(57)【要約】      （修正有）【課題】フォーカスリングとウェハチャック（静電チャック）との密着性を高め、フォーカスリングと基板載置装置との熱伝導率を簡便に高める方法を提供する。【解決手段】チャンバー４内で被処理基板を載置する載置台の載置面の外周縁部に配置されるフォーカスリング３の熱伝導改善方法であって、フォーカスリングと載置台との間に伝熱シート２６を配するとともに、被処理基板の処理に先立って、チャンバー内を真空に吸引し、次いでチャンバー内の圧力を大気圧又は軽減圧状態に復圧し、伝熱シートと載置面との細隙の空気を除去し伝熱シートを載置面に密着せしめる。【選択図】図１
2008171899.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
チャンバー内で被処理基板を載置する載置台の載置面の外周縁部に配置されるフォーカスリングの熱伝導改善方法であって、
前記フォーカスリングと前記載置台との間に伝熱シートを配するとともに、被処理基板の処理に先立って、前記チャンバー内を真空に吸引し、
次いで前記チャンバー内の圧力を大気圧又は軽減圧状態に復圧し、
前記伝熱シートと前記載置面との細隙の空気を除去し前記伝熱シートを前記載置面に密着せしめることを特徴とするフォーカスリングの熱伝導改善方法。
【請求項２】
前記の真空吸引と、これに次ぐ復圧とを複数回繰り返すことを特徴とする請求項１に記載のフォーカスリングの熱伝導改善方法。
【請求項３】
真空度を１Torr以下にして真空に吸引することを特徴とする請求項１又は２に記載のフォーカスリングの熱伝導改善方法。
【請求項４】
前記伝熱シートは柔軟性高分子材料からなることを特徴とする請求項１から３のいずれかに記載のフォーカスリングの熱伝導改善方法
【請求項５】
前記伝熱シートがゲル状ポリマーからなる又はゲル状ポリマーを含むシートであって、該シートのＷ／ｍ・Ｋで表される熱伝導率に対するアスカーＣで表される硬度の比が２０未満であることを特徴とする請求項１から請求項４のいずれかに記載のフォーカスリングの熱伝導改善方法。
【請求項６】
前記伝熱シートの厚みが、０．２〜１ｍｍである請求項５に記載のフォーカスリングの熱伝導改善方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理等に用いられる被処理基板の載置装置の作業方法に関し、とくに、被処理基板を載置する載置台の載置面の外周縁部に配置されるフォーカスリングと載置台との間の熱伝導を改善するためのフォーカスリングの熱伝導改善方法に関する。
【背景技術】
【０００２】
プラズマ処理は、例えば表面処理装置、エッチング装置など、半導体製造装置に広く用いられている。プラズマ処理においては、処理チャンバー内にウェハ等の被処理基板を載置する基板載置装置が設置されている。基板載置装置は、例えば図５に示すように、ウェハ１を載置する載置台（ウェハチャック）２と、この載置台２の外周縁部に配置されるフォーカスリング３とを備えている。ウェハチャックには静電チャックが用いられることが多い。
【０００３】
ウェハ１にプラズマ処理を施す場合には、ウェハチャック２上にウェハ１を載置した後、処理チャンバーを所定の真空度に保持した状態で、ウェハを固定し（例えば静電チャックの場合は、載置面の誘電体に直流電圧を印加して、ウェハを静電吸着する）、ウェハチャック２に高周波電圧を印加して、処理チャンバー内にプラズマを発生させる。
【０００４】
プラズマ処理によりウェハ１の温度が高くなるので、ウェハチャック２内に設けられた冷却機構により、ウェハ１を冷却し所望の温度に調整する。その際、ウェハチャック２の上面から、熱伝導性の良いヘリウムガスをウェハ１の裏面に向けて流し、ウェハ１とウェハチャック２との間の熱伝導率を高めるという方法が取られることが多い。
ここでフォーカスリング３は、被処理基板の周縁部におけるプラズマの不連続性を緩和して、基板全面でのプラズマ処理の均一性を向上させる目的で設置されるものである。
【０００５】
【特許文献１】特開２００２−１６１２６号公報
【特許文献２】特開２００２−３３３７６号公報
【特許文献３】特開２００６−２２０４６１号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００６】
しかし、従来の被処理基板の載置装置では、フォーカスリング３を単にウェハチャック２の上に置くだけの構造であるため、両者の間にミクロな隙間があって、完全に密着せず、空気が細隙に存在することになる。かかる空気細隙があるため、フォーカスリング３からウェハチャック２への熱伝導が悪く、フォーカスリング３が十分に冷却されないという問題があった。
【０００７】
即ち、ウェハの周辺部以外は、ウェハチャックの冷却機構とヘリウムガスの冷却効果により、ウェハが十分冷却されるが、ウェハの周辺縁部では、フォーカスリング３の温度が高くなるため、その熱をウェハ周辺縁部が受けて温度が高くなる。この温度の影響により、ウェハ周辺縁部のエッチング特性が悪くなり、例えばホール抜け性（エッチングにより所定の深さまで確実に堀込むことのできる特性）が悪化したり、エッチングのアスペクト比が低下したりする等の問題が生じていた。
【０００８】
かかるフォーカスリングの温度上昇を防止する対策として、前記特許文献１には、「載置台とフォーカスリングの間に伝熱媒体を介在させるとともに、フォーカスリングを載置台に押圧・固定する押圧手段を設けたことを特徴とする被処理体の載置装置」が開示されている。また、特許文献２には、「フォーカスリングを吸着する静電吸着手段を設けた被処理体の載置装置」が開示されている。
しかしながら、これらの手段では、物理的にフォーカスリングを載置台に押圧する駆動機構や、フォーカスリングを静電吸着する電極を設ける必要があり、載置装置の構造が複雑になり、設備コストが高くなるという問題がある。
また、このような駆動機構や、静電吸着用の電極に起因して、プラズマの異常放電、パーティクルやゴミの生成という問題もある。
【０００９】
そこで本発明の課題は、フォーカスリングを押圧する駆動機構や、静電吸着用電極を設けることなく、フォーカスリングとウェハチャックとの密着性を高め、フォーカスリングと基板載置装置との熱伝導率を簡便に高める方法を提供することにある。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記課題を解決するための本発明は、チャンバー内で被処理基板を載置する載置台の載置面の外周縁部に配置されるフォーカスリングの熱伝導改善方法であって、前記フォーカスリングと前記載置台との間に伝熱シートを配するとともに、被処理基板の処理に先立って、前記チャンバー内を真空に吸引し（真空吸引工程）、次いで前記チャンバー内の圧力を大気圧又は軽減圧状態に復圧し（復圧工程）、前記伝熱シートと前記載置面との細隙の空気を除去し前記伝熱シートを前記載置面に密着せしめることを特徴とするものである。
【００１１】
上記のように、真空吸引工程で間隙内の空気を除去した後、復圧工程を設けることにより、柔軟性のある伝熱シートがこれに接する固体面に強固に押し付けられ、その後接触面への空気侵入を防ぐことができる。そのため、接触界面の空気層による熱伝導抵抗が無くなり、フォーカスリングからの抜熱が顕著に増大する。
【００１２】
上記の方法においては、前記の真空吸引工程及びこれに次ぐ復圧工程を複数回繰り返すことが好ましい。実施例で示すように、２回の繰返しにより、１回の場合よりもさらに、フォーカスリングからの抜熱が向上する。
【００１３】
前記の真空吸引工程においては、処理チャンバー内の真空度を１Torr以下にすることが好ましい。
【００１４】
本発明に用いる前記の伝熱シートは、柔軟性高分子材料からなることが好ましく、とくにゲル状ポリマーからなる又はゲル状ポリマーを含むシートであって、該シートのＷ／ｍ・Ｋで表される熱伝導率ｋに対するアスカーＣで表される硬度Ｈの比（Ｈ／ｋ）が２０未満であることが好ましい。この伝熱シートは、柔軟性と熱伝導性を兼ね備えることが望ましいが、とくに熱伝導性の大きいものを用いることが重要である。
【００１５】
また、この伝熱シートは、その厚みが０．２〜１ｍｍであることが好ましい。これが、０．２ｍｍ未満だと使用後の除去が難しくなり、１ｍｍを超えるとプラズマ処理におけるウェハ周辺部のエッチング特性に影響を与えるおそれがあるためである。
【発明の効果】
【００１６】
本発明により、フォーカスリングを押圧する駆動機構や、静電吸着用電極を設けることなく、フォーカスリングとウェハチャックとの密着性を高めることが可能になった。即ち、この両者の接触界面に残存する空気を除去した状態を維持することにより、この空気層による熱伝導抵抗を顕著に低減でき、これにより特別の機械的手段を設けることなく、簡便にフォーカスリングの熱伝導を改善することが可能になった。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１７】
まず、本発明に用いる装置について説明する。図１は、本発明の実施に用いられるプラズマ処理装置の一例を示す断面概要図である。この装置は、ウェハ１を収容するチャンバー４を有し、チャンバー４内にはウェハ１を載置する載置台として、円柱状のサセプタ５が配置されている。
【００１８】
チャンバー４の内壁面とサセプタ５の側面との間に、ガスを排出するための側方排気路６が形成され、この側方排気路６の途中に、多孔板からなる排気プレート７が配されている。排気プレート７は、チャンバー４を上下に区分する仕切り板としての機能を有し、排気プレート７の上部は反応室８となり、下部は排気室９となる。排気室９には、排気管１０が開口し、図示していない真空ポンプにより、チャンバー４内は真空排気される。
【００１９】
サセプタ５の上部には、静電電極板１１を内蔵する静電チャック１２が配置されている。静電チャック１２は下部円盤状部材１３の上に直径の小さい上部円盤状部材１４を重ねた形状になっている。上部円盤状部材１４の上面は誘電体（セラミックス等）の層が形成され、直流電源１５に接続された静電電極板１１に直流高電圧を印加することにより、上部円盤状部材１４表面に誘電電位が生じ、その上に載置したウェハ１をクローン力又はジョンソン・ラーベック力により吸着保持する。
【００２０】
下部円盤状部材１３は、中央の円筒状部分の外周に鍔（環状の台座部分）１６が張り出したような形状で、この鍔（台座）の上にフォーカスリング３（以下、ＦＲと略記する。）が載置されている。このＦＲ３は、導電性材料例えばシリコン、シリコンカーバイドなどから形成されている。ＦＲ３はウェハ１の外側を覆って、その表面が反応室８の空間に露出しており、反応室内のプラズマをウェハに収束させる機能を有する。
【００２１】
反応室内にプラズマを発生させるのは、反応室８上部のガス導入シャワーヘッド１７に上部高周波電源１８から印加された高周波電力と、サセプタ５に下部高周波電源１９から印加された高周波電力の作用による。ガス導入シャワーヘッド１７には、ガス導入管２０から反応ガスが供給され、バッファ室２１を介して上部電極板２２に設けられた多数のガス孔２３を流通する際にプラズマ化されて、反応室８に供給される。
【００２２】
高温のプラズマに曝されたウェハ１は温度が上がるため、サセプタ５への熱伝導により冷却される。そのため、サセプタ５は伝熱性の良い金属材料で構成され、その内部に冷媒流路２４を設けて、水やエチレングリコール等の冷媒を循環して冷却する。また、ウェハ１を吸着する面に多数の伝熱ガス供給孔２５を設け、ヘリウムをこの孔から流出させて、ウェハ１の裏面を冷却している。
【００２３】
一方、ＦＲ３もプラズマに曝されるため、温度が上昇する。この熱を下部円盤状部材１３を介してサセプタ５に伝えることによりＦＲ３が冷却されるが、ＦＲ３と下部円盤状部材１３との密着性が不十分であると、この間の熱伝導抵抗が大きいことが問題となる。すなわち、ＦＲ３と下部円盤状部材の接触面の細隙に空気が存在し、これが熱伝導抵抗の主因になっていると考えられる。そのため、ＦＲ３の温度は、ウェハ本体の温度より数十度高くなり、ウェハ周辺のエッチング特性が悪化する。
【００２４】
このＦＲ３と下部円盤状部材１３間の熱伝導抵抗を改善する手段の一つは、この両者の間に、熱伝導性が比較的良好で柔軟な高分子材料から成る薄い伝熱シート２６を介在させることである。かかる伝熱シートとしては、本発明者らがすでに提案しているもの（特願２００６−１８８２６２）を用いることができる。
【００２５】
このシートは、ゲル状ポリマーからなるシート又は骨格材となるポリマー（例えば発泡樹脂）のシートにゲル状ポリマーを含浸させたものからなり（必要に応じてゲル状ポリマーに充填材を添加してもよい）、柔軟性と熱伝導性が高いことが特徴である。また、このシートの物性として、Ｗ／ｍ・Ｋで表される熱伝導率ｋに対するアスカーＣで表される硬度Ｈの比（Ｈ／ｋ）の値が２０未満であって、熱伝導率ｋが高いことが望ましい。
【００２６】
このシートを用いることにより、ＦＲ３と伝熱シート２６間及び、伝熱シート２６と下部円盤状部材１３との間の密着性を高め、熱伝導抵抗を低減することができる。また、ゲル状ポリマーとして熱伝導性の比較的良いシリコーンゲル等を用い、かつシートの厚みを薄くすることにより、伝熱シート２６自体の熱伝導抵抗は無視し得る程度に軽減することができる。
【００２７】
しかし、本発明者らの検討結果によれば、かかるシートを用いても、界面に存在する細隙中の空気を完全に除去することはできず、これが依然として大きな熱伝導抵抗になることが知れた。
そのため、本発明の熱伝導改善方法は、図１のような処理装置の真空排気装置を利用して、処理チャンバー１１内を所定の真空度に保持して、伝熱シート２６とＦＲ３及び下部円盤状部材１３との間に存在する残留空気を除去する工程と、次いで、該チャンバーを大気圧又は軽減圧状態に復圧して伝熱シート２６とＦＲ３及び下部円盤状部材１３との密着性を高める工程とを具備することを特徴とする。
【００２８】
以下、模擬実験において、このような真空吸引−復圧の効果を目視観察した結果について説明する。実験に用いた試験片は、ＦＲ構成材料と類似の材料からなる長方形の基板プレート（大きさ２００×２００ｍｍ）の片側に、伝熱シートを重ね合わせたものである。伝熱シートとしては、ジェルテック社の「λＧＥＬ」（登録商標）の厚み０．５ｍｍのシートを用いた。この試験片を収容した容器を真空吸引し、シートとプレート間の気泡の生成状況を調査した。
【００２９】
図２は、この模擬実験における気泡の生成状況の例を示すスケッチ図で、試験片短片中央の断面図である。図２(ａ)は大気圧、図２(ｂ)は容器内圧を数十Torr、図２(ｃ)は数Torr〜１Torr以下、図２(ｄ)は復圧した時のシートとプレート間の気泡の状態を示している。
【００３０】
まず、図２(ａ)の大気圧状態では、基板プレート２７と伝熱シート２６の間はミクロな細隙はあっても、見掛け上は密着している。容器内圧を数十Torrまで減圧すると、図２(ｂ)に示すように、基板プレート２７と伝熱シート２６の間の残留空気が膨張して、膨れ２８が生成する。この圧力では、膨れ２８は未だ小さく、島状に点在するだけであるが、さらに数Torr〜１Torr以下まで減圧すると、図２(ｃ)に示すように、膨れが合体して、プレートの大部分を覆うような大きな膨れとなる。この段階では、基板プレート２７の周辺付近では、伝熱シート２６が基板プレート２７に密着しているため、膨れ２８内の空気が外部空間に流出するための通路は形成されていない。この状態から復圧を開始すると、図２(ｄ)に見られるように、基板プレート２７の縁に通路２９が形成され、膨れ２８内の空気が外部に流出するようになり、膨れ２８も小さくなる。
【００３１】
図２(ｅ)〜(ｈ)は、容器内を復圧して大気圧に戻し（図２(ｅ)）、再度減圧して、順次数十Torr、数Torr、１Torr以下にした時の膨れの状態を示す。この場合圧力が数十Torr（図２(ｆ)）及び数Torr（図２(ｇ)）では、残留空気の膨張による膨れは全く生じていない。１Torr以下（図２(ｈ)）になって、初めて若干の膨れが生じる程度である。
【００３２】
この結果から、まず第一に、残留空気を除去するには、容器内圧を１Torr以下にすることが好ましいことが知れる。また第二に、真空吸引状態から大気圧に復圧した段階で、伝熱シート２６がプレート２７に強く圧着され、両者の間隙に空気が殆ど侵入しなくなる。したがって、一旦真空吸引−復圧の処理を行なえば、その後暫くの期間は伝熱シート２６がプレート２７に密着して、両者の間に残留空気が存在しないという状態を維持することができる。すなわち、本発明の効果が長時間持続することを意味している。
【００３３】
なお、後述の実施例で明らかにするように、本発明の真空吸引−復圧の処理は１回でも十分有効であるが、これを２回繰り返すことにより、より伝熱シートの密着性を高め、伝熱促進効果をさらに向上させることができる。
【００３４】
また、単に真空吸引しただけでは、吸引時間を如何に長くしても伝熱改善効果は十分でなく、真空吸引後の復圧過程が、伝熱シートを密着させる上できわめて重要であることが知見されている。なお、この復圧過程は大気圧に戻しても良いが、軽減圧状態例えば数百〜数十Torr程度の圧力でもよい。雰囲気からの押圧力によって、伝熱シートがその下面に強く押し付けられるような圧力であればよいと考えられる。
【００３５】
なお、最初のプラズマ処理に先だって、一回のみ真空吸引工程、復圧工程を行い伝熱シート２６をプレート２７に密着させれば、プラズマ処理毎に真空吸引工程、復圧工程を行う必要性はない。
【実施例】
【００３６】
図１に示すようなプラズマ処理装置を用い、本発明の方法を実施した場合とこれを適用しない従来法でのフォーカスリング（ＦＲ）の温度を測定して、本発明の効果を調査した。プラズマ処理の条件は、ウェハ径３０ｃｍ、プラズマ発生用高周波電力５．７ｋＷ（上下電源の合計）、プラズマガスはＣ４Ｆ８／Ａｒ／Ｏ２の混合ガスで、その流量は３０／４５０／５０ＣＣ／ｍｉｎである。いずれの場合もＦＲとウェハチャック（下部円盤状部材）の間に、ジェルテック社の「λＧＥＬ」（登録商標）の厚み０．５ｍｍのシートを挟んで測定した。
ＦＲの温度測定は、本発明者らが開発した光学的測定法によった。これは、温度によって変位する測定対象に測定光を照射し、参照光と干渉波形によって、測定対象の変位を計測して温度に換算する方法である（詳細は特許文献３参照）。
プラズマ処理は１ウェハに３分間ずつ行い、４０秒の入替え時間でウェハを入れ替えて３回ずつ繰り返し、ＦＲの温度測定を行った。
【００３７】
（実施例１）
下記の３条件でＦＲの温度測定を行い、長時間の真空引きが有効か否か検討した。
条件Ａ：真空吸引−復圧の工程無し（比較例１）、繰り返し実験数２回
条件Ｂ：真空吸引（１Torr以下）−大気圧復圧の工程１回（本発明１）、繰り返し実験数２回
条件Ｃ：真空吸引（１Torr以下）−大気圧復圧の工程２回（本発明２）、繰り返し実験数３回
【００３８】
これらの条件におけるＦＲ温度結果を図３に示す。いずれの場合も、プラズマ処理開始から急激に温度が上昇し、１分間程度でほぼ一定温度に達する。プラズマ処理終了（３分経過時）の後は急激に温度が降下し、ほぼ元（処理開始前）の温度に戻る。４０秒でウェハを交換した後に再度プラズマ処理を開始して、同様の温度変化が３回繰り返される。
【００３９】
図３に見られるように、条件Ａ（比較例１、図の実線）では、ＦＲの温度は９０℃程度まで上がっているのに対して、条件Ｂ（真空吸引−復圧１回、図の破線）では、ＦＲ温度は７５〜８０℃程度に、条件Ｃ（真空吸引−復圧２回、図の点線）では、ＦＲ温度は６０〜６５℃程度まで下がっている。
この結果から、本発明の方法が、フォーカスリングからウェハチャックへの熱伝導の改善に極めて有効であることが確認された。また、真空吸引−復圧の工程が１回の場合よりも、２回繰り返した方がさらに効果的であることが明らかになった。
【００４０】
（実施例２）
下記の３条件で、ＦＲの温度測定を行い、長時間の真空引きが有効か否か検討した。
条件Ｄ：真空吸引−復圧の工程無し（比較例１）
条件Ｅ：真空吸引（１Torr以下）１２時間−復圧工程無（比較例２）
条件Ｆ：真空吸引（１Torr以下）１２時間−大気圧復圧の工程２回（本発明３）
【００４１】
測定結果を図４に示す。条件Ｄでの平均ＦＲ温度（３回の平均値）が９０．４℃であったのに対し、条件Ｅ，Ｆでの平均ＦＲ温度は、それぞれ７５．２℃、６３．２℃であった。
この結果から、１２時間という長い時間１Torr以下に真空引きしても、伝熱促進効果はさほど大きくないことが知れる。それよりも、復圧工程を設けることが伝熱シートの密着性の向上に大きな役割を果たしていることが示唆された。
【図面の簡単な説明】
【００４２】
【図１】本発明の実施に用いられるプラズマ処理装置の一例を示す断面概要図である。
【図２】模擬実験における気泡の生成状況の例を示すスケッチ図である。
【図３】本実施例におけるフォーカスリング温度の測定結果の例を示す図である。
【図４】本実施例におけるフォーカスリング温度測定結果の他の例を示す図である。
【図５】従来の半導体基板載置装置の構成の説明図である。
【符号の説明】
【００４３】
１  ウェハ
２  載置台
３  フォーカスリング
４  チャンバー
５  サセプタ
６  側方排気路
７  排気プレート
８  反応室
９  排気室
１０  排気管
１１  静電電極板
１２  静電チャック
１３  下部円盤状部材
１４  上部円盤状部材
１５  直流電源
１６  鍔（環状の台座部分）
１７  シャワーヘッド
１８  上部高周波電源
１９  下部高周波電源
２０  ガス導入管
２１  バッファ室
２２  上部電極板
２３  ガス孔
２４  冷媒流路
２５  伝熱ガス供給孔
２６  伝熱シート
【図１】
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【図２】
2008171899.tif 000004
【図３】
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【図４】
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【図５】
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