JPH01312087A - 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、高周波グロー放電によって発生するガスプラ
ズマを利用して、半導体集積回路製造用シリコン基板等
の基板にエツチング処理を行なう、ドライエツチング装
置の新規な構成に関する。

（従来の技術とその問題点） 現在、高周波グロー放電を利用して被処理基板（以下単
に基板ともいう）をエツチング処理するドライエツチン
グ装置か半導体集積回路の製造で盛んに使用されている
。中でも、高周波印加電極上に基板を置いてエツチング
する反応性イオンエツチング（Ｒｆ　Ｅ）装置は、異方
性エツチングが可能で且つ量産性に優れるため、半導体
デバイス製造の各プロセス工程で多用されるようになっ
てきた。

ところが、当初のこの種の装置は、被処理基板を高周波
印加電極上（または、その上に置かれた基板載置台上）
に、ただ単に載置するだけの構成をとっていたため、基
板はプラズマによって容易に加熱され、基板温度が上昇
してエツチングマスクのフォトレジストが熱損傷を受け
たり、エツチング形状が悪化したりシＩ、エツチング速
度の向上をはかることやエツチング形状を思い通りに制
御することが難しいという欠点があった。

このため、工・ソチンク中に基板を所望する温度に冷却
する目的で、基板を電極（またはその上ζこ置かれた基
板載置台）に機械的にクラップして両者間の熱接触を向
上させたり、基板の裏面（こＨｅ等のガスを流して基板
と基板載置面との開の熱伝達効果を増大させて冷却をは
かったり、基板載置部の下方に直流電極を仕込んで、基
板を静電力によって基板載置台に密着（静電チャンク）
させ熱伝達を向上させる等の方法か考案された。特に最
後の静電チャック法は、構造が比較的簡単で冷却効果が
大きいため種々の方法が考案されている。

例えは、特公昭５６−５３８５３号公報（特開昭５５−
９０２２８号公報）「ドライエツチング装置」に示され
る、カスプラズマの電気伝導性を利用する静電チャック
法は、高周波印加電極とガスプラズマとが誘電体膜を挟
む電極として働くため、簡便でかつ基板に与えるダメー
ジが少なく、ガスプラズマが存在する期間にたり静電チ
ャック力が働くため基板の着脱が容易で、非常に有効な
方法であった。その公報のドライエツチング装置の概略
の構成を第５図の断面図で示す。１０１は高周波電源、
１０２は高周波印加電極、１０３（ま基板、１０４は対
向電極、１０５は誘電体膜であって基板１０３がこの上
とこ載置され静電チャックされるもの、１０６は絶縁体
、１０７は直流電源、１０８は高周波遮断回路、１０９
は高周波整合回路、１　］、　Ｏは高周波印加電極１０
２上の導電性ゴムシート、１１１はプラズマ、１１２は
高周波印加電極１０２の冷却系、１１３は真空容器、１
１４は排気系、１１５はガス導入系である。

しかし上記のドライエツチング装置でエツチングした場
合種々の問題を生じた。特に複数枚の基板を一括処理す
るために高周波印加電極１０２の面積を大きくしたバッ
チ式ドライエツチング装置では、その広面積の、高周波
印加電極上の導電性ブムシート１１０の表面の全面に渡
って、誘電体膜１０５を完全に密着させて隙間なく被う
ことは、非常に難しいばかりでなく、たとえ隙間なく被
覆できたとしても、真空容器１１３内を真空に排気する
と、誘電体膜１０５の下部に僅かな隙間が生れて、プラ
ズマを発生させたとぎそこに異常放電を生じ、静電チャ
ックが働かなくなるばかりでなく、誘電体膜１０５が破
壊されたり、前記の静電チャック用直流電源１０７が破
壊されてしまったりする欠点があった。

この異常放電は、エツチング時に基板１０３に誘起され
る負の数］　００Ｖのセルフバイアス電圧と、高周波印
加電極１０２、従って、そのトの導電性ゴムシート１１
０に印加される直流電圧との間の電位差による静電力で
基板を静電チャックすることを目的として、高周波印加
電極に正の１に■程度の直流電圧を直流電源１０７から
印加しているため起こるものであって、プラズマ放電中
に僅かな隙間を通してプラズマ内の電子が高周波印加電
極ここ流れ込むために生じた放電である。

この放電は静電チャック用電圧の正負を逆にしてみても
同じように発生する。この場合は前記の隙間にイオンが
流れ込むことになる。

この放電の発生を避けるために本願の発明者は、第６図
の装置即ち、特開昭５７’−１４９７３４号公報「プラ
ズマ応用加工装置」に示すように、冷却系１１２を装備
し、シールド板２１１および誘電体電極カバー２１２て
その表面を被われた高周波印加電極２０３の上に、複数
の基板載置台２゜６を設けて、それぞれの基板載置面の
直下部だけに、誘電体膜１０５で被われた（しかも誘電
体２０７で高周波印加電極２０３とは絶縁された）電−
極２０８を埋め込み、この電極２０８だけに直流電源１
０１から高周波フィルター１０９を介して直流電圧を印
加するという方法を試みたのであったが、この方法には
・直流電圧印加の配線に困難があるばかりでなく、図の
ように複数の基板載置台２０６を高周波印加電極２０３
上に設置するときは、基板のエツチング特性が、基板載
置台２０６の僅かな構造の相違等の影響を受けてばらつ
きを生ずるという欠点があった。

さら己こ、第５図、第６図の従来の装置には、電極１１
０．２０８の表面を、誘電体膜１０５で完全に密着させ
て覆うことができたとしても、長時間のドライエツチン
グ中には誘電体膜１０５が劣化して、誘電体膜１０５の
交換が必要となるという事態をしはしは生じ、この交換
のために多大の時間と労力を必要とするという新たな問
題を生じた。これら電極に誘電体を貼り付けたとしても
、その誘電体膜が実用に耐えるかどうかは、実際に真空
中でドライエツチングして見るまでは分からず、またそ
の成功の確率も低いため実際の大規模集積回路の製造ラ
インにこのドライエツチング装置を採用するには問題が
あった。

（発明の目的） 本発明は、上記問題を解決するためシこなされたもので
あって、比較的単純な構造の基板載置台および誘電体部
材の組立で作られる高周波印加電極構造によって、ドラ
イエツチング中に基板を十分強力に基板載置台に静電チ
ャックし、安定且つ充分に基板を冷却して、均一性およ
び再現性の優れたエツチングを行なうことのできる新規
なドライエツチング装置の提供を目的とする。

（問題を解決するための手段） 本発明は上記目的を達成するために、反応性ガス等のガ
ス導入手段を設けた真空容器内に被処理基板を載置する
高周波印加電極を備え、反応性ガス等のガスプラズマに
より該基板をエツチングするドライエツチング装置にお
いて、 ａ、高周波印加電極のプラズマに接する側の表面の全面
を、基板載置台と、着脱自在の誘電体部材とで被い、か
つ、 ｂ、基板載置台の基板載置面の直下部には、誘電体膜で
被われた導体表面であって前記高周波印加電極と直流的
に同電位のものを設け、ざらに、Ｃ２高周波印加電極の
表面からプラズマ空間に至るまでの隙間、即ち、該誘電
体部材相互間の隙間、または、該誘電体部材と該基板載
置台の間の隙間には曲折部を備えて、該高周波印加電極
の表面からはプラズマ空間を見通せない構造とし、ｄ、
高周波印加電極へは、高周波電力印加時のブラズマ放電
で発生する負のセルフバイアス電圧よりも絶対値の大き
い負の直流電圧を、高周波フィルターを介して印加する
手段を協えたものである。

前記目的の効果を向上させるために、曲折部を複数ケ所
設けたり、基板載置台の基板載置面を囲んで、゛基板の
外周よりも小さな内周を持ち、且つ基板の外周よりも大
きい外周を持った、着脱自在の誘電体リングを備える構
造は有用である。

（作用） 上記構成からなる本発明のドライエツチング装置では、
誘電体で囲まれた基板載置台の導体は高周波印加電極と
同電位になっているため、この導体表面に直流電位を与
えるのに特別なリード線等を必要とせず、各部材の取り
付けや組立は容易で特別な技術を必要としない。

高周波印加電極の表面は、誘電体で被われた基板Ｈ置台
と、着脱自在の誘電体部材とで完全に被われていて、し
かも、誘電体部材間や基板載置台の組立で生じる隙間が
曲折部を持ち、かつ、高周−１０＝ 波印加電極には、放電中に基板に生じる負のセルフバイ
アス電圧よりも絶対値の大きい負の直流電圧が高周波印
加電極に印加されているため、プラズマから「電子」が
直流的に高周波印加電極に流入することは無くなる。

電子に代わって「イオン」が高周波印加電極に直流的に
流入するが、そのイオン電流の量も、イオンの通り道の
隙間に曲折部が設けられているためζこ極めて抑制され
る。その抑制の度合は電子電流の場合よりも遥かここ大
である。曲折の回数の多い構成にすれはする程その効果
は大きい。また、たとえイオンの流入が生したとしても
、後述のようにイオン電流量はたかだか数ｍＡ／ｃｍ２
以下にととまるため、その小さいリーク電流量は、静電
チャック電源に影響を与えることかなく、ドライエツチ
ング中のセルフバイアス電圧にも殆んど影響を与えない
。従ってドライエツチング特性に裁板旬のハラツギを生
じるような不具合は発生しない。

また、高周波印加電極に印加する直流の負電圧はいくら
ぞの絶対値を大きくしてもイオン電流値は小策で飽和し
てしまう特性があるので、基板と基板載置面下の導体表
面との間には充分に大きな電圧を（誘電体膜を介して）
印加てき、大きい静電チ（・ツク力が利用できる。

なお、基板が基板載置面に吸佇されるの（ま、従来同様
ドライエッチング作業中だけてあり、ドライエツチング
前後の基板の着脱は容易である。

なお、基板載置台の基板載置面の周囲に、基板の外周よ
り小さな内周を持ち、基板の外周よりも大きい外周をも
つ着脱自在な誘電体リングを設置することては、特に、
基板載置台表面の（静電チャック用の）非常に薄い誘電
体膜か、エツチングでその寿命を短くするのを防止し、
かつ、前記した複数の隙■１の曲折部を設ける作業を極
めて容易にする。

（実施例） 第１図は本発明の実施例の平行平板型リアクティブイオ
ンエツチング装置の概略の正面断面図であって、接地さ
れた真空容器１内ζこ、高周波印加電極２と、接地され
た対向電極３が、電極部を互いζこ平行にして設置され
ている。

高周波印加電極２の上には複数個のアルミニウム製の凸
型の基板載置台４が設置されている。基板９はこの凸型
の頭頂部を覆って載置され、頭頂部の面積は基板の面積
よりも小さく、完全に基板で隠れるようになっている。

この基板載置台４の底面は高周波印加電極２と直接（電
気的にも）接触している。底面以外の面は全て２５μｍ
の厚さのポリイミドフィルム５て被われている。

高周波印加電極２の表面（対向電極に相対する面）の、
基板載置台４以外の部分は、第１の誘電体カバー６およ
び第２の誘電体カバー７で被われている。両所電体カバ
ーおよび基板載置台は−Ｌ方に持ち上げで、高周波印加
電極から簡単に取り外すことができるようになっている
。即ち、着脱自在で組立、解体の容易な構造となってい
る。

さらζこ、基板載置台４−の凸型の肩の周回には、誘電
体リング８が嵌め込まれていて、基板９の裏面の周囲の
基板載置台４からはみ出した部分はこの誘電体リング８
の上に載っている。この誘電体リング８も着脱自在であ
って容易に北方に抜き取ることができる。この誘電体リ
ング８の内径は基板９の外径よりもやや小さく、かつ、
誘電体リング８の外径は基板９の外径よりやや大きい。

従って、組立が完了して基板９か基板載置台に載置され
たときには、基板載置台のポリイミドフィルム５（ま、
基板９と誘電体リング８と第１，２の誘電体カバー７．
８によって完全に被われろ構造となっている。

これら第１、第２の誘電体カバー６．７と誘電体リング
８および基板載置台４の組み立てて生じる隙間には、図
の断面図で見て曲折部が２つ以−Ｌ（図の現状では４つ
）存在し、高周波印加電極２からプラズマ１０を見通す
ことばできない構造になっている。

高周波印加電極２の側面と裏面は、第３および第４−の
誘電体スペーサー１１および１２（これらは着脱自由と
する必要はない）を介して、シールド板１３がカバーし
ている。

さて、本構成の装置の働かせ方であるが、例えは、シリ
コン基板上に微細な溝ないし穴を加工するシリコントレ
ンチエツチングの場合で述べると、排気導管１４に接続
された真空ポンプ（図示しない）によって真空容器１内
を真空に排気する。次にガス導入バルブ１５を開いて、
５ｉＣ１４を含むガスを、圧力が１５ｍＴｏｒｒになる
まで導入する。

高周波印加電極２を、冷媒を循環して冷却しながら（冷
却には第６図と同様の構造が採用できる。

図示を略した）、高周波電源１６よりブロッキングコン
デンサー１７を介して１３．５６ＭＨ２，１０００Ｗの
高周波電力を高周波印加電極２に投入する。これと同時
に、スイッチ２１をＯＮにし、直流電源２０から高周波
フィルター用のコイル１８とコンデンサー１９を介して
、負の直流電圧２ｋＶを高周波印加電極２に印加する。

高周波電力の投入によって、プラズマ空間１０には５ｉ
Ｃ１，を含むガスのプラズマが発生し、基板９には負の
セルフバイアス電圧（約５００　Ｖ）が生じて、プラズ
マよりイオンが引き寄せられ、このイオンとプラズマで
作られた活性ラジカルの相互作用により、基板９がいわ
ゆる反応性イオンエツチング（ＲＩ　Ｅ）される。

このとき高周波印加電極２およびこれと同電位の基板載
置台４には、負の直流電圧が電源２０から印加されてい
るため、厚さ２５７ｚ　ｍのポリイミドフィルム５を挟
んで、基板９と基板載置台４の間には電位差が生じてい
る。

電源２０から高周波印加電極２に印加する負の電圧を大
きくし、基板９に誘起されるセルフバイアス電圧（負の
約５００　Ｖ）よりもさらに１ｋＶだけ負にするような
電圧即ち負の約１．５ｋＶの電圧を印加すると、基板９
は基板載置台４に静電吸着されて、基板９は効率よく冷
却されるようになる。

高周波印加電極２および基板載置台４の電位は、セルフ
バイアス電位よりもかなり深い負の電位にあるため、高
周波印加電極２の表面を被って組み立てられた基板載置
台４と誘電体部材５．　６．　７゜８（および１１．１
２）相互間の隙間を通って、「電子電流」が流れること
はない。従って、従来のように過大な電子電流によって
誘電体部材が絶縁破壊を起こすという事態は完全に避け
られる。

その代わりに、プラズマ中のイオンが前記の隙間を通し
て高周波印加電極２に流れ込むことになるが、「イオン
電流」には、第２図のプラズマの゛プローブ特性（詳細
後述）に示されるように、実用時の電圧値（本発明の実
施例のイオン電流の場合なｐ、従来の電子電流の場合を
ｑで示す）で、電子電流の数百外の−乃至数十分の−の
値で電流が飽和する性質があるため、過電流によって絶
縁破壊が起きるということはない。さらに、イオン電流
の通過する前記の誘電体部材間の隙間の曲折は、このイ
オン電流の抑制と放電の防止に役立ち、曲折を複数にす
れば、イオン電流は無視できる程度の大きさになること
が実験で確かめられた。

さて、先述の第２図のプラズマのプローブ特性の図の説
明であるが、これは、第２図ａに略示したような平行平
板型エツチング装置の、高周波印加電極２と対向電極３
の間の空間に、高周波電源４４からの高周波電力で容器
１因にプラズマを発生させ、このプラズマにプローブ４
０１を挿入して、電源４０２からプローブに印加する直
流電圧を様々に変化させて、電圧計４０３の指示と電流
計４０４の指示をプロットし曲線を描いたものである。

この第２図のプローブ特性から、プローブ電圧が負の領
域では電流（イオン電流）が直ぐ飽和し、実用時の電圧
（前記のｐとｑ）では、電圧正の領域の電流（電子電流
）の数百〜数十分の１程度の小さい電流しかプローブに
流れ込まないことが明かである。本発明では、本願の発
明者らが実験で見いだしたこの現象が利用されている。

第３図は、基板載置台４の部分の他の実施例の構造を示
した正面断面図である。第１図と同機能の部材には同符
号を使用し説明を省略している。

この場合の基板載置台４はセラミックスで成形されてお
り、基板載置面４乙こ載置された基板９の直下の数１０
〜数１００μｍの深さのところには、金属膜電極５０５
が埋め込まれ、金属膜電極５０５はスルーホールのリー
ド線５０６によって高周波印加電極２と電気的に接続ざ
ｎている。従ってここでも両者は直流的に同電位である
。

基板載置台４′の周囲にはそれぞれ着脱自在な誘電体リ
ング８、第１および第２の誘電体カバー６および７が設
置されて、高周波印加電極２がプラズマに晒されるのを
防いでいる。基板９の外周よりも内径が小さく、基板９
の外周よりも外径が大きい誘電体リング８が、基板載置
台４の外周に設けられていて、基板載置台４の表面の非
常に薄い誘電体膜（セラミックス）５０７を保護し、そ
の寿命を長くしている。

第４図ａ、ｂは、ドライエッチング装置によりシリコン
基板」二に５ｉ０２をマスクとして、幅１゜０μｍ１　
深さ４．５７１ｘηのトレンチをエツチングで作ったと
きの、トレンチの断面形状であって、−１９＝ ａ図は、本発明の実施例の第１図の装置によりシリコン
基板を１０８Ｃに冷却された基板載置台４むこ吸着させ
てエツチングしたときのトレンチの形状であって、サイ
ドエツチングがなく、垂直側壁を持ち、しかもトレンチ
の底部に丸みのある理想的なトレンチ形状か得られてい
る。ｂ図は、ａ図と同一条件下で、静電チャックを働か
せないでシリコン基板をエツチングした場合の例であり
、側壁にくぼみのある、いわゆるボーイング形状のトレ
ンチ形状となっている。形状が一定せずバラツキの程度
も大きく、実際のＶＬＳＩデバイス乙こはとうてい使用
できないものであった。

さて上記の実施例は、基板を複数枚処理するバッチ装置
に本発明を応用する場合を述べたものであるが、本発明
の利用はバッチ処理の装置に限定されるものではなく、
基板を一枚一枚エッチングする枚葉処理装置に適用して
もその威力を発揮することはいうまでもない。

また本発明で使用する誘電体や電極の材質も、ボリイミ
１：、セラミックス、アルマイト等に限定されるもので
ないことはいうまでもない。またその厚みにも限定はな
い。

また、本発明の利用は、反応性イオンエツチング装置に
も限定されるものでなく、他の種類のドライエツチング
装置にも十分適用できるものである。

（発明の効果） 本発明によれば、基板を基板載置台に充分強力とこ静電
チャックしながらドライエツチングできるため、基板の
冷却が充分でその温度が安定する効果がある。そのため
均一性および再現性の優れたエツチング加工の可能なド
ライエッチング装置が提供される。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明の実施例の反応性イオンエツチング装置
の要部の概略断面図。 第２図はプラズマ中のプローブ電圧−電流特性を示した
グラフ。第２図Ａはその測定の図。 第３図は他の実施例の基板載置台部の断面図。 第４図ａは、本発明の実施例の装置によりシリコンＩ・
レンチエツチングを行なったときのトレンチの断面図。 第４図すは、同じ装置で静電チャックを行なうことなく
シリコントレンチエツチングを行なったときのトレンチ
の断面図。 第５，６図はそれぞれ従来のドライエツチング装置の断
面図である。 １・−・真空容器、２・・・高周波印加電極、４−・・
・基板載置台、５・・・ポリイミドフィルム、６・・・
第１誘電体カバー、７・・・第２誘電体カバー、８・・
−誘電体リング、９・・・基板、１８・・・高周波フィ
ルターコイル、１９・−・高周波フィルターコンデンサ
ー、２０・・・負の直流電源。

Claims (3)

【特許請求の範囲】
1. （１）反応性ガス等のガス導入手段を設けた真空容器内
   に被処理基板を載置する高周波印加電極を備え、該反応
   性ガス等のガスプラズマにより該基板をエッチングする
   ドライエッチング装置において、 ａ、該高周波印加電極のプラズマに接する側の表面の全
   面は、基板載置台と、着脱自在の誘電体部材とで被われ
   ており、かつ、 ｂ、該基板載置台の基板載置面の直下部には、誘電体膜
   で被われた導体表面であって前記高周波印加電極と直流
   的に同電位のものが設けられており、さらに、 ｃ、該高周波印加電極の表面からプラズマ空間に至るま
   での隙間、即ち、該誘電体部材相互間の隙間、または、
   該誘電体部材と該基板載置台の間の隙間は曲折部を備え
   て、該高周波印加電極の表面からはプラズマ空間を見通
   せない構造となっており、 ｄ、該高周波印加電極へは、高周波電力印加時のプラズ
   マ放電で発生する負のセルフバイアス電圧よりも絶対値
   の大きい負の直流電圧を、高周波フィルターを介して印
   加する手段を備えている、ことを特徴とするドライエッ
   チング装置。
2. （２）該曲折部が複数設けられていることを特徴とする
   特許請求の範囲第１項記載のドライエッチング装置。
3. （３）該基板載置台の基板載置面を囲んで、基板の外周
   よりも小さな内周を持ち、且つ基板の外周よりも大きい
   外周を持った、着脱自在の誘電体リングを備えることを
   特徴とする特許請求の範囲第１または２項記載のドライ
   エッチング装置。