JP3032087B2

JP3032087B2 - プラズマ処理装置

Info

Publication number: JP3032087B2
Application number: JP4220624A
Authority: JP
Inventors: 庸一上田; 光明小美野
Original assignee: Tokyo Electron Ltd
Current assignee: Tokyo Electron Ltd
Priority date: 1992-07-28
Filing date: 1992-07-28
Publication date: 2000-04-10
Anticipated expiration: 2015-04-10
Also published as: JPH0653207A

Description

【発明の詳細な説明】

【０００１】

【産業上の利用分野】本発明は、プラズマ処理装置に関
する。

【０００２】

【従来の技術】一般に、半導体製造工程においては、被
処理体である例えば半導体ウエハは各種の処理装置にお
いてプラズマ処理、例えばスパッタリング処理やエッチ
ング処理等が繰り返して施されている。例えばプラズマ
エッチング処理は、処理容器内にプロセスガスを導入し
た状態で電極間に高周波を印加することによりプラズマ
を立て、この時発生する反応性イオン等により、下部電
極に載置した半導体ウエハ表面をエッチングすることに
より行われる。そして、半導体集積回路の微細化及び高
集積化に伴って、ウエハにプラズマ処理を施す場合に、
例えば冷媒として液体窒素を載置台に流通させてウエハ
温度を比較的低温状態に維持することが行われる。ま
た、プラズマ処理の効率化を図る目的で、下部電極、す
なわちウエハ載置台側に高周波電源を付与してカソード
側とし、上部電極側をグランド側として上下電極間の間
隔を非常に接近させることが行われている。

【０００３】

【発明が解決しようとする課題】ところで、上述のよう
に下部電極側に高周波を加えてカソード側とし、且つこ
の部分に液体窒素等の冷媒を供給するためには、下部電
極である載置台の冷却手段とこれに液体冷媒を供給する
供給路とのジョイント部は、載置台と処理容器或いは配
管との間の絶縁を維持しつつ低温に耐え得る構造としな
ければならない。そのため、従来においてはジョイント
部に例えばテフロン等の絶縁体よりなる配管を用い、更
に、これにテフロン製テープを巻回することにより絶縁
を図ることが行われた。しかしながら、この種のテフロ
ンを用いた場合には絶縁性は維持できるが、テフロン自
体は高分子であるために、このテフロンとジョイント部
に用いられるステンレス等の金属との間でこれらの熱収
縮差に伴って冷却媒体のリークが発生するという改善点
を有していた。特に、この熱収縮差は、通常の使用温度
範囲では問題は生じないが、このジョイント部が液体窒
素等の極低温に晒されることから無視し得なくなってい
た。

【０００４】また、他のジョイント構造として、例えば
ステンレス等の金属材料で形成した真空２重管を用いる
ことも考えられるが、この場合には断熱性には比較的優
れるが、上述のように下部電極に高周波を印加してこれ
をカソード側とした場合には、別途絶縁対策を施さねば
ならず、現実的ではなかった。本発明は、以上のような
問題点に着目し、これを有効に解決すべく創案されたも
のである。本発明の目的は、下部電極をカソード側とし
ても電気的絶縁性及び断熱性に優れた冷却構造を有する
プラズマ処理装置を提供することにある。

【０００５】

【課題を解決するための手段】本発明は、上記問題点を
解決するために、処理容器内に設けられた載置台に被処
理体を載置して、この被処理体にプラズマ処理を施すプ
ラズマ処理装置において、前記載置台に冷媒を貯留しつ
つ流通させる冷媒収容部を形成すると共に、前記冷媒収
容部の冷媒供給口と外部の冷媒供給通路との間及び前記
冷媒収容部の冷媒排出口と外部の冷媒排出通路との間
を、前記冷媒収容部の冷媒供給口と前記外部の冷媒供給
通路と前記冷媒収容部の冷媒排出口と前記外部の冷媒排
出通路とを構成する金属材料と比較して熱伸縮性の差が
少ない電気的絶縁材よりなる真空２重管ジョイントによ
り接続したものである。

【０００６】

【作用】本発明は、以上のように構成したので載置台の
冷媒収容部の冷媒供給口と冷媒供給通路との間及び冷媒
排出口と冷媒排出通路との間を、それらを構成する金属
材料と比較して熱伸縮性の差が少ない電気的絶縁材、例
えばセラミックス等よりなる真空２重管ジョイントを用
いて接続したので、下部電極を有する載置台側へ高周波
を印加しても、これを処理容器及び冷媒通路に対して絶
縁することができ、また、冷熱の外部への漏洩も大幅に
削減することができる。

【０００７】

【実施例】以下に、本発明に係る処理装置の一実施例を
添付図面に基づいて詳述する。図１は本発明に係るプラ
ズマ処理装置の要部を示す断面図、図２は本発明に係る
プラズマ処理装置の一実施例を示す断面図、図３は図２
に示すプラズマ処理装置の載置台を示す概略分解図であ
る。本実施例においては、プラズマ処理装置としてプラ
ズマエッチング装置を例にとって説明する。図示するよ
うにこのエッチング装置２は、導電性材料、例えばアル
ミニウム等により円筒或いは矩形状に成形された処理容
器４を有しており、この容器４内の底部には処理容器４
の底部６から絶縁させて、被処理体、例えば半導体ウエ
ハＷを載置するための略円柱状の載置台８が収容されて
いる。この載置台８は、アルミニウム等により円柱状に
成形されたサセプタ支持台１０と、この上にボルト１２
により着脱自在に設けられたアルミニウム等よりなるサ
セプタ１４とにより主に構成されている。

【０００８】上記サセプタ支持台１０には、冷媒を貯留
しつつ流通させる冷媒収容部、例えば冷却ジャケット１
６が設けられており、このジャケット１６には例えば液
体窒素等の冷媒が冷媒供給通路１８を介して導入されて
ジャケット内を循環し、冷媒排出通路２０を介して容器
外へ排出される。上記サセプタ１４は、中央部が突状に
なされた円板状に成形され、その中央のウエハ載置部に
は静電チャック２２がウエハ面積と略同じ面積で形成さ
れている。この静電チャック２２は、例えば２枚の高分
子ポリイミドフィルム間に銅箔等の導電膜２４を絶縁状
態で挟み込むことにより形成され、この導電膜２４は電
圧供給リード２６により途中高周波をカットするフィル
タ２７を介して直流高電圧源２８に接続されている。従
って、この導電膜２４に高電圧を印加することにより、
チャック２２の上面にウエハＷをクーロン力により吸引
保持し得るように構成される。そして、サセプタ支持台
１０及びサセプタ１４には、Ｈｅ等の熱伝達ガスをウエ
ハＷの裏面に供給するためのガス通路３０が形成されて
いる。尚、上記静電チャック２２にも熱伝達ガスを通過
させる多数の通気孔（図示せず）が形成される。

【０００９】また、サセプタ１４の上端周縁部には、ウ
エハＷを囲むように環状のフォーカスリング３２が配置
されている。このフォーカスリング３２は反応性イオン
を引き寄せない絶縁性の材質からなり、反応性イオンを
内側の半導体ウエハＷにだけ効果的に入射せしめる。そ
して、このサセプタ１４には、中空に成形された導体よ
りなるパイプリード３４がサセプタ支持台１０を貫通し
て設けられており、このパイプリード３４には配線３６
を介して例えば３８０ＫＨｚのプラズマ発生用の高周波
電源３８に接続されている。従って、上記サセプタ１４
は下部電極として構成されることになる。そして、この
配線３６には、ノイズカット用のフィルタ４０及びマッ
チング用のコンデンサ４２が順次介設される。

【００１０】上記サセプタ１４の上方には、これより約
１５〜２０ｍｍ程度離間させて、接地された上部電極４
４が配設されており、この上部電極４４にはガス供給管
４６を介してプロセスガス、例えばＣＦ₄ 等のエッチン
グガスが供給され、上部電極４４の電極表面に形成され
た多数の小孔４８よりエッチングガスを下方の処理空間
に吹き出すように構成されている。また、処理容器４の
下部側壁には、排気管５０が接続されており、処理容器
４内の雰囲気を図示しない排気ポンプにより排出し得る
ように構成される。

【００１１】そして、上記静電チャック２２と冷媒収容
部１６との間には、温度調整用ヒータ５２が設けられ
る。具体的には、このヒータ５２は、厚さ数ｍｍ程度の
板状のセラミックヒータよりなり、このヒータ５２は、
図２にも示すようにサセプタ支持台１０の上面に設けら
れるヒータ固定台５４の上部に形成されたヒータ収容溝
５６内にその上面を同一レベルにして完全に収容され
る。ヒータ固定台５４は、熱伝達性の良好な材料例えば
アルミニウムにより構成される。このヒータ５２の大き
さは、好ましくはウエハ面積と略同一面積になるように
設定されるのが良く、この下方に位置する冷却ジャケッ
ト１６からの冷熱がウエハＷに伝達するのを制御してウ
エハＷの温度調整を行い得るように構成される。

【００１２】この温度調整用ヒータ５２やヒータ固定台
５４にはプッシャピン等の貫通する貫通孔（図示せず）
等が形成されている。このヒータ固定台５４の周縁部に
は、ボルト孔５８が適当数形成されており、この固定台
５４をボルト６０によりサセプタ支持台１０側へ着脱可
能に取り付けている。また、サセプタ１４の下面には上
記ヒータ固定台５４全体を収容するための収容凹部６２
が形成されると共に、このヒータ固定台５４には、ヒー
タ５２の上面とサセプタ１４の収容凹部６２の下面との
境界部にＨｅ等の熱伝達媒体を供給するために、前記ガ
ス通路３０に接続された分岐路６４（図２参照）が形成
される。そして、上記ヒータ５２には電力供給リード６
６が接続されると共に、このリード６６にはフィルタ６
７を介して電力源６８が接続されて、所定の電力をヒー
タ５２に供給し得るように構成される。

【００１３】また、前記静電チャック２２には、ウエハ
温度を検出するために温度に依存して光の往復時間が変
化することを利用した温度計、例えばラクストロンや熱
電対等よりなる温度検出器７０が設けられている。そし
て、この温度検出器７０には、検出値を伝達する温度検
出リード７２が接続される。この温度検出リード７２
は、温度検出器７０としてラクストロンを用いた場合に
は光ファイバにより構成されるが、熱電対を用いた場合
には通常の導体が使用され、この場合には高周波ノイズ
を除去するフィルタ７４を途中に介設して、この装置全
体を制御する、例えばコンピュータ等よりなる制御部７
６へ入力される。この制御部７６は、上述のように所定
のプログラムにより装置全体を制御するものであり、例
えば前記高周波電源３８、ヒータ５２への電力源６８、
静電チャック２２への直流高圧源２８の給配を制御す
る。

【００１４】特に、本実施例にあっては、プラズマ発生
用の高周波の影響を受け易い各種配線、例えばヒータに
接続される電力供給リード６６、静電チャック２２に接
続される電圧供給リード２６、温度検出器７０に接続さ
れる温度検出リード７２は全て、プラズマ用の高周波を
供給するパイプリード３４内に収容されており、外部に
対して高周波ノイズの影響を与えないようになされてい
る。そして、上述のように上記各リード６６、２６、７
２にはそれぞれ高周波ノイズカット用のフィルタ６７、
２７、７４が接続されている。また、上記パイプリード
３４の処理容器底部の貫通部には絶縁体７８が介設され
て、容器側との電気的絶縁を図っている。そして、図１
にも示すように前記冷却ジャケット１６の冷媒供給口８
０と前記冷媒供給通路１８との間及び冷媒排出口８２と
前記冷媒排出通路２０との間にはそれぞれ本発明の特長
とする真空２重管ジョイント８４、８６により接続され
ており、サセプタ支持台１０と処理容器底部６及び冷媒
通路１８、２０との間の電気的絶縁を図ると共に処理容
器底部６側への冷熱の漏洩を阻止している。

【００１５】尚、冷媒供給口８０と冷媒排出口８２に設
けられる真空２重管ジョイント８４、８６は、同様に形
成され且つ同様に設けられるので、図１には代表として
真空２重管ジョイント８４のみの取り付け状態を示す。
この真空２重管ジョイント８４は、熱伝導性が低くしか
も金属材料、例えばステンレスと比較して熱伸縮性の差
が少ない電気的絶縁材料、例えばセラミックスよりなる
中央の内側パイプ８８と、この外側にこれより所定の距
離だけ離間させて同芯状に配置したセラミックスよりな
る外側パイプ９０とを有し、２重管構造になされてい
る。同芯状になされたこれら内側パイプ８８と外側パイ
プ９０の上部は、中心部に流路９２の形成された、例え
ばステンレスよりなる中間接合部材９４が設けられると
共に、この接合部材９４の上部には、同じく中心部に流
路９６の形成された例えばアルミニウム等よりなる上部
接合部材９８が結合されている。そして、中間接合部材
９４の流路９２の下端部を上記内側パイプ８８と接合
し、この上部接合部材９８の上端を、上記冷媒供給口８
０へ装着することにより冷却ジャケット１６内への冷媒
の導入を可能としている。

【００１６】上記中間接合部材９４は、その下端部が上
記内側パイプ８８の上端に結合される内側中央接合部材
９４Ａと、この周囲を同芯状に被ってその下端部が上記
外側パイプ９０の上端に結合される外側中央接合部材９
４Ｂとを有し、これら内側及び外側中央接合部材９４
Ａ、９４Ｂ間には、上記内側パイプ８８と外側パイプ９
０との間に形成される環状の室、すなわち真空室１００
と外側とを連通するための連通路１０２が形成されてお
り、この真空室１００と処理容器４内を連通している。
従って、処理時に処理容器４内を真空引きすることによ
りこの真空室１００内を真空状態にして外方に冷熱が伝
達することを阻止し得るように構成される。また、内側
中間接合部材９４Ａには、この上下方向への冷却の伝達
を防止するための例えばテフロン製の断熱材１０４が設
けられている。そして、外側中間接合部材９４Ｂの下端
部は、Ｏリング等のシール部材１０６を介して容器底部
６の貫通孔の段部に固定されている。

【００１７】一方、上記内側及び外側パイプ８８、９０
の下端部は、中央部に流路１０６の形成された、例えば
ステンレスよりなる下部接合部材１０８が設けられてい
る。冷媒供給通路１８は、例えばステンレスパイプによ
り２重管構造になされており、冷媒として例えば液体窒
素の通る内側ステンレスパイプ１８Ａの上端は、上記下
部接合部材１０８の流路１０６の下端部へ接合されて、
冷媒を真空２重管ジョイント８４内へ供給し得るように
構成される。そして、内側ステンレスパイプ１８Ａの上
端には、補助部材１１０を介して上記外側パイプ９０を
囲むように内側補助ステンレスパイプ１８Ｃが設けられ
ており、この内側補助ステンレスパイプ１８Ｃと外側ス
テンレスパイプ１８Ｂの上端部は、例えばステンレスよ
りなるフランジ１１２を介して容器底部１１２の下面に
接続されている。

【００１８】次に、以上のように構成された本実施例の
動作について説明する。まず、図示しないロードロック
室より所定の圧力、例えば、１×１０^-4〜数Ｔｏｒｒ程
度に減圧された処理容器４のサセプタ１４の上部にウエ
ハＷを載置し、これを静電チャック２２によりクーロン
力によりサセプタ１４側へ吸着保持する。そして、上部
電極４４と下部電極（サセプタ）１４との間にパイプリ
ード３４を介して高周波を印加することによりプラズマ
を立て、これと同時に上部電極４４側からプロセスガス
を処理空間に流し、エッチング処理を行う。また、プラ
ズマによる熱で、ウエハが所定の設定温度よりも過度に
加熱されるのでこれを冷却するためにサセプタ支持台１
０の冷却ジャケット１６に冷媒、例えば液体窒素を流通
させてこの部分を−１９６℃に維持し、これからの冷熱
をこの上部のサセプタ１４を介してウエハＷに供給し、
これを冷却するようになっている。

【００１９】そして、冷却ジャケット１６とウエハＷと
の間に温度調整用ヒータ５２を設けて、この部分の発熱
量を調整することによりウエハＷに伝達される冷熱を調
整し、ウエハＷを所定の温度、例えば−１５０℃程度に
維持する。従来装置にあっては、冷却媒体自体の温度を
制御することによってウエハ温度を制御しており、しか
も冷却ジャケットとウエハとの間の距離が長く、部材を
接合する界面も多いので熱応答性が非常に悪かった。こ
れに対して、本実施例においては、上述のように冷却ジ
ャケット１６は一定の低温、例えば−１９６℃に固定さ
れ、これに対してヒータ５２はウエハＷに例えば１５〜
２０ｍｍまでの距離に接近させて設けられているので、
このヒータ５２の発熱量の変化は迅速にウエハＷの温度
変化となって表れ、従って熱応答性が良く、迅速にウエ
ハ温度を制御することが可能となる。従って、ヒータ５
２をオフしたときの液体窒素だけによるウエハ冷却温
度、例えば−１６０℃（液体窒素（−１９６℃）との間
の温度差３６℃はサセプタ等によるロス）を最低温度値
としてそれ以上、常温までの温度範囲内で迅速に且つ直
線的にウエハ温度を制御することが可能となる。尚、液
体窒素の供給を断ってヒータ５２だけにより温度制御を
行ってもよい。

【００２０】また、ヒータ５２とサセプタ１４との界面
部及びウエハＷの下面には、ガス通路３０を介して冷却
されたＨｅ等の熱伝達ガスが導入されているので上下間
の熱伝達効率が劣化することもなく、上記した熱応答性
を一層向上させることができる。また、パイプリード３
４を通る高周波は、表皮効果によりパイプ周辺部を伝達
し、このパイプリード３４内には高周波によって影響を
受けて誘導ノイズを発生する各種リード２６、６６、７
２が収容されており、しかも出口側においては高周波ノ
イズカット用のフィルタ２７、６７、７４が介設されて
いるので、制御系に悪影響を与えることがない。

【００２１】また、プラズマによってダメージを受ける
消耗品であるサセプタを交換する場合にはこのサセプタ
１４とサセプタ支持台１０とを接続するボルト１２を緩
めることによりサセプタ１４を容易に取り外すことがで
きる。更に、過電流によるヒータ５２の破損、寿命によ
るヒータの劣化等が生じた場合には、ヒータ交換等のメ
ンテナンス作業を行うが、この場合には上述のようにサ
セプタ１４を取り外した状態で更にボルト６０を取り外
すことによりヒータ５２をヒータ固定台５４ごとサセプ
タ支持台１０から取り外すことができ、ヒータ５２の交
換作業を容易に行うことができる。

【００２２】上記実施例においては、冷却媒体として液
体窒素を用い、温度調整用ヒータ５２としてセラミック
ヒータを用いた場合を説明したが、これに限定されず、
例えば冷却媒体として液体ヘリウム等を用いてもよい
し、また、ヒータとして他の種類のヒータを用いてもよ
い。また、プラズマ処理中にあっては、前述のように液
体窒素（−１９６℃）は冷媒供給通路１８の内側パイプ
８８内を介して冷媒収容部である冷却ジャケット１６内
に導入され、この冷媒はこのジャケット１６内を滞留し
つつ通過して冷媒排出通路２０を介して排出されてお
り、この冷熱によりウエハＷを冷却することになる。

【００２３】この場合、真空２重管ジョイント８４は、
例えばセラミックス等の絶縁材よりなる内側パイプ８８
と外側パイプ９０の２重管構造になされているので高周
波電源が付与されてカソード側となっている冷却ジャケ
ット１６すなわち下部電極側と冷媒供給通路１８との間
は完全に絶縁されることになる。また、内側パイプ８８
と外側パイプ９０との間に形成される空間部は、連通路
１０２を介して処理容器４内と連通されているのでこの
空間部は処理容器４内と同様に真空状態に維持されて真
空室１００となり、従って、液体窒素と直接接触する内
側パイプ８８から外側パイプ９０に対して対流により伝
達される冷熱を大幅に削減することができる。

【００２４】また、内側パイプ８８と外側パイプ９０の
下端部を支持するステンレス製の下部接合部材１０８
は、冷媒と直接接触することから冷熱が外側パイプ９０
の下端部から上端部に向けて伝達してくるが、この外側
パイプ９０は熱伝達性の低いセラミックスにより形成さ
れているのでその上方向に向かって大きな温度勾配が発
生し、しかも真空室１００の作用により内側パイプ８８
から供給される対流冷熱が非常に少なくなり、結果的
に、外側パイプ９０の上端部に到達する冷熱は非常に少
なくなり、処理容器底部６側へ、すなわち外方へ逃げる
冷熱を大幅に減少させることができる。また、真空２重
管ジョイント８４の上部を形成する中間接合部材９４に
はテフロンよりなる断熱材１０４が介設されているの
で、この点よりも処理容器底部６側へ伝達する冷熱を大
幅に減少させることができ、全体として断熱性を大幅に
向上させることが可能となる。このような構成により、
冷媒と処理容器底部６との間の温度差を約１００℃以上
に維持することが可能となった。

【００２５】また、本実施例にあっては、内側パイプ８
８の構成部材として、この上下端を支持する金属材料、
すなわちステンレス材料と熱伸縮率の差が比較的小さい
材料、例えばセラミックスを用いているので、熱伸縮差
が少なくて冷媒の漏洩等の問題を生ずることがない。上
記した真空２重管ジョイントは、−５０℃以下の低温領
域、特に−１５０℃程度の低温領域でウエハを処理する
プラズマ処理装置に特に有用である。また、上記実施例
にあっては、冷媒供給側の真空２重管ジョイント８４の
作用について述べたが、冷媒排出側の真空２重管ジョイ
ント８６においても全く同様に作用するのは勿論であ
る。尚、上記実施例にあっては、プラズマエッチング装
置を例にとって説明したが、これに限定されず、本発明
はプラズマＣＶＤ装置、プラズマアッシング装置、プラ
ズマスパッタ装置等の他のプラズマ処理装置にも適用し
得るのは勿論である。

【００２６】

【発明の効果】以上説明したように、本発明によれば次
のような優れた作用効果を発揮することができる。所定
の性質を有する真空２重管ジョイントを冷媒収容部の冷
媒給排部に用いるようにしたので、プラズマ電極に対す
る絶縁性を維持しつつ冷媒収容部に対する断熱性を高く
維持することができる。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明に係るプラズマ処理装置の要部を示す断
面図である。

【図２】本発明に係るプラズマ処理装置の一実施例を示
す断面図である。

【図３】図２に示すプラズマ処理装置の載置台を示す概
略分解図である。

【符号の説明】

２エッチング装置４処理容器６底部８載置台１４サセプタ（下部電極）１６冷却ジャケット（冷媒収容部）１８冷媒供給通路２０冷媒排出通路３８高周波電源４４上部電極８０冷媒供給口８２冷媒排出口８４、８６真空２重管ジョイント８８内側パイプ９０外側パイプ１００真空室１０２連通路Ｗ半導体ウエハ（被処理体）

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23F 4/00 H01L 21/205

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】処理容器内に設けられた載置台に被処理
体を載置して、この被処理体にプラズマ処理を施すプラ
ズマ処理装置において、前記載置台に冷媒を貯留しつつ
流通させる冷媒収容部を形成すると共に、前記冷媒収容
部の冷媒供給口と外部の冷媒供給通路との間及び前記冷
媒収容部の冷媒排出口と外部の冷媒排出通路との間を、
前記冷媒収容部の冷媒供給口と前記外部の冷媒供給通路
と前記冷媒収容部の冷媒排出口と前記外部の冷媒排出通
路とを構成する金属材料と比較して熱伸縮性の差が少な
い電気的絶縁材よりなる真空２重管ジョイントにより接
続したことを特徴とするプラズマ処理装置。
【請求項２】前記真空２重管ジョイントの真空室は前
記処理容器内に連通されることを特徴とする請求項１記
載のプラズマ処理装置。
【請求項３】前記電気的絶縁材は、セラミックスより
なることを特徴とする請求項１または２記載のプラズマ
処理装置。
【請求項４】前記冷媒は液体窒素或いはフロンＲ１４
よりなることを特徴とする請求項１乃至３記載のプラズ
マ処理装置。