JP5086206B2

JP5086206B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP5086206B2
Application number: JP2008215489A
Authority: JP
Inventors: 雅敏川上; 徹荒巻; 茂白米; 賢悦横川
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2008-08-25
Filing date: 2008-08-25
Publication date: 2012-11-28
Anticipated expiration: 2028-08-25
Also published as: JP2010050396A

Description

本発明は、半導体ウエハなどの被処理体の処理を行うプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスの製造工程に使用されるプラズマ処理装置では、歩留まりを左右するエッチングレートの均一化のために被処理体の温度制御が重要である。このため、被処理体が載置される試料台を温度制御し、この試料台と被処理体の間にヘリウムなどの伝熱ガスを導入して両者の伝熱を行い、被処理体全体にわたって温度が均一になるように温度制御している。しかしながら、エッチングプロセス時の被処理体全体の温度を均一化しても、実際にはプラズマプロセス条件によってプラズマ強度の均一性は大きく変化し、プラズマが不均一となると被処理体に温度分布が生じる。このような問題を解決するために、特許文献1にように、被処理体温調用伝熱ガスを圧力の異なる2系統用いて伝熱特性を変える方法がある。

また被処理体は、静電吸着用セラミックス（静電吸着板）を上面に備えた試料台に電圧を印加することにより、クーロン力とジョンセン・ラーベック力の作用でセラミックスに吸着されている。特にセラミックスの比抵抗値を10⁸Ωcm〜10¹²Ωcmにすることによって、クーロン力と比較して吸着力の強いジョンセン・ラーベック力の効果が大きくなる。この強いジョンセン・ラーベック力の強い吸着力を利用して被処理体を試料台に吸着している。ジョンセン・ラーベック力効果については特許文献2に示されている。

このセラミックスの表面には、伝熱ガスがガス穴から被処理体裏側全体に行き渡り易いように、10〜100μm程度のガス分散用の同心円状の溝が複数掘られている。また伝熱ガスを被処理体の裏面と試料台の上面との間から漏れにくくするために、特許文献3に示されるように試料台外周部にリング状の厚み2.5mm〜7.5ｍｍ程度のシール部が設けられている。また、2系統のウエハ温調用伝熱ガスを用いる場合、2系統が連通しないように面内の内周と外周で圧力領域を分けるためにも同程度の厚みのシール部が用いられる。

特開平1-251735号公報特開平4-3956号公報特開平10-41378号公報

この試料台上面を覆うセラミックスは、強い吸着力を得る上で比抵抗値10⁸Ωcm〜10¹²Ωcmを維持するため（比低効率を下げるため）に不純物が添加されるが、反面、不純物が添加されることにより耐プラズマ性が悪くなる。近年、処理室内の異物の問題から被処理体無しの状態で真空処理室内が処理の度にプラズマクリーニングされるが、試料台上面のセラミックスの耐プラズマ性が悪い場合、その表面が粗される。このセラミックスの表面粗さは伝熱ガスの熱伝達に影響を与えるため、実際には、温度制御性からある程度プラズマにより粗されて表面粗さが飽和するRa0.8〜Ra1.6に管理されている。シール部の表面粗さも同様の値に管理されている。

しかしながら、セラミックスのシール部の表面粗さが粗い場合、被処理体とシール部表面との間に隙間が生じてシール性が悪化するため伝熱ガスが漏れやすくなる。伝熱ガスが漏れやすい場合、被処理体裏面とセラミックス上面の間の伝熱ガスの圧力勾配が中央部から試料台外周部のシール部に向けて発生し、被処理体の所望の温度制御が出来なくなる恐れがある。

また、比抵抗値が高い（10¹⁵Ωcm以上）純度の高いセラミックスを試料台用いれば、プラズマクリーニングによって表面が粗されることを防止できるが、比抵抗値が上がることによりジョンセン・ラーベック力が弱くなり、吸着力は大きく低下するという問題が生じる。

本発明の目的は、上記従来技術の欠点に鑑み、耐プラズマ性でシール性の高いセラミックスと、ジョンセン・ラーベック力を得る所定の比抵抗値を有するセラミックを配置することにより、被処理体とのシール性と吸着力を維持したプラズマ処理装置を提供することにある。

本発明は、真空処理室と、被処理体が載置され内部に前記被処理体の温度を制御するための冷媒通路を有した試料台と、前記被処理体を前記試料台に静電吸着する静電吸着電源と、前記被処理体と前記試料台に介在して前記被処理体を前記試料台に吸着させるための静電吸着部材と、前記被処理体と前記静電吸着部材との間に前記被処理体の温度を制御するための冷却ガスを供給する手段と、前記静電吸着部材上面に円弧状に配置され前記供給された冷却ガスを前記静電吸着部材と前記被処理体の間でその内側に閉じ込めるシール部とを有するプラズマ処理装置において、
前記シール部は、耐プラズマ性を有して表面粗さがＲａ０．２以下のセラミックスからなる高シール部と、この高シール部の内周または外周側で並べて配置され所定吸着力を維持する比抵抗値を有するセラミックスからなる吸着部とで構成されたことを特徴とする。

また、前記シール部は、前記静電吸着部材の内周及び外周に配置されたことを特徴とする。また、前記高シール部は比抵抗値１０^１５Ωｃｍ以上のセラミックスからなり、前記吸着部は比抵抗値１０^８Ωｃｍ〜１０^１２Ωｃｍのセラミックスからなることを特徴とする。

本発明によれば、試料台上面への被処理体の吸着力を維持しかつ、伝熱ガスの漏れを抑制して、プラズマ処理中の被処理体温度の均一性を向上させることができる。

本発明にかかる実施形態を説明する。本発明実施例のプラズマ処理装置の断面図を図1に示す。本実施例にかかるプラズマ処理装置は、真空処理容器内に設けられたプラズマ処理室（真空処理室）１と、半導体ウエハである被処理体4を載置する第一電極（試料台）2と、プラズマ生成用高周波電力が供給される第二電極3と、マッチングボックス5と、プラズマ生成用高周波電源6と、電磁コイル7と、ヨーク8と、処理ガス供給系9と、ガス分散板10と、シャワープレート11と、第一フィルタ12と、直流電源13（静電吸着電源）と、高周波バイアス電源14と、第二フィルタ15から構成される。

前記プラズマ処理室１内の第一電極2と第二電極3とは、一対の対向する電極を構成しており、第一電極2は、被処理体4が載置される試料台の役割も担っている。被処理体4と試料台2の間には静電吸着用セラミックス20が介在しており、静電吸着用セラミックス20は被処理体4を試料台2に吸着させる。第二電極3には、前記高周波電源6からマッチングボックス5を介して高周波エネルギーが供給される。第二電極3の下方には処理ガス供給系9が繋がれたガス分散板10と、そのガス分散板10から処理室１内にガスを放出するシャワープレート11が設置されている。処理室１内に放出された処理ガスは、第二電極3に供給された高周波エネルギーによりプラズマ化され、このプラズマは周囲に配置された電磁コイル7とヨーク8により、処理室１内で均一化される。

前記第一電極2の詳細な断面を図2に示す。第一電極2は、主にサセプタ16と、カバー17と、ヘッド部18（試料台）と、ヘッド部内部に環状に形成された空間（冷媒通路）19と、円盤状の静電吸着用セラミックス20とから構成される。

被処理体4を載置して保持する第一電極2のヘッド部18は円盤状を呈し、その上表面には同じく円盤状の静電吸着用セラミックス20が載置され、その上に直接被処理体4が載置されている。第一電極2の外側にはＳｉＯ₂で作られた環状のサセプタ１6と、その更に外側には表面をセラミックス溶射された金属製のカバー17が設けられ、アース電位となっている。ヘッド部18はアルミ製で、中央部にヘッド部18を温度制御するための冷媒を留める空間19（冷媒通路）と、この空間に冷媒を供給排出する冷媒通路21とが設けられ、さらに、ヘッド部18上表面の静電吸着用セラミックス20と被処理体4の隙間に伝熱ガス（冷却ガス）を供給するガス供給路（冷却ガスを供給する手段）22が2本設けられている。

静電吸着用セラミックス20の上表面には、それぞれ環状の島部23と溝部24と中間シール部25と外周シール部26を有している。静電吸着用セラミックス20は最大厚み1mm以下であり、比抵抗値は10⁸Ωcm〜10¹²Ωcmである。溝部24はガス供給路22から供給された伝熱ガスが均一に被処理体4と静電吸着用セラミックス20の隙間に行き渡り易いように、静電吸着用セラミックス20の上表面に深さ10〜100μm程度、幅2mm〜10mm程度の大きさで、円周方向に（同心円状に）径方向に複数掘り込まれている。

島部23は、静電吸着用セラミックス20に溝部24が掘り込まれた後に残った部分で、Ra0.8〜Ra1.6程度の表面粗さをもって管理され、比抵抗値が10⁸Ωcm〜10¹²Ωcmである。従って、島部23は被処理体4に直接接触して被処理体４の吸着に大きく寄与する。

中間シール部25は、2.5mm〜7.5mmの幅を持ち、伝熱ガスを内側と外側で隔てる為に円周状に設けられている。ガス供給路22は、中間シール部25の内側と外側へ2系統で伝熱ガスを所望の圧力で導き、被処理体4の面内温度分布が均一になるように伝熱ガスの内側と外側の熱伝達率が最適になるように、圧力が制御される。外周シール部26は、ヘッド部18の外周部とプラズマ処理室１の真空領域を隔て、伝熱ガスが真空領域に漏れ出ることを抑制するために円弧状に設けられている。

図3に中間シール部25と外周シール部26の拡大図を示す。中間シール部25及び外周シール部26ともに、環状の高シール部と環状の吸着部で構成されている。すなわち、中間シール部25は、高シール部２５２とこれの内外周を両側から挟むように静電吸着用セラミックス20の上表面に設けられた吸着部２５１とで構成される。そして、外周シール部２６は、高シール部２６２とこれの内外周を両側から挟むように静電吸着用セラミックス20の上表面に設けられた吸着部２６１とで構成される。

上記吸着部２５１、２６１は、島部23と同様に静電吸着用セラミックス20に溝部24が掘り込まれた後に残った部分で、静電吸着用セラミックス20と一体に形成され、高シール部２５２と２６２は、静電吸着用セラミックス20の上面（吸着部２５１、２６１の上面）と面一となるように、それぞれ吸着部２５１間の円周状の溝部と吸着部２６１間の円周状の溝部に埋設される形で設けられている。

この高シール部２５２、２６２は、表面粗さがＲａ0.2以下の小さな値に設定されて表面が滑らかであり、被処理体４との間で隙間が少なく保つことができシール性が良い。また、材料が高純度セラミックス、例えば高純度Al2O3や高純度Y2O3を使用しているため耐プラズマ性が高く、非処理体4が無い状態での真空処理室内プラズマクリーングによって表面が粗されることが抑制され、表面粗さがＲａ0.2以下の小さな値に維持され高いシール性が確保される。

しかしながら、高純度セラミックスであるため比抵抗値が10¹⁵Ωcm以上と高く、ジョンセン・ラーベック力の強い吸着力は期待できない。そこで、高シール部２５２と２６２のそれぞれの内外周側に配置された吸着部２５１と２６１のセラミックス（比抵抗値10⁸Ωcm〜10¹²Ωcmに設定）によって、ジョンセン・ラーベック力の強い吸着力を得ることにより、中間シール部25と外周シール部26の被処理体４の吸着を確保している。なお、高シール部２５２と２６２のそれぞれの両側で、吸着部２５１と２６１により被処理体４を吸着するので、被処理体４と高シール部２５２、２６２とが確実に圧接されて高いシール効果が得られる。

図１に示すように、第一電極2には高周波成分カット用の第一フィルタ12を介して数100Ｖの直流電源（静電吸着電源）13が接続されている。これにより、静電吸着用セラミックス20を介して被処理体4と第一電極2の間に作用するクーロン力及びジョンセン・ラーベック力により、被処理体4が第一電極2上に吸着保持される。第一電極2には400ＫＨｚ−4ＭＨｚの周波数の高周波バイアス電源14がＤＣ成分をカットする第二フィルタ15を介して接続されている。

被処理体4を処理（エッチング処理）する場合は、真空の状態で搬送手段により被処理体4を真空処理室1へ導入し、予め冷媒によって温度制御された第一電極2へ被処理体4を載置する。電磁コイル7へ通電して所定の磁場を形成して処理ガスを導入し、プラズマ生成用高周波電源6に通電し、第二電極3からマイクロ波〜ＶＨＦ波の周波数領域の電磁波を発生して磁場との相互作用により処理室１内のガスをプラズマ化する。プラズマ生成後、直流電源13により直流電圧を印加することにより、被処理体4を第一電極2に吸着させる。

次いで、被処理体4と第一電極2（静電吸着用セラミックス20上面）との間の、中間シール部25によって分けられた2領域のそれぞれに、ガス供給路（手段）22からヘリウムの伝熱ガスを充填する。冷却ガスは素早く拡散して伝熱作用を発揮し、プラズマから被処理体4に入る熱をヘッド部23に伝達し、冷媒と熱交換を行わせる。この時、中間シール部25と外周シール部26は、高シール部252と262による高いシール性と、吸着部２５１と２６１によるジョンセン・ラーベック力による高い吸着力により、吸着力を維持しながら伝熱ガスの漏れを抑制することが出来る。また、高シール部252と262は耐プラズマ性の高純度セラミックスを使用しているため、処理後に実施される真空処理室内プラズマクリーングにより、表面が粗れることを抑制出来、高いシール性が長期にわたり維持される。

このように本実施例によれば、吸着力を維持しながらシール部の伝熱ガスの漏れを抑制することにより、伝熱ガスを所望の圧力に制御することが出来、プラズマ処理中の被処理体の温度の均一性を向上させることができる。

本発明実施形態のプラズマ処理装置の断面図である。同じく第一電極の詳細な断面図である。同じく中間シール部と外周シール部の詳細な断面図である。

符号の説明

１…プラズマ処理室（真空処理室）、２…第一電極（試料台）、３…第二電極、４…被処理体、５…マッチングボックス、６…プラズマ生成用高周波電源、７…電磁コイル、８…ヨーク、９…処理ガス供給系、１０…ガス分散板、１１…シャワープレート、１２…第1フィルタ、１３…直流電源（静電吸着電源）、１４…高周波バイアス電源、１５…第2フィルタ、１６…サセプタ、１７…貫通孔、１８…ヘッド部、１９…空間、２０…静電吸着用セラミックス、２１…冷媒通路、２２…冷却ガスを供給する通路、２３…島部、２４…溝部、２５…中間シール部、２６…外周シール部、２５２、２６２…高シール部、２５１、２６１…吸着部。

Claims

真空処理室と、被処理体が載置され内部に前記被処理体の温度を制御するための冷媒通路を有した試料台と、前記被処理体を前記試料台に静電吸着する静電吸着電源と、前記被処理体と前記試料台に介在して前記被処理体を前記試料台に吸着させるための静電吸着部材と、前記被処理体と前記静電吸着部材との間に前記被処理体の温度を制御するための冷却ガスを供給する手段と、前記静電吸着部材上面に円弧状に配置され前記供給された冷却ガスを前記静電吸着部材と前記被処理体の間でその内側に閉じ込めるシール部とを有するプラズマ処理装置において、
前記シール部は、耐プラズマ性を有して表面粗さがＲａ０．２以下のセラミックスからなる高シール部と、この高シール部の内周または外周側で並べて配置され所定吸着力を維持する比抵抗値を有するセラミックスからなる吸着部とで構成されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、前記シール部は、前記静電吸着部材の内周及び外周に配置されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置において、前記高シール部は比抵抗値１０ ^１５ Ωｃｍ以上のセラミックスからなり、前記吸着部は比抵抗値１０ ^８ Ωｃｍ〜１０ ^１２ Ωｃｍのセラミックスからなることを特徴とするプラズマ処理装置。