JP2001156042A

JP2001156042A - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2001156042A
Application number: JP33695699A
Authority: JP
Inventors: Masatsugu Arai; 雅嗣荒井; Nushito Takahashi; 主人高橋; Mitsuru Suehiro; 満末広
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1999-11-29
Filing date: 1999-11-29
Publication date: 2001-06-08

Abstract

(57)【要約】【課題】半導体ウェハの温度を均一にして、エッチン
グ特性を半導体ウェハ面内で均一にし、また、静電吸着
電極の温度レスポンスを向上させて、エッチング時間を
短縮できるプラズマ処理装置を提供する。【解決手段】板状の電極ブロック１と、該電極ブロッ
ク内部に温度制御用の冷媒の流れる流路６が形成され、
電極ブロック表面に半導体ウェハ４を静電吸着させるた
めの誘電体膜５を形成し、電極ブロック１の外周部表面
に電極カバー３を載置した静電吸着電極を備えるプラズ
マ処理装置において、冷媒流路６を、電極カバー下部の
電極ブロック内に形成する。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造工程に
おける微細なパターンを形成するプラズマ処理装置に係
り、特にシリコン酸化膜などの絶縁膜をプラズマによっ
てエッチングするのに好適なプラズマ処理装置に関す
る。

【０００２】

【従来の技術】プラズマ処理装置には、半導体素子の高
集積化、半導体ウエハの大口径化や液晶ディスプレイの
大面積化に伴い、スループット向上、被処理物の大面積
化への対応および性能の向上等が要求されている。この
ような要求に応えるための課題の一つとして、プラズマ
処理時の半導体ウェハの温度を均一にすることが重要と
なっている。たとえば、高アスペクト比（すなわち、細
くて深い溝）が要求されるシリコン酸化膜などの絶縁層
のエッチングでは、フロロカーボン系のガスを混入した
雰囲気中でプラズマを生成し、側壁保護膜を形成させな
がらエッチングを進行させる。そのため、保護膜の形成
などの反応を半導体ウェハ面内で一様、すなわち、温度
を均一にすることが重要となっている。

【０００３】プラズマ処理装置に用いられる静電吸着電
極には、たとえば、特開平１１−２０４２９７号公報に
記載のものがある。この装置はシリコン酸化膜などの絶
縁層のエッチングを対象としたもので、プラズマ生成用
の一対の電極（そのうちの一つが静電吸着電極）と磁場
発生用のコイルとから構成される。この静電吸着電極に
おいて、アルミニウムの電極ブロック内に温度制御用の
冷媒流路を設け、かつ、電極ブロック表面に半導体ウェ
ハ吸着用の誘電体膜を形成している。

【０００４】さらに、半導体ウェハと静電吸着電極の誘
電体膜表面との間隙に熱伝導性に優れた不活性ガス（た
とえば、ヘリウムガス）を流す構造となっている。ま
た、本公知例の静電吸着電極では、外周部にＳｉやＳｉ
Ｃからなるリング状の電極カバーが設けられており、静
電吸着電極の外径は半導体ウェハよりも大きくなってい
る。このように、ＳｉやＳｉＣからなるリング状の電極
カバーを設けた静電吸着電極としては、特開平９−２５
１９８５号公報、特開平９−１９１００３号公報、特開
平７−１３５２００号公報などがある。ＳｉやＳｉＣか
らなる電極カバーは、ＳｉやＳｉＣ表面でのスカベンジ
作用により、Ｆラジカルなどの反応あるいはラジカル組
成を調整するためのものである。これは、エッチングに
寄与するＦラジカルが、半導体ウェハの中心部より外周
部で多くなっているのを相殺するために設けられてい
る。

【０００５】このような静電吸着電極の温度を均一にす
る方法としては、特開平９−３１２２８１号公報に記載
のように、冷媒流路を螺旋状とし、かつ、流路溝の幅
が、冷媒の供給口あるいは排出口の一方から他方にかけ
て漸次広くなるように形成することが開示されている。
また、特開平７−１８３２８１号公報に記載の方法で
は、電極内に設置した温調用ヒータの配置パターンを半
導体ウェハ外周部よりも中心を粗にすることにより、中
心部の加熱を防止し、半導体ウェハの温度を均一にする
方法が開示されている。

【０００６】

【発明が解決しようとする課題】従来の静電吸着電極で
は、半導体ウェハ径よりも大きいリング状の電極カバー
を設けているにも拘わらず、電極ブロック内の冷媒流路
の形成に配慮がなく、特に電極カバー下部周辺の温度が
高くなってしまう場合があった。そのため、半導体ウェ
ハの外周部の温度が中心部の温度に比べて高くなり、半
導体ウェハ面内のエッチングの均一性を確保できない場
合があった。これは、半導体ウェハの温度が不均一であ
ると、エッチング速度や保護膜の形成速度が半導体ウェ
ハ面内で不均一となり、その結果として、エッチング形
状がばらつくためである。

【０００７】さらに、シリコン酸化膜などの絶縁層のエ
ッチングに用いられるプラズマ処理装置では、エッチン
グのメカニズムに起因して、半導体ウェハへの入熱量が
多くなる。しかし、一般にフッ素系の不活性液体からな
る冷媒を使用した静電吸着電極では、定常温度になるま
での時間が長く、半導体ウェハの処理枚数が増えるに伴
って、徐々に処理温度が高くなる場合があった。

【０００８】本発明は、上記従来技術の課題を解決する
ためになされたもので、その目的は半導体ウェハの温度
を均一にして、エッチング特性を半導体ウェハ面内で均
一にすることができるプラズマ処理装置を提供すること
にある。

【０００９】また、静電吸着電極の温度レスポンスを向
上させて、エッチング時間を短縮できるプラズマ処理装
置を提供することにある。

【００１０】

【課題を解決するための手段】上記目的を達成するため
に、本発明に係るプラズマ処理装置の発明の構成は、板
状の電極ブロックと、該電極ブロック内部に温度制御用
の冷媒の流れる流路が形成され、前記電極ブロック表面
に半導体ウェハを静電吸着させるための誘電体膜を形成
し、電極ブロックの外周部表面に電極カバーを載置した
静電吸着電極を備えるプラズマ処理装置において、前記
冷媒流路を、電極カバー下部の電極ブロック内に形成す
るものである。

【００１１】上記目的を達成するために、本発明に係る
プラズマ処理装置の他の発明の構成は、冷媒流路を、電
極カバー下部の電極ブロック内に形成し、冷媒の流入口
を電極ブロックの外周部に設け、冷媒の流出口を電極ブ
ロックの内周部に設けるものである。

【００１２】そして詳しくは、前記電極カバー下部の電
極ブロック内に形成する冷媒流路の断面の幅を、半導体
ウェハ下部の電極ブロック内に形成する冷媒流路の断面
の幅よりも小さくするものである。また、前記冷媒を、
純水とするものである。さらに、前記冷媒の流入口に、
キャビテーションエロージョンを防止するための部材を
設けるものである。さらにまた、前記電極ブロック内の
冷媒流路の表面に、化成処理もしくは表面処理を施すも
のである。上記目的を達成するために、本発明に係るプ
ラズマ処理装置のさらに他の発明の構成は、冷媒流路
を、電極カバー下部の電極ブロック内に形成し、冷媒の
流入口を電極ブロックの外周部に設け、冷媒の流出口を
電極ブロックの内周部に設け、これら冷媒の流入口もし
くは冷媒の流出口に純水の電気伝導度を測定するための
電気伝導計を設けるものである。

【００１３】

【発明の実施の形態】以下、本発明の実施の形態を図面
を参照して説明する。図１は、本発明に係るプラズマ処
理装置の実施例の断面図で、模式的に示すものである。
プラズマ処理装置は、石英製の放電管１０の表面にスパ
イラル状のアンテナ１１が配置されている。スパイラル
状のアンテナ１１には、１３．５６ＭＨｚの高周波電源
１２が整合回路１３を介して接続されている。また、図
示していないが、本プラズマ処理装置には排気ユニット
が接続されており、高真空まで排気可能となっている。
１４は静電吸着電極、１５はチャンバであり、チャンバ
１５は静電吸着電極１４を外部から密閉している。１６
はプロセスガス導入口で、チャンバ１５内にプロセスガ
スを導入するためのものである。

【００１４】次に、上記構成のプラズマ処理装置の作用
を説明する。まず、静電吸着電極１４に半導体ウェハ４
を載置し、チャンバ１５を高真空に排気後、プロセスガ
スをプロセスガス導入口１６より導入する。本実施例で
は、酸素ガスを０．２Ｌ／ｍｉｎ導入し、チャンバ１５
の圧力を２Ｐａに調整した。その後、アンテナ１１に高
周波を印加してプラズマを生成させ、生成したプラズマ
を半導体ウェハ４に静電吸着させ、ヘリウムガスを半導
体ウェハ４の裏面（詳細後述）に導入する。このような
状態で、プラズマを生成することで、半導体ウェハ４は
エッチングされる。

【００１５】エッチング中における静電吸着電極１４
は、静電吸着電極１４に印加したバイアス電圧によって
強制的に入射するイオンにより加熱される。

【００１６】図２は、エッチング中の静電吸着電極への
入熱状況を示し、図３は、静電吸着電極の詳細断面図を
示す。図中で示す矢印は、バイアス電圧の印加により入
射するイオン１７、すなわち、入熱量を示す。ここで、
静電吸着電極１４に入射するイオン１７の量は、半導体
ウェハ４が載置される部分と電極カバー３が載置される
部分とで異なる。その理由は、静電吸着電極１４表面に
生じるバイアス電圧の負荷割合が、静電吸着電極１４表
面に形成した誘電体膜５と保護カバー２の厚さとによっ
て異なるためである。本実施例では、バイアス電圧の投
入パワーの７割が静電吸着電極１４の半導体ウェハ４が
載置される部分、残りの３割が電極カバー３の部分に入
射されることを実験的に確認している。

【００１７】この結果より、一見すると電極カバー３が
載置される静電吸着電極１４表面の入熱量は、半導体ウ
ェハ４が載置される表面より極めて少ないように考えら
れる。しかし、たとえば、直径３００ｍｍの半導体ウェ
ハ４の面積が、７０、６８５ｍｍ²であり、電極カバー
３を内径３００ｍｍ、外径を３６０ｍｍとすれば、面積
は３１、１００ｍｍ²となり、半導体ウェハ４の約１／
２の面積である。したがって、３割の入熱しかない電極
カバー３の部分でも、単位面積当たりの入熱量が、半導
体ウェハ４が載置される部分とほぼ同程度となる。した
がって、電極カバー３下部に位置する電極ブロック１を
冷却することは必要不可欠である。

【００１８】静電吸着電極１４は、アルミニウム製の電
極ブロック１とアルミナ製の保護カバー２、さらに、保
護カバー２の表面には、Ｓｉ製のリング状の電極カバー
３が載置された構造となっている。電極カバー３はＦラ
ジカルなどの反応あるいはラジカル組成を調整するため
のものである。電極ブロック１の表面には、半導体ウェ
ハ４を静電吸着させるための誘電体膜５が形成され、電
極ブロック１の内部には、電極ブロック１の温度制御の
ために冷媒を流す冷媒流路６（均等に半径方向に５個）
が設けられている。また、半導体ウェハ４と誘電体膜５
との間隙には、ヘリウムガス導入口７よりヘリウムガス
が導入されている。電極ブロック１には、半導体ウェハ
４にバイアス電圧を印加するための高周波電源８と半導
体ウェハ４を吸着するための静電吸着電源９とが接続さ
れている。

【００１９】図４は、冷媒流路を模式的に示す図であ
る。冷媒は矢示のように、電極ブロック１の外周より流
入した後、電極ブロック１内を分流して矢示方向に流れ
て中心から流出するようになっている。なお、電極ブロ
ック１の外径は３６０ｍｍ、厚さが６０ｍｍである。

【００２０】次に、図５により、冷媒の流入位置と半導
体ウェハ表面の温度との関係を述べる。同図は、冷媒を
静電吸着電極１４の外周または中心より流入した場合の
半導体ウェハ４表面の温度分布の解析結果を示す。静電
吸着電極１４に、冷媒流路６の断面を１５（高さ）ｍｍ
×５（幅）ｍｍとして均等に半径方向に７個設け、か
つ、０℃のフッ素系の不活性液体を４Ｌ／ｍｉｎ循環さ
せた場合の解析結果である。

【００２１】図に示すように、冷媒を電極ブロック１の
中心より流入させると、半導体ウェハ４の外周部の温度
が顕著に高くなることがわかる。また、外周より流入さ
せた場合でも、若干外周部の温度が高くなるが、中心よ
り流入させた場合より半導体ウェハ４の面内の温度差を
小さくできることがわかる。これは、冷媒が熱交換によ
り、排出時の冷媒の温度が上昇することに起因してい
る。したがって、電極カバー３を設けた場合では、外周
部より冷媒を流入させる方が、半導体ウェハ４の温度を
均一にできる。しかし、冷媒を外周より流入させても、
若干であるが半導体ウェハ４の外周部の温度が高くな
り、冷媒流路６の形状および配置を工夫することにより
さらに改善できる。

【００２２】静電吸着電極１４では、ヘリウムガスの導
入や半導体ウェハ搬送用のプッシャーピンの配置などに
より、冷媒流路６の配置が限定される。そのため、冷媒
流路６の形状を工夫して冷却効果の促進を図るのがよ
い。

【００２３】図６に、冷媒流路の幅と熱電動率との関係
を示す。同図は、０℃のフッ素系の不活性液体を４Ｌ／
ｍｉｎ循環させ、冷媒流路６の高さを１５ｍｍ一定とし
て、幅を変化させた場合の計算結果を示す。

【００２４】同図より、冷媒流路６の幅を狭くすると、
熱伝達率が大きくなることがわかる。その理由は、冷媒
の流速が速くなるためである。したがって、冷媒流路断
面の幅を小さくすると熱伝達率を大きくすることがで
き、冷媒と冷媒流路壁面との温度差を小さくすることが
できる。その結果的、狭くした部分の冷媒流路壁面の温
度を低くすることができる。なお、冷媒流路６の幅を小
さくすると、熱伝達の表面積も小さくなるがその影響は
小さい。

【００２５】次に、冷媒に純水を用いた場合の効果につ
いて述べる。一般に、静電吸着電極１４の冷媒には、フ
ッ素系の不活性液体を用いることが多い。フッ素系の不
活性液体の熱伝導率と純水の熱伝導率とを比較すると、
常温（２０℃）のフッ素系の不活性液体の熱伝導率は約
０．０７Ｗ／ｍＫ、一方、純水の熱伝導率は０．６Ｗ／
ｍＫであり、純水の方が１０倍ほど大きくなる。また、
１５ｍｍ×５ｍｍの冷媒流路６を、４Ｌ／ｍｉｎで不活
性液体および純水を循環させた際の冷媒流路側壁におけ
る熱伝達率を計算すると、純水の方が約８倍大きくな
る。そのため、静電吸着電極１４の温度レスポンスを向
上させることができる。その結果、半導体ウェハ４の温
度が定常に達するまでの時間を短くすることができるの
で、スループットを向上させることができる。

【００２６】冷媒に工業用水や水道水を使用した場合、
電気伝導度の点から不都合を生じる（酸素イオンによる
腐食が発生）。すなわち、静電吸着電極１４には、バイ
アス電圧および吸着用の電圧を印加しているので、冷媒
に工業用水や水道水を使用すると、電気伝導度が高いた
めに高周波が漏洩することが懸念される。そこで、電気
伝導度の低い純水を用いると、漏洩という問題を回避す
ることができる。また、信頼性を向上させるために、冷
媒流路表面に防食処理を施すことが好ましい。アルミニ
ウムで形成した電極ブロック１の冷媒流路６の表面に化
成処理を施し、耐食性の実験を行った。化成処理は、純
水を煮沸させた蒸気を電極ブロック内の冷媒流路６に１
時間流入させ、表面に水酸化被膜を形成した。

【００２７】図７に、化成処理時間とアルミニウム表面
に形成される水酸化被膜の厚さとの関係を示す。

【００２８】同図に示すように、水酸化被膜は処理時間
が長くなるに伴って厚くなる。上記化成処理により、ア
ルミニウム表面に０．８ミクロンの水酸化被膜が形成さ
れた。このように化成処理を施した電極ブロック１内の
冷媒流路６に純水を流入させて、耐食性を表面観察によ
り評価した。その結果、化成処理前に比べて格段に耐食
性が向上した。

【００２９】なお、化成処理の方法として、炭酸ナトリ
ウム（５％）およびクロム酸ナトリウム（１．５％）を
添加した水溶液中で形成する方法もある。さらに、冷媒
流路表面に、たとえば、ＰＴＦＥ（ポリテトラフレオロ
エチレン）の樹脂をコーティングしても同様な効果が期
待できる。この場合は、樹脂をコーティングする前に表
面を粗すような加工や化学処理を施す方が好ましい。さ
らに、耐食性を向上させる方法としては、金、クロム、
ニッケルなどのめっきが挙げられる。

【００３０】以上のように、冷媒流路６の表面に化成処
理や樹脂コーティング、めっきなどの表面処理を施すこ
とで、耐食性を向上させることができる。

【００３１】さらに、冷媒流路の耐食性を向上させる方
法として、冷媒流路の流入口に生じるキャビテーション
エロージョンを抑制する方法が挙げられる。

【００３２】図８に、冷媒流路の耐食性を向上させる流
入口の断面図を示す。同図は、電極ブロック１内の冷媒
流入口１８を示したもので、冷媒が流入される直上に
は、キャビテーションエロージョン防止用のアルミナの
板１９が設けられている。これにより、冷媒流入口１８
で生じるキャビテーションエロージョンを防止でき、長
時間にわたり静電吸着電極１４を使用することができ
る。また、冷媒の出入口に純水中の電気伝導度をモニタ
ーする電気伝導計２０を設置することで、健全性を確認
できるとともに、冷媒（純水）の交換時期を把握するこ
とができる。

【００３３】なお上記実施例において、たとえば、破線
で示す位置で分割された２つの部材のうち、一方の部材
に冷媒流路６を形成し重ね合わせて一体にすることによ
って、電極ブロック１を構成することができる。

【００３４】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば、
静電吸着電極の冷媒流路を電極カバー下部に位置する電
極ブロック内にも形成し、冷媒を電極ブロックの外周部
より流入させ、また、電極カバー下部に位置する電極ブ
ロック内の冷媒流路断面の幅を半導体ウェハ下部に位置
する冷媒流路断面の幅より小さくすることで、電極カバ
ー周辺から流入する熱をうばい、半導体ウェハの温度を
均一にすることができ、また、エッチング時間が短くな
ることによりスループットが向上してランニングコスト
の低減を図ることができる。

【００３５】また、静電吸着電極の温度制御用の冷媒に
純水を使用し、冷媒流路に化成処理または表面処理を施
すことで温度レスポンスがよく、かつ、耐食性の向上を
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の実施例の断面
図である。

【図２】エッチング中の静電吸着電極への入熱状況を示
す。

【図３】静電吸着電極の詳細断面図である。

【図４】冷媒流路を模式的に示す図である。

【図５】冷媒の流入位置と半導体ウェハ表面の温度との
関係を示す図である。

【図６】冷媒流路の幅と熱電動率との関係を示す図であ
る。

【図７】化成処理時間と形成される水酸化被膜の厚さと
の関係を示す図である。

【図８】冷媒流路の耐食性を向上させる流入口の断面図
を示す。

【符号の説明】

１…電極ブロック２…保護カバー３…電極カバー４…半導体ウェハ５…誘電体膜６…冷媒流路７…ヘリウムガス導入口８…高周波電源９…静電吸着電源１０…放電管１１…アンテナ１２…高周波電源１３…整合回路１４…静電吸着電極１５…チャンバ１６…プロセスガス導入口１７…イオン１８…冷媒流入口１９…アルミナ板２０…電気伝導計

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者末広満山口県下松市大字東豊井794番地株式会社日立製作所笠戸事業所内Ｆターム(参考） 5F004 AA01 BA20 BB11 BB18 BB22 BB23 BB25 BB26 BC08 CA04 CB12

Claims

【特許請求の範囲】

【請求項１】板状の電極ブロックと、該電極ブロック
内部に温度制御用の冷媒の流れる流路が形成され、前記
電極ブロック表面に半導体ウェハを静電吸着させるため
の誘電体膜を形成し、電極ブロックの外周部表面に電極
カバーを載置した静電吸着電極を備えるプラズマ処理装
置において、前記冷媒流路を、電極カバー下部の電極ブロック内に形
成することを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】板状の電極ブロックと、該電極ブロック
内部に温度制御用の冷媒の流れる流路が形成され、前記
電極ブロック表面に半導体ウェハを静電吸着させるため
の誘電体膜を形成し、電極ブロックの外周部表面に電極
カバーを載置した静電吸着電極を備えるプラズマ処理装
置において、前記冷媒流路を、電極カバー下部の電極ブロック内に形
成し、前記冷媒の流入口を電極ブロックの外周部に設け、冷媒
の流出口を電極ブロックの内周部に設けることを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項３】前記電極カバー下部の電極ブロック内に
形成する冷媒流路の断面の幅を、半導体ウェハ下部の電
極ブロック内に形成する冷媒流路の断面の幅よりも小さ
くすることを特徴とする請求項１もしくは２記載のプラ
ズマ処理装置。
【請求項４】前記冷媒を、純水とすることを特徴とす
る請求項１もしくは２記載のプラズマ処理装置。
【請求項５】前記冷媒の流入口に、キャビテーション
エロージョンを防止するための部材を設けることを特徴
とする請求項４記載のプラズマ処理装置。
【請求項６】前記電極ブロック内の冷媒流路の表面
に、化成処理もしくは表面処理を施すことを特徴とする
請求項１もしくは２記載のプラズマ処理装置。
【請求項７】板状の電極ブロックと、該電極ブロック
内部に温度制御用の冷媒の流れる流路が形成され、前記
電極ブロック表面に半導体ウェハを静電吸着させるため
の誘電体膜を形成し、電極ブロックの外周部表面に電極
カバーを載置した静電吸着電極を備えるプラズマ処理装
置において、前記冷媒流路を、電極カバー下部の電極ブロック内に形
成し、前記冷媒の流入口を電極ブロックの外周部に設け、冷媒
の流出口を電極ブロックの内周部に設け、これら冷媒の流入口もしくは冷媒の流出口に純水の電気
伝導度を測定するための電気伝導計を設けることを特徴
とするプラズマ処理装置。