JP4417731B2

JP4417731B2 - プラズマ処理装置及び静電吸着電極

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Publication number: JP4417731B2
Application number: JP2004005546A
Authority: JP
Inventors: 主人高橋; 大本　　豊; 茂白米
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2004-01-13
Filing date: 2004-01-13
Publication date: 2010-02-17
Anticipated expiration: 2024-01-13
Also published as: JP2005203425A

Description

本発明は、プラズマ処理装置及び静電吸着電極であり、プラズマ処理、特にプラズマエッチング処理において、ウエハを支持する静電吸着電極の静電吸着膜を薄膜化することにより、ウエハの温度制御性を向上した静電吸着電極に関する。

シリコン酸化膜や低誘電率材料からなるＬｏｗ−ｋ膜などの絶縁膜（以後、単に「絶縁膜」と称する）のエッチング装置におけるウエハ支持の静電吸着電極は、ウエハへの高周波バイアス電力が大きく、ウエハ温度制御のために静電吸着電極の温度制御性の向上が望まれている。従来の静電吸着電極は、特許文献１に記載のように、温度調節装置を備えた冷媒供給装置から電極ブロックに冷媒を供給し、かつウエハ裏面に伝熱用のヘリウムガスを導入してウエハ温度を制御するものが一般的である。

ウエハ裏面にヘリウムガスを導入するのは、ウエハと電極面が接触するだけでは十分な熱伝導が確保できないためである。伝熱ガスとしてはヘリウム以外でも良いが、高熱伝導特性やプロセスへの影響が少ないことなどからヘリウムガスが使用されている。伝熱ガスの圧力はガス分子による熱伝導が期待できる約１ｋＰａ以上が通例である。伝熱ガスを導入した場合の熱伝導は、ウエハと電極が接触しているか否かと、ウエハと電極面の距離、伝熱ガスの圧力などにより変化する。一般には、ウエハと電極が接触する場合の熱伝導は、両者の距離には依存せず圧力に依存する。また、ウエハと電極が接触していない場合は、接触している場合に比較して熱伝導性が低下する。

以上のようなウエハと電極面の間の熱伝導特性を考慮し、ウエハ温度を面内で均一化するために、電極表面にウエハ接触部と溝部を分布させたものや、伝熱ガスを２系統供給したもの（特許文献２）、電極に２系統の冷媒供給系を設けたもの（特許文献３）などが知られている。

一方、絶縁膜のようにウエハ高周波バイアス電力が非常に大きくなった場合のウエハ温度制御については、冷媒温度を低温化する方法や冷媒温度制御装置を大容量化するなどの手段が取られている。しかし、これらの方法は、冷媒温度制御装置の消費電力が増加したり、装置のコスト高などといった問題が生ずるため、電極そのものの伝熱効率を向上させる手段が求められる。

また、ゲート酸化膜の薄膜化やウエハ大口径化に伴い、ウエハでの静電的なダメージ抑制が強く望まれるようになってきた。特許文献４では、ウエハ内外の静電吸着膜厚を変えるとともにウエハ外周部に内周部とは異なるバイアスを印加し、ウエハ面内の静電電位を抑制し、ダメージ抑制を図った技術が紹介されている。すなわち、これからの静電吸着電極にはウエハ温度制御ばかりでなく、静電的なダメージ抑制機能も要求される。なお、電極面内で静電吸着膜の膜厚を変える方法と、前述の電極の伝熱効率向上とは相容れない関係にある。静電吸着膜の厚い領域では伝熱特性が低下するため、両者を加味した何らかの対策が望まれる。

さらに静電吸着電極として要求される機能には、十分なウエハ支持力維持と脱着時の残留吸着力の速やかな除去がある。

また、ウエハ温度の面内均一性が十分に確保されることも必要である。なお、ウエハ径が３００ｍｍと大きくなるにつれ、ウエハ面内のプラズマ分布や反応生成物分布などが不均一になりやすくなってきている。これへの対応として、ウエハ温度分布を面内で均一にするのではなく、エッチング特性が均一になるように面内でウエハ温度を制御する方法も検討されている。すなわち、ウエハの面内分布も含めた温度制御が必要である。
特許第２０１５１６５号公報特開平７−２４９５８６号公報特開平９−１７７７０号公報特開２００２−１４１３４０号公報特開平６−３４９９３８号公報特許第３２６５７４３号号公報片岡泰弘ほか「愛知県工業技術センター報告」２９号、１９９３年、ｐ３１

従来のプラズマエッチング装置用静電吸着電極では、ウエハへの高周波バイアス電力が大きい場合は、冷媒温度を低温度に設定したり、冷媒温度制御装置の大容量化などが図られている。しかし、単位面積当りの高周波バイアス電力が２００ｍｍウエハと３００ｍｍウエハで同じとすると、ウエハ全面への高周波バイアス電力はウエハ３００ｍｍ化で２００ｍｍの約２.２倍となる。すなわち、ウエハ大口径化でウエハ全体への入熱量が大きくなり、冷媒温度制御装置の容量は２倍以上にしなければならないことになる。また、コンタクトホールなどの絶縁膜エッチングでは、エッチング速度を上げるために高バイアス化の傾向にあり、ウエハへの入熱量はますます増加する。このような状況において、ウエハへの入熱量を効率よく冷媒に伝達する電極構造が望まれる。

ウエハへの入熱量が増加した場合の他の対策として、冷媒温度を低温度に設定して伝熱特性を向上させることが行われている。しかし、冷媒温度を低くすると冷媒温度制御装置の冷却能力を維持するために大容量化する必要がある。これは消費電力の増加と装置のコスト高につながる。

本発明では、ウエハから冷媒までの熱伝導特性を考慮し、ウエハから冷媒までの温度差が小さくなるように各要素を最適化することで、電極の伝熱効率を向上するプラズマ処理装置及び静電吸着電極を提供することを目的とする。本発明の他の目的は、ウエハの温度分布が均一になるようにすることにある。本発明の他の目的は、静電的なダメージをウエハに与えないとともにウエハの着脱を容易に行えるプラズマ処理装置及び静電吸着電極を提供することである。

本発明を説明するために、プラズマ処理装置内部における熱の動き等を説明する。ウエハから冷媒までの熱の流れは、次のようになっている。プラズマからのウエハへの入熱量は、主としてプラズマ中のイオンがバイアス電圧で加速されてウエハに衝突し、イオンの運動エネルギーが熱エネルギーに変換されたものとみなせる。

この熱量はウエハ表面から裏面、あるいはウエハ面内に伝導するが、シリコンウエハの熱伝導（熱伝導率：１０８Ｗ／ｍＫ）が良いため、ウエハ表面と裏面間の温度差は無視できるほど小さい。

次に、ウエハ裏面から電極表面への熱の流れを見てみる。ウエハ裏面は電極面と接触する部分と接触しない部分に分けられる。また、ウエハ裏面と電極表面間には熱伝導を向上させるために伝熱ガスとしてヘリウムガスが導入されている。ヘリウムガス分子による熱伝導は、圧力と距離の関数で大勢が決まる。ヘリウムガス分子がウエハ裏面や電極表面に衝突した際のエネルギーの授受係数に相当する熱適応係数も伝熱特性に影響するが、これを制御するのは難しい。したがって、ウエハ面内温度の制御に加えて、伝熱特性を向上させるといった観点で圧力と距離を最適化する必要がある。

静電吸着膜は、主としてアルミナ（Ａｌ_２Ｏ_３）にチタニア（ＴｉＯ_２）を混合した誘電体が用いられる。また、静電吸着膜は溶射で形成されたり、あらかじめ焼結により形成した板を電極母材に接着して形成される。溶射膜はアルミニウム合金などからなる電極母材に強固に被覆できるので、溶射後の研磨によって薄くすることができる。一方、焼結体の場合は接着部の強度や接着精度などの問題があり、溶射膜ほど薄くするのは困難である。静電吸着膜の熱伝導性は、静電吸着膜の熱伝導率と厚さで決まる。焼結体の場合は、さらに接着剤層の熱伝導率も考慮する必要がある。溶射膜の熱伝導率は１から２Ｗ／ｍＫであり、焼結体アルミナでは３０Ｗ／ｍＫである。

この後、アルミニウム合金などからなる電極母材内を熱が伝わる。アルミニウム合金は十分熱伝導が高いので、この領域における温度差は小さい。アルミニウム合金の熱伝導率は、１３０から２２０Ｗ／ｍＫである。

最後に電極母材内に設けられた冷媒流路表面から冷媒に熱が伝わる。この部分の伝熱効率は冷媒流路表面と冷媒間の熱伝達係数として表される。冷媒の流れは概して乱流と考えられるので、層流に比較して熱伝達係数は大きくなっている。したがって、冷媒とアルミ母材との接触面積を大きくすることが伝熱効率向上につながる。また、冷媒流量を大きくし、冷媒流路表面での母材と冷媒との温度差を常に一定に保つことも重要である。

以上の熱伝導経路を最適化し、本発明の第１の目的である電極の伝熱効率向上を図るため、本発明では静電吸着膜の厚さを０．２ｍｍ以下とする。耐電圧性を考慮し、最小膜厚は０．１ｍｍとする。

本発明の他の目的であるウエハ温度均一性を確保するには、ウエハ裏面の伝熱ガス圧力を制御しなければならない。静電吸着面の最外周部に溝部を設け、伝熱用ガスを溝部に供給する。これにより、溝部内側の伝熱ガス圧力を、溝部に供給した伝熱ガス圧力に制御することができる。

本発明の他の目的である静電的ダメージ抑制は、電極外周側の静電吸着膜厚を内周側のそれより厚くすることである。ただし、電極内周側の静電吸着膜厚は０．２ｍｍから０．１ｍｍと薄膜化し、外周側のそれは０．２ｍｍより厚くする。望ましくは０．３ｍｍから０．４ｍｍとする。これにより、伝熱効率の向上と静電的ダメージ抑制の両者を満足することができる。

本発明の他の目的であるウエハ脱着特性を容易にする手段は、電極内外周で膜厚を変えた静電吸着膜の抵抗を適正化することである。

すなわち、本発明は、真空処理室と、該真空処理室内にガスを供給する手段と、プラズマ生成手段と、静電吸着電極とを備えるプラズマ処理装置において、前記プラズマ生成手段とは独立して被処理基板に高周波バイアスを印加する手段を有しており、前記静電吸着電極は、前記被処理基板を静電吸着により支持し、かつ該被処理基板を静電吸着する静電吸着膜の厚さが０．２ｍｍ以下であるプラズマ処理装置である。

また、本発明は、上記静電吸着電極は、主としてアルミニウム合金からなる電極母材から構成し、該電極母材に温度制御のための冷媒を循環させる冷媒流路を設け、該電極母材の一方の表面に静電吸着膜を形成し、該静電吸着膜の厚さを０．２ｍｍ以下０．１ｍｍ以上としたプラズマ処理装置である。

そして、本発明は、上記静電吸着電極は、静電吸着面と被処理基板との接触面積を、該被処理基板の面積の７０％以上とするプラズマ処理装置である。

更に、本発明は、真空処理室と、該真空処理室内にガスを供給する手段と、プラズマ生成手段と、静電吸着電極とを備え、高周波バイアスをウエハに印加してプラズマエッチングするプラズマ処理装置において、前記プラズマ生成手段とは独立にウエハに高周波バイアス電圧を印加する手段と、ウエハと該ウエハを静電吸着により支持する静電吸着電極の静電吸着面の間にヘリウムガスなどの伝熱用ガスを導入する手段とを有しており、前記静電吸着電極は、静電吸着膜の膜厚を０．２ｍｍ以下０．１ｍｍ以上で、かつ静電吸着により支持するウエハ外周部に対向する静電吸着面の最外周部に円環状の溝部を設けており、ウエハ裏面と静電吸着電極の静電吸着膜との接触面積を該ウエハ面積の７０％以上とするとともに、静電吸着電極とは別に設けた冷媒温度制御装置から温度制御された冷媒を静電吸着電極内に設けた冷媒流路に循環させて伝熱用ガスを静電吸着電極の溝部に供給しウエハの温度を制御するプラズマ処理装置である。

また、本発明は、上記静電吸着電極の静電吸着膜は、抵抗率が１０^１１以上１０^１２Ωｃｍ以下であるプラズマ処理装置である。

そして、本発明は、上記静電吸着電極の静電吸着膜の膜厚を、静電吸着面内周部は０．２ｍｍ以下０．１ｍｍ以上とするとともに、静電吸着面外周部は０．２ｍｍより厚くしたプラズマ処理装置である。

更に、本発明は、上記静電吸着電極の静電吸着面内周部と外周部の境界を、電極半径の３／５以上の外よりとしたプラズマ処理装置である。

また、本発明は、上記静電吸着電極は、静電吸着面内周部の静電吸着膜の電気抵抗率と外周部の静電吸着膜の電気抵抗率を、両者の膜厚を考慮して調整し、単位面積あたりで同じ電気抵抗値となるようにしたプラズマ処理装置である。

そして、本発明は、上記静電吸着電極にウエハ受け渡し用ピンのための貫通孔を設け、該貫通孔の周囲はウエハとの接触面とし、その接触面を挟んで円環状の溝部を設け、該溝部に伝熱用ガスを供給するプラズマ処理装置である。

更に、本発明は、真空処理室と、該真空処理室内にガスを供給する手段と、プラズマ生成手段と、静電吸着電極とを備えるプラズマ処理装置に使用する静電吸着電極において、被処理基板を静電吸着する静電吸着膜の厚さを、静電吸着面内周部は０．２ｍｍ以下０．１ｍｍ以上とするとともに、静電吸着面外周部は０．２ｍｍより厚くし、さらに静電吸着面内周部の静電吸着膜の電気抵抗率と外周部の静電吸着膜の電気抵抗率を、両者の膜厚を考慮して調整し、単位面積あたりで同じ電気抵抗値となるようにし、静電吸着して支持する被処理基板に、前記プラズマ生成手段とは独立して高周波バイアスが印加される静電吸着電極である。

本発明によれば、電極の伝熱効率の向上が図れるので、冷媒温度制御装置の省電力化やコスト低減が図れる。また、冷媒温度を従来に比較して高温度に設定できるので、室温以下の設定温度で必要になる着霜対策が不要になるといった効果もある。また、電気的なダメージが対策できるので、デバイスの歩留まり向上が図れるといった効果がある。更に、静電吸着面内周部及び外周部の静電吸着膜の電気抵抗率を膜厚を考慮して調整したので、ウエハの着脱を容易に行うことができる。

本発明を実施するための最良の形態を説明する。
本発明のプラズマ処理装置及び静電吸着電極の実施例について、図面を用いて説明する。図１は本発明を適用したプラズマエッチング装置の模式図であり、電子サイクロトロン共鳴（ＥＣＲ）を応用したプラズマ処理装置である。真空容器であるエッチング室１の周囲にＥＣＲ磁場を発生するコイル２が設置されている。エッチング用ガスは、ガス供給管を通して供給され、微細な穴が設けられたガス供給板３からエッチング室１に導入される。ガス供給板３の上方にはＶＨＦ帯あるいはＵＨＦ帯の電磁波を放射する円板状のアンテナ４が設けられ、アンテナ４への電磁波は電源５から導入軸を通して給電される。電磁波はアンテナ４の周囲およびアンテナ４から放射される。電磁波の周波数は特に限定されないが、本実施例では４５０ＭＨｚのＵＨＦ帯を使用した。また、本実施例のプラズマエッチング装置では、アンテナ４に高周波バイアスを重畳することが可能になっており、高周波電源６が接続されている。

ガス供給板３に対向してウエハ載置電極７が設けられ、ウエハ８が静電吸着により支持されている。ウエハ８にプラズマ中のイオンを引き込むため、高周波電源９からウエハ載置電極７に高周波バイアスが印加される。さらに、ウエハ載置電極７には、静電吸着電源１０とウエハ８の温度制御のための冷媒温度制御装置１１、およびウエハ８の裏面に伝熱用のヘリウムガスを供給する伝熱ガス供給装置１２が接続されている。エッチング室１には、排気速度が２０００から３０００Ｌ／ｓ程度のターボ分子ポンプが取り付けられ、所定の圧力まで真空排気される。また、図には示していないが、ターボ分子ポンプの開口部には排気速度調整用のコンダクタンスバルブが設置され、エッチングに適した流量と圧力を達成するために排気速度が調節される。さらに、大気開放時などにターボ分子ポンプをエッチング室から隔離するためにストップバルブ１２も設けられている。

次に、本発明の静電吸着電極の実施例について説明する。プラズマが生成した状態で静電吸着電源１０から高電圧がウエハ載置電極７に印加され、ウエハ８はウエハ載置電極７に静電吸着される。静電吸着されたウエハ８の裏面に伝熱ガスとしてヘリウムガスが導入され、冷媒により温度調節されたウエハ載置電極７のウエハ載置面とウエハ８間でヘリウムガスを介してウエハ８の温度調節が行われる。ヘリウムガスの圧力は伝熱ガス供給装置１２により制御される。また、電極温度は冷媒温度制御装置１１により制御される。

ウエハ８を静電吸着した後、高周波電源９からウエハ載置電極７に高周波バイアスを印加すると、ウエハ８にプラズマ中からイオンが垂直に入射する。酸化膜エッチングでは高エネルギーイオン入射が不可欠であり、１０００Ｖから２０００Ｖもの高エネルギーイオンによる衝撃で、ウエハ温度は上昇する。このような高エネルギーイオンの入射は、イオンの運動エネルギーが熱エネルギーに変換される形で近似することができ、ウエハ８への入熱としてとらえることができる。

図２は従来の一般的なウエハ載置電極の断面模式図であり、ウエハ８が静電吸着面に支持された様子を示す。なお、通常静電吸着面には伝熱用ガスを分散させるための溝が設けられているが、図２では省略してある。静電吸着膜１４はアルミナとチタニアの混合物からなる誘電体膜であるが、アルミニウム合金からなる電極母材１５の表面に溶射で形成されている。電極母材１５には電極温度制御のための冷媒流路１６が設けられている。また、電極母材１５の外周部はプラズマ損傷を防止するためやウエハエッチング均一性を向上させる目的などのために、サセプタ１７が設置されている。

図２において、従来、各部の温度を次のように指定していた。ウエハ表面にはプラズマからの入熱量Ｑがあるとし、そのときのウエハ表面温度をＴ１、ウエハ裏面温度をＴ２とする。ウエハ裏面と対向する静電吸着膜表面温度をＴ３、静電吸着膜１４が電極母材１５と接する面での温度をＴ４とし、電極母材１５の冷媒流路面での温度をＴ５、冷媒温度をＴ６とする。ウエハ８と静電吸着膜１４の吸着状態は、図３に拡大して示したが、両者が接触している場合と接触していない場合がある。しかし、いずれの場合も伝熱ガスとしてヘリウムガス１８が導入されているとする。

図２および図３の状態でのＴ１からＴ６までの温度の変化は次のようになっている。プラズマからの入熱量Ｑはウエハ８に負荷されるが、各要素を伝わり最後に冷媒に排熱される。この間に各要素を通過する熱量は一定で変化しない、すなわち冷媒以外には排熱されないと仮定する。このときの各部の温度は、Ｑ＝（ｋ／ｄ）・（Ｔ（ｉ）−Ｔ（ｉ＋１））と表される。ここで、ｋは熱伝導率、ｄは要素の厚さ、Ｔ（ｉ），Ｔ（ｉ＋１）は要素の表と裏の温度である。冷媒温度を０℃とし、各部の代表的な寸法を用いてＴ１からＴ６までの温度変化を調べた結果を図４に示す。ヘリウム圧力１．５ｋＰａ、静電吸着膜厚は０．９ｍｍ、ウエハと静電吸着膜との接触面積は５０％とした。図４から、Ｔ２とＴ３間、Ｔ３とＴ４間の温度差が大きいことがわかる。すなわち、ウエハ載置電極７の伝熱効率向上には、ヘリウムガス部の伝熱効率と静電吸着膜部の伝熱効率の改善が重要であることがわかる。なお、図４に示したウエハ温度は９０℃となっているが、さらに入熱量が増加したり、冷媒温度を０℃以上にせざるを得ない場合にはウエハ温度は１００℃以上となる可能性もあり、レジストの変質など種々の弊害が発生する。したがって、冷媒とウエハ温度の温度差を小さくすること、すなわち電極の伝熱効率向上が重要である。

ヘリウムガスによるガス伝熱は、先に述べたように、ウエハ裏面状態と電極吸着面の状態で決まる熱適応係数を大きくすることができれば改善されるが、表面の汚れや種々の表面状態に依存するので、現実的には調整困難である。したがって、この部分の伝熱効率向上は、ウエハ裏面と静電吸着面の接触面積をできるだけ大きくすることにある。図４の従来電極では接触面積が５０％（１／２）であるが、伝熱効率向上には接触面積を７０％以上にする。このようにすることで、ガス伝熱に加えて接触熱伝導も付与される。また、ヘリウムガス圧力を高くすることも伝熱効率向上に効果がある。ヘリウムガス圧力範囲が数１０ｋＰａ程度までは圧力が高いほどガス伝熱特性が向上し、それ以上では圧力に依存しない。しかし、静電吸着力の大きさと伝熱ガス圧力によるウエハ引き剥がし力とのバランスで伝熱ガス圧力を決める必要があるので、伝熱特性のみで決められる値ではない。ただし、静電吸着力はウエハと静電吸着膜との接触面積が広いほど大きくなるので、本発明のように接触面積を広く取った電極では伝熱ガス圧力を高く設定することが可能になる。

静電吸着膜１４の伝熱特性は静電吸着膜の厚さに依存しており、薄膜化することで改善される。図４に示した膜厚０．９ｍｍでの（Ｔ３−Ｔ４）の溶射膜温度差が２３℃であるのに対し、０．６ｍｍでは１４℃、０．４ｍｍでは９℃、０．２ｍｍでは５℃、０．１ｍｍでは２℃である。したがって、０．９ｍｍから０．２ｍｍに薄膜化することで１８℃の伝熱効率向上が達成できる。溶射膜厚をさらに薄くすれば伝熱効率がさらに向上するが、溶射膜１４には高周波バイアス電圧や静電吸着電圧といった交流高電圧、直流高電圧が印加されるので、耐電圧特性も維持しなければならない。溶射膜の耐電圧特性は、非特許文献１に記載されているように、少なくとも耐電圧を３ｋＶ以上にするには溶射膜厚を０．１ｍｍ以上にする必要がある。したがって、本発明の静電吸着電極では静電吸着膜１４の厚さを０．２ｍｍ以下０．１ｍｍ以上とした。

以上述べたようにウエハ裏面と静電吸着面の接触面積を７０％以上とし、静電吸着膜の厚さを０．２ｍｍ以下にすることで、電極の伝熱効率が大きく改善される。その結果を図５に示す。図５の例は接触面積１００％、静電吸着膜０．１ｍｍの場合である。従来例に比較して、３０℃以上もウエハ温度が低くなっており、伝熱効率の向上が図られたことがわかる。ウエハ温度を９０℃にする場合、従来例では冷媒温度を０℃に設定しなければならないが、本発明の場合は、冷媒温度を３０℃に設定すれば良い。冷媒温度が１０℃以下になると、冷媒供給部に大気中の水分が凝縮したり霜が付いたりするため、その対策が必要であるが、本発明では室温以上の設定温度なので、それらの対策が不要になる効果もある。

次に本発明の他の目的であるウエハ温度制御性について述べる。ウエハ温度は静電吸着面の温度が一定の場合、一般に伝熱用のヘリウムガス圧力によって伝熱特性が決まる。したがって、ヘリウム圧力を面内で制御することが重要である。理想的な場合を考えると、１系統の伝熱ガス供給系ではヘリウム圧力を一定に制御し、２系統伝熱ガス供給系ではそれぞれの領域でヘリウム圧力を一定に制御する必要がある。本発明の実施例を図６に示す。図６は１系統の伝熱ガス供給系を例にとった。特許文献５に記載の例では、伝熱ガス圧力を均一にするためガス分散溝を設けている。ガス分散溝を静電吸着面に設けることにより伝熱ガス圧力は一定に制御できるが、接触面積が減少し、伝熱効率が低下する。また、特許文献６に記載の例では、電極表面に同心円状の接触部と溝部を設けて電極中央部から伝熱ガスを供給し、伝熱ガスは溝部を通って分散させる例が述べられている。このように電極中央部から伝熱ガスを供給する場合、伝熱ガスは電極外周部から漏れ出るので、漏れ量が多い場合は電極面内で伝熱ガス圧力分布が発生する。それを防ぐには、溝部のコンダクタンスを大きくする必要がある。この方法は、電極の伝熱効率向上と相反する。そこで、本発明においては、静電吸着面の最外周部１９より１ｍｍから１０ｍｍ以内の領域に円環状の溝部２０を設け、この溝部２０に伝熱ガスを供給する。溝部２０に供給する伝熱ガスの最小圧力はガス伝熱が期待できる０．１ｋＰａ（望ましくは１ｋＰａ）以上であり、最大圧力は数１０ｋＰａである。また、プラズマエッチング装置の場合、エッチング処理室１の圧力は１００Ｐａより十分小さいので、伝熱への寄与は無視できる。したがって、図６では最外周部１９の圧力を０Ｐａとみなした。

円環状の溝部２０の内側に排気孔がない場合、溝部２０の内側の圧力は一定になるので、静電吸着面内の伝熱特性が一様に制御される。また、溝部２０より外側の領域では、溝部２０から伝熱ガスが電極最外周部１９に向けて漏れ出るため、溝部２０から最外周部１９までの領域で伝熱ガスの圧力勾配が発生するが、その領域は１ｍｍから１０ｍｍ以内の狭い範囲に限定してある。このように構成することで、伝熱ガス分散用の半径方向溝を設けることなく伝熱ガス圧力を均一化することができる。また、接触面積も最大限に確保することができるので、伝熱効率も最大限に向上することができる。

なお、電極吸着面内に伝熱ガスを短時間で供給するために、前記円環状溝部２０への伝熱ガス供給以外に、溝部２０の内側にも伝熱ガス供給孔を設けることもある。その場合は、内側ガス供給孔への供給圧力を溝部２０への供給圧力と同じにすれば、面内の圧力は溝部２０の供給圧力と同じ圧力になる。

また、ウエハ受け渡しの押し上げピン２１が円環状溝２０の内側にある場合、押し上げピン２１の駆動部で伝熱ガスを封止しない限り、この部分から伝熱ガスが漏れる。この対策としては、図７に示したように駆動部に伸縮自在なベローズを用いたガスシール機能２２を持たせる方法や、図８に示したように押し上げピン２１の周辺にピンを中心にした小径の円環状溝２３を設け、この円環状溝２３に伝熱ガスを供給すればよい。図７の場合の圧力分布は電極面内で一定であるし、図８の場合は圧力不均一部分を小さな領域に限定することができる。

上記の実施例は、静電吸着膜が一様な厚さであるとして述べてきたが、本発明の他の目的である静電的ダメージを抑制しようとする場合は、図９のように静電吸着膜の厚さを電極面内で変える。ウエハに印加される高周波バイアスは図１のエッチング処理室１の内壁を接地領域としてバイアス回路が構成される。ウエハ中心部から内壁までの回路とウエハ外周部から内壁までの回路では、プラズマ内のインピーダンスがウエハ中心部の方がウエハ外周部より大きい。その結果、ウエハに印加されるバイアス電位がウエハ面内で異なることになり、その電位差が大きければウエハ面内に電流が流れ電気的なダメージが発生する。それを抑制するため、溶射膜厚を外周部で厚くすることでバイアス回路のインピーダンスをウエハ内外で均一化する。これにより電気的なダメージが抑制される。

なお、本発明では電極伝熱効率向上のために溶射膜を０．２ｍｍから０．１ｍｍと薄くしている。そのため、外周部の溶射膜の厚膜化が容易に実施できる。本発明では、伝熱特性を考慮し、外周部の溶射膜厚を０．２ｍｍより厚くし０．４ｍｍ以下とする。本発明の実施例では、一様な溶射膜厚０．１ｍｍと外周部を０．３ｍｍに厚膜化した場合では、ウエハ内外のバイアス電位差を２０Ｖ低減することができ、ダメージが解消された。また、電極内外周の境界は、電極（ウエハ）径３００ｍｍの場合、半径１００ｍｍ以上とすれば十分であり、電極（ウエハ）半径の３／５以上の領域に内外周の境界を設けることとした。

なお、処理済のウエハを静電吸着から開放して受け渡しする場合は、静電吸着の除電を速やかに実施し、残留吸着力を受け渡し可能なレベルまで下げなければならない。これに対応するには、溶射膜の電極面内の直流抵抗をそろえておく必要がある。溶射膜厚が一様であれば溶射膜の電気抵抗は同じであるが、膜厚を変化させた場合は、溶射膜の電気抵抗率を膜厚の厚いところ８ｂでは溶射膜の薄いところ８ａに比較して小さくする。これにより、膜厚が異なっていても電気抵抗値は一様にすることができる。たとえば、内周部の溶射膜厚が０．１ｍｍの場合、電気抵抗率は１０^１１から１０^１２Ωｃｍとする。外周部の膜厚を０．３ｍｍとすると、電気抵抗率を内周部の１／３にする。なお、外周部の溶射膜厚を形成するため、電気抵抗率の異なるアルミナ・チタニア組成の誘電体を溶射することも有効である。すなわち、外周部のみに最初溶射し、その電気抵抗は１０^１０Ωｃｍ以下とする。外周部に外周部と内周部の膜厚差を形成した後、内周部と同じ膜厚分を内周部と同じ組成の誘電体材料で形成する。このときは内周部も外周部も同時に溶射すればよい。外周部の合成抵抗は最初の溶射膜の電気抵抗が十分小さいので、内周部の電気抵抗と同じ値とみなせる。

本発明の実施例を述べたプラズマエッチング装置はＥＣＲプラズマを用いた装置であるが、バイアスが印加されるウエハ載置電極であれば、それ以外のプラズマ処理装置でも本発明を適用することができる。

本発明を適用した装置の説明図。電極へのプラズマ入熱の説明図。ウエハと静電吸着膜の拡大図。従来電極の各要素の温度分布の説明図。本発明の各要素の温度分布の説明図。本発明による伝熱ガス均一化の説明図。本発明による伝熱ガス均一化の別例の説明図。本発明による伝熱ガス均一化の第３例の説明図。本発明の静電吸着膜厚分布の説明図。

符号の説明

１…エッチング室、２…コイル、３…ガス供給板、４…アンテナ、５…高周波電源、６…高周波電源、７…ウエハ載置電極、８…ウエハ、９…高周波電源、１０…静電吸着電源、１１…冷媒温度制御装置、１２…伝熱ガス供給装置、１３…バルブ、１４…静電吸着膜、１５…電極母材、１６…冷媒流路、１７…サセプタ、１８…ヘリウムガス、１９…最外周部、２０…溝部、２１…押し上げピン、２２…シール部材、２３…溝部

Claims

真空処理室と、該真空処理室内にガスを供給する手段と、プラズマ生成手段と、静電吸着電極とを備えるプラズマ処理装置において、
前記プラズマ生成手段とは独立して被処理基板に高周波バイアスを印加する手段を有しており、前記静電吸着電極は、前記被処理基板を静電吸着により支持し、かつ該被処理基板を静電吸着する静電吸着膜の厚さを、静電吸着面内周部は０．２ｍｍ以下０．１ｍｍ以上とするとともに、静電吸着面外周部は０．２ｍｍより厚くし、
さらに静電吸着面内周部の静電吸着膜の電気抵抗率と外周部の静電吸着膜の電気抵抗率を、両者の膜厚を考慮して調整し、単位面積あたりで同じ電気抵抗値となるようにしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１に記載のプラズマ処理装置において、
上記静電吸着電極は、主としてアルミニウム合金からなる電極母材から構成し、該電極母材に温度制御のための冷媒を循環させる冷媒流路を設け、該電極母材の一方の表面に静電吸着膜を形成したことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１又は２に記載のプラズマ処理装置において、
上記静電吸着電極は、静電吸着面と被処理基板との接触面積を、該被処理基板の面積の７０％以上とすることを特徴とするプラズマ処理装置。
真空処理室と、該真空処理室内にガスを供給する手段と、プラズマ生成手段と、静電吸着電極とを備え、高周波バイアスをウエハに印加してプラズマエッチングするプラズマ処理装置において、
前記プラズマ生成手段とは独立にウエハに高周波バイアス電圧を印加する手段と、ウエハと該ウエハを静電吸着により支持する静電吸着電極の静電吸着面の間にヘリウムガスなどの伝熱用ガスを導入する手段とを有しており、前記静電吸着電極は、静電吸着膜の膜厚を、静電吸着面内周部は０．２ｍｍ以下０．１ｍｍ以上とするとともに、静電吸着面外周部は０．２ｍｍより厚くし、さらに静電吸着面内周部の静電吸着膜の電気抵抗率と外周部の静電吸着膜の電気抵抗率を、両者の膜厚を考慮して調整し、単位面積あたりで同じ電気抵抗値となるようにし、かつ静電吸着により支持するウエハ外周部に対向する静電吸着面の最外周部に円環状の溝部を設けており、ウエハ裏面と静電吸着電極の静電吸着膜との接触面積を該ウエハ面積の７０％以上とするとともに、静電吸着電極とは別に設けた冷媒温度制御装置から温度制御された冷媒を静電吸着電極内に設けた冷媒流路に循環させて伝熱用ガスを静電吸着電極の溝部に供給しウエハの温度を制御することを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１から４のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、
上記静電吸着電極の静電吸着膜は、抵抗率が１０¹¹以上１０¹²Ωｃｍ以下であることを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１から５のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、
上記静電吸着電極の静電吸着面内周部と外周部の境界を、電極半径の３／５以上の外よりとしたことを特徴とするプラズマ処理装置。
請求項１から６のいずれか１項に記載のプラズマ処理装置において、
上記静電吸着電極にウエハ受け渡し用ピンのための貫通孔を設け、該貫通孔の周囲はウエハとの接触面とし、その接触面を挟んで円環状の溝部を設け、該溝部に伝熱用ガスを供給することを特徴とするプラズマ処理装置。
真空処理室と、該真空処理室内にガスを供給する手段と、プラズマ生成手段と、静電吸着電極とを備えるプラズマ処理装置に使用する静電吸着電極において、
被処理基板を静電吸着する静電吸着膜の厚さを、静電吸着面内周部は０．２ｍｍ以下０．１ｍｍ以上とするとともに、静電吸着面外周部は０．２ｍｍより厚くし、さらに静電吸着面内周部の静電吸着膜の電気抵抗率と外周部の静電吸着膜の電気抵抗率を、両者の膜厚を考慮して調整し、単位面積あたりで同じ電気抵抗値となるようにし、静電吸着して支持する被処理基板に、前記プラズマ生成手段とは独立して高周波バイアスが印加されることを特徴とする静電吸着電極。