JP2003243371A - プラズマ処理装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】 【課題】 エッチング処理中の半導体ウエハの温度分布
を明確な状態で積極的に制御できるようにしたウエハ処
理装置を提供すること。 【解決手段】 電極ブロック１の中に内周と外周で独立
した冷媒流通用のスリット１１、１２を設けると共に、
これらの間にスリット１３を形成させ、内周と外周の間
での熱伝導が抑制されるようにしたもの。スリット１３
により電極ブロック１内での温度の均一化が抑制される
ので、電極ブロック１面内を任意の独立した温度にする
ことができ、温度分布パターンの積極的且つ明確な制御
が得られる。

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【発明の属する技術分野】本発明は、半導体製造プロセ
ス等の微細加工に適用されるプラズマ処理装置に係り、
特に、半導体ウエハを載置するための保持ステージを備
えたプラズマ処理装置に関する。

【０００２】

【従来の技術】近年の半導体素子の高集積化に伴い、回
路パターンは微細化の一途を辿っており、要求される加
工寸法精度はますます厳しくなってきている。しかも、
このとき、スループット向上、被処理物の大面積化への
対応が要求されており、処理中における半導体ウエハの
温度制御性が極めて重要なことになっている。

【０００３】例えば高アスペクト比(細くて深い溝)が要
求されるエッチングプロセスにおいては、異方性エッチ
ングが要求され、これを実現するため側壁を有機ポリマ
で保護しながらエッチングを行うプロセスが用いられる
が、この場合、保護膜となる有機ポリマの生成が温度に
より変化する。このときエッチング処理中の半導体ウエ
ハ面内の温度が不均一に分布していると、側壁保護膜の
生成度合いがウエハ面内でばらつき、その結果エッチン
グ形状も不均一となるという問題を生じる場合がある。

【０００４】また、反応生成物がエッチング面に再付着
しエッチングレートを低下させる場合があるが、この反
応生成物は半導体ウエハ外周付近よりも半導体ウエハ中
心で多い分布となり易く、この結果、半導体ウエハ中心
では外周付近に比べてエッチングレートが低く、従っ
て、半導体ウエハ面内のエッチング形状がウエハ面内で
ばらついてしまう。

【０００５】ここで、これを改善する方法としては、ウ
エハ中心付近の温度を外周付近よりも高くし、反応性生
物のエッチング面への再付着を抑える方法が有効であ
り、従って、このように、プラズマエッチング中の半導
体ウェハの温度は、面内で均一に、又は半導体ウェハの
面内で任意に中高型や外高型して反応生成物の分布を相
殺するように制御することが必要となっている。

【０００６】ところで、処理中の半導体ウエハの温度制
御は、当該ウエハが載置される静電吸着電極(保持ステ
ージ)の表面温度の制御により実現するのが一般的であ
り、このような処理中の半導体ウエハの温度制御に対処
する方法としては、例えば特開２０００-２１６１４０
号公報(従来技術１)の開示を挙げることができる。

【０００７】そして、この従来技術１では、保持ステー
ジを構成する金属製の静電吸着用電極ブロック内に冷媒
の流量を制御できる独立した複数個の冷媒流路を設け、
電極ブロックの表面には誘電体膜を設けた構造となって
いる。

【０００８】また、特開平９-１７７７０号公報(従来技
術２)では、半導体ウエハの面内温度分布を制御するた
めに、静電吸着電極の内部に２系統の冷媒流路を同心円
上に設け、外側の冷媒流路には相対的に低温の冷媒を、
そして内側の冷媒流路には相対的に高温の冷媒を循環さ
せる構造について開示し、特開平８-４５９０９号公報
(従来技術３)では、金属製の電極ブロックを分割し、そ
れぞれに冷媒流路又はヒーターを設け、温度制御を行う
試料台(保持ステージ)が開示されている。

【０００９】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、静電
吸着電極の中での熱の流れに配慮がされておらず、明確
な温度分布を積極的に実現する点に問題があった。

【００１０】例えば従来技術１〜２では、処理中の半導
体ウエハ中心付近の温度を、ウエハ外周付近の温度より
も高くするような温度分布を実現するため、冷媒の温度
又は流量を制御しているが、電極ブロックの熱伝導性の
ため、面内で明確な温度分布が得られず、且つ、このと
き、冷媒の流路同士が隣接しているため、電極ブロック
内で温度が均一化されてしまうので、更に明確な温度分
布がえられなくなってしまう。

【００１１】一方、従来技術３に開示されている静電吸
着電極では、分割した電極ブロック内で独立して温度制
御が可能であり、面内での温度分布制御が得られるが、
ブロックとブロック間に隙間があるので、薄膜の誘電体
膜を信頼性良く形成することが難しい。

【００１２】また、従来技術１では、その電極ブロック
が円周部でだけねじで固定されているので、冷媒の圧力
により電極ブロックが凸型に変形してしまい、場合によ
っては半導体ウエハを均一に吸着できなくなり、半導体
ウエハ面内に望ましくない温度分布を生じさせてしまう
場合があった。

【００１３】本発明の目的は、エッチング処理中の半導
体ウエハの温度分布を明確な状態で積極的に制御できる
ようにしたウエハ処理装置を提供することにある。

【００１４】

【課題を解決するための手段】上記目的は、電極ブロッ
クの温度を制御し、半導体ウエハの温度を制御する方式
の保持ステージを備えたプラズマ処理装置において、前
記電極ブロックに、内側と外側で独立した温度制御手段
を設けると共に、これら温度制御手段の間に熱伝達抑制
用のスリットが設けられているようにして達成される。
このとき、前記熱伝達抑制用のスリットがほぼ同心円状
に形成されているようにしてもよい。

【００１５】また、このとき、前記内側と外側で独立し
た温度制御手段が、前記電極ブロックの中で当該電極ブ
ロックの内側と外側で独立して設けられている第１と第
２の流路と、これら第１と第２の流路に、温度と流量の
少なくとも一方が制御された熱媒を独立して供給する第
１と第２の熱媒供給手段で構成しても上記目的が達成さ
れ、同じく、前記内側と外側で独立した温度制御手段
が、前記電極ブロックの中で当該電極ブロックの内側と
外側で独立して設けられている第１と第２の流路と、こ
れら第１と第２の流路に、温度と流量の少なくとも一方
が制御された熱媒を共通に供給する熱媒供給手段と、前
記第１と第２の流路を連結した管路に設けた温度調整手
段で構成されていても、上記目的が達成される。

【００１６】更に、前記温度調整手段がヒータで構成さ
れ、これが前記電極ブロックの裏面に設けられてるよう
にしても、前記電極ブロック内に作り込まれるようにし
てもよい。

【００１７】次に、前記電極ブロックについて、それ
は、その表面に誘電体膜を備え、当該誘電体膜内にヒー
タが作り込まれているようにしてもよく、前記ヒータが
静電吸着電極の電極として兼用されるようにしてもよ
い。

【００１８】また、前記電極ブロックは、前記熱媒の流
路が形成された一方の部材と、前記電極ブロックの剛性
を保証するための他方の部材からなり、これら部材を一
体に締結してもよく、このとき、前記一方の部材と他方
の部材を締結する手段は、ネジ止め、ブレージング、拡
散接合、それに電子ビーム溶接の何れかであってもよ
く、更に、前記剛性を保証するための他方の部材は、前
記電極ブロックより熱伝導率が低い材料で作られている
ようにしてもよい。

【００１９】或いは、前記第１と第２の流路が、前記電
極ブロックに取付けた円形断面又は多角形断面の配管で
形成され、更に前記配管が前記電極ブロック内に作り込
まれていてもよい。

【００２０】また、このとき、前記電極ブロックが少な
くとも３個の温度センサを備え、これら温度センサの情
報に基づいて温度制御されるようにしてもよく、前記電
極ブロックの表面に誘電体膜を備え、当該誘電体膜と前
記半導体ウエハの間に熱伝導用のガスが導入される静電
吸着電極として構成されていてもよい。

【００２１】

【発明の実施の形態】以下、本発明によるプラズマ処理
装置について、図示の実施の形態により詳細に説明す
る。図１は、本発明によるプラズマ処理装置Ｐの一実施
形態で、図２は、このプラズマ処理装置において、半導
体ウエハＷの保持ステージＳとして使用される静電吸着
電極Ｓの一部断面による斜視図である。なお、この保持
ステージは、一般に静電吸着電極と呼ばれているもので
あり、よって、以下、静電吸着電極Ｓと記載することに
する。

【００２２】そして、この実施形態に係る静電吸着電極
Ｓの場合は、後で図２と図３により説明するように、冷
媒又は温媒として働く流体(熱媒)の流路が設けられ、図
４に示すように、本発明の一実施形態に係るプラズマ処
理装置の中に設置されて使用されるものである。

【００２３】この静電吸着電極Ｓは、図２に示すよう
に、アルミニウム製の電極ブロック１と、ステンレス製
のガイド部材２、ベース部材３、誘電体膜４、それにセ
ラミックス製の電極カバー５で構成され、例えば１２イ
ンチ(直径３００ｍｍ)の半導体ウエハを対象とした場
合、直径が３２０ｍｍで、全体の厚さが２５ｍｍになる
ように作られている。

【００２４】ここで、まず、電極ブロック１には、その
下面に、図３に示すように、スパイラル(渦巻)状に配置
された流路用スリット１１、１２が内径側と外形側に分
けて形成してあり、それらの間には、略同心円状の熱伝
達抑制用スリット１３(半径＝９０ｍｍ、幅＝５ｍｍ、
高さ(深さ)＝１８ｍｍ)が形成してある。

【００２５】そして、この電極ブロック１の下面にガイ
ド部材２が重ねられ、ボルト６で固定されることによ
り、各スリット１１、１２、１３の開放部が塞がれるよ
うになっている。このとき、ベース部材３も含め、電極
ブロック１とガイド部材２を貫通してガス導入孔７が設
けられるようにしてある。

【００２６】次に、誘電体膜４は、例えば高純度のアル
ミナセラミックスからなり、その厚さは０.１ｍｍであ
るが、この誘電体膜４の材質や厚さは、この例に限られ
たものではなく、例えば合成樹脂の場合は、それに応じ
て０.１ｍｍから数ｍｍの厚さが選択できる。

【００２７】そして、この誘電体膜４には、図２に示す
ように、ガス導入孔７に連通して放射状に伸びる直線状
のスリット４１と、これに連通した複数条の同心円状の
スリット４２が設けてあり、これにより、静電吸着電極
Ｓの上に半導体ウエハＷが載置されたとき、誘電体膜４
と半導体ウエハＷの間隙に、ガス導入孔７から伝熱用の
Ｈｅガスが導入されるようにしてある。

【００２８】電極ブロック１の各流路用スリット１１、
１２には、夫々、冷媒(又は熱媒)の導入部１１Ａ、１２
Ａと、排出部１１Ｂ、１２Ｂが設けてあり、これによ
り、各流路用スリット１１、１２は、温度制御用の冷媒
を通流させるための互いに独立した熱媒流通路として働
かせることができるように構成してある。

【００２９】そして、各流路用スリット１１、１２の導
入部１１Ａ、１２Ａと排出部１１Ｂ、１２Ｂには、各々
独立した冷媒供給ユニット５１、５２に接続され、夫々
に循環させるべき冷媒の流量と温度の少なくとも一方が
個別に調整できるようになっている。

【００３０】ここで、これらの流路用スリット１１、１
２の配列形状としては、ここに示したスパイラル状に限
らない。例えば図３は、流路用スリット１１、１２を夫
々複数条の同心円状にした場合であり、この場合、冷媒
は相互に反対に向かって半円方向に分かれて流れる。

【００３１】次に、この実施形態によるプラズマ処理装
置の動作について説明すると、まず図１に示す処理室内
に静電吸着電極Ｓを取付け、半導体ウエハＷを載置して
塩素系やフッ素系のガスを導入し、マグネトロンで発生
させたマイクロ波を処理室内の雰囲気にに照射し、プラ
ズマを励起させ、ソレノイドコイルで発生させた磁界に
よりプラズマの分布と密度を制御する。

【００３２】そして、これと共に、静電吸着電極Ｓの電
極ブロック１(図２)に直流電圧と高周波を印加し、半導
体ウエハＷの温度を制御しながらエッチングを行う。な
お、本発明によるプラズマ処理装置の実施形態として
は、ここに示したマグネトロンを使用する方式に限ら
ず、他の方式のプラズマ処理装置でも良い。

【００３３】次に、この実施形態における静電吸着電極
Ｓの動作について、まず、その温度制御の原理から説明
する。まず、この静電吸着電極Ｓは、誘電体膜４に高電
圧を印加することにより発現されるクーロン力又はジョ
ンソンランベック力により半導体ウエハＷを吸着させる
ものであるが、このとき、高電圧の印加方法として、単
極型と双極型の２種がある。

【００３４】そして、まず単極型は、半導体ウエハと誘
電体膜間に一様な電位を与える方法で、双極型は誘電体
膜間に２種以上の電位差を与える方法であるが、この実
施形態では、何れの方法でもよい。

【００３５】吸着後、上記したように、ガス導入孔７か
ら、伝熱用のＨｅガス(通常１０００ｋＰａ程度)が半導
体ウエハＷと誘電体膜４の間に導入される。そこで、半
導体ウエハＷの温度は、プラズマからの入熱と、Ｈｅガ
スが充填された間隙の熱通過率、電極ブロック１の熱抵
抗、さらに電極ブロック１内に循環される冷媒と電極ブ
ロック１との熱通過率によって規定される。

【００３６】従って、半導体ウエハＷの温度を制御する
には、静電吸着電極Ｓに対するＨｅガスの圧力、冷媒の
温度、冷媒の流量(電極ブロックとの熱通過率が変わる)
を変化する機構を設けるか、又はヒーターなどの第２の
温度調整機構を設けてやればば良い。

【００３７】例えば、いま流路用スリット１１、１２の
大きさが幅５ｍｍ×高さ１５ｍｍのとき、２０℃の冷媒
の流量を２Ｌ／ｍｉｎから４Ｌ／ｍｉｎと２倍にしたと
すると、冷媒と電極ブロック１の間の熱通過率は約２０
０Ｗ／ｍ２Ｋから約４００Ｗ／ｍ２Ｋになるのが確認さ
れている。従って、冷媒の流量を多くすることにより熱
通過率が大きくできるので、プラズマからの入熱が多く
なっても、電極ブロック１の温度上昇は小さく抑えられ
ることになる。

【００３８】ところで、一般的な静電吸着電極では、そ
の構造に起因して、プラズマからの入熱が均一であるに
も係わらず、半導体ウエハ面内では次のようにして、温
度分布が生じてしまう。まず、半導体ウエハと誘電体膜
の間に導入されたＨｅガスの圧力は、プラズマ生成中の
チャンバー(処理室)内の圧力より高いから、半導体ウエ
ハＷの最外周部からＨｅガスが漏れてしまう。実測では
２〜５ｍｌ/ｍｉｎである。

【００３９】図５は、このときの計算結果の一例で、こ
こに示すグラフは、Ｈｅガスの漏れ量から求めた半導体
ウエハ裏面の圧力分８を示す計算値であり、この図に示
すように、半導体ウエハの最外周のＨｅガスの圧力は、
プラズマ生成中のチャンバー内の圧力より高いので、半
導体ウエハの外周部で急激に低くなる。

【００４０】次に、図６は、入熱が半導体ウエハの面内
で均一な場合の半導体ウエハＷの表面温度を示したもの
で、この図は、図１に示したプラズマ処理装置を用いて
フッ素系のガス(圧力１Ｐａ)を導入した雰囲気中でプラ
ズマを生成し、冷媒の流量を５Ｌ／ｍｉｎ、温度を３５
℃としてした場合の結果で、横軸は半導体ウエハ中心か
らの距離、縦軸が半導体ウエハ表面の温度で、○印が測
定値で、実線が解析値を示している。

【００４１】従って、これら図５と図６から、半導体ウ
エハ外周部の表面温度は、Ｈｅガスの圧力が低くなるこ
とに起因して、中心部より高くなることが判る。次に、
半導体ウエハ面内の温度差をΔＴとすると、これは、主
に静電吸着電極に印加されている高周波の電力に依存
し、例えば１３００Ｗの電力を印加した場合は、約１０
℃に達した。

【００４２】従って、静電吸着電極で半導体ウエハ面内
に緩やかな温度分布(例えば中高や外高)を与えるために
は、Ｈｅガスの圧力分布を考慮した温度分布制御が必要
になる。

【００４３】ところで、以上は、従来技術も含めて一般
的な静電吸着電極の場合であるが、次に、図１に示す本
発明の実施形態に係る静電吸着電極Ｓの場合について説
明すると、この実施形態では、この静電吸着電極Ｓを構
成する電極ブロック１に、その内周部と外周部を分けた
形の熱伝達抑制用スリット１３が設けてある。

【００４４】更に、この静電吸着電極Ｓでは、その電極
ブロック１に、この熱伝達抑制用スリット１３を挟ん
で、その内周側と外周側で、流路用スリット１１とスリ
ット１２が独立していて、冷媒の流量と温度の少なくと
も一方が個別に調整できる。

【００４５】ここで、熱伝達抑制用スリット１３は、上
記したように、ガイド部材２で塞がれたままであるか
ら、内部は、処理室内の圧力に略等しい圧力の雰囲気で
満たされた状態になるか、又は真空状態にあり、このた
め、電極ブロック１の内周側と外周側の間で熱が伝達す
るのを阻害し、両側で大きな温度差の発生を許す働きを
する。

【００４６】図７は、熱伝達抑制用スリット１３を電極
ブロック１に備えた静電吸着電極Ｓを用い、図６と同じ
条件のもとで得られた半導体ウエハＷの温度分布の計測
結果の一例で、ここでは中心部の温度を外周部の温度に
対して相対的に高くしたい場合を想定しており、ここで
静電吸着電極Ｓの高周波電力を１００〜１３００Ｗ、ス
リット１１の冷媒流量を１〜４Ｌ／ｍｉｎ、スリット１
２の冷媒流量は４〜８Ｌ／ｍｉｎの範囲とした場合のも
のである。

【００４７】この図７に示すように、本発明の実施形態
として熱伝達抑制用スリット１３を備えた静電吸着電極
Ｓでは、半導体ウエハＷの表面の最外周部の温度を低く
抑えたままで中心部の温度を充分に高くできることが判
る。

【００４８】次に、図８は、このときの誘電体膜４の表
面温度の解析結果で、同図に示すように、この場合も、
熱伝達抑制用スリット１３が設けられていることから、
誘電体膜４の表面の温度分布が顕著になっていて、いわ
ゆるメリハリの効いた温度分布が得られていることが判
り、このとき、温度分布は熱伝達抑制用スリット１３を
境にして大きく変化していることも判る。

【００４９】ここで、このような静電吸着電極では、前
述したように、その構造に起因し、Ｈｅガスの圧力が半
導体ウエハの最外周部で低くなり、半導体ウエハの最外
周部で温度が高くなるのが一般的であり、従って、この
実施形態で、半導体ウエハＷの最外周部の温度を低く抑
え、且つ中心部の温度を高くするには、熱伝達抑制用ス
リット１３を適正な位置に設ける必要がある。

【００５０】この実施形態では、例えば上記した直径３
００ｍｍの半導体ウエハＷを対象とした場合の熱伝達抑
制用スリット１３の位置は、中心からの距離を８０〜１
２０ｍｍの範囲とすれば良い結果が得られており、これ
が、半導体ウエハＷが直径２００ｍｍの場合は、６０〜
８０ｍｍの範囲である。

【００５１】従って、これの結果から、本発明の実施形
態による静電吸着電極Ｓでは、電極ブロック１の半径の
５０〜８０％の範囲に熱伝達抑制用スリット１３を設け
のが望ましいことが判る。ここで、通常、プラズマ処理
で半導体ウエハに望まれる温度分布は、円周方向では緩
やかな中高や外高な分布であり、このため、静電吸着電
極Ｓの熱伝達抑制用スリット１３は同心円状に形成する
のが望ましい。

【００５２】一方、この熱伝達抑制用スリット１３の断
面形状は、加工の見地から、矩形や台形などが好適であ
るが、この場合、重要なのは高さ寸法で、高さが高いほ
ど、すなわち電極ブロック１の厚さと同じ寸法になるほ
ど熱伝導を抑制する作用が増大する。但し、このように
して熱伝達抑制用スリット１３の高さが大きくなると、
電極ブロック１の剛性が低下するので、この場合は、ス
リットの途中にリブを設け、電極ブロック１の剛性が低
下しないようにしても良い。

【００５３】従って、本発明の実施形態によれば、プラ
ズマエッチング中の半導体ウェハＷの温度分布を明確に
制御でき、この結果、半導体ウェハの面内で均一な温度
にしたり、中高型や外高型など明確な状態の温度分布に
したり、任意に制御することができ、この結果、反応生
成物の分布を相殺して、反応性生物のエッチング面への
再付着を抑えるプラズマ処理にも容易に対応でき、半導
体ウエハ処理の歩留まり向上に大きく寄与することがで
きる。

【００５４】次に、本発明の他の実施形態について説明
すると、まず図９は、本発明の第２の従来で、電極ブロ
ック１内に熱伝達抑制用スリット１３を設ると共に、内
周側の冷媒流路となるスリット１１と、外周側の冷媒通
路となるスリット１２の間を管路１４で直列に連結さ
せ、この管路１４に電熱型のヒータ１５を設け、静電吸
着電極Ｓ１としたものである。

【００５５】そして、この静電吸着電極Ｓ１では、電極
ブロック１内の冷媒流路となるスリット１１とスリット
１２には、１台の冷媒供給ユニット５３から共通に冷媒
が供給され、このとき、ヒータ１５は、図示してない電
力制御装置により温度が制御され、管路１４の中を通る
冷媒を所定の温度に加熱する働きをする。

【００５６】従って、この静電吸着電極Ｓ１によれば、
ヒータ１５による冷媒の加熱温度を調整することによ
り、半導体ウエハＷの温度分布を中高型温度分布や外高
型温度分布に容易に変えることができる。

【００５７】すなわち、例えば半導体ウエハＷの温度を
中高型温度分布にする場合は、実線の矢印で示す方向に
冷媒を循環させ、ヒータ１５による冷媒の加熱温度を制
御してやれば良く、反対に外高型温度分布にしたい場合
は、点線の矢印で示す方向に冷媒を循環させてやれば良
い。

【００５８】従って、この静電吸着電極Ｓ１によって
も、図１〜図４で説明した静電吸着電極Ｓと同じく、プ
ラズマエッチング中の半導体ウェハＷの温度分布を明確
に制御でき、この結果、半導体ウェハの面内で均一な温
度にしたり、中高型や外高型など明確な状態の温度分布
にしたり、任意に制御することができ、この結果、反応
生成物の分布を相殺して、反応性生物のエッチング面へ
の再付着を抑えるプラズマ処理にも容易に対応でき、半
導体ウエハ処理の歩留まり向上に大きく寄与することが
できる。

【００５９】しかも、この静電吸着電極Ｓ１によれば、
１台の冷媒供給ユニット５３を設置するだけで済むの
で、装置の構成が簡略化できる。また、この実施形態の
静電吸着電極Ｓ１の場合、ヒータ１５を管路１４内に設
置した構造にすれば、スペースを有効に活用でき、熱効
率の点からも極めて有効である。

【００６０】なお、この図９の実施形態では、ヒータ１
５が電熱型の場合について説明したが、ヒータ１５とし
てペルチェ素子を用いて実施しても良く、この場合は、
管路１４内の冷媒を加熱するだでけはなく、冷却するこ
ともできる。

【００６１】次に、図１０は、本発明の第３の実施形態
で、ヒータ１５を電極ブロック１内に埋込み、静電吸着
電極Ｓ２としたもので、このとき、この実施形態では、
ヒータ１５は、鋳造技術を用いて電極ブロック１の中に
鋳込まれている。この場合、ヒータ１５としては、ニク
ロム線やタングステン線をアルミナなどの絶縁材で被覆
してステンレス管や鋼管の中に納めたシーズヒータなど
と呼ばれるものが用いられている。

【００６２】また、同様な構造としては、誘電体膜４を
多層にして、その中間にタングステン膜を挟んだ、例え
ばアルミナ／タングステン／アルミナ構成の膜を形成し
た膜構成のヒータとしも良く、このとき、更にタングス
テンのヒータを静電吸着電極の電極と兼用した構成にゑ
ても良い。

【００６３】以上の実施形態によれば、電極ブロック１
に熱伝達抑制用スリット１３を設けたことにより半導体
ウエハＷの温度を任意に制御でき、且つ熱効率も飛躍的
に向上できるが、しかし、この熱伝達抑制用スリット１
３を設けたことにより、電極ブロック１の剛性が低下し
てしまうことが考えられる。

【００６４】そこで、次に、このスリットを設けたこと
による剛性の低下が抑えられるようにした本発明の実施
形態について、図１の静電吸着電極Ｓの場合について説
明すると、この場合、図１１(a)に示すように、静電吸
着電極Ｓは、電極ブロック１と、ガイド部材２から構成
されている。そして、このガイド部材２は、図１では省
略しているが、Ｏリング１６を最外周に嵌め込んで、ボ
ルト６で電極ブロック１に締結されている。

【００６５】ここで、各スリット１１、１２内を通る冷
媒の圧力Ｐは、通常、５００ＫＰａ程度であるが、これ
が各スリット１１、１２に掛かるので、電極ブロック１
は同図(b)に破線で誇張して描いてあるように変形す
る。

【００６６】そこで、このような変形に対処し、それを
防止するためには、図１２に示すように、電極ブロック
１の半径が半分の位置で、ガイド部材２の裏面から更に
別のボルト６０で締結してやれば良く、これにより、破
線で誇張して描いてあるように、変形を抑えることがで
きる。

【００６７】実測によると、直径３２０ｍｍ、厚さ２５
ｍｍの電極ブロック１の最外周だけを締結した場合は、
中心部で０.５ｍｍ程度の変形が見られたが、図１２に
示すよに、別のボルト６０を設けた場合は、ほとんど変
形が見られず、良好な結果が得られた。

【００６８】ところで、上記実施形態の場合、ガイド部
材２を、電極ブロック１より熱伝導率が低い材料で作れ
ば、より熱効率に優れた静電吸着電極Ｓになる。ここ
で、既に説明したように、以上の実施形態では、上記し
たように、電極ブロック１の材質がアルミニウムで、ガ
イド部材２の材質はステンレス鋼にしてあり、上記の条
件に合致している。

【００６９】なお、ここで、電極ブロック１とガイド部
材２の締結方法としては、上記したボルトによるネジ留
めに限らない。例えばブレージング、拡散接合、電子ビ
ーム溶接などの締結方法によっても良い。

【００７０】次に、本発明の別の実施形態として、特に
温度レスポンスに優れた静電吸着電極について説明する
と、まず、図１３は本発明の第４の実施形態で、電極ブ
ロック１に冷媒流路となるスリットを形成する代りに、
その下面に配管１７、１８をろう付した場合の静電吸着
電極Ｓ３を示したもので、次に図１４は本発明の第５の
実施形態で、配管１５、１６を電極ブロック１の下面に
半ば埋め込んでからろう付し、夫々に更に個別にヒータ
２０、２１を設けた場合の本発明の静電吸着電極Ｓ４を
示したものである。

【００７１】ここで、これら図１３と図１４において、
配管１７は内周側の冷媒流路を形成し、配管１８は外周
側の冷媒流路を形成している。ここで各配管１７、１８
としては４角形の管にしてあるが、任意の多角形断面形
状にしてもよく、勿論、通常の円形パイプでもよい。

【００７２】従って、まず図１３の静電吸着電極Ｓ３の
場合は、図１に示した静電吸着電極Ｓと略同じである
が、電極ブロック１が薄くできるので、温度レスポンス
に優れている。

【００７３】また、図１４の静電吸着電極Ｓ４も、同じ
く温度レスポンスに優れているが、この場合は、熱伝達
抑制用スリット１３の内周側と外周側に夫々ヒータ２
０、２１が設けてあるので、これらによる温度を各電力
制御装置２２、２３で制御することにより、更に細かな
変化の温度分布を得ることができる。

【００７４】ここで、ー例として、各ヒータ２０、２１
に供給されている電力を３００Ｗとし、冷媒の流量を４
Ｌ／ｍｉｎで循環させて温度特性を測定した結果、１５
℃の温度差を持った中高型と外高型の温度分布が容易に
実現できた。

【００７５】これら図１３と図１４の静電吸着電極Ｓ
３、Ｓ４によれば、冷媒の圧力は配管１７、１８内に作
用するだけであり、電極ブロック１には直接圧力が掛か
ることがないので、電極ブロック１に変形が現れる虞れ
はない。このとき、配管１７、１８とヒータ２０、２１
は電極ブロック１内に鋳込まれるようにしても良い。

【００７６】ところで、以上は、電極ブロック１内に形
成してある熱伝達抑制用スリット１３が１条の場合の実
施形態について示したが、必要に応じて熱伝達抑制用ス
リット１３を複数条設けるようにしてもよく、これによ
れば、更に細かな変化パターンをもった温度分布の実現
にも容易に対応することができ、半導体ウエハを任意の
温度分布に制御することができる。

【００７７】ここで、上記した実施形態において、静電
吸着電極Ｓなどを所定の温度分布に制御するにあたった
ては、電極ブロック１内に複数個の温度センサを設ける
必要がある。この場合、前述したように、通常、半導体
ウエハの最外周部の温度は、半導体ウエハ面内で相対的
に高くなる傾向を示すから、温度センサとしては、半導
体ウエハの中心から外周部までの間に個別に少なくとも
３箇所、設けることにより、中高型、外高型など温度分
布をモニタしながら制御できる。

【００７８】

【発明の効果】本発明によれば、電極ブロックに熱伝導
を抑制するためのスリットと、このスリットを挟んだ内
外周で独立した温度制御機構を設けるようにしたので、
電極ブロックの面方向で独立した温度に制御することが
できるようになり、この結果、半導体ウエハの温度分布
パターン変化に容易に対応することができる。

【００７９】そして、この結果、種々の異なった温度分
布パターンによる変化に富んだ半導体ウエハの処理が得
られることになり、半導体ウエハの性能向上に大きく寄
与することができる。

【００８０】また、本発明によれば、熱媒流路が分割さ
れた部材からなり、且つ分割されたそれぞれの部材はネ
ジ、ブレージング、拡散接合、電子ビーム溶接により締
結されるようにしたので、熱媒の圧力による電極ブロッ
クの変形にも容易に対応することができる。

【００８１】このとき、本発明によれば、冷媒流路は円
形又は多角形の断面からなる配管によって形成すること
もできるので、汎用の部品を用いることができ、且つ電
極ブロックの熱容量も小さくなるので、熱レスポンスに
優れた静電吸着電極及びプラズマ処理装置を提供するこ
とがでる。

【００８２】従って、本発明によるプラズマ処理装置に
よれば、半導体ウエハの温度制御を任意に設定でき、且
つ均一なエッチングにも容易に対応できるので、半導体
素子の歩留まりが大きく向上でき、コストの低減を充分
に得ることができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明によるプラズマ処理装置の一実施形態を
示す説明図である。

【図２】本発明のプラズマ処理装置における静電吸着電
極の一実施形態を示す斜視図である。

【図３】本発明による静電吸着電極の他の一実施形態に
おけるスリットの配置状態を示す説明図である。

【図４】本発明による静電吸着電極の他の一実施形態に
おけるスリットの配置状態を示す説明図である。

【図５】静電吸着電極と半導体ウエハの間におけるＨｅ
ガスの圧力分布の一例を示す特性図である。

【図６】静電吸着電極による半導体ウエハの表面温度の
一例を示す特性図である。

【図７】本発明による静電吸着電極の一実施形態による
半導体ウエハの表面温度の一例を従来技術と比較して示
した特性図である。

【図８】本発明による静電吸着電極の一実施形態による
誘電体膜の表面温度の一例を従来技術と比較して示した
特性図である。

【図９】本発明による静電吸着電極の第２の実施形態を
示す断面図である。

【図１０】本発明による静電吸着電極の第３の実施形態
を示す断面図である。

【図１１】本発明による静電吸着電極の電極ブロックに
現れる変形の一例を示す説明図である。

【図１２】本発明による静電吸着電極の電極ブロックに
現れる変形の他の一例を示す説明図である。

【図１３】本発明による静電吸着電極の第４の実施形態
を示す断面図である。

【図１４】本発明による静電吸着電極の第５の実施形態
を示す断面図である。

【符号の説明】

Ｓ Ｓ１〜Ｓ４ 静電吸着電極 Ｗ 半導体ウエハ １ 電極ブロック(保持ステージ) ２ ガイド部材 ３ ベース部材 ４ 誘電体膜 ５ 電極カバー ６ ボルト ７ ガス導入孔(伝熱用のＨｅガスの導入用) １１、１２ 流路用スリット １１Ａ、１２Ａ冷媒(又は熱媒)の導入部 １１Ｂ、１２Ｂ 冷媒(又は熱媒)の排出部 １３ 熱伝達抑制用スリット １４ 管路 １５ ヒータ １６ Ｏリング １７、１８ 配管 ２０、２１ ヒータ ２２、２３ 電力制御装置 ５１、５２、５３ 冷媒供給ユニット

【手続補正書】

【提出日】平成１４年３月１２日（２００２．３．１
２）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２２

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２２】そして、この実施形態に係る静電吸着電極
Ｓの場合は、後で図３と図４により説明するように、冷
媒又は温媒として働く流体(熱媒)の流路が設けられ、図
１に示すように、本発明の一実施形態に係るプラズマ処
理装置の中に設置されて使用されるものである。

【手続補正２】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００２３

【補正方法】変更

【補正内容】

【００２３】この静電吸着電極Ｓは、図２に示すよう
に、アルミニウム製の電極ブロック１(厚さ２５ｍｍ)
と、ステンレス製のガイド部材２(厚さ１０ｍｍ)、ベー
ス部材３(厚さ１０ｍｍ)、誘電体膜４、それにセラミッ
クス製の電極カバー５で構成され、例えば１２インチ
(直径３００ｍｍ)の半導体ウエハを対象とした場合、直
径が３２０ｍｍで、全体の厚さが約４５ｍｍになるよう
に作られている。

【手続補正３】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３０】ここで、これらの流路用スリット１１、１
２の配列形状としては、ここに示したスパイラル状に限
らない。例えば図４は、流路用スリット１１、１２を夫
々複数条の同心円状にした場合であり、この場合、冷媒
は相互に反対に向かって半円方向に分かれて流れる。

【手続補正４】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３１

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３１】次に、この実施形態によるプラズマ処理装
置の動作について説明すると、まず図１に示す処理室内
に静電吸着電極Ｓを取付け、半導体ウエハＷを載置して
塩素系やフッ素系のガスを導入し、マグネトロンで発生
させたマイクロ波を処理室内の雰囲気に照射し、プラズ
マを励起させ、ソレノイドコイルで発生させた磁界によ
りプラズマの分布と密度を制御する。

【手続補正５】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００３９

【補正方法】変更

【補正内容】

【００３９】図５は、このときの計算結果の一例で、こ
こに示すグラフは、Ｈｅガスの漏れ量から求めた半導体
ウエハ裏面の圧力分布を示す計算値であり、この図に示
すように、半導体ウエハの最外周のＨｅガスの圧力は、
プラズマ生成中のチャンバー内の圧力より高いので、半
導体ウエハの外周部で急激に低くなる。

【手続補正６】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００５４

【補正方法】変更

【補正内容】

【００５４】次に、本発明の他の実施形態について説明
すると、まず図９は、本発明の第２の実施形態で、電極
ブロック１内に熱伝達抑制用スリット１３を設ると共
に、内周側の冷媒流路となるスリット１１と、外周側の
冷媒通路となるスリット１２の間を管路１４で直列に連
結させ、この管路１４に電熱型のヒータ１５を設け、静
電吸着電極Ｓ１としたものである。

【手続補正７】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】００７０

【補正方法】変更

【補正内容】

【００７０】次に、本発明の別の実施形態として、特に
温度レスポンスに優れた静電吸着電極について説明する
と、まず、図１３は本発明の第４の実施形態で、電極ブ
ロック１に冷媒流路となるスリットを形成する代りに、
その下面に配管１７、１８をろう付した場合の静電吸着
電極Ｓ３を示したもので、次に図１４は本発明の第５の
実施形態で、配管１７、１８を電極ブロック１の下面に
半ば埋め込んでからろう付し、夫々に更に個別にヒータ
２０、２１を設けた場合の本発明の静電吸着電極Ｓ４を
示したものである。

【手続補正書】

【提出日】平成１５年２月１９日（２００３．２．１
９）

【手続補正１】

【補正対象書類名】明細書

【補正対象項目名】特許請求の範囲

【補正方法】変更

【補正内容】

【特許請求の範囲】

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 有働 竜二郎 茨城県土浦市神立町502番地 株式会社日 立製作所機械研究所内 (72)発明者 田村 直行 山口県下松市東豊井794番地 株式会社日 立ハイテクノロジーズ設計・製造統括本部 笠戸事業所内 (72)発明者 角谷 ▲匡▼規 山口県下松市東豊井794番地 株式会社日 立ハイテクノロジーズ設計・製造統括本部 笠戸事業所内 (72)発明者 吉開 元彦 山口県下松市東豊井794番地 株式会社日 立ハイテクノロジーズ設計・製造統括本部 笠戸事業所内 Ｆターム(参考） 4K030 CA04 CA12 DA04 FA02 GA02 JA10 KA23 KA26 KA41 5F004 AA01 AA14 BA11 BB22 BB25 CA04 CA09 5F031 CA02 HA02 HA16 HA18 HA37 HA40 JA46 MA28 MA32

Claims (16)

【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 電極ブロックの温度を制御し、半導体ウ
   エハの温度を制御する方式の保持ステージを備えたプラ
   ズマ処理装置において、 前記電極ブロックに、内側と外側で独立した温度制御手
   段を設けると共に、これら温度制御手段の間に熱伝達抑
   制用のスリットが設けられていることを特徴とするプラ
   ズマ処理装置。
2. 【請求項２】 請求項１記載の発明において、 前記熱伝達抑制用のスリットがほぼ同心円状に形成され
   ていることを特徴とするプラズマ処理装置。
3. 【請求項３】 請求項１又は請求項２に記載の発明にお
   いて、 前記内側と外側で独立した温度制御手段が、 前記電極ブロックの中で当該電極ブロックの内側と外側
   で独立して設けられている第１と第２の流路と、 これら第１と第２の流路に、温度と流量の少なくとも一
   方が制御された熱媒を独立して供給する第１と第２の熱
   媒供給手段で構成されていることを特徴とするプラズマ
   処理装置。
4. 【請求項４】 請求項１又は請求項２に記載の発明にお
   いて、 前記内側と外側で独立した温度制御手段が、 前記電極ブロックの中で当該電極ブロックの内側と外側
   で独立して設けられている第１と第２の流路と、 これら第１と第２の流路に、温度と流量の少なくとも一
   方が制御された熱媒を共通に供給する熱媒供給手段と、 前記第１と第２の流路を連結した管路に設けた温度調整
   手段で構成されていることを特徴とするプラズマ処理装
   置。
5. 【請求項５】 請求項４に記載の発明において、 前記温度調整手段がヒータで構成されていることを特徴
   としたプラズマ処理装置。
6. 【請求項６】 請求項１又は請求項２に記載の発明にお
   いて、 前記電極ブロックの裏面にヒータが設けられていること
   を特徴とするプラズマ処理装置。
7. 【請求項７】 請求項１又は請求項２に記載の発明にお
   いて、 前記電極ブロック内にヒータが作り込まれていることを
   特徴とするプラズマ処理装置。
8. 【請求項８】 請求項１又は請求項２に記載の発明にお
   いて、 前記電極ブロックは、その表面に誘電体膜を備え、当該
   誘電体膜内にヒータが作り込まれていることを特徴とし
   たプラズマ処理装置。
9. 【請求項９】 請求項８記載の発明において、 前記ヒータは、静電吸着電極の電極として兼用されてい
   ることを特徴とするプラズマ処理装置。
10. 【請求項１０】 請求項３〜請求項９に記載の発明にお
    いて、 前記電極ブロックは、 前記熱媒の流路が形成された一方の部材と、前記電極ブ
    ロックの剛性を保証するための他方の部材からなり、 これら部材を一体に締結して構成されていることを特徴
    としたプラズマ処理装置。
11. 【請求項１１】 請求項１０に記載の発明において、 前記一方の部材と他方の部材を締結する手段は、ネジ止
    め、ブレージング、拡散接合、それに電子ビーム溶接の
    何れかであることを特徴とするプラズマ処理装置。
12. 【請求項１２】 請求項１０に記載の発明において、 前記剛性を保証するための他方の部材は、前記電極ブロ
    ックより熱伝導率が低い材料で作られていることを特徴
    とするプラズマ処理装置。
13. 【請求項１３】 請求項３又は請求項４に記載の発明に
    おいて、 前記第１と第２の流路が、前記電極ブロックに取付けた
    円形断面又は多角形断面の配管で形成されていることを
    特徴ととするプラズマ処理装置。
14. 【請求項１４】 請求項１３に記載の発明において、 前記配管が前記電極ブロック内に作り込まれていること
    を特徴とするプラズマ処理装置。
15. 【請求項１５】 請求項１又は請求項３に記載の発明に
    おいて、 前記電極ブロックが少なくとも３個の温度センサを備
    え、これら温度センサの情報に基づいて温度制御される
    ように構成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
16. 【請求項１６】 請求項１請求項〜請求項１５に記載の
    発明において、 前記電極ブロックは、その表面に誘電体膜を備え、当該
    誘電体膜と前記半導体ウエハの間に熱伝導用のガスが導
    入される静電吸着電極として構成されていることを特徴
    とするプラズマ処理装置。