JP6991043B2 - 基板載置台 - Google Patents

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Description

本発明は、基板載置台に関する。
半導体装置を製造する際、基板に対してプラズマを用いて成膜処理、エッチング処理等のプラズマ処理を行う場合がある。プラズマ処理は、例えば一対の平行平板電極（上部電極及び下部電極）を配置した処理容器内で、下部電極として機能するステージに基板を載置し、一方の電極に高周波電力を印加して電極間に高周波電界を形成することで、処理ガスのプラズマを生成する。
ステージとしては、基板を載置する面に表面粗さＲａが２μｍ以上６μｍ以下の粗化部を形成した構成（例えば、特許文献１参照）や、表面を平滑に形成した構成が知られている。
特開２０１１－１１９３２６号公報
しかしながら、基板を載置する面に粗化部を形成した構成では、基板がステージに対して電気的に浮遊した状態となり、基板とステージとの間に電位差が生じるため、上部電極と下部電極との間に高電圧が印加されると、アーク放電（アーキング）が生じる虞がある。一方、表面を平滑に形成した構成では、プラズマ処理を繰り返し行うと、ステージの表面のうち基板が載置されない部分に反応生成物が付着して蓄積され、蓄積された反応生成物が剥離してパーティクルが生じる虞がある。
そこで、本発明の一態様では、アーキング及びパーティクルの発生を抑制することが可能な基板載置台を提供することを目的とする。
上記目的を達成するため、本発明の一態様に係る基板載置台は、処理容器内で基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に使用される基板載置台であって、当該基板載置台の表面に形成される凹部と、前記凹部の底面に形成される基板載置部であり、鏡面に加工され、前記基板を載置する基板載置部と、前記凹部の底面における前記基板載置部の周囲に位置し、凹凸形状に加工されたエッジ部と、前記凹部の内側面に形成され、前記基板載置部の表面粗さよりも大きく、前記エッジ部の表面粗さよりも小さい表面粗さを有するテーパ部と、を有する。
開示の基板載置台によれば、アーキング及びパーティクルの発生を抑制することができる。
本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の全体構成図 本発明の実施形態に係るステージの概略断面図 ステージ形状とアーキング発生数との関係を説明する図 ステージ形状とパーティクルとの関係を説明する図 ステージ形状とウエハ位置ずれ量との関係を説明する図
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。
〔プラズマ処理装置〕
本発明の実施形態に係るステージが適用可能なプラズマ処理装置の一例について説明する。図１は、本発明の実施形態に係るプラズマ処理装置の全体構成図である。
図１に示されるように、プラズマ処理装置１は、プラズマＣＶＤ法により、例えば基板である半導体ウエハ（以下「ウエハＷ」という。）にチタン（Ｔｉ）膜を成膜する処理を行う装置である。プラズマ処理装置１は、略円筒状の気密な処理容器２を備える。処理容器２の底壁の中央部には、排気室２１が設けられている。
排気室２１は、下方に向けて突出する例えば略円筒状の形状を備える。排気室２１には、例えば排気室２１の側面において、排気路２２が接続されている。
排気路２２には、圧力調整部２３を介して排気部２４が接続されている。圧力調整部２３は、例えばバタフライバルブ等の圧力調整バルブを備える。排気路２２は、排気部２４によって処理容器２内を減圧できるように構成されている。処理容器２の側面には、搬送口２５が設けられている。搬送口２５は、ゲートバルブ２６によって開閉自在に構成されている。処理容器２内と搬送室（図示せず）との間におけるウエハＷの搬入出は、搬送口２５を介して行われる。
処理容器２内には、ウエハＷを略水平に保持するための基板載置台であるステージ３が設けられている。ステージ３は、平面視で略円形状に形成されており、支持部材３１によって支持されている。ステージ３の表面には、例えば直径が３００ｍｍのウエハＷを載置するための円形状の凹部３２が形成されている。凹部３２は、ウエハＷの直径よりも僅かに（例えば１ｍｍ～４ｍｍ程度）大きい内径を有する。凹部３２の深さは、例えばウエハＷの厚さと略同一に構成される。ステージ３は、例えば窒化アルミニウム（ＡｌＮ）等のセラミックス材料により形成されている。また、ステージ３は、ニッケル（Ｎｉ）等の金属材料により形成されていてもよい。なお、凹部３２の代わりにステージ３の表面の周縁部にウエハＷをガイドするガイドリングを設けてもよい。
ステージ３には、例えば接地された下部電極３３が埋設される。下部電極３３の下方には、加熱機構３４が埋設される。加熱機構３４は、制御部１００からの制御信号に基づいて電源部（図示せず）から給電されることによって、ステージ３に載置されたウエハＷを設定温度（例えば３５０～７００℃の温度）に加熱する。ステージ３の全体が金属によって構成されている場合には、ステージ３の全体が下部電極として機能するので、下部電極３３をステージ３に埋設しなくてよい。ステージ３には、ステージ３に載置されたウエハＷを保持して昇降するための複数本（例えば３本）の昇降ピン４１が設けられている。昇降ピン４１の材料は、例えばアルミナ（Ａｌ２Ｏ３）等のセラミックスや石英等であってよい。昇降ピン４１の下端は、支持板４２に取り付けられている。支持板４２は、昇降軸４３を介して処理容器２の外部に設けられた昇降機構４４に接続されている。
昇降機構４４は、例えば排気室２１の下部に設置されている。ベローズ４５は、排気室２１の下面に形成された昇降軸４３用の開口部２１１と昇降機構４４との間に設けられている。支持板４２の形状は、ステージ３の支持部材３１と干渉せずに昇降できる形状であってもよい。昇降ピン４１は、昇降機構４４によって、ステージ３の表面の上方側と、ステージ３の表面の下方側との間で、昇降自在に構成される。
処理容器２の天壁２７には、絶縁部材２８を介してガス供給部５が設けられている。ガス供給部５は、上部電極を成しており、下部電極３３に対向している。ガス供給部５には、整合器５１１を介して高周波電源５１が接続されている。高周波電源５１から上部電極（ガス供給部５）に高周波電力を供給することによって、上部電極（ガス供給部５）と下部電極３３との間に高周波電界が生じるように構成されている。ガス供給部５は、中空状のガス供給室５２を備える。ガス供給室５２の下面には、処理容器２内へ処理ガスを分散供給するための多数の孔５３が例えば均等に配置されている。ガス供給部５における例えばガス供給室５２の上方側には、加熱機構５４が埋設されている。加熱機構５４は、制御部１００からの制御信号に基づいて図示しない電源部から給電されることによって、設定温度に加熱される。
ガス供給室５２には、ガス供給路６が設けられている。ガス供給路６は、ガス供給室５２に連通している。ガス供給路６の上流側には、ガスラインＬ６１を介してガス源６１が接続され、ガスラインＬ６２を介してガス源６２が接続され、ガスラインＬ６３を介してガス源６３が接続されている。一実施形態においては、ガス源６１は、不活性ガスのガス源であり、例えばＡｒガス、Ｎ２ガス等のガス源であってよい。ガス源６２は、反応性ガスのガス源であり、例えば、Ｈ２ガス、ＮＨ３ガス等のガス源であってよく、また、パージのために不活性ガス（Ａｒガス、Ｎ２ガス等）のガス源として使用することもできる。ガス源６３は、反応性ガスのガス源であり、例えば、ＴｉＣｌ４ガス等のガス源であってよく、また、パージのために不活性ガス（Ａｒガス、Ｎ２ガス等）のガス源として使用することもできる。ガスラインＬ６１とガスラインＬ６２とは、ガスラインＬ６１におけるバルブＶ１とガス供給路６との間、ガスラインＬ６２におけるバルブＶ２とガス供給路６との間において、互いに接続されている。
ガス源６１は、ガスラインＬ６１を介して、ガス供給路６に接続されている。ガスラインＬ６１には、圧力調整バルブＶ５、バルブＶ４、昇圧部ＴＫ及びバルブＶ１が、ガス源６１の側からこの順番に介設されている。昇圧部ＴＫは、ガスラインＬ６１において、バルブＶ１とバルブＶ４との間に配置されている。バルブＶ４は、圧力調整バルブＶ５と昇圧部ＴＫとの間に配置されている。昇圧部ＴＫは、ガス貯留タンクＴＫＴを備える。昇圧部ＴＫのガス貯留タンクＴＫＴは、バルブＶ１が閉じられ且つバルブＶ４が開かれた状態で、ガスラインＬ６１及びバルブＶ４を介してガス源６１から供給されるガスを貯留してガス貯留タンクＴＫＴ内における当該ガスの圧力を昇圧することができる。昇圧部ＴＫは、圧力計ＴＫＰを備える。圧力計ＴＫＰは、昇圧部ＴＫが備えるガス貯留タンクＴＫＴの内部のガスの圧力を計測し、計測結果を制御部１００に送信する。バルブＶ１は、昇圧部ＴＫとガス供給路６との間に配置されている。
ガス源６２は、ガスラインＬ６２を介して、ガス供給路６に接続されている。ガスラインＬ６２には、バルブＶ６、マスフローコントローラＭＦ１及びバルブＶ２が、ガス源６２の側からこの順番に介設されている。
ガス源６３は、ガスラインＬ６３を介して、ガス供給路６に接続されている。ガスラインＬ６３には、バルブＶ７、マスフローコントローラＭＦ２及びバルブＶ３が、ガス源６３の側からこの順番に介設されている。
プラズマ処理装置１は、制御部１００と、記憶部１０１とを備える。制御部１００は、図示しないＣＰＵ、ＲＡＭ、ＲＯＭ等を備えており、例えばＲＯＭや記憶部１０１に格納されたコンピュータプログラムをＣＰＵに実行させることによって、プラズマ処理装置１を統括的に制御する。具体的には、制御部１００は、記憶部１０１に格納された制御プログラムをＣＰＵに実行させてプラズマ処理装置１の各構成部の動作を制御することで、ウエハＷに対するプラズマ処理等を実行する。
〔ステージ〕
本発明の実施形態に係るステージ３について説明する。本発明の実施形態に係るステージ３は、例えば前述したプラズマ処理装置１の処理容器２内でウエハＷに所定のプラズマ処理を施す際にウエハＷを載置する載置台として機能する。図２は、本発明の実施形態に係るステージ３の概略断面図である。
ステージ３は、基板載置部３５と、エッジ部３６と、テーパ部３７と、土手部３８と、を有する。基板載置部３５、エッジ部３６、テーパ部３７及び土手部３８は、ステージ３の中央部から外周部に向かってこの順番で形成されている。
基板載置部３５は、凹部３２の底面の中央部に形成されている。基板載置部３５の形状は、ウエハＷの形状と略同一であってよく、例えば直径が２９８ｍｍ～３００ｍｍの略円形状とすることができる。基板載置部３５の表面は、鏡面に加工されている。鏡面とは、ＪＩＳＢ０６０１：２０１３に規定される算術平均粗さ（以下「表面粗さＲａ」という。）が０．４μｍ以下であることを意味する。基板載置部３５が鏡面に加工されているので、ステージ３の表面とウエハＷの裏面との間隔が狭くなる。その結果、ステージ３の表面とウエハＷの裏面との間でアーク放電（アーキング）が発生することを防止できる。
エッジ部３６は、基板載置部３５の周囲に、基板載置部３５を囲むように形成されている。エッジ部３６の形状は、例えば略円環形状とすることができる。エッジ部３６の内径は、ウエハＷの直径と略同一であってよく、例えば２９８ｍｍ～３００ｍｍとすることができる。エッジ部３６の外径は、ウエハＷの直径よりも僅かに大きめであってよく、例えば３０１ｍｍ～３０３ｍｍとすることができる。エッジ部３６は、基板載置部３５よりも表面粗さＲａが大きい凹凸形状に加工されている。エッジ部３６が凹凸形状に加工されているので、エッジ部３６の表面とウエハＷの裏面との間に生じる摩擦力が、基板載置部３５の表面とウエハＷの裏面との間に生じる摩擦力よりも大きくなる。そのため、基板載置部３５からエッジ部３６へのウエハＷの移動が制限されるので、ステージ３に対するウエハＷの位置ずれを抑制できる。また、エッジ部３６が凹凸形状に加工されているので、プラズマ処理によってエッジ部３６に成膜される膜のステージ３に対する密着性が向上する。そのため、エッジ部３６に成膜される膜の剥離が抑制される。その結果、膜の剥離に起因するパーティクルの発生を抑制できる。なお、エッジ部３６の表面粗さＲａは、エッジ部３６に成膜される膜の剥離を特に抑制できるという観点から、１μｍ～１０μｍであることが好ましい。
テーパ部３７は、凹部３２の内側面に形成されている。言い換えると、テーパ部３７は、エッジ部３６の周囲に、エッジ部３６を囲むように形成されている。テーパ部３７により、凹部３２からのウエハＷの飛び出しが防止される。テーパ部３７は、凹部３２の底面と土手部３８との間に形成されている。テーパ部３７は、基板載置部３５よりも表面粗さＲａが大きい凹凸形状に加工されている。テーパ部３７が凹凸形状に加工されているので、プラズマ処理によってテーパ部３７に成膜される膜のステージ３に対する密着性が向上する。そのため、テーパ部３７に成膜される膜の剥離が抑制される。その結果、膜の剥離に起因するパーティクルの発生を抑制できる。なお、テーパ部３７の表面粗さＲａは、表面加工が容易であるという観点から、エッジ部３６の表面粗さＲａよりも小さいことが好ましく、例えば２μｍとすることができる。
土手部３８は、テーパ部３７の周囲に、テーパ部３７を囲むように形成されている。言い換えると、土手部３８は、凹部３２の周囲に形成されている。土手部３８の高さは、例えば基板載置部３５に載置されるウエハＷの表面と略同一に構成される。土手部３８は、基板載置部３５よりも表面粗さＲａが大きい凹凸形状に加工されている。土手部３８が凹凸形状に加工されているので、プラズマ処理によって土手部３８に成膜される膜のステージ３に対する密着性が向上する。そのため、土手部３８に成膜される膜の剥離が抑制される。その結果、膜の剥離に起因するパーティクルの発生を抑制できる。なお、土手部３８の表面粗さＲａは、表面加工が容易であるという観点から、エッジ部３６の表面粗さＲａと同一であることが好ましく、例えば１μｍ～１０μｍとすることができる。
〔効果〕
本発明の実施形態に係るステージ３を用いたときの効果について説明する。以下では、いずれもＮｉにより形成されたステージ３を使用した。
最初に、基板載置部３５、エッジ部３６、テーパ部３７及び土手部３８の表面粗さＲａが、それぞれ０．０２μｍ（鏡面）、１０μｍ、２μｍ及び１０μｍである実施例に係るステージ３を備えるプラズマ処理装置１を用いてウエハＷにプラズマ処理を行った。また、基板載置部３５、エッジ部３６、テーパ部３７及び土手部３８の表面粗さＲａが、それぞれ１０μｍ、１０μｍ、０．４μｍ及び１０μｍである比較例に係るステージを備えるプラズマ処理装置を用いてウエハＷにプラズマ処理を行った。実施例及び比較例に係るプラズマ処理条件は以下の通りである。
（プラズマ処理条件）
ＴｉＣｌ４ガスの流量：１～２００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ａｒガス流量：１００～１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
Ｈ２ガス流量：１～１００００ｍＬ／ｍｉｎ（ｓｃｃｍ）
圧力：１３．３～１３３３Ｐａ（０．１～１０Ｔｏｒｒ）
成膜温度：３５０～７００℃
高周波電力：１０～３０００Ｗ、１００ｋＨｚ～１００ＭＨｚ
図３は、ステージ形状とアーキング発生数との関係を説明する図である。図３の左上図は実施例に係るステージ３の概略形状を示し、図３の左下図は実施例に係るステージ３上にウエハＷを載置してプラズマ処理を行った後のステージ３の表面とウエハＷの裏面との間のアーキングの発生数を示す。図３の右上図は比較例に係るステージの概略形状を示し、図３の右下図は比較例に係るステージ上にウエハＷを載置してプラズマ処理を行った後のステージの表面とウエハＷの裏面との間のアーキングの発生位置及び発生数を示す。図３の左下図及び右下図の「Ｎｏ．１」、「Ｎｏ．６」、「Ｎｏ．１３」、「Ｎｏ．１８」及び「Ｎｏ．２４」は、それぞれプラズマ処理を施した２５Ｒｕｎ分のウエハＷのうち１Ｒｕｎ目、６Ｒｕｎ目、１３Ｒｕｎ目、１８Ｒｕｎ目及び２４Ｒｕｎ目の結果を示す。図３の右下図において、各プロットはアーキングの発生位置を示す。
図３の左下図に示されるように、実施例に係るステージ３を用いた場合、全てのウエハＷにおいてステージ３の表面とウエハＷの裏面との間でアーキングが発生しなかった。一方、図３の右下図に示されるように、比較例に係るステージを用いた場合、ほとんどのウエハＷにおいてステージの表面とウエハＷの裏面との間でアーキングが発生した。具体的には、「Ｎｏ．１」、「Ｎｏ．６」、「Ｎｏ．１３」、「Ｎｏ．１８」及び「Ｎｏ．２４」のウエハＷでは、それぞれ６カ所、２４カ所、１カ所、０カ所及び１１カ所にアーキングが発生した。
以上により、実施例に係るステージ３を用いることで、比較例に係るステージを用いる場合と比較して、ステージ３の上面とウエハＷの裏面との間のアーキングの発生を抑制できることが確認できた。
次に、基板載置部３５、エッジ部３６、テーパ部３７及び土手部３８の表面粗さＲａが、それぞれ０．０２μｍ、１０μｍ、２μｍ及び１０μｍである実施例に係るステージ３を備えるプラズマ処理装置１を用いてウエハＷにプラズマ処理を行った。また、基板載置部３５、エッジ部３６、テーパ部３７及び土手部３８の表面粗さＲａが、それぞれ１０μｍ、１０μｍ、０．４μｍ及び１０μｍである比較例に係るステージを備えるプラズマ処理装置を用いてウエハＷにプラズマ処理を行った。実施例及び比較例に係るプラズマ処理条件は前述した条件と同様である。
図４は、ステージ形状とパーティクルとの関係を説明する図である。図４の左上図は実施例に係るステージ３の概略形状を示し、図４の左下図は実施例に係るステージ３上にウエハＷを載置してプラズマ処理を行った後のウエハＷの表面に付着したパーティクルの分布を示す。図４の右上図は比較例に係るステージの概略形状を示し、図４の右下図は比較例に係るステージ上にウエハＷを載置してプラズマ処理を行った後のウエハＷの表面に付着したパーティクルの分布を示す。図４の左下図及び右下図において、各プロットはウエハＷの表面に付着したパーティクルを示す。
図４の左下図に示されるように、実施例に係るステージ３を用いた場合、ウエハＷの表面に５つのパーティクルが付着していた。一方、図４の右下図に示されるように、比較例に係るステージを用いた場合、ウエハＷの表面に多数のパーティクルが付着していた。
以上により、実施例に係るステージ３を用いることで、比較例に係るステージを用いる場合と比較して、プラズマ処理後のウエハＷの表面に付着するパーティクルを低減できることが確認できた。
次に、基板載置部３５、エッジ部３６、テーパ部３７及び土手部３８の表面粗さＲａが、それぞれ０．０２μｍ、１０μｍ、２μｍ及び１０μｍである実施例に係るステージ３を備えるプラズマ処理装置１を用いてウエハＷにプラズマ処理を行った。また、基板載置部３５、エッジ部３６、テーパ部３７及び土手部３８の表面粗さＲａが、それぞれ０．０２μｍ、０．０２μｍ、０．４μｍ及び１０μｍである比較例に係るステージを備えるプラズマ処理装置を用いてウエハＷにプラズマ処理を行った。実施例及び比較例に係るプラズマ処理条件は前述した条件と同様である。
図５は、ステージ形状とウエハ位置ずれ量との関係を説明する図である。図５の左上図は実施例に係るステージ３の概略形状を示し、図５の左下図は実施例に係るステージ３に対するウエハＷの位置ずれ量を示す。図５の右上図は比較例に係るステージの概略形状を示し、図５の右下図は比較例に係るステージに対するウエハＷの位置ずれ量を示す。図５の左下図及び右下図において、横軸及び縦軸はそれぞれステージの面内におけるステージ中心からのＸ方向のずれ量（μｍ）及びＹ方向のずれ量（μｍ）を示す。また、図５の左下図及び右下図において、各プロットは複数のウエハＷの各々のプラズマ処理前の位置に対するプラズマ処理後の位置の移動量（ずれ量）を示す。
図５に示されるように、実施例のステージ３を用いることで、比較例のステージを用いた場合と比較して、ステージ３に対するウエハＷの位置ずれを抑制できることが確認できた。
以上に説明したように、本発明の実施形態に係るステージ３は、鏡面に加工され、ウエハＷを載置する基板載置部３５を有する。これにより、ステージ３の表面とウエハＷの裏面との間隔が狭くなるので、ステージ３の表面とウエハＷの裏面との間でアーキングが発生することを防止できる。
また、基板載置部３５の周囲に位置し、凹凸形状に加工されたエッジ部３６を有する。これにより、プラズマ処理によってエッジ部３６に成膜される膜のステージ３に対する密着性が向上する。そのため、エッジ部３６に成膜される膜が剥離してパーティクルとなってウエハＷの表面に付着することを抑制できる。
以上、本発明を実施するための形態について説明したが、上記内容は、発明の内容を限定するものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。
１ プラズマ処理装置
２ 処理容器
３ ステージ
３２ 凹部
３５ 基板載置部
３６ エッジ部
３７ テーパ部
３８ 土手部
Ｗ ウエハ

Claims (5)

  1. 処理容器内で基板にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に使用される基板載置台であって、
    当該基板載置台の表面に形成される凹部と、
    前記凹部の底面に形成される基板載置部であり、鏡面に加工され、前記基板を載置する基板載置部と、
    前記凹部の底面における前記基板載置部の周囲に位置し、凹凸形状に加工されたエッジ部と、
    前記凹部の内側面に形成され、前記基板載置部の表面粗さよりも大きく、前記エッジ部の表面粗さよりも小さい表面粗さを有するテーパ部と、
    を有する、
    基板載置台。
  2. 前記凹部の周囲に形成され、前記エッジ部の表面粗さと略同一の表面粗さを有する土手部を有する、
    請求項１に記載の基板載置台。
  3. 前記基板載置部の表面粗さは、０．４μｍ以下である、
    請求項１又は２に記載の基板載置台。
  4. 前記エッジ部の表面粗さは、１μｍ～１０μｍである、
    請求項１乃至３のいずれか一項に記載の基板載置台。
  5. 前記基板載置部の直径は、前記基板の直径と略同一である、
    請求項１乃至４のいずれか一項に記載の基板載置台。
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