JP2953688B2 - 試料の温度制御方法 - Google Patents

Description

【発明の詳細な説明】 【０００１】 【発明の属する技術分野】本発明は、試料保持装置を備
えた真空処理装置に係り、特に静電吸着力により基板を
吸着、保持する試料保持装置を備えた真空処理装置に関
するものである。 【０００２】 【従来の技術】試料を真空処理、例えば、プラズマを利
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。 【０００３】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。 【０００４】従来技術の第１例としては、例えば、特公
昭56−53853 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。 【０００５】従来技術の第２例としては、例えば、特開
昭57−145321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、ウェーハを気体ガスに
より直接冷却するものがある。 【０００６】従来技術の第３例としては、例えば、E.J.
Egerton 他，Solid StateTechnology，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。 【０００７】 【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。 【０００８】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０.１Torr 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。 【０００９】(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。 【００１０】(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。 【００１１】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。 【００１２】(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。 【００１３】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。 【００１４】(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。 【００１５】(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。 【００１６】本発明の目的は、試料台に静電吸着され真
空処理される試料の温度制御方法として、静電吸着力を
増大させることなく伝熱効果を向上させて試料の温度を
効果的に制御することができる試料の温度制御方法を提
供することにある。 【００１７】 【課題を解決するための手段】本発明は、温度制御され
る試料台の試料配置面に試料を静電吸着力によって接触
させて吸着保持し、前記試料台に設けられた伝熱ガス供
給路からの伝熱ガスを前記試料が接触して吸着保持され
たときにできる前記試料の裏面と前記試料台との間の微
視的に見てわずかな隙間に供給するとともに、前記試料
台に設けられた伝熱ガス放出路から前記微視的に見てわ
ずかな隙間に供給された前記伝熱ガスを排出することを
特徴とする。 【００１８】本発明によれば、試料が試料台に静電吸着
されて試料配置面に接触して保持され、試料と試料台と
の間の微視的にみてわずか隙間に伝熱ガス供給路を介し
て伝熱ガスを供給するとともに、伝熱ガス放出路から前
記微視的にみてわずかな隙間に供給された前記伝熱ガス
を排出し、試料裏面の伝熱ガス圧を制御することで、試
料の温度を効果的に制御することができる。すなわち、
本発明によれば、試料を試料台に静電吸着力のみで吸着
保持する方法に比べて、試料と試料台との間の接触部分
の微視的にみたわずかな隙間に伝熱ガスが満たされるの
で、大きな静電吸着力を必要とせずに、熱抵抗を減少さ
せることができる。また、試料と試料台間の熱抵抗を考
えた場合、試料と試料台が接触する部分の熱抵抗は、試
料と試料台の間の空間に伝熱ガスが存在する場合の熱抵
抗よりも小さくなる。従って、試料と試料台の間に伝熱
ガスのみが存在する場合に比べても、熱抵抗を減少させ
ることができる。また、試料裏面と試料台との間の微視
的にみてわずかな隙間の伝熱ガスの圧力が制御できる。
よって、本発明によれば、試料の温度を効果的に制御す
ることができる。 【００１９】 【発明の実施の形態】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。 【００２０】以下、本発明の一実施例を図１ないし図３
により説明する。 【００２１】図１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、底壁には、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が内設されている。 【００２２】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。 【００２３】ガス供給路２３ａには、ガス源（図示省
略）に連結された導管７０ａが連結され、ガス排出路２
３ｂには、導管７０ｂの一端が連結されている。導管７
０ａ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。 【００２４】下部電極２０には、マッチングボックス１
００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。 【００２５】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。 【００２６】次に、図１の下部電極２０の詳細構造例を
図２，図３により説明する。 【００２７】図２，図３で、図１に示したガス供給路２
３ａ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、図１に示したガス排出路２３ｂを形成して導管２
５ｂが配設されている。導管２５ｂの外側には、図１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、図１に示した冷媒排
出路２４ｂを形成して導管２５ｄ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２５ｄ
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
内設され、導管２５ｃの上端は分割板２９につながって
いる。 【００２８】基板（図示省略）が載置される電極上板２
６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。 【００２９】なお、図２，図３で、１１０は基板が載置
されない部分の電極上板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２６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、１２０度間
隔で３本配設されている。 【００３０】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。 【００３１】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１
Torrで真空処理室１０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。 【００３２】上記のように構成された図１乃至図３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２
０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、ガス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。 【００３３】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５０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、処理ガスが供給される。このとき、処理ガ
スは、ＭＦＣ７１と調整バルブ７２との操作によりガス
量を制御、すなわち、基板裏面のガス量、言い替えれ
ば、ガス圧を制御される。これにより、冷煤流路２２を
流通する冷煤、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。 【００３４】その後、エッチングの終了に近づくと、溝
２１ａ，２１ｂへの処理ガスの供給は停止され、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１
１３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の作動により基板５０は下部電極２０
上より除去される。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。 【００３５】以上、本実施例によれば、次のような効果
が得られる。 【００３６】(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、伝熱ガスである処理ガス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。 【００３７】(2）少なくとも基板の裏面の外周辺を吸着
しているので、伝熱ガスである処理ガスは吸着部で真空
処理室内への流出を抑制させるため、処理ガスのプロセ
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。 【００３８】(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処理
ガス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、処理ガス
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。 【００３９】(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
た基板の搬送時間を短縮できると共に、基板の損傷を防
止できる。 【００４０】(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。 【００４１】(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、また、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。 【００４２】図４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１２２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、図１と同一装置等は、同一符号で
示し説明を省略する。 【００４３】本実施例によれば、更に次のような効果が
得られる。 【００４４】(1）基板の温度を計測しながら処理ガスの
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の供給量を
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
の残渣を減少させることができる。 【００４５】(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。 【００４６】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。 【００４７】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。 【００４８】 【発明の効果】本発明によれば、試料台に静電吸着され
真空処理される試料の温度制御方法として、静電吸着力
を増大させることなく伝熱効果を向上させて試料の温度
を効果的に制御することができる。

【図面の簡単な説明】 【図１】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。 【図２】図１の下部電極の詳細平面図。 【図３】図２のＡ−Ａ視断面図。 【図４】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。 【符号の説明】 １０…真空処理室、２０…下部電極、２１ａ…放射状分
散溝、２１ｂ…円周状分散溝、２２…冷媒流路、２３ａ
…ガス供給路、２４ａ…冷媒供給路、５０…基板。

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (72)発明者 福島 喜正 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 平塚 幸哉 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 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

Claims (1)

1. (57)【特許請求の範囲】 １．温度制御される試料台の試料配置面に試料を静電吸
   着力によって接触させて吸着保持し、前記試料台に設け
   られた伝熱ガス供給路からの伝熱ガスを前記試料が接触
   して吸着保持されたときにできる前記試料の裏面と前記
   試料台との間の微視的にみてわずかな隙間に供給すると
   ともに、前記試料台に設けられた伝熱ガス放出路から前
   記微視的にみてわずかな隙間に供給された前記伝熱ガス
   を排出することを特徴とする試料の温度制御方法。