JP2011238702A - プラズマ処理装置用電極冷却板及びプラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】電極板の表面温度を正確に測定して、プラズマ処理の品質を向上させる。
【解決手段】プラズマ処理装置内で電極板３の背面に接触状態に配置される冷却板１４であって、電極板３に接触される前面１４ａと、その反対側の背部と、背部側から前面側に向かって形成された穴部２０と、赤外線透過防止膜２１とを備え、穴部は、背部側に位置する開口部２０ａと、前面側に位置し穴部２０内に露出された底面とを有し、赤外線透過防止膜２１は、その両表面がそれぞれ、前面の少なくとも一部と、底面とを構成し、底面が粗面２１ａとされている。
【選択図】 図１

Description

本発明は、プラズマ処理装置内で電極を冷却する冷却板及びこの冷却板を備えたプラズマ処理装置に係り、冷却板を介して電極板の表面温度を測定する技術に関する。

半導体デバイス製造プロセスに使用されるプラズマエッチング装置や、プラズマＣＶＤ装置等のプラズマ処理装置では、チャンバー内に、高周波電源に接続される上部電極と下部電極とを上下に対向配置し、下部電極の上に被処理基板を配置した状態として、上部電極に形成した貫通孔からプラズマ生成用ガスを被処理基板に向かって流通させながら、両電極間に高周波電圧を印加することによりプラズマを発生させ、被処理基板にエッチング等の処理を行う構成とされている。このプラズマ処理装置に用いられる電極板は、例えば単結晶シリコンにより外径４００ｍｍ程度の円板状に形成され、その面全体に内径約０．５ｍｍのガス通過孔が８ｍｍ程度のピッチで多数貫通状態に形成される。

ところで、このようなプラズマ処理装置では、プラズマエッチングの品質に影響を与える電極板の温度制御を行うために、電極板の温度を継続的に計測している。
例えば、特許文献１に示されるプラズマ処理装置では、電極板となる上部電極に、温度を計測するための温度センサを設け、その温度センサで計測される温度に基づき、電極板の温度が設定値になるようにフィードバック制御している。

その温度センサとして、特許文献２では熱電対が用いられているが、特許文献３記載の放射温度計を用いると非接触状態で温度計測でき、合理的である。
この特許文献３に示されるプラズマ処理装置では、被検出物から発せられる赤外線放射光量を計測し、この放射光量を温度データに換算することにより当該被検出物の温度を計測する放射温度計が使用されている。そして、このような放射温度計では、電極板の背面に接合された冷却板の貫通孔を通じて、電極板の背面温度を測定している。

特開２００６‐２６９９４４号公報 特開平４‐１５００２２号公報 特開２００９‐１８８１７３号公報

ところで、このようなプラズマ処理装置では、電極板と冷却板との密着性を高めるために、電極板の背面が鏡面処理されている。このため、周囲の赤外線も鏡面で反射されてしまい、正確な温度測定ができないという問題がある。また、電極板の材料であるシリコンが赤外線を透過させるため、プラズマ領域における赤外線が電極板のプラズマ放射面側から電極板の背面側へと通過してしまう。

このように電極板背面での赤外線の反射と電極板を経由する赤外線の透過により、放射温度計に到達する赤外線の光量が、本来測定されるべき赤外線の光量とは異なるものとなってしまう。その結果、電極板の表面温度の測定に誤差が生じて、その表面温度を正確に測定することができず、電極板の温度を適切に制御できない。このため、プラズマ処理のエッチングレートが制御できなくなり、品質低下を招くおそれがある。

本発明は、このような事情に鑑みてなされたもので、電極板の表面温度を正確に測定して、プラズマ処理の品質を向上させることができるプラズマ処理装置用電極冷却板及びこのプラズマ処理装置用電極冷却板を備えたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

本発明のプラズマ処理装置用電極冷却板は、プラズマ処理装置内において電極板の背面に接触状態に配置されるプラズマ処理装置用冷却板であって、前記電極板に接触される前面と、前記前面とは反対側の背部と、前記背部側から前記前面側に向かって形成された穴部と、赤外線透過防止膜とを備え、前記穴部は、前記背部側に位置する開口部と、前記前面側に位置し前記穴部内に露出された底面とを有し、前記赤外線透過防止膜は、その両表面がそれぞれ、前記前面の少なくとも一部と、前記底面とを構成し、前記底面が粗面とされていることを特徴とする。

この場合、前記赤外線透過防止膜の粗面の表面粗さが中心線平均粗さＲａで０．８μｍ以上とされていることが好ましい。
また、電極板の温度制御をタイムラグを発生させずに行うために、前記赤外線透過防止膜は熱伝導性材料により形成されていることが好ましい。ここで、熱伝導性材料としては、例えば、アルミニウム合金や銀合金などの金属材料が挙げられる。
そして、本発明のプラズマ処理装置は、前記プラズマ処理装置用電極冷却板の前記赤外線透過防止膜が前記電極板の背面に接触配置されるとともに、前記穴部に、前記赤外線透過防止膜の底面の温度を測定する赤外放射温度計が設けられていることを特徴とする。

冷却板は電極板の背面に密接され、電極板の熱を速やかに吸収して冷却するものである。その電極板の背面に接する冷却板の前面の一部を構成するように赤外線透過防止膜を形成したことにより、この赤外線透過防止膜は、電極板の背面から伝わる熱によって電極板とほぼ同じ温度に加熱され、その温度を計測することにより、電極板の温度を把握することができる。また、赤外線透過防止膜であるので、電極板の前方のプラズマ領域で生じる赤外線が電極板を透過して冷却板の穴部に放出されることが防止され、また、その赤外線透過防止膜における穴部に露出する底面が粗面に形成されていることから、穴部の内周面から放射される赤外線が表面で反射されることが防止される。したがって、この赤外線透過防止膜の部分で放射される赤外線を赤外放射温度計で測定することにより、他から発生する赤外線の影響を受けずに電極板自体の表面温度を正確に測定することができる。

なお、冷却板に赤外線透過防止膜を設ける場合、冷却板に穴部を貫通状態に形成して、前面側の開口部にアルミニウム合金等からなる箔などの薄膜を固定してもよいが、通常、冷却板はアルミニウム合金等の熱伝導性が良くかつ赤外線が透過しない金属により形成されるので、冷却板の前面の一部を残して背部側から厚さ方向の途中まで穴部を形成し、その穴部の底面と冷却板の前面との間を薄肉部とすることにより、その薄肉部を赤外線透過防止膜としてもよい。

本発明によれば、電極板の背面に接する冷却板の前面に赤外線透過防止膜を形成したことにより、この赤外線透過防止膜が電極板の背面から伝わる熱によって電極板とほぼ同じ温度に加熱されるので、その温度を計測することにより、電極板の温度を把握することができ、その場合に、プラズマ領域からの赤外線の透過が防止されるとともに、冷却板の穴部に臨む赤外線透過防止膜の底面を粗面にしたから、穴部の内周面からの赤外線反射も防止され、電極板の表面温度を放射温度計により正確に測定することができ、プラズマ処理の品質を向上させることができる。

本発明の一実施形態におけるプラズマ処理装置用電極冷却板を電極板に接触させ赤外放射温度計を設置した状態を示す（ａ）が全体断面図、（ｂ）が部分拡大図である。 図１のプラズマ処理装置用電極冷却板を備えたプラズマ処理装置の例を示す概略構成図である。 本発明の他の実施形態における図１（ｂ）同様の部分拡大図である。

以下、本発明の実施形態を図面を参照しながら説明する。
本発明に適用されるプラズマエッチング装置１は、図２の概略断面図に示されるように、真空チャンバー２内の上部に、上部電極となる電極板３が設けられるとともに、下部に、下部電極となる上下動可能な架台４が電極板３と相互間隔をおいて平行に設けられている。

この場合、上部の電極板３は絶縁体５により真空チャンバー２の壁に対して絶縁状態に支持されているとともに、架台４の上には、静電チャック６と、その周りを囲むシリコン製の支持リング７とが設けられており、静電チャック６の上に、支持リング７により周縁部を支持した状態でウエハ（被処理基板）８を載置するようになっている。また、真空チャンバー２の上部にはエッチングガス供給管９が設けられ、このエッチングガス供給管９から送られたエッチングガスは拡散部材１０を経由した後、電極板３に設けられたガス通過孔１１を通してウエハ８に向って流され、真空チャンバー２の側部の排出口１２から外部に排出される構成とされている。一方、電極板３と架台４との間には高周波電源１３により高周波電圧が印加されるようになっている。

また、電極板３は、単結晶シリコン、柱状晶シリコン、又は多結晶シリコンにより円板状に形成されており、ガス通過孔１１は、例えば径の異なる複数の同心円上に並んで多数設けられている。
また、この電極板３の上側表面となる背面３ａには熱伝導性に優れるアルミニウム等からなる冷却板１４が固定されている。この冷却板１４にも、電極板３のガス通過孔１１に連通するように、このガス通過孔１１と同じピッチでガス通過孔１５が形成されている。この冷却板１４及び電極板３の接触面付近の詳細構造については後述する。

このプラズマエッチング装置１では、高周波電源１３から高周波電圧を印加してエッチングガスを供給すると、このエッチングガスは拡散部材１０を経由して、冷却板１４及び電極板３に設けられたガス通過孔１５，１１を通って電極板３と架台４との間の空間に放出され、この空間内でプラズマとなってウエハ８に当り、このプラズマによるスパッタリングすなわち物理反応と、エッチングガスの化学反応とにより、ウエハ８の表面がエッチングされる。
また、ウエハ８の均一なエッチングを行う目的で、発生したプラズマをウエハ８の中央部に集中させ、外周部へ拡散するのを阻止して電極板３とウエハ８との間に均一なプラズマを発生させるために、通常、プラズマ発生領域１６がシリコン製のシールドリング１７で囲われた状態とされている。

次に、冷却板１４及び電極板３の接触面付近の詳細構造について図１を参照しながら説明する。
冷却板１４には、前述したガス通過孔１５とは別に穴部２０が前面１４ａの厚さの一部を残して背部１４ｂから上下方向に沿って形成され、その穴部２０の底面と冷却板１４の前面１４ａとの間に薄膜部２１が形成されている。この薄膜部２１は、電極板３からの赤外線の透過を防止する赤外線透過防止膜として機能するものであるが、電極板３の熱を受けて電極板３の背面３ａの温度とほぼ同じ温度に加熱される程度の薄膜に形成され、例えば１ｍｍ以下の厚さとされる。以下、この薄膜部２１を赤外線透過防止膜と称する。

そして、冷却板１４の穴部２０の背部１４ｂ側の開口部２０ａ内には、電極板３の温度を測定するための赤外放射温度計２２が設置されている。この赤外放射温度計２２は、冷却板１４の穴部２０内で赤外線透過防止膜２１の底面から放射される赤外線量を検出し、その赤外線量を温度に換算することで、赤外線透過防止膜２１の温度を測定するものである。前述したように、赤外線透過防止膜２１が薄膜により形成され、電極板３の背面３ａの温度とほぼ同じ温度に加熱されているので、この赤外線透過防止膜２１の温度を測定することにより、電極板３の温度を測定することができる。

また、この赤外線透過防止膜２１の背面、つまり穴部２０の底面は、中心線平均粗さＲａで０．８μｍ以上の粗面２１ａとされている。
この赤外線透過防止膜２１の表面を粗面２１ａとするのは、赤外放射温度計２２に対する被測定物が鏡面などの光沢を有する材質であると、周囲の赤外線を反射してしまうからであり、穴部２０の内周面から放射される赤外線の反射を抑制している。中心線平均粗さＲａで０．８μｍ以上の粗面であれば、周囲の赤外線の反射を防止して、ほぼ赤外線透過防止膜２１自身から放射される赤外線とすることができる。

この赤外線透過防止膜２１の背面を粗面２１ａに形成する場合、穴部２０の加工をエンドミル等の切削により行い、穴部２０の底面、すなわち赤外線透過防止膜２１の背面を切削加工面とすれば、中心線平均粗さＲａが１．０μｍ程度の粗面とすることができる。
また、ガス通過孔１５及び穴部２０を形成した冷却板１４に必要に応じてアルマイト処理を施してもよく、アルマイト被覆により赤外線透過防止膜２１の背面が粗面に仕上げられる。
なお、この赤外線透過防止膜２１を有する穴部２０及び赤外放射温度計２２は、冷却板１４の半径方向に分散して複数設けられる。

一方、電極板３の背面３ａ及び冷却板１４の前面１４ａは、両者の密着性を高めるためにその表面が鏡面処理されている。電極板３の表面（プラズマ放射面）３ｂも異常放電防止のため鏡面処理される。これらの鏡面の程度としては、例えば中心線平均粗さＲａで０．００１μｍ程度とされるが、実質上Ｒａが０．３μｍ以下であればよい。

このように構成したプラズマエッチング装置１によれば、電極板３の背面３ａの温度を、この背面３ａに密接した冷却板１４の赤外線透過防止膜２１の表面から測定し、その測定結果から電極板３の温度制御が行われる。
前述したように、冷却板１４の赤外線透過防止膜２１は、熱伝導性の良いアルミニウム等の材料によって形成され、電極板３に密接し、かつ薄膜であるので、電極板３の温度とほぼ同じ温度に加熱されており、この赤外線透過防止膜２１の温度を測定することにより、電極板３の温度を把握することができる。この場合、赤外線透過防止膜２１であるので、プラズマ領域で生じる赤外線が電極板３をプラズマ放射面３ｂから図１（ｂ）の破線矢印で示すように背面３ａに到達しても赤外線透過防止膜２１で通過が阻止される。また、その赤外線透過防止膜２１は、冷却板１４の穴部２０に露出していることから、冷却板１４の穴部２０の内周面からの赤外線を受けることになるが、その表面が中心線平均粗さＲａで０．８μｍ以上の粗面２１ａとされているので、赤外線の反射が防止され、放射温度計２２で測定される赤外線量への影響を抑制することができる。

したがって、この赤外線透過防止膜２１を介して電極板３の温度を正確に測定することができ、赤外放射温度計２２の測定値に基づいて電極板３の温度を最適値に制御することができる。
このように、このプラズマ処理装置においては、電極板３の表面温度を赤外放射温度計２２により正確に測定することができ、プラズマ処理の品質を向上させることができる。

以上、本発明の実施形態について図面を参照して詳述したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の趣旨を逸脱しない範囲において種々の変更を加えることが可能である。
例えば、上記実施形態では、図１（ｂ）に示すように、冷却板１４の背部１４ｂから薄膜部を残して穴部２０を形成することにより、その薄膜部を赤外線透過防止膜２１としたが、図３に示す他の実施形態のように、冷却板１４には穴部３１を貫通状態に形成するとともに、電極板３と接触する前面１４ａ側に穴部３１の開口部を広げるわずかな深さの座ぐり３２を形成し、その座ぐり３２内にアルミニウム箔等からなる赤外線透過防止膜３３を固定するようにしてもよい。この場合も、赤外線透過防止膜３３の穴部３１に露出する面は粗面３３ａに形成され、冷却板１４の背部１４ｂ側の穴部３１の開口部３１ａに赤外放射温度計２２が取り付けられる。

１ プラズマエッチング装置（プラズマ処理装置）
２ 真空チャンバー
３ 電極板
３ａ 背面
３ｂ プラズマ放射面
４ 架台
９ エッチングガス供給管
１１ ガス通過孔
１４ 冷却板（プラズマ処理装置用電極冷却板）
１４ａ 前面
１４ｂ 背部
１５ ガス通過孔
２０ 穴部
２０ａ 開口部
２１ 薄膜部（赤外線透過防止膜）
２１ａ 粗面
２２ 赤外放射温度計
３１ 穴部
３１ａ 開口部
３２ 座ぐり
３３ 赤外線透過防止膜
３３ａ 粗面

Claims (4)

1. プラズマ処理装置内において電極板の背面に接触状態に配置されるプラズマ処理装置用冷却板であって、
   前記電極板に接触される前面と、前記前面とは反対側の背部と、前記背部側から前記前面側に向かって形成された穴部と、赤外線透過防止膜とを備え、
   前記穴部は、前記背部側に位置する開口部と、前記前面側に位置し前記穴部内に露出された底面とを有し、
   前記赤外線透過防止膜は、その両表面がそれぞれ、前記前面の少なくとも一部と、前記底面とを構成し、
   前記底面が粗面とされていることを特徴とするプラズマ処理装置用電極冷却板。
2. 前記赤外線透過防止膜の粗面の表面粗さが中心線平均粗さＲａで０．８μｍ以上とされていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置用電極冷却板。
3. 前記赤外線透過防止膜は熱伝導性材料により形成されていることを特徴とする請求項１又は２記載のプラズマ処理装置用電極冷却板。
4. 請求項１〜３のいずれか一項に記載のプラズマ処理装置用電極冷却板の前記赤外線透過防止膜が前記電極板の背面に接触配置されるとともに、前記穴部に、前記赤外線透過防止膜の底面の温度を測定する赤外放射温度計が設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。

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