(57)【要約】【課題】冷媒溝あるいはヒータ密度の局所的不均一がある場合においても試料表面温度を均一に保持する。【解決手段】内部が減圧排気される処理室内に処理ガスを供給し、さらに該処理室内に高周波エネルギを供給してプラズマを生成し前記処理室内に配置された試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に用いられ、試料を前記処理室内に載置して保持する試料載置電極１１３において、該試料載置電極１１３は、温度調節された冷媒を通流させるための冷媒溝１２２を備えた基材部１２１と、該基材部１２１の試料を載置する面上に順次配置された均熱部材１２７および多層誘電体膜１２３を備え、前記均熱部材はＡｌＳｉＣ合金であり、前記均熱部材上に配置した多層誘電体膜は誘電体膜間に狭持されたヒータ層および静電吸着用電極層を具備する。【選択図】図２
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【特許請求の範囲】
【請求項１】
内部が減圧排気される処理室内に処理ガスを供給し、さらに該処理室内に高周波エネルギを供給してプラズマを生成し前記処理室内に配置された試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に用いられ、試料を前記処理室内に載置して保持する試料載置電極において、
該試料載置電極は、温度調節された冷媒を通流させるための冷媒溝を備えた基材部と、
該基材部の試料を載置する面上に順次配置された均熱部材および多層誘電体膜を備え、
前記均熱部材はＡｌＳｉＣ合金であり、前記均熱部材上に配置した多層誘電体膜は誘電体膜間に狭持されたヒータ層および静電吸着用電極層を具備することを特徴とする試料載置電極。
【請求項２】
内部が減圧排気される処理室内に処理ガスを供給し、さらに該処理室内に高周波エネルギを供給してプラズマを生成し前記処理室内に配置された試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に用いられ、試料を前記処理室内に載置して保持する試料載置電極において、
該試料載置電極は、温度調節された冷媒を通流させるための冷媒溝を備えた基材部と、
該基材部の試料を載置する面上に順次配置された断熱部材、均熱部材および多層誘電体膜を備え、
前記断熱部材はＴｉＡｌＶ合金であり、均熱部材はＡｌＳｉＣからなり、前記均熱部材上に配置した多層誘電体膜は誘電体膜間に狭持されたヒータ層および静電吸着用電極層を具備することを特徴とする試料載置電極。
【請求項３】
請求項２記載の試料載置電極において、
断熱部材を構成するＴｉＡｌＶ合金は下地の基材にブレージングまたは金属接着剤により接合されていることを特徴とする試料載置電極。
【請求項４】
請求項１記載の試料載置電極において、
均熱部材を構成するＡｌＳｉＣ合金は下地の基材にブレージングまたは金属接着剤により接合されていることを特徴とする試料載置電極。
【請求項５】
請求項１または２記載の試料載置電極において、
前記均熱部材はＣｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金、Ｍｏ、Ｗのいずれかで構成されていることを特徴とする試料載置電極。
【請求項６】
請求項２記載の試料載置電極において、
前記断熱部材の熱伝達率は８．１Ｗ・ｍ／Ｋ、厚さは４ｍｍないし８ｍｍであることを特徴とする試料載置電極。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、試料載置電極に係り、特に、表面温度の均一性を改善した試料載置電極に関する。
【背景技術】
【０００２】
エッチング装置などのプラズマ処理装置は、真空処理容器内に処理すべき試料を載置する電極を配置し、該電極に高周波バイアスを印加するとともに、マイクロ波等の高周波を真空容器内に導入してプラズマを形成し、生成したプラズマにより前記試料に処理を施す。
【０００３】
前記載置電極は試料を静電的に吸着する静電吸着用電極を備える。また、試料に対するエッチングの均一性あるいはエッチング形状をコントロールするために、電極の平均温度あるいは電極表面上の径方向温度分布を調整して、試料表面温度を調整する。
【０００４】
近年では、半導体デバイスの微細化と複雑化に伴い、多層膜を一括エッチングするニーズが多くなっている。ここで、多層膜とは、例えばレジストマスク／反射防止膜／カーボン膜／金属膜（Ｔｉ、Ｗ、Ｔａ、Ｍｏ）／ポリＳｉ膜／酸化絶縁膜（ＳｉＯ２、ＳｉＯＣ、ポーラスＬｏｗ−ｋ材など）などの多種多様の材料が複数層積層されている膜である。また、一括エッチングとは、上記のような多層膜の全てあるいは小グループに分けた多層膜部分を、ひとつのエッチング処理装置で、エッチング処理することを指す。
【０００５】
一括エッチングを行う場合、それぞれの膜毎に、試料（ウエハ）面内エッチング均一性を良好に保つとともにエッチングの形状（垂直性、エッチングマスクに対する寸法精度）を良好に保ちつつエッチングしなければならない。この場合、それぞれの膜毎に好適なウエハ温度と、その径方向温度分布が存在し、それらは膜種ごとに異なる。このため、エッチングすべき膜種が切り替わるごとに、ウエハ温度を高速、高精度に変更することが望ましい。
【０００６】
試料（ウエハ）表面上に温度分布を付与するためには、（１）温度の異なる複数の冷媒を載置電極本体内に通流させる方法、（２）電極表面と試料との熱伝達のために配されるＨｅ供給路を複数系統設け、各系統毎にＨｅの圧力を調整する方法、（３）載置電極本体上に薄いヒータ電極を薄い誘電体層を介して配置する方法がある。
【０００７】
しかし、（１）の方法は、電極温度分布を高速で変化させることができない。（２）の方法は、例えばＬＳＩゲート加工用のエッチング装置のようにプラズマからの入熱が小さいときには十分な温度変化が得られない。（３）の方法はこのような問題を避けることができるので、近年採用されることが多い。
【０００８】
図３は、従来の載置電極の例を説明する図である。図に示すように、冷媒溝１２２を有するＴｉ製基材部１２１の上面に、溶射法によって、高抵抗アルミナ膜、ヒータ層、吸着層および静電吸着膜で構成する多層膜１２３が形成されている（特許文献１参照）。なお、電極を構成する基材部１２１にＴｉを用いる理由は、Ａｌ２Ｏ３を主成分とする前記溶射膜の線膨張係数とほぼ等しく、電極温度の変化に伴う熱応力を軽減することができるためと、Ｔｉの熱伝導率が低い（１７Ｗ・ｍ／Ｋ）ことを利用して冷媒溝と基材上面との間に適度な断熱性能を付与するためである。
【特許文献１】特開２００７−８８４１１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００９】
しかしながら、上述のように試料載置電極を構成する基材としてＴｉを用いると、熱伝導率の低さが次の２点に関して問題となる。ひとつは、冷媒溝の配置の不均一に伴う伝熱の不均一が基材表面においても緩和されず、電極表面上での温度分布が不均一になる点である。もうひとつは、電極表面に配置されるヒータの配置が不均一であることに伴い電極表面上における温度分布が不均一になる点である。
【００１０】
本発明はこれらの問題点に鑑みてなされたもので、表面温度の均一性を改善した試料載置電極を提供するものである。
【課題を解決するための手段】
【００１１】
本発明は上記課題を解決するため、次のような手段を採用した。
【００１２】
内部が減圧排気される処理室内に処理ガスを供給し、さらに該処理室内に高周波エネルギを供給してプラズマを生成し前記処理室内に配置された試料にプラズマ処理を施すプラズマ処理装置に用いられ、試料を前記処理室内に載置して保持する試料載置電極において、該試料載置電極は、温度調節された冷媒を通流させるための冷媒溝を備えた基材部と、該基材部の試料を載置する面上に順次配置された均熱部材および多層誘電体膜を備え、前記均熱部材はＡｌＳｉＣ合金であり、前記均熱部材上に配置した多層誘電体膜は誘電体膜間に狭持されたヒータ層および静電吸着用電極層を具備する。
【発明の効果】
【００１３】
本発明は、以上の構成を備えるため、冷媒溝あるいはヒータ密度に局所的不均一がある場合においても試料の表面温度の均一性を確保することができる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１４】
以下、最良の実施形態を添付図面を参照しながら説明する。図１は、本発明の第１の実施形態にかかる試料載置電極が適用されるエッチング装置を説明する図である。図１において、マイクロ波源１０１から出力されたマイクロ波は導波管１０４を介して処理室１１１に導入される。処理室１１１には図示しない真空排気系とガス導入系が接続され、プラズマ処理に適した雰囲気、圧力に保持することができる。
【００１５】
処理室に導入されたマイクロ波により、処理室１１１内のガスはプラズマ化され、被処理材である試料（ウエハ）１１２に所定のプラズマ処理を行うことができる。なお、プラズマの生成手段は、マイクロ波源によるもののみではなく、高周波を用いた誘導結合手段、または高周波を用いた静電結合手段によるものであって良い。
【００１６】
試料１１２は、試料載置電極１１３上に設置され、自動整合器１１４を介してバイアス電源１１５によるバイアス電位が印加される。バイアス電位によりプラズマ中のイオンを試料表面に引き込み、プラズマエッチングを実行する。載置電極１１３には、試料１１２と電極１１３表面との熱伝導を確実にするためのＨｅ導入系１１６、静電チャックのための吸着用直流電源１１７、ヒータ温度制御のためのヒータ電源１１８、電極１１３を構成する基材を冷却するための冷媒を温調し、循環させるための温調器１１９が接続されている。また、ヒータ電源１１８には、載置電極１１３内の複数個所の温度をモニタし、ヒータ電源にその出力指令値を供給する試料温度制御部１２０が接続される。
【００１７】
図２は、試料載置電極１１３の詳細を説明する図であり、図２（ａ）は試料載置電極を示す図、図２（ｂ）は多層誘電体膜２３の詳細を示す図である。
【００１８】
試料載置電極は、Ｔｉで構成される基材部１２１を備え、基材部１２１内には基材を冷却するための冷媒を流す冷媒溝１２２が設けられる。冷媒溝１２２は、載置電極上面での温度均一性を確保するために、ほぼ等間隔に配置される。冷媒溝を流れる冷媒は、たとえばフロン系の冷媒を用い、この冷媒を、流量４〜１０ｌ／ｍｉｎ、冷凍能力１〜５ＫＷ程度のサーキュレータを用いて循環させる。
【００１９】
基材部１２１の上面には、ＡｌＳｉＣ合金で形成された均熱部材１２７を配置する。均熱部材を構成するＡｌＳｉＣ合金は下地の基材にブレージングまたは金属接着剤により接合する。ＡｌＳｉＣからなる均熱部材１２７は、厚さ１ｍｍないし４ｍｍの範囲が好適である。後述の計算例では２ｍｍを用いた。
【００２０】
均熱部材１２７を構成するＡｌＳｉＣは線膨張係数が、７．８×１０−６／℃であり、上層に形成される溶射多層膜（主としてＡｌ２Ｏ３）の線膨張係数７．３×１０−６／℃、およびＴｉ基材の線膨張係数８．４×１０−６／℃］と似通っている。このため、これら三者間に温度差が生じても、熱膨張の違いによる熱応力は小さく、溶射膜に剥がれ等が起こりにくく機械的信頼性を向上することができる。
【００２１】
また、均熱部材１２７を構成するＡｌＳｉＣは、熱伝導率が２５０Ｗ・ｍ／Ｋと、Ｔｉ基材の１７Ｗ・ｍ／Ｋに比べて大きい。このため、水平方向の温度均一化能力が大きい。なお、ＡｌＳｉＣは、電気伝導性を有し、かつ高熱伝導、低線膨張係数を有する他の材料、たとえば、Ｃｕ−Ｗ合金、Ｃｕ−Ｍｏ合金、純Ｍｏ、純Ｗ等で置換することができる。これらの材料は、高発熱密度の半導体用ヒートシンクに良く用いられる材料であり、工業的信頼度は確立されている。
【００２２】
ＡｌＳｉＣからなる均熱部材１２７上には、溶射法によって、静電吸着機能、ヒータ機能を有する多層誘電体膜１２３を形成する。多層誘電体膜１２３は、ヒータ電極機能を備えたヒータ層１２４、静電吸着用電極１２５、表面吸着層１２６を備え、ヒータ層の上下は層間絶縁のためのＡｌ２Ｏ３層が配設されている。
【００２３】
ヒータ層１２４は、ウエハの中心から径方向に、順次、中央部分、ミドル部分、エッジ部分の３領域に分割されており、温度の径方向分布を任意にリアルタイムで調整できるようになっている。なお、前記３領域を構成する各ヒータは、ほぼ等面積なるように形成する。各ヒータへの通電電力は、たとえば１．５ＫＷの電源を３個用いて給電する。また、前記誘電体層１２３は、ヒータ金属等を挟み込んだ例えばＡｌ２Ｏ３、ＡｌＮ、Ｙ２Ｏ３等からなる焼結セラミックスで構成することができる。
【００２４】
図３は、従来技術として説明した載置電極の構造を示す図であり、Ｔｉで構成される基材部１２１の上面に、溶射法によって、図２と同様の構成の多層膜１２３が形成されている。
【００２５】
以下、図２に示す本実施形態の載置電極による作用効果を、図２に示す従来の載置電極による作用効果と定量的に比較して説明する。なお、本実施形態による効果については、以下に述べる数値計算によって確認した。数値計算は、電極基材、試料（ウエハ）、電極基材の上面に配置する誘電体溶射薄膜、誘電体溶射薄膜層内に埋め込んだＷヒータ層、ウエハと電極表面との間に存在するＨｅ層の各層を、半径方向８４メッシュ、高さ方向１４メッシュに分割し、軸対称２次元の熱伝導方程式を数値計算するものである。なお、この数値解析手法は、別途実験データとベンチマークされており、計算は一定の信頼度を有する。ウェハと電極との間に封入するＨｅ圧力は１．０ＫＰａ一定とした。静電吸着によるウエハの電極への押し付け力は、約１０ＫＰａとした。また冷媒の温度は２０℃とした。
【００２６】
Ｔｉからなる載置電極１１３に配置する冷媒溝は、図４に示すように、ほぼ等間隔で配置するが、配置される冷媒溝が局所的に不均一に配置される場合がある。すなわち、載置電極には、例えば、ヒータに給電するための給電シャフト、静電吸着膜に給電するための給電シャフト、ウエハ搬送のためのプッシャピン用のシャフト等の縦シャフトが存在する。冷媒溝はこれらを避けて配置しなければならないため、冷媒溝は局所的に不均等に配置されることになる。
【００２７】
このような場合には、載置電極表面に温度ムラが発生し、仮にヒータ発熱密度が均一であっても、表面温度は不均一になる。
【００２８】
図５および図６は、冷媒溝が不均一に配置されたときの、電極表面での温度不均一の改善の様子を示すための図であって、図５が従来技術の場合、図６が第１の実施形態の電極（図２に示す電極）の場合における温度分布を示す。
【００２９】
図５および図６は、図４に示すように冷媒溝が均等に並んでいるＡ−Ａ断面と、冷媒溝が不均等に並んでいるＢ−Ｂ断面で、それぞれ温度分布を計算したものであり、図５の従来技術においては、冷媒溝均等部分では、電極表面（ウエハ表面）温度ははほぼ均一であるが、溝が不均一であるＢ−Ｂ断面部分では、温度差が１．４℃あり、電極表面温度は不均一である。これに対して、図６に示す本実施形態の電極の場合は、温度差が０．６℃と改善されていることがわかる。  
次に、ヒータ層の局所不均一配置について述べる。溶射ヒータは、図７に示すように、線幅１．５〜３ｍｍのヒータ線を、ほぼ等間隔で配置するが、載置電極には、例えば、ヒータへの給電シャフト、静電吸着膜への給電シャフト、ウエハ搬送のためのプッシャピン用のシャフト、Ｈｅ供給のためのシャフト等のさまざまな縦シャフトが存在する。このために、ヒータは局所的にシャフト部を迂回して配置する必要が生じる。このとき、前記迂回に起因する温度ムラが発生し、表面温度は不均一になる。
【００３０】
図８および図９は、図７に示すヒータ迂回部における電極表面での温度不均一の様子を示す図であり、図８が第１の実施形態に示す電極の場合、図９が従来技術の電極の場合の温度分布を示す。
【００３１】
図８および図９においては、シャフト中心からの径方向位置を横軸にとり、ヒータが存在しない直径１１ｍｍの円形の迂回領域が生じていると仮定して計算している。図９に示す従来技術における載置電極の冷媒溝均等部分では、シャフト中心部とシャフトから遠方との間の温度差が、ウエハ表面上で約１．０℃生じる。これに対して、図８に示す第１に実施形態の場合には、前記温度差が０．３℃に改善されていることがわかる。
【００３２】
図１０は、従来技術の載置電極におけるウエハ昇温時の応答性を示す図である。凡例のｃｅｎｔｅｒ，ｍｉｄｄｌｅ，ｅｄｇｅは、それぞれＲ＝０，１１０，１４７ｍｍの地点における計算値を示す。時間２０秒の時点で、ヒータパワーを投入して、昇温を始め、目標値（Ｃ（センター）／Ｍ（ミドル）／Ｅ（エッジ）＝７０／７０／７０℃）に達すると、温度を維持すべくフィードバック制御が働くと仮定して計算している。温度上昇時の速度は１．７５℃／Ｓ、であった。
【００３３】
図１１は、第１の実施形態における応答性を示す図である。この例では昇温時の温度上昇速度は１．７０℃／Ｓと、従来技術に対してやや性能の劣る結果となった。このような場合、すなわち表面温度の均一性と同時に、応答速度の向上を実現したい場合には、以下に示す第２の実施形態にかかる電極構成を用いるのが好ましい。
【００３４】
図１２は、第２実施形態にかかる載置電極を説明する図である。試料載置電極１１３は、Ｔｉで構成される基材部１２１を備え、基材部１２１内には基材を冷却するための冷媒を流す冷媒溝１２２が設けられる。基材部１２１の上面には、適度な断熱部材として機能するＴｉＡｌＶ合金層１２９を配置する。断熱部材を構成するＴｉＡｌＶ合金は下地の基材にブレージングまたは金属接着剤により接合する。また、ＴｉＡｌＶ合金層１２９上にＡｌＳｉＣ合金で形成された均熱部材１２７を配置する。また、均熱部材１２７上には、溶射法によって、静電吸着機能、ヒータ機能を有する多層誘電体膜１２３を形成する。また、ヒータ層１２４、および静電吸着用電極層１２５には給電線１２５が配設される。なお、図において図２に示される部分と同一部分については同一符号を付してその説明を省略する。
【００３５】
ＴｉＡｌＶ合金は、熱伝導率が８．１Ｗ・ｍ／Ｋと、Ｔｉ金属のそれ（１７〜２０Ｗ・ｍ／Ｋ）に比べ小さく、適度な断熱部材として機能する。また線膨張係数はＴｉと同一であるので、熱応力ひずみの問題は回避できる。また、層の厚さは４ｍｍないし８ｍｍが好適である。後述の計算例では６ｍｍを用いた。
【００３６】
図１３は第２の実施形態にかかる載置電極の昇温時の応答性を示す計算結果である。昇温速度は２．２８℃／Ｓと改善される。温度上昇速度は、基材上部と下部の間の熱コンダクタンスが小さいほど、大きくとれるので、低熱伝導部材であるＴｉＡｌＶ」合金を用いたことにより温度上昇性能が向上したものである。                                  
図１４は、冷媒溝が不均一に配置されたときの、電極表面での温度不均一の改善の様子を示すための図であって、図６に示す第１の実施形態の電極（図２に示す電極）の場合に比して温度の制御精度および温度分布が改善されていることが分かる。
【００３７】
水平方向の温度均一性は均一板（ここではＡｌＳｉＣ部材）の熱伝導率が高ければ高いほど、またその下の断熱部材（ここではＴｉＡｌＶ合金部材）の熱伝導率が低ければ低いほど、改善傾向になる。図１３は図６に比して、断熱部材をＴｉＡｌＶにした分、水平方向の均一性も向上したものである。
【００３８】
図１５は、図７に示すヒータ迂回部における電極表面での温度不均一の様子を示す図である。図１５に示すように電極表面（ウエハ表面）での、温度不均一性は０．３℃となり、第１の実施形態の場合と同様に、均一性が改善されることがわかる。
【００３９】
以上説明したように、本実施形態によれば、冷媒溝あるいはヒータ密度の局所的不均一がある場合においても試料表面温度を均一に保持することができる。
【図面の簡単な説明】
【００４０】
【図１】第１の実施形態にかかる試料載置電極が適用されるエッチング装置を説明する図である。
【図２】試料載置電極を説明する図である。
【図３】従来の載置電極を説明する図である。
【図４】冷媒溝の局所不均一を説明する図である。
【図５】冷媒溝に局所不均一がある場合のウエハ表面温度分布の解析例（従来例）を示す図である。
【図６】冷媒溝に局所不均一がある場合のウエハ表面温度分布の解析例（実施形態１）を示す図である。
【図７】ヒータの局所不均一を説明する図である。
【図８】ヒータに局所不均一がある場合のウエハ表面温度分布の解析例（従来例）を示す図である。
【図９】ヒータに局所不均一がある場合のウエハ表面温度分布の解析例（実施形態１）を示す図である。
【図１０】ウエハ表面温度上昇時の解析例（従来例）を示す図である。
【図１１】ウエハ表面温度上昇時の解析例（実施形態１）を示す図である。
【図１２】試料載置電極（実施形態２）を説明する図である
【図１３】ウエハ表面温度上昇時の解析例を示す図である。
【図１４】冷媒溝に局所不均一がある場合のウエハ表面温度分布の解析例を示す図である。
【図１５】ヒータの局所不均一がある場合のウエハ表面温度分布の解析例を示す図である。
【符号の説明】
【００４１】
１０１  マイクロ波源
１１１  処理室
１１２  試料（ウエハ）
１１３  試料載置電極
１１４  自動整合器
１１５  バイアス電源
１１６  Ｈｅ供給系
１１７  静電吸着用電源
１１８  ヒータ電源
１１９  冷媒温調器
１２０  ウエハ温度制御部
１２１  基材部
１２２  冷媒溝
１２３  多層誘電体膜
１２４  ヒータ層
１２５  静電吸着用電極層
１２６  表面吸着層
１２７  均熱部材
【図１】
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【図３】
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【図４】
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【図７】
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【図８】
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【図９】
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【図１０】
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【図１１】
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【図１３】
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【図１５】
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【図２】
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【図５】
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【図６】
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【図１２】
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【図１４】
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