JP4191120B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、半導体製造プロセス等の微細加工に適用されるプラズマ処理装置にかかり、特に、半導体ウェハを載置するための保持ステージを備えたプラズマ処理装置に関する。

近年、半導体の高集積化に伴い、回路パターンは微細化の一途をたどっており、要求される加工寸法の精度は、ますます厳しくなっている。しかも、スループット向上、半導体ウェハ等の被処理体の大面積化への対応が、要求されている。そのため、プラズマ処理装置に投入される電力は増大する傾向にある。特に、絶縁膜をエッチングするプラズマ処理装置では、エッチングレートを速くするために、プラズマ生成時に投入される電力を増大する傾向にある。ここで、プラズマ処理装置に投入された電力の大部分は熱となるので、たとえば、半導体ウェハ等の温度を高精度に制御する静電吸着電極（保持ステージ）では、高効率で、大容量の温調ユニット（冷却装置）が必要となっている。また、温調ユニットには、高効率のみならず、設置面積の小さな環境影響負荷の少ないことが要求されている。

ところで、プラズマ処理装置内の半導体ウェハ等の温度制御は、静電吸着電極の表面温度の制御により実現するのが一般的であり、このような処理中の温度制御に対処する方法が提案されている。すなわち、従来の静電吸着電極では、静電吸着電極の構成部材である電極ブロック内に温媒を循環させて、温度制御を行っている。循環させる温媒は、一般に不活性なフッ素系の液体で、例えばフロンを用いた冷凍サイクルで冷却、又はヒータにより加熱されて所定の温度に保持されている。このような温媒を循環させる温調ユニットでは、循環している温媒自体の熱容量があるので温度変動を小さくできるが、その反面、温度レスポンスが悪くなる。また、熱交換機を介して温媒の温度を制御しているので熱効率的にも無駄があり、かつ装置の構成上、温媒を循環するためのポンプも必要であるため装置が大きくなってしまう（例えば、特許文献１参照）。

このようなことから、フッ素系の不活性な温媒を用いず、冷媒であるプロパンガスを直接、静電吸着電極内に直結して、循環する温調ユニットが提案されている（例えば、特許文献２参照）。
特開２００１−２５７２５３号公報 特開２００３−１７４０１６号公報

上記従来技術は、静電吸着電極の温調ユニットに配慮がされておらず、高効率に、かつ高精度に静電吸着電極の温度制御を実現する点に問題があった。

例えば、特許文献１に記載の温媒を循環する温調ユニットでは、前述したように、温媒を温調ユニット内の熱交換機を介して、所定の温度に制御しているので熱効率が悪く、かつ温媒を循環するためのポンプも必要である。また、多量の温媒が必要であるとともに、温度レスポンスも悪くなってしまう。

一方、特許文献２に開示されている方法では、静電吸着電極に関する詳細な構造が記載されていない。たとえば、静電吸着電極内に冷媒を直接、循環させると、冷媒の圧力が高いので、電極ブロックが凸型に変形してしまうことが懸念される。

本発明の目的は、高効率で処理中の半導体ウェハの温度を調節して処理を行うことのできるプラズマ処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明は、内部が真空にされてプラズマが形成される処理室と、この処理室内に配置され前記プラズマを用いて処理されるウェハを保持する表面に誘電体膜を備え内部に冷媒の流路が形成された電極ブロックを具備し該電極ブロック表面の誘電体膜を介してウェハを保持して温度制御する保持ステージと、この冷媒の流路と圧縮機と凝縮器と膨張弁とが連結されて前記冷媒を循環し前記金属性の部材を前記冷媒が加熱されて気化する冷凍サイクルの蒸発器として用いる冷凍サイクルとを備えたプラズマ処理装置であって、前記冷凍サイクルが前記冷媒を加熱する別の加熱手段を前記冷凍サイクルの前記蒸発器の前に備えた。

さらに、本発明は、上記プラズマ処理装置において、前記別の加熱手段は前記プラズマによる処理の開始前後の前記保持ステージの温度差を低減するように動作が調節される。

本発明は、上記プラズマ処理装置において、前記別の加熱手段が前記プラズマが生成された状態で前記冷媒の加熱を停止する。

以下、本発明にかかるプラズマ処理装置について、図を用いて詳細に説明する。
［プラズマ処理装置の構成］

図１は、本発明の一実施例に係るプラズマ処理装置の断面図である。図１に示すプラズマ処理装置は、処理室１００、その上部に電磁波を放射するアンテナ１０１を、下部には半導体ウェハＷなどの被処理体を載置する保持ステージＳを備えている。アンテナ１０１は、真空容器の一部としてのハウジング１０５に保持され、アンテナ１０１と保持ステージＳは平行して対向する形で設置される。処理室１００の周囲には、たとえば電磁コイルとヨークよりなる磁場形成手段１０２が設置されている。保持ステージＳは、一般に静電吸着電極と呼ばれているものであり、よって、以下、静電吸着電極Ｓと記載することにする。

処理室１００は、真空排気系１０３により、１００００分の１Ｐａ程度の圧力の真空を達成できる真空容器である。被処理体のエッチング、成膜等の処理を行なう処理ガスは、図示しないガス供給手段から所定の流量と混合比をもって処理室１００内に供給され、真空排気系１０３と排気調整手段１０４により処理室１００内の圧力が制御される。一般に、プラズマ処理装置では、エッチング中の処理圧力を０．１Ｐａから１０Ｐａ以下の範囲に調整して使用することが多い。

アンテナ１０１には、マッチング回路１２２を介してアンテナ電源１２１が接続される。アンテナ電源１２１は、３００ＭＨｚから１ＧＨｚのＵＨＦ帯周波数の電力を供給するもので、本実施例ではアンテナ電源１２１の周波数を４５０ＭＨｚとしている。静電吸着電極Ｓには、静電吸着用の高電圧電源１０６がマッチング回路１０９を介して、たとえば２００ｋＨｚから１３．５６ＭＨｚの範囲のバイアス電力を供給するバイアス電源１０７がマッチング回路１０８を介して、それぞれ接続される。なお、本実施例では、バイアス電源１０７の周波数を２ＭＨｚとしている。
［静電吸着電極Ｓの構成］

図２は、このプラズマ処理装置において、半導体ウェハＷの保持ステージとして使用される静電吸着電極Ｓの一部断面による斜視図である。この図を用いて、静電吸着電極Ｓの構造について詳細に説明する。図２に示すように、静電吸着電極Ｓはチタン製の電極ブロック１内にアルミニウム製の熱拡散用のプレート２、チタン製のガイド部材３、誘電体膜４、それにセラミックス製の電極カバー５で構成され、電極ブロック１、プレート２およびガイド部材３を低融点の金属ろう材で接合した後、その表面にシリコン系の接着剤で誘電体膜４を接着した構造となっている。

静電吸着電極Ｓの大きさは、１２インチ（直径３００ｍｍ）の半導体ウェハを対象とした場合には、直径が３４０ｍｍで、全体の厚さが４０ｍｍである。電極ブロック１内には冷媒用の流路６が形成され、誘電体膜４内には金属の電極７が埋め込まれている。誘電体膜４内の電極７には、図１に示した高電圧電源１０６とバイアス電源１０７がそれぞれ接続されている。誘電体膜４には、図２に示すように、ガス導入孔８に連通して放射状に伸びる直線状のスリット４１と、これに連通した複数条の同心円状のスリット４２が設けてある。ガス導入孔８からは伝熱用のＨｅガスが導入され、スリットにより半導体ウェハＷの裏面に均一な圧力のＨｅガス（通常１０００Ｐａ程度）が充填される。

本実施例に示す誘電体膜４は、厚さは３ｍｍの高純度のアルミナセラミックスからなる、この誘電体膜４の材質や厚さは、この例に限られたものではなく、例えば合成樹脂の場合は、それに応じて０．１ｍｍから数ｍｍの厚さが選択できる。

静電吸着電極Ｓの温度制御は、温調ユニット５０を用いて行われる。温調ユニット５０は、冷媒が循環する冷媒配管５１、圧縮機５２、膨張弁５３、ヒーターが内蔵された熱付加ユニット５４、凝縮器５５および制御システム５６、蒸発器として働く冷媒用通路６から構成される。制御システム５６には、電極ブロック１の温度を間接的又は直接モニターしながら、圧縮機５２、膨張弁５３および熱付加ユニット５４を制御して、電極ブロック１が所定の温度になるような制御回路が内蔵されている。
［静電吸着電極の温度制御メカニズム］

次に、この実施形態における静電吸着電極Ｓの温度制御の原理について説明する。この静電吸着電極Ｓは、誘電体膜４に高電圧を印加することにより発現されるクーロン力又はジョンソンランベック力により半導体ウェハＷを吸着させるものである。高電圧の印加方法としては、単極型と双極型の２種があり、単極型は、半導体ウェハと誘電体膜間に一様な電位を与える方法、一方、双極型は誘電体膜間に２種以上の電位差を与える方法である。本実施形態では単極型の静電吸着電極であるが、これに限らず何れの方法でもよい。

エッチング処理中の半導体ウェハＷの温度は、プラズマからの入熱量、Ｈｅ層での熱抵抗と静電吸着電極Ｓの表面温度で決まる。静電吸着電極Ｓの表面温度は、プラズマからの入熱量、電極ブロック内１の熱抵抗、さらに電極ブロック１内に循環される冷媒と電極ブロック１との熱抵抗、循環している冷媒の温度で規定される。
［プラズマ処理装置の動作］

次に、本実施例のプラズマ処理装置を用いて、たとえばシリコンのエッチングを行う場合の具体的なプロセスを説明する。図１において、まず処理の対象物である半導体ウェハＷは、図示しない被処理体搬入機構から処理室１００に搬入された後、静電吸着電極Ｓの上に載置・吸着され、必要に応じて静電吸着電極Ｓの高さが調整されて所定のギャップに設定される。ついで、半導体ウェハＷのエッチング処理に必要なガス、たとえば塩素と臭化水素と酸素が図示しないガス供給手段から供給され、所定の流量と混合比をもって処理室１００内に供給される。同時に、処理室１００は、真空排気系１０３および排気制御手段１０４により、所定の処理圧力に調整される。次に、アンテナ電源１２１からの４５０ＭＨｚの電力供給により、アンテナ１０１から電磁波が放射される。そして、磁場形成手段１０２により処理室１００の内部に形成される１６０ガウス（４５０ＭＨｚに対する電子サイクロトロン共鳴磁場強度）の概略水平な磁場との相互作用により、処理室１００内にプラズマＰが生成され、処理ガスが解離されてイオンやラジカルが発生する。さらに静電吸着電極Ｓのバイアス電源１０７からのバイアス電力により、プラズマ中のイオンやラジカルの組成比やエネルギーを制御して、半導体ウェハＷの温度を制御しながらエッチングを行う。そして、エッチング処理の終了にともない、電力・磁場および処理ガスの供給を停止してエッチングを終了する。

なお、本発明によるプラズマ処理装置の実施形態としては、ここに示したＵＨＦを使用する方式に限らず、他の方式のプラズマ処理装置でも良い。
［温調ユニットの詳細］

図３に、従来の温調ユニットと本発明にかかる温調ユニットを比較して示す。図３（ａ）は従来の循環型の温調ユニットであり、図３（ｂ）は本発明にかかる温調ユニッ５０である。

図３（ａ）に示す従来の温調ユニットは、フロン等の冷媒が循環する冷媒配管５１、圧縮機５２、膨張弁５３、凝縮器５５、蒸発器として働く熱交換器５９から構成される冷凍サイクルと、フッ素系の不活性な温媒が流れる配管７１、温媒を循環させるためのポンプ７２、さらに、冷媒と温媒とが熱交換する熱交換機５９、温媒加熱用のヒータ７０から構成される。このような従来の温調ユニットでは、循環している温媒自体の熱容量があるので温度変動を小さくできるが、その反面、温度レスポンスが悪くなる。ここで、半導体ウェハＷの許容最大温度は、表面に形成されたレジストの耐熱温度になるが、プラズマからの入熱が大きくなった場合は、入熱量に見合って誘電体膜４表面の温度、すなわち、循環している温媒の温度を低くしなけらばならない。

しかし、図４に示すように、温媒の温度が低くなると、温媒の粘性が高くなるので、電極ブロック１との熱通過率が低くなる。たとえば、高さ１５ｍｍ、幅５ｍｍの矩形状の配管を４Ｌ／分で循環している２０℃の温媒の熱通過率は、約８００Ｗ／ｍ^２Ｋであるが、０℃の場合は６００Ｗ／ｍ^２Ｋ（再計算）に低くなる。このことは、温調ユニット内の熱交換機にも同様な事が言え、温媒の温度が低くなると、熱効率が悪くなるので、温調ユニットで吸収できる熱量が小さくなる。そのため、循環している温媒の温度が徐々に高くなる場合があった。

一方、図３（ｂ）に示す本発明にかかる温調ユニット５０は、冷媒を直接、静電吸着電極Ｓ内に循環させるもので、供給側冷媒配管５１−１、排出側冷媒配管５１−２、圧縮機５２、膨張弁５３、ヒーターが内蔵された熱付加ユニット５４、凝縮器５５、予備タンク５７および制御システム５６から構成される。なお、温調ユニット５０では、循環している冷媒の量を一定にするために、冷媒の予備タンク５７を設けている。冷媒は、電極ブロック内１で気化することで吸熱し、さらに、気化された冷媒は圧縮機５２で加圧され（沸点が下がる）、凝縮器５５で冷却されて凝縮する。

プラズマ処理装置では、安定したエッチング行うために、エッチング開始前のプラズマ処理室１００や静電吸着電極Ｓの温度を所定の値にする必要がある。この時のプラズマ処理室１００内は高真空に保持されており、静電吸着電極Ｓはほぼ断熱された状態にある。そのため、単純に温調ユニット５０の冷媒を循環すると、冷媒は気化されず、所定の温度にすることができない。そこで、本実施例に示す温調ユニット５０では、静電吸着電極Ｓの温度を温度センサ５８（熱電対）でモニタしながら、制御システム５６が、熱付加ユニット５４の出力、膨張弁５３の開度およびインバータ制御により圧縮機５２の出力を調整しながら温度制御を行うシステムとしている。

プラズマ生成時の熱付加ユニット５４は発熱しない。なお、温度センサ５８は、静電吸着電極Ｓに直接高周波が印加されている場合等は、他の部材の温度をモニタ、又は直接冷媒の温度を測定しても良い。

このような本実施例に示す温調ユニット５０では、冷媒の特性上、温度制御範囲が若干狭くなるが、冷媒により直接静電吸着電極Ｓを冷却しているので熱効率が優れる。また、温媒に比べ、電極ブロック内の冷媒の熱通過率は、５℃で約５０００Ｗ／ｍ^２Ｋと大きく、従来装置の冷媒に比べ設定温度を低くする必要がない。これより、温調ユニット５０を運転する動力も小さくすることができる。

本実施例に示す熱付加ユニット５４は、ヒータを内蔵したものであるが、例えば、ヒータの代わりに温水を流すようにしてもよいし、さらに、図３（ｂ）に示すように供給側冷媒配管５１−１と排出側冷媒配管５１−２との間に電極ブロック１を側路するバイパス配管８０を設け、熱付加ユニット５４と組み合わせて、温度制御を行っても良い。
［温調ユニットを用いた場合に留意すべき電極構造］

次に、本実施例の温調ユニット５０を用いた場合に留意すべき静電吸着電極Ｓの構造について説明する。留意するべき点は大きく２点あり、その一つは電極ブロック内を循環している冷媒に対する耐圧、もう一つは冷媒の熱的特性を考慮した冷媒の流路構造である。

本実施例の温調ユニット５０では、循環型の温調ユニットに比べて、冷媒の気化を用いた冷却法であるので、冷媒の圧力が高く、電極ブロック１の変形を考慮した電極構造にする必要がある。たとえば、半導体ウェハＷが接触する面が０．０５ｍｍ以上の凸状に変形すると、Ｈｅガスの漏れ量が多くなり、高精度な温度制御できなくなることを確認している。たとえば、冷媒の圧力を５気圧とすれば、電極ブロック１の平面には約３５００ｋｇの荷重が負荷されるので、単に電極ブロック１とガイド部材３の円周部のみをろう付けした構造では、電極ブロック１が凸状に変形してしまう。

このことから、本実施例の静電吸着電極Ｓでは、図５に示すように、電極ブロック１の外周のみならず、電極ブロック１内の冷媒流路２４の側壁２０も剛性部材と考え、ガイド部材３とろう付け２１した構造としている。電極ブロック１とガイド部材３の締結する手段はろう付けのみならず、ブレージング、拡散接合、それに電子ビーム溶接の何れかであってもよく、更に、ガイド部材３は、前記電極ブロック１より熱伝導率が低い材料で作られているようにしてもよい。冷媒は、冷媒導入口２２から冷媒用通路６内に導入され、並行して設けられた複数の側壁２０間の複数の冷媒流路２４を通して冷媒排出口２３から排出される。側壁２０は、冷媒と電極ブロック１との間の熱伝達手段として働くとともに、電極ブロック１の強度を増すリブとしても働く。

一方、冷媒の流路構造では、循環している冷媒が滞留しないこと、さらに、循環している冷媒の熱通過率を考慮した構造設計が必要である。電極ブロックを循環している冷媒熱通過率について説明する電極ブロックの入り口の冷媒は液体であるが、電極ブロック内を流入するに伴って吸熱して気化するため、液体と気体の混合率が変化し、流入している途中の熱通過率が変化してしまう。したがって、図７に示すように、熱伝導性に優れた熱拡散プレート２（アルミニウム、銅、ＡＬＮ）を設けて、電極ブロック内の温度を均一化すれば良い。

また、冷媒が滞留しない構造の一例として、図８および図９に流路の構造の一例を示す。図８に示す静電吸着電極では、電極ブロック内に整流板２５を設け、冷媒導入口２２から導入された冷媒が均一に分散して冷媒排出口２３へ流れるようにするとともに、千鳥状に配置した円柱２６を設けて剛性を向上させた構造の一例である。

また、図９に示す構造は、冷媒導入口２２と冷媒排出口２３を近接させて配置し、一部に切り欠きのある環状の側壁２０を同心円状に多重に配置し、円周方向の冷媒流路２４を多重に設け、隣接する冷媒流路２４を渡り流路２７で接続して、冷媒が円周方向に循環するようにした構造の一例である。
［静電吸着電極交換時の動作］

静電吸着電極Ｓは、プラズマによるエッチングやエッチング処理中のデポ物の付着により、性能（吸着性能や電気的な性能）が劣化するため交換する必要がある。静電吸着電極Ｓを交換時する際の温調ユニット５０の動作について、図６を用いて説明する。本実施例に示す温調ユニット５０では、供給側冷媒配管５１−１と電極ブロック１の冷媒導入口２２との間にバルブ６０を、電極ブロック１の冷媒排出口２３と排出側冷媒配管５１−２との間にバルブ６１を設けている。さらに、この調温ユニット５０は、バルブ６０と冷媒導入口２２との間に例えば窒素などのガス供給バルブ６３を、バルブ６１と冷媒排出口２３との間に排出バルブ６２を設けている。排出バルブ６２の先には、圧力センサ６４と、真空ポンプ６５が設けられている。

調温ユニット５０は、真空ポンプが内蔵され、自動で静電吸着電極Ｓを交換可能な状態、および取り付け後は自動で運転可能な状態にすることができる。

静電吸着電極Ｓを取り外す場合は、圧縮機５２を作動させて冷媒を循環させた状態でバルブ６０を閉じ、数分経過後、バルブ６１を閉じる。この工程により、電極ブロック１の冷媒配管内にある冷媒は、全て予備タンク５７へ回収される。その後、バルブ６２を開とすると同時に真空ポンプ６５を作動させ、静電吸着電極Ｓの電極ブロック１内の冷媒配管を真空に排気する。この時、圧力センサ６４により、冷媒配管内の圧力がモニタされ所定の圧力に到達した後、バルブ６２を閉じ、バルブ６３を開いて、電極ブロック１の冷媒配管内に窒素ガスを導入する。電極ブロック１の冷媒配管内圧力が大気圧に達すると、バルブ６３を閉じ、プラズマ処理装置の制御画面上に静電吸着電極Ｓの交換が可能であることを表示する。

この後、手作業で、冷媒導入口２２と供給側冷媒配管５１−１の接続および冷媒排出口２３と排出側冷媒配管５２の接続を外し、静電吸着電極Ｓを取り外した後、新たな静電吸着電極Ｓを取りつけ、冷媒導入口２２と供給側冷媒配管５１−１、および冷媒排出口２３と排出側冷媒配管５２を接続して静電吸着電極Ｓを交換する。
静電吸着電極Ｓの交換後は、バルブ６２を開いた後ポンプ６５を動作させ、静電吸着電極Ｓ内の冷媒配管を排気後、バルブ６２を閉じて、バルブ６０およびバルブ６１を開き、プラズマ処理装置の制御画面上に温調ユニット５０が運転可能であることを表示する。
［静電吸着電極の温度確認］

以上のような温調ユニット５０と、図２に示した静電吸着電極Ｓを具備したプラズマ処理装置を用いて、プラズマ放電時の半導体ウェハＷの温度を測定した。その結果、プラズマ放電中の静電吸着電極は、所定の温度（０〜１０℃の範囲で確認）に設定することができ、かつ静電吸着電極Ｓに投入されるバイアス電源の電力を３０００Ｗとしても、温度、再現性が良く、問題ないことが確認された。

本発明にかかるプラズマ処理装置の構成を説明する概念図。 本発明にかかるプラズマ処理装置の調温ユニットの構成を説明する図。 調温ユニットの構成襟を説明する図。 冷媒の温度と熱透過率の関係を説明する図。 静電吸着電極の冷媒用流路の一例を説明する断面図。 静電吸着電極の交換を可能とする構成を説明する図。 電極ブロックの構成を説明する断面図。 静電吸着電極の冷媒用流路の他の例を説明する断面図。 静電吸着電極の冷媒用流路のさらに他の例を説明する断面図。

符号の説明

１…電極ブロック、２…熱拡散用プレート、３…ガイド部材、４…誘電体膜、５…電極カバー、６…冷媒用通路、７…電極、８…ガス導入孔、２０…側壁、２１…ロー付け、２２…冷媒導入口、２３…冷媒排出口、２４…冷媒流路、２５…整流板、２６…円柱、２７…渡り流路、４１…スリット、４２…スリット、５０…調温ユニット、５１…冷媒配管、５２…圧縮機、５３…膨張弁、５４…熱付加手段、５５…凝縮機、５６…制御システムト、５７…予備タンク、５８…温度センサ、５９…熱交換機、６０、６１…バルブ、６２…排出バルブ、６３…ガス供給バルブ、６４…圧力センサ、６５…真空ポンプ、１００…処理室、１０１…アンテナ、１０２…磁場形成手段、１０３…真空排気系、１０４ 排気制御手段、１０５…アンテナ、１０６…高電圧電源、１０７…バイアス電源、１０８…マッチング回路、１０９…フィルタ、１２１…アンテナ電源、１２２…マッチング回路、Ｐ…プラズマ、Ｓ…静電吸着電極、Ｗ…ウェハ

Claims (4)

1. 内部が真空にされてプラズマが形成される処理室と、この処理室内に配置され前記プラズマを用いて処理されるウェハを保持する表面に誘電体膜を備え内部に冷媒の流路が形成された電極ブロックを具備し該電極ブロック表面の誘電体膜を介してウェハを保持して温度制御する保持ステージと、前記冷媒の流路と圧縮機と凝縮器と膨張弁とが連結されて前記冷媒を循環し前記電極ブロックの冷媒の流路を前記冷媒が加熱されて気化する冷凍サイクルの蒸発器として用いる冷凍サイクルとを備えたプラズマ処理装置であって、
   前記冷凍サイクルが前記冷媒を加熱する別の加熱手段を前記冷凍サイクルの前記蒸発器の前に備えたプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記別の加熱手段が前記プラズマによる処理の開始前後の前記保持ステージの温度差を低減するように動作が調節されるプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記別の加熱手段が前記プラズマが生成された状態で前記冷媒の加熱が停止されているプラズマ処理装置。
4. 請求項１乃至３のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記別の加熱手段がヒータを備えた熱交換器であるプラズマ処理装置。

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