JP6230900B2

JP6230900B2 - 基板処理装置

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Publication number: JP6230900B2
Application number: JP2013262207A
Authority: JP
Inventors: 信峰佐々木; 貴北澤; 章弘吉村
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 2013-12-19
Filing date: 2013-12-19
Publication date: 2017-11-15
Anticipated expiration: 2033-12-19
Also published as: KR20150072350A; US20150179415A1; JP2015119069A; US10249478B2; KR102319493B1; TW201532174A; TWI641065B

Description

本発明は、基板処理装置に関する。

基板処理装置は、導入されるガスにより基板へエッチング等の所望の処理を実行する処理室と、前記処理室内のガスを排気する排気室と、を有するチャンバを備える。エッチング処理等では堆積物が生成される。生成された堆積物は、チャンバの内壁に付着し、パーティクル等の発塵の発生源となる。

そこで、チャンバの内壁の近くにデポシールドを配置し、チャンバの内壁に堆積物が付着しないように内壁をデポシールドでカバーすることが行われている。デポシールドは、チャンバ内をクリーニングする際に交換され、これにより、チャンバ内に発塵が発生することを抑制できる。

他方、基板処理装置にて所望の処理を行う際、プロセス条件に合致するように、チャンバ内の圧力を制御する必要がある。このため、チャンバ外に設置した圧力計を用いてチャンバ内の圧力を測定し、その圧力値に基づきチャンバ内の圧力を制御することが行われている（例えば、特許文献１，２を参照。）。

特開２０１０−２５１４６４号公報特開２００９−１２３９４６号公報

しかしながら、デポシールドを配置する位置は、チャンバ内で実行される処理によって変わる。そして、デポシールドを配置する位置によっては、デポシールドとチャンバの内壁との間に距離が生じ、その間に排気室側の空間が生じる場合がある。

この場合、チャンバ外の圧力計を用いて処理室内の圧力を測定する際、排気室側の空間を介して処理室の圧力を測定することになる。この結果、圧力計による測定時、排気室の圧力の影響を受けてしまい、圧力計による測定値が、処理室の実際の圧力からずれた値となる場合がある。

上記課題に対して、一側面では、処理室の圧力を精度良く測定する基板処理装置を提供することを目的とする。

上記課題を解決するために、一の態様によれば、導入されるガスにより基板への処理を実行する処理室と、前記処理室内のガスを排気する排気室と、を有するチャンバと、前記チャンバの側壁近傍の少なくとも一部に設けられ、前記処理室と前記排気室とを隔てるシールド部材と、前記シールド部材を貫通し、前記チャンバの側壁に形成された貫通口に挿入され、前記チャンバの外部の圧力計に接続される配管と前記処理室とを連通する中空の中継部材と、を有し、前記中継部材は、前記処理室から前記中継部材内に流入するガスのコンダクタンスＣ１が、前記排気室から前記中継部材と前記チャンバの側壁との隙間に流入するガスのコンダクタンスＣ２よりも大きくなるように形成される、基板処理装置が提供される。

一の態様によれば、処理室内の処理空間の圧力を精度良く測定する基板処理装置を提供することができる。

一実施形態に係る基板処理装置の縦断面図。一実施形態に係るスリーブ及び周辺の拡大図。一実施形態に係るスリーブのガス導入口を示した図。

以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。

［基板処理装置の全体構成］
まず、本発明の一実施形態に係る基板処理装置１を例に挙げて説明する。図１は、一実施形態に係る基板処理装置１の縦断面図である。本実施形態に係る基板処理装置１は、例えばアルミニウム等の導電性材料からなるチャンバ１０を有している。チャンバ１０は電気的に接地されている。

チャンバ１０内の側壁の近傍には、側壁に沿ってアルミやアルマイト、または耐プラズマ性の高い酸化マグネシウム（ＭｇＯ）やイットリア（Ｙ_２Ｏ_３）等でコートされたデポシールド２７が配置される。デポシールド２７は、チャンバ１０内をクリーニングする際に交換され、これにより、チャンバ１０内にパーティクル等の発塵が発生することを抑制する。デポシールド２７は、チャンバ１０内に導入されるガスにより半導体ウェハＷ（以下、単に「ウェハＷ」という。）への処理を実行する処理室Ｕと、処理室Ｕ内のガスを排気する排気室Ｅｘとを離隔する。

基板処理装置１には、下部電極２０と上部電極２５とが対向して平行に配置されている。下部電極２０は、ウェハＷを載置する載置台としても機能する。下部電極２０と上部電極２５とが対向した処理空間は、ウェハＷに所望の処理が行われる処理室Ｕである。上部電極２５には、チャンバ１０内にガスを供給するガス供給源１５が連結され、ガス供給源１５により処理室Ｕ内に導入されるガスによってウェハＷへエッチング処理等が施される。

処理室Ｕと排気室Ｅｘとの間にはバッフル板２８が設けられている。バッフル板２８は、処理室Ｕから排気室Ｅｘに排気するガスの流れを調整する。デポシールド２７は、バッフル板２８よりも上方であって、かつチャンバ１０の側壁１０ａに配置される。デポシールド２７は、排気室Ｅｘの側壁近傍の少なくとも一部に設けられればよい。デポシールド２７は、処理室Ｕと排気室Ｅｘとを隔てるシールド部材の一例である。

載置台（下部電極２０）の上面には、ウェハＷを静電吸着するための静電チャック１０６が設けられている。静電チャック１０６は、絶縁体１０６ｂの間にチャック電極１０６ａを挟み込んだ構造となっている。チャック電極１０６ａには直流電圧源１１２が接続されている。直流電圧源１１２から電極１０６ａに直流電圧が印加されると、クーロン力によってウェハＷが静電チャック１０６に吸着される。

載置台（下部電極２０）は、支持体１０４により支持されている。支持体１０４の内部には、冷媒流路１０４ａが形成されている。冷媒流路１０４ａには、適宜冷媒として例えば冷却水等が循環される。

伝熱ガス供給源８５は、ヘリウムガス（Ｈｅ）やアルゴンガス（Ａｒ）等の伝熱ガスをガス供給ライン１３０に通して静電チャック１０６上のウエハＷの裏面に供給する。かかる構成により、静電チャック１０６は、冷媒流路１０４ａに循環させる冷却水と、ウエハＷの裏面に供給する伝熱ガスとによって温度制御される。この結果、ウェハを所定の温度に制御することができる。

下部電極２０には、２周波重畳電力を供給する電力供給装置３０が接続されている。電力供給装置３０は、第１周波数の第１高周波電力（プラズマ生起用高周波電力）を供給する第１高周波電源３２と、第１周波数よりも低い第２周波数の第２高周波電力（バイアス電圧発生用高周波電力）を供給する第２高周波電源３４を備える。第１高周波電源３２は、第１整合器３３を介して下部電極２０に接続される。第２高周波電源３４は、第２整合器３５を介して下部電極２０に接続される。第１高周波電源３２は、例えば、４０ＭＨｚの第１高周波電力を供給する。第２高周波電源３４は、例えば、３．２ＭＨｚの第２高周波電力を供給する。

第１及び第２整合器３３、３５は、それぞれ第１及び第２高周波電源３２、３４の内部（または出力）インピーダンスに負荷インピーダンスを整合させる。第１及び第２整合器３３、３５は、チャンバ１０内にプラズマが生成されているときに第１、第２高周波電源３２、３４の内部インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。

上部電極２５は、その周縁部を被覆するシールドリング４０を介してチャンバ１０の天井部に取り付けられている。上部電極２５は、図１に示すように電気的に接地してもよく、また図示しない可変直流電源を接続して上部電極２５に所定の直流（ＤＣ）電圧が印加されるように構成してもよい。

上部電極２５には、ガス供給源１５からガスを導入するためのガス導入口４５が形成されている。また、上部電極２５の内部にはガス導入口４５から分岐して導入されたガスを拡散するセンタ側の拡散室５０ａ及びエッジ側の拡散室５０ｂが設けられている。かかる構成により、センタ側の拡散室５０ａ及びエッジ側の拡散室５０ｂに供給されるガスの割合を制御することができる。

上部電極２５には、拡散室５０ａ、５０ｂからのガスをチャンバ１０内に供給する多数のガス供給孔５５が形成されている。各ガス供給孔５５は、下部電極２０に載置されたウェハＷと上部電極２５との間にガスを供給する。

チャンバ１０の底面には排気口６０が形成され、排気口６０には排気装置６５が接続されている。排気室Ｅｘは、排気装置６５を用いて処理室Ｕ内のガスを外部に排気する。これにより、チャンバ１０内を所定の真空度に維持することができる。チャンバ１０の側壁にはゲートバルブＧＶが設けられている。ゲートバルブＧＶは、チャンバ１０からウェハＷの搬入及び搬出を行う際に搬出入口を開閉する。

基板処理装置１には、装置全体の動作を制御する制御部１００が設けられている。制御部１００は、ＣＰＵ（Central Processing Unit）１０５とＲＯＭ（Read Only Memory）１１０とＲＡＭ（Random Access Memory）１１５とを有している。ＣＰＵ１０５は、ＲＯＭ１１０又はＲＡＭ１１５に格納された各種レシピに従って、エッチング処理やクリーニング処理等の所望の処理を実行する。レシピにはプロセス条件に対する装置の制御情報であるプロセス時間、圧力（ガスの排気）、高周波電力や電圧、各種プロセスガス流量、処理室内温度（上部電極温度、処理室の側壁温度、ＥＳＣ温度など）などが記載されている。なお、これらのプログラムや処理条件を示すレシピは、ハードディスクや半導体メモリに記憶されていてもよく、またＣＤ−ＲＯＭ、ＤＶＤ等の可搬性のコンピュータにより読み取り可能な記憶媒体に収容された状態で記憶領域の所定位置にセットするようにしてもよい。また、制御部１００の機能は、ソフトウエアを用いて動作することにより実現されてもよく、ハードウエアを用いて動作することにより実現されてもよい。

チャンバ１０の側壁１０ａの外側には、二つのキャパシタンスマノメータ７５ａ、７５ｂ（総称して、キャパシタンスマノメータ７５ともいう。）が設置されている。キャパシタンスマノメータ７５ａは、０ｍＴ〜１０Ｔ（０Ｐａ〜１３３３Ｐａ）の範囲の圧力を測定することができる。キャパシタンスマノメータ７５ｂは、２５０ｍＴ〜０ｍ（３３．３Ｐａ〜０Ｐａ）Ｔの範囲の圧力を測定可能である。本実施形態では、測定範囲が異なる二つのキャパシタンスマノメータ７５ａ、７５ｂを設置したが、圧力計はこれに限られず、一つ又は三つ以上のキャパシタンスマノメータ７５を設置してもよい。

キャパシタンスマノメータ７５ａ、７５ｂは、ガス配管７２に接続されている。ガス配管７２は、スリーブ７０を介して処理室Ｕと連通する。スリーブ７０は、バッフル板２８よりも上方であって、かつチャンバ１０の側壁１０ａに配置される。これにより、キャパシタンスマノメータ７５ａ、７５ｂは、ガス配管７２及びスリーブ７０を介して処理室Ｕ内の圧力を測定する。制御部１００は、測定された圧力を取得し、その圧力に基づき処理室Ｕ内の圧力を目標の圧力に制御する。

以上、本実施形態に係る基板処理装置１の全体構成の一例について説明した。ただし、基板処理装置１の構成は、これに限られない。例えば、基板処理装置１の構成は、図１の基板処理装置１の構成に加え、チャンバ１０の外部に磁石が設置された装置であってもよい。また、基板処理装置１の構成は、下部電極に二周波の高周波電力が印加され、上部電極に一周波の高周波電力とＤＣ電力とが印加され、かつ基板処理装置１の外部にプラズマ制御用の磁石が設けられている装置であってもよい。その他、基板処理装置１の構成は、上部電極又は下部電極の少なくともいずれかに高周波電力が印加される装置であってもよい。

（スリーブ）
次に、スリーブ７０の構成及び配置の詳細について、図２及び図３を参照しながら説明する。図２は、本実施形態に係るスリーブ７０及びその周辺の拡大図である。図３は、本実施形態に係るスリーブ７０の主にガス導入口を示した図である。

チャンバ１０の側壁からキャパシタンスマノメータ７５を取り付ける場合、キャパシタンスマノメータ７５を取り付けた位置から処理室Ｕまでに所定の距離が生じる場合がある。具体的には、図２に示したように、デポシールド２７とチャンバ１０の側壁１０ａとの間に、排気室Ｅｘにつながる空間が形成される場合がある。この場合、キャパシタンスマノメータ７５により測定される圧力は、排気室Ｅｘ側の圧力の影響を受けてしまうことがあり、その結果、キャパシタンスマノメータ７５の測定値は、処理室Ｕの実際の圧力からずれた値となる場合がある。他方、デポシールド２７の配置位置は、処理室Ｕ内で実行されるプロセスによって変わる。

そこで、本実施形態では、キャパシタンスマノメータ７５用のスリーブ７０を所定の位置に取り付ける。これにより、キャパシタンスマノメータ７５を用いて処理室Ｕの実際の圧力を精度良く測定することができる。

スリーブ７０は、キャパシタンスマノメータ７５と処理室Ｕとを繋ぐ中空の中継部材の一例である。図２及び図３（ａ）に示されるように、スリーブ７０は、管状部材７０ａを有する。管状部材７０ａの先端部７０ｂは肉厚になっていて、デポシールド２７に形成された貫通口を貫通し、チャンバ１０の側壁１０ａに形成された貫通口に挿入される。これにより、スリーブ７０の末端部とガス配管７２とが連通する。先端部７０ｂには複数のガス孔ｈが設けられ、これにより、処理室Ｕは、スリーブ７０及びガス配管７２の内部と連通する。

先端部７０ｂには、段差部７０ｂ１と突起部７０ｂ２とが設けられている。段差部７０ｂ１は、デポシールド２７の貫通口に形成された段差部と係合する。この状態で、スリーブ７０は、先端部７０ｂの奥側の突起部７０ｂ２によりデポシールド２７に引っ掛けた状態で、段差部７０ｂ１と突起部７０ｂ２との間に設けられた固定部材７０ｃによりデポシールド２７に固定される。なお、スリーブ７０の固定方法は、スリーブ７０をデポシールド２７にピン等で引っ掛ける方法の他、スリーブ７０にネジ構造を設け、デポシールド２７にスリーブ７０をねじ込み、固定する方法がある。ただし、スリーブ７０の固定方法は、これらに限られず、基板処理装置１のメンテナンス等の任意の場合を除き、スリーブの位置が変わらないように固定できれば、どのような構造及び固定方法を用いてもよい。

（コンダクタンス）
チャンバ１０の外部に設けられたキャパシタンスマノメータ７５は、ガス配管７２及びスリーブ７０を介して処理室Ｕの圧力を測定する。かかる構成では、図２に示されるように、キャパシタンスマノメータ７５が測定する圧力は、二つの経路からガス配管７２を介して検知されるガスのコンダクタンスに基づき決定される。

一つ目の経路Ｒ１は、複数のホールｈからスリーブ７０及びガス配管７２を通ってキャパシタンスマノメータ７５により検知されるガスの経路である。経路Ｒ１から流入されるガスのコンダクタンスを「コンダクタンスＣ１」で示す。

二つ目の経路Ｒ２は、チャンバ１０の側壁１０ａに形成された貫通口に挿入された管状部材７０ａとチャンバ１０の側壁１０ａ（貫通口）との間の隙間Ｓからガス配管７２を通ってキャパシタンスマノメータ７５により検知されるガスの経路である。経路Ｒ２から流入されるガスのコンダクタンスを「コンダクタンスＣ２」で示す。

経路Ｒ１を通るガスは、処理室Ｕから流入したガスである。経路Ｒ２を通るガスは、排気室Ｅｘから流入したガスである。キャパシタンスマノメータ７５は、流入したガスのコンダクタンスに基づき圧力を測定する。よって、経路Ｒ１を通るガスのコンダクタンスＣ１に対して経路Ｒ２を通るガスのコンダクタンスＣ２の比率が高くなると、キャパシタンスマノメータ７５の測定値は、排気室Ｅｘ側の圧力の影響を受けてしまい、処理室Ｕの実際の圧力からずれた値となる。よって、ガスのコンダクタンスＣ２は「０」に近い値であることが好ましい。

他方、隙間Ｓは、メンテナンス等を行うために「０」にすることは困難である。よって、ガスのコンダクタンスＣ２を「０」にすることは困難である。

コンダクタンスＣ１は、処理室Ｕの圧力に比例するコンダクタンスであり、コンダクタンスＣ２は、排気室Ｅｘの圧力に比例するコンダクタンスである。よって、コンダクタンスＣ２がコンダクタンスＣ１よりも大きくなると、キャパシタンスマノメータ７５にて測定する圧力が排気空間の圧力をメインに測定していることになり、処理室Ｕの実際の圧力を測定できていないことになる。

よって、処理室Ｕの実際の圧力を測定するためには、処理室Ｕ側からキャパシタンスマノメータ７５側へ流れるガスのコンダクタンスＣ１が、隙間Ｓを通って排気室Ｅｘ側からキャパシタンスマノメータ７５側へ流れるガスのコンダクタンスＣ２よりも大きい必要がある。

キャパシタンスマノメータ７５の測定値の精度を高めるためには、ガスのコンダクタンスＣ２に対するガスのコンダクタンスＣ１の比率は、１．１以上であることが好ましい。更にキャパシタンスマノメータ７５の測定値の精度を高めるためには、ガスのコンダクタンスＣ２に対するガスのコンダクタンスＣ１の比率は、２．０以上であることが好ましい。

（ガス孔の形状及び個数）
本実施形態では、ガスのコンダクタンスＣ１がガスのコンダクタンスＣ２よりも大きくなるようにスリーブ７０のガス孔ｈの個数及び形状が定められる。ガス孔ｈの形状の一例としては、例えば、図３（ａ）及び図３（ｂ）に示されるように、中心に一つ、外周に等間隔に四つの円状のガス孔ｈがスリーブ７０に形成されてもよい。また、ガス孔ｈの形状の他の例としては、例えば、図３（ｃ）に示されるように、スリット形状のガス孔ｈがスリーブ７０に形成されてもよい。また、ガス孔ｈの形状の他の例としては、例えば、図３（ｄ）に示されるように、金網形状のガス孔ｈがスリーブ７０に形成されてもよい。

ただし、ガス孔ｈの個数や形状は、これらの例に限られない。ガス孔ｈは、ガスのコンダクタンスＣ２に対するガスのコンダクタンスＣ１の比率が１．１以上になるように形成されていれば、どのような形状であってもよいし、ガス孔ｈの個数も制限されない。
（コンダクタンスの算出）
最後に、コンダクタンスの算出方法について説明する。分子流の場合、２０℃の温度、あるいは空気以外のガスのコンダクタンスＣａは、２０℃の空気のコンダクタンスをＣとすると、以下の式で表される。

ここで、式中のＴは目的のガスの温度、Ｍはそのガスの分子量である。上式を用いて実際にコンダクタンスＣ１、Ｃ２を算出する例を以下に挙げる。

基板処理装置１の構成が、下部電極に二周波の高周波電力が印加され、上部電極に一周波の高周波電力とＤＣ電力とが印加され、かつ基板処理装置１の外部にプラズマ制御用の磁石が設けられている装置に、図２に示されるスリーブ７０が取り付けられている。

この場合、ガス種がアルゴンガス（Ａｒ）、ガスの温度が２０℃という条件において、上記（１）に基づき、コンダクタンスＣ１は４．６２（ｌ／ｓ）と算出される。また、コンダクタンスＣ２は、０．２３（ｌ／ｓ）と算出される。

これらの算出結果から、コンダクタンスＣ１、Ｃ２の比率（Ｃ１／Ｃ２）は、２０．０９と算出される。この算出結果は、「好ましい条件であるコンダクタンスＣ１、Ｃ２の比率が２以上であること」に対して１０倍以上のマージンを確保できる。これにより、本実施形態に係る基板処理装置１にスリーブ７０を設けることで、キャパシタンスマノメータ７５により処理室Ｕの圧力を正確に測定できることが証明された。

以上、基板処理装置を上記実施形態により説明したが、本発明は上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。また、上記実施形態及び変形例を矛盾しない範囲で組み合わせることができる。

例えば、本発明に係るスリーブ７０が取り付けられる基板処理装置は、例えば、ラジアルラインスロットアンテナを用いたＣＶＤ装置、容量結合型プラズマ（ＣＣＰ:Capacitively Coupled Plasma)装置、誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma)装置、ヘリコン波励起型プラズマ（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）装置、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Ｒesonance Plasma）装置等であってもよい。

本発明に係るスリーブ７０が取り付けられる基板処理装置は、容量結合型プラズマ(ＣＣＰ:Capacitively Coupled Plasma)発生手段、誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma)発生手段、ヘリコン波励起型プラズマ（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）発生手段、ラジアルラインスロットアンテナから生成したマイクロ波プラズマやＳＰＡ（Slot Plane Antenna）プラズマを含むマイクロ波励起表面波プラズマ発生手段、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Resonance Plasma）発生手段、上記発生手段を用いたリモートプラズマ発生手段等を用いることができる。

本発明にかかる基板処理装置において処理を施される基板は、上記実施形態にて説明に使用した（半導体）ウェハに限られず、例えば、フラットパネルディスプレイ（Flat Panel Display)用の大型基板、ＥＬ素子又は太陽電池用の基板であってもよい。

１：基板処理装置
１０：チャンバ
１５：ガス供給源
２０：載置台（下部電極）
２５：上部電極
２７：デポシールド
２８：バッフル板
７０：スリーブ
７０ａ：管状部材
７０ｂ：先端部
７０ｂ１：段差部
７０ｂ２：突起部
７０ｃ：固定部材
７２：ガス配管
７５、７５ａ、７５ｂ：キャパシタンスマノメータ
ｈ：ホール
Ｕ：処理室
Ｅｘ：排気室
Ｓ：隙間
Ｃ１，Ｃ２：ガスのコンダクタンス

Claims

導入されるガスにより基板への処理を実行する処理室と、前記処理室内のガスを排気する排気室と、を有するチャンバと、
前記チャンバの側壁近傍の少なくとも一部に設けられ、前記処理室と前記排気室とを隔てるシールド部材と、
前記シールド部材を貫通し、前記チャンバの側壁に形成された貫通口に挿入され、前記チャンバの外部の圧力計に接続される配管と前記処理室とを連通する中空の中継部材と、を有し、
前記中継部材は、
前記処理室から前記中継部材内に流入するガスのコンダクタンスＣ１が、前記排気室から前記中継部材と前記チャンバの側壁との隙間に流入するガスのコンダクタンスＣ２よりも大きくなるように形成される、
基板処理装置。
前記ガスのコンダクタンスＣ２に対する前記ガスのコンダクタンスＣ１の比率は、１．１以上である、
請求項１に記載の基板処理装置。
前記ガスのコンダクタンスＣ２に対する前記ガスのコンダクタンスＣ１の比率は、２．０以上である、
請求項１又は２に記載の基板処理装置。
前記中継部材は、
前記処理室から前記排気室に排気されるガスの流れを調整するバッフル板よりも上方であって、かつ前記チャンバの側壁に配置される、
請求項１〜３のいずれか一項に記載の基板処理装置。