KR101060774B1 - 전극 유닛, 기판 처리 장치 및 전극 유닛의 온도 제어 방법 - Google Patents

전극 유닛, 기판 처리 장치 및 전극 유닛의 온도 제어 방법 Download PDF

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Abstract

본 발명은 전극층의 전역을 적절하게 온도 제어할 수 있는 전극 유닛을 제공하는 것을 목적으로 한다. 플라즈마 에칭을 기판에 실시하는 처리실(17)을 구비하는 기판 처리 장치(10)는 반도체 웨이퍼(W)를 탑재하고 또한 처리실(17)내에 고주파 전압을 인가하는 서셉터(12)와 대향하도록 배치되어 있는 상부 전극 유닛으로서의 샤워헤드(29)를 구비하고, 해당 샤워헤드(29)는 처리실(17)측으로부터 차례로 배치된, 처리실(17)내에 노출되는 전극층(32), 가열층(33) 및 냉각층(34)을 갖고, 가열층(33)은 전극층(32)을 전면적으로 덮는 동시에, 냉각층(34)은 가열층(33)을 거쳐서 전극층(32)을 전면적으로 덮고, 가열층(33) 및 냉각층(34)의 사이에는 전열 가스가 충전되는 전열층(36)이 배치된다.

Description

전극 유닛, 기판 처리 장치 및 전극 유닛의 온도 제어 방법 {ELECTRODE UNIT, SUBSTRATE PROCESSING APPARATUS, AND TEMPERATURE CONTROL METHOD FOR ELECTROCDE UNIT}
본 발명은 전극 유닛, 기판 처리 장치 및 전극 유닛의 온도 제어 방법에 관한 것으로서, 특히, 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 기판 처리 장치의 전극 유닛에 관한 것이다．
반도체 웨이퍼(wafer)에 플라즈마(plasma) 처리를 실시하는 기판 처리 장치는 반도체 웨이퍼를 수용하는 챔버(chamber)와, 해당 챔버내에 배치되어 반도체 웨이퍼를 탑재하는 탑재대와, 해당 탑재대에 대향하도록 배치되어 챔버내에 프로세스 가스(process gas)를 공급하는 샤워헤드(shower head)를 구비한다. 탑재대는 고주파 전원이 접속되어 하부 전극 유닛으로서 기능하고, 샤워헤드는 원판형상의 전극층을 갖고 상부 전극 유닛으로서 기능한다. 기판 처리 장치에서는 탑재대 및 샤워헤드의 전극층의 사이에 고주파 전압이 인가되어 챔버내의 프로세스 가스가 여기(勵起)되고, 플라즈마가 발생한다.
전극층의 온도는 플라즈마 처리 결과의 분포에 영향을 주기 때문에, 플라즈마 처리 중, 전극층의 온도를 일정하게 유지할 필요가 있다. 그런데, 상부 전극 유닛의 전극층은 플라즈마로부터의 입열(入熱)에 의해서 온도가 상승하기 때문에 냉각할 필요가 있다. 그래서, 종래의 기판 처리 장치에서는 전극층의 주위를 둘러싸도록 냉매통로를 배치하고, 해당 냉매통로내에 냉매를 흘리는 것에 의해서 전극층을 냉각한다. 또한, 플라즈마 처리의 개시시에는 전극층의 온도가 낮은 경우가 있기 때문에, 해당 전극층을 가열할 필요가 있다. 그래서, 종래의 기판 처리 장치에서는 전극층의 주위를 둘러싸도록 히터를 배치하고, 전극층을 가열한다(예를 들면, 특허문헌 1 참조).
특허문헌 1: 일본국 특허공개공보 제2005-150606호
그런데, 근래, 플라즈마 에칭에 의해서 형성되는 홈(groove)의 폭이나 구멍직경의 요구값이 점점 작아지고, 플라즈마 처리 결과의 더욱 균일한 분포를 실현하는 것이 요구되고 있다.
그러나, 상술한 종래의 기판 처리 장치에서는 전극층을 둘러싸도록 냉매통로나 히터(heater)가 배치되기 때문에, 전극층의 주연(周緣)부는 적절하게 온도 제어되지만, 전극층의 중앙부는 적절하게 온도 제어가 되지 않고, 그 결과, 챔버내에 있어서 플라즈마 처리 결과의 더욱 균일한 분포를 실현하는 것이 곤란하다는 문제가 있다.
또한, 데포(deposit)는 온도가 낮은 부재에 부착되는 경향에 있지만, 임의의 반도체 웨이퍼의 플라즈마 처리 중에 전극층의 중앙부가 적절하게 온도 제어되지 않으면, 전극층의 중앙부의 온도가 낮은 채 유지되는 경우가 있고, 데포가 전극층의 중앙부에 부착된다. 해당 부착된 데포는 다른 반도체 웨이퍼의 플라즈마 처리 중에 박리(剝離)해서 파티클(particle)로 되고, 해당 다른 반도체 웨이퍼의 표면에 부착된다는 문제도 있다.
본 발명의 목적은 전극층의 전역(全域)을 적절하게 온도 제어할 수 있는 전극 유닛, 기판 처리 장치 및 전극 유닛의 온도 제어 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 목적을 달성하기 위해, 청구항 1 기재의 전극 유닛은 플라즈마에 의해서 기판을 처리하는 처리실을 구비하는 기판 처리 장치에 배치된 전극 유닛으로서, 상기 처리실측부터 차례로 배치된, 상기 처리실내에 노출되는 노출면 및 상기 노출면의 반대측에 마련된 반대면을 갖는 전극층, 가열층 및 냉각층을 갖고, 상기 가열층은 상기 전극층의 반대면을 덮는 동시에, 상기 냉각층은 상기 가열층을 거쳐서 상기 전극층의 반대면을 덮고, 상기 가열층 및 상기 냉각층의 사이에는 전열 매체가 충전되는 전열층이 배치되는 것을 특징으로 한다.
청구항 2 기재의 전극 유닛은 청구항 1 기재의 전극 유닛에 있어서, 상기 가열층은 상기 전극층의 반대면을 전면적으로 덮는 동시에, 상기 냉각층은 상기 가열층을 거쳐서 상기 전극층의 반대면을 전면적으로 덮는 것을 특징으로 한다.
청구항 3 기재의 전극 유닛은 청구항 1 기재의 전극 유닛에 있어서, 상기 기판 처리 장치는 상기 플라즈마를 생성하기 위해 상기 처리실내에 고주파 전압을 인가하는 다른 전극 유닛을 구비하고, 상기 전열층은 상기 다른 전극 유닛이 상기 고주파 전압의 인가를 중단하면, 상기 충전된 전열 매체를 배출하는 것을 특징으로 한다.
청구항 4 기재의 전극 유닛은 청구항 1 내지 3중 어느 한 항 기재의 전극 유닛에 있어서, 상기 전열 매체는 전열 가스인 것을 특징으로 한다.
청구항 5 기재의 전극 유닛은 청구항 4 기재의 전극 유닛에 있어서, 상기 전열 가스로서 플라즈마를 생성하기 위한 프로세스 가스(process gas)를 이용하는 것 을 특징으로 한다.
청구항 6 기재의 전극 유닛은 청구항 5 기재의 전극 유닛에 있어서, 상기 전극 유닛은 상기 처리실내에 상기 프로세스 가스를 공급하고, 상기 전열층은 상기 전극층의 주연(周緣)부 이외를 덮도록 형성되는 동시에 상기 처리실내와 복수의 가스 구멍을 거쳐서 연통되고, 상기 프로세스 가스는 상기 전열층에 공급되는 것을 특징으로 한다.
청구항 7 기재의 전극 유닛은 청구항 1 내지 3중 어느 한 항 기재의 전극 유닛에 있어서, 상기 전열 매체는 전열성의 액체인 것을 특징으로 한다.
청구항 8 기재의 전극 유닛은 청구항 1 기재의 전극 유닛에 있어서, 상기 전열 매체는 전열 시트(sheet)인 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 청구항 9 기재의 기판 처리 장치는 플라즈마에 의해서 기판을 처리하는 처리실과, 전극 유닛을 구비하고, 해당 전극 유닛은 상기 처리실측부터 차례로 배치된, 상기 처리실내에 노출되는 노출면 및 상기 노출면의 반대측에 마련된 반대면을 갖는 전극층, 가열층 및 냉각층을 갖고, 상기 가열층은 상기 전극층의 반대면을 덮는 동시에, 상기 냉각층은 상기 가열층을 거쳐서 상기 전극층의 반대면을 덮고, 상기 가열층 및 상기 냉각층의 사이에는 전열 매체가 충전되는 전열층이 배치되는 것을 특징으로 한다.
청구항 10 기재의 기판 처리 장치는 청구항 9의 기판 처리 장치에 있어서, 상기 가열층은 상기 전극층의 반대면을 전면적으로 덮는 동시에, 상기 냉각층은 상기 가열층을 거쳐서 상기 전극층의 반대면을 전면적으로 덮는 것을 특징으로 한다.
상기 목적을 달성하기 위해, 청구항 11 기재의 전극 유닛의 온도 제어 방법은 플라즈마에 의해서 기판을 처리하는 처리실을 구비하는 기판 처리 장치에 배치된 전극 유닛으로서, 상기 처리실측부터 차례로 배치된, 상기 처리실내에 노출되는 전극층, 가열층 및 냉각층을 갖고, 상기 가열층 및 상기 냉각층의 사이에 공간으로 이루어지는 전열층이 배치되는 전극 유닛의 온도 제어 방법으로서, 상기 기판 처리 장치가 구비하는 상기 플라즈마를 생성하기 위해 상기 처리실내에 고주파 전압을 인가하는 다른 전극 유닛에 의한 상기 고주파 전압의 인가의 개시에 따라 상기 전열층에 전열 매체를 충전하는 전극층 냉각 스텝(step)과, 상기 다른 전극 유닛에 의한 상기 고주파 전압의 인가의 중단에 따라 상기 전열층이 상기 충전된 전열 매체를 배출하는 전극층 보온(保溫) 스텝을 갖는 것을 특징으로 한다.
청구항 1 및 2 기재의 전극 유닛 및 청구항 9 및 10 기재의 기판 처리 장치에 따르면, 처리실내에 노출되는 전극층은 가열층에 의해서 전면적으로 덮이고 또한 해당 전극층은 가열층을 거쳐서 냉각층에 의해서 전면적으로 덮이는 경우, 전극층은 전역에 걸쳐 적극적으로 가열· 냉각 가능하고, 이것에 의해, 전극층의 전역을 적절하게 온도 제어할 수 있다. 또한, 가열층 및 냉각층이 직접 접하면 열팽창량 차에 의해서 가열층 및 냉각층이 마찰하여, 가열층이나 냉각층이 파손될 우려가 있지만, 가열층 및 냉각층의 사이에는 전열 매체가 충전되는 전열층이 배치되므로, 가열층 및 냉각층은 직접 접하는 일이 없고, 이것에 의해, 가열층이나 냉각층의 파 손을 방지할 수 있다.
청구항 3 기재의 전극 유닛에 따르면, 플라즈마를 생성하기 위해 처리실내에 고주파 전압을 인가하는 다른 전극 유닛이 고주파 전압의 인가를 중단하면, 전열층은 충전된 전열 매체를 배출하므로, 전열층은 전극층으로부터 냉각층에의 전열을 단절하는 단열층으로서 기능하고, 플라즈마로부터의 입열에 의해서 가열된 전극층의 온도를 높은 채로 유지할 수 있다. 그 결과, 전극층에 데포(deposit)의 부착을 방지할 수 있다.
청구항 4 기재의 전극 유닛에 따르면, 전열 매체는 전열 가스이므로, 전열층에 있어서의 전열 매체의 충전·배출을 신속하게 실행할 수 있고, 이로써, 스루풋을 향상시킬 수 있다.
청구항 5 기재의 전극 유닛에 따르면, 전열 가스로서 플라즈마를 생성하기 위한 프로세스 가스를 이용하므로, 전열 가스의 충전용의 가스 라인을 추가할 필요가 없고, 전극 유닛의 구성을 간소하게 할 수 있다. 또한, 전열 가스로서 프로세스 가스를 이용하면, 프로세스 가스가 처리실내에 공급되면 전열층에 프로세스 가스가 충전되고, 프로세스 가스가 처리실내로부터 배출되면 전열층으로부터 프로세스 가스가 배출되게 된다. 여기서, 통상은 다른 전극 유닛이 고주파 전압의 인가가 개시하면 프로세스 가스가 공급되고 또한 다른 전극 유닛이 고주파 전압의 인가를 중단하면 프로세스 가스가 배출되므로, 전열층에의 프로세스 가스의 충전 및 전열층으로부터의 프로세스 가스의 배출을 고주파 전압의 인가의 개시 및 중단과 동기시킬 수 있어, 전극층을 더욱 적절하게 온도 제어할 수 있다.
청구항 6 기재의 전극 유닛에 따르면, 처리실내와 복수의 가스 구멍을 거쳐서 연통하는 전열층은 전극층의 주연부 이외를 덮도록 형성되므로, 전열층에 프로세스 가스를 충전하면, 전열층은 전극층으로부터 냉각층으로의 전열을 실행할 뿐만 아니라, 전극층의 대략 전면에 걸쳐 프로세스 가스를 확산시키면서 처리실내에 프로세스 가스를 공급할 수 있고, 이로써, 플라즈마 처리 결과의 더욱 균일한 분포를 실현할 수 있다.
청구항 7 기재의 전극 유닛에 따르면, 전열 매체는 전열성의 액체이다. 전열성의 액체는 전열성이 높기 때문에, 냉각층에 의한 전극층의 냉각을 효과적으로 실행할 수 있다.
청구항 8 기재의 전극 유닛에 따르면, 전열 매체는 전열 시트이므로, 취급이 용이하고, 전극 유닛의 조립 등을 용이하게 실행할 수 있다.
청구항 11 기재의 전극 유닛의 온도 제어 방법에 따르면, 다른 전극 유닛에 의한 고주파 전압의 인가의 개시에 따라 전열층에 전열 매체를 충전(充塡)하고, 다른 전극 유닛에 의한 고주파 전압의 인가의 중단에 따라 전열층에 충전된 전열 매체를 배출하므로, 전극층이 플라즈마로부터의 입열(入熱)을 받고 있는 동안에는 전열층은 전극층으로부터 냉각층으로의 전열을 실행하고, 이로써, 전극층을 냉각해서 플라즈마 처리 결과의 균일한 분포를 실현하는 동시에, 전극층이 플라즈마로부터의 입열을 받지 않는 동안에는 전열층은 전극층으로부터 냉각층으로의 전열을 단절하는 단열층으로서 기능하고, 플라즈마로부터의 입열에 의해서 가열된 전극층의 온도를 높은 채로 유지할 수 있으며, 이것에 의해, 전극층에의 데포의 부착을 방지할 수 있다.
이하, 본 발명의 실시형태에 대해 도면을 참조하면서 설명한다.
우선, 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 전극 유닛(unit)에 대해 설명한다.
도 1은 본 실시형태에 관한 전극 유닛을 구비하는 기판 처리 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도이다. 이 기판 처리 장치는 기판으로서의 반도체 웨이퍼에 플라즈마 에칭(plasma etching)을 실시하도록 구성되어 있다.
도 1에 있어서, 기판 처리 장치(10)는 예를 들면, 직경이 300㎜의 반도체 웨이퍼(이하, 단지 「웨이퍼」라 함)(W)를 수용하는 챔버(chamber)(11)를 갖고, 해당 챔버(11)내에는 웨이퍼(W)를 탑재하는 원주형상의 서셉터(susceptor)(12)(다른 전극 유닛)가 배치되어 있다. 또한, 기판 처리 장치(10)에서는 챔버(11)의 내측벽과 서셉터(12)의 측면에 의해서, 서셉터(12) 위쪽의 가스를 챔버(11)의 밖으로 배출하는 유로로서 기능하는 측방(側方) 배기로(13)가 형성된다. 이 측방 배기로(13)의 도중에는 배기 플레이트(plate)(14)가 배치된다.
배기 플레이트(14)는 다수의 구멍을 갖는 판형상 부재이고, 챔버(11)를 상부와 하부로 칸막이하는 칸막이(partition)판으로서 기능한다. 배기 플레이트(14)에 의해서 칸막이된 챔버(11)의 상부(이하, 「처리실」이라 함)(17)에는 플라즈마가 발생한다. 또한, 챔버(11)의 하부(이하, 「배기실(매니폴드(manifold))」라 함)(18)에는 챔버(11)내의 가스를 배출하는 배기관(15)이 접속된다. 배기 플레이 트(14)는 처리실(17)에 발생하는 플라즈마를 포착(捕捉) 또는 반사해서 매니폴드(18)로의 누설을 방지한다.
배기관(15)에는 TMP(Turbo Molecular Pump) 및 DP(Dry Pump)(모두 도시하지 않음)가 접속되고, 이들 펌프는 챔버(11)내를 진공 배기해서 감압한다. 구체적으로는 DP는 챔버(11)내를 대기압으로부터 중진공 상태(예를 들면, 1.3×10Pa(0.1Torr) 이하)까지 감압하고, TMP는 DP와 협동해서 챔버(11)내를 중진공 상태보다 낮은 압력인 고진공 상태(예를 들면, 1.3×10-3Pa(1.0×10-5Torr) 이하)까지 감압한다. 또, 챔버(11)내의 압력은 APC 밸브(도시하지 않음)에 의해서 제어된다.
챔버(11)내의 서셉터(12)에는 하부 고주파 전원(19)이 하부 정합기(20)를 거쳐서 접속되어 있으며, 해당 하부 고주파 전원(19)은 소정의 고주파 전력을 서셉터(12)에 공급한다. 이것에 의해, 서셉터(12)는 처리실(17)내에 고주파 전압을 인가하는 하부 전극 유닛으로서 기능한다. 또한, 하부 정합기(20)는 서셉터(12)로부터의 고주파 전력의 반사를 저감해서 고주파 전력의 서셉터(12)로의 공급 효율을 최대로 한다.
서셉터(12)의 상부에는 정전 전극판(21)을 내부에 갖는 정전척(22)이 배치되어 있다. 정전척(22)은 세라믹(ceramic)으로 이루어지고, 임의의 직경을 갖는 하부 원판형상 부재의 위에, 해당 하부 원판형상 부재보다 직경이 작은 상부 원판형상 부재를 중첩한 형상을 띤다. 서셉터(12)에 웨이퍼(W)를 탑재할 때, 해당 웨이퍼(W)는 정전척(22)에 있어서의 상부 원판형상 부재의 위에 배치된다.
또한, 정전척(22)에서는 정전 전극판(21)에 직류 전원(23)이 전기적으로 접속되어 있다. 정전 전극판(21)에 정(+)의 직류 고전압이 인가되면, 웨이퍼(W)에 있어서의 정전척(22)측의 면(이하, 「이면」이라 함)에는 부(-)전위가 발생해서 정전 전극판(21) 및 웨이퍼(W)의 이면의 사이에 전위차가 생기고, 해당 전위차에 기인하는 쿨롱(Coulomb)력 또는 죤슨·라벡(Johnsen-Rahbek)력에 의해, 웨이퍼(W)는 정전척(22)에 있어서의 상부 원판형상 부재의 위에 있어서 흡착 유지된다.
또한, 정전척(22)에는 흡착 유지된 웨이퍼(W)를 둘러싸도록, 원환 형상의 포커스 링(focus ring)(24)이 탑재된다. 포커스 링(24)은 도전성 부재 예를 들면 실리콘으로 이루어지고, 처리실(17)에 있어서 플라즈마를 웨이퍼(W)의 표면을 향해 t수속(收束)하고, 플라즈마 에칭의 효율을 향상시킨다.
또한, 서셉터(12)의 내부에는 예를 들면, 원주방향으로 연장하는 환상의 냉매실(25)이 마련된다. 이 냉매실(25)에는 칠러(chiller) 유닛(도시하지 않음)으로부터 냉매용 배관(26)을 거쳐서 저온의 냉매 예를 들면 냉각수나 가루덴(Galden)(등록상표)이 순환 공급된다. 해당 저온의 냉매에 의해서 냉각된 서셉터(12)는 정전척(22)을 거쳐서 웨이퍼(W) 및 포커스 링(24)을 냉각한다.
정전척(22)에 있어서의 상부 원판형상 부재 상면의 웨이퍼(W)가 흡착 유지되는 부분(이하, 「흡착면」이라 함)에는 복수의 전열 가스 공급 구멍(27)이 개구되어 있다. 이들 복수의 전열 가스 공급 구멍(27)은 전열 가스로서의 헬륨(He) 가스를, 전열 가스 공급 구멍(27)을 거쳐서 흡착면 및 웨이퍼(W)의 이면의 간극(間隙)에 공급한다. 흡착면 및 웨이퍼(W)의 이면의 간극에 공급된 헬륨 가스는 웨이퍼(W) 의 열을 정전척(22)에 효과적으로 전달한다.
챔버(11)의 천장부에는 서셉터(12)와 대향하도록 샤워헤드(shower head)(29)(전극 유닛)가 배치되어 있다. 샤워헤드(29)에는 상부 정합기(30)를 거쳐서 상부 고주파 전원(31)이 접속되어 있고, 상부 고주파 전원(31)은 소정의 고주파 전력을 샤워헤드(29)에 공급하므로, 샤워헤드(29)는 처리실(17)내에 고주파 전압을 인가하는 상부 전극 유닛으로서 기능한다. 또, 상부 정합기(30)의 기능은 상술한 하부 정합기(20)의 기능과 동일하다.
도 2는 도 1에 있어서의 샤워헤드를 나타내는 확대 단면도이다.
도 2에 있어서, 샤워헤드(29)는 도전체 예를 들면 알루미늄으로 이루어지는 원판형상의 전극층(32)과, 절연체 예를 들면 세라믹으로 이루어지는 원판형상의 가열층(33)과, 절연막으로 피복된 도전체 예를 들면 알루마이트(alumite)로 피복된 알루미늄으로 이루어지는 원판형상의 냉각층(34)과, 지지체(35)를 갖는다. 전극층(32)은 처리실(17)내에 노출되고, 전극층(32), 가열층(33) 및 냉각층(34)은 이 차례로 처리실(17)측부터 배치되고, 전극층(32), 가열층(33) 및 냉각층(34)은 지지체(35)에 의해서 지지된다.
가열층(33) 및 냉각층(34)의 직경은 전극층(32)의 직경과 동일하기 때문에, 가열층(33)은 전극층(32)을 전면적으로 덮고, 냉각층(34)은 가열층(33)을 거쳐서 전극층(32)을 전면적으로 덮는다. 또, 가열층(33)이나 냉각층(34)의 직경은 전극층(32)의 직경과 동일할 필요는 없으며, 가열층(33)이나 냉각층(34)의 직경이 전극층(32)의 직경보다 커도 좋다. 이 때에도 가열층(33)이나 냉각층(34)은 전극층(32) 을 전면적으로 덮을 수 있다.
가열층(33)은 전열선(38)으로 이루어지는 히터를(heater) 내장한다. 히터를 구성하는 전열선(38)은 예를 들면, 도 3a 내지 도 3d에 나타내는 바와 같이, 가열층(33)의 전역(全域)에 걸쳐서 배치된다. 그 결과, 가열층(33)은 히터에 의해서 전면적으로 발열하고, 전극층(32)을 전역에 걸쳐 가열한다.
냉각층(34)은 냉각 매체가 흐르는 냉각로(39)를 내장한다. 냉각로(39)는 냉각층(34)의 전역에 걸쳐 배치된다. 그 결과, 냉각층(34)은 냉각로(39)에 의해서 전면적으로 흡열하고, 전극층(32)을 전역에 걸쳐 냉각한다.
샤워헤드(29)에서는 전극층(32)이 온도 센서(도시하지 않음)를 갖고, 해당 온도 센서의 측정온도 결과에 의거하여 가열층(33)의 발열량이나 냉각층(34)의 흡열량이 제어되고, 이것에 의해, 전극층(32)의 온도가 제어된다.
또한, 샤워헤드(29)는 가열층(33) 및 냉각층(34)의 사이에 개재하는 원판형상의 공간으로 이루어지는 전열층(36)을 갖는다. 해당 전열층(36)에는 전열 매체로서 전열 가스 예를 들면 헬륨 가스가 충전된다. 전열 가스의 충전은 외부의 전열 가스 공급 장치(도시하지 않음)가 실행하고, 또한 전열층(36)에 충전된 전열 가스는 외부의 전열 가스 배기 장치(도시하지 않음)가 배출한다.
전열층(36)에 전열 가스가 충전되었을 때, 전열층(36)은 열을 전달하기 때문에, 냉각층(34)은 전열층(36) 및 가열층(33)을 거쳐서 전극층(32)의 열을 흡열할 수 있고, 이로써 전극층(32)을 냉각할 수 있다. 또한, 전열층(36)으로부터 전열 가스가 배출되었을 때, 전열층(36)은 열을 전달하지 않기 때문에, 냉각층(34)은 전극 층(32)의 열을 흡열할 수 없고, 그 결과, 전극층(32)을 냉각할 일이 없다. 즉, 전열층(36)은 전열 가스의 충전·배출을 실행하는 것에 의해서 전극층(32)의 온도를 제어할 수 있다. 특히, 전극층(32)이 플라즈마로부터 열을 받지 않게 되고 또한 가열층(33)이 발열하지 않을 때에 전열 가스를 배출하는 것에 의해서 전극층(32)의 온도를 높은 상태(예를 들면, 200℃)로 유지할 수 있다.
또한, 전열 가스는 확산성이 강하기 때문에, 전열층(36)내에 있어서 전역에 분포한다. 또한, 전열층(36)에 노출된 가열층(33)이나 냉각층(34)의 표면 상태에 관계없이, 전열 가스는 가열층(33)이나 냉각층(34)의 표면에 균일하게 접촉한다. 따라서, 전열층(36)의 전열 성능은 전역에 걸쳐 대략 동일하다.
그런데, 가열층(33) 및 냉각층(34)이 직접 접해서 배치되게 되는 경우, 전극층(32)의 온도 제어를 실행할 때, 가열층(33)은 팽창하는 한편, 냉각층(34)은 수축한다. 그 결과, 가열층(33) 및 냉각층(34)의 열팽창량 차가 커져, 가열층(33) 및 냉각층(34)은 상대적으로 이동해서 서로 마찰한다고 고려된다.
샤워헤드(29)는 이것에 대응해서 상술한 전열층(36)을 갖는다. 해당 전열층(36)은 가열층(33) 및 냉각층(34)의 사이에 개재되므로, 샤워헤드(29)에서는 가열층(33) 및 냉각층(34)이 직접 접하는 일이 없다.
지지체(35)는 버퍼(buffer)실(40)을 내장하고, 해당 버퍼실(40)에는 프로세스 가스 도입관(41)이 접속되어 있다. 버퍼실(40)은 가열층(33)이나 냉각층(34)에 마련된 복수의 가스 구멍(도시하지 않음) 및 전극층(32)에 마련된 복수의 가스 구멍(42)을 거쳐서 처리실(17)내와 연통된다. 그리고, 샤워헤드(29)는 프로세스 가스 도입관(41)으로부터 버퍼실(40)에 공급된 프로세스 가스를, 가스 구멍(42) 등을 거쳐서 처리실(17)내에 공급한다.
이 기판 처리 장치(10)에서는 서셉터(12) 및 샤워헤드(29)에 고주파 전력을 공급하여, 처리실(17)내에 고주파 전압을 인가하는 것에 의해, 해당 처리실(17)내에 있어서 샤워헤드(29)로부터 공급된 프로세스 가스를 고밀도의 플라즈마로 해서 웨이퍼(W)에 플라즈마 에칭을 실시한다.
상술한 기판 처리 장치(10)의 각 구성부품의 동작은 기판 처리 장치(10)가 구비하는 제어부(도시하지 않음)의 CPU가 제어한다.
본 실시형태에 관한 전극 유닛으로서의 샤워헤드(29)에 의하면, 처리실(17)내에 노출되는 전극층(32)은 가열층(33)에 의해서 전면적으로 덮이고 또한 전극층(32)은 가열층(33)을 거쳐서 냉각층(34)에 의해서 전면적으로 덮이므로, 전극층(32)은 전역에 걸쳐서 적극적으로 가열·냉각 가능하고, 이로써, 전극층(32)의 전역을 적절하게 온도 제어할 수 있다. 이것에 의해, 플라즈마 에칭 중, 챔버(11)내에 있어서 플라즈마 처리 결과의 균일한 분포를 실현할 수 있고, 또한, 전극층(32)의 중앙부에 데포의 부착을 방지할 수 있다.
상술한 샤워헤드(29)에서는 가열층(33) 및 냉각층(34)의 사이에는 전열 가스가 충전되는 전열층(36)이 배치되므로, 가열층(33) 및 냉각층(34)이 직접 접하는 일이 없고, 그 결과, 가열층(33) 및 냉각층(34)의 열팽창량 차에 의해서 가열층(33) 및 냉각층(34)이 마찰하는 일이 없어, 가열층(33)이나 냉각층(34)의 파손을 방지할 수 있다.
또한, 상술한 샤워헤드(29)에서는 전열층(36)에 충전되는 전열 매체로서 전열 가스가 이용되므로, 전열층(36)에 있어서의 전열 매체의 충전·배출을 신속하게 실행할 수 있고, 이로써, 스루풋(throughput)을 향상시킬 수 있다.
다음에, 본 발명의 실시형태에 관한 전극 유닛의 온도 제어 방법에 대해 설명한다.
도 4는 본 실시형태에 관한 전극 유닛의 온도 제어 방법의 흐름도이다.
우선, 기판 처리 장치(10)의 CPU가 1로트(lot)분의 웨이퍼(W)의 플라즈마 에칭이 종료되었는지 아닌지를 판별하고(스텝 S41), 종료되어 있는 경우에는 본 처리를 종료하고, 종료되어 있지 않은 경우에는 챔버(11)내에 웨이퍼(W)를 반입해서 서셉터(12)에 탑재한다(스텝 S42).
다음에, 샤워헤드(29)가 처리실(17)내에 프로세스 가스를 공급하고, 전열 가스 공급 장치가 전열층(36)에 전열 가스를 충전하고(스텝 S43)(전극층 냉각 스텝), 서셉터(12) 및 샤워헤드(29)가 처리실(17)내에 고주파 전압을 인가해서 프로세스 가스로부터 플라즈마를 생성하고, 이것에 의해, 웨이퍼(W)의 플라즈마 에칭을 개시한다(스텝 S44). 그 후, 플라즈마 에칭은 소정 시간에 걸쳐서 계속되지만, 이 때, 냉각층(34)은 전열층(36) 및 가열층(33)을 거쳐서 전극층(32)을 냉각 가능하게 되기 때문에, 가열층(33) 및 냉각층(34)은 전극층(32)의 온도 센서에 의한 온도 센서의 측정온도 결과에 의거하여 전극층(32)의 온도를 제어한다.
다음에, 소정 시간의 플라즈마 에칭 후, 서셉터(12) 및 샤워헤드(29)가 처리실(17)내로의 고주파 전압의 인가를 중단해서 플라즈마 에칭을 종료하고(스텝 S45), 배기관(15)이 매니폴드(18)를 거쳐서 처리실(17)내로부터 나머지의 프로세스 가스를 배출하고, 전열 가스 배기 장치가 전열층(36)으로부터 충전된 전열 가스를 배출한다(스텝 S46)(전극층 보온(保溫) 스텝). 이것에 의해, 이후, 냉각층(34)은 전극층(32)을 냉각하는 일이 없으며, 전극층(32)의 온도가 높은 채로 유지된다.
다음에, 챔버(11)로부터 플라즈마 에칭이 실시된 웨이퍼(W)를 반출하고(스텝 S47), 스텝 S41로 되돌린다.
또, 도 4의 온도 제어 방법에서는 전열층(36)으로의 전열 가스의 충전후에 고주파 전압의 인가를 개시하고, 고주파 전압의 인가의 중단후에 전열층(36)으로부터 전열 가스를 배출했지만, 전열층(36)으로의 전열 가스의 충전전에 고주파 전압의 인가를 개시해도 좋고, 또한 고주파 전압의 인가의 중단전에 전열층(36)으로부터 전열 가스를 배출해도 좋다.
도 4의 전극 유닛의 온도 제어 방법에 의하면, 서셉터(12) 및 샤워헤드(29)에 의한 고주파 전압의 인가의 개시에 따라 전열층(36)에 전열 가스를 충전하고, 서셉터(12) 및 샤워헤드(29)에 의한 고주파 전압의 인가의 중단에 따라 전열층(36)에 충전된 전열 가스를 배출하므로, 전극층(32)이 플라즈마로부터의 입열을 받고 있는 동안에는 전열층(36)은 전극층(32)으로부터 냉각층(34)으로의 전열을 실행하고, 이로써, 전극층(32)을 냉각해서 플라즈마 처리 결과의 균일한 분포를 실현하는 동시에, 전극층(32)이 플라즈마로부터의 입열을 받지 않는 동안에는 전열층(36)은 전극층(32)으로부터 냉각층(34)으로의 전열을 단절하는 단열층으로서 기능하며, 플라즈마로부터의 입열에 의해서 가열된 전극층(32)의 온도를 높은 채로 유지할 수 있으며, 이것에 의해, 전극층(32)으로의 데포(deposit)의 부착을 방지할 수 있다.
다음에, 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 전극 유닛에 대해 설명한다.
본 실시형태는 그 구성, 작용이 상술한 제 1 실시형태와 기본적으로 동일하므로, 중복된 구성, 작용에 대해서는 설명을 생략하고, 이하에 다른 구성, 작용에 대한 설명을 실행한다.
본 실시형태에 관한 전극 유닛으로서의 샤워헤드(29)에서는 전열층(36)에 전열 가스가 아닌 프로세스 가(process gas)스가 충전된다. 또한, 기판 처리 장치(10)는 전열 가스 공급 장치나 전열 가스 배기 장치를 구비하는 일이 없고, 프로세스 가스 도입관(41)이 전열층(36)에 접속되는 동시에, 해당 전열층(36)은 개폐 자유로운 밸브(도시하지 않음)를 거쳐서 매니폴드(18)에 연통된다. 여기서, 프로세스 가스도 어느 정도의 전열성을 갖기 때문에, 전열층(36)에 프로세스 가스가 충전되었을 때, 전열층(36)은 열을 전달하고, 이로써, 전열층(36)은 전극층(32)을 냉각할 수 있다.
본 실시형태에 관한 샤워헤드(29)에서는 전열 가스의 충전용의 가스 라인(gas line)을 추가할 필요가 없고, 샤워헤드(29)의 구성을 간소하게 할 수 있다.
도 5는 본 실시형태에 관한 전극 유닛의 온도 제어 방법의 흐름도이다.
우선, 도 4의 스텝 S41, S42를 실행한 후, 샤워헤드(29)가 처리실(17)내에 프로세스 가스를 공급하고, 서셉터(12) 및 샤워헤드(29)가 처리실(17)내에 고주파 전압을 인가해서 프로세스 가스로부터 플라즈마를 생성하고, 이것에 의해, 웨이퍼(W)의 플라즈마 에칭을 개시하지만, 이 때, 프로세스 가스 도입관(41)은 버퍼 실(40) 뿐만 아니라 전열층(36)에도 프로세스 가스를 공급하기 때문에, 해당 전열층(36)에 프로세스 가스가 충전된다(스텝 S51). 이것에 의해, 이후, 전열층(36)은 열을 전달할 수 있다.
다음에, 소정 시간의 플라즈마 에칭 후, 서셉터(12) 및 샤워헤드(29)가 처리실(17)내에 고주파 전압의 인가를 중단해서 플라즈마 에칭을 종료하고, 배기관(15)이 매니폴드(18)를 거쳐서 처리실(17)내로부터 나머지의 프로세스 가스를 배출하지만, 이 때, 상기 개폐 자유로운 밸브가 열려 전열층(36)에 충전된 프로세스 가스가 매니폴드(18)를 거쳐서 배출된다(스텝 S52). 이것에 의해, 이후, 전열층(36)은 단열층으로서 기능한다.
다음에, 챔버(11)로부터 플라즈마 에칭이 실시된 웨이퍼(W)를 반출하고(스텝 S47), 스텝 S41로 되돌린다.
도 5의 전극 유닛의 온도 제어 방법에 의하면, 프로세스 가스가 처리실(17)내에 공급되면 전열층(36)에 프로세스 가스가 충전되고, 프로세스 가스가 처리실(17)내로부터 배출되면 전열층(36)으로부터 프로세스 가스가 배출되게 된다. 이것에 의해, 전열층(36)에 프로세스 가스의 충전 및 전열층(36)으로부터의 프로세스 가스의 배출을 고주파 전압의 인가의 개시 및 중단과 동기시킬 수 있고, 전극층(32)을 더욱 적절하게 온도 제어할 수 있다.
상술한 본 실시형태에 관한 샤워헤드(29)에서는 지지체(35)가 전열층(36)과는 별도로 프로세스 가스의 도입실로서 버퍼실(40)을 갖지만, 전열층(36)과 버퍼실(40)을 일체화해도 좋다. 이것에 의해, 샤워헤드(29)의 구성을 간소화할 수 있 다.
또한, 이 경우, 도 6에 나타내는 바와 같이, 지지체(35)의 버퍼실(40)을 폐지하고, 전열층(36)을 복수의 가스 구멍(가열층(33)의 가스 구멍(도시하지 않음)이나 가스 구멍(42))을 거쳐서 처리실(17)내에 연통시키고, 또한 전열층(36)의 직경을 전극층(32)의 직경보다 약간 작게하여, 전열층(36)이 전극층(32)의 주연부 이외를 덮도록 설정한다.
이것에 의해, 전열층(36)에 프로세스 가스를 충전하면, 전열층(36)은 전극층(32)으로부터 냉각층(34)으로의 전열을 실행할 뿐만 아니라, 전극층(32)의 대략 전면에 걸쳐 프로세스 가스를 확산시키면서 처리실(17)내에 프로세스 가스를 공급할 수 있고, 이로써, 플라즈마 처리 결과의 더욱 균일한 분포를 실현할 수 있다.
상술한 각 실시형태에서는 전열층(36)에 전열 매체로서 가스(전열 가스나 프로세스 가스)를 충전했지만, 전열 매체로서 전열성의 액체, 예를 들면 젤(gel) 형상의 물질을 이용해도 좋고, 또는 전열 시트(sheet)를 이용해도 좋다. 전열성의 액체는 일반적으로 전열 가스보다도 전열성이 높기 때문에, 냉각층(34)에 의한 전극층(32)의 냉각을 효과적으로 실행할 수 있다. 또한, 전열 시트는 취급이 용이하기 때문에, 샤워헤드(29)의 조립 등을 용이하게 실행할 수 있다.
상술한 샤워헤드(29)는 반도체 웨이퍼에 에칭 처리를 실시하는 기판 처리 장치(10)에 적용되었지만, 샤워헤드(29)와 마찬가지의 구성을 갖는 샤워헤드는 LCD(Liquid Crystal Display)나 FPD(Flat Panel Display) 등의 유리 기판에 플라즈마 처리를 실시하는 기판 처리 장치에도 적용할 수 있다.
도 1은 본 발명의 제 1 실시형태에 관한 전극 유닛을 구비하는 기판 처리 장치의 구성을 개략적으로 나타내는 단면도.
도 2는 도 1에 있어서의 샤워헤드를 나타내는 확대 단면도.
도 3a 내지 도 3d는 도 1에 있어서의 가열층이 내장하는 히터를 구성하는 전열선의 배선 상황을 나타내는 도면으로서, 도 3a는 본 실시형태에 있어서의 일예이고, 도 3b는 제 1 변형예이며, 도 3c는 제 2 변형예이고, 도 3d는 제 3 변형예.
도 4는 본 실시형태에 관한 전극 유닛의 온도 제어 방법의 흐름도.
도 5는 본 발명의 제 2 실시형태에 관한 전극 유닛의 온도 제어 방법의 흐름도.
도 6은 본 실시형태에 관한 전극 유닛으로서의 샤워헤드의 변형예를 나타내는 확대 단면도.
부호의 설명
W 웨이퍼
10 기판 처리 장치
11 챔버
12 서셉터
17 처리실
19, 31 고주파 전원
29 샤워헤드
32 전극층
33 가열층
34 냉각층
36 전열층

Claims (11)

  1. 플라즈마(plasma)에 의해서 기판을 처리하는 처리실을 구비하는 기판 처리 장치에 배치된 전극 유닛(unit)에 있어서,
    상기 처리실측부터 차례로 배치된, 상기 처리실내에 노출되는 노출면 및 상기 노출면의 반대측에 마련된 반대면을 갖는 전극층,
    가열층 및
    냉각층을 갖고,
    상기 가열층은 상기 전극층의 반대면을 덮는 동시에, 상기 냉각층은 상기 가열층을 거쳐서 상기 전극층의 반대면을 덮고,
    상기 가열층 및 상기 냉각층의 사이에는, 전열(傳熱) 매체가 충전(充塡)되며 상기 전극층의 주연부 이외의 부분에서 상기 가열층과 상기 냉각층이 비접촉하도록 하는 전열층이 배치되는 것을 특징으로 하는
    전극 유닛.
  2. 제 1 항에 있어서,
    상기 가열층은 상기 전극층의 반대면을 전면적으로 덮는 동시에, 상기 냉각층은 상기 가열층을 거쳐서 상기 전극층의 반대면을 전면적으로 덮는 것을 특징으로 하는
    전극 유닛.
  3. 제 1 항에 있어서,
    상기 기판 처리 장치는, 상기 플라즈마를 생성하기 위해 상기 처리실내에 고주파 전압을 인가하도록 상기 전극 유닛의 하측에 위치하는 다른 전극 유닛을 구비하고,
    상기 전열층은 상기 다른 전극 유닛이 상기 고주파 전압의 인가를 중단하면, 상기 충전된 전열 매체를 전열층으로부터 배출하는 것을 특징으로 하는
    전극 유닛.
  4. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전열 매체는 전열 가스인 것을 특징으로 하는
    전극 유닛.
  5. 제 4 항에 있어서,
    상기 전열 가스로서 플라즈마를 생성하기 위한 프로세스 가스를 이용하는 것을 특징으로 하는
    전극 유닛.
  6. 제 5 항에 있어서,
    상기 전극 유닛은 상기 처리실내에 상기 프로세스 가스를 공급하고,
    상기 전열층은 상기 전극층의 주연부 이외를 덮도록 형성되는 동시에 상기 처리실내와 복수의 가스 구멍을 거쳐서 연통되고,
    상기 프로세스 가스는 상기 전열층에 공급되는 것을 특징으로 하는
    전극 유닛.
  7. 제 1 항 내지 제 3 항중 어느 한 항에 있어서,
    상기 전열 매체는 전열성의 액체인 것을 특징으로 하는
    전극 유닛.
  8. 제 1 항에 있어서,
    상기 전열 매체는 전열 시트인 것을 특징으로 하는
    전극 유닛.
  9. 플라즈마에 의해서 기판을 처리하는 처리실과,
    전극 유닛을 구비하고,
    해당 전극 유닛은 상기 처리실측부터 차례로 배치된, 상기 처리실내에 노출되는 노출면 및 상기 노출면의 반대측에 마련된 반대면을 갖는 전극층,
    가열층 및
    냉각층을 갖고,
    상기 가열층은 상기 전극층의 반대면을 덮는 동시에, 상기 냉각층은 상기 가열층을 거쳐서 상기 전극층의 반대면을 덮고,
    상기 가열층 및 상기 냉각층의 사이에는, 전열 매체가 충전되며 상기 전극층의 주연부 이외의 부분에서 상기 가열층과 상기 냉각층이 비접촉하도록 하는 전열층이 배치되는 것을 특징으로 하는
    기판 처리 장치.
  10. 제 9 항에 있어서,
    상기 가열층은 상기 전극층의 반대면을 전면적으로 덮는 동시에, 상기 냉각층은 상기 가열층을 거쳐서 상기 전극층의 반대면을 전면적으로 덮는 것을 특징으로 하는
    기판 처리 장치.
  11. 플라즈마에 의해서 기판을 처리하는 처리실을 구비하는 기판 처리 장치에 배치된 전극 유닛으로서, 상기 처리실측부터 차례로 배치된, 상기 처리실내에 노출되는 전극층, 가열층 및 냉각층을 갖고, 상기 가열층 및 상기 냉각층의 사이에 공간으로 이루어지는 전열층이 배치되는 전극 유닛의 온도 제어 방법으로서,
    상기 기판 처리 장치가 구비하는, 상기 플라즈마를 생성하기 위해 상기 처리실내에 고주파 전압을 인가하도록 상기 전극 유닛의 하측에 위치하는 다른 전극 유닛에 의한 상기 고주파 전압의 인가의 개시에 따라 상기 전열층에 전열 매체를 충전하는 전극층 냉각 스텝과,
    상기 다른 전극 유닛에 의한 상기 고주파 전압의 인가의 중단에 따라 상기 전열층이 상기 충전된 전열 매체를 배출하는 전극층 보온 스텝을 갖는 것을 특징으로 하는
    온도 제어 방법.
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