(57)【要約】【課題】プラズマで処理中のウエハの温度分布を高速に変化させることができるヒータ内蔵の静電吸着装置を低コストで提供し、なおかつエッチング条件が変化した場合にもウエハ面内のＣＤばらつきを抑え均一なエッチングを実現する処理方法を提供する。【解決手段】静電吸着装置に、複数の冷媒溝が形成された基材と、該基材上に形成された高抵抗層と、当該高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数のヒータと、同じく前記高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数の静電吸着用電極と、温度測定手段を備え、温度測定手段の温度情報にもとづいてヒータの出力を調節する。【選択図】図１
2007088411.tif 000002
【特許請求の範囲】
【請求項１】
プラズマを用いて半導体ウエハに加工処理を施すウエハ処理装置に用いられる静電吸着装置において、
複数の冷媒溝が形成された基材と、該基材上に形成された高抵抗層と、当該高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数のヒータと、同じく前記高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数の静電吸着用電極を備えることを特徴とする静電吸着装置。
【請求項２】
請求項１の静電吸着装置において、
前記ヒータと静電吸着用電極は、前記高抵抗層内で同じ高さに形成されることを特徴とする静電吸着装置。
【請求項３】
請求項１の静電吸着装置において、
前記ヒータと静電吸着用電極は、前記高抵抗層内で異なる高さに形成され、且つ前記静電吸着用電極が前記ヒータの上方に形成されることを特徴とする静電吸着装置。
【請求項４】
請求項１の静電吸着装置において、
前記冷媒溝、ヒータ、電極のそれぞれは、同心円状に形成されることを特徴とする静電吸着装置。
【請求項５】
請求項４の静電吸着装置において、
前記基材内であって且つ外周側のヒータ下部に、温度測定手段を備えることを特徴とする静電吸着装置。
【請求項６】
請求項１の静電吸着装置において、
前記ヒータの抵抗を測定する手段を備えることを特徴とする静電吸着装置。
【請求項７】
プラズマを用いて半導体ウエハに加工処理を施すウエハ処理装置に用いられる静電吸着装置において、
複数の冷媒溝が形成された基材と、該基材上に形成された高抵抗層と、当該高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成されたヒータと、同じく前記高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数の静電吸着用電極を備え、
前記ヒータは、円周上に形成され、且つ、両端に電源と接続される接続端を有し、当該接続端は前記基板上の半径方向に沿って一列に並んで配置され、当該接続端間を結ぶヒータ線路は、接続端配置位置近傍で折り返し点を持つように形成されることを特徴とする静電吸着装置。
【請求項８】
プラズマを用いて半導体ウエハに加工処理を施すウエハ処理装置に用いられる静電吸着装置において、
複数の冷媒溝が形成された基材と、該基材上に形成された高抵抗層と、当該高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成されたヒータと、同じく前記高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数の静電吸着用電極を備え、
前記ヒータは、円周上に形成され、且つ、両端に電源と接続される接続端を有し、当該接続端間を結ぶヒータ線路は、正弦波状に形成されることを特徴とする静電吸着装置。
【請求項９】
プラズマを用いて半導体ウエハに加工処理を施すウエハ処理装置において、
前記半導体ウエハを積載するための静電吸着装置は、冷媒が流される複数の冷媒溝が形成された基材と、該基材上に形成された高抵抗層と、当該高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数のヒータと、同じく前記高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数の静電吸着用電極と、温度測定手段を備え、
さらに前記温度測定手段により測定した温度情報に基づき前記ヒータの出力を調節する温度調節手段を有することを特徴とするウエハ処理装置。
【請求項１０】
請求項９のウエハ処理装置において、
前記静電吸着装置内に、当該静電吸着装置と前記半導体ウエハ間に冷却用ガスを吐出するガス供給流路を備えたことを特徴とするウエハ処理装置。
【請求項１１】
請求項９のウエハ処理装置において、
前記温度測定手段で得られた温度情報と、前記半導体ウエハの温度の相関を示すデータを備え、前記温度調節手段は、当該データを用いて前記ヒータへの出力を調節することを特徴とするウエハ処理装置。
【請求項１２】
冷媒が流される複数の冷媒溝が形成された基材と、該基材上に形成された高抵抗層と、当該高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数のヒータと、同じく前記高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数の静電吸着用電極と、温度測定手段を備えた半導体ウエハ載置用の静電吸着装置を有するプラズマ処理装置を用いたプラズマ処理方法であって、
前記ヒータへの印加電力、前記冷却用ガスの流量、前記静電吸着用への印加電力を、前記半導体ウエハの膜層に応じて調節することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１３】
請求項１２のプラズマ処理方法において、
前記複数のヒータは、内周側と外周側に分けて配置されたものであり、
前記半導体ウエハの膜層に応じて、前記ヒータの内周側と外周側を独立して温度制御することを特徴とするプラズマ処理方法。
【請求項１４】
請求項１２のプラズマ処理方法において、
前記温度測定手段で得られた温度情報を用いて前記ヒータの出力を調節することを特徴とするプラズマ処理方法。
【発明の詳細な説明】
【技術分野】
【０００１】
本発明は、半導体ウエハのエッチング加工技術に係り、特に、半導体ウエハを連続的に処理する方式のウエハ処理装置に関する。
【背景技術】
【０００２】
近年、半導体ウエハに加工される回路パターンは、半導体素子の高集積化にともない微細化の一途を辿り、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、加工処理中のウエハ(半導体ウエハ)の温度管理が極めて重要な課題になってくる。
【０００３】
例えば、プラズマを用いてウエハをエッチングする場合には、通常、ウエハにバイアス電圧を印加し、電界でイオンを加速してウエハに引き込むことにより異方性形状を実現している。このときウエハには入熱をともなうため、温度が上昇する。
【０００４】
このウエハ温度の上昇はエッチング結果に影響する。例えば、半導体デバイスの電極となるポリシリコンのエッチングでは、最終的に得られる線幅はエッチング中の側壁に付着する反応性生物の再付着やデポ性ラジカル種の付着が大きく影響するが、これら付着物の付着率はウエハ温度により変化する。したがって、処理中のウエハの温度管理ができていないと、ウエハ面内で不均一なエッチング結果となったり、ウエハ間の再現性のわるいエッチング結果となってしまう。しかも、反応生成物の分布はウエハの中心付近にくらべて外周付近で密度が低くなるために、ウエハ面内で均一な線幅（ＣＤ）を得るためには積極的にウエハの温度分布を管理する必要がある。
【０００５】
また、ウエハ上の反応生成物やデポ性ラジカル種の密度分布はエッチング条件によっても変化するために、反射防止膜（ＢＡＲＣ）とポリシリコンを連続処理するときのように、一つの処理中に異なる膜種を処理するためにエッチング条件を変化させる場合には、条件に応じて最適な温度分布は変化する。
【０００６】
ところが従来は、ウエハの平均的な温度分布を管理する目的で、ウエハステージとなる静電吸着装置を温調機から排出される冷媒で一定温度に温調し、ウエハと静電吸着装置間にヘリウムなどの伝熱性ガスを導入して熱伝達を確保して管理するのが一般的である。この方式は、冷媒の熱容量が大きいためにプラズマからの入熱量が大きい場合にもウエハ温度が急激に上昇することが無く、温度が比較的安定しているメリットはあるものの、上述したように条件に応じてウエハ温度を応答性よく変化させることには不向きである。
【０００７】
例えば、複数枚のウエハを連続的に処理している際のウエハ温度の上昇を管理することによりＣＤの変動を低減する方法が提案されているが、その一例として、ウエハを積載している電極の内部に循環させる冷媒の流量をウエハごとに調節する方法がある(例えば、特許文献１参照)。
【特許文献１】特開２００３−２０３９０５号公報
【発明の開示】
【発明が解決しようとする課題】
【０００８】
上記従来技術は、ウエハ面内の温度分布を調節する点には配慮がされておらず、特に例えば反射防止膜とポリシリコンを連続的にエッチングするときのように膜種毎に合わせて段階的にエッチング条件が変化場合に、各条件で最適な温度分布を実現することによりウエハ面内のＣＤばらつきを低減する必要がある場合に問題があった。
【０００９】
本発明の第一の目的は、静電吸着装置の面内の温度分布を応答性良く変化させることができるようにした静電吸着装置を低コストで提供することである。本発明の第二の目的は、プラズマ処理中のウエハ面内温度分布を応答性良く変化させることができるウエハ処理装置を提供することである。本発明の第三の目的は、ウエハ面内のＣＤばらつきの少ないウエハ処理方法を提供することである。
【課題を解決するための手段】
【００１０】
上記目的は、複数の冷媒溝が形成された基材と、該基材上に形成された高抵抗層と、当該高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数のヒータと、同じく前記高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数の静電吸着用電極を備える静電吸着装置をプラズマ処理装置内に備えることにより達成される。
【００１１】
また更には、あらかじめウエハ温度分布との相関が取れることがわかっている静電吸着装置の基材温度を裏面に設けた温度測定手段により測定し、この温度情報にもとづいてヒータの出力を調節することにより達成される。また、ウエハの温度予測は、溶射法により形成したヒータの抵抗、もしくはウエハに極めて近くに配置した測温抵抗体の抵抗を測定し、ヒータもしくは測温抵抗体の温度を測定し、これから予測することにより達成される。
【発明の効果】
【００１２】
本発明によれば、ウエハに近い位置に容易にヒータを形成することができるので、ウエハ温度分布を応答性よく変えることができる。また、溶射によりヒータを埋め込んだ静電吸着装置を提供できるので、焼結体セラミックスにヒータを内蔵させた場合に比べ製造コストを低減することができる。また、本発明によれば、簡単かつ正確にウエハ温度を予測でき、溶射によりヒータを埋め込んだ静電吸着装置のヒータの制御を容易に実現することができるので、ウエハ温度分布の制御性に優れたウエハ処理装置となる。さらに、本発明によれば、エッチング条件ごとにウエハ面内の温度分布を変化させることができるので、ウエハ面内のＣＤばらつきが少ない処理方法を実現できる。
【発明を実施するための最良の形態】
【００１３】
図1〜３は本発明の第一の実施例であり、ＵＨＦプラズマ処理装置に適用した例を示す。図１は、本発明の技術思想を説明しうる、第一の実施例の静電吸着装置を含んだ全体システム構成を表す図である。また、図２は、第一の実施例の温度モニタおよびヒータ、電極への給電部を説明する電吸着装置の詳細な断面図、図３は、静電吸着装置のヒータおよび電極のパターン図である。まず、図１および図２、図３を用いて本発明の技術思想ならびに全体システム構成を説明する。
【００１４】
真空チャンバ３の上部に石英製のシャワーヘッドプレート４４と石英製の処理室蓋１４を設置する。処理室蓋１４とシャワーヘッドプレート４４の間には処理ガスを処理室１内に均等に分散させる空間（内周ガスだまり４５と外周ガスだまり４６）が設けてあり、この空間は中心付近と外周付近とがＯリング(図示しない)等によりシールされて分離されている。これら、内周ガスだまり４５と外周ガスだまり４６にはそれぞれ、処理ガスの流量比もしくは組成比の異なる処理ガス(図中ではｇａｓ１とｇａｓ２)を導入できる構成となっている。シャワーヘッドプレート４４には直径が１ｍｍ以下程度の貫通穴が多数設けてあるので、処理室１内に半径方向に流量や組成比に分布を持たせた処理ガスを導入することができる。これにより、処理室１内にプラズマを生成した場合のデポ性ラジカル分布や反応生成物分布を自在に調節し、ウエハ９面内のエッチング特性を均一化することができる。プラズマを生成するためには、処理室蓋１４の上部に円盤状のアンテナ４を設置し、このアンテナに高周波電源５４、高周波印加のオン・オフを行うスイッチ５６、高周波印加の際にインピーダンスの整合をとる整合器５８を接続し、アンテナ４に高周波（本実施例ではＵＨＦ）電圧を印加する。その結果、電磁波５が処理室１内に導入され、この電磁波と真空チャンバの周囲に配置したコイル６、１７，２７により発生する磁場との相互作用により、高密度なＥＣＲ（Ｅｌｅｃｔｒｏｎ  ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ  Ｒｅｓｏｎａｎｃｅ）プラズマを生成することができる。本実施例ではコイルは３系統に分かれており、それぞれのコイル電流を調節することにより図中の破線で示す磁場分布を変えることができるので、プラズマが生成するＥＣＲ高さを自在に調節することができる。これにより、処理中のプラズマ分布を制御することができ、ウエハ面内のエッチング特性を均一化することができる。
【００１５】
本実施例では、ガスだまり４５と４６のシールを、処理室蓋とシャワーヘッドプレートの間に挟みこんだＯリングで実現しているが、２つの石英を張り合わせて製造することも可能である。この場合にはＯリングのガスによる腐食、これに伴う異物の発生を抑えることが期待できる。
【００１６】
真空チャンバ３の下部には、絶縁部材４７を介して静電吸着装置８が設置されている。この静電吸着装置８は、図２に示されるように、内部に独立した同心円状に形成された２本の冷媒溝３１，３２を内蔵したチタン製の基材２の表面に、溶射によりアルミナの静電吸着膜４２を形成した構成となっている。それぞれの溝には独立に温調機４８、４９が接続してあり、それぞれの溝に異なる温度の冷媒を循環させることにより静電吸着装置８表面の温度を調節することができる。これら温調機の設定温度は、装置全体を制御する制御装置３７からの出力信号により制御される。また、本実施例では２本の冷媒溝間の熱移動を低減する目的で真空の断熱層５０が設けられている。これにより、温調機に内蔵するヒータや冷凍機の能力が小さくできるので、温調機を小型化することができる。また、ウエハの面内温度分布が付きやすくなるので、ウエハ温度の制御性が増すことになる。
【００１７】
静電吸着装置８の静電吸着膜４２内には、図３に示されるように、２系統の独立した内ヒータ５１と外ヒータ５２、静電吸着用の電極が２個、本実施例では中心付近の内電極５３と外周に配置した外電極５５を内蔵している。そして、内ヒータ５１、外ヒータ５２には独立にフィルタ２２を介して交流電源４１が接続してあり、電力を供給することができる。また、静電吸着用の電極にはフィルタ４３を介して直流電源１１を接続し、本実施例では内電極５３にプラス電圧を、外電極５５にはマイナス電圧を印加している。したがって、本実施例の静電吸着装置８はいわゆる双極型の静電チャックとして動作し、プラズマの有無にかかわらずウエハを着脱することができる。
【００１８】
基材２にはウエハにバイアス電圧を印加するための高周波電源１０を後続しており、プラズマ中のイオンをウエハに引き込んで異方性エッチングを行う。このとき、ウエハに入熱を伴う。この入熱に伴うウエハ温度の上昇はエッチング形状に大きく影響する。したがって、ウエハは冷却する必要があるが、処理室１の圧力は数Ｐａ程度に減圧されているため、積載しただけでは熱伝達が不十分である。そこで、静電吸着装置８の中心と、外周付近に貫通穴３０を設けてあり、この穴からヘリウムなどの冷却ガス１８を導入している。これにより、ウエハとセラミックス膜間の熱伝達率を確保し不必要なウエハの温度上昇を抑制する。なお、本実施例では詳しくは説明しないが、中心から導入したヘリウムガスがウエハ外周まで圧力損出を極力抑えつつ、行き渡るように静電吸着装置８表面の溝パターンを最適化している。
【００１９】
溝パターンの例を図１１に示す。中心部と外周近辺の溝内に貫通孔３０が設けられている。２８は圧力計であり、測定値は制御装置３７に送られている。
【００２０】
また、２０は流量制御機であり制御装置３７により制御されている。３８は静電吸着装置８の外周をプラズマから保護するためのアルミナ製のカバーである。なお、本実施例ではアルミナとしているが石英やその他のセラミックスでもよく、耐プラズマ性や汚染、異物との兼ね合いで適宜決定される。その他の図番を説明する。１２は真空ポンプであり、制御装置３７によりバルブ１５の開度を調節して処理室内の圧力を一調節する。
【００２１】
処理中のウエハ温度は、本実施例ではウエハ温度分布と相関が取れることが事前に明らかになっている基材２の温度を測定することで、検出している。具体的には、基材２にくぼみ３３を設け、シース熱電対２９、３４をばね３５と固定冶具３６で内、外ヒータ５２下となる基材下面に固定している。シース熱電対で測定する場合には、先端の接触状態が測定結果に大きく影響するが、本実施例では、ばねにより常に一定の押し付け加重で接触しているので測定結果の信頼性は高い。温度の測定結果は制御装置３７に送られ、この情報に基づいて内ヒータ５１や外ヒータ５２のヒータの出力を制御している。なお、温度計としては、シース熱電対のほかに白金抵抗体や蛍光温度計、放射温度計を利用することができる。また、ウエハ裏面異物があまり問題とならない場合には、温度計の先端を直接ウエハ裏面に接触させて測定することも考えられる。
【００２２】
ウエハ温度のモニタ方法としてはこのほかに、ヒータ５１や外ヒータ５２の何れか、あるいは、内ヒータ５１や外ヒータ５２とは別に新たなタングステン溶射ヒータを設け、このヒータの抵抗を測定する方法もある。すなわち、ヒータに電力を投入すると、周囲の温度に応じてヒータの抵抗が変化する。あらかじめヒータの温度と抵抗の関係を把握しておけば、ヒータ給電ラインの抵抗をモニタすることによりヒータの温度を知ることが可能となる。このヒータは、静電吸着装置８の表面に極めて近い位置に配置されているために、この温度から容易にウエハ温度を推定することが可能となる。また、同様の考え方で、ヒータのかわりに測温抵抗体を静電吸着装置８に埋め込んでおき、この測温抵抗体の抵抗を測定することも可能である。
【００２３】
引き続き、本実施例の静電吸着装置８について、図２、３を用いて詳細に説明する。静電吸着装置８の基材２の上面に第１層目となる高抵抗アルミナ２１が溶射されている。この高抵抗アルミナ２１の表面にはタングステンの内ヒータ５１、外ヒータ５２と静電吸着を行うための同じくタングステンの電極５３、５５が溶射により同一厚みだけ形成されている。ヒータの厚みにムラがあると発熱量に分布が生じるので、本実施例では、溶射後に研磨して厚みを一定に管理している。その後、再び溶射によりアルミナの静電吸着膜４２が溶射され、表面を研磨して厚みと表面粗さを管理している。図１１に示すような溝は、研磨後にブラストによりつける。溝深さは２０〜５０ミクロン程度である。したがって、本実施例によれば、溶射によりヒータと静電吸着装置８の電極を形成するので、基材からウエハまでの厚みが薄くでき、バイアス電圧の低下が少なくてすむ。また、ヒータをウエハに近い位置に配置することができるので、温度の応答性に優れた静電吸着装置８となる。また、同様の構成を焼結体セラミックスで製造する場合に比べると、溶射で製造するほうが、製造工程が少なくてすむので製造コストを低く抑えることが可能となる。
【００２４】
また、他の製造工程として、基材２に予め図１１に示すような放射状の溝と、一周に渡るドーナツ状の溝を両方つけて、その上に高抵抗アルミナ２１の溶射を行うことでも実施可能である。こうすると、溝を反映したような表面になる。溶射後に全面を溝がなくならない程度に研磨することにより、厚みと表面粗さを管理することが可能である。この工程により製作される溝の深さは、通常１００〜７００ミクロン程度となり、ブラストによりつける溝にくらべて比較的深い溝を製作することができる。
【００２５】
ヒータおよび電極への給電は、高抵抗アルミナ２１と基材２に設けた貫通穴１６から行う。本実施例では、図２に示すように、基材２に貫通穴１６を設けておき、この貫通穴１６に電気絶縁をとるためのセラミックスパイプ２３を埋め込む。このパイプの先端にはケット２４を埋め込んでいる。このソケット２４の端面は、第１層となる高抵抗アルミナ２１の表面にむき出しになるように配置しておき、その上にタングステンを溶射して電気的な導通をとる。ここで、ソケットの口に迎合するようにプラグ２５を挿入すれば、ヒータや電極に給電することができる。なお、本実施例の図ではヒータの給電部は１箇所のみ記述しているが、実際には２箇所必要であることはいうまでもない。また、本実施例ではヒータへの給電は交流電源４１によりおこなったが、必ずしもそうである必要は無く直流電源であってもよい。
【００２６】
なお、内ヒータ５１、外ヒータ５２のパターンは、ウエハ面内のうち温度分布を調節したい領域に配置することになるが、この場合にも溶射によりヒータを形成することは大きな利点がある。つまり、溶射でヒータパターンを形成する場合には、マスクにパターンを製作しておけばよいため、その形状におおきな制約はない。また、これにより、例えばヒータの給電口を自由に配置しやすいという効果も期待できる。これに対し、例えばシースヒータなどを基材２に埋め込む場合には、シースの剛性により極端に小さな曲率で曲げることが難しいため、複雑なヒータパターン形成することは現実的ではない。例えば、図３のヒータパターンは、内ヒータ５１、外ヒータ５２共に２ターンで形成している。これは、給電口間のヒータ線路をほぼ９０度に折れ曲がるようなパターンで形成しているからこそ可能となる。
【００２７】
このような、ヒータの向きがほぼ９０度に折れ曲がるようなパターンをシースヒータ等で実現するのは実質的に不可能である。理由は、曲げの曲率が小さすぎるとシース内部のヒータが断線してしまう可能性があるためである。
【００２８】
また、ヒータパターンを任意に調節する場合には、ヒータの長さによりヒータ抵抗が変化することになるが、溶射で形成する場合にはヒータの厚みやヒータの抵抗率を調節することで、ヒータ抵抗を適正にすることができる。図１０に溶射条件を調節した場合の抵抗率の変化を示す。この図に示すように、溶射条件を変更することにより抵抗率は一桁程度変化させることができることがわかる。また、溶射だけでヒータ内蔵の静電吸着装置８を形成することができるため、経済的にも利点がある。つまり、一般的に焼結体で静電吸着膜４２を形成するよりも、溶射で形成するほうが、製造工程がすくなく製造コストが低く抑えることができる。
【００２９】
以上の構成で最終的に実現しようとする機能は、処理後のエッチング結果がウエハ面内で均一であるということであるが、そのために本実施例ではコイルのつくる磁場を調節することにより極力均一なプラズマ分布を実現し、中心と外周付近に導入する処理ガスの組成を調節することによりラジカルの分布を調節し、基材の中心付近に循環させる冷媒温度と外周付近に循環させる冷媒の温度を変えて反応生成物の付着率を調節し、異なる膜種を連続で処理する場合には、各膜種ごとに２系統のヒータに投入する電力を調節して温度分布を変化させる。一般的にいうと、反応性生物の密度はウエハ上の中心付近と外周付近では外周付近の密度が低いため、外周付近の温度を低くしてその付着率をあげることにより均一なエッチング結果が得られることが多い。しかしながら、その程度は当然エッチングガスにより異なるため、膜種ごとに変える必要があるが、これに要する時間は短い方が処理能力を低下させることが無いので都合がよい。
【００３０】
本実施例の効果を図４を用いて説明する。図４（ａ）はヒータを動作させないでエッチングを実施した時のウエハ面内のＣＤシフト量を示す。この図から、本エッチング条件ではウエハ外周でのＣＤシフト量が小さく、すなわち中心付近に比べてＣＤが太くなる傾向があることがわかる。通常は外周付近での反応生成物が排気されやすいことにより、外周付近のＣＤが細くなることが多いが、外周付近の処理ガスにデポ性のガスを多く導入したことによる。そこで、シース熱電対２９とシース熱電対３４の温度をモニタすることにより、基材２の温度をシース熱電対２９上で３℃、シース熱電対３４上で５℃上昇させるように、内ヒータ５１に５０Ｗ、外ヒータ５２に１００Ｗを投入して外周の温度を上昇させてエッチングした場合の結果を図４（ｂ）に示す。この図から外周付近の温度を上げたことにより、外周での反応生物の付着率が低下し、結果的にＣＤが細くなり、面内で均一化したことがわかる。
【００３１】
したがって、本実施例では静電吸着装置を構成する内蔵のヒータ、ヒータと基材の絶縁物、および静電吸着機構となる誘電体膜をすべて安価な溶射法により製作しているので、製造コストの低いヒータ内蔵の静電吸着装置を提供することができる。
【００３２】
また、本実施例ではウエハ温度との相関があらかじめ取れることがわかっている、静電吸着装置の基材位置での温度を測定し、この温度情報にもとづいてヒータに投入する電力を調節することができ、結果としてウエハ面内の温度分布を調節することができる処理装置を提供することができる。その結果、ウエハ面内のＣＤ均一性の優れたウエハ処理装置を提供することができる。
【００３３】
なお、本実施例では基材２はチタンとしたが必ずしもこれに限定されるわけではなく、例えばステンレスやアルミなどの材質であってもよい。また、基材２の熱変形などを考慮する目的で、例えばアルミとチタンをブレージングなどにより張り合わせた構造であってもよい。また、ヒータの材質はタングステンとしたが、他にも例えばニッケルなどの金属であってもよい。また、基材とヒータを絶縁するための材質は本実施例ではアルミナとしたが、これに限定されるわけではなく、例えばイットリアや窒化アルミ、炭化ケイ素など、他の材質であってもよい。
【００３４】
次に、異なる膜種を連続して処理する例として、図５を用いてレジストマスク（ＰＲ）を用いて反射防止膜（ＢＡＲＣ）、ポリシリコン（ｐｏｌｙ）を連続処理した場合の効果を説明する。通常、この処理の場合は、ＢＡＲＣは塩素と酸素の混合ガス、ポリシリコンは塩素、酸素、および臭化水素の混合ガスによりエッチングする。図中、左側にはヒータを動作させない従来技術でエッチングした場合の、各膜をエッチングした後のＣＤシフト量を示している。この図から、ＢＡＲＣ処理後にはウエハ外周付近でのＣＤシフト量が中心付近に比べて小さい、すなわち相対的に太くなることがわかる。また、ポリシリコンのエッチング後のＣＤはＢＡＲＣとは逆にウエハ外周付近でのシフト量が大きい、すなわち相対的に細くなる。結局、ＢＡＲＣとポリシリコンのエッチングのトータルでのＣＤシフト量は外周付近で大きい、すなわち外周付近のＣＤが細い結果となった。
【００３５】
これらの結果から、ＢＡＲＣ、ポリシリコンのエッチングにおけるウエハ面内のＣＤシフト量分布が均一になる条件を調べたところ図６（ａ）に示すような分布であることがわかった。ちなみにＢＡＲＣポリシリコンの処理の間にはプラズマを一旦停止し、処理ガスを入れ替えるための時間が約１０秒必要である条件であった。
【００３６】
そこで、以上の状況を考慮して、図７に示すようなタイムチャートで処理を行った。すなわち、１枚目のウエハの処理を開始する以前に、温調機４８，４９を用いて内側冷媒溝に流す冷媒温度を３０℃、外側冷媒に流す冷媒温度を１０℃に設定する。この状態でウエハを処理するとウエハ外周温度が内周温度に比べて１０℃程度低い温度となってしまい、図６（ａ）に示すようなＢＡＲＣの均一化温度とは異なる温度となってしまうので、内ヒータ５１に５０Ｗ、外ヒータ５２に２００Ｗの電力を投入する。この時のウエハ温度は図６（ｂ）に示すような温度分布となり、ほぼＢＡＲＣの均一化温度分布となる。その後ウエハを処理室１内に搬送し、静電吸着装置８に電圧を印加し、ウエハを吸着する（１０１）。その後、ウエハ裏面にＨｅ冷却ガスを導入し（１０２）、ＵＨＦ電力を投入してプラズマを発生させ（１０３）、バイアス電力を投入する（１０４）。ＢＡＲＣ処理終了と同時にバイアス電力の印加を停止し（１０５）、その後ヒータに投入する電力を内、外ともに停止し、かつプラズマを停止（１０６）し、真空排気を行いポリシリコンエッチング用のガスに切り替える（１０６と１０７の間）。この間に、ウエハ温度はヒータによる給電がなくなるために外周温度が低下し、ポリシリコンの均一化温度に近い温度分布となる。この排気とガス切り替えの期間終了後、ポリシリコンの条件でＵＨＦ電力を投入してプラズマを発生させ（１０７）、バイアス電力を投入し（１０８）、一定期間処理する。処理終了と同時に、バイアス電力印加を停止し（１０９）、プラズマを停止し（１１０）、同時に２枚目のウエハ処理に備えヒータに電力を投入し（１１０）、Ｈｅ冷却ガスを排気し（１１１）、静電吸着装置への電圧印加を停止する（１１２）。その後、ウエハを処理室から搬出し、次のウエハを搬入する（１１２と１１３の間）。以降、同じ手順を繰り返す。
【００３７】
なお、本実施例では、ＢＡＲＣ処理後のヒータに対する電力停止とプラズマ停止のタイミング、およびポリシリコン処理後のヒータ電力印加とプラズマ停止のタイミングを同一としているが、必ずしも同一である必要はない。
【００３８】
以上の条件で処理した場合と従来の比較を、ＢＡＲＣ処理後とポリシリコン処理後に別々に測定したＣＤシフト量を測定した結果とトータルのＣＤシフト量の測定した結果を比較して説明する。まず、ＢＡＲＣ処理後に関しては、従来の処理では外周のＣＤ変動量（シフト量）が小さい結果となっていたが、ヒータ電力を投入して外周温度を上昇させ、均一化温度としているために外周での変動量低下が抑えられた結果となった。
【００３９】
つづいて、ポリシリコンのエッチング後には従来は外周のＣＤ変動量が大きく外周のＣＤが細る傾向となっていたが、ヒータに投入する電力を０とし、内周と外周の冷媒溝に流す冷媒の温度を適正にしておいたことにより外周でのＣＤ変動量を増加させ、ほぼフラットなＣＤ分布となった。トータルのＣＤシフト量はＢＡＲＣとポリシリコンのＣＤシフト量の合計できまるが、最終的なＣＤシフト量分布が均一化された結果となった。
【００４０】
このように、処理中のエッチング条件の変更に伴いウエハ外周に埋め込んだヒータの電力を調節して処理をすれば、ヒータのオンオフだけで短時間のうちに各エッチング条件におけるＣＤ均一化温度を実現することができるので、ウエハ面内で均一なＣＤ分布を得ることができる。
【００４１】
また、本実施例ではヒータのオンオフをプラズマのオンオフに合わせて運転するだけでＢＡＲＣ、ポリシリコンの均一化ＣＤ温度を実現したが、必ずしもこれだけに止まるわけではない。本実施例ではＢＡＲＣとポリシリコンの処理の間に処理ガスを切り替えるための時間として１０秒の時間が存在していたが、処理性能向上の目的でこの時間をなくすか、極力短時間とするような場合には、内外冷媒溝に循環させる冷媒の設定温度差をより大きく設定しておき、ヒータに投入する電力を例えば１００Ｗ、２００Ｗと大きく設定してＢＡＲＣの均一化温度を実現し、ポリシリコンの処理の際には一旦ヒータを停止した後、処理中のウエハ温度差が大きくなりすぎないように内、外ヒータに２０Ｗ、７０Ｗ投入する、といったシーケンスで運転することも可能である。
【００４２】
また、これらの実施例とは異なり、温度計（シース熱電対）２９、３４の情報にもとづいてフィードバック制御することも可能である。ただし、測定した温度データにもとづいてヒータ出力する場合には、ウエハ温度を直接測定する場合にはよいが、基材２の温度を測定している場合に若干の時間応答遅れが存在するという課題がある。理由は、基材２の熱容量に起因するが、この場合には、図７の１０１以前の期間の様に、プラズマの入熱がなく応答遅れの問題がない期間は基材２の温度に基づきフィードバック制御し、処理が始まったらヒータのオンオフ制御、もしくはヒータの出力の時間制御を行う、という方法も考えられる。
【００４３】
また、本実施例ではＢＡＲＣとポリシリコンの連続処理で、ウエハの平均的な温度にはあまり違いがない例であった。しかし、膜質によっては処理温度の平均値を２０℃程度変化させたい、という要求がなされる場合がある。このような場合には、本実施例では一定に制御していた、Ｈｅ冷却ガスの設定圧力や静電吸着装置８に印加する印加電圧を膜種ごとに調節することで対応することも可能である。つまり、Ｈｅ冷却ガスの圧力を１ｋＰａと設定する場合と３ｋＰａと設定する場合では、静電吸着膜４２の表面粗さによっても変化するが、典型的には熱伝達率に２から３倍の差が発生する。したがって、３ｋＰａの圧力のＨｅ冷却層で５℃の温度差がつく入熱条件の場合、１ｋＰａにすると１０℃から１５℃の温度上昇が見込まれることになり、これを利用すればウエハの平均温度を調節することができる。同様に、静電吸着装置８に印加する印加電圧を変化させると吸着力を変化させることができるので、接触による熱伝達の効果を調節することができる。
【００４４】
次に本発明の第二の実施例の静電吸着装置の製造方法について図８を用いて説明する。本実施例では、第一の実施例とは異なり、静電吸着装置の基材１３の上にヒータを基材から電気的に絶縁するために、高抵抗アルミナ３９を均一に溶射し、その上に第一の実施例と同様にタングステンのヒータ１９、４０，５９の３系統のヒータを溶射している。これらのヒータへの給電部の構造は第一の実施例と同一である。このヒータとセラミックスの上にさらに電気絶縁をとるための高抵抗アルミナ６０を溶射する。その上部にさらに静電吸着とバイアス電圧印加のためのタングステン電極６１を溶射し、さらにその上部に静電吸着膜６２を溶射した構造となっている。タングステン電極への給電部構造は、ヒータへの給電部の構造と類似のものでよい。
【００４５】
この構成の場合の、第一の実施例との違いを以下に説明する。第一の実施例ではヒータと静電吸着装置の電極が同じ高さ位置に配置されていたために、ウエハからヒータまでの距離が近く、温度の応答性にすぐれる構成である反面、ヒータを全面に配置することができなかった。また、ヒータ部分では吸着力が発生しないので、吸着力が低下するという面もあった。一方、第二の実施例では、ヒータの存在する高さ位置では、全てヒータを配置させることが可能であるため、全面を均一に加熱することもでき、前述したようにウエハ温度の平均的な温度を一様に変化させることも可能となるメリットがある。また、吸着力に関しても電極がウエハ裏面全面に存在するので、安定した吸着力を確保しやすいというメリットがある。また、本実施例では高周波バイアス電源は静電吸着電極に印加した構成としているが、かならずしもそうである必要はなく、基材に印加することも可能である。
【００４６】
以上の実施例では、静電吸着装置の構造は電極が２つのいわゆる双極方式の例で説明した。双極方式ではプラズマの有無にかかわらずウエハの着脱が可能であり処理能力が単極方式に比べ向上することが期待できるが、必ずしもそうである必要は無く、単極方式であっても同様な効果を実現することができる。この場合、ウエハの吸着と脱離のためにプラズマが必要になるものの、同じ印加電圧であれば双極方式の場合に比べ大きな吸着力を得ることができるため、静電吸着装置用の直流電源の設定電圧を小さくすることができる。
【００４７】
以上の実施例では、埋め込んだヒータは２系統、もしくは３系統であった。したがって、それぞれのヒータに投入する電力を調節することで詳細な温度分布を実現することができたが、構造が複雑になりやすかった。一方、エッチング対象によっては本実施例ほどの詳細な温度制御は不要である場合もあり、その場合は１系統だけのヒータ構成とすることも可能である。この場合、構成が簡単になるので製造コストを低下させることが期待できる。
【００４８】
また、第一の実施例のように、ヒータと静電吸着装置の電極を同一面に配置する場合には、電極の面積を複数系統の場合に比べて大きく取ることができるので、吸着力を大きくすることができる。
【００４９】
この場合のヒータパターンの例を図９に示す。図９（ａ）の６３は静電吸着装置用の外電極、６４は内電極、３０は冷却ガス導入用の貫通穴であり、６５がヒータである。本実施例は第一の実施例とは異なり、行きと戻りの方向が逆になっており、直流電流をヒータに流す場合にヒータ電流により発生する磁場が互いに打ち消しあう方向に作用するため、まったく磁場の影響がないという効果がある。ただし、第一の実施例の場合でもヒータ電流が発生させる磁場の程度は通常のエッチングに影響を及ぼさないことは確認済みである。図９（ｂ）の６３は静電吸着装置用の外電極、６４は内電極、３０は冷却ガス導入用の貫通穴であり、６６がヒータである。本実施例は第一の実施例とは異なり、１ターンのヒータを正弦波状に配置した構成としている。このパターンの利点としては、波形の周期を調節することによりヒータの抵抗を比較的自由に調節することが可能となる点がある。第一の実施例や図９（ａ）のパターンの場合には、ヒータの厚みもしくは幅を調節することで抵抗を調節可能であるが、溶射でヒータを形成するという観点からは、あまり薄くし過ぎたり、幅を小さくし過ぎると抵抗にばらつきがでる場合があるが、図９（ｂ）では抵抗の設計に自由度があるというメリットがある。
【図面の簡単な説明】
【００５０】
【図１】第一の実施例の静電吸着装置を含む全体システム構成の図である。
【図２】第一の実施例の温度モニタおよびヒータ、電極への給電部を説明する電吸着装置の詳細な断面図である。
【図３】静電吸着装置のヒータおよび電極のパターン図である。
【図４】本発明の第一の実施例の効果を説明する図である。
【図５】本発明の第一の実施例を用いて異なる膜種を連続して処理する例を説明する図である。
【図６】本発明の第一の実施例におけるＢＡＲＣおよびポリシリコンのウエハ面内ＣＤ分布を均一化する温度分布である。
【図７】本発明の第一の実施例を動作させる際のタイムチャートを説明する図である。
【図８】本発明の第二の実施例の断面図である。
【図９】ヒータパターンの他の実施例を説明する図である。
【図１０】タングステン溶射膜の抵抗率を示す図である。
【図１１】静電吸着装置の溝パターン図である。
【符号の説明】
【００５１】
１：処理室、２： 基材、３：真空チャンバ、４：アンテナ、５：電磁波、６：コイル、８：静電吸着装置、９：ウエハ、１０：高周波電源、１１：直流電源、１２：真空ポンプ、１３：基材、１４：処理室蓋、１５：バルブ、１６：貫通穴、１７：コイル、１８：冷却ガス、１９：ヒータ、２０：流量制御器、２１：高抵抗アルミナ、２２：フィルタ、２３：セラミックスパイプ、２４：ソケット、２５：プラグ、２７：コイル、２８：圧力計、２９：シース熱電対、３０：貫通穴、３１：冷媒溝、３２：冷媒溝、３３：くぼみ、３４：シース熱電対、３５：ばね、３６：固定冶具、３７：制御装置、３８：基材、３９：高抵抗アルミナ、４０：ヒータ、４１：交流電源、４２：静電吸着膜、４３：フィルタ、４４：シャワーヘッドプレート、４５：内周ガスだまり、４６：外周ガスだまり、４７：絶縁部材、４８：温調機、４９：温調機、５０：断熱層、５１：内ヒータ、５２：外ヒータ、５３：内電極、５４：高周波電源、５５：外電極、５６：スイッチ、５７：、５８：整合器、５９：ヒータ、６０：高抵抗アルミナ、６１：電極、６２：静電吸着膜、６３：外電極、６４：内電極、６５:ヒータ、６６：ヒータ
【図１】
2007088411.tif 000003
【図２】
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【図３】
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【図４】
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【図５】
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【図６】
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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】
2007088411.tif 000013
【手続補正書】
【提出日】平成18年3月6日(2006.3.6)
【手続補正１】
【補正対象書類名】特許請求の範囲
【補正対象項目名】請求項７
【補正方法】変更
【補正の内容】
【請求項７】
プラズマを用いて半導体ウエハに加工処理を施すウエハ処理装置に用いられる静電吸着装置において、
複数の冷媒溝が形成された基材と、該基材上に形成された高抵抗層と、当該高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成されたヒータと、同じく前記高抵抗層内に導電体を溶射することによって形成された複数の静電吸着用電極を備え、
前記ヒータは、円周上に形成され、且つ、両端に電源と接続される接続端を有し、当該接続端は前記基材上の半径方向に沿って一列に並んで配置され、当該接続端間を結ぶヒータ線路は、接続端配置位置近傍で折り返し点を持つように形成されることを特徴とする静電吸着装置。
【手続補正２】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】０００４
【補正方法】変更
【補正の内容】
【０００４】
このウエハ温度の上昇はエッチング結果に影響する。例えば、半導体デバイスの電極となるポリシリコンのエッチングでは、最終的に得られる線幅はエッチング中の側壁に付着する反応生成物の再付着やデポ性ラジカル種の付着が大きく影響するが、これら付着物の付着率はウエハ温度により変化する。したがって、処理中のウエハの温度管理ができていないと、ウエハ面内で不均一なエッチング結果となったり、ウエハ間の再現性のわるいエッチング結果となってしまう。しかも、反応生成物の分布はウエハの中心付近にくらべて外周付近で密度が低くなるために、ウエハ面内で均一な線幅（ＣＤ）を得るためには積極的にウエハの温度分布を管理する必要がある。
【手続補正３】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００１８
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００１８】
基材２にはウエハにバイアス電圧を印加するための高周波電源１０を後続しており、プラズマ中のイオンをウエハに引き込んで異方性エッチングを行う。このとき、ウエハに入熱を伴う。この入熱に伴うウエハ温度の上昇はエッチング形状に大きく影響する。したがって、ウエハは冷却する必要があるが、処理室１の圧力は数Ｐａ程度に減圧されているため、積載しただけでは熱伝達が不十分である。そこで、静電吸着装置８の中心と、外周付近に貫通穴３０を設けてあり、この穴からヘリウムなどの冷却ガス１８を導入している。これにより、ウエハとセラミックス膜間の熱伝達率を確保し不必要なウエハの温度上昇を抑制する。なお、本実施例では詳しくは説明しないが、中心から導入したヘリウムガスがウエハ外周まで圧力損失を極力抑えつつ、行き渡るように静電吸着装置８表面の溝パターンを最適化している。
【手続補正４】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２５
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２５】
ヒータおよび電極への給電は、高抵抗アルミナ２１と基材２に設けた貫通穴１６から行う。本実施例では、図２に示すように、基材２に貫通穴１６を設けておき、この貫通穴１６に電気絶縁をとるためのセラミックスパイプ２３を埋め込む。このパイプの先端にはソケット２４を埋め込んでいる。このソケット２４の端面は、第１層となる高抵抗アルミナ２１の表面にむき出しになるように配置しておき、その上にタングステンを溶射して電気的な導通をとる。ここで、ソケットの口に迎合するようにプラグ２５を挿入すれば、ヒータや電極に給電することができる。なお、本実施例の図ではヒータの給電部は１箇所のみ記述しているが、実際には２箇所必要であることはいうまでもない。また、本実施例ではヒータへの給電は交流電源４１によりおこなったが、必ずしもそうである必要は無く直流電源であってもよい。
【手続補正５】
【補正対象書類名】明細書
【補正対象項目名】００２９
【補正方法】変更
【補正の内容】
【００２９】
以上の構成で最終的に実現しようとする機能は、処理後のエッチング結果がウエハ面内で均一であるということであるが、そのために本実施例ではコイルのつくる磁場を調節することにより極力均一なプラズマ分布を実現し、中心と外周付近に導入する処理ガスの組成を調節することによりラジカルの分布を調節し、基材の中心付近に循環させる冷媒温度と外周付近に循環させる冷媒の温度を変えて反応生成物の付着率を調節し、異なる膜種を連続で処理する場合には、各膜種ごとに２系統のヒータに投入する電力を調節して温度分布を変化させる。一般的にいうと、反応生成物の密度はウエハ上の中心付近と外周付近では外周付近の密度が低いため、外周付近の温度を低くしてその付着率をあげることにより均一なエッチング結果が得られることが多い。しかしながら、その程度は当然エッチングガスにより異なるため、膜種ごとに変える必要があるが、これに要する時間は短い方が処理能力を低下させることが無いので都合がよい。