JP4559595B2 - 被処理体の載置装置及びプラズマ処理装置 - Google Patents

被処理体の載置装置及びプラズマ処理装置 Download PDF

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Description

【０００１】
【産業上の利用分野】
本発明は、被処理体の載置装置及びプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
プラズマ処理装置としては例えばＣＶＤ装置、エッチング装置あるいはアッシング装置等が半導体製造装置として広く用いられている。プラズマ処理室内には半導体ウエハ等の被処理体を載置する装置が設置されている。この載置装置は、例えば図２に示すように、半導体ウエハＷを載置する載置台（ウエハチャック）１と、このウエハチャック１上面に配置された静電チャック２と、この静電チャック２を囲んでウエハチャック１の外周縁部に配置されたフォーカスリング３とを備えている。ウエハチャック１の上面にはガス通路１Ａが分散して開口し、また、静電チャック２にはこれらの開口に対応する孔２Ａが形成されている。ガス通路１Ａにはガス供給源（図示せず）が接続され、このガス供給源から熱伝達媒体（例えばヘリウムガス）を供給するようになっている。また、ウエハチャック１には高周波電源４が接続され、この高周波電源４からウエハチャック１へ高周波電力を印加する。また、静電チャック２は電極板２Ｂを内蔵するポリイミド樹脂等からなるシート状誘電体として形成されている。電極板２Ｂには直流電源５が接続され、この直流電源５から直流電圧を印加し、静電チャック２上の半導体ウエハＷを静電吸着する。
【０００３】
半導体ウエハＷにプラズマ処理を施す場合には、処理室内のウエハチャック１上の静電チャック２に半導体ウエハＷを載置した後、処理室を所定の真空度に保持した状態で静電チャック２上に半導体ウエハＷを載置、固定した後、高周波電源４からウエハチャック１に高周波電力を印加し、処理室内で対向電極（図示せず）との間でプラズマを発生させる。プラズマはウエハチャック１上のフォーカスリング３を介して半導体ウエハＷ上に収束し、半導体ウエハＷに対し所定のプラズマ処理（例えば、エッチング処理）を施す。エッチングにより半導体ウエハＷの温度が高くなるが、冷却機構を用いてウエハチャック１を介して半導体ウエハＷを冷却する。この際、静電チャック２の上面からヘリウムガスを半導体ウエハＷの裏面に向けて噴出し、静電チャック２と半導体ウエハＷ間の熱伝達効率を高め半導体ウエハＷを効率良く冷却する。
【０００４】
【発明が解決しようとする課題】
しかしながら、従来の被処理体の載置装置の場合には、フォーカスリング３が単にウエハチャック１上に載置した構造であるため、フォーカスリング３とウエハチャック１間に真空細隙があり、両者間での熱伝達が悪く、半導体ウエハＷのようにはフォーカスリング３を冷却することができず、フォーカスリング３が半導体ウエハＷの温度よりもかなり高くなり、半導体ウエハＷの外周縁部のエッチング特性が変化し、この部分のエッチングが不十分でホール抜け性が悪化したり、エッチングの選択比が低下したりする等の問題が生じている。尚、ホール抜け性とは所定の深さまでエッチングにより確実に堀込むことができる特性を云う。ホール抜け性が悪いと堀込みが足りず、所定深さまでエッチングできない。
【０００５】
特に、最近では半導体ウエハＷの大口径化、超微細化が飛躍的に進み、しかも一枚の半導体ウエハＷの無駄をなくし１個でも多くのデバイスを取る努力がなされているため、半導体ウエハＷの外周間際までデバイスを取るようになってきている。そのため、フォーカスリング３の温度上昇はデバイスの歩留りに大きく影響するようになってきた。
【０００６】
尚、特開平７−３１０１８７号公報や特開平１０−３０３２８８号公報において、フォーカスリングに相当する部材の温度を調節する手段が提案されているが、これらの公報で提案されている温度調節手段はいずれも構造が複雑で、コストアップの要因になっていた。
【０００７】
本発明は、上記課題を解決するためになされたもので、フォーカスリング近傍でのプラズマ処理特性の経時的変化をなくし、被処理体全面を均一に処理することができ、しかも簡単な構造でコスト削減を実現することができる被処理体の載置装置及びプラズマ処理装置を提供することを目的としている。
【０００８】
【課題を解決するための手段】
本発明の請求項１に記載の被処理体の載置装置は、被処理体を載置する冷却機構を内蔵した載置台と、この載置台の載置面の外周縁部に配置されたフォーカスリングとを備えた被処理体の載置装置において、上記被処理体を静電力で上記載置面に吸着する第１の静電吸着手段と、上記フォーカスリングを上記第１の静電吸着手段よりも大きい静電力で上記載置面の上記外周縁部に吸着する第２の静電吸着手段と、を設けたことを特徴とするものである。
【０００９】
また、本発明の請求項２に記載の被処理体の載置装置は、請求項１に記載の発明において、上記第１の静電吸着手段は、上記載置面のうち上記被処理体の保持部に設けられ、上記被処理体を吸着するためのクーロン力を発生する第１の誘電体膜を有し、上記第２の静電吸着手段は、上記載置面のうち上記フォーカスリングを保持する上記外周縁部に設けられ、上記フォーカスリングを吸着するためのジョンソンラーベック力を発生する第２の誘電体膜を有し、上記第２の誘電体膜は、上記フォーカスリングと上記外周縁部との間に位置することを特徴とするものである。
【００１０】
また、本発明の請求項３に記載の被処理体の載置装置は、請求項２に記載の発明において、上記第１の誘電体膜は、比抵抗率が１×１０ １２ Ω-ｍより大きい材料からなり、上記第２の誘電体膜は、比抵抗率が１×１０ １２ Ω-ｍより小さい材料からなることを特徴とするものである。
【００１１】
また、本発明の請求項４に記載の被処理体の載置装置は、請求項２または請求項３に記載の発明において、上記載置面の全面は、上記第１の誘電体膜及び上記第２の誘電体膜で覆われていることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項５に記載の被処理体の載置装置は、請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の発明において、上記第１、第２の誘電体膜は、いずれもセラミック、ポリイミド樹脂及び四フッ化エチレン樹脂の中から選択されるいずれか一つの耐熱性材料によって形成されていることを特徴とするものである。
また、本発明の請求項６に記載の被処理体の載置装置は、請求項２〜請求項５のいずれか１項に記載の発明において、上記載置台を介して上記第１、第２の誘電体膜に直流電圧を印加することを特徴とするものである。
また、本発明の請求項７に記載の被処理体の載置装置は、請求項１〜は請求項６のいずれか１項に記載の発明において、上記冷却機構は、上記載置台の内部に冷媒流路が形成され、この冷媒流路内に流体からなる第１の冷却媒体を流通させて、上記被処理体及び上記フォーカスリングを上記第１、第２の静電吸着手段を介して冷却する第１の冷却機構と、上記載置台の内部にガス供給路が形成され、このガス供給路内に気体からなる第２の冷却媒体を供給して上記被処理体及び上記フォーカスリングのそれぞれの裏面側に吹き付けて、上記被処理体及び上記フォーカスリングをそれぞれ冷却する第２の冷却機構と、を有することを特徴とするものである。
また、本発明の請求項８に記載のプラズマ処理装置は、所定の真空度を保持するプラズマ処理室と、このプラズマ処理室内に設けられた被処理体を載置する載置装置と、を備え、上記プラズマ処理室内にプラズマ処理用のガスを供給すると共に高周波電力を印加して上記ガスのプラズマを発生させて上記被処理体に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、上記載置装置として請求項１〜７のいずれか１項に記載の被処理体の載置装置を設けたことを特徴とするものである。
【００１２】
【発明の実施の形態】
以下、図１に示す実施形態に基づいて本発明を説明する。
本実施形態の被処理体の載置装置１０は、例えば図１に示すように、被処理体（例えば、半導体ウエハ）Ｗを載置する載置台（ウエハチャック）１１と、このウエハチャック１１の外周縁部に配置されたフォーカスリング１２とを備え、ウエハチャック１１には１３．５６ＭＨｚの高周波電源１３が接続されている。ウエハチャック１１は例えばアルミアルマイトによって形成され、フォーカスリング１２は例えばシリコン、窒化シリコン、シリコンカーバイト等のセラミックによって形成されている。
【００１３】
上記ウエハチャック１１の上面はウエハ載置面１１Ａとして形成され、このウエハ載置面１１Ａの外周にはフォーカスリング１２を載置するリング状載置面１１Ｂが段差を持って形成されている。これらのウエハ載置面１１Ａ及びリング状載置面１１Ｂはそれぞれ異なる比抵抗率を有するセラミック等の無機材料やポリイミド樹脂等の耐熱性樹脂等の誘電体からなる第１、第２の誘電体膜層１４Ａ、１４Ｂによって被覆されている。第１、第２の誘電体膜層１４Ａ、１４Ｂはそれぞれ例えばセラミックの溶射技術によって６００μｍの厚さで形成される。第１、第２の誘電体膜層１４Ａ、１４Ｂは後述のように半導体ウエハＷ及びフォーカスリング１２を静電吸着する静電チャックとして機能する。第１、第２の誘電体膜層１４Ａ、１４Ｂは、膜厚が薄いと絶縁耐性が低下し、膜厚が厚いと吸着力が低下するため、吸着目的に応じて適宜の膜厚を選択する。
【００１４】
而して、膜厚ｄ、誘電率εの誘電体膜層を静電チャックとして用い、その片側から直流電圧Ｖを印加すると、誘電体膜層の両側に単位面積当たりＱ＝εＶ／ｄの正負の電荷が蓄積される。この時の電荷がクーロン力となって半導体ウエハＷまたはフォーカスリング１２が誘電体膜層を介して吸着される。しかしながら、誘電体膜層の比抵抗率が１×１０１２Ω・ｃｍより小さい材料によって形成されている場合には、誘電体膜層に微小電流が流れ、電荷が誘電体膜層の表面に蓄積されるため、見かけ上ｄが非常に小さくなり、強い吸着力が得られる。これはジョンソンラーベック力を利用した静電チャックとして知られている。直流電圧の印加を停止した後における蓄積電荷の自然放散は、クーロン力の場合に比べてジョンソンラーベック力による場合の方が長時間を要する。
【００１５】
そこで、本実施形態では第１の誘電体膜層１４Ａは例えば比抵抗率が１×１０１２Ω・ｃｍより大きい材料（例えば、アルミナに導電性不純物を添加した混合物）によって形成され、クーロン力で半導体ウエハＷを吸着するようにしている。半導体ウエハＷを吸着する場合には、強い吸着力よりもむしろ電荷の自然放散が速く、半導体ウエハＷの着脱を素早くすることが優先されるからである。一方、第２の誘電体膜層１４Ｂは例えば比抵抗率が１×１０１２Ω・ｃｍより小さい材料（例えば、アルミナに導電性不純物を添加した混合物）によって形成され、ジョンソンラーベック力で半導体ウエハＷを吸着するようにしている。フォーカスリング１２を吸着する場合には、フォーカスリング１２は例えば６ｍｍ程度の肉厚があるため、電荷の素早い自然放散よりもむしろ強い吸着力が優先されるからである。第１、第２の誘電体膜層１４Ａ、１４Ｂは例えば共にアルミナに導電性不純物を添加した混合物によって形成されるが、それぞれの比抵抗率は添加する導電性不純物の添加量によって適宜調整することができる。
【００１６】
上記フォーカスリング１２はリング状載置面１１Ｂ上に載置される。このフォーカスリング１２の内側には段部が形成され、この段部が半導体ウエハＷの外周縁部を支持する支持面１２Ａとして形成されている。従って、フォーカスリング１２がリング状載置面１１Ｂ上に載置されると、フォーカスリング１２の支持面１２Ａとウエハ載置面１１Ａにおける第１の誘電体膜層１４Ａの表面がほぼ面一になり、ウエハ載置面１１Ａ上に載置された半導体ウエハＷの外周縁部をフォーカスリング１２の支持面１２Ａで支持するようになっている。
【００１７】
而して、上記ウエハチャック１１には直流電源１５が接続され、この直流電源１５からウエハチャック１１に例えば２ＫＶの直流電圧を印加すると、第１、第２の誘電体膜層１４Ａ、１４Ｂの表面に静電気が帯電して静電チャックとして機能するようになっている。第１の誘電体膜層１４Ａでは半導体ウエハＷをクーロン力で吸着し、第２の誘電体膜層１４Ｂではフォーカスリング１２をジョンソンラーベック力で吸着する。直流電源１５は直流電圧を適宜変更できるようになっている。
【００１８】
また、上記ウエハチャック１１内には冷媒流路１１Ｃが形成され、この冷媒流路１１Ｃ内を冷却媒体（例えば、エチレングリコール）が通り、ウエハチャック１１を介して半導体ウエハＷを冷却する。冷媒流路１１Ｃとは別にウエハチャック１１内にはバックサイドガスが通るガス流路１１Ｄが形成され、このガス流路１１Ｄはウエハ載置面１１Ａ及びリング状載置面１１Ｂで開口し、また、第１、第２の誘電体膜層１４Ａ、１４Ｂにはガス流路１１Ｄに対応する孔１４Ｃが形成され、バックサイドガスをウエハ載置面１１Ａから半導体ウエハＷの裏面に向けてヘリウムガスを熱伝達媒体として吹き出すと共にリング状載置面１１Ｂからフォーカスリング１２の裏面に向けてヘリウムガスを吹き出し、それぞれの間での熱伝達を円滑にする。
【００１９】
次に、動作について説明する。直流電源１５からウエハチャック１１に所定の直流電圧を印加すると、ウエハ載置面１１Ａ及びリング状載置面１１Ｂの第１、第２の誘電体膜層１４Ａ、１４Ｂに静電気が帯電する。これによりフォーカスリング１２はこの部分の第２の誘電体膜層１４Ｂのジョンソンラーベック力でリング状載置面１１Ｂ上で強く静電吸着される。この状態で処理室内の載置装置１０において半導体ウエハＷを受け取ると、半導体ウエハＷはウエハ載置面１１Ａの第１の誘電体膜層１４Ａのクーロン力でウエハ載置面１１Ａ上で静電吸着される。ウエハチャック１１において半導体ウエハＷを受け取った後、処理室を他から遮断して密閉する。次いで、処理室内を所定の真空度に保ち、高周波電源１３からウエハチャック１１に高周波電力を印加すると共にエッチング用ガスを導入すると、処理室内ではエッチング用ガスのプラズマを発生する。プラズマはウエハチャック１１のフォーカスリング１２によりウエハチャック１１上の半導体ウエハＷに収束し、半導体ウエハＷの表面に所定にエッチング処理を施す。
【００２０】
この際、半導体ウエハＷはプラズマの攻撃により温度が上昇するが、冷却機構を構成する冷媒流路１１Ｃを流れるエチレングリコールによってウエハチャック１１が冷却されているために、ウエハチャック１１上の半導体ウエハＷは冷却される。しかもバックサイドガスの働きによりウエハ載置面１１Ａと半導体ウエハＷ間の熱伝達が円滑に行われ、半導体ウエハＷは効率良く冷却され、制御温度以上に上昇することなく一定の温度に維持される。
【００２１】
一方、ウエハチャック１１の外周縁部のフォーカスリング１２もウエハ同様にプラズマの攻撃を受け、温度が上昇する。この際、フォーカスリング１２は第２の誘電体膜層１４Ｂを介してリング状載置面１１Ｂ上に強く静電吸着されて密着し、しかもフォーカスリング１２と第２の誘電体膜層１４Ｂ間にヘリウムガスが介在しているため、フォーカスリング１２とリング状載置面１１Ｂ間の熱伝達を促し、フォーカスリング１２も半導体ウエハＷと同様に冷却され、半導体ウエハＷと略同一のレベルの温度に維持され、両者間で殆ど温度差が生じることがないか、温度差があるとしても極めて僅かである。
【００２２】
従って、半導体ウエハＷの外周縁部はフォーカスリング１２の温度による影響を受けることがなく、半導体ウエハＷ全面で一定のエッチング処理を行うことができ、従来のようにホール抜け性が悪化したり、エッチングの選択比が悪化したりすることがない。
【００２３】
以上説明したように本実施形態によれば、ウエハチャック１１に直流電圧を印加した状態でウエハチャック１１のウエハ載置面１１Ａの第１の誘電体膜層１４Ａにおいて半導体ウエハＷをクーロン力で静電吸着すると共にリング状載置面１１Ｂの第２の誘電体膜層１４Ｂにおいてフォーカスリング１２をジョンソンラーベック力で強く静電吸着することができるため、半導体ウエハＷ及びフォーカスリング１２がそれぞれの載置面１１Ａ、１１Ｂに確実に密着し、フォーカスリング１２を半導体ウエハＷと同様に効率良く冷却することができ、フォーカスリング１２と半導体ウエハＷ間で殆ど温度差を生じさせることがなく、半導体ウエハＷ外周縁部でのエッチング特性の悪化を防止し、半導体ウエハＷの外周縁部をその内側と同様に均一にエッチングすることができ、歩留りを高めることができる。また、静電吸着手段は、ウエハチャック１１の上面に第１、第２の誘電体膜層１４Ａ、１４Ｂと、ウエハチャック１１に直流電圧を印加する直流電源１５によって構成されているため、静電チャック構造を簡素化することができ、ひいてはコスト削減を実現することができる。また、半導体ウエハＷ及びフォーカスリング１２とそれぞれの載置面１１Ａ、１１Ｂ間に熱伝導性ガスであるヘリウムガスを供給するため、静電吸着手段と相俟ってフォーカスリング１２を半導体ウエハＷと同様に効率良く冷却することができる。
【００２４】
尚、本発明は上記実施形態に何等制限されるものではない。例えば、上記実施形態では第１、第２の誘電体膜層１４Ａ、１４Ｂを異なる比抵抗率を持つセラミックによって形成したものについて説明したが、誘電体膜層はセラミックに制限されるものではなく、ポリイミド樹脂や四フッ化エチレン樹脂等の耐熱性樹脂によって形成したものであっても良い。第１、第２の誘電体膜層１４Ａ、１４Ｂは同一の比抵抗率を有するものであっても良い。また、被処理体は半導体ウエハに制限されるものではなく、ＬＣＤ用基板等であっても良い。
【００２５】
【発明の効果】
本発明によれば、フォーカスリング近傍での被処理体に対するプラズマ処理特性の経時的変化をなくし、被処理体全面を均一に処理することができ、しかも簡単な構造でコスト削減を実現することができる被処理体の載置装置及びプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明の被処理体の載置装置の一実施形態を示す要部断面図である。
【図２】従来の被処理体の載置装置の一例を示す図１に相当する断面図である。
【符号の説明】
１０ 被処理体の載置装置
１１ ウエハチャック（載置台）
１１Ａ ウエハ載置面
１１Ｂ リング状載置面
１１Ｃ 冷媒流路（冷却機構）
１２ フォーカスリング
１４Ａ 第１の誘電体膜層（第１の静電吸着手段）
１４Ｂ 第２の誘電体膜層（第２の静電吸着手段）
１５ 直流電源

Claims (8)

  1. 被処理体を載置する冷却機構を内蔵した載置台と、この載置台の載置面の外周縁部に配置されたフォーカスリングとを備えた被処理体の載置装置において、上記被処理体を静電力で上記載置面に吸着する第１の静電吸着手段と、上記フォーカスリングを上記第１の静電吸着手段よりも大きい静電力で上記載置面の上記外周縁部に吸着する第２の静電吸着手段と、を設けたことを特徴とする被処理体の載置装置。
  2. 上記第１の静電吸着手段は、上記載置面のうち上記被処理体の保持部に設けられ、上記被処理体を吸着するためのクーロン力を発生する第１の誘電体膜を有し、
    上記第２の静電吸着手段は、上記載置面のうち上記フォーカスリングを保持する上記外周縁部に設けられ、上記フォーカスリングを吸着するためのジョンソンラーベック力を発生する第２の誘電体膜を有し、
    上記第２の誘電体膜は、上記フォーカスリングと上記外周縁部との間に位置する
    ことを特徴とする請求項１に記載の被処理体の載置装置。
  3. 上記第１の誘電体膜は、比抵抗率が１×１０ １２ Ω-ｍより大きい材料からなり、
    上記第２の誘電体膜は、比抵抗率が１×１０ １２ Ω-ｍより小さい材料からなる
    ことを特徴とする請求項２に記載の被処理体の載置装置。
  4. 上記載置面の全面は、上記第１の誘電体膜及び上記第２の誘電体膜で覆われていることを特徴とする請求項２または請求項３に記載の被処理体の載置装置。
  5. 上記第１、第２の誘電体膜は、いずれもセラミック、ポリイミド樹脂及び四フッ化エチレン樹脂の中から選択されるいずれか一つの耐熱性材料によって形成されていることを特徴とする請求項２〜請求項４のいずれか１項に記載の被処理体の載置装置。
  6. 上記載置台を介して上記第１、第２の誘電体膜に直流電圧を印加することを特徴とする請求項２〜請求項５のいずれか１項に記載の被処理体の載置装置。
  7. 上記冷却機構は、
    上記載置台の内部に冷媒流路が形成され、この冷媒流路内に流体からなる第１の冷却媒体を流通させて、上記被処理体及び上記フォーカスリングを上記第１、第２の静電吸着手段を介して冷却する第１の冷却機構と、
    上記載置台の内部にガス供給路が形成され、このガス供給路内に気体からなる第２の冷却媒体を供給して上記被処理体及び上記フォーカスリングのそれぞれの裏面側に吹き付けて、上記被処理体及び上記フォーカスリングをそれぞれ冷却する第２の冷却機構と、を有する
    ことを特徴とする請求項１〜請求項６のいずれか１項に記載の被処理体の載置装置。
  8. 所定の真空度を保持するプラズマ処理室と、このプラズマ処理室内に設けられた被処理体を載置する載置装置と、を備え、上記プラズマ処理室内にプラズマ処理用のガスを供給すると共に高周波電力を印加して上記ガスのプラズマを発生させて上記被処理体に所定のプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、上記載置装置として請求項１〜７のいずれか１項に記載の被処理体の載置装置を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
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