JP5479061B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に、試料を吸着して保持する静電吸着装置を備えた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おいては、スループットの向上を目的として、フォトレジスト層、反射防止膜層、ハードマスク層、ポリシリコン層、メタル層等の異膜種を連続してエッチング処理することが求められる。このような複数の異種膜を連続処理するステップにおいても、加工後の最終的な膜形状は、従来の非連続処理時と同等あるいはそれ以上の加工精度が求められる。

このため、連続処理時における各膜の加工精度は従来方法よりも厳しい値とする必要があり、加工精度と密接な関係にある半導体基板等の試料温度は、各ステップで最適温度に制御することが必要である。

特許文献１には、冷媒溝が形成された基材、該基材上に形成された複数のヒータ、静電吸着用電極、および温度測定手段を備え、該温度測定手段の温度情報にもとづいてヒータの出力を調節する静電吸着装置が示されている。

特開２００７−８８４１１号公報

しかしながら、前記従来技術においては、試料処理中に発生する異物および金属汚染について十分な配慮はなされていない。

図６および図７は従来の静電吸着装置の概要を示す図であり、図６は静電吸着装置を説明する図、図７は静電吸着装置の吸着面および保護カバーの外周形状を示す図である。図７に示すように、電極上に載置するウエハ１のノッチに対応して、静電チャック部の側周面には直線部（Ｄカット６００）が設けられる。この静電チャック部のＤカットに対応して、基材部４の外周部を保護する保護カバー１１８には直線部６０１を設ける。

また、静電チャック部の外周の基材部４にはピン穴５００を設け、このピン穴に基材部４から突出するようにピン５０１を挿入する。ピン５０１の材質としては、強度の観点からチタンやアルミなどの金属を用いる。保護カバー１１８には、ピン５０１と嵌合する穴５０２をその下面に設ける。これら穴およびピンにより、基材４と保護カバーの位置関係を適切に保つことができる。

図６において、静電吸着装置２は、絶縁部材１０６を介して真空チャンバ１０２の下面上に配置する。静電吸着装置２は、チタン製の基材４と、基材４の上面に溶射によって形成した第一のセラミックス層２０１と、第一のセラミックス層の上面に溶射によって形成した第一の加熱手段としてのヒータ２０２と、ヒータの周囲を覆いかつ第一のセラミックス層の上面に溶射によって形成した第二のセラミックス層２０３と、第二のセラミックス層の上面に溶射によって形成したリング状の吸着電極２０４と、吸着電極の周囲を覆いかつ第二のセラミックス層の上面ならびに基材外周部の表面に溶射によって形成した第三のセラミックス層２０５により構成する。

ヒータ２０２は電源８に接続する。吸着電極２０４は内電極２０４ａと外電極２０４ｂを備えたダイポール型とし、それぞれの電極には図示しない直流電源に接続し、電圧を印加することによりウエハを静電吸着する。

チタン製の基材４は、冷却手段としての冷媒流路５を備えており、チラーなどの温調器６と接続して温調した冷媒を流路に流すことができる。基材４は整合器１１７を通して高周波電源１１６と接続しており、高周波電源１１６から基材４にバイアス電圧を印加することによりプラズマ中のイオンをウエハに引きこんで異方性エッチングを行う。

基材４の表面近傍には、基材にくぼみを設けて温度測定手段としての熱電対９を設けている。温調器６、ヒータ電源８、および熱電対９は制御機器１０に接続されており、制御機器１０は、熱電対の測温値に基づいて前記温調器６およびヒータをフィードバック制御する。

ウエハの温度調整は、主として静電吸着装置２によるその吸着面の温度調整によってなされているので、ウエハと吸着面間の熱抵抗は小さい方がよい。このためウエハ裏面と静電吸着装置の間に存在する隙間に伝熱ガス１１を導入している。

静電吸着装置２の外周部には、外周部をプラズマから保護するために石英製の保護カバー１１８を配置している。なお、１２は搬送の際にウエハを押し上げる押し上げ装置である。

このような構造静電吸着装置においては、ヒータ出力を調節して各処理ステップで静電チャックを異なる温度に制御すると、静電チャック部の熱膨張量がステップ毎に変化する。このため、前記ピン５０１と保護カバー１１８とが摩擦し、異物あるいは金属汚染が生じる。このため、歩留まりが悪化する。

本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、異物あるいは金属汚染の発生を抑制し、長期にわたって連続運転することのできるプラズマ処理装置を提供するものである。

本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。

所定の圧力に減圧排気される処理室と、当該処理室内に配置され、金属製の基材の上部に試料を静電吸着して保持する静電チャックを備えた吸着装置と、当該吸着装置の温度を調整する温度調整手段と、前記吸着装置とこの吸着装置上に載置された試料の間に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給手段と、前記処理室内にプラズマを生成する手段を備え、生成されたプラズマを用いて前記吸着装置上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
前記吸着装置の試料載置面の外周の試料載置面より低い部分上に配置され当該部分の表面を保護するリング状の誘電体製のカバーを備え、前記吸着装置は前記試料載置面の外周縁部の一箇所に配置されその開き角度が９０度以下であるＶ字型の切欠きを有し、前記カバーは前記試料載置面の外周側でこれを隙間を空けて囲む円弧状の内周縁とこの内周側に配置され前記Ｖ字型の切欠きの内側でその壁面に間隔を空けて嵌合するＶ字型の張り出しを備えた構成とする。

本発明は、以上の構成を備えるため、異物（金属汚染等）の発生を抑制し、長期にわたって連続運転することのできるプラズマ処理装置を提供することができる。

プラズマ真空処理装置を説明する図である。 静電吸着装置の横断面図である。 静電吸着装置および保護カバーの外周形状を示す図である。 図８に示す試験結果を説明する図である。 静電吸着装置のＶノッチの開き角α＝９０度の場合において、熱サイクルを負荷し、発生した異物および金属汚染の量を測定した結果を示す図である。 従来の静電吸着装置を説明する図である。 従来の静電吸着装置の吸着面および保護カバーの外周形状を示す図である。 ウエハ処理を模擬して熱サイクルを負荷した試験の結果を示す図である。

以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、プラズマ真空処理装置の概略図であり、図１の例ではプラズマエッチング装置を示す。

真空チャンバ１０２の上部に石英製のシャワープレート１０３と石英製の蓋１０１を設置し、真空チャンバの下面にはバルブ１０４を介して真空ポンプ１０５を接続する。また、真空チャンバ下面には絶縁部材１０６を介して静電吸着装置２を配置する。

処理室３を構成する前記部材間の隙間は図示しないＯリング等のシール手段によって気密に接続されており、処理室内の圧力は１００００分の１Ｐａ程度の高真空に維持することができる。

処理室３の上部の空間には、シャワープレート１０３および蓋１０１を備え、シャワープレートと蓋との間隙にはガス導入穴１０７介して処理ガスが導入されてガスだまり１０９が形成される。ガスだまり１０９を構成する部材間には図示しないＯリング等のシール部材が挿入されて気密に接続されている。

処理ガス１０８は、まずガスだまり１０９に導入され、次いでシャワープレート１０３に設けた多数の貫通孔１１０を通り、処理室３内にシャワー状に導入される。処理ガスとしては、プロセス毎に単一のガス、あるいは複数のガスを所定の比量で混合したガスを用いる。たとえば、被エッチング材料がＳｉ系の材料であれば、ＨＢｒ／Ｃｌ₂／Ｏ₂ガスあるいは、これらのガスと組み合わせてＳＦ₆、ＣＦ₄、ＣＨＦ₃等のフッ素系ガスが使用される。

処理室３の上方には、円盤状のアンテナ１１１を設置する。アンテナ１１１には高周波電源１１４を、高周波をオン・オフするスイッチ１１３、高周波印加の際にインピーダンスの整合をとるための整合器１１２を介して接続する。

アンテナ１１１に高周波電源１１４の電圧を印加して電磁波を生成し、生成した電磁波を処理室３に導入すると、真空チャンバの周囲に設置したコイル１１５によって生じる磁場との相互作用により、処理室内には高密度なプラズマを生成することができる。

図２は静電吸着装置２の横断面図である。静電吸着装置２は、絶縁部材１０６を介して真空チャンバ１０２の下面上に配置する。静電吸着装置２は、チタン製の基材４と、基材４の上面に溶射によって形成した第一のセラミックス層２０１と、第一のセラミックス層の上面に溶射によって形成した第一の加熱手段としてのヒータ２０２と、ヒータの周囲を覆いかつ第一のセラミックス層の上面に溶射によって形成した第二のセラミックス層２０３と、第二のセラミックス層の上面に溶射によって形成したリング状の吸着電極２０４と、吸着電極の周囲を覆いかつ第二のセラミックス層の上面ならびに基材外周部の表面に溶射によって形成した第三のセラミックス層２０５を備える。

ヒータ２０２は電源８に接続する。吸着電極２０４は内電極２０４ａと外電極２０４ｂを備えたダイポール型とし、それぞれの電極は図示しない直流電源に接続し、電圧を印加することによりウエハを静電吸着する。なお、吸着電極２０４は内電極２０４ａと外電極２０４ｂを備えたダイポール型としたが、モノポール型であっても構わない。また、静電吸着以外による吸着方法であってもよい。

チタン製の基材４は、冷却手段としての冷媒流路５を備えており、チラーなどの温調器６と接続して温調した冷媒を流路に流すことができる。基材４は整合器１１７を通して高周波電源１１６と接続しており、高周波電源１１６から基材４にバイアス電圧を印加することによりプラズマ中のイオンをウエハに引きこんで異方性エッチングを行う。なお、基材の材質はチタンとしたが、必ずしもチタンに限定されるものではなく、適度な強度があればどのような金属でも使用でき、たとえばステンレス、アルミ、アルミ合金などが使用できる。

基材４の表面近傍には、基材にくぼみを設けて温度測定手段としての熱電対９を設けている。温調器６、ヒータ電源８、および熱電対９は制御機器１０に接続されており、制御機器１０は、熱電対の測温値に基づいて前記温調器６，ヒータをフィードバック制御する。これにより、ウエハの温度分布を任意に調節することができる。

ウエハの温度調整は、主として静電吸着装置２の吸着面の温度調整によってなされているので、ウエハと吸着面間の熱抵抗は小さい方がよい。このためウエハ裏面と静電吸着装置の間に存在する隙間に伝熱ガス１１を、例えば１０００Ｐａ程度の圧力で導入しウエハ裏面と静電吸着装置との間の熱伝達を向上させている。伝熱ガスとしては、プロセスに影響を及ぼさないものであれば種類は特に問わないが、ヘリウムが好適である。

静電吸着装置２の外周部には、外周部の試料載置面よりも低い部分をプラズマから保護するために石英製の保護カバー１１８を配置している。なお、１２は搬送の際にウエハを押し上げる押し上げ装置である。

図３は、静電吸着装置２および保護カバー１１８の外周形状を示す図である。静電吸着装置２は、その外周にウエハのノッチに対応して、Ｖカットと称するＶ字型の切り欠き４００を備えている。このＶカットの角度αはα≦９０度としている。静電吸着装置のＶカットに対応して、保護カバーには内側に向かってＶ字型の張り出し４０１を備えている。保護カバーの内面形状は静電吸着装置の側周面から一定量離間するようにしている。したがって、保護カバー４０１の曲率は、Ｖカット４００の曲率よりも大きい。なお、静電吸着装置の側周面と保護カバーとの間の隙間は、全周にわたって数百μmオーダ以下としている。

試料であるウエハは、図示しないウエハ搬送手段によって、ウエハのノッチ部が静電吸着装置のＶカット部に位置するように、静電吸着装置上に載置される。ウエハの処理するときは、静電吸着装置は温度が上昇して熱膨張する。このとき保護カバー１１８も温度が上昇して熱膨張するが、石英製のカバーの熱膨張量は静電吸着装置の熱膨張量よりも小さい。

このため、保護カバー１１８は静電吸着装置の上に固定することなく載置している。これにより、前記熱膨張量の差に起因して保護カバーあるいは静電吸着装置が過大な応力を受けて破損することを防ぐことができる。

図８は、ウエハ処理を模擬して、１０００００回の熱サイクルを賦課した試験の結果を示す図である。図６に示すように、Ｖカットにおける開き角αをα＝９０度とした場合、保護カバーあるいは静電吸着装置が破損することはなかった。また、開き角α＝１８０度とした場合、すなわち直線状のＤカットとした場合においては、静電吸着装置の側周面の溶射膜が破損した。

図４は、図８に示す試験結果を説明する図である。図４は、静電吸着装置の温度が上昇して熱膨張し、静電吸着装置２と保護カバーが２点で接触したときに、保護カバー１１８が静電吸着装置２から受ける抗力を示している。ここで、図４（ａ）はα＝９０度である例（実施例）を、図４（ｂ）はα＝１８０度である例（比較例）を示している。

図において、Ｆ１はＶカット付近の接触箇所Ｓ１における抗力であり、Ｆ２はＶカット以外の接触箇所Ｓ２における抗力である。Ｓ１とＳ２の位置は、静電吸着装置の中心軸に対しておよそ１８０度の角度をなす場合を示している。α＝９０度である実施例（図４（ａ））においては、２点で生じている抗力の向きが約４５度異なっている。このため、カバーには回転モーメントが生じる。また、接触箇所Ｓ１におけるカバーの曲率はＶカットの曲率よりも大きいため、静電吸着装置のＶカット両端部の角が接触箇所Ｓ１を構成することはない。以上のことから、保護カバー１１８は静電吸着装置の側周面に押されて回転し、保護カバーあるいは静電吸着装置に過大な応力がかかることはなく、破損しない。

一方で、α＝１８０度である比較例（図４（ｂ））においては、２点で生じている抗力のなす角度は最大でも数度であり、２点の抗力の作用方向がおよそ揃っている。そのためカバーが回転するために必要なモーメントを得るためには、本実施例図４（ａ））よりも大きな抗力を必要とする。比較例においては、まず静電吸着装置の側周面とカバーが２点で接触した。次いで、静電吸着装置の温度がさらに上昇するとともに熱膨張量が増して抗力Ｆ１およびＦ２が増していった。最終的には、カバーの回転させるために必要なモーメントを得るよりも前に抗力が過大となり、なおかつ静電吸着装置のＤカット両端部の角が接触箇所Ｓ１を構成するため、ここに応力が集中して、接触箇所Ｓ１における静電吸着装置の溶射膜破損に至った。以上のことから、Ｖカットの開き角α≦９０度とすれば、保護カバーあるいは静電吸着装置が、２点接触した場合であっても過大な応力を受けて破損することはない
図５は、図１ないし図３に示す実施例にかかる静電吸着装置について、Ｖノッチの開き角α＝９０度の場合において、熱サイクルを賦課し、発生した異物（金属汚染を除く）および金属汚染量を測定した結果を示す。異物量および金属汚染量のいずれにおいても、許容値を大きく下回った。

また、図５には、本発明の比較例として、図６および図７に示す従来の静電吸着装置における試験結果あわせて示す。図６および図７に示す比較例においては、前述のように静電チャックの外周部にはピン穴５００を設け、このピン穴に静電チャックから突出するようにピン５０１を挿入して、保護カバーの回転を防止している。図５の比較例においては、異物量および金属汚染量のいずれにおいても、許容値を上回った。これは、保護カバーの回転を阻止する回り止めピンを設置しているために、熱サイクルの賦課時にピンと保護カバーが摩擦して磨耗したためである
以上説明したように本実施形態によれば、吸着装置の試料吸着面の外周部にＶ字型の切り欠きを設けて、前記切り欠き部と前記試料のノッチ部とを一致させて前記試料を前記静電チャックに載置するとともに、試料載置面の外周の試料載置面より低い部分の吸着装置外周部を保護するリング状のカバーを備え、該カバーは静電チャックの吸着面の外周に設けたＶ字型の切欠きに間隔を空けて嵌合するＶ字型の張り出しをリングの内周側に備えている。このため、保護カバーと吸着装置の接触による異物あるいは金属汚染の発生を抑制することができる。このため、長期にわたって連続運転することのできるプラズマ処理装置を提供することができる。

１ ウエハ
２ 静電吸着装置
３ 処理室
４ 基材
５ 冷媒流路
６ 温調器
８ ヒータ電源
９ 熱電対
１０ 制御機器
１１ 冷却ガス
１２ ウエハ押上げ装置
１０１ 蓋
１０２ 真空チャンバ
１０３ シャワープレート
１０４ バルブ
１０５ 真空ポンプ
１０６ 絶縁部材
１０７ ガス導入孔
１０８ 処理ガス
１０９ ガスだまり
１１０ 貫通孔
１１１ アンテナ
１１２ 整合器
１１３ スイッチ
１１４ 高周波電源
１１５ コイル
１１６ 高周波電源
１１７ 整合器
１１８ 保護カバー
２０１ セラミックス層
２０２ ヒータ
２０３ セラミックス層
２０４ 吸着電極
２０５ セラミックス層
４００ Ｖカット
４０１ Ｖ字型張り出し
５００ ピン穴
５０１ 回り止めピン
５０２ ピン穴
６００ Ｄカット
６０１ カバー直線部

Claims (2)

1. 所定の圧力に減圧排気される処理室と、
   当該処理室内に配置され、金属製の基材の上部に試料を静電吸着して保持する静電チャックを備えた吸着装置と、
   当該吸着装置の温度を調整する温度調整手段と、
   前記吸着装置とこの吸着装置上に載置された試料の間に伝熱ガスを供給する伝熱ガス供給手段と、
   前記処理室内にプラズマを生成する手段を備え、生成されたプラズマを用いて前記吸着装置上に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、
   前記吸着装置の試料載置面の外周の試料載置面より低い部分上に配置され当該部分の表面を保護するリング状の誘電体製のカバーを備え、
   前記吸着装置は前記試料載置面の外周縁部の一箇所に配置されその開き角度が９０度以下であるＶ字型の切欠きを有し、前記カバーは前記試料載置面の外周側でこれを隙間を空けて囲む円弧状の内周縁とこの内周側に配置され前記Ｖ字型の切欠きの内側でその壁面に間隔を空けて嵌合するＶ字型の張り出しを備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１記載のプラズマ処理装置において、
   前記Ｖ字型の切欠きの曲率は、前記Ｖ字型の張り出しの曲率よりも小であることを特徴とするプラズマ処理装置。