JP4869610B2 - 基板保持部材及び基板処理装置 - Google Patents

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Description

本発明は，基板を載置して保持する基板保持部材と，その基板保持部材を備えた基板処理装置に関する。
例えば半導体デバイスの製造プロセスでは，例えばプラズマを用いたエッチング処理や成膜処理が行われている。
これらのプラズマを用いたプラズマ処理は，通常プラズマ処理装置により行われている。このプラズマ処理装置は，例えば処理容器内に，プラズマ生成用の高周波電力が印加される上部電極や，基板を保持するサセプタなどを備えている。そして，処理容器内を所定の圧力に減圧し，処理容器内に処理ガスを供給し，上部電極にプラズマ生成用の高周波電力を印加することによって，処理容器内にプラズマを生成し，当該プラズマによって基板上の膜をエッチングしている。
上記プラズマ処理は，プラズマを生成するために高温の条件下で行われるが，基板の処理状態を一定に保つため，例えば基板の温度を一定に維持する必要がある。このため，基板を保持するサセプタは，例えば冷媒の循環供給により温度調整され，基板の温度を制御していた。
ところで，サセプタには，基板を保持する上面が基板よりも小さく形成されているものがあり，この場合，基板の外周部がサセプタの上面からはみ出した状態になっている（例えば，特許文献１参照。）。これは，エッチング処理時に，サセプタの上面が上部電極側に露出してプラズマなどにより削られることを防止するためのものである。
特開平１１−１２１６００号公報
しかしながら，上述したように基板の外周部がサセプタからはみ出していると，処理中に，基板の外周部に対する入熱が多く，また基板の外周部に対するサセプタによる冷却も十分に行われない。このため，サセプタ上の基板は，外周部に近づくにつれて高温になり，基板面内の温度が均一に保たれていなかった。基板面の温度が均一でないと，例えば基板面内におけるエッチング特性がばらつき，例えば基板の中心部と外周部とで線幅寸法が大きく異なってしまう。
本発明は，かかる点に鑑みてなされたものであり，基板を保持しつつ基板の温度制御を行うサセプタなどの基板保持部材において，基板の面内温度を均一に維持することをその目的とする。
上記目的を達成するための本発明は，基板を載置して保持し，基板と基板保持面との熱伝達により基板を温度制御する基板保持部材であって，基板よりも小さい基板保持面を有し，前記基板と基板保持面との熱伝達率は，基板保持面の材質を変えることによって設定されており，且つ基板保持面の中心領域と外周領域との間の中間領域が前記中心領域と前記外周領域に対し低くなっており，前記外周領域が前記中心領域に対して高くなっていることを特徴とする。なお，前記基板と基板保持面との熱伝達率は，基板保持面の表面粗さを変えることにより設定されていてもよい。
本発明によれば，基板保持面に保持された基板の面内温度を均一に維持できる。
前記基板保持面の中間領域は，保持した基板の中心から見て基板の半径の８０〜９０％の範囲に位置していてもよい。
別の観点による本発明によれば，前記のいずれかに記載の基板保持部材を備えた基板処理装置が提供される。
本発明によれば，基板保持部材上の基板の面内温度が均一に維持されるので，基板の処理が面内で均一に行われ，歩留まりが向上する。
以下，本発明の好ましい実施の形態について説明する。図１は，本発明にかかる基板保持部材を備えた平行平板型のプラズマ処理装置１の構成の概略を示す縦断面図である。
プラズマ処理装置１は，例えば略円筒形状の処理容器１０を有している。処理容器１０の内部には，処理室Ｓが形成されている。処理容器１０は，例えばアルミニウム合金により形成され，内壁面がアルミナ膜又はイットリウム酸化膜により被覆されている。処理容器１０は，接地されている。
処理容器１０内の中央の底部には，絶縁板１１を介在して円柱状のサセプタ支持台１２が設けられている。サセプタ支持台１２上には，基板Ｗを載置して保持する基板保持部材としてのサセプタ１３が支持されている。サセプタ１３は，下部電極を構成している。
サセプタ支持台１２の内部には，リング状の冷媒室１４が形成されている。冷媒室１４は，配管１４ａ，１４ｂを通じて，処理容器１０の外部に設置されたチラーユニット（図示せず）に連通している。冷媒室１４には，配管１４ａ，１４ｂを通じて冷媒が循環供給され，この循環供給によりサセプタ１３の温度が調整される。これにより，サセプタ１３に載置される基板Ｗの温度が制御される。
サセプタ１３は，例えばアルミニウム合金，例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）により形成されている。サセプタ１３は，例えば中央部が上方に突出した略円盤形状に形成されている。そのサセプタ１３の中央部の突出部は，静電チャック１５になっている。静電チャック１５の内部には，直流電源１６に接続された電極層１７が設けられており，直流電源１６から電極層１７に直流電圧を印加しクーロン力を発生させることにより，基板Ｗを吸着できる。
サセプタ１３の静電チャック１５の上面には，基板Ｗが載置される基板保持面２０が形成されている。基板保持面２０は，例えば載置される基板Ｗよりも小さい径を有する円形に形成されている。これにより，基板保持面２０に基板Ｗが載置されると，基板Ｗの外周部が基板保持面２０の端部から外側に突出する。基板保持面２０は，例えば図２及び図３に示すように最外周を環状に囲む外周リング２１と，円柱状の複数の凸部２２を備えている。外周リング２１と凸部２２は，上面が同じ高さでかつ平坦に形成されており，基板Ｗを載置した際に基板Ｗに接触する。したがって，基板Ｗは，基板保持面２０の外周リング２１と凸部２２により支持される。
基板保持面２０は，中心部から外周部に向けて，基板Ｗとの熱伝達率が初め一定でその後低下しその後上昇するように形成されている。例えば基板保持面２０は，図４に示すように載置される基板Ｗの中心から基板Ｗの半径Ｋの８０％までの中心領域Ｒ１と，基板Ｗの中心から見て基板Ｗの半径Ｋの８０〜９０％の範囲に位置する中間領域Ｒ２と，基板Ｗの中心から見て基板Ｗの半径Ｋの９０％〜９８％の範囲に位置する外周領域Ｒ３に区画されている。基板Ｗと基板保持面２０との熱伝達率は，これらの各領域Ｒ１〜Ｒ３毎に設定されている。なお，ここでいう熱伝達率は，各領域Ｒ１〜Ｒ３における平均の熱伝達率である。
中心領域Ｒ１には，図２及び図３に示すように複数の凸部２２が均等に配置され，中心領域Ｒ１の面内においては，熱伝達率が一定になっている。中間領域Ｒ２には，複数の凸部２２の単位面積あたりの個数が中心領域Ｒ１よりも少なくなるように凸部２２が配置されている。これにより，中間領域Ｒ２における凸部２２と基板Ｗとの接触率（「接触している面積」/「領域内の全面積」）が中心領域Ｒ１よりも減少するので，中間領域Ｒ２は，中心領域Ｒ１よりも，基板Ｗとの熱伝達率が低くなる。また，中間領域Ｒ２における基板Ｗとの熱伝達率は，中心領域Ｒ１の９０％程度になるように設定されている。
外周領域Ｒ３には，中心領域Ｒ１と中間領域Ｒ２よりも基板Ｗとの接触率が上昇するように，複数の凸部２２と外周リング２１が配置されている。例えば，凸部２２の単位面積あたりの個数を増やしたり，外周リング２１の厚みを増やすことにより，接触率が上昇される。これにより，外周領域Ｒ３は，中心領域Ｒ１と中間領域Ｒ２よりも，基板Ｗとの熱伝達率が高くなっている。
基板保持面２０には，図１に示すようにサセプタ１３及びサセプタ支持台１２内を通るガス供給ライン３０が通じている。これにより，基板Ｗが基板保持面２０に載置された際に形成される，基板Ｗと静電チャック１５との間の空間に，Ｈｅガスなどの伝熱ガスを供給できる。
サセプタ１３の静電チャック１５の外周には，環状のフォーカスリング３１が設けられている。フォーカスリング３１は，サセプタ１３上に載置された基板Ｗを囲むように形成されている。フォーカスリング３１は，例えば導電性材料によって形成されている。
サセプタ１３には，整合器４０を介して第１の高周波電源４１が電気的に接続されている。第１の高周波電源４１は，例えば２〜２０ＭＨｚの範囲，例えば２ＭＨｚの周波数の高周波電力を出力しサセプタ１３に印加できる。第１の高周波電源４１により，プラズマ中のイオンを基板Ｗ側に引き込むための自己バイアス電位を生成できる。
サセプタ１３には，後述する上部電極５０側の第２の高周波電源７１からの高周波をグランドに通すためのハイパスフィルタ４２が電気的に接続されている。
サセプタ１３の上方には，サセプタ１３と平行に対向する上部電極５０が設けられている。サセプタ１３と上部電極５０との間には，プラズマ生成空間が形成される。
上部電極５０は，サセプタ１３に載置された基板Ｗ上に処理ガスを噴出するシャワーヘッドを構成している。上部電極５０は，例えばサセプタ１３に対向する電極板５１と，当該電極板５１を支持する電極支持体５２によって構成されている。電極支持体５２は，例えば中空の略円筒状に形成され，その下面に電極板５１が設けられている。電極板５１には，多数のガス噴出孔５１ａが形成されており，電極支持体５２内に導入された処理ガスをガス噴出孔５１ａから噴出できる。
上部電極５０の電極支持体５２の上面の中央部には，上部電極５０に処理ガスを導入するためのガス供給管６０が接続されている。ガス供給管６０は，処理容器１０の上面を貫通してガス供給源６１に接続されている。ガス供給管６０と処理容器１０との接触部には，絶縁材６２が介在されている。
上部電極５０には，整合器７０を介して第２の高周波電源７１が電気的に接続されている。第２の高周波電源７１は，例えば４０Ｍ以上，例えば６０ＭＨｚの周波数の高周波電力を出力し上部電極５０に印加できる。この第２の高周波電源７１により，処理容器１０内に処理ガスのプラズマを生成できる。
上部電極５０には，サセプタ１３側の第１の高周波電源４１からの高周波をグランドに通すためのローパスフィルタ７２が電気的に接続されている。
処理容器１０の底部には，排気口８０が形成されている。排気口８０は，排気管８１を通じて，真空ポンプなどを備えた排気装置８２に接続されている。排気装置８２により，処理容器１０内の所望の圧力に減圧できる。
処理容器１０の側壁には，基板Ｗの搬送口９０が形成され，その搬送口９０には，ゲートバルブ９０が設けられている。ゲートバルブ９０を開放することによって，処理容器１０内に基板Ｗを搬入出できる。
以上のように構成されたプラズマ処理装置１で行われるエッチング処理では，先ず基板Ｗが処理容器１０内に搬入され，サセプタ１３の基板保持面２０に載置され吸着される。この際，サセプタ１３は，サセプタ支持台１２の循環冷媒により予め所定温度に調節されている。このサセプタ１３からの熱伝達により，基板保持面２０上の基板Ｗも所定温度に調整される。次に，例えば排気管８１からの排気により，処理室Ｓ内が所定の圧力に減圧される。上部電極５０から処理室Ｓ内に処理ガスが供給される。第２の高周波電源７１により，上部電極５０に高周波電力が印加され，処理室Ｓ内の処理ガスがプラズマ化される。また，第１の高周波電源４１により，サセプタ１３に高周波電力が印加され，プラズマ中の荷電粒子が基板Ｗ側に誘導される。これらのプラズマの作用により，基板Ｗ上の膜がエッチングされる。
次に，本実施の形態におけるサセプタ１３を採用した場合の基板の面内温度の均一性について検証する。図５は，基板Ｗと基板保持面２０との面内熱伝達率分布と，基板保持面２０上で温度調整された基板Ｗの面内温度分布を示すグラフである。
図５の曲線Ａは，サセプタ１３の基板Ｗと基板保持面との熱伝達率を仮に全領域において均一にした場合の基板Ｗの面内温度分布を示す。かかる場合，基板Ｗの外周部の温度が著しく上昇することが確認できる。曲線Ｂは，基板Ｗと基板保持面との熱伝達率を，仮に基板保持面の中心部から外周部に向けて次第に増大させた場合の熱伝達率分布を示し，曲線Ｃは，曲線Ｂの熱伝達率分布の場合の基板Ｗの面内温度分布を示す。曲線Ｃの場合，曲線Ａの場合に比べて基板Ｗの外周部の温度上昇が抑制されているが，逆に基板Ｗの中間部から外周部にかけて大きな温度低下が見られる。
曲線Ｄは，本実施の形態におけるサセプタ１３の基板保持面２０のように，基板Ｗとの熱伝達率を中間領域Ｒ２＜中心領域Ｒ１＜外周領域Ｒ３の順に大きくした場合の熱伝達率分布を示し，曲線Ｅは，本実施の形態における基板保持面２０上の基板Ｗの面内温度分布を示す。曲線Ｅの場合，曲線Ｃの場合の基板Ｗの中間部から外周部にかけた温度低下が改善され，また基板面内の最大温度差も±１℃程度の範囲に抑えられていることが確認できる。
本実施の形態によれば，サセプタ１３の基板保持面２０の凸部２２の単位面積あたりの個数を変えることによって，基板Ｗと基板保持面２０との熱伝達率を，中間領域Ｒ２＜中心領域Ｒ１＜外周領域Ｒ３になるように設定したので，プラズマ処理１におけるエッチング処理中に基板Ｗの面内温度が均一に保たれ，エッチング処理を基板面内で均一に行うことができる。
以上の実施の形態によれば，各領域Ｒ１〜Ｒ３における基板保持面２０と基板Ｗとの熱伝達率を，凸部２２の単位面積あたりの個数によって設定していたが，基板保持面２０に複数の凸部２２を均等に配置し，各凸部２２と基板Ｗとの接触面積，つまり各凸部２２の上面の面積を変えることによって，各領域Ｒ１〜Ｒ３における基板Ｗと基板保持面２０との熱伝達率を設定してもよい。
また，基板保持面２０の各領域Ｒ１〜Ｒ３の材質を変えることによって，各領域Ｒ１〜Ｒ３の基板Ｗと基板保持面２０との熱伝達率を設定してもよい。例えば基板保持面２０がアルミナを主成分とする材質で形成されている場合に，当該基板保持面２０の各領域Ｒ１〜Ｒ３の材料の成分に，異なる量の窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を添加することにより，各領域Ｒ１〜Ｒ３の熱伝達率を設定してもよい。かかる場合，中間領域Ｒ２，中心領域Ｒ１，外周領域Ｒ３の順に，より多くの窒化アルミニウムが添加され，熱伝達率が中間領域Ｒ２，中心領域Ｒ１，外周領域Ｒ３の順に高くなるように設定される。また，この場合，基板保持面２０は，図６に示すように凹凸のない平面であってもよい。
さらに，基板保持面２０の各領域Ｒ１〜Ｒ３の表面粗さを変えることによって，各領域Ｒ１〜Ｒ３の熱伝達率を設定してもよい。かかる場合，基板保持面２０は，表面粗さが中間領域Ｒ２，中心領域Ｒ１，外周領域Ｒ３の順に小さくなるように形成され，熱伝達率が中間領域Ｒ２，中心領域Ｒ１，外周領域Ｒ３の順に高くなるように設定される。なお，この場合も，基板保持面２０が凹凸のない平面であってもよい。
以上，添付図面を参照しながら本発明の好適な実施の形態について説明したが，本発明はかかる例に限定されない。当業者であれば，特許請求の範囲に記載された思想の範疇内において，各種の変更例または修正例に相到し得ることは明らかであり，それらについても当然に本発明の技術的範囲に属するものと了解される。本発明はこの例に限らず種々の態様を採りうるものである。例えば本実施の形態では，基板保持面２０の凸部２２は，円筒形状であったが，四角柱などの他の形状であってもよい。また，基板保持面２０には，外周リング２１の内側に内周のリングが形成されていてもよい。下部電極となるサセプタ１３には，自己バイアス電位を生成させるための高周波電源とプラズマを生成させるための高周波電源の両方が接続されていてもよい。以上の実施の形態では，基板保持面２０を有するサセプタ１３が，エッチングを行うプラズマ処理装置１に備えられていたが，本発明の基板保持部材は，成膜処理を行うプラズマ処理装置や，プラズマを用いない他の基板処理装置にも適用できる。
本発明は，基板を温度制御する基板保持部材において，基板の面内温度を均一に維持する際に有用である。
プラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。 基板保持面の平面図である。 サセプタの静電チャックの縦断面図である。 基板保持面の領域を説明するための基板保持面の模式図である。 基板保持面の熱伝達率分布と基板の面内温度分布を示すグラフである。 基板保持面が平面の場合の静電チャックの縦断面図である。
符号の説明
１ プラズマ処理装置
１３ サセプタ
２０ 基板保持面
２１ 外周リング
２２ 凸部
Ｒ１ 中心領域
Ｒ２ 中間領域
Ｒ３ 外周領域
Ｗ 基板

Claims (4)

  1. 基板を載置して保持し，基板と基板保持面との熱伝達により基板を温度制御する基板保持部材であって，
    基板よりも小さい基板保持面を有し，
    前記基板と基板保持面との熱伝達率は，基板保持面の材質を変えることによって設定されており，且つ基板保持面の中心領域と外周領域との間の中間領域が前記中心領域と前記外周領域に対し低くなっており，前記外周領域が前記中心領域に対して高くなっていることを特徴とする，基板保持部材。
  2. 基板を載置して保持し，基板と基板保持面との熱伝達により基板を温度制御する基板保持部材であって，
    基板よりも小さい基板保持面を有し，
    前記基板と基板保持面との熱伝達率は，基板保持面の表面粗さを変えることにより設定されており，且つ基板保持面の中心領域と外周領域との間の中間領域が前記中心領域と前記外周領域に対し低くなっており，前記外周領域が前記中心領域に対して高くなっていることを特徴とする，基板保持部材。
  3. 前記基板保持面の中間領域は，保持した基板の中心から見て基板の半径の８０〜９０％の範囲に位置していることを特徴とする，請求項１または２のいずれかに記載の基板保持部材。
  4. 請求項１〜３のいずれかに記載の基板保持部材を備えた基板処理装置。
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