JP6335229B2 - Substrate temperature control method and plasma processing apparatus - Google Patents
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Description
本発明は、基板温度制御方法及びプラズマ処理装置に関する。 The present invention relates to a substrate temperature control method and a plasma processing apparatus.
従来から、半導体装置の製造工程においては、真空処理チャンバー内に配置した基板(例えば、半導体ウエハ)にプラズマを作用させてエッチング処理や成膜処理を行うプラズマ処理が用いられている。 Conventionally, in a semiconductor device manufacturing process, plasma processing is used in which plasma is applied to a substrate (for example, a semiconductor wafer) disposed in a vacuum processing chamber to perform etching processing or film formation processing.
このようなプラズマ処理装置では、基板を載置する載置台に温調機構を設けて加熱又は冷却するとともに、載置台の基板載置面と、基板の裏面との間にヘリウム(He)ガス等の熱媒体となる伝熱ガス(所謂バックサイドガス)を供給して、載置台と基板との熱交換を促進する構成となっているものが知られている。 In such a plasma processing apparatus, a temperature control mechanism is provided on a mounting table on which a substrate is mounted to heat or cool the helium (He) gas or the like between the substrate mounting surface of the mounting table and the back surface of the substrate. A heat transfer gas (so-called backside gas) serving as a heat medium is supplied to promote heat exchange between the mounting table and the substrate.
また、このようなプラズマ処理装置において、バックサイドガスとして熱伝導率の異なるガス、例えば、ヘリウム(He)ガスとアルゴン(Ar)ガスの流量を個別に制御して供給する技術が知られている(例えば、特許文献1)。 In such a plasma processing apparatus, a technique is known in which the flow rates of gases having different thermal conductivities, such as helium (He) gas and argon (Ar) gas, are individually controlled and supplied as backside gas. (For example, patent document 1).
また、伝熱ガスの流量を間欠的に調整して、伝熱ガスの圧力を制御する技術が知られている(例えば、特許文献2参照。)。 Moreover, the technique which adjusts the flow volume of heat transfer gas intermittently and controls the pressure of heat transfer gas is known (for example, refer patent document 2).
上記のプラズマ処理装置のうち、載置台に高周波電力を印加する構造のプラズマ処理装置では、ヘリウム(He)ガス等の伝熱ガスの供給ライン内で放電が発生する虞がある。このため、伝熱ガスの供給ラインを絶縁体で覆うとともに、伝熱ガスの供給ラインの距離を長く細くし、あるいは邪魔板を挿入する等してコンダクタンスや電界強度を下げることが行われている。このようにコンダクタンスを低下させた結果、ヘリウム(He)ガス等の伝熱ガスを供給し難くなり、特に伝熱ガスの圧力が低い領域、例えば1330Pa(10Torr)以下の領域では、伝熱ガスの圧力を精度良く制御することが困難になり、このような伝熱ガスの低い圧力領域における基板の温度制御を精度良く行うことができず、実質的に温度制御範囲が限定されるという問題がある。 Among the plasma processing apparatuses described above, in a plasma processing apparatus having a structure in which high-frequency power is applied to the mounting table, there is a possibility that electric discharge occurs in a heat transfer gas supply line such as helium (He) gas. For this reason, the conductance and electric field strength are lowered by covering the heat transfer gas supply line with an insulator and reducing the distance of the heat transfer gas supply line long or by inserting a baffle plate. . As a result of reducing the conductance in this way, it becomes difficult to supply a heat transfer gas such as helium (He) gas, and particularly in a region where the pressure of the heat transfer gas is low, for example, a region of 1330 Pa (10 Torr) or less, It becomes difficult to accurately control the pressure, and the temperature control of the substrate in such a low pressure region of the heat transfer gas cannot be accurately performed, and there is a problem that the temperature control range is substantially limited. .
本発明は、かかる従来の事情に対処してなされたもので、伝熱ガスの低い圧力領域における基板の温度制御を精度良く行うことができ、温度制御範囲を拡張してプロセスマージンの拡大を図ることのできる基板温度制御方法及びプラズマ処理装置を提供することを目的とする。 The present invention has been made in response to such a conventional situation, can accurately control the temperature of the substrate in a low pressure region of the heat transfer gas, and expands the temperature control range to increase the process margin. It is an object of the present invention to provide a substrate temperature control method and a plasma processing apparatus that can perform the same.
本発明の基板温度制御方法の一態様は、真空処理チャンバー内に設置され、冷却又は加温される載置台の基板載置面に基板を載置し、当該基板の裏面と前記載置台の前記基板載置面との間に伝熱ガスを供給し、かつ、前記伝熱ガスの圧力を検出し、検出された圧力検出値と圧力設定値とを比較して、前記圧力検出値が前記圧力設定値となるように前記伝熱ガスの供給を制御し、前記基板の温度を制御する基板温度制御方法であって、前記伝熱ガスの圧力を、安定した圧力制御が可能な圧力の下限値である下限圧力値未満の低圧力値とし、前記基板と前記載置台との熱交換を抑制して前記基板の温度制御を行う際に、プラズマ処理の最中に、前記圧力設定値を、前記下限圧力値以上の第1圧力設定値とする第1期間と、前記低圧力値より低い第2圧力設定値とする第2期間とを交互に繰り返し、 前記第1圧力設定値が1330Paから13300Paの範囲であり、前記第2圧力設定値が0Paから665Paの範囲であることを特徴とする。 In one aspect of the substrate temperature control method of the present invention, a substrate is placed on a substrate placement surface of a placement table that is installed in a vacuum processing chamber and is cooled or heated, and the back surface of the substrate and the mounting table are A heat transfer gas is supplied between the substrate mounting surface and the pressure of the heat transfer gas is detected, and the detected pressure value is compared with a set pressure value, and the detected pressure value is the pressure value. A substrate temperature control method for controlling the supply of the heat transfer gas so as to be a set value and controlling the temperature of the substrate, wherein the pressure of the heat transfer gas is a lower limit value that enables stable pressure control. When the temperature of the substrate is controlled by suppressing the heat exchange between the substrate and the mounting table, the pressure set value is set during the plasma processing. A first period that is a first pressure set value equal to or greater than a lower limit pressure value, and a first period that is lower than the low pressure value Just repeat alternately and the second period of the pressure set value, the first pressure set value is in the range of 13300Pa from 1330 Pa, the second pressure set value is equal to or in the range of 665Pa from 0Pa .
本発明のプラズマ処理装置の一態様は、真空処理チャンバー内に設置され、冷却又は加温される載置台の基板載置面に基板を載置し、当該基板の裏面と前記載置台の前記基板載置面との間に伝熱ガスを供給して前記基板の温度を制御しつつ、前記基板にプラズマを作用させてプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、前記伝熱ガスを供給する供給流路の途中に設けられ、当該供給流路を屈曲させることによって電界強度及びコンダクタンスを低下させる屈曲部と、前記屈曲部より前記基板載置面側の前記供給流路に設けられ、前記伝熱ガスの圧力を検出する圧力検出機構と、前記圧力検出機構で検出された圧力検出値と圧力設定値とを比較し、前記圧力検出値が前記圧力設定値となるように前記伝熱ガスの供給を制御する伝熱ガス供給制御機構とを具備し、前記伝熱ガス供給制御機構は、前記伝熱ガスの圧力を、安定した圧力制御が可能な圧力の下限値である下限圧力値未満の低圧力値とし、前記基板と前記載置台との熱交換を抑制して前記基板の温度制御を行う際に、プラズマ処理の最中に、前記圧力設定値を、前記下限圧力値以上の第1圧力設定値とする第1期間と、前記低圧力値より低い第2圧力設定値とする第2期間とを交互に繰り返すことを特徴とする。 One aspect of the plasma processing apparatus of the present invention is a substrate placed on a substrate placement surface of a placement table that is installed in a vacuum processing chamber and is cooled or heated, and the back surface of the substrate and the substrate of the placement table described above A plasma processing apparatus for performing plasma processing by applying plasma to the substrate while supplying a heat transfer gas between the mounting surface and controlling the temperature of the substrate, wherein a supply flow for supplying the heat transfer gas A bent portion that is provided in the middle of the path and reduces the electric field strength and conductance by bending the supply flow path; and the supply flow path on the substrate mounting surface side from the bent portion, and the heat transfer gas The pressure detection mechanism for detecting the pressure of the pressure sensor and the pressure detection value detected by the pressure detection mechanism and the pressure set value are compared, and the heat transfer gas is supplied so that the pressure detection value becomes the pressure set value. Heat transfer gas supply system to be controlled The heat transfer gas supply control mechanism sets the pressure of the heat transfer gas to a low pressure value lower than a lower limit pressure value, which is a lower limit value of pressure capable of stable pressure control, When performing temperature control of the substrate while suppressing heat exchange with the mounting table, during the plasma processing, a first period in which the pressure set value is set to a first pressure set value equal to or higher than the lower limit pressure value; The second period of time set as the second pressure set value lower than the low pressure value is alternately repeated.
本発明によれば、伝熱ガスの低い圧力領域における基板の温度制御を精度良く行うことができ、温度制御範囲を拡張してプロセスマージンの拡大を図ることができる。 According to the present invention, the temperature control of the substrate in the low pressure region of the heat transfer gas can be performed with high accuracy, and the process control can be expanded by extending the temperature control range.
以下、本発明の一実施形態について図面を参照して説明する。図1は、本実施形態に使用するプラズマエッチング装置の構成を示すものである。まず、プラズマエッチング装置の構成について説明する。 Hereinafter, an embodiment of the present invention will be described with reference to the drawings. FIG. 1 shows the configuration of a plasma etching apparatus used in this embodiment. First, the configuration of the plasma etching apparatus will be described.
プラズマエッチング装置は、気密に構成され、電気的に接地電位とされた真空処理チャンバー1を有している。この真空処理チャンバー1は、円筒状とされ、例えば表面に陽極酸化被膜を形成されたアルミニウム等から構成されている。真空処理チャンバー1内には、被処理基板である半導体ウエハWを水平に支持する載置台2が設けられている。
The plasma etching apparatus has a
載置台2は、その基材2aが導電性の金属、例えばアルミニウム等で構成されており、下部電極としての機能を有する。この載置台2は、絶縁板3を介して絶縁体の支持台4に支持されている。また、載置台2の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング5が設けられている。さらに、載置台2及び支持台4の周囲を囲むように、例えば石英等からなる円筒状の内壁部材3aが設けられている。
The mounting table 2 has a
載置台2の基材2aには、第1の整合器11aを介して第1の高周波電源10aが接続され、また、第2の整合器11bを介して第2の高周波電源10bが接続されている。第1の高周波電源10aは、プラズマ発生用のものであり、この第1の高周波電源10aからは所定周波数(27MHz以上例えば40MHz)の高周波電力が載置台2の基材2aに供給されるようになっている。また、第2の高周波電源10bは、イオン引き込み用(バイアス用)のものであり、この第2の高周波電源10bからは第1の高周波電源10aより低い所定周波数(13.56MHz以下、例えば3.2MHz)の高周波電力が載置台2の基材2aに供給されるようになっている。一方、載置台2の上方には、載置台2と平行に対向するように、上部電極としての機能を有するシャワーヘッド16が設けられており、シャワーヘッド16と載置台2は、一対の電極(上部電極と下部電極)として機能するようになっている。
A first high
載置台2の上面には、半導体ウエハWを静電吸着するための静電チャック6が設けられている。この静電チャック6は絶縁体6bの間に電極6aを介在させて構成されており、電極6aには直流電源12が接続されている。そして電極6aに直流電源12から直流電圧が印加されることにより、クーロン力によって半導体ウエハWが吸着されるよう構成されている。
An
載置台2の内部には、冷媒流路2bが形成されており、冷媒流路2bには、冷媒入口配管2c、冷媒出口配管2dが接続されている。そして、冷媒流路2bの中に適宜の冷媒、例えば冷却水等を循環させることによって、載置台2を所定の温度に制御可能となっている。
A
また、載置台2等を貫通するように、半導体ウエハWの裏面側にヘリウムガス等の伝熱ガス(バックサイドガス)を供給するためのバックサイドガス供給配管30が設けられている。図2に拡大して示すように、バックサイドガス供給配管30は、絶縁体からなる基台4内において屈曲された屈曲部30aを有し、この屈曲部30aによって電界強度及びコンダクタンスを低下させ、これによってバックサイドガス供給配管30内で放電が発生することを抑制できるようになっている。
Further, a backside
バックサイドガス供給配管30は、バックサイドガス供給源300に接続されている。また、バックサイドガス供給配管30には、圧力制御バルブ301が介挿されており、この圧力制御バルブ301の下流側から分岐する排気配管302が接続されている。排気配管302には、排気制御弁303が介挿されており、排気配管302の端部には図示しない排気装置が接続されている。また、バックサイドガス供給配管30には、バックサイドガスの圧力を検出するための圧力計304が配設されている。
The backside
そして、圧力制御部310が、圧力計304による圧力検出値と、圧力制御部310に予め設定された圧力設定値とを比較して、圧力検出値と圧力設定値とが一致するように圧力制御バルブ301及び排気制御弁303の開度を調整し、バックサイドガスの圧力が所定の圧力(圧力設定値)となるように制御を行う。すなわち、これらのバックサイドガス供給源300、圧力制御バルブ301、排気配管302、排気制御弁303、圧力計304、圧力制御部310等によって、伝熱ガス(バックサイドガス)供給制御機構が構成されている。
Then, the pressure control unit 310 compares the pressure detection value by the
上記の冷媒流路2b、冷媒入口配管2c、冷媒出口配管2d等の冷媒循環機構と、上記の伝熱ガス(バックサイドガス)供給制御機構により、載置台2の上面に静電チャック6によって吸着保持された半導体ウエハWを、所定の温度に制御することができるようになっている。
By the refrigerant circulation mechanism such as the
上記したシャワーヘッド16は、真空処理チャンバー1の天壁部分に設けられている。シャワーヘッド16は、本体部16aと電極板をなす上部天板16bとを備えており、絶縁性部材45を介して真空処理チャンバー1の上部に支持されている。本体部16aは、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に上部天板16bを着脱自在に支持できるように構成されている。
The
本体部16aの内部には、ガス拡散室16c,16dが設けられ、このガス拡散室16c,16dの下部に位置するように、本体部16aの底部には、多数のガス通流孔16eが形成されている。ガス拡散室16c,16dは、中央部に設けられたガス拡散室16cと、周縁部に設けられたガス拡散室16dとに2分割されており、中央部と周縁部とで独立に処理ガスの供給状態を変更できるようになっている。
また、上部天板16bには、当該上部天板16bを厚さ方向に貫通するようにガス導入孔16fが、上記したガス通流孔16eと重なるように設けられている。このような構成により、ガス拡散室16c,16dに供給された処理ガスは、ガス通流孔16e及びガス導入孔16fを介して真空処理チャンバー1内にシャワー状に分散されて供給されるようになっている。なお、本体部16a等には、冷媒を循環させるための図示しない配管が設けられており、プラズマエッチング処理中にシャワーヘッド16を所望温度に冷却できるようになっている。
The upper top plate 16b is provided with a
上記した本体部16aには、ガス拡散室16c,16dへ処理ガスを導入するための2つのガス導入口16g,16hが形成されている。これらのガス導入口16g,16hにはガス供給配管15a,15bが接続されており、このガス供給配管15a,15bの他端には、エッチング用の処理ガスを供給する処理ガス供給源15が接続されている。ガス供給配管15aには、上流側から順にマスフローコントローラ(MFC)15c、及び開閉弁V1が設けられている。また、ガス供給配管15bには、上流側から順にマスフローコントローラ(MFC)15d、及び開閉弁V2が設けられている。
In the main body 16a, two
そして、処理ガス供給源15からプラズマエッチングのための処理ガスが、ガス供給配管15a,15bを介してガス拡散室16c,16dに供給され、このガス拡散室16c,16dから、ガス通流孔16e及びガス導入孔16fを介して真空処理チャンバー1内にシャワー状に分散されて供給される。
Then, a processing gas for plasma etching is supplied from the processing
上記した上部電極としてのシャワーヘッド16には、ローパスフィルタ(LPF)51を介して可変直流電源52が電気的に接続されている。この可変直流電源52は、オン・オフスイッチ53により給電のオン・オフが可能となっている。可変直流電源52の電流・電圧ならびにオン・オフスイッチ53のオン・オフは、後述する制御部60によって制御されるようになっている。なお、後述のように、第1の高周波電源10a、第2の高周波電源10bから高周波が載置台2に印加されて処理空間にプラズマが発生する際には、必要に応じて制御部60によりオン・オフスイッチ53がオンとされ、上部電極としてのシャワーヘッド16に所定の直流電圧が印加される。
A variable
真空処理チャンバー1の側壁からシャワーヘッド16の高さ位置よりも上方に延びるように円筒状の接地導体1aが設けられている。この円筒状の接地導体1aは、その上部に天壁を有している。
A cylindrical grounding conductor 1 a is provided so as to extend from the side wall of the
真空処理チャンバー1の底部には、排気口71が形成されており、この排気口71には、排気管72を介して排気装置73が接続されている。排気装置73は、真空ポンプを有しており、この真空ポンプを作動させることにより真空処理チャンバー1内を所定の真空度まで減圧することができるようになっている。一方、真空処理チャンバー1の側壁には、半導体ウエハWの搬入出口74が設けられており、この搬入出口74には、当該搬入出口74を開閉するゲートバルブ75が設けられている。
An
図中76,77は、着脱自在とされたデポシールドである。デポシールド76は、真空処理チャンバー1の内壁面に沿って設けられ、真空処理チャンバー1にエッチング副生物(デポ)が付着することを防止する役割を有している。このデポシールド76の半導体ウエハWと略同じ高さ位置には、直流的にグランドに接続された導電性部材(GNDブロック)79が設けられており、これにより異常放電が防止される。
In the figure,
上記構成のプラズマエッチング装置は、制御部60によって、その動作が統括的に制御される。この制御部60には、CPUを備えプラズマエッチング装置の各部を制御するプロセスコントローラ61と、ユーザインターフェース62と、記憶部63とが設けられている。なお、図2に示した圧力制御部310も、制御部60から制御される。
The operation of the plasma etching apparatus having the above configuration is comprehensively controlled by the
ユーザインターフェース62は、工程管理者がプラズマエッチング装置を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマエッチング装置の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。
The
記憶部63には、プラズマエッチング装置で実行される各種処理をプロセスコントローラ61の制御にて実現するための制御プログラム(ソフトウエア)や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインターフェース62からの指示等にて任意のレシピを記憶部63から呼び出してプロセスコントローラ61に実行させることで、プロセスコントローラ61の制御下で、プラズマエッチング装置での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能なコンピュータ記憶媒体(例えば、ハードディスク、CD、フレキシブルディスク、半導体メモリ等)などに格納された状態のものを利用したり、或いは、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで利用したりすることも可能である。
The
次に、上記構成のプラズマエッチング装置における半導体ウエハWの温度制御方法について説明する。前述したとおり、載置台2は、冷媒流路2b内を循環する冷媒によって所定の温度に温度調整されている。載置台2上に載置され、固定された半導体ウエハWには、プラズマPが作用してその温度が上昇することから、多くの場合、載置台2は、冷却されている。そして、バックサイドガス供給配管30を通じて、載置台2のウエハ載置面と半導体ウエハWの裏面との間にヘリウムガス等のバックサイドガスを供給し、これらの間に一定圧力のバックサイドガスが存在することによって、半導体ウエハWと載置台2との間の熱交換が促進され、この結果、プラズマ処理中の半導体ウエハの温度は所定の温度に保たれる。
Next, a method for controlling the temperature of the semiconductor wafer W in the plasma etching apparatus having the above configuration will be described. As described above, the mounting table 2 is temperature adjusted to a predetermined temperature by the refrigerant circulating in the
したがって、バックサイドガスの圧力が高ければ、半導体ウエハWの温度はより載置台2の温度に近くなり、一方、バックサイドガスの圧力が低くなると、半導体ウエハWと載置台2との間の熱交換量が減少し、半導体ウエハWの温度と載置台2の温度に差が生じる。例えば、載置台2が所定温度に冷却されている場合、バックサイドガスの圧力が高いほど、半導体ウエハWの温度が低くなり、バックサイドガスの圧力を低くすると半導体ウエハWの温度が高くなる。 Therefore, if the pressure of the backside gas is high, the temperature of the semiconductor wafer W becomes closer to the temperature of the mounting table 2, while if the pressure of the backside gas is low, the heat between the semiconductor wafer W and the mounting table 2 is increased. The exchange amount decreases, and a difference occurs between the temperature of the semiconductor wafer W and the temperature of the mounting table 2. For example, when the mounting table 2 is cooled to a predetermined temperature, the higher the backside gas pressure, the lower the temperature of the semiconductor wafer W, and the lower the backside gas pressure, the higher the temperature of the semiconductor wafer W.
縦軸を温度、横軸をバックサイドガスの圧力として図3のグラフに示す直線Aが、上記の半導体ウエハWの温度とバックサイドガスの圧力との関係を示している。圧力制御部310は、図3のグラフに示す直線Aのように、必要とされる半導体ウエハWの温度に基づいて決定されるバックサイドガスの圧力に基づき、バックサイドガスの圧力を調節して半導体ウエハWの温度を制御する。このような制御は、所定の下限圧力値(図3のグラフの場合1330Pa(10Torr)以上の圧力の場合、換言すれば、図3のグラフに示す上限温度以下の設定温度の場合について行われる。 A straight line A shown in the graph of FIG. 3 with the vertical axis representing temperature and the horizontal axis representing backside gas pressure represents the relationship between the temperature of the semiconductor wafer W and the backside gas pressure. The pressure control unit 310 adjusts the pressure of the backside gas based on the pressure of the backside gas determined based on the required temperature of the semiconductor wafer W as shown by the straight line A shown in the graph of FIG. The temperature of the semiconductor wafer W is controlled. Such control is performed when the pressure is equal to or higher than a predetermined lower limit pressure value (1330 Pa (10 Torr in the case of the graph of FIG. 3), in other words, when the set temperature is equal to or lower than the upper limit temperature shown in the graph of FIG.
一方、バックサイドガスの圧力を、所定の下限圧力値(図3のグラフの場合1330Pa(10Torr))未満としなければならない場合、換言すれば、図3のグラフに示す上限温度以上の設定温度の場合、次のようなバックサイドガスの圧力制御による半導体ウエハWの温度制御を行う。 On the other hand, when the pressure of the backside gas has to be less than a predetermined lower limit pressure value (1330 Pa (10 Torr in the case of the graph of FIG. 3)), in other words, a set temperature equal to or higher than the upper limit temperature shown in the graph of FIG. In this case, the temperature control of the semiconductor wafer W is performed by the following pressure control of the backside gas.
バックサイドガスの圧力を下限圧力値未満の低圧力値、例えば665Pa(5Torr)とし、半導体ウエハWと載置台2との熱交換を抑制して半導体ウエハWの温度をある程度高温に温度制御する必要がある場合、ガス圧力制御部310における圧力設定値を、低圧力値(665Pa(5Torr))より高く、かつ、下限圧力値(1330Pa(10Torr))以上の第1圧力設定値とする第1期間と、低圧力値(665Pa(5Torr))より低い第2圧力設定値とする第2期間とを交互に繰り返す。 The pressure of the backside gas is set to a low pressure value lower than the lower limit pressure value, for example, 665 Pa (5 Torr), and the temperature of the semiconductor wafer W needs to be controlled to a certain level by suppressing heat exchange between the semiconductor wafer W and the mounting table 2. In the first period, the pressure setting value in the gas pressure control unit 310 is set to a first pressure setting value that is higher than the low pressure value (665 Pa (5 Torr)) and equal to or higher than the lower limit pressure value (1330 Pa (10 Torr)). And a second period in which the second pressure set value is lower than the low pressure value (665 Pa (5 Torr)) are alternately repeated.
縦軸を圧力、横軸を時間とした図4のグラフは、上記の第1圧力設定値を1330Pa(10Torr)とし、第2圧力設定値を0Paとした場合の例を示すもので、第1圧力設定値とする第1期間及び第2圧力設定値とする第2期間は、例えば、0.01秒から10秒程度さらに好ましくは0.1秒から10秒程度の間の短時間であり、これらの期間を交互に複数回繰り返す制御を行う。 The graph of FIG. 4 with the vertical axis representing pressure and the horizontal axis representing time shows an example where the first pressure set value is 1330 Pa (10 Torr) and the second pressure set value is 0 Pa. The first period to be the pressure set value and the second period to be the second pressure set value are, for example, a short period of about 0.01 to 10 seconds, more preferably about 0.1 to 10 seconds, Control for repeating these periods alternately a plurality of times is performed.
これは次のような理由による。すなわち、前述したとおり、バックサイドガス供給配管30は、載置台2に印加される高周波電力に起因する放電を防止するため、そのコンダクタンスが低く設定されており、低い圧力設定値にバックサイドガスの圧力を制御しようとすると安定した圧力制御を行うことが困難となる。一般的には、安定した圧力制御を行えるバックサイドガス圧は、1330Pa(10Torr)程度であり、この圧力未満の圧力では、安定した圧力制御を行うことができない。このため、安定した圧力制御を行える設定圧力とした第1期間と、目標とする圧力よりも低い圧力とする第2期間を交互に繰り返すことによって、多少の温度変動を許容しながら、平均した温度が所望の温度となるように、バックサイドガスの圧力を制御する。
This is due to the following reason. That is, as described above, the backside
これによって、従来では精度良い温度制御が困難なため、温度設定することができなかった高温領域の温度に半導体ウエハWの温度を設定することができ、かつ、伝熱ガスの低い圧力領域における半導体ウエハWの温度制御を精度良く行うことができる。また、温度制御範囲を拡張することによってプロセスマージンの拡大を図ることができる。 As a result, the temperature of the semiconductor wafer W can be set to a temperature in a high temperature region that could not be set because the temperature control with high accuracy is difficult in the past, and the semiconductor in a pressure region where the heat transfer gas is low. The temperature control of the wafer W can be performed with high accuracy. Further, the process margin can be expanded by extending the temperature control range.
なお、このような半導体ウエハWの温度制御を、載置台2の冷媒流路2bに流す冷媒の温度を変更して行うことも考えられるが、この冷媒の温度を変更して載置台2の温度を変更するには、時間がかかり、短時間で行うことはできない。このため、真空処理チャンバー1内で連続して複数種のプラズマ処理を行う際に、処理によって半導体ウハWの設定温度を変更するような場合には適用することができない。
It is conceivable that such temperature control of the semiconductor wafer W is performed by changing the temperature of the refrigerant flowing through the
縦軸を圧力、横軸を時間とした図5のグラフは、伝熱ガスとして2種類のガス、例えば、ヘリウムガスとアルゴンガスを使用した変形例を示すものである。この図5のグラフに示すように、図4に示した伝熱ガスとしてのヘリウムガスの第2期間(第2設定圧力値0Pa)の間に、熱伝達の仕事関数の異なる他の種類の伝熱ガス、例えばアルゴンガスを供給するようにしてもよい。なお、伝熱ガスとしては、ヘリウムガス、アルゴンガスの他、窒素(N2)ガス、酸素(O2)ガス等を用いてもよい。 The graph of FIG. 5 with the vertical axis representing pressure and the horizontal axis representing time shows a modification using two types of heat transfer gas, for example, helium gas and argon gas. As shown in the graph of FIG. 5, during the second period (second set pressure value 0 Pa) of helium gas as the heat transfer gas shown in FIG. You may make it supply hot gas, for example, argon gas. As the heat transfer gas, nitrogen (N 2 ) gas, oxygen (O 2 ) gas, or the like may be used in addition to helium gas and argon gas.
また、上記した第1圧力設定値より低く第2圧力設定値より高い第3圧力設定値とする第3期間を設け、第1乃至第3期間を、第1期間、第2期間、第3期間の順、或いは、第1期間、第3期間、第2期間の順等として、順次繰り返すようにしてもよい。この場合、伝熱ガスとして、熱伝達の仕事関数の異なる3種のガスを使用し、第1乃至第3期間の各期間毎に異なる伝熱ガスを流すようにしてもよい。 Further, a third period is provided in which the third pressure set value is lower than the first pressure set value and higher than the second pressure set value, and the first to third periods are defined as the first period, the second period, and the third period. Alternatively, the first period, the third period, the second period, or the like may be sequentially repeated. In this case, as the heat transfer gas, three kinds of gases having different work functions of heat transfer may be used, and different heat transfer gases may be allowed to flow for each of the first to third periods.
図6〜12は、圧力計304の他の実施形態の構成を示すものである。前述したとおり、載置台2には高周波電力が印加されるため、この載置台2の近傍でバックサイドガスの圧力を検出することは困難である。しかし、より載置台2の半導体ウエハWの載置面に近い部位でバックサイドガスの圧力を検出すれば、より正確にバックサイドガスの圧力を検出してより正確にバックサイドガスの圧力を制御することができる。
6 to 12 show the configuration of another embodiment of the
図6に示す圧力計304aは、載置台2の部分のバックサイドガス供給配管30の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜601を設け、この隔膜601の変位をレーザー光602で読み取るレーザー変位計を設けた構成としたものである。
A
図7に示す圧力計304bは、載置台2の部分のバックサイドガス供給配管30の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜601を設け、この隔膜601に対して音波又は電磁波603を当て、隔膜601の変位を共振周波数によって読み取る構成としたものである。
The
図8に示す圧力計304cは、載置台2の部分のバックサイドガス供給配管30の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜601を設け、この隔膜601に対して光604を当て、光604が隔膜601から反射し戻ってきた位置をCCD605によって検出することによって隔膜601の変位を読み取る構成としたものである。
A
図9に示す圧力計304dは、載置台2の部分のバックサイドガス供給配管30の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜601を設けるとともに、参照面606を設け、隔膜601と参照面606との距離差を、レーザー又は電磁波607を用いたレーザー干渉計又は電磁波の干渉計で測定し、隔膜601の変位を読み取る構成としたものである。
A
図10に示す圧力計304eは、載置台2の部分のバックサイドガス供給配管30の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜601を設け、この隔膜601の変位を、隔膜601の部分に接続された導管609内の液体608の液面の上下で読み取る構成としたものである。
A
図11に示す圧力計304fは、載置台2の部分のバックサイドガス供給配管30の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜601を設け、この隔膜601の変位を、測定回路610によって測定するようにしたものである。測定回路610は、太陽電池611を備えており、この太陽電池611に外部に設けた光源612から光を照射して電源を得るようになっている。また、測定信号は光ファイバー613によって外部に導出するようになっている。これによって、載置台2に印加される高周波電力の影響を受け難い構造となっている。
A pressure gauge 304f shown in FIG. 11 is provided with a
図12に示す圧力計304gは、図11に示した圧力計304fの太陽電池611をペルチェ素子620に換え、ペルチェ素子620に熱を加えることによって電源を得るようにしたものである。他の部分については、圧力計304fと同様であるので重複した説明は省略する。
A
以上の圧力計304a〜304gのように、載置台2の部分のバックサイドガス供給配管30の一部に、バックサイドガスの圧力によって物理的に変形する隔膜601を設け、この隔膜601の変位を読み取ることによって、バックサイドガスの圧力を精度良く検出することができ、バックサイドガスの圧力を精度良く制御することができる。
Like the
次に、上記構成のプラズマエッチング装置で、半導体ウエハWに形成された薄膜をプラズマエッチングする手順について説明する。まず、ゲートバルブ75が開かれ、半導体ウエハWが図示しない搬送ロボット等により、図示しないロードロック室を介して搬入出口74から真空処理チャンバー1内に搬入され、載置台2上に載置される。この後、搬送ロボットを真空処理チャンバー1外に退避させ、ゲートバルブ75を閉じる。そして、排気装置73の真空ポンプにより排気口71を介して真空処理チャンバー1内が排気される。
Next, a procedure for plasma etching the thin film formed on the semiconductor wafer W by the plasma etching apparatus having the above configuration will be described. First, the
真空処理チャンバー1内が所定の真空度になった後、真空処理チャンバー1内には処理ガス供給源15から所定の処理ガス(エッチングガス)が導入され、真空処理チャンバー1内が所定の圧力に保持される。この時、処理ガス供給源15からの処理ガスの供給状態を、中央部と周縁部とで異ならせることができ、また、処理ガスの全体の供給量のうち、中央部からの供給量と周縁部からの供給量との比率を所望の値に制御することができる。
After the inside of the
そして、この状態で第1の高周波電源10aから載置台2に、周波数が例えば40MHzの高周波電力が供給される。また、第2の高周波電源10bからは、イオン引き込みのため、載置台2の基材2aに周波数が例えば3.2MHzの高周波電力(バイアス用)が供給される。このとき、直流電源12から静電チャック6の電極6aに所定の直流電圧が印加され、半導体ウエハWはクーロン力により静電チャック6に吸着される。
In this state, high-frequency power having a frequency of 40 MHz, for example, is supplied from the first high-
上述のようにして下部電極である載置台2に高周波電力が印加されることにより、上部電極であるシャワーヘッド16と下部電極である載置台2との間には電界が形成される。この電界により、半導体ウエハWが存在する処理空間には放電が生じ、それによって形成された処理ガスのプラズマにより、半導体ウエハW上に形成された薄膜がエッチング処理される。このエッチング処理の最中に、本実施形態では、従来では精度良い温度制御が困難なため、温度設定することができなかった高温領域の温度に半導体ウエハWの温度を設定することができ、かつ、伝熱ガスの低い圧力領域における半導体ウエハWの温度制御を精度良く行うことができる。また、温度制御範囲を拡張することによってプロセスマージンの拡大を図ることができる
As described above, an electric field is formed between the
また、前述したとおり、プラズマ処理中にシャワーヘッド16に直流電圧を印加することができるので次のような効果がある。すなわち、プロセスによっては、高い電子密度でかつ低いイオンエネルギーであるプラズマが要求される場合がある。このような場合に直流電圧を用いれば、半導体ウエハWに打ち込まれるイオンエネルギーが抑えられつつプラズマの電子密度が増加されることにより、半導体ウエハWのエッチング対象となる薄膜のエッチングレートが上昇すると共にエッチング対象の上部に設けられたマスクとなる薄膜へのスパッタレートが低下して選択性が向上する。
Further, as described above, a direct current voltage can be applied to the
そして、上記したエッチング処理が終了すると、高周波電力の供給、直流電圧の供給及び処理ガスの供給が停止され、上記した手順とは逆の手順で、半導体ウエハWが真空処理チャンバー1内から搬出される。
When the etching process described above is completed, the supply of high-frequency power, the supply of DC voltage, and the supply of processing gas are stopped, and the semiconductor wafer W is unloaded from the
以上説明したとおり、本実施形態によれば、伝熱ガスの低い圧力領域における基板の温度制御を精度良く行うことができ、温度制御範囲を拡張してプロセスマージンの拡大を図ることのできる基板温度制御方法及びプラズマ処理装置を提供することができる。なお、本発明は上記の実施形態に限定されるものではなく、各種の変形が可能である。 As described above, according to this embodiment, the substrate temperature can be accurately controlled in the low pressure region of the heat transfer gas, and the temperature control range can be expanded to increase the process margin. A control method and a plasma processing apparatus can be provided. In addition, this invention is not limited to said embodiment, Various deformation | transformation are possible.
W……半導体ウエハ、1……真空処理チャンバー、2……載置台、30……バックサイドガス供給配管、300……バックサイドガス供給源、301……圧力制御バルブ、302……排気配管、303……排気制御弁、304……圧力計、310……圧力制御部。 W ... Semiconductor wafer, 1 ... Vacuum processing chamber, 2 ... Mounting table, 30 ... Backside gas supply pipe, 300 ... Backside gas supply source, 301 ... Pressure control valve, 302 ... Exhaust pipe, 303... Exhaust control valve, 304... Pressure gauge, 310.
Claims (10)
前記伝熱ガスの圧力を、安定した圧力制御が可能な圧力の下限値である下限圧力値未満の低圧力値とし、前記基板と前記載置台との熱交換を抑制して前記基板の温度制御を行う際に、
プラズマ処理の最中に、前記圧力設定値を、前記下限圧力値以上の第1圧力設定値とする第1期間と、前記低圧力値より低い第2圧力設定値とする第2期間とを交互に繰り返し、 前記第1圧力設定値が1330Paから13300Paの範囲であり、前記第2圧力設定値が0Paから665Paの範囲である
ことを特徴とする基板温度制御方法。 A substrate is placed on a substrate placement surface of a placement table that is installed in a vacuum processing chamber and is cooled or heated, and a heat transfer gas is introduced between the back surface of the substrate and the substrate placement surface of the placement table. Supply and detecting the pressure of the heat transfer gas, comparing the detected pressure detection value with a pressure setting value, and supplying the heat transfer gas so that the pressure detection value becomes the pressure setting value. A substrate temperature control method for controlling the temperature of the substrate,
The pressure of the heat transfer gas is set to a low pressure value lower than a lower limit pressure value, which is a lower limit value of pressure capable of stable pressure control, and temperature control of the substrate is performed by suppressing heat exchange between the substrate and the mounting table. When doing
During the plasma processing, a first period in which the pressure set value is a first pressure set value that is equal to or greater than the lower limit pressure value and a second period in which a second pressure set value that is lower than the low pressure value are alternated. it repeatedly in the first pressure set value is in the range of 13300Pa from 1330 Pa, the substrate temperature control method of the second pressure set value is equal to or in the range of 665Pa from 0 Pa.
前記第1期間が、前記第2期間より短い
ことを特徴とする基板温度制御方法。 The substrate temperature control method according to claim 1,
The substrate temperature control method , wherein the first period is shorter than the second period .
前記第1期間及び前記第2期間は、0.01秒から10秒の範囲である
ことを特徴とする基板温度制御方法。 The substrate temperature control method according to claim 1 or 2,
The substrate temperature control method, wherein the first period and the second period are in a range of 0.01 seconds to 10 seconds.
前記伝熱ガスが、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガスのいずれかである
ことを特徴とする基板温度制御方法。 A substrate temperature control method according to any one of claims 1 to 3,
The substrate temperature control method, wherein the heat transfer gas is one of helium gas, argon gas, nitrogen gas, and oxygen gas.
前記伝熱ガスが、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガスのうちのいずれか2種のガスであり、前記第1期間と前記第2期間では、当該2種のガスを交互に供給する
ことを特徴とする基板温度制御方法。 A substrate temperature control method according to any one of claims 1 to 3,
The heat transfer gas is any one of helium gas, argon gas, nitrogen gas, and oxygen gas, and the two types of gas are alternately supplied in the first period and the second period. And a substrate temperature control method.
前記載置台に設けられ前記伝熱ガスの圧力に応じて変形する隔膜と、当該隔膜の変形量を検出する検出機構とを具備した圧力計で前記伝熱ガスの圧力を検出する
ことを特徴とする基板温度制御方法。 A substrate temperature control method according to any one of claims 1 to 5,
The pressure of the heat transfer gas is detected by a pressure gauge that is provided on the mounting table and deforms according to the pressure of the heat transfer gas, and a detection mechanism that detects a deformation amount of the diaphragm. Substrate temperature control method.
前記伝熱ガスの圧力を予め定めた下限圧力値未満の低圧力値とし、前記基板と前記載置台との熱交換を抑制して前記基板の温度制御を行う際に、
前記第1期間と、前記第2期間と、前記第1圧力設定値より低く前記第2圧力設定値より高い第3圧力設定値とする第3期間とを順次繰り返す
ことを特徴とする基板温度制御方法。 A substrate temperature control method according to any one of claims 1 to 6,
When the pressure of the heat transfer gas is set to a low pressure value less than a predetermined lower limit pressure value, and the temperature of the substrate is controlled by suppressing heat exchange between the substrate and the mounting table,
The substrate temperature control characterized by sequentially repeating the first period, the second period, and a third period in which the third pressure set value is lower than the first pressure set value and higher than the second pressure set value. Method.
前記伝熱ガスが、ヘリウムガス、アルゴンガス、窒素ガス、酸素ガスのうちのいずれか3種のガスであり、前記第1期間と前記第2期間と前記第3期間では、当該3種のガスを順次供給する
ことを特徴とする基板温度制御方法。 The substrate temperature control method according to claim 7, comprising:
The heat transfer gas is any one of three gases of helium gas, argon gas, nitrogen gas, and oxygen gas, and the three types of gas in the first period, the second period, and the third period. Substrate temperature control method.
前記伝熱ガスを供給する供給流路の途中に設けられ、当該供給流路を屈曲させることによって電界強度及びコンダクタンスを低下させる屈曲部と、
前記屈曲部より前記基板載置面側の前記供給流路に設けられ、前記伝熱ガスの圧力を検出する圧力検出機構と、
前記圧力検出機構で検出された圧力検出値と圧力設定値とを比較し、前記圧力検出値が前記圧力設定値となるように前記伝熱ガスの供給を制御する伝熱ガス供給制御機構と
を具備し、前記伝熱ガス供給制御機構は、
前記伝熱ガスの圧力を、安定した圧力制御が可能な圧力の下限値である下限圧力値未満の低圧力値とし、前記基板と前記載置台との熱交換を抑制して前記基板の温度制御を行う際に、
プラズマ処理の最中に、前記圧力設定値を、前記下限圧力値以上の第1圧力設定値とする第1期間と、前記低圧力値より低い第2圧力設定値とする第2期間とを交互に繰り返す
ことを特徴とするプラズマ処理装置。 A substrate is placed on a substrate placement surface of a placement table that is installed in a vacuum processing chamber and is cooled or heated, and a heat transfer gas is introduced between the back surface of the substrate and the substrate placement surface of the placement table. A plasma processing apparatus for controlling plasma by supplying plasma to the substrate while controlling the temperature of the substrate,
A bent portion that is provided in the middle of the supply flow path for supplying the heat transfer gas, and reduces the electric field strength and conductance by bending the supply flow path;
A pressure detection mechanism that is provided in the supply flow channel on the substrate mounting surface side from the bent portion and detects the pressure of the heat transfer gas;
A heat transfer gas supply control mechanism that compares the pressure detection value detected by the pressure detection mechanism with a pressure setting value and controls the supply of the heat transfer gas so that the pressure detection value becomes the pressure setting value; Comprising the heat transfer gas supply control mechanism,
The pressure of the heat transfer gas is set to a low pressure value lower than a lower limit pressure value, which is a lower limit value of pressure capable of stable pressure control, and temperature control of the substrate is performed by suppressing heat exchange between the substrate and the mounting table. When doing
During the plasma processing, a first period in which the pressure set value is a first pressure set value that is equal to or greater than the lower limit pressure value and a second period in which a second pressure set value that is lower than the low pressure value are alternated. The plasma processing apparatus is characterized by being repeated.
前記圧力検出機構は、
前記載置台に設けられ前記伝熱ガスの圧力に応じて変形する隔膜と、
当該隔膜の変形量を検出する検出機構と
を具備することを特徴とするプラズマ処理装置。 The plasma processing apparatus according to claim 9, wherein
The pressure detection mechanism is
A diaphragm that is provided on the mounting table and deforms according to the pressure of the heat transfer gas;
A plasma processing apparatus comprising: a detection mechanism that detects a deformation amount of the diaphragm.
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