JP6282080B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、真空容器内部の減圧された処理室内に配置された半導体ウエハ等の試料を処理室内に形成したプラズマを用いて処理するプラズマ処理装置に係り、特に試料を処理室内部に配置した載置台上に載置してその表面の処理対象の膜をアッシング処理するプラズマ処理装置に関する。

半導体デバイスの製造に用いるアッシング処理装置において、ウエハが処理室の載置台上で生じる位置ずれによって、様々な問題が発生している。

ウエハ載置台上のウエハ位置ずれが発生することで、製品デバイスの処理が止まるだけではなく、処理室を大気開放しウエハを取り出す作業が生じる。更に位置ずれ量が大きい場合は、搬送時にウエハが割れる場合もあり、その場合、ウエットクリーニングを実施する必要があり、製品処理を継続することが出来ない。このため、ウエハ載置上でのウエハの位置ずれは避けなければならない。一方でウエハ裏面とウエハ載置台の部材とが擦れることで異物が発生する原因にもなる。

このような問題点を解決するための技術が従来より知られていた。例えば、特開２００２−５７２１０号公報（特許文献１）には、ウエハ載置台上のウエハ位置ずれの防止や異物の低減をするためのウエハ載置台が開示されている。また、特開２０１２−１４２４４７号公報には、ウエハ載置ステージの上面上方に載せられるスペーサ部材の上面に複数本の環状及び直線状かつスペーサ部材の中心を通って両端縁の間を連通する空気排出溝を備えた構成が開示されている。

また、静電吸着を用いてウエハを吸着させる際に、ウエハとウエハ載置台との接触面積を減らしたウエハ載置台によって、異物発生を防止するものが特許文献３に開示されている。さらに、高温のウエハ保持台を用いる処理装置で、ウエハの反りを抑制する技術が、特許文献４に開示されている。

特開２００２-５７２１０号公報 特開２０１２-１４２４４７号公報 特開２０１２-０５４３９９号公報 特開２００７-２３５１１６号公報

しかしながら、上記の従来技術では次の点について十分に考慮されていないため問題が生じていた。

すなわち、ウエハ載置台上でウエハが位置ずれを起こす原因は、ウエハの裏面と載置台の上面との間のガスの圧力が上昇してしまい、このガスの圧力によって生じる上方向の力によってウエハが持ち上げられる、所謂ホバリングすることで位置ずれが発生するということが、発明者らの検討により知見として得られている。そして、このようなウエハの裏面圧力の上昇は、ウエハがアッシング処理装置等において高温にされたウエハ載置台に載せられて、その上面に対して近接することでウエハが凸方向に反る為である。

このような反らせる力は、ウエハに成膜された膜に応力がかかり、膜の応力によって生じるものと考えられる。そして、ウエハが凸方向に反ったことで、ウエハ裏面とウエハ載置台との間にガスが溜まり、ウエハ裏面の圧力が上昇しホバリングを発生する。

また、ウエハの裏面にも膜が形成されたウエハでは、熱エネルギーによってウエハ裏面から脱ガスを起こし、ホバリングの要因となると考えられる。このようにウエハの位置ずれの原因となるウエハの凸状の反りに起因する裏面側のガスの圧力の上昇の低減またはホバリングの抑制について、上記の従来技術では考慮されていなかった。このため、ウエハの位置ずれに起因した異物が生起する、あるいは搬送用のロボットのアーム上に載せてウエハを載置台から持ち上げて搬送する際にウエハがアームから脱落したり搬送中に処理装置内部の部材と衝突したりしてウエハの損傷が生じることにより、処理の歩留まりや効率が損なわれていた。

本発明の目的は、高温で処理されるプラズマ処理装置のウエハの載置台において、ウエハの位置ずれを抑制して処理の効率を向上したプラズマ処理装置を提供することにある。

上記目的は、真空処理容器内部に配置された処理室内に配置されその円形を有した上面上方で被処理体のウエハをその中心から外周縁まで前記上面からすき間をあけて所定の高さに保持する載置台を備えて前記処理室内に形成したプラズマを用いて前記ウエハを処理するプラズマ処理装置において、前記載置台が、前記上面上に突出して配置され前記ウエハを上端上に載せて保持する複数のピンと、前記上面に配置されその中央部から外周端まで延在し前記ウエハが載せられた状態で当該外周端に前記載置台の外周側に向けて開口を有する複数本の溝とを備え、前記複数本の溝が前記上面の中心を通らずに当該中心を挟んで平行に配置された２本の溝を１対とした複数の対であって前記上面の中心の周りに同じ角度ごとに配置されて、これらの溝の対で区切られた前記載置台の上面の外周側の複数の領域であって当該溝の対同士の間の複数の領域の面積が同じ値を有するように配置された複数の対のみから構成され、前記複数のピンの各々が前記複数本の溝同士の間に配置され前記ウエハが前記ピン上で前記載置台の上面で所定の高さに保持されて前記処理が施されることにより達成される。

実施例のプラズマ処理装置の構成の概略を説明する縦断面図である。 従来技術によるウエハ載置台と図１に示す実施例に係るウエハ載置台の構成の概略を示す上面図及び縦断面図である。 ウエハ位置ずれの要因を説明する図である。 従来のウエハ載置台と本発明のウエハ載置台のアッシングレートを比較したグラフである。 本実施例に係るウエハ載置台と従来技術によるウエハ載置台とでウエハの位置ずれを検証した条件と結果とを示す表である。

本発明の実施の形態を、以下図面を用いて説明する。

図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。特に、本実施例では、プラズマ処理装置としてプラズマを用いたアッシング処理装置を説明する。本発明のプラズマアッシング装置は、ヘリカルアンテナを用いて所定の真空度に減圧されて維持された真空容器内部の処理室内に誘導結合型プラズマを形成して当該処理室内の下部に配置されたウエハ載置台の上面に載せられたウエハ表面のフォトレジスト等マスクといった対象の膜を灰化処理するダウンフローアッシング装置である。

本実施例に係るアッシング処理装置の真空容器は、内外を気密に封止するＯリング等のシール部材を外周縁部の下面で挟んで真空容器の上部に載せられた円板状のトッププレート１と、これの外周縁と接してその下方に配置されて円筒形を有した石英等の誘電体製の石英チャンバ５と、この石英チャンバ５の下端部とその下方で接続されて配置され略直方体形状または平面形が多角形を有した箱形状を備えたアルミ製のチャンバ３とを備えて構成されている。

トッププレート１は、その中央部に真空にされる内部の処理室内に処理用のガスを供給するための貫通孔である一つまたは複数のガス供給孔９が複数配置されている。さらに、その直下方には、処理室の天面を構成する２枚の石英製のバッフル板６、７が配置されている。

これらのうち、上方に配置された１枚目のバッフル板７は、トッププレート１のガス供給孔９から下方に数ミリ程度離間させた位置に配置され、トッププレート１のガス供給口９近傍で発生する異常放電の防止のために取り付けられている。一方、２枚目のバッフル板７は、１枚目のバッフル板６からさらに数センチの下方の位置に配置され、１枚目のバッフル板６から石英チャンバ５の中心へ流れ込むガスを効率良く、外周へ分散する為に設けている。

石英チャンバ５は、円筒形を有した石英で構成され、その外側壁の外周には、これと隙間を開けて等間隔に誘導コイル８が螺旋状に複数回巻き付けられて配置されている。この誘導コイル８には、２７．１２ＭＨｚの高周波電力１０が電源より誘導コイル８に供給されることで、誘導コイル８による誘導磁場が石英チャンバ５内部の円筒形の処理室内の内側壁表面から所定の距離だけ内側に誘導コイル８の位置に沿って螺旋状に形成される、この誘導磁場によって処理室内にガス供給孔９から供給された処理用ガスの分子または原子が励起されてプラズマが形成される。

また、本実施例の石英チャンバ５の高さは、処理室内の下部に配置された円筒形のウエハ載置台１２の円形の上面に載置された試料であるウエハ２０の表面において、上方の誘導コイル８近傍の上記誘導磁場により形成され下方に向かって拡散しつつ移動するプラズマの分布が均一になるように形成されている。また、誘導コイル８の外周には、高周波電力が外側に漏えいすることを防止のため水冷機構４付きのシールド２が円筒形の外側を覆って配置されている。

プラズマまたは処理用ガスは、石英チャンバ５の内壁に沿って石英チャンバ５の下方のチャンバ３の内部で石英チャンバ５の中心軸とその中心軸を合致させて配置されたウエハ載置台１２に載置された試料であるウエハ２０へ向かいつつ拡散してウエハ２０の表面に供給され、円形のウエハ２０または円筒形或いは円板形を有したウエハ載置台１２の中央側から外周側部へ向かって分散して移動する。このようなプラズマまたは処理用ガスのウエハ２０上での強度または密度の均一性を向上させるため、アルミチャンバ３と石英チャンバ５との間にはアルミ製の整流リング１１が配置されている。

整流リング１１の内側に配置された円形の空間を構成する内周端部は、その縦断面が下方のウエハ２０に向かって末広がりとなるテーパ形状となっている。このような形状は、上記の通り誘導磁場は石英チャンバ５の内壁の内側で誘導コイル８に沿って最も強い箇所が生じておりこの箇所において最も強度の高いプラズマが発生することになるので、石英チャンバ５の内側壁に沿った線または面で見た場合にはプラズマは均一に生じていないが、整流リング１１を配置することで、上方から内側壁に沿って移動してくるプラズマがそのまま下方のウエハ２０に到達してプラズマ分布が外周部で高くなることを抑制してウエハ２０上での処理の不均一さを低減するために備えられている。

尚、上記ガス供給孔９から供給された処理用ガスは石英チャンバ５の内壁に沿って誘導コイル８の近くを流れてプラズマを効率良く形成することができる。プラズマによりウエハ２０上面に配置された処理対象の膜がアッシングされて、この際に形成された生成物や未反応の処理用ガスは、チャンバ３の下方に配置され内部と排気口１３を介して連結され処理室内を減圧するための図示されないドライポンプ等の真空ポンプにより排気口１３から排出される。

図２を用いて従来技術および本実施例に係るウエハ載置台の構成を説明する。図２は、従来技術によるウエハ載置台と図１に示す実施例に係るウエハ載置台の構成の概略を示す上面図及び縦断面図である。

本図において、本実施例に係るウエハ載置台１２及び従来技術に係るウエハ載置台１９は、いずれもアルミ製の円筒形または円板状の部材を備えて構成され、その上面にはアルミナ製の高さ：０．１５mmのプロキシピン１５が９箇所に配置されている。

ウエハ２０は、この９箇所（９個）のプロキシピン１５上にウエハ載置台１２または１９の上面との間に所定の隙間を開けて載置されて保持され、当該上面との間で処理用ガスを介した熱伝導により処理に適した高温（本実施例では３００℃）まで昇温される。また、ウエハ載置台１２及び１９上面には直接ウエハ２０が接触するように載置されない為ウエハ２０の裏面はこのような接触による汚染が低減される。

プロキシピン１５先端のウエハ載置台１２上面からの高さが０．１５mm以上になると、ウエハ２０とウエハ載置台１２、１９との間の熱伝導の効率が急激に低下して温度が伝達され難くなるため、ウエハ２０を処理に適した温度まで昇温させるために要する時間をより長くとることが必要となる。しかし、ウエハ２０の昇温時間を長くするとウエハ２０をプラズマ処理装置（アッシング処理装置）の内部に搬送してからアッシング処理を終了するまでの処理全体の時間も長くなることになるので単位時間当たりのウエハ２０の処理の枚数（所謂スループット）が低下することになる。

更に、プロキシピン１５先端を高くすると、ウエハ２０の外周部の排気の影響を受け易くなるため、ウエハ２０外周部の温度が中央部よりも低くなってアッシング処理の処理速度（レート）の面内の分布の不均一さが増大することに繋がる。このような処理に対する影響を考慮して、本実施例のプロキシピン１５先端の高さはアッシング性能に影響がでない高さである０．１５mmに設定されている。

ウエハ載置台１２，１９の外周側壁の下部には、これを囲んで円筒形の排気バッフル１７が取り付けられている。排気バッフル１７は、内外を貫通してパンチング穴１８が形成されウエハ２０表面で実施されたアッシング処理に伴なって形成された副生成物や未反応の処理用ガスは、このパンチング穴１８を通して、ウエハ下部の外周側から排気バッフル１７の内側に流入して、ウエハ載置台１２または１９の周囲方向について不均一さが抑制され排気される構成となっている。

次に、本実施例のウエハ載置台１２の表面に配置された溝の構成とその加工の工程について説明する。ウエハ２０の温度の上昇に伴って生じる裏面と載置台の上面との間の空間内でのガス圧の上昇を抑制してウエハ２０の位置ずれを低減する為に、本実施例のウエハ載置台１２の表面には所定の形状の複数の溝１４を形成している。

発明者らは、溝１４の形状としてその幅と深さの仕様を検討した。溝１４の幅が広すぎるとウエハ載置台１２表面の温度の分布に悪影響が及ぶことになり、溝１４の形状がアッシングレートの面内分布に転写され均一性の悪化を招くことになる。また、例え溝１４の幅が十分に小さくともその深さが大き過ぎると同じようにアッシングレートの面内分布を悪化させることになる。

また、本実施例のウエハ載置台１２の溝１４配置は、ウエハ載置台１２中心部から外周側に向けて放射状に伸びる配置としている。しかし、溝１４がウエハ載置台１２中央部に集中して配置されて単位面積当たりの溝の面積の占める割合が外周側部分と比べて特定の値より大きくなると、ウエハ載置台１２からウエハ２０に伝達される熱量は外周側部分より中央側部分の方が相対的に小さくなり、ウエハ２０表面方向についての温度の分布は中央部で低くなりアッシングレートは均一性が損なわれる虞が有る。

このような課題を考慮して、発明者らが検討した結果、本実施例においては溝１４の幅を４mm、深さを０．５mmの形状とすることで、アッシングレートのウエハ２０の面方向の分布に悪影響を及さすことを抑制することができることが判った。また、溝１４の配置は、溝１４で区切られたウエハ載置台１２の面積が、周方向について、ほぼ同じ値となるなるように配置することで、ウエハ載置台１２表面の温度の分布の不均一性を低減できるという知見を得られた。

本実施例は、上記の知見に基づいて、図２（ｂ）に示すように平行に配置された２本の溝を１対とし、ウエハ載置台１２の中心の周方向について各々同じ相対角度となるように、つまり均等の角度方向に溝１４を３対（６本）配置した。なお、ウエハ載置台１２外周の溝の最終端部は、ウエハの裏面側のガスをウエハ２０外周側の空間に効率良く導いて排出する、あるいはウエハ２０の外周側の処理室内の空間との間でガスを効率良く（抵抗を低くして）通流させるため、溝１４の端部がウエハ２０が載せられた状態で処理室内部と連通する開口が形成されるようにしている。

図３は、ウエハの位置ずれが発生する要因を説明する図である。本図において、図３（ａ）は、ウエハ２０がリフターピン１６上に載せられて保持されている状態を、図３（ｂ）は、リフターピン１６が下降してウエハ載置台１２内部に収納された状態でウエハ２０がプロキシピン１５先端上にその裏面が接して保持されている状態を示している。

ウエハ２０の位置ずれの原因としては、リフターピン１６の先端上に保持されたウエハ２０が、リフターピン１６の下降によってウエハ載置台１２上のプロキシピン１５上において載置面と隙間を開けて保持された状態で、ウエハ２０が３００℃付近まで急激に加熱されることにより、ウエハ２０上に予め形成された膜の上下に応力が生じ、凸方向にウエハ２０が反ることによって、ウエハ２０裏面の外周部がウエハ載置台１２の表面と接触あるいは近接して凸形状となったウエハの裏面とウエハ載置台１２との間に溜まったガスが温度により膨張した結果ウエハ２０の裏面側の空間２１内の圧力が上昇する。その結果、ウエハ２０はプロキシピン１５先端から上方に遊離してホバリングしてしまいウエハ２０の位置ずれが発生すると想定される。

一方、ウエハ２０裏面に熱反応が起こしやすいカーボン膜などを形成している場合、急激な熱反応によってウエハ２０の裏面側の膜から脱ガスが発生し、その脱ガスによって裏面側の空間２１内の圧力が上がることでホバリング状態となりウエハ位置ずれが発生することも考えられる。尚、発明者らの検討によれば、ウエハの位置ずれが発生するタイミングは、アッシング処理条件の放電開始前の昇温ステップや放電中でも発生するという知見を得ている。

そこで、発明者らは、本実施例のウエハ載置台１２と従来技術によるウエハ載置台１９を用いてウエハ位置ずれの要因の検証を行った。ウエハ２０には、熱反応に顕著で膜応力を起こしやすいカーボン膜をウエハ表裏面および表面のみ形成したサンプルを作成し、アッシング処理を行いウエハの位置ずれ試験を実施した。

処理条件は、脱ガスや副生成物が大量に発生しやすいと想定された図５（ａ）に示す条件を用いた。このような検証の結果、従来技術によるウエハ載置台１９では、ウエハ表裏面及び表面のみに形成したサンプルのいずれもウエハ位置ずれが発生したが、本発明の溝加工したウエハ載置台１２では、どちらのサンプルもウエハ位置ずれが発生しなかった。

ここで、ウエハ表面のみにカーボン膜を形成したサンプルでも、従来のウエハ載置台１９では、ウエハ位置ずれが発生した。本結果により、ウエハ裏面から脱ガスが発生しないサンプルで、従来のウエハ載置台１９では位置ずれが発生していることからウエハ位置ずれの原因はウエハ２０の急激な昇温により凸方向にウエハが反り、ウエハのエッジ部がウエハ載置台１２表面と接触あるいは近接したことで、ウエハ裏面に閉じ込められたガスが熱膨張し、ウエハがホバリングして位置ずれが発生することが判った。このようにウエハ載置台１２表面に溝加工を施すことによって、ウエハ裏面とウエハ載置台１２との間のガスが加工溝に沿ってウエハ外周部へ効率良く排出され圧力上昇を抑えることができ、ウエハの位置ずれを解消することができることが判った。

次に本発明のウエハ載置台１２を用いることによるスループット効果について説明する。従来技術によるウエハ載置台１９で用いていたアッシングの条件は、図５（ａ）に示すようなウエハ２０を昇温するステップとアッシング処理するステップとの２つを備えている。

しかし、カーボン膜ウエハを用いて処理を行った際にウエハ２０の位置ずれが発生したことから、図５（ｂ）に示すような従来実施されてきた昇温ステップの前に、ウエハ２０をリフターピン１６でウエハ載置台１２表面から１mm上方の位置で５０秒間保持するステップを追加した。このステップは、ウエハ２０の反りを解消してから従来の昇温ステップへ移行するための工程である。

一方、従来技術によるウエハ載置台１９では、ウエハ２０の反りを緩和するステップが、必ず必要となるため、アッシング時間が長くなるという課題が生じていた。この課題に対し、本発明のウエハ載置台１２を用いて、カーボン膜ウエハを使用し、図５（ａ）開示の条件でウエハ位置ずれを検証した結果、ウエハ２０の位置ずれは発生しなかった。

このことから、図５（ｂ）に示すステップ１が無くてもウエハ２０の位置ずれが発生しないことから、アッシング処理のトータル時間は、図５（ａ）の条件と比較して、４０秒程度の時間の短縮が可能となり、スループットの向上が図れたと判断された。また同時に本実施例のウエハ載置台１２を用いることにより、ウエハ載置台１２上でウエハの位置ずれが発生しないことから、ウエハ裏面とのウエハ載置台１２との摩擦による発塵も解消できる。

図５（ｃ）は、上記以外の膜構造を備えたウエハ２０を用いてアッシングの条件を変えてウエハの位置ずれの検証を行った結果を示す表である。従来技術によるウエハ載置台１９では、ウエハの位置ずれが発生した膜構造の種類やアッシングの条件であっても、本実施例の溝１４を備えたウエハ載置台１２では、ウエハ２０の位置ずれが発生しないことが判った。

図４は、本実施例のウエハ載置台１２と従来技術によるウエハ載置台１９とにおいてアッシングレートの分布を比較したグラフである。本実施例に係る溝１４を備えたウエハ載置台１２は、従来技術によるウエハ載置台１９と比べてアッシング性能が大きく変化するとアッシング処理の条件を所望の結果が得られるように調整するために膨大な時間を要するため、溝１４を具備していないウエハ載置台１９を用いた場合の性能から大きな変化は避けなることが望ましい。

そこで、レジスト膜と熱酸化膜との各々が予め形成されたウエハ２０を用いて、図５（ｄ），（ｅ）に示す条件でウエハ２０の面方向についてのアッシングレートの評価を行った。その結果、本実施例によるウエハ載置台１２のアッシングレートの値および面内方向についての分布は、従来技術によるウエハ載置台１９と同等の結果が得られたことが判った。

１…トッププレート、２…シールド、３…アルミチャンバ、４…冷却水配管、５…石英チャンバ、６…石英バッフル２、７…石英バッフル１、８…誘導コイル、９…ガス供給孔、１０…ＲＦ電源 １１…整流リング、１２…ウエハ載置台、１３…排気口、１４…溝、１５…プロキシピン、 １６…リフターピン、１７…排気バッフル、１８…パンチング穴、１９…従来の載置台、２０…ウエハ、２１…裏面側の空間。

Claims (4)

1. 真空処理容器内部に配置された処理室内に配置されその円形を有した上面上方で被処理体のウエハをその中心から外周縁まで前記上面からすき間をあけて所定の高さに保持する載置台を備えて前記処理室内に形成したプラズマを用いて前記ウエハを処理するプラズマ処理装置において、
   前記載置台が、前記上面上に突出して配置され前記ウエハを上端上に載せて保持する複数のピンと、前記上面に配置されその中央部から外周端まで延在し前記ウエハが載せられた状態で当該外周端に前記載置台の外周側に向けて開口を有する複数本の溝とを備え、
   前記複数本の溝が前記上面の中心を通らずに当該中心を挟んで平行に配置された２本の溝を１対とした複数の対であって前記上面の中心の周りに同じ角度ごとに配置されて、これらの溝の対で区切られた前記載置台の上面の外周側の複数の領域であって当該溝の対同士の間の複数の領域の面積が同じ値を有するように配置された複数の対のみから構成され、
   前記複数のピンの各々が前記複数本の溝同士の間に配置され前記ウエハが前記ピン上で前記載置台の上面で所定の高さに保持されて前記処理が施されるプラズマ処理装置。
   
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記真空容器は、真空にされた内部を前記ウエハが搬送される真空搬送容器に連結され、
   前記ウエハは前記別の真空容器内部に配置された処理室において処理された後前記載置台上に搬送され保持され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において、
   前記溝は、幅が５mm以下であって、深さは０．７mm以下であるプラズマ処理装置。
   
4. 請求項１乃至３の何れかに記載のプラズマ処理装置において、
   前記複数の溝の対が前記上面の中心の周りに同じ角度ごとに配置された少なくとも３つの対を備えたプラズマ処理装置。