JP5103049B2

JP5103049B2 - ウエハ載置用電極

Info

Publication number: JP5103049B2
Application number: JP2007098460A
Authority: JP
Inventors: 豊高妻; 茂白米; 恒彦坪根; 徹荒巻
Original assignee: Hitachi High Technologies Corp
Current assignee: Hitachi High Tech Corp
Priority date: 2007-04-04
Filing date: 2007-04-04
Publication date: 2012-12-19
Anticipated expiration: 2027-04-04
Also published as: JP2008258374A

Description

本発明は、エッチング処理に使用されるウエハ載置電極に係り、特に、プラズマエッチング処理装置に好適なウエハ載置用電極に関するものである。

半導体の製造技術の一種にドライエッチング技術があるが、このドライエッチングに使用されるプラズマ処理装置は、通常、真空容器と、この真空容器の処理室内を所定圧力に保つ排気系、プラズマ用ガスの供給系、ウエハを固定するウエハ載置用電極、プラズマを生成するためのアンテナを含む上部電極とで構成され、処理室内に導入した混合ガスをグロー放電させることによりプラズマを生成し、これによって混合ガスを分解し、反応性の高いラジカル、イオンを発生させて、ウエハ載置用電極上に設置したウエハのエッチングを行う。

そして、このときのウエハ載置用電極上に対するウエハの固定方法についても、メカニカルクランプ、真空吸着、静電吸着などの方法があるが、ここで、半導体製造プロセスにおけるウエハ載置用電極には、上記したウエハの固定の他にも、効率的なウエハの加熱や冷却、均熱化、エッチングの平坦化など、種々の機能が要求されており、このため、上記したウエハの固定方法には静電吸着が主に用いられている。

ところで、この静電吸着にもクーロン力による吸着とジョンソンラ−ベック力による吸着の２種がある。そして、このとき前者のクーロン力による吸着の場合は、比較的吸着力が低いため、高い電圧の印加が必要であり、他方、後者のジョンソンラ−ベック力による吸着の場合、この力は、ウエハと電極上誘電体膜表面の間の小さなギャップに微小電流を流し、帯電分極して誘起させることにより生じる力であり、前者と比較して低い電圧で大きな吸着力を発生させられるという特徴がある。

ここで、これら２種の方法による吸着力は、いずれも誘電体膜の体積固有抵抗値と大きな相関がある。そして、この誘電体膜の体積固有抵抗値は、一般に膜中への金属添加量により制御され、このとき、いずれの場合も、ウエハを電極上の誘電体膜に吸着させるためには、直流電源を用いて電極本体に負の電圧を印加する必要があり、このため、電極上誘電体膜の材料としては、従来から高分子系ポリイミド膜、セラミック溶射膜、セラミック焼結体が使用されている。

ここで、これらの中でも、セラミック溶射膜は、耐プラズマ性、耐熱性に優れており、また、セラミック焼結体と比較してコストが低いことから、電極上誘電体膜として広く用いられているが、しかし、このセラミック溶射膜は、電極本体である金属との熱膨張率の差が大きく、高温での使用時におけるヒートサイクルによってクラックが生じる可能性がある。

そして、このようにしてクラックが生じた部分では、局所的にセラミック溶射膜の実効的な膜厚が減少し、この部分に、高電圧が印加されることになるので、セラミック溶射膜に絶縁破壊が起る虞があり、そして、この絶縁破壊が生じた場合、電極上セラミック溶射膜に損傷を受けるだけでなく、電極本体までも損傷を受けてしまう場合がある。

そこで、この問題についての対策として、或る従来技術によれば、アルミニウム合金基体の上にアルミニウムの陽極酸化膜を形成し、その上に耐プラズマ性に優れた非晶質アルミ酸化膜を形成した電極上誘電体膜について提案がなされている(例えば、特許文献１参照。)。

また、プラズマ処理装置の場合、一般に、ウエハの冷却を目的として、ウエハと誘電体膜間にはヘリウムガスが導入されるが、このヘリウムガスの絶縁耐電圧は相対的に小さいので、グロー放電プラズマを用いて誘電体膜にウエハを静電吸着する場合は、ウエハや誘電体膜と電極本体の間に高電圧がかかっていることに留意しなければならない。

つまり、この場合、パッシェンの法則によりウエハや誘電体膜と電極本体の間で放電が発生する可能性が高いからであり、このことから、ウエハや誘電体膜と電極本体間で空隙を有するガス吐出口周辺やリフトピン周辺では、ガスの絶縁破壊に伴い、セラミック溶射膜が損傷を受け劣化し、セラミック溶射膜が絶縁破壊に至る事例が、従来から多く見られている。

そこで、この問題に対しては、ウエハと誘電体の間に導入するガスとして、ヘリウムに加えて絶縁破壊電圧が高いガスの混合ガスを導入する方法が従来技術として提案されている(例えば、特許文献２参照。)。しかし、この場合、複数のガスを導入することはコストが高くなり、プラズマ生成条件にパラメータが多くなるため制御が難しくなる。また、この場合、導入ガスの一部がプラズマ空間に放出されてしまうのが避けられず、ヘリウム以外のガスが混入したことによるエッチング性能への影響が不可避である。

一方、このときのウエハと誘電体間の空隙を減少させる方法として、ガス導入部に多孔穴を有する導入管の適用が考えられるが、しかし、この場合、設計上での空隙の管理が難しく、多孔穴導入管を用いた場合でも絶縁破壊が見られている。
特開平８−２８８３７６号公報特開平７−１６１６９６号公報

上記従来技術は、ウエハ載置用電極のクラック発生に配慮がされておらず、高電圧印加時での電極上誘電体膜の絶縁破壊に問題があった。すなわち、従来技術によるウエハ載置用電極においては、構造が複雑な部分ではクラックが生じ易く、このため高電圧印加時に電極上誘電体膜の絶縁破壊が起こりやすいという問題が生じてしまうのである。

このとき、アルミニウム合金基体の上にアルミニウムの陽極酸化膜を形成し、その上に非晶質アルミ酸化膜を形成するという、上記従来技術の場合、保護用の酸化膜層の厚さが限られてしまうため、ハードなプラズマ条件ではすぐに侵食されてしまうという問題があった。このとき、近年は、ハードなプラズマ条件に対する要望が多くなっているという事情がある。

本発明の目的は、電極上誘電体膜の局所的な絶縁破壊の低減による信頼性の高いウエハ載置用電極を提供することにある。

上記目的は、内部に温度調節用の冷媒を通流させるための流路を形成した電極本体と、前記電極本体のウエハ載置面に形成した誘電体膜と、該誘電体膜と該誘電体膜上に載置されたウエハにより形成される空隙に伝熱ガスを供給するための前記電極本体内を貫通するガス導入路を備え、前記誘電体膜上に載置したウエハを真空容器内に配置して該真空容器内に生成されたプラズマによりプラズマ処理を施すウエハ載置用電極において、前記電極本体が前記伝熱ガスの吐出口と前記ウエハ脱着用リフトピンとを備え、前記誘電体膜の一部で、前記伝熱ガスの吐出口の周辺と前記ウエハ脱着用リフトピンの周辺の少なくとも一方に位置する部分に、低抵抗誘電体膜と高抵抗誘電体膜の積層部分を形成させたことにより達成される。

このとき、前記低抵抗誘電体膜が金属含有セラミック層で、前記高抵抗誘電体膜がイットリウムオキサイド層で形成されるようにしてもよく、更に、このとき、前記イットリウムオキサイド層が溶射膜であってもよく、焼結体であってもよい。

また、このとき、前記低抵抗誘電体膜が金属含有セラミック層で、前記高抵抗誘電体膜がアルミナ層で形成されるようにしてもよく、ここで、前記アルミナ層が溶射膜であってもよく、焼結体であってもよい。

上記手段によれば、ウエハ載置用電極において、構造が複雑で誘電体膜の絶縁破壊が起こりやすい部分に、絶縁破壊電圧が高い誘電体膜を用いた積層構造が適用され、構造上クラックができやすく絶縁膜破壊電圧が低くなる可能性がある部分に、絶縁破壊電圧の高い誘電体膜を積層することで、これまで見られているウエハ載置用電極における損傷の低減を実現することができる。

本発明によれば、誘電体膜の一部に高抵抗誘電体膜が適用されるので、絶縁破壊電圧が向上し、電極損傷を低減することができる。また、電極損傷に起因するエッチングエラーやウエハのも損傷を低減することができ、スループットの向上やコスト低減を得ることができる。

以下、本発明によるウエハ載置用電極について、図示の実施の形態により詳細に説明する。ここで、図１は、本発明の第１の実施形態を示したもので、この図において、１０１は電極本体で、導電体で作られているもの、１０２は電極上誘電体膜で、金属含有セラミック層、例えば酸化チタン(Ｔi Ｏ2)とアルミナ(Ａl2 Ｏ3)の溶射膜で形成され、ここでは低抵抗誘電体膜として定義されているもの、１０３はウエハで、被処理基板となるもの、１０４は絶縁スリーブで、電極本体の絶縁をとるもの、１０５はガス導入管で、ウエハ１０３と電極上誘電体膜１０２の間にヘリウムガスを導入するもの、１０６は直流電源で、溶射膜１０２に静電吸着力を発生させるための、１０７はリフトピンで、ウエハ１０３の脱着を行うものである。そして、この図で、１０８は中間層であり、ここでは高抵抗誘電体膜として定義されているものるが、これについては後で詳述する。

この図１に示したウエハ載置用電極は、図示してないが、全体としてエッチング装置の処理室の中に設置されていて、そこに搬送されたウエハ１０３が溶射膜１０２の上に載置される。そして、処理室内を所定の圧力にした後、処理室内にプラズマを発生させる。また、このととき、直流電源１０６により電極本体１０１に高電圧が印加され、これによりウエハ１０３を電極上誘電体膜１０２に静電吸着させる。

次に、このウエハ１０３を電極上誘電体膜１０２に静電吸着させた状態で、ウエハ１０３と電極上誘電体膜１０２の間に、図示してないガス供給源から、ガス導入管１０５を介して、所定圧力のヘリウムガスを供給する。このとき、図示されていいない高周波電源を用い、これから高周波電力を電極本体１０１に供給してウエハ１０３にエッチング処理する。従って、このエッチングを行う過程では、静電吸着用の直流電圧とエッチング用の高周波電力によるセルフバイアス電圧の両方が電極本体１０１に印加されている。

図２は、このときに電極上誘電体膜１０２と中間層１０８として使用される膜の絶縁破壊電圧特性を示した図で、このとき各膜となる試料は、夫々のセラミック単層膜を電極本体１０１上に溶射形成したものを使用している。そして、これら試料を真空中に保持し、セラミック溶射膜上にウエハ１０３を設置し、そのウエハ１０３を導線により接地し、電極本体１０１に直流電源１０６から高電圧を印加して測定した。また、このとき、ウエハ１０３とセラミック溶射膜間には、１〜６(kPa)の圧力のヘリウムガスを導入した。

そして、ここでは、まず、中間層１０８に使用される高抵抗誘電体膜として、図示のように、アルミナ(Ａl2 Ｏ3)溶射膜とイットリウムオキサイド(Ｙ2 Ｏ3)溶射膜の絶縁破壊電圧を調べた。この結果、イットリウムオキサイドの特性(−□−)とアルミナの特性(−○−)として示すように、何れの場合も、溶射膜厚１５０μｍ以上で３×Ｅ７(Ｖ／ｍ)以上の高い絶縁破壊電圧が確認された。一方、比較のため、ジョンソンラーベック型電極に使用されている酸化チタン(Ｔi Ｏ2)入りアルミナ(Ａl2 Ｏ3)溶射膜を電極上誘電体膜１０２となる低抵抗誘電体膜として絶縁破壊電圧を調べたが、この場合は、特性(−△−)で示すように、絶縁破壊電圧が高抵抗誘電体膜よりも一桁低い値を示していた。

次に、図１に示したウエハ載置用電極における中間層１０８の構成について、図３により詳細に説明すると、この図から明らかなように、この中間層１０８は、電極上誘電体膜１０２が電極本体１０１に接している方の面(下面)において、この電極上誘電体膜１０２が絶縁スリーブ１０４に接している部分の周辺部にだけ設けられ、ここに積層部分が形成されるようにしてある。なお、この図３では、一例として、リフトピン１０７が設けられている絶縁スリーブ１０４を示しているが、ガス導入管１０５が設けられている絶縁スリーブ１０４についても同様である。

ここで、図示のように、この部分には、電極本体１０１との絶縁をとるための絶縁スリーブ１０４があり、このため構造が複雑で誘電体膜に絶縁破壊が起こりやすい部分になっている上、電極本体１０１との熱膨張の差により電極上誘電体膜１０２にクラックが生じやすい。そして、これが、従来技術において、高電圧印加時に電極上誘電体膜の絶縁破壊が起こりやすくなっている理由であるが、ここで、この実施形態の場合、上記したように、高い絶縁破壊電圧を示したイットリウムオキサイドの溶射膜が中間層１０８として設けられている。

そして、この中間層１０８が存在したことにより、局所的に電極上誘電体膜１０２の実効的な絶縁破壊電圧が向上されることになる。しかも、この中間層１０８は、電極上誘電体膜１０２と局所的に積層部分を形成しているので、電極本体１０１との熱膨張の差に対して緩衝層として働くので、クラックの発生を抑えることができる。

従って、この実施形態によれば、電極上誘電体膜１０２に局所的な絶縁破壊が生じる虞が低減されるので、信頼性の高いウエハ載置用電極を得ることができ、プラズマエッチング処理の歩留まり向上に大きく寄与することができる。

ところで、以上の説明では、中間膜１０８として、イットリウムオキサイドの溶射膜を適用しているが、これに代えて、イットリウムオキサイドの焼結膜を適用してもよい。また、このとき、図２の特性図から明らかなように、中間膜１０８としてアルミナの溶射膜を適用してもよく、このとき、更にアルミナの焼結体としてもよいことは、言うまでもない。また、上記実施形態では、図１から明らかなように、中間膜１０８は、絶縁スリーブ１０４の全てにおいて設けられているが、全部に設ける必要はなく、絶縁スリーブ１０４の一部についてだけ設けられるようにしてもよい。

次に、本発明の第２の実施形態について、図４により説明する。ここで、この図４は、ウエハ載置用電極のエッジ部分に本発明を適用した場合の一実施形態であり、従って、図において、１０９が中間層であり、従って、この実施形態では、これが、電極本体１０１の上面の周辺部から周端を越え、円周端面の途中まで延びて設けられている。また、これに伴って、この実施形態では、電極上誘電体膜１０２を構成する低抵抗誘電体膜も電極本体１０１の上面の周辺部からエッジ部分(周端部分)を越え、円周端面の全体にわたって設けられている。

ウエハ１０３のエッチング過程においては、そのエッジ部分に電界の集中が起こりやすく、この結果、ウエハ温度が上がり易く、これに伴い、電極上誘電体膜１０２に熱応力が加わり劣化が進行するが、このときエッジ部分では、プラズマがウエハ１０３の裏面に回りこむ可能性が高く、これにより電極上誘電体膜１０２の表面が劣化しやすい。

そこで、この部分に中間層１０９を設け、低抵抗誘電体膜と高抵抗誘電体膜の積層部分を形成させることにより、局所的な誘電体膜の絶縁破壊電圧を向上させることができ、従って、この第２の実施形態によっても、電極上誘電体膜１０２に局所的な絶縁破壊が生じる虞が低減されるので、信頼性の高いウエハ載置用電極を得ることができ、プラズマエッチング処理の歩留まり向上に大きく寄与することができる。

なお、この第２の実施形態における中間層１０９についても、イットリウムオキサイドの溶射膜やイットリウムオキサイドの焼結膜を適用すればよく、アルミナの溶射膜やアルミナの焼結体を適用してもよいことはいうまでもない。勿論、このとき第１の実施形態と第２の実施形態を組合わせてもよいこともいうまでもない。

本発明によるウエハ載置用電極の第１の実施形態を示す断面図である。本発明において適用される各種膜の絶縁破壊電圧を説明するための特性図である。本発明の第１の実施形態の一部を拡大して示した断面図である。本発明によるウエハ載置用電極の第２の実施形態を示す断面図である。

符号の説明

１０１：電極本体
１０２：電極上誘電体膜(低抵抗誘電体膜：Ｔi Ｏ2とＡl2 Ｏ3の溶射膜)
１０３：ウエハ(被処理基板)
１０４：絶縁スリーブ
１０５：ガス導入管
１０６：直流電源
１０７：リフトピン
１０８：中間層(高抵抗誘電体膜：Ｙ2 Ｏ3 の溶射膜又はＡl2 Ｏ3の溶射膜)

Claims

内部に温度調節用の冷媒を通流させるための流路を形成した電極本体と、前記電極本体のウエハ載置面に形成した誘電体膜と、該誘電体膜と該誘電体膜上に載置されたウエハにより形成される空隙に伝熱ガスを供給するための前記電極本体内を貫通するガス導入路を備え、前記誘電体膜上に載置したウエハを真空容器内に配置して該真空容器内に生成されたプラズマによりプラズマ処理を施すウエハ載置用電極において、
前記電極本体が前記伝熱ガスの吐出口と前記ウエハ脱着用リフトピンとを備え、
前記誘電体膜の一部で、前記伝熱ガスの吐出口の周辺と前記ウエハ脱着用リフトピンの周辺の少なくとも一方に位置する部分に、低抵抗誘電体膜と高抵抗誘電体膜の積層部分を形成させたことを特徴とするウエハ載置用電極。
請求項１記載のウエハ載置用電極において、
前記低抵抗誘電体膜が金属含有セラミック層で、前記高抵抗誘電体膜がイットリウムオキサイド層であることを特徴とするウエハ載置用電極。
請求項２記載のウエハ載置用電極において、
前記イットリウムオキサイド層が溶射膜であることを特徴とするウエハ載置用電極。
請求項２記載のウエハ載置用電極において、
前記イットリウムオキサイド層が焼結体であることを特徴とするウエハ載置用電極。
請求項１記載のウエハ載置用電極において、
前記低抵抗誘電体膜が金属含有セラミック層で、前記高抵抗誘電体膜がアルミナ層であることを特徴とするウエハ載置用電極。
請求項５記載のウエハ載置用電極において、
前記アルミナ層が溶射膜であることを特徴とするウエハ載置用電極。
請求項５記載のウエハ載置用電極において、
前記アルミナ層が焼結体であることを特徴とするウエハ載置用電極。