JP6573252B2 - Substrate temperature adjustment mechanism for plasma processing equipment - Google Patents
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Description
本発明は、シリコンウエハ等の半導体基板の表面をエッチングしたり成膜するためのプラズマ処理装置に関し、特に、処理中にその半導体基板の温度を調整する基板温度調整機構に関する。 The present invention relates to a plasma processing apparatus for etching or depositing a surface of a semiconductor substrate such as a silicon wafer, and more particularly to a substrate temperature adjusting mechanism for adjusting the temperature of the semiconductor substrate during processing.
半導体基板をプラズマ処理する場合、処理に伴い半導体基板の温度が上昇し、適正な処理が行えなくなったり半導体基板に損傷を与える可能性があるため、処理中は半導体基板を冷却しておかなければならない。通常、半導体基板の冷却は、半導体基板の下面とそれを載置した下部電極の上面の間に伝熱媒体を流し、この伝熱媒体を冷却機構で冷却することにより行う。この伝熱媒体としては、一般に、熱伝導率が高く、流動性が高いヘリウム(He)ガスが用いられる。 When a semiconductor substrate is plasma-treated, the temperature of the semiconductor substrate rises with the treatment, and proper processing cannot be performed or the semiconductor substrate may be damaged. Therefore, the semiconductor substrate must be cooled during the processing. Don't be. Usually, the semiconductor substrate is cooled by flowing a heat transfer medium between the lower surface of the semiconductor substrate and the upper surface of the lower electrode on which the semiconductor substrate is mounted, and cooling the heat transfer medium with a cooling mechanism. As this heat transfer medium, generally, helium (He) gas having high thermal conductivity and high fluidity is used.
プラズマ処理を行っている間、半導体基板が載置されている下部電極にはプラズマを生成するための高周波電圧が印加される他、プラズマ処理によっては高いバイアス直流電圧が発生する。一方、下部電極と半導体基板の間に伝熱媒体を供給し、それを冷却する冷却機構は、第一に作業の際の安全を確保しなければならないことから、接地(グラウンド)電位としておかなければならない。そうすると、両者の間を流れる伝熱媒体には、下部電極に印加される(及び発生する)と同じ高電圧が印加されることになり、伝熱媒体がヘリウムガス等の十分高い電気抵抗を持たない媒体の場合、それを通じた放電が生ずることがある。このような放電が生ずると、下部電極に十分なプラズマ生成用電力が供給されなくなる他、放電により冷却媒体供給機構が損傷することもある。 During the plasma treatment, a high-frequency voltage for generating plasma is applied to the lower electrode on which the semiconductor substrate is placed, and a high bias DC voltage is generated depending on the plasma treatment. On the other hand, a cooling mechanism that supplies a heat transfer medium between the lower electrode and the semiconductor substrate and cools it must be kept at ground potential because it must first ensure safety during work. I must. Then, the same high voltage as that applied (and generated) to the lower electrode is applied to the heat transfer medium flowing between the two, and the heat transfer medium has a sufficiently high electric resistance such as helium gas. In the absence of media, a discharge may occur through it. When such a discharge occurs, sufficient power for plasma generation is not supplied to the lower electrode, and the cooling medium supply mechanism may be damaged by the discharge.
このような放電を防止するため、特許文献1では伝熱媒体の流路に、多数の小径の孔を設けた流路部材(離隔材)を複数設けている。また、孔の位置を変えた流路部材を複数直列に配置することにより、さらに放電を生じにくくしている。特許文献2においても同様に小径の孔を多数設けた離隔材の他、螺旋状の通路を設けた離隔材や多孔質材を用いた離隔材などが開示されている。特許文献3には、伝熱媒体の流路に、側壁から垂直に突出する襞を設けるという技術が開示されている。特許文献4は流路の径を所定値以上に小さくするという技術を開示している。特許文献5は、ランダムな空泡を有するコマと呼ばれる離隔材を流路に配置するという技術を開示している。 In order to prevent such discharge, in Patent Document 1, a plurality of flow path members (separating materials) provided with a large number of small-diameter holes are provided in the flow path of the heat transfer medium. In addition, by disposing a plurality of flow path members in which the positions of the holes are changed in series, it is further difficult to cause discharge. Similarly, Patent Document 2 discloses a separation material provided with a spiral passage, a separation material using a porous material, a separation material using a porous material, and the like. Patent Document 3 discloses a technique in which a ridge projecting vertically from a side wall is provided in a flow path of a heat transfer medium. Patent Document 4 discloses a technique of reducing the diameter of the flow path to a predetermined value or more. Patent Document 5 discloses a technique in which a separating material called a top having random air bubbles is arranged in a flow path.
上記従来の技術はいずれも流路を小さくしたり流路に離隔材を配置することにより、高電圧が印加される2点の間で電離した伝熱媒体が容易に移動できないようにするという考え方から構成されている。
しかし、そのような構成は同時に、放電が生じない場合にも伝熱媒体の流通抵抗となるため、十分な伝熱(冷却)を行うことができないという問題がある。
The above-mentioned conventional techniques are designed to prevent the ionized heat transfer medium from easily moving between two points to which a high voltage is applied by reducing the size of the flow path or arranging a separating material in the flow path. It is composed of
However, such a configuration simultaneously has a problem that sufficient heat transfer (cooling) cannot be performed because the flow resistance of the heat transfer medium is generated even when no discharge occurs.
本発明が解決しようとする課題は、伝熱効果を十分に確保しつつ、伝熱媒体中の放電をできるだけ防止することのできるプラズマ処理装置用基板温度調整機構を提供することである。 The problem to be solved by the present invention is to provide a substrate temperature adjusting mechanism for a plasma processing apparatus capable of preventing a discharge in a heat transfer medium as much as possible while ensuring a sufficient heat transfer effect.
上記課題を解決するために成された本発明に係るプラズマ処理装置用基板温度調整機構は、
プラズマ処理室内に配置された、伝熱媒体保持空間を有する基板載置台と、前記伝熱媒体保持空間に伝熱媒体を供給する伝熱媒体源の間に設けられた、一部に逆方向の流路を有する伝熱媒体流路を備えることを特徴とする。
The substrate temperature adjusting mechanism for a plasma processing apparatus according to the present invention, which has been made to solve the above problems,
A part of the substrate mounting table having a heat transfer medium holding space disposed in the plasma processing chamber and a heat transfer medium source for supplying the heat transfer medium to the heat transfer medium holding space, partly in a reverse direction. A heat transfer medium flow path having a flow path is provided.
本発明に係るプラズマ処理装置用基板温度調整機構は、基板載置台の伝熱媒体保持空間と伝熱媒体源の間に設けられた伝熱媒体流路の一部に、逆方向の流路を有する。すなわち、伝熱媒体が伝熱媒体源から基板載置台の伝熱媒体保持空間に供給される際、伝熱媒体は全体としては伝熱媒体源から伝熱媒体保持空間(基板載置台)の方向に流れるが、一部の流路(逆方向流路)において、伝熱媒体保持空間(基板載置台)から伝熱媒体源の方向に流れる。本発明に係るプラズマ処理装置用基板温度調整機構では、これらの流路は必ずしも径を小さくする必要はないので、伝熱媒体の流通に対する抵抗はほとんど生じない。一方、通常、接地電位である伝熱媒体源とプラズマ処理用の高電圧が印加される基板載置台の間の伝熱媒体に仮に放電が生じたとしても、放電による電荷はその逆方向流路において逆の電位差に抗して流れなければならないため、放電の継続が困難となる。 In the substrate temperature adjusting mechanism for a plasma processing apparatus according to the present invention, a flow path in the reverse direction is provided in a part of the heat transfer medium flow path provided between the heat transfer medium holding space of the substrate mounting table and the heat transfer medium source. Have. That is, when the heat transfer medium is supplied from the heat transfer medium source to the heat transfer medium holding space of the substrate mounting table, the heat transfer medium as a whole is directed from the heat transfer medium source to the heat transfer medium holding space (substrate mounting table). However, it flows in the direction of the heat transfer medium source from the heat transfer medium holding space (substrate mounting table) in a part of the flow paths (reverse flow paths). In the substrate temperature adjusting mechanism for a plasma processing apparatus according to the present invention, it is not always necessary to reduce the diameter of these flow paths, so that resistance to the flow of the heat transfer medium hardly occurs. On the other hand, even if a discharge occurs normally in the heat transfer medium between the heat transfer medium source at the ground potential and the substrate mounting table to which a high voltage for plasma processing is applied, the electric charge due to the discharge is in the reverse flow path. In this case, it is necessary to flow against a reverse potential difference, and thus it is difficult to continue the discharge.
本発明に係るプラズマ処理装置用基板温度調整機構では、基板載置台の伝熱媒体保持空間と伝熱媒体源の間の伝熱媒体流路の一部に逆方向の流路を有するため、仮に伝熱媒体源と基板載置台の間の伝熱媒体に放電が生じたとしても、放電電荷はその逆方向流路において逆の電位差に抗して流れなければならないため、放電の継続が困難となる。一方、流路の径は必ずしも小さくする必要がないので、伝熱媒体の流通に対する抵抗はほとんど生じない。 In the substrate temperature adjustment mechanism for a plasma processing apparatus according to the present invention, since a part of the heat transfer medium flow path between the heat transfer medium holding space of the substrate mounting table and the heat transfer medium source has a reverse flow path, Even if a discharge occurs in the heat transfer medium between the heat transfer medium source and the substrate mounting table, it is difficult to continue the discharge because the discharge charge must flow against the reverse potential difference in the reverse flow path. Become. On the other hand, since it is not always necessary to reduce the diameter of the flow path, there is almost no resistance to the flow of the heat transfer medium.
本発明に係る基板温度調整機構を備えたプラズマ処理装置について説明する。図1は本実施例のプラズマ処理装置の概略構成図であり、この図から明らかなように、本プラズマ処理装置10は処理室11の上部にプラズマ励起用の高周波コイル13を備えた誘導結合型反応性イオンプラズマ処理装置(ICP-RIE)である。
A plasma processing apparatus provided with a substrate temperature adjusting mechanism according to the present invention will be described. FIG. 1 is a schematic configuration diagram of the plasma processing apparatus according to the present embodiment. As is clear from this figure, the
詳しく述べると、処理室11を囲う筐体12の上部には誘電体製の窓14が設けられ、高周波コイル13はその直上に設けられている。処理室11の下部には、被処理基板15を載置する平面状の下部電極16が配設されている。高周波コイル13の上端は整合器17を介して上部高周波電源18の一方の端子に接続され、下端は接地されるとともに該上部高周波電源18の他方の端子に接続されている。また、下部電極16はブロッキングコンデンサ19、整合器20を介して下部高周波電源21に接続されている。
More specifically, a
アルミニウム等の金属から形成される下部電極16内には、該下部電極16を冷却するための冷却水路22が設けられている。下部電極16の上部には、被処理基板15を固定するための静電チャック23が設けられており、静電チャック23には、被処理基板15を冷却するための伝熱媒体を流す、溝状の伝熱媒体保持空間24が設けられている。伝熱媒体保持空間24には、筐体12の外に設けられた伝熱媒体源からポンプ(いずれも図示せず)により金属製の伝熱媒体流路25を通じて伝熱媒体が送給される。伝熱媒体としては一般的には、熱伝導率が高く流動性の高いヘリウムガスが用いられる。これらと図示せぬ基板温度制御部が基板温度調整機構を構成し、プラズマ処理中に被処理基板15の温度が適切な範囲内に維持されるように制御する。
A
筐体12にはまた、筐体12内にプラズマガスを導入するガス導入口26と、処理室11内を排気するための排気口27が設けられている。
The
このプラズマ処理装置10により被処理基板15を例えばエッチング処理する場合は、次のように行う。ロードロック28を開け、下部電極16上に被処理基板15を載置して、静電チャック23で被処理基板15を下部電極16に固定する。ロードロック28を密閉した後、排気口27に接続した真空ポンプ(図示せず)で処理室11内を排気し、十分な真空度に達したらガス導入口26からプラズマガスを処理室11内に供給する。そして、高周波コイル13に高周波電力を供給し、下部電極16にバイアス高周波電圧を印加する。これにより、被処理基板15の上部にプラズマが生成し、それにより生じた反応性イオンにより被処理基板15の表面がエッチングされる。
For example, when the substrate to be processed 15 is etched by the
ここで、下部電極16には前記の通り高周波電圧が印加される一方、筐体12は接地されている。従って、下部電極16と筐体12とは絶縁板29により絶縁されている。また、筐体12外に設けられている伝熱媒体源も電気的には接地電位にあるため、下部電極16と伝熱媒体源の間にも絶縁板29が介挿されるが、伝熱媒体は伝熱媒体源から下部電極16の伝熱媒体保持空間24内まで連続的に供給されざるを得ないため、両箇所の伝熱媒体には高電圧が印加された状態となる。
Here, the high frequency voltage is applied to the
例えば、バイアス高周波(RF)電力を1kW程度供給すると、下部電極16の面積やプラズマガスの圧力等によるが、下部電極16と接地間には3000V(Vpp)程度のRF電圧が発生する。100Pa以下の高真空であるか10000Pa以上から大気圧程度の低真空であれば放電は生じにくいが、伝熱媒体がヘリウムである場合、被処理基板15をヘリウム冷却するに必要な最低圧力域である1000Pa〜5000Pa程度の圧力では、パッシェンの法則により放電が生じやすい状況にある。このため、従来のように伝熱媒体流路25の途中に数cm程度のセラミック等の離隔材を設けた程度では容易に放電が開始する。
For example, when a bias high frequency (RF) power of about 1 kW is supplied, an RF voltage of about 3000 V (Vpp) is generated between the
そこで本実施例のプラズマ処理装置10の基板温度調整機構では、伝熱媒体流路25中に、逆路部30を設ける。逆路部30の一つの構成例を図2に示す。図2に示す逆路部30は、円筒状の本体31内に、中心から外側にかけて3重の入れ子にした同心筒状の流路を設けたものであり、最も内側の流路34では伝熱媒体(ヘリウムガス)は図2において下から上に流れ、その次の流路33ではその逆に上から下に流れ、中心の流路32ではまた下から上に流れる。もちろん、逆路部30を反転させることにより、これらの方向を全て反対にすることもできる。このような逆路部30は、上下の2個の部材35、36と、中子部材37を組み合わせることにより形成することができる。なお、中子部材37は適宜の箇所で細いステム38等により上部材35又は下部材36に固定する。
Therefore, in the substrate temperature adjusting mechanism of the
このような構成とすることにより、伝熱媒体(ヘリウムガス)が伝熱媒体流路25を経由して伝熱媒体源から伝熱媒体保持空間24に送給される間、この逆路部30の3本の流路32、33、34のいずれかの流路(例えば、図2では流路33)において逆方向に流れる。この伝熱媒体流路25全体として伝熱媒体に印加される電圧を順電圧とすると、その流路(図2では流路33)では伝熱媒体は逆電圧を受けるため、仮に伝熱媒体を通じた放電が生じたとしても、その部分において荷電粒子は逆電圧の方向に移動しなければならないことになり、放電の伝播が阻止される。このため、本実施例の基板温度調整機構では、伝熱媒体(ヘリウムガス)の流通をほとんど妨げることなく、それを介した放電のみを阻止することができる。
With this configuration, while the heat transfer medium (helium gas) is supplied from the heat transfer medium source to the heat transfer
逆路部30の別の構成例を図3(a)に示す。この逆路部40では、本体41内に、2回の折り返しによりZ字状を成す線状の流路(これを「2回折り返しの線状流路」と呼ぶ。)を有する。これにより、中間の流路43では伝熱媒体がその前後の流路42、44とは逆の方向に流れるため、上記と同様の効果が得られる。このような逆路部40は、図3(b)に示すような半割部材45を接合することにより作製することができるため、低コストで製造することができる。
Another configuration example of the
なお、上記実施例では誘導結合型反応性イオンプラズマ処理装置(ICP-RIE)により説明したが、本発明に係る基板温度調整機構は、それ以外の誘導結合型プラズマ処理装置や、容量結合型プラズマ処理装置(図4)についても同様に用いることができる。図4の容量結合型プラズマ処理装置において、被処理基板を載置する下部電極等はほぼ上記実施例の誘導結合型反応性イオンプラズマ処理装置(ICP-RIE)と同様に構成することができ、上部電極50において異なるのみである。
In the above embodiment, the inductively coupled reactive ion plasma processing apparatus (ICP-RIE) has been described. However, the substrate temperature adjusting mechanism according to the present invention is not limited to the inductively coupled plasma processing apparatus or capacitively coupled plasma. The processing apparatus (FIG. 4) can be used similarly. In the capacitively coupled plasma processing apparatus of FIG. 4, the lower electrode or the like on which the substrate to be processed is placed can be configured in substantially the same manner as the inductively coupled reactive ion plasma processing apparatus (ICP-RIE) of the above embodiment, Only the
10…プラズマ処理装置
11…処理室
12…筐体
13…高周波コイル
14…誘電体窓
15…被処理基板
16…下部電極
17、20…整合器
18…上部高周波電源
19…ブロッキングコンデンサ
21…下部高周波電源
22…冷却水路
23…静電チャック
24…伝熱媒体保持空間
25…伝熱媒体流路
26…ガス導入口
27…排気口
28…ロードロック
29…絶縁板
30…逆路部
31…本体
32、33、34…流路
35…上部材
36…下部材
37…中子部材
38…ステム
40…逆路部
41…本体
42、43、44…流路
45…半割部材
50…上部電極
DESCRIPTION OF
Claims (4)
b) 前記伝熱媒体保持空間に伝熱媒体を供給する伝熱媒体源と、
c) 前記伝熱媒体保持空間と前記伝熱媒体源の間に設けられた、一部に、前記伝熱媒体源から前記基板載置台への方向とは逆方向の流路を有する伝熱媒体流路と
を備えることを特徴とするプラズマ処理装置。 a) a substrate mounting table disposed in the plasma processing chamber and having a heat transfer medium holding space;
b) a heat transfer medium source for supplying a heat transfer medium to the heat transfer medium holding space;
c) A heat transfer medium provided between the heat transfer medium holding space and the heat transfer medium source and having a flow path in a direction opposite to the direction from the heat transfer medium source to the substrate mounting table. A plasma processing apparatus comprising: a flow path.
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