JP7113733B2 - 基板処理装置用構造物及び基板処理装置 - Google Patents

基板処理装置用構造物及び基板処理装置 Download PDF

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Description

本開示は、基板処理装置用構造物及び基板処理装置に関する。
チャンバ内に処理ガスが導入され、チャンバ内の電極に高周波電力を印加することにより、基板にエッチング処理等の所望の処理を施す基板処理装置が知られている。
特許文献1には、処理空間に露出する面を有する円板状の天井電極板を有する基板処理装置が開示されている。
特開2007-123796号公報
一の側面では、本開示は、プロセスの変動を抑制する基板処理装置用構造物及び基板処理装置を提供する。
上記課題を解決するために、一の態様によれば、基板を支持する支持体と対向する側に設けられる基板処理装置用構造物であって、チャンバの内部空間に露出している表面が第1の粗さに調整された電極板と、前記電極板の外側にて、前記内部空間に露出している表面が第2の粗さに調整された環状部材と、を有し、前記第1の粗さと前記第2の粗さとが異なる、基板処理装置用構造物が提供される。
一の側面によれば、プロセスの変動を抑制する基板処理装置用構造物及び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一例を示す断面模式図。 一実施形態に係る基板処理装置の天板の一例を示す断面模式図。 天井電極板の表面の状態と消費される処理ガスとの関係を説明する模式図。 基板処理装置の高周波電力印加時間と基板のエッチングレートとの関係の一例を示すグラフ。 一実施形態に係る天井電極板を用いた際のエッチングレートの変動と、参考例に係る天井電極板を用いた際のエッチングレートの変動と、を対比するグラフ。
以下、図面を参照して本開示を実施するための形態について説明する。各図面において、同一構成部分には同一符号を付し、重複した説明を省略する場合がある。
<基板処理装置>
一実施形態に係る基板処理装置1について、図1を用いて説明する。図1は、一実施形態に係る基板処理装置1の一例を示す断面模式図である。
基板処理装置1は、チャンバ10を備える。チャンバ10は、その中に内部空間10sを提供する。チャンバ10はチャンバ本体12を含む。チャンバ本体12は、略円筒形状を有する。チャンバ本体12は、例えばアルミニウムから形成される。チャンバ本体12の内壁面上には、耐腐食性を有する膜が設けられている。当該膜は、酸化アルミニウム、酸化イットリウムなどのセラミックであってよい。
チャンバ本体12の側壁には、通路12pが形成されている。基板Wは、通路12pを通して内部空間10sとチャンバ10の外部との間で搬送される。通路12pは、チャンバ本体12の側壁に沿って設けられるゲートバルブ12gにより開閉される。
チャンバ本体12の底部上には、支持部13が設けられている。支持部13は、絶縁材料から形成される。支持部13は、略円筒形状を有する。支持部13は、内部空間10sの中で、チャンバ本体12の底部から上方に延在している。支持部13は、上部に支持台14を有する。支持台14は、内部空間10sの中において、基板Wを支持するように構成されている。
支持台14は、下部電極18及び静電チャック20を有する。支持台14は、電極プレート16を更に有し得る。電極プレート16は、アルミニウムなどの導体から形成され、略円盤形状を有する。下部電極18は、電極プレート16上に設けられている。下部電極18は、アルミニウムなどの導体から形成されて、略円盤形状を有する。下部電極18は、電極プレート16に電気的に接続されている。
静電チャック20は、下部電極18上に設けられている。静電チャック20の上面に基板Wが載置される。静電チャック20は、本体及び電極を有する。静電チャック20の本体は、略円盤形状を有し、誘電体から形成される。静電チャック20の電極は、膜状の電極であり、静電チャック20の本体内に設けられている。静電チャック20の電極は、スイッチ20sを介して直流電源20pに接続されている。静電チャック20の電極に直流電源20pからの電圧が印加されると、静電チャック20と基板Wとの間に静電引力が発生する。その静電引力により、基板Wが静電チャック20に保持される。
下部電極18の周縁部上には、基板Wのエッジを囲むように、エッジリング25が配置される。エッジリング25は、基板Wに対するプラズマ処理の面内均一性を向上させる。エッジリング25は、シリコン、炭化シリコン、又は石英などから形成され得る。
下部電極18の内部には、流路18fが設けられている。流路18fには、チャンバ10の外部に設けられているチラーユニット(図示しない)から配管22aを介して熱交換媒体(例えば冷媒)が供給される。流路18fに供給された熱交換媒体は、配管22bを介してチラーユニットに戻される。基板処理装置1では、静電チャック20上に載置された基板Wの温度が、熱交換媒体と下部電極18との熱交換により、調整される。
基板処理装置1には、ガス供給ライン24が設けられている。ガス供給ライン24は、伝熱ガス供給機構からの伝熱ガス(例えばHeガス)を、静電チャック20の上面と基板Wの裏面との間に供給する。
基板処理装置1は、上部電極30を更に備える。上部電極30は、支持台14の上方に設けられている。上部電極30は、部材32を介して、チャンバ本体12の上部に支持されている。部材32は、絶縁性を有する材料から形成される。上部電極30と部材32は、チャンバ本体12の上部開口を閉じている。
上部電極30は、天板34及び支持体36を含み得る。天板34の下面は、内部空間10sの側の下面であり、内部空間10sを画成する。天板34は、発生するジュール熱の少ない低抵抗の導電体又は半導体から形成され得る。天板34は、天板34をその板厚方向に貫通する複数のガス吐出孔34aを有する。
支持体36は、天板34を着脱自在に支持する。支持体36は、アルミニウムなどの導電性材料から形成される。支持体36の内部には、ガス拡散室36aが設けられている。支持体36は、ガス拡散室36aから下方に延びる複数のガス孔36bを有する。複数のガス孔36bは、複数のガス吐出孔34aにそれぞれ連通している。支持体36には、ガス導入口36cが形成されている。ガス導入口36cは、ガス拡散室36aに接続している。ガス導入口36cには、ガス供給管38が接続されている。
ガス供給管38には、バルブ群42、流量制御器群44、及びガスソース群40が接続されている。ガスソース群40、バルブ群42、及び流量制御器群44、は、ガス供給部を構成している。ガスソース群40は、複数のガスソースを含む。バルブ群42は、複数の開閉バルブを含む。流量制御器群44は、複数の流量制御器を含む。流量制御器群44の複数の流量制御器の各々は、マスフローコントローラ又は圧力制御式の流量制御器である。ガスソース群40の複数のガスソースの各々は、バルブ群42の対応の開閉バルブ、及び流量制御器群44の対応の流量制御器を介して、ガス供給管38に接続されている。
基板処理装置1では、チャンバ本体12の内壁面及び支持部13の外周に沿って、シールド46が着脱自在に設けられている。シールド46は、チャンバ本体12に反応副生物が付着することを防止する。シールド46は、例えば、アルミニウムから形成された母材の表面に耐腐食性を有する膜を形成することにより構成される。耐腐食性を有する膜は、酸化イットリウムなどのセラミックから形成され得る。
支持部13とチャンバ本体12の側壁との間には、バッフルプレート48が設けられている。バッフルプレート48は、例えば、アルミニウムから形成された母材の表面に耐腐食性を有する膜(酸化イットリウムなどの膜)を形成することにより構成される。バッフルプレート48には、複数の貫通孔が形成されている。バッフルプレート48の下方、且つ、チャンバ本体12の底部には、排気口12eが設けられている。排気口12eには、排気管52を介して排気装置50が接続されている。排気装置50は、圧力調整弁及びターボ分子ポンプなどの真空ポンプを含む。
基板処理装置1は、第1の高周波電源62及び第2の高周波電源64を備えている。第1の高周波電源62は、第1の高周波電力を発生する電源である。第1の高周波電力は、プラズマの生成に適した周波数を有する。第1の高周波電力の周波数は、例えば27MHz~100MHzの範囲内の周波数である。第1の高周波電源62は、整合器66及び電極プレート16を介して下部電極18に接続されている。整合器66は、第1の高周波電源62の出力インピーダンスと負荷側(下部電極18側)のインピーダンスを整合させるための回路を有する。なお、第1の高周波電源62は、整合器66を介して、上部電極30に接続されていてもよい。第1の高周波電源62は、一例のプラズマ生成部を構成している。
第2の高周波電源64は、第2の高周波電力を発生する電源である。第2の高周波電力は、第1の高周波電力の周波数よりも低い周波数を有する。第1の高周波電力と共に第2の高周波電力が用いられる場合には、第2の高周波電力は基板Wにイオンを引き込むためのバイアス用の高周波電力として用いられる。第2の高周波電力の周波数は、例えば400kHz~13.56MHzの範囲内の周波数である。第2の高周波電源64は、整合器68及び電極プレート16を介して下部電極18に接続されている。整合器68は、第2の高周波電源64の出力インピーダンスと負荷側(下部電極18側)のインピーダンスを整合させるための回路を有する。
なお、第1の高周波電力を用いずに、第2の高周波電力を用いて、即ち、単一の高周波電力のみを用いてプラズマを生成してもよい。この場合には、第2の高周波電力の周波数は、13.56MHzよりも大きな周波数、例えば40MHzであってもよい。基板処理装置1は、第1の高周波電源62及び整合器66を備えなくてもよい。第2の高周波電源64は一例のプラズマ生成部を構成する。
基板処理装置1においてガスが、ガス供給部から内部空間10sに供給されて、プラズマを生成する。また、第1の高周波電力及び/又は第2の高周波電力が供給されることにより、上部電極30と下部電極18との間で高周波電界が生成される。生成された高周波電界がプラズマを生成する。
基板処理装置1は、電源70を備えている。電源70は、上部電極30に接続されている。電源70は内部空間10s内に存在する正イオンを天板34に引き込むための電圧を、上部電極30に印加する。
基板処理装置1は、制御部80を更に備え得る。制御部80は、プロセッサ、メモリなどの記憶部、入力装置、表示装置、信号の入出力インターフェイス等を備えるコンピュータであり得る。制御部80は、基板処理装置1の各部を制御する。制御部80では、入力装置を用いて、オペレータが基板処理装置1を管理するためにコマンドの入力操作等を行うことができる。また、制御部80では、表示装置により、基板処理装置1の稼働状況を可視化して表示することができる。さらに、記憶部には、制御プログラム及びレシピデータが格納されている。制御プログラムは、基板処理装置1で各種処理を実行するために、プロセッサによって実行される。プロセッサが、制御プログラムを実行し、レシピデータに従って基板処理装置1の各部を制御する。
<基板処理装置用構造物>
次に、天板34の構造について、図2を用いて説明する。図2は、一実施形態に係る基板処理装置1の天板34の一例を示す断面模式図である。
天板34は、天井電極板100と、プロテクションリング200と、冷却板300と、を有し、基板Wを支持する支持台14と対向する側に設けられている。なお、石英等の珪素含有化合物により形成され、内部空間10sに露出するインナーセル110、アウターセル120及び第1プロテクションリング210を基板処理装置用構造物とも称する。
天井電極板100は、インナーセル110と、アウターセル120と、を有している。インナーセル110は、石英等の珪素含有化合物により形成される円板状の部材であり、支持台14(図1参照)上方に配置される。インナーセル110は、電源70(図1参照)によって電圧が印加され、第1の上部電極部として機能する。インナーセル110は、内部空間10sに露出するフラット面110fを有する。アウターセル120は、石英等の珪素含有化合物により形成されるリング状の部材であり、インナーセル110の外周側に配置される。アウターセル120は、電源70(図1参照)によって電圧が印加され、第2の上部電極部として機能する。アウターセル120は、内部空間10sに露出するフラット面120f及びテーパ面120tを有する。なお、電源70(図1参照)は、インナーセル110及びアウターセル120に個別に電圧を印加することができるようになっている。これにより、天井電極板100(天板34)の電圧分布を調整することができる。また、天井電極板100は、内部空間10sに露出している表面(フラット面110f,120f、テーパ面120t)が所定の第1の粗さに調整されている。
プロテクションリング200は、石英等の珪素含有化合物により形成されるリング状の部材であり、アウターセル120の外周側に配置される。換言すれば、プロテクションリング200は、絶縁性の材料からなる部材32を支持台14から遠ざけるように設けられている。これにより、部材32から発生したパーティクルが支持台14に載置された基板Wのプロセスに影響を与えることを防止する。プロテクションリング200は、第1プロテクションリング210と、第2プロテクションリング220と、を有している。第1プロテクションリング210は、内部空間10sに露出している部品であり、例えば、メンテナンスの際に交換される部品である。第2プロテクションリング220は、内部空間10sに露出していない部品であり、例えば、第1プロテクションリング210よりも肉厚に形成され、メンテナンスの際に再利用される部品である。第1プロテクションリング210は、内部空間10sに露出するフラット面210f及びテーパ面210tを有する。また、プロテクションリング200は、内部空間10sに露出している表面(フラット面210f、テーパ面210t)が所定の第2の粗さに調整されている。
冷却板300は、支持体36(図1参照)と天井電極板100(インナーセル110、アウターセル120)との間に介在し、プラズマ処理中において天井電極板100を所定の温度に冷却する。
冷却板300は、インナーセル110と接する第1部材310と、アウターセル120と接する第2部材320と、第1部材310と第2部材320とを隔てる第3部材330と、を有している。
ここで、天井電極板100の内部空間10sに露出している表面の状態と、基板Wのエッチングレートとの関係について、図3を用いて説明する。図3は、天井電極板100の表面の状態と消費される処理ガスとの関係を説明する模式図である。なお、図3(a)では、天井電極板100の表面の粗さが小さい状態(例えば、算術平均粗さRa=0.02)を示す。図3(b)では、天井電極板100の表面の粗さが大きい状態(例えば、算術平均粗さRa=7.0)を示す。また、処理ガスとして、CF系ガス(図3では、CxFyとして表記する。)を用い、基板Wをエッチングする場合を例に説明する。
図3(a)に示す状態において、天井電極板100の表面積は、後述する図3(b)の状態よりも小さくなる。このため、天井電極板100の表面で消費される処理ガスは、後述する図3(b)の状態よりも少なくなる。結果、基板Wで消費される処理ガスが後述する図3(b)の状態よりも多くなる。よって、基板Wのエッチングレートは、後述する図3(b)の状態よりも高くなる。
一方、図3(b)に示す状態において、天井電極板100の表面積は、図3(a)の状態よりも大きくなる。このため、天井電極板100の表面で消費される処理ガスは、図3(a)の状態よりも多くなる。結果、基板Wで消費される処理ガスが図3(a)の状態よりも少なくなる。よって、基板Wのエッチングレートは、図3(a)の状態よりも低くなる。
図4は、基板処理装置1の第1の高周波電力の印加時間(RF印加時間)と基板Wのエッチングレートとの関係の一例を示すグラフである。ここでは、表面の粗さが小さい(例えば、算術平均粗さRa=0.02)天井電極板を用いて、基板処理装置1による基板Wのエッチングを行う。
図3で示したように、天井電極板の表面の粗さが小さい状態では、基板Wのエッチングレートは高くなる。また、基板処理装置1のRF印加時間が経過するにつれ、天井電極板100の表面が処理ガスによってエッチングされ、天井電極板100の表面の粗さが変化する。このため、図4に示すように、基板処理装置1のRF印加時間が時間T1未満の領域では、エッチングレートが大きく変動する。一方、基板処理装置1のRF印加時間が時間T1以上の領域では、処理ガスによって天井電極板100の表面がエッチングされていくものの、天井電極板100の表面の粗さの変動が小さくなり、エッチングレートが安定する。
実験結果を図5に示す。図5は、一実施形態に係る天井電極板100を用いた際のエッチングレートの変動と、参考例に係る天井電極板を用いた際のエッチングレートの変動と、を対比するグラフである。また、図5のグラフにおいて、横軸はRF印加時間を示し、縦軸はエッチングレートを示す。なお、縦軸の数値は、初期状態のエッチングレートを1として正規化した。また、実線は、一実施形態に係る天井電極板100を用いた際のエッチングレートを示し、破線は、参考例に係る天井電極板を用いた際のエッチングレートを示す。また、図5(a)は基板Wの酸化シリコン膜をエッチングした場合であり、図5(b)は基板Wの窒化シリコン膜をエッチングした場合である。
参考例では、表面の粗さが小さい(Ra=0.02)天井電極板100を用いた。これに対し、一実施形態では、表面の粗さが予め規定の粗さの範囲内(Ra=4.5~8.0)となるように粗した天井電極板100を用いた。
図5(a)に示すように、酸化シリコン膜のエッチングにおいて、参考例ではエッチングレートが4.5%変動した。これに対し、一実施形態ではエッチングレートが1.1%変動した。
図5(b)に示すように、窒化シリコン膜のエッチングにおいて、参考例ではエッチングレートが3.5%変動した。これに対し、一実施形態ではエッチングレートが0.7%変動した。
このように、一実施形態に係る天井電極板100では、参考例に係る天井電極板と比較して、酸化シリコン膜のエッチング及び窒化シリコン膜のエッチングのいずれにおいてもエッチングレートの変動を抑制できることが確認できた。
以上、一実施形態に係る基板処理装置1に用いられる基板処理装置用構造物は、天井電極板100(インナーセル110、アウターセル120)における内部空間10sに露出している表面の粗さと、第1プロテクションリング210における内部空間10sに露出している表面の粗さとが、異なっている。
また、天井電極板100における内部空間10sに露出している表面の粗さを、第1プロテクションリング210における内部空間10sに露出している表面の粗さよりも大きくすることが好ましい。これにより、天井電極板100の表面の粗さを大きくすることにより、エッチングレートの変動を抑制することができる。また、第1プロテクションリング210の表面の粗さを小さくすることにより、第1プロテクションリング210で消費される処理ガスを低減して、基板Wのエッチングレートの低下を抑制することができる。
なお、天井電極板100における内部空間10sに露出している表面において、算術平均粗さRaは4.5以上8.0以下とすることが好ましい。または、最大高さRzは25.0以上50.0以下とすることが好ましい。算術平均粗さRaが4.5未満、または、最大高さRzが25.0未満の場合、天井電極板100がエッチングされた際、天井電極板100の表面の粗さが変化し、エッチングレートが変動する。また、算術平均粗さRaが8.0より大きく、または、最大高さRzが50.0より大きい場合、天井電極板100の表面積が増えるため、基板Wで消費される処理ガスが減少し、基板Wのエッチングレートが低下する。よって、天井電極板100の表面の算術平均粗さRaが4.5以上8.0以下、または、最大高さRzが25.0以上50.0以下とすることにより、基板Wのエッチングレートを確保しつつ、エッチングレートの変動を抑制することができる。なお、天井電極板100は、研磨材による表面加工(例えば、サンドブラスト加工)によって、所望の粗さとすることができる。
同様に、第1プロテクションリング210における内部空間10sに露出している表面において、算術平均粗さRaは1.0以上2.5以下とすることが好ましい。または、最大高さRzは10.0以上15.0以下とすることが好ましい。算術平均粗さRaが1.0未満、または、最大高さRzが10.0未満の場合、加工コストが上昇する。また、算術平均粗さRaが2.5より大きく、または、最大高さRzが15.0より大きい場合、第1プロテクションリング210の表面積が増えるため、基板Wで消費される処理ガスが減少し、基板Wのエッチングレートが低下する。よって、第1プロテクションリング210の表面の算術平均粗さRaが1.0以上2.5以下、または、最大高さRzが10.0以上15.0以下とすることにより、基板Wのエッチングレートを確保することができる。なお、第1プロテクションリング210は、砥粒による表面加工(例えば、砂ずり加工)によって、所望の粗さとすることができる。
また、天井電極板100のテーパ面120tの粗さを、天井電極板100のフラット面110f,120fの粗さよりも大きくすることが好ましい。これにより、天井電極板100の加工コストを低減することができる。
以上、基板処理装置1の実施形態等について説明したが、本開示は上記実施形態等に限定されるものではなく、特許請求の範囲に記載された本開示の要旨の範囲内において、種々の変形、改良が可能である。
天井電極板100は、インナーセル110及びアウターセル120の2部材で構成される場合を例に説明したが、これに限られるものではない。天井電極板100は、1部材であってもよく、3部材以上あってもよい。また、インナーセル110とアウターセル120で、表面の粗さが異なっていてもよい。例えば、インナーセル110とアウターセル120で表面の粗さを異ならせることにより、基板Wの径方向におけるエッチングレートを調整することができる。
処理ガスは、CF系ガスに限られるものではなく、その他の処理ガスを用いてもよい。
また、処理ガスは、アルゴン、ヘリウム、クリプトン、キセノン等の希ガスが含まれていてもよい。内部空間10sに供給された希ガスは、主に第1の高周波電力により解離及び電離してプラズマとなる。プラズマ中には、希ガスイオンが含まれる。希ガスイオンは、電源70の印加電圧により、天井電極板100へ向かって移動し、天井電極板100に衝突することで、天井電極板100のシリコンがスパッタされる。このように、天井電極板100の表面は、エッチング及びスパッタにより粗さが変化し、第1プロテクションリング210の表面は、エッチングにより粗さが変化する。このため、天井電極板100の表面をエッチング及びスパッタによる粗さの変動に応じて予め第1の粗さへと粗し、第1プロテクションリング210の表面をエッチングによる粗さの変動に応じて予め第1の粗さとは異なる第2の粗さへと粗すことにより、基板Wのエッチングレートの変動を抑制することができる。
また、天井電極板100における内部空間10sに露出している表面の粗さを、第1プロテクションリング210における内部空間10sに露出している表面の粗さよりも大きくするものとして説明したが、これに限られるものではない。天井電極板100における内部空間10sに露出している表面の粗さを、第1プロテクションリング210における内部空間10sに露出している表面の粗さよりも小さくしてもよい。第1プロテクションリング210の表面の粗さを変更することにより、基板Wの外周部のエッチングレートを変更することができる。
W 基板
1 基板処理装置
10s 内部空間
14 支持台(支持体)
30 上部電極
32 部材
34 天板
36 支持体
38 ガス供給管
40 ガスソース群
42 バルブ群
44 流量制御器群
46 シールド
48 バッフルプレート
70 電源
80 制御部
100 天井電極板(電極板)
110 インナーセル(電極板、第1の電極板)
120 アウターセル(電極板、第1の電極板)
200 プロテクションリング(環状部材)
210 第1プロテクションリング(環状部材)
220 第2プロテクションリング
300 冷却板
310 第1部材
320 第2部材
330 第3部材
110f フラット面
120f フラット面
120t テーパ面
210f フラット面
210t テーパ面

Claims (11)

  1. 基板を支持する支持体と対向する側に設けられる基板処理装置用構造物であって、
    チャンバの内部空間に露出している表面が第1の粗さに調整された電極板と、
    前記電極板の外側にて、前記内部空間に露出している表面が第2の粗さに調整された環状部材と、を有し、
    前記第1の粗さと前記第2の粗さとが異なる、
    基板処理装置用構造物。
  2. 前記第1の粗さは、前記第2の粗さよりも大きい、
    請求項1に記載の基板処理装置用構造物。
  3. 前記電極板における前記内部空間に露出している表面は、フラット面及びテーパ面を有し、
    前記第1の粗さのうち、前記テーパ面の粗さは、前記フラット面の粗さよりも大きい、
    請求項1または請求項2に記載の基板処理装置用構造物。
  4. 前記電極板は、
    前記内部空間に露出している表面が前記フラット面を有する第1の電極板と、
    前記第1の電極板の外側にて、前記内部空間に露出している表面が前記テーパ面を有する第2の電極板と、に分割されている、
    請求項3に記載の基板処理装置用構造物。
  5. 前記第1の粗さは、算術平均粗さRaが4.5以上8.0以下である、
    請求項1乃至請求項4のいずれか1項に記載の基板処理装置用構造物。
  6. 前記第1の粗さは、最大高さRzが25.0以上50.0以下である、
    請求項1乃至請求項5のいずれか1項に記載の基板処理装置用構造物。
  7. 前記第2の粗さは、算術平均粗さRaが1.0以上2.5以下である、
    請求項1乃至請求項6のいずれか1項に記載の基板処理装置用構造物。
  8. 前記第2の粗さは、最大高さRzが10.0以上15.0以下である、
    請求項1乃至請求項7のいずれか1項に記載の基板処理装置用構造物。
  9. 前記電極板及び前記環状部材は、珪素含有化合物により形成される、
    請求項1乃至請求項8のいずれか1項に記載の基板処理装置用構造物。
  10. 前記電極板及び前記環状部材は、石英により形成される、
    請求項9に記載の基板処理装置用構造物。
  11. 請求項1乃至請求項10のいずれか1項に記載の基板処理装置用構造物を備える基板処理装置。
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