JP2005203426A

JP2005203426A - ウエハ載置用電極

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Publication number: JP2005203426A
Application number: JP2004005547A
Authority: JP
Inventors: Shigeru Shirayone; 茂白米; Nushito Takahashi; 主人高橋; Yutaka Omoto; 大本　　豊; Masahiro Sumiya; 誠浩角屋
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2005-07-28
Anticipated expiration: 2024-01-13
Also published as: JP4642358B2

Abstract

【課題】プラズマ分布に応じてウエハとウエハ載置用電極間の圧力分布を変化させることができるように、さらにウエハに大きな入熱が加わった場合でも、ウエハを十分に冷却できるウエハ載置用電極を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置で用いられ、電極１上に載置したウエハを静電吸着で固定し、電極１内部に設けた溝３に流すウエハ温度調節用の冷媒と、電極１表面とウエハ間に供給した伝熱用ガスとでウエハの温度調節をしながらウエハの処理を行うウエハ載置用電極１において、電極１表面に一つ以上の溝４〜８、１２、１３を設け、溝４〜８、１２、１３に伝熱用ガスを供給し排気する。
【選択図】図１

Description

本発明は、ウエハ載置用電極であり、プラズマ処理装置、特に半導体基板等の被処理基板を、プラズマを用いてエッチング処理を行うのに好適なプラズマ処理装置のウエハ載置用電極に関するものである。

半導体製造プロセスでは、一般にプラズマを用いたドライエッチングが行われている。ドライエッチングを行うためのプラズマ処理装置は種々の方式の装置が使用されている。

プラズマ処理装置は一般に真空容器と、これに接続されたガス供給系、処理室内圧力を所定の値に保持する排気系、基板を搭載する電極、真空容器内にプラズマを発生させるためのアンテナ、真空容器内へ処理ガスを均等に供給するためのシャワープレートなどから構成されている。前記アンテナに高周波電力が供給されることによりシャワープレートから処理室内に供給された処理ガスが解離してプラズマが発生し、さらにウエハ載置用電極上に設置された基板のエッチングが進行する。

ウエハ全体にわたって、同等のエッチング性能を確保するためには、ウエハ全体で同等のエッチングプロセスが進行することが必要であり、そのためにはウエハ表面温度は均一であることが必要である。しかし、実際にはプラズマ分布が不均一であることが多く、ウエハ表面温度はそのプラズマ不均一を反映した温度分布になってしまうという問題がある。

ウエハ表面温度を均一にする方法として、ウエハ載置用電極表面に溝を設ける方法が用いられる。溝を設けることにより、場所によってウエハとウエハ載置用電極の熱伝導率が変わることを利用して、ウエハ表面温度を所望の温度分布にすることができるのである。
特許第２６８０３３８号公報

しかしながら、ウエハ載置用電極表面に溝を設けて、エッチングプロセス時のウエハ温度の均一化をしても、実際にはその効果は薄い。なぜなら、プラズマプロセスの条件によってプラズマの均一性は大きく変化し、それに伴ってウエハの温度分布も大きく変化するためである。

このような問題を解決するために、特許文献１にあるように、２系統のウエハ温調用Ｈｅガスを用いる方法がある。２系統のＨｅガスの圧力をそれぞれ変えることにより、ウエハとウエハ載置用電極間の熱伝導率を更に変えることができるので、プラズマ分布に応じてウエハ温度を均一化することができる。しかし、この方法では熱伝導率の差だけでウエハ温度を均一化するために、ウエハ温度均一化可能な温度範囲が狭いという問題がある。さらに、熱伝導率に差がある領域が固定されているために、同じくウエハ温度均一化可能な温度範囲が狭いという問題もある。

そこで本発明では、プラズマ分布に応じてウエハとウエハ載置用電極間の圧力分布を変化させることができるように、さらにウエハに大きな入熱が加わった場合でも、ウエハを十分に冷却できるウエハ載置用電極を提供することを目的とする。

本発明では、ウエハ上の温度分布を任意に変化させることができるように、一つ以上のガス供給溝を設け、そこからウエハと電極表面間にガスを供給し、さらに一つ以上のガス排気溝を設け、そこからウエハと電極表面間のガスを排気できるようにする。所望のウエハ温度分布になるようにガス供給位置と排気位置を決め、さらにそれぞれの領域でのウエハと電極表面間の圧力を決める。このようにすることにより、ウエハと電極表面間の熱伝導率を任意に変化させることができ、プラズマ分布に影響されずに所望のウエハ温度分布にすることができる。

また、ウエハと電極表面の接触面積を増やすことで、ウエハの冷却効率を高める。

すなわち、本発明は、プラズマ処理装置で用いられ、電極上に載置したウエハを静電吸着で固定し、電極内部に設けた溝に流すウエハ温度調節用の冷媒と、電極表面と前記ウエハ間に供給した伝熱用ガスとで該ウエハの温度調節をしながら該ウエハの処理を行うウエハ載置用電極において、電極表面に一つ以上の溝を設け、該溝に前記伝熱用ガスを供給し排気するウエハ載置用電極である。

また、本発明は、電極表面は複数の円環状領域と中央の円形領域に分割されるアルミナ製溶射膜からなり、該円環状領域及び該円形領域はほとんどがウエハ裏面と静電吸着により接触し、該円環状領域の内周部及び外周部に円環状の供給溝を設けるとともに、円環状領域の相互隣接境界部及び円形領域との境界部に円環状の排気溝を設け、円環状領域及び円形領域それぞれの領域に独立に伝熱用ガスを供給する手段を有し、伝熱ガスは前記供給溝から供給されるとともに、前記排気溝から排気されるウエハ載置用電極である。

そして、本発明は、上記ウエハと電極表面間に供給する伝熱用ガスを、複数の種類のガスを切り替えて供給することができるウエハ載置用電極である。

更に、本発明は、上記ウエハと電極表面間に供給するガスは、ヘリウム及び、又はアルゴンであるウエハ載置用電極である。

また、本発明は、電極内部に流路が設けてあり、ウエハ温度を調整するために流す液体を、外周側の流路から導入し、かつ、内周側の流路から排出するウエハ載置用電極である。

更に、本発明は、上記ウエハと電極表面が吸着している面積が、ウエハ全体の７０％以上であるウエハ載置用電極である。

本発明によれば、ウエハ温度分布を任意に制御でき、さらにウエハの冷却効果が高くなるため、温度差による影響を受けにくくなるため歩留まりが向上すると同時に、サーキュレータ設定温度を高くすることができるため、省エネにも効果が期待できる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明のウエハ載置用電極の実施例について、図１を用いて説明する。本実施例のウエハ載置用電極は、電極の構造体となる基材１、アルミナ製の溶射膜２、温調用の冷媒が流れる冷媒溝３、図には明示していないウエハと溶射膜２の間にガスを供給するガス供給溝４〜８、ガス供給溝にガスを供給するガス供給管９〜１１、ウエハと溶射膜２の間からガスを排気するためのガス排気溝１２〜１３、ガス排気溝からガスを排気するためのガス排気管１４〜１５、ウエハと溶射膜２間の圧力を計測する圧力計１６〜１８、ガス供給量を制御する流量計１９〜２１、冷媒を所定の温度に制御して供給するサーキュレータ２２、ガスボンベ２３〜２５、ガスを排気するポンプ２６〜２７などから構成されている。なお図には明示していないが、本ウエハ載置用電極はプラズマエッチング処理装置内に設置されている。

プラズマエッチング処理室内に搬送されたウエハを溶射膜２の上に設置し、処理室内圧力を所定の圧力にしたのち、処理室内にプラズマを発生させる。図には明示していない直流電源から電極（基材）１に直流電圧を印加して、ウエハを電極表面に吸着させる。

ウエハと溶射膜２間の圧力を示す圧力計１６〜１８がすべて１．５ｋＰａになるように流量計１９〜２１でガス流量を制御する。ガスボンベ２３〜２５にはＨｅガスが充填されているので、ウエハと電極表面間にはＨｅガスが１．５ｋＰａの圧力で満たされている。また、サーキュレータ２２で０℃に制御した冷媒を、冷媒溝３に供給する。

この状態は、従来のウエハ載置用電極と同じ状態、すなわち、ウエハと電極表面間がすべて同じ圧力である状態を模擬している。

このときのウエハ表面温度分布を図２に示す。条件Ａの時にウエハ温度が均一になるようにウエハ載置用電極を設計した場合、一般に条件Ｂにしたときはウエハ温度分布が図２に示すようになり、温度均一性が悪化する。条件Ｂでウエハ温度均一性を確保したければ、ウエハと電極表面間の全体の圧力を変える、冷媒温度を変えることしか方法はなく、事実上、条件Ｂで温度均一性を確保するのは困難である。つまり、ある条件でウエハ温度が均一になるように設計した電極では、条件を変えるとウエハ温度均一性を確保するのは困難である。

そこで、電極上のある領域ごとにウエハと電極表面間の圧力を変えられるように、電極表面上に設けた複数の溝からウエハと電極間にガスを供給、複数の溝からウエハと電極間のガスを排気できるようにしたのが図１である。

電極・ウエハ中心からガス排気溝１２までのウエハと電極表面間圧力が２．０ｋＰａになるように流量計１９を調整、同様にガス排気溝１２と１３の間のウエハと電極表面間圧力が１．５ｋＰａになるように、流量計２０を調整、ガス排気溝１３より外側のウエハと電極表面間の圧力が１．８ｋＰａになるように流量計２１を調整することにより、ウエハ温度分布を図２の条件Ｂ−２にすることが可能となり、所望の温度均一性を確保できる。

実施例２について、図１で説明する。本実施例は、本発明（２）の例であり、図１の溶射膜２上で、ガス供給溝４で囲まれる領域が本発明（２）における「円形領域」、ガス供給溝５と６、およびガス供給溝７と８で囲まれる領域がそれぞれ「円環状領域」である。ここではガス供給溝５と６で囲まれる領域を円環状領域Ａ、ガス供給溝７と８で囲まれる領域を円環状領域Ｂと呼ぶことにする。

円形領域にはガスボンベ２３から、たとえばＨｅガスを圧力計１６が１．５ｋＰａを示すようにガスを供給する。すると円形領域内のウエハと電極表面間の圧力は１．５ｋＰａになる。また、ガスボンベ２４からＨｅガスを、圧力計１７が２．０ｋＰａになるようにガス供給溝５と６からガスを供給する。この時、ガス供給溝５と６で囲まれた円環状領域Ａでは、ウエハと電極表面間の圧力は２．０ｋＰａとなる。さらに、ガスボンベ２５からＨｅガスを、圧力計１８が２．５ｋＰａになるようにガス供給溝７と８からガスを供給する。この時、ガス供給溝７と８で囲まれた円環状領域Ｂでは、ウエハと電極表面間の圧力は２．５ｋＰａとなる。

ガス排気溝１２からは、円形領域と円環状領域Ａから漏れてきたＨｅガスを排気し、ガス排気溝１３からは円環状領域Ａと円環状領域Ｂから漏れてきたＨｅガスを排気する。

このときのウエハと電極表面間の圧力を図３に示す。図３の横軸は電極中心からの距離で、縦軸はウエハと電極表面間の圧力を示している。図３から分かるように、円形領域と円環状領域Ａはガス排気溝１２で、円環状領域Ａと円環状領域Ｂはガス排気溝１３で、それぞれ明確に圧力が変化している。すなわち、各領域で熱伝導率を明確に制御できていることがわかり、ウエハ温度分布制御が容易になる。

実施例３を図４で説明する。本実施例は、本発明（３）の例であり、基本的には図１と同じであるが、図１では一つのガス供給管９〜１１に対して一つのガスボンベ、流量計だけしかなかったが、図４では一つのガス供給管についてそれぞれ二つの流量計３０〜３５、二本のガスボンベ３６〜４１がついている。

図５にプラズマ条件Ｃの時のウエハ温度分布を示す。この時、使用しているガスボンベは３６、３８、４０で、それぞれＨｅガスで、ウエハと電極表面間の圧力は１．５ｋＰａとする。このときは中心からの距離が２５−１００ｍｍの位置で温度が低く、ウエハの温度均一性が悪いことがわかる。そこで、ガスボンベ３８の代わりに３９（ガスはＡｒガス）を用いて、ウエハと電極表面間の圧力は１．５ｋＰａのままとする。すると、条件Ｄのように中心からの距離２５−１００ｍｍの位置のウエハ温度が高くなり、ウエハ温度均一性が良くなることが分かる。

実施例４について、図４で説明する。本実施例は、本発明（４）の例であり、基本的には実施例２と同じで、ガスボンベ３６、３８、４０をＨｅガス、ガスボンベ３７、３９、４１をＡｒガスとした場合である。

実施例５について、図６を用いて説明する。本実施例は、本発明（５）の例であり、基本的には図１と同じであり、電極主要部と冷媒溝、サーキュレータなどを取り上げて描いたものである。サーキュレータ２２で温調させた冷媒を、冷媒配管５０から冷媒溝３に送り、冷媒配管５１からサーキュレータ２２に戻している。このような構造にすることにより、ウエハ外周部をより効果的に冷却しやすくなる。

実施例６について、図７を用いて説明する。本実施例は、本発明（６）の例であり、図７において、ガス供給溝４〜８、ガス排気溝１２、１３の溝幅をそれぞれ２ｍｍとすると、溝部分の面積は合計で５８０３ｍｍ^２となる。溶射膜２の外径を３００ｍｍとすると、溶射膜の面積は７０６５０ｍｍ^２となり、ウエハと電極表面が接触する部分の面積の割合は、
（７０６５０−５８０３）／７０６５０＝０．９１８
となり、９１．８％が接触することになる。ウエハと電極表面の接触する部分が多くなるほどウエハの冷却効率が高くなり、ウエハ温度上昇による悪影響を受けにくくなる。

以上の実施例では、ＵＨＦ−ＥＣＲ方式を使用したドライエッチング装置を例に説明したが、他の放電（容量結合放電、誘導結合放電、マグネトロン放電、表面波励起放電、ＴＣＰ放電等）を利用したドライエッチング装置においても同様の作用効果がある。さらにドライエッチング装置ばかりでなく、その他のプラズマ処理装置、例えばプラズマＣＶＤ装置、アッシング装置、表面改質装置においても同様の作用効果がある。

実施例を示すウエハ載置用電極の概略図。ウエハと電極表面間の圧力を変えたときのウエハ温度分布の説明図。ウエハと電極表面間の圧力分布の説明図。複数のガスボンベを用いた場合のウエハ載置用電極の説明図。複数のガスボンベを用いた場合のウエハ面内温度分布の説明図。冷媒を外周側の冷媒溝から供給し、内周側の冷媒溝から排出するウエハ載置用電極の説明図。ウエハと電極表面の接触部分が電極表面積の７０％以上ある場合のウエハ載置用電極の説明図。

符号の説明

１…基材、２…溶射膜、３…冷媒溝、４〜８…ガス供給溝、９〜１１…ガス供給管、１２〜１３…ガス排気溝、１４〜１５…ガス排気管、１６〜１８…圧力計、１９〜２１…流量計、２２…サーキュレータ、２３〜２５…ガスボンベ、２６〜２７…ポンプ、３０〜３５…流量計、３６〜４１…ガスボンベ、５０〜５１…冷媒配管、６０…冷媒入口、６１…冷媒出口

Claims

プラズマ処理装置で用いられ、電極上に載置したウエハを静電吸着で固定し、電極内部に設けた溝に流すウエハ温度調節用の冷媒と、電極表面と前記ウエハ間に供給した伝熱用ガスとで該ウエハの温度調節をしながら該ウエハの処理を行うウエハ載置用電極において、
電極表面に一つ以上の溝を設け、該溝に前記伝熱用ガスを供給し排気することを特徴としたウエハ載置用電極。
請求項１記載のウエハ載置用電極において、
電極表面は複数の円環状領域と中央の円形領域に分割されるアルミナ製溶射膜からなり、該円環状領域及び該円形領域はほとんどがウエハ裏面と静電吸着により接触し、該円環状領域の内周部及び外周部に円環状の供給溝を設けるとともに、円環状領域の相互隣接境界部及び円形領域との境界部に円環状の排気溝を設け、円環状領域及び円形領域それぞれの領域に独立に伝熱用ガスを供給する手段を有し、伝熱ガスは前記供給溝から供給されるとともに、前記排気溝から排気されることを特徴としたウエハ載置用電極。
請求項１又は２に記載のウエハ載置用電極において、
上記ウエハと電極表面間に供給する伝熱用ガスを、複数の種類のガスを切り替えて供給することができることを特徴とするウエハ載置用電極。
請求項１〜３のいずれか１項に記載のウエハ載置用電極において、
上記ウエハと電極表面間に供給するガスは、ヘリウム及び、又はアルゴンであることを特徴とするウエハ載置用電極。
請求項１〜４のいずれか１項に記載のウエハ載置用電極において、
電極内部に流路が設けてあり、ウエハ温度を調整するために流す液体を、外周側の流路から導入し、かつ、内周側の流路から排出することを特徴とするウエハ載置用電極。
請求項１〜５のいずれか１項に記載のウエハ載置用電極において、
上記ウエハと電極表面が吸着している面積が、ウエハ全体の７０％以上であることを特徴とするウエハ載置用電極。