JP3902125B2 - 温度測定方法及びプラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
【発明の属する技術分野】
本発明は、例えば、プラズマエッチング装置の処理容器等、内部に高周波を印加してプラズマを発生させるための空間が形成され接地電位とされた導体製容器内に配置され、被処理基板が載置されるサセプタの温度を測定する温度測定方法及びプラズマ処理装置に関する。
【0002】
【従来の技術】
従来から、半導体装置の製造工程等では、内部にプラズマを発生させるための空間が形成された導体製容器内で、高周波によってプラズマを発生させ、半導体ウエハ等の被処理基板にこのプラズマを作用させて所定の処理を施すことが行われている。
【0003】
例えば、半導体ウエハをエッチング処理するための平行平板型のプラズマエッチング装置では、図4に示すように、例えば、表面をアルマイト処理されたアルミニウム等の導電性材料を用いた導体製容器からなる処理容器1内に、下部電極を兼ねたサセプタ2が設けられており、このサセプタ(下部電極)2に対向するように上部電極3が配置されている。
【0004】
そして、処理ガス供給系4から、上部電極3に設けられた多数の細孔5を介して所定の処理ガスを供給するとともに、サセプタ2に、高周波電源6から、整合器7を介して所定周波数の高周波を印加することによって、処理ガスのプラズマを発生させ、このプラズマをサセプタ2上に載置された半導体ウエハWに作用させて所定のエッチング処理を施すように構成されている。
【0005】
なお、処理容器1の底部には、排気系8が接続されており、サセプタ2の周囲に設けられ、多数の透孔9が形成された排気リング10を介して、処理容器1内の排気を行うようになっている。
【0006】
また、サセプタ2の上面には、静電チャックが形成されており、この静電チャックの電極11に、直流電源12から所定の直流電圧を印加することによって、半導体ウエハWをクーロン力等によって吸着保持するように構成されている。さらに、サセプタ2上に配置された半導体ウエハWの周囲を囲むように、環状に構成されたフォーカスリング13が設けられている。
【0007】
一方、処理容器1の側壁部の外側には、環状に形成され、処理容器1内に磁場を形成して、プラズマを制御するための磁場形成機構14が設けられている。この磁場形成機構14には、回転機構15が設けられており、この回転機構15によって、磁場形成機構14を処理容器1の周囲で回転させることが可能とされている。
【0008】
なお、同図において、16は、サセプタ2を処理容器1に対して電気的に絶縁した状態で支持するための絶縁性支持部材、17は、サセプタ2に高周波を印加するための給電棒である。
【0009】
上記のようなプラズマエッチング装置で半導体ウエハWにエッチング処理等を施す場合、半導体ウエハWは、プラズマに晒されるので温度が上昇する。このため、サセプタ2には、例えば、冷媒等を循環させて温度を制御する図示しない温度制御機構が設けられており、サセプタ2の温度を所定温度に制御することによって、半導体ウエハWの温度を間接的に制御することが行われている。
【0010】
また、上記の温度制御機構による温度制御を行うため、サセプタ2には、サセプタ2の温度を測定するための温度センサー20が設けられている。この温度センサー20は、例えば、Ptセンサー、TCセンサー等からなり、図5にも示すように、その先端部が、サセプタ2の裏面側に穿設された取付穴21内に挿入されている。
【0011】
上記のような温度センサー20を設ける場合、高周波の電界が形成されている処理容器1内に上記の温度センサー20及びこの温度センサー20から検出信号を導出するための信号線22を設けなければならないため、接地電位とされた処理容器1に接続されたシース23によって、信号線22等が覆われたシース型センサーを用いることによって、高周波の外部への漏洩の防止、及び高周波が温度検出信号に影響することを防止している。
【0012】
また、サセプタ2は、下部電極を兼ねていることからアルミニウム等の導体によって構成されている。このため、サセプタ2と、温度センサー20との接触部位には、比較的熱伝導がよく誘電損失の少ない絶縁性材料(例えば、BN等)から円筒状等に構成された絶縁性部材24等が配置され、サセプタ2と、温度センサー20との間を電気的に絶縁することが行われている。
【0013】
しかしながら、サセプタ2には高周波が印加されることから、導体であるサセプタ2と温度センサー20との間に、上記した絶縁性部材24を介した容量結合が形成され、温度センサー20やシース23に電流が流れてダメージを与えたり、絶縁性部材24が誘電加熱されることによって精度良くサセプタの温度を測定できない等の可能性がある。このため、実用上は、絶縁性部材24の厚みを十分確保することによって、かかる問題を回避している。
【0014】
ところが、近年では、プラズマ処理に用いられる高周波の周波数が高くなる傾向にあり、例えば、従来から使用されていた13.56MHzに換えて、40MHz、60MHz、さらには100MHz等の周波数の高い高周波が使用されるようになって来ている。
【0015】
このため、上述した容量結合のインピーダンスが低下してしまい、さらに絶縁性部材24の厚さを厚くしないと、十分な絶縁性を確保できなくなりつつある。例えば、絶縁性部材24として、外径が6mm、長さが30mmの円柱状部材 (BN)を使用し、この円柱状部材に温度センサー20を挿入するための穴として、直径が1.7mm、深さが28mmの穴を形成した場合について検討すると、高周波の周波数が13.56MHzの場合、
容量=8.3pF
インピーダンス=1407Ω
Vppが1KVの電圧印加時の流入電流=0.51A
Vppが2KVの電圧印加時の誘導加熱=0.07W
となる。一方、高周波の周波数が100MHzでは、
容量=8.3pF
インピーダンス=191Ω
Vppが1KVの電圧印加時の流入電流=3.74A
Vppが2KVの電圧印加時の誘導加熱=0.53W
となる。
【0016】
しかしながら、絶縁性部材24の厚さを厚くすると、絶縁性部材24は金属に比べて熱伝導率が低いため、サセプタ2との間に温度差が生じたり、サセプタ2の温度変化に対する応答速度が遅くなるという問題が生じ、精度良く温度測定を行うことができなくなるという問題がある。
【0017】
なお、このような問題は、プラズマの持つインピーダンスが、例えば、10〜50Ω程度であることから、このプラズマの持つインピーダンスに比べて、絶縁性部材24のインピーダンスが十分大きく取れなくなる約40MHz以上の高い周波数を使用する場合に特に顕著となる。
【0018】
なお、上述のように高周波を使用したプラズマ処理以外の処理、例えば、基板を加熱して気相化学反応により成膜を行う処理においては、基板若しくはサセプタ表面の温度を光入射窓を介して放射温度計により測定する方法(例えば、特許文献1参照。)、例えば、表面にコートされたフォトレジストを硬化させるための加熱処理においては、ホットプレート上に配置された未加工の半導体ウエハの温度を、その表面からの反射光を検出して測定する方法(例えば、特許文献2参照。)、等が知られている。
【0019】
しかしながら、上記のようにして半導体ウエハやサセプタの温度を測定する方法は、プラズマを用いたエッチング処理等では、例えば、透明な窓用部材を挿入された窓の部分から高周波が漏洩してしまったり、プラズマからの光が雑音となってしまったりするため、そのまま適用することは困難である。また、未加工の半導体ウエハを用いて予め温度を測定する方法では、実際の処理中の温度を精度良く測定することができない。
【0020】
【特許文献1】
特開平6−2147号公報(第2−4頁、第1−2図)
【特許文献2】
特開2001−4452号公報(第4−6頁、第1−2図)
【0021】
【発明が解決しようとする課題】
上述したとおり、高周波を用いたプラズマ処理では、温度測定を精度良く行うことができないという問題があり、かかる問題は、より周波数の高い高周波を用いるようになったことにより、より深刻化する傾向にある。
【0022】
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、周波数の高い高周波を使用した場合でも、サセプタの温度を精度良く測定することができ、良好な処理を行うことのできる温度測定方法及びプラズマ処理装置を提供しようとするものである。
【0023】
【課題を解決するための手段】
請求項1の発明は、内部に高周波を印加してプラズマを発生させるための空間が形成され接地電位とされた導体製容器内に配置され、被処理基板が載置されるサセプタの温度を測定する温度測定方法において、前記サセプタの裏面側の所定の測温部を、赤外線に対して黒体として作用するよう構成するとともに、前記測温部に対向する前記導体製容器の部位に前記高周波が外部に漏れない大きさの開口を形成し、当該開口の外部から、前記測温部から放射される赤外線を検出して前記サセプタの温度を放射温度計によって測定することを特徴とする。
【0024】
請求項2の発明は、請求項1記載の温度測定方法において、前記開口の径を、前記高周波の波長の1/50以下としたことを特徴とする。
【0025】
請求項3の発明は、請求項1又は2記載の温度測定方法において、前記高周波の周波数が40MHz以上であることを特徴とする。
【0026】
請求項4の発明は、請求項1〜3いずれか1項記載の温度測定方法において、前記サセプタの前記測温部を、前記被処理基板の載置面側に凹陥された形状としたことを特徴とする。
【0028】
請求項5の発明は、内部に高周波を印加してプラズマを発生させるための空間が形成され接地電位とされた導体製容器と、前記導体製容器内に配置され、被処理基板が載置されるサセプタと、を具備したプラズマ処理装置であって、前記サセプタの裏面側の所定の測温部を、赤外線に対して黒体として作用するよう構成するとともに、前記測温部に対向する前記導体製容器の部位に前記高周波が外部に漏れない大きさの開口を形成し、当該開口の外部から、前記測温部から放射される赤外線を検出して前記サセプタの温度を放射温度計によって測定するよう構成されたことを特徴とする。
【0029】
請求項6の発明は、請求項5記載のプラズマ処理装置において、前記開口の径が、前記高周波の波長の1/50以下とされていることを特徴とする。
【0030】
請求項7の発明は、請求項5又は6記載のプラズマ処理装置において、前記高周波の周波数が40MHz以上であることを特徴とする。
【0031】
請求項8の発明は、請求項5〜7いずれか1項記載のプラズマ処理装置において、 前記サセプタの前記測温部が、前記被処理基板の載置面側に凹陥された形状とされていることを特徴とする。
【0032】
請求項9の発明は、請求項1記載の温度測定方法において、前記測温部に、黒体テープを貼着する、あるいは黒体塗料を塗布することを特徴とする。
請求項10の発明は、請求項1記載の温度測定方法において、 前記測温部は、アルマイトであることを特徴とする。
請求項11の発明は、請求項5記載のプラズマ処理装置において、前記測温部に、黒体テープを貼着する、あるいは黒体塗料を塗布することを特徴とする。
請求項12の発明は、請求項5記載のプラズマ処理装置において、前記測温部は、アルマイトであることを特徴とする。
【0033】
【発明の実施の形態】
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施の形態について説明する。
【0034】
図1は、本発明の実施の形態に係るプラズマ処理装置としてのプラズマエッチング装置の全体の概略構成を模式的に示すもので、図4に示した前述のプラズマエッチング装置と対応する部分には、対応する符号が付してある。
【0035】
本実施形態のプラズマエッチング装置において、処理容器1は、例えば、表面をアルマイト処理されたアルミニウム等の導電性材料を用いた導体製容器から構成されており、処理容器1内には、下部電極を兼ねたサセプタ2と、このサセプタ(下部電極)2に対向するように上部電極3が配置されている。この処理容器1は、接地電位とされており、高周波電源6から、サセプタ2に所定周波数(例えば、40MHz〜100MHz)の高周波を印加してエッチング処理等を行った際に、高周波が、処理容器1の外部に漏洩しないよう考慮されている。
【0036】
また、上記処理容器1の底部には、図2にも示すように、サセプタ2の温度を当該サセプタ2の裏面側から測定するための温度測定用開口30が形成されており、この温度測定用開口30の外側には、所定波長の赤外線強度から温度を算出する放射温度計31が取り付けられている。
【0037】
一方、上記温度測定用開口30の上部に位置するサセプタ2の部位は、測温部とされている。この測温部には、できるだけサセプタ2のウエハWが載置される上面に近い部分の温度を検出するため、載置面側に凹陥された形状となるように測温用の穴32が形成されている。そして、この測温用の穴32内の頂部33は、例えば、黒体テープを貼着したり、あるいは、黒体塗料を塗布することにより、黒体として作用する処理(黒体化処理)がなされている。
【0038】
ここで、黒体とは、放射温度計31の検出する赤外線領域で放射率が高いようなもの(物質)であり、黒体化処理とは、黒体として機能するような処理を行うことであって、必ずしも可視光域において黒色をしているとは限らない。
【0039】
また、黒体としては、アルマイトであっても良く、サセプタ2がアルミニウム製の場合には、測温用の穴32の頂部33の部分にアルマイト処理(例えば、硫酸硬質アルマイト50μm)を行っても、十分に黒体としての機能を得られた。なお、サセプタ2を支持するための絶縁性支持部材16には、上記した測温用の穴32より若干径の大きな透孔34が形成されており、測温用の穴32内から放射される赤外線35を、放射温度計31によって検出し、サセプタ2の温度を測定することができるようになっている。
【0040】
前述したとおり、処理容器1は、その全体がアルマイト処理されたアルミニウム等の導電性材料を用いた導体製容器となっており、かつ、接地電位とされることで、高周波が外部に漏洩することを防止している。したがって、上記温度測定用開口30から高周波が外部に漏洩することを防止する必要がある。このため、温度測定用開口30の開口径は、高周波電源6からサセプタ2に印加される高周波の波長の1/50以下とされている。
【0041】
例えば、高周波電源6からサセプタ2に印加される高周波の周波数が100MHzの場合、その周波数は約300cmであるので、この場合は、温度測定用開口30の開口径は、約6cm以下に設定する。なお、本実施形態では、温度測定用開口30の開口径は、略10mmとされている。
【0042】
上記のように、温度測定用開口30の開口径を、使用する高周波の波長の1/50以下とすることにより、温度測定用開口30から外部に高周波が漏洩することを防止することができる。なお、この温度測定用開口30は、例えば、電気信号用のケーブルや、光ファイバー等が導出されるものではなく、単に開口を形成するのみとされている。
【0043】
その理由は、このような開口を通じて電気信号用のケーブルや光ファイバー等を導出するようにすると、高周波が漏洩し易くなるからである。また、このような開口を閉塞するために透明な窓用部材等を設けても、高周波が漏洩し易くなるため、このような部材も設けないようにすることが好ましい。なお、本実施形態のプラズマエッチング装置では、サセプタ2の裏面側は、常圧雰囲気とされる構成になっているので、気密封止等のために、透明な窓用部材等を設ける必要はない。
【0044】
上記構成のプラズマエッチング装置では、高周波が外部に漏洩しない大きさに設定された温度測定用開口30を通じて、処理容器1の外部に設けられた放射温度計31によって、サセプタ2の裏面側に設けられた測温用の穴32内から放射される赤外線を検出し、サセプタ2の温度を測定する。
【0045】
したがって、サセプタ2の測温部分との間に絶縁性部材等を介在させることなく、より直接的にサセプタ2の裏面側の温度を測定することができ、精度良くサセプタ2の温度を検出することができる。また、処理容器1の内部にセンサや信号線等を配置することがないので、サセプタ2に印加される高周波の成分が、測定信号等に重畳して雑音が発生することもない。
【0046】
図3は、上記のプラズマエッチング装置における放射温度計31による温度測定信号の時間変化の様子を示すものである。同図に示すように、放射温度計31による温度測定信号は、サセプタ2に高周波を印加した時点(図中RFonの矢印で示す。)の前後で特に変化がなく、高周波を印加しても、高周波の成分が測定信号に影響を与えていないことが分かる。
【0047】
また、本実施形態では、測温用の穴32内の頂部33に、黒体化する処理がなされているので、サセプタ2の温度をより精度良く測定することができる。
【0048】
次に、上記のように構成されたプラズマエッチング装置によるプラズマエッチング処理の手順について説明する。
【0049】
まず、処理容器1に設けられた図示しないゲートバルブを開放し、このゲートバルブに隣接して配置されたロードロック室(図示せず)を介して、搬送機構 (図示せず)により半導体ウエハWを処理容器1内に搬入し、サセプタ2上に載置する。そして、搬送機構を処理容器1外へ退避させた後、ゲートバルブを閉じる。また、静電チャック用電極11に、直流電源12から所定電圧の直流電圧を印加することによって、半導体ウエハWを吸着保持する。
【0050】
この後、排気系8の真空ポンプにより処理容器1内を所定の真空度、例えば、1.33Pa〜133Paに排気しつつ、処理ガス供給系1から、処理容器1内に所定の処理ガスを供給する。
【0051】
そして、この状態で、高周波電源6から整合器7を介して、所定周波数、例えば、40MHz〜100MHzの高周波を、サセプタ2に印加し、サセプタ2と上部電極3との間に空間にプラズマを発生させ、プラズマによる半導体ウエハWのエッチングが行う。
【0052】
このようなプラズマによる半導体ウエハWのエッチングの際に、放射温度計31によって、サセプタ2の温度が測定され、図示しない温度制御機構により、サセプタ2の温度が制御されるが、前述したとおり、放射温度計31によって、サセプタ2の温度を精度良く測定することができるので、サセプタ2の温度を所定温度に精度良く制御することができ、半導体ウエハWを所定の温度に保った状態で、良好なエッチング処理を施すことができる。
【0053】
そして、所定のエッチング処理が実行されると、高周波電源6からの高周波電力の供給を停止することによって、エッチング処理を停止し、上述した手順とは逆の手順で、半導体ウエハWを処理容器1外に搬出する。
【0054】
なお、上記の実施形態では、本発明を半導体ウエハWのプラズマエッチングに適用した場合について説明したが、本発明は、かかる実施形態に限定されるものではなく、あらゆる被処理物のあらゆるプラズマ処理に適用できることは勿論である。
【0055】
【発明の効果】
以上詳細に説明したように、本発明の温度測定方法及びプラズマ処理装置によれば、周波数の高い高周波を使用した場合でも、サセプタの温度を精度良く測定することができ、良好な処理を行うことができる。
【図面の簡単な説明】
【図1】本発明の一実施形態のプラズマ処理装置の概略構成を示す図。
【図2】図1のプラズマ処理装置の要部概略構成を示す図。
【図3】図1のプラズマ処理装置における温度測定信号の例を示す図。
【図4】従来のプラズマ処理装置の概略構成を示す図。
【図5】図4のプラズマ処理装置の要部概略構成を示す図。
【符号の説明】
W……半導体ウエハ、1……処理容器、2……サセプタ、30……温度測定用開口、31……放射温度計、32……測温用の穴、35……赤外線。
Claims (12)
- 内部に高周波を印加してプラズマを発生させるための空間が形成され接地電位とされた導体製容器内に配置され、被処理基板が載置されるサセプタの温度を測定する温度測定方法において、
前記サセプタの裏面側の所定の測温部を、赤外線に対して黒体として作用するよう構成するとともに、前記測温部に対向する前記導体製容器の部位に前記高周波が外部に漏れない大きさの開口を形成し、当該開口の外部から、前記測温部から放射される赤外線を検出して前記サセプタの温度を放射温度計によって測定することを特徴とする温度測定方法。 - 請求項1記載の温度測定方法において、
前記開口の径を、前記高周波の波長の1/50以下としたことを特徴とする温度測定方法。 - 請求項1又は2記載の温度測定方法において、
前記高周波の周波数が40MHz以上であることを特徴とする温度測定方法。 - 請求項1〜3いずれか1項記載の温度測定方法において、
前記サセプタの前記測温部を、前記被処理基板の載置面側に凹陥された形状としたことを特徴とする温度測定方法。 - 内部に高周波を印加してプラズマを発生させるための空間が形成され接地電位とされた導体製容器と、
前記導体製容器内に配置され、被処理基板が載置されるサセプタと、
を具備したプラズマ処理装置であって、
前記サセプタの裏面側の所定の測温部を、赤外線に対して黒体として作用するよう構成するとともに、前記測温部に対向する前記導体製容器の部位に前記高周波が外部に漏れない大きさの開口を形成し、当該開口の外部から、前記測温部から放射される赤外線を検出して前記サセプタの温度を放射温度計によって測定するよう構成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項5記載のプラズマ処理装置において、
前記開口の径が、前記高周波の波長の1/50以下とされていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項5又は6記載のプラズマ処理装置において、
前記高周波の周波数が40MHz以上であることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項5〜7いずれか1項記載のプラズマ処理装置において、
前記サセプタの前記測温部が、前記被処理基板の載置面側に凹陥された形状とされていることを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項1記載の温度測定方法において、
前記測温部に、黒体テープを貼着する、あるいは黒体塗料を塗布することを特徴とする温度測定方法。 - 請求項1記載の温度測定方法において、
前記測温部は、アルマイトであることを特徴とする温度測定方法。 - 請求項5記載のプラズマ処理装置において、
前記測温部に、黒体テープを貼着する、あるいは黒体塗料を塗布することを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項5記載のプラズマ処理装置において、
前記測温部は、アルマイトであることを特徴とするプラズマ処理装置。
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