JP5203612B2

JP5203612B2 - プラズマ処理装置

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Publication number: JP5203612B2
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Authority: JP
Inventors: 健吉岡; 大本　　豊; 守薬師寺; 恒彦坪根; 和則中本
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Description

本発明はプラズマ処理装置に係り、例えば、処理対象である基板状の試料の処理を図るのに好適な試料載置台を備えたプラズマエッチング装置や、イオン打ち込みあるいはスパッタ処理を行うのに適したプラズマＣＶＤ装置に関する。

エッチング装置やＣＶＤ装置などのプラズマ処理装置では、従来から、真空容器内にマイクロ波もしくは高周波域の電界を供給して、予め半導体ウェハ等の処理すべき試料が載置される試料台である電極が下方に配置された真空容器内の処理室にプラズマを形成し、試料台から試料に高周波バイアスを印加してエッチング処理を実施する構成であった。このような構成において、試料台にはその表面上に静電気を用いて試料をチャック（保持）するための電極が配置されている。

同時に、このような試料の処理中には、エッチングの均一性やエッチングして得られる試料表面の加工形状をコントロールするために、試料台の表面全体としての平均温度を制御すること、あるいは表面上の（面内）温度分布を試料または試料台の径方向に分布をつけることで、試料表面の温度を制御することが行われている。特に、近年では、半導体デバイスの微細化と複雑化とに伴い、加工形状は更に微細なものを高精度に形成すること、複数の種類の微細な厚さの膜を処理することが求められている。

さらには、このような加工の処理の時間を短縮し単位時間内の処理する試料の数、スループットを大きくすることが要求されており、このため試料表面の多層膜を一括してエッチングすることが必要とされている。ここで、多層膜とは、たとえば、レジストマスク/反射防止膜/カーボン膜／金属膜（Ｔｉ，Ｗ，Ｔａ，Ｍｏ）／ポリＳｉ膜／酸化絶縁膜（ＳｉＯ_２，ＨｆＯ_２等のＨｉｇｈ−Ｋ材）等の異なる材料が積層された膜構造である。このような傾向は、半導体製造工程における前工程（ＦＥＯＬ）でも、後工程（ＢＯＥＬ）でも同様である。

このような多層の膜を連続的にエッチングする上で、上記のような異なった材料で構成される多層膜のすべてを、あるいは小グループに分けた多層膜部分を、１つの処理装置で、エッチングなどの処理をすることにより、異なる材料の膜を処理する際に試料を処理室から取り出した後、再度処理室内に載置し直して条件を異ならせて処理を行う場合と比べて、試料の処理時間が短縮されるという利点が有る。

一方、このようなエッチング処理などの処理を行う場合、それぞれの処理対象の膜のウェハ面内でのエッチング均一性を良好に保ち、かつ同時にエッチングの形状(垂直性、エッチングマスクに対する寸法精度等)を良好に保ちつつエッチングしなければならない。この場合、それぞれの膜で好適なウェハ温度と、その径方向分布が存在し、それらが膜種ごとに異なるので、膜種が切り替わるごとに、高速で、高精度にウェハ温度が変更できることが望ましい。

上記のような、処理中の試料台の温度の条件を設定しつつ試料の処理を行う従来の技術は、例えば特許文献１に記載されている。

特開２００６−２３５２０５号公報

処理中の試料台の温度を制御する技術として、例えば特許文献１に記載の装置のように、試料がその上面に載せられた試料台の温度を検出する温度センサからの出力に応じて、試料台内部に配置され内部を冷媒が通流する冷媒通路に供給される冷媒の流量を制御することで、試料台の温度を可変に調節するチラーを備えた温度調整装置が知られている。さらに、チラーにより試料上に温度分布をつけるために、異なる複数の温度の冷媒を試料台本体内の各々異なる冷媒通路に供給することも知られている。

一方、試料台表面と試料との間の熱伝達を大きくするために熱伝達用のガスを複数の系統から複数の圧力で供給する技術や、試料台本体上の薄い誘電体内に膜状のヒータを配置して所望の温度に加熱する技術も知られている。

しかし、前者のチラーを用いた温度調整装置は、電極温度分布を高速で変化させることが出来ず、また、Ｈｅガス圧力を調節するものでは、加工用のエッチング装置のようにプラズマからの入熱が小さいときには十分な半径方向の温度差を形成することが困難となる。

また、後者のヒータ内蔵タイプでは、応答性の悪さに起因する問題をある程度避けることができる。しかし、膜状のヒータはその感度が高いので通電するだけでは試料表面の温度(分布)を所望の値に追従することはできない。そのため、試料の温度を検出した結果を用いてヒータに電力を供給する電源の動作を調節することが必要となる。ところが、試料の温度自体を、工業レベルで実用的に検出することが困難であり、上記温度の調節を実現することが困難であった。

すなわち、試料の温度を直接検知する方法としては、試料台下部に接触式熱電対温度計、蛍光温度計あるいは赤外線温度計等の温度センサを設置する技術や、試料台の上方のプラズマ処理室の外から放射を利用して検知する技術が存在するが、これらのいずれもコストパフォーマンスが低く、長期にわたる使用での信頼性が小さい等の理由から、このような従来の技術では、量産に耐える高信頼性を実現することが困難であった。

このため特許文献１に記載の通り、試料の温度を直接モニタする代わりに、試料台の基材等の試料台を構成する部材内部に埋め込まれた、熱電対や白金抵抗体等をセンサとして利用してこれらからの出力から温度を検出し、それを用いてヒータ用の電源の動作を調節する技術が従来より用いられている。これらの熱電対や白金抵抗体によるモニタ技術は工業的な信頼性が十分に確立されている。しかし、基材の温度と実際の試料の温度との間は、通常５〜２５℃程度のずれがあることが一般的であり、そのようなずれの大きさはエッチング処理などのプラズマ処理装置の運転の条件によっても変化し、また、装置の長期的使用によって温度ずれの程度は経時的に変化するため、微細なエッチング加工などを行うに十分な温度の調節を実現するには、上記従来技術では不十分であった。

本発明の目的は、試料の温度をより高速に且つ正確に調節して試料の処理の効率を向上したプラズマ処理装置を提供することにある。

上記課題を解決するために、本発明では、基材に埋め込まれた基材温度モニタの信号からウェハ温度分布を計測推定する手段と、それによるヒータ電源へのフィードバック制御手段によって実現する。

本発明の代表的なものの一例を示せば以下の通りである。すなわち、本発明のプラズマ処理装置は、内部が減圧排気される処理室と、前記処理室内に設けられ被処理基板が配置される試料載置面を有する試料台であって、円柱形を有し前記被処理基板を冷却するための金属製の基材部とこの基材部の上面を覆って溶射により形成され前記試料載置面を構成する誘電体膜とを備えた試料台と、前記処理室内にプラズマを発生させるためのプラズマ発生装置と、前記試料載置面上に被処理基板が載せられた状態で当該被処理基板と前記試料載置面との間に熱伝達用のガスを供給する伝熱ガス供給系と、前記誘電体膜内部であって前記試料載置面の半径方向について分けられた複数の領域に配置された複数の膜状のヒータと、前記基材部内に設けられ内部を冷媒が循環する冷媒通路とを備え、前記ヒータによる加熱と前記冷媒が通流する前記基材部による冷却とを行いつつ前記被処理基板を前記プラズマを用いて処理するプラズマ処理装置において、前記基材部内の前記冷媒通路と当該基材部の上面との間で前記ヒータの前記複数の領域の各々に対応する位置に設けられた温度センサと、前記各温度センサからの出力に基づき前記試料載置面に載置された前記被処理基板の前記複数の領域の各々に対応する位置の温度を推定し、該温度の推定値に応じて前記領域各々に対応するヒータによる加熱を調節する温度制御装置とを有する、ことを特徴とする。

本発明によれば、試料の温度を高速に且つ正確に調節して試料の処理の効率を向上したプラズマ処理装置を提供することができる。

以下、図面を用いて、本発明の実施の形態を説明する。

本発明の実施例を図１乃至４を用いて説明する。
図１は、本実施例に係るプラズマエッチング装置の構成の概略を説明する縦断面図である。図１において、プラズマエッチング装置は、真空容器１０７内に配置され減圧された略円筒形状の処理室１１１と、その上部に配置されたマイクロ波源１０１であるマグネトロンと導波管１０４を備えている。導波管１０４の下端は、真空容器１０７上部に配置された共振容器１０８と連結され、導波管１０４内部と共振容器１０８内部の共振室１０３とが連通された構成となっており、導波管１０４内部を伝播してきたマイクロ波源１０１からのマイクロ波が共振室１０３に導入されて所定のモードで共振される。共振室１０３と処理室１１１との間には、これらを区画する石英等の略円形の板で構成された誘電体製の窓部材１０５が配置され、この窓部材１０５の下方の処理室１０７側には、処理用ガスを処理室内に供給するガス導入孔が複数配置された誘電体製のシャワープレートが配置されて処理室１１１の天井面を構成している。シャワープレート１０６と窓部材１０５との間の空間には図示しない処理用ガスの導入経路が接続されている。

処理室１１１内には被処理基板(ウェハ)０１１２を載置する試料載置電極０１１３が設けられている。

この構成において、共振室１０３内で共振されたマイクロ波源１０１からのマイクロ波は共振室１０３の底面を構成する窓部材１０５、シャワープレート１０６を透過して処理室１０７内部に供給される。このように処理室１１１の内部に、マイクロ波源１０１からのマイクロ波を供給して、ガス導入経路を経て処理室１１１内に導入された処理用のガスを励起してプラズマ化することで、半導体ウェハ等の被処理基板(ウェハ)０１１２の処理を行う。

処理室１１１内の下部の中央部には、試料１１２がその上面に載置される試料載置電極（以下試料台）１１３が配置され、後述の通り、処理中に試料１１２が所定の電位にされるとともに、所定の温度に維持される。試料台１１３には、自動整合器０１１４を介してバイアス電源０１１５が接続されている。試料台１１３の試料載置面でかつ試料の裏面には伝熱ガス供給系から熱伝達用のガスが供給される。

なお、０１１６はＨｅ供給系、１１７は静電吸着用の直流電源、１１８はヒータ電源、１１９は冷媒を循環して供給する温調器、１２０は温度制御装置であり、詳細については以下説明する。

試料の処理に際して、試料台１１３上面に対向して配置されたシャワープレート１０６の導入孔から処理用ガスが供給されるとともに、上記窓部材１０５からマイクロ波の電界及び真空容器１０７または共振容器１０８の側方周囲或いは上方を囲んで配置されたソレノイドコイル１０２から磁界が供給される。これらの相互作用により、処理用ガスが励起されてプラズマ化され、試料１１２に所定のプラズマの処理が施される。なお、プラズマの生成には、マイクロ波ではなく、高周波を用いた誘導結合、または高周波を用いた静電結合によるプラズマ生成手段を用いても良い。

真空容器１０７下方には、処理室１１１内部を排気して減圧するために、真空ポンプ等の真空排気装置１１０が配置されており、処理室１１１上方から処理用のガスを供給してプラズマを形成しつつ処理室１１１下方から内部のガスやプラズマ、処理に応じて形成された生成物等の粒子を排気して、処理中に処理室１１１内を処理に適した雰囲気、圧力に保持することができる。

試料１１２は試料台１１３上面の試料載置面上に載せられた状態で、試料台１１３下方に配置された自動整合器１１４を介してバイアス電源０１１５からのバイアス電力が印加される。これにより、処理中プラズマに対して試料１１２を所定の電位を付与しプラズマ中のイオンを試料１１２表面に引き込んで所望の形状のエッチング処理が行われる。

試料台１１３には、試料１１２と試料台１１３表面との間に熱伝導を促進するためＨｅ等の熱伝導ガスが導入され、試料台１１３下方にはＨｅなどの熱伝導ガスのガス供給系１１６が配置され、試料台１１３の下方および内部にはその導入経路が配置されている。また、処理中に上記熱伝達ガスが供給されても試料台１１３の試料載置面に試料１１２を保持できるように試料１１３上部には試料を静電気で吸着する電極及び試料１１２を所定の温度に加熱するためのヒータ電極が配置されており、これら電極に電力を供給する直流電源１１７及びヒータ電源１１８が試料台１１３下方に配置される。

さらに、本実施例には、試料１１２を処理に適合した所望の温度にするため、試料台１１３内に配置された通路内に冷媒を循環して供給する温調器１１９が備えられている。この温調器１１９により温度が調節された冷媒が、試料台１１３と接続された流路を介して試料台１１３内の冷媒溝１２２に供給されるとともに、熱交換されて温度が上昇した冷媒が、上記冷媒溝１２２から排出されて温調器１１９に戻された後、再度温度が調節されて試料台１１３に供給されて循環する。

また、このように試料台１１３または試料１１２の温度を調節する複数の調節手段を備えた試料台１１３内の複数個所には、温度を検知して出力する温度センサが配置され、この温度センサからの出力を受けて、ヒータ電源１１８の出力、熱伝達用のガス源１１６からのＨｅガスの圧力、バイアス電源１１５、直流電源１１７の出力を調節する温度制御装置１２０が設けられている。

次に、図２（図２Ａ〜図２Ｃ）を用いて、試料台１１３内部及び温度制御装置１２０の構成を説明する。

図２Ａは、試料台１１３及び温度制御装置１２０の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。また、図２Ｂ及び図２Ｃは、試料台１１３の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。

図２Ａに示すように、試料台１１３の上部は、略円柱形状であり、ＡｌまたはＴｉ等の金属で構成される基材部１２１と、Ａｌ_２Ｏ_３等の誘電体による誘電体膜１２３で構成されている。基材部１２１の内部には、基材部１２１の温度調節（冷却）のための冷媒が流れる通路である冷媒溝１２２が形成されている。この冷媒溝１２２は、略円板形状の基材部１２１の中心について、同心または螺旋状に配置された水やフロリナート等の熱交換媒体の通路であり、図示しない基材１２１外周側の入口から冷媒が供給され中心側の出口から冷媒が排出される。冷媒の温度は、試料１１２の制御目標の温度の最低値よりも低い一定値に維持、制御される。

また、Ａｌ_２Ｏ_３等の誘電体による誘電体膜１２３は、たとえば溶射によって形成されている。誘電体膜１２３の内部には、ヒータ電極機能を備えた電極膜（ヒータ層）１２４が配置されており、その上下を誘電体膜１２３の部材が覆っている。

電極膜１２４を形成するため溶射される金属としては、Ｗ、抵抗率を制御したニッケル・クロム合金やニッケルアルミ合金、あるいはＷに適当な添加金属を混ぜ抵抗率を制御したものなど抵抗率が管理された金属が用いられる。また、誘電体膜１２３は、電極膜１２４用の金属膜をはさみこんだたとえばＡｌ_２Ｏ_３やＡｌＮやＹ_２Ｏ_３でできた焼結セラミックスでもよい。

本実施例の電極膜１２４は、試料台１１３（基材１２１＋誘電体膜１２３）の円板状の中央部分、これと同心リング状の外周部分、これらの中間に位置するリング状のミドル部分の３領域に分かれて配置されている。すなわち、電極膜（ヒータ層）１２４は、同心円上に設けられた複数の領域、本実施例では中央部分１２４Ｃ，ミドル部分１２４Ｍ、外周部分１２４Ｅの３領域で構成されており、全体としての領域が、誘電体膜１２３または試料１１２の全面とほぼ対応する領域、もしくは試料１１２の全面を内側に含む領域に設けられている。各３領域に配置されたヒータ層は、ほぼ等面積比で構成されている。この電極膜１２４の設計法については後述する。誘電体膜１２３内には図示しないが、試料１１２を吸着するための金属薄膜層が上記電極膜１２４の上部に埋め込まれて配置されていてもよい。

図２Ｂに示すように、電極膜（ヒータ層）１２４の中央部分１２４Ｃ，ミドル部分１２４Ｍ、外周部分１２４Ｅの３領域は、夫々半径方向の幅ＷC、ＷM、ＷEを有し、互いに、誘電体膜１２３の一部で構成される半径方向の幅Ｇを有する隔壁１２３Ｇ１、１２３Ｇ２で隔てられ分離されて、かつ、絶縁されている。隔壁１２３Ｇ１、１２３Ｇ２の幅Ｇ（均一でなくても良い）は、電極膜の各領域の幅ＷC、ＷM、ＷEよりも、十分に小さい。

また、電極膜１２４の中央部分１２４Ｃとミドル部分１２４Ｍの間の隔壁１２３Ｇ１は、誘電体膜１２３の外周縁までの半径ＲE（または基材１２１もしくは試料台１１３の半径）の、約０．７倍の位置若しくはそれより内側の位置に配置されている。

電極膜（ヒータ層）１２４は、基本的には、試料１１２の半径方向の温度勾配として、中央部分１２４Ｃとミドル部分１２４Ｍの勾配が、ミドル部分１２４Ｍと外周部分１２４Ｅの温度勾配よりも小さくなるように構成されている。

冷媒溝１２２は、複数、本実施例では基材部１２１の中心側の冷媒溝１２２Ｃと外側の冷媒溝１２２Ｅの２つの領域の溝の出構成されており、冷媒溝１２２Ｃ、１２２Ｅにそれぞれ異なる温度の熱交換媒体が循環するように構成されている。すなわち、冷媒は外周側の冷媒溝１２２Ｅで温度が低く、中心側の冷媒溝１２２Ｃで温度が高くなるように、温度調節されている。中心側の冷媒溝１２２Ｃが配置された基材部１２１の中心側部分の上方には、電極膜（ヒータ層）１２４の中央部分１２４Ｃとミドル部分１２４Ｍを分離する隔壁１２３Ｇ１が対応して配置されている。また、本実施例では、外周側の冷媒溝１２２Ｅは、電極膜（ヒータ層）１２４の隔壁１２３Ｇ２の外側に位置している。これにより、外周側の電極膜（ヒータ層）１２４Ｅの下方でこれと重なる位置に外周側の冷媒溝１２２Ｅが配置されている。

試料台１１３には、図２Ｃに示すように、試料台１１３の電極膜（ヒータ層）１２４の下方に、試料台１１３の半径方向における熱伝達を抑制するためのリング状スリット１２９を設けても良い。この場合、スリット１２９位置は、半径方向において、少なくとも隔壁１２３Ｇ１に対応する位置よりも外側である。中央部分１２４Ｃと外周部分１２４Ｅを分離する隔壁１２３Ｇ２の下方に配置されていても良い。

図２Ａに戻って、基材１２１の上面部であって冷媒溝１２２と誘電体膜１２３との間には、試料１１２の温度の調節の速さを向上させるために、温度断熱層１２５が基材１２１の上部の誘電体膜１２３の下面全体にわたり配置されている。なお、この温度断熱層１２５を備えていなくとも、以下に説明する本実施例の温度の調節は可能である。

本実施例では、基材１２１中の温度断熱層１２５より上部の基材１２１部分に、熱電対または白金抵抗体でできた温度センサ１２６が配置されている。この温度センサ１２６は３個（Ｃ，Ｍ，Ｅ）あり、それぞれヒータの中央部分、ミドル部分、外周部分の３領域の各領域の中央部分近傍に各々設置されている。この温度センサ１２６は、冷媒溝１２２内の冷媒、電極膜１２４、上記Ｈｅの圧力等の各温度調節手段の動作指令を適切に調節するために設けられている。温度センサ１２６は、３分割されたヒータ層に対応し、各ヒータ層のほぼ中央部に設置されている。

これら３つの温度センサ１２６（Ｃ，Ｍ，Ｅ）から出力される信号は、試料台１１３外部の温度制御装置１２０内のウェハ温度推定部１２７に送信される。ウェハ温度推定部１２７の動作の詳細は後述する。さらに、温度制御装置１２０は、このウェハ温度推定部１２７と連結された制御演算部１２８を備え、この内部では、上記電極膜１２４の各部（Ｃ，Ｍ，Ｅ）に相当する試料１１２の各部分（Ｃ，Ｍ，Ｅ）の温度を演算して検出し、これらの各部（Ｃ，Ｍ，Ｅ）の温度の目標値とを比較した結果を用いて、試料台１１３の温度制御手段への動作指令を算出する。例えば、ヒータ電源１１８の電力の出力を所定の値にするための指令を出力する。

この制御演算部１２８の演算は、この試料台１１３の温度制御系の時定数が大きく、系が安定なので、試料１１２の推定される温度と温度の目標値との差に関する信号に対応した各温度調節手段のオンオフまたはゲインを大きくとったＰＩＤ制御系等の制御演算で十分な精度の試料台１１３または試料１１２の温度の調節が可能であることが発明者らの検討で判明している。本実施例で調節されるヒータ電源１１８は、上記温度制御装置１２０からの指令に基づき、各電極膜１２４（Ｃ，Ｍ，Ｅ）に電力を供給する。

［温度推定処理］
次に、図３、図４により、ウェハ温度推定部１２７の構成及び動作について説明する。図３は、ウェハ温度推定部１２７による試料１１２の温度推定処理の考え方を示す概念図である。この図においては、試料１１２の下方に配置された各電極膜１２４に対応する試料１１２の各部（中央部、ミドル部、外周部）と、下方の基材１２１の対応する各部（中央部、ミドル部、外周部）との間の熱の伝達についての考えを模式的に示している。

本実施例では、熱の伝達の領域を上下に二つに分けて考える。すなわち、試料１１２自体へのヒートバランスと、基材１１３（基材温度モニタ近辺の基材１１３）に対するヒートバランスとを考える。

まず、試料１１２の領域についてのべる。試料１１２を径方向について等面積に３分割した各領域（中央部、ミドル部、外周部）のそれぞれの熱容量を、Ci(i=C/M/E)とすると、熱容量はCi=cρＶである。ここで、c=Si比熱、ρ=Si密度、Ｖ=（試料１１２の体積）／３である。各３等分した試料１１２の各部（Ｃ，Ｍ，Ｅ）の温度（各分割されたブロック内の平均温度）Te(外周部),Tm(ミドル部),Tc(中央部)は、それらへ出入りする熱のヒートバランスから、式（１）のようになる。

C dTe/dt= -A(Te - Te０) +Qpe -Ame(Te-Tm)
C dTm/dt= -A(Tm - Tm０) +Qpm -Ame(Tm-Te) -Acm(Tm- Tc)
C dTc/dt= -A(Tc - Tc０) +Qpc -Acm(Tm- Tc)
（１）
ここで
Te０, Tm０, Tc０：基材表面（=誘電体溶射膜）の温度
Qpe, Qpm, Qpc ：プラズマからの入熱
A = αS ：α=ウェハ−基材表面（誘電体表面）間のＨｅ熱通過率（Ｈｅ圧の関数）
Sは１/３ウェハの面積
Ame, Acm ：ウェハの水平方向の熱通過率
なお、式（１）において、Acm(Tm- Tc)及びAcm(Tm- Tc)は無視しうる程度に小さい。また、C dTc/dtの右辺のAmeに関する項も無視しうる程度に小さい。

また、本実施例では、プラズマからの入熱は、バイアス電源１１５からの電力Prfと、マイクロ波源１０１からのμ波の強さＰμに対して、特定の線形関数にあると仮定している。

次に、基材表面、溶射膜に対するヒートバランスについて述べる。

基材１１３（基材温度モニタ１２６近辺の基材１１３）に対するヒートバランは、式（２）のようになる。

C0 dTe0/dt= -A(Te - Te０) +Qhe -A0(Te0-Te1)
C0 dTm0/dt= -A(Tm - Tm０) +Qhm -A0(Tm0-Tm1)
C0 dTc0/dt= -A(Tc - Tc０) +Qhc -A0(Tc0- Tc1)
（２）
ここで
熱容量はC0=cρＶ
Te0, Tm0, Tc0 ：基材表面（=誘電体溶射膜）の温度
Te1, Tm1, Tc1 ：基材温度モニタの温度
Qhe, Qhm, Qhc ：ヒータ入熱
A0= α0S ：α0=基材熱通過率
ここで、Ｈｅガスの熱伝達率は金属の熱伝達率に比べてはるかに低いので、ウェハ−基材表面間のＨｅ熱通過率は基材表面（=誘電体溶射膜）の熱通過率に比べて小さい。従って、基材１１３に対するヒートバランスを考慮する場合に、相対的に時定数の大きなウェハ−基材表面間のＨｅ熱通過に関する項は無視しうる程度に小さい。よって、基材１１３の表面と誘電体膜１２３との間のヒートバランスとから、式（３）が成り立つ。

Tc０=Tc１+Qhc/A０
Tm０=Tm１+Qhm/A０
Te０=Te１+Qhｅ/A０（３）
式（３）を用いて式（１）を変形すると次式（４）が得られる。

Te =１/(１+T*s)・[ (A/A*)・(Te１+QＨｅ/A０)+Qpe/A* + (Ame/A*)Tm]
Tm =１/(１+T*s)・[ (A/A*)・(Tm１+Qhm/A０)+Qpm/A* + (Ame/A*)Te]
Tc =１/(１+Ts) ・[ Tc１ + Qhc/A０ + Qpc/A ] （４）
ここで
A*=A+Ame, T* =C/(A+Ame), T=C/(A)
とする。

すなわち、本実施例では、試料１１２の温度は、検出された基材１１３の温度と電極膜１２４への投入電力、およびプラズマから試料への入熱を入力として、一次遅れ演算によって推定される。ここで、プラズマ入熱とマイクロ波パワーおよびバイアスパワーとの関係は、あらかじめ理論計算しておくとか、フィットパラメータとして、実機データを元に決定しておく。

温度推定部における以上の実時間演算の処理機能を、ブロック図として示したものが図４である。図４は、図２Ａに示すウェハ温度推定部１２７の推定の流れを示すブロック図である。この図に示すように、本実施例の温度推定部では、基材１１３の温度を検出する各温度センサ１２６の出力の信号と、プラズマのマイクロ波パワー、バイアス電源１１５からの電力、各ヒータである電極膜１２４へのヒータ１１８電源からの電力の情報とを用いて、乗加算器１２７１（Ｃ，Ｍ，Ｅ）でそれぞれ中央部、ミドル部、外周部の各部の温度の関数を乗算、加算して求めたのち、一次遅れ演算器１２７２（Ｃ，Ｍ，Ｅ）で一次遅れ演算をして推定している。このような演算により、温度の過渡変化に応答性良く追随して、精度の高い温度（Ｔｃ，Ｔｍ，Ｔｅ）の推定が可能となる。
［制御演算部］
図５に、制御演算部１２８の具体的な構成例として、ＰＩＤ制御系の制御演算部を示す。制御演算部１２８では、ウェハ温度推定部１２７により推定された試料の温度（Ｔｃ，Ｔｍ，Ｔｅ）と、試料温度の目標値（Ｔｃ^＊，Ｔｍ^＊，Ｔｅ^＊）との差に関する信号に対応したＰＩＤ制御演算を行い、ヒータ電源１１８（Ｃ，Ｍ，Ｅ）へ出力する。
［温度断熱層］
次に、温度断熱層１２５の構成について述べる。本実施例の基材１１３上部には、Ｔｉ材の基材１１３上面ディンプル状の突起が多数配置され、図２Ａに示したように、基材１１３本体と、ブレージングによって接合され一体となっている。これらのディンプルの高さは、一例として、本実施例では３ｍｍである。

このような構成では、温度断熱層１２５のディンプル総面積の、試料台１１３上面の面積に対する比は約２５％である。このような温度断熱層１２５を挟んだ上下基材１１３間の熱通過率は、断熱層を設けなかった場合に比べて約１／４となることが発明者らの検討から判明している。

温度断熱層１２５の形成は、他の方法、例えば、５〜５００μｍ程度の薄さの真空層を基材１１３上の略全面に設け、そこに１〜１０ｋＰａ程度の圧力のＨｅを導入してもよい。またブレージングのパターンは、ディンプル構造である必要はなく、全面にわたってほぼ均一な限定された熱通過率を形成できる手段であればよい。例えば、熱通過率の小さいジルコニアセラミックスを用いる等の手段であっても良い。なお、この温度断熱層１２５は、前記したとおり、プラズマエッチング装置に要求される制御特性によっては、省略してもよい。
［電極膜］
次に、電極膜１２４の詳細について述べる。ヒータである電極膜１２４（Ｃ，Ｍ，Ｅ）は、幅２．５mm、厚み１５０μｍのＷ（タングステン）で構成されており、４ｍｍピッチで、試料台１１３の試料載置面の全体を覆うように、誘電体膜１２３内に配置されている。ほぼ等面積の中央部、ミドル部、外周部の３つヒータ（Ｃ，Ｍ，Ｅ）には給電端を通じて給電される。

それぞれの電極膜１２４は、試料台１１３上方から見た場合、断面円形の試料台１１３の中心軸を原点とする第１〜第４象限にブロックわけされておりそれらが直列に導通されて繋げられている。これは、Ｗ膜厚さの不均一によっては周方向に加熱される試料１１２の温度むらが発生する虞が有るが、電極膜１２４の製造時に研磨追加工することであらかじめ周方向不均一要因を排除することを目的としている。

各電極膜１２４への給電は、Ｈｅ等の伝熱用ガスの供給穴、プッシャピン穴を避けるように配置されているが、試料台１１３の載置面にわたって、ほぼ均一に、なるべく空白エリアを作らないようにして配置するのが望ましい。本実施例では、各３つの電極膜１２４のその給電端から見た抵抗値は約２０Ωとなる。汎用低コストのヒータ電源１１８を使うことを考えて、最大定格１ｋＷの電源を使うとすると、通電電流は約７Ａとなり、細径の給電ケーブルを使うことができて設計がコンパクトになる。

図２Ａに戻って、冷媒溝１２２の設計は、従来用いられてきた通常の電極と同様の設計である。すなわち、フロン系の冷媒を用いている。本実施例では、電極膜１２４の各部分に瞬間で最大で３ｋＷの熱負荷がかかるものであるので、冷媒溝１２２の基材１２１の温度が過渡的に変動してしまう可能性がある。しかしながら、後述の数値計算で述べるように、３ｋＷの最大負荷は、試料１１２の温度上昇時の有限の時間であり、冷媒１２２が配置された部分の温度がその間多少変動しても、フィードバック制御された電極膜１２４による試料１１２温度の調節により、基材１２１の下方からの試料１１２の温度への影響はブロックされてしまう。さらには、本実施例では冷媒溝１２２が配置された基材１２１下方と基材１２１上部の電極膜１２４を備えた誘電体膜１２３との間には温度断熱層１２５が配置されているので、更に、冷媒溝１２２からの電極膜１２４の温度調節への影響が低減される。このようなことから、冷媒用サーキュレータである温調器１１９は低コストのものを用いることができる。

以下、上記に述べた本実施例の効果について図６乃至８を用いて説明する。本実施例の効果は、以下に述べる数値計算によって確認された。この数値計算は、基材１２１（冷媒溝１２２、温度断熱層１２５を含む）、試料１１２、基材１２１の上部につける誘電体膜１２３、誘電体膜１２３内に埋め込んだ電極膜１２４の各層を、半径方向１５０メッシュ、高さ方向８メッシュに分割し、軸対称２次元の熱伝導方程式について数値計算したものである。なお、この数値解析手法は、別途、実験データとベンチマークされており、計算は一定の信頼度を有することが発明者らの検討により判明している。

また、この数値演算には、上記式(４)および図４で述べた、試料１１２の温度推定およびヒータ電源１１５の制御のアルゴリズムを付加、内蔵しており、本実施例のフィードバック制御による試料１１２の温度の応答を確かめることができる。計算は、エッチングが始まって、プラズマからの入熱が加わって、制御系への入熱外乱が模擬できるようになっている。ここでは断らない限り、典型的な半導体デバイスのゲート用Ｐｏｌｙ−ｓｉエッチングを模擬して、プラズマ着火による加工開始時には、ウェハには１６０Wの均等入熱が入るとして計算した。

また、計算に必要な条件として、試料１１２裏面と試料台１１３上の誘電体膜１２３上面との間に導入されるＨｅの圧力と、Ｈｅが試料１１２裏面に行き渡るように配置された表面の溝のパターンがある。Ｈｅの圧力は断らない限り１．５ｋＰａとした。また、試料１１２を静電吸着して試料台１１３表面に押し付ける力は、約１０ｋＰａとした。また試料１１２の初期の温度は室温（２５℃）とした。

図６に、結果の第１の例を示す。図６は、次のような条件で制御したときの、各部の温度の時間変化に対する変化を表すグラフである。

（１）時刻ゼロで、プラズマによる加工が始まったとし、
最初のｔ１秒までは、ウェハ温度目標値がＣ（中央部）／Ｍ（ミドル部）／Ｅ（外周部）＝Ｔ１／Ｔ１／Ｔ１℃とする。

（２）次のｔ２秒までは、Ｃ／Ｍ／Ｅ＝Ｔ３／Ｔ２／Ｔ１℃とする。

（３）次のｔ３秒まではＣ／Ｍ／Ｅ＝Ｔ４／Ｔ３／Ｔ２℃とする。

（４）次のｔ４秒まではＣ／Ｍ／Ｅ＝Ｔ１／Ｔ１／Ｔ１℃とする。

図６（ａ）は、式（４）を用いて推定させた試料１１２の温度（破線）と、実際の温度（実線）とを重ねて示している。なお、冷媒の温度は、試料１１２の制御目標の温度の最低値よりも低い一定値、例えば５℃に保持されている（以下の例も同じ）。各領域共、推定温度Ｔ（ｃ，ｍ，ｅ）と実際の温度ＴA（ｃ，ｍ，ｅ）は１℃以内で一致している。本実施例では、試料１１２の温度は目標値が変わったとき、中央部、ミドル部、外周部とも、それぞれ温度変化速度１℃/秒以上の速度で、新しい目標値に向かって変化する。

図６（ｂ）はこの際の、基材１２１の温度センサ１２４からの出力から検出された温度Ｔ1（ｃ，ｍ，ｅ）が時間の経過に対して示す変化を示すグラフである。プラズマからの入熱があるとき、試料１１２と試料台１１３表面との間の熱伝達用ガスであるＨｅの熱通過率が有限であるため、試料１１２の温度と基材１２１の温度との間には、本実施例では、１０〜３０℃程度の温度差が生じている。

図６（ａ）の試料１１２の温度を目標値に一致させるように、温度センサ１２６からの出力から検出された試料１１２または試料台１１３の温度に関する信号をフィードバックして電極膜１２４等温度調節手段の動作の調節が働く結果、基材１２１上部の温度モニタ１２６の信号は図６（ｂ）に示したような波形となる。図６（ｃ）は、この際のヒータ電源からの電力Ｑｈ（ｃ，ｍ，ｅ）の、出力の時間変化の対する変化である。試料１１２温度を目標にあわせるよう温度センサ１２６からの出力に基づく信号をフィードバックした調節が働く結果、ヒータである電極膜１２４は、最初（＝ｔ0）及び目標温度の増大時（例えばｔ3）、最大の発熱量となるように電力が供給されて動作され、その後、試料１１２の温度を目標値に一致させるべく急激に出力が減少し加熱量が低下して、適当な水準に落ち着くような動きをとる。

図７に、本実施例の試料１１２の温度推定部１２８がない場合のプラズマエッチング装置１００における、試料１１２の温度ＴA（ｃ，ｍ，ｅ）の変化の経過を、比較例として示す。本例では、図４において温度センサ１２６が出力した信号を、温度推定部１２８に送信せず、バイパスして、ウェハ制御演算部１２７に送信したことに相当し、従来の技術に相当する。

図７（ａ）から、試料１１２の温度ＴA（ｃ，ｍ，ｅ）は目標値から表示された時間の全体にわたり５〜８℃ずれており、また、その温度の目標値への収束も悪く安定していないことがわかる。図７（ｂ）は、基材１１２の温度センサ１２６からの出力の信号から検出された試料１１２または試料台１１３の温度の時間変化に対する値の変化を示すグラフである。本例においても、基材１２１の温度が目標値に一致するように調節されており、基材１２１の温度Ｔ1（ｃ，ｍ，ｅ）はシャープな変化を示すグラフの形状となっている。図７（ｃ）はこのときのヒータ電源１１５からの電力Ｑｈ（ｃ，ｍ，ｅ）の大きさの時間に対する変化を示すグラフである。この図からも、図６に示す本実施例の温度調節による変化よりも、電力の大きさの変化が緩やかで収束性が損なわれ、出力も安定していないことが判る。

図８は、本実施例における、試料１１２のミドル部分の温度の調節とその効果を示すグラフである。一般に、Ｐｏｌｙ−ｓｉのエッチングやＳｉＯ_２のエッチングでは、試料１１２または試料台１１３の表面の温度は、中央部が温度が高く、外周部が低い目のいわゆる凸分布を取るときに、良好なエッチング結果が得られることが多い。しかし、同じ凸分布と言っても、膜種ごとに、あるいは処理の条件に応じて、求められる結果を実現できる最適な凸形状は異なっている。従来の技術では、中央部と外周部の温度差の値は変更できるが、温度の分布のプロファイル（温度変化グラフの形状）は変更できないために、試料１１２表面のエッチング形状の均一性が十分でないという問題が有った。本実施例では、中央部、ミドル部、外周部と３つの隣り合う領域にヒータである電極膜１２４が配置され、それぞれに独立してその動作（加熱、出力）の調節を持たせたため、上記温度プロファイルの微調整できる。

図８において、温度条件や時間の条件は図６と同様である。図８（ａ）は、式（４）を用いて推定させた試料１１２の温度Ｔ（ｃ，ｍ，ｅA）と、実際の温度ＴA（ｃ，ｍ，ｅ）とを重ねて示している。図８（ｂ）はこの際の、基材１２１の温度センサ１２４からの出力から検出された温度Ｔ1（ｃ，ｍ，ｅ）が時間の経過に対して示す変化を示すグラフである。図８（ｃ）は、この際のヒータ電源からの電力の出力Ｑｈ（ｃ，ｍ，ｅ）の時間変化の対する変化である。図８（ｄ）に示すように、ミドル部の目標値設定を変えることで、ミドル部の温度を変えることができ、プロファイルの微調整が可能なことがわかる。

図９（図９Ａ、図９Ｂ）は、プラズマ着火後の温度変動抑制の様子を、本実施例の場合と、従来技術の場合とで比較したグラフである。温度条件、時間の条件は図６と同様である。図９Ａは本実施例による試料１１２の温度を示すグラフ、図９Ｂは従来技術による温度を示すグラフである。

従来技術では、試料１１２が試料台１１３上に搬送されてきて、プラズマが点火され、エッチングが始まると、プラズマからの入熱による外乱が入るので、図９Ｂの（ａ），（ｂ）に示すような特性となり、試料１１２の温度が上昇する。条件によっては、エッチングの初期に試料１１２の温度が一定しないことによるエッチング性能の低下が問題になる虞がある。従来技術では、例えば、プラズマ着火後約ｔ１秒かかって約１０℃温度が上昇し、安定しないことがわかる。

本発明によれば、図９Ａの（ａ），（ｂ）に示すように、初期の温度変動は小さく、例えば約１．５℃程度以内に、抑制することができ、安定した高性能エッチングが可能となる。

試料１１２の温度の不安定化をもたらす要因としては、冷媒の温度の経時変化、エッチング処理室１０７内の各部部材の温度上昇による輻射熱による温度上昇など種々の要因がある。上記実施例によれば、試料１１２または試料台１１３の温度の検出結果がフィードバックされて試料１１２の温度が調節されるので、これらの外乱が入っても試料１１２の温度は安定に維持することができる。

図１０は、上記外乱としてプラズマからの入熱の増大した場合及び冷媒温度が変化した場合における、本実施例による試料１１２の温度の変化の例を示すグラフである。すなわち、図１０は、プラズマ点火後、冷媒の温度がステップ的に５℃、１０℃と上昇し、同時に、プラズマ入熱もステップ的に増大した場合の時間変化に対する試料１１２の温度の変化を示したものである。

図１０（ｄ）は、時間変化に対する冷媒温度またはプラズマからの入熱の大きさの変化を示すグラフである。図１０（ａ）は、この外乱が入った場合の試料の中央、ミドル、外周の各部の温度ＴA（ｃ，ｍ，ｅ）を示すグラフ、図１０（ｂ）は、基材１２１の温度センサ１２４からの出力から検出された温度Ｔ1（ｃ，ｍ，ｅ）を示すグラフ、図１０（ｃ）は、時間変化に対するヒータ電源の出力の変化を示すグラフである。この図に示すように、プラズマからの入熱の増大に伴い冷媒温度が上昇しても、従来技術と比べ、試料１１２の各部の温度は変化が押えられ安定した温度に調節されていることがわかる。

本発明は、以上述べたプラズマエッチング処理装置にかぎらず、イオン打ち込みあるいはスパッタ処理を行うのに適したプラズマＣＶＤ装置も含めた、プラズマ処理装置全般に適用できる。

本発明を用いた試料載置電極の第１の実施例を示す断面図である。本発明の第１の実施例における電極の制御システム構成を示す図である。第１の実施例における試料台の構成の概略を模式的に示す縦断面図である。第１の実施例における試料台の構成の変形例の概略を模式的に示す縦断面図である。本発明の第１の実施例における電極のウェハ温度推定部のアルゴリズムを説明するための図である。本発明の第１の実施例における電極のウェハ温度推定部の実時間演算のブロック図である。本発明の第１の実施例におけるＰＩＤ制御系の制御演算部を示すブロック図である。本発明の第１の実施例の、電極のウェハ温度制御の効果を示す図である。従来技術の電極での、ウェハ温度挙動を示す解析例(１)を示す図である。本発明の第１の実施例の電極の、ウェハ温度プロファイルの微調整の例を示す図である。本発明の第１の実施例の電極の、プラズマ着火時のウェハ温度過渡変化の抑制例を示す図である。比較例としての、従来技術による温度を示すグラフである。本発明の第１の実施例の電極の、冷媒温度変化時のウェハ温度経時変化の抑制例を示す図である。

符号の説明

０１０１・・・・・・マイクロ波源
０１１１・・・・・・処理室
０１１２・・・・・・被処理基板(ウェハ)
０１１３・・・・・・試料載置電極
０１１４・・・・・・自動整合器
０１１５・・・・・・バイアス電源
０１１６・・・・・・Ｈｅ供給系
０１１７・・・・・・静電吸着電源
０１１８・・・・・・ヒータ電源
０１１９・・・・・・温調器
０１２０・・・・・・ウェハ温度制御系
０１２１・・・・・・基材部
０１２２・・・・・・冷媒溝
０１２３・・・・・・誘電体薄膜
０１２４・・・・・・ヒータ層
０１２５・・・・・・温度断熱層
０１２６・・・・・・基材温度モニタ
０１２７・・・・・・ウェハ温度推定部
０１２８・・・・・・制御演算部。

Claims

内部が減圧排気される処理室と、
前記処理室内に設けられ被処理基板が配置される試料載置面を有する試料台であって、円柱形を有し前記被処理基板を冷却するための金属製の基材部とこの基材部の上面を覆って溶射により形成され前記試料載置面を構成する誘電体膜とを備えた試料台と、
前記処理室内にプラズマを発生させるためのプラズマ発生装置と、
前記試料載置面上に被処理基板が載せられた状態で当該被処理基板と前記試料載置面との間に熱伝達用のガスを供給する伝熱ガス供給系と、
前記誘電体膜内部であって前記試料載置面の半径方向について分けられた複数の領域に配置された複数の膜状のヒータと、
前記基材部内に設けられ内部を冷媒が循環する冷媒通路とを備え、前記ヒータによる加熱と前記冷媒が通流する前記基材部による冷却とを行いつつ前記被処理基板を前記プラズマを用いて処理するプラズマ処理装置において、
前記基材部内の前記冷媒通路と当該基材部の上面との間で前記ヒータの前記複数の領域の各々に対応する位置に設けられた温度センサと、
前記各温度センサからの出力に基づき前記試料載置面に載置された前記被処理基板の前記複数の領域の各々に対応する位置の温度を推定し、該温度の推定値に応じて前記領域各々に対応するヒータによる加熱を調節する温度制御装置とを有する、ことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１において、
前記ヒータが配置された前記複数の領域は、前記試料載置面に載置された状態で前記被処理基板を各々等面積に当該被処理基板の径方向について分割するように配置されたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１または２において、
前記温度制御装置は、前記温度センサからの出力を用いて検出された当該温度センサが配置された前記基材部内の位置の温度と、前記複数のヒータへ供給される電力とを用いて一次遅れ演算によって前記被処理基板の前記複数の領域に対応する位置の温度を各々推定する温度推定部を有し、この温度推定部が推定した結果と予め設定された前記被処理基板の温度の目標値との差に応じて前記ヒータの加熱を調節するフィードバック制御を行うことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項３において、
前記温度制御装置の前記フィードバック制御は前記被処理基板温度の目標値と前記推定された値との差に対してオンオフ制御演算もしくは比例積分制御演算を実施することを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項４において、
前記温度推定部は、前記ヒータへ供給される電力、前記プラズマへの電磁波投入パワー、前記バイアス高周波パワーおよび前記温度センサからの出力を入力とし、これら信号の線形結合信号を一次遅れ演算を施すことで、前記被処理基板温度の推定値を出力することを特徴とするプラズマ処理装置。