JP3881908B2

JP3881908B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP3881908B2
Application number: JP2002049921A
Authority: JP
Inventors: 誠一郎菅野; 健吉岡; 良司西尾; 三郎金井; 秀樹木原; 浩司奥田
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-02-26
Filing date: 2002-02-26
Publication date: 2007-02-14
Anticipated expiration: 2022-02-26
Also published as: JP2003249541A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明はウエハ処理装置用のウエハステージに係り、特に高温（２００ないし５００℃程度）処理に好適なウエハステージに関する。
【０００２】
【従来の技術】
次世代の半導体デバイスのキャパシタ電極材料として、誘電率の高いキャパシタ絶縁膜との相性等から、ルテニウムやその酸化物あるいは白金等がその有力な候補になっている。また、酸化シリコンに代わるゲート絶縁膜として、酸化ジルコニウム、酸化ハフニウムなどが、また、キャパシタ絶縁膜としてＰＺＴ（白金とジルコニウムとチタンの化合物）、ＢＳＴ（バリウムとストロンチウムとチタンの化合物）などが検討されている。このように将来の半導体デバイス材料として各種の新材料が検討されている。しかしながら、これらの新材料は熱的、化学的に安定で揮発性が極めて低く、不揮発性材料と呼ばれている。
【０００３】
これら不揮発性材料のエッチング加工は、処理中のウエハの温度を高温に保つことが必須となる。従来のエッチング処理装置ではウエハの温度は−５０℃程度の低温から１００℃程度までが一般的であるが、この程度の温度では前記不揮発性材料は化学的に安定であるためにエッチングできない。このため、前記不揮発性材料を使用する場合は２００℃から５００℃といった高温で処理する必要がある。
【０００４】
ウエハを高温で処理する処理装置を実現するためには、ウエハを高温に加熱できるだけでなくプラズマからの入熱がある場合にもウエハの温度分布を均一に且つ応答性よく温度制御できるウエハステージが必要となる。
【０００５】
特開平７−１７６６０１号公報には、ウエハを保持するペデストラルとその下に設ける熱源およびシンク間にガス空隙空間を設けて、このガス空隙空間に導入するガスの圧力を制御することにより処理中のウエハの温度を応答性よく制御する方法が示されている。
【０００６】
また、特開平２００１−１１０８８５号には、ウエハを保持するための保持部材と冷却を行うための冷却部材間にガスを封入、排出できる伝熱ガス室を設け、更に前記保持部材側に発熱体を設けてウエハを高温に保持することが示されている。
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
前記特開平７−１７６６０１号公報の例では、ウエハを保持するペデストラルと熱シンク間に設けた空隙空間にガスを封止するために、ペデストラルと熱シンクを溶接し、あるいはＯリングを狭持して固定している。ペデストラルと熱シンクを溶接により固定した場合は、ウエハを保持するペデストラルを寿命あるいは事故等により交換するとき、交換の範囲が広くなりがちで作業が大がかりなものとなる。また、溶接による接続は、ペデストラルと熱シンクの双方とも金属に限られる。また、Ｏリングを狭持して固定する場合は、Ｏリングの耐熱温度により使用可能な温度範囲が限られ、せいぜい２００℃程度がその上限である。
【０００８】
特開平２００１−１１０８８５号の例も、特開平７−１７６６０１号公報の例と同様に、ウエハを保持する保持部材と冷却部材を溶接、あるいはＯリングを介してボルト締めする方法が開示されており、前述したのと同様な問題を抱えている。
【０００９】
また、この例ではウエハ温度の面内均一性を向上する目的で、冷却部材に設けた凹部の領域内に高さを変化させた領域を設け、冷却部材と支持部材間の熱コンダクタンスに分布を持たせ、これによりウエハ面内温度分布を改善する方法が示されている。しかしながら、このような構成では、ある使用温度の場合に最適化された温度分布を実現できる冷却部材構造を採用した場合、他の使用温度においてはウエハ面内温度分布が変化してしまうことがある。この現象は特に４００℃あるいは５００℃といった高温での使用の場合に問題となる。すなわち、４００℃あるいは５００℃といった温度領域ではウエハステージからの輻射による熱の逃げが相対的に増加し、ウエハ面内温度分布を悪化させる原因となるからである。本来からいえば、ウエハステージの温度分布は広い温度範囲において均一であるのが望ましい。そのためにはウエハステージからの熱の逃げは少なく、冷却部材との熱のやり取りは面内で均一であるほうが有利である。しかしながらこの例においてはウエハステージからの熱の逃げを低減する方法については言及していない。本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、高温で且つ広い温度範囲でウエハの温度分布を均一に保つことができるウエハステージを提供する。また、前記ウエハステージを用いたウエハ処理に際してウエハに温度変化による障害を与えることのないウエハ処理方法を提供する。
【００１０】
【課題を解決するための手段】
本発明は、上記の課題を解決するために次のような手段を採用した。
【００１１】
真空チャンバ内に配置され、冷却液が流れる通路がその内側に配置された液冷ジャケットと、その内側にヒータと静電チャック用の電極とが配置され前記液冷ジャケット上に取り付けられたセラミックス製の上部部材とを有し、前記上部部材上にウエハが載置されるステージと、前記真空チャンバ内側を排気する排気ポンプとを備え、前記ステージ上方に形成したプラズマを用いて前記ウエハの処理が行われるプラズマ処理装置であって、前記液冷ジャケットと前記上部部材との間に配置されその内側がシールされるギャップと、前記ウエハが前記ステージ上に載置されている間においてギャップ内の圧力を真空の状態から所定の圧力の間で可変に調節するためのバルブとを備えた。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の実施例を図にしたがって説明する。図1、２に本発明の第一の実施例を示す。図１は本発明のウエハステージをプラズマ処理装置に適用した例、図２は図１に示すウエハステージを拡大した図、図３は水冷ジャケットの斜視図である。
【００１３】
図１に示すように、真空チャンバ９内にエッチングガス１１を導入し、ターボ分子ポンプ１３の上流に設置したバルブ１２の開度調節によりチャンバ内を適切な圧力に保つ。真空チャンバ９の上部にはアルミナ製のベルジャ１０が積載してあり、このベルジャの周囲にはコイル７が設置してある。コイル７を高周波電源８に接続し、コイルの両端に高周波電圧、例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電圧を印加することにより誘導結合方式のプラズマ６を発生させる。このプラズマにウエハ１を曝すことによりエッチング処理を実施する。処理中、ウエハはウエハステージ２上に載置され、温度管理されている。
【００１４】
また、ウエハにバイアス電圧を印加するために、ウエハステージには高周波電源５を接続している。また、この高周波電源の給電ラインにはウエハステージに静電チャック機能を付与するために直流電源２２が接続してある。なお、図において、３はエッチングガスの流量を制御する流量制御器、４はゲートバルブである。ゲートバルブ４はウエハの搬送時には開となり、ウエハを搬送する図示しない搬送アームが前記ゲートバルブ４を通して前進または後退する。
【００１５】
次に、図２、図３を用いて本発明のウエハステージを詳細に説明する。ウエハステージ２は大きく分けると、冷却用の水冷ジャケット１４の上に、ヒータ機能及び静電チャック機能を有するセラミックス板１５をボルトで固定して搭載した構成となっている。
【００１６】
セラミックス板１５の材質は熱伝導率の大きな窒化アルミであり、内部にヒータ１６を埋設してある。したがって、ヒータ１６に電力を投入することによりセラミックス板を加熱することができる。なお、セラミックス板を窒化アルミで構成するのは、窒化アルミは熱伝導率が高いため面内に温度差がつきにくくなり、ウエハの温度分布を均一化することができるためである。しかし、必ずしも窒化アルミである必要があるわけではなくその他の材質であってもよい。
【００１７】
また、前記セラミックス板１５内部のヒータ１６上には、ウエハステージに静電チャック機能及びＲＦバイアスを与えるための内部電極１７を埋設してある。この内部電極１７に直流電圧を印加すれば、内部電極１７とウエハ１（ウエハはプラズマに曝されておりほぼアース電位）間に電位差が発生し、内部電極とウエハ裏面間に電荷が蓄えられてクーロン力によりウエハはセラミックス板に吸着固定される。また、内部電極１７には直流電圧のほかにウエハにバイアス電力を投入するための高周波電圧を印加する。図１の高周波電源５がこの役割を果たす。電気回路的には静電チャック用の直流電源２２をコイル２１を介して給電ライン１９に接続する。本実施例で給電ラインに相当するのは支持部材内に設けた中空のシャフト２０である。この中空シャフトを介して内部電極１７に高周波電圧を印加してウエハにバイアス電圧を印加すれば、プラズマ中のイオンをウエハに効果的に引き込むことができる。これによりエッチングレートが増加し、更にエッチング形状が改善されるなどの効果が期待できる。
【００１８】
なお、前記ヒータ１６及び内部電極１７はその配置の仕方によって得られる効果が異なるので以下に説明する。図４（ａ）には第一の実施例と同様な内部電極１７の配置の拡大図を示す。この例の場合では内部電極１７はセラミックス板１５の凸部内のみに配置してあるため、ウエハのみを吸着し、ＲＦバイアスもウエハのみに印加される。すなわちサセプタ７５は静電吸着されず、ＲＦバイアスもかからない。したがって、サセプタ７５はプラズマによりエッチングされることがない。これに対して図４（ｂ）の例の場合には、セラミックス板の内部電極１７と電気的に接続した第二の内部電極７６が内蔵されている。この方式ではウエハだけでなくサセプタ７５も静電吸着され、更にサセプタ７５にＲＦバイアスも印加されることになる。すなわち、この方式はデポ性（堆積性）の強いエッチングプロセスに有利な方法を提供する。すなわち、デポ性が強いプロセスの場合、図４（ａ）の方式ではサセプタにデポ（堆積物）が付着し、次いで、付着した前記堆積物が剥離してウエハ表面に異物として載ることがあり、歩留まりの低下を引き起こす。これに対して図４（ｂ）の例の場合には、サセプタに付着した堆積物はＲＦバイアスが印加されることによりエッチングされ、結果としてウエハ表面に付着する異物が少なくなり歩留まりが上がるという利点がある。
【００１９】
次に、図５を用いてヒータの外径の違いによる効果の違いを説明する。図５（ａ）は第一の実施例と同じように、ヒータ１６の外径をセラミックス板の凸部の外径とほぼ同じに配置した場合である。この場合は、プラズマからの入熱量が大きい場合に、ウエハ温度分布を均一化する手法として有効な方法である。つまり、図５（ｂ）のヒータ外径をセラミックス板の凸部より大きくして、セラミックス板の外径付近まで伸びている場合には、セラミック板のほぼ全面にわたり均一に加熱できるので、プラズマ入熱がないか、もしくは入熱が小さい場合にはウエハ温度分布を均一化しやすいメリットがある。しかし、プラズマ入熱が大きい場合には、セラミックス板の温度を下げる必要があるためにヒータへの出力を小さくする必要がある。この場合は外周付近の入熱量に比べて凸部領域の入熱量が相対的に大きくなってしまう。その結果、ウエハ外周の温度が相対的に低くなりウエハ面内に温度分布が発生してしまう。
【００２０】
これに対し、図５（ａ）の場合にはヒータは凸部領域とほぼ同じ範囲となっており、このヒータ配列でウエハ温度分布が均一化されているため、プラズマ入熱が大きく、ヒータ出力が低下した場合でも、もともとの状態とほぼ同じ領域のみの入熱分布となるので、結果ウエハ温度分布が悪化することがない。
【００２１】
なお、前記内部電極の構造やヒータ外径に関しては、実際に使用する場合の条件に応じて適宜、最適化しておけばよい。また、本発明はこれらをいずれの組み合わせで使用するかを限定するものではない。
【００２２】
以上のように、内部電極にバイアス電圧を印加してウエハを処理するとウエハはプラズマからの入熱により温度が上昇する。入熱量が小さい場合には問題にならない場合もあるが、通常半導体の製造プロセスではウエハの温度管理をしっかり行わないとエッチング特性が悪化する。前述したようにウエハの温度を高温に保つためには、プラズマからの入熱がないときにはヒータによりセラミックス板を加熱し、処理が始まりプラズマからの入熱があるときにはウエハへ入射した熱を取り除く必要がある。このための対策として、本実施例では、図２に示すようにセラミックス板１５と水冷ジャケット１４間に０．５ｍｍのギャップ１８を設け、このギャップに１ｋＰａ以下程度の圧力のヘリウムガスを導入している。２３はヘリウムガス導入口、２４はヘリウムガス排気口である。つまり、プラズマからの入熱が無くウエハを高温に保持する必要がある場合にはバルブ２５を閉じバルブ２６を開くことによりギャップ内の圧力を処理室と同一（通常数Ｐａ以下程度）とし、これにより真空断熱する。一方、プラズマからの入熱によりセラミックス板を冷却する必要がある場合にはバルブ２５を開きバルブ２６を閉じギャップにヘリウムガスを導入しセラミックス板から水冷ジャケットへの熱の流れを確保し冷却する。この際、ギャップ内のヘリウムガスの圧力はバルブの下流に圧力計２７を設けておき流量制御器２８の動作を制御すればよい。
【００２３】
また、ウエハを処理する処理室の圧力は前述したように数Ｐａ以下程度であるため、ウエハ裏面とセラミックス板間にもヘリウムガスなどの伝熱ガスを導入する必要がある。本実施例では、内部電極に高周波電圧と直流電圧を印加する支持部材に内蔵された中空のシャフトを通じて供給される。すなわちセラミックス板の中心に設けた貫通穴からヘリウムガスをウエハ裏面に導入する構成となっている。
【００２４】
水冷ジャケットの内部には冷却用に水を循環させるための溝４６が設けてある。本実施例では冷却水はクリーンルーム内に装備された冷却水を使用している。溝への冷却水の流し込みと排水はフレキシブルな配管（図示しない）を使用する。また、バルブ２５とヘリウムガス導入口２３間の配管はフレキシブルな配管３０を使用する。これにより、ウエハステージ２全体の上下動に対応することができる。また、図中には冷却水の入り口のみを記載し、戻り側は省略している。なお、本実施例では、冷媒として水を利用したが必ずしも水に限るものではない。例えばフロリナートやガルデン（いずれも商品名）といたフッ素系の冷媒を使うことも可能である。しかし、水を使用する場合は、冷媒を循環させる部品（本例では水冷ジャケット）との間の熱伝達率が大きいために、ギャップ１８のヘリウムガス圧力が同一の場合、セラミックス板との間の熱移動量が大きく取れるメリットがある。逆にいえば、同じ熱移動量を確保するために必要な圧力が低くてすむ。すなわち、装置設計を行う上で、ヘリウムのシール条件が緩和されるので大きなメリットとなる。
【００２５】
ウエハの搬送は、図示しない上下機構によるベローズ３５の伸縮動作によりウエハステージ２を上下動作させ、固定しているプッシャピン３２によりウエハをセラミック板から引き剥がすことにより行うことができる。
【００２６】
次に、本発明の特徴である、５００℃程度の高温までの広い温度範囲にわたり応答性よく、かつ均一な分布でウエハ温度を制御するためになされた対策について説明する。
【００２７】
本実施例のように、セラミックス板と水冷ジャケット間にヘリウムガスを導入する場合には、ヘリウムガスのリークを抑えることが重要な技術課題となる。本実施例では、ウエハステージを５００℃程度の高温領域まで使用できるように、従来技術のようなＯリングを使用せず、内部にコイルバネを保持した金属性のシールを使用する。例えば、図２及び図３において、３１及び３１’は水冷ジャケット１４の外周から処理室にリークするのを防止するためのシール及びシール嵌入溝である。また、ウエハをステージから引き剥がし搬送するためのプッシャピン３２の周りには径の小さな同様の機能を有するシール３３及びシール嵌入溝を使用している。また、ヒータへの給電部３４まわりや、セラミックス板の温度を測定するためのシース熱電対（図１、２には記載せず。後に説明。）のまわりにもそれぞれの部品のサイズに合った適切な径のシール及びシール嵌入溝が設けてあり、ヘリウムガスのリークを防止している。本実施例のシールを使用した場合、Ｏリングとは異なり５００℃程度の高温まで十分利用できる。また、単なるメタルシールの場合と比べても、内部のコイルバネの弾性作用により締め付けトルクが小さくてすむ、熱膨張によりシールする部材の位置関係が多少変化しても追随してシール効果が持続する、あるいは繰り返し使用可能である、などの効果が期待できる。また、本実施例ではメタルシール内に設けたバネはコイルバネであったが、その他に板バネなども考えられる。重要なのはシールが内部に保持した弾性を有する部材で変形可能であるという点である。
【００２８】
次の対策として、本実施例ではウエハ温度分布を均一化するために、セラミックス板の温度分布を均一化する。このため、セラミックス板を水冷ジャケットに固定するためのボルトを通しての伝熱、及びセラミックス板から水冷ジャケットへの熱の逃げあるいは水冷ジャケット側面からの輻射による熱の逃げを低減する対策がなされている。
【００２９】
例えば、本発明ではセラミックス板を水冷ジャケット１４に固定するボルトを介して伝導するの局所的な熱の逃げを低減するためにジルコニアセラミックス製ボルト３６を使用している。ジルコニアセラミックスは熱伝導率が３Ｗ／ｍＫ程度と非常に熱伝導率が低い上、破壊靭性値も大きく機械強度的に優れた特徴を持っている。したがって、セラミックス板を固定するボルトの材料として適している。
【００３０】
また、本実施例ではセラミックスの板が５００℃程度の高温まで加熱された場合にも、セラミックスネジが折れることが無いよう、セラミックス板に設けたボルト穴の径がセラミックス板の熱膨張を許容する程度に大きする工夫がなされている。具体例で説明する。本実施例ではジルコニアボルトはＭ４ネジであり、半径１１０ｍｍの位置で固定するように設計されている。セラミック板が室温の２０℃から５００℃に加熱された場合、熱による半径方向の膨張はジルコニアの膨張係数が５×10^-6（１／Ｋ）であることから、（５００−２０）×５×10^-6×１１０＝０．２６ｍｍとなる。したがって、最低でも片側０．２６ｍｍは余裕を見る必要があり、この場合４．５２ｍｍとなる。しかし実際には組み立ての余裕を見てφ５としている。
【００３１】
次に、本実施例ではセラミックス板からの輻射による熱の逃げを防止する目的で、水冷ジャケットの表面３７には鏡面研磨が施されている。水冷ジャケットの表面を鏡面研磨した場合とそうでない場合の熱の逃げを見積もってみる。本実施例ではセラミックス板の直径は２４０ｍｍであった。セラミックス板の表面の放射率は０．８で、水冷ジャケットの表面の放射率は鏡面研磨しない状態では０．３、鏡面研磨した状態では０．１であった。放射率の測定は試料を加熱して放射率を測定する直接法や、FTIRを用いて反射スペクトルを測定し得られた分光反射率をもとに算出する間接法で測定可能である。水冷ジャケットは冷却され３０℃に保たれており、セラミックス板の温度を５００℃に保った場合、研磨しなかった場合には約２５０Ｗもの熱量が逃げることになる。これに対し、鏡面研磨した場合では約９０Ｗとおよそ１／３程度まで低減される。
【００３２】
次に、セラミックス板の外周からの熱の逃げを低減するために、本実施例ではセラミックス板を囲むように表面にクロムめっきを施した輻射断熱材３８を設けている。前記輻射断熱材の効果について見積もってみる。本実施例ではセラミックス板の厚みは２０ｍｍであった。輻射断熱材が無い場合、室温程度（仮に２５℃とする）に保たれた真空チャンバの内壁（放射率０．３と仮定する）へにげる輻射熱は約８０Ｗであるが、輻射断熱材ありの場合（表面の放射率を０．１と仮定する）約３０Ｗと半分以下に抑えられる。
【００３３】
なお、本実施例では水冷ジャケットの上面は鏡面研磨、輻射断熱材の表面にはクロムめっきした構造としているが、必ずしもこのような組み合わせである必要は無い。両方ともクロムめっきであってもよいし、鏡面研磨であってもよい。また、セラミックス板の表面には特に加工を施していないが、こちらの面にも表面の放射率を下げるような材料をコーティングすることも可能である。また、本実施例ではめっきとしてクロムめっきを適用しているが必ずしもこれに限るわけではなく、そのほかの材料例えばニッケルや銅などであってもよい。また、本実施例では輻射断熱材はセラミック板の外周に１個となっているが、必ずしも１個である必要は無く複数個重ねた構造とすれば断熱効果がさらに高まり、セラミック板の外周付近の温度分布がさらに均一化する効果を期待することができる。
【００３４】
次に、図６，７，８を用いて本発明の第一の実施例のヒータ１６および内部電極１７への給電部の構造を説明する。まず図６を用いてヒータへの給電部について説明する。水冷ジャケット１４に貫通穴３９を設け、この貫通穴に嵌合するように絶縁用セラミックパイプ４０を挿入する。セラミック板１５には水冷ジャケットの貫通穴に対応する位置に電気プラグ４１が埋め込まれており、内部のヒータ１６と導通している。この電気プラグに挿入する形で端子４２がセラミックパイプを貫通して取りつけられる。端子及びシャフトの先端付近には、端子と電気プラグのコンタクトを確実にするため、図８に示すような螺旋状の導電体を円形に曲げて形成したバネ部材４３を嵌合してある。４４はギャップ１８内のヘリウムガスがリークしないようにするためのシールである。４５は配線であり、外部のヒータ電源に接続している。本実施例ではヒータ給電部は１ヶ所のみの記載としているが、実際には反対の極性のコネクタが必要であるので、給電部は２ヶ所となる。
【００３５】
次に、内部電極１７への給電部の構造を図７を用いて説明する。水冷ジャケットの中心に貫通穴を設け、この中に絶縁用のセラミックパイプ４８を埋め込んでいる。このセラミックパイプの中にはシャフト２０と、電気絶縁用のポリテトラフルオロエチレン製の絶縁パイプ４７を挿入する。シャフトの先端付近にはヒータへの給電部と同様に電気コンタクトを確実にするためのバネ部材４３が設けてある。セラミックス板１５に埋め込まれた電気プラグ５１にボルト４９で固定したガイド５０はバネ部材４３を介してシャフト２０と接続している。電気プラグ５１は内部電極１７と電気的に接続してあり、以上の経路により内部電極に静電チャック用の直流電圧と高周波バイアス電圧を印加することができる。５２はヘリウムを封止するシールである。
【００３６】
このように、セラミックス板内に形成した内部電極及びヒータに給電する部分の接続構造をセラミックス板の下側からバネ部材を介して接続する構造としているのでセラミック板の着脱を容易に行うことができる。また、ばねの弾性変形を利用しているので電気接触が確実になり、接触不良を起こすことことがない。また、バネの弾性変形により電気接触が確実となるので、セラミックス板が高温になって熱膨張し、プラグ側との隙間が変化した場合にも接触が持続できるという効果も期待できる。したがって、広い温度範囲にわたり電気接続を実現可能となる。
【００３７】
次に、ヒータの出力、ヘリウムガス圧を決定するために必要なセラミックス板の温度測定方法を図９により説明する。水冷ジャケット１４の一部に貫通穴５４を設け、この貫通穴に対応するセラミックス板１５の裏面にくぼみ５３を設ける。くぼみの直径は、シース熱電対の直径にセラミックス板の最高使用温度における熱膨張を許容できる余裕を見た程度とするのが望ましい。例えばシース熱電対の直径が３ｍｍ、温度が５００℃、取りつけ位置が半径８０ｍｍの位置の場合、室温２０℃からの膨張は、ジルコニアの膨張係数が５×10^-6（１／Ｋ）であることから、（５００−２０）×５×10^-6×８０＝０．１９ｍｍとなる。したがって、最低でも片側０．１９ｍｍは余裕を見る必要があり、この場合３．３８ｍｍとなる。しかし実際には組み立ての余裕を見て４ｍｍとしている。このくぼみの底面に先端が接触するようにシース熱電対５５を挿入する。先端の接触状態が変化すると測定する温度が変化してしまうので、本実施例では熱伝対に鍔５６をもうけ、この鍔の部分にコイルバネ５７を嵌合し、更に支持部材５９に固定したおさえ５８によりシース熱電対全体をセラミックス板１５方向に押圧している。
【００３８】
したがって、セラミックス板の取り付けの状態が多少変化してもシース熱電対の先端とセラミックス板の接触圧力は常にほぼ一定となり再現性のよい温度測定方法を提供することができる。
【００３９】
このほかのセラミックス板の温度測定法としては、放射温度計を利用することが考えられる。この場合、放射温度計の先端はセラミックス板と非接触でよいので、接触の状態を一定に保つといった機構は不要となる利点がある。
【００４０】
以上の温度測定法では直接ウエハの温度を測定することはできない。しかしながら、あらかじめセラミックス板とウエハ温度の相関関係を実験により明らかにしておけば、ウエハ温度を予想することは可能である。また、ウエハには直接温度測定用のプローブを接触させることが無いので裏面異物を増加させるといった心配が無い。
【００４１】
以上説明したように、本実施例の構成によれば、セラミックス板を加熱する場合には、セラミック板と水冷ジャケットとのギャップ内を真空引きして断熱し、ヒータに電力を投入することで高速にセラミックス板を加熱することができる。また、ウエハ処理時にプラズマから入熱がある場合にはセラミックス板と水冷ジャケットに間にヘリウムガスを流すことにより前記入熱を取り除くことができ、これによりウエハ温度を一定に保つことができる。またシールにはＯリングを使用せず内部にコイルバネを保持した金属性のシールを使用しているので、５００℃程度の高温まで幅広い温度範囲でウエハを処理することが可能となる。また、セラミックス板は水冷ジャケットに溶接されているわけではないので、交換が必要な場合にはセラミックス板のみを容易に交換することができる。
【００４２】
なお、本実施例では、シールとしてコイルバネを内蔵した金属製のシールを使用したが、必ずしもこれに限る必要はなく、例えば耐熱温度の高い高分子材料のシールなどを使用してもよい。この場合、金属性のシールに比べ剛性が低いのでセラミックス板を固定するためのボルトの締め付けトルクが小さくてすむという効果が期待できる。
【００４３】
また、セラミックス板を固定するボルトをジルコニアセラミックスとしているので、ボルトを介してにげる熱量が小さくてすみ、ヒータに投入する電力が小さくランニングコストを下げることができる。また、セラミックス板の外周付近からの熱の逃げが少なくてすむので外周付近の温度低下を抑える事ができ、結果としてウエハ温度分布の均一性を損なうことが無い。
【００４４】
また、セラミックス板の周りを輻射断熱効果の高い構造としているのでセラミックス板に投入するヒータ電力を低減することができるためランニングコストを抑える効果が期待できる。また、セラミックス板の外周からの輻射による熱の逃げが抑えられるので、セラミックス板外周付近の温度低下を防止することができ、結果としてウエハ面内温度分布を均一にすることができる。
【００４５】
次に、実際の生産現場で本発明の処理装置を使用する場合において作業者が設定すべき設定項目、特にウエハの温度を設定するための設定項目（例えばＲＦバイアス電力、ヒータ出力、ウエハ裏面のヘリウム圧力、ギャップのヘリウム圧力）について説明する。
【００４６】
図１０は、本実施例の処理装置でＲＦバイアスを５００Ｗ、ウエハ裏面のヘリウムガス圧力を１ｋＰａとし、ギャップ１８のヘリウム圧力をパラメータとした場合のヒータ出力とウエハ温度の関係を表すグラフである。このグラフはあらかじめ実験、もしくは計算により算出することができる。このようなグラフを各バイアス電力ごとに用意しておく。従って、作業者はこのグラフを用いればこれから処理する条件でのウエハ温度を容易に予測することができる。また、逆に必要なウエハ温度がどのヒータ出力、ギャップのヘリウム圧力で実現できるか読み取ることができるので、作業効率を改善することができる。
【００４７】
図１１は、この手順を自動化した例を示している。この例では、まず作業者が希望の処理温度、ウエハ裏面のヘリウム圧力、ＲＦバイアス電力を設定する（ステップ１）。この情報はコンピュータへおくられ、内部に用意された図１０に示す情報を元に演算処理し（ステップ２）、必要なヒータ出力、ギャップのヘリウム圧力を計算する。結果は、最終的に作業者が手動で設定する場合には、表示器に出力する（ステップ４）。また、計算結果を元に自動で処理する場合にはヒータの制御装置及びギャップへヘリウムを流す流量制御器２８を制御する（ステップ５）。
【００４８】
これらの方法の利点は、はじめに作業者が新しいプロセスを実施する場合に条件を容易に設定しやすいという点にある。なお、前記ウエハの温度を設定する設定項目としては、前述の例の他に冷媒の温度、流量も考えられるが、冷媒として水を数リットル毎分流す程度の場合には、あまり問題になることが無いのでここでは省略した。しかし、温度に影響するような領域での使用条件であるならば、あらかじ設定項目として考慮しておくことはウエハ温度制御の観点から重要である。
【００４９】
以上説明したように本発明の第一の実施例によれば、広い温度範囲においてウエハの温度を均一に、少ない電力で処理可能である。また、本実施例を拡張することで処理中の温度分布をアクティブに変更することが可能となる。以下にそれを説明する。
【００５０】
図１２は、本発明の第二の実施例である。本実施例ではセラミックス板６０の内部に設けたヒータを外周ヒータ６１と内周ヒータ６２で独立させた構造となっている。また、図示しないがウエハ内周付近の温度と外周付近の温度をそれぞれ測定すべくシース熱電対を半径方向に２箇所設けている。これら２個の温度計で測定された温度情報にもとづき各ヒータに投入する電力を制御することができる。なお、図８では簡略化のためにプッシャピン機構は省略している。
【００５１】
このような構成であれば、ウエハ面内に温度分布を発生させたい場合、各ヒータの投入電力を変更することにより容易に実現可能となる。これにより所望のエッチング特性を得ることが可能となる。
【００５２】
本実施例ではヒータは中心付近と外周付近の２つの領域に分割されていたが、必ずしも２分割である必要は無く、異なるパターンであってもよいし、３分割でもよい。必要なウエハ温度分布を実現するように適宜決定されるべきものである。
【００５３】
図１３には本発明の第３の実施例を示す。本実施例では水冷ジャケット６３とセラミックス板１５間に設けたギャップ内に内周と外周を分割するように凸部６４を設け、内周と外周に独立にヘリウムを導入、排出する機構を設けている。図中には内側導入口６５と外側導入口６６のみを記載し、ヘリウムの排出口は記載していない。また、簡略化のために、プッシャピン機構及びヒータ給電部は省略している。このような構成において、内側領域及び外側領域のヘリウムガス圧力を変化させればセラミックス板との熱コンダクタンスを変化させることができるため、結果的にウエハ温度分布を制御することが可能となる。本実施例では、分割する凸部には特にシールを設けていないが、コンダクタンスが十分小さいので内側と外側に圧力差をつけることができる。しかし、必要なら凸部にシール部材を設ければより厳密に内側と外側の圧力を制御することが可能となる。
【００５４】
以上の各実施例ではウエハ裏面とセラミックス板間に導入するヘリウムはすべて中心から導入していた。しかし、必ずしもそうである必要は無く、ウエハ外周付近に導入してもよいし、中心と外周の両方から導入してもよい。装置設計のしやすさ、望ましいウエハ温度分布などの観点から適宜決定されればよい。
【００５５】
また、本発明の第二、第三の実施例を組み合わせて実施すれば、処理中のウエハの温度、もしくはロット内のウエハの温度、もしくはロット間のウエハの温度をさらに効果的に制御することが可能となる。
【００５６】
また、以上の各実施例ではウエハを固定するための静電チャックは内部電極が単極のいわゆるモノポール方式と呼ばれるものであったが、必ずしもこれだけに限定されるべきものではない。すなわち、静電チャック用の内部電極として独立した２個の電極を有するいわゆる双極方式と呼ばれる方式であってもよい。この方式では、内部に２個の電極を必要とするので構造が複雑となる、あるいは電源が２個必要となるなどの欠点はある。しかし、プラズマが発生していなくともウエハを吸着することができるため、すなわちプラズマ処理を開始する前からウエハ裏面に冷却ガスを導入することができるため温度制御性に優れるという利点がある。
【００５７】
また、以上の各実施例の処理装置のプラズマ源は誘導結合方式のプラズマであることを前提としたが、必ずしもこの方式に限定されるべきものではない。例えば、平行平板方式のプラズマ源であってもよいし、ＵＨＦ帯電磁波放射放電方式やマイクロ波方式、あるいは数１０ＭＨｚから３００ＭＨｚ程度までのＶＨＦ帯を用いたプラズマ方式でもよい。これ以外にも、たとえば磁場を用いたマグネトロン型のプラズマ処理装置などであってもよい。これの方式の内、いずれのプラズマ現を採用するかは、実際に処理すべき材料の特性にあったものを採用すべきものであり、適宜選択すればよい。
【００５８】
次に本発明の第四の実施例を図１４、１５を用いて説明する。半導体ウエハを５００℃のような高温で処理する場合、半導体ウエハを急激に加熱すると熱衝撃により割れる場合がある。そこで本実施例では、半導体ウエハを処理室内のウエハステージ上に搬送後、所定時間保持して予熱するプロセスを導入する。図１４にウエハステージの温度（３００℃、４００℃、５００℃）毎に半導体ウエハの温度上昇特性を示す。この図から、ウエハステージの温度毎の時定数（ｔ秒）がわかる。
【００５９】
図１５は、ウエハの搬送処理を示すフローチャートである。図に示すようにウエハの搬送処理は、半導体ウエハを処理室内に搬入し（ステップ１）、搬入したウエハをウエハステージ上で保持した状態で、処理プロセス毎に異なる所定時間（例えば前記時定数時間）予熱する（ステップ２）、予熱が終了したらウエハをウエハステージ上に載置する（ステップ３）。次いでウエハにプラズマ処理を施し（ステップ４）、処理が終了したらウエハを搬送室に搬送する（ステップ５）。次いで搬送室に窒素ガスを導入してウエハを冷却し（ステップ６）、所定温度まで冷却したらウエハを取り出す。
【００６０】
このように本実施例では、所定時間の予熱時間を設けている。このプロセスは１枚あたりのウエハの処理時間を増加させるが、ウエハの熱衝撃による割れを防ぐことができる。このため、本実施例の処理方法では結局は装置の稼働率改善の効果を期待することができる。
【００６１】
一方、ウエハを搬出する場合には、半導体ウエハを処理室からバッファ室（搬送室）に移動後、ウエハ温度を下げるプロセスが必要である。そこで本実施例では、バッファ室に移動後、ウエハを取り出さない状態で窒素ガスを導入し、バッファ室のチャンバに熱を移動させてウエハを冷却する。この方法を使えば簡便にウエハを冷却することができ、作業者が誤って触れた場合などにも安全である。
【００６２】
以上の実施例では、セラミックス板内に内部電極とヒータを内蔵した構造としたが、その他の高温エッチング対応のウエハステージについて説明する。
【００６３】
図１６には本発明の第五の実施例を示す。本実施例では、内部にヒータ配線７０を内蔵したセラミックヒータ６９と、アルミ基材６７の表面にセラミックスの溶射膜６８を設けた構造体をロウ付けして一体化し、この構造体をジルコニアボルト３６を用いて水冷ジャケット１４に固定している。この例では溶射膜６８が静電チャック用の誘電体膜として機能する。アルミ基材への給電はシャフト２０により行われており、アルミ基材とシャフトの電気接触部には第一の実施例同様にコイルバネ状のバネ部材を使用しており広い温度範囲での使用を可能にしている。したがってシャフトを介して第一の実施例と同様に直流電圧とＲＦバイアス電圧を印可すれば、ウエハを吸着固定しＲＦバイアスを印加することができる。セラミックスヒータと水冷ジャケットとの熱のやり取りは、第一の実施例と同様、ギャップ１８にヘリウムガスを導入しており、処理室へのリークを抑えるシールは第一の実施例同様に内部に弾性を有する構造体を内蔵した金属製のシールである。また、アルミ基材とセラミックスヒータの外周には輻射による熱の逃げを防止する輻射断熱材３８を設けている。この様な構成とすれば、第一の実施例と同様な効果を期待できるほか、静電チャック用の誘電膜を製造コストの低い溶射法により製作できる点があげられる。
【００６４】
図１７には本発明の第六の実施例を示す。本実施例では、アルミ基材６７とセラミックスヒータ６９を、アルミ板７１を挟んでジルコニアセラミックボルト３６で固定している。アルミ板７１の作用はアルミ基材６７とセラミックヒータ６９の熱接触を改善することである。したがって、必ずしもアルミである必要は無く、その他の金属、熱伝導グリースなど、熱伝導を改善するものであれば何であってもよい。セラミックヒータ６９は水冷ジャケット１４に対して、セラミックスボルト７３で固定されている。その他の構成は第五の実施例と同様、第一の実施例の技術が適用されている。したがって、この様な構成であれば第一の実施例と同様の効果を期待できるほか、静電チャック用の誘電膜を製造コストの低い溶射法により製作できるだけでなく、アルミ基材のみを容易に着脱可能であるため、静電チャックの交換にアルミ基材のみの交換ですみ、コストが安い、メンテナンス性がよいといった効果を期待できる。
【００６５】
以上説明したように本発明の各実施例によれば、低温から高温までの広い範囲にわたりウエハを均一な温度分布で、処理中も温度変動を少なく保持することができる。したがって、通常のプロセスではエッチンすることができないような不揮発性材料もエッチング処理することができるようになる。
【００６６】
また、低温から高温までの広い温度範囲で処理中のウエハ温度分布をアクティブに制御することが可能となる。ウエハを高温に加熱する場合において熱衝撃により割れることのない処理方法を提供することができる。更にウエハを搬出する場合にも作業者が高温のウエハに触れた場合においても安全な処理方法を提供することができる。
【００６７】
【発明の効果】
以上説明したように本発明によれば、広い温度範囲でウエハの温度分布を均一に保つことができるウエハステージを提供する。また、ウエハに温度変化による障害を与えることのないウエハ処理方法を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の第１の実施例を示す図である。
【図２】図１に示すウエハステージの拡大図である。
【図３】水冷ジャケットの斜視図である。
【図４】内部電極の拡大図である。
【図５】内部電極の拡大図である。
【図６】ヒータへの給電部の構造を説明する図である。
【図７】内部電極への給電部の構造を説明する図である。
【図８】端子あるいはシャフトとその先端付近に嵌合するバネ部材を説明する図である。
【図９】セラミックス板の温度測定方法を説明する図である。
【図１０】ヒータ出力とウエハ温度の関係を示す図である。
【図１１】ウエハの処理条件を自動的に予測する手順を説明するである。
【図１２】本発明の第２の実施例を示す図である。
【図１３】本発明の第３の実施例を示す図である。
【図１４】本発明の第４の実施例を示す図である。
【図１５】本発明の第４の実施例を示す図である。
【図１６】本発明の第５の実施例を示す図である。
【図１７】本発明の第６の実施例を示す図である。
【符号の説明】
１…ウエハ、２…ウエハステージ、３…流量制御器、４…ゲートバルブ、５…高周波電源、６…プラズマ、７…コイル、８…高周波電源、９…真空チャンバ、１０…ベルジャ、１１…エッチングガス、１２…バルブ、１３…ターボ分子ポンプ、１４…水冷ジャケット、１５…セラミックス板、１６…ヒータ、１７…内部電極、１８…ギャップ、１９…給電ライン、２０…シャフト、２１…コイル、２２…直流電源、２３…ヘリウム導入口、２４…ヘリウム排気口、２５…バルブ、２６…バルブ、２７…圧力計、２８…流量制御器、２９…貫通穴、３０…フレキシブルな水配管、３１…シール、３２…プッシャピン、３３…シール、３４…ヒータ給電部、３５…ベローズ、３６…ジルコニアセラミックス製ボルト、３７…水冷ジャケット表面、３８…輻射断熱材、３９…貫通穴、４０…絶縁用セラミックスパイプ、４１…電気プラグ、４２…端子、４３…バネ部材、４４…シール、４５…配線、４６…溝、４７…絶縁パイプ、４８…セラミックスパイプ、４９…ボルト、５０…ガイド、５１…電気プラグ、５２…シール、５３…くぼみ、５４…貫通穴、５５…シース熱電対、５６…鍔、５７…コイルバネ、５８…おさえ、５９…支持部材、６０…セラミックス板、６１…外周ヒータ、６２…内周ヒータ、６３…水冷ジャケット、６４…凸部、６５…内側導入口、６６…外側導入口、６７…アルミ基材、６８…溶射膜、６９…セラミックスヒータ、７０…ヒータ配線、７１…アルミ板、７２…ボルト、７３…セラミックスボルト、７４…伝熱体、７５…サセプタ、７６…第二の内部電極

Claims

真空チャンバ内に配置され、冷却液が流れる通路がその内側に配置された液冷ジャケットと、その内側にヒータと静電チャック用の電極とが配置され前記液冷ジャケット上に取り付けられたセラミックス製の上部部材とを有し、前記上部部材上にウエハが載置されるステージと、
前記真空チャンバ内側を排気する排気ポンプとを備え、前記ステージ上方に形成したプラズマを用いて前記ウエハの処理が行われるプラズマ処理装置であって、
前記液冷ジャケットと前記上部部材との間に配置されその内側がシールされるギャップと、前記ウエハが前記ステージ上に載置されている間においてギャップ内の圧力を真空の状態から所定の圧力の間で可変に調節するためのバルブとを備えたプラズマ処理装置。
真空チャンバ内に配置され、冷却液が流れる通路がその内側に配置された液冷ジャケットと、その内側にヒータと静電チャック用の電極とが配置され前記液冷ジャケット上に取り付けられたセラミックス製の上部部材とを有し、前記上部部材上にウエハが載置されるステージと、
前記真空チャンバ内面を排気する真空ポンプとを備え、前記ステージ上方に形成したプラズマを用いて前記ウエハの処理が行われるプラズマ処理装置であって、
前記液冷ジャケットと前記上部部材との間に配置されその内側がシールされるギャップ内側の圧力を前記処理の通行に応じて真空の状態から所定の圧力の間で可変に調節するプラズマ処理装置。
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記ギャップと連通し熱伝達性のガスが供給される導入口と前記ギャップと前記真空チャンバ内の空間とを連通する連通路を備え、この連通路を開いて前記ギャップが前記真空の状態にされるプラズマ処理装置。
請求項１ないし３の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
前記ギャップ内の圧力は、前記プラズマからの入熱が小さな場合に低減され、プラズマからの入熱が大きな場合には増加されるプラズマ処理装置。
請求項１ないし４の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、
前記ギャップを構成する冷却ジャケットの上面であって前記上部部材と前記ギャップを介して対抗する上面に鏡面加工あるいはメッキ加工された部分を備えたプラズマ処理装置。