JP2012084574A

JP2012084574A - プラズマ処理装置

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Publication number: JP2012084574A
Application number: JP2010227239A
Authority: JP
Inventors: Shota Maeno; 正太前野; Shogo Tsuno; 翔吾津野
Original assignee: Samco Inc
Current assignee: Samco Inc
Priority date: 2010-10-07
Filing date: 2010-10-07
Publication date: 2012-04-26
Anticipated expiration: 2030-10-07
Also published as: JP5545488B2

Abstract

【課題】被処理基板をトレイに載置した状態でプラズマ処理することによってトレイが高温或いは低温になった場合でも、トレイ上の所定位置に正確に被処理基板を載置したり前記トレイから被処理基板を確実に取り出したりすることができるプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】本発明は、反応室２外に設けられたトレイステージ３０、ウエハＷが載置されたトレイ１４をトレイステージ３０と反応室２との間で搬送するロボット２２、反応室２外に設けられたウエハＷを収納するウエハケース３２、トレイステージ３０上のトレイ１４からプラズマ処理済みのウエハＷを取り出してウエハケース３２に収納すると共にウエハケース３２からプラズマ処理前のウエハＷを取り出してトレイステージ３０上のトレイ１４に載置する移載用ロボット３４、トレイステージ３０上に載置されるトレイ１４の温度を所定温度範囲に維持する赤外線ヒータ３８を備える。
【選択図】図１

Description

本発明は、被処理基板をトレイに載置した状態で反応室内に搬入し、プラズマ処理するプラズマ処理装置に関する。

真空の反応室中で半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」と呼ぶ）にプラズマでエッチング処理や成膜処理等の処理を行うプラズマ処理装置では、ウエハをトレイに載置した状態で搬送することが行われている。
例えば特許文献１には、ウエハを処理する反応室と、未処理のウエハを予備加熱するための予備加熱室とを備え、反応室と予備加熱室の間をトレイに載置した状態でウエハを搬送する基板処理装置が開示されている。
また、特許文献２には、ウエハを処理する反応室と、ウエハを搬送する搬送室と、搬送室内に設けられた加熱ヒータを有するトレイステージとを備えた基板処理装置が開示されている。特許文献２の基板処理装置では、搬送室に搬入されたウエハはトレイを介してトレイステージに載置される。

特許文献１の基板処理装置では、ウエハはトレイに載置された状態で予備加熱室から反応室まで搬送された後、トレイから取り出されて処理される。ウエハが取り出された後のトレイは反応室外に搬出される。一方、特許文献２の基板処理装置では、搬送用アーム等によって搬送室内のトレイステージ上のトレイからウエハが取り出され、反応室内に搬入される。このように、特許文献１及び２では、反応室内にウエハを搬入したり反応室からウエハを搬出したりする際にトレイに対してウエハを出し入れする作業が必要となる。特に小径ウエハのように複数枚のウエハを反応室内に収容してプラズマ処理を行う場合、トレイに対してウエハを出し入れする作業の時間が長くなり、生産効率が悪い。
そこで、ウエハをトレイに載置した状態で反応室内に搬入し、そのままプラズマ処理を行うプラズマ処理装置が提供されている。

１個のトレイに載置されるウエハの枚数は、ウエハやトレイの大きさにより異なるが、例えばトレイの直径が380mm、ウエハの直径が2インチの場合は１枚のトレイに数十枚のウエハが載置される。このように複数枚のウエハをトレイに載置した状態でプラズマ処理を行う場合、搬送時の安定性を確保するために、また、ウエハとトレイの表面を面一にしてプラズマ処理の均一性の向上を図るために、ウエハと略同じ大きさ・形状の座繰り部（凹部）を表面に設けたトレイが用いられている。

プラズマ処理には、200℃以上の高温状態で行われる成膜プロセス、-100℃程度の低温状態で行われるエッチングプロセスがある。このような高温下、或いは低温下でプラズマ処理が行われた後の処理済みウエハやトレイは高温状態或いは低温状態となり、搬送用ロボットによって反応室から搬出される。その後、反応室外のトレイステージ上に載置され、移載用ロボットによってトレイから処理済みウエハが取り出される。
移載用ロボットにはトレイ上のウエハの位置情報が予め記憶されており、移載用ロボットは該位置情報に基づいてベルヌーイチャック等の捕捉手段によって処理済みウエハを捕捉し、座繰り部から取り出す。また、移載用ロボットはウエハケース等から未処理のウエハを取り出し、トレイの座繰り部に載置する。

トレイ上に多数枚のウエハが載置されている場合、移載用ロボットがトレイ上の全ての処理済みウエハを未処理ウエハに取り替える作業に数分程度の時間を要する。トレイ上のウエハを取り替える作業の時間が長くなると、加熱されて膨張したトレイがウエハの取り替え作業中に徐々に冷却されて収縮し、トレイの寸法が変化してしまう。特にアルミニウム等の金属製トレイの場合には寸法が大きく変化し、例えば、熱膨張係数が24×10^-6/K、直径が380mmの一般的なアルミニウム製トレイの場合には、200℃〜250℃程度の高温から室温まで低下する間に直径が1.5〜2mm以上も収縮する。

このようにトレイの寸法が大きく変化するとトレイの座繰り部の位置、つまり、ウエハの位置が大きく変化するため、移載用ロボットが捕捉手段によってウエハを正確に捕捉できなかったり、通常の捕捉位置とは異なる位置を捕捉してしまったりするおそれがある。通常の捕捉位置とは異なる位置を捕捉すると、処理済みウエハをウエハケースに収納する際に処理済みウエハとウエハケースが接触してウエハを傷付けてしまうおそれがある。また、トレイ上の座繰り部の位置が変化すると、未処理のウエハをトレイの座繰り部に正確に載置することができない。
このような現象は、高温のトレイが冷却される場合だけでなく、低温のトレイが室温まで昇温する場合にも起こり得る。

これに対して、特許文献３には、ウエハやトレイの座繰り部の変位量をＣＣＤカメラで画像認識した結果に基づき動作を逐次微調整するようにしたティーチング方式の搬送用ロボットが開示されている。

特開2001-239144号公報特開平10-233423号公報特開2008-066372号公報

ところが、特許文献３の搬送用ロボットの場合、トレイ上に載置される多数枚のウエハ及び多数個の座繰り部全ての変位量を正確に画像認識するためには、ウエハの枚数或いは座繰り部の数に相当する数のカメラを設けなければならない。また、カメラを走査してトレイ全体の画像を取得するようにすればカメラの個数を少なくすることができるが、この場合はカメラの走査機構が必要になる。

本発明が解決しようとする課題は、被処理基板をトレイに載置した状態でプラズマ処理することによりトレイが高温或いは低温になった場合でも、簡単な構成でトレイの所定位置に正確に被処理基板を載置したり前記トレイから被処理基板を取り出すことができるプラズマ処理装置を提供することである。

上記課題を解決するために成された本発明は、被処理基板をトレイに載置した状態で反応室内に搬入して該被処理基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
a)前記反応室の外部に設けられたトレイステージと、
b)前記被処理基板が載置された前記トレイを前記トレイステージと前記反応室の間で搬送するトレイ搬送機構と、
c)前記トレイステージ上のトレイからプラズマ処理済みの被処理基板を取り出すと共に、プラズマ処理前の被処理基板を前記トレイステージ上のトレイに載置する基板移載機構と、
d)前記トレイステージ上に載置されるトレイの温度を所定温度範囲に維持する温度維持手段と
を備えることを特徴とする。

また、本発明は、プラズマ処理中における前記反応室内のトレイの温度を検出する第１温度検出手段と、
前記トレイステージに載置されたトレイの温度を検出する第２温度検出手段と、
前記第１温度検出手段の検出結果及び前記第２温度検出手段の検出結果に基づき、前記トレイステージ上のトレイの温度が、前記プラズマ処理中における前記反応室内のトレイの温度に維持されるように前記温度維持手段を制御する制御手段を更に備えることを特徴とする。

さらに、本発明は、前記反応室と前記トレイステージとの間に設けられた、トレイ搬送室を備えることが好ましい。

本発明のプラズマ処理装置によれば、反応室外に設置されたトレイステージ上に載置されたトレイは温度維持手段によってその温度が所定の温度範囲に維持される。このため、プラズマ処理が行われることにより高温状態或いは低温状態になったトレイが反応室から取り出されてトレイステージに載置された後に、トレイの温度が大きく変化して収縮したり膨張したりすることを防止できる。従って、トレイ上の被処理基板の載置位置が変化することを防止できるため、トレイステージ上のトレイから被処理基板を確実に捕捉することができると共にトレイ上の所定位置に被処理基板を正確に載置することができる。

本発明の一実施例に係るプラズマ処理装置の概略構成を示す上面図。プラズマ処理装置の概略構成を示す側面図。

本発明に係るプラズマ処理装置では、被処理基板はトレイに載置された状態で反応室に搬入されプラズマ処理が行われる。被処理基板が載置されたトレイは反応室内の載置台に載置される。載置台にはトレイを静電吸着する静電チャック、トレイや被処理基板を冷却ガスで冷却する機構、あるいは、トレイや被処理基板を加熱する機構が設けられていることが好ましい。プラズマ処理としてはエッチング処理や成膜処理などが挙げられる。

本発明のプラズマ処理装置は、反応室の外部にトレイが載置されるトレイステージが設けられている。トレイは前記トレイステージと前記反応室内の間で被処理基板を搬送するための部材であり、その上には１又は複数枚の被処理基板が載置される。トレイの材質としてはアルミナやアルミニウムが挙げられるが、熱伝導性に優れる点でアルミニウム製のトレイが好ましい。
また、トレイ表面には被処理基板と略同じ大きさ・形状の座繰り部（凹部）が設けられていることが好ましい。このようなトレイを用いることにより、被処理基板を安定して搬送することができる。また、被処理基板とトレイの表面を面一にすることができ、プラズマ処理の均一性が向上する。

反応室内でプラズマ処理を終えた被処理基板はトレイに載置されたままの状態で反応室から搬出されトレイ搬送機構によってトレイステージに移載される。トレイステージにはトレイの温度を所定温度範囲に維持する温度維持手段が備えられている。これにより、プラズマ処理後のトレイの温度を維持することができるので、プラズマ処理後の高温のトレイが徐々に冷却されて収縮したり、低温のトレイが徐々に昇温して膨張したりすることを防止できる。従って、トレイに設けられた座繰り部の位置やトレイ上に載置されている被処理基板の位置が変化することを極力防止できる。このため、熱膨張係数の大きいアルミニウム製のトレイを用いた場合であっても、基板移載機構はトレイ上の被処理基板を確実に捕捉することができる。また、被処理基板をトレイ上の所定位置に正確に移載することができる。トレイの温度を所定温度範囲に維持する温度維持手段は、トレイステージ内に電熱ヒータを埋め込んだり、トレイステージの上部に赤外線ヒータを設けたり、あるいは、トレイステージ内に冷媒を循環させたりすることにより構成することができる。

また本発明は、プラズマ処理中における前記反応室内のトレイの温度を検出する第１温度検出手段と、前記トレイステージに載置されたトレイの温度を検出する第２温度検出手段と、前記第１温度検出手段の検出結果及び前記第２温度検出手段の検出結果に基づき、温度維持手段を制御する制御手段を備えることが好ましい。このような構成により、トレイステージ上に載置されたトレイの温度がプラズマ処理中のトレイの温度とほぼ同じになるように調節することができる。

更に本発明は、反応室とトレイステージとの間にトレイ搬送室を設け、搬送室内を大気圧や真空に切り替えられるようにすれば、反応室内を常時真空状態に保持することができる。また、搬送室に搬送中のトレイの温度を維持するための加熱機構や冷却機構を設けると、反応室からトレイステージまで搬送する間におけるトレイの温度変化を抑えることができる。

以下、本発明のプラズマ処理装置の具体的な実施例を図１及び図２を用いて説明する。図１及び図２は本実施例に係るプラズマ処理装置１の構成を示している。本実施例のプラズマ処理装置１は、真空反応室２、搬送室（ロードロック室）４、大気室６、真空反応室２と搬送室４の間、搬送室４と大気室６の間にそれぞれ設けられたゲートバルブ８，１０を具備している。

真空反応室２の内部には、原料ガスの供給口であるシャワーヘッド１２、トレイ１４が載置される載置台１６、載置台１６上のトレイ１４の温度を検出する赤外線温度センサ１８（本発明の第１温度検出手段に相当）が設けられている。また、載置台１６には加熱ヒータ２０及び図示しない静電チャックが設けられている。本実施例では、シャワーヘッド１２が上部電極を兼用し、載置台１６が下部電極を兼用する。
トレイ１４はアルミニウム製であり、その表面には複数の座繰り部（凹部）１４ａが設けられている。これら座繰り部１４ａに被処理基板である半導体ウエハＷ（以下、単に「ウエハ」という。）が載置される。座繰り部１４ａの大きさ（内径及び深さ）はウエハＷの外径及び厚みとほぼ同じに設定されており、座繰り部１４ａに収容されたウエハＷは、トレイ１４の表面と面一になる。

搬送室４には、真空反応室２と大気室６との間でトレイ１４を搬送するロボット２２が設けられている。また、図示しないが、搬送室４にはその内部を減圧するための減圧手段が接続されている。

大気室６にはトレイステージ３０、ウエハＷを収納するウエハケース３２、トレイステージ３０とウエハケース３２との間でウエハＷを移動させる移載用のロボット３４、トレイステージ３０上のトレイ１４の温度を検出する赤外線温度センサ３６（本発明の第２温度検出手段に相当）が設けられている。ロボット３４は、アーム３４ａとその先端に取り付けられた基板捕捉手段としてのベルヌーイチャック３４ｂを有している。ロボット３４にはトレイステージ３０上のトレイ１４の座繰り部１４ａが予め記憶されており、ベルヌーイチャック３４ｂによりトレイ１４の座繰り部１４ａからプラズマ処理済みのウエハＷを吸着して取り出し、ウエハケース３２に収納する。また、ウエハケース３２からウエハＷをチャックして取り出し、トレイステージ３０上のトレイ１４の座繰り部１４ａに収納する。トレイステージ３０には、赤外線ヒータ３８が設けられている。なお、図１及び図２では、トレイ１４及びウエハＷは大気室６のトレイステージ３０上に載置された状態にある。

加熱ヒータ２０及び赤外線ヒータ３８は制御装置４０によって制御される。制御装置４０には赤外線温度センサ１８の検出信号が入力されるようになっており、この信号に基づき加熱ヒータ２０が制御される。また、制御装置４０には、赤外線温度センサ３６の検出信号も入力されるようになっており、赤外線温度センサ１８，３６の検出信号に基づきトレイステージ３０上のトレイ１４の温度がプラズマ処理中における真空反応室２内のトレイ１４温度と略同一になるように赤外線ヒータ３８の出力が調節される。本実施例では、赤外線ヒータ３８が温度維持手段を構成する。

次に、本実施例に係るプラズマ処理装置１の動作を説明する。
まず、ロボット３４により未処理のウエハＷがウエハケース３２から取り出されて、トレイステージ３０上のトレイ１４の座繰り部１４ａに載置される。このとき、トレイ１４はトレイステージ３０内の赤外線ヒータ３８により所定の温度に加熱されている。
トレイ１４の座繰り部１４ａにウエハＷが載置された後、ゲートバルブ１０が開放され、搬送室４内のロボット２２によってトレイステージ３０上のトレイ１４が搬送室４内に搬送される。その後、ゲートバルブ１０が閉じられ、搬送室４内が所定圧力まで減圧される。続いて、ゲートバルブ８が開放されてロボット２２によりトレイ１４が真空反応室２内に搬送され、載置台１６上に載置される。載置台１６上に載置されたトレイ１４は静電チャックによって吸着されると共に加熱ヒータ２０によって加熱される。

載置台１６のトレイ１４の温度が所定温度に達すると、シャワーヘッド１２から真空反応室２内に成膜用の原料ガスであるテトラエトキシシラン（TEOS）及び酸素が導入される。そして、下部電極と上部電極との間に高周波電源が印加されて原料ガスがプラズマ化されると、ウエハＷの表面に酸化膜が形成される。プラズマ処理中における赤外線温度センサ１８の検出信号は制御装置４０に入力され、記憶される。
プラズマ処理が終了すると、ゲートバルブ８が開放されて載置台１６上のトレイ１４がロボット２２により所定圧力まで減圧されている搬送室４内に搬送される。続いて、ゲートバルブ８を閉じて、搬送室４内を大気圧に戻した後、ゲートバルブ１０を開放して、ロボット２２によりトレイステージ３０上にトレイ１４が搬送される。

トレイステージ３０上にトレイ１４が移載される際、制御装置４０は赤外線温度センサ３６の検出信号とプラズマ処理中の赤外線温度センサ１８の検出信号とに基づき、トレイ１４の温度がプラズマ処理中のトレイ１４の温度とほぼ同じになるように赤外線ヒータ３８の出力を調節する。これにより、トレイステージ３０のトレイ１４がプラズマ処理中のトレイ１４の温度に維持される。

この状態で、大気室６内のロボット３４のベルヌーイチャック３４ｂによりプラズマ処理済みのウエハＷが吸着され、トレイステージ３０上のトレイ１４からウエハケース３２に収納される。トレイ１４の全ての座繰り部１４ａからウエハＷが吸着されてウエハケース３２に収納されると、続いて、ウエハケース３２内の未処理のウエハＷがロボット３４のベルヌーイチャック３４ｂにより吸着され、トレイステージ３０上のトレイ１４に載置される。

このようなウエハＷの交換作業が行われている間、トレイステージ３０上のトレイ１４の温度はプラズマ処理中の温度に維持されており、トレイ１４上のウエハＷの位置や座繰り部１４ａの位置が変化することがない。従って、ロボット３４はトレイ１４上のウエハＷの所定位置を正確に吸着することができる。また、トレイ１４の座繰り部１４ａに対して正確にウエハＷを載置することができる。

さらに、本実施例では、トレイ１４の温度がプラズマ処理中の温度とほぼ同一に維持されるので、未処理のウエハＷが載置された後、真空反応室２内の載置台１６に載置されたトレイ１４を、プラズマ処理のために加熱ヒータ２０で加熱して温度調節する必要がなくスループットが向上する。また、トレイ１４の温度が頻繁に変化することによるトレイ１４の劣化が生じることもない。

なお、上記実施例では、プラズマ処理によりトレイ１４の温度が高温になる例を説明したが、プラズマ処理によりトレイ１４の温度が低温になる場合は、トレイステージ３０の内部に冷媒循環路を設けてトレイステージ３０上のトレイ１４を冷却するようにすると良い。これにより、トレイステージ３０上のトレイ１４をプラズマ処理中の温度に維持することができる。

また、本発明では、トレイステージ３０上のトレイ１４からウエハＷを取り出したり該トレイ１４にウエハＷを載置したりする作業中に徐々に収縮したり膨張したりしないようにすればよい。従って、トレイステージ３０上に載置されたトレイ１４の温度をプラズマ処理中のトレイ１４の温度と同一にすることは必須ではなく、トレイステージ３０上のトレイ１４の温度が所定の温度範囲に維持されていれば良い。ただし、トレイステージ３０上のトレイ１４の温度を室温付近に維持するようにすると、プラズマ処理中のトレイ１４との温度差が大きくなるため、大きな温度変化による膨張と収縮が頻繁に起こり、トレイ１４が劣化し易くなる。また、スループットも低下する。従って、これらの事情を考慮すると、プラズマ処理中のトレイ１４の温度に維持することが有効である。

２…真空反応室
４…搬送室
６…大気室
８…ゲートバルブ
１０…ゲートバルブ
１２…シャワーヘッド
１４…トレイ
１４ａ…座繰り部
１６…載置台
１８…赤外線温度センサ（第１温度検出手段）
２０…加熱ヒータ
２２…ロボット（トレイ搬送機構）
３０…トレイステージ
３２…ウエハケース
３４…ロボット（基板移載機構）
３４ａ…アーム
３４ｂ…ベルヌーイチャック
３６…赤外線温度センサ（第２温度検出手段）
３８…赤外線ヒータ
４０…制御装置
Ｗ…半導体ウエハ（被処理基板）

Claims

被処理基板をトレイに載置した状態で反応室内に搬入して該被処理基板をプラズマ処理するプラズマ処理装置において、
a)前記反応室の外部に設けられたトレイステージと、
b)前記被処理基板が載置された前記トレイを前記トレイステージと前記反応室の間で搬送するトレイ搬送機構と、
c)前記トレイステージ上のトレイからプラズマ処理済みの被処理基板を取り出すと共に、プラズマ処理前の被処理基板を前記トレイステージ上のトレイの載置する基板移載機構と、
d)前記トレイステージ上に載置されるトレイの温度を所定温度範囲に維持する温度維持手段と
を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。
プラズマ処理中における前記反応室内のトレイの温度を検出する第１温度検出手段と、
前記トレイステージに載置されたトレイの温度を検出する第２温度検出手段と、
前記第１温度検出手段の検出結果及び前記第２温度検出手段の検出結果に基づき、前記トレイステージ上のトレイの温度が、前記プラズマ処理中における前記反応室内のトレイの温度に維持されるように前記温度維持手段を制御する制御手段を更に備えることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
前記反応室と前記トレイステージとの間に設けられた、トレイ搬送室を備え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。