JP3439194B2 - プラズマプロセス用装置 - Google Patents

プラズマプロセス用装置

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JP3439194B2 JP2000604444A JP2000604444A JP3439194B2 JP 3439194 B2 JP3439194 B2 JP 3439194B2 JP 2000604444 A JP2000604444 A JP 2000604444A JP 2000604444 A JP2000604444 A JP 2000604444A JP 3439194 B2 JP3439194 B2 JP 3439194B2
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Description

【発明の詳細な説明】
【0001】
【発明の属する技術分野】本発明は、被処理物である基
板に成膜、ドライエッチングなどのプラズマプロセスを
行うプラズマプロセス用装置に係る。
【0002】
【従来の技術】近年、プラズマプロセス用装置には、高
速に且つ性能の高い成膜やドライエッチングを行うこと
と同時に、その装置の占有面積を小型化し、初期投資お
よび運転コストを抑えることが求められている。
【0003】プラズマドライエッチング装置において
は、被処理物表面垂直方向のエッチング速度を平行方向
に対して大きくする、すなわちエッチング速度の異方性
を高めるため、且つエッチングマスクとなる有機レジス
トの焼け焦げを防ぐために、ステージの冷却媒体による
冷却によって被処理物のプラズマ照射による熱を除去し
ている。プラズマ成膜装置においても被処理物もしくは
薄膜に耐熱性がない場合は冷却が必要になる。
【0004】特に半導体製造においては、製造コストを
低くするために、高密度プラズマを用いることによって
プロセス速度を高くし、シリコン基板のサイズを直径2
00mmから300mmへと大口径化することによって
1枚の基板からとれるチップの数を増やして生産性を上
げようとしている。プラズマが高密度になり基板サイズ
が大型化すれば除去しなければならない単位時間当たり
の熱量が大きくなるので、冷却装置が大掛かりになる。
基板の温度分布を均一にしようとすれば冷却媒体の入口
と出口の温度差を小さくしなければならないため冷却媒
体を高速に循環させることが必要になり、循環装置が大
掛かりになる。一般には、冷却機構と循環機構を兼ね備
えたチラーが用いられている。
【0005】被処理物を載せるステージには、冷却機構
以外に、被処理物をステージに密着させるための静電チ
ャック機構、プラズマを生成するためまたはプラズマか
らのイオン照射エネルギーを制御するための高周波もし
くは直流電圧電極機構、被処理物とステージの熱伝達を
良くするため被処理物とステージの隙間にヘリウムガス
を充填させる機構、被処理物もしくはステージの温度モ
ニター機構などが設けられる。
【0006】従来、直流電圧もしくは高周波を印加する
ステージを冷却する場合、直流電圧、高周波を絶縁する
ために、冷媒として低誘電率、低電気伝導度のフッ素系
不活性液体が用いられている。
【0007】しかし、上記従来技術では、使用している
冷媒の比熱、熱伝導率が小さく、熱を奪う能力が低いた
め、冷媒をチラーによってマイナス数十度まで冷却し、
ステージとの温度差を大きくして熱を奪う能力を上げて
いる。この低温の冷媒の供給配管を長く引き回すと断熱
が大掛かりになり、またこの冷媒は高価であるため必要
量が大きくなるとコストが高くなる。従って通常は各プ
ラズマプロセス用装置の近傍に比較的小型の冷媒チラー
装置を設置している。
【0008】したがって、本発明は、小型で低コストな
ステージ冷却機構を有するプラズマプロセス用装置を提
供することを目的とする。
【0009】
【課題を解決するための手段】上記の課題を解決するた
めに本発明では、 プラズマを励起させるために必要な原料ガスを供給する
ガス供給システムと、それを排気し容器内を減圧にする
ための排気システムを有し、その容器内においてプラズ
マを励起させ、前記プラズマ中で被処理物の処理を行う
ように構成されたプラズマプロセス用装置において、 前容器の内部に被処理物を載せる導電性のステージが設
けてあり、 前記ステージには直流電圧もしくは高周波を印加できる
構造が設けられており、 前記ステージの内部には被処理物を冷却するための冷却
媒体流路が設けられており、 前記冷却媒体流路には前記ステージの熱を前記冷却媒体
に伝えるために熱伝導度が高く、前記ステージに印加し
た直流電圧もしくは高周波を前記冷却媒体に伝えないよ
うに電気絶縁性が高い材料を用い、 前記冷却媒体として水ベースの液体を用い、 かつ、該水ベースの液体は、標準酸化還元電位が標準水
素電極を基準電極として0以下の還元性の液体であるこ
とを特徴とするものである。
【0010】
【発明の実施の形態】以下、本発明の一実施例を図1〜
4に基づいて説明する。
【0011】図1は本実施例で用いたプラズマプロセス
用装置を示すものである。直径200mmのシリコン基
板上に形成されたシリコン酸化膜をドライエッチングす
るための装置であり、基板ステージ105に印加する高
周波によってプラズマが励起される。
【0012】101はプロセスを行う容器本体であり、
102のガス供給システムによって104のプラズマを
励起させるために必要な原料ガスを供給し、103の排
気システムによって原料および反応副生成ガスを排気す
る。その際、必要により容器101内を減圧する。1
3.56MHzの電源106および整合器107によっ
て被処理物を載せるステージ105に高周波を印加する
ことによってプラズマ104を励起させる。ステージ1
05下部には冷却媒体入口108および出口109のポ
ートが設けられている。
【0013】図2は一般的なステージの冷却機構の詳細
を示すものである。201はステージ本体であり、熱伝
導性の良い銅やアルミニウムなどの導体からなり、この
部分に直流電圧もしくは高周波が印加される。203は
冷却媒体の流路であり、本体201と一体で形成されて
いるか、本体201と同様の熱伝導性の良い導体材料で
加工して、本体とロウ付け204またはネジなどによっ
て固定されている。冷却媒体流路203は絶縁性のチュ
ーブ206を介してチラー207に接続されており、チ
ラー207が冷媒の温度コントロールおよび循環を行っ
ている。ステージ本体に印加した直流電圧もしくは高周
波が冷媒にリークするのを防ぐために、絶縁性の冷媒が
用いられている。
【0014】表1は前記冷却機構で使用される代表的な
冷却媒体と水の物性を示すものである。絶縁性の冷却媒
体として代表的なものはフロリナート(3M社製)とガ
ルデン(アウジモント社製)である。これらはフッ素系
不活性液体であり絶縁性である。これらの冷却媒体は、
水と比較した場合、比熱、熱伝導率が小さいために、ス
テージ本体201の冷却効率を上げるためには、冷媒を
マイナス数十度まで冷却する必要がある。
【0015】一方、図3は本発明のステージ冷却機構の
詳細を示すものである。冷却媒体には5〜10℃の水を
用いている。表1に示すように水は比熱、熱伝導率とも
にフッ素系不活性液体と比べて大きいため、この位の温
度で十分である。この水ラインに直流電流や高周波が伝
わらないようにするための工夫がなされている。
【0016】
【表1】 301はステージ本体であり、熱伝導性の良い銅、アル
ミニウムなどの導体からなり、この部分に直流電圧もし
くは高周波が印加される。303は冷却媒体の流路であ
り、高熱伝導率絶縁材料である窒化アルミニウムセラミ
ックスからなり、本体にロウ付け304によって固定し
ている。冷却媒体流路303には絶縁性材料であるパー
フルオロアルコキシ(PFA)製の継ぎ手305によっ
てPFAチューブ306が接続されており、ステージ下
部のカバー314の底面部分でステンレス製継ぎ手30
7を接続し、この部分で接地している。冷却水の循環は
ポンプ311によって行い、ステージの温度モニター3
13が設定温度より高い値を検出した場合、冷却水入口
309から流量コントローラ312によって5〜10℃
の冷却水が加えられ、それと等量の水が出口310に排
出される。冷却水入口309および出口310はクリー
ンルーム内を循環している装置冷却水ラインに接続され
ている。
【0017】ステージ本体に高周波を印加する場合、高
周波をプラズマ励起に使い、カバー314内部のステー
ジ301と接地部307の間のチューブ306で損失さ
せないためにその間の抵抗を極力大きくすることが、ま
た水の電気分解による気泡発生を防ぐために、チューブ
を長くし水に掛かる電界強度を小さくことが必要であ
る。チューブ306を必要以上に細長くすると冷却水の
圧損が大きくなってしまうことから、本装置では外径1
/4インチ(約6.35mm)、長さ30cmのチュー
ブを選定した。
【0018】チューブのサイズはステージ301に印加
する高周波電力の大きさに応じて最適化される。
【0019】ステージ本体301と冷却媒体流路303
の接続部304はロウ付けに限られるのもではなく、ネ
ジ止めなどによって機械的に接触させても構わない。そ
の場合接触部分に熱伝導性の良いグリースを塗布してお
くとより確実に熱をステージ本体301から冷却媒体流
路303に伝えることができる。
【0020】なお、冷却媒体流路303は銅やアルミニ
ウムなどの金属で構成し、その表面に窒化アルミニウム
セラミックスからなる部材を貼り付けたり、溶射によっ
て表面に窒化アルミニウムセラミックスを被覆したもの
でも構わない。
【0021】また、冷却水の循環方法は上記の方法に限
られるものではなく、装置近傍にチラーを設置しても構
わない。その場合もフッ素系不活性媒体の場合と比べて
冷却温度が高いことからチラーが小型化できる。
【0022】なお、前記冷却水は冷却水供給設備の腐食
を防ぐ為に還元性水である方が望ましい。還元性水は水
に水素ガスをバブリング等の手法により溶解させること
で得られる。このように形成される冷却水は、標準酸化
還元電位が標準水素電極を基準電極として0以下の還元
性を有している。
【0023】以下、本発明の装置によって、シリコン酸
化膜のドライエッチングプロセス中にステージ301を
冷却した結果について説明する。プロセス条件は次の通
りである。冷却媒体は本発明で使用する水と、比較のた
めにフロリナート(3M社製)について結果を示す。 (プロセス条件) 基板ステージ高周波:13.56MHz/1500W プロセスガス:C/CO/O/Ar=10/5
0/5/200sccm プロセス圧力:5.33Pa(約40mTorr) 基板:0.75mmシリコン基板/1.6μmシリコン
酸化膜/0.8μmフォトレジスト(φ0.15μmホ
ールパターン形成) 基板ステージ温度:20℃にコントロール 冷却媒体:水またはフッ素系不活性液体フロリナート
(3M社製) ステージを20℃に保つために必要な冷却媒体の温度
は、高周波電力に依存する。図4は冷却媒体温度の高周
波電力依存性の測定結果を示している。高周波電力が0
〜2,000Wの範囲で、フロリナートおよび水それぞ
れ−25℃〜20℃と15〜20℃であり、水はフロリ
ナートと比べて熱伝導が9倍高いため、冷却する温度が
約1/9で同様の効果が得られることが確認された。
【0024】また、高周波が空中に漏れて伝搬していな
いかを調べるためにアルファラボ社製電界強度計を用い
て測定したところ、水の場合でも高周波電力が最大の
2,000Wの場合において計測器検出限界の0.01
mW/cm2以下であった。
【0025】以上の例では、被処理物としてシリコン基
板を例に用いて説明したが、ガラス基板など、他の被処
理物においても適用されることは言うまでもない。
【0026】本発明によれば、高価なチラーや低誘電
率、低電気伝導性を備えた特別な冷媒が不要になり、装
置コストを低減できしかも装置占有面積も小さくしたプ
ラズマプロセス用装置を提供することができる。 [図面の簡単な説明]
【図1】本発明に係るプラズマプロセス用装置の一例を
示す模式的な断面図である。
【図2】一般的なプラズマプロセス用装置の被処理物を
載せるステージの冷却機構を示す模式的な断面図であ
る。
【図3】本発明に係るプラズマプロセス用装置の被処理
物を載せるステージの冷却機構を示す模式的な断面図で
ある。
【図4】本発明に係るプラズマプロセス用装置のプラズ
マ励起用高周波電力の被処理物を載せるステージを冷却
する冷却媒体温度との関係を示すグラフである。
───────────────────────────────────────────────────── フロントページの続き (56)参考文献 特開 平2−42721(JP,A) 特開 平5−121333(JP,A) 特開 平6−346256(JP,A) 特開 平9−17849(JP,A) 特開 平8−117795(JP,A) (58)調査した分野(Int.Cl.7,DB名) H01L 21/3065 H01L 21/31

Claims (8)

    (57)【特許請求の範囲】
  1. 【請求項1】 プラズマを励起させるために必要な原料
    ガスを供給するガス供給システムと、それを排気し容器
    内を減圧にするための排気システムを有し、その容器内
    においてプラズマを励起させ、前記プラズマ中で被処理
    物の処理を行うように構成されたプラズマプロセス用装
    置において、 前容器の内部に被処理物を載せる導電性のステージが設
    けてあり、 前記ステージには直流電圧もしくは高周波を印加できる
    構造が設けられており、 前記ステージの内部には被処理物を冷却するための冷却
    媒体流路が設けられており、 前記冷却媒体流路には前記ステージの熱を前記冷却媒体
    に伝えるために熱伝導度が高く、前記ステージに印加し
    た直流電圧もしくは高周波を前記冷却媒体に伝えないよ
    うに電気絶縁性が高い材料を用い、 前記冷却媒体として水ベースの液体を用い、 かつ、該水ベースの液体は、標準酸化還元電位が標準水
    素電極を基準電極として0以下の還元性の液体であるプ
    ラズマプロセス用装置。
  2. 【請求項2】 前記冷却媒体流路の前記冷却媒体と接す
    る少なくとも表面が、窒化アルミニウムを成分に含む物
    質によって覆われている請求項1記載のプラズマプロセ
    ス用装置。
  3. 【請求項3】 前記窒化アルミニウムを成分に含む物質
    が、窒化アルミニウムセラミックスである請求項1また
    は請求項2に記載のプラズマプロセス用装置。
  4. 【請求項4】 前記冷却媒体流路が窒化アルミニウムセ
    ラミックスである請求項1から3いずれかに記載のプラ
    ズマプロセス用装置。
  5. 【請求項5】 前記水ベースの液体は純水である請求項
    1乃至4のいずかれか1項に記載のプラズマプロセス用
    装置。
  6. 【請求項6】 前記ステージの前記冷却媒体が取り出さ
    れる部位を接地したことを特徴とする請求項1乃至5の
    いずかれか1項に記載のプラズマプロセス用装置。
  7. 【請求項7】 前記ステージと前記接地された部位との
    間における抵抗値を、前記プラズマの励起に用いる高周
    波が損失しない値に設定したことを特徴とする請求項6
    記載のプラズマプロセス用装置。
  8. 【請求項8】 前記冷却媒体の循環を行うポンプと、 前記冷却媒体の温度をモニターする温度モニターと、 前記温度モニターのモニター結果から、前記冷却媒体の
    温度が設定値より上昇した際、温度が上昇した前記冷却
    媒体を排出すると共に、冷えた冷却媒体を注入する流量
    コントローラとを設けたことを特徴とする請求項1乃至
    7のいずかれか1項に記載のプラズマプロセス用装置。
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