JP4365300B2 - プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に係わり、特にプラズマを用いて半導体素子などの表面処理を行うのに好適なプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法に関するものである。

半導体デバイスの製造過程ではウェハの温度制御が重要であり、これを解決する手段としてウェハとウェハ載置台の間に冷却ガスを導入して冷却効果を得ること、ウェハ載置台は静電吸着膜を有し、静電吸着によりウェハを支持することが提案されている（例えば、特許文献１参照）。

また、従来の方法では、プラズマ処理が終了した後、プラズマ処理中にウェハに帯電した電荷がプラズマおよび静電吸着用電源を介して放電する一定時間後に、プッシャーピンによりウェハを上昇させていたが、半導体製造プロセスでは、その工程から、ウェハ裏面に様々な膜が製膜されることも多く、ウェハの静電吸着膜からの脱離特性をより信頼性の高いものにする必要があった。さらに、静電吸着によるウェハに帯電した電荷を放電する時間は、スループットを向上させるにあたっての妨げとなっている。
特開昭６０−１１５２２６号公報

上記の観点から、半導体製造装置の歩留まり向上のため、ウェハの基板電極（ウェハ載置台）への脱吸着に対し、スループット向上の観点からその高速化と、信頼性向上が要求されている。

本発明の目的は、ウェハの基板電極への脱吸着に対して、信頼性が高くさらにスループットを高めることができるプラズマ処理装置およびプラズマ処理方法を提供することにある。

本発明のプラズマ処理装置では、プラズマ処理終了後に、ウェハ上昇用のプッシャーピンをウェハに密着させ、静電吸着膜からウェハを脱離する方向に、ある一定の力を印加した状態で、静電吸着膜に印加する電圧を正負交互に印加することにより吸着力が減少し、高速で信頼性良くウェハを静電吸着膜から脱離することが可能となる。

すなわち、本発明は、真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、処理室内へガスを供給するガス供給装置と、被処理材を載置可能な基板電極と、基板電極に被処理材を吸着させるための静電吸着膜と、基板電極に静電吸着用直流電圧を印加する静電吸着用直流電源と、被処理材を温調するための冷却ガス導入機構と、基板電極に対向するプラズマを発生するための電磁波を放射するアンテナ電極と、基板電極へ接続された高周波電源と、アンテナ電極へ接続された高周波電源からなるプラズマ処理装置のプラズマ処理方法において、処理終了時に被処理材の裏面に処理材上昇用のプッシャーピンを密着させ、前記静電吸着膜から脱離する方向に力を印加しつつ、基板電極に印加する静電吸着用直流電源の極性を０．１Ｈｚから１０Ｈｚの周波数で切替えることによって得た正負交互の電圧を印加するようにした。

上記課題を解決するために、本発明は、真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、処理室内へガスを供給するガス供給装置と、被処理材を載置可能な基板電極と、基板電極に被処理材を吸着させるための静電吸着膜と、基板電極に静電吸着用直流電圧を印加する静電吸着用直流電源と、被処理材を温調するための冷却ガス導入機構と、基板電極に対向するプラズマを発生するための電磁波を放射するアンテナ電極と、基板電極へ接続された高周波電源と、アンテナ電極へ接続された高周波電源と、処理材を静電吸着膜から脱離する方向に力を印加するプッシャーピンと、装置全体を制御する制御部からなるプラズマ処理装置であって、プッシャーピンの圧力変化またはプッシャーピンの変位を検出する手段と、プッシャーピンの圧力または変位を検出する手段がプッシャーピンの圧力変化または変位を検出したときにプッシャーピンに印加する力を制御する手段と、静電吸着用直流電源の極性を０．１Ｈｚから１０Ｈｚの周波数で切替えることによってプラズマ処理終了時に基板電極に正負交互の電圧を印加する手段を設けた。

さらに、本発明は、上記プラズマ処理装置において、プラズマ処理終了時に基板電極に高周波電圧を印加する手段が、静電吸着用直流電源の極性を所定の周波数で切替えることによって得る手段であり、プラズマ処理終了時に基板電極に印加する正負交互の電圧の電圧振幅は、基板電極に印加する静電吸着用電圧以上とした。

本発明のプラズマ処理装置では、プラズマ処理終了後に、ウエハ上昇用のプッシャーピンをウエハに密着させ、静電吸着膜からウエハを脱離する方向にある一定の力を印加した状態で、静電吸着膜に印加する電圧を正負交互に印加することにより吸着力が減少し、高速で信頼性良くウエハを静電吸着膜から脱離することが可能であり、信頼性の向上とスループット向上に効果がある。

本発明のプラズマ処理方法によれば、プラズマ処理終了後に、ウェハ上昇用のプッシャーピンをウェハに密着させ、静電吸着膜からウェハを脱離する方向に、ある一定の力を印加した状態で、静電吸着膜に印加する電圧を正負交互に印加することにより、静電吸着力が減少した時点で、高速で信頼性良くウェハを静電吸着膜から脱離することが可能となり、信頼性の向上とスループット向上に効果がある。

以下、本発明の実施の形態を、図１〜図４を用いて説明する。図１は、本発明を適用するプラズマ処理装置の一例であるエッチング装置の縦断面図である。エッチング処理装置は、上部が開放された真空容器１０１の上部に処理容器１０４、誘電体窓１０２（例えば石英製）、アンテナ電極１０３（例えばＳｉ製）を設置し密封することにより処理室１０５を形成する。上部電極１０３は、エッチングガスを流すための多孔構造となっており、ガス供給装置１０７に接続されている。また、真空容器１０１には、真空排気口１０６を介して真空排気装置（図示省略）が接続されている。アンテナ電極１０３上部には同軸線路１１１、フィルター１１０および整合器１０９、整合器１１２を介して高周波電源１０８（例えば、周波数１００ＭＨｚ〜４５０ＭＨｚ）、アンテナバイアス電源１１３が接続されている。アンテナバイアス電源１１３（例えば、周波数４００ｋＨｚ〜４ＭＨｚ）は、外部トリガー信号により発振を制御することができる。

また、被処理材１１６を載置可能な基板電極１１５は、真空容器１０１下部に設置され、整合器１１８を介して基板バイアス電源１１９に接続されている。また基板電極１１５は、上部に静電吸着膜（図示省略）を有し、被処理材１１６、静電吸着膜間に冷却用ガスを供給することが可能である。これら冷却用ガスの圧力は任意の圧力に制御することが可能である。

また、基盤バイアス電源１１９は、外部トリガー信号により発振を制御可能に構成される。被処理材１１６を基板電極１１５に静電的に吸着させるために静電吸着用直流電源（静電チャック電源）１２３がフィルター１１７を介して基板電極１１５に接続されている。

さらに、アンテナバイアス電源１１３と基板バイアス電源１１９は、位相制御器１２０に接続されており、アンテナバイアス電源１１３と基板バイアス電源１１９より出力される高周波の位相を制御することができる。位相の設定は、位相検出プローブ１２１，１２２の信号を元に、所望の位相に制御することが可能である。ここで、その位相は主に１８０°±４５°とした。

上記のように構成された装置において、処理室１０５内部を真空排気装置（図示省略）により減圧した後、ガス供給装置１０７によりエッチングガスを処理室１０５内に導入し所望の圧力に調整する。高周波電源１０８より発振された高周波電力は、同軸線路１１１を伝播し、上部電極１０３および誘電体窓１０２を介して処理室１０５内に導入される。該高周波電源１０８と該同軸線路１１１との間には整合器１０９が接続され、該高周波電源１０８より出力された高周波電力を効率良く該処理室１０５内に供給するように作用する。

また、磁場発生用コイル１１４（例えば、ソレノイドコイル）により形成された磁場との相互作用により、処理室１０５内に高密度プラズマを生成する。特に、電子サイクロトロン共鳴を起こす磁場強度（例えば、１６０Ｇ）を処理室内に形成した場合、効率良く高密度プラズマを生成することができる。また、アンテナバイアス電源１１３よりの高周波電力は、整合器１１２および同軸線路１１１を介してアンテナ電極１０３に供給される。このとき、前記整合器１０９および前記整合器１１２と前記同軸線路１１１の間にはフィルタ１１０が設置されており、該フィルタ１１０は、前記高周波電源１０８から出力された高周波電力を、前記同軸線路１１１方向へ効率良く投入すると共に、前記アンテナバイアス電源１１３より出力された高周波電力を、前記同軸線路１１１方向へ効率良く投入するように作用する。

また、基板電極１１５に載置された被処理材１１６は、整合器１１８を介して基板バイアス電源１１９より正負交互の電力が供給され、表面処理（例えば、エッチング処理）される。基板電極１１５には静電吸着用直流電源１２３が接続されており、被処理材１１６を吸着することが可能である。また、静電吸着用直流電源１２３と整合器１１８の間にはフィルタ１１７が接続されており、基板電極１１５および静電吸着用直流電源１２３から出力された電力を効率良く基板電極１１５に投入するように作用する。

図２に、被処理材１１６であるウェハと基板電極１１５間電圧のプラズマ処理後の時間変化を示す特性図を示す。それぞれ、（ａ）は基板電極１１５に印加する静電吸着用直流電源（ＥＳＣ電源）をオフしたのみの場合、（ｂ）は基板電極１１５に印加するＥＳＣ電源をオフにすると共に１Ｈｚの正負交互の電源をＶｐｐ（ピークトゥピーク）電圧５００Ｖで基板電極１１５に重畳した場合、（ｃ）は基板電極１１５に印加するＥＳＣ電源をオフにすると共に１Ｈｚの正負交互の電源をＶｐｐ１０００Ｖで基板電極１１５に重畳した場合である。各図において、電圧が０Ｖとなった場合に吸着力がなくなることを示す。（ａ）のように正負交互の電源を印加しない場合には、ＥＳＣ電源をオフにして除電を開始した後、１１秒経過後に電圧が０Ｖとなるので、プッシャーピンでウェハを持ち上げることが可能となり、ウェハ裏面に損傷を与えずにウェハを静電吸着膜から脱離させることが可能となる。（ｂ）、（ｃ）では、除電開始後正負交互の電源の電圧が基板電極１１５に重畳され、除電開始後６秒経過後に電圧が０Ｖと交差し、（ｂ）では除電開始後１秒経過後に電圧が０Ｖと交差し、それぞれウェハ裏面に損傷を与えずにウェハを静電吸着膜から脱離させることが可能となる。本結果より、正負交互の電圧を印加することにより、除電開始からウェハと静電吸着膜（誘電体膜）との間の静電吸着力が０となるまでの時間が短縮されることが分かる。

したがって、プラズマ処理終了後除電開始と同時にウェハ上昇用のプッシャーピンをウェハに密着させて、ある一定の力で静電吸着膜からウェハを脱離させる方向に力を印加すると共に、基板電極１１５に高周波電圧を印加することにより短時間でウェハを静電吸着膜から脱離させることが可能である。また、クーロン力による吸着力は距離の２乗に反比例することから、一度静電吸着膜から脱離したウェハに働く吸着力は急速に弱くなり、プッシャーピンを上昇させることによりウェハ裏面の構造に損傷を与えることなくウェハを静電吸着膜から脱離することが可能である。さらに、ウェハが一度静電吸着膜から引き離されると、ウェハ裏面と静電吸着膜間に帯電していた残留電荷は、プラズマを介して短時間で除去されるため、その時点でウェハの除電も完了する。

また、印加する正負交互の電圧の振幅は、プラズマ処理中にウェハと静電吸着膜間に印加されている電圧差程度とすることにより、高速でのウェハの脱離が可能となる。さらに、印加する正負交互の周波数は、プッシャーピンの上昇速度を考慮すると、０．１Ｈｚから１０Ｈｚ程度が適当である。また、通常ＥＳＣ電源にバイアス用高周波電力が流入しないようにフィルタが設けてあるが、そのフィルタをローパスフィルターとすることにより、別途正負交互の電源を設けなくても、従来のＥＳＣ電源をスイッチングすることにより同様の効果を得ることが可能である。

本発明において、除電開始後に基板電極１１５に印加する正負交互の電圧は、静電吸着用直流電源に比して高い周波数を有するものであって、上述のように０．１Ｈｚから１０Ｈｚ程度の周波数を含んでいる。

図３に、除電時に静電吸着用直流電源（ＥＳＣ電源）のスイッチングを行う場合のシーケンス例を示す。図３（ａ）は、ウェハの変位を検出し、プッシャーピンへの押上げ力を制御する方式である。この方式は、まず、ウェハバイアス出力（ＲＦ）をオフ（ｔ１）するとともにＥＳＣ電源をオフした後、ウェハ裏面冷却ガス（Ｈｅ）の圧力が減少する（ｔ２）のを待って、ＥＳＣ電源のスイッチングを行う。このスイッチングは、ＥＳＣ電源１２３の基板電極１１５への印加の向きを所定の周波数（例えば、０．１Ｈｚから１０Ｈｚ程度）で変化させることにより行われる。その際、プッシャーピンをウェハに密着させ、ある力Ｐ１をプッシャーピンに印加する。その後、吸着力が減少してウェハが静電吸着膜から微小分離脱することによるウェハの変位を検出することによってウェハの上昇を検出する（ｔ３）と、プッシャーピンへの力をＰ２に増加し、ウェハを高速で搬送レベルまで押し上げる（ｔ４）。

図３（ｂ）は、プッシャーピンの圧力を監視し、その圧力の変化を検出することによりプッシャーピンへの押上げ力を制御する方式である。この方式は、まず、ウェハバイアス出力（ＲＦ）をオフ（ｔ１）するとともにＥＳＣ電源をオフした後、ウェハ裏面冷却ガス（Ｈｅ）の圧力が減少する（ｔ２）のを待って、ＥＳＣ電源のスイッチングを行う。このスイッチングは、ＥＳＣ電源１２３の基板電極１１５への印加の向きを所定の周波数（例えば、０．１Ｈｚから１０Ｈｚ程度）で変化させることにより行われる。次に、プッシャーピンを上昇させウェハに密着し、ある一定の力Ｐ１をプッシャーピンに印加する。その後ウェハが静電吸着膜から微小分離脱することによって吸着力が弱まる（ｔ３）と、一瞬圧力がＰＳ２に低下する。その圧力変化を検出し、プッシャーピンにＰ３の力を印加しウェハを高速で搬送レベルまで押し上げる（ｔ４）。

次に、図３（ｃ）は、一定の力を印加し、吸着力が弱まると同時に自動的に搬送レベルまで押し上げる方式である。この方式は、まず、ウェハバイアス電源（ＲＦ）の出力をオフ（ｔ１）するとともにＥＳＣ電源をオフした後、ウェハ裏面冷却ガス（Ｈｅ）の圧力が減少する（ｔ２）のを待って、ＥＳＣ電源のスイッチングを行う。このスイッチングは、ＥＳＣ電源１２３の基板電極１１５への印加の向きを所定の周波数（例えば、０．１Ｈｚから１０Ｈｚ程度）で変化させることにより行われる。その際プッシャーピンをウェハに密着させ、ある力Ｐ１をプッシャーピンに印加する。この力Ｐ１はウェハが動かない程度の力とする。その後、ウェハが静電吸着膜から離脱することによって吸着力が弱まる（ｔ３）と、自動的にウェハは搬送レベルまで上昇する（ｔ４）。

図４に、プッシャーピン１３１の上昇機構１３４に圧力計および変位計などのセンサ１３２を取り付け、制御部１３３でプッシャピン１３１の上昇を制御する吸着モニタの構造を示す。ウェハ１１６と基板電極１１５の間には静電吸着膜（誘電体膜）１３０が配置されている。これらのセンサーによりプッシャーピンに印加する力（圧力）および／またはウェハ（プッシャーピン）の変位を測定することが可能であり、図３に示すような動作が可能となる。

制御部１３３は、ＲＦ電源１１９の出力をオフするとともにＥＳＣ電源１２３をオフする働き、ウェハ裏面冷却ガス（Ｈｅ）の圧力の減少の検知により、ＥＳＣ電源の極性を交互に切替えて基板電極１１５に印加する働きや、プッシャーピンの圧力や変位を監視し、圧力の変化や変位の発生を検出すると、プッシャーの押上げ力を増加させたりする働きを有している。

この様に、プッシャーピンでウェハに静電吸着膜から脱離する方向に力を印加し、その力およびウェハ変位を検出してプッシャーピンへの力を制御すると共に、静電吸着膜に高周波電圧を印加することにより高速でかつ信頼性良くウェハを脱離することが可能である。

また、上記実施例ではエッチング装置について述べたが、アッシング装置、プラズマＣＶＤ装置など、基板電極へ高周波電力を供給する他のプラズマ処理装置においても同様の効果がある。

本発明を用いた第１の実施例であるエッチング装置を示す縦断面図。 ウェハ基板電極間電圧の時間変化を説明する図 エッチング終了時の各パラメータ出力等の時間変化を示す時間線図。 吸着力モニターの構成を示す縦断面図。

符号の説明

１０１…真空容器
１０２…誘電体窓
１０３…アンテナ電極
１０４…処理容器
１０５…処理室
１０６…真空排気口
１０７…ガス供給装置
１０８…高周波電源
１０９…整合器
１１０…フィルター
１１１…同軸線路
１１２…整合器
１１３…アンテナバイアス電源
１１４…磁場発生コイル
１１５…基板電極
１１６…被処理材
１１７…フィルター
１１８…整合器
１１９…基板バイアス電源（ＲＦ電源）
１２０…位相制御器
１２１，１２２…位相検出プローブ
１２３…静電吸着用直流電源（ＥＳＣ電源）
１３０…静電吸着膜（誘電体膜）
１３１…プッシャーピン
１３２…センサ
１３３…制御部
１３４…上昇機構

Claims (4)

1. 真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、処理室内へガスを供給するガス供給装置と、被処理材を載置可能な基板電極と、基板電極に被処理材を吸着させるための静電吸着膜と、基板電極に静電吸着用直流電圧を印加する静電吸着用直流電源と、被処理材を温調するための冷却ガス導入機構と、基板電極に対向するプラズマを発生するための電磁波を放射するアンテナ電極と、基板電極へ接続された高周波電源と、アンテナ電極へ接続された高周波電源からなるプラズマ処理装置のプラズマ処理方法において、
   処理終了時に被処理材の裏面に処理材上昇用のプッシャーピンを密着させ、前記静電吸着膜から脱離する方向に力を印加しつつ、基板電極に印加する静電吸着用直流電源の極性を０．１Ｈｚから１０Ｈｚの周波数で切替えることによって得た正負交互の電圧を印加する
   ことを特徴とするプラズマ処理方法。
2. 請求項１記載のプラズマ処理方法において、前記正負交互の電圧振幅は、前記基板電極に印加する静電吸着用電圧以上とすることを特徴とするプラズマ処理方法。
3. 真空排気装置が接続され内部を減圧可能な処理室と、処理室内へガスを供給するガス供給装置と、被処理材を載置可能な基板電極と、基板電極に被処理材を吸着させるための静電吸着膜と、基板電極に静電吸着用直流電圧を印加する静電吸着用直流電源と、被処理材を温調するための冷却ガス導入機構と、基板電極に対向するプラズマを発生するための電磁波を放射するアンテナ電極と、基板電極へ接続された高周波電源と、アンテナ電極へ接続された高周波電源と、処理材を静電吸着膜から脱離する方向に力を印加するプッシャーピンと、装置全体を制御する制御部からなるプラズマ処理装置であって、
   プッシャーピンの圧力変化またはプッシャーピンの変位を検出する手段と、
   プッシャーピンの圧力または変位を検出する手段がプッシャーピンの圧力変化または変位を検出したときにプッシャーピンに印加する力を制御する手段と、
   静電吸着用直流電源の極性を０．１Ｈｚから１０Ｈｚの周波数で切替えることによってプラズマ処理終了時に基板電極に正負交互の電圧を印加する手段を
   設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項３記載のプラズマ処理装置において、前記正負交互の電圧の電圧振幅は、基板電極に印加する静電吸着用電圧以上とすることを特徴とするプラズマ処理装置。

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