(57)【特許請求の範囲】
【請求項１】
温調機構を有する載置台に載置された基板の外側に設けられ、伝熱シートを介して前記載置台と接触するフォーカスリングを有するプラズマ処理装置であって、
前記フォーカスリングの面のうち前記伝熱シート側の面に前記フォーカスリングの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する一の断熱層が一体形成され、
前記断熱層は前記伝熱シートに直接接する、
プラズマ処理装置。
【請求項２】
前記断熱層は、所定の気孔率を有する多孔質体を含む、
請求項１に記載のプラズマ処理装置。
【請求項３】
前記断熱層は、ジルコニア、石英、炭化ケイ素、窒化ケイ素の少なくとも一つを含む、
請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置。
【請求項４】
プラズマ処理が行われるチャンバの内部において、温調機構を有する載置台に載置された基板の外側に設けられ、伝熱シートを介して前記載置台と接触するフォーカスリングであって、
前記フォーカスリングの面のうち前記伝熱シート側の面に前記フォーカスリングの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する一の断熱層が一体形成され、
前記断熱層は前記伝熱シートに直接接する、
フォーカスリング。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、プラズマ処理装置及びフォーカスリングに関する。
【背景技術】
【０００２】
半導体ウェハ（以下「ウェハ」ともいう。）に対してプラズマ処理を施すプラズマ処理装置では、真空チャンバの内部にウェハを載置する載置台が設けられる。載置台の外周側には、ウェハの外周を囲むようにフォーカスリングが配置されている。フォーカスリングはウェハの上方に生じるプラズマの分布領域をウェハ上だけでなくフォーカスリング上まで拡大させて、ウェハ全面に施されるエッチングなどの処理の均一性を確保する。
【０００３】
フォーカスリングは、ウェハとともにプラズマに直接露出するので、プラズマからの入熱により温度が上昇する。そこで、フォーカスリングと載置台との間に伝熱シートを配置して両部材間の密着性を高め、フォーカスリングと載置台との熱伝達率を向上させ、フォーカスリングの熱を載置台側に拡散することが行われている（例えば、特許文献１を参照）。
【先行技術文献】
【特許文献】
【０００４】
【特許文献１】特開２００８−１７１８９９号公報
【発明の概要】
【発明が解決しようとする課題】
【０００５】
チャンバの内部に高エネルギーの高周波電力を印加する高温のプラズマプロセス処理では、プラズマに暴露されるフォーカスリングの上面の温度が高くなり、これに伴ってフォーカスリングが伝熱シートに接触する面の温度が高くなる。今後、高温プロセスによりチャンバの内部の温度はさらに高くなる可能性がある。例えば、チャンバの内部の温度が５０℃以上高くなれば、これに応じてフォーカスリングが伝熱シートに接触する面の温度も高くなる。
【０００６】
しかしながら、伝熱シートは、フォーカスリングとの接触面の温度が高くなるほど劣化し、伝熱シートの寿命が短くなる。
【０００７】
上記課題に対して、一側面では、本発明は、伝熱シートの劣化を抑制することを目的とする。
【課題を解決するための手段】
【０００８】
上記課題を解決するために、一の態様によれば、温調機構を有する載置台に載置された基板の外側に設けられ、伝熱シートを介して前記載置台と接触するフォーカスリングを有するプラズマ処理装置であって、前記フォーカスリングの面のうち前記伝熱シート側の面に、前記フォーカスリングの熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する断熱層を設ける、プラズマ処理装置が提供される。
【発明の効果】
【０００９】
一の側面によれば、伝熱シートの劣化を抑制することができる。
【図面の簡単な説明】
【００１０】
【図１】一実施形態にかかるプラズマ処理装置の縦断面の一例を示す図。
【図２】一実施形態にかかるフォーカスリング及びその周辺の断熱構造の一例を示す図。
【図３】一実施形態にかかるフォーカスリング周辺の温度変化の一例を示す図。
【図４】一実施形態にかかる断熱層の加工方法の一例を示す図。
【発明を実施するための形態】
【００１１】
以下、本発明を実施するための形態について図面を参照して説明する。なお、本明細書及び図面において、実質的に同一の構成については、同一の符号を付することにより重複した説明を省く。
【００１２】
［プラズマ処理装置の構成］
まず、本発明の一実施形態にかかるプラズマ処理装置を例に挙げて説明する。プラズマ処理装置は、チャンバ内に載置されたウェハＷに、プラズマエッチング、プラズマＣＶＤ(chemical Vapor Deposition)等のプラズマ処理を実行する装置である。図１は、一実施形態にかかるプラズマ処理装置１の縦断面の一例を示す。本実施形態では、チャンバ１０内に下部電極と上部電極とを対向配置し、上部電極から処理ガスをチャンバ内に供給する平行平板型のプラズマ処理装置１を例に挙げて説明する。
【００１３】
チャンバ１０は、例えばアルミニウム等の導電性材料から形成される。チャンバ１０は、接地されている。チャンバ１０の内部には、ウェハＷを載置する載置台２０が設けられている。載置台２０は、下部電極としても機能する。
【００１４】
載置台２０には、静電チャック１０６が設けられている。静電チャック１０６は、絶縁体１０６ｂの間にチャック電極１０６ａを挟み込んだ構造となっている。チャック電極１０６ａには直流電源１１２が接続されている。直流電源１１２からチャック電極１０６ａに直流電圧が印加されると、クーロン力によってウェハＷが静電チャック１０６に吸着される。
【００１５】
載置台２０は、支持体１０４により支持されている。支持体１０４の内部には、冷媒流路１０４ａが形成されている。冷媒流路１０４ａには、冷媒入口配管１０４ｂ及び冷媒出口配管１０４ｃが接続されている。冷媒流路１０４ａには、冷媒として例えば冷却水が循環される。
【００１６】
ウェハＷの裏面には、図示しない伝熱ガス供給源からヘリウムガス（Ｈｅ）等の伝熱ガスが供給される。かかる構成により、静電チャック１０６は、冷媒流路１０４ａに循環させる冷却水と、ウェハＷの裏面に供給する伝熱ガスとによって温度制御される。この結果、ウェハを所定の温度に制御することができる。
【００１７】
さらに、載置台２０に図示しないヒータを設け、ヒータ、冷媒及び伝熱ガスによりウェハを所定の温度に制御してもよい。ヒータ、冷媒及び伝熱ガスは、載置台２０の温度を調整する温調機構の一例である。
【００１８】
載置台２０上には、ウェハＷの外周を囲むようにフォーカスリング１２０が配置されている。本実施形態では、フォーカスリング１２０は、シリコン（Ｓｉ）で形成されている。ただし、フォーカスリング１２０は、例えば石英、炭化ケイ素（ＳｉＣ）で形成されてもよい。
【００１９】
載置台２０には、整合器３３を介して高周波電源３２が接続されている。高周波電源３２は、例えば４０ＭＨｚの高周波電力を供給する。整合器３３は、チャンバ１０内にプラズマが生成されているときに高周波電源３２の内部インピーダンスと負荷インピーダンスが見かけ上一致するように機能する。
【００２０】
チャンバ１０の天井面には、周縁部を被覆するシールドリング４０を介してガスシャワーヘッド２５が形成されている。ガスシャワーヘッド２５は、上部電極としても機能する。ガスシャワーヘッド２５には、ガス供給源１５が接続されている。ガス供給源１５は、実行するプラズマプロセスに応じたガスを供給する。ガスは、ガス導入口４５から導入され、拡散室５０にて拡散され、多数のガス供給孔５５からチャンバ１０の内部に導入される。
【００２１】
チャンバ１０の底面には排気口６０が形成されており、排気口６０に接続された排気装置６５によってチャンバ１０の内部が排気され、チャンバ１０内が所定の減圧状態に管理される。チャンバ１０の側壁にはゲートバルブＧが設けられている。ゲートバルブＧは、ウェハＷをチャンバ１０内へ搬入するとき、及びウェハＷをチャンバ１０外へ搬出するときに開閉される。
【００２２】
以上、本実施形態にかかるプラズマ処理装置１の全体構成について説明した。かかる構成のプラズマ処理装置１によって、ウェハＷに所望のプラズマ処理が施される。例えば、プラズマエッチング処理が行われる場合、ゲートバルブＧの開閉が制御され、ウェハＷがチャンバ１０に搬入され、載置台２０上に載置される。次いで、エッチング用のガスがガスシャワーヘッド２５からチャンバ１０内に供給され、高周波電力が載置台２０に印加される。これにより、生成されたプラズマによりウェハＷにプラズマエッチングが施される。プラズマエッチング後、ゲートバルブＧの開閉が制御され、ウェハＷがチャンバ１０から搬出される。
【００２３】
［フォーカスリング及びその周辺構造］
次に、本実施形態にかかるフォーカスリング１２０及びその周辺構造について、図２を参照しながら説明する。図２は、本実施形態にかかるフォーカスリング１２０及びその周辺の断熱構造の一例を示す。
【００２４】
フォーカスリング１２０は、ウェハＷの上方に生じるプラズマの分布域をウェハＷ上だけでなくフォーカスリング１２０上まで拡大させて、ウェハＷ全面に施されるエッチングなどのプラズマ処理の均一性を確保する。
【００２５】
フォーカスリング１２０は、ウェハＷとともにプラズマに直接露出するので、プラズマからの入熱により温度が上昇する。そこで、フォーカスリング１２０と載置台２０との間には、ポリマーシート１２２ａ、１２２ｂが設けられている。本実施形態では、載置台２０とフォーカスリング１２０との間にアルミニウムで構成されたリング部材１２１が介在する。よって、フォーカスリング１２０とリング部材１２１との間、及びリング部材１２１と載置台２０との間に、ポリマーシート１２２ａ、１２２ｂ（以下、ポリマーシート１２２ともいう。）が設けられる。
【００２６】
なお、リング部材１２１は必ずしも設けられなくてもよい。ただし、リング部材１２１が設けられない場合であってもフォーカスリング１２０と載置台２０との間にポリマーシート１２２は設けられる。
【００２７】
ポリマーシート１２２は、フォーカスリング１２０と載置台２０との間の密着性を高め、フォーカスリング１２０と載置台２０との熱伝達率を向上させる。これにより、フォーカスリング１２０への入熱を、リング部材１２１を介して載置台２０側に拡散することができる。
【００２８】
ポリマーシート１２２は、熱伝導率、ラジカル耐性、硬さが所定以上の特性を有する伝熱シートの一例である。ポリマーシートは、シリコン材を主材料として形成される。ポリマーシートは、他の樹脂材料と比較して耐熱性及び耐プラズマ性に優れており、熱伝導率の調整のために添加するフィラー（アルミナ（Ａｌ２Ｏ３））とも相性がよい。これにより、ポリマーシート１２２の熱伝導率は、１〜２０Ｗ／ｍ・Ｋ、硬さはアスカーＣで２０〜８０程度に調整される。
【００２９】
本実施形態では、フォーカスリング１２０の下面（ポリマーシート１２２に密着する面）にフォーカスリング１２０の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する断熱層１３０を含む。フォーカスリング１２０は、下面から２０〜３０％が断熱層１３０になるように、断熱層１３０と一体形成される。フォーカスリング１２０と断熱層１３０とを一体形成する一例としては、フォーカスリング１２０と断熱層１３０とを一体焼成する方法が挙げられる。フォーカスリング１２０と断熱層１３０とを一体形成する他の例としては、接着剤で断熱層１３０をフォーカスリング１２０の下面に接着する方法、溶射やコーティングにより断熱層１３０をフォーカスリング１２０の下面に形成する方法が挙げられる。
【００３０】
断熱層１３０は、ジルコニア（ＺｒＯ２）、石英、炭化ケイ素（ＳｉＣ）、窒化ケイ素（ＳｉＮ）の少なくとも一つを含む。断熱層１３０は、シリコン（Ｓｉ）等で形成された、所定の気孔率を有する多孔質体であってもよい。
【００３１】
［フォーカスリング周辺の温度変化］
フォーカスリング１２０は、高熱伝導材である単結晶シリコン製であり、リング部材１２１は前述のとおりアルミニウムで構成される。この場合、フォーカスリング１２０の内部及びリング部材１２１の内部の温度変化はほとんど生じない。つまり、フォーカスリング周辺の温度変化では、ポリマーシート１２２の内部、及びポリマーシート１２２と接触する部材との境界面での温度差が支配的である。ポリマーシート１２２と接触する部材との境界面には、フォーカスリング１２０（断熱層１３０）とポリマーシート１２２との境界面、ポリマーシート１２２とリング部材１２１との境界面、リング部材１２１と静電チャック１０６との境界面がある。よって、これらの境界面において熱勾配が大きくなる。
【００３２】
図３は、本実施形態にかかるフォーカスリング１２０の周辺の温度変化の一例を示す。フォーカスリング１２０の内部、リング部材１２１の内部及びポリマーシート１２２の内部の温度変化（熱勾配）は、それらの境界面にて生じる温度変化と比較して小さいことがわかる。特に、本実施形態にかかるフォーカスリング１２０は、真空状態のチャンバ１０の内部で使用される。このため、上記境界面で生じる熱抵抗に対する温度変化の影響は、大気状態のチャンバの場合と比べて大きい。
【００３３】
加えて、本実施形態にかかるフォーカスリング１２０の下面には、フォーカスリング１２０の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する断熱層１３０が形成される。これにより、断熱層１３０を含むフォーカスリング１２０の内部に生じる温度変化を、断熱層１３０が含まれないフォーカスリング１２０の内部に生じる温度変化よりも大きくすることができる。
【００３４】
ポリマーシート１２２が劣化すると、伝熱性能が失われる。このため、ポリマーシート１２２は劣化させないことが好ましい。
【００３５】
ポリマーシート１２２は、フォーカスリング１２０に接する面において最も劣化し、このフォーカスリング１２０に接する面（すなわち、ポリマーシート１２２の上面）の温度に依存する。ポリマーシート１２２の下面は、アルミニウムのリング部材１２１に接しているため、ポリマーシート１２２の上面の温度よりも低温である。このため、ポリマーシート１２２の上面の温度が重要である。
【００３６】
これに対して、本実施形態にかかるフォーカスリング１２０では、断熱層１３０が一体形成される。これにより、図３にて点線で示すように、フォーカスリング１２０の上面が、高温プロセスにおけるプラズマからの入熱により２００℃〜２５０℃に上昇しても、フォーカスリング１２０の内部に生じる温度変化により、フォーカスリング１２０の下面、つまりポリマーシート１２２の上面の温度を１６０℃程度にすることができる。この結果、フォーカスリング１２０の上面の温度が、例えば、５０℃以上高くなった場合にも、ポリマーシート１２２の上面の温度は高くならず、この結果、ポリマーシート１２２の劣化を抑制し、ポリマーシート１２２の製品寿命が短くなることを回避できる。
【００３７】
［断熱層］
図４を参照しながら、フォーカスリング１２０に形成される断熱層１３０の材料や加工方法２００、仕様２１０、断熱層１３０を形成したときのフォーカスリング１２０の内部の温度差２２０について説明する。
【００３８】
（プラズマ溶射）
断熱層１３０は、図４の加工方法２００に示すように、大気圧下でプラズマ溶射によりフォーカスリング１２０と一体形成してもよい。図４には、断熱層１３０がジルコニア（ＺｎＯ２）及び石英（Ｑｚ）をプラズマ溶射することで、フォーカスリング１２０に断熱層１３０を形成する例が示されている。
【００３９】
プラズマ溶射により形成されたジルコニアの断熱層１３０の一例では、図４の仕様２１０に示すように、断熱層１３０の膜厚は５０〜１０００μｍ、気孔率は７〜２０％であった。また、この場合、フォーカスリング（Ｆ／Ｒ）の内部の温度差（℃）２２０は、断熱層１３０の膜厚が６１３μｍのときに５０℃であった。
【００４０】
プラズマ溶射により形成された石英の断熱層１３０の一例では、仕様２１０に示すように、断熱層１３０の膜厚は１００μｍ以下、気孔率は１９％であった。また、この場合、図４のフォーカスリングの内部の温度差２２０は、断熱層１３０の膜厚が１００μｍ以下のときに１４℃であった。
【００４１】
（コーティング）
断熱層１３０は、加工方法２００に示すコーティングやディッピングによりフォーカスリング１２０と一体形成してもよい。コーティングやディッピングでは、ジルコニア、石英、炭化ケイ素、窒化ケイ素の少なくとも一つの材料を含む流動体が、フォーカスリング１２０の下面に塗布され、焼成によりフォーカスリング１２０に一体形成される。
【００４２】
コーティングにより形成された石英の断熱層１３０の一例では、仕様２１０に示すように、断熱層１３０の膜厚は１００〜２００μｍであった。また、この場合、フォーカスリングの内部の温度差２２０は、断熱層１３０の膜厚が２００μｍ以下のときに１３℃であった。
【００４３】
コーティングにより形成された中空粒の特殊な石英の断熱層１３０の一例では、仕様２１０に示すように、断熱層１３０の膜厚は１００μｍ以下であった。また、この場合、フォーカスリングの内部の温度差２２０は、断熱層１３０の膜厚が１００μｍ以下のときに７℃であった。
【００４４】
ディッピングにより形成された窒化ケイ素の断熱層１３０の一例では、断熱層１３０の膜厚は１００μｍ以下、気孔率は０〜３０％であった。また、この場合、フォーカスリングの内部の温度差２２０は、断熱層１３０の膜厚が１００μｍ以下のときに３℃であった。
【００４５】
ディッピングにより形成されたジルコニアの断熱層１３０の一例では、断熱層１３０の膜厚は１００μｍ以下であった。
【００４６】
ディッピングにより形成された石英の断熱層１３０の一例では、断熱層１３０の膜厚は１００μｍ以下、気孔率は０〜３０％であった。また、この場合、フォーカスリングの内部の温度差２２０は、断熱層１３０の膜厚が１００μｍ以下のときに１０℃であった。
【００４７】
コーティングにより形成されたポリイミド（ＰＩ）の断熱層１３０の一例では、断熱層１３０の膜厚は３０μｍ以下であった。また、この場合、フォーカスリングの内部の温度差２２０は、断熱層１３０の膜厚が３０μｍ以下のときに８℃であった。
【００４８】
コーティングにより形成されたポリベンゾイミダゾール（ＰＢＩ）の断熱層１３０の一例では、断熱層１３０の膜厚は２００μｍ以下であった。また、この場合、フォーカスリングの内部の温度差２２０は、断熱層１３０の膜厚が２００μｍ以下のときに５０℃であった。
【００４９】
（接着）
断熱層１３０は、接着剤によりフォーカスリング１２０に接着させることで、フォーカスリング１２０と一体形成してもよい。この場合、断熱層１３０は、石英、多孔質体の特殊な石英及びシリコンであってもよい。
【００５０】
図示していないが、石英を接着剤によりフォーカスリング１２０に接着した一例では、断熱層１３０の膜厚は１ｍｍに接着剤の厚さを加えた厚さになり、気孔率は０％であった。
【００５１】
多孔質体の特殊な石英を接着剤によりフォーカスリング１２０に接着した一例では、断熱層１３０の膜厚は２ｍｍに接着剤の厚さを加えた厚さになり、気孔率は３５％以下になった。
【００５２】
シリコンを接着剤によりフォーカスリング１２０に接着した一例では、断熱層１３０の膜厚は１ｍｍに接着剤の厚さを加えた厚さになり、気孔率は０％であった。
【００５３】
以上の結果から、断熱層１３０は、プラズマ溶射、コーティング、ディッピング及び接着によりフォーカスリング１２０と一体化させることができる。これにより、フォーカスリング１２０の内部の熱伝導を良好にすることができる。
【００５４】
断熱層１３０は、ジルコニア、石英、炭化ケイ素、窒化ケイ素の少なくとも一つを含んでいればよい。ただし、断熱層１３０は、フォーカスリング１２０の熱伝導率よりも低い熱伝導率を有する材料を使用する。例えば、フォーカスリング１２０がシリコンで形成されている場合、断熱層１３０は、シリコンの熱伝導率よりも低い熱伝導率の材料を使用する。例えば、フォーカスリング１２０が石英で形成されている場合、断熱層１３０は、石英の熱伝導率よりも低い熱伝導率の材料を使用する。
【００５５】
特に、これらの加工方法のうち、プラズマ溶射によりジルコニアの断熱層１３０をフォーカスリング１２０に一体形成した場合には、最もフォーカスリング１２０の内部の温度差が大きくなり（図４参照）、断熱層１３０を設けたことによる顕著な効果が得られた。
【００５６】
また、断熱層１３０は、７〜２０％の気孔率を有する多孔質体であることが好ましい。これによってもフォーカスリング１２０の内部の温度差を大きくすることができる。
【００５７】
以上に説明したように、本実施形態のプラズマ処理装置１によれば、フォーカスリング１２０の面のうち、ポリマーシート１２２側の面に断熱層１３０を形成することで、フォーカスリング１２０の内部で生じる温度変化を大きくすることができる。この結果、図３に示すように、フォーカスリング１２０の上面が、高温プロセス時のプラズマからの入熱により２００℃以上に高温になっても、フォーカスリング１２０の下面（断熱層１３０の下面）における温度を、１６０℃程度に維持することができる。
【００５８】
これにより、フォーカスリング１２０の上面の温度が、例えば、５０℃以上高くなった場合にも、ポリマーシート１２２における温度は高くならず、この結果、ポリマーシート１２２の劣化を抑制し、ポリマーシート１２２の製品寿命が短くなることを回避できる。
【００５９】
以上、プラズマ処理装置及びフォーカスリングを上記実施形態により説明したが、本発明にかかるプラズマ処理装置及びフォーカスリングは上記実施形態に限定されるものではなく、本発明の範囲内で種々の変形及び改良が可能である。上記複数の実施形態に記載された事項は、矛盾しない範囲で組み合わせることができる。
【００６０】
例えば、本発明にかかるフォーカスリングが適用可能なプラズマ処理装置は、上記実施形態で説明した容量結合型のプラズマ（ＣＣＰ:Capacitively Coupled Plasma)処理装置に限られない。本発明にかかるフォーカスリングが適用可能なプラズマ処理装置は、誘導結合型プラズマ(ＩＣＰ:Inductively Coupled Plasma)、ラジアルラインスロットアンテナを用いたＣＶＤ(Chemical Vapor Deposition)装置、ヘリコン波励起型プラズマ（ＨＷＰ：Helicon Wave Plasma）装置、電子サイクロトロン共鳴プラズマ（ＥＣＲ：Electron Cyclotron Ｒesonance Plasma）装置等であってもよい。
【００６１】
また、本発明にかかるプラズマ処理装置、により処理される基板は、ウェハに限られず、例えば、フラットパネルディスプレイ（Flat Panel Display)用の大型基板、ＥＬ素子又は太陽電池用の基板であってもよい。
【符号の説明】
【００６２】
１：プラズマ処理装置、
１０：チャンバ
１５：ガス供給源
２０：載置台（下部電極）
２５：ガスシャワーヘッド（上部電極）
３２：高周波電源
１０４：支持体
１０６：静電チャック
１２０：フォーカスリング
１２１：リング部材
１２２：ポリマーシート
１３０：断熱層
【図１】
0006345030.tif 000002
【図２】
0006345030.tif 000003
【図３】
0006345030.tif 000004
【図４】
0006345030.tif 000005