセス条件を変えることなく前記プラズマＣＶＤ装置で成膜を行うとともに、経過時間に対するウェハー５の温度を計測した。そして、かかる計測を静電チャック用電極６ａに対する印加電圧が２００Ｖ、４００Ｖ、８００Ｖのそれぞれの場合について行った。

この結果、粗度が大きい程、ウェハー５の温度が高温になるとともに、その温度制御幅（図中に両矢印で示す温度幅）が広がることが判明した。

かかる知見に基づく本発明の構成は、次の点を特徴とする。

１）テーブルの表面に載置したウェハーをその裏面側から吸着固定するとともに前記ウェハーを裏面側から冷却乃至加熱してその温度を制御するように構成した半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
前記テーブルの表面が均一に粗くなるように表面処理をしたこと。
２）上記１）に記載する半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
ブラスト処理により前記表面処理を行ったこと。
３）上記１）に記載する半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
エッチングにより前記表面処理を行ったこと。
４）上記１）に記載する半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
溶射処理により前記表面処理を行ったこと。
５）上記１）に記載する半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
前記テーブルをセラミックスで形成するとともに、このセラミックスの焼成後のツールによる研削加工、ツール若しくは型による焼成前の表面加工又は焼成前のツール若しくは型による加工と焼成後の加工とを組み合わせた表面加工により前記表面処理を行ったこと。
６）上記１）に記載する半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
化学的蒸着法又は物理的蒸着法により前記表面処理を行ったこと。
７）上記１）乃至６）に記載する何れか一つの半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
前記表面処理は、前記テーブルの表面温度が相対的に低温の部分に集中して実施したこと。
８）上記１）乃至７）に記載する何れか一つの半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
前記表面処理の結果、前記テーブルの表面の算術平均粗さ（Ｒａ）が０．５乃至３．０になるようにしたこと。

上記構成の本発明によれば、次の様な効果を得る。
請求項１に記載する発明は、上記１）の如き構成を有するので、吸着力は一定にしたまま、すなわち例えば静電チャックの場合には、静電チャック用電極に印加する直流電圧は一定に保持したまま、ウェハーに対するその裏面側からの入熱量を制御することができる。
この結果、一定の吸着力でウェハーをテーブルに吸着固定することによる均質な成膜を行い得る等、製品品質を良好に維持することができるばかりでなく、ウェハーの全域を均一に所望の適切な温度に容易に制御してさらに高品質の成膜等を所定の処理を行うことができる。
請求項２に記載する発明は、上記２）の如き構成を有するので、請求項１の効果を得るチャッキング構造を、十分な均一性をもつ粗度のテーブル表面を安価に実現できる。このときの凹凸は同一材料におけるものであるため、バルクと凸部との間に界面が存在せず、その分機械的強度も大きなものとなる。
請求項３に記載する発明は、上記３）の如き構成を有するので、請求項１の効果を得るチャッキング構造のテーブル表面を、所望のパターンに容易に加工することができる。また、このときの凹凸は同一材料におけるものであるため、バルクと凸部との間に界面が存在せず、その分機械的強度も大きなものとなる。
請求項４に記載する発明は、上記４）の如き構成を有するので、請求項１の効果を得るチャッキング構造のテーブル表面を安価に加工し得る。このとき、凸部の材料（溶射材料）選択が任意であるため、熱伝導率等を適宜調節することもできる。
請求項５に記載する発明は、上記５）の如き構成を有するので、請求項１の効果を得るチャッキング構造のテーブル表面を焼成前に加工することができ、安価に作製することができる。また、複雑な表面パターンであってもこれを任意且つ容易に形成することができる。さらに、こきときの凹凸は同一材料におけるものであるため、バルクと凸部との間に界面が存在せず、その分機械的強度も大きなものとなる。
請求項６に記載する発明は、上記６）の如き構成を有するので、請求項１の効果を得るチャッキング構造のテーブル表面に形成するパターンを精密に形成することができる。このときのパターンはテーブル本体と熱伝導率が同じ材料又は異なる材料の何れの材料を用いても形成することができる。さらに、マスクウェハーを使用することで、半導体処理装置のチャンバを開放することなく所定の表面処理を行うことができる。
請求項７に記載する発明は、上記７）の如き構成を有するので、請求項１の効果を得るチャッキング構造を温度分布が均一でないテーブル面の局部に限定して実現できる。この結果、ウェハーに対するテーブル側からの入熱量を均一にすることができる。
請求項８に記載する発明は、上記８）の如き構成を有するので、請求項１乃至請求項７に記載するチャッキング構造のテーブルの表面の粗度を均質で最適なものとすることができる。

図１は、本発明の実施の形態に係るチャッキング構造を採用した半導体処理装置であるプラズマＣＶＤ装置を示す説明図である。当該プラズマＣＶＤ装置は、静電チャック２６の構造及び直流電源２２の構成が図４に示すプラズマＣＶＤ装置と異なる。他の部分は図４に示す従来技術に係るプラズマＣＶＤ装置と同構成である。そこで、図４と同一部分には同一番号を付し、重複する説明は省略する。

当該プラズマＣＶＤ装置の静電チャック２６は、そのテーブル２６ａの表面が均一に粗くなるように構成してある。このときの粗度を表す算術平均粗さ（Ｒａ）は、０．５乃至３．０程度が好適である。ちなみに、図４に示す従来技術に係るプラズマＣＶＤ装置のテーブル６ａの表面のＲａは０．１乃至０．４程度の鏡面仕上げがなされている。また、直流電源２２はその出力電圧を一定にしてテーブル２６ａ上に載置するウェハー５に対する静電吸引力が一定になるように構成してある。また、図１（ａ）と図１（ｂ）を較べれば明らかな通り、テーブル２６ａの表面を粗すことでデチャッキング性が向上するとともに、静電チャック２６の電圧制御による温度制御幅も広くすることができる。

本形態に係るプラズマＣＶＤ装置においては、その静電チャック２６による吸引力は一定であるため、安定した吸着状態を維持することができ、膜質の均一化等、その向上に資することができる。同時に、テーブル２６ａの表面のＲａを適切に選定することにより、冷媒通路１０を流通する冷媒からのテーブル２６ａを介する熱移動を制御してウェハー５を任意の所定温度に安定的に維持することができる。この結果、所望の膜質の成膜を容易且つ安定的に実現できる。

上記テーブル２６ａの表面処理の手法は種々の方法が考えられるが、これらを各実施例として示す。

本実施例ではテーブル２６ａの表面をブラスト処理により均一に処理した。
本実施例によれば十分な均一性をもつ粗度のテーブル２６ａの表面処理を安価に実現できる。このときの凹凸は同一材料におけるものであるため、バルクと凸部との間に界面が存在せず、その分機械的強度も大きなものとなる。

本実施例ではテーブル２６ａの表面をエッチングにより均一に処理した。
本実施例によればテーブル２６ａの表面を、所望のパターンに容易に加工することができる。また、このときの凹凸は同一材料におけるものであるため、バルクと凸部との間に界面が存在せず、その分機械的強度も大きなものとなる。

本実施例ではテーブル２６ａの表面を溶射処理により均一に処理した。
本実施例によれば、テーブル２６ａの表面を安価に加工し得る。このとき、凸部の材料（溶射材料）選択が任意であるため、熱伝導率等を適宜調節することもできる。

本実施例では、テーブル２６ａをセラミックスで形成するとともに、このセラミックスの焼成後のツールによる研削加工、ツール若しくは型による焼成前の表面加工又は焼成前のツール若しくは型による加工と焼成後の加工とを組み合わせた表面加工により前記表面処理を行った。ちなみに、研削加工により処理する場合には、テーブル２６ａが鏡面になる前に、当該研削加工を終えることにより所望のＲａとする。
本実施例によれば、テーブル２６ａの表面を焼成前に加工することができ、安価に作製することができる。また、複雑な表面パターンであってもこれを任意且つ容易に形成することができる。さらに、このときの凹凸は同一材料におけるものであるため、バルクと凸部との間に界面が存在せず、その分機械的強度も大きなものとなる。

本実施例では、化学的蒸着法又は物理的蒸着法によりテーブル２６ａの表面処理を行った。すなわち、テーブル２６ａの表面に蒸着材料を１μｍ乃至２μｍ積層する。
本実施例によれば、テーブル２６ａの表面に所望のパターンを精密に形成することができる。このときのパターンはテーブル２６ａの本体と熱伝導率が同じ材料又は異なる材料の何れの材料を用いても形成することができる。さらに、マスクウェハーを使用することで、当該プラズマＣＶＤ装置のチャンバ２を開放することなく成膜時と同様の処理工程で実現できる。したがって、成膜中のウェハー５温度の設定値を容易に変更し得る。

本実施例では、テーブル２６ａの一部に限定して、この部分の粗さが均一になるように処理した。図３に基づきさらに詳細に説明する。同図は、当該プラズマＣＶＤ装置の静電チャック部分の一例を抽出して示す拡大図（ａ）と、そのテーブルの表面の温度分布を示す特性図（ｂ）である。図３（ａ）に示すように、静電チャック２６の静電チャック用電極２６ｂはリード線２６ｃを介して直流電源２２（図２参照。）に接続してある。そこで、リード線２６ｃは支持台８を貫通して下方に伸びており、このため支持台８にはリード線２６ｃが貫通する孔８ａが設けてある。このため、テーブル２６の表面のうち、孔８ａに対応する部分が放熱により相対的な低温部となる。すなわち、このままでは、図３（ｂ）に示すように、テーブル２６の表面の温度分布２３が、前記孔８ａに対応する部分で凹部２３ａとなってしまう。そこで、本実施例では、テーブル２６の前記孔８ａに対応する部分を選択的に均一に粗す。このことにより、当該部分に対応するウェハー５に対する冷媒による熱移動量が減り、孔８ａの存在を実効的にキャンセルしてウェハー５の全体の温度を均一に保持することができる。

なお、上記実施の形態では、静電チャック６の場合に関して説明したが、これは真空吸着装置でも勿論良い。要は、テーブルにウェハーをその裏面側から吸着して載置・固定するものであれば特に制限はない。そして、これら静電チャック乃至真空吸着装置等によりテーブルにウェハーを吸着するチャッキング手段を有するものであればプラズマＣＶＤ装置に限らず、エンチング装置等、他の半導体処理装置に一般的に適用し得る。

本発明はプラズマＣＶＤ装置をはじめとする半導体処理装置に適用して有用なものである。

本発明の原理を説明するための特性図で、静電チャックのテーブルの表面の粗度と、このテーブル上に載置するウェハーの温度との関係を静電チャック用電極に印加する直流電圧との関係で示す特性図である。本発明の実施の形態に係るチャッキング構造を有するプラズマＣＶＤ装置を概念的に示す説明図である。図２に示すプラズマＣＶＤ装置の静電チャック部分の一例を抽出して示す拡大図（ａ）と、そのテーブルの表面の温度分布を示す特性図（ｂ）である。従来技術に係るプラズマＣＶＤ装置を概念的に示す説明図である。

符号の説明

３成膜室
５ウェハー
８支持台
９ヒータ
１０冷媒通路
２２直流電源
２６静電チャック
２６ａテーブル
２６ｂ静電チャック用電極

Claims

テーブルの表面に載置したウェハーをその裏面側から吸着固定するとともに前記ウェハーを裏面側から冷却乃至加熱してその温度を制御するように構成した半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
前記テーブルの表面が均一に粗くなるように表面処理をしたことを特徴とする半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造。
請求項１に記載する半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
ブラスト処理により前記表面処理を行ったことを特徴とする半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造。
請求項１に記載する半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
エッチングにより前記表面処理を行ったことを特徴とする半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造。
請求項１に記載する半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
溶射処理により前記表面処理を行ったことを特徴とする半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造。
請求項１に記載する半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
前記テーブルをセラミックスで形成するとともに、このセラミックスの焼成後のツールによる研削加工、ツール若しくは型による焼成前の表面加工又は焼成前のツール若しくは型による加工と焼成後の加工とを組み合わせた表面加工により前記表面処理を行ったことを特徴とする半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造。
請求項１に記載する半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
化学的蒸着法又は物理的蒸着法により前記表面処理を行ったことを特徴とする半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造。
請求項１乃至請求項６に記載する何れか一つの半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
前記表面処理は、前記テーブルの表面温度が相対的に低温の部分に集中して実施したことを特徴とする半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造。
請求項１乃至請求項７に記載する何れか一つの半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造において、
前記表面処理の結果、前記テーブルの表面の算術平均粗さが０．５乃至３．０になるようにしたことを特徴とする半導体処理装置におけるウェハーのチャッキング構造。