JP2935537B2

JP2935537B2 - ウェーハのプラズマ処理装置

Info

Publication number: JP2935537B2
Application number: JP14270690A
Authority: JP
Inventors: 利規瀬川; 健一勝本
Original assignee: Kobe Steel Ltd
Current assignee: Kobe Steel Ltd
Priority date: 1990-05-30
Filing date: 1990-05-30
Publication date: 1999-08-16
Anticipated expiration: 2014-08-16
Also published as: JPH0434928A

Description

【発明の詳細な説明】〔産業上の利用分野〕本発明は、半導体製造用のエッチング装置やスパッタ
リング装置等のドライプロセスによるウェーハのプラズ
マ処理装置に関するものである。

〔従来の技術〕

近年、半導体製造用のエッチング装置やスパッタリン
グ装置等のウェーハのプラズマ処理装置においては、処
理に際するウェーハの温度制御が重要なパラメータとさ
れ、特に、温度依存性をもつ中性ラジカルやイオン励起
活性種等の反応速度の差に基づく反応選択性が得られ、
より垂直性の高いエッチングやスパッタリング等が行え
る低温に制御することが求められるようになってきた。

そして、このような低温下での処理を行うウェーハの
プラズマ処理装置では、冷却および加熱手段を備えた電
極にウェーハを密着させ、電極からの熱伝達によって、
処理に際するウェーハの昇温を抑えて低温に制御する方
法が採られている。

また、電極にウェーハを密着させる方法としては、静
電気力を利用する静電チャック方式と機械的手段による
メカニカルチャック方式の二手法があるが、静電チャッ
ク方式では、セラミックス系の静電チャックシートを用
いるため熱伝達の効率が低下することや、零℃以下の温
度で絶縁性が劣化すること等から、低温下での処理を行
うウェーハのプラズマ処理装置では、一般に、メカニカ
ルチャック方式が採用されている。

メカニカルチャック方式を採用した従来のウェーハの
プラズマ処理装置の例を、その概念説明図である第５図
ａに示す。同図に示す例のプラズマ処理装置では、その
内部を脱気可能とされた処理室（51）内に、ウェーハ押
え（52）を固定して配置する一方、ヒータ（54）および
冷却槽（55）を備える電極（53）を上下動可能に配置す
ることで、電極（53）上に載置したウェーハ（50）を、
ウェーハ押え（52）の爪部（52a）にて該電極（53）を
押し付けて密着させて拘持し、電極（53）からの熱伝達
によって、ウェーハ（50）の温度を制御する構成とされ
ている。

そして、これらのプラズマ処理装置では、処理室（5
1）内を中性ラジカルやイオン励起活性種等の希薄ガス
雰囲気下におくと共に、電極（53）に高周波電圧を印加
し、上方の接地電位の対向電極（57）からの高周波放電
によって生成されるプラズマビームをウェーハ（50）に
照射して、エッチングやスパッタリング等の処理が行わ
れる。

ところが、これらメカニカルチャック方式を採用した
プラズマ処理装置では、ウェーハの周縁部での処理速度
が変動して不安定になり、ウェーハの全面にわたって均
等かつ安定した処理を行い難いという問題点を内在して
いる。

これは、これらプラズマ処理装置では、ウェーハ押え
（52）が高周波電流の放電を防ぐために絶縁材で構成さ
れて特有のキャパシタンスを有することにより、その処
理速度を決定する一要因である電極（53）と対向電極
（57）の間の電界分布が、第４図中の矢印で示すよう
に、ウェーハ押え（52）の周辺部において乱れを生ず
る。

このため、ウェーハ押え（52）に接するウェーハ（5
0）の周縁部では、中心部と処理速度が異なり、また、
電界方向が傾き、イオン等の粒子の垂直照射ができず、
その周縁部と中心部とでエッチングやデポジションの処
理分布が均等になり難いため、その全面に同条件での処
理を施し難くなる。

そこで、この電界の乱れの影響を抑制するために、例
えば、第５図ａのＡ−Ａ断面図である第５図ｂに示すよ
うに、ウェーハ押え（52）の本体部からピン状とした複
数の爪部（52a）を内方に向けて突出させることで、ウ
ェーハ押え（52）本体部とウェーハ（50）の間の間隔を
大きくし、ウェーハ（50）に対する影響を抑制する構成
としたもの（実開昭56−78457号公報）や、その概要説
明図である第６図に示すように、ウェーハ移送用のサセ
プタ（64）上に静電チャックシート（65）を設けて、ウ
ェーハ（60）をサセプタ（64）上に拘持する一方、該サ
セプタ（64）を、押付体（62）によって電極（63）に押
し付けて、該電極（63）の一部とすることで、ウェーハ
（60）と押付体（62）の間の間隔を大きくし、ウェーハ
（60）に対する影響を抑制する静電チャック方式とメカ
ニカルチャック方式を複合した方法等が採られてきた。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかし、第５図ｂに示す構成では、ウェーハ押え（5
2）の爪部（52a）周辺での電界の乱れは避けられず、ま
た、低温下の処理を行う場合、プラズマビームの照射で
昇温したウェーハ押え（52）の熱が、爪部（52a）を介
してウェーハ（50）に伝達されるので、ウェーハ（50）
周縁部に不均一な温度分布を生じさせるだけでなく、冷
却されて低温なウェーハ（50）に接する爪部（52a）と
本体部との間に大きな温度差が生じるため、不均等な歪
みを起こしてウェーハ（50）を電極（53）に密着させる
本来の機能を失し易いので、温度依存性の高い低温下の
処理を安定して行い難いという問題点がある。

一方、第６図に示す方法では、電極（63）とウェーハ
（60）との間に、静電チャックシート（65）とサセプタ
（64）とが介在するので、ウェーハ（60）への熱伝達効
率が低下し、センシブルな温度制御が期待できず、さら
に、セラミックス系の静電チャックシート（65）を用い
るため、前述した事由で低温下の処理には適用し難いと
いう問題点がある。

加えて、処理されるウェーハ自体が、一定のキャパシ
タンスを有して一種のコンデンサを形成するため、これ
ら従来のウェーハのプラズマ処理装置では、ウェーハの
周縁部で電界の乱れが生じることは避け難く、この現象
も、ウェーハの有効処理範囲の向上を阻害する要因とな
っていた。

本発明は、上記従来技術の問題点に鑑み、ウェーハを
不均一な温度分布を生じさせることなく電極端面に押し
付けて拘持し得、かつ、電極間に生成される電界に乱れ
を生じさせることなく、均等かつ垂直なプラズマビーム
をもって処理し得、もって、低温下における処理を、よ
り広い範囲にわたって安定かつ高精度に達成できるウェ
ーハのプラズマ処理装置の提供を目的とするものであ
る。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、上記の目的を達成するために、以下の構成
とされている。すなわち、本発明に係るウェーハのプラ
ズマ処理装置は、内部においてプラズマビームが発生可
能とされた処理室内に、処理されるべきウェーハを保持
する電極と、該電極の周縁部上に配され、電極と相対的
に移動することで、ウェーハを電極に押し付けて拘持す
るウェーハ押えとを配置し、ウェーハに反電極側から各
種粒子を照射して処理を行うウェーハのプラズマ処理装
置において、前記電極とウェーハ押えの双方に冷却手段
を設けると共に、ウェーハ押えを導体とし、電極とウェ
ーハ押えの双方に高周波電源を接続したものである。

また、上記ウェーハ押えの反電極側の面に、ウェーハ
と略同キャパシタンスを有する絶縁体もしくは半導体を
設けられても良い。

〔作用〕

本発明に係るウェーハのプラズマ処理装置では、ウェ
ーハ押えによってウェーハを電極に押し付けて拘持する
と共に、反電極側から電界により加速された各種粒子の
プラズマビームをウェーハに照射するので、プラズマビ
ームの照射で昇温せんとするウェーハを、冷却手段を設
けた電極に密着させ、該電極からの熱伝達にて効率良く
所定の低温に制御できると共に、電極に高周波電圧を印
加することで、一定のキャパシタンスを有し一種のコン
デンサを形成するウェーハに対し、その処理速度を増大
させる負の電圧と、表面にチャージアップしたイオンを
中和させる負の電圧とを交互に印加することができ、エ
ッチングやスパッタリング等の処理を効率良く行うこと
ができる。

ところで、プラズマビームの照射はウェーハ押えも昇
温せんとするが、本発明においては、上記電極とウェー
ハ押えの双方に冷却手段を設けるので、ウェーハ押えの
昇温を抑制し、その熱によりウェーハに不均一な温度分
布を生じさせることなく電極に押し付けて、ウェーハの
温度を均等な温度分布をもって制御することができる。

また、ウェーハ押えを導体とし、電極とウェーハ押え
の双方に高周波電源を接続するので、これら電極とウェ
ーハ押えとに略同位相の高周波電圧を印加することによ
り、ウェーハ押えも一種の電極となして電界の乱れを抑
制することができ、これにより、均等な照射密度と高い
垂直性をもつイオン等をウェーハに照射し、より広い範
囲にわたって安定かつ高精度の処理を行うことができ
る。

また、この場合、ウェーハ押えは加速されたプラズマ
ビームの照射を受けることになるが、該ウェーハ押え
は、冷却手段を備えて昇温を抑制できるので、それ自体
が不均等な歪みを起こしてウェーハを拘持する機能を失
したり、それ自体からの熱伝導によりウェーハに不均一
な温度分布を生じさせたりする懸念がない。

また、上記ウェーハ押えの反電極側の面に、ウェーハ
と略同キャパシタンスを有する絶縁体もしくは半導体を
設ける場合、プラズマビームの照射を受けるウェーハと
ウェーハ押えのキャパシタンスを均等化でき、電界の乱
れをより抑制して安定なものとすることができる。

なお、本発明における各種粒子とは、イオン、中性ラ
ジカル、イオン励起活性種等の分子・原子であるが、主
として処理に関係するのは電界により加速されて高エネ
ルギーをもつイオンである。

〔実施例〕

以下に、本発明の実施例を図面を参照して説明する。

第１図は本実施例のウェーハのプラズマ処理装置の概
要説明図である。

第１図において、（１）は処理室であって、該処理室
（１）は、図外の脱気手段に連通されると共に、中性ラ
ジカルやイオン励起活性種等の希薄ガス供給手段に連通
されている。

（２）は電極であって、該電極（２）は、図外の入電
手段に接続されたヒータ（2a）と、図外の液化窒素供給
・排出手段に連通された冷却槽（2b）とを内装したもの
で、高周波電源（５）に接続されて、処理室（１）内に
固定的に配設されている。

（３）はウェーハ押えであって、該ウェーハ押え
（３）は、電極（２）を包囲して複数配された柱状の脚
（3c）と、これら脚（3c）上端に連結されたステンレス
鋼製の中空の押え環（3a）と、該押え環（3a）内側から
電極（２）に向けて突出する複数のステンレス鋼製の押
え爪（3b）とを備えてなり、その脚（3c）下端部を、処
理室（１）底部を貫通させて、ここでは図示を省略した
処理室（１）外の駆動手段によって上下動可能とされて
いる。また、該ウェーハ押え（３）は、高周波電源
（５）に接続されると共に、その押え環（3a）の中空部
は、脚（3c）内に設けた連通孔を介して、図外の液化窒
素供給・排出手段に連通されている。

（４）は誘電板であって、該誘電板（４）は、薄肉の
石英ガラス板からなる環状のもので、押え環（3a）の上
面を覆って配置されている。

なお、第１図において、Ｗはウェーハであって、ここ
では、電極（２）上に載置され、ウェーハ押え（３）の
下降動にて、その外縁部をウェーハ押え（３）の押え爪
（3d）で、電極（２）上面に押付けられて密着・拘持さ
れた状態を示す。

上記構成を具備する本実施例のウェーハのプラズマ処
理装置では、処理室（１）内を中性ラジカルやイオン励
起活性種等の希薄ガス雰囲気下におくと共に、上方の対
向電極（６）からの高周波放電によって生成されるプラ
ズマビームを電極（２）に密着・拘持されたウェーハＷ
に照射して、エッチングやスパッタリングなどの処理を
行うのであるが、その処理に際して、電極（２）の冷却
槽（2b）内およびウェーハ押え環（３）の押え環（3a）
と中空部内に液化窒素を送給して、これら電極（２）お
よびウェーハ押え（３）を低温に冷却すると共に、電極
（２）のヒータ（2a）に入電する一方、電極（２）およ
びウェーハ押え（３）に高周波電源（５）から高周波電
圧を印加する。

このようにして処理を行う本実施例では、電極（２）
とウェーハ押え（３）の双方を低温に冷却するので、プ
ラズマビームの照射で昇温せんとするウェーハＷを、効
率良く低温に冷却できると共に、ヒータ（2a）への入力
を制御することで、所定の低温に制御できる。また、ウ
ェーハ押え（３）、特に、プラズマビームの照射を受け
る押え環（3a）および押え爪（3b）の昇温を抑えて低温
に制御できるので、電極（２）からの熱伝達で冷却され
るウェーハＷとの間に温度差が生じることを抑制でき、
しかも、ウェーハ押え（３）自体の不均等な昇温を抑制
できるので、ウェーハ押え（３）自体が不均等な歪みを
起こしてウェーハＷを電極（２）に密着・拘持する機能
を失したり、拘持するウェーハＷに不均一な温度分布を
生じさせたりする懸念がなく、ウェーハＷを均等かつ安
定した低温に制御することができる。

また、同一の高周波電源（13）から電極（２）とウェ
ーハ押え（３）とに同位相の高周波電圧を印加するの
で、一定のキャパシタンスを有し一種のコンデンサを形
成するウェーハＷに対し、その処理速度を増大させる負
の電圧と、表面にチャージアップしたイオンを中和させ
る負の電圧とを交互に印加して、その処理効率を高く維
持することができると共に、ウェーハ押え（３）に、電
極（２）と同位相の高周波電圧を印加して、導電材料で
あるステンレス鋼からなる押え環（3a）および押え爪
（3b）も一種の電極となし、これにより、電極（２）と
対向電極（６）との間の電界の乱れを抑制し、第３図中
の矢印で示すように、ウェーハＷに対する電界分布を均
等なものとすることができるので、ウェーハＷに、より
広い範囲にわたって、均等な照射密度と高い垂直性もつ
プラズマの各種粒子を照射して、安定かつ高精度の処理
を行うことができる。加えて、ウェーハ押え（３）の押
え環（3a）上に配置される誘電板（４）のキャパシタン
スを、処理されるウェーハＷと略同等のキャパシタンス
とすることで、プラズマビームの照射を受けるウェーハ
Ｗとウェーハ押え（３）上部のキャパシタンスを均等化
でき、電極（２）と対向電極（６）との間の電界の乱れ
をより抑制できる。

上述したように、本実施例のウェーハのプラズマ処理
装置によれば、処理されるウェーハを均等かつ効率良く
所定の低温に制御できると共に、均等かつ垂直なプラズ
マビームでもって照射できるので、温度依存性の高い低
温下の処理を、より広い範囲にわたって高精度に行いこ
とができる。

なお、以上に述べた実施例の装置の全体構成は、固定
電極式の並行平板型プラズマ処理装に本発明の構成を適
用した一例であって、これは、本発明の要旨を逸脱しな
い限り、例えば、処理室内に対向電極を設ける代わり
に、処理室外のマグネトロン等から発生したマイクロ波
を磁場発生コイルで加速して処理室内に導入する構成の
装置とれても良く、また、電極とウェーハ押えとを同一
の高周波電源に接続する代わりに、例えば、その別の実
施例の概要説明図である第２図に示すように、電極およ
びウェーハ押えそれぞれに、別系統の高周波電源を接続
し、独立に制御することで互いの高周波位相の整合を取
る構成とされても良い。

ここで、第２図に示す実施例について、第１図に示し
た実施例と重複する点を省いて説明する。

第２図に示す実施例は、ウェーハ押えを固定的に設け
る一方、電極を上下動可能に設けて、ウェーハを拘持す
る形式の並行平板型プラズマ処理装に本発明の構成を適
用した例であって、ウェーハ押え（13）は、中空環状体
とされた本体部（13a）と、電極（２）に向けて突出す
る複数の押え爪部（13b）とを備えてなり、その外周部
を環状の絶縁部材（15）を介して処理室（11）内壁に接
合されている。一方、電極（12）は、ヒータ（12a）と
冷却槽（12b）を備える一方、その下部を処理室（11）
底部を貫通させて、ここでは図示を省略した処理室（1
1）外の駆動手段によって上下動可能とされている。そ
して、ウェーハ押え（13）の中空部と電極（12）の冷却
槽（12b）は、それぞれ図外の液化窒素供給・排出手段
に連通され、また、ウェーハ押え（13）は高周波電源
（17）に接続され、電極（12）は別の高周波電源（18）
に接続されている。また、ウェーハ押え（13）の本体部
（13a）上には、環状の誘電板（14）が配されている。

このような構成を具備する本実施例のウェーハのプラ
ズマ処理装置によれば、第１図に示した実施例と同様の
優れた効果を得ることができる。

なお、以上に述べた実施例においては、石英ガラス板
からなる誘電体を用いたが、これは、処理されるウェー
ハと同等のキャパシタンスを得られるものなら、他の種
類の絶縁体や半導体からなるものが用いられていても良
い。すなわち、ウェーハが、純Siであれば絶縁体を用
い、Siに不純物をドービングしたものであれば半導体を
用いる等すれば良いのである。

〔発明の効果〕

以上に述べたように、本発明に係るウェーハのプラズ
マ処理装置によれば、処理されるウェーハを均等かつ効
率良く所定の低温に制御し得ると共に、均等な照射密度
と高い垂直性もつイオン等の粒子を照射し得るので、温
度依存性の高い低温下の処理を、より広い範囲にわたっ
て高精度に行うことができ、もって、得られる製品の品
質を格段に向上させることができる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例のウェーハのプラズマ処理装置
の概要説明図、第２図は本発明の別の実施例のウェーハ
のプラズマ処理装置の概要説明図、第３図は本発明に関
わる電界分布の説明図、第４図は従来技術に関わる電界
分布の説明図、第５図ａは従来のウェーハのプラズマ処
理装置の一例を示す概念説明図、第５図ｂは第５図ａの
Ａ−Ａ断面図、第６図は従来のウェーハのプラズマ処理
装置の別の例の概念説明図である。（１）……処理室、（２）……電極、（2a）……ヒー
タ、（2b）……冷却槽、（３）……ウェーハ押え、（3
a）……押え環、（3b）……押え爪、（3c）……脚、
（４）……誘電板、（５）……高周波電源、（６）……
対向電極、Ｗ……ウェーハ。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁶，ＤＢ名) H01L 21/3065

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】内部においてプラズマビームが発生可能と
された処理室内に、処理されるべきウェーハを保持する
電極と、該電極の周縁部上に配され、電極と相対的に移
動することで、ウェーハを電極に押し付けて拘持するウ
ェーハ押えとを配置し、ウェーハに反電極側から各種粒
子を照射して処理を行うウェーハのプラズマ処理装置に
おいて、前記電極とウェーハ押えの双方に冷却手段を設
けると共に、ウェーハ押えを導体とし、電極とウェーハ
押えの双方に高周波電源を接続したことを特徴とするウ
ェーハのプラズマ処理装置。
【請求項２】ウェーハ押えの反電極側の面に、ウェーハ
と略同キャパシタンスを有する絶縁体もしくは半導体を
設けたことを特徴とする第１請求項記載のウェーハのプ
ラズマ処理装置。