JP7066479B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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Description

本開示は、プラズマ処理装置に関するものである。
従来から、半導体ウエハなどの被処理体に対してプラズマを用いて、エッチングなどのプラズマ処理を行うプラズマ処理装置が知られている。このようなプラズマ処理装置では、被処理体の温度制御を行うために、被処理体を載置する載置台の内部に載置台の載置面に沿って冷媒流路が形成される。冷媒流路には、載置台の載置面に対する裏面側から導入流路が接続され、導入流路から冷媒流路に冷媒が導入される。
特開２００６－２６１５４１号公報 特開２０１１－１５１０５５号公報 特開２０１４－１１３８２号公報
本開示は、載置台の載置面の温度の均一性を向上することができる技術を提供する。
開示するプラズマ処理装置は、１つの実施態様において、プラズマ処理の対象となる被処理体が載置される載置面を有する載置台と、前記載置台の載置面に沿って前記載置台の内部に形成された冷媒流路と、前記冷媒流路に前記載置台の載置面に対する裏面側から接続され、前記冷媒流路に冷媒を導入する導入流路と、を有し、前記導入流路は、当該導入流路の延伸方向が前記冷媒流路を通流する冷媒の流れ方向に対して９０度よりも大きい角度で傾斜するように前記載置台の載置面に対する裏面側から延伸し、前記冷媒流路に接続される。
開示するプラズマ処理装置の１つの態様によれば、載置台の載置面の温度の均一性を向上することができるという効果が得られる。
図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す概略断面図である。 図２は、一実施形態に係る載置台の要部構成を示す概略断面図である。 図３は、載置台を上方向から見た平面図である。 図４は、導入流路と冷媒流路との接続態様の一例を示す図である。 図５は、冷媒流路を通流する冷媒の状態を模式的に示した図である。 図６は、角度θと、冷媒流路の内壁のうち、接続部分に対向する領域と他の領域との間で発生する冷媒の流速の差との関係をシミュレーションするためのモデルの一例を示す図である。 図７は、角度θと、冷媒流路の内壁のうち、接続部分に対向する領域と他の領域との間で発生する冷媒の流速の差との関係のシミュレーション結果の一例を示す図である。 図８は、導入流路と冷媒流路との接続態様の他の一例を示す図である。
以下に、開示するプラズマ処理装置の実施形態について、図面に基づいて詳細に説明する。なお、本実施形態により開示技術が限定されるものではない。
従来から、半導体ウエハなどの被処理体に対してプラズマを用いて、エッチングなどのプラズマ処理を行うプラズマ処理装置が知られている。このようなプラズマ処理装置では、被処理体の温度制御を行うために、被処理体を載置する載置台の内部に載置台の載置面に沿って冷媒流路が形成される。冷媒流路には、載置台の載置面に対する裏面側から導入流路が接続され、導入流路から冷媒流路に冷媒が導入される。
しかしながら、冷媒流路に載置台の載置面に対する裏面側から導入流路が接続される場合、冷媒流路の内壁のうち、導入流路と冷媒流路との接続部分に対向する領域近傍で冷媒の流速が局所的に増大するため、熱抵抗となる温度境界層が形成されない、又は薄くなる。このため、冷媒流路の内壁のうち、導入流路と冷媒流路との接続部分に対向する領域近傍では、載置台の載置面から冷媒への熱伝達が局所的に促進され、結果として、載置台の載置面の温度の均一性が低下する虞がある。
（第１実施形態）
［プラズマ処理装置の構成］
図１は、一実施形態に係るプラズマ処理装置の構成を示す概略断面図である。プラズマ処理装置１００は、気密に構成され、電気的に接地電位とされた処理容器１を有している。この処理容器１は、円筒状とされ、例えばアルミニウム等から構成されている。処理容器１は、プラズマが生成される処理空間を画成する。処理容器１内には、被処理体（work-piece）である半導体ウエハ（以下、単に「ウエハ」という。）Ｗを水平に支持する載置台２が設けられている。載置台２は、基材（ベース）２ａ及び静電チャック（ＥＳＣ:Electrostatic chuck）６を含んで構成されている。基材２ａは、導電性の金属、例えばアルミニウム等で構成されており、下部電極としての機能を有する。静電チャック６は、ウエハＷを静電吸着するための機能を有する。載置台２は、支持台４に支持されている。支持台４は、例えば石英等からなる支持部材３に支持されている。また、載置台２の上方の外周には、例えば単結晶シリコンで形成されたフォーカスリング５が設けられている。さらに、処理容器１内には、載置台２及び支持台４の周囲を囲むように、例えば石英等からなる円筒状の内壁部材３ａが設けられている。
基材２ａには、第１の整合器１１ａを介して第１のＲＦ電源１０ａが接続され、また、第２の整合器１１ｂを介して第２のＲＦ電源１０ｂが接続されている。第１のＲＦ電源１０ａは、プラズマ発生用のものであり、この第１のＲＦ電源１０ａからは所定の周波数の高周波電力が載置台２の基材２ａに供給されるように構成されている。また、第２のＲＦ電源１０ｂは、イオン引き込み用（バイアス用）のものであり、この第２のＲＦ電源１０ｂからは第１のＲＦ電源１０ａより低い所定周波数の高周波電力が載置台２の基材２ａに供給されるように構成されている。このように、載置台２は電圧印加可能に構成されている。一方、載置台２の上方には、載置台２と平行に対向するように、上部電極としての機能を有するシャワーヘッド１６が設けられている。シャワーヘッド１６と載置台２は、一対の電極（上部電極と下部電極）として機能する。
静電チャック６は、上面が平坦な円盤状に形成され、当該上面がウエハＷが載置される載置面６ｅとされている。静電チャック６は、絶縁体６ｂの間に電極６ａを介在させて構成されており、電極６ａには直流電源１２が接続されている。そして電極６ａに直流電源１２から直流電圧が印加されることにより、クーロン力によってウエハＷが吸着されるよう構成されている。
基材２ａの内部には、冷媒流路２ｄが形成されている。冷媒流路２ｄの一方の端部には、導入流路２ｂが接続され、他方の端部には、排出流路２ｃが接続されている。導入流路２ｂ及び排出流路２ｃは、それぞれ冷媒入口配管２ｅ及び冷媒出口配管２ｆを介して、図示しないチラーユニットに接続されている。冷媒流路２ｄは、ウエハＷの下方に位置してウエハＷの熱を吸熱するように機能する。プラズマ処理装置１００は、冷媒流路２ｄの中にチラーユニットから供給される冷媒、例えば冷却水やガルデンなどの有機溶剤等を循環させることによって、載置台２を所定の温度に制御可能に構成されている。冷媒流路２ｄ、導入流路２ｂ、及び排出流路２ｃの構造については、後述される。
なお、プラズマ処理装置１００は、ウエハＷの裏面側に冷熱伝達用ガスを供給して温度を個別に制御可能な構成としてもよい。例えば、載置台２等を貫通するように、ウエハＷの裏面にヘリウムガス等の冷熱伝達用ガス（バックサイドガス）を供給するためのガス供給管が設けられてもよい。ガス供給管は、図示しないガス供給源に接続されている。これらの構成によって、載置台２の上面に静電チャック６によって吸着保持されたウエハＷを、所定の温度に制御する。
上記したシャワーヘッド１６は、処理容器１の天壁部分に設けられている。シャワーヘッド１６は、本体部１６ａと電極板をなす上部天板１６ｂとを備えており、絶縁性部材９５を介して処理容器１の上部に支持される。本体部１６ａは、導電性材料、例えば表面が陽極酸化処理されたアルミニウムからなり、その下部に上部天板１６ｂを着脱自在に支持できるように構成されている。
本体部１６ａは、内部にガス拡散室１６ｃが設けられている。また、本体部１６ａは、ガス拡散室１６ｃの下部に位置するように、底部に、多数のガス通流孔１６ｄが形成されている。また、上部天板１６ｂは、当該上部天板１６ｂを厚さ方向に貫通するようにガス導入孔１６ｅが、上記したガス通流孔１６ｄと重なるように設けられている。このような構成により、ガス拡散室１６ｃに供給された処理ガスは、ガス通流孔１６ｄ及びガス導入孔１６ｅを介して処理容器１内にシャワー状に分散されて供給される。
本体部１６ａには、ガス拡散室１６ｃへ処理ガスを導入するためのガス導入口１６ｇが形成されている。ガス導入口１６ｇには、ガス供給配管１５ａの一端が接続されている。このガス供給配管１５ａの他端には、処理ガスを供給する処理ガス供給源（ガス供給部）１５が接続される。ガス供給配管１５ａには、上流側から順にマスフローコントローラ（ＭＦＣ）１５ｂ、及び開閉弁Ｖ２が設けられている。ガス拡散室１６ｃには、ガス供給配管１５ａを介して、処理ガス供給源１５からプラズマエッチングのための処理ガスが供給される。処理容器１内には、ガス拡散室１６ｃからガス通流孔１６ｄ及びガス導入孔１６ｅを介して、シャワー状に分散されて処理ガスが供給される。
上記した上部電極としてのシャワーヘッド１６には、ローパスフィルタ（ＬＰＦ）７１を介して可変直流電源７２が電気的に接続されている。この可変直流電源７２は、オン・オフスイッチ７３により給電のオン・オフが可能に構成されている。可変直流電源７２の電流・電圧ならびにオン・オフスイッチ７３のオン・オフは、後述する制御部９０によって制御される。なお、後述のように、第１のＲＦ電源１０ａ、第２のＲＦ電源１０ｂから高周波が載置台２に印加されて処理空間にプラズマが発生する際には、必要に応じて制御部９０によりオン・オフスイッチ７３がオンとされ、上部電極としてのシャワーヘッド１６に所定の直流電圧が印加される。
処理容器１の側壁からシャワーヘッド１６の高さ位置よりも上方に延びるように円筒状の接地導体１ａが設けられている。この円筒状の接地導体１ａは、その上部に天壁を有している。
処理容器１の底部には、排気口８１が形成されている。排気口８１には、排気管８２を介して第１排気装置８３が接続されている。第１排気装置８３は、真空ポンプを有しており、この真空ポンプを作動させることにより処理容器１内を所定の真空度まで減圧することができるように構成されている。一方、処理容器１内の側壁には、ウエハＷの搬入出口８４が設けられており、この搬入出口８４には、当該搬入出口８４を開閉するゲートバルブ８５が設けられている。
処理容器１の側部内側には、内壁面に沿ってデポシールド８６が設けられている。デポシールド８６は、処理容器１にエッチング副生成物（デポ）が付着することを防止する。このデポシールド８６のウエハＷと略同じ高さ位置には、グランドに対する電位が制御可能に接続された導電性部材（ＧＮＤブロック）８９が設けられており、これにより異常放電が防止される。また、デポシールド８６の下端部には、内壁部材３ａに沿って延在するデポシールド８７が設けられている。デポシールド８６，８７は、着脱自在とされている。
上記構成のプラズマ処理装置１００は、制御部９０によって、その動作が統括的に制御される。この制御部９０には、ＣＰＵを備えプラズマ処理装置１００の各部を制御するプロセスコントローラ９１と、ユーザインターフェース９２と、記憶部９３とが設けられている。
ユーザインターフェース９２は、工程管理者がプラズマ処理装置１００を管理するためにコマンドの入力操作を行うキーボードや、プラズマ処理装置１００の稼働状況を可視化して表示するディスプレイ等から構成されている。
記憶部９３には、プラズマ処理装置１００で実行される各種処理をプロセスコントローラ９１の制御にて実現するための制御プログラム（ソフトウェア）や処理条件データ等が記憶されたレシピが格納されている。そして、必要に応じて、ユーザインターフェース９２からの指示等にて任意のレシピを記憶部９３から呼び出してプロセスコントローラ９１に実行させることで、プロセスコントローラ９１の制御下で、プラズマ処理装置１００での所望の処理が行われる。また、制御プログラムや処理条件データ等のレシピは、コンピュータで読取り可能なコンピュータ記憶媒体（例えば、ハードディスク、ＣＤ、フレキシブルディスク、半導体メモリ等）などに格納された状態のものを利用したり、又は、他の装置から、例えば専用回線を介して随時伝送させてオンラインで使用したりすることも可能である。
［載置台の構成］
次に、図２を参照して、載置台２の要部構成について説明する。図２は、一実施形態に係る載置台２の要部構成を示す概略断面図である。
載置台２は、基材２ａ及び静電チャック６を有する。静電チャック６は、円板状に形成され、基材２ａと同軸となるように基材２ａに固定されている。静電チャック６の上面は、ウエハＷが載置される載置面６ｅとされている。
基材２ａの内部には、載置面６ｅに沿って冷媒流路２ｄが設けられている。プラズマ処理装置１００は、冷媒流路２ｄに冷媒を通流させることにより、載置台２の温度を制御可能に構成されている。
図３は、載置台２を上方向から見た平面図である。図３には、載置台２の載置面６ｅが円板状に示されている。冷媒流路２ｄは、例えば図３に示すように、基材２ａの内部の載置面６ｅに対応する領域に渦巻き状に形成されている。これにより、プラズマ処理装置１００は、載置台２の載置面６ｅ全域において、ウエハＷの温度を制御することができる。
図２の説明に戻る。冷媒流路２ｄには、導入流路２ｂ及び排出流路２ｃが載置台２の載置面６ｅに対する裏面側から接続されている。導入流路２ｂは、冷媒流路２ｄに冷媒を導入し、排出流路２ｃは、冷媒流路２ｄを通流する冷媒を排出する。
ここで、導入流路２ｂと冷媒流路２ｄとの接続態様について説明する。図４は、導入流路２ｂと冷媒流路２ｄとの接続態様の一例を示す図である。図４は、図３に示した載置台２の基材２ａのＡ－Ａ線における断面図に相当する。導入流路２ｂは、導入流路２ｂの延伸方向が冷媒流路２ｄを通流する冷媒の流れ方向（図４の矢印で示される方向）に対して９０度よりも大きい角度θで傾斜するように載置台２の載置面６ｅに対する裏面側から延伸し、冷媒流路２ｄに接続されている。角度θは、９０度よりも大きい角度であればよいが、１３５度以上で且つ１８０度以下の範囲内であることが好ましい。
ところで、プラズマ処理装置１００では、冷媒流路２ｄに載置台２の載置面６ｅに対する裏面側から導入流路２ｂが接続される場合、載置台２の載置面６ｅの温度の均一性が低下する虞がある。
図５は、冷媒流路２ｄを通流する冷媒の状態を模式的に示した図である。図５に示すように、基材２ａの内部には、載置台２の載置面６ｅに沿って冷媒流路２ｄが設けられている。また、冷媒流路２ｄには、導入流路２ｂが載置台２の載置面６ｅに対する裏面側から接続されている。導入流路２ｂは、導入流路２ｂの延伸方向が冷媒流路２ｄを通流する冷媒の流れ方向に直交するように載置台２の載置面６ｅに対する裏面側から延伸し、冷媒流路２ｄに接続されている。冷媒流路２ｄに載置台２の載置面６ｅに対する裏面側から導入流路２ｂが接続されるプラズマ処理装置１００では導入流路２ｂと冷媒流路２ｄとの間での冷媒の流れの方向転換が行われる。導入流路２ｂと冷媒流路２ｄとの間での冷媒の流れの方向転換が行われると、冷媒流路２ｄの内壁のうち、導入流路２ｂと冷媒流路２ｄとの接続部分２ｇに対向する領域近傍で冷媒の流速が局所的に増大するため、熱抵抗となる温度境界層が形成されない、又は薄くなる。一方、冷媒流路２ｄの内壁のうち、接続部分２ｇに対向する領域以外の他の領域では、冷媒流路２ｄの内壁のうち、接続部分２ｇに対向する領域と比較して冷媒の流速が低いため、熱抵抗となる温度境界層が形成される。図５では、冷媒流路２ｄの内壁のうち、接続部分２ｇに対向する領域以外の他の領域に形成される温度境界層が破線の層で示されている。例えば、プラズマ処理装置１００では、冷媒流路２ｄの内壁のうち、接続部分２ｇに対向する領域と他の領域との間で発生する冷媒の流速の差が過度に大きくなると、温度境界層の厚さの差が過度に大きくなる。このため、冷媒流路２ｄの内壁のうち、接続部分２ｇに対向する領域近傍では、載置面６ｅから冷媒への熱伝達が局所的に促進され、結果として、載置台２の載置面６ｅの温度の均一性が低下する。
そこで、プラズマ処理装置１００では、図４に示したように、冷媒流路２ｄを通流する冷媒の流れ方向に対して９０度よりも大きい角度θで傾斜するように導入流路２ｂを冷媒流路２ｄに接続している。
［導入流路の傾斜による冷媒の流速分布の変化］
図６及び図７を用いて、冷媒流路２ｄを通流する冷媒の流れ方向に対して９０度よりも大きい角度θで傾斜するように導入流路２ｂを冷媒流路２ｄに接続したことよる冷媒の流速分布の変化を説明する。図６は、角度θと、冷媒流路２ｄの内壁のうち、接続部分２ｇに対向する領域と他の領域との間で発生する冷媒の流速の差との関係をシミュレーションするためのモデルの一例を示す図である。図７は、角度θと、冷媒流路２ｄのうち、内壁の接続部分２ｇに対向する領域と他の領域との間で発生する冷媒の流速の差との関係のシミュレーション結果の一例を示す図である。図７は、図６に示すモデルを用いたシミュレーションにより得られたものである。
図６には、冷媒流路２ｄを通流する冷媒の流れ方向に対して角度θで傾斜するように導入流路２ｂを冷媒流路２ｄに接続した状態が示されている。また、図６に示すモデルでは、冷媒流路２ｄの内壁のうち、接続部分２ｇに対向する領域及び他の領域における冷媒の流速を測定するために、冷媒流路２ｄの内壁の上面から１ｍｍだけ離れた位置に２５０ｍｍの間隔で測定点１１１及び測定点１１２が設定された。測定点１１１において測定された冷媒の流速は、冷媒流路２ｄの内壁のうち、接続部分２ｇに対向する領域における冷媒の流速に相当する。測定点１１２において測定された冷媒の流速は、冷媒流路２ｄの内壁のうち、接続部分２ｇに対向する領域以外の他の領域における冷媒の流速に相当する。なお、図６に示すモデルを用いたシミュレーションでは、条件として、冷媒：水、冷媒の質量流量：０．６ｋｇ／ｓ、導入流路２ｂ及び冷媒流路２ｄの幅：２１．５ｍｍが用いられた。
図７は、例えば、角度θを９０度、１２０度、１３５度、１５０度及び１８０度の各々に変化させて、冷媒流路２ｄの内壁のうち、接続部分２ｇに対向する領域と他の領域との間で発生する冷媒の流速の差を測定したものである。図７に示すように、角度θが９０度よりも大きい場合、角度θが９０度である場合と比較して、冷媒流路２ｄの内壁のうち、接続部分２ｇに対向する領域と他の領域との間で発生する冷媒の流速の差が小さくなる。特に、角度θが１３５度以上で且つ１８０度以下の範囲内である場合、角度θが９０度である場合と比較して、冷媒流路２ｄの内壁のうち、接続部分２ｇに対向する領域と他の領域との間で発生する冷媒の流速の差が１／２以下まで小さくなる。このように、冷媒流路２ｄを通流する冷媒の流れ方向に対し９０度よりも大きい角度θで傾斜するように導入流路２ｂを冷媒流路２ｄに接続すると、冷媒流路２ｄの内壁のうち、接続部分２ｇに対向する領域と他の領域との間で発生する冷媒の流速の差が緩和される。これにより、冷媒流路２ｄの内壁近傍における温度境界層の厚さの差が緩和される。これにより、載置台２の載置面６ｅ全面において冷媒への熱伝達が均等に行われ、結果として、載置台２の載置面６ｅの温度の均一性を向上することができる。
以上のように、一実施形態に係るプラズマ処理装置１００は、載置台２と、冷媒流路２ｄと、導入流路２ｂとを有する。載置台２は、プラズマ処理の対象となるウエハＷが載置される載置面６ｅを有する。冷媒流路２ｄは、載置台２の載置面６ｅに沿って載置台２の内部に形成されている。導入流路２ｂは、冷媒流路２ｄに載置台２の載置面６ｅに対する裏面側から接続され、冷媒流路２ｄに冷媒を導入する。プラズマ処理装置１００では、導入流路２ｂは、当該導入流路２ｂの延伸方向が冷媒流路２ｄを通流する冷媒の流れ方向に対して９０度よりも大きい角度θで傾斜するように載置台２の載置面６ｅに対する裏面側から延伸し、冷媒流路２ｄに接続される。これにより、プラズマ処理装置１００は、載置台２の載置面６ｅの温度の均一性を向上することができる。
以上、種々の実施形態について説明してきたが、開示の技術は、上述した実施形態に限定されることなく種々の変形態様を構成可能である。
例えば、上記の実施形態では、導入流路２ｂ全体の延伸方向が冷媒流路２ｄを通流する冷媒の流れ方向に対して９０度よりも大きい角度θで傾斜する例を示したが、導入流路２ｂ全体が９０度よりも大きい角度θで傾斜していなくてもよい。導入流路２ｂは、図８に例示するように、導入流路２ｂの終端部の延伸方向が冷媒流路２ｄを通流する冷媒の流れ方向に対して９０度よりも大きい角度θで傾斜するように載置台２の載置面６ｅに対する裏面側から螺旋状に延伸し、冷媒流路２ｄに接続されてもよい。なお、図８は、導入流路２ｂと冷媒流路２ｄとの接続態様の他の一例を示す図である。
また、上述したプラズマ処理装置１００は、容量結合型のプラズマ処理装置であったが、任意のプラズマ処理装置に採用され得る。例えば、プラズマ処理装置１００は、誘導結合型のプラズマ処理装置、マイクロ波といった表面波によってガスを励起させるプラズマ処理装置のように、任意のタイプのプラズマ処理装置であってもよい。
また、上述した実施形態では、基材２ａに第１のＲＦ電源１０ａ及び第２のＲＦ電源１０ｂが接続される場合を例に説明したが、プラズマ源の構成はこれに限定されるものではない。例えば、プラズマ発生用の第１のＲＦ電源１０ａは、上部電極としての機能を有するシャワーヘッド１６に接続されてもよい。また、イオン引き込み用（バイアス用）の第２のＲＦ電源１０ｂが基材２ａに接続されていなくてもよい。
また、上述したプラズマ処理装置１００は、プラズマ処理としてエッチングを行うプラズマ処理装置であったが、任意のプラズマ処理を行うプラズマ処理装置に採用され得る。例えば、プラズマ処理装置１００は、化学気層成長（ＣＶＤ）、原子層堆積（ＡＬＤ）、物理気層成長（ＰＶＤ）などを行う枚葉式堆積装置であってもよく、プラズマアニール、プラズマインプランテーションなどを行うプラズマ処理装置であってもよい。
２ 載置台
２ａ 基材
２ｂ 導入流路
２ｄ 冷媒流路
２ｅ 接続部分
６ 静電チャック
６ｅ 載置面
１００ プラズマ処理装置
Ｗ ウエハ（被処理体）

Claims (2)

  1. プラズマ処理の対象となる被処理体が載置される載置面を有する載置台と、
    前記載置台の載置面に沿って前記載置台の内部に形成された冷媒流路と、
    前記冷媒流路に前記載置台の載置面に対する裏面側から接続され、前記冷媒流路に冷媒を導入する導入流路と、
    を有し、
    前記導入流路は、当該導入流路の終端部の延伸方向が前記冷媒流路を通流する冷媒の流れ方向に対して９０度よりも大きい角度で傾斜するように前記載置台の載置面に対する裏面側から螺旋状に延伸し、前記冷媒流路に接続されることを特徴とするプラズマ処理装置。
  2. 前記角度は、１３５度以上で且つ１８０度以下の範囲内であることを特徴とする請求項１に記載のプラズマ処理装置。
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