JP2021188138A - シャワープレート、基材処理装置、および基材処理方法 - Google Patents

シャワープレート、基材処理装置、および基材処理方法 Download PDF

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Abstract

【課題】シャワープレートを提供する。【解決手段】シャワープレートの実施形態は、複数のスルーホールを有する板状導体の本体部を備え、本体部は下面の少なくとも一部に表面処理部が設けられており、表面処理部には表面処理が行われ、それにより、放射率の異なる二つ以上の領域が下面上に存在し、フランジが本体部を囲んでいる。【選択図】図２

Description

シャワープレート、基材処理装置、および基材処理方法に関する例が説明されている。
基材を処理する半導体プロセスでは、プロセス結果における基材の面内均一性を改善する必要がある。プロセス結果における基材の面内均一性を改善するために、ウェーハ温度の面内分布を制御してもよい。例えば、ウェーハステージまたはサセプターを複数のゾーンに分割することにより、ウェーハ温度の面内分布を制御し、ゾーン毎に温度制御を行うことができる。しかし、複数のステージゾーンの温度を変更するための構造が非常に複雑でトラブルが発生しやすく、さらにコストも高くなる。
本明細書に記載のいくつかの例は、上記の問題に対応することができる。本明細書に記載のいくつかの例は、基材温度の面内分布を制御するのに好適なシャワープレート、基材処理装置および基材処理方法を提供することができる。
いくつかの実施形態では、シャワープレートは、複数のスルーホールを有する板状導体の本体部を備え、本体部は下面の少なくとも一部に表面処理部が設けられ、表面処理部には表面処理が行われ、それにより、放射率の異なる二つ以上の領域が下面上に存在し、フランジが本体部を囲んでいる。
基材処理装置の構成例を例示する断面図である。 シャワープレートおよびサセプターの断面図である。 シャワープレートの底面図である。 別の実施形態による表面処理部の断面図である。 別の実施形態による表面処理部の断面図である。 図６Ａは表面処理部の実施形態である。図６Ｂは表面処理部の別の実施形態である。図６Ｃは表面処理部の別の実施形態である。図６Ｄは表面処理部の別の実施形態である。図６Ｅは表面処理部の別の実施形態である。図６Ｆは表面処理部の別の実施形態である。図６Ｇは表面処理部の別の実施形態である。図６Ｈは、表面処理部の別の実施形態である。 基材処置方法の実施形態である。 基材温度が表面処理によって調整されていることを示すグラフである。 基材温度が表面処理によって調整されることを示す別のグラフである。 基材からシャワープレートに加えられる輻射熱の量を示す。
シャワープレート、基材処理装置、および基材処理方法について、図面を参照して説明する。同一または相当部分には同一符号を付して重複説明を省略する場合がある。
図１は基材処理装置の構成例を例示する断面図である。基材処理装置１０は、例えば、金属から形成されるチャンバー（反応チャンバー）１２を備える。チャンバー１２には、シャワープレート１４が設けられる。シャワープレート１４は、電力、例えばＲＦパワーが供給される。シャワープレート１４は、その中に形成されるスルーホール１４ａを有する。シャワープレート１４は、単一の部品または複数の部品の組み合わせで構成される。一実施形態では、シャワープレート１４の材料は、アルミニウム、アルミニウム合金、またはシリコンである。別の実施形態では、シャワープレート１４は、任意の導体であってもよい。
チャンバー１２では、シャワープレート１４に面するサセプター１８が設けられる。サセプター１８は、例えば接地のためにチャンバー１２と電気的に接続することができる。したがって、シャワープレート１４およびサセプター１８は、平行平板構造を提供する。
シャワープレート１４には、ガス供給パイプ２２が絶縁構成要素２０を介して連結される。ガス供給パイプ２２は、シャワープレート１４とサセプター１８との間にガスを供給する。絶縁構成要素２０は、シャワープレート１４をガス供給パイプ２２から電気的に分離するために絶縁体から形成される。
チャンバー１２の側面上に、ガス排出部２４が設けられる。ガス排出部２４は、基材処理に使用されたガスを排出するために設けられる。したがって、真空ポンプは、ガス排出部２４に連結することができる。
シャワープレート１４とチャンバー１２との間に、排気ダクト３０が設けられる。排気ダクト３０は、例えば、セラミックで形成される。排気ダクト３０は、Ｏリング３４を介してチャンバー１２に取り付けられる。Ｏリング３４は、排気ダクト３０の重量によって好適な程度に圧縮される。シャワープレート１４は、Ｏリング３２を介して排気ダクト３０に取り付けられる。Ｏリング３２は、シャワープレート１４の重量によって好適な程度に圧縮される。
さらに、流量制御リング（ＦＣＲ）３６は、排気ダクト３０から一定の間隔で設けられている。ＦＣＲ３６は、Ｏリング３８を介してチャンバー１２に取り付けられる。Ｏリング３８は、ＦＣＲ３６の重量によって好適な程度に圧縮される。
一実施形態では、排気ダクト３０は、ＧＮＤ電位を有するチャンバー１２から電力が供給されるシャワープレート１４を電気的に絶縁している。この目的のために、排気ダクト３０は絶縁体で形成されている。排気ダクト３０およびＦＣＲ３６は、基材処理等に使用されたガスを、シャワープレート１４とサセプター１８との間からガス排出部２４に導く。したがって、一実施形態では、排気ダクト３０およびＦＣＲ３６は、平面図でサセプター１８を取り囲むように環状に形成され、ガスをガス排出部２４に導く。
図２は、シャワープレート１４およびサセプター１８の構成例を例示する断面図である。シャワープレート１４は、本体部１４Ａおよびフランジ１４Ｂを備える。本体部１４Ａは、複数のスルーホール１４ａを有する板状導体である。図２の実施形態では、本体部１４Ａは、サセプター１８の真上に配置され、Ｘ１の幅を有する。本体部１４Ａの下面１４ｂの少なくとも一部には、表面処理された表面処理部４０が設けられている。表面処理部４０は、図２の実施形態では、下面１４ｂの一部上の酸化膜である。この酸化膜は、例えば陽極酸化によって本体部１４Ａを酸化することによって形成されることができる。酸化膜は、例えば、Ａｌ２Ｏ３またはＳｉＯ２である。一実施形態では、表面処理部４０を構成する酸化膜の厚さは、５０μｍ未満である。別の実施形態では、酸化膜の厚さは、１μｍ以下である。表面処理部４０は、スルーホール１４ａを閉じることなく、本体部１４Ａの下面１４ｂの少なくとも一部上に設けられる。
下面１４ｂの一部上に表面処理部４０がある。下面１４ｂでは、それに応じて、表面処理部４０および本体部１４Ａの両方が露出している。すなわち、異なる放射率を有する二つの領域が、下面１４ｂ上に存在する。この実施形態では、表面処理部４０の放射率は、本体部１４Ａの放射率よりも高い。放射率が高いほど熱は多く吸収され、放射率が低いほど熱は吸収されにくくなる。
別の実施形態では、異なる放射率を有する三つ以上の領域が下面１４ｂ上に設けられることができる。例えば、表面処理部として、厚さの異なる二つ以上の酸化皮膜を設けることができる。より具体的には、第一の酸化膜、第一酸化膜よりも厚い第二の酸化膜、および本体部１４Ａが下面１４ｂ上に露出しており、それにより異なる放射率を有する三つの領域を設けることができる。
フランジ１４Ｂは、本体部１４Ａを囲む。一実施形態では、本体部１４Ａと一体的に形成されるフランジ１４Ｂは、本体部１４Ａを取り囲むリング状の導体である。フランジ１４Ｂを使用して、シャワープレート１４を固定することができる。
サセプター１８は、ステージ１８Ａ、ステージ１８Ａを支持するシャフト１８Ｂ、およびステージ１８Ａを加熱するヒーター１９を備える。ステージ１８Ａは、下面１４ｂに面する。一実施形態では、シャフト１８Ｂは、例えば、モータによって、図２の両矢印方向に移動することができる。ヒーター１９として、ステージを加熱するために構成される任意のヒーターを採用することができる。ヒーター１９は、ステージ１８Ａに埋め込まれてもよく、またはステージ１８Ａの下部もしくは側部に配置されてもよい。
図３は、シャワープレート１４の底面図である。一実施形態では、スルーホール１４ａは、第一のスルーホール１４ａ’および第二のスルーホール１４ａ”を備える。第一のスルーホール１４ａ’および第二のスルーホール１４ａ”は、異なるガスを基材に供給するために設けられる。実施形態では、表面処理部４０は、下面１４ｂの中心に形成される。
図４は、別の実施形態による表面処理部を示す断面図である。図４は、表面処理部として設けられる粗面６０を例示する。粗面６０は、表面処理部の周辺と比較して、増加した表面粗さを示す。この実施形態では、粗面６０の表面粗さは、シャワープレート１４の元の表面粗さよりも大きい表面粗さを有する。粗面６０は、例えば、ブラスト処理によって形成されることができる。下面１４ｂの表面粗さが大きいほど、表面積が大きくなる。したがって、表面粗さを増加させることにより、放射率を向上させることができる。
別の実施形態では、下面１４ｂには、表面粗さの程度が異なる三つ以上の領域が設けられ、それにより、放射率の異なる三つ以上の領域を設けることができる。
図５は、さらに別の実施形態における表面処理部を示す断面図である。図５は、表面処理部として設けられるコーティング７０を例示する。コーティング７０の材料は、本体部１４Ａの材料とは異なる。コーティング７０は、スルーホール１４ａを閉鎖することなく設けられる。一実施形態では、コーティング７０の材料は、例えば、Ｙ２Ｏ３またはＹＦ３である。テフロン（登録商標）はまた、コーティング７０として設けられることができる。一実施形態では、コーティング７０の放射率は、アルミニウムを含む本体部１４Ａの放射率よりも高い。別の実施形態では、コーティングの材料は、本体部１４Ａの材料とは異なる任意の材料とすることができる。例えば、コーティングは、溶射またはＣＶＤによって形成されることができる。コーティングの厚さは、自由に決定され、例えば、５０μｍ未満または１μｍ以下とすることができる。
本体部の材料とは異なる材料のコーティングが表面処理部として設けられる場合、異なる厚さを有する二つ以上のコーティングが設けられてもよい。例えば、第一のコーティング、および第一のコーティングよりも厚くなるように、第一のコーティングとは異なる領域に形成される第二のコーティングが設けられることができる。この場合、異なる放射率を有する三つの領域は、下面１４ｂ上に設けられることができる。
表面処理部の一例として、酸化物膜、粗面、およびコーティングが記載されているが、別の例では、別の実施形態の表面処理部が設けられることができる。
図６Ａ〜６Ｈは、表面処理部の配置例を例示する底面図である。図６Ａは、下面１４ｂの中心に表面処理部４０を円形に設ける実施形態を例示する図である。図６Ｂは、下面１４ｂ上にリング形状に表面処理部４０を設ける実施形態を例示する図である。図６Ｃは、特定のセクターを除くほとんどの下面１４ｂ上に表面処理部４０を設ける実施形態を例示する図である。図６Ｄは、下面１４ｂ上に扇形に表面処理部４０を設ける実施形態を例示する図である。図６Ｅは、下面１４ｂの外側のエッジに沿って環状に表面処理部４０を設ける実施形態を例示する図である。図６Ｆは、下面１４ｂの外側のエッジに沿って断続的に表面処理部４０を設ける実施形態を例示する図である。図６Ｇは、表面処理部４０として第一の部分４０ａおよび第二の部分４０ｂを設ける実施形態を例示する図である。第一の部分４０ａおよび第二の部分４０ｂの両方が表面処理を受けているが、それらの放射率は異なる。この例では、第二の部分４０ｂの放射率は、第一の部分４０ａの放射率よりも高い。第一の部分４０ａおよび第二の部分４０ｂの放射率は、本体部１４Ａの放射率よりも高い。したがって、図６Ｇの例では、放射率が異なる三つの領域が設けられている。図６Ｈは、下面１４ｂ上全体に表面処理部４０を設ける実施形態を例示する図である。表面処理部４０は、異なる放射率を有する第一の部分４０ａおよび第二の部分４０ｂを備える。第二の部分４０ｂの放射率は第一の部分４０ａの放射率よりも高く、第一の部分４０ａの放射率は本体部１４Ａの放射率よりも高い。図６Ａ〜６Ｈは単なる例示であり、表面処理部は下面１４ｂ上のどこにでも形成されることができる。
図７は、基材処置方法の実施形態を例示する。この基材処理方法では、最初に、基材５０がステージ１８Ａ上に配置される。基材５０は、基材処理装置で処理される。シャワープレート１４の下面１４ｂは、ステージおよび基材５０に面している。基材５０は、例えば、ウェーハである。基材５０は、表面処理部４０の直下に配置される直下部５０ａと、本体部１４Ａの表面処理部４０以外の部分の直下に配置される非直下部５０ｂおよび５０ｃと、を備える。
次に、例えば、ステージ１８Ａがヒーター１９により４００℃以上に加熱される間に、基材５０をプラズマ処理する。一実施形態では、スルーホール１４ａを介してステージ１８Ａ上にガスを供給しながら、シャワープレート１４に高周波電力を供給することによって、基材５０にプラズマ処理を行う。このとき、下面１４ｂの少なくとも一部上には、表面処理された表面処理部４０が存在するため、下面１４ｂには、放射率の異なるあと二つの領域が存在する。これにより、基材５０の冷却度は、基材５０の面積に応じて異なる。具体的には、基材５０の直下部５０ａは、放射率が高い表面処理部４０に面しているため、熱は容易に放散される。一方、基材５０の非直下部５０ｂおよび５０ｃは、放射率が低い本体部１４Ａに面しているため、熱を放散させることが困難である。図７では、実線の矢印は、直下部５０ａからの熱放散量が多いことを示し、破線の矢印は、非直下部５０ｂおよび５０ｃからの熱放散量が少ないことを示す。したがって、この実施形態では、シャワープレート１４の寄与に関する限り、熱は、直下部５０ａにおいて容易に放散され、熱は、非直下部５０ｂおよび５０ｃにおいて放散することは困難である。したがって、表面処理部を設けることにより、基材温度分布を制御することができる。上記のようなこのようなプロセスは、例えば、高温プラズマ処理として提供されることができる。
一実施形態では、ステージ１８Ａおよびシャワープレート１４の平行平板構造では、基材の中心は、基材の外側のエッジよりも温度が高くなる傾向がある。したがって、基材の中心直上に放射率の高い表面処理部を設けることにより、表面処理部を設けない場合よりも基材の温度を均一に近づけることができる。
別の実施形態では、基材に意図的に温度差を設けるプロセスを採用してもよい。この場合、意図される温度差を得るために、表面処理部の形状を調整することができる。
つまり、表面処理部は、各放射率に対してシャワープレートの下面を複数のゾーンに分割して、基材から放散される熱が平面内で制御されるように設けられる。表面処理部４０は、表面処理部の材料または形状に応じて、下面１４ｂ上の表面処理部以外の領域よりも高い放射率または低い放射率を有する。表面処理部は、シャワープレートの下面を処理することによって容易に設けられることができるため、コスト優位性をもたらす。
図８は、表面処理によって基材温度が調整されることを示すグラフである。円は、Ａｌ製のシャワープレートが使用される場合の基材温度の面内分布の例を示す。矩形は、Ａｌ製の別のシャワープレートが使用される場合の基材温度の面内分布の例を示す。このシャワープレートは、その上全体に酸化膜が形成されており、さらに、その上全体にブラスト処理が行われている。これらの実施形態では、同じプロセスが採用されている。具体的には、Ａｒは３ｓｌｍでチャンバー内に供給され、チャンバー内圧力は６００Ｐａに設定され、ステージとシャワープレートとの隙間は１４．５ｍｍに設定され、サセプター、シャワープレート、およびチャンバー壁面の温度は、それぞれ６５０℃、２４０℃、および１６０℃に設定される。図８によると、酸化膜と粗面の組み合わせを備える表面処理部を設けることにより、基材温度を下げることができることが分かる。
図９は、基材温度が表面処理によって調整されることを示す別のグラフである。図９に、三つの異なるシャワープレートを使用することにより基材に処理を行った場合の直径３００ｍｍの基材の温度分布を示す。円で示すデータは、Ａｌ製のシャワープレートを使用した場合の基材温度の面内分布の例を示す。菱形で示すデータは、Ａｌ製の別のシャワープレートを使用した場合の基材温度の面内分布の例を示す。このシャワープレートは、その下面の中心に、直径１５０ｍｍの領域にブラスト処理によって形成される粗面を有する。矩形で示すデータは、Ａｌ製の別のシャワープレートを使用した場合の基材温度の面内分布の例を示す。このシャワープレートは、その下面の中心に、直径１５０ｍｍの領域に形成される酸化膜およびさらにブラスト処理により形成される粗面を有する。実施形態のいずれかにおいて、Ａｌ材料は、シャワープレートの下面の外側のエッジ側に露出する。図９の全てのデータは、シミュレーションによって得られた。
図９によれば、粗面を形成することによって基材温度を下げることができ、酸化膜上に粗面を形成することによって基材温度をさらに下げることができることが分かる。円で示されるＡｌ製シャワープレートの放射率は０．１であり、Ａｌの粗面の放射率は０．２であり、酸化膜の粗面の放射率は０．３である。
図１０は、基材からシャワープレートに加えられる輻射熱の量を示すグラフである。図１０の結果は、シミュレーションによって得られた。円で示されるデータは、表面全体でアルミニウムが露出しているシャワープレートに関連して得られるデータを示す。アルミニウムの放射率を０．１と仮定する。三角形で示されるデータは、表面全体が酸化膜（ＡｌＯｘ）で覆われているシャワープレートに関連して得られるデータを示す。酸化物膜の放射率を０．２と仮定する。図１０によると、特に基材温度が４００℃以上の高温領域では、基材からシャワープレートへの輻射熱量の差がより大きくなる。換言すると、表面処理部を設けることによる基材の温度低下の効果は、基材温度が高いほどより顕著である。

Claims (12)

  1. 複数のスルーホールを有する板状導体の本体部であって、該本体部の下面の少なくとも一部に表面処理部が設けられており、前記表面処理部に表面処理が行われているにより放射率の異なる二つ以上の領域が前記下面上に存在する、本体部と、
    前記本体部を囲むフランジと、を備えるシャワープレート。
  2. 前記表面処理部が酸化物膜である、請求項１に記載のシャワープレート。
  3. 前記表面処理部が、異なる厚さを有する二つ以上の酸化物膜を備える、請求項１に記載のシャワープレート。
  4. 前記酸化物膜の厚さが５０μｍ未満である、請求項２に記載のシャワープレート。
  5. 前記酸化物膜の厚さが１μｍ以下である、請求項２に記載のシャワープレート。
  6. 前記表面処理部が粗面を有し、前記表面処理部の表面粗さが前記表面処理部の周辺と比較して大きい、請求項１に記載のシャワープレート。
  7. 前記表面処理部が、前記本体部の材料とは異なる材料のコーティングである、請求項１に記載のシャワープレート。
  8. 前記表面処理部が、前記本体部の材料とは異なる材料の異なる厚さを有する二つ以上のコーティングを備える、請求項１に記載のシャワープレート。
  9. 前記コーティングの材料がＹ２Ｏ３またはＹＦ３を含む、請求項７に記載のシャワープレート。
  10. 請求項１から９のいずれか一項に記載のシャワープレートと、
    ステージおよびヒーターを備えるサセプターであって、前記ステージは下面に面し、前記ヒーターは前記ステージを加熱するように構成されている、サセプターと、を備える基材処理装置。
  11. 基材をステージ上に配置することと、
    前記ステージを４００℃以上に加熱しながら、シャワープレートの本体部の下面を前記ステージに向けて前記基材にプラズマ処理を行うことと、を含み、
    表面処理部が前記下面の少なくとも一部上に設けられ、前記表面処理部に表面処理されることにより放射率の異なる二つ以上の領域が前記下面上に存在する、基材処理方法。
  12. 前記表面処理部は、前記下面上の前記表面処理部以外の領域よりも高い放射率を有する、請求項１１に記載の基材処理方法。
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