JP5236591B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

Description

本発明は、プラズマ処理装置に関する。

近年、半導体集積回路装置においては、ますますの高集積化が望まれており、その要求に応えるべく、半導体チップの裏面にも集積回路を形成する技術が提案されている。そして、半導体チップの表裏両面に集積回路を形成する際、プラズマ処理装置にて、マイクロ波にて生成したプラズマを半導体基板に曝し、半導体基板に対してアッシング、ドライエッチング、表面改質等が行われることになる（例えば、特許文献１）。

特開２００５−１２２９３９号公報

このようなプラズマ処理装置においては、ステージに載置された半導体基板（ウェハー）の表裏両面に対して、同時にアッシング、ドライエッチング等の表面加工を行うことができなかった。従って、半導体基板（ウェハー）の各面毎に表面加工しなければならず、生産効率が非常に悪かった。

本発明は、上記課題を解決するためになされたものであって、その目的は、加工用基板の表裏両面を同時に表面加工できようにし、生産効率の向上を図ることのできるプラズマ処理装置を提供するにある。

請求項１に記載の発明は、チャンバ内に形成したプラズマ生成室で生成したプラズマを、前記チャンバ内に設けたステージに載置された加工用基板に対して上方から曝して、前記加工用基板の表面をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、前記ステージを加熱し、前記ステージを介して前記加工用基板を加熱する加熱手段と、貫通穴を有し、その貫通穴を閉塞するように前記加工基板を配置して、前記加工用基板とともに前記ステージに配置されるサセプタと、前記サセプタを上下動させ、前記加工用基板を前記ステージに対して上下動させる移動手段とを備え、前記移動手段が前記加工用基板を前記ステージに対して上方に離間させた状態にして、前記加工用基板の表面を曝す前記プラズマの一部を前記加工用基板の裏面に回り込ませて、前記加工用基板の表面及び裏面を同時にプラズマ処理する。

請求項１に記載の発明によれば、加工用基板を、ステージの上面から離間させることができることから、プラズマの一部を加工用基板の裏面に回り込ませることができ、加工用基板の裏面にプラズマを曝すことができる。従って、加工用基板の表面及び裏面を同時にプラズマ処理することができ、生産効率の向上を図ることができる。

請求項２に記載の発明は、請求項１に記載のプラズマ処理装置において、前記ステージの上面に吸引口を形成し、その吸引口を真空ポンプと接続して、前記ステージと前記ステージから上動させて離間させた加工用基板との間を負圧状態にする。

請求項２に記載の発明によれば、加工用基板の裏面にプラズマの一部を効率よく回り込ませることができ、ウェーハの裏面にプラズマを曝すことができる。
請求項３に記載の発明は、請求項２に記載のプラズマ処理装置において、前記吸引口と前記真空ポンプの間に、前記吸引口に吸引されるプラズマの量を変化させる制御弁を設けた。

請求項３に記載の発明によれば、吸引口に吸引されるプラズマの量を変化させることによって、加工用基板とステージとの間に回り込んだプラズマを、その間で乱流させ滞留させることができ、加工用基板の裏面に対してプラズマをより効率よく曝すことができる。

請求項４に記載の発明は、請求項１〜３のいずれか１に記載のプラズマ処理装置において、前記ステージは、その上面の外周部に、環状の段差面を形成して、その環状の段差面の内側に前記サセプタの貫通穴の内径より小さい内径を有する円柱上の突出部を突出形成し、前記サセプタの貫通穴を前記突出部に貫挿させて、前記サセプタを前記段差面に当接した状態で、前記加工用基板を前記突出部に載置する。

請求項４に記載の発明によれば、加工用基板が突出部に載置された状態で、突出部に貫挿され段差面に当接したサセプタを上動させれば、突出部に載置された加工用基板の外周部が、上動途中でサセプタと係合する。そして、加工用基板は、サセプタとともに上動する。

請求項５に記載の発明は、請求項１〜４のいずれか１に記載のプラズマ処理装置において、前記貫通穴を有したサセプタは、円環状板体であって、前記貫通穴の内周面が表面側から裏面側に向かうほどその内径が縮径する傾斜面を有し、円板状の前記加工用基板の外周縁が前記傾斜面と係合する。

請求項５に記載の発明によれば、加工用基板の外周縁が傾斜面と係合することで、サセプタが移動手段にて、ステージから上動すると、円板状の加工用基板も上動して加工用基板は、ステージから離間する。

本発明によれば、加工用基板の表裏両面を同時に表面加工できるようにし、生産効率の向上を図ることができる。

プラズマアッシング装置の概略断面図。 ステージとサセプタを説明するための斜視図。 サセプタと半導体基板がステージから離間された状態を説明するための要部断面図。 サセプタに半導体基板が支持された状態を説明するための説明図。 半導体基板がステージに載置された状態を示す説明図。

以下、本発明のプラズマ処理装置の１つであるプラズマアッシング装置に具体化した一実施形態を図面に従って説明する。
図１は、プラズマ処理装置としてのプラズマアッシング装置１の概略断面図を示す。プラズマアッシング装置１のチャンバ２は、全体形状が直方体をなし、アルミニウム（Ａｌ）製で形成されている。チャンバ２の底板３の内底面には、脚部４を介してステージ５が配置固定されている。

ステージ５は、円柱形状をなし、下面に加熱手段としてのヒータＨを有し、同ヒータＨにて加熱され、加熱された熱にて、ステージ５に載置されたプラズマ処理（アッシング）する加工用基板としての半導体基板Ｗを加熱するようになっている。ステージ５は、その上面外周縁を切り欠いて円環状の段差面５ａを形成している。そして、ステージ５は、円環状の段差面５ａの内側の小径の円柱状の突出部５ｂの上面を載置面５ｃとしている。

ステージ５の段差面５ａには、複数の貫通穴６が形成されている。その各貫通穴６には、環状のサセプタ７を支承する移動手段を構成する昇降ロッドＲ１が貫挿され、各昇降ロッドＲ１はそれぞれの移動手段を構成する昇降モータＭ１にて、段差面５ａから出没し、環状のサセプタ７を上下動させるようになっている。そして、各昇降ロッドＲ１が各貫通穴６に没入した時、サセプタ７は、ステージ５の突出部５ｂに後記する基板保持穴９を貫挿した状態でステージ５の段差面５ａに載置される。

サセプタ７は、図２に示すように円環状板体であって、その内周面８が表面側から裏面側に向かうほどその内径が縮径する傾斜面であって、この傾斜した内周面８を有した貫通穴を基板保持穴９としている。サセプタ７の基板保持穴９の裏面側の開口部の内径は、ステージ５の突出部５ｂの直径より大きくなるように形成されている。

サセプタ７は、この傾斜した内周面８で円板状の半導体基板Ｗの裏面Ｗａ外周縁を支持して、半導体基板Ｗを基板保持穴９内に収容するようになっている。つまり、基板保持穴９内に収容される半導体基板Ｗは、その直径が縮径した基板保持穴９の裏面側の開口部の内径より大きい半導体基板である。

また、サセプタ７の板厚は、ステージ５の突出部５ｂの高さと半導体基板Ｗの厚さを加えた値より、大きな値に設定されている。しかも、本実施形態では、基板保持穴９内に半導体基板Ｗが収容されているとき、半導体基板Ｗの裏面Ｗａからサセプタ７の下面までの距離が、ステージ５の突出部５ｂの高さより短くなるようになっている。

従って、各昇降ロッドＲ１を各貫通穴６に没入させて、サセプタ７を突出部５ｂにその基板保持穴９を貫挿させて段差面５ａに載置させたとき、ステージ５の突出部５ｂは、サセプタ７から突出することなく内包されるとともに、突出部５ｂの上面（載置面５ｃ）は、基板保持穴９の内周面８に当接している半導体基板Ｗを持ち上げてサセプタ７（基板保持穴９）から離間させる。その結果、図５に示すように、半導体基板Ｗは、ステージ５の載置面５ｃに載置される。そして、ステージ５の載置面５ｃに載置された半導体基板Ｗは、ステージ５を介してヒータＨにて加熱される。

反対に、各昇降ロッドＲ１を各貫通穴６から突出させて、サセプタ７を段差面５ａから上動させたとき、突出部５ｂの載置面５ｃに載置されていた半導体基板Ｗは、図１、図３及び図４に示すように、その裏面Ｗａ外周縁が基板保持穴９の内周面８と係合してサセプタ７とともに上動し載置面５ｃから離間する。そして、サセプタ７に支持され載置面５ｃから離間した半導体基板Ｗは、上方からのプラズマに曝されてプラズマ処理がなされる。

ステージ５の載置面５ｃには、複数の吸引口１１が形成され、各吸引口１１は、ステージ５本体に形成された導出通路１２（図３参照）を介してステージ５の下面に取着した電磁バルブＢ１に繋がっている。その電磁バルブＢ１は、チャンバ２の底板３に形成した排気穴３ａを介して真空ポンプＰ１に繋がっている。

そして、半導体基板Ｗが載置面５ｃから離間した状態において、真空ポンプＰ１を駆動し電磁バルブＢ１を開くことによって、半導体基板Ｗと載置面５ｃとの間の空間を、負圧状態にするようになっている。従って、半導体基板Ｗの上方から導かれるプラズマは、その一部が半導体基板Ｗと載置面５ｃとの間の空間に回り込むようになっている。このとき、電磁バルブＢ１の開閉を間欠的に繰り返すことによって、半導体基板Ｗと載置面５ｃとの間の空間に回り込んだプラズマは、同空間で滞留するようになる。

チャンバ２を形成するトッププレート１４は、その外側上方に突出した円柱体１５が延出形成され、その円柱体１５の中央位置にチャンバ２の外側と内側を貫通する貫通穴１８が形成されている。

円柱体１５の上面１５ａには、導波管１９が連結固定されている。導波管１９は、前記貫通穴１８に対応する位置に連結穴１９ａが形成され、その連結穴１９ａには円板状のマイクロ波透過窓２０が、同貫通穴１８の上側開口部を閉塞するように配設されている。マイクロ波透過窓２０は、セラミックスや石英製などの誘電体透過窓であって、円柱体１５の上面１５ａに対して密着固定されている。そして、導波管１９の上流に設けた図示しないマイクロ波発振器からのマイクロ波が導波管１９を伝搬しマイクロ波透過窓２０を介して前記貫通穴１８に導入されるようになっている。

貫通穴１８の下側開口部は、貫通穴１８の内径より大きな内径に拡開形成された嵌合凹部３０が形成されている。
嵌合凹部３０が形成された貫通穴１８の下側開口部は、円板状の下蓋３３にて閉塞されている。下蓋３３は、中央に導出穴３３ａを貫通形成した円板状の下蓋本体３４と、その下蓋本体３４の下側外周面に延出形成したフランジ部３５を有している。下蓋３３は、下蓋本体３４が貫通穴１８に貫挿され、フランジ部３５が嵌合凹部３０に嵌合するようになっている。

そして、フランジ部３５を前記嵌合凹部３０の奥面３０ａにネジ着させることによって、下蓋３３（フランジ部３５の上面）は、トッププレート１４（嵌合凹部３０の奥面３０ａ）に対して締結固定される。

これにより、円柱体１５に形成した貫通穴１８の上下両開口部がマイクロ波透過窓２０と下蓋３３にて閉塞されて形成された空間に、プラズマ生成室Ｓが区画形成される。
下蓋本体３４の外周面には、環状の環状溝４１が形成され、同環状溝４１とその環状溝４１を塞ぐ貫通穴１８の内周面１８ａとで環状通路を形成している。環状溝４１は、前記貫通穴１８の内周面１８ａに形成したガス導入路３２の開口部と対向する位置に形成され、ガス導入路３２から導入されてくるプラズマ形成用ガス（酸素）が環状通路（環状溝４１）に導入されるようになっている。

下蓋本体３４の上面外周縁には、プラズマ生成室Ｓと環状溝４１（環状通路）を連通する切り溝４２が、切り欠き形成されている。そして、環状溝４１に導入されたプラズマ形成用ガス（酸素）は、該切り溝４２を介してプラズマ生成室Ｓに導入される。

プラズマ生成室Ｓに導入されたプラズマ形成用ガス（酸素）は、同じくマイクロ波透過窓２０を介して投入されたマイクロ波によって励起され酸素プラズマとなる。そして、プラズマ生成室Ｓで生成された酸素プラズマは、下蓋３３に形成された導出穴３３ａを介して下方のステージ５に載置された半導体基板Ｗに向かって導出される。

下蓋本体３４の下側であって前記導出穴３３ａの開口部と対向する位置に拡散板４３が配置されている。拡散板４３は、アルミニウム（Ａｌ）製よりなり、同じくアルミニウム（Ａｌ）製の間隔保持部材４４を介してボルト４５にて下蓋本体３４に対して連結固定されている。拡散板４３は、下蓋本体３４の導出穴３３ａから導出された酸素プラズマを分散させて、同酸素プラズマが前記サセプタ７に支持された半導体基板Ｗに均一に曝されるようにしている。そして、サセプタ７に支持された半導体基板Ｗは、その半導体基板Ｗの表面Ｗｂ及び裏面Ｗａに形成したレジスト膜が酸素プラズマにてアッシングされるようになっている。

また、トッププレート１４の内底面には、拡散板４３を囲むように円筒形状のスカート４６が取着されている。スカート４６はアルミニウム（Ａｌ）製であって、拡散板４３から導出された酸素プラズマが拡散しないように下方に配置された半導体基板Ｗに導くようにしている。

次に、上記のように構成したプラズマアッシング装置１の作用について説明する。
いま、サセプタ７を昇降ロッドＲ１にて上方位置に配置した状態において、図示しない基板受け渡し装置によって、サセプタ７の基板保持穴９に半導体基板Ｗが裏面Ｗａを下方にして配置される。これによって、半導体基板Ｗの裏面Ｗａ外周縁が基板保持穴９の内周面８と当接し、基板保持穴９に収容される。

半導体基板Ｗが基板保持穴９に収容されると、昇降ロッドＲ１をステージ５の段差面５ａの貫通穴６に没入するまで下動させてサセプタ７を下降させる。
これによって、サセプタ７は、その基板保持穴９にステージ５の突出部５ｂを貫挿させながら下降し、サセプタ７の下面は、ステージ５の段差面５ａに当接する。このとき、ステージ５の突出部５ｂに貫挿されて行く過程において、突出部５ｂの載置面５ｃが、基板保持穴９の内周面８に当接している半導体基板Ｗを持ち上げて基板保持穴９から離間させる。そして、図５に示すように、半導体基板Ｗを、ステージ５の載置面５ｃに載置させる。

半導体基板Ｗがステージ５の載置面５ｃに載置させると、ステージ５に設けたヒータＨを駆動して、ステージ５を介して載置面５ｃに載置した半導体基板Ｗを加熱する。そして、所定の温度まで半導体基板Ｗが加熱されると、昇降ロッドＲ１を図３に示す位置まで上動させてサセプタ７をステージ５の段差面５ａから離間させる。

このとき、サセプタ７を上動させていく過程において、突出部５ｂの載置面５ｃに載置されていた半導体基板Ｗは、その裏面Ｗａ外周縁が基板保持穴９の内周面８と係合してサセプタ７とともに上動し載置面５ｃから離間する。その結果、サセプタ７の下面（半導体基板Ｗの裏面Ｗａ）とステージ５の段差面５ａ（載置面５ｃ）との間に、空間が形成される。

サセプタ７（半導体基板Ｗ）を図３に示す位置に配置すると、プラズマ生成室Ｓにて生成された酸素プラズマが拡散板４３を介して上方から供給される。このとき、真空ポンプＰ１を駆動し電磁バルブＢ１を開き、半導体基板Ｗの裏面Ｗａと載置面５ｃとの間の空間を、負圧状態にする。

これによって、半導体基板Ｗの上方から導かれるプラズマは、その一部が半導体基板Ｗと載置面５ｃとの間の空間に回り込む。そして、電磁バルブＢ１の開閉を間欠的に繰り返すことによって、半導体基板Ｗの裏面Ｗａと載置面５ｃとの間の空間に回り込んだプラズマは、同空間で滞留する。

その結果、半導体基板Ｗの裏面Ｗａと載置面５ｃとの間の空間に回り込んだプラズマによって、半導体基板Ｗの裏面Ｗａのレジスト膜は、プラズマに曝されてプラズマ処理（アッシング）がなされる。

つまり、半導体基板Ｗの表面Ｗｂのレジスト膜が上方から導かれるプラズマによってプラズマ処理（アッシング）されている時に、あわせて裏面Ｗａのレジスト膜もプラズマ処理（アッシング）がなされる。

以上記述したように、本実施形態によれば、以下の効果を奏する。
（１）本実施形態によれば、半導体基板Ｗをステージ５から離間させることによって、半導体基板Ｗの表面Ｗｂに曝す酸素プラズマの一部を、同半導体基板Ｗの裏面Ｗａに回り込ませようにして、半導体基板Ｗの裏面Ｗａにその回り込んだプラズマを曝すようにした。従って、半導体基板Ｗの表面Ｗｂ及び裏面Ｗａのレジスト膜を同時に、プラズマにてアッシング処理することができる。その結果、半導体チップの高集積化を図るために、半導体基板Ｗの表面Ｗｂ及び裏面Ｗａに集積回路を形成する製造プロセスが短縮でき生産効率の向上を図ることができる。

（２）本実施形態によれば、ステージ５の載置面５ｃに吸引口１１を形成し、その吸引口１１を真空ポンプＰ１と接続し同真空ポンプＰ１にて吸引して、ステージ５とステージ５から離間させた半導体基板Ｗとの間の空間を、負圧状態にした。従って、酸素プラズマの一部を効率よく半導体基板Ｗの裏面Ｗａに回り込ませることができ、半導体基板Ｗの裏面Ｗａのレジスト膜に酸素プラズマを曝すことができる。

（３）本実施形態によれば、吸引口１１と真空ポンプＰ１の間に設けた電磁バルブＢ１を間欠的に開閉し、吸引口１１に吸引されるプラズマの量を変化させようにした。従って、半導体基板Ｗとステージ５との間に回り込んだ酸素プラズマを、その間で乱流させ滞留させることができため、半導体基板Ｗの裏面Ｗａのレジスト膜に対して酸素プラズマをより効率よく曝すことができる。

（４）本実施形態によれば、サセプタ７の傾斜面を有した内周面の基板保持穴９内に半導体基板Ｗを収容保持するサセプタ７を設けた。また、ステージ５を、その上面に外周部に、環状の段差面５ａを形成して、その環状の段差面５ａの内側にサセプタ７の基板保持穴９を貫挿する突出部５ｂを形成した。

そして、基板保持穴９内に半導体基板Ｗを収容保持した状態でサセプタ７を、段差面５ａに当接すように下動させると、基板保持穴９内に収容保持された半導体基板Ｗは、サセプタ７から離間しステージ５（突出部５ｂ）の載置面５ｃに載置させることができるようにした。従って、半導体基板ＷをヒータＨにて加熱されたステージ５にて所定の温度まで加熱させることができる。

また、サセプタ７を上動させてステージ５の段差面５ａから離間させると、突出部５ｂの載置面５ｃに載置されていた半導体基板Ｗは、その裏面Ｗａ外周縁が基板保持穴９の内周面８と係合してサセプタ７とともに上動し載置面５ｃから離間する。その結果、半導体基板Ｗの裏面Ｗａと載置面５ｃとの間に、空間を形成させることができる。

尚、上記実施形態は以下のように変更してもよい。
・上記実施形態では、サセプタ７に形成した基板保持穴９の内周面８は、表面側から裏面側に向かうほどその内径が縮径する傾斜面であったが傾斜面でなくてもよい。つまり、内径が一定の基板保持穴９であってもよい。この場合、半導体基板Ｗは、その基板保持穴９を閉塞するようにサセプタ７の上面に載置される。

・上記実施形態では、ステージ５に吸引口１１を設け、真空ポンプＰ１にてステージ５とステージ５から離間させた半導体基板Ｗとの間の空間を負圧状態にしたが、ステージ５、真空ポンプＰ１等を省略して負圧状態にしなくてもよい。

・上記実施形態では、ヒータＨを使ってステージ５を加熱し、その加熱されたステージ５にて半導体基板Ｗを加熱するようにしたが、ヒータＨによる加熱以外に、例えば、誘導加熱を使った加熱でもよい。

・上記実施形態では、サセプタ７は、基板保持穴９は円形状であったが、これに限定されず、半導体基板Ｗの裏面Ｗａが開放される形状であればどんな形状の穴であってもよい。

・上記実施形態では、プラズマ処理装置をプラズマアッシング装置１に具体化したが、プラズマを利用して半導体基板Ｗに対してドライエッチングを行うプラズマ処理装置に応用したり、表面改質を行うプラズマ処理装置に応用してもよい。

１…プラズマアッシング装置、２…チャンバ、５…ステージ、５ａ…段差面、５ｂ…突出部、５ｃ…載置面、６…貫通穴、７…サセプタ、８…内周面、９…基板保持穴、１１…吸引口、１２…導出通路、１４…トッププレート、１５…円柱体、１８…貫通穴、１８ａ…内周面、１９…導波管、１９ａ…開口部、２０…マイクロ波透過窓、３０…嵌合凹部、３２…ガス導入路、３３…下蓋、３３ａ…導出穴、３４…下蓋本体、３５…フランジ部、４１…環状溝、４２…切り溝、Ｂ１…電磁バルブ、Ｈ…ヒータ、Ｍ１…昇降モータ、Ｐ１…真空ポンプ、Ｒ１…昇降ロッド、Ｓ…プラズマ生成室、Ｗ…半導体基板、Ｗａ…裏面、Ｗｂ…表面。

Claims (5)

1. チャンバ内に形成したプラズマ生成室で生成したプラズマを、前記チャンバ内に設けたステージに載置された加工用基板に対して上方から曝して、前記加工用基板の表面をプラズマ処理するプラズマ処理装置であって、
   前記ステージを加熱し、前記ステージを介して前記加工用基板を加熱する加熱手段と、
   貫通穴を有し、その貫通穴を閉塞するように前記加工用基板を配置して、前記加工用基板とともに前記ステージに配置されるサセプタと、
   前記サセプタを上下動させ、前記加工用基板を前記ステージに対して上下動させる移動手段と、を備え、
   前記移動手段が前記加工用基板を前記ステージに対して上方に離間させた状態にして、前記加工用基板の表面を曝す前記プラズマの一部を前記加工用基板の裏面に回り込ませて、前記加工用基板の表面及び裏面を同時にプラズマ処理することを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記ステージの上面に吸引口を形成し、その吸引口を真空ポンプと接続して、前記ステージと前記ステージから上動させて離間させた加工用基板との間を負圧状態にすることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 請求項２に記載のプラズマ処理装置において、
   前記吸引口と前記真空ポンプの間に、前記吸引口に吸引されるプラズマの量を変化させる制御弁を設けたことを特徴とするプラズマ処理装置。
4. 請求項１〜３のいずれか１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記ステージは、その上面の外周部に、環状の段差面を形成して、その環状の段差面の内側に前記サセプタの貫通穴の内径より小さい内径を有する円柱上の突出部を突出形成し、前記サセプタの貫通穴を前記突出部に貫挿させて、前記サセプタを前記段差面に当接した状態で、前記加工用基板を前記突出部に載置することを特徴とするプラズマ処理装置。
5. 請求項１〜４のいずれか１に記載のプラズマ処理装置において、
   前記貫通穴を有したサセプタは、円環状板体であって、前記貫通穴の内周面が表面側から裏面側に向かうほどその内径が縮径する傾斜面を有し、円板状の前記加工用基板の外周縁が前記傾斜面と係合することを特徴とするプラズマ処理装置。

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