JP2005302936A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 試料台の異常放電による試料への汚染がなく、試料台を破損せずに、試料を高温まで加熱することができ、しかも加熱効率の優れたプラズマ処理装置を提供する。
【解決手段】 本発明のプラズマ処理装置１は、発熱部９をヒータケース１２の内部に配設された導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体の発熱体素子１３と、この発熱体素子１３の下面に石英製のスペーサー１４ａを介して設けられたシリコン（Ｓｉ）または炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体の第１の熱反射板１５と、この第１の熱反射板１５の下面に石英製のスペーサー１４ｂを介して設けられたシリコン（Ｓｉ）または炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体の第２の熱反射板１６とにより構成したことを特徴とする。
【選択図】 図１

Description

本発明は、半導体ウエハ等の板状試料を、所定の温度でプラズマ処理するプラズマ処理装置に関し、特に、プラズマ雰囲気下において、発熱体素子を用いて板状試料を効率よく、且つ、板状試料を汚染することなく加熱しつつプラズマ処理することができるプラズマ処理装置に関するものである。

従来、プラズマＣＶＤ、プラズマエッチング装置等のプラズマ処理装置に搭載されて使用される半導体ウエハ等の試料を加熱する加熱装置としては、発熱体素子が埋設された試料台に試料を載置し、前記発熱体素子に通電することにより前記試料台に載置された試料を加熱する加熱装置が使用されている（例えば、特許文献１参照）。

図３は、従来のプラズマ処理装置に搭載される加熱装置の一例を示す断面図であり、容器３１内には半導体ウエハ等の板状試料３８を加熱する加熱装置３２が設けられ、この加熱装置３２は、円盤状ヒーター部３３と円柱状支持部３６とを一体化した断面Ｔ字形のものである。円盤状ヒーター部３３は、緻密でガスタイトなセラミックスの内部にタングステン、モリブデン等からなる熱体素子３９をスパイラル状に埋設したもので、その端部には電極３７を介して電力が供給され、ウエハ等の試料３８を加熱する。一方、容器３１の内部にはガス供給孔３４からプロセスガスが供給され、吸引孔３５から排出される。
そして、前記の緻密でガスタイトなセラミックスとしては、ハロゲン系腐食ガスおよびそのプラズマに対する耐久性に優れることから、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）が多用されている。なお、図３においては、プラズマ発生部は省略されている。
特公平６−２８２５８号公報

ところで、従来のプラズマ処理装置に搭載される加熱装置３２では、円盤状ヒーター部３３の発熱体素子３９が、窒化アルミニウム焼結体に内蔵されており、発熱体素子３９が通電されて加熱された場合、発熱体素子３９の熱膨張により窒化アルミニウム焼結体に非常に大きな熱歪が発生して、加熱中に窒化アルミニウム焼結体が破損し易いという大きな問題がある。また、発熱体素子３９に通電して高温域まで発熱させた場合、窒化アルミニウム焼結体は高温域ほど抵抗値が低下するので耐絶縁性が低下して絶縁破壊を起こし易いため、窒化アルミニウム焼結体の場合には、６００℃以上に加熱して連続運転することができない。
また、窒化アルミニウム焼結体は、プラズマ雰囲気中で、特にマイクロ波を利用してプラズマ化されたプラズマ雰囲気に曝されると、アースされていない限り、チャージアップして異常放電を起こしやすく、異常放電が起こると、窒化アルミニウム焼結体の表面が荒らされてパーティクルが発生し易く、板状試料への汚染源となったり、破損する虞がある。そのため、異常放電を防止するためのアースを設置することが必要であるが、アース設置は困難であったり、不可能であることが多い。
さらに、発熱体素子３９は、放射熱を試料方向以外にも放射するため、試料の加熱効率が低下するという問題がある。
本発明は、上記事情に鑑みてなされたものであって、試料台の異常放電による試料の汚染の虞がなく、また試料台を破損せずに高温まで加熱することができ、しかも加熱効率の優れたプラズマ処理装置を提供することを課題とする。

本発明者等は、上記課題を解決するために鋭意検討した結果、発熱体素子と、この発熱体素子に電気的に接続されて電力を前記発熱体素子に供給する給電用端子を炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体で構成し、この発熱体素子の下方、または発熱体素子の下方と側方にシリコン（Ｓｉ）または炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体の反射板を設置することにより解決できることを知見し、本発明を完成するに至った。

すなわち、本発明のプラズマ処理装置は、チャンバーと、該チャンバーに設けられ該チャンバー内にプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記チャンバー内且つ前記プラズマ発生部に対向配置され、上面を板状試料を載置する面とする試料台とを備えたプラズマ処理装置であって、前記試料台は、導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体からなる発熱体素子と、この発熱体素子に電気的に接続されて電力を前記発熱体素子に供給する導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体からなる給電用端子と、前記発熱体素子の下方または前記発熱体素子の下方および側方に設けられ、前記発熱体素子から放射される放射熱を反射するシリコン（Ｓｉ）または炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体からなる反射板とを備えてなることを特徴としている。

本発明のプラズマ処理装置では、試料台に設けられた発熱体素子により板状試料を加熱する。また、発熱体素子の下方または発熱体素子の下方および側方に設けられた反射板により発熱体素子から放射される放射熱を反射し、板状試料を効率よく加熱する。また、プラズマ雰囲気に曝されチャージアップして異常放電することもなく、パーティクルが発生して板状試料を汚染することもなく、破損の虞もない。

本発明に係るプラズマ処理装置においては、発熱体素子および反射板は、保護ケースに収納されていることを特徴としている。
これにより、発熱体素子と反射板は雰囲気ガスによる腐食を受けることなく、長期間にわたって性能を維持する。

本発明のプラズマ処理装置によれば、試料台に設けられた発熱体素子により板状試料を加熱し、また、発熱体素子の下方または発熱体素子の下方および側方に設けられた反射板により放射熱を反射し、板状試料を８００℃程度の高温域まで効率よく加熱することができる。また、プラズマ雰囲気に曝されチャージアップすることがないので、異常放電を防止するためのアースを設置せずとも異常放電することもなく、もって、パーティクルが発生して板状試料を汚染することもなく、破損の虞もない。
さらに、本発明に係るプラズマ処理装置によれば、発熱体素子および反射板を保護ケースに収納したので、プラズマ雰囲気から保護することができる。
以上により、プラズマ雰囲気下においても、異常放電によるパーティクル発生に起因した板状試料の汚染もなく、発熱体素子や反射板の腐食もなく、板状試料を効率よく、高温に、長期間にわたって安定的に加熱してプラズマ処理することができる。

以下、本発明のプラズマ処理装置の一実施形態について図面に基づき説明する。
なお、この実施形態は、発明の趣旨をより良く理解するために具体的に説明するものであり、特に指定のない限り、本発明を限定するものではない。
図１は、本発明の一実施形態のプラズマ処理装置を示す概略断面図である。
図１において、アルミニウムまたはステンレススチールからなるチャンバー２の側壁（側部）には、反応ガスをチャンバー２内に導入する反応ガス導入口３および反応ガスをチャンバー２外へ排出する反応ガス排出口４が設けられている。

また、チャンバー２の頂部２ａの高純度石英製のマイクロ波照射窓２１の外側には、マイクロ波を利用したプラズマ発生部２２が設けられ、このプラズマ発生部２２は、例えば、２．４５ＧＨｚのマイクロ波をマイクロ波照射窓２１を介してチャンバー２内に照射するマイクロ波発生器２３が備えられている。このマイクロ波照射窓２１の上面には、マイクロ波を均一に照射するためのアンテナ部２４が設けられ、このアンテナ部２４は、スロットアンテナ（孔付金属板）２５と誘電体２６とから構成されている。

一方、チャンバー２の底部２ｂには、開口部２ｃが形成され、この開口部２ｃを気密に覆う窒化アルミニウム（ＡｌＮ）からなる焼結体板５が底部２ｂにＯリング６を介して螺子部材７により締結・固定されている。
そして、この焼結体板５上には、高純度透明石英製のＴ字型の脚８が立設され、この脚８上には、発熱部９が設けられている。この発熱部９は、その上面が板状試料Ｗ載置面とされ、この試料載置面は、前記プラズマ発生部２２に対向している。なお、開口部２ｃを気密に覆う焼結体板５はチャージアップして異常放電することを防止するため、アルミニウムまたはステンレススチール製チャンバーを介してアースされている。

発熱部９は、下向きにフランジ部１０を有し、Ｔ字型の脚８の頂面に位置決め固定された高純度透明石英製の板状試料支持板１１と、この板状試料支持板１１と前記Ｔ字型の脚８の頂面とで構成されたヒータケース１２の内部に配設された導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体の発熱体素子１３と、この発熱体素子１３の下面には石英製のスペーサー１４ａを介してシリコン（Ｓｉ）製または炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体の第１の熱反射板１５と、この第１の熱反射板１５の下面には石英製のスペーサー１４ｂを介してシリコン（Ｓｉ）または炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体の第２の熱反射板１６と、一端が発熱体素子１３に電気的に接続され、他端が前記第１の熱反射板１５と第２の熱反射板１６とをそれぞれ貫通し、Ｔ字型の脚８の内部空間を通過し、焼結体板５を貫通して前記反応チャンバー２外に導出された導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体の給電用端子１７から主として構成されている。
そして、給電用端子１７と焼結体板５は、その貫通部１８において気密に封着されている。なお、この実施の形態にあっては、熱反射板は上下２枚設けられているが、必ずしも上下２枚設ける必要はなく、１枚であってもよい。

発熱体素子１３は、通電により発熱するものであり、例えば、図２に示すように円形の平板状であり、中央部から外周部に向かって徐々に発熱体素子の幅が狭くなるように形成されたスパイラル状となっている。
発熱体素子１３を構成する導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体としては、焼結助剤無添加で焼結され、焼結密度が２．８ｇ／ｃｍ^３以上で、室温での電気抵抗が１Ω・ｃｍ以下の炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体が、板状試料Ｗへの汚染源となる不純物を含まず、かつ適度な抵抗を有するので好ましい。

このような導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体は、次のいずれかの方法で製造することができる。
「製造方法１」
不活性雰囲気または還元性雰囲気のプラズマ中に、シラン化合物、またはハロゲン化珪素と炭化水素とからなる原料ガスを導入し、反応系の圧力を１気圧未満から０．１Ｔｏｒｒの範囲で制御しつつ気相反応させることにより、平均粒子径が０．１μｍ以下の炭化珪素（ＳｉＣ）粉末を合成する。その後、この炭化珪素（ＳｉＣ）粉末を成形・焼成して炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体とする。

「製造方法２」
平均粒子径が０．１〜１０μｍの第１の炭化珪素粉末と、不活性雰囲気または還元性雰囲気のプラズマ中にシラン化合物またはハロゲン化珪素と炭化水素とからなる原料ガスを導入し、反応系の圧力を１気圧未満から０．１Ｔｏｒｒの範囲で制御しつつ気相反応させることによって合成された平均粒子径が０．１μｍ以下の第２の炭化珪素粉末とを混合し、この混合粉末を成形・焼成して炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体とする。

給電用端子１７は、発熱体素子１３に電力を供給するためのものであり、導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体からなり、前記発熱体素子１３で使用される導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体と同質材料であることが、熱膨張性、高熱伝導性等の点において好ましい。

発熱体素子１３と給電用端子１７とは、Ｓｉを含む接合剤層１９を介して電気的に接続されており、Ｓｉを含む接合剤で接合したことにより、接続部分の耐久性の向上が大幅に図られている。
また、焼結体板５は、チャンバー１１に取り付けられるとともに、チャンバー２内を気密に保持するものであり、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）の他、例えば、窒化珪素（Ｓｉ_３Ｎ_４）、アルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）などのセラミックスが、気密性、耐熱性などに優れていることから好ましい。

焼結体板５と給電用端子１７とは、接着剤層２０により気密に封着されている。この封着剤層２０を構成する封着剤としては、気密に封着でき、発熱体素子１３を昇温させる際の温度に耐える耐熱性を備えている材料であることが必要であり、このような特性を備えた封着剤としては、アルミノ珪酸ガラス、バリウムホウ珪酸ガラスの他、酸化亜鉛（ＺｎＯ）を２０〜７０重量％、酸化ホウ素（Ｂ_２Ｏ_３）を２０〜３５重量％含有するホウ珪酸亜鉛ガラスなどを例示することができる。

第１の熱反射板１５及び第２の熱反射板１６を構成するシリコン（Ｓｉ）としては、高純度のものであれば、単結晶シリコンであっても、多結晶シリコンであってもよい。これらの熱反射板の厚みは１〜３ｍｍ程度が好ましい。厚みが１ｍｍ未満であると反りが生じたり、破損しやすいので好ましくなく、一方、厚みが３ｍｍを超えると熱容量が大きくなるので好ましくない。
また、第１の熱反射板１５及び第２の熱反射板１６を構成する炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体としては、高純度のものであれば、導電性であっても、絶縁性であってもよい。これらの熱反射板１５、１６の厚みも１〜３ｍｍ程度が好ましい。厚みが１ｍｍ未満であると反りが生じたり、破損しやすいので好ましくなく、一方、厚みが３ｍｍを超えると熱容量が大きくなるので好ましくない。

このように構成されたプラズマ処理装置１では、給電用端子１７とリード線とを電気的に接続し、給電用端子１７を介して発熱体素子１３に電力を供給することにより、発熱体素子１３が発熱して板状試料支持板１１を介して板状試料Ｗを所定の温度に加熱する。
一方、反応チャンバー２内には所定圧力のプラズマガスが導入され、この導入されたプラズマガスがマイクロ波によりプラズマ化され、前記所定の温度に保持された板状試料Ｗの上面にプラズマ処理を施す。
そして、このように構成されたプラズマ処理装置１は、チャンバー２内の、マイクロ波によってプラズマ化されたプラズマ雰囲気に曝される箇所は、炭化珪素（ＳｉＣ）（またはシリコン）、石英、及び窒化アルミニウム（異常放電防止のためアースされているのでチャージアップしない）のみで構成されているので、板状試料Ｗへの汚染源となることはなく、しかも８００℃程度の高温度域で使用しても熱歪み、絶縁性の低下に起因する発熱部１３の破損も生じない。

以下、本発明を具体的に詳しく説明する。
（実施例１）
図１に示すプラズマ処理装置１を作製した。まず、アルミニウム（Ａｌ）金属製のチャンバー２の頂部２ａに高純度石英製のマイクロ波照射窓２１を気密に取り付け、このマイクロ波照射窓２１の外側に、マイクロ波を利用したプラズマ発生部２２を設けた。このプラズマ発生部２２は、マイクロ波照射窓２１の上面にスロットアンテナ（孔付金属板）２５と窒化アルミニウム（ＡｌＮ）製の誘電体板２６から構成されるアンテナ部２４を配設し、このアンテナ部２４上に、２．４５ＧＨｚのマイクロ波をマイクロ波照射窓２１を介してチャンバー２内に照射するマイクロ波発生器２３を取り付けることにより作製した。

発熱体素子１３および給電用端子１７には、前記製造方法２により製造され、常温下での熱伝導率が１７５Ｗ／ｍ・Ｋで、かつ、体積固有抵抗値が０．０７Ωｃｍである導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体を用いた。発熱体素子１３の形状は、平面視円形の平板状で、厚み３ｍｍ、直径２４０ｍｍとした。また、発熱体素子１３の幅は、中央部で２４ｍｍ、外周部に向かって徐々に狭くし、外周部の一番外側で６ｍｍのスパイラル状とした。給電用端子１７は、直径１０ｍｍ、長さ３００ｍｍの円柱状に形成した。

焼結体板５の材質としては、窒化アルミニウム（ＡｌＮ）を用いた。焼結体板５は、直径１００ｍｍ、厚さ６ｍｍとし、給電用端子１７を貫通させるための穴の直径を１２ｍｍとした。また、板状試料の支持板１１およびＴ字型の脚８は透明石英製とした。

そして、発熱体素子１３と給電用端子１７の接合体を、以下のようにして作製した。
珪素（Ｓｉ）粉末０．７ｇとモリブデン（Ｍｏ）粉末０．３ｇを秤量し、アクリル樹脂を溶解したα−テルピネオール溶液を加えて混合した後、この混合物を発熱体素子１３と給電用端子１７との接合面に塗付した。次いで、発熱体素子１３と給電用端子１７とを所定の形状に組み立て、３５０℃にて２０分間脱脂を行い、大気圧下１５００℃で３０分間熱処理することにより接合した。

そして、発熱体素子１３に接合された給電用端子１７と、焼結体板５とを以下のようにして封着した。まず、カーボン治具を用い、発熱体素子１３に接合された給電用端子１７と焼結体板５とをそれぞれ所定の位置に配設した。配設後、封着剤を給電用端子１７と焼結体板５と貫通孔の隙間に充填し、窒素雰囲気中にて昇温速度１０℃／分で９００℃まで昇温させ、９００℃で３０分間保持した。その後、降温速度１０℃／分にて室温まで冷却した。上記の封着剤は、酸化亜鉛（ＺｎＯ）６０ｇと酸化硼素（Ｂ_２Ｏ_３ ）２５ｇとシリカ（ＳｉＯ_２ ）１５ｇとを自動乳鉢にて混合後、１６８０℃の電気炉にて白金ルツボを用いて溶融し、水中に投下して急冷してガラスとし、このガラスを３００メッシュ以下になるまで粉砕することにより作製した。

また、シリコン（Ｓｉ）製の熱反射板１５、１６を次のようにして作製した。
厚み３ｍｍ、直径２４０ｍｍの多結晶シリコン（Ｓｉ）板に必要な穴加工を施した後、両表面を平面研削法により鏡面加工（表面粗さ（Ｒａ）０．１μｍ）を施した。

（実施例２）
実施例１に準じてプラズマ処理装置１を作製した。ただし、熱反射板１５、１６を炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体とし、この炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体の熱反射板１５、１６を次のようにして作製した。
厚み３ｍｍ、直径２４０ｍｍの多導電性炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体板に必要な穴加工を施した後、両表面を平面研削法により鏡面加工（表面粗さ（Ｒａ）０．０８μｍ）を施した。

（比較例１）
実施例１に準じてプラズマ処理装置１を作製した。ただし、熱反射板１５、１６は設けなかった。

（比較例２）
図３に示す断面構造を有するプラズマ処理装置１を作製した。ただし、発熱部９を構成するセラミックスは窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体とした。

（評価）
実施例１、実施例２、比較例１及び比較例２のプラズマ処理装置１を次のようにして評価した。
板状試料支持台１１上に８インチのＳｉウエハを載置し、プロセス雰囲気を０．１Ｔｏｒｒの窒素（Ｎ_２）雰囲気に調整し、発熱体素子１３に通電してウエハを加熱しつつ、２．４５ＧＨｚのマイクロ波（出力２ｋＷ）を発振させて窒素プラズマを生成させ、１４４０時間連続して運転し、異常放電の発生有無、発熱部９の破損、発熱部９、熱反射板１５、１６の腐食有無、加熱温度、加熱効率等について評価した。

上記評価の結果によれば、実施例１、実施例２のプラズマ処理装置１にあっては、ウエハ温度８００℃で連続運転中に異常放電が起こることもなく、連続運転終了後、発熱部９、熱反射板１５、１６を点検したところ、発熱部９の破損や熱反射板１５、１６の異常は認められなかった。
これに対して、比較例１のプラズマ処理装置１にあっては、ウエハ温度を８００℃まで昇温することができなかった。
また、比較例２のプラズマ処理装置１にあっては、ウエハ温度が８００℃に到達して５分後に、発熱部を構成する窒化アルミニウム（ＡｌＮ）焼結体にクラックが発生し、ヒータが断線した。

本発明の加熱装置は、発熱体素子や反射板の腐食もなく、異常放電によるパーティクル発生に起因した汚染もなく、シリコン（Ｓｉ）ウエハや、ＧａＡｓウエハ等の板状試料を効率よく、高温に、長期にわたってプラズマ処理することができ、その工業上の利用効果は極めて大である。

本発明のプラズマ処理装置を示す概略断面図である。 本発明の発熱体素子の一例を示す平面図である。 従来のプラズマ処理装置の一例を示す概略断面図である。

符号の説明

１ プラズマ処理装置
２ チャンバー
２ａ チャンバー頂部
２ｂ チャンバーの底部
２ｃ チャンバーの開口部
３ 反応ガス導入口
４ 反応ガス排出口
５ 焼結体板
６ Ｏリング
７ 螺子部材
８ 脚
９ 発熱部
１０ フランジ部
１１ 試料支持台
１２ ヒータケース
１３ 発熱体素子
１４ａ、１４ｂ スペーサー
１５ 第一熱反射板
１６ 第二熱反射板
１７ 給電用端子
１８ 貫通孔
１９ 接合剤層
２０ 接着剤層
２１ マイクロ波照射窓
２２ プラズマ発生部
２３ マイクロ波発生器
２４ アンテナ部
２５ スロットアンテナ
２６ 誘電体

Claims (2)

1. チャンバーと、該チャンバーに設けられ該チャンバー内にプラズマを発生させるプラズマ発生部と、前記チャンバー内且つ前記プラズマ発生部に対向配置され、上面を板状試料を載置する面とする試料台とを備えたプラズマ処理装置であって、
   前記試料台は、導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体からなる発熱体素子と、この発熱体素子に電気的に接続されて電力を前記発熱体素子に供給する導電性の炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体からなる給電用端子と、前記発熱体素子の下方または前記発熱体素子の下方および側方に設けられ前記発熱体素子から放射される放射熱を反射するシリコン（Ｓｉ）または炭化珪素（ＳｉＣ）焼結体からなる反射板と、
   を備えてなることを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 前記発熱体素子および前記反射板は、保護ケースに収納されていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装置。
   
   

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