JPH03162592A - 試料保持装置 - 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】 髪菓とユ祉里公里 本発明はプラズマエッチング装置やプラズマ気相成長（
Ｃｈｅｍｉｃａｌ　Ｖａｐｏｒ　Ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ
　：　Ｃ　Ｖ　Ｄ　）装置等の半導体製造装置などに内
装される試料保持装置に関する． 進ｍ術 半導体製造過程におけるエッチング工程や薄膜形成工程
においては、試料台に試料を確実に密着させて試料を所
望温度に制御し、かつ所定の高周波電力を確実に印加し
てエッチングや薄膜形成を行なう必要がある． これら要件を満たす試料保持装置として、近年、静電チ
ャック方式を採用した試料保持装置の開発がなされ、普
及してきている． 第６図は従来から使用されているこの種の試料保持装置
の概略を示した断面図である。

該試料保持装置は、基台５１に温度制御板５２が載置さ
れ、この温度制御板５２に試料台５３が載置され、この
試料台５３はその周囲に配設された金属製の試料台押え
５４により温度制御板５２側に固定されている．また、
温度制御板５２及び試料台押え５４は電気的に接地（ア
ース）されている。また、試料台押え５４上には石英板
５５が載置され、試料台押え５４の上面がプラズマで叩
打されるのを防止している。

試料台５３は、電極５７（導電部材）に絶縁膜５６が被
覆されて構成されており、電極５７は電極捧５８を介し
て直流電源及び高周波電源（共に図示せず）に接続され
ている． このように構成された試料保持装置が、半導体製造装置
、例えばプラズマ装置に内装された場合においては、電
極捧５８を介して電極５７に直流電圧が印加され、かつ
試料台５３上の試料５９にプラズマが照射されると、電
極５７は正（又は負）に帯電する一方，試料５９はプラ
ズマを介して電気的に接地される．そして、試料５９と
試料台５３との間には静電容量が発生し、この静電容量
による吸着作用により試料５９が試料台５３に保持され
る．そしてさらに、電極５７に高周波が印加されること
により、試料５９にはバイアス電圧が励起されてその表
面が負に帯電し、プラズマイオンが吸引されて試料５９
の表面へのエッチングあるいは薄膜形成がなされる。

また、温度制御板５２内には、冷媒が矢印Ｘ方向から流
入して矢印Ｙ方向に流出するように流路６０が形成され
ている。すなわち、半導体製造過程におけるエッチング
工程や薄膜形成工程においては高温状態となるため、冷
媒によって試料５９を冷却し、温度を制御する必要があ
る．明が７冫しようとする３！！！♀ 上記試料保持装置においては、高周波が電極５７に印加
された場合、温度制御板５２に比べて抵抗の低い試料５
９側に主として負荷されて試料表面にバイアス電圧が励
起されるが、温度制！Ｉｌ板５２が電極５７と距離的に
近いため高周波電力の一部は温度制御板５２にも負荷さ
れる．そしてこの温度制御板５２に負荷された高周波電
力はこの温度制御板５２からアース側に逃げ、電力損失
を生じるという欠点があった。

試料５９に励起されるバイアス電圧は、試料台５３を構
成する絶縁１１Ｉ５６の膜厚に依存することが知られて
いる。すなわち、絶縁Ｉ！！５６の膜厚が厚い場合にお
いては、試料５９に励起されるバイアス電圧は低くなり
，温度制御板５２からアースに逃げる電力が多くなる．
一方、絶縁膜５６の膜厚が薄い場合においては、試料５
９に励起されるバイアス電圧は高くなり、前記アースに
流れる電力が少なくなる． 半導体製造過程において，所望のエッチングあるいは薄
膜形成を行なうためには試料５９に励起されるバイアス
電圧が装置間で差異のないことが要求される． しかし、上記従来の試料保持装置においては、装置間に
おいて絶縁膜５５の厚さにバラッキが生じるのを防止す
ることはできなかった。すなわち、試料台５３において
、絶縁１１ｉ５６は一般に模厚が数１００ｕｍ程度のＡ
βｇｏ３及びその他不純物で形成されているが、その膜
厚の厚さには±２０％程度のバラッキが生じる．そして
、膜厚の均一化された試料台５３を形成することは生産
技術的に困難であるため、同一条件にてエッチングある
いは薄膜形成を行なった場合、製品間にバラッキが生じ
るという課題があった． さらに、上記従来の試料保持装置においては、金属製の
試料台押え５４が試料台５３の周囲に配設されているた
め、試料台押え５４の側面がプラズマに叩打され、金属
汚染の発生原因になる虞があるという課題があった。

また、試料台押え５４を設けているため、構造が複雑で
あり，部品点数ら多くなるという課題があった． 本発明はこのような課題に鑑み発明されたちのであって
、構造が簡易で、装置間における試料の保持機能に差異
がなく、しかも効率よく試料を保持することができる試
料保持装置を提供することを目的としている． 課ｇ　　♀゜するための　１ 上記目的を達成するために本発明に係る試料保持装置は
、高周波が印加される導電部材に絶縁膜が被覆された試
料台と、該試料台が截置される温度制御板とを備え、該
温度制御板がアースから電気的に絶縁されていることを
特徴としている。

尚、ここで「アースから電気的に絶縁されている」とは
、絶縁抵抗値がｌｋΩ以上の場合をいう。

また、上記試料保持装置において、さらに温度制御板と
試料台との間に絶縁部材が介装されていることを特徴と
している。

毘里 上記構成によれば、温度制御板がアースから電気的に絶
縁されているので、試料台が載置される温度制御板は電
気的に浮遊することとなる。したがって、導電部材に高
周波が印加された場合、前記温度制御板は、前記導電部
材と同様、電極としての作用をなし、高周波電力の一部
がアース側に逃げるのを防止することができる。

また、温度制御板が電極としての作用をなすため、該温
度制御板にも高周波電力が印加される。

すなわち、試料が載置される試料台の上面以外の部分に
も高周波電力が印加されることとなり、電力損失が生じ
る． しかし、温度制御板と試料台との間に絶縁部材が介装さ
れることにより、温度制御板への高周波電力の印加が抑
制され、ほぼすべての高周波電力が試料台の上面に印加
される． ！施適 以下、本発明に係る実施例を図面に基づき詳説する． 第２図は本発明に係る試料保持装置が内装されたプラズ
マ装置としての電子サイクロトロン共鳴（旦１ｅｃｔｒ
ｏｎ　Ｃｙｃｌｏｔｒｏｎ　！！ｅｓｏｎａｎｃｅ　；
　Ｅ　Ｃ　Ｒ　）プラズマエッチング装置を模式的に示
した断面図である。

このＥＣＲプラズマエッチング装置は、プラズマ生成室
ｌと、このプラズマ生成室ｌの下部に接続された試料室
２と，プラズマ生成室１の上方にあってマイクロ波をプ
ラズマ生成室ｌに導入するマイクロ波導波管３と、プラ
ズマ生成室１の周囲にあってこのプラズマ生成室１と同
心状に配設された励磁コイル４と、試料室２に内装され
る試料保持装置５等とから構成されている。

プラズマ生成室ｌは、略円柱形状に形成され、その上部
壁には第１のガス導入管６が接続されると共にマイクロ
波を導入するための導入口７が形成されている． 試料室２は、プラズマ生成室ｌより６大口径を有すると
共に、その側壁には第２のガス導入管８が接続され、ま
たプラズマ生成室ｌとは仕切板１０によって仕切られ、
この仕切板１０にはプラズマ引出窓９が形成されている
。また、試料室２の下方には排気口２３が形成されて図
示省略の排気系に接続されている． マイクロ波導波管３は、断面形状矩形に形成され、石英
製のマイクロ波導入窓１１を介してプラズマ生成室１に
接続されている． 励磁コイル４は、直流電流が供給されると所定の磁場を
発生する．すなわち、直流電流が励磁コイル４に供給さ
れると、マイクロ波発振器（図示せず）からプラズマ生
成室１に導入されるマイクロ波の角周波数ωと電子サイ
クロトロンの角周波数ω。とが等しくなるような磁場が
形成され、電子は共鳴運動を行なう。この共鳴を起こさ
せるための条件、すなわち、ＥＣＲ条件は、次式で示さ
れる． ω＝ω。＝　ｅ　Ｂ　／　ｍ・・・・・・・・・■ここ
で、ｅは電子の電荷（＝１．６Ｘ１０−”Ｃ）．Ｂは磁
束密度（Ｔ）．ｍは電子の質量（９．Ｉ　Ｘ　１　０−
”　ｋｇ）である。本実施例では、マイクロ波の角周波
数ωは、２．４５ＧＨｚに設定されており、前記■式よ
りＥＣＲ条件を満たすｍ束密度Ｂは８．７５ＸｌＯ−”
Ｔである。

試料保持装置５は、第１図に示したように、平面視円形
形状に形成された基台ｌ２に、第１の絶縁シー１−１３
、温度制御板ｌ４、伝導シ一トｌ５、第２の絶縁シ一ト
１６　（絶縁部材）、試料台ｌ７が順次載置されて構成
されている。

第ｌの絶縁シート１３は、温度制御板１４をアースから
電気的に絶縁するために介装されたちのであって、フッ
素樹脂等の耐真空性、耐熱性を有する絶縁材料で形成さ
れている。本実施例ではこの第１の絶縁シ一ト１３は、
厚さｔ，が１０ｍｍに設定されているが特に限定される
ちのではない。

温度制御板１４は、試料台ｌ７の濡度を制御するための
ちのであって、冷媒の流路１８が形成されている。そし
て，水等の冷媒が矢印八方向から？台１２及び第１の絶
縁シ一トｌ３に貫設された孔を介して流路ｌ８内を循環
し、矢印Ｂ方向に流出するように構成されている。

伝導シ一ト１５は試料台１７への冷却効果を高めるため
のものであって、厚さ０．５ｍｍのインジウムシ一トが
使用されている． 第２の絶縁シート１６は温度制御板ｌ４への高周波の印
加を抑制するためのちのであって、フッ素樹脂等の耐真
空性、耐熱性の絶縁材料で形成されている．ここで第２
の絶縁シート１６の厚さｔ２としては、１ｍｍ〜２ｍｍ
程度が好ましく、本実施例では厚さｔ■は２ｍｍに設定
されている．この第２の絶縁シ一ト１６の厚さｔ２が薄
すぎると充分な絶縁効果が得られず、一方この第２の絶
縁シ一ト１６の厚さｔ２が厚すぎると温度制御板ｌ４か
らの冷却効果が充分に得られないため、第２の絶縁シー
トｌ６の厚さｔ２は上記した程度が好ましい． また、試料台１７は、Ａｆｆ等で形成された電極１９［
導電部材）と、この電極１９を被覆するＡ　ｆｆ　２　
０　３等で形成された絶縁膜２０とから構成されており
、電極１９には電極ＰＪ２１が接続されている。そして
、この電極棒２ｌは、第２の絶縁シ一トｌ６、温度制御
板１４等を貫通して図示省略の直流電源及び高周波電源
に接続され、試料台１７は第２の絶縁シート１６上に固
定されている。尚、２２は絶縁筒であって、電極棒２１
と温度制御板１４等との電気的接触を防止している。

上記試料保持装置を具備したＥＣＲプラズマエッチング
装置においては、以下の如く試料台１７に載置された試
料２４へのエッチングがなされる（第２図参照）。

まず、Ｃｆｆ．．Ｂ（１．等のエッチングガス及びＮｚ
．Ｏｚ．Ｈｅ等のキャリアガスを第１のガス導入管６又
は第２のガス導入管８からそれぞれプラズマ生成室ｌ又
は試料室２に導入した後、これらプラズマ生成室１及び
試料室２を所定圧力（４Ｘ１０″″”Ｔｏｒｒ）に設定
し、マイクロ波（周波数２．４５ＧＨｚ）をマイクロ波
導波管３からプラズマ生成室１に導入する．そして、励
田コイル４に直流電流を供給してＥＣＲ条件を満足する
所定の磁場を発生させ、ＥＣＲ励起によりプラズマ２５
を生成する，生成したプラズマ２５は、孔９（プラズマ
引出窓）を通過し、発散磁界により矢印Ｃ方向に加速さ
れて試料室２内に導かれる．一方、試料台１７の電極１
９に直流電圧が印加されると、試料２４はプラズマ２５
を介して接地される一方、電極１９は正（又は負）に帯
電し、試料２４の裏面と電極ｌ９との間には一定の静電
容量を有するコンデンサが形成され、試料２４は試料台
ｌ７の上面に吸着され保持される．そしてさらに、電極
ｌ９に高周波が印加されると、この高周波及びプラズマ
の作用により試料２４の表面側には負のバイアスが励起
され、試料表面には所定の強度を有する電界が形成され
る。

そして、プラズマ２５は試料２４に吸引されてこの試料
２４に所定のエッチングが施される。

上記試料保持装置５においては、温度制御板ｌ４と基台
ｌ２との間に第１の絶縁シ一トｌ３が介装されているの
で、温度制御板ｌ４はこの温度制御板１４内の流路１８
を循環する冷媒の絶縁抵抗値と同程度の絶縁抵抗値でも
って絶縁される．すなわち、濃度制御板１４には流路ｌ
８内を冷媒が循環しているため、温度制御板ｌ４は冷媒
と同程度の絶縁性でもって電気的に絶縁される。

一方、前記冷媒の絶縁抵抗値はＩＭΩ以上を有し（純水
の場合、２〜３ＭΩ）、プラズマの絶縁抵抗値である１
ｋΩより大きい。したがって、高周波が電極ｌ９に印加
されると、高周波電力は温度制御板１４にも印加される
もののこの温度制ＩＩＩ板ｌ４からアースに逃げること
なく、抵抗の低い試料２４側にバイアス電圧が励起され
、装置間に差異のない均一な電界強度が試料２４上に形
成される。すなわち、温度制御板ｌ４は電極ｌ９と同様
の作用をなし、試料２４には装置間に差異のないバイア
ス電圧が励起される。

第３図（ａ）（ｂ）は複数個の試料台Ａ−Ｃについて高
周波を電極ｌ９に印加した場合において，試料２４の自
己バイアス電圧（Ｖ）と高周波電力（Ｗ）との相関関係
を示した特性図であって、？３図（ａ）は本発明の特性
図を示し、第３図（ｂ）は従来例（第６図参照）の特性
図を示している。自己バイアス電圧は、試料２４として
の八β板を試料台ｌ７に載置し、高周波を電極１９に印
加して測定した．また、第１のガス導入管６から２　０
　０　ＳＣＣＵのＣ２■ガスを、またマイクロ波導波管
３から出力ｓｏｏｗのマイクロ波をそれぞれプラズマ生
成室１に導入してプラズマ２５を生成した．尚、試料２
４とプラズマ引出窓９との間の距離は１６０ｍｍであっ
た． 第３図（ａ）（ｂ）から明らかなように、従来例におい
ては高周波電力（Ｗ）に対する自己バイアス電圧（Ｖ）
は試料台Ａ−Ｃでｉｏ〜２０Ｖ程度のバラツキが存在す
るのに対し、本発明は高周波電力に対する自己バイアス
電圧は試料台Ａ−Ｃ間でバラツキが生じず、試料保持装
置の信頼性が向上している。

また、上記試料保持装置は、試料台ｌ７と温度制御板１
４との間に第２の絶縁シート１６が介装されているので
、試料台ｌ７の周辺部（図中、２６で示す）への高周波
電力の印加が抑制され、高周波の電力損失を抑制するこ
とができる．すなわち、試料２４の表面上には高密度の
電界強度が形成されることとなる． 第４図は、上述と同様，試料２４としてＡＩ２板を使用
し、第２の絶縁シート１６による効果を測定した結果で
ある．図中、実線が本発明に係る場合を示し、破線は第
２の絶縁シ一ト１６が介装されていない従来例に係る場
合を示している．この第４図から明らかなように、本発
明のものは従来例の６のに比べて試料２４に励起される
バイアス電圧が増加し、高密度の電界強度が形成されて
いることが判る． 第５図（ａ）（ｂ）（ｃ’）は試料２４にエッチングを
施した場合のエッチング状態を示したものであって、試
料２４としてＳｉ基板２７にＳｉＯ２膜２８、Ａｆｌ合
金２９が順次積層形成され、さらにこのＡＩ２合金２９
に所定パターンのレジスト３０が塗布されたちのが使用
されている．図中、第４図（ａ）はエッチング前の試料
２４を示し、第４図（ｂ）は本発明に係る試料保持装置
を使用してエッチングを施した場合を示し、第４図（ｃ
）は従来例（第６図参照）に係る試料台５３に試料２４
を載置してエッチングを施した場合を示している．また
、第１のガス導入管６から２００　ＳＣＣＭのＣβ２ガ
スを、マイクロ波導波管３から出力９００Ｗのマイクロ
波をそれぞれプラズマ生成室１に導入してプラズマを生
成した。尚、高周波電源の出力は３５０Ｗに設定した． この第５図（ｂ）（ｃ）から明らかなように、従来例に
係る場合、高周波の電力損失が大きいため、試料２４上
に形成される電界強度が弱く、Ａｇ合金２９にはレジス
ト３０が多く残っている。また、プラズマイオンの指向
性も弱いため，Ａε合金２９は逆テーパ状にエッチング
されている。これに対し本発明に係る試料保持装置を使
用した場合、試料２４には充分なバイアス電圧が励起さ
れているため、鋭くエッチングされている．また、上記
試料保持装置においては、従来例（第６図参照）におけ
る試料台押λ５４を省略することが可能となり、装置の
簡略化を図ることができる． 尚、本発明は上記実施例に限定されるものではなく要旨
を逸脱しない範囲において変更可能である。例えば、第
１及び第２の絶縁シ一トｌ３、１６に使用する材料とし
ては、耐真空性、耐熱性を有する６のであればよく、フ
ッ素樹脂の他、ポリイミドやシリコンゴムあるいはセラ
ミック板も使用可能である． また、上記実施例においては，温度制御板により試料が
冷却される場合について説明したが、温度制御板にヒー
タを埋設して試料を加熱することにより試料の温度制御
を行なう場合にも同様に適用できる。すなわち、この場
合において６温度制御板の絶縁抵抗は冷媒の場合と同様
ＬＭΩ以上を有するため、温度制御板の絶縁抵抗値はプ
ラズマの絶縁抵抗値（約１ｋΩ）より６高く、所期の目
的を達成することができる。

また、本発明に係る試料保持装置は、プラズマＣＶＤ装
置を使用して試料表面に薄膜を形成する場合にち同様に
適用することができる．及亘立並玉 以上詳述したように本発明に係る試料保持装置は、高周
波が印加される導電部材に絶縁膜が被覆された試料台と
、該試料台が載置される温度制御板とを備え、該温度制
御板がアースから電気的に絶縁されているので、温度制
御板はアースから電気的に浮遊されている．つまり、温
度制御板は電極と同様の作用をなすこととなり、温度制
御板に高周波が印加されて６高周波電力はアースに逃げ
ることはなくなり、試料側のバイアス電圧は装置間に差
異のない均一的なちのとなる．したがって、試料表面上
に形成される電界強度は、装置間における差異がなくな
り、所望のエッチングや薄膜形成を施すことが可能とな
り、信頼性の向上した半導体デバイスを得ることができ
る。

また、上記試料保持装置に加えて、さらに温度制御板と
試料台との間に絶縁部材が介装されることにより、温度
制御板に印加される高周波電力が抑制されると共に、試
料表面上に励起されるバイアス電圧が増加し、試料表面
上の電界密度が高くなり、効率よくエッチング及び薄膜
形成を行なうことができ、省エネルギ化を図ることがで
きる。

さらには、従来から使用されている試料押えを省略する
ことが可能となり、構造が簡略化され、コストダウンを
図ることができる。

【図面の簡単な説明】

第ｉ図は本発明に係る試料保持装置の一実施例を示す断
面図、第２図は本発明に係る試料保持装置が内装された
ＥＣＲプラズマエッチング装置の概略断面図、第３図（
ａ）（ｂ）は複数個の試料台について高周波電源の出力
と試料の自己バイアス電圧を示した特性図であって，第
３図（ａ）は本発明に係る特性図、第３図（ｂ）は従来
例に係る特性図、第４図は第２の絶縁シートの効果をみ
るための高周波電源の出力と試料の自己バイアス電圧と
の相関関係を示した特性図、第５図（ａ）（ｂ）（ｃ）
はエッチング形状の模式図であって、第５図（ａ）はエ
ッチング前の試料を示した断面図，第５図（ｂ）は本発
明に係る試料保持装置を使用してエッチングした場合の
試料の断面図、第５図（ｃ）は従来例に係るちのを使用
してエッチングした場合の試料の断面図、第６図は従来
例の試料保持装置の概略断面図である。 ｌ４・・・温度制御板、１６・・・第２の絶縁シート（
絶縁部材）、１７・・・試料台、ｌ９・・・電極（導電
部材），２０・・・絶縁膜．

Claims (2)

【特許請求の範囲】
1. （１）高周波電源が印加される導電部材に絶縁膜が被覆
   された試料台と、該試料台が載置される温度制御板とを
   備え、該温度制御板がアースから電気的に絶縁されてい
   ることを特徴とする試料保持装置。
2. （２）温度制御板と試料台との間に絶縁部材が介装され
   ていることを特徴とする請求項１記載の試料保持装置。