JP2009188162A - 基板載置台、基板処理装置及び被処理基板の温度制御方法 - Google Patents

Abstract

【課題】静電チャックを備えた基板載置台においては、静電チャック電極への給電線の周囲を絶縁材料で囲むため、伝熱の悪い部分が生じる。そこでこの部分の伝熱を補償して、基板全体の温度を均一にする手段を提供する。
【解決手段】給電線周囲の基板載置台表面に環状凸部を形成して、基板と載置台との間隙の空間を内側領域と外側領域に画定し、各領域に冷却ガスの供給管と排出管を配して、それぞれの領域の冷却ガス圧力を独立に制御できるようにする。
【選択図】図２

Description

本発明は、静電チャックを備えた半導体ウェハ等の基板の載置台に関し、静電チャックにおける給電線周囲の熱伝導の特異性による基板温度の不均一を解消することのできる基板載置台、この載置台を備えた基板処理装置及び被処理基板の温度制御方法に関する。

半導体ウェハ等の基板の処理装置においては、基板を保持・固定するために静電チャックが用いられることが多い。静電チャックは、基板の載置台表面を誘電体で構成し、その直下に金属性の電極板を埋め込んで、この電極板に直流高電圧を印加し、クーロン力又はジョンソン・ラーベック力により、基板を吸着保持するものである。

また、プラズマ処理装置においては、被処理基板であるウェハが上方から熱を受けるため、基板の載置台を熱伝導率の高い材料、例えば金属で構成し、その内部に冷媒流路を設けて載置台を冷却するとともに、載置台とウェハ裏面との間隙にＨｅガス等の熱伝達用ガスを導入して、ウェハの冷却を促進させている。

静電チャックの電極板には、電源から印加電圧を供給するために給電線が取り付けられている。この給電線は、例えば下記特許文献１に記載のあるように載置台中央部に設けられる場合と、例えば下記特許文献２のように載置台周縁部に設けられる場合とがある。
特開２０００−３１７７６１号公報 特開２００１−２７４２２８号公報

静電チャックの電極板に印加される電圧が高電圧であるため、給電線の周囲は絶縁材料で構成しなければならない。一般に絶縁材料は熱伝導率も低いため、給電線周囲の絶縁材の部分と、それ以外の高熱伝導率材料の部分とで、基板から載置台へ伝熱量が相違するという問題が生じる。すなわち、給電線の周囲は冷媒への伝熱量が少なく、載置台表面温度が高くなる。そのため、基板から載置台への抜熱量が小さくなり、基板温度が他の部分より高くなってしまう。これによりプラズマエッチング等の処理をしたときに、給電線の周囲とその他の部分とでエッチング等の処理特性に差が生じるおそれがあり、好ましくない。

そこで、本発明は、プラズマ処理を行う減圧チャンバー内において、静電チャックにより被処理基板を吸着・保持する基板載置台であって、静電チャックの給電線周囲とその他の部分で、基板からの抜熱量を所望の値に制御して、基板全体の温度をほぼ均一にすることのできる基板載置台と温度制御方法を提供することを課題としている。

上記課題を解決するための本発明の基板載置台は、基板をプラズマ処理する処理チャンバー内に設けられ、給電線周囲が絶縁材料で構成された給電部と、内部に冷却媒体流路とを備えた基板載置台であって、前記載置台の基板載置面側を複数の領域に仕切る凸部と、前記凸部で仕切られた領域に冷却ガスを導入する導入口と、前記冷却ガスの圧力又は流量を調節する調節手段とを設けたことを特徴とする。

この載置台は、前記凸部で仕切られた複数の領域のそれぞれに、前記冷却ガスの導入口と排出口とを含むガス流路が形成されているものであってもよい。
また、この載置台においては、前記領域の面積は、前記給電線の中心に近い領域ほど小さくなることが好ましい。

前記給電部は、前記基板載置台の中心部にあってもよい。この場合において、前記給電部の周囲を所定の半径で同心円状に複数の領域に仕切る凸部が形成されていてもよい。
また、この場合において、前記凸部は、前記給電部の中心を中心軸として同心円状に形成されているものであってもよい。

前記給電部が、少なくとも１個以上、基板載置台の周縁部にあってもよい。この場合において、前記給電部の周囲を所定の半径で同心円状に少なくとも１個以上の領域に仕切る凸部が形成されていてもよい。また、前記凸部は、前記給電部の中心を中心軸として同心円状に形成されているものであってもよい。

本発明の被処理基板の温度制御方法は、基板をプラズマ処理する処理チャンバー内に設けられ、給電線周囲が絶縁材料で構成された給電部と、内部に冷却媒体流路とを備えた基板載置台に載置される被処理基板の温度制御方法であって、前記載置台の基板載置面側に、前記給電線の周囲を複数の領域に仕切る凸部を形成し、前記凸部で仕切られた複数の領域のそれぞれに冷却ガスを導入し、前記領域に供給する前記冷却ガスの圧力又は流量を調節することにより、被処理基板の温度を調整することを特徴とするものである。

この温度制御方法においては、前記領域の面積をその外側領域の面積より小さくして被処理基板の温度を調整することが好ましい。
また、前記給電部を中心としてその周囲を所定の半径で同心円状に複数の領域に仕切る凸部を形成し、被処理基板の温度を調整することが好ましい。

また、本発明は前記の基板載置台を備えた基板処理装置を含む。

本発明によれば、載置台に設けられた静電チャックの給電線周囲における伝熱の特異状態が解消され、載置台上の基板温度を均一にでき、被処理基板の品質を向上させることができるようになった。

以下、実施例の図面を参照して本発明を詳細に説明する。図１に、本発明の実施に用いられるプラズマ処理装置（プラズマエッチング装置）の全体の概略構成を示す。図１において、チャンバー１は、例えばアルミニウム、ステンレス鋼等の材質からなり、内部を気密に密閉可能な円筒形のものである。このチャンバー１はアースに接地されている。

チャンバー１の内部には、被処理基板として例えば半導体ウェハＷが載置される載置台（以下、サセプタ）２が設けられる。図１に示すサセプタ２は、半導体ウェハＷと接触して熱交換を行うことにより、半導体ウェハＷの温度を調節する熱交換プレートとして用いられる。サセプタ２は、アルミニウム等の導電性及び熱伝導性に富む材質からなり、下部電極を兼ねている。

サセプタ２は、セラミックス等の絶縁性の筒状保持部３に支持される。筒状保持部３はチャンバー１の筒状支持部４に支持される。筒状保持部３の上面には、サセプタ２の上面を環状に囲む石英等からなるフォーカスリング５が配置される。

チャンバー１の側壁と筒状支持部４との間には、環状の排気路６が形成されている。この排気路６の入口又は途中に環状のバッフル板７が取り付けられる。排気路６の底部は排気管８を介して排気装置９に接続される。排気装置９は、真空ポンプを有しており、チャンバー１内の空間を所定の真空度まで減圧する。チャンバー１の側壁には、半導体ウェハＷの搬入出口１０を開閉するゲートバルブ１１が取り付けられる。

サセプタ２には、プラズマ生成用の高周波電源が、整合器及び給電棒（いずれも図示していない）を介して電気的に接続される。高周波電源は、例えば４０ＭＨｚの高い周波数の高周波電力をサセプタ２が兼ねる下部電極に供給する。チャンバー１の天井部には、シャワーヘッド１５が上部電極として設けられる。高周波電源からの高周波電力により、サセプタ２とシャワーヘッド１５との間にプラズマが生成される。

またサセプタ２には、プラズマ中のイオンを半導体ウェハＷに引き込むバイアス用の高周波電源が、整合器及び給電棒（いずれも図示していない）を介して接続される。バイアス用の高周波電源は、例えば１２．８８ＭＨｚ、３．２ＭＨｚ等のやや低い周波数の高周波電力をサセプタ２に供給する。

サセプタ２の上面には、半導体ウェハＷを静電吸着力で保持するために、セラミックス等の誘電体からなる静電チャック１６が設けられる。静電チャック１６の内部には、導電体、例えば銅、タングステン等の導電膜からなる内部電極１７が埋め込まれている。内部電極１７には、高電圧、例えば２５００Ｖ，３０００Ｖ等の直流高圧電源１２が給電線１３を介して電気的に接続されている。直流高圧電源１２から内部電極１７に直流高電圧を印加すると、クーロン力又はジョンソン・ラーベック力により半導体ウェハＷが静電チャック１６に吸着保持される。

サセプタ２の内部には、冷媒流路１８が設けられる。この冷媒流路１８には、冷媒ユニット１９より配管２０を介して、例えば冷水が循環供給される。

静電チャック１６の縁には、周縁環状凸部２１が設けてあり、静電チャック１６の表面と半導体ウェハＷの裏面との間には隙間が形成されている。この隙間は給電線１３の周囲に所定半径で設けられた内部環状凸部３１により内側領域３２と外側領域３３に区画されている。冷却ガス供給部２２からの冷却ガス、例えばＨｅガスが、ガス供給管２３ａを介して内側領域３２に、ガス供給管２３ｂを介して外側領域３３に別々に供給される。この冷却ガスは、その圧力を変えることにより、静電チャック１６、すなわちサセプタ２と半導体ウェハＷとの間の熱伝導の程度を任意に制御する効果を有する。これが本発明のポイントであるが、詳細は後述する。

シャワーヘッド１５は、多数のガス通気孔を有する下面の電極板２４と、この電極板２４を着脱可能に支持する電極支持体２５とを有する。電極支持体２５の内部にはバッファ室２６が設けられ、このバッファ室２６のガス導入口２７には、処理ガス供給部２８からのガス導入管２９が接続される。

シャワーヘッド１５とサセプタ２は平行に対向して設置され、一対の電極すなわち上部電極と下部電極として機能する。シャワーヘッド１５と、半導体ウェハＷが載置されたサセプタ２との間の空間には、高周波電力によって鉛直方向の高周波電界が形成され、高周波の放電によって半導体ウェハＷの表面近傍に高密度のプラズマが生成される。また、チャンバー１の周囲には、チャンバー１と同心円状に環状のリング磁石３０が配置され、シャワーヘッド１５とサセプタ２との間の処理空間に磁場を形成する。

図２は、本実施例におけるサセプタ上部の構造を示す図で、図２(ａ)は断面図、図２(ｂ)は、図２(ａ)のＡ−Ａ矢視断面の平面図である。サセプタ２の上部には誘電体層３４が形成され、その直下には導電膜からなる内部電極１７が埋め込まれている。内部電極１７には給電線１３により直流高電圧が印加される。給電線１３の周囲には円筒状の絶縁部材１４が配されて漏電を防止する。サセプタ２は熱伝導率の高い材料、例えば金属で構成され、その内部に冷媒流路１８が設けられている。冷媒流路１８には配管２０ａから冷媒が供給され、配管２０ｂから排出されて、冷媒が循環する。

サセプタ２の上端外縁全周には、周縁環状凸部２１が設けられ、基板Ｗはこの周縁環状凸部２１の上に載置される。このため、基板Ｗと誘電体層３４との間には僅かな空間が形成される。また、絶縁部材１４を囲むように、内部環状凸部３１が設けられており、上記の空間は内側領域３２と外側領域３３に区画されている。

内側領域３２にはガス供給管２３ａを介して冷却ガスが供給され、ガス排出管３５ａから排出される。外側領域３３にはガス供給管２３ｂを介して冷却ガスが供給され、ガス排出管３５ｂから排出される。ガス供給管２３ａ，２３ｂ及びガス排出管３５ａ，３５ｂには流量調節弁３６が配設され、かつガス供給管２３ａ，２３ｂにはそれぞれ圧力計３７が設置されている。流量調節弁３６を調節することにより、内側領域３２及び外側領域３３の圧力を所望の値に制御することができる。

なお、本実施例においては、冷却ガスの供給管と排出管とが設けられているが、排出管は必ずしも必要ではない。周縁環状凸部２１や内部環状凸部３１と基板Ｗとの間のシールの仕方（密着性の度合い）を調整することにより、冷却ガスをチャンバー内に漏出させることでガス流を生じせしめることができるためである。

本発明において、サセプタ２と基板Ｗとの隙間を内側領域３２と外側領域３３に区画して、それぞれ独立に冷却ガスを流す理由は、基板Ｗからの抜熱量を調節して、基板全体でその温度を一様に保つためである。給電線１３の周囲の絶縁部材１４は熱伝導度が小さいため冷媒へ伝熱しにくい。そのため、内側領域３２では外側領域３３よりもサセプタ２の表面温度が高くなり、基板Ｗからサセプタ２への抜熱量が低くなる。そこで、サセプタ２表面と基板Ｗとの隙間に流す冷却ガスの圧力を、内側領域３２と外側領域３３で別々に制御して、内側領域３２での冷却ガスを介しての伝熱を促進させることが本発明のポイントである。

すなわち、プラズマ処理装置内においては、空間の維持圧力に対し空間の代表長が短いため、装置内に導入された冷却ガスは分子流領域にある。分子流領域では、ガスの熱伝導度がその圧力に比例するので、内側領域３２の圧力を外側領域３３よりも高くすることにより、基板Ｗからサセプタ２へ伝熱を促進することができ、これにより基板Ｗの全体の温度を一様にすることができる。これが可能になる根拠については、後に詳しく説明する。

図３は、本発明の第二の実施例におけるサセプタ上部の構造を示す図（中央付近のみ拡大して示す）で、図３(ａ)は断面図、図３(ｂ)は平面図である。この例においては、給電線１３の周囲の絶縁部材１４の周辺に、２重の内部環状凸部、すなわち内側の第一環状凸部３１ａと外側の第二環状凸部３１ｂとが設けられている。これにより、サセプタ２と基板Ｗとの間隙は、第一内側領域３２ａ、第二内側領域３２ｂと外側領域３３とに３分割されている。各領域にはそれぞれ独立に冷却ガスが吹き込まれ、独立に領域内部の圧力を制御できるようになっている。

すなわち、第一内側領域３２ａには、ガス供給管２３ａを介して冷却ガスが供給され、ガス排出管３５ａから排出される。第二内側領域３２ｂには、ガス供給管２３ｃを介して冷却ガスが供給され、ガス排出管３５ｃから排出される。また、外側領域３３には、ガス供給管２３ｂを介して冷却ガスが供給され、ガス排出管３５ｂから排出される。ガス供給管２３ａ，２３ｂ，２３ｃ及びガス排出管３５ａ，３５ｂ，３５ｃには、それぞれ流量調節弁（図示していない）が配設されて、各領域の圧力を独立に制御することができる。このように３つの領域に分割する理由は、基板温度の制御精度を高めるためであるが、詳細は後述する。

なお、本実施例では、第一環状凸部３１ａと第二環状凸部３１ｂは、給電線１３の中心を中心軸として同心円状に形成されているが、同心円の中心が給電線１３の中心と一致していなくとも、おおよそその付近にあればよい。

図４は、本発明の第三の実施例におけるサセプタ上部の構造を示す図で、図４(ａ)は断面図、図４(ｂ)は、図４(ａ)のＢ−Ｂ矢視断面の平面図である。この例においては、給電線１３はサセプタ２の中央ではなく、周縁付近に一対、ほぼ対象の位置に設けられている。給電線１３の周囲が絶縁部材１４で絶縁されることは、図２と同様である。従って、それぞれの絶縁部材１４の周囲に内部環状凸部３１が設けられ、サセプタ２と基板Ｗとの間隙は、２個の内側領域３２と外側領域３３に分割されている。このような構造にすることによって、内部電極１７への給電線１３がサセプタ２の周縁にある場合でも、本発明の目的を達することができる。

次に本発明の根拠となる熱解析の結果について説明する。図５は、サセプタ上部の伝熱解析の条件及び結果の説明図である。計算を簡単にするために、高さ方向のみに熱が流れることを想定した一次元の熱伝導モデルで考える。熱流束は、どの位置でも２Ｗ／ｃｍ^２の一定値とし、冷媒温度すなわち冷媒流路の表面温度はＴ_１（一定値）、伝熱層の厚みは１５ｍｍとする。また、給電線周囲の絶縁材料（ＡＬ_２Ｏ_３）の熱伝導率は１６Ｗ／ｍ・Ｋとし、それ以外の構造材料（Ａｌ）の熱伝導率は１６０Ｗ／ｍ・Ｋとする。

この条件でサセプタ表面の温度を計算した結果、絶縁材と構造材の表面温度の差ΔＴ＝Ｔ_２（絶縁材）−Ｔ_２（構造材）は１６．９℃となることが明らかになった。サセプタ表面温度にこれだけの差が生じると、基板もこれに近い温度差が生じて、プラズマ処理の品質の均一性に悪影響を及ぼす可能性が大きい。

実際の熱流は一次元でなく、横方向にも熱が拡散するので、軸対象の二次元伝熱モデルで考える必要がある。図６は、実際のサセプタ表面温度分布の概念図と、これに対応したゾーン分割の考え方の説明図である。図６(ａ)に示すように、表面温度Ｔ_２がピーク状に高くなっているゾーン１と、Ｔ_２がすそ野を引いて漸減するゾーン２と、Ｔ_２が一定値となるゾーン３に別けられる。したがって、図６(ｂ)に示すように、基板Ｗとサセプタ２との間の空間を、第一環状凸部３１ａと第二環状凸部３１ｂで２重に仕切りを設けて、第一内側領域（ゾーン１）と第二内側領域（ゾーン２）と外側領域（ゾーン３）に分割し、その圧力Ｐが（ゾーン１）＞（ゾーン２）＞（ゾーン３）になるように制御すればよい。

このようにして、ゾーン１〜３の圧力を適切に制御することにより、基板Ｗの温度の一様性をより高めることができる。前述した第二実施例は、このような考え方に基き、第一実施例よりも精密な基板温度の制御を行うことを意図したものである。なお、ゾーンの分割数をさらに多くしてもよい。

また、第三実施例のような給電線１３がサセプタ２の周縁部に設けられている場合も、各給電線１３の絶縁部１４に２重又はそれ以上の環状凸部３１を設けて、各３ゾーン以上に分割してもよい。これにより基板温度制御の精度を高めることができる。

次に、冷却ガス圧力の伝熱に及ぼす影響について説明する。プラズマ処理等の真空処理装置においては、基板Ｗとサセプタ２との間の空間に導入された冷却ガスは分子流域にあり、その熱伝導度は絶対圧力に比例する。そのため、冷却ガスを介して基板Ｗからサセプタ２に伝導される熱量は、冷却ガスの圧力に比例的に増大する。そこで、熱流束とサセプタ表面温度が一定として、冷却ガス（Ｈｅ）の圧力と基板温度との関係を試算した結果の例を図７に示す。同図においては、Ｈｅ圧力５０Ｔｏｒｒの場合を基準とし、この時に基板温度が０℃になるように条件を設定して、Ｈｅ圧力が変わった時の基板温度を計算した。

図７に見られるように、基板温度はＨｅ圧力５０Ｔｏｒｒの場合を０℃として、Ｈｅ圧力の低下とともに上昇し、圧力２０Ｔｏｒｒで約１０℃、１０Ｔｏｒｒで約２０℃となる。先の図５で示した絶縁材と構造材の表面温度の差１６．９℃に相当するように、基板Ｗからサセプタ２への伝熱量を増加させるには、絶縁材の部分（内側領域３２）のＨｅ圧力を５０Ｔｏｒｒとし、構造材の部分（外側領域３３）の圧力を１３．５Ｔｏｒｒ程度にすればよいことが理解される。以上はおおよその推定であるが、本発明の方法でＨｅ圧力を上記のように制御することに困難はなく、本発明により給電線部分の基板温度の特異性を回避し得ることが明らかになった。

本発明の実施に用いられるプラズマ処理装置（プラズマエッチング装置）の全体の概略構成を示す図である。 本発明の一実施例におけるサセプタ上部の構造を示す図である。 本発明の第二の実施例におけるサセプタ上部の構造を示す図である。 本発明の第三の実施例におけるサセプタ上部の構造を示す図である。 サセプタ上部の伝熱解析の条件及び結果の説明図である。 実際のサセプタ表面温度分布と、これに対応したゾーン分割の考え方を示す説明図である。 冷却ガスの圧力と基板温度の関係を試算した結果の例を示す図である。

符号の説明

１ チャンバー
２ サセプタ（載置台）
３ 筒状保持部
４ 筒状支持部
５ フォーカスリング
６ 排気路
７ バッフル板
８ 排気管
９ 排気装置
１０ 搬入出口
１１ ゲートバルブ
１２ 直流高圧電源
１３ 給電線
１４ 絶縁部材
１５ シャワーヘッド
１６ 静電チャック
１７ 内部電極
１８ 冷媒流路
１９ 冷媒ユニット
２０，２０ａ，２０ｂ 配管
２１ 周縁環状凸部
２２ 冷却ガス供給部
２３ａ，２３ｂ，２３ｃ ガス供給管
２４ 電極板
２５ 電極支持体
２６ バッファ室
２７ ガス導入口
２８ 処理ガス供給部
２９ ガス導入管
３０ リング磁石
３１，３１ａ，３１ｂ 内部環状凸部
３２，３２ａ，３２ｂ 内側領域
３３ 外側領域
３４ 誘電体層
３５ａ，３５ｂ，３５ｃ ガス排出管
３６ 流量調節弁
３７ 圧力計
Ｗ 基板（半導体ウェハ）

Claims (13)

1. 基板をプラズマ処理する処理チャンバー内に設けられ、給電線周囲が絶縁材料で構成された給電部と、内部に冷却媒体流路とを備えた基板載置台であって、
   前記載置台の基板載置面側を複数の領域に仕切る凸部と、
   前記凸部で仕切られた領域に冷却ガスを導入する導入口と、
   前記冷却ガスの圧力又は流量を調節する調節手段と
   を設けたことを特徴とする基板載置台。
2. 前記凸部で仕切られた複数の領域のそれぞれに、前記冷却ガスの排出口が形成されていることを特徴とする請求項１に記載の基板載置台。
3. 前記領域の面積は、前記給電線の中心に近い領域ほど小さくなっていることを特徴とする請求項１又は２に記載の基板載置台。
4. 前記給電部が、基板載置台の中心部にあることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の基板載置台。
5. 前記凸部が、前記給電部の周囲を所定の半径で同心円状に形成されていることを特徴とする請求項４に記載の基板載置台。
6. 前記凸部が、前記給電部の中心を中心軸として同心円状に形成されていることを特徴とする請求項５に記載の基板載置台。
7. 前記給電部が、少なくとも１個以上、基板載置台の周縁部にあることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載の基板載置台。
8. 前記給電部の周囲を所定の半径で同心円状に少なくとも１個以上の領域に仕切る凸部が形成されていることを特徴とする請求項７に記載の基板載置台。
9. 前記凸部が、前記給電部の中心を中心軸として同心円状に形成されていることを特徴とする請求項８に記載の基板載置台。
10. 請求項１から９のいずれかに記載の基板載置台を備えた基板処理装置。
11. 基板をプラズマ処理する処理チャンバー内に設けられ、給電線周囲が絶縁材料で構成された給電部と、内部に冷却媒体流路とを備えた基板載置台に載置される被処理基板の温度制御方法であって、
    前記載置台の基板載置面側に、前記給電線の周囲を複数の領域に仕切る凸部を形成し、
    前記凸部で仕切られた複数の領域のそれぞれに冷却ガスを導入し、
    前記領域に供給する前記冷却ガスの圧力又は流量を調節することにより、被処理基板の温度を調整することを特徴とする被処理基板の温度制御方法。
12. 前記領域の面積をその外側領域の面積より小さくして被処理基板の温度を調整することを特徴とする請求項１１に記載の被処理基板の温度制御方法。
13. 前記給電部を中心としてその周囲を所定の半径で同心円状に複数の領域に仕切る凸部を形成し、被処理基板の温度を調整することを特徴とする請求項１１又は１２に記載の被処理基板の温度制御方法。

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