JP2021150329A - 基板支持プレート及び半導体製造装置 - Google Patents

基板支持プレート及び半導体製造装置 Download PDF

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Abstract

【課題】交換頻度を低減可能な基板支持プレート及びこれを含む半導体製造装置を提供する。【解決手段】基台と、前記基台に対する相対的な移動が抑制されるように当該基台に配置されるスペーサと、前記スペーサにより前記基台に対して所定の間隔を空けて当該基台に固定され、上面に基板を支持可能な上板とを備えるが基板支持プレートが提供される。【選択図】図３

Description

本発明の実施形態は、基板支持プレート及び半導体製造装置に関する。
エッチング装置や成膜装置などの半導体製造装置には、半導体基板を支持する支持プレートが設けられている。支持プレートは、エッチングや成膜などのプロセスによって加熱される半導体基板が所定の温度になるよう、低温から高温までの温度範囲で温調される。また、半導体基板の搬入出時にはプラズマからの入熱が無いため、支持プレートは、放熱、または冷媒による冷却により降温される。このようにして支持プレートの昇降温が繰り返されると、支持プレートの寿命が短くなったり、不具合を生じたりするため、支持プレートを高頻度で交換せざるを得ない事態ともなる。
特開２０１１−６１０４９号公報
本発明の一つの実施形態は、交換頻度を低減可能な基板支持プレート及びこれを含む半導体製造装置を提供する。
本発明の一つの実施形態によれば、基台、スペーサ、及び上板を備える支持プレートが提供される。スペーサは、基台に対する相対的な移動が接着剤によらずに抑制されるように基台に配置される。上板は、スペーサにより基台に対して所定の間隔を空けて基台に固定され、上面に基板を支持可能である。
図１は、実施形態による半導体製造装置の一例としてのプラズマ処理装置の構成を模式的に示す断面図である。 図２は、支持プレートを模式的に示す上面図である。 図３は、図２に示す支持プレートのＩ−Ｉ線に沿った断面図である。 図４は、スペーサの配置例を示す上面図である。 図５は、図３の断面図の一部を拡大して示す図である。 図６は、比較例による支持プレートの断面の一部を拡大して示す図である。 図７は、変形例による支持プレートの断面の一部を拡大して示す図である。
以下、添付の図面を参照しながら、限定的でない例示の実施形態について説明する。添付の全図面中、同一または対応する部材または部品については、同一または対応する参照符号を付し、重複する説明を省略する。また、図面は、部材もしくは部品間の寸法の相対比を示すことを目的とせず、したがって、具体的な寸法は、以下の限定的でない実施形態に照らし、当業者により決定されて良い。
図１は、実施形態による半導体製造装置の一例としてのプラズマ処理装置の構成を模式的に示す断面図である。図示のとおり、プラズマ処理装置１０は、チャンバ１１を有し、チャンバ１１にはプラズマ処理に使用される処理ガスが供給されるガス供給口１３と、処理ガスが排気されるガス排気口１４とが設けられている。ガス供給口１３は処理ガス供給源（不図示）と所定の配管により接続され、ガス排気口１４には、真空ポンプなどの排気装置（不図示）が接続されている。また、チャンバ１１は、アルミニウムなどの金属や、ステンレススチールなどの合金により形成される。このチャンバ１１は接地されている。
チャンバ１１の内部には支持プレート２１が設けられている。支持プレート２１は、静電チャックを有しており、これにより、支持プレート２１の上面にプラズマ処理の対象となる基板１００を保持することができる。
支持プレート２１は、チャンバ１１内の中央付近に位置するように、支持部１２によって固定されている。また、支持プレート２１の側周面に沿って、ダミーリング２２が設けられる。ダミーリング２２は、基板１００のエッチング時に、電界が基板１００の周縁部で鉛直方向（被処理基板面に垂直な方向）に対して偏向しないように電界を調整するために設けられる。
また、支持プレート２１には、高周波電力を供給する給電線３１が接続されており、この給電線３１にブロッキングコンデンサ３２、整合器３３および高周波電源３４が接続されている。高周波電源３４からは所定の周波数の高周波電力が支持プレート２１に供給される。すなわち、支持プレート２１は下部電極としても機能する。
支持プレート２１の上方には、支持プレート２１に面するように上部電極４２が設けられる。上部電極４２は支持プレート２１と平行に面するように、支持プレート２１から所定の距離を隔てて、チャンバ１１内部の天板に設けられた部材４１に固定される。このような構造によって、上部電極４２と支持プレート２１とは、一対の平行平板電極を構成している。上部電極４２は、例えば円板状を有している。上部電極４２は、例えばシリコンにより形成された電極である。なお、上部電極４２及び部材４１には、これらを厚さ方向に貫通する複数のガス供給路（不図示）が設けられている。これにより、処理ガスがガス供給口１３からガス供給路を通してチャンバ１１内に導入される。
チャンバ１１の側壁には、例えば基板１００を出し入れする開口部１５が設けられ、開口部１５にはシャッタ５２が設けられる。シャッタ５２は、チャンバ１１の外部と内部との間を仕切る役割を有し、基板１００を出し入れする際に、開口部１５とチャンバ１１内とを接続するように開かれる。開口部１５には、チャンバ１１内に搬送アーム（不図示）によって搬送される基板１００の搬送アームに対する位置を検出するセンサ５３が設けられる。センサ５３は、例えば距離センサである。
図２は、支持プレート２１を模式的に示す上面図であり、図３は、図２に示す支持プレート２１のＩ−Ｉ線に沿った断面図であり、図４は、後述するスペーサの配置例を示す上面図（上板２１Ｕが基台２１Ｂに接着される前の上面を示す図）である。なお、図３において、支持プレート２１内に設けられる静電チャック用の電極は省略する。
図２に示すように、支持プレート２１は、基台２１Ｂと上板２１Ｕを有している。基台２１Ｂは、円盤状の形状を有し、例えばアルミニウム（Ａｌ）などの金属より形成されて良い。また、基台２１Ｂの内部には不図示の導管が形成されている。導管には、外部の温度調整器（不図示）から温度調整された流体が供給され、これにより、基台２１Ｂ及びその上面に載置される基板１００の温度が調整される。
上板２１Ｕもまた円盤状の形状を有している。上板２１Ｕは、基台２１Ｂの外径よりも小さい外径を有し、基台２１Ｂ上に、基台２１Ｂと同心円状に設けられている。上板２１Ｕの上面には、基板１００の温度の均一化のために、基板１００を支持する複数の突起部（不図示）がほぼ等間隔で形成されている。これらの突起部により形成される、基板１００の裏面と上板２１Ｕとの間の空間には、例えば、不活性ガス（例えばヘリウムガス）が供給される。また、上板２１Ｕは、例えば、Ａｌ２Ｏ３，ＡｌＮ等のセラミック材料により形成されて良い。
なお、図２に示す、基台２１Ｂの外縁部に沿って設けられる穴２１Ｈは、支持プレート２１を支持部１２へネジなどで取り付ける際に利用される。
図３を参照すると、上板２１Ｕと基台２１Ｂは、接着剤ＡＤにより互いに取り付けられている。また、上板２１Ｕと基台２１Ｂの間には複数のスペーサ２１Ｓが設けられている。スペーサ２１Ｓは、上板２１Ｕと基台２１Ｂとの間の距離を一定に保つために設けられている。上板２１Ｕと基台２１Ｂとの間の距離を一定に保つことにより、温度調整された基台２１Ｂの熱を均一に上板２１Ｕに伝達することができ、よって上板２１Ｕひいてはその上面に載置される基板１００の温度を均一化することが可能となる。
スペーサ２１Ｓの各々は、例えば円柱形状を有することができる。この場合、円柱の直径は、例えば１ｍｍから数ｍｍ程度であって良く、円柱の高さは、例えば１ｍｍから２ｍｍ程度であって良い。また、スペーサ２１Ｓは、本実施形態においては、金属で形成されている。具体的には、スペーサ２１Ｓは、基台２１Ｂを構成する金属と同じ金属で形成することができる。また、スペーサ２１Ｓは、セラミック材料により形成されても良い。さらに、スペーサ２１Ｓは、上板２１Ｕを構成するセラミック材料と同じセラミック材料で形成することができる。
次に、スペーサ２１Ｓの配置例について説明する。図４は、スペーサ２１Ｓの基台２１Ｂ上での配置パターンの例を示す上面図である。図４に示されるように、スペーサ２１Ｓは、放射状又は同心円に沿って配置されて良い。例えば、図４の（Ａ）では、基台２１Ｂ上に９個のスペーサ２１Ｓが放射状に配置されている。具体的には、基台２１Ｂの中心に一つのスペーサ２１Ｓが配置され、４５°の角度間隔で基台２１Ｂの中心を通って延びる４つの仮想直線Ｌ１、Ｌ２、Ｌ３、Ｌ４のそれぞれに沿って、基台２１Ｂの中心と中心対称に２つのスペーサ２１Ｓが配置されている。
換言すると、図４の（Ａ）に示されるスペーサ２１Ｓの配置は、以下のようにも表現できる。仮想直線Ｌ１に沿って、３つのスペーサ２１Ｓが第１の間隔で等間隔に配置され、仮想直線Ｌ１と９０°に交差する仮想直線Ｌ３に沿って、３つのスペーサ２１Ｓが同じく第１の間隔で等間隔に配置されている。一方、仮想直線Ｌ１と４５°に交差する仮想直線Ｌ２に沿って、３つのスペーサ２１Ｓが、第１の間隔よりも狭い第２の間隔で等間隔に配置され、仮想直線Ｌ２と９０°に交差する仮想直線Ｌ４に沿って、３つのスペーサ２１Ｓが同じく第２の間隔で等間隔に配置されている。この結果、図４の（Ａ）の例では、スペーサ２１Ｓが、３行３列の格子状に基台２１Ｂ上に配置されているも言える。すなわち、９個のスペーサ２１Ｓが、基台２１Ｂ上に、放射状かつ格子状に配置されている。
図４（Ａ）のような配置により、上板２１Ｕは撓むことなく支持され、また、上板２１Ｕによりスペーサ２１Ｓに加わる荷重が均一に分散され得る。すなわち、上板２１Ｕを撓ませることなく、荷重を均一に分散させるためには、これに限定されないが、少なくとも９個のスペーサ２１Ｓを用いることが好ましい。
また、図４の（Ｂ）では、基台２１Ｂ上に４１個のスペーサ２１Ｓが放射状に配置されている。具体的には、基台２１Ｂの中心に一つのスペーサ２１Ｓが配置されている。また、２２．５°の角度間隔で基台２１Ｂの中心を通って延びる８つの仮想直線ＬＮ１〜ＬＮ８のそれぞれに沿って、複数個のスペーサ２１Ｓが配置されている。具体的には、仮想直線ＬＮ１，ＬＮ３，ＬＮ５，ＬＮ７に沿って、基台２１Ｂの中心と中心対称に２個のスペーサ２１Ｓが配置され、仮想直線ＬＮ２，ＬＮ４，ＬＮ６，ＬＮ８に沿って、基台２１Ｂの中心と中心対称に３個のスペーサ２１Ｓが配置されている。
スペーサ２１Ｓが、図４の（Ｂ）のように配置される場合、スペーサ２１Ｓの直径は、図４の（Ａ）のように配置される場合に比べて、小さくすることができる。このため、一つ一つのスペーサ２１Ｓが基台２１Ｂと上板２１Ｕに接触する面積が小さく、各スペーサ２１Ｓの周囲の広い面積で基台２１Ｂと上板２１Ｕが接着剤を介して接することとなる。このため、基台２１Ｂと上板２１Ｕとの間での局所的な熱伝導の差異が生じ難く、上板２１Ｕの温度の均一性が向上され得る。
したがって、スペーサ２１Ｓの数は、上板２１Ｕが撓むことなく、上板２１Ｕと基台２１Ｂの間隔と均一に維持しつつ、熱伝導が均一化されるように適宜最適化することが望ましい。
次に、基台２１Ｂ、スペーサ２１Ｓ、及び上板２１Ｕの関係について説明する。図５は、図３の一部拡大図である。図示のとおり、基台２１Ｂには、スペーサ２１Ｓに対応して凹部ＤＢが形成されている。凹部ＤＢは中空有底円柱の形状を有している。図示のとおり、凹部ＤＢにはスペーサ２１Ｓの下端部が接着剤の介在なく嵌めこまれている。凹部ＤＢは、スペーサ２１Ｓが、取り外し可能な限りにおいて、凹部ＤＢに対してしっかりと密着できるような内径を有している。また、凹部ＤＢの深さは、スペーサ２１Ｓの高さを考慮して決定されて良い。例えば、凹部ＤＢの深さは、スペーサ２１Ｓの高さの半分よりも小さく、かつ、スペーサ２１Ｓが凹部ＤＢから容易に外れない程度であって良い。
また、上板２１Ｕにおける、基台２１Ｂの凹部ＤＢに面する位置には、凹部ＤＵが形成されている。図示のとおり、凹部ＤＵにはスペーサ２１Ｓの上端部が嵌め込まれている。凹部ＤＵもまた中空有底円柱の形状を有している。凹部ＤＵの内径は、スペーサ２１Ｓが、取り外し可能な限りにおいて、しっかりと密着できるように設定されて良い。また、凹部ＤＵの深さは、スペーサ２１Ｓの高さを考慮して決定することができる。例えば、凹部ＤＵの深さは、スペーサ２１Ｓの高さの半分よりも低く、かつ、スペーサ２１Ｓが凹部ＤＵから容易に外れないように設定されて良い。
以上により、上板２１Ｕは、複数のスペーサ２１Ｓにより所定の一定間隔に維持され、基台２１Ｂにより保持される。上板２１Ｕと基台２１Ｂの間の空間には接着剤ＡＤが充填され、上板２１Ｕと基台２１Ｂとが接着される。
上記のように構成される支持プレート２１により奏される効果を比較例と対比しながら説明する。図６は、比較例による支持プレート２１０の断面を模式的に示す一部拡大断面図である。図６の（Ａ）を参照すると、支持プレート２１０は、基台２１０Ｂと、上板２１０Ｕと、基台２１０Ｂ上に載置されるスペーサ２１０Ｓとを有している。基台２１０Ｂ、上板２１０Ｕ、及びスペーサ２１０Ｓにより画定される空間が接着剤ＡＤにより満たされている。これにより、基台２１０Ｂと上板２１０Ｕが接着され、スペーサ２１０Ｓもまた基台２１０Ｂ及び上板２１０Ｕに対して固定されている。ただし、スペーサ２１０Ｓと基台２１０Ｂの間には、接着剤ＡＤは適用されていない。すなわち、スペーサ２１０Ｓは、その周囲が接着剤ＡＤにより囲まれることにより基台２１０Ｂに対して固定されている。
このような構成を有する支持プレート２１０がプラズマ処理装置のチャンバ内で使用される場合、支持プレート２１０は、基板１００が処理されるたびに、加熱され冷却される。これに伴い、接着剤ＡＤもまた加熱され冷却されるため、接着剤ＡＤが膨張と収縮を繰り返すこととなる。接着剤ＡＤの膨張と収縮によって、スペーサ２１０Ｓには、基台２１０Ｂ上で往復するような力が働く。すなわち、接着剤ＡＤは、スペーサ２１０Ｓの周囲に適用されており、本来的にはスペーサ２１０Ｓを固定すべきところ、膨張と収縮により、スペーサ２１０Ｓを動かすことにもなる。
そのような力が繰り返しスペーサ２１０Ｓに働くと、接着剤ＡＤとスペーサ２１０Ｓとの間で隙間が生じ、図６の（Ｂ）に示すように、スペーサ２１０Ｓが移動する場合がある。図６の（Ｂ）では、スペーサ２１０Ｓの元の位置を点線で表し、移動した位置を実線で表している。このような移動は、支持プレート２１０の中心から遠ざかる方向に生じ易い。これは、支持プレート２１０の中心に向かう方向よりも外縁に向かう方向に接着剤ＡＤが大きく膨張し得るためと考えられる。スペーサ２１０Ｓが移動すると、矢印Ｆで示すように、上板２１０Ｕに対してせん断的な応力が印加される。その結果、図６の（Ｃ）に示すように、上板２１０ＵにクラックＣが生じてしまう場合がある。また、このときのスペーサ２１０Ｓの移動により、スペーサ２１０Ｓの移動方向の後端側で、接着剤ＡＤに亀裂が生じ、隙間Ｇが形成される。
このようにしてクラックＣが生じると、上板２１０Ｕと、その上に載置される基板１００との間の接触状態に変化が生じるため、基板温度の均一性が低下するおそれがある。また、支持プレート２１０がプラズマ処理装置のチャンバ内で用いられる場合、支持プレート２１０と上部電極との間で、クラックＣを介した異常放電が発生するおそれがある。そのため、クラックＣが発生していないかについて例えば目視検査が行われ、クラックＣの発生が確認された場合には、支持プレート２１０を交換することとされていた。また、クラックＣの発生を未然に防ぐため、比較的短い間隔で、支持プレート２１０を交換する必要があった。
これに対し、実施形態による支持プレート２１では、スペーサ２１Ｓは、下端で基台２１Ｂの凹部ＤＢに嵌め込まれ、上端で上板２１Ｕの凹部ＤＵに嵌め込まれている。すなわち、スペーサ２１０Ｓは、その周囲の接着剤ＡＤによってではなく、凹部ＤＢにより移動が抑制されている。したがって、接着剤ＡＤが膨張し、収縮しても、スペーサＳが基台２１ＤＢに対して移動するのが抑制される。このため、上板２１Ｕにせん断的な応力が働くことは殆どなく、上板２１Ｕにおけるクラックの発生が低減され得る。このため、使用期間を増加させることができ、交換頻度を低減でき、よって半導体製造装置のランニングコストを低減することが可能となる。
（変形例）
次に、変形例による支持プレートについて説明する。変形例による支持プレートは、断面構造において、実施形態による支持プレート２１と相違し、他の構成では同一である。以下、相違点を中心に、変形例による支持プレートを説明する。
図７は、変形例による支持プレートの断面を示す図である。図７は、図５に対応しており、変形例による支持プレートの断面の一部を拡大して示している。図示のとおり、変形例の支持プレート５１は、基台５１Ｂ、スペーサ５１Ｓ、及び上板５１Ｕを有している。基台５１Ｂ、スペーサ５１Ｓ、及び上板５１Ｕで画定される空間には接着剤ＡＤが充填されており、これにより、基台５１Ｂと上板５１Ｕが接着されている。ここで、スペーサ５１Ｓは、基台５１Ｂから突出する突起部として形成されている。このようなスペーサ５１Ｓは、例えば、スペーサ５１Ｓが残るように、基台５１Ｂを表面から研削することにより形成され得る。
一方、上板５１Ｕには、スペーサ５１Ｓが配置される位置に対応して凹部ＤＵが形成されており、この凹部ＤＵに対して、スペーサ２１Ｓの上端部が嵌め込まれている。
このようなスペーサ５１Ｓは、基台５１Ｂと単一体として形成されているため、接着剤ＡＤの熱膨張による移動が抑制され、よって、接着剤ＡＤを介して上板５１Ｕにせん断的な応力が働くことが殆ど無い。したがって、変形例による支持プレート５１によっても、上板５１Ｕのクラックの発生を低減することが可能となる。
以上、実施形態及びその変形例を説明したが、これらは、例として提示したものであり、発明の範囲を限定することは意図していない。これら新規な実施形態は、その他の様々な形態で実施されることが可能であり、発明の要旨を逸脱しない範囲で、種々の省略、置き換え、変更を行うことができる。これら実施形態やその変形は、発明の範囲や要旨に含まれるとともに、特許請求の範囲に記載された発明とその均等の範囲に含まれる。
例えば、上述の実施形態においては、上板２１Ｕに凹部ＤＵは設けられ、ここにスペーサ２１Ｓの上端が嵌め込まれている。これにより、上板２１Ｕの基台２１Ｂへの取付けが補強され得るが、上板２１Ｕに凹部ＤＵを設けなくても良い。これは、基台２１Ｂに凹部ＤＢが設けられていれば、スペーサ２１Ｓの移動を抑制でき、また、上板２１Ｕと基台２１Ｂが十分に接着することも可能だからである。同様に、変形例における上板５１Ｕに凹部ＤＵを設けなくても良い。
また、スペーサの裏面に突起部又は針状部を設けるとともに、この突起部又は針状部に対応する穴を基台２１Ｂに設けても良い。これによれば、突起部又は針状部を穴に差し込むことにより、スペーサを基台に対して相対的な移動が抑制されるように固定され得る。
また、上記の説明では、実施形態による半導体製造装置としてプラズマ処理装置１０を例示したが、プラズマ処理装置１０は、プラズマを利用する、例えばプラズマＣＶＤ（Chemical Vapor Deposition）装置や、スパッタ装置、アッシング装置などであっても良い。
また、実施形態による支持プレートは、プラズマ処理装置に限らず、枚葉式の熱ＣＶＤ装置や、アニール装置、熱酸化装置に適用されても良い。
また、上述の実施形態においては、円柱形状を有するスペーサ２１Ｓを説明したが、スペーサ２１Ｓは、これに限らず、多角柱形状を有していても良い。ただし、スペーサ２１Ｓは、接着剤ＡＤから圧力を避けるため、平坦な側面の面積が少ない多角柱形状を有することが望ましく、また、この場合、角部が上板２１Ｕの中心方向に向くように配置されることが望ましい。
１０ プラズマ処理装置、１１ チャンバ、１３ ガス供給口、１４ ガス排気口、１５ 開口部、２１ 支持プレート、２１Ｂ 基台、２１Ｕ 上板、２１Ｓ スペーサ、２２ ダミーリング、３１ 給電線、３２ ブロッキングコンデンサ、３３ 整合器、３４ 高周波電源、４２ 上部電極、５１ 支持プレート、５１Ｂ 基台、５１Ｓ スペーサ、５１Ｕ 上板、５２ シャッタ、５３ センサ、ＤＢ 凹部、ＤＵ 凹部、ＡＤ 接着剤。

Claims (7)

  1. 基台と、
    前記基台に対する相対的な移動が接着剤によらずに抑制されるように当該基台に配置されるスペーサと、
    基板を支持可能な上面を有し、前記スペーサを間に挟んで前記基台に対して固定される上板と
    を備える、基板支持プレート。
  2. 前記基台が前記スペーサの底部を受け入れ可能な凹部を有する、請求項１に記載の基板支持プレート。
  3. 前記上板が前記スペーサの上部を受け入れ可能な凹部を有する、請求項１又は２に記載の基板支持プレート。
  4. 前記スペーサが前記基台から単一体として突出する突出部である、請求項１に記載の基板支持プレート。
  5. 前記基台と前記上板との間に接着剤が充填される、請求項１から４のいずれか一項に記載の基板支持プレート。
  6. 複数の前記スペーサが前記基台に放射状に配置される、請求項１から５のいずれか一項に記載の基板支持プレート。
  7. チャンバと、
    前記チャンバ内に設けられ、基台と、前記基台に対する相対的な移動が抑制されるように当該基台に配置されるスペーサと、前記スペーサにより前記基台に対して所定の間隔を空けて当該基台に固定され、上面に基板を支持可能な上板とを含む基板支持プレートと
    を備える、半導体製造装置。
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