JP2000216140A - ウエハステ―ジおよびウエハ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】処理中のウエハの温度分布を任意に応答性よく
制御するウエハステージを提供する。 【解決手段】処理中のウエハ９を積載するウエハステー
ジ８内部に独立した複数個の冷媒用の流路を設け、これ
ら独立した流路毎に冷媒の流量を調節可能なバルブを介
して配管を接続し、バルブの開度を調節し冷媒の流量を
調節することにより達成することができる。 【効果】処理中のウエハの温度分布制御を冷媒の排出側
の配管に接続したバルブの開度調整のみでおこなうこと
ができるので、非常に応答性よくまた低コストで温度制
御することができる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は半導体の製造技術に
属する。特に、半導体製造装置内においてウエハの処理
時にウエハの温度制御を行うステージに関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体素子の高集積化にともない
回路パターンは微細化の一途をたどっており、要求され
る加工寸法精度はますます厳しくなってきている。この
ような状況では、処理中のウエハの温度性御性が非常に
重要になってくる。例えば、高いアスペクト比が要求さ
れるエッチングプロセスにおいては異方性エッチングを
実現するために側壁を有機ポリマで保護しながらエッチ
ングを行うプロセスが実現されているが、保護膜となる
有機ポリマの生成は温度により変化する。したがって処
理中のウエハの温度制御が不十分であると側壁保護膜が
ウエハ面内でばらつき、その結果エッチング形状も不均
一となるという問題を引き起こす。

【０００３】このような処理中のウエハの温度制御に対
処する方法としては、例えば特開平9-298192号公報に開
示されている。この開示例では、エッチング処理におい
て例えば反応性生物の蒸気圧の異なる材料をエッチング
する場合や、ジャストエッチングとオーバーエッチング
のように異なるエッチング条件が要求される場合に、ウ
エハの設定温度を変える方法が開示されている。その方
法としては、試料台内部に流す冷媒を液化ガスまたは気
体とし、温度制御はこの冷媒の流量を、試料台の上流に
設けた複数の径の異なる配管に設けた流量調節手段によ
り調節することにより応答性よく行う方法が開示されて
いる。

【０００４】

【発明が解決しようとする課題】しかしながら、この方
法は処理中のウエハの温度を応答性よく制御するのには
有効な方法であるが、処理中のウエハ面内の温度分布を
任意に設定することはできず、例えばウエハ中心付近の
温度をウエハ外周付近の温度よりも高くするといったよ
うな温度分布を実現することはできない。

【０００５】このような要求は、例えばエッチング処理
により発生する反応生成物が処理面に再付着するような
場合に発生する。つまり、反応生成物は処理面に再付着
しエッチングレートを低下させる原因となるが、この反
応生成物はウエハ外周付近よりもウエハ中央付近で多い
分布となりやすく、結果ウエハ中央付近では外周付近に
比べてエッチングレートが低くエッチング形状がウエハ
面内でばらついてしまう。

【０００６】これを改善する方法としては、ウエハ中心
付近の温度を外周付近よりも高くすることで、反応性生
物のエッチング面への再付着を抑える方法が有効であ
る。

【０００７】また、プラズマエッチングではプラズマが
真空チャンバの壁や真空チャンバの壁に付着した反応生
成物をエッチングし、発生した反応生成物がウエハのエ
ッチング面に再付着する場合があるが、この場合はウエ
ハステージと真空チャンバの位置関係によって反応性生
物の付きやすい領域が変化する場合もある。このような
問題は、特に近年のウエハの大口径化にともない、均一
なエッチングを実現するためにますます重要になってく
るもとの予想される。

【０００８】本発明の第一の目的は、処理中のウエハの
温度分布制御が応答性よく可能なウエハステージを提供
することである。

【０００９】また、本発明の第二の目的は処理中のウエ
ハの温度分布制御が精度よく行えるウエハステージを提
供することである。

【００１０】さらに、本発明の第三の目的は、真空中で
も処理中のウエハの温度分布制御が効率的に行えるウエ
ハステージを提供することである。

【００１１】また、本発明の第四の目的は処理中のウエ
ハの温度制御性の良いウエハステージを備えたウエハ処
理装置を提供することである。

【００１２】

【課題を解決するための手段】上記第一の目的は、処理
中のウエハを積載するウエハステージ内部に独立した複
数個の冷媒用の流路を設け、これら独立した流路毎に冷
媒の流量を調節可能なバルブを介して配管を接続し、バ
ルブの開度を調節し冷媒の流量を調節することにより達
成することができる。

【００１３】上記第二の目的は、処理中のウエハの温度
もしくはウエハステージの温度を測定し、この温度の測
定結果をもとに配管に設けたバルブの開度を調節して冷
媒の流量を調節するようにフィードバック制御すること
により達成できる。

【００１４】上記第三の目的は、処理中のウエハの裏面
にヘリウムガスを導入することにより達成できる。ま
た、ウエハステージの表面に誘電膜を設け、この誘電膜
とウエハの間に電位差を与え、この間に蓄えられた電荷
の静電気力でウエハを固定する構成にすればより効率よ
く達成できる。また、ウエハステージの表面にヘリウム
ガスの導入溝を設ければヘリウムガスがウエハ裏面前面
に効率よく行き渡ることができるのでより効率よく達成
できる。

【００１５】上記第四の目的は、ウエハの処理装置にお
いて処理中のウエハ面内の温度分布を制御可能なウエハ
ステージを備えた構成とすることにより達成できる。

【００１６】

【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図面に
したがって説明する。

【００１７】図1から３に本発明の第一の実施例を示
す。図１は本発明の第一の実施例の横断面図、図２は第
一の実施例のアルミ電極を裏面から見た図、図３は本発
明の第一の実施例のウエハステージを有磁場マイクロ波
プラズマ処理装置に適用した例である。

【００１８】まずはじめに、図３を用いて第一の実施例
の適用例を説明する。大気空間3内に石英管14を設置
し、これにより構成される真空処理室1内にウエハステ
ージ8を配置してウエハ9を固定する。まず、真空処理室
1内に処理ガス13を導入し、一定の圧力に保つ。処理ガ
スは、マイクロ波発信器１９で発生し導波管4を通って
導入されるマイクロ波5とマイクロ波共鳴箱2の周りに取
り付けられたコイル6の相互作用によりプラズマ状態7と
なり、このプラズマにウエハがさらされることにより処
理（ここではエッチング処理）が行われるが、特にイオ
ンの入射を制御してエッチング状態を制御するのがコン
デンサ１８を介して接続された高周波電源10である。15
は、余分な処理ガス、及び反応生成物の排気を表してお
り、真空ポンプに接続されている（ここには図示しな
い）。

【００１９】続いて、本発明の特徴であるウエハステー
ジの説明を図１、２を用いておこなう。上述したように
処理中のウエハはプラズマから電子やイオンの入射を受
け加熱されるため、均一なエッチングを実現するために
はウエハの温度を制御する必要がある。その目的で、ウ
エハステージ内部には冷媒を流して冷却し、ウエハ裏面
にはウエハとアルミステージ間の伝熱をよくするために
ヘリウムのガスを導入する構造となっている。

【００２０】まず、ウエハステージ８はベース１１上に
Oリング１２を介してアルミ電極１６がネジ１７どめさ
れた構造となっている。アルミ電極１６は、内部に冷媒
を流すための流路２０、２１が掘られている。この流路
はアルミ電極の中央付近を冷却するための流路２０と、
アルミ電極の外周付近を冷却する流路２１の独立した２
系統を有している。それぞれの流路には冷媒の導入配管
２２、２３、及び排出配管２４、２５が接続してある
が、これらの配管は外部に接地した冷媒の温度を調節す
る一台の温調機２６の排出口２７と吸引口２８に一本の
配管に合流して接続されている。

【００２１】また、排出配管24、25には流量を調節する
ためのバルブ２９、３０が設けてある。このバルブの開
度を調節することにより各流路に流れる冷媒の流量を調
節し、処理中のウエハの温度分布を調節することができ
る。

【００２２】つまり、ウエハに入射した熱の輸送能力が
ウエハステージ面内で異なるため、ウエハの中央付近と
外周付近で温度が変化することになるのである。

【００２３】また、ウエハステージの中心付近には外部
から流量を制御した状態でヘリウムを導入可能なように
ヘリウム導入管３１を備えている。

【００２４】これにより、ウエハに入射した熱を効率よ
くウエハステージに伝えることができる。ただし、処理
中にヘリウムガスの圧力によりウエハがずれ落ちたりし
ないようにウエハ外周部を機械的に押さえるクランプ３
２が外周に４個所設けてある。３３はウエハステージが
直接プラズマにさらされることを防止すると同時に、ウ
エハの大まかな位置決めを行うためのセラミクックス製
のカバーである。

【００２５】このような構成にし、ウエハステージ上に
ウエハを積載し処理を行い、例えば排出配管に設けたバ
ルブ２９、３０の開度を同一にすると、各流路に流す冷
媒の流量同一となり処理中のウエハはほぼ均一な温度分
布となる。しかし、例えばウエハステージの中央付近に
接続された排出配管２４のバルブ２９の開度をしぼり、
冷媒の流量を減らすとウエハの中央付近に入射した熱の
冷却能力がウエハの外周付近に入射した熱の冷却能力に
比べて低くなるためにウエハの中央付近で温度が高い分
布となる。このような温度分布は特に、エッチングによ
り発生する反応生成物がウエハ中央付近で多い場合に効
果的に作用する。

【００２６】つまり、反応生成物は処理面に再付着しエ
ッチングレートを低下させる原因となるが、この反応生
成物がウエハ中心付近の温度を外周付近よりも高くする
ことで再付着しにくくなるためである。

【００２７】このように、処理中のウエハを積載するウ
エハステージ内部に独立した冷媒の流路をもうけ、この
流路中を流れる冷媒の流量を冷媒配管に設けたバルブの
開度より調節しウエハ面内の温度分布を制御する構成と
すれば、処理中のウエハの温度分布制御をおこなうこと
ができる。

【００２８】また、冷媒の温調機の温度設定を変えるこ
となく冷媒の流量のみを調節することにより温度分布を
制御することができるので非常に応答性の良い温度分布
制御が可能となる。さらに、冷媒の配管に設けたバルブ
の開度調節によりウエハの温度分布を制御することがで
き、独立した複数の冷媒流路毎に温調機を設ける必要が
なく一台の温調機で温度分布制御がおこなえるのでコス
トを低く抑えることができる。

【００２９】図４に本発明の第二の実施例を示す。本一
実施例ではベース３４とアルミ電極３５を貫通してウエ
ハ裏面の温度を測定する蛍光温度計３６、３７を、ウエ
ハ中央付近とウエハ外周付近の二個所に設けている。処
理中のウエハの温度はこの蛍光温度計で測定し、演算回
路３８により排出配管２４、２５に設けられたバルブ２
９、３０の適切な開度を計算しバルブ開度機構３９をフ
ィードバック制御をする。この際、所望の加工形状を実
現するために必要な温度分布は、本実施例のウエハステ
ージを適用する装置でウエハを加工した際の温度分布と
加工形状の相関関係をあらかじめ実験等により把握して
おけばよい。

【００３０】このように構成されたウエハステージで
は、処理中のウエハの温度分布制御を冷媒の温調機の温
度設定を変えることなく非常に応答性良く可能であるほ
か、処理中のウエハの温度分布を最適に保つことができ
るため、非常に再現性がよく精度の高い温度制御をおこ
なうことができる。

【００３１】本一実施例では、ウエハの温度分布を測定
するのにベースとアルミ電極を貫通して設けた蛍光温度
計により直接測定したが、本発明は必ずしもこれに限る
わけではなく、アルミ電極母材中やベース中に熱電対を
埋め込み温度を測定してもよいし、冷媒の戻り側の温度
を熱電対などにより測定してもよい。これらの場合で
も、前述したように測定点の温度と処理中のウエハの温
度分布の相関関係を事前に把握しておけばよいのであ
る。

【００３２】図５には本発明の第三の実施例を示す。本
一実施例では第一及び第二の実施例とは異なりアルミ電
極内の独立した二個の流路２０、２１毎に一台の温調機
４０、４１を接続した構成としている。つまり、アルミ
電極16の外周付近の流路21には温調機40から導入配管42
を通して冷媒を流し込み、排出配管43を通して冷媒を排
出する。

【００３３】また、アルミ電極16の中央付近の流路２０
には温調機4１から導入配管４４を通して冷媒を流し込
み、排出配管４５を通して冷媒を排出する。各流路を流
れる冷媒の流量はバルブ４６、４７の開度を調節してお
こなう。二台の温調機から流れ出る冷媒の温度はそれぞ
れウエハの温度分布が所望のものになるように設定して
おけばよい。

【００３４】また、処理中のウエハの温度をモニタした
結果温度分布を変更が必要な場合には第二の実施例と同
様にバルブ操作により冷媒の流量を調節することにより
応答性よく温度分布を変更することができる。

【００３５】したがって、このように構成されたウエハ
ステージではウエハ面内の温度分布を応答性よく、しか
も処理開始直後から制御することができる。また、ウエ
ハへの入熱があまり大きくないような場合であってもウ
エハ面内の温度分布を大きくすることができる。

【００３６】図６に本発明の第四の実施例を示す。本一
実施例ではアルミ電極４８の表面にアルミナ（Ai2O3）
とチタニア（TiO2）の混合物を減圧雰囲気下で溶射によ
り誘電膜４９として付け、静電吸着の機能を持たせてい
る。誘電膜の表面５２は表面粗さが中心線平均粗さにし
て約１μmに研磨されており、ベース１１は外部の直流
電源５０に接続され直流電圧を印加することができる。
アルミ電極４８は電気的にベース１１と接続しているの
で、誘電膜４９の表面上にウエハ９を積載しプラズマ７
にさらした状態でアルミ電極に直流電圧を印加すると誘
電膜に電荷がチャージしウエハを静電気力により吸着固
定することができる。

【００３７】したがって、ウエハと誘電膜間の熱伝達を
改善するためのヘリウム冷却ガスを導入するような場合
でも、ウエハとの接触面から異物が発生し半導体製造の
歩留まり低下の原因となるメナニカルクランプは必要が
なくなる。

【００３８】また、本一実施例のようにウエハの固定に
静電吸着装置を用いると、例えばウエハにそりがあるよ
うな場合であってもそりを矯正してウエハを固定するの
で微細な加工に有効である、ウエハ裏面との熱的な接触
が強固になるので冷却効率が向上するといった利点があ
る。

【００３９】したがって、このように構成されたウエハ
ステージでは第一の実施例から第三の実施例で期待でき
る効果のほか、より微細な加工が実現できるほか、処理
中のウエハの冷却効率が向上する、ウエハの表面側にメ
カニカルなクランプなどを設ける必要がなく異物による
汚染を抑えることができるといった効果が期待できる。

【００４０】また、本一実施例ではアルミ電極の表面に
アルミナとチタニアの混合物を溶射により形成したが、
必ずしもそうである必要はなく、誘電性のある材料であ
ればその他の材料であってもよいし、セラミックスの焼
結体を接着剤等により固定したものであってもよい。

【００４１】また、本一実施例の静電吸着装置は誘電膜
に対しプラスまたはマイナスいずれかの極性の電圧を印
加するいわゆる単極型の静電吸着装置の構成としたが、
誘電膜にプラスとマイナスの極性の電圧を印加してウエ
ハを吸着するいわゆる双極型の構成としてもよい。この
場合、静電吸着装置の構造は複雑になるが、例えばプラ
ズマ等、ウエハに電位を印加する別の手段がなくとも任
意に吸着固定をすることができるので使い勝手が改善さ
れるといった効果が期待できる。

【００４２】図７に本発明の第五の実施例を示す。本一
実施例では第４の実施例の誘電膜の表面にヘリウムを効
率よく流し込むためのガス溝５１を同心円状に配置した
構成としている。このようにガス溝を設けた構成とする
と、ガス導入口から導入されたヘリウムガスが均等に外
周付近まで行き渡るのでウエハ裏面全体をより効率的に
冷却することができる。

【００４３】また、実際に吸着する部分とガス溝の部分
では吸着部分の方が冷却能力は強く、またガス溝部分も
ガス溝の深さにより冷却能力が異なるので、このことを
利用すればウエハ面内でより効率的な温度分布を実現す
ることができる。

【００４４】以上本発明のウエハステージは処理中のウ
エハの温度分布を応答性よく制御することができるの
で、本装置を搭載したウエハ処理装置は非常に温度制御
性の良い装置を提供することができる。

【００４５】

【発明の効果】以上のように本発明によれば、処理中の
ウエハを積載するウエハステージ内部に独立した複数個
の冷媒用の流路を設け、これら独立した流路毎に冷媒の
流量を調節可能なバルブを介して配管を接続し、バルブ
の開度を調節し冷媒の流量を調節することにより処理中
のウエハの温度分布を制御することが可能になる。ま
た、処理中のウエハの温度もしくはウエハステージの温
度を測定し、この温度の測定結果をもとに配管に設けた
バルブの開度を調節して冷媒の流量を調節するようにフ
ィードバック制御するので、処理中のウエハの温度制御
性の非常に良いウエハステージを提供することができ
る。さらに、処理中のウエハの裏面にヘリウムガスを導
入する構成とすればより効果的にウエハの温度制御をこ
なうことができるウエハステージを提供でき、ヘリウム
ガスをウエハ裏面に均等に行き渡らせるためガス溝を設
ければ冷却性能の向上が期待できる。また、ウエハステ
ージの表面に誘電膜を設け、この誘電膜とウエハの間に
電位差を与え、この間に蓄えられた電荷の静電気力でウ
エハを固定する構成にすればより効率よくウエハの温度
分布が制御できるほか、ウエハの処理面を機械的に抑え
るクランプ等が不要となり異物の発生による汚染を防止
することができる。さらに、本発明のウエハステージを
処理装置に適用すれば処理中のウエハの温度制御性の優
れた装置を提供することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の第一の実施例の横断面図である。

【図２】本発明の第一の実施例のアルミ電極を裏面から
見た図面である。

【図３】本発明の第一の実施例を有磁場マイクロ波プラ
ズマ処理装置に適用した説明図である。

【図４】本発明の第二の実施例の説明図である。

【図５】本発明の第三の実施例の説明図である。

【図６】本発明の第四の実施例の説明図である。

【図７】本発明の第五の実施例の説明図である。

【符号の説明】

１…真空処理室、２…マイクロ波共鳴箱、３…大気空
間、４…導波管、５…マイクロ波、６…コイル、７…プ
ラズマ、８…ウエハステージ、９…ウエハ、１０…高周
波電源、１１…ベース、１２…Oリング、１３…処理ガ
ス、１４…石英管、１５…排気、１６…アルミ電極、１
７…ネジ、１８…コンデンサ、１９…マイクロ波発信
器、２０…流路、２１…流路、２２…導入配管、２３…
導入配管、２４…排出配管、２５…排出配管、２６…温
調機、２７…排出口、２８…吸引口、２９…バルブ、３
０…バルブ、３１…ヘリウム導入管、３２…クランプ、
３３…カバー、３４…ベース、３５…アルミ電極、３６
…蛍光温度計、３７…蛍光温度計、３８…演算回路、３
９…バルブ開度調節機構、４０…温調機、４１…温調
機、４２…導入配管、４３…排出管、４４…導入配管、
４５…排出配管、４６…バルブ、４７…バルブ、４８…
アルミ電極、４９…誘電膜、５０…直流電源、５１…ガ
ス溝、５２…誘電膜の表面。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 金井 三郎 山口県下松市大字東豊井794番地 株式会 社日立製作所笠戸工場内 Ｆターム(参考） 3C016 GA10 5F004 AA01 BA14 BA15 BB11 BB18 BB21 BB22 BB23 BB25 BC08 CA06 5F031 CA02 HA16 HA24 HA38 HA39 JA46 JA51 MA28 MA32 NA04 PA26 5H323 AA40 BB01 BB04 BB20 CA06 CB23 CB25 CB33 CB35 CB43 DA04 DB15 EE01 FF01 FF10 GG16 KK05 MM06

Claims (8)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】半導体ウエハを積載し、該半導体ウエハに
   処理を施すウエハステージにおいて、前記ウエハステー
   ジ内部には独立した複数個の冷媒用の流路を設け、該複
   数個の流路毎には冷媒を導入するための導入配管と冷媒
   を排出するための排出配管を設け、該導入配管と排出配
   管のいずれか一方またはその両方には開度調節により冷
   媒の流量を制御可能なバルブを介して前記冷媒の温度制
   御用の温調機に接続し、前記バルブの開度を調節する事
   により前記冷媒の流量を調節することにより処理中のウ
   エハの温度制御を行うことを特徴とするウエハステー
   ジ。
2. 【請求項２】請求請１に記載のウエハステージにおい
   て、前記バルブの開度調節は前記ウエハステージの温度
   または処理中のウエハの温度を測定した結果をもとにフ
   ィードバック制御することを特徴とするウエハステー
   ジ。
3. 【請求項３】請求項１および請求項２に記載のウエハス
   テージにおいて、独立した前記流路に接続された前記導
   入配管中を流れる冷媒の温度は同一であることを特徴と
   するウエハステージ。
4. 【請求項４】請求項１および請求項２に記載のウエハス
   テージにおいて、独立した前記流路に接続された前記導
   入配管中を流れる冷媒の温度を前記導入配管毎に異なる
   温度に設定することを特徴とするウエハステージ。
5. 【請求項５】請求項１から４に記載のウエハステージに
   おいて、該ウエハステージの表面には誘電体膜を設け、
   該誘電体膜とウエハの間に電位差を与え、前記誘電膜と
   前記ウエハ間に蓄えられた電荷の静電気力により前記ウ
   エハを固定することを特徴とするウエハステージ。
6. 【請求項６】請求項１から５に記載のウエハステージに
   おいて、ウエハ裏面に伝熱性のガスを導入することを特
   徴とするウエハステージ。
7. 【請求項７】請求項１から６に記載のウエハステージに
   おいて、ウエハを積載するステージの表面には冷却ガス
   用のガス溝を設けたことを特徴とするウエハステージ。
8. 【請求項８】請求項１から請求請７に記載のウエハステ
   ージを備え、該ウエハステージ上に積載したウエハの温
   度を制御しつつ処理を施すことを特徴とするウエハ処理
   装置。