JP2006080222A - ウエハ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 連続的にウエハを処理した場合のウエハ温度の変動を抑えることができるようにしたウエハ処理装置を提供すること。
【解決手段】 真空チャンバ９内のウエハステージ２のセラミック板１５の上に順次１枚づつウエハ１を載置し、このときウエハ１とセラミック板１５の間に導入される熱伝導性ガスの圧力を調整してウエハ１の温度を制御し、プラズマ６を用いて順次加工して行く際、伝熱ガスの圧力をウエハ毎に調整する処理とエージング条件の最適化による処理及びヒータ条件の最適化による処理のいずれ実行してロット内ウエハ温度変動を低減するかが選択でるようにしたもの。選択した処理項目については、処理装置の制御コンピュータにより演算することで処理条件を決定し、この決定に基づき処理する。
ロット内のウエハ温度変動を容易な操作で低減することができるので、特に温度の影響が大きな処理などでも極めて再現性のよいプラズマ処理を得ることができる。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体ウエハのエッチング加工技術に係り、特に、半導体ウエハをプラズマにより連続的に処理する方式のウエハ処理装置に関する。

近年、半導体ウエハに加工される回路パターンは、半導体素子の高集積化に伴つて微細化の一途を辿り、要求される加工寸法精度はますます厳しくなってきているが、このような状況では、加工処理中のウエハ(半導体ウエハ)の温度管理が極めて重要な命題になってくる。

例えば、パターンに高いアスペクト比が要求されるエッチングプロセスにおいては、異方性エッチングを実現するため、パターンの側壁を有機ポリマで保護しながらエッチングを行うプロセスが実用化されている。

このとき、保護膜となる有機ポリマの生成状況は温度により変化してしまうので、エッチング処理中のウエハの温度は、エッチングレートやパターン側壁の形状に多大の影響を与える。

ここで、プラズマを用いてウエハを加工する場合には、通常、ウエハにバイアス電圧を印加し、電界でイオンを加速してウエハに引き込むことにより異方性形状を実現しているが、このときウエハに入熱を伴い、温度が変化(上昇)してしまう。

そこで、ウエハの温度管理が必要になり、このためステージに静電チャックを用い、吸着したウエハとステージの間にヘリウムなどのガスを導入して伝熱性を高め、温度を管理するのが一般的であり、このときステージは、外部の温調器で温度制御された冷媒が循環され、冷却されている。

しかし、実際にウエハを連続処理した場合には、ステージの温度も上昇してしまうのが避けられず、このような状況のもとでは、ウエハの処理枚数が増加するにつれ、処理中の平均的なウエハ温度も増加してゆくため、エッチング結果も、上述した理由により変化してしまうことが予想される。

しかも、近年の半導体製造プロセスでは、製造コスト削減のため、ウエハ径が大口径化しているので、ウエハへの入熱も更に多くなり、加えてエッチングレートの上昇を目的として、バイアス電力が増加の傾向にある。

例えば、ウエハ直径が３００ｍｍの加工ラインでは、層間絶縁膜をエッチングするプロセスにおいてウエハに印加されるバイアス電力は３ｋＷ程度にまで達している。

そこで、処理中のウエハ温度を管理する方法が従来から種々提案されているが、その一例として、ポリシリコン層にシリコン層が積層されたシリコンウエハを対象とし、処理中のウエハの裏面における冷却ガスの圧力を変化させることにより、ウエハ温度を変える方法がある(例えば、特許文献１参照。)。
特開平６−１２４９１６号公報

上記従来技術は、ウエハを順次連続的に処理する点に配慮がされておらず、この場合における各ウエハ間での温度変動の低減に問題があった。

つまり、従来技術では、各１枚のウエハの処理中の温度変動は低減できるが、次々と新たなウエハを処理してゆく場合の温度変動については対応がされておらず、このため実際の加工ラインでは、同一ロット内であっても、例えば１枚目のウエハと２５枚目のウエハではエッチング結果が異なってしまう可能性が高く、従って、問題が生じてしまうのである。

本発明の目的は、連続的にウエハを処理した場合のウエハ温度の変動を抑えることができるようにしたウエハ処理装置を提供することである。

上記目的は、複数枚の半導体ウエハを順次１枚づつウエハステージに載置して連続的にプラズマ加工するウエハ処理装置において、前記ウエハステージの温度を測定する手段を備え、前記半導体ウエハと前記ウエハステージ間に導入する熱伝導ガスの圧力を、前記温度測定手段により測定したウエハステージ温度に基づいて、処理中のウエハ毎に調節することにより達成される。

このとき、前記ウエハステージは、温調器により温調した冷媒により冷却されているようにしても上記目的が達成される。

同じく上記目的は、複数枚の半導体ウエハを順次１枚づつウエハステージに載置して連続的にプラズマ加工するウエハ処理装置において、前記ウエハステージの温度を測定する手段と、前記ウエハステージを加熱する手段とを備え、前記半導体ウエハと前記ウエハステージ間に導入する熱伝導ガスの圧力及び前記ウエハステージを加熱する手段に供給する電力の少なくとも一方を、前記温度測定手段により測定したウエハステージ温度に基づいて、処理中のウエハ毎に調節することにより達成される。

このとき、前記ウエハステージの温度を測定する手段が、シース熱電対、蛍光温度計、それにサーミスタの何れであっても良い。

本発明によれば、ロット内のウエハ温度変動が低減できるので、特に温度の影響が大きなウエハの処理に適用しても再現性のよいウエハ処理を得ることができる。

以下、本発明によるウエハ処理装置について、図示の実施の形態により詳細に説明すると、ここで、まず、図１は、本発明の実施形態が適用されたエッチング装置の一例を示したものである。

そして、この図１において、まず、ウエハ１は、真空チャンバ９内のウエハステージ２の上に載置される。このとき真空チャンバ９の上部にはアルミナ製のベルジャ１０が取付けてあり、中が気密にされている。

そこで、真空チャンバ９内は、ターボ分子ポンプ１３とドライポンプ３４により真空に引かれ、その後、エッチングガス１１が流量制御器３により流量を制御しながら導入される。このとき、真空チャンバ９内は、ターボ分子ポンプ１３の上流に設置したバルブ１２の開度調節により、適切な圧力に保たれている。

ベルジャ１０の周囲にはコイル７が設置され、このコイル７に高周波電源８から高周波電圧、例えば周波数が１３.５６ＭＨｚの高周波電圧を印加し、プラズマ６が誘導結合方式により真空チャンバ９内で発生されるようにする。

このとき、ベルジャ１０の周囲にファン２７を複数台、取付け、これによりベルジャ１０の温度が一定に保たれるようにし、この状態でウエハ１をプラズマ６に曝すことによりエッチング処理が実施されるが、このとき、エッチング処理中のウエハ１の温度は蛍光温度計５５によりモニタされている。

また、このときウエハ１にバイアス電圧を印加するため、ウエハステージ２に給電ライン１９を介して高周波電源５が接続されている。そして、この給電ライン１９には、高周波チョークコイル２１を介して更に直流電源２２が接続してあり、これによりウエハステージ２に、ウエハ１を吸着して保持させるための静電チャック機能が付与されている。

このとき、ウエハステージ２は、セラミックス板１５を、間に熱伝導シート２３を挟みこんだ状態で、冷却用の冷却ジャケット１４の上にボルト３６により固定した構成となっている。そして、このセラミックス板１５は窒化アルミ(窒化アルミニューム)で作られ、これにより上記した静電チャック機能が得られるようになっている。

ここで、符号４はゲートバルブで、ウエハ１を外部から真空チャンバ９の中に搬送したり、真空チャンバ９の中から外部に搬送する際に開き、これにより、ウエハ１の搬送アーム(図示してない)の前進・後退運動を可能にする働きをする。

次に、符号３２はプッシャピンで、ウエハ１をステージ２から着脱させる働きをするもので、図示してない上下機構によりベローズ３５を伸縮動作させ、ウエハステージ２の全体を上下させて、搬送アームとウエハ１のやり取りを可能にする。

そして、この冷却ジャケット１４の内部には冷媒を流すための流路４６が設けてあり、これに外部のサーキュレータ５６から冷媒を供給することにより、冷却ジャケット１４が冷却されるようになっている。

このとき、冷媒の流量を流量計５４で測定し、サーキュレータ５６から流れ出るときの温度と戻り側の温度を熱電対５２、５３で測定し、図示してない制御用コンピュータでモニタし、ウエハ１の温度が所定値になるように制御される。

また、セラミックス板１５の内部には、ウエハステージ２に静電チャック機能を与え、且つ、ＲＦ(高周波)バイアスを与えるための内部電極１７が埋設してある。

そこで、この内部電極１７に直流電圧を印加してやれば、内部電極１７とウエハ１(プラズマに曝された状態ではほぼアース電位)間に電位差が発生し、内部電極１７とウエハ１の裏面の間に電荷が蓄えられた結果、クーロン力が発生し、ウエハ１がセラミックス板１５に吸着され、ウエハステージ２に固定される。

このときの静電チャック用の直流電圧は、上記したように、直流電源２２からコイル２１を介して給電ライン１９に供給されるようになっている。

また、内部電極１７に高周波電圧を印加してやれば、ウエハ１にバイアス電圧を印加させることができ、この結果、プラズマ中のイオンを効果的に引き込むことができ、エッチングレートを増加させたり、エッチング形状が改善されるなどの効果を期待することができる。

このとき、上記した蛍光温度計５５は、冷却ジャケット１４とセラミック板１５の同じ位置に設けた貫通孔に挿入され、ウエハ１の裏面に先端が接触させられている。ここで、この実施形態では、蛍光温度計が使用されているが、測定する温度領域に応じて、例えば放射温度計やシース熱電対を使用するようにしてもよい。

また、このとき温度を測定する位置の数も、図示のように１箇所に限らない。例えば半径方向に３箇所で測定するようにしてやれば、更に詳細なウエハ温度分布情報を得ることができる。

ここで、更に多くの測定点を設ければ、更に詳細な温度情報を得ることができるが、コストの問題や取り付け位置の問題などがあるので、測定点の数は必要に応じて適宜決定すればよい。

更に、この実施形態では、ウエハステージ２の冷却ジャケット１４に、蛍光温度計５５が挿入されている貫通孔と同様な貫通孔が別に設けてあり、この貫通孔にシース熱電対５７が挿入されていて、その先端がセラミックス板１５の裏面に接触するようにしてある。そして、このシース熱電対５７により、処理中もウエハステージ２の温度がモニタできるようになっている。

このときシース熱電対５７の先端と冷却ジャケット１４の接触状態が不安定であると、ウエハステージ２の温度測定精度が悪化する。そこで、この実施形態では、図１１に示すように、シース熱電対５７をバネ機構５８により冷却ジャケット１４の裏面に押し付け、シース熱電対５７の先端と冷却ジャケット１４の接触状態が常に一定になるように構成してある。

そして、このようにしてシース熱電対５７により測定した結果は、図示してない制御置装置に送られ、それを構成しているコンピュータで処理されるようになっている。なお、この実施形態では、シース熱電対５７による温度の測定点が１箇所になっているが、必ずしもそうである必要はなく、必要に応じて測定点数を増やすことも可能で、例えば複数箇所で測定するようにしてもよい。

この場合、複数箇所にあるシース熱電対の内の１本に何らかの理由で不具合が発生したとき、早期に不具合に気付くことができ、このことが原因で大きなトラブルが生じることを未然に防止することができる。但し、測定点数を増加させるとコストや取り付け構造が複雑化するなどの問題があるので、測定点の数は必要に応じて適宜決定すればよい。

また、この実施形態では、ウエハステージの温度を測定する手段としてシース熱電対５７が用いられているが、これに代えて蛍光温度計やサーミスタを用いてもよい。

そして、ウエハ１の裏面とセラミックス板１５の間にはヘリウムガスなどの伝熱ガスを導入させ、これにより、処理中にウエハ１に入射した熱を効果的にウエハステージ２に伝え、ウエハ１の温度の制御性を向上させるようになっている。

このヘリウムガスは、ガスボンベ４２から中空のシャフト２０を介して供給されるが、このときのヘリウムガスの圧力と流量は、それぞれ圧力計２４と流量計２５でモニタしている。

ところで、この図１のエッチング装置は、図示してない制御装置を備え、これにより全体の処理操作が制御されるようになっている。そして、この制御装置はＰＣ(パーソナルコンピュータ)を備え、これに格納した「ロット内温度変動低減プログラム」に従って所定の処理が実行され、エッチング装置が操作されるようになっている。

このとき、この実施形態では、「ロット内温度変動低減プログラム」として、複数の異なったプログラムによる処理がユーザ(使用者)により選択できるようになっている。そこで、制御装置には、図２に示すメニュー画面１００が表示されるようになっていて、これにより、ユーザは、任意に必要とする処理操作を選ぶことができる。

なお、この「ロット内温度変動低減プログラム」による機能は、ユーザが必要としない場合には動作させないようにすることも必要であるので、ここではユーザが「ロット内温度変動低減プログラム」を機能させるかどうかを選択することができるように構成されている。

そこで、このメニュー画面１００は、これも図示してない入力インターフェースを介して、ユーザが「ロット内温度変動低減プログラム」を選択したときだけ表示されるようになっている。

ここで、以下に説明する実施形態では、図２から明らかなように、「ロット内温度変動低減プログラム」として、次の５種類のプログラムによる処理が選択できるようになっている。

Ｈｅ裏面圧の調整
エージング条件の最適化
エージング＋Ｈｅ裏面圧の調整
ヒータ条件の最適化
エージング＋ヒータ条件の最適化
なお、詳しくは後述する。

ところで、このようにウエハ１にバイアス電圧を印加して処理すると、ウエハ１の温度が、上記したように、プラズマからの入熱により上昇する。このとき入熱量が少ない状態では問題にならない場合もあるが、通常、半導体の製造プロセスでは、これも上記したように、ウエハの温度管理をしっかり行わないとエッチング特性が悪化する。

従って、ウエハの温度管理は極めて重要であり、そこで、以下、本発明のポイントであるウエハ温度について、本発明を適用しない場合と対比して詳細に説明する。

ここで、図１０は、本発明を適用せず、従来の条件で処理した場合のウエハ温度とウエハステージ温度の平均的な変動を示したもので、ここでは、ウエハの酸化膜をエッチングした場合を例とした。

そして、このときのエッチング条件は、エッチングガスとしてアルゴンとＣ₄Ｆ₈ の混合ガスを用い、その圧力を１.０Ｐａとし、プラズマソース電力は１ｋＷ、バイアス電力は１.５ｋＷであり、ウエハステージ２の冷却にはフロン系の冷媒を用い、その流量は３Ｌ／ｍｉｎで設定温度は２０℃である。

また、エッチング時間は６０秒で、先のウエハと後のウエハの間の待ち時間は３０秒であり、このときＨｅ裏面圧(ウエハ１の裏面でのヘリウムガスの圧力)は、最初の１枚目のウエハから最後の２５枚目まで全て１ｋＰａの一定値である。

この図１０の特性から、各ウエハ毎の処理終了直前の平均的なウエハ温度は、１枚目では４２.３℃であるが、２５枚目では５２.６℃にまで大きく変動しており、ここで、特に処理開始から５〜６枚までの変動が大きいことが判る。また、このときウエハステージ温度も２６.４℃から３６.７℃に変化していることも判る。

一方、このときにＨｅ裏面圧は、上記した通り、１ｋＰａと一定になっているので、セラミック板１５とウエハ間の温度差も１枚目から２５枚目までほぼ一定と考えられ、従って、ウエハ温度が変化しているのは、セラミック板１５の温度が上昇してゆくためであることが判る。

このように、従来の装置では、Ｈｅ裏面圧を一定に制御しても、ウエハ温度は一定とはならない。そして、上記したように、エッチング特性は通常、温度の影響を受けるので、この温度変化はエッチング結果に影響する。

そこで、本発明の実施形態では、ウエハステージの温度上昇によるウエハ温度の上昇をみこして、ウエハの平均的な温度が一定になるようにしたものであり、以下、この実施形態について、更に具体的に説明する。

いま、ここで、ユーザが「ロット内温度変動低減プログラム」を選択したとすると、図２のメニュー画面１００が表示され、上記したように、どの手法でウエハ温度を調整するかの一覧が現れる。

ここで、次に、ユーザが、図２のメニュー画面１００で、図示のように、「Ｈｅ裏面圧の調整」を選択したとする。そうすると、この「Ｈｅ裏面圧の調整」では、ウエハ１枚毎にＨｅ裏面圧を変更し、ウエハの平均的な温度が一定になるようにしたものであり、この場合、上記した制御装置(制御用ＰＣ)は図３のフローチャートによる処理に移行することになる。

そして、この図３の処理が選択されたとすると(ステップ１０１)、ここで、まず制御用ＰＣに、計算に必要なパラメータが入力される(ステップ１０２)。

このときのパラメータとは、ウエハ温度に影響するパラメータのことで、これには入熱量、Ｈｅ圧力、静電チャック(セラミック板１５)の熱容量、冷媒温度、冷媒流量、冷媒の種類などが挙げられる。ここで、Ｈｅ圧力とはＨｅ裏面圧のことで、これらについては、以後、双方を併記して説明する。

そして、このうち、まず、入熱量は、この実施形態の場合、冷媒流量と、冷媒の入口と出口の温度を測定し、計算で求めることができる。このとき冷媒流量は流量計５４から取り込まれ、冷媒の入口と出口の温度は、夫々熱電対５２、５３から取り込まれる。

一方、予め実験によりバイアス電力の何％が入熱となるかを把握しておけば、実測によらなくとも入熱量を求めることができ、この場合、Ｈｅ圧力はユーザが適切と判断した値を任意に設定することになる。

ここで、このＨｅ圧力は圧力計２４から取り込むことができ、他方、セラミック板１５の熱容量は、構造が変更されれば変るが、通常は一度決まれば頻繁に変更するものではないため、容易に値を確定することができる。

このとき冷媒温度は、ユーザが任意に設定するものである。一方、冷媒流量は、通常はユーザはあまり意識しない項目なので、この実施形態では流量計５４でモニタし、制御用ＰＣで監視している。

なお、この冷媒流量は、装置の構成が一度決まってしまうと、あまり変化することはない。従って、その場合にはモニタせずに決めることも可能である。

また、冷媒の種類は、冷媒の粘性が温度に影響するのでパラメータとしているが、これも一度決まってしまえば変化しないものである。

従って、ステップ１０２では、冷媒温度、冷媒流量、入熱量、Ｈｅ裏面圧の各データが制御用ＰＣに入力され、次いで、これらの情報(データ)に基づいて１枚目から２５枚目までのウエハ温度を制御用ＰＣで計算する(ステップ１０３)。

但し、この計算は必ずしも制御用ＰＣで計算する必要があるわけではなく、外部に設けた別のＰＣで行ってもよい。

このとき、計算結果をモニタに表示する機能を設けておけば、ユーザの使い勝手が向上し、更に、表示した結果に基づいて、以降の計算を実行するか否かを選択する機能を持たせることも可能であり、この機能があれば、作業者が不要な計算処理により時間を無駄にすることが減らせるので便利である。

次に、処理条件が変化しない限り、１枚目から２５枚目にかけてウエハの平均的な温度は上昇していくので、２５枚目のウエハ温度と各枚数目のウエハ温度の差(温度差)を求める(ステップ１０４)。

このとき、必ずしも２５枚目のウエハとの比較である必要があるわけではない。例えば１０枚目のウエハ温度が既に２５枚目のウエハ温度と同じであることが明らかである場合は１０枚目のウエハと比較してもよい。

次に、この温度差が予め設定してある判定基準値以下に収まっているか否かを判定する(ステップ１０５)。このとき、この実施形態では、要求されているエッチング性能との兼ね合いから、０.５℃を温度差の判定基準値としているが、これに限定されるわけではない。

また、このときの判定基準値については、予めＰＣに内蔵しておいても良いが、ユーザが適宜設定できるようにしておいてもよい。

そして、Ｈｅ圧力を調整しなくても基準値以下に収まっていた場合、つまりステップ１０５での判定結果がＹ(肯定)のときはステップ１０６に進み、ここで１枚目から２５枚目までのＨｅ裏面圧条件を確定する。

他方、基準値を越えていた場合、つまりステップ１０５での判定結果がＮ(否定)のときはステップ１０２に戻り、Ｈｅ裏面圧を１枚毎に設定し直して再度計算する(ステップ１０２、１０３、１０４)。

この作業を繰り返し、最終的に全てのウエハ温度の差が基準値以内となったなら、Ｈｅ裏面圧をステップ１０６で確定し、この「Ｈｅ裏面圧の調整」プログラムを終了するのである(ステップ１０７)。

次に、このときのＨｅ裏面圧を決定する際の計算手順について説明すると、これには第１と第２の方法がある。

まず、第１の方法は、ウエハ１枚毎にＨｅ裏面圧を計算していく方法で、例えば、いま２５枚目のウエハ温度と１枚目のウエハ温度が基準値より大きい場合、２枚目以降はユーザ設定値のＨｅ裏面圧のままにして１枚目のＨｅ裏面圧だけを低くする。そして、この作業を繰返し、最初、まず１枚目のウエハ温度を基準以内に納める。

次に、３枚目以降のＨｅ裏面圧をユーザ設定のままにし、今度は２枚目のＨｅ裏面圧を１枚目と同じように低くし、この作業を繰り返し、２枚目のウエハ温度を基準以内に収める。

この作業を２４枚目まで繰り返していけば、１枚目から２５枚目までの温度変動を抑えることができる。このとき、もしも数枚程度の途中で２５枚目との温度差が基準以内に納まったら、それ以降は条件を変更する必要はない。

次に第２の方法は、上述の方法で１枚目のウエハのＨｅ裏面圧が決まったら、この１枚目のＨｅ裏面圧から２５枚目のＨｅ裏面圧までの漸近式を計算で求め、２枚目以降は、この漸近式から各ウエハのＨｅ裏面圧を求めるようにする方法である。

例えば、ユーザが設定したＨｅ圧力をＰｕ、計算で求めた１枚目のウエハのＨｅ圧力をＰ１とすると、Ｎ枚目のウエハのＨｅ圧力Ｐ(Ｎ)は、定数をτとして、次の(1)式から計算することができる。

Ｐ(Ｎ)＝Ｐ１＋(Ｐｕ−Ｐ１)(１−exp(−(Ｎ−１)／τ))…………(1)
そして、この(1)式に基づけは、定数τを決定するだけで、１枚目から２４枚までのウエハのＨｅ圧力が一度に決められるので、計算時間を節約することができる。

ここで、図４は、図３のプログラムに従って処理したときのウエハの温度を示したもので、この図から、ウエハステージの温度は従来と同じように徐々に上昇していくものの、各ウエハの処理終了直前の温度は、１枚目で５２.８℃、２５枚目でも５２.６℃とほぼ一定になっていることが判る。

従って、この実施形態によれば、図３のプログラムに従って処理することにより、Ｈｅ圧力(Ｈｅ裏面圧)を調整することでウエハ温度をほぼ一定にすることができ、この結果、ウエハの連続処理に際して、再現性のよいエッチング処理を得ることができる。

ここで、このような構成で実際にウエハ処理を実施していくに際しては、ウエハ温度若しくはウエハステージの温度をモニタすることが重要となる。すなわち、ここでは、コンピュータによりウエハとウエハステージの温度を計算しているが、このとき計算結果が実際とほぼ合っているということを確認していくことにより、処理装置の信頼性を増すことができる。

そこで、このため、この実施形態では、ウエハ温度は裏面から蛍光温度計５５により測定し、ウエハステージ温度はシース熱電対５７により測定するようにしている。そして、この結果は制御装置のコンピュータに送られ、計算結果と比較を行っている。

ところで、以上の実施形態では、Ｈｅ裏面圧を決定するために、ユーザが設定する毎に温度計算を実施するようになっているが、しかし、必ずしもユーザが計算する必要があるわけではなく、予め制御用ＰＣの中に、入熱量とＨｅ裏面圧の組み合わせの変換テーブルを記憶しておき、ユーザの設定に応じて変換テーブルの中から各枚数毎のＨｅ裏面圧の組み合わせを求めるようにしてもよい。

また、以上の実施形態では、各ウエハで実施したプログラムは１種類一定であったが、複数のプログラムの組み合わせであってもよい。

同じく、以上の実施形態では、Ｈｅ裏面圧をＰＣにより自動計算した例について説明したが、作業者が任意に手動で設定することもできるように構成してもよく、この場合は作業者の使い勝手が向上する。

ところで、上記の説明では、シース熱電対５７を用いて測定したウエハステージの温度データは、計算結果が正しいかどうかをモニタするために利用していた。しかし、この温度データを用いて裏面のヘリウム圧力を制御し、これによりウエハ温度を調節することも可能であり、以下、このようにした実施形態について説明する。

まず、シース熱電対５７により計測されるウエハステージ２の温度は、測定位置にもよるが、図１０に示すウエハステージの表面温度とほぼ同じである。そして、この図１０から、ウエハの平均的な温度が処理枚数の増加に伴って上昇してしまうのはウエハステージ２の温度上昇が原因であることが判る。

そこで、この実施形態では、ウエハステージ２の温度上昇に応じてウエハ裏面のＨｅ圧力を調節することにより、ウエハステージ２とウエハ間の温度差を小さくし、ウエハの平均的な温度が等しくなるようにするのである。

ここで、この実施形態では、蛍光温度計５５でウエハ温度もモニタしているので、ウエハステージの温度とウエハステージ−ウエハ間の温度差を求めることができる。１枚目の処理が終了し、２枚目の処理が開始される直前のウエハステージの温度はシース熱電対５７により計測しているので、１枚目の処理を開始する直前のウエハステージ温度との差が求まる。

従って、２枚目のウエハの温度を１枚目と同じにするために必要なウエハとウエハステージ間の温度は、１枚目の処理終了後のウエハ温度から２枚目を処理開始するときのウエハステージ温度を差し引いた値となる。

そして、この温度差を実現するために必要なＨｅ裏面圧は、予め制御用コンピュータに用意してあるＨｅ圧力と熱伝達率の関係から計算することができるので、この計算で求めたＨｅ圧力により処理すれば、２枚目の平均的な温度も１枚目と同じにすることができ、３枚目以降も同様な手順でＨｅ圧力を調節すればウエハの温度変動を低減することができる。

ところで、この実施形態では、ウエハステージ裏面で測定した温度が代表的な温度と考えた。ステージの熱伝導率が大きく、厚み方向に温度勾配が発生しない場合には簡便でよい方法といえる。しかし、熱伝導率が小さな材質である場合や、入熱量が大きく厚み方向に温度勾配がつきやすい場合にはウエハステージの表面温度との差が大きく、代表温度としてふさわしくない場合も考えられる。

このような場合には、測定した温度データを制御用コンピュータで補正すれば、同様な機能を果たすことができ、同じような効果を期待することができる。

また、この方法ではウエハの温度も実測していたが、必ずしも実測しなくとも実現可能である。つまり、処理中のウエハへの入熱量とＨｅガスの熱伝達率が測定、または計算で明らかであるので、ウエハ温度を計算で予測することができる。

したがって、この温度とセラミックス板の測定温度から同様な処理を実施すればよい。この場合、蛍光温度計がウエハの裏面に直接接触することがないのでウエハ裏面に異物などが付着することがないという効果を期待できる。

次に、ユーザが「ロット内温度変動低減プログラム」を選択した後、図２のメニュー画面１００で、今度は「エージング条件の最適化」を選択したとする。

ここで、この「エージング条件の最適化」では、ロット処理する直前に真空チャンバの壁温や表面状態を最適化するためのエージング処理を導入したもので、ウエハの処理を開始させる前に、エージング処理として、プラズマからの入熱により、予めウエハステージを加熱しておき、ロット内のウエハ温度変動を低減するようにしたものである。

但し、この場合、入熱が大きくエージング時間が長すぎると、逆に１枚目のウエハ温度が高くなりすぎるため、エージング時間を最適化する必要があるのは言うまでもない。

そして、この「エージング条件の最適化」プログラムが選択された場合、制御用ＰＣは図５のフローチャートによる処理に移行することになる(ステップ２０１)。

ここで、この図５のフローチャートによる処理は、基本的には図３のフローチャートによる処理と同じ手順となるが、ウエハ温度計算を行う際のパラメータにエージング処理が追加されている(ステップ２０２)。

そして、このエージング処理が追加された条件のもとで、エージングから本処理の２５枚目までのウエハ温度を計算し(ステップ２０３)、この計算結果から、２５枚目のウエハ温度と各枚数目のウエハ温度の差を求める(ステップ２０４)。

この差を基準値と比較し、基準値以上の場合にはステップ２０２に戻り、再度エージング時間を見直し、エージング時間を延長又は短縮し(ステップ２０３、２０４)、この作業を繰り返し、２５枚目のウエハ温度との差が基準以下になった時点でエージング条件を決定し(ステップ２０６)、その後、このロット内温度低減プログラムを終了する(ステップ２０７)。

ここで、図６は、上記の実施形態において、図５のフローチャートに従って処理したときのウエハ温度を示したもので、この図から、ウエハステージの温度は従来と同じように徐々に上昇していくものの、このとき、１枚目のウエハの処理が開始されるまでのエージング時間が最適化され、ウエハステージ温度が安定化されているので、１枚目のウエハ温度は５１.６℃、２５枚目のウエハ温度は５２.６℃と、ウエハ温度の差が１℃以内に保たれていることが判る。

従って、この実施形態によれば、図５のフローチャートに従って処理することにより、エージング時間を最適化することでウエハ温度をほぼ一定にすることができ、この結果、ウエハの連続処理に際して、再現性のよいエッチング処理を得ることができる。

ところで、この図５のフローチャートでは、エージング時間の最適化による方法だけを用いているが、このとき、エージング条件によっては、バイアス電力、すなわち、入熱量をあまり大きくすることができない場合がある。

そうすると、この場合、セラミック板１５が十分に加熱できず、エージングに必要なウエハステージ温度にすることができない虞れがある。そこで、この場合には、図３のフローチャートで説明したＨｅ裏面圧の調整を併用すればよい。

一方、反対に過大な入熱条件のもとで、なおかつエージング時間が長くなっていて、１枚目のウエハで既にウエハステージ温度が上がりすぎてしまう場合もあるが、この場合も図３のフローチャートで説明したＨｅ裏面圧の調整を併用すればよい。

そこで、この実施形態では、図２のメニュー画面１００に、選択肢として「エージング＋Ｈｅ裏面圧の調整」プログラムが設けてあり、これをユーザが選択した場合、Ｈｅ裏面圧の調整を併用した処理が実行されるようになっている。

更に、この場合、エージング終了から１枚目のウエハを処理までの時間を最適化するようにしてもよく、この場合もロット内でのウエハ温度変動を低減することができる。

また、この場合、図３のフローチャートによる処理とは反対に、１枚目から数枚目までのＨｅ裏面圧をユーザが設定した圧力より高く設定する必要が生じてしまうことも起こり得るが、この場合、Ｈｅ裏面圧Ｐ(Ｎ)を、次の(2)式により決定してやればよい。

Ｐ(Ｎ)＝Ｐ１−(Ｐｕ−Ｐ１)(１−exp(−(Ｎ−１)／τ))…………(2)
次に、ユーザが「ロット内温度変動低減プログラム」を選択した後、図２のメニュー画面１００で、今度は「ヒータ条件の最適化」を選択したとする。そして、このときは、図１のウエハステージ２に代えて、図７に示すように、セラミックス板１５の中に、ウエハステージを加熱する手段として、円板状のヒータ１６が埋設されているウエハステージ２を使用する。

このヒータ１６には給電用の電極３９が設けてあり、これに電源接続用のプラグが嵌合され、外部の電源から電力が供給されるようになっている。なお、図では電極３９が１個しか示されていないが、実際には２個備えられていることは言うまでもない。

そこで、この「ヒータ条件の最適化」プログラムでは、このヒータ１６を用い、ウエハをロット処理する前に一定時間加熱し、これにより１枚目のウエハから２５枚目のウエハまで温度を一定に保てるようにしたものである。

このとき、ヒータ１６の発熱量が大きすぎたり、加熱時間が長すぎたりしたのでは、ウエハステージ２の温度が高くなりすぎ、１枚目のウエハから温度が高くなりすぎてしまう虞れがあるので、このヒータ１６の電力と通電時間を最適化する必要がある。

このため、この「ヒータ条件の最適化」プログラムが選択されたときは、制御用ＰＣは図８のフローチャートによる処理に移行することになる(ステップ３０１)。この図８のフローチャートによる処理は、基本的には図３と図５のフローチャートによる処理と同じ手順となるが、ここでは、ウエハ温度計算を行う際のパラメータにヒータ電力と、その加熱時間が追加されている(ステップ３０２)。

そこで、この条件のもとで、加熱開始から本処理の２５枚目までのウエハ温度を計算し(ステップ３０３)、この結果から、２５枚目のウエハ温度と各枚数目のウエハ温度の差を求め(ステップ３０４)、この差を基準値と比較する(ステップ３０５)。

そして、このステップ３０５で基準値以上となった場合にはステップ３０２に戻り、再度ヒータ電力、加熱時間を見直し、ヒータ電力の増加又は減少と時間の延長又は短縮を行う(ステップ３０３、３０４)。

以後、この作業を繰り返し、２５枚目のウエハ温度との差が基準以下になった時点でステップ３０５からステップ３０６に移行し、ヒータ条件を決定し、この後、ロット内温度低減プログラムを終了するのである(ステップ３０７)。

ここで、図９は、図７の実施形態において、図８のプログラムに従って処理し、ヒータ条件を最適化した場合のウエハ温度を示したもので、このときＨｅ裏面圧は１枚目から２５枚目まで１ｋＰａで一定である。

この図９によれば、ウエハステージ温度は同じように徐々に上昇していくものの、ここでも１枚目のウエハ温度は５２.０℃で、２５枚目のウエハ温度は５２.６℃と、ウエハ温度の差が１℃以内に保たれていることが判る。

また、この場合は、ヒータ１６により積極的に加熱しているので、図６と比較してみれば明らかなように、ウエハステージ温度が所定温度に安定化するまでの時間が短縮されていることが判る。

ここで、図７の実施形態では、セラミック板１５内にヒータ１６を内蔵させたが、必ずしもこの構成に限らない。例えばヒータ機構をセラミック板に接触するように構成してもよく、外部に設置したランプの輻射熱による加熱であっても良い。従って、何れの方式が適しているかは場合によって適宜決定されるべきである。

ところで、この図８のフローチャートによる処理では、図５のフローチャートによる処理で説明したエージング条件の最適化処理は考えられていないが、これを併用するようにてもよい。

そこで、この実施形態では、図２のメニュー画面１００に、選択肢として「エージング＋ヒータ条件の最適化」プログラムが設けてあり、これをユーザが選択した場合、エージング条件の最適化処理を併用した処理が実行されるようになっている。

但し、このことは、エージングによるウエハステージの加熱が不足している場合に限られる。このとき最適なヒータ条件を計算するためには、エージングによるウエハステージの加熱の計算を加味すればよい。

なお、この実施形態では、ユーザの使いやすさを考慮して、ロット内温度変動低減プログラムを起動するか否かが選択できるようにしてあるが、このことは必ずしも必要なわけではなく、直接、図２のメニューによる選択ができるように構成してもよい。

本発明によるウエハ処理装置の一実施形態を示す断面図である。 本発明の一実施形態におけるメニュー画面の一例を示す説明図である。 本発明の一実施形態によるＨｅ裏面圧の調整処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態においてＨｅ裏面圧の調整処理を施した場合のロット内温度変動を示す特性図である。 本発明の一実施形態によるエージング条件の最適化処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態においてエージング条件の最適化処理を施した場合のロット内温度変動を示す特性図である。 本発明によるウエハ処理装置の他の一実施形態を示す一部断面図である。 本発明の一実施形態によるヒータ条件の最適化処理を説明するためのフローチャートである。 本発明の一実施形態においてヒータ条件の最適化処理を施した場合のロット内温度変動を示す特性図である。 従来技術による場合のロット内温度変動を示す特性図である。 本発明の一実施形態においてセラミックス板の温度をモニタするためのシース熱電対の固定方法を示す説明図である。

符号の説明

１：ウエハ(半導体ウエハ)
２：ウエハステージ
３：流量制御器
４：ゲートバルブ
５：高周波電源
６：プラズマ
７：コイル
８：高周波電源
９：真空チャンバ
１０：ベルジャ
１１：エッチングガス
１２：バルブ
１３：ターボ分子ポンプ
１４：冷却ジャケット
１５：セラミックス板
１６：ヒータ
１７：内部電極
１９：給電ライン
２０：シャフト
２１：コイル
２２：直流電源
２３：熱伝導シート
２４：圧力計
２５：流量計
２７：ファン
３２：プッシャピン
３４：ドライポンプ
３５：ベローズ
３６：ボルト
３９：ヒータ給電機構
４２：ガスボンベ
４６：流路
５２：熱電対
５３：熱電対
５４：流量計
５５：蛍光温度計
５６：サーキュレータ
５７：シース熱電対
５８：バネ機構

Claims (4)

1. 複数枚の半導体ウエハを順次１枚づつウエハステージに載置して連続的にプラズマ加工するウエハ処理装置において、
   前記ウエハステージの温度を測定する手段を備え、
   前記半導体ウエハと前記ウエハステージ間に導入する熱伝導ガスの圧力を、前記温度測定手段により測定したウエハステージ温度に基づいて、処理中のウエハ毎に調節することを特徴とするウエハ処理装置。
2. 請求項１に記載のウエハ処理装置において、
   前記ウエハステージは、温調器により温調した冷媒により冷却されていることを特徴とするウエハ処理装置。
3. 複数枚の半導体ウエハを順次１枚づつウエハステージに載置して連続的にプラズマ加工するウエハ処理装置において、
   前記ウエハステージの温度を測定する手段と、前記ウエハステージを加熱する手段とを備え、
   前記半導体ウエハと前記ウエハステージ間に導入する熱伝導ガスの圧力及び前記ウエハステージを加熱する手段に供給する電力の少なくとも一方を、前記温度測定手段により測定したウエハステージ温度に基づいて、処理中のウエハ毎に調節することを特徴とするウエハ処理装置。
4. 請求項１又は請求項３に記載のウエハ処理装置において、
   前記ウエハステージの温度を測定する手段が、シース熱電対、蛍光温度計、それにサーミスタの何れかであることを特徴とするウエハ処理装置。

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