JP3742349B2

JP3742349B2 - Plasma processing equipment

Info

Publication number: JP3742349B2
Application number: JP2002038915A
Authority: JP
Inventors: 雅嗣荒井; 竜二郎有働; 直行田村; ▲匡▼規角谷; 元彦吉開
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp; Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd; Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2002-02-15
Filing date: 2002-02-15
Publication date: 2006-02-01
Anticipated expiration: 2022-02-15
Also published as: JP2003243371A

Description

【０００１】
【発明の属する技術分野】
本発明は、半導体製造プロセス等の微細加工に適用されるプラズマ処理装置に係り、特に、半導体ウエハを載置するための保持ステージを備えたプラズマ処理装置に関する。
【０００２】
【従来の技術】
近年の半導体素子の高集積化に伴い、回路パターンは微細化の一途を辿っており、要求される加工寸法精度はますます厳しくなってきている。しかも、このとき、スループット向上、被処理物の大面積化への対応が要求されており、処理中における半導体ウエハの温度制御性が極めて重要なことになっている。
【０００３】
例えば高アスペクト比(細くて深い溝)が要求されるエッチングプロセスにおいては、異方性エッチングが要求され、これを実現するため側壁を有機ポリマで保護しながらエッチングを行うプロセスが用いられるが、この場合、保護膜となる有機ポリマの生成が温度により変化する。このときエッチング処理中の半導体ウエハ面内の温度が不均一に分布していると、側壁保護膜の生成度合いがウエハ面内でばらつき、その結果エッチング形状も不均一となるという問題を生じる場合がある。
【０００４】
また、反応生成物がエッチング面に再付着しエッチングレートを低下させる場合があるが、この反応生成物は半導体ウエハ外周付近よりも半導体ウエハ中心で多い分布となり易く、この結果、半導体ウエハ中心では外周付近に比べてエッチングレートが低く、従って、半導体ウエハ面内のエッチング形状がウエハ面内でばらついてしまう。
【０００５】
ここで、これを改善する方法としては、ウエハ中心付近の温度を外周付近よりも高くし、反応性生物のエッチング面への再付着を抑える方法が有効であり、従って、このように、プラズマエッチング中の半導体ウェハの温度は、面内で均一に、又は半導体ウェハの面内で任意に中高型や外高型して反応生成物の分布を相殺するように制御することが必要となっている。
【０００６】
ところで、処理中の半導体ウエハの温度制御は、当該ウエハが載置される静電吸着電極(保持ステージ)の表面温度の制御により実現するのが一般的であり、このような処理中の半導体ウエハの温度制御に対処する方法としては、例えば特開２０００-２１６１４０号公報(従来技術１)の開示を挙げることができる。
【０００７】
そして、この従来技術１では、保持ステージを構成する金属製の静電吸着用電極ブロック内に冷媒の流量を制御できる独立した複数個の冷媒流路を設け、電極ブロックの表面には誘電体膜を設けた構造となっている。
【０００８】
また、特開平９-１７７７０号公報(従来技術２)では、半導体ウエハの面内温度分布を制御するために、静電吸着電極の内部に２系統の冷媒流路を同心円上に設け、外側の冷媒流路には相対的に低温の冷媒を、そして内側の冷媒流路には相対的に高温の冷媒を循環させる構造について開示し、特開平８-４５９０９号公報(従来技術３)では、金属製の電極ブロックを分割し、それぞれに冷媒流路又はヒーターを設け、温度制御を行う試料台(保持ステージ)が開示されている。
【０００９】
【発明が解決しようとする課題】
上記従来技術は、静電吸着電極の中での熱の流れに配慮がされておらず、明確な温度分布を積極的に実現する点に問題があった。
【００１０】
例えば従来技術１〜２では、処理中の半導体ウエハ中心付近の温度を、ウエハ外周付近の温度よりも高くするような温度分布を実現するため、冷媒の温度又は流量を制御しているが、電極ブロックの熱伝導性のため、面内で明確な温度分布が得られず、且つ、このとき、冷媒の流路同士が隣接しているため、電極ブロック内で温度が均一化されてしまうので、更に明確な温度分布がえられなくなってしまう。
【００１１】
一方、従来技術３に開示されている静電吸着電極では、分割した電極ブロック内で独立して温度制御が可能であり、面内での温度分布制御が得られるが、ブロックとブロック間に隙間があるので、薄膜の誘電体膜を信頼性良く形成することが難しい。
【００１２】
また、従来技術１では、その電極ブロックが円周部でだけねじで固定されているので、冷媒の圧力により電極ブロックが凸型に変形してしまい、場合によっては半導体ウエハを均一に吸着できなくなり、半導体ウエハ面内に望ましくない温度分布を生じさせてしまう場合があった。
【００１３】
本発明の目的は、エッチング処理中の半導体ウエハの温度分布を明確な状態で積極的に制御できるようにしたウエハ処理装置を提供することにある。
【００１４】
【課題を解決するための手段】
上記目的は、電極ブロックの温度を制御し、半導体ウエハの温度を制御する方式の保持ステージを備えたプラズマ処理装置において、前記電極ブロックの中で当該電極ブロックの内側と外側で独立して設けられている第１と第２の流路と、これら第１と第２の流路の間に設置した熱伝達抑制用のスリットと、前記第１と第２の流路に、温度と流量の少なくとも一方が制御された熱媒を独立して供給する第１と第２の熱媒供給手段とが設けられているようにして達成される。
このとき、前記熱伝達抑制用のスリットがほぼ同心円状に形成されるようにしてもよい。
【００１５】
また、このとき、前記内側と外側で独立した温度制御手段が、前記電極ブロックの中で当該電極ブロックの内側と外側で独立して設けられている第１と第２の流路と、これら第１と第２の流路に、温度と流量の少なくとも一方が制御された熱媒を独立して供給する第１と第２の熱媒供給手段で構成しても上記目的が達成され、同じく、前記内側と外側で独立した温度制御手段が、前記電極ブロックの中で当該電極ブロックの内側と外側で独立して設けられている第１と第２の流路と、これら第１と第２の流路に、温度と流量の少なくとも一方が制御された熱媒を共通に供給する熱媒供給手段と、前記第１と第２の流路を連結した管路に設けた温度調整手段で構成されていても、上記目的が達成される。
【００１６】
更に、前記温度調整手段がヒータで構成され、これが前記電極ブロックの裏面に設けられてるようにしても、前記電極ブロック内に作り込まれるようにしてもよい。
【００１７】
次に、前記電極ブロックについて、それは、その表面に誘電体膜を備え、当該誘電体膜内にヒータが作り込まれているようにしてもよく、前記ヒータが静電吸着電極の電極として兼用されるようにしてもよい。
【００１８】
また、前記電極ブロックは、前記熱媒の流路が形成された一方の部材と、前記電極ブロックの剛性を保証するための他方の部材からなり、これら部材を一体に締結してもよく、このとき、前記一方の部材と他方の部材を締結する手段は、ネジ止め、ブレージング、拡散接合、それに電子ビーム溶接の何れかであってもよく、更に、前記剛性を保証するための他方の部材は、前記電極ブロックより熱伝導率が低い材料で作られているようにしてもよい。
【００１９】
或いは、前記第１と第２の流路が、前記電極ブロックに取付けた円形断面又は多角形断面の配管で形成され、更に前記配管が前記電極ブロック内に作り込まれていてもよい。
【００２０】
また、このとき、前記電極ブロックが少なくとも３個の温度センサを備え、これら温度センサの情報に基づいて温度制御されるようにしてもよく、前記電極ブロックの表面に誘電体膜を備え、当該誘電体膜と前記半導体ウエハの間に熱伝導用のガスが導入される静電吸着電極として構成されていてもよい。
【００２１】
【発明の実施の形態】
以下、本発明によるプラズマ処理装置について、図示の実施の形態により詳細に説明する。
図１は、本発明によるプラズマ処理装置Ｐの一実施形態で、図２は、このプラズマ処理装置において、半導体ウエハＷの保持ステージＳとして使用される静電吸着電極Ｓの一部断面による斜視図である。なお、この保持ステージは、一般に静電吸着電極と呼ばれているものであり、よって、以下、静電吸着電極Ｓと記載することにする。
【００２２】
そして、この実施形態に係る静電吸着電極Ｓの場合は、後で図３と図４により説明するように、冷媒又は温媒として働く流体(熱媒)の流路が設けられ、図１に示すように、本発明の一実施形態に係るプラズマ処理装置の中に設置されて使用されるものである。
【００２３】
この静電吸着電極Ｓは、図２に示すように、アルミニウム製の電極ブロック１( 厚さ２５ｍｍ )と、ステンレス製のガイド部材２( 厚さ１０ｍｍ )、ベース部材３( 厚さ１０ｍｍ )、誘電体膜４、それにセラミックス製の電極カバー５で構成され、例えば１２インチ(直径３００ｍｍ)の半導体ウエハを対象とした場合、直径が３２０ｍｍで、全体の厚さが約４５ｍｍになるように作られている。
【００２４】
ここで、まず、電極ブロック１には、その下面に、図３に示すように、スパイラル(渦巻)状に配置された流路用スリット１１、１２が内径側と外形側に分けて形成してあり、それらの間には、略同心円状の熱伝達抑制用スリット１３(半径＝９０ｍｍ、幅＝５ｍｍ、高さ(深さ)＝１８ｍｍ)が形成してある。
【００２５】
そして、この電極ブロック１の下面にガイド部材２が重ねられ、ボルト６で固定されることにより、各スリット１１、１２、１３の開放部が塞がれるようになっている。このとき、ベース部材３も含め、電極ブロック１とガイド部材２を貫通してガス導入孔７が設けられるようにしてある。
【００２６】
次に、誘電体膜４は、例えば高純度のアルミナセラミックスからなり、その厚さは０.１ｍｍであるが、この誘電体膜４の材質や厚さは、この例に限られたものではなく、例えば合成樹脂の場合は、それに応じて０.１ｍｍから数ｍｍの厚さが選択できる。
【００２７】
そして、この誘電体膜４には、図２に示すように、ガス導入孔７に連通して放射状に伸びる直線状のスリット４１と、これに連通した複数条の同心円状のスリット４２が設けてあり、これにより、静電吸着電極Ｓの上に半導体ウエハＷが載置されたとき、誘電体膜４と半導体ウエハＷの間隙に、ガス導入孔７から伝熱用のＨｅガスが導入されるようにしてある。
【００２８】
電極ブロック１の各流路用スリット１１、１２には、夫々、冷媒(又は熱媒)の導入部１１Ａ、１２Ａと、排出部１１Ｂ、１２Ｂが設けてあり、これにより、各流路用スリット１１、１２は、温度制御用の冷媒を通流させるための互いに独立した熱媒流通路として働かせることができるように構成してある。
【００２９】
そして、各流路用スリット１１、１２の導入部１１Ａ、１２Ａと排出部１１Ｂ、１２Ｂには、各々独立した冷媒供給ユニット５１、５２に接続され、夫々に循環させるべき冷媒の流量と温度の少なくとも一方が個別に調整できるようになっている。
【００３０】
ここで、これらの流路用スリット１１、１２の配列形状としては、ここに示したスパイラル状に限らない。例えば図４は、流路用スリット１１、１２を夫々複数条の同心円状にした場合であり、この場合、冷媒は相互に反対に向かって半円方向に分かれて流れる。
【００３１】
次に、この実施形態によるプラズマ処理装置の動作について説明すると、まず図１に示す処理室内に静電吸着電極Ｓを取付け、半導体ウエハＷを載置して塩素系やフッ素系のガスを導入し、マグネトロンで発生させたマイクロ波を処理室内の雰囲気に照射し、プラズマを励起させ、ソレノイドコイルで発生させた磁界によりプラズマの分布と密度を制御する。
【００３２】
そして、これと共に、静電吸着電極Ｓの電極ブロック１(図２)に直流電圧と高周波を印加し、半導体ウエハＷの温度を制御しながらエッチングを行う。
なお、本発明によるプラズマ処理装置の実施形態としては、ここに示したマグネトロンを使用する方式に限らず、他の方式のプラズマ処理装置でも良い。
【００３３】
次に、この実施形態における静電吸着電極Ｓの動作について、まず、その温度制御の原理から説明する。
まず、この静電吸着電極Ｓは、誘電体膜４に高電圧を印加することにより発現されるクーロン力又はジョンソンランベック力により半導体ウエハＷを吸着させるものであるが、このとき、高電圧の印加方法として、単極型と双極型の２種がある。
【００３４】
そして、まず単極型は、半導体ウエハと誘電体膜間に一様な電位を与える方法で、双極型は誘電体膜間に２種以上の電位差を与える方法であるが、この実施形態では、何れの方法でもよい。
【００３５】
吸着後、上記したように、ガス導入孔７から、伝熱用のＨｅガス(通常１０００ｋＰａ程度)が半導体ウエハＷと誘電体膜４の間に導入される。そこで、半導体ウエハＷの温度は、プラズマからの入熱と、Ｈｅガスが充填された間隙の熱通過率、電極ブロック１の熱抵抗、さらに電極ブロック１内に循環される冷媒と電極ブロック１との熱通過率によって規定される。
【００３６】
従って、半導体ウエハＷの温度を制御するには、静電吸着電極Ｓに対するＨｅガスの圧力、冷媒の温度、冷媒の流量(電極ブロックとの熱通過率が変わる)を変化する機構を設けるか、又はヒーターなどの第２の温度調整機構を設けてやればば良い。
【００３７】
例えば、いま流路用スリット１１、１２の大きさが幅５ｍｍ×高さ１５ｍｍのとき、２０℃の冷媒の流量を２Ｌ／ｍｉｎから４Ｌ／ｍｉｎと２倍にしたとすると、冷媒と電極ブロック１の間の熱通過率は約２００Ｗ／ｍ２Ｋから約４００Ｗ／ｍ２Ｋになるのが確認されている。従って、冷媒の流量を多くすることにより熱通過率が大きくできるので、プラズマからの入熱が多くなっても、電極ブロック１の温度上昇は小さく抑えられることになる。
【００３８】
ところで、一般的な静電吸着電極では、その構造に起因して、プラズマからの入熱が均一であるにも係わらず、半導体ウエハ面内では次のようにして、温度分布が生じてしまう。まず、半導体ウエハと誘電体膜の間に導入されたＨｅガスの圧力は、プラズマ生成中のチャンバー(処理室)内の圧力より高いから、半導体ウエハＷの最外周部からＨｅガスが漏れてしまう。実測では２〜５ｍｌ/ｍｉｎである。
【００３９】
図５は、このときの計算結果の一例で、ここに示すグラフは、Ｈｅガスの漏れ量から求めた半導体ウエハ裏面の圧力分布を示す計算値であり、この図に示すように、半導体ウエハの最外周のＨｅガスの圧力は、プラズマ生成中のチャンバー内の圧力より高いので、半導体ウエハの外周部で急激に低くなる。
【００４０】
次に、図６は、入熱が半導体ウエハの面内で均一な場合の半導体ウエハＷの表面温度を示したもので、この図は、図１に示したプラズマ処理装置を用いてフッ素系のガス(圧力１Ｐａ)を導入した雰囲気中でプラズマを生成し、冷媒の流量を５Ｌ／ｍｉｎ、温度を３５℃としてした場合の結果で、横軸は半導体ウエハ中心からの距離、縦軸が半導体ウエハ表面の温度で、○印が測定値で、実線が解析値を示している。
【００４１】
従って、これら図５と図６から、半導体ウエハ外周部の表面温度は、Ｈｅガスの圧力が低くなることに起因して、中心部より高くなることが判る。
次に、半導体ウエハ面内の温度差をΔＴとすると、これは、主に静電吸着電極に印加されている高周波の電力に依存し、例えば１３００Ｗの電力を印加した場合は、約１０℃に達した。
【００４２】
従って、静電吸着電極で半導体ウエハ面内に緩やかな温度分布(例えば中高や外高)を与えるためには、Ｈｅガスの圧力分布を考慮した温度分布制御が必要になる。
【００４３】
ところで、以上は、従来技術も含めて一般的な静電吸着電極の場合であるが、次に、図１に示す本発明の実施形態に係る静電吸着電極Ｓの場合について説明すると、この実施形態では、この静電吸着電極Ｓを構成する電極ブロック１に、その内周部と外周部を分けた形の熱伝達抑制用スリット１３が設けてある。
【００４４】
更に、この静電吸着電極Ｓでは、その電極ブロック１に、この熱伝達抑制用スリット１３を挟んで、その内周側と外周側で、流路用スリット１１とスリット１２が独立していて、冷媒の流量と温度の少なくとも一方が個別に調整できる。
【００４５】
ここで、熱伝達抑制用スリット１３は、上記したように、ガイド部材２で塞がれたままであるから、内部は、処理室内の圧力に略等しい圧力の雰囲気で満たされた状態になるか、又は真空状態にあり、このため、電極ブロック１の内周側と外周側の間で熱が伝達するのを阻害し、両側で大きな温度差の発生を許す働きをする。
【００４６】
図７は、熱伝達抑制用スリット１３を電極ブロック１に備えた静電吸着電極Ｓを用い、図６と同じ条件のもとで得られた半導体ウエハＷの温度分布の計測結果の一例で、ここでは中心部の温度を外周部の温度に対して相対的に高くしたい場合を想定しており、ここで静電吸着電極Ｓの高周波電力を１００〜１３００Ｗ、スリット１１の冷媒流量を１〜４Ｌ／ｍｉｎ、スリット１２の冷媒流量は４〜８Ｌ／ｍｉｎの範囲とした場合のものである。
【００４７】
この図７に示すように、本発明の実施形態として熱伝達抑制用スリット１３を備えた静電吸着電極Ｓでは、半導体ウエハＷの表面の最外周部の温度を低く抑えたままで中心部の温度を充分に高くできることが判る。
【００４８】
次に、図８は、このときの誘電体膜４の表面温度の解析結果で、同図に示すように、この場合も、熱伝達抑制用スリット１３が設けられていることから、誘電体膜４の表面の温度分布が顕著になっていて、いわゆるメリハリの効いた温度分布が得られていることが判り、このとき、温度分布は熱伝達抑制用スリット１３を境にして大きく変化していることも判る。
【００４９】
ここで、このような静電吸着電極では、前述したように、その構造に起因し、Ｈｅガスの圧力が半導体ウエハの最外周部で低くなり、半導体ウエハの最外周部で温度が高くなるのが一般的であり、従って、この実施形態で、半導体ウエハＷの最外周部の温度を低く抑え、且つ中心部の温度を高くするには、熱伝達抑制用スリット１３を適正な位置に設ける必要がある。
【００５０】
この実施形態では、例えば上記した直径３００ｍｍの半導体ウエハＷを対象とした場合の熱伝達抑制用スリット１３の位置は、中心からの距離を８０〜１２０ｍｍの範囲とすれば良い結果が得られており、これが、半導体ウエハＷが直径２００ｍｍの場合は、６０〜８０ｍｍの範囲である。
【００５１】
従って、これの結果から、本発明の実施形態による静電吸着電極Ｓでは、電極ブロック１の半径の５０〜８０％の範囲に熱伝達抑制用スリット１３を設けのが望ましいことが判る。
ここで、通常、プラズマ処理で半導体ウエハに望まれる温度分布は、円周方向では緩やかな中高や外高な分布であり、このため、静電吸着電極Ｓの熱伝達抑制用スリット１３は同心円状に形成するのが望ましい。
【００５２】
一方、この熱伝達抑制用スリット１３の断面形状は、加工の見地から、矩形や台形などが好適であるが、この場合、重要なのは高さ寸法で、高さが高いほど、すなわち電極ブロック１の厚さと同じ寸法になるほど熱伝導を抑制する作用が増大する。但し、このようにして熱伝達抑制用スリット１３の高さが大きくなると、電極ブロック１の剛性が低下するので、この場合は、スリットの途中にリブを設け、電極ブロック１の剛性が低下しないようにしても良い。
【００５３】
従って、本発明の実施形態によれば、プラズマエッチング中の半導体ウェハＷの温度分布を明確に制御でき、この結果、半導体ウェハの面内で均一な温度にしたり、中高型や外高型など明確な状態の温度分布にしたり、任意に制御することができ、この結果、反応生成物の分布を相殺して、反応性生物のエッチング面への再付着を抑えるプラズマ処理にも容易に対応でき、半導体ウエハ処理の歩留まり向上に大きく寄与することができる。
【００５４】
次に、本発明の他の実施形態について説明すると、まず図９は、本発明の第２の実施形態で、電極ブロック１内に熱伝達抑制用スリット１３を設ると共に、内周側の冷媒流路となるスリット１１と、外周側の冷媒通路となるスリット１２の間を管路１４で直列に連結させ、この管路１４に電熱型のヒータ１５を設け、静電吸着電極Ｓ１としたものである。
【００５５】
そして、この静電吸着電極Ｓ１では、電極ブロック１内の冷媒流路となるスリット１１とスリット１２には、１台の冷媒供給ユニット５３から共通に冷媒が供給され、このとき、ヒータ１５は、図示してない電力制御装置により温度が制御され、管路１４の中を通る冷媒を所定の温度に加熱する働きをする。
【００５６】
従って、この静電吸着電極Ｓ１によれば、ヒータ１５による冷媒の加熱温度を調整することにより、半導体ウエハＷの温度分布を中高型温度分布や外高型温度分布に容易に変えることができる。
【００５７】
すなわち、例えば半導体ウエハＷの温度を中高型温度分布にする場合は、実線の矢印で示す方向に冷媒を循環させ、ヒータ１５による冷媒の加熱温度を制御してやれば良く、反対に外高型温度分布にしたい場合は、点線の矢印で示す方向に冷媒を循環させてやれば良い。
【００５８】
従って、この静電吸着電極Ｓ１によっても、図１〜図４で説明した静電吸着電極Ｓと同じく、プラズマエッチング中の半導体ウェハＷの温度分布を明確に制御でき、この結果、半導体ウェハの面内で均一な温度にしたり、中高型や外高型など明確な状態の温度分布にしたり、任意に制御することができ、この結果、反応生成物の分布を相殺して、反応性生物のエッチング面への再付着を抑えるプラズマ処理にも容易に対応でき、半導体ウエハ処理の歩留まり向上に大きく寄与することができる。
【００５９】
しかも、この静電吸着電極Ｓ１によれば、１台の冷媒供給ユニット５３を設置するだけで済むので、装置の構成が簡略化できる。
また、この実施形態の静電吸着電極Ｓ１の場合、ヒータ１５を管路１４内に設置した構造にすれば、スペースを有効に活用でき、熱効率の点からも極めて有効である。
【００６０】
なお、この図９の実施形態では、ヒータ１５が電熱型の場合について説明したが、ヒータ１５としてペルチェ素子を用いて実施しても良く、この場合は、管路１４内の冷媒を加熱するだでけはなく、冷却することもできる。
【００６１】
次に、図１０は、本発明の第３の実施形態で、ヒータ１５を電極ブロック１内に埋込み、静電吸着電極Ｓ２としたもので、このとき、この実施形態では、ヒータ１５は、鋳造技術を用いて電極ブロック１の中に鋳込まれている。この場合、ヒータ１５としては、ニクロム線やタングステン線をアルミナなどの絶縁材で被覆してステンレス管や鋼管の中に納めたシーズヒータなどと呼ばれるものが用いられている。
【００６２】
また、同様な構造としては、誘電体膜４を多層にして、その中間にタングステン膜を挟んだ、例えばアルミナ／タングステン／アルミナ構成の膜を形成した膜構成のヒータとしも良く、このとき、更にタングステンのヒータを静電吸着電極の電極と兼用した構成にゑても良い。
【００６３】
以上の実施形態によれば、電極ブロック１に熱伝達抑制用スリット１３を設けたことにより半導体ウエハＷの温度を任意に制御でき、且つ熱効率も飛躍的に向上できるが、しかし、この熱伝達抑制用スリット１３を設けたことにより、電極ブロック１の剛性が低下してしまうことが考えられる。
【００６４】
そこで、次に、このスリットを設けたことによる剛性の低下が抑えられるようにした本発明の実施形態について、図１の静電吸着電極Ｓの場合について説明すると、この場合、図１１(a)に示すように、静電吸着電極Ｓは、電極ブロック１と、ガイド部材２から構成されている。そして、このガイド部材２は、図１では省略しているが、Ｏリング１６を最外周に嵌め込んで、ボルト６で電極ブロック１に締結されている。
【００６５】
ここで、各スリット１１、１２内を通る冷媒の圧力Ｐは、通常、５００ＫＰａ程度であるが、これが各スリット１１、１２に掛かるので、電極ブロック１は同図(b)に破線で誇張して描いてあるように変形する。
【００６６】
そこで、このような変形に対処し、それを防止するためには、図１２に示すように、電極ブロック１の半径が半分の位置で、ガイド部材２の裏面から更に別のボルト６０で締結してやれば良く、これにより、破線で誇張して描いてあるように、変形を抑えることができる。
【００６７】
実測によると、直径３２０ｍｍ、厚さ２５ｍｍの電極ブロック１の最外周だけを締結した場合は、中心部で０.５ｍｍ程度の変形が見られたが、図１２に示すよに、別のボルト６０を設けた場合は、ほとんど変形が見られず、良好な結果が得られた。
【００６８】
ところで、上記実施形態の場合、ガイド部材２を、電極ブロック１より熱伝導率が低い材料で作れば、より熱効率に優れた静電吸着電極Ｓになる。ここで、既に説明したように、以上の実施形態では、上記したように、電極ブロック１の材質がアルミニウムで、ガイド部材２の材質はステンレス鋼にしてあり、上記の条件に合致している。
【００６９】
なお、ここで、電極ブロック１とガイド部材２の締結方法としては、上記したボルトによるネジ留めに限らない。例えばブレージング、拡散接合、電子ビーム溶接などの締結方法によっても良い。
【００７０】
次に、本発明の別の実施形態として、特に温度レスポンスに優れた静電吸着電極について説明すると、まず、図１３は本発明の第４の実施形態で、電極ブロック１に冷媒流路となるスリットを形成する代りに、その下面に配管１７、１８をろう付した場合の静電吸着電極Ｓ３を示したもので、次に図１４は本発明の第５の実施形態で、配管１７、１８を電極ブロック１の下面に半ば埋め込んでからろう付し、夫々に更に個別にヒータ２０、２１を設けた場合の本発明の静電吸着電極Ｓ４を示したものである。
【００７１】
ここで、これら図１３と図１４において、配管１７は内周側の冷媒流路を形成し、配管１８は外周側の冷媒流路を形成している。ここで各配管１７、１８としては４角形の管にしてあるが、任意の多角形断面形状にしてもよく、勿論、通常の円形パイプでもよい。
【００７２】
従って、まず図１３の静電吸着電極Ｓ３の場合は、図１に示した静電吸着電極Ｓと略同じであるが、電極ブロック１が薄くできるので、温度レスポンスに優れている。
【００７３】
また、図１４の静電吸着電極Ｓ４も、同じく温度レスポンスに優れているが、この場合は、熱伝達抑制用スリット１３の内周側と外周側に夫々ヒータ２０、２１が設けてあるので、これらによる温度を各電力制御装置２２、２３で制御することにより、更に細かな変化の温度分布を得ることができる。
【００７４】
ここで、ー例として、各ヒータ２０、２１に供給されている電力を３００Ｗとし、冷媒の流量を４Ｌ／ｍｉｎで循環させて温度特性を測定した結果、１５℃の温度差を持った中高型と外高型の温度分布が容易に実現できた。
【００７５】
これら図１３と図１４の静電吸着電極Ｓ３、Ｓ４によれば、冷媒の圧力は配管１７、１８内に作用するだけであり、電極ブロック１には直接圧力が掛かることがないので、電極ブロック１に変形が現れる虞れはない。このとき、配管１７、１８とヒータ２０、２１は電極ブロック１内に鋳込まれるようにしても良い。
【００７６】
ところで、以上は、電極ブロック１内に形成してある熱伝達抑制用スリット１３が１条の場合の実施形態について示したが、必要に応じて熱伝達抑制用スリット１３を複数条設けるようにしてもよく、これによれば、更に細かな変化パターンをもった温度分布の実現にも容易に対応することができ、半導体ウエハを任意の温度分布に制御することができる。
【００７７】
ここで、上記した実施形態において、静電吸着電極Ｓなどを所定の温度分布に制御するにあたったては、電極ブロック１内に複数個の温度センサを設ける必要がある。この場合、前述したように、通常、半導体ウエハの最外周部の温度は、半導体ウエハ面内で相対的に高くなる傾向を示すから、温度センサとしては、半導体ウエハの中心から外周部までの間に個別に少なくとも３箇所、設けることにより、中高型、外高型など温度分布をモニタしながら制御できる。
【００７８】
【発明の効果】
本発明によれば、電極ブロックに熱伝導を抑制するためのスリットと、このスリットを挟んだ内外周で独立した温度制御機構を設けるようにしたので、電極ブロックの面方向で独立した温度に制御することができるようになり、この結果、半導体ウエハの温度分布パターン変化に容易に対応することができる。
【００７９】
そして、この結果、種々の異なった温度分布パターンによる変化に富んだ半導体ウエハの処理が得られることになり、半導体ウエハの性能向上に大きく寄与することができる。
【００８０】
また、本発明によれば、熱媒流路が分割された部材からなり、且つ分割されたそれぞれの部材はネジ、ブレージング、拡散接合、電子ビーム溶接により締結されるようにしたので、熱媒の圧力による電極ブロックの変形にも容易に対応することができる。
【００８１】
このとき、本発明によれば、冷媒流路は円形又は多角形の断面からなる配管によって形成することもできるので、汎用の部品を用いることができ、且つ電極ブロックの熱容量も小さくなるので、熱レスポンスに優れた静電吸着電極及びプラズマ処理装置を提供することがでる。
【００８２】
従って、本発明によるプラズマ処理装置によれば、半導体ウエハの温度制御を任意に設定でき、且つ均一なエッチングにも容易に対応できるので、半導体素子の歩留まりが大きく向上でき、コストの低減を充分に得ることができる。
【図面の簡単な説明】
【図１】本発明によるプラズマ処理装置の一実施形態を示す説明図である。
【図２】本発明のプラズマ処理装置における静電吸着電極の一実施形態を示す斜視図である。
【図３】本発明による静電吸着電極の他の一実施形態におけるスリットの配置状態を示す説明図である。
【図４】本発明による静電吸着電極の他の一実施形態におけるスリットの配置状態を示す説明図である。
【図５】静電吸着電極と半導体ウエハの間におけるＨｅガスの圧力分布の一例を示す特性図である。
【図６】静電吸着電極による半導体ウエハの表面温度の一例を示す特性図である。
【図７】本発明による静電吸着電極の一実施形態による半導体ウエハの表面温度の一例を従来技術と比較して示した特性図である。
【図８】本発明による静電吸着電極の一実施形態による誘電体膜の表面温度の一例を従来技術と比較して示した特性図である。
【図９】本発明による静電吸着電極の第２の実施形態を示す断面図である。
【図１０】本発明による静電吸着電極の第３の実施形態を示す断面図である。
【図１１】本発明による静電吸着電極の電極ブロックに現れる変形の一例を示す説明図である。
【図１２】本発明による静電吸着電極の電極ブロックに現れる変形の他の一例を示す説明図である。
【図１３】本発明による静電吸着電極の第４の実施形態を示す断面図である。
【図１４】本発明による静電吸着電極の第５の実施形態を示す断面図である。
【符号の説明】
ＳＳ１〜Ｓ４静電吸着電極
Ｗ半導体ウエハ
１電極ブロック(保持ステージ)
２ガイド部材
３ベース部材
４誘電体膜
５電極カバー
６ボルト
７ガス導入孔(伝熱用のＨｅガスの導入用)
１１、１２流路用スリット
１１Ａ、１２Ａ冷媒(又は熱媒)の導入部
１１Ｂ、１２Ｂ冷媒(又は熱媒)の排出部
１３熱伝達抑制用スリット
１４管路
１５ヒータ
１６Ｏリング
１７、１８配管
２０、２１ヒータ
２２、２３電力制御装置
５１、５２、５３冷媒供給ユニット[0001]
BACKGROUND OF THE INVENTION
The present invention relates to a plasma processing apparatus applied to microfabrication such as a semiconductor manufacturing process, and more particularly to a plasma processing apparatus provided with a holding stage for mounting a semiconductor wafer.
[0002]
[Prior art]
As semiconductor elements have been highly integrated in recent years, circuit patterns have been increasingly miniaturized, and the required processing dimension accuracy has become increasingly severe. In addition, at this time, it is required to improve the throughput and increase the area of the workpiece, and the temperature controllability of the semiconductor wafer during processing is extremely important.
[0003]
For example, in an etching process that requires a high aspect ratio (thin and deep groove), anisotropic etching is required, and in order to realize this, a process of performing etching while protecting the sidewall with an organic polymer is used. In this case, the production of the organic polymer serving as the protective film varies depending on the temperature. At this time, if the temperature in the semiconductor wafer surface during the etching process is unevenly distributed, the degree of generation of the sidewall protective film may vary in the wafer surface, resulting in a problem that the etching shape also becomes uneven. is there.
[0004]
In addition, the reaction product may reattach to the etching surface and reduce the etching rate, but this reaction product tends to be distributed more in the center of the semiconductor wafer than in the vicinity of the periphery of the semiconductor wafer. The etching rate is low as compared with the vicinity, and accordingly, the etching shape in the semiconductor wafer surface varies in the wafer surface.
[0005]
Here, as a method for improving this, a method in which the temperature near the wafer center is made higher than that near the outer periphery to suppress the reattachment of reactive organisms to the etching surface is effective. It is necessary to control the temperature of the semiconductor wafer inside so as to cancel out the distribution of the reaction product by making it uniform in the plane or arbitrarily in the plane of the semiconductor wafer. .
[0006]
By the way, the temperature control of the semiconductor wafer being processed is generally realized by controlling the surface temperature of the electrostatic adsorption electrode (holding stage) on which the wafer is placed. As a method for dealing with this temperature control, for example, JP 2000-216140 A (Prior Art 1) can be cited.
[0007]
In this prior art 1, a plurality of independent refrigerant flow paths capable of controlling the flow rate of the refrigerant are provided in the metal electrostatic adsorption electrode block constituting the holding stage, and a dielectric film is formed on the surface of the electrode block. The structure is provided.
[0008]
In Japanese Patent Laid-Open No. 9-17770 (prior art 2), in order to control the in-plane temperature distribution of the semiconductor wafer, two lines of coolant channels are provided concentrically inside the electrostatic adsorption electrode, A structure in which a relatively low temperature refrigerant is circulated in the refrigerant channel and a relatively high temperature refrigerant is circulated in the inner refrigerant channel is disclosed in Japanese Patent Application Laid-Open No. 8-45909 (Prior Art 3). There is disclosed a sample stage (holding stage) for dividing a manufactured electrode block and providing a refrigerant flow path or a heater for each, and performing temperature control.
[0009]
[Problems to be solved by the invention]
The prior art described above has a problem in that it does not consider the heat flow in the electrostatic adsorption electrode and positively realizes a clear temperature distribution.
[0010]
For example, in the prior arts 1 and 2, the temperature or flow rate of the coolant is controlled in order to realize a temperature distribution that makes the temperature near the center of the semiconductor wafer being processed higher than the temperature near the periphery of the wafer. Due to the thermal conductivity of the block, a clear temperature distribution cannot be obtained in the plane, and at this time, since the flow paths of the refrigerant are adjacent to each other, the temperature becomes uniform in the electrode block. Furthermore, a clear temperature distribution cannot be obtained.
[0011]
On the other hand, in the electrostatic chucking electrode disclosed in the prior art 3, temperature control can be independently performed in the divided electrode block, and in-plane temperature distribution control can be obtained, but there is a gap between the blocks. Therefore, it is difficult to form a thin dielectric film with high reliability.
[0012]
Further, in the prior art 1, since the electrode block is fixed with screws only at the circumferential portion, the electrode block is deformed into a convex shape by the pressure of the refrigerant, and in some cases, the semiconductor wafer cannot be uniformly adsorbed. In some cases, an undesirable temperature distribution is generated in the semiconductor wafer surface.
[0013]
An object of the present invention is to provide a wafer processing apparatus capable of positively controlling the temperature distribution of a semiconductor wafer during an etching process in a clear state.
[0014]
[Means for Solving the Problems]
The object of the present invention is to provide a plasma processing apparatus having a holding stage that controls the temperature of an electrode block and controls the temperature of a semiconductor wafer.A first flow path and a second flow path independently provided inside and outside the electrode block, a heat transfer suppression slit disposed between the first flow path and the second flow path, First and second heating medium supply means for independently supplying a heating medium whose temperature and flow rate are controlled to the first and second flow paths independently;This is achieved as described above.
At this time, the heat transfer suppressing slits may be formed substantially concentrically.
[0015]
Also, at this time, the temperature control means independent on the inner side and the outer side are provided in the electrode block independently on the inner side and the outer side of the electrode block, and the first and second flow paths. The above object can be achieved even if the first and second heat medium supply means are configured to supply the first and second flow paths independently with at least one of the temperature and flow rate controlled heat medium. The temperature control means independent on the inner side and the outer side are provided in the electrode block independently on the inner side and the outer side of the electrode block, and the first and second flow paths. A heat medium supply means for commonly supplying a heat medium whose temperature and / or flow rate is controlled to the flow path, and a temperature adjusting means provided in a pipe line connecting the first and second flow paths. Even if it does, the said objective is achieved.
[0016]
Further, the temperature adjusting means may be composed of a heater, which may be provided on the back surface of the electrode block, or may be built in the electrode block.
[0017]
Next, the electrode block may be provided with a dielectric film on a surface thereof, and a heater may be built in the dielectric film, and the heater is also used as an electrode of the electrostatic adsorption electrode. You may make it do.
[0018]
Further, the electrode block is composed of one member in which the flow path of the heat medium is formed and the other member for ensuring the rigidity of the electrode block, and these members may be fastened together. The means for fastening the one member to the other member may be any of screwing, brazing, diffusion bonding, and electron beam welding, and the other member for ensuring the rigidity is The electrode block may be made of a material having a lower thermal conductivity.
[0019]
Or the said 1st and 2nd flow path may be formed by piping of the circular cross section or polygonal cross section attached to the said electrode block, and also the said piping may be built in the said electrode block.
[0020]
At this time, the electrode block may include at least three temperature sensors, and the temperature may be controlled based on information of these temperature sensors. A dielectric film is provided on the surface of the electrode block, and the dielectric You may comprise as an electrostatic adsorption electrode into which the gas for heat conduction is introduce | transduced between a body film and the said semiconductor wafer.
[0021]
DETAILED DESCRIPTION OF THE INVENTION
Hereinafter, a plasma processing apparatus according to the present invention will be described in detail with reference to embodiments shown in the drawings.
FIG. 1 is an embodiment of a plasma processing apparatus P according to the present invention, and FIG. 2 is a perspective view of a partial cross section of an electrostatic adsorption electrode S used as a holding stage S of a semiconductor wafer W in this plasma processing apparatus. It is. This holding stage is generally called an electrostatic chucking electrode, and therefore will be referred to as an electrostatic chucking electrode S hereinafter.
[0022]
And in the case of the electrostatic chucking electrode S according to this embodiment,FIG.WhenFIG.As described above, a flow path of a fluid (heating medium) acting as a refrigerant or a heating medium is provided,FIG.As shown in FIG. 2, the apparatus is installed and used in a plasma processing apparatus according to an embodiment of the present invention.
[0023]
As shown in FIG. 2, the electrostatic adsorption electrode S is made of an electrode block 1 made of aluminum.( Thickness 25mm )And stainless steel guide member 2( 10mm thickness ), Base member 3( 10mm thickness )The dielectric film 4 and the electrode cover 5 made of ceramics, for example, when a 12-inch (300 mm diameter) semiconductor wafer is targeted, the diameter is 320 mm and the overall thickness isAbout 45It is made to be mm.
[0024]
Here, first, on the lower surface of the electrode block 1, as shown in FIG. 3, flow path slits 11, 12 arranged in a spiral shape are formed separately on the inner diameter side and the outer shape side. Between them, a substantially concentric heat transfer suppressing slit 13 (radius = 90 mm, width = 5 mm, height (depth) = 18 mm) is formed.
[0025]
And the guide member 2 is piled up on the lower surface of this electrode block 1, and it fixes with the volt | bolt 6, and the opening part of each slit 11, 12, 13 is block | closed. At this time, the gas introduction hole 7 is provided through the electrode block 1 and the guide member 2 including the base member 3.
[0026]
Next, the dielectric film 4 is made of, for example, high-purity alumina ceramic and has a thickness of 0.1 mm. However, the material and thickness of the dielectric film 4 are not limited to this example. For example, in the case of a synthetic resin, a thickness of 0.1 mm to several mm can be selected accordingly.
[0027]
As shown in FIG. 2, the dielectric film 4 is provided with linear slits 41 extending radially and communicating with the gas introduction holes 7, and a plurality of concentric slits 42 communicating with the slits. Thus, when the semiconductor wafer W is placed on the electrostatic adsorption electrode S, the heat transfer He gas is introduced into the gap between the dielectric film 4 and the semiconductor wafer W from the gas introduction hole 7. It is like that.
[0028]
The flow path slits 11 and 12 of the electrode block 1 are respectively provided with refrigerant (or heat medium) introduction parts 11A and 12A and discharge parts 11B and 12B. , 12 are configured to be able to function as mutually independent heat medium flow passages for allowing the temperature control refrigerant to flow therethrough.
[0029]
The introduction portions 11A and 12A and the discharge portions 11B and 12B of the flow path slits 11 and 12 are connected to independent refrigerant supply units 51 and 52, respectively, and at least the flow rate and temperature of the refrigerant to be circulated respectively. One can be adjusted individually.
[0030]
Here, the arrangement shape of the flow path slits 11 and 12 is not limited to the spiral shape shown here. For exampleFIG.Is a case where the flow path slits 11 and 12 are formed in a plurality of concentric circles, respectively, and in this case, the refrigerant flows in a semicircular direction in opposite directions.
[0031]
Next, the operation of the plasma processing apparatus according to this embodiment will be described. First, the electrostatic adsorption electrode S is mounted in the processing chamber shown in FIG. 1, the semiconductor wafer W is placed, and chlorine-based or fluorine-based gas is introduced. , The atmosphere generated in the processing chamber by the microwave generated by the magnetronToThe plasma is excited to excite the plasma, and the distribution and density of the plasma are controlled by the magnetic field generated by the solenoid coil.
[0032]
Along with this, a DC voltage and a high frequency are applied to the electrode block 1 (FIG. 2) of the electrostatic chucking electrode S, and etching is performed while controlling the temperature of the semiconductor wafer W.
The embodiment of the plasma processing apparatus according to the present invention is not limited to the system using the magnetron shown here, and other types of plasma processing apparatuses may be used.
[0033]
Next, the operation of the electrostatic chucking electrode S in this embodiment will be described first from the principle of temperature control.
First, the electrostatic adsorption electrode S is for adsorbing the semiconductor wafer W by Coulomb force or Johnson Lambeck force expressed by applying a high voltage to the dielectric film 4. There are two application methods, a monopolar type and a bipolar type.
[0034]
First, the monopolar type is a method of giving a uniform potential between the semiconductor wafer and the dielectric film, and the bipolar type is a method of giving two or more kinds of potential differences between the dielectric films. In this embodiment, Any method may be used.
[0035]
After the adsorption, the heat transfer He gas (usually about 1000 kPa) is introduced between the semiconductor wafer W and the dielectric film 4 from the gas introduction hole 7 as described above. Therefore, the temperature of the semiconductor wafer W includes the heat input from the plasma, the heat passage rate of the gap filled with He gas, the thermal resistance of the electrode block 1, and the refrigerant circulated in the electrode block 1 and the electrode block 1 It is defined by the heat transfer rate of
[0036]
Therefore, in order to control the temperature of the semiconductor wafer W, a mechanism for changing the pressure of the He gas with respect to the electrostatic adsorption electrode S, the temperature of the refrigerant, and the flow rate of the refrigerant (change of the heat passage rate with the electrode block) is provided. Alternatively, a second temperature adjustment mechanism such as a heater may be provided.
[0037]
For example, if the flow path slits 11 and 12 are 5 mm wide × 15 mm high, and the flow rate of the refrigerant at 20 ° C. is doubled from 2 L / min to 4 L / min, the refrigerant and the electrode block 1 It has been confirmed that the heat transfer rate during the period is about 200 W / m 2 K to about 400 W / m 2 K. Therefore, since the heat passage rate can be increased by increasing the flow rate of the refrigerant, the temperature rise of the electrode block 1 can be suppressed small even if the heat input from the plasma increases.
[0038]
By the way, in a general electrostatic attraction electrode, due to its structure, although the heat input from the plasma is uniform, a temperature distribution occurs in the semiconductor wafer surface as follows. First, since the pressure of the He gas introduced between the semiconductor wafer and the dielectric film is higher than the pressure in the chamber (processing chamber) during plasma generation, the He gas leaks from the outermost peripheral portion of the semiconductor wafer W. . The actual measurement is 2 to 5 ml / min.
[0039]
FIG. 5 is an example of the calculation result at this time, and the graph shown here shows the pressure on the back surface of the semiconductor wafer obtained from the leak amount of He gas.distributionAs shown in this figure, since the pressure of the He gas on the outermost periphery of the semiconductor wafer is higher than the pressure in the chamber during plasma generation, it rapidly decreases at the outer periphery of the semiconductor wafer.
[0040]
Next, FIG. 6 shows the surface temperature of the semiconductor wafer W when the heat input is uniform in the plane of the semiconductor wafer. This figure shows that the fluorine processing is performed using the plasma processing apparatus shown in FIG. Results when plasma is generated in an atmosphere introduced with gas (pressure 1 Pa), the flow rate of the refrigerant is 5 L / min, and the temperature is 35 ° C. The horizontal axis is the distance from the center of the semiconductor wafer, and the vertical axis is the semiconductor wafer. The surface temperature indicates the measured value, and the solid line indicates the analytical value.
[0041]
Accordingly, it can be seen from FIGS. 5 and 6 that the surface temperature of the outer peripheral portion of the semiconductor wafer is higher than that of the central portion due to the lower pressure of the He gas.
Next, assuming that the temperature difference in the semiconductor wafer surface is ΔT, this depends mainly on the high-frequency power applied to the electrostatic adsorption electrode. For example, when a power of 1300 W is applied, the temperature difference is about 10 ° C. Reached.
[0042]
Therefore, in order to give a gentle temperature distribution (for example, middle height or outer height) in the semiconductor wafer surface by the electrostatic adsorption electrode, temperature distribution control in consideration of the pressure distribution of He gas is required.
[0043]
By the way, the above is a case of a general electrostatic chucking electrode including the prior art. Next, the case of the electrostatic chucking electrode S according to the embodiment of the present invention shown in FIG. 1 will be described. In the embodiment, the electrode block 1 constituting the electrostatic adsorption electrode S is provided with a heat transfer suppressing slit 13 having a shape in which the inner peripheral portion and the outer peripheral portion are separated.
[0044]
Furthermore, in this electrostatic chucking electrode S, the slit 11 for flow path 11 and the slit 12 are independent on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the electrode block 1 with the heat transfer suppressing slit 13 interposed therebetween. At least one of the flow rate and temperature of the refrigerant can be individually adjusted.
[0045]
Here, as described above, the heat transfer suppressing slit 13 remains closed by the guide member 2, so that the inside is filled with an atmosphere having a pressure substantially equal to the pressure in the processing chamber, Alternatively, it is in a vacuum state, so that it prevents heat from being transferred between the inner peripheral side and the outer peripheral side of the electrode block 1 and allows a large temperature difference to be generated on both sides.
[0046]
FIG. 7 is an example of the measurement result of the temperature distribution of the semiconductor wafer W obtained using the electrostatic adsorption electrode S provided with the heat transfer suppressing slit 13 in the electrode block 1 under the same conditions as in FIG. Here, it is assumed that the temperature of the central portion is relatively high with respect to the temperature of the outer peripheral portion. Here, the high frequency power of the electrostatic adsorption electrode S is 100 to 1300 W, and the refrigerant flow rate of the slit 11 is 1 to 4 L. / Min, the flow rate of the refrigerant in the slit 12 is in the range of 4 to 8 L / min.
[0047]
As shown in FIG. 7, in the electrostatic attraction electrode S having the heat transfer suppressing slit 13 as an embodiment of the present invention, the temperature of the central portion is kept low while the temperature of the outermost peripheral portion of the surface of the semiconductor wafer W is kept low. It can be seen that can be sufficiently high.
[0048]
Next, FIG. 8 shows the analysis result of the surface temperature of the dielectric film 4 at this time. As shown in FIG. 8, since the heat transfer suppressing slit 13 is also provided in this case, the dielectric film It can be seen that the temperature distribution on the surface of No. 4 is prominent and a so-called sharp temperature distribution is obtained. At this time, the temperature distribution changes greatly with the heat transfer suppression slit 13 as a boundary. I understand that.
[0049]
Here, in such an electrostatic adsorption electrode, as described above, due to the structure, the pressure of the He gas decreases at the outermost peripheral portion of the semiconductor wafer, and the temperature increases at the outermost peripheral portion of the semiconductor wafer. Therefore, in this embodiment, in order to keep the temperature of the outermost peripheral portion of the semiconductor wafer W low and increase the temperature of the central portion, it is necessary to provide the heat transfer suppressing slit 13 at an appropriate position. There is.
[0050]
In this embodiment, for example, the position of the heat transfer suppression slit 13 when the above-described semiconductor wafer W having a diameter of 300 mm is the target can be obtained if the distance from the center is in the range of 80 to 120 mm. This is in the range of 60 to 80 mm when the semiconductor wafer W has a diameter of 200 mm.
[0051]
Therefore, it can be seen from this result that in the electrostatic adsorption electrode S according to the embodiment of the present invention, it is desirable to provide the heat transfer suppressing slit 13 in the range of 50 to 80% of the radius of the electrode block 1.
Here, normally, the temperature distribution desired for the semiconductor wafer in the plasma processing is a moderate middle-high or outer-high distribution in the circumferential direction. Therefore, the heat transfer suppressing slit 13 of the electrostatic adsorption electrode S is concentric. It is desirable to form.
[0052]
On the other hand, the cross-sectional shape of the heat transfer suppressing slit 13 is preferably a rectangle or a trapezoid from the viewpoint of processing. In this case, however, the height dimension is more important, that is, the height of the electrode block 1 is higher. The effect of suppressing heat conduction increases as the thickness becomes the same size. However, if the height of the heat transfer suppressing slit 13 is increased in this manner, the rigidity of the electrode block 1 is lowered. In this case, a rib is provided in the middle of the slit so that the rigidity of the electrode block 1 is not lowered. Anyway.
[0053]
Therefore, according to the embodiment of the present invention, the temperature distribution of the semiconductor wafer W during the plasma etching can be clearly controlled. As a result, the temperature can be made uniform within the surface of the semiconductor wafer, and the medium-high type and the outer high-type can be clearly defined. The temperature distribution can be controlled in any state and can be arbitrarily controlled. As a result, the distribution of reaction products can be offset, and plasma treatment that suppresses the reattachment of reactive organisms to the etched surface can be easily handled. This can greatly contribute to an improvement in the yield of semiconductor wafer processing.
[0054]
Next, another embodiment of the present invention will be described. First, FIG. 9 shows a second embodiment of the present invention.EmbodimentThus, a slit 13 for suppressing heat transfer is provided in the electrode block 1, and a slit 14 serving as an inner peripheral side refrigerant passage and a slit 12 serving as an outer peripheral side refrigerant passage are connected in series by a pipe line 14. In addition, an electrothermal heater 15 is provided in the conduit 14 to form an electrostatic adsorption electrode S1.
[0055]
And in this electrostatic adsorption electrode S1, the refrigerant | coolant is supplied to the slit 11 and the slit 12 used as the refrigerant | coolant flow path in the electrode block 1 from the one refrigerant | coolant supply unit 53, At this time, the heater 15 The temperature is controlled by a power control device (not shown), and the refrigerant passing through the pipe line 14 is heated to a predetermined temperature.
[0056]
Therefore, according to the electrostatic adsorption electrode S1, the temperature distribution of the semiconductor wafer W can be easily changed to the middle-high temperature distribution or the outer high-temperature distribution by adjusting the heating temperature of the refrigerant by the heater 15.
[0057]
That is, for example, when the temperature of the semiconductor wafer W is set to the medium-high temperature distribution, it is only necessary to circulate the refrigerant in the direction indicated by the solid-line arrow and control the heating temperature of the refrigerant by the heater 15. When it is desired to circulate, the refrigerant may be circulated in the direction indicated by the dotted arrow.
[0058]
Therefore, the electrostatic adsorption electrode S1 can also clearly control the temperature distribution of the semiconductor wafer W during plasma etching, as in the electrostatic adsorption electrode S described with reference to FIGS. It is possible to control the temperature distribution in a uniform state in the inside, a clear temperature distribution such as a medium-high type or an external high-type, and arbitrarily control it. As a result, the distribution of reaction products is offset and etching of reactive organisms is performed. Plasma processing that suppresses redeposition to the surface can be easily handled, and can greatly contribute to the improvement of the yield of semiconductor wafer processing.
[0059]
Moreover, according to the electrostatic adsorption electrode S1, it is only necessary to install one refrigerant supply unit 53, so that the configuration of the apparatus can be simplified.
Further, in the case of the electrostatic adsorption electrode S1 of this embodiment, if the heater 15 is installed in the pipe line 14, the space can be used effectively, and it is extremely effective from the viewpoint of thermal efficiency.
[0060]
In the embodiment of FIG. 9, the case where the heater 15 is an electrothermal type has been described. However, a Peltier element may be used as the heater 15, and in this case, the refrigerant in the pipe line 14 is heated. Not to mention it can be cooled.
[0061]
Next, FIG. 10 shows a third embodiment of the present invention in which the heater 15 is embedded in the electrode block 1 to form the electrostatic adsorption electrode S2. At this time, in this embodiment, the heater 15 is cast. It is cast into the electrode block 1 using a technique. In this case, as the heater 15, a so-called sheathed heater in which a nichrome wire or a tungsten wire is covered with an insulating material such as alumina and placed in a stainless steel tube or a steel tube is used.
[0062]
Further, as a similar structure, a heater having a film structure in which a dielectric film 4 is multilayered and a tungsten film is sandwiched therebetween, for example, a film having an alumina / tungsten / alumina structure, may be formed. A structure in which a tungsten heater is also used as the electrode of the electrostatic adsorption electrode may be used.
[0063]
According to the above embodiment, the temperature of the semiconductor wafer W can be arbitrarily controlled and the thermal efficiency can be dramatically improved by providing the heat transfer suppressing slit 13 in the electrode block 1, but this heat transfer suppressing It is conceivable that the rigidity of the electrode block 1 is reduced by providing the slit 13 for use.
[0064]
Therefore, next, an embodiment of the present invention in which a decrease in rigidity due to the provision of the slit is suppressed will be described with respect to the case of the electrostatic chucking electrode S of FIG. 1. In this case, FIG. As shown in FIG. 1, the electrostatic chucking electrode S includes an electrode block 1 and a guide member 2. Although not shown in FIG. 1, the guide member 2 is fastened to the electrode block 1 with a bolt 6 by fitting an O-ring 16 on the outermost periphery.
[0065]
Here, the pressure P of the refrigerant passing through each of the slits 11 and 12 is usually about 500 KPa. However, since this is applied to each of the slits 11 and 12, the electrode block 1 is exaggerated by a broken line in FIG. Deform as depicted.
[0066]
Therefore, in order to deal with such a deformation and prevent it, as shown in FIG. 12, the radius of the electrode block 1 is half the position, and it can be fastened with another bolt 60 from the back surface of the guide member 2. As a result, deformation can be suppressed as exaggeratedly drawn with a broken line.
[0067]
According to the actual measurement, when only the outermost periphery of the electrode block 1 having a diameter of 320 mm and a thickness of 25 mm was fastened, a deformation of about 0.5 mm was observed at the center, but as shown in FIG. When this was provided, almost no deformation was observed, and good results were obtained.
[0068]
By the way, in the case of the said embodiment, if the guide member 2 is made with a material whose heat conductivity is lower than that of the electrode block 1, the electrostatic adsorption electrode S is more excellent in thermal efficiency. Here, as described above, in the above embodiment, as described above, the material of the electrode block 1 is aluminum and the material of the guide member 2 is stainless steel, which meets the above conditions.
[0069]
Here, the fastening method of the electrode block 1 and the guide member 2 is not limited to the above-described screw fastening with bolts. For example, a fastening method such as brazing, diffusion bonding, or electron beam welding may be used.
[0070]
Next, as another embodiment of the present invention, an electrostatic adsorption electrode particularly excellent in temperature response will be described. First, FIG. 13 shows a refrigerant flow path in the electrode block 1 in the fourth embodiment of the present invention. Instead of forming the slit, the electrostatic chucking electrode S3 when the pipes 17 and 18 are brazed to the lower surface is shown. Next, FIG. 14 shows a fifth embodiment of the present invention.17,18The electrostatic chucking electrode S4 according to the present invention is shown in the case where the heater 20 and 21 are individually brazed after being partially embedded in the lower surface of the electrode block 1 and brazed.
[0071]
Here, in FIGS. 13 and 14, the pipe 17 forms an inner peripheral side refrigerant flow path, and the pipe 18 forms an outer peripheral side refrigerant flow path. Here, each of the pipes 17 and 18 is a square pipe, but may have an arbitrary polygonal cross-sectional shape, or may be a normal circular pipe.
[0072]
Therefore, first, the electrostatic chucking electrode S3 of FIG. 13 is substantially the same as the electrostatic chucking electrode S shown in FIG. 1, but since the electrode block 1 can be made thin, the temperature response is excellent.
[0073]
Further, the electrostatic adsorption electrode S4 of FIG. 14 is also excellent in temperature response, but in this case, the heaters 20 and 21 are provided on the inner peripheral side and the outer peripheral side of the heat transfer suppressing slit 13, respectively. By controlling the temperature by these power control devices 22 and 23, it is possible to obtain a temperature distribution with finer changes.
[0074]
Here, as an example, the power supplied to each of the heaters 20 and 21 is 300 W, the flow rate of the refrigerant is circulated at 4 L / min, and the temperature characteristics are measured. As a result, the medium-high type having a temperature difference of 15 ° C. And the outer high temperature distribution was easily realized.
[0075]
According to the electrostatic adsorption electrodes S3 and S4 in FIGS. 13 and 14, the pressure of the refrigerant only acts in the pipes 17 and 18, and the electrode block 1 is not directly pressurized. There is no risk of deformation in 1. At this time, the pipes 17 and 18 and the heaters 20 and 21 may be cast into the electrode block 1.
[0076]
By the way, although the above has shown about embodiment in case the slit 13 for heat transfer suppression currently formed in the electrode block 1 is 1 item | strip | row, it is made to provide the slit 13 for heat transfer suppression | exclusion as needed. In addition, according to this, it is possible to easily cope with the realization of a temperature distribution having a finer change pattern, and the semiconductor wafer can be controlled to an arbitrary temperature distribution.
[0077]
Here, in the above-described embodiment, it is necessary to provide a plurality of temperature sensors in the electrode block 1 in order to control the electrostatic adsorption electrode S and the like to a predetermined temperature distribution. In this case, as described above, the temperature of the outermost peripheral portion of the semiconductor wafer usually tends to be relatively high in the surface of the semiconductor wafer. By providing at least three locations individually, it is possible to control while monitoring the temperature distribution such as the middle-high type and the outer-high type.
[0078]
【The invention's effect】
According to the present invention, the electrode block is provided with a slit for suppressing heat conduction and an independent temperature control mechanism at the inner and outer circumferences sandwiching the slit, so that the temperature is controlled independently in the surface direction of the electrode block. As a result, it is possible to easily cope with the temperature distribution pattern change of the semiconductor wafer.
[0079]
As a result, processing of a semiconductor wafer rich in changes due to various different temperature distribution patterns can be obtained, which can greatly contribute to improving the performance of the semiconductor wafer.
[0080]
Further, according to the present invention, the heat medium flow path is composed of divided members, and each divided member is fastened by screws, brazing, diffusion bonding, or electron beam welding. It is possible to easily cope with deformation of the electrode block due to pressure.
[0081]
At this time, according to the present invention, the refrigerant flow path can also be formed by a pipe having a circular or polygonal cross section, so that general-purpose parts can be used and the heat capacity of the electrode block is reduced. An electrostatic adsorption electrode and a plasma processing apparatus excellent in response can be provided.
[0082]
Therefore, according to the plasma processing apparatus of the present invention, it is possible to arbitrarily set the temperature control of the semiconductor wafer and easily cope with uniform etching, so that the yield of the semiconductor element can be greatly improved and the cost can be sufficiently reduced. Obtainable.
[Brief description of the drawings]
FIG. 1 is an explanatory view showing an embodiment of a plasma processing apparatus according to the present invention.
FIG. 2 is a perspective view showing an embodiment of an electrostatic adsorption electrode in the plasma processing apparatus of the present invention.
FIG. 3 is an explanatory view showing the arrangement of slits in another embodiment of the electrostatic chucking electrode according to the present invention.
FIG. 4 is an explanatory view showing the arrangement of slits in another embodiment of the electrostatic chucking electrode according to the present invention.
FIG. 5 is a characteristic diagram illustrating an example of a pressure distribution of He gas between an electrostatic chucking electrode and a semiconductor wafer.
FIG. 6 is a characteristic diagram showing an example of the surface temperature of a semiconductor wafer by an electrostatic chucking electrode.
FIG. 7 is a characteristic diagram showing an example of the surface temperature of a semiconductor wafer according to an embodiment of the electrostatic chucking electrode according to the present invention as compared with the prior art.
FIG. 8 is a characteristic diagram showing an example of the surface temperature of a dielectric film according to an embodiment of the electrostatic chucking electrode according to the present invention as compared with the prior art.
FIG. 9 is a cross-sectional view showing a second embodiment of the electrostatic chucking electrode according to the present invention.
FIG. 10 is a cross-sectional view showing a third embodiment of the electrostatic chucking electrode according to the present invention.
FIG. 11 is an explanatory view showing an example of deformation appearing in the electrode block of the electrostatic chucking electrode according to the present invention.
FIG. 12 is an explanatory view showing another example of the deformation appearing in the electrode block of the electrostatic chucking electrode according to the present invention.
FIG. 13 is a cross-sectional view showing a fourth embodiment of the electrostatic chucking electrode according to the present invention.
FIG. 14 is a cross-sectional view showing a fifth embodiment of the electrostatic chucking electrode according to the present invention.
[Explanation of symbols]
S S1-S4 Electrostatic adsorption electrode
W Semiconductor wafer
1 Electrode block (holding stage)
2 Guide members
3 Base member
4 Dielectric film
5 Electrode cover
6 bolts
7 Gas introduction hole (for introducing He gas for heat transfer)
11, 12 Channel slit
11A, 12A refrigerant (or heat medium) introduction part
11B, 12B Refrigerant (or heat medium) discharge part
13 Heat transfer suppression slit
14 pipeline
15 Heater
16 O-ring
17, 18 Piping
20, 21 Heater
22, 23 Power control device
51, 52, 53 Refrigerant supply unit

Claims

電極ブロックの温度を制御し、半導体ウエハの温度を制御する方式の保持ステージを備えたプラズマ処理装置において、
前記電極ブロックの中で当該電極ブロックの内側と外側で独立して設けられている第１と第２の流路と、
これら第１と第２の流路の間に設置した熱伝達抑制用のスリットと、
前記第１と第２の流路に、温度と流量の少なくとも一方が制御された熱媒を独立して供給する第１と第２の熱媒供給手段とが設けられていることを特徴とするプラズマ処理装置。In the plasma processing apparatus provided with a holding stage of a system for controlling the temperature of the electrode block and controlling the temperature of the semiconductor wafer,
A first flow path and a second flow path provided independently inside and outside the electrode block in the electrode block;
A slit for suppressing heat transfer installed between the first and second flow paths;
The first and second flow paths are provided with first and second heat medium supply means for independently supplying a heat medium whose temperature and / or flow rate is controlled independently. Plasma processing equipment.

請求項１に記載の発明において、
前記第１と第２の流路が、前記電極ブロックに取付けた円形断面又は多角形断面の配管で形成されていることを特徴とするプラズマ処理装置。In the invention of claim 1,
The plasma processing apparatus, wherein the first and second flow paths are formed by pipes having a circular cross section or a polygon cross section attached to the electrode block .