TWI467649B - Heat transfer structure and substrate processing device - Google Patents

Description

傳熱構造體及基板處理裝置

本發明是關於傳熱構造及基板處理裝置，尤其配置在基板處理裝置之減壓處理室內的傳熱構造體。

通常，使用電漿處理基板之基板處理裝置是以蝕刻裝置廣受人知，該基板處理裝置具備在內部產生電漿之減壓處理室(腔室)，該腔室內配置有載置當作基板之晶圓的載置台。該載置台具備配置在該載置台之上部之圓板狀的靜電夾具(ESC)，和配置在該靜電夾具上面之外周緣之例如由矽所構成之聚焦環。

於對晶圓施予蝕刻處理時，在靜電夾具上載置晶圓之後，減壓腔室內，將處理氣體例如由C₄ F₈ 氣體、O₂ 氣體及Ar氣體所構成之混合氣體導入腔室內，將高頻電流供給至腔室內自混合氣體產生電漿。藉由施予蝕刻處理，晶圓溫度雖然上昇，但是該晶圓藉由內藏靜電夾具之冷卻機構被冷卻，於該冷卻之時，將熱傳達性優良之氦(He)氣體自靜電夾具上面流向晶圓背面，藉由提升靜電夾具和晶圓之間的熱傳達性，有效率冷卻晶圓。

另外，聚焦環之背面和靜電夾具之外周緣部之上面之界面因是固體彼此接觸之界面，故聚焦環和靜電夾具之密著度低，在該界面產生微小間隙。尤其，蝕刻處理中腔室被減壓，故該些間隙形成真空隔熱層，靜電夾具和聚焦環 之間的熱傳達性變低，無法如晶圓般效率佳冷卻聚焦環，其結果，聚焦環之溫度比晶圓溫度高。

當聚焦環之溫度變高時，晶圓之外周緣部之溫度比該內側部高，晶圓中之蝕刻處理之面內均勻性變差。

再者，於蝕刻處理時，產生反應生成物，該反應生成物當作聚合物膜附著於腔室之側壁或聚焦環，該附著之聚合物膜雖然保護聚焦環不受電漿影響等而防止聚焦環等消耗，但是如第5圖曲線圖所示，聚合物之膜厚是當附著對象物(聚焦環等)之溫度上昇時則變小。因此，如上述般，聚焦環之溫度高時，反應生成物之聚合物則難以附著於聚焦環，因聚焦環直接被電漿曝曬，故聚焦環之消耗變快。

並且，因藉由所形成之真空隔熱層聚焦環效率佳被冷卻，故隨著時間經過蓄積熱，在相同批次之晶圓之蝕刻處理中各晶圓處理時之聚焦環之溫度不成為一定，製程性能惡化，例如各晶圓中之蝕刻率之分布形態不同。

在此，本案申請人提案提高聚焦環和靜電夾之密著度，提升靜電夾具和聚焦環之間的熱傳達性的對策。具體而言，使聚焦環和靜電夾具之間存在由導電性矽膠等之具有耐熱性的彈性構件所形成之熱傳導媒體(例如參照專利文獻1)。

該對策中，熱傳導媒體是在聚焦環和靜電夾具之間變形。依此，提升靜電夾具及聚焦環之密著度，並且提升靜電夾具及聚焦環之熱傳達性。

[專利文獻1]日本特開2002-16126號公報

但是，近年來，晶圓中之蝕刻處理之面內均勻性之要求水準越來越高，再者，要求消耗零件之聚焦環之長壽命化，其結果，要求將蝕刻處理中之聚焦環的溫度維持在225℃以下。另外，熱傳導構件之導電性矽膠流動性低，故無法掩埋聚焦環和靜電夾具之界面的微小間隙，其結果，藉由夾著熱傳導構件提升靜電夾具及聚焦環之熱傳達性則有限度，要將蝕刻處理中之聚焦環溫度維持在225℃以下為困難。

本發明之目的為提供可以將基板之蝕刻處理中之聚焦環溫度維持在225℃以下的傳熱構造體及基板處理裝置。

為了達成上述目的，申請專利範圍第1項所記載之傳熱構造體為被配置在減壓環境下對基板施予電漿處理之處理室內的傳熱構造體，其特徵為具有：擁有對電漿露出之露出面的消耗零件；冷卻該消耗零件之冷卻零件；被配置在上述消耗零件及上述冷卻零件之間，並且由凝膠狀物質所構成之熱傳導構件，上述熱傳導構件中之以ASKER-C所表示之硬度對以W/m．K所表示之熱傳導率的比低於20。

申請專利範圍第2項所記載之傳熱構造體是第1項所記載之傳熱構造體中，上述消耗零件是以包圍上述基板之外 緣而配置之圓環狀構件，上述冷卻零件為載置上述基板及上述圓環狀構件之載置台。

為了達成上述目的，申請專利範圍第3項之基板處理裝置，為具備在減壓環境下對基板施予電漿處理之處理室；和被配置在該處理室內之傳熱構造體的基板處理裝置，其特徵為：上述傳熱構造體具有：擁有對電漿露出之露出面的消耗零件；冷卻該消耗零件之冷卻零件；和配置在上述消耗零件及上述冷卻零件之間，並且由凝膠狀物質所構成之熱傳導構件，上述熱傳導構件中之以ASKER-C所表示之硬度對以W/m．K所表示之熱傳導率的比低於20。

若藉由申請專利第1項所記載之傳熱構造體及申請專利範圍第3項所記載之基板處理裝置時，在擁有對電漿露出之露出面的消耗零件及冷卻該消耗零件之冷卻零件之間由凝膠狀物質所構成之熱傳導構件，該熱傳導構件中之以ASKER-C所表示之硬度對以W/m．K所表示之熱傳導率的比低於20。凝膠狀物質因掩埋消耗零件和冷卻零件之界面的微少間隙，熱傳導構件中之以ASKER-C所表示之硬度對以W/m．K所表示之熱傳導率的比低於20，故可以使消耗零件及冷卻零件之熱傳達性比以往提升。其結果，可以使基板之蝕刻處理中之消耗零件之溫度維持於225℃以下。

若藉由申請專利範圍第2項所記載之傳熱構造體，因 消耗零件是以包圍上述基板之外緣而配置之圓環狀構件，冷卻零件為載置基板及圓環狀構件之載置台，故可以將基板之蝕刻處理中之圓環狀構件之溫度維持在225℃以下，其結果可以滿足被載置在載置台之基板中之蝕刻處理之面內均勻性之要求水準，並且可以延長圓環狀之壽命。

以下，針對本發明之實施形態參照圖面予以說明。

首先，針對具備本發明之實施形態所涉及之傳熱構造體的基板處理裝置予以說明。

第1圖為表示具備本實施形態傳熱構造體之基板處理裝置之概略構成的剖面圖。該基板處理裝置構成對形成在當作基板之半導體晶圓上的多晶矽層施予蝕刻處理。

在第1圖中，基板處理裝置10具有用以收容例如直徑300mm之半導體晶圓(以下單稱為「晶圓」)W之腔室11(處理室)，在該腔室11內配置有當作載置晶圓W之圓柱狀之承載器12(冷卻零件)。在基板處理裝置10中，藉由腔室11之內側壁和承載器12之側面，形成當作使承載器12上方之氣體排出至腔室11外之流路而發揮功能之側方排氣路13。該側方排氣路13之途中配置有排氣板14。腔室11之內壁面是以石英或氧化釔(Y₂ O₃ )覆蓋。

排氣板14為具有多數孔之板狀構件，當作將腔室11分隔成上部和下部之分隔板而發揮機能。在藉由排氣板14所區隔之腔室11之上部(以下稱為「反應室」)17，產生後述 之電漿。再者，在腔室11之下部(以下稱為「排氣室(多歧管)」)18，開口有排出腔室11內之氣體之粗抽排氣管15及本排氣管16。粗抽排氣管15是連接DP(Dry Pump)(無圖式)，本排氣管16是連接TMP(Turbo Molecular Pump)(無圖式)。再者，排氣板14是捕捉或反射在反應室17中之後述之處理空間S中所產生之離子或自由基，防止朝該些多歧管18洩漏。

粗抽排氣管15及本排氣管16是經多歧管18使反應室17之氣體排出至腔室11之外部。具體而言，粗抽排氣管15是使腔室11內自大氣壓減壓至低真空狀態，本排氣管16是與粗抽排氣管15一起動作使腔室11內減壓至比低真空狀態低之壓力的高真空狀態(例如，133Pa(1Torr)以下)。

承載器12則經整合器(Matcher)20連接於下部高頻電源19，該下部高頻電源19是將特定高頻電力施加至承載器12。依此，承載器12當作下部電極發揮功能。再者，下部整合器20是降低承載器12之高頻電力之反射而使供給至高頻電力之承載器12之供給效率成為最大。

承載器12之上部配置有在內部具有靜電電極板21之靜電夾具22。在靜電夾具22或具有直徑之下部圓板狀構件上，呈現出重疊比該圓板狀構件之直徑小的上部圓板狀構件之形狀。並且，靜電夾具22是由氧化鋁所構成，在上部板狀構件之上面溶射陶瓷等。當承載器12載置晶圓W時，該晶圓W被配置在靜電夾具22中之上部圓板狀構件之上。

再者，靜電夾具22是直流電源23電性連接於靜電電極板21。當正的高直流電壓被施加於靜電電極板21時，在晶圓W中之靜電夾具22側之面(以下，稱為「背面」)產生負電衛而在靜電電極板21及晶圓W之背面之間產生電位差，藉由因該電位差所引起之庫倫力或是Johnsen-Rahbek力，晶圓W在靜電夾具22中之上部圓板狀構件之上被吸著保持。

再者，在靜電夾具22中於下部圓板狀構件之上面無重疊上部圓板狀構件之部份(以下，稱為「聚焦環載置面」)，配置有圓環狀之聚焦環24(消耗零件，圓環狀構件)。該聚焦環24是由導電性構件例如矽所構成，包圍吸著保持於靜電夾具22中之上部圓板狀構件之上的晶圓W周圍。再者，聚焦環24具有露出於處理空間S之露出面，在該處理空間S電漿朝向晶圓W之表面收斂，提升蝕刻處理之效率。

再者，承載器12之內部設置有延伸於圓周方向之環狀的冷煤室25。該冷煤室25經冷煤用配管26自冷卻單元(無圖式)循環供給例如冷卻水或熱傳導液(Galden)。藉由該低溫之冷煤而被冷卻之承載器12經靜電夾具22冷卻晶圓W及聚焦環24。因此，本實施形態中，承載器12當作直接性冷卻零件而發揮功能，靜電夾具22當作間接性冷卻零件而發揮功能。並且，晶圓W及聚焦環24之溫度主要是藉由被循環供給置冷煤室25之冷煤溫度、流量而被控制。

在靜電夾具22中之上部圓板狀之上之吸著保持晶圓W 之部份(以下，稱為「吸著面」)，開口多數氣體供給孔27。該些多數之傳熱氣體供給孔27是經傳熱氣體供給管28連接於傳熱氣體供給部(無圖式)，該傳熱氣體供給部是經傳熱氣體供給孔27將當作傳熱氣體之氦(He)氣體供給至吸著面及晶圓W之背面之間隙。被供給至吸著面及晶圓W之背面之間隙的氦氣體是將晶圓W之熱有效果熱傳達至靜電夾具22。

在腔室11之天井部以與承載器12對向之方式配置有氣體導入噴淋頭29。在氣體導入噴淋頭29經上部整合部器30連接有上部高頻電源31，因上述高頻電源31是將特定之高頻電力施加至氣體導入噴淋頭29，故氣體導入噴淋頭29室當作上部電極發揮功能。並且，上述整合器30之功能是與上述下部整合器20之功能相同。

氣體導入噴淋頭29具有擁有多數氣體孔32之天井電極板33，和可拆裝支撐該天井電極板33之電極支撐體34。再者，該電極支撐體34之內部設置有緩衝室35，在該緩衝室35連接有處理氣體導入管36。氣體導入噴淋頭29是將被供給至緩衝室35之處理氣體從處理氣體導入管36，例如添加O₂ 氣體及Ar等之惰性氣體至臭氧系氣體或是鹽系氣體之混合體，供給至反應室17內。

再者，於腔室11之側壁設置有朝晶圓W之反應室17內搬出搬入時所利用之搬出搬入口37，搬出搬入口37設置有開關該搬出搬入口37之閘閥38。

在該基板處理裝置10之反應室17內，對承載器12及氣 體導入噴淋頭29施加高頻電力，藉由對承載器12及氣體導入噴淋頭29之間的處理空間S施加高頻電力，在該處理空間S使自氣體導入噴淋頭29所供給之處理氣體成為高密度電漿而產生離子或自由基，藉由該離子等對晶圓W施予蝕刻處理。

並且，上述基板處理裝置10之各構成零件之動作是基板處理裝置10所具有之控制部(無圖式)之CPU因應對應於蝕刻處理之程式而控制。

上述基板處理裝置10因有效果執行晶圓W及靜電夾具22之間的熱傳達，故晶圓W及靜電夾具22之間被供給傳熱氣體，但是於聚焦環24及靜電夾具22之間不供給傳熱氣體。再者，聚焦環24及靜電夾具22因各為固體，故假設聚焦環24和靜電夾具22直接接觸之時，在聚焦環24及靜電夾具22之界面產生微少間隙。在此，如上述般，因配置有承載器12及聚焦環24之腔室11內，更具體而言反應室17內被減壓至高真空狀態，故界面微小之間隙形成真空隔熱層。

被電漿曝曬之晶圓W及聚焦環24雖然在電漿處理中溫度藉由來自電漿之入熱而上昇，但是晶圓W因經靜電夾具22藉由承載器12被冷卻，故該溫度維持100℃左右。另外，當形成真空隔熱層時，聚焦環24不經靜電夾具22藉由承載器12被冷卻，該溫度上升至450℃左右。即是，聚焦環24及晶圓W之溫度差雖然變大，但是如上述般，晶圓W中之蝕刻處理之面內均勻性惡化，並且聚焦環24之 消耗變快。再者，聚焦環24因間經過蓄積熱，故相同批次中之製程性能惡化。

為了解決該些問題，本發明者提及若將蝕刻處理中之晶圓W之溫度抑制在225℃以下即可，及在相同批次之晶圓蝕刻處理中若將各晶圓處理時之聚焦環24之最高溫度差(偏差程度)若為±30℃以內即可。

本實施形態是鑑於此，改善聚焦環24及靜電夾具22之熱傳達性，抑制聚焦環24及靜電夾具22之界面中之微小間隙之發生。具體而言，在聚焦環24及靜電夾具22之間配置由凝膠狀物質所構成之熱傳導薄片39(熱傳導構件)。由凝膠狀物質所構成之熱傳導薄片39因具有流動性，故掩埋上述微小間隙，提升聚焦環24及靜電夾具22之密著度，依此改善聚焦環24及導電夾具22之熱傳導性。在此，因聚焦環24之熱經熱傳導薄片39及靜電夾具22傳達至承載器12，故聚焦環24、熱傳達薄片39、靜電夾具22及承載器12構成傳熱構造體。

因熱傳導薄片39之熱傳達性是熱傳達薄片39之熱傳導率越大，再者，熱傳導薄片39越柔軟，即是硬度越小則越佳，故本實施形態中，根據後述本發明者之實驗結果，將熱傳導薄片39中以ASKER-C所表示之硬度對以W/m．K所表示之熱傳導率的比設定成低於20。並且，具體而言使用薄片狀熱傳導之「λ G EL」(註冊商標)(GELTEC有限公司)當作熱傳導薄片39。

因熱傳導薄片39為絕緣性構件，聚焦環24及靜電夾具 22為導電性構件，故聚焦環24熱傳導薄片39及靜電夾具22構成電容器。當該電容器之電荷變大時，因影響到晶圓W中之蝕刻處理之面內均勻性，故必須縮小電容器之電容。在此，本實施形態之形態中之熱傳導薄片39之厚度以薄厚度為佳，具體而言熱傳導薄片39之厚度的最大值設定成0.7mm。

再者，因熱傳導薄片39具有黏著性，故在聚焦環24之交換中，自聚膠環24或靜電夾具22剥開熱傳導薄片39之時，熱傳導薄片39破損該一部份密著於聚焦環24或靜電夾具22而殘留。尤其，因密著於靜電夾具22之熱傳導薄片39之一部份必須完全除去，故有損聚焦環24之交換作業性。在此，自防止熱傳導薄片39破損之觀點來看，熱傳導薄片39之厚度是以某值以上為佳，具體而言熱傳導薄片39之厚度之最小值設定為0.3mm。

若藉由本實施形態所涉及之熱傳導薄片39之熱傳導薄片39，則在聚焦環24及承載器12之間，更具體而言，在聚焦環24及靜電夾具22之間，配置由凝膠狀物質所構成之熱傳導薄片39，將熱傳導薄片39中以ASKER-C所表示之硬度對以W/m．K所表示之熱傳導率的比設定成低於20。熱傳導薄片39因掩埋聚焦環24及靜電夾具22之界面中之微小間隙，故使聚焦環24及承載器12之熱傳達性比以往上昇，可以有效率執行藉由承載器12所產生之聚焦環24的冷卻。其結果，可以將蝕刻處理中之聚焦環24之溫度維持在225℃以下，依此，可以防止晶圓W中之蝕刻處理之面內均 勻性之惡化及聚焦環24之早期消耗。並且，可以防止隨著時間經過在聚焦環24蓄積熱，防止相同批次之製程性能惡化。

再者，靜電夾具22中之聚焦環載置面是被施予研磨加工，該面粗度Ra設定成1.6以下。但是，聚焦環載置面之面粗度大，藉此即使多數產生聚焦環24及靜電夾具22之間的微小間隙，熱傳導薄片39亦可以充分掩埋該些微小間隙，故在聚焦環載置面不一定需要研磨加工，即使該面粗度Ra為6.3以上亦可。此時，藉由研磨加工廢止可以抑制靜電夾具22之製造成本。再者，藉由增大聚焦環載置面之面粗度，可以增加熱傳導薄片39及靜電夾具22之實際接觸面積，如此一來可以更提升聚焦環24及靜電夾具22之熱傳達性。

並且，本實施行形態中，雖然熱傳導薄片39配置在靜電夾具22及聚焦環24之間，但是配置熱傳導薄片39之場所並不限定於此，若為配置在腔室11內之被加熱之構件及使該被加熱之構件的熱逃逸之間即可。

[實施例]

接著，針對本發明之實施例予以說明。

首先，本發明者準備以ASKER-C所表示之硬度為10~100中之一者，以W/m．K所表示之熱傳導率為0.2~17中之一者的多數熱傳導薄片39。然後，每熱傳導薄片39，在基板處理裝置10中之靜電夾具22及聚焦環24之間配置該 熱傳導薄片39，在靜電夾具22之上部圓板狀構件之上載置晶圓W並吸著保持，使腔室11內減壓至高真空狀態，將氦氣體供給至晶圓W之背面之間隙，並且以3分鐘×3循環施加高頻電力至承載器12及氣體導入噴淋頭29，而測量聚焦環24之溫度飽和度(以下，稱為「飽和溫度」)。

之後，將本發明者所測量之聚焦環24之飽和溫度，和熱傳導率及硬度整理於下述表1。

然後，首先將熱傳導率及飽和溫度之關係表示於第2圖之曲線圖。

當藉由第2圖之曲線圖時，若以全體而言熱傳導率變大時，聚焦環24之飽和溫度則變低，但是有熱傳導率為0.8時飽和溫度則為453.1℃時，熱傳導率為2.0時飽和溫度則為388℃時，或熱傳導率為5.0時飽和溫度則為453℃之時，無法取得用以使聚焦環24之溫度停在飽和溫度臨界值(225℃以下)熱傳導率之明確基準。

接著，本明者將硬度及飽和溫度之關係表示於第3圖之曲線圖。

當藉由第3圖之曲線圖，硬度為20時，飽和溫度則為453.1℃，無法取得用以使聚焦環24之溫度停留在飽和溫度臨界值以下之硬度明確基準。

本發明者針對無法將聚焦環24之溫度停留在飽和溫度臨界值以下之情形予以研究，找出無論哪一種情形，相當於熱傳導率大硬度也大之時，或是硬度小熱傳導率也小之情形。在此，本發明者注意到硬度對熱傳導率之比，求出硬度對熱傳導率之比及飽和溫度之關係，並且將硬度對熱傳導率之比及飽和溫度之關係表示於第4圖之曲線圖。

當藉由第4圖時，可知當硬度對熱傳導率之硬度比低於20時，可以使聚焦環24之溫度停留在飽和溫度臨界值以下。

再者，當本發明者測量使用硬度對熱傳導率之比低於20之熱傳導薄片39而以3分鐘×3循環將高頻電力施加至承載器12及氣體導入噴淋頭29之時的各循環中之聚焦環24的飽和溫度時，則確認出各飽和溫度之差在±30℃以內。 即是，可知若熱傳導薄片39中之以ASKER-C所表示之硬度對以W/m．K所表示之熱傳導率的比低於20時，則可以使聚焦環24之溫度停留在飽和溫度臨界值以下，並且可以使各高頻電力施加循環中之聚焦環24之飽和溫度之差停留在±30℃以內。

W‧‧‧晶圓

S‧‧‧處理空間

10‧‧‧基板處理裝置

11‧‧‧腔室

12‧‧‧承載器

22‧‧‧靜電夾具

24‧‧‧聚焦環

25‧‧‧冷煤室

39‧‧‧熱傳導薄片

第1圖是表示具備本發明之實施形態所涉及之傳熱構造體之基板處理裝置之概略構成的剖面圖。

第2圖是表示第1圖之熱傳導薄片之熱傳導率及聚焦環之飽和溫度之關係曲線圖。

第3圖是表示第1圖中之熱傳導薄片之硬度及聚焦環之飽和溫度之關係曲線圖。

第4圖是表示第1圖中之熱傳導薄片之硬度對熱傳導率之比及聚焦環之飽和溫度之關係曲線圖。

第5圖是表示附著之聚合物之膜厚和附著對象物之溫度的關係曲線圖。

W‧‧‧晶圓

S‧‧‧處理空間

10‧‧‧基板處理裝置

11‧‧‧腔室

12‧‧‧承載器

22‧‧‧靜電夾具

24‧‧‧聚焦環

25‧‧‧冷煤室

39‧‧‧熱傳導薄片

Claims (8)

1. 一種傳熱構造體，為被配置在減壓環境下對基板施予電漿處理之處理室內的傳熱構造體，其特徵為具有：擁有對電漿露出之露出面的消耗零件；冷卻該消耗零件之冷卻零件，上述冷卻零件具有載置上述基板及上述消耗零件之載置台；及被配置在上述消耗零件及上述載置台之間，並且由凝膠狀物質所構成之熱傳導構件，在上述熱傳導構件中以ASKER-C所表示之硬度對以W/m．K所表示之熱傳導率的比低於20，載置上述消耗零件之載置面之表面粗度Ra為6.3以上。
2. 如申請專利範圍第1項所記載之傳熱構造體，其中上述消耗零件是以包圍上述基板之外緣而配置之圓環狀構件，上述熱傳導構件之厚度被設定成0.3mm~0.7mm。
3. 如申請專利範圍第1項所記載之傳熱構造體，其中上述載置面不被研磨加工。
4. 如申請專利範圍第1項所記載之傳熱構造體，其中在上述熱傳導體中以W/m．K所表示之上述熱傳導率為0.2~17。
5. 一種基板處理裝置，為具備在減壓環境下對基板施予電漿處理之處理室；和被配置在該處理室內之傳熱構造體的基板處理裝置，其特徵為： 上述傳熱構造體具有：擁有對電漿露出之露出面的消耗零件；冷卻該消耗零件之冷卻零件，上述冷卻零件具有載置上述基板及上述消耗零件之載置台；及配置在上述消耗零件及上述載置台之間，並且由凝膠狀物質所構成之熱傳導構件，上述熱傳導構件中之以ASKER-C所表示之硬度對以W/m．K所表示之熱傳導率的比低於20，載置上述消耗零件之載置面之表面粗度Ra為6.3以上。
6. 如申請專利範圍第5項所記載之基板處理裝置，其中上述消耗零件是以包圍上述基板之外緣而配置之圓環狀構件，上述熱傳導構件之厚度被設定成0.3mm~0.7mm。
7. 如申請專利範圍第5項所記載之基板處理裝置，其中上述載置面不被研磨加工。
8. 如申請專利範圍第5項所記載之基板處理裝置，其中在上述熱傳導體中以W/m．K所表示之上述熱傳導率為0.2~17。