JP4231362B2

JP4231362B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

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Publication number: JP4231362B2
Application number: JP2003208388A
Authority: JP
Inventors: 浩司武石
Original assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Current assignee: Shibaura Mechatronics Corp
Priority date: 2003-08-22
Filing date: 2003-08-22
Publication date: 2009-02-25
Anticipated expiration: 2023-08-22
Also published as: JP2005072034A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体及び液晶製造装置のプラズマ処理装置に係わり、特に、載置台に載置保持された被処理物について、載置台と接する面側の外周部に堆積物が形成されないようにしたプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
マイクロ波によるプラズマ処理は、プラズマの励起効率が高く処理速度が速いので、半導体装置や液晶表示装置等を製造する際の、エッチング処理やアッシング処理あるいは酸化処理等を行うプラズマ処理装置に多く用いられている。
【０００３】
これらの処理に用いられているマイクロ波励起のプラズマ処理装置の構造の一例は、図８に示すように、プラズマ処理装置にはチャンバ５１の上部に真空封止する誘電体窓５２が設けられ、この誘電体窓５２の上部にこの誘電体窓５２に対向してマイクロ波を導入するための断面が矩形状の導波管５３の終端部が配置されている。
【０００４】
チャンバ５１には、上部にプラズマ生成室５５が設けられ、このプラズマ生成室５５の下方に被処理物Ｗを処理する処理室５６が形成されている。この処理室５６の内部には、図９に示すように、被処理物Ｗを吸着して保持するために、アルミ製の載置台５８の上にセラミック製の吸着部６１を有する静電チャック６２が配置されている。静電チャック６２に被処理物Ｗを固定した状態で、チャンバ５１の内部を略真空にして所定のプロセスガスを導入し、プラズマを生成することよりプラズマ処理を施している。（例えば、特許文献１を参照）
つまり、プロセスガスについてプラズマにより活性種を生成し、これを被処理物Ｗの表面に供給することによって、ドライエッチングやアッシングなどのプラズマ処理を施している。そのようなプラズマを形成するためのプロセスガスとしては、例えば被処理物Ｗの表面の薄膜のエッチングを行う場合には、酸素ガス（Ｏ_２）、あるいはＣＦ_４、ＮＦ_３等のフッ素系ガスやＣｌ_２等のハロゲン系ガスを添加したガスなどを用いることができる。なお、静電チャック６２はセラミック製以外の個所を石英製のマスクリング６３で保護している。
【０００５】
また、導波管５３には誘電体窓５２を通してプラズマ生成室５５にマイクロ波を導入するために、導波管５３の内部を進行するマイクロ波の電界方向に垂直な面に、マイクロ波を放射するための、スリット状開口部（スロットアンテナ）（不図示）、もしくは、図８に示したような同軸変換アンテナ６０が設けられている。
【０００６】
【特許文献１】
特開２００３−５９９１０号公報（段落番号０００９〜００１０）
【０００７】
【発明が解決しようとする課題】
上述のような、プラズマ処理装置で、被処理物に対してエッチング、アッシングあるいは成膜等の処理を施すために、チャンバの内部でプラズマを発生させると、チャンバの内部に供給されているプロセスガスが、分解あるいは被処理物と反応し、被処理物の裏面やチャンバの内部の壁等の各部にも堆積物が堆積してしまう。
【０００８】
つまり、被処理物の表面にはイオンによる衝撃があるために、現象としてエッチングと堆積との双方による競争反応が起こる。そのうち、エッチングの方が優位になった際にはエッチングが進行する。しかし、イオンによる衝撃が起こりにくい、静電チャック外周からはみ出している被処理物の裏面では、堆積の方が優位となる。そのために堆積物が生じてしまう。この堆積物は、被処理物を離脱した際にパーティクルとなり、ダストや汚染の原因となる。それらは、後の工程で形成されるデバイスへの悪影響を及ぼすので発生を抑制しなければならない。
【０００９】
一例を挙げれば、被処理物であるＳｉウエハＷを塩素ガスで５００Ｗ、５Ｐａで処理した場合、図６に模式図で示したように、ＳｉウエハＷの外周部Ｗａの裏面Ｗｂのべべル部（ｂｅｖｅｌ、斜面）に、特にＳｉＣ_３ｌｘＯｙの堆積物３７が堆積する。大気中でＳｉウエハＷを回収すると、堆積した堆積物３７に含まれている塩素が大気中の水分と反応し、揮発性のあるＳｉＣｌ_４等が抜け、揮発性のないシリコン酸化物が残り、ＳｉウエハＷを収納しているウエハカセット（不図示）等と擦れた際に、剥がれてパーティクルとなり、ダストや汚染の原因となる。
【００１０】
本発明は、これらの事情にもとづいてなされたもので、チャンバ内でのプラズマ処理の際に、静電チャックに載置されている被処理物の裏面への堆積物の堆積を防止したプラズマ処理装置を提供することを目的としている。
【００１１】
【課題を解決するための手段】
本発明によるプラズマ処理装置は、被処理物をプラズマ処理するためのチャンバと、このチャンバの上部に形成され、チャンバ内にプロセスガスを供給する第１のガス供給手段と、プロセスガスのプラズマを生成するためのプラズマ発生手段と、絶縁性部材からなり、表面が、中心から外周に向かって伝熱ガスを流す第１の溝により島状に区画された中央部と、この第１の溝と連通したリング状の第２の溝により中央部と区画され、この第２の溝の外周に設けられたリング状の外周部から構成され、この表面で被処理物を載置、保持する静電チャックと、この静電チャックの表面と被処理物との間に伝熱ガスを供給する第２のガス供給手段と、静電チャックの表面の前記中央部下部に形成された電圧印加電極と、を具備し、静電チャックの外周部表面における静電吸着力は、静電チャックの中央部表面における静電吸着力より弱く、かつ、外周部表面における静電吸着力は、伝熱ガスがリング状の第２の溝からリング状の外周部と被処理物の裏面との間隙を通って外部に噴出可能な程度の静電吸着力であることを特徴とするものである。
【００１２】
また、本発明によるプラズマ処理装置は、前記プラズマ発生手段は、導波管内を進行したマイクロ波を前記チャンバ内に導く手段と誘電体窓を具備することを特徴とするものである。
【００１３】
また、本発明によるプラズマ処理方法は、被処理物をチャンバ内に設置された静電チャック上に配置し、前記チャンバにプロセスガスを供給し、プラズマ化することによって前記被処理物をプラズマ処理する際に、静電チャックの中央部に形成された高圧印加電極に電圧を印加することにより、前記中央部において外周部より強い静電吸着力で前記静電チャックに前記被処理物を保持し、前記静電チャックの中心から外周に向かって形成された第１の溝に伝熱ガスを供給し、この第１の溝と連通したリング状の第２の溝からの前記伝熱ガスの流れによる圧力により、前記外周部において前記被処理物を押し上げて、前記外周部に前記静電チャックと前記被処理物との間隙を形成し、この間隙から前記伝熱ガスを外部に噴出させることを特徴とするものである。
【００１４】
また、本発明によるプラズマ処理方法は、前記噴出した伝熱ガスを、さらに前記チャンバの側壁に沿って流すことを特徴とするものである。
【００１５】
【発明の実施の形態】
以下、本発明のプラズマ処理装置の実施の形態を図面を参照して説明する。
【００１６】
図１は、本発明の実施の形態にかかるプラズマ処理装置の要部断面構造を示す模式図である。また、図２は、その載置部とその関連部位の構造をさらに詳細に示した断面図である。
【００１７】
まず、プラズマ処理装置の全体構成について説明する。本発明の対象となるプラズマ処理装置の一例は、いわゆる「マイクロ波励起型」の装置であり、プラズマ処理室１とプラズマ生成室２とが設けられたチャンバ３を有している。チャンバ３は、プロセスガスを導入するためのガス供給口４を有し、図示しない真空ポンプにより矢印Ｅの方向に真空排気される。また、プロセスガスの流れを調節するために、所定のコンダクタンス開口を有する排気整流板５が適宜設けられている。
【００１８】
プラズマ処理室１は、被処理物Ｗに対してエッチングやアッシングなどのプラズマ処理を施す空間であり、載置台６の上に支持台８を介して静電チャック９が設けられている。被処理物Ｗは、静電チャック９の上に載置されて保持される。そして、プラズマ処理に際して被処理物Ｗを冷却するために、フッ素系絶縁流体などの冷却媒体１１が配管内を適宜循環している。
【００１９】
一方、プラズマ生成室２においては、導波管１２を介してマイクロ波Ｍが供給され、アンテナ手段であるスロット１３を介して誘電体窓１４からチャンバ３内に導入される。誘電体窓１４は、例えば、石英、Ａｌ_２Ｏ_３、ＡｌＮなどの誘電体により形成され、チャンバ３の気密を維持しつつマイクロ波Ｍを導入する役割を有している。
【００２０】
このようにして導入されたマイクロ波Ｍにより、ガス供給口４（ガス供給手段）から供給されたプロセスガスのプラズマを生成する。また、生成されたプラズマは、永久磁石１５の磁場により所定の範囲に閉じこめられる。また一方、載置台６には高周波電源１６が接続されており、高周波電源１６から１００ｋＨｚから１００ＭＨｚ程度の周波数の高周波電力を供給することにより、被処理物Ｗの近傍においてもプラズマを生成し、あるいはバイアス効果によってプラズマによるエッチングを促進することもできる。
【００２１】
なお、プラズマ処理装置としては、上述の「マイクロ波励起型」に限らず、「誘導結合型プラズマ（ＩｎｄｕｃｔｉｏｎＣｏｕｐｌｉｎｇＰｌａｓｍａ：ＩＣＰ）装置」等を用いることもできる。
【００２２】
次に、図１に例示したプラズマ処理装置に設けられている静電チャック９とその関連部位の構造について、図２を参照して説明する。静電チャック９は、載置台６の上に設けられ、「双極型」の構造を有する。そして、アルミニウム（Ａｌ）などからなる支持台８の上に、セラミックや有機材料などからなる絶縁性部材１７が、固定手段１８により固定されている。固定手段１８としては、例えば、接着剤、インジウム（Ｉｎ）半田、あるいは、ろう付けなどを用いることができる。
【００２３】
絶縁性部材１７の内部には、一対の電極１９Ａ、１９Ｂが埋設されている。これらの電極１９Ａ、１９Ｂは、給電部２０を介して直流の高電圧電源２１に接続されている。また、給電部２０は、絶縁体２４によって載置台６や支持台８から絶縁されている。さらに、高電圧電源２１と電極１９Ａ、１９Ｂとの間には、高周波カットフィルタ２５などが適宜設けられている。
【００２４】
半導体ウエハやガラス基板などの被処理物Ｗは、絶縁性部材１７の上に載置され、高電圧電源２１から電極１９Ａ、１９Ｂに電圧を印加することにより固定される。なお、静電チャック９は被処理物Ｗの温度制御も行っている。
【００２５】
また、静電チャック９の外周側には、保護部材として石英製のマスクリング２６が設けられ、このマスクリング２６により、支持台８等のセラミック製以外の個所がエッチングされないように保護している。
【００２６】
図３は、絶縁性部材１７を上方から眺めた平面透視図である。すなわち、中央には絶縁体２４により絶縁された給電部２０が設けられている。そしてこの給電部２０に接続された一対の電極１９Ａ、１９Ｂが対向して設けられ、これを絶縁性部材１７が取り囲んでいる。また、このような絶縁性部材１７には、被処理物Ｗを持ち上げて、搬送や載置を容易にするためのリフトピン２７が貫通する貫通孔２８が適宜設けられている。なお、この貫通孔２８は伝熱ガスの流路も兼ねている。
【００２７】
なお、電極１９Ａ、１９Ｂの平面形状は、図３に例示したものには限定されず、極性が異なる複数の電極が互い違い状、交互状などに配置された各種の形状を採用することができる。
【００２８】
次に高電圧電源２１からの電極１９Ａ、１９Ｂへの電圧の印加について説明する。高電圧電源２１は、高電圧発生部２２と、スイッチ２３Ａ、２３Ｂとを具備している。高電圧発生部２２は、接地電位から隔絶されている。つまり、「フローティング」の状態で電圧を印加することができるように形成されている。
【００２９】
一方、スイッチ２３Ａ、２３Ｂは、電極１９Ａ、１９Ｂを、高電圧発生部２２と接地電位との間でそれぞれ切り替え可能としている。つまり、スイッチ２３Ａは、電極１９Ａの接続端Ｔ１を、接地電位Ｓ１と高電圧発生部２２の一方の極（正極または負極）Ｓ２との間で切り替える。また、スイッチ２３Ｂは、電極１９Ｂの接続端Ｔ２を、高電圧発生部２２の他方の極（負極または正極）Ｓ３と接地電位Ｓ４との間で切り替える。
【００３０】
つまり、このプラズマ処理装置は、誘電体窓１４から高周波電力を透過させ、プラズマを生成する手段（プラズマソース）と、戴置台６に高周波を印加してプラズマを発生させる手段（プラズマバイアス）が設けられており、それぞれプラズマソースとプラズマバイアスを独自あるいは併用が可能な装置である。
【００３１】
静電チャック９の構造について、図４（ａ）に平面図を、図４（ｂ）に図４（ａ）に示す線Ａ−Ｏ−Ｂによる断面図を用いてさらに説明すると、静電チャック９の被処理物Ｗを静電吸着して固定する面である絶縁性部材１７の面には、中心から半径方向に放射状に等角度で６本の放射状溝３１が設けられ、これらの溝３１の先端側はリング状溝３２と連通している。したがって、これらの溝３１、３２により、絶縁性部材１７の平面は、６つの扇状の島状部３３と外周リング３４に区画されている。
【００３２】
しかも、電極１９Ａまたは１９Ｂは静電チャック９の中央部（島状部３３）のみに配置されているので、静電チャック９の周辺部（外周リング３４）は中央部（島状部３３）に比べて静電吸着力が低い。それにより、図５に模式図を示したように、放射状溝３１を介してリング状溝３２に供給された伝熱ガスは、被処理物Ｗの中央部から周辺部に流れた際に、静電吸着力の低い周辺部（外周リング３４）において、伝熱ガスの流れによる圧力により僅かに押し上げて、被処理物Ｗと外周リング３４の間から噴出する。噴出した伝熱ガスは、矢印Ｆで示したように、静電チャック９よりはみ出している被処理物Ｗの裏面Ｗｂに沿って流れる。
【００３３】
なお、静電チャック９は、絶縁性部材１７の内側に電極１９Ａ、１９Ｂをインサートして成形しているので、成形の際にひけが生じないようにダミー電極３６も所定位置にインサートしている。また、静電チャック９には、被処理物Ｗを静電チャック９から取り除く際に用いるリフトピン２７が出没し、かつ、伝熱ガスを供給する貫通孔２８が設けられている。静電チャック９は被処理物Ｗを保持する役割と共に、被処理物Ｗの処理中の温度を所定の温度に保つ役割を果たす。そのために、被処理物Ｗに対して伝熱ガスを供給している。ただ、例えばプラズマに曝された際の被処理物Ｗへの入射熱エネルギー、目標処理温度などは処理条件毎に異なるため、静電チャック９に求められる加熱、冷却性能もその処理に対応する各種装置により異なっている。
【００３４】
なお、リフトピン２７用の貫通孔２８と伝熱ガスを供給する孔とは、個別に設けることもできる。例えば、伝熱ガスを供給する孔は、静電チャック９の中心部に設けることもでき、各放射状溝３１にそれぞれ設けることもできる。
【００３５】
また、放射状溝３１の本数や配置、放射状溝３１およびリング状溝３２の溝幅も適宜変更が可能である。
【００３６】
次に、これらの構成によるプラズマ処理装置の動作について説明する。まず、プラズマ処理に先立って、被処理物Ｗをチャンバ３の中に導入し、静電チャック９の上に載置する。具体的には、例えば図示しない搬送手段により被処理物Ｗを静電チャック９の上に搬送して載置する。この際には、図２において、電極１９Ａ、１９Ｂはそれぞれ接地電位Ｓ１、Ｓ４に接続されている。
【００３７】
次に、スイッチ２３Ａ、２３Ｂを切り替えて、図２において、電極１９Ａ、１９Ｂをそれぞれ高電圧発生部２２の両端と接続する。この状態において、電極１９Ａ、１９Ｂにそれぞれ逆極性の高電圧が印加され、被処理物Ｗは絶縁性部材１７の表面に吸着固定される。
【００３８】
この後、プラズマを生成してエッチングやアッシングなど、所定のプラズマ処理を施す。この際に、高周波電源１６から載置台６に高周波電力を印加することにより、被処理物Ｗの周囲においてもプラズマを生成し、あるいは高周波バイアス効果を利用してエッチングやアッシングなどのプラズマ処理を促進することができる。
【００３９】
しかもその際に、図５に模式図で示したように、貫通孔２８より伝熱ガスが放射状溝３１を介してリング状溝３２に供給され、さらに、外周リング３４と被処理物Ｗとの間からから噴出（流路Ｆで表示）する。噴出した伝熱ガスは、静電チャック９よりはみ出している被処理物Ｗの裏面Ｗｂに沿って流れる。つまり、被処理物Ｗの外周部Ｗａの裏面Ｗｂは、噴出した伝熱ガスの流れに晒された状態になる。その結果、もし、この伝熱ガスの噴出した流れが無ければ、エッチングやアッシングなどのプラズマ処理の際に、図６に示したように、静電チャック９に保持されている被処理物Ｗの外周部Ｗａの裏面Ｗｂにフロロカーボン等が付着して堆積物３７が堆積されるが、伝熱ガスの噴出した流れのために堆積物３７の堆積を未然に防止することができる。
【００４０】
また、被処理物Ｗの外周部Ｗａの裏面Ｗｂから噴出した伝熱ガスは、図１で示したチャンバ３の側壁に沿って流れるので、それによって、同様にチャンバ３の側壁に堆積される恐れのある堆積物の堆積も未然に防止することができる。
【００４１】
所定のプラズマ処理が終了した後、プラズマを停止し、スイッチ２３Ａ、２３Ｂを切り替えて、電極１９Ａ、１９Ｂをそれぞれ接地電位Ｓ１、Ｓ４に接続する。この状態において、被処理物Ｗを吸引する電荷は消滅し、静電チャック９による吸着作用は解消する。
【００４２】
しかる後に、図３で示したリフトピン２７を上昇させて被処理物Ｗを持ち上げ、図示しない搬送手段などによって被処理物Ｗを静電チャック９から取り出す。
【００４３】
実際にプラズマ処理をおこなった際に、上述の実施の形態で説明した装置と、従来の装置について、それぞれのパーティクル数をパーティクルカウンタで測定した結果を図７のグラフで示す。
【００４４】
上述の実施の形態で説明した装置では、処理数が増加してもパーティクル数は殆ど０であることが確認できた。一方、従来の装置では、処理数の増加と共に急激にパーティクル数が増加する。したがって、上述の実施の形態で説明した装置は、プラズマ処理による不要な堆積物が堆積されていない被処理物Ｗを提供することができることが確認できた。
【００４５】
【発明の効果】
本発明によれば、静電チャックで保持されている被処理物をプラズマ処理する際に、被処理物の外周面の裏面に堆積される堆積物を未然に抑制することができるので、不要な汚染物である堆積物の付着していない良好な被処理物を得ることができる。
【００４６】
そして、良好な被処理物を後工程に移送することができるので、半導体装置の生産性の効率を上昇させることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明のプラズマ処理装置の要部断面構造を示す模式図。
【図２】本発明のプラズマ処理装置の載置部とその関連部位の構造をさらに詳細に示した断面図。
【図３】静電チャックの絶縁性部材を上方から眺めた平面透視図。
【図４】（ａ）は、静電チャックの平面図、（ｂ）は、そのＡ−Ｏ−Ｂ断面図。
【図５】伝熱ガスの流れの説明図。
【図６】ウエハ裏面の堆積の説明図。
【図７】本発明の装置と従来の装置とのパーティクル数の比較のグラフ。
【図８】従来のマイクロ波励起のプラズマ処理装置の構造の模式図。
【図９】静電チャックとその近傍の説明図。
【符号の説明】
１…プラズマ処理室、２…プラズマ生成室、３…チャンバ、６…載置台、８…支持台、９…静電チャック、１２…導波管、１３…スロット、１４…誘電体窓、１６…高周波電源、１７…絶縁性部材、１９Ａ、１９Ｂ…電極、３１…放射状溝、３２…リング状溝、３３…島状部、３４…外周リング、３５…高電圧印加電極、３７…堆積物

Claims

被処理物をプラズマ処理するためのチャンバと、
このチャンバの上部に形成され、前記チャンバ内にプロセスガスを供給する第１のガス供給手段と、
前記プロセスガスのプラズマを生成するためのプラズマ発生手段と、
絶縁性部材からなり、表面が、中心から外周に向かって伝熱ガスを流す第１の溝により島状に区画された中央部と、この第１の溝と連通したリング状の第２の溝により前記中央部と区画され、この第２の溝の外周に設けられたリング状の外周部から構成され、この表面で前記被処理物を載置、保持する静電チャックと、
この静電チャックの表面と前記被処理物との間に前記伝熱ガスを供給する第２のガス供給手段と、
前記静電チャックの表面の前記中央部下部に形成された電圧印加電極と、
を具備し、
前記静電チャックの前記外周部表面における静電吸着力は、前記静電チャックの前記中央部表面における静電吸着力より弱く、かつ、前記外周部表面における静電吸着力は、前記伝熱ガスが前記リング状の第２の溝から前記リング状の外周部と前記被処理物の裏面との間隙を通って外部に噴出可能な程度の静電吸着力であることを特徴とするプラズマ処理装置。
前記プラズマ発生手段は、導波管内を進行したマイクロ波を前記チャンバ内に導く手段と誘電体窓を具備することを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
被処理物をチャンバ内に設置された静電チャック上に配置し、
前記チャンバにプロセスガスを供給し、プラズマ化することによって前記被処理物をプラズマ処理する際に、
静電チャックの中央部に形成された高圧印加電極に電圧を印加することにより、前記中央部において外周部より強い静電吸着力で前記静電チャックに前記被処理物を保持し、
前記静電チャックの中心から外周に向かって形成された第１の溝に伝熱ガスを供給し、
この第１の溝と連通したリング状の第２の溝からの前記伝熱ガスの流れによる圧力により、前記外周部において前記被処理物を押し上げて、前記外周部に前記静電チャックと前記被処理物との間隙を形成し、
この間隙から前記伝熱ガスを外部に噴出させることを特徴とするプラズマ処理方法。
前記噴出した伝熱ガスを、さらに前記チャンバの側壁に沿って流すことを特徴とする請求項３に記載のプラズマ処理方法。