JPH01225121A - 低温ドライエッチング装置 - Google Patents

Abstract

(57)【要約】本公報は電子出願前の出願データであるた
め要約のデータは記録されません。

Description

【発明の詳細な説明】 〔産業上の利用分野〕 本発明は、低温ドライエツチング装置に係り。

特に低温における反応ガス制御を可能とする高精度微細
加工に好適な低温ドライエツチング装置に関する。

〔従来の技術〕

低温ドライエツチングは、通常の常温におけるドライエ
ツチングと異なり、試料を載置する高周波印加電極を例
えば液体窒素（融点−２０９，８６°Ｃ１沸点−１９５
．８℃）で冷却することにより、試料を低温に保持した
状態で反応ガスをプラズマ化して加工する技術であり、
加工深さ方向に強い異方性があり、サイドエツチングの
少ない優れた微細加工が実現するものとして最近提案さ
れ注目されてきた。この種のものとして１例えば特開昭
６０−１５８６２７号を挙げることができる。

〔発明が解決しようとする課題〕

この低温ドライエツチング技術は、第４図に要部を示す
ような通常の冷却水４０を試料台（電極を兼ねる）４１
内部に循環させるものとは基本的に試料台４１の冷却目
的が異なる。つまり、通常の試料台を冷却する目的は、
周知のようにドライエツチング中に試料４２及び試料台
４１がプラズマ４３下に晒され、それにもとずき試料４
２の温度が所定値以上に上昇するため、この温度上昇を
防止し、常時−定温度でエツチング処理が行われるよう
にするものである。なお、同図において４４は反応ガス
、４５は対向電極、そして４６は高周波電源をそれぞれ
示す。

これに対し、低温ドライエツチングは第５図にその要部
を示すように、その表面が電極を兼ねる試料台４１の内
部空間にパイプ５０を通し液溜め４７を設け、これに液
体窒素のごとき冷媒を供給することにより試料台４１を
介して試料４２を常温とは比較にならぬ例えば−１００
℃を越える低温に保持した状態でプラズマ処理する技術
である。なお、同図において４８は電極内部空間の排気
装置であり、４９は電気的、熱的絶縁バッキングをそれ
ぞれ示す。

この低温ドライエツチング装置においては、上述のとお
り試料台冷却のため例えば液体窒素などの低温冷媒を用
いているので、この試料台及びこれに接する部分の一部
は最低一１９６℃になる。このような状況下で、プラズ
マエツチングの反応ガスとして例えばＳＦ、を真空処理
室内に導入すると、ＳＦ、は１０〜１００ｍ　Ｔｏｒｒ
のガス圧力において約−１３０〜−１５０℃で液化する
ので試料台のプラズマ照射領域以外の部分では、−１５
０℃以下になり反応ガスの一部が液化し吸着される。つ
まり、プラズマ照射下に晒される試料台の表面は、プラ
ズマにより加熱され、しかも、試料台の試料載置部分に
は、例えばヒーターのごとき温度制御手段が設けられ試
料台の表面温度を任意に制御できるので。

これらの領域においてはガスの吸着は殆んど生じない。

しかし、それ以外の部分、大部分は側壁となるが、この
ようにプラズマに晒されない領域は反応ガスを液化吸着
する温度域に冷却されるため最早真空処理室内のＳＦ、
のガス圧力を制御することが困難となり、エツチング処
理ができなくなる。

以上の説明では、冷媒として液体窒素１反応ガスとして
ＳＦ、を例に述べたが、この種の低温ドライエツチング
処理においては、エツチング加工する被加工物の種類に
応じて反応ガスの種類と試料冷却用の冷媒種とを選択す
ることになり、真空処理室内でのこの反応ガスの吸着の
問題は避けて通れない技術課題である。この点、従来に
おいては全く配慮されていなかった。したがって、本発
明の目的は、この技術課題を解決することにあり、いか
なる反応ガスと試料冷却用冷媒を用いようとも、真空室
内での反応ガスの吸着のない常時高精度に反応ガス圧力
の制御可能な改良された低温ドライエツチング装置を提
供することにある。

〔課題を解決するための手段〕 上記目的は、中空の高周波印加電極内に、試料冷却手段
が設けられると共にプラズマ照射下に晒される試料台を
構成する電極表面と前記試料冷却手段との間に温度制御
手段の設けられた低温ドライエツチング装置において、
前記電極のプラズマ照射下に晒されない領域に断熱手段
を設けたことを特徴とする低温ドライエツチング装置に
よって達成される。そして、上記断熱手段としては、少
なくとも上記電極側壁を含むプラズマ照射下に晒されな
い領域を真空層から成る隔壁で包囲することが望ましく
、さらに望ましくは、上記断熱手段と共に少なくとも上
記試料台の側壁に加熱手段を設けることにより、２重隔
壁構造とし電極側壁表面の温度を成る範囲内で制御可能
とすることである。なお、上記真空層を構成する隔壁内
の真空度としては、Ｉ　Ｘ　１Ｏ−２Ｔｏｒｒ以下とす
ることが望ましい。上記加熱手段としては１例えば真空
隔壁の外周に常温の空気等の熱媒体から成る流体を循環
供給する隔壁を設けてもよいし、また、真空断熱隔壁内
の少なくとも試料載置面近傍に局部的に熱媒体を循環供
給するパイプを配設して加熱するようにしてもよい。

また、断熱手段としては上記のように真空隔壁を設ける
ほか、試料冷却手段として用いる冷媒の種類によっては
例えばポリテトラフルオロエチレンなどのフッ素樹脂、
その他の出来る限り熱伝導率の小さな断熱材で被覆した
構造としてもよい。

さらにまた、上記試料冷却手段としては上記中空の高周
波印加電極内に低温冷媒を充てんもしくは循環供給させ
る機構を備えると共に上記温度制御手段としては、ヒー
ターもしくは熱媒体を循環供給させる加熱機構を備えて
成るが、この温度制御手段は試料温度を任意に設定する
上で重要となる。そして試料温度を正確に設定するため
に、温度制御手段は熱電対等の温度検出手段を有してい
ることが望ましい。また、上記低温冷媒としては液体窒
素に限らず、その他液体アンモニウム、フレオン（デュ
ポン社商品名）等が使用される場合もあり、これらはド
ライエツチング処理用の反応ガス組成の種類により適宜
選択されるものである。

しかし、低温冷媒としては工業的に大量生産されており
、取扱いの容易さから一般に液体窒素が実用的である。

上記のような構成とすることにより、試料台が一１５０
℃以下に冷却されている時においても隔壁表面の温度を
一２０℃以上に制御することが可能となる。

〔作　　用〕

上記のような装置構成とすることにより、試料冷却のた
めの低温冷媒導入に基づく試料台を除く電極周縁低温部
にエツチングガスが吸着されることによりエツチング処
理室内の反応ガス圧力の制御が困難であったという従来
の技術課題は解消された。プラズマ照射下に晒されない
領域の低温部は、断熱手段で保護され、この部分の表面
温度は試料載置面の温度より格段に高く保持可能である
。

特に断熱手段の上に加熱手段を付加した場合には、断熱
手段が多少不十分であっても、この加熱手段が表面温度
の上昇を補う作用を果し好ましい。また、断熱手段とし
ての例えば真空隔壁は電極空間に設けられた冷媒格納容
器の外周を保護するという作用をも有する。真空隔壁は
通常ｌＸｌ０−”Ｔ　ｏｒｒ以下に排気されるが、好ま
しくはｌＸｌ０−”Ｔ　ｏｒｒ以下とすることが望まし
く、これらの真空度は、電極に高岡、波を印加した場合
に放電を防止する上からも必要である。

〔実施例〕

以下１図面により本発明の実施例を具体的に説明する。

実施例　１ 第１図は、本発明装置を平行平板型の反応性スパッタエ
ツチング装置へ適用した場合の一例を示したものである
０図において、１は反応処理ガス導入管、２は上部対向
電極、３は真空処理室、４は反応処理ガスで、試料５の
載置された電極を兼ねた冷却試料台１９の上部表面１９
′と対向電極２との間に高周波が印加されるとその空間
においてプラズマが発生する。６は熱供給機構を構成す
る熱媒体（例えば空気）を循環供給する導入パイプ、７
は温度制御手段を構成するヒーター、８は断熱手段を構
成する真空隔壁、９は電極内部空間に格納された試料冷
却手段の冷媒となる液体窒素、１０はその導入口、１１
は電気絶縁を兼ねた断熱材（バッキング）、１２は絶縁
材、１３は窒素ガス排出口。

１４は真空処理室３内を排気するポンプ、１５は真空隔
壁内を排気するポンプ、１６はヒーター７へ供給するヒ
ーター電源、１７は電極に供給する高周波電源、１８は
供給する液体窒素、２０は熱供給源（この場合空気供給
ポンプ）をそれぞれ示す。この装置の特徴としては、ス
テンレス製の冷却試料台（電極を兼ねる）１９の側壁と
底部とをステンレス製の真空隔壁８で包囲し、かつ試料
載置面近傍の接続部（冷却試料台と隔壁との接続部）に
熱供給機構として熱媒体（この場合、常温の空気）を循
環供給するパイプを配設して局部的に加熱可能な構造と
し、真空層による断熱手段と熱媒体による冷却試料台１
９と隔壁８との接続部の熱的補強を強化したところにあ
る。熱供給機構６には空気を用いたが、その他周知の気
体、液体等の熱媒体を循環させ得ることは云うまでもな
い。上記接続部の封止が完全であれば、この熱供給機構
６を省略してもよい。また、排気ポンプ１５は必ずしも
必要ではないが、真空処理室３と隔壁内部との真空漏れ
や脱ガス等の影響をできるだけ避けるためには配設する
ことが望ましい。

上記装置の作用について説明すると、先ず、液体窒素１
８をその導入口１０から冷却試料台１９のタンクの中に
溜めた。この時、タンクに液体窒素が半分以上入った状
態でタンク壁面の温度は一１７０℃以下になった。また
、ヒーター７に通電し、試料載置部、すなわち上部表面
１９′の温度を一１００℃に制御した。同時に、空気供
給ポンプ２０を動作させ空気導入バイブロに室温の空気
を導入しつつ、真空隔壁８内をポンプ１５で排気した。

この時、隔壁８の真空処理室３内に面した外壁の温度は
約Ｏ℃であった。

この温度制御された冷却試料台上に試料５を載置し、エ
ツチングガス４としてＳＦＧを対向電極２の中心より導
入した。ＳＦＧの接触する温度の最も低い部分は、冷却
試料台の上面で一１ＯＯ℃であるため、ＳＦ、の電極周
縁での吸着は全く生じなかった。つまり、ＳＦ、をエツ
チングガスとし、冷媒を液体窒素とした場合には、試料
載置面下の温度制御手段により試料面上の温度はＳＦ、
が吸着されない所定温度に設定可能であると共に１本発
明の隔壁手段により従来試料台周縁部において避けられ
なかった低温部でのガス吸着をも完全に防止することが
でき、極めて低温の試料冷却媒体を使用してもエツチン
グガス圧の制御が容易となった・ この装置を用いて実際に試料をドライエツチングした例
について、以下に説明する。

ＳＦ、のガス導入量及びポンプ１４の排気量との関係に
より、真空処理室３内のＳＦＧのガス圧力を１０〜１０
０ｍＴｏｒｒの範囲に調整し、エツチングを行った。こ
のガス圧力の範囲内では、ＳＦ、ガスは通常−１３０〜
−１５０℃で液化するが、本発明においては上述のとお
り、試料表面が一１００℃に温度制御されており、隔壁
８の外周が約Ｏ℃に保持されているのでＳＦ、ガスの液
化による真空処理室内でのガス吸着の問題は完全に解消
されている。

第２図は第１図に示した本発明実施例による隔壁８のガ
ス吸着防止効果を、隔壁を設けない比較例と対比した場
合の特性曲線図を示したもので、縦軸は真空処理室内の
ＳＦ、のガス圧力（Ｐａ表示）を、横軸は真空処理室内
に供給したＳＦ、のガス流量（ｃｃ／ｍｉｎ、表示）を
それぞれ示したものである０図において１曲線ａは本発
明実施例の隔壁のある電極構造の場合を示しているが、
ＳＦ、のガス流量の増大と共にガス圧が増大している様
子がわかる。一方、比較例の曲線すの場合は、隔壁が設
けられておらず、ＳＦ、が冷却試料台側面に吸着するの
で、流量を増大してもガス圧力は増大しなかった。

試料５として、シリコンウェーハを用い所定のマスクを
介してドライエツチングし、８００ｎｍ／ｗｉｎ。

のエツチング速度で良好なエツチング加工ができた。エ
ツチング形状も低温ドライエツチング特有のサイドエツ
チングのほとんどない異方性エツチングが達成できた。

なお、試料５としては他の材料１例えばタングステン、
モリブデン、タンタル、アルミニウム等も勿論エツチン
グできるが、最適温度及びその他のエツチング条件はシ
リコンとは異なり適宜選択することになる。また、上記
装置において、絶縁断熱材（バッキング）１１としてテ
フロンを用いたが、構造上の工夫によっては必ずしも絶
縁断熱材を用いなくとも実用上問題のない断熱性、すな
わち隔壁８の冷却防止を図ることができる。ただし、断
熱隔壁を真空処理室の壁面から電気的に絶縁する必要の
あることは云うまでもない。

次に、第１図（ｂ）〜（ｄ）は、上記第１図（ａ）に例
示した装置の冷却試料台１９まわりの異なる実施例とな
る断熱隔壁手段の要部を示したものである。

第１図（ｂ）は、隔壁８全体を中空２重構造とし、その
内部に第１図（ａ）と同様の真空隔壁８ａを、そしてそ
の外周部に熱供給手段の設けられた隔壁８ｂを設けたも
のである。この熱供給手段としてここでは空気等の流体
熱媒体を循環供給する構造としたものである。つまり真
空断熱隔壁の外周−面に熱媒体隔壁を設けたもので、先
に示した第１図（ａ）の構造よりも若干複雑になるが、
隔壁全体の温度分布はより均一に制御でき、ガス吸着防
止効果の信頼性は一層向上する。

第１図（ｃ）は、冷却試料台１９と真空隔壁８との接続
部に断熱材２１、例えばテフロン等を設置したものであ
る。この場合は第１図（ａ）、（ｂ）のように接続部に
熱供給源がないため、構造は簡略化できるが真空処理室
３と隔壁８内部との真空シールの信頼性の点ではやや低
下する。

第１図（ｄ）は、第１図（ｂ）の熱媒体循環方式に代り
、ヒーター２２による加熱方式としたものである０図示
のように、真空隔壁８の外周部内壁にコイル状のヒータ
ー２２を配設したものであり、電源は試料台の温度制御
手段のヒーター電源１６と共用とした。ただし、電源１
６とヒーター２２との間には高周波漏洩防止用フィルタ
２３を介して接続した。この構造のものは、熱媒体循環
方式に比べ、加熱効率が高く、また、電気的に制御でき
るので、制御精度が高い。しかし、電極に高周波電力が
印加されることから、電気配線の途中に高周波漏洩防止
フィルタが必要となる。

実施例　２ 第３図は１周知のマイクロ波イオン源を用いたプラズマ
エツチング装置の試料台に本発明の断熱隔壁を有する冷
却試料台を設けた応用例を示したものである。実施例１
の平行平板型電極を用いたエツチング装置では、断熱隔
壁８の主要部が真空処理室３内にあったが、このマイク
ロ波プラズマエツチング装置の例では、その主要部を大
気に接する構造とした。なお、同図の２４はマグネトロ
ン、２５は導波管、２６は磁場発生コイル、２７は石英
管をそれぞれ示す、この装置の場合も隔壁及び熱媒体の
循環機構等は第１図（ａ）の場合とほぼ同様である。

〔発明の効果〕

上述のとおり、本発明の低温ドライエツチング装置によ
れば試料台表面のみを選択的に低温とすることができ、
その他のプラズマ照射下に晒されない領域の電極部を熱
的に試料台表面よりも著しく高く設定することができ、
それにより反応処理ガスの吸着という課題が解消され、
エツチング処理室内の反応ガス圧力を１０−４〜１０−
’　Ｔ　ｏｒｒ台の広範囲で容易に制御できるようにな
った。前述のとおり、冷媒として液体窒素を使用した場
合を例にとれば、試料を一１５０℃以下に保持しながら
、隔壁を設けることにより、隔壁表面の温度を一２０℃
以上に保持することが可能となった。これにより低温ド
ライエツチングのすぐれた特徴を十分に発揮させること
ができ、高精度微細加工の実用化を可能とするもので、
産業の発展に多大な貢献をするものである。

なお、本発明の効果はこれまで述べたエツチング装置以
外にも適用可能であり、例えば、試料を液体窒素で冷却
しながら周知のＣＶＤ装置やスパッタリング装置で所望
の物質をデポジションさせ薄膜を形成する場合にも応用
できる。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の一実施例で、平行平行板反応性スパッ
タ装置への適用例、第２図は本発明の効果を示す特性曲
線図、第３図は本発明の他の実施例で、マイクロ波プラ
ズマエツチング装置への適用例、そして第４図及び第５
図はそれぞれ従来装置の要部断面図を示す。 図において。 １．１′・・・ガス導入管　　２・・・上部電極、３．
３′・・・真空処理室　４．４′・・・処理ガス５．５
′・・・試料　　　　６．６′・・・空気導入管７．７
′・・・ヒーター　　　８．８′・・・隔壁９．９′・
・・液体窒素 １０．１０′・・・液体窒素導入口 １１．１１’・・・絶縁、断熱材 １２．１２′・・・絶縁材 １３．１３’・・・液体窒素排出口 １４．１４′・・・ポンプ　　　１５．１５’・・・ポ
ンプ１６．１６′・・・ヒーター電源 １７・・・高周波電源　　　　１８．１８’・・・液体
窒素１９．１９’・・・冷却試料台　２４・・・マグネ
トロン２５・・・導波管　　　　　　２６・・・磁場発
生コイル２７・・・石英管 ２８・・・プラズマ

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、中空の高周波印加電極内に、試料冷却手段が設けら
   れると共にプラズマ照射下に晒される試料台を構成する
   電極表面と前記試料冷却手段との間に温度制御手段の設
   けられた低温ドライエッチング装置において、前記電極
   のプラズマ照射下に晒されない領域に断熱手段を設けた
   ことを特徴とする低温ドライエッチング装置。 ２、上記断熱手段と共に少なくとも上記試料台の側壁に
   加熱手段を設けたことを特徴とする請求項１記載の低温
   ドライエッチング装置。 ３、上記断熱手段として、上記電極側壁を真空層からな
   る隔壁で包囲して成ることを特徴とする請求項１もしく
   は２記載の低温ドライエッチング装置。 ４、上記真空層の外周に加熱層を設けた２重隔壁構造と
   したことを特徴とする請求項３記載の低温ドライエッチ
   ング装置。 ５、上記加熱層として流体からなる熱媒体を循環供給す
   る構成としたことを特徴とする請求項４記載の低温ドラ
   イエッチング装置。 ６、上記加熱層としてヒーターを設けたことを特徴とす
   る請求項４記載の低温ドライエッチング装置。 ７、上記試料冷却手段として上記中空の高周波印加電極
   内に低温冷媒を充てんもしくは循環させる機構を備える
   と共に上記温度制御手段として、ヒーターもしくは熱媒
   体を循環させる機構を備えて成ることを特徴とする請求
   項１、２、３、４、５もしくは６記載の低温ドライエッ
   チング装置。 ８、上記低温冷媒として、液体窒素を用いて成ることを
   特徴とする請求項７記載の低温ドライエッチング装置。 ９、上記真空層を構成する隔壁内の真空度を１×１０＾
   −＾２Ｔｏｒｒ以下としたことを特徴とする請求項３記
   載の低温ドライエッチング装置。