JP3186234B2

JP3186234B2 - プラズマ処理方法および装置

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Publication number: JP3186234B2
Application number: JP22121792A
Authority: JP
Inventors: 弘之七田; 直行田村; 昭孝牧野; 健二中田
Original assignee: Hitachi Ltd
Current assignee: Hitachi Ltd
Priority date: 1992-08-20
Filing date: 1992-08-20
Publication date: 2001-07-11
Anticipated expiration: 2016-07-11
Also published as: JPH0669159A

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方法および
装置に係り、特に試料の温度測定を行うものに好適なプ
ラズマ処理方法および装置に関するものである。

【０００２】

【従来の技術】従来のプラズマ処理装置、例えば、マイ
クロ波等による放電を利用したドライエッチング装置の
重要な用途の１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。半導体基板の
ドライエッチング技術においては、異方性と選択性の両
立が重要な課題となっており、これを実現するためにこ
れまでさまざまな工夫がなされてきた。その中でも、今
後必要とされるサブミクロンパターンの微細加工におい
ては、イオンアシスト反応を利用した低温エッチング技
術が注目されつつある。

【０００３】なお、基板はプラズマとの化学反応熱やイ
オン，電子の入射エネルギによって加熱され温度が上昇
する。このため、基板保持台を水，メタノール，液体窒
素などの冷媒を用いて冷却するとともに、静電吸着を用
いて基板と基板保持台とを密着させ熱伝導を良くすると
ともに、基板と基板保持台との隙間に１〜１０Torr程度
のＨeなどの伝熱用ガスを満たして熱伝達を良好にし、
基板を効率良く冷却する手段が取られている。

【０００４】低温エッチングにおいて基板の温度管理
は、基板の微細加工を精度良く行うために重要なもので
ある。基板温度の測定方法としては、例えば、図４に示
すように、静電吸着力を利用して基板１１ａを吸着保持
させる基板保持台９ａの保持面側に、該基板保持台内部
側から突出させて測温素子５１を固定し、測温素子５１
自身の弾性を利用して基板１１ａとの押圧力の安定化を
図り、測温素子５１を直接基板１１ａに押し付けて基板
１１ａの温度測定を行うようにしたり、特開平１−３１
５１５８号公報に記載のように、静電気力によりウエハ
を吸着固定する保持台に空孔部を設け、測温素子を支持
するホルダーを空孔部に挿入し、このホルダーを弾性体
によってウエハと接触させられるようにしておき、ウエ
ハを保持台に押しつけることによってホルダーを下方に
押し下げ、ホルダーを弾性体の弾性力によりウエハに接
触した状態にし、かつ、ウエハを静電吸着用の電極に接
触させて、静電吸着用の電源を作動させウエハを試料台
に吸着固定し、ウエハの温度測定の精度を高められるよ
うにしたものがあった。なお、図４に示す１０ａは静電
吸着力を生じさせるための誘電体膜で、１７ａは基板保
持台９ａを冷却するための冷媒流路で、１８ａは基板１
１ａの裏面に伝熱ガスを供給するためのガス流路で、５
２は測温素子５１を基板保持台９ａに固定するための保
持具である。

【０００５】

【発明が解決しようとする課題】上記従来技術は、基板
保持台への基板の吸着固定の点について充分配慮されて
おらず、次のような問題があった。すなわち、図４に示
すような従来技術の場合、基板を測温素子に押し付けて
測温素子にある一定以上の押圧力を与えるために、基板
保持台の基板保持面から測温素子を突出させている。こ
の状態で基板保持台に基板を載置したのでは、基板それ
自体の質量が小さいので、測温素子の弾性力によって基
板が持ち上げられた状態になってしまい基板保持台と基
板の裏面とに大きな隙間が生じて、基板を基板保持台に
載置した後、基板を静電吸着させようとしても基板と基
板保持台が密着せず、基板の冷却が行えないばかりでな
く基板の脱落などが生じ、装置の運転に重大な不具合を
生ずる。また、このような現象は、測温素子が冷媒流路
を通る冷媒によって基板保持台を介して間接的に冷却さ
れ、測温素子自身の硬度が変化しその弾性力が変化して
屈曲性が悪くなった場合においても発生する。このよう
な場合には、静電吸着を確実に行うために測温素子の弾
性力を基板の質量よりも小さい一定値に管理、調整する
必要がある。しかし、このような小さい弾性力での管理
は困難であるばかりでなく、基板との押圧力が弱くなる
ため測定温度の誤差が大きくなるという問題が生ずる。
このような問題を解決するための方法として、ウエハ押
えを用いて基板の周辺部をウエハ押えの自重により固定
する方法が採用されている。しかし、この方法を用いる
と、ウエハ押えに付着したゴミがウエハ押えから離脱し
基板へ付着したり、基板とウエハ押えとの接触によるゴ
ミの発生等により半導体素子の絶縁不良などを引越し、
歩留り低下の原因を引き起こすという問題があった。

【０００６】また、特開平１−３１５１５８号公報に記
載の従来技術においては、ウエハを保持台に押しつけて
ホルダーを下方に押し下げ、ホルダーを弾性体の弾性力
によってウエハに接触させるとともに、ウエハを静電吸
着用の電極に接触させているので、試料台へのウエハの
吸着固定およびウエハの温度測定が可能となる。しか
し、ウエハを保持台へ押しつけるための手段が必要であ
り、このため、前述のウエハ押えと同様の問題が生じ
る。

【０００７】本発明の目的は、基板の温度を再現性良く
高精度に測定し、精度の良いプラズマ処理が行えるプラ
ズマ処理方法および装置を提供することにある。

【０００８】

【課題を解決するための手段】上記目的は、処理ガスが
供給されると共に所定の圧力に減圧排気される真空処理
室と、真空処理室内に供給された処理ガスをプラズマ化
するプラズマ発生手段と、真空処理室内に設けられ処理
ガスのプラズマに対向させて試料を配置するための試料
台と、試料台に静電吸着力を利用して試料を保持するた
めの手段と、試料台と試料との間に伝熱用ガスを供給す
る手段と、試料の温度を検出する温度センサと、温度セ
ンサをダイアフラムに生じる圧力差によって試料裏面に
押し付ける手段とを具備した装置とし、処理ガスが供給
されると共に所定の圧力に減圧排気された真空処理室内
に処理ガスのプラズマを発生させ、プラズマに対向させ
て配置した試料を処理するプラズマ処理方法において、
試料を静電吸着力を利用して試料台に保持した後に、試
料台と試料との間に伝熱用ガスを供給し、試料の温度を
検出する温度センサを試料裏面に押し付け、試料の温度
を管理しながら処理する方法とすることにより、達成さ
れる。

【０００９】

【作用】真空処理室内に処理ガスを供給するとともに所
定圧力に減圧排気し、真空処理室内を試料の処理が可能
な状態にし、試料を試料台に静電吸着させた後、伝熱用
ガスを試料裏面に流す。これとともに、温度センサを取
り付けたダイアフラムに圧力差を生じさせ、この圧力差
による力を利用して温度センサを試料裏面に押し付け
る。これにより、温度センサを試料裏面に押し付けて
も、既に試料は試料台に強固に吸着・保持されているの
で、試料が試料台から浮き上がることもなく、温度セン
サの試料への密着力も大きくでき、基板の温度を再現性
良く高精度に測定でき、精度の良いプラズマ処理が行え
る。

【００１０】

【実施例】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。図１は本発明を示すプラズマ処理装置であ
り、この場合、マイクロ波プラズマエッチング装置を例
に示す。

【００１１】真空処理室１の下部には、試料１１を配置
するための試料台９が設けてある。試料台９は、絶縁部
材８によって真空処理室１から電気的に絶縁されてい
る。試料台９の上面には、誘電体膜１０が形成されてい
る。試料１１は、図示を省略した搬送装置によって試料
台９に配置または試料台９から取り除かれる。試料１１
は誘電体膜１０を介して試料台９上に配置される。真空
処理室１の上部には、試料台９に対向して設けた石英窓
２を介して導波管３が取り付けてある。導波管３の端部
には、マイクロ波を発振するためのマイクロ波発振器４
が取り付けてある。試料台９上側の真空処理室１の外周
部には、真空処理室１の内側に磁界を発生させるための
ソレノイドコイル５が設けてある。７は真空処理室１の
内部に処理ガスを導入するための処理ガス供給ラインで
ある。また、真空処理室１には、真空処理室１の内部を
減圧排気するための真空排気装置（図示省略）が、この
場合、真空処理室１の側面部に設けた排気口６を介して
接続されている。試料台９には、整合器１２を介して高
周波電源１３が接続され、また高周波遮断器１４を介し
て直流電源１５が接続されている。また、試料台９の内
部には、冷媒を循環するための冷媒流路１７が形成して
あり、該冷媒流路１７には図示を省略した温調機との間
で冷媒を移送するための冷媒循環ライン１６が接続して
ある。この循環される冷媒は、一定温度に制御されて試
料台９に送られる。

【００１２】さらに試料台９には、試料台９および誘電
体膜１０を貫通して伝熱ガスを供給するためのガス流路
１８が形成してあり、該ガス流路１８には伝熱ガス供給
ライン１９が接続してある。伝熱ガス、例えば、Ｈeガ
スは、伝熱ガス供給ライン１９に設けられた流量制御弁
２０を介して、誘電体膜１０の上に吸着保持される試料
１１の裏面に供給される。試料１１が配置される範囲の
誘電体膜１０には、図３に示すように伝熱ガスを試料１
１の裏面の略全域に供給し易くした分散溝４２が設けて
ある。該分散溝４２は複数の円周溝と複数の放射溝との
組合せで成り、試料１１の外周には達しない範囲内に設
けてある。分散溝４２の放射溝は複数の円周溝で区切ら
れた外側の領域の方に多く設けてある。また、ガス流路
１８における伝熱ガスの供給孔は、分散溝４２の内側と
外側とで圧力差が生じないように分散溝４２の複数箇所
に設けてある。これにより、試料１１裏面の伝熱ガスの
圧力は、試料１１の裏面の全域で均一になるとともに、
伝熱ガス供給ライン１９の圧力とほぼ同圧となるように
してある。

【００１３】試料台９には、試料１１の裏面から試料１
１の温度を検出するための温度センサ２２（例えば、光
温度検出器等）が設けてある。温度センサ２２は、ダイ
アフラム２１を介して試料台９に取り付けてあり、図２
にその詳細を示す。この場合、試料台９はダイアフラム
２１を挟んで固定する上部材３１と下部材３２とから成
る。ダイアフラム２１を挟んだ上部材３１の空間３８は
通路２４を介して真空処理室１の室内空間に連通させ、
ダイアフラム２１を挟んだ下部材３２の空間３９は通路
２３を介して伝熱ガス用のガス流路１８に連通させてあ
る。ダイアフラム２１の中央孔にはキャップ３３が一方
から通してあり、他方からカバー３４をキャップ３３に
捩じ込み、ダイアフラム２１を挟み付けてある。キャッ
プ３３の中心に設けた貫通孔には温度センサ２２が通し
てあり、キャップ３３の軸方向端部に当接させてカバー
３４の中空部に順次挿入したテーパリング雌３５および
テーパリング雄３６を、カバー３４端部に捩じ込む固定
キャップ３７によって押し付け、実質的に温度センサ２
２をダイアフラム２２に固定してある。温度センサ２２
は、上部材３１に設けた温度センサ用の貫通孔４０に通
され、試料１１を試料台９に配置しない場合には、試料
台９の試料載置面よりわずか、例えば、０.５〜１ｍ
ｍ程度引っ込まして設けてある。なお、４１はダイアフ
ラム２１に掛かる温度センサ部の自重を保持するための
ストッパである。

【００１４】温度センサ２２は、制御装置２５に接続し
てある。制御装置２５は、温度センサ２２からの検出信
号を受けて、伝熱ガス供給用の流量制御弁２０を制御す
る。

【００１５】上記のように構成した装置では、図示を省
略した搬送装置によって、試料１１は試料台９に配置さ
れる。真空処理室１の内部には、所定流量の処理ガスが
処理ガス供給ライン７を介して供給される。また、真空
処理室１の内部は真空排気装置によって排気口６より真
空排気され、真空処理室の１内部の圧力は、真空処理室
１に設けられた絶対圧真空計（図示省略）および排気系
に設けられた制御弁（図示省略）により、所定の真空度
に制御される。その後、マイクロ波発振器４によってマ
イクロ波を発振させ、導波管３および石英窓２を介して
真空処理室１の内部にマイクロ波を入射させると共に、
ソレノイドコイル５によって磁界を発生させることによ
り、真空処理室１の内部に処理ガスのプラズマが発生す
る。この場合、プラズマ発生の直後に、高周波電源１３
によって整合器１２を介して高周波電力を試料台９に供
給すると共に、直流電源１５によって高周波遮断器１４
を介して直流電圧を試料台９に供給する。

【００１６】マイクロ波プラズマエッチング装置におけ
る試料台９への高周波電力の印加は、試料１１へのプラ
ズマ中のイオンの入射を制御するのに用いられる。

【００１７】また、試料台９への直流電圧の印加によっ
て誘電体膜１０を介して試料台９に静電吸着力が発生
し、誘電体膜１０を介して試料１１が試料台９に吸着・
保持される。試料１１が試料台９に吸着・保持される
と、伝熱ガス供給ライン１９，ガス流路１８および分散
溝４２を介して試料１１の裏面に伝熱ガスが供給され
る。これとともに、ダイアフラム２１を取り付けた下部
材３２の空間３９に通路２３を介して伝熱ガスが入る。
これにより、真空処理室１の内部空間に通路２４を介し
て連通した上部材３１の空間３８と下部材３２の空間３
９との間に圧力差が生じ、ダイアフラム２１が上部材３
１の空間３９側に押され、温度センサ２２が試料１１の
裏面に押し付けられる。この場合、真空処理室１の内部
圧力は試料の処理圧力に等しく、例えば、数ｍＴｏｒｒ
に制御され、伝熱ガスの圧力は１〜１０Ｔｏｒｒ程度の
圧力で制御されるので、ダイアフラム２１には充分な圧
力差が生じ、温度センサ２２に所望の押し付け力を与え
ることができる。

【００１８】一方、試料台９は一定温度の冷媒によって
冷却されている。これにより、プラズマ処理による試料
１１への入熱は、試料１１の裏面の伝熱ガスおよび誘電
体膜１０を介して試料台９に伝熱し、そして試料台９に
循環している冷媒を介して、温調機（図示省略）で除去
される。

【００１９】制御装置２５は、この場合、温度センサ２
２によって検出した試料１１の温度検出信号を入力し、
試料１１の温度が所定の設定温度となるように流量制御
弁２０を制御して試料１１の裏面の伝熱ガス圧力を制御
する。これと共に、温度センサ２２によって検出された
試料１１の温度検出信号は、制御装置２５に記憶され、
試料の処理データとして管理される。

【００２０】以上本実施例によれば、真空処理室内に処
理ガスを供給するとともに所定圧力に減圧排気し、真空
処理室内を試料の処理が可能な状態にし、試料を試料台
に静電吸着させた後、伝熱用ガスを試料裏面に流し、こ
れとともに、温度センサを取り付けたダイアフラムに圧
力差を生じさせ、この圧力差による力を利用して温度セ
ンサを試料裏面に押し付けるようにしているので、温度
センサを試料裏面に押し付けても、既に試料は試料台に
強固に吸着・保持されており、試料が試料台から浮き上
がることもなく、温度センサの試料への密着力も大きく
でき、基板の温度を再現性良く高精度に測定できる。こ
れにより、精度の良いプラズマ処理が行える。

【００２１】また、従来のように試料を試料台側に押し
付けて、試料を静電吸着可能にすると共に、試料を温度
センサに押し当てるための手段が不要となるので、該手
段と試料との接触等により発生する発塵量が少なく、そ
の結果、半導体素子の歩留りも向上する。

【００２２】なお、本実施例では、ダイアフラムに与え
る圧力差を真空処理室内の圧力と伝熱ガスの圧力とによ
り生じさせるようにしているが、伝熱ガスの代わりに他
の供給源からのガスをダイアフラムの一方に供給した
り、ダイアフラムの他方側を真空排気装置に直接に接続
するようにしても良い。

【００２３】また、本実施例では、マイクロ波プラズマ
処理装置を例に示したが、マイクロ波を用いないプラズ
マ処理装置でも良いし、さらに、プラズマ処理でない真
空処理装置であっても良い。

【００２４】また、本実施例で示した温度センサの押圧
方法は静電吸着によって試料を保持する場合について述
べたが、処理装置の用途によっては静電吸着以外の支持
手段によって支持されるものに適用しても良い。

【００２５】また、本実施例で示したガス分散溝は全体
をつなげているが、試料温度の均一性が悪い場合には、
複数箇所で溝を分断し、それぞれにガス流路を設けて伝
熱ガスの試料の裏面圧をそれぞれに制御して全体を均一
に温度制御するようにしても良い。

【００２６】さらに、本実施例では図示を省略したが、
試料台へ試料を配置するのを容易にするため、試料台側
に試料押し上げ手段を設けることが行われており、該試
料押し上げ手段にダイアフラムを用いた温度センサの押
圧手段を併用させても良い。

【００２７】

【発明の効果】本発明によれば、試料を静電吸着力を利
用して試料台に保持した後に、試料台と試料との間に伝
熱用ガスを供給し、試料の温度を検出する温度センサを
試料裏面に押し付け、試料の温度を管理しながら処理す
ることができるので、基板の温度を再現性良く高精度に
測定でき、精度の良いプラズマ処理が行えるという効果
がある。

【図面の簡単な説明】

【図１】本発明の一実施例であるプラズマ処理装置を示
す縦断面図である。

【図２】図１のダイアフラム部の詳細を示す縦断面図で
ある。

【図３】図１の試料載置面を示す平面図である。

【図４】従来技術である測温素子の取付けを示す縦断面
図である。

【符号の説明】

１…真空処理室、２…石英窓、３…導波管、４…マイク
ロ波発振器、５…ソレノイドコイル、６…排気口、７…
処理ガス供給ライン、８…絶縁部材、９…試料台、１０
…誘電体膜、１１…試料、１２…整合器、１３…高周波
電源、１４…高周波遮断器、１５…直流電源、１６…冷
媒循環ライン、１７…冷媒流路、１８…ガス流路、１９
…伝熱ガス供給ライン、２０…流量制御弁、２１…ダイ
アフラム、２２…温度センサ、２３，２４…通路、２５
…制御装置、３１…上部材、３２…下部材、３３…キャ
ップ、３４…カバー、３５…テーパリング雌、３６…テ
ーパリング雄、３７…固定キャップ、３８，３９…空
間、４０…貫通孔、４１…ストッパ、４２…分散溝。

フロントページの続き (72)発明者中田健二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)参考文献特開平２−9120（ＪＰ，Ａ) 特開平３−105917（ＪＰ，Ａ) 特開平４−57324（ＪＰ，Ａ) (58)調査した分野(Int.Cl.⁷，ＤＢ名) H01L 21/3065 C23C 16/509 C23F 4/00

Claims

(57)【特許請求の範囲】

【請求項１】処理ガスが供給されると共に所定の圧力に
減圧排気された真空処理室内に処理ガスのプラズマを発
生させ、該発生させたプラズマに対向させて配置した試
料を処理するプラズマ処理方法において、前記試料を静
電吸着力を利用して試料台に保持し、その後前記試料台
と前記試料との間に伝熱用ガスを供給し、前記試料の温
度を検出する温度センサを前記試料裏面に押し付け、前
記試料の温度を管理しながら試料を処理することを特徴
とするプラズマ処理方法。
【請求項２】請求項１記載のプラズマ処理方法におい
て、前記温度センサの前記試料裏面への押し付けは、前
記温度センサにダイアフラムを設け、前記ダイアフラム
に生ずる圧力差の力を用いて行うことを特徴とするプラ
ズマ処理方法。
【請求項３】処理ガスが供給されると共に所定の圧力に
減圧排気される真空処理室と、前記真空処理室内に供給
された処理ガスをプラズマ化するプラズマ発生手段と、
前記真空処理室内に設けられ前記処理ガスのプラズマに
対向させて試料を配置するための試料台と、前記試料台
に静電吸着力を利用して前記試料を保持するための手段
と、前記試料台と前記試料との間に伝熱用ガスを供給す
る手段と、前記試料の温度を検出する温度センサと、前
記温度センサをダイアフラムに生じる圧力差によって前
記試料裏面に押し付ける手段とを具備したことを特徴と
するプラズマ処理装置。
【請求項４】請求項３記載のプラズマ処理装置におい
て、前記温度センサを前記試料裏面に押し付ける手段
は、前記ダイアフラムの反試料側に前記伝熱用ガスの流
路につながる通路を形成し、前記ダイアフラムの試料側
に前記真空処理室内につながる通路を形成して成ること
を特徴とするプラズマ処理装置。