JP2020119938A - 基板処理装置及び基板処理方法 - Google Patents

Abstract

【課題】膜厚の均一性を維持したまま基板の搬送精度を緩和することができる技術を提供する。【解決手段】本開示の基板処理装置は、複数の基板の各々が載置される複数のステージと、複数のステージの各ステージ毎に設けられた環状部材とを有する。環状部材は、ステージの外周、かつ、ステージの上面よりも低い位置に設けられ、直流電源により直流電圧を印加される。【選択図】図１

Description

本開示は、基板処理装置及び基板処理方法に関する。

半導体集積回路の製造では、基板処理装置によって、半導体ウエハ等の基板に対する処理（以下では「基板処理」と呼ぶことがある）が行われる。基板処理装置では、基板処理として、例えば、所定の真空度にされたチャンバ（処理容器）内に基板が配置され、チャンバ内に成膜原料ガスが供給されてプラズマが生成されることにより、基板に対して成膜が行われる。

また、エッジリングを備える基板処理装置が知られている。エッジリングはステージに載置された基板の外周に沿って配置され、エッジリングにより基板の外周部におけるプラズマが制御されることで、基板の外周部の膜厚と基板の中心部の膜厚とを均一にすることができる。エッジリングの内周と、エッジリング内に配置される基板の外周との間の隙間は全周に渡って一定に保たれることが好ましく、その隙間は、例えば１ｍｍと僅かである。

また、チャンバ内への基板の搬送は、通常、搬送アームを用いて行われ、搬送アームにより、エッジリング内に基板が配置される。

特開２０００−１８３０３８号公報 特開２００４−２４１７９２号公報

上記のように、エッジリングの内周と、エッジリング内に配置される基板の外周との間の隙間は僅かであり、かつ、全周に渡って一定に保たれることが好ましいため、エッジリング内に配置される基板の搬送には、高い搬送精度が要求されていた。しかし、例えば搬送アームを用いて複数の基板を一括して搬送する場合等には、搬送アームの精度の向上のみで搬送精度に対する要求を満たすことが困難なことがあった。

本開示は、膜厚の均一性を維持したまま基板の搬送精度を緩和することができる技術を提供する。

本開示の一態様の基板処理装置は、複数の基板の各々が載置される複数のステージと、複数のステージの各ステージ毎に設けられた環状部材と、環状部材に直流電圧を印加する直流電源とを有する。環状部材は、ステージの外周、かつ、ステージの上面よりも低い位置に設けられる。

本開示の技術によれば、膜厚の均一性を維持したまま基板の搬送精度を緩和することができる。

図１は、実施形態１に係る基板処理装置の構成例を示す図である。 図２は、比較例におけるプラズマの生成例を示す図である。 図３は、比較例におけるプラズマの生成例を示す図である。 図４は、実施形態１に係るプラズマの生成例を示す図である。 図５は、実施形態１に係る半導体ウエハの搬送例を示す図である。 図６は、実施形態１に係る半導体ウエハの搬送例を示す図である。 図７は、実施形態２に係る基板処理装置の構成例を示す図である。 図８は、実施形態２に係るプラズマ監視の一例を示す図である。 図９は、比較例における被膜の生成例を示す図である。 図１０は、実施形態３に係る被膜の生成例を示す図である。

以下に、本開示の技術の実施形態を図面に基づいて説明する。各実施形態において同一の構成には同一の符号を付すことにより、実施形態間で重複する説明は省略する。

［実施形態１］
＜基板処理装置の構成＞
図１は、実施形態１に係る基板処理装置の構成例を示す図である。図１に示す基板処理装置１は、容量結合型の平行平板基板処理装置として構成されている。また、基板処理装置１は、４枚の基板に対する基板処理を同時に行うことが可能である。但し、本開示の技術が適用可能な基板の枚数は４枚に限定されず、複数枚であれば良い。

図１において、基板処理装置１は、例えばアルミニウムまたはステンレス鋼等からなる金属製の処理容器であるチャンバ１０を有する。チャンバ１０の側面及び下面は接地されている。

チャンバ１０内には、円盤状のサセプタ１１−１〜１１−４が水平に配置されている。サセプタ１１−１〜１１−４は、例えばＡｌＮセラミック等からなり、チャンバ１０の底から鉛直上方に延びる絶縁性の筒状支持部１３−１〜１３−４に支持されている。

サセプタ１１−１〜１１−４の上面には、円盤状のステージＳ１〜Ｓ４が設置される。ステージＳ１〜Ｓ４の上面には、基板処理の被処理基板としての半導体ウエハＷ１〜Ｗ４が載置される。ステージＳ１〜Ｓ４は、膜状または板状の誘電体の間にシート状またはメッシュ状の導電体を挟んで形成される。ステージＳ１〜Ｓ４へ印加される直流電圧（図示省略）によってステージＳ１〜Ｓ４に発生するクーロン力により、半導体ウエハＷ１〜Ｗ４がステージＳ１〜Ｓ４上に吸着保持される。

ステージＳ１〜Ｓ４の外周には環状部材Ｒ１〜Ｒ４が設置され、ステージＳ１〜Ｓ４の外周と環状部材Ｒ１〜Ｒ４の内周とが互いに接している。また、環状部材Ｒ１〜Ｒ４の上面は、ステージＳ１〜Ｓ４の上面よりも低い位置にある。環状部材Ｒ１〜Ｒ４は、導電材（例えばＮｉ，Ａｌ等）からなる。

また、環状部材Ｒ１〜Ｒ４には可変直流電源８０が接続され、可変直流電源８０は、環状部材Ｒ１〜Ｒ４に直流電圧を印加する。

チャンバ１０の右方の側面には、半導体ウエハＷ１〜Ｗ４の搬入出口１４と、搬入出口１４を開閉するゲートバルブ１５とが設置されている。また、チャンバ１０の左方の側面には排気管７１が設置され、排気管７１を介して排気装置７０が接続されている。排気装置７０は、例えばターボ分子ポンプ等の真空ポンプを有しており、チャンバ１０内の処理空間４０を所望の真空度まで減圧する。チャンバ１０内は、例えば、１０ｍＴｏｒｒ〜３５００ｍＴｏｒｒの範囲の一定の圧力に保たれるのが好ましい。

チャンバ１０の上面として、ステージＳ１〜Ｓ４と平行に向かい合って（つまり、対向して）、上部電極３０が設けられている。上部電極３０は、セラミックス等の絶縁部材３３を介してチャンバ１０の側面に支持されており、上部電極３０とチャンバ１０の側面とは電気的に絶縁されている。

上部電極３０にはガス供給管５０が設置され、ガス供給管５０を介してガス供給部５１が接続されている。ガス供給部５１は、処理ガスとして成膜原料ガスをチャンバ１０内の処理空間４０に供給する。

また、上部電極３０にはマッチングユニット２１を介して高周波電源２０が接続されている。高周波電源２０は、高周波数の交流電圧（以下では「高周波電圧」と呼ぶことがある）を生成し、生成した高周波電圧をマッチングユニット２１を介して上部電極３０に印加する。高周波電源２０が生成する高周波電圧の周波数は、例えば１３ＭＨｚ以上であることが好ましい。マッチングユニット２１は、高周波電源２０側のインピーダンスとチャンバ１０側のインピーダンスとの間の整合をとる。

成膜原料ガスが処理空間４０に供給されている状態で上部電極３０に高周波電圧が印加されると、処理空間４０にプラズマが生成され、生成されたプラズマにより、半導体ウエハＷ１〜Ｗ４の上面に被膜が生成される。

基板処理装置１内の各構成の個々の動作、及び、基板処理装置１全体の動作（シーケンス）は、制御部１００によって制御される。制御部１００の一例として、マイクロコンピュータが挙げられる。

＜基板処理装置の動作＞
図２及び図３は、比較例におけるプラズマの生成例を示す図である。図４は、実施形態１に係るプラズマの生成例を示す図である。以下では、ステージＳ１〜Ｓ４を「ステージＳ」と総称し、環状部材Ｒ１〜Ｒ４を「環状部材Ｒ」と総称し、半導体ウエハＷ１〜Ｗ４を「半導体ウエハＷ」と総称することがある。

図２の比較例に示すように、半導体ウエハＷの上面とエッジリングＥの上面との間で高さが一致するようにステージＳにエッジリングＥを設置することで、ステージＳの上方に発生するプラズマＰＳと半導体ウエハＷとの間隔（以下では「プラズマ間隔」と呼ぶことがある）を半導体ウエハＷの全面に渡って一定に保てる。一方で、エッジリングＥの内周と半導体ウエハＷの外周との間の僅かな隙間Ｇ（例えば１ｍｍ）は全周に渡って一定に保たれることが好ましい。よって、図２に示すようにステージＳにエッジリングＥが設置された場合には、エッジリングＥ内に配置される半導体ウエハＷの搬送には、高い搬送精度が要求される。

そこで、図３の比較例に示すように、エッジリングＥに代えて、環状部材Ｒを、ステージＳの外周と環状部材Ｒの内周とが互いに接するようにしてステージＳの外周に設置することが想定される。環状部材Ｒの上面の高さＨ２をステージＳの上面の高さＨ１より低くすることにより、半導体ウエハＷの搬送精度が緩和される。すなわち、図２の比較例では、エッジリングＥの内周から僅かな隙間を保ってステージＳ上に半導体ウエハＷを配置する必要があるのに対し、図３の比較例では、ステージＳの上面内に収まる範囲で、ステージＳ上の何れかの箇所に半導体ウエハＷを載置すれば良くなる。一方で、図３では、半導体ウエハＷの上面よりも環状部材Ｒの上面が低い位置にあるため、プラズマ間隔が一定に保たれなくなってしまう。すなわち、半導体ウエハＷの外周部におけるプラズマ間隔が、半導体ウエハＷの中心部におけるプラズマ間隔よりも小さくなってしまう。このため、半導体ウエハＷの外周部の膜厚と半導体ウエハＷの中心部の膜厚との均一性が失われる。

そこで、実施形態１では、図４に示すように、環状部材Ｒに直流電圧を印加する。これにより、半導体ウエハＷの外周部におけるプラズマが制御されるため、半導体ウエハＷの中心部におけるプラズマ間隔を図３と同一に維持したまま、半導体ウエハＷの外周部におけるプラズマ間隔を広げることができる。つまり、エッジリングＥに代えて環状部材Ｒを設置した場合でも、環状部材Ｒに直流電圧を印加することにより、プラズマ間隔を半導体ウエハＷの全面に渡って一定に保つことができる。よって、環状部材Ｒに直流電圧を印加することにより、半導体ウエハＷの外周部の膜厚と半導体ウエハＷの中心部の膜厚とを均一にすることができる。

図５及び図６は、実施形態１に係る半導体ウエハの搬送例を示す図である。図５及び図６に示すように、半導体ウエハＷ１〜Ｗ４は、搬送アームＡＲを用いて一括してチャンバ１０内へ搬送され、ステージＳ１〜Ｓ４上に載置される。図５に示すような理想的な状態に対して、搬送アームＡＲの精度の向上の限界により、図６に示すように、搬送アームＡＲが角度θだけ傾いた状態で半導体ウエハＷ１〜Ｗ４が搬送される場合がある。この場合、搬送アームＡＲの前方に載置された半導体ウエハＷ３，Ｗ４の移動量Ｘ２は、搬送アームＡＲの後方に載置された半導体ウエハＷ１，Ｗ２の移動量Ｘ１よりも大きくなる。これに対し、実施形態１では、上記のようにステージＳの上面内に収まる範囲でステージＳ上の何れかの箇所に半導体ウエハＷを載置すれば足りるため、たとえ図６のように半導体ウエハＷ３，Ｗ４が大きく移動した場合でも、半導体ウエハＷ３，Ｗ４をステージＳ３，Ｓ４上に適切に載置することができる。つまり、本開示の技術は、複数の半導体ウエハＷが一括してチャンバ１０内へ搬送される場合に特に有効である。

以上のように、実施形態１では、基板処理装置１は、ステージＳ１〜Ｓ４と、環状部材Ｒ１〜Ｒ４と、可変直流電源８０とを有する。ステージＳ１〜Ｓ４の各々には、半導体ウエハＷ１〜Ｗ４の各々が載置される。環状部材Ｒ１〜Ｒ４の各々は、ステージＳ１〜Ｓ４の各々に対して、ステージＳ１〜Ｓ４の外周、かつ、ステージＳ１〜Ｓ４の上面よりも低い位置に設けられる。可変直流電源８０は、環状部材Ｒ１〜Ｒ４に直流電圧を印加する。

こうすることで、膜厚の均一性を維持したまま半導体ウエハＷ１〜Ｗ４の搬送精度を緩和することができる。

以上、実施形態１について説明した。

［実施形態２］
図７は、実施形態２に係る基板処理装置の構成例を示す図であり、図８は、実施形態２に係るプラズマ監視の一例を示す図である。実施形態２では、基板処理装置１がプラズマモニターＭ１，Ｍ２を有する点が実施形態１と異なる。

プラズマモニターＭ１，Ｍ２は、ステージＳ１〜Ｓ４の各々に対して設置される。よって、基板処理装置１がステージＳ１〜Ｓ４の４つのステージを有する場合、基板処理装置１は、４つのプラズマモニターＭ１と、４つのプラズマモニターＭ２とを有する。プラズマモニターＭ１は「第一モニター」に相当し、プラズマモニターＭ２は「第二モニター」に相当する。

プラズマモニターＭ１は、図８に示すように、ステージＳの上方に発生するプラズマＰＳのうち、ステージＳの中心領域Ｃ１におけるプラズマＰＳの分布（以下では「中心領域分布」と呼ぶことがある）を監視し、監視結果を制御部１００へ出力する。なお、プラズマモニターＭ１は、ステージＳの全領域のうち中心領域Ｃ１のみにおけるプラズマＰＳの分布を中心領域分布として検出しても良く、また、ステージＳの全領域において検出したプラズマＰＳの分布から、後述するエッジ領域Ｃ２において検出したプラズマＰＳの分布を差し引くことにより中心領域分布を求めても良い。

一方で、プラズマモニターＭ２は、図８に示すように、ステージＳの上方に発生するプラズマＰＳのうち、ステージＳのエッジ領域Ｃ２におけるプラズマＰＳの分布（以下では「エッジ領域分布」と呼ぶことがある）を監視し、監視結果を制御部１００へ出力する。中心領域Ｃ１とは、円盤状のステージＳの全領域のうち、ステージＳの中心を含む所定の大きさの領域である。一方で、エッジ領域Ｃ２とは、円盤状のステージＳの全領域のうち中心領域Ｃ１以外の領域であり、ステージＳの中心を含まず、かつ、ステージＳのエッジを含む所定の大きさの領域である。

プラズマモニターＭ１，Ｍ２は、プラズマＰＳのスペクトルを検出することにより、中心領域分布及びエッジ領域分布を監視することができる。中心領域分布は「第一分布」に相当し、エッジ領域分布は「第二分布」に相当する。なお、プラズマモニターＭ１，Ｍ２は、プラズマＰＳのスペクトルを検出する代わりにプラズマＰＳの画像データを取得することにより、中心領域分布及びエッジ領域分布を監視しても良い。

制御部１００は、中心領域分布とエッジ領域分布とに基づいて、可変直流電源８０によって環状部材Ｒに印加される直流電圧の電圧値、及び、高周波電源２０によって上部電極３０に印加される高周波電圧の電圧値を制御する。制御部１００は、可変直流電源８０の出力電圧及び高周波電源２０の出力電圧を制御することにより、直流電圧の電圧値及び高周波電圧の電圧値を制御する。

例えば、制御部１００は、機械学習を用いて、中心領域分布とエッジ領域分布とが同一になるように、直流電圧の電圧値及び高周波電圧の電圧値を制御する。また例えば、制御部１００は、ステージＳ１→ステージＳ２→ステージＳ３→ステージＳ４→ステージＳ１→ステージＳ２→…というように、中心領域分布及びエッジ領域分布の監視対象となるステージを所定の時間間隔で順次変更しながら、直流電圧の電圧値及び高周波電圧の電圧値を制御する。

以上のように、実施形態２では、基板処理装置１は、プラズマモニターＭ１と、プラズマモニターＭ２とを有する。プラズマモニターＭ１は中心領域分布を監視する一方で、プラズマモニターＭ２はエッジ領域分布を監視する。制御部１００は、中心領域分布とエッジ領域分布とに基づいて、環状部材Ｒに印加される直流電圧の電圧値、及び、上部電極３０に印加される高周波電圧の電圧値を制御する。

こうすることで、中心領域分布とエッジ領域分布とが同一になるように直流電圧の電圧値及び高周波電圧の電圧値を制御することができるため、プラズマポテンシャルを半導体ウエハＷの全面に渡って一定に保つことができる。よって、膜厚の均一性を高めることができる。

以上、実施形態２について説明した。

［実施形態３］
図９は、比較例における被膜の生成例を示す図であり、図１０は、実施形態３に係る被膜の生成例を示す図である。

図９に示すように、ステージＳの上方に生成されるプラズマＰＳの分布に偏りがある場合、半導体ウエハＷの上面に生成される被膜Ｆの膜厚に偏りが生じる。

そこで、実施形態３に係る基板処理装置１は、ステージＳの中心を回転中心にしてステージＳを回転させる回転ユニット９０を有する。回転ユニット９０は、ステージＳ１〜Ｓ４の各々に対して設置される。回転ユニット９０がステージＳを回転させることにより、半導体ウエハＷの全面がプラズマＰＳの全範囲に均等に晒されることになるため、プラズマＰＳの分布に偏りがある場合でも、被膜Ｆの膜厚の均一性を高めることができる。

なお、実施形態３は実施形態２と組み合わせて実施することも可能である。

以上、実施形態３について説明した。

なお、本開示の実施形態はすべての点で例示であって制限的なものではないと考えられるべきである。実に、上記の実施形態は多様な形態で具現され得る。また、上記の実施形態は、特許請求の範囲及びその趣旨を逸脱することなく、様々な形態で省略、置換、変更されても良い。例えば、上記説明では基板処理の一例として成膜を挙げて説明したが、本開示の技術が適用可能な基板処理は成膜に限定されない。例えば、処理空間ＰＳの真空度、及び、処理ガスをエッチングに適したものに変更することにより、本開示の技術を、基板処理の一つであるエッチングに適用することも可能である。

１ 基板処理装置
Ｓ，Ｓ１，Ｓ２，Ｓ３，Ｓ４ ステージ
Ｒ，Ｒ１，Ｒ２，Ｒ３，Ｒ４ 環状部材
８０ 可変直流電源

Claims (4)

1. 複数の基板の各々が載置される複数のステージと、
   前記複数のステージの各ステージ毎に、前記ステージの外周、かつ、前記ステージの上面よりも低い位置に設けられた環状部材と、
   前記環状部材に直流電圧を印加する直流電源と、
   を具備する基板処理装置。
2. 前記ステージに対向して配置される上部電極と、
   前記上部電極に交流電圧を印加する交流電源と、
   前記ステージの中心領域におけるプラズマの第一分布を監視する第一モニターと、
   前記ステージのエッジ領域におけるプラズマの第二分布を監視する第二モニターと、
   前記第一分布及び前記第二分布に基づいて、前記直流電圧の電圧値及び前記交流電圧の電圧値を制御する制御部と、
   をさらに具備する請求項１に記載の基板処理装置。
3. 前記ステージを回転させる回転ユニット、
   をさらに具備する請求項１に記載の基板処理装置。
4. 真空排気可能な処理容器と、
   前記処理容器内に配置された複数のステージであって、複数の基板の各々が載置される前記複数のステージと、
   前記複数のステージの各ステージ毎に、前記ステージの外周、かつ、前記ステージの上面よりも低い位置に設けられた環状部材と、
   前記ステージに対向して配置される上部電極と、
   を具備する基板処理装置における基板処理方法であって、
   前記処理容器内に処理ガスを供給することと、
   前記上部電極に交流電圧を印加することと、
   前記環状部材に直流電圧を印加することと、
   を有する基板処理方法。

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