JP5838054B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空容器内の処理室内で形成したプラズマを用いてこの処理室内で半導体ウエハ等の基板上の試料をエッチング処理するプラズマ処理装置に係わる。

従来装置では、試料を載置する試料台の温度は所望の温度にコントロールされ、試料は静電気力を利用して前記試料台に吸着し、試料の温度をコントロールしながらプラズマ処理を行っていた。このとき、前記試料台と試料の間にはヘリウムなどの不活性ガスを充填することで試料台から試料までの熱伝達効率を高める設計としていた（例えば、特許文献１参照)。

ここで、前記試料台の試料載置部以外の面についても試料と同様にプラズマ処理反応が起こってしまうため、表面処理膜が剥がれるなど試料台が損傷したり、試料台から出るプラズマ反応生成物がプラズマの成分に影響してプラズマ処理性能の安定性を低下させる要因と成りえる。そこで、前記試料台の試料載置面以外の面は、プラズマ耐性の高い例えば石英などのセラミックス焼結体のカバーで覆い、消耗後は前記カバーのみを容易に交換可能とする構造としていた（例えば、特許文献２参照）。

前記試料台カバーはプラズマ耐性が比較的高く、プラズマに晒されても反応されにくく、ゆえに、反応生成物を発生しにくい材料を選定しているが、試料への化学的影響を皆無にすることは不可能である。ここで、プラズマ処理時間の経過と共に、プラズマからの入熱により前記試料台カバーは徐々に暖められることで、前記試料台カバーから発生する反応生成ガス量が徐々に増加して、試料への処理性能が徐々に変動することが問題だった。試料のすぐ外周側に載置する前記試料台カバーは、試料からの距離が近いため、特に処理性能への影響が大きく問題であった。

前記試料台カバーの温度を一定の温度にコントロールすることで、前記試料台カバーから発生するガス量が安定し、試料へのプラズマ処理性能を安定させることができるが、従来は、この点について対策が不足していた。

特開平１１−２７４１４１号公報 特開２０００−１３８２０８号公報

プラズマ処理時間の経過と共に、プラズマからの入熱により前記試料台カバーは徐々に暖められることで、試料台から発生する反応生成ガス量が徐々に増加して、試料への処理性能が徐々に変動することが問題であった。

本発明の目的は、前記試料台カバーの温度を安定させ、前記試料台カバーから発生するガス量を安定させることで、プラズマ処理性能の経時変化が小さいプラズマ処理装置を提供することである。

本発明のプラズマ処理装置は、真空容器内部に配置されその内側でプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置され前記プラズマに面してその上面に前記プラズマを用いた処理対象の試料が載置される試料台とを備え、この試料台が、前記試料の載置される面の外周側にこれと段差を有して配置され誘電体製のリング状部材が配置される凹み部及びこのリング状部材の下方に配置されこれを加熱する手段とを有し、前記リング状部材の外周側上方に配置されて前記試料台と連結され前記リング状部材を下方に押し付けて位置決めする金属製部材と、前記リング状部材が前記凹み部に配置され且つ前記金属製部材が前記試料台と連結され前記リング状部材を下方に押し付けた状態で前記リング状部材が載せられた面と当該リング状部材の下面との間及び前記金属製部材が押し付けられる前記リング状部材の上面と当該金属製部材の下面との間並びに前記金属製部材と当該金属製部材が載せられた面との間を含んで構成され外側から密封された空間に熱伝達性ガスを供給する手段とを備えている。

本発明によれば、前記試料台カバーの温度を安定させ、前記試料台カバーから発生するガス量を安定させることで、プラズマ処理性能の経時変化が小さいプラズマ処理装置を提供することができる。

図１は、本発明を実施するための形態を有するプラズマ処理装置を示す平面断面図である。 図２は、本発明を実施するための形態を有するプラズマ処理装置を示す上面斜視図である。 図３は、本発明の実施例１のプラズマ処理装置の真空処理室を示す断面図である。 図４は、本発明の実施例１の試料台カバーの構造詳細図を示す断面図である。 図５は、本発明の変形例である実施例２の試料台カバーの構造詳細図を示す断面図である。

以下、本発明の実施の形態について、図面を参照して説明する。

図１は本発明の第１の実施例を搭載したプラズマ処理装置全体の構成を示す平面断面図であり、図２は、上面斜視図である。本装置は大気ブロック１０１と処理ブロック１０２に別れている。大気ブロック１０１は大気圧下でウエハを搬送、収納位置決め等をする部分であり、処理ブロック１０２は大気圧から減圧された圧力下でウエハ等の試料を搬送し、処理等を行ない、試料Wを載置した状態で圧力を上下させる部分である。

大気ブロック１０１は内部に搬送ロボット１０８，１０９を備えた大気搬送室筐体１０６を有し、この大気搬送室筐体１０６に取付けられ、処理用又はクリーニング用の試料が収納されているカセット１０７を備えている。

処理ブロック１０２は減圧して試料を処理する処理ユニット１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４と、処理ユニット１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４に試料を減圧下で搬送する搬送室１０４及びこの搬送室１０４と大気ブロック１０１を接続するロック室１０５−１、１０５−２を備えている。この処理ブロック１０２は減圧されて高い真空度の圧力に維持可能なユニットである。

図３に処理ユニット１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４における処理容器２０４内部の構成の断面図を示す。真空処理室１０３は蓋２０１、ガス拡散板２０２、処理容器２０４、コンダクタンス調整バルブ２０５、真空ポンプ２０６により形成される。真空処理室１０３内部の空間は真空ポンプ２０６により高い真空度を保持される。

ウエハを載置する試料台２０７は真空処理室１０３の内部に搭載される。プラズマ処理を行う際は被処理物であるウエハは前記試料台２０７の上に載せられた状態で処理が行われる。

プラズマ処理に使用する処理用ガスは、ガス流量制御器２０８によって流量を高精度に制御して、ガス拡散板２０２を介して真空処理室１０３内に導入される。

真空処理室１０３内部に導入された処理用ガスは、マグネトロン２１０とソレノイドコイル２１２により発生する電磁波により電離され、プラズマ２０３を形成する。

試料台２０７には高周波バイアス電源２１１が接続されており、高周波バイアス電源２１１により印加される高周波バイアスによりプラズマ２０３中のイオンや電子が試料台２０７上部に載せられたウエハの表面に叩きつけることによる物理的・化学的反応によりエッチング処理が進行する。

エッチング処理中の真空処理室１０３内部の圧力は真空計２１３にて監視され、コンダクタンス調整バルブ２０５によって排気速度を制御することで真空処理室１０３内部の圧力を制御している。

試料台２０７には試料Ｗ外周部に試料台カバー２１４が取り付けられており、試料台２０７をプラズマ２０３から保護している。

試料台カバー３０１、３０２の構造の詳細を図４に示す。試料Ｗは試料台２０７の上面に載置される。試料台２０７には図示されない静電吸着電圧が印加されており、試料Ｗは静電気力により試料台２０７に吸着している。

試料台２０７には、その表面付近に、ヒータ３１３膜が埋め込まれている。試料台２０７の表面温度は図示しない温度計を用いて計測され、ヒータ温調器３１２を用いてヒータ３１３への入力パワーを制御することで試料台２０７表面の温度を所望の温度に制御している。

試料台２０７と試料Ｗの間には極浅い溝３０６が形成されており、この溝３０６の内部にヘリウムなどの熱伝達用のガスが封入されている。このガス圧力は圧力計３１１で計測され、溝３０６へのガス供給量をガス流量制御器３１０で制御することで溝３０６内部のガス圧力を所望の圧力に制御している。

試料Wの外周側には石英などのセラミックス製の試料台カバー３０１、３０２、および、ステンレスなどの金属製の加熱リング３０３、３０４が組立てられる。

試料台２０７には加熱リング３０４載置面にヒータ３１５が埋め込まれており、図示しない温度計で表面温度を計測して、ヒータ温調器３１４を用いて所望の温度に制御している。

加熱リング３０３および３０４は試料台２０７に埋め込まれたヒータ３１３からの熱により高温に加熱される。次に、試料台カバー３０１は加熱リング３０３、３０４から加熱され高温に維持される。

加熱リング３０４には極浅い溝３１６および複数の貫通穴３０５が設けられており、図４に示すように、加熱リング３０３、３０４、および、試料台カバー３０１に囲まれた隙間空間を密封し、その空間に熱伝達用のガスを封入している。このガス圧力は圧力計３０９で計測され、溝３１６へのガス供給量をガス流量制御器３０８で制御することで溝３１６内部のガス圧力を所望の圧力に制御している。

前記の隙間空間を密閉する手段として、図４に示すように、ゴム製のシール材３１７を部材間に挟み込み、ボルト３０７で締め付けることで真空シールを行っている。ここで、試料台カバー３０１は耐プラズマ性の高い石英などのセラミックス素材を使っており、直接ボルト３０７で締め付けたり、金属などの硬い素材と接触させて強い荷重をかけると、亀裂損傷したり、微小クラックが発生して、それが試料Ｗの上に落ちることで歩留まり低下の原因になったりする可能性がある。

そこで、図３に示すように、金属製の加熱リング３０３、３０４をボルト３０７で締め付け、シール材３１７を潰すことで真空シールを行い、石英板の試料台カバー３０１は加熱リング３０３と３０４の間に挟み込まれる構造とし、かつ、石英板の試料台カバー３０１はゴム製のシール材３１７としか接触しない構造とする。これにより、試料台カバー３０１のクラック発生を防ぐことが出来る。

ここで、加熱リング３０３、３０４、およびボルト３０７は金属製であり、プラズマ２０３に触れると、化学的な反応を起こし、試料Wを金属汚染させることで歩留まりを低下させるなどの問題が生じる。

そこで、加熱リング３０３、３０４は、石英などの耐プラズマ性の高い素材で作られた試料台カバー３０２で覆い、プラズマ２０３との接触を防ぐ構造としている。

また、加熱リング３０３および３０４は試料台カバー３０１により全面を覆われているため、プラズマ処理中においてもプラズマ２０３からの入熱がほとんどなく、一定の温度で安定する。さらに、ステンレスなどの比較的熱伝導率の小さな素材を使用することで熱容量を大きくすることにで、より温度を安定させることが出来る。

さらに、試料台カバー３０１の温度を図示しない温度計で計測し、ヒータ３１５のパワーを調整することで、より高精度に試料台カバー３０１の温度を制御することができる。試料台カバー３０１の温度計測手段としては、接触式の温度センサを用いてもよいし、レーザ等の非接触の温度センサを用いてもよい。

以上の構造を採用することにより、試料台２０７のウエハ載置面以外の面はすべて、石英などプラズマ耐性の高いセラミックス部品で覆うことが出来、かつ、ウエハに最も近い位置に配置される石英板の試料台カバー３０１の温度を処理経過時間、あるいは、処理間アイドリング時間にかかわらず、常に一定温度に制御することができ、石英板の試料台カバー３０１から放出されるガスの量を安定させることで、プラズマ処理性能を安定化させることが出来る。

更には、プラズマ処理条件に合わせて、石英板の試料台カバー３０１の温度を使い分けることで、例えば石英板の試料台カバー３０１を採用する場合、試料台カバー３０１から放出されるシリコンを含むガス放出の量を調整することで、試料エッジ付近のプラズマ処理性能を微調整することが出来る。

発明の第１の実施例の変形例である試料台カバー３０１の構造詳細図を図５に示す。試料台カバー４０１は、ステンレスなどの金属製のリング４０３と例えばアルミニウム合金などの金属製の試料台２０７の間に挟まれて組立てられる。

図５に示すように、金属製のリング４０３を試料台２０７にボルト４０７で締め付け、ゴム製のシール材４１７を潰すことで真空シールを行い、石英板の試料台カバー３０１は金属製のリング４０３と試料台２０７の間に挟み込まれる構造とし、かつ、石英板の試料台カバー３０１はゴム製のシール材４１７としか接触しない構造とする。これにより、試料台カバー３０１のクラック発生を防ぐことが出来る。

試料台カバー４０１は、試料台２０７に埋め込まれたヒータ３１５から加熱され高温に維持される。

１０１…大気ブロック
１０２…処理ブロック
１０３…真空処理室
１０３−１〜１０３−４…処理ユニット
１０４…真空搬送室
１０５−１，１０５−２…ロック室
１０６…大気搬送室筐体
１０７…カセット
１０８…搬送ロボット
１０９…搬送ロボット
２０１…蓋
２０２…ガス拡散板
２０３…プラズマ
２０４…処理容器
２０５…コンダクタンス調整バルブ
２０６…真空ポンプ
２０７…試料台
２０８…ガス流量制御器
２０９…バルブ
２１０…マグネトロン
２１１…高周波バイアス電源
２１２…ソレノイドコイル
２１３…真空計
２１４…試料台カバー
３０１…試料台カバー
３０２…試料台カバー
３０３…加熱リング
３０４…加熱リング
３０５…貫通穴
３０６…溝
３０７…ボルト
３０８…ガス流量制御器
３０９…圧力計
３１０…ガス流量制御器
３１１…圧力計
３１２…ヒータ温調器
３１３…ヒータ
３１４…ヒータ温調器
３１５…ヒータ
３１６…溝
３１７…シール材
４０１…試料台カバー
４０２…試料台カバー
４０３…金属製のリング
４０７…ボルト
４０６…溝
４１７…シール材

Claims (5)

1. 真空容器内部に配置されその内側でプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置され前記プラズマに面してその上面に前記プラズマを用いた処理対象の試料が載置される試料台とを備え、
   この試料台が、前記試料の載置される面の外周側にこれと段差を有して配置され誘電体製のリング状部材が配置される凹み部及びこのリング状部材の下方に配置されこれを加熱する手段とを有し、前記リング状部材の外周側上方に配置されて前記試料台と連結され前記リング状部材を下方に押し付けて位置決めする金属製部材と、前記リング状部材が前記凹み部に配置され且つ前記金属製部材が前記試料台と連結され前記リング状部材を下方に押し付けた状態で前記リング状部材が載せられた面と当該リング状部材の下面との間及び前記金属製部材が押し付けられる前記リング状部材の上面と当該金属製部材の下面との間並びに前記金属製部材と当該金属製部材が載せられた面との間を含んで構成され外側から密封された空間に熱伝達性ガスを供給する手段とを備えたプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、前記リング状部材の上面が前記プラズマに面するプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、前記リング状部材が載せられた面と当該リング状部材の下面との間及び前記金属製部材が押し付けられる前記リング状部材の上面と当該金属製部材の下面との間並びに前記金属製部材と当該金属製部材が載せられた面との間の各々で挟持され前記熱伝達性ガスが供給される前記空間を気密に封止する複数のシール部材を備えたプラズマ処理装置。
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、前記金属製部材の上方でこれを覆って配置され前記プラズマに面する別の誘電体製の部材を備えたプラズマ処理装置。
5. 請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理装置であって、前記リング状部材及び前記金属製部材の下方に配置されこれらと前記凹み部との間で挟まれてこの凹み部上面に押し付けられて保持された金属製のリング状部材を備え、この金属製のリング状部材と前記誘電体製のリング状部材との間のすき間に前記熱伝達性ガスが供給されるプラズマ処理装置。

Images