KR20220134511A - 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법 - Google Patents

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Abstract

수율을 향상시킨 플라스마 처리 장치는, 진공 용기 내부에 배치되며 내측에서 플라스마가 형성되는 처리실과, 이 처리실 내에 배치되며 상면에 처리 대상의 웨이퍼가 얹히는 시료대와, 이 시료대 내부에 배치된 원판 또는 원통 형상을 가진 금속제의 기재, 및 이 기재의 내부에서 그 중심 둘레에 동심 형상으로 다중으로 배치되며 내측을 미리 정해진 온도로 조절된 냉매가 통류하는 냉매 유로, 및 이 냉매 유로와 상기 기재의 상면 사이에 배치되며 온도를 검지하는 적어도 하나의 온도 센서와, 이 온도 센서로부터의 출력을 사용해서 상기 기재 또는 상기 시료대 상에 얹힌 처리 중의 상기 웨이퍼의 온도를 검출하는 제어기를 구비한다. 상기 제어기는, 상기 온도 센서의 출력으로부터 얻어진 온도와, 실제의 상기 기재 또는 상기 웨이퍼의 온도 사이의 차를 오차로 했을 때에, 상기 오차와, 상기 냉매의 설정 온도의 관계를 나타내는 일차 함수에 의거하여, 상기 기재 또는 상기 웨이퍼의 온도를 검출하고, 상기 일차 함수는, 상기 냉매의 조절 가능한 온도의 범위에 있어서의 복수의 연속된 온도 범위의 각 영역에 대응하여 서로 다르고, 복수의 상기 일차 함수는, 동일한 계수를 포함하고 또한 상기 오차가 0으로 되는 점을 갖는다.

Description

플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법
본 발명은, 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법에 관한 것이다.
진공 용기 내부에 배치된 처리실과, 처리실 내의 하부에 배치되며 그 상면에 반도체 웨이퍼 등의 처리 대상의 기판 형상의 시료가 재치되는 시료대를 구비하고, 상기 처리실 내에서 형성한 플라스마를 사용해서 상기 시료를 처리하는 플라스마 처리 장치가 알려져 있다.
이러한 플라스마 처리 장치의 일례가, 특허문헌 1에 개시되어 있다. 개시된 플라스마 처리 장치에 있어서, 진공 용기 내부의 처리실 내에 배치된 시료대를 구성하는 금속제의 원판 또는 원통 형상을 갖는 기재(基材)의 내부에, 냉매가 내측을 통류(通流)하며 동심 형상으로 다중으로 배치된 냉매 유로와, 기재의 온도를 검지하는 복수의 온도 센서가 배치되어 있다. 온도 센서는, 기재의 바닥면으로부터 다중의 냉매 유로끼리 간을 통해 냉매 유로의 상단과 기재의 상면 사이의 개소까지 연장된 센서용의 구멍의 내부의 상단부까지 삽입되고, 온도 센서가 각각의 구멍의 상단의 개소에서 검지한 출력으로부터, 기재의 상면 혹은 그 상면을 피복하는 세라믹스 등의 유전체제의 막의 상면에 얹힌 시료의 온도를 검출할 수 있다.
일본국 특개2018-120881호 공보
상기 종래 기술에서는, 이하의 문제가 생기고 있었다.
구체적으로는, 근래 반도체 디바이스의 높은 집적도를 실현하기 위해, 당해 디바이스를 제조하기 위한 반도체 웨이퍼의 처리 조건은 보다 넓어지고 있다. 예를 들면, 처리의 대상으로 되는 막층의 재료의 종류도 증대하고 있고, 각각의 재료에 적합한 처리 중의 온도를 실현하기 위해, 진공 용기 내부에서 웨이퍼를 유지하는 시료대에는, 종래보다 넓은 범위에서 온도 조건을 제어하는 것이 요구되고 있다.
이러한 온도 조건으로서는, 종래는 에칭의 속도(레이트)를 높게 하는 것이 어렵고 대량 생산되는 반도체 디바이스의 제조용의 공정으로서는 대상으로는 되지 않았던 산화막을 처리하는 온도로서, 0℃ 이하(영하)의 영역에 웨이퍼를 유지하여 처리하는 것이 제안되어 있다. 또한, 유기 재료를 포함하는 막층을 대상으로 하는 에칭 처리로서, 처리 중의 웨이퍼의 온도를 100℃ 전후 혹은 그 이상의 값으로 하여 처리를 행하는 것도 제안되어 있다.
따라서, 영하로부터 100℃ 근방 혹은 그 이상의 영역까지의 온도 범위에 있어서, 웨이퍼 및 이것을 지지하는 시료대의 온도를 높은 정밀도로 제어하는 것이 요구되고 있다. 한편, 이러한 시료대의 온도를 제어하기 위해, 시료대의 주요부를 구성하는 금속제의 부재의 내부에는, 소정의 온도로 조절된 냉매가 공급되며 순환하는 냉매 유로나, 전류가 공급되어 발열하는 히터를 구비하는 것도 행해지고 있다. 그리고, 처리에 적합한 원하는 웨이퍼 또는 시료대의 온도를 높은 정밀도로 제어하기 위해, 시료대 내부에 배치된 온도 센서의 출력으로부터 웨이퍼 또는 시료대의 온도를 검출 혹은 추정하고, 이 정보를 피드백하여 냉매의 온도나 히터의 발열량을 조절하는 것이 행해지고 있다.
그러나, 넓은 범위에서 시료대 또는 웨이퍼의 온도를 실현하기 위해 냉매의 온도를 증감시키면, 동일하게 시료대 내부에 배치된 냉매 유로를 통류하는 냉매에 흡수되는 히터로부터의 열량은, 적지 않게 증감되게 된다. 이 때문에, 종래 기술에서는, 시료대의 온도의 변화에 수반해서 온도 센서의 출력이 나타내는 온도의 값과 실제의 시료대의 온도의 차(검출 오차)가 증대해 버릴 우려가 있다.
이와 같이 검출 오차가 증대하면, 반도체 디바이스를 제조하기 위한 웨이퍼의 처리의 수율이 손상되고, 처리의 효율이 저하해 버리게 된다.
본 발명은, 상기 과제를 감안해서 이루어진 것이고, 온도 검출 정밀도를 높이는 것에 의해, 수율을 향상시킨 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법을 제공하는 것에 있다.
상기 과제를 해결하기 위해, 대표적인 본 발명에 따른 플라스마 처리 장치의 하나는,
진공 용기 내부에 배치되며 내측에서 플라스마가 형성되는 처리실과, 상기 처리실 내에 배치되며 상면에 처리 대상의 웨이퍼가 얹히는 시료대와, 상기 시료대에 배치되며 온도 조절된 냉매가 통류하는 냉매 유로를 내부에 구비한 금속제의 기재와, 상기 냉매 유로와 상기 기재의 상면 사이에 배치되며 온도를 검지하는 적어도 하나의 온도 센서와, 상기 온도 센서로부터의 출력을 사용해서 상기 기재 또는 상기 시료대 상에 얹힌 처리 중의 상기 웨이퍼의 온도를 검출하는 제어기를 구비하고,
상기 제어기는, 상기 온도 센서의 출력으로부터 얻어진 온도와, 실제의 상기 기재 또는 상기 웨이퍼의 온도 사이의 차를 오차로 했을 때에, 상기 오차와, 상기 냉매의 설정 온도의 관계를 나타내는 일차 함수에 의거하여, 상기 기재 또는 상기 웨이퍼의 온도를 검출하고,
상기 일차 함수는, 상기 냉매의 조절 가능한 온도의 범위에 있어서의 복수의 연속된 온도 범위의 각 영역에 대응하여 서로 다르고, 복수의 상기 일차 함수는, 동일한 계수를 포함하고 또한 상기 오차가 0으로 되는 점을 갖는 것에 의해 달성된다.
또한, 대표적인 본 발명에 따른 플라스마 처리 방법의 하나는,
진공 용기 내부에 배치되며 내측에서 플라스마가 형성되는 처리실과, 상기 처리실 내에 배치되며 상면에 처리 대상의 웨이퍼가 얹히는 시료대와, 상기 시료대에 배치되며 온도 조절된 냉매가 통류하는 냉매 유로를 내부에 구비한 금속제의 기재와, 상기 냉매 유로와 상기 기재의 상면 사이에 배치되며 온도를 검지하는 적어도 하나의 온도 센서를 구비한 플라스마 처리 장치를 사용한 플라스마 처리 방법으로서,
상기 온도 센서의 출력으로부터 얻어진 온도와, 실제의 상기 기재 또는 상기 웨이퍼의 온도 사이의 차를 오차로 했을 때에, 상기 오차와, 상기 냉매의 설정 온도의 관계를 나타내는 일차 함수에 의거하여 상기 기재 또는 상기 웨이퍼의 온도를 검출하고,
상기 일차 함수는, 상기 냉매의 조절 가능한 온도의 범위에 있어서의 복수의 연속된 온도 범위의 각 영역에 대응하여 서로 다르고, 복수의 상기 일차 함수는, 동일한 계수를 포함하고 또한 상기 오차가 0으로 되는 점을 갖는 것에 의해 달성된다.
본 발명에 따르면, 온도 검출 정밀도를 높이는 것에 의해, 수율을 향상시킨 플라스마 처리 장치 및 플라스마 처리 방법을 제공할 수 있다.
상기한 것 이외의 과제, 구성 및 효과는, 이하의 실시형태의 설명에 의해 명확해진다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 플라스마 처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 단면도.
도 2는, 도 1에 나타내는 실시형태의 웨이퍼 재치용 전극의 주요부의 구성의 개략을 모식적으로 설명하는 종단면도.
도 3은, 도 1에 나타내는 실시형태에 따른 플라스마 처리 장치를 처리 유닛으로서 구비하는 진공 처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 상면도.
도 4는, 도 2에 나타내는 실시형태에 따른 웨이퍼 재치용 전극의 금속제의 기재의 내부의 구성을 나타내는 횡단면도.
도 5는, 도 2 및 4에 나타내는 실시형태의 냉매 유로에 공급되는 냉매의 온도의 변화에 대한 웨이퍼 재치용 전극에 구비된 온도 센서의 검출 결과와 실제의 웨이퍼 재치용 전극의 온도의 차의 관계를 모식적으로 나타내는 그래프.
이하에, 본 발명의 실시형태를, 도면을 사용해서 설명한다.
도 1은, 본 발명의 실시형태에 따른 플라스마 처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 단면도이다. 특히, 도 1은, 플라스마를 형성하기 위한 전계로서 마이크로파의 전계를 사용해서, 상기 마이크로파의 전계와 자계의 ECR(Electron Cyclotron Resonance)을 생기(生起)하여 플라스마를 형성하고, 상기 플라스마를 사용해서 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 시료를 에칭 처리하는 플라스마 에칭 장치를 나타내고 있다.
도 1에 나타내는 플라스마 처리 장치(100)에 대해 설명한다. 플라스마 처리 장치(100)는, 플라스마가 형성되는 처리실(104)을 내부에 구비한 진공 용기(101)를 갖고 있다. 진공 용기(101)의 원통 형상을 가진 상부의 측벽의 상단 상방에, 원판 형상을 가진 유전체창(103)(예를 들면 석영제)이 덮개 부재로서 얹혀 당해 진공 용기(101)의 일부를 구성한다. 원통형의 진공 용기(101)의 측벽의 상방에 얹힌 상태에서, 유전체창(103) 주연부(周緣部)의 이면(하면)과 진공 용기(101)의 원통형을 가진 측벽의 상단 사이에는, O링 등의 시일 부재가 끼워져 배치되어 있다. 진공 용기(101) 내부의 처리실(104) 내가 배기되어 감압되었을 때, 유전체창(103)이 진공 용기(101)에 압부(押付)됨으로써, 시일 부재에 변형이 생긴다. 이에 의해, 진공 용기(101) 또는 처리실(104)의 내부와 외부가 기밀하게 구획된다.
또한, 진공 용기(101)의 하부에는 처리실(104)에 면하여 원형의 개구를 가진 진공 배기구(110)가 배치되고, 진공 용기(101)의 하방에 배치되어 접속된 진공 배기 장치(도시 생략)와 연통하고 있다. 또한, 진공 용기(101)의 상부의 덮개 부재를 구성하는 유전체창(103)의 하면의 하방에는, 처리실(104)의 원형의 천장면을 구성하고 처리실(104)에 면한 샤워 플레이트(102)가 구비되어 있다. 샤워 플레이트(102)는, 중앙부에 관통해서 배치된 복수의 가스 도입 구멍(102a)을 가진 원판 형상을 갖고 있고, 당해 가스 도입 구멍(102a)을 통해서 에칭 처리용의 가스가 처리실(104)에 상방으로부터 도입된다. 본 실시형태의 샤워 플레이트(102)는, 석영 등의 유전체의 재료로 구성되어 있다.
진공 용기(101)의 상부의 외측의 상방 측의 개소에는, 플라스마(116)를 처리실(104) 내부에 생성하기 위한 전계 및 자계를 형성하는 전계·자계 형성부(160)가 배치되어 있다. 전계·자계 형성부(160)는, 전계 발생용 전원(106)과, 도파관(105)을 구비한다. 도파관(105)은, 유전체창(103)의 상방에 배치되며 또한 플라스마(116)를 생성하기 위한 소정의 주파수의 고주파 전계를 처리실(104) 내에 도입하기 위해 당해 전계가 내부를 전송되는 것이다. 도파관(105)의 하부를 구성하는 원통형 부분은, 상하 방향으로 축을 갖고 유전체창(103)의 중앙부의 상방에서 처리실(104) 내에 연통하는, 유전체창(103)보다 직경이 작은 원통이다. 또한, 도파관(105)의 다른 쪽의 단부에, 도파관(105)의 내부를 전송되는 고주파의 전계를 발신해서 형성하는 전계 발생용 전원(106)이 구비되어 있다. 당해 전계의 소정의 주파수는, 특별히 한정되지 않지만, 본 실시형태에서는 2.45G㎐의 마이크로파가 사용된다.
처리실(104)의 유전체창(103)의 상방에 있는 도파관(105)의 원통 형상부의 하단부, 및 처리실(104)의 원통 형상부를 구성하는 진공 용기(101)의 측벽의 외주 측의 주위를 둘러싼 상태에서, 자장 발생 코일(107)이 배치되어 있다. 자장 발생 코일(107)은, 직류 전류가 공급되어 자장을 형성하는 상하 방향으로 복수의 단으로 배치된 전자석 및 요크로 구성되어 있다.
상기 구성에 있어서, 샤워 플레이트(102)의 가스 도입 구멍(102a)으로부터 처리실(104) 내에 처리용의 가스가 도입된 상태에서, 전계 발생용 전원(106)으로부터 발진된 마이크로파의 전계는, 도파관(105)의 내부를 전파해서 유전체창(103) 및 샤워 플레이트(102)를 투과하여 처리실(104)에 상방으로부터 아래 방향으로 공급된다. 또한, 자장 발생 코일(107)에 공급된 직류 전류에 의해 생기된 자계가 처리실(104) 내에 공급되고, 마이크로파의 전계와 상호 작용을 생기게 하여, ECR(Electron Cyclotron Resonance)을 생기한다. 당해 ECR에 의해, 처리용의 가스의 원자 또는 분자가 여기, 해리 또는 전리되어, 처리실(104) 내에 고밀도의 플라스마(116)가 생성된다.
플라스마(116)가 형성되는 공간의 하방의 처리실(104)의 하부에는, 시료대를 구성하는 웨이퍼 재치용 전극(120)이 배치되어 있다. 도 2에 있어서, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 상부의 중앙부는, 외주 측보다 상면이 높게 된 원통형의 돌기 부분(볼록 형상부)을 구비하고 있고, 볼록 형상부의 상면에 시료(처리 대상)인 반도체 웨이퍼(이후, 단순히 웨이퍼라고도 함)(109)가 얹히는 재치면(120a)을 구비하고 있다. 그 재치면(120a)은, 샤워 플레이트(102) 또는 유전체창(103)에 대향하도록 배치되어 있다.
도 2에도 나타내는 바와 같이, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 일부를 구성하는 전극 기재(단순히 기재라고도 함)(108)의 상부 중앙부에 배치되는 볼록부의 상면(120b)이 유전체막(140)으로 피복되어, 당해 유전체막(140)이 재치면(120a)을 구성한다. 유전체막(140)의 내부에는, 도 1에 나타내는 고주파 필터(125)를 통해 직류 전원(126)과 접속된 정전 흡착용으로서의 복수의 도전체제의 막인 도전체막(111)이 배치되어 있다.
여기에서, 도전체막(111)에는, 정전기에 의한 반도체 웨이퍼 흡착용의 직류 전력이 내부에 공급되고, 이것을 덮는 유전체막(140)의 상부를 사이에 두고 웨이퍼(109)를 흡착시키는 정전기를 형성하기 위한 막 형상의 정전 흡착용 전극이 포함되어 있다. 본 실시형태의 도전체막(111)의 정전 흡착용 전극은, 상방에서 볼 때 원 또는 이것으로 간주할 수 있을 정도로 근사한 형상을 갖고 상호 소정의 거리만큼 거리를 두고 배치되며 절연된 복수의 막이고, 복수의 막 형상의 전극의 한쪽과 다른 쪽이 서로 다른 극성이 부여되는 쌍극형의 것이어도, 또는 동일한 극성이 부여되는 단극형의 것이어도 된다. 도 1에서는 단일 도전체막(111)만이 개시되어 있지만, 본 실시형태의 쌍극형의 정전 흡착 전극은, 각각 서로 다른 극성이 부여되는 복수의 막 형상의 금속제의 전극이 유전체막(140) 내부에 배치된다.
도 1에 있어서, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 내부에 배치된 도전체제의 원형 또는 원통 형상을 가진 전극 기재(108)는, 정합기(129)를 통해 동축 케이블 등의 배선을 포함하는 급전 경로를 통해서, 고주파 전원(124)과 접속되어 있다. 이들 고주파 전원(124)과 정합기(129)는, 고주파 필터(125)와 도전체막(111) 사이의 거리보다 가까운 개소에 배치되어 있다. 또한, 고주파 전원(124)은, 접지 개소(112)에 접속되어 있다.
본 실시형태에 있어서, 웨이퍼(109)의 처리 시에, 고주파 전원(124)으로부터 소정의 주파수의 고주파 전력이 공급됨에 의해, 웨이퍼(109)는, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 유전체막(140)의 상면 상에 흡착되어 유지된다. 유지된 웨이퍼(109)의 상방에, 플라스마(116)의 전위와의 차에 따른 분포를 갖는 바이어스 전위가 형성된다. 환언하면, 상기 시료대는, 플라스마(116)가 형성되고 있는 동안, 고주파 전원(124)으로부터 고주파 전력이 공급되는 웨이퍼 재치용 전극(120)을 갖고 있다.
상세는 후술하지만, 전극 기재(108)의 내부에는, 전달되는 열을 제거하여 웨이퍼 재치용 전극(120)을 냉각하기 위해, 전극 기재(108) 또는 웨이퍼 재치용 전극(120)의 상하 방향의 중심축 둘레에 나선 형상 또는 동심 형상으로 다중으로 배치되며, 온도가 소정의 범위로 조절된 냉매가 내부를 통류하는 냉매 유로(152)가 구비되어 있다. 이 냉매 유로(152)의 웨이퍼 재치용 전극(120)에의 입구 및 출구는, 도시하지 않은 냉동 사이클을 구비하고 냉매를 열전달에 의해 소정의 범위 내의 온도로 조절하는 온도 조절기와, 관로에 의해 접속되어 있다. 냉매 유로(152) 내를 흐르는 동안 열교환이 행해져 온도가 변화한 냉매는, 출구로부터 유출해서 관로를 통해 온도 조절기 내부의 유로를 통해 소정의 온도 범위로 된 후, 전극 기재(108) 내의 냉매 유로(152)에 되돌려져 순환한다.
웨이퍼 재치용 전극(120)의 전극 기재(108)의 볼록 형상부의 웨이퍼(109)와 마찬가지의 원 형상을 가진 재치면(120a)의 외주 측에는, 이것을 둘러싸고 상방에서 볼 때 링 형상으로 배치된 오목부(120d)가 배치되어 있다. 이 오목부(120d)의 시료대의 재치면(120a)보다 높이가 낮게 형성된 링 형상의 상면에는, 석영 혹은 알루미나 등의 세라믹스와 같은 유전체제의 재료로 구성된 링 형상 부재인 서셉터 링(113)(도 1)이 얹히고, 오목부(120d)의 바닥면 혹은 볼록 형상부의 원통형의 측벽면이 플라스마(116)에 대해 덮인다.
본 실시형태의 서셉터 링(113)에 있어서, 도 1에 나타내는 바와 같이, 링 형상 부분의 외주연을 구성하는 원통형의 측벽부는, 오목부(120d)에 얹힌 상태에서, 측벽부의 하단이 당해 오목부(120d)보다 하방으로 연장되어 웨이퍼 재치용 전극(120)의 전극 기재(108) 혹은 후술하는 절연 플레이트(150)의 원통형의 측벽면을 덮는 치수를 갖고 있다. 또한, 서셉터 링(113)이 오목부(120d)에 얹히고 링 형상 부분의 바닥면이 오목부(120d) 또는 이것을 덮는 보호용의 유전체제의 피막의 상면과 접한 상태에서, 서셉터 링(113)의 평탄한 상면이 재치면(120a)보다 높아지는 치수를 갖고 있다.
본 실시형태의 플라스마 처리 장치(100)는, 상기 전계 발생용 전원(106), 자장 발생 코일(107), 고주파 전원(124), 고주파 필터(125), 직류 전원(126), 고주파 전원(127), 정합기(128, 129), 부하 임피던스 가변 박스(130) 등의 전계나 자계를 조절하는 장치, 혹은 후술하는 진공 배기 장치나 가스 공급량을 조절하는 매스플로우 컨트롤러 등의 압력 조절계를 구성하는 장치나, 웨이퍼 재치용 전극(120) 내부의 히터의 발열량이나 냉매 유로(152)에 공급되며 순환하는 냉매의 온도를 조절하는 온도 조절기 등의 온도 조절 기구를 포함하는 플라스마 처리 장치(100)의 동작을 조절하는 장치를 구비한다.
이들 장치는, 각각이 출력이나 유량, 압력 등의 동작의 상태를 검지하는 검지기를 구비함과 함께, 제어기(170)와 유선 또는 무선에 의해 통신 가능하게 접속되어 있다. 이들 장치의 각각에 구비된 검지기로부터 출력되는 당해 동작의 상태를 나타내는 신호가 제어기(170)에 전달되면, 제어기(170)의 연산기는, 제어기(170) 내부의 기억 장치에 기억된 소프트웨어를 판독해서, 그 알고리즘에 의거하여, 수신한 검지기로부터의 신호로부터 그 상태의 양을 검출하고, 이것을 적절한 값으로 조절하기 위한 지령 신호를 산출해서 발신한다. 지령 신호를 수신한 전계·자계 조절계 혹은 압력 조절계 등에 포함되는 장치는, 당해 지령 신호에 따라 동작을 조절한다.
상세는 후술하지만, 이러한 플라스마 처리 장치(100)를 포함하는 진공 처리 장치에서는, 진공 용기(101)의 측벽에 연결된 다른 진공 용기인 진공 반송 용기의 내부의 처리실(104)과 마찬가지의 압력까지 감압된 진공 반송실 내에, 웨이퍼 반송용의 로봇이 배치되어 있다. 진공 반송실과 처리실(104) 사이를 연통하는 통로인 게이트가 진공 반송실 내에 배치된 게이트 밸브가 개방되었을 때, 이 로봇 아암 선단 상에 처리 전의 웨이퍼(109)가 얹히고, 아암의 신장에 의해 당해 게이트 내를 통해 처리실(104) 내부에 반입된다. 또한, 처리실(104) 내의 웨이퍼 재치용 전극(120)의 재치면(120a)의 상방까지 반송된 웨이퍼(109)는, 리프트 핀의 상하의 이동에 의해 상기 리프트 핀 상에 넘겨받아지고, 또한 재치면(120a) 상에 얹힌 후, 직류 전원(126)으로부터 인가되는 직류 전력에 의해 형성된 정전기력에 의해, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 재치면(120a)에 흡착되어 유지된다.
아암의 수축에 의해 처리실(104)로부터 진공 반송실 내부로 반송용 로봇이 퇴실한 후, 게이트 밸브가 게이트를 진공 반송실로부터 기밀하게 폐색해서, 처리실(104) 내부가 밀폐된다. 이 상태에서, 에칭 처리용의 가스가, 가스원과 진공 용기(101) 사이를 접속하는 배관으로 구성된 가스 공급용의 관로를 통해 처리실(104) 내에 공급된다. 당해 배관 상에는, 내부에 당해 가스가 흐르는 유로와 그 유로 상에 배치되며 당해 유로의 단면적을 증감 또는 개폐하여 유량을 원하는 범위 내의 값으로 조절하는 밸브를 가진 유로 조절기인 매스플로우 컨트롤러(도시 생략)가 배치되어 있다. 매스플로우 컨트롤러에 의해 유량 또는 속도가 조절된 가스가, 배관의 단부에 접속된 진공 용기(101) 내의 유로로부터 유전체창(103)과 석영제의 샤워 플레이트(102) 사이의 극간의 공간에 도입된다. 도입된 가스는, 이 공간 내에서 확산한 후에 샤워 플레이트(102)의 가스 도입 구멍(102a)을 통해서 처리실(104)에 도입된다.
처리실(104) 내부는, 진공 배기구(110)에 연결된 진공 배기 장치의 동작에 의해, 진공 배기구(110)를 통해서 내부의 가스나 입자가 배기되고 있다. 샤워 플레이트(102)의 가스 도입 구멍(102a)으로부터의 가스의 공급량과, 진공 배기구(110)로부터의 배기량과의 밸런스에 따라, 처리실(104) 내가 웨이퍼(109)의 처리에 적합한 범위 내의 소정의 값으로 조정된다.
또한, 웨이퍼(109)가 흡착 유지되고 있는 동안, 웨이퍼(109)와 웨이퍼 재치용 전극(120)의 재치면(120a)인 유전체막(140)의 상면 사이의 극간에는, 유전체막(140)의 상면의 도시하지 않은 개구로부터 He(헬륨) 등의 열전달성을 가진 가스가 공급되고, 이에 의해 웨이퍼(109)와 웨이퍼 재치용 전극(120) 사이의 열전달이 촉진된다. 또한, 소정의 범위 내의 온도로 조절된 냉매가, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 전극 기재(108) 내에 배치된 냉매 유로(152) 내를 통류해서 순환함으로써, 웨이퍼 재치용 전극(120) 또는 전극 기재(108)의 온도는, 웨이퍼(109)가 재치되기 전에 미리 조절되어 있다. 따라서, 열용량이 큰 웨이퍼 재치용 전극(120) 또는 전극 기재(108)와의 사이에서 열전달이 됨으로써, 처리 전에 웨이퍼(109)의 온도는 이들 온도에 근접하도록 조절되고, 처리의 개시 후도 웨이퍼(109)로부터의 열이 전달되어 웨이퍼(109)의 온도가 조절된다.
이하, 에칭 처리에 대해 설명한다. 상기 상태에서, 처리실(104) 내에 마이크로파의 전계와 자계가 공급되고, 가스를 사용해서 플라스마(116)가 생성된다. 플라스마(116)가 형성되면, 전극 기재(108)에 고주파 전원(124)으로부터 고주파(RF) 전력이 공급되고, 웨이퍼(109)의 상면의 상방에 바이어스 전위가 형성되어, 플라스마(116)의 전위와의 사이의 전위차에 따라 플라스마(116) 내의 이온 등의 하전 입자가 웨이퍼(109)의 상면에 유인된다. 또한, 상기 하전 입자가, 웨이퍼(109)의 상면에 미리 배치된 마스크 및 처리 대상의 막층을 포함하는 막 구조의 상기 처리 대상의 막층 표면과 충돌해서, 에칭 처리가 행해진다. 에칭 처리 중은, 처리실(104) 내에 도입된 처리용의 가스나 처리 중에 발생한 반응 생성물의 입자가, 진공 배기구(110)로부터 배기된다.
처리 대상의 막층의 에칭 처리가 진행되서, 당해 처리가 소정의 에칭량 또는 나머지 막 두께까지 달한 것이 도시하지 않은 종점 검출기나 막 두께 검출기에 의해 검출되면, 고주파 전원(124)으로부터의 고주파 전력의 공급이 정지되고, 또한 전계 발생용 전원(106) 및 자장 발생 코일(107)에의 전력의 공급이 정지되어 플라스마(116)가 소세(消勢)되고, 에칭 처리가 정지된다. 그 후, 웨이퍼(109)의 도전체막(111)의 정전 흡착용 전극에, 직류 전원(126)으로부터 처리 중과는 역의 전위로 되도록 전력이 공급되는 등의 정전 흡착력의 제전 처리가 실시된다.
또한, 처리실(104) 내부에 희가스가 도입되어 처리용의 가스와 치환된다. 그 후, 웨이퍼(109)가 웨이퍼 재치용 전극(120)의 상면(120b)으로부터 리프트 핀에 의해 들어올려진 후, 게이트 밸브가 개방한 게이트를 통해 처리실(104) 내에 진입한 반송용 로봇의 아암 선단에 넘겨받아지고, 아암의 수축에 의해 처리실(104) 밖으로 반출된다. 처리되어야 할 다른 웨이퍼(109)가 있을 경우에는, 당해 웨이퍼(109)가 반송용 로봇에 의해 반입되어 상기와 마찬가지로 처리가 행해지고, 다른 웨이퍼(109)가 없을 경우에는, 게이트 밸브가 기밀하게 게이트를 폐색하여 처리실(104)이 밀봉되고 처리실(104)에서의 처리가 종료된다.
그리고, 본 실시형태의 플라스마 처리 장치(100)에서는, 웨이퍼(109)의 처리 중에, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 재치면(120a) 외주의 오목부(120d)와 서셉터 링(113) 사이에 배치된 도체 링(131)에, 제2 고주파 전원인 고주파 전원(127)으로부터 제2 고주파 전력을 공급한다. 또한, 당해 도체 링(131)은, 제2 고주파 전력의 급전 경로를 구성함과 함께 웨이퍼 재치용 전극(120)의 전극 기재(108)의 외주부의 내부를 관통하는 관통 구멍 내에 배치되고, 도체 링(131)에 대해 하방으로부터 윗 방향으로 가압되어서 유지된 급전 커넥터(161)와 접속되어 있다.
고주파 전원(127)으로부터 출력된 고주파 전력은, 고주파 전원(127)과 도체 링(131) 사이를 전기적으로 접속하는 급전 경로 상을 따라, 급전 경로 상에 배치된 부하의 정합기(128)와 부하 임피던스 가변 박스(130)를 통해, 서셉터 링(113)의 내측에 배치된 도전체제의 도체 링(131)에 공급된다.
이 때에, 부하 임피던스 가변 박스(130)에 있어서 급전 경로 상의 임피던스가 바람직한 범위 내의 값으로 조절됨으로써, 서셉터 링(113)의 상부의 상대적으로 높은 임피던스 부분에 대해, 고주파 전원(127)으로부터 전극 기재(108)를 통해서 웨이퍼(109)의 외주연부까지의 제1 고주파 전력에 대한 임피던스의 값이 상대적으로 낮게 된다. 이에 의해, 웨이퍼(109)의 외주 측 부분 및 외주연부에 고주파 전력을 효과적으로 공급하고, 웨이퍼(109)의 외주 측 부분 또는 외주연부에서의 전계의 집중을 완화해서, 이들 영역 상방의 바이어스 전위의 등전위면의 높이의 분포를, 플라스마 중의 이온 등의 하전 입자의 웨이퍼(109) 상면에의 입사 방향의 편차를 허용되는 소기의 범위 내로 해서, 처리의 수율을 향상시킨다.
본 실시형태에서는, 고주파 전원(127)은 접지 개소(112)에 전기적으로 접속되어 있다. 또한, 본 예에서 도체 링(131)에 고주파 전원(127)으로부터 공급되는 제2 고주파 전력의 주파수는, 웨이퍼(109)의 처리의 조건에 따라 적절히 선택되지만, 바람직하게는 고주파 전원(124)과 같거나 상수배의 값으로 된다.
도 2는, 도 1에 나타내는 실시형태의 웨이퍼 재치용 전극의 주요부의 구성의 개략을 모식적으로 설명하는 종단면도이다. 도 2에 있어서, 본 실시형태의 플라스마 처리 장치(100)의 웨이퍼 재치용 전극(120)은, 금속제의 원판 형상의 기재로서 고주파 바이어스 전력이 공급되는 전극 기재(108)와, 그 상면 상에 배치된 알루미나나 이트리아 등 세라믹스를 재료로서 구성된 유전체막(140)을 포함한다. 웨이퍼 재치용 전극(120)의 주요부의 구성을 상세히 설명한다.
본 도면에 있어서, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 기재인 금속제의 전극 기재(108)의 상부에 배치된 유전체막(140)은, 전극 기재(108)의 상부의 중앙부에 배치된 볼록부의 상면을 덮어 배치되고, 내부에 상하 방향으로 2개의 층을 이루는 막 형상의 도전체막(111)을 구비하고 있다. 도전체막(111)에 있어서의 하층의 막 형상의 전극은, 상방에서 볼 때 볼록부 또는 유전체막(140)의 상면의 복수의 영역(존)을 차지하는 히터 전극(202)이다. 본 실시형태에서는, 히터 전극(202)은, 유전체막(140)의 중심을 포함하는 중앙의 원형의 영역과, 그 외주 측에서 이것을 둘러싸고 당해 중심에 대해 동심 형상으로 배치된 복수 개의 링 형상의 영역 내에서, 각 영역을 실질적으로 점유하도록 배치되어 있다. 히터 전극(202)의 링 형상의 영역은, 상기 중심 둘레에 복수(본 예에서는 3개 이상)의 원호 형상의 소(小)영역으로 나뉘어 각 소영역을 차지해서 히터 전극(202)이 배치되어 있다. 즉, 본 실시형태의 히터 전극(202)은, 유전체막(140) 내에서, 중앙부의 원형의 존과 그 주위의 원호 형상의 복수의 존 내에, 실질적으로 이들과 동일한 면적을 차지해서, 전극 기재(108)의 볼록부 상면의 전체를 덮어 배치되어 있다.
한편, 도전체막(111)에 있어서의 상층의 막 형상의 전극은, 상방에서 볼 때 유전체막(140)의 중심을 포함하는 원형의 영역과, 그 외주 측에서 이것을 당해 중심에 대해 동심 형상으로 둘러싸는 적어도 하나의 링 형상의 영역을 점유하는 정전 흡착용 전극(ESC 전극)(201)이다. 본 예의 웨이퍼 재치용 전극(120) 또는 중심으로부터의 반경 방향에 대해, 인접하는 2개의 ESC 전극끼리의 분리된 개소도, 당해 중심에 대한 특정한 동일한 반경 위치 상에 위치해서, 동심 형상으로 분리되어 있고, 그 분리의 위치는, 히터 전극(202)이 배치된 인접하는 2개의 링 형상의 영역끼리가, 중심에 대한 특정한 동일한 반경 위치에서 동심 형상으로 분리되고 분리되어 있는 개소에 겹쳐 있어, 상방에서 볼 때 한쪽이 다른 쪽의 것의 투영된 영역을 포함하고 있다.
본 실시형태의 복수의 ESC 전극(201)의 각각에는 직류 전원(126)이 접속되고, 제어기(170)로부터의 지령 신호에 따라 정해진 전압이 인가되고, 이들에 따른 극성이 부여된다. 이들 전압에 따른 극성에 대응해서 상방의 웨이퍼(109) 내의 각전극의 상방의 영역에 전하가 집적되어 정전기력이 생기된다. 본 예의 복수의 ESC 전극(201)은, 양 또는 음의 극성의 어느 하나가 부여되며 상호 양극, 음극의 전극의 쌍이 구성되는, 소위 쌍극형을 구성한다. 이들 양, 음의 각각의 극성이 부여되는 ESC 전극(201)끼리의 면적의 합은, 동(同)값 또는 이것으로 간주할 수 있을 정도로 근사하는 값을 갖는 형상으로 된다.
또한, 본 실시형태의 웨이퍼 재치용 전극(120)은, 전극 기재(108)의 내부로서, 상방에서 볼 때 유전체막(140) 내의 히터 전극(202)이 배치된 영역 또는 존의 투영된 영역 내의 각각에 전극 기재(108)의 온도를 검지하는 복수의 온도 센서(203)가 배치되어 있다. 또한, 전극 기재(108) 내부에서 온도 센서(203)의 온도를 검지하는 선단부보다 하방의 위치에, 웨이퍼 재치용 전극(120)의 상하 방향의 중심축 둘레에 동심 또는 나선 형상으로 배치된 냉매 유로(152)가 배치되어 있다. 이 때문에, 전극 기재(108) 또는 웨이퍼 재치용 전극(120)의 온도는, 당해 히터 전극(202)의 발열과 함께, 냉매 유로(152)의 내부를 순환하여 흐르는 소정의 온도로 조절된 냉매에 의해서도 조절된다.
본 예에서는, 각 존 내의 히터 전극(202) 각각에 대응하는 하나의 온도 센서(203)가, 당해 존 하방의 전극 기재(108) 내부에 배치된 센서 구멍(204) 내부에 삽입되며 격납되어 배치되어 있어도 된다. 또한, 본 실시형태에 나타내는 바와 같이, 원형 또는 링 형상의 각 영역에 대응하는 온도 센서가, 당해 영역이 투영되는 범위 내의 개소에 배치된 센서 구멍(204)에 하나씩 격납되어 있어도 된다.
유전체막(140)의 ESC 전극(201)의 상방의 상면(120b)은, 최외주연부에 배치되어 내측을 둘러싸는 링 형상 볼록부(206)와, 이 내측의 유전체막(140) 상부에 배치된 복수 개의 볼록부(207)를 구비하고 있고, 이들 볼록부의 상면이 유전체막(140) 상면에 얹히는 정전 흡착되는 웨이퍼(109)의 이면과 맞닿고 이것과 상호 서로 가압한다. 이러한 유전체막(140) 내부의 ESC 전극(201)에 대해, 직류 전원(126)으로부터 직류 전력이 공급되어 특정한 전위가 부여되면, 당해 ESC 전극(201) 내부의 전하에 따라 웨이퍼(109)의 이면을 포함하는 부재 내의 분자 또는 원자가 분극해서 전하가 생기된다. ESC 전극의 상방의 유전체막(140)의 유전체제의 재료를 사이에 두고 정전기력이 발생하고, 이에 의해 웨이퍼(109)와 ESC 전극(201) 사이에 서로 끌어당기는 정전기력이 발생해서, 결과적으로 웨이퍼(109)가 소정의 흡착력으로 유전체막(140) 상에 흡착된다.
한편, 진공 용기(101)의 바닥부 하방에는, 터보 분자 펌프와 로터리 펌프 등의 러프 진공용 펌프를 포함하는 진공 펌프를 갖는 배기 장치가, 당해 바닥부와 접속되어 처리실(104)과 진공 용기(101) 바닥부의 진공 배기구(110)를 통해 연통되어 배치되어 있다. 진공 펌프가 구동됨으로써, 처리실(104) 내부의 압력이 웨이퍼(109)를 내부에 포함한 상태에서 높은 진공도로 유지된다. 통상, 웨이퍼(109)의 처리 중의 처리실(104) 내의 압력은, 처리용 가스 공급로로부터의 처리용 가스 및 희석 가스의 혼합 가스의 공급의 유량 또는 속도와, 진공 배기구(110)로부터의 배기의 유량 또는 속도와의 밸런스에 의해, 웨이퍼(109)의 처리에 적합한 범위 내의 값으로 된다.
이러한 플라스마 처리 장치(100)에서는, 웨이퍼(109)가 유전체막(140) 상면에 유인되어 흡착되고 유지된 상태에서, 도시하지 않은 가스 통로를 통해서 가스원으로부터의 He 가스 등의 열전달성이 높은 가스가 웨이퍼(109)와 유전체막(140) 상면 사이의 극간(이하, 갭이라고도 호칭함)에 공급되고, 전극 기재(108) 내에 형성된 냉매 유로(152) 내에 순환하여 통류하는 냉매와 웨이퍼(109) 사이의 열의 전달이 촉진된다.
본 실시형태에서 실시되는 하나의 웨이퍼(109) 상의 처리 대상의 막층의 에칭 처리는, 실시에 바람직한 온도의 범위를 포함하는 처리의 조건이 서로 다른 복수의 공정(스텝)을 구비하고, 전후의 에칭 처리의 공정 사이에 웨이퍼(109) 또는 이것을 얹고 유지하는 웨이퍼 재치용 전극(120) 혹은 유전체막(140) 상면의 온도를, 전공정의 조건으로부터 후공정의 조건으로 천이시키기 위한 천이 스텝을 구비하고 있다.
도 3를 참조해서, 본 발명의 실시형태에 따른 플라스마 처리 장치를 구비하는 진공 처리 장치(300)의 구성을 설명한다. 도 3은, 도 1에 나타내는 실시형태에 따른 플라스마 처리 장치를 처리 유닛으로서 구비하는 진공 처리 장치의 구성의 개략을 모식적으로 나타내는 상면도이다.
본 도면에 나타내는 진공 처리 장치(300)는, 크게 나눠, 대기측 블록(301)과 진공측 블록(302)에 의해 구성된다. 대기측 블록(301)은, 대기압 하에서 피처리물인 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 웨이퍼를 반송, 수납 위치 결정 등을 행하는 부분이다. 진공측 블록(302)은, 대기압으로부터 감압된 압력 하에서 웨이퍼 등의 기판 형상의 웨이퍼를 반송하고, 미리 정해진 진공 처리실 내에 있어서 처리를 행하는 블록이다. 그리고, 진공측 블록(302)의 상술한 반송이나 처리를 행하는 진공측 블록(302)의 개소와 대기측 블록(301) 사이에는, 이들을 연결해서 배치되며 웨이퍼를 내부에 가진 상태에서, 압력을 대기압과 진공압 사이에서 변화시키는 장치가 배치되어 있다.
대기측 블록(301)은, 내부에 대기 반송 로봇(309)을 구비한 대략 직방체 형상의 용기로서, 내부의 압력이 진공 처리 장치(300)의 주위의 분위기인 대기의 압력과 동일하거나 약간 높게 되고, 처리 전 및 처리 후의 웨이퍼가 반송되는 대기 반송실을 내측에 갖는 하우징(306)을 포함한다. 이 하우징(306)의 전면 측에, 처리용 또는 클리닝용의 피처리 대상의 반도체 웨이퍼 등의 기판 형상의 웨이퍼가 수납되어 있는 카세트가 그 위에 얹히는 복수의 카세트대(307)가 구비되어 있다.
진공측 블록(302)은, 제1 진공 반송실(304)과 대기측 블록(301) 사이에 배치되고, 대기측과 진공측 사이에서 주고받음을 하는 웨이퍼를 내부에 가진 상태에서 압력을 대기압과 진공압 사이에서 주고받음을 하는 로크실(305)을 하나 또는 복수 구비하고 있다.
제1 진공 반송실(304), 제2 진공 반송실(310)은 각각의 평면에서 볼 때 대략 직사각형 형상을 가진 진공 용기를 포함하는 유닛이고, 이들은, 실질적으로 동일하다고 간주할 수 있을 정도의 구성 상의 차이를 갖는 2개의 유닛이다. 진공 반송 중간실(311)은, 내부가 다른 진공 반송실 또는 진공 처리실과 동등한 진공도까지 감압 가능한 진공 용기로서, 진공 반송실(304, 310)을 서로 연통 가능하게 연결하고 있다. 진공 반송실(304, 310) 사이에는, 내부의 실을 연통해서 내측에서 웨이퍼가 반송되는 통로를 개방, 차단해서 분할하는 게이트 밸브(320)가 배치되어 있고, 이들 게이트 밸브(320)가 폐색함에 의해, 진공 반송 중간실(311)과 진공 반송실(304, 310) 사이는 기밀하게 봉지된다.
또한, 진공 반송 중간실(311) 내부의 실에는, 복수의 웨이퍼를 이들의 면과 면 사이에서 극간을 두고 얹어 수평으로 유지하는 수납부가 배치되어 있고, 진공 반송실(304, 310) 사이에서 웨이퍼가 건네받아질 때, 일단 수납되는 중계실의 기능을 구비하고 있다. 즉, 한쪽의 진공 반송실 내의 진공 반송 로봇(308)에 의해 반입되며 상기 수납부에 얹힌 웨이퍼가, 다른 쪽의 진공 반송실 내의 진공 반송 로봇(308)에 의해 반출되어, 당해 진공 반송실에 연결된 진공 처리 유닛(303) 또는 로크실(305)에 반송된다.
제1 진공 반송실(304)과 제2 진공 반송실(310)의, 진공 반송 중간실(311)에 연결되는 면과는 다른 다른 면에, 도 1에 나타내는 플라스마 처리 장치(100)를 포함하는 진공 처리 유닛(303)이 접속되어 있다. 본 실시형태에서는, 진공 처리 유닛(303)은 상기와 같이, 진공 용기(101)를 포함하여 구성되고, 이 진공 용기(101) 내부의 처리실(104)에 플라스마(116)를 형성하기 위해 공급되는 전계, 자계의 발생 수단, 진공 용기(101) 내부의 감압되는 공간인 처리실(104)을 배기하는 진공 펌프를 포함하는 배기 수단을 포함하여 구성된 유닛이고, 내부의 처리실(104)에 있어서 플라스마(116)를 사용한 에칭 처리가 실시된다.
본 예의 진공 처리 장치(300)에서는, 2개의 진공 처리 유닛(303)이 제1 진공 반송실(304) 및 제2 진공 반송실(310)에 각각 접속되어 있다. 이들 진공 처리 유닛(303)에서는, 웨이퍼(109)의 에칭 처리뿐만 아니라 애싱 처리, 혹은 다른 반도체 웨이퍼에 실시하는 처리가 실시되어도 된다. 또한, 각 진공 처리 유닛(303)에는, 실시되는 처리에 따라 진공 용기(101) 내부의 처리실(104)에 공급되는 처리 가스가 흐르는 관로가 연결되어 있다.
제1 진공 반송실(304)에는 최대 2개의 진공 처리 유닛(303)이 연결 가능하게 구성되어 있지만, 본 실시형태에서는 2개의 진공 처리 유닛(303)이 연결된다. 한편, 제2 진공 반송실(310)에는 최대 3개의 진공 처리 유닛(303)이 연결 가능하게 구성되어 있지만, 본 실시형태에서는 2개까지의 진공 처리 유닛(303)이 연결된다.
제1 진공 반송실(304) 및 제2 진공 반송실(310)은, 그 내부가 반송실로 되어 있다. 제1 진공 반송실(304)에는, 진공 하에서 로크실(305)과 진공 처리 유닛(303) 또는 진공 반송 중간실(311)의 어느 것과의 사이에서 웨이퍼를 반송하는 제1 진공 반송 로봇(308)이, 그 내부의 공간의 중앙 부분에 배치되어 있다. 제2 진공 반송실(310)에도, 마찬가지로 진공 반송 로봇(308)이 내부의 중앙 부분에 배치되어 있고, 진공 처리 유닛(303), 진공 반송 중간실(311)의 어느 것과의 사이에서 웨이퍼의 반송을 행할 수 있다.
상기 진공 반송 로봇(308)은, 그 아암 상에 웨이퍼가 얹히고, 제1 진공 반송실(304)에서는 진공 처리 유닛(303)에 배치된 웨이퍼대(예를 들면 웨이퍼 재치용 전극) 상과, 로크실(305) 또는 진공 반송 중간실(311)의 어느 것과의 사이에서 웨이퍼의 반입, 반출을 행한다. 이들 진공 처리 유닛(303), 로크실(305), 진공 반송 중간실(311), 제1 진공 반송실(304) 및 제2 진공 반송실(310)의 반송실 사이에는, 각각 기밀하게 폐색, 개방 가능한 게이트 밸브(320)에 의해 연통하는 통로가 설치되어 있고, 이 통로는, 게이트 밸브(320)에 의해 개폐된다.
도 1의 실시형태의 진공 처리 장치에서는, 웨이퍼에 대해 실시되는 처리는, 모든 진공 처리 유닛(303)에 대해 처리 시간 포함 동등한 조건에서 행해진다. 또한, 로크실(305)에서의 단위 시간당의 웨이퍼를 반송 가능한 매수는, 진공 처리 유닛(303)에 있어서의 단위 시간당 웨이퍼를 처리 가능한 매수보다 적고, 각 진공 반송실에 구비된 진공 반송 로봇(308)의 단위 시간당 웨이퍼의 반송 매수보다 동일하거나 혹은 약간 적은 값이다. 이것은, 로크실(305)에 있어서 처리 후의 웨이퍼를 대기측 블록(301)에 반출할 때, 애싱 처리 등의 가열되는 처리가 실시된 웨이퍼의 온도를, 반송이나 카세트에의 수납에 지장이 생기지 않을 정도까지 저하시키는 시간을 길게 요해서, 로크실(305) 내에서 웨이퍼가 체류하고 있는 시간이 상대적으로 길기 때문이다.
제1 진공 반송실(304) 내에 배치된 진공 반송 로봇(308)(로봇1이라 함)은, 대기측 블록(301)으로부터 진공측 블록(302)에 도입된 미처리의 웨이퍼를, 로크실(305)과, 당해 웨이퍼가 반송되기 보다 전에 미리 설정된 처리가 실시되는 목표의 각 진공 처리 유닛(303)과의 사이에서 웨이퍼의 건네받기를 행하는 기계이다. 한편, 제2 진공 반송실(310) 내에 배치된 진공 반송 로봇(308)(로봇2이라 함)은, 상기 로봇1이 제1 진공 반송실(304)로부터 진공 반송 중간실(311)에 반송한 웨이퍼를, 당해 진공 반송 중간실(311)과 제2 진공 반송실(310)에 연결된 어느 것의 진공 처리 유닛(303)과의 사이에서 웨이퍼의 건네받기를 행하는 기계이다.
본 실시형태에서는, 어느 것의 진공 처리 유닛(303) 내에서 웨이퍼에 대한 처리가 종료한 후에, 당해 진공 처리 유닛(303)으로부터 처리 완료의 웨이퍼가 로크실(305)을 향해 반송되어 온다. 여기에서, 상술한 바와 같이 로크실(305)에서 웨이퍼를 대기 블록에 반송하기 위해 요하는 시간, 즉 웨이퍼가 수납된 상태에서 로크실(305) 내부가 감압된 상태로부터, 대기압과 동일하거나 이것으로 간주할 수 있을 정도까지 승압시켜서 대기측 블록(301)에 면한 게이트 밸브가 개방되어 웨이퍼가 취출될 때까지의 로크실(305) 내의 웨이퍼가 체류하는 시간은, 웨이퍼가 진공 처리 유닛(303) 내에 반입되며 처리되고 이후 취출될 때까지 체류하는 시간보다 충분히 길다. 이 때문에, 본 실시형태에서는, 로봇1이, 모든 처리 완료 웨이퍼를 로크실(305)로 되돌려야만 하기 때문에, 처리 완료 웨이퍼를 자신의 아암에 유지한 채 로크실(305)의 진공측 블록(302) 측의 게이트 밸브가 개방되어 반입을 할 수 있게 될 때까지의 대기 시간이 발생한다.
도 4를 참조해서, 도 2에 나타낸 웨이퍼 재치용 전극(120)의 전극 기재(108)의 내부의 구조에 대해 설명한다. 도 4는, 도 2에 나타내는 실시형태에 따른 웨이퍼 재치용 전극의 금속제인 기재의 내부의 구성을 나타내는 횡단면도이다. 특히, 도 4는, 전극 기재(108)의 도 2에 나타내는 A-A선으로 나타나는 수평 방향의 단면을 나타내고 있다.
본 도면에 나타나는 바와 같이, 본 실시형태의 전극 기재(108)는, 알루미늄 또는 그 합금 혹은 티타늄 또는 그 합금 등의 금속제로 원판 또는 원통 형상을 갖고, 그 내부에 중심 둘레에 나선 또는 동심 형상으로 다중으로 배치된 냉매 유로(152)를 구비하고 있다. 본 예의 반경 방향으로 다중으로 배치된 냉매 유로(152)는, 최외주의 유로 부분에 냉매가 내부에 유입하는 유입구(401)를 가진 일단부를 구비하고, 유입구(401)로부터 유입한 냉매가 상방에서 볼 때 중심 둘레에 시계의 회전 방향을 향함에 따라 중심부에 근접하도록 선회하는 경로로 되어 있다. 도 4에 나타나는 예에서는, 냉매 유로(152)는, 냉매가 유입구(401)로부터 유로를 따라 시계 회전에 대략 3주회(周回)하여 흘러서 전극 기재(108)의 중심부에 도달하는 경로로 되어 있다.
또한, 냉매 유로(152)는, 전극 기재(108)의 중심부에 있어서 반시계 회전으로 반환된 후, 중심부로부터 반시계 회전의 방향을 향함에 따라 외주부에 근접하도록 선회하는 유로를 갖고, 최외주의 유로의 내주 측에서, 유입구(401)를 갖는 일단부에 근접한 개소에 위치하는 타단부를 갖고 있다. 타단부에는 냉매의 유출구(402)가 배치되고, 유입구(401)로부터 냉매 유로(152) 내부를 흘러서 중심부에 도달한 냉매는, 유로의 반환부로부터 반시계 회전으로 대략 2주회하여 흘러서 냉매 유로(152)의 타단부에 도달해서, 유출구(402)를 통해 냉매 유로(152)로부터 유출 된다.
또한, 본 실시형태에서는, 전극 기재(108)의 내부에는, 웨이퍼 재치용 전극(120)에 구비된 유전체막(140) 내부에 배치된 정전 흡착용 전극(201)에 급전하기 위한 커넥터나 케이블이 내부에 격납된 관통 구멍(403), 히터 전극(202)에 급전하기 위한 커넥터나 케이블이 격납된 관통 구멍(404), 전극 기재(108) 내부에서 그 상면과 냉매 유로(152) 사이에 배치된 온도 센서(203)가 내부에 수납된 센서 구멍(204)이 구비되어 있다. 냉매 유로(152)는 이들 관통 구멍을 피해서 배치되고, 이 때문에 이들 관통 구멍의 근방의 개소에서 국소적으로 도면상 면내의 방향으로 사행한 개소를 복수 구비하고 있다.
또한, 본 예의 전극 기재(108)는, 두께 방향(상하 방향)의 치수보다 직경 방향(수평 방향)의 치수 쪽이 충분히 큰 원판 형상을 갖고 있다. 이 때문에, 전극 기재(108) 내부에 배치된 냉매 유로(152)가 존재하고 있는 영역의 상하 방향의 치수보다, 직경 방향의 치수가 충분히 크다.
다음으로, 도 5를 사용해서, 도 1에 나타내는 플라스마 처리 장치의 웨이퍼 재치용 전극(120)의 온도의 조절의 태양에 대해 설명한다. 도 5는, 도 2 및 4에 나타내는 실시형태의 냉매 유로에 공급되는 냉매의 온도의 변화에 대한 웨이퍼 재치용 전극에 구비된 온도 센서의 검출 결과와, 실제의 웨이퍼 재치용 전극의 온도와의 차의 관계를 모식적으로 나타내는 그래프이다.
본 실시형태의 플라스마 처리 장치에서는, 웨이퍼 재치용 전극(120) 상에 얹혀 흡착된 상태에서 웨이퍼의 온도는, 냉매 유로(152)에 공급되는 냉매의 온도 및 히터 전극(202)에 공급되는 직류 전력의 크기에 따른 발열량에 따라 변화된다. 이 때문에, 제어기(170)는, 온도 센서(203)로부터의 출력을 받고, 검출된 전극 기재(108)의 온도 또는 추정된 웨이퍼(109)의 온도의 값에 따른 지령 신호를 발신하고, 그에 따라 냉매의 온도나 히터 전극(202)의 발열량이 조절된다. 한편, 본 예가 구비하고 있는 온도 센서(203), 예를 들면 저항체를 사용한 온도 센서(203)에서는, 검출하는 온도의 값의 고저에 따라 실제의 온도와의 차(오차)의 크기도 증감한다. 그래서, 제어기(170)에서는, 온도 센서(203)로부터의 출력을 수신하여 얻어진 결과에 대해 미리 정해진 양만큼 보정해서, 상기와 같은 온도 센서(203)의 검출의 오차를 수정해서, 높은 정밀도로 웨이퍼 재치용 전극(120) 또는 웨이퍼(109)의 온도를 검출한다.
이 때문에 본 예에서는, 반도체 디바이스를 제조하는 공정으로서의 웨이퍼(109)의 처리의 개시 전에 미리, 냉매의 온도 조절기에 의해 냉매의 온도를, 소정의 범위마다 복수의 값으로 설정하여 웨이퍼 재치용 전극(120)의 냉매 유로에 공급함으로써, 전극 기재(108)를 서로 다른 복수의 온도로 조절한다. 이와 같이 전극 기재(108)가 각각의 온도로 조절된 상태에서 온도 센서(203)를 사용해서 온도를 검출함과 함께, 실제의 전극 기재(108)의 상면 또는 웨이퍼 재치용 전극(120)의 유전체막(140)의 상면의 온도와의 오차를 구한다. 또한, 이들 오차의 값과, 냉매의 온도 조절기의 온도 설정값(설정된 냉매 온도)과의 상관을 추출해서, 이들 상관을 나타내는 계수를 산출한다. 이들 상관을 나타내는 그래프가 도 5에 나타나 있다.
발명자들의 검토 결과, 본 예의 웨이퍼 재치용 전극(120)의 전극 기재(108) 내부에 배치된 온도 센서(203)의 출력으로부터 얻어지는 온도의 오차는, 웨이퍼(109)의 실제의 처리의 조건으로서 상정되는 범위에 있어서의 냉매의 온도 조절기가 행하는 온도의 설정값에 대해 소정의 기울기를 갖고 변화하고, 즉 실질적으로 냉매의 설정 온도의 일차 함수로서 표현될 수 있음을 알았다.
그래서, 본 실시형태의 플라스마 처리 장치에서는, 반도체 디바이스를 제조하는 공정으로서, 웨이퍼(109)를 처리하는 운전을 개시하기 전에, 미리, 상기와 같이 온도 조절기에 의해 냉매의 온도를 상정되는 처리의 조건으로서의 웨이퍼(109)의 온도의 범위 내의 복수의 값으로 해서, 온도 센서(203)의 출력의 오차와 냉매의 설정 온도의 상관을, 일차 함수(y＝ax＋b)에 적용했을 경우에, 그 기울기(계수a) 및 상수b의 값을 파라미터로서 구한다. 그리고, 제어기(170)는, 당해 파라미터 및 냉매의 온도 조절기의 설정값(x)으로부터 산출되는 함수의 값(y)을 오차로서 추정하고, 제품의 제조 공정으로서의 웨이퍼(109)의 처리의 공정을 위해 웨이퍼 재치용 전극(120), 또는 이것에 얹힌 웨이퍼(109)의 온도의 추정 또한 산출 시에, 온도 센서(203)로부터의 출력으로부터 검출한 온도의 값을, 추정한 오차를 사용해서 보정 혹은 교정한다. 보정된 온도의 값은, 온도 조절기나 히터 전극의 피드백 제어에 사용된다.
또한, 본 실시형태에서는, 상기 상정되는 처리의 조건으로서의 웨이퍼(109)의 온도의 범위를, 연속된 복수(도 5에서는 3개)의 영역(509, 510, 511)으로 나누고, 각각의 온도의 영역에 있어서 오차의 교정용의 함수로서, 상기 교정용의 파라미터로서 검출된 동일한 (경사) 계수a를 갖고, 당해 각각의 온도의 영역 내에서 오차 0(제로 크로스)점(506, 507, 508)을 갖는 서로 다른 일차 함수에 의한 상관 함수(502, 503, 504)를 설정한다. 보다 구체적으로는, 상관 함수(502)는, 1번째의 영역(509)에 있어서 y＝ax＋b1로 표현되고, 상관 함수(503)는, 2번째의 영역(510)에 있어서 y＝ax＋b2로 표현되고, 상관 함수(503)는, 3번째의 영역(511)에 있어서 y＝ax＋b3으로 표현된다. 단 어느 함수도, 당해 영역 내에서 y＝0으로 되는 점을 지난다. 계수a는, 냉매의 온도 조정 가능한 전체 범위에 걸쳐 상기 오차와 냉매의 설정 온도의 관계를 나타내는 단일 일차 함수의 계수a와 동일한 값이다.
또한, 계수a는, 당해 플라스마 처리 장치와 실질적으로 동일한 구성을 구비한 다른 플라스마 처리 장치가 갖는 시료대의 온도 센서의 출력으로부터 얻어진 온도와, 실제의 상기 기재 또는 상기 웨이퍼의 온도 사이의 오차를 대용 오차로 했을 때에, 당해 대용 오차와 냉매의 설정 온도의 관계를 나타내는 일차 함수의 계수a와 동일한 값으로 해도 된다. 또한, 상관 함수(502, 503, 504)에 의거하여, 히터 전극(202)의 발열량을 조정해도 된다.
이와 같이 분할된 복수의 온도의 영역마다 동일한 계수의 서로 다른 교정용의 함수를 사용함으로써, 각 온도의 영역에서의 오차가 저감된다. 도 5에 나타내는 바와 같이, 실행이 상정되는 처리 중의 온도의 범위 전체를 단일 일차 함수로서의 상관 함수(501)를 사용했을 경우의 비교예와 비교하여, 제로 점으로부터 최대값 또는 최소값까지의 차(오차의 수정량에 대응함)가, 본 실시형태의 교정용의 함수(502, 503, 504) 쪽이 작아져 있고, 온도 센서(203)의 출력을 사용한 웨이퍼(109) 또는 웨이퍼 재치용 전극(120)의 온도의 검출의 정밀도가 향상되는 것을 알 수 있다.
이상과 같이, 본 실시형태에 의해, 웨이퍼(109)의 처리가 상정되는 온도의 범위의 전체에 걸쳐, 웨이퍼(109)의 온도를 높은 정밀도로 실현할 수 있고, 처리의 수율을 개선할 수 있다.
또한, 본 실시형태의 플라스마 처리 장치에 있어서, 미리 온도 조절기에 의해 냉매의 온도를 상정되는 처리의 조건으로서의 웨이퍼(109)의 온도의 범위 내의 복수의 값으로 해서 검출된, 온도 센서(203)의 출력의 오차와 냉매의 설정되는 온도의 상관을 나타내는 일차 함수의 계수의 값은, 온도 센서(203)를 포함하는 웨이퍼 재치용 전극(120) 및 이것과 접속되어 공급되는 냉매의 온도 조절기에 대해 동등한 구성을 구비한 다른 플라스마 처리 장치의 웨이퍼 재치용 전극(120)에 대한 검출 오차의 보정 혹은 교정에 사용된다. 이 경우에도, 도 5에 나타낸 바와 같이, 상정되는 처리의 조건으로서의 웨이퍼(109)의 온도의 범위를, 연속된 복수(도 5에서는 3개)의 영역으로 나누고, 각각의 온도의 영역에 있어서 오차의 교정용의 함수로서, 상기 검출된 계수 및 당해 온도의 영역 내에서 오차 0(제로 크로스)점을 갖는 서로 다른 일차 함수의 상관 함수가 사용되어도 된다.
100…플라스마 처리 장치 101…진공 용기
102…샤워 플레이트 102a…가스 도입 구멍
103…유전체창 104…처리실
105…도파관 106…전계 발생용 전원
107…자장 발생 코일 108…전극 기재
109…웨이퍼 110…진공 배기구
111…도전체막 112…접지 개소
113…서셉터 링 116…플라스마
120…웨이퍼 재치용 전극 120a…재치면
120b…상면 120d…오목부
124…고주파 전원 125…고주파 필터
126…직류 전원 127…고주파 전원
128, 129…정합기 130…부하 임피던스 가변 박스
201…정전 흡착용(ESC) 전극 202…히터 전극
203…온도 센서 204…센서 구멍
301…대기측 블록 302…진공측 블록
303…진공 처리 유닛 304…제1 진공 반송실
305…로크실 306…하우징
307…카세트대 308…진공 반송 로봇
309…대기 반송 로봇 310…제2 진공 반송실
311…진공 반송 중간실 320…게이트 밸브
401…유입구 402…유출구
403, 404…관통 구멍

Claims (8)

  1. 진공 용기 내부에 배치되며 내측에서 플라스마가 형성되는 처리실과, 상기 처리실 내에 배치되며 상면에 처리 대상의 웨이퍼가 얹히는 시료대와, 상기 시료대에 배치되며 온도 조절된 냉매가 통류(通流)하는 냉매 유로를 내부에 구비한 금속제의 기재(基材)와, 상기 냉매 유로와 상기 기재의 상면 사이에 배치되며 온도를 검지하는 적어도 하나의 온도 센서와, 상기 온도 센서로부터의 출력을 사용해서 상기 기재 또는 상기 시료대 상에 얹힌 처리 중의 상기 웨이퍼의 온도를 검출하는 제어기를 구비하고,
    상기 제어기는, 상기 온도 센서의 출력으로부터 얻어진 온도와, 실제의 상기 기재 또는 상기 웨이퍼의 온도 사이의 차를 오차로 했을 때에, 상기 오차와, 상기 냉매의 설정 온도의 관계를 나타내는 일차 함수에 의거하여, 상기 기재 또는 상기 웨이퍼의 온도를 검출하고,
    상기 일차 함수는, 상기 냉매의 조절 가능한 온도의 범위에 있어서의 복수의 연속된 온도 범위의 각 영역에 대응하여 서로 다르고, 복수의 상기 일차 함수는, 동일한 계수를 포함하고 또한 상기 오차가 0으로 되는 점을 갖는,
    것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  2. 제1항에 있어서,
    상기 시료대의 상면과 상기 냉매 유로 사이에 배치된 히터를 구비하고,
    상기 검출된 온도에 따라 상기 히터의 출력이 조절되는,
    것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  3. 제1항에 있어서,
    상기 일차 함수의 계수는, 상기 냉매가 조절 가능한 전체 온도 범위에 있어서, 상기 오차와 상기 냉매의 설정 온도의 관계를 나타내는 일차 함수의 계수와 동일한 값인,
    것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  4. 제1항에 있어서,
    상기 일차 함수의 계수는, 당해 플라스마 처리 장치와 실질적으로 동일한 구성을 구비한 다른 플라스마 처리 장치가 갖는 상기 시료대의 상기 온도 센서의 출력으로부터 얻어진 온도와, 실제의 상기 기재 또는 상기 웨이퍼의 온도 사이의 대용(代用) 오차로 했을 때에, 상기 대용 오차와 상기 냉매의 설정 온도의 관계를 나타내는 일차 함수의 계수와 동일한 값인,
    것을 특징으로 하는 플라스마 처리 장치.
  5. 진공 용기 내부에 배치되며 내측에서 플라스마가 형성되는 처리실과, 상기 처리실 내에 배치되며 상면에 처리 대상의 웨이퍼가 얹히는 시료대와, 상기 시료대에 배치되며 온도 조절된 냉매가 통류하는 냉매 유로를 내부에 구비한 금속제의 기재와, 상기 냉매 유로와 상기 기재의 상면 사이에 배치되며 온도를 검지하는 적어도 하나의 온도 센서를 구비한 플라스마 처리 장치를 사용한 플라스마 처리 방법으로서,
    상기 온도 센서의 출력으로부터 얻어진 온도와, 실제의 상기 기재 또는 상기 웨이퍼의 온도 사이의 차를 오차로 했을 때에, 상기 오차와, 상기 냉매의 설정 온도의 관계를 나타내는 일차 함수에 의거하여 상기 기재 또는 상기 웨이퍼의 온도를 검출하고,
    상기 일차 함수는, 상기 냉매의 조절 가능한 온도의 범위에 있어서의 복수의 연속된 온도 범위의 각 영역에 대응하여 서로 다르고, 복수의 상기 일차 함수는, 동일한 계수를 포함하고 또한 상기 오차가 0으로 되는 점을 갖는,
    것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법.
  6. 제5항에 있어서,
    상기 플라스마 처리 장치가, 상기 시료대의 상면과 상기 냉매 유로 사이에 배치된 히터를 구비하고,
    상기 검출된 온도에 따라 상기 히터의 출력을 조절하는,
    것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법.
  7. 제5항에 있어서,
    상기 일차 함수의 계수는, 상기 냉매가 조절 가능한 전체 온도 범위에 있어서, 상기 오차와 상기 냉매의 설정 온도의 관계를 나타내는 일차 함수의 계수와 동일한 값인,
    것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법.
  8. 제5항에 있어서,
    상기 일차 함수의 계수는, 당해 플라스마 처리 장치와 실질적으로 동일한 구성을 구비한 다른 플라스마 처리 장치가 갖는 상기 시료대의 상기 온도 센서의 출력으로부터 얻어진 온도와, 실제의 상기 기재 또는 상기 웨이퍼의 온도 사이의 대용 오차로 했을 때에, 상기 대용 오차와 상기 냉매의 설정 온도의 관계를 나타내는 일차 함수의 계수와 동일한 값인,
    것을 특징으로 하는 플라스마 처리 방법.
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