プラズマ処理装置
【課題】試料の温度分布を所望の値に制御することができるとともに、信頼性の高い、長寿命のプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】真空処理室と、該真空処理室に配置された試料台を備え、前記真空処理室内にプラズマを生成して、前記試料台に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記試料台１０７は、円柱状の基材部２０１と、該基材部上に配置されヒータ電極膜を備えた誘電体膜部２０２と、前記誘電体膜部上に配置され吸着用電極膜を備えたセラミクス板２０９と、前記誘電体膜部とセラミクス板を接着する第１の接着層２０７と、前記第１の接着層の側面を被覆する耐熱性の第２の接着層２１１と、前記第２の接着層および誘電体膜部の側面を被覆する保護部材２１２を備えた。
【解決手段】真空処理室と、該真空処理室に配置された試料台を備え、前記真空処理室内にプラズマを生成して、前記試料台に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記試料台１０７は、円柱状の基材部２０１と、該基材部上に配置されヒータ電極膜を備えた誘電体膜部２０２と、前記誘電体膜部上に配置され吸着用電極膜を備えたセラミクス板２０９と、前記誘電体膜部とセラミクス板を接着する第１の接着層２０７と、前記第１の接着層の側面を被覆する耐熱性の第２の接着層２１１と、前記第２の接着層および誘電体膜部の側面を被覆する保護部材２１２を備えた。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に、試料を載置する処理台の温度を調節して、試料を処理に適した温度に調整して処理するプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置は、試料台上に載置した半導体ウエハ等の試料の温度を調節しつつ、試料を処理する。ウエハの温度は、一般に試料台の温度を調節することにより調節する。また、この温度調節のためにウエハを試料台上面に吸着する目的で、試料台上には静電吸着用の電極を内部または下面に配置したセラミクス製の膜あるいは板部材が配置される。
【０００３】
試料台上面に、前記セラミクス製の板部材を用いる場合、試料台上面とセラミクス製の板部材との接合には接着剤が用いられる。
【０００４】
しかし、プラズマ処理装置において、例えば、酸素系あるいはフッ素系のプラズマを用いた場合、該プラズマにより前記接着剤が腐食されて、パーティクルが発生する。また、接着剤が腐食することにより、熱伝達率が下がり試料台の性能が劣化し試料台の寿命が短くなるなどの問題が生じる。このような問題に対しては、プラズマによる腐食から前記接着剤を保護する目的で保護膜を試料台に配置することが行われてきた。
【０００５】
このような技術の例として、特許文献１が知られている。この文献には、外周に沿って上部に凸部が形成された基材と、前記凸部内にウエハを吸着するための静電吸着シートを配置し、さらに前記静電吸着シートを保護する目的でセラミクス製の板部材をその上部に配置するとともに、前記基材、前記静電吸着シート、前記セラミクス製の板部材を前記凸部内面に配置した接着剤によって接合し、さらに前記接着剤を保護する目的で前記基材から前記セラミクス製の板部材にかけて保護膜を溶射によって形成したものが示されている。
【０００６】
プラズマから接着剤を保護する保護膜を溶射により形成することで、保護膜を容易に形成することができる。なお、接着剤が露出している箇所に溶射で保護膜を形成する場合は、溶射の熱により接着層が炭化してしまう恐れがあるが、特許文献１では、前記基材の凸部とセラミクス製の板部材の間にアスペクト比５以上の隙間が設けて、溶射の噴流が凸部内部の接着剤に到達しない構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２００４／０８４２９８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来技術によれば、前記セラミクス製の板部材と基材との間に隙間を設けているので、熱の伝達が不均一となる。さらに、この隙間には、保護用の膜内を通過した処理ガスが侵入して接着剤あるいは基材を腐食させて、試料台の寿命を損なうおそれがある。
【０００９】
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、試料の温度分布を所望の値に制御することができるとともに、信頼性の高い、長寿命のプラズマ処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１１】
真空処理室と、該真空処理室に配置された試料台を備え、前記真空処理室内にプラズマを生成して、前記試料台に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記試料台は、円柱状の基材部と、該基材部上に配置されヒータ電極膜を備えた誘電体膜部と、前記誘電体膜部上に配置され吸着用電極膜を備えたセラミクス板と、前記誘電体膜部とセラミクス板を接着する第１の接着層と、前記第１の接着層の側面を被覆する耐熱性の第２の接着層と、前記第２の接着層および誘電体膜部の側面を被覆する保護部材を備えた。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、以上の構成を備えるため、試料の温度分布を所望の値に制御することができるとともに、信頼性の高い、長寿命のプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】プラズマ処理装置の構成の概略を説明する縦断面図である。
【図２】図１に示す試料載置台の構成を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図２に示す試料載置台の外周部の構成を拡大して示す縦断面図である。
【図４】図３に示す試料載置台の制作手順を示す縦断面図である。
【図５】図３に示す試料載置台の制作手順を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の概略を説明する縦断面図である。図１において、プラズマ処理装置１００は、真空容器１０１、該容器上方の外周に配置されて真空容器１０１内部に電界および磁界を供給する電磁場供給手段、真空容器１０１下方に配置されて真空容器１０１内部を排気する排気手段とを備えている。
【００１５】
電磁波供給手段は、電波を発生させる電波源１０４、発生した電波を処理室１０３に導く導波管１０５、導波管１０５に接続された共振器１０６、共振器１０６と真空容器１０１上部を取り囲むように配置されたソレノイドコイル１１３を備える。
【００１６】
電波源１０４はマイクロ波やＵＨＦ波等の所定の周波数の電波を発生する。導波管１０５は、電波源１０４と共振器１０６に接続され、電波源１０４によって発生した電波を伝搬し共振器１０６内へ導く。共振器１０６は円筒状であり、共振器１０６中央の上部で導波管１０５と接続される。共振器１０６の共振用の空間である共振室１０６’は窓部材１０４をはさみ、処理室１０３の直上に配置される。また、真空容器１０１上部と共振器１０６の外周を取り囲むように、リング状のソレノイドコイル１１３が複数段配置される。
【００１７】
真空容器１０１は、真空容器１０１の上部にあって誘電体材料製の窓部材１１４、シャワープレート１１５、プラズマが形成される空間であって内側に配置された処理対象の試料が前記プラズマにより処理される処理室１０３、処理室１０３下部に配置されて試料がその上面に載せられて保持される試料載置台１０７を備える。
【００１８】
前記窓部材１１４は石英誘電体製で円板状である。窓部材１１４は共振器１０６の底面を構成し、共振器１０６と処理室１０３の間を気密に区画している。シャワープレート１１５は石英等の誘電体製の円板で、中央部に複数個の貫通孔が配置される。窓部材１１４の下方には、窓部材１１４と隙間を空けてシャワープレート１１５が並置される。シャワープレート１１５の下面は処理室１０３の天井面を構成する。シャワープレート１１５は試料載置台１０７上面と対向し並行して配置される。窓部材１１４とシャワープレート１１５との隙間は、図示しないガス源から供給される処理用ガスを供給するための通路が設けられている。
【００１９】
プラズマ処理室１０３は略円筒形状であって、処理対象の試料にプラズマ処理を施す際にプラズマが形成される空間である。プラズマ処理室１０３は、共振室１０６’の直下に位置し、内部に試料載置台１０７を備える。なお、処理室１０３の内壁と試料載置台１０７との間の空間は、中心軸が合致したリング形状になっている。
【００２０】
試料載置台１０７は、水平方向外側に伸びる複数の梁によって、真空容器１０７の内部に中空に支持される。梁は試料載置台１０７の中心軸の周囲に軸対象となるように配置されている。試料載置台１０７は、バイアス電源１０８、冷媒温調器１１１、ヒータ電源１０９、静電吸着用電源１１０、ガス供給部１１６と接続されている。
【００２１】
試料載置台１０７内部に導電性の電極が配置され、電極は特定の高周波電力を供給するバイアス電源１０８と接続されている。また、試料載置台１０７内部には後述のとおり、ヒータと冷媒溝が配置され、温調を行っている。
【００２２】
試料載置台１０７の上部には試料の載置面を構成するＡｌ２Ｏ３やＹ２Ｏ３等の誘電体材料で構成された誘電体膜が配置され、その内部にはウエハを誘電体膜表面上に静電気力により吸着する静電吸着電極が配置されている。この静電吸着電極には、直流電力を供給する静電吸着電極用直流電源１１０が接続されている。
【００２３】
真空容器１０１の下方には、排気手段であるターボ分子ポンプ等の真空ポンプ１０２が配置され、開口部１１７と連通している。開口部１１７は円形で、真空容器１０１の内部の処理室１０３の下部の試料台１０７の直下方に配置される。なお、試料室１０３、試料載置台１０７、開口部１１７は、その中心軸が合致するよう上下に並べて配置される。
【００２４】
本実施形態のプラズマ処理装置では、図示しない搬送部によりウエハをプラズマ処理室１０３内部へ搬送し、プラズマ処理室１０３内に処理ガスを導入した後、プラズマ処理室１０３内にプラズマを生成し、生成されたプラズマにより前記ウエハを処理する。
【００２５】
すなわち、処理室１０３内部は真空ポンプ１０２によって排気され、減圧された状態にある。このとき、ウエハは、図示しないロボットアーム等の搬送手段により、図示しないゲートを通り試料載置台１０７上に搬送され、試料載置台１０７の載置面を構成する誘電体膜上に載せられる。その後、静電吸着電極用直流電源１１０から誘電体膜内の電極に電力が供給されて静電気力が形成され、ウエハは、この静電気力が形成された誘電体膜上に吸着されて保持される。
【００２６】
ウエハが試料載置台１０７に保持された後、処理用ガスが図示しないガス源からシャワープレート１１５の貫通孔を通り処理室１０３内に導入される。処理用ガスの流量と真空ポンプ１０２の動作による排気とのバランスにより、処理室１０３内部の圧力は所定の範囲に調節される。
【００２７】
処理用ガスの供給後に電波源１０４は電波を発生させる。発生した電波は導波管１０５を伝播し、共振器１０６に導かれる。伝播した電波は共振器内部１０６’で共振し、所定の強度の電界を形成する。この形成された電界は、窓部材１１４、シャワープレート１１５を透過して処理室１０３に供給される。
【００２８】
ソレノイドコイル１１３には電流が供給され処理室１０３内に磁界が形成される。形成される磁界は、処理室１０３内側に上下方向の中心軸の周りに軸対象で下向き末広がりの形状である。
【００２９】
このようにして形成された電界と磁場の相互作用により、処理用ガスを励起して、処理室１０３内のウエハを保持した試料載置台１０７上方の空間にプラズマを形成する。
【００３０】
バイアス電源１０８からの高周波電力によって形成されたバイアス電位は、ウエハ表面にプラズマ中の荷電粒子を誘引して、ウエハ表面の処理対象の膜に物理的、化学的反応を生起させてエッチング等の処理を施す。
【００３１】
本実施形態では、プラズマの生成は、マイクロ波による電界と磁界との相互作用によるＥＣＲを用いたが、ＥＣＲに限定されるものではなく、高周波を用いた静電結合手段または誘導結合手段を用いたプラズマ生成手段を用いることもできる。また、後述するように、試料台１０７に保持されたウエハ処理の最中に、試料載置台１０７内部のヒータや温調器を作動させることによりウエハ温度を調節することができる。
【００３２】
図２は図１に示す試料載置台１０７の構成を拡大して示す縦断面図である。試料載置台１０７は、２段以上の肩部を持った円板形状であり、Ｔｉ、セラミクス含有のアルミニウム、モリブデン、タングステン等の金属で構成される基材部２０１、基材部２０１の上面に接合されて配置され、内部にヒータを備えたＡｌ２Ｏ３等の誘電体を備えた誘電体膜部２０２、該誘電体膜部２０２の上方に配置されたＡｌ２Ｏ３等の誘電体で形成された焼結セラミクス板２０９を備える。また、試料載置台１０７には、ガス導入部と連結した貫通孔２１３、ウエハリフト用のピンが貫通する貫通孔２１４が配置されている。
【００３３】
基材部２０１の内部には、冷媒が内部を流れる冷媒通路である冷媒溝２０３、基材上面の温度を測定する温度センサ２１０、貫通孔２１３，２１４が配置されている。
【００３４】
冷媒溝２０３は、冷媒が導入される入口部及び排出される出口部が管路により真空容器１０１外部の温調器１１１と連結されている。温調器１１１は冷媒溝２０３を通り循環される冷媒の流量（速度）や冷媒の温度をコントローラ１１２からの指令信号に応じて調節する。冷媒溝２０３の形状は、試料載置台１０７の上下方向の中心軸の周りに同心状またはら旋状に配置されている。冷媒は冷媒溝２０３を流れ、基材２０１を冷却する。基材２０１が冷却されることで、試料台１０７に保持されたウエハが冷却される。
【００３５】
温度センサ２１０には、熱電対あるいは白金測温抵抗体などが用いられる。基材部２０１の下方から上方に向けて穴が配置されており、温度センサ２１０はその内部に配置される。温度センサ２１０はコントローラ１１２と電気的に接続されている。
【００３６】
誘電体膜部２０２は、基材２０１上面に配置された第一誘電体膜２０４、誘電体膜２０４の上に所定の形状となるように溶射により形成されたヒータ電極膜２０５、これら溶射膜を覆うように形成された第二誘電体膜２０６によって形成される。
【００３７】
第一誘電体膜２０４は基材部２０１の上にＡｌ２Ｏ３等からなる溶射によって形成され、所定の形状となるよう成形される。第一誘電体膜２０４によって、ヒータ電極膜２０５と基材２０１は電気的絶縁状態になる。
【００３８】
ヒータ電極膜２０５は、第一誘電体膜２０４の上面に形成される。ヒータ電極膜２０５には、タングステン、抵抗率を制御したニッケル−クロム合金、ニッケル‐アルミ合金、あるいはタングステンに適当な添加金属を混ぜ抵抗率を制御したものなど抵抗率が管理された金属が用いられる。ヒータ電極２０５はヒータ用直流電源１０９と電気的に接続されている。
【００３９】
ヒータ電極膜２０５は、実現を求められるウエハまたは試料載置台１０７の表面の温度の分布に応じて所定の形状に、マスクを用いて溶射される。溶射後、製膜されたヒータ電極膜２０５の膜の厚さは各箇所で単位面積当たりの発熱量が均一となるように削って調節される。これにより、ヒータ電極膜２０５が配置された領域で発熱量が均一化され、ウエハ周方向、径方向について温度分布の均一性が向上する。
【００４０】
溶射された第一誘電体膜２０４及びヒータ電極膜２０５の上面と基材部２０１の側面に、再びＡｌ２Ｏ３等の誘電体材料が溶射によって吹き付けられ第二誘電体膜２０６が形成される。基材部２０１の上面と第二誘電体膜２０６の上面との距離を、第一、二誘電体膜２０４，２０６、ヒータ電極膜２０５が配置された領域の全体で平面度を出すため第二誘電体膜２０６上面は削って調節される。
【００４１】
溶射によって形成されたこれらの膜は、融解または半融解した材料の微小な粒子が膜により覆われる対象の表面上に吹き付けられて、表面と衝突した衝撃で変形した粒子が積み重なって積層されたものである。これらの粒子同士は対象の表面に衝突した際に、粒子の表面が融解した状態で接触して接合され融着し、粒子間には微小な空間が形成されている。このため膨張、収縮等変形によって部材の欠損や割れの発生が生じにくく脆性が相対的に低い。また、膜を形成した後の切削等形状の変更が容易となる。
【００４２】
誘電体膜部２０２の上方には焼結セラミクス板部２０９’が配置される。焼結セラミクス板部２０９’は第二誘電体膜２０６の上面に接着剤２０７を用いて接合された焼結セラミクス板２０９と、接着剤２０７の側面を覆う接着剤２１１と、接着剤２１１を覆うセラミクス製保護部材２１２を備える。
【００４３】
焼結セラミクス板２０９は、Ａｌ２Ｏ３あるいはＹ２Ｏ３等のセラミクス材料を所定の厚さと径とを有する円板形状に焼成して形成した焼結体である。所定の厚さは、例えば厚さ０．２〜０．４ｍｍである。焼結セラミクス板２０９には、その厚さ方向の中間部分である内部にタングステン等の金属から構成される静電吸着用電極膜２０８が配置されている。焼結セラミクス板２０９の下面には静電吸着用電極２０８と電気的に接続されたコネクター部が配置され、静電吸着用電極２０８は静電吸着用電源１１０と電気的に接続されている。また、焼結セラミクス板２０９の上部には凸部がその外周に沿って周上に形成されている。セラミクス板２０９の上部に形成された凸部は、ウエハを保持するとき、保持されたウエハと密着する。これによって、保持されたウエハと焼結セラミクス板２０９の間の前記凸部内周側に、後述する貫通孔２１３から導入される冷却ガスを充填し、保持することができる。
【００４４】
焼結セラミクス板２０９と第二誘電体膜２０６を接合させる接着剤２０７は、熱伝導性の接着剤である。例えばＡｌ２Ｏ３フィラーを含有したシリコーン接着剤である。接着剤２１１は、接着剤２０７の周囲を覆うよう形成される。接着剤２１１は耐熱性接着剤であり、保護部材２１２を形成するときの熱により、接着剤２０７がダメージを受けないよう保護する。保護部材２１２は、接着剤２１１の全表面、焼結セラミクス板２０９の外周面、第二誘電体膜２０６の側面をそれぞれ覆うように、溶射により形成される。保護部材２１２は、Ａｌ２Ｏ３等の誘電体材料製であり、プラズマから接着剤２０７、接着剤２１１を保護する目的で形成される。
【００４５】
貫通孔２１３、２１４は、それぞれ基材２０１、誘電体膜部２０２、焼結セラミクス板部を貫通して配置される。貫通孔２１３は、ガス供給部１１６と結合しており、ヘリウムガスなどを試料載置台１０７上部に導入する。貫通孔２１４の内部には、試料載置台１０７下方よりピン２１５が配置される。ピン２１５は、試料載置台１０７に対して相対的に昇降しウエハの受け渡しを行う。
【００４６】
本実施形態によれば、ウエハ載置面の温度を調整することで、ウエハにプラズマ処理施しているとき、ウエハの温度を調整することができる。
【００４７】
前述したように、ウエハは、図示されない搬送手段あるいはピン２１５等の操作により、焼結セラミクス板２０９上面に載置される。その後、静電吸着用直流電源１１０から静電吸着用電極２０８へ電力が供給されて静電気力が形成される。これにより、ウエハは誘電体膜である焼結セラミクス板２０９に吸着され保持される。
【００４８】
焼結セラミクス２０９にウエハが吸着保持された後、ウエハにバイアス電位が印加される。プラズマを用いてウエハを処理するときは、ウエハに入熱を伴う。この入熱に伴うウエハ温度の上昇はエッチング形状に大きく影響する。このためウエハを冷却する必要がある。
【００４９】
しかし、処理室１０３は減圧されているため、試料載置台１０７にウエハを載置しただけでは熱伝達が不十分である。このため、貫通孔２１３を通してガス供給部１１６より、冷却ガスを焼結セラミクス板２０９と焼結セラミクス板２０９表面に形成された凸部と載置されたウエハの間に導入する。これにより、ウエハと焼結セラミクス板２０９間に必要な熱伝達率が確保され、ウエハの温度上昇が抑制される。なお、冷却ガスは、圧力のモニタ信号のもとにコントローラ１１２によって所定の圧力に維持される。
【００５０】
基材上面の温度は温度センサ２１０によって検知されている。温度センサ２１０が検知した温度は、コントローラ１１２に受信される。コントローラ１１２は、検出された基材部２０１の温度をもとに、コントローラ１１２内部の演算機を用いて、また、コントローラ１１２内部或いは通信可能に接続されたハードディスク等の外部記憶媒体に記憶されたプログラムを用いて、載置面である焼結セラミクス板２０９上面の温度、あるいはこれに載せられたウエハの温度あるいはその分布を推定することができる。
【００５１】
コントローラ１１２は、予め上記記憶装置内に記憶されたプログラムを用いて、焼結セラミクス板２０９またはウエハの温度の検出結果に応じヒータ電極用直流電源１０９が出力すべき電力値を演算して検出する。この電力値を出力するようにヒータ電極用直流電源１０９に指令を発信することで、ヒータ電極膜２０５の発熱量を調整することができる。 このように、検知された試料載置台１０７の温度は、制御部であるコントローラ１１２にフィードバックされこる。これによりヒータ電極膜２０５の発熱量が調節され、加工に最適なウエハの温度またはその分布が実現される。
【００５２】
また、基材部２０１および焼結セラミクス板２０９との熱膨張率をほぼ同じ値に設定する。熱膨張率が異なる場合、溶射により保護部材２１２を形成するときの入熱、あるいは試料載置台１０７にウエハを保持しプラズマによって処理する際のプラズマあるいは前記ヒータ電極膜２０５からの入熱によって、基材部２０１あるいは焼結セラミクス板２０９のどちらか一方が他方よりも大きく膨張し、保護部材２１２が割れる恐れがある。このため、焼結セラミクス板２０９と膨張率がほぼ同じになるように、Ｔｉ、セラミクス含有のアルミニウム、モリブデン、タングステン等の金属で基材部２０１を構成する。これにより、保護部材２１２の割れを回避することができる。
【００５３】
本実施形態においては、ウエハ上に形成された処理対象の複数の膜の各処理の間において、ウエハの面方向について、温度の分布（温度プロファイル）を各々の処理に適切なものとなるように変化させる。なお、上方の膜の処理を終了させて温度プロファイルを上方の膜用のものから下方の膜に適した値に変化させている間は、バイアス電源１０８からのバイアス用電力の供給を停止する（この間に膜の処理を行うと温度の条件が最適でないことから、加工形状が所期のものから大きくズレてしまう）。
【００５４】
温度のプロファイルをより速く変化させて所望のものにする上では、ヒータ電極膜２０５から電極表面までの熱容量を小さくすることが望ましい。このため、本実施形態では焼結セラミック板２０９の厚さの上限を０．４ｍｍとしている。一方、熱容量を減少させるため焼結セラミック板２０９の厚さはできるだけ薄いほうが望ましい。しかし、焼結セラミック板２０９に内蔵された静電吸着用電極膜２０８には、ウエハを静電吸着するための電圧が印加されるため、焼結セラミクス板２０９が絶縁破壊を起こさないように下限の厚さを０．２ｍｍとしている。
【００５５】
図３は、図２に示す試料載置台１０７の外周部の構成を拡大して示す縦断面図である。図３に示すように、焼結セラミクス板２０９の外周は第二誘電体膜２０６の外周よりも大きくなるように形成される。すなわち、図３に示された焼結セラミクス２０９の外周面と第二誘電体膜２０６の外周面の距離δ３は０ｍｍよりも大きく取られる。距離δ３を設けることで、接着剤２１１は焼結セラミクス板２０９の下面のみに塗布することができる。このため、保護部材２１２を形成した後、焼結セラミクス板２０９及び保護部材２１２を外周に沿って面取り加工しても接着剤２１１がウエハを載置する表面に現れることはない。
【００５６】
また、本実施形態において、使用される接着剤２１１は接着剤２０７よりも熱伝達率が小さい。本実施形態のように、電極表面の温度を高速で変化させ、またヒータ電極２０５の単位面積当たりの発熱量が膜全体で均一となるよう調節されたウエハ処理装置においては、試料載置台１０７に載置されたウエハからヒータ電極膜２０５までの間の熱伝達率は均一であることが望ましい。そのため、接着剤２１１はヒータ電極２０５よりも外周に配置され、試料載置台１０７に載置されたウエハからヒータ電極膜２０５までの間には接着剤２０７が配置される。すなわち、図３に示された接着剤２１１と接着剤２０７の接合面とヒータ電極２０５の最外周面の距離δ１は０ｍｍよりも大きく取られる。
【００５７】
焼結セラミクス板２０９の凸部の内周部は、接着剤２１１よりも内側にある。すなわち、図３に示された焼結セラミクス板２０９の凸部の内周面と接着剤２１１と接着剤２０７の接合面の距離δ２は０ｍｍよりも大きい。距離δ２をとることで、冷却ガスによる熱交換において、接着剤２１１のウエハ温度調整への影響を減らすことができる。
【００５８】
図４，５は、図３に示す試料載置台１０７の制作手順を示す縦断面図である。まず、図４（ａ）に示すように、基材２０１の上面に第一誘電体膜２０４を溶射により形成し、形成され第一誘電体膜２０４の上面にヒータ電極膜２０５を溶射により形成する。第一誘電体膜２０４は、基材２０１の上面のみに溶射し、溶射した後、所定の平面度が出るように研磨する。ヒータ電極膜２０５は、第一誘電体膜２０４の上面に、要求されるウエハまたは試料載置台１０７の表面の温度分布に応じた所定の形状になるように、マスクを用いて溶射により形成される。その後、ヒータ電極膜の膜厚は削られて、単位面積当たりの発熱量が等しくなるように調整される。
【００５９】
図４（ｂ）は、第二誘電体膜が溶射された状態を示す。第二誘電体膜２０６は基材部２０１の下面を除いた基材２０１の側面、肩部及び溶射に形成された第一誘電体膜２０４、ヒータ電極膜２０５の表面を覆い、溶射により形成される。溶射された第二誘電体膜２０６は前述と同様に平面度を出すために調整される。
【００６０】
図４（ｃ）は、焼結セラミクス板２０９を、接着剤２０７を用いて、第二誘電体膜２０６の上面に接合した状態を示す。焼結セラミクス板２０９は、内部に所定の形状の静電吸着膜２０８が包含され配置されている。また、所定の厚みと径を有する円板状となるよう、第二誘電体膜２０６と接合される前に焼成されている。
【００６１】
まず、溶射により形成された第二誘電体膜２０６の上面全体に接着剤２０７を塗布する。その後、焼結セラミクス板２０９、第二誘電体膜２０６、ヒータ電極膜２０５、第一誘電体膜２０４、基材２０１は、接着材２０７の層を挟んで押しつけられて、これらを所定の温度で加熱することで接着剤２０７は硬化する。これにより焼結セラミクス板２０９と第二誘電体膜２０６は接合し、一体に形成される。
【００６２】
なお、静電吸着用電極膜２０８は焼結セラミクス板２０９の下面に露出するように配置されても良い。第二誘電体膜２０６と焼結セラミクス板２０９を接合するときに、第二誘電体膜２０６と焼結セラミクス板２０９の間から接着剤２０７がはみ出した接着剤２０７は除去して、形状を整える。
【００６３】
図４（ｄ）は、接着剤２０７の表面を覆って接着剤２１１を成形した状態を示す。接着剤２１１は、接着剤２０７の側面の全面と、焼結セラミクス板２０９、第二溶射膜２０６にかけて塗布され、接着剤２０７は不可視の状態になる。接着剤２１１は耐熱性接着剤であり、オーブンなどが用いて加熱して硬化する。この接着剤２１１としては、例えばアロンセラミクスＤ（東亞合成（株）製）を用いる。アロンセラミクスＤは硬化させるときの温度が１５０℃であり、試料載置台１０７へ熱によるダメージを与えることなく硬化させることができる。
【００６４】
図５（ａ）は、保護部材２１２を溶射により形成した状態を示す。保護部材２１２は焼結セラミクス２０９の側面、接着剤２１１の側面、第二誘電体膜２０６の側面を隙間なく覆うように溶射により形成される。接着剤２１１が配置されていることで、接着剤２０７に溶射粒子が届くことがなく、接着剤２０７は溶射によるダメージを受けることがない。
【００６５】
図５（ｂ）は、保護部材２１２を溶射により形成した後に、ウエハ載置面となる焼結セラミクス板２０９の上面を加工した状態を示す。焼結セラミクス板２０９の上面は研磨などにより所定の厚みに加工する。また、焼結セラミクス板２０９上面の溶射膜は取り除く。 また、焼結セラミクス２０９の外周部には外周部に沿って凸部が配置される。また、焼結セラミクス２０９の外周肩部は研磨などにより面取りが行われる。保護部材２１２を形成した後に焼結セラミクス２０９の加工を行うことで、溶射による焼結セラミクス板２０９の反りを防ぐことができる。
【００６６】
本実施形態によれば、最外周部の熱伝達率を著しく低下させることがない、このためウエハ温度制御性の経時変化が抑制された試料載置台１０７を提供することができる。
【００６７】
前述のように、プラズマを用いてウエハを処理するときに、ウエハにバイアス電位を印加するとウエハには入熱が生じる。このとき、ウエハの最外周部分は焼結セラミクス板２０９より外周に位置し温度調整ができないため、ウエハの温度が上昇しウエハ処理に悪影響を与える。
【００６８】
本実施形態によれば、ヒータ電極膜２０５から電極表面までの熱容量を小さくするため接着剤２０７の厚みは０．０５〜０．１ｍｍとした。また、焼結セラミクス板２０９と第二誘電膜２０６との間に充填されている接着剤２０７は、耐熱性の接着剤２１１によって周囲が被覆されている。このため、接着剤２０７は保護膜２１２を形成する際の溶射による熱ダメージから保護されている。
【００６９】
したがって、保護膜２１２を溶射によって形成するとき、接着剤２０７はダメージを受けることがなく、また接着剤２１１と接着剤２０７との間に隙間を作ることはない。また、接着剤２１１は耐熱性であるため、接着剤２１１表面にダメージを受けることなく保護膜２１２を形成することができる。このように、接着剤２０７、接着剤２１１、保護膜２１２の間に隙間が形成されることがないため、載置台の外周部における熱伝達効率を著しく低下させることがない。
【００７０】
なお、接着剤２１１が設けられず、したがって、接着剤２０７と保護膜２１２の間に隙間ができた場合、プラズマは保護膜を通過し、保護膜２１２を透過したプラズマによって接着剤２０７は浸食される。保護膜２１２は溶射により形成されるため、その内部に微小な空間が形成される。このため、処理室１０３内部に生成されたプラズマは保護膜２１２を透過する。透過したプラズマは接着剤２０７に到達し、接着剤２０７を浸食し、熱伝達フィラーが移動できるようにする。移動できるようになった熱伝達フィラーは接着剤２０７と保護膜２１２の隙間に広がり、焼結セラミクス板２０９と第二誘電体膜２０６との間に隙間が発生する。これに対して、接着剤２１１を配置することによりフィラーの広がる空間を抑制することにより、焼結セラミクス板２０９と第二誘電体膜２０６との間に発生する隙間を抑制することができる。
【００７１】
なお、焼結セラミクス板２０９のウエハ載置面は、保護膜２１２を溶射により形成した後、加工により溶射膜を取り除くことにより均一の材料とすることができる。ウエハ載置面が均一の材料となることで、焼結セラミクス板２０９の凸部表面のウエハと接する面に生じる経時変化を抑制することができる。これにより、伝熱ガスであるヘリウムの圧力制御性およびウエハの温度制御性の変化を抑制することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１００ プラズマ処理装置
１０１ 真空容器
１０２ 真空ポンプ
１０３ 処理室
１０４ 電波源
１０５ 導波管
１０６ 共振容器
１０７ 試料載置台
１０８ バイアス電源
１０９ ヒータ用直流電源
１１０ 静電吸着電極用直流電源
１１１ 温調器
１１２ コントローラ
１１３ ソレノイドコイル
１１４ 窓部材
１１５ シャワープレート
１１６ ガス供給部
１１７ 開口部
２０１ 基材部
２０２ 誘電体膜部
２０３ 冷媒溝
２０４ 第一誘電体膜
２０５ ヒータ電極膜
２０６ 第二誘電体膜
２０７ 接着剤
２０８ 静電吸着電極膜
２０９ 焼結セラミクス板
２１０ 温度センサ
２１１ 接着剤
２１２ 保護部材
２１３ 貫通孔
２１４ 貫通孔
２１５ ピン
２１６ ウエハ
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置に係り、特に、試料を載置する処理台の温度を調節して、試料を処理に適した温度に調整して処理するプラズマ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理装置は、試料台上に載置した半導体ウエハ等の試料の温度を調節しつつ、試料を処理する。ウエハの温度は、一般に試料台の温度を調節することにより調節する。また、この温度調節のためにウエハを試料台上面に吸着する目的で、試料台上には静電吸着用の電極を内部または下面に配置したセラミクス製の膜あるいは板部材が配置される。
【０００３】
試料台上面に、前記セラミクス製の板部材を用いる場合、試料台上面とセラミクス製の板部材との接合には接着剤が用いられる。
【０００４】
しかし、プラズマ処理装置において、例えば、酸素系あるいはフッ素系のプラズマを用いた場合、該プラズマにより前記接着剤が腐食されて、パーティクルが発生する。また、接着剤が腐食することにより、熱伝達率が下がり試料台の性能が劣化し試料台の寿命が短くなるなどの問題が生じる。このような問題に対しては、プラズマによる腐食から前記接着剤を保護する目的で保護膜を試料台に配置することが行われてきた。
【０００５】
このような技術の例として、特許文献１が知られている。この文献には、外周に沿って上部に凸部が形成された基材と、前記凸部内にウエハを吸着するための静電吸着シートを配置し、さらに前記静電吸着シートを保護する目的でセラミクス製の板部材をその上部に配置するとともに、前記基材、前記静電吸着シート、前記セラミクス製の板部材を前記凸部内面に配置した接着剤によって接合し、さらに前記接着剤を保護する目的で前記基材から前記セラミクス製の板部材にかけて保護膜を溶射によって形成したものが示されている。
【０００６】
プラズマから接着剤を保護する保護膜を溶射により形成することで、保護膜を容易に形成することができる。なお、接着剤が露出している箇所に溶射で保護膜を形成する場合は、溶射の熱により接着層が炭化してしまう恐れがあるが、特許文献１では、前記基材の凸部とセラミクス製の板部材の間にアスペクト比５以上の隙間が設けて、溶射の噴流が凸部内部の接着剤に到達しない構成としている。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００７】
【特許文献１】ＷＯ２００４／０８４２９８
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
しかしながら、上記従来技術によれば、前記セラミクス製の板部材と基材との間に隙間を設けているので、熱の伝達が不均一となる。さらに、この隙間には、保護用の膜内を通過した処理ガスが侵入して接着剤あるいは基材を腐食させて、試料台の寿命を損なうおそれがある。
【０００９】
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、試料の温度分布を所望の値に制御することができるとともに、信頼性の高い、長寿命のプラズマ処理装置を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１１】
真空処理室と、該真空処理室に配置された試料台を備え、前記真空処理室内にプラズマを生成して、前記試料台に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記試料台は、円柱状の基材部と、該基材部上に配置されヒータ電極膜を備えた誘電体膜部と、前記誘電体膜部上に配置され吸着用電極膜を備えたセラミクス板と、前記誘電体膜部とセラミクス板を接着する第１の接着層と、前記第１の接着層の側面を被覆する耐熱性の第２の接着層と、前記第２の接着層および誘電体膜部の側面を被覆する保護部材を備えた。
【発明の効果】
【００１２】
本発明は、以上の構成を備えるため、試料の温度分布を所望の値に制御することができるとともに、信頼性の高い、長寿命のプラズマ処理装置を提供することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１３】
【図１】プラズマ処理装置の構成の概略を説明する縦断面図である。
【図２】図１に示す試料載置台の構成を拡大して示す縦断面図である。
【図３】図２に示す試料載置台の外周部の構成を拡大して示す縦断面図である。
【図４】図３に示す試料載置台の制作手順を示す縦断面図である。
【図５】図３に示す試料載置台の制作手順を示す縦断面図である。
【発明を実施するための形態】
【００１４】
以下、実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本実施形態に係るプラズマ処理装置の構成の概略を説明する縦断面図である。図１において、プラズマ処理装置１００は、真空容器１０１、該容器上方の外周に配置されて真空容器１０１内部に電界および磁界を供給する電磁場供給手段、真空容器１０１下方に配置されて真空容器１０１内部を排気する排気手段とを備えている。
【００１５】
電磁波供給手段は、電波を発生させる電波源１０４、発生した電波を処理室１０３に導く導波管１０５、導波管１０５に接続された共振器１０６、共振器１０６と真空容器１０１上部を取り囲むように配置されたソレノイドコイル１１３を備える。
【００１６】
電波源１０４はマイクロ波やＵＨＦ波等の所定の周波数の電波を発生する。導波管１０５は、電波源１０４と共振器１０６に接続され、電波源１０４によって発生した電波を伝搬し共振器１０６内へ導く。共振器１０６は円筒状であり、共振器１０６中央の上部で導波管１０５と接続される。共振器１０６の共振用の空間である共振室１０６’は窓部材１０４をはさみ、処理室１０３の直上に配置される。また、真空容器１０１上部と共振器１０６の外周を取り囲むように、リング状のソレノイドコイル１１３が複数段配置される。
【００１７】
真空容器１０１は、真空容器１０１の上部にあって誘電体材料製の窓部材１１４、シャワープレート１１５、プラズマが形成される空間であって内側に配置された処理対象の試料が前記プラズマにより処理される処理室１０３、処理室１０３下部に配置されて試料がその上面に載せられて保持される試料載置台１０７を備える。
【００１８】
前記窓部材１１４は石英誘電体製で円板状である。窓部材１１４は共振器１０６の底面を構成し、共振器１０６と処理室１０３の間を気密に区画している。シャワープレート１１５は石英等の誘電体製の円板で、中央部に複数個の貫通孔が配置される。窓部材１１４の下方には、窓部材１１４と隙間を空けてシャワープレート１１５が並置される。シャワープレート１１５の下面は処理室１０３の天井面を構成する。シャワープレート１１５は試料載置台１０７上面と対向し並行して配置される。窓部材１１４とシャワープレート１１５との隙間は、図示しないガス源から供給される処理用ガスを供給するための通路が設けられている。
【００１９】
プラズマ処理室１０３は略円筒形状であって、処理対象の試料にプラズマ処理を施す際にプラズマが形成される空間である。プラズマ処理室１０３は、共振室１０６’の直下に位置し、内部に試料載置台１０７を備える。なお、処理室１０３の内壁と試料載置台１０７との間の空間は、中心軸が合致したリング形状になっている。
【００２０】
試料載置台１０７は、水平方向外側に伸びる複数の梁によって、真空容器１０７の内部に中空に支持される。梁は試料載置台１０７の中心軸の周囲に軸対象となるように配置されている。試料載置台１０７は、バイアス電源１０８、冷媒温調器１１１、ヒータ電源１０９、静電吸着用電源１１０、ガス供給部１１６と接続されている。
【００２１】
試料載置台１０７内部に導電性の電極が配置され、電極は特定の高周波電力を供給するバイアス電源１０８と接続されている。また、試料載置台１０７内部には後述のとおり、ヒータと冷媒溝が配置され、温調を行っている。
【００２２】
試料載置台１０７の上部には試料の載置面を構成するＡｌ２Ｏ３やＹ２Ｏ３等の誘電体材料で構成された誘電体膜が配置され、その内部にはウエハを誘電体膜表面上に静電気力により吸着する静電吸着電極が配置されている。この静電吸着電極には、直流電力を供給する静電吸着電極用直流電源１１０が接続されている。
【００２３】
真空容器１０１の下方には、排気手段であるターボ分子ポンプ等の真空ポンプ１０２が配置され、開口部１１７と連通している。開口部１１７は円形で、真空容器１０１の内部の処理室１０３の下部の試料台１０７の直下方に配置される。なお、試料室１０３、試料載置台１０７、開口部１１７は、その中心軸が合致するよう上下に並べて配置される。
【００２４】
本実施形態のプラズマ処理装置では、図示しない搬送部によりウエハをプラズマ処理室１０３内部へ搬送し、プラズマ処理室１０３内に処理ガスを導入した後、プラズマ処理室１０３内にプラズマを生成し、生成されたプラズマにより前記ウエハを処理する。
【００２５】
すなわち、処理室１０３内部は真空ポンプ１０２によって排気され、減圧された状態にある。このとき、ウエハは、図示しないロボットアーム等の搬送手段により、図示しないゲートを通り試料載置台１０７上に搬送され、試料載置台１０７の載置面を構成する誘電体膜上に載せられる。その後、静電吸着電極用直流電源１１０から誘電体膜内の電極に電力が供給されて静電気力が形成され、ウエハは、この静電気力が形成された誘電体膜上に吸着されて保持される。
【００２６】
ウエハが試料載置台１０７に保持された後、処理用ガスが図示しないガス源からシャワープレート１１５の貫通孔を通り処理室１０３内に導入される。処理用ガスの流量と真空ポンプ１０２の動作による排気とのバランスにより、処理室１０３内部の圧力は所定の範囲に調節される。
【００２７】
処理用ガスの供給後に電波源１０４は電波を発生させる。発生した電波は導波管１０５を伝播し、共振器１０６に導かれる。伝播した電波は共振器内部１０６’で共振し、所定の強度の電界を形成する。この形成された電界は、窓部材１１４、シャワープレート１１５を透過して処理室１０３に供給される。
【００２８】
ソレノイドコイル１１３には電流が供給され処理室１０３内に磁界が形成される。形成される磁界は、処理室１０３内側に上下方向の中心軸の周りに軸対象で下向き末広がりの形状である。
【００２９】
このようにして形成された電界と磁場の相互作用により、処理用ガスを励起して、処理室１０３内のウエハを保持した試料載置台１０７上方の空間にプラズマを形成する。
【００３０】
バイアス電源１０８からの高周波電力によって形成されたバイアス電位は、ウエハ表面にプラズマ中の荷電粒子を誘引して、ウエハ表面の処理対象の膜に物理的、化学的反応を生起させてエッチング等の処理を施す。
【００３１】
本実施形態では、プラズマの生成は、マイクロ波による電界と磁界との相互作用によるＥＣＲを用いたが、ＥＣＲに限定されるものではなく、高周波を用いた静電結合手段または誘導結合手段を用いたプラズマ生成手段を用いることもできる。また、後述するように、試料台１０７に保持されたウエハ処理の最中に、試料載置台１０７内部のヒータや温調器を作動させることによりウエハ温度を調節することができる。
【００３２】
図２は図１に示す試料載置台１０７の構成を拡大して示す縦断面図である。試料載置台１０７は、２段以上の肩部を持った円板形状であり、Ｔｉ、セラミクス含有のアルミニウム、モリブデン、タングステン等の金属で構成される基材部２０１、基材部２０１の上面に接合されて配置され、内部にヒータを備えたＡｌ２Ｏ３等の誘電体を備えた誘電体膜部２０２、該誘電体膜部２０２の上方に配置されたＡｌ２Ｏ３等の誘電体で形成された焼結セラミクス板２０９を備える。また、試料載置台１０７には、ガス導入部と連結した貫通孔２１３、ウエハリフト用のピンが貫通する貫通孔２１４が配置されている。
【００３３】
基材部２０１の内部には、冷媒が内部を流れる冷媒通路である冷媒溝２０３、基材上面の温度を測定する温度センサ２１０、貫通孔２１３，２１４が配置されている。
【００３４】
冷媒溝２０３は、冷媒が導入される入口部及び排出される出口部が管路により真空容器１０１外部の温調器１１１と連結されている。温調器１１１は冷媒溝２０３を通り循環される冷媒の流量（速度）や冷媒の温度をコントローラ１１２からの指令信号に応じて調節する。冷媒溝２０３の形状は、試料載置台１０７の上下方向の中心軸の周りに同心状またはら旋状に配置されている。冷媒は冷媒溝２０３を流れ、基材２０１を冷却する。基材２０１が冷却されることで、試料台１０７に保持されたウエハが冷却される。
【００３５】
温度センサ２１０には、熱電対あるいは白金測温抵抗体などが用いられる。基材部２０１の下方から上方に向けて穴が配置されており、温度センサ２１０はその内部に配置される。温度センサ２１０はコントローラ１１２と電気的に接続されている。
【００３６】
誘電体膜部２０２は、基材２０１上面に配置された第一誘電体膜２０４、誘電体膜２０４の上に所定の形状となるように溶射により形成されたヒータ電極膜２０５、これら溶射膜を覆うように形成された第二誘電体膜２０６によって形成される。
【００３７】
第一誘電体膜２０４は基材部２０１の上にＡｌ２Ｏ３等からなる溶射によって形成され、所定の形状となるよう成形される。第一誘電体膜２０４によって、ヒータ電極膜２０５と基材２０１は電気的絶縁状態になる。
【００３８】
ヒータ電極膜２０５は、第一誘電体膜２０４の上面に形成される。ヒータ電極膜２０５には、タングステン、抵抗率を制御したニッケル−クロム合金、ニッケル‐アルミ合金、あるいはタングステンに適当な添加金属を混ぜ抵抗率を制御したものなど抵抗率が管理された金属が用いられる。ヒータ電極２０５はヒータ用直流電源１０９と電気的に接続されている。
【００３９】
ヒータ電極膜２０５は、実現を求められるウエハまたは試料載置台１０７の表面の温度の分布に応じて所定の形状に、マスクを用いて溶射される。溶射後、製膜されたヒータ電極膜２０５の膜の厚さは各箇所で単位面積当たりの発熱量が均一となるように削って調節される。これにより、ヒータ電極膜２０５が配置された領域で発熱量が均一化され、ウエハ周方向、径方向について温度分布の均一性が向上する。
【００４０】
溶射された第一誘電体膜２０４及びヒータ電極膜２０５の上面と基材部２０１の側面に、再びＡｌ２Ｏ３等の誘電体材料が溶射によって吹き付けられ第二誘電体膜２０６が形成される。基材部２０１の上面と第二誘電体膜２０６の上面との距離を、第一、二誘電体膜２０４，２０６、ヒータ電極膜２０５が配置された領域の全体で平面度を出すため第二誘電体膜２０６上面は削って調節される。
【００４１】
溶射によって形成されたこれらの膜は、融解または半融解した材料の微小な粒子が膜により覆われる対象の表面上に吹き付けられて、表面と衝突した衝撃で変形した粒子が積み重なって積層されたものである。これらの粒子同士は対象の表面に衝突した際に、粒子の表面が融解した状態で接触して接合され融着し、粒子間には微小な空間が形成されている。このため膨張、収縮等変形によって部材の欠損や割れの発生が生じにくく脆性が相対的に低い。また、膜を形成した後の切削等形状の変更が容易となる。
【００４２】
誘電体膜部２０２の上方には焼結セラミクス板部２０９’が配置される。焼結セラミクス板部２０９’は第二誘電体膜２０６の上面に接着剤２０７を用いて接合された焼結セラミクス板２０９と、接着剤２０７の側面を覆う接着剤２１１と、接着剤２１１を覆うセラミクス製保護部材２１２を備える。
【００４３】
焼結セラミクス板２０９は、Ａｌ２Ｏ３あるいはＹ２Ｏ３等のセラミクス材料を所定の厚さと径とを有する円板形状に焼成して形成した焼結体である。所定の厚さは、例えば厚さ０．２〜０．４ｍｍである。焼結セラミクス板２０９には、その厚さ方向の中間部分である内部にタングステン等の金属から構成される静電吸着用電極膜２０８が配置されている。焼結セラミクス板２０９の下面には静電吸着用電極２０８と電気的に接続されたコネクター部が配置され、静電吸着用電極２０８は静電吸着用電源１１０と電気的に接続されている。また、焼結セラミクス板２０９の上部には凸部がその外周に沿って周上に形成されている。セラミクス板２０９の上部に形成された凸部は、ウエハを保持するとき、保持されたウエハと密着する。これによって、保持されたウエハと焼結セラミクス板２０９の間の前記凸部内周側に、後述する貫通孔２１３から導入される冷却ガスを充填し、保持することができる。
【００４４】
焼結セラミクス板２０９と第二誘電体膜２０６を接合させる接着剤２０７は、熱伝導性の接着剤である。例えばＡｌ２Ｏ３フィラーを含有したシリコーン接着剤である。接着剤２１１は、接着剤２０７の周囲を覆うよう形成される。接着剤２１１は耐熱性接着剤であり、保護部材２１２を形成するときの熱により、接着剤２０７がダメージを受けないよう保護する。保護部材２１２は、接着剤２１１の全表面、焼結セラミクス板２０９の外周面、第二誘電体膜２０６の側面をそれぞれ覆うように、溶射により形成される。保護部材２１２は、Ａｌ２Ｏ３等の誘電体材料製であり、プラズマから接着剤２０７、接着剤２１１を保護する目的で形成される。
【００４５】
貫通孔２１３、２１４は、それぞれ基材２０１、誘電体膜部２０２、焼結セラミクス板部を貫通して配置される。貫通孔２１３は、ガス供給部１１６と結合しており、ヘリウムガスなどを試料載置台１０７上部に導入する。貫通孔２１４の内部には、試料載置台１０７下方よりピン２１５が配置される。ピン２１５は、試料載置台１０７に対して相対的に昇降しウエハの受け渡しを行う。
【００４６】
本実施形態によれば、ウエハ載置面の温度を調整することで、ウエハにプラズマ処理施しているとき、ウエハの温度を調整することができる。
【００４７】
前述したように、ウエハは、図示されない搬送手段あるいはピン２１５等の操作により、焼結セラミクス板２０９上面に載置される。その後、静電吸着用直流電源１１０から静電吸着用電極２０８へ電力が供給されて静電気力が形成される。これにより、ウエハは誘電体膜である焼結セラミクス板２０９に吸着され保持される。
【００４８】
焼結セラミクス２０９にウエハが吸着保持された後、ウエハにバイアス電位が印加される。プラズマを用いてウエハを処理するときは、ウエハに入熱を伴う。この入熱に伴うウエハ温度の上昇はエッチング形状に大きく影響する。このためウエハを冷却する必要がある。
【００４９】
しかし、処理室１０３は減圧されているため、試料載置台１０７にウエハを載置しただけでは熱伝達が不十分である。このため、貫通孔２１３を通してガス供給部１１６より、冷却ガスを焼結セラミクス板２０９と焼結セラミクス板２０９表面に形成された凸部と載置されたウエハの間に導入する。これにより、ウエハと焼結セラミクス板２０９間に必要な熱伝達率が確保され、ウエハの温度上昇が抑制される。なお、冷却ガスは、圧力のモニタ信号のもとにコントローラ１１２によって所定の圧力に維持される。
【００５０】
基材上面の温度は温度センサ２１０によって検知されている。温度センサ２１０が検知した温度は、コントローラ１１２に受信される。コントローラ１１２は、検出された基材部２０１の温度をもとに、コントローラ１１２内部の演算機を用いて、また、コントローラ１１２内部或いは通信可能に接続されたハードディスク等の外部記憶媒体に記憶されたプログラムを用いて、載置面である焼結セラミクス板２０９上面の温度、あるいはこれに載せられたウエハの温度あるいはその分布を推定することができる。
【００５１】
コントローラ１１２は、予め上記記憶装置内に記憶されたプログラムを用いて、焼結セラミクス板２０９またはウエハの温度の検出結果に応じヒータ電極用直流電源１０９が出力すべき電力値を演算して検出する。この電力値を出力するようにヒータ電極用直流電源１０９に指令を発信することで、ヒータ電極膜２０５の発熱量を調整することができる。 このように、検知された試料載置台１０７の温度は、制御部であるコントローラ１１２にフィードバックされこる。これによりヒータ電極膜２０５の発熱量が調節され、加工に最適なウエハの温度またはその分布が実現される。
【００５２】
また、基材部２０１および焼結セラミクス板２０９との熱膨張率をほぼ同じ値に設定する。熱膨張率が異なる場合、溶射により保護部材２１２を形成するときの入熱、あるいは試料載置台１０７にウエハを保持しプラズマによって処理する際のプラズマあるいは前記ヒータ電極膜２０５からの入熱によって、基材部２０１あるいは焼結セラミクス板２０９のどちらか一方が他方よりも大きく膨張し、保護部材２１２が割れる恐れがある。このため、焼結セラミクス板２０９と膨張率がほぼ同じになるように、Ｔｉ、セラミクス含有のアルミニウム、モリブデン、タングステン等の金属で基材部２０１を構成する。これにより、保護部材２１２の割れを回避することができる。
【００５３】
本実施形態においては、ウエハ上に形成された処理対象の複数の膜の各処理の間において、ウエハの面方向について、温度の分布（温度プロファイル）を各々の処理に適切なものとなるように変化させる。なお、上方の膜の処理を終了させて温度プロファイルを上方の膜用のものから下方の膜に適した値に変化させている間は、バイアス電源１０８からのバイアス用電力の供給を停止する（この間に膜の処理を行うと温度の条件が最適でないことから、加工形状が所期のものから大きくズレてしまう）。
【００５４】
温度のプロファイルをより速く変化させて所望のものにする上では、ヒータ電極膜２０５から電極表面までの熱容量を小さくすることが望ましい。このため、本実施形態では焼結セラミック板２０９の厚さの上限を０．４ｍｍとしている。一方、熱容量を減少させるため焼結セラミック板２０９の厚さはできるだけ薄いほうが望ましい。しかし、焼結セラミック板２０９に内蔵された静電吸着用電極膜２０８には、ウエハを静電吸着するための電圧が印加されるため、焼結セラミクス板２０９が絶縁破壊を起こさないように下限の厚さを０．２ｍｍとしている。
【００５５】
図３は、図２に示す試料載置台１０７の外周部の構成を拡大して示す縦断面図である。図３に示すように、焼結セラミクス板２０９の外周は第二誘電体膜２０６の外周よりも大きくなるように形成される。すなわち、図３に示された焼結セラミクス２０９の外周面と第二誘電体膜２０６の外周面の距離δ３は０ｍｍよりも大きく取られる。距離δ３を設けることで、接着剤２１１は焼結セラミクス板２０９の下面のみに塗布することができる。このため、保護部材２１２を形成した後、焼結セラミクス板２０９及び保護部材２１２を外周に沿って面取り加工しても接着剤２１１がウエハを載置する表面に現れることはない。
【００５６】
また、本実施形態において、使用される接着剤２１１は接着剤２０７よりも熱伝達率が小さい。本実施形態のように、電極表面の温度を高速で変化させ、またヒータ電極２０５の単位面積当たりの発熱量が膜全体で均一となるよう調節されたウエハ処理装置においては、試料載置台１０７に載置されたウエハからヒータ電極膜２０５までの間の熱伝達率は均一であることが望ましい。そのため、接着剤２１１はヒータ電極２０５よりも外周に配置され、試料載置台１０７に載置されたウエハからヒータ電極膜２０５までの間には接着剤２０７が配置される。すなわち、図３に示された接着剤２１１と接着剤２０７の接合面とヒータ電極２０５の最外周面の距離δ１は０ｍｍよりも大きく取られる。
【００５７】
焼結セラミクス板２０９の凸部の内周部は、接着剤２１１よりも内側にある。すなわち、図３に示された焼結セラミクス板２０９の凸部の内周面と接着剤２１１と接着剤２０７の接合面の距離δ２は０ｍｍよりも大きい。距離δ２をとることで、冷却ガスによる熱交換において、接着剤２１１のウエハ温度調整への影響を減らすことができる。
【００５８】
図４，５は、図３に示す試料載置台１０７の制作手順を示す縦断面図である。まず、図４（ａ）に示すように、基材２０１の上面に第一誘電体膜２０４を溶射により形成し、形成され第一誘電体膜２０４の上面にヒータ電極膜２０５を溶射により形成する。第一誘電体膜２０４は、基材２０１の上面のみに溶射し、溶射した後、所定の平面度が出るように研磨する。ヒータ電極膜２０５は、第一誘電体膜２０４の上面に、要求されるウエハまたは試料載置台１０７の表面の温度分布に応じた所定の形状になるように、マスクを用いて溶射により形成される。その後、ヒータ電極膜の膜厚は削られて、単位面積当たりの発熱量が等しくなるように調整される。
【００５９】
図４（ｂ）は、第二誘電体膜が溶射された状態を示す。第二誘電体膜２０６は基材部２０１の下面を除いた基材２０１の側面、肩部及び溶射に形成された第一誘電体膜２０４、ヒータ電極膜２０５の表面を覆い、溶射により形成される。溶射された第二誘電体膜２０６は前述と同様に平面度を出すために調整される。
【００６０】
図４（ｃ）は、焼結セラミクス板２０９を、接着剤２０７を用いて、第二誘電体膜２０６の上面に接合した状態を示す。焼結セラミクス板２０９は、内部に所定の形状の静電吸着膜２０８が包含され配置されている。また、所定の厚みと径を有する円板状となるよう、第二誘電体膜２０６と接合される前に焼成されている。
【００６１】
まず、溶射により形成された第二誘電体膜２０６の上面全体に接着剤２０７を塗布する。その後、焼結セラミクス板２０９、第二誘電体膜２０６、ヒータ電極膜２０５、第一誘電体膜２０４、基材２０１は、接着材２０７の層を挟んで押しつけられて、これらを所定の温度で加熱することで接着剤２０７は硬化する。これにより焼結セラミクス板２０９と第二誘電体膜２０６は接合し、一体に形成される。
【００６２】
なお、静電吸着用電極膜２０８は焼結セラミクス板２０９の下面に露出するように配置されても良い。第二誘電体膜２０６と焼結セラミクス板２０９を接合するときに、第二誘電体膜２０６と焼結セラミクス板２０９の間から接着剤２０７がはみ出した接着剤２０７は除去して、形状を整える。
【００６３】
図４（ｄ）は、接着剤２０７の表面を覆って接着剤２１１を成形した状態を示す。接着剤２１１は、接着剤２０７の側面の全面と、焼結セラミクス板２０９、第二溶射膜２０６にかけて塗布され、接着剤２０７は不可視の状態になる。接着剤２１１は耐熱性接着剤であり、オーブンなどが用いて加熱して硬化する。この接着剤２１１としては、例えばアロンセラミクスＤ（東亞合成（株）製）を用いる。アロンセラミクスＤは硬化させるときの温度が１５０℃であり、試料載置台１０７へ熱によるダメージを与えることなく硬化させることができる。
【００６４】
図５（ａ）は、保護部材２１２を溶射により形成した状態を示す。保護部材２１２は焼結セラミクス２０９の側面、接着剤２１１の側面、第二誘電体膜２０６の側面を隙間なく覆うように溶射により形成される。接着剤２１１が配置されていることで、接着剤２０７に溶射粒子が届くことがなく、接着剤２０７は溶射によるダメージを受けることがない。
【００６５】
図５（ｂ）は、保護部材２１２を溶射により形成した後に、ウエハ載置面となる焼結セラミクス板２０９の上面を加工した状態を示す。焼結セラミクス板２０９の上面は研磨などにより所定の厚みに加工する。また、焼結セラミクス板２０９上面の溶射膜は取り除く。 また、焼結セラミクス２０９の外周部には外周部に沿って凸部が配置される。また、焼結セラミクス２０９の外周肩部は研磨などにより面取りが行われる。保護部材２１２を形成した後に焼結セラミクス２０９の加工を行うことで、溶射による焼結セラミクス板２０９の反りを防ぐことができる。
【００６６】
本実施形態によれば、最外周部の熱伝達率を著しく低下させることがない、このためウエハ温度制御性の経時変化が抑制された試料載置台１０７を提供することができる。
【００６７】
前述のように、プラズマを用いてウエハを処理するときに、ウエハにバイアス電位を印加するとウエハには入熱が生じる。このとき、ウエハの最外周部分は焼結セラミクス板２０９より外周に位置し温度調整ができないため、ウエハの温度が上昇しウエハ処理に悪影響を与える。
【００６８】
本実施形態によれば、ヒータ電極膜２０５から電極表面までの熱容量を小さくするため接着剤２０７の厚みは０．０５〜０．１ｍｍとした。また、焼結セラミクス板２０９と第二誘電膜２０６との間に充填されている接着剤２０７は、耐熱性の接着剤２１１によって周囲が被覆されている。このため、接着剤２０７は保護膜２１２を形成する際の溶射による熱ダメージから保護されている。
【００６９】
したがって、保護膜２１２を溶射によって形成するとき、接着剤２０７はダメージを受けることがなく、また接着剤２１１と接着剤２０７との間に隙間を作ることはない。また、接着剤２１１は耐熱性であるため、接着剤２１１表面にダメージを受けることなく保護膜２１２を形成することができる。このように、接着剤２０７、接着剤２１１、保護膜２１２の間に隙間が形成されることがないため、載置台の外周部における熱伝達効率を著しく低下させることがない。
【００７０】
なお、接着剤２１１が設けられず、したがって、接着剤２０７と保護膜２１２の間に隙間ができた場合、プラズマは保護膜を通過し、保護膜２１２を透過したプラズマによって接着剤２０７は浸食される。保護膜２１２は溶射により形成されるため、その内部に微小な空間が形成される。このため、処理室１０３内部に生成されたプラズマは保護膜２１２を透過する。透過したプラズマは接着剤２０７に到達し、接着剤２０７を浸食し、熱伝達フィラーが移動できるようにする。移動できるようになった熱伝達フィラーは接着剤２０７と保護膜２１２の隙間に広がり、焼結セラミクス板２０９と第二誘電体膜２０６との間に隙間が発生する。これに対して、接着剤２１１を配置することによりフィラーの広がる空間を抑制することにより、焼結セラミクス板２０９と第二誘電体膜２０６との間に発生する隙間を抑制することができる。
【００７１】
なお、焼結セラミクス板２０９のウエハ載置面は、保護膜２１２を溶射により形成した後、加工により溶射膜を取り除くことにより均一の材料とすることができる。ウエハ載置面が均一の材料となることで、焼結セラミクス板２０９の凸部表面のウエハと接する面に生じる経時変化を抑制することができる。これにより、伝熱ガスであるヘリウムの圧力制御性およびウエハの温度制御性の変化を抑制することができる。
【符号の説明】
【００７２】
１００ プラズマ処理装置
１０１ 真空容器
１０２ 真空ポンプ
１０３ 処理室
１０４ 電波源
１０５ 導波管
１０６ 共振容器
１０７ 試料載置台
１０８ バイアス電源
１０９ ヒータ用直流電源
１１０ 静電吸着電極用直流電源
１１１ 温調器
１１２ コントローラ
１１３ ソレノイドコイル
１１４ 窓部材
１１５ シャワープレート
１１６ ガス供給部
１１７ 開口部
２０１ 基材部
２０２ 誘電体膜部
２０３ 冷媒溝
２０４ 第一誘電体膜
２０５ ヒータ電極膜
２０６ 第二誘電体膜
２０７ 接着剤
２０８ 静電吸着電極膜
２０９ 焼結セラミクス板
２１０ 温度センサ
２１１ 接着剤
２１２ 保護部材
２１３ 貫通孔
２１４ 貫通孔
２１５ ピン
２１６ ウエハ
【特許請求の範囲】
【請求項１】
真空処理室と、該真空処理室に配置された試料台を備え、前記真空処理室内にプラズマを生成して、前記試料台に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記試料台は、
円柱状の基材部と、
該基材部上に配置されヒータ電極膜を備えた誘電体膜部と、
前記誘電体膜部上に配置され吸着用電極膜を備えたセラミクス板と、
前記誘電体膜部とセラミクス板を接着する第１の接着層と、
前記第１の接着層の側面を被覆する耐熱性の第２の接着層と、
前記第２の接着層および誘電体膜部の側面を被覆する保護部材を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
真空処理室と、該真空処理室に配置された試料台を備え、前記真空処理室内にプラズマを生成して、前記試料台に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記試料台は、
円柱状の基材部と、
該基材部上に配置されヒータ電極膜を備えた誘電体膜部と、
前記誘電体膜部上に配置され吸着用電極膜を備えたセラミクス板と、
前記誘電体膜部とセラミクス板を接着する第１の接着層と、
前記第１の接着層の側面を被覆する耐熱性の第２の接着層と、
前記第２の接着層および誘電体膜部の側面を被覆する溶射膜製の保護部材を備え、
前記第２の接着層により保護部材を形成する際の熱から第１の接着層を保護し、前記保護部材により前記第２の接着層および誘電体膜部の側面をプラズマから保護したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記第１の接着層の側面を被覆する耐熱性の第２の接着層の内周縁は、前記ヒータ電極膜の外周縁よりも外側に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記第２の接着層は第１の接着層よりも耐熱性が高いことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記セラミクス板と保護部材を有する試料台の外周上部には、セラミクス板から保護部材に至る面取り部を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項１】
真空処理室と、該真空処理室に配置された試料台を備え、前記真空処理室内にプラズマを生成して、前記試料台に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記試料台は、
円柱状の基材部と、
該基材部上に配置されヒータ電極膜を備えた誘電体膜部と、
前記誘電体膜部上に配置され吸着用電極膜を備えたセラミクス板と、
前記誘電体膜部とセラミクス板を接着する第１の接着層と、
前記第１の接着層の側面を被覆する耐熱性の第２の接着層と、
前記第２の接着層および誘電体膜部の側面を被覆する保護部材を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】
真空処理室と、該真空処理室に配置された試料台を備え、前記真空処理室内にプラズマを生成して、前記試料台に載置した試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置において、前記試料台は、
円柱状の基材部と、
該基材部上に配置されヒータ電極膜を備えた誘電体膜部と、
前記誘電体膜部上に配置され吸着用電極膜を備えたセラミクス板と、
前記誘電体膜部とセラミクス板を接着する第１の接着層と、
前記第１の接着層の側面を被覆する耐熱性の第２の接着層と、
前記第２の接着層および誘電体膜部の側面を被覆する溶射膜製の保護部材を備え、
前記第２の接着層により保護部材を形成する際の熱から第１の接着層を保護し、前記保護部材により前記第２の接着層および誘電体膜部の側面をプラズマから保護したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項３】
請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記第１の接着層の側面を被覆する耐熱性の第２の接着層の内周縁は、前記ヒータ電極膜の外周縁よりも外側に配置されていることを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項４】
請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記第２の接着層は第１の接着層よりも耐熱性が高いことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項５】
請求項２記載のプラズマ処理装置において、
前記セラミクス板と保護部材を有する試料台の外周上部には、セラミクス板から保護部材に至る面取り部を備えたことを特徴とするプラズマ処理装置。
【図１】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【図２】
【図３】
【図４】
【図５】
【公開番号】特開２０１２−２２２２３３（Ｐ２０１２−２２２２３３Ａ）
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願番号】特願２０１１−８８２９９（Ｐ２０１１−８８２９９）
【出願日】平成２３年４月１２日（２０１１．４．１２）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
【公開日】平成２４年１１月１２日（２０１２．１１．１２）
【国際特許分類】
【出願日】平成２３年４月１２日（２０１１．４．１２）
【出願人】（５０１３８７８３９）株式会社日立ハイテクノロジーズ (4,325)
【Ｆターム（参考）】
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