JP2017216370A - ドライエッチング装置 - Google Patents

Abstract

【課題】 装置内に冷却媒体が漏洩することを防止し、被加工物の冷却および加工を好適に行うドライエッチング装置を提供する。特に、熱伝導性が高くかつ伸縮性のある隔離部材により被加工物を冷却する冷却媒体を封止し、被加工物の均一な冷却と冷却媒体の漏洩の防止を両立する。従来のドライエッチング装置では、被加工物を均一に冷却するために、ヘリウムを直接ウエハの裏面に接触させる構造となっており、被加工物の支持体への接触面が平坦では無い場合や、被加工物や支持体との接触面に異物が存在する場合には、チャンバ内へヘリウムが漏洩し、チャンバ壁面の付着物が被加工物表面に付着し、加工形状に影響を与えるという様な問題が生じることが有る。【解決手段】 被加工物の支持体に注入した冷却媒体がチャンバ内に漏洩しない様に、熱伝導性が高く、かつ伸縮性のある隔離部材を被加工物支持体表面に有する構造とする。【選択図】 図１

Description

本発明は、ドライエッチング装置に関する。

ガラスやシリコンからなるウエハ表面等に微細な加工を施す方法として、以前からドライエッチング法が用いられている。ドライエッチングは、チャンバ内に反応性のガスを流しながらプラズマを発生させ、被加工物とガスを化学的に反応させる。これと同時に、被加工物表面の原子や分子にイオンを衝突させ、表面の物質を物理的に叩き出すことで溝などを形成し、被加工物に加工を行う。

ドライエッチングに用いられるエッチング用のガスは、被加工物の材質により異なるが、例えば、四フッ化炭素、三塩化ホウ素、四塩化炭素、六フッ化硫黄、三フッ化メタン、塩素などが用いられている。

ドライエッチングによって被加工物が高温に晒されるため、被加工物の冷却は不可欠である。また、被加工物の温度ムラは、加工形状のムラに繋がるため、被加工物の表面温度を均一に制御する必要があり、その均一性は加工精度に影響を与える重要なパラメータである。

被加工物の表面温度を均一にする方法として、特許文献１に、冷媒としてヘリウムガスを被加工物の裏面に直接接触させる方法が記載されている。ヘリウムガスは、ガスの中でも熱伝導性が良く、また反応性は低い。さらに、ヘリウムガスがチャンバ内に漏洩した場合においても、チャンバ外へ排出することが比較的容易である、という利点がある。

特許第３４０１５０８号公報

特許文献１に記載される装置は、被加工物の裏面と保持する支持体の表面とを密着させることでヘリウムガスを密閉する構造である。支持体の表面にはガスが流れる溝が存在し、冷却されたガスが直接接触することで被加工物が冷却される。

しかし、被加工物の裏面と支持体の表面との高い密着性が必要であり、この密着が不十分であると隙間からヘリウムガスが漏出してしまう。

従来は、被加工物としてシリコン、石英などの平坦性の高い基板が用いられていた。このため、高い密着性が比較的容易に実現でき、密閉した状態で冷却ガスを供給することができていた。

しかし、マイクロ流路デバイスなどが被加工物であると、支持体に接触する面が平坦では無い場合がある。また、被加工物や支持体との接触面に異物が存在した場合にも、ヘリウムガスは十分に密閉できず、チャンバ内へ漏洩することになる。

一般に、ヘリウムガスは不活性ガスとして知られている。しかし、本発明者らの検討によると、ヘリウムがチャンバ内に漏洩した場合、エッチング加工に大きな影響を与える可能性が高いことが見出された。

具体的には、三フッ化メタンをエッチングガスとして用いて、酸化ケイ素をドライエッチング加工した場合、ヘリウムの漏洩によりチャンバ壁面の付着物が再び飛散して被加工物表面に再付着するという現象が確認された。すなわち、チャンバ内の冷媒ガスの漏洩がドライエッチングの加工形状に影響を与えるという新たな課題が見出された。

そこで、本発明は上述の課題に鑑み、被加工物を冷却する際のチャンバ内の冷却媒体のチャンバ内の漏出を防ぎつつ、精度の良いエッチング加工が可能なエッチング装置を提供することを目的とする。

本発明は、上記課題を解決するために為されたものであり、
チャンバ内に被加工物を支持するための支持部を有し、該支持部が被加工物を冷却可能に構成されているドライエッチング装置であって、
該支持部が、前記被加工物と対向する支持面に冷却媒体の流路を有しており、
該支持面と、前記被加工物との間を隔離する伸縮性および熱伝導性を有する隔離部材が配置されており、
該隔離部材が、前記支持面、前記被加工物、および前記流路を流れる冷却媒体と、
それぞれ直接接触することを特徴とする。

本発明によれば、冷却媒体がチャンバ内に漏洩することで発生する飛散物の試料表面への再付着を抑え、精度の良いエッチング加工を実現するドライエッチング装置を提供することができる。

第１の実施形態のドライエッチング装置を説明するための模式図 第１の実施形態を説明するための模式図 第１の実施形態における電極表面に形成された溝を説明するための模式図 第２の実施形態を説明するための模式図 第３の実施形態を説明するための模式図 第４の実施形態を説明するための模式図 第４の実施形態で用いるウエハを搬送するアームを説明するための模式図 第４の実施形態で用いる凹みが形成されたリングを説明するための模式図

本発明は、チャンバ内に被加工物を支持するための支持部を有し、該支持部が被加工物を冷却可能に構成されているドライエッチング装置であって、
該支持部が、前記被加工物と対向する支持面に冷却媒体の流路を有しており、
該支持面と、前記被加工物との間を隔離する伸縮性および熱伝導性を有する隔離部材が配置されており、
該隔離部材が、前記支持面、前記被加工物、および前記流路を流れる冷却媒体と、
それぞれ直接接触することを特徴とするものである。

冷却媒体は、液体または気体であれば良いが、冷却液体の場合は水、冷却ガスの場合は希ガスを用いると良い。特に冷却ガスとして伝導性の高いヘリウムを用いることが好ましい。

隔離部材が、支持面を覆うように配置され、且つヘリウム透過度が１５００ｃｃ／ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ（２０℃）以下の隔離膜であると良い。

ガス透過性は、ガス透過度、またはガス透過係数として評価できる。ガス透過度は、隔離部材を透過する冷却ガスの、定常状態における単位面積、単位時間、及び試料両面間の単位分圧差当りの透過量として定義され、ガス透過係数Ｐは、ガス透過度と試料の厚さの積であり、物質固有の物性値である。ガス透過性の求め方は、ＪＩＳ Ｋ ６２７５−１に記載されている。

ヘリウムガスの透過度が低い材料としては、ケイ酸、シリコンナイトライド、シリコンオキシナイトライド、酸化アルミニウム、ダイヤモンドライクカーボンのいずれかを主とする無機材料や、ガス透過度が２０ｃｃ／ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ（２０℃）の性能を持つ２軸延伸ポリプロピレン性のアルミラミネート材料、芳香族系高分子、複合蒸着フィルムなどがある。

複合蒸着フィルムは、例えば、高分子フィルム基材の厚みが１〜１００μｍ、蒸着膜の厚みが１０〜１００ｎｍ、蒸着膜に接するＰＶＤＣ塗膜層の厚み０．５〜１０μｍのような多層構成の膜を形成してもよい。

特に、アルミニウム蒸着膜を有する蒸着フィルムを用いると、ヘリウム透過度を著しく小さくすることができる。

隔離部材が、黒鉛、カーボンナノチューブ、銅、アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素ナノチューブから選択される少なくとも１種の成分を熱伝導性材料として含有することが好ましい。

すなわち、ヘリウムガスによる被加工物の冷却効率を高めるべく高い熱伝導性を有し、且つヘリウムガスのチャンバ内への漏出を抑制する隔離部材を配置することで、好適なエッチング加工を実現できる。

また、被加工物を支持部から取り外す手段を有すると良く、取り外す手段は、被加工物と隔離部材とを引き剥がす手段を有すると良い。

また、引き剥がす手段としては、流路内の冷却ガスの圧力を、隔離部材の冷却ガスと接する面と対向する面にかかる圧力よりも高くする手段、または隔離部材が支持面から離れるように支持面側から押し上げる手段であることが好ましい。

あるいは、引き剥がす手段が、被加工物と隔離部材とが離れるように隔離部材の被加工物と接していない部分を押し下げる手段であると良い。

上記したいずれの手段も、隔離部材の伸縮性を利用して、被加工物と隔離部材の引き剥がしを促進するものであり、簡便な手段で被加工物を取り外しすることができるようになる。

また、引き剥がす手段が、被加工物と隔離物との間に挿入される搬送手段を有し、搬送手段が、被加工物を支持部から別の場所に移動させるものであると良い。

本発明の実施の形態について、図面を用いて以下に詳細に述べる。

図１は、本形態のドライエッチング装置を模式的に示す図である。

真空排気が可能なチャンバ（エッチングチャンバ）１１０を備え、該チャンバの内側に、電極１２０と電極１３０が固定されている。

エッチングチャンバ１１０は、エッチングガス耐性のある材料から構成されており、ガラスやセラミックスであれば多くのガスに対する耐性が得られる。

あるいは、エッチングチャンバ１１０が複数の部品から構成されてもよい。この場合、エッチングガスの影響を受けやすい部分にのみエッチング耐性の高い材料を配置するなどの構成が挙げられる。

さらに、チャンバ内壁面をエッチング耐性の高い材料でコーティングすることも好ましい。また、エッチングチャンバ１１０の内壁面を覆う様に、エッチング耐性の高い材料からなるシールド状の部材などを配置し、エッチングチャンバ１１０の内壁面がプラズマに晒されない様にしても良い。

電極１２０と電極１３０の間には、所望の周波数の電圧を印加できるように、不図示の電圧制御手段、および電源にそれぞれ接続されている。

図１では、電極１２０はチャンバ上部に、電極１３０はチャンバ下部に取り付けてあるが、必ずしもこの位置関係でなくても良く、エッチングチャンバ１１０内に対向して配置されていれば良い。

電極１３０は、被加工物の支持体として機能し、また被加工物を冷却するための冷却媒体が流れる構造を有している。さらに、冷却媒体が注入される注入口１４０とその排出口１５０を有し、冷却媒体が電極１３０の表面に設けられた溝を流れるように、注入口１４０と排出口１５０と溝とが連通するように構成されている。

被加工物を均一に冷却するために、注入口１４０より注入された冷媒が、所定間隔で設けられた複数の穴から電極１３０の表面へ送られる形状が好ましい。電極１３０の表面で被加工物の冷却に供された冷媒は、その後、排出口１５０より電極１３０外へ排出される。

排出された冷媒は、熱交換器により再度冷却され、再び注入口１４０へ送られる構造である。

図１においては、注入口１４０は電極１３０の中心部に形成され、排出口１５０は、外周部に形成されているが、これはこの位置に限るものではなく、例えば、外周部に注入口１４０を形成し、中心部に排出口１５０を形成しても良い。

また、排出口１５０は１つでも構わないし、複数でも構わない。

電極１５０の表面は、熱伝導性が高くかつ伸縮性に富んだ隔離部材１６０で全体的に覆われている。

隔離部材１６０は、チャンバ内への冷却媒体の漏出を防ぐために、冷却媒体の透過度が低いものを選択する必要がある。また、エッチングガスや冷却媒体に対して耐性が高く、かつ耐熱性が高いものがよい。さらに、一般的に使用されるヘリウムガスの熱伝導率以上の高い熱伝導率を有することが好ましい。

そのような部材として、黒鉛シート、六方晶窒化ホウ素と芳香族ポリイミドからなるシート、アクリル系ゴム、エチレンプロピレン系ゴム、熱伝導性フィラーからなるシート、シリコン樹脂と熱伝導性フィラーからなるシートなどが挙げられる。

中でも、黒鉛シートは、高い耐熱性と高い熱伝導率をともに有しているのでより好ましい。

また、隔離部材１６０は、異なる材料からなる部材を複数重ねた構造としても良い。

冷却媒体には、電極１３０内を流れ、電極１３０や隔離部材１６０を腐食させないものであれば使用可能である。一般的には水や希ガスが用いられる。希ガスはチャンバ内に漏洩した場合でも、短時間で復旧させることが可能であるので好ましく、特にヘリウムは、熱伝導性が高くより好ましい。

隔離部材１６０は、リング１７１によりその外周部を押さえられ、冷却媒体がエッチングチャンバ１１０内に漏洩することを防ぐ。また、リング１７１はネジ１７２により固定される。ネジは少なくとも２本を要し、冷却媒体の漏洩を防止するためには３本以上を使用してリング１７１を固定することが好ましい。

ガラスウエハやシリコンウエハ等の被加工物を電極１３０表面に固定するために、チャック１８１で被加工物の端部を押さえる。チャック１８１はロッド１８２に固定され、ロッド１８２を駆動させることによりチャック１８１を上下動させる。

リング１７１、ネジ１７２、チャック１８１は、いずれもプラズマに晒されることから、エッチングガス耐性の高い材料からなることが求められる。具体的には、セラミックスの成型品かあるいは、セラミックスコーティングされたものが好ましい。

以下に、本発明をより詳細に示すべく、各実施形態例を示す。

（実施形態１）
図２は本実施形態１を説明する模式図であり、セラミックスからなる円筒チャンバ２１１と、その上部を塞ぐステンレス製で円盤形状の上蓋２１２を有するドライエッチング装置である。

円筒チャンバ２１１は、ステンレスからなる円筒チャンバ２１３の上に重ねて配される。すなわち円筒チャンバ２１１、上蓋２１２および円筒チャンバ２１３によりエッチングチャンバ２１０が形成されている。円筒チャンバ２１３は底を有し、その底面の中心部に被加工物を支持することが可能な支持面を有する支持部電極２３１が絶縁部材２３２を介して固定されている。上蓋２１２の中心部に上側電極２２１が取り付けられ、該上側電極２２１の中心部には、エッチングガスをチャンバ内に導入するガス配管２２２が形成されている。

このガス配管２２２は上側電極２２１の端部に放射状に連通している。上側電極２２１は、プラズマを発生させるための高周波電源２２３が電気的に接続されている。支持部電極２３１の中心部には冷却媒体を支持部電極２３１の支持面に上表面に送るための注入口２４１が形成されている。冷却媒体にはヘリウムガスが用いられる。

図３に示す様に、電極２３１の上表面は放射状の溝２３５が形成され、この底部から電極２３１の上表面に冷却媒体が供給される。電極２３１の外周部にその上表面と電極２３１の下部とを連通する冷却媒体の排出口２５１が形成されている。電極２３１の上表面を覆う様に黒鉛シートからなる隔離部材２６１が配されている。隔離部材２６１と電極２３１の間は、Ｏリング２６２でシールされ、冷却媒体のチャンバ内への漏洩を防止するようにしてある。Ｏリング２６２の底部は、電極２３１に形成された溝２３３にはめ込まれている。溝２３３の外周部に８か所のネジ穴２３４が形成されている。セラミックスからなるリング２７１をネジ２７２で押さえ、隔離部材２６１と電極２３１との間の隙間を塞ぐ。

被加工物の端部を押さえて電極２３１に固定させるため、セラミックス製でリング形状のチャック２８１が電極２３１上部に配される。チャック２８１は４本のロッド２８２で支えられ、ロッド２８２を上下させることにより被加工物の固定と開放を行う様にしている。

円筒チャンバ２１３は、その側面でバルブ２９１を介して排気ポンプ２９２に接続されている。

隔離部材２６１表面に、被加工物を置き、チャック２８１で固定する。その後、排気ポンプでエッチングチャンバ２１０内を排気する。所望の圧力まで排気した後、エッチングガスをエッチングチャンバ内に供給し、チャンバ内の圧力を３．０Ｐａにする。次いで、冷却媒体を流し、電極２３１と隔離部材２６１の間を１０００Ｐａにし、隔離部材を被加工物の裏面に押し当てる。その後、上電極２２１に電圧を印加してプラズマを発生させ、エッチングを行う。エッチング終了後、冷却媒体の供給を止め、次いでチャック２８１を上昇させて被加工物を開放する。その後、冷却媒体を徐々に流して隔離部材２８１を凸形状にし、隔離部材２８１の外周部を被加工物から剥離した後、被加工物を電極２３１上から回収する。

（実施形態２）
図４に示す様に、本実施形態のエッチング装置で用いる被加工物支持体である電極３３１は、その中に被加工物を隔離部材３６１を介して突き上げる突き上げ機構３３５を有する。また、電極の外周部に冷却媒体の注入口３４１を有し、その中央部から、突き上げ機構３３５が入れられている空間を通じて電極３３１の外へ冷却媒体が排出される構造である点で、実施形態１と異なる。また、隔離部材３６１は、窒化ホウ素の粒子がバインダに分散された材料からなる窒化ホウ素シートである。その他の構造は、実施形態１と同様である。

（実施形態３）
図５に示す様に、本実施形態のエッチング装置で用いる被加工物支持体である電極４３１は、加工支持面外周部に円環状の窪み４３５を有する。エッチング加工後に、被加工物を回収する際には、窪み４３５に隔離部材４６１を押し下げ、隔離部材４６１と被加工物を部分的に引き剥がし、この部分から被加工物全体を持ち上げて回収する。その他の構造は実施形態１と同様である。

（実施形態４）
図６に示す様に、本実施形態は、円筒チャンバ５１３にゲートバルブ５１４を介してロードロック室５１５が接続され、ロードロック室５１５から電極５３１に被加工物を搬送するアーム５８３を有する。

図７に示す様に、アーム５８３には被加工物を載せて搬送し、かつ被加工物を開放可能な爪５８４を有する。また、図８に示す様に、隔離部材５６１を押さえるリング５７１の内周側３箇所には凹みが形成され、この部分に爪５８４が挿入される。被加工物を電極５３１に載せる際には、ロードロック室５１５から電極５３１上に被加工物を搬送し、爪５８４がリング５７１の凹み部に挿入された後に、爪５８４をリング外周方向に移動させて、被加工物をアーム５８３から開放し、隔離部材５６１上に載せる。

エッチング加工後に、被加工物を回収する際には、チャック５８１を上に上げた後、冷却媒体を注入して、隔離部材５６１を凸形状にし、被加工物の端面と隔離部材５６１を引き剥がすと共に、被加工物の底面をリング５７１の凹み部の高さ以上に持ち上げる。その後、アーム５８３の爪５８４を被加工物の下に挿入し、被加工物を３点で保持し、電極上方に引き上げる。さらに、アームは、被加工物をロードロック室に回収する。

その他の構造は、実施形態１と同様である。

安定的に精度の高いエッチング加工を実現するドライエッチング装置を提供することが可能となる。

１１０、２１０ エッチングチャンバ
１２０、２２１、５２１ 電極
１３０、２３１、３３１、４３１、５３１ 電極（被加工物支持体）
２１１、２１３、５１１、５１３ 円筒チャンバ
２１２、５１２ 蓋
２２２、５２２ ガス配管
２６２ Ｏリング
２３３、２３５、５３３ 溝
３３５ 突き上げ機構
１４０、２４１、３４１、５４１ 注入口
１５０、２５１、５５１ 排出口
１６０、２６１、３６１、４６１、５６１ 隔離部材
１７１、５７１ リング
１７２、２７２、５７２ ネジ
１８１、２８１、５８１ チャック
１８２、２８２ ロッド
２３２、５３２ 絶縁体
５８３、５８２ アーム
５８４ 爪
２９１、５１４、５９１ ゲートバルブ
２９２、５９２ 真空排気装置
２２３、５２３ 高周波電源
５１５ ロードロック室

Claims (10)

1. チャンバ内に被加工物を支持するための支持部を有し、該支持部が被加工物を冷却可能に構成されているドライエッチング装置であって、
   該支持部が、前記被加工物と対向する支持面に冷却媒体の流路を有しており、
   該支持面と、前記被加工物との間を隔離する伸縮性および熱伝導性を有する隔離部材が配置されており、
   該隔離部材が、前記支持面、前記被加工物、および前記流路を流れる前記冷却媒体と、
   それぞれ直接接触するように配置されていることを特徴とするドライエッチング装置。
2. 前記冷却媒体が、ヘリウムガスである請求項１に記載のドライエッチング装置。
3. 前記隔離部材が、前記支持面を覆うように配置され、ヘリウム透過度が１５００ｃｃ／ｍ２・２４ｈｒ・ａｔｍ（２０℃）以下の隔離膜である請求項１または２に記載のドライエッチング装置。
4. 前記隔離部材が、黒鉛、カーボンナノチューブ、銅、アルミニウム、窒化ホウ素、窒化アルミニウム、窒化ホウ素ナノチューブの中から選択される少なくとも１種の成分を含有することを特徴とする請求項１から３のいずれか１項に記載のドライエッチング装置。
5. 前記被加工物を前記支持部から取り外す手段を有する請求項１から４のいずれか１項に記載のドライエッチング装置。
6. 前記取り外す手段は、前記被加工物と前記隔離部材とを引き剥がす手段を有することを特徴とする請求項５に記載のドライエッチング装置。
7. 前記引き剥がす手段は、前記流路内の前記冷却ガスの圧力を、前記隔離部材の前記冷却ガスと接する面と対向する面にかかる圧力よりも高くする手段であることを特徴とする請求項６に記載のエッチング装置。
8. 前記引き剥がす手段が、前記隔離部材が前記支持面から離れるように該支持面側から押し上げる手段である請求項６に記載のドライエッチング装置。
9. 前記引き剥がす手段が、前記被加工物と前記隔離部材とが離れるように前記隔離部材の前記被加工物と接していない部分を押し下げる手段である請求項４に記載のドライエッチング装置。
10. 前記引き剥がす手段が、前記被加工物と前記隔離物との間に挿入される搬送手段を有し、該搬送手段が、被加工物を前記支持部から別の場所に移動させることを特徴とする請求項６から９のいずれか１項に記載のドライエッチング装置。

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