JP2006351887A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

【課題】
処理を高精度に行うことができるプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を提供する。
【解決手段】
真空容器内に配置されプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置されその上面に処理対象の試料が載置される試料台と、この試料台の内側に配置され前記試料の表面の電位を調節するための第１の高周波電力が印加される電極と、前記試料台の内側に配置され内部を熱交換媒体が通流する通路と、この通路内を通流する前記冷媒の温度を調節する制御装置とを備え、前記第１の高周波電力を印加しつつ前記処理室内に形成されたプラズマを用いて前記試料を処理するプラズマ処理装置であって、前記制御装置が前記第１の高周波電力の印加前にこの高周波電力の情報に基づいて予め定められた値となるように前記熱交換媒体の温度の調節を開始する。
【選択図】図２

Description

本発明は、真空容器の内に形成したプラズマを用いて処理室内の試料台上面に載置された試料を処理するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法に係り、試料台内の電極に高周波電力を印加しつつ試料台内の温度を調節して試料を処理するものに関する。

真空容器内の処理用室内にプラズマを形成しこの処理室内の下方に配置した試料台上面に載置された半導体基板等の処理対象の試料をプラズマで処理する、所謂、プラズマ処理装置においては、処理を施して形成する半導体デバイスの集積度が増大するに伴い、処理の微細化，高精度化がより高い基準で求められてきた。

このような装置でより微細な、あるいはより高精度な処理を行うには、プラズマによる処理を基板等の試料の表面方向についてより均一にすることが必要となる。例えば、均一性が損なわれると処理後に得られる試料表面の形状が試料の中央側と外周側とで大きく異なってしまい、要求された精度を満たせない部分が生じてしまう。すると、得られる半導体デバイスの性能が損なわれて所期のものとならないばかりか、処理の歩留まりが低下して製品コストを増大させてしまう。

処理の均一性を向上させるための技術は従来から知られており、例えば、特開２０００−２１６１４０号公報（特許文献１）には、試料台であるウエハステージを構成するアルミ電極内に冷媒が流れる流路が形成され、通流する冷媒の熱交換によりアルミ電極ひいてはウエハステージ上に載置されるウエハの温度を適切に調節しようとする技術が開示されている。この従来技術は、ウエハの温度をウエハ面方向に均一にすることによりウエハ面上での処理を面方向に均一にしようとするものである。

また、特開平７−１７２００１号公報（特許文献２）には、特許文献１と同様に、ウエハの支持台である下部電極内部に冷媒の流れる通路を配置するとともに下部電極およびウエハを加熱するヒータを備えて下部電極とウエハの温度を調節する技術が開示されている。

特開２０００−２１６１４０号公報 特開平７−１７２００１号公報

上記従来の技術は、試料であるウエハを載置するステージ（株電極）の温度を適宜に調節することで処理の精度や加工の微細化を向上しようとするものであるが、試料台に供給される電力の影響を十分に考慮しておらず、このため、処理を高い精度で行うことができないという点で問題が有った。

すなわち、処理室内に形成されたプラズマ中の荷電粒子を試料の表面に導引し、この粒子を利用して所望の形状となるように処理を進める装置の場合、プラズマ中の荷電粒子を導引するために、試料台を構成する電極には高周波が供給され、この高周波による電位
（バイアス電位）を試料表面に形成することが行われている。

このような高周波の電力（バイアス電力）が供給されることで、電極である試料台の温度が増加する。この温度の増加分だけ処理に変動が生じてしまい、処理後の試料の表面形状が所期の形状から弧となってしまうと言う問題が生じていた。

また、このような試料台の温度の増大は、バイアス電力の印加に伴って生じるが、バイアス電力は処理対象の試料の処理毎に所定の大きさの電力が印加されるため、試料台の温度はそれぞれの試料の処理の開始や終了に伴って増減する。このバイアス電力の印加の開始や終了、あるいは試料台の温度の増減に応じて処理の特性が変動し、この結果試料の処理後の形状に変動を生じてしまい、処理の均一性を損なってしまうという問題点があった。

さらに、このような試料台の温度の変動をこの試料台内部に配置した通路を流れる熱交換媒体を用いてその作用で行おうとしても、熱交換媒体の通流にはタイムラグが有り、このため試料台の温度の変動と検知して冷媒の流量や温度等の特性を試料台の温度の変動を抑制するように調節しても、試料台の温度が変化するまでの時間が掛かってしまい、この間の処理に悪影響が及び、高精度な処理を損なってしまっていた。

本発明は、処理を高精度に行うことができるプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を提供することにある。

上記目的は、真空容器内に配置されプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置されその上面に処理対象の試料が載置される試料台と、この試料台の内側に配置され前記試料の表面の電位を調節するための第１の高周波電力が印加される電極と、前記試料台の内側に配置され内部を熱交換媒体が通流する通路と、この通路内を通流する前記冷媒の温度を調節する制御装置とを備え、前記第１の高周波電力を印加しつつ前記処理室内に形成されたプラズマを用いて前記試料を処理するプラズマ処理装置であって、前記制御装置が前記第１の高周波電力の印加前にこの高周波電力の情報に基づいて予め定められた値となるように前記冷媒の温度の調節を開始するプラズマ処理装置により達成される。

また、前記制御装置が前記プラズマの点火前にこの第１の高周波電力の情報に基づいて予め定められた値となるように前記冷媒の温度の調節を開始することにより達成される。

さらには、前記試料台の前記試料が載置される面の外周側であって前記試料台上に配置され第２の高周波電力が印加されるリング状の導電性部材を有し、前記第１および第２の高周波電力を所定の値に調節しつつ前記プラズマを用いて前記試料を処理することにより達成される。

さらにまた、電源から分配された前記第１および第２の高周波電力が前記電極および前記導電性部材の各々に印加されることにより達成される。また、前記導電性部材が前記電極との間を絶縁する部材を介して前記試料台上に載置されたことにより達成される。

また、真空容器内に配置された処理室内の下部に配置された試料台の上面に処理対象の試料を載置して、この試料台の内側に配置され前記試料の表面の電位を調節するための第１の高周波電力を印加しつつ前記処理室内に形成されたプラズマを用いて前記試料を処理するプラズマ処理方法であって、前記第１の高周波電力の印加前にこの高周波電力の情報に基づいて予め定められた値となるように前記試料台の内側に配置された通路内部を通流する熱交換媒体の温度の調節を開始するプラズマ処理方法により達成される。

また、前記プラズマの点火前にこの高周波電力の情報に基づいて予め定められた値となるように前記試料台の内側に配置された通路内部を通流する熱交換媒体の温度の調節を開始するプラズマ処理方法により達成される。

さらに、前記試料台の前記試料が載置される面の外周側であって前記試料台上に配置され第２の高周波電力が印加されるリング状の導電性部材を有し、前記第１および第２の高周波電力を所定の値に調節しつつ前記プラズマを用いて前記試料を処理するプラズマ処理方法により達成される。

さらにまた、電源から分配して前記第１および第２の高周波電力を前記電極および前記導電性部材の各々に印加するプラズマ処理方法により達成される。

本発明の第一の実施の形態を図面を用いて詳細に説明する。

図１は、本発明の第一の実施の形態であるプラズマ処理装置の構成の概略を示す上面図である。

この図において、本実施の形態に係る真空処理装置１０は、本図上方側の大気側ブロック１１と本図下方側の真空側ブロックとに、大きく区分けされる。

大気側ブロック１１は、この真空処理装置１０において処理される対象となる半導体ウエハ等の基板の試料を内側に複数枚収納可能なカセット１３と、これが本図において上方側となる装置の前面側に１つ以上装着された大気側搬送容器１４とを備えている。大気側搬送容器１４の内側には、カセット１３内の試料が搬送される空間である搬送室が配置される。

真空側ブロック１２は、中心部に配置された真空側搬送容器１５と、平面形が略多角形（本実施の形態では略五角形）の真空側搬送容器１５の多角形の各辺に相当する側壁に取り付けられてこれと連結された複数の真空容器とを備えている。

すなわち、真空側搬送容器１５の図下方側（装置後方側）の２つの側壁には、それぞれがその内側で試料がエッチング処理される処理室を有した真空容器及びその下方に配置されて真空容器の動作及びその内側の処理室内でのエッチング処理に必要な機器を収納するベッドとを備えたエッチング処理ユニット１６，１６′が備えられている。また、真空側搬送容器１５の図左右側（装置左右側）の２つの側壁には、それぞれがその内側で試料がアッシング（灰化）処理される処理室を有した真空容器及びこの真空容器及びアッシング処理用のベッドとを備えたアッシング処理ユニット１７，１７′が配置されている。

さらに、大気側搬送容器１４と真空側搬送容器１５との間には、これらの側壁に取り付けられて連結され、これらの容器の間で試料をやりとりするための真空容器であるロードロック室あるいはアンロードロック室１８，１９が配置されている。本実施の形態では、これらは共に、未処理あるいは処理後の試料が内部に載置され各処理ユニットまたは真空側搬送容器１５内の真空容器内の圧力に略等しい高真空の圧力と大気側搬送容器１４内の略大気圧との間で圧力を変動させて所定の値に調節可能に構成されている。この構成により、大気側ブロック１１内部と真空側ブロック１２内部との間で、一方から他方へまたはその逆方向へ試料をやりとり可能にしている。

なお、ロードロック室あるいはアンロードロック室１８，１９は、両社同等の機能を備えており、試料を搬送する方向を一方向に限定するか、両方向に搬送するかは、仕様に応じて適宜設定することができるが、以後、両者を単にロードロック室と呼ぶ。

このような構成の真空処理装置１０においては、カセット１３内に収納された処理対象の試料は、大気側搬送容器１４内の搬送室内に配置された図示しないロボットアームによりカセット１３内から取り出されて搬送され、大気側搬送容器１４の側壁に形成された開口を通して、ロードロック室１８（或いは１９）の何れかに搬送されて、これらの内部に配置された図示しない試料台上に載置される。

上記開口を閉塞して封止した後、ロードロック室１８内を排気して内部の圧力を真空側搬送容器１５内の圧力と略等しい所定の圧力まで低減させる。所定の圧力になったことを確認後、真空側搬送容器１５側の開口を開放し、真空側搬送容器１５内に配置された図示しないロボットアームがロードロック室１８内の試料台上の試料を取り出して真空側搬送容器１５内の搬送室内を搬送しいずれかの処理ユニット、例えばエッチング処理ユニット１６の真空容器内の処理室内に移動させる。真空容器内に搬送された試料は真空容器内の試料台上に載置される。エッチング処理ユニット１６の真空容器内と真空側搬送容器１５内の搬送室とを連通する開口を閉塞した後、試料が真空容器ないでエッチング処理される。

エッチング処理が終了後、開口を開放して、上記と逆の順または方向に試料が搬送され、或いは、アッシング処理ユニット１７（または１７′）内に搬送されて灰化処理された後に、真空側搬送容器１５内を搬送され、ロードロック室１８（または１９）を介して、元のカセット１３内に収納される。

本発明に係るプラズマ処理装置の構成について図２を用いて詳細に説明する。図２は、図１に示したプラズマ処理装置の真空容器およびその周囲の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。特に、本図では、図１に示すエッチング処理ユニット１６の真空容器及びその周囲の構成について示している。

この図において、エッチング処理ユニット１６は、上述の通り、上下に大きく２つに分けられ、上部が真空容器およびその内側の処理室を含む処理部２０、下部が真空容器、処理室の動作や処理に要する機器を収納するベッド３０である。

処理部２０はベッド３０の上方にベッド３０と真空側搬送容器とに連結されて支持されており、ベッド３０は、本実施の形態では、他の処理ユニットと同様、略直方体の形状を有して処理部２０にメンテナンス等の作業を施す差異に作業者が乗載して容易に作業を行えるようにされている。

処理部２０は真空容器である処理容器２３ａ及び２３ｂとその側周と上部とに配置された電磁波供給装置とを有している。マイクロ波を形成するマグネトロンを有する電波源
２２およびこれに接続された導波管２８が処理容器２３ａの上方に配置され、処理容器
２３ａとこの下方に接続された２３ｂの内部の処理室２７内にマイクロ波が導入される。さらに、処理容器２３ａおよびその上方の導波管２８の一部の周囲に配置されたソレノイドコイル２６により生成された磁界が処理室２７内に供給される。

処理室２７の上方から導波管２８を介して供給されるマイクロ波およびこれによる電界は、処理室２７の上方で導波管２８内との間を区画する石英等の誘電体製で平板状の窓部材２９を通過して処理室２７に導入される。この窓部材２９の下方であって処理室２７内に面する側には、窓部材２９との間に所定の透き間を開けてシャワープレート２９′が配置されており、これらの透き間は処理用のガスが供給されて拡散するバッファ室２５となっている。

本実施の形態では、バッファ室２５は処理容器２３ａの上部側壁に配置されたガス供給管２５′と連通して、図示しない処理ガス源とこのガス供給管２５′を介して連通されている。

処理室２７内には被処理対象である試料がその上に載置される試料台１００を含むステージ２１が配置されている。

上記の通り、シャワープレート２９′に形成された複数のガス導入孔からバッファ室に供給された処理用ガスがステージ２１の上方から処理室２７内に供給される。また、処理室２７内は、処理容器２３ｂ下部の底に配置された排気口２４からこの排気口２４に連結された図示しない真空ポンプにより排気され、ステージ２１の衆院空間を介してステージ２１の上下の空間が連通している処理室２７内が処理用ガスの導入を受けつつ所定の圧力に調節される。この状態で窓部材２９および処理容器２３ａの壁部材を介して処理室５０内供給された電界または磁界の作用により処理用ガスが励起されプラズマが処理室２７内のステージ２１上方の空間に生成され、これらの電界，磁界の調節により処理室内でのプラズマの分布が調節される。

ステージ２１は、略円筒形の処理容器２３ａ内の中央部に配置されて処理容器２３ａの側壁との間に形成される空間により、ステージ２１の上下の処理室２７内の空間が連通している。また、ステージ２１は、図上左右方向（略水平方向）に延在して試料載置部を水平方向に保持する支持梁を有している。また、この支持梁の内側に、ステージ２１へ供給される電力，ガス等流体の供給経路が配置されている。

ステージ２１を構成する試料台１００の内部には、この試料台１００ひいてはステージ上に載置される試料の温度を調節するために、水等の冷媒が通流する冷媒流路１０５が略円筒形状の試料台１００について同心円または螺旋状に配置されており、この冷媒通路
１０５の一端が冷媒の温度を調節する温度調節器１０７の供給端側に連通されるとともに、他端が流路を介して温度調節器１０７の回収端側に連通され、温度調節器１０７からの冷媒が冷媒流路１０５内を循環する。

温度調節器１０７内で温度調節された冷媒が、冷媒流路１０５に導入され、冷媒流路
１０５を流れて熱交換することにより基材１０１の温度を所望の値となるように調整する。冷媒流路１０５を出た冷媒は、温度調節器１０７の回収側から戻り温度調節器１０７によって所定の温度に加温または冷却されて再び冷媒流路１０５に導入される。

また、試料台１００は、高周波電源１１０からの電力が供給され、その上方に載置される試料の電位をプラズマに対して所定の値にするための電極としても作用する。

上記温度調節器１０７，冷媒を貯留するタンクや高周波電源１１０等は、ベッド３０を構成する略直方体形状で外周面が平面状の収納容器３１内に収納されており、その上面の平面部分に作業者が上載できるようスペースが確保される。

次に、図３を用いて、試料台の構成についてより詳細に説明する。図３は、図２に示す試料台の内部構造を模式的に説明する縦断面図である。

この図において、試料台１００は、上下方向に複数の部材が積層された構成を有しており、主要な部材である略円板形状の基材１０１およびこの基材１０１上方に配置され試料１０３がその上に載置される略円形の平面を覆う誘電体製の膜である誘電体膜１０２とを備えている。なお、この誘電体膜１０２は、その試料１０３が載せられる面上に複数の凹み部とこれら凹み部を区画して試料１０３の裏側（下方側）面と当接する複数の突起部とを有している。

本実施の形態では、試料１０３が試料台１００上に載置された状態で、誘電体膜１０２の表面と試料１０３の裏面との間には、誘電体膜１０２の凹み部により形成される空間が形成され、これらの空間は、試料台１００(または試料１０３)の中央側部分の空間１０４およびこれの外周側で空間１０４周囲に配置された空間１０４′の２つを含んでいる。

上記の通り、試料台１００の基材１０１内には冷媒流路１０５が配置され、基材１０１の温度が所定の温度となるように調節されている。さらに、上記空間１０４，１０４′にはＨｅ等の熱伝達ガスが供給され、温度が調節される試料台１００の基材１０１と試料
１０３との間で熱伝達を促進し試料１０３の温度が所望の温度となるように調節されている。つまり、略円板形状の試料１０３の半径方向に配置される内外２つの空間１０４，
１０４′は、熱伝達のための領域となっている。

試料台１００の内周側の空間１０４には、熱伝達ガスが貯留されたガスボンベ１０８からの熱伝達ガスが調節バルブ１１１によりその圧力が調節された後に導入される。また、試料台１００の外周側に配置される空間１０４′には、ガスボンベ１０９より調節バルブ１１２を介して熱伝達ガスが導入される。それぞれの空間での熱伝達ガスの圧力はそれぞれに調節され、試料１０３の対応する各領域での熱伝達が可変に調節される。

このように熱伝達ガスの圧力を適切に調節または設定することで試料１０３面内の温度分布が所望の分布となるように調節されている。なお、本実施の形態では、熱伝達ガスが供給される空間としては１０４，１０４′の２つを説明しているが、これらの空間の数は本実施の形態に限られるものではなく、求められる仕様等により異なるものでもよく、３つ以上でも一つでも良い。

試料１０３の面方向の所定の温度分布は、試料１０３を処理する場合に、プラズマ中あるいは試料１０３表面上に生成される反応生成物の分布を考慮して調整される。すなわち、反応生成物が多い（密度が高い）箇所では試料１０３の温度を高くして反応生成物の再付着を抑制し、一方、反応生成物が少ない箇所は試料１０３の温度を相対的に低くすることで、試料１０３の表面全体で処理速度や加工形状の差異が低減され処理が均一化される。

例えば、試料１０３をエッチング処理するときの反応生成物の発生は試料１０３の中央側が多く試料周辺に向かうに従い徐々に反応生成物の発生が少なくなる分布となることが多いが、この場合には反応生成物分布に合わせプラズマ処理される試料の温度分布を合わせるため、試料１０３と誘電体膜１０２との間の空間に供給される熱伝達ガスの圧力は、中央側の空間での圧力を低く外周側の空間で高くなるようにすることで、プラズマから試料１０３へ供給される熱の伝達を中央側でより小さくして試料１０３の中央側部分の表面温度を高くし、外周部で温度がより下がる分布とする。

このような温度の分布は、試料の種類，反応生成物排気速度等によって、適切な温度の分布は影響を受ける。これらに応じて熱伝達用ガス通路や凹みの形状，半径方向の位置を変えても良い。

外周導電リングへのバイアス分配：
また、試料台１００の外周上には、試料台１００或いはアルミ等の導電性部材である基材１０１の保護のため、試料１０３が載置される試料載置面である誘電体膜１０２の外周側に、絶縁材により構成されたサセプタ１１４，その内周側に試料外周部の電界コントロール用の抵抗の大きい導電性部材から構成された導体リング１２１と導体リング１２１の円周方向に均一に電圧を与えるための抵抗の少ない導体リング１２０が配置されている。

さらに、高周波電源１１０より導体リング１２０までの電力が供給される経路の途中にバリアブルコンデンサ１１９が設けられている。これを適宜に調節することにより導体リング１２０にかかる電圧を変化させて試料１０３表面およびその近傍の電界を調節し、試料１０３の外周側の加工形状や試料台１００の外周部への生成物の付着等を調節することができる。

このような本実施の形態において、試料台１００及び試料台１００外周部への高周波電源１１０からのバイアス電力の分配を行う際の１つの形態は、スイッチ１１５，１３０を閉じて高周波電源１１０の出力側端と基材１０１とバルアブルコンデンサ１１９を介した導体リング１２０とを電気的に連結するとともにスイッチ１１３，１１６は開いた状態としてアース１３１からは絶縁する場合である。この際、高周波電源１１０の電力は、バリアブルコンデンサ１１９の設定により定まる負荷の比率に応じて、導電性部材の基材101と導体リング１２０とに分けられて、それぞれの部材においてその上方のプラズマと処理室２７に供給される電界との間で定まる電位を有する。

また、導体リング１２０の電位を０Ｖにする場合の１つの形態は、スイッチ１１５，
１１３は閉じて、スイッチ１３０，１１６は閉じた状態として、高周波電源１１０の出力端を基材１０１に電気的に連結しつつアース１３１とは絶縁する一方、バリアブルコンデンサ１１９を介した導体リング１２０をアース１３１と連結しつつ高周波電源１１０とは絶縁する場合である。

本実施例は、高周波電源１１０より供給される電力は基材１０１へ供給されるバイアス用の電力と導体リング１２０へのバイアス電力とに分岐されるが、本発明はこのような構造に限定されず適用できるものである。

また、温度調節器１０７，高周波電源１１０，圧力コントロールバルブ１１１，１１２，プログラマブルコントローラ１１８，バリアブルコンデンサ１１９，スイッチ１１３，１１５，１１６，１３０及び高周波電源１１０は、図示しない装置制御装置と接続されてこの装置制御装置にその動作状態を示す信号を発信すると共に、装置制御装置からの指令信号に応じてその駆動手段が動作されて出力値，開閉，開度等を所定の状態に設定される。

上記のように、試料台１００の基材１０１内の冷媒流路１０５に導入された冷媒は、所定の区間を通り流出した後、温度調節器１０７に戻りその温度を調節されてから流出して冷媒流路１０５に流入する経路を通り循環する。この冷媒の循環により、基材１０１ひいては試料台１００、その上方に載置される試料１０３の温度が所定の値に調節される。

基材１０１の温度は冷媒流路１０５内の冷媒の温度に応じてその分布が支配されるが、熱伝導性の高いアルミ等の金属で形成された本実施の形態の基材１０１では、その上方に載置される試料１０３の面方向についてほぼ均一な温度分布となっている。試料１０３の温度は試料１０３が載置された状態でその裏面側において形成される熱伝達領域である空間１０４，１０４′に供給される熱伝達ガスの圧力値およびこれらの差により、プラズマ等から試料１０３へ供給される熱の空間１０４，１０４′に対応する領域での試料台100側への伝導の量，率の差異をつくり、試料１０３の温度を所望の分布となるように調節する。

なお、上記空間１０４，１０４′にガスボンベ１０８，１０９内の熱伝達ガス例えば
Ｈｅを供給する経路には、これらから分岐して、これら経路と処理容器２３ｂ内の処理室２７内とを連通するパージ通路とこれら経路上に配置されたパージバルブ１０６，１２７とが配置されている。これらのパージバルブ１０６，１２７は試料１０３の処理の際には通常は閉じられており、試料１０３を試料台１００上から取り出す際や、異常の発生時に空間１０４，１０４′や熱伝達ガスの供給経路内のガスを排出する必要が有る場合に開放され、この際にガスが処理室２７内に導入されて排気口５４を介して処理室２７内のガス，プラズマ粒子等と共に処理容器外に排気される。

温度調節器１０７の温度調節を詳細に説明する。

温度調節器１０７は、プログラマブルコントローラ１１８と連結されてその内部で演算，算出され発信された指令を信号として受信し、その信号の指令に基づいて動作が調節される。プログラマブルコントローラ１１８は、内部に書き換え可能な記憶装置を有し、この記憶装置に記録された動作プログラムに応じて温度調節器１０７の動作や温度の設定の値に関する指令を算出する。

また、プログラマブルコントローラ１１８は、試料台１００内を構成する基材１０１内に配置されこの温度を検知する温度センサ１２２が接続される。温度センサ１２２は基材１０１の温度を検知してモニタするものであり、その検知した温度に相当する電圧信号をプログラマブルコントローラ１１８に発信している。このような信号は電圧等の電気信号によらず光信号等でも良い。

プログラマブルコントローラ１１８は基材１０１を介して試料台１００の温度を設定しており、その設定された温度に対する実際の基材１０１の温度との差を温度センサ１２２からの信号を用いて求めている。さらに、その偏差を用いて温度調節器１０７における冷媒の調節されるべき温度を算出し、その温度の設定を指令する信号１２８を温度調節器
１０７に発信する。その信号に応じて、温度調節器１０７は内部を流れて循環する冷媒の温度を変化させる。

本実施の形態においては、このような冷媒の温度の調節は試料の処理中は常に行われるが、プログラマブルコントローラ１１８は、ＲＦバイアスが基材１０１に印加される前にその印加される高周波バイアス電力の設定に関する信号１１７を受信し、この受信した信号１１７に基づいて試料台１００への負荷を算出する。この予測の結果を用いて高周波バイアスが印加される前に温度調節器１０７に冷媒の温度の設定、もしくは冷媒の流量の設定に係る指令の信号１２８を温度調節器１０７に発信する。このような信号１２８の指令は、上記印加されるバイアス電力による試料台１００の温度の影響を抑制する、あるいは低減するように算出される。

また、本実施の形態では、信号１２８に係る指令は高周波バイアスの大きさ・周波数に応じて算出され設定される。特に、本実施の形態では、高周波電源１１０からのバイアス電力は試料台１００の基材１０１とともに誘電体膜１０２およびこの上方に配置される試料１０３の外周側に配置された導体リング１２０に分配されて供給される。このようなバイアス電力のうち基材１０１に印加される電力の設定の情報に関する信号１１７を受信し、この受信した信号を検知した結果を考慮して温度調節器１０７による冷媒の温度の設定や温度調節器１０７の動作が設定される。

例えば、プログラマブルコントローラ１１８は、温度センサ１２２からの出力信号と導体リングへの電力と試料台１００の電極である基材１０１への電力の分配の比率の情報を示す信号１１７とを用いて、その内部の演算装置が記憶装置に格納されたプログラムに基づいてバイアス電力の印加による基材１０１の温度の変化を予測，演算して、この変化を低減するに必要な冷媒の温度を算出する。この算出された温度を実現するための設定指令の信号１２８が温度調節器１０７へ発信される。

本実施の形態では、試料１０３を処理室２７内に配置してこれに処理を施す際に、エッチングによる加工やクリーニングを交互に施す、複数の層が積層された多層膜を順次加工するといった場合で処理の内容が変わる場合や、性能を高精度に制御する場合には、試料台１００の基材１０１に発生する電圧Ａと導体リング１２０の電圧Ｂ、あるいは基材101と導体リング１２０とに供給される高周波電力の分配比を変えることができる。

このように分配されて各部材に供給される電力またはこれにより発生する電圧のうち実際に試料の温度制御に大きく影響を与えるものは基材１０１に供給される電力、電圧Ａである。つまり、試料１０３を搭載する面を有して試料１０３に電位を与える電極として働く基材１０１の電位が試料１０３へ誘導され引き込まれるプラズマ中の荷電粒子の速度や量ひいては試料１０３の温度，処理の特性を支配的に影響を与える。

本実施の形態では、試料台１００またはその基材１０１，試料１０３の温度制御のため供給されるバイアス電力のうち基材１０１へ供給される電力またはこのバイアス電力により発生する電圧Ａの割合が、図示しない制御装置によりプログラマブルコントローラ118に与えられて温度調節器１０７における冷媒温度の設定が算出される。

本実施例では、このような構成により、基材１０１ひいては試料台１００の温度が所望の値となるように調節され、試料台１００の上方に載置される試料１０３の表面の温度が所望の値となるように調節される。

図４（ａ）に、従来の技術による冷媒の温度を一定に調節した場合の試料台温度の変化の一例をグラフとして示す。

このグラフに示すように、冷媒の温度を単に一定に調節した場合では、試料台１００の温度はこの試料台１００に供給される高周波バイアスの印加に伴い上昇し、高周波電力の供給が停止すると温度が低下を始める。さらに、試料の処理の間では、流路を流れて循環する温度が一定の冷媒との温度差により徐々に温度が低下するものの試料開始前の温度まで低下せず、次の試料の処理が開始されると再度温度が上昇する。試料の処理枚数が増加するに伴い、徐々に試料台の温度ひいては試料の温度は上昇する。これは、試料台１００の温度が定常状態になっていないためである。一般的には、複数枚数を処理した後には、試料台１００の温度は、供給される高周波電力によるバイアスの負荷とプラズマおよび周囲の部材からの入熱と冷媒への熱の伝達量との間での平衡状態になり、略一定の温度となる。

しかし、このため、処理を施される試料間で処理の結果得られる加工後の形状にばらつきが生じるため、特に、処理を開始した初期の試料とその後の試料との間での加工形状の差異が大きくなり、歩留まりを低下させたり、製造コストを増大させてしまう。

図４（ｂ）に、試料台１００内の基材１０１内に温度センサ１２２を埋め込んで、基材１０１の温度を温度調節器１０７にフィードバック制御したときの試料台１００の温度変化の一例をグラフとして示す。これは試料台１００の温度をモニタしながら、設定温度との偏差が生じれば、その偏差をなくすように冷媒温度を低下させるように調節する技術である。

この技術では、温度調節器１０７から試料台１００の基材１０１内の冷媒流路１０５に冷媒が到達するまでの時間遅れと、冷媒温度を変化させてから試料台１００あるいは試料１０３の温度が変化するまでの時間遅れがあるため、この図に示すように、試料台１００の温度は高周波電力の入力の印加後に常に増加してしまい、その後低下しており、また次の試料の処理開始までに処理開始前の温度に戻るように調節されて処理枚数の増大に伴う試料台温度、試料温度の上昇は抑制されているものの、処理開始後の温度変動の抑制は十分でない。このため、試料の加工形状を高精度に調節されておらず、歩留まりを低下させてしまう虞が有る。

図５に、試料台１００の温度を温度調節器１０７にフィードバックするとともに高周波電力によるバイアスの印加を事前に検知し、予め冷媒の温度を低下させる調節（フィードフォワード制御）とを用いて処理を行った際の試料台１００の温度変化の一例をグラフとして示す。

本実施の形態では、試料台１００の温度あるいはその変化を温度センサ１２２により検知してモニタしながら、所定の設定温度との偏差を低減するように冷媒の温度を下げるように調節するとともに、高周波電力の印加の所定の時間前に低下させる調節を開始する。

下げ始めるタイミングは試料台１００の熱容量あるいはバイアス電力の大きさによって違ってくるが、冷媒の温度を設定して試料台１００の温度が下降し始める時間を予め実験等で得ておいて図示しない制御装置あるいはプログラマブルコントローラ１１８内の記憶装置に記憶させておいて、高周波電力の印加に関する情報を得たとき、またはプログラマブルコントローラ１１８が信号１１７を受信した際に、この記憶情報内から適切な印加前のタイミング（予定開始時間）を抽出する。

このような構成では、試料台１００あるいは基材１０１の温度が下降し始めるタイミング付近でちょうど高周波電力によるバイアスの印加となるため、試料台１００の温度が下がりすぎることなく試料台１００温度、特に試料１０３に近い部分の温度を常に一定に制御できる。これにより、試料間の処理後の加工形状のばらつきも低減され、歩留まりの低下も抑制される。

図６は、本発明の別の実施の形態に係る真空処理装置の処理容器及び試料台の要部の構成の概略を示す縦断面図である。この図において、図２に示す実施の形態に係るエッチング処理ユニット１６の構成との差異は、試料１０３の上方で処理室２７の天井面を構成するシャワープレート２９′に替えて電力が印加される板状の上部電極２０１を配置した点である。

この上部電極２０１はシャワープレート２９′と同様に処理用ガスが処理室２７内に導入される複数の孔が配置されていても良い。また、上部電極２０１は、図２に示す窓部材２９とシャワープレート２９′と同様の上下の構造を有した導電体または半導体の部材、あるいは上方に導電体，半導体の電極を有し下方に上方の電極からの電界を処理室２７内へ伝達可能な程度の形状を有する誘電体製の板状部材として構成して、図２と同様にその内部にバッファ室２５を備えたものとしてもよい。

この図では、試料台１００を構成する基材１０１へ供給される高周波電力の電圧Ａ、試料台１００の上面に配置された試料１０３あるいは試料１０３の載置面を構成する誘電体膜１０２の外周に配置された導体リング１２０へ供給される高周波電力の電圧Ｂ、試料
１０３あるいは誘電体膜１０２の上面と上部電極２０１のギャップＧが示されている。

上記図２と同様、図６においても、試料台１００の基材１０１に発生する電圧Ａと導体リング１２０の電圧Ｂ、あるいは基材１０１と導体リング１２０とへ供給される高周波電力の分配比を変えることができる。

このように分配されて各部材に供給される電力またはこれにより発生する電圧のうち、基材１０１へ供給される電力またはこのバイアス電力により発生する電圧Ａの割合が、図示しない制御装置により温度調節器における冷媒温度の設定が算出される。

また、上部電極２０１下方のガスを均一に試料に供給するためのシャワープレート29′等のプラズマに面する部品は、上方からの電界が透過して処理室２７へ供給されるか、シャワープレート２９′自体に電力が印加されてバイアス電位が発生するため、処理室内の他の部材に比べプラズマ内の粒子と相互作用が大きく相対的により大きい速さで消耗される。

このため、処理を施した試料１０３の枚数が多くなるにつれて試料台１００の上面と上部電極２０１との間の距離Ｇが変化し、これにより処理室２７内に導入される電界分布等が処理を開始した初期のものとその後で変化してしまう。これは、例えば、１つのロットの初期における試料の処理とその後の試料の処理とで特性や処理の結果得られる形状に大きな差異が生じてしまうことに繋がり、しょりの歩留まりを大きく損なってしまう虞が有る。

本実施の形態では、上記問題の発生を抑制するため、処理室２７内の電界分布をロットを通して、あるいは部品を交換する間隔の間でより均一にするため、上記ギャップＧを調節する。詳細には、上部電極２０１(シャワープレート２９′)の消耗の量に応じて試料台１００を上方の上部電極２０１方向に移動させる。特に、本実施の形態では、試料１０３または誘電体膜１０２上面と上部電極２０１のプラズマに面する下面との間のギャップＧを、１ロット間または部材の交換までの間で、その変動を抑制する。

プラズマに曝されているシャワープレート２９′または上部電極２０１は処理の進行に伴い常に変化しているため、試料台１００を上下方向に可動な構造にしている。

上記のようにギャップＧを調節する場合、ギャップＧに関連して試料台１００に実際に印加されるバイアスによる負荷が変化する。

上記を加味して、高周波バイアス×（Ａ／（Ａ＋Ｂ））×（ｋＧ）の値に比例した高周波バイアスの分配に関する設定信号１１７をプログラマブルコントローラ１１８に発信し、プログラマブルコントローラ１１８が算出して発信した試料台１００の高さ移動の量に関する指令の信号に基づいて試料台１００，試料１０３または誘電体膜１０２の上面の高さ位置を調節することにより、エッチング処理を行うエッチング処理ユニット１６のように、高周波バイアスを試料台の上部のプラズマに面する部材に印加する構成において、長期間にわたりより均一な処理を実施することができる。

なお、ここで、ステージ２１の温度制御を行う温度調節器を用いた冷媒の供給は、図２に示す実施の形態と同等であり、説明を省略する。

プラズマ発生源としては、容量結合方式，誘導結合方式及びマイクロ波又はＵＨＦ波を用いたＥＣＲ方式等があり、プラズマの発生方法に限定されるものではない。

上述の実施例では、プラズマエッチング装置を例に説明したが、減圧雰囲気内で試料等の被処理物が加熱されながら処理される処理装置に広く適用することができる。例えば、プラズマを利用した処理装置としては、プラズマエッチング装置，プラズマＣＶＤ装置，スパッタリング装置等が挙げられる。また、プラズマを利用しない処理装置としては、イオン注入，ＭＢＥ，蒸着，減圧ＣＶＤ等が挙げられる。

上記実施の形態の通り、試料台外周部の給電リングおよび試料台の中央側部への高周波電力の分配の情報に応じて、試料台中央側部への高周波電力に関する量を入力信号として与え温度調節器側もしくはプログラマブルコントローラにおいて試料台内部の温度を調節するための設定条件を演算した後制御信号を作成し、試料台の温度への負荷の変動が生じても試料台または試料の温度を所望の値となるように調節する。この構成により、処理が施される複数枚の試料の間で温度差が低減され不良品の少ない歩留まりが向上した処理が可能になる。また、高精度な試料処理が可能となる。

また、給電リング側にバイアスを印加しない場合には、試料台へのバイアスが全て試料温度に寄与するため、上述の高精度な試料処理の精度がさらに上がる。

また、試料台と上部電極のギャップの量に応じた試料台側への入熱の量に関する信号をプログラマブルコントローラまたは制御装置に発信し、このプログラマブルコントローラまたは制御装置において演算した後所望の試料台の高さ方向の位置を設定、または調節する指令信号を試料台の駆動装置に発信する。上記ギャップに応じたバイアスによる負荷の量の変動に対応して、試料台の位置が調節され、その温度の変化を抑制するあるいは負荷の変動を抑制するように調節される。このような構成により、複数枚の試料の処理での温度の変動が抑制され不良品の少ない高い歩留まりの処理が可能になる。また、高精度な試料処理が可能となる。

本発明の第一の実施の形態であるプラズマ処理装置の構成の概略を示す上面図である。 図１に示したプラズマ処理装置の真空容器およびその周囲の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。 図２に示す試料台の内部構造を模式的に説明する縦断面図である。 従来の技術による冷媒温度制御時の試料台温度変化の一例を示すグラフである。 図１に示す実施の形態に係る試料台の温度分布の例を示すグラフである。 本発明の別の実施の形態に係る真空処理装置の処理容器及び試料台の要部の構成の概略を示す縦断面図である。

符号の説明

１０…真空処理装置、１１…大気側ブロック、１２…真空側ブロック、１３…カセット、１４…大気側搬送容器、１５…真空側搬送容器、１６，１６′…エッチング処理ユニット、１７，１７′…アッシング処理ユニット、１８，１９…ロードロック（アンロードロック）室、２０…処理部、２１…ステージ、２２…電波源、２３ａ，２３ｂ…処理容器、２４…排気口、２５…バッファ室、２５′…ガス供給管、２６…ソレノイドコイル、２７…処理室、２８…導波管、２９…窓部材、２９′…シャワープレート、３０…ベッド、
３１…収納容器、１００…試料台、１０１…基材、１０２…誘電体膜、１０３…試料、
１０４，１０４′…空間、１０５…冷媒流路、１０６，１２７…パージバルブ、１０７…温度調節器、１０８，１０９…ガスボンベ、１１０…高周波電源、１１１，１１２…調節バルブ、１１３，１１５,１１６,１３０…スイッチ、１１４…サセプタ、１１７，１２８…信号、１１８…プログラマブルコントローラ、１１９…バリアブルコンデンサ、１２０，１２１…導体リング、１２２…センサ。

Claims (9)

1. 真空容器内に配置されプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置されその上面に処理対象の試料が載置される試料台と、この試料台の内側に配置され前記試料の表面の電位を調節するための第１の高周波電力が印加される電極と、前記試料台の内側に配置され内部を熱交換媒体が通流する通路と、この通路内を通流する前記冷媒の温度を調節する制御装置とを備え、前記第１の高周波電力を印加しつつ前記処理室内に形成されたプラズマを用いて前記試料を処理するプラズマ処理装置であって、
   前記制御装置が前記第１の高周波電力の印加前にこの高周波電力の情報に基づいて予め定められた値となるように前記熱交換媒体の温度の調節を開始するプラズマ処理装置。
2. 真空容器内に配置されプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置されその上面に処理対象の試料が載置される試料台と、この試料台の内側に配置され前記試料の表面の電位を調節するための第１の高周波電力が印加される電極と、前記試料台の内側に配置され内部を熱交換媒体が通流する通路と、この通路内を通流する前記冷媒の温度を調節する制御装置とを備え、前記第１の高周波電力を印加しつつ前記処理室内に形成されたプラズマを用いて前記試料を処理するプラズマ処理装置であって、
   前記制御装置が前記プラズマの点火前にこの第１の高周波電力の情報に基づいて予め定められた値となるように前記熱交換媒体の温度の調節を開始するプラズマ処理装置。
3. 請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
   前記試料台の前記試料が載置される面の外周側であって前記試料台上に配置され第２の高周波電力が印加されるリング状の導電性部材を有し、
   前記第１および第２の高周波電力を所定の値に調節しつつ前記プラズマを用いて前記試料を処理するプラズマ処理装置。
4. 請求項３に記載のプラズマ処理装置であって、電源から分配された前記第１および第２の高周波電力が前記電極および前記導電性部材の各々に印加されるプラズマ処理装置。
5. 請求項３また４に記載のプラズマ処理装置であって、前記導電性部材が前記電極との間を絶縁する部材を介して前記試料台上に載置されたプラズマ処理装置。
6. 真空容器内に配置された処理室内の下部に配置された試料台の上面に処理対象の試料を載置して、この試料台の内側に配置され前記試料の表面の電位を調節するための第１の高周波電力を印加しつつ前記処理室内に形成されたプラズマを用いて前記試料を処理するプラズマ処理方法であって、
   前記第１の高周波電力の印加前にこの高周波電力の情報に基づいて予め定められた値となるように前記試料台の内側に配置された通路内部を通流する熱交換媒体の温度の調節を開始するプラズマ処理方法。
7. 真空容器内に配置された処理室内の下部に配置された試料台の上面に処理対象の試料を載置して、この試料台の内側に配置され前記試料の表面の電位を調節するための第１の高周波電力を印加しつつ前記処理室内に形成されたプラズマを用いて前記試料を処理するプラズマ処理方法であって、
   前記プラズマの点火前にこの高周波電力の情報に基づいて予め定められた値となるように前記試料台の内側に配置された通路内部を通流する熱交換媒体の温度の調節を開始するプラズマ処理方法。
8. 請求項６または７に記載のプラズマ処理方法であって、
   前記試料台の前記試料が載置される面の外周側であって前記試料台上に配置され第２の高周波電力が印加されるリング状の導電性部材を有し、
   前記第１および第２の高周波電力を所定の値に調節しつつ前記プラズマを用いて前記試料を処理するプラズマ処理方法。
9. 請求項８に記載のプラズマ処理方法であって、電源から分配して前記第１および第２の高周波電力を前記電極および前記導電性部材の各々に印加するプラズマ処理方法。
   

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