JP5090536B2 - 基板処理方法及び基板処理装置 - Google Patents
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Description
本発明は、静電チャックテーブルを利用した基板処理方法及び基板処理装置に関する。
半導体装置の製造工程では、半導体基板（ウェーハ）に対して成膜、エッチング、表面改質等の種々の処理が減圧下で行われる。ところで、このようなウェーハ処理では、処理中におけるウェーハ温度を面内全体にわたって均一に制御することが重要であり、温度制御されたステージに対してウェーハの全面を均一に密着固定させる必要がある。そのようなウェーハの密着固定方法としては、現在、静電吸着方式が主流となっている。
また、減圧雰囲気中で加熱あるいは冷却された静電チャックテーブルにウェーハを吸着固定させてウェーハの温度制御をする際に、テーブルのウェーハ吸着面に熱伝導性のよいガスを供給してウェーハ下面とテーブルの吸着面との間でそのガスを介して熱伝達を行わせる方法がある（例えば、特許文献１）。
テーブルの静電吸着面に、ウェーハ・テーブル間の熱伝達を担う媒体ガスを供給する場合、そのガスを処理室外部からテーブル表面（吸着面）へと導くための機構（テーブル内を通されるガス供給管など）が必要である。特にウェーハ面内での均一処理を図るため静電チャックテーブルを回転させるような場合には、その回転中のテーブルに対して処理室外部からガスを供給できるようにする機構が必要になり、装置構造が複雑化し、コストアップにつながる。
本発明は上述の問題に鑑みてなされ、静電チャックテーブルにガス供給機構を設けなくても、基板とテーブル吸着面との間でガスを媒体とした熱伝達を行わせることのできる基板処理方法及び基板処理装置を提供する。
本発明の一態様によれば、減圧下の処理室内で、静電チャックテーブルの静電吸着面に吸着された基板に対して処理を行う基板処理方法であって、前記基板を前記静電吸着面に対して離間させた状態で、前記処理室内を前記処理時における第１の圧力よりも高い第２の圧力にするステップと、前記第２の圧力下で前記基板を前記静電吸着面に対して移動させて前記基板を前記静電吸着面に吸着させ、前記基板と前記静電吸着面との間に前記第２の圧力下で前記処理室内に存在していたガスを介在させるステップと、前記ガスを媒体に前記基板と前記静電チャックテーブルとの間で熱伝達を行わせ、前記基板を加熱または冷却するステップと、前記処理室内を排気して前記第１の圧力にし、前記第１の圧力下で前記基板の処理を行うステップと、を備えたことを特徴とする基板処理方法が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、ガス導入口を介してガス導入可能であり、且つ排気口を介して排気可能な処理室と、基板を静電吸着可能な静電吸着面と基板温度制御機構とを有し、前記処理室内で回転可能に設けられた静電チャックテーブルと、前記処理室内で前記基板を前記静電吸着面に対して移動させる移動機構と、前記処理室内の圧力及び前記移動機構の動作を制御する制御装置であって、前記基板を前記静電吸着面に対して離間させた状態で前記処理室内を前記基板の処理時における第１の圧力よりも高い第２の圧力にし、この第２の圧力下で前記基板を前記静電吸着面に対して移動し前記静電吸着面に吸着させ、前記基板が前記静電吸着面に吸着された状態で前記処理室内の圧力を前記第２の圧力から前記第１の圧力にし、この第１の圧力下で前記基板の処理を行わせる制御装置と、を備えたことを特徴とする基板処理装置が提供される。
また、本発明のさらに他の一態様によれば、ガス導入口を介してガス導入可能であり、且つ排気口を介して排気可能な処理室と、基板を静電吸着可能な静電吸着面と基板温度制御機構とを有し、前記処理室内で回転可能に設けられた静電チャックテーブルと、前記処理室内で前記基板を前記静電吸着面に対して移動させる移動機構と、を備え、前記基板が前記静電吸着面に吸着された状態で前記基板と前記静電吸着面との間には、前記基板の処理時における第１の圧力よりも高い第２の圧力下で前記処理室内に存在していたガスが介在され、前記ガスを媒体に前記基板と前記静電チャックテーブルとの間で熱伝達を行わせて前記基板を加熱または冷却可能であることを特徴とする基板処理装置が提供される。
また、本発明の他の一態様によれば、ガス導入口を介してガス導入可能であり、且つ排気口を介して排気可能な処理室と、基板を静電吸着可能な静電吸着面と基板温度制御機構とを有し、前記処理室内で回転可能に設けられた静電チャックテーブルと、前記処理室内で前記基板を前記静電吸着面に対して移動させる移動機構と、前記処理室内の圧力及び前記移動機構の動作を制御する制御装置であって、前記基板を前記静電吸着面に対して離間させた状態で前記処理室内を前記基板の処理時における第１の圧力よりも高い第２の圧力にし、この第２の圧力下で前記基板を前記静電吸着面に対して移動し前記静電吸着面に吸着させ、前記基板が前記静電吸着面に吸着された状態で前記処理室内の圧力を前記第２の圧力から前記第１の圧力にし、この第１の圧力下で前記基板の処理を行わせる制御装置と、を備えたことを特徴とする基板処理装置が提供される。
また、本発明のさらに他の一態様によれば、ガス導入口を介してガス導入可能であり、且つ排気口を介して排気可能な処理室と、基板を静電吸着可能な静電吸着面と基板温度制御機構とを有し、前記処理室内で回転可能に設けられた静電チャックテーブルと、前記処理室内で前記基板を前記静電吸着面に対して移動させる移動機構と、を備え、前記基板が前記静電吸着面に吸着された状態で前記基板と前記静電吸着面との間には、前記基板の処理時における第１の圧力よりも高い第２の圧力下で前記処理室内に存在していたガスが介在され、前記ガスを媒体に前記基板と前記静電チャックテーブルとの間で熱伝達を行わせて前記基板を加熱または冷却可能であることを特徴とする基板処理装置が提供される。
本発明によれば、静電チャックテーブルにガス供給機構を設けなくても、基板とテーブル吸着面との間でガスを媒体とした熱伝達を行わせることのできる基板処理方法及び基板処理装置が提供される。
以下、図面を参照し、本発明の実施形態について説明する。本発明の実施形態では、例えば、半導体ウェーハを処理対象の基板とし、その半導体ウェーハに対して減圧下の処理室内でスパッタ成膜処理を行う例を挙げて説明する。
図１は、本発明の実施形態に係る基板処理装置における静電チャックテーブル設置部分の模式図である。
本実施形態に係る基板処理装置は、チャンバー壁１１によって囲まれた処理室１２を有し、その処理室１２内には、ガス導入口１３を介して各種ガスを導入可能であり、また排気口１６を介して真空排気可能である。ガス導入口１３はガス導入管１４を介して図示しないガス供給源に接続されている。排気口１６は排気管１７を介して図示しない真空ポンプ等に接続されている。ガス導入管１４と排気管１７にはそれぞれガス導入弁１５、排気弁１８が設けられている。処理室１２の外部に設けられた制御装置５０がガス導入弁１５、排気弁１８を制御することでガス導入量と排気量が制御され、処理室１２内を所望のガスによる所望の圧力下にすることが可能である。
処理室１２の底部付近には、静電チャックテーブル２１が設けられている。本実施形態では、半導体ウェーハＷの被成膜面全面に均一に成膜するため、静電チャックテーブル２１に吸着固定された半導体ウェーハＷを回転させながらスパッタ成膜を行うようにしている。したがって、静電チャックテーブル２１は、その回転軸２６が処理室１２の外部で図示しない回転駆動機構に連結され、図１において１点鎖線で示す回転中心のまわりに回転可能に設けられている。
静電チャックテーブル２１の上部には、金属製のベース部材２２とセラミック製の誘電体２３とからなる静電チャック機構が設けられている。誘電体２３は例えば円盤状に形成され、その上面には円形状の静電吸着面２３ａを有する。
誘電体２３の内部には電極が設けられ、その内部電極に図示しない電源から電圧を印加すると、静電吸着面２３ａと、この上に載置された半導体ウェーハＷとの間に静電気力が発生し、半導体ウェーハＷは静電吸着面２３ａに吸着固定される。
また、静電チャックテーブル２１には基板温度制御機構が設けられている。具体的には、静電チャックテーブル２１の内部に基板冷却機構として冷却液流路２７が形成され、あるいは図３に示すように基板加熱機構としてヒーター２５が内蔵されている。基板加熱機構と基板冷却機構は、必要に応じて、どちらか一方のみでもよいし、両方設けてもよい。
冷却液流路２７は、静電チャックテーブル２１の回転軸２６の内部を通されて、その回転軸２６の端部でロータリージョイントを介して、処理室１２の外部に設けられた冷却液供給管や冷却液供給源に接続されている。
ヒーター２５や静電チャック用の電極に給電するためのケーブルも静電チャックテーブル２１の回転軸２６の内部を通されて、その回転軸２６の端部でスリップリングを介して、処理室１２の外部に設けられた電力供給源に接続されている。
また、処理室１２内には、半導体ウェーハＷを静電吸着面２３ａに対して移動（昇降）させる移動機構としてリフト機構３１が設けられている。リフト機構３１は、ロッド部３３とテーブル部３４とピン３２を有し、これらは一体となって昇降される。
ロッド部３３は、チャンバー壁１１の底壁部を貫通し、処理室１２の外部で、図示しないシリンダ装置またはモーターなどの駆動機構に連結されている。その駆動機構の駆動により、ロッド部３３は昇降される。チャンバー壁１１の底壁部におけるロッド部３３が貫通している部分には、ロッド部３３の上下動を許容しつつ処理室１２内外を気密に遮断するシール機構が設けられている。
ロッド部３３における処理室１２内の上端部にテーブル部３４が設けられている。テーブル部３４は、処理室１２内に略水平に広がり、その中央には、静電チャックテーブル２１の回転軸２６が通された貫通孔が形成され、テーブル部３４はその回転軸２６に対して相対的に上下動可能となっている。
テーブル部３４上には、上方に延在する複数本のピン３２が設けられている。各ピン３２は、静電チャックテーブル２１の上下方向を貫通して形成されたガイド孔２４を通されて、各ピン３２の上端部は静電チャックテーブル２１の上方に突出可能となっている。
処理室１２内における静電チャックテーブル２１の上方には、図示しないターゲットが、静電吸着面２３ａと対向して設けられている。
次に、本実施形態に係る基板処理方法として、半導体ウェーハＷに対するスパッタ成膜処理について説明する。本実施形態では、制御装置５０の制御に基づき、ガス導入弁１５、排気弁１８、リフト機構３１、静電吸着用電極への電圧印加、基板温度制御機構などの動作タイミングが制御され、以下の一連の処理が実行される。
半導体ウェーハＷは、搬送ロボット等により、チャンバー壁１１に形成された搬出入口（図示せず）を通じて処理室１２内に搬入される。この搬入後の半導体ウェーハＷは、処理室１２内で、図１（ａ）に示すように、リフト機構３１の複数本のピン３２の先端に支えられる。
この半導体ウェーハＷがピン３２によって持ち上げられて静電吸着面２３ａに対して上方に離間している状態で、ガス導入弁１５を開けてガス導入口１３より不活性ガス（例えばアルゴンガス）を処理室１２内に導入する。このガス導入時、排気弁１８は閉じられ、よって、処理室１２内のガス圧力（以下、単に圧力ともいう）は時間経過と共に上昇していく。また、このときターゲットには電力は印加せず、処理室１２内に放電は生じさせずに、プラズマを発生させていない。
処理室１２内にプラズマを発生させて半導体ウェーハＷに対してスパッタ成膜を行う時の処理室１２内圧力を第１の圧力とすると、前述した図１（ａ）に示す状態での処理室１２内圧力は、その第１の圧力よりも高い（低真空な）第２の圧力にする。第１の圧力は所望のスパッタ成膜処理に適した圧力であり、例えば０．１〜１（Ｐａ）ほどである。これに対して第２の圧力は、１００〜１０００（Ｐａ）ほどである。
この比較的高い圧力の第２の圧力下で、リフト機構３１を下降させる。これにより、ピン３２が下降し、その先端に支えられている半導体ウェーハＷは静電吸着面２３ａに向けて移動（下降）し、半導体ウェーハＷは図１（ｂ）に示すように静電吸着面２３ａに吸着固定される。このとき、処理室１２内は上記第２の圧力下であるため、半導体ウェーハＷと静電吸着面２３ａとの間に、第２の圧力下で処理室１２内に存在していたガスが介在される。
静電吸着面２３ａは、完全に平滑な面ではなく、例えば加工痕等の微細な凹凸が存在し（あるいは粗面化処理を行ってもよい）、半導体ウェーハＷが吸着された状態においてもその半導体ウェーハＷの下面と静電吸着面２３ａとの間には微小隙間が存在する。したがって、その微小隙間に上記第２の圧力下のガスを封入することができる。
そして、ヒーター２５により静電吸着面２３ａを加熱あるいは冷却液流路２７に冷却液を供給して静電吸着面２３ａを冷却すれば、半導体ウェーハＷと静電吸着面２３ａとの間に介在された上記ガスを媒体に半導体ウェーハＷと静電吸着面２３ａとの間で熱伝達を行わせて、半導体ウェーハＷを加熱または冷却することができる。
上記第２の圧力は、一般的なウェーハ処理時における処理室内圧力よりも高い圧力であり、そのため半導体ウェーハＷと静電吸着面２３ａとの間にそれら両者間の熱伝達を担うのに十分な数のガス分子を存在させることができる。この結果、そのガスを媒体として、静電吸着面２３ａ側から半導体ウェーハＷ側への熱移動（半導体ウェーハＷの加熱）や、半導体ウェーハＷ側から静電吸着面２３ａ側への熱移動（半導体ウェーハＷの冷却）を効率よく行わせることができ、半導体ウェーハＷを所望の温度に効率良く、また面内均一性を確保しつつ制御することが可能となる。
そして、本実施形態では、半導体ウェーハＷと静電吸着面２３ａとの間に両者間の熱伝達を担う媒体ガスを介在させるにあたって、静電チャックテーブル２１には一切ガス供給機構を設けずに、半導体ウェーハＷのチャッキングを、ウェーハ処理時圧力より高く、熱伝達媒体として十分に機能するガス分子数の第２の圧力下で行うという方法により実現している。このため、静電チャックテーブル２１には、上記熱媒体用のガス供給機構を別途設ける必要がなく、装置構造が簡単になり、コストダウンを図れる。
特に、本実施形態では、静電チャックテーブル２１は回転されるため、その静電チャックテーブル２１に内蔵される静電チャック用電極、基板温度制御機構（ヒーター２５、冷却液流路２７等）の給電ケーブルや冷却配管は、回転軸２６内を通さなければならず、この回転軸２６内にさらに熱媒体用ガス供給配管も通すとなると、回転軸２６内の限られたスペースでは難しい場合もある。この熱媒体用ガス供給配管が不要になるということは装置設計が簡単になる。
一方、半導体ウェーハＷに対するスパッタ成膜処理時には、排気弁１８を開けて処理室１２内を排気すると共に、ガス導入口１３より所望のプロセスガスを導入して、これら排気量とガス導入量の制御により処理室１２内を上記第２の圧力よりも低い（高真空な）第１の圧力にし、さらに静電チャックテーブル２１を回転させて、上記第１の圧力下で半導体ウェーハＷに対するスパッタ成膜処理を行う。
具体的には、処理室１２の上部に設けられた図示しないターゲットに電圧を印加することでターゲットと静電チャックテーブル２１との間に放電を起こして処理室１２内にプラズマを生起し、これにより生じたイオンがターゲットと静電チャックテーブル２１間の電界によりターゲットに向けて加速されてターゲットに衝突することで、ターゲット材料の粒子がターゲットからたたき出されて半導体ウェーハＷの被成膜面に付着堆積する。このとき、半導体ウェーハＷは静電チャックテーブル２１ごと回転されているため、膜厚のウェーハ面内均一性を向上させることができる。
なお、スパッタ成膜処理時における処理室１２内の第１の圧力への減圧時、半導体ウェーハＷと静電吸着面２３ａとの間の微小隙間内の上記熱媒体ガスは完全には排気されず、ある程度は残って存在する。したがって、その熱媒体ガスを介して、スパッタ成膜処理中においても、半導体ウェーハＷを所望の温度に制御可能となる。
次に、図２は、本発明の他の実施形態に係る基板処理装置における静電チャックテーブル設置部分の模式図である。なお、図１に示す前述した実施形態と同じ要素については同じ符号を付しその詳細な説明は省略する。
本実施形態では、静電吸着面２３ａに、処理室１２内に臨む複数の凹部４１を形成している。凹部４１は、処理室１２の外部のガス供給系などにはつながらずに、静電チャックテーブル２１内で閉じた空間として形成されている。
静電吸着面２３ａに凹部４１を形成することで、半導体ウェーハＷが上記第２の圧力下で静電吸着面２３ａに吸着された際に凹部４１内に上記熱媒体ガスが封入され、静電吸着面２３ａの表面状態に関係なく、半導体ウェーハＷの下面側に確実に熱媒体ガスを存在させることができる。
凹部４１は、スリット（溝）状に形成してもよいし、各々独立した孔状に形成してもよい。いずれにしても、熱媒体ガスを半導体ウェーハＷの面方向全体に偏りなく存在させることができるよう、凹部４１は静電吸着面２３ａの面方向全体にわたって偏在することなく形成することが望ましい。
以上、具体例を参照しつつ本発明の実施形態について説明した。しかし、本発明は、それらに限定されるものではなく、本発明の技術的思想に基づいて種々の変形が可能である。
処理対象の基板としては、半導体ウェーハに限らず、例えば、リソグラフィにおけるパターン転写用のマスク、ディスク状記録媒体、表示パネル基板、太陽電池用パネル基板などであってもよい。また、基板に対して行う処理もスパッタ成膜に限らず、スパッタエッチング、ＣＤＥ（chemical dry etching）、ＣＶＤ（chemical vapor deposition）、プラズマ重合処理、表面改質などの処理であってもよい。
１２ 処理室
１３ ガス導入口
１６ 排気口
２１ 静電チャックテーブル
２２ ベース部材
２３ 誘電体
２３ａ 静電吸着面
２５ ヒーター
２６ 回転軸
２７ 冷却液流路
３１ リフト機構
４１ 凹部
５０ 制御装置
１３ ガス導入口
１６ 排気口
２１ 静電チャックテーブル
２２ ベース部材
２３ 誘電体
２３ａ 静電吸着面
２５ ヒーター
２６ 回転軸
２７ 冷却液流路
３１ リフト機構
４１ 凹部
５０ 制御装置
Claims (5)
- 減圧下の処理室内で、静電チャックテーブルの静電吸着面に吸着された基板に対して処理を行う基板処理方法であって、
前記基板を前記静電吸着面に対して離間させた状態で、前記処理室内を前記処理時における第１の圧力よりも高い第２の圧力にするステップと、
前記第２の圧力下で前記基板を前記静電吸着面に対して移動させて前記基板を前記静電吸着面に吸着させ、前記基板と前記静電吸着面との間に前記第２の圧力下で前記処理室内に存在していたガスを介在させるステップと、
前記ガスを媒体に前記基板と前記静電チャックテーブルとの間で熱伝達を行わせ、前記基板を加熱または冷却するステップと、
前記処理室内を排気して前記第１の圧力にし、前記第１の圧力下で前記基板の処理を行うステップと、
を備えたことを特徴とする基板処理方法。 - 前記基板を吸着した状態の前記静電チャックテーブルを回転させながら、前記基板に対して前記第１の圧力下で前記処理を行うことを特徴とする請求項１記載の基板処理方法。
- ガス導入口を介してガス導入可能であり、且つ排気口を介して排気可能な処理室と、
基板を静電吸着可能な静電吸着面と基板温度制御機構とを有し、前記処理室内で回転可能に設けられた静電チャックテーブルと、
前記処理室内で前記基板を前記静電吸着面に対して移動させる移動機構と、
前記処理室内の圧力及び前記移動機構の動作を制御する制御装置であって、前記基板を前記静電吸着面に対して離間させた状態で前記処理室内を前記基板の処理時における第１の圧力よりも高い第２の圧力にし、この第２の圧力下で前記基板を前記静電吸着面に対して移動し前記静電吸着面に吸着させ、前記基板が前記静電吸着面に吸着された状態で前記処理室内の圧力を前記第２の圧力から前記第１の圧力にし、この第１の圧力下で前記基板の処理を行わせる制御装置と、
を備えたことを特徴とする基板処理装置。 - ガス導入口を介してガス導入可能であり、且つ排気口を介して排気可能な処理室と、
基板を静電吸着可能な静電吸着面と基板温度制御機構とを有し、前記処理室内で回転可能に設けられた静電チャックテーブルと、
前記処理室内で前記基板を前記静電吸着面に対して移動させる移動機構と、
を備え、
前記基板が前記静電吸着面に吸着された状態で前記基板と前記静電吸着面との間には、前記基板の処理時における第１の圧力よりも高い第２の圧力下で前記処理室内に存在していたガスが介在され、前記ガスを媒体に前記基板と前記静電チャックテーブルとの間で熱伝達を行わせて前記基板を加熱または冷却可能であることを特徴とする基板処理装置。 - 前記静電吸着面には、前記処理室内に臨む凹部が形成され、
前記凹部は、前記処理室の外部のガス供給系にはつながらずに、前記静電チャックテーブル内で閉じた空間として形成され、
前記凹部には、前記基板が前記静電吸着面に吸着された状態で前記ガスを封入可能であることを特徴とする請求項３または４に記載の基板処理装置。
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