JP3050716B2 - プラズマ処理装置 - Google Patents

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】プラズマによる処理は、高精度なプロセ
ス制御ができることなどの理由から、半導体ウエハの製
造プロセスでは、各種の膜のエッチングや成膜などを行
うためにプラズマ処理が用いられている。

【０００３】この種のプラズマ処理装置としては、枚葉
式やバッチ式の装置があるが、例えば枚葉式のエッチン
グ装置では、上下に電極を対向配置すると共に、下部電
極上に半導体ウエハ（以下ウエハという）を載置してこ
れら電極間に高周波電力を供給するようにしている。こ
のようなプラズマ処理において、ウエハを所定の温度に
均一に維持することが必要であり、このため下部電極側
には温度調整手段やバックサイドガスの供給手段などが
組み込まれている。

【０００４】図６はエッチング装置の下部電極及びこれ
に関連する個所を示すものである。図中１は下部電極で
あり、この下部電極１の下方側には、例えば真空チャン
バの壁部に連続するグランド部材１１が絶縁部１２を介
して配設されている。下部電極１は高周波電源１３に接
続されると共に、グランド部材１１は接地されており、
図示しない上部電極とグランド部材１１とが電気的に接
続されていることから上部電極と下部電極１との間に高
周波電力が印加される。

【０００５】前記グランド部材１１の下方側つまり真空
チャンバの下方側からは例えばテフロンなどの絶縁材よ
りなるバックサイドガス用のガス導入管１４がグランド
部材１１及び絶縁部１２を介して下部電極１の下面まで
突入して設けられており、前記ガス導入管１４の上端は
下部電極１内の通気路１５ａ及び通気室１５を介して多
数のガス噴出孔１６に連通している。また下部電極１内
には、冷媒が通流する冷媒溜１７が形成されている。

【０００６】そしてエッチング処理時には図示しない静
電チャックにより下部電極１上にウエハＷを吸着し、ガ
ス導入管１４よりのバックサイドガス例えばＨｅガスを
ガス噴出孔１６からウエハＷの裏面側に吹き付けて、ウ
エハＷの面内温度分布の均一化を図っている。エッチン
グが終了した後は、静電チャックをオフにする共に、ガ
ス導入管１４を通じて吸引し、ガス導入管１４内に残っ
ているバックサイドガスの圧力により、ウエハＷが吹き
飛ばされないようにしている。

【０００７】

【発明が解決しようとしている課題】しかしながら上述
のエッチング装置では、下部電極１とグランド部材１１
との間でガス導入管１４を介して放電するおそれがあっ
た。その理由について本発明者が着眼した点及び実験し
たデータにもとずいて述べると、ガス圧と放電開始電圧
との関係は、一般に横軸に圧力、縦軸に放電開始電圧を
とると、上広がりの放物線状で表わされる。この形状は
ガスの種類によって決定され、また管路の両端に電極を
配置して上述の関係を求めると、放電開始電圧は管路長
がある範囲内であればその長さにはあまり左右されない
が、管径が大きくなるほど放電開始電圧は低くなる傾向
にある。

【０００８】ここで管径が４ｍｍの管路に、バックサイ
ドガスとして用いられているＨｅガスを封入してその圧
力を種々変えて、圧力（Ｔｏｒｒ）と放電開始電圧との
関係を調べたところ図７に示す結果が得られた。一方エ
ッチング装置では、例えば高周波電圧を１ＫＶに設定
し、Ｈｅガスの圧力を１０Ｔｏｒｒ程度に設定している
が、図７に示す特性図からわかるように１０Ｔｏｒｒの
圧力では放電開始電圧は、１ＫＶよりも小さく、従って
上述の装置においてはガス導入管１４内のＨｅガスを通
じて下部電極１とグランド部材１１との間で放電しやす
い条件となっている。

【０００９】しかしながらこのような放電が起こると、
所要の電力エネルギーを確保できないのでエッチングレ
ートが低下し、例えば放電に気付かないでいると、エッ
チング処理が不十分なものとなってしまう。またプラズ
マが不安定になるのでインピーダンスのマッチングがと
れなくなってしまう他、放電によりガス導入管１４や導
電部分などの各部品を損傷してしまう。なお放電開始電
圧を下げるためにガス導入管１４を細くした場合には、
コンダクタンスが小さくなり、バックサイドガスの吸引
に時間がかかりスループットが低下してしまう。

【００１０】本発明は、このような事情にもとづいてな
されたものであり、その目的は、被処理体に対してバッ
クサイドガスを供給するにあたり、このバックサイドガ
スの流路を通じた放電が起こらないプラズマ処理装置を
提供することにある。

【００１１】

【課題を解決するための手段】請求項１の発明は、上部
電極と下部電極との間に高周波電力を供給して処理ガス
をプラズマ化し、このプラズマにより下部電極上の被処
理体をプラズマ処理する装置であって、下部電極の外方
側に絶縁部を介して当該下部電極とは電位の異なる導電
部材が配置されると共に、被処理体にバックサイドガス
を供給するために導電部材から絶縁部を貫通して下部電
極までガス流路部が形成されているプラズマ装置におい
て、前記絶縁部に位置するガス流路部を、多数の小径の
流路が形成されている絶縁材よりなる流路部材により構
成したことを特徴とする。

【００１２】請求項２の発明は、流路部材は、長さ方向
に複数に分割されていることを特徴とする。

【００１３】

【作用】被処理体をプラズマ処理しているときに、バッ
クサイドガスをガス流路部を介して被処理体の裏面側に
供給して例えば被処理体の温度を均一にする。導電部材
と下部電極との間においては、ガス流路は小径であるた
め、放電開始電圧が高く、従ってこのガス流路を通した
放電が起こりにくくなる。また小径のガス流路が多数形
成されているのでコンダクタンスを大きくとることがで
き、例えばこのガス流路を介して吸引する場合にも、迅
速に吸引することができる。またガス流路部を複数の流
路部材に分割することにより耐圧、コンダクタンスなど
をその組み合わせにより変更することができる。

【００１４】

【実施例】図１は本発明の実施例に係るプラズマ処理装
置の全体構成図である。図中２は真空チャンバであり、
この真空チャンバ２の側壁の外側には、ウエハの搬出入
口を気密にシールするゲートバルブＧ１、Ｇ２が設けら
れると共に、底部には排気管２０が接続されている。前
記真空チャンバ２内の上部には、ガス供給部を兼用する
上部電極２１が配置されている。この上部電極２１はガ
ス噴射板２２を備え、ガス供給管２３よりの処理ガスを
当該ガス噴射板２２を介して真空チャンバ２内に導入す
るように構成されている。

【００１５】前記上部電極２１の下方側には、これと対
向するようにサセプタを兼用する下部電極３が配設され
ている。この下部電極３は、アルミニウムなどの金属よ
りなり、例えば上部側の載置台３１と下部側の支持台３
２とに分割可能に構成されている。なお載置台３１の表
面部には図示しないが静電チャックが設けられている。

【００１６】前記支持台３１には、導入管３３及び排出
管３４を介して冷却媒体例えば液体窒素が循環するよう
に冷媒溜３５が形成されている。前記下部電極３の側面
及び底面は例えばセラミックスなどの絶縁部４により覆
われており、更にこの絶縁部４の側面及び底面は例えば
アルミニウムなどの金属からなる、真空チャンバ１の壁
部の一部であるグランド部材４１により覆われている。

【００１７】前記下部電極３は、内部導体棒４２を介し
て真空チャンバ１の下方側の高周波４３に接続されると
共に、グランド部材４１は、内部導体棒４２を囲むよう
に設けられた外部導体管４４を介して接地されている。

【００１８】前記真空チャンバ２の下方側からは、図１
及び図２に示すように例えばテフロンパイプよりなるバ
ックサイドガス用のガス導入管５がグランド部材４１及
び絶縁部４を貫通して設けられ、このガス導入管５の上
端は、支持台３２の下端面にＯリング５１を介して接合
されている。このガス導入管５の流路は上端部にて、支
持台３２内に形成されたガス流路５２に連通しており、
このガス流路５２は、載置台３１内に形成された通気室
５３を介して、載置台３１の表面に開口する多数のガス
噴出孔５４に連通している。

【００１９】前記ガス導入管５の下端側は、２つに分岐
されており、一方の分岐管５ＡにはバルブＶ１を介して
圧力制御部５５に接続され、更にその上流側に図示しな
いバックサイドガス例えばＨｅガスのガス供給源が接続
されている。また他方の分岐管５Ｂは、後述するように
ガス導入管５を通して載置台３１の表面側を吸引するた
めのものであり、バルブＶ２を介して図示しない排気手
段に接続されている。なお図中５６は、真空チャンバ２
の内側と外側との管路部分を接合するジョイント部であ
る。

【００２０】前記ガス導入管５のうち、絶縁部４内に位
置するガス導入管５の中には、多数の小径の流路を有す
る、例えば長さが１０ｍｍ以下である３種類の第１の流
路部材６、第２の流路部材７及び第３の流路部材８が嵌
入されている。これら流路部材６〜８及びその組み合わ
せに関して図２〜図４を参照しながら詳述すると、第１
の流路部材６及び第２の流路部材７は、各々絶縁材例え
ばテフロンを円柱状に加工し、一端側に外径より若干径
が小さく、例えば深さが１ｍｍ程度の凹部６１、７１を
形成すると共に、この凹部６１、７１の底面から他端側
に多数の小径例えば１ｍｍ以下の径の通流孔６２、７２
を軸方向に透設して構成されている。

【００２１】前記通流孔６２、７２は、例えば流路部材
６、７の外径と同心の複数の円に沿って配列されている
が、第１の流路部材６の通流孔６２と第２の流路部材７
の通流孔７２とは、軸方向に重ね合わせたときに互いの
位置が重ならないようにつまり一方の通流孔６２を通し
て第２の流路部材７を見たときに他方の通流孔７２が見
えないように、配列パターンを異ならせてある。

【００２２】また前記第３の流路部材８は、導電部材例
えばアルミニウムを円柱状に加工し、一端側に上述の凹
部６１、７１と同様に凹部８１を形成すると共に、この
凹部８１の底面から他端側に、例えば真空チャンバ１の
外側のガス導入管５の口径と同等の径の通流孔８２を軸
方向に透設して構成される。

【００２３】そして下部電極３（支持台３２）の下面側
から第１の流路部材６と第２の流路部材７とを、各々の
凹部６１、７１を上側に向けて交互に配列すると共に、
例えば絶縁部４とグランド部材４１との境界付近から下
方側には、前記流路部材６、７の配列に連続して、下端
に位置する流路部材６、７に密接するように例えば複数
の第３の流路部材８を、凹部８１を上側にして配列して
いる。なおこの例では、ガス導入管５と流路部材６〜８
はガス流路部をなすものである。

【００２４】次に上述実施例の作用について述べる。先
ず被処理体である半導体ウエハＷを図示しない搬送アー
ムによりゲートバルブＧ１を介して、真空チャンバ２内
に搬入し、予め冷媒溜３５内の冷媒及び図示しないヒー
タにより例えば１０℃〜−１００℃の範囲で温度調整さ
れた載置台３１上に載置する。その後図示しない静電チ
ャックによりウエハＷを吸着すると共に、圧力コントロ
ーラ５５により例えば約１０Ｔｏｒｒの圧力に調整され
たＨｅガスを、ガス導入管５を介してガス噴出孔５４か
らウエハＷの裏面側へ吹き付け、これによりウエハＷの
温度を均一にする。

【００２５】そしてガス供給管２３よりガス噴射板２２
を介して、真空チャンバ２内にプロセスガスを供給する
と共に、排気管２０を介して図示しない真空ポンプによ
り真空排気し、真空チャンバ２内を所定の圧力に維持し
ながら、更に上部電極２１と下部電極３との間に、高周
波電源４３から高周波電力例えば１３、５６ｋＨｚ、１
ｋＷを印加し、プラズマを発生させ、エッチングを行
う。その後ガス導入管５の分岐管５Ｂを通じて図示しな
い排気手段により排気し、ガス流路内に残っているバッ
クサイドガスの圧力によりウエハＷが吹き飛ばされない
ようにした後、静電チャックをオフにするこのような実
施例によれば、ガス導入管５のうち、互いに電位の異な
る下部電極３とグランド部材４１との間に位置する部分
においては、流路部材６、７を嵌入しているため、Ｈｅ
ガスの流路は例えば１ｍｍ以下の径の小さい流路であ
り、従って「発明が解決する課題」の項で説明した図７
に示す放電開始電圧のカーブが上側にずれ、つまり各圧
力毎の放電開始電圧が高くなる。放電開始電圧が高くな
る理由は、ガスの流路が狭いことから電子が飛んでも壁
に衝突して消失するものが多いと考えられる。

【００２６】そして第１の流路部材６の通流孔６２及び
第２の流路部材７の通流孔７２の配列パターンが異な
り、ガス流路は各流路部材６（７）から流路部材７
（６）へ移るときに、バッファ部をなす凹部６１、７１
を通じて屈曲しているので、電子が周囲に衝突しやす
く、このためより一層放電開始電圧が高くなる。

【００２７】またガス導入管５の中には細いガス流路が
多数形成されているので全体のコンダクタンスは大き
く、従って静電チャックをオフにした後当該ガス導入管
５により吸引する場合にも高速排気ができるのでスルー
プットが低下することもない。

【００２８】更に流路部材６、７の下端側にアルミニウ
ムよりなる第３の流路部材８を設けている理由は、これ
が無ければ電位勾配のある領域に大きな径のガス流路が
形成されてしまうので、第３の流路部材８を詰めておく
ことにより流路部材６、７の下端側をグランド部材４１
と同電位にし、これによって放電を確実に防止している
のである。

【００２９】この場合第３の流路部材８の代りに第１、
第２の流路部材６、７を設けてもよいが、あまり長い領
域にこれらを配置するとコンダクタンスが小さくなって
しまうので、バックサイドガスの圧力や絶縁部４の厚さ
などを考慮して適宜配列を決定すればよい。ここでガス
圧力と放電開始電圧との関係が流路部材の数によってど
のように変わっていくかを調べるために、流路部材（６
または７）の数が１〜５個の夫々について、両端に電極
を配置して圧力を種々変えて放電開始電圧を測定した。
結果は図５に示す通りである。ただし各流路部材（６ま
たは７）の長さは約６ｍｍ、通流孔５２の径は約０．８
ｍｍである。

【００３０】図５の結果からわかるように流路部材の数
を増やしていくにつれて放電開始電圧が高くなってゆ
き、例えば圧力１０Ｔｏｒｒの場合放電開始電圧は１Ｋ
Ｖよりも高く、流路部材が２個以上では１ＫＶに装置を
設定しても放電が確実に防止できることがわかる。

【００３１】流路部材としては、分割できない、長い一
体型のものを用いてもよいが、上述実施例のように、分
割されているものを組み合わせるようにすれば、耐電圧
やコンダクタンスなどを流路部材の組み合わせにより変
更することができるので、自由度が高い上、各部品が汎
用部品となり、しかもメンテナンス時にも分割できるの
で便利であり、また製作も容易である。

【００３２】ただし本発明では、流路部材として分割で
きない一体型のものであってもよいし、また分割可能な
流路部材を組み合わせる場合にも、各流路部材の通流孔
の配列が同じであってもよい。更には本発明でいう小径
の流路とは、ガス導入管の軸方向に伸びるものに限定さ
れず、例えば流路部材として多孔質体を用いた場合に
は、この中の屈曲路が相当する。

【００３３】以上において本発明では、下部電極が接地
され、上部電極が高周波電源に接続されているものにも
適用でき、またプラズマエッチング装置に限らず、プラ
ズマＣＶＤ装置などの熱処理装置、アッシング装置など
にも適用でき、被処理体としてはウエハに限らずＬＣＤ
基板などであってもよい。

【００３４】

【発明の効果】請求項１の発明によれば、下部電極と、
これとは電位の異なる導電部材との間に位置するバック
サイドガスの流路を、多数の小径の流路により構成して
いるため、下部電極と導電部材との間の放電を防止で
き、従って高周波電力の供給効率の低下を抑えられ、プ
ラズマも安定する。

【００３５】請求項２の発明によれば、バックサイドガ
スの流路部材を長さ方向に複数に分割可能に構成してい
るので、耐電圧やコンダクタンスなどを、流路部材の組
み合わせにより変更することができるので便利である。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の実施例に係るプラズマエッチング装置
の全体構成を示す断面図である。

【図２】本発明の実施例の要部を示す断面図である。

【図３】ガス導入管の内部を示す分解斜視図である。

【図４】第１〜第３の流路部材を示す平面図である。

【図５】流路部材の数をパラメータとした放電開始電圧
と圧力との関係を示す特性図である。

【図６】従来のプラズマエッチング装置の一部を示す断
面図である。

【図７】従来のプラズマエッチング装置におけるガス導
入管のガス圧力と放電開始電圧との関係を示す特性図で
ある。

【符号の説明】

２ 真空チャンバ ２１ 上部電極 ３ 下部電極 ４ 絶縁部 ４１ グランド部材 ５ ガス導入管 ６ 第１の流路部材 ７ 第２の流路部材 ８ 第３の流路部材 ６１、７１、８１ 凹部 ６２、７２、８２ 通流孔

───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平４−330722（ＪＰ，Ａ) 実開 平４−94727（ＪＰ，Ｕ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/205 C23F 4/00 H01L 21/3065

Claims (2)

(57)【特許請求の範囲】
1. 【請求項１】 上部電極と下部電極との間に高周波電力
   を供給して処理ガスをプラズマ化し、このプラズマによ
   り下部電極上の被処理体をプラズマ処理する装置であっ
   て、下部電極の外方側に絶縁部を介して当該下部電極と
   は電位の異なる導電部材が配置されると共に、被処理体
   にバックサイドガスを供給するために導電部材から絶縁
   部を貫通して下部電極までガス流路部が形成されている
   プラズマ装置において、 前記絶縁部に位置するガス流路部を、多数の小径の流路
   が形成されている絶縁材よりなる流路部材により構成し
   たことを特徴とするプラズマ処理装置。
2. 【請求項２】 流路部材は、長さ方向に複数に分割され
   ていることを特徴とする請求項１記載のプラズマ処理装
   置。