JP2009010101A - 基板処理装置およびシャワーヘッド - Google Patents
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Abstract
【課題】ガス吐出部分が金属とセラミックスの２層構造のシャワープレートを有するシャワーヘッドを用い、均一な処理を行うことが可能な基板処理装置を提供すること。
【解決手段】シャワーヘッド１８は、ガス導入孔６１ａが形成された金属製の上部プレート６１と、複数のガス通過孔６６が形成された金属製の下部プレート６２と、上部プレート６１と下部プレート６２との間に設けられたガス拡散空間Ｓと、下部プレート６２の下側全面を覆うように設けられ、ガス通過孔６６に対応して複数のガス吐出孔６７が形成されたセラミックス製のカバー部材６４と、ガス拡散空間Ｓ内に上部プレート６１と下部プレート６２との間を接続するように設けられ、処理にともなって発生する熱を上方へ伝熱する複数の伝熱部材７０ａ，７０ｂとを有する。
【選択図】図２
【解決手段】シャワーヘッド１８は、ガス導入孔６１ａが形成された金属製の上部プレート６１と、複数のガス通過孔６６が形成された金属製の下部プレート６２と、上部プレート６１と下部プレート６２との間に設けられたガス拡散空間Ｓと、下部プレート６２の下側全面を覆うように設けられ、ガス通過孔６６に対応して複数のガス吐出孔６７が形成されたセラミックス製のカバー部材６４と、ガス拡散空間Ｓ内に上部プレート６１と下部プレート６２との間を接続するように設けられ、処理にともなって発生する熱を上方へ伝熱する複数の伝熱部材７０ａ，７０ｂとを有する。
【選択図】図２
Description
本発明は、半導体ウエハ等の基板にプラズマエッチング等の処理を施す基板処理装置およびそれに用いられるシャワーヘッドに関する。
例えば半導体デバイスの製造プロセスにおいては、被処理基板である半導体ウエハに形成された所定の層に所定のパターンを形成するために、レジストをマスクとしてプラズマによりエッチングするプラズマエッチング処理が多用されている。
このようなプラズマエッチングを行うためのプラズマエッチング装置としては、種々のものが用いられているが、その中でも容量結合型平行平板プラズマ処理装置が主流である。
容量結合型平行平板プラズマエッチング装置は、チャンバー内に一対の平行平板電極（上部および下部電極）を配置し、処理ガスをチャンバー内に導入するとともに、電極の一方または両方に高周波を印加して電極間に高周波電界を形成し、この高周波電界により処理ガスのプラズマを形成して半導体ウエハの所定の層に対してプラズマエッチングを施す。具体的には、半導体ウエハを載置するサセプタを下部電極として機能させ、半導体ウエハの上方から処理ガスをシャワー状に供給するシャワーヘッドを上部電極として機能させて、これらの間に高周波電界を形成することにより処理ガスのプラズマを形成する（例えば特許文献１）。
一方、このような容量結合型平行平板プラズマエッチング装置においては、メタル汚染を防止し、プラズマや傷などからシャワーヘッドを保護するため、シャワーヘッドのシャワープレートとして金属板の下面に石英板等の絶縁性のセラミックス板を貼り付けたものや、セラミックスをコーティングしたものが用いられている。
このようなプラズマエッチング装置のシャワーヘッドは、加熱された載置台からの輻射熱またはプラズマからの入熱を受けて加熱されるが、シャワーヘッドの内部には処理ガスを混合または拡散するための空間が設けられているため、この空間が断熱部として作用し、シャワーヘッドが受けた熱は空間の存在しない周縁部を伝熱するのみであり、熱が十分に拡散せず、シャワーヘッドの温度は高くなる傾向にある。
このようにシャワーヘッドの温度が上昇すると、シャワープレートが金属とセラミックスからなるものであるため、これらの熱膨張差によってシャワープレートに多数形成されたガス吐出孔がずれてしまい、特にシャワーヘッドの周縁部ではそのずれが大きく、ガスが吐出されない事態も生じ、エッチングの均一性等が悪化してしまう。
このような問題は、プラズマエッチング装置に限らず、金属とセラミックスの２層構造のシャワープレートを有するシャワーヘッドを用いた基板処理において生じるものである。
特開２０００−１７３９９３号公報
本発明はかかる事情に鑑みてなされたものであって、ガス吐出部分が金属とセラミックスの２層構造のシャワープレートを有するシャワーヘッドを用い、均一な処理を行うことが可能な基板処理装置を提供すること、およびこのような基板処理装置に用いられるシャワーヘッドを提供することを目的とする。
上記課題を解決するため、本発明の第１の観点では、被処理基板を収容する処理容器と、前記処理容器内に配置され、被処理基板が載置される載置台と、前記載置台と対向する位置に設けられ、前記処理容器内へ処理ガスを吐出するシャワーヘッドと、前記処理容器内を排気する排気機構と、前記処理容器内で被処理基板に所定の処理を施す処理機構とを具備し、前記シャワーヘッドは、ガス導入部が形成された金属製の上部プレートと、複数のガス通過孔が形成された金属製の下部プレートと、 前記上部プレートと前記下部プレートとの間に設けられたガス拡散空間と、前記下部プレートの下側全面を覆うように設けられ、前記ガス通過孔に対応する位置に複数のガス吐出孔が形成されたセラミックス製のカバー部材と、前記ガス拡散空間内に前記上部プレートと前記下部プレートとの間を接続するように設けられ、前記処理機構による処理にともなって発生する熱を上方へ伝熱する複数の伝熱部材とを有することを特徴とする基板処理装置を提供する。
また、本発明の第２の観点では、被処理基板を収容する処理容器と、前記処理容器内に配置され、被処理基板が載置される載置台と、前記載置台と対向する位置に設けられ、前記処理容器内へ処理ガスを吐出するシャワーヘッドと、前記処理容器内を排気する排気機構と、前記処理容器内で被処理基板に所定の処理を施す処理機構とを具備し、前記シャワーヘッドは、ガス導入部が形成された金属製の上部プレートと、複数のガス通過孔が形成された金属製の下部プレートと、前記上部プレートと前記下部プレートとの間に設けられ、複数のガス通過孔を有する中間プレートと、前記上部プレートと前記中間プレートとの間に設けられた第１のガス拡散空間と、前記中間プレートと前記下部プレートとの間に設けられた第２のガス拡散空間と、前記下部プレートの下側全面を覆うように設けられ、前記ガス通過孔に対応する位置に多数のガス吐出孔が形成されたセラミックス製のカバー部材と、前記第１のガス拡散空間内および前記第２のガス拡散空間内に、それぞれ前記上部プレートと前記中間プレートとの間および前記中間プレートと下部プレートとの間を接続するように設けられ、前記処理機構による処理にともなって発生する熱を上方に伝熱する複数の伝熱部材とを有することを特徴とする基板処理装置を提供する。
本発明の第３の観点では、処理容器内の被処理基板が載置される載置台の上方の対向する位置に設けられ、前記処理容器内へ処理ガスを吐出するシャワーヘッドであって、ガス導入部が形成された金属製の上部プレートと、多数のガス通過孔が形成された金属製の下部プレートと、前記上部プレートと前記下部プレートとの間に設けられたガス拡散空間と、 前記下部プレートの下側全面を覆うように設けられ、前記ガス通過孔に対応する位置に複数のガス吐出孔が形成されたセラミックス製のカバー部材と、前記ガス拡散空間内に前記上部プレートと前記下部プレートとの間を接続するように設けられ、前記処理容器内での処理にともなって発生する熱を上方へ伝熱する複数の伝熱部材とを具備することを特徴とするシャワーヘッドを提供する。
本発明の第４の観点では、処理容器内の被処理基板が載置される載置台の上方の対向する位置に設けられ、前記処理容器内で所定の処理を行う際に処理ガスを吐出するシャワーヘッドであって、ガス導入部が形成された金属製の上部プレートと、多数のガス通過孔が形成された金属製の下部プレートと、前記上部プレートと前記下部プレートとの間に設けられ、複数のガス通過孔を有する中間プレートと、前記上部プレートと前記中間プレートとの間に設けられた第１のガス拡散空間と、前記中間プレートと前記下部プレートとの間に設けられた第２のガス拡散空間と、 前記下部プレートの下側全面を覆うように設けられ、前記ガス通過孔に対応する位置に多数のガス吐出孔が形成されたセラミックス製のカバー部材と、前記第１のガス拡散空間内および前記第２のガス拡散空間内に、それぞれ前記上部プレートと前記中間プレートとの間および前記中間プレートと下部プレートとの間を接続するように設けられ、前記処理容器内での処理にともなって発生する熱を上方に伝熱する複数の伝熱部材とを具備することを特徴とするシャワーヘッドを提供する。
上記第１〜第４の観点において、前記下部プレートと前記カバー部材との間が凹凸状となっていることが好ましい。また、記伝熱部材は、円柱状をなしたものであってよく、その径は２〜１２ｍｍの範囲とすることが好ましい。また、前記シャワーヘッドに、前記伝熱部材を介して伝熱された熱を強制的に逃がす冷却手段が備えられていてもよい。
上記第１および第２の観点において、前記処理機構は前記処理容器内にプラズマを形成して被処理基板にプラズマ処理を施すものであってよく、前記載置台と前記シャワーヘッドとの間に高周波電界を形成し、その高周波電界によりプラズマを生成するものを用いることができる。
上記第２および第３の観点において、前記第１のガス拡散空間内に設けられた伝熱部材と、前記第２のガス空間内に設けられた伝熱部材とは、対応する位置に設けられていることが好ましい。
上記第３および第４の観点において、前記所定の処理は、前記処理容器内にプラズマを形成して被処理基板にプラズマ処理を施すものであってよい。
本発明によれば、ガス導入部が形成された金属製の上部プレートと、複数のガス通過孔が形成された金属製の下部プレートと、前記上部プレートと前記下部プレートとの間に設けられたガス拡散空間と、前記下部プレートの下側全面を覆うように設けられ、前記ガス通過孔に対応する位置に複数のガス吐出孔が形成されたセラミックス製のカバー部材とを有するシャワーヘッドにおいて、前記ガス拡散空間内に前記上部プレートと前記下部プレートとの間を接続するように、前記処理容器内での処理にともなって発生する熱を上方へ伝熱する複数の伝熱部材を設けたので、下部プレートおよびカバー部材が受けた熱を伝熱部材を介して速やかに放出することができる。このため、下部プレートおよびカバー部材の温度が上昇することや、これらに温度勾配が形成されることを抑制することができ、下部プレートのガス通過孔とカバー部材のガス吐出孔の熱膨張差による位置ずれを低減することができる。
以下、添付図面を参照して本発明の実施形態について説明する。
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す断面図である。
図１は、本発明の一実施形態に係るプラズマエッチング装置を示す断面図である。
このプラズマエッチング装置１００は、気密に構成され、略円筒状をなすチャンバー１を有している。このチャンバー１は、本体が例えばアルミニウム等の金属からなり、その内壁表面に、酸化処理皮膜や、Ｙ２Ｏ３等の絶縁セラミックスからなる皮膜（例えば溶射皮膜）のような絶縁膜が形成されている。チャンバー１は直流的に接地されている。
このチャンバー１内には、被処理基板であるウエハＷを水平に支持するとともに下部電極として機能する支持テーブル２が設けられている。支持テーブル２は例えば表面が酸化処理されたアルミニウムで構成されている。チャンバー１の底壁からは支持テーブル２の外周に対応するようにリング状の支持部３が突出して形成されており、この支持部３の上にはリング状の絶縁部材４が設けられていて、支持テーブル２はその外縁部がこの絶縁部材４を介して支持されている。支持テーブル２の上方の外周には導電性材料例えばＳｉ、ＳｉＣ等で形成されたフォーカスリング５が設けられている。絶縁部材４の下端とチャンバー１周壁との間にはコニカル状の排気リング１４が設けられている。排気リング１４は処理ガスを通過させて排気ラインに導くとともに、プラズマ生成領域を規定する役割を有している。また、支持テーブル２とチャンバー１の底壁との間には空洞部７が形成されている。
支持テーブル２の表面部分にはウエハＷを静電吸着するための静電チャック６が設けられている。この静電チャック６は絶縁体６ｂの間に電極６ａが介在されて構成されており、電極６ａにはスイッチ１３ａを介して直流電源１３が接続されている。そして電極６ａに直流電源１３から電圧が印加されることにより、静電力、例えばクーロン力によって半導体ウエハＷが吸着される。
支持テーブル２内には冷媒流路８ａが設けられ、この冷媒流路８ａには冷媒配管８ｂが接続されており、冷媒制御装置８により、適宜の冷媒がこの冷媒配管８ｂを介して冷媒流路８ａに供給され、循環されるようになっている。これにより、支持テーブル２が適宜の温度に制御可能となっている。また、静電チャック６の表面とウエハＷの裏面との間に熱伝達用の伝熱ガス、例えばＨｅガスを供給するための伝熱ガス配管９ａが設けられ、伝熱ガス供給装置９からこの伝熱ガス配管９ａを介してウエハＷ裏面に伝熱ガスが供給されるようになっている。これにより、チャンバー１内が排気されて真空に保持されていても、冷媒流路８ａに循環される冷媒の冷熱をウエハＷに効率良く伝達させることができ、ウエハＷの温度制御性を高めることができる。
支持テーブル２のほぼ中央には、高周波電力を供給するための給電線１２ａ，１２ｂが接続されており、給電線１２ａには整合器１１ａおよび高周波電源１０ａが接続されており、給電線１２ｂには整合器１１ｂおよび高周波電源１０ｂが接続されている。高周波電源１０ａからはプラズマ生成用の高周波電力が供給され、高周波電源１０ｂからはプラズマ中のイオンを引き込むための高周波電力が供給される。
一方、支持テーブル２に対向してエッチングのための処理ガスをシャワー状に吐出するためのシャワーヘッド１８が設けられている。このシャワーヘッド１８は上部電極として機能し、チャンバー１の天壁部分に嵌め込まれている。なお、シャワーヘッド１８の構造は後で詳細に説明する。
上部電極であるシャワーヘッド１８はチャンバー１を介して接地されており、高周波電力が供給され下部電極として機能する支持テーブル２とともに一対の平行平板電極を構成している。そして、高周波電力が供給される下部電極としての支持テーブル２がカソード電極として機能し、接地された上部電極であるシャワーヘッド１８がアノード電極として機能する。これらカソード電極としての支持テーブル２とアノード電極としての上部電極１８の間および絶縁部材４の外側部分の排気リング１４までの領域がプラズマ生成領域Ｒとなる。
エッチングのための処理ガスとしては、従来用いられている種々のものを採用することができ、例えばフロロカーボンガス（ＣｘＦｙ）やハイドロフロロカーボンガス（ＣｐＨｑＦｒ）のようなハロゲン元素を含有するガスを好適に用いることができる。他にＡｒ、Ｈｅ等の希ガスやＮ２ガス、Ｏ２ガス等を添加してもよい。また、アッシングに適用する場合には、処理ガスとして例えばＯ２ガス等を用いることができる。
このような処理ガスが、処理ガス供給装置１５からガス供給配管１５ａ、およびチャンバー１の天壁１ａに設けられたガス導入孔１ｂを介してシャワーヘッド１８に至り、シャワーヘッド１８からシャワー状に吐出され、ウエハＷに形成された膜のエッチングに供される。
チャンバー１の底壁には、排気管１９が接続されており、この排気管１９には真空ポンプ等を含む排気装置２０が接続されている。そして排気装置２０の真空ポンプを作動させることによりチャンバー１内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、チャンバー１の側壁上側には、ウエハＷの搬入出口２３を開閉するゲートバルブ２４が設けられている。
一方、チャンバー１の搬入出口２３の上下にチャンバー１を周回するように、同心状に、２つのリング磁石２１ａ，２１ｂが配置されており、支持テーブル２とシャワーヘッド１８との間の処理空間の周囲に磁界を形成するようになっている。このリング磁石２１ａ，２１ｂは、図示しない回転機構により回転可能に設けられている。
リング磁石２１ａ，２１ｂは、永久磁石からなる複数のセグメント磁石がリング状にマルチポール状態で配置されている。したがって、磁力線が隣接するセグメント磁石間に形成され、処理空間の周辺部のみに磁場が形成され、ウエハ配置部分は実質的に無磁場状態となる。これにより、適度のプラズマ閉じこめ効果を得ることができる。
プラズマエッチング装置１００の各構成部は、制御部（プロセスコントローラ）５０に接続されて制御される構成となっている。具体的には、冷媒制御装置８、伝熱ガス供給装置９、排気装置２０、静電チャック６のための直流電源１３のスイッチ１３ａ、高周波電源１０、整合器１１等が制御される。
また、制御部５０には、オペレータがプラズマエッチング装置１００を管理するためにコマンドの入力操作等を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等からなるユーザーインターフェース５１が接続されている。
さらに、制御部５０には、プラズマエッチング装置１００で実行される各種処理を制御部５０の制御にて実現するための制御プログラムや、処理条件に応じてプラズマエッチング装置の各構成部に処理を実行させるためのプログラムすなわちレシピが格納された記憶部５２が接続されている。レシピはハードディスクや半導体メモリーに記憶されていてもよいし、ＣＤＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性の記憶媒体に収容された状態で記憶部５２の所定位置にセットするようになっていてもよい。
そして、必要に応じて、ユーザーインターフェース５１からの指示等にて任意のレシピを記憶部５２から呼び出して制御部５０に実行させることで、制御部５０の制御下で、プラズマエッチング装置１００での所望の処理が行われる。
次に、シャワーヘッド１８について詳細に説明する。
図２はシャワーヘッドを拡大して示す断面図である。この図に示すように、シャワーヘッド１８は、最上部に位置する金属製（アルミニウム、ステンレス鋼等）の上部プレート６１と、この上部プレート６１の下に設けられた金属製（アルミニウム、ステンレス鋼等）の下部プレート６２とを有し、これらはねじ止めされている。そしてこれら上部プレート６１と下部プレート６２との間にはガス拡散空間Ｓが形成されている。また、上部プレート６１と下部プレート６２との間には、拡散空間Ｓを上部の第１の拡散空間Ｓ１と下部の第２の拡散空間Ｓ２とに二分するように金属製（アルミニウム、ステンレス鋼等）の中間プレート６３が設けられている。この中間プレート６３はガス拡散板として機能する。さらに、下部プレート６２の下側には、金属製の下部プレート６２等をプラズマや傷から保護し、かつメタルコンタミを抑制する観点から、石英やＹ２Ｏ３等の絶縁性セラミックスからなるカバー部材６４が全面を覆うように取り付けられている。下部プレート６２には複数のガス通過孔６６が形成されており、カバー部材６４には、このガス通過孔６６に対応する位置にガス吐出孔６７が形成されている。また、中間プレート６３には複数のガス通過孔６８が形成されている。
図２はシャワーヘッドを拡大して示す断面図である。この図に示すように、シャワーヘッド１８は、最上部に位置する金属製（アルミニウム、ステンレス鋼等）の上部プレート６１と、この上部プレート６１の下に設けられた金属製（アルミニウム、ステンレス鋼等）の下部プレート６２とを有し、これらはねじ止めされている。そしてこれら上部プレート６１と下部プレート６２との間にはガス拡散空間Ｓが形成されている。また、上部プレート６１と下部プレート６２との間には、拡散空間Ｓを上部の第１の拡散空間Ｓ１と下部の第２の拡散空間Ｓ２とに二分するように金属製（アルミニウム、ステンレス鋼等）の中間プレート６３が設けられている。この中間プレート６３はガス拡散板として機能する。さらに、下部プレート６２の下側には、金属製の下部プレート６２等をプラズマや傷から保護し、かつメタルコンタミを抑制する観点から、石英やＹ２Ｏ３等の絶縁性セラミックスからなるカバー部材６４が全面を覆うように取り付けられている。下部プレート６２には複数のガス通過孔６６が形成されており、カバー部材６４には、このガス通過孔６６に対応する位置にガス吐出孔６７が形成されている。また、中間プレート６３には複数のガス通過孔６８が形成されている。
下部プレート６２と中間プレート６３との間の第２の拡散空間Ｓ２、および中間プレート６３と上部プレート６１との間の第１の拡散空間Ｓ１には、それぞれプラズマ等から受けた熱を上方に逃がすための、円柱状をなす複数の伝熱部材７０ａ、７０ｂが設けられている。伝熱部材７０ａと伝熱部材７０ｂとは、対応する位置に設けられており、プラズマからの熱が下部プレート６２、伝熱部材７０ａ、伝熱部材７０ｂを経て上部プレート６１に至り、チャンバー１の上壁を通って外部に放熱するようになっている。すなわち、伝熱部材７０ａおよび７０ｂの対応するものは、一体となって下部プレート６２と上部プレート６１とを接続する伝熱部材として機能する。
図３のさらなる拡大図にも示すように、カバー部材６４の上面には複数の凸部７２が形成されており、また、下部プレート６２の下面には、凸部７２に対応する位置に凹部７３が形成されていて、これらが嵌合するようになっている。これら凸部７２および凹部７３は、ガス通過孔６６とガス吐出孔６７が形成されている位置に設けられている。このように凹凸を設けることにより、図４に示すように、ガス漏洩経路を屈曲させてそのコンダクタンスを低下させ、ガスの漏出を低減することができる。また、他からの漏出ガスの混入を低減できる効果も得られる。なお、カバー部材６４と下部プレート６３との間に不活性ガスを流すことにより、ガスの漏出を低減する機能を付加することもできる。
カバー部材６４に設けられたガス吐出孔６７は、下部において孔径が細くなる２段孔構造を有しており、吐出コンダクタンスよりも拡散空間Ｓのコンダクタンスが大きくなるように設計されている。これにより、拡散空間Ｓにおいてガスの混合・拡散を均一に行うことができる。
図５に示すように、伝熱部材７０ｂ（７０ａ）と中間プレート６３のガス通過孔６８と下部プレート６２に形成されたガス通過孔６６は、いずれもマトリックス状に形成されており、ガス通過孔６８と６６とは正対しないように配置されている。また、伝熱部材７０ｂ（７０ａ）は、ガス通過孔６８および６６と重ならない位置に配置されている。
伝熱部材７０ａ、７０ｂの直径は、たとえば、５〜２０ｍｍであり、好ましくは５〜１２ｍｍである。また隣接する伝熱部材７０ａ、７０ｂの間隔は、たとえば、７〜４０ｍｍであり、好ましくは９〜１８ｍｍである。また、第２の空間Ｓ２の断面積に対する伝熱部材７０ａの断面積の比および第１の空間Ｓ１の断面積に対する伝熱部材７０ｂの断面積の比が、０．０５〜０．５０となるように伝熱部材７０ａ、７０ｂが配置されることが好ましい。この面積比が０．０５より小さいと伝熱部材７０ａ、７０ｂの熱を伝達する効果が小さくなって効果が不十分であり、逆に０．５０より大きいと第２の拡散空間Ｓ２および第１の拡散空間Ｓ１の流路抵抗が大きくなってガス流の不均一が生じやすい。なお、伝熱部材７０ａ、７０ｂは円柱状に限らず、種々の断面形状をとることができる。
上部プレート６１の中央には、ガス導入孔１ｂに対応する位置に、ガス導入孔６１ａが設けられ、処理ガス供給装置１５からガス供給配管１５ａ、およびガス導入孔１ｂを経て流れてきた処理ガスが、このガス導入孔６１ａからシャワーヘッド１８内に導入される。そして第１の拡散空間Ｓ１、中間プレート６３のガス通過孔６８、第２の拡散空間Ｓ２、ガス通過孔６６を経て、ガス吐出孔６７からプラズマ生成領域Ｒへ処理ガスが吐出されるようになっている。
次に、このように構成されるプラズマエッチング装置の処理動作について説明する。
まず、図１のプラズマエッチング装置１００のゲートバルブ２４を開にして搬送アームにてエッチング対象層を有するウエハＷをチャンバー１内に搬入し、支持テーブル２上に載置した後、搬送アームを退避させてゲートバルブ２４を閉にし、排気装置２０の真空ポンプにより排気管１９を介してチャンバー１内を所定の真空度にする。
まず、図１のプラズマエッチング装置１００のゲートバルブ２４を開にして搬送アームにてエッチング対象層を有するウエハＷをチャンバー１内に搬入し、支持テーブル２上に載置した後、搬送アームを退避させてゲートバルブ２４を閉にし、排気装置２０の真空ポンプにより排気管１９を介してチャンバー１内を所定の真空度にする。
その後、チャンバー１内に処理ガス供給装置１５からエッチングのための処理ガスを所定の流量で供給し、シャワーヘッド１８を介してチャンバー１内に導入して、チャンバー１内を所定の圧力、例えば０．１３〜１３３．３Ｐａ（１〜１０００ｍＴｏｒｒ）程度に維持する。このように所定の圧力に保持した状態で高周波電源１０ａから支持テーブル２に、周波数が４０ＭＨｚ以上、例えば１００ＭＨｚのプラズマ用の高周波電力を供給する。また、高周波電源１０ｂから支持テーブル２に、イオン引き込み用の５００ｋＨｚ〜２７ＭＨｚ、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力を供給する。一方、直流電源１３から静電チャック６の電極６ａに所定の電圧が印加され、ウエハＷは例えばクーロン力により吸着される。
このようにして下部電極である支持テーブル２に高周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャワーヘッド１８と下部電極である支持テーブル２との間の処理空間には高周波電界が形成され、これにより処理空間に供給された処理ガスがプラズマ化されて、そのプラズマによりウエハＷに形成されたエッチング対象層がエッチングされる。
このエッチングの際に、マルチポール状態のリング磁石２１ａ，２１ｂにより、処理空間の周囲に磁場を形成することにより、適度なプラズマ閉じこめ効果が発揮され、プラズマの均一化を補助することができる。また、膜によってはこのような磁場の効果がない場合もあるが、その場合には、セグメント磁石を回転させて処理空間の周囲に実質的に磁場を形成しないようにして処理を行えばよい。このような磁場を形成した場合には、支持テーブル２上のウエハＷの周囲に設けられた導電性のフォーカスリング５によりフォーカスリング領域までが下部電極として機能するため、プラズマ形成領域がフォーカスリング５上まで広がり、ウエハＷの周辺部におけるプラズマ処理が促進されエッチングレートの均一性が向上する。
このようにしてプラズマエッチング処理を行う場合、プラズマからの熱等により、シャワーヘッド１８は下面から加熱され、温度が上昇する。この場合に、図６（ａ）に示すように、従来のシャワーヘッド１１８は、加熱された下部プレート１６２およびセラミックス材料からなるカバー部材１６４にプラズマ等から与えられた熱は、内部空間Ｓ′で断熱され、上部プレート１６１と下部プレート１６２の接する周縁部のみで熱伝導により放熱される。このため、下部プレート１６２およびカバー部材１６４の温度が低下し難い。また、下部プレート１６２およびカバー部材１６４の熱は中央から水平方向周縁側に流れるため、水平方向に温度勾配が形成される。
一方、下部プレート１６２はアルミニウムやステンレス鋼のような金属製であり熱膨張係数が大きく、カバー部材１６４は石英やＹ２Ｏ３等の絶縁性セラミックスからなるため金属よりも熱膨張係数が小さい。このため、これらが隣接した状態で温度が例えば１４０℃程度まで上昇し、さらにこのように水平方向に温度勾配が形成されると、これらの間の熱膨張の違いにより、図６（ｂ）に示すように、周縁部側で下部プレート１６２のガス通過孔１６６とカバー部材１６４のガス吐出孔１６７の位置がずれてしまう。この場合に、ガス吐出孔１６７は、プラズマが侵入して異常放電が生じたり、メタルコンタミが発生することを防止することを目的として小径に形成されているため、図６（ｃ）に示すように、周縁部においてガス通過孔１６６とガス吐出孔１６７が完全にずれて、ガスの吐出が完全に遮断されることも生じる。周縁部における処理ガスの吐出量は、エッチングの選択性に大きく影響するため、このように周縁部でのガスの吐出量が大きく変化するとエッチング特性が低下する。
そこで、本実施形態では、シャワーヘッド１８のガス拡散空間Ｓに伝熱部材７０ａ，７０ｂを設けて、図７に示すように、カバー部材６４および下部プレート６２から伝熱部材７０ａ，７０ｂを経て上部プレート６１に至るように上方へ伝熱するようにした。これにより、プラズマ等からカバー部材６４および下部プレート６２が受けた熱を伝熱部材７０ａ，７０ｂを介して速やかかつ均一に上部プレート６１に伝熱して外部に放熱することができるので、温度上昇自体が抑制され、かつ水平方向の温度勾配も生じ難い。このため、金属製の下部プレート６２およびセラミックス製のカバー部材６４の間に熱膨張差が生じ難く、周縁部でのガス通過孔６６とガス吐出孔６７のずれも小さくすることができ、エッチング特性の低下を極力抑えることができる。
また、このようにガス拡散空間Ｓに伝熱部材を設けても、拡散空間Ｓに対する伝熱部材の面積比が上述のように０．０５〜０．５の好ましい範囲であれば水平方向のコンダクタンスには実質的に影響はなく、ガス吐出量は中央部と周縁部とで高々２％程度の差でしかなく、エッチング特性には影響はない。
また、カバー部材６４の上面には複数の凸部７２が形成され、下部プレート６２の下面には複数の凹部７３が形成されて、これら凸部７２および凸部７３が嵌合した状態となるので、下部プレート６２とカバー部材６４の間から処理ガスが漏出した際のガス漏洩経路が屈曲されることとなり、ガス漏洩経路のコンダクタンスが低下してガスの漏出が低減される。
以上のように、伝熱部材７０ａ，７０ｂを設けたことにより、下部プレート６２とカバー部材６４がプラズマから受けた熱を速やかかつ均一に上方に逃がすことができ、ガス吐出孔のずれを抑制することができるといった効果を奏することができるが、そのような効果は、上部プレート６１に冷却フィンやファン、さらには冷媒供給等の強制冷却手段を設けることにより一層大きなものとすることができる。また、上部プレート６１上に加熱手段や冷却手段を設けることにより、シャワーヘッド１８の温度調節を実現することができるといった効果も得られる。
なお、本発明は上記実施形態に限定されることなく、種々の変形が可能である。例えば、上記実施形態では、カバー部材を板材として下部プレートの全面を覆うように取り付けたが、これに限らず、セラミックスからなる膜であってもかまわない。また、上記実施形態では中間プレートを設けたが、中間プレートを設けずに、下部プレートと上部プレートとを直接接続するように伝熱部材を設けるようにしてもよい。さらに、上記実施形態では、容量結合型平行平板プラズマエッチング装置に本発明を適用した例について示したが、これに限らず、マイクロ波プラズマ処理のような他のプラズマ源を用いた処理であってもよいし、エッチングに限らず、プラズマＣＶＤ等の他のプラズマ処理であってもよい。さらにまた、熱ＣＶＤ等のプラズマを用いない処理であってもかまわない。さらにまた、被処理基板として半導体ウエハを例示したが、これに限らず、液晶表示装置（ＬＣＤ）に代表されるフラットパネルディスプレイ（ＦＰＤ）用のガラス基板等、他の基板にも適用可能である。
１；チャンバー
２；テーブル
５；フォーカスリング
１０ａ，１０ｂ；高周波電源
１４；排気リング
１５；処理ガス供給装置
１８；シャワーヘッド
２０；排気装置
２１ａ，２１ｂ；リング磁石
６１；上部プレート
６２；下部プレート
６３；中間プレート
６４；カバー部材
６６，６８；ガス通過孔
６７；ガス吐出孔
７０ａ，７０ｂ；伝熱部材
７２；凸部
７３；凹部
１００；プラズマエッチング装置
Ｗ；半導体ウエハ（被処理基板）
２；テーブル
５；フォーカスリング
１０ａ，１０ｂ；高周波電源
１４；排気リング
１５；処理ガス供給装置
１８；シャワーヘッド
２０；排気装置
２１ａ，２１ｂ；リング磁石
６１；上部プレート
６２；下部プレート
６３；中間プレート
６４；カバー部材
６６，６８；ガス通過孔
６７；ガス吐出孔
７０ａ，７０ｂ；伝熱部材
７２；凸部
７３；凹部
１００；プラズマエッチング装置
Ｗ；半導体ウエハ（被処理基板）
Claims (17)
- 被処理基板を収容する処理容器と、
前記処理容器内に配置され、被処理基板が載置される載置台と、
前記載置台と対向する位置に設けられ、前記処理容器内へ処理ガスを吐出するシャワーヘッドと、
前記処理容器内を排気する排気機構と、
前記処理容器内で被処理基板に所定の処理を施す処理機構と
を具備し、
前記シャワーヘッドは、
ガス導入部が形成された金属製の上部プレートと、
複数のガス通過孔が形成された金属製の下部プレートと、
前記上部プレートと前記下部プレートとの間に設けられたガス拡散空間と、
前記下部プレートの下側全面を覆うように設けられ、前記ガス通過孔に対応する位置に複数のガス吐出孔が形成されたセラミックス製のカバー部材と、
前記ガス拡散空間内に前記上部プレートと前記下部プレートとの間を接続するように設けられ、前記処理機構による処理にともなって発生する熱を上方へ伝熱する複数の伝熱部材と
を有することを特徴とする基板処理装置。 - 被処理基板を収容する処理容器と、
前記処理容器内に配置され、被処理基板が載置される載置台と、
前記載置台と対向する位置に設けられ、前記処理容器内へ処理ガスを吐出するシャワーヘッドと、
前記処理容器内を排気する排気機構と、
前記処理容器内で被処理基板に所定の処理を施す処理機構と
を具備し、
前記シャワーヘッドは、
ガス導入部が形成された金属製の上部プレートと、
複数のガス通過孔が形成された金属製の下部プレートと、
前記上部プレートと前記下部プレートとの間に設けられ、複数のガス通過孔を有する中間プレートと、
前記上部プレートと前記中間プレートとの間に設けられた第１のガス拡散空間と、
前記中間プレートと前記下部プレートとの間に設けられた第２のガス拡散空間と、
前記下部プレートの下側全面を覆うように設けられ、前記ガス通過孔に対応する位置に多数のガス吐出孔が形成されたセラミックス製のカバー部材と、
前記第１のガス拡散空間内および前記第２のガス拡散空間内に、それぞれ前記上部プレートと前記中間プレートとの間および前記中間プレートと下部プレートとの間を接続するように設けられ、前記処理機構による処理にともなって発生する熱を上方に伝熱する複数の伝熱部材と
を有することを特徴とする基板処理装置。 - 前記第１のガス拡散空間内に設けられた伝熱部材と、前記第２のガス拡散空間内に設けられた伝熱部材とは、対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項２に記載の基板処理装置。
- 前記処理機構は前記処理容器内にプラズマを形成して被処理基板にプラズマ処理を施すものであることを特徴とする請求項１から請求項３のいずれか１項に記載の基板処理装置。
- 前記処理機構は、前記載置台と前記シャワーヘッドとの間に高周波電界を形成し、その高周波電界によりプラズマを生成するものであることを特徴とする請求項４に記載の基板処理装置。
- 前記下部プレートと前記カバー部材との間が凹凸状となっていることを特徴とする請求項１から請求項５のいずれか１項に記載の基板処理装置。
- 前記伝熱部材は、円柱状をなしていることを特徴とする請求項１から請求項６のいずれか１項に記載の基板処理装置。
- 前記伝熱部材は、その径が２〜１２ｍｍであることを特徴とする請求項１から請求項７のいずれか１項に記載の基板処理装置。
- 前記シャワーヘッドは、前記伝熱部材を介して伝熱された熱を強制的に逃がす冷却手段をさらに有することを特徴とする請求項１から請求項８のいずれか１項に記載の基板処理装置。
- 処理容器内の被処理基板が載置される載置台の上方の対向する位置に設けられ、前記処理容器内へ処理ガスを吐出するシャワーヘッドであって、
ガス導入部が形成された金属製の上部プレートと、
多数のガス通過孔が形成された金属製の下部プレートと、
前記上部プレートと前記下部プレートとの間に設けられたガス拡散空間と、
前記下部プレートの下側全面を覆うように設けられ、前記ガス通過孔に対応する位置に複数のガス吐出孔が形成されたセラミックス製のカバー部材と、
前記ガス拡散空間内に前記上部プレートと前記下部プレートとの間を接続するように設けられ、前記処理容器内で行われる処理にともなって発生する熱を上方へ伝熱する複数の伝熱部材と
を具備することを特徴とするシャワーヘッド。 - 処理容器内の被処理基板が載置される載置台の上方の対向する位置に設けられ、前記処理容器内で所定の処理を行う際に処理ガスを吐出するシャワーヘッドであって、
ガス導入部が形成された金属製の上部プレートと、
多数のガス通過孔が形成された金属製の下部プレートと、
前記上部プレートと前記下部プレートとの間に設けられ、複数のガス通過孔を有する中間プレートと、
前記上部プレートと前記中間プレートとの間に設けられた第１のガス拡散空間と、
前記中間プレートと前記下部プレートとの間に設けられた第２のガス拡散空間と、
前記下部プレートの下側全面を覆うように設けられ、前記ガス通過孔に対応する位置に多数のガス吐出孔が形成されたセラミックス製のカバー部材と、
前記第１のガス拡散空間内および前記第２のガス拡散空間内に、それぞれ前記上部プレートと前記中間プレートとの間および前記中間プレートと下部プレートとの間を接続するように設けられ、前記処理容器内で行われる処理にともなって発生する熱を上方に伝熱する複数の伝熱部材と
を具備することを特徴とするシャワーヘッド。 - 前記第１のガス拡散空間内に設けられた伝熱部材と、前記第２のガス空間内に設けられた伝熱部材とは、対応する位置に設けられていることを特徴とする請求項１１に記載のシャワーヘッド。
- 前記所定の処理は、前記処理容器内にプラズマを形成して被処理基板にプラズマ処理を施すものであることを特徴とする請求項１０から請求項１２のいずれか１項に記載のシャワーヘッド。
- 前記下部プレートと前記カバー部材との間が凹凸状となっていることを特徴とする請求項１０から請求項１３のいずれか１項に記載のシャワーヘッド。
- 前記伝熱部材は、円柱状をなしていることを特徴とする請求項１０から請求項１４のいずれか１項に記載のシャワーヘッド。
- 前記伝熱部材は、その径が２〜１２ｍｍであることを特徴とする請求項１０から請求項１５のいずれか１項に記載のシャワーヘッド。
- 前記伝熱部材を介して伝熱された熱を強制的に逃がす冷却手段をさらに有することを特徴とする請求項１０から請求項１６のいずれか１項に記載のシャワーヘッド。
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