特許 6202720 プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

(19)【発行国】日本国特許庁(JP)

(12)【公報種別】特許公報(B2)

(11)【特許番号】6202720

(24)【登録日】2017年9月8日

(45)【発行日】2017年9月27日

(54)【発明の名称】プラズマ処理装置およびプラズマ処理方法

(51)【国際特許分類】

   H01L 21/3065 20060101AFI20170914BHJP

   H01L 21/205 20060101ALI20170914BHJP

   H01L 21/683 20060101ALI20170914BHJP

【ＦＩ】

   H01L21/302 101G

   H01L21/302 101R

   H01L21/205

   H01L21/68 R

【請求項の数】8

【全頁数】14

(21)【出願番号】特願2013-70952(P2013-70952)

(22)【出願日】2013年3月29日

(65)【公開番号】特開2014-195009(P2014-195009A)

(43)【公開日】2014年10月9日

【審査請求日】2016年3月23日

(73)【特許権者】

【識別番号】501387839

【氏名又は名称】株式会社日立ハイテクノロジーズ

(74)【代理人】

【識別番号】100091720

【弁理士】

【氏名又は名称】岩崎 重美

(72)【発明者】

【氏名】佐藤 浩平

(72)【発明者】

【氏名】溝部 優也

(72)【発明者】

【氏名】大橋 智宏

【審査官】 齊田 寛史

(56)【参考文献】

【文献】 特開２０００−０２１９６４（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−０２６１１３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００７−２１７７３３（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００６−２０３１２２（ＪＰ，Ａ）

【文献】 特開２００２−００９１４１（ＪＰ，Ａ）

(58)【調査した分野】（Int.Cl.，ＤＢ名）

Ｈ０１Ｌ ２１／３０６５

Ｈ０１Ｌ ２１／２０５

Ｈ０１Ｌ ２１／６８３

(57)【特許請求の範囲】

【請求項1】

真空容器内部に配置され減圧された内側でプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置されその上面に前記プラズマを用いた処理の対象の試料が載置される試料台と、この試料台上部の前記試料がその上に載せられる載置面を構成する誘電体製の誘電体膜と、この誘電体膜の内部に配置され前記試料をこの誘電体膜上に吸着して保持するための電力が供給される電極とを備え、
前記試料が前記試料台上に載置され当該試料の裏面及び前記誘電体膜の間の隙間空間と前記処理室内部とが連通された状態で、前記処理室内部に不活性ガスを導入して処理室内部を昇圧し、試料温度が所定の温度になるまで試料を試料台の上に保持した後、前記処理室および前記隙間空間を排気し、その後前記電極に電力を供給して試料を試料台に吸着し前記プラズマを用いてこの試料の処理を開始するプラズマ処理装置。

【請求項2】

請求項１に記載のプラズマ処理装置であって、
前記隙間空間と前記処理室内部とを連通する通路と当該通路上に配置されたバルブとを備えたプラズマ処理装置。

【請求項3】

請求項１または２に記載のプラズマ処理装置であって、
前記試料が前記試料台上に載置された状態で、試料温度が所定の温度になるまで前記試料を前記電極に電力を供給して吸着し保持した後、前記電極の電力を増大して試料を前記誘電体膜に強く吸着させるプラズマ処理装置。

【請求項4】

請求項１乃至３のいずれかに記載のプラズマ処理装置であって、
前記電極が前記誘電体膜の前記試料が載置される面の中央部及びその外周部の２つの領域に配置され、
前記試料が前記試料台上に載置された状態で、試料温度が所定の温度になるまで前記電極の中央部に電力を供給して前記試料を吸着し保持した後、前記電極の外周部に電力を供給して試料を前記誘電体膜に吸着させるプラズマ処理装置。

【請求項5】

真空容器内部に配置された処理室内の下部に配置された試料台上の誘電体膜上に処理対象の試料を載置し、前記試料が前記試料台上に載置され当該試料の裏面及び前記誘電体膜の間の隙間空間と前記処理室内部とが連通された状態で、前記処理室内部に不活性ガスを導入して処理室内部を昇圧し、試料温度が所定の温度になるまで試料を試料台の上に保持した後、前記処理室および前記隙間空間を排気し、その後前記誘電体膜の内部に配置された膜状の電極に電力を供給して試料を試料台に吸着し前記処理室内に形成したプラズマを用いてこの試料の処理を開始するプラズマ処理方法。

【請求項6】

請求項５に記載のプラズマ処理方法であって、
前記隙間空間と前記処理室内部とを連結する通路が当該通路上に配置されたバルブが開かれて連通されるプラズマ処理方法。

【請求項7】

請求項５または６に記載のプラズマ処理方法であって、
前記試料が前記試料台上に載置された状態で、試料温度が所定の温度になるまで前記試料を前記電極に電力を供給して吸着し保持した後、前記電極の電力を増大して試料を前記誘電体膜に強く吸着させるプラズマ処理方法。

【請求項8】

請求項５乃至７のいずれかに記載のプラズマ処理方法であって、
前記電極が前記誘電体膜の前記試料が載置される面の中央部及びその外周部の２つの領域に配置され、
前記試料が前記試料台上に載置された状態で、試料温度が所定の温度になるまで前記電極の中央部に電力を供給して前記試料を吸着し保持した後、前記電極の外周部に電力を供給して試料を前記誘電体膜に吸着させ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、真空容器内の処理室内で形成したプラズマを用いてこの処理室内で半導体ウエハ等の基板状の試料を処理するプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法に関する。

【背景技術】

【0002】

半導体ウエハなどの試料を試料台に載せて、その上部に発生させたプラズマにより試料に処理を行うプラズマ処理装置であって、例えば、プラズマと試料との間の化学反応によって試料表面の対象膜を除去したり、試料表面に膜を堆積させたりしている。前者をエッチング処理、後者をCVD(Chemical Vapor Deposition)という。

【0003】

このようなプラズマ処理では、化学的に活性なプラズマを用いて、イオンや活性ガス種と試料との間の化学反応により処理が進行している。ここで、前記化学反応が起こるかどうか、あるいは、化学反応によって生成された反応生成物が気体となって試料表面から脱離・放出されるか(エッチング)、あるいは、前記反応生成物が固体となって試料表面に堆積するか(CVD)は、前記試料の温度に大きく影響される。

【0004】

例えば反応生成物の蒸気圧が低い材料の試料をエッチングする場合は、反応生成物が気体となって試料表面から脱離・放出するためには、プラズマ処理室の圧力を低くするか、試料温度を高くする必要がある。実際にはプラズマ処理室の圧力はプラズマ雰囲気を安定的に維持するためにある程度の圧力が必要（≧0.1Pa程度）であり、試料温度を十分に高くする必要がある。

【0005】

このように、目的のプロセスに合わせて試料温度を制御する必要がある。そこで、前記試料台温度を制御することで試料温度を所望の温度に制御する方法を採っている。このような試料台の温度を調節する構成として、従来より、試料台内部に温度制御された熱交換液体を流したり、試料台内部にヒータを内蔵させて加熱したりすることが行われている。

【0006】

一方、試料の温度は試料台と熱伝達がされることによって調節される。このため試料と試料台の試料載置面の上面との間の熱伝達を効率よく行うために、試料と載置面とを静電吸着力等により吸着させて、かつ載置面との間に出来る隙間空間にＨｅガスなどの熱伝達用ガスを供給することが一般的に行われている。さらに、このような試料の温度の調節は熱伝達の効率が大きな影響を与えるため、熱伝達を向上させるための試料を載置面上に保持する静電吸着の条件や吸着させる領域について、従来から考慮されてきた。

【0007】

このような従来の技術としては、特開平０９−１６７７９４号公報（特許文献１）のものが知られている。この従来技術では、ウエハを試料台上で双極型のチャック電極複数で保持した状態で熱伝達用のガスを供給してウエハの温度を調節した後、ウエハを複数のチャック電極を単極型として動作させた状態で試料台上に吸着させてウエハの処理を行うものが開示されている。

【先行技術文献】

【特許文献】

【0008】

【特許文献1】特開平０９−１６７７９４号公報

【発明の概要】

【発明が解決しようとする課題】

【0009】

一般的に、プラズマ処理前の半導体ウエハ等の基板状の試料は常温であり、処理前の試料は所定の温度にされた前記試料台の上に載置された後に、試料台の上に吸着された状態で試料台と熱伝達することで温度が調節される。例えば、試料温度を200℃〜300℃くらいの高温にしてプラズマ処理を行う場合は、前記試料台を常時高温に制御・維持して、試料は、高温に温度制御された前記試料台の上に載置された後に、静電吸着力によって試料台に吸着され、前記隙間空間に充満した前記熱伝導ガスを熱伝達媒体として加熱される。ウエハ温度がプラズマ処理条件に適した温度になったのち、プラズマ処理が開始される。

【0010】

このような場合には、試料は前記試料台に吸着された状態で熱膨張するため、試料裏面と試料台表面が摩耗して、微小異物が発生したり、前記試料台表面の表面粗さが変化することで試料と試料台との間の接触熱伝達効率が変化して試料温度の制御性が低下したりすることについて、上記従来技術では考慮されていなかった。

【0011】

本発明の目的は、微小異物の発生や、試料台表面の摩耗を抑制し、生産性の高いプラズマ処理装置またはプラズマ処理方法を提供することにある。

【課題を解決するための手段】

【0012】

上記目的は、真空容器内部に配置され減圧された内側でプラズマが形成される処理室と、この処理室内の下部に配置されその上面に前記プラズマを用いた処理の対象の試料が載置される試料台と、この試料台上部の前記試料がその上に載せられる載置面を構成する誘電体製の誘電体膜と、この誘電体膜の内部に配置され前記試料をこの誘電体膜上に吸着して保持するための電力が供給される電極とを備え、前記試料が前記試料台上に載置され当該試料の裏面及び前記誘電体膜の間の隙間空間と前記処理室内部とが連通された状態で、前記処理室内部に不活性ガスを導入して処理室内部を昇圧し、試料温度が所定の温度になるまで試料を試料台の上に保持した後、前記処理室および前記隙間空間を排気し、その後前記電極に電力を供給して試料を試料台に吸着し前記プラズマを用いてこの試料の処理を開始するプラズマ処理装置により達成される。

【0013】

また、真空容器内部に配置された処理室内の下部に配置された試料台上の誘電体膜上に処理対象の試料を載置し、前記試料が前記試料台上に載置され当該試料の裏面及び前記誘電体膜の間の隙間空間と前記処理室内部とが連通された状態で、前記処理室内部に不活性ガスを導入して処理室内部を昇圧し、試料温度が所定の温度になるまで試料を試料台の上に保持した後、前記処理室および前記隙間空間を排気し、その後前記誘電体膜の内部に配置された膜状の電極に電力を供給して試料を試料台に吸着し前記処理室内に形成したプラズマを用いてこの試料の処理を開始するプラズマ処理方法により達成される。

【図面の簡単な説明】

【0014】

【図1】本発明の実施例に係るプラズマ処理装置を備えた真空処理装置の構成の概略を示す図である。

【図2】図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。

【図3】図２に示す実施例に係るプラズマ処理装置の試料台の構成を拡大して模式的に示す縦断面図である。

【図4】従来技術に係るプラズマ処理装置の時間の変化に伴う動作の流れを示すタイムチャートである。

【図5】図２に示す実施例に係るプラズマ処理装置の時間の変化に伴う動作の流れを示すタイムチャートである。

【図6】図２に示す実施例に係るプラズマ処理装置の試料と試料台の接触部分を拡大して模式的に示す縦断面図である。

【図7】図２に示す実施例の変形例に係るプラズマ処理装置の時間の変化に伴う動作の流れを示すタイムチャートである。

【発明を実施するための形態】

【0015】

本発明の実施の形態を、図面を用いて以下に説明する。

【実施例】

【0016】

本発明の実施例を、図１乃至図６を用いて説明する。

【0017】

図１は、本発明の実施例に係るプラズマ処理装置を備えた真空処理装置の構成の概略を示す図である。図１（ａ）は、真空処理装置の全体の構成を示す上面図であり、図１（ｂ）は同じく斜視図である。

【0018】

本実施例に係る真空処理装置は、その前後の方向（図上左右方向であって右側が前側に相当する）について大気ブロック１０１と処理ブロック１０２に別れている。真空処理装置の前方側であって複数枚の半導体ウエハ等の処理対象の基板状の試料を収納したカセットが搬送される通路に面した大気ブロック１０１は、その内部で大気圧下でカセットから搬出する或いはカセットに試料を収納する、さらには搬出した試料の位置決めする等の動作を行う部分である。また、真空処理装置の後方側の部分であって大気ブロック１０１の後方に配置されてこれと連結された処理ブロック１０２は、大気圧から減圧された圧力下でウエハ等の試料を搬送し、処理等を行なう部分であり、その大気ブロック１０１と連結された箇所において試料を内部に載置した状態で圧力を上下させる部分を含んでいる。

【0019】

大気ブロック１０１は、その内部の空間に試料をアーム上に保持して搬送する搬送ロボットを備えた筐体１０６を有し、この筐体１０６の前方側には処理用又はクリーニング用の試料の複数枚が内部に収納されているカセットがその上面に接地されるカセット台１０７複数が筐体１０６の前面（前方の通路）に沿って並列に配置されている。

【0020】

処理ブロック１０２は所定の値まで減圧して試料を処理する処理ユニット１０３−１、１０３−２、１０３−３、１０３−４と、上方から見て多角形状の平面形を有して多角形の辺に相当する側壁とこれらの処理ユニット各々と連結されて、当該処理ユニットに試料を前記の所定の値かこれに近い値まで減圧した圧力下で搬送する搬送室１０４、さらには搬送室１０４と大気ブロック１０１との間にこれらを接続する真空容器であって内部の圧力を大気圧と前記所定の値またはこれに近い値まで減圧可能なロック室１０５−１、１０５−２を備えている。この処理ブロック１０２は、図示しないターボ分子ポンプや粗引きポンプ等の真空ポンプと接続されており減圧されて高い真空度の圧力に維持可能なユニットである。

【0021】

処理ユニット１０３−１〜１０３−４内の部品はプロセス条件に合わせた温度に制御されており、本実施例では、試料温度が２００〜３００℃になるように、図示しない制御ユニットからの指令信号に応じて動作が調節されている。一方、真空搬送室１０４、大気搬送室１０６、カセット１０７は常温かこれと見倣せる程度の範囲の温度にされており、試料は常温の状態で処理ユニット１０３−１〜１０３−４に搬入され、この処理ユニットの内部で所望の温度まで加熱された後に、処理が行われる。

【0022】

図２に図１に示す処理ユニット１０３における処理容器内部の構成の概略を示す。図２は、図１に示す実施例に係るプラズマ処理装置の構成の概略を示す縦断面図である。

【0023】

本実施例において、処理ユニット１０３は処理容器の内部の円筒形状を有する空間である処理室内の下方に配置された試料台２０７上に試料Ｗを載せて保持した状態で内部の空間に形成したプラズマ２０３を用いて試料Ｗをエッチング処理するプラズマエッチング処理装置である。本図に示す処理容器は概略として円形状を有する蓋２０１及び円筒形の外側壁を有する真空容器２０４により構成されている。蓋２０１の外周縁部及び真空容器２０４の円筒形状部の上端とによって挟まれたＯリング等のシール部材により封止され外部の大気圧の空間から気密に区画された内部の空間である処理室は、処理容器または真空容器２０４の下方に配置されてこれと連結されたターボ分子ポンプ等の真空ポンプ２０６と連結されており、この真空ポンプ２０６が駆動されることにより、内部の圧力が高い真空度まで低減されて保持される。

【0024】

ここで、ターボ分子ポンプを含む真空ポンプ２０６は真空容器２０４内の処理室での処理に適した圧力と比べて所定の値だけ高い圧力の気体は排気できない。そこで、本実施例では、予めバルブ２１２を開いて粗引きポンプとしてのロータリーポンプ等で構成された真空ポンプ２１５を用いて、真空容器２０４内部の空間であってプラズマ２０３が形成される処理室内を真空ポンプ２０６が駆動できる圧力まで排気後、バルブ２１３，２１４を開き真空ポンプ２０６及び２１５の両者を用いて、処理容器２０６内の処理室を高い真空度まで排気し減圧している。

【0025】

なお、前記真空ポンプ２１５は大気圧の気体の排気可能であり、前記真空ポンプ２０６が安全に運転できる圧力になるまで処理室を排気するのに使用している。また、真空ポンプ２０６はバルブ２１２または２１４が閉じられた状態でも回転駆動されていても良い。

【0026】

試料台２０７の上方の処理室内の空間にプラズマ２０３を形成し試料Ｗを処理するために処理室内に供給される処理用ガスは、ガス流量制御器２０８によって処理室内へのその流量が調節される。本実施例では、処理用ガスは複数種類のガスが混合されたものが用いられ、各々の種類のガスが通流するガスライン上にバルブ２０９及びガス流量制御器２０８が配置されてそのガスの流量が処理に適合したものに調節される。

【0027】

これらの複数のガスラインは各々のガス流量制御器２０８の下流側で接続されて合流しており、合流部において複数種類のガスが所定の比率で混合した組成のガスとして１つのガスラインを通り真空処理用器に供給される。ガスラインは真空処理容器の上部と連結され、処理室の上方でその天井面を構成するガス拡散板２０２と蓋２０１との間に配置された所定の高さの空間に導入される。

【0028】

このガス拡散板２０２の上面（処理室に対しての背面）側の空間でガスは拡散してこの空間に充満した後、ガス拡散板２０２の中央部に複数配置された貫通孔を経由して処理容器内に導入される。処理用ガスが導入された状態で真空ポンプ２０６は駆動を並行して行われており、真空計２１３によって検知された結果に基づいて、図示しない制御ユニットから発信された指令信号に応じて、処理室の底部に配置された排気用の開口と真空ポンプ２０６の入口との間に配置された軸周りに回転可能な板状のフラップ複数枚を具備するコンダクタンス調整バルブ２０５の回転動作によって処理室の上下でのガスの供給と排気とのバランスが調節され、処理室内の圧力が処理に適した範囲内の値に維持される。

【0029】

処理室内部に導入された処理用ガスは、マグネトロン等の電界供給手段２１０から供給される電界とソレノイドコイル２１２から供給される磁界との相互作用により生起される共鳴現象により、ガスの分子や原子が励起されてプラズマ化される。処理用ガスの分子はイオンと電子に電離、あるいは、ラジカルに解離される。

【0030】

本実施例において処理室は略円筒形状を有しており、真空容器２０４も円筒形状を備えている。また、ガス分散板２０３は円形の誘電体製の板部材であり、処理室の円筒形状部分とガス分散板２０３の円板とはその中心同士が合致するように配置されている。

【0031】

処理室内に配置された試料Ｗがその上面に載置される試料台２０７は略円筒形状を備えており、円板形状の試料Ｗが載せられる試料台２０７上面の載置面も円形またはこれと見倣せる形状を備えている。載置面は試料台２０７の上面を覆う誘電体製の膜を有して構成され、処理中に被処理物である試料Ｗは載置面の誘電体製の膜上面に形成された静電気力によってこれに吸着されて保持される。

【0032】

試料台２０７の内部には円板形状または円筒形状を有する導電体製の部材から構成された電極が配置され、この電極は高周波バイアス電源２１１が接続されている。試料Ｗの処理に際して、試料Ｗが試料台２０７上面に保持されプラズマ２０３が形成された状態で高周波バイアス電源により上記電極に印加される高周波電圧により、プラズマ２０３の電位に応じて試料Ｗの上面上方にバイアス電位が形成される。これら両者の電位差により、プラズマ２０３内のイオン等荷電粒子を試料Ｗの表面に誘引して衝突させることにより、試料Ｗ上面に予め形成されて配置された複数の膜層が積層された膜構造との間で生起する物理反応及び化学反応の相互反応により膜構造の処理対象の膜のエッチング処理が促進される。

【0033】

試料台２０７上面の誘電体製の膜（誘電体膜）は、当該試料台２０７の上面に誘電体材料を所定の厚さに溶射して形成されても良く、予め焼結等の製造方法により所定の厚さの円板として形成された部材を試料台２０７の上面に接着する等の方法により形成されても良い。また、本実施例では、後述の通り誘電体膜の内部に試料Ｗをその上面に吸着する静電気力を発生するための膜状の電極が複数個配置されている。

【0034】

図３に試料台２０７の構成をより詳細に示す。図３は、図２に示す実施例に係るプラズマ処理装置の試料台の構成を拡大して模式的に示す縦断面図である。

【0035】

本図において、円板形状の試料Ｗは図のように試料台２０７の上面に形成される誘電体膜３０１の上面に載置される。

【0036】

試料台２０７の内部には、前述の通り、電極となる導電体製の円板形状の部材であるヘッド３１１が配置されており、誘電体膜３０１は、断面が凸字形状となるようにヘッド３１１の中央部に配置された円筒形の凸部の上面を覆って配置されている。ヘッド３１１内部には多重の同心の円弧状またはら旋状に配置され熱交換流体が内部を通流する冷媒流路３０５が配置され、冷媒流路３０５を通り熱交換した冷媒が循環することによりヘッド３１１の温度が所定の範囲内となるように調節され、ひいては試料台２０７の温度が制御される。

【0037】

熱交換流体は、試料台２０７に配置された冷媒流路３０５の入口及び出口と管路を介して連結されたサーキュレータ３０８において、冷媒流路３０５の出口から流出した冷媒が所望の温度、流量に調節された後冷媒流路３０５の入口に向けて流出して循環している。さらに、本実施例では、誘電体膜３０１の内部またはヘッド３１１の上部の内部に複数の膜状のヒータを備え、ヒータが発生する熱により誘電体膜３０１上面の温度を調節している。

【0038】

本実施例のヘッド３１１の円形の上面の表面上に配置された誘電体膜３０１内部には、上方からみて円形を有した中央部のヒータ３２１、その外側に各々隣接して配置された上方からみてリンク形状を有した中間部のヒータ３２２、外周部のヒータ３２３が配置されて、各々が直流電源に連結されて独立した値の電力が供給されている。これらの電力の値は、後述の通りＣＰＵ等で構成されたコントローラ３０９からの指令信号に基づいて調節される。

【0039】

また、試料台２０７内のヘッド３１１の上部の温度がヘッド３１１内に配置された温度センサ３０４により検知される。温度センサ３０４から出力された信号は、通信手段を介して試料台２０７の外部に配置されたコントローラ３０９で受信され、試料台２０７の載置面の温度、あるいは、試料Ｗの温度が検出される。コントローラ３０９は所謂ＣＰＵ等マイクロプロセッサ（演算器）、ＲＡＭ或いはＲＯＭ等のメモリやハードディスクといった記憶装置、外部との信号をやり取りするためのインターフェース及びこれらの間を連結して信号を伝達する配線等の通信手段を備え、演算器がインターフェースを介して受信した温度センサ３０４からの信号を用いて、記憶装置から読み出した予め記録されたソフトウェア等のアルゴリズムに基づいてヘッド３１１或いは試料台２０７の誘電体膜３０１上面の温度を検出し、これを所望の温度の値にするための熱交換流体の温度、流量およびヒータ３２１，３２２，３２３へ供給される電力を算出し、インターフェースを通してサーキュレータ３０８及びヒータ３２１，３２２，３２３各々の電源に指令信号を発信してその設定の温度、加熱量、或いは供給電力量を調節する。

【0040】

なお、ヘッド３１１の下方には円板形状を有する試料台ベース３１２が配置され、ヘッド３１１の円筒形状の凸部の外周側に配置された凹み部に配置され上下方向に延びる複数本のボルト３０６により両者が締結されている。凹み部の段差のリング状の底面に載せられたリング状のカバー３１５は、ヘッド３１１の凸部の円筒形の側壁とともにボルト３０６、ヘッド３１１及び試料台ベース３１２の側壁を覆って配置され、これらの部材の処理室内のプラズマ２０３との相互作用が低減されている。

【0041】

また、誘電体膜３０１の内部には静電吸着用の膜状の電極３０２，３０３が配置されている。これら電極３０２，３０３に電源３０７，３１０から供給される直流電圧を印加することで、誘電体膜３０１を挟んで試料Ｗに分極を生起して静電気力により試料Ｗを誘電体膜３０１上面に吸着（静電吸着）させる。さらに、誘電体膜３０１の表面には所定の形状の凹みまたは溝が予め形成されており、試料Ｗをその上面に吸着させた状態で試料Ｗの裏面と誘電体膜３０１の間には隙間空間３１９が形成される。

【0042】

前記隙間空間３１９にはヘリウムなどの熱伝導ガスが充填され、ヘッド３１１と試料Ｗとの間の熱伝達効率を高めている。このヘリウムガスは、前記隙間空間３１９に充填される圧力が設定値となるようにガス流量制御３１４によって流量を制御される。また、バルブ３１６を開くことで前記隙間空間に充填されたヘリウムガスを排気することが出来る。あるいはバルブ３２０を開くことで隙間空間３１９と処理室を同等圧力とすることが出来る。すなわち処理室内部を前記排気ポンプ２０６を用いて高い真空度に排気している状態でバルブ３２０を開くと、前記隙間空間３１９も同様に高い真空度まで排気出来る。

【0043】

ここで、試料Ｗがプラズマ処理室内に搬入されてからプラズマ処理が開始するまでのシーケンスを図４に示す。図４は本発明を使用する以前の従来シーケンスを示す。本図では試料Ｗ温度を２００℃に制御してプラズマ処理を行うものとして、プラズマ処理室に搬入される前の試料Ｗの温度は常温（例えば２５℃）であるとする。

【0044】

本図において、試料台の温度はその処理中に或いは処理の開始に適した温度として２００℃を実現すべき設定の温度としてヒータ３２１，３２２，３２３の発熱の量やサーキュレータ３０８での冷媒の温度が調節されている。このような従来技術において、処理室に搬入された試料Ｗは試料台に載置された後、試料台の上面に配置された誘電体製の膜の上面上に静電吸着されるとともに試料Ｗの裏面と試料台の間の隙間空間に熱伝導用のＨｅガスが導入され、この熱伝達用のガスを媒体として試料Ｗは試料台と熱交換して加熱される。

【0045】

その後、処理用ガスが処理室内に導入されつつ処理室内の圧力を所望の値の範囲内に制御される。試料Ｗの温度が処理に適した所望の範囲内であることが検出されると、処理室内に電界または磁界が共有されて処理用ガスを用いてプラズマが形成されて試料Ｗの処理が開始される。

【0046】

このような処理の動作において、本図の技術では試料Ｗは試料台に静電吸着された状態で試料台から熱を受けて熱膨張するため、試料Ｗと誘電体製の試料台の載置面の上面との間で熱膨張の大きさの差に起因して摩擦が生じることになる。このため、試料Ｗあるいは試料台の上面の載置面が摩擦により損傷あるいは摩耗して微小異物が発生したり、試料台の表面粗さが変化することで試料Ｗと試料台との間の熱伝達効率が変化し処理性能が経時的に変化したりするという問題が生じていた。

【0047】

本実施例に係るプラズマ処理装置における試料Ｗの処理の動作の流れを図５を用いて説明する。図５は、図２に示す実施例に係るプラズマ処理装置の時間の変化に伴う動作の流れを示すタイムチャートである。

【0048】

本実施例では、試料Ｗを試料台２０７上面の誘電体膜３０１上に静電吸着させずに加熱することで、試料Ｗが熱膨張しても試料Ｗと試料台２０７上面（誘電体膜３０１上面）の間で発生する摩耗量が許容限度以下とされることとしている。この試料Ｗが試料台２０７に吸着された状態での試料Ｗの温度変動の許容値は、試料Ｗの種類、プラズマ処理条件、あるいは、試料台２０７の材質などによって異なるものとなり、使用者により選択されコントローラ３０９からの指令信号に応じて調節される。

【0049】

本実施例では、常温（２５℃）の試料Ｗを２００℃の設定値に調節された試料台２０７の上面に載置後、静電吸着せずに試料Ｗを試料台２０７（誘電体膜３０１）の上に予め定められた時間、または試料Ｗの温度が所定の範囲内の値となることが検出されるまで保持している。その間、試料Ｗと誘電体膜３０１上面との間の接触による熱伝達により、試料Ｗは徐々にヒータ３２１，３２２，３２３或いはヘッド３１１内部の冷媒流路３０５内を通流する冷媒との間の熱交換により加熱される。

【0050】

試料Ｗが載置直後のものから１５０℃の温度まで加熱されると試料Ｗを誘電体膜３０１上面に静電吸着させ、試料Ｗ裏面と誘電体膜３０１との間の隙間の空間に熱伝達用のヘリウムガスを導入し、さらに試料台２０７或いはヘッド３１１の温度をプラズマの処理に適した条件である２００℃まで加熱してプラズマ２０３を処理室内に形成し試料Ｗのエッチング処理を開始する。このとき、試料Ｗと誘電体膜３０１との間に導入されるヘリウムガスの圧力は例えば１ｋＰａに制御している。

【0051】

試料Ｗが試料台２０７上面の誘電体膜３０１に載せられた状態で、内側電極３０２，外側３０３には直流電力は印加されず、試料Ｗは誘電体膜３０１に吸着されておらず試料台２０７上に保持された状態で、試料台２０７と試料Ｗとの間の熱伝達が行われる。また、試料Ｗが誘電体膜３０１上に載せられた状態で内側電極３０２にのみ電力を供給して試料Ｗの中央側部分のみ静電気により吸着させた状態で上記熱伝達を行わせて、試料Ｗが所定の温度に到達したことが検出された後に外側電極３０３に電力を供給してエッチング処理に適した吸着力で試料Ｗを保持しても良い。また、内側電極３０２、外側電極３０３に試料Ｗの処理中に供給される電力より小さい電力を供給し処理中より小さい静電気による吸着力で試料Ｗを保持した状態で、試料Ｗを所定の温度になるまで加熱した後により大きな電力を内側電極３０２、外側電極３０３に供給して処理に適した吸着力を実現して試料Ｗを保持した後エッチング処理を開始しても良い。

【0052】

上記の実施例において、試料Ｗが試料台２０７上の誘電体膜３０１の載置面に載置されて常温（２５℃）から所定の温度である１５０℃まで加熱される間は、試料Ｗの少なくとも一部分は誘電体膜３０１には静電吸着されておらず、この試料Ｗの非吸着領域の裏面では試料Ｗ及び誘電体膜３０１が熱膨張してもこれらの間の摩擦力は小さく摩耗や損傷は無視できる程度まで抑制される。試料Ｗが１５０℃から２００℃まで加熱される間は、試料Ｗはこれまで吸着されていなかった部分も含めて全体的に誘電体膜３０１上に静電吸着されているので、試料Ｗ及び誘電体膜３０１の熱膨張の差に応じてこれらの間の摩擦が発生するが、本実施例では上記摩耗、損傷が許容される範囲内となる温度差の範囲は５０℃内としている。

【0053】

一方、試料Ｗの裏面と試料台２０７の誘電体膜３０１の上面はそれぞれ表面粗さを有しているので、図６に示すように、試料Ｗ裏面と誘電体膜３０１上面とが接触した状態で、これらの間には各々の粗さを有した表面の形状に応じて接触部６０１と微小隙間６０２とが形成される。図５に示す動作において、試料Ｗが誘電体膜３０１上に静電吸着されていない状態で試料台２０７と熱交換して加熱される場合、処理室内部は高い真空度の低圧力に保たれているため微小隙間６０２も高い真空度の低圧となっており、微小隙間６０２の熱通過率は極めて低い。

【0054】

このため、試料Ｗと誘電体膜３０１との間では実質的に接触部６０１でのみ熱伝達が行われるが、この接触面積は試料Ｗの裏面全体の面積と比べて著しく小さいものとなる。このことから、試料Ｗと試料台２０７との間の熱伝達の効率は相対的に小さくなる。一方、処理時間が試料Ｗの搬送に掛かる時間や処理後の試料を冷却する時間などと比較して十分に短い場合は、処理に要する試料Ｗをカセットから搬出して処理後に当該カセットの元の位置に戻すまでの全体の試料Ｗのハンドリング時間へ与える影響は相対的に小さくなる。

【0055】

ただし、プラズマ処理時間が試料Ｗの搬送に要する時間に対して十分に長く、前記プラズマ処理前の試料Ｗ加熱時間の追加により生産性が低下してしまう場合は、試料Ｗを試料台に静電吸着させない状態で、試料Ｗを効率よく加熱することが求められる。その解決手段を変形例１に示す。

【0056】

変形例１に係るプラズマ処理装置における試料Ｗの処理の動作の流れを図７を用いて説明する。図７は、図２に示す実施例に係るプラズマ処理装置の時間の変化に伴う動作の流れを示すタイムチャートである。

【0057】

前記の通り、試料Ｗと試料台との間の前記隙間空間３１９、および、微小隙間６０２が高い真空度を維持している状態では、試料Ｗと試料台との間の熱伝達効率は小さく、試料Ｗの加熱に時間がかかる。一方、前記隙間空間３１９、および、微小隙間６０２に熱伝達用のガスを充填すると試料台２０７と試料Ｗ間の熱伝達効率は向上するが、試料Ｗを前記試料台に静電吸着させない状態で熱伝達ガスを前記隙間空間３１９、および、微小隙間６０２にガスを導入すると、試料Ｗ裏面側のみに高いガス圧力がかかることで試料Ｗが飛び跳ねたり、熱伝達ガスが試料Ｗと試料台の間から流れ出るときに試料Ｗが試料台の上を滑って中心位置がずれたり、試料Ｗが試料台から滑り落ちたりすることが懸念される。

【0058】

そこで、本例では、前記隙間空間３１９と前記微小隙間６０２を含む真空容器全体を比較的高圧にすることでウエハの加熱の効率を向上させている。

【0059】

すなわち、本例において、プラズマ処理用ガスは前記の通り複数の種類のものが混合された混合ガスが使用されており、ガス拡散板２０２を経由して処理室内に導入されている。試料Ｗが試料台２０７の誘電体膜３０１上面に載置され処理が開始されていない状態で、処理室を内外を連通して試料Ｗが搬送されるゲートの開口を気密に閉塞し処理室内を密封し、処理用ガスの内の不活性ガスや希釈用のガス、例えばアルゴンガスを処理室内に導入して処理室の圧力を数百Paから略大気圧程度に維持する。この際、バルブ３２０を開いておくことにより試料Ｗと試料台２０７あるいは誘電体膜３０１上面との間の前記隙間空間３１９および微小隙間６０２にもアルゴンガスが供給されこれらに充満する。

【0060】

アルゴンガスを熱伝達媒体として試料台２０７と試料Ｗとの間の熱伝達を促進することで、試料Ｗの加熱効率が向上する。また、試料Ｗの表側と裏側を含む真空容器２０４全体にほぼ均等圧力にガスが充満するため、隙間空間３１６および微小隙間６０２を高い圧力にしつつも、試料Ｗの表面側と裏面側の圧力差は無いか或いはわずかの差異が生じるに過ぎないものとなり、試料Ｗが試料台２０７上方に遊離したり滑ったりすることが抑制され、例えこれらが生じても予め位置決めされて試料台２０７上に載せられている試料Ｗの所定位置からのズレの量が低減される。

【0061】

本動作の流れの詳細を図７を用いて説明する。試料台２０７上の誘電体膜３０１上面に試料Ｗを載置後、バルブ２１３および２１４を閉じて処理容器内部の処理室の排気を停止する。このとき、バルブ２１３，２１４が閉じられて外部と遮断された真空ポンプ２０６を含む空間は高い真空度に維持されており、ターボ分子ポンプを含む真空ポンプ２０６は動作が維持されている。

【0062】

この状態で、処理用ガスに用いられる希釈ガス或いは不活性ガス、例えばアルゴンガスが処理室内に導入され、処理室内部の圧力が所定の圧力、例えば1kPaになるまで導入が継続された後、導入が停止されて処理室内部が所定の圧力に維持される。この際、バルブ３２０はアルゴンガスの導入開始前から停止まで全開放されており、隙間空間３１９、および微小隙間６０２内にもアルゴンガスが供給され、これらの空間内の圧力は処理室内部の圧力と同等にされる。

【0063】

本例での隙間空間３１９の厚さは数十マイクロメートル、微小隙間６０２の厚さは数百ナノメートル程度であり、1kPa程度の圧力ではこれらの内部のガスは分子流となるので、熱伝達の効率は圧力に比例して高くなる。すなわち、隙間空間３１９および微小隙間６０２内部の圧力を高くすることでアルゴンガスを熱伝達媒体として用いて高い効率で試料台２０７と試料Ｗとの間の熱伝達を行わせることができる。

【0064】

本例においても、試料Ｗの処理に適した或いは処理の開始前に実現する温度は２００℃に設定されており、ヒータ３２１，３２２，３２３及びサーキュレータ３０８で温度調節される冷媒の温度はこれを実現するために試料台２０７を加熱できる温度にされている。このため、試料Ｗが誘電体膜３０１上に載置された後、誘電体膜３０１との接触による熱伝達及び隙間空間３１９および微小隙間６０２のアルゴンガスによる熱伝達によって試料Ｗの加熱が行われ、試料Ｗの載置後、またはアルゴンガスの供給の開始後に所定の時間が経過するか或いは試料Ｗの温度が所定の温度（本例では、設定された上記温度２００℃から所定の値だけ小さい温度である１５０℃）に到達したことが温度センサ３０４からの出力を受信したコントローラ３０９により検出されると、コントローラ３０９はバルブ２１２を開いて真空容器２０４内部を急速に排気して減圧させる。

【0065】

処理室内部の圧力が真空ポンプ２０６を運転するのに十分に安全な圧力以下に下がったら、バルブ２１３、および、バルブ２１４を開き、処理室内部を真空ポンプ２０６，２１５を用いて高い真空度まで排気して減圧する。このとき、バルブ３２０は開かれており、処理室内部の排気と共に隙間空間３１９、微小隙間６０２内部も高い真空度まで排気され減圧される。

【0066】

処理室内部を所定の時間、あるいは、所定の圧力まで減圧されたことが真空計２１３からの出力を受信したコントローラ３０９により検出されると、コントローラ３０９からの指令信号に基づいて、試料Ｗが誘電体膜３０１上面に静電吸着され、隙間空間３１９、微小隙間６０２に熱伝達用のヘリウムガスが供給される。この状態で試料Ｗが再度加熱され、試料Ｗの吸着後所定の時間が経過するか或いは試料Ｗの温度が設定の温度に対して予め定められた許容範囲内の値になったことが温度センサ３０４からの出力を受けたコントローラ３０９により検出されると、コントローラ３０９からの指令信号に基づいて処理室内にプラズマ２０３が形成され試料Ｗの処理が開始される。

【符号の説明】

【0067】

１０１…大気ブロック、１０２…処理ブロック、１０３…処理ユニット、１０４…真空搬送室、１０５…ロック室、１０６…筐体、１０７…カセット台、１０８…搬送ロボット、１０９…搬送ロボット、２０１…蓋、２０２…ガス拡散板、２０３…プラズマ、２０４…真空容器、２０５…コンダクタンス調整バルブ、２０６…真空ポンプ、２０７…試料台、２０８…ガス流量制御器、２０９…バルブ、２１０…電界供給手段、２１１…高周波バイアス電源、２１２…ソレノイドコイル、２１３…真空計、２１４…バルブ、２１５…真空ポンプ、Ｗ…試料、３０１…誘電体膜、３０２…内側電極、３０３・・外側電極、３０４…温度センサ、３０５…冷媒流路、３０６…ボルト、３０７…電源、３０８…サーキュレータ、３０９…コントローラ、３１０…電源、３１１…ヘッド、３１２…試料台ベース、３１３…バルブ、３１４…ガス流量制御器、３１５…カバー、３１９…隙間空間、３２０…バルブ、６０１…接触部、６０２…微小隙間、９０１，９０２…内側電極、９０３…外側電極、１００１…内側電極、１００２…外側電極、１１０１，１１０２，１１０３…内側電極、１１０４…外側電極、１１０５、１１０６、１１０７、１１０８…スイッチ。

【図1】

【図2】

【図3】

【図4】

【図5】

【図6】

【図7】