JP2580791B2

JP2580791B2 - 真空処理装置

Info

Publication number: JP2580791B2
Application number: JP1249149A
Authority: JP
Inventors: 豊掛樋; 則男仲里; 喜正福島; 幸哉平塚; 史雄柴田; 則明山本; 恒彦坪根
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1989-09-27
Filing date: 1989-09-27
Publication date: 1997-02-12
Anticipated expiration: 2012-02-12
Also published as: JPH02110925A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、真空処理装置に係り、特に基板の温度を制
御するのに好適な真空処理装置に関するものである。

〔従来の技術〕

試料を真空処理、例えば、プラズマ利用して処理（以
下、プラズマ処理と略）する装置、例えば、ドライエッ
チング装置の重要な用途の一つに半導体集積回路等の微
小固体素子の製造における微細パターンの形成がある。
この微細パターンの形成は、通常、試料である半導体基
板（以下、基板と略）の上に塗布したレジストと呼ばれ
る高分子材料に紫外線を露光，現像して描いたパターン
をマスクとしてドライエッチングにより基板に転写する
ことで行われている。

このような基板のドライエッチング時には、プラズマ
との化学反応熱やプラズマ中のイオンまたは電子などの
衝撃入射エネルギによりマスク及び基板が加熱される。
従って、十分な放熱が得られない場合、即ち、基板の温
度が良好に制御されない場合は、マスクが変形，変質し
正しいパターンが形成されなくなったり、ドライエッチ
ング後の基板からのマスクの除去が困難となってしまう
といった不都合を生じる。そこで、これら不都合を排除
するため、次のような技術が従来より種々慣用・提案さ
れている。以下、これら従来の技術について説明する。

従来技術の第１例としては、例えば、特開昭56−5385
3号公報に示されているように、高周波電源の出力が印
加される試料台を水冷し、該試料台上に被加工物質を誘
電体膜を介して載置し、試料台に直流電圧を印加するこ
とでプラズマを介して誘電体膜に電位差を与え、これに
より生じる静電吸着力によって被加工物質を試料台に吸
着させ、被加工物質と試料台との間の熱抵抗を減少させ
て被加工物質を効果的に冷却するものがある。

従来技術の第２例としては、例えば、特開昭57−1453
21号公報に示されているように、ウェーハの裏面より気
体ガスを吹き付けて、ウェーハ気体ガスにより直接冷却
するものがある。

従来技術の第３例としては、例えば、E.J.Egerton他,
Solid State Technology,Vol.25,No.8,P84〜87（1982−
８）に示されているように、水冷された試料台である電
極と該電極に載置され機械的クランプ手段で外周辺を電
極に押圧されて固定された基板との間に、圧力が6Torr
程度のＧHeを流通させて、電極と基板との間の熱抵抗を
減少させ、これにより基板を効果的に冷却するものがあ
る。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記これらの従来技術は、試料の効果
的な冷却、及び基板裏面に流すガスのプロセスに与える
影響等の点において、充分配慮されておらず、以下のよ
うな問題があった。

上記第１の従来技術では、上記のように行っても、ま
だ、被加工物質と試料台との間の接触部分は少なく、微
視的にみればわずかな隙間を有している。また、この隙
間には、プロセスガスが入り込み、このガスは、熱抵抗
となる。一般のドライエッチング装置では、通常0.1Tor
r程度のプロセスガス圧によって被加工物質をエッチン
グ処理しており、被加工物質と誘電体膜との間の隙間は
プロセスガスの平均自由行路長より小さくなるため、静
電吸着力による隙間の減少は、熱抵抗の点からはほとん
ど変わらず、接触面積が増加した分だけ効果が上がるこ
とになる。したがって、被加工物質と試料台との間の熱
抵抗を減少させ被加工物質をより効果的に冷却するため
には、大きな静電吸着力を必要とする。このため、この
ような技術では、次のような問題があった。

（１）被加工物質が試料台から離脱しにくくなるため、
エッチング処理が終了した被加工物質の搬送に時間を要
したり、被加工物質をいためたりする。

（２）大きな静電吸着力を生じるためには、誘電体膜と
被加工物質との間に大きな電位差を与える必要がある
が、しかし、この電位差が大きくなれば、被加工物質、
すなわち、基板内の素子に対するダメージが大きくなる
ため、歩留まりが悪くなり、集積回路の集積度が高まる
につれて要求が高まっている薄いゲート膜の微細加工で
は、更に歩留まりが悪くなる。

上記第２の従来技術では、ヘリウムガス（以下、ＧHe
と略）のように熱伝導性の優れた気体ガスを用いること
で、ウェーハの冷却効率を向上させることができる。し
かしながら、このような技術では、次のような問題があ
った。

（１）気体ガスがウェーハの冷却面側にとどまらずエッ
チング室内に多量に流れ込むため、ＧHeのように不活性
ガスでもプロセスに与える影響は大きく、したがって、
すべてのプロセスに使用することができない。

上記第３の従来技術では、基板の外周辺をクランプに
よって固定しても、ＧHeの真空処理室内への流出は避け
られず、したがって上記した第２の従来技術での問題点
と同様の問題を有し、更に次のような問題をも有してい
る。

（１）機械的クランプ手段により基板の外周辺を押圧し
て、基板を電極に固定するため、基板は、流通するＧHe
のガス圧により周辺支持状態で中高で凸状に変形する。
このため、基板の裏面と電極との間の隙間量が大きくな
り、これに伴って基板と電極との熱伝導特性が悪化す
る。このため、基板の冷却を充分効果的に行うことがで
きない。

（２）電極に基板の外周辺を押圧して固定する機械的ク
ランプ手段が設けられているため、基板内の素子製作面
積が減少すると共に、プラズマの均一性が阻害され、ま
た、機械的クランプ手段の動作時に、機械的クランプ手
段に付着した反応生成物が機械的クランプ手段から脱落
して、塵埃の発生する危険性があり、更に、基板搬送が
極めて複雑となり、その結果、装置が大型化すると共に
信頼性が低下する。

本発明の目的は、プラズマを用いた処理装置におい
て、静電吸着用に設けた電気絶縁材の性能劣化を防ぎ、
半導体基板の温度を効果的に制御しながらプラズマ処理
を行うことのできる真空処理装置を提供することにあ
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明の特徴は、内部に処理ガスが供給されると共に
減圧排気される真空容器と、前記真空容器内にプラズマを発生させる手段と、前記真空容器内に設けられ、試料載置表面に前記プラ
ズマにより真空処理されるオリエンテーションフラット
を有する試料が載置される試料台とを備えた真空処理装
置において、前記試料の少なくとも外周辺と該外周辺よりも試料中
心方向に離間した位置とを前記試料台に静電吸着保持さ
せる手段と、前記試料台に設けられたガス供給路を介して前記試料
の裏面と前記試料台との間に伝熱ガスを供給する手段
と、前記試料台に設けられ、前記オリエンテーションフラ
ットを有する試料の外形に対応して前記試料が配置され
る面を除く該試料台の前記試料載置表面を覆うカバー、
とを具備したことを特徴とする真空処理装置にある。

〔作用〕

真空処理室内で真空処理される試料を試料台に吸着手
段で吸着保持させると共に、吸着保持された試料の裏面
と試料台との間隙に伝熱ガスをガス供給手段で供給する
ことにより、伝熱ガスのガス圧による試料の変形を防止
して吸着保持された試料の裏面と試料台との間の隙間量
の増大が抑制され、真空処理される試料の温度を効果的
に制御できると共に、伝熱ガスの真空処理室内への流出
が抑制され、プロセスに与える伝熱ガスの影響を少なく
できる。

本発明によれば、半導体基板のオリエンテーションフ
ラットに合わせて半導体基板が配置される面を除く試料
台面をカバーで覆うことにより、プラズマによるダメー
ジを防ぐことができる。これにより、静電吸着用に設け
た電気絶縁材の性能を悪くすることがないので、半導体
基板の温度を効果的に制御しながらプラズマ処理するこ
とができる。

〔実施例〕

試料を真空処理、例えば、プラズマ処理する装置とし
ては、ドライエッチング装置，プラズマCVD装置，スパ
ッタ装置等があるが、ここでは、ドライエッチング装置
を例にとり本発明の実施例を説明する。

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第３図により
説明する。

第１図にドライエッチング装置の概略構成を示す、真
空処理室10の、この場合、低壁には、絶縁体11を介して
試料台である下部電極20が電気絶縁されて気密に設けら
れている。真空処理室10には、放電空間30を有し下部電
極20と上下方向に対向して上部電極40が内説されてい
る。

試料である基板50の裏面に対応する下部電極20の表面
には、この場合、基板50の裏面の周辺側に対応して絶縁
物60が埋設されている。絶縁物60の内側の下部電極20に
は、伝熱ガスの供給路を形成する溝21が形成されてい
る。溝21は基板50が載置されていない場合、放電空間30
と連通する。また、絶縁物60には、溝21につながるガス
分散用の溝（図示省略）が形成されている。下部電極20
には、溝21と連通してガス供給路23aとガス排出路23bと
が形成されている。また、下部電極20内には、冷媒流路
22が形成されている。下部電極20には、冷媒流路22と連
通して冷媒供給路24aと冷媒排出路24bとが形成されてい
る。

ガス供給路23aには、ガス源（図示省略）に連結され
た導管70aが連通され、ガス排出路23bには、導管70bの
一端が連通されている。導管70aには、マスフローコン
トローラ（以下、MFCと略）71が設けられ、導管70bには
調整バルブ72が設けられている。導管70bの他端は、真
空処理室10と真空ポンプ80とを連結する排気用の導管12
に合流連結されている。冷媒供給路24aには、冷媒源
（図示省略）に連結された導管90aが連結され、冷媒排
出路24bには、冷媒排出用の導管90bが連結されている。

下部電極20には、マッチングボックス100を介して高
周波電源101が接続されると共に、高周波遮断回路102を
介して直流電源103が接続されている。なお、真空処理
室10,高周波電源101および直流電源103はそれぞれ接地
されている。

また、上部電極40には、放電空間30に開口する処理ガ
ス放出孔（図示省略）と該処理ガス放出孔に連通する処
理ガス流路（図示省略）とが形成されている。処理ガス
流路には、処理ガス供給装置（図示省略）に連結された
導管（図示省略）が連結されている。

次に、第１図の下部電極20の詳細構造例を第２図，第
３図により説明する。

第２図、第３図で、第１図に示したガス供給路23a
は、この場合、導管25aで形成され、導管25aは、この場
合、下部電極20の基板載置位置中心を軸心として上下動
可能に設けられている。導管25aの外側には、第１図に
示したガス排出路23bを形成して導管25bが配設されてい
る。導管25bの外側には、第１図に示した冷媒供給路24a
を形成して導管25cが配設されている。導管25cの外側に
は、第１図に示した冷媒排出路24bを形成して導管25bが
配設されている。導管25bの上端は電極上板26につなが
り、導管25bの上端は電極上板26の下方の電極上板受27
につながっている。導管25bの上端部には、電極上板26
と電極上板受27と導管25bとで空室28が形成されてい
る。空室28には分割板29が冷媒流路22を形成して内説さ
れ、導管25cの上端は分割板29につながっている。

基板（図示省略）が載置される電極上板26の表面に
は、この場合、放射状の伝熱ガス分散用の溝21aと円周
状の伝熱ガス分散用の溝21bとが複数条形成されてい
る。伝熱ガス分散用の溝21a,21bは、導管25a,25bと連結
している。また、基板が載置される電極上板26の表面に
は、絶縁物60が設けられている。この場合は、絶縁膜が
コーティングされている。

なお、第２図，第３図で110は基板が載置されない部
分、すなわち、図に示すように基板のオリエンテーショ
ンフラットに合わせ基板が配置される面を除く電極上板
26の表面を保護する電極カバーで、111は下部電極20の
電極上板26の表面以外を保護する絶縁カバー、112はシ
ールド板である。また、導管25aの上端には、電極上板2
6への基板の載置時並びに電極上板26からの基板の離脱
時に基板を裏面側から支持するピン113が、この場合、1
20度間隔で３本配設されている。

また、溝21a,21bの深さは、基板吸着時の基板の裏面
と溝21a,21bの底面との間の隙間（以下、溝部隙間と
略）が伝熱ガスの平均自由行路長以上になれば、伝熱ガ
スの伝熱効果が低下するようになるため、該溝部隙間
が、好ましくは、伝熱ガスの平均自由行路長以下となる
ように溝21a,21bの深さを選定するのが良い。

また、基板の裏面で絶縁膜に静電吸着される部分（以
下、吸着部と略）の面積は、伝熱ガスのガス圧と真空処
理室10の圧力との差圧による基板の下部電極20からの浮
上りを防止するために、伝熱ガスのガス圧と真空処理室
10の圧力との差圧により決まる必要静電吸着力により選
定する。例えば、伝熱ガスの圧力が1Torrで真空処理室1
0の圧力が0.1Torrの場合、基板の下部電極20からの浮上
りを防止するための必要静電吸着力は約1.3g/cm²であ
り、従って、これにより吸着部の面積は、基板の裏面面
積の約1/5に選定される。

上記のように構成された第１図ないし第３図のドライ
エッチング装置で、基板50は、公知の搬送装置（図示省
略）により真空処理室10に搬入された後に、その裏面外
周辺部を絶縁物60と対応させて下部電極20に載置され
る。下部電極20への基板50の載置完了後、処理ガス供給
装置から導管を経てガス流通路に供給された処理ガス
は、がす流通路を流通した後に上部電極40のガス放出孔
より放電空間30に放出される。真空処理室10内の圧力調
整後、下部電極20には高周波電源101より高周波電力が
印加され、下部電極20と上部電極40との間にグロー放電
が生じる。このグロー放電により放電空間30にある処理
ガスはプラズマ化され、このプラズマにより基板50のエ
ッチング処理が開始される。また、これと共に下部電極
20には、直流電源103より直流電圧が印加される。基板5
0のプラズマによるエッチング処理の開始により、この
プラズマ処理プロセスによって生じるセルフバイアス電
圧と直流電源103によって下部電極20に印加される直流
電圧とにより、基板50は下部電極20に静電吸着されて固
定される。その後、溝21a,21bには、ガス源よりMFC71及
びガス供給路23aを順次介して伝熱ガス、例えば、ＧHe
が供給される。このとき、ＧHeは、MFC71と調整バルブ7
2との操作によりガス量を制御されて供給され、、場合
によっては、基板裏面の空間にＧHeを封じ込めた使用も
可能である。これにより、冷媒流路22を流通する冷媒、
例えば、水や低温液化ガス等で冷却されている下部電極
20と基板50との熱抵抗は減少させられ、基板50は効果的
に冷却される。その後、エッチングの終了に近づくと、
溝21a,21bへのＧHeの供給は停止され、エッチングの終
了に伴って、放電空間30への処理ガスの供給と、下部電
極20への直流電圧および高周波電力の印加が停止され
る。その後、引続き基板50に生じている静電吸着力は解
除、この場合、電気的に接地されたピン113が基板50に
当接することによって静電気の除去が行われ、ピン113
の動作により基板50は下部電極20条より除去される。そ
の後、基板50は、公知の搬送装置により真空処理室10外
へ搬出される。また、静電気の除去については、直流電
圧の印加を停止した後に、高周波電力の印加を停止する
ことによっても行うことができる。

以上、本実施例によれば、次のような効果が得られ
る。

（１）基板の裏面の外周辺だけでなくその裏面の他の部
分も使用して基板を下部電極に固定できるため、伝熱ガ
スであるＧHeのガス圧による基板の変形を防止でき、下
部電極に固定された基板の裏面と下部電極との間の隙間
量の増大を抑制できる。従って、基板と下部電極との間
の熱伝導特性の悪化を防止でき、基板を効率的に冷却で
きる。

（２）少なくとも基板の裏面の外周辺を吸着しているの
で、伝熱ガスであるＧHeは吸着部で真空処理室内へ流出
を抑制させるため、ＧHeのプロセスに与える影響は少な
くなり、全てのプロセスに使用することができる。

（３）静電吸着によって基板と下部電極との接触面積を
増加させて熱抵抗を減少させる従来の技術と比較する
と、本実施例では、静電吸着力の大きさはＧHeの圧力と
真空処理室内の圧力との圧力差による基板の浮上りを防
止するのに必要な大きさで良く、ＧHeの圧力とプラズマ
の圧力との差圧を、基板の裏面と下部電極との間の熱抵
抗の許す範囲で小さくすることにより静電吸着力を小さ
くしても基板冷却の効果が十分得られる。

（４）静電吸着力が小さいため、基板の下部電力からの
離脱が容易となり、エッチング処理が終了した基板の搬
送時間が短縮できると共に、基板の損傷を防止できる。

（５）静電吸着力が小さくてよいため、基板に与えられ
る電位差は小さく基板内の素子に対するダメージを小さ
くできる。したがって、薄いゲート膜の微細加工でも歩
留まりを悪化させる心配がない。

（６）基板を機械的クランプ手段によらず静電吸着力に
よって下部電極に固定しているため、基板内の素子製作
面積の減少を防止できると共に、プラズマの均一性を良
好に保持できる。また、電気的に接地された試料押し上
げ手段によって試料の配置、除去を行うので、下部電極
への基板の載置時並びに下部電極からの基板の除去時に
塵埃が発生する危険性がなく、更に、基板搬送を容易化
でき、その結果、装置の大型化を抑制できると共に信頼
性を向上できる。

第４図では、本発明を実施したドライエッチング装置
の他の例を示すもので、真空処理室10の頂壁と上部電極
40には、真空処理室10外部と放電空間30とを連通して光
路120が形成されている。光路120の真空処理室10外部側
には、透光窓121が気密に設けられている。透光窓121と
対応する真空処理室10外部には、温度計測手段、例え
ば、赤外線温度計122が設けられている。赤外線温度計1
22の出力はアンプ123を介してプロセス制御用コンピュ
ータ124に入力され、プロセス制御用コンピュータ124に
より演算された指令信号がMFC71に入力されるようにな
っている。なお、その他、第１図と同一装置等は、同一
符号で示し説明を省略する。

本実施例によれば、更に次のような効果が得られる。

（１）基板の温度を計測しながらＧHeの供給量を調整、
すなわち、ＧHeを供給するMFCをプロセス制御コンピュ
ータと結合し、あらかじめ求めた基板の温度とＧHeの供
給量との間の関係からＧHeの供給量制御することにより
基板の温度を一定の温度に保持できる。このような制御
は、Al−Cu−Si材のドライエッチングの際に特に有効で
あり、ホトレジストがダメージを受けない範囲の高い温
度に制御して被エッチング材の残査を減少させることが
できる。

（２）プラズマの圧力が高い場合には、エッチング速度
が基板の温度上昇に伴って増加するプロセスもあり、こ
のような場合には、基板の温度があらかじめ設定した一
定温度を超えた場合に、ＧHeを流して冷却効果を上げホ
トレジストのダメージを防止しながらエッチング時間の
短縮を図ることができる。

以上説明した実施例では、基板の吸着に静電吸着力を
用いているが、プラズマガスの圧力が高いプロセスにお
いては真空吸着力を用いることも可能である。また、絶
縁物下面に正極と負極とを交互に並べて配置し静電吸着
力を基板に付与するようにしても良い。また、下地の材
料が露出し始めてから更にオーバーエッチングを行うよ
うな場合は、下地の材料が露出し始めた時点でＧHeの供
給を停止し下部電極に直流電圧を逆印加するようにす
る。このようにすれば、エッチング終了時点での基板に
残留する静電力を更に減少させることができるため、基
板搬出時に基板を損傷させることがなく、基板搬出に要
する時間を短縮することができる。但し、この場合は、
エッチング中の基板の温度をオーバーエッチング時の温
度上昇分だけ下げておくよう制御してやる必要がある。
また、伝熱ガスとしてＧHeの他に水素ガス，ネオンガス
等の熱伝導性の良いガスを用いても良い。

なお、本発明は、その他の冷却される基板台に配置保
持されて真空処理される試料の温度を制御するのに同様
の効果を有する。

〔発明の効果〕

本発明によれば、半導体基板のオリエンテーションフ
ラットに合わせ半導体基板が配置される面を除く試料台
面をカバーで覆うことにより、このプラズマによるダメ
ージを防ぐことができる。これにより、静電吸着用に設
けた電気絶縁材の性能を悪くすることがないので、半導
体基板の温度を効果的に制御しながらプラズマ処理する
ことができるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施したドライエッチング装置の一例
を示す構成図、第２図は第１図の下部電極の詳細平面
図、第３図は第２図のＡ−Ａ視断面図、第４図は本発明
を実施したドライエッチング装置の他の例を示す構成図
である。 10……真空処理室、20……下部電極、21,21a,21b……
溝、22……冷媒流路、50……基板

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者平塚幸哉茨城県土浦市神田町502番地株式会社日立製作所機械研究所内 (72)発明者柴田史雄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工場内 (72)発明者山本則明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工場内 (72)発明者坪根恒彦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工場内 (56)参考文献特開昭62−120931（ＪＰ，Ａ) 特開昭58−185773（ＪＰ，Ａ)

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内部に処理ガスが供給されると共に減圧排
気される真空容器と、前記真空容器内にプラズマを発生
させる手段と、前記真空容器内に設けられ、試料載置表面に前記プラズ
マにより真空処理されるオリエンテーションフラットを
有する試料が載置される試料台とを備えた真空処理装置
において、前記試料の少なくとも外周辺と該外周辺よりも試料中心
方向に離間した位置とを前記試料台に静電吸着保持させ
る手段と、前記試料台に設けられたガス供給路を介して前記試料の
裏面と前記試料台との間に伝熱ガスを供給する手段と、前記試料台に設けられ、前記オリエンテーションフラッ
トを有する試料の外形に対応して前記試料が配置される
面を除く該試料台の前記試料載置表面を覆うカバー、と
を具備したことを特徴とする真空処理装置。