JP5222588B2

JP5222588B2 - プラズマ処理装置の製造方法

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Publication number: JP5222588B2
Application number: JP2008057154A
Authority: JP
Inventors: 豊高妻; 豊大本; 守薬師寺; 健吉岡; 恒彦坪根
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2008-03-07
Filing date: 2008-03-07
Publication date: 2013-06-26
Anticipated expiration: 2028-03-07
Also published as: JP2009218242A

Description

本発明は、真空容器内部の処理室内に配置された試料台上に半導体ウエハ等の基板状の試料を保持してこの処理室内に形成したプラズマを用いて試料を処理するプラズマ処理装置の製造方法に係り、特に、前記試料台の上面に誘電体材料による膜の内部にヒータを備えてこのヒータの動作により試料の温度を調節しつつ処理を行うプラズマ処理装置の製造方法に関する。

近年、半導体デバイスの微細化と複雑化に伴い、半導体製造工程の前工程と後工程において、ひとつのプラズマを用いるエッチング処理装置で多層膜のエッチングを一括で行う需要が多い。一括でエッチングを行う場合、それぞれの膜種に対して、ウエハ面内エッチング均一性やエッチング形状を良好に保つことが必要である。ここで、各膜種について好適なウエハ温度や径方向温度分布が存在することから、エッチング対象の膜種がかわるごとに、高速かつ高精度に試料の温度の値とその分布とを変更できることが要求されている。

これを実現する技術として、半導体ウエハ等の基板上の試料を保持する試料台の上面に配置された誘電体材料により構成された膜の内部に膜状のヒータを配置して、このヒータにより試料を加熱して所望のウエハの温度分布を実現して試料のエッチング処理を行うものが考えられている。このような試料に隣接した位置に配置されたヒータを用いた技術では、試料の温度とその分布を高速に変更することができ、かつプラズマからの入熱が小さい場合でも十分な温度の値の変化が得ることができるとう利点がある。

このようなヒータ内蔵の試料台には、ヒータを腐食性ガスに対する耐食性と耐熱性を兼ね備えたセラミックの膜内部に埋設したセラミックヒータが使用するものが知られている。このようなセラミックヒータの製造方法としては、例えば、実開平２−５６４４３号公報（特許文献１）に記載されるように、発熱抵抗膜を所定の形状に印刷したセラミックグリーンシートを用意し、これに別のセラミックグリーンシートを積層してセラミック積層体を製作した後、一体焼成する方法が挙げられる。

また、特開平７−２２０８６２号公報（特許文献２）には、型の中にセラミック粉体を充填し、プレス成形により凹部を有するセラミック焼成体を形成し、この凹部に高融点金属からなる線を巻いたコイルスプリング形状のヒータを所定のパターン形状で配置した後、さらにセラミック粉体を充填し円盤状成形体を作製しホットプレスする方法が開示されている。さらに、特開平１１−１６２６２０号公報（特許文献３）には、セラミック基体中にヒータ電極を埋設してなるセラミックヒータを用意し、発熱させて表面の温度分布を測定し、温度分布に基づいて低温部に対応する発熱表面以外の面、例えば裏面を切除して部分的に薄肉部を形成する方法が開示されている。

また、上記誘電体製の膜として溶射法により得られた膜を用いることが従来より知られている。例えば、特開平６−２９０９１７号公報（特許文献４）では、基材の表面にパターンに対応した溝を刻設して下地皮膜，絶縁体皮膜，発熱体皮膜をプラズマ溶射して形成し、溝の内部に発熱体の皮膜が残るように研磨する方法が記載されている。

実開平２−５６４４３号公報特開平７−２２０８６２号公報特開平１１−１６２６２０号公報特開平６−２９０９１７号公報

このようなヒータ内蔵の試料台の誘電体膜の表面の温度の分布の誤差を小さくすること、すなわち、所望の温度分布と実際の誘電体膜の表面の温度分布との差異ができるだけ小さいことが求められる。例えば、実質的に円形状の半導体ウエハを試料とする場合のエッチング処理では、その中心からの半径方向についてウエハ温度の値とその分布は、中心側が高く外周側が小さい所謂中高の分布や外周側が高い外高あるいは一定の値にされる等、処理に求められる条件により分布が異なる。一方で、周方向についての温度の分布はできるだけ一定の値にされること、つまり周方向については高い精度の均一な温度を実現することが求められることが一般的である。

このような要求に対し、特許文献１の技術では、発熱抵抗膜を印刷する際に印刷のバラツキが生じてしまうため、発熱表面の温度分布精度を高めることができないという問題が生じていた。また、特許文献２の技術では、コイルスプリングの形状やピッチを一定に保つことが困難であるため温度分布の精度を高めることができなかった。すなわち、特許文献１，特許文献２の方法で製作されたヒータ電極では、ウエハ上に高精度な温度の分布を実現できず、このため均一な厚みの膜を成膜する、あるいは、均一な深さにエッチングすることができないため製品の歩留まりを損なってしまうという問題が生じていた。

また、特許文献３の方法では、セラミック基体を切除して発熱量を制御するため、従来と比較し温度分布の精度を高めることができた。しかし、この方法は、セラミック基体の内部にある発熱抵抗体の発熱量を直接的に制御する方法ではないため、緻密であるセラミック基体を切除することが必要であり、発熱表面の温度分布の精度を高めるのに長い時間を要するため製造のコストが増大してしまうという問題が有った。さらに、特許文献４の方法では、溶射膜は再現性が低く、膜の抵抗率を常に一定に制御することが困難であるため、高精度に均熱性を高めることが難しかった。

また、上記従来の技術では、ウエハを上面に載置する試料台に配置されるウエハ脱着用リフトピンの周辺やウエハの冷却のためにウエハの裏面と試料台上面との間に供給される熱伝達ガスの導入部分等、その試料台の構造に起因して発熱の分布が不均一となり温度分布の精度の低下、ひいては、排熱分布，エッチング処理時のプラズマ入熱分布など、外因子に起因する温度分布の精度の低下については、プラズマ製造装置または試料台の製造の段階で調節することが困難であった。

本発明の目的は、低コストで製造できるプラズマ処理装置の製造方法を提供することにある。また、本発明の別の目的は、試料台上に載置される試料の表面の温度を高精度に調節できるプラズマ処理装置の製造方法を提供することにある。

上記目的は、プラズマが形成される処理室内に配置されウエハをその上に載置する試料台と、この試料台上に配置され前記ウエハがその上に載置される円形の載置面を構成する誘電体製の膜と、この誘電体製の膜内部に配置された膜状のヒータとを備え、前記誘電体膜上に前記ウエハが載せられた状態で前記ヒータによりこのウエハを加熱しつつ処理するプラズマ処理装置の製造方法であって、前記試料台の上面に前記誘電体から構成される膜を配置した後にこの誘電体製の膜上に前記膜状のヒータを形成し、このヒータに電力を供給して前記載置面の面方向について複数の領域毎の温度を検出して得られた温度の分布に基づいて、前記複数の領域同士の間の温度のばらつきが許容範囲内になるように前記ヒータの抵抗値を調節した後、前記誘電体から構成される膜を前記ヒータ上に形成するプラズマ処理装置の製造方法により達成される。

さらに、前記温度の分布は非接触型の面温度計を用いて検出することにより達成される。さらにまた、前記ヒータの形状を変化させて抵抗値を調節することにより達成される。さらにまた、前記温度の分布の低温の部分に相当する前記ヒータの断面を小さくしてその抵抗値を調節することにより達成される。

さらにまた、前記温度の分布の高温の部分に相当する前記ヒータの断面を大きくしてその抵抗値を調節することにより達成される。

さらにまた、前記載置面の周方向について３つ以上の前記複数の領域について得られた前記温度の分布を用いて検出したこれらの領域のヒータの抵抗値の分布に基づいて前記各領域の前記ヒータの抵抗値を調節することにより達成される。

さらにまた、前記領域毎の平均の温度に基づいて検出した前記複数の領域のヒータの抵抗値の分布に基づいて前記各領域のヒータの抵抗値を調節することにより達成される。

本発明の実施の形態を以下図面を用いて説明する。

以下に説明する本実施の形態に係る溶射膜ヒータは、ウエハ載置用の電極本体上のセラミック製の誘電体あるいは溶射膜製の誘電体の内部に埋設されており、この溶射膜ヒータが径方向２つ以上に分割されている。また、分割された各ヒータは、さらに周方向３つ以上のブロックに分割され、かつ、そのブロックが直列に接続されていることを特徴とする。

また、本実施の形態に係るウエハ載置用電極を製造する工程では、溶射による膜ヒータの作製段階において、溶射膜ヒータの温度分布を赤外線放射温度計にて計測する。計測した発熱分布は溶射膜ヒータの分割数と同じ数、あるいは溶射膜ヒータの分割数よりも多いブロック数に分割される。これにより周方向の平均温度分布を求め、ヒータの発熱分布による温度精度の低下のみならず、ウエハ載置用電極の構造に起因する温度精度の低下、プラズマ入熱分布などの外因子に起因する温度精度の低下についても、溶射膜ヒータの抵抗値を所定の値に調整することで、誘電体膜上に載置したウエハの均熱性を高めている。

本発明の実施例を図１乃至図５を用いて説明する。

まず、図６を用い実施例の有磁場マイクロ波プラズマ処理装置を説明する。図６は、本発明の実施例に係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。

このプラズマ処理装置は、真空容器内の処理室内部に配置された処理対象の基板状の試料をこの処理室内に形成したプラズマを用いてエッチング処理する装置である。本図において、被処理ウエハ９は真空処理室１内の試料台８の内部に配置された静電チャックを用いて静電気力により試料台８上面の載置面上に固定される。真空容器である真空チャンバ３上部には石英窓１４が設置されており、マイクロ波発振器１９で発生したマイクロ波５が導波管４を通って真空チャンバ３内部に配置された真空処理室１内に導入される。

真空処理室１内に導入された処理ガス１３は、このマイクロ波５と真空チャンバ３の周りに取り付けられたコイル６で生成される磁場との相互作用によりプラズマ７状態となっている。このプラズマにウエハがさらされることにより処理（ここではエッチング処理）が行われる。コンデンサ１８を介して導電性の基材２に接続されたイオンエネルギー制御用の高周波電源１０がイオンの入射を制御してエッチング状態を制御する。高周波電源１０の周波数は例えば４００ＫＨｚである。

真空チャンバ３の下方には真空ポンプ１２が配置され、真空チャンバ３の底面に配置された開口と連通されており、回転するバルブ１５の開口の開度の調節により処理室１内の圧力を一定に保っている。本実施例では、後述の通り試料台８内にヒータを内蔵しており、このヒータへの直流の電力の供給は図示しないヒータ用の電源によって行われる。

図１は半導体製造工程において、ウエハの保持とウエハの温度調節を目的としたウエハ載置用電極であり、本発明の溶射膜ヒータの実施例である。図１において１０１は図１に示す試料台８に相当するウエハ載置用電極であってその電極本体、１０２は高抵抗誘電体膜、１０３は１０２の高抵抗誘電体膜内部に埋設された溶射膜からなるヒータ、１０４はウエハ吸着のための給電層、１０５は被処理基板、１０６は給電層１０４の半導体ウエハ等の被処理基板１０５であるウエハが吸着される面の反対側に設けられたヒータ通電用の給電端子、１０７は溶射膜に静電吸着力を発生させるための直流電源である。ここで、図１に示したウエハ載置用電極全体は、エッチング装置内部に設置されている。

高抵抗誘電体膜１０２を構成する材料としては、Ａｌ₂Ｏ₃またはＹ₂Ｏ₃であることを特徴とし、溶射膜ヒータ１０３を構成する材料としては、Ｗまたはニッケルクロム合金またはニッケルアルミ合金など溶射法により形成可能な抵抗発熱体であれば良い。高抵抗誘電体膜１０２は、溶射法により形成されている必要はなく、溶射膜ヒータ１０３が埋設してあれば、焼結体でも良い。

溶射により形成される溶射膜ヒータ１０３は、高抵抗誘電体膜１０２の内部においてほぼ全面に緻密に配列されている。この溶射膜ヒータ１０３は径方向温度分布を微細に変更することができるように、径方向に２つ以上に分割されている。さらに、各ヒータは周方向の温度分布を調整するために３つ以上の領域またはブロックに分割されており、そのブロックは直列に接続されている。また、本実施例の溶射膜ヒータ１０３は、ヒータ層製作段階において、溶射膜ヒータ１０３の温度分布を赤外線放射温度計にて計測して、この温度分布を基に溶射膜ヒータ１０３の抵抗値を直接的に制御し、均熱性を高めることを特徴とする。

図２に、均熱化処理時の断面図を示す。ここで、２０１は電極本体、２０２は電極本体と溶射膜ヒータを電気的に絶縁する絶縁層である。絶縁層２０２は、溶射により形成された高抵抗誘電体膜でなく、高絶縁性を有するセラミック製の絶縁層でも良い。２０３は、溶射により形成された金属性の溶射膜ヒータであり、溶射膜ヒータ２０３の形状は、金属材料を溶射した後に、ブラスト加工，マシニング加工，レーザー加工により精度よくパターンニングされたものであれば良い。２０４は溶射膜ヒータ２０３に通電するための給電端子であり、発熱を均一にする面以外に設置されていれば良い。

本実施例では、図２の状態において給電端子２０４間に電圧を印加し溶射膜ヒータの周方向発熱分布を測定する。この際、発熱分布を測定する上面は、絶縁層と溶射膜ヒータ２０３の層が混在するため、赤外線にて温度分布を測定する場合には、放射率の設定に注意し事前に補正することが必要である。さらに高精度に溶射膜ヒータ２０３上面の温度分布を測定する場合には、あらかじめ放射率が明確となっている黒体テープや黒体スプレーを測定面に施し、測定対象面の放射率を一定とした上で温度分布を測定することが望ましい。また、この赤外線放射温度計を用いた計測では、周囲環境の影響を受けやすいことから、測定は外乱光の影響の少ない環境下で行うことが望ましい。ここで、周方向発熱分布を測定する際に、非接触型放射温度計のかわりに、接触型温度計を溶射膜ヒータ２０３上に配置して温度分布を調べることも可能である。

図３は図１に示す試料台上の溶射膜ヒータの平面構造の一例である。３０１は溶射膜ヒータ、３０２は溶射膜ヒータ３０１に通電するための給電端部である。このヒータパターンは径方向２つ以上に分割されたものの１つを示している。図３（ａ）は抵抗値の測定位置を示しており、１ヒータの周方向において、Ａ−Ｂ，Ｂ−Ｃ，Ｃ−Ｄ，Ｄ−Ｅの４つのブロックまたは領域に分割されて管理される。ここに示したヒータパターンは本発明である周方向３つ以上のブロックに分割されており、給電端子Ａ−Ｅ間に数ボルトの電圧をかけた状態にて各ブロックの分電圧を計測することで抵抗値の周方向分布を測定することができる。

図３（ｂ）は、周方向温度分布の管理方法の一例を示している。赤外線放射温度計にて測定した溶射膜ヒータ３０１の発熱を、図３（ｂ）に示すようにＡからＬの１２ブロックで分割して、画像解析で各ブロックの平均温度を算出することにより、溶射膜ヒータ３０１の形状を形成した初期の周方向温度分布がわかる。図３の平均温度算出ブロックにおいて、溶射膜ヒータ３０１の発熱密度が均一であり、かつ、外因子による入熱，排熱の分布が一様であれば、抵抗値のバラツキを１から２％程度に抑制することで周方向の温度分布±０.５℃以下の高精度面内温度均一性を確保することができる。ここで、平均温度の分割数は、ブロック数が増加するほど平均温度を算出する領域が小さくなるため、１ブロック内での温度分布を抑制することができ、周方向の均熱性を細部にわたり制御することが可能である。

本発明のさらなる利点を図４にて示す。４０１は溶射膜ヒータ、４０２は溶射膜ヒータに通電するための給電端部である。図４の例において、抵抗値，温度分布はＡ，Ｂ，Ｃ，Ｄの４領域に分割し管理されている。ここで、給電端部４０２を含むＡおよびＢのブロックの平均温度は、発熱しない給電端部４０２を含むことにより発熱密度が低くなり、領域内の平均温度がＣおよびＤブロックと比較して低くなる。

本実施例では、上記Ａ，Ｂブロックのように溶射膜ヒータ４０１の発熱密度の違いによる温度低下部分において、溶射膜ヒータ４０１の抵抗値をＣ，Ｄブロックと比べて数％高くなるように調整することで発熱量を調整することが可能である。また、発熱密度の不均一に限らず、図２には図示していないがウエハ載置用の電極本体２０１内部に配置されたウエハ脱着用リフトピン周辺、ウエハ冷却のためのウエハの裏面と高抵抗誘電体膜１０２上面との間に導入される熱伝達用のガスの導入部分等、電極本体１０１の構造に起因し平均温度が低下する局所の発熱密度を故意に増加させることが可能である。更には、電極本体１０１にある排熱分布，エッチング工程時のプラズマ入熱分布など、外因子に起因する温度分布についても溶射膜ヒータ４０１製作段階において予測可能であれば、抵抗値を所定の値となるように調整して温度均一性を得ることが可能である。

ここで、溶射膜ヒータ４０１の形状は、一定の高さと幅である必要はない。局所的に低温部分や高温部分が発生する特異点付近については、局所的に溶射膜ヒータの形状、例えば溶射膜ヒータの幅を制御して補うことができる。

図５は、本実施例で実施する均熱化工程の前後での溶射膜ヒータ４０１の周方向についての温度分布を示すものであり、初期の周方向の発熱分布と上記の手法により調整した後の発熱分布を比較したものである。図に示す溶射膜ヒータ４０１の均熱化処理は、抵抗値の管理を周方向４分割、温度分布管理を周方向１２分割で行っている。横軸はＡからＬのブロック名称、縦軸は各ブロックの平均温度と周方向平均温度との差をプロットしている。

この図からわかるように、発熱量を調整する前の周方向温度分布は１２ブロックで分割した場合で平均温度との差±６％、抵抗値分布については±９％と大きい値を示した。次に、この初期の温度分布を基に、各ブロックの抵抗値調整量を算出し、各温度ブロックに対応する位置の目標抵抗値を決定した。本実施例における目標抵抗値は周方向分布０.５％以下であった。ここで、本実施例では、初期温度分布で最大温度を示すＪのブロックを基準とし、発熱量の少ないブロックに対して研磨・研削の処理を施した。この発熱量の調整については、初期温度分布において最小温度を示すＡのブロックを基準とし、発熱量の多いブロックの溶射膜ヒータ４０１を盛り足すことによって均熱性を高めることもできる。本図からわかるように、本実施例においては、目標抵抗値を周方向分布０.５％以下に設定し、低温領域のブロックに研磨・研削の処理を周方向で施し発熱量を調整した結果、平均温度との差が±１％以下となる高い均熱性が確保された。

上記実施例によれば、再現性が低く、抵抗値の制御が困難な溶射膜により構成された溶射膜ヒータにおいても、周方向の温度分布±１％以下の高精度面内温度均一性が確保される。また、溶射膜ヒータを径方向に２つ以上に分割していることにより、試料表面の温度分布を電極内部ヒータの微調整により変えることができ、ヒータの発熱分布による温度精度の低下のみならず、ウエハ載置用電極の構造に起因する温度精度の低下、プラズマ入熱分布などの外因子に起因する温度精度の低下についても制御することができる。これらにより、ウエハ載置用電極上に設置された試料表面の温度分布が高精度に制御され、温度不均一に起因するウエハの損傷やエッチングエラーを低減することができ、スループットの向上やコスト低減の効果が期待される。

図６に示す本発明の実施例に係る試料台の構成の概略を示す縦断面図である。図１に示す試料台を製造する一工程の状態を示す縦断面図である。図１に示す試料台のヒータの配置と温度の分布を検出するまたは抵抗値を調節する領域の例を示す模式図である。図１に示す試料台の特異点を有するヒータ平面構造の一例を示す模式図である。図１に示す実施例に係る製造方法の抵抗の調節工程の前後の周方向温度分布の一例を示すグラフである。本発明の実施例に係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。

符号の説明

１０１電極本体
１０２高抵抗誘電体膜
１０３，２０３，３０１，４０１溶射膜ヒータ
１０４ウエハ吸着のための給電層
１０５被処理基板
１０６ヒータ通電用の給電端子
１０７直流電源
２０１電極本体
２０２絶縁層
２０４給電端子
３０２，４０２給電端部

Claims

プラズマが形成される処理室内に配置されウエハをその上に載置する試料台と、この試料台上に配置され前記ウエハがその上に載置される円形の載置面を構成する誘電体製の膜と、この誘電体製の膜内部に配置された膜状のヒータとを備え、前記誘電体膜上に前記ウエハが載せられた状態で前記ヒータによりこのウエハを加熱しつつ処理するプラズマ処理装置の製造方法であって、
前記試料台の上面に前記誘電体から構成される膜を配置した後にこの誘電体製の膜上に前記膜状のヒータを形成し、このヒータに電力を供給して前記載置面の面方向について複数の領域毎の温度を検出して得られた温度の分布に基づいて、前記複数の領域同士の間の温度のばらつきが許容範囲内になるように前記ヒータの抵抗値を調節した後、前記誘電体から構成される膜を前記ヒータ上に形成するプラズマ処理装置の製造方法。
請求項１に記載のプラズマ処理装置の製造方法であって、前記温度の分布は非接触型の面温度計を用いて検出するプラズマ処理装置の製造方法。
請求項１または２に記載のプラズマ処理装置の製造方法であって、前記ヒータの形状を変化させて抵抗値を調節するプラズマ処理装置の製造方法。
請求項３に記載のプラズマ処理装置の製造方法であって、前記温度の分布の低温の部分に相当する前記ヒータの断面を小さくしてその抵抗値を調節するプラズマ処理装置の製造方法。
請求項３に記載のプラズマ処理装置の製造方法であって、前記温度の分布の高温の部分に相当する前記ヒータの断面を大きくしてその抵抗値を調節するプラズマ処理装置の製造方法。
請求項１乃至５のいずれかに記載のプラズマ処理装置の製造方法であって、前記載置面の周方向について３つ以上の前記複数の領域について得られた前記温度の分布を用いて検出したこれらの領域のヒータの抵抗値の分布に基づいて前記各領域の前記ヒータの抵抗値を調節するプラズマ処理装置の製造方法。
請求項６のプラズマ処理装置の製造方法において、前記領域毎の平均の温度に基づいて検出した前記複数の領域のヒータの抵抗値の分布に基づいて前記各領域のヒータの抵抗値を調節するプラズマ処理装置の製造方法。