JP7423410B2

JP7423410B2 - プラズマ処理方法

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Publication number: JP7423410B2
Application number: JP2020083209A
Authority: JP
Inventors: 俊介佐々木
Original assignee: Ulvac Inc
Current assignee: Ulvac Inc
Priority date: 2020-05-11
Filing date: 2020-05-11
Publication date: 2024-01-29
Anticipated expiration: 2040-05-11
Also published as: JP2021178984A

Description

本発明は、真空チャンバ内に配置されて被処理基板を支持するプラズマ処理装置用の基板ステージを用いたプラズマ処理方法に関する。

この種のプラズマ処理装置用の基板ステージとして、被処理基板が設置される金属製の基台にヒータ線を組み付けたものが一般に知られている。そして、真空チャンバ内でスパッタリング法による成膜処理やドライエッチング処理といったプラズマを利用した所定処理の際には、ヒータ線に通電してジュール熱により基台を加熱し、基台からの伝熱により被処理基板を室温より高い所定温度に加熱できるようになっている。また、プラズマを利用した処理の際に、被処理基板の設置面と背向する基台の下方にアシスト磁石を設置し、被処理基板を貫通して漏洩する磁場を形成し、被処理基板上方のプラズマ密度を高めることが知られている（例えば特許文献１参照）。

ここで、上記基板ステージにアシスト磁石を適用する場合、基台の加熱時にこの基台からの輻射や伝熱によりアシスト磁石が所定温度を超えて加熱されると、減磁してしまうという問題が生じる。このような場合、例えば、アシスト磁石を冷却する機構等を備えればよいが、これでは、部品点数が増加して装置構成が複雑になるばかりか、コストアップを招来する。

特開２０１３－７１０４号公報

本発明は、以上の点に鑑み、被処理基板の加熱と被処理基板を貫通して漏洩する磁場の形成とが両立できる簡単な構成のプラズマ処理装置用の基板ステージを利用するプラズマ処理方法を提供することをその課題とするものである。

上記課題を解決するために、本発明は、被処理基板が設置される基台を備えると共に基台にヒータ線が組み付けられたプラズマ処理装置用の基板ステージを真空チャンバ内に配置し、基台に被処理基板を設置し、真空チャンバ内に発生させたプラズマを利用して被処理基板に所定の処理を施すプラズマ処理方法であって、プラズマ処理装置用の基板ステージとして、被処理基板が設置される基台面内でその中心を通って互いに直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とし、ヒータ線は、ＸＹ平面の各象限にて同等の輪郭を持つ部分を有し、第１象限及び第２象限のヒータ線の各部分と第３象限及び第４象限のヒータ線の各部分とがＹ軸に対して線対称であり、第１象限及び第４象限のヒータ線の各部分と第２象限及び第３象限のヒータ線の各部分とに互いに逆向きの直流電流を夫々流す電源が設けられたものを真空チャンバ内に配置し、処理中に、電源が第１象限及び第４象限のヒータ線の各部分と第２象限及び第３象限のヒータ線の各部分とに流す直流電流を調整することで、基台に設置される被処理基板を貫通して漏洩する、５００Ａ／ｍ～５００００Ａ／ｍの範囲内の強度を持つ磁場を形成することを特徴とする。

本発明によれば、基台に被処理基板を設置した状態で電源によりヒータ線に直流電流を通電すると、ジュール熱により基台が加熱され、基台からの伝熱により被処理基板が室温より高い所定温度に加熱される。このとき、第１象限及び第４象限のヒータ線の各部分と第２象限及び第３象限のヒータ線の各部分とに互いに逆向きの直流電流が流れているため、第１象限及び第２象限のヒータ線の各部分との間、及び、第３象限及び第４象限のヒータ線の各部分との間に右ねじの法則に従って被処理基板を貫通して漏洩する磁場が形成される。その結果、部品点数の増加を招くことなく、簡単な構成で被処理基板の加熱と被処理基板を貫通して漏洩する磁場の形成とを両立できる。なお、ヒータ線は、第１象限～第４象限の各部分の自由端を互いに接続した１本のもので構成することができるが、例えば、同一方向に直流電流を流す第１象限及び第４象限の各部分と、第２象限及び第３象限の各部分とに分けて構成してもよい。また、各象限に、同等の輪郭を持つ部分を複数形成するように構成してもよい。このとき、各象限の各部分に独立して直流電流を流すように構成しておけば、例えば、被処理基板の面内温度分布を調整することと、磁場強度を調整することとを別々に実施でき、有利である。前記ヒータ線の各部分が円弧状の輪郭を持つような場合、前記円弧の半径が１ｃｍ～１０ｃｍの範囲に設定されることが好ましい。

本発明の実施形態の基板ステージを備えるスパッタリング装置を模式的に説明する図。基板ステージの基台に設けられるヒータ線を示す模式的平面図。ヒータ線の変形例を示す模式的平面図。ヒータ線の他の変形例を示す模式的平面図。

以下、図面を参照して、被処理基板をシリコンウエハ（以下「基板Ｓｗ」という）とし、基板Ｓｗの表面にスパッタリング法による成膜処理を施すスパッタリング装置に適用する場合を例に、本発明の基板ステージの実施形態について説明する。以下においては、後述の基台上面内でその中心４ｃを通って互いに直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とし、また、上、下といった方向を示す用語は、図１に示すスパッタリング装置ＳＭの設置姿勢を基準として説明する。

図１を参照して、ＳＭは、スパッタリング装置であり、スパッタリング装置ＳＭは、真空雰囲気を形成可能な真空チャンバ１を備える。真空チャンバ１には、ターボ分子ポンプやロータリーポンプなどからなる真空ポンプユニットＰｕに通じる排気管１１が接続され、真空チャンバ１内を所定圧力（例えば１×１０^－５Ｐａ）まで真空排気できるようにしている。真空チャンバ１の側壁には、スパッタガスのガス源１２に連通する、マスフローコントローラ１３等で構成される流量制御弁が介設されたガス管１４が接続され、流量制御されたスパッタガスを真空チャンバ１内に導入できるようになっている。スパッタガスには、放電用のアルゴンガス等の希ガスだけでなく、酸素ガスや窒素ガス等の反応ガスが含まれる。

真空チャンバ１の上部にはカソードユニットＣが取付けられている。カソードユニットＣは、成膜する薄膜に応じて適宜選択される材料製のターゲット２と、ターゲット２上方に配置される、基板Ｓｗ中心を回転中心として回転可能な磁石ユニット３とを有する。ターゲット２は、基板Ｓｗの輪郭に応じた形状（例えば平面視円形）を有し、スパッタ面２ａを下方に向けた姿勢でバッキングプレート２１に装着された状態で、絶縁体Ｉｏ１を介して真空チャンバ１側壁の上部に取り付けられている。ターゲット２には、ＤＣ電源や高周波電源等のスパッタ電源Ｐｓからの出力が接続され、スパッタリング時、負の電位を持つ直流電力や高周波電力をターゲット２に投入できるようになっている。磁石ユニット３としては、ターゲット２のスパッタ面２ａの下方空間に磁場を形成し、スパッタリング時にスパッタ面２ａの下方で電離した電子等を捕捉してターゲット２から飛散したスパッタ粒子を効率よくイオン化する公知の構造を有するものを利用できるため、ここでは詳細な説明を省略する。そして、真空チャンバ１の下部にターゲット２に対向させて本実施形態の基板ステージＳｔが配置されている。

図２も参照して、基板ステージＳｔは、絶縁体Ｉｏ２を介して真空チャンバ１下壁に設けられ、基板Ｓｗの輪郭に一致する上面を持つ基台４を備える。基台４は、熱伝導性を有する誘電体（例えばＡｌＮ製）で構成される。基台４にはバイアス電源Ｐｂからの出力が接続され、スパッタリング時、所定周波数の高周波電力を基台４に投入することができる。基台４にはまたヒータ線５が組み込まれている。ヒータ線５としては、タンタル、モリブデン、タングステン、ニッケルクロムや鉄クロムなどの材料製で所定径の線材をコイル状に巻回したものを利用することができる。この場合、ヒータ線５は１本で構成され、次のように基台４に組み込まれている。

即ち、Ｘ軸とＹ軸の座標平面の第１～第４の各象限Ｑ１～Ｑ４にて同等の略円形（円弧状）の輪郭を持つ部分５１ａ～５１ｄを有し、第１象限Ｑ１及び第２象限Ｑ２の各部分５１ａ，５１ｂと第３象限Ｑ３及び第４象限Ｑ４の各部分５１ｃ，５１ｄとがＹ軸に対して線対称となるように設けられる。この場合、第４象限Ｑ４の部分５１ｄと第１象限Ｑ１の部分５１ａの間、第１象限Ｑ１の部分５１ａと第３象限Ｑ３の部分５１ｃの間、並びに、第３象限Ｑ３の部分５１ｃと第２象限Ｑ２の部分５１ｂの間（即ち、各部分５１ａ～５１ｄの自由端の間）に位置するヒータ線５の部分５２ａ～５２ｅは線状となるようにしている。また、各部分５１ａ～５１ｄの半径ｒは１ｃｍ～１０ｃｍの範囲内に設定される。半径ｒが１ｃｍより小さいと、加熱による大きな熱膨張収縮が伴うヒータ線５がもともとの変形が大きいために破壊されてしまう一方で、１０ｃｍより大きいと、発生する磁場が非常に小さいという問題がある。

基台４から外部に延出するヒータ線５の両端５３ａ,５３ｂは、真空チャンバ１外に配置された直流電源６に接続され、ヒータ線５に通電すると、基台４がジュール熱で加熱され、基台４からの伝熱により基板Ｓｗを室温より高い所定温度に加熱することができる。このとき、第１象限Ｑ１及び第４象限Ｑ４の各部分５１ａ，５１ｄと第２象限Ｑ２及び第３象限Ｑ３の各部分５１ｂ，５１ｃとに互いに逆向きの直流電流が夫々流れるため、第１象限Ｑ１及び第２象限Ｑ２の各部分５１ａ，５１ｂとの間、及び、第３象限Ｑ３及び第４象限Ｑ４の各部分５１ｃ，５１ｄとの間に右ねじの法則に従って基板Ｓｗを貫通して漏洩する磁場が形成される。この場合、ヒータ線５への通電電流は、磁場の強度が５００Ａ／ｍ～５００００Ａ／ｍの範囲内となるように適宜調整される。

上記スパッタリング装置ＳＭは、マイクロコンピュータやシーケンサ等を備えた公知の制御手段を有し、マスフローコントローラ１３の稼働、真空ポンプユニットＰｕの稼働や、各種の電源Ｐｓ，６，Ｐｂの稼働等を統括制御するようにしている。以下、基板Ｓｗをシリコンウエハの表面に下地膜としてＰｔ膜／Ｔｉ膜が成膜されたものとし、この基板Ｓｗの表面にスパッタリング法によりＬｉＣｏＯ_２膜を成膜する場合を例に、上記スパッタリング装置ＳＭを用いたプラズマ処理方法について説明する。尚、下地膜（Ｐｔ膜／Ｔｉ膜）の成膜方法としては、スパッタリング方法等の公知の方法を用いることができるため、詳細な説明を省略する。

真空チャンバ１内に配置された基台４の上面に基板Ｓｗを設置し、真空チャンバ１内を所定圧力まで真空排気し、所定圧力に到達すると、真空チャンバ１内にアルゴンガスを所定流量で導入し、磁石ユニット３を回転させながら、スパッタ電源Ｐｓからターゲット２に負の電位を持つ直流電力や高周波電力を投入し、バイアス電源Ｐｂから基台４に高周波電力を投入する。すると、真空チャンバ１内にプラズマが形成され、プラズマ中のアルゴンイオンによりターゲット２がスパッタリングされ、ターゲット２から余弦側に従い飛散したスパッタ粒子が基板Ｓｗの表面に付着、堆積してＬｉＣｏＯ_２膜が成膜される。

スパッタリングによる成膜中、直流電源６からヒータ線５への通電により基台４が加熱され、基台４からの伝熱により基板Ｓｗが所定温度（例えば２００℃～４００℃）に加熱される。このとき、第１象限Ｑ１及び第４象限Ｑ４の各部分５１ａ，５１ｄと第２象限Ｑ２及び第３象限Ｑ３の各部分５１ｂ，５１ｃとに互いに逆向きの直流電流が流れるため、第１象限Ｑ１及び第２象限Ｑ２の各部分５１ａ，５１ｂとの間、及び、第３象限Ｑ３及び第４象限Ｑ４の各部分５１ｃ，５１ｄとの間に右ねじの法則に従って基板Ｓｗを貫通して漏洩する磁場が形成される。ここで、各部分５１ａ～５１ｄの半径をｒ（ｍ）、各部分５１ａ～５１ｄを流れる電流値をＩ（Ａ）とすると、磁場の強度Ｈ（Ａ／ｍ）は、Ｈ＝Ｉ／２ｒの式により求められる。このため、直流電源６から各部分５１ａ～５１ｄに流す直流電流を調整することで、５００Ａ／ｍ～５００００Ａ／ｍの範囲内の強度Ｈを持つ磁場を形成することができる。この磁場の作用により基板Ｓｗの中央領域上方のプラズマ密度を高めることができ、基板Ｓｗ面内で膜質の分布良くＬｉＣｏＯ_２膜を成膜することができる。

このように本実施形態によれば、基台４にアシスト磁石やその冷却機構を設ける必要がないため、部品点数の増加を招くことなく簡単な構成で基板Ｓｗの加熱と基板Ｓｗを貫通して漏洩する磁場の形成との両立が可能となる。

以上、本発明の実施形態について説明したが、本発明の技術思想の範囲を逸脱しない限り、種々の変形が可能である。上記実施形態では、各部分５１ａ～５１ｄが略円形（円弧状）の輪郭を持つ場合を例に説明したが、輪郭はこれに限定されることはなく、例えばコ字状の輪郭を持つように構成してもよい。この場合も、直流電源６から各部分に流す直流電流を適宜調整することで、５００Ａ／ｍ～５００００Ａ／ｍの範囲内の強度を持つ磁場を形成できる。

上記実施形態では、基台４にヒータ線５が内蔵されている場合を例に説明したが、ヒータ線５は基台４に組み付けられていればよく、例えば、基台４上面にヒータ線５が溶着等の公知の方法により設けられてもよい。

上記実施形態では、ヒータ線５を１本で構成する場合を例に説明したが、図３に示すように、同一方向に直流電流を流す第１象限Ｑ１及び第４象限Ｑ４の各部分５１ａ，５１ｄと、第２象限Ｑ２及び第３象限Ｑ３の各部分５１ｂ，５１ｃとに分けて２本で構成してもよい。また、上記実施形態では、各象限Ｑ１～Ｑ４に各部分５１ａ～５１ｄを夫々有しているが、第１象限Ｑ１及び第４象限Ｑ４の各部分と、第２象限Ｑ２及び第３象限Ｑ３の各部分とを夫々一体に形成してもよい。

ところで、各象限Ｑ１～Ｑ４に各部分（以下「第１部分」ともいう）５１ａ～５１ｄを夫々１つ有する場合、各部分５１ａ～５１ｄが基台中心４ｃ寄りに配置されることと相俟って、所望の磁場強度が得られるように直流電流を調整すると、基板Ｓｗの外周領域の加熱が不十分となり、基板Ｓｗの面内温度分布が悪化する可能性がある。そこで、図４に示す変形例では、基台４に３本のヒータ線５，５０ａ，５０ｂが組み込まれている。即ち、各象限Ｑ１～Ｑ４に、上記第１部分５１ａ～５１ｄに加えて、その外側に第２部分５４ａ～５４ｄが更に形成されている。第１象限Ｑ１及び第４象限Ｑ４のヒータ線５０ａの第２部分５４ａ，５４ｄと、第２象限Ｑ２及び第３象限Ｑ３のヒータ線５０ｂの第２部分５４ｂ，５４ｃとは、夫々一体に形成されて円弧状の輪郭を持つ。そして、基台４から外部に延出するヒータ線５０ａの両端５５ａ，５５ｂ、及びヒータ線５０ｂの両端５５ｃ，５５ｄが直流電源６０に接続され、ヒータ線５０ａ，５０ｂに通電すると、基板Ｓｗの特に外周領域を加熱できる。その結果、磁場強度の調整とは別に、基板Ｓｗの面内温度分布の調整を実施することができ、有利である。

上記実施形態では、プラズマ処理装置としてスパッタリング装置ＳＭを例に説明したが、ドライエッチング装置等の他のプラズマ処理装置に対しても本発明の基板ステージを適用することができる。ドライエッチング装置に適用する場合、基板中央領域のエッチングレートが高められてエッチングレートの面内均一性の調整を図ることができる。

ＳＭ…スパッタリング装置（プラズマ処理装置）、Ｓｔ…基板ステージ、Ｓｗ…基板（被処理基板）、２…ターゲット、４…基台、４ｃ…基台４の中心、５…ヒータ線、Ｑ１～Ｑ４…第１象限～第４象限、５１ａ～５１ｄ…同等の輪郭を持つ部分、ｒ…円弧の半径、６…直流電源（電源）。

Claims

被処理基板が設置される基台を備えると共に基台にヒータ線が組み付けられたプラズマ処理装置用の基板ステージを真空チャンバ内に配置し、基台に被処理基板を設置し、真空チャンバ内に発生させたプラズマを利用して被処理基板に所定の処理を施すプラズマ処理方法であって、
前記プラズマ処理装置用の基板ステージとして、被処理基板が設置される基台面内でその中心を通って互いに直交する二軸をＸ軸及びＹ軸とし、ヒータ線は、ＸＹ平面の各象限にて同等の輪郭を持つ部分を有し、第１象限及び第２象限のヒータ線の各部分と第３象限及び第４象限のヒータ線の各部分とがＹ軸に対して線対称であり、第１象限及び第４象限のヒータ線の各部分と第２象限及び第３象限のヒータ線の各部分とに互いに逆向きの直流電流を夫々流す電源が設けられたものを用い、
処理中に、前記電源が前記第１象限及び第４象限のヒータ線の各部分と前記第２象限及び第３象限のヒータ線の各部分とに流す直流電流を調整することで、基台に設置される被処理基板を貫通して漏洩する、５００Ａ／ｍ～５００００Ａ／ｍの範囲内の強度を持つ磁場を形成することを特徴とするプラズマ処理方法。
前記プラズマ処理装置用の基板ステージは、前記ヒータ線の各部分が円弧状の輪郭を持ち、前記円弧の半径が１ｃｍ～１０ｃｍの範囲に設定されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理方法。