TWI445124B - A substrate stage, a substrate processing apparatus, and a substrate to be processed - Google Patents
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Description
本發明係關於具備靜電夾具之半導體晶圓等之基板之載置台，可以解除因靜電夾具中之供電線周圍之熱傳導之特異性使基板溫度不均勻之情形的基板載置台、具備有該載置台之基板處理裝置以及被處理基板之溫度控制方法。
在半導體晶圓等之基板之處理裝置中，為了保持、固定基板，大多使用靜電夾具。靜電夾具係以介電體構成基板之載置台表面，在其正下方埋入金屬性之電極板，對該電極板施加直流高電壓，藉由庫倫力或約翰生拉別克(Johnsen-Rahbeck)力，吸附保持基板。
再者，在電漿處理裝置中，因被處理基板之晶圓自上方接受到熱，故以熱傳導率高之材料例如金屬構成基板之載置台，在其內部設置冷煤流路，冷卻載置台，並且將He氣體等之熱傳導用氣體導入至載置台和晶圓背面之間隙，促進晶圓之冷卻。
在靜電夾具之電極板，為了自電源供給施加電壓，安裝有供電線。該供電線具有例如下述專利文獻1所記載般被設置於載置台中央部之情形，和例如下述專利文獻2般被設置於載置台周緣部之情形。
〔專利文獻1〕日本特開2000-317761號公報
〔專利文獻2〕日本特開2001-274228號公報
因被施加於靜電夾具之電極板之電壓為高電壓，故供電線之周圍必須由絕緣材料所構成。一般因絕緣材料熱傳導率低，故在供電線周圍之絕緣材之部分，和除此以外之高熱傳導率材料部份，產生從基板傳達至載置台之傳熱量互相不同之問題。即是，供電線之周圍係對冷媒之傳熱量少，載置台表面溫度變高。因此，自基板排至載置台之排熱量變小，基板溫度則高於其他部分。依此，於執行電漿等之處理之時，在供電線之周圍和其他部分有於蝕刻等之處理特性產生差之虞，為不理想。
在此，本發明之課題係提供係在執行電漿處理之減壓腔室內，藉由靜電夾具吸附保持被處理基板之基板載置台，即是可以在靜電夾具之供電線周圍和其他部分，將來自基板之排熱量控制在所欲之值，使基板全體之溫度成為幾乎均勻之基板載置台和溫度控制方法。
用以解決上述課題之本發明之基板載置台被設置在將基板予以電漿處理之處理腔室，具備以絕緣材料構成供電線周圍之供電部，和被設置在內部之冷卻媒體流路，該基板載置台之特徵為：設置有將上述載置台之基板載置面側分隔成多數區域之凸部，和將冷卻氣體導入至以上述凸部所分隔之區域之導入口，和調節上述冷卻氣體之壓力或流量之調節手段。
該載置台即使為在以上述凸部所分隔出之多數區域的各個中，形成有包含上述冷卻氣體之導入口和排出口之氣體流路亦可。
再者，在該載置台中，上述區域之面積以越接近於上述供電線之中心的區域越小為佳。
上述供電部即使在上述基板載置台之中心部亦可。此時，即使形成將上述供電部之周圍以特定半徑同心圓狀地分隔成多數區域之凸部亦可。
再者，此時上述凸部即使以上述供電部之中心為中心軸形成同心圓狀亦可。
上述供電部即使至少一個以上在基板載置台之周緣部亦可。此時，即使形成有將上述供電部之周圍以特定半徑同心圓狀地分隔成至少一個以上之區域之凸部亦可。再者，上述凸部即使以上述供電部之中心為中心軸形成同心圓狀亦可。
本發明之被處理基板之溫度控制方法屬於被載置於基板載置台之被處理基板之溫度控制方法，其基板載置台具備有被設置在將基板予以電漿處理之處理腔室，以絕緣材料構成供電線周圍之供電部，和被設置在內部之冷卻媒體流路，其特徵為：在上述載置台之基板載置面側形成將上述供電線之周圍分隔成多數區域之凸部，將冷卻氣體導入至以上述凸部所分隔之多數區域之各個，調節供給至上述區域之上述冷卻氣體之壓力或流量，依此調整被處理基板之溫度。
在該溫度控制方法中，以使上述區域之面積小於其外側區域之面積而調整被處理基板之溫度為佳。
再者，以上述供電部為中心，形成以特定半徑將其周圍同心圓狀形成分隔成多數區域之凸部，並調整被處理基板之溫度為佳。
再者，本發明包含具備有上述基板載置台之基板處理裝置。
若藉由本發明時，可以解除被設置在載置台之靜電夾具之供電線周圍之傳熱的特異狀態，使載置台上之基板溫度均勻，提高被處理基板之品質。
以下，針對實施例之圖面，詳細說明本發明。第1圖為表示本發明之實施型態所使用之電漿處理裝置(電漿蝕刻裝置)之全體概略構成。在第1圖中，腔室1係由例如鋁、不鏽鋼等之材質所構成，內部能夠氣密封閉之圓筒形者。該腔室1係被接地。
在腔室1之內部設置有載置當作被處理基板之例如半導體晶圓W的載置台(以下，稱為承載器)2。第1圖所示之承載器2藉由與半導體晶圓W接觸而執行熱交換，當作調節半導體晶圓W之溫度之熱交換板使用。承載器2係由鋁等之富有導電性及熱傳導性之材質所構成，兼作下部電極。
承載器2係被陶瓷等之絕緣性之筒狀保持部3所支撐。筒狀保持部3係被支撐於腔室1之筒狀支撐部4。在筒狀保持部3之上面，配置有以環狀包圍承載器2之上面之由石英所構成之聚焦環5。
在腔室1之側壁和筒狀支撐部4之間形成環狀之排氣路6。在該排氣路6之入口或是途中安裝有環狀之擋板7。在排氣口6之底部經排氣管8連接排氣裝置9。排氣裝置9具有真空泵，將腔室1內之空間減壓至特定真空度。在腔室1之側壁安裝有開關半導體晶圓W之搬入搬出口10之閘閥11。
在承載器2經整合器及供電棒(任一者皆無圖式)而電性接電漿生成用之高頻電源。高頻電源係將例如40MHz之頻率高的高頻電力供給至兼承載器2的下部電極。在腔室1之頂棚部設置有噴淋頭15以當作上部電極。藉由來自高頻電源之高頻電力，在承載器2和噴淋頭15之間生成電漿。
再者，在承載器2經整合器及供電棒(任一者皆無圖式)而連接將電漿中之離子引入至半導體晶圓W之偏壓用之高頻電源。偏壓用之高頻電源係將例如12.88MHz、3.2MHz等之LF(Low Frequency)之高頻電力供給至承載器2。
在承載器2之上面，以靜電吸附力保持半導體晶圓W，設置有由陶瓷等之介電體所構成之靜電夾具16。在靜電夾具16之內部埋入有導電體例如銅、鎢等之導電膜所構成之內部電極17。在內部電極17經供電線13電性連接有高電壓例如2500V、3000V等之直流高壓電源12。當自直流高壓電源12施加直流高電壓至內部電極17之時，半導體晶圓W藉由庫倫力或約翰生拉別克(Johnsen-Rahbeck)力被吸附保持於靜電夾具16。
在承載器2之內部設置有冷媒流路18。在該冷煤流路18由冷媒單元19經配管20而循環供給例如冷水。
在靜電夾具16之邊緣，設置有周緣環狀凸狀21，在靜電夾具16之表面和半導體晶圓W之背面之間形成有間隙。該間隙係藉由在供電線13之周圍以特定半徑所設置之內部環狀凸部31而區劃成內側區域32和外側區域33。來自冷卻氣體供給部22之冷卻氣體，例如He氣體經氣體供給管23a被供給至內側區域32，經氣體供給管23b被供給至外側區域33。該冷卻氣體具有藉由改變其壓力，任意控制靜電夾具16即是承載器2和半導體晶圓W之間之熱傳導之程度的效果。該為本發明之重點，詳細如後述。
噴淋頭15具有擁有多數氣體通氣孔之下面之電極板24，和可裝卸地支撐該電極板24之電極支撐體25。在電極支撐體25之內部設置緩衝室26，在該緩衝室26之氣體導入口27連接來自處理氣體供給部28之氣體導入管29。
噴淋頭15和承載器2係平行對向被配置，作為一對電極，即是上部電極和下部電極而發揮功能。在噴淋頭15和載置半導體晶圓W之承載器2之間之空間，藉由高頻電力形成垂直方向之高頻電場，藉由高頻之放電在半導體晶圓W之表面附近生成高密度之電漿。再者，在腔室1之周圍，與腔室1同心圓狀地配置有環狀之環形磁鐵30，在噴淋頭15和承載器2之間之處理空間形成磁場。
第2圖為表示本發明之一實施型態的承載器上部之構造之圖式，第2圖(a)為剖面圖，第2圖(b)為第2圖(a)之A-A線箭頭方向剖面圖。在承載器2之上部形成介電體層34，在其正下方埋入有由導電膜所構成之內部電極17。在內部電極17藉由供電線13施加直流高電壓。在供電線13之周圍配置圓筒狀之絕緣構件14而防止漏電。
承載器2係由熱傳導率高之材料，例如由金屬所構成，在其內部設置有冷媒流路18。在冷媒流路18自配管20a被供給著冷媒，自配管20b被排出而循環冷煤。
在承載器2之上端外緣全周圍，設置周緣環狀凸部21，基板W被載置在該周緣環狀凸部21之上。因此，在基板W和介電體層34之間形成些許空間。再者，以包圍絕緣構件14之方式，設置有內部環狀凸部31，上述空間被區劃成內側區域32和外側區域33。
在內側區域32經氣體供給管23a供給冷卻氣體，自氣體排出管35a被排出。在外側區域33經氣體供給管23b而供給冷卻氣體，自氣體排出管35b被排出。在氣體供給管23a、23b及氣體排出管35a、35b配置有流量調節閥36，並且在氣體供給管23a、23b各配置有壓力計37。藉由調節流量調節閥36，可以將內側區域32及外側區域33之壓力控制成所欲之值。
並且，在本實施例中，雖然設置有冷卻氣體之供給管和排出管，但是排出管不一定需要。藉由調整周緣環狀凸部21或內部環狀凸部31和基板W之間之密封之方式(密接性之程度)，係因藉由使冷卻氣體漏出可於腔室內產生氣流之故。
在本發明中，將承載器2和基板W之間隙區劃成內側區域32和外側區域33，而使冷卻氣體各自獨立流通之理由，係因調節來自基板W排熱量，在基板全體將其溫度保持一樣之故。供電線13之周圍之絕緣構件14因熱傳導度小，故難以傳熱至冷媒。因此，在內側區域32中，承載器2之表面溫度較外側區域33高，從基板W排出至承載器2之排熱量變低。在此，將流通於承載器2表面和基板W之間隙之冷卻氣體之壓力，在內側區域32和外側區域33個別控制，促進經內側區域32之冷卻氣體的傳熱，為本發明之重點。
即是，在電漿處理裝置內，因相對於空間之維持壓力，空間之代表長短，故被導入至裝置內之冷卻氣體在分子流區域。在分子流區域，因氣體之熱傳導度與其壓力呈比例，故藉由使內側區域32之壓力高於外側區域33，可以促進自基板W朝承載器2傳熱，依此可以使基板W之全體溫度成為一樣。針對可成為上述之根據，於後述予以詳細說明。
第3圖為表示本發明之第二實施型態的承載器上部之構造之圖式(僅放大中央附近而予以表示)，第3圖(a)為剖面圖，第3圓(b)俯視圖。在該例中，在供電線13之周圍之絕緣構件14之周邊，設置有兩層之內部環狀凸部，即是內側之第一環狀凸部31a，和外側第二環狀凸部31b。依此，承載器2和基板W之間隙被3分割成第一內側區域32a、第二內側區域32b和外側區域33。在各區域各獨立被吹入冷卻氣體，成為可獨立控制區域內部之壓力。
即是，在第一內側區域32經氣體供給管23a供給冷卻氣體，自氣體排出管35a被排出。在第二內側區域32b經氣體供給管23c而供給冷卻氣體，自氣體排出管35c被排出。再者，在外側區域33經氣體供給管23b而供給冷卻氣體，自氣體排出管35b被排出。在氣體供給管23a、23b、23c及氣體排出管35a、35b、35c各配置有流量調節閥(無圖式)，可以獨立控制各區域之壓力。如此分割成3個區域之理由，係提高基板溫度之控制精度之故，詳細於後說明。
並且，在本實施例中，第一環狀凸部31a和第二環狀凸部31b係以供電線13之中心為中心軸而形成同心圓狀，但是即使同心圓之中心部與供電線13之中心一致，若大概在其附近即可。
第4圖為表示本發明之第三實施例中的承載器上部之構造之圖式，第4圖(a)為剖面圖，第4圖(b)為第4圖(a)之B-B箭頭方向剖面圖。在該例中，供電線13不僅承載器2之中央，在周緣附近幾乎呈對象之位置設置有一對。供電線13之周圍被絕緣構件14絕緣，與第2圖相同。因此，在各個絕緣構件14之周圍設置有內部環狀凸部31，承載器2和基板W之間隙被分割成兩個內側區域32和外側區域33。藉由設成如此之構造，即使在供電至內部電極17之供電線13位於承載器2之周緣之時，亦可以達成本發明之目的。
接著，針對成為本發明之根據的熱解析之結果予以說明。第5圖為承載器上部之傳熱解析之條件及結果之說明圖。為了簡單計算，以設想熱僅流至高度方向之一次元之熱傳導模式來考慮。熱通量即使在任何位置皆設為2W/cm2
之一定值，冷煤溫度即是冷媒流路之表面溫度設為T1
(一定值)，傳熱層之厚度設為15mm。再者，將供電線周圍之絕緣材料(AL2
O3
)之熱傳導率設為16W/m．K，其此以外之構造材料(Al)之熱傳導率設為160W/m．K。
在該條件下，計算承載器表面之溫度之結果，可知絕緣材和構造材之表面溫度之差△T=T2
(絕緣材)-T2
(構造材)為16.9℃。當在承載器表面溫度僅產生該差，基板也產生接近於此之溫度差，使電漿處理之品質之均勻性受到壞影響之可能性大。
實際之熱流並非一次元，因熱也擴散至橫方向，故必須以軸對象之二次元傳熱模式來考慮。第6圖為實際之承載器表面溫度分布之概念圖，和對應此之區域分割想法之說明圖。如第6圖(a)所示般，分為表面溫度T2
為呈峰狀變高之區域1,T2
為山麓漸縮之區域2，和T2
成為一定值之區域3。因此，如第6圖(b)所示般，將基板W和承載器2之間的空間，以第一環狀凸部31a和第二環狀凸部31b設置兩層間隔，分割成第一內側區域(區域1)和第二內側區域(區域2)和外側區域(區域3)，若將其壓力P控制成(區域1)>(區域2)>(區域3)即可。
如此一來，藉由將區域1~3之壓力適當控制，則可以更提高基板W之溫度之一樣性。上述第二實施例係根據如此之想法，意圖執行較第一實施例更精密之基板溫度之控制。並且，即使使區域之分割述更多亦可。
再者，即使在承載器2之周緣部設置有第三實施例般之供電線13之時，在各供電線13之絕緣部14設置兩層或更多層之環狀凸部31而各分割成3區域以上亦可。依此可以提高基板溫度控制之精度。
接著，針對對冷卻氣體壓力之傳熱所造成之影響予以說明。在電漿處理等之真空處理裝置中，被導入至基板W和承載器2之間之空間的冷卻氣體係在分子流域，其熱傳導與絕對壓力呈比例。因此，經冷卻氣體從基板W被傳導至承載器2之熱量，與冷卻氣體之壓力呈比例性增大。在此，第7圖表示熱通量和承載器表面溫度為一定，試算冷卻氣體(He)之壓力和基板溫度之關係之結果的例。在同圖中，將He壓力50Torr之時設為基準，此時基板溫度成為0℃之方式設定條件，計算He壓力改變之時之基板溫度。
由第7圖可知，基板溫度係在He壓力50Torr之時為0℃,隨著He壓力下降而上升，在壓力20Torr時大約為10℃，在10Torr時大約為20℃。可理解為了以先前之第5圖所示之絕緣材和構造材之表面溫度之差相當於16.9℃之方式，增加從基板W傳熱至承載器2之傳熱量，若將絕緣材之部分(內側區域32)之He壓力設為50Torr，並將構造材之部分(外側區域33)之壓力設為大約13.5Torr即可。雖然以上為大概的推測，但是在本發明之方法中，要將He壓力控制成上述般並不困難，明顯可知藉由本發明能夠迴避供電線部分之基板溫度之特異性。
1．．．腔室
2．．．承載器(載置台)
3．．．筒狀保持部
4．．．筒狀支撐部
5．．．聚焦環
6．．．排氣路
7．．．擋板
8．．．排氣管
9．．．排氣裝置
10．．．搬入搬出口
11．．．閘閥
12．．．直流高壓電源
13．．．供電線
14．．．絕緣構件
15．．．噴淋頭
16．．．靜電夾具
17．．．內部電極
18．．．冷煤流路
19．．．冷媒單元
20、20a、20b．．．配管
21．．．周緣環狀凸部
22．．．冷卻氣體供給部
23a、23b、23c．．．氣體供給管
24．．．電極板
25．．．電極支撐體
26．．．緩衝室
27．．．氣體導入口
28．．．處理氣體供給部
29．．．氣體導入管
30．．．環形磁鐵
31、31a、31b．．．內部環狀凸部
32、32a、32b．．．內側區域
33．．．外側區域
34．．．介電體層
35a、35b、35c．．．氣體排出管
36．．．流量調節閥
37．．．壓力計
W．．．基板(半導體晶圓)
第1圖為表示本發明之實施型態所使用之電漿處理裝置(電漿蝕刻裝置)之全體概略構成。
第2圖為表示本發明之第一實施例中的承載器上部之構造的圖式。
第3圖為表示本發明之第二實施例中的承載器上部之構造的圖式。
第4圖為表示本發明之第三實施例中的承載器上部之構造的圖式。
第5圖為承載器上部之傳熱解析之條件及結果之說明圖。
第6圖為實際之承載器表面溫度分布，和對應此之區域分割之想法的說明圖。
第7圖為表示試算冷卻氣體之壓力和基板溫度之關係之結果之例的圖式。
2．．．承載器(載置台)
13．．．供電線
14．．．絕緣構件
17．．．內部電極
18．．．冷煤流路
20a、20b．．．配管
21．．．周緣環狀凸部
23a、23b．．．氣體供給管
31．．．內部環狀凸部
32．．．內側區域
33．．．外側區域
35a、35b．．．氣體排出管
36．．．流量調節閥
37．．．壓力計
W．．．基板(半導體晶圓)
Claims (10)
- 一種基板載置台，其被設置在對基板進行電漿處理之處理腔室內，具備至少一個以絕緣材料構成供電線周圍之供電部和冷卻媒體流路，該基板載置台之特徵為具備：外側凸部，其係被設置在上述基板載置台，以提供被載置之基板和上述基板載置台之基板載置面之間的空間；內側凸部，其係被設置成包圍上述絕緣材料以將上述空間分隔成多數的區域，上述區域各為空的間隙；導入口，其係用以將冷卻氣體導入至各上述區域；和調節部，其係用以調節上述冷卻氣體之壓力或流量，在上述外側凸部和上述內側凸部之間的區域不形成分隔上述空間的凸部。
- 如申請專利範圍第1項所記載之基板載置台，其中，在上述區域分別形成有上述冷卻氣體之排出口。
- 如申請專利範圍第1或2項所記載之基板載置台，其中，上述區域之面積係越接近上述供電線之中心的區域越小。
- 如申請專利範圍第1或2項所記載之基板載置台，其中，上述供電部位於基板載置台之中心部。
- 如申請專利範圍第1項所記載之基板載置台，其中， 上述內側凸部係以上述供電部之中心為中心軸而形成同心圓狀。
- 如申請專利範圍第1或2項所記載之基板載置台，其中，上述供電部至少一個以上位於基板載置台之周緣部。
- 一種基板處理裝置，其特徵為：具備有如申請專利範圍第1至6項中之任一項所記載之基板載置台。
- 一種被處理基板之溫度控制方法，為被載置在基板載置台的被處理基板之溫度控制方法，該基板載置台被設置在對基板進行電漿處理之處理腔室內，具備至少一個以絕緣材料構成供電線周圍之供電部和冷卻媒體流路，該被處理基板之溫度控制方法之特徵為：形成有外側凸部和內側凸部，上述外側凸部係被設置在上述基板載置台，以提供被載置之基板和上述基板載置台之基板載置面之間的空間；上述內側凸部係被設置成包圍上述絕緣材料以將上述空間分隔成多數的區域，上述區域各為空的間隙，將冷卻氣體導入至各上述區域，藉由調節供給至上述區域之上述冷卻氣體之壓力或流量，調整被處理基板之溫度，在上述外側凸部和上述內側凸部之間的區域不形成分隔上述空間的凸部。
- 如申請專利範圍第8項所記載之被處理基板之溫度 控制方法，其中，使上述區域之面積小於其外側區域之面積而調整被處理基板之溫度。
- 如申請專利範圍第8項所記載之被處理基板之溫度控制方法，其中，上述內側凸部係以上述供電部之中心為中心軸而形成同心圓狀。
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