JP6215002B2 - フォーカスリングの製造方法及びプラズマ処理装置の製造方法 - Google Patents

Description

本発明の種々の側面及び実施形態は、フォーカスリング及びプラズマ処理装置に関するものである。

半導体製造工程で用いられるプラズマ処理装置においては、処理チャンバー内に設けられた基板載置台上に半導体ウェハ等の被処理基板を載置し、真空環境下で処理チャンバーに高周波電圧を印加することで、処理チャンバー内にプラズマを発生させ被処理基板のエッチング等を行う。このようなプラズマ処理装置では、載置台の上に設置した前記被処理基板の外周部にフォーカスリングを設置し、被処理基板の面内におけるプラズマ処理の均一性を高めることが知られている。

このような構成においては、一般に、減圧された処理チャンバー内で載置台の外周上部とフォーカスリングの間に真空断熱層が形成されてしまい、載置台の外周上部とフォーカスリング間の熱伝導が非常に悪くなる。真空断熱層が形成された場合、フォーカスリングが冷却され難くなり、結果として、フォーカスリングの温度が高くなる。その結果、フォーカスリング近傍の半導体ウェハ外周部の例えばエッチレート、ホール抜け性（エッチングにより所定の深さまで確実に掘り込むことのできる特性）が低下したり、エッチングのアスペクト比が低下する等、半導体ウェハ外周部のエッチング特性が悪くなるということがあった。

また、上記のような状況で続けてプラズマ処理を行うと、フォーカスリングに熱が蓄積していき、その結果、フォーカスリングの温度が一定とならないため、均一なエッチング処理を同一ロット内の複数の半導体ウェハに施すことが困難になるということがある。

フォーカスリングの効率的な冷却方法として、フォーカスリングと載置台の外周上部の間に熱伝導性の良好な熱伝導シートを介在させる事が行われている。熱伝導シートの装着に際して、フォーカスリングと熱伝導シート間、熱伝導シートと載置台の外周上部との間に極微量でも空気が存在すると熱伝導が不十分となり、フォーカスリングの冷却が不十分となる。これを防止するために、熱伝導シートの装着に際してチャンバー内の減圧と加圧操作を繰り返したり、機械的押圧手段による荷重をかけて熱伝導シートの密着性を向上させるなどの操作が行われている。

特開２００８−２４４０９６号公報

このようなフォーカスリングを有するプラズマ処理装置では、フォーカスリングもプラズマに晒されるため、このフォーカスリング自体もエッチングされて消耗する。このようなフォーカスリングの消耗につれて半導体ウェハの面内における処理の均一性も悪化するため、ある程度フォーカスリングが消耗した時点で、消耗したフォーカスリングを新しいフォーカスリングに交換する必要がある。交換のために載置台の外周上部からフォーカスリングを取り外す際に、機械的押圧手段により強く密着した熱伝導シートの破れなどが発生し、大きな問題となっている。

本発明者らは、上記課題を解決するための手段を鋭意検討した結果、手作業でフォーカスリングに熱伝導シートを密着させた状態で貼り付けることが困難であることを確認した。そこでフォーカスリングと熱伝導シートを予め工場レベルで強固に固定、即ち、フォーカスリングと熱伝導シートを強固に一体化することで上記課題を解決することができるという知見を得た。

すなわち、本発明の第一の主要な観点によれば、処理チャンバー内で被処理基板を載置保持する載置台の外周上部に着脱可能に装着されるフォーカスリングであって、このフォーカスリングは、被処理基板を保持する側の表面と載置台の外周上部に装着される側の裏面とを有するリング状の本体と、本体の裏面に予め固定され、このリング本体を載置台の外周上部に装着する際に、リング本体と載置台の外周上部との間に介在するように装着された粘着性の熱伝導シートとを有し、前記熱伝導シートは、リング本体に予め接着され一体化されたものであり、熱伝導シートの一方の面にこの熱伝導シートと同質の未加硫ゴムを塗布した後、この面をリング本体に接合し、リング本体と共に加熱処理することによりリング本体に加硫接着されることで一体化されたものであることを特徴とするフォーカスリングが提供される。

このような構成によれば、未加硫ゴムを接着剤として用いてフォーカスリングに熱伝導シートを密着固定することができる。これによって、熱伝導シートとフォーカスリング間の熱移動を十分可能にすることで、良好な熱伝達に富むフォーカスリングを得ることができる。

すなわち、上記のような構成によれば、上記熱伝達シートとリング本体との間に気泡が形成されることがない。つまり、従来のような機械的押圧手段がなくても、十分な熱伝導性を確保することができるのである。

なお、特許請求の範囲に記載されていない本発明の他の特徴は、次の最良の実施形態の項及び添付した図面に当業者がわかるように記載されている。

図１は、本発明の実施に用いられるプラズマ処理装置の一例を示す断面概要図である。 図２は、本実施例の装置におけるフォーカスリングの構造を示した図である。 図３は、本実施例における熱伝導シートの構造を示した図である。 図４は、本実施例におけるフォーカスリングと熱伝導シートと一体化する方法を示したフローチャートである。 図５は、本実施例における熱伝導シートの熱伝導性と硬さの関係を示した図である。

本発明は、プラズマ処理装置と、これに用いる熱伝導促進用の熱伝導シートに関するものであるが、まず、本発明を実施するのに用いられるプラズマ処理装置について説明する。

（本実施形態の構成）
図１は、本発明の実施に用いられるプラズマ処理装置１の一例を示す断面概要図である。プラズマ処理装置１は、半導体ウェハ２を収容するチャンバー３を有し、チャンバー３内には半導体ウェハ２を載置する載置台として、静電チャック４、円柱状のサセプタ５が配置されている。チャンバー３の内壁面とサセプタ５の側面との間に、ガスを排出するための側方排気路６が形成され、この側方排気路６の途中に、多孔板からなる排気プレート７が配されている。排気プレート７は、チャンバー３を上下に区分する仕切り板としての機能を有し、排気プレート７の上部は反応室８となり、下部は排気室９となる。排気室９には、排気管１０が開口し、図示していない真空ポンプにより、チャンバー３内は真空排気される。また、載置台として、静電チャック４とフォーカスリング１４との間にセラミックのリングや金属のリングがさらに設けられていてもよい。

サセプタ５の上部には、静電電極板１１を内蔵する静電チャック４が配置されている。静電チャック４は、円盤状の誘電体（セラミック等）の間に静電電極板１１を挟んだ形状になっている。直流電源１２に接続された静電電極板１１に直流高電圧を印加することにより、上部円盤状部材表面に誘電電位が生じ、その上に載置した半導体ウェハ２をクーロン力又はジョンソン・ラーベック力により吸着保持する。

静電チャック４は、サセプタ５に固定されており、絶縁部材１３と半導体ウェハ２の間にフォーカスリング１４が取り付けられている。この絶縁部材１３は、プラズマが外周方向に向かって広がり過ぎないようにする作用があり、プラズマが広がり過ぎて、排気プレート７から排気側に漏れてしまうことを防止するように電界を規制する。また、フォーカスリング１４の表面は、導電体材料、例えばシリコン、シリコンカーバイドや、アルミナセラッミクス、石英等などから形成されている。フォーカスリング１４は半導体ウェハ２の外周を覆って、その表面が反応室８の空間に露出しており、反応室８内のプラズマを半導体ウェハ２に収束させる機能を有する。

反応室８内にプラズマを発生させるのは、反応室８上部のガス導入シャワーヘッド１５に上部高周波電源１６から印加された高周波電力または、サセプタ５に下部高周波電源１７から印加された高周波電力の作用による。また１６と１７は２周波以上でも構わない。ガス導入シャワーヘッド１５には、ガス導入管１８から反応ガスが供給され、更に、バッファ室１９を介して上部電極板２０に設けられた多数のガス孔２１を流通する際にプラズマ化されて、反応室８に供給される。

高温のプラズマに晒された半導体ウェハ２は温度が上がるため、サセプタ５への熱伝導により冷却される。そのため、サセプタ５は熱伝導性の良い金属材料で構成され、その内部に冷媒流路２２を設けて、冷媒供給管２３から水やエチレングリコール等の冷媒を循環して冷却する。また、半導体ウェハ２を吸着する面に多数の熱伝導ガス供給孔２４を設け、ヘリウムをこの孔から充填させて、半導体ウェハ２の裏面を冷却している。

図２は、この実施例の装置におけるフォーカスリング１４の詳細を示す断面図で、図１のＡ部の拡大図である。半導体ウェハ２は静電チャック４上に吸着保持されている。静電チャック４は、サセプタ５に固定されており、サセプタ５の内部には、冷媒流路２２が設けられている。

フォーカスリング１４は、誘電体材料又は、導電体材料からなるリング状の本体を有する。このリング状の本体には、熱伝導シート２５が予め一体化されている。この熱伝導シート２５は、フォーカスリング１４とサセプタ５との接触面の間に挟んで両者間の熱伝導を促進させるために用いられるもので、柔軟性と熱伝導性に富む高分子材料（ゲル状ポリマーが好適）からなるものである。上述のように、載置台として、サセプタ５とフォーカスリング１４との間にセラミックのリングや金属のリングがさらに設けられている場合もある。この場合には、この熱伝導シート２５は、フォーカスリング１４とセラミックリング若しくは金属のリングとの接触面の間に挟んで両者間の熱伝導を促進させるために用いられる。

本発明においては、上述したように、この熱伝導シート２５の一方の面２５ａを予めフォーカスリング１４に一体的に接着しておき、この熱伝導シート２５とフォーカスリング１４との間の熱伝導を損失しないように構成することが特徴である。

図３は、本実施例で用いた熱伝導シート２５の構造を示す図で、図３（ａ）は静電チャック４側から見た底面図、図３（ｂ）は図３（ａ）のＸ−Ｘ透視断面である。なお、このリング本体には、ボルト孔等は設けられておらず、機械的な押圧手段を用いることなく熱伝導性を担保する。

熱伝導シート２５は、耐熱性、耐プラズマ性に優れた液状シリコンゴムあるいは液状
フッ素ゴムに熱伝導性を担保するための充填剤として酸化アルミニウム粉末やカーボン粉末を添加し、硬化させたものからなり、柔軟性と熱伝導性を有する物が使用される。

特に、この発明の構成では、前記熱伝導シート２５の他方の面２５ｂの静電チャック４への適切な密着性を担保する必要があり、この観点で、適度な柔らかさを有する熱伝導シート２５が必要である。一般に、硬度が小さいシートは密着性がよい反面、剥し難いという欠点を有する。一方、硬度が大きい熱伝導シートは、剥離性や取り扱い性に富んではいるが、載置台への密着性に難があり、載置台と熱伝導シート間の界面での熱伝達という面で問題を抱えている。本熱伝導シート２５の硬度について種々検討した結果、好ましくは、ショアーＡ（Ｓｈｏｒｅ Ｈａｒｄｎｅｓｓ）で表した硬度が１０〜６０の範囲にあるものが、また、特に好ましくは、１５〜５５の範囲にあるものが良好な密着性を示す事が分かった。

図５に例示したように、熱伝導シートの熱伝導性と硬さには相反する関係がある。良好な熱伝導性を有する熱伝導シートを作成する目的で多くの熱伝導材を液状ゴムに配合すると硬化した熱伝導シートの硬さが大きくなり、また、密着性を良くするために硬さの小さな熱伝導シートを作成しようとすると多くの熱伝導材を配合する事ができず、結果として熱伝導シートの熱伝導性が不十分となる。

多くの繰り返し実験の結果、以下に示したような液状のシリコンゴムあるいは液状のフッ素ゴムに熱伝導性の良好なカーボンファイバーを混合した組成物が硬さならびに熱伝導性の面で良好なバランスを有する事が分かった。

液状シリコンゴムとしては、架橋反応中に副生物が発生しないという観点から、ケイ素原子に結合したアルケニル基を、１分子中に２個以上の有するオルガノポリシロキサンが適切である。このオルガノポリシロキサンは、液状であればその分子構造は限定されず、例えば、直鎖状、分岐鎖状、一部分岐を有する直鎖状があげられるが、特に好ましくは直鎖状である。

アルケニル基としては、例えば、ビニル基、アリル基、プロペニル基、イソプロペニル基などの炭素数２〜８程度のものがあげられる。中でもビニル基、アリル基などの低級アルケニル基が好ましく、特にビニル基が最も好ましい。

このアルケニル基は分子鎖末端のケイ素原子に、あるいは分子鎖中のケイ素原子に結合していてもよいが、硬化物を柔軟性のよいものとするためには、分子鎖末端のケイ素原子にのみに結合するものが好ましい。

アルケニル基以外のケイ素原子に結合する基としては、例えばメチル基、エチル基、プロピル基、イソプロピル基、ブチル基、イソブチル基、ターシャリーブチル基などの非置換または置換の１価炭化水素基である。そして、これらの基の炭素原子に結合している水素原子の一部または全部が、ふっ素、塩素、臭素、シアノ基などで置換された基、例えばクロロメチル基、２−ブロモエチル基、３，３，３−トリフルオロプロピル基、クロロフェニル基、シアノエチル基などの炭素数が１〜１０のものがあげられる。また、これらの中で好ましくは、メチル基、エチル基、プロピル基、３，３，３−トリフルオロプロピル基などの炭素数１〜３の非置換または置換のアルキル基、およびフェニル基、クロロフェニル基、フルオロフェニル基などの非置換または置換フェニル基である。アルケニル基以外のケイ素原子に結合する基は全てが同一であっても異なっていてもよい。

一方、液状のフッ素ゴムとしては、上記シリコンゴム同様、架橋反応中に副生物がほとんど発生しないという観点では、分子末端あるいは側鎖に二重結合などのアルケニル基あるいはヨウ素、臭素などの反応性を有する液状のフッ素ゴムが好ましい。代表的なフッ素ゴムとしてはヨウ素あるいは臭素原子を有するビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレン共重合体、ビニリデンフルオライドとヘキサフルオロプロピレンとテトラフルオロエチレン３元共重合体、テトラフルオロエチレンとパーフルオロ（メチルビニルエーテル）共重合体である。更には２価のパーフルオロポリエーテル構造または２価のパーフルオロアルキレン構造を有し、末端あるいは側鎖に少なくとも有機珪素化合物中のヒドロシリル基と付加反応可能なアルケニル基を２個以上有する液状フッ素ゴムがある。

後述の熱伝導性充填材の配合により著しく配合物の粘度が上昇するが、加硫シート作成過程での作業性を考慮するとベースポリマーである液状ゴムの粘度は、１〜８０Ｐａ・ｓ（パスカル・秒）の範囲が好ましい。なお、これらの液状ゴムは、１種単独でも、粘度が異なる２種以上を組み合わせても使用することができる。

熱伝導性充填材は当業者に数多く知られているが、プラズマ処理装置内で使用できるという制限下では一部に限られる。具体的には、酸化アルミニウム粉末、酸化ケイ素粉末、酸化チタン粉末、窒化アルミニウム粉末、窒化ホウ素粉末、窒化ケイ素粉末、ダイヤモンド粉末、カーボン粉末、カーボンファイバー、カーボングラファイト粉末があげられる。しかし、少量で効果的に熱伝導性を向上させるという点では、カーボンファイバーが好ましい。

カーボンファイバーは、良好な熱伝導性を示す平均繊維径として５〜２０μ、平均繊維長として２０〜３００μのものが好ましく、その中でも特に、平均繊維径５〜１５μ、平均繊維長３０〜２００μのものがより好ましい。

カーボンファイバーの添加量としては、オルガノポリシロキサンあるいは液状フッ素ゴムの添加量に対して、２０重量部から２００重量部の範囲が好ましい。２０重量部以下では、所望の熱伝導シートが得られないし、２００重量部以上では、加熱硬化して得られる熱伝導シート２５の硬度が大きくなり、載置台への密着性に問題が生じるため、載置台と熱伝導シート２５間の界面での熱伝達という面で好ましくない。

なお、本実施形態の熱伝導シート２５を作成する際には、上記所望の熱伝導シート２５を得るために、その必要とされる性質を損なわない範囲で、通常使用される添加剤または充填剤を上述の組成物に添加する事ができる。具体的にはシリコンオイルやふっ素オイルなどの粘度調整剤、あるいは金属酸化物や金属水酸化物などの難燃性付与剤を添加する事ができる。

熱伝導シートの成形厚みは、好ましくは０．１〜１．０ｍｍであり、特に０．２〜０．５ｍｍの厚みの熱伝導シートが好ましい。成形厚みが０．１ｍｍ未満の熱伝導シートの場合には、強度が小さくなり、取り扱いが悪く、かつ粘着感が低下してしまう場合がある。一方、成形厚みが１ｍｍを超えると熱抵抗が大きくなり、所望の熱伝導性が得られなくなる。

熱伝導シートの熱伝導率は添加するカーボンファイバーの量に比例して大きくなるが、上記熱伝導シート２５の熱伝導率の値は、０．８Ｗ／ｍ・Ｋ以上であることが好ましく、特に、１．０Ｗ／ｍ・Ｋ以上である事が好ましい。

このように形成された熱伝導シート２５は、フォーカスリング１４の裏面に密着固定するために、図３（ａ）に示すような、部分円弧形状に切断される。この実施例では、円周を１２等分しかつ隣り合う熱伝導シートとの間に若干の隙間を確保するような形状に形成され、次に説明する一体化工程を経てフォーカスリング１４の一方の面に接着され、一体化される。

なお、熱伝導シート２５の形状はこのような形状に限定されるものではなく、要は、フォーカスリング１４の一方の面を均等に覆い、かつ、作業性の高い物であればよい。

（熱伝導シート２５とフォーカスリング１４とを一体化する工程）
以下、図４を参照して、熱伝導シート２５とフォーカスリング１４とを一体化する工程について説明する。

上述したように、本発明者らは、上記目的を達成するために鋭意検討を行った結果、フォーカスリング１４と熱伝導シート２５とを、工場レベルで、熱伝導シート２５と同一素材の未加硫ゴムと接着剤として用いて加熱処理し、加硫接着する方法が最適であることを見出した。つまり、熱伝導シート２５がシリコンゴムであれば、シリコンゴム素材の未加硫ゴムを接着剤として用い、熱伝導シート２５がフッ素ゴムであれば、フッ素ゴム素材の未加硫ゴムを接着剤として用いる。

まず、ステップＳ１として上記で制作した熱伝導シート２５の一方の面に未加硫状態の液状シリコンゴム（あるいは液状フッ素ゴム）組成物を塗布する。すなわち、この実施形態では、熱伝導シート２５の作成にあたって用いた未加硫状態の液状シリコンゴム（あるいは液状フッ素ゴム）組成物を接着剤として用いるものである。この組成物は基材であるフォーカスリング１４に加硫接着が可能であることから、接着剤として用いたものである。

ついで、ステップＳ２で、上記熱伝導シート２５を、上記未加硫シリコンゴム組成物が塗布された面をフォーカスリング１４本体の裏面に対向させ位置決めした状態で、フォーカスリング１４に接合する。この接合工程は、人手で行っても、機械で行っても良い。

フォーカスリング１４に熱伝導シート２５が位置決め接合されたならば、ステップＳ３で、このリングと熱伝導シート２５とを１００℃〜１５０℃（液状フッ素ゴムの場合では１３０℃〜１７０℃）好ましくは１３０℃〜１４０℃（液状フッ素ゴムの場合では１４０℃〜１６０℃）で加熱して加硫接着する。この加熱温度でかつ、加熱時間３０〜６０分の条件で十分強固な接着ができる事が分かった。また、この条件であれば、熱伝導シート２５を分解させることなく、所望の性質(柔軟性・粘着性・熱伝導性)を保持することができる。

以上の工程により、熱伝導シート２５が一体化されなるフォーカスリング１４を得ることができる。

このような構成によれば、以下に説明する効果を得ることができる。

１． 熱伝導シート２５と同一素材の未加硫ゴムを接着剤として用い、加熱処理にてフォーカスリング１４に加硫接着する事により、上記熱伝導シート２５が予め一体化されてなるフォーカスリング１４を得ることができる。これにより、熱伝導シート２５とフォーカスリング１４界面での熱伝導性に損失が生じることを防止できる。

２． 上記加熱処理による加硫接着工程において、熱伝導シート２５の性質に影響が与えられることがないから、上記熱伝導シート２５の他方の面に所望の柔軟性および粘着性を確保でき、これにより、熱伝導シート２５と載置台の外周上部との界面の熱伝達性を十分に確保できる。

３． 上記１及び２により、真空断熱により熱がほとんど伝達されないチャンバー環境下においてもフォーカスリング１４と載置台の外周上部との間の熱移動を十分に確保できる。このため、従来のような機械的押圧手段がなくても、所望の温度に制御されたフォーカスリング１４を得ることができる。

４． このフォーカスリング１４を使用し、機械的押圧手段を持たないプラズマ処理装置１によれば、上記フォーカスリング１４を大きな力でチャンバーに対して押し付けないので、上記熱伝導シート２５の他方の面に必要な剥離性を確保することができる。その結果、剥離しづらかったり、無理やり剥離して残渣が残ってしまうといったことが防止できる。

５． なお、この発明は、上記一実施形態に限定されるものではなく、発明の要旨を変更しない範囲で種々変形可能である。

例えば、上記熱伝導シート２５の形状は円周方向に１２等分したものであるが、例えば６等分する事も可能であり、熱伝導シートの面積や分割数を変更することで必要とされるフォーカスリングの温度に合致させることができる。

１ プラズマ処理装置
２ 半導体ウェハ
３ チャンバー
４ 静電チャック
５ サセプタ
６ 側方排気路
７ 排気プレート
８ 反応室
９ 排気室
１０ 排気管
１１ 静電電極板
１２ 直流電源
１３ 絶縁部材
１４ フォーカスリング
１５ ガス導入シャワーヘッド
１６ 上部高周波電源
１７ 下部高周波電源
１８ ガス導入管
１９ バッファ室
２０ 上部電極板
２１ ガス孔
２２ 冷媒流路
２３ 冷媒供給管
２４ 伝熱ガス供給孔
２５ 熱伝導シート
２５ａ （熱伝導シートの）一方の面
２５ｂ （熱伝導シートの）他方の面

Claims (5)

1. 処理チャンバー内で被処理基板を載置保持する載置台の外周上部に着脱可能に装着されるフォーカスリングであって、前記被処理基板を保持する側の表面と前記載置台の外周上部に装着される側の裏面とを有するリング状のリング本体と、前記リング本体の裏面に予め固定され、このリング本体を載置台の外周上部に装着する際に、リング本体と載置台の外周上部との間に介在するように装着された粘着性の熱伝導シートとを有する前記フォーカスリングの製造方法であって、
   円弧形状に形成された１つの前記熱伝導シートを分割して各々が円弧形状に形成された複数の熱伝導シートを製作し、
   各前記熱伝導シートの一方の面に、各前記熱伝導シートと同質の未加硫ゴムを塗布し、
   前記未加硫ゴムが塗布された前記一方の面を前記リング本体に接合し、
   前記リング本体と各前記熱伝導シートとを共に加熱処理することにより前記リング本体と各前記熱伝導シートとを加硫接着して一体化させる
   処理を有することを特徴とするフォーカスリングの製造方法。
2. 請求項１記載のフォーカスリングの製造方法において、
   各前記熱伝導シートと前記リング本体を加硫接着するための加熱処理は、各前記熱伝導シートの柔軟性・熱伝導性を変化させない温度と時間で実行されるものである
   ことを特徴とするフォーカスリングの製造方法。
3. 請求項１記載のフォーカスリングの製造方法において、
   各前記熱伝導シートは、液状シリコンゴムに熱伝導性を担保するための充填剤としてカーボンファイバーを添加してなる未加硫ゴムを加硫硬化させ、シート状に成形したものであり、前記加熱処理は、成形済みの各前記熱伝導シートの柔軟性・熱伝導性を変化させない温度である１００℃〜１５０℃に設定されている
   ことを特徴とするフォーカスリングの製造方法。
4. 請求項１記載のフォーカスリングの製造方法において、
   各前記熱伝導シートは、液状フッ素ゴムに熱伝導性を担保するための充填剤としてカーボンファイバーを添加してなる未加硫ゴムを加硫硬化させ、シート状に成形したものであり、前記加熱処理は、成形済みの各前記熱伝導シートの柔軟性・熱伝導性を変化させない温度である１３０℃〜１７０℃に設定されている
   ことを特徴とするフォーカスリングの製造方法。
5. 請求項１〜４のいずれか一つに記載のフォーカスリングの製造方法によって前記フォーカスリングを製造し、
   製造された前記フォーカスリングを、被処理基板の周縁部を囲うように載置台の外周上部に設置する
   処理を有することを特徴とするプラズマ処理装置の製造方法。

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