JP4460694B2 - 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，プラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
従来のプラズマ処理装置において，上部電極は，プラズマ空間側からねじ止めすることにより冷却板に固定されている。上記従来のプラズマ処理装置では，上部電極を固定するねじがプラズマ空間に露出すると，励起プラズマによりねじが削られてプラズマ処理の精度が劣化するおそれがある。したがって，従来のプラズマ処理装置では，プラズマ空間側に露出したねじの頭を絶縁部材で覆うことのできる位置にしかねじを設けることができない。結果として，従来のプラズマ処理装置では，上部電極と冷却板とが両者の周縁部でのみ相互固定されていた。
【０００３】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら，かかる構成を有する従来のプラズマ処理装置では，ねじ止めされた周縁部から離れるに従って，上部電極と冷却板との間にすき間が発生し易くなり，上部電極から冷却板への熱伝達が劣化する。その結果，上部電極において周縁部と中央部付近とに大きな温度差が発生し，プロセスの不均一化を招くおそれがある。かかる問題は，例えば３００ｍｍウェハなどの大きな被処理体を処理する場合に重大な問題となる。また，プロセスが進行するに伴い上部電極の温度が上昇し，被処理体の処理枚数によってプロセスが不均一化するおそれがある。
本発明は、従来のプラズマ処理装置が有する上記その他の問題点に鑑みて成されたものである。
【０００４】
【課題を解決するための手段】
上記課題を解決するために，本発明は，被処理体が載置される下部電極と，前記下部電極に対向配置される上部電極と，前記上部電極の上に配置され熱伝達により前記上部電極を冷却する冷却板とを備え，前記上部電極または前記下部電極の少なくとも一方には高周波電源が接続されており，前記上部電極と前記冷却板とには処理ガスを導入するガス孔（ガス吐出孔）が形成されている，プラズマ処理装置において，前記ガス孔以外のところで前記冷却板の上から前記上部電極の途中まで挿入されて，前記上部電極と前記冷却板とを相互固定する固定手段を備える構成を採用する。

【０００５】
本項記載の発明では，固定手段をプラズマが発生する空間に露出させることなく，冷却板と上部電極とを相互固定することができる。したがって，本項記載の発明では，プラズマ処理への影響を考えることなく，固定手段の設置位置および設置数を設定することができる。すなわち，本項記載の発明では，例えば固定手段の設置位置を均一に分布させる構成や上部電極の変形し易い部位に固定手段を相対的に多く設置する構成等を採用することができる。そのため，上部電極と冷却板との強固な相互固定が可能となり，両者間でのすき間の発生を防止することができる。結果として，本項記載の発明によれば，上部電極から冷却板への熱伝達効率の劣化が防止され，プロセスの不均一化の防止および上部電極の冷却効率の向上を図ることができる。
【０００６】
また，本項記載の発明では，必ずしも，固定手段のプラズマが発生する空間への露出を防止する絶縁物を設ける必要がない。したがって，本項記載の発明によれば，プラズマ処理装置について，構成部材数の減少および設計自由度の向上を実現し，製造コスト削減を図ることができる。さらにまた，本項記載の発明では，冷却板側から挿入される固定手段を採用するために，必ずしも，例えばねじ止め用の貫通孔などを上部電極に形成する必要がない。したがって，上部電極の製造プロセスにおける破損の可能性を低減することができる。
【０００７】
さらに，請求項２に記載の発明は，固定手段がねじである構成を採用する。本項記載の発明では，ねじ止めによって，上部電極と冷却板との強固な相互固定を比較的簡単に実現することができる。したがって，プラズマ処理装置の製造・組立が容易になる。さらに，本項記載の発明では，ねじを外すことにより，上部電極と冷却板とを容易に分離することができる。したがって，本項記載の発明によれば，上部電極のメンテナンスを簡単化することができる。
【０００８】
また，本項記載の発明では，ねじ締めトルクを調整することにより，上部電極と冷却板との固定力の分布を調整し，効果的にすき間の発生を防止することができる。具体的には，本項記載の発明では，例えば中心付近などの上部電極の温度が上昇し易い部分でねじ締めトルクを大きくし例えば周縁部など比較的上部電極の温度が上昇し難い部分でねじ締めトルクを小さくすることにより，効果的にすき間の発生を防止することができる。
【０００９】
さらに，請求項３に記載の発明は，上部電極と冷却板との間に熱伝達部材が挟み込まれている構成を採用する。本項記載の発明では，熱伝達部材により，冷却板と上部電極との間におけるすき間の発生を一層抑制することができる。したがって，上部電極上の各位置でほぼ均一に冷却板への熱伝達を行うことができるようになり，例えば上部電極の変形や励起プラズマの不均一分布等，上部電極上の不均一な温度分布による問題の発生を確実に防止することができる。なお，熱伝達部材には，少なくとも冷却板または上部電極のいずれかよりも軟らかい部材を適用することが好適である。
【００１０】
【発明の実施の形態】
以下，本発明の好適な実施の形態について，添付図面を参照しながら詳細に説明する。なお，以下の説明及び添付図面において，同一の機能及び構成を有する構成要素については，同一符号を付することにより，重複説明を省略する。
【００１１】
（第１の実施の形態）
まず，図１および図２を参照しながら，第１の実施の形態について説明する。なお，図１は，本実施の形態に係るプラズマ処理装置１の概略構成を示す断面図である。図２は，固定ユニット７５および上部電極ユニット５の周辺におけるプラズマ処理装置１の概略的な分解図である。
図１に示すように，プラズマ処理装置１は，下部電極ユニット３と上部電極ユニット５と処理容器７とを備えている。
【００１２】
プラズマ処理装置１において，処理容器７下部には下部電極ユニット３が設置される。また，処理容器７上部には固定ユニット７５によって上部電極ユニット５が設置される。さらに，処理容器７内に形成される処理室７１では，下部電極ユニット３の下部電極３１と上部電極ユニット５の上部電極５１との間に，プラズマ空間７１１が形成される。なお，プラズマ処理装置１において，処理容器７は保安接地されており，その処理容器７下部には排気系７３が設けられている。
【００１３】
プラズマ処理装置１において，下部電極ユニット３は，載置電極に相当する下部電極３１と下部電極３１上面に設置された静電チャック３３とを備えている。かかる構成を有するプラズマ処理装置１では，下部電極３１上に，静電チャック３３を介して，被処理体に相当するウェハＷが載置される。下部電極３１の側面および下面は，絶縁物３１１で被覆されている。
【００１４】
さらに，下部電極ユニット３は，下部電極３１上に載置されたウェハＷを囲むリング体３５を備えている。
さらにまた，下部電極ユニット３は，静電チャック３３に定電圧を印加する定電圧供給系３７と下部電極３１に高周波電圧を印加する高周波電圧供給系３９とを備えている。下部電極ユニット３において，定電圧供給系３７では，定電圧源３７１の一方の端子が静電チャック３３内部の導体３３１に接続され，定電圧源３７１の他方の端子が接地されている。また，高周波電圧供給系３９では，高周波電圧源３９３の一方の端子が接地され，高周波電圧源３９３の他方の端子が整合器３９１を介して下部電極３１に接続されている。
【００１５】
プラズマ処理装置１において，上部電極ユニット５は，プラズマ空間７１１を挟んで下部電極３１に対向配置される上部電極５１と上部電極５１上方に配置される冷却板５３とを備えている。さらに，上部電極ユニット５は，冷却板５３上方に配され冷却板５３上面との間にガス導入空間５５１を形成する中央部天板５５を備えている。中央部天板５５は，その周縁部において，冷却板５３に接触している。なお，本実施の形態では，上部電極５１を例えばシリコンから形成し，冷却板５３を例えばアルミニウムから形成し，中央部天板５５を例えばアルミニウムから形成することができる。
【００１６】
さらに，上部電極ユニット５は，中央部天板５５に高周波電圧を印加する高周波電圧供給系５７とガス導入空間５５１に処理ガスを供給するガス供給系５９と中央部天板５５に内装された冷媒循環路５５３に冷媒を供給する冷媒供給系６１とを備えている。上部電極ユニット５において，高周波電圧供給系５７では，高周波電圧源５７３の一方の端子が接地されており，高周波電圧源５７３の他方の端子が整合器５７１を介して中央部天板５５に接続されている。また，ガス供給系５９において，ガス源５９５は，流量調整弁５９３と開閉弁５９１とを介して，ガス導入空間５５１に接続されている。
【００１７】
ここで，本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１の上部電極５１および冷却板５３について詳細に説明する。
対向電極に相当する上部電極５１には，上面側から下面側に貫通する複数のガス孔５１１が形成されている。ここで，ガス孔５１１は，周縁部５１３の内側に形成される上部電極５１の内側領域５１５に形成されている。
【００１８】
同様に，冷却板５３にも，上面側から下面側に貫通する複数のガス孔５３１が形成されている。ここで，ガス孔５３１は，周縁部５３３の内側に形成される冷却板５３の内側領域５３５に形成されている。
上部電極ユニット５において，ガス孔５１１とガス孔５３１とは相互に連通している。したがって，処理装置１では，ガス導入空間５５１に供給された処理ガスが，ガス孔５１１，５３１を介してプラズマ空間７１１に供給される。
【００１９】
上部電極ユニット５において，冷却板５３は，熱伝達により中央部天板５５に上部電極５１の熱を逃がし，上部電極５１を冷却する。上部電極５１と冷却板５３とは，上部電極５１上面と冷却板５３下面とが密着するよう，第１ねじ９１と第２ねじ９３とによって相互固定される。
【００２０】
固定手段に相当する第１ねじ９１は，冷却板５３を上面側から下面側に貫通し，上部電極５１に上面側から挿入されて，上部電極５１下面に露出せずに上部電極５１内部で終端する。すなわち，第１ねじ９１は，冷却板５３をガス導入空間５５１側から上部電極５１側に貫通し，冷却板５３側から上部電極５１に挿入され，プラズマ空間７１１に露出せずに上部電極５１内部で終端する。
【００２１】
本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１において，第１ねじ９１は，冷却板５３では内側領域５３５に，上部電極５１では内側領域５１５に設けられる。かかる構成により，第１ねじ９１は，内側領域５１５と内側領域５３５とにおいて，上部電極５１と冷却板５３とを相互固定することができる。なお，第１ねじ９１は，上部電極５１および冷却板５３の中央部付近を中心として同心円状に分布させることができる。かかる場合，同心円を構成する各円の円周上に配される第１ねじ９１の数を，中心部に近い円ほど少なくし，周縁部に近い円ほど多くする構成を採用することができる。
【００２２】
ここで，第１ねじ９１のねじ締めトルク，第１ねじ９１の配置パターン，上部電極５１上面と冷却板５３下面における第１ねじ９１の配置密度・配置数等を調整することにより，上部電極５１と冷却板５３との固定の強さを調節することができる。すなわち，第１ねじ９１のねじ止めの仕方を調整することにより，冷却板５３および中央部天板５５による上部電極５１の冷却効率を調節することができる。
【００２３】
一方，第２ねじ９３は，他の固定手段であり，上部電極５１を下面側から上面側に貫通し，冷却板５３に下面側から挿入される。すなわち，第２ねじ９３は，上部電極５１をプラズマ空間７１１側から冷却板５３側に貫通し，上部電極５１側から冷却板５３に挿入される。
【００２４】
本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１において，第２ねじ９３は，上部電極５１では周縁部５１３に，冷却板５３では周縁部５３３に設けられている。かかる構成により，第２ねじ９３は，周縁部５１３と周縁部５３３とにおいて，上部電極５１と冷却板５３とを相互固定する。
【００２５】
次に，図２を参照しながら，固定ユニット７５による上部電極ユニット５の取り付けについて説明する。
本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１において，上部電極５１と冷却板５３とは，プラズマ処理装置１に設置する前に，予め，第１ねじ９１と第２ねじ９３（図１参照）とにより相互固定しておく。
図２に示すように，固定ユニット７５は，周縁部天板７５１と固定リング７５３と脱落防止プレート７５５と第２絶縁リング７５９とを備えている。
【００２６】
図２に示すように，まず，処理容器７上部に開閉可能に周縁部天板７５１を設置する。なお，図２中，ＲはＯリングであり，７９は，処理容器７上部に固定された第１絶縁リングである。次に，周縁部天板７５１の内側に処理容器７外部側から固定リング７５３を装着する。次に，固定リング７５３の内側に処理容器７外部側から中央部天板５５を装着する。
【００２７】
次に，第３ねじ９５によって周縁部天板７５１上部に脱落防止プレート７５５を固定する。かかる脱落防止プレート７５５は，固定リング７５３上部と中央部天板５５の周縁部上部とを覆う。したがって，中央部天板５５と固定リング７５３とは，かかる脱落防止プレート７５５によって周縁部天板７５１に固定される。
【００２８】
次に，天板（５５，７５１）を開いて，第４ねじ９７によって，中央部天板５５下部に，上部電極５１と冷却板５３とを固定する。第４ねじ９７は，上部電極５１の周縁部５１３に形成された固定構造に相当する貫通孔（座ぶり孔）５１７を介して冷却板５３に挿入される。次に，第４ねじ９７の頭部のすき間を埋めるように，貫通孔５１７をキャップ部材７５７によって塞ぐ。
【００２９】
次に，下部電極５１下部に周縁部５１３を被覆する第２絶縁リング７５９を設置する。第２絶縁リング７５９は，固定リング７５３の外側に第５ねじ９９によってねじ止めする。次に，天板（５５，７５１）を閉じて，第１絶縁リング７９の内側の面と第２絶縁リング７５９の外側の面とを合わせ，処理容器７内部を密閉する。
【００３０】
次に，図１を参照しながら，プラズマ処理装置１の動作について説明する。
動作時には，定電圧供給系３７から静電チャック３３に定電圧が印加され，ウェハＷが下部電極３１上に載置固定される。さらに，高周波電圧供給系５７から上部電極５１に，中央部天板５５と冷却板５３とを介して高周波電圧が印加され，高周波電圧供給系３９から下部電極３１に高周波電圧が印加される。さらにまた，中央部天板５５の冷媒循環路５５３には，冷媒供給系６１から冷媒が供給される。
【００３１】
ガス供給系５９からガス導入空間５５１に処理ガスが供給されると，処理ガスはガス導入空間５５１からガス孔（５３１，５１１）を介してプラズマ空間７１１に供給される。プラズマ空間５７１では，処理ガスが，上部電極５１で発生する高周波電界と下部電極３１で発生する高周波電界とによりプラズマ励起される。プラズマ処理装置１では，かかる励起プラズマによりウェハに所定の処理が施され，プラズマ処理後のガスが排気系７３から処理室７１外部に排出される。
【００３２】
以上説明したプラズマ処理装置１の動作時には，プラズマ空間７１１で発生する励起プラズマによって，上部電極５１の温度が上昇する。冷却板５３は，熱伝達を利用して上部電極５１を冷却し，上部電極５１の熱変形や上部電極５１の温度分布の不均一化等を防止する。本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１では，上部電極５１と冷却板５３との間にすき間が形成されないように，第１ねじ９１によって内側領域５１５と内側領域５３５とを相互固定している。したがって，冷却板５３による上部電極５１の冷却効率が劣化せず，上部電極５１の温度上昇を確実に防止することができる。
【００３３】
以上説明したように，本実施の形態によれば，内側領域（５１５，５３５）において，上部電極５１と冷却板５３とを，冷却板５３側から上部電極５１に挿入される第１ねじ９１により相互固定する。したがって，上部電極５１の中心部付近においても，上部電極５１から冷却板５３への熱伝達を円滑に行うことができる。結果として，本実施の形態によれば，上部電極における不均一な温度上昇を抑制し，プラズマ処理の均一化および上部電極の寿命向上を図ることができる。
【００３４】
さらに，本実施の形態では，プラズマ処理装置１の組立過程において，上部電極５１と冷却板５３とを，プラズマ処理装置１に設置する前に予め相互固定しておくことができる。したがって，本実施の形態によれば，プラズマ処理装置の製造やメンテナンス作業を簡素化することができる。
【００３５】
（第２の実施の形態）
次に，図３を参照しながら，第２の実施の形態について説明する。図３は，本実施の形態に係るプラズマ処理装置１’の概略構成を示す断面図である。
図３に示すように，本実施の形態にかかるプラズマ処理装置１’は，実質的に，上記第１の実施の形態にかかるプラズマ処理装置１’に熱伝達部材に相当する熱伝達部材４を加えたものである。
【００３６】
プラズマ処理装置１’において，熱伝達部材４は，上部電極ユニット５に備えられている。上部電極ユニット５において，熱伝達部材４は，上部電極５１と冷却板５３との間に挟み込まれている。熱伝達部材４の内側領域には，ガス孔５１１，５３１に連通するガス孔４１が形成されている。第１ねじ９１は，熱伝達部材４の内側領域を貫通し，第２ねじ９３は，熱伝達部材４の周縁部を貫通する。なお，熱伝達部材４は，上部電極５１および冷却板５３よりも軟らかい材料から形成することが好適である。熱伝達部材４としては，例えばシリコンシートや樹脂シート等を適用することができる。
【００３７】
以上説明した本実施の形態では，熱伝達部材４を設けることによって，上記第１の実施の形態よりも確実に，冷却板５１と上部電極５３との間におけるすき間の形成を防止することができる。したがって，本実施の形態によれば，より一層，プラズマ処理の均一化および上部電極の寿命向上を図ることができる。
【００３８】
以上，本発明に係る好適な実施の形態について説明したが，本発明はかかる構成に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された技術思想の範囲内において，各種の修正例及び変更例を想定し得るものであり，それら修正例及び変更例についても本発明の技術範囲に包含されるものと了解される。
【００３９】
例えば，上記実施の形態においては，載置電極と対応電極との双方に高周波電圧を印加する構成を有するプラズマ処理装置を例に挙げたが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，例えば載置電極または対応電極のいずれか一方に高周波電圧を印加する構成を有するプラズマ処理装置に対しても適用することができる。なお，本発明を載置電極または対応電極のいずれか一方に高周波電圧を印加する構成を有するプラズマ処理装置に適用した場合において，高周波電圧を印加していない電極は，例えば接地などにより電位を固定してもよいし，フローティングなどにより電位を固定しなくてもよい。
【００４０】
また，上記実施の形態においては，熱伝達部材として一枚のシリコンシートを適用したプラズマ処理装置を例に挙げたが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な熱伝達部材，例えば，対向電極の温度が比較的上昇し易い部分と比較的上昇し難い部分とで熱伝導率の異なる熱伝達部材，同心円状に配される複数のリング状の熱伝達部材，或いはシリコン以外の熱伝達部材等を適用したプラズマ処理装置に対しても適用することができる。
【００４１】
さらに，上記実施の形態においては，固定手段として対向電極内部で終端するねじを適用したプラズマ処理装置を例に挙げたが，本発明はかかる構成に限定されない。本発明は，他の様々な固定手段，例えば，対向電極内部で終端せずに対向電極の側方に突き抜けるねじ，或いは冷却板に設けた突起や打ち込みピンなどの他の固定手段等を適用したプラズマ処理装置に対しても適用することができる。
【００４２】
【発明の効果】
本発明では，対向電極と冷却板との間におけるすき間の形成を防ぐことにより，対向電極の温度分布バラツキを大幅に減少することができる。したがって，本発明によれば，プラズマ処理におけるプロセス特性の面内均一性を向上させることができる。さらに，複数の被処理体を処理する場合に，ウェハ間での処理バラツキを減少させることができる。さらにまた，プラズマ処理を開始する際のシージング時間を短縮することができる。
【００４３】
また，本発明では，対向電極と冷却板との間におけるすき間の形成を防ぐことにより，対向電極から冷却板への熱伝達を全体として向上させることができる。したがって，本発明によれば，対向電極の冷却効率が向上し，冷却システムの簡素化を図ることができる。さらに，温度制御に対する対向電極のレスポンスを向上させることができる。さらにまた，対向電極の温度制御範囲を低温側に拡大し，対向電極の寿命向上を図ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明を適用可能なプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【図２】図１に示すプラズマ処理装置の部分的・概略的な分解図である。
【図３】本発明を適用可能な他のプラズマ処理装置の概略構成を示す断面図である。
【符号の説明】
１ プラズマ処理装置
４ 熱伝達部材
７ 処理容器
３１ 載置電極
５１ 上部電極
５３ 冷却板
９１ 第１ねじ
５１１ ガス孔
５１３ 周縁部
５１５ 内側領域
５１７ 貫通孔
７１１ プラズマ空間
Ｗ ウェハ

Claims (2)

1. 被処理体が載置される下部電極と，前記下部電極に対向配置される上部電極と，前記上部電極の上に配置され熱伝達により前記上部電極を冷却する冷却板とを備え，前記上部電極または前記下部電極の少なくとも一方には高周波電源が接続されており，前記上部電極と前記冷却板とには処理ガスを導入するガス孔が形成されている，プラズマ処理装置であって：
   前記ガス孔以外の部分であって周縁部を除く内側領域にて前記冷却板の上から前記上部電極の途中まで挿入されて，前記上部電極と前記冷却板とを相互固定する第１ねじと、
   前記周縁部にて前記上部電極の下から前記冷却板に挿入されて，前記上部電極と前記冷却板とを相互固定する第２ねじと，を備えることを特徴とする，プラズマ処理装置。
2. 前記上部電極と前記冷却板との間には，熱伝達部材が挟み込まれてい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。

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