JP3817414B2 - 試料台ユニットおよびプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、試料台の温度制御方法及び装置と試料処理方法及び装置に係り、特に減圧雰囲気でプラズマ等により処理される試料を保持し温度制御するのに好適な試料台の温度制御方法及び装置と試料処理方法及び装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマを用いた試料の処理においては、処理台の温度分布，プラズマの密度分布及び反応生成物の分布等の均一性の要因によって、これらが均一でないために生じるウエハ面内の処理の不均一が問題となっている。この問題を解決するための一つの手段としてウエハ面内の温度分布を制御することからのアプローチが提案されている。
【０００３】
例えば、試料台の温度を制御するものとして、特開平８−４５９０９号公報に記載のように、試料台を同心円状の複数の温度制御ブロックに分割し、試料台の周辺と中心とを独立して温度調節できるようにし、ウエハが密着固定される面に所望の温度分布を発生させられるようにしたものがある。
【０００４】
また、特開平７−２４９５８６号公報に記載のように、ウエハを保持する電極にその上面の外周縁部及びその内側の複数箇所でそれぞれ開口する第１，第２ガス通路をそれぞれ設け、これらにヘリウムを給排する第１，第２ガス供給手段をそれぞれ接続して、ウエハ面内の温度分布を抑制し、安定したプラズマ処理を施せるようにしたものがある。
【０００５】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、ウエハ面内の温度分布を制御するために、その構造が検討されているが、次のような問題がある。
【０００６】
前者の従来技術は、温度制御ブロックが分割されており、異なる温度の冷媒を流した際に、分割部分で急激な温度差が生じ、ウエハ処理に悪影響を及ぼす恐れがる。また、従来技術の開示を実施しようとした場合、一般的に、図５に示すようなそれぞれの温度制御ブロック６１，６２に対して温度調節循環器６３，６６を２台用いて構成することが考えられる。これによれば、温度調節循環器６３，６６によってそれぞれの温度制御ブロック６１，６２の温度が個別で制御できるが、それぞれに循環経路６４−６５，６７−６８が必要になるためタンク６３１，６６１及びポンプ６３２，６６２もそれぞれに２台必要になり、装置が大型化すると共にコストが増大するという問題がある。
【０００７】
また、後者の従来技術は、それぞれの冷却ガスについて圧力制御を行なう必要があり、構造が複雑で、ウエハの保持状態によってもウエハ裏面の圧力分布が変わり、面内での圧力分布を制御するのが難しいという問題がある。
【０００８】
本発明の第１の目的は、試料の均一処理を行うために、試料面内の温度分布を制御することのできる試料台の温度制御方法及び装置を提供することにある。
【０００９】
本発明の第２の目的は、試料を均一に処理することのできる試料処理方法及び装置を提供することにある。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
上記第１の目的は、減圧下で熱を受けながら処理される試料を保持する試料台の温度制御方法において、試料台内部に形成された複数の冷媒流路を直列に連結し、冷媒流路間で冷媒の温度を変更して次の冷媒流路に供給し、該冷媒流路から出た変更された冷媒をもとの温度に戻し、該もとの温度に戻った冷媒を温度変更する前の冷媒が通過した冷媒流路に戻し、冷媒を複数の冷媒流路内で循環させることにより、達成される。
【００１１】
また、減圧下で熱を受けながら処理される試料を保持する試料台の温度制御方法において、試料台内部に形成された複数の冷媒流路を直列に連結し、冷媒流路間で冷媒を加温して次の冷媒流路に供給し、該冷媒流路から出た加温された冷媒を冷却して、該冷却された冷媒を加温する前の冷媒が通過した冷媒流路に戻し、冷媒を複数の冷媒流路内で循環させることにより、達成される。
【００１２】
また、減圧下で熱を受けながら処理される試料を保持する試料台の温度制御装置において、試料台内部の異なる位置に複数の冷媒流路を形成し、それぞれの冷媒流路を連続的に接続し、隣合う冷媒流路を接続した流路の途中に温度制御手段を設けることにより、達成される。さらに、温度制御手段は加温装置により構成される。また、複数の冷媒流路は外周部に設けた第１の冷媒流路と、その内側に該第１の冷媒流路と距離をおいて設けられた第２の冷媒流路とにより構成される。
【００１３】
上記第２の目的は、減圧下での処理によって昇温する試料を保持して該試料を処理する試料処理方法において、試料直径の中央部から外周に向けて温度が低下する温度勾配を設けた試料台に試料を静電吸着して、吸着保持された試料と試料台との間に伝熱ガスを供給し、試料を処理することにより、達成される。
【００１４】
また、減圧下で試料を保持しプラズマ処理する試料処理方法において、プラズマ処理によって生じる反応生成物の分布に合わせ、試料台内部に温度勾配を設けた試料台に試料を静電吸着して、吸着保持された試料と前記試料台との間に伝熱ガスを供給し、試料を処理することにより、達成される。
【００１５】
また、処理室内で試料を処理する処理装置において、試料が配置される試料台の内部に複数の冷媒流路を離して設け、複数の冷媒流路を直列につないで、冷媒流路間のつなぎ部分で冷媒の温度を加温して次の冷媒流路に供給した構成とすることにより、達成される。
【００１６】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の一実施例を図１及び図２により説明する。
【００１７】
本発明の基本構成図を図１に示す。試料台１０内の外周部に第１の冷媒路２２を設け、その内側に第２の冷媒流路を設ける。第１の冷媒流路の一端は流路２１を介して温度制御循環器２０の供給側に接続し、他端は流路２３を介して第２の冷媒流路２４の一端に接続してある。第２の冷媒流路２４の他端は流路２５を介して温度調節循環器２０の回収側に接続してある。流路２３と流路２５との途中には温度制御装置３０が設けてあり、流路２３の途中には加温装置、例えば、温度センサ３３によって冷媒温度を測定し制御装置３２によって温度制御されるヒータを設け、流路２５の途中には冷却装置、例えば、常温の冷却水によって冷却する熱交換器を設けてある。温度調節循環器２０には図示を省略されたタンクとポンプが設置してあり、タンク内で冷媒が温調され、ポンプで冷媒を循環している。
【００１８】
この構成により、タンク内で温度調節された冷媒は、第１の冷媒流路２２に導入され、第１の冷媒流路２２を流れることによって、試料台１０の外周辺を第１の所定温度に冷却する。次に、第１の冷媒流路２２を出た冷媒は、温度制御装置３０の加温装置３１によって所定の温度に加温されて第２の冷媒流路２４に導入され、第２の冷媒流路２４を流れることによって、試料台１０の中央部を第２の所定温度に冷却する。第２の冷媒流路２４を出た冷媒は、温度制御装置３０の冷却装置３２によって所定の温度に冷却されて、この場合、常温の冷却水と熱交換されて温度調節循環器２０に回収される。
【００１９】
このように、試料台１０に導入された冷媒は、一定区間を通り温度制御装置３０により温度変更されて再度、試料台１０に導入される。このときの温度差によって試料台１０の表面に温度分布が形成される。
【００２０】
上記構成の試料台での表面温度の分布設定は、図２に示すように、例えば、ウエハのプラズマ処理時における反応性生物の発生分布に合わせ、その温度分布を調整する。すなわち、反応性生物の多い部分では試料温度を高くして反応性生物の再付着を抑制し、ウエハ全体での処理速度を均一化させる。図２に示した例では、ウエハ面内の反応生成物の分布を図２（ａ）の線図４０に示し、試料台１０の表面温度分布を図２（ｂ）の線図５０に示し、このときの試料台の冷媒流路配置位置を図２（ｃ）に示している。図２（ａ）のように、ウエハをプラズマエッチングするときの反応性生物の発生する分布がウエハ中央部で多く、ウエハ周辺に向かうに従い徐々に反応生成物の発生が少なくなる分布の場合には、この反応生成物分布に合わせプラズマ処理されるウエハの温度分布を合わせるようにする。したがって、試料台１０のウエハ載置面の温度分布を図２（ｂ）に示すように、中央部で温度を高くし、ウエハの外周部に向かうに従い徐々に温度が下がる分布とする。このような温度分布を得るために、本実施例では図２（ｃ）に示すように冷媒流路を配置する。すなわち、中央部の温度が高い部分の範囲に対応して第２の冷媒流路を設け、ウエハ９の外周より外側に対応する部分に第１の冷媒流路を設ける。第２の冷媒流路と第１の冷媒流路との間に距離を設けることにより、温度の高い中央部から周辺に向かって温度勾配ができ、温度を徐々に下げることができる。
【００２１】
以上、本実施例によれば、試料台の試料配置面に温度勾配を形成することができるので、試料面内に急激な温度変化がなく必要に応じた試料面内の温度分布を形成することができる。
【００２２】
また、冷媒の循環系が１つなので、タンクやポンプを複数設ける必要がなく、装置を簡単にすることができる。
【００２３】
さらに、冷媒温度の変更は、加温するだけなので温度制御が簡単に行える。また、もとの温度に戻す際も、常温の水を用いているので、温度制御装置を簡単に構成することができ、実用的である。
【００２４】
なお、本実施例では、冷媒を循環させる構成としているが、第１の循環路に供給する冷媒温度が常温程度又はそれ以上であれば、図３に示すように、簡単な温度調節器２０ａで温度制御でき、水を循環させることなく、流すだけの簡易な試料の温度制御装置とすることができる。温度調節器２０ａは、常温異常の温度であれば、ヒータ等の加温器でよく、また、常温よりも少し低い温度程度であればクーラー等のヒートポンプ式の熱交換器を用いることで、簡易な温度調節器を構成することができる。
【００２５】
また、試料台の温度分布は冷媒の溝形状や配置・本数により任意に設定でき、ウエハ上の処理を均一にできるようにプラズマの分布，排気系の位置等により影響を受けて形成される反応生成物の分布に応じて、温度分布を決める必要があり、上述の冷媒流路配置に限定されるものではない。例えば、排気口が偏た位置に設けられており、反応生成物の分布が排気口側に向かうに従い分布の値が小さくなるように偏りを生じた場合、排気方向への反応生成物の付着量を増加させるように、温度分布の値を下げ冷たい冷媒の流れる溝を排気方向に設ける。
【００２６】
次に、上述の図１の基本構成を用いた試料台をプラズマエッチング装置に適用し、その実施例を図４により説明する。１は処理室であり、内部に被処理物である試料、例えば、ウエハ９が載置される試料台１０を備えている。試料台１０は、この場合、ウエハ配置面が形成され冷媒流路の溝が加工された電極ａ１１と、該溝を覆って冷媒流路を形成する電極ｂ１２と、電極ａ１１，電極ｂ１２の側面及び下面を覆うカバーａ１３，カバーｂ１４と、電極を支持する電極支持軸１５とから成る。電極支持軸１５の端部と処理室１底部とはベローズ２によってつながれ、真空雰囲気を保って試料台１０を処理室１内で上下動可能になっている。処理室１内には、処理ガス導入口３から処理用ガスが供給され、また、処理室１内は、排気口４に連結された真空ポンプ（図示省略）により排気される。７はプラズマ発生源であり、処理室１内にプラズマ８を発生させる。電極支持軸１５には電極ａ１１のウエハ配置面につながる伝熱ガス供給路１６が形成してあり、伝熱ガス供給源（図示省略）がつながる。伝熱ガスは、例えば、Ｈｅガスであり、ウエハ裏面と試料台との間の伝熱ガス圧力が所定値になるように、伝熱ガス圧力制御系（図示省略）によってその供給量を制御される。また、電極支持軸１５には、プラズマ中のイオンに入射エネルギを与えるための高周波電源５と、ウエハ９を電極ａ１１上に静電吸着するための直流電源６とが接続されている。電極ａ１１はアルミ製の材料で成り、上面にはアルミナセラミックス等の溶射膜が設けられ静電吸着用の誘電体膜を形成する。
【００２７】
なお、ここで、試料台１０の温度制御を行う温度調節循環器２０及び温度制御装置３０を用いた冷媒の供給は、前述した基本構成に基づくものであり、説明を省略する。
【００２８】
また、プラズマ発生源としては、容量結合方式，誘導結合方式及びマイクロ波又はＵＨＦ波を用いたＥＣＲ方式等があり、プラズマの発生方法に限定されるものではない。
【００２９】
次に、上述のプラズマエッチング装置を用いたＡｌ配線膜のエッチング処理を例に説明する。まず、処理室１内に処理用ガスとしてＢＣｌ３／Ｃｌ２の混合ガスを所定の流量で処理ガス供給口３から導入し、これとともに真空ポンプによって真空排気し、処理圧力を２Ｐａに保持する。次に、プラズマ発生源７としてマイクロＥＣＲ源を用いて処理室１内の処理用ガスをプラズマ化しプラズマ８を発生させる。また、この場合の真空排気によるガス流れは、試料台下方に排気され、試料台周辺では均等に排気されることが望ましい。
【００３０】
また、試料台１０では、ウエハ周辺が２０℃になるように第１の冷媒流路を流れる冷媒温度を温度調節循環器２０によって設定し、ウエハ中央部が６０℃になるように加温装置３１によって加温し第２の冷媒流路を流れる冷媒温度を設定する。これにより、ウエハ中央部と外周部との間には４０℃の温度勾配が設定される。ウエハ中央部の６０℃の範囲は、この場合、ウエハ直径の約１／３が設定されている。
【００３１】
このように温度設定されている試料台１０上には、ウエハ９が配置されて静電吸着保持され、伝熱ガス供給路１６よりＨｅガスが供給される。静電吸着装置はウエハ外周部からＨｅガスの漏洩を抑制するように全周囲が静電吸着されるとともに、伝熱ガス圧力によるウエハ９中央部の浮上りを防止するように部分吸着される。これにより、試料台１０に形成された温度分布に合わせ、ウエハ９を冷却できる。
【００３２】
ウエハ９は、Ａｌ合金とＴｉＮのバリヤメタルを積層した配線膜用の膜とパターン化されたレジスト膜とが形成されたものであり、上述の条件によりエッチング処理した。その結果を、試料台に温度勾配を設けない場合と比較すると、ウエハ中央部と外周部におけるＣＤシフト差は表１に示すように、ほぼ半分に減少し改善できた。
【００３３】
【表１】

【００３４】
これはすなわち、プラズマエッチングによって発生する反応性生物の分布が、プラズマの発生によるプラズマ密度の分布や真空排気流れ等の要因によって、ウエハ中央部で多く存在し、ウエハ外周部で少なくなる分布となっていることに対して、この反応性生物の分布に合わせて試料台１０に温度勾配が形成してあるので、反応生成物の多く存在する中央部ではウエハ温度が高く反応生成物の再付着が抑制されて、ＣＤシフト量の増大を抑制できるものである。また、ウエハ外周に向けて反応生成物の存在量の減少に合わせてウエハ温度も低下させてあるので、反応生成物の再付着確率が徐々に少なくなるに従いウエハ温度も低下して反応生成物の再付着が抑制され、ほぼウエハ中央部と同様のＣＤシフト量となる。これにより、ウエハ面内でのＣＤシフト差を小さくし、改善することができる。
【００３５】
なお、この方法は、形成されるパターンに粗密がある場合は、特に効果的であった。
【００３６】
上述の実施例では、プラズマエッチング装置を例に説明したが、減圧雰囲気内でウエハ等の被処理物が加熱されながら処理される処理装置に広く適用することができる。例えば、プラズマを利用した処理装置としては、プラズマエッチング装置、プラズマＣＶＤ装置、スパッタリング装置等が挙げられる。また、プラズマを利用しない処理装置としては、イオン注入、ＭＢＥ、蒸着、減圧ＣＶＤ等が挙げられる。
【００３７】
【発明の効果】
本発明によれば、試料の均一処理を行うために、簡単に構成した装置により試料面内の温度分布を制御することができるという効果がある。
【００３８】
また、試料を均一に処理することができるという効果がある。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の一実施例である試料台の温度制御構成を示す概略図である。
【図２】ウエハ面内の反応生成物の分布とウエハ配置面の温度分布と冷媒流路の配置位置との関係を示す図である。
【図３】本発明の他の実施例である試料台の温度制御構成を示す概略図である。
【図４】図１の構成の試料台を用いたプラズマエッチング装置を示す構成図である。
【図５】従来の温度制御の実施例を示す概略図である。
【符号の説明】
１０…試料台、２０…温度調節循環器、２１，２３，２５…流路、２２…第１の冷媒流路、２４…第２の冷媒流路、３０…温度制御装置、３１…加温装置、
３２…冷却装置。

Claims (8)

1. プラズマを用いて処理される試料を保持する試料台ユニットにおいて、
   前記試料台内であって且つ当該試料台の外周側に渦巻状に設けられた第１の冷媒流路と、前記試料台内の第１の冷媒流路と同一面であって且つ前記第１の冷媒流路の内側に渦巻状に設けられた第２の冷媒流路と、前記第１または第２の冷媒流路に冷媒を循環させる循環手段を備え、
   前記第１および第２の冷媒流路のそれぞれは、外周側の流路端から冷媒を導入し、内周側の流路端から冷媒を排出するようにしたことを特徴とする試料台ユニット。
2. 請求項１記載の試料台ユニットにおいて、
   前記第１の冷媒流路の冷媒を排出する流路端と前記第２の冷媒流路の冷媒を導入する流路端は、連絡用の流路で接続され、前記第１の冷媒流路からの冷媒が前記第２の冷媒流路へ導入されることを特徴とする試料台ユニット。
3. 請求項２記載の試料台ユニットにおいて、
   前記連絡用の流路に、冷媒の温度制御手段を設けたことを特徴とする試料台ユニット。
4. 請求項１記載の試料台ユニットにおいて、
   前記循環手段は、冷媒の温度制御機能を備えることを特徴とする試料台ユニット。
5. 排気用のポンプが接続された処理室と、当該処理室内に処理ガスを導入する手段と、前記処理室内に設けられ且つ試料が載置される試料台を有し、前記処理室内にプラズマを生成して前記試料を処理するプラズマ処理装置において、
   前記試料台は、当該試料台内であって且つ当該試料台の外周側に渦巻状に設けられた第１の冷媒流路と、前記試料台内の第１の冷媒流路と同一面であって且つ前記第１の冷媒流路の内側に渦巻状に設けられた第２の冷媒流路を備え、
   更に、前記第１の冷媒流路の外周側の流路端に接続された第１の冷媒導入口と、前記第１の冷媒流路の内周側の流路端に接続された第１の冷媒排出口と、前記第２の冷媒流路の外周側の流路端に接続された第２の冷媒導入口と、前記第２の冷媒流路の内周側の流路端に接続された第２の冷媒排出口とを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
6. 請求項５記載のプラズマ処理装置において、
   前記第１の冷媒流路に冷媒を循環させる循環手段と、前記第１の冷媒導入口と前記循環手段を接続する流路と、前記第１の冷媒排出口と第２の冷媒導入口を接続する連絡用の流路と、前記第２の冷媒排出口と前記循環手段を接続する流路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記載のプラズマ処理装置において、
   前記連絡用の流路に、冷媒の温度制御手段を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
8. 請求項５記載のプラズマ処理装置において、
   前記循環手段は、冷媒の温度制御機能を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。

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