JP5564139B2 - 基板保持装置およびプラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体ウエハ等の基板の温度分布を均一化して保持可能な基板保持装置、およびこれを真空減圧可能な処理室内に備えたプラズマ処理装置に関する。

従来より、エッチング、ＣＶＤ、スパッタ処理の過程で基板を保持する技術が種々提案されている。

例えば、基板を載置する載置台が静電吸着機構を有し、静電力により基板を吸着保持する基板保持装置が提案されている（特許文献１参照）。この基板保持装置では、基板の載置台の裏面側に冷却手段を有する基台が設けられ、載置台を所望の温度に冷却することが可能となっている。

また、載置台の表面は凹凸状に形成され、載置される基板との間に隙間が形成されており、この隙間に不活性ガスを循環させることによって、基板の温度を均一化し、基板全体で成膜条件やエッチング条件が不均一にならないように工夫されている。同様に基板全体の温度を均一にする目的で、基台と載置台との間には熱伝導性の高いカーボンシートが介装されている。

特開２０００−２９９２８８号公報

ところで、特許文献１に開示されている基板保持装置では、基台と載置台との間に熱伝導性の高いカーボンシートを介装して基板の温度分布の均一化を図っているが、カーボンシートは粉塵を発生しやすいという問題がある。

即ち、不活性ガスを載置台の表面に供給するには、基台と載置台との間に介装されたカーボンシートを貫通させて不活性ガスの流路を設ける必要があり、この場合、不活性ガスによって基板の裏面側にカーボン粉が運ばれるおそれがある。このような現象が生じると、せっかく不活性ガスを循環させても、基板の裏面側を所望の圧力に保つことができず、温度均一化の妨げとなる。

また、チャンバ内の汚染によるパーティクルの発生や、到達真空度の悪化などの悪影響を引き起こす場合がある。

本発明は、上記の事情に鑑み、粉塵の発生を防止して、基板温度の均一化を図ることができる基板保持装置、およびこれを備えたプラズマ処理装置を提供することを目的とする。

上記の目的を達成すべく、本発明に係る基板保持装置は、基板の裏面に不活性ガスを供給する構造を有する基板保持装置であって、不活性ガスの流路に連通する貫通孔を有する基台と、上記基台上に支持され、上記基台の貫通孔と連通する貫通孔を有し、基板を保持する基板保持台と、上記基台と上記基板保持台との間に、上記基台と上記基板保持台の貫通孔同士を連通させた状態で介装される熱伝導性を有する中間部材と、上記ガス流路となる上記基台と上記基板保持台の貫通孔同士の連通路を確保すると共に、その連通路と上記中間部材とを隔てる弾性成形体と、を有する。
本発明のプラズマ処理装置の真空室内に配置される基板保持装置の一形態では、表面にガス流出口を備えた基台、表面上に基板を保持する基板保持台であって、基台上に配置され裏面から表面へと貫通する第１の貫通孔が通じている基板保持台、及び基台と基板保持台との間に挿置されたカーボンシート部材であって、基台のガス流出口と基板保持台の第１の貫通孔とを連通する第２の貫通孔がその裏面から表面へと通じているカーボンシート部材とからなり、第２の貫通孔の内壁には、カーボンシート部材の厚さ方向においてカーボンシート部材の弾性係数より小さい弾性係数を有する筒状の金属部材がはめられており、基台のガス流出口から基板保持台の第１の貫通孔を通り、基板保持台の表面へガスが噴出される際に、カーボンシート部材にガスが接触しないよう構成されている。
又、基台は加熱手段を含み、基板保持台は静電的に基板を吸着するための静電チャックを含み、基板保持台の表面は凹凸を有しており、基板が基板保持台に静電チャックにて吸着された際に基板と基板保持台との間の隙間に第２の貫通孔から排出されたガスが循環するように構成されている。筒状金属部材は金属材料からなるベローズ状の筒体である。

本発明によれば、弾性成形体がガス流路となる基台と基板保持台の貫通孔同士の連通路を確保すると共に、その連通路と中間部材とを隔てている。したがって、ガスによって中間部材に粉塵が生じて基板の裏面側に運ばれるのを防止できるので、基板の裏面側を所望の圧力に保つことができ、基板温度の均一化を図ることができる。

本発明に係る基板保持装置を備えるスパッタ装置の全体構成を示す模式図である。 第１の実施形態の基板保持装置の概略平面図である。 図２Ａの装置のＢ−Ｂ線断面図である。 図２Ａの装置のＣ−Ｃ線模式断面図である。 本実施形態の基台を示す平面図である。 本実施形態の中間部材を構成するカーボンシートの下側カーボンシートの平面図である。 カーボンシートの上側カーボンシートの平面図である。 本実施形態のマイクロベローズを平面図である。 マイクロベローズの側面図である。 第２の実施形態の基板保持装置の装置構成を示す模式図である。 カーボンシート配置の他の例を示す図である。

以下、図面に基づいて本発明の実施の形態を説明するが、本発明は本実施形態に限定されるものではない。

〔第１の実施形態〕
図１は、本発明に係る基板保持装置を備えるスパッタ装置の全体構成を示す模式図である。図２Ａは、第１の実施形態の基板保持装置の概略平面図、図２ＢはそのＢ−Ｂ線断面図、図２ＣはそのＣ−Ｃ線模式断面図である。図３は、本実施形態の基台を示す平面図である。図４Ａは本実施形態の中間部材を構成するカーボンシートの下側カーボンシートの平面図、図４Ｂはその上側カーボンシートの平面図である。図５Ａは、本実施形態のマイクロベローズの平面図、図５Ｂはその側面図である。

図１は、本発明に係るプラズマ処理装置としてスパッタ装置を例示している。スパッタ装置は、真空ポンプ９１１によって所望の真空度に減圧可能な処理室９０１を有する。この処理室９０１の天井部には、リング状絶縁部材９０２を介してターゲット９０３が設けられ、ターゲット９０３の対向位置に基板２を保持する基板保持装置Ｄを備えている。

ターゲット９０３の裏面側にはヨーク板９０４が設けられ、このヨーク板には磁石９０５が固定されている。磁石９０５は、ターゲット９０３上に高密度のプラズマを形成するための磁場を形成する。ターゲット９０３にはスパッタ電源が接続され、成膜時には高周波電力と直流電力をターゲット９０３に重畳印加する。なお、基板２は、処理室９０１に設けられたスリットバルブ（図示せず）を介して基板保持装置Ｄに載置される。

基板保持装置Ｄは、基板２を吸着保持する基板保持台としての静電チャック３と、静電チャック３を支持する基台５１０と、静電チャック３に吸着保持された基板２の裏面に供給される不活性ガス（例えばＡｒガス）の流路７２Ａ，７２Ｂと、を有する。また、基板保持装置Ｄは、静電チャック３と基台５１０との間に、熱伝導性を有し、基台５１０及び静電チャック３よりも弾性を有する中間部材４と、弾性成形体としての複数のマイクロベローズ６と、を有する。

静電チャック３は、本実施形態では単極吸着方式のものであり、円盤形状の誘電体板３１０と、誘電体板３１０の内部に設けられた単一の電極３２０と、を有する。電極３２０は単極吸着方式により導体棒９１３，９１３を介して、静電吸着用の直流電圧を給電するための静電吸着用直流電源９１６に電気的に接続されており、所定の電圧値で正極あるいは負極の電圧を供給する。誘電体板３１０は、セラミックスなどの誘電体で形成され、電極３２０への電圧の印加により静電力を生じ、基板２を吸着保持する。なお、本発明において吸着方式は限定されず、双極式の静電チャックを用いてもよい。

また、静電チャック３は、図２Ａに示すように、誘電体板３１０の表面に開口する複数の貫通孔３３０，３４０を有する。貫通孔３３０，３４０は、誘電体板３１０の外周側と内周側に夫々複数形成されている。外周側の円周上に等間隔で形成された複数の貫通孔３３０が、基板２の裏面外周側に不活性ガスを供給するための流路（以下、「外周側流路」と呼ぶこともある。）７２Ａの一部を構成する。同様に、内周側の円周上に等間隔で形成された複数の貫通孔３４０が、基板２の裏面内周側に不活性ガスを供給するための流路（以下、「内周側流路」と呼ぶこともある。）７２Ｂの一部を構成する。

図示していないが、誘電体板３１０の表面は全面にわたって凹凸を有し、凸部によって基板２を吸着保持すると共に、流路７２Ａ〜Ｄから供給される不活性ガスが凹部を伝わって基板２の裏面に広く行きわたるようになっている。

基台５１０は、ステンレス鋼（ＳＵＳ）や銅（Ｃｕ）などの熱伝導性が良好で耐熱性を有する材料により形成される。基台５１０の内部には、シースヒータなどの加熱手段５２０が設けられ、成膜時に所定の温度に調整される。また、基台５１０の内部には、温度を検出するための温度センサ（図示せず）が設けられている。この温度センサの出力端子は、外付けユニット部（図示せず）の温度制御部と電気的に接続され、温度検出信号が送信される。温度制御部は、温度検出信号に基づいて所定のフィードバック制御方式、例えばＰＩＤ制御方式により、基台５１０の本体に電熱用の電力の出力（供給）量を制御する。

また、基台５１０には、外周側表面に複数の固定バネ５３０が取り付けられている。図２Ａおよび図２Ｂでは、基台５１０の外周側表面の全周にわたって等間隔に、複数の固定バネ５３０がボルトＢｔを介して夫々取り付けられている。各固定バネ５３０は、湾曲した板バネ状部材であり、静電チャック３を基台５１０表面に押さえ付けて固定している。

また、基台５１０は、図３に示すように、静電チャック３に形成された複数の貫通孔３３０，３４０と連通する複数の貫通孔５１３，５１４を有する。貫通孔は外周側と内周側に夫々複数形成されている。外周側の円周上に等間隔で形成された複数の貫通孔５１３が外周側流路７２Ａの一部を構成し、内周側に円周上に等間隔で形成された複数の貫通孔５１４が内周側流路７２Ｂの一部を構成する。なお、図３中、中央に開口されている２個の貫通孔は、導体棒９１３，９１３が配される導体棒用貫通孔５１２，５１２である。

流路７２Ａ〜７２Ｄは、図１に示す不活性ガス供給源７１に接続され、所定の流量を供給するためのガス流量計９１５と、供給された不活性ガスの圧力値をモニタするための圧力計９１４が介設されている。成膜処理中は、不活性ガス供給源７１から流路７２Ａ〜７２Ｄを介して基板２の裏面の内外周に不活性ガスを供給することで、静電チャック３と基板２との間で熱交換が行われる。

本実施形態では、上述のように基台５１０を加熱することから、基台５１０から静電チャック３に伝達された熱がさらに不活性ガスを介して基板２に伝達され、基板２が所定の温度に制御される。このとき、圧力計９１４による計測結果に基づき不活性ガスのガス圧力を制御して、静電チャック３と基板２との間の隙間または接触面の熱抵抗を制御し、基板２の温度を制御することができる。

中間部材４及び流路７２Ａ〜７２Ｄ各々におけるマイクロベローズ６は、静電チャック３と基台５１０の接合に用いられる。これらの弾性を有する部材を用いることで、熱膨張特性に差のある静電チャック３と基台５１０を、変形等をもたらすことなく接合できる。
中間部材４は、本実施形態では、基台５１０と静電チャック３に面接触し、熱伝達を行う熱伝導性部材を用いる。中間部材４としては、熱伝導率や密着性が良好な部材を好適に用いることができる。さらに、本実施形態では、中間部材４として弾性材料を用いているので、基台５１０と静電チャック３との間で発生する面圧により、流路７２Ａ〜７２Ｄを通過する不活性ガスをシールする機能をも有する。又、本実施例では中間部材４の中央部が凹状となっており、中間部材４の内側の方が弾性係数が小さくなっている。

図４Ａと図４Ｂに示すように、本実施形態の中間部材４は、基台５１０上に配される下側カーボンシート４１０と、この下側カーボンシート４１０上に重ねて配される上側カーボンシート４２０と、を備える。なお、カーボンシートは黒鉛を含有するシート状の成形体であり、例えば、黒鉛を酸処理することで膨張化黒鉛とした後、シート状に圧延したカーボンシートを用いることができる。

下側カーボンシート４１０は、基台５１０よりも若干小径の円形状を呈しており、中央に導体棒９１３，９１３を通す導体棒用貫通孔４１１，４１１が形成されている。また、基台５１０の貫通孔５１３，５１４に連続する位置に、これらの貫通孔５１３，５１４よりも若干大径のベローズ用貫通孔４１２Ａ，４１２Ｂが形成されている。

上側カーボンシート４２０は、外径が下側カーボンシート４１０の直径と同じサイズの略円環状を呈しシート４の内側を凹部を形成しており、内周端部４２１が断続的に下側カーボンシート４１０のベローズ用貫通孔４１２Ａと連続する位置の周囲まで突出している。この突出部分には、下側カーボンシート４１０のベローズ用貫通孔４１２Ａに連続するベローズ用貫通孔４２３Ａが形成されている。本実施形態では、これら２枚のカーボンシート４１０，４２０の厚みは同等であり、２枚を重ねた状態では、図２（ｃ）に示すように、中央に略円形状の凹部４Ａが形成される。

図２Ｃに示すように、カーボンシートのベローズ用貫通孔４１２Ａ，４１２Ｂ，４２３Ａの内側には、弾性成形体としての図５Ａ、図５Ｂに示すマイクロベローズ６が配設される。マイクロベローズ６は、高さ方向に伸縮可能な金属製の蛇腹形状の筒体である。このマイクロベローズ６は、高融点の金属、例えばニッケル（Ｎｉ）などを電着処理することによって形成することができる。本実施形態のマイクロベローズ６には、例えば内径２．３ｍｍ、長さ５．７ｍｍ、伸縮量０．７５ｍｍのものを用いることができる。なお、マイクロベローズ６の構成材料は高融点金属に限定されず、合成ゴムや合成樹脂等も用いることができるが、高温下で用いる場合は金属製であることが好ましい。

各マイクロベローズ６は、中間部材４よりも高さ寸法が厚く設計され、弾性変形させた状態で、上記ベローズ用貫通孔４１２Ａ，４１２Ｂ，４２３Ａ内に配設される。また、各マイクロベローズ６の中空部６１は、基台５１０と静電チャック３の貫通孔を連結し、流路７２Ａ，７２Ｂの一部を構成する。マイクロベローズ６を設置する基台５１０部分にはザグリ穴５１５が形成され、そこに嵌め込む形でマイクロベローズ６を配設する。

なお、弾性成形体は、弾性体であればマイクロベローズ６のように蛇腹形状である必要はなく、筒体状の板バネ等であってもよい。この弾性成形体は、不活性ガスをシールするのに十分な面圧を発生できる程度の弾性力を有している必要はなく、基台５１０と静電チャック３との隙間の変化に追従できれば十分である。また、基台５１０と静電チャック３との隙間の変化への追従性を良くするため、弾性成形体は中間部材４よりも弾性係数が小さいことが好ましい。

次に、本実施形態の基板保持装置Ｄの作用について説明する。

成膜処理前などの基台５１０の加熱前は、基板保持装置Ｄは、中間部材４および静電チャック３は固定バネ５３０により周囲がしっかりと押さえ付けられ、基台５１０に固定される。この状態では、中間部材４は静電チャック３と基台５１０との間に凹部４Ａによる隙間を維持したままであり、マイクロベローズ６は２枚分のカーボンシート４１０，４２０の高さまで変形した状態で維持される。

成膜処理の開始時には、基台５１０を所定の温度に加熱し、不活性ガス供給源７１から不活性ガスを供給する。このとき、カーボンシート４１０，４２０が基台５１０から静電チャック３への熱伝達を行う。さらに、不活性ガスは、流路７２Ａ，７２Ｂを通って基板２の裏面全体に循環し、静電チャック３から基板２に熱伝達を行う。このように、中間部材４および不活性ガスを用いることで、熱伝達効率を高めることができるので、応答性に優れ、正確な温度制御を行うことが可能である。

また、静電チャック３と基台５１０の流路７２Ａ〜７２Ｄは、中間部材４と静電チャック３との間に空隙が形成されている部分を含め、マイクロベローズ６により連結される。このため、カーボンシート４１０，４２０を構成している炭素（Ｃ）の粉塵が基板２の裏面へ回り込むことを防止でき、成膜時の不純物の発生や温度の制御性の悪化を防止できる。

不活性ガスは、基台５１０と静電チャック３の間で、中間部材４に生じる面圧によりシールされる。上述のように、上側カーボンシート４２０の内周端部４２１の突出部分は、外周側流路７２Ａを構成する各マイクロベローズ６の周囲を覆う形状となっているので、確実にシールされる。

さらに、基台５１０は加熱されると、外周部と内周部の熱膨張差により内周部が上方に反る（もしくは外周部が下方に反る）という現象が起きる。この際、中間部材４の全体が均一な厚さであると、外周側で基台５１０と静電チャック３とが離れてしまい、外周側で熱伝達が行われず、基板２の内外周で温度が不均一になってしまう。

しかし、本実施形態では、基台５１０の内周側が上方に反った場合、中間部材４の凹部４Ａにより当初中央付近で形成されていた空隙が潰れ、当該中央付近も含めて全面で中間部材４と基台５１０、静電チャック３とが密着した状態となる。これにより、内外周で均一に温度伝達がなされ、温度不均一の発生を防止できる。

この際、凹部４Ａに配されたマイクロベローズ６は、凹部４Ａの高さ分だけ圧縮されることとなる。しかし、マイクロベローズ６のように蛇腹形状の部材であると、伸縮量を長く確保できるので、例えば、弾性力の強いシール部材のように破壊や塑性変形をしたりするおそれがない。

また、凹部４Ａが空間として残ったりすることなく、変形に追従するので、中間部材４を全面密着させることができ、温度均一化に寄与する。さらに、圧縮されたときの径方向への変形も小さいため、変形により流路７２Ａ，７２Ｂを塞いでしまい、ガス圧の制御性を悪化させることもない。

以上のように第１の実施形態の基板保持装置Ｄによれば、マイクロベローズ６が不活性ガスの流路７２Ａ〜７２Ｄとなる基台５１０の貫通孔５１３，５１４と静電チャック３の貫通孔３１０，３２０との連通路を確保する。これと共に、マイクロベローズ６がこの連通路とカーボンシート４１０，４２０とを隔てている。したがって、不活性ガスによってカーボン粉が生じて基板２の裏面側に運ばれるのを防止できるので、基板２の裏面側を所望の圧力に保つことができ、基板温度の均一化を図ることができる。

〔第２の実施形態〕
図６は、第２の実施形態の基板保持装置Ｄの装置構成を示す模式図である。なお、第１の実施形態と同一の部材については、同一の符号を付して説明する。

図６に示すように、第２の実施形態では、加熱手段と冷却手段の双方が設けられ、基板２の加熱と冷却が可能である。即ち、基台５１０の内部には冷却手段として冷却通路５４１が設けられており、冷却通路５４１に冷媒を循環させることで基台５１０を冷却することが可能である。また、静電チャック３には、加熱手段として高融点金属、例えばモリブデンやタングステン等からなる抵抗発熱体３５１が設けられ、これに電力を供給することで静電チャック３を加熱することが可能である。

さらに、静電チャック３と基台５１０の内部には、基板２の裏面中央付近に不活性ガスを供給するための流路７２が設けられている。そして、静電チャック３と基台５１０の間には、厚さが均一の１枚のカーボンシートからなる中間部材４が設けられると共に、中間部材４の流路７２を構成する部分にマイクロベローズ６が配されている。

このように、流路７２が１つで構成されていても、また加熱手段が静電チャック３側に設けられると共に、冷却手段が基台５１０側に設けられていてもよい。

なお、図６の静電チャック３は、双極吸着方式のものであり、一対のシート状の電極３５２Ａ，３５２Ｂが直流電源９２３に接続され、静電吸着用の直流電圧が印加される。また、この電極３５２Ａ，３５２Ｂは高周波電源９２１にマッチングボックス９２０を介して接続され、スパッタ時におけるプラズマ引き込み用の高周波電圧が印加される。なお、図６中、符号Ｓは絶縁シースである。

第２の実施形態の基板保持装置Ｄは、基本的に第１の実施形態と同様の作用効果を奏するが、基板２の加熱および冷却により基台５１０と静電チャック３との隙間が増減しても、基板２の裏面へのカーボン粉の付着を防止することができる。即ち、加熱時は抵抗発熱体３５１により加熱しつつ、不活性ガスを基板２の裏面に循環させることで加熱効果を高める。また、冷却時は基台５１０に冷媒を循環させて冷却すると共に、不活性ガスを基板２の裏面に循環させることで、基板２から静電チャック３への熱伝達を促進し、冷却効果を高める。このように基板２の加熱および冷却により基台５１０と静電チャック３との隙間が増減しても、マイクロベローズ６が不活性ガスの流路７２とカーボンシートを隔てるので、基板２の裏面等にカーボン粉が付着するのを防止することができる。

上記各実施形態の基板保持装置Ｄは、これらの実施形態に限定されるものではない。例えば、上記基板保持装置Ｄは、プラズマ処理装置として例示したスパッタ装置に限らず、ドライエッチング装置やプラズマアッシャ装置、ＣＶＤ装置、液晶ディスプレイ製造装置等にも適用可能である。

また、加熱手段５２０は、基台５１０に設けられている態様に限られず、静電チャック３に設けられていてもよい。同様に、冷却手段が設けられていてもよく、第２の実施形態のように、冷却手段と加熱手段の双方が設けられていてもよい。

この他、中間部材４は、複数のカーボンシートを積層する態様に限定されず、１枚を外周端部で折り曲げて使用したり、部分的に厚みの異なる１枚のカーボンシートを用いたり、あるいは、３枚以上のカーボンシートを用いて内周側から外周側に向かって段階的又は徐々に厚みを増すようにしてもよい。つまり、内側の方が弾性係数が小さくなるようにしてもよい。また、不活性ガスの流路を外周側または内周側のみ形成してもよい。さらに、マイクロベローズ６の弾性率や高さを内周側と外周側とで異なるものとし、例えば、変形量の大きい内周側が追従しやすいようにより高さ方向の弾性係数が小さいものを用いてもよい。そして、中間部材４に加え、これ以外のシール部材を配置してもよい。
また、図７に示すように、シール機能を持たせるために、内側の流路７２Ｂを構成するマイクロベローズ６の周囲に、シール機能を確保するのに必要な分だけ上側カーボンシートやその他の弾性体４４４を配すようにしてもよい。

２ 基板
３ 静電チャック（基板保持台）
４ 中間部材
６ マイクロベローズ（弾性成形体）
７２Ａ 流路（外周側）
７２Ｂ 流路（内周側）
３３０ 貫通孔（外周側）
３４０ 貫通孔（内周側）
４１０ 下側カーボンシート
４２０ 上側カーボンシート
５１０ 基台
５１３ 貫通孔（外周側）
５１４ 貫通孔（内周側）
Ｄ 基板保持装置

Claims (7)

1. 基板の裏面に不活性ガスを供給する構造を有する基板保持装置であって、
   不活性ガスの流路に連通する第１貫通孔を有する基台と、
   前記基台上に設けられ、第２貫通孔を有する熱伝導性中間部材と、
   前記中間部材上に設けられ、第３貫通孔を有する基板保持台と、
   前記第２貫通孔内に設けられ、前記中間部材を前記不活性ガスの流路から隔てるように前記第２貫通孔の側壁を覆っており、高さ方向に伸縮可能なベローズ形状の筒体であり、前記中間部材の高さ寸法よりも厚く形成された弾性成形体と、
   を備え、
   前記弾性成形体は中空部を有しており、該中空部が前記第１貫通孔および前記第３貫通孔と連通することで、前記不活性ガスの流路を形成していることを特徴とする基板保持装置。
2. 前記中間部材は、前記基台及び基板保持台よりも弾性を有することを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
3. 前記中間部材は、カーボンの成形体であることを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
4. 前記中間部材は、前記弾性成形体の周囲を覆っていることを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載の基板保持装置。
5. 前記基板保持台は、基板を静電力により吸着保持する静電吸着機構を有することを特徴とする請求項１に記載の基板保持装置。
6. 請求項１に記載の基板保持装置が真空減圧可能な処理室内に設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。
7. 該基台は加熱手段を含み、該基板保持台は静電的に基板を吸着するための静電チャックを含み、該基板保持台の表面は凹凸を有しており、
   該基板が該基板保持台に該静電チャックにて吸着された際に該基板と該基板保持台との間の隙間に該第３貫通孔から排出された前記不活性ガスが循環するように構成されている請求項１に記載の基板保持装置。

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