JP2010182763A

JP2010182763A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2010182763A
Application number: JP2009023202A
Authority: JP
Inventors: Masatoshi Kawakami; 雅敏川上; Toru Aramaki; 徹荒巻; Shigeru Shirayone; 茂白米; Katanobu Yokogawa; 賢悦横川; Takumi Tando; 匠丹藤
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi High Tech Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2009-02-04
Filing date: 2009-02-04
Publication date: 2010-08-19
Also published as: US20100193130A1

Abstract

【課題】ガス穴部での異常放電を抑制することにより、異常放電によって起こる試料台の損傷を防止し、装置の信頼性及び安定性の高いプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】真空処理室と、被処理体が載置され内部に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、被処理体を試料台に静電吸着する静電吸着電源と、試料台内に被処理体と試料台との間に被処理体の温度を制御するための伝熱ガスを供給する複数のガス穴部とを有するプラズマ処理装置において、ガス穴部は、誘電体からなるボス，スリーブ及び複数の細管を有し、複数の細管は、ガス穴部の中心から外側に向かって半径の１０％以上５０％以下の範囲に配置させた。
【選択図】図４

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かかり、特に、被処理体と被処理体を保持する試料台との間で、異常放電を抑制した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、セラミックス（静電吸着板）を上面に備えた試料台に電圧を印加することによりセラミックスに吸着されている。試料台にはガスを供給するためのガス穴が幾つか設けられている。伝熱ガスがガス穴から被処理体裏側全体に行き渡り易いように、ガス分散用の同心円状の溝が複数掘られている。このガス穴はセラミックスを貫通して導電性の試料台の内部まで通じている。

プラズマ処理中、被処理体を処理するための高周波電力と温度制御に必要な伝熱ガス圧力数ｋＰａという環境はガス穴において放電を発生させ易い環境である。この放電を防止するためには、ガス穴に導体部が露出しないように誘電体でガス穴部を形成することと、パッシェンの法則に基づき異常放電が発生しづらくなるようにガス穴の空間を狭くすることが必要である。

このようなことから、誘電体でガス穴部を形成し、ガス穴の空間を狭めるためにその誘電体に微細な径の直線的な穴を複数個開けたプラズマ処理装置が、例えば、特許文献１及び特許文献２により提案されている。

特開平１０−５０８１３号公報特開２００６−３４４７６６号公報

しかしながら、上記従来技術はガス穴部に誘電体を用いて絶縁するということと、ガス穴の空間を狭めることにのみに配慮し、実際のガス穴部出口付近の電界分布に対しては配慮がなされておらず、異常放電対策としては不十分であった。

ガス穴部の電界は導体を貫通するガス穴部の出口付近からある程度内部まで侵入する。ガス穴部出口から内部に向かって形成される電界分布は、図１の（ａ）に示すように電気力線が深さ方向に向かって発散するように走っている。この深さ方向に電界分布ができる要因は高周波電力によって被処理体上に発生するセルフバイアス電位Ｖｓと被処理体を試料台に静電吸着させるために印加される電位Ｖｅの電位差Ｖｄ、すなわちＶｄ＝Ｖｓ−Ｖｅが被処理体と試料台の間に発生していることによる。つまり、ガス穴部を誘電体で形成し微細な径の穴を用いてガス穴の空間を狭くしても、ガス穴部中心付近のガス穴では電子が深さ方向に加速されるので放電に必要な空間が十分にあることになり異常放電が発生する。

また電界分布は図１の（ｂ）に示すような等電位線を形成している。これによると外周付近の等電位線は密となっており、電界強度が強いことが分かる。そのため、この外周部の近傍にガス穴が存在すると異常放電が発生する。

つまり、特許文献１及び特許文献２は共にガス穴がガス穴部中心近傍及び、外周部近傍に開いており異常放電を十分に防止することができないという問題が生じる。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点に鑑み、ガス穴部に設けられる複数のガス穴の位置を最適化することにより、異常放電の抑制効果を強化する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、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、前記試料台内に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伝熱ガスを供給する複数のガス穴部とを有するプラズマ処理装置において、前記ガス穴部は、誘電体からなるボス，スリーブ及び複数の細管を有し、前記複数の細管は、前記ガス穴部の中心から外側に向かって半径の１０％以上５０％以下の範囲に配置させたことを特徴とする。

また、前記ガス穴部は、さらに、誘電体からなる支柱を有し、前記支柱は、前記ボスの下側に位置し、前記ボス及び前記スリーブとの間に隙間を空けて設けられ、前記伝熱ガスが前記隙間を通ることを特徴とする。

電気力線は発散しているので中心付近から離れることにより電子の加速方向が径方向に傾きを持つ。ガス穴の位置をガス穴部の中心から外側へ向かって半径の１０％以上離すことにより、電子がガス穴側壁方向へ加速されるため、実効的な放電空間が狭まり異常放電を抑制できる。

また、ガス穴の位置をガス穴部の中心から外側へ向かって半径の５０％以下とすれば、ガス穴部外周付近と比較して電界強度が１／３以下に減少することから、異常放電が抑制できる。

本発明によれば、複数あるガス穴の全てをガス穴部の中心から外側に向かって半径の１０％以上５０％以下の範囲に配置させることにより、ガス穴に生じる異常放電を抑制することができる。また、異常放電によって起こる試料台の損傷を防止し、装置の信頼性及び安定性を向上させることができる。

従来のガス穴部の断面と電界分布を表した図である。本発明の第１の実施例にかかるプラズマ処理装置の概略図である。本発明の第１の実施例にかかる電極の断面図である。本発明の第１の実施例にかかる電極の斜視図である。本発明の第１の実施例にかかるガス穴部の断面図である。本発明の第１の実施例にかかるガス穴部の上面図である。本発明の第１の実施例にかかるガス穴部の伝熱ガスの流れを示した図である。本発明の第１の実施例にかかるガス穴部の電界分布を電気力線で表した図である。圧力と穴径の積に対する異常放電開始電圧をしめるパッシェンの法則を示す図である。本発明の第２の実施例にかかるガス穴部の断面図である。本発明の第２の実施例にかかるガス穴部の伝熱ガスの流れを示した図である。本発明の第２の実施例にかかるガス穴部の電界分布を電気力線で表した図である。

本発明を実施するための最良の形態を、以下図面を用いて詳細に説明する。

本発明の第１の実施例を図２乃至図９で説明する
図２は、本発明の第１の実施例にかかるプラズマ処理装置の概略図である。

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たプラズマ処理室（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。被処理体４と試料台２の間には静電吸着板（静電吸着用セラミックス）２０が介在しており、静電吸着板２０は被処理体４を試料台２に吸着させる。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。

図３は、本発明の第１の実施例にかかる電極の断面図である。

第一電極２は、主にサセプタ１６と、カバー１７と、ヘッド部１８（試料台）と、ヘッド部内部に環状に形成された空間（冷媒通路）１９と、円盤状の静電吸着板２０（静電吸着用セラミックス）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１８は円盤状を呈し、その上表面には同じく円盤状の静電吸着用セラミックス２０が載置され、その上に直接被処理体４が載置されている。第一電極２の外側にはＳｉＯ₂で作られた環状のサセプタ１６と、その更に外側には表面をセラミックス溶射された金属製のカバー１７が設けられ、アース電位となっている。ヘッド部１８はアルミ製で、中央部にヘッド部１８を温度制御するための冷媒を留める空間１９（冷媒通路）と、この空間に冷媒を供給排出する冷媒通路２１とが設けられている。静電吸着用セラミックス２０の上表面には、それぞれ環状の島部２３と溝部２４を有している。

図４は、本発明の第１の実施例にかかる電極の斜視図である。

溝部２４は供給された伝熱ガスが均一に被処理体４と静電吸着用セラミックス２０の隙間に行き渡り易いように、円周方向と（同心円状に）径方向に複数掘り込まれている。

島部２３は、静電吸着用セラミックス２０に溝部２４が掘り込まれた後に残った部分で、島部２３は被処理体４に直接接触して被処理体４の吸着に大きく寄与する。

図３に基づいて静電吸着用セラミックス２０と被処理体４の隙間に伝熱ガスを供給する手段について述べる。伝熱ガス供給路２２から導入された伝熱ガス、例えばＨｅ，Ａｒは台座部２５に円周方向に掘られた伝熱ガス分配路２６へ供給される。台座部２５はヘッド部１８と同じアルミ製でありヘッド部１８とは電気的に接触している。伝熱ガス分配路２６に供給された伝熱ガスは、静電吸着用セラミックス２０及びヘッド部１８を貫通するガス穴部２７を通って静電吸着用セラミックス２０と被処理体４の隙間に供給される。

図４に示すように、ガス穴部２７は伝熱ガス圧力の面内均一性とコンダクタンスの確保から円周方向に等間隔で複数設けられている。

図５は、本発明の第１の実施例にかかるガス穴部の断面図である。

ガス穴部２７はボス２８とボス２８を貫通する細管３０（伝熱ガス供給路）とボス２８とヘッド部１８の間に設けられたスリーブ２９で構成される。ボス２８は直径３mm〜８mmが望ましく、本実施例では直径５.５mmを採用した。スリーブ２９の厚みは０.５mmから２mm程度が望ましく、本実施例では厚さ１mmを採用した。よって、本実施例におけるガス穴部２７の直径は７.５mmとなる。深さ方向長さはヘッド部１８と同等である。ボス２８は耐高電圧性が求められることから、特に絶縁性が高いセラミックス例えば高純度Ａｌ₂Ｏ₃，高純度Ｙ₂Ｏ₃等が望ましい。スリーブ２９及び細管３０もボス２８と同様の材質が望ましい。スリーブ２９とヘッド部１８の隙間及びスリーブ２９とボス２８の隙間は絶縁性の接着材で接着されている。その接着されたヘッド部１８とスリーブ２９の上面を覆うように、静電吸着用セラミックス２０が溶射される。その際、静電吸着用セラミックス２０とボス２８の外周部は隙間無く溶射される。この静電吸着用セラミックス２０が焼結体の場合はボス２８とスリーブ２９との隙間は絶縁性の接着剤で接着されるがヘッド部１８との接着材は静電吸着方法により導電性になるか、絶縁性になるかは異なる。

図６は、本発明の第１の実施例にかかるガス穴部の上面図である。

異常放電を抑制するためには、細管３０の直径を０.３mm以下とすることが望ましい。これは、伝熱ガスの最適な圧力領域が１００〜１０ｋＰａであることとパッシェンの法則による。また、機械加工性及び伝熱ガス流量を流すの必要なコンダクタンスを考慮すると直径は０.１mm以上が望ましい。本実施例では直径０.２mmを採用する。

また、細管３０は異常放電防止のため、ガス穴部２７の中心から外側に向かって半径の１０％以上５０％以下の範囲に配置させた。

本実施例ではガス穴部２７の中心から１０.６％〜２６％の直径の範囲に相当するボス２８の中心から直径０.８mm〜２mmの間に細管３０を設けている。細管３０の個数はコンダクタンスを考慮すると２０個以上が望ましい。本実施例では３０個を採用した。

図２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。

次いで、図７に示すように、伝熱ガス供給路（手段）２２から伝熱ガス分配路２６，細管３０を通ってヘリウム等の伝熱ガスを被処理体４と第一電極２（静電吸着用セラミックス２０上面）との間に充填する。伝熱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１８に伝達し、冷媒と熱交換を行わせる。

次いで、被処理体４を処理するために、第一電極２へ高周波バイアス電源１４により高周波電力が印加される。この高周波電力により、被処理体４上に発生するセルフバイアス電位Ｖｓと被処理体を試料台に静電吸着させるために印加される電位Ｖｅの電位差、すなわちＶｄ＝Ｖｓ−Ｖｅが被処理体と試料台の間に生ずる。

図８は、本発明の第１の実施例にかかるガス穴部の電界分布を電気力線で表した図である。

本発明では、ガス穴部の中心付近にガス穴が存在しないため、電子が電界分布により深さ方向に直線的に加速されることはない。つまり、電子は細管３０の側面に衝突することなく、大きな運動エネルギーを電界から受け、中性粒子に衝突して異常放電の要因となる電子なだれを生むことがない。また、細管３０内の電子の加速方向は径方向に傾きをもっており、電子は深さ方向だけでなく径方向にも加速され側面に衝突し運動エネルギーを失う。このことは、電子の加速距離が放電空間とするならば、加速距離が減少することにより、放電空間が減少すると考えられる。

このように本実施例によれば、細管３０を中心付近から離す構造とし、実効的な放電空間を減少させることによりガス穴部２７での異常放電を抑制することができる。

また、異常放電が問題となる処理条件の例を挙げると、セルフバイアス電位Ｖｓ＝２０００Ｖ，静電吸着させるために印加される電位Ｖｅ＝−５００Ｖ，伝熱ガス圧力Ｐ＝３０００Ｐａがある。この場合、被処理体と試料台の間に生ずる電位差はＶｄ＝２５００Ｖとなる。

図９は、圧力と穴径の積に対する異常放電開始電圧をしめるパッシェンの法則のグラフを示す。

穴径ｄは０.２mmであるので、Ｐ・ｄ＝０.６［Ｐａ・ｍ］となり、そのときの異常放電電圧は１５００Ｖとなる。このことから異常放電が発生すると考えられるが、ガス穴の位置をガス穴部の中心から外側へ向かって半径の５０％以下とすれば、ガス穴部外周付近と比較して電界強度が１／３以下に減少することから、電位差も１／３，８４０Ｖ以下となり異常放電は抑制できる。

つまり、電界強度の強いガス穴部の中心から外側へ向かって半径の５０％より外側に、ガス穴が存在しなければ、異常放電を抑制することができる。

本発明の第２の実施例を図１０乃至図１２で説明する。

図１０は、本発明の第２の実施例にかかるガス穴部の断面図である。

ガス穴部３１はスリーブ３２とボス３３と細管３４と支柱３５で構成されている。第２の実施例は、第１の実施例に加え、支柱３５が追加されている。

ボス３３は直径３mm〜８mm、深さ方向長さは２mm〜１０mmである。また、細管３４は直径０.２mmで、ボス３３を貫通して設けられている。支柱３５はボス３３と同じように誘電体、例えば、セラミックス製であり、ボス３３の下側に０.３mm隙間をあけて設けられている。支柱３５はボス３３とことなり、単純な円筒形状であり内部に細管等が設けられていない。また、支柱３５はスリーブ３２の内径より０.１mm〜０.２mm程小さい。この隙間を伝熱ガスが流れる。

図１１は、本発明の第２の実施例にかかるガス穴部の伝熱ガスの流れを示した図である。

図１２は、本発明の第２の実施例にかかるガス穴部の電界分布を電気力線で表した図である。

この構造では、細管３４を通過してきた電子が支柱３５に衝突するため、加速領域及び放電空間を狭めることができる。これにより、異常放電を抑制できる。そのことに加え深さ方向長さを短くすることができることから、コンダクタンスの向上が期待できる。

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第一フィルタ
１３直流電源（静電吸着電源）
１４高周波バイアス電源
１５第二フィルタ
１６サセプタ
１７カバー
１８ヘッド部
１９空間
２０静電吸着板（静電吸着用セラミックス）
２１冷媒通路
２２伝熱ガス供給路
２３島部
２４溝部
２５台座部
２６伝熱ガス分配路
２７，３１ガス穴部
２８，３３ボス
２９，３２スリーブ
３０，３４細管
３５支柱

Claims

真空処理室と、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、前記試料台内に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伝熱ガスを供給する複数のガス穴部とを有するプラズマ処理装置において、
前記ガス穴部は、誘電体からなるボス，スリーブ及び複数の細管を有し、
前記複数の細管は、前記ガス穴部の中心から外側に向かって半径の１０％以上５０％以下の範囲に配置させたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１記載のプラズマ処理装置において、
前記ガス穴部は、さらに、誘電体からなる支柱を有し、
前記支柱は、前記ボスの下側に位置し、前記ボス及び前記スリーブとの間に隙間を空けて設けられ、前記伝熱ガスが前記隙間を通ることを特徴とするプラズマ処理装置。