JP2010021405A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】試料台の貫通孔周辺の冷却ガス圧力の均一化を図ると共に、プッシャピンと試料台との温度差の発生を防止したプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】真空処理室と、プラズマ生成用高周波電源と、被処理体が載置され内部に前記被処理体の温度を制御するための冷媒通路を有した試料台と、前記被処理体を前記試料台に静電吸着する静電吸着電源と、前記被処理体と前記試料台との間に前記被処理体の温度を制御するためのガスを供給する手段と、前記試料台に設けられた貫通孔に配置され前記被処理体を昇降させるプッシャピンとを有する真空処理装置であって、前記プッシャピンは、前記被処理体の処理中、前記試料台に密着接触することにより、前記貫通孔を塞ぐと共に、良好な伝熱が得られるように構成される。
【選択図】図２

Description

本発明は、半導体ウエハなどの被処理体の処理を行うプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスの製造工程に使用されるプラズマ処理装置では、歩留まりを左右するエッチングレートの均一化のために被処理体の温度制御が重要である。このため、被処理体が載置される試料台を温度制御し、この試料台と被処理体の間にヘリウムなどの伝熱ガス（冷却ガス）を導入して両者の伝熱を行い、被処理体全体にわたって温度が均一になるように温度制御している。被処理体は、処理中は試料台に静電吸着により支持され、処理後は試料台に備えたプッシャピンにより離脱される。このプッシャピンは、試料台に開けられた貫通孔を摺動自在に設けられ、その駆動部は試料台内部に設置される。

特許文献１には、余剰の冷却ガスを上記貫通孔から試料台の裏側に流して、被処理体の裏面に付着した異物を一緒に排出するものが示されている。しかし、この構成では貫通孔を通して冷却ガスが漏れることになるため、貫通孔付近の冷却ガスの圧力が、その周辺部と比較して低くなって伝熱に影響を与える。すなわち、冷却ガスが熱を伝達するために必要な圧力はおおそよ200Pa以上必要であるが、その貫通孔内の圧力は処理室圧力に近く10Pa以下となるため、冷却ガスによる熱伝達は殆どない。

特許文献２には、押上げピン（プッシャピン）の貫通孔からの冷却ガスの漏れ対策として、貫通孔に伸縮自在なベローズを用いたガスシール機能の構成が示されている。また、特許文献３には、リフトピン（プッシャピン）がプラズマにさらされることにより異常放電を起こさないように、リフトピンの上部を絶縁物により形成するものが記載されている。

特開平７−９４４９６号公報 特開２００５−２０３４２５号公報 特開２０００−１９５９３５号公報

しかし、特許文献２では、ベローズの伸縮性によりベローズ内のガス圧が不安定で、貫通孔の上端付近のガス圧も一定せず伝熱性に影響を与える。また、押上げピンそのものの温度制御がなされておらず、押上げピンと対向する被処理体の裏面の温度が他と部分と異なる温度となる。また、特許文献３では、リフトピンが通る貫通孔からの冷却ガスの漏れ対策や、リフトピン自身の温度制御には全く配慮されておらず、リフトピンとその貫通孔の上部に対向する被処理体の裏面の温度が他と部分と異なる温度となる恐れがある。

従って、従来技術では、プッシャピンとその貫通孔直上に位置する被処理体のエッチングレートは、被処理体全体のエッチングレートに対して異なるという問題があった。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点に鑑み、試料台の貫通孔周辺の冷却ガス圧力の均一化を図ると共に、プッシャピンと試料台との温度差の発生を防止したプラズマ処理装置を提供することにある。

本発明は、真空処理室と、プラズマ生成用高周波電源と、被処理体が載置され内部に前記被処理体の温度を制御するための冷媒通路を有した試料台と、前記被処理体を前記試料台に静電吸着する静電吸着電源と、前記被処理体と前記試料台との間に前記被処理体の温度を制御するための冷却ガスを供給する手段と、前記試料台に設けられた貫通孔に配置され前記被処理体を昇降させるプッシャピンとを有する真空処理装置において、前記プッシャピンは、前記被処理体の処理中、前記試料台に密着接触することにより、前記貫通孔を塞ぐことを特徴とする。

また、前記プッシャピンは上部に幅広部分を有し、前記試料台表面には前記幅広部分が嵌まり込む凹部を有し、前記幅広部分が前記凹部に密着接触するように構成される。また、前記プッシャピンと前記試料台との接触面は、表面粗さが滑らかに形成される。表面粗さとしてはRa0.8以下が望ましい。また、前記プッシャピンの幅広部分と前記試料台表面の幅広部分にテーパを設け、前記テーパを介して前記幅広部分が前記凹部に密着接触するように構成される。

また、前記プッシャピンと前記試料台の間に、前記プッシャピンを前記試料台に接触させる付勢手段を設けている。また、前記プッシャピンは、前記試料台との間で伝熱されるように、前記貫通孔に密着接触するように構成される。また、前記プッシャピンは、前記試料台とほぼ同等の高い熱伝導率の材料で構成されている。

本発明によれば、プッシャピンと載置台との温度差、及びプッシャピン貫通孔に発生する冷却ガス圧力の不均一な分布を改善することにより、プラズマ処理中の被処理体温度均一性を向上させることができる。

本発明にかかる第1の実施形態を説明する。実施例のプラズマ処理装置の断面図を図1に示す。本実施例にかかるプラズマ処理装置は、真空処理容器内に設けられるプラズマ処理室（真空処理室）１と、半導体ウエハである被処理体4を載置する第一電極（試料台）2と、プラズマ生成用高周波電力が供給される第二電極3と、マッチングボックス5と、プラズマ生成用高周波電源6と、電磁コイル7と、ヨーク8と、処理ガス供給系9と、ガス分散板10と、シャワープレート11と、第一フィルタ12と、直流電源13（静電吸着電源）と、高周波バイアス電源14と、第二フィルタ15から構成される。

前記プラズマ処理室１内の第一電極2と第二電極3とは、一対の対向する電極を構成しており、第一電極2は、被処理体4が載置される試料台の役割も担っている。第二電極3には、前記高周波電源6からマッチングボックス5を介して高周波エネルギーが供給される。第二電極3の下方には処理ガス供給系9が繋がれたガス分散板10と、そのガス分散板10から処理室１内にガスを放出するシャワープレート11が設置されている。処理室１内に放出された処理ガスは、第二電極3に供給された高周波エネルギーによりプラズマ化され、このプラズマは周囲に配置された電磁コイル7とヨーク8により、処理室１内で均一化される。

前記第一電極2の詳細な断面を図2に示す。第一電極2は、サセプタ16と、貫通孔17と、プッシャピン18と、上部カバー19と、下部カバー20と、座21と、プッシャ上下機構22と、ヘッド部23（試料台）と、空間（冷媒通路）28と、堰29とから構成される。

被処理体4を載置して保持する第一電極2のヘッド部23上表面には、静電吸着用誘電体（図示せず）が設けられ、その上に直接被処理体4がおかれている。第一電極2の外側にはＳｉＯ₂で作られたサセプタ１6と、その更に外側には表面をセラミック溶射された金属製の上部カバー19と、上部カバー19にオーバーラップするにように設置された下部カバー20が設けられ、上部カバー19および下部カバー20ともアース電位となっている。ヘッド部23はアルミ製で、中央部にヘッド部23を温度制御するための冷媒を留める空間28（冷媒通路）と、この空間に冷媒を供給排出する冷媒通路32とが設けられ、さらに、ヘッド部23上表面と被処理体4の隙間に冷却ガスを供給する通路（手段）33が2本設けられている。

また、ヘッド部23には厚さ方向に貫通する例えば3つの貫通孔17が形成され、この貫通孔17には被処理体4を突き上げるためのプッシャピン18が挿入されている。貫通孔17内でのプッシャピン18の昇降移動は、環状のプッシャ上下機構22によりなされる。3つの貫通孔17は、図4のヘッド部23の平面図に示すように、円形のヘッド部の内周に沿って１２０°ずつ離れて設けられる。例えば被処理体として直径300mmウエハ載置台の場合、その約半分の直径150mmの内周に沿って均等間隔に3つの貫通孔17が配置されている。この配置される位置は、プッシャピン18による突き上げで被処理体が最も変形しにくい位置で、歩留まりを低下させない位置である。

プッシャピン先端の拡大図を図3に示す。プッシャピン18は円柱状のＳｉＣ製で、上端が半球状の先端25と円盤状の幅広部26とを有し、貫通孔17の上端にはこの幅広部26が嵌まり込む、円形状の掘り込み部（凹部）27が、ヘッド部23の上表面を削り込んだ形で形成される。この幅広部26と掘り込み部27の接触面は表面粗さが滑らかに仕上げられ、接触面の隙間を減少させて両者が密着し、ガス漏れしにくい構造となっている。ここで、表面粗さはRa0.8以下が望ましい。また、この密着接触により、ヘッド部23と幅広部26の伝熱性も良くなる。

図１に示すように、第一電極2には高周波成分カット用の第一フィルタ12を介して数100Ｖの直流電源（静電吸着電源）13が接続されている。これにより、静電吸着用誘電体（静電吸着膜）を介して被処理体4と第一電極2の間に作用するクーロン力により、被処理体4が第一電極2上に吸着保持される。第一電極2には400ＫＨｚ−4ＭＨｚの周波数の高周波バイアス電源14がＤＣ成分をカットする第二フィルタ15を介して接続されている。

被処理体4を処理（エッチング処理）する場合は、真空の状態で搬送手段により被処理体4を真空処理室1へ導入し、予め冷媒によって温度制御された第一電極2へ被処理体4を載置する。電磁コイル7へ通電して所定の磁場を形成して処理ガスを導入し、プラズマ生成用高周波電源6に通電し、第二電極3からマイクロ波〜ＶＨＦ波の周波数領域の電磁波を発生して磁場との相互作用により処理室１内のガスをプラズマ化する。プラズマ生成後、直流電源13により直流電圧を印加することにより、被処理体4を第一電極2に吸着させる。堰29は、ヘッド部23の外周部と真空領域を隔てるためと、ヘッド部23上面の面内を2領域に分けるために設けられている。次いで、被処理体4と第一電極2（ヘッド部23上面）との間の、堰29によって分けられた2領域のそれぞれに、通路31からヘリウムの冷却ガスを充填する。冷却ガスは素早く拡散して伝熱作用を発揮し、プラズマから被処理体4に入る熱をヘッド部23に伝達し、冷媒と熱交換を行わせる。

被処理体4の処理工程では、図3に示すようにプッシャ先端の幅広部26が、第一電極2の貫通孔17の掘り込み部27に嵌り込んで密着して貫通孔17を塞ぐため、プッシャピン18周辺のヘリウムの冷却ガス圧は周辺部とほぼ同等となる。また、プッシャ先端の幅広部26は、掘り込み部27に密着接触している為、ヘッド部23とプッシャピン18との間に良好な熱伝導が生じ、プッシャピン18の温度は温度制御されている第一電極とほぼ同じ温度となる。なお、プッシャピン18はＳｉＣで構成されているが、熱伝導率が１７０Ｗ／（ｍ・Ｋ）と、ヘッド部23のアルミの熱伝導率２３６Ｗ／（ｍ・Ｋ）と同様に高く、両者の熱伝導は極めて良好になされる。

このように本実施例によれば、ヘッド部23とプッシャピン18の良好な伝熱により、プッシャピン18の温度が第一電極とほぼ同一温度となり、プッシャピン18周りのHeガス圧力も周辺部と同圧力になることから、プッシャピン18直上部の被処理体4温度はその周辺部の温度と同一の温度に制御することが出来る。なお、プッシャピン18により貫通孔１７が封止されるので、異物の混入も防止できる。

図2、図5を用いて、被処理体４の処理中と処理後の、プッシャピン１８の昇降動作について説明する。

プッシャピン18はプッシャピン18を昇降するための環状のプッシャ上下機構22に設置されている。プッシャピン18下降時は、図５に示すように、プッシャ上下機構22が下降することにより、プッシャを押し下げる。プッシャピン18は最終的には幅広部26が掘り込み部27に接触することにより止まる。この機構により、プッシャピン下降時、幅広部26は掘り込み部27へ一定の圧力で押し付けられる。プッシャピン18の上降時は図2に示すように、プッシャ上下機構22が、3本のプッシャピン18を突き上げる。突き上げられたプッシャピン18により、非処理体４はヘッド部23から分離され、他の処理工程に搬送される。なお、プッシャピン18は3本で構成されるため、非処理体４に安定的に接触して持ち上げることができ、非処理体4を変形させるような無理な圧力を与えることがない。

本発明にかかる第2の実施形態を説明する。図6に第2の実施形態の第一電極2の詳細な断面をしめす。第2の実施形態ではプッシャピン18をバネ24で吊るされた座21に設置している。

図6、図7を用いて、第2の実施形態における被処理体４の処理中と処理後の、プッシャピン１８の昇降動作について説明する。

プッシャピン18はバネ24によって吊るされた座21に設置されている。座21の下方にはプッシャピン18を昇降するための環状のプッシャ上下機構22がある。プッシャピン18下降時は、図６に示すように、プッシャ上下機構22が下降することにより、バネ24の反力が働きプッシャを押し下げる。プッシャピン18は最終的には幅広部26が掘り込み部27に接触することにより止まる。この機構により、プッシャピン下降時、幅広部26は掘り込み部27へバネの反力により一定の圧力で押し付けられる。プッシャピン18の上降時は図7に示すように、プッシャ上下機構22がバネ24の反力に抗して下から座21を押し上げることにより、3本のプッシャピン18を突き上げる。突き上げられたプッシャピン18により、非処理体４はヘッド部23から分離され、他の処理工程に搬送される。

本発明にかかる第3の実施形態のプラズマ処理装置の、プッシャピン先端周辺拡大図を図8に示す。本実施例では、プッシャピン18の上端にテーパー付き幅広部30を設けている。テーパー30aは下方に向って細くなる円錐状を呈し、その下に円柱状のプッシャピン１８が一体に形成される。一方、貫通孔17の上端には、この幅広部30が嵌まり込むテーパー付き掘り込み部（凹部）31が、ヘッド部23の上表面を削り込んだ形で形成される。この幅広部30と掘り込み部31の接触面は、先の実施例と同様に表面粗さが滑らかに仕上げられ、また、材質も先の実施例と同様のものが用いられている。

本実施例によれば、テーパー付き幅広部30とテーパー付き掘り込み部31とにより、プッシャピン１８の降下に際し、テーパーがガイドの役目を果たし、両者がスムーズに嵌まり込む構造が得られる。また、嵌まり込んだ後の幅広部30と掘り込み部31の接触圧力は、片当りすることなくテーパーにより均一となって両者の密着度が増し、ガス漏れしにくい密封度の高い、かつ伝熱性の一層良好な接触が得られる。

本発明第1実施形態のプラズマ処理装置の断面図である。 同じく第一電極の詳細な断面図である。 同じくプッシャピン先端の拡大断面図である。 同じくプッシャピン貫通孔の位置を説明するヘッド部の平面図である。 同じくプッシャピン下降時の第一電極の断面図である。 本発明第2実施形態のプッシャピン下降時の第一電極の断面図である。 同じくプッシャピン上降時の第一電極の断面図である。 本発明第3実施形態のプッシャピン先端の拡大断面図である。

符号の説明

１…プラズマ処理室（真空処理室）、２…第一電極（試料台）、３…第二電極、４…被処理体、５…マッチングボックス、６…プラズマ生成用高周波電源、７…電磁コイル、８…ヨーク、９…処理ガス供給系、１０…ガス分散板、１１…シャワープレート、１２…第1フィルタ、１３…直流電源（静電吸着電源）、１４…高周波バイアス電源、１５…第2フィルタ、１６…サセプタ、１７…貫通孔、１８…プッシャピン、１９…上部カバー、２０…下部カバー、２１…座、２２…プッシャ上下機構、２３…ヘッド部、２４…バネ（付勢手段）、２５…半球状の先端、２６…幅広部、２７…掘り込み部（凹部）、２８…空間、２９…堰、３０…テーパー付き幅広部、３０ａ…テーパー、３１…テーパー付き掘り込み部、
３２…冷媒通路、３３…冷却ガスを供給する手段。

Claims (7)

1. 真空処理室と、プラズマ生成用高周波電源と、被処理体が載置され内部に前記被処理体の温度を制御するための冷媒通路を有した試料台と、前記被処理体を前記試料台に静電吸着する静電吸着電源と、前記被処理体と前記試料台との間に前記被処理体の温度を制御するための冷却ガスを供給する手段と、前記試料台に設けられた貫通孔に配置され前記被処理体を昇降させるプッシャピンとを有する真空処理装置において、
   前記プッシャピンは、前記被処理体の処理中、前記試料台に密着接触することにより、前記貫通孔を塞ぐことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記プッシャピンは上部に幅広部分を有し、前記試料台表面には前記幅広部分が嵌まり込む凹部を有し、前記幅広部分が前記凹部に密着接触することを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２記載のプラズマ処理装置において、
   前記プッシャピンと前記試料台との接触面は、表面粗さが滑らかに形成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項２記載のプラズマ処理装置において、
   前記プッシャピンの幅広部分と前記試料台表面の幅広部分にテーパを設け、前記テーパを介して前記幅広部分が前記凹部に密着接触することを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１〜４の何れかに記載のプラズマ処理装置において、
   前記プッシャピンと前記試料台の間に、前記プッシャピンを前記試料台に接触させる付勢手段を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項１〜５の何れかに記載のプラズマ処理装置において、
   前記プッシャピンは、前記試料台との間で伝熱されるように、前記貫通孔に密着接触することを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項１〜６の何れかに記載のプラズマ処理装置において、
   前記プッシャピンは、前記試料台とほぼ同等の熱伝導率の材料で構成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。

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