JP2016018918A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】プラズマ処理中であっても、温度センサがマイクロ波の伝搬により加熱されることなく、高い精度の処理を実現可能なプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】プラズマ処理装置において、試料台１０７が配置される絶縁板２３１と、試料台の金属製の基材２１０に形成された穴２１３内部に絶縁板２３１の貫通孔２３２を介して挿入され試料台の温度を検出する温度センサ２０５と、温度センサの外周を囲んで絶縁板２３１の内部に配置された金属製のリング２３７とを備える。
【選択図】図２

Description

本発明は、真空容器内の処理室内に配置されたウエハ等の被処理体をプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置に関する。

プラズマ処理装置においては、従来より、半導体ウエハ等の板状の試料の表面に形成された膜が複数積層されている所謂多層膜をエッチング処理する時間を短縮するために、上下に隣り合う膜を同一の処理室内部で且つこれらの膜の各々の処理の間に処理室外にウエハを取り出すことなく処理することが行われてきた。このような処理では、処理室内に置かれた試料載置台の温度を適した温度に調整してウエハを処理することが重要である。このため、プラズマ処理装置の試料台には温度センサが取り付けられ、ウエハを加工する場合、加工に適した温度に調整し、加工精度を高めることが行われてきた（例えば、特許文献１）。

特許文献１には、ウエハ加工精度の再現性を向上したプラズマ処理装置を提供するために、ヒータに所定の電力を供給した際の温度センサからの出力の時間変化をもとに温度センサの異常を検知する技術が開示されている。

特許文献１に開示の技術においては更に、ウエハが載置される試料載置台に温度センサを取り付ける開口部が設けられ、この開口部に温度センサが取り付けられた構成が記載されている。温度センサと試料載置台との良好な接触を保つため、温度センサの下部には、圧縮バネが取り付けられており、別途取り付けられた抑え部により圧縮バネを圧縮することにより接触を保持している。温度センサと試料載置台の接触が圧縮バネにより保持されることで、高い温度測定精度が実現する。このように取り付けられた温度センサにより試料載置台の温度を測定して試料載置台の上に置かれたウエハの温度を推定し、試料載置台の上部に埋め込まれたヒータでウエハを加熱し、ウエハを加工に適した温度に調整することによりウエハに高精度な加工を施すことができる。

特開２０１０−２４５２１８号公報

そこで発明者等は、特許文献１に記載の技術を、今後さらに微細化・高集積化される半導体デバイスの加工に適用した場合の課題について検討した。その結果、以下の点について十分に考慮されておらず将来的に問題となる恐れの有ることが分かった。

すなわち、エッチング処理プロセスに用いられるマイクロ波が温度センサを取り付ける開口部まで伝搬し、温度センサを加熱し、温度測定精度を低下させる恐れがある。この場合、測定系は実際の基材よりも高い温度を測定し、誤ったヒータ制御が行われてしまうため、ウエハの加工精度の低下が危惧される。

本発明はこれらの問題を鑑みてなされたものであり、本発明の目的は、プラズマ処理中であっても、温度センサがマイクロ波の伝搬により加熱されることなく、高い精度の処理を実現可能なプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的を達成するための一実施形態として、真空容器内部の処理室内に配置された試料台上面に載置された被処理体を当該処理室内に電界を供給して生成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、
前記試料台が配置される絶縁板と、
前記試料台の金属製の基材に形成された穴内部に前記絶縁板に形成された貫通孔を介して挿入され当該試料台の温度を検出する温度センサと、
前記温度センサの外周を囲んで前記絶縁板の内部に配置され前記真空容器と電気的に接続された金属製のリングと、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置とする。

また、真空容器と、
前記真空容器内の真空処理室と、
前記真空処理室内に導入された処理ガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成用高周波波電源と、
前記真空容器と電気的に接続された金属製のベースと、
前記ベース上に絶縁板を介して配置され、金属製の基材、該基材上に配置された誘電体膜、該誘電体膜内に配置されたヒータ、前記基材内に配置され内部に冷媒が流れる通路、および前記ヒータが配置された平面位置に対応して前記基材に形成された穴内部に前記絶縁板と前記ベースとを貫通する貫通孔を介して挿入され当該試料台の温度を検出する温度センサを含み、被処理体が載置される試料台と、
前記温度センサの外周を囲んで前記絶縁板の内部に配置され前記ベースと電気的に接続された金属製のリングと、
前記試料台に高周波電圧を印加する高周波バイアス電源と、
前記温度センサからの出力に応じて前記ヒータへ供給される電力を制御し、前記試料台の温度を調節して前記被処理体の温度を調節する制御部と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置とする。

本発明によれば、プラズマ処理中であっても、温度センサがマイクロ波の伝搬により加熱されることなく、高い精度の処理を実現可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。 図１に示すプラズマ処理装置における試料台の構成を拡大して示す縦断面図である。 図２に示す試料台の温度センサを取り付ける開口部及び貫通孔の構成を拡大して示す縦断面図である。 本発明の実施例に係るプラズマ処理装置における温度センサの周囲へのマイクロ波の回り込みの低減効果を示すグラフである。

以下、本発明の実施例について図を用いて説明する。なお、同一符号は同一構成要素を示す。

本発明の実施例に係るプラズマ処理装置について図１乃至３を用いて説明する。図１は、本実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。本実施例のプラズマ処理装置は、マイクロ波によるＥＣＲ（Electron Cyclotron Resonance）を用いてプラズマ（マイクロ波ＥＣＲプラズマ）を形成するエッチング処理装置を示している。

プラズマ処理装置１００は、大きく分けて、内部に円筒形状のプラズマ処理用の処理室１０３を有する真空容器１０１とその上方に配置された電界および磁界の供給手段を備えたプラズマ形成部、および真空容器１０１の下方に配置され処理室１０３内からのガスや粒子を排気する真空ポンプを有し処理室１０３内部を減圧された所定の真空度の圧力に調節する排気部とを備えている。さらに、プラズマ処理装置１００はこれを構成する部分各々の動作を検知した結果を受信し当該動作を調節するための指令信号を発信するコントローラ（制御装置）１１２を含む制御部を有している。

真空容器１０１の上部は円形の開口部を有しこの開口は円板形状の例えば石英製の誘電体窓１１４により覆われて、真空容器１０１の開口を構成する上端部と誘電体窓１１４の外周縁部との間でシール部材が挟まれて処理室１０３内と外部の大気圧の雰囲気との間が気密に封止される。誘電体窓１１４の下側の処理室内にはプラズマ処理に用いられるエッチング用のガスが通流する複数の貫通孔を備えた誘電体製（例えば石英製）の円形のシャワープレート１１５が配置されている。

シャワープレート１１５と誘電体窓１１４との間にはこれらに挟まれた空間によりガスの供給路が形成され、ガス源とこれからのガスの流量、速度を調節する調節器とを備えたガス供給装置（図示省略）が連結されている。シャワープレート１１５の下面は処理室の天井面を構成し、円筒形の処理室１０３内でその上下方向の軸同士を一致させて配置された円筒または円板形を有した試料台１０７の円形の上面と対向して配置されている。

真空容器１０１下方には排気部が真空容器１０１下面と連結されて配置され、これを構成するターボ分子ポンプ等の真空排気装置１０２は、試料台１０７の下方の処理室１０３の下部に配置された開口である真空排気口を介して処理室１０３内部と連通されている。また、図示していないが、真空排気装置１０２と真空排気口との間には複数枚の板形状を有し真空排気口を横切る方向に延在する軸の周りに回転するフラップを有し、当該フラップの回転によって真空排気口の開口の度合、例えば開口の面積が増減されて当該排気口から流出する処理室１０３内部からのガスや粒子の流量や速度が増減する。本実施例では、コントローラ１１２からの指令信号に応じて上記開口の度合の増減とシャワープレート１１５の複数の貫通孔からの処理用ガスの供給の流量、速度の増減とが調節され、これらのバランスにより処理室１０３内部の圧力が所望の範囲内に調節される。

真空容器１０１の上方に配置されたプラズマ形成部は、誘電体窓１１４の上方でこれと連結されて配置された断面が円形および矩形を有する導波管１０５を備えている。導波管１０５の一方の端部である下端部は下方の処理室１０３または誘電体窓１１４に対して開放された開口を有し、上端部である他端部にはマイクロ波の電界を発振するマグネトロン１０４が配置されている。マイクロ波の周波数は特に限定されないが、本実施例では２．４５ＧＨｚが使用される。

導波管１０５の断面が矩形である部分は、図上左右方向である水平方向にその軸が延在する管路であり、片方の端部のマグネトロン１０４で発信されて形成されたマイクロ波の電界は水平方向に伝播して軸に沿ってもう片方の端部に向けて進行する。断面が矩形部でもう片方の端部において中心の軸が上下方向に延びる断面が円形の円筒部と連結され、マイクロ波の電界は円筒部内部を伝播して下方の誘電体窓１１４あるいは処理室１０３内部に向けて進行する。

真空容器１０１の外周部には、処理室１０３内部に磁界を供給する磁場発生コイル１１３が処理室１０３の上方および側方の周囲を囲み配置されている。磁場発生コイル１１３の磁場強度は、マグネトロン１０４で発振された２．４５ＧＨｚの電界に合わせて処理室１０３内に効率的にプラズマを形成できるように調節されている。

導波管１０５の円筒部の下端部は、その径が円筒部より大きくされて処理室１０３の径に合わせられた円筒形の拡大導波管部１０６の上部に接続されている。円筒部を伝播して拡大導波管部１０６内に進入した電界はその内部で所定の電界モードで共振された後、当該モードの電界が誘電体窓１１４及びシャワープレート１１５を透過して処理室１０３内部のシャワープレート１１５および試料台１０７上部の載置面との間に形成されたプラズマ形成用の空間内に導入される。

処理室１０３に導入されたマイクロ波の電界は、磁場発生コイル１１３による磁場との相互作用よって、シャワープレート１１５を介して処理室１０３に供給されたエッチング用ガスを励起して処理室１０３にプラズマを生成させる。処理室１０３内のシャワープレート１１５の下方に処理室１０３を形成するよう間隔をあけて配置された試料台１０７は、その上面を構成し溶射膜または焼結板によって形成された誘電体材料（図示省略）が試料台１０７の基材の上部に配置され、この誘電体材料が処理対象の基板であるウエハ（被処理体）１１６の円形の載置面を構成する。

試料台１０７の金属製の基材には、マッチング回路１１７を介して高周波電力を印加してウエハ１１６の上方にバイアス電位を形成するためバイアス電源１０８が電気的に接続されている。本実施例では、バイアス電源１０８から供給される高周波バイアス電力は、数百Ｈｚ〜５０ＭＨｚ程度の範囲、より好ましくは４００Ｈｚ〜４０ＭＨｚの範囲の周波数を有している。尚、バイアス電源１０８はアースと電気的に接続されて接地されている。

バイアス電源１０８が印加される基材は試料台１０７内部に配置された電極であって、円板または円筒形状を有している。その下面とバイアス電源１０８との間を電気的に接続して電力が供給される給電経路上にマッチング回路１１７が試料台１０７の真空容器１０１の外側に配置されている。バイアス電源１０８およびマッチング回路１１７は、制御装置１１２と通信手段を解して通信可能に接続され、制御装置１１２からの指令信号を受信してその動作を指令信号に応じて調節されると共にその動作の状態を検知した結果の信号を制御装置１１２に送信する。

図１では省略しているが、試料台の基材の上部に配置された上記誘電体材料の皮膜内にはタングステン等の金属の導電体材料から構成された膜状の静電吸着用の電極（図２の符号２０１）が配置されている。静電吸着用の電極には高周波フィルター回路（図示省略）を介して静電吸着用直流電源１１０が電気的に接続されて、ウエハ１１６が誘電体材料の皮膜上に載せられた状態でこの電源からの電力が電極に供給されて誘電体材料の皮膜およびウエハ１１６内に形成された電荷の分極により生じる静電気力を用いてウエハ１１６が誘電体材料の皮膜上面に吸着されて試料台１０７上に保持される。

誘電体材料の皮膜の内部において静電吸着用の電極の下方には、膜状のヒータ（図２の符号２０２、２０３、２０４）が複数個配置されている。これらのヒータはヒータ用直流電源１０９と接続されている。なお、ヒータ用直流電源１０９は、この場合、試料台１０７内に設けられるヒータ電極の個数と同じ数が配置されて各々対応するものに電気的に接続されている。

ヒータはこれに直流電力を供給するヒータ用直流電源１０９との間の給電用の経路上に、バイアス電源１０８からの高周波電力がヒータ電極に印加されて発熱量に所期のものからずれてしまう等の悪影響を抑制するためにフィルター１１８が配置されている。本実施例では、フィルター１１８は真空容器１０１または処理室１０３の外側に配置されており、高周波電力に対するインピーダンスを高くされている。

試料台を構成する金属製の基材の内部であって誘電体材料の皮膜の下方には、内部を後述する温調器（温度調整器）１１１により所定の範囲の温度にされた熱交換媒体（本実施例では基本的に基材を冷却するので冷媒）が通流する冷媒流路（図２の符号２１２）が、円板または円筒形の金属製の基材の中心の周りに螺旋状あるいは同心の多重の円弧状に配置されている。冷媒流路はその入口および出口が温調器１１１と連結された冷媒管と基材の下面で接続されている。

金属製の基材（図２の符号２１０）の下部には、後述する温度センサ（図２の符号２０５）が配置される開口部（未貫通の穴、図２の符号２１３）が複数個配置されている。温度センサは、アナログデジタル変換器１１９と接続されている。温度センサの数量は、ヒータ電極の数量と同数または多数であることが望ましく、一つのヒータ電極に対し、一つ以上の温度センサがヒータ電極の下部に設置されている。温度センサで検出された温度信号は、アナログデジタル変換器１１９で、デジタル信号に変換され、制御装置１１２まで送信される。

このような構成のプラズマ処理装置１００において、処理対象のウエハ１１６は、真空容器１０１の側壁と連結され内部が処理室１０３と同じ程度の真空度まで減圧された搬送容器から上記真空容器１０１の側壁上に配置された開口であるゲート(図示せず)を通してロボットアーム等の搬送手段に載せられて処理室１０３内に搬送され、試料台１０７上でこれに受け渡され、誘電体材料の皮膜上に載せられる。開口であるゲートは、搬送容器内部に配置され上下方向に移動するゲートバルブにより開放および気密に閉塞される。

ウエハ１１６が試料台１０７に受け渡されるとロボットアームは処理室１０３から搬送容器内に退出してゲートバルブによりゲートが気密に閉塞される。この後、誘電体材料の皮膜内の静電吸着用の電極に電力が印加されてウエハ１１６が誘電体材料の皮膜上に静電吸着されて保持されると、処理室１０３内は処理用のガスが導入されるとともに内部の圧力が処理に適した所定の値に調節され、処理室内に電界および磁界が供給された結果処理ガスが励起されてプラズマが形成される。

試料台１０７の基材内部の電極、或いは基材に高周波電力がバイアス電源１０８から供給された結果、ウエハ１１６上方にプラズマとの間に所定の電位差を有するバイアス電位が形成されてウエハ１１６上に形成された膜構造のプラズマを用いた処理、本実施例ではエッチング処理が開始される、特に、プラズマ中の荷電粒子がバイアス電位とプラズマの電位との間の電位差に応じてウエハ１１６の表面に誘引され衝突することで、ウエハ１１６上に形成された膜構造における処理対象の膜の異方性処理が促進される。

処理時間やプラズマの発光、ウエハ１１６または試料台の電位等の検出結果から所定の処理が終了したことがコントローラ１１２を含む制御部により検出されると、バイアス電源１０８からのバイアス用の高周波電力が停止され、さらにプラズマが消火されて処理が終了する。ウエハ１１６の静電吸着用直流電源１１０からの電力が停止または複数の静電吸着用電極への極性を逆にして電荷を中和させる除電の工程が行われた後、図示しないプッシャピン等の持ち上げ用の手段によりウエハ１１６が試料台１０７上方に持ち上げられる。

ゲートバルブが開放されてゲートを通してロボットアームがそのアームを伸張させて処理室１０３内に進入してウエハ１１６をその先端部のハンド等保持部に受け取った後、アームを収縮させてウエハ１１６を処理室１０３外に搬出する。この後、ゲートを開放したままロボットアームは別の処理が終了していない別のウエハ１１６を処理室１０３内に搬入することもある。処理室１０３内でのウエハ１１６の処理が終了したと制御部が判定すると、別のウエハ１１６が搬入されるまで、ゲートバルブはゲートを気密に閉塞した状態を維持するように制御部が指令する。

図２に試料台１０７の詳細構造を示す。図２は、図１に示すプラズマ処理装置における試料台の構成を拡大して示す縦断面図である。試料台１０７は、真空容器１０１に電気的に接続された金属製のベース２３０の上に絶縁板２３１を介して配置される。ベース２３０と試料台１０７は絶縁板２３１によって電気的に絶縁されている。試料台１０７は、絶縁カバー２２０に覆われた金属棒またはケーブルなどで構成された導体２２１を通して真空容器１０１の外側に配置されたバイアス電源１０８と電気的に接続される。

試料台１０７は、ＡｌまたはＴｉ等金属で構成される基材２１０とＡｌ_２Ｏ_３等の誘電体で構成された誘電体膜（誘電体材料の皮膜）２１１で構成される。本実施例においては、基材２１０の厚さは３０ｍｍ程度である。基材２１０の内部には、基材２１０の冷却のため冷媒が流れる冷媒溝（冷媒流路）２１２が形成されている。冷媒溝２１２の入口と出口は真空容器１０１の外側に配置された温調器１１１と管(図示せず)に接続され、熱交換媒体が冷媒溝２１２内部を循環される。

試料台１０７の基材２１０上面及び側面にはこれを覆う誘電体材料の皮膜である誘電体膜２１１が配置される。ウエハ１１６がその上に載せられて吸着保持される誘電体膜２１１の上面の下方には複数の静電吸着用電極２０１が配置されている。さらに、誘電体膜２１１内の静電吸着用電極２０１の下方には温度調整用の内側ヒータ２０２、中間ヒータ２０３、外側ヒータ２０４が配置されている。

静電吸着用電極２０１は前述した静電吸着用直流電源１１０と静電吸着用ケーブル(図示せず)によって電気的に接続されている。静電吸着用電極に静電吸着用直流電源１１０より所定の電圧が印加されることで、試料台１０７の上面に配置されたウエハ１１６が静電気力によって吸着される。

内側ヒータ２０２、中間ヒータ２０３、外側ヒータ２０４は、円形またはこれと見倣せる程度に近似した形状を有するウエハ１１６の形状に合わせて円形または略円形の上面を有する誘電体膜２１１の円形の中央部とこれを囲んでリング状に配置された外周側部とこれらの間の中間部との各々の領域内に配置されている。内側ヒータ２０２、中間ヒータ２０３、外側ヒータ２０４各々は、個々用のヒータ用直流電源１０９と電気的に接続されて電力が供給されており、各々と電気的に接続された給電用に内側ヒータケーブル(図示せず)、中間ヒータケーブル(図示せず)、外側ヒータケーブル(図示せず)が金属製の円板形状を有した基材２１０の下面から下方に引き出されている。

なお、内側ヒータ２０２、中間ヒータ２０３、外側ヒータ２０４の各々は、各々に電気的に接続されたヒータ用直流電源１０９から各々コントローラ１１２により指令された所定の値の電力が供給される。

本実施例では、内側ヒータ２０２、中間ヒータ２０３、外側ヒータ２０４各々は、各々を構成する何れか一つの抵抗体に電気的に接続されたコネクタを給電口として備え、給電口とは別の抵抗体に接続されたコネクタを送電口として備えている。ヒータの形状は、給電口から送電口まで周方向に折り返して複数の異なる半径位置を占めて中央部、中間部、外周側部の領域を被覆するように配置しても良い。

基材２１０の下面には、基材２１０の温度を測定する温度センサ２０５を取り付けるための開口部（未貫通の穴）２１３が設けられている。図２では便宜上開口部２１３を１つだけ記載しているが、開口部２１３は、前述した内側ヒータ２０２の中心、中間ヒータ２０３及び外側ヒータ２０４のそれぞれの外径と内径の中間径位置にそれぞれ少なくとも１個ずつ、合計で３個以上配置することが望ましい。なお、開口部はそれぞれのヒータ下部であればよく、平面的な位置は近接配置でも離間配置でもよく、位置は問わない。また、開口部はヒータの直下である必要はないが、直下とすることによりヒータと温度センサとの距離を短くできるため、ヒータの温度変化を迅速に検出することができる。また、開口部２１３の直径は、基材の温度均一性の観点から小さい方が望ましく、本実施例において開口部２１３の直径は、３〜１１ｍｍである。３ｍｍ以下では温度センサの実装が困難であり、１１ｍｍ以上では温度均一性が悪化する。図２では、中間ヒータ２０３位置の開口部２１３のみ図示し、内側ヒータ２０２及び、外側ヒータ２０４の開口部及び温度センサは図示していない。ベース２３０及び絶縁板２３１には、開口部２１３と同軸となる様に貫通孔２３２が配置されている。なお、開口部と貫通孔とは同軸である必要はないが、同軸とすることにより貫通孔の開口面積を最小とすることができるため同軸が望ましい。貫通孔２３２の内部には、絶縁ボス２３３が配置される。絶縁ボス２３３は、ＰＴＦＥ（ポリテトラフルオロエチレン）等の絶縁材料で構成される。絶縁ボス２３３の両端は、同軸シールが出来る様にＯリング２３４が具備される。絶縁ボス２３３の一方の端（上端）は開口部２１３の内部でシールされ、絶縁ボス２３３の反対の端（下端）はベース２３０の貫通孔２３２とシールされることで、開口部２１３内部及び、貫通孔２３２の内部を真空容器１０１と隔て大気に保持される。

この開口部２１３に温度センサ２０５が取り付けられている。温度センサ２０５に用いる温度測定素子としては、公知の白金測温抵抗体あるいは熱電対が用いられる。温度測定素子はアナログデジタル変換器１１９へ信号を送るケーブル２０９と電気的に接続されている。温度測定素子の周囲は、ＳＵＳ等で構成される保護管により構成されている。温度センサ２０５の保護管の先端部は、ＡｌＮやシリコーンゴム等で構成される絶縁部材２０６で覆われている。絶縁部材２０６によって、温度センサ２０５は基材２１０と電気的に絶縁となる。温度センサ２０５と基材２１０との良好な接触を保つため、温度センサ２０５の下部には圧縮バネ２０７が取り付けられている。圧縮バネ２０７は抑え部２０８によって圧縮することで、温度センサ２０５を押圧し、基材２１０との接触を保持している。

開口部２１３の内部には、温度センサ２０５の周囲に円筒形のノイズフィルタ２３５が配置されている。ノイズフィルタ２３５は、フェライト等の磁性材料で構成され抑え(図示せず)により、固定される。

絶縁板２３１の下面には、貫通孔２３２と同軸に、リング状の溝２３６が形成される。溝２３６の内部に収まる寸法のメタルリング（金属製のリング）２３７がベース２３０の上面に溝２３６の内部に収まり貫通孔２３２の同軸位置に配置される。メタルリング２３７は、ＳＵＳ等の金属で構成される。ベース２３０と電気的に接続され、メタルリング２３７とベース２３０は同じ電位で保持される。なお、貫通孔とリング状の溝とは必ずしも同軸である必要はないが、温度センサとメタルリングとは同軸であることが望ましい。

ベース２３０の貫通孔２３２の下方部には、コイルスプリング２３８が配置され貫通孔２３２と温度センサ２０５の隙間を埋める。

このような試料台１０７において、処理対象のウエハ１１６は、誘電体膜２１１の内部の静電吸着用電極２０１に電力が印加されて誘電体材料の皮膜（誘電体膜）２１１の上に静電吸着されて保持される。ウエハ１１６の保持と同時に、または保持前から、温度センサ２０５は基材温度を検知し、コントローラ１１２に信号を送り、コントローラ１１２はウエハ１１６を所望する温度となる様にヒータ用直流電源１０９を制御し、内側ヒータ２０２、中間ヒータ２０３、外側ヒータ２０４それぞれの発熱量を調整する。処理室１０３内は処理用のガスが導入されるとともに内部の圧力が処理に適した所定の値に調節され、処理室内に電界および磁界が供給された結果処理ガスが励起されてプラズマが形成される。

試料台１０７の基材内部の電極、或いは基材に高周波電力がバイアス電源１０８から供給された結果、ウエハ１１６上方にプラズマとの間に所定の電位差を有するバイアス電位が形成されてウエハ１１６上の膜構造のプラズマを用いた処理、本実施例ではエッチング処理が開始される。特に、プラズマ中の荷電粒子がバイアス電位とプラズマの電位との間の電位差に応じてウエハ１１６の表面に誘引され衝突することで、ウエハ１１６上の膜構造の処理対象の膜の異方性処理が促進される。この時、ウエハ１１６への荷電粒子の入射によりウエハ１１６が加熱される。温度センサ２０５によりウエハ１１６の加熱が検知され、コントローラ１１２により、ヒータ用直流電源１０９を制御し、内側ヒータ２０２、中間ヒータ２０３、外側ヒータ２０４それぞれの発熱量が調整される。

プラズマを用いた処理が行われる間、ガスの励起に使用されなかったマイクロ波が基材２１０とベース２３０の間を伝搬する。ほとんどのマイクロ波はメタルリング２３７で遮蔽され、開口部２１３及び貫通孔２３２の内側へ伝搬しない。遮蔽されずメタルリング内に伝搬したマイクロ波は、温度センサ２０５を伝搬し、ノイズフィルタ２３５で吸収される。これにより、温度センサ２０５はプラズマを用いた処理中であっても、マイクロ波による加熱の影響を受けることなく、基材２１０の温度を精度よく測定することが可能となる。

図３に、開口部２１３及び貫通孔２３２、温度センサ２０５の詳細構造を示す。基材２１０の開口部２１３及び、開口部２１３と同軸で絶縁板２３１及びベース２３０に配置された貫通孔２３２に、温度センサ２０５が配置されている。

温度センサ２０５は、内部に温度測定素子２４０を有する。温度測定素子２４０としては、公知の白金測温抵抗体あるいは熱電対が用いられ、真空容器外部に配置されたアナログデジタル変換器と接続されている。温度測定素子２４０の周囲はＳＵＳ等の金属で構成された保護管２４１で覆われている。保護管２４１の先端及び周囲は絶縁部材２０６で覆われている。絶縁部材２０６は先端部のＡｌＮ等の絶縁材料で出来た絶縁キャップ２４２とシリコーンゴム等で出来た絶縁チューブ２４３を含む。絶縁キャップ２４２と絶縁チューブ２４３は重なる部分があり、開口部２１３内で、保護管２４１の金属が露出することはない。また、絶縁チューブ２４３は、少なくとも、基材２１０の開口部２１３の下端よりも長い寸法、即ち保護管が基材に直接接触しない長さの絶縁チューブで温度センサ２０５に具備される。これによりＳＵＳ等の金属で構成された保護管２４１は、金属製の基材２１０と電気的に絶縁される。

絶縁板２３１の下面には、貫通孔２３２と同軸に、リング状の溝２３６を形成した。溝２３６の内部に収まる寸法のメタルリング２３７がベース２３０の上面に溝２３６の内部に収まる貫通孔２３２の同軸位置に配置される。メタルリング２３７は、ＳＵＳ等の金属で構成され、ベース２３０と電気的に接続さる。

本実施例において、最適なメタルリングの内径αは１５〜２５ｍｍであることが望ましい。１５ｍｍ未満ではマイクロ波の回り込みが増加し、２５ｍｍを超えると周囲に他の部品が存在するため実装が困難となる。またメタルリングの厚さは１ｍｍ以上であることが望ましい。１ｍｍ未満ではマイクロ波に対する遮断効果が低下すると共に、低コストでの製造が難しくなる。また、絶縁板が最も薄い厚さσは２ｍｍ以上が望ましい。２ｍｍより薄いと絶縁材料としての機能が低下する。但し、絶縁板の最も薄い厚さσが大きすぎるとマイクロ波に対する遮断効果が低下する。メタルリングの高さεは、
〔絶縁膜の厚さγ〕−〔絶縁板が最も薄い厚さσ〕
となる。上述したように絶縁板の最も薄い厚さσは２ｍｍ以上が望ましいため、絶縁板の厚さγを本実施例で用いた１４〜１７ｍｍとした場合、メタルリングの高さεは１２〜１５ｍｍ未満が望ましい。

図４は、本実施例に係るプラズマ処理装置における温度センサの周囲へのマイクロ波の回り込みの低減を示すグラフである。図４のグラフ縦軸はプラズマ処理時の温度センサ２０５周囲の電場強度、グラフ横軸は図３に示すメタルリングの内径αを示す。メタルリングの内径αが１５ｍｍ未満ではマイクロ波の回り込みが大きくなることが分かる。上述した望ましい内径αの範囲においては、プラズマ発生時であっても、温度センサ２０５における電場強度の増大がみられず、マイクロ波の回り込みが低減され、精度よく温度を測定することが可能となる。

図２に示すメタルリングを設けた試料台を搭載した、図１に示すプラズマ処理装置を用いて多層構造を有する半導体ウエハのエッチングを行った結果、試料載置台温度を精度よく測定でき、所望の寸法を高精度に加工することができた。
以上本実施例によれば、プラズマ処理中であっても、温度センサがマイクロ波の伝搬により加熱されることなく、高い精度の処理を実現可能なプラズマ処理装置を提供することができる。

なお、本発明は上記した実施例に限定されるものではなく、様々な変形例が含まれる。例えば、上記した実施例は本発明を分かりやすく説明するために詳細に説明したものであり、必ずしも説明した全ての構成を備えるものに限定されるものではない。

１００…プラズマ処理装置、１０１…真空容器、１０２…真空排気装置、１０３…処理室、１０４…マグネトロン、１０５…導波管、１０６…拡大導波管部、１０７…試料台、１０８…バイアス電源、１０９…ヒータ用直流電源、１１０…静電吸着用直流電源、１１１…温調器、１１２…コントローラ、１１３…磁場発生コイル、１１４…誘電体窓、１１５…シャワープレート、１１６…ウエハ、１１７…マッチング回路、１１８…フィルター、１１９…アナログデジタル変換器、２０１…静電吸着用電極、２０２…内側ヒータ、２０３…中間ヒータ、２０４…外側ヒータ、２０５…温度センサ、２０６…絶縁部材、２０７…圧縮バネ、２０８…抑え部、２０９…ケーブル、２１０…基材、２１１…誘電体膜、２１２…冷媒溝（冷媒流路）、２１３…開口部、２２０…絶縁カバー、２２１…導体、２３０…ベース、２３１…絶縁板、２３２…貫通孔、２３３…絶縁ボス、２３４…Ｏリング、２３５…ノイズフィルタ、２３６…溝、２３７…メタルリング、２３８…コイルスプリング、２４０…温度測定素子、２４１…保護管、２４２…絶縁キャップ、２４３…絶縁チューブ。

Claims (7)

1. 真空容器内部の処理室内に配置された試料台上面に載置された被処理体を当該処理室内に電界を供給して生成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置であって、
   前記試料台が配置される絶縁板と、
   前記試料台の金属製の基材に形成された穴内部に前記絶縁板に形成された貫通孔を介して挿入され当該試料台の温度を検出する温度センサと、
   前記温度センサの外周を囲んで前記絶縁板の内部に配置され前記真空容器と電気的に接続された金属製のリングと、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記処理室内に供給される前記電界は、マイクロ波の電界であることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記プラズマ処理装置は、前記温度センサを前記試料台側へ押圧する圧縮バネを更に有することを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記プラズマ処理装置は、前記基材に形成された穴内部において前記温度センサの外周を囲んで配置されたノイズフィルタを更に有することを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記温度センサは、
   温度測定素子と、
   前記温度測定素子が挿入される金属製の保護管と、
   前記保護管の温度測定側の開口端に設けられた絶縁キャップ、及び前記絶縁キャップと重なる部分を有し前記保護管が前記基材に直接接触しない長さの絶縁チューブを含む絶縁体と、を有することを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 真空容器と、
   前記真空容器内の真空処理室と、
   前記真空処理室内に導入された処理ガスに高周波エネルギを供給してプラズマを生成するプラズマ生成用高周波波電源と、
   前記真空容器と電気的に接続された金属製のベースと、
   前記ベース上に絶縁板を介して配置され、金属製の基材、該基材上に配置された誘電体膜、該誘電体膜内に配置されたヒータ、前記基材内に配置され内部に冷媒が流れる通路、および前記ヒータが配置された平面位置に対応して前記基材に形成された穴内部に前記絶縁板と前記ベースとを貫通する貫通孔を介して挿入され当該試料台の温度を検出する温度センサを含み、被処理体が載置される試料台と、
   前記温度センサの外周を囲んで前記絶縁板の内部に配置され前記ベースと電気的に接続された金属製のリングと、
   前記試料台に高周波電圧を印加する高周波バイアス電源と、
   前記温度センサからの出力に応じて前記ヒータへ供給される電力を制御し、前記試料台の温度を調節して前記被処理体の温度を調節する制御部と、を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 請求項６に記載のプラズマ処理装置において、
   前記温度センサと前記金属製のリングとは同軸となるように配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。

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