JP5221421B2 - シャワーヘッド及びプラズマ処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、内部で基板を処理する処理チャンバーに設けられ、基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッド及びプラズマ処理装置に関する。
従来から、半導体装置の製造分野等においては、半導体ウエハ等の基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッドが用いられている。すなわち、例えば半導体ウエハ等の基板にプラズマエッチング処理を施すプラズマ処理装置では、処理チャンバー内に、基板を載置するための載置台が設けられており、この載置台と対向するように、シャワーヘッドが設けられている。このシャワーヘッドには、載置台と対向する対向面に、ガス吐出孔が複数設けられており、これらのガス吐出孔から基板に向けてガスをシャワー状に供給する。
また、上記したプラズマ処理装置では、処理チャンバー内にプラズマを発生させるため、シャワーヘッドの温度が上昇する。このため、ファン等を設けてシャワーヘッドの部分を空冷するよう構成されたプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献１参照。）。また、シャワーヘッドの部分に、温度調節媒体を循環させるようにして冷却するよう構成されたプラズマ処理装置が知られている（例えば、特許文献２参照。）。
上記した空冷、又は温度調節媒体を循環させることによりシャワーヘッドを冷却するプラズマ処理装置は、処理チャンバーの下部から処理チャンバー内の排気を行うよう構成されたものである。一方、本発明者は、従来からシャワーヘッドからガスを供給するとともに、このシャワーヘッドに設けた複数の排気孔から排気し、ガス流の均一化を図ることのできるシャワーヘッドを開発している。このようなシャワーヘッドでは、冷媒を循環させて冷却するための機構等を設けると、排気孔の経路が長くなり、排気性能が悪くなるという問題がある。また、シャワーヘッドの上方に排気経路を構成する筒状体（排気管）を設ける必要があるため、直接シャワーヘッドを冷却するための空冷機構等を設けることが難しいという問題がある。このため、シャワーヘッドの温度が上昇するとともに、シャワーヘッドの温度分布が不均一になり、処理の均一性が悪化するという問題がある。
本発明は、上記従来の事情に対処してなされたもので、シャワーヘッドの温度の上昇を抑制することができるとともに、シャワーヘッドの温度分布を均一にすることができ、処理の均一性の向上を図ることのできるシャワーヘッド及びプラズマ処理装置を提供しようとするものである。
請求項１のシャワーヘッドは、内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッドであって、前記対向面とは反対側の面に、アルミニウム、ステンレス鋼、銅のいずれかから棒状に構成された複数の熱伝導柱が立設されていると共に、前記対向面と前記反対側の面との間を貫通して設けられ、前記対向面から前記反対側の面に向けて排気を行うための排気孔を複数有し、前記熱伝導柱が排気経路内に設けられており、かつ、前記処理チャンバーに周縁部において固定され、中央部に配設された前記熱伝導柱よりも外周部に配設された前記熱伝導柱の熱容量が小さくなるよう前記熱伝導柱の長さ及び／又は太さが設定されていることを特徴とする。
請求項２のシャワーヘッドは、請求項１記載のシャワーヘッドであって、前記熱伝導柱が、熱伝達部材を介して、前記排気経路を構成する筒状体の側壁部と接続されていることを特徴とする。
請求項３のシャワーヘッドは、請求項２記載のシャワーヘッドであって、前記熱伝導柱が、常温では前記熱伝達部材と非接触状態で、熱膨張時に前記熱伝達部材と接触するよう構成されていることを特徴とする。
請求項４のシャワーヘッドは、請求項２又は３記載のシャワーヘッドであって、前記筒状体の側壁部に、温度調節手段が設けられていることを特徴とする。
請求項５のプラズマ処理装置は、内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッドを備えたプラズマ処理装置であって、前記シャワーヘッドは、前記対向面とは反対側の面に、アルミニウム、ステンレス鋼、銅のいずれかから棒状に構成された複数の熱伝導柱が立設されていると共に、前記対向面と前記反対側の面との間を貫通して設けられ、前記対向面から前記反対側の面に向けて排気を行うための排気孔を複数有し、前記熱伝導柱が排気経路内に設けられており、かつ、前記処理チャンバーに周縁部において固定され、中央部に配設された前記熱伝導柱よりも外周部に配設された前記熱伝導柱の熱容量が小さくなるよう前記熱伝導柱の長さ及び／又は太さが設定されていることを特徴とする。
請求項６のプラズマ処理装置は、請求項５記載のプラズマ処理装置であって、前記シャワーヘッドが前記載置台と対向する対向電極を形成することを特徴とする。
本発明によれば、シャワーヘッドの温度の上昇を抑制することができるとともに、シャワーヘッドの温度分布を均一にすることができ、処理の均一性の向上を図ることのできるシャワーヘッド及びプラズマ処理装置を提供することができる。
以下、本発明の詳細を、図面を参照して実施形態について説明する。
図１は、本発明のプラズマ処理装置の一実施形態に係るプラズマエッチング装置２００の要部断面構成を示すものであり、図２は、図１のプラズマエッチング装置２００に設けられたシャワーヘッド１００の構成を示す断面図、図３はシャワーヘッド１００の構成を示す斜視図、図４はシャワーヘッド１００の上面図、図５はシャワーヘッド１００の底面図である。
図２に示すように、シャワーヘッド１００は、下側部材１と、この下側部材の上側に配置された上側部材２の２枚の板状部材を積層させた積層体１０から構成されている。この板状部材は、例えば、表面に陽極酸化処理を施したアルミニウム等から構成されている。このシャワーヘッド１００は、図１に示すように、プラズマエッチング装置２００の処理チャンバー２０１に、半導体ウエハ（基板）が載置される載置台２０２と対向するように配設される。すなわち、図２に示す下側部材１側が図１に示す載置台２０２と対向する対向面１４を形成するように配設される。
上記積層体１０のうち、載置台２０２と対向する対向面１４を形成する下側部材１には、ガス吐出孔１１が多数形成されており、下側部材１と上側部材２との間には、これらのガス吐出孔１１に連通するガス流路１２が形成されている。これらのガス吐出孔１１は、図２中に矢印で示すように、基板（図２中下側）に向けてガスをシャワー状に供給するためのものである。なお、積層体１０の周縁部には、ガス流路１２内にガスを導入するためのガス導入部１２ａが設けられている。
また、上記積層体１０には、この積層体１０、すなわち、下側部材１と上側部材２とを貫通して、多数の排気孔１３が形成されている。これらの排気孔１３は、図２中に点線の矢印で示すように、基板側（図中下側）から基板と反対側（図中上側）に向けてガスの流れが形成されるように排気を行う排気機構を構成している。これらの排気孔１３は、直径が例えば３ｍｍ程度とされており、図３に示すように、シャワーヘッド１００の周縁部（処理チャンバー２０１に固定するための固定部となる）を除き、その全領域に亘って略均等に設けられている。排気孔１３の数は、例えば１０インチ径の半導体ウエハを処理するためのシャワーヘッド１００の場合、７００〜１０００個程度である。なお、図３に示すように、本実施形態では、シャワーヘッド１００の外形は、被処理基板である半導体ウエハの外形に合わせて円板状に構成されている。
さらに、上記積層体１０の上側部材２側、すなわち、載置台２０２と対向する対向面１４とは反対側の面１５には、棒状に構成された複数の熱伝導柱１６が立設されている。これらの熱伝導柱１６は、図３に示すように、シャワーヘッド１００の周縁部（処理チャンバー２０１に固定するための固定部となる）を除き、その全領域に亘って略均等に設けられている。また、これらの熱伝導柱１６は、熱伝導の良好な材料、例えば、銅、ステンレス鋼、アルミニウム等から構成されている。このアルミニウム、銅には、他の元素を少量添加して機械的特性や熱伝導性を改善したこれらの金属の合金を包含する。なお、熱伝導柱１６の材料として銅を使用する場合は、表面から銅が飛散して半導体ウエハＷに悪影響を与えることを防止するため、表面処理を施すことが好ましい。この熱伝導柱１６は、１０インチ径の半導体ウエハを処理するためのシャワーヘッド１００の場合、例えば数十本から百数十本程度設けることが好ましい。
上記熱伝導柱１６は、シャワーヘッド１００の対向面１４側がプラズマに晒されてプラズマから熱を受けた際に、熱伝導柱１６に熱を逃がして過度にシャワーヘッド１００の温度が上昇することを防止するとともに、シャワーヘッド１００の中央部と周縁部とで温度分布にばらつきが生じることを防止するためのものである。
すなわち、シャワーヘッド１００は、図１に示すように、その周縁部がプラズマエッチング装置２００の処理チャンバー２０１に支持固定される構造となっているため、シャワーヘッド１００の周縁部では、熱が処理チャンバー２０１に逃げやすくなっている一方、中央部では熱の逃げ場がない構造となっている。このため、シャワーヘッド１００の中央部では温度が高く、周縁部では温度が低くなるよう温度分布にばらつきが生じる傾向がある。
そして、上記のようにシャワーヘッド１００の温度分布にばらつきが発生すると、図１に示すプラズマＰの状態も不均一になり、プラズマエッチングの状態も不均一になってしまう。熱伝導柱１６は、このようなシャワーヘッド１００の温度分布を均一化して、プラズマエッチングの状態を均一化するためのものである。このため、熱伝導柱１６は、シャワーヘッド１００の中央部に配置されるものに比べて周縁部近傍に配置されるものの高さが低く（熱容量が小さく）なるように設定されている。なお、熱伝導柱１６の高さの他、その太さ或いは高さと太さの双方を変えて、熱容量を調整するようにしてもよい。
次に、図１を参照して上記構成のシャワーヘッド１００を具備した基板処理装置としてのプラズマエッチング装置２００の構成を説明する。このプラズマエッチング装置２００は、電極板が上下平行に対向し、プラズマ形成用電源が接続された容量結合型平行平板プラズマエッチング装置として構成されている。
プラズマエッチング装置２００は、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウム等からなり円筒形状に形成された処理チャンバー（処理容器）２０１を有しており、この処理チャンバー２０１は接地されている。処理チャンバー２０１内には、被処理基板としての半導体ウエハを載置し、かつ、下部電極を構成する載置台２０２が設けられている。この載置台２０２には、図示しない高周波電源等の高周波電力印加装置が接続されている。
載置台２０２の上側には、その上に半導体ウエハを静電吸着するための静電チャック２０３が設けられている。静電チャック２０３は、絶縁材の間に電極を配置して構成されており、この電極に直流電圧を印加することにより、クーロン力によって半導体ウエハを静電吸着する。また、載置台２０２には、温度調節媒体を循環させるための流路２０４が形成されており、静電チャック２０３上に吸着された半導体ウエハを所定の温度に温度調整できるようになっている。また、処理チャンバー２０１の側壁部には、半導体ウエハを処理チャンバー２０１内に搬入、搬出するための開口２０５が形成されており、ここには、開口２０５を気密に閉塞するための開閉機構２０６が設けられている。
載置台２０２の上方に、載置台２０２と所定間隔を隔てて対向するように、図２に示したシャワーヘッド１００が配置されている。そして、シャワーヘッド１００が上部電極となり、載置台２０２が下部電極となる一対の対向電極が形成されている。
シャワーヘッド１００のガス導入部１２ａは、処理チャンバー２０１に設けられたガス供給部２０７に接続されている。ガス供給部２０７には、図示しないガス供給機構から所定の処理ガス（エッチングガス）が供給される。
また、シャワーヘッド１００の上部には、上方に向けて径小となる筒状（ラッパ状）の筒状体２１０が設けられており、この筒状体２１０には、開閉制御弁及び開閉機構等を介してターボ分子ポンプ等の真空ポンプ（図示せず。）が接続されている。このように、筒状体２１０の内側が排気路となっており、熱伝導柱１６は、筒状体２１０の内側の排気路内に配設されている。また、筒状体２１０の外側には、温度調節媒体を循環させて温度調節を行うための温度調節機構２１１が設けられている。
上記構成のプラズマエッチング装置２００によって、半導体ウエハのプラズマエッチングを行う場合、まず、半導体ウエハは、開口２０５から処理チャンバー２０１内へと搬入され、静電チャック２０３上に載置される。そして、半導体ウエハが静電チャック２０３上に静電吸着される。次いで、開口２０５が閉じられ、真空ポンプ等によって、処理チャンバー２０１内が所定の真空度まで真空引きされる。
その後、所定流量の所定の処理ガス（エッチングガス）が、ガス供給部２０７からシャワーヘッド１００のガス導入部１２ａに供給され、この処理ガスは、シャワーヘッド１００のガス流路１２を経てガス吐出孔１１からシャワー状に載置台２０２上の半導体ウエハに供給される。
そして、処理チャンバー２０１内の圧力が、所定の圧力に維持された後、載置台２０２に所定の周波数，例えば１３．５６ＭＨｚの高周波電力が印加される。これにより、上部電極としてのシャワーヘッド１００と下部電極としての載置台２０２との間に高周波電界が生じ、エッチングガスが解離してプラズマ化する。このプラズマによって、半導体ウエハに所定のエッチング処理が行われる。
上記エッチング処理において、シャワーヘッド１００のガス吐出孔１１からシャワー状に供給された処理ガスは、シャワーヘッド１００に分散して多数形成された排気孔１３から排気されるので、処理チャンバー２０１の下部から排気を行う場合のように、半導体ウエハの中央部から周辺部に向かうようなガスの流れが形成されることがない。このため、半導体ウエハに供給される処理ガスをより均一化することができる。また、シャワーヘッド１００は、プラズマＰから熱を受けてその温度が上昇するが、熱伝導柱１６の作用によってシャワーヘッド１００の中央部と周縁部とで温度分布にばらつきが生じることを抑制することができる。これによって、プラズマＰの状態を均一化することができ、半導体ウエハの各部に均一なエッチング処理を施すことができる。すなわち、処理の面内均一性を向上させることができる。
そして、所定のプラズマエッチング処理が終了すると、高周波電力の印加及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハが処理チャンバー２０１内から搬出される。
上記したとおり、本実施形態のプラズマエッチング装置２００によれば、シャワーヘッド１００から上部に排気する構成となっているので、半導体ウエハに供給される処理ガスをより均一化することができる。また、シャワーヘッド１００の中央部と周縁部とで温度分布にばらつきが生じることを抑制することができ、プラズマＰの状態を均一化することができる。これによって、半導体ウエハの各部に均一なエッチング処理を施すことができる。さらに、シャワーヘッド１００に、温調媒体を循環させるための機構等を積層して設ける構成としていないので、排気孔１３の経路が長くなり、排気性能が悪化することもない。
また、上記のプラズマエッチング装置２００では、シャワーヘッド１００に設けた排気孔１３から排気を行うので、従来の装置のように、載置台２０２の周囲又はシャワーヘッド１００の周囲に排気経路を設ける必要がない。このため、処理チャンバー２０１の径をより被処理基板である半導体ウエハの外径に近づけることが可能となり、装置の小型化を図ることができる。また、真空ポンプを、処理チャンバー２０１の上方に設けており、処理チャンバー２０１の処理空間により近い部分から排気するので、効率良く排気することができ、真空ポンプの容量を少なくしてさらに小型化を図ることができる。
ところで、上記した実施形態では、熱伝導柱１６の熱容量を越えてプラズマＰからシャワーヘッド１００への入熱が生じると、シャワーヘッド１００に温度分布のばらつきが生じるおそれがある。このような場合、図６に示すように、筒状体２１０と熱伝導柱１６とを接続する熱伝達部材２１２を設け、熱伝導柱１６から伝達部材２１２を介して、温度調節機構２１１によって温度調節されている筒状体２１０に熱を逃がす構成とすることもできる。
また、このような構成とする場合、図７に示すように、熱伝達部材２１２に、常温では熱伝導柱１６より僅かに径の大きな透孔２１３を設け、常温では熱伝達部材２１２と熱伝導柱１６が非接触な状態となるよう構成し、熱伝導柱１６の温度が上昇して熱膨張が生じた場合にのみ熱伝導柱１６と熱伝達部材２１２とが接触し、熱伝達部材２１２を介した放熱が行われるようにしてもよい。この場合、熱伝導柱１６と熱伝達部材２１２とが接触状態となり、一旦放熱が行われるようになった後、熱伝導柱１６の温度が低下すれば再度熱伝導柱１６と熱伝達部材２１２とが非接触状態となり、熱伝導柱１６の温度が上昇した時のみに自動的に熱伝達部材２１２を介した放熱が行われるようにすることができる。このような構成とする場合、例えば、熱伝導柱１６として熱伝達部材２１２より線膨張係数の大きい金属材料を用いることが好ましい。
１１……ガス吐出孔、１３……排気孔、１６……熱伝導柱、１００……シャワーヘッド、２００……プラズマエッチング装置、２０１……処理チャンバー、２０２……載置台。
Claims (6)
- 内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッドであって、
前記対向面とは反対側の面に、アルミニウム、ステンレス鋼、銅のいずれかから棒状に構成された複数の熱伝導柱が立設されていると共に、
前記対向面と前記反対側の面との間を貫通して設けられ、前記対向面から前記反対側の面に向けて排気を行うための排気孔を複数有し、前記熱伝導柱が排気経路内に設けられており、
かつ、前記処理チャンバーに周縁部において固定され、中央部に配設された前記熱伝導柱よりも外周部に配設された前記熱伝導柱の熱容量が小さくなるよう前記熱伝導柱の長さ及び／又は太さが設定されている
ことを特徴とするシャワーヘッド。 - 請求項１記載のシャワーヘッドであって、
前記熱伝導柱が、熱伝達部材を介して、前記排気経路を構成する筒状体の側壁部と接続されていることを特徴とするシャワーヘッド。 - 請求項２記載のシャワーヘッドであって、
前記熱伝導柱が、常温では前記熱伝達部材と非接触状態で、熱膨張時に前記熱伝達部材と接触するよう構成されている
ことを特徴とするシャワーヘッド。 - 請求項２又は３記載のシャワーヘッドであって、
前記筒状体の側壁部に、温度調節手段が設けられている
ことを特徴とするシャワーヘッド。 - 内部で基板を処理する処理チャンバーに、前記基板を載置するための載置台と対向するように設けられ、前記載置台と対向する対向面に複数設けられたガス吐出孔から前記基板に向けてガスをシャワー状に供給するためのシャワーヘッドを備えたプラズマ処理装置であって、
前記シャワーヘッドは、
前記対向面とは反対側の面に、アルミニウム、ステンレス鋼、銅のいずれかから棒状に構成された複数の熱伝導柱が立設されていると共に、
前記対向面と前記反対側の面との間を貫通して設けられ、前記対向面から前記反対側の面に向けて排気を行うための排気孔を複数有し、前記熱伝導柱が排気経路内に設けられており、
かつ、前記処理チャンバーに周縁部において固定され、中央部に配設された前記熱伝導柱よりも外周部に配設された前記熱伝導柱の熱容量が小さくなるよう前記熱伝導柱の長さ及び／又は太さが設定されている
ことを特徴とするプラズマ処理装置。 - 請求項５記載のプラズマ処理装置であって、
前記シャワーヘッドが前記載置台と対向する対向電極を形成することを特徴とするプラズマ処理装置。
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