JP7262194B2 - 載置台及び基板処理装置 - Google Patents

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Description

本開示は、載置台及び基板処理装置に関するものである。
従来から、半導体ウエハ等の被処理基板に対してプラズマ処理等の基板処理を行う基板処理装置が知られている。このような基板処理装置では、被処理基板の温度制御を行うために、被処理基板が載置される載置面に沿って載置台の内部に冷媒流路が形成される。冷媒流路の天井面は、載置台の載置面側に配置され、冷媒流路の、天井面とは反対側の底面には、冷媒の導入口が設けられる。
特開2014-195047号公報
本開示は、被処理基板が載置される載置面の温度の均一性を向上することができる技術を提供する。
本開示の一態様による載置台は、被処理基板が載置される載置面を有する基板載置部材と、前記基板載置部材を支持する支持部材と、前記支持部材の内部に前記載置面に沿って形成され、前記載置面側に配置される天井面とは反対側の底面に、冷媒の導入口が設けられた冷媒流路と、少なくとも、前記天井面のうち前記導入口に対向する部分を覆う第1の面状部と、前記冷媒流路が湾曲する部分の内側面を覆う第2の面状部と、を有する断熱部材と、を有する。
本開示によれば、被処理基板が載置される載置面の温度の均一性を向上することができるという効果を奏する。
図1は、本実施形態に係る基板処理装置の構成を示す概略断面図である。 図2は、本実施形態に係る載置台の要部構成の一例を示す概略断面図である。 図3は、本実施形態に係る載置台を載置面側から見た平面図である。 図4は、本実施形態に係る断熱部材の設置態様の一例を示す平面図である。 図5は、本実施形態に係る断熱部材の設置態様の一例を示す断面模式図である。 図6は、本実施形態に係る断熱部材の構成の一例を示す斜視図である。 図7は、載置面の温度分布をシミュレーションした結果の一例を示す図である。 図8は、断熱部材の構成の変形例を示す斜視図である。
以下、図面を参照して種々の実施形態について詳細に説明する。なお、各図面において同一又は相当の部分に対しては同一の符号を附すこととする。
従来から、半導体ウエハ等の被処理基板に対してプラズマ処理等の基板処理を行う基板処理装置が知られている。このような基板処理装置では、被処理基板の温度制御を行うために、被処理基板が載置される載置面に沿って載置台の内部に冷媒流路が形成される。冷媒流路の天井面は、載置台の載置面側に配置され、冷媒流路の、天井面とは反対側の底面には、冷媒の導入口が設けられる。
ところで、載置台の内部に冷媒流路が形成される場合、冷媒流路を通流する冷媒の流速が局所的に増大することがある。例えば、冷媒流路の天井面のうち冷媒の導入口と対向する部分や、冷媒流路が湾曲する部分の内側面において、冷媒の流速が局所的に増大する。冷媒の流速が局所的に増大すると、冷媒と載置台との間の熱交換が局所的に促進されてしまう。結果として、載置台では、被処理基板が載置される載置面の温度の均一性が低下する虞がある。被処理基板が載置される載置面の温度の均一性の低下は、被処理基板の品質を悪化させる要因となり、好ましくない。
[プラズマ処理装置の構成]
最初に、基板処理装置について説明する。基板処理装置は、被処理基板に対してプラズマ処理を行う装置である。本実施形態では、基板処理装置を、ウエハに対してプラズマエッチングを行うプラズマ処理装置とした場合を例に説明する。
図1は、本実施形態に係る基板処理装置の構成を示す概略断面図である。基板処理装置100は、気密に構成され、電気的に接地電位とされた処理容器1を有している。処理容器1は、円筒状とされ、例えばアルミニウム等から構成されている。処理容器1は、プラズマが生成される処理空間を画成する。処理容器1内には、被処理基板である半導体ウエハ(以下、単に「ウエハ」という。)Wを水平に支持する載置台2が設けられている。載置台2は、基台2a及び静電チャック(ESC:Electrostatic chuck)6を含んでいる。静電チャック6は、基板載置部材に対応し、基台2aは、支持部材に対応する。
基台2aは、略円柱状に形成され、導電性の金属、例えばアルミニウム等で構成されている。基台2aは、下部電極としての機能を有する。基台2aは、支持台4に支持されている。支持台4は、例えば石英等からなる支持部材3に支持されている。基台2a及び支持台4の周囲には、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。
基台2aには、第1の整合器11aを介して第1のRF電源10aが接続され、また、第2の整合器11bを介して第2のRF電源10bが接続されている。第1のRF電源10aは、プラズマ発生用のものであり、この第1のRF電源10aからは所定の周波数の高周波電力が載置台2の基台2aに供給されるように構成されている。また、第2のRF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RF電源10bからは第1のRF電源10aより低い所定周波数の高周波電力が載置台2の基台2aに供給されるように構成されている。
静電チャック6は、上面が平坦な円盤状に形成され、当該上面がウエハWが載置される載置面6eとされている。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ウエハWが吸着されるよう構成されている。
また、静電チャック6の外側には、環状のエッジリング5が設けられている。エッジリング5は、例えば、単結晶シリコンで形成されており、基台2aに支持されている。なお、エッジリング5は、フォーカスリングとも呼ばれる。
基台2aの内部には、冷媒流路2dが形成されている。冷媒流路2dの一方の端部には、導入流路2bが接続され、他方の端部には、排出流路2cが接続されている。導入流路2b及び排出流路2cは、それぞれ冷媒入口配管2e及び冷媒出口配管2fを介して、図示しないチラーユニットに接続されている。冷媒流路2dは、ウエハWの下方に位置してウエハWの熱を吸熱するように機能する。基板処理装置100は、冷媒流路2dの中にチラーユニットから供給される冷媒、例えば冷却水やガルデンなどの有機溶剤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に構成されている。冷媒流路2d、導入流路2b、及び排出流路2cの構造については、後述される。
なお、基板処理装置100は、ウエハWの裏面側に冷熱伝達用ガスを供給して温度を個別に制御可能な構成としてもよい。例えば、載置台2等を貫通するように、ウエハWの裏面にヘリウムガス等の冷熱伝達用ガス(バックサイドガス)を供給するためのガス供給管が設けられてもよい。ガス供給管は、図示しないガス供給源に接続されている。これらの構成によって、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ウエハWを、所定の温度に制御する。
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が設けられている。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。
シャワーヘッド16は、処理容器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95を介して処理容器1の上部に支持される。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。
本体部16aは、内部にガス拡散室16cが設けられている。また、本体部16aは、ガス拡散室16cの下部に位置するように、底部に、多数のガス通流孔16dが形成されている。また、上部天板16b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16eが、上記したガス通流孔16d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に供給された処理ガスは、ガス通流孔16d及びガス導入孔16eを介して処理容器1内にシャワー状に分散されて供給される。
本体部16aには、ガス拡散室16cへ処理ガスを導入するためのガス導入口16gが形成されている。ガス導入口16gには、ガス供給配管15aの一端が接続されている。このガス供給配管15aの他端には、処理ガスを供給する処理ガス供給源(ガス供給部)15が接続される。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)15b、及び開閉弁V2が設けられている。ガス拡散室16cには、ガス供給配管15aを介して、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供給される。処理容器1内には、ガス拡散室16cからガス通流孔16d及びガス導入孔16eを介して、シャワー状に分散されて処理ガスが供給される。
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)71を介して可変直流電源72が電気的に接続されている。この可変直流電源72は、オン・オフスイッチ73により給電のオン・オフが可能に構成されている。可変直流電源72の電流・電圧ならびにオン・オフスイッチ73のオン・オフは、後述する制御部90によって制御される。なお、後述のように、第1のRF電源10a、第2のRF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90によりオン・オフスイッチ73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。
処理容器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。
処理容器1の底部には、排気口81が形成されている。排気口81には、排気管82を介して第1排気装置83が接続されている。第1排気装置83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処理容器1内を所定の真空度まで減圧することができるように構成されている。一方、処理容器1内の側壁には、ウエハWの搬入出口84が設けられており、この搬入出口84には、当該搬入出口84を開閉するゲートバルブ85が設けられている。
処理容器1の側部内側には、内壁面に沿ってデポシールド86が設けられている。デポシールド86は、処理容器1にエッチング副生成物(デポ)が付着することを防止する。このデポシールド86のウエハWと略同じ高さ位置には、グランドに対する電位が制御可能に接続された導電性部材(GNDブロック)89が設けられており、これにより異常放電が防止される。また、デポシールド86の下端部には、内壁部材3aに沿って延在するデポシールド87が設けられている。デポシールド86,87は、着脱自在とされている。
上記構成の基板処理装置100は、制御部90によって、その動作が統括的に制御される。この制御部90には、CPUを備え基板処理装置100の各部を制御するプロセスコントローラ91と、ユーザインターフェース92と、記憶部93とが設けられている。
ユーザインターフェース92は、工程管理者が基板処理装置100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、基板処理装置100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。
記憶部93には、基板処理装置100で実行される各種処理をプロセスコントローラ91の制御にて実現するための制御プログラム(ソフトウェア)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92からの指示等にて任意のレシピを記憶部93から呼び出してプロセスコントローラ91に実行させることで、プロセスコントローラ91の制御下で、基板処理装置100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、又は、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使用したりすることも可能である。
[載置台の構成]
次に、図2を参照して、載置台2の要部構成について説明する。図2は、本実施形態に係る載置台2の要部構成の一例を示す概略断面図である。
載置台2は、基台2a及び静電チャック6を有する。静電チャック6は、円板状に形成され、基台2aと同軸となるように基台2aに固定されている。静電チャック6の上面は、ウエハWが載置される載置面6eとされている。
基台2aの内部には、載置面6eに沿って冷媒流路2dが形成されている。基板処理装置100は、冷媒流路2dに冷媒を通流させることにより、載置台2の温度を制御可能に構成されている。
図3は、本実施形態に係る載置台2を載置面6e側から見た平面図である。冷媒流路2dは、例えば図3に示すように、基台2aの内部の、載置面6eに対応する領域に渦巻き状に湾曲して形成されている。これにより、基板処理装置100は、載置台2の載置面6e全域において、ウエハWの温度を制御することができる。
図2の説明に戻る。冷媒流路2dには、導入流路2b及び排出流路2cが載置面6eに対する裏面側から接続されている。導入流路2bは、冷媒流路2dに冷媒を導入し、排出流路2cは、冷媒流路2dを通流する冷媒を排出する。導入流路2bは、例えば、導入流路2bの延伸方向が冷媒流路2dを通流する冷媒の流れ方向に直交するように載置台2の載置面6eに対する裏面側から延伸し、冷媒流路2dに接続される。また、排出流路2cは、例えば、排出流路2cの延伸方向が冷媒流路2dを通流する冷媒の流れ方向に直交するように載置台2の載置面6eに対する裏面側から延伸し、冷媒流路2dに接続される。
冷媒流路2dの天井面2gは、載置面6eの裏面側に配置されている。冷媒流路2dの、天井面2gとは反対側の底面2hには、冷媒を導入するための導入口2iが設けられている。冷媒流路2dの導入口2iは、冷媒流路2dと導入流路2bとの接続部分を形成する。冷媒流路2dの導入口2iには、断熱性の材料により形成された断熱部材110が設けられている。断熱性の材料としては、例えば、樹脂、ゴム、セラミック及び金属等が挙げられる。
図4は、本実施形態に係る断熱部材110の設置態様の一例を示す平面図である。図5は、本実施形態に係る断熱部材110の設置態様の一例を示す断面模式図である。図6は、本実施形態に係る断熱部材110の構成の一例を示す斜視図である。なお、図4に示す構造は、図3に示す冷媒流路2dと導入流路2bとの接続部分(つまり、冷媒流路2dの導入口2i)近傍の構造に対応する。また、図5は、図4に示した基台2aのV-V線における断面図に対応する。
図4~図6に示すように、断熱部材110は、本体部112と、第1の面状部114と、第2の面状部116、117とを有する。本体部112は、冷媒流路2dの導入口2iに着脱自在に取り付けられ、第1の面状部114に接続している。本体部112は、本体部112が冷媒流路2dの導入口に取り付けられた状態で、本体部112を冷媒流路2dの底面2hに固定するための固定爪112aを有する。
第1の面状部114は、本体部112から延伸して、冷媒流路2dの天井面2gのうち少なくとも導入口2iと対向する部分を覆う。本実施形態では、第1の面状部114は、冷媒流路2dの天井面2gのうち導入口2iと対向する部分を冷媒の流れ方向(図4の矢印Fで示される方向)に所定のサイズだけ拡張して得られる所定部分Aを覆う。
第2の面状部116、117は、第1の面状部114から延伸して、冷媒流路2dが湾曲する部分の内側面(例えば、内側面2j-1や内側面2j-2)を覆う。本実施形態では、第2の面状部116は、所定部分Aに連続する内側面2j-1を覆い、第2の面状部117は、所定部分Aに連続する内側面2j-2を覆う。
ところで、載置台2の内部(つまり、基台2aの内部)に冷媒流路2dが形成される場合、冷媒流路2dを通流する冷媒の流速が局所的に増大することがある。例えば、冷媒流路2dの天井面2gのうち導入口2iと対向する部分や、冷媒流路2dが湾曲する部分の内側面(例えば、内側面2j-1や内側面2j-2)において、冷媒の流速が局所的に増大する。冷媒の流速が局所的に増大すると、冷媒と基台2aとの間の熱交換が局所的に促進されてしまう。結果として、載置台2では、ウエハWが載置される載置面6eの温度の均一性が損なわれる虞がある。
そこで、基板処理装置100では、冷媒流路2dの導入口2iに断熱部材110を設けている。すなわち、断熱部材110における第1の面状部114は、冷媒流路2dの天井面2gのうち少なくとも導入口2iと対向する部分を覆う。また、断熱部材110における第2の面状部116、117は、冷媒流路2dが湾曲する部分の内側面2j-1、2j-2を覆う。これにより、断熱部材110は、冷媒流路2dの天井面2gのうち導入口2iと対向する部分及び冷媒流路2dが湾曲する部分の内側面2j-1、2j-2を覆うことができるので、これらの領域において冷媒の流速の増大を抑制することができる。これにより、冷媒と基台2aとの間の熱交換が局所的に促進されることを抑制することができる。その結果、ウエハWが載置される載置面6eの温度の均一性を向上することができる。
[載置面の温度分布のシミュレーション]
図7は、載置面6eの温度分布をシミュレーションした結果の一例を示す図である。図7において、「比較例」は、冷媒流路2dの導入口2iに断熱部材110が設けられていない場合の温度分布を示している。また、図7において、「実施例」は、冷媒流路2dの導入口2iに断熱部材110が設けられた場合の温度分布を示している。なお、図7には、冷媒流路2dの導入口2iの位置が破線の円により示されている。
図7に示すように、冷媒流路2dの導入口2iに断熱部材110が設けられていない場合、載置面6eのうち冷媒流路2dの導入口2iに対応する領域の温度が、他の領域の温度よりも低下している。これは、冷媒流路2dの天井面2gのうち導入口2iと対向する部分や、冷媒流路2dが湾曲する部分の内側面2j-1、2j-2において、冷媒の流速が局所的に増大し、冷媒と基台2aとの間の熱交換が局所的に促進されたためであると考えられる。
これに対して、冷媒流路2dの導入口2iに断熱部材110が設けられた場合、載置面6eのうち冷媒流路2dの導入口2iに対応する領域の温度が、他の領域の温度と同程度の温度まで上昇している。すなわち、冷媒流路2dの導入口2iに断熱部材110が設けられた場合、冷媒流路2dの導入口2iに断熱部材110が設けられていない場合と比較して、載置面6eの温度の均一性が向上している。これは、断熱部材110が、冷媒流路2dの天井面2gのうち導入口2iと対向する部分及び冷媒流路2dが湾曲する部分の内側面2j-1、2j-2を覆うことで、これらの領域において冷媒と基台2aとの間の熱交換が抑制されたためであると考えられる。
以上、本実施形態に係る載置台2は、静電チャック6と、基台2aと、冷媒流路2dと、断熱部材110とを有する。静電チャック6は、ウエハWが載置される載置面6eを有する。基台2aは、静電チャック6を支持する。冷媒流路2dは、基台2aの内部に載置面6eに沿って形成され、載置面6e側に配置される天井面2gとは反対側の底面2hに、冷媒の導入口2iが設けられる。断熱部材110は、第1の面状部114と、第2の面状部116、117とを有する。第1の面状部114は、冷媒流路2dの天井面2gのうち少なくとも導入口2iと対向する部分を覆う。第2の面状部116、117は、冷媒流路2dが湾曲する部分の内側面2j-1、2j-2を覆う。これにより、本実施形態に係る載置台2は、ウエハWが載置される載置面6eの温度の均一性を向上することができる。
以上、実施形態について説明してきたが、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。
例えば、実施形態の断熱部材110において、第1の面状部114に溝が形成されてもよい。図8は、断熱部材110の構成の変形例を示す斜視図である。図8に示す第1の面状部114には、溝114aが形成されている。溝114aは、冷媒を滞留させる。溝114aに滞留された冷媒は、冷媒流路2dの天井面2gからの入熱により加熱されて高温となる。すなわち、溝114aは、加熱されて高温となった冷媒を滞留させることで、冷媒流路2dを通流する冷媒と基台2aとの間の熱交換をより抑制することができる。また、例えば、第2の面状部116、117に溝が形成されてもよい。要するに、第1の面状部及び第2の面状部の少なくともいずれか一方の面状部に、溝が形成されればよい。
また、実施形態では、冷媒流路2dの導入口2iに断熱部材110が設けられる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、断熱部材110は、取り付け可能な範囲で、冷媒流路2d内の任意の位置に設けられてもよい。例えば、断熱部材110は、冷媒流路2dが湾曲する部分の内側面2j-1、2j-2のみに設けられてもよい。この場合、断熱部材110は、冷媒流路2dが湾曲する部分の内側面2j-1、2j-2を覆う第2の面状部を有し、本体部112及び第1の面状部114は省略されてもよい。
また、実施形態では、載置台2の内部に形成された冷媒流路2dの導入口2iに断熱部材110が設けられる場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、上部電極としてのシャワーヘッド16に冷媒流路が形成される場合、シャワーヘッド16に形成された冷媒流路の導入口に断熱部材110が設けられても良い。これにより、シャワーヘッド16の、載置台2と対向する面の温度の均一性を向上することができる。
また、実施形態では、基板処理装置100がプラズマエッチングを行うプラズマ処理装置である場合を例に説明したが、これに限定されるものではない。例えば、基板処理装置100は、成膜や膜質の改善を行う基板処理装置であってもよい。
また、実施形態に係る基板処理装置100は、容量結合型プラズマ(CCP:Capacitively Coupled Plasma)を用いたプラズマ処理装置であったが、任意のプラズマ源がプラズマ処理装置に適用され得る。例えば、プラズマ処理装置に適用されるプラズマ源として、Inductively Coupled Plasma(ICP)、Radial Line Slot Antenna(RLSA)、Electron Cyclotron Resonance Plasma(ECR)、Helicon Wave Plasma(HWP)などが挙げられる。
1 処理容器
2 載置台
2a 基台
2b 導入流路
2d 冷媒流路
2g 天井面
2h 底面
2i 導入口
6 静電チャック
6e 載置面
100 基板処理装置
110 断熱部材
112 本体部
114 第1の面状部
114a 溝
116、117 第2の面状部
ウエハW

Claims (3)

  1. 被処理基板が載置される載置面を有する基板載置部材と、
    前記基板載置部材を支持する支持部材と、
    前記支持部材の内部に前記載置面に沿って形成され、前記載置面側に配置される天井面とは反対側の底面に、冷媒の導入口が設けられた冷媒流路と、
    少なくとも、前記天井面のうち前記導入口に対向する部分を覆う第1の面状部と、前記冷媒流路が湾曲する部分の内側面を覆う第2の面状部と、を有する断熱部材と、
    を有し、
    前記第1の面状部及び前記第2の面状部の少なくともいずれか一方の面状部に、溝が形成される、載置台。
  2. 前記断熱部材は、前記冷媒流路の前記導入口に着脱自在に取り付けられ、前記第1の面状部に接続する本体部をさらに有する、請求項1に記載の載置台。
  3. 被処理基板が載置される載置面を有する基板載置部材と、
    前記基板載置部材を支持する支持部材と、
    前記支持部材の内部に前記載置面に沿って形成され、前記載置面側に配置される天井面とは反対側の底面に、冷媒の導入口が設けられた冷媒流路と、
    少なくとも、前記天井面のうち前記導入口に対向する部分を覆う第1の面状部と、前記冷媒流路が湾曲する部分の内側面を覆う第2の面状部と、を有する断熱部材と、
    を有する載置台を具備し、
    前記第1の面状部及び前記第2の面状部の少なくともいずれか一方の面状部に、溝が形成される、基板処理装置。
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