TWI517242B - 頂部電極板及基板處理裝置 - Google Patents

Description

頂部電極板及基板處理裝置

本發明係關於一種頂部電極板以及基板處理裝置，特別是關於一種夾處理空間而與基板載置台對向配置的頂部電極板。

對作為基板之晶圓實施蝕刻處理的基板處理裝置包含：收納晶圓且可減壓的處理室；配置在該處理室內並載置晶圓的基板載置台；以及與該基板載置台隔著處理空間對向配置的頂部電極板(CEL)。在經過減壓的處理室內產生電漿，以該電漿蝕刻晶圓。頂部電極板，隔著具備熱擴散板功能的冷卻板受到電極支持體(UEL)的支持。

當對晶圓進行電漿處理(例如蝕刻處理)時，由於在晶圓各部位之蝕刻率(E/R)分別受到各部位之溫度的影響，故要求在蝕刻處理中晶圓、基板載置台，頂部電極板等處理室內之零件的表面溫度保持平均一致。然而，因為處理室內保持真空的關係，故處理室內之零件相互之間的熱傳導比較難以進行，各零件的溫度到趨向穩定為止需要較長的時間。

另外，在對晶圓實施蝕刻處理時，載置晶圓的基板載置台的上部所配置之頂部電極板接收電漿的熱使其溫度產生變動。由於頂部電極板的溫度會對處理空間內之電漿中的自由基的分布造成影響，故若在對同一批次中的複數晶圓進行處理的期間頂部電極板的溫度產生變動的話，會變得難以對同一批次中的複數晶圓實施平均一致的蝕刻處理。於是，在支持頂部電極板的電極支持體設置以例如冷卻水為主的冷媒可流通的冷媒流路作為溫度調節機構，透過具備熱擴散板功能的冷卻板將頂部電極板冷卻，藉此對 直接受到電漿之熱影響的頂部電極板的溫度進行調整。

然而，頂部電極板與冷卻板的抵接面、冷卻板與電極支持體的抵接面的密合度並沒有那麼高，而且因為是真空環境的關係，故該等構件相互之間的熱傳導效率較低。因此，頂部電極板的溫度控制會產生時間上的偏差，從最初產生電漿到將頂部電極板的溫度調整至所期望的溫度變得比較困難，而成為各晶圓的蝕刻率等程序屬性不穩定的原因。

相對於此，近年來，本案申請人開發出改善電漿處理裝置的構成要件之間的熱傳導效率的溫度調整技術(參照例如專利文獻1)。該技術係在電漿處理裝置的各構成要件彼此之間(例如在聚焦環以及基座之間)配置導熱片以改善熱傳導效率。

[習知技術文獻] [專利文獻]

[專利文獻1]日本特開2002-16126號公報

然而，上述習知技術的導熱片，並未確立其應用技術，特別是應用於直接接受電漿之熱而被加熱的頂部電極板的技術並未充分被確立。

本發明之目的在於提供一種頂部電極板以及基板處理裝置，其可在電漿產生初期便使頂部電極板的溫度穩定，進而可對複數晶圓實施平均一致的蝕刻處理。

為了解決上述問題，請求項1所記載的頂部電極板，係受到設有溫度調整機構的電極支持體懸吊支持的頂部電極板，其與該電極支持體隔著冷卻板抵接，並且在該頂部電極板和該冷卻板分別設有多數個氣體孔；且藉由下述方式形成導熱片：利用用以形成複數個和該頂部電極板之該氣體孔對應的開口部之遮罩材料，在該頂部電極板之與該冷卻板的抵接面塗佈用以形成該導熱片的材料；且該導熱片的材料以避開該頂部電極板之該氣體孔附近的既定區域之方式塗佈；且該開口部、該頂部電極板之各個氣體孔、與該冷卻板之各個氣體孔互相連接，以形成曲徑狀空間；且在該冷卻板之與該導熱片的抵接面塗佈有脫模材料。

請求項2所記載的頂部電極板，如請求項1所記載的頂部電極板，其中，該導熱片避開以該氣體孔的中心為中心，半徑1.5mm至2.5mm的圓形區域。

請求項3所記載的頂部電極板，如請求項1或2項所記載的頂部電極板，其中，該導熱片的膜厚在100μm以下。

請求項4所記載的頂部電極板，如請求項3所記載的頂部電極板，其中，該導熱片的膜厚為30μm至80μm。

請求項5所記載的頂部電極板，如請求項3所記載的頂部電極板，其中，該頂部電極板，以隔著處理空間與基板載置台對向的方式配置；該導熱片，在與該基板載置台之中心部對向的位置、以及與該基板載置台之周邊部對向的位置，其膜厚有所差異。

請求項6所記載的頂部電極板，如請求項1至5中任1項所 記載的頂部電極板，其中，在該冷卻板與該電極支持體的抵接面上隔設有該導熱片。

請求項7所記載的頂部電極板，如請求項1至6中任1項所記載的頂部電極板，其中，該導熱片的熱傳導率為0.5~2.0W/m．K。

為了解決上述問題，請求項8所記載的基板處理裝置設有頂部電極板、以及與該頂部電極板隔著處理空間對向配置的基板載置台，可對該基板載置台所載置的基板實施既定處理，其特徵為：該頂部電極板為請求項1至7中任1項所記載的頂部電極板。

根據本發明，由於頂部電極板隔著冷卻板與電極支持體抵接，且在頂部電極板與冷卻板的抵接面上設置導熱片，故可提高頂部電極板與冷卻板之間的熱傳導效率並使電極支持體對頂部電極板的溫度調整功能更良好，藉此，頂部電極板的溫度在初期便臻穩定，且從電漿產生之初便可使頂部電極板的溫度穩定，進而能夠對複數晶圓實施平均一致的蝕刻處理。

以下，參照圖式詳細說明本發明的實施態樣。

圖1係表示具備本實施態樣之頂部電極板的電漿處理裝置的構造的概略剖面圖。本電漿處理裝置對作為基板的半導體裝置用晶圓(以下簡稱「晶圓」)實施電漿蝕刻處理。

在圖1中，作為基板處理裝置的電漿處理裝置10具備可收納例如直徑為300mm之晶圓W的處理室11，在該處理室11內配置了可載置半導體裝置用晶圓W的圓柱狀基座12。電漿處理裝置 10在處理室11的內側壁與基座12的側面之間設置了側邊排氣路13。在該側邊排氣路13的途中配置了排氣板14。

排氣板14係設有多數貫通孔的板狀構件，並具備將處理室11內部分隔成上部與下部的分隔板功能。在排氣板14所分隔之處理室11之內部的上部(以下稱為「處理室」)15如後所述地產生電漿。另外，處理室11之內部的下部(以下稱「排氣室(排氣歧管)」)16與將處理室11內之氣體排出的排氣管17連接。排氣板14捕捉或反射在處理室15所產生之電漿以防止其洩漏至排氣歧管16。

排氣管17與TMP(Turbo Molecular Pump，渦輪分子泵)以及DP(Dry Pump，乾式泵)(圖示均省略)連接，該等泵對處理室11之內部進行真空吸引減壓。具體而言，DP將處理室11之內部從大氣壓減壓至中度真空狀態[例如1.3×10Pa(0.1Torr)以下]，TMP與DP協同運作而將處理室11之內部減壓至比中度真空狀態更低壓的高度真空狀態[例如1.3×10^-3Pa(1.0×10^-5Torr)以下]。另外，處理室11內之壓力由APC閥(Air Pump Control Valve，空氣泵控制閥)(圖示省略)控制。

處理室11內之基座12與第1高頻電源18透過第1整合器19連接，且與第2高頻電源20透過第2整合器21連接，第1高頻電源18對基座12施加較低頻率(例如2MHz)的離子引入用高頻電力，第2高頻電源20對基座12施加較高頻率(例如60MHz)的電漿生成用高頻電力。藉此，基座12具備電極的功能。另外，第1整合器19以及第2整合器21可減少來自基座12的高頻電力的反射並使高頻電力對基座12的施加效率最大化。

在基座12的上部配置了內部設有靜電電極板22且由陶瓷所構成的靜電夾頭23。靜電電極板22與直流電源24連接，當對靜電電極板22施加正的直流電壓時，晶圓W的靜電夾頭側該面(以 下稱為「背面」)會產生負電位並在靜電電極板22以及晶圓W的背面之間產生電場，利用該電場所致之庫倫力或詹森．拉貝克力(Johnson-Rahbek force)，將晶圓W吸附保持於靜電夾頭23。

另外，在基座12之上，以包圍靜電夾頭23所吸附保持之晶圓W的方式，載置了聚焦環25。聚焦環25係由矽(Si)或碳化矽(SiC)等物質所構成。亦即，由於聚焦環25係半導電體所構成的，故可使電漿的分佈範圍除了晶圓W上之外更擴大到該聚焦環25上，進而使晶圓W的周圍部位上的電漿密度與該晶圓W的中央部位上的電漿密度均維持在相同程度。藉此，便可確保對晶圓W的整個面所實施的電漿蝕刻處理平均一致。

在基座12的內部設置了例如朝圓周方向延伸的環狀冷媒室26。冷卻單元經由冷媒用配管(圖示省略)對該冷媒室26循環供給低溫的冷媒，例如冷卻水或Galden(登記商標)。被該低溫冷媒所冷卻之基座12使晶圓W以及聚焦環25冷卻。

靜電夾頭23設有向受到靜電吸附之晶圓W開口的複數導熱氣體供給孔(圖示省略)。該等複數導熱氣體供給孔透過導熱氣體供給線與導熱氣體供給部(圖示一併省略)連接，該導熱氣體供給部透過導熱氣體供給孔將作為導熱氣體的氦(He)氣供給到吸附面與晶圓W背面的間隙。供給到吸附面與晶圓W背面之間隙的氦氣可有效地將晶圓W的熱傳導至基座12。

在處理室11的頂棚部，以隔著處理空間S與基座12對向的方式配置噴淋頭30。噴淋頭30包含：頂部電極板31；以可裝卸的方式懸吊支持該頂部電極板31的電極支持體33；以及以被夾持在該電極支持體33與頂部電極板31之間的方式配置的冷卻板32。冷卻板32以及頂部電極板31係由設有朝厚度方向貫通的多數氣體孔34的圓板狀構件所構成，並由例如半導電體的矽、SiC(碳 化矽)、石英等物質所構成。另外，在電極支持體33的內部設置了溫度調整用的冷媒流路(圖示省略)以及緩衝室35，緩衝室35與處理氣體導入管(圖示省略)連接。

另外，噴淋頭30的頂部電極板31與直流電源37連接，對頂部電極板31施加負的直流電壓。此時，頂部電極板31釋放出二次電子以防止處理室15內部的電子密度降低。

另外，頂部電極板31與冷卻板32的抵接面以及冷卻板32與電極支持體33的抵接面均隔設了後述的導熱片38。導熱片38可填充產生於頂部電極板31與冷卻板32的抵接面以及冷卻板32與電極支持體33的抵接面之間的細小間隙，同時改善各抵接面的熱傳導效率，將頂部電極板31的熱透過冷卻板32有效地傳導至電極支持體33。

在電漿處理裝置10中，從處理氣體導入管供給到緩衝室35的處理氣體透過氣體孔34導入處理室15內部的處理空間S，該導入之處理氣體被第2高頻電源20透過基座12對處理室15內部施加之電漿生成用高頻電力激發成電漿。該電漿中的離子被第1高頻電源18對基座12施加之離子引入用高頻電力引向晶圓W，進而對該晶圓W實施電漿蝕刻處理。

上述電漿處理裝置10的各構成零件的動作，由電漿處理裝置10所具備之控制部(圖示省略)的CPU根據對應電漿蝕刻處理的程式進行控制。

圖2係表示圖1之電漿處理裝置的頂部電極板與冷卻板的抵接面，圖3係圖2之頂部電極板的部分放大俯視圖，圖4係圖2之頂部電極板的側視圖。

在圖2中，頂部電極板31呈圓形板狀體，其徑長與例如載置晶圓W的基座12的徑長幾乎相同。另外，其厚度為例如5~20mm。在頂部電極板31與冷卻板32的抵接面上塗布形成了導熱片38。

導熱片38，例如：使用XE14-B8530(A)(Momentive Performance Materials製)與XE14-B8530(B)(Momentive Performance Materials製)這二種聚有機矽氧烷，調製出將兩者以重量比1：1混合的液體(以下將該液體稱為「混合液A」)，接著在混合液A中以混合液A：氧化鋁填料=60：40(體積比)的方式添加DAM5(電氣化學工業製，平均粒徑5μm)作為氧化鋁填料，然後，以相對於混合液A與氧化鋁填料的合計重量為0.04重量%的方式添加RD-1(Dow Corning Toray Silicone製)這種交聯性聚有機矽氧烷系硬化劑，將所製得之液體(以下將該液體稱為「混合液B」)，利用用來形成後述的對應氣體孔34的開口部41的既定遮罩材料，且以形成所期望之膜厚的方式，在頂部電極板31與冷卻板32的抵接面31a上，以例如網版進行印刷，之後，以例如150℃加熱30小時，使其硬化所形成。另外，導熱片38的熱傳導率，用使混合液B硬化之試驗片以雷射閃光法測定的結果，為1.2W/m．K。

在圖3以及圖4中，於頂部電極板31設有多數氣體孔34，於頂部電極板31與冷卻板32的抵接面31a所形成之導熱片38亦設有對應氣體孔34的開口部41。頂部電極板31所設之氣體孔34，為例如 0.5mm的貫通孔，導熱片38所設之開口部41，為例如 3mm~ 5mm的圓形孔。以氣體孔34位於開口部41的中心部位的方式形成導熱片38。因此，導熱片38的開口部41形成與氣體孔34同心狀，在氣體孔34附近的既定範圍，亦即，以氣體孔34的中心為中心，例如半徑1.5mm至2.5mm的圓形區域，形成不存在導熱片38的區域。

圖5係表示頂部電極板31與冷卻板32的抵接部位的部分放大剖面圖。

在圖5中，於頂部電極板31以及冷卻板32，以例如等間隔且各自連通的方式分別設置了氣體孔34。在頂部電極板31與冷卻板32的抵接面形成導熱片38，在該導熱片38的與氣體孔34對應的位置形成開口部41。亦即，以導熱片38的開口部41與頂部電極板31的氣體孔34各自連通且氣體孔34與開口部41的幾乎中央部位連接的方式配置。藉此，從氣體孔34進入之電漿到達導熱片38的到達路徑變成曲徑狀。因此，即使電漿從氣體孔34進入也難以到達導熱片38，故可防止導熱片38曝露於電漿之中，進而防止導熱片38受到損傷以及產生微粒等不良情況發生。

於頂部電極板31設置了用來將該頂部電極板31抵接、固定於冷卻板32的螺栓用孔40(參照圖2、圖3)，導熱片38以避開螺栓用孔40的方式形成。另外，由於電漿並無進入螺栓用孔40之虞，故對應螺栓用孔40的導熱片38的開口部的大小，與螺栓用孔40的大小幾乎相同。

該等構造的頂部電極板31，隔著冷卻板32受到電極支持體33的懸吊支持，而被固定於處理室內的既定位置(參照圖1)。

根據本實施態樣，由於在頂部電極板31與冷卻板32的抵接面31a上形成導熱片38，故可將在頂部電極板31與冷卻板32的抵接面所產生的微小間隙填充起來，同時可改善頂部電極板31與冷卻板32之間的熱傳導效率，使頂部電極板31的熱有效地透過冷卻板32傳導至電極支持體33。因此，頂部電極板31被電極支持體33有效地冷卻而使其溫度穩定，進而使例如在同-批次中的第1片晶圓處理時與第5片晶圓處理時的頂部電極板31的溫度都很穩定。另外，藉此亦可使對向頂部電極板31的處理空間S內的 自由基的活性穩定，並使每一晶圓的蝕刻率的平均值穩定。另外，即使處理室內溫度在200℃或以上，頂部電極板31的溫度亦可維持在100℃左右，藉此，便可抑制頂部電極板31的熱膨脹，設計時便無須考慮構件彼此之間的間隙。另外，亦可抑制電漿進入處理室內零件的間隙所導致的異常放電，以及微粒的產生等不良情況。

再者，根據本實施態樣，藉由在頂部電極板31與冷卻板32的抵接面31a形成導熱片38，可改善頂部電極板31與冷卻板32之間的熱傳導效率，使頂部電極板31透過冷卻板32散熱，進而達到使頂部電極板31的熱分布平均一致之目的。

根據本實施態樣，由於導熱片38的有機材料係例如成分包含矽的耐熱性粘著劑或橡膠，導熱片38可柔軟地變形，故即使頂部電極板31與冷卻板32的接觸面稍微凹凸不平也能夠確實地密合。另外，導熱片38的導熱材料係氧化物、氮化物或碳化物的陶瓷填料，由於填料在上述耐熱性粘著劑或橡膠中含有例如25~60體積%，故導熱片可將熱幾乎平均一致地傳導至整個範圍，結果，便可將頂部電極板31整體的溫度調整至幾乎平均一致。

導熱片38的熱傳導率，例如0.5~2.0W/m．K。若熱傳導率在該範圍內，如上所述的，便可將熱幾乎平均一致地傳導至導熱片38的整個範圍，進而將頂部電極板31整體調整到幾乎平均一致的溫度。

在本實施態樣中，構成導熱片38的含有矽成分的耐熱性粘著劑或橡膠，只要含有矽即可，其他並無特別限制，較佳為主鏈骨架由矽氧烷單元所構成的聚有機矽氧烷，例如具有交聯構造者。在聚有機矽氧烷之中熱硬化者較佳，除了主要材料的聚有機矽氧烷之外，更宜使用硬化劑(交聯性聚有機矽氧烷)。聚有機矽氧烷的 重複單位構造，可舉例如二甲基矽氧烷單元、苯基甲基矽氧烷單元、二苯基矽氧烷單元等。另外，亦可使用具有乙烯基、環氧基等官能基的變性聚有機矽氧烷。

在本實施態樣中，作為導熱片38中的填料的導熱材料為氧化物、氮化物或碳化物的陶瓷填料，若具體例示，氧化物可舉例如氧化鋁、氧化鎂、氧化鋅、二氧化矽等，氮化物可舉例如氮化鋁、氮化硼、氮化矽等，碳化物可舉例如碳化矽等。該陶瓷填料宜具備球形構造，形狀具備異向性者宜以使其導熱特性最大的方式配向。其中陶瓷填料特別宜使用例如氧化鋁、氧化鋅、氮化鋁、氮化硼、氮化矽、碳化矽等。

在本實施態樣中，導熱片38的膜厚在100μm以下，宜為30μm~80μm。

在頂部電極板31與冷卻板32的抵接面會殘留因為形成加工所導致之某種程度的凹凸不平或平面粗糙度。因此，若導熱片38太薄，該導熱片38會變得無法填充頂部電極板31與冷卻板32的抵接面的間隙並確保熱的整體一致性。另一方面，若導熱片38的膜厚太厚，則頂部電極板31與導熱片38的總合熱容量會變大，在電漿蝕刻處理中的頂部電極板31的升溫態樣可能會不適合該電漿蝕刻處理。若導熱片38的膜厚在30μm~80μm的範圍內，便可使導熱片38與頂部電極板31確實密合並使頂部電極板31熱穩定。

在本實施態樣中，於頂部電極板31與冷卻板的抵接面31a所形成之導熱片38，可在頂部電極板31與隔著處理空間對向配置的基板載置台的中心部對向的位置，以及與周邊部對向的位置，設置不同的膜厚。亦即，由於與基座12的中心部對向的頂部電極板31的中心部對向電漿密度較高的處理空間S，故容易形成高溫。因此，使頂部電極板31的中心部的導熱片38的膜厚，比其他部 分的膜厚更薄以壓低其熱阻抗，並調整熱傳導效率，藉此，便可達到使頂部電極板31的平面溫度均一化以及蝕刻率均一化之目的。

另外，在本實施態樣中，亦可不在頂部電極板31的中心部分形成導熱片38。

在本實施態樣中，宜在電極支持體33與冷卻板32的抵接面亦隔設導熱片38。藉此，電極支持體33以及冷卻板32相互之間的熱傳導效率可提高，電極支持體33隔著冷卻板32所發揮之使頂部電極板31冷卻的效果亦可提高，且頂部電極板31的溫度能夠更穩定。另外，亦可改善處理室內的熱分布，並實現節省能源之目的。

在本實施態樣中，宜在冷卻板32的與頂部電極板31的抵接面(更詳細而言，係冷卻板32與導熱片38的抵接面)塗佈脫模材料。由於頂部電極板31係消耗零件，在使用既定時間之後會更換新品，而冷卻板32會繼續使用，故這樣可在卸除到達使用壽命的頂部電極板31之後保持冷卻板32的表面清潔乾淨。關於脫模劑，宜使用例如以氟塗佈膜、熱傳導性良好的粉末(例如碳、氮化硼)等為主成分的脫模劑。

以上，係用實施態樣詳細說明本發明，惟本發明並非僅限於該等實施態樣。

另外，在上述實施態樣中可實施電漿蝕刻處理的基板不限於半導體裝置用的晶圓，亦可為包含LCD(Liquid Crystal Display)在內的FPD(Flat Panel Display)等裝置用的各種基板，或光罩、CD基板、印刷基板等。

S‧‧‧處理空間

W‧‧‧晶圓

10‧‧‧電漿處理裝置

11‧‧‧處理室

12‧‧‧基座

13‧‧‧側邊排氣路

14‧‧‧排氣板

15‧‧‧處理室

16‧‧‧排氣歧管

17‧‧‧排氣管

18‧‧‧第1高頻電源

19‧‧‧第1整合器

20‧‧‧第2高頻電源

21‧‧‧第2整合器

22‧‧‧靜電電極板

23‧‧‧靜電夾頭

24‧‧‧直流電源

25‧‧‧聚焦環

26‧‧‧環狀冷媒室

30‧‧‧噴淋頭

31‧‧‧頂部電極板

31a‧‧‧抵接面

32‧‧‧冷卻板

33‧‧‧電極支持體

34‧‧‧氣體孔

35‧‧‧緩衝室

37‧‧‧直流電源

38‧‧‧導熱片

40‧‧‧螺栓用孔

41‧‧‧開口部

圖1係表示具備本發明實施態樣之頂部電極板的電漿處理裝置的構造的概略剖面圖。

圖2係表示在圖1之電漿處理裝置中的頂部電極板與冷卻板的抵接面的圖式。

圖3係圖2的頂部電極板的部分放大俯視圖。

圖4係圖2的頂部電極板的側視圖。

圖5係表示頂部電極板與冷卻板的抵接部的部分放大剖面圖。

31‧‧‧頂部電極板

34‧‧‧氣體孔

38‧‧‧導熱片

40‧‧‧螺栓用孔

41‧‧‧開口部

Claims (8)

1. 一種頂部電極板，其被具有溫度調整機構的電極支持體所懸吊支持，其特徵為：該頂部電極板與該電極支持體隔著冷卻板抵接，且在該頂部電極板和該冷卻板分別設有多數個氣體孔；且藉由下述方式形成導熱片：利用用以形成複數個和該頂部電極板之該氣體孔對應之開口部的遮罩材料，在該頂部電極板之與該冷卻板的抵接面塗佈用以形成該導熱片的材料；該導熱片的材料以避開該頂部電極板之該氣體孔附近的既定區域之方式塗佈；且該開口部、該頂部電極板之各個氣體孔、與該冷卻板之各個氣體孔互相連接，以形成曲徑狀空間；且在該冷卻板之與該導熱片的抵接面塗佈有脫模材料。
2. 如申請專利範圍第1項之頂部電極板，其中，該導熱片以避開以該氣體孔之中心為中心，半徑1.5mm至2.5mm之圓形區域的方式形成。
3. 如申請專利範圍第1或2項之頂部電極板，其中，該導熱片的膜厚在100μm以下。
4. 如申請專利範圍第3項之頂部電極板，其中，該導熱片的膜厚為30μm至80μm。
5. 如申請專利範圍第3項之頂部電極板，其中，該頂部電極板，以隔著處理空間與基板載置台對向的方式配置；該導熱片，在與該基板載置台之中心部對向的位置、以及與該基板載置台之周邊部對向的位置，其膜厚有所差異。
6. 如申請專利範圍第1或2項之頂部電極板，其中，在該電極支持體與該冷卻板的抵接面隔設有該導熱片。
7. 如申請專利範圍第1或2項之頂部電極板，其中，該導熱片的熱傳導率為0.5~2.0W/m．K。
8. 一種基板處理裝置，其具備頂部電極板、以及以與該頂部電極板隔著處理空間對向的方式配置之基板載置台，並對該基板載置 台所載置之基板實施既定處理，其特徵為：該頂部電極板為申請專利範圍第1至7項中任一項所記載的頂部電極板。