JPH02119131A - 試料の温度制御方法及び装置 - 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、試料の温度制御方法及び装置に係り。

特に基板の温度を制御するものに好適な試料の温度制御
方法及び装置に関するものである。

〔従来の技術〕

試料を真空処理、例えば、プラズマ利用して処理（以下
、プラズマ処理と略）する装置１例えば。

ドライエツチング装置の重要な用途の一つに半導体集積
回路等の微小固体素子の製造における微細パターンの形
成がある。この微細パターンの形成は、通常、試料であ
る半導体基板（以下、基板と略）の上に塗布したレジス
トと呼ばれる高分子材料に紫外線を露光、現像して描い
たパターンをマスクとしてドライエツチングにより基板
に転写することで行われている。

このような基板のドライエツチング時には、プラズマと
の化学反応熱やプラズマ中のイオンまたは電子などの衝
撃入射エネルギによりマスク及び基板が加熱される。従
って、十分な放熱が得られない場合、即ち、基板の温度
が良好に制御されない場合は、マスクが変形、変質し正
しいパターンが形成されなくなったり、ドライエツチン
グ後の基板からのマスクの除去が困難となってしまうと
いった不都合を生じる。そこで、これら不都合を排除す
るため１次のような技術が従来より種々慣用・提案され
ている。以下、これら従来の技術について説明する。

従来技術の第１例としては、例えば、特公昭５６−５３
８５３号公報に示されているように、高周波電源の出力
が印加される試料台を水冷し、該試料台上に被加工物質
を誘電体膜を介して載置し、試料台に直流電圧を印加す
ることでプラズマを介して誘電体膜に電位差を与え、こ
れにより生じる静電吸着力によって被加工物質を試料台
に吸着させ、被加工物質と試料台との間の熱抵抗を減少
させて被加工物質を効果的に冷却するものがある。

従来技術の第２例としては、例えば、特開昭５７−１４
５３２１号公報に示されているように、ウェーハの裏面
より気体ガスを吹き付けて、ウェーハを気体ガスにより
直接冷却するものがある。

従来技術の第３例としては、例えば、Ｅ、Ｊ。

Ｅｇｅｒｔｏｎ他、　５ｏｌｉｄ　５ｔａｔｅ　Ｔｅｃ
ｈｎｏｌｏｇｙ、　Ｖｏｌ、　２５　。

Ｎｏ、８．Ｐ８４〜８７　（１９８２−８）に示されて
いるように、水冷された試料台である電極と該電極に載
置され機械的クランプ手段で外周辺を電極に押圧されて
固定された基板との間に、圧力が６　Ｔｏ？ｒ程度のＧ
Ｈｅを流通させて、電極と基板との間の熱抵抗を減少さ
せ、これにより基板を効果的に冷却するものがある。

〔発明が解決しようとする課題〕

しかしながら、上記これらの従来技術は、試料の効果的
な冷却、及び基板裏面に流すガスのプロセスに与える影
響等の点において、充分配慮されておらず、以下のよう
な問題があった。

上記第１の従来技術では、上記のように行っても、まだ
、被加工物質と試料台との間の接触部分は少なく、微視
的にみればわずかな隙間を有している。また、この隙間
には、プロセスガスが入り込み、このガスは、熱抵抗と
なる。一般のドライエツチング装置では、通常０．ＩＴ
ｏｒｒ程度のプロセスガス圧によって被加工物質をエツ
チング処理しており、被加工物質と誘電体膜との間の隙
間はプロセスガスの平均自由行路長より小さくなるため
、静電吸着力による隙間の減少は、熱抵抗の点からはほ
とんど変わらず、接触面積が増加した分だけ効果が上が
ることになる。したがって、被加工物質と試料台とめ藺
の熱抵抗を減少させ被加工物質をより効果的に冷却する
ためには、大きな□静電吸着力を必要とする。このため
、このような技術では、次のような問題があった。

（１）被加工物質が試料台から離脱しにくくなるため、
エツチング処理が終了した被加工物質の搬送に時間を要
したり、被加工物質をいためた゛りする。

（２）大きな静電吸着力を生じるためには、誘電体膜と
被加工物質との間に大きな電位差を与える必要があるが
、しかし、この電位差が大きくなれば、被加工物質、す
なわち、基板内の素子に対するダメージが大きくなるた
め１歩留まりが悪くなり、集積回路の集積度が高まるに
つれて要求が高まっている薄いゲート膜の微細加工では
、更に歩留まりが悪くなる。

上記第２の従来技術では、ヘリウムガス（以下、ＧＨｅ
と略）のように熱伝導性の優れた気体ガスを用いること
で、ウェーハの冷却効率を向上させることができる。し
かしながら、このような技術では、次のような問題があ
った。

（１）気体ガスがウェーハの冷却面側にとどまらずエツ
チング室内に多量に流れ込むため、ＧＩ＋６のように不
活性ガスでもプロセスに与える影響は大きく、したがっ
て、すべてのプロセスに使用することができない。

上記第３の従来技術では、基板の外周辺をクランプによ
って固定しても、ＧＨｅの真空処理室内への流出は避け
らけす、したがって上記した第２の従来技術での問題点
と同様の問題を有し、更に次のような問題をも有してい
る。

（１）機械的クランプ手段により基板の外周辺を押圧し
て、基板を電極に固定するため、基板は、流通するＧＨ
ｅのガス圧により周辺支持状態で中高で凸状に変形する
。このため、基板の裏面と電極との間の隙間量が大きく
なり、これに伴って基板と電極との熱伝導特性が悪化す
る。このため、基板の冷却を充分効果的に行うことがで
きない。

（２）電極に基板の外周辺を押圧して固定する機械的ク
ランプ手段が設けられているため、基板内の素子製作面
積が減少すると共に、プラズマの均一性が阻害され、ま
た１機械的クランプ手段の動作時に、機械的クランプ手
段に付着した反応生成物が機械的クランプ手段から脱落
して、塵埃の発生する危険性があり、更に、基板搬送が
極めて複雑となり、その結果、装置が大型化すると共に
信頼性が低下する。

本発明の目的は、真空処理される試料の温度を効果的に
制御でき、プロセスに与える伝熱ガスの影響を少なくで
きる試料の温度制御方法及び装置を提供することにある
。

〔課題を解決するための手段〕

本発明は、試料台とプラズマ処理される試料の裏面との
間に電気絶縁材を設け、電気絶縁材を介して試料台と試
料とに電荷を蓄積して試料を試料台に密着保持させる手
段と、密着保持された試料の裏面と試料台との間に伝熱
ガスを供給する手段とを具備した装置とし、試料台とプ
ラズマ処理される試料の裏面との間の電気絶縁材を介し
て、試料台と試料とに電荷を蓄積して試料を試料台に密
着保持させ、密着保持された試料の裏面と試料台との間
に伝熱ガスを供給する方法とすることにより、達成でき
る。

Ｃ作　　用〕 試料台とプラズマ処理される試料の裏面との間の電気絶
縁材を介して、試料台と試料とに電荷を蓄積して試料を
試料台に密着保持させ、密着保持された試料の裏面と試
料台との間に伝熱ガスを供給することにより、伝熱ガス
のガス圧による試料の変形を防止して吸着保持された試
料の裏面と試料台との間の隙間量の増大が抑制され、真
空処理される試料の温度を効果的に制御できると共に、
伝熱ガスの真空処理室内への流出が抑制され、プロセス
に与える伝熱ガスの影響を少なくできる。

〔実施例〕

試料を真空処理１例えば、プラズマ処理する装置として
は、ドライエツチング装置、プラズマＣＶＤ装置、スパ
ッタ装置等があるが、ここでは、ドライエツチング装置
を例にとり本発明の詳細な説明する。

以下、本発明の一実施例を第１図ないし第３図により説
明する。

第１図にドライエツチング装置の概略構成を示す。真空
処理室１０の、この場合、底壁には、絶縁体１１を介し
て試料台である下部電極２０が電気絶縁されて気密に設
けられている。真空処理室１０には、放電空間３０を有
し下部電極２０と上下方向に対向して上部電極４０が内
設されている。

試料である基板５０の裏面に対応する下部型Ｖｉ２０の
表面には、絶縁物６０が埋設されている。また、下部電
極２０には、伝熱ガスの供給路を形成する溝２１が形成
されている。絶縁物６０と溝２１については、第２図お
よび第３図を用いて詳細に後述する。下部電極２０には
、溝２１と連通してガス供給路２３ａとガス排出路２３
ｂとが形成されている。また、下部電極２０内には、冷
媒流路２２が形成されている。下部電極２０には、冷媒
流路２２と連通して冷媒供給路２４ａと冷媒排出路２４
ｂとが形成されている。

ガス供給路２３ａには、ガス源（図示省略）に連結され
た導管７０ａが連結され、ガス排出路２３ｂには、導管
７０ｂの一端が連結されている。導管７０ａには、マス
フローコントローラ（以下、ＭＦＣと略）７１が設けら
れ、導管７０ｂには調整バルブ７２が設けられている。

導管７０ｂの他端は、真空処理室１０と真空ポンプ８０
とを連結する排気用の導管１２に合流連結されている。

冷媒供給路２４ａには、冷媒源（図示省略）に連結され
た導管９０ａが連結され、冷媒排出路２４ｂには、冷媒
排出用の導管９０ｂが連結されている。

下部電極２０には、マツチングボックス１００を介して
高周波電源１０１が接続されると共に、高周波遮断回路
１０２を介して直流電源１０３が接続されている。なお
、真空処理室１０．高周波型Ｍ１０１および直流電源１
０３はそれぞれ接地されている。

また、上部電極４０には、放電空間３０に開口する処理
ガス放出孔（図示省略）と該処理ガス放出孔に連通ずる
処理ガス流路（図示省略）とが形成されている。処理ガ
ス流路には、処理ガス供給装置（図示省略）に連結され
た導管（図示省略）が連結されている。

次に、第１図の下部電極２０の詳細構造例を第２図、第
３図により説明する。

第２図、第３図で、第１図に示したガス供給路２３ａは
、この場合、導管２５ａで形成され、導管２５ａは、こ
の場合、下部電極２０の基板載置位置中心を軸心として
上下動可能に設けられている。導管２５ａの外側には、
第１図に示したガス排出路２３ｂを形成して導管２５ｂ
が配設されている。導管２５ｂの外側には、第１図に示
した冷媒供給路２４ａを形成して導管２５ｃが配設され
ている。導管２５ｃの外側には、第１図に示した冷媒排
出路２４ｂを形成して導管２５ｄが配設されている。導
管２５ｂの上端は電極上板２６につながり、導管２５ｄ
の上端は電極上板２６の下方の電極上仮受２７につなが
っている。導管２５ｂの上端部には、電極上板２６と電
極上仮受２７と導管２５ｂとで空室２８が形成されてい
る。空室２８には分割板２９が冷媒流路２２を形成して
内設され、導管２５ｃの上端は分割板２９につながって
いる。

基板（図示省略）が載置される電極上板２６の表面には
、この場合、放射状の伝熱ガス分散用の溝２１ａと円周
状の伝熱ガス分散用の溝２１ｂとが複数条形成されてい
る。伝熱ガス分散用のｙｊ２１ａ　、　２１ｂは、導管
２５ａ　、　２５ｂと連結している。また、基板が載置
される電極上板２６の表面には、絶縁物６０が設けられ
ている。この場合は、絶縁膜がコーティングされている
。

なお、第２図、第３図で、１１０は基板が載置されない
部分の電極上板２６の表面を保護する電極カバーで５１
１１は下部電極２０の電極上板２６の表面以外を保護す
る絶縁カバー、ｌ１２はシールド板である。また、導管
２５ａの上端には、電極上板２６への基板の載置時並び
に電極上板２６からの基板の離脱時に基板を裏面側から
支持するピン１１３が、この場合、１２０度間隔で３本
配設されている。

また、溝２１ａ　、　２１ｂの深さは、基板吸着時の基
板の裏面と溝２１ａ　、　２１ｂの底部との間の隙間（
以下、溝部隙間と略）が伝熱ガスの平均自由行路長以上
になれば、伝熱ガスの祖熱効果が低下するようになるた
め、該溝部隙間が、好ましくは、伝熱ガスの平均自由行
路長以下となるように溝２１ａ。

２１ｂの深さを選定するのが良い。

また、基板の裏面で絶縁膜に静電吸着により実質的に密
着される部分（以下、吸着部と略）の面積は、伝熱ガス
のガス圧と真空処理室１０の圧力との差圧による基板の
下部電極２０からの浮上り□を防止するために、伝熱ガ
スのガス圧と真空処理室１０の圧力との差圧により決ま
る必要静電吸着力により選定する４例えば、伝熱ガスの
圧力がＩ　Ｔｏｒｒで真空処理室１０の圧力が０．ＩＴ
ｏｒｒの場合、基板の下部電極２０からの浮上りを防止
するための必要静電吸着力は約１．３ｇ／ｃＪであり、
従って、これより吸着部の面積は、基板の裏面面積の約
１１５に選定される。なお、本例は一例であり、吸着部
の面積を基板裏面のほぼ全面まで大きくとすれば、それ
に応じて静電吸着力を小さくできることは言うまでもな
い。

上記のように構成された第１図ないし第３図のドライエ
ツチング装置で、基板５０は、公知の搬送装置（図示省
略）により真空処理室１０に搬入された後に、その裏面
外周辺部を絶縁物６０と対応させて下部電極２０に載置
される。下部電極２０への基板５０の載置完了後、処理
ガス供給装置から導管を経てガス流通路に供給された処
理ガスは、ガス流通路を流通した後に上部電極４０のガ
ス放出孔より放電空間３０に放出される。真空処理室１
０内の圧力調整後、下部電極２０には高周波電源１０１
より高周波電力が印加され、下部電極２０と上部電極４
０との間にグロー放電が生じる。このグロー放電により
放電空間３０にある処理ガスはプラズマ化され、このプ
ラズマにより基板５０のエツチング処理が開始される。

また、これと共に下部電極２０には、直流電源１０３よ
り直流電圧が印加される。基ＦｉＳＯのプラズマによる
エツチング処理の開始により、このプラズマ処理プロセ
スによって生じるセルフバイアス電圧と直流電源１０３
によって下部電極２０に印加される直流電圧とにより、
基板５０は下部電極２０に静電吸着されて実質的に密着
し、固定される。その後、溝２１ａ　、　２１ｂには、
ガス源よりＭ　Ｆ　Ｃ７１及びガス供給路２３ａを順次
介して伝熱ガス、例えば、ＧＨｅが供給される。これに
より、実質的に密着している基板裏面と下部電極２０と
の微小な間隙の全域にわたってに、溝２１ａ　、　２１
ｂからＧ１１ｅが供給される。このとき、ＧＨｅは、Ｍ
ＦＣ７１と調整バルブ７２との操作によりガス量を制御
されて供給され、場合によっては、基板裏面と下部電極
２０、詳しくは絶縁物６０との間隙にＧＨｅを封じ込め
た使用も可能である。これにより、冷媒流路２２を流通
する冷媒、例えば、水や低温液化ガス等で冷却されてい
る下部電極２０と基板５０との熱抵抗は、基板裏面の全
域にわたって均一に減少させられ、基板５０は効果的、
すなわち、均一に且つ効率良く冷却される。

言い替えれば、基板裏面の略全面が吸着保持されること
により効果的に基板の冷却が行なえる。その後、エツチ
ングの終了に近づくと、溝２１ａ　、　２１ｂへのＧＨ
ｅの供給は停止され、エツチングの終了に伴って、放電
空間３０への処理ガスの供給と、下部電極２０への直流
電圧および高周波電力の印加が停止される。その後、引
続き基板５ｏに生じている静電吸着力は解除、この場合
、電気的に電極上板２６と同電位に保たれたピン１１３
が基板５０に当接することによって静電気の除去が行わ
れ、ピン１１３の作動により基板５０は下部電極２０上
より除去される。その後、基板５０は、公知の搬送装置
により真空処理室１０外へ搬出される。また、静電気の
除去については、直流電圧の印加を停止した後に、高周
波電力の印加を停止することによっても行うことができ
る。

以上１本実施例によれば、次のような効果が得られる。

（１）従来のように基板を外周辺だけ下部電極に押圧し
て固定するのでなく、広い面積にわたって静電吸着によ
り実質的に密着固定できるため、伝熱ガスであるＧＨｅ
のガス圧による基板の変形を防止でき、下部電極に固定
された基板の裏面と下部電極との間隙量の増大を抑制で
きる。従って、基板と下部電極との間の熱伝導特性の悪
化を防止でき、基板を効果的に冷却できる。

（２）少なくとも基板の裏面の外周辺を吸着しているの
で、伝熱ガスであるＧａ１ｅは吸着部で真空処理室内へ
の流出を抑制させるため、Ｇ１１ｅのプロセスに与える
影響は少なくなり、全てのプロセスに使用することがで
きる。

（３）静電吸着によって基板と下部電極との接触面積を
増加させて熱抵抗を減少させる従来の技術と比較すると
１本実施例では、静電吸着力の大きさはＧＨｅの圧力と
真空処理室内の圧力との圧力差による基板の浮上りを防
止するのに必要な大きさで良＜、ＧＨｅの圧力とプラズ
マの圧力との差圧を、基板の裏面と下部電極との間の熱
抵抗の許す範囲で小さくすることにより静電吸着力を小
さくしても基板冷却の効果が十分得られる。

（４）静電吸着力が小さいため、基板の下部電極からの
離脱が容易となり、エツチング処理が終了した基板の搬
送時間を短縮できると共に、基板の損傷を防止できる。

（５）静電吸着力が小さくてよいため、基板に与えられ
る電位差は小さく基板内の素子に対するダメージを小さ
くできる。したがって、薄いゲート膜の微細加工でも歩
留まりを悪化させる心配がない。

（６）基板を機械的クランプ手段によらず静電吸着力に
よって下部電極に固定しているため、基板内の素子製作
面積の減少を防止できると共に。

プラズマの均一性を良好に保持でき、また、下部電極へ
の基板の載置時並びに下部電極からの基板の除去時に塵
埃が発生する危険性がなく、更に、基板搬送を容易化で
き、その結果、装置の大型化を抑制できると共に信頼性
を向上できる。

第４図は１本発明を実施したドライエツチング装置の他
の例を示すもので、真空処理室１０の頂壁と上部電極４
０には、真空処理室１０外部と放電空間３０とを連通し
て光路１２０が形成されている。光路１２０の真空処理
室ＩＯ外部側には、透光窓１２１が気密に設けられてい
る。透光窓１２１と対応する真空処理室１０外部には、
温度計測手段１例えば、赤外線温度計１２２が設けられ
ている。赤外線温度計１２２の出力はアンプ１２３を介
してプロセス制御用コンピュータ１２４に入力され、プ
ロセス制御用コンピュータ１２４により演算された指令
信号がＭＦＣ７１に入力されるようになっている。なお
、その他。

第１図と同−装置等は、同一符号で示し説明を省略する
。

本実施例によれば、更に次のような効果が得られる。

（１）基板の温度を計測しなからＧＨｅの供給量を調整
、すなわち、ＧＨｅを供給するＭＦＣをプロセス制御コ
ンピュータと結合し、あらかじめ求めた基板の温度とＧ
Ｈａの供給量との間の関係からＧＨｅの供給量を制御す
ることにより、基板の温度を一定の温度に保持できる。

このような制御は、ＡＱ−Ｃｕ−８ｉ材のドライエツチ
ングの際に特に有効であり、ホトレジストがダメージを
受けない範囲の高い温度に制御して被エツチング材の残
渣を減少させることができる。

（２）プラズマの圧力が高い場合には、エツチング速度
が基板の温度上昇に伴って増加するプロセスもあり、こ
のような場合には、基板の温度があらかじめ設定した一
定温度を超えた場合に、Ｇｌｅｅを流して冷却効果を上
げホトレジストのダメージを防止しながらエツチング時
間の短縮を図ることができる。

以上説明した実施例では、基板の吸着に静電吸着力を用
いているが、プラズマガスの圧力が高いプロセスにおい
ては真空吸着力を用いることも可能である。また、絶縁
物下面に正極と負極とを交互に並べて配置し静電吸着力
を基板に付与するようにしても良い。また、下地の材料
が露出し始めてから更にオーバーエツチングを行うよう
な場合は、下地の材料が露出し始めた時点でＧ）Ｉｓの
供給を停止し下部電極に直流電圧を逆印加するようにす
る。このようにすれば、エツチング終了時点での基板に
残留する静電力を更に減少させることができるため、基
板搬出時に基板を損傷させることがなく、基板搬出に要
する時間を短縮することができる。但し、この場合は、
エツチング中の基板の温度をオーバーエツチング時の温
度上昇分だけ下げておくよう制御してやる必要がある。

また、伝熱ガスとしてＧＨｅの他に水素ガス、ネオンガ
ス等の熱伝導性の良いガスを用いても良い。

なお、本発明は、その他の冷却される基板台に配置保持
されて真空処理される試料の温度を制御するのに同様の
効果を有する。

〔発明の効果〕

本発明は、以上説明したように、試料台とプラズマ処理
される試料の裏面との間の電気絶縁材を介して、試料台
と試料とに電荷を蓄積して試料を試料台に密着保持させ
、密着保持された試料の裏面と試料台との間に伝熱ガス
を供給することにより、伝熱ガスのガス圧による試料の
変形を防止して吸着保持された試料の裏面と試料台との
間隙量の増大を抑制でき、真空処理される試料の温度を
効果的に制御できると共に、伝熱ガスの真空処理室内へ
の流出を抑制でき、プロセスに与える伝熱ガスの影響を
少なくできるという効果がある。

【図面の簡単な説明】

第１図は本発明を実施したドライエツチング装置の一例
を示す構成図、第２図は第１図の下部電極の詳細平面図
、第３図は第２図のＡ−Ａ挽断面図、第４図は本発明を
実施したドライエツチング装置の他の例を示す構成図で
ある。 １０・・・・真空処理室、２０・・・・下部電極、２１
＋　２１ａ。 才１図

Claims (1)

1. 【特許請求の範囲】 １、試料台とプラズマ処理される試料の裏面との間の電
   気絶縁材を介して、前記試料台と前記試料とに電荷を蓄
   積して前記試料を前記試料台に密着保持させ、該密着保
   持された前記試料の裏面と前記試料台との間に伝熱ガス
   を供給することを特徴とする試料の温度制御方法。 ２、前記伝熱ガスは、前記試料台に設けられる分散溝に
   より、前記吸着保持された前記試料の裏面と前記試料台
   との間隙に分散供給される特許請求の範囲第１項記載の
   試料の温度制御方法。 ３、前記試料の吸着は、前記試料の裏面の少なくとも外
   周辺を吸着保持する特許請求の範囲第１項記載の試料の
   温度制御方法。 ４、試料台とプラズマ処理される試料の裏面との間に電
   気絶縁材を設け、該電気絶縁材を介して前記試料台と前
   記試料とに電荷を蓄積して前記試料を前記試料台に密着
   保持させる手段と、該密着保持された前記試料の裏面と
   前記試料台との間に伝熱ガスを供給する手段とを具備し
   たことを特徴とする試料の温度制御装置。 ５、前記密着保持手段を、前記試料台が接続された直流
   電源と前記プラズマを生成する手段とで構成し、前記伝
   熱ガス供給手段が、前記試料台並びに電気絶縁材を貫通
   し、かつ、前記試料の裏面に向かって開口する前記伝熱
   ガスの供給路を有した特許請求の範囲第４項記載の試料
   の温度制御装置。 ６、前記電気絶縁材は、前記伝熱ガスの分散用溝を有す
   る特許請求の範囲第４項記載の試料の温度制御装置。 ７、前記分散用溝の深さは、前記伝熱ガスの平均自由行
   路長以下とする特許請求の範囲第６項記載の試料の温度
   制御装置。 ８、前記電気絶縁材は、前記試料台の金属面に絶縁膜を
   コーティングして成る特許請求の範囲第４項記載の試料
   の温度制御装置。