JP2005235970A - ウェハーステージ - Google Patents

Abstract

【課題】外側リングの温度が最適になる制御が行えるように外側リングと電極の間の熱伝導性を改善でき、ポリマーのパーティクルの影響を除くことができるウェハーステージを提供する。
【解決手段】このウェハーステージ１０は、ウェハーが配置され、その直径がウェハーの直径よりも大きい電極１２と、電極の外周縁領域に相当する場所の上で径方向配置によって離れて配置され、チャンバの内部に向かうその磁極が交互の極性になるように配置されている複数のマグネット２４と、そしてウェハーの周囲に配置されかつその下側に磁気金属リング２５を有する外側リング１７から構成されている。
【選択図】図１

Description

本発明はウェハーステージに関し、特に、ウェハーステージに設けられた外側リングと電極との間の熱伝導性を改善するためのウェハーステージ上に外側リングを固定する技術に関する。

プラズマ支援ウェハー処理技術は、Ｓｉ（シリコン）または他の材料のウェハーまたは基板の上に半導体デバイスを組み付けることにおいて、すでに良好なものとして確立されたプロセスである。大部分のウェハープロセスは、望ましい化学的なおよび／または物理的な反応が或る特定な温度または温度範囲においてのみ起きるので、制御された温度の下で行われる。ウェハーの温度は、通常的には、ウェハーステージに設けられた温度制御された電極の上にウェハーを配置することによって制御され、他方、ウェハーは機械的または静電的な固定技術によって当該電極の上に押さえつけられる。ウェハーステージは電極に熱を与える熱機構を備えている。加えて、熱伝導性を増加させるため、ウェハーと電極の間に作られた非常に薄いガスリザーバーに高い圧力のガスが供給される。この技術は一般的にウェハーの温度を所望温度の領域内に維持するために十分に良好な技術である。

いくつかのウェハープロセスは、ウェハー表面上の全体にわたるガスの化学的性質を変化させるので、ウェハー温度に対して非常に敏感に反応するものである。これらのプロセスのためには、ウェハーの温度が重要であるばかりではなく、同様にまた、ウェハーに非常に近い所にある他の表面の温度、特に外側リングの温度も重要である。仮にウェハーの周囲に存在する外側リングが異なる温度にあったとすると、外側リングの表面の上では異なるプロセスが発生し、そしてその表面上で異なるガスの反応が生じる。これは反対にウェハー表面の外周縁領域について特にウェハー表面上での化学反応に影響を与える。これらの問題は、誘電体エッチングプロセスに使用される従来のウェハーステージを考察することによって、詳細に説明される。２つの異なる従来の例が以下のごとく説明される。

図６は、１つの例として、誘電体エッチングで通常用いられる従来のウェハーステージ１００を示す。このウェハーステージ１００は電極１０１、電極１０１の上部表面に取り付けられた薄い誘電体板１０２、外側リング１０３、および誘電体シールド１０４，１０５，１０６とから構成されている。電極１０１の内部には、電極１０１の温度を制御するために温度制御用液体を流すことができるように複数の通路１０７が作られている。電極１０１は整合回路１０９を介してｒｆ電源１０８に接続されている。図６で図示されないウェハーは誘電体板１０２の上に配置される。電極１０１にはＤＣ電源からＤＣ電圧を供給することも可能であるということに留意すべきである。これは、誘電体板１０２上にウェハーを静電的にクランプするということである。しかしながら、たとえ付加的な電極１０１に印加される付加的ＤＣ電圧がないとしても、ウェハーは、ウェハー表面上で生成される自己バイアス電圧によって誘電体板１０２上に静電的にクランプされる。

誘電体エッチングプロセスにおけるウェハーステージ１００の動作の間、ウェハー表面上に自己バイアス電圧（Ｖｄｃ）を発生させるため、電極１０１に対してはｒｆ電力が与えられる。当該自己バイアス電圧Ｖｄｃによって生成される静電界は、ウェハー表面上に対してイオンを加速させる。イオンの衝突はウェハー表面のエッチングの原因となる。誘電体のエッチングプロセスにおいて、ウェハーの表面上では２つの異なる化学的性質が存在する。１つはイオン支援エッチングであり、他は中性ラジカル支援または分子支援の膜堆積である。例えばＣ₄Ｆ₈／Ａｒ／Ｏ₂のごとき従来のガスを伴う場合、プラズマに面する表面の上にポリマーの堆積が発生する。

上記のポリマーの堆積の化学的性質は、ウェハー温度の減少に伴う堆積速度の増加のごとく、ウェハーの温度に対して非常に敏感である。ここで、当該表面は、プラズマに面するウェハーまたは他の表面のようにいかなる物質であってもよい。このことは、もし表面温度がより高ければ、当該表面に衝突したポリマー堆積ラジカルの大部分は反射によってプラズマに戻されるということを意味する。このことは、加熱された表面の近傍においてプラズマにおけるポリマー堆積ラジカルの増加の原因となる。反対に、冷たい表面の近傍では、ポリマー堆積ラジカルの集中は低くなる。プラズマにおけるポリマー堆積ラジカルの集中はウェハー表面でのエッチング速度およびエッチングプロファイルに非常に影響を与える。それ故に、ウェハー表面の全体に渡って、一定のポリマー堆積ラジカルの集中を有することは本質的なことである。

図６における電極１０１の温度は通路１０７を通して液体を流すことによって制御される。それ故にウェハーの温度はエッチングプロセスを通して制御される。しかしながら、外側リング１０３の温度はプラズマに晒されるにつれて次第に増大する。それ故に、外側リング１０３は絶縁材１０４の上に簡単に配置され、かつ取替えが可能な部分である。このことは外側リング１０３とウェハーとの間のより大きな温度の差を作る原因となる。結果として、外側リング１０３上のガスの化学的性質とウェハー上のガスの化学的性質は異なるものとなる。外側リング上のガスの化学的性質はウェハーの外周縁領域でのプロセスの化学的性質に影響を与える。それ故にウェハーの中央領域と外側領域でのプロセスの化学的性質は異なったものになり、ウェハー表面の全体にわたり均一なプロセスがないので装置製造において用いることはできない。

図７は第２の例として誘電体エッチングに用いられる他の従来のウェハーステージを示している。図７に示された構造において、図６に示された要素と実質的に同じ要素にはそれぞれ同じ参照符号が付されている。図７に示された第２の例において、電極１０１と薄い誘電体板１０２の変形はウェハーの直径よりもより延長されている。電極１０１にｒｆ電極が与えられるとき、ウェハーと外側リング１０３は誘電体板１０２の上に静電的にクランプされるようになる。このことは、外側リング１０３と電極１０１との間の熱伝導性を増大させる。それ故に外側リング１０３は同様にまたウェハーのそれと同じ温度になる。このことは、ウェハーと外側リングの上での異なるガスの化学的性質の発生をなくすことになる。

しかしながら、この構造では、同様にまた問題がある。この問題は、外側リング１０３と誘電体板１０２の部分の拡大図を示す図８を参照して説明される。上で説明したように、エッチングプロセスの間、ポリマーはプラズマに面する表面上に堆積させられる。エッチングの時間が増大するに伴って、ポリマー１１１は外側リング１０３と誘電体板１０２との間の小さな隙間空間１１２の内部に堆積させられる。ウェハーの処理が継続するとき、外側リング１０３は各ウェハーの変更に伴って外側リング１０３は繰り返しクランプ（固定）され、かつリクランプ（固定解除）されるようになる。連続的なクランプおよびリクランプは、外側リング１０３の微細な動きの原因となる。これはポリマーの小さいパーティクルを発生させ、これらのパーティクルのいくつかが外側リング１０３と誘電体板１０２との間に進む。ポリマーのパーティクルが外側リング１０３と誘電体板１０２との間にあるとき、静電的なクランプ動作は働かない。この場合において、外側リングの温度は上昇する。このことは先に述べた理由に基づき、外側リング１０３とウェハーの上側全体にわたり異なるガスの化学的性質という結果をもたらす。

従って、たとえ外側リング１０２の静電的クランプであったとしても、外側リングの温度を制御する将来有望な技術というわけではない。さらに、たとえ外側リングの温度を制御することの問題が誘電体エッチングシステムに関して説明されたとしても、同じ問題は多くの他のプラズマ処理システムにおいて見受けることができる。

以下の特許文献１，２，３はウェハーステージに関して前述した従来構造に類似したウェハーまたは基板の保持ステージを開示する。さらに関連する技術として、特許文献４はマグネットを用いたテーブルの上にウェハーを固定するための機構を開示する。当該マグネットはウェハーの周囲において下側に配置されたリング部材を固定するために用いられる。上記の固定機構は、プラズマ支援ウェハー処理装置とはかなり異なるダイシング機械に組み付けられている。
特開平７−８６３８２号公報 特開平６−６１３３６号公報 特開平５−２９１１９４号公報 特開平９−１３４８９２号公報

本発明の課題は、上記の問題を解決することにあり、マグネットの力を用いることによってウェハーステージの電極に外側リングを確実に固定し、外側リングと電極との間の熱伝導性を改善することである。それにより外側リングの温度は所望の温度に制御されることになる。

本発明の目的は、外側リングの温度が最適になるよう制御が行えるように外側リングと電極の間の熱伝導性を改善することができ、そしてポリマーのパーティクルの影響を除くことができるウェハーステージを提供することにある。

本発明に係るウェハーステージは、上記の目的を達成するために、次のように構成される。

本発明のウェハーステージはプラズマ処理システムでウェハーを保持するために用いられる。ウェハーステージは、ウェハーが配置され、電流が供給され、その直径がウェハーの直径よりも大きい電極と、電極の外周縁領域に相当する場所の上で径方向配置によって離れて配置され、チャンバの内部に向かうその磁極が交互の極性になるように配置されている複数のマグネットと、そしてウェハーの周囲に配置されかつその下側に磁気金属リングを有する外側リングとから構成されている。

上記のウェハーステージによれば、電極はウェハーの直径よりも大きくなるように延長され、かつ外側リングは磁力を用いることによりウェハーステージの上面に取り付けられている。この磁力は、所定の外周縁領域に設けられた複数のマグネットと外側リングの下面の上に固定された磁気金属リングとの間で生成される。

前述したウェハーステージにおいて、好ましくは、複数のマグネットは、径方向配列の代わりに同心円位置配列で配置される。

前述したウェハーステージにおいて、電極は好ましくはその上面に取り付けられた誘電体板を備えており、そして複数のマグネットは当該誘電体板の外周縁領域の上に固定されている。

上記の構造によれば、電極と薄い誘電体板はウェハーの直径よりも大きく延長され、そして外側リングは磁力を用いることにより薄い誘電体板に取り付けられている。この磁力は誘電体板の外周縁領域に固定されたマグネットと磁気金属リングとの間に発生する。

前述したウェハーステージにおいて、好ましくは、複数のマグネットは直接的に電極の外周縁領域の上に固定されている。

前述したウェハーステージにおいて 誘電体板は静電チャック装置を含む。

前述したウェハーステージにおいて、好ましくは、マグネットと磁気金属リングの位置は反対にされ、マグネットは外側リングの下面の上に設けられ、磁気金属リングは外周縁領域に設けられる。

本発明に係るウェハーステージは外側リングと電極との間の熱伝導性を改善することができ、かつ外側リングの温度をプラズマの状態またはポリマーのパーティクルの汚染の量に拘らず所望の温度になるように制御することができる。

以下に、添付された図面に従って好ましい実施形態が説明される。当該実施形態の説明を通して本発明の詳細が明らかにされる。
［実施形態１］

本発明の第１実施形態が図１および図２を参照して説明される。図１は第１実施形態によるウェハーステージの縦断面図を示す。このウェハーステージ１０は、処理されるべきウェハーを処理チャンバ（図示せず）に搬入するための機構として、プラズマ支援ウェハー処理装置に組み込まれる。説明を簡単にするために、図１ではウェハーステージ１０のみが示される。ウェハーステージ１０は、当該ウェハーステージ１０上に外側リングを固定するための構造に関して特徴を有する。

図１に示されたウェハーステージ１０は処理チャンバの下壁１１の上に設けられる。ウェハーステージ１０は、電極１２、電極１２の上面の上に固定された薄い誘電体板１３、絶縁部材１４，１５，１６、および外側リング１７から構成されている。

ウェハーステージ１０は、下壁１１に固定されたリング形状の側壁１８を有している。上記の絶縁部材１４は下壁１１に固定され、さらに電極１２は絶縁部材１４の上面の上に配置されている。リング形状を有した絶縁部材１５は、絶縁部材１４および電極１２の両方の周囲に配置されている。リング形状をした絶縁部材１５は側壁１８の内面に接触した状態にある。

外側リング１７は薄い誘電体板１３の場所の周囲に配置され、その上には処理されるべきウェハーが搭載されている。加えて、外側リング１７は１つの平面を作るようにリング形状をした絶縁部材１６の内側空間に配置されている。さらに絶縁部材１６は絶縁部材１５の上面の上に設けられている。

上記電極１２にはｒｆ発生器２１から整合回路２２を通してｒｆ電流が供給されている。電極１２は絶縁部材１４，１５によって下壁１１およびそれに類似したものから電気的に絶縁されている。加えて、電極１２は、同様にまたＤＣ電力供給源に接続することも可能である。この構造は図１において示されていない。

電極１２の中には温度制御用液体を流すための通路２３がいくつか存在する。通路２３を通して温度制御された液体が流れることによって、電極１２の温度は制御され、所望の値または範囲に維持される。図１において、温度制御用液体を供給するための供給機構の図解は省略されている。通常、当該供給機構はウェハーステージ１０の外側に設けられ、導入口および排出口を通して通路２３に接続されている。

電極の上面に設けられる薄い誘電体板１３の厚みは重要な事項ではない。それは通常５ｍｍよりも小さいものである。ウェハーは直接的に誘電体板１３の上に配置されている。誘電体板１３の直径は好ましくはウェハーの直径よりも少し大きいものである。例えば、もしウェハーの直径が２００ｍｍであるならば、誘電体板１３の直径は２００ｍｍよりも寸法的により大きな値から２５０ｍｍまでの範囲に存在する。誘電板１３の直径がウェハーの直径よりも大きい場合には、ウェハーの直径を越える外周縁領域１３ａは，図１および図２に示されるごとく，中央領域１３ｂよりもわずかばかり薄くなるようになっている。中央領域１３ｂは、処理されるべきウェハーが搭載される場所として用いられる。

上記のより薄い外周縁領域１３ａで、複数のマグネット２４が交互に極性（ＮおよびＳの磁極）を交替させた状態で配置されている。図２において示されるごとく、特に、各マグネット２４は小さな幅を有した薄いかつ長い板片であって、すべてのマグネット２４はそれぞれ径方向に配置されている。マグネット２４の長さは外周縁領域１３ａの幅と同じ長さである。実際に、マグネット２４は、好ましくは、誘電体板１３の外周縁領域１３ａの表面に、それらの磁極面を露出させた状態で埋め込まれる。

いかなる決定的なマグネット配列も存在しない。図２に示されたマグネットの配列は単なる一例にすぎない。マグネット２４は交互に交替する極性を備えて、半径ラインの上に配置されており、かつ磁極の極面はプラズマ処理容器の内部に面している。

マグネット２４の高さは重要な事項ではなく、例えばおよそ１ｍｍのごとく可能な限り薄くなるようにされる。マグネット２４に関しては、その大きさ、寸法、磁界の強さは同様にまた重要な事項ではない。通常、弱い磁界を有したマグネット２４、例えばマグネット２４の表面での磁界の強さが５００ガウスよりもより小さいものが選択される。

図１および図２に示される前述の外側リング１７は、通常、Ｓｉのごとき半導体の材料または部材、あるいは石英のごとき誘電体材料によって作られている。外側リング１７の厚みは重要なことではなく、通常はおよそ２ｍｍである。外側リング１７の下面では、よりよい熱伝導性を持つようにするため、例えば鉄で作られた磁気金属リング２５が固く取付けられている。磁気金属リング２５の外径と内径は、通常、外側リング１７のそれらと同じになるように採用されている。磁気金属リング２５の厚みは同様にまた重要な事項ではなく、１ｍｍよりも小さい値にある。この外側リング１７と磁気金属リング２５で形成される複合的なリングがウェハーステージ１０の上に配置されるとき、それは薄い誘電体板１３の外周縁領域１３ａでマグネット２４に基づく磁力によって強く固定されるようになる。何故ならば、マグネット２４の１つの磁極から出る磁束は磁気金属リング２５を通してその反対側の磁極まで到達する。このことは図３において概略的に図示されている。図３において、参照符号３１，３２はマグネット２４によって生成される磁界を表す磁束の線を示している。

マグネット２４によって作られる前述の磁界の強さ、マグネット２４の中のいずれの２つの間の距離または間隔、マグネット２４の寸法、および磁気金属リング２５の厚みは上記の磁束３１が外側リング１７の上側表面に到達しないように選択される。上記の磁束３１は磁気金属リング２５の限定された内部領域に分布する。すなわち、上側の磁束３１は磁気金属リング２５の内部のみを通過する。

誘電体板１３に関して、その直径は、実質的に第１実施形態の変形例としてウェハーの直径に等しくなるように選択される。この場合において、ウェハーの直径が２００ｍｍに至ると、誘電体板１３の直径はほとんど２００ｍｍである。もし薄い誘電体板１３の直径がほとんどウェハーの直径と同じになると、前述したマグネット２４は電極１２の上に直接的に固定され、マグネット２４の２つの間のスペースは絶縁材料で充填される。

ウェハーステージ１０の構造において、電極１２の上に外側リングを固定するための上記技術は、磁気金属リング２５と薄い誘電体板１３または電極１２との間の物理的な接触を改善する。それ故に、この構造は外側リング１７と電極１２との間の熱伝導性を改善することができる。さらに電極１２に対する外側リング１７の強固な取付けはプラズマのオン状態またはオフ状態に拘らず一定保持状態を維持する。この時間的に変化しない強固な取付けのために、磁気金属リング２５と薄い誘電体板１３との間にポリマーのパーティクルが入り込むという可能性がまったくなくなる。さらには、外側リング１７と薄い誘電体板１３との間の従来技術の箇所で説明されたごときポリマーの堆積は、磁力による取付けのため、いかなる問題も起さない。何故ならば、たとえポリマーのパーティクルが磁気金属リング２５と薄い誘電体板１３との間に入ったとしても、磁力が弱まるということの原因にはならないからである。それ故に隙間空間におけるポリマーの成長に伴う外側リング１７の温度の不確実さというものがなくなる。

次に、図４は変形例としてのマグネット配列のための他の可能な構成を示す。このマグネット配列において、２つのリング形状のマグネットがそれぞれ異なる直径を有し、それらは薄い誘電体板１３の外周縁領域１３ａの上に設けられる。２つのリング形状のマグネットは同心円的な位置関係で配置されている。このマグネット配列の構成はマグネットの構造と数を簡素化させる。

前述した第１の実施形態によれば、外側リングをウェハーステージの上に固定するための技術は外側リングと電極との間の熱伝導性を改善することができ、プラズマの状態またはポリマーパーティクルの汚染の量に拘らず外側リングの温度が所望の温度になりまたは所望の温度範囲に含まれるように制御することができる手段を与えるものである。
［実施形態２］

第２実施形態は、前述した第１実施形態の拡張であって、図５を参照して説明される。第２実施形態においては、唯一の相違は上記電極１２の上面の上に薄い誘電体板１３を有していないということである。その代わりにウェハーステージ１０は、その厚みが上記電極１２の厚みよりもより大きい電極４１を有し、処理されるべきウェハーは直接に電極４１の上面の中央部分の上に配置される。電極４１の上面の形状は実質的に前述した薄い誘電板１３の形状と同じである。それ故に、電極４１の上表面は中央領域と外周縁領域を有している。中央領域は処理されるべきウェハーが搭載される場所として使用され、外周縁領域は外側リング１７が設けられる場所として使用される。図５において、第１実施形態で説明された要素と実質的に同じ要素は同じ参照番号が付されている。

電極４１の直径はウェハーの直径よりも数センチメータより大きくなっている。電極４１は、図５に示されるごとく、２つの異なる高さを有している。ウェハーの直径よりもより大きい直径を有する電極４１の外周縁領域４１ａの高さは、中央領域４１ｂの高さよりも僅かに短くなるように選ばれている。外周縁領域４１ａの上において、第１実施形態において説明されたように複数のマグネット２４が取り付けられている。どの２つのマグネット２４の間の間隔も、絶縁材料、または電極４１を作る同じ物質で充填されている。ウェハーステージ１０における電極４１に関連する他のハードウェアの部分は第１実施形態に説明されたものと同じである。

外側リング１７と磁気金属リング２５の構成は第１実施形態で説明された構成と同じである。第２実施形態による動作の方法および構成の利点は同様にまた第１実施形態で説明された動作の方法および構成の利点と同じである。すなわち、外側リングの温度は所望の範囲内の温度を有するように制御することができる。しかしながら、電極の表面の上には薄い誘電体板がないので、ウェハーは静電的に電極４１の上にクランプすることができない。それ故にウェハーの温度は第１実施形態の場合に比較して正確に制御されるものではない。

前述した実施形態は、電極または薄い誘電体板の上に複数のマグネットを取り付けることによって、かつ外側リング１７の下面に磁気金属リング２５を取り付けることによって説明された。しかしながら、この配列は変えることができ、同じ結果を得る目的で、複数のマグネットを外側リングの下面に取り付け、かつ磁気金属リングは電極上に固定することができる。

本発明は、プラズマ処理装置に使用され、本発明のウェハーステージは外側リングと電極との間の熱的伝導性が磁力を用いることによって所望の状態に維持されるように構成されている。

この図は本発明の第１実施形態のウェハーステージを示す縦断面図である。 この図はマグネットと磁気金属リングの配列を示すウェハーステージの拡大された部分透視図である。 この図はマグネットに基づく磁束の方向および分布状態を示す部分断面図である。 この図はマグネットと磁気金属リングの配列の他の構成を示すウェハーステージの拡大された部分透視図である。 この図は本発明の第２実施形態のウェハーステージを示す縦断面図である。 この図はドライエッチングに用いられる第１の従来のウェハーステージを示す縦断面図である。 この図はドライエッチングのための第２の従来の例のウェハーステージを示す縦断面図である。 この図はポリマーが堆積した場所を示す拡大された縦断面図である。

符号の説明

１０ ウェハーステージ
１２ 電極
１３ 薄い誘電体板
１７ 外側リング
２４ マグネット
２５ 磁気金属リング

Claims (6)

1. プラズマ処理装置におけるウェハーを保持するためのウェハーステージであって、
   その上に前記ウェハーが配置され、電流が供給され、その直径がウェハーの直径よりも大きい電極と、
   前記電極の外周縁領域に対応する場所で径方向配列によって離れて設けられ、チャンバの内部の方向に磁極がその極性が交互に交替させるように面して配置される複数のマグネットと、そして
   前記ウェハーの周囲に配置され、その下側に磁気金属リングを有する外側リングと、
   を備えるウェハーステージ。
2. 前記複数のマグネットは前記径方向配列の代わりに同心円的な位置配列において配置される請求項１記載のウェハーステージ。
3. 前記電極はその上面に取付けられた誘電体板を備え、前記複数のマグネットは前記誘電体板の外周縁領域に固定されている請求項１または２記載のウェハーステージ。
4. 前記複数のマグネットは前記電極の外周縁領域の上に直接に固定されている請求項１または２記載のウェハーステージ。
5. 前記誘電体板は静電チャック装置を含む請求項３記載のウェハーステージ。
6. 前記マグネットと前記磁気金属リングの位置は反対にされ、前記マグネットは前記外側リングの下面に配置され、および前記磁気金属リングは前記外周縁領域の上に配置される請求項１記載のウェハーステージ。
   

Images